JP5892459B2 - 組立ロボットとその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ワークを対象物に組み付ける組立ロボットとその制御方法に関する。

ロボットの手先に取り付けた力センサ、あるいはロボット関節のトルクから作業にかかる力やモーメントを計測し、これに応じて手先の位置や速度を変化させるのが「力制御」である。
力制御は、例えば精密部品の嵌め合い作業などに用いられる。

ロボットによりワークを対象物に組み付ける際に力制御を用いることは、例えば、特許文献１〜６に開示されている。

特開２０１０−１９４６９６号公報、「ワーク設置装置と設置方法及び持ち上げ方法」 特開平１１−１０４９２１号公報、「組立用ロボット」 特開平５−３０５５９１号公報、「組立ロボット」 特開２０１１−１１０６８８号公報、「ロボットの教示装置、及びロボットの制御装置」 特開２００３−１２７０８１号公報、「組立ロボット及び当該組立ロボットによる部品組立方法」

ロボットにより、ワークを嵌め合い動作を含む動作で対象物に組み付ける場合、本質的には、ワークと対象物との接触前後だけでなく、嵌め合い動作中であってもその状況に応じてロボットの動作が切り替わる必要がある。

例えば特許文献１では、ワークを置き治具に設置するときは、ワークの設置面が置き治具の案内テーパに入り込むまで搬送してから、ツメを少し緩めることで、ツメの中でワークの「遊び」を作り、この状態で、置き治具の位置決めガイド面まで搬送動作することで、搬送装置および置き治具に過剰な力が加わらないようにしている。

しかし、特許文献１の手段を用いた場合でも、水平方向には僅かな遊びしかないため、嵌め合い動作中のカジリや位置ズレにより鉛直方向に過大な力が発生し、過負荷によりロボットが緊急停止する場合があった。
このような緊急停止の場合、ワークやハンド等が破壊する可能性があった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、ワークを対象物に複数の動作で組み付ける場合に、各動作において正常動作中に誤作動することなく過負荷を確実に検出し安全に停止させることができる組立ロボットとその制御方法を提供することにある。

本発明によれば、ワークを対象物に複数の動作で組み付ける組立ロボットの制御方法であって、
複数の各動作は、嵌め合い動作を含み、前記ワークと前記対象物が接触し得る動作であり、
前記ワークを把持するハンドと、
ハンドに作用する外力を検出する力センサと、
３次元空間内でハンドの位置と姿勢を移動可能なロボットアームと、
ロボットアームを制御するロボット制御装置とを備え、
前記ワークは、鉛直な軸線を有する本体と、ワーク下端より上方に設けられその下面が水平に構成されている鍔部とからなり、
前記ハンドは、水平な鍔部下面を支持する水平な支持面と、前記鍔部の外面又は上縁部を把持する把持面とを有する複数のツメ部材を有し、
前記鍔部下面を複数の前記支持面で支持したまま、複数の前記ツメ部材を互いに連動して水平外方に駆動して、前記鍔部の外面又は上縁部と複数の前記把持面との間に遊びを形成し、
（Ａ）前記複数の各動作における鉛直下向きの外力の最大値を記憶し、
（Ｂ）ロボットアームを制御して各動作を順次実行し、
（Ｃ）各動作の実行中に、力センサで検出された前記鉛直下向きの外力が、各動作における前記最大値に達したときに、ロボットアームを停止する、ことを特徴とする組立ロボットの制御方法が提供される。

また本発明によれば、ワークを対象物に複数の動作で組み付ける組立ロボットであって、
複数の各動作は、嵌め合い動作を含み、前記ワークと前記対象物が接触し得る動作であり、
前記ワークを把持するハンドと、
ハンドに作用する外力を検出する力センサと、
３次元空間内でハンドの位置と姿勢を移動可能なロボットアームと、
前記複数の各動作における鉛直下向きの外力の最大値を記憶し、ロボットアームを制御して各動作を順次実行するロボット制御装置とを備え、
前記ワークは、鉛直な軸線を有する本体と、ワーク下端より上方に設けられその下面が水平に構成されている鍔部とからなり、
前記ハンドは、水平な鍔部下面を支持する水平な支持面と、前記鍔部の外面又は上縁部を把持する把持面とを有する複数のツメ部材を有し、
前記鍔部下面を複数の前記支持面で支持したまま、複数の前記ツメ部材を互いに連動して水平外方に駆動して、前記鍔部の外面又は上縁部と複数の前記把持面との間に遊びを形成し、
各動作の実行中に、力センサで検出された前記鉛直下向きの外力が、各動作における前記最大値に達したときに、ロボットアームを停止する、ことを特徴とする組立ロボットが提供される。

上記本発明の装置及び方法によれば、ロボットの各動作における組付け方向外力の最大値をそれぞれ記憶しており、各動作の実行中に力センサで組付け方向の外力を検出するので、検出された外力が各動作における記憶した最大値に達したときに異常と判定し、自動的にロボットアームを停止することができる。
従ってワークを対象物に複数の動作で組み付ける場合に、各動作において正常動作中に誤作動することなく過負荷を確実に検出し安全に停止させることができる。

本発明の組立ロボットの全体構成図である。 本発明のハンドの構成図である。 図１、図２の組立ロボットの動作説明図である。 本発明による組立ロボットの別の動作説明図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明の組立ロボットの全体構成図である。
本発明の組立ロボット１０は、ワーク１を対象物２に複数の動作で組み付けるロボットである。
組立ロボット１０は、この例では、多関節ロボットであるが、本発明はこれに限定されず、その他のロボットであってもよい。
対象物２は、この例で置き治具であり、テーブル３の上面に正確に位置決めされている。

複数の動作は、例えば、ワーク１の把持、ワーク１の搬送、ワーク１の対象物２への設置（挿入）である。
すなわち、本発明の組立ロボット１０は、図示しない支持台上に置かれたワーク１をハンド１２で把持し、ワーク１を予め定められた搬送経路に沿って数値制御により３次元的に搬送し、テーブル３の上面の対象物２に設置（挿入）するようになっている。

図１において、本発明の組立ロボット１０は、ワーク１を把持するハンド１２、力センサ１４、ロボットアーム１６及びロボット制御装置１８を備える。

力センサ１４は、ワーク１に作用する外力を検出するセンサである。
この例において、力センサ１４は直交３軸方向の力（Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚ）と各軸まわりのトルク（Ｔｘ，Ｔｙ，Ｔｚ）を計測可能な６軸センサであり、３次元的に移動可能なロボットアーム１６に取り付けられ、これに作用する６自由度の外力（３方向の力Ｆｘ，Ｆｙ，Ｆｚと、３軸まわりのトルクＴｘ，Ｔｙ，Ｔｚ）を検出するようになっている。
なお、本発明はこれに限定されず、ワーク１に作用する外力が検出できる限りで、その他の力センサであってもよい。

ロボットアーム１６は、手先にハンド１２を取付け、これを３次元空間内で位置と姿勢を移動可能に構成されている。
ロボットアーム１６は、この例では、多関節ロボットのロボットアームであるが、本発明はこれに限定されず、その他のロボットアームであってもよい。

ロボット制御装置１８は、例えば数値制御装置であり、指令信号によりロボットアーム１６を６自由度（３次元位置と３軸まわりの回転）に制御するようになっている。また、ロボット制御装置１８は、ロボットアーム１６を制御してロボット１０の複数の動作を順次実行する。

さらに、ロボット制御装置１８は、各動作における組付け方向の外力の最大値を記憶し、各動作の実行中に、力センサ１４で検出された組付け方向の外力が、各動作における組付け方向の外力の最大値に達したときに、ロボットアーム１６を停止するようになっている。
組付け方向の外力の最大値は、各動作に応じてそれぞれ予め設定する。

さらに、ロボット制御装置１８は、ロボットアーム１６の停止位置と予め設定した目標位置との差が閾値以内であれば、設置成功と判断し、この差が閾値を超えていれば設置失敗と判断する。閾値は、各動作に応じてそれぞれ予め設定する。

図２は、本発明のハンド１２の構成図である。

この図において、ワーク１は、本体１ａと鍔部１ｂとからなる。
本体１ａは、鉛直な軸線Ｚ−Ｚを有する。また、鍔部１ｂは、ワーク下端１ｄより上方に設けられ、その鍔部下面１ｃが水平に構成されている。
なおこの例において、本体１ａは円筒形または中空円筒形であり、鍔部１ｂはリング状である。

図２において、ワーク１が設置される対象物２（置き治具）は、ワーク下端１ｄと嵌合する嵌合部２ａをその上端部に有し、この嵌合部２ａには案内テーパ面２ｂが設けられている。
この例において、対象物２は円筒形であり、嵌合部２ａは円筒面であり、案内テーパ面２ｂは接頭円錐面である。
なお嵌合部２ａがワーク下端１ｄの中空孔と嵌合する場合、嵌合部２ａをピン形状としてもよい。

図２において、ハンド１２は、複数のツメ部材１２ａと開閉アクチュエータ１２ｂを備える。

ハンド１２の本体１１は、上述した力センサ１４の下部に取り付けられ、３次元的に移動可能に構成されている。また、本体１１は、上述したロボット制御装置１８により、ワーク１を対象物２まで搬送して設置する動作において、本体１１を一定の姿勢（水平姿勢）に保持するようになっている。

複数（この例では２つ）のツメ部材１２ａは、本体１１に水平方向に移動可能に取り付けられている。すなわち、この例で２つのツメ部材１２ａは、ワーク１の軸線Ｚ−Ｚに対して互いに反対方向に移動して、その水平方向の間隔を開閉でき、閉位置Ｃでワーク１の鍔部１ｂを把持し、開位置Ｏで鍔部１ｂを開放して、その外端より外側に位置するようになっている。
なお、ツメ部材１２ａは、ワーク１の軸線Ｚ−Ｚに対して対称（水平）に移動できる限りで、３つ以上であってもよい。

開閉アクチュエータ１２ｂは、複数のツメ部材１２ａを互いに連動して水平反対方向に駆動する。この開閉アクチュエータ１２ｂは、例えば、（１）リンク機構と電動シリンダの組み合わせや（２）サーボモータとラック＆ピニオンの組み合わせを用いることができる。
なお、開閉アクチュエータ１２ｂは、ツメ部材１２ａの開閉位置を数値制御できることが好ましいが、本発明はこれに限定されず、開閉位置を３段階（閉、開、中間）に変化できる機構であればよい。

図２において、各ツメ部材１２ａは、支持面Ａと把持面Ｂ，Ｃを有する。
支持面Ａは水平であり、鍔部１ｂの水平な鍔部下面１ｃを支持する機能を有する。
把持面Ｂ，Ｃは、鉛直面Ｂとテーパ面Ｃからなり、鍔部１ｂの外面又は上縁部を把持する機能を有する。
この例において、鉛直面Ｂとテーパ面Ｃは、平面視において、Ｖ字状に開いている。すなわち、鉛直面Ｂは、鍔部１ｂの外面と当接する鉛直Ｖ字面であり、テーパ面Ｃは、鍔部１ｂの上縁部と当接するテーパＶ字面である。

図３は、図１、図２の組立ロボット１０の動作説明図である。
この図において、（Ａ）はワーク把持、（Ｂ）は設置準備、（Ｃ）は設置中、（Ｄ）は設置完了の各動作を示している。

本発明では、（Ａ）〜（Ｄ）の各動作における組付け方向の外力の最大値を記憶し、各動作の実行中に、力センサ１４で検出された組付け方向の外力が、各動作における組付け方向の外力の最大値に達したときに、ロボットアーム１６を停止するようになっている。「組付け方向」は、この例では鉛直下向きである。

以下、この図を参照して、ワーク１の設置方法を説明する。
なおハンド１０は、上述した力センサ１４の下部に取り付けられ、ロボット制御装置１８により、一定の姿勢を保持する。ここで「一定の姿勢」とは、ワーク１の軸線Ｚ−Ｚに対して、ツメ部材１２ａが対称（水平）に移動する姿勢を意味する。

ワーク把持動作（Ａ）において、図示しない支持台上に置かれたワーク１の鍔部下面１ｃを複数のツメ部材１２ａの水平な支持面Ａで支持し、かつワークの鍔部１ｂの外面又は上縁部を複数のツメ部材１２ａの把持面（鉛直面Ｂとテーパ面Ｃ）で把持して、ワーク１を３次元的に移動し、ワーク下端１ｄを対象物２の案内テーパ２ｂの近傍まで搬送する。
なお、図示しない支持台からのワークの搬送動作中は、ワーク１の軸線Ｚ−Ｚを鉛直以外に傾けてもよい。
動作（Ａ）における組付け方向（鉛直下向き）の外力の最大値は、ワーク１の把持に支障がない値、例えばワーク重量の２〜３倍の値に設定するのがよい。

設置準備（Ｂ）において、ワーク１の鍔部下面１ｃを複数のツメ部材１２ａの水平な支持面Ｃで支持したまま、複数のツメ部材１２ａを互いに連動して水平外方に駆動して、鍔部１ｂの外面又は上縁部と複数のツメ部材１２ａの把持面（鉛直面Ｂとテーパ面Ｃ）との間に隙間（遊び）を形成する。
ここで「隙間」（遊び）は、案内テーパ２ｂの内側まで搬送されたワーク下端１ｄが、対象物２の嵌合部２ａに嵌合するために要する水平移動距離よりも大きい必要がある。すなわち、隙間は、例えばこの水平移動距離の最大値である案内テーパ２ｂの最大半径と最小半径の差に設定するのがよい。
また設置準備（Ｂ）における組付け方向の外力の最大値は、ツメ部材１２ａの駆動に支障がない値、例えばワーク重量の２〜３倍の値に設定するのがよい。

設置中（Ｃ）において、隙間（遊び）の範囲でワーク１が自由に水平移動できる状態で、ツメ部材１２ａの下端が対象物２に対し目標位置に達するまで、把持機構を鉛直に下降させて、ワーク下端１ｄを対象物２の嵌合部２ａに設置する。
ここで「目標位置」とは、ワーク１を対象物２に正確に組み付けた際に、ツメ部材１２ａの下端が位置する高さをいう。

設置中（Ｃ）において、ワーク下端１ｄが対象物２の嵌合部２ａより大きく、嵌合部２ａに嵌らない場合には、ワーク下端１ｄが対象物２に対し目標位置に達していても、上記「遊び」によりツメ部材１２ａのなかでワーク１が上方に変位しており、ワーク下端１ｄを対象物２の位置決めガイド面（例えば嵌合底面）まで搬送動作できない状態となる。
従って、この状態を検知するために、設置中（Ｃ）における組付け方向の外力の最大値は、正常な設置動作に支障がない値よりも高く、かつワークやハンド等に悪影響を与えない値に設定する。

本発明では、設置中（Ｃ）の実行中に、力センサ１４で検出された組付け方向の外力が、設置中（Ｃ）における組付け方向の外力の最大値に達したときに、ロボットアーム１６を停止する。
この停止の際に、ロボットアーム１６の停止位置と目標位置との差が閾値以内であれば、設置成功と判断し、この差が閾値を超えていれば設置失敗と判断する。
例えば停止の際に、ツメ部材１２ａの下端が対象物２に対し目標位置に達していれば、設置成功と判定することができる。また逆に、停止の際に、ツメ部材１２ａの下端が対象物２に対し目標位置に達していなければ、設置失敗と判定することができる。

次いで、設置完了（Ｄ）において、複数のツメ部材１２ａを互いに連動して水平外方に駆動して、その間の鍔部１ｂを開放し、ハンド１２をワーク把持動作（Ａ）まで復帰させる。

上述したように、ワーク１を対象物２に設置するときは、ワーク下端１ｄが対象物２の案内テーパ２ｂに入り込むまで搬送してから、ツメ部材１２ａを少し緩めることで、ツメ部材１２ａのなかでワーク１の「遊び」をつくる。次いで、この状態で、対象物２の位置決めガイド面（例えば嵌合底面）まで搬送動作することで、搬送装置（ロボット１０、力センサ１４等）および対象物２に過剰な力が加わらないように、正確な位置決め動作が可能である。またワーク１を高速搬送するときは、ツメ部材１２ａを閉じてワーク１を確実に把持することができる。

また、本発明はワークの設置動作に限定されず、上述した動作を逆にたどることで、ワークの持ち上げ動作にも適用することができる。

図４は、本発明による組立ロボットの別の動作説明図である。
この図において、ワーク１は円筒形孔４ａを有する中空円筒形部材である。また、対象物２はワーク１の円筒形孔４ａに嵌合する大径部２ｃを有し、作業台３（図１参照）に移動しないように固定されている。なおこの例で、大径部２ｃの上部に大径部２ｃより小径の小径部２ｄが設けられている。
円筒形孔４ａの内径は、大径部２ｃの直径よりわずかに大きく、ワーク１の下端が対象物２の拡径部２ｃ上面に達するまで、同心を維持したまま挿入できるようになっている。
円筒形孔４ａの内径と大径部２ｃの直径の差は、例えば、０．０１ｍｍである。

さらにこの例において、大径部２ｃには、円周溝５が設けられ、この円周溝５にリング６が嵌められている。リング６は、割目のある環状のリングであり、その弾性力で円筒形孔４ａの内面に半径方向外方に付勢するようになっている。

この組立ロボット１０は、単一のワーク１の円筒形孔４ａを３つの動作（１）〜（３）で対象物２の大径部２ｃに組み付ける。
動作（１）は、図で（Ａ）から（Ｂ）までであり、ワーク１の下端を円筒形孔２ａの上部に挿入する嵌め合いまでの近接動作である。
動作（２）は、図で（Ｂ）から（Ｃ）までであり、嵌め合い開始直後の動作である。この動作では、位置と姿勢のずれを修正する必要がある。
動作（３）は、図で（Ｃ）から（Ｄ）までであり、嵌め合い動作と挿入動作である。この動作（３）では、位置のずれを修正しつつワーク１を挿入する必要がある。

図４の例において、動作（３）における「組付け方向の外力の最大値」は、リング６の存在を考慮して設定する必要がある。
すなわち、リング６が対象物２の円周溝５に嵌められており、かつ対象物２との芯ずれが許容範囲である場合には、動作（３）に必要な挿入方向の力は、予め設定した「組付け方向の外力の最大値」以下であり、力センサ１４で検出された組付け方向の外力が、最大値に達したときに、ロボットアーム１６を停止することで、動作（３）の成功と判定することができる。

また、リング６が対象物２の円周溝５に嵌められているが、対象物２との芯ずれが許容範囲を超えている場合には、動作（３）に必要な挿入方向の力は、予め設定した最大値を超える。従って、この場合には「芯ずれが過大である」と判定することができる。

上述した本発明の装置及び方法によれば、ロボット１０の各動作における組付け方向の外力の最大値をそれぞれ記憶しており、各動作の実行中に力センサ１４で組付け方向の外力を検出するので、検出された外力が各動作における記憶した最大値に達したときに異常と判定し、自動的にロボットアーム１６を停止することができる。
従ってワーク１を対象物２に複数の動作で組み付ける場合に、各動作において正常動作中に誤作動することなく過負荷を確実に検出し安全に停止させることができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

１ ワーク、１ａ 本体、１ｂ 鍔部、１ｃ 鍔部下面、１ｄ ワーク下端、
２ 対象物、２ａ 嵌合部、２ｂ 案内テーパ面、
２ｃ 大径部、２ｄ 小径部、
３ テーブル（作業台）、５ 円周溝、６ リング、
１０ 組立ロボット、１１ 本体、
１２ ハンド、１２ａ ツメ部材、１２ｂ 開閉アクチュエータ、
１４ 力センサ、１６ ロボットアーム、１８ ロボット制御装置

Claims (3)

1. ワークを対象物に複数の動作で組み付ける組立ロボットの制御方法であって、
   複数の各動作は、嵌め合い動作を含み、前記ワークと前記対象物が接触し得る動作であり、
   前記ワークを把持するハンドと、
   ハンドに作用する外力を検出する力センサと、
   ３次元空間内でハンドの位置と姿勢を移動可能なロボットアームと、
   ロボットアームを制御するロボット制御装置とを備え、
   前記ワークは、鉛直な軸線を有する本体と、ワーク下端より上方に設けられその下面が水平に構成されている鍔部とからなり、
   前記ハンドは、水平な鍔部下面を支持する水平な支持面と、前記鍔部の外面又は上縁部を把持する把持面とを有する複数のツメ部材を有し、
   前記鍔部下面を複数の前記支持面で支持したまま、複数の前記ツメ部材を互いに連動して水平外方に駆動して、前記鍔部の外面又は上縁部と複数の前記把持面との間に遊びを形成し、
   （Ａ）前記複数の各動作における鉛直下向きの外力の最大値を記憶し、
   （Ｂ）ロボットアームを制御して各動作を順次実行し、
   （Ｃ）各動作の実行中に、力センサで検出された前記鉛直下向きの外力が、各動作における前記最大値に達したときに、ロボットアームを停止する、ことを特徴とする組立ロボットの制御方法。
2. ロボットアームの停止位置と目標位置との差が閾値以内であれば、設置成功と判断し、前記差が閾値を超えていれば設置失敗と判断する、ことを特徴とする請求項１に記載の組立ロボットの制御方法。
3. ワークを対象物に複数の動作で組み付ける組立ロボットであって、
   複数の各動作は、嵌め合い動作を含み、前記ワークと前記対象物が接触し得る動作であり、
   前記ワークを把持するハンドと、
   ハンドに作用する外力を検出する力センサと、
   ３次元空間内でハンドの位置と姿勢を移動可能なロボットアームと、
   前記複数の各動作における鉛直下向きの外力の最大値を記憶し、ロボットアームを制御して各動作を順次実行するロボット制御装置とを備え、
   前記ワークは、鉛直な軸線を有する本体と、ワーク下端より上方に設けられその下面が水平に構成されている鍔部とからなり、
   前記ハンドは、水平な鍔部下面を支持する水平な支持面と、前記鍔部の外面又は上縁部を把持する把持面とを有する複数のツメ部材を有し、
   前記鍔部下面を複数の前記支持面で支持したまま、複数の前記ツメ部材を互いに連動して水平外方に駆動して、前記鍔部の外面又は上縁部と複数の前記把持面との間に遊びを形成し、
   各動作の実行中に、力センサで検出された前記鉛直下向きの外力が、各動作における前記最大値に達したときに、ロボットアームを停止する、ことを特徴とする組立ロボット。