JP2014180719A - ロボット装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡素な構成でネジ締め作業を行うことができるロボット装置を提供する。
【解決手段】 ロボット装置１は、ネジ締め機構３０を有するアーム本体１１と、アーム本体１１に加わる力を検出するトルク検出部５１ｂと、ネジ締め機構３０によるネジ締め作業時において、トルク検出部５１ｂでの検出結果に基づいてアーム本体１１の制御を行うモータ制御部５１ａとを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ロボット装置に関する。

近年、ロボット装置を用いて、物を組み立てる際のネジ締め作業が行われている。例えば、特許文献１には、複数の関節を有するアーム本体の先端に、ネジ締め機構が設けられたロボット装置が開示されている。特許文献１に記載されたロボット装置は、ネジ締め機構に取り付けられた力センサによって、ネジ締め作業時にネジ締め機構に加わる力を検出し、ネジ締め機構の姿勢の制御を行っている。

ここで、ネジ締め作業に用いられるネジ締め機構は、スピンドルユニットを介して回転力をネジに伝達している。スピンドルユニットは、ネジの軸方向に伸縮する機能を有しており、ネジ締め機構とネジとのネジの軸方向における位置ずれを吸収する。

特開平７−２１４４３５号公報

このようなネジ締め作業を行うロボット装置の分野においては、簡素な構成でネジ締め作業を行うことが求められている。

そこで、本発明は、簡素な構成でネジ締め作業を行うことができるロボット装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係るロボット装置は、ネジ締め機構を有するアーム本体と、アーム本体に加わる力を検出する検出部と、ネジ締め機構によるネジ締め作業時において、検出部での検出結果に基づいてアーム本体の制御を行う制御部とを備える。

また、本発明の他の一側面に係るロボット装置は、ネジ締め作業を行うアーム本体と、アーム本体に加わる力を検出する検出部と、ネジ締め作業時において、検出部での検出結果に基づいてアーム本体の制御を行う制御部とを備える。

本発明によれば、簡素な構成でネジ締め作業を行うことができる。

一実施形態に係るロボット装置の概略構成を示す側面図である。 図１の制御部の機能構成を示すブロック図である。 ネジ締め作業時に制御部が行う処理の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１に示すように、ロボット装置１は、ロボットアーム１０、ネジ締め機構３０、及び、制御部５０を含んで構成される。ロボットアーム１０は、複数の関節を有するアーム本体１１、及び、アーム本体１１の先端に取り付けられた把持部２０を含んで構成される。アーム本体１１は、基部１２、下腕部１３、前腕部１４、手首部１５、及び、関節１６，１７及び１８を有する。関節１６〜１８は、基部１２に対し、下腕部１３、前腕部１４及び手首部１５を直列に接続する。

基部１２は、床面に設置される基台１２ａと、基台１２ａの上に設けられた旋回台１２ｂとを有する。基台１２ａは、鉛直な軸（Ｓ軸）Ａ１まわりに旋回台１２ｂを旋回させるモータＸ１を内蔵する。

関節（Ｌ軸関節）１６は、下腕部１３と旋回台１２ｂの上部とを連結する。関節１６は、水平な軸（Ｌ軸）Ａ２まわりに下腕部１３を揺動させるモータＸ２を内蔵する。即ち、関節１６は先端側に接続される腕部１２を揺動させる。関節（Ｕ軸関節）１７は、前腕部１４と下腕部１３とを連結する。関節１７は、軸Ａ２に平行な軸（Ｕ軸）Ａ３まわりに前腕部１４を揺動させるモータＸ３を内蔵する。即ち、関節１７は先端側に接続される前腕部１４を揺動させる。関節（Ｂ軸関節）１８は、手首部１５と前腕部１４とを連結する。関節１８は、前腕部１４の中心軸Ａ４に直交する軸（Ｂ軸）Ａ５まわりに手首部１５を揺動させるモータＸ５を内蔵する。

前腕部１４は、直列に連なる前腕リンク１４ａ及び１４ｂを有する。関節１７側の前腕リンク１４ａは、関節１８側の前腕リンク１４ｂを前腕部１４の中心軸（Ｒ軸）Ａ４まわりに旋回させるモータＸ４を内蔵する。

手首部１５は、関節１８に連結された手首リンク１５ａと、手首リンク１５ａの先端側に連結された装着フランジ１５ｂとを有する。手首リンク１５ａは、装着フランジ１５ｂを手首部１５の中心軸（Ｔ軸）Ａ６まわりに旋回させるモータＸ６を内蔵する。装着フランジ１５ｂには、ロボットアーム１０に所望の作業を行わせるための種々のツールを把持する把持部２０が取り付けられる。本実施形態において把持部２０は、ネジ締め作業を行うネジ締め機構３０を把持する。また、上記モータＸ１〜Ｘ６には、減速器及び角度センサ等が設けられていてもよい。なおモータＸ１〜Ｘ６の配置は一例であって、上記の配置に限定されるものではない。

ネジ締め機構３０は、駆動部３１、及び、ビット部３２を含んで構成される。駆動部３１は、ビット部３２を駆動し、ビット部３２を回転させる。ビット部３２は、ネジ１０１のヘッド部に係合して、ネジ１０１を回転させる。本実施形態では、ワーク１００にネジ１０１を締め込むものとする。また、本実施形態に係るネジ締め機構３０は、駆動部３１にビット部３２が直接取り付けられており、ネジ１０１の軸方向に伸縮するスピンドルユニットを有していない。

制御部５０は、ロボットアーム１０及びネジ締め機構３０に接続される。制御部５０は、ロボットアーム１０及びネジ締め機構３０を制御し、ネジ締め作業を実行させる。より詳細には制御部５０は、図２に示すように、アーム制御部５１、及び、ネジ締め機構制御部５２を含んで構成される。

アーム制御部５１は、モータ制御部（制御部）５１ａ、及び、トルク検出部（検出部）５１ｂを備える。モータ制御部５１ａは、ロボットアーム１０に設けられたモータＸ１〜Ｘ６の駆動を制御し、ネジ締め機構３０の位置及び姿勢を所定の位置及び姿勢に移動させる。また、モータ制御部５１ａは、ネジ締め機構３０によるネジ１０１の締め込み時において、ネジ１０１の締め込みに応じてネジ締め機構３０をワーク１００側に押し付けるようにロボットアーム１０を制御する。ネジ締め機構３０をワーク１００側に押し付ける際に、モータ制御部５１ａは、トルク検出部５１ｂによる検出結果（ロボットアーム１０に加わる力）に基づいて、押し付ける力が所定値を超えないようにロボットアーム１０を制御する。

また、モータ制御部５１ａは、ロボットアーム１０の制御時に、モータＸ１〜Ｘ６の制御値等に基づいてネジ締め機構３０の先端位置を把握することができる。即ち、モータ制御部５１ａは、締め込み作業を行っているネジ１０１のヘッド部の位置を把握することができる。

トルク検出部５１ｂは、モータ制御部５１ａがモータＸ１〜Ｘ６を制御するときのトルク値を検出し、ロボットアーム１０に加わる力を検出する。ここで、ロボットアーム１０に加わる力が大きくなると、この力に打ち勝ってロボットアーム１０を動かす必要が生じるため、モータＸ１〜Ｘ６を制御するときのトルク値も大きくなる。従って、モータＸ１〜Ｘ６のトルク値に基づいて、ロボットアーム１０に加わる力を検出することができる。トルク検出部５１ｂは、検出した、ロボットアーム１０に加わる力をモータ制御部５１ａに出力する。

ネジ締め機構制御部５２は、駆動制御部５２ａ、及び、トルク検出部５２ｂを備える。駆動制御部５２ａは、ネジ締め機構３０の駆動部３１のモータの駆動を制御し、ビット部３２を回転させる。これにより、ネジ１０１の締め込み作業が行われる。また、駆動制御部５２ａは、トルク検出部５２ｂによって、駆動部３１のモータを駆動制御部５２ａが制御するときのトルク値が所定値以上であることが検出されると、ビット部３２の駆動（回転）を停止させる。

トルク検出部５２ｂは、駆動部３１に設けられたモータを駆動制御部５２ａが制御するときのトルク値を検出する。このトルク値は、ビット部３２に加わる力を表す。ここで、ネジ締め作業時に、ビット部３２に加わる負荷が大きくなると、この負荷に打ち勝ってビット部３２を回転させる必要があるため、駆動部３１のモータを制御するときのトルク値も大きくなる。また、ビット部３２に加わる負荷が大きくなる場合として、ネジ１０１の締め込みが完了してネジ１０１の回転が止まった場合、或は、ネジ１０１がネジ孔に斜めに噛み込むことによってネジ１０１の回転が途中で止まった場合等がある。

従って、トルク検出部５２ｂの検出結果に基づいて、ネジ１０１の回転の停止を検出することができる。トルク検出部５２ｂは、検出したトルク値が所定値以上であるか否かを判断する。この所定値とは、ネジ１０１の回転が止まったときにビット部３２に加わる負荷に対応するトルク値とする。トルク検出部５２ｂは、検出したトルク値が所定値以上である場合に、トルク値が所定値以上である旨の通知を駆動制御部５２ａに出力する。

なおアーム制御部５１及びネジ締め機構制御部５２は同一の制御周期で動作している。即ち、トルク検出部５１ｂ及びトルク検出部５２ｂは同一のタイミングで各モータのトルク値を取得し、モータ制御部５１ａ及び駆動制御部５２ａは同一のタイミングで各モータに対する指令を出力して制御を行う。即ち、制御部５０はロボットアーム１０のモータＸ１〜Ｘ６と駆動部３１のモータとを同等のものとして、同調して制御することが可能となっている。

次に、制御部５０がロボットアーム１０及びネジ締め機構３０を用いて、ネジ１０１の締め込み作業を行う処理の流れについて説明する。図３に示すように、アーム制御部５１のモータ制御部５１ａは、各モータＸ１〜Ｘ６を制御し、ネジ１０１の締め込み位置にロボットアーム１０を移動させる（ステップＳ１０１）。なお、ロボットアーム１０をネジ１０１の締め込み位置に移動させる前に、把持部２０によってネジ締め機構３０を把持し、更に、ビット部３２の先端にネジ１０１をセットしておく。

次に、ネジ締め機構制御部５２の駆動制御部５２ａは、ネジ締め機構３０の駆動部３１の駆動を制御し、ビット部３２を回転させてネジ締め作業を行う（ステップＳ１０２）。このとき、アーム制御部５１のモータ制御部５１ａは、モータＸ１〜Ｘ６を制御し、ネジ１０１の締め込みに応じてネジ締め機構３０をワーク１００側に押し付ける。更に、モータ制御部５１ａは、ネジ締め機構３０をワーク１００側に押し付ける際に、トルク検出部５１ｂによる検出結果に基づいて、押し付ける力が所定値を超えないようにロボットアーム１０を制御する。

次に、ネジ締め機構制御部５２のトルク検出部５２ｂは、駆動制御部５２ａが駆動部３１に設けられたモータを制御するときのトルク値を検出し、トルク値が所定値以上であるか否かを判断する（ステップＳ１０３）。トルク値が所定値以上でない場合（ステップＳ１０３：ＮＯ）、アーム制御部５１のモータ制御部５１ａ及びネジ締め機構制御部５２の駆動制御部５２ａは、上述のステップＳ１０２の処理を行う。一方、トルク値が所定以上である場合（ステップＳ１０３：ＹＥＳ）、アーム制御部５１のモータ制御部５１ａは、モータＸ１〜Ｘ６の制御値等に基づいて、締め込み作業を行っているネジ１０１のヘッド部の位置を求める。そして、モータ制御部５１ａは、ネジ締め作業が正常に終了し、ネジ１０１のヘッド部の位置が所定のネジ締め完了位置に到達しているか否かの判断を行う（ステップＳ１０４）。

ネジ１０１のヘッド部の位置が、ネジ締め完了位置に到達している場合（ステップＳ１０４：ＹＥＳ）、ネジ締め機構制御部５２の駆動制御部５２ａはビット部３２の駆動を停止させ、更に、アーム制御部５１のモータ制御部５１ａは、ロボットアーム１０の位置を所定位置に戻し、ネジ締め作業を終了する（ステップＳ１０５）。一方、ネジ１０１のヘッド部の位置が、ネジ締め完了位置に到達していない場合（ステップＳ１０４：ＮＯ）、アーム制御部５１のモータ制御部５１ａ及びネジ締め機構制御部５２の駆動制御部５２ａは、ロボットアーム１０及びネジ締め機構３０をそれぞれ制御し、ネジ１０１を抜き取る等、ネジ締め作業失敗時に行うエラー制御を実行する（ステップＳ１０６）。

本実施形態は以上のように構成され、ネジ締め作業時において、アーム制御部５１のモータ制御部５１ａは、トルク検出部５１ｂによる検出結果に基づいて、ネジ締め機構３０がネジ１０１を押し付ける力が所定値を超えないようにロボットアーム１０を制御する。このように、ロボットアーム１０の制御によって、ネジ締め機構３０がネジ１０１を押し付ける力が所定値を超えないように、ネジ締め作業を行うことができる。従って、ネジ締め機構３０に、ネジ１０１の軸方向に伸縮するスピンドルユニット等を設けることが不要となり、ロボット装置１の構成を簡素化することができる。

また、ネジ締め機構３０に、ネジ１０１の軸方向に伸縮するスピンドルユニット等を設ける必要がないため、ロボットアーム１０が、ネジ締め機構３０の先端位置（ネジ１０１のヘッド部の位置）を把握することができる。ここで、ネジ締め機構３０にスピンドルユニットが設けられている場合、スピンドルユニットの伸縮によってネジ締め機構３０の先端位置が変化するため、ロボットアーム１０の状態（形状）のみではネジ締め機構３０の先端位置を把握することができない。本実施形態に係るロボット装置１では、ネジ締め機構３０の先端位置を把握することができるため、ビット部３２に大きな負荷が加わってビット部３２の回転が止まった時に、ネジ締め機構３０の先端位置に基づいて、ネジ１０１のネジ締めが正常に完了しているか否かを容易に把握することができる。このため、ネジ１０１が正常にねじ込まれたか否かを検出するためのセンサ等が不要となり、ロボット装置１の構成をより一層簡素化することができる。

ネジ締め機構３０は、把持部２０によって把持されることでロボットアーム１０に取り付けられる。このように、ネジ締め機構３０をロボットアーム１０に対して着脱可能とすることで、ロボットアーム１０を用いてネジ締め作業以外の他の作業を行うことができ、ロボットアーム１０の汎用性を高めることができる。
また制御部５０にて、把持部２０がネジ締め機構３０を把持しているか否かを検知し、ネジ締め機構３０を把持している間は駆動部３１のモータをモータＸ１〜Ｘ６と同調して制御し、把持部２０がネジ締め機構３０を放すとモータＸ１〜Ｘ６のみを制御するように構成してもよい。

トルク検出部５１ｂは、アーム本体１１を駆動するモータＸ１〜Ｘ６を制御するときのトルク値を、ロボットアーム１０に加わる力として検出する。これにより、ロボットアーム１０に加わる力を検出するためだけのセンサ等を別途設けることが不要となり、ロボット装置１の構成をより一層簡素化することができる。

また、ロボットアーム１０とネジ締め機構３０とを一つの制御部５０によって制御するものとしたので、ロボットアーム１０とネジ締め機構３０とを制御する際の制御タイミングを同一とすることが可能となり、より精度良く、ロボット装置１を制御することができる。例えば、ロボットアーム１０の制御を行う制御部と、ネジ締め機構３０の制御を行う制御部とをそれぞれ設け、これらの制御部をプログラムロジックコントローラ（ＰＬＣ）を介して接続することも考えられる。しかしながら、本実施形態のように、一つの制御部５０によってロボットアーム１０及びネジ締め機構３０の制御を行う（言い換えると、ロボットアーム１０の制御部がネジ締め機構３０の制御を行う機能を有する、或は、ネジ締め機構３０の制御部がロボットアーム１０の制御を行う機能を有する）ことで、制御部を簡素化できる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、駆動部３１に設けられたモータを駆動制御部５２ａが制御するときのトルク値に基づいて、ネジ１０１の回転が止まったことを検出するものとしたが、モータ制御部５１ａによって検出されるネジ１０１のヘッド部の位置に基づいて、ネジ１０１が所定の位置まで締め込まれたか否かを検出し、ネジ締め機構３０によるネジ１０１の締め込みを停止させてもよい。

モータＸ１〜Ｘ６を制御するときのトルク値に基づいて、ロボットアーム１０に加わる力を検出するものとしたが、力センサ等を別途設けて、ロボットアーム１０に加わる力を検出することもできる。

ネジ締め機構３０は、把持部２０によってアーム本体１１に対して着脱可能に設けられるものとしたが、把持部２０を用いずに、アーム本体１１に固定されていてもよい。

１…ロボット装置、１１…アーム本体、３０…ネジ締め機構、５１ａ…モータ制御部（制御部）、５１ｂ…トルク検出部（検出部）、１０１…ネジ。

Claims (6)

1. ネジ締め機構を有するアーム本体と、
   前記アーム本体に加わる力を検出する検出部と、
   前記ネジ締め機構によるネジ締め作業時において、前記検出部での検出結果に基づいて前記アーム本体の制御を行う制御部と、
   を備えるロボット装置。
2. 前記ネジ締め機構は、前記アーム本体に対して着脱可能であり、前記アーム本体によって把持される、請求項１に記載のロボット装置。
3. 前記制御部は、前記ネジ締め機構によるネジ締め作業時において、前記検出部での検出結果に基づいて前記ネジ締め機構の制御を行う、請求項１又は２に記載のロボット装置。
4. ネジ締め作業を行うアーム本体と、
   前記アーム本体に加わる力を検出する検出部と、
   前記ネジ締め作業時において、前記検出部での検出結果に基づいて前記アーム本体の制御を行う制御部と、
   を備えるロボット装置。
5. 前記制御部は、前記ネジ締め作業時において、前記検出部での検出結果に基づいて、前記ネジ締め作業を行うネジ締め機構の制御を行う機能を有する、請求項４に記載のロボット装置。
6. 前記検出部は、前記アーム本体を駆動するモータのトルク値を、前記アーム本体に加わる力として検出する、請求項１〜５のいずれか一項に記載のロボット装置。

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