JP5203010B2

JP5203010B2 - 部品把持装置とその方法

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Publication number: JP5203010B2
Application number: JP2008087662A
Authority: JP
Inventors: 勝斉藤; 明彦中村
Original assignee: Juki Corp
Current assignee: Juki Corp
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2008-03-28
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2028-03-28
Also published as: JP2009241168A

Description

本発明は、部品把持装置とその方法に係り、特に、部品を把持する把持手段と該把持手段を制御する制御手段とを有する部品把持装置に用いるのに好適な、部品を把持したままで部品の把持状態を制御可能な部品把持装置とその方法に関する。

従来、部品を回路基板に搭載する部品搭載装置において、部品を部品供給部で把持するために、部品把持装置が用いられてきた。その従来の部品把持装置について、例えば、特許文献１の記載に基づき、図２１を用いて説明する。図２１（Ａ）に示す如く、部品把持装置において、部品２の把持手段である部品把持機構４は、本体６内で圧縮スプリング８を介してＺ軸方向に移動可能な第１の移動部１０と、第１の移動部１０の下端に設けられたベアリング１２によって自身の係合孔１４ＡＡ、１４ＢＡに係合されると共に、ベアリング１６Ａ、１６Ｂにより本体６内でＺ軸方向に対して垂直であって相互に逆向きの方向（Ｘ軸方向）に移動可能な２つの第２の移動部１４Ａ、１４Ｂと、第２の移動部１４Ａ、１４Ｂにそれぞれ固定されている２つの把持部１８Ａ、１８Ｂと、を備えている。このような構成により、第１の移動部１０をＺ軸方向に移動させることにより、第２の移動部１４Ａ、１４Ｂと共に把持部１８Ａ、１８ＢがそれぞれＸ軸方向の互いに逆側に移動する。それに伴い、本体６の中心軸Ｏに設けられたストッパ２０を中心にして把持部１８Ａ、１８Ｂの間隔がＸ軸方向で変化して、部品２を把持・開放することができる。

具体的に、図２１（Ｂ）を参照して、部品２を把持する動作を説明する。先ず、ストッパ２０を部品２の上面に接触させて、２つの把持部１８Ａ、１８Ｂを部品２の両側面の外側に位置決めする。そして、本体６の上部に設けられたバキューム孔６Ａからエアを吸引する。すると圧縮スプリング８が縮んで、第１の移動部１０が図面上方へ、即ちＺ軸方向のプラス側へ移動する。この第１の移動部１０の移動に伴い、ベアリング１２もＺ軸方向のプラス側へ移動する。このとき、係合孔１４ＡＡ、１４ＢＡは、図２１（Ｂ）に示す如く、斜めに形成された孔である。このため、ベアリング１２が係合孔１４ＡＡ、１４ＢＡ内でＺ軸方向のプラス側へ移動することにより、第２の移動部１４Ａ、１４Ｂがベアリング１６Ａ、１６Ｂの回転でＸ軸方向に、中心軸Ｏに向かって互いに接近するように移動する。これにより、２つの把持部１８Ａ、１８Ｂの間隔が平行状態を保ちながら狭まるので、２つの把持部１８Ａ、１８Ｂで部品２の両側面を挟み込むと共に、ストッパ２０で部品２の上面を支持させてしっかりと保持することができる。

又、別の従来の部品把持装置を、特許文献２の記載に基づき、図２２を用いて説明する。部品把持装置において、部品５２の把持手段である部品把持機構５４は、部品５２を挟む固定爪５８と可動爪６０とを有する。固定爪５８は本体５６に一体に形成されている。可動爪６０は本体５６のＸ軸方向に形成された吸引孔５６Ａに沿ってＸ軸方向に移動可能なピストン６２に支持ピン６４で軸支されている。このため、可動爪６０は、支持ピン６４を中心に回転可能である。吸引孔５６Ａは本体５６のＺ軸方向に設けられた吸引通路５６Ｂを介して、吸着ノズル５０の吸気口５０Ａに連通している。このため、吸着ノズル５０の吸気口５０Ａからエアを吸引すると、ピストン６２が図の右側（Ｘ軸方向のプラス側）に移動し、部品５２に応じて、可動爪６０の把持角度が可変して、部品５２を把持する構造となっている。

又、上記２つの部品把持装置を部品搭載装置に適用した場合には、部品把持装置の部品把持機構は部品を搭載する搭載ヘッドの備える吸着ノズルの先端に取付けられる。動作においては、部品把持機構が部品を把持して、その把持された部品の状態が部品搭載装置に配置された部品認識カメラで認識されて、部品搭載位置とのずれ量が演算・補正されて、部品が部品搭載位置へ移動される。

特開２０００−１２６９４９号公報特開平１１−１３８４８４号公報

しかしながら、特許文献１では、２つの把持部１８Ａ、１８Ｂの間隔が平行状態を保ちながら狭まり、部品の両側面を挟み込むような構成の為、把持部１８Ａ、１８Ｂで部品を把持する際に、それぞれを独立に駆動することができない。このため、部品を把持したままで部品の把持状態（位置や角度）を変更制御することができない。更に、電空レギュレータを使用してエアの制御をすることで把持力の制御を行うことはできるが、エアを供給する管路が長いと反応遅れなどがあり把持力の適時制御するのに問題があった。

又、特許文献２では、可動爪６０により固定爪５８に部品を押付けるように把持することから、可動爪６０は部品に応じてその角度が可変であるに過ぎず、部品の位置や角度を制御することができない。また、特許文献１と同様に、電空レギュレータを使用した場合に、エアを供給する管路が長いと反応遅れなどがあり把持力の適時制御するのに問題があった。

このような部品把持装置が部品搭載装置に適用されたときには、部品認識後に部品搭載位置とのずれ量が演算され、ずれ量を補正する補正量を算出してからでないと搭載位置への移動ができなかった。ここで、部品認識後に、一度理論上の搭載位置に移動・停止してから補正量分だけ再度移動することもできるが、正確な部品搭載位置に移動するまで１度停止することとなるために移動に要する時間が余計に必要であった。つまり、部品認識後の補正量自体は非常に微小な量となっても、部品搭載装置の移動機構を再度動作させて移動することとなるのでその整定時間が余計に必要だったことによるものである。

本発明は、上記の事情に鑑み、部品を把持したままで、部品の角度や位置を制御でき、且つ迅速な把持力制御が可能であり、部品搭載装置に適用したときには部品認識から部品搭載までを迅速に行うことを可能とする部品把持装置とその方法を提供することを課題とする。

本願の請求項１に係る発明は、部品を把持する把持手段と該把持手段を制御する制御手段とを有する部品把持装置において、前記把持手段が、前記部品を把持するための３つ以上の把持爪と、該把持爪を駆動する互いに独立した駆動源とを備え、且つ、前記制御手段が、前記３つ以上の把持爪による重心位置、ヨーイング量、及び把持力に対する該３つ以上の把持爪のそれぞれの位置の関係を用いて該重心位置、ヨーイング量、及び把持力から該３つ以上の把持爪のそれぞれの位置を求めるフィードバック制御系と、前記把持手段を制御するための外乱オブザーバと、軸ねじれ反力推定オブザーバとを備え、前記駆動源への前記制御手段における前記重心位置、ヨーイング量、及び把持力の制御指令により前記把持手段が共振比制御されたことにより前記課題を解決したものである。

本願の請求項２に係る発明は、前記３つ以上の把持爪の少なくとも１つが圧力検出手段を備えていることとしたものである。

本願の請求項３に係る発明は、又、把持手段を制御することで部品を把持する部品把持方法において、前記把持手段が、前記部品を把持するための３つ以上の把持爪と、該把持爪を駆動する互いに独立した駆動源とを備え、前記３つ以上の把持爪による重心位置、ヨーイング量、及び把持力の制御指令に基づき、前記把持手段を、前記重心位置、ヨーイング量、及び把持力に対する前記３つ以上の把持爪のそれぞれの位置の関係を用いて該重心位置、ヨーイング量、及び把持力から該３つ以上の把持爪のそれぞれの位置を求めるフィードバック制御系と外乱オブザーバと軸ねじれ反力推定オブザーバとを用いて共振比制御することを特徴とする部品把持方法としたものである。

ここで、共振比制御とは、駆動源と駆動源に対する負荷(負荷側)が存在したときにそれぞれが共振周波数を有するが、当該駆動源の共振周波数を制御することにより、駆動源の共振周波数と負荷側の共振周波数との比（共振比）を制御して駆動源と負荷とを含めた移動機構の全体制御を行うことをいうものとする。又、外乱オブザーバとは、外乱成分を推定し、フィードフォワード的にこれを補償することで外乱の影響を打ち消すシステムをいうものとする。更に、軸ねじれ反力推定オブザーバとは、負荷側に生じる軸ねじれで発生する反力を推定し、フィードフォワード的にこれを補償することで軸ねじれで発生する反力の影響を打ち消すシステムをいうものとする。

本発明によれば、把持爪の重心位置、ヨーイング量、把持力を独立に制御することができ、部品の把持状態（位置及び角度）と把持力の制御をすることができる。又、外乱オブザーバと軸ねじれ反力推定オブザーバとを用いて共振比制御を行うので、２慣性共振負荷の振動抑制の制御が可能となり、把持爪の摩擦やパラメータ変動等の外乱を排除したロバストな制御が可能である。

又、把持爪に圧力検出手段を備えたときには、把持力のより正確で且つ迅速な制御が可能である。

更に、部品搭載装置に適用した場合には、部品の把持状態の認識後に部品搭載位置とのずれ量を演算・補正して搭載位置へ移動する際に、補正量が求まる前に部品の搭載位置への移動を開始して、その移動中に補正量を求めて更にその補正量の移動を独立に行うことができ、移動に要する時間を短縮することが可能である。

以下、図面を参照して、本発明の第１実施形態を詳細に説明する。

図１は本発明の第１実施形態に係る部品把持装置を適用した部品搭載装置の概略図、図２は部品搭載装置全体の制御系の構成を表すブロック図を示す図、図３は部品把持装置における部品把持機構の概略図、図４は部品把持機構の１つのサーボモータ周辺を示す概略構成図、図５は把持爪の移動原理を説明する摸式図、図６は把持爪が閉じられた状態を示す摸式図、図７は把持爪が開かれた状態を示す摸式図、図８は把持爪で部品を把持した状態を示す摸式図、図９は部品把持後に部品の中心位置がずれている状態を示す摸式図、図１０は部品把持後に部品の角度がずれている状態を示す摸式図、図１１は部品把持後に部品の角度がずれているときに傾き補正するための把持爪の移動距離を求めるための摸式図、図１２は部品把持後に部品の把持力を調整させた際の摸式図、図１３は把持爪の１つを駆動するためのブロック線図を示す図、図１４は外部オブザーバのブロック線図を示す図、図１５は軸ねじれ反力推定オブザーバのブロック線図を示す図、図１６は加速度制御系のブロック線図を示す図、図１７は３つの把持爪を備える場合の把持爪の重心位置、ヨーイング量、把持力を独立して制御するためのモデル化されたブロック線図を示す図、図１８は図１７の具体的な行列パラメータを用いた３つの把持爪を駆動するためのブロック線図を示す図、である。

最初に、本実施形態の部品把持装置が適用された部品搭載装置の構成について説明する。なお、後述するが、部品把持装置１４９は、部品把持機構１５０と部品把持用コントローラ１８０とを備える（図２参照）。

図１に示すように、部品搭載装置１００は、部品１０２が供給される部品供給部１０６と、部品１０２を吸着ノズル１０８の先端に取付けられた部品把持機構１５０で把持して回路基板１０４上に搭載する搭載ヘッド１１０と、部品把持機構１５０で把持された部品１０２の認識を行う部品認識カメラ１２０と、を備える。更に、図１に示すように、部品搭載装置１００は、搭載ヘッド１１０をＸＹ軸方向に移動させるＸ軸移動機構１１２、Ｙ軸移動機構１１４と、中央部から少し後方で左右方向に延在する基板搬送路１１８と、本体部１３０と、を備えている。このような構成により、部品搭載装置１００は、部品供給部１０６に供給される部品１０２を部品把持機構１５０で把持し、部品１０２を回路基板１０４上の所定の位置に搭載することができる。

前記Ｘ軸移動機構１１２は、図１に示すように、部品把持機構１５０を取付けた吸着ノズル１０８を有する搭載ヘッド１１０をＸ軸方向に移動させ、またＹ軸移動機構１１４は、Ｘ軸移動機構１１２並びに搭載ヘッド１１０をＹ軸方向に移動させる。

前記搭載ヘッド１１０は、吸着ノズル１０８を介して部品把持機構１５０を垂直方向（Ｚ軸方向）に昇降可能に移動させるＺ軸移動機構（図示せず）を備える。そして、吸着ノズル１０８をそのノズル軸（吸着軸）を中心に回転させるθ軸移動機構（図示せず）を備えている。又、搭載ヘッド１１０には、回路基板１０４上に形成された基板マーク（図示せず）を撮像する基板認識カメラ１２２が搭載されている。

前記部品認識カメラ１２０は、搭載ヘッド１１０の可動範囲内の適宜個所、例えば部品供給部１０６の側部に配置され、部品把持機構１５０で把持された部品１０２を下方から撮像することができる。

部品搭載装置１００全体の制御系の構成を図２に示し、関連する構成要素について以下説明する。本体部１３０に設けられたコントローラ１３２は、マイクロコンピュータ（ＣＰＵ）、並びにＲＡＭ、ＲＯＭを有して、Ｘ軸モータ１１３、Ｙ軸モータ１１５、Ｚ軸モータ１１６、θ軸モータ１１７、表示装置１３４、記憶装置１３６、キーボード１３８、マウス１４０、画像認識装置１４２、そして部品把持用コントローラ１８０等に接続されて、部品搭載装置１００全体を制御する。

前記Ｘ軸モータ１１３は、Ｘ軸移動機構１１２の駆動源で、搭載ヘッド１１０をＸ軸方向に移動させる。又、前記Ｙ軸モータ１１５は、Ｙ軸移動機構１１４の駆動源で、Ｘ軸移動機構１１２をＹ軸方向に駆動する。

前記Ｚ軸モータ１１６は、搭載ヘッド１１０に設けられており、部品把持機構１５０をＺ軸方向（高さ方向）に昇降させるＺ軸駆動機構（図示せず）の駆動源である。又、前記θ軸モータ１１７は、吸着ノズル１０８のθ軸回転機構（図示せず）の駆動源である。

前記表示装置（モニタ）１３４は、部品データ、演算データ、及び部品認識カメラ１２０で撮像した部品１０２の画像などをその表示面に表示する。

前記記憶装置１３６は、フラッシュメモリなどで構成され、キーボード１３８とマウス１４０により入力された部品１０２の端子数、端子配置、大きさ、形などの情報（部品データ）や部品供給部１０６に供給される部品１０２の位置や向きなどの情報（部品供給データ）や回路基板１０４上の各部品の搭載される位置や角度などの部品レイアウト情報（基板データ）、及び不図示のホストコンピュータから伝送される部品データ、部品供給データ、基板データなどを格納するのに用いられる。また、基板認識カメラ１２２で撮像した基板マークによる回路基板１０４の基板補正データ等も格納される。

前記キーボード１３８と前記マウス１４０は、部品データなどのデータを入力するために用いられる。

前記画像認識装置１４２は、部品把持機構１５０に把持された部品１０２の画像認識を行うもので、メモリ１４４、ＣＰＵ１４６及びＡ／Ｄ変換器１４８から構成される。ここでは、把持された部品１０２を撮像した部品認識カメラ１２０から出力されるアナログの画像信号をＡ／Ｄ変換器１４８によりデジタル信号に変換してメモリ１４４に格納し、ＣＰＵ１４６がその画像データに基づいて把持された部品１０２の認識を行う。すなわち、画像認識装置１４２は、部品１０２中心と傾き（部品認識データ）を演算し、部品１０２の把持状態を認識する。又、画像認識装置１４２は、基板認識カメラ１２２と接続されて、基板認識カメラ１２２で撮像された基板マークの画像を処理して基板マーク位置を認識し、回路基板１０４の基板補正データを演算することができる。画像認識装置１４２は、上述した部品認識データと基板補正データとをコントローラ１３２へ伝送することができる。

本実施形態の部品把持装置１４９は、部品１０２を把持する把持手段である部品把持機構１５０と、把持手段を制御する制御手段である部品把持用コントローラ１８０とを有する。このため、部品把持装置１４９は、把持手段である部品把持機構１５０が制御されることで部品１０２を把持することができる。

図２、図３に示す如く、部品把持機構１５０は、部品１０２を把持するための３つの把持爪１７２、１７４、１７６と、把持爪１７２、１７４、１７６を駆動する互いに独立した駆動源であるサーボモータ１５４、１５６、１５８と、を備える。更に、図３に示す如く、部品把持機構１５０は、減速機構１６０、１６２、１６４と、サーボモータ１５４、１５６、１５８と減速機構１６０、１６２、１６４と把持爪１７２、１７４、１７６を支持して、部品把持機構１５０のケーシング１５２に固定されるガイド１６６、１６８、１７０と、を備える。このため、サーボモータ１５４と減速機構１６０とガイド１６６と把持爪１７２とで構成される移動機構は、サーボモータ１５６（１５８）と減速機構１６２（１６４）とガイド１６８（１７０）と把持爪１７４（１７６）とで構成される移動機構と同一である。なお、ガイド１７０は、ガイド１６６、１６８のＹ軸方向の丁度中間に設けられている。つまり、図３に示す如く、把持爪１７２、１７４は、Ｘ軸方向の同じ向きに向いてＹ軸方向に並んで配置され、把持爪１７６は把持爪１７２、１７４と対向するＸ軸方向の向きで把持爪１７２、１７４の中間の位置に配置されている（Ｌ／２＝Ｌ１）。このため、部品１０２を把持爪１７２、１７４、１７６の３点で押えて把持することができる。そして、図２に示す如く、部品把持用コントローラ１８０は、サーボモータ１５４、１５６、１５８を互いに独立して制御する。即ち、サーボモータ１５４、１５６、１５８の制御は直接コントローラ１３２ではなされないので、コントローラ１３２でＸ軸モータ１１３等への処理が継続中でも、コントローラ１３２の処理状況に関係なく、サーボモータ１５４、１５６、１５８は部品把持用コントローラ１８０で迅速な制御がなされる。

以下にサーボモータ１５４と減速機構１６０とガイド１６６と把持爪１７２について説明を行い、同一の構成要素については説明を省略する。

前記サーボモータ１５４は、図４に示す如く、把持爪１７２を駆動する駆動源であり、図示しないエンコーダが接続されている。このため、エンコーダ出力により、把持爪１７２の位置を制御することが可能である。

前記減速機構１６０は、図４に示す如く、サーボモータ１５４の出力軸に接続される。例えば、減速機構１６０は、大小のかさ歯車１６０Ａ、１６０Ｂを用いたかさ歯車機構により、サーボモータ１５４の出力を減速及び回転方向の変換（Ｘ軸方向から入力をＺ軸方向に出力）を行う。

前記ガイド１６６は、固定部１６６Ａとスライダ１６６Ｂとアーム１６６Ｃと円盤カム１６６Ｄとばね１６６Ｅとを有する。固定部１６６Ａは、部品把持機構１５０のケーシング１５２に固定され、サーボモータ１５４と減速機構１６０とを固定している。そして、固定部１６６Ａは、図示しないレールで、Ｘ軸方向に移動可能にスライダ１６６Ｂを支持している。スライダ１６６ＢのＸ軸方向の一端にはばね１６６Ｅが取付けられ、もう一端にはアーム１６６Ｃが取付けてある。そして、スライダ１６６Ｂには把持爪１７２が固定されている。円盤カム１６６Ｄには、減速機構１６０の出力軸１６０Ｃが接続されて、円盤カム１６６ＤはＺ軸周りで偏心回転する。このとき、円盤カム１６６Ｄの外周は、ばね１６６Ｅで押されたアーム１６６Ｃの先端と絶えず当接する。このため、円盤カム１６６Ｄが回転すると、円盤カム１６６Ｄの偏心量に応じて、スライダ１６６ＢがＸ軸方向に移動することとなる。即ち、ガイド１６６は、サーボモータ１５４の回転動作を直線動作に変換し、把持爪１７２を直線動作させることができる。固定部１６６Ａを省略したガイド１６６を示した図５を用いて、把持爪１７２の直線動作の様子を説明する。例えば、図５（Ａ）の状態から円盤カム１６６Ｄが図の矢印方向に１８０度回転すると、図５（Ｂ）の状態となり、円盤カム１６６Ｄの偏心量ΔＸだけ、アーム１６６Ｃとスライダ１６６Ｂが紙面上右側（Ｘ軸方向のプラス側）に直線移動する。即ち、円盤カム１６６Ｄを用いることで容易に、把持爪１７２を直線動作させることができる。

前記把持爪１７２は、図４に示す如く、スライダ１６６Ｂに固定され、紙面上の下側（Ｚ軸方向のマイナス側）に伸びている。その先端は、紙面上の右側（Ｘ軸方向のプラス側）に曲がり、部品１０２の側面と略平行となる形状である（図７参照）。

次に、部品搭載装置１００に、本実施形態の部品把持装置１４９を適用した場合の部品把持の動作について、図６〜図８を用いて説明する。

最初に、搭載ヘッド１１０の吸着ノズル１０８に部品把持機構１５０を取付け、搭載ヘッド１１０を部品供給部１０６の上方へ移動する（図６参照）。その後、サーボモータ１５４、１５６、１５８を駆動して、把持爪１７２、１７４、１７６を開き、Ｚ軸モータ１１６を駆動させ、部品１０２を把持できる高さまで部品把持機構１５０を下降させる（図７参照）。

次に、サーボモータ１５４、１５６、１５８を駆動させ、把持爪１７２、１７４、１７６を動かして部品１０２に接触させて、部品１０２を把持する（図８参照）。そして、Ｚ軸モータ１１６を駆動して部品把持機構１５０及び部品１０２を移動高さまで上昇させ、部品認識カメラ１２０の上方へ移動して部品１０２の認識を行う。部品認識カメラ１２０の出力に基づき、画像認識装置１４２では、部品１０２の中心位置と把持角度を演算し、部品の把持状態を認識する。

ここで、部品認識により部品１０２の中心位置がずれていた場合について、図９を用いて説明する。部品１０２が搭載される際の中心位置が位置ＰＣであるのに対し、部品１０２を認識した結果、把持した部品１０２の中心位置が位置ＰＣから紙面上の下側（例えば、Ｘ軸方向のプラス側に０．５ｍｍ）にずれた位置ＰＯだった場合、把持爪１７２、１７４、１７６すべてを紙面上の上側（Ｘ軸方向のマイナス側）に中心位置のずれを補正する補正量分（ＰＣ−ＰＯ＝０．５ｍｍ）移動させる。このように、把持爪１７２、１７４、１７６を同じ変位量で移動させることで部品１０２を把持したまま平行移動させることができ、把持された部品１０２の中心位置ＰＯを部品１０２が搭載される際の位置ＰＣに容易に一致させることができる。

又、部品認識により部品１０２の角度がずれていた場合について、図１０、図１１を用いて説明する。部品１０２を認識した結果から把持した部品１０２の角度が時計回りにずれている場合（例えば、１°）、把持爪１７６の移動を固定し、把持爪１７２を紙面上の下側（Ｘ軸方向のプラス側）に、把持爪１７４を紙面上の上側（Ｘ軸方向のマイナス側）に移動させることで、部品１０２の角度ずれの補正量分（＝１°）を反時計方向に回転させる。この時、把持爪１７２、１７４のＹ軸方向の間隔Ｌが例えば、６ｍｍだった場合、図１１に示す如く、把持爪１７２と１７４の中心位置から各把持爪１７２、１７４までの距離（Ｌ／２）は３ｍｍ（＝６／２）であるから、把持爪１７２と把持爪１７４の移動量Ｂは、式（１）のように表すことができる。

Ｂ＝Ｌ／２×ｔａｎθ＝３×ｔａｎ（１°）＝０．０５２ｍｍ（１）

即ち、把持爪１７２を紙面上の下側（Ｘ軸方向のプラス側）に０．０５２ｍｍの移動と、把持爪１７４を紙面上の上側（Ｘ軸方向のマイナス側）に０．０５２ｍｍの移動とで、部品把持機構１５０は部品１０２を把持したまま回転移動させることができ、部品１０２の角度補正を容易にすることができる。

次に、上述した部品１０２のＸ軸方向での中心位置のずれと、角度ずれの場合には、部品認識後、すぐに搭載ヘッド１１０が理論上の搭載位置へ移動を開始し、当該移動中に部品把持用コントローラ１８０で部品１０２の把持状態の補正処理を行うことができる。このため、迅速に所定の位置に部品１０２が搭載されることとなる。

なお、ここで、部品１０２の把持力の調整についても、図１２を用いて説明する。もし、コントローラ１３２あるいは部品把持用コントローラ１８０で把持力が所定の力よりも大きいと判断した場合には、把持力を弱めるために、部品１０２を把持している把持爪１７２、１７４と把持爪１７６との間隔を離す方向に移動させる。すると、部品１０２にかかる把持力を減少させることができる。逆に、把持力を強める場合は、部品１０２を把持している把持爪１７２、１７４と把持爪１７６との間隔を狭める方向に移動させる。すると、部品１０２にかかる把持力を増加させることができる。

次に、部品把持機構（把持手段）１５０を制御する部品把持用コントローラ（制御手段）１８０による制御について説明する。部品把持用コントローラ１８０では、外乱オブザーバ２００と軸ねじれ反力推定オブザーバ２０２とを備えて共振比制御によって、部品把持機構１５０の制御を行う。即ち、部品把持用コントローラ１８０から駆動源であるサーボモータ１５４、１５６、１５８への制御指令により、部品把持機構１５０が共振比制御される。

最初に、図１３に、部品把持機構１５０の把持爪１７２、１７４、１７６の１つを想定した共振比制御のブロック線図を示す。なお、外乱オブザーバ２００を図１４に、軸ねじれ反力推定オブザーバ２０２を図１５に、それぞれ示す。

ここで、図１３において、θ_ｍ ^ｃｍｄはサーボモータへの制御指令、Ｋｐ、Ｋｒ、Ｋｖは任意に設定できるフィードバックゲインで、Ｋｐは位置ゲイン、Ｋｒは反力ゲイン、Ｋｖは速度ゲイン、ｄ^２θ_ｍ ^ｒｅｆ／ｄｔ^２は加速度参照値、ｄθ_ｍ／ｄｔは速度参照値、Jｍはサーボモータの慣性、ｎはノミナル値、（即ち、Ｊｍｎはサーボモータの慣性のノミナル値）、Ｋｔはトルク定数、（即ち、Ｋｔｎはトルク定数のノミナル値）、Ｉ^ｒｅｆは電流参照値、τ_ｄｉｓｍはサーボモータに作用する外乱トルク、ｓはラプラス演算子、θ_ｍはサーボモータの回転角度（サーボモータの位置）、Ｋｆはサーボモータと負荷側との間のばね定数、τ_ｒｅａｃは軸ねじれ反力、τ_ｒｅａｃ ^＊は推定軸ねじれ反力、τ_ｄｉｓｌは負荷側に作用する外乱トルク、Ｊｌは負荷側の慣性、θｌは負荷側の回転角度（負荷の位置）、をそれぞれ表している。又、図１４において、Ｆ_ｍはパラメータ変動によりサーボモータに印加される変動外乱トルク、Ｄ_ｍは粘性摩擦トルク、Ｉ_ｃｍｐは外乱トルクを補償してロバスト性を確保するための補償電流、Ｇｄｉｓは外乱オブザーバゲイン、τ_ｄｉｓｍ ^＊は推定外乱トルク、をそれぞれ表している。又、図１５において、Ｇｒｅａｃは、軸ねじれ反力推定オブザーバ２０２に含まれる１次のローパスフィルタのカットオフ周波数である。なお、添え字ｍはサーボモータ、添え字ｌは負荷側、添え字ｄｉｓは外乱、添え字ｒｅａｃは軸ねじれ反力を示している。

図１３に示す如く、本実施形態に係る制御系は、外乱オブザーバ２００と軸ねじれ反力推定オブザーバ２０２とを備えて共振比制御系を構成し、負荷側に作用する外乱τ_disｌに係らず、それらによる推定値をフィードバックしている。このため、本実施形態に係る制御系は、２慣性共振系の振動抑制において有効である。即ち、本実施形態に係る制御系は、外乱オブザーバ２００と軸ねじれ反力推定オブザーバ２０２とに基づくため、サーボモータ軸に加わる外乱等を補償することが可能である。詳しく言うならば、サーボモータに外乱オブザーバ２００と軸ねじれ反力推定オブザーバ２０２とを適用しているので、サーボモータに作用する各種外乱の影響を除去することができるので、図１６に示すロバストな加速度制御系を構築することができる。図１６に示す如く、外乱オブザーバゲインＧｄｉｓを大きく設定すると、ｓ／（ｓ＋Ｇｄｉｓ^＊）を極めて小さくできるので、外乱トルクτ_ｄｉｓｍの影響を極めて少なくすることが可能なことによるものである。なお、Ｇｄｉｓ^＊は外乱オブザーバゲインの換算値を示している。そして、本実施形態に係る制御系は、共振比制御であるので、状態フィードバック制御やＨ∞制御などと異なり、図１３に示す如く、比較的簡単な制御系のため、設計が容易であり、計算量も少なくて済むなど実用性が高い。

次に、３つの把持爪１７２、１７４、１７６を、３つの独立したモードで制御（重心位置の制御、ヨーイング量の制御、把持力の制御）する方法について説明する。

最初に、上述した共振比制御を、３つのサーボモータ１５４、１５６、１５８を有する部品把持機構１５０に適用するために、サーボモータ１５４、１５６、１５８と重心位置、ヨーイング量、把持力との関係を求める。

把持爪１７２、１７４、１７６の位置をｘ１、ｘ２、ｘ３として、そのときの各把持爪１７２、１７４、１７６の力をｆ１、ｆ２、ｆ３とすると、把持爪１７２、１７４、１７６の重心位置ｇ、ヨーイング量θ、把持力ｆは以下の式（２）〜（４）のように求めることができる。

ｇ＝（ｘ１＋ｘ２＋ｘ３）／３（２）
θ＝（ｘ１―ｘ２）／Ｌ（３）
ｆ＝（２＊ｆ３）−ｆ１−ｆ２（４）

このとき、把持爪１７６の力が把持爪１７２、１７４の力の合計と等しくなるように制御が行われることで、部品把持機構１５０がバランス良く正しく部品を把持することが可能となる。

ここで、式（２）〜(４)を行列Ｑにまとめると式（５）となる。なお、所定の比例係数で、ｆ１はｘ１、ｆ２はｘ２、ｆ３はｘ３、それぞれに比例するものとしている。

式（５）の逆行列Ｑ^−１を求めると、式（６）で表される。

得られた行列Ｑと逆行列Ｑ^−１を用いると、図１７のモデル化されたブロック線図が得られるので、重心位置の制御、ヨーイング量の制御、把持力の制御の各モードに対応した３つの制御指令（ｃｍｄ１〜ｃｍｄ３）により、フィードバックをかけて各移動機構（Ｓｙｓｔｅｍ１〜Ｓｙｓｔｅｍ３）で出力される負荷側の位置（ｒｅｓ１〜ｒｅｓ３）を独立して制御することができることとなる。なお、Ｋ１〜Ｋ３は、重心位置、ヨーイング量、把持力におけるゲインを示している。

具体的な制御系のブロック線図を図１８に示す。ここで、□内の数字は、行列Ｑ及び逆行列Ｑ^−１の具体的なパラメータ値によるゲインを示し、Ｋａは任意に設定できるトルクゲインを示している。なお、図１８中の添え字ｍ１、ｍ２、ｍ３は、それぞれ、サーボモータ１５４、１５６、１５８に対応している。

図１８において、θ_ｍ１ ^ｃｍｄは重心位置の制御指令であり、把持爪１７６と、把持爪１７２、１７４との間の位置関係を保ったまま、全体を平行移動制御することができる。θ_ｍ２ ^ｃｍｄはヨーイング量の制御指令であり、把持爪１７２、１７４によるヨーイング量を制御することで、部品１０２の把持する角度を任意に補正することが可能である。なお、ヨーイング量の制御指令を０とすれば、把持爪１７２、１７４を水平に固定することが可能である。τ_ｍ３ ^ｃｍｄは把持力の制御指令である。この場合、θ_ｍ３ ^ｃｍｄを０に固定して使用する。

このように、上述の共振比制御系を行列Ｑと逆行列とＱ^−１をサーボモータ１５４、１５６、１５８に適用することにより、摩擦やパラメータ変動等の外乱に対してロバストであり、防振制御だけでなく、把持爪１７２、１７４、１７６の重心位置、ヨーイング量、把持力の３種類を独立に制御することが可能である。

又、本実施形態では、エアを供給する管路を用いた部品１０２の把持を行わないので、従来のような、反応遅れなどがなく、把持力や把持状態を適時・迅速に制御することができる。

即ち、本発明によれば、把持爪１７２、１７４、１７６の重心位置、ヨーイング量、把持力を独立に制御することができ、部品の把持状態（位置及び角度）と把持力の制御をすることができる。又、外乱オブザーバ２００と軸ねじれ反力推定オブザーバ２０２とを用いて共振比制御を行うので、２慣性共振負荷の振動抑制の制御が可能となり、把持爪１７２、１７４、１７６の摩擦やパラメータ変動等の外乱を排除したロバストな制御が可能である。

又、部品搭載装置１００に適用した場合には、コントローラ１３２と部品把持用コントローラ１８０とは別であるので、サーボモータ１５４、１５６、１５８の制御タイミングはコントローラ１３２に直接的に左右されない。このため、部品１０２の把持状態の認識後に部品搭載位置とのずれ量を演算・補正して搭載位置へ移動する際に、補正量が求まる前に部品１０２の搭載位置への移動を開始して、その移動中に部品把持用コントローラ１８０が独立処理をして部品把持機構１５０で補正を行うことができ、移動に要する時間を短縮することが可能である。

本発明について第１実施形態を挙げて説明したが、本発明は第１実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の要旨を逸脱しない範囲においての改良並びに設計の変更が可能なことは言うまでもない。

例えば、第２実施形態として、図１９に示す如く、把持爪１７６が圧力検出手段である圧力センサ１７８を、その先端に備えてもよい。この場合には、制御のためのブロック線図は図２０のようになる。即ち、圧力センサ１７８で測定した部品１０２にかかる把持力を、第１実施形態にはない制御線１７８Ａで把持力のトルク指令τ_ｍ３ ^ｃｍｄに直接フィードバックすることができるので、把持力のより正確な制御ができ、且つ高速に制御が可能となる。なお、圧力センサ１７８は、把持爪１７６でなく他の把持爪１７２、１７４に備えられてもよいし、すべてに備えられてもよい。このとき、圧力センサ１７８の代わりに、圧力検出手段として歪ゲージを用いて、把持爪１７２、１７４、１７６のいずれか１つ以上に貼り付けてそのたわみ量から把持力を求めても良い。

又、例えば、上記実施形態では、把持爪の数を３本としたが、本発明はこれに限定されず、４本以上の数としても良い。

又、例えば、上記実施形態では、把持爪１７２、１７４、１７６の駆動のために、円盤カムを使用したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えは、すべりボールねじなど直線動作に変換する機構であれば良い。

又、例えば、上記実施形態では、サーボモータ１５４、１５６、１５８のエンコーダを用いてセミクローズドループで共振比制御系を構成していたが、本発明はこれに限定されない。例えば、リニアエンコーダを用いたフルクローズドループで共振比制御系を構成することも可能である。又、サーボモータ１５４、１５６、１５８として、回転型モータを使用しているが、本発明は、リニアモータを使用してもよい。

本発明の第１実施形態に係る部品把持装置を適用した部品搭載装置の概略図同じく部品搭載装置全体の制御系の構成を表すブロック図を示す図同じく部品把持装置における部品把持機構の概略図同じく部品把持機構の１つのサーボモータ周辺の概略構成図同じく把持爪の移動原理を説明する摸式図同じく把持爪が閉じられた状態の示す摸式図同じく把持爪が開かれた状態を示す摸式図同じく把持爪で部品を把持した状態を示す摸式図同じく部品把持後に部品の中心位置がずれている状態を示す摸式図同じく部品把持後に部品の角度がずれている状態を示す摸式図同じく部品把持後に部品の角度がずれているときに傾き補正するための把持爪の移動距離を求めるための摸式図同じく部品把持後に部品の把持力を調整させた際の摸式図同じく把持爪の１つを駆動するためのブロック線図を示す図同じく外部オブザーバのブロック線図を示す図同じく軸ねじれ反力推定オブザーバのブロック線図を示す図同じく加速度制御系のブロック線図を示す図同じく３つの把持爪を備える場合の把持爪の重心位置、ヨーイング量、把持力を独立して制御するためのモデル化されたブロック線図を示す図同じく図１７の具体的な行列パラメータを用いた３つの把持爪を駆動するためのブロック線図を示す図本発明の第２実施形態に係る部品把持装置の模式図同じく３つの把持爪を備える場合の把持爪の重心位置、ヨーイング量、把持力を独立して制御するための具体的な行列パラメータを用いたブロック線図を示す図従来の部品把持装置における部品把持機構の模式図別の従来の部品把持装置における部品把持機構の模式図

符号の説明

２、５２、１０２…部品
４、５４、１５０…部品把持機構
１００…部品搭載装置
１０４…回路基板
１０８…吸着ノズル
１１０…搭載ヘッド
１２０…部品認識カメラ
１３２…コントローラ
１３６…記憶装置
１４２…画像認識装置
１５２…ケーシング
１５４、１５６、１５８…サーボモータ
１６０、１６２、１６４…減速機構
１６６、１６８、１７０…ガイド
１６６Ａ、１６８Ａ、１７０Ａ…固定部
１６６Ｂ、１６８Ｂ、１７０Ｂ…スライダ
１６６Ｃ、１６８Ｃ、１７０Ｃ…アーム
１６６Ｄ、１６８Ｄ、１７０Ｄ…円盤カム
１６６Ｅ、１６８Ｅ、１７０Ｅ…ばね
１７２、１７４、１７６…把持爪
１７８…圧力センサ
１８０…部品把持用コントローラ
２００…外乱オブザーバ
２０２…軸ねじれ反力推定オブザーバ

Claims

部品を把持する把持手段と該把持手段を制御する制御手段とを有する部品把持装置において、
前記把持手段が、前記部品を把持するための３つ以上の把持爪と、該把持爪を駆動する互いに独立した駆動源とを備え、且つ、
前記制御手段が、前記３つ以上の把持爪による重心位置、ヨーイング量、及び把持力に対する該３つ以上の把持爪のそれぞれの位置の関係を用いて該重心位置、ヨーイング量、及び把持力から該３つ以上の把持爪のそれぞれの位置を求めるフィードバック制御系と、前記把持手段を制御するための外乱オブザーバと、軸ねじれ反力推定オブザーバとを備え、
前記駆動源への前記制御手段における前記重心位置、ヨーイング量、及び把持力の制御指令により前記把持手段が共振比制御されることを特徴とする部品把持装置。
前記３つ以上の把持爪の少なくとも１つが圧力検出手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の部品把持装置。
把持手段を制御することで部品を把持する部品把持方法において、
前記把持手段が、前記部品を把持するための３つ以上の把持爪と、該把持爪を駆動する互いに独立した駆動源とを備え、
前記３つ以上の把持爪による重心位置、ヨーイング量、及び把持力の制御指令に基づき、前記把持手段を、前記重心位置、ヨーイング量、及び把持力に対する前記３つ以上の把持爪のそれぞれの位置の関係を用いて該重心位置、ヨーイング量、及び把持力から該３つ以上の把持爪のそれぞれの位置を求めるフィードバック制御系と外乱オブザーバと軸ねじれ反力推定オブザーバとを用いて共振比制御することを特徴とする部品把持方法。