JP2003211384A - 螺子締結作業用のロボットハンド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 剛性が十分に大きくない卓上ロボットのよう
なシステムによって螺子締結作業を行なう場合に、螺子
締結トルクによってロボット本体の一部が弾性変形をし
て、確実な螺子締結が不可能になるのを防止する。 【解決手段】 ナット（雌螺子部）１４に嵌合して回転
駆動するソケット１３の回転駆動部１１がプレート（支
持手段）９によって支持される。プレート９は、ロボッ
ト本体の出力端部であるフランジ７に対して衝撃緩和材
１０を介して連結される。ボルト（雄螺子部）１８を保
持するパレット（保持手段）１６は、遊隙のある緩やか
な取付手段１７を介してロボット本体のロボットベース
１に取り付けられる。プレート９とパレット１６の間に
ノックピン２０と円筒２１からなる相対回転阻止機構２
２が設けられる。回転駆動部１１の発生するトルクは相
対回転阻止機構２２を介してプレート９へ戻り、ロボッ
トハンド８内で閉じる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高負荷作業用のロ
ボットハンドに係り、特に、小型の卓上ロボットを使用
して組立作業を行なう場合に、組立作業に付帯する高負
荷の螺子締結作業を可能にするロボットハンドに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】第１の従来技術として、特開平７−１７
１６４３号公報に、ロボットハンドのフレームに支持さ
れたエアシリンダによってハンマーを駆動することによ
り、予め目的の形状に沿って切り欠きを形成された厚い
鋼板の一部を打撃することによって鋼板の目的部分を打
ち抜く場合に、打撃の効果を高めて打撃回数を少なくす
ると共に、ハンマーの打撃によって発生する反力がロボ
ットハンドを支持しているロボットアームに伝わるのを
防止するために、鋼板を吸着することができる電磁石を
使用してロボットハンドのフレームを鋼板に固定すると
共に、このフレームをロボットアームに接続する部分に
緩衝用のばねを装着した産業ロボット用ハンドが記載さ
れている。

【０００３】更に、第２の従来技術として、特開２００
０−２９６４２１号公報には、プラズマ加工やレーザー
加工を行なうライン上で、ロボットアームによって支持
されたドリルによる穴明けのような機械加工をも同時に
行なうことができるように、ロボットアームの先端に支
持された取り付けベースに、機械加工のための加工ツー
ルの他に保持ツールを取り付けて、保持ツールによって
ワークを保持することにより、加工力の反力をワークと
共に保持ツールにより受けることによって高精度の機械
加工を可能にするシステムが記載されている。この場合
の保持ツールの例として、ワークに吸着する電磁石や真
空吸引装置、或いは、機械的にワークに係合するフック
機構を使用することができると記載されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述の第１の従来技術
はハンマーの打撃による鋼板の打ち抜き加工に関するも
のであり、第２の従来技術はドリルによる鋼板の穿孔を
例示していることから、開示されたこれらの従来技術は
いずれも穴開け加工に関するものと言うことができる。
従って、当然のことながら、穴開け加工とは全く異なる
作業である螺子締結作業を行なうロボットハンドにこれ
らの従来技術を適用しても、螺子締めによって発生する
トルクと反作用トルクをロボットハンドの内部で相殺し
て、ロボットアームやロボットベース等にトルクが伝達
されるのを防止するようなことはできない。螺子締めに
よって発生する大きいトルクをロボットハンドの内部で
相殺することができない場合には、トルクがロボット本
体の構造部分に伝達されることによってそれらの部分を
弾性変形させるので、本体構造の剛性が低い場合にはロ
ボットハンドの位置を正確に制御することができなくな
る。

【０００５】一般的に言って螺子締結作業は高負荷作業
の一つであるから、螺子締結作業による大きいトルクが
ロボット本体に伝達されてもロボットハンドの位置制御
に支障がないようにするためには、きわめて剛性の高い
ロボットアームやロボットベース等を有する大型のロボ
ットシステムを使用することが必要になる。従って、自
動車部品の組立作業を行なっている卓上ロボットのよう
な小型のロボットシステムによって、部品の組立作業に
併せて螺子締結作業を行なうような場合には、螺子締結
作業によるトルクがロボットアーム等の剛性の低い部分
に作用してその部分を弾性変形させるために、ロボット
ハンドの位置決めの精度が低下することから、剛性の低
いロボットシステムによって螺子締結作業を組立工程等
の付帯作業として確実に行なうことは一般に不可能であ
る。

【０００６】また、前述の２つの従来技術においてはワ
ークの保持のために主として電磁石による吸着作用を利
用しているが、ワークが自動車部品としてよく使用され
る非磁性体の金属材料や樹脂材料である場合には電磁石
によるワークの保持手段は無効であるから、この意味で
も前述の従来技術を一般的に螺子締結作業に適用するこ
とは不可能であると言える。

【０００７】このような理由から、本発明は、例えば、
卓上ロボットのように剛性の低いロボットアームやロボ
ットベースを有する小規模のロボットシステムを使用し
て、部品の組立を行なうような工程における付帯作業と
して螺子締結作業を行なう場合に、ロボットアームやロ
ボットベース等を含むロボットシステム全体の剛性を高
めなくても、螺子締結作業によって発生する大きいトル
ク或いは反作用トルクがロボット側へ伝達されないよう
に構成することによって、ロボットハンドの位置制御の
精度を高く維持して、確実に螺子締結を行なうことがで
きるような螺子締結作業用のロボットハンドを提供する
ことを目的としている。

【０００８】それによって、本発明は、卓上ロボットの
ような小規模で剛性が高くなく安価なロボットシステム
の利用可能な作業の範囲を、一般的に言って高負荷作業
に属する螺子締結作業にまで広げることを目的としてい
る。本発明はまた、そのような螺子締結作業を行なうロ
ボットハンドにおいて、締結されるボルトやナット等の
螺子部材や、それらを支持するパレット等の材料が磁性
体以外のどのような固体の材料であっても、それらに対
して問題なく使用することができるような、新規な構成
のトルクの相殺手段を提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、この課題を解
決するための手段として、特許請求の範囲の請求項１に
記載された通りの螺子締結作業用のロボットハンドを提
供する。

【００１０】本発明の螺子締結作業用のロボットハンド
は、雄螺子部材と雌螺子部材のいずれか一方を回転駆動
するモーター及び減速機等を含む回転駆動手段と、ロボ
ット本体のフランジのようなロボットアームの末端に連
結されて回転駆動手段を支持する支持手段と、螺着され
る側の螺子部材をロボット本体の所定の靜止位置等に保
持する保持手段と、螺子締結を行なう時期に支持手段と
保持手段とを連結してそれらの間の相対回転を阻止する
相対回転阻止機構とを備えている。

【００１１】従って、回転駆動手段の作動によって螺子
部材の一方が他方に対して螺着される時に作用する螺子
締結トルクは、保持手段から相対回転阻止機構を経て回
転駆動手段の支持手段へ戻るために、トルクの伝達経路
がロボットハンド内で閉じて外部へ漏れ出るトルクの量
が少なくなる結果、ロボット本体の構造部分の剛性が十
分に大きくなくても、ロボットハンドからロボット本体
へ漏れ出るトルクによってロボット本体の一部、例え
ば、ロボットアームや支柱、ロボットベース等が弾性変
形して、ロボットハンドの位置を制御する精度が低下
し、正常な螺子締結が不可能になるという問題が避けら
れる。それによって、小型で剛性が小さい卓上ロボット
等を使用して高負荷の螺子締結作業を行なうことができ
る。

【００１２】本発明において、更に、螺着される側の裸
子部材の保持手段と、それに対向しているロボット本体
の静止部分との間に緩やかな取付手段を設けると、螺子
締結トルクが加えられた時に緩やかな取付手段の遊隙の
範囲内で保持手段が連れ回りをして、トルクの全てを相
対回転阻止機構を経て回転駆動手段の支持手段へ戻すの
で、保持手段からロボット本体側へ漏れ出るトルクの量
は実質的に零になる。従って、前述のような本発明の効
果が最大限に発揮される。

【００１３】本発明において、更に、フランジのような
ロボットアームの末端と、ロボットハンドにおける回転
駆動手段の支持手段との間にゴムやばね等の衝撃緩和手
段を設けると、この衝撃緩和手段によって、螺子締結ト
ルクやその他の負荷力の大きさが急変した時に発生する
慣性トルク或いは慣性力が直接にロボットハンドからロ
ボット本体へ伝達されるのを防止することができる。従
って、ロボット本体の構造部分の剛性が低い場合でも、
衝撃的な慣性トルク或いは慣性力によってロボット本体
の構造部分が弾性変形するのを防止することができるの
で、ロボット本体の制御の精度を高く維持して、確実に
螺子締結作業を実行することができるようになる。

【００１４】

【発明の実施の形態】次に、添付の図面を参照しなが
ら、本発明の好適な実施例について詳細に説明する。図
１は自動車部品の組立工程における付帯作業としての螺
子締結作業に使用するために、本発明を適用した小規模
な卓上ロボットのシステム全体の構成を略示したもの
で、１はロボットシステム全体の基盤としてのロボット
ベースを、２はロボットベース１の両側から垂直に立ち
上がる２本の支柱を、３は２本の支柱２の上端を橋絡す
るように取り付けられている横方向（紙面に対して垂直
な方向）に長い梁状部分３を、４は梁状部分３に沿って
横方向に移動可能な第１アームを、５は第１アーム４と
梁状部分３との間に設けられた横方向の摺動機構５をい
ずれも概括的に示している。

【００１５】第１アーム４から下方に向かって突出して
いるシャフト６は第２アームと言ってもよい部分であっ
て、シャフト６は第１アーム４に対して回転し得るばか
りでなく、その軸線方向に伸縮することによって突出長
さを変化することもできるようになっている。７はロボ
ットの出力端部としてのフランジを示しており、フラン
ジ７は、この実施例における螺子締結作業のためのロボ
ットハンド（概括的に参照符号８によって示す）との接
続部となっている。なお、第１アーム４やシャフト６を
介してフランジ７を作動させるための駆動機構や制御装
置等は、前述のロボットベース１、支柱２、梁状部分
３、或いは第１アーム４及び摺動機構５自体の内部等に
収容されている。

【００１６】図示実施例におけるロボットハンド８は組
立工程における付帯作業としての螺子締結作業を行なう
ためのものであるが、その具体的な構造が図２及び図３
に示されている。概念図であるために僅かに変形されて
いる図１と比較すると図形が一致しない部分もあるが、
対応する部分には同じ参照符号を付している。ロボット
ハンド８はフランジ７に連結されるプレート９を備えて
いるが、図示された実施例の１つの特徴として、プレー
ト９とフランジ７との間には硬質のゴムや金属製のば
ね、或いは弾性のある合成樹脂等からなる衝撃緩和材１
０が介装されている。従って、ロボットハンド８におい
て負荷トルク又は負荷力が大きく変化する場合でも、そ
れによって発生する衝撃的な慣性力を衝撃緩和材１０に
よって緩和して、フランジ７からシャフト６及びロボッ
ト本体の駆動機構等へ衝撃力を直接に伝達することがな
いので、駆動機構等が保護されて、特に剛性が高くなく
ても高い制御の精度を保持することができる。この衝撃
緩和材１０は、例えば、ブロック状のゴムのようなもの
であっても、或いはコイルスプリングのようなものであ
ってもよい。

【００１７】プレート９によって螺子締結作業用の回転
駆動部１１が支持される。図示していないが、回転駆動
部１１の内部にはモーターや減速機等が収容されてい
る。回転駆動部１１から下方に向かって突出している回
転駆動軸１２の末端には、螺子締結作業用のソケット１
３が一体的に形成されているか、或いは別体のものとし
て製作して取り付けられている。この実施例におけるソ
ケット１３は袋形であって、螺子締結作業の際に被駆動
体となるナット（一般的には雌螺子部材）１４と係合す
るために、その形状に合わせて６角形状や１２角形状等
の内面１５を備えている。

【００１８】ロボットベース１の上には板状のパレット
１６が載置される。図示実施例における第２の特徴とし
て、パレット１６をロボットベース１に対して完全には
固定しないで、所定の大きさの可動範囲（遊隙）を残す
ような取付手段、例えばロボットベース１側から突出す
る複数個の突起と、それらの突起を２ｍｍ程度の遊隙を
残して緩やかに受け入れるようにパレット１６の底面に
形成した大き目の穴とによって、緩やかな取付手段１７
を構成して、パレット１６をロボットベース１に緩やか
に係合させている。それによってパレット１６は、ロボ
ットベース１に対して僅かな角度だけ自由に回転するこ
とができるし、後述の相対回転阻止機構が係合する時に
ロボットベース１上で僅かにずれることもできる。

【００１９】パレット１６上の窪みには、前述のナット
（一般的には雌螺子部材）１４が螺着される相手のボル
ト（一般的には雄螺子部材）１８が、パレット１６に対
して回転しないように、しかし着脱容易なように装着さ
れる。図示実施例では、ボルト１８の固定手段として、
パレット１６に形成された複数個の突起１９を示してい
る。これらの突起１９がボルト１８の下面に形成された
複数個の穴に嵌合するようになっている。ワークの一部
であるボルト１８の固定手段としては、この他にも例え
ば、ボルト１８の頭部が６角形状である場合に、その頭
部に嵌合するようにパレット１６側の窪みの形状を６角
形状或いは１２角形状に形成するというような手段をと
ってもよい。

【００２０】図示実施例の第３の特徴として、少なくと
も２本の先が尖ったノックピン２０がプレート９から下
方に向かって突出している。ノックピン２０はパレット
１６上の対応する位置に設けられた円筒（一般的には
穴）２１に挿入され得るようになっている。それによっ
て、ボルト１８及びナット１４に対するソケット１３の
正確な位置決めが行なわれるだけでなく、ソケット１３
を介してナット１４を回転させる回転駆動軸１２の螺子
締結トルクが作用した時に、パレット１６及びボルト１
８の連れ回りが阻止される。なお、位置決め兼相対回転
阻止機構２２として、図示実施例においては２本以上の
ノックピン２０とそれらが係合する円筒２１を用いてい
るが、この他にも例えば、パレット１６側に２本以上の
ノックピン２０を設けると共に、プレート９側に円筒２
１を設けるというように両者を入れ替えたもの等、色々
な変形をとり得る。

【００２１】図示実施例の螺子締結作業のためのロボッ
トシステムはこのように構成されているので、次にその
作動について説明する。図２に示したように、予め別の
ロボットハンドによるか或いは人手によって、ボルト１
８をパレット１６上の所定の位置に載置し、更にナット
１４をボルト１８の上端に係合させた後に、第１アーム
４を梁状部分３上で横方向に摺動させるとか、第２アー
ムであるシャフト６を回転及び伸縮させることにより、
ロボットハンド８の部分をパレット１６上へ移動させた
ところで降下させる。それによってノックピン２０と円
筒２１からなる位置決め兼相対回転阻止機構２２が係合
するので、ソケット１３は自動的に位置決めされて確実
にナット１４と嵌合する。なお、パレット１６のための
取付手段１７には前述のように僅かな遊隙があって、パ
レット１６がロボットベース１上で微動し得るので、円
筒２１に対するノックピン２０の無理のない係合と、ナ
ット１４に対するソケット１３の正確な位置決め及び係
合が容易に行なわれる。このようにしてセットされた状
態が図３に示されている。

【００２２】この状態で回転駆動部１１内の図示しない
モーター及び減速機を回転させて、回転駆動軸１２及び
ソケット１３を介してナット（雌螺子部材）１４を回転
駆動する。それによって、ナット１４は回転しながらボ
ルト（雄螺子部材）１８に螺着され、或いは図示しない
何らかのものをボルト１８に締結する。この際に回転駆
動軸１２がナット１４を回転させることによって、ボル
ト１８とそれを支持しているパレット１６も連れ回りを
しようとするが、パレット１６の取付手段１７において
は突起と穴の内面との間に２ｍｍ程度の遊隙が与えられ
ているため、それらが接触して駆動軸１２のトルクがロ
ボットベース１へ伝達される前に、既に係合している相
対回転阻止機構２２において反作用トルクが発生してパ
レット１６の回転を阻止する。従って、遊隙のためにロ
ボットベース１へトルクが伝達されないので、ロボット
ベース１側、即ちロボット本体側の構造の剛性が低くて
もそれが変形する恐れはない。

【００２３】図１において閉じた破線のループとして示
したように、ボルト１８に対してナット１４を回転させ
る螺子締結トルクは、トルクの発生源である回転駆動部
１１の図示しないモーターの回転軸から、減速機、回転
駆動軸１２、ソケット１３、ナット１４、ボルト１８、
パレット１６、相対回転阻止機構２２の円筒２１及びノ
ックピン２０を経てプレート９へ伝達される。プレート
９は回転駆動部１１、従ってその内部に収容されたモー
ターのハウジングを支持しているため、トルクは図示し
ないモーターへ戻ることになる。このように、トルクの
伝達経路が小さいロボットハンド８の内部でループ状に
閉じているため、ナット１４を締結するトルクや、その
反作用トルクがロボットハンド８の外部へ漏れ出ること
がない。

【００２４】従って、第２アームであるシャフト６が細
いとか、第１アーム４やその支持機構の剛性が小さくて
も、螺子締結トルクの作用によってそれらが弾性変形等
をする恐れがない。しかも、図示実施例においては、ロ
ボットの出力端部であるフランジ７とロボットハンド８
のプレート９との間に衝撃緩和材１０が装着されている
ため、ロボットハンド８において螺子締結トルク或いは
負荷力の急変によって衝撃的な慣性力が発生しても、そ
れらの衝撃力が衝撃緩和材１０によって緩和されるの
で、フランジ７とシャフト６を介してロボット本体の駆
動機構等へそのまま伝達されることがない。そのため、
ロボット本体の剛性が低くても、衝撃力によって制御精
度の低下等の問題を生じる恐れがない。

【００２５】このように、螺子締結作業のような高負荷
作業であっても、螺子締結トルクや衝撃力等がロボット
ハンド８からロボット本体側へ伝達されることがないの
で、卓上ロボットのような小規模で剛性の高くない安価
なロボットシステムにおいても高い精度を維持して確実
に螺子締結作業を行なうことができる。例えば、定格荷
重が２ｋｇｆ程度の小型の卓上ロボットであっても、１
０Ｎ・ｍもの大きいトルクによる螺子締結作業が可能に
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による螺子締結作業用のロボットハンド
を含むロボットシステムの全体構成を略示した正面図で
ある。

【図２】相対回転阻止機構が係合する前のロボットハン
ドとパレット側の状態を部分的に断面をとって示す正面
図である。

【図３】相対回転阻止機構が係合した後のロボットハン
ドとパレット側の状態を部分的に断面をとって示す正面
図である。

【符号の説明】

１…ロボットベース ２…支柱 ３…梁状部分 ４…第１アーム ５…摺動機構 ６…シャフト（第２アーム） ７…フランジ ８…螺子締結作業用のロボットハンド ９…プレート １０…衝撃緩和材 １１…回転駆動部 １２…回転駆動軸 １３…ソケット １４…ナット １６…パレット １７…緩やかな取付手段 １８…ボルト ２０…ノックピン ２１…円筒 ２２…相対回転阻止機構

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 雄螺子部材と雌螺子部材を螺合させるた
   めに前記螺子部材の一方を回転駆動する回転駆動手段
   と、ロボット本体のロボットアームの末端に連結されて
   前記回転駆動手段を支持している支持手段と、前記螺子
   部材の他方を前記ロボット本体の所定の位置に保持する
   保持手段と、螺子締結を行なう時期に前記支持手段と前
   記保持手段とを連結してそれらの間の相対回転を阻止す
   ることができる相対回転阻止機構とを備えていることを
   特徴とする螺子締結作業用のロボットハンド。
2. 【請求項２】 請求項１において、更に、前記保持手段
   とそれに対向している前記ロボット本体の静止部分との
   間に緩やかな取付手段が設けられていることを特徴とす
   る螺子締結作業用のロボットハンド。
3. 【請求項３】 請求項１又は２において、更に、前記ロ
   ボットアームの末端と前記支持手段との間に衝撃緩和手
   段が設けられていることを特徴とする螺子締結作業用の
   ロボットハンド。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれかにおいて、
   前記相対回転阻止機構が、前記支持手段と前記保持手段
   の一方に設けられて他方に向かって突出する複数個のピ
   ンと、前記支持手段と前記保持手段の他方に設けられて
   前記ピンを受け入れる複数個の穴から構成されているこ
   とを特徴とする螺子締結作業用のロボットハンド。
5. 【請求項５】 請求項２ないし４のいずれかにおいて、
   前記緩やかな取付手段が、前記保持手段と前記ロボット
   本体の静止部分の一方に設けられて他方に向かって突出
   する複数個の突起と、前記保持手段と前記ロボット本体
   の静止部分の他方に形成されて前記突起を緩やかに受け
   入れる複数個の穴から構成されていることを特徴とする
   螺子締結作業用のロボットハンド。
6. 【請求項６】 請求項３ないし５のいずれかにおいて、
   前記衝撃緩和手段が弾性のあるゴムからなることを特徴
   とする螺子締結作業用のロボットハンド。
7. 【請求項７】 請求項３ないし５のいずれかにおいて、
   前記衝撃緩和手段がばねからなることを特徴とする螺子
   締結作業用のロボットハンド。
8. 【請求項８】 請求項１ないし７のいずれかにおいて、
   前記ロボット本体として、組立用の卓上ロボットが使用
   されていることを特徴とする螺子締結作業用のロボット
   ハンド。