JP5507595B2 - ロボットを用いた物品組付け装置 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットを用いて物品の組付けを行う装置に関する。

従来、生産性向上等のために、物品の組付けを自動で行う装置が提案されている。例えば、自動車エンジンのシリンダブロックにバランサカバーを組付ける自動組付け装置を開示する特許文献１には、「ボールフィーダ３６から３本のボルト１２がエアーによってボルト仮置き台３７に圧送され、このボルト仮置き台３７から部品仮組付け台３５の第２の保持部４０に３本のボルト１２が供給される。第２の保持部４０のボルト保持機構７１には円形の開口孔７２が設けられ、この開口孔７２には部品仮組付け台３５の下方へ垂直に突出するボルト収容筒７３が設けられているため、ボルト１２は頭部を下にして上向きに挿入される」と記載されている。

特開平１１−１７０１２７号公報

特許文献１に記載のような自動組付け装置では、シリンダブロックやバランサカバー等の組付け対象部品を正確に位置決めするための保持機構や位置決め機構が必要であり、また組付けに使用するボルト等の部品を整列させて供給するためのフィーダ機構や圧送機構も必要となる。従って装置全体が複雑となり、コストアップにもつながる可能性がある。

そこで本発明は、組付け対象部品のための位置決め機構を必要とせず、また組付け用のボルトのためのフィーダ機構や圧送機構も必要としない物品組付け装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本願第１の発明は、ボルトを取出して整列配置し、該整列配置されたボルトを用いて第１の物品を第２の物品へ組付ける作業を実行する物品組付け装置であって、バラ積みされた複数のボルトのうち、少なくとも取出すべきボルトの位置を検出する第１の検出手段と、前記第１の検出手段によって検出されたボルトの位置情報を用いて該ボルトを取出し、取出した該ボルトをボルト置台に整列配置するように構成された第１のロボットハンドを備えた第１のロボットと、第１の物品の位置を検出する第２の検出手段と、前記第２の検出手段によって検出された第１の物品の位置情報を用いて該第１の物品を把持し、所定の位置に配置された第２の物品に対し、互いの結合部を合わせた組付け位置まで該第１の物品を搬送するように構成された第２のロボットハンドを備えた第２のロボットと、前記ボルト置台に整列配置されたボルトを取出して保持し、該ボルトをその軸方向回りに回転させるように構成されたボルト保持・締付け手段と、を備え、前記ボルト保持・締付け手段は、前記ボルト置台に整列配置されたボルトを取出して保持し、互いの結合部を合わせた状態の前記第１及び第２の物品に対して該ボルトを締付けることによって該第１及び第２の物品の組付けを行う、物品組付け装置を提供する。

第２の発明は、第１の発明において、前記第２のロボットによって前記組付け位置に搬送された前記第１の物品を、該第２のロボットから受取って該組付け位置に保持する外部保持装置をさらに備え、前記ボルト保持・締付け手段は前記第２のロボットに搭載されており、前記第２のロボットに搭載された前記ボルト保持・締付け手段が、前記外部保持装置に保持された第１の物品及び第２の物品の組付けを行う、物品組付け装置を提供する。

第３の発明は、第１の発明において、前記ボルト保持・締付け手段を搭載した第３のロボットをさらに備え、前記第２のロボットは、前記第１の物品を把持して前記組付け位置まで搬送するとともに、該第１の物品を該組付け位置に保持するように構成され、前記第３のロボットに搭載された前記ボルト保持・締付け手段が、前記第２のロボットに保持された第１の物品及び第２の物品の組付けを行う、物品組付け装置を提供する。

第４の発明は、第１の発明において、前記第２のロボットによって前記組付け位置に搬送された前記第１の物品を、該第２のロボットから受取って該組付け位置に保持する外部保持装置と、前記ボルト保持・締付け手段を搭載した第３のロボットと、をさらに備え、前記第３のロボットに搭載された前記ボルト保持・締付け手段が、前記外部保持装置に保持された第１の物品及び第２の物品の組付けを行う、物品組付け装置を提供する。

第５の発明は、第１〜第４のいずれか１つの発明において、前記第１の検出手段は、前記第１のロボットに搭載された第１のカメラを有する第１の視覚センサであり、前記第２の検出手段は、前記第２のロボットに搭載された第２のカメラを有する第２の視覚センサである、物品組付け装置を提供する。

第６の発明は、第１〜第５のいずれか１つの発明において、前記ボルト保持・締付け手段は、回転可能な回転先端部と、該回転先端部に設けられたマグネットとを有する、物品組付け装置を提供する。

本発明によれば、組付け対象物品やボルトの位置検出を視覚センサ等の検出手段で行い、得られた位置情報を用いてロボットが物品及びボルトの取出し、搬送及び組付けを行うので、物品やボルトのための供給装置や位置決め装置が不要となる。故に簡易な構成でありながら、実用的な精度で組付けを行える物品組付け装置が提供される。

第１及び第２の物品を組付け状態に保持する外部保持装置を利用することにより、２つのロボットで物品やボルトの取出し、搬送から組付けまでを行うことができる。

ボルト保持・締付け手段を第３のロボットに搭載することにより、第１の物品の組付け位置での保持を第２のロボットが行うことができ、品種変更への対応が容易なフレキシブルな物品取付け装置が提供される。

ボルト保持・締付け手段を第３のロボットに搭載し、さらに外部保持装置を利用することにより、ボルトの搬送や締結作業を、第２のロボットによる物品の取出し搬送作業と並行して行うことができ、サイクルタイム短縮の効果が得られる。

視覚センサで取出し対象を検出することにより、位置決め機構を省くことができる。

ボルト保持・締付け手段の回転先端部にマグネットを使用することにより、ボルトの着脱にチャック等の保持機構を用いる必要がなくなり、装置の簡素化が図れる。

本願発明に係る物品組付け装置の好適な実施形態を示す図である。 第１のロボット周辺の拡大図である。 第２のロボットに取り付けた第２の検出手段で物品を検出している状態を示す図である。 第２のロボットに取り付けたボルト把持・締付け手段によって、ボルトを取出して把持する状態を示す図である。 ボルトの取出し・整列配置作業の手順を示すフローチャートである。 物品の搬送・組付け作業の手順を示すフローチャートである。

図１は、本願発明に係る物品組付け装置の好適な実施形態を示す図である。物品組付け装置は、締結手段（図示例ではボルト）の取出し及び整列配置を行う第１のロボット１０と、少なくとも２つの物品同士の組付けを行う第２のロボット１２とを有する。図２により明確に示すように、第１のロボット１０は、各軸回りに可動に構成された（例えば６軸の）第１のロボットアーム１４と、第１のロボットアーム１４の先端に設けられたロボットハンド等の第１の保持手段１６とを有し、第１の保持手段１６は、容器１８内にバラ積み状態で配置されたボルト２０を逐次的に保持して取出し、所定位置（例えば第１の架台２２の上）に配置されたボルト置台２４にボルト２０を所定の姿勢で配置（例えば垂直姿勢で整列配置）できるように構成されている。なお把持式の第１のロボットハンド１６の代わりに、空気を吸引することにより生じる吸引力を利用してボルト２０を吸引保持するノズルや、磁力を利用してボルト２０を吸着保持する電磁石等を用いてもよい。

図１に示すように、第２のロボット１２は、例えば上腕２６及び前腕２８を備えた６軸の多関節ロボットであり、前腕２８の先端部に、組付け用物品の１つ（第１の物品３０）を保持可能な第２の保持手段３２（図示例では物品３０を把持する第２のロボットハンド）を有する。第２のロボット１２は、第１の物品３０の組付け対象である、所定位置（図示例では第２の架台３４の上）に配置されている第２の物品３６に対して第１の物品３０を組付けることができる位置及び姿勢となる（具体的には両物品の結合部を互いに当接させる）ように、第２の保持手段３２で保持している第１の物品３０を搬送することができる。

第１のロボット１０は、容器１８内にバラ積みされた複数のボルト２０の少なくとも１つ、好ましくは全体を撮像できるように構成された第１のカメラ３８を有する。第１のカメラ３８は、第１のカメラ３８が撮像した画像を処理する画像処理装置（図示せず）等と協働して第１の検出手段（第１の視覚センサ）を構成し、これにより第１のロボット１０が取出すべきボルトの位置及び姿勢を検出することができる。なお図示例では、第１のカメラ３８は第１のロボット１０の本体の下部に固定配置されているが、取出し対象となるボルトを撮像できるのであれば第１のカメラ３８の設置位置はこれに限られず、例えば第１のカメラ３８は、第１のロボットアーム１４等の可動部や、ロボット以外の固定部位に取付けられてもよい。

第２のロボット１２は、第２の保持手段３２で把持すべき第１の物品３０を撮像するための第２のカメラ４０を有する。第２のカメラ４０は、第２のカメラ４０が撮像した画像を処理する画像処理装置（図示せず）等と協働して第２の検出手段（第２の視覚センサ）を構成し、これにより第２のロボット１２が取出すべき第１の物品３０の位置及び姿勢を検出することができる。例えば、図３に示すように、第２のロボット１２の可動部（例えば第２のロボットハンド３２の近傍）に第２のカメラ４０を取付け、第３の架台４２上に載置された第１の物品３０が第２のカメラ４０の視野（二点鎖線４４で図示）内に入るように第２のロボット１２を操作する。このようにして得られた第１の物品３０の位置及び姿勢の情報に基づいて第２のロボット１２を操作し、第２のロボットハンド３２に第１の物品３０を把持させることができる。なお図示例では、第２のカメラ４０は第２のロボット１２の前腕２８の先端に取付けられているが、第２のロボットハンド３２で把持する前の第１の物品３０を撮像できるのであれば第２のカメラ４０の設置位置はこれに限られず、例えば第２のカメラ４０は、第３の架台４２の近傍に固定配置してもよい。

また図１及び図３に示すように、第２のロボット１２は、例えばその前腕２８の先端部に、ボルト置台２４に整列配置されたボルト２０を取出し、該ボルトによって物品同士の締結を行うボルト保持・締付け手段４６を有する。ボルト保持・締付け手段４６は、ボルト２０の頭部を保持して該ボルトを軸方向回りに回転させることができる装置であり、例えば回転可能な回転先端部４８と、回転先端部４８に取付けられたマグネット５０とを有する。このようなボルト保持・締付け手段４６を利用すれば、例えば図４に示すように、第２のロボット１２を操作して、ボルト置台２４に整列配置されたボルト２０の１つにボルト保持・締付け手段４６を接近させ、該ボルト２０を吸引保持することができる。ボルト保持・締付け手段４６に保持されたボルト２０は、第１の物品３０及び第２の物品３６が組み合わされた状態で第１の物品３０及び第２の物品３６にそれぞれ形成された孔５２及び５４（図１参照）に挿入され、両物品の組付け・締結に使用される。なおマグネット５０は永久磁石でも電磁石でもよいが、コスト面からは永久磁石が好ましい。

なお本実施形態では、ボルトの検出及び第１の物品の検出にいずれも視覚センサを用いているが、本発明はこれに限られず、例えば光電センサ等の他の検出手段を使用することもできる。

次に、本願発明に係る物品組付け装置を用いた物品の組付け手順を、図５及び図６に記載のフローチャートを参照しつつ説明する。先ず、第１のロボット１０について、ボルト取出し手順を示す図５にあるように、第１のロボット１０を所定の待機位置に移動させる（ステップＳ１１）。ここで所定の待機位置とは、第１のカメラ３８による容器１８内のボルト２０の撮像を妨げないように第１のロボットアーム１４を退避させた位置等が挙げられる。

次に、容器１８内のボルト２０を、第１のカメラ３８によって撮像し、第１のロボットハンド１６で取出すべきボルト２０の位置（好ましくは位置及び姿勢）を検出する（ステップＳ１２）。そして検出されたボルトの位置（好ましくは位置及び姿勢）に関する情報に基づいて、第１のロボットハンド１６を取出し対象のボルト２０に接近させて、ロボットハンド１６が把持式のものであれば該ハンドを開き（ステップＳ１３）、取出し対象ボルトを第１のロボットハンド１６で取出す（ステップＳ１４）。

次に第１のロボットハンド１６で取出した（把持した）ボルト２０を、ボルト置台２４に配置する（ステップＳ１５）。図示例では、ボルト置台２４の上面に、略鉛直方向に延びかつボルト２０の軸長より短い長さの挿入孔５６（図２参照）を複数（図示例では４つ）形成しておき、該挿入孔５６内にボルト２０を、その頭部が上になるように挿入・配置する。

次のステップＳ１６では、ボルトの整列配置が完了したか、具体的にはボルト置台２４の全ての挿入孔５６にボルト２０が挿入されたかを検出・判断する。この判断手法としては、ボルト２０の有無を検知する光電センサを各挿入孔５６内に配置してその検知結果を利用すること、第１のカメラ３８又は他のカメラを用いてボルト置台２４を撮像してその画像処理結果から各挿入孔５６内のボルトの有無を判断すること、或いは、ボルト置台２４に設けた挿入孔５６の数（図示例では４つ）だけ第１のロボットハンド１６がボルトの把持及び挿入操作を異常なく反復できたかを、カウンタ等を用いて判断すること、等が挙げられる。

ステップＳ１６において、未だボルト２０が挿入されていない挿入孔５６があると判断された場合は、ステップＳ１２に戻って次の取出し対象ボルトを検出する。一方、全ての挿入孔５６にボルト２０が挿入されている場合は、第１のロボットハンド１６を待機位置に戻す（ステップＳ１７）。

図６は、主として第２のロボット１２による物品の組付け手順を示す。先ず第２のロボット１２を所定の待機位置に移動させる（ステップＳ２１）。ここで所定の待機位置とは、第１のロボット１０の動作範囲や他の周辺物と干渉しない位置が挙げられるが、次のステップで移動する物品検出位置に比較的近い位置であることが、タイムサイクル等の観点から好ましい。

次に、組付け対象である第１の物品３０を撮像できる物品検出位置に、第２のカメラ４０を移動させる（ステップＳ２２）。本実施形態では、図３に示すように第２のカメラ４０は第２のロボット１２に搭載されているので、第１の物品３０が第２のカメラ４０の視野４４内に入るように、第２のロボット１２が操作される。

次にステップＳ２３において、第２のカメラ４０によって第１の物品３０を撮像し、第１の物品３０の位置及び姿勢を検出する。そして第２のロボットハンド３２を取出し対象の第１の物品３０に接近させて、ロボットハンド３２が把持式のものであれば該ハンドを開き（ステップＳ２４）、第１の物品３０を第２のロボットハンド３２で取出す（ステップＳ２５）。

次に第２のロボットハンド３２で取出した（把持した）第１の物品３０を組付け位置に移動させる（ステップＳ２６）。すなわち、第１の物品３０を、第２の物品３６に対して組付けられた状態と実質同等の位置及び姿勢となるように移動させ、より具体的には両物品の結合部を互いに当接させた状態とする。例えば図示例の場合、第１の物品３０のネジ孔又は貫通孔５２と、第２の物品３６のネジ孔５４とが整合配置されるように、第２の物品３６の上に第１の物品３０が積み重ねられる。

なお図示例のように、第１及び第２の物品の結合部が略水平面であるような場合は、第２のロボットハンド３２による第１の物品３０の把持を解放しても両物品の位置関係は変化しないが、例えば両物品の結合部が傾斜面であると、第１の物品３０の把持を解放した瞬間に両物品の位置関係が変化する虞がある。そこで両物品の位置関係の変化を確実に防止するために、組付け位置に位置決めされた第１の物品３０の位置及び姿勢が変化しないように第１の物品３０を保持する外部保持装置（図示せず）を別途設けてもよい。この外部保持装置としては、組付け位置に位置決めされた第１の物品３０を第２のロボットハンド３２から受取って保持する開閉式のチャック機構等、簡易な構成のものが使用できる。

次のステップＳ２７では、ボルト保持・締付け手段４６を用いて、ボルト置台２４に整列配置されたボルト２０を取出して移動させる。そして次のステップＳ２８において、保持したボルト２０を第１の物品３０の孔５２及び第２の物品３６の孔５４に挿入してボルト２０の締め付け（回転）を行い、両物品の組付けが完了する。

なお上述の実施形態では、ボルト保持・締付け手段４６を、第１の物品３０の把持・位置決めを行う第２のロボット１２に搭載しているので、第１の物品３０の位置決めが終了したら必要に応じて外部保持装置等により第１の物品３０を保持している。しかし、本願発明はこのような形態に限られず、ボルト保持・締付け手段４６を第１及び第２のロボットとは異なる第３のロボット（図示せず）に搭載してもよい。この場合第３のロボットは、ボルト保持・締付け手段４６を用いて、ボルト置台２４に整列配置されたボルト２０を保持して取出すとともに、第１及び第２の物品が組み合わされた後、両物品をボルトで締結するための装置として機能する。第３のロボットを利用する場合は、第２のロボット１２は、第１の物品３０を組付け位置に位置決めした（ステップＳ２６）後も、そのまま第１の物品３０の保持装置として利用することができるので、上述の外部保持装置は不要となる。またロボットハンドによる物品の把持は物品の形状に対する自由度が比較的高いので、物品の品種変更にもフレキシブルに対応できる。

但し、上述の第３のロボットを利用する場合であっても、上述の外部保持装置をさらに利用してもよい。その場合は、第３のロボットが外部保持装置に保持されている物品の締結作業（ステップＳ２８）をしている間、第２のロボット１２が別の（次の）組付け作業に使用する物品の検出・搬送作業（ステップＳ２２〜Ｓ２５）を並行して行うことができるので、物品の組付け作業を複数回行う場合のサイクルタイムを短縮することができる。

１０ 第１のロボット
１２ 第２のロボット
１６ 第１のロボットハンド
１８ 容器
２０ ボルト
２４ ボルト置台
３０ 第１の物品
３２ 第２のロボットハンド
３６ 第２の物品
３８ 第１のカメラ
４０ 第２のカメラ
４６ ボルト保持・締付け手段
４８ 回転先端部
５０ マグネット

Claims (4)

1. ボルトを取出して整列配置し、該整列配置されたボルトを用いて第１の物品を第２の物品へ組付ける作業を実行する物品組付け装置であって、
   バラ積みされた複数のボルトのうち、少なくとも取出すべきボルトの位置を検出する第１の検出手段と、
   前記第１の検出手段によって検出されたボルトの位置情報を用いて該ボルトを取出し、取出した該ボルトをボルト置台に整列配置するように構成された第１のロボットハンドを備えた第１のロボットと、
   第１の物品の位置を検出する第２の検出手段と、
   前記第２の検出手段によって検出された第１の物品の位置情報を用いて該第１の物品を把持し、所定の位置に配置された第２の物品に対し、互いの結合部を合わせた組付け位置まで該第１の物品を搬送するように構成された第２のロボットハンドを備えた第２のロボットと、
   前記ボルト置台に整列配置されたボルトを取出して保持し、該ボルトをその軸方向回りに回転させるように構成されたボルト保持・締付け手段と、
   前記第２のロボットによって前記組付け位置に搬送された前記第１の物品を、該第２のロボットから受取って該組付け位置に保持する外部保持装置と、を備え、
   前記ボルト保持・締付け手段は、前記ボルト置台に整列配置されたボルトを取出して保持し、互いの結合部を合わせた状態の前記第１及び第２の物品に対して該ボルトを締付けることによって該第１及び第２の物品の組付けを行い、
   前記ボルト保持・締付け手段は前記第２のロボットに搭載されており、
   前記第２のロボットに搭載された前記ボルト保持・締付け手段が、前記外部保持装置に保持された第１の物品及び第２の物品の組付けを行う、物品組付け装置。
2. ボルトを取出して整列配置し、該整列配置されたボルトを用いて第１の物品を第２の物品へ組付ける作業を実行する物品組付け装置であって、
   バラ積みされた複数のボルトのうち、少なくとも取出すべきボルトの位置を検出する第１の検出手段と、
   前記第１の検出手段によって検出されたボルトの位置情報を用いて該ボルトを取出し、取出した該ボルトをボルト置台に整列配置するように構成された第１のロボットハンドを備えた第１のロボットと、
   第１の物品の位置を検出する第２の検出手段と、
   前記第２の検出手段によって検出された第１の物品の位置情報を用いて該第１の物品を把持し、所定の位置に配置された第２の物品に対し、互いの結合部を合わせた組付け位置まで該第１の物品を搬送するように構成された第２のロボットハンドを備えた第２のロボットと、
   前記ボルト置台に整列配置されたボルトを取出して保持し、該ボルトをその軸方向回りに回転させるように構成されたボルト保持・締付け手段と、
   前記第２のロボットによって前記組付け位置に搬送された前記第１の物品を、該第２のロボットから受取って該組付け位置に保持する外部保持装置と、
   前記ボルト保持・締付け手段を搭載した第３のロボットと、をさらに備え、
   前記ボルト保持・締付け手段は、前記ボルト置台に整列配置されたボルトを取出して保持し、互いの結合部を合わせた状態の前記第１及び第２の物品に対して該ボルトを締付けることによって該第１及び第２の物品の組付けを行い、
   前記第３のロボットに搭載された前記ボルト保持・締付け手段が、前記外部保持装置に保持された第１の物品及び第２の物品の組付けを行う、物品組付け装置。
3. 前記第１の検出手段は、前記第１のロボットに搭載された第１のカメラを有する第１の視覚センサであり、前記第２の検出手段は、前記第２のロボットに搭載された第２のカメラを有する第２の視覚センサである、請求項１又は２に記載の物品組付け装置。
4. 前記ボルト保持・締付け手段は、回転可能な回転先端部と、該回転先端部に設けられたマグネットとを有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の物品組付け装置。

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