JP2023075498A - ロボットシステム、制御方法および制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】ねじの締め付けをより確実に実現できるソリューションを提供する。【解決手段】ロボットシステムは、ねじを回転させるためのドライバビットを装着可能なロボットと、ロボットを制御するロボットコントローラとを含む。ロボットコントローラは、ドライバビットに代えてティーチング用治具が装着された状態で、ティーチング用治具をねじと螺合するねじ穴に挿入するようにロボットに指令を与え、ティーチング用治具とねじ穴との干渉による荷重が発生しないように、ティーチング用治具を挿入する方向を調整することで、ドライバビットを挿入する方向を決定する。【選択図】図２

Description

本発明は、ロボットシステム、制御方法および制御プログラムに関する。

産業オートメーション（Industrial Automation）の分野において、様々な用途にロボットが利用されている。このような用途の一つとして、ねじの締め付けなどの作業がある。

例えば、特開２０１２－９６２９６号公報（特許文献１）は、機器の組立工程に利用されるねじ締付装置において、正確な位置に、かつ高速にねじ部材を締め付けることができるねじ締付装置を開示する。

特開２０１２－１７１０７１号公報（特許文献２）は、高機能なねじ締めロボットシステムを低コストで構築することができるロボットのねじ締め作業異常検知方法を開示する。

特開２０２１－１２２９２３号公報（特許文献３）は、簡単安価な構成により、例えば、目標位置付近が目視困難であるような教示作業などにおいて、ロボット装置のツール先端などを高精度かつ容易に位置決めできる構成を開示する。

特開２０１２－９６２９６号公報 特開２０１２－１７１０７１号公報 特開２０２１－１２２９２３号公報

特開２０１２－９６２９６号公報（特許文献１）および特開２０１２－１７１０７１号公報（特許文献２）には、ねじの締め付け中に生じる異常を検出する技術を開示するが、ロボットがねじの締め付けを開始する位置や姿勢が適切ではない可能性もある。

特開２０２１－１２２９２３号公報（特許文献３）は、ロボット装置のツール先端などを位置決めする構成を開示するものの、ねじの締め付けなどを想定したものではない。

本発明は、ねじの締め付けをより確実に実現できるソリューションを提供する。

ある実施の形態に係るロボットシステムは、ねじを回転させるためのドライバビットを装着可能なロボットと、ロボットを制御するロボットコントローラとを含む。ロボットコントローラは、ドライバビットに代えてティーチング用治具が装着された状態で、ティーチング用治具をねじと螺合するねじ穴に挿入するようにロボットに指令を与え、ティーチング用治具とねじ穴との干渉による荷重が発生しないように、ティーチング用治具を挿入する方向を調整することで、ドライバビットを挿入する方向を決定する。

この構成によれば、ティーチング用治具をねじ穴に挿入するとともに、ティーチング用治具とねじ穴との干渉による荷重が発生しないようにドライバビットを挿入する方向を決定することで、ドライバビットを挿入する方向を適切に決定できる。

ロボットコントローラは、調整済の方向に沿って、ティーチング用治具を引き抜くことで、ドライバビットに係合されたねじをねじ穴に締め付ける処理の開始位置を決定するようにしてもよい。この構成によれば、調整済の方向に沿って、ティーチング用治具を引き抜くことで、適切な高さに対応した、締め付ける処理の開始位置を容易に決定できる。

ティーチング用治具は、先端側にいくにつれて断面積が小さくなる形状を有していてもよい。この構成によれば、ドライバビットを挿入する方向を決定する際に、ティーチング用治具がねじ穴の内部に形成されたねじ溝などと干渉して挿入できなくなる可能性を低減できる。

ティーチング用治具の断面は、円形または多角形であってもよい。この構成によれば、この構成によれば、ティーチング用治具がねじ穴から荷重を受ける方向を正しく検出でき、ドライバビットを挿入する方向を適切に決定できる。

ティーチング用治具は、連続的に形成された外表面形状を有していてもよい。この構成によれば、ティーチング用治具がねじ穴の内部に形成されたねじ溝などと干渉して挿入できなくなる可能性を低減できる。

ロボットコントローラは、ティーチング用治具を挿入する方向と直交する方向に発生する荷重、および、ティーチング用治具を挿入する方向と直交する軸を中心として発生するモーメントがいずれもゼロとなるように、ティーチング用治具を挿入する方向を調整するようにしてもよい。この構成によれば、検出される荷重およびモーメントに基づいて、ティーチング用治具を挿入する方向を自動的に調整できる。

ロボットコントローラは、ティーチング用治具を予め定められた距離だけ挿入した場合、または、ティーチング用治具がねじ穴の底部に到達した場合に、ティーチング用治具の挿入を終了するようにしてもよい。この構成によれば、必要な位置までティーチング用治具を挿入することで、ねじを締め付ける処理に必要な範囲において、ドライバビットを挿入する方向を適切に決定できる。

ロボットコントローラは、ティーチング用治具の挿入を終了する直前において、ティーチング用治具とねじ穴との干渉による荷重が発生じていれば、ティーチング用治具を挿入する方向を再度調整するようにしてもよい。この構成によれば、ティーチング用治具を挿入する方向を適切に調整できているか否かを判断できるとともに、必要に応じて、再調整を行うことができる。

別の実施の形態によれば、ねじを回転させるためのドライバビットを装着可能なロボットを制御する制御方法が提供される。制御方法は、ドライバビットに代えてティーチング用治具を装着するステップと、ティーチング用治具をねじと螺合するねじ穴に挿入するステップと、ティーチング用治具とねじ穴との干渉による荷重が発生しないように、ティーチング用治具を挿入する方向を調整することで、ドライバビットを挿入する方向を決定するステップとを含む。

さらに別の実施の形態によれば、ねじを回転させるためのドライバビットを装着可能なロボットを制御するための制御プログラムが提供される。制御プログラムはコンピュータに、ドライバビットに代えてティーチング用治具が装着された状態で、ティーチング用治具をねじと螺合するねじ穴に挿入するようにロボットに指令を与えるステップと、ティーチング用治具とねじ穴との干渉による荷重が発生しないように、ティーチング用治具を挿入する方向を調整することで、ドライバビットを挿入する方向を決定するステップとを実行させる。

本発明によれば、ねじの締め付けをより確実に実現できるソリューションを提供できる。

本実施の形態に係るロボットシステムのねじ締め付け動作の一例を示す模式図である。 本実施の形態に係るロボットシステムの締め付け処理前ティーチングの一例を示す模式図である。 本実施の形態に係るロボットシステムのハードウェア構成例を示す模式図である。 本実施の形態に係るロボットシステムが解決しようとする課題について説明するための図である。 本実施の形態に係るロボットシステムによる締め付け処理前ティーチングの概要を説明するための模式図である。 本実施の形態に係るロボットシステムに用いられるティーチング用治具の一例を示す模式図である。 本実施の形態に係るロボットシステムの制御に用いられる座標系を説明するための図である。 本実施の形態に係るロボットシステムが実行する締め付け処理前ティーチングの処理手順を説明するための図である。 本実施の形態に係るロボットシステムが実行する締め付け処理前ティーチングの処理手順を示すフローチャートである。 本実施の形態に係るロボットシステムが実行する締め付け処理前ティーチングの時間波形の一例を示す図である。 本実施の形態に係るロボットシステムにおける座標系変換の一例を説明するための図である。

本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。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰り返さない。

＜Ａ．適用例＞
まず、本発明が適用される場面の一例について説明する。

図１は、本実施の形態に係るロボットシステム１のねじ締め付け動作の一例を示す模式図である。図１を参照して、ロボットシステム１は、多関節ロボット（以下、単に「ロボット１０」と称す。）と、ロボット１０を制御するロボットコントローラ１００とを含む。

ロボットシステム１のロボット１０は、ドライバビット２０の先端に保持されたねじ５０をワーク７０に締め付ける。

ロボット１０は、ベース１１と、複数の可動部１２，１３，１４，１５，１６，１７とを含む。可動部１２，１３，１４，１５，１６，１７は、ロボット１０のジョイントに相当する。可動部１２，１３，１４，１５，１６，１７の各々は、図１に示すような回転軸に沿ってロボット１０を構成するリンクを駆動する。ロボット１０のアーム先端には、エンドエフェクタ１８が取り付けられている。エンドエフェクタ１８には、任意のツール先端治具が装着可能になっている。

図１に示す構成例においては、エンドエフェクタ１８には、ねじ５０を回転させるためのドライバビット２０が回転可能に取り付けられている。ドライバビット２０がねじ５０を保持するための機構の一例として、ドライバビット２０の外周側には吸着スリーブ２２が設けられている。ドライバビット２０の先端近傍には、吸着スリーブ２２の開口部２１が設けられている。吸着スリーブ２２は、図示しないエジェクタと連通しており、エジェクタが発生する負圧によりねじ５０を吸着する。また、エジェクタから吸着スリーブ２２までの経路には、当該経路のゲージ圧を検出する図示しない圧力センサ２８が設けられている。

ドライバビット２０にねじ５０を保持するための機構は、負圧によりねじ５０を吸着する。但し、ドライバビット２０にねじ５０を保持するための機構としては、吸着（負圧）による構成に限らず、磁力を用いる構成などを用いてもよい。

ロボット１０のアームにエンドエフェクタ１８が取り付けられる部分には、エンドエフェクタ１８およびツール先端治具（ドライバビット２０など）に発生する荷重を検出する荷重センサ１９が設けられている。荷重センサ１９は、発生している荷重の大きさ、および、荷重が発生している方向を示す検出結果を出力する。荷重センサ１９の検出結果は、一種のベクトルの形で出力されてもよい。

ロボットコントローラ１００には、情報処理装置２００が接続されてもよい。情報処理装置２００は、典型的には、汎用コンピュータであり、ロボットコントローラ１００からの情報をユーザに提示するとともに、ユーザ操作に従ってユーザ指示をロボットコントローラ１００へ与える。

図２は、本実施の形態に係るロボットシステム１の締め付け処理前ティーチングの一例を示す模式図である。図２を参照して、ロボットシステム１は、図１に示す締め付け動作を行うための初期位置および初期姿勢を決定する機能を有している。以下、締め付け動作を行うための初期位置および初期姿勢をそれぞれ「締め付け開始位置」および「締め付け開始姿勢」と称する。

ロボットコントローラ１００は、図１に示す締め付け動作を開始するにあたって、ねじ５０を保持するドライバビット２０が締め付け開始姿勢となるとともに、締め付け開始位置に配置されるように、ロボット１０に指令を与える。

締め付け開始位置および締め付け開始姿勢が適切ではないと、ねじ５０の締め付けに失敗する可能性が高くなる。そのため、ロボットシステム１は、適切な締め付け開始位置および締め付け開始姿勢を決定する。このような適切な締め付け開始位置および締め付け開始姿勢を決定する処理を、「締め付け処理前ティーチング」と称する。

より具体的には、締め付け処理前ティーチングにおいては、ロボット１０のツール先端治具として、ドライバビット２０に代えて、ティーチング用治具６０を装着する。ロボットコントローラ１００は、装着されたティーチング用治具６０をワーク７０に設けられたねじ穴７２に挿入するとともに、挿入中の荷重センサ１９による検出結果に基づいて、適切な締め付け開始位置および締め付け開始姿勢を決定する。

このようなティーチング用治具６０を用いることで、締め付け開始位置および締め付け開始姿勢をより正確に決定することができる。

＜Ｂ．ロボットシステム１のハードウェア構成例＞
図３は、本実施の形態に係るロボットシステム１のハードウェア構成例を示す模式図である。図３を参照して、ロボット１０は、可動部１２，１３，１４，１５，１６，１７にそれぞれ対応付けられたモータ３１，３２，３３，３４，３５，３６と、モータ３１，３２，３３，３４，３５，３６をそれぞれ駆動するドライバ４１，４２，４３，４４，４５，４６とを含む。また、ロボット１０は、ドライバビット２０を回転駆動するためのモータ３７およびドライバビット２０を上下方向に移動するためのモータ３８、ならびに、モータ３７，３８をそれぞれ駆動するドライバ４７，４８を含む。

ロボット１０は、負圧を発生するエジェクタ３９と、エジェクタ３９による負圧の発生のオン／オフを制御する電磁弁４９とを含む。

ドライバ４１，４２，４３，４４，４５，４６，４７，４８、荷重センサ１９、圧力センサ２８およびティーチングペンダント２６は、インターフェイス４０を介して、ロボットコントローラ１００と電気的に接続される。ティーチングペンダント２６は、ユーザ操作に応じて、ロボット１０のティーチングなどを行う。ティーチングペンダント２６は、ロボット１０に対して着脱可能に構成されてもよい。

ロボットコントローラ１００は、一種のコンピュータであり、主要なハードウェアコンポーネントとして、プロセッサ１０２と、メモリ１０４と、インターフェイス１０６と、ストレージ１１０とを含む。これらのコンポーネントはバス１０８を介して電気的に接続される。

プロセッサ１０２は、典型的には、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro-Processing Unit）などで構成される。メモリ１０４は、典型的には、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）やＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）などの揮発性記憶装置で構成される。ストレージ１１０は、典型的には、ＳＳＤ（Solid State Disk）やフレッシュメモリなどの不揮発性記憶装置で構成される。ストレージ１１０は、基本的な処理を実現するためのシステムプログラム１１２と、制御プログラム１１４とを格納する。制御プログラム１１４は、ロボット１０を制御するためのコンピュータ読取可能な命令を含む。プロセッサ１０２は、ストレージ１１０に格納されたシステムプログラム１１２および制御プログラム１１４を読出して、メモリ１０４に展開して実行することで、後述するようなロボット１０を制御するための処理を実現する。

インターフェイス１０６は、ロボットコントローラ１００とロボット１０との間の信号および／またはデータのやり取りを担当する。ロボットシステム１においては、ドライバ４１，４２，４３，４４，４５，４６，４７および電磁弁４９を制御するための指令がロボットコントローラ１００からロボット１０へ送信されるとともに、荷重センサ１９および圧力センサ２８によるそれぞれの検出結果がロボット１０からロボットコントローラ１００へ送信される。

図３には、プロセッサ１０２がプログラムを実行することで必要な処理が提供される構成例を示したが、これらの提供される処理の一部または全部を、専用のハードウェア回路（例えば、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）またはＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）など）を用いて実装してもよい。

図３には、ロボットコントローラ１００をロボット１０から独立して構成した例を示しているが、ロボットコントローラ１００が提供する機能および処理の一部または全部をロボット１０に組み入れてもよい。この場合、ロボットコントローラ１００は、ロボット制御に専用化されたコントローラとして実装してもよいし、汎用的なＰＬＣ（プログラマブルコントローラ）あるいはパーソナルコンピュータを用いて実装してもよい。

さらに、ロボットコントローラ１００が提供する機能および処理の一部または全部をいわゆるクラウドと称されるネットワーク上のコンピューティングリソースを用いて実現してもよい。

以上のように、本実施の形態に係るロボットシステム１は、どのように実装してもよい。

＜Ｃ．ねじの締め付け開始時における課題＞
次に、本実施の形態に係るロボットシステム１が解決しようとする課題について概略する。

図４は、本実施の形態に係るロボットシステム１が解決しようとする課題について説明するための図である。図４を参照して、ロボット１０のドライバビット２０の先端にねじ５０を保持した状態で、ロボット１０のドライバビット２０は、ねじ５０が締め付けられるワーク７０に対して予め設定された締め付け開始位置および締め付け開始姿勢に配置される。

図４（Ａ）には、ワーク７０に設けられたねじ穴７２の中心位置（中心軸７４）に対して、平行方向に位置ずれが生じている状態を示す。図４（Ｂ）には、ワーク７０に設けられたねじ穴７２の中心軸７４に対して、軸ずれが生じている状態を示す。

位置ずれおよび軸ずれの一方または両方が生じることで、ねじ５０がねじ穴７２に適切に締め付けできない。すなわち、ねじ５０が斜め締めの状態になる。斜め締めの状態において、ドライバビット２０からねじ５０にトルクを加えることで、ねじ５０自体が回転するのではなく、ねじ５０の頭部が破損し得る。ねじ５０自体がねじ穴７２と適切に噛み合わないので、ドライバビット２０からさらにトルクを加えると、ドライバビット２０がストール（回転できない状態）し、あるいは、ねじ５０の頭部でドライバビット２０が空転する。

図４（Ｃ）には、ロボット１０のドライバビット２０が適切な締め付け開始位置および締め付け開始姿勢に配置された状態を示す。図４（Ｃ）に示す状態においては、ねじ穴７２の中心位置に対する平行方向の位置ずれも生じておらず、ねじ穴７２の中心軸７４に対する軸ずれも生じていない。

本実施の形態に従うロボットシステムは、ツール先端治具であるドライバビット２０を適切な締め付け開始位置および締め付け開始姿勢に配置することができる仕組みを有している。

＜Ｄ．締め付け処理前ティーチング＞
次に、本実施の形態に係るロボットシステム１による締め付け処理前ティーチングについて説明する。

（ｄ１：概要）
図５は、本実施の形態に係るロボットシステム１による締め付け処理前ティーチングの概要を説明するための模式図である。図５を参照して、締め付け処理前ティーチングにおいては、ツール先端治具として、ドライバビット２０に代えて、ティーチング用治具６０を装着する。ティーチング用治具６０をワーク７０に設けられたねじ穴７２に挿入するときに発生する荷重に基づいて、適切な締め付け開始位置および締め付け開始姿勢を決定する。発生する荷重は、荷重センサ１９により検出される。ティーチング用治具６０は、典型的には、本体部６２とテーパー部６４とを含む。

なお、ワーク７０およびワーク７０に設けられたねじ穴７２は、位置決めされた位置に固定されているとする。

ティーチング用治具６０をねじ穴７２に挿入することで、適切な締め付け開始位置および締め付け開始姿勢を決定する処理においては、図５（Ａ）に示すように、主として、第１動作Ｍ１および第２動作Ｍ２が実行される。

より具体的には、第１動作Ｍ１においては、ティーチング用治具６０のテーパー部６４がねじ穴と接触することで発生する荷重に基づいて、ねじ穴７２の中心軸７４と一致させるように締め付け開始姿勢を決定する。続く第２動作Ｍ２においては、ティーチング用治具６０がねじ穴の底部などと接触することで発生する荷重に基づいて、締め付け開始位置を決定する。

締め付け処理前ティーチングの実行後には、図５（Ｂ）に示すように、ティーチング用治具６０がねじ穴７２に挿入された状態になる。

このような第１動作Ｍ１および第２動作Ｍ２によって、適切な締め付け開始位置および締め付け開始姿勢を決定できる。

（ｄ２：ティーチング用治具６０）
図６は、本実施の形態に係るロボットシステム１に用いられるティーチング用治具６０の一例を示す模式図である。図６（Ａ）および図６（Ｂ）を参照して、ティーチング用治具６０は、先端側にいくにつれて断面積が小さくなる形状（テーパー形状）が好ましい。また、ティーチング用治具６０は、連続的に形成された外表面形状を有しているのが好ましい。すなわち、ティーチング用治具６０の外表面には段差などの不連続部分が存在しないことが好ましい。

このような連続的に形成された外表面形状を有するティーチング用治具６０を採用することで、ティーチング用治具６０がねじ穴７２の内部に形成されたねじ溝７６と干渉して、ティーチング用治具６０をねじ穴７２に挿入できない事態を回避できる。すなわち、ティーチング用治具６０をねじ穴７２に挿入した際に、ティーチング用治具６０の先端がねじ溝７６に引っ掛かるような事態を回避できる。

なお、ティーチング用治具６０は、どのような材質で構成されていてもよいが、ねじ溝７６に引っ掛かり難い材質を用いることが好ましい。

図６（Ａ）には、円柱状の本体部６２と円錐状のテーパー部６４とが一体化されたティーチング用治具６０の例を示す。図６（Ｂ）には、円柱状の本体部６２と半円状のテーパー部６４とが一体化されたティーチング用治具６０の例を示す。

図６（Ａ）および図６（Ｂ）に示すティーチング用治具６０の断面は、荷重の発生方向を均等に検出できるように、円であることが好ましいが完全な真円である必要はない。また、ティーチング用治具６０の断面として楕円を採用してもよい。

さらに、ティーチング用治具６０の断面として多角形を採用してもよい。この場合には、各頂点に対応する位置に不連続な部分が形成され得るが、頂点の数をより大きくすることで（例えば、２４角形や３６角形など）、事実上の問題は生じない。ティーチング用治具６０の断面として多角形を採用した場合には、ティーチング用治具６０は、多角柱状の本体部６２と、多角錐状のテーパー部６４とを一体化したものとなる。

このように、ティーチング用治具６０の断面は、円形または多角形であってもよい。

なお、ドライバビット２０は、ねじ穴７２の内径ではなく、ねじ５０の頭部５２に依存して大きさが決まるため、締め付け処理前ティーチングにおいては、ドライバビット２０ではなく、ティーチング用治具６０を用いることが好ましい。例えば、ドライバビット２０の外径がねじ穴７２の内径より大きい場合には、ドライバビット２０をねじ穴７２に挿入できないので、ドライバビット２０を締め付け処理前ティーチングに用いることはできない。また、ドライバビット２０の外径がねじ穴７２の内径に対して極端に小さい場合には、締め付け処理前ティーチングの精度が低下し得る。

ティーチング用治具６０の最大外径は、ねじ穴７２の内径より小さいことが好ましい。そのため、ねじ穴７２の内径に別にティーチング用治具６０を用意しておくことが好ましい。

（ｄ３：座標系）
図７は、本実施の形態に係るロボットシステム１の制御に用いられる座標系を説明するための図である。図７を参照して、ロボットシステム１は、エンドエフェクタ１８を基準としたＸＹＺ座標系（以下、「ＴＣＰ座標系」とも称す。）上でツール先端治具の位置および姿勢を制御する。ＴＣＰ座標系において、エンドエフェクタ１８の軸方向がＺ軸に相当する。Ｚ軸は、ツール先端治具（ティーチング用治具６０など）を押し付ける方向に相当する。

図７には、エンドエフェクタ１８の先端位置を原点位置６８として設定した例を示すが、ツール先端治具（ティーチング用治具６０など）の先端の中心を原点位置６８として設定してもよい。

荷重センサ１９は、検出結果として、ＴＣＰ座標系のＸ軸方向（Ｘ）の荷重、Ｙ軸方向（Ｙ）の荷重、Ｚ軸方向（Ｚ）の荷重をそれぞれ出力するとともに、Ｘ軸を中心とした回転方向（ＲＸ）の荷重（モーメント）、Ｙ軸を中心とした回転方向（ＲＹ）の荷重（モーメント）、Ｚ軸を中心とした回転方向（ＲＺ）の荷重（モーメント）を出力する。

（ｄ４：処理手順）
図８は、本実施の形態に係るロボットシステム１が実行する締め付け処理前ティーチングの処理手順を説明するための図である。図８を参照して、ロボットコントローラ１００は、任意の初期位置からティーチング用治具６０をねじ穴７２に挿入するように、ロボット１０に対して指令を与える（挿入動作８０）。このように、ロボットコントローラ１００は、ドライバビット２０に代えてティーチング用治具６０が装着された状態で、ティーチング用治具６０をねじ５０と螺合するねじ穴７２に挿入するようにロボット１０に指令を与える。

挿入動作８０において、ロボットコントローラ１００は、ティーチング用治具６０とねじ穴７２との干渉による荷重が発生しないように、ティーチング用治具６０を挿入する方向を調整することで、ドライバビット２０を挿入する方向を決定する。より具体的には、ロボットコントローラ１００は、ティーチング用治具６０をＺ軸方向に押し付けるとともに、Ｘ軸方向の荷重、Ｙ軸方向の荷重、Ｘ軸を中心とした回転方向の荷重、および、Ｙ軸を中心とした回転方向の荷重がいずれもゼロとなるように、ツール先端治具（ティーチング用治具６０）の位置（ＸＹＺ座標）および方向（Ｚ軸の傾き；角度）を調整する。すなわち、４つの荷重について力制御が実行される。

これらの４つの荷重がいずれもゼロである状態は、ティーチング用治具６０がねじ穴７２の内部に形成されたねじ溝７６とは干渉しないで挿入される状態を意味する。ティーチング用治具６０がねじ穴７２に挿入される際に、上述の４つの荷重がいずれもゼロであることは、ティーチング用治具６０がねじ穴７２に挿入されている方向が適切であると判断できる。

このように、ロボットコントローラ１００は、ティーチング用治具６０を挿入する方向と直交する方向（Ｘ軸およびＹ軸）に発生する荷重、および、ティーチング用治具６０を挿入する方向と直交する軸（Ｘ軸およびＹ軸）を中心として発生するモーメントがいずれもゼロとなるように、ティーチング用治具６０を挿入する方向を調整する。

なお、ロボット１０の制御において、Ｚ軸を中心とした回転方向（ＲＺ）の荷重は用いられない。Ｚ軸を中心とした回転方向の荷重を制御に用いると、ツール先端治具（ティーチング用治具６０）がＺ軸を中心に意図しない回転などを生じてしまうからである。

また、ロボット１０の制御において、Ｚ軸方向の制御は、例えば、等速運動としてもよい。すなわち、ティーチング用治具６０をＺ軸方向に押し付ける動作を実現できればよい。

Ｘ軸方向の荷重、Ｙ軸方向の荷重、Ｘ軸を中心とした回転方向の荷重、および、Ｙ軸を中心とした回転方向の荷重がいずれもゼロとなるように制御するためには、４つの荷重がそれぞれゼロとなるように、４つの制御ループを独立に構成してもよい。

但し、制御対象としては、ツール先端治具（ティーチング用治具６０）の位置（ＸＹ座標）および方向（Ｚ軸の傾き；角度）であるので、フィードバック制御を採用しなくてもよい。例えば、ティーチング用治具６０をＺ軸方向に押し付けている状態で発生する、Ｘ軸を中心とした回転方向の荷重、および、Ｙ軸を中心とした回転方向の荷重の変化、ならびに、Ｘ軸方向の荷重およびＹ軸方向の荷重の変化に基づいて、予め定められたアルゴリズムに従って、ツール先端治具（ティーチング用治具６０）の位置（ＸＹ座標）の変化量、および、方向（Ｚ軸の傾き；角度）の変化量を都度決定してもよい。

挿入動作８０の完了後、ロボットコントローラ１００は、ねじ穴７２の上方に移動するように、ロボット１０に対して指令を与える（引抜動作８２）。

挿入動作８０において、ティーチング用治具６０を予め定められた距離だけねじ穴７２に挿入した場合、あるいは、ティーチング用治具６０がねじ穴７２の底部７８に到達した場合に、ロボットコントローラ１００は、挿入動作８０において調整された挿入する方向（すなわち、ねじ穴７２の中心軸７４と一致している）に沿って、ティーチング用治具６０をねじ穴７２の上方に移動させる（引抜動作８２）。これによって、締め付け開始位置および締め付け開始姿勢が決定される。このように、ロボットコントローラ１００は、調整済の方向に沿って、ティーチング用治具６０を引き抜くことで、ドライバビット２０に係合されたねじ５０をねじ穴７２に締め付ける処理の開始位置（締め付け開始位置）を決定する。

なお、締め付け開始位置の高さについては、任意の方法で推定あるいは教示することで、決定することができる。

図９は、本実施の形態に係るロボットシステム１が実行する締め付け処理前ティーチングの処理手順を示すフローチャートである。図９には、ロボット１０を制御する制御方法の一部が示されている。図９に示す各ステップは、典型的には、ロボットコントローラ１００のプロセッサ１０２が制御プログラム１１４を実行することで実現される。この結果、ロボットコントローラ１００からロボット１０に対して指令が与えることで図９に示す処理が実現される。

図９を参照して、ユーザは、ロボット１０のツール先端治具として、ドライバビット２０に代えて、ティーチング用治具６０を装着する（ステップＳ２）。続いて、ロボットコントローラ１００は、装着されたティーチング用治具６０をワーク７０に設けられたねじ穴７２の上方にある任意の初期位置に配置する（ステップＳ４）。ステップＳ４の処理は、ユーザによるティーチングペンダント２６の操作に従って実行されてもよいし、ロボットコントローラ１００がロボット１０に指令を与えることで、ティーチング用治具６０を予め定められた初期位置に配置するようにしてもよい。

続いて、締め付け処理前ティーチングが開始される。まず、ティーチング用治具６０をねじ５０と螺合するねじ穴７２に挿入する処理が実行される。

より具体的には、ロボットコントローラ１００は、装着されたティーチング用治具６０をＺ軸方向に押し付けるようにロボット１０に指令を与える（ステップＳ６）。ロボットコントローラ１００は、荷重センサ１９から、Ｘ軸方向の荷重、Ｙ軸方向の荷重、Ｘ軸を中心とした回転方向の荷重、および、Ｙ軸を中心とした回転方向の荷重を取得する（ステップＳ８）。そして、ロボットコントローラ１００は、Ｘ軸方向の荷重、Ｙ軸方向の荷重、Ｘ軸を中心とした回転方向の荷重、および、Ｙ軸を中心とした回転方向の荷重がいずれもゼロとなるように、ティーチング用治具６０の位置（ＸＹ座標）および方向（Ｚ軸の傾き；角度）の値を計算する（ステップＳ１０）。さらに、ロボットコントローラ１００は、ティーチング用治具６０の位置（ＸＹ座標）および方向（Ｚ軸の傾き；角度）が計算された値になるように、ロボット１０に指令を与える（ステップＳ１２）。

ロボットコントローラ１００は、締め付け処理前ティーチングの終了条件が成立したか否かを判断する（ステップＳ１４）。締め付け処理前ティーチングの終了条件は、例えば、予め定められた距離だけティーチング用治具６０をねじ穴７２に挿入したこと、および／または、ティーチング用治具６０がねじ穴７２の底部７８に到達したこと（あるいは、Ｚ軸方向の荷重が予め定められたしきい値に到達したこと）である。

締め付け処理前ティーチングの終了条件が成立していなければ（ステップＳ１４においてＮＯ）、ステップＳ６以下の処理が繰り返される。

締め付け処理前ティーチングの終了条件が成立していれば（ステップＳ１４においてＹＥＳ）、ロボットコントローラ１００は、締め付け処理前ティーチングが完了しているか否かを判断する（ステップＳ１６）。締め付け処理前ティーチングが完了していることは、例えば、終了条件が成立する直前の期間において、Ｘ軸方向の荷重、Ｙ軸方向の荷重、Ｘ軸を中心とした回転方向の荷重、および、Ｙ軸を中心とした回転方向の荷重がいずれもほぼゼロに収束していることを含む。

締め付け処理前ティーチングが完了していなければ（ステップＳ１６においてＮＯ）、ステップＳ４以下の処理が再度実行される。このように、ロボットコントローラ１００は、ティーチング用治具６０の挿入を終了する直前において、ティーチング用治具６０とねじ穴７２との干渉による荷重が発生じていれば、ティーチング用治具６０を挿入する方向を再度調整する。

締め付け処理前ティーチングが完了していれば（ステップＳ１６においてＹＥＳ）、ロボットコントローラ１００は、現在のティーチング用治具６０の方向（Ｚ軸の傾き；角度）を締め付け開始姿勢として決定する（ステップＳ１８）。このように、ティーチング用治具６０とねじ穴７２との干渉による荷重が発生しないように、ティーチング用治具６０を挿入する方向を調整する処理が実行される。調整された方向がドライバビット２０を挿入する方向として決定される。

ロボットコントローラ１００は、ティーチング用治具６０が決定した締め付け開始姿勢に従って上昇するように、ロボット１０に指令を与える（ステップＳ２０）。ロボットコントローラ１００は、ティーチング用治具６０が予め定められた高さまで上昇したか否かを判断する（ステップＳ２２）。予め定められた高さは、ユーザが設定したねじ５０の長さとねじ５０の頭部５２の長さとを合計した長さに対応させてもよい。この方法は、ティーチング用治具６０がねじ穴７２の底部７８に到達した場合に実行するようにしてもよい。

ティーチング用治具６０が予め定められた高さまで上昇していなければ（ステップＳ２２においてＮＯ）、ステップＳ２０以下の処理が繰り返される。

ティーチング用治具６０が予め定められた高さまで上昇していれば（ステップＳ２２においてＹＥＳ）、ロボットコントローラ１００は、ティーチング用治具６０の上昇を停止させるための指令をロボット１０に与える（ステップＳ２４）。最終的に、ロボットコントローラ１００は、停止後の位置（ＸＹＺ座標）を締め付け開始位置として決定する（ステップＳ２６）。

以上により、締め付け処理前ティーチングは終了する。

なお、ステップＳ２０の処理は、ユーザによるティーチングペンダント２６の操作に従って実行されてもよい。この場合には、ユーザが適切であると考える位置までティーチング用治具６０を上昇させることになる。ユーザによるティーチングペンダント２６の操作においても、締め付け開始姿勢（ティーチング用治具６０の挿入方向）に沿った移動に制限される。

締め付け開始位置をより正確に決定するために、ツール先端治具として、ティーチング用治具６０に代えて、ドライバビット２０を装着するとともに、ドライバビット２０の先端にねじ５０を保持した状態として、ねじ穴７２の上方に移動させてもよい。このとき、先端にねじ５０を保持したドライバビット２０をねじ穴７２から十分上方に移動させた上で、再度、ねじ穴７２に向けて移動させることで、ねじ５０の先端とねじ穴７２とが接近した位置を締め付け開始位置として決定してもよい。このような手法は、より多くの作業時間を要するが、実際のねじ５０の締め付けに適した締め付け開始位置および締め付け開始姿勢を決定できる。

（ｄ５：締め付け処理前ティーチングの時間波形）
図１０は、本実施の形態に係るロボットシステム１が実行する締め付け処理前ティーチングの時間波形の一例を示す図である。図１０には、荷重センサ１９による検出結果およびＺ軸方向の移動距離の時間波形の一例を示す。

図１０を参照して、時刻ｔ０から締め付け処理前ティーチングが開始されたとする。時刻ｔ１においては、ティーチング用治具６０は、ねじ穴７２に到達していないので、Ｘ軸方向の荷重、Ｙ軸方向の荷重、Ｘ軸を中心とした回転方向の荷重、および、Ｙ軸を中心とした回転方向の荷重（図１０には、「荷重／モーメント」と総称している。）は、いずれもほぼゼロとなっている。

その後、時刻ｔ２において、ティーチング用治具６０がねじ穴７２に到達すると、Ｘ軸方向の荷重、Ｙ軸方向の荷重、Ｘ軸を中心とした回転方向の荷重、および、Ｙ軸を中心とした回転方向の荷重は、大きな値を示す。ツール先端治具（ティーチング用治具６０）の位置（ＸＹＺ座標）および方向（Ｚ軸の傾き；角度）が調整されることで、荷重センサ１９により検出される荷重（モーメント）は低減していく。

Ｚ軸が下限位置まで移動すると、荷重センサ１９により検出される荷重（モーメント）は、いずれもしきい値以下になっており、ほぼゼロに収束している。図１０に示す時刻ｔ３においては、締め付け処理前ティーチングが完了していると判断できる。

なお、締め付け処理前ティーチングが完了しているか否かの判断（図９のステップＳ１６）は、ユーザが担当してもよい。この場合には、図１０に示すような時間波形をユーザに提示するとともに、荷重（モーメント）がほぼゼロに収束していることをユーザが確認することになる。

＜Ｅ．変形例＞
上述の説明においては、荷重センサ１９が荷重を検出する各軸がＴＣＰ座標系の各軸と一致しているとしたが、荷重センサ１９が荷重を検出する座標系がＴＣＰ座標系とは異なるものであってもよい。

図１１は、本実施の形態に係るロボットシステム１における座標系変換の一例を説明するための図である。

図１１には、ティーチング用治具６０Ａとして断面Ｌ字状のツール先端治具が装着されている例を示す。ティーチング用治具６０Ａは、紙面横方向に挿入されることになる。Ｘ’Ｙ’Ｚ’座標系がティーチング用治具６０Ａに対して設定されるＴＣＰ座標系となる。これに対して、荷重センサ１９が荷重を検出する各軸は、ＸＹＺ座標系であるとする。

このような場合には、公知の座標変換を用いることで、ＸＹＺ座標系とＸ’Ｙ’Ｚ’座標系（ＴＣＰ座標系）とを相互に変換する。ツール先端治具（ティーチング用治具６０Ａなど）がねじ穴７２に挿入する際に発生する荷重などを直接検出できない場合であっても、荷重センサ１９の検出結果を座標変換することで、演算処理により検出できる。

その結果、荷重センサ１９が荷重を検出する座標系とツール先端治具（探索治具）に設定される座標系とが一致しない場合であっても、本実施の形態に従う締め付け処理前ティーチングを実現できる。

＜Ｆ．付記＞
上述したような本実施の形態は、以下のような技術思想を含む。

［構成１］
ロボットシステム（１）であって、
ねじ（５０）を回転させるためのドライバビット（２０）を装着可能なロボット（１０）と、
前記ロボットを制御するロボットコントローラ（１００）とを備え、
前記ロボットコントローラは、
前記ドライバビットに代えてティーチング用治具（６０）が装着された状態で、前記ティーチング用治具を前記ねじと螺合するねじ穴（７２）に挿入するように前記ロボットに指令を与え（Ｓ６）、
前記ティーチング用治具と前記ねじ穴との干渉による荷重が発生しないように、前記ティーチング用治具を挿入する方向を調整することで、前記ドライバビットを挿入する方向を決定する（Ｓ８～Ｓ１８）、ロボットシステム。

［構成２］
前記ロボットコントローラは、調整済の方向に沿って、前記ティーチング用治具を引き抜くことで、前記ドライバビットに係合されたねじを前記ねじ穴に締め付ける処理の開始位置を決定する（Ｓ２０～Ｓ２６）、構成１に記載のロボットシステム。

［構成３］
前記ティーチング用治具は、先端側にいくにつれて断面積が小さくなる形状を有している、構成１または２に記載のロボットシステム。

［構成４］
前記ティーチング用治具の断面は、円形または多角形である、構成１～３のいずれか１項に記載のロボットシステム。

［構成５］
前記ティーチング用治具は、連続的に形成された外表面形状を有している、構成１～４のいずれか１項に記載のロボットシステム。

［構成６］
前記ロボットコントローラは、前記ティーチング用治具を挿入する方向と直交する方向に発生する荷重、および、前記ティーチング用治具を挿入する方向と直交する軸を中心として発生するモーメントがいずれもゼロとなるように、前記ティーチング用治具を挿入する方向を調整する、構成１～５のいずれか１項に記載のロボットシステム。

［構成７］
前記ロボットコントローラは、前記ティーチング用治具を予め定められた距離だけ挿入した場合、または、前記ティーチング用治具が前記ねじ穴の底部に到達した場合に、前記ティーチング用治具の挿入を終了する（Ｓ１０）、構成１～６のいずれか１項に記載のロボットシステム。

［構成８］
前記ロボットコントローラは、前記ティーチング用治具の挿入を終了する直前において、前記ティーチング用治具と前記ねじ穴との干渉による荷重が発生じていれば、前記ティーチング用治具を挿入する方向を再度調整する（Ｓ１６）、構成７に記載のロボットシステム。

［構成９］
ねじ（５０）を回転させるためのドライバビット（２０）を装着可能なロボット（１０）を制御する制御方法であって、
前記ドライバビットに代えてティーチング用治具（６０）を装着するステップ（Ｓ２）と、
前記ティーチング用治具を前記ねじと螺合するねじ穴に挿入するステップ（Ｓ６）と、
前記ティーチング用治具と前記ねじ穴との干渉による荷重が発生しないように、前記ティーチング用治具を挿入する方向を調整することで、前記ドライバビットを挿入する方向を決定するステップ（Ｓ８～Ｓ１８）とを備える、制御方法。

［構成１０］
ねじ（５０）を回転させるためのドライバビット（２０）を装着可能なロボット（１０）を制御するための制御プログラム（１１４）であって、前記制御プログラムはコンピュータ（１００）に、
前記ドライバビットに代えてティーチング用治具が装着された状態で、前記ティーチング用治具を前記ねじと螺合するねじ穴（７２）に挿入するように前記ロボットに指令を与えるステップ（Ｓ６）と、
前記ティーチング用治具と前記ねじ穴との干渉による荷重が発生しないように、前記ティーチング用治具を挿入する方向を調整することで、前記ドライバビットを挿入する方向を決定するステップ（Ｓ８～Ｓ１８）とを実行させる、制御プログラム。

＜Ｇ．利点＞
本実施の形態によれば、ロボットを用いてワークなどにねじを締め付ける作業を行うアプリケーションにおいて、締め付け動作を行うための初期位置および初期姿勢を適切に決定できる。このような適切に決定された初期位置および初期姿勢によって、ねじの締め付けの失敗などを低減して、締め付けをより確実に実現できる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ ロボットシステム、１０ ロボット、１１ ベース、１２，１３，１４，１５，１６，１７ 可動部、１８ エンドエフェクタ、１９ 荷重センサ、２０ ドライバビット、２１ 開口部、２２ 吸着スリーブ、２６ ティーチングペンダント、２８ 圧力センサ、３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７，３８ モータ、３９ エジェクタ、４０，１０６ インターフェイス、４１，４２，４３，４４，４５，４６，４７，４８ ドライバ、４９ 電磁弁、５０ ねじ、５２ 頭部、６０，６０Ａ ティーチング用治具、６２ 本体部、６４ テーパー部、６８ 原点位置、７０ ワーク、７２ ねじ穴、７４ 中心軸、７６ ねじ溝、７８ 底部、８０ 挿入動作、８２ 引抜動作、１００ ロボットコントローラ、１０２ プロセッサ、１０４ メモリ、１０８ バス、１１０ ストレージ、１１２ システムプログラム、１１４ 制御プログラム、２００ 情報処理装置、Ｍ１ 第１動作、Ｍ２ 第２動作。

Claims (10)

1. ロボットシステムであって、
   ねじを回転させるためのドライバビットを装着可能なロボットと、
   前記ロボットを制御するロボットコントローラとを備え、
   前記ロボットコントローラは、
   前記ドライバビットに代えてティーチング用治具が装着された状態で、前記ティーチング用治具を前記ねじと螺合するねじ穴に挿入するように前記ロボットに指令を与え、
   前記ティーチング用治具と前記ねじ穴との干渉による荷重が発生しないように、前記ティーチング用治具を挿入する方向を調整することで、前記ドライバビットを挿入する方向を決定する、ロボットシステム。
2. 前記ロボットコントローラは、調整済の方向に沿って、前記ティーチング用治具を引き抜くことで、前記ドライバビットに係合されたねじを前記ねじ穴に締め付ける処理の開始位置を決定する、請求項１に記載のロボットシステム。
3. 前記ティーチング用治具は、先端側にいくにつれて断面積が小さくなる形状を有している、請求項１または２に記載のロボットシステム。
4. 前記ティーチング用治具の断面は、円形または多角形である、請求項１～３のいずれか１項に記載のロボットシステム。
5. 前記ティーチング用治具は、連続的に形成された外表面形状を有している、請求項１～４のいずれか１項に記載のロボットシステム。
6. 前記ロボットコントローラは、前記ティーチング用治具を挿入する方向と直交する方向に発生する荷重、および、前記ティーチング用治具を挿入する方向と直交する軸を中心として発生するモーメントがいずれもゼロとなるように、前記ティーチング用治具を挿入する方向を調整する、請求項１～５のいずれか１項に記載のロボットシステム。
7. 前記ロボットコントローラは、前記ティーチング用治具を予め定められた距離だけ挿入した場合、または、前記ティーチング用治具が前記ねじ穴の底部に到達した場合に、前記ティーチング用治具の挿入を終了する、請求項１～６のいずれか１項に記載のロボットシステム。
8. 前記ロボットコントローラは、前記ティーチング用治具の挿入を終了する直前において、前記ティーチング用治具と前記ねじ穴との干渉による荷重が発生じていれば、前記ティーチング用治具を挿入する方向を再度調整する、請求項７に記載のロボットシステム。
9. ねじを回転させるためのドライバビットを装着可能なロボットを制御する制御方法であって、
   前記ドライバビットに代えてティーチング用治具を装着するステップと、
   前記ティーチング用治具を前記ねじと螺合するねじ穴に挿入するステップと、
   前記ティーチング用治具と前記ねじ穴との干渉による荷重が発生しないように、前記ティーチング用治具を挿入する方向を調整することで、前記ドライバビットを挿入する方向を決定するステップとを備える、制御方法。
10. ねじを回転させるためのドライバビットを装着可能なロボットを制御するための制御プログラムであって、前記制御プログラムはコンピュータに、
    前記ドライバビットに代えてティーチング用治具が装着された状態で、前記ティーチング用治具を前記ねじと螺合するねじ穴に挿入するように前記ロボットに指令を与えるステップと、
    前記ティーチング用治具と前記ねじ穴との干渉による荷重が発生しないように、前記ティーチング用治具を挿入する方向を調整することで、前記ドライバビットを挿入する方向を決定するステップとを実行させる、制御プログラム。

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