JP2023135018A - 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】ロボットに対するねじ締付の設定に関する手間を軽減する。【解決手段】ロボットシステム１は、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、ドライバビット２０に発生する荷重を検出するセンサ１９と、ロボット１０を制御するロボットコントローラ１００とを備える。ロボットコントローラ１００は、ドライバビット２０から与えられるトルクにより、ねじ５０が対象物７０のねじ穴７２に挿入された状態で回転するように、ロボット１０に指令を与え、センサ１９によって検出されるドライバビット２０の押し付け方向のモーメント、および、ねじ５０のリードに基づいて、ねじ５０のねじ穴７２への挿入深さを推定する。【選択図】図１

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を開示する。ねじ締付装置は、ドライバビットにかかる外力を検出するセンサの出力に基づいて、ドライバビットの位置および、ねじ部材に与えられる推力を制御する。

特開２０１２－９６２９６号公報

ねじ部材を対象物に締め付けるための条件を決定するために、ねじ部材の材質、ねじ部材の径など、多くのパラメータを考慮する必要がある。したがって、ねじ部材の種類ごとに、締め付けのための条件出しが必要となる。しかし、最適な締結条件を得るために、装置の動作に関する多くの項目を設定する必要がある。このため、装置にねじ締付動作を設定するためには、一般的に多くの手間が必要となる。

本発明は、ロボットに対するねじ締付の設定に関する手間を軽減できるソリューションを提供する。

本開示の一例によれば、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、ドライバビットに発生する荷重を検出するセンサと、ロボットを制御するロボットコントローラとを備える。ロボットコントローラは、ドライバビットから与えられるトルクにより、ねじが対象物のねじ穴に挿入された状態で回転するように、ロボットに指令を与え、センサによって検出されるドライバビットの押し付け方向のモーメント、および、ねじのリードに基づいて、ねじのねじ穴への挿入深さを推定する。

上記の開示によれば、センサによって検出される値（ドライバビットの押し付け方向のモーメント）を用いて、ねじの回転数を推定することができる。ねじの長さおよびリードは既知であるので、ねじの回転数およびリードから挿入深さを推定することができる。したがって、ロボットに対するねじ締付の設定に関する手間を軽減できる。

上述の開示において、ロボットコントローラは、所定の周期ごとに、センサの出力から前記モーメントの周波数を求めて、モーメントの周波数をねじの回転数と推定する。

センサの出力、すなわちドライバビットの押し付け方向のモーメントの周波数を、ねじの回転数と推定することにより、推定したねじの回転数およびリードからねじの挿入深さを推定することができる。

上述の開示において、所定の周期は、ロボットシステムの制御周期と同期する。
計算の周期を、ロボットシステムの制御周期と同期させることにより、ねじの挿入深さの推定とロボットシステムの制御とを効果的に結びつけることができる。

上述の開示において、ロボットコントローラは、ねじのねじ穴への挿入深さがねじの首下長さに達したか否かを判定して、挿入深さがねじの首下長さに達した場合には、ドライバビットに目標トルクを与えてねじを締結させる。

ねじのねじ穴への挿入深さを推定することにより、挿入深さがねじの首下長さに達したか否かが判断される。ねじの挿入深さがねじの首下長さに達した状態とは、ねじの頭が着座した状態である。この状態でドライバビットに目標トルクを与えることにより、ねじを確実に締結させることができる。また、挿入深さがねじの首下長さに達したかどうかを判定することにより、ねじの頭が着座した状態か否かの判定が容易となる。

上述の開示において、ロボットコントローラは、ねじの締結の完了の目標時間、リードおよび首下長さを含むねじのパラメータ、および目標トルクの値を受け付けて、推定した挿入深さと首下長さとの比較から、目標時間内にねじの締結が完了するように、ドライバビットの回転数を制御する。

ねじをねじ穴に挿入する間のドライバビットの回転数を調整することにより、目標時間内にねじ締めを完了させることができる。

上述の開示において、ロボットコントローラは、センサによって検出されるドライバビットの押し付け方向のモーメントに含まれるオフセットを補償して、ねじ穴の軸方向のモーメントを求め、ねじ穴の軸方向のモーメントを、ねじの挿入深さの推定に使用する。

センサの配置の都合等の理由により、センサがドライバビットの押し付け方向に無い場合がある。このような場合に、センサによって検出される、ドライバビットの押し付け方向のモーメントにはオフセット成分が含まれる。このオフセットを補償することにより、ドライバビットの押し付け方向のモーメントの正確な値を求めることができる。したがって、ドライバビットの回転数も正確に推定することができるので、ねじの挿入深さを正確に推定することができる。

本開示の一例によれば、ねじを対象物に締結させるためのロボットをロボットコントローラによって制御する制御方法であって、ロボットには、ねじと係合するためのドライバビットと、ドライバビットに発生する荷重を検出するセンサとが装着されており、制御方法は、ねじが対象物のねじ穴に挿入された状態で回転するように、ドライバビットにトルクを与えるステップと、センサによって検出されるドライバビットの押し付け方向のモーメント、および、ねじのリードに基づいて、ねじのねじ穴への挿入深さを推定するステップとを備える。

上記の開示によれば、センサによって検出される値（ドライバビットの押し付け方向のモーメント）を用いて、ねじの回転数を推定することができる。ねじの長さおよびリードは既知であるので、ねじの回転数およびリードから挿入深さを推定することができる。したがって、ロボットに対するねじ締付の設定に関する手間を軽減できる。

上述の開示において、推定するステップは、所定の周期ごとに、センサの出力から前記モーメントの周波数を求めて、モーメントの周波数をねじの回転数と推定するステップを含む。

センサの出力、すなわちドライバビットの押し付け方向のモーメントの周波数を、ねじの回転数と推定することにより、推定したねじの回転数およびリードからねじの挿入深さを推定することができる。

上述の開示において、所定の周期は、ロボットシステムの制御周期と同期する。
計算の周期を、ロボットシステムの制御周期と同期させることにより、ねじの挿入深さの推定とロボットシステムの制御とを効果的に結びつけることができる。

上述の開示において、制御方法は、ねじのねじ穴への挿入深さがねじの首下長さに達したか否かを判定するステップと、挿入深さがねじの首下長さに達した場合には、ドライバビットに目標トルクを与えてねじを締結させるステップとをさらに備える。

ねじのねじ穴への挿入深さを推定することにより、挿入深さがねじの首下長さに達したか否かが判断される。ねじの挿入深さがねじの首下長さに達した状態とは、ねじの頭が着座した状態である。この状態でドライバビットに目標トルクを与えることにより、ねじを確実に締結させることができる。また、挿入深さがねじの首下長さに達したかどうかを判定することにより、ねじの頭が着座した状態か否かの判定が容易となる。

上述の開示において、ねじの締結の完了の目標時間、リードおよび首下長さを含むねじのパラメータ、および目標トルクの値を受け付けるステップと、推定した挿入深さと首下長さとの比較から、目標時間内にねじの締結が完了するように、ドライバビットの回転数を制御するステップとをさらに備える。

ねじをねじ穴に挿入する間のドライバビットの回転数を調整することにより、目標時間内にねじ締めを完了させることができる。

制御方法は、センサによって検出されるドライバビットの押し付け方向のモーメントに含まれるオフセットを補償して、ねじ穴の軸方向のモーメントを求めるステップをさらに備え、推定するステップにおいて、ねじ穴の軸方向のモーメントを、ねじの挿入深さの推定に使用する。

オフセットを補償することにより、ドライバビットの押し付け方向のモーメントの正確な値を求めることができる。したがって、ドライバビットの回転数も正確に推定することができるので、ねじの挿入深さを正確に推定することができる。

本開示の一例によれば、ねじを前記対象物に締結させるためのロボットを制御するための制御プログラムは、コンピュータに、ねじが対象物のねじ穴に挿入された状態で回転するように、ロボットに装着されたドライバビットにトルクを与えるステップと、ドライバビットに発生する荷重を検出するセンサによって検出されるドライバビットの押し付け方向のモーメント、および、ねじのリードに基づいて、ねじのねじ穴への挿入深さを推定するステップとを含む制御方法を実行させる。

上記の開示によれば、センサによって検出される値（ドライバビットの押し付け方向のモーメント）を用いて、ねじの回転数を推定することができる。ねじの長さおよびリードは既知であるので、ねじの回転数およびリードから挿入深さを推定することができる。したがって、ロボットに対するねじ締付の設定に関する手間を軽減できる。

本発明によれば、ロボットに対するねじ締付の設定に関する手間を軽減できる。

本実施の形態に係るロボットシステムの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によるねじの締め付けの適用例を示す図である。 本実施の形態に係るロボットシステムのハードウェア構成例を示す模式図である。 ロボットによるねじの締付動作における各工程を示す図である。 図１に示す例における、ねじの回転と、荷重センサの出力との関係を示す図である。 本実施の形態に係るロボットシステムにおけるねじを締め付けるための処理手順例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におけるねじの挿入深さを推定するための処理手順例を示すフローチャートである。 ロボットコントローラによって算出されたモーメントの時系列を例示した模式図である。 ロボットコントローラによって算出されたモーメントの周波数成分を例示した模式図である。 算出された総ねじ挿入深さの推移を示す模式図である。 プロファイルを設定する場合のパラメータのリストと、本実施の形態によるパラメータのリストとを比較した図である。 本実施の形態に係るねじ締め付け動作の流れを説明する図である。 本実施の形態に係るロボットシステムの別の構成例を示す模式図である。

＜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の構成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のねじ穴７２に挿入して、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。さらに、エンドエフェクタ１８には、ドライバビット２０を駆動する駆動ユニット１８Ａが取り付けられている。駆動ユニット１８Ａは、ドライバビット２０を回転させるモータおよび、モータの回転軸に結合された減速機を含む。なお、減速機とドライバビット２０とは、図示しないカップリング装置を介して結合されてもよい。

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（図３を参照）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。Ｚ軸は、ドライバビット２０が、ねじ５０を押し付ける方向に沿った軸である。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。なお、以下では「ＲＺ」を単に「Ｒ」と表記する。

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によるねじ５０の締め付けの適用例を示す図である。図２（Ａ）を参照して、ドライバビット２０の先端が、ねじ５０のねじ頭に形成された溝５２に挿入されることにより、ドライバビット２０と、ねじ５０とは噛み合っている。この状態でロボットコントローラ１００は、ワーク７０に対して、ねじ５０を仮締めするように、ロボット１０に指令を与える。具体的には、ロボットコントローラ１００は、ドライバビット２０に、ねじ５０を押し付ける力、および、ねじ５０を回転させるためのトルクを与えるように、ロボット１０に指令を与える。このときに、ロボットコントローラ１００は、荷重センサ１９（図１を参照）によって検出されるドライバビット２０の荷重に基づいて、ねじ５０の挿入深さを推定する。荷重センサ１９によって検出されるドライバビット２０の荷重とは、Ｚ軸を中心とした回転方向（ＲＺ）の荷重（モーメント）である。このときのトルクを以後、「仮締めトルク」と呼ぶ。

ロボットコントローラ１００は、推定した挿入深さと、ねじ５０の首下長さとを比較して、ねじ５０への仮締めトルクの印加を継続するか否かを判定する。推定した挿入深さが、ねじ５０の首下長さに接近している場合、ロボットコントローラ１００は、ねじ５０の仮締めを終了すると判定する。

図２（Ｂ）に示すように、ロボットコントローラ１００は、ドライバビット２０によって、ねじ５０を本締めするための締結トルクをドライバビット２０に与えるように、ロボット１０に指令を与える。締結トルクは、仮締めトルクよりも大きい。すなわち、本締めの工程では、ロボットコントローラ１００は、ねじ５０に印加されるトルクを仮締めのときのトルクよりも大きくするようにロボット１０に指令を与える。

本締めの工程では、ロボットコントローラ１００は、所定の時間、締結トルクを保持するようにロボット１０に指令を与える。所定の時間の経過後に、ロボットコントローラ１００は、締結トルクおよび、ねじ５０を押さえつける力を解放するように、ロボット１０に指令を与える。

＜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。モータ３７，３８およびドライバ４７，４８は、図１に示した駆動ユニット１８Ａに含まれる。

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．ねじ締結の動作における課題＞
図４は、ロボット１０によるねじの締付動作の一般的な工程を示す図である。図４を参照して、ねじの締付動作は「仮締め」、「本締め」、「本締め保持」および「サーボ解放」の４つの工程からなる。ロボット１０が各工程を実行するために、動作プロファイルが設定される。図４において、「＋Ｒ方向」とは、ねじ５０がねじ穴に挿入するための、ねじ５０の回転方向である。

「仮締め」において、ねじ５０がねじ穴７２に接触すると、ロボットコントローラ１００はＲ軸トルクおよびＺ軸推力を上昇させる。これによりねじ５０が回転しながら、ねじ穴７２に挿入される。

ねじの頭部座面がワーク７０に着座すると、Ｒ軸方向のトルクが指定トルクを超過する。これにより、ロボットコントローラ１００は、本締めを行うようにロボット１０に指令を送る。なお、図４に表記した「仮着座」とは、仮締めの段階において、ねじ５０の頭部座面がワーク７０に着座したことを意味する。

「本締め」において、ロボットコントローラ１００は、Ｚ軸方向の押付力を維持しつつ、Ｒ軸トルクを増大させる。Ｒ軸トルクが次の指定トルクを超過する。これにより、ロボットコントローラ１００は、所定時間の間、Ｒ軸方向のトルクを保持するようにロボット１０に指令を送る。

Ｒ軸トルクを一定の時間の間保持した後、「サーボ解放」の工程において、ロボットコントローラ１００は、ドライバビット２０を逆回転させて、ねじ５０のＲ軸トルクおよびＺ軸方向の推力を減少させる。これによりねじ締めが完了する。

このような一連の工程を実行するためには、ねじ締結の条件ごとに最適なプロファイルを作成する必要がある。しかし、ねじ締め付け動作のプロファイルは、ねじの仕様に応じて異なる。たとえば、ねじのリード（ねじ１回転あたりに軸方向に進む距離）が異なれば、ねじの下降速度を変更する必要がある。あるいは、同じ仕様のねじであっても、締結対象物の種類、あるいはねじ穴の大きさに依存してプロファイルが異なりうる。したがって、ねじ締結の最適な条件を得るためには、ロボットを試運転させて、プロファイルを調整する必要がある。このため、プロファイルの設定に時間と手間を要する。

締結に使用されるねじのリード、首下長さといった仕様は、既知である。したがって、ねじの回転数を把握することにより、ねじの挿入深さが推定できると考えられる。しかしながら図１に示すように、モータとドライバビットとの間には減速機がある。減速機の減速比は既知の情報である。しかし実際には、減速比の精度（ばらつき）により、モータの回転数および減速比から算出した回転数が、ドライバビット２０の実際の回転数と正確に一致しないことが起こりえる。したがって、プロファイルの設定には多くのパラメータを用いる必要がある。

また仮締めから本締めへの切り替え、および本締めから本締め保持への切り替えなど、工程の進捗の管理にＲ軸トルクの値が用いられる。Ｒ軸トルクの値は、工程の異常の有無を監視するためにも用いられる。したがって、工程管理あるいは異常監視において用いられるＲ軸トルクの閾値を、最適値に設定する必要がある。しかし最適な閾値が得られるようにプロファイルを調整するための手間が多くなる。

＜Ｄ．本実施の形態に係るねじ締め付け動作の前提＞
図５は、図１に示す例における、ねじの回転と、荷重センサの出力との関係を示す図である。図５を参照して、グラフは、ねじ５０をねじ穴７２内で回転させたときの、Ｚ軸周りのモーメント（Ｍｚ）の時間変化を示す。グラフの縦軸はＺ軸周りのモーメントＭｚを表し、横軸は、経過時間を規格化したものである。

曲線で囲まれた領域内の波形が表すように、ねじ５０をねじ穴７２内で回転させる間、Ｚ軸周りのモーメント（Ｍｚ）が周期的に変化する。この波形から、ねじ５０の回転数と、モーメントＭｚの回転周波数との間には定量的な関係があることが理解できる。すなわち、モーメントＭｚの回転周波数は、ねじ５０の回転数と相関がある。上記の通り、ねじ５０の回転数とねじ５０のリードから、ねじの挿入深さを算出することができる。したがって本開示の実施の形態では、モーメントＭｚの回転周波数を、ねじ５０の回転数と推定して、その推定した回転数とねじ５０のリードから、ねじ５０のねじ穴への挿入深さを推定する。なお、ねじ５０の回転数の推定に用いられるモーメントは、ねじ５０の挿入方向に依存する。図１に示す例では、ねじ５０の挿入方向がＺ軸方向であるため、モーメントＭｚの回転周波数を、ねじ５０の回転数と推定する。たとえば、ねじ５０の挿入方向が図１のＸ軸に沿う場合は、Ｘ軸周りのモーメントＭｘの回転周波数を、ねじ５０の回転数と推定すればよい。以下の説明において、モーメントＭｚをＭｘに置き換えることにより、ねじ５０の挿入方向が図１のＸ軸に沿う場合の挿入深さを推定することができる。

＜Ｅ．動作フロー＞
図６は、本実施の形態に係るロボットシステム１におけるねじ５０を締め付けるための処理手順例を示すフローチャートである。図６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６に示す処理が実現される。

なお、図６に示す処理が開始される前に、ロボットコントローラ１００は、予め、ねじ５０の締結の完了の目標時間（目標タクトタイム）、ねじ５０のリードおよび首下長さを含む仕様、および、本締め時の目標トルクの値を受け付ける。ロボット１０は、ねじ５０をピックするとともに、ドライバビット２０がワーク７０のねじ穴７２の上方にある目標位置に到着するようにドライバビット２０を位置決めする。

図６を参照して、ロボットコントローラ１００は、ロボット１０に指令を与えて、ドライバビット２０の回転を開始させ（ステップＳ１）、次にドライバビット２０の下降を開始させる（ステップＳ２）。ねじ５０の先端がねじ穴７２に接触すると、Ｚ軸方向の荷重（Ｆｚ）が変化する。この荷重Ｆｚの変化が荷重センサ１９によって検出される。

ロボットコントローラ１００は、荷重センサ１９により検出されたＺ軸方向の荷重Ｆｚに基づいて、ねじ５０の先端がねじ穴７２に接触したことを検知する（ステップＳ３）。これにより、ロボットコントローラ１００は、ねじ５０の仮締めを行うようロボット１０に指令を与える。

仮締めの工程において、ロボットコントローラ１００は、ロボット１０に指令を与えて、ドライバビット２０のトルクを切り替える。すなわちドライバビット２０に仮締めトルクが印加される（ステップＳ４）。ロボットコントローラ１００は、荷重センサ１９によって検出されたＺ軸まわりのモーメントＭｚに基づいて、ねじ５０の挿入深さを推定する（ステップＳ５）。ねじ５０の挿入深さを推定する処理の詳細は後述する。

ロボットコントローラ１００は、推定された挿入深さが、ねじの首下長さ付近に到達したか否かを判定する（ステップＳ６）。推定された挿入深さが、ねじの首下長さより小さく、かつ、ねじの首下長さと挿入深さとの差が、上記の所定範囲を超える場合（ステップＳ６においてＮＯ）、ステップＳ５の処理が実行される。すなわち、推定された挿入深さが、ねじ５０の首下長さ付近にまだ到達していないと判定される。なお、「所定範囲」の長さは特に限定されるものではないが、たとえば、ねじ５０のリードの整数倍の長さであってもよい。一方、推定された挿入深さが、ねじの首下長さより小さく、かつ、ねじの首下長さと挿入深さとの差が上記の所定範囲以内であれば、ロボットコントローラ１００は、推定された挿入深さが、ねじの首下長さ付近に到達したと判定する。この状態は、ねじ５０の仮着座（図４を参照）に対応する。この場合（ステップＳ６においてＹＥＳ）、ロボットコントローラ１００は、本締め、および、本締め保持を行うように、ロボット１０に指令を与える（ステップＳ７）。

本締めの工程において、ロボットコントローラ１００は、ロボット１０に指令を与えて、ドライバビット２０のトルクおよび下降速度を切り替える。具体的には、ドライバビット２０のトルクが、仮締めの時のトルクよりも大きくなる。一方、ドライバビット２０の下降速度は、仮締めの時の速度から低下する。ロボットコントローラ１００は、ドライバビット２０に目標トルクを与えるとともに、所定期間、そのトルクを保持するようにロボット１０に指令を与える。これにより、ねじ５０が締結される。

本締め保持の工程が終了すると、ロボットコントローラ１００は、解放工程を行うようにロボット１０に指令を与える（ステップＳ８）。具体的には、ロボットコントローラ１００は、ロボット１０に指令を与えて、ドライバビット２０を逆回転させる。

解放工程の後、ロボットコントローラ１００は、停止工程を行うようロボット１０に指令を与える（ステップＳ９）。具体的には、ロボットコントローラ１００は、ロボット１０に指令を与えて、ドライバビット２０の回転および下降を停止する。これにより、ねじ締め付けが終了する。ロボットコントローラ１００は、ドライバビット２０を上昇させるようにロボットコントローラ１００に指令を与える。

図７は、本実施の形態に係るロボットシステム１におけるねじ５０の挿入深さを推定するための処理手順例を示すフローチャートである。この処理は、図６に示したステップＳ５の処理に対応する。

図７を参照して、ロボットコントローラ１００は、荷重センサ１９の出力に基づいて、ドライバビット２０のＺ軸周りのモーメントＭｚ、すなわち、ドライバビット２０の押し付け方向のモーメントを計算する（ステップＳ１１）。図１に示すように、荷重センサ１９は、Ｚ軸（すなわちドライバビット２０の軸）に対してオフセットした位置に設けられる。このため、ロボットコントローラ１００は、荷重センサ１９によって検出されたＺ軸周りのモーメントのオフセットを補償することによりモーメントＭｚを算出する。これにより、補償によって得られたモーメントＭｚを用いて、ねじ５０の挿入深さを推定することができる。

次に、ロボットコントローラ１００は、算出したモーメントＭｚの値（時系列データ）を蓄積する（ステップＳ１２）。図８は、ロボットコントローラによって算出されたモーメントＭｚの時系列を例示した模式図である。たとえばロボットコントローラ１００は、所定周期でモーメントＭｚの値をサンプリングして、その値（時系列データ）を蓄積する。

図７に戻り、蓄積されたデータの数が所定数に達すると、ロボットコントローラ１００は、そのデータ（モーメントＭｚ）を周波数解析する（ステップＳ１３）。周波数解析の手法は特に限定されないが、一般的な手法としてＦＦＴ（高速フーリエ変換）を用いることができる。

図９は、ロボットコントローラ１００によって算出されたモーメントＭｚの周波数成分を例示した模式図である。ロボットコントローラ１００は、モーメントＭｚの周波数成分のうち最大ピークを持つ要素に対応する周波数を計算する（ステップＳ１３）。これにより、ロボットコントローラ１００は、モーメントＭｚのピーク周波数ω_ｋを取得する。

ロボットコントローラ１００は、ステップＳ１３の処理によって算出された周波数（ω_ｋ）に基づいて、１計算サイクルごとのねじ挿入深さを計算する（ステップＳ１４）。具体的には、ロボットコントローラ１００は、以下の式に従って、１計算サイクルごとのねじ挿入深さを算出する。

（ねじ挿入深さ）＝（モーメントＭｚの最大要素の周波数）[rad/s]÷2π[rad/rot]×計算サイクル周期[s]×リード[mm/rot]
なお、上述の式において、計算サイクル周期は特に限定されない。たとえば、計算サイクル周期は、ロボットコントローラ１００の制御周期と同期していてもよい。

ロボットコントローラ１００は、ステップＳ１４において算出したねじ挿入深さを、総ねじ深さに加算する（ステップＳ１５）。これにより、挿入深さの計算の１サイクルが終了する。図７に示した処理が繰り返して実行されることによって、図１０に示すように、算出された総ねじ挿入深さが、ねじの首下長さに次第に接近する。総ねじ挿入深さが、ねじの首下長さ付近に到達したと判定された場合、ねじ締めの工程は、仮締めから本締めへと移行する。

＜Ｆ．プロファイルの設定＞
図１１は、プロファイルを設定する場合の一般的なパラメータのリストと、本実施の形態によるパラメータのリストとを比較した図である。図１１に示すように、一般的なプロファイルの設定では、工程ごとに多数のパラメータを設定する必要がある。図１１に示した「押付力」は、Ｚ軸方向の力制御を実現する場合に必要である。一方、Ｚ軸方向の制御を速度制御のみで実現する場合には「押付力」の項目は不要となる。

各パラメータは、ユーザの入力値、固定値、あるいは入力値と固定値との組み合わせによって決定される。したがって、一般的な設定方法では、すべてのパラメータを設定するための手間が多くなる。

一方、本実施の形態では、設定に用いられるパラメータの数を少なくすることができる。本実施の形態では、必要なパラメータが、締結トルク、目標タクトタイム、および、ねじ仕様の３つに集約される。締結トルクは、製品仕様にしたがって定められる目標トルクである。目標タクトタイムは、要求される製造工程の能力にしたがって定められる。ねじ仕様（首下長さ、リードなど）はカタログに記載された仕様によって定められる。なお、仮締めトルクは、たとえば締結トルクに所定の割合を乗じることによって決定することができるので、締結トルクから仮締めトルクを決定することができる。

図１２は、本実施の形態に係るねじ締め付け動作の流れを説明する図である。図１２を参照して、時刻ｔ１において仮締めが開始される。具体的には、ドライバビット２０が、ねじ５０を保持したまま回転するとともに下降する。

時刻ｔ２において、ねじ５０がねじ穴７２に接触する。ロボットコントローラ１００は、ドライバビット２０の回転トルクおよび下降速度を上昇させる。これにより、ねじ５０がねじ穴７２に挿入される。ロボットコントローラ１００は、ねじ５０のねじ穴７２への挿入深さを推定するとともに、ねじの挿入深さが本締めのための深さ（すなわち、ねじ首下長さ付近）に達したどうかを判断する。

時刻ｔ３において、ねじの挿入深さが本締めのための深さに達したと判定されると、ロボットコントローラ１００は、ドライバビット２０の回転トルクをさらに上昇させる。一方、下降速度は０となる。この状態で、ロボットコントローラ１００は、時刻ｔ４までドライバビット２０の回転トルクを保つ。

時刻ｔ４において、ねじ締めトルクが解放される。ロボットコントローラ１００は、ドライバビット２０を逆回転させた後、ドライバビット２０の回転を停止する。時刻ｔ５において、一連のねじ締め動作が停止される。

ねじの仕様に関する情報は予め得られているので、ねじの首下長さは既知である。したがって仮締めの段階において、挿入深さを推定し、その推定した挿入深さを既知の首下長さと比較することにより、仮締めを終了させるかどうかを判断することができる。仮締めが終了した後、予め指定された締結トルクをねじに印加して、その状態を一定期間保持する。これにより、本締めを行うことができる。したがってねじ締め動作のためのプロファイルの設定を不要とすることができる。

本実施の形態によれば、ロボット１０を制御するためのプロファイルの作成が不要となるので、ねじ締め付けの条件の設定に要する手間を軽減できる。また、本実施の形態によれば、仮締め時には、ねじの挿入深さを推定することによって、ねじの挿入の速度を制御することができる。したがってロボットコントローラ１００は、目標タクトタイム内にねじ締め動作が完了するようにロボット１０を制御することができる。

＜Ｇ．ロボットの別の構成例＞
図１３は、本実施の形態に係るロボットシステム１の別の構成例を示す模式図である。図１３に示すように、荷重センサ１９は、Ｚ軸上に配置される。この点において、ロボット１０Ａは、図１に示したロボット１０と異なる。図１２に示された構成により、ねじ５０の挿入深さを推定する場合には、荷重センサ１９によって検出されるＺ軸まわりのモーメントの値に含まれるオフセット成分が小さくなる。たとえば、オフセット成分を無視できる場合には、図７に示すステップＳ１１の処理において、荷重センサ１９によって検出された値を補償する処理を省略することができる。したがって、ロボットコントローラ１００の計算の負荷を下げることができる。

＜Ｈ．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（１０，１０Ａ）と、
前記ドライバビット（２０）に発生する荷重を検出するセンサ（１９）と、
前記ロボット（１０，１０Ａ）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（１００）は、
前記ドライバビット（２０）から与えられるトルクにより、前記ねじ（５０）が対象物（７０）のねじ穴（７２）に挿入された状態で回転するように、前記ロボット（１０，１０Ａ）に指令を与え、
前記センサ（１９）によって検出される前記ドライバビット（２０）の押し付け方向のモーメント、および、前記ねじ（５０）のリードに基づいて、前記ねじ（５０）の前記ねじ穴（７２）への挿入深さを推定する、ロボットシステム（１）。

（構成２）
前記ロボットコントローラ（１００）は、所定の周期ごとに、前記センサ（１９）の出力から前記モーメントの周波数（ω_ｋ）を求めて、前記モーメントの周波数（ω_ｋ）を前記ねじ（５０）の回転数と推定する、構成１に記載のロボットシステム（１）。

（構成３）
前記所定の周期は、前記ロボットシステム（１）の制御周期と同期する、構成２に記載のロボットシステム（１）。

（構成４）
前記ロボットコントローラ（１００）は、
前記ねじ（５０）の前記ねじ穴（７２）への前記挿入深さが前記ねじ（５０）の首下長さに達したか否かを判定して、前記挿入深さが前記ねじの首下長さに達した場合には、前記ドライバビット（２０）に目標トルクを与えて前記ねじ（５０）を締結させる、構成１から構成３のいずれか１項に記載のロボットシステム（１）。

（構成５）
前記ロボットコントローラ（１００）は、
前記ねじ（５０）の締結の完了の目標時間、
前記リードおよび前記首下長さを含む前記ねじ（５０）のパラメータ、および
前記目標トルクの値、
を受け付けて、推定した前記挿入深さと前記首下長さとの比較から、前記目標時間内に前記ねじ（５０）の締結が完了するように、前記ドライバビット（２０）の回転数を制御する、構成４に記載のロボットシステム（１）。

（構成６）
前記ロボットコントローラ（１００）は、前記センサ（１９）によって検出される前記ドライバビット（２０）の押し付け方向のモーメントに含まれるオフセットを補償して、前記ねじ穴（７２）の軸方向のモーメントを求め、前記ねじ穴（７２）の前記軸方向のモーメントを、前記ねじ（５０）の前記挿入深さの推定に使用する、構成１から構成５のいずれか１項に記載のロボットシステム（１）。

（構成７）
ねじ（５０）を対象物（７０）に締結させるためのロボット（１０，１０Ａ）をロボットコントローラ（１００）によって制御する制御方法であって、前記ロボット（１０，１０Ａ）には、前記ねじ（５０）と係合するためのドライバビット（２０）と、前記ドライバビット（２０）に発生する荷重を検出するセンサ（１９）とが装着されており、前記制御方法は、
前記ねじ（５０）が前記対象物（７０）のねじ穴（７２）に挿入された状態で回転するように、前記ドライバビット（２０）にトルクを与えるステップ（Ｓ４）と、
前記センサ（１９）によって検出される前記ドライバビット（２０）の押し付け方向のモーメント、および、前記ねじ（５０）のリードに基づいて、前記ねじ（５０）の前記ねじ穴（７２）への挿入深さを推定するステップ（Ｓ５）とを備える、制御方法。

（構成８）
前記推定するステップ（Ｓ５）は、
所定の周期ごとに、センサ（１９）の出力から前記モーメントの周波数（ω_ｋ）を求めて、モーメントの周波数（ω_ｋ）をねじ（５０）の回転数と推定するステップ（Ｓ１１～Ｓ１５）を含む、構成７に記載の制御方法。

（構成９）
前記所定の周期は、前記ロボットシステム（１）の制御周期と同期する、構成８に記載の制御方法。

（構成１０）
前記ねじ（５０）の前記ねじ穴（７２）への前記挿入深さが前記ねじ（５０）の首下長さに達したか否かを判定するステップ（Ｓ６）と、
前記挿入深さが前記ねじ（５０）の首下長さに達した場合には、前記ドライバビット（２０）に目標トルクを与えて前記ねじ（５０）を締結させるステップ（Ｓ７）とをさらに備える、構成７から構成９のいずれか１項に記載の制御方法。

（構成１１）
前記ねじ（５０）の締結の完了の目標時間、前記リードおよび前記首下長さを含む前記ねじ（５０）のパラメータ、および前記目標トルクの値を受け付けるステップと、
推定した前記挿入深さと前記首下長さとの比較から、前記目標時間内に前記ねじ（５０）の締結が完了するように、前記ドライバビット（２０）の回転数を制御するステップとをさらに備える、構成１０に記載の制御方法。

（構成１２）
前記センサ（１９）によって検出される前記ドライバビット（２０）の押し付け方向のモーメントに含まれるオフセットを補償して、前記ねじ穴（７２）の軸方向のモーメントを求めるステップ（Ｓ１１）をさらに備え、
前記推定するステップにおいて、前記ねじ穴（７２）の前記軸方向のモーメントを、前記ねじ（５０）の前記挿入深さの推定に使用する、構成７から構成１１のいずれか１項に記載の制御方法。

（構成１３）
ねじ（５０）を対象物（７０）に締結させるためのロボット（１０，１０Ａ）を制御するための制御プログラム（１１４）であって、コンピュータ（１００）に、
前記ねじ（５０）が前記対象物（７０）のねじ穴（７２）に挿入された状態で回転するように、前記ロボット（１０，１０Ａ）に装着されたドライバビット（２０）にトルクを与えるステップ（Ｓ４）と、
前記ドライバビット（２０）に発生する荷重を検出するセンサ（１９）によって検出される前記ドライバビット（２０）の押し付け方向のモーメント、および、前記ねじ（５０）のリードに基づいて、前記ねじ（５０）の前記ねじ穴（７２）への挿入深さを推定するステップ（Ｓ５）とを含む制御方法を実行させる、制御プログラム（１１４）。

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、１０，１０Ａ 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、１８Ａ 駆動ユニット、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 ねじ頭の溝、７０ ワーク、７２ ねじ穴、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、Ｓ１～Ｓ１５ ステップ、ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４，ｔ５ 時刻。

Claims (13)

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、
   前記ドライバビットに発生する荷重を検出するセンサと、
   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から与えられるトルクにより、前記ねじが対象物のねじ穴に挿入された状態で回転するように、前記ロボットに指令を与え、
   前記センサによって検出される前記ドライバビットの押し付け方向のモーメント、および、前記ねじのリードに基づいて、前記ねじの前記ねじ穴への挿入深さを推定する、ロボットシステム。
2. 前記ロボットコントローラは、所定の周期ごとに、前記センサの出力から前記モーメントの周波数を求めて、前記モーメントの周波数を前記ねじの回転数と推定する、請求項１に記載のロボットシステム。
3. 前記所定の周期は、前記ロボットシステムの制御周期と同期する、請求項２に記載のロボットシステム。
4. 前記ロボットコントローラは、
   前記ねじの前記ねじ穴への前記挿入深さが前記ねじの首下長さに達したか否かを判定して、前記挿入深さが前記ねじの首下長さに達した場合には、前記ドライバビットに目標トルクを与えて前記ねじを締結させる、
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のロボットシステム。
5. 前記ロボットコントローラは、
   前記ねじの締結の完了の目標時間、
   前記リードおよび前記首下長さを含む前記ねじのパラメータ、および
   前記目標トルクの値、
   を受け付けて、推定した前記挿入深さと前記首下長さとの比較から、前記目標時間内に前記ねじの締結が完了するように、前記ドライバビットの回転数を制御する、請求項４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、前記センサによって検出される前記ドライバビットの押し付け方向のモーメントに含まれるオフセットを補償して、前記ねじ穴の軸方向のモーメントを求め、前記ねじ穴の前記軸方向のモーメントを、前記ねじの前記挿入深さの推定に使用する、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のロボットシステム。
7. ねじを対象物に締結させるためのロボットをロボットコントローラによって制御する制御方法であって、前記ロボットには、前記ねじと係合するためのドライバビットと、前記ドライバビットに発生する荷重を検出するセンサとが装着されており、前記制御方法は、
   前記ねじが前記対象物のねじ穴に挿入された状態で回転するように、前記ドライバビットにトルクを与えるステップと、
   前記センサによって検出される前記ドライバビットの押し付け方向のモーメント、および、前記ねじのリードに基づいて、前記ねじの前記ねじ穴への挿入深さを推定するステップとを備える、制御方法。
8. 前記推定するステップは、
   所定の周期ごとに、前記センサの出力から前記モーメントの周波数を求めて、前記モーメントの周波数を前記ねじの回転数と推定するステップを含む、請求項７に記載の制御方法。
9. 前記所定の周期は、前記ロボットシステムの制御周期と同期する、請求項８に記載の制御方法。
10. 前記ねじの前記ねじ穴への前記挿入深さが前記ねじの首下長さに達したか否かを判定するステップと、
    前記挿入深さが前記ねじの首下長さに達した場合には、前記ドライバビットに目標トルクを与えて前記ねじを締結させるステップとをさらに備える、請求項７から請求項９のいずれか１項に記載の制御方法。
11. 前記ねじの締結の完了の目標時間、前記リードおよび前記首下長さを含む前記ねじのパラメータ、および前記目標トルクの値を受け付けるステップと、
    推定した前記挿入深さと前記首下長さとの比較から、前記目標時間内に前記ねじの締結が完了するように、前記ドライバビットの回転数を制御するステップとをさらに備える、請求項１０に記載の制御方法。
12. 前記センサによって検出される前記ドライバビットの押し付け方向のモーメントに含まれるオフセットを補償して、前記ねじ穴の軸方向のモーメントを求めるステップをさらに備え、
    前記推定するステップにおいて、前記ねじ穴の前記軸方向のモーメントを、前記ねじの前記挿入深さの推定に使用する、請求項７から請求項１１のいずれか１項に記載の制御方法。
13. ねじを前記対象物に締結させるためのロボットを制御するための制御プログラムであって、コンピュータに、
    前記ねじが前記対象物のねじ穴に挿入された状態で回転するように、前記ロボットに装着されたドライバビットにトルクを与えるステップと、
    前記ドライバビットに発生する荷重を検出するセンサによって検出される前記ドライバビットの押し付け方向のモーメント、および、前記ねじのリードに基づいて、前記ねじの前記ねじ穴への挿入深さを推定するステップとを含む制御方法を実行させる、制御プログラム。
    

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