JP2017127908A - ロボットが出力する回転力を用いるねじ締め装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンドエフェクタが小型で軽量のねじ締め装置を提供する。【解決手段】ねじ締め装置は、手首部１７を有するロボットと、ねじを回転させるビット３４と、ビット３４とねじとの間に作用する力またはモーメントに関する力情報を検出する力覚センサ２８と、ロボットを制御する制御装置とを備える。手首部１７は回転するフランジ２１を含む。ビット３４は、フランジ２１の回転軸２２ａと同軸状に回転するようにフランジ２１に支持されており、フランジ２１の回転力が伝達されて回転する。【選択図】図２

Description

本発明は、ロボットを備えるねじ締め装置に関する。

従来からロボットに取り付けられるエンドエフェクタとして、ねじを回転する機構を有する装置を用いることが知られている。ロボットにてねじの位置や姿勢を調整して、エンドエフェクタにてねじを回転することにより、ねじをワークに取り付けることが知られている。このようなロボットおよびエンドエフェクタにおいて、力センサを使用して、エンドエフェクタに加わる力の制御を行いながら、ねじ締めを行う自動ねじ締め装置が知られている。

特開平７−２１４４３５号公報には、ねじ締めの際に、ねじ締め機構が受ける力のベクトルと同一線上にビットの目標の姿勢を設定する自動ねじ締め装置が開示されている。この公報には、力センサの出力に基づいてビットの姿勢のフィードバック制御を行うことで、ねじの姿勢を修正しながらねじ締めを行うことが開示されている。

特開２０１０−２６４５１４号公報には、ロボットアーム先端に取り付けられた力センサと、力センサに取り付けられ、所定の螺合部品を回転駆動する把持回転装置とを備える自動ねじ締め装置が開示されている。この自動ねじ締め装置は、力センサで検出した軸方向の外力が予め設定した押付け力となるように、ロボットアーム先端を制御することが開示されている。

特開平７−２１４４３５号公報 特開２０１０−２６４５１４号公報

上記の特許公報に開示されているねじ締め装置においては、ロボットの先端にねじを回転させる為のエンドエフェクタが備えられている。このエンドエフェクタは、ねじを回転させる動力が必要である。例えば、エンドエフェクタは、エアモータや電動モータ等の回転力を発生させる回転機が必要になる。また、エンドエフェクタには、回転機が発生した回転力を所望の回転速度に変換する機構や、所望の回転軸にて工具を回転させる機構が必要である。このために、エンドエフェクタが大型になり重量が大きくなるという問題がある。また、エンドエフェクタの機構が複雑になるという問題がある。

本発明のねじ締め装置は、アームとエンドエフェクタを連結する連結部材および連結部材を回転させる駆動源を有する手首部とを含むロボットと、ねじに係合して、ねじを回転させる工具とを備える。ねじ締め装置は、工具とねじとの間に作用する力またはモーメントに関する力情報を検出する力検出機構と、力検出機構にて検出される力情報に基づいて、ねじをワークに取り付けるようにロボットを制御する制御装置とを備える。工具は、連結部材の回転軸と同軸状に回転するように連結部材に連結されており、連結部材の回転力が伝達されて回転し、ねじをワークに取り付ける。

上記発明においては、力検出機構は、連結部材の回転動作に干渉する配線および機構部を有しておらず、連結部材に固定された部分は該連結部材と一体的に回転することができる。

上記発明においては、力検出機構は、連結部材と工具との間に配置された力覚センサと、力覚センサにて検出される力情報を制御装置に伝達するための無線通信装置とを含むことができる。無線通信装置は、力覚センサと一体的に回転するように配置された送信部と、力覚センサと一体的に回転しない部分に配置され、制御装置に接続された受信部とを含むことができる。送信部は、力情報を無線にて受信部に伝達し、受信部は、受信した力情報を制御装置に伝達することができる。

上記発明においては、力検出機構は、連結部材と工具との間に配置された力覚センサと、力覚センサにて検出される力情報を制御装置に伝達するためのスリップリングとを備えることができる。スリップリングは、力覚センサと同軸状に回転するように配置された回転部と、制御装置に接続された固定部とを有しており、力覚センサは、力情報をスリップリングを介して制御装置に伝達することができる。

上記発明においては、ロボットは、手首部の位置および姿勢を変更する複数の回転軸を含み、力検出機構は、前記回転軸の周りのトルクを検出するトルクセンサを含み、制御装置は、トルクセンサの出力に基づいてロボットを制御することができる。

上記発明においては、連結部材の回転力を動力源として工具を回転させる動力伝達装置を備え、動力伝達装置は、入力軸と出力軸とを有し、入力軸は連結部材に固定され、工具は出力軸に固定されることができる。

上記発明においては、制御装置は、力検出機構にて検出される力情報に基づいて、工具とねじとの間に作用する力またはモーメントを予め定められた値に近づけるようにロボットを制御することができる。

上記発明においては、制御装置は、力検出機構にて検出される力情報に基づいて、工具を進行方向に押圧する力を予め定められた値に近づけるようにロボットを制御することができる。

上記発明においては、制御装置は、力検出機構にて検出される力情報に基づいて、工具の進行方向に垂直な軸の周りのモーメントが零に近づくようにロボットを制御することができる。

上記発明においては、制御装置は、力検出機構にて検出される力情報に基づいて、工具の進行方向に垂直な方向の力が零に近づくようにロボットを制御することができる。

上記発明においては、制御装置は、力検出機構にて検出される力情報に基づいて、工具の回転軸の周りのトルクが予め定められた条件を満たした場合に、ねじを取り付ける制御を終了することができる。

本発明の他のねじ締め装置は、アームとエンドエフェクタを連結する連結部材および連結部材を回転させる駆動源を有する手首部とを含むロボットと、ねじを保持する爪部を有するエンドエフェクタとを備える。ねじ締め装置は、ねじとねじを取り付けるワークの雌ねじ部との間に作用する力またはモーメントに関する力情報を検出する力検出機構と、力検出機構にて検出される力情報に基づいて、ねじをワークに取り付けるようにロボットを制御する制御装置とを備える。爪部は、ねじの中心軸が連結部材の回転軸と同軸状になるようにねじを把持するように形成されている。エンドエフェクタは、連結部材に連結されており、連結部材の回転力が伝達されて回転し、ねじをワークに取り付ける。

本発明によれば、エンドエフェクタが小型で軽量のねじ締め装置を提供することができる。

実施の形態における第１のねじ締め装置の概略図である。 実施の形態における第１のねじ締め装置の手首部とエンドエフェクタの拡大概略図である。 実施の形態における第２のねじ締め装置の手首部とエンドエフェクタの拡大概略図である。 実施の形態における第３のねじ締め装置の手首部とエンドエフェクタの拡大概略図である。 実施の形態における第４のねじ締め装置の手首部とエンドエフェクタの拡大概略図である。 実施の形態における第１のねじ締め装置から第４のねじ締め装置に係るブロック図である。 実施の形態におけるビットおよびねじの拡大斜視図である。 実施の形態における第５のねじ締め装置の概略図である。 実施の形態における第５のねじ締め装置の手首部とエンドエフェクタの拡大概略図である。 実施の形態における第５のねじ締め装置に係るブロック図である。 実施の形態における第６のねじ締め装置の手首部とエンドエフェクタの拡大概略図である。

図１から図１１を参照して、実施の形態におけるねじ締め装置について説明する。本実施の形態のねじ締め装置は、ロボットが出力する回転力を用いてねじを回転させることにより、ねじをワークに取り付ける。

図１は、本実施の形態における第１のねじ締め装置の概略図である。ねじ締め装置８１は、工具としてのビット３４を回転させて、ワーク３２にねじ３３を取り付ける作業を行う。ねじ締め装置８１は、ビット３４の位置および姿勢を変更するロボット１と、ロボット１を制御するロボット制御装置としての制御装置２とを備える。ロボット１は６軸垂直多関節ロボットである。図１に示す例では、ねじ３３を取り付けるワーク３２は、架台３１に配置されている。

図２に、本実施の形態における第１のねじ締め装置のロボットの先端部とエンドエフェクタとの拡大概略図を示す。図１および図２を参照して、手首部１７は、矢印９１に示すように、関節部１３の回転軸の周りに揺動可能に形成されている。手首部１７は、エンドエフェクタを連結する連結部材としてのフランジ２１を含む。フランジ２１は回転可能で、その回転軸２２ａは、ロボット１の末端に配置された回転軸に相当する。手首部１７の本体の内部には、フランジ２１を回転させる駆動源としてのフランジ駆動モータ２２が配置されている。

第１のねじ締め装置８１は、フランジ２１に固定された力覚センサ２８を含む。力覚センサ２８は、フランジ２１とビット３４との間に配置されている。力覚センサ２８としては、直交する３軸の方向の力および直交する３軸の周りのモーメントを検出できる６軸力覚センサを採用することができる。力覚センサ２８は、フランジ２１と共に回転する。

力覚センサには、歪みゲージを利用するもの、静電容量の変化を利用するもの、光学的に検出するものなど様々な種類があるが、いずれのセンサも使用可能である。

力覚センサ２８には、工具保持部材としてのビット保持部材３５を介してビット３４が固定されている。第１のねじ締め装置においては、ビット３４およびビット保持部材３５がエンドエフェクタを構成する。また、ビット３４は、ねじ３３に係合して、ねじ３３を回転させる工具に相当する。なお、力覚センサ２８の筐体がビット３４を保持するように形成されていれば、ビット保持部材３５が配置されていなくても構わない。

ビット３４は、中心軸がフランジ２１の回転軸２２ａと一致するように固定されている。すなわち、ビット３４の中心軸とフランジ２１の回転軸２２ａとは、同軸状になる。フランジ駆動モータ２２が駆動することにより、矢印９２に示すように、フランジ２１、力覚センサ２８、ビット保持部材３５、およびビット３４が一体的に回転する。ビット３４は、フランジ２１の回転力が伝達されて回転することにより、ねじ３３を回転させることができる。

第１のねじ締め装置８１は、ビット３４とねじ３３との間に作用する力またはモーメントに関する力情報を検出する力検出機構を備える。第１のねじ締め装置８１において、力検出機構は、力覚センサ２８と、力覚センサ２８にて検出される力情報を制御装置２に伝達するための無線通信装置を含む。無線通信装置は、力覚センサ２８に配置された送信部７１と、アーム１２に配置された受信部７２とを含む。送信部７１は、力覚センサ２８にて検出した力情報を無線にて受信部７２に伝達する。そして、受信部７２は、受信した力情報を制御装置２に伝達する。このような無線通信としては、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）などの任意の規格を採用することができる。力情報としては、力覚センサ２８が検出した値を力やモーメント等に換算せずに、制御装置２に送信することができる。

送信部７１は、力覚センサ２８と一体的に回転する部分に取り付けることができる。送信部７１は、フランジ２１の回転動作と共に回転する部分に配置することができる。また、受信部７２は、力覚センサ２８と一体的に回転しない部分に取り付けることができる。受信部７２は、フランジ２１の回転動作により回転しない部分に配置することができる。例えば、受信部７２は、フランジ２１以外のロボット１の任意の部分に配置することができる。

第１のねじ締め装置において、力覚センサ２８は、内部に蓄電池を含む。力覚センサ２８は、蓄電池からの電気の供給により駆動する。また、送信部７１も蓄電池からの電気の供給により力情報を送信する。力覚センサ２８および送信部７１への電気の供給は、この形態に限られず、たとえば、無線により電気を供給する方法を採用しても構わない。

本実施の形態の力検出機構は、フランジ２１の回転動作に干渉する配線および機構部を有していない。フランジ２１に固定された力覚センサ２８およびビット３４が一体的に回転する。このために、例えば、フランジ２１およびビット３４を複数の回転数にて回転させることができて、ねじ締め作業を一度に行うことができる。一方で、フランジ２１の回転動作に干渉する配線および機構部を有する場合には、回転動作に干渉しない範囲の角度にてねじを回転させる工程を繰り返すことができる。

力覚センサ２８は、ビット３４がねじ３３から受ける力またはモーメントに関する力情報を検出することができる。そして、制御装置２は、力検出機構にて検出される力情報に基づいて、ねじ３３をワーク３２に取り付けるようにロボット１の位置および姿勢を制御する。制御装置２は、ビット３４がねじ３３の頭部の凹部に挿入されるようにロボット１の位置および姿勢を制御する。制御装置２は、フランジ駆動モータ２２を駆動してビット３４を回転軸２２ａの周りに回転するとともに、ビット３４をねじ３３の頭部に押圧するようにロボット１の位置および姿勢を制御する。この制御により、ねじ３３をワーク３２に取り付けることができる。

このように、本実施の形態のねじ締め装置は、ロボットの末端軸における回転力を動力としてねじ締め作業を行う。本実施の形態のねじ締め装置は、工具を回転させるためのモータを含むエンドエフェクタを用いる必要がない。このために、エンドエフェクタの小型化および軽量化を図ることができる。

次に、第１のねじ締め装置の変形例について説明する。図３に、本実施の形態における第２のねじ締め装置の手首部およびエンドエフェクタの拡大概略図を示す。第２のねじ締め装置においては、エンドエフェクタがハンド３７により構成されている。力覚センサ２８のフランジ２１が配置されている側と反対側の面にはハンド３７が固定されている。ハンド３７は、開閉可能な爪部３８を含む。爪部３８は、工具としてのドライバ３６を把持できるように形成されている。ハンド３７は、例えば蓄電池により電気が供給されるように形成されている。また、ハンド３７を駆動する動作指令は、無線通信装置を介して受信することができる。例えば、アーム１２に送信部を配置して、ハンド３７に受信部を配置することにより、制御装置２からハンド３７に動作指令を送信することができる。

このように、工具を保持する工具保持部材としては、爪部３８が駆動可能なハンド３７を用いることができる。この構成を採用することにより、ねじ締めの制御を行っている期間中に、ドライバ３６の種類を変更することができる。そして、複数の種類のねじ締め作業を連続して行うことができる。

図４に、本実施の形態における第３のねじ締め装置の手首部およびエンドエフェクタの拡大概略図を示す。第３のねじ締め装置のエンドエフェクタは、フランジ２１の回転力を動力源として工具を回転させる動力伝達装置を備える。力覚センサ２８は、フランジ２１に固定されている。そして、力覚センサ２８には、動力伝達装置６１が連結されている。

動力伝達装置６１は、ケーシング６２と、ケーシング６２の内部に配置されたかさ歯車６３，６４とを含む。動力伝達装置６１は、入力軸６５と出力軸６６とを含む。入力軸６５は、力覚センサ２８に固定されている。かさ歯車６３は、入力軸６５に連結されている。力覚センサ２８、入力軸６５およびかさ歯車６３は、回転軸６３ａの周りに一体的に回転する。動力伝達装置６１は、回転軸６３ａがフランジ２１の回転軸２２ａと同軸状になるように配置されている。

かさ歯車６４は、かさ歯車６３に係合している。かさ歯車６４は、ビット３４が固定された出力軸６６に連結されている。かさ歯車６４、出力軸６６およびビット３４は、回転軸６４ａの周りに一体的に回転する。

ケーシング６２は、ケーシング支持部材６７を介して手首部１７に支持されている。このため、フランジ２１が回転した時に、ケーシング６２は回転しないように形成されている。フランジ駆動モータ２２が駆動することにより、フランジ２１、力覚センサ２８、および入力軸６５が回転する。かさ歯車６３，６４により回転軸が変換される。動力伝達装置６１は、回転軸６４ａの周りにビット３４を回転させることができる。

このように、動力伝達装置により工具の回転軸の方向を変更することができる。動力伝達装置としては、回転軸の方向を変更する機構の他に、回転力を伝達する任意の機構を採用することができる。例えば、動力伝達装置は、ビットのトルクを大きくする減速機を含んでいても構わない。

図５に、本実施の形態における第４のねじ締め装置の手首部とエンドエフェクタの拡大概略図を示す。第４のねじ締め装置においては、力覚センサ２８から検出される力情報の伝達機構が第１のねじ締め装置と異なる。第４のねじ締め装置の力検出機構は、フランジ２１とビット３４との間に配置された力覚センサ２８と、力覚センサ２８にて検出される力情報を制御装置２に伝達するためのスリップリング７３を備える。本実施の形態のスリップリング７３は、フランジ２１と力覚センサ２８との間に配置されている。

スリップリング７３は、回転部としての円柱状の回転部材７３ａと、回転部材７３ａを内部で回転可能に支持する固定部としての固定部材７３ｂとを含む。回転部材７３ａは、力覚センサ２８と同軸状に回転するように配置されている。固定部材７３ｂは、支持部材７４にて手首部１７の本体に支持されている。回転部材７３ａには、フランジ２１および力覚センサ２８が固定されている。フランジ２１が回転することにより、回転部材７３ａが回転する。

スリップリング７３は、固定部材７３ｂと回転部材７３ａとの間の通信や電気の供給を行う装置である。例えば、回転部材７３ａの表面には、電極が配置されている。固定部材７３ｂには、電極に接触するブラシが配置されている。電極とブラシとが接触することにより、電気や信号を伝達することができる。

支持部材７４には、電気を供給する動力線および信号を伝達する通信線が固定されている。スリップリング７３は、力覚センサ２８から出力される力情報を、支持部材７４に固定された通信線を介してロボット１の本体に伝達することができる。第４のねじ締め装置の力検出機構では、力覚センサ２８から出力される力情報を、スリップリング７３を介して制御装置２に伝達することができる。すなわち、スリップリング７３の固定部材７３ｂは、制御装置２に電気的に接続されている。また、支持部材７４に動力線を固定することにより、ロボット１の本体から力覚センサ２８に電気を供給することができる。フランジ２１に固定された部分は、一体的に複数の回転数にて回転することができる。このように、スリップリングを用いることにより、フランジの回転動作に干渉する配線や機構部を排除することができる。

次に、本実施の形態におけるねじ締め装置の制御について説明する。ここでは、第１のねじ締め装置を例に取り上げて説明するが、第２のねじ締め装置から第４のねじ締め装置についても同様の制御を実施することができる。

図６に、本実施の形態における第１のねじ締め装置から第４のねじ締め装置に係るブロック図を示す。制御装置２は、バスを介して互いに接続されたＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、およびＲＯＭ（Read Only Memory）等を有する演算処理装置を含む。図１、図２および図６を参照して、ねじ締め装置８１は、動作プログラム４１に基づいてロボット１を駆動するように形成されている。制御装置２には、ロボット１の動作を行うために予め定められた動作プログラム４１が入力される。動作プログラム４１は、動作プログラム記憶部４２に記憶される。動作制御部４３は、動作プログラム４１に基づいてロボット１を駆動するための動作指令を駆動部４４に送出する。駆動部４４は、ロボット駆動モータ１４およびフランジ駆動モータ２２を駆動する電気回路を含む。駆動部４４は、動作指令に基づいてロボット駆動モータ１４およびフランジ駆動モータ２２に電気を供給する。

制御装置２は、力覚センサ２８から出力される力情報を受信する力情報算出部４６を備える。力情報算出部４６は、力覚センサ２８の出力信号に基づいて、予め定められた方向の力や、予め定められた回転軸の周りのモーメント（トルク）を算出する。

本実施の形態の力覚センサ２８は、ねじ締め作業の期間中にロボットの動作に伴って位置および姿勢が変化する。力覚センサ２８の位置および姿勢は、手首部先端の座標系の位置および姿勢と、手首部先端に対する力センサの相対位置情報とにより算出することができる。力情報算出部４６は、力覚センサ２８の位置、姿勢および出力値に基づいて、予め設定された任意の座標系における力やモーメントの大きさ、および力やモーメントの方向を算出することができる。

制御装置２は、力情報算出部４６により算出された情報に基づいて、ロボット１の手首部の位置および姿勢を修正する指令を生成する動作修正指令部４７を含む。動作修正指令部４７は、ロボット１の手首部の位置および姿勢の修正指令を動作制御部４３に送信する。動作制御部４３は、修正指令に基づいて、ロボット１の手首部の位置および姿勢を修正する。本実施の形態のロボット１の制御は、インピーダンス制御等の任意の方法を採用することができる。本実施の形態の制御装置２は、力検出機構にて検出する力情報に基づいて、工具とねじとの間に作用する力またはモーメントを予め定められた値に近づけるようにロボットを制御する。

本実施の形態の第１の制御では、力検出機構にて検出される力情報に基づいて、工具を進行方向に押圧する力を予め定められた値に近づけるようにロボット１を制御する。

図７に、本実施の形態のビットとねじとが係合している部分の拡大斜視図を示す。ビット３４およびねじ３３は、回転軸３４ａの周りに回転する。例えば、第１のねじ締め装置では、回転軸３４ａは、フランジ２１の回転軸２２ａと一致する。ロボット１は、ねじ３３を締め付ける作業を行う時に、矢印９３に示すように、ねじ３３に向かってビット３４を押圧する力を付与する。ねじ締め作業において、ねじの進行方向に加える力が不足すると、ビット３４がねじ３３の頭部から外れるカムアウトと称される現象が発生する。一方で、ねじ３３を押圧する力が大きすぎる場合には、ワーク３２の雌ねじ部のネジ山が破損する場合がある。

このために、第１の制御では、回転軸３４ａに沿ってロボット１がビット３４を押圧する力を、予め定められた値に近づける制御を実施する。この設定値は、カムアウトの現象が発生しない程度に大きく、雌ねじ部を破損しない程度に小さい値であることが好ましい。なお、予め定められる設定値は、力の範囲により指定されていても構わない。

図６を参照して、力覚センサ２８は、回転軸３４ａにおいてねじ３３からの反力、すなわちビット３４を押圧する力を検出する。制御装置２は、ビット３４を押圧する力の設定値を予め記憶している。力情報算出部４６は、ビット３４を押圧する力を検出する。例えば、ビット３４を押圧する力が設定値よりも大きい場合に、動作修正指令部４７は、ビット３４がねじ３３から離れる向きに、ロボット１の手首部の位置および姿勢を修正するように修正指令を送出する。そして、動作制御部４３は、ロボット１の手首部の位置および姿勢を修正する。この制御を行うことにより、雌ねじ部の破損およびカムアウト現象を抑制することができる。この制御を行うことにより、ねじ締め作業の成功率を向上させることができる。

次に、本実施の形態の第２の制御において、制御装置２は、力検出機構にて検出する力情報に基づいて、工具の進行方向に垂直な軸の周りのモーメントが零に近づくようにロボットを制御する。

図７を参照して、ビット３４の進行方向に垂直な軸としては、回転軸３４ａ上のねじ３３の先端において、回転軸３４ａに垂直な軸を選定する。例えば、矢印９４および矢印９５に示すように、ねじ３３の先端点Ｐを通って互いに直行する２つの軸を選定する。力情報算出部４６は、力覚センサ２８の出力に基づいて、矢印９７および矢印９８に示すように設定した軸の周りのモーメントを算出することができる。動作修正指令部４７は、検出したモーメントが零に近づくように、ロボット１の手首部の位置および姿勢の修正指令を動作制御部４３に送出する。そして、動作制御部４３は、ロボット１の手首部の位置および姿勢を修正することができる。

第２の制御を行うことにより、雌ねじ部の中心軸に対する雄ねじの中心軸の傾きを零に近づけることができる。すなわち、雌ねじ部の中心軸と雄ねじの中心軸とが平行になるようにビット３４の位置および姿勢を制御することができる。このために、ねじ締め作業の成功率を高めることができる。

次に、本実施の形態の第３の制御においては、制御装置２は、力検出機構にて検出する力情報に基づいて、工具の進行方向に垂直な方向の力が零に近づくようにロボットを制御する。図７を参照して、回転軸３４ａ上の任意の点において、回転軸３４ａに垂直な方向を選定することができる。例えば、第２の制御と同様に、矢印９４および矢印９５に示すように、ねじ３３の先端点Ｐを通り、互いに直行する２つの方向を選定する。力情報算出部４６は、力覚センサ２８の出力に基づいて、選定した方向にねじ３３に加わる力を算出することができる。動作修正指令部４７は、算出した力が零に近づくように、ロボット１の手首部の位置および姿勢の修正指令を動作制御部４３に送出する。そして、動作制御部４３は、ロボット１の手首部の位置および姿勢を修正することができる。なお、第３の制御においては、ねじ３３の先端点Ｐに限られず、回転軸３４ａ上の任意の点において、回転軸３４ａに垂直な方向を選択することができる。

第３の制御を実施することにより、ビット３４の回転軸３４ａの方向に垂直な方向における雄ねじと雌ねじ部の位置のずれを零に近づけることができる。すなわち、雄ねじの中心軸の位置と雌ねじの中心軸の位置とが一致するようにロボット１の手首部の位置および姿勢を修正することができる。この結果、ねじ締め作業の成功率を高めることができる。

次に、本実施の形態の第４の制御においては、制御装置２は、力検出機構にて検出される力情報に基づいて、工具の回転軸の周りのトルクが予め定められた条件を満たした場合に、ねじを取りつける制御を終了する。例えば、力情報算出部４６は、力覚センサ２８の出力に基づいて、ビット３４の回転軸３４ａの周りのトルクを検出する。すなわち、力情報算出部４６は、ビット３４が受けるねじ３３からの反トルクを検出する。動作修正指令部４７は、検出したトルクが予め定められた判定値よりも大きくなった場合には、十分な締め付けが達成されていると判別することができる。動作修正指令部４７は、ねじ締めの制御を終了する指令を動作制御部４３に送出する。動作制御部４３は、この指令に基づいて、ねじ締め作業を終了することができる。

第４の制御を行うことにより、ねじを締め付けるトルクを所望の大きさにすることができる。すなわち、ねじを締め付けるトルクが弱かったり強かったりすることを回避することができる。

ところで、前述の力検出機構は、手首部１７のフランジ２１に支持された力覚センサ２８を含む。力検出機構は、この形態に限られず、工具とねじとの間に作用する力またはモーメントに関する力情報を検出する任意の機構を採用することができる。次に、力検出機構の他の形態を説明する。

図８に、本実施の形態における第５のねじ締め装置の概略図を示す。第５のねじ締め装置８２は、ロボット３を備える。ロボット３は、それぞれの回転軸の周りのトルクを検出するトルクセンサ１９を含む。ロボット３は、６軸垂直多関節ロボットである。

図９に、本実施の形態における第５のねじ締め装置の手首部とエンドエフェクタの拡大概略図を示す。図８および図９を参照して、手首部１７の本体の内部には、回転軸２２ａの周りに発生するトルクを検出するトルクセンサ１９が配置されている。このように、第５のねじ締め装置のロボット３は、全ての回転軸の周りのトルクを個別に検出可能に形成されている。第５のねじ締め装置においては、手首部１７のフランジ２１に、ビット保持部材３５が固定されている。第５のねじ締め装置においては、フランジ２１とビット３４との間に力覚センサが配置されていない構成を有する。

図１０に、本実施の形態における第５のねじ締め装置のブロック図を示す。図８から図１０を参照して、第５のねじ締め装置８２の力検出機構は、ロボット３の回転軸の周りのトルクを検出するトルクセンサ１９を含む。第５のねじ締め装置のロボット３は、全ての回転軸に対してトルクセンサ１９が配置されている。トルクセンサ１９から出力される力情報は、制御装置２の力情報算出部４６に入力される。

力情報算出部４６は、トルクセンサ１９により検出されるトルクに関する情報に基づいて、工具とねじとの間に作用する力またはモーメントを算出する。力情報算出部４６は、トルクセンサ１９の出力を取得することにより、所望の方向の力やモーメントを算出することができる。このように、力検出機構は、ロボットのそれぞれの回転軸に配置されたトルクセンサを含んでいても構わない。その他の構成および制御は、前述の第１のねじ締め装置から第４のねじ締め装置と同様である。

また、前述の実施の形態においては、ロボットが工具を回転させているが、この形態に限られず、ロボット１，３にハンドを取り付けて、ハンドによりねじを把持することができる。そして、ロボット１，３にてねじを回転させることにより、ねじ締め作業を実施することができる。

図１１に、本実施の形態における第６のねじ締め装置の手首部とエンドエフェクタとの部分の拡大概略図を示す。第６のねじ締め装置は、本実施の形態の第２のねじ締め装置（図３参照）において、工具の代わりにねじを把持した構成を有する。なお、以下の説明では、ハンドが雄ねじを把持し、ワークの雌ねじ部に取り付ける例を示すが、ハンドが雌ねじ部を有する部品を把持し、ワークの雄ねじ部に取り付ける場合も同様の方法で実現することができる。

手首部１７のフランジ２１には、力覚センサ２８が固定されている。力覚センサ２８に、ハンド３７が固定されている。ハンド３７の爪部３８は、ねじ３３を保持できる形状を有する。ハンド３７は、爪部３８にてねじ３３を把持したり解放したりできるように形成されている。爪部３８は、フランジ２１の回転軸２２ａとねじ３３の中心軸とが同軸状になるようにねじ３３を把持する。ハンド３７は、フランジ２１の回転力が伝達されて回転する。フランジ２１が回転することにより、ねじ３３が中心軸の周りに回転する。ロボット１がねじ３３を回転させながらワーク３２の雌ねじ部に接触させることにより、ねじ締め作業を実施することができる。

第６のねじ締め装置においては、工具を用いずに、ねじ３３をロボット１にて回転することができる。このときの制御は、前述の工具を用いる制御と同様である。力検出機構は、ねじ３３とねじ３３を取り付ける雌ねじ部との間に作用する力またはモーメントに関する力情報を検出する。例えば、力検出機構は、力覚センサ２８の出力に基づいて力情報を検出することができる。制御装置２は、力情報に基づいて、ねじ３３をワーク３２に取り付けるようにロボット１を制御することができる。例えば、制御装置２は、工具の代わりにねじに加わる力やモーメントを算出し、前述の第１の制御から第４の制御と同様の制御を実施することができる。

第６のねじ締め装置においては、力検出機構がフランジ２１に固定された力覚センサ２８を含むが、この形態に限られず、第５のねじ締め装置のように、力検出機構がロボットの回転軸に配置されたトルクセンサを含んでいても構わない。この場合には、図９を参照して、ビット保持部材３５およびビット３４の代わりに、開閉可能な爪部３８を含むハンド３７をフランジ２１に固定することができる。第６のねじ締め装置のその他の構成および制御は、前述のねじ締め装置の構成および制御と同様である。

なお、第６のねじ締め装置においては、ハンドにて把持する締結部材としてねじ３３を示しているが、この形態に限られず、ねじの代わりにナットを把持しても構わない。そして、第６のねじ締め装置と同様の構成および制御により、ナットをワークの雄ねじ部に取り付ける作業を実施することができる。

本実施の形態においては、制御装置２の力情報算出部４６により力やモーメントを算出しているが、この形態に限られず、例えば、力覚センサ２８またはトルクセンサ１９がＣＰＵを有する演算処理装置を含んでいても構わない。すなわち、力情報算出部４６は、トルクセンサ１９や力覚センサ２８に配置されていても構わない。そして、トルクセンサ１９または力覚センサ２８にて算出された力やモーメントに基づいて、動作修正指令部４７がロボット１，３の動作を修正する指令を送出することができる。

本実施の形態のロボットは、６軸垂直多関節ロボットであるが、この形態に限られず、ロボットの位置および姿勢を制御可能な任意のロボットを採用することができる。たとえば、ロボットは、６軸でなくても構わないし、アームを駆動する直動軸を含んでいても構わない。

上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。上述のそれぞれの図において、同一または相等する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、特許請求の範囲に示される実施の形態の変更が含まれている。

１，３ ロボット
２ 制御装置
１２ アーム
１３ 関節部
１４ ロボット駆動モータ
１７ 手首部
１９ トルクセンサ
２１ フランジ
２２ フランジ駆動モータ
２２ａ 回転軸
２８ 力覚センサ
３１ 架台
３２ ワーク
３３ ねじ
３４ ビット
３５ ビット保持部材
３６ ドライバ
３７ ハンド
３８ 爪部
６１ 動力伝達装置
６２ ケーシング
６３，６４ かさ歯車
６３ａ，６４ａ 回転軸
６５ 入力軸
６６ 出力軸
６７ ケーシング支持部材
７１ 送信部
７２ 受信部
７３ スリップリング
７３ａ 回転部材
７３ｂ 固定部材
７４ 支持部材
８１，８２ ねじ締め装置

Claims (12)

1. アームとエンドエフェクタを連結する連結部材および前記連結部材を回転させる駆動源を有する手首部とを含むロボットと、
   ねじに係合して、前記ねじを回転させる工具と、
   工具と前記ねじとの間に作用する力またはモーメントに関する力情報を検出する力検出機構と、
   力検出機構にて検出される力情報に基づいて、前記ねじをワークに取り付けるようにロボットを制御する制御装置とを備え、
   工具は、前記連結部材の回転軸と同軸状に回転するように前記連結部材に連結されており、前記連結部材の回転力が伝達されて回転し、前記ねじをワークに取り付けることを特徴とする、ねじ締め装置。
2. 力検出機構は、前記連結部材の回転動作に干渉する配線および機構部を有しておらず、前記連結部材に固定された部分が一体的に回転する、請求項１に記載のねじ締め装置。
3. 力検出機構は、前記連結部材と工具との間に配置された力覚センサと、力覚センサにて検出される力情報を制御装置に伝達するための無線通信装置とを含み、
   無線通信装置は、力覚センサと一体的に回転するように配置された送信部と、力覚センサと一体的に回転しない部分に配置され、制御装置に接続された受信部とを含み、
   送信部は、力情報を無線にて受信部に伝達し、
   受信部は、受信した力情報を制御装置に伝達する、請求項１または２に記載のねじ締め装置。
4. 力検出機構は、前記連結部材と工具との間に配置された力覚センサと、力覚センサにて検出される力情報を制御装置に伝達するためのスリップリングとを備え、
   スリップリングは、前記力覚センサと同軸状に回転するように配置された回転部と、制御装置に接続された固定部とを有し、
   力覚センサは、力情報をスリップリングを介して制御装置に伝達する、請求項１または２に記載のねじ締め装置。
5. ロボットは、手首部の位置および姿勢を変更する複数の回転軸を含み、
   力検出機構は、前記回転軸の周りのトルクを検出するトルクセンサを含み、
   制御装置は、前記トルクセンサの出力に基づいてロボットを制御する、請求項１または２に記載のねじ締め装置。
6. 前記連結部材の回転力を動力源として工具を回転させる動力伝達装置を備え、
   動力伝達装置は、入力軸と出力軸とを有し、
   入力軸は前記連結部材に固定され、工具は出力軸に固定されている、請求項１から５のいずれか一項に記載のねじ締め装置。
7. 制御装置は、力検出機構にて検出される力情報に基づいて、工具と前記ねじとの間に作用する力またはモーメントを予め定められた値に近づけるようにロボットを制御する、請求項１から６のいずれか一項に記載のねじ締め装置。
8. 制御装置は、力検出機構にて検出される力情報に基づいて、工具を進行方向に押圧する力を予め定められた値に近づけるようにロボットを制御する、請求項１から７のいずれか一項に記載のねじ締め装置。
9. 制御装置は、力検出機構にて検出される力情報に基づいて、工具の進行方向に垂直な軸の周りのモーメントが零に近づくようにロボットを制御する、請求項１から７のいずれか一項に記載のねじ締め装置。
10. 制御装置は、力検出機構にて検出される力情報に基づいて、工具の進行方向に垂直な方向の力が零に近づくようにロボットを制御する、請求項１から７のいずれか一項に記載のねじ締め装置。
11. 制御装置は、力検出機構にて検出される力情報に基づいて、工具の回転軸の周りのトルクが予め定められた条件を満たした場合に、前記ねじを取り付ける制御を終了する、請求項１から６のいずれか一項に記載のねじ締め装置。
12. アームとエンドエフェクタを連結する連結部材および前記連結部材を回転させる駆動源を有する手首部とを含むロボットと、
    ねじを保持する爪部を有するエンドエフェクタと、
    前記ねじと前記ねじを取り付けるワークの雌ねじ部との間に作用する力またはモーメントに関する力情報を検出する力検出機構と、
    力検出機構にて検出される力情報に基づいて、前記ねじをワークに取り付けるようにロボットを制御する制御装置とを備え、
    爪部は、前記ねじの中心軸が前記連結部材の回転軸と同軸状になるように前記ねじを把持するように形成されており、
    エンドエフェクタは、前記連結部材に連結されており、前記連結部材の回転力が伝達されて回転し、前記ねじをワークに取り付けることを特徴とする、ねじ締め装置。

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