JP6511995B2

JP6511995B2 - 組み立てロボット

Info

Publication number: JP6511995B2
Application number: JP2015133502A
Authority: JP
Inventors: 靖之増田; 尾崎　行雄; 行雄尾崎
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2015-07-02
Filing date: 2015-07-02
Publication date: 2019-05-15
Anticipated expiration: 2035-07-02
Also published as: JP2017013190A

Description

本願は、組み立てロボットに関する。

近年、工業製品の生産現場では各種の組み立てロボットが用いられている（例えば、特許文献１−３を参照）。

特開２０１３−１３６１２５号公報特開平４−８２６８９号公報特開昭６２−２２１８５６号公報

工業製品を組み立てるロボットは、把持する部品が寸法の誤差等を含んでいても当該部品を把持できることが望まれる。そこで、工業製品を組み立てるロボットのハンドには、例えば、部品が接触する部位に弾性体が設けられる。しかし、部品が接触する部位に弾性体が設けられたハンドは、例えば、把持する部品に反力が加わると、弾性体が変形して部品の姿勢が変化することがある。部品が不安定な姿勢でハンドに把持されていると、ロボットが部品を正しく組み付けることが難しい。

そこで、本願は、把持対象物を安定した姿勢で把持できる組み立てロボットを開示する。

本願は、次のような組み立てロボットを開示する。すなわち、本願で開示する組み立てロボットは、ハンドを有する組み立てロボットであって、前記ハンドが把持する把持対象物に接触する把持面を形成する把持部と、前記把持部の傾きを前記把持対象物の接触面に合わせる倣い機構と、を備え、前記倣い機構は、前記把持面の裏側において先端が互いに異なる方向へ突出形成される複数のロッドと、前記複数のロッドを取り囲む仮想球体の内面の一部を形成する曲面であり、前記ロッドの先端が摺動する曲面と、を有する。

上記の組み立てロボットであれば、把持対象物を安定した姿勢で把持できる。

図１は、実施形態に係る組み立てロボットの一例を示した図である。図２は、実施形態に係る組み立てロボットのハンド付近を拡大した図である。図３は、一対のハンドのうち少なくとも何れかの内部構造を斜めから示した図である。図４は、倣い機構を中心ロッドの突出方向側から示した図の一例である。図５は、倣い機構を中心ロッドの長手方向の側方側から示した図の一例である。図６は、倣い機構の動作説明図の一例である。図７は、ロッドの先端と曲面との接触部分における力関係を表した図である。図８は、ワークに加わる力と倣い機構の各部に生ずる力との関係を示した図の一例である。図９は、比較例に係る組み立てロボットの一例を示した図である。図１０は、比較例に係る組み立てロボットのハンドがワークを把持した状態を示した図である。

以下、実施形態について説明する。以下に示す実施形態は、単なる例示であり、本開示の技術的範囲を以下の態様に限定するものではない。

図１は、実施形態に係る組み立てロボットの一例を示した図である。実施形態に係る組み立てロボット１は、いわゆる多関節ロボットであり、第１関節１Ｋ１を介してベース１Ｂに連結される第１アーム１Ａ１と、第２関節１Ｋ２を介して第１アーム１Ａ１の先端部に連結される第２アーム１Ａ２とを備える。また、組み立てロボット１は、第３関節１Ｋ３を介して第２アーム１Ａ２の先端に設けられるアクチュエータ３と、アクチュエータ３によって駆動されるハンド２とを備える。

図２は、実施形態に係る組み立てロボット１のハンド２付近を拡大した図である。アクチュエータ３は、一対のハンド２のうち少なくとも何れかを動かして各ハンド２の間を開閉する。組み立てロボット１は、工業製品の生産現場に用いることが可能なロボットであり、例えば、各種の部品を製品へ組み付ける作業に適用可能である。

図３は、一対のハンド２のうち少なくとも何れかの内部構造を斜めから示した図である。一対のハンド２のうち少なくとも何れかのハンド２には、把持部４と倣い機構５とが備わっている。把持部４は、ハンド２が把持する把持対象物に接触する把持面６を形成する円板状の部材である。倣い機構５は、把持部４の傾きを把持対象物の接触面に合わせる機構であり、把持面６の裏側において把持部４と一体的に形成される複数のロッド７と、ロッド７の先端が摺動する曲面８とを備える。また、倣い機構５は、把持部４から把持面６の反対側へ垂直に突出形成される中心ロッド９と、中心ロッド９の先端部分に接触して把持部４を把持対象物側へ付勢するスプリング１０とを備える。また、倣い機構５は、中心ロッド９の先端とスプリング１０とを内部に収めたシリンダ１１を備える。把持部４と各ロッド７と中心ロッド９は、一体化されて可動部１４を形成する。

各ロッド７は、把持面６の裏側において先端が互いに異なる方向へ突出形成されている。すなわち、各ロッド７は、把持部４から把持面６の反対側へ垂直に突出形成される中心ロッド９の中腹から枝状に斜め上へ分岐し、互いに異なる方向へ突出するように形成されている。各ロッド７は、ハンド２が把持対象物を把持する際の把持力や、把持対象物に加わる反力に耐える強度を有している。なお、各ロッド７は、曲面８に接する先端部分が球形になっている。各ロッド７の先端は、球形になっていることで、曲面８上をスムーズに摺動できる。

図４は、倣い機構５を中心ロッド９の突出方向側から示した図の一例である。ロッド７は、中心ロッド９から四方へ均等に突出形成されている。すなわち、ロッド７は、中心ロッド９に４つ設けられている。また、各ロッド７の先端が摺動する曲面８は、４つのロッド７に各々対応するように４つ設けられている。

図５は、倣い機構５を中心ロッド９の長手方向の側方側から示した図の一例である。図５に示されるように、中心ロッド９の先端および４つのロッド７の各先端は、同一の仮想平面上に形成されている。そして、ロッド７の先端が摺動する曲面８は、中心ロッド９の
先端を中心点とする仮想球体１５の内面の一部を形成する曲面である。仮想球体１５は、実在しない仮想の球体であり、４つのロッド７を全て取り囲む大きさを有している。各曲面８は、各ロッド７の先端に対し少なくとも把持面６に直交する把持対象物方向の側方から接触する位置に形成されている。よって、倣い機構５は、曲面８に接触するロッド７の先端が曲面８上を滑りながら移動することにより、中心ロッド９の先端を中心とする把持部４の回転を実現し、把持部４の姿勢を変えることができる。

図６は、倣い機構５の動作説明図の一例である。一対のハンド２の隙間にワーク１２（本願でいう「把持対象物」の一例である）が配置された状態でアクチュエータ３が作動し、ハンド２が閉じられると、倣い機構５では以下のような動作が実現される。

すなわち、図６（Ａ）に示されるように、ワーク１２の接触面１６に対し、把持部４の把持面６が傾いた状態でハンド２が閉じられると、把持面６の一部がワーク１２に接触する。把持部４が、仮想球体１５の中心点を中心とする回転によって姿勢を変えることができるため、把持面６の一部がワーク１２に接触したままハンド２が更に閉じられると把持部４の姿勢が変化し、把持面６は、図６（Ｂ）に示すように、ワーク１２の接触面１６に密着する。把持面６がワーク１２の接触面１６に密着した状態のままハンド２が更に閉じられると、可動部１４が全体的にワーク１２の反対側へ押圧される。可動部１４が全体的にワーク１２の反対側へ押圧されると、図６（Ｃ）に示すように、中心ロッド９の先端が仮想球体１５の中心から僅かに移動する。各曲面８が把持面６に直交する把持対象物方向の側方から接触する位置に形成されているので、可動部１４が全体的にワーク１２の反対側へ押圧されて、中心ロッド９の先端が仮想球体１５の中心から僅かに移動すると、曲面８がロッド７の先端の動きを阻む傾斜面となり、曲面８が楔として機能する。曲面８がロッド７の先端の摺動を阻止する楔として機能すると、曲面８からロッド７の先端へ働く反力（ロック力）により、ロッド７の先端の摺動を抑止する摩擦力が生ずる。各ロッド７と曲面８との接触部分に、曲面８に対する摺動を抑止する摩擦力が生ずることにより、仮想球体１５の中心点を中心とする可動部１４の回転が制限される。仮想球体１５の中心点を中心とする可動部１４の回転が制限されると、ワーク１２を把持する把持部４の姿勢が保たれ、把持状態が安定する。なお、アクチュエータ３が作動してハンド２が開くと、可動部１４がスプリング１０に押し返されて元の位置に戻る（図６（Ａ）を参照）。可動部１４がスプリング１０に押し返されて元の位置に戻ると、新たなワーク１２をハンド２が把持する際に、可動部１４の姿勢がスムーズに傾き、把持面６をワーク１２の接触面１６に密着させることができる。

図７は、ロッド７の先端と曲面８との接触部分における力関係を表した図である。例えば、ワーク１２をハンド２で掴んだ場合に、１つのロッド７に加わる把持力をＦ、把持方向に対する曲面８の傾斜角をθ、曲面８からロッド７の先端へ加わる反力をＰとした場合、以下の関係式が成立する。

Ｐ＝Ｆ／ｓｉｎθ

例えば、仮想球体１５の半径Ｒが１０ｍｍで、ワーク１２が把持された際の可動部１４の移動量Ｚを１．０ｍｍとした場合、上記数式の傾斜角θは１．０ｄｅｇとなる。よって、例えば、Ｆを０．１ｋｇｆとした場合、曲面８からロッド７の先端へ加わる反力Ｐは５．７ｋｇｆとなる。

図８は、ワーク１２に加わる力と倣い機構５の各部に生ずる力との関係を示した図の一例である。組み立てロボット１がワーク１２を組み付け箇所へ組み付けると、ワーク１２には組み付けに伴う反力Ｒが加わる。例えば、図８の紙面において左側から右側へ向かう反力Ｒがワーク１２に加わった場合、反力Ｒによって生ずる、可動部１４を回転させよう
とする回転力Ｎは、以下の数式で表わされる。

Ｎ＝Ｒ・ｓｉｎθ

また、ロッド７の先端と曲面８との接触部分に生ずる摩擦力ｆは、以下の数式で表わされる。

ｆ＝μ・Ｐ

よって、例えば、Ｒが１．０ｋｇｆであり、反力Ｐが上述のように５．７ｋｇｆであり、ロッド７の先端や曲面８を形成する金属材料の静止摩擦係数μが０．２であり、中心ロッド９に対するロッド７の傾斜角が４５度とした場合、摩擦力ｆは１．１ｋｇｆとなり、回転力Ｎは約０．７ｋｇｆとなる。すなわち、摩擦力ｆは、回転力Ｎを上回る（ｆ＞Ｎ）。よって、組み立てロボット１がワーク１２を組み付け箇所へ組み付ける際に、ワーク１２に組み付けに伴う反力Ｒが加わっても、ワーク１２を把持する把持部４は、姿勢が傾くことなく安定する。

図９は、比較例に係る組み立てロボット１０１の一例を示した図である。比較例に係る組み立てロボット１０１は、図９に示すように、ワーク１１２を把持する一対のハンド１０２、及びハンド１０２を駆動するアクチュエータ１０３を備える。ハンド１０２には、実施形態に係る組み立てロボット１のハンド２に備わっている倣い機構５のようなものは備わっておらず、ワーク１１２に接触する把持部１０４が弾性体１１３を介してハンド１０２に取り付けられている。

図１０は、比較例に係る組み立てロボット１０１のハンド１０２がワーク１１２を把持した状態を示した図である。比較例に係る組み立てロボット１０１は、弾性体１１３を介してハンド１０２でワーク１１２を把持している。よって、ハンド１０２が把持するワーク１１２を組み付け箇所へ組み付ける際に、ワーク１１２に組み付けに伴う反力が加わると、ワーク１１２の姿勢が安定しない。一方、実施形態に係る組み立てロボット１であれば、弾性体の変形によってワーク１２の姿勢が変化することもないので、ワーク１２を安定した姿勢で把持できる。

なお、可動部１４が全体的にワーク１２の反対側へ押圧された場合に、中心ロッド９の先端が仮想球体１５の中心から僅かに移動する原因としては、各曲面８に先端が接触している各ロッド７の僅かな撓みや、倣い機構５の各部の寸法の誤差が挙げられる。よって、倣い機構５の製作においては、例えば、想定される反力Ｒの大きさや、ロッド７の先端および曲面８を形成する材料の静止摩擦係数μ、ロッド７の長さ、その他各種の設計要素を勘案した適宜の設計が行われることが望ましい。

ところで、上記実施形態では、中心ロッド９の先端がシリンダ１１内に収められており、シリンダ１１の内部に格納されたスプリング１０が中心ロッド９の先端を押圧していたが、本願で開示する組み立てロボットはこのような形態に限定されるものではない。図９は、倣い機構の変形例を示した図である。上記実施形態に係る倣い機構５は、例えば、図９に示すように、中心ロッド９およびシリンダ１１が省略されており、スプリング１０が可動部１４を直接付勢してもよい。また、上記実施形態に係る倣い機構５は、例えば、スプリング１０が省略されていてもよい。

また、上記実施形態の組み立てロボット１は、可動部１４に４つのロッド７が設けられていたが、ロッド７の本数は適宜変更可能である。すなわち、ロッド７の本数は、３つ以下であってもよいし、５つ以上であってもよい。

また、上記実施形態の組み立てロボット１は、４つのロッド７に対応する４つの曲面８が設けられていたが、曲面８はこのような形態に限定されるものではない。曲面８は、例えば、可動部１４が回ることで複数のロッド７が摺動できるように、円周状に形成されていてもよい。また、曲面８は、ロッド７の数に対して異なる数だけ設けられていてもよい。

１，１０１・・組み立てロボット：２，１０２・・ハンド：３，１０３・・アクチュエータ：４，１０４・・把持部：５・・倣い機構：６・・把持面：７・・ロッド：８・・曲面：９・・中心ロッド：１０・・スプリング：１１・・シリンダ：１２，１１２・・ワーク：
１１３・・弾性体：１４・・可動部：１５・・仮想球体：１６・・接触面：１Ａ１・・第１アーム：１Ａ２・・第２アーム：１Ｂ・・ベース：１Ｋ１・・第１関節：１Ｋ２・・第２関節：１Ｋ３・・第３関節

Claims

ハンドを有する組み立てロボットであって、
前記ハンドが把持する把持対象物に接触する把持面を形成する把持部と、
前記把持部の傾きを前記把持対象物の接触面に合わせる倣い機構と、を備え、
前記倣い機構は、
前記把持面の裏側において先端が互いに異なる方向へ突出形成される複数のロッドと、
前記複数のロッドを取り囲む仮想球体の内面の一部を形成する曲面であり、前記ロッドの先端が摺動する曲面と、を有する、
組み立てロボット。
前記倣い機構は、前記把持部を前記把持対象物側へ付勢する付勢手段を更に有する、
請求項１に記載の組み立てロボット。
前記倣い機構は、前記把持部から前記把持面の反対側へ垂直に突出形成されており、前記仮想球体の中心点に先端が位置する中心ロッドを更に備え、
前記付勢手段は、前記中心ロッドの先端部分に接触して前記把持部を前記把持対象物側へ付勢する、
請求項２に記載の組み立てロボット。
前記曲面は、前記ロッドの先端に対し少なくとも前記把持面に直交する把持対象物方向の側方から接触する位置に形成される、
請求項１から３の何れか一項に記載の組み立てロボット。
前記各ロッドは、前記曲面に接する先端部分が球形である、
請求項１から４の何れか一項に記載の組み立てロボット。