JP2023036253A - ロボット装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ワークを研磨または摩擦攪拌接合する加工部２を３次元的に移動させるロボット装置１において、加工部２の質量が大きくなっても、ワークに加える加圧力の調節に支障が出ないようにする。【解決手段】ロボット装置１の加工部２は、ツール１０に重力と反対方向の力を及ぼす重力緩和部１２を有する。また、重力緩和部１２としてのエアシリンダは、次のようなピストン１９、および、ケース２１を具備する。すなわち、ピストン１９は、ツール１０に一体化され、ケース２１は、ロボット３に対して相対的に変位しないボディ１７に一体化されている。そして、ケース２１に対し、ピストン１９が相対的に変位するように制御され、ピストン１９がケース２１に対し、相対的に変位しようとすることで、ツール１０に重力と反対方向の力が作用する。【選択図】図１

Description

本発明は、被加工部材（以下、ワークと呼ぶことがある。）を研磨または摩擦攪拌接合するツールを有する加工部を備え、この加工部をロボットにより３次元的に移動させるロボット装置に関する。

従来から、上記のようなロボット装置では、次のような構成が周知となっている。すなわち、ロボット装置において、ロボットは、多関節のアームを有し、アームの先端に、研磨ツールや接合ツールを含む加工部を保持する。そして、ロボット装置は、ロボットの動作を制御してツールを所定の軌跡に沿って３次元的に変位させることで、ワークに研磨や摩擦攪拌接合を施す（例えば、特許文献１、２参照。）。

また、近年、加工後のワークの仕上がり品質に対する要求が高まっていることから、ロボットの動作制御によってツールの位置を制御することに加えて、ツールがワークに加える加圧力を状況に応じて変化させる要望が高まっている。
しかし、このような要求を満たそうとすると、加圧力を変化させるアクチュエータや、アクチュエータからツールに加圧力を伝達する機構などを加工部に追加する必要があり、加工部の質量が大きくなってしまう。このため、アクチュエータによる加圧力の調節が困難になる可能性がある。

特許第６２３９１７２号公報 特開２０１５－８５４８５号公報

本開示は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、ワークを研磨または摩擦攪拌接合する加工部を３次元的に移動させるロボット装置において、加工部の質量が大きくなっても、ワークに加える加圧力の調節に支障が出ないようにすることにある。

本開示の第１の態様に係るロボット装置は、次の加工部およびロボットを備える。まず、加工部は、所定の被加工部材に加圧力を加えながら研磨する。また、ロボットは、加工部をエンドエフェクタとして保持し、加工部が３次元的に変位するように制御される。また、加工部は、次のような作用部、加圧力調整部および重力緩和部を有する。まず、作用部は、被加工部材を研磨する。また、加圧力調整部は、加圧力を変化させるための出力を発生するアクチュエータを具備し、アクチュエータの出力により作用部をロボットに対して相対的に変位させて加圧力を調整する。

さらに、重力緩和部は、作用部に重力と反対方向の力を及ぼす。そして、重力緩和部は、作用部に一体化された可動部、および、加工部の内、ロボットに対して相対的に変位しない部位に一体化された固定部を具備し、固定部に対し、可動部が相対的に変位するように制御され、可動部が固定部に対し、相対的に変位しようとすることで、作用部に重力と反対方向の力を及ぼす。

本開示の第２の態様に係るロボット装置によれば、加工部は、所定の被加工部材に加圧力を加えながら摩擦攪拌接合し、作用部は、被加工部材を摩擦攪拌接合する。
これにより、ワークを研磨または摩擦攪拌接合するための加工部を３次元的に移動させるロボット装置において、加工部の質量が大きくなっても、ワークに加える加圧力の調節に支障が出ないようにする、という課題を解決することができる。

ロボット装置の全体構成図である（実施例）。

実施形態のロボット装置を、以下の実施例に基づき説明する。

〔実施例の構成〕
実施例のロボット装置１の構成を、図１を用いて説明する。
ロボット装置１は、以下の加工部２、ロボット３、制御部４および検出部５を備える。
まず、加工部２は、所定の被加工部材（ワーク）に加圧力を加えながら研磨するものであり、ロボット３は、加工部２をエンドエフェクタとして保持し、加工部２が３次元的に変位するように制御部４により制御される。

ここで、ロボット３は、多関節のアーム６を有し、アーム６の先端で加工部２をエンドエフェクタとして保持する。また、アーム６が有するそれぞれの関節にはサーボモータ７ａ、７ｂ、７ｃが組み入れられており、制御部４は、サーボモータ７ａ、７ｂ、７ｃを制御することにより、ロボット３の動作を制御する。そして、ロボット３は、制御部４による動作制御によって加工部２を所定の軌跡に沿って３次元的に変位させる。

なお、サーボモータ７ａ、７ｂ、７ｃは、制御部４により通電制御されるものであり、例えば、固定子、回転子それぞれに３相のコイル、永久磁石を装備した周知のブラシレス構造を有する。また、サーボモータ７ａ、７ｂ、７ｃの各々には、回転子の回転角を検出するエンコーダ８ａ、８ｂ、８ｃが装備されている。

また、制御部４は、周知構造のマイクロコンピュータ等を含んで構成される制御ユニットであり、サーボモータ７ａ、７ｂ、７ｃ等を通電制御するための演算処理等を行う。ここで、制御部４には、マイクロコンピュータとともに、サーボモータ７ａ、７ｂ、７ｃへの通電量を変化させるためのインバータ回路や、サーボモータ７ａ、７ｂ、７ｃに通電される電流を検出する電流センサ等が設けられている。なお、電流センサは周知の電流検出抵抗からなるものである。

そして、制御部４は、エンコーダ８ａ、８ｂ、８ｃから出力される信号に基づき、加工部２の位置や姿勢を検出する。さらに、制御部４は、加工部２の位置や姿勢の検出値が、所定の軌跡に基づき設定される指令値と略一致するようにサーボモータ７ａ、７ｂ、７ｃを通電制御する。これにより、加工部２は、所定の軌跡に沿って３次元的に移動してワークを研磨する。
なお、制御部４は、後記するように、加工部２が有する加圧力調整部１１および重力緩和部１２に対する制御も実行する。以下、加工部２について、さらに詳述する。

加工部２は、次の作用部１０、加圧力調整部１１および重力緩和部１２を有する。
まず、作用部１０は、ワークを研磨するものである（以下、作用部１０をツール１０と呼ぶことがある。）。なお、ツール１０は、自身を駆動するモータ７ｄとともにユニットを構成している。

ツール１０は、例えば、砥石等であり、ワークの表面の内、研磨すべき部位に押し当てられて回転駆動されるものであり、モータ７ｄにより回転駆動される。
また、モータ７ｄは、周知のブラシレス構造を有する。さらに、モータ７ｄは、周知のインバータ回路、電流センサおよびコントローラ等を有し、例えば、モータ７ｄに通電される電流に基づき回転数を制御する。なお、電流センサは、例えば、周知の電流検出抵抗からなるものである。

次に、加圧力調整部１１は、加圧力を変化させるための出力を発生するアクチュエータを具備し、アクチュエータの出力によりツール１０をロボット３に対して相対的に変位させて加圧力を調整する。

アクチュエータは、例えば、次のようなサーボモータ７ｅである。
すなわち、サーボモータ７ｅは、サーボモータ７ａ、７ｂ、７ｃと同様に、固定子、回転子それぞれに３相のコイル、永久磁石を装備した周知のブラシレス構造を有し、制御部４により通電制御される。また、サーボモータ７ｅにも、回転子の回転角を検出するエンコーダ８ｅが装備されている。

そして、制御部４は、エンコーダ８ｅから出力される信号に基づき、サーボモータ７ｅを通電制御する。なお、制御部４には、サーボモータ７ｅへの通電量を変化させるためのインバータ回路や、サーボモータ７ｅに通電される電流を検出する電流センサが設けられている。また、電流センサは周知の電流検出抵抗からなるものである。

また、加圧力調整部１１は、アクチュエータとしてのサーボモータ７ｅ以外に、次のボールネジ１４等を有する。
まず、ボールネジ１４は、回転運動を直線運動に変換する周知の機械要素であり、次のようなネジ１５およびスライド部材１６を具備する。すなわち、ネジ１５は、サーボモータ７ｄの出力により回転駆動されるものであり、スライド部材１６は、ネジ１５と螺合するネジ穴を有し、回転を規制され、ネジ１５の回転により直進駆動される。

また、スライド部材１６は、ツール１０およびサーボモータ７ｄからなるユニットを保持する。さらに、ネジ１５と、スライド部材１６の内、ネジ穴の近傍部分とは、所定のボディ１７に収容されており、ボディ１７は、ロボット３の先端に締結されている。そして、ボディ１７内で、ネジ１５が回転することにより、スライド部材１６が直動する。

以上により、加工部２では、サーボモータ７ｅが発生するトルクをボールネジ１４によって推力に変換するとともにスライド部材１６を介してツール１０に伝達する。また、ツール１０に伝達された推力が加圧力としてワークに作用する。
そして、加圧力調整部１１は、次のように制御部４によって制御される。

例えば、制御部４は、加工部２の軌跡等に基づき加圧力の目標値を算出し、さらに、サーボモータ７ｅに流れる電流の指令値を算出する。そして、制御部４は、電流センサの信号から得られる検出値が指令値に略一致するようにサーボモータ７ｅを通電制御する。これにより、加工部２の軌跡等に基づき加圧力を自在に変化させることで、加工後のワークの仕上がり品質を高めている。

さらに、重力緩和部１２は、ツール１０に重力と反対方向の力を及ぼすものである。ここで、重力緩和部１２は、例えば、エアシリンダであり、次のような可動部および固定部を具備する。まず、可動部は、ツール１０に一体化されてツール１０とともに変位するものであり、固定部は、ロボット３に対して相対的に変位しない部位に一体化されるものである。

エアシリンダは、空気圧により駆動されるピストン１９、ピストン１９を収容するとともに空気圧の圧力室２０を形成するケース２１、空気圧と反対方向にピストン１９を付勢するスプリング２２等を具備する。また、圧力室２０に圧力空気を流出入させる駆動部２３が設けられている。

駆動部２３は、圧力室２０への圧力空気の流入側、流出側それぞれの流路を開閉する電磁弁等を備える周知の構成を有し、制御部４からの指令に応じて、圧力室２０への圧力空気の流出入を操作する（以下、重力緩和部１２がツール１０に及ぼす力であって重力と反対方向の力を、緩和力と呼ぶことがある。）。

ここで、ピストン１９は、ケース２１の外に突出した先端がスライド部材１６に締結されており、スライド部材１６およびモータ７ｄを介してツール１０に一体化しており、上記の可動部に相当する。また、ケース２１は、ボディ１７に固定されてロボット３に対して相対的に変位しない部位であり、上記の固定部に相当する。
また、制御部４は、駆動部２３に指令して、ケース２１に対しピストン１９が相対的に変位するように制御し、このような制御によって、ピストン１９がケース２１に対し、相対的に変位しようとすることで、ツール１０に緩和力が作用する。

次に、検出部５は、加圧力の方向と重力の方向との角度差を検出するものであり、例えば、ジャイロセンサを内蔵するデジタル角度計であり、例えば、ボディ１７に一体化されている。そして、制御部４は、検出部５により検出される角度差に基づき緩和力を制御する。具体的には、例えば、角度差が小さいほど、重力の内、加圧力の方向に作用する分力が大きくなるので、制御部４は、角度差が小さいほど、緩和力を強めるように重力緩和部１２を制御する。つまり、圧力室２０の空気圧を増加させる。

〔実施例の効果〕
実施例のロボット装置１は、次の加工部２およびロボット３を備える。まず、加工部２は、ワークに加圧力を加えながら研磨する。また、ロボット３は、加工部２をエンドエフェクタとして保持し、加工部２が３次元的に変位するように制御される。
また、加工部２は、次のようなツール１０、加圧力調整部１１および重力緩和部１２を有する。まず、ツール１０は、ワークを研磨する。また、加圧力調整部１１は、加圧力を変化させるための出力を発生するサーボモータ７ｅを具備し、サーボモータ７ｅの出力によりツール１０をロボット３に対して相対的に変位させて加圧力を調整する。

さらに、重力緩和部１２は、ツール１０に重力と反対方向の力を及ぼす。また、重力緩和部１２としてのエアシリンダは、次のピストン１９、および、ケース２１を具備する。すなわち、ピストン１９は、ツール１０に一体化され、ケース２１は、ロボット３に対して相対的に変位しないボディ１７に一体化されている。そして、ケース２１に対し、ピストン１９が相対的に変位するように制御され、ピストン１９がケース２１に対し、相対的に変位しようとすることで、ツール１０に重力と反対方向の力が作用する。

これにより、重力緩和部１２がツール１０に及ぼす力（緩和力）により、ツール１０の操作に対する加工部２の質量の影響を緩和することができる。このため、加圧力調整部１１が加工部２に加わって加工部２の質量が大きくなっても、加圧力の調節に支障が出ないようにすることができる。

また、ロボット装置１は、重力緩和部１２がツール１０に及ぼす力を制御する制御部４、および、加圧力の方向と重力の方向との角度差を検出する検出部５を備える。そして、制御部４は、検出部５により検出される角度差に基づき、重力緩和部１２がツール１０に及ぼす力を制御する。
これにより、加圧力の方向に応じて緩和力を調節することができる。すなわち、加工部２の質量、つまり、加工部２に作用する重力が加圧力に及ぼす影響を加味して緩和力を制御することができる。このため、より高精度に加圧力を制御することができる。

〔変形例〕
実施例は具体的な一例を開示するものであり、本発明が実施例に限定されないことは言うまでもない。
例えば、実施例のロボット装置１によれば、ツール１０はワークを研磨するものであったが、ツール１０には、例えば、ワークとしての２つの被接合部材を摩擦攪拌接合する接合ツールを採用してもよい。

また、実施例のロボット装置１によれば、ツール１０とユニットを構成するモータ７ｄは、自身がインバータ回路、電流センサおよびコントローラ等を有し、モータ７ｄに通電される電流に基づき回転数を制御するものであったが、モータ７ｄの態様は実施例に限定されない。例えば、モータ７ｄとしてエア駆動モータを採用してもよい。また、制御部４に、モータ７ｄ制御用のインバータ回路や電流センサを装備するとともに、モータ７ｄに、回転子の回転角を検出するエンコーダを装備して、制御部４に、モータ７ｄを制御させてもよい。

さらに、実施例のロボット装置１によれば、重力緩和部１２としてエアシリンダが採用され、空気圧が緩和力として利用されていたが、例えば、重力緩和部１２としてソレノイドを採用し、磁気的な吸引力を緩和力として利用してもよく、油圧シリンダを採用し、油圧力を緩和力として利用してもよく、モータを採用し、モータのトルクを推力に変換して緩和力として利用してもよい。

１ ロボット装置 ２ 加工部 ３ ロボット ４ 制御部 ７ｅ サーボモータ（アクチュエータ） １０ ツール（作用部） １１ 加圧力調整部 １２ 重力緩和部 １７ ピストン（可動部） ２１ ケース（固定部）

Claims (3)

1. 所定の被加工部材に加圧力を加えながら研磨する加工部と、
   この加工部をエンドエフェクタとして保持し、前記加工部が３次元的に変位するように制御されるロボットとを備え、
   前記加工部は、
   前記被加工部材を研磨する作用部と、
   前記加圧力を変化させるための出力を発生するアクチュエータを具備し、このアクチュエータの出力により前記作用部を前記ロボットに対して相対的に変位させて前記加圧力を調整する加圧力調整部と、
   前記作用部に重力と反対方向の力を及ぼす重力緩和部とを有し、
   この重力緩和部は、
   前記作用部に一体化された可動部、および、前記加工部の内、前記ロボットに対して相対的に変位しない部位に一体化された固定部を具備し、この固定部に対し、前記可動部が相対的に変位するように制御され、前記可動部が前記固定部に対し、相対的に変位しようとすることで、前記作用部に重力と反対方向の力を及ぼすことを特徴とするロボット装置。
2. 所定の被加工部材に加圧力を加えながら摩擦攪拌接合する加工部と、
   この加工部をエンドエフェクタとして保持し、前記加工部が３次元的に変位するように制御されるロボットとを備え、
   前記加工部は、
   前記被加工部材を摩擦攪拌接合する作用部と、
   前記加圧力を変化させるための出力を発生するアクチュエータを具備し、このアクチュエータの出力により前記作用部を前記ロボットに対して相対的に変位させて前記加圧力を調整する加圧力調整部と、
   前記作用部に重力と反対方向の力を及ぼす重力緩和部とを有し、
   この重力緩和部は、
   前記作用部に一体化された可動部、および、前記加工部の内、前記ロボットに対して相対的に変位しない部位に一体化された固定部を具備し、この固定部に対し、前記可動部が相対的に変位するように制御され、前記可動部が前記固定部に対し、相対的に変位しようとすることで、前記作用部に重力と反対方向の力を及ぼすことを特徴とするロボット装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のロボット装置において、
   前記重力緩和部が前記作用部に及ぼす力を制御する制御部と、
   前記加圧力の方向と重力の方向との角度差を検出する検出部とを備え、
   前記制御部は、この検出部により検出される角度差に基づき、前記重力緩和部が前記作用部に及ぼす力を制御することを特徴とするロボット装置。

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