JP2024005786A - ロボット、ロボットシステムおよびロボットの作業方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来構造よりも、構造を簡単化すると共に汎用性に優れたロボット、ロボットシステムおよびロボットの作業方法を提供する。【解決手段】ロボット（６）は、ロボットアーム（６ｃ）の先端部に取り付けられたロボットハンド（６ａ）と、ロボットアーム（６ｃ）およびロボットハンド（６ａ）の動作をそれぞれ制御して対象物（３）に対して作業を行わせる制御部とを備える。ロボットハンド（６ａ）は力覚センサ（２０）を有する。制御部は、対象物（３）にロボットハンド（６ａ）の一部を押し当て、対象物（３）の位置情報および姿勢情報を力覚センサ（２０）により検出するようにロボットアーム（６ｃ）の動作を制御する。【選択図】図３

Description

本開示は、ロボット、ロボットシステムおよびロボットの作業方法に関し、例えば、部品の交換作業、組立作業等の各種作業を自動化し得る技術に関する。

ロボットを用いて各種作業を行う技術が種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、同特許文献１の図１に示すように、ロボットアーム６の先端に、研磨盤３を着脱自在に把持する把持部７が設けられる。研磨盤３はターンテーブル２に装着される。ロボットアーム６と把持部７との間には、ロボットアーム６に対し把持部７をＸＹ方向に移動させる移動手段１１が設けられる。
移動手段１１のＶ型ガイド２４の内側面２４ａが、ターンテーブル２の外周側面２ａを挟むように当接する。これにより、研磨盤３とターンテーブル２との中心同士が一致し、研磨盤３のＸＹ方向の位置合わせが完了する。

特開２００２－１０３１５６号公報

特許文献１の従来構造では、ロボットアーム６と把持部７との間に、大掛かりな移動手段１１が設けられるため、ロボットの全体構造が複雑になる。移動手段１１が設けられる分、把持部７の可搬重量が制限されるうえ、ロボットアーム６の可動範囲が制限される。よって、ロボットとして汎用性に劣る。

そこで、本開示の目的は、上記の課題を解決するために、従来構造よりも、構造を簡単化すると共に汎用性に優れたロボット、ロボットシステムおよびロボットの作業方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本開示に係るロボットは、ロボットアームの先端部に取り付けられたロボットハンドと、
前記ロボットアームおよびロボットハンドの動作をそれぞれ制御して対象物に対して作業を行わせる制御部と、を備え、
前記ロボットハンドは力覚センサを有し、
前記制御部は、前記対象物に前記ロボットハンドの一部を押し当て、前記対象物の位置情報および姿勢情報を前記力覚センサにより検出するように、前記ロボットアームの動作を制御する。

本開示に係るロボットによれば、対象物の位置情報および姿勢情報を力覚センサにより検出することで、従来構造よりも、構造を簡単化すると共に汎用性に優れたロボットとすることができる。

本開示の一実施形態に係るロボットシステムの斜視図である。 同ロボットシステムの部品搬送用のロボットハンドの斜視図である。 同ロボットシステムの作業装置のＸＹ方向の位置検出方法を説明する図である。 同作業装置およびロボットハンドを部分的に示す平面図である。 同作業装置に取り付けられた部品に、ロボットハンドの第１治具をＸＹ方向に押し当てた状態を示す部品等の部分拡大図である。 同部品の第１の被係合部に第１治具の係合部をＸＹ方向に係合させた状態を示す部品等の部分拡大図である。 同作業装置のＺ方向位置および傾きの検出方法を説明する図である。 同部品の第２の被係合部に、ロボットハンドの第２治具をＺ方向に移動させる状態を示す部品等の断面図である。 同第２の被係合部に第２治具の係合部をＺ方向に係合させた状態を示す部品等の断面図である。 同ロボットハンドの正面図である。 同部品の離脱許容部を拡大して示す底面図である。 同離脱許容部の基準位置を検出する状態を示すロボットハンド等の底面図である。 同離脱許容部の基準位置を検出するフローチャートである。 同ロボットシステムのボルト締めおよびボルト緩め用のロボットハンドの斜視図である。 同ロボットハンドの工具をボルト穴の中心に位置決めした状態を示す斜視図である。 同工具の位相をボルトに合わせた状態を示す斜視図である。 同ロボットハンドの側面図である。 同ボルトにロボットハンドの回転ローラを転がり接触させる状態を示す図である。 同ボルトを回転ローラにより部品から離脱させた状態を示す図である。 同ロボットシステムの他の変形例の概略構成を示す図である。

以下、本開示に係る実施形態を図面に従って説明するが、本開示は本実施形態に限定されるものではない。
＜ロボットシステムの全体構成＞
図１に示すロボットシステム１は、例えば、作業装置４に対し、対象物である部品３を制御装置２により自動的に交換するシステムである。ロボットシステム１は、搬送台１２と、部品搬送用ロボット６と、ボルト締めおよび緩め用ロボット７とを有する。作業装置４は、装置本体４Ａを有し、装置本体４Ａに部品３が着脱自在に取り付けられる。

部品搬送用ロボット６は部品搬送用のロボットハンド６ａを含み、ボルト締めおよび緩め用ロボット７はボルト締めおよびボルト緩め用のロボットハンド７ａを含む。部品搬送用のロボットハンド６ａは、部品３を把持して搬送可能であり、装置本体４Ａに対して部品３を着脱する。ボルト締めおよびボルト緩め用のロボットハンド７ａは、装置本体４Ａに対して部品３をボルト８（図１２）により着脱自在である。

制御装置２は、ロボットシステム１の全体を制御する。制御装置２は、部品搬送用ロボット６の制御部２ａと、ボルト締めおよび緩め用ロボット７の制御部２ｂと、搬送台１２の制御部２ｃとを備える。以下、部品搬送用ロボット６のうち、制御部２ａを除くロボット本体を、単に、ロボット６と称し、ボルト締めおよび緩め用ロボット７のうち、制御部２ｂを除くロボット本体を、単に、ロボット７と称す場合がある。

＜作業装置＞
作業装置４は床等の設置面に固定され、固定された作業装置４に対し、ロボット６，７を支持する搬送台１２が相対移動する。図３には、作業装置４が設置される空間を規定する座標系として三次元直交座標系を示す。三次元直交座標系は、水平面上で互いに直交するＸ軸およびＹ軸と、鉛直方向上向きを正方向とするＺ軸とによって規定される。装置本体４Ａは、Ｚ軸回りに回転駆動され、且つ、この装置本体４Ａの下方に支持されたワークＷ（図１）に対しＺ方向に相対駆動可能である。

装置本体４ＡのうちＺ方向下端部には、例えば、機械加工用の部品３を着脱するためのフランジ９が設けられている。フランジ９は、Ｚ軸と同軸の円板状で且つ外周部に複数のボルト挿通孔９ａを有する。複数のボルト挿通孔９ａは円周方向一定間隔おきに配設され、各ボルト挿通孔９ａはＺ軸と平行に形成された貫通孔である。フランジ９の上部から各ボルト挿通孔９ａに、図１３Ａに示す締結具であるボルト８を装着可能である。ボルト８としては、六角穴付ボルトが適用される。六角穴付ボルトを、単に、ボルトという場合がある。

＜部品＞
図３のフランジ９に取り付けられる部品３は、フランジ９の外周と同径の外周を有するリング状部品である。部品３には、フランジ９の各ボルト挿通孔９ａに連通する複数のボルト穴３ａ（図４）が設けられている。図４に示す部品３の各ボルト穴３ａは雌ねじである。図７Ａに示すように、リング状の部品３の内周には、環状のテーパ部分１０と、テーパ部分１０に繋がる環状の段差部１１が設けられている。テーパ部分１０は、部品３の下面に設けられ、かつＺ方向上端部からＺ方向下方に向かうに従って拡径するテーパ形状となる環状部分である。テーパ部分１０のうち、最大径となるＺ方向下端縁部に、段差部１１が繋がる。

＜ロボットシステム＞
図１に示すように、ロボット６，７は、それぞれ垂直多関節ロボットであり搬送台１２に定められた段差を空けて支持される。搬送台１２の上段部にロボット７が支持され、搬送台１２の下段部にロボット６が支持される。搬送台１２は、例えば、作業装置４と部品回収台１３との間の定められた搬送ルートＲｔに亘って搬送可能である。搬送台１２には、部品３等を収容可能な部品収容部１２ａが設けられている。

＜部品搬送用ロボット＞
ロボット６は、基台６ｂと、複数の関節を有する複数のロボットアーム６ｃと、部品搬送用のロボットハンド６ａとを有する。基台６ｂは、搬送台１２の下段部に固定される。搬送台１２に、基台６ｂを介して複数のロボットアーム６ｃが順次連結され、先端側のロボットアーム６ｃの先端部にロボットハンド６ａが取り付けられている。前記関節に設けられるモータには、同モータの回転角度を検出する角度検出センサが設けられている。

図２に示すロボットハンド６ａは、ハンド本体１４、第１，第２治具１５，１６、部品把持部１７、把持部駆動源１８、回転駆動源１９およびセンサ類を含む。センサ類は力覚センサ２０と検出センサ２１とを有する。前記ロボットアーム６ｃの先端部に、矩形板状のハンド本体１４が取り付けられる。図３に示すように、ハンド本体１４の長手方向先端部には、第１治具１５が固定されている。第１治具１５は、装置本体４ＡのＸＹ方向の位置検出を行う。

図４に示すように、第１治具１５の先端部には、幅方向中央部分が凹む凹曲面状の第１の係合部１５ａが設けられている。第１の係合部１５ａは、部品３の外周部分である第１の被係合部３ｂに係合する。第１の被係合部３ｂは、部品３の外周面（一側面）のうち定められた円周方向範囲の部分である。第１の係合部１５ａは、第１の被係合部３ｂの曲率と同一に設定され、第１の被係合部３ｂに隙間なく当接可能である。前記定められた円周方向範囲は、例えば、試験およびシミュレーションのいずれか一方または両方により設定される。

図２に示すように、ハンド本体１４の長手方向先端部には、回転駆動源１９を介して、第２治具１６が回転可能に支持されている。第２治具１６は、図３の装置本体４ＡのＺ方向の位置および傾きを検出する。図８に示すように、第２治具１６は、ハンド本体１４に対し平行な板状である。回転駆動源１９として、例えば、モータが適用され、第２治具１６はモータの回転軸心Ｃ１回りに回転する。

図２に示すように、第２治具１６の長手方向両端縁部には、第２の係合部１６ａと、第２の係合部１６ａに繋がる段部１６ｂとが設けられている。第２の係合部１６ａは、図７Ａに示す部品３のテーパ部分１０である第２の被係合部に係合するテーパ形状である。第２の係合部１６ａと第２の被係合部１０とは同一の勾配に設定されている。図７Ｂに示すように、部品３のテーパ部分１０に第２の係合部１６ａが係合するとき、第２治具１６の段部１６ｂは、部品３の段差部１１に当接する。

図２の第２治具１６には、把持部駆動源１８、部品把持部１７および検出センサ２１が固定される。第２治具１６の長手方向両端部には、部品把持部１７を駆動する一対の把持部駆動源１８，１８が固定されている。各把持部駆動源１８として、それぞれエアーシリンダが適用される。各エアーシリンダのシリンダ本体は、ロッド１８ａを回転軸心Ｃ１に対し直交する径方向Ａ１に出退可能である。

径方向両側のロッド１８ａ，１８ａの先端部には、円形状の部品３（図７Ａ）の外周面を把持する部品把持部１７，１７が取り付けられている。部品把持部１７，１７には、互いに対向する凹み部１７ａ，１７ａが設けられている。各部品把持部１７は、凹み部１７ａの中央部が径方向外方に凹む平面視略Ｖ字形状である。各ロッド１８ａを突出したとき、部品把持部１７，１７は、凹み部１７ａ，１７ａが部品３（図７Ａ）の外周面よりも径方向外方に位置することで、部品３（図７Ａ）を離脱する。各ロッド１８ａを退入したとき、部品把持部１７，１７は、凹み部１７ａ，１７ａにより部品３（図７Ａ）の外周面を把持する。

＜力覚センサについて＞
ハンド本体１４の長手方向基端部には、力覚センサ２０が固定されている。図３に示す力覚センサ２０は、装置本体４Ａに取り付けられた部品３の位置情報および姿勢情報を検出する。力覚センサ２０は、Ｘ，ＹおよびＺ方向の力と、Ｘ，ＹおよびＺ軸の各軸まわりのトルクを計測可能ないわゆる６軸力覚センサである。６軸力覚センサとして、例えば、ひずみゲージ式の力覚センサが採用される。後述する図１２のロボットハンド７ａに設けられる力覚センサ２０Ａも同様の６軸力覚センサである。

＜制御装置＞
図１の制御装置２の各制御部２ａ，２ｂ，２ｃは、互いに動作完了等の各種の信号送受を行って、ロボット６，７および搬送台１２の動作タイミングの同期をとる。制御装置２は、例えば、記憶された移動プログラム等に従ってロボット６，７および搬送台１２を制御する。作業装置４を制御する装置制御部Ｃｕは、例えば、コンピュータ式の数値制御装置が適用され、記憶された加工プログラムに従って作業装置４を制御する。装置制御部Ｃｕは、消耗品である部品３の摩耗等を検知すること、または作業装置４の稼働時間によって、部品３の交換タイミングを判断する。装置制御部Ｃｕは、部品３の交換タイミングになったと判断すると、ロボットシステム１側の制御装置２に部品３を交換する交換指令を出力する。制御装置２は、装置制御部Ｃｕからの交換指令が入力されると、ロボット６，７および搬送台１２により部品３の交換作業を自動的に行わせる。

制御装置２は、作業装置４とロボット６，７の近接時に、装置本体４Ａに取り付けられた部品３の位置情報および姿勢情報を、図３に示す力覚センサ２０による検出によって取得するように、図１のロボット６の動作を制御する。制御装置２は、作業装置４とロボット６，７とを近接・離隔する毎に部品３のＸＹＺ方向の位置情報および姿勢情報を検出する。

＜検出センサ等について＞
図２に示すように、第２治具１６の長手方向一端部には、検出センサ２１が取り付けられている。検出センサ２１は、図３の装置本体４Ａに取り付けられた部品３の図９の基準位置Ｐｓを検出可能である。図８に示す検出センサ２１として、例えば、レーザ式の距離センサが適用される。レーザ式の距離センサは、レーザ照射ユニット２１ａと受光センサ部２１ｂとを含む。レーザ照射ユニット２１ａは、第２治具１６のＺ方向上方に位置する部品に向けてレーザ光を照射する。受光センサ部２１ｂは、レーザ光の反射光を受光する。検出センサ２１は、部品の検出部の高さによって反射光の受光スポットが異なる原理を利用している。

図１０の制御装置２は、作業装置４とロボット６の近接時に、装置本体４Ａに取り付けられた部品３の基準位置Ｐｓを検出センサ２１により検出するように、ロボット６の動作を制御する。
制御装置２は、ロボットハンド６ａにより、フランジ９に対し部品３を支持位置Ｐａと離脱位置Ｐｂとに亘って、変位可能である。制御装置２は、一対の把持部駆動源１８，１８を駆動させて部品把持部１７，１７で部品３を把持し、モータ１９を駆動させる。これにより、制御装置２は、ボルトが離脱した部品３を、支持位置Ｐａと離脱位置Ｐｂとに亘って変位させ得る。

支持位置Ｐａは、装置本体４Ａのフランジ９に対し、ボルトが離脱した部品３を脱落しないように支持する位置である。離脱位置Ｐｂは、フランジ９に対し部品３を脱落させる位置である。部品３の内周面には、離脱位置Ｐｂにて装置本体４Ａに対し部品３の離脱を許す離脱許容部２２が設けられている。離脱許容部２２は、図７Ａの部品３のテーパ部分１０のうち円周方向の一部を円弧状に切り欠いた図１０に示す一対の切り欠き部２２，２２である。一対の切り欠き部２２，２２は、部品３の内周面における１８０度等配位置にて互いに対向する。

フランジ９には、部品３の落下を防止する一対の落下防止プレート２３，２３が支持されている。フランジ９の下面における外周側端部に、一対の落下防止プレート２３，２３が支持されている。各落下防止プレート２３は、図１０の底面視で円板状である。フランジ９の外周側端部のうち、モータ１９の回転軸心Ｃ１を中心に１８０度等配位置に、落下防止プレート２３，２３が配置される。部品３の一対の切り欠き部２２，２２と落下防止プレート２３，２３の位相を合わせた位置が部品３の離脱位置Ｐｂである。

離脱位置Ｐｂにて、一対の落下防止プレート２３，２３の外縁部と、一対の切り欠き部２２，２２の円弧とが図１０の底面視で一致する。これにより、装置本体４Ａに対し部品３が離脱可能である。落下防止プレート２３，２３に対して、一対の切り欠き部２２，２２の位相が約６０度ずれた部品３の位置が支持位置Ｐａである。同支持位置Ｐａにおいて、部品３のうち切り欠き部２２，２２の位置から約６０度ずれた円周方向部分が、落下防止プレート２３，２３に支持される。

図９に示すように、いずれか一方または両方の切り欠き部２２に、部品３の基準位置Ｐｓが設けられている。図１０に示す制御装置２は、図９に示すレーザ光の照射点の軌道Ｌと切り欠き部２２との交点である第１，第２段差Ｐ１，Ｐ２の中間地点を計算する。図１０の制御装置２は、図９に示す部品３の中心と前記中間地点とを通る基準となる角度である基準位置Ｐｓを計算する。この基準位置Ｐｓから部品３の各ボルト穴の位置が求められる。図１の制御装置２は、作業装置４とロボット６，７とを近接・離隔する毎に図９の切り欠き部２２の基準位置Ｐｓを検出する。

＜ボルト締めおよび緩め用ロボット＞
図１に示すように、ロボット７は、基台７ｂと、複数の関節を有する複数のロボットアーム７ｃと、ボルト締めおよびボルト緩め用のロボットハンド７ａとを有する。基台７ｂは、搬送台１２の上段部に固定される。搬送台１２に、基台７ｂを介して複数のロボットアーム７ｃが順次連結され、先端側のロボットアーム７ｃの先端部にロボットハンド７ａが取り付けられている。前記関節に設けられるモータには、同モータの回転角度を検出する角度検出センサが設けられている。

図１２に示すロボットハンド７ａは、ハンドフレーム２４、工具２５、ローラ駆動システム２６、ボルト把持装置２７およびセンサ類を含む。前記センサ類は、力覚センサ２０Ａと図１４に示す高さ検出手段３０とを有する。図１２のロボットアーム７ｃの先端部に、矩形板状のハンドフレーム２４が取り付けられる。
＜六角ビットでのボルト締めおよびボルト緩めについて＞
ハンドフレーム２４の長手方向先端部には、工具２５である六角ビットが固定されている。六角ビット２５は、六角穴付ボルト８の頭８ａの六角穴に差し込みボルト８を着脱する。ハンドフレーム２４の長手方向基端部には、力覚センサ２０Ａが固定されている。力覚センサ２０Ａは、ボルト８を着脱するために用いられる。

＜ローラ駆動システムでのボルト締めおよびボルト緩めについて＞
ローラ駆動システム２６は、回転ローラ２８と、回転ローラ２８に回転駆動力を与える駆動装置２９とを有する。ハンドフレーム２４の長手方向先端部には、２つの回転ローラ２８，２８が回転自在に支持されている。回転ローラ２８，２８は、定められた間隔を空けてハンドフレーム２４の厚み方向に平行な軸心回りに支持される。

図１４に示すように、各回転ローラ２８は、ハンドフレーム２４に支持される回転軸２８ａと、回転軸２８ａの先端部に同軸に設けられる環状の弾性部材２８ｂとを有する。弾性部材２８ｂとしてゴム等が採用される。回転ローラ２８，２８は、ボルト８の一部である頭８ａの両側面に、各弾性部材２８ｂを転がり接触させてボルト８への仮締めまたは仮緩めを行う。
駆動装置２９は、ハンドフレーム２４に支持されるモータ３１と、モータ３１の回転力を回転ローラ２８，２８に伝達するギヤ列３２とを有する。ギヤ列３２は、モータ３１の回転力を減速して回転ローラ２８，２８に伝達する。

図１２の力覚センサ２０Ａは、ボルト８に対する回転ローラ２８の押付力を検出する押付力検出手段である。図１に示すように、制御装置２は、作業装置４とロボット６，７の近接時に、図１２の押付力検出手段２０Ａで検出される押圧力に基づいて、ロボットハンド７ａを位置決めする。ボルト８の頭８ａに回転ローラ２８による押圧力が作用すると、力覚センサ２０Ａは、前記押圧力の反力を検出する。

図１４のハンドフレーム２４の長手方向先端部には、部品に対するボルト８の高さを検出する高さ検出手段３０が取り付けられている。高さ検出手段３０として近接センサが採用されている。図１５Ａのように、近接センサ３０の検出部は、例えば、弾性部材２８ｂに定められたギャップを介して対向する。

図１２のハンドフレーム２４の長手方向先端部には、ボルト８の首下を把持するボルト把持装置２７が支持されている。ボルト把持装置２７は、ボルト８を把持するチャック２７ａと、図１４に示すチャック２７ａの駆動源２７ｂとを有する。チャック２７ａは、ボルト８の首下を左右両側から開閉自在に把持する。駆動源２７ｂとしては、チャック２７ａを開閉駆動するエアーシリンダが採用される。

制御装置２は、ボルト８を緩めるとき、ボルト８が浮き上がり近接センサ３０でボルト８の頭８ａがあることを検出すると、ボルト８の首下をチャック２７ａで把持させるように駆動源２７ｂを制御する。次に、制御装置２は、ボルト８をチャック２７ａで把持した状態で部品から取り出すようにロボットハンド７ａを駆動させる。取り出したボルト８は、例えば、図１の作業装置４の支持台に一旦支持され、部品３の取り換え時に再利用される。ボルト緩め時とは逆の手順により図１４のローラ駆動システム２９を用いてボルト８を仮締めることが可能である。

［ロボットシステムの動作および作用効果］
図１に示すように、制御装置２は、装置制御部Ｃｕからの交換指令が入力されると、交換用の部品３を搬送台１２に収容したロボット６，７を、作業装置４の近接位置に移動させ、作業装置４の位置および傾きを検出する。
＜作業装置のＸＹ方向の位置検出方法＞
図４に示すように、制御装置２は、ロボットハンド６ａに固定された第１治具１５を、部品３の外周面に押し当てるように、ロボットアーム６ｃを水平方向であるＸＹ方向に移動させる。
図５Ａに示すように、部品３の外周面に、第１の係合部１５ａにおける片側のエッジ部１５ａａが当接すると、部品３にＺ軸まわりのモーメントが作用する。このとき図３の力覚センサ２０は、前記モーメントの反力を検出する。

制御装置２は、力覚センサ２０のセンサ出力である前記反力を低減する方向にロボットアーム６ｃをＸＹ方向に移動させつつ、図５Ｂに示すように、第１治具１５の第１の係合部１５ａを、部品３の第１の被係合部３ｂに係合させる。第１の被係合部３ｂに第１の係合部１５ａが係合するとき、前記モーメントの反力が零となる。

図１の制御装置２は、前記反力が零となったとき、各ロボットアーム６ｃの関節に設けられたモータの各回転角度を角度検出センサから取得することで、図４の装置中心Ｐ４を検出する。前記「各回転角度」は、関節の各モータの基準角度からの相対的な角度である。前記各モータの基準角度とは、ロボットアーム６ｃの定められた基準姿勢における前記各モータの原点と同義である。後述する図６の作業装置４のＺ方向位置および傾きの検出方法についても同様である。図４に示す装置中心Ｐ４とは、図３の装置本体４Ａに取り付けられた部品３のＸＹ方向の仮中心である。

＜作業装置のＺ方向位置および傾きの検出方法＞
前記装置中心Ｐ４を検出した後、作業装置４のＺ方向位置および傾きを検出する。図６に示すように、制御装置２は、部品３のＺ方向下方に第２治具１６が位置し、第２治具１６の回転軸心Ｃ１が装置中心Ｐ４に一致するようにロボットアーム６ａを移動させる。制御装置２は、図７Ａに示すように、第２の被係合部１０に、第２の係合部１６ａを押し当てるように、図２のロボットアーム６ｃをＺ方向上方に移動させる。

図７Ａに示す部品３の第２の被係合部１０に、第２の係合部１６ａの一部が当接すると、部品３にＹ軸まわりのモーメントが作用する。このとき図６の力覚センサ２０は、前記モーメントの反力を検出する。
制御装置２は、力覚センサ２０のセンサ出力である前記反力を低減する方向にロボットアーム６ａを移動させつつ、図７Ｂの第２治具１６の第２の係合部１６ａを、部品３の第２の被係合部１０に係合させる。このとき部品３の段差部１１に、第２治具１６の段部１６ｂが当接する。第２の被係合部１０に第２の係合部１６ａが係合するとき、前記モーメントの反力が零となる。

図１の制御装置２は、前記反力が零となったとき、各ロボットアーム６ｃの関節に設けられたモータの各回転角度を角度検出センサから取得することで、図６の作業装置４のＺ方向位置、傾きおよびＸＹ方向の最終位置を検出する。前記作業装置４のＺ方向位置、傾きおよびＸＹ方向の最終位置とは、それぞれ装置本体４Ａに取り付けられた部品３のＺ方向の位置情報、姿勢情報およびＸＹ方向における最終的な中心の位置情報である。図７Ｂのように第２の被係合部１０に第２の係合部１６ａが係合するとき、部品３のＸＹ方向の仮中心が補正されて部品３のＸＹ方向の中心が精度よく求められる。

図６の制御装置２は、力覚センサ２０のセンサ出力に基づいて、図７Ｂのように部品３の第２の被係合部１０に対して第２の係合部１６ａを係合させることで、前記部品３のＸＹＺ方向の位置情報および姿勢情報を簡単に且つ確実に検出する。したがって、図１の制御装置２は、作業装置４とロボット６，７の近接時に、部品３の位置情報および姿勢情報に基づいて、作業装置４とロボット６，７との相対的な位置および傾きのずれを補正する。部品３の位置情報および姿勢情報を、図２の力覚センサ２０により検出するため、前述の大掛かりな移動手段を備えた従来構造よりも、部品点数を低減して構造を簡単化すると共に可搬重量、可動範囲を大きくすることができる。したがって、従来構造よりも図１のロボットシステム１全体の汎用性を高めることが可能となる。部品３の位置情報および姿勢情報を、例えば、カメラ等によらず図６に示す力覚センサ２０により検出する。このため、作業装置４に取り付けた部品３の下方のクリアランスを撮像に必要な距離確保できない場合であっても、図１の作業装置４とロボット６，７との相対的な位置および傾きのずれを確実に補正し得る。
作業装置４とロボット６，７とを近接・離隔可能に相対移動させると、作業装置４とロボット６，７との相対的な位置および傾きのずれが発生する場合がある。この構成では、作業装置４とロボット６，７の近接時に、前述のように、作業装置４とロボット６，７との相対的な位置および傾きのずれを補正する。

＜切り欠き部の基準位置の検出方法＞
図１１は、部品の基準位置を検出するフローチャートである。
図１０に示すように、作業装置４とロボット６の近接時、且つフランジ９に部品３が取り付けられた状態で、基準位置Ｐｓを検出する処理が開始する。制御装置２は、部品３のＺ方向下方に図８の第２治具１６が位置し、第２治具１６の回転軸心Ｃ１が装置中心Ｐ４（図４）に一致するように図１０のロボットアーム６ｃを移動させる（図１１：ステップＳ１）。

次に、制御装置２は、モータ１９を定められた角度回転駆動させる。これと共に制御装置２は、部品３に向けて検出センサ２１からレーザ光を照射させる（図１１：ステップＳ２）。図９に示すレーザ光の照射点の軌道Ｌは、部品３のボルト穴３ａ（図５Ｂ）のピッチ円に同心状であり、且つ切り欠き部２２の径方向中間部を通過する。前記ピッチ円とは、図５Ｂに示す部品３の複数のボルト穴３ａの中心を通る円ＰＣである。

図１０の制御装置２は、検出センサ２１によりセンサ入力信号の立ち上がりを検出すると、立ち上がりを図９の第１段差Ｐ１とみなしこの検出地点の図１０に示すモータ１９の第１の現在位置である回転角度を記録する（図１１：ステップＳ３，Ｓ４）。制御装置２は、検出センサ２１によりセンサ入力信号の立ち下がりを検出すると、立ち下がりを第２段差Ｐ２（図９）とみなしこの検出地点のモータ１９の第２の現在位置である回転角度を記録する（図１１：ステップＳ５，Ｓ６）。制御装置２は、記録した図９の第１の現在位置Ｐ１と第２の現在位置Ｐ２との中間地点を計算する（図１１：ステップＳ７）。前記中間地点を図１０の切り欠き部２２の円弧の中心とみなしている。よって、制御装置２は、部品３の中心と前記中間地点とを通る基準となる角度である基準位置Ｐｓを計算し得る。その後、制御装置２は、モータ１９の駆動を停止させ本処理を終了させる（図１１：ステップＳ８）。

＜六角ビットでのボルト緩め方法＞
制御装置２は、ロボットハンド６ａの部品把持部１７，１７で部品３を把持させつつ、図１３Ａのように六角ビット２５を六角穴８ｂに差し込むように位置決めする。図１２の制御装置２は、図１０の部品３の基準位置Ｐｓから算出される部品３のボルト穴３ａ（図５Ｂ）の中心に、図１２の六角ビット２５の回転中心を位置決めするようにロボットアーム７ｃを移動させる。具体的には、図５Ｂに示す部品３のボルト穴３ａに螺合された図１３Ａの六角穴付ボルト８の六角穴８ｂの中心に、六角ビット２５の回転中心Ｃ２を合わせる。

図１２の制御装置２は、力覚センサ２０Ａのセンサ出力に基づいて、図１３Ａに示すように、六角ビット２５をＺ方向下方に移動させつつ図１２のロボットハンド７ａを回転させる。つまり制御装置２は、六角穴付ボルト８の頭８ａに対し、六角ビット２５による押圧力を与えつつ六角ビット２５の位相を合わせるようにロボットハンド７ａを六角ビット２５の回転中心回りに回転させる。六角穴付ボルト８の頭８ａに六角ビット２５によるＺ方向下向きの押圧力が作用すると、力覚センサ２０Ａは前記押圧力の反力を検出する。

制御装置２は、前記反力を監視しながら図１３Ａに示す六角穴付ボルト８の六角穴８ｂと六角ビット２５の位相が合う位置を探す。同図１３Ａでは、六角ビット２５は、対象物である部品に対して、六角穴付ボルト８が着脱不能な位相に位置している。図１２の制御装置２は、図１３Ｂのように六角穴８ｂと六角ビット２５の位相が合うと前記押圧力の反力が作用しないことを利用して前記位相が合う位置を探す。同図１３Ｂは、部品に対して、六角穴付ボルト８が着脱可能な位相に六角ビット２５を変位させた状態である。

図１２の制御装置２は、六角穴付ボルト８の六角穴に六角ビット２５の位相を合わせた状態で、ロボットハンド７ａを駆動させる。六角ビット２５の位相合わせおよびロボットハンド７ａによる駆動を繰り返し行うことで、六角ビット２５でのボルト緩めが完了する。制御装置２は、ボルト緩め時とは逆の手順によりロボットハンド７ａによりボルト２５を締めることが可能である。

以上のように、部品に支持されたボルト８に六角ビット２５による押圧力を与えつつ、力覚センサ２０Ａのセンサ出力に基づいて、部品に対してボルト８が着脱不能な位相から着脱可能な位相に六角ビット２５を変位させる。したがって、六角ビット２５を部品の一部等に干渉させることなく繰り返し駆動させることで、ボルト８を緩めるまたは締めることができる。よって、ドライバーユニット等を用いる従来構造に比べて、作業対象となる対象物等が制限されることなく、汎用性に優れたロボットとすることができる。

＜ローラ駆動システムでのボルト緩め方法＞
六角ビット２５でのボルト緩め後、制御装置２は、図２の部品把持部１７，１７で部品を把持させつつ、図１４の回転ローラ２８，２８をボルト８に押圧させこの押圧力の反力を図１２の力覚センサ２０Ａで検出する。制御装置２は、前記反力を監視しながらボルト締めおよびボルト緩めが可能な押圧力になるように、回転ローラ２８，２８をボルト８の頭８ａの側面に押し付ける。前記ボルト締めおよびボルト緩めが可能な押圧力は、シミュレーションまたは試験等により予め設定される。制御装置２は、所望の押圧力に到達した後、図１５Ａのように、回転ローラ２８に回転駆動力を与えるように図１４の駆動装置２９を制御する。

ローラ駆動システム２６で図１５Ｂのようにボルト８を緩めるとき、ボルト８の頭８ａがハンドフレーム２４（図１４）に近づくようにボルト８が浮き上がる。このため、近接センサ３０でボルト８の頭８ａがあることを検出することで、回転ローラ２８のいわゆる空回りを防止し得る。
図１４の制御装置２は、ボルト８を緩めるとき、ボルト８が浮き上がり近接センサ３０でボルト８の頭８ａがあることを検出すると、ボルト８の首下をチャック２７ａで把持させるように駆動源２７ｂを制御する。

次に、制御装置２は、ボルト８をチャック２７ａで把持した状態で図１に示す部品３から取り出すようにロボットハンド７ａを駆動させる。取り出した図１４のボルト８は、所定の支持台に一旦支持され、部品３（図１）の取り換え時に再利用される。ローラ駆動システム２６は、ボルト緩め時とは逆の手順によりボルト８を仮締めることが可能である。

ボルト８を図１の部品３から取り外した後、制御装置２は、部品把持部１７，１７で部品３を把持させた状態で図１０のモータ１９を駆動させ部品３を離脱位置Ｐｂに変位させる。制御装置２は、部品３を図１の搬送台１２の部品収容部１２ａに収容させるようにロボットハンド６ａを駆動させる。次に、制御装置２は、交換用の部品３を、部品把持部１７，１７に把持させ装置本体４Ａに対し図１０の支持位置Ｐａに変位させるようにロボットハンド６ａを駆動させる。

制御装置２は、図１２のローラ駆動システム２６によりボルト緩め時とは逆の手順によりボルト８を仮締める。次に、制御装置２は、図１の部品把持部１７，１７で部品３を把持させつつ、図１２の六角ビット２５によりボルト緩め時とは逆の手順によりボルト８を締め付ける。ボルト締め時には、締付トルクのトルク管理を力覚センサ２０Ａで行う。制御装置２は、力覚センサ２０Ａのセンサ出力に基づいて、六角穴付ボルト８を規定の締付トルクで締め付けるようにロボットハンド７ａを所定方向に揺動駆動させる。六角ビット２５の位相合わせおよびロボットハンド７ａによる駆動を繰り返し行うことで規定の締付トルクを充足する。力覚センサ２０Ａによる締付トルクは、例えば、図１の部品回収台１３等に設置されるトルク校正装置３３により定期的に校正される。
その後、制御装置２は、搬送台１２を部品回収台１３に移動させ、部品把持部１７，１７で使用済の部品３を把持させて所定位置に支持させるようにロボット６を駆動させる。

＜変形例＞
作業装置４の定められた作業としては、機械加工に限定されず、例えば、ワークに対する塗料、接着剤、グリース等の塗布、溶接、撮影、検査、計測および組立等の各種作業が挙げられる。
作業装置４を手動で操作することで機械加工等の各種作業をしてもよく、手動による各種作業と、装置制御部Ｃｕを制御主体とする自動的な各種作業とを併用してもよい。

図２では、モータ１９の出力軸に第２治具１６が直接連結されているが、モータ１９の出力軸に、ベルト等の回転駆動力伝達機構を介して第２治具１６を連結してもよい。
図２、図１２の力覚センサ２０，２０Ａは、６軸力覚センサであれば、静電容量式、圧電式、光学式等のひずみゲージ式以外のものを採用可能である。力覚センサ２０，２０Ａを不定期にトルク校正してもよく、一定時間毎にトルク校正してもよい。

図１のロボット６，７等の移動に代えて作業装置４を移動させてもよい。作業装置４とロボット６，７等を共に独立して移動させてもよい。
ロボット６またはロボット７を独立して運用することも可能である。例えば、ロボット６のみを搬送台１２に支持して搬送可能としてもよく、ロボット６のみを床等の設置面に固定してもよい。前記と同様に、ロボット７のみを搬送台１２に支持して搬送可能としてもよく、ロボット７のみを床等の設置面に固定してもよい。
締結具は、図１３Ａの六角穴付ボルト８に限定されず、例えば、トルクス（登録商標）ねじ、六角ボルト、小ねじ等を適用可能である。
図２の検出センサ２１として、レーザ式の距離センサ以外の超音波センサ等を採用してもよい。

図１２のローラ駆動システム２６において、２つの回転ローラ２８，２８のいずれか一方のみを回転駆動させ、他方の回転ローラ２８はボルト８との摩擦力によって従動回転させてもよい。この場合、前述の実施形態よりもギヤ列のギヤの数を低減し構造を簡素化し得る。
図１の装置本体４Ａが水平軸回りに回転駆動される作業装置であってもよい。
図１６のように、第１治具１５の第１の係合部１５ａは、部品３の外周部分である第１の被係合部３ｂに係合するような平面視Ｖ字形状であってもよい。この場合、第１の係合部１５ａが第１の被係合部３ｂの曲率と同一に設定される実施形態よりも第１治具１５の構造を簡素化できコスト低減を図れる。

ＸＹＺ方向の位置情報および姿勢情報の検出方法として、一定時間毎または図１の作業装置４とロボット６，７との近接・離隔を所定回数繰り返した後に、ＸＹＺ方向の位置情報および姿勢情報を検出してもよい。
作業装置４に対する部品３の取付構造によっては、図７Ａの部品３の上面に第２の被係合部１０を設け、第２の被係合部１０に、第２の係合部１６ａを押し当てるように、図３のロボットアーム６ｃをＺ方向下方に移動させてもよい。
部品３は、リング状部品に限定されるものではなく、例えば、多角形状であってもよい。
図１２のギヤ列３２は、モータ３１の回転力を増速させるものであってもよい。

以上説明したように、本実施形態の第１の態様に係るロボット６は、ロボットアーム６ｃの先端部に取り付けられたロボットハンド６ａと、ロボットアーム６ｃおよびロボットハンド６ａの動作をそれぞれ制御して対象物３に対して作業を行わせる制御部２ａと、を備え、ロボットハンド６ａは力覚センサ２０を有し、制御部２ａは、対象物３にロボットハンド６ａの一部を押し当て、対象物３の位置情報および姿勢情報を力覚センサ２０により検出するように、ロボットアーム６ｃの動作を制御する。この構成によれば、対象物３の位置情報および姿勢情報を、力覚センサ２０により検出するため、前述の大掛かりな移動手段を備えた従来構造よりも、ロボット６の部品点数を低減して構造を簡単化すると共に可搬重量、可動範囲を大きくすることができる。したがって、従来構造よりもロボット６の汎用性を高めることが可能となる。装置本体４Ａに取り付けられた部品３の位置情報および姿勢情報を、カメラ等によらず力覚センサ２０により検出する。このため、作業装置４に取り付けた部品３の下方のクリアランスを確保できない場合であっても、作業装置４とロボット６，７との相対的な位置および傾きのずれを確実に補正し得る。

本実施形態の第２の態様に係るロボット６は、第１の態様において、制御部２ａは、対象物３の一側面における第１の被係合部３ｂに、ロボットハンド６ａの一部である第１の係合部１５ａを押し当てた状態で、力覚センサ２０のセンサ出力が低減する方向にロボットアーム６ｃを水平方向に移動させることで、対象物３の水平方向の位置情報を検出してもよい。この構成によれば、対象物３の一側面に、ロボットハンド６ａの一部を押し当てることで、対象物３の水平方向の位置情報を簡単に且つ確実に検出し得る。大掛かりな機構等を新たに追加することなく対象物３の位置情報を検出し得るため、前記従来構造よりも、部品点数を低減して構造を簡単化すると共に可搬重量、可動範囲を確実に大きくし得る。

本実施形態の第３の態様に係るロボット６は、第２の態様において、制御部２ａは、対象物３の下面または上面に設けられた第２の被係合部１０に、ロボットハンド６ａの一部である第２の係合部１６ａを押し当てた状態で、力覚センサ２０のセンサ出力が低減する方向にロボットアーム６ｃを鉛直方向に移動させることで、対象物３の鉛直方向の位置情報および姿勢情報を検出してもよい。この構成によれば、対象物３の第２の被係合部１０に、ロボットハンド６ａの一部を押し当てることで、対象物３の位置情報および姿勢情報を検出し得る。このため、前記従来構造よりも、部品点数を低減して構造を簡単化すると共に可搬重量、可動範囲を確実に大きくし得る。

本実施形態の第４の態様に係るロボットシステム１は、第１から第３の態様のいずれか１つに記載のロボット６と、対象物３に対し定められた作業を行う作業用のロボット７と、を備えている。この構成によれば、対象物３の位置情報および姿勢情報の検出作業と、対象物３に対する作業とを協働して行うことができる。

本実施形態の第５の態様に係るロボット６の作業方法は、対象物３にロボットハンド６ａの一部を押し当て、ロボットハンド６ａに設けられた力覚センサ２０のセンサ出力が低減する方向に、ロボットハンド６ａの基端部に繋がるロボットアーム６ｃを移動させることで、対象物３の位置情報を検出する。この構成によれば、対象物３の位置情報および姿勢情報を、力覚センサ２０により検出する。このため、前述の大掛かりな移動手段を備えた従来構造よりも、ロボット６の部品点数を低減して構造を簡単化すると共に可搬重量、可動範囲を大きくすることができる。したがって、従来構造よりもロボット６の汎用性を高めることが可能となる。

以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１ ロボットシステム
２ 制御装置
２ａ 制御部
３ 部品（対象物）
３ｂ 第１の被係合部
６ ロボット
６ａ ロボットハンド
６ｃ ロボットアーム
１０ テーパ部分（第２の被係合部）
１５ａ 第１の係合部
１６ａ 第２の係合部
２０，２０Ａ 力覚センサ

Claims (5)

1. ロボットアームの先端部に取り付けられたロボットハンドと、
   前記ロボットアームおよびロボットハンドの動作をそれぞれ制御して対象物に対して作業を行わせる制御部と、を備え、
   前記ロボットハンドは力覚センサを有し、
   前記制御部は、前記対象物に前記ロボットハンドの一部を押し当て、前記対象物の位置情報および姿勢情報を前記力覚センサにより検出するように、前記ロボットアームの動作を制御するロボット。
2. 請求項１に記載のロボットにおいて、前記制御部は、前記対象物の一側面における第１の被係合部に、前記ロボットハンドの一部である第１の係合部を押し当てた状態で、前記力覚センサのセンサ出力が低減する方向に前記ロボットアームを水平方向に移動させることで、前記対象物の水平方向の位置情報を検出するロボット。
3. 請求項２に記載のロボットにおいて、前記制御部は、前記対象物の下面または上面に設けられた第２の被係合部に、前記ロボットハンドの一部である第２の係合部を押し当てた状態で、前記力覚センサのセンサ出力が低減する方向に前記ロボットアームを鉛直方向に移動させることで、前記対象物の鉛直方向の位置情報および姿勢情報を検出するロボット。
4. 請求項１に記載のロボットと、前記対象物に対し定められた作業を行う作業用のロボットと、を備えたロボットシステム。
5. 対象物にロボットハンドの一部を押し当て、前記ロボットハンドに設けられた力覚センサのセンサ出力が低減する方向に、前記ロボットハンドの基端部に繋がるロボットアームを移動させることで、前記対象物の位置情報を検出するロボットの作業方法。
   
   
   

Images