JP5713105B2

JP5713105B2 - エンドエフェクタおよびロボット

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Publication number: JP5713105B2
Application number: JP2013522666A
Authority: JP
Inventors: 洋一郎壇; 義昭久保田
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2011-07-07
Filing date: 2011-07-07
Publication date: 2015-05-07
Anticipated expiration: 2031-07-07
Also published as: CN103619530B; EP2730367A4; EP2730367A1; JPWO2013005330A1; CN103619530A; US20140125080A1; WO2013005330A1

Description

本発明は、エンドエフェクタおよびロボットに関する。

従来、ボルトやナットといったネジ部材を、アームの終端可動部に設けられたエンドエフェクタによって把持し、ボルト穴などの所定位置へ位置付けるロボットが知られている。

また、ボルトを送り出す機能を備えた電動ドライバをエンドエフェクタによって把持し、かかる電動ドライバによってボルトを送り出しつつ締め付ける技術も提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

特開平２−１９０２８５号公報

しかしながら、エンドエフェクタで把持した電動ドライバでボルトを締め付ける従来技術では、電動ドライバの把持や解放といった動作が必要となるので、エンドエフェクタの動作が複雑化するという問題があった。また、エンドエフェクタ以外に電動ドライバが必要となるため、装置コストや電力コストがかさむという問題もあった。

また、かかる従来技術では、エンドエフェクタで把持したボルトをそのまま締め付けることができないという問題もあった。なお、これらの問題は、ネジ部材の締め付けに限らず、ネジ部材の取り外しについても同様に発生する問題である。

開示の技術は、上記に鑑みてなされたものであって、ネジ部材を把持して回転させる工程を自動化するとともに、かかる工程に要するコストを抑制することができるエンドエフェクタおよびロボットを提供することを目的とする。

本願の開示するエンドエフェクタは、ネジ部材を該ネジ部材の軸線まわりに回転可能に把持する把持部と、前記軸線上に設けられ、前記把持部によって把持された前記ネジ部材の頭部に接した状態で該軸線に沿って直動し、直動に伴う回転によって該ネジ部材を前記軸線まわりに回転させる回転部とを備えることを特徴とする。

本願の開示するエンドエフェクタの一つの態様によれば、ネジ部材を把持して回転させる工程を自動化することができるとともに、かかる工程に要するコストを抑制することができる。

図１は、実施例１に係るロボットを示す斜視図である。図２は、実施例１に係るエンドエフェクタの側面図である。図３は、実施例１に係る把持爪の上視図である。図４Ａは、実施例１に係るエンドエフェクタの動作の一例を示す説明図その１である。図４Ｂは、実施例１に係るエンドエフェクタの動作の一例を示す説明図その２である。図４Ｃは、実施例１に係るエンドエフェクタの動作の一例を示す説明図その３である。図５は、実施例２に係る回転ユニットの側面図である。

以下に添付図面を参照して、本願の開示するエンドエフェクタおよびロボットのいくつかの実施例を詳細に説明する。ただし、これらの各実施例における例示で本発明が限定されるものではない。

まず、実施例１に係るロボット１の全体構成について図１を用いて説明する。図１は、実施例１に係るロボット１を示す斜視図である。なお、図１に示すエンドエフェクタ１０およびロボット１は、図示しない所定の制御装置によって動作制御が行われる。

図１に示すように、ロボット１は、２本のロボットアーム１１ａおよび１１ｂを双腕とする、いわゆる双腕ロボットである。なお、ここでは、双腕ロボットとしたが、１本のロボットアーム１１ａを備える単腕ロボットであってもよい。

ここで、各ロボットアーム１１ａおよび１１ｂは、それぞれが多軸ロボットであり、ロボットアーム１１ａの先端にはエンドエフェクタ１０が装着される。なお、ロボットアーム１１ｂにもエンドエフェクタ１０を装着することとしてもよい。また、ロボット１は、ロボットアーム１１ａおよび１１ｂが設けられた胴部１２を、床面等に固定される支持部１３に対して水平面に沿って回転させる機能を有している。

つぎに、ロボットアーム１１ａに装着されたエンドエフェクタ１０について図２を用いて説明する。図２は、実施例１に係るエンドエフェクタ１０の側面図である。

図２に示すように、エンドエフェクタ１０は、スライダユニット１００と、一対の開閉ユニット２００と、各開閉ユニット２００にそれぞれ設けられる把持ユニット３００ａ、３００ｂと、回転ユニット４００とを備えている。なお、開閉ユニット２００は、同図に示した回転軸Ｚを中心として対称の位置にそれぞれ設けられる。

まず、スライダユニット１００の構成を詳細に説明する。図２に示すように、スライダユニット１００が備えるベース１０１には、一対のマウント１０２が設けられている。また、ベース１０１内部には、回転軸Ｚを中心として、マウント１０２を相互に遠ざける、または、近づける（以下、「開閉」と記載する）よう駆動させる機構（図示せず）を備える。また、ベース１０１の中央には、回転ユニット４００が固定される。

なお、マウント１０２を開閉駆動させる機構については、たとえば、エアチャックであってもよいし、モータと送りねじを組み合わせた駆動機構であってもよい。

つづいて、開閉ユニット２００の構成を詳細に説明する。各開閉ユニット２００は、上記したマウント１０２にそれぞれ固定される。また、開閉ユニット２００が備える開閉爪２０１には、直動ガイドのスライダ部２０２が設けられている。

ここで、直動ガイドは、スライダ部２０２と、後述するレール部３０１とから構成されており、レール部３０１は、スライダ部２０２に沿って図２に示した回転軸Ｚと平行にスライドする。また、図２に示すように、開閉爪２０１には、回転軸Ｚと平行な軸をもつ支柱２０３が接続されている。なお、支柱２０３は、把持ユニット３００ａ、３００ｂを支持する部材である。

また、上記したように、スライダユニット１００のマウント１０２には、開閉ユニット２００が固定されており、マウント１０２の開閉駆動に伴い、開閉ユニット２００と、支柱２０３に支持された把持ユニット３００ａ、３００ｂとが一体となって開閉する。

つづいて、把持ユニット３００ａ、３００ｂの構成を詳細に説明する。一対の把持ユニット３００ａ、３００ｂは、円筒または円錐の面に沿って螺旋状の溝が設けられたネジ部材を把持する。

なお、本実施例１では、エンドエフェクタ１０によって把持されるネジ部材が、いわゆる雄ネジであるボルトである場合について説明するが、かかるネジ部材は雌ネジ（たとえば、ナット）でもよい。また、ネジ部材は、その一部に雄ネジまたは雌ネジを備えた部材であってもよい。

把持ユニット３００ａ、３００ｂがそれぞれ備える把持爪３０２ａ、３０２ｂには、上記したスライダ部２０２との対で直動ガイドを構成するレール部３０１が設けられている。また、２つの把持爪３０２ａ、３０２ｂの底面側にそれぞれ設けられた円柱形の中空部には、支柱２０３と接続された第１バネ３０３が収められている。すなわち、第１バネ３０３は、把持爪３０２ａ、３０２ｂを先端側へ付勢する。

ここで、第１バネ３０３は、円柱形の中空部内に収められており、微細なちりや埃等の吸い込みを防止するので、関連部材の劣化を抑制することができるとともに、把持ユニット３００ａ、３００ｂのメンテナンスを容易にすることができる。なお、把持爪３０２ａ、３０２ｂの動作の詳細については、図４Ａ〜図４Ｃを用いて後述する。

また、図２に示すように、把持爪３０２ａの先端部側面には、ローラ３０４ａが、把持爪３０２ｂの先端部側面には、ローラ３０４ｂおよびローラ３０４ｃが、設けられている。ここで、把持爪３０２ａ、３０２ｂおよびローラ３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃについて、図３を用いて説明しておく。図３は、実施例１に係る把持爪３０２ａ、３０２ｂの上視図である。

図３に示したように、把持爪３０２ａは、ローラ３０４ａを備えており、把持爪３０２ｂは、ローラ３０４ｂおよびローラ３０４ｃを備えている。また、各ローラ３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃは、回転軸Ｚと平行な回転軸まわりに回転する。

また、図３に示すボルト５００は、各ローラ３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃと、ボルト５００の頭部の外周とが接触した状態で、回転軸Ｚと同軸上にボルト５００の軸線が位置するように、エンドエフェクタ１０によって把持される。

これにより、エンドエフェクタ１０によって把持されたボルト５００は、回転軸Ｚまわりに回転可能となる。ここで、ボルト５００は、回転軸Ｚに沿った方向にずれないようにエンドエフェクタ１０によって把持される。

なお、エンドエフェクタ１０は、ボルト５００の大きさに応じて把持爪３０２ａと把持爪３０２ｂとの把持間隔を任意に変更することができるので、径の異なるボルトであっても把持爪３０２ａ、３０２ｂの交換等を行う必要はない。

また、図３では、３つのローラ３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃを用いる場合を例示したが、４つ以上のローラを用いることとしてもよい。ここで、４つのローラを用いる場合、把持爪３０２ａおよび把持爪３０２ｂにそれぞれ２つずつのローラを設けることとすればよい。

また、図３では、２つの把持爪３０２ａ、把持爪３０２ｂでボルト５００を把持する場合を例示したが、３つ以上の把持爪を用いることとしてもよい。なお、この場合、把持爪の数と同数の開閉ユニット２００および把持ユニット３００ａが設けられることとなる。なお、１つまたは複数の把持ユニット３００ａの代わりに把持ユニット３００ｂを設けることとしてもよい。

図２に戻り、回転ユニット４００の構成を詳細に説明する。図２に示すように、回転ユニット４００が備えるシリンダ４０５は、ベース１０１に固定されており、円柱形の中空部が形成されている。また、シリンダ４０５の内面上部には、送りネジナット４０２が固定されている。

送りネジナット４０２に挿入される送りネジシャフト４０１は、回転軸Ｚに沿って直動するとともに回転軸Ｚを軸として回転する。また、送りネジシャフト４０１の基端側にはスラストベアリング４０３が設けられており、スラストベアリング４０３の下方には、第２バネ４０４が設けられている。

すなわち、スラストベアリング４０３は、第２バネ４０４によって、送りネジシャフト４０１の回転が妨げられることを防止する。また、第２バネ４０４は、送りネジシャフト４０１を先端側へ付勢する。

送りネジシャフト４０１の先端側には、ボルトホルダ４０６が設けられている。このボルトホルダ４０６には、ボルト５００の頭部と接触した際に滑らないような加工（たとえば、ゴムパッドの貼着）が施されている。

つぎに、ロボットアーム１１ａを駆動させ、エンドエフェクタ１０によってボルト５００を把持し、ボルト穴へ挿入する動作の詳細について図４Ａ〜図４Ｃを用いて説明する。図４Ａ〜図４Ｃは、実施例１に係るエンドエフェクタ１０の動作の一例を示す説明図その１〜その３である。

まず、エンドエフェクタ１０は、先端に備える把持ユニット３００ａ、３００ｂによって図示しない容器や作業台等に載置されたボルト５００の頭部５０１を把持する。その際、図４Ａに示すように、把持ユニット３００ａ、３００ｂは、手前側にボルト５００の頭部５０１、他方にボルト５００の軸部５０２となる向きで把持する。

なお、ボルト５００の頭部５０１を把持する手法は、周知の手法を採用することができる。たとえば、ロボットアーム１１ａは、容器内にバラ積みされた複数のボルト５００の形状、向き、および位置を判別し、ボルト５００の頭部５０１を把持する動作を行う。その際、ボルト５００の軸線が、図２に示したＺ軸と平行となる姿勢でボルト５００はエンドエフェクタ１０によって把持される。

ボルト５００を把持する際、図示しない制御装置は、把持ユニット３００ａ、３００ｂをボルト５００の頭部５０１側へ向ける。さらに、制御装置は、開閉ユニット２００を左右（矢印ａ、ｂ）に作動させて把持ユニット３００ａ、３００ｂを開き、両把持ユニット３００ａ、３００ｂによってボルト５００の頭部５０１を挟み込むことが可能となる位置へ移動させる。

その後、エンドエフェクタ１０は、開閉ユニット２００を閉じて、把持ユニット３００ａ、３００ｂによってボルト５００の頭部５０１を把持する。ここで、把持されたボルト５００は、ローラ３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃと接触した状態であるため、ボルト５００の軸線まわりに回転可能である。

つづいて、図４Ｂに示すように、制御装置は、ボルト５００を把持したままボルト５００の軸部５０２の先端が所定のボルト穴６００に対して垂直に接触する位置へエンドエフェクタ１０を移動させる。なお、ここでは、厚みのある板状のワークにボルト穴６００が空けられている場合について例示した。

そして、制御装置は、エンドエフェクタ１０によってボルト５００の軸部５０２の先端をボルト穴６００に対して垂直（矢印ｃ）に押圧する。これにより、把持ユニット３００ａ、３００ｂは、ベース１０１へ近づく向きへスライドする。

そして、さらに、エンドエフェクタ１０を矢印ｃの方向へ押圧すると、図４Ｃに示すように、ボルト５００の頭部５０１は、ボルトホルダ４０６へ接触する。

ここで、各第１バネ３０３は、把持爪３０２ａ、３０２ｂを先端側へ付勢するので、ボルトホルダ４０６は、ボルト穴６００側へ押圧されることとなり、ボルトホルダ４０６とボルト５００の頭部５０１とが接触した状態を維持することができる。

なお、ここでは、把持ユニット３００ａ、３００ｂをスライドさせることによってボルトホルダ４０６とボルト５００の頭部５０１とを接触させることとしたが、これに限定されるものではない。たとえば、把持ユニット３００ａ、３００ｂ自体をスライドさせる代わりに、ローラ３０４ａ、３０４ｂ、３０４ｃを、回転軸Ｚに沿った方向にスライドさせる機構を設けることとしてもよい。

図４Ｃに示すように、ボルトホルダ４０６がボルト５００の頭部５０１へ接触した状態から、さらにエンドエフェクタ１０を矢印ｃの方向へ押圧した場合、ボルト５００とともに送りネジシャフト４０１はシリンダ４０５側へ移動する。

その際、送りネジナット４０２はシリンダ４０５に固定されているため、送りネジシャフト４０１は回転軸Ｚまわりに矢印ｄの方向へ回転する。また、ボルト５００は、送りネジシャフト４０１の回転と同方向、すなわち、矢印ｅの方向へ回転する。

ここで、第２バネ４０４は、送りネジシャフト４０１をボルト５００の頭部５０１側へ付勢するため、ボルトホルダ４０６とボルト５００の頭部５０１とが接触した状態を維持することができる。

また、ボルト５００の軸部５０２の先端は、ボルト穴６００に対して垂直（矢印ｃ）に押圧されている。これにより、エンドエフェクタ１０は、ボルト５００をボルト穴６００へ締め付ける動作（以下、「仮締め」と記載する）を行うことができる。

なお、送りネジシャフト４０１および送りネジナット４０２のピッチとボルト５００のピッチとは同程度であることが好ましい。また、第２バネ４０４による付勢力は、各第１バネ３０３の付勢力の和と同程度か、かかる和よりも大きいことが好ましい。

このようにすることで、把持ユニット３００ａ、３００ｂによって把持したボルト５００と、ボルトホルダ４０６との接触状態を適切に保持することができる。

上述してきたように、本実施例１では、エンドエフェクタは、ローラとボルトの頭部の外周とが接触した状態でボルトを把持する把持ユニットと、送りネジシャフトの動作により回転を伴い直動する回転ユニットとを備えることとした。

したがって、本実施例１に係るエンドエフェクタは、把持したボルトをボルト穴に押さえつけることによって受動的にボルトを回転させ、ボルトを仮締めすることができる。また、本実施例１に係るエンドエフェクタは、ボルトに回転運動を与える駆動機構（たとえば、電動ドライバ）を必要としないので、組み立て工程にかかるコストを抑制することができる。

ところで、上述した実施例１では、回転ユニット４００がベース１０１に固定される場合について説明したが、把持するボルト５００の径やピッチに応じて、かかる回転ユニット４００を交換することとしてもよい。そこで、以下に示す実施例２では、エンドエフェクタ１０が、交換可能な回転ユニット４００を備える場合について説明する。

図５は、実施例２に係る回転ユニット４００’の側面図である。なお、図５は、図２に示した実施例１に係るエンドエフェクタ１０の回転ユニット４００の構成例と対応している。また、送りネジシャフト４０１’および送りネジナット４０２’のピッチとボルトホルダ４０６’の形状が異なる点以外は、図２と同様である。したがって、ここでは、両者に共通する説明については省略することとする。

図５に示すように、エンドエフェクタ１０が把持するボルト５００’が六角穴付ボルトである場合について説明する。この場合、操作者等によって回転ユニット４００を、かかるボルト５００’の頭部５０１’の形状およびボルト５００’サイズに応じた回転ユニット４００’へ交換する。

具体的には、操作者がベース１０１にネジ留めによって固定されていた回転ユニット４００を回転ユニット４００’へ交換し、再度ネジ留めしてベース１０１に固定させる。かかる回転ユニット４００’のボルトホルダ４０６’の先端は、ボルト５００’の六角穴と同じサイズの六角レンチの形状とする。

また、送りネジシャフト４０１’および送りネジナット４０２’のピッチとボルト５００’のピッチとは同程度とする。

なお、ここでは、六角穴付ボルトに対応してボルトホルダ４０６’を六角レンチの形状とした。しかし、これに限ったものではなく、たとえばエンドエフェクタ１０は、ボルト５００’の頭部５０１’が「マイナス」や「十字穴」等、他の形状の場合には、かかる形状に応じたボルトホルダ４０６’を備えることとすればよい。

また、エンドエフェクタ１０は、ボルト５００’の頭部５０１’の形状に応じたボルトホルダ４０６’を備えることとしたが、ボルト５００’の径に応じて径のみを変更したボルトホルダ４０６’を備えることとしてもよい。

このように、実施例２に係るエンドエフェクタは、把持するボルトに応じて回転ユニットを交換できることとした。これにより、同じロボットによって所定の形状や径のボルトの把持から仮締めまでの動作をすることが可能となり、ワークの組み立て工程に必要な機器のコストを抑止することができる。

なお、上述した各実施例では、ボルトの把持から仮締めまでの動作を自動化させる場合について説明したが、これに限定されるものではない。たとえば、エンドエフェクタをボルト穴に挿入されているボルトの頭部側へ押圧し、回転ユニットを収縮させた状態でボルトホルダをボルトの頭部へ接触させる。そして、回転ユニットが備える第２バネの反発力によってボルトを回転させつつ、エンドエフェクタをボルト穴から遠ざける向きへ移動させることによってボルトを取り外す動作を行うこととしてもよい。

また、上述した各実施例では、エンドエフェクタによって把持されるネジ部材が、いわゆる雄ネジであるボルトである場合について説明したが、かかるネジ部材は雌ネジ（たとえば、ナット）でもよい。また、ネジ部材は、その一部に雄ネジまたは雌ネジを備えた部材であってもよい。

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施の形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１ロボット
１０エンドエフェクタ
１１ａロボットアーム
１１ｂロボットアーム
１２胴部
１３支持部
１００スライダユニット
１０１ベース
１０２マウント
２００開閉ユニット
２０１開閉爪
２０２スライダ部
２０３支柱
３００ａ把持ユニット
３００ｂ把持ユニット
３０１レール部
３０２ａ把持爪
３０２ｂ把持爪
３０３第１バネ
３０４ａローラ
３０４ｂローラ
３０４ｃローラ
４００回転ユニット
４０１送りネジシャフト
４０２送りネジナット
４０３スラストベアリング
４０４第２バネ
４０５シリンダ
４０６ボルトホルダ
５００ボルト
５０１頭部
５０２軸部
Ｚ回転軸

Claims

ネジ部材を該ネジ部材の軸線まわりに回転可能に把持する把持部と、
前記軸線上に設けられ、前記把持部によって把持された前記ネジ部材の頭部に接した状態で該軸線に沿って直動し、直動に伴う回転によって該ネジ部材を前記軸線まわりに回転させる回転部と
を備え、
前記把持部および前記回転部は、
前記軸線に沿って先端側へ向かって付勢されており、
前記把持部は、
前記軸線に沿って移動可能であり、
前記回転部は、
前記ネジ部材を把持した前記把持部が前記軸線に沿って基端側へ移動することによって、該ネジ部材の頭部へ押し付けられる
ことを特徴とするエンドエフェクタ。
前記回転部は、
前記把持部によって把持される前記ネジ部材の径およびピッチの一方または双方に対応して交換可能であることを特徴とする請求項１に記載のエンドエフェクタ。
前記把持部は、
二つ以上の把持爪と、
前記把持爪を開閉させる開閉部と
を備えることを特徴とする請求項１に記載のエンドエフェクタ。
前記把持部は、
前記軸線と平行な回転軸まわりに回転するローラ
を備えることを特徴とする請求項１に記載のエンドエフェクタ。
請求項１〜４のいずれか一つに記載のエンドエフェクタ
を備えることを特徴とするロボット。