JP2013006231A - 自動組立装置および自動組立装置による部品組立方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 位相合わせを必要とする部品同士の自動組立において、部品同士の位相が合ったタイミングから挿入が完了するまでの時間の長短に関わらず位相合わせ完了を的確に検知することを課題とする。
【解決手段】 第２の部品を第１の部品に接触させた状態で、第１の部品と第２の部品とを特定の回転軸に対して相対的に回転させつつ、前記回転軸周りのモーメントが予め定められた閾値を超えた場合に回転を終了させる。
【選択図】 図５

Description

本発明は、ロボットによる部品の自動組立装置及びその自動組立装置による部品組立方法に関する。

図１０、図１１に従来の自動組立装置を示し、図１２に一般的な力覚センサを示す。図１０は自動組立装置の基本構成を示す正面図、図１１は位置決め機構に載置された組立対象部品、部品供給を示す概略図である。

図１０に示すように、自動組立装置はロボット２１及び把持機構２０を有する。ロボット２１は一般にスカラ型ロボットと呼ばれるもので、水平直交軸Ｘ、Ｙに沿う水平移動、垂直軸Ｚに沿う上下移動、垂直軸Ｚを中心とする手首水平回転θの４自由度を有するロボットである。ロボット２１は図示しないコントローラによって制御される。

上記ロボット２１の先端部２１ａ及び把持機構２０は連結機構２２により連結される。連結機構２２は、４軸力覚センサ２３と嵌合挿入軸方向以外の位置及び姿勢の５自由度を持つＲＣＣ（ＲＥＭＯＴＥ ＣＥＮＴＥＲ ＣＯＭＰＬＩＡＮＣＥ、以下ＲＣＣと表記されることがある。）２４及びＺ軸コンプライアンス機構２５を有する。
ＲＣＣは、弾性体の変形中心をリモートセンターとして、弾性体の変位に対して逆方向に生じる復元力（弾性力）を利用したコンプライアンス機構である。このＲＣＣを介してロボット２１と把持機構２０とが接続されているので、組立作業時に把持機構２０に加わった外力を弾性体の変形により吸収しつつ復元力が働くため、自動組立装置は倣い動作を行うことができる。

図１２は、特許文献２に記載の一般的な磁気式力覚センサである。板状の作用部に連接して設けられた弾性体に埋め込まれた磁束発生源１０２と、その磁束発生源１０２の磁化方向に対して対向するように４つの磁電変換素子１０１を配置している。作用部に力が加わると弾性体が弾性変形することで磁束発生源１０２が変位し、それによって生じた磁束密度の変化を磁電変換素子１０１によって検出する。これにより、磁束発生源１０２が磁電変換素子１０１を含む平面に対して水平方向に変位するＸ軸方向、Ｙ軸方向と、該平面に対する垂直方向に変位するＺ軸方向の、３軸にかかる力、およびモーメントの検出を可能としている。

図１１に示すように、第１の部品２６は角形の穴部２６ａを有し、第２の部品２７は角形の穴部２６ａが嵌合する角形の面取り部のある軸部２７ａを有する。第１の部品２６は自動組立装置に併設された不図示の架台に設けられた位置決め機構２８により位置決めされている。また、第２の部品２７は、自動組立装置の近傍に配置された部品供給機構２９により自動組立装置の可動範囲内に供給される。

次に動作について説明する。まずロボット２１が移動して、把持機構２０が部品供給機構２９によって供給された第２の部品２７を把持する。そしてロボット２１を駆動させ、第２の部品２７を第１の部品２６の上方に移動させた後に、この第１の部品２６に嵌合するべく降下させる。

この時、第２の部品２７を降下させる過程において、第２の部品２７が第１の部品２６に対して接触した際に軸芯がずれていると、第２の部品２７に対して第１の部品２６から力が作用する。この力により、ＲＣＣ２４が弾性変形して受動的に軸芯ずれが吸収される。その後、４軸力覚センサによって検知された嵌合挿入方向と直行する分力をほぼ零とするために必要な第２の部品２７の移動量と移動方向を演算し、その方向にロボット２１を移動させることで第２の部品２７と第１の部品２６の軸芯を合わせる。

さらに、ロボット２１の手首先端の回転軸をθ軸、嵌合挿入方向をＺ方向とし、このθ軸周りに回転させて第１の部品と第２の部品との位相を合わせる。

そのためには、まず力覚センサ２３で検知した挿入方向（Ｚ方向）に対応する分力Ｆｚが一定となるように第２の部品を第１の部品に対して押しつける力制御を行う。

この状態でロボット２１の手首先端をθ軸周りに回転動作させつつ分力Ｆｚの値を監視し、Ｆｚの値がある一定値以下になった位置でロボット２１の回転を停止させ嵌合動作を終了させる。

嵌合が成功した場合、第２の部品は第１の部品に対して分力Ｆｚが弱まるため、この力の変化を検出して嵌合が成功したと判断するのである。

位相を合わせる際に、ロボット２１を回転させる方向の決定には、第２の部品２７が第１の部品２６から受ける嵌合挿入軸周りのモーメント反力の関数から決定する。回転動作中に、嵌合挿入軸周りのモーメントが所定値より大きくなった場合には、その回転方向には回転不可としてロボット２１の動作を即時に停止する。

上記のようにして軸芯及び位相が合っても、部品同士がこじれている場合には、第２の部品２７が第１の部品２６から受ける嵌合挿入軸周りのモーメントをほぼ零とするのに必要な第２の部品２７の回転量と回転方向を演算し、回転させることでこじりをなくす。この状態で、第２の部品２７を第１の部品２６に押しつければ、嵌合が円滑に実現される。

特登録０３２８８５１８号公報 特開２００４−３２５３２８号公報

以上のように従来の技術では、嵌合挿入動作を実行する際に、第２の部品２７と第１の部品２６との位相合わせ完了を検知するためには、挿入方向の押圧力Ｆｚが所定値より小さくなったことを力覚センサ２３で検出する必要がある。

しかし近年、製品のコンパクト化に伴って部品が小型化するにつれて、挿入動作に伴うストロークが短くなり直ちに挿入が完了するので、変化した押圧力Ｆｚが瞬時に元に戻ってしまう。そのため、押圧力Ｆｚの変化を検知することが困難になってきた。

また、組立動作の高速化に伴い、第２の部品２７を第１の部品２６に挿入する時間が短くなった場合にも、位相が合ったタイミングから挿入が完了するまでの時間が短いため、押圧力Ｆｚが瞬時に元に戻ってしまう。例えば、力覚センサから信号の受信を２ｍｓｅｃごとに行っている場合、その信号の受信間隔より短い時間に挿入が完了するような小型部品の組立や、高速な組立を行う場合、従来の技術では位相合わせの完了を検知することは難しい。

したがって、押圧力Ｆｚの変化により位相合わせの完了を検知することが困難だった。

そこで、本発明は、位相合わせを必要とする部品同士の自動組立において、部品同士の位相が合ったタイミングから挿入が完了するまでの時間の長短に関わらず位相合わせ完了を的確に検知する部品組立方法、自動組立装置を提供することを目的とする。

本発明にかかる自動組立装置による部品組立方法は、把持機構、及び前記把持機構に加わった力およびモーメントを検知する力覚センサを備えた自動組立装置による部品組立方法であって、
前記自動組立て装置の可動範囲内に第１の部品を配置する工程と、
前記把持機構によって前記１の部品と嵌合可能な第２の部品を把持する工程と、
把持機構によって把持された前記第２の部品を前記第１の部品に対して接触させる工程と、
前記第１の部品と前記第２の部品とを特定の回転軸に対して相対的に回転させつつ、前記回転軸周りに生じるモーメントを前記力覚センサで検知し、前記モーメントが予め定められた閾値を超えた場合に回転を終了させる位相合せ工程と、
を有することを特徴とする自動組立装置による部品組立方法、である。

また、本発明にかかる自動組立装置は、
把持機構及び前記把持機構に加わった力およびモーメントを検知する力覚センサを備えたロボットと、
部品が配置される架台と、
前記ロボットを制御する制御部と、
を有し、
前記把持機構によって把持された第２の部品を前記架台に配置された第１の部品に対して接触させ、前記第１の部品と前記第２の部品とを特定の回転軸に対して相対的に回転させつつ、前記回転軸周りに生じるモーメントを前記力覚センサで検知し、前記モーメントが予め定められた閾値を超えた場合に回転を終了させることを特徴とする自動組立装置、である。

本発明によれば、位相合わせを必要とする部品同士の自動組立において、挿入のストロークの方向の力Ｆｚを監視するのではなく、位相合わせの際の回転軸周りのモーメントの変化を検知し、回転を終了させるので位相合せ完了時を検出する精度が高い。そのため部品同士の位相が合ったタイミングから挿入が完了するまでの時間の長短に関わらず位相合わせ完了を的確に検知することができる。

小型自動組立装置の正面図である。 組立対象部品の斜視図である。 第１の部品及びその回転位置決め機構の断面図である。 組立対象部品及びその部品供給機構の断面図である。 組立動作のフローチャートである。 組立方法を説明する上面図である。 組立方法を説明する側面図である。 力覚センサの出力を示す図である。 力覚センサの出力の処理結果を示す図である。 従来の部品自動組み立て装置の正面図である。 従来の組立対象部品の位置決め及び供給機構の断面図である。 従来の一般的な力覚センサを示す図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係る部品自動組立方法を実施する装置の基本構成を示す模式的な正面図である。

本発明に係る部品自動組立方法を実施する装置は、図１に示すように、ロボット１と把持機構５を有し、これらロボット１と把持機構５により、組立対象部品の把持、運搬及び部品の組立が可能となされているものである。

ロボット１は、複数のアクチュエータとリンクとによって構成されており、６自由度を有している。すなわち、各リンク（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ）間は回動可能な関節、または旋回可能な関節（３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ）を介して接続されており、それぞれアクチュエータによって駆動されるようになっている。各アクチュエータは、制御部であるコントローラ９によって制御される。

このロボット１において、第１のリンク２ａは、架台に配設された基台部４に対し、基端側を第１の関節３ａを介して接続されて設置されている。第１の関節３ａは鉛直軸周りに旋回可能な関節である。

この第１のリンク２ａの先端側には、第２の関節３ｂを介して、第２のリンク２ｂの基端側が接続されている。第２の関節３ｂは水平な軸周りに第２のリンク２ｂを回動可能とする関節である。第２のリンク２ｂの先端側には、第３の関節３ｃを介して、第３のリンク２ｃの基端側が接続されている。第３の関節３ｃは水平な軸周りに第３のリンク２ｃを回動可能とする関節である。

以下同様に、
第３のリンク２ｃの先端側には、第４の関節３ｄを介して、第４のリンク２ｄの基端側が接続されている。第４の関節３ｄは、第３のリンク２ｃの軸周りに第４のリンク２ｄを旋回可能とする関節である。この第４のリンク２ｄの先端側には、第５の関節３ｅを介して、第５のリンク２ｅの基端側が接続されている。第５の関節３ｅは水平な軸周りに第５のリンク２ｅを回動可能とする関節である。第５のリンク２ｅの先端側には、第６の関節３ｆを介して、第６のリンク２ｆの基端側が接続されている。第６の関節３ｆは、第５のリンク２ｅの軸周りに第６のリンク２ｆを旋回可能とする関節である。

第６のリンク２ｆの先端側（以下、「手先」ということがある）には、力覚センサ８を介して把持機構５が接続されている。力覚センサ８は、把持機構５に加わる力およびモーメントを検出し、部品の組立完了検知、力フィードバック制御及びインピーダンス制御を実現するためのものである。

把持機構５は、複数の把持爪７を有し、これら把持爪７によって組立対象部品を把持する機能を有している。把持機構５はコントローラ９によって制御される。把持機構５は、上述した旋回可能な第６のリンク２ｆの回転軸に沿って定められたＺ軸、そのＺ軸に交差するＸ軸および不図示のＹ軸を有する手先座標系が定められている。部品の把持および嵌合動作を行う際には、このＺ軸の方向が嵌合挿入方向に設定されることが多い。

このロボット１において、基台４に対する第１のリンク２ａが所望の位置となるようにコントローラ９から出力される信号によって第１のリンク２ａの位置が制御される。同様に、それぞれのリンクに対して先端側に接続されたリンクの位置がコントローラ９によって制御される。このことにより、手先の位置が制御され、この手先に接続された把持機構５によって把持した組立対象部品を所定の位置に搬送することができる。
架台には、回転位置決め機構１２が配置されていて、回転位置決め機構１２は部品を固定し、位置決めすることができる。またコントローラ９からの信号に応じて固定した部品を回転させることができるように構成されている。

図２は、組立対象部品を示す斜視図である。第１の部品１０は角形の穴部１０ａを有し、第２の部品１１は第１の部品１０の穴部１０ａに位相を合わせて嵌合する角形の軸部１１ａを有する部品である。

図３は、第１の部品１０及び回転位置決め機構１２を描いた断面図である。回転位置決め機構１２は、回転部１５及び基台部１４によって構成されている。回転部１５は基台部１４に対し、基端部をアクチュエータ１３を介して接続されている。このアクチュエータ１３により、基台部１４の軸周りに回転部１５を旋回可能である。回転部１５の先端側は、複数の固定爪１７を有し、これら固定爪１７によって第１の部品１０を保持する機能を有している。回転位置決め機構１２は、図示しない上述したコントローラ９によって制御される。

図４は、組立対象部品及び部品供給機構の取出し端を示す断面図である。部品供給機構は公知のパーツフィーダー等、様々な機構を任意に用いて良い。第１の部品供給機構１８は、第１の部品１０を装置に供給する。第２の部品供給機構１９は、第２の部品１１を装置に供給する。

図５に、本発明の実施形態における組立動作の手順を表すフローチャートを示す。

まず、ロボット１を作動させ、把持機構５で第１の部品供給機構１８によって供給された第１の部品１０を一定把持力で把持する。そして、ロボット１を移動させて、把持機構５により把持された第１の部品１０を回転位置決め機構１２に位置決めする（ステップＳ１）。

次に、ロボット１を駆動させ、把持機構５で第２の部品供給機構１９によって供給された第２の部品１１を把持し、ロボット１を移動させて、第１の部品１０の上方に移動する。その後、ロボット１を降下させる。

すると、第２の部品１１を降下させる過程において、第２の部品１１の位相が第１の部品１０に対してずれている場合（図６）、第２の部品１１の軸部１１ａ下端の一部が、第１の部品１０の穴部１０ａ上端に接触する。そのため、第２の部品１１に対して嵌合挿入軸方向の押付け力Ｆｚが作用する（図７）。この押付け力Ｆｚが所定の範囲内に入るように、ロボット１を挿入軸方向に力制御することで、第２の部品１１を第１の部品１０に接触させつつ押付ける（ステップＳ２）。

さらに、第２の部品１１を第１の部品１０に特定の力で押し付けている状態で、回転位置決め機構１２により第１の部品１０を第２の部品１１に対して相対的に回転させる（ステップ３）。部品同士の相対回転は、位置決め機構１２ではなく、ロボット１におけるリンク２ｆを回転させて実行してもよい。

その際、力覚センサ８により嵌合挿入の方向であるＺ軸周りのモーメントＭｚが所定値以上になったことが検出された位置で回転位置決め機構１２を停止させる（ステップ４及びステップ５）。本発明では、このように力覚センサ８を使用してＺ方向に嵌合挿入を行う際に、分力Ｆｚではなく、モーメントＭｚを監視して位相合わせの完了が検知することで、部品の自動組み立てが実現される点に特徴がある。

ここで、力覚センサ８により位相合わせの完了を検知する方法を、図８を用いて詳細に説明する。

第２の部品１１を把持機構５により把持し、回転位置決め機構１２により位置決めされた第１の部品１０に対して接触させているとする。その際、ロボット１は押付け力Ｆｚを一定に保つため、挿入軸方向に前後移動を可能にしているが、その他の軸方向には動作しないように制御されている。その状態で、回転位置決め機構１２もしくはロボットの先端のリンクの回転、により部品同士を相対回転させると、第２の部品１１に対して第１の部品１０が滑ることとなる。この時生じた動摩擦力に対応するモーメントＭｚをＦ１とする。

次に、第２の部品１１と第１の部品１０の位相が合うと、第１の部品１０の穴部１０ａに第２の部品１１の軸部１１ａが完全に挿入される。その後、第１の部品１０と第２の部品１１が一体となって回転を始め、把持機構５に対して第２の部品１１が滑ることとなる。この時生じた動摩擦力に対応するモーメントをＦ２とする。

これらの動摩擦力に対応するモーメントＦ１及びＦ２の関係は、組立てを行う際には一般的にＦ１＜Ｆ２となっている。加えて、把持力及び押付け力が一定になるように制御されているため、Ｆ１及びＦ２の値は一定となる。

よって、動摩擦力Ｆ１及びＦ２の値を、力覚センサ８の挿入軸周りのモーメントＭｚに
より検出し、設定された閾値Ｆｓを超えたかどうかを検出されたセンサ出力から判断することで、位相合わせの完了を適切に検知できる。
閾値ＦｓはＦ１とＦ２の間の値となるように定めると良い。

また、Ｆ１とＦ２の差が十分に得られず、位相合わせの完了の検知が困難な場合は、力覚センサ８の出力Ｍｚに加えて、その時間微分値Ｍｚ’も併せて検知に使用してもよい（図９）。この場合もＭｚ’に対応した出力Ｆｓ’を設定するとよい。部品の形状や部品の組立工程の設定されたタクトタイム等からＭｚ’の上限は予め算出することができるので、そのＭｚ’の上限以下の閾値Ｆｓ’を設定すると良い。

１、２１ ロボット
５、２０ 把持機構
８、２３ 力覚センサ
９ コントローラ
１０、２６ 第１の部品
１１、２７ 第２の部品
１２ 回転位置決め機構
１８、１９、２９ 部品供給機構
２８ 位置決め機構

Claims (4)

1. 把持機構及び前記把持機構に加わった力およびモーメントを検知する力覚センサを備えた自動組立装置による部品組立方法であって、
   前記自動組立装置の可動範囲内に第１の部品を配置する工程と、
   前記把持機構によって前記１の部品と嵌合可能な第２の部品を把持する工程と、
   把持機構によって把持された前記第２の部品を前記第１の部品に対して接触させる工程と、
   前記第１の部品と前記第２の部品とを特定の回転軸に対して相対的に回転させつつ、前記回転軸周りに生じるモーメントを前記力覚センサで検知し、前記モーメントが予め定められた閾値を超えた場合に回転を終了させる位相合せ工程と、
   を有することを特徴とする自動組立装置による部品組立方法。
2. 前記位相合わせ工程において、前記モーメントの時間微分の値が予め定められた閾値を超えた場合にも回転を終了させることを特徴とする請求項１記載の自動組立装置による部品組立方法。
3. 把持機構及び前記把持機構に加わった力およびモーメントを検知する力覚センサを備えたロボットと、
   部品が配置される架台と、
   前記ロボットを制御する制御部と、
   を有し、
   前記把持機構によって把持された第２の部品を前記架台に配置された第１の部品に対して接触させ、前記第１の部品と前記第２の部品とを特定の回転軸に対して相対的に回転させつつ、前記回転軸周りに生じるモーメントを前記力覚センサで検知し、前記モーメントが予め定められた閾値を超えた場合に回転を終了させることを特徴とする自動組立装置。
4. 前記架台には前記把持機構に対して自転可能な位置決め機構を有していることを特徴とする請求項３記載の自動組立装置。

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