JP3870787B2

JP3870787B2 - 螺子締結作業用のロボットハンド

Info

Publication number: JP3870787B2
Application number: JP2002006089A
Authority: JP
Inventors: 裕之森田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-01-15
Filing date: 2002-01-15
Publication date: 2007-01-24
Anticipated expiration: 2022-01-15
Also published as: JP2003211384A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高負荷作業用のロボットハンドに係り、特に、小型の卓上ロボットを使用して組立作業を行なう場合に、組立作業に付帯する高負荷の螺子締結作業を可能にするロボットハンドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
第１の従来技術として、特開平７−１７１６４３号公報に、ロボットハンドのフレームに支持されたエアシリンダによってハンマーを駆動することにより、予め目的の形状に沿って切り欠きを形成された厚い鋼板の一部を打撃することによって鋼板の目的部分を打ち抜く場合に、打撃の効果を高めて打撃回数を少なくすると共に、ハンマーの打撃によって発生する反力がロボットハンドを支持しているロボットアームに伝わるのを防止するために、鋼板を吸着することができる電磁石を使用してロボットハンドのフレームを鋼板に固定すると共に、このフレームをロボットアームに接続する部分に緩衝用のばねを装着した産業ロボット用ハンドが記載されている。
【０００３】
更に、第２の従来技術として、特開２０００−２９６４２１号公報には、プラズマ加工やレーザー加工を行なうライン上で、ロボットアームによって支持されたドリルによる穴明けのような機械加工をも同時に行なうことができるように、ロボットアームの先端に支持された取り付けベースに、機械加工のための加工ツールの他に保持ツールを取り付けて、保持ツールによってワークを保持することにより、加工力の反力をワークと共に保持ツールにより受けることによって高精度の機械加工を可能にするシステムが記載されている。この場合の保持ツールの例として、ワークに吸着する電磁石や真空吸引装置、或いは、機械的にワークに係合するフック機構を使用することができると記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前述の第１の従来技術はハンマーの打撃による鋼板の打ち抜き加工に関するものであり、第２の従来技術はドリルによる鋼板の穿孔を例示していることから、開示されたこれらの従来技術はいずれも穴開け加工に関するものと言うことができる。従って、当然のことながら、穴開け加工とは全く異なる作業である螺子締結作業を行なうロボットハンドにこれらの従来技術を適用しても、螺子締めによって発生するトルクと反作用トルクをロボットハンドの内部で相殺して、ロボットアームやロボットベース等にトルクが伝達されるのを防止するようなことはできない。螺子締めによって発生する大きいトルクをロボットハンドの内部で相殺することができない場合には、トルクがロボット本体の構造部分に伝達されることによってそれらの部分を弾性変形させるので、本体構造の剛性が低い場合にはロボットハンドの位置を正確に制御することができなくなる。
【０００５】
一般的に言って螺子締結作業は高負荷作業の一つであるから、螺子締結作業による大きいトルクがロボット本体に伝達されてもロボットハンドの位置制御に支障がないようにするためには、きわめて剛性の高いロボットアームやロボットベース等を有する大型のロボットシステムを使用することが必要になる。従って、自動車部品の組立作業を行なっている卓上ロボットのような小型のロボットシステムによって、部品の組立作業に併せて螺子締結作業を行なうような場合には、螺子締結作業によるトルクがロボットアーム等の剛性の低い部分に作用してその部分を弾性変形させるために、ロボットハンドの位置決めの精度が低下することから、剛性の低いロボットシステムによって螺子締結作業を組立工程等の付帯作業として確実に行なうことは一般に不可能である。
【０００６】
また、前述の２つの従来技術においてはワークの保持のために主として電磁石による吸着作用を利用しているが、ワークが自動車部品としてよく使用される非磁性体の金属材料や樹脂材料である場合には電磁石によるワークの保持手段は無効であるから、この意味でも前述の従来技術を一般的に螺子締結作業に適用することは不可能であると言える。
【０００７】
このような理由から、本発明は、例えば、卓上ロボットのように剛性の低いロボットアームやロボットベースを有する小規模のロボットシステムを使用して、部品の組立を行なうような工程における付帯作業として螺子締結作業を行なう場合に、ロボットアームやロボットベース等を含むロボットシステム全体の剛性を高めなくても、螺子締結作業によって発生する大きいトルク或いは反作用トルクがロボット側へ伝達されないように構成することによって、ロボットハンドの位置制御の精度を高く維持して、確実に螺子締結を行なうことができるような螺子締結作業用のロボットハンドを提供することを目的としている。
【０００８】
それによって、本発明は、卓上ロボットのような小規模で剛性が高くなく安価なロボットシステムの利用可能な作業の範囲を、一般的に言って高負荷作業に属する螺子締結作業にまで広げることを目的としている。本発明はまた、そのような螺子締結作業を行なうロボットハンドにおいて、締結されるボルトやナット等の螺子部材や、それらを支持するパレット等の材料が磁性体以外のどのような固体の材料であっても、それらに対して問題なく使用することができるような、新規な構成のトルクの相殺手段を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、この課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の請求項１に記載された通りの螺子締結作業用のロボットハンドを提供する。
【００１０】
本発明の螺子締結用ロボットハンドは、雄螺子部材と雌螺子部材を螺合させるために螺子部材の一方を回転駆動して螺子締結する回転駆動手段と、ロボット本体のロボットアームの末端に連結されて前記回転駆動手段を支持している支持手段と、螺子部材の他方をロボット本体の静止部分の所定位置に保持する保持手段と、支持手段と保持手段の一方に設けられて他方に向かって突出する複数個のピンと、支持手段と保持手段の他方に設けられて前記ピンを受け入れる複数個の円筒状の穴とを有し、
螺子締結を行なうときに支持手段と保持手段とを前記ピンと前記円筒状の穴とで連結してそれらの間の相対回転を阻止し締結トルクに対する反作用トルクを発生する相対回転阻止機構と、保持手段とそれに対向しているロボット本体の静止部分との間に設けられ、保持手段と前記ロボット本体の静止部分の一方に設けられて他方に向かって突出する複数個の突起と、保持手段と前記ロボット本体の静止部分の他方に形成された複数個の穴とを有し、
前記突起を前記穴が遊隙を残して受け入れるようになされ、前記螺子締結を行なうときに前記反作用トルクが発生するまでの間、前記遊隙の範囲内で前記保持手段が連れ回りするのを許容する取り付け手段とを備えている。
【００１１】
従って、回転駆動手段の作動によって螺子部材の一方が他方に対して螺着される時に作用する螺子締結トルクは、保持手段から相対回転阻止機構を経て回転駆動手段の支持手段へ戻るために、トルクの伝達経路がロボットハンド内で閉じて外部へ漏れ出るトルクの量が少なくなる結果、ロボット本体の構造部分の剛性が十分に大きくなくても、ロボットハンドからロボット本体へ漏れ出るトルクによってロボット本体の一部、例えば、ロボットアームや支柱、ロボットベース等が弾性変形して、ロボットハンドの位置を制御する精度が低下し、正常な螺子締結が不可能になるという問題が避けられる。それによって、小型で剛性が小さい卓上ロボット等を使用して高負荷の螺子締結作業を行なうことができる。
【００１２】
また、取付手段によって、螺子締結トルクが加えられた時に緩やかな取付手段の遊隙の範囲内で保持手段が連れ回りをして、トルクの全てを相対回転阻止機構を経て回転駆動手段の支持手段へ戻すので、保持手段からロボット本体側へ漏れ出るトルクの量は実質的に零になる。従って、前述のような本発明の効果が最大限に発揮される。
さらに、ピンが穴に挿入される過程において、ロボット本体側の突起に対して保持部材側の穴が若干移動し、保持部材がロボット本体に対して変位することができます。そして、これによって、ピンがスムーズに穴に挿入され、ナットのボルトに対する正確な位置決めが可能となります。
また、雄螺子部材に螺合された雌螺子部材は回転駆動手段によって回転されて雄螺子部材に締結されます。この際、回転駆動軸の回転力によって雄螺子部材とそれを支持している保持手段も連れ回りをしようとしますが、保持手段の穴はロボット本体の静止部分の突起を遊隙を残して受け入れているため、それらが接触して回転駆動軸のトルクがロボット本体の静止部分に伝達される前に、すでに係合している相対回転阻止機構において反作用トルクが発生して保持手段の回転を阻止します。従って、この遊隙のためにトルクがロボット本体の静止部分に伝達されないので、ロボット本体の静止部分の剛性が低くてもそれが変形する恐れはありません。
さらに、相対回転阻止機構のピンは円筒状の穴に挿入するようになされているから、ピンに曲げ応力がかかることがありません。したがって、ピン及び円筒状の穴は比較的細く低剛性のものでよく、重量及びコストを低減することができます。
【００１３】
また、衝撃緩衝手段によって、螺子締結トルクやその他の負荷力の大きさが急変した時に発生する慣性トルク或いは慣性力が直接にロボットハンドからロボット本体へ伝達されるのを防止することができる。従って、ロボット本体の構造部分の剛性が低い場合でも、衝撃的な慣性トルク或いは慣性力によってロボット本体の構造部分が弾性変形するのを防止することができるので、ロボット本体の制御の精度を高く維持して、確実に螺子締結作業を実行することができるようになる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、添付の図面を参照しながら、本発明の好適な実施例について詳細に説明する。図１は自動車部品の組立工程における付帯作業としての螺子締結作業に使用するために、本発明を適用した小規模な卓上ロボットのシステム全体の構成を略示したもので、１はロボットシステム全体の基盤としてのロボットベースを、２はロボットベース１の両側から垂直に立ち上がる２本の支柱を、３は２本の支柱２の上端を橋絡するように取り付けられている横方向（紙面に対して垂直な方向）に長い梁状部分３を、４は梁状部分３に沿って横方向に移動可能な第１アームを、５は第１アーム４と梁状部分３との間に設けられた横方向の摺動機構５をいずれも概括的に示している。
【００１５】
第１アーム４から下方に向かって突出しているシャフト６は第２アームと言ってもよい部分であって、シャフト６は第１アーム４に対して回転し得るばかりでなく、その軸線方向に伸縮することによって突出長さを変化することもできるようになっている。７はロボットの出力端部としてのフランジを示しており、フランジ７は、この実施例における螺子締結作業のためのロボットハンド（概括的に参照符号８によって示す）との接続部となっている。なお、第１アーム４やシャフト６を介してフランジ７を作動させるための駆動機構や制御装置等は、前述のロボットベース１、支柱２、梁状部分３、或いは第１アーム４及び摺動機構５自体の内部等に収容されている。
【００１６】
図示実施例におけるロボットハンド８は組立工程における付帯作業としての螺子締結作業を行なうためのものであるが、その具体的な構造が図２及び図３に示されている。概念図であるために僅かに変形されている図１と比較すると図形が一致しない部分もあるが、対応する部分には同じ参照符号を付している。ロボットハンド８はフランジ７に連結されるプレート９を備えているが、図示された実施例の１つの特徴として、プレート９とフランジ７との間には硬質のゴムや金属製のばね、或いは弾性のある合成樹脂等からなる衝撃緩和材１０が介装されている。従って、ロボットハンド８において負荷トルク又は負荷力が大きく変化する場合でも、それによって発生する衝撃的な慣性力を衝撃緩和材１０によって緩和して、フランジ７からシャフト６及びロボット本体の駆動機構等へ衝撃力を直接に伝達することがないので、駆動機構等が保護されて、特に剛性が高くなくても高い制御の精度を保持することができる。この衝撃緩和材１０は、例えば、ブロック状のゴムのようなものであっても、或いはコイルスプリングのようなものであってもよい。
【００１７】
プレート９によって螺子締結作業用の回転駆動部１１が支持される。図示していないが、回転駆動部１１の内部にはモーターや減速機等が収容されている。回転駆動部１１から下方に向かって突出している回転駆動軸１２の末端には、螺子締結作業用のソケット１３が一体的に形成されているか、或いは別体のものとして製作して取り付けられている。この実施例におけるソケット１３は袋形であって、螺子締結作業の際に被駆動体となるナット（一般的には雌螺子部材）１４と係合するために、その形状に合わせて６角形状や１２角形状等の内面１５を備えている。
【００１８】
ロボットベース１の上には板状のパレット１６が載置される。図示実施例における第２の特徴として、パレット１６をロボットベース１に対して完全には固定しないで、所定の大きさの可動範囲（遊隙）を残すような取付手段、例えばロボットベース１側から突出する複数個の突起と、それらの突起を２ｍｍ程度の遊隙を残して緩やかに受け入れるようにパレット１６の底面に形成した大き目の穴とによって、緩やかな取付手段１７を構成して、パレット１６をロボットベース１に緩やかに係合させている。それによってパレット１６は、ロボットベース１に対して僅かな角度だけ自由に回転することができるし、後述の相対回転阻止機構が係合する時にロボットベース１上で僅かにずれることもできる。
【００１９】
パレット１６上の窪みには、前述のナット（一般的には雌螺子部材）１４が螺着される相手のボルト（一般的には雄螺子部材）１８が、パレット１６に対して回転しないように、しかし着脱容易なように装着される。図示実施例では、ボルト１８の固定手段として、パレット１６に形成された複数個の突起１９を示している。これらの突起１９がボルト１８の下面に形成された複数個の穴に嵌合するようになっている。ワークの一部であるボルト１８の固定手段としては、この他にも例えば、ボルト１８の頭部が６角形状である場合に、その頭部に嵌合するようにパレット１６側の窪みの形状を６角形状或いは１２角形状に形成するというような手段をとってもよい。
【００２０】
図示実施例の第３の特徴として、少なくとも２本の先が尖ったノックピン２０がプレート９から下方に向かって突出している。ノックピン２０はパレット１６上の対応する位置に設けられた円筒（一般的には穴）２１に挿入され得るようになっている。それによって、ボルト１８及びナット１４に対するソケット１３の正確な位置決めが行なわれるだけでなく、ソケット１３を介してナット１４を回転させる回転駆動軸１２の螺子締結トルクが作用した時に、パレット１６及びボルト１８の連れ回りが阻止される。なお、位置決め兼相対回転阻止機構２２として、図示実施例においては２本以上のノックピン２０とそれらが係合する円筒２１を用いているが、この他にも例えば、パレット１６側に２本以上のノックピン２０を設けると共に、プレート９側に円筒２１を設けるというように両者を入れ替えたもの等、色々な変形をとり得る。
【００２１】
図示実施例の螺子締結作業のためのロボットシステムはこのように構成されているので、次にその作動について説明する。図２に示したように、予め別のロボットハンドによるか或いは人手によって、ボルト１８をパレット１６上の所定の位置に載置し、更にナット１４をボルト１８の上端に係合させた後に、第１アーム４を梁状部分３上で横方向に摺動させるとか、第２アームであるシャフト６を回転及び伸縮させることにより、ロボットハンド８の部分をパレット１６上へ移動させたところで降下させる。それによってノックピン２０と円筒２１からなる位置決め兼相対回転阻止機構２２が係合するので、ソケット１３は自動的に位置決めされて確実にナット１４と嵌合する。なお、パレット１６のための取付手段１７には前述のように僅かな遊隙があって、パレット１６がロボットベース１上で微動し得るので、円筒２１に対するノックピン２０の無理のない係合と、ナット１４に対するソケット１３の正確な位置決め及び係合が容易に行なわれる。このようにしてセットされた状態が図３に示されている。
【００２２】
この状態で回転駆動部１１内の図示しないモーター及び減速機を回転させて、回転駆動軸１２及びソケット１３を介してナット（雌螺子部材）１４を回転駆動する。それによって、ナット１４は回転しながらボルト（雄螺子部材）１８に螺着され、或いは図示しない何らかのものをボルト１８に締結する。この際に回転駆動軸１２がナット１４を回転させることによって、ボルト１８とそれを支持しているパレット１６も連れ回りをしようとするが、パレット１６の取付手段１７においては突起と穴の内面との間に２ｍｍ程度の遊隙が与えられているため、それらが接触して駆動軸１２のトルクがロボットベース１へ伝達される前に、既に係合している相対回転阻止機構２２において反作用トルクが発生してパレット１６の回転を阻止する。従って、遊隙のためにロボットベース１へトルクが伝達されないので、ロボットベース１側、即ちロボット本体側の構造の剛性が低くてもそれが変形する恐れはない。
【００２３】
図１において閉じた破線のループとして示したように、ボルト１８に対してナット１４を回転させる螺子締結トルクは、トルクの発生源である回転駆動部１１の図示しないモーターの回転軸から、減速機、回転駆動軸１２、ソケット１３、ナット１４、ボルト１８、パレット１６、相対回転阻止機構２２の円筒２１及びノックピン２０を経てプレート９へ伝達される。プレート９は回転駆動部１１、従ってその内部に収容されたモーターのハウジングを支持しているため、トルクは図示しないモーターへ戻ることになる。このように、トルクの伝達経路が小さいロボットハンド８の内部でループ状に閉じているため、ナット１４を締結するトルクや、その反作用トルクがロボットハンド８の外部へ漏れ出ることがない。
【００２４】
従って、第２アームであるシャフト６が細いとか、第１アーム４やその支持機構の剛性が小さくても、螺子締結トルクの作用によってそれらが弾性変形等をする恐れがない。しかも、図示実施例においては、ロボットの出力端部であるフランジ７とロボットハンド８のプレート９との間に衝撃緩和材１０が装着されているため、ロボットハンド８において螺子締結トルク或いは負荷力の急変によって衝撃的な慣性力が発生しても、それらの衝撃力が衝撃緩和材１０によって緩和されるので、フランジ７とシャフト６を介してロボット本体の駆動機構等へそのまま伝達されることがない。そのため、ロボット本体の剛性が低くても、衝撃力によって制御精度の低下等の問題を生じる恐れがない。
【００２５】
このように、螺子締結作業のような高負荷作業であっても、螺子締結トルクや衝撃力等がロボットハンド８からロボット本体側へ伝達されることがないので、卓上ロボットのような小規模で剛性の高くない安価なロボットシステムにおいても高い精度を維持して確実に螺子締結作業を行なうことができる。例えば、定格荷重が２ｋｇｆ程度の小型の卓上ロボットであっても、１０Ｎ・ｍもの大きいトルクによる螺子締結作業が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による螺子締結作業用のロボットハンドを含むロボットシステムの全体構成を略示した正面図である。
【図２】相対回転阻止機構が係合する前のロボットハンドとパレット側の状態を部分的に断面をとって示す正面図である。
【図３】相対回転阻止機構が係合した後のロボットハンドとパレット側の状態を部分的に断面をとって示す正面図である。
【符号の説明】
１…ロボットベース
２…支柱
３…梁状部分
４…第１アーム
５…摺動機構
６…シャフト（第２アーム）
７…フランジ
８…螺子締結作業用のロボットハンド
９…プレート
１０…衝撃緩和材
１１…回転駆動部
１２…回転駆動軸
１３…ソケット
１４…ナット
１６…パレット
１７…緩やかな取付手段
１８…ボルト
２０…ノックピン
２１…円筒
２２…相対回転阻止機構

Claims

雄螺子部材と雌螺子部材を螺合させるために前記螺子部材の一方を回転駆動して螺子締結する回転駆動手段と、
ロボット本体のロボットアームの末端に連結されて前記回転駆動手段を支持している支持手段と、
前記螺子部材の他方を前記ロボット本体の静止部分の所定位置に保持する保持手段と、
前記支持手段と前記保持手段の一方に設けられて他方に向かって突出する複数個のピンと、前記支持手段と前記保持手段の他方に設けられて前記ピンを受け入れる複数個の円筒状の穴とを有し、前記螺子締結を行なうときに前記支持手段と前記保持手段とを前記ピンと前記円筒状の穴とで連結してそれらの間の相対回転を阻止し、締結トルクに対する反作用トルクを発生する相対回転阻止機構と、
前記保持手段とそれに対向している前記ロボット本体の静止部分との間に設けられ、前記保持手段と前記ロボット本体の静止部分の一方に設けられて他方に向かって突出する複数個の突起と、前記保持手段と前記ロボット本体の静止部分の他方に形成された複数個の穴とを有し、前記突起を前記穴が遊隙を残して受け入れるようになされ、前記螺子締結を行なうときに前記反作用トルクが発生するまでの間、前記遊隙の範囲内で前記保持手段が連れ回りするのを許容する取り付け手段と、
を備えたことを特徴とする螺子締結作業用のロボットハンド。
請求項１において、前記ロボットアームの末端と前記支持手段との間に設けられた衝撃緩和手段をさらに備えたことを特徴とする螺子締結作業用のロボットハンド。
請求項２において、前記衝撃緩和手段がゴムからなることを特徴とする螺子締結作業用のロボットハンド。
請求項２において、前記衝撃緩和手段がばねからなることを特徴とする螺子締結作業用のロボットハンド。
請求項１において、前記相対回転阻止機構のピンは、先端が尖っていることを特徴とする螺子締結作業用のロボットハンド。
請求項１において、前記ピンは前記支持手段に設けられ、前記円筒状の穴は前記保持手段に形成されていることを特徴とする螺子締結作業用のロボットハンド。
請求項１において、前記保持手段にはボルト頭部と嵌合する６角又は１２角形状の凹部が形成されていることを特徴とする螺子締結作業用のロボットハンド。
請求項１において、前記保持手段にはボルト固定用の突起が形成されていることを特徴とする螺子締結作業用のロボットハンド。
請求項１において、前記取り付け手段の前記穴の内面と前記突起との間には２ｍｍの遊隙が形成されていることを特徴とする螺子締結作業用のロボットハンド。