JP2009184051A - ピンクランプ装置とロボットアーム - Google Patents

Abstract

【課題】ワークの位置決め孔とピンの相対位置関係を常に検出することのできるピンクランプ装置を提供する。
【解決手段】ピンクランプ装置は、ベースとピンとカメラを備える。ベースは、ロボットアームの先端に固定される。ピンは、ベースから柱状に伸びている。ピンは、ワークに形成された位置決め孔に挿入されるための部材である。カメラは、ピンに内蔵されている。カメラの光軸がピンの中心線に一致している。カメラは、ピンの先端前方方向を撮影する。光軸がピンの中心線に一致しているため、カメラの画像の中心が常にピンの中心線に沿ったピン前方を表す。ピンの先端をワークの位置決め孔に向ければ、画像の中心に位置決め孔が映し出される。カメラ画像上でワークの位置決め孔がピンの先端によって遮られてしまうことがない。ワークの位置決め孔とピンの相対位置関係を常に検出しながらピンを位置決め孔に挿入することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ワークをハンドリングするためのロボットアームの先端に取り付けられて、ワークを保持するピンクランプ装置と、ピンクランプ装置を装着したロボットアームに関する。

ロボットアームでワークをハンドリングする場合、ワークを保持・解放する把持装置がロボットアームの先端に取り付けられる。なお、本明細書にいう「ロボットアーム」は、ワークを移動させることのできる機械の総称を意味する。
ワークを把持するために、把持装置とワークの相対位置を正確に制御する必要がある。ワークとの相対位置を検出するために、カメラを取り付けた把持装置が特許文献１に開示されている。この把持装置は、ワークを把持する複数の把持部材を備えている。カメラは、複数の把持部材間に、撮影方向が把持方向と一致するように取り付けられている。カメラ画像によってワークと把持部材の相対位置関係を検出する。カメラ画像に基づいて、把持部材をワークの所定の位置に位置決めするようにロボットアームを制御することができる。

特開平９−７０７８６号公報

把持装置の一種に、ピンクランプ装置がある。この装置は、ロボットアームの先端に取り付けられるベースと、ベースから柱状に伸びておりワークに形成された位置決め孔に挿入されるピンを備えている。ピンが特許文献１の把持部材に対応する。
ピンクランプ装置の場合、ピンの間にカメラを配置すると、カメラ画像において、ワークの位置決め孔がピンの先端によって遮られてしまう可能性がある。カメラ画像がワークの位置決め孔を捉えることができないと、ワークの位置決め孔とピンとの相対位置関係をカメラ画像から検出できなくなる。ロボットアームが、ワークを把持することが困難になる。
ワークの位置決め孔とピンの相対位置関係を常に検出することのできるピンクランプ装置、ワークの位置決め孔を見失うことがなくワークを把持できるロボットアームが望まれている。

本発明のピンクランプ装置は、ピンにカメラを内蔵する。カメラは、ピンの先端方向前方を撮影する向きに、その光軸がピンの中心線に一致するように配置されている。
光軸がピンの中心線に一致しているため、カメラの画像の中心が常にピンの中心線に沿ったピン前方を表す。ピンの先端をワークの位置決め孔に向ければ、画像の中心に位置決め孔が映し出される。カメラ画像上でワークの位置決め孔がピンの先端によって遮られてしまうことがない。ワークの位置決め孔とピンの相対位置関係を常に検出しながらピンを位置決め孔に挿入することができる。

上記のクランプ装置は、それぞれがカメラを内蔵した複数のピンを備えてよい。ワークに複数の位置決め孔が形成されており、夫々の位置決め孔にピンを挿入するピンクランプであっても、カメラ画像上で位置決め孔が他のピンで遮られることがない。

上記のピンクランプ装置は、ピンを位置決め孔に近づけるほど、位置決め孔が画像の中心に映し出される。逆にいえば、撮影されたワークの位置決め孔の中心をカメラ画像の中心に一致させるようにロボットアームを制御すれば、位置決め孔の中心線とピンの軸線を合わせることができる。カメラによって撮影されたワークの位置決め孔の中心をカメラの画像の中心に一致させながら、ピンをその中心軸線に沿って前進させるようにアームを制御すれば、ピンを位置決め孔に挿入することができる。上記のピンクランプ装置を備えたロボットアームは、ワークを把持するための制御が容易になる。

特に、カメラを内蔵した２本或いは３本のピンを備えたピンクランプ装置の場合、夫々のカメラ画像の中心に夫々の位置決め孔を一致させるようにロボットアームを制御すれば、3次元空間におけるワークとピンクランプ装置の相対位置を決定することができる。この場合でも、各カメラ画像において、カメラ画像の中心に夫々の位置決め孔を一致させるようにアームを制御すればよいという単純な位置決めアルゴリズムを採用することができる。

光軸と中心線が一致しているカメラ付ピンを採用すると、ピンクランプ装置のピンを交換しても、カメラ画像に基づくロボットアーム制御のアルゴリズム（ロボットアーム先端の軌道の教示）を変更する必要がないという利点が得られる。ワークの位置決め孔の形状や数に応じてピンを交換するだけで、ロボットのアルゴリズムを変更することなく様々なワークに対応することができる。

本発明によれば、ワークの位置決め孔とピンの相対位置関係を常に検出することのできるピンクランプ装置を提供できる。また、本発明によれば、ワークを把持させる制御が容易なロボットアーム技術を提供できる。

図１に、多関節のロボットアーム５０の先端に取り付けられたピンクランプ装置１０の模式的斜視図を示す。図１では、ロボットアーム５０の先端のみが描かれており、先端以外の図示を省略してある。符号６０は、ロボットアーム５０によって搬送するワーク（ワーク６０）である。ワーク６０には、位置決め孔６２ａ、６２ｂが形成されている。
ピンクランプ装置１０は、ロボットアーム５０の先端に取り付けられるベース１２と、ベース１２から柱状に伸びている２本のピン１４ａ、１４ｂを備える。図中の符号ＣＬ、ＣＲは、夫々ピン１４ａ、１４ｂの中心軸を表す。ピン１４ａの基部付近側方には、ピン１４ａの側方へ展開したり、ピン１４ａ内に収納されたりする可動式ツメ１６ａが設けられている。ピン１４ｂの基部付近側方にも、ピン１４ｂの側方へ展開したり、ピン１４ｂ内に収納されたりする可動式ツメ１６ｂが設けられている。ツメ１６ａ、１６ｂは、ピン１４ａ、１４ｂがワーク６０に形成された位置決め孔６２ａ、６２ｂに挿通した後にピン側方に展開し、ピンがワーク６０から抜けないようにワーク６０を保持する。なお、図１は、ツメ１６ａ、１６ｂがピン１４ａ、１４ｂに備えられていることを模式的に示しているのみであり、ツメ１６ａ、１６ｂの取り付け位置や構造を正確に示していない。ツメ１６ａ、１６ｂの取り付け位置や構造は後に図２を用いて説明する。
ピン１４ａ、１４ｂには、夫々カメラ１８ａ、１８ｂが内蔵されている。カメラ１８ａは、ピン１４ａの先端前方を向いており、その光軸がピン１４ａの中心軸ＣＬに一致している。カメラ１８ｂは、ピン１４ｂの先端前方を向いており、その光軸がピン１４ｂの中心軸ＣＲに一致している。

図２を参照して、ピン１４ａの構造を詳しく説明する。図２は、ピンクランプ装置１０の模式的断面図である。図２はピン１４ａの周囲のみを示しており、その他の部分の図示を省略している。図２（Ａ）は、ツメ１６ａが収納された状態を示しており、図２（Ｂ）はツメ１６ａが展開した状態を示している。
ピン１４ａの内部には可動式ツメ１６ａが備えられている。ツメ１６ａは、ピボット１７ａに揺動可能に支持されている。カメラ１８ａは、ツメ１６ａの内部に取り付けられている。ツメ１６ａが収納された状態において、カメラ１８ａの光軸が、ピン１４ａの中心軸ＣＬと一致する。
ピン１４ａがワーク６０の位置決め孔６２ａに挿通されたのちに、ツメ１６ａを展開する。具体的には、ツメ１６ａを、ピボット１７ａを支点に９０度回転させる。そうすると、ツメ１６ａの先端がピン１４ａの側面から展開する。展開されたツメ１６ａが、ワーク６０の裏面を抑え、ピン１４ａが位置決め孔６２ａから抜けなくなる。
ピン１４ｂもピン１４ａと同じ構造なので説明を省略する。

図３を参照して、ピンクランプ装置１０の機能を説明する。図３（Ａ）は、ロボットアームシステム１００の模式図である。以下では、ロボットアームシステム１００を単にシステム１００と称する。
システム１００は、ロボットアーム５０と、そのコントローラ５２と、ロボットアーム５０の先端に取り付けられているピンクランプ装置１０からなる。
コントローラ５２には、ピン１４ａ、１４ｂに内蔵されたカメラ１８ａ、１８ｂの画像を処理する画像処理ユニットと、ロボットアーム５０を制御するアーム制御ユニットを内蔵している。
システム１００は、カメラ１８ａ、１８ｂの画像に基づいて、ピン１４ａ、１４ｂをワーク６０の位置決め孔６２ａ、６２ｂに挿入するようにロボットアーム５０を制御する。
コントローラ５２は、まず、ロボットアーム５０を駆動して、ピンクランプ装置１０をワーク６０の概ね上方に移動させる。図３（Ａ）に示すように、ピン１４ａの先端前方にワーク６０の位置決め孔６２ａが位置し、ピン１４ｂの先端前方にワーク６０の位置決め孔６２ｂが位置する。このときのカメラ１８ａ、１８ｂの画像を夫々図３（Ｂ）、（Ｃ）に示す。カメラ１８ａの画像（カメラ画像５４ａ）には、ワーク６０の位置決め孔６２ａが映し出される。カメラ１８ｂの画像（カメラ画像５４ｂ）には、位置決め孔６２ｂが映し出される。
コントローラ５２は、位置決め孔６２ａの中心６３ａが、カメラ画像５４ａの中心５５ａに位置するようにロボットアーム５０を制御する。同時にコントローラ５２は、位置決め孔６２ｂの中心６３ｂが、カメラ画像５４ｂの中心５５ｂに位置するようにロボットアーム５０を制御する。
位置決め孔６２ａの中心６３ａがカメラ画像５４ａの中心５５ａに一致し、位置決め孔６２ｂの中心６３ｂがカメラ画像５４ｂの中心５５ｂに一致すると、コントローラ５２は、ロボットアーム５０を下方（中心軸線ＣＬ、ＣＲに沿ったピン前方）へ前進させる。そうすると、ピン１４ａ、１４ｂが、夫々位置決め６２ａ、６２ｂに挿入される。その後、ツメ１６ａ、１６ｂ（図１、２参照）を展開して、ワーク６０をピンクランプ装置１０に固定する。そして、コントローラ５２は、ロボットアーム５０を制御して、把持されたワーク６０を所望の位置へ移動させる。

ピンクランプ装置１０の利点を以下に説明する。
ピンクランプ装置１０のピン１４ａ、１４ｂの内部に、ピン先端前方を撮影するカメラ１８ａ、１８ｂが内蔵されているので、カメラ画像にピンが映ることがない。従って、カメラ画像上で、ワーク６０の位置決め孔６２ａ、６２ｂが他のピンで遮られることがない。位置決め孔６２ａ、６２ｂを常に画像に捉えることができるので、常に画像による位置決めが行える。
各ピンに、光軸と中心軸が一致しているカメラを内蔵しているので、複数のピンがベースに対してどのように配置されても、カメラ画像に他のピンが映ることがない。ピンの配置が変更されても、常に画像による位置決めが行える。
カメラ１８ａ、１８ｂの光軸がピン１４ａ、１４ｂの中心軸ＣＬ、ＣＲに一致している。すなわち、画像の中心がピンの中心軸に一致する。これによって、画像上でワーク６０の位置決め孔６２ａ、６２ｂの中心をそれぞれのカメラ画像の中心に一致させながら、クランプ装置をピンの中心軸線に沿ってピン前方へ移動するようにロボットアーム５０を制御すれば、ピンを位置決め孔に挿入させることができる。
画像上で位置決め孔の中心を画像中心に一致させるようにアームを制御すればよいので、制御アルゴリズムにおいて、アーム先端とピンクランプ装置の位置関係、ピンクランプ装置のベースとピンの位置関係を考慮する必要がない。
各ピンにカメラを内蔵しているので、位置決め孔の形状や数が異なるワークに対して、ピンを交換するだけで対応できる。ロボットアーム５０の制御アルゴリズム（ピンクランプとワークの位置合わせに必要なアーム軌道の教示）を変更する必要がない。
カメラが、可動式ツメに取り付けられている。これによってピン内部のスペースを有効に使うことができる。径の小さいピンであっても実現が容易である。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
実施例のピンクランプ装置では、カメラは、ピンに設けられた可動式ツメに取り付けられている。カメラは、光軸がピンの中心軸に一致していれば、ピンの内部に固定されていてもよい。
ピンクランプ装置が備えるピンの数は、いくつでもよい。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

ピンクランプ装置の模式的斜視図である。 ピンクランプ装置の模式的断面図である。 ロボットアームシステムの模式図である。

符号の説明

１０：ピンクランプ装置
１２：ベース
１４：ピン
１６：可動式ツメ
１８：カメラ
５０：ロボットアーム
６０：ワーク

Claims (4)

1. ロボットアームの先端に取り付けられて、ワークを保持するピンクランプ装置であり、
   ロボットアームの先端に固定されるベースと、
   ベースから柱状に伸びており、ワークに形成された位置決め孔に挿入されるピンと、
   ピンに内蔵され、光軸がピンの中心線に一致しており、ピンの先端前方方向を撮影するカメラと、
   を備えていることを特徴とするピンクランプ装置。
2. 複数のピンを備えており、各ピンにカメラが内蔵されていることを特徴とする請求項１に記載のピンクランプ装置。
3. 請求項１又は２のピンクランプ装置を備えたロボットアームであり、
   カメラによって撮影されたワークの位置決め孔の中心をカメラの画像の中心に一致させながら、ピンをその中心軸線に沿って前進させるようにアームを制御するコントローラを備えることを特徴とするロボットアーム。
4. 請求項１又は２のピンクランプ装置を備えたロボットアームの制御方法であり、
   カメラによって撮影されたワークの位置決め孔の中心をカメラの画像の中心に一致させながら、ピンをその中心軸線に沿って前進させるようにアームを制御することを特徴とするロボットアームの制御方法。

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