JP2013508826A - 電磁気ベースの局所的な位置決め機能を用いて製造工程を最適化するシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

システムは、作業用小室内でシーケンスのステップを実行するためのハンドヘルド型工具を含む。工具に接続した電磁マーカーが小室内で磁場を放射する。レセプターがこの磁場を検出し、これに応じて未処理の位置信号を生成する。制御装置が工具の組み立て設定値を更新する。未処理データを用いて確定された位置がシーケンス内の予想位置と等しくない場合には、ホストが制御動作を実行する。方法は、マーカーが生成し、レセプターアレイが測定した磁場を用いてトルクレンチの現位置を計算し、工具または締結具の現位置を計算する。締結具の現位置を、正しく調整されたシーケンスにおける予想位置と比較することができ、また、締結具位置が予想位置と等しくない場合には、トルクレンチを使用不可能にすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般には製造環境内での局所的な位置決め機能の使用に関し、特に、製造作業用小室内での製造工程を最適化するための電磁気ベースの局所的位置決めシステムおよび方法に関する。

人物または物体の相対位置を、利用する特定技術によって幅広く異なる精度で確定するための様々な方法および装置が存在する。例えば、携帯型または車両搭載型のナビゲーションシステムに組み込まれたあるいは内蔵された「グローバルポジショニングシステム（ＧＰＳ）受信機」により、使用者は衛星から送信された位置情報を受信することが可能になる。位置情報は、所与の瞬間に受信機の見通し線内に位置するＧＰＳ信号送信衛星の数に応じて、その相対精度と特異性の両方において変化する。つまり、ＧＰＳ機能を使用することで、使用者の２次元（２Ｄ）情報、すなわち現在の緯度と経度、または３Ｄ位置情報、すなわち使用者の緯度、経度、高度を、例えばいくつかのケースでは誤差を真位置の約±３メートルにまで低く抑えた、かなり高い精度で提供することができる。

対照的に、局所的位置決めシステム（ＬＰＳ）は、より正確な位置情報を提供するために使用できる。例えば、大型の製造施設において１または複数のＬＰＳ装置を使用すれば、製造施設内において１パレット分の消耗品または在庫が配置されている特定の領域またはゾーン、あるいは、貨物が出荷または入荷を待つプラットホームを識別できる。より一般的なＬＰＳ技術の数例には、光学検出装置、赤外線システム、超広帯域検出、無線周波数識別（ＲＦＩＤ）標識付けが含まれるが、各技術にはそれぞれ独自の利点と欠点がある。例えば、ＲＦＩＤ標識付けは、盗難を最小化するために商品をしっかりとタグ付けするような特定の目的には便利であるが、このような装置では有効距離と精度が制限される。同様に、光学システムおよび赤外線システムは、特定の高精度な用途で使用すると、最新の作業空間内で遭遇する多くの障害物、例えば金属製構造物および／または付近にある熱源が与える電位干渉が一部原因で、最適方式よりも低い方式で動作してしまう可能性がある。

大容量の製造組み立て環境では、組み立て工程における特定のステップを、コストを最小化し、製造量と精度を増すために、自動化することができる。関連する有線データエンコーダを各動作軸に装備した組み立てロボットは、従来の労働集約的組み立てステップ、例えば締結、溶接、塗装などを容易に実行することができる。しかし、加工中の製品が比較的制限されたまたは狭い作業空間内において位置決めされる場合には、自動組み立てロボットの使用は効率的でなく、さらには現実的ではない可能性もある。このような場合、ハンドヘルド型の組み立て工具を手に持った操作員が狭い作業空間内に入って必要な組み立てステップを実行するが、これは例えば特定の自動車組み立て工程で普通に経験されることである。上述した従来の地球規模および局所的な位置決め装置および方法はこのような用途においていまひとつの効果しか得られないことがあるが、位置決め装置を、狭い作業空間内の組み立て位置間において組み立て工具を移動させる際に、その漸進的な位置変化を測定するために使用する場合は特にそうである。

したがって、比較的狭い作業空間、すなわち作業用小室の内部において局所的位置決めを行うために、電磁気ベースの局所的位置決めシステム（ＥＬＰＳ）および方法が提供される。このＥＬＰＳおよび方法は、組み立てまたは製造工程を最適化するために電磁気案内機能を使用するが、例えば、ネジ式締結部を加工中製品内部に設置するために使用されるハンドヘルド型トルクレンチの動作を最適化するためのものであり、ここで例証される約３メートル（３ｍ）×３ｍの作業空間のような作業用小室内において正しく調整されたシーケンスで完成する必要がある。

特に自動車の製造においては、エンジンコンパートメント内の部分、乗員コンパートメント内の部分、または、車両のその他の場所内部に位置する部分への物理的に接触することが車両フレームまたは本体によって阻まれる場合があるため、上述した組み立てロボットを効率的に使用できない。このような状況では、操作員がハンドヘルド型工具を使って手作業で締結具を設置したり、その他のステップを実行したりする。ハンドヘルド型工具は、本明細書中では自動式のトルクレンチとして例示されているが、この特定の実施形態に限定される必要はない。さらに、通常、製造ステップは、特定の順序に従って、また、調整された順序の各位置において恐らく異なった設定値、例えばトルクレンチに対して設定された異なるトルク設定値を用いて完了される。このため、操作員は通常、所与の製造工程の正確なシーケンスおよび設定値について熟練しており、工具の設定値を必要に応じて調節するが、それは、該技術分野において公知の自動ソケット入出力（Ｉ／Ｏ）トレイを使用するような手段によって行われる。従来の方法を使用すると、正確な次のシーケンス位置や設定値に関する操作員による間違いが、ステップの完了まで検出されない場合があり、潜在的にコストのかかる再作業を行う結果となる。

本発明の範囲において、ＥＬＰＳはハンドヘルド型の組み立て工具を含み、これには、作業用小室内で製造工程を実行するように構成された、上述の例示的なハンドヘルド型トルクレンチが含まれるが、これに限定されない。電磁信号放出体または「マーカー」をハンドヘルド型工具に接続することで、作業用小室内で１または複数の調整された磁場を放射するように設けられた移動要素を追跡できる。１または複数の定置式検出要素またはレセプターを作業用小室内に設置して、１または複数の調整された磁場を受け、又は測定させ、さらに、これに応じて未処理の位置信号を生成または中継伝達させる。コアは、必要な電子処理回路を備えており、ホストおよびレセプターと通信する。

この位置信号が処理コアに送信されると、処理コアが位置値、すなわちＸ、Ｙ、Ｚデカルト座標と、態勢値、すなわちヨー、ピッチ、ロールとを計算する。ホストマシンは、位置値と態勢値を用いて、作業用小室内におけるハンドヘルド型工具の現位置を継続的に計算または監視し、これにより、工具によって設置中のあるあらゆる物体、例えばネジ式締結具の実際の位置を確定できる。

ホストマシンまたはホストは処理コアを介してレセプターと通信を行う。計算されたハンドヘルド型工具の位置を、正しく調整されたシーケンスにおいて対応したプログラム位置、必要位置、あるいはその他の予想位置と比較することができる。制御装置、例えば締結具制御装置（Ｆａｓｔｅｎｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ：ＦＣＵ）、または工具の設計に応じた他の制御装置を使用して、ホスト、レセプター、ハンドヘルド型工具と通信でき、また、工具の性能設定を必要に応じて自動更新することができる。従って、ホストは、設定を自動更新するためにＦＣＵに信号を送り、さらに、ハンドヘルド型工具の現位置が正しく調整されたシーケンス内の予想位置と等しくない場合には、１または複数の制御動作を実行するように構成してもよい。

ＥＬＰＳは、グラフィカルユーザーインターフェース（ＧＵＩ）として構成されたディスプレイ装置や他の適当なディスプレイ装置を介して、シーケンスにおける正確な次の製造位置、すなわち「予想位置」について、工具の操作員に信号を送ったり、操作員に指示したりすることができる。マーカーは十分に小型化され、ハンドヘルド型工具に、またはその内部に搭載されている。工具を例えばトルクレンチとして構成している場合、工具およびマーカーから締結具までの距離が既知又は較正値であれば、工具の位置、さらに工具で設置中の任意の締結具を、数分の１インチ内の精度で迅速に確定することができる。

ホストとマーカーと工具間の通信によって、本明細書中で「次の締結具位置」または「他の予想位置」として例示している正確なシーケンス位置を自動検証したり、正しく調整されたシーケンス内の予想位置での正確な組み立て設定値を簡易検証できるようになる。締結具の設置が終了すると、操作員は再び、ＧＵＩまたはその他の装置を介して正確な次の締結具位置を指示される。この予想位置は、ホストが正しく調整されたシーケンスを自動参照して確定したものである。

ホストは、記録を提供するために、過去の組み立てデータを局所的に、または別のデータベースから収集し、これをやはり局所的にまたは別のデータベースに記憶することができる。こうした記録は、品質保証または品質制御の目的、操作員のトレーニングを向上させる目的、保証期間中の返品または修理工程をサポートする目的で使用できる。過去の組み立てデータは、ホストおよび／または関連するデータベースにデータを継続的にダウンロードすることによってリアルタイムに、または、例えば予め設定された間隔をおいて所定の長さの組み立て運転の最後にというように、所定の間隔をおいて、自動的に収集することができる。組み立て運転中の任意の時点において次のような適切な制御動作を必要に応じて実行することができるが、これらに限定はされない。すなわち、ＧＵＩを介して操作員にメッセージを直接送るまたは送信する、修正動作が取られるまで工具を一時的に無効化する、ＧＵＩとは別の、あるいはＧＵＩから離れた場所の音声および／または視覚的装置を選択的に照明する、などが挙げられる。

作業用小室内での締結具設置工程を最適化する方法は、電磁マーカーが放射した調整された磁場を検知するために電磁レセプターアレイを使用することを含み、ここで、作業用小室内で電磁マーカーはハンドヘルド型トルクレンチに接続している。レセプターアレイを使用して未処理の位置信号が生成される。この方法はまた、処理コアを使用して未処理の位置信号を処理し、この未処理の位置信号を電磁マーカーの位置値および態勢値に変換することと、この位置値および態勢値に基づいて、作業用小室内におけるトルクレンチの現位置を監視するためのホストマシンを使用することと、トルクレンチの現位置を、正しく調整されたシーケンスにおける予想位置と比較することと、トルクレンチの現位置が正しく調整されたシーケンスにおける予想位置と等しくない場合に制御動作を実行することとを含む。

上述した本発明の特徴および利点、そして本発明のこれ以外の特徴および利点は、添付の図面と共に以下の本発明を実施するための最良実施態様の詳細な説明を参照することから容易に明白となる。

狭い作業用小室内で使用する電磁的な局所的位置決めシステム（ＥＬＰＳ）の略図である。

図１のＥＬＰＳのハンドヘルド型工具およびホストマシンの略図である。

図１のＥＬＰＳを使用するための制御アルゴリズムまたは方法を説明するフローチャートである。

ここで図面を参照すると、複数の図面中、同様の参照符号は同様または類似の構成部に対応している。図１から始めると、比較的狭い製造作業用空間または小室１０が、その３本の１次軸、すなわち小室１０の奥行を表すＸ軸、幅を表すＹ軸、高さを表すＺ軸によって画定されている。図１の例示的な実施形態では、軸Ｘ、Ｙ、Ｚは、比較的制限された狭い組み立て用作業空間を表す約３ｍ×３ｍの範囲を画定しているが、意図する本発明の範囲から逸脱しない限り、これよりも大きな、または小さな作業用小室１０を使用することも可能である。

上述したように、車両またはその他類似する複雑な構造物を製造する場合、車体で画定された車両範囲、例えば乗員室内部、エンジンコンパートメント、またはその他の比較的狭い作業空間（しかし、これらに限定はされない）の内部に操作員１４が物理的に侵入する必要がある。こうした作業空間内では、図１に留め具３２で総体的に示すネジ、ボルト、またはその他のネジ式締結具を正しく調整されたシーケンスに従って設置してゆく必要がある。さらに、各締結具３２は、一意的なトルク仕様または設定値、すなわち、これらの用語が該技術分野において理解されているとおりのトルク設定値および角度設定値を有するため、正確な次の締結具位置および／または所与の位置のトルク設定に関する操作員１４によるエラーは、潜在的な組み立てエラーやコストのかかる再作業につながり得る。

狭い作業空間内で作業するために、操作員１４は携帯型またはハンドヘルド型の組み立て工具１６を手に持たなければならず、図１、図２の例示的な実施形態においてこの組み立て工具は携帯型または充電可能な電気トルクレンチであるが、当業者であれば理解するように、これ以外の組み立て装置、すなわち例えば溶接トーチ、インパクトドライバ、リベットガン、グルーガンなども、本発明の範囲内において使用できる。工具１６は、図１に示すようなトルクレンチと同じ形状であれば、操作員１４が工具内の電気モータ（不図示）を起動させるなどによってトリガ４７（図２を参照）に力をかけると、所定のトルクを締結具３２に伝達することができる（矢印Ｔ）回転可能シャフト１８を備えている。

工具１６は電磁式局所的位置決めシステム（ＥＬＰＳ）５０（図２を参照）の一部として使用されるが、磁場放射および検知を用いることによって工具の位置が小室１０内で継続的に監視され追跡される。この目的のために、工具１６は、工具に関連して調整された電磁場３３を維持するように設けた１または複数の電磁波源またはマーカー４８を含んでおり、この１または複数の磁場は、小室１０内に配置された１または複数のレセプター（Ｒ）１３によって継続的に測定される。一実施形態では、レセプター１３は工具１６を包囲するアレイ内に包含されている。

レセプター１３は、マーカー４８（１または複数）から放射される調整された磁場３３（１または複数）を測定して、この調整された磁場に応じて未処理の位置信号１１を生成するように設けられている。処理コア２１が未処理の位置信号１１を処理して、工具１６の位置値、つまりＸ、Ｙ、Ｚデカルト値と、態勢値、つまりヨー、ピッチ、ロールを計算する。製造中、つまり例えば、工具がトルクレンチとして構成された実施形態において図１に示すような締結具３２を設置している間に、ホスト２２が工具１６の位置を小室１０内のそのＸＹＺ慣性座標系内において監視する。

小室１０内で、特定のそれぞれの締結具位置Ａ〜Ｆの順序で示す正しく調整されたシーケンスに従って、複数の締結具３２を加工中製品１２内に設置できる。例えば、締結具３２をまず位置Ａに設置し、その後別の締結具を位置Ｂに設置し、さらに別の締結具を位置Ｃに設置する、などが可能である。順序Ａ、Ｂ、Ｃなどは例証であり、ホスト２２に記憶された、またはホスト２２がアクセスできる調整済みシーケンス３４（図２を参照）によって決められているとおりの、利用可能な位置のあらゆる組み合わせ、例えばＣ、Ｂ、Ａ、または、Ｂ、Ａ、Ｃなどであってもよい。やはり簡素化の理由で、図１には６個の締結具位置（Ａ〜Ｆ）のみを示している。しかし、本発明の範囲内で、各々が予測位置を持つ、６個よりも多いまたは少ない数の締結具３２を、図２の正しく調整されたシーケンス３４に応じて設けられることが理解される。

ホスト２２は、本発明の方法を実行するための制御アルゴリズム１００を含んでいる。ＥＬＰＳ５０はコア２１を含み、ホスト２２は通信経路１７上でこのコア２１と継続的な有線または無線通信状態にある。次に、コア２１はレセプター１３と継続的な無線通信状態にあり、さらにこれが、工具が小室１０内で移動する際に、マーカー４８および工具１６と継続的に無線通信を行う。

工具１６が図示のようにトルクレンチとして構成されている場合には、ＥＬＰＳ５０は、ケーブル７０で工具に接続した締結具制御装置（ＦＣＵ）２５も含むことができる。ＦＣＵ２５は、工具がトルクレンチとして構成されている場合には、工具のトルク設定値および／または角度設定値を自動的にダウンロードあるいは更新することなどによって、工具１６の組み立て設定値を自動更新するように設けられる。同様に、ＦＣＵ２５は、設置中にあらゆる締結具３２に適用されるトルクと角度を確定することができ、また、このデータを検証のためにホスト２２へ送ることで、斜め止めまたは誤ったトルク測定の発生を最小化できる。

ＦＣＵ２５は、別のケーブル７１または別の適切な通信経路を介して、トルク測定値と角度測定値を記述した情報、データ、および／または信号をホスト２２へ送信し（矢印８０）、ホストがデータの収集および記憶を行えるようになっている。同様に、ホスト２２も、ケーブル７１または別の適切な通信経路を介して、情報、データ、または信号をＦＣＵ２５へ送信し（矢印８１）、工具１６の自動的で最適化された制御を可能にするようになっている。最後に、調整された座標、すなわち定位置または既知の位置を有する定置ベースユニット２０が、ケーブル７２を介してＦＣＵ２５と通信する。ベースユニット２０は、以降で図３を参照しながら説明するように工具を適切に再調整したり、工具の値をゼロに合わせたりするため、またこれによって位置誤差を最小化することを目的として、製造開始時、マーカー４８の電源オフ／オン時、システム障害中および／または再起動中などに工具１６を受容するように構成されている。

簡単に図２を参照すると、ホスト２２は、工具１６およびマーカー４８との遠隔通信または無線通信を可能にする通信制御モジュール（ＣＣＭ）３８を含む。ＣＣＭ３８は、以降で説明する図３のアルゴリズム１００を含む様々なプログラムまたはアルゴリズムを実行するが、これらは協働して工具１６の動作を制御する。よって、ＣＣＭ３８は、マイクロプロセッサまたはＣＰＵ３９、メモリ５４、必要とされるあらゆる電子回路構成部５５、必要な入出力装置（Ｉ／Ｏ）装置、そしてその他の信号調整および／またはバッファ回路のような一般的な素子を実装したマイクロプロセッサベースの装置として構成でき、上記メモリ５４は、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、電気的な書き込みが可能な読み出し専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）などを限定なく含み、また、上記電気回路構成部５５は、高速クロック（不図示）、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）回路構成部、デジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）回路構成部、デジタル信号プロセッサまたはＤＳＰを限定なく含む。しかし究極的には、プログラマブル論理制御部（ＰＬＣ）やその他の装置と容易に通信するために、ホスト２２が、最も一般的に使用されているフィールドバス、例えばデバイスネット（ＤｅｖｉｃｅＮｅｔ）、プロフィバス（Ｐｒｏｆｉｂｕｓ）、イーサネットアイピー（Ｅｔｈｅｒｎｅｔ ＩＰ）、プロフィネット（ＰｒｏｆｉＮｅｔ）など（これらに限定はされない）を好適にはサポートするように構成される。

工具１６は蓄電システム（ＥＳＳ）３０、例えば充電ニッケルカドミウムまたはリチウムイオン電池、静電容量モジュール、および／またはその他の適切な蓄電装置を含む。工具１６は、ベースユニット２０に戻った際にＥＳＳ３０を再充電するための、および／または、工具をベースユニット２０に接続し次第、あるいは工具をベースユニット２０に戻し次第、情報またはデータをホスト２２へ送信するための、電気接点またはリード２３を含むことができる。ＥＳＳ３０の再充電は、もしそのように構成されている場合には、ケーブル７０を介してＦＣＵ２５から交互に行うことも可能である。

ＥＳＳ３０は、必要に応じ、マーカー４８のセンサに電力供給するため、または工具１６の運転に必要なエネルギーのいくらかまたは全て供給するために使用できる。工具１６が様々な図面に示すようにトルクレンチとして構成されている場合は、ＦＣＵ２５からケーブル７０を介してトルク設定値を送ることにより（矢印８４）工具のトルク設定値を自動更新または自動変更することで、付加するトルク（矢印Ｔ）を、調整済みシーケンス３４に従ってホスト２２が確定したとおりに自動的に変化させることができる。例えば現在のトルク設定値またはその他の工具構成データを記述するために、工具１６から信号（矢印８６）がＦＣＵ２５へ送信される。

再び図１を参照すると、ホスト２２は、図２の調整済みシーケンス３４から自動的に正確な第１ボルト位置を知らせる指示メッセージを提供して操作員１４に指示し、次に、工具１６がその特定の位置において使用しているトルク設定を検証および／または更新する。操作員１４への指示メッセージは、タッチスクリーングラフィカルユーザーインターフェースまたはＧＵＩ４０のような装置を介して提供される。ＧＵＩ４０のような装置は、小室１０内での組み立ての進行に合わせて操作員が見ることができるように、小室１０内または小室に非常に近接した場所に配置されている。

位置誤差を最小化する目的で、工具１６とこれに接続されたマーカー４８との位置を、マーカーの電源オフ・オン時、障害発生時／再始動時などに、製造開始前のベースユニット２０の調整された位置あるいは既知の定位置を用いてゼロ化または再調整する。各ステップが終了するごとに、図２の調整済みシーケンス３４に記述されている正確な次の締結具位置についての指示メッセージが再び操作員１４に提供される。一方、関連するトルクおよび角度データは、ＦＣＵ２５によって自動的に収集され、次いで、リアルタイムで、または例えば工具１６をベースユニット２０に戻した運転またはシーケンスの最後というように所定の時間毎に、履歴データを収集するためホスト２２に中継伝達される。

本発明の範囲内では、工具１６、ホスト２２、アルゴリズム１００、ＦＣＵ２５、コア２１、レセプター１３（１または複数）、マーカー４８（１または複数）、ベースユニット２０は、ＥＬＰＳ５０に統合された構成部である。ＥＬＰＳ５０を使用することで、工具１６と、工具を用いて設置中の各締結具３２との小室１０内の最新位置が正確に確定され、これによって、正しく調整されたシーケンス（図２を参照）が提供する値に対しての妥当性が確認される。組み立て工程の任意の時点で、例えば次のような１または複数の制御動作を実行することができる（しかし限定はされない）。すなわち、正しく調整されたシーケンス３４における、対応位置に関する予想位置や、調整されたトルクおよび角度の設定値がホスト２２によって検証されるまで工具１６を一時的に使用できないようにする、操作員１４へのメッセージをＧＵＩ４０に表示する、正確な対応位置が達成されるまで工具を一時的に使用できないようにする、小室１０の外に設置できるオプションの外部式音声／視覚警告装置４１を起動する、その他の望ましい制御動作が挙げられる。

図１の例示的な実施形態においては、このオプションの外部式の音声／視覚的装置４１は、操作員１４、および／または小室１０の外にいる別の人物、例えば製造監督者や遠隔的な品質制御監視ステーションなど、に通信するフィードバックメッセージを単純化またはカスタマイズするために、適切な視覚的インジケータ、例えば赤色ランプ（Ｒ）４２、緑色ランプ（Ｇ）４３、および／または音声スピーカ４４を含んでいてもよい。こうした実施形態では、赤色ランプ４２の照明は障害状態またはエラーを示し、緑色ランプ４３の照明は位置の設定値およびトルク設定値とこの各々に対応する任意の調整された設定値との妥当な一致を示し、また、位置の設定値および／またはトルク設定値が調整された仕様と一致しない場合に、音声スピーカ４４を使用してトーン音または警告を発することができる。

ＥＬＰＳ５０は、１つの物体（この場合は、小室１０の中で工具１６内または工具１６上に位置したマーカー４８）のＸ、Ｙ、Ｚ座標を最終的に識別するために用いる位置データを収集するようになっている。設置中の締結具の頭部は工具に搭載されたマーカーから常に同一の距離にあるので、マーカー４８から締結具３２までの距離は既にわかっている。従って、ホスト２２は、マーカー４８の算出位置に基づいて、締結具３２の現在位置を計算できる。

小室１０内での締結具３２の現在位置は、マーカー４８を介した複数の調整された電磁場を使用することによって、数分の１インチまで解析することができる。小室１０で画定された空間内の１つの関心点を１秒以内の解像で識別できるので、締結具３２の締付けが完了すると、ホスト２２が、これに関連する座標情報を、トルク情報を調整済みシーケンスにおける所定の締結具の位置と関連付けするために瞬時に利用できるようになる。言い換えれば、マーカー４８は、小室１０内の慣性座標系における物体（例えば、締結具３２）の、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸のそれぞれに対する、ロール、ピッチ、ヨー（まとめて言えば姿勢と称されるが）を十分に表すことを目的として、未処理の位置信号１１を捕捉または収集するように構成されている。

再び図２を参照すると、ＥＬＰＳ５０がより詳細に示されているが、工具１６がホスト２２と通信した状態である。工具１６は、上述したマーカー４８を含む。マーカー４８は、工具１６に対して過剰な負担となったり妨害したりすることのない、小型の電磁波源モジュールとして構成できる。レセプター１３は、マーカー４８と通信しつつ、マーカーによって維持される調整された電磁場の強度、向き、およびその他の特徴を測定する。ＥＬＰＳ５０内で使用でき、位置データを電磁的に送受可能なマーカー４８とレセプター１３は、様々な販売元から市販されている。例えば、バーモント州コルチェスタにあるポルヘムス（Ｐｏｌｈｅｍｕｓ）社製の「リバティ ロータス」（Ｌｉｂｅｒｔｙ Ｌａｔｕｓ）を参照されたい。

マーカー４８は工具１６のシャフト１８の回転軸２８上またはその周囲に設置することができるが、例えば、回転可能な駆動部４９上またはその付近にシャフトに近接させて設置できる。例えばマーカー４８は、円形断面を持ちシャフト１８の直近に配置される、または、シャフトの周囲を包囲するよう環状またはリング形状であってもよく、これにより、マーカーは工具１６に固定されたままなのに対して、シャフトは自由にマーカーの半径方向内向きに回転できるようになる。

交互に、図２の隠れ線で示すように、マーカー４８をグリップ部３５より上の、工具１６の太い方の端３６に、好適にはマーカーの中心が依然として回転軸２８上に位置するような状態で取り付け、これにより計算の全体精度を向上することができる。いずれのケースでも、マーカー４８から締結具３２までの距離はわかっているので、アルゴリズム１００がマーカーの位置に対する締結具の位置を容易に計算することができる。そのため、締結具３２の現位置を、調整済みシーケンス３４内のこれに対応する位置と比較できる一方で、その位置における現在のトルク設定値を、正しく調整されたシーケンスにおける、またはこれにより参照される任意のトルク設定値に従うように、必要に応じて更新することができる。

つまり、１または複数のレセプター１３が、マーカーと工具のＸ、Ｙ、Ｚ軸に対する動作を正確に表すために、図１、図２のマーカー４８が維持および／または放射している調整された電磁場を継続的に測定する。図２のシャフト１８の端部における締結具３２までの距離がわかっているので、ホスト２２は、このデータを用いて締結具に対する工具１６の現位置を継続的に計算するためにこの値を使用できる。つまり、ホスト２２は究極的に未処理の位置データ１１を用いて、Ｘ軸周囲（図１を参照）での所与の締結具３２のロールまたは回転、Ｘ軸周囲での工具１６のピッチまたは回転、Ｙ軸周囲での工具のピッチまたは回転、Ｚ軸周囲での工具１６のヨーまたは回転を求め、小室１０内の慣性座標系におけるＸ、Ｙ、Ｚ座標を確立することができる。こうすることで、工具の位置を正確に求めることができる。

再び図１を参照すると、ＧＵＩ４０は、英数字の指示メッセージを操作員１４に送信できるように構成できる。レセプター１３から送られコア２１へ中継された未処理の位置信号１１は、コアによって処理され、工具１６の位置と姿勢の値が求められる。これらが、小室１０内における工具１６の位置を監視しているホスト２２へ送信されると、ＧＵＩ４０上に次の締結具位置Ａ〜Ｆが表示される。最新の締結具位置は、ホスト２２に記憶されている正確なまたは調整されたトルク設定値と関連付けることができる。これらの設定値を、ＦＣＵ２５を介して工具１６に直接ダウンロードすることで、従来のソケットトレイ入出力部の補助なしで、工具１６を自動調節することが可能である。

ユーザーフレンドリーな記号、例えばフローティングアイコンをＧＵＩ４０上の、加工中製品１２のテンプレートの上に表示することで、所望すれば、操作員１４が組み立て工程と過去の履歴を継続的に通知されるようにすることができる。例えば、加工中製品１２のテンプレートをＧＵＩ４０上に表示して、円形またはその他の形状の適切なアイコンを、調整済みシーケンス３４（図２を参照）に記述されている正確な次の位置へと移動させることにより、操作員１４に案内または指示することができ、および／または、ＧＵＩ４０上に文字を表示することもできる。

図１、図２に示すＥＬＰＳ５０の様々な構成部を使用することで、アルゴリズム１００はデカルト座標Ｘ、Ｙ、Ｚの各々と、慣性座標系Ｘ、Ｙ、Ｚ内でのオイラー角または姿勢、つまりヨー、ピッチ、ロールとを求めることができる。アルゴリズム１００が工具１６の位置および姿勢を統合し、また、慣性座標系Ｘ、Ｙ、Ｚ内のマーカー４８および工具１６の元の向きを初期条件として用い、マーカー４８によって提供される工具の姿勢を継続的に監視することで、マーカーおよび工具の最新の向きを継続的に更新することができる。言い換えれば、アルゴリズム１００は、６つの自由度、つまりＸ、Ｙ、Ｚ，ヨー、ピッチ、ロールの各々について、作業用小室１０内でのマーカー４８と工具１６の最新の位置および向きを継続的に計算および更新する。

図３を参照すると、図２の様々なＥＬＰＳ５０の構成部を参照しつつ、フローチャートによって方法１００をより詳細に説明している。上述したように、方法１００は、ホスト２２を介して実行される、コンピュータで実行するタイプのアルゴリズムを具現化している。正しく調整されたシーケンス３４に記載されたあらゆるデータを含む、工具１６によってまたは工具１６において収集される、および／またはホスト２２内に常駐するあらゆるデータは、方法１００によって、あるいはより具体的には、この方法のアルゴリズム的実現によって容易にアクセス、使用される。

ステップ１０２から開始するが、ここでは、新たな製造開始時に、前記ベースユニット２０の調整された位置、定位置、あるいは既知の位置または座標を用いて、工具１６が調整またはゼロ化される。電磁的制御方法では一般的であるように、様々な金属が存在する影響の下では、マーカー４８より提供されたデータに、狂いが統合されて発生する可能性がある。つまり、マーカー４８と工具１６の位置および姿勢の測定における誤差が、未調整の金属の存在によって引き起こされる可能性がある。

そのため、製造運転の開始前に、ステップ１０２で工具１６の初期位置を調整またはゼロ化しておく。こうすることで、誤差を最小化、および予測可能にすることが可能になる。ステップ１０２では、第１締結具の予想または予期される第１位置に対応したポインタ値「Ｎ」を初期化するか、あるいは例えば図１の例示的なＡ〜Ｆ実施形態における設定値Ｎ＝Ａによって設定することができる。方法１００は次にステップ１０４へ進む。

ステップ１０４において、操作員１４は、ＧＵＩ４０を介して、小室１０内で予期されるまたは対応する位置（Ｐ_Ｎ）へと指示される。ここで、Ｎの値によって、正しく調整されたシーケンス３４での正確な締結具位置と対応する。アルゴリズム１００を適切に実行するために、正しく調整されたシーケンス３４における各締結具３２の正確な位置を事前に収集、記録されることが期待されているので、アルゴリズム１００は、操作員１４の現位置が正確または対応した位置（Ｐ_Ｎ）であるか否かを瞬時に知る。例えばＧＵＩ４０上に文字メッセージやその他の適当な記号を表示することによって（しかしこれに限定はされない）操作員１４を指示した後に、アルゴリズム１００はステップ１０６へ進む。

ステップ１０６において、上述のＥＬＰＳ５０を使用して、工具１６の最新の位置（Ｐ_Ｃ）が電磁的に測定、検出、計算、またあるいは確定される。つまり、マーカー４８が放射した電磁場３３、例えば磁場がレセプター１３によって収集され、これが、Ｘ、Ｙ、Ｚ座標系内におけるマーカー４８および工具１６の動作を記述する位置データを確定するために、未処理の位置信号１１に転換される。ホスト２２は、マーカー４８から既知の距離に配置された締結具３２の現位置を、レセプター１３からの未処理の位置信号１１を用いて計算し、上述したように最新の位置Ｐ_Ｃを確定することができる。アルゴリズム１００は次に１０８へと進む。

ステップ１０８において、最新の位置（Ｐ_Ｃ）が、正確な位置または対応する位置（Ｐ_Ｎ）と比較される。Ｐ_ＣおよびＰ_Ｎの値が等しくない場合には、アルゴリズム１００は１１０へ進む。そうでない場合には、アルゴリズム１００はステップ１１２へ進む。

ステップ１１０において、ホスト２２は所定の制御動作（１または複数）を選択的に実行することができる。制御動作は、次に挙げるような任意数の望ましい応答を含んでいてもよい（しかし、これらに限定はされない）。すなわち、操作員１４が正確な位置へ移動するまで工具１６を一時的に使用できないようにする、ＧＵＩ４０またはその他の装置上に警告メッセージを表示する、修正動作が取られるまで工程を一時的に停止する、外部Ａ／Ｖ装置４１を照明する、などが挙げられる。アルゴリズム１００は次にステップ１０４を繰り返す。

ステップ１０８で操作員１４が正確な締結具位置にいる、つまりＰ_Ｃ＝Ｐ_Ｎであることが確定された後に、ステップ１１２において、アルゴリズム１００は工具１６の最新のトルク設定値ＴＣを測定、検出、またあるいは確定する。最新のトルク設定値（ＴＣ）が確定したら、方法１００はステップ１１４へ進む。

ステップ１１４において、ステップ１１２の最新のトルク設定値（ＴＣ）が、正しく調整されたシーケンス３４を参照した調整されたトルク設定値Ｔ_Ｎと、あるいはこれに関連した１組のトルク設定値と比較される。Ｔｃ＝Ｔ_Ｎである場合には、アルゴリズム１００はステップ１１６へ進む。それ以外の場合には、アルゴリズム１００はステップ１１５へ進む。

ステップ１１５において、最新のトルク設定値（Ｔ_Ｃ）が自動的に調節される。ＦＣＵ２５には、工具１６に要求されるトルク設定値を自動的に調整、更新、またはダウンロードするようケーブル７０を介して信号を送ることができる。アルゴリズム１００は次にステップ１１６へ進む。

ステップ１１６において、最新の位置Ｐ_Ｃにおける新規の妥当性確認トルク設定値ＴＣを用いて、締結具３２の設置が完了する。ここで、最新位置Ｐ_Ｃは、上述のステップ１０８において既に妥当性確認が済んでいる。アルゴリズム１００は次にステップ１１８へ進む。

ステップ１１８において、工程データが継続的に収集され、収集と同時に、あるいはデータ値が変化した時に、ホスト２２へダウンロードされるようにするために、ＥＬＰＳ５０が工程データを自動モードで収集する。ここで使用する工程データは、ステップ１１６における設置を表すためのあらゆるデータ、測定値、または、その他情報のことを言うが、様々な目的のため、例えば、品質保証または品質制御の目的、操作員の訓練の向上のため、保証期間中の返品および修理をサポートするためなど（しかしこれに限定はされない）に使用可能である。交互に、アルゴリズム１００は、このような工程データを周期的に収集することを含んでいてもよいが、例えば、一時的に工具１６内に記憶し、このデータを所定の間隔で、または工具１６がベースユニット２０へ戻された時に、ホスト２２へ周期的に送信またはダウンロードすることによってそうする。アルゴリズム１００は次にステップ１２０へ進む。

ステップ１２０において、正しく調整されたシーケンス３４を再び参照し、直近に完了した締結具設置Ｎが、シーケンス３４の最後または最終ステップ、つまりＮ_Ｆと一致するかどうかを調べる。一致する場合は、工具１６はそのベースユニット２０へ戻され、次のサイクルが開始するまで待機状態にされる。方法１００はこれで終了する。そうでない場合には、方法１００はステップ１２２へ進む。

ステップ１２２において、Ｎの値が増分され、これにより、正しく調整されたシーケンス３４ごとにＮがこれと対応する位置と一致する。例えば、正確なまたは対応する位置が図１中のＢである場合には、ホスト２２が自動的に更新されることで、操作員１４の位置Ｂへの動作を予想または予期できるようになる。方法１００は次に上述したステップ１０８を繰り返す。

したがって、上述した本発明の装置および方法を使用することで、締結工具の位置を検知し、その妥当性を確認し、また、操作員を自動的に正しい位置へと導くことで誤りを校正する。本発明の装置および方法に関連したデータ収集は、図１のＧＵＩ４０のようなタッチスクリーン装置を介して開始することができ、設置するあらゆる締結具の数と位置、並びに関連するトルクおよび角度データを確定するが、上記のデータは全て、ＧＵＩ４０または瞬時のフィードバックを提供するためのその他の装置上に表示される。例えば、予想以上に高い誤り率を日常的に発生させる特定の設置ステップ、バッチ、および／または各操作員を識別すること等によって、運転終了データが自動的に収集され、将来の参考のために記憶される。こうすることで、品質保証の最適化および／または目標のトレーニングの有効化を、最適な工程効率を確保しながら行えるようになる。

本発明を実施する最良の形態について詳細に説明したが、本発明が関連する技術の当業者は、本発明を添付の特許請求の範囲内において実践するための様々な代替的な設計および実施形態を認識するであろう。

Claims (13)

1. 作業用小室内での正しく調整された作業シーケンスを有する工程を最適化するシステムであって、前記装置は、
   前記正しく調整された作業シーケンスのステップを実行するように構成されたハンドヘルド型工具と、
   前記ハンドヘルド型工具に接続した電磁マーカーであって、前記作業用小室内において調整された磁場を放射するように構成された電磁マーカーと、
   前記作業用小室内に配置され、前記調整された磁場を測定するように、また、この磁場に応じて未処理の位置信号を生成するように設けられた電磁レセプターと、
   前記電磁レセプターと通信する処理コアであって、前記未処理の位置信号を処理して、前記ハンドヘルド型工具の位置値と姿勢値を計算するよう設けられた処理コアと、
   グラフィカルユーザーインターフェース（ＧＵＩ）と、
   前記処理コアと通信するホストマシンであって、
   前記位置値と姿勢値を用いて、前記作業用小室内での前記ハンドヘルド型工具の現位置を継続的に監視するように設けられ、
   前記ハンドヘルド型工具の現位置を前記正しく調整された作業シーケンスにおける予想位置と比較するように設けられ、
   前記ハンドヘルド型工具の現位置が前記正しく調整されたシーケンスにおける前記予想位置と等しくない場合に、前記正しく調整された作業シーケンスにおける前記予想位置を前記ハンドヘルド型工具のユーザに対する指示するメッセージを、前記ハンドヘルド型工具の操作員に対して、前記ＧＵＩ経由で表示することを含む制御動作を実行するように設けられるホストマシンと、
   を備えるシステム。
2. 前記ホストマシンおよび前記ハンドヘルド型工具の各々と通信する制御装置をさらに備え、ここで、前記制御装置は、前記ハンドヘルド型工具の性能設定を前記ホストマシンからの信号に応答して自動更新するように動作でき、
   前記ホストマシンは、前記性能設定を自動更新するために前記制御装置に信号を送るように設けられた、請求項１に記載のシステム。
3. 前記調整された磁場は、前記処理コアが、前記ハンドヘルド型工具のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各々に沿った、前記電磁マーカーと前記ハンドヘルド型工具の両方の場所を確定するために使用される、請求項１に記載のシステム。
4. 前記ハンドヘルド型工具は、縦軸を有する回転可能なシャフト部分を含み、前記電磁マーカーは前記縦軸上に位置決めされる、請求項１に記載のシステム。
5. 前記制御動作はさらに、前記ハンドヘルド型工具を一時的に無効化することと、音声／視覚的装置を照明することとのうち少なくとも１つを含む、請求項１に記載のシステム。
6. 作業用小室内での締結具設置工程を最適化するシステムであって、前記システムは、
   ネジ式締結具を加工中製品内に設置するように設けられたハンドヘルド型トルクレンチと、ここで、前記ハンドヘルド型トルクレンチは回転可能な駆動部を設けたシャフトを有し、
   前記回転可能な駆動部の付近において前記ハンドヘルド型トルクレンチに接続している電磁マーカーであって、前記作業用小室内の前記ハンドヘルド型トルクレンチに近接した場所に調整された磁場を生成するように設けられた電磁マーカーと、
   前記作業用小室内に位置決めされ、前記磁場を測定するように、また、この磁場に応じて未処理の位置信号を生成するように設けられた電磁レセプターのアレイと、
   前記レセプターのアレイと通信する処理コアであって、前記位置信号を処理して、前記電磁マーカーについての位置値と姿勢値を計算するように設けられた処理コアと、
   グラフィカルユーザーインターフェース（ＧＵＩ）と、
   前記電磁マーカーおよびＧＵＩと通信するホストマシンであって、
   前記位置値と前記姿勢値を用いて、前記ハンドヘルド型トルクレンチの現位置を継続的に監視するように設けられ、
   前記ハンドヘルド型トルクレンチの現位置を用いて、前記ネジ式締結具の現位置を計算するように設けられ、
   前記ネジ式締結具の現位置を、調整された締結具シーケンスにおいて予想される締結具の位置と比較するように設けられ、
   前記ネジ式締結具の現位置が前記予想される締結具位置と等しくない場合に、前記ＧＵＩを介して前記トルクレンチの操作員へのメッセージを表示することを含む少なくとも１つの制御動作を実行するように設けられるホストマシンと、
   を備えるシステム。
7. 前記ホストマシンおよび前記ハンドヘルド型トルクレンチの各々と通信する締結具制御部（ＦＣＵ）をさらに備え、前記ＦＣＵは、前記ホストマシンからの信号に応じて、前記ハンドヘルド型トルクレンチの現在のトルク設定値を自動更新するように設けられている、請求項６に記載のシステム。
8. 前記少なくとも１つの制御動作はさらに、前記自動式ハンドヘルド型トルクレンチを一時的に無効化することと、可聴警告を起動することのうち少なくとも１つを含む、請求項６に記載のシステム。
9. 前記電磁マーカーが円形断面を有し、前記回転可能な駆動部付近に位置決めされている、請求項６に記載のシステム。
10. 作業用小室内における締結具設置工程を最適化する方法であって、前記方法は、
    電磁レセプターアレイを使用して、ハンドヘルド型トルクレンチの回転可能な駆動部の付近に接続された電磁マーカーが放射した調整された磁場を検知し、
    前記レセプターアレイを使用して未処理の位置信号を生成し、
    処理コアを使用して前記未処理の位置信号を処理し、これにより、前記未処理の位置信号を前記電磁マーカーの位置値および姿勢値に変換するステップと、
    ホストマシンを、
    前記位置値および姿勢値に基づいて、前記作業用小室内における前記トルクレンチの現位置を継続的に監視することと、
    前記トルクレンチの現位置を正しく調整された作業シーケンスにおける予想位置と比較することと、
    前記トルクレンチの現位置が前記正しく調整された作業シーケンスにおいて前記予想位置と等しくない場合に、グラフィカルユーザーインターフェースを使用して、前記ハンドヘルド型トルクレンチの操作者に対して前記予想位置を指示することを含む制御動作を実行することと、を行うために使用すること、を備える方法。
11. 前記ハンドヘルド型トルクレンチによって設置中であるネジ式締結具の現位置を、前記トルクレンチの前記現位置を用いて計算し、前記締結具の現位置が前記正しく調整されたシーケンスにおけるこれに対応する締結具の位置と等しくない場合には、前記ハンドヘルド型トルクレンチを一時的に無効化することをさらに備える、請求項１０に記載の方法。
12. 前記ハンドヘルド型トルクレンチの現在のトルク設定値を検出し、前記ホストマシン経由で前記現在のトルク設定値を調整されたトルク設定値と比較し、前記現在のトルク設定値が前記調整されたトルク設定値と等しくない場合には、前記現在のトルク設定値を、前記調整されたトルク設定値と一致するように自動更新することをさらに備える、請求項１１に記載の方法。
13. 前記ネジ式締結具の前記現位置がこれに対応する前記ネジ式締結具の予想位置と等しくない場合には、前記作業用小室の外部に設けた音声／視覚的警告装置を起動することをさらに備える、請求項１１に記載の方法。

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