JP2008514504A - 産業用ロボットに使用されるドア開閉機構 - Google Patents

Abstract

ロボット塗装装置に使用されるドア開閉機構であって、この機構を使用してドア（７）の一部分（６）の位置を検出することにより、内部塗装のためにドアを開く、及び／又は閉じることができる。ドア開閉装置には、好適には垂直方向（Ｚ）の磁界又は電磁界の磁界強度の変化を検出する少なくとも一つの非接触センサ部材（１）が配置される。また開閉装置には、衝突等を検出する複数のセンサを配置することができる。方法、システム、及びコンピュータプログラムも開示される。

Description

技術分野
本発明は産業用ロボットに使用されるドア開閉機構に関する。本発明は、ロボット用及び高度自動化生産用の、新規センサ機構を有するドア開閉装置及びドア開閉装置付き産業用ロボットの使用法に関する。この機構は、車体の塗装又はその他のコーティング作業に特に有利である。

背景技術
産業用ロボットは、自動塗料スプレー及びその他のコーティング作業に広く成功裏に使用されている。自動車外装用の自動塗装は十分に確立されている。しかしながら今日の自動車生産ラインにおける内装用塗装の自動化には限界がある。例えば、実際には、塗装対象物の位置の検出は難しい。この問題は、動き続けている生産ライン上の車両を塗装する場合、停止ライン、又はストップアンドゴー方式のラインよりも更に大きい。動くラインの自動化では、予定外の生産停止に対してどのように対処するかという重大な問題も生じる。これは、実際には、ロボットが使用する位置センサと車体の実際の位置との間に大きなずれがあるためである。この現象は、長いコンベヤチェーン又はその他の搬送機構の遊び又はバックラッシュに起因していることが多い。
車体の位置の特定が難しいという問題を克服する試みとして、少なくとも３つのアプローチが提案されている。
−マニュアルスプレー：歩留まりが低く、塗料の消費量が非常に多く、作業コストが高く、健康上及び安全上の問題が発生する可能性があるという欠点がある。
−機械固定具を用いる方法：コンプライアンス及び許容誤差が加わることにより必要となる精度が下がり、コストが高くなり、歩留まりが最適プロセスの歩留まりを下回る。
−カメラシステム：カメラシステムの使用によりプロセスの開始前に車体位置を測定する。投資コストが高く、システムの複雑さが増し、メンテナンスの頻度が増すという欠点を有する。更に、通常ドアを開放した後でドアの位置を検出することができないという欠点を有する。

マツダ株式会社による米国特許第４４９８４１４号（"Vehicle body painting robot"）には、コンベヤラインに沿って搬送される車体に塗料を塗装する塗装アームを備えたロボットが開示されている。ロボット塗装アームには更に、ドア開閉装置、及びドアのウィンドウ昇降溝の位置を検出するドアセンサが設けられている。開示されているドアセンサは非接触センサであり、このセンサはウィンドウ溝の底面が超音波を反射するのに要する時間を計測することによりウィンドウ溝を検出する。この方法の欠点は、超音波センサがスプレー領域にまともに曝されると、塗料によって容易に汚染され、センサの信頼性が失われることである。
同様に、マツダ株式会社による米国特許第４９８８２６０号（"Automobile door opening/closing equipment"）には、塗装ロボットアームの端部に装着される係合ロッド、及びやはり係合ロッド近傍のアームの端部に更に取り付けられる光センサ又は超音波センサが開示されている。このようなセンサが塗料ミストによって汚れ易いという欠点によって、開示されているように、シャッター機構及びエアパージ装置を更に追加して、非接触センサに塗料がかからないようにする必要が生じる。同様に、Ｓｕｚｕｋｉの日本国特許第１０２３５５９号（"Tool for opening and closing door"）によれば、振動センサケース３に搭載された光センサＳを塗装ロボットのアームに装着し、ドアのウィンドウ溝の位置を検出する。自動車のドアは、モータ駆動式開閉ロッド４をウィンドウスロットに係合させることにより開放される。センサ及び開閉ロッドは共にロボットの塗装アームに取り付けられ、センサケースを振動させ、且つセンサケースを制御することにより、センサの開口部に付着する塗料ミストを最小にする。ドアセンサ又はドア開閉機構の故障は生産の中断を招く可能性があり、それによって場合によっては複雑な手動操作による機械設備の再設定及びラインを再開するためのオブジェクト処理を行わねばならない。中断後、生産ラインの再開までに必要な調整を行うために失われた生産時間は、生産効率低下、塗装品質の問題、更には莫大な経済的損失の大きな原因となり得る。

更に、米国特許第４４９８４１４号においてロボットのプログラムに使用される種類の方法は、ロボットティーチングとして知られる方法であり、この方法では、ティーチングの内容にしたがって記憶及び記録された一連の動作を後で再生することによりロボットの動作を制御する。この方法は多くの場合、不測の停止が生じたとき、ロボットマニピュレータ及び／又は他の可動パーツが未知の位置で停止する恐れがあるという欠点を含む。このような場合、衝突等を起こすことなく停止後の生産を再開するには、その前にロボットを手動でスタートさせるか、又は「少しずつ動かして」既知の位置に移動させなくてはならない。これは大きな時間の浪費となる遅れを生じさせ、多くの場合生産が大幅に遅れ、品質不良を起こす恐れがある。
公知のドア開閉機構及びドアセンサは多くの欠点を有する。先行技術による非接触センサを使用するには、塗料がセンサの上に付着することによる信頼性の低下、並びにメンテナンス及び点検に必要な多大な労力を防止するために、複雑な対策が必要となる。

発明の概要
本発明の第１の目的は、公知のロボットツールの欠点を克服する、塗装に使用される産業用ロボットのドア開閉機構を提供することである。第２の目的は、ドアの位置を検出して産業用ロボットのドア開閉機構をドアと協動させるセンサを提供することである。本発明の別の目的は、ロボットと協働する非塗装アーム、副アーム、又は付属アームを備えたドア開閉機構のドアセンサを提供することである。
上述の目的、及び更に別の目的は、本発明により、独立請求項１による産業用ロボットのドア開閉機構、独立請求項１７による方法、及び独立請求項２９によるシステムによって達成される。好適な実施形態は従属請求項に開示される。

本発明の第１の態様によれば、これらの目的、及び更に別の目的は、オブジェクトまでの距離、つまりオブジェクトの位置の非接触測定を行なうドアセンサを備えたドア開閉機構を有する、本発明によるロボットにより達成される。
本発明の別の態様によれば、これらの目的は、オブジェクトまでの距離の非接触測定を行なうドアセンサを備えた、本発明によるドア開閉装置によって達成される。

本発明の別の態様によれば、これらの目的は、オブジェクトまでの距離の非接触測定を行なうドアセンサと、ドアセンサ又はドア開閉装置に加わる外力又は衝突力を決定する一つ以上のセンサとを備えた本発明によるドア開閉機構によって達成される。
本発明の別の態様によれば、これらの目的は、本発明によるドアの一部分の位置を検出するための方法によって達成される。

本発明の別の態様によれば、これらの目的は、少なくとも一つのドアの部分の位置を検出するドア開閉機構を備えた、本発明による車両のロボット塗装システムによって達成される。
本発明の一態様によるドアセンサは、車体に接触することなくオブジェクトの位置を感知する、単純且つ正確なデバイスである。このセンサは、ドア開閉装置を備えたドア開閉機構に組み込むことができ、このドア開閉機構は、被塗装面に対して非破壊的な方法でドアを把持する。ドア開閉装置は、スプレーが行なわれている間にドアを開放して把持するか、又は例えばドアが内蔵式位置ロック付きヒンジを備える場合、ドアを開放してドアの位置をチェックし、その後ドア閉める際にドアを把持する前に再度ドアの位置をチェックする。非接触センサを、ドアセンサ又はセンサが取り付けられているドア開閉機構のアームに加わるあらゆる機械力を検出する力センサと組み合わせることにより、ロボット、車体、又は他のオブジェクトとの衝突を検出及び／又は回避することができる。

この解決法の利点は、可動オブジェクト及び固定オブジェクトの両方に使用することができることである（設定された開放位置にオブジェクトを保持又は維持する他の何らかの機構が設けられている場合、オブジェクトのドア又は他のパーツを開放することができる）。従って、ストップアンドゴー方式及び可動方式の両方において、本発明のドア開閉機構を使用して車両を塗装することができる。これらの方法は、同じコンベヤ又は生産ラインを使用しても有利に実行することができる。
内蔵式位置ロック機構が、例えばドアヒンジに設けられない場合、ドア又は他の作業オブジェクトは、普通、作業が行われている間保持されなければならず、特に固定方式又はストップアンドゴー方式よりも、移動式コンベヤによる作業の間は保持が必要である。

正確で効率の良いドア開閉機構の利点は、塗装作業を迅速且つ正確に行なうことができ、塗装品質に殆ど問題がなく、センサ、センサシステム、又はドア開閉機構自体に必要なメンテナンスが少ないことである。これにより、予定外の停止の後、物理的な人的介入を必要とせずに再開することが更に実現可能になり、よって生産効率低下の主原因を取り除くことができる。停止時間を短くし、生産ラインの変更を迅速化することにより、ドアセンサの故障のために人がロボット近傍の生産セル又は他のエリアに入る必要を排除することもできる。信頼性の高い位置検出の技術的利点は、サイクル時間が更に均一化されることである。サイクル時間の均一化により、プロセスパラメータの変動が更に安定し、よって、例えば使用する材料、例えば塗料、接着剤、シーリング材、プライマー、場合によっては車体自体の、加熱効果又は冷却効果に起因する品質変動を小さくすることができる。
好適な実施形態では、ドア開閉機構はロボットの第２の非塗装アームとして配置される。ドア開閉アームは、塗装ロボットのベースに搭載されるか又は取り付けられる第２アームとすることができる。このように、センサがスプレーヘッドの傍に固定されることがなく、且つ一連のスプレー作業の間に塗料ミストが飛散する領域から完全に外れるようにセンサを容易に移動させることができるので、非接触センサに塗料が付着することに起因する先行技術における問題の多くが回避される。

好適な実施形態を発展させた一態様では、ドアを開放する第２の非塗装アーム又はマニピュレータ、即ちドア開閉装置は、プロセスに必要であれば、塗装対象オブジェクトの正確な位置を、塗装作業を行なう塗装ロボット又は塗装用マニピュレータに報告することができる。
本発明の好適な実施形態では、コントロールユニット（群）は一つ以上のマイクロプロセッサユニット又はコンピュータを備える。コントロールユニット（群）は、動力分配を制御する一つ以上のコンピュータプログラムを保存するメモリ手段を備える。好適には、このようなコンピュータプログラムは、上述の、以下で更に詳細に説明される方法をプロセッサに実行させる命令を含む。一の実施形態では、コンピュータプログラムは、ＣＤ ＲＯＭのようなコンピュータで読み取り可能な媒体上に提供される。

次に、特に添付図面を参照して、例示のみを目的とする本発明の実施形態について説明する。

図１は、塗装ブースのような、塗装作業を含む生産ラインのプロセスエリアの正面図を示す。図９は、同様の塗装プロセスの上面図である。図１は、車体１５、塗装用の第１アームを備えるロボット８、及び可動アセンブリ５の第２アーム１０を示し、ドア開閉機構は塗装ロボットの近くに取り付けられている。通常、車体は、コンベヤベルト又はチェーン等の搬送装置によって、プロセスエリアを通過する。可動アセンブリ５の第２アーム１０の一端には、非接触センサ部材１が搭載されている。これについては図５、６を参照して後述する。この図に示すように、更には、車体は少なくとも一つのドア７を有し、ドア７のウィンドウ６の溝の位置が示されている。ウィンドウ溝６は、ドア開閉装置が、ドアの把持、開放又は閉鎖に使用されるロッド、爪、又はフィンガを挿入する際の代表的な標的である。ライン作業は、移動方式、連続移動方式、又はストップアンドゴー方式とすることができ、この場合、車体はエリアに移動し、停止し、塗装され、次いで塗装後にエリアから出る。
図９に示すように、ドア開閉機構は、アーム１０の端部（図９の１０ａ、１０ｂ）に取り付けられる少なくとも一つの非接触センサ部材１を備え、このアームは、複数の軸方向に可動なアセンブリ５の一部である。このドア開閉アセンブリ５は、アーム又は連結部１６によって移動させることができる。ドアセンサ１は、ウィンドウ溝６の位置を感知することにより、フィンガ１１（図５、６に更に詳細に示す）をウィンドウ溝に挿入し、把持フィンガ１１が取り付けられているアーム１０によってドアを把持すること及び移動させることができる。図１及び９を通して、可動アセンブリ５のアーム１０、１０ａ、１０ｂが、塗装ロボット８ａ又は８ｂ（図９）のマニピュレータアームとは別のアームであることに注目されたい。先行技術のドア開閉装置及びドアセンサとは異なり、本発明のドア開閉機構は、第２可動アーム１０又は多軸マニピュレータとして最適な形で実現されており、アーム又はマニピュレータは、実際の塗装スプレーを行なう第１ロボットアームから離れて配置される。従って、ドア開閉機構のドアセンサは、塗装スプレーが行なわれる間、ロボットの塗装スプレーヘッドの近傍に配置する必要が全くない。本発明により、塗料ミストによる非接触センサの汚染の大部分がこのようにして防止される。ロボットはまた、同じマニピュレータ上に２つ以上のスプレーヘッドを備えることができ、これらを例えば異なる方向に向けることにより、大型オブジェクト、或いは複数の形状又は複雑な形状を持つオブジェクトを塗装することができる。ドア開閉装置及びドアセンサ機構はまた、ドアの開放及び／又は閉鎖を行うことができるか、或いはレシプロケータ等の他のプログラム制御式塗装機によって塗装を行なうことができる。

図７は、ドア開閉機構制御プログラム、及びドア開閉装置の制御命令を動作させる本発明による方法のステップを示している。本方法は、例えば出力群をゼロに設定する（７１）ことにより、又はたわみの較正に適した他の方法により、複数のセンサ出力をバランスさせる（７０）ことから開始される。次に、ドアセンサ１のアセンブリがドア、特に標的（普通はウィンドウ溝６（図１、６ｂ、９））に向かう経路に沿って移動する間に、センサ値をサンプリングすることによりドア位置を求める（７２）。ドア位置は、物理的接触を行なうことなく検出され（７２）、フィンガ１１を挿入して（７４）ドアを把持することによりドアの開放及び／又は閉鎖を行う。ドアを所定の位置まで移動させ（７６）、これを、ロボットの塗装アームを制御するコントローラに任意で通知することができる（７７）。ドアセンサを移動させながら、起こりそうな衝突を全て検出して、適切な措置を取ることができるように、たわみ検出センサ２、３、４のサンプリングを行なうことができる。移動の最後では、距離及びＸ、Ｙ、及びＺ方向のたわみ力それぞれのための、４つの入力チャネルを再度較正する（７８）。
図４は、非接触センサ１からの信号強度４０対標的、この場合は図１のウィンドウ溝６からの水平距離４８の関係を表わす図を示す。図に示すように、センサがドアの開放穴、即ちウィンドウ溝の領域の上方に位置するとき、信号電圧に明らかな変化、即ちピーク又は変曲点（４２、４４、４６）が現われる。磁界強度又は電磁界強度の変化に起因する電圧の変化は、センサがウィンドウ溝に近い程明らかであり、センサがウィンドウ高さの上方５ｍｍの位置にある場合の実線４６と、同２５ｍｍの位置にある場合の実線４２によって表わされる。従って、ドアセンサを使用して、形状変化の位置、特にウィンドウ溝のような金属プレートの穴又は開口の位置、或いは例えばロック、ラッチ、フィラーキャップ、又はドアハンドルアセンブリ等を受け入れる場所のような、選択された他のいずれかの穴、フック、又は開口の位置を検出することができる。

図３ａ及び３ｂは、ウィンドウ溝の位置の決定及び／又は計算に使用される測定値の図を示す。図３ａは、ドアセンサの経時的な走行移動３５、及び結果として得られる曲線のポイント３６を示している。図３ｂは、ウィンドウ溝６の開口の中心位置、即ち中心に対応する変曲点３９を持つ非接触センサ信号３８を経時的に示している。図３ａ及び３ｂの両方に示される、時間ポイント３７は、ドアの把持のためにドア開閉フィンガ１１を挿入するための理想時間である。
ドア開閉機構はまた、図７に関して上述したたわみセンサ、又は作用力の値を供給する他の手段を含む。たわみセンサを使用して、不測の移動、位置、又は衝突に起因して起こり得る、センサ１ユニット、フィンガ１１、又はドア開閉アーム１０に作用する一又は複数の力を検出する。図５ａは、アーム１０を有するドア開閉アセンブリ５の上面図であり、アームの一部に示される力センサアセンブリ１２の位置とアームの端部近傍に示される把持フィンガ１１の位置とを示している。図５ｂは、同じドア開閉アセンブリ５の側面図である。把持フィンガ１１は、アーム１０に固定されてアームから下方に突出しており、好ましくは窪み、空洞等に収容された非接触センサ１（図５ｂには示さない。図６ｂを参照。）を内部に有する。たわみセンサはアーム１０の周りに配置される。センサアセンブリ１２は、アーム１０と協働するように配置されていることが分かる。たわみセンサ４ｚ’は、アーム１０に固定されており、ドア開閉アセンブリ５のタワー１９アセンブリの一部に取り付けられる磁石部材１５を感知する。アーム１０の垂直方向ｚのたわみは、アセンブリタワー上の磁石部材１５とセンサ４ｚ’との間のエアギャップが変化すると、磁界強度の変化によりセンサ４ｚ’で検出される。

図５ｃは、タワー１９に向かってセンサが取り付けられているアームの把持フィンガ側から見たドア開閉アセンブリ５の側面図を示す。図は、２つのたわみセンサ２、３を備えるアームに配置されたセンサアセンブリ１２を示し、たわみセンサはアーム１０に取り付けられた磁石部材１４ｘ及び１３ｙ（図６ａを参照）に対向するように配置されている。ドア開閉装置の走行方向に直交する平面内のｘ水平方向におけるアーム１０のたわみは、アーム１０上の磁石部材１４ｘとセンサ２との間のエアギャップが変化すると、磁界強度の変化によりセンサ２で感知される。同様に、センサ３は、アーム１０に取り付けられた一又は複数の磁石部材に対向するように配置されており、同平面内の上記ｘ方向に直角の方向、即ちドア開閉装置の走行方向及び／又はアーム１０の長軸に直交する方向におけるアーム１０のたわみによる変化を感知する。
図６ｂは、非接触センサ１及び把持フィンガ１１の詳細を示している。把持フィンガ１１は、ドア開閉アセンブリ５のアーム１０の端部に向かって取り付けられており、非接触センサ１を備えている。このセンサは中空フィンガ部材の内部に配置されることが好ましいが、完全に内部に納まる必要はなく、外から見えるセンサの部分が限定されればよい。本実施形態では下方に露出する部分が限定されている。このような構成によって、他のオブジェクト、及びダスト又は塗料ミストに直接センサが物理的に曝される程度が小さくなる。センサは、ほぼ円錐形の視野１７を有する。この実施形態では、センサは、標的オブジェクト６、即ちウィンドウ溝の真上に位置するまで水平面に含まれる方向に移動し、この位置で磁界強度の変曲点４４、４６等を検出する。必要に応じて、把持フィンガにはエアホース又は類似の手段を取り付け、これによりエアブラスト又はエアカーテンを形成してダスト又は塗料等が把持フィンガ１１に入り込み、非接触センサを汚染することを防止することができる。

把持フィンガはＴ字型治具とすることができ、この場合、図５ｂの把持フィンガ１１とほぼ同じ２つの把持フィンガが、互いに対向して取り付けられ、一方の把持フィンガはドア開閉アームの回転シャフトのいずれかの側に設けられ、これらのフィンガの内の少なくとも一つは窪みの中に非接触センサを備える。非接触センサを備えるＴ字型把持フィンガ（群）には、エアカーテン又は類似のセンサ保護手段を設けることができる。
このように、ドア開閉機構は位置センサ又は近接センサ１の両方と、多数の力センサ又はたわみセンサ２、３、４ｚ’、及び／又はソフトセンサ５５を備える。これらのセンサについては後述で詳細に説明する。第１の非接触センサ１は垂直方向ｚの感知を行なうので、垂直方向の力センサには、４ｚ’といったようにｚ’を含む記号を付す。

図６ｃ及び６ｄは、たわみの感知に使用されるセンサ、及びそれと協働する磁石又は他の磁石部材の詳細を示している。図６ｃは、図６ａの力センサアセンブリ１２の詳細を示し、特にセンサ２、及びドア開閉装置のアーム１０に取り付けられた連動磁石１４ｘの詳細を示している。図６ｃに示すように、センサ２は、センサ厚さに等しい深さｃ４にはめ込まれている。センサ２は磁石１４ｘに対向しており、この磁石は、所定の位置、好適には高精度に作製された窪み又はガイド構造１０ｘに、接着又は他の方法で固定され、センサと最適な位置で対向するように配置される。センサアセンブリ１２上のセンサ３とアーム１０、及びドア開閉アセンブリ５の垂直力センサ４ｚ’（図５ｂ）とタワー１９は、公的には同様の方法により取り付けられ、それによって信号強度及び感度が最適化される。
ドアの位置を検出し、ドアを把持する方法は、図７に関連して説明した動作又はステップよりも多くの動作又はステップを含むことができる。図８は、非接触センサによってドアの位置を検出し、ドア開閉機構を用いてドアを開くステップの別のフローチャートを示す。本方法は、８０のバランス調節モードから始まる。具体的（８１）には、塗装ロボットのロボットマニピュレータがアイドルモードにあり、アンプ出力＝５Ｖ（ゼロとして定義される）になるまでバランス出力をインクリメントする。この動作を全てのチャネル（例えば、１６のチャネル）に繰り返し、各ユニットの時間を同期させる。

８２では、ドア位置の感知が始まり、同時にドアセンサ及びドア開閉装置をドアに向かって適切な経路に沿って移動させる（８３）。距離Ｖｄｉｓｔを、好ましくは１ｍｓの時間分解能で測定し、オブジェクトの通路を非接触センサの信号読み取りの値を用いて検出する。８４では、センサ信号ピークの時間を検出する。この間、力センサの読み取りをチェックして（８５）、衝突が発生していないことを確認する。
８６ａでは、計算を行なって挿入位置を求め、力ベクトルの読み取りを継続しながら把持フィンガ１１を挿入する（８６ｂ）。

８８ａでは、ドアを所望位置まで移動させる。即ち純粋にプログラムによる運動を行ない、同時に力ベクトル及び時間を読み取り（８８ｂ）、記録する。
ステップ８２、８８ａ又は８８ｂの次のステップとすることができる８７では、ドア位置を塗装ロボット又はロボットコントローラに送信することにより、ドア開閉機構によって正確に決定された現在位置に基づいてロボット動作を制御することができる。例えば、コンベヤ位置又は車体搬送設備位置によって決定される車体の位置は、特に正確でないことが多い。

８９ａでは、チャネル、距離、及び力ベクトルを再度較正する。
本方法の発展形態では、把持フィンガ挿入８６ｂの際、同時に行われる力の読み取りの所定値に合わせて挿入経路を調節することができる。別の発展形態では、較正ステップ８９ａにおいて、最先端バージョンの較正プログラムを実行するとき、関連固定具及びオブジェクトに含まれる距離センサ及び力センサを較正することもできる。

図２は、ドア（位置）までの距離を求め、ドアセンサ又はドア開閉アームに加わる全ての力を決定する方法の機能及び関係を表わすブロック図である。この図には、防爆（ＥＸ）ゾーン３３が示されており、このゾーンの内部では全てのコンポーネントを防爆性に配置しなければならない。非接触（位置）距離センサ１、及び力センサ２、３、４をこのＥＸゾーンに配置する。アンプ２０によりセンサ信号を処理し、ケーブル２１によりＥＸゾーンから１６個のチャネルツェナーバリア２３に送信する。信号群は、第２ケーブル２４により、更にセンサ用のコントロールユニット２６、即ちＳｅｎｓｏｒ ＣＯＮに送信される。この図に示すように、センサコントロールユニットは、プログラミングユニット、即ち高速プログラム（ＲＡＰＩＤＰＲＯＧ）３２、モーションユニット３０、及びログ２８に接続される。センサコントロールユニットは、ドアセンサ、非接触位置（距離）センサ、力センサの動作、バランス調整、把持フィンガの挿入、ドア移動、及びセンサの較正を操作する。
４つのセンサは２つの機能を有する。
ａ）ドア位置を非接触測定して補足位置又は把持位置の位置決めを行なう。
ｂ）Ｆｘ Ｆｙ Ｆｚ（長軸アーム１０、及び走行方向に直交する平面における）の力測定を行ない、ドア又は他のオブジェクトを操作するとき、又は把持手段を挿入するとき、ドアセンサ又はアーム１０に加わる全ての力を測定する。近接センサはｚ方向に（下方に）円錐形の視野を有することができ、作業距離は５〜２０ｍｍ程度とすることができ、作業距離は通常１０ｍｍとすることができる。ドアを検出し、ウィンドウ溝の位置を求める間に、ドア上の感知ポイントに最も近くなる時点をドア検出動作の間に記録する。位置（距離）測定と力測定との相互作用又は協働の様子を示す図３ａ、３ｂも参照されたい。

移動対象のオブジェクトの形状及び形態、並びに感知フィンガ１１の大きさに応じて、把持位置に必要なオフセットを計算する必要がある。このオフセットは構成可能且つ再構成可能に設計される。Ｚ方向の位置が不明であれば、短い距離の通過を繰り返すことでドアを長い距離に亘って通過させる検出方法を用いる。つまり、図３ｂの検出ピーク３９が十分に明確になって正確な頂部が検出されるまで通過位置を絞り込むことにより検出を行なう。
３次元力ベクトルを用いて、把持の瞬間又は移動対象オブジェクト操作時の「運動」により閉ループを形成することができる。この操作を行なうことで、動作の安全性及び操作の質を高めることができる。

別の好適な実施形態では、誘導センサ又は静電容量センサのような、電界又は電界の変化を検出する検出器を備えた非接触センサ１を使用することもできる。
更に別の好適な実施形態では、ドアセンサの非接触センサ１は、電磁気に基づく検出器ではなく、代わりに、超音波検出器、光電検出器、ＣＣＤ検出器、レーザ検出器、ＩＲ検出器、或いは他の光学式検出器とすることができる。非接触センサの内の一つ以上には、エアカーテン、エアパッファのような手段か、又は類似の手段を設け、これにより塗料ミスト、ダスト、又は他の汚染物質などの影響からセンサを保護することができる。アルミニウムのような非強磁性材料、プラスチックのような非導電材料、ガラス繊維又は他の複合材料により作製された車体又は車体のパーツを処理する場合には、このような非接触センサが好ましい。

別の好適な実施形態では、たわみ力を推定する。図５ｄは、ロボットに加わるたわみ力を推定するソフトセンサシステムを模式的に示す。この図は、複数の移動軸Ａ１〜Ａ６を有するロボット８ｃを示している。図示のように、ロボットは、スプレイヤー又はアプリケータヘッド９５及びロボットリスト９０、好適にはＡＢＢ社が製造する種類の中空リストを備える。ソフトセンサシステム５５は、制御出力、速度入力、センサ入力、及びモデルに関する値を有する。モータへの制御出力信号から予測される、予定の又はモデルとなるモータトルク又は速度と、軸Ａ１〜Ａ６それぞれについて測定された速度又は入力トルク、及び／又はロボットへの一つ以上のセンサ入力に基づいて計算される負荷には差異が観察される。ロボットに加わるたわみ力、又はロボット治具に加わる力は、所定の軸及び方向における、予定の又はモデルとなる移動及び／又はトルクの差異を全て決定し、ドア開閉アーム（又は車体）との干渉又は衝突に起因する、所定の軸移動におけるそのような予定外の抵抗の大きさを計算することにより推定される。ソフトセンサシステムは、ＡＢＢ社によるＰＣＴ出願ＳＥ２００４／０００７９０に開示されたソフトセンササーボシステムによる方法及び／又はシステム又はパーツシステムを使用することにより実現することができ、前記特許文献の全体を、参照のために本明細書に包含する。或いは、ソフトセンサシステムは、米国特許第６４７７４４５号に開示されたソフトサーボシステムによるシステム又はパーツシステムを使用することにより実現できる。別の構成として、ソフトセンサシステムの一バージョンを、アクチュエータに加えて又はアクチュエータの代わりに適用して、システム５５の種類の（上述の）ソフトセンサをドア開閉アームと共に使用し、ドア開閉アーム、及び／又はこのアームの連結部１６を動作させ、これにより、ロボット（又は車体）によって加わるたわみ力を検出することができる。求めた力を表わすソフトセンサ出力は、図２、８のセンサ２、３、及び／又は４から得られる入力と共に、又はそれら入力の代わりに、供給することもできる。

別の好適な実施形態では、ドア開閉アセンブリ５は共通構造に取り付けられ、共通構造は図９に示すように、ドア開閉装置とロボットベースとの間の連結部１６とすることができる。別の構成として、塗装ロボット群の内の一つ以上が搭載される共通プラットフォームを設けることができる。ドア開閉装置の移動と塗装を行なうロボットアームの移動とは互いに協働しなければならないので、ドア開閉装置のベースとロボットのベースとを何らかの方法により連結することが好ましい。
図９は、２つのロボット８ａ、８ｂ、及び２つのドア開閉アセンブリ５ａ、５ｂを模式的に示す。各ドア開閉アセンブリは、好適には、ロボット群が配置される共通プラットフォーム上に移動可能に取り付けられるか、又は例えば、ロボット８ａ及び８ｂが搭載される同じベース構造に別の方法で機械的に取り付けられている。ドア開閉アセンブリ及びロボットを互いに対して固定された位置関係に搭載することにより、ロボット塗装アームに対するドア開閉アームの機械的調整及び位置較正が非常に簡単になり、較正の必要は殆ど無くなる。図示のように、各ドア開閉アセンブリ５ａ、５ｂは、連結部１６ａ、１６ｂによって各ロボット８ａ、８ｂのベースに取り付けられる。

別の実施形態では、塗装ロボット８及びドア開閉装置を保持する共通構造は、塗装ブース又はプロセスエリアの壁にレールマウント式に取り付けることができる。別の実施形態では、共通構造は、トラック又はレール上に登載される可動プラットフォームとすることができ、この構成により、ドア開閉アーム及び塗装ロボットは共に、必要に応じて同時に且つ同じ方向に走行することができ、ロボットによって提供される６つの移動軸に加えて、一つの移動軸が提供される。
ドア開閉機構に接続されるセンサ群又は他のユニット群の内の一つ以上には、無線送信機を装着することができる。例えば、ドアセンサとロボットプロセスセルのコントロールユニットとの無線通信は、いずれかの適切なプロトコルを使用して行なうことができる。適切な送信は、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ Ｓｐｅｃｉａｌ Ｉｎｔｅｒｅｓｔ Ｇｒｏｕｐ（ＳＩＧ）が規定する規格、ＩＥＥＥ−８０２．１１のいずれかの修正版、ＷｉＦｉ、Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ（ＵＷＢ）、ＺｉｇＢｅｅ、又はＩＥＥＥ−８０２．１５．４、ＩＥＥＥ−８０２．１３、又はこれらの等価物又は類似物に準拠するプロトコルに従う低エネルギー送信のような短距離無線通信を使用して行なうことができる。ＷＡＰＩ（ＷＬＡＮ Ａｕｔｈｅｎｔｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｐｒｉｖａｃｙ Ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ、 ＧＢ１５６２９．１１−２００３ ｏｒ ｌａｔｅｒ）に準拠する規格は、無線信号の暗号化が必要又は有利である状況において有利に使用することができる。一般的に、通常４００ＭＨｚ超の高周波数で、例えばＩＳＭ帯域周波数以上、スペクトル拡散方式を用いた干渉抑制手段を使用して動作する無線技術が、無線通信の好ましい種類である。例えば、各データパケット又はいずれかのデータパケットを広帯域スペクトルの他の周波数で、１ミリ秒当たり約７回の割合で再送信することができる広帯域スペクトラム拡散通信無線プロトコルは、ＡＢＢ社が開発した、センサ及びアクチュエータ用無線インターフェースと呼ばれるプロトコル等に使用することができる。別の構成では、無線通信は、赤外分光（ＩＲ）手段、及びＩｒＤＡ、ＩｒＣＯＭＭ等のプロトコルを使用して実行することができる。無線通信は、サウンドトランスデューサ又は超音波トランスデューサを使用して実行することもできる。

ドア開閉機構及びドアセンサは、車体の他のパーツを検出することにより内部塗装及び／又は外部塗装を容易にするために、等しく使用することができる。本発明の一実施形態によるドアセンサによって車体のあらゆるパーツを検出することができ、よってトランクの蓋、ボンネット、給油口、サンルーフ、折り畳み式のソフトトップルーフのカバーパーツ、後部ドア、テールゲート、ハッチバック等のパーツを把持し、次いで開放／閉鎖することができる。従って、異なる車両、同じタイプの自動車の異なるバージョン、例えば２ドア対４ドア、ステーションワゴン又はハッチバック対セダン又はクーペの異なる後部ドア／トランク蓋の形状のための、様々な形状又は異なる寸法を有するパーツを、塗装ロボット８ａ、８ｂの内の一つ以上のドア開閉機構５ａ、５ｂのドア開閉機構プログラム（群）を変更することにより、共通生産ライン又はアセンブリエリアの同じ生産セルに自動的に収容することができる。一又は複数のドアの位置、即ち所望位置を制御するプログラム中の値は、複数の保存されたドアの位置から選択される。これら保存されたドアの位置は、車両種類又は車体のバリエーションそれぞれのドアに関して既知であり、事前に決定されている。
一つ以上のマイクロプロセッサ（又はプロセッサ又はコンピュータ）は、例えば図７、８、２、及び５ｄを参照して説明した本発明の一つ以上の態様による方法のステップを実行する中央処理ユニットＣＰＵを備える。一又は複数の本方法は、一つ以上のコンピュータプログラムを援用して行なわれ、これらのプログラムは、一つ以上のプロセッサがアクセスすることができるメモリに少なくとも部分的に保存される。ここで、本発明による方法を実行するコンピュータプログラムは、一つ以上の専用コンピュータ又はプロセッサの代わりに、一つ以上の汎用マイクロプロセッサ又はコンピュータ上で動作させることもできることを理解されたい。

コンピュータプログラムは、方程式、アルゴリズム、データ、保存値、計算、及び例えば、図２、７、８、及び５ｄに関連して上述した統計的認識法又はパターン認識法を使用してコンピュータ又はプロセッサに本方法を実行させるコンピュータプログラムコード要素又はソフトウェアコード部分を含む。プログラムの一部は上述のようにプロセッサに保存することができるが、ＲＯＭチップ、ＲＡＭチップ、ＰＲＯＭチップ、ＥＰＲＯＭチップ、又はＥＥＰＲＯＭチップ、或いは類似のメモリ手段にも保存することができる。プログラムの一部又は全部を、磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、又はＤＶＤディスク、ハードディスク、光磁気メモリストレージ手段のような他の適切なコンピュータ読み取り可能な媒体の、上又は内部に、局所的に（又は集中的に）保存することもでき、不揮発性メモリ、フラッシュメモリ、ファームウェアとして、或いはデータサーバに保存することができる。ソニー製メモリスティック（ＴＭ）のような取り外し可能なメモリ媒体、及び他の取り外し可能なフラッシュメモリ、ハードディスク等を含む他の公知の適切な媒体を使用することもできる。プログラムは少なくとも部分的に、インターネットのような公衆ネットワークを含むデータネットワークから供給することもできる。
説明したコンピュータプログラムは、複数の異なるコンピュータ又はコンピュータシステムでほぼ同時に動作させることができる分散アプリケーションとして少なくとも部分的に配置することもできる。

本発明の方法は、特に例えば構成段階で、生産停止後に、又は正常動作中に、オペレータワークステーションのグラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）、グラフィカルディスプレイ又はテキストディスプレイを使用して実行することもでき、このようなワークステーションは、ロボット制御システムに直接接続されるか、或いは、メイン又はローカルコントロールサーバ又は簡単なコントローラ又はＰＬＣのような他のコントロールユニットを介して、或いは制御システムコンピュータ／ワークステーションを介して接続された、ユーザがログインするコンピュータ、携帯型コンピュータ、複合携帯電話機、及び演算デバイス、又はＰＤＡなどで動作する。
ここで、上述では本発明の例示的実施形態について説明したが、請求の範囲に規定される本発明の技術範囲から逸脱せずに、開示された解決法に複数の変更及び変形を加えることができることに留意されたい。

本発明の一実施形態によるドア開閉機構が配置された産業用ロボットプロセスセルの模式図である。 一つ以上のドアセンサが配置された産業用ロボットのドア開閉機構ドアセンサの通信及び制御の様子を表わす模式図である。 ａはドアセンサの運動を示す図表であり、ｂはドアセンサによって測定された信号を示す図表である。 信号強度と測定距離との関係を表わす図表である。 本発明の別の実施形態によるドアセンサを装備するドア開閉アームを備えたドア開閉機構の平面図である。 図５ａのドア開閉装置の正面図である。 車両のドア側から見たドア開閉装置の側面図である。 複数の移動軸を持つロボット、及びロボットアームに加わるたわみ力を推定するシステムを示す。 ａは本発明の一実施形態によるドア開閉機構の力センサの拡大模式図であり、ｂはドアセンサの第１センサヘッドの拡大模式図であり、ｃは埋設型磁気センサの拡大模式図であり、ｄはセンサの埋設型磁気パーツの拡大模式図である。 本発明の一実施形態によるドア開閉機構の制御方法を表わす模式化されたフローチャートである。 本発明の一実施形態によるドア開閉機構及びドアセンサの制御方法を表わす模式化されたフローチャートである。 本発明の別の実施形態による２つのドア開閉機構が配置された産業用ロボットプロセスセルの模式図である。

Claims (35)

1. 車両（１５）の少なくとも一つのドア（７）の位置を検出するロボット塗装装置のドア開閉機構であって、少なくとも一つの第１非接触センサ部材（１）を含み、前記第１センサ部材が前記ドア開閉機構のドア開閉アーム（１０、１０ａ、１０ｂ）に取り付けられていること、及び前記第１センサ部材（１）が前記少なくとも一つのドアの前記位置までの距離を決定することを特徴とする、ドア開閉機構。
2. 前記非接触センサ部材（１）がドア開閉アーム（１０）又は把持フィンガ（１１）の窪みの中に配置されることを特徴とする、請求項１記載のドア開閉機構。
3. 前記非接触センサ部材（１）が、把持フィンガの窪みの中に配置されることにより、センサの視野（１７）が限定され、且つ周囲への露出が小さくなることを特徴とする、請求項１記載のドア開閉機構。
4. ドア開閉機構には、ドア開閉機構、ドア開閉アーム（１０）、又は第１センサ部材の一部に加わるたわみ力を決定するための少なくとも一つの第２センサ部材（２、３、４、５５）が設けられることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか一項に記載のドア開閉機構。
5. たわみ力を決定する第２部材（２、３、４、５５）が電磁センサを含むことを特徴とする、請求項４記載のドア開閉機構。
6. たわみ力を決定する第２部材（２、３、４、５５）が、歪みゲージセンサ、光センサ、静電容量センサ、誘導センサ、磁気弾性歪センサ、ソフトセンサからなるリストから選択されるいずれかのセンサを含むことを特徴とする、請求項４記載のドア開閉機構。
7. 第２センサ部材（２）がドア開閉アーム（１０）上に配置されて、ドアの前記部分に向かう走行方向に直交する平面に含まれるｚ及び垂直方向の、ドア開閉アームの機械的たわみに起因する磁界又は電磁界の磁界強度の変化によるドア位置を検出することを特徴とする、請求項４記載のドア開閉機構。
8. 更に、第１の垂直方向（ｚ）に直交する第１の水平方向Ｙにおける磁界又は電磁界の磁界強度の変化を検出する第２センサ部材（３）を備えることを特徴とする、請求項４ないし７のいずれか一項に記載のドア開閉機構。
9. 一つ以上の水平方向（ｘ、ｙ）におけるドア開閉アーム（１０）のたわみを測定する２つ以上の第２センサ部材（２、３）を備えることを特徴とする、請求項８記載のドア開閉機構。
10. ドア開閉機構の別の部分（５）に対するドア開閉機構の一部（１０）のたわみに起因する、垂直方向（ｚ）におけるドア開閉アーム（１０）のたわみを測定する第２センサ部材（４ｚ’）を特徴とする、請求項４記載のドア開閉機構。
11. ドア開閉アームに加わるたわみ力を検出する第２センサ部材のいずれもが、ドア開閉機構（５、１０）に加わるたわみの計算値を供給するソフトセンサ（５５）を備えることを特徴とする、請求項４ないし１０のいずれか一項に記載のドア開閉機構。
12. ドア開閉アーム（１０）が可動部材（５）に取り付けられており、可動部材は非塗装部材又はスプレーアプリケーターであることを特徴とする、請求項１記載のドア開閉機構。
13. 少なくとも一つの第２センサ部材（２、３、４）が、ドア開閉機構の一部に取り付けられる磁性部材又は強磁性部材（１３、１４、１５）と協働することを特徴とする、請求項４記載のドア開閉機構。
14. 少なくとも一つの強磁性部材（１３、１４、１５）が、周囲のドア開閉機構の隣接部分と同一平面内に磁気表面を有するように、ドア開閉機構に取り付けられていることを特徴とする、請求項１３記載のドア開閉機構。
15. 前記少なくとも一つの非接触センサ部材（１）が、磁界又は電磁界の磁界強度の変化を検出する部材であることを特徴とする、請求項１ないし１４のいずれか一項に記載のドア開閉機構。
16. 前記少なくとも一つの非接触センサ部材（１）が、少なくとも一つのドア（６）の位置までの距離を検出する、超音波検出器、光電式検出器、ＣＣＤ検出器、レーザ検出器、ＩＲ検出器、又は他の光学式検出器からなるリストから選択されるいずれかのセンサを含むことを特徴とする、請求項１ないし１４のいずれか一項に記載のドア開閉機構。
17. 車両（１５）の少なくとも一つのドア（７）の位置を検出する少なくとも一つのドア開閉機構を用いてロボット塗装プロセスを実行する方法であって、
    −前記少なくとも一つのドアに向かう経路に沿ってドア開閉機構の非接触センサ部材を移動させ、
    −第１の垂直方向に感知される値の変化を検出し、
    −センサ部材の移動距離による信号強度の最大値及び／又は最小値を検出し、
    −ドア開閉機構の一部と車両の一部（７）の間の距離を求める
    ことを特徴とする方法。
18. 前記少なくとも一つのドアの近傍の磁界又は電磁界の値の変化を検出することを特徴とする、請求項１７記載の方法。
19. 非接触センサ部材（１）が前記ドア（７）に向かう経路又は前記ドア（７）から離れる経路上にある間に、一つ以上の追加センサ部材（２、３、４、５５）により作用力又は推定される作用力の大きさを決定することを特徴とする、請求項１７記載の方法。
20. 前記ドアに向かう経路又は前記ドアから離れる経路に直交する平面に含まれる水平方向及び／又は垂直方向に沿って、センサ部材（２、３、４、５５）に加わる機械力を決定することを特徴とする、請求項１９記載の方法。
21. 感知又は推定された機械力を所定の値と比較し、制御信号を生成して、ドアの前記部分に把持フィンガ（１１）を挿入することを特徴とする、請求項１９記載の方法。
22. ドアの前記部分に把持フィンガ（１１）を挿入するための移動を生じさせ、第２制御信号を生成してドアを所望位置に移動させることを特徴とする、請求項２１記載の方法。
23. ドアが所望位置へと移動する間に、ドアの前記部分に向かう経路に直交する平面に含まれる水平方向及び／又は垂直方向に沿ってセンサ部材に加わる機械力の大きさを決定することを特徴とする、請求項２２記載の方法。
24. ドアが所望位置へと移動する間に感知された機械力の大きさを所定の値と比較し、力の値の比較によってドアの移動を制御する制御信号を生成することを特徴とする、請求項２３記載の方法。
25. ドア開閉装置によって決定されたドアの位置に関する情報をロボット（８）のコントロールユニットに供給する（７７、８７）ことにより、ロボットの動作を制御することを特徴とする、請求項１７ないし２４のいずれか一項に記載の方法。
26. 塗装される車両の所定のタイプに応じてドアの所望位置の値を選択することを特徴とする、請求項２２ないし２４のいずれか一項に記載の方法。
27. コンピュータで読み取り可能な媒体に記録されるコンピュータプログラムであって、コンピュータ又はプロセッサに読み込まれると、コンピュータ又はプロセッサに、請求項１７ないし２６のいずれか一項に記載の方法を実行させる、コンピュータプログラム。
28. コンピュータプログラムを格納するコンピュータで読み取り可能な媒体であって、コンピュータ又はプロセッサに読み込まれると、コンピュータ又はプロセッサに、請求項１７ないし２６のいずれか一項に記載の方法を実行させる、コンピュータ読み取り可能な媒体。
29. 塗装用ロボットと、車両（１５）の少なくとも一つのドア（７）の位置を検出するドア開閉機構とを備えるロボット自動車塗装用システムであって、前記ドア開閉機構は少なくとも一つの第１の非接触センサ部材（１）を含み、前記少なくとも一つの非接触センサ部材（１）が、前記少なくとも一つのドア（７）の前記位置までの距離を決定すること、及びドア開閉機構が、ドア開閉機構、ドア開閉アーム（１０）、又は第１のセンサ部材の一部に加わるたわみ力を決定する少なくとも一つの第２センサ部材（２、３、４、５５）を有することを特徴とする、システム。
30. ドアセンサ、ドア開閉アーム（１０、１０ａ、１０ｂ）、又はドアセンサが搭載されているアセンブリ（５、５ａ、５ｂ）に加わる力を測定する複数のセンサ（２、３、４）を特徴とする、請求項２９記載のシステム。
31. ドア開閉アームに加わるたわみ力を決定する一つ以上のセンサ部材が、ドア開閉機構（５、１０）に加わるたわみの計算値を供給するソフトセンサ（５５）を含むことを特徴とする、請求項２９記載のシステム。
32. 同じオブジェクト（１５）又はその一部を処理する少なくとも２つのマニピュレータアーム（５、８、５ａ、５ｂ、８ａ、８ｂ）を備えることを特徴とする、請求項２９記載のシステム。
33. 請求項２７記載の一つ以上のコンピュータプログラムを特徴とする、請求項２９記載のシステム。
34. 車両内部及び／又は車両外部の一部を塗装ロボット又はレシプロケータを使用して塗装するための、請求項１ないし１６のいずれか一項に記載のドア開閉機構の使用法。
35. 車両内部及び／又は車両外部を塗装するために、ウィンドウ、ドア、トランク蓋、ボンネット、ハッチ、ルーフカバー、給油口からなるリストから選択される車両上の位置を決定するための、請求項１ないし１６のいずれか一項に記載のドア開閉機構の使用法。

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