JP2012024886A

JP2012024886A - 位置および姿勢の補正機構

Info

Publication number: JP2012024886A
Application number: JP2010165952A
Authority: JP
Inventors: Terumasa Sawato; 瑛昌沢戸; Atsuo Yamano; 敦生山野; Junichi Ishida; 淳一石田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2010-07-23
Filing date: 2010-07-23
Publication date: 2012-02-09

Abstract

【課題】高速に動作可能である、位置および姿勢の補正機構を提供する。
【解決手段】減速機を介さない複数のリニアモータ１０１Ａ〜Ｆの組み合わせによって構成されるリンク機構と、複数のリニアモータ１０１Ａ〜Ｆのそれぞれの位置を測定するリニアエンコーダ１２０Ａ〜Ｆと、複数のリニアモータ１０１Ａ〜Ｆのそれぞれに流れる電流値を測定する電流センサ１１０Ａ〜Ｆと、リニアエンコーダ１２０Ａ〜Ｆにより測定された上記位置および電流センサ１１０Ａ〜Ｆにより測定された電流値が入力される制御部１３０とを備えている。制御部１３０は、算出された上記力と入力された複数のリニアエンコーダ１２０Ａ〜Ｆのそれぞれの位置に基づいて、リンク機構の位置および駆動力を制御するリンク機構駆動指令部１４０を含む。
【選択図】図４

Description

本発明は、位置および姿勢の補正機構に関し、特に、部品組立時の位置ずれ量を補正する位置および姿勢の補正機構に関する。

部品の組立工程においては、従来、人手により組立られていたが、生産ラインの人員削減および安定した組立を実現するために、組立作業の自動化に関する装置および技術が検討されている。特に、最近では多品種少量生産の傾向があり、また、新製品の投入される周期が短くなっているため、生産ラインの編成が短い周期で変更されること、または、同一の生産ラインで複数の種類の製品が同時に生産されることがある。

このような状況において自動組立装置が構築された場合、製造される製品の品種が変更されるたびに、自動組立装置の編成の変更が必要となる。自動組立装置の編成の変更のために多くの時間および多額のコストが必要となる場合、短いサイクルで変更が必要な生産ラインでは、人手による作業を自動組立装置に置き換えることは難しい。よって、部品の組立工程が自動化されるためには、製品の変更に対して柔軟に対応できる構成が求められる。このような環境のなか、産業用ロボット業界においては、人に近い動作およびセンシングのできる組立アーム、および、組付け部品を扱う組立ハンドについての研究が行なわれている。

産業用ロボットとして、２つの部品同士を取り付けまたは嵌め込むことができる、位置および姿勢の補正機構、および、それを有する組立ハンドなどがこれまでに検討されている。組付け部品の取付けなどが可能な組立ロボットの手首機構を開示した先行文献として、特許文献１がある。

特許文献１に記載された組立ロボットの手首機構においては、組付け部品を掴む組立ハンドと組立アームとの間に平行板ばね式コンプライアンス機構が設けられている。組立ロボットの手首機構は、コンプライアンス機構により部品同士の位置ズレを吸収することができるにようにされている。

部品を挿入する際の挿入力をセンシングすることで部品同士の位置ズレ量を測定して補正する組立ロボットを開示した先行文献として、特許文献２および３がある。特許文献２に記載された組立ロボットの手首機構においては、３つの回転モータによりリンク機構が構成され、各モータに設けられたトルクセンサ、または、チャックとの間に設けられた力センサによって、ハンド先端にかかる力が計測されている。特許文献３に記載されたロボットの制御装置においては、ロボットの各関節の電流値が検出されることにより推定された、各関節にかかる外力が、ロボットの制御に利用されている。

特開昭６３−１３９６８１号公報特開平９−３０９０８９号公報特開平１１−４２５７８号公報

特許文献１に記載された組立ロボットの手首機構においては、動作アクチュエータとは別にコンプライアンス機構が設けられる必要があり、手先の重量およびサイズが増加して、手首機構の動作の際にかかる慣性力が大きくなる。また、平行板ばねを用いた機械的なコンプライアンス機構が用いられているため、コンプライアンス機構の硬さを変更するには、平行板ばねの変更が必要となり汎用性に欠ける。

特許文献２に記載された組立ロボットの手首機構においては、モータのトルクまたは手首機構の先端にかかる力を測定するためのセンサが設けられる必要がある。そのため、手首機構の重量およびサイズが増加して、手首機構の動作の際にかかる慣性力が大きくなるとともに、装置のコストが高くなる。また、部品の押し込み方向におけるコンプライアンス機構が設けられていないために、挿入作業時に高速な動作ができない。

特許文献３に記載されたロボットの制御装置においては、減速機を介して回転モータが用いられているため、外力と検出された電流値とのズレが大きくなる。さらに、減速機によってロボットの先端の質量が大きくなり、ロボットの動作の際にかかる慣性力が大きくなるため、正確に外力を抽出することが難しい。

本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、組立ハンドの先端にかかる力を力センサを用いることなく正確に測定してコンプライアンス動作することにより高速に動作可能である、位置および姿勢の補正機構を提供することを目的とする。

本発明に基づく位置および姿勢の補正機構は、リンク機構と位置測定部と電流測定部と制御部とを備えている。リンク機構は、減速機を介さない複数の電磁式アクチュエータの組み合わせによって構成される。位置測定部は、複数の電磁式アクチュエータのそれぞれの位置を測定する。電流測定部は、複数の電磁式アクチュエータのそれぞれに流れる電流値を測定する。制御部は、位置測定部により測定された位置および電流測定部により測定された電流値が入力される。制御部は、位置測定部により測定された複数の電磁式アクチュエータのそれぞれの位置からリンク機構の位置を算出し、かつ、電流測定部により測定された電流値から複数の電磁式アクチュエータのそれぞれに負荷された力を算出する。制御部は、算出された力と入力された複数の電磁式アクチュエータのそれぞれの位置に基づいて、リンク機構の位置および駆動力を制御するリンク機構駆動指令部を含む。

好ましくは、制御部は、複数の電磁式アクチュエータのそれぞれに流れる電流値を制御する電流制御部を含む。電流制御部が、複数の電磁式アクチュエータに流れる電流値を制御することにより、複数の電磁式アクチュエータの外力に対する特性が変化する。

好ましくは、電流制御部が、複数の電磁式アクチュエータのそれぞれに流れる電流値を個別に制御することにより、複数の電磁式アクチュエータのそれぞれの外力に対する特性が異方性を有する。

本発明の一形態においては、電磁式アクチュエータがリニアモータである。
本発明の一形態においては、電磁式アクチュエータがダイレクトドライブモータである。

好ましくは、電流制御部が、柔軟制御および高剛性制御を行なう。

本発明によれば、組立ハンドの先端にかかる力を力センサを用いることなく正確に測定してコンプライアンス動作することにより高速に動作可能である、位置および姿勢の補正機構を提供することができる。

比較例として、液晶テレビの従来の組立ラインを示す平面図である。本発明の実施形態１に係る、位置および姿勢の補正機構を適用して、図１に示す組立ラインの一部について自動化した状態を示す平面図である。同実施形態に係る位置および姿勢の補正機構を有する組立ハンド１００の構成を示す斜視図である。同実施形態に係る組立ハンドの構成を示すブロック図である。制御部によって行なわれる、グリップハンドまたはグリップハンドによって把持されている組付け部品に負荷される外力のセンシング方法の概念図である。同実施形態に係る組立ハンド１００が組付け部品を把持する前の状態を示す側面図である。同実施形態に係る組立ハンドが位置決めピンを把持した状態を示す側面図である。同実施形態に係る組立ハンドが位置決めピンを対象物上に接触させた状態で滑らせながら穴部に近づけている状態を示す側面図である。同実施形態に係る組立ハンドが位置決めピンを鉛直方向に把持した状態を示す側面図である。同実施形態に係る組立ハンドが位置決めピンを対象物の穴部に挿入した状態を示す側面図である。組立ハンドにより組付け部品を対象物の穴部に嵌め込む際の動作を示すフロー図である。各リニアモータの外力特性に異方性を持たせた組立ハンドが位置決めピンを把持した状態を示す側面図である。各リニアモータの外力特性に異方性を持たせた組立ハンドが位置決めピンを対象物上に接触させた状態を示す側面図である。各リニアモータの外力特性に異方性を持たせた組立ハンドが位置決めピンを穴部に位置合わせした状態を示す側面図である。各リニアモータの外力特性に異方性を持たせた組立ハンドが位置決めピンを対象物の穴部に挿入した状態を示す側面図である。各リニアモータの外力特性に異方性を持たせた組立ハンドにより組付け部品を対象物の穴部に嵌め込む際の動作を示すフロー図である。本発明の実施形態２に係る位置および姿勢の補正機構を有する組立ハンドの構成を示すブロック図である。本発明の実施形態３に係る位置および姿勢の補正機構を有する組立ハンドの構成を示す斜視図である。

以下、本発明に係る位置および姿勢の補正機構の実施形態１について図面を参照して説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰返さない。

実施形態１
図１は、比較例として、液晶テレビの従来の組立ラインを示す平面図である。図１に示すように、コンベア１上にトレイ２が載置されている。トレイ２上にワーク３が載置されている。コンベア１によって、トレイ２およびワーク３が所定の速度で搬送されている。コンベア１の側部には複数の作業者７が配置されている。作業者７は、液晶テレビの部品を部品供給部４から取り出して、その部品をワーク３上に配置する。各工程において、必要に応じて部品がねじにより締結されることにより、部品がワーク３に固定される。液晶テレビが組立られる際には、基板などの板状部品５、フレームなどの棒状部品６、および、位置決めピン２０１が配置される工程がある。各作業者が、それぞれの部品を配置およびねじ締めすることにより、液晶テレビが組立られている。

図２は、本発明の実施形態１に係る、位置および姿勢の補正機構を適用して、図１に示す組立ラインの一部について自動化した状態を示す平面図である。図２に示すように、本発明の実施形態１に係る組立ラインは、コンベア１およびトレイ２などの基本的なラインの構成については、図１に示す組立ラインと同一であるが、一部の作業者７が組立ロボット８に置き換えられている。

組立ロボット８の先端部には、液晶テレビの部品を把持するための組立ハンド１００が設けられている。従来、作業者７が行っていた作業が、組立ハンド１００を用いて組立ロボット８により行なわれる。組立ハンド１００は、位置および姿勢の補正機構を備えている。

以下、組立ハンド１００の構成について説明する。図３は、本実施形態に係る位置および姿勢の補正機構を有する組立ハンド１００の構成を示す斜視図である。図３に示すように、組立ハンド１００は、電磁式アクチュエータとして６本のリニアモータ１０１Ａ〜Ｆを有している。リニアモータ１０１Ａ〜Ｆは、長手方向を有する筒状部と、筒状部の内部に収容されて、筒状部の一端から突出した軸部とを有している。軸部は、筒状部内に直線的に出入り自在に保持されている。

６本のリニアモータ１０１Ａ〜Ｆは、上部ジョイント１０２Ａ〜Ｆにより手首機構ベース１０４と接続され、下部ジョイント１０３Ａ〜Ｆによりハンドベース１０５と接続されている。

手首機構ベース１０４は、上方から平面視して、中心から外方に向けて３方向に延在している延在部を有し、３つの延在部の両側面に、上部ジョイント１０２Ａ〜Ｆのそれぞれが接続されている。上部ジョイント１０２Ａ〜Ｆのそれぞれは、接続された延在部の側面に直交する軸周りに回動自在に接続されている。

ハンドベース１０５は、上方から平面視して、中心から外方に向けて３方向に延在している延在部を有し、３つの延在部の両側面に、下部ジョイント１０３Ａ〜Ｆのそれぞれが回動自在に接続されている。下部ジョイント１０３Ａ〜Ｆのそれぞれは、接続された延在部の側面に直交する軸周りに回動自在に接続されている。

上部ジョイント１０２Ａ〜Ｆのそれぞれは、筒状部の外表部に接続されており、下部ジョイント１０３Ａ〜Ｆのそれぞれは、軸部の先端部に接続されている。上部ジョイント１０２Ａ〜Ｆのそれぞれは、接続された筒状部の長手方向に直交する方向のうちの一つの方向の軸周りに回動自在に接続されている。下部ジョイント１０３Ａ〜Ｆのそれぞれは、接続された軸部の長手方向に直交する方向のうちの一つの方向の軸周りに回動自在に接続されている。

このように、組立ハンド１００は、減速機を介さない複数の電磁式アクチュエータの組み合わせによって構成されるスチュワートプラットフォーム型パラレルリンク機構を有している。

ハンドベース１０５の中央下部には、把持部であるグリップハンド１０６が設けられている。グリップハンド１０６は、互いの間隔が変更可能な、対向した板状部から構成されている。板状部同士の間に組付け部品が挟まれることにより組付け部品が保持された状態で、リンク機構が駆動されることにより組付け部品が所望の位置に移される。

図４は、本実施形態に係る組立ハンドの構成を示すブロック図である。図４に示すように、リニアモータ１０１Ａ〜Ｆには、それぞれ電流測定部である電流センサ１１０Ａ〜Ｆが接続されている。電流センサ１１０Ａ〜Ｆは、接続されたリニアモータ１０１Ａ〜Ｆに流れる電流値を測定する。

リニアモータ１０１Ａ〜Ｆには、それぞれ位置測定部であるリニアエンコーダ１２０Ａ〜Ｆが接続されている。リニアエンコーダ１２０Ａ〜Ｆは、接続されたリニアモータ１０１Ａ〜Ｆの位置を測定する。

電流センサ１１０Ａ〜Ｆおよびリニアエンコーダ１２０Ａ〜Ｆは、組立ハンド１００の制御部１３０に接続されている。制御部１３０には、リニアエンコーダ１２０Ａ〜Ｆにより測定されたリニアモータ１０１Ａ〜Ｆの位置と、電流センサ１１０Ａ〜Ｆにより測定された電流値とが入力される。よって、制御部１３０は、リニアモータ１０１Ａ〜Ｆの位置と、リニアモータ１０１Ａ〜Ｆに流れる電流値とを常に把握している。

制御部１３０は、後述するようにリンク機構の位置および駆動力を制御するリンク機構駆動指令部１４０を含む。また、制御部１３０は、組立ハンド１００のコンプライアンス動作を可能にするためにリニアモータ１０１Ａ〜Ｆに流れる電流値を制御する電流制御部１５０を含む。

以下、本実施形態に係る、グリップハンド１０６またはグリップハンド１０６によって把持されている組付け部品に負荷される外力のセンシング方法について説明する。

図５は、制御部によって行なわれる、グリップハンドまたはグリップハンドによって把持されている組付け部品に負荷される外力のセンシング方法の概念図である。グリップハンド１０６またはグリップハンド１０６に把持されている組付け部品に力が負荷された場合、リニアモータ１０１Ａ〜Ｆにその力が伝達される。

本実施形態におけるパラレルリンク機構においては、減速機を介さない６つのリニアモータ１０１Ａ〜Ｆと手首機構ベース１０４およびハンドベース１０５とが接続されているため、グリップハンド１０６またはグリップハンド１０６によって把持されている組付け部品に力が負荷された場合、その力はリニアモータ１０１Ａ〜Ｆのそれぞれに分散されて伝達される。

なお、リニアモータ１０１Ａ〜Ｆは、上部ジョイント１０２Ａ〜Ｆおよび下部ジョイント１０３Ａ〜Ｆにより保持されているため、リニアモータ１０１Ａ〜Ｆには可動軸方向の力のみが負荷され、リニアモータ１０１Ａ〜Ｆを曲げようとするモーメントが負荷されることはない。

リニアモータ１０１Ａ〜Ｆの出力と、リニアモータ１０１Ａ〜Ｆに流れる電流値とは、比例関係にある。そのため、リニアモータ１０１Ａ〜Ｆに力が負荷された場合、負荷された力に応じてリニアモータ１０１Ａ〜Ｆに流れる電流値が変化する。

よって、図５に示すように、電流センサ１１０Ａ〜Ｆによるリニアモータ１０１Ａ〜Ｆに流れる電流値の測定結果(Ｉ１００)から、リニアモータ１０１Ａ〜Ｆに負荷された力が推定可能である(Ｉ１１０)。

また、リニアモータ１０１Ａ〜Ｆに設けられたリニアエンコーダ１２０Ａ〜Ｆが測定したリニアモータ１０１Ａ〜Ｆの位置情報(Ｉ２００)から、リンク機構の位置および姿勢が算出可能である(Ｉ２１０)。

リニアエンコーダ１２０Ａ〜Ｆによりリニアモータ１０１Ａ〜Ｆの位置変化を測定することにより、リニアモータ１０１Ａ〜Ｆの速度および加速度を算出する(Ｉ２２０)。算出されたリニアモータ１０１Ａ〜Ｆの速度および加速度と、予め測定しておいたグリップハンド１０６および組付け部品の質量(Ｉ２３０)とから、グリップハンド１０６および組付け部品の移動によって生じる慣性力を算出する(Ｉ２４０)。

算出されたリンク機構の位置および姿勢(Ｉ２１０)から、リニアモータ１０１Ａ〜Ｆの向きが分かる。この情報と推定されたリニアモータ１０１Ａ〜Ｆに負荷された力(Ｉ１１０)とから，グリップハンド１０６またはグリップハンド１０６によって把持されている組付け部品に負荷される力を算出する(Ｉ１２０)。

算出されたグリップハンド１０６またはグリップハンド１０６によって把持されている組付け部品に負荷される力(Ｉ１２０)から、算出されたグリップハンド１０６および組付け部品の移動によって生じる慣性力を(Ｉ２４０)引くことにより、グリップハンド１０６またはグリップハンド１０６によって把持されている組付け部品に負荷される外力が算出される(Ｉ１３０)。上記の計算は、制御部１３０において行なわれる。

以下、組立ハンド１００により組付け部品として位置決めピン２０１を対象物２０２の穴部２０３に嵌め込む際の動作について、図６から図１１を用いて説明する。図６は、本実施形態に係る組立ハンド１００が組付け部品を把持する前の状態を示す側面図である。なお、図６から図１０においては、簡単のため、６本のリニアモータのうち３本のみ記載している。図１１は、組立ハンドにより組付け部品を対象物の穴部に嵌め込む際の動作を示すフロー図である。

図６に示すように、組立ハンド１００は、６本のリニアモータ１０１により、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向およびその軸周りの６自由度を有している。

図７は、本実施形態に係る組立ハンドが位置決めピンを把持した状態を示す側面図である。図２，７，１１に示すように、組立ハンド１００のグリップハンド１０６で位置決めピン２０１を把持した状態で、位置決めピン２０１が対象物２０２の穴部２０３の近傍に位置するように、組立ハンド１００を仮位置決めする(Ｓ１００)。ただし、組立ハンド１００自体は、大きな移動可能ストロークを有していないため、仮位置決めする際には、組立ハンド１００を有する組立ロボット８が主に移動する。

図８は、本実施形態に係る組立ハンドが位置決めピンを対象物上に接触させた状態で滑らせながら穴部に近づけている状態を示す側面図である。図８，１１に示すように、グリップハンド１０６が傾けられて位置決めピン２０１が傾斜させられた状態で、対象物２０２に位置決めピン２０１の一端が接触するまで、組立ハンド１００が下降させられる(Ｓ１１０)。位置決めピン２０１の一端が対象物２０２の上面に接触した時点で、組立ハンド１００の下降が停止される。その後、組立ハンド１００は、位置決めピン２０１を傾斜させた状態のまま対象物２０２の上面を滑らせながら穴部２０３に近づくように、図８に示す矢印方向に移動させる(Ｓ１２０)。

位置決めピン２０１が穴部２０３の位置を通過する際には、穴部２０３の中に位置決めピン２０１の一端が落ち込んだ後、穴部２０３の上端の角部に位置決めピン２０１の一端が引っかかる状態となる。

この位置決めピン２０１が穴部２０３に引っかかった時点において、位置決めピン２０１が対象物２０２の上面を滑らせられている際にグリップハンド１０６に作用する反力より明らかに高い反力が作用する。リニアモータ１０１に設けられた電流センサ１１０Ａ〜Ｆにより、この反力の変化を検出する(Ｓ１３０)ことで、位置決めピン２０１の位置が穴部２０３の位置に合致したことが確認できる。

図９は、本実施形態に係る組立ハンドが位置決めピンを鉛直方向に把持した状態を示す側面図である。図９，１１に示すように、位置決めピン２０１の位置が穴部２０３の位置に合致したことを確認した後、組立ハンド１００は、位置決めピン２０１の姿勢を位置決めピン２０１の長手方向が鉛直方向となるように変更する(Ｓ１４０)。

その後、位置決めピン２０１は、対象物２０２の穴部２０３に挿入される(Ｓ１５０)。このとき、位置決めピン２０１の長手方向および穴部２０３の深さ方向が、完全に鉛直方向と一致しているとは限らないため、グリップハンド１０６が、鉛直方向を軸とする回転方向にコンプライアンス動作可能になるようにする。

具体的には、図４に示す電流制御部１５０が、複数のリニアモータ１０１Ａ〜Ｆのそれぞれに流れる電流値を制御することにより、複数のリニアモータ１０１Ａ〜Ｆの外力に対する特性を変化させる。詳しくは、電流制御部１５０が複数のリニアモータ１０１Ａ〜Ｆに対して一律に、鉛直方向であるＺ軸方向における外力特性を高剛性制御し、水平方向であるＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＸ，Ｙ，Ｚ軸周りの外力特性を柔軟制御している。ここで、柔軟制御とは、所定の力以上の反力が負荷された場合にコンプライアンス動作するように制御することをいい、高剛性制御とは、コンプライアンス動作しないように制御することをいう。

このようにすることにより、位置決めピン２０１の長手方向と、穴部２０３の深さ方向とに僅かなズレがあった場合に、組立ハンド１００は、そのズレを吸収するように位置決めピン２０１の傾きを修正しながら位置決めピン２０１を挿入することができる。

図１０は、本実施形態に係る組立ハンドが位置決めピンを対象物の穴部に挿入した状態を示す側面図である。図１０，１１に示すように、組立ハンド１００により位置決めピン２０１が完全に穴部２０３に挿入されたとき、位置決めピン２０１の一端と穴部２０３の底部とが接触する。このとき、グリップハンド１０６に大きな反力が作用する。この反力をリニアモータ１０１に設けられた電流センサ１１０Ａ〜Ｆにより検出する(Ｓ１６０)ことで、位置決めピン２０１が穴部２０３に完全に挿入されたことが確認できる。ただし、位置決めピン２０１が穴部２０３の挿入途中において引っかかることによって反力が大きくなる可能性があるため、リニアモータ１０１の高さ方向の位置を同時に確認するようにしてもよい。

上記の動作中のリンク機構を制御しているのは、図４に示す制御部１３０に含まれるリンク機構駆動指令部１４０である。リンク機構駆動指令部１４０は、算出されたリニアモータ１０１Ａ〜Ｆに負荷された外力と、入力されたリニアモータ１０１Ａ〜Ｆのそれぞれの位置に基づいて、リンク機構の位置および駆動力を制御している。

以下、電流制御部１５０によりリニアモータ１０１Ａ〜Ｆのそれぞれの外力に対する特性に異方性を持たせた状態において、組立ハンド１００により組付け部品として位置決めピン２０１を対象物２０２の穴部２０３に嵌め込む際の動作について、図１２から図１６を用いて説明する。図１６は、各リニアモータの外力特性に異方性を持たせた組立ハンドにより組付け部品を対象物の穴部に嵌め込む際の動作を示すフロー図である。

図１２は、各リニアモータの外力特性に異方性を持たせた組立ハンドが位置決めピンを把持した状態を示す側面図である。図２，１２，１６に示すように、組立ハンド１００のグリップハンド１０６で位置決めピン２０１を把持した状態で、位置決めピン２０１が対象物２０２の穴部２０３の近傍に位置するように、組立ハンド１００を仮位置決めする(Ｓ２００)。ただし、組立ハンド１００自体は、大きな移動可能ストロークを有していないため、仮位置決めする際には、組立ハンド１００を有する組立ロボット８が主に移動する。

図１３は、各リニアモータの外力特性に異方性を持たせた組立ハンドが位置決めピンを対象物上に接触させた状態を示す側面図である。図１３，１６に示すように、組立ハンド１００が下降させられる際に、電流制御部１５０が、各リニアモータ１０１のそれぞれに流れる電流値を個別に制御することにより、各リニアモータ１０１のそれぞれの外力に対する特性が異方性を有している。

具体的には、各リニアモータ１０１においては、位置決めピン２０１の挿入方向であるＺ軸方向の外力特性は柔軟制御とされ、Ｘ，Ｙ軸方向および、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸周りの外力特性は高剛性制御とされる(Ｓ２１０)。この状態で、組立ハンド１００が−Ｚ軸方向に下降させられて、位置決めピン２０１が対象物２０２の上面に接触させられる(Ｓ２２０)。

各リニアモータ１０１のＺ方向における外力特性は柔軟性を有しているため、高速で組立ハンド１００が下降させられて位置決めピン２０１が対象物２０２の上面に衝突した場合、電流制御部１５０が設定している所定の電流制御値以上の反力は、コンプライアンス動作により吸収される。その結果、各リニアモータ１０１には電流制御部１５０の設定値以上のＺ方向における外力が伝達されないため、各リニアモータ１０１に衝撃による影響が及ぶことを抑制することができる。よって、各リニアモータ１０１の外力特性に異方性を持たせることにより、組立ハンド１００の下降速度を高速にすることが可能となる。

図１３に示すように、位置決めピン２０１が対象物２０２の上面に接触した後、電流制御部１５０の制御が変更される。具体的には、位置決めピン２０１の挿入方向であるＺ軸方向の外力特性が高剛性制御とされ、Ｘ，Ｙ軸方向およびＸ，Ｙ，Ｚ軸周りの外力特性が柔軟制御とされる(Ｓ２３０)。この状態で、対象物２０２の穴部２０３の探索動作が行われる(Ｓ２４０)。

穴部２０３の探索動作は、上述したように、位置決めピン２０１の一端を対象物２０２の上面を滑らせながら、各リニアモータ１０１の水平方向（Ｘ，Ｙ軸方向）の外力を検出することで行なわれる。各リニアモータ１０１に設けられた電流センサが、予め設定された閾値以上の反力を検出することで、穴部２０３の位置に位置決めピン２０１の位置が合致した状態で組立ハンド１００が位置決めされる(Ｓ２５０)。

各リニアモータ１０１の水平方向（Ｘ，Ｙ軸方向）における外力特性は柔軟性を有しているため、高速で組立ハンド１００が探索動作を行なって位置決めピン２０１が穴部２０３に引っかかった場合、電流制御部１５０が設定している所定の電流制御値以上の外力は、コンプライアンス動作により吸収される。その結果、各リニアモータ１０１には電流制御部１５０の設定値以上の水平方向における外力が伝達されないため、各リニアモータ１０１に衝撃による影響が及ぶことが抑制される。よって、各リニアモータ１０１の外力特性に異方性を持たせることにより、組立ハンド１００の探索動作を高速にすることが可能となる。

図１４は、各リニアモータの外力特性に異方性を持たせた組立ハンドが位置決めピンを穴部に位置合わせした状態を示す側面図である。図１４に示すように、探索動作により穴部２０３の位置に位置決めピン２０１が位置合わせされた後、組立ハンド１００が位置決めピン２０１の挿入方向である−Ｚ軸方向に下降させられることにより、位置決めピン２０１は、対象物２０２の穴部２０３に挿入される(Ｓ２６０)。

このとき、各リニアモータ１０１においては、水平方向（Ｘ，Ｙ軸方向）およびＸ，Ｙ，Ｚ軸周りの外力特性は柔軟制御とされている。そのため、穴部２０３に対して位置決めピン２０１の位置が水平方向に僅かにズレている場合、および、穴部２０３に対して位置決めピン２０１が僅かに傾いている場合に、組立ハンド１００は、その位置ずれおよび傾きをコンプライアンス動作により吸収しつつ、位置決めピン２０１を穴部２０３に挿入することができる。

図１５は、各リニアモータの外力特性に異方性を持たせた組立ハンドが位置決めピンを対象物の穴部に挿入した状態を示す側面図である。図１５，１６に示すように、組立ハンド１００により位置決めピン２０１が完全に穴部２０３に挿入されたとき、位置決めピン２０１の一端と穴部２０３の底部とが接触する。このとき、グリップハンド１０６に大きなＺ軸方向の反力が作用する。この反力をリニアモータ１０１に設けられた電流センサ１１０Ａ〜Ｆにより検出する(Ｓ２７０)ことで、位置決めピン２０１が穴部２０３に完全に挿入されたことが確認できる。

上記のように、各リニアモータの外力特性の異方性を適宜変更して、位置決めピン２０１の穴部２０３への嵌め込み動作を行なうことにより、組立ハンド１００の動作を高速化させることができるため、液晶テレビの組立時間の短縮が図れる。

本実施形態における組立ハンド１００においては、組立ハンド１００は６自由度の動作が可能であるため、組立ロボット８により位置決めピン２０１を穴部２０３の近傍に配置した後は、組立ハンド１００の動作のみで位置決めピン２０１を穴部２０３に嵌め込むことができる。

また、本実施形態の組立ハンド１００においては、６つのリニアモータ１０１Ａ〜Ｆが並列に接続されたパラレルリンク構造が採用されているため、リニアモータ１０１Ａ〜Ｆの１つあたりの位置誤差が平均化され、６つのリニアモータ１０１Ａ〜Ｆが直列に接続された構造と比較して、リンク機構の高精度な位置決めが可能である。さらに、６つのリニアモータ１０１Ａ〜Ｆからリンク機構が構成されているため、高出力の組立ハンド１００が形成できる。

さらに、本実施形態に係る位置および姿勢の補正機構を有する組立ハンド１００は、組立ハンド１００の先端にかかる力を力センサを用いることなく正確に測定してコンプライアンス動作することにより高速に動作可能である。

本実施形態の組立ハンド１００において、位置決めピン２０１および穴部２０３の大まかな位置を認識できるカメラなどのセンサを設けた場合、組立ロボット８自身の位置決め精度が高くない場合においても、上記の組立ハンド１００の動作を行なうことにより、精密部品の嵌め込みが可能となる。

本実施形態の組立ハンド１００においては、位置決めピン２０１を挿入する時には、組立ハンド１００の先方に位置している、ハンドベース１０５およびグリップハンド１０６のみが動作されるため、動作される部分の質量が小さく、低消費電力で高速な挿入動作が可能である。

なお、本実施形態においては、液晶テレビの組立を例に説明したが、本実施形態の組立ハンド１００は、液晶テレビの組立に用いられるものに限定されず、他の一般的な組立にも適応可能である。また、位置決めピン２０１の嵌め込みを例に説明したが、本実施形態の組立ハンド１００は位置決めピン２０１の嵌め込みだけでなく、部品同士の位置関係を組み立てハンド１００の先端が部品に接触した際の外力により検知可能な作業に適応可能である。

以下、本発明の実施形態２に係る位置および姿勢の補正機構について説明する。
実施形態２
図１７は、本発明の実施形態２に係る位置および姿勢の補正機構を有する組立ハンドの構成を示すブロック図である。図１７に示すように、本実施形態の組立ハンド３００においては、電磁式アクチュエータとしてダイレクトドライブモータ３０１Ａ〜Ｆが用いられている。

ダイレクトドライブモータ３０１Ａ〜Ｆのそれぞれには、電流測定部である電流センサ３１０Ａ〜Ｆが設けられている。電流センサ３１０Ａ〜Ｆは、ダイレクトドライブモータ３０１Ａ〜Ｆのそれぞれに流れる電流値を測定する。

ダイレクトドライブモータ３０１Ａ〜Ｆのそれぞれには、位置測定部であるエンコーダ３２０Ａ〜Ｆが設けられている。エンコーダ３２０Ａ〜Ｆは、ダイレクトドライブモータ３０１Ａ〜Ｆのそれぞれの位置を測定する。

電流センサ３１０Ａ〜Ｆおよびエンコーダ３２０Ａ〜Ｆは、組立ハンド３００の制御部３３０に接続されている。制御部３３０には、エンコーダ３２０Ａ〜Ｆにより測定されたダイレクトドライブモータ３０１Ａ〜Ｆの位置と、電流センサ３１０Ａ〜Ｆにより測定された電流値とが入力される。よって、制御部３３０は、ダイレクトドライブモータ３０１Ａ〜Ｆの位置と、ダイレクトドライブモータ３０１Ａ〜Ｆに流れる電流値とを常に把握している。

制御部３３０は、リンク機構の位置および駆動力を制御するリンク機構駆動指令部３４０を含む。また、制御部３３０は、組立ハンド３００のコンプライアンス動作を可能にするためにダイレクトドライブモータ３０１Ａ〜Ｆのそれぞれに流れる電流値を制御する電流制御部３５０を含む。

ダイレクトドライブモータ３０１Ａ〜Ｆの筒状部が手首機構ベース３０４に接続され、ダイレクトドライブモータ３０１Ａ〜Ｆの回転軸がハンドベース３０５に接続される。この構造のダイレクトドライブモータ３０１Ａ〜Ｆを組み合わせることで、実施形態１と同様のスチュワートプラットフォーム型パラレルリンク機構を構成することができる。

本実施形態に係る組立ハンド３００においては、リンク長およびダイレクトドライブモータ３０１Ａ〜Ｆに取り付けられたエンコーダ３２０Ａ〜Ｆの測定結果から、パラレルリンク機構の位置および姿勢を算出することができる。さらに、電流センサ３１０Ａ〜Ｆによるダイレクトドライブモータ３０１Ａ〜Ｆに流れる電流値の測定結果から、ダイレクトドライブモータ３０１Ａ〜Ｆにかかるトルクをダイレクトにセンシングすることができる。算出されたトルクと算出されたパラレルリンク機構の位置および姿勢の情報とから、把持部であるグリップハンド３０６またはグリップハンド３０６によって把持されている組付け部品に負荷される外力が算出される。他の構成については、実施形態１と同様であるため説明を省略する。

以下、本発明の実施形態３に係る位置および姿勢の補正機構について説明する。
実施形態３
図１８は、本発明の実施形態３に係る位置および姿勢の補正機構を有する組立ハンドの構成を示す斜視図である。図１８に示すように、組立ハンド４００は、電磁式アクチュエータとして３本のリニアモータ４０１Ａ〜Ｃを有している。リニアモータ４０１Ａ〜Ｃは、長手方向を有する筒状部と、筒状部の内部に収容されて、筒状部の一端から突出した軸部とを有している。軸部は、筒状部内に直線的に出入り自在に保持されている。

３本のリニアモータ４０１Ａ〜Ｃは、上部ジョイント４０２Ａ〜Ｃにより手首機構ベース４０４と接続され、下部ジョイント４０３Ａ〜Ｃによりハンドベース４０５と接続されている。

手首機構ベース４０４は、上方から平面視して、中心から外方に向けて３方向に延在している延在部を有し、３つの延在部の上面に上部ジョイント４０２Ａ〜Ｃがそれぞれ接続されている。上部ジョイント４０２Ａ〜Ｃは、接続された延在部の延在方向の軸周りに回動自在に接続されている。

ハンドベース４０５は、上方から平面視して、中心から外方に向けて３方向に延在している延在部を有し、３つの延在部の上面に下部ジョイント４０３Ａ〜Ｃがそれぞれ接続されている。下部ジョイント４０３Ａ〜Ｃは、接続された延在部の延在方向の軸周りに回動自在に接続されている。

上部ジョイント４０２Ａ〜Ｃは、筒状部の外表部に接続されており、下部ジョイント４０３Ａ〜Ｃは、軸部の先端部に接続されている。上部ジョイント４０２Ａ〜Ｃは、接続された筒状部の長手方向に直交する方向のうちの一つの方向の軸周りに回動自在に接続されている。下部ジョイント４０３Ａ〜Ｃは、接続された軸部の長手方向に直交する方向のうちの一つの方向の軸周りに回動自在に接続されている。

このように、組立ハンド４００においては、減速機を介さない３つのリニアモータ４０１Ａ〜Ｃを組み合わせることで、並進方向であるＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の３自由度を持ったパラレルリンク機構が構成されている。

組立ハンド４００においては、ハンドベース４０５の中央下部に把持部であるグリップハンド４０６が設けられ、グリップハンド４０６により組付け部品が把持される。

組立ハンドの姿勢を傾ける必要がある場合には、実施形態１に示したような６自由度を有する組立ハンドが必要であるが、たとえば、組付け部品を配置するだけの工程においては、組立ハンド自身の姿勢を変更する必要性はない。この場合、組立ハンド４００は、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸周りの回転に対する自由度を有する必要性がないため、実施形態１の組立ハンド１００と比較して、リニアモータを３つ削減することができる。

このように、本実施形態における組立ハンド４００は、実施形態１の組立ハンド１００と比較して、軽量化されて、低消費電力で高速な動作が可能にされつつ低コスト化が図られる。

なお、力のセンシングおよび部品の嵌め込み方法は、実施形態１と同様であるため説明を繰返さない。ただし、本実施形態の組立ハンド４００には、実施形態１の組立ハンド１００のように組付け部品を傾ける軸が存在しないため、組付け部品を配置する際に反力によって位置ズレ量が把握できるように、組付け部品を対象物に押し当てる動作が必要である。

本実施形態においては、組立ハンド４００が３つの電磁式アクチュエータによって構成されているが、電磁式アクチュエータの数はこれに限定されるものではなく、求められる動作に応じてリンク機構の軸数を変更することで、その作業にとって有効かつ廉価な組立ハンドが構成される。

なお、今回開示した上記実施形態はすべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

１コンベア、２トレイ、３ワーク、４部品供給部、５板状部品、６棒状部品、７作業者、８組立ロボット、１００，３００，４００組立ハンド、１０１，１０１Ａ〜Ｆ，４０１Ａ〜Ｃリニアモータ、１０２Ａ〜Ｆ，４０２Ａ〜Ｃ上部ジョイント、１０３Ａ〜Ｆ，４０３Ａ〜Ｃ下部ジョイント、１０４，３０４，４０４手首機構ベース、１０５，３０５，４０５ハンドベース、１０６，３０６，４０６グリップハンド、１１０Ａ〜Ｆ，３１０Ａ〜Ｆ電流センサ、１２０Ａ〜Ｆリニアエンコーダ、１３０，３３０制御部、１４０，３４０リンク機構駆動指令部、１５０，３５０電流制御部、２０１位置決めピン、２０２対象物、２０３穴部、３０１Ａ〜Ｆダイレクトドライブモータ、３２０Ａ〜Ｆエンコーダ。

Claims

減速機を介さない複数の電磁式アクチュエータの組み合わせによって構成されるリンク機構と、
前記複数の電磁式アクチュエータのそれぞれの位置を測定する位置測定部と、
前記複数の電磁式アクチュエータのそれぞれに流れる電流値を測定する電流測定部と、
前記位置測定部により測定された前記位置および前記電流測定部により測定された前記電流値が入力される制御部と
を備え、
前記制御部は、前記位置測定部により測定された前記複数の電磁式アクチュエータのそれぞれの位置から前記リンク機構の位置を算出し、かつ、前記電流測定部により測定された前記電流値から前記複数の電磁式アクチュエータのそれぞれに負荷された力を算出し、
前記制御部は、算出された前記力と入力された前記複数の電磁式アクチュエータのそれぞれの位置に基づいて、前記リンク機構の位置および駆動力を制御するリンク機構駆動指令部を含む、位置および姿勢の補正機構。
前記制御部は、前記複数の電磁式アクチュエータのそれぞれに流れる電流値を制御する電流制御部を含み、
前記電流制御部が、前記複数の電磁式アクチュエータに流れる電流値を制御することにより、前記複数の電磁式アクチュエータの外力に対する特性が変化する、請求項１に記載の位置および姿勢の補正機構。
前記電流制御部が、前記複数の電磁式アクチュエータのそれぞれに流れる電流値を個別に制御することにより、前記複数の電磁式アクチュエータのそれぞれの外力に対する特性が異方性を有する、請求項２に記載の位置および姿勢の補正機構。
前記電磁式アクチュエータがリニアモータである、請求項１から３のいずれかに記載の位置および姿勢の補正機構。
前記電磁式アクチュエータがダイレクトドライブモータである、請求項１から３のいずれかに記載の位置および姿勢の補正機構。
前記電流制御部が、柔軟制御および高剛性制御を行なう、請求項２または３に記載の位置および姿勢の補正機構。