JP2013082032A - 多関節ロボットのツールセンターポイント設定方法、及びツールセンターポイント設定用の治具の取付構造 - Google Patents

Abstract

【課題】多関節ロボットの手首軸フランジに設定されたフランジ座標系に基づいて、手首軸フランジに装着されるツールでのツール座標系を設定するツールセンターポイント（ＴＣＰ）設定作業の後、速やかにツールによる作業を行うことができ、ツールの手首軸フランジへの装着位置にずれを生じさせない。
【解決手段】多関節ロボット１の手首軸フランジ２に装着されたツール５（吸着パッド６）にＴＣＰ設定を行うための治具７を取り付けてＴＣＰ設定作業を行い、作業終了後、治具７をツール５から取り外す。ツール５をロボット１の手首軸フランジ２から取り外すことなく、ＴＣＰ設定作業を行うので、作業終了後、速やかにツール５による作業を行うことができる。また、ツール５が手首軸フランジ２に固定されたままなので、ＴＣＰ設定作業を行っても、ツール５の手首軸フランジ２への装着位置にずれが生じない。
【選択図】図４

Description

本発明は、多関節ロボットの手首軸フランジに設定されたフランジ座標系に基づいて、手首軸フランジに装着されるツールでのツール座標系を設定する多関節ロボットのツールセンターポイント設定方法、及びツールセンターポイント設定用の治具の取付構造に関する。

産業用ロボット等に用いられる多関節ロボット（例えば６軸多関節ロボット）は、一般に、ロボットのアーム先端の手首軸フランジに、作業に応じた様々なツール（例えば吸着パッド、開閉ハンド等）が取り付けられるようになっており、様々な作業に対応可能な汎用性を備えている。どのようなツールが取り付けられるかは、ロボットの出荷時には不明であるため、出荷時には、ロボットの手首軸先端の動作を規定すべく、手首軸フランジに座標系（フランジ座標系：ＸFLANGE、ＹFLANGE、ＺFLANGE）が設定されている。

しかし、手首軸フランジにツールを取り付けた後は、手首軸フランジのフランジ座標系でツールを動かすことは不便であり、ツールを基準とした新たな座標系（ツール座標系：ＸTOOL、ＹTOOL、ＺTOOL）を設定することが行われる。この設定は、従来、手首軸フランジに、ツールの代わりに専用の治具を取り付け、多関節ロボットを作動させることで、治具の先端を多関節ロボットが据え付けられた床面に設置された基準治具の基準点に移動させることで行っていた。このようにして、多関節ロボットの手首軸フランジに設定されたフランジ座標系を元に、手首軸フランジに取り付けられるツールでのツール座標系を設定する作業を、ツールセンターポイント（以下ＴＣＰ（Tool Center Point）とも言う）設定作業と言う。

なお、産業用ロボットのキャリブレーションに関する発明として特許文献１〜３に記載されたものが知られているが、これらは、多関節ロボットの手首軸フランジに設定されたフランジ座標系に基づいて手首軸フランジに装着されるツールでのツール座標系を設定するものではない。

特開平８−１５５８６６号公報 特開２００３−１８１７８２号公報 特開２０１１−６７８８９号公報

ところで、従来のＴＣＰ設定作業は、多関節ロボットの手首軸フランジに装着されたツール（吸着パッド、開閉ハンド等）を一旦手首軸フランジから取り外し、代わりにＴＣＰ設定用の専用治具を手首軸フランジに取り付けて行っていた。

このため、ＴＣＰ設定作業の終了後、ツールによる作業を行うには、専用治具を手首軸フランジから取り外し、その手首軸フランジにツール（吸着パッド、開閉ハンド等）を取り付ける必要がある。かかる交換（段取り替え）は、手間及び時間が掛かり、効率が悪い。また、ツールを手首軸フランジに着脱する際に装着位置にずれが僅かでも生じると、ツールによる作業の精度が悪化してしまう。

以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、ＴＣＰ設定作業後、速やかにツールによる作業を行うことができ、ツールの手首軸フランジへの装着位置にずれが生じない多関節ロボットのＴＣＰ設定方法、及びＴＣＰ設定用の治具の取付構造を提供することにある。

上記目的を達成するために創案された本発明によれば、多関節ロボットの手首軸フランジに設定されたフランジ座標系に基づいて、手首軸フランジに装着されるツールでのツール座標系を設定するＴＣＰ設定方法であって、手首軸フランジにツールを装着し、ツールに治具を取り付け、多関節ロボットを作動させることで、治具を多関節ロボットが据え付けられた床面に設置された基準治具の基準点に移動させて、フランジ座標系に基づいてツール座標系を設定するＴＣＰ設定作業を行い、治具をツールから取り外すようにしたことを特徴とする多関節ロボットのＴＣＰ設定方法が提供される。

また、本発明によれば、多関節ロボットの手首軸フランジに設定されたフランジ座標系に基づいて、手首軸フランジに装着されるツールでのツール座標系を設定する際に用いる治具の取付構造であって、手首軸フランジに装着されたツールを手首軸フランジから取り外すことなく、ＴＣＰ設定作業を行うための治具がツールに対して着脱可能であることを特徴とする多関節ロボットにおけるＴＣＰ設定用の治具の取付構造が提供される。

本発明によれば、多関節ロボットの手首軸フランジからツールを取り外すことなく、そのツールにＴＣＰ設定を行うための治具を取り付けてＴＣＰ設定作業を行い、作業終了後、治具をツールから取り外すようにしている。このように、ツールを手首軸フランジから取り外すことなく、ＴＣＰ設定作業を行うので、作業終了後、速やかに多関節ロボットを作動させてツールによる作業を行うことができる。また、ツールが手首軸フランジに固定されたままなので、ＴＣＰ設定作業を行っても、ツールの手首軸フランジへの装着位置にずれが生じ難い。

本発明が適用される多関節ロボット、フランジ座標系及びツール座標系を示す斜視図である。 本発明の前提となる多関節ロボットのＴＣＰ設定作業の一部を示す斜視図であり、（ａ）は第１工程、（ｂ）は第２工程、（ｃ）は第３工程、（ｄ）は第４工程を示す。 多関節ロボットの手首軸フランジに装着されるツールとしての吸着パッドの説明図であり、（ａ）は吸着パッドの側断面図、（ｂ）は吸着パッドの下面図である。 本発明の第１実施形態に係るＴＣＰ設定用の治具を吸着パッドに装着した様子を示す説明図であり、（ａ）は吸着パッド及び治具の側断面図、（ｂ）は（ａ）の下面図である。 多関節ロボットの手首軸フランジに装着されるツールとしての開閉ハンドの説明図であり、（ａ）は開閉ハンドの平面図、（ｂ）は開閉ハンドの正面図、（ｃ）は開閉ハンドの側面図である。 本発明の第２実施形態に係るＴＣＰ設定用の治具（開閉ハンドに把持・解放される治具）を示す説明図であり、（ａ）は治具の平面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面図、（ｃ）は治具の側面図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（多関節ロボット）
本発明の実施形態が適用される多関節ロボットについて説明する。図１に示すように、この多関節ロボット（例えば６軸多関節ロボット）１は、産業用ロボット等に用いられるものであり、ロボット１のアーム先端の手首軸フランジ２に、作業に応じた様々なツール（例えば吸着パッド、開閉ハンド等）が取り付けられるようになっていて、様々な作業に対応可能な汎用性を備えている。どのようなツールが取り付けられるかは、ロボット１の出荷時には不明であるため、出荷時には、ロボット１の手首軸先端の動作を規定すべく、手首軸フランジ２に座標系（フランジ座標系：ＸＦ、ＹＦ、ＺＦ）が設定されている。

手首軸フランジ２にツールを取り付けた後は、手首軸フランジ２のフランジ座標系でツールを動かすことは不便であるため、ツールを基準とした新たな座標系（ツール座標系： ＸＴ、ＹＴ、ＺＴ）を設定することが行われる。すなわち、多関節ロボット１の手首軸フランジ２に設定されたフランジ座標系を元に、手首軸フランジ２に取り付けられるツールでのツール座標系を設定する作業を行う。この作業をツールセンターポイント設定作業（ＴＣＰ設定作業）と言う。以下、ＴＣＰ設定作業について簡単に説明する。

（ＴＣＰ設定作業）
本発明の前提となるＴＣＰ設定作業の一部を簡単に説明する。作業を始める前に、図１に示すように、多関節ロボット１の手首軸フランジ２にＴＣＰ設定用の専用治具３を取り付け、図２（ａ）〜図２（ｄ）に示すように、多関節ロボット１が据え付けられた床面に、専用治具３が届く範囲に位置して、基準治具４を設置（載置）する。基準治具４は、例えば頂部に尖った基準点４ａを備えた柱体が用いられる。

多関節ロボット１を作動させて、４つ以上の姿勢で専用治具３の先端３ａを基準治具４の基準点４ａに移動する。ここでは４つの姿勢を例に説明する。多関節ロボット１を作動させて、図２（ａ）に示すように、専用治具３の先端３ａを基準治具４の基準点４ａに移動する。図２（ｂ）に示すように、図２（ａ）とは異なった方向から、専用治具３の先端３ａを基準治具４の基準点４ａに移動する。図２（ｃ）に示すように、図２（ａ）及び図２（ｂ）とは異なった方向から、専用治具３の先端３ａを基準治具４の基準点４ａに移動する。最後に図２（ｄ）に示すように、専用治具３の先端３ａを基準点４ａの鉛直上方から下降させて基準点４ａに移動する。図２（ａ）〜図２（ｄ）にかけての多関節ロボット１の作動データをセーブする。これにより、ツール座標系の原点が決定できる。

ところで、このように多関節ロボット１の手首軸フランジ２にツールの代わりにＴＣＰ設定用の専用治具３を取り付けると、ＴＣＰ設定作業終了後にツールによる作業を行うためには、専用治具３を手首軸フランジ２から取り外して手首軸フランジ２にツールを取り付けなければならず、段取り替えに手間及び時間が掛かり、効率が悪い。また、ツールを手首軸フランジ２に着脱する際にずれが生じると、ツールによる作業精度が低下してしまうという問題が生じる。

そこで、本発明においては、図１、図２を用いて既述したように多関節ロボット１のＴＣＰ設定作業を行う際、多関節ロボット１の手首軸フランジ２にＴＣＰ設定用の専用治具３を取り付けるのではなく、手首軸フランジ２に実際に作業に用いるツール（吸着パッド、開閉ハンド等）を装着し、そのツールにＴＣＰ設定用の治具を着脱可能に取り付けるようにしている。以下、この点について詳述する。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態として、ツール５に図３に示す吸着パッド６を用い、その吸着パッド６に図４に示すＴＣＰ設定用の治具７を着脱可能に取り付けたものを説明する。

（ツールとしての吸着パッド）
図１に示す多関節ロボット（６軸多関節ロボット）１の手首軸フランジ２に、ツール５として装着される吸着パッド６を図３に示す。図３（ａ）は吸着パッド６の側断面図、図３（ｂ）は吸着パッド６の下面図である。

この吸着パッド６は、図１に示す多関節ロボット１の手首軸フランジ２から既述のＴＣＰ設定用の専用治具３を取り外し、空いた手首軸フランジ２に装着される。吸着パッド６は、手首軸フランジ２に装着される基台６１と、基台６１に設けられたパッド本体６２とを有する。基台６１は、金属製の板体からなり、基台６１には、多関節ロボット１の手首軸フランジ２に設けられたバキューム装置（図示せず）と連通するバキューム通路６３が貫通形成されている。パッド本体６２は、ゴム等の可撓性を有する材質からベローズ状又は蛇腹状に形成されており、パッド本体６２内には、基台６１のバキューム通路６３と連通する内部通路６４が形成されている。

この吸着パッド６によれば、手首軸フランジ２に設けられたバキューム装置を作動させて空気をバキューム通路６３から吸い込むことでワーク（図示せず）をパッド本体６２のワーク当接部６５に吸着保持でき、バキューム装置を停止する或いは空気をバキューム通路６３から吹き出すことでワークをパッド本体６２から解放できる。よって、吸着パッド６が取り付けられた図１に示す多関節ロボット１を作動させることで、パッド本体６２に吸着保持したワークを所望の姿勢で所望の場所に移動でき、ワークを所望の姿勢・場所でパッド本体６２から解放できる。

（ＴＣＰ設定用の治具）
吸着パッド６に取り付けられるＴＣＰ設定用の治具７を図４に示す。図４（ａ）は吸着パッド６に装着された治具７の側断面図、図４（ｂ）はその治具７の下面図である。

治具７は、先端が尖った基準ピン７１と、吸着パッド６のワーク当接部６５を覆うように形成されたフランジ７２と、フランジ７２から吸着パッド６の基台６１に向けて延設されたロッド７３と、吸着パッド６の基台６１に着脱可能に取り付けられる取付部７４とを有し、これら基準ピン７１、フランジ７２、ロッド７３及び取付部７４が、金属等で一体成形されている。

基準ピン７１の先端は、図２に示すＴＣＰ設定作業において、多関節ロボット１を作動させることで、床面に載置された基準治具４の基準点４ａに合わせられる。フランジ７２は、パッド本体６２のワーク当接部６５を覆うことで、ワーク当接部６５が傷付かないように防護する。このフランジ７２には、後述するように取付部７４の雄ネジ部７４ａをバキューム通路６３の雌ネジ部６３ａにネジ込むため、スパナが係合される係合部７２ａが平行に切り欠かれている。

治具７の取付部７４は、ロッド７３の先端に設けられた雄ネジ部７４ａと、ロッド７３に設けられたストッパフランジ７４ｂとを有する。雄ネジ部７４ａは、バキューム通路６３の内周面に形成された雌ネジ部６３ａに螺合される。ストッパフランジ７４ｂは、雄ネジ部７４ａを雌ネジ部６３ａにネジ込んだ際にバキューム通路６３の開口縁に押し付けられ、雄ネジ部７４ａの螺合深さを規制して螺合位置を定める。なお、バキューム通路６３は、パッド本体６２の内部通路６４の中心（パッドセンター）に配置されており、治具７が吸着パッド６のパッドセンターに取り付けられるようになっている。

（ＴＣＰ設定方法）
ＴＣＰの設定とは、既述のように、図１に示す多関節ロボット１の手首軸フランジ２に設定されたフランジ座標系（ＸＦ、ＹＦ、ＺＦ）を元に、手首軸フランジ２に取り付けられるツール５（吸着パッド６）でのツール座標系（ＸＴ、ＹＴ、ＺＴ）を設定することをいう。

本実施形態に係るＴＣＰ設定方法においては、先ず、手首軸フランジ２にツール５（吸着パッド６）をボルトナット等で装着し、吸着パッド６のバキューム通路６３に形成された雌ネジ部６３ａに、ＴＣＰ設定用の治具７の雄ネジ部７４ａを螺合させ、吸着パッド６に治具７を取り付ける。ここで、雄ネジ部７４ａの雌ネジ部６３ａへの螺合深さを、治具７のストッパフランジ７４ｂがバキューム通路６３の開口縁に押し付けられるまでとすることで、治具７の取付位置が精度よく定められる。

次に、多関節ロボット１を作動させ、治具７の基準ピン７１の先端７１ａを図２に示すような基準治具４の基準点４ａに移動させ、図２を用いて既述したようにＴＣＰ設定作業を行う。その後、雄ネジ部７４ａを緩めて雌ネジ部６３ａから外すことで、治具７を吸着パッド６から取り外し、治具７を取り外した吸着パッド６でワークの吸着作業を行う。

（作用・効果）
本実施形態によれば、多関節ロボット１の手首軸フランジ２からツール５（吸着パッド６）を取り外すことなく、そのツール５にＴＣＰ設定を行うための治具７を取り付けてＴＣＰ設定作業を行い、作業終了後、治具７をツール５から取り外すようにしている。このように、ツール５を手首軸フランジ２から取り外すことなく、ＴＣＰ設定作業を行うので、作業終了後、速やかに多関節ロボット１を作動させてツール５による作業（吸着パッド６によるワークの吸着作業）を行うことができる。また、ツール５が手首軸フランジ２に固定されたままなので、ＴＣＰ設定作業を行っても、ツール５の手首軸フランジ２への装着位置にずれが生じ難い。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態として、ツール５に図５に示す開閉ハンド８を用い、その開閉ハンド８に図６に示すＴＣＰ設定用の治具９を着脱可能に取り付けたものを説明する。

（ツールとしての開閉ハンド）
図１に示す多関節ロボット１の手首軸フランジ２に、ツール５として装着される開閉ハンド８を図５に示す。図５（ａ）は開閉ハンド８の平面図、図５（ｂ）は開閉ハンド８の正面図、図５（ｃ）は開閉ハンド８の側面図である。

開閉ハンド８は、図１に示す多関節ロボット１の手首軸フランジ２から図１に表された既述のＴＣＰ設定用の専用治具３を取り外し、空いた手首軸フランジ２に装着される。開閉ハンド８は、手首軸フランジ２に装着されるケーシング８１と、ケーシング８１に固定された固定爪８２と、固定爪８２に対して近接離間移動可能な移動爪８３と、移動爪８３を移動させるアクチュエータとしてのシリンダ８４とを備えている。

固定爪８２は、ケーシング８１に固定された根本部８２ａと、根本部８２ａに設けられたピン部８２ｂとを有する。本実施例では、根本部８２ａにはピン部８２ｂが１本設けられているが２本以上設けてもよい。根本部８２ａには、後述するＴＣＰ設定用の治具９を把持するための凹部８２ｃが形成されている。

一方、移動爪８３は、ケーシング８１内に設けられたガイド（リニアガイド）１０に係合してガイド１０に沿ってスライド移動可能なスライドブロック１１に設けられており、スライドブロック１１に固定された根本部８３ａと、根本部８３ａに設けられたピン部８３ｂとを有する。本実施形態では、根本部８３ａにはピン部８３ｂが２本設けられているが１本でもよく３本以上でも構わない。根本部８３ａには、後述するＴＣＰ設定用の治具９を把持するための凹部８３ｃが形成されている。

スライドブロック１１とシリンダ８４の伸縮ロッド８４ａとは連結金具１２で連結されており、シリンダ８４の伸縮ロッド８４ａを伸縮させることでスライドブロック１１が移動し、移動爪８３が固定爪８２に対して離間するようになっている。

（ＴＣＰ設定用の治具）
このような開閉ハンド８に把持されるＴＣＰ設定用の治具９を図６に示す。図６（ａ）はこの治具９の平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のｂ−ｂ線断面図、図６（ｃ）は治具の側面図である。

治具９は、下面に尖った先端９１ａをもつ基準ピン９が取り付けられた略方形の板体９２と、板体９２の上面に一対の取付板９３を介して取り付けられた枠板９４と、枠板９４の上面に取り付けられた被把持部（取付部）９５とを備えている。被把持部９５は、円柱状に形成されており、枠板の上面に金具９６によって取り付けられている。

枠板９４の窓部９４ａには、開閉ハンド８の固定爪８２及び移動爪８３が挿入され、その状態で移動爪８３を固定爪８２に対して離間させることで、移動爪８３の凹部８３ｃ及び固定爪８２の凹部８２ｃが治具９の被把持部９５に係合し、治具９が開閉ハンド８に把持されるようになっている。治具９を開閉ハンド８から解放するときには、移動爪８３を固定爪８２に近付け、移動爪８３の凹部８３ｃ及び固定爪８２の凹部８２ｃを治具９の被把持部９５から離間させる。

（ＴＣＰ設定方法）
本実施形態に係るＴＣＰ設定方法においては、先ず、多関節ロボット１の手首軸フランジ２にツール５（開閉ハンド８）をボルトナット等で装着し、開閉ハンド８にＴＣＰ設定用の治具９を把持させる。このとき、移動爪８３の凹部８３ｃ及び固定爪８２の凹部８２ｃが治具９の被把持部９５に係合することで、治具９の把持位置が精度よく定められる。

次に、多関節ロボット１を作動させることで、治具９の基準ピン９１の先端９１ａを図２に示すような基準治具４の基準点４ａに移動させ、図２を用いて既述したようにしてＴＣＰ設定作業を行う。その後、治具９を開閉ハンド８から取り外し、治具９を取り外した開閉ハンド８でワークの把持作業を行う。

（作用・効果）
本実施形態においても、前実施形態と同様に、多関節ロボット１の手首軸フランジ２からツール５（開閉ハンド８）を取り外すことなく、そのツール５にＴＣＰ設定を行うための治具９を取り付けてＴＣＰ設定作業を行い、作業終了後、治具９をツール５から取り外すようにしている。このため、ＴＣＰ設定作業の終了後、速やかにツール５による作業（開閉ハンド８によるワークの把持作業）を行うことができる。また、ツール５が手首軸フランジ２に固定されたままなので、ＴＣＰ設定作業を行っても、ツール５の手首軸フランジ２への装着位置にずれが生じ難い。

以上、添付図面を参照しつつ本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述した各実施形態に限定されないことは勿論であり、特許請求の範囲に記載された範疇における各種の変更例又は修正例についても、本発明の技術的範囲に属することは言うまでもない。

本発明は、多関節ロボットの手首軸フランジに設定されたフランジ座標系に基づいて、手首軸フランジに装着されるツールでのツール座標系を設定する多関節ロボットのツールセンターポイント設定方法、及びツールセンターポイント設定用の治具の取付構造に利用できる。

１ 多関節ロボット（６軸多関節ロボット）
２ 手首軸フランジ
４ 基準治具
４ａ 基準点
５ ツール
６ 吸着パッド
６３ａ ネジ部（雌ネジ部）
７ 治具
７４ 取付部
８ 開閉ハンド
９ 治具
９５ 取付部（被把持部）
ＸＦ フランジ座標系
ＹＦ フランジ座標系
ＺＦ フランジ座標系
ＸＴ ツール座標系
ＹＴ ツール座標系
ＺＴ ツール座標系

Claims (2)

1. 多関節ロボットの手首軸フランジに設定されたフランジ座標系に基づいて、前記手首軸フランジに装着されるツールでのツール座標系を設定するツールセンターポイント設定方法であって、
   前記手首軸フランジにツールを装着し、該ツールに治具を取り付け、前記多関節ロボットを作動させることで、前記治具を前記多関節ロボットが据え付けられた床面に設置された基準治具の基準点に移動させて、フランジ座標系に基づいてツール座標系を設定するツールセンターポイント設定作業を行い、
   前記治具を前記ツールから取り外すようにしたことを特徴とする多関節ロボットのツールセンターポイント設定方法。
2. 多関節ロボットの手首軸フランジに設定されたフランジ座標系に基づいて、前記手首軸フランジに装着されるツールでのツール座標系を設定する際に用いる治具の取付構造であって、
   前記手首軸フランジに装着されたツールを前記手首軸フランジから取り外すことなく、ツールセンターポイント設定作業を行うための治具が該ツールに対して着脱可能であることを特徴とする多関節ロボットにおけるツールセンターポイント設定用の治具の取付構造。

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