JP5911203B2 - 力制御ロボット - Google Patents

Description

本発明は、エンドエフェクタによって部品を把持して組み立てを行う力制御ロボットに関するものである。

近年、カメラ等の小型で複雑な構造をした製品の組み立てに対する自動化が進み、高速かつ精密な組み付けを微妙な力制御を伴って行う小型の産業用ロボットが必要とされている。従来は、把持した部品を正確かつ確実に組み付けるため、部材の変位による出力の変化から力を検出する力覚センサがロボットアームとエンドエフェクタとの間に設けられている。この力覚センサで組み付け時の力を検知しながらアームやエンドエフェクタの制御を行っている（特許文献１参照）。

図７、図８は、関連技術を示すもので、この力制御ロボットは、ロボットアーム５０２、力覚センサ５１０、エンドエフェクタ５０１等を有し、エンドエフェクタ５０１で部品Ｏを把持してワークＱに組み付ける。ロボットアーム５０２は、駆動装置５２３によって駆動され、ロボットアーム５０２の動作信号及び位置制御信号を駆動装置５２３へ入力する制御装置５２４が設けられる。

力覚センサ５１０は、ロボットアーム５０２の先端に取り付けられるアーム側プレート５１１と、エンドエフェクタ５０１に取り付けられるエンドエフェクタ側プレート５１２と、両プレート５１１、５１２を結合支持する弾性部材５１３を有している。力覚センサ５１０はプレート５１１、５１２の間に変位検出機構を備えており、この変位検出機構は、アーム側プレート５１１にエンドエフェクタ側プレート５１２へ向けて先端部が十文字形に形成されたビーム５１４を具備している。

特開昭６１−２４１０８３号公報

上記従来の力制御ロボットでは、ロボットアーム５０２とエンドエフェクタ５０１との間に力覚センサ５１０を直列に配置している。このことから、力覚センサ５１０の内部に存在するエンドエフェクタ５０１のロボットアーム５０２に対する回転中心と、エンドエフェクタ５０１の重心位置が離れた位置になってしまう。このため、ロボットアーム５０２を駆動させたときの慣性力によって、弾性部材５１３の変位支点とエンドエフェクタ５０１の重心位置の位置差で発生するモーメント力が、力覚センサ５１０に作用するため、センサ部が静定するまでの時間が長くなる。

この静定時間を短縮するためには、力覚センサ５１０の弾性部材５１３の剛性を上げる必要があり、その結果として外力に対してセンサが鈍感になり、力覚センサ５１０の検出感度の低下を招く。つまり弾性部材の剛性を向上させると高精度な力覚検出が困難になってしまう。このように、従来の構成では、エンドエフェクタの小型化に伴って、センサの検出感度向上と高速化に対応するための剛性の確保等を同時に達成するのが難しかった。

本発明は、力覚センサの検出感度の低下を招くことなくエンドエフェクタの小型化が容易であり、しかも高速化にも対応できる力制御ロボットを提供することを目的とするものである。

本発明の力制御ロボットは、一端が固定端、他端が可動端となるロボットアームと、
前記ロボットアームの前記可動端に弾性部材を介して接続された筐体と、前記筐体に支持され、部品を把持する複数の指モジュールと、前記筐体に支持され、前記複数の指モジュールをそれぞれ独立して駆動する複数の把持駆動部と、を有し、前記ロボットアームに対して回転中心を支点として変位するエンドエフェクタと、
前記弾性部材を挟んでいる前記ロボットアーム及び前記エンドエフェクタのうち一方側に設けられた永久磁石と、他方側に設けられ、前記変位として、前記永久磁石の磁場の強度を検出する変位検出素子と、を有し、前記弾性部材の内側に前記回転中心が存在する力覚センサと、
前記力覚センサで検出した前記変位に基づき前記ロボットアームの動作を制御するロボットアーム制御部と、を備え、
前記複数の把持駆動部は、前記筐体に対して前記複数の指モジュールが配置された側とは反対側であって、前記力覚センサの外側にそれぞれ配置されており、
前記各把持駆動部の重心が、前記回転中心より前記ロボットアーム側に配置されていることを特徴とする。

エンドエフェクタの把持駆動部の一部を弾性部材の回転中心よりロボットアーム側に配置することで、センサ剛性の向上と、エンドエフェクタの小型化を可能にする。同時に、ロボットアームを駆動させた時の慣性力で発生するモーメント力が力覚センサに及ぼす影響を低減し、位置決め静定に要する時間を短縮することで、高速化に対応するとともに、ロボットアーム先端部の稼働領域を広げることができる。

本発明の一実施形態に係る力制御ロボットを示すもので、（ａ）は力制御ロボットの主要部を分解した状態を示す模式図、（ｂ）は力制御ロボットの主要部を示す模式図、（ｃ）は（ｂ）の破線で区切られた面Ｂによる断面を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る力制御ロボットを示すもので、（ａ）は力制御ロボットの主要部を分解した状態を示す側面図、（ｂ）は力制御ロボットの主要部を示す側面図である。 本発明の一実施形態に係る力制御ロボットの力覚センサを説明するもので、（ａ）はその模式図、（ｂ）は断面を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る力制御ロボットの全体構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る力制御ロボットのエンドエフェクタと従来型の構成によるエンドエフェクタをそれぞれ適用したロボットステーションを比較する上面図である。 本発明の一実施形態に係る力制御ロボットのエンドエフェクタと従来型の構成によるエンドエフェクタをそれぞれ適用したロボットステーションを比較する側面図である。 従来の力制御ロボットを示す模式図である。 従来の力制御ロボットを示すもので、（ａ）は力制御ロボットの主要部を分解した状態を示す側面図、（ｂ）は力制御ロボットの主要部を示す側面図である。

図１〜図４は、一実施形態による力制御ロボットを示すもので、これは、例えば小型製品における部品を、力制御を行いながら高速で組み付ける産業用のロボットである。図１（ａ）及び図１（ｂ）の模式図に示すように、エンドエフェクタ１は、部品を把持する把持機構部である複数の指モジュール１００と、指モジュールを支持するエンドエフェクタ筐体１０９と、指モジュールの把持駆動部である複数のモータ１０５とからなる。図中のエンドエフェクタ筐体１０９は、支持部プレートと壁部からなる、モータ１０５及び力覚センサ２を保護する筒状もしくは箱状の部材であるが、説明のため、指モジュール１００とモータ１０５との支持部プレートのみ明示的に描いている。力覚センサ２は、弾性部材１３０と、外力を受けた際に生じる弾性部材１３０の変形を検出する検出部１７０（図３）とを備え、弾性部材１３０の変形に基づき外力を検出する。例えば歪ゲージ式センサ、もしくは磁気式力覚センサを用いる。

指モジュール１００は、指先部材１０１及び中節部材１０３と、それらをつなぐ第１関節１０２及び第２関節１０４と、を備える。図１（ｃ）はロボットアーム３の長手方向軸Ｚに対して垂直で、かつ回転中心Ｃを含む垂直面Ｂを示している。指モジュールの把持駆動部であるモータ１０５はエンドエフェクタ筐体１０９に支持され、図１（ｃ）に示すように第１関節１０２を駆動するモータ１０５ａと、第２関節１０４を駆動するモータ１０５ｂとで一つの指モジュールを駆動させる。これらは、不図示のコントローラで、それぞれ独立駆動させることが可能で、様々な形状のワークへの把持が可能になっている。なお、図１（ｃ）では、エンドエフェクタ筐体１０９の壁部のみ明示的に描いている。エンドエフェクタ１は、一端が架台に固定された固定端、他端が可動端となるロボットアーム３に対して、その可動端に、力覚センサ２を介して接続される。図１（ａ）及び図１（ｂ）に描かれたように、ロボットアーム３の可動端に対してプレート１１１を介して力覚センサ２を固定してもよい。

このような構成をとることによって、組み付け動作などでエンドエフェクタ１に外力が加わった際には、エンドエフェクタ１は、力覚センサ２における弾性部材１３０の回転中心Ｃを中心にしてロボットアーム３に対して変位する。ロボットアーム３が長手方向に対して略対称に各部材が構成されている場合には、この回転中心Ｃはロボットアーム長手方向に直交する断面をとった際、該断面のほぼ中心を通る長手方向軸Ｚ上に存在する。

モータ１０５を支持する筐体であるエンドエフェクタ筐体１０９は、ロボットアーム３の長手方向軸Ｚに対し、エンドエフェクタ１の回転中心Ｃを含む垂直面Ｂよりもロボットアーム側にモータ１０５の一部が配置されるように、モータ１０５を支持している。４本の指モジュール１００をそれぞれ駆動するモータ１０５ａ、１０５ｂは、力覚センサ２の周囲に、長手方向軸Ｚに対して略対称になるように配置される。

本実施形態では、指モジュール１００を駆動する複数のモータ１０５を対称に配置したが、力覚センサ２に対して同心円上に配置しても構わない。また、指モジュール１００は、部品や組み付け動作に合わせて、指の本数や関節数などがそれぞれ選ばれ、さまざまな形態のエンドエフェクタ構成をとりうる。

図２は、本実施形態のエンドエフェクタの側面図である。図２は、エンドエフェクタ１に対して外力が作用していない状態を示し、紙面に向かって上方を＋Ｚ、右方向を＋Ｘ方向、紙面奥方向を＋Ｙとする。図２において描かれているように、各指モジュール１００は、エンドエフェクタ筐体１０９に支持されており、力覚センサ２の弾性部材１３０を介して姿勢変化が可能なように構成されている。

つまり本実施形態における力制御ロボットはエンドエフェクタ１の端部とロボットアーム３の可動端とが、両者とくらべて比較的小さな剛性を有する弾性部材１３０を有する力覚センサ２にて連結されている状態となっている。したがってエンドエフェクタ１に外力が加わった場合、力覚センサ２の内部に存在する弾性部材１３０の回転中心Ｃに対してエンドエフェクタ１は回転することになる。

本実施形態の力制御ロボットは、上記回転中心Ｃに対して重量の大きい把持駆動部であるモータ１０５の一部をロボットアーム側に配置する点に特徴がある。このような構成をとることで以下詳細に説明するが、力覚センサ２の感度を維持または向上させつつ、エンドエフェクタ１の剛性の低下を抑えることができる。また、モータ１０５は、エンドエフェクタ１内で、比較的大きな重量をもつため、回転中心Ｃから把持駆動部であるモータ１０５の重心が回転中心Ｃよりロボットアーム側に配置されるとより大きな効果を得ることができる。

図３（ａ）は、力覚センサ２の構成モデルを示す模式図、図３（ｂ）は図３（ａ）の断面Ｂを示す。力覚センサ２は天井部と底部とそれらを繋ぐ柱状部からなり、主に天井部および柱状部が弾性部材１３０としての役割を担っている。例えば図３（ａ）に示すように、検出部１７０の変位検出素子であるホール素子１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃ、１６０ｄは、力覚センサ２の天井部に配置し、検出部１７０の永久磁石１５０は力覚センサ２の底部に固定されている。

エンドエフェクタに外力Ｆが加わると永久磁石１５０と各ホール素子の相対変位が発生し、ホール素子１６０にて検出される磁場の強度が変化する。この磁場の変化量を検出することにより、エンドエフェクタ１のロボットアーム３に対する回転もしくは変位を検知することができる。永久磁石１５０に対して、変位検出素子であるホール素子１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃ、１６０ｄ（合計４個）を弾性部材１３０の変位側の＋Ｘ、−Ｘ、＋Ｙ、−Ｙ位置に対称になる様に、配置することで、変位の大きさとともに変位方向の検出も可能となる。

組み付けの際の作用力ＦがＸＹ平面内で−Ｘ、−Ｙ方向にエンドエフェクタに作用したとすると、変位検出素子であるホール素子１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃ、１６０ｄが、永久磁石１５０に対して、＋Ｘ、＋Ｙ方向に変位する。従って、＋Ｘ、＋Ｙ位置にあるホール素子１６０ａ、１６０ｂは、永久磁石１５０に対して遠ざかり、出力が小さくなる。一方、−Ｘ、−Ｙ位置にあるホール素子１６０ｃ、１６０ｄは、永久磁石１５０に近づき、出力は大きくなる。これによって、作用力Ｆの大きさと方向を検出することができる。なお、永久磁石１５０と、ホール素子１６０ａ、１６０ｂ、１６０ｃ、１６０ｄの位置関係を逆にしてもよい。また、磁石とホール素子の変位量を検出する方法の代わりに、歪ゲージ方式や静電容量方式で検出部により弾性部材１３０の変形を検出するように構成された力覚センサを用いてもよい。

図４は、ロボットアーム３の先端にエンドエフェクタ１を装着した力制御ロボット全体を示すもので、力制御ロボットは、ロボットアーム３と、ロボットアーム３に装着したエンドエフェクタ１と、エンドエフェクタ制御部１８０と、を有する。エンドエフェクタ１には、エンドエフェクタ１の動作を制御するエンドエフェクタ制御部１８０が接続され、ここで力覚センサ２より検出した変位信号から力に変換する演算も行う。ロボットアーム３には、ロボットアーム３の動作を制御するロボットアーム制御部２１０が接続されている。エンドエフェクタ制御部１８０より、エンドエフェクタ１の指モジュール１１０に作用する外力の情報をロボットアーム制御部２１０が受信し、ロボットアーム３の動作に反映させる。

次に、力制御による組み付け動作を行う一連の流れを、把持した部品Ｏをワークに組み付ける際に、その組み付け相手であるワークに当接させる場合で説明する。図２に示すように、組み付け時の作用力Ｆは、指モジュール１００を介して、エンドエフェクタ筐体１０９に伝わり、さらに、力覚センサ２の弾性部材１３０の回転中心Ｃを支点にして、弾性部材１３０が撓む。その時の変位量と向きを力覚センサ２で検出し、検出された変位情報は、エンドエフェクタ制御部１８０に伝送され、演算器によって作用力Ｆの大きさと向きに演算され、ロボットアーム制御部２１０に伝送される。ロボットアーム制御部２１０では、伝送された作用力Ｆの情報に基づき、ロボットアーム３の動作を修正しながら組み付けを行う。

図２に示した本実施形態のエンドエフェクタ１の回転中心Ｃとワークを把持する標準位置である作用点Ｐ１までの距離Ｌ１とするとする。また図８に示した従来型の構成でのエンドエフェクタの回転中心Ｃから作用点Ｐ２までの距離をＬ２とする。

図７、８に示された従来の力制御ロボットでは、把持駆動部であるモータも含めてエンドエフェクタ５０１が力覚センサ５１０に対して、その端部に固定されている。力覚センサ２の大きさや、永久磁石１５０と、変位検出素子であるホール素子１６０の位置関係も同一の条件で比較すると従来の力制御ロボットのほうがその距離が大きくなり、回転中心Ｃから作用点までの距離の関係が、Ｌ１＜Ｌ２となる。また図２に示すように、組み付け時に発生する組み付け力Ｆが、外力としてワークを介して、エンドエフェクタ１の作用点Ｐ１に作用し、それぞれ変位した時の変位量をδｄ１とする。一方同条件で、従来の力制御ロボットにおける外力による変位量をδｄ２とする。

この条件下で、外力による力覚センサ２の弾性部材１３０の変形量が同じだとすると、（永久磁石１５０と、ホール素子１６０の変位量δｈ１、δｈ２の関係が、δｈ１＝δｈ２である）、δｄ１＝Ｌ１／Ｌ２＊δｄ２となる。同じセンサ感度であれば、Ｌ１／Ｌ２分、変位量δｄを抑えることができる。変位量δｄが同じであれば、δｈ１＝Ｌ２／Ｌ１＊δｈ２となり、センサ感度は従来の力制御ロボットと比較して、Ｌ２／Ｌ１倍に高めることができる。

図２の構成で回転中心Ｃ回りのエンドエフェクタの慣性モーメントをＭ１、従来の力制御ロボットの構成で回転中心Ｃ回りのエンドエフェクタの慣性モーメントをＭ２とする。本実施形態では、指モジュール１００を駆動する把持駆動部であるモータ１０５の回転中心Ｃからロボットアーム側に配置される部分の重量分だけ、慣性モーメントが大きくなり、Ｍ１＜Ｍ２となる。

本実施形態と従来型の構成のエンドエフェクタが有する固有振動数をそれぞれｆ１、ｆ２とすると、固有振動数ｆは、ｆ＝１／２π＊√（ｋ／Ｍ）で表わされるため、ｆ１／ｆ２＝√（Ｍ２／Ｍ１）となる。すなわち、本実施形態では、従来型の構成と比較して、√（Ｍ２／Ｍ１）倍、剛性を高めることが可能となる。このため、ロボットアーム３を動作させたときのエンドエフェクタ１のふらつきを抑えて、位置決め静定時間を短縮し、高速動作への対応が可能となる。つまり把持駆動部であるモータ１０５が、弾性部材１３０の回転中心Ｃよりロボットアーム３側に配置されていることで検出感度向上と高速化に対応するための剛性の確保することができる。

図５及び図６は、本実施形態及び従来型の構成によるエンドエフェクタ１を、組み立てロボットステーションに適用した例を比較するもので、図５は、ロボットステーション３０１の上面図、図６は側面図である。図５及び図６において、（ａ）は本実施形態によるエンドエフェクタを適用した例、（ｂ）は従来型の構成によるエンドエフェクタを適用した例を示す。

ロボットステーション３０１は、各辺Ｘの方形であり、エンドエフェクタ１を、一対のロボットアーム３にそれぞれ装着し、ロボットステーション３０１の中央付近で、部品Ｏを双腕で把持して作業する。本実施形態と従来型の構成のエンドエフェクタの全長差をａとすると、ロボットアーム３によるはみ出し量２ａ分だけロボットステーション３０１の幅を縮小することができる。さらに、側面図方向では、ロボットアーム３の根元方向側に、エンドエフェクタをｂだけ近づけることで、片腕のロボットアーム３の稼働領域を拡大できる。

本発明によるエンドエフェクタでは、力覚センサの感度を犠牲にすることなく、センサの高剛性化を図ることができるため組み立て用ロボット等に好適に適用できる。

１ エンドエフェクタ
２ 力覚センサ
３ ロボットアーム
１００ 指モジュール
１０５、１０５ａ、１０５ｂ モータ
１３０ 弾性部材
３０１ ロボットステーション

Claims (3)

1. 一端が固定端、他端が可動端となるロボットアームと、
   前記ロボットアームの前記可動端に弾性部材を介して接続された筐体と、前記筐体に支持され、部品を把持する複数の指モジュールと、前記筐体に支持され、前記複数の指モジュールをそれぞれ独立して駆動する複数の把持駆動部と、を有し、前記ロボットアームに対して回転中心を支点として変位するエンドエフェクタと、
   前記弾性部材を挟んでいる前記ロボットアーム及び前記エンドエフェクタのうち一方側に設けられた永久磁石と、他方側に設けられ、前記変位として、前記永久磁石の磁場の強度を検出する変位検出素子と、を有し、前記弾性部材の内側に前記回転中心が存在する力覚センサと、
   前記力覚センサで検出した前記変位に基づき前記ロボットアームの動作を制御するロボットアーム制御部と、を備え、
   前記複数の把持駆動部は、前記筐体に対して前記複数の指モジュールが配置された側とは反対側であって、前記力覚センサの外側にそれぞれ配置されており、
   前記各把持駆動部の重心が、前記回転中心より前記ロボットアーム側に配置されていることを特徴とする力制御ロボット。
2. 前記各指モジュールは、複数の関節を有しており、
   前記各把持駆動部は、前記複数の関節をそれぞれ駆動する複数のモータを備えていることを特徴とする請求項１に記載の力制御ロボット。
3. 前記複数の把持駆動部は、前記ロボットアームの長手方向の軸に対して対称となるように前記力覚センサの周囲に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の力制御ロボット。

Images