JP2018192535A - 部品嵌合方法及び部品嵌合装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アクチュエータの可動部に加わる外力を正しく検出でき、当該外力に基づいて第１部品を第２部品に嵌合する組立作業を可能とする。【解決手段】固定部１０１及び可動部１０２を有するアクチュエータ１と、固定部１０１の加速度を検出する加速度検出部８と、固定部１０１に対する可動部１０２の位置を検出する位置検出部６と、位置検出部６により検出された位置と基準位置Ｐｒとの差分に対するゲインを調整するゲイン調整部１０と、加速度検出部８により検出された加速度とゲイン調整部１０により調整されたゲインに基づき、可動部１０２に加わる外力Ｆを検出する外力検出部１５と、外力検出部１５により検出された外力Ｆに基づき、アクチュエータ１を駆動する作業制御部５とを備えた。【選択図】図１

Description

この発明は、第１部品を第２部品に嵌合する部品嵌合方法及び部品嵌合装置に関する。

従来から、ピン等を挿入する組立作業において、部品を破損させずに嵌合させる方法が提案されている（例えば特許文献１−３参照）。この特許文献１では、嵌合軸部品を、被嵌合部品の穴周辺のテーパ部へ当てて押込む組立作業において、嵌合軸部品をばね支持することで、テーパにならって嵌合させる方法が提案されている。また、特許文献２，３では、力センサで検出された力を基に、穴に押込む軸の向きを変えたり、ワークが破損する前に停止したりする方法が提案されている。

また、従来から、コネクタ等の組立作業において、組立判定を行う方法が提案されている（例えば特許文献４，５参照）。この特許文献４，５では、コネクタの爪をカメラで撮影し、嵌合の合否判定をする方法が提案されている。

特開２０１１−１０４６６１号公報 特開２０１０−９９７８４号公報 特開２０１３−０４３２５６号公報 特開２０１３−１７５３４７号公報 特開２０１４−１０７１７７号公報

しかしながら、特許文献１に開示された方法では、被嵌合部品以外にテーパをつけた冶具を用意する必要があり、機構が大掛かりになるという課題がある。また、嵌合軸部品が柔らかい樹脂部品等である場合には、当該嵌合軸部品をテーパに当てた際に傷が付いたり破損する恐れがある。
また、特許文献２，３に開示された方法では、力センサ自体の剛性が高く、接触を検知しても制動時間の間に停止できなければワークを破損してしまうという課題がある。そのため、動作を遅くせざるを得ず、サイクルタイムが延びる。
また、特許文献４，５に開示された方法では、嵌合状態をカメラで撮影できない場合には適用できないという課題がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、アクチュエータの可動部に加わる外力を正しく検出でき、当該外力に基づいて第１部品を第２部品に嵌合する組立作業が可能な部品嵌合装置を提供することを目的としている。

この発明に係る部品嵌合装置は、固定部、及び当該固定部に対して変位可能な可動部を有するアクチュエータと、固定部の加速度を検出する加速度検出部と、固定部に対する可動部の位置を検出する位置検出部と、位置検出部により検出された位置と基準位置との差分に対するゲインを調整するゲイン調整部と、加速度検出部により検出された加速度とゲイン調整部により調整されたゲインに基づき、可動部に加わる外力を検出する外力検出部と、外力検出部により検出された外力に基づき、アクチュエータを駆動する作業制御部とを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、上記のように構成したので、アクチュエータの可動部に加わる外力を正しく検出でき、当該外力に基づいて第１部品を第２部品に嵌合する組立作業が可能である。

この発明の実施の形態１に係る部品嵌合装置の構成例を示す図である。 この発明の実施の形態１における外力検出制御部の構成例を示す図である。 この発明の実施の形態１におけるゲイン調整部の構成例を示す図である。 この発明の実施の形態１における作業制御部の構成例を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る部品嵌合装置で用いるコネクタの構成例を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る部品嵌合装置によるコネクタの組立作業の一例を示すフローチャートである。 図７Ａ〜図７Ｅは、この発明の実施の形態１に係る部品嵌合装置によるコネクタの組立作業の一例を示す図である。 図７に示す部品嵌合装置によるコネクタの組立作業において、外力検出制御部により検出された外力を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る部品嵌合装置の構成例を示す図である。
部品嵌合装置は、部品（第１部品）５０ａを部品（第２部品）５０ｂに嵌合する組立作業を行う装置である。この部品嵌合装置は、図１に示すように、アクチュエータ１、エンドエフェクタ２、移動部３、外力検出制御部４及び作業制御部５を備えている。

アクチュエータ１は、磁界に置かれたコイルに電流が供給されることで、固定部１０１に対して可動部１０２を直動方向又は回転方向に変位可能とする。このアクチュエータ１は、移動部３に取付けられており、全体が移送され、また、姿勢が変更される。なお、可動部１０２又はエンドエフェクタ２が複数方向の自由度を持ち、アクチュエータ１全体の移送及び姿勢の変更が不要である場合、移動部３はなくてもよい。以下では、移動部３を使用する場合を記述する。

エンドエフェクタ２は、可動部１０２に取付けられ、部品５０ａを保持する。図１では、エンドエフェクタ２として、部品５０ａを把持するグリッパ（ハンド）が用いられている。なお、エンドエフェクタ２としては、グリッパ以外にも、例えば、部品５０ａを吸着する吸着具を用いてもよい。なお、部品５０ｂを移動する移動部があってもよい。

移動部３は、アクチュエータ１を移動する。図１では、移動部３として、先端にアクチュエータ１が取付けられ、アクチュエータ１を移動（移送及び姿勢変更）可能なロボットを示している。

外力検出制御部４は、アクチュエータ１の固定部１０１に対する可動部１０２の位置、及び固定部１０１の加速度を検出して、可動部１０２に加わる外力（反力）Ｆを検出する。この外力検出制御部４の構成例については後述する。

作業制御部５は、部品嵌合装置による組立作業を実現する。この際、作業制御部５は、外力検出制御部４により検出された外力Ｆに基づいて、アクチュエータ１及び移動部３のうちの少なくとも一方を駆動することで、組立作業を実現する。また、作業制御部５は、外力検出制御部４により検出された外力Ｆに加え、外力検出制御部４により検出された位置及び加速度、及び作業制御部５で管理している時間等も考慮して、上記組立作業を実現してもよい。また、作業制御部５は、外力検出制御部４に対し、基準位置Ｐｒを設定する機能も有している。この作業制御部５の構成例については後述する。

次に、外力検出制御部４の構成例について、図２を参照しながら説明する。なお図２では、アクチュエータ１及びエンドエフェクタ２も図示している。また図２では、エンドエフェクタ２が部品５０ａを保持している状態を示している。
外力検出制御部４は、図２に示すように、位置検出部６、位置速度変換部７、加速度検出部８、減算器９、ゲイン調整部１０、質量推定部１１、加速度補償部１２、加減算器１３、定電流制御部１４及び外力検出部１５を有している。

位置検出部６は、アクチュエータ１に設けられ、固定部１０１に対する可動部１０２の位置（相対位置）を検出する。この位置検出部６により検出された位置を示す信号（位置信号）は、位置速度変換部７及び減算器９に出力される。

位置速度変換部７は、位置検出部６により検出された位置を微分して速度に変換する。この速度は、固定部１０１に対する可動部１０２の速度（相対速度）を示す。この位置速度変換部７により変換された速度を示す信号（速度信号）は、加減算器１３に出力される。

加速度検出部８は、固定部１０１に設けられ、固定部１０１の加速度を検出する。この際、加速度検出部８は、固定部１０１の重力加速度αｇ及び移動加速度α１のうちの一方、又は両方が加算された加速度（αｇ＋α１）を検出する。図２では、加速度検出部８が加速度（αｇ＋α１）を検出する場合を示している。この加速度検出部８により検出された加速度を示す信号（加速度信号）は、加速度補償部１２に出力される。

減算器９は、基準位置Ｐｒから位置検出部６により検出された位置を減算する。この減算器９による減算結果を示す信号は、ゲイン調整部１０に出力される。

ゲイン調整部１０は、減算器９による減算結果に対するゲイン（アクチュエータ１におけるコンプライアンスの値）を調整する。コンプライアンスとは、バネ定数の逆数であり、固さ柔らかさを示す指標である。このゲイン調整部１０は、図２，３に示すように、ループゲイン測定部１００１、ゲイン交点制御部１００２及び可変ゲイン調整部１００３を有している。

ループゲイン測定部１００１は、減算器９から出力された信号のループゲインを測定する。この際、ループゲイン測定部１００１は、図３に示すように、減算器９から出力された信号に、発振器１００４によりループゲインが１倍（０ｄＢ）となる周波数、すなわちゲイン交点に設定された周波数の正弦波を、加算器１００５を介して加算する。このループゲイン測定部１００１による正弦波の加算前後の信号は、ゲイン交点制御部１００２に出力される。

ゲイン交点制御部１００２は、図３に示すように、比較器１００６によりループゲイン測定部１００１による正弦波の加算前後の信号での振幅比を比較する。このゲイン交点制御部１００２による比較結果を示す信号は、可変ゲイン調整部１００３に出力される。

可変ゲイン調整部１００３は、ゲイン交点制御部１００２により比較された振幅比の倍率が１となるように、減算器９から出力された信号のゲインを調整する。この可変ゲイン調整部１００３によりループゲインが調整された信号は、加減算器１３に電流指令値Ｉｒｐとして出力される。また、可変ゲイン調整部１００３によるループゲインの調整値を示す信号は、質量推定部１１に出力される。

なお、減算器９及びゲイン調整部１０は、位置検出部６により検出された位置と基準位置Ｐｒとの差分に基づく電流指令値Ｉｒｐを出力する位置制御手段（位相制御ループ）を構成する。

質量推定部１１は、可変ゲイン調整部１００３によるループゲインの調整値から、可動部１０２側の質量を推定する。すなわち、質量推定部１１は、ループゲインの変化と質量の変化とが比例する原理を利用する。ここで、可動部１０２側の質量とは、エンドエフェクタ２が部品５０ａを保持していない場合には、可動部１０２の質量Ｍ１とエンドエフェクタ２の質量Ｍ２とが加算された質量（Ｍ１＋Ｍ２）であり、エンドエフェクタ２が部品５０ａを保持している場合には、可動部１０２の質量Ｍ１とエンドエフェクタ２の質量Ｍ２と部品５０ａの質量Ｍ３とが加算された質量（Ｍ１＋Ｍ２＋Ｍ３）である。なお図２では、質量推定部１１が、可動部１０２の質量Ｍ１とエンドエフェクタ２の質量Ｍ２と部品５０ａの質量Ｍ３とが加算された質量（Ｍ１＋Ｍ２＋Ｍ３）を推定する場合を示している。この質量推定部１１により推定された質量を示す信号は、加速度補償部１２に出力される。

なお、ゲイン調整部１０及び質量推定部１１の動作原理は、下記の特許文献６と同様であり、その詳細については説明を省略する。
また上記では、質量推定部１１により可動部１０２側の質量を推定する場合を示したが、これに限らず、他の方法を用いて可動部１０２側の質量を取得してもよい。
特開２０１０−１８２０８４号公報

加速度補償部１２は、外乱トルクを補正するための加速度補償値Ｉｒｃを出力する。この加速度補償部１２は、乗算器１２０１及び係数乗算部１２０２を有している。

乗算器１２０１は、加速度検出部８により検出された加速度と、質量推定部１１により推定された質量とを乗算する。この乗算器１２０１による乗算結果を示す信号は、係数乗算部１２０２及び外力検出部１５に出力される。
係数乗算部１２０２は、乗算器１２０１による乗算結果に係数（１／Ｋｔ）を乗算する。なお、Ｋｔは、アクチュエータ１が発生する推力と駆動電流Ｉａとの比を表したトルク定数である。この係数乗算部１２０２による乗算結果を示す信号は、加減算器１３に加速度補償値Ｉｒｃとして出力される。

加減算器１３は、ゲイン調整部１０から出力された電流指令値Ｉｒｐに対し、加速度補償部１２から出力された加速度補償値Ｉｒｃを加算し、位置速度変換部７から出力された速度信号を減算する。この加減算器１３による加減算結果を示す信号は、定電流制御部１４に電流指令値Ｉｒとして出力される。

定電流制御部１４は、アクチュエータ１を駆動する駆動電流Ｉａを電流指令値Ｉｒに一致させるように制御する。この定電流制御部１４は、減算器１４０１、駆動ドライバ１４０２及び電流検出部１４０３を有している。

減算器１４０１は、加減算器１３から出力された電流指令値Ｉｒから、電流検出部１４０３により検出された駆動電流Ｉａの電流値を減算する。この減算器１４０１による減算結果を示す信号は、駆動ドライバ１４０２に出力される。
駆動ドライバ１４０２は、減算器１４０１による減算結果に応じた駆動電流Ｉａを発生する。この駆動ドライバ１４０２により発生された駆動電流Ｉａは、電流検出部１４０３を介してアクチュエータ１に出力される。
電流検出部１４０３は、駆動ドライバ１４０２により発生された駆動電流Ｉａの電流値を検出する。この電流検出部１４０３により検出された電流値を示す信号は、減算器１４０１に出力される。

外力検出部１５は、駆動電流Ｉａの電流値から加速度補償値Ｉｒｃを減算した結果に基づいて、可動部１０２に加わる外力Ｆを検出する。なお、可動部１０２に加わる外力Ｆとしては、エンドエフェクタ２が保持した部品５０ａと部品５０ｂとが接触した際に発生する力や、エンドエフェクタ２と部品５０ａとが接触した際に発生する力が挙げられる。この外力検出部１５は、係数乗算部１５０１、減算器１５０２及び係数乗算部１５０３を有している。

係数乗算部１５０１は、加速度補償部１２の乗算器１２０１による乗算結果に係数（１／Ｋｔ）を乗算する。この係数乗算部１５０１による乗算結果を示す信号は、減算器１５０２に出力される。
減算器１５０２は、定電流制御部１４により発生された駆動電流Ｉａの電流値から、係数乗算部１５０１による乗算結果を減算する。この減算器１５０２による減算結果を示す信号は、係数乗算部１５０３に出力される。
係数乗算部１５０３は、減算器１５０２による減算結果に係数（Ｋｔ）を乗算することで、外力Ｆを得る。

次に、作業制御部５の構成例について、図４を参照しながら説明する。
作業制御部５は、図４に示すように、接触制御部１６、嵌合位置制御部１７、嵌合制御部１８及び脱着制御部１９を有している。

接触制御部１６は、部品５０ａが部品５０ｂに第１の力で接触するまで、エンドエフェクタ２を部品５０ｂの方向へ移動させる。第１の力は、部品５０ａが部品５０ｂに当接したことを認識可能な力であり、部品５０ａと部品５０ｂ及び周辺機器を破損しない程度に十分に弱い力である。

嵌合位置制御部１７は、接触制御部１６による処理後、エンドエフェクタ２を部品５０ａと部品５０ｂとが嵌合する方向に移動させる。なお、嵌合位置制御部１７は、第１の力の有無又は部品５０ａの位置から、部品５０ａが部品５０ｂの嵌合位置に対向したかを判定する。

嵌合制御部１８は、嵌合位置制御部１７による処理後、外力Ｆが第２の力となるまで、部品５０ａを部品５０ｂに嵌合するように、エンドエフェクタ２を嵌合方向に移動させる。

脱着制御部１９は、嵌合制御部１８による処理後、部品５０ａを部品５０ｂから脱着するように、エンドエフェクタ２を嵌合方向とは逆方向に移動させ、外力Ｆが第３の力に達するかを判定する。第３の力は、部品５０ａが部品５０ｂに正常に嵌合されたことを確認可能な力である。

次に、外力検出制御部４の動作原理について説明する。なお以下では、アクチュエータ１として、発生した推力が部品５０ａに直接伝わるダイレクトドライブ形式のリニアアクチュエータを用い、固定部１０１に対して可動部１０２を直動させるものとする。このアクチュエータ１は、定電流制御部１４が電流指令値Ｉｒに応じて発生した駆動電流Ｉａにより駆動する。

一方、位置検出部６は、固定部１０１に対する可動部１０２の直動方向における位置を検出する。
また、位置速度変換部７は、位置検出部６により検出された位置を微分して速度に変換する。この速度は、固定部１０１に対する可動部１０２の速度を示す。

また、加速度検出部８は、固定部１０１の直動方向における加速度を検出する。以下では、加速度検出部８は、固定部１０１の直動方向成分における移動加速度α１と、固定部１０１の直動方向成分における重力加速度αｇとが加算された加速度（α１＋αｇ）を検出するものとする。

また、位置検出部６により検出された位置は、減算器９で基準位置Ｐｒと比較され、その差分がゲイン調整部１０を介して電流指令値Ｉｒを構成する要素の一つである電流指令値Ｉｒｐとして加減算器１３に与えられる。

電流指令値Ｉｒは、電流指令値Ｉｒｐの他、外乱トルクを補正するための加速度補償値Ｉｒｃで構成され、次式（１）で表される。
Ｉｒ＝Ｉｒｐ＋Ｉｒｃ （１）

なお、位置を単純にフィードバックすると制御系が不安定となる。そのため、実際には、位置速度変換部７からの速度信号をマイナーループとして加減算器１３のマイナス出力に加えて安定化を行っているが、以下では省略する。

また、ゲイン調整部１０では、位置制御ループのループゲインを変えることで、アクチュエータ１におけるコンプライアンスの値を変化させることができる。

ここで、駆動電流Ｉａに着目すると、外乱トルクがない場合には電流値は零になるが、外乱トルクがある場合にはそれに比例して電流値も変化する。
一般的な外乱トルクとしては、作業時に部品５０ａから受ける反力、重力及び移動加速度により発生する力、減速器のロストルク等が考えられる。ここで、アクチュエータ１はダイレクトドライブ形式のリニアアクチュエータであるため、減速器は持たず、ロストルクは考慮する必要は少ない。したがって、駆動電流Ｉａは、作業時に部品５０ａから受ける反力、重力、移動加速度により発生する力に比例した値となる。なお以下では、反力は、部品５０ａが部品５０ｂに接触した際に発生する力であるとする。

ここで、アクチュエータ１の駆動電流をＩａ、作業時に部品５０ａから受ける反力をＦ、固定部１０１の直動方向成分における移動加速度をα１、固定部１０１の直動方向成分における重力加速度をαg、可動部１０２の質量をＭ１，エンドエフェクタ２の質量をＭ２、部品５０ａの質量をＭ３とする。この場合、次式（２）の関係が成り立つ。
Ｆ＋（α１＋αｇ）・（Ｍ１＋Ｍ２＋Ｍ３）＝Ｋｔ・Ｉｒ＝Ｋｔ・（Ｉｒｐ＋Ｉｒｃ）
（２）
なお、Ｋｔはアクチュエータ１が発生する推力と駆動電流Ｉａとの比を表したトルク定数である。

また、式（２）において外乱トルクを補正するための加速度補償値Ｉｒｃを次式（３）のように設定する。
（α１＋αｇ）・（Ｍ１＋Ｍ２＋Ｍ３）＝Ｋｔ・Ｉｒｃ （３）

式（３）のように加速度補償値Ｉｒｃを設定した場合、式（２）からα１、αｇ、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３の項が消え、次式（４）のように整理される。
Ｆ＝Ｋｔ・Ｉｒｐ （４）

このように、外乱トルクを補正するための加速度補償値Ｉｒｃを式（３）のように設定すると、作業時に部品５０ａから受ける反力Ｆと電流指令値Ｉｒｐは、比例関係になることがわかる。

これは、作業時に部品５０ａから受ける力が零、つまり部品５０ａが部品５０ｂと接触していない場合、基準位置Ｐｒと実際の位置の差分に基づく電流指令値Ｉｒｐも零、つまり位置が変位しないことを意味している。
そして、部品５０ａが部品５０ｂと接触した際に生じる反力Ｆは、電流指令値Ｉｒｐを監視することで知ることができる。

そして、式（４）には、固定部１０１の直動方向成分における移動加速度α１、固定部１０１の直動方向成分における重力加速度αｇ、可動部１０２の質量Ｍ１、エンドエフェクタ２の質量Ｍ２、部品５０ａの質量Ｍ３の項目が含まれていない。
つまり、ロボットが急激に移動、停止を行い移動加速度が発生した場合や、ロボットが連続して姿勢を変更し重力加速度が変化した場合でも、アクチュエータ１の可動部１０２はゆれることなく反力Ｆを正しく検出できる。
そして、コンプライアンスの値も自由に設定できる。

なお、上述したように、部品５０ａが部品５０ｂと接触して発生する反力Ｆは、電流指令値Ｉｒｐを監視することで知ることができる。
しかしながら、位置制御ループにおいて、反力Ｆに対する電流指令値Ｉｒｐの応答は一般的に速くない。一方、反力Ｆに対する駆動電流Ｉａの応答は比較的早い。そこで、電流指令値Ｉｒｐを直接監視するのではなく、駆動電流Ｉａを監視することで反力Ｆの検出を行う。

ここで、式（２）は以下の通りである。
Ｆ＋（α１＋αｇ）・（Ｍ１＋Ｍ２＋Ｍ３）＝Ｋｔ・Ｉｒ＝Ｋｔ・（Ｉｒｐ＋Ｉｒｃ）
（２）

一方、駆動電流Ｉａは次式（５）で表せる。
Ｉａ＝Ｉｒ＝Ｉｒｐ＋Ｉｒｃ （５）

よって、式（２），（５）から下式（６）が得られる。
Ｆ＋（α１＋αｇ）・（Ｍ１＋Ｍ２＋Ｍ３）＝Ｋｔ・Ｉａ （６）

そして、式（６）の両辺から、式（３）の左辺である（（α１＋αｇ）・（Ｍ１＋Ｍ２＋Ｍ３））を減算して整理すると、下式（７）が得られる。
Ｆ＝Ｋｔ・（Ｉａ−（α１＋αｇ）・（Ｍ１＋Ｍ２＋Ｍ３）／Ｋｔ） （７）

この式（７）に示されるように、駆動電流Ｉａから加速度補償値（α１＋αｇ）・（Ｍ１＋Ｍ２＋Ｍ３）／Ｋｔを差し引いてトルク定数Ｋｔをかけることで、反力Ｆに比例して応答が速いＩａから反力Ｆを求めることができる。

次に、外力検出制御部４による効果について説明する。
ロボットの動作は、一般的に、位置制御によりコントロールされる。そのため、部品５０ａ，５０ｂの寸法誤差や把持位置誤差等により、予めプログラムされた部品５０ａ，５０ｂの目標位置と実際の位置が異なる場合、部品５０ａが部品５０ｂと接触した際に大きな力が発生し、部品５０ａや部品５０ｂに傷や破損が発生する恐れがある。

その対策として、ロボットとエンドエフェクタとの間に力センサを設置し、部品５０ａと部品５０ｂとの接触時に過大な力が発生しそうになると力センサの検出結果をロボットにフィードバックし、過大な力が発生しないようにする方法もある（特許文献２，３）。

しかしながら、過大な力が発生したことを検出して停止指令を出してもロボットは急には止まれないため、停止指令が出た時点から急激に減速しても接触位置からずれた位置で停止してしまい、部品５０ａ，５０ｂを押し潰してしまう。そして、位置の行き過ぎ量は移動速度に比例するため、部品５０ａを部品５０ｂに近付ける速度を遅くせざるを得ない。

上記の理由により、部品５０ａが部品５０ｂと接触する可能性のある領域では、ロボットの移動速度を十分落とす必要がある。しかしながら、サイクルタイムを短くするため、部品５０ａを移動する速度は速くする必要がある。その結果、接触領域の近傍で速度を急激に落とすことになる。

一方、実施の形態１では、ロボット（移動部３）の先端にアクチュエータ１を取付け、また、外力検出制御部４は、アクチュエータ１が急激に移動又は停止されて移動加速度が発生した場合や、アクチュエータ１の姿勢が変更されて重力加速度が変化した場合でも、可動部１０２に加わる反力Ｆを正しく検出でき、また、コンプライアンス値を任意に変えられる。そのため、ロボットが急に止まれない点は同じだが、位置の行き過ぎにより部品５０ａ，５０ｂを押し潰してしまうことはない。よって、部品５０ａを部品５０ｂに近づける速度を極端に遅くする必要がなく、また、安全に作業できる。

また、従来では、エンドエフェクタは力センサの先に取付けられており、ロボットが急激に減速した場合、エンドエフェクタの質量による影響で、力センサには負方向の加速度に比例した力が発生する。
ところが、上記加速度に比例した力と部品５０ａ，５０ｂの接触により発生する力とを区別することは難しく、区別するためにはロボットの減速時間を大幅に長くせざるを得ない。

一方、外力検出制御部４では、アクチュエータ１が急激に加減速された場合でも正しく外力Ｆを検出でき、接触時にのみ力を検出するため、アクチュエータ１の減速時間を長くする必要はない。

また、力センサを用いた場合には、重力による影響をリアルタイムに補償し難いという課題もある。
すなわち、組立作業を行う場合にロボットが取りうる姿勢は常に一定ではなく、作業の状態に応じて変化させる場合が多い。
しかしながら、上記の通り、エンドエフェクタは力センサの先に取付けられているため、ロボットの姿勢が水平ではない場合、力センサには重力加速度による影響でロボットの姿勢とエンドエフェクタの質量に応じた力が発生する。

一方、外力検出制御部４では、アクチュエータ１の姿勢が変更されて重力加速度が変化した場合でも外力Ｆを正しく検出できるため、重力による影響をリアルタイムに補償できる。

次に、作業制御部５の動作例について、図５〜８を参照しながら説明する。以下では、部品嵌合装置が、コネクタ（第１部品）５１をコネクタ（第２部品）５２に嵌合する組立作業を行う場合を示す。なお、図５に示すように、コネクタ５１は爪５１１を有し、コネクタ５２は、コネクタ５１が挿入される挿入穴５２１及びコネクタ５１が挿入された際に爪５１１が係合する係合穴５２２を有している。また、コネクタ５１はエンドエフェクタ２により保持され、コネクタ５２は作業台等に固定されているものとする。

そして、作業制御部５は、外力検出制御部４により検出された外力Ｆ等に基づいて、アクチュエータ１及び移動部３のうちの少なくとも一方を駆動することで、上記組立作業を行う。なお、作業制御部５は、外力検出制御部４における基準位置Ｐｒとして、コネクタ５２の挿入穴５２１が形成された面の位置を設定する。
また図８において、横軸は時間［ｓ］を示し、縦軸は外力検出制御部４により検出された外力Ｆ（力信号［ｍＶ］）を示している。また、図８における符号ａ〜ｅは、図７Ａ〜図７Ｅでの状態をそれぞれ示している。

部品嵌合装置によるコネクタ５１，５２の組立作業では、まず、図６、図７Ａに示すように、接触制御部１６は、コネクタ５１がコネクタ５２に力Ｆ１で接触するまで、エンドエフェクタ２をコネクタ５２の方向へ移動させる（ステップＳＴ１）。図８に示すように、力Ｆ１は、コネクタ５１がコネクタ５２に当接したことを認識可能な力であり、コネクタ５１とコネクタ５２及び周辺機器を破損しない程度に十分に弱い力である。

次いで、図６、図７Ｂに示すように、嵌合位置制御部１７は、エンドエフェクタ２をコネクタ５１とコネクタ５２とが嵌合する方向に移動させる（ステップＳＴ２）。図７Ｂでは、図７Ａにおいてコネクタ５１がコネクタ５２に対して高さ方向にずれており、コネクタ５１を下方に移動させている場合を示している。実際には、高さ方向の他、横方向及び回転方向等、嵌合方向に対して垂直な方向における全ての自由度に対する位置合わせが必要となる。なお、図８に示すように、嵌合位置制御部１７は、力Ｆ１が無くなった場合に、コネクタ５１がコネクタ５２の挿入穴５２１に対向したと判定する。又は、嵌合位置制御部１７は、コネクタ５１の位置から、コネクタ５１がコネクタ５２の挿入穴５２１に対向したかを判定する。

なお、作業制御部５は、嵌合位置制御部１７による処理が終了した段階で、外力検出制御部４における基準位置Ｐｒの更新を行ってもよい。この際、作業制御部５は、基準位置Ｐｒとして、嵌合制御部１８により挿入されるコネクタ５１の挿入先の位置を設定する。これにより、嵌合制御部１８によるコネクタ５１の嵌合工程においてもコンプライアンス制御が可能となる。

次いで、図６、図７Ｃ、図７Ｄに示すように、嵌合制御部１８は、外力Ｆが力Ｆ２となるまで、コネクタ５１をコネクタ５２の挿入穴５２１に挿入するように、エンドエフェクタ２を嵌合方向に移動させる（ステップＳＴ３）。これにより、適切な力でコネクタ５１をコネクタ５２に挿入できる。また、コネクタ５１がコネクタ５２の挿入穴５２１に挿入されることで、コネクタ５１が有する爪５１１がコネクタ５２が有する係合穴５２２に係合され、コネクタ５１がコネクタ５２に嵌合される。

次いで、図６、図７Ｅに示すように、脱着制御部１９は、コネクタ５１をコネクタ５２から脱着するように、エンドエフェクタ２を嵌合方向とは逆方向に移動させ、外力Ｆが力Ｆｒｅｆに達するかを判定する（ステップＳＴ４）。図８に示すように、力Ｆｒｅｆは、コネクタ５１がコネクタ５２に正常に嵌合されたことを確認可能な力である。

ここで、外力Ｆが力Ｆｒｅｆとなる前にコネクタ５１がコネクタ５２から引抜かれた場合には、コネクタ５１，５２の組立が失敗したと判定できる。なお図７Ｅ、図８では、力Ｆｒｅｆよりも弱い力Ｆ３で、コネクタ５１がコネクタ５２から抜けた場合を示している。
一方、外力Ｆが力Ｆｒｅｆに達した場合には、コネクタ５１，５２の組立が成功したと判定できる。その後、エンドエフェクタ２はコネクタ５１の保持を解除し、コネクタ５１，５２の組立作業を終了する。

以上の動作により、コネクタ５１，５２又はアクチュエータ１を壊さず、且つ作業速度を落とさずに、コネクタ５１，５２に対する組立作業が実施できる。また、別途冶具を用いる必要はないため、装置の小型化及び低コスト化が可能となる。また、カメラを用いずに作業を検査可能となる。

なお上記では、可動部１０２を直動方向に変位可能とするアクチュエータ１を用いた場合を示した。しかしながら、これに限らず、加速度検出部８が角加速度を検出可能であれば、可動部１０２を回転方向に変位可能とするアクチュエータ１を用いることもできる。

また上記では、移動部３がロボットである場合を示した。しかしながら、これに限らず、移動部３として、直動機構又は回転機構を用いてもよい。

また上記では、コネクタ５１，５２の嵌合を例に挙げたが、例えばバックルのように輪をかけタブを倒すことで嵌合する部材に応用してもよい。

以上のように、この実施の形態１によれば、固定部１０１及び可動部１０２を有するアクチュエータ１と、固定部１０１の加速度を検出する加速度検出部８と、固定部１０１に対する可動部１０２の位置を検出する位置検出部６と、位置検出部６により検出された位置と基準位置Ｐｒとの差分に対するゲインを調整するゲイン調整部１０と、加速度検出部８により検出された加速度とゲイン調整部１０により調整されたゲインに基づき、可動部１０２に加わる外力Ｆを検出する外力検出部１５と、外力検出部１５により検出された外力Ｆに基づき、アクチュエータ１を駆動する作業制御部５とを備えたので、アクチュエータ１の可動部１０２に加わる外力Ｆを正しく検出でき、当該外力Ｆに基づいて部品５０ａを部品５０ｂに嵌合する組立作業が可能となる。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１ アクチュエータ
２ エンドエフェクタ
３ 移動部
４ 外力検出制御部
５ 作業制御部
６ 位置検出部
７ 位置速度変換部
８ 加速度検出部
９ 減算器
１０ ゲイン調整部
１１ 質量推定部
１２ 加速度補償部
１３ 加減算器
１４ 定電流制御部
１５ 外力検出部
１６ 接触制御部
１７ 嵌合位置制御部
１８ 嵌合制御部
１９ 脱着制御部
５０ａ，５０ｂ 部品（第１，２部品）
５１，５２ コネクタ（第１，２部品）
１０１ 固定部
１０２ 可動部
５１１ 爪
５２１ 挿入穴
５２２ 係合穴
１００１ ループゲイン測定部
１００２ ゲイン交点制御部
１００３ 可変ゲイン調整部
１００４ 発振器
１００５ 加算器
１００６ 比較器
１２０１ 乗算器
１２０２ 係数乗算部
１４０１ 減算器
１４０２ 駆動ドライバ
１４０３ 電流検出部
１５０１ 係数乗算部
１５０２ 減算器
１５０３ 係数乗算部

Claims (6)

1. 固定部、及び当該固定部に対して変位可能な可動部を有するアクチュエータと、
   前記固定部の加速度を検出する加速度検出部と、
   前記固定部に対する前記可動部の位置を検出する位置検出部と、
   前記位置検出部により検出された位置と基準位置との差分に対するゲインを調整するゲイン調整部と、
   前記加速度検出部により検出された加速度と前記ゲイン調整部により調整されたゲインに基づき、前記可動部に加わる外力を検出する外力検出部と、
   前記外力検出部により検出された外力に基づき、前記アクチュエータを駆動する作業制御部と
   を備えた部品嵌合装置。
2. 前記可動部に取付けられ、第１部品を保持するエンドエフェクタを備え、
   前記作業制御部は、
   前記第１部品が、当該第１部品が嵌合される第２部品に第１の力で接触するまで、前記エンドエフェクタを当該第２部品の方向へ移動させる接触制御部を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の部品嵌合装置。
3. 前記作業制御部は、
   前記接触制御部による処理後、前記エンドエフェクタを前記第１部品と前記第２部品とが嵌合する方向に移動させる嵌合位置制御部を有する
   ことを特徴とする請求項２記載の部品嵌合装置。
4. 前記作業制御部は、
   前記嵌合位置制御部による処理後、前記外力が第２の力となるまで、前記第１部品を前記第２部品に嵌合するように、前記エンドエフェクタを嵌合方向に移動させる嵌合制御部を有する
   ことを特徴とする請求項３記載の部品嵌合装置。
5. 前記作業制御部は、
   前記嵌合制御部による処理後、前記第１部品を前記第２部品から引抜くように、前記エンドエフェクタを前記嵌合方向とは逆方向に移動させ、前記外力が第３の力に達するかを判定する脱着制御部を有する
   ことを特徴とする請求項４記載の部品嵌合装置。
6. 加速度検出部は、固定部に対して変位可能な可動部を有するアクチュエータにおける当該固定部の加速度を検出し、
   位置検出部は、前記固定部に対する前記可動部の位置を検出し、
   ゲイン調整部は、前記位置検出部により検出された位置と基準位置との差分に対するゲインを調整し、
   外力検出部は、前記加速度検出部により検出された加速度と前記ゲイン調整部により調整されたゲインに基づき、前記可動部に加わる外力を検出し、
   作業制御部は、前記外力検出部により検出された外力に基づき、前記アクチュエータを駆動する
   ことを特徴とする部品嵌合方法。

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