JP2020082306A - 部品挿入装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固定側の物体の質量に関係なく、容易にはめ込み作業を行うことができる部品挿入装置を提供すること。【解決手段】部品挿入装置１０は、部品を把持する把持部１４と、把持部の位置および姿勢を制御するマニピュレータ１１と、を備え、把持部で把持された部品１６と把持されていない部品１７との嵌め合いを行い、把持部に振動を発生させ、把持部で把持された部品を振動させる振動源１５（３２）と、把持部で把持された部品が把持されていない部品と接触した際に把持部で把持された部品が受動的に位置を変位させる変位発生部１５（３１）と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、嵌め合いが必要な組立工程全般に適用可能な部品挿入装置に関する。

従来、２つの物体を嵌め合わせる嵌合作業を行う場合、一方の物体を固定し、その固定した物体に他方の物体を接触させて嵌め合い作業を行っていた。その際に、物体をより挿入しやすくするため、いずれかの物体に振動を与えることが行われていた。

このような嵌合作業を行う技術として、例えば、特許文献１には、超音波振動により、固定側の部品を振動させて挿入しやすくする技術が開示されている。その際に、把持部を緩めてガイド代わりにし、その把持部とは別の振動源を上から当て、かつ押し込み方向に力を加えている。

また、特許文献２には、一方の土台側の部品に振動を与え、他方のハンド側の部品に弾性体を持たせて、振動状態で接触させることで部品の嵌め合いを行う技術が開示されている。ここで、振動方向は、上下方向、上下方向および横方向、傾斜方向、のいずれかの方向が想定されている。

特開昭６２−２２４７１１ 特開平０４−３１０３２８

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、振動子に弾性力がなく、組み付ける部品同士の位置ずれが大きくなると、部品間で発生する反力が大きくなり、物体をはめ込む際の摩擦力が大きくなるため、嵌めあう２つの部品の位置ずれの許容範囲が小さい。また、挿入時には部品を掴んでおらず、把持部側の部品の姿勢が保てないため、部品が正しく挿入できないことがある。

また、特許文献２に記載の技術では、固定側のワークを振動させる必要があるが、質量が大きくなると、振動させるためのエネルギーが足りず、十分な振動を与えられないため、固定側のワークの質量が大きいと効果が出せない。さらに、水平方向に振動を与える場合、片側から振動源を当てると、振動子の力は押し出す方向しか発生できず、復元力は把持側の弾性体の変位によって発生する力しかないため、十分な復元力（振動中心方向に向かう力）を発生できない。

本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、固定側の物体の質量に関係なく、容易にはめ込み作業を行うことができる部品挿入装置を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る部品挿入装置は、部品を把持する把持部と、把持部の位置および姿勢を制御するマニピュレータと、を備え、把持部で把持された部品と把持されていない部品との嵌め合いを行う部品挿入装置であって、把持部に振動を発生させ、把持部で把持された部品を振動させる振動源と、把持部で把持された部品が把持されていない部品と接触した際に把持部で把持された部品が受動的に位置を変位させる変位発生部と、を備える。

以上のように、本発明に係る部品挿入装置は、固定側の物体の質量に関係なく、容易にはめ込み作業を行うことができる。

本発明の第１実施形態に係る部品挿入装置の全体構成例を示す模式図である。 本発明の第１実施形態に係る部品挿入装置の部分拡大図である。 本発明の第１実施形態に係る部品挿入装置に用いられる静電アクチュエータの構成例を示す模式図である。 本発明の第１実施形態に係る部品挿入装置に用いられる静電アクチュエータの変形例を表す模式図である。 本発明の第１実施形態に係る部品挿入装置を用いた部品挿入手順を表す模式図である。 本発明の第１実施形態に係る部品挿入装置を用いた部品挿入手順を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る部品挿入装置の部分拡大図である。 本発明の第３実施形態に係る部品挿入装置の部分拡大図である。 本発明の第３実施形態に係る部品挿入装置の多指ハンド部を示す模式図である。 本発明の第４実施形態に係る部品挿入装置の全体構成例を示す模式図である。 本発明の第５実施形態に係る部品挿入装置の全体構成例を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。以下に説明する各実施形態は、本発明の代表的な実施形態の一例を示したものであり、これにより本発明の範囲が狭く解釈されることはない。また、以下の各実施形態の構成は、いずれも他の実施形態の構成と組み合わせることが可能である。

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係る部品挿入装置について図１〜図６を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る部品挿入装置１０の全体構成例を示す模式図である。図２は、本実施形態に係る部品挿入装置１０の部分拡大図である。

図１および図２に示すように、本実施形態に係る部品挿入装置１０は、一例として、マニピュレータである多関節型ロボットアーム部１１と、ベース部１２と、グリッパ等の把持装置１３と、を備えている把持装置１３は、把持する部品に適した爪形状の２カ所の把持部１４と、挿入する部品と接触する位置に配置された振動源である静電アクチュエータ１５と、を備えている。静電アクチュエータ１５は、各把持部１４の対向面に対向配置されている。多関節型ロボットアーム部１１は、先端に把持装置１３を取り付け、把持部１４の位置および姿勢を制御し、把持する部品と固定された部品との相対位置を変更することができる。

部品挿入装置１０は、把持装置１３の把持部１４で静電アクチュエータ１５を介して把持側部品１６を把持することができる。把持側部品１６と嵌め合わされる固定側部品１７は、床面等に固定冶具１８で固定され、把持側部品１６が挿入される方向に開口した挿入孔２０が形成されている。このように、部品挿入装置１０は、把持部１４で把持された把持側部品１６と把持部１４で把持されていない固定側部品１７との嵌め合いを行う装置である。

図３は、本実施形態に係る部品挿入装置１０に用いられる静電アクチュエータ１５の構成例を示す模式図である。図３に示すように、静電アクチュエータ１５は、その中央部に位置し、弾性変形する圧電材料である誘電エラストマー等の弾性体の圧電素子３１と、圧電素子３１をその両側面から挟み込む電極３２と、で構成されている。静電アクチュエータ１５は、把持部１４に振動を発生させ、把持部１４で把持された把持側部品１６を振動させるものである。そして、静電アクチュエータ１５が各把持部１４に対向配置されていることにより、少なくとも２つ以上の振動源である電極３２と変位発生部である圧電素子３１とが、把持部１４で把持された把持側部品１６に対して対向配置している。なお、静電アクチュエータ１５に供給する電源電圧および周波数は、可変にすることができ、これにより静電アクチュエータ１５の振幅および周波数を変更させることができる。

圧電素子３１は、部品同士の接触による反力を抑え、把持部１４で把持された把持側部品１６が把持されていない固定側部品１７と接触した際に、把持部１４で把持された把持側部品１６が受動的に位置を変位させる変位発生部としての役割を有する。圧電素子３１は、静電アクチュエータ１５の振幅以上に変位を発生させることができ、かつ変位によって大きな反力が発生しないものを用いることができる。このように、弾性体の圧電材料で形成された静電アクチュエータ１５を用いることで、単一のアクチュエータで振動源と変位発生部とを兼ねることができる。

＜変形例＞
次に、本実施形態の変形例について説明する。図４は、本実施形態に係る部品挿入装置１０に用いられる静電アクチュエータの変形例を示す模式図である。図４に示すように、部品挿入装置１０に用いられる静電アクチュエータ１５は、１つだけに限らず、３つを直列接続したものであってもよく、複数重ね合わせて用いてもよい。ここで、３つの静電アクチュエータ１５を電源Ｅに直列接続したときの接続方向の幅Ｄは、振動によって数十μｍ〜数百μｍに変動する。本実施形態の変形例によれば、複数の圧電素子を重ね合わせて同期させることで、より大きな振幅の振動を発生させることができる。なお、本実施形態では３つの静電アクチュエータ１５を直列接続しているが、マニピュレータの位置決め精度を考慮し、直列接続する静電アクチュエータ１５の数を変えることで、適切な振動方向幅Ｄを調節することができる。

次に、図５および図６を用いて、本実施形態に係る部品挿入装置１０を用いた部品挿入手順の例について説明する。図５は、部品挿入装置１０を用いた部品挿入手順を表す模式図である。図５Ａは把持側部品の挿入前を表し、図５Ｂは部品同士の接触時を表し、図５Ｃは把持側部品と固定側部品との嵌めあい作業中を表している。また、図６は、部品挿入装置１０を用いた部品挿入手順を表すフローチャートである。

まず、Ｓ６０１において、部品挿入装置１０は、多関節型ロボットアーム部１１で把持装置１３を把持側部品１６の近くまで移動させる。

Ｓ６０２において、部品挿入装置１０は、図５Ａに示すように、把持装置１３の把持部１４で静電アクチュエータ１５を介して把持側部品１６を把持する。

Ｓ６０３において、部品挿入装置１０は、図５Ａに示すように、多関節型ロボットアーム部１１で把持側部品１６を把持した把持装置１３を固定側部品１７付近まで移動させる。

Ｓ６０４において、部品挿入装置１０は、把持部１４で把持側部品１６を把持したまま、静電アクチュエータ１５を振動させる。このとき、静電アクチュエータ１５の振動方向は、一例として、把持側部品１６の挿入方向に対して垂直な方向とすることができる。

Ｓ６０５において、部品挿入装置１０は、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、静電アクチュエータ１５で把持側部品１６を振動させながら把持側部品１６を固定側部品１７に近づけていく。

Ｓ６０６において、部品挿入装置１０は、図５Ｂに示すように、把持側部品１６と固定側部品１７が接触すると、静電アクチュエータ１５の圧電素子３１が変形して把持側部品１６が固定側部品１７の挿入孔２０に倣うように把持側部品１６を挿入する。このように、部品挿入装置１０は、静電アクチュエータ１５で把持側部品１６を振動させながら固定側部品１７に押し当てることで部品同士の嵌めあいを行うことができる。

Ｓ６０７において、部品挿入装置１０は、把持側部品１６を固定側部品１７の挿入孔２０に挿入完了後、静電アクチュエータ１５を停止させる。

Ｓ６０８において、部品挿入装置１０は、把持側部品１６から把持装置１３の把持部１４を開放する。

以上の通り、本実施形態に係る部品挿入装置１０によれば、振動源である静電アクチュエータ１５の電極３２と、把持側部品１６および固定側部品１７の部品同士の接触による反力を抑える変位発生部である静電アクチュエータ１５の圧電素子３１と、を把持装置１３側に設けているため、固定側の物体の質量に関係なく、容易に部品の嵌め込み作業を行うことができる。

また、静電アクチュエータ１５の圧電素子３１が弾性体であるため、把持部１４で把持した把持側部品１６と固定側部品１７とが接触すると、圧電素子３１が弾性変形し、部品同士間で発生する反力が小さくなり、はめ込み作業時の摩擦力を低減させることができる。

また、静電アクチュエータ１５の振幅は、静電アクチュエータ１５への電圧調整または静電アクチュエータ１５を複数積層することで調節することができる。

さらに、部品挿入装置１０は、把持側部品１６と固定側部品１７との間に位置ずれがあっても、多関節型ロボットアーム部１１の精度に合わせて静電アクチュエータ１５の振幅を変えることによって、嵌め込み作業を行うことができる。なお、多関節型ロボットアーム部１１は、静電アクチュエータ１５の振幅以下の精度で把持装置１３を位置決めすることができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係る部品挿入装置について説明する。図７は、本実施形態に係る部品挿入装置７０の部分拡大図である。本実施形態に係る部品挿入装置７０が第１実施形態に係る部品挿入装置１０と相違する点は、振動源が超音波振動子７１であり、変位発生部がゴム等の弾性体７２である点である。

図７に示すように、部品挿入装置７０は、把持部１４に取り付けられ把持側部品１６と接触する振動源が超音波振動子７１で形成され、把持部１４と超音波振動子７１との間に配置される変位発生部がゴム等の弾性体７２で形成されている。

本実施形態に係る部品挿入装置７０によれば、第１実施形態に係る部品挿入装置１０と同様に、固定側の物体の質量に関係なく、容易に部品の嵌め込み作業を行うことができる。また、部品挿入装置７０によれば、振動源としての超音波振動子７１と、変位発生部としての弾性体７２が自由に組み合わせることができるため、作業対象に応じて、弾性体７２の材料を自由に交換可能となり、作業対象に応じて適切な変位発生部の特性（硬度、厚みなど）を容易に変更することが可能となる。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態に係る部品挿入装置について説明する。図８は、本実施形態に係る部品挿入装置８０の部分拡大図である。図９は、本実施形態に係る部品挿入装置８０の多指ハンド部８１を示す模式図である。本実施形態に係る部品挿入装置８０が第１実施形態に係る部品挿入装置１０と相違する点は、把持部１４が多指ハンド部で形成されている点である。

図８および図９に示すように、部品挿入装置８０は、多関節型ロボットアーム部１１の先端に接続された多指ハンド部の掌８１と、掌８１から伸びる複数の多関節指ｆ１〜ｆ４および指先ｆｔ１〜ｆｔ４を備えている。本実施形態に係る部品挿入装置８０は、一例として、指先ｆｔ１および指先ｆｔ２の把持側部品１６を把持する位置に、それぞれ静電アクチュエータ８２、８３が取り付けられている。その他の指先ｆｔ３および指先ｆｔ４には、静電アクチュエータが取り付けられていない。

上記構成により、部品挿入装置８０は、把持側部品１６と固定側部品１７との嵌め合いを行う場合には、静電アクチュエータ８２、８３を備えた指先ｆｔ１、ｆｔ２で把持側部品１６を挟み込み、把持側部品１６に振動を与えることができる。また、振動が必要のない作業の場合は、静電アクチュエータを持たない指先ｆｔ３、ｆｔ４も使うことで、精度高く把持側部品１６の位置決めを行うことができる。なお、本実施形態では、指先ｆｔ１〜ｆｔ４を備えた４指の多指ハンド構成としているが、３指又は、５指以上の多指ハンドとしても同様の構成が可能である。

本実施形態に係る部品挿入装置８０によれば、第１実施形態に係る部品挿入装置１０と同様に、固定側の物体の質量に関係なく、容易に部品の嵌め込み作業を行うことができる。また、部品挿入装置８０によれば、静電アクチュエータを備えた指と、静電アクチュエータを備えていない指を使い分ける構成にすることで、振動を使った嵌め合いと、高位置決め精度が必要な作業を同一ハンドで実現することができる。

＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態に係る部品挿入装置について説明する。図１０は、本実施形態に係る部品挿入装置１００の全体構成例を示す模式図である。本実施形態に係る部品挿入装置１００が第１実施形態に係る部品挿入装置１０と相違する点は、マニピュレータとして直交型アームを用いている点である。

図１０に示すように、部品挿入装置１００は、マニピュレータとして直交型アームが用いられている。部品挿入装置１００の直交型アームは、一例として、２本の平行な直動Ｘ軸１０１、１０２と、直動Ｘ軸１０１および１０２の間にそれらと直交して配置され、直動Ｘ軸１０１および１０２の上面を水平方向に可動可能な１本の直動Ｙ軸１０３と、直動Ｙ軸１０３の側面を水平方向に可動可能であり、かつ鉛直方向にも可動可能な１本の直動Ｚ軸１０４と、を備えている。

さらに、直動Ｚ軸１０４の下方には、直動Ｚ軸１０４周りに回転可能な旋回軸１０５を介して把持装置１３が取り付けられている。把持装置１３は、第１実施形態と同様に、把持する部品に適した爪形状の把持部１４と、挿入する部品と接触する位置に配置された振動源である静電アクチュエータ１５と、を備えている。

本実施形態に係る部品挿入装置１００によれば、第１実施形態に係る部品挿入装置１０と同様に、固定側の物体の質量に関係なく、容易に部品の嵌め込み作業を行うことができる。また、部品挿入装置１００によれば、垂直多関節ロボットと比べて構造が簡素化し、マニピュレータ部の剛性が高くなるため、嵌めあい時の位置の安定性を向上させることができる。

＜第５実施形態＞
次に、本発明の第５実施形態に係る部品挿入装置について説明する。図１１は、本実施形態に係る部品挿入装置１１０の全体構成例を示す模式図である。本実施形態に係る部品挿入装置１１０が第１実施形態に係る部品挿入装置１０と相違する点は、マニピュレータとしてスカラ型アームを用いている点である。

図１１に示すように、部品挿入装置１１０は、マニピュレータとしてスカラ型アームが用いられている。部品挿入装置１１０のスカラ型アームは、一例として、多関節のスカラ型ロボットアーム部１１１と、ベース部１１２と、スカラ型ロボットアーム部１１１とベース部１１２との間を水平回転可能に接続する回転軸１１３と、スカラ型ロボットアーム部１１１の先端に接続され、鉛直方向に可動可能な直動Ｚ軸１１４と、を備えている。

さらに、直動Ｚ軸１１４の下方には、直動Ｚ軸１１４周りに回転可能な旋回軸１１５を介して把持装置１３が取り付けられている。把持装置１３は、第１実施形態と同様に、把持する部品に適した爪形状の把持部１４と、挿入する部品と接触する位置に配置された振動源である静電アクチュエータ１５と、を備えている。

本実施形態に係る部品挿入装置１１０によれば、第１実施形態に係る部品挿入装置１０と同様に、固定側の物体の質量に関係なく、容易に部品の嵌め込み作業を行うことができる。また、部品挿入装置１１０によれば、垂直多関節ロボットと比べて構造が簡素化し、マニピュレータ部の剛性が高くなるため、嵌めあい時の位置の安定性を向上させることができる。

１０、７０、８０、１００、１１０ 部品挿入装置
１１、１１１ マニピュレータ（ロボットアーム部）
１２、１１２ ベース部
１３ 把持装置
１４ 把持部
１５、８２、８３ 静電アクチュエータ
１６ 把持側部品
１７ 固定側部品
１８ 固定冶具
２０ 挿入孔
３１ 圧電素子
３２ 電極
７１ 超音波振動子
７２ 弾性体
８１ 掌
ｆ１〜ｆ４ 指
ｆｔ１〜ｆｔ４ 指先
１０１、１０２ 直動Ｘ軸
１０３ 直動Ｙ軸
１０４、１１４ 直動Ｚ軸
１０５、１１５ 旋回軸
１１３ 回転軸

Claims (7)

1. 部品を把持する把持部と、該把持部の位置および姿勢を制御するマニピュレータと、を備え、前記把持部で把持された部品と把持されていない部品との嵌め合いを行う部品挿入装置であって、
   前記把持部に振動を発生させ、前記把持部で把持された部品を振動させる振動源と、
   前記把持部で把持された部品が前記把持されていない部品と接触した際に前記把持部で把持された部品が受動的に位置を変位させる変位発生部と、
   を備える部品挿入装置。
2. 少なくとも２つ以上の前記振動源と、変位発生部を把持部で把持した部品に対して対向配置する請求項１に記載の部品挿入装置。
3. 前記振動源が、静電アクチュエータである請求項１または２に記載の部品挿入装置。
4. 前記変位発生部が、前記静電アクチュエータの弾性体で構成された圧電素子である請求項１から３のいずれか一項に記載の部品挿入装置。
5. 前記静電アクチュエータに供給する電源電圧および周波数を可変にし、前記静電アクチュエータの振幅および周波数を変更させる請求項１から４のいずれか一項に記載の部品挿入装置。
6. 前記振動源が、弾性体で構成された圧電素子を備えた静電アクチュエータを複数重ね合わせる請求項１から５のいずれか一項に記載の部品挿入装置。
7. 前記振動源が、超音波振動子である請求項１または２に記載の部品挿入装置。
   

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