JP6614805B2 - 歯車機構の組立装置および組立方法 - Google Patents

Description

本発明は、歯車同士を嵌め合わせて歯車機構を組み立てるための歯車機構の組立装置及び組立方法に関する。

近年、製造現場においては、省力自動化、作業時間の短縮、コスト削減などのために、装置や機械などの製品の製造において、ロボットを使用して組み立てるシステムが幅広く実用化されている。製品の組立においては、軸穴への軸の挿入などの嵌め合い作業等を行う必要があるため、ロボットを使用した軸などの挿入や嵌め合いに関して、これまで種々開発がなされてきた。

軸穴へ軸を挿入するためには、挿入される軸穴の位置と方向に対して、挿入する軸の位置と方向を一致させるように、ロボットで保持した軸の動作を制御する必要がある。このような動作を機構により実現するものとして、従来、ＲＣＣ(Remote Center Compliance)機構が用いられていた。しかし、ＲＣＣはバネ等の弾性体を利用して、軸穴の方向ずれ等に対して軸を追随させて挿入しているため、鉛直下方に向かう組立作業（縦組作業）ではなく、横方向に向かう組立作業（横組作業）においては対応が困難であった。

これに対して、特許文献１では、クッション機構部とＲＣＣ機構部とワークチャック機構部とが連接されたロボットハンドにおいて、前記ワークチャック機構部を前記ＲＣＣ機構部内に組み込むことにより、重量によるＲＣＣ機構の垂れを小さくして、縦組作業のみならず横組作業も可能としている。

特開平８−５２６８２号公報

しかしながら、上述のＲＣＣを採用した従来のロボットハンドは、単純な円形断面の軸穴に単純な円形断面の軸を挿入することを対象としたものである。このため、例えば、歯車同士を嵌め合わせて歯車機構を組立てるような場合には、ロボットによる自動化が極めて困難、若しくは不可能であった。

本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、ロボットを用いて歯車同士を嵌め合わせて歯車機構を支障なく組み立てることができる歯車機構の組立装置および組立方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の第１の態様は、第１の歯車に第２の歯車を嵌め合わせて歯車機構を組み立てるための歯車機構の組立装置であって、前記第２の歯車を保持するためのハンドを有するロボットと、前記ハンドに設けられ、前記第１の歯車を撮像するための第１の撮像装置と、前記第２の歯車を撮像するための第２の撮像装置と、前記第１の撮像装置により撮像された画像を画像処理して前記第２の歯車の嵌め込み位置および前記第１の歯車の位相を取得し、前記第２の撮像装置により撮像された画像を画像処理して前記第２の歯車の位相および前記第２の歯車の歯車軸の位置を取得する画像処理システムと、を備え、前記画像処理システムにより取得された情報に基づいて前記ロボットを制御して、前記ハンドに保持された前記第２の歯車の前記歯車軸を前記第１の歯車における前記第２の歯車の嵌め込み位置に位置合わせするとともに、前記第２の歯車の位相を前記第１の歯車の位相に位置合わせすることにより、前記ロボットを用いて前記歯車機構を組み立てるように構成されている、ことを特徴とする。

本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記画像処理システムが、前記第１の歯車の画像を画像処理して前記第１の歯車の領域を検出し、検出された前記第１の歯車の領域に基づき、前記第１の歯車における前記第２の歯車の嵌め込み位置および前記第１の歯車の位相を取得する第１の画像処理手段を備えている、ことを特徴とする。

本発明の第３の態様は、第２の態様において、前記第１の歯車は、複数の遊星歯車を有し、前記第１の画像処理手段は、前記第１の歯車の領域に基づき、撮像画像に含まれる前記複数の遊星歯車についての谷部分を抽出し、抽出された前記谷部分の重心を円周上の点とする複数の円弧に外接する外接円の中心を前記第１の歯車における前記第２の歯車の嵌め込み位置とすると共に、前記外接円の中心を基準として、前記複数の円弧のいずれかにおける前記外接円との接点に最も近い位置にある谷部分の重心に向かう方向を前記第１の歯車の位相として特定する、ことを特徴とする。

本発明の第４の態様は、第２の態様において、前記第１の歯車は、複数の遊星歯車を有し、前記第１の画像処理手段は、前記第１の歯車の領域に基づき、前記第１の撮像装置の撮像画像に含まれる前記複数の遊星歯車についての谷部分を抽出し、抽出された前記谷部分の重心を円周上の点とする複数の円弧に外接する外接円の中心を前記第１の歯車における前記第２の歯車の嵌め込み位置とすると共に、前記外接円の中心を基準として、前記複数の円弧のいずれかにおける前記外接円との接点からの前記外接円上の長さが、前記円弧において前記接点に最も近い位置に存在する谷部分の重心と前記接点との間の前記円弧の円周上の長さと等しくなる前記外接円の円周上の点に向かう方向を前記第１の歯車の位相として特定する、ことを特徴とする。

本発明の第５の態様は、第１乃至第４のいずれかの態様において、前記画像処理システムが、前記第２の歯車の画像を画像処理して前記第２の歯車の領域を検出し、検出された前記第２の歯車の領域に基づき、前記第２の歯車の前記歯車軸の先端部の位置および根元部の位置、および前記第２の歯車の位相を取得する第２の画像処理手段を備えている、ことを特徴とする。

本発明の第６の態様は、第５の態様において、前記第２の画像処理手段により取得された前記第２の歯車の前記歯車軸の先端部の位置および根元部の位置に基づき、前記第２の歯車の軸心方向を取得し、前記第２の歯車の前記軸心方向に基づき、前記ハンドによる前記第２の歯車の保持位置のずれを修正するように前記ロボットを制御する、ことを特徴とする。

本発明の第７の態様は、第６の態様において、前記第２の画像処理手段により前記第２の歯車の前記歯車軸の先端部の位置および根元部の位置を取得した後、前記ハンドを予め設定された角度回転させて、前記第２の撮像装置により前記第２の歯車を再度撮像し、再度の撮像画像に基づき前記第２の画像処理手段により前記第２の歯車の前記歯車軸の先端部の位置および根元部の位置を再度取得し、それら前後２回にわたって取得した前記第２の歯車の前記歯車軸の先端部の位置および根元部の位置に関する情報に基づき、前記第２の歯車の軸心方向を取得し、前記第２の歯車の前記軸心方向に基づき、前記ハンドによる前記第２の歯車の保持位置のずれを修正するように前記ロボットを制御する、ことを特徴とする。

本発明の第８の態様は、第１乃至第７のいずれかの態様において、前記第二の歯車は、モータの出力軸に設けられており、前記ハンドは、前記モータを把持するように構成されており、前記モータが装着される対象物までの距離を測定するための光学センサが前記ハンドに設けられている、ことを特徴とする。

本発明の第９の態様は、第１乃至第８のいずれかの態様において、前記歯車機構は、遊星歯車機構であり、前記第１の歯車が前記遊星歯車機構の遊星歯車であり、前記第２の歯車が前記遊星歯車機構の太陽歯車である、ことを特徴とする。

本発明の第１０の態様は、ロボットを用いて第１の歯車に第２の歯車を嵌め合わせて歯車機構を組み立てる歯車機構の組立方法であって、前記第１の歯車における前記第２の歯車の嵌め込み位置および前記第１の歯車の位相を取得する第１の歯車計測工程と、前記第２の歯車の位相および歯車軸の位置を取得する第２の歯車計測工程と、を備え、前記第１の歯車計測工程および前記第２の歯車計測工程により取得された情報に基づいて前記ロボットを制御して、前記ロボットのハンドに保持されている前記第２の歯車の前記歯車軸を前記第１の歯車における前記第２の歯車の嵌め込み位置に位置合わせするとともに、前記第２の歯車の位相を前記第１の歯車の位相に位置合わせすることにより、前記ロボットを用いて前記歯車機構を組み立てる、ことを特徴とする。

本発明の第１１の態様は、第１０の態様において、前記第１の歯車計測工程が、前記ハンドに設けられた撮像装置を用いて前記第１の歯車の画像を取得して画像処理を行う第１の画像処理工程を有し、前記第１の画像処理工程が、前記第１の歯車の画像を画像処理して前記第１の歯車の領域を検出し、検出された前記第１の歯車の領域に基づき、前記第１の歯車における前記第２の歯車の嵌め込み位置および前記第１の歯車の位相を取得するように構成されている、ことを特徴とする。

本発明の第１２の態様は、第１１の態様において、前記第１の歯車は、複数の遊星歯車を有し、前記第１の画像処理工程において、前記第１の歯車の領域に基づき、撮像画像に含まれる前記複数の遊星歯車についての谷部分を抽出し、抽出された前記谷部分の重心を円周上の点とする複数の円弧に外接する外接円の中心を前記第１の歯車における前記第２の歯車の嵌め込み位置とすると共に、前記外接円の中心を基準として、前記複数の円弧のいずれかにおける前記外接円との接点に最も近い位置にある谷部分の重心に向かう方向を前記第１の歯車の位相として特定する、ことを特徴とする。

本発明の第１３の態様は、第１１の態様において、前記第１の歯車は、複数の遊星歯車を有し、前記第１の画像処理工程において、前記第１の歯車の領域に基づき、撮像画像に含まれる前記複数の遊星歯車についての谷部分を抽出し、抽出された前記谷部分の重心を円周上の点とする複数の円弧に外接する外接円の中心を前記第１の歯車における前記第２の歯車の嵌め込み位置とすると共に、前記外接円の中心を基準として、前記複数の円弧のいずれかにおける前記外接円との接点からの外接円上の長さが、前記円弧において前記接点に最も近い位置に存在する谷部分の重心と前記接点との間の前記円弧の円周上の長さと等しくなる前記外接円の円周上の点に向かう方向を前記第１の歯車の位相として特定する、ことを特徴とする。

本発明の第１４の態様は、第１０乃至第１３のいずれかの態様において、前記第２の歯車計測工程が、前記第２の歯車の画像を取得して画像処理する第２の画像処理工程を有し、
前記第２の画像処理工程が、前記第２の歯車の画像を画像処理して前記第２の歯車の領域を検出し、検出された前記第２の歯車の領域に基づき、前記第２の歯車の歯車軸の先端部の位置および根元部の位置、および前記第２の歯車の位相を取得する、ことを特徴とする。

本発明の第１５の態様は、第１４の態様において、前記第２の画像処理工程により取得された前記第２の歯車の歯車軸の先端部の位置および根元部の位置に基づき、前記第２の歯車の軸心方向を取得し、前記第２の歯車の前記軸心方向に基づき、前記ハンドによる前記第２の歯車の保持位置のずれを修正するように前記ロボットを制御する、ことを特徴とする。

本発明の第１６の態様は、第１５の態様において、前記第２の歯車計測工程において前記第２の歯車の前記歯車軸の先端部の位置および根元部の位置を取得した後、前記ハンドを予め設定された角度回転させて、前記第２の歯車を再度撮像し、再度の撮像画像に基づき記第２の歯車の前記歯車軸の先端部の位置および根元部の位置を再度取得し、それら前後２回にわたって取得した前記第２の歯車の前記歯車軸の先端部の位置および根元部の位置に関する情報に基づき、前記第２の歯車の軸心方向を取得し、前記第２の歯車の前記軸心方向に基づき、前記ハンドによる前記第２の歯車の保持位置のずれを修正するように前記ロボットを制御する、ことを特徴とする。

本発明の第１７の態様は、第１０乃至第１６のいずれかの態様において、前記第二の歯車は、モータの出力軸に設けられており、前記ハンドは、前記モータを把持するように構成されており、前記モータが装着される対象物までの距離を、前記ハンドに設けられた光学センサによって計測し、その計測結果に基づいて前記対象物におけるベース座標系を生成する、ことを特徴とする。

本発明の第１８の態様は、第１０乃至第１７のいずれかの態様において、前記歯車機構は、遊星歯車機構であり、前記第１の歯車が前記遊星歯車機構の遊星歯車であり、前記第２の歯車が前記遊星歯車機構の太陽歯車である、ことを特徴とする。

本発明によれば、ロボットを用いて歯車同士を嵌め合わせて歯車機構を支障なく組み立てることができる歯車機構の組立装置および組立方法を提供することができる。

本発明の一実施形態による歯車機構の組立装置の概略構成を示した図。 図１に示した実施形態の第１の画像処理部による遊星歯車内において組立後にモータ側歯車の軸心となるべき目標位置および遊星歯車の位相を算出する方法を説明するための概念図。 図１に示した実施形態を用いて、減速機歯車の位相とモータ側歯車の位相を精密に位置合わせするためのモータ側歯車の位相を算出する方法を示した概念図。 図１に示した実施形態を用いて、出力軸の先端部中心位置の算出座標値P、P’に基づく出力軸の先端部中心位置の補正方法を説明するための図。

以下、本発明の一実施形態による歯車機構の組立装置、および同組立装置を使用した歯車機構の組立方法について、図面を参照して説明する。

図１に示したように、本実施形態における歯車機構の組立装置１は、歯車の組立に使用するロボット（以下「作業ロボット」という。）２、作業ロボット２の手首部に装着されてワークを把持するハンド３、作業ロボット２の動作を制御するロボット制御装置４、画像処理システム１１、第１の撮像装置２１および第２の撮像装置２２を備えている。

ハンド３には、さらに、レーザ距離センサなどから成る光学センサ２３が装着されている。光学センサ２を用いて、ワークを取り付ける対象物までの距離などを測定することができる。

画像処理システム１１は、第１の撮像装置２１により撮像した画像の処理を行う第１の画像処理部１２と、第２の撮像装置２２により撮像した画像の処理を行う第１の画像処理部１３を備えている。なお、第１の画像処理部１２と第２の画像処理部１３とは、ハードウエアとしてまったく独立した機器であってもよいし、ハードウエアとしては一体な機器内に配置され、機器内部で一部共通要素を有しながらサブコンポーネントとして構成されていてもよく、さらに機器内部のハードウエアとしても一体であるが、ソフトウエアとして一部共通要素があってもサブコンポーネントとして構成されているものでも良い。

本実施形態においては、作業ロボット２は、６軸を有する多関節型ロボットを使用し、ロボット制御装置４により、手首部を空間の任意の位置と方向、および動作経路の制御が行われる。ただし、本発明における作業ロボットは、６軸多関節型ロボットに限定されるものではない。

第１の撮像装置２１、第２の撮像装置２２には、CCDカメラなどが使用される。

本実施形態において組立の対象とする歯車機構は、中心に配置した１個の太陽歯車の周囲に３個の遊星歯車を有する機構としている。但し、本発明による歯車機構の組立装置によって組立て可能な歯車機構は、この構成の歯車機構に限定されるものではない。

本実施形態における歯車組立装置１は、例えば、製作組立中のロボット（以下、「製品ロボット」という。）６１の駆動軸に既に組み込まれている減速機歯車３１（図２）に対して、モータ４１の出力軸４２に装着されたモータ側歯車４３（図３）を嵌め合わせて、出力軸４２を減速機歯車３１中に差し込んで減速機歯車３１とモータ側歯車４３を組み立てる作業を行うものである。

このため、製品ロボット６１の駆動軸に装着されるモータ４１の出力軸４２の軸方向は、一般に、鉛直方向に限られず、水平方向に配置されることが多いため、水平方向に配置される出力軸４２を有するモータ４１のモータ側歯車４３を作業ロボット１により減速機歯車３１に組み合わせる作業は、横組作業となる。

また、モータ側歯車４３は、出力軸４２およびモータ４１と一体となった状態であるため、作業ロボット１のハンド３により把持されるワークは一般に非常に高重量である。本実施形態は、このように、組み合わせる歯車を含むワークが高重量であって、横組作業による歯車の組立を作業ロボットにより行う場合にも支障なく対応できる。

図２に示したように、本実施形態における歯車機構では、モータ４１の出力軸４２に装着されるモータ側歯車４３を組み込む遊星歯車４４は、減速機のケーシング内に組み込まれており、ケーシングの外部からは、出力軸４２をケーシング内に挿入するための挿入穴４６を通してのみ見える状態となっている。

モータ側歯車４３を遊星歯車４４に嵌め合わせて組み立てるためには、遊星歯車４４内において組立後にモータ側歯車４３の軸心となるべき目標位置に出力軸４２の先端部軸心を一致させ、かつモータ側歯車４３の位相を遊星歯車４４の位相に対応する方向に出力軸４２の角度を調整して、出力軸４２を遊星歯車４４の内部に挿入し組み込む必要がある。

そのために、本実施形態においては、まず、遊星歯車４４内において組立後にモータ側歯車４３の軸心となるべき目標位置および遊星歯車４４の位相を計測する。

以下、遊星歯車４４内において組立後にモータ側歯車４３の軸心となるべき目標位置および遊星歯車４４の位相を計測する方法について、詳細に説明する。なお、以下では、計測を行うこれら２つの量を「減速機歯車の特性情報」という。

歯車の組立作業の前に、作業ロボット２のハンド３に装着された第１の撮像装置２１により挿入穴４６を通して減速機歯車３１を含む画像を撮像し、第１の撮像装置２１で撮像した画像を、画像処理システム１１の第１の画像処理部１２において画像処理を行い、減速機歯車の特性情報を算出する。

減速機歯車の特性情報の計測は、ロボット制御装置４から第１の画像処理部１２への指令信号により開始され、当該指令信号を受けた第１の画像処理部１２は、第１の撮像装置２１に対して撮像指令信号を送信し、第１の撮像装置２１により撮像が行われる。撮像された画像は、前記のとおり、第１の撮像装置２１から第１の画像処理部１２に送信され、画像処理されて算出値がロボット制御装置４に送信される。

＜減速機歯車の特性情報の算出方法＞
減速機歯車の特性情報のうち、遊星歯車４４内において組立後にモータ側歯車４３の軸心となるべき目標位置は、すべての遊星歯車４４に囲まれた領域において、すべての遊星歯車４４から等距離にある点として算出し特定する。

減速機歯車３１の谷部分とモータ側歯車４３の山部分が一致するように、モータ側歯車４３を減速機歯車３１の内部に挿入することにより両歯車を嵌め合わせることができる。このためには、遊星歯車４４内において組立後にモータ側歯車４３の軸心となるべき目標位置を基準として、遊星歯車４４の谷部分の方向（以下「遊星歯車の位相」または「減速機歯車の位相」という。）を計測して、モータ側歯車４３の山部分の方向（以下「モータ側歯車の位相」という。）を、基本的には、前記により計測され遊星歯車４４の位相の方向に調整して位置合わせすることにより実行することができる。

ここで、正確に位置合わせを行うためには、遊星歯車４４の谷部分について特定の位置を選定する必要がある。この特定の位置としては、例えば、ピッチ円の谷部分の中点などが考えられるが、画像処理などの容易さ等も考慮して、本実施形態においては、遊星歯車４４の谷部分の重心とする。なお、挿入するモータ側歯車４３の山部分についての特定の位置も同様であり、歯車のピッチ円の山部分の中点などが考えられるが、線対称である歯車の山部分の中心線の方向を基本とする。

以下、第１の画像処理部１２による減速機歯車３１の位相の算出方法について、図２に基づいて、処理の順序により説明する。

（１）遊星歯車４４の領域検出
撮像画像を二値化等その他の画像処理手段を用いて遊星歯車４４の部分の輪郭線を抽出し、予め記憶しておいた遊星歯車４４の形状とのパターンマッチングにより、遊星歯車４４の領域の検出を行う。なお、遊星歯車４４の領域は、図２において、遊星歯車４４の歯型形状の境界線と挿入穴４６の円弧に囲まれた部分である。

（２）遊星歯車４４の谷部分の重心を通る円弧の算出
前記（１）により検出された遊星歯車４４の領域に基づき、検出された領域に存在する複数の谷部分を抽出し、抽出された複数の谷部分の重心Ｅの位置を算出した後、それらの重心Ｅの位置を通る３つの円弧ａ_ｉ（ｉ＝１、２、３）を算出する。

（３）３つの円弧ａ_ｉの外接円ｂの算出
前記（２）で算出された３つの円弧ａ_ｉのすべてに外接する外接円ｂおよびその中心点Ｂを算出する。中心点Ｂが、遊星歯車４４内において組立後にモータ側歯車４３の軸心となるべき目標位置となる。

外接円ｂが、遊星歯車４４と嵌め合わせるモータ側歯車４３に対応し、中心点Ｂがモータ側歯車４３の軸心に対応するため、以下、外接円ｂを「モータ側歯車挿入軸穴」、外接円の中心点Ｂを「挿入軸穴軸心」と呼ぶことがある。

なお、前記においては、３個の遊星歯車を有する遊星歯車機構の場合について説明したが、４個以上の遊星歯車機構の場合であっても、前記と同様にな方法で外接円ｂおよび外接円ｂの中心点Ｂを算出して、遊星歯車４４内において組立後にモータ側歯車４３の軸心となるべき目標位置を取得することができる。

また、遊星歯車の個数が２個である遊星歯車機構の場合には、次の方法により外接円ｂおよびその中心点Ｂを算出することができる。

前記と同様な方法により、２つの円弧を算出し、その２つの円弧の中心点を算出する。次に、それらの円弧の中心を結ぶ線分と２つの円弧との交点（２つ）を算出し、それら２つの交点を直径とし、２つの交点を結ぶ線分の中点を中心Ｂとする円ｂを算出することにより、外接円ｂとその中心Ｂを求めることができる。

（４）円弧ａ_ｉと外接円ｂの接点Ｄから最も近い谷部分の重心Ｅに対する中心点Ｂからの方向の算出
３つの円弧ａ_ｉのうち１つの円弧を選定して、選定された円弧ａ_ｉと円ｂの接点Ｄから最も近い重心Ｅを選択し、円ｂの中心点Ｂから重心Ｅの方向を算出する。モータ側歯車４３の軸心を基準として、方向ＢＥが、遊星歯車４４の谷の方向であるため、モータ側歯車挿入軸穴に挿入して嵌め合わせるべきモータ側歯車の山部分の中心線（線対称である歯車の山部分の中心線）の方向であると近似することができる。これにより、遊星歯車４４のモータ側歯車挿入軸穴内にモータ側歯車４３を組み込む際は、モータ側歯車４３の歯車の山部分の中心線方向を前記で算出した方向ＢＥとなるように調整して挿入することができる。

ただし、遊星歯車の形状、寸法によっては、歯車のピッチ、ピッチ円などの（相互）関係により、挿入軸穴軸心を基準としたモータ側歯車４３の山部分の中心線方向と遊星歯車４４の谷部分の重心の方向（方向ＢＥ）とのずれが大きくなり、モータ側歯車４３の山部分の中心線方向を遊星歯車４４の谷部分の重心の方向と一致させてモータ側歯車４３を遊星歯車４４内に挿入しても、両歯車の嵌め合わせが難しくなる場合がある。

このような場合には、遊星歯車４４内に挿入しようとするモータ側歯車４３の方向を、遊星歯車４４の谷部分の重心の方向ではなく、次の方法により導出した方向に調整して、モータ側歯車４３を遊星歯車４４内に組み込むことする。

すなわち、図３に示したように、円弧ａ_ｉの円周上の接点Ｄと重心Ｅとの長さＤＥを算出して、外接円の円周上における接点Ｄからの長さが、前記円周上の長さＤＥと等しくなる点Ｆを算出し、遊星歯車４４のモータ側歯車挿入軸穴内にモータ側歯車４３を組み込む際は、モータ側歯車４３の歯車の山部分の中心線方向が、前記で算出した方向ＢＦとなるように調整して挿入することとする。これにより、接点Ｄと重心Ｅとの距離が大きい場合であっても、モータ側歯車４３と遊星歯車４４の嵌め合わせが正確に行える。

＜モータ側歯車の計測＞
作業ロボットを用いた歯車の組立作業においては、載置台上に載置されているモータ４１をハンド３で把持して組立作業を行うため、作業ごとにハンド３によるモータ４１の把持位置にずれが生ずる。この把持位置のずれにより、モータ４１の出力軸４２の先端部中心位置および軸線方向にずれが生じる。また、載置台上に載置されているモータ側歯車４３の位相は任意であるため、ハンド３に把持された直後の状態においては、モータ側歯車４３の位相は特定されていない。

このため、モータ側歯車４３を減速機歯車３１に嵌め合わせて組み立てるためには、出力軸４２の先端部中心位置と軸線方向のずれ、およびモータ側歯車４３の位相を計測して、それらの計測情報に基づき、出力軸４２の先端部位置と軸線方向、およびモータ側歯車４３の位相を、それぞれ減速機歯車３１における挿入軸穴軸心と挿入軸穴軸線方向、および遊星歯車４４の位相に一致するように作業ロボット２の動作制御を行う必要がある。

モータ側歯車４３の計測は、ロボット制御装置４から第２の画像処理部１３への指令信号により開始され、当該指令信号を受けた第２の画像処理部１３は、第２の撮像装置２２に対して撮像指令信号を送信し、第２の撮像装置２２により撮像が行われる。このとき、作業ロボット１は、ハンド３で把持したモータ４１を、第２の撮像装置２２の視野範囲に移動させる。撮像された画像は、第２の撮像装置２２から第２の画像処理部１３に送信され、画像処理されて算出されたモータ側歯車４３の位相等がロボット制御装置４に送信される。

第２の画像処理部１３により算出された出力軸４２の先端部中心位置と軸線方向のずれおよびモータ側歯車４３の位相は、作業ロボット２のロボット制御装置４に送信され、ツール座標系の再設定およびモータ側歯車４３の動作制御実行のために使用される。

ここで、本実施形態における作業ロボット２のツール座標系は、出力軸４２のモータ４１の根元部の平面をＸＹ座標面、出力軸４２の軸線をＺ座標軸（出力軸先端部へ向かう方向が正方向）とする座標系として設定され、モータ側歯車４３を減速機歯車３１に組み込む際は、作業ロボット２により把持されているモータ４１をツール座標系Ｚ軸方向へ動作させるように制御される。

なお、第２の画像処理部１３におけるモータ側歯車４３の位相および出力軸４２の先端部中心位置と根元部中心位置の算出方法については、以下の＜出力軸４２の軸心方向の修正方法＞の項において、詳しく説明する。

＜出力軸４２の軸心方向の修正方法＞
以下、第２の画像処理部１３による画像処理方法を含めて、モータ側歯車４３の位相の計測および出力軸４２の先端部中心位置と軸線方向のずれを計測し、その計測結果に基づき、出力軸４２の軸心方向を修正する方法について、詳細に説明する。

（１）出力軸４２の先端部中心位置とモータ側歯車４３の位相の計測
作業ロボット２を動作させて、出力軸４２の先端が第２の撮像装置２２の方に向き、出力軸４２の軸線が第２の撮像装置２２のレンズ光軸と略一致する位置であって、第２の撮像装置２２に対して少なくとも出力軸の長さよりも長い距離を離れた位置にハンド３を移動する。

その後、第２の撮像装置２２により、出力軸４２の先端部およびモータ側歯車４３が視野範囲に含まれるようにして撮像する。第２の撮像装置２２により取得された画像は、第２の画像処理部１３に送信され、第２の画像処理部１３により出力軸４２の先端部中心位置Ｐとモータ側歯車４３の位相が算出される。

第２の画像処理部１３による出力軸４２の先端部中心位置とモータ側歯車４３の位相の算出方法について、以下に説明する。

(i)出力軸４２の先端部中心位置の算出
まず、二値化処理その他の手法を用いて、モータ側歯車４３の輪郭線を抽出し、予め記憶しておいたモータ側歯車４３の形状とのパターンマッチングにより、モータ側歯車４３の領域の検出を行う。その後、検出されたモータ側歯車４３の領域に基づき、出力軸４２の先端部中心位置Ｐを算出する。

(ii)モータ側歯車４３の位相の算出
前記(i)により検出されたモータ側歯車４３の領域に基づき、モータ側歯車４３の山部分を抽出し、特定の山部分の頂点Ｎを選択して、前記(i)で算出された先端部中心位置Ｐから選択された頂点Ｎに対する方向ＰＮを生成する。この方向ＰＮをモータ側歯車４３の位相とする。

（２）出力軸４２の根元部の中心位置の算出
作業ロボット２を動作させて、出力軸４２の軸線方向に第２の撮像装置２２から離れる方向に出力軸４２の長さに相当する距離だけモータ４１を後退させた後、第２の撮像装置２２により、出力軸４２の根元部が視野範囲に含まれるように撮像する。第２の撮像装置２２により取得された画像は、第２の画像処理部１３へ送信され、第２の画像処理部１３により二値化処理などの手法を用いて、出力軸４２の根元部の輪郭線を抽出し、根元部の断面形状が円形であるという形状的特徴を利用して、出力軸４２の根元部中心位置Ｑを算出する。

（３）出力軸４２の軸心方向を修正
（３−１）出力軸４２の先端部中心位置の計測（再計測）
モータ側歯車４３を減速機歯車３１に組み込む作業を作業ロボット２に行わせる場合には、減速機歯車３１の挿入軸穴軸心および挿入軸穴軸心方向に対して出力軸４２の先端部中心および軸心を一致させて組立ロボット２を動作制御するために、前述したツール座標系が設定されている。

作業ロボット２のハンド３に把持されたモータ４１を、前記ツール座標系Ｚ軸まわりに予め設定した角度θだけ回転させた後、その姿勢を維持して、作業ロボット２を動作させて、前記（１）における計測位置にハンド３を移動した後、第２の撮像装置２２により、出力軸４２の先端部およびモータ側歯車４３が視野範囲に含まれるようにして撮像する。

撮像画像を第２の画像処理部２３により、二値化処理その他の手法を用いて、モータ側歯車４３の輪郭線を抽出し、予め記憶しておいたモータ側歯車４３の形状とのパターンマッチングにより、モータ側歯車４３の領域の検出を行う。その後、検出されたモータ側歯車４３の領域に基づき、再計測された出力軸４２の先端部中心位置Ｐ’を算出する。

（３−２）出力軸４２の根元部の計測
作業ロボット２を動作させて、出力軸４２の軸線方向に第２の撮像装置２２から離れる方向に出力軸４２の長さに相当する距離だけモータ４１を後退させた後、第２の撮像装置２２により、出力軸４２の根元部が視野範囲に含まれるようにして撮像する。撮像画像を第２の画像処理部２３により二値化処理などの手法を用いて、出力軸４２の根元部の輪郭線を抽出し、根元部の断面形状が円形であるということを利用して、再計測された出力軸４２の根元部中心位置Ｑ’を算出する。

（３−３）出力軸４２の精密な軸線方向の算出
作業ロボット２のハンド３に把持されたモータ４１をツール座標系Ｚ軸周りに角度θ回転させた場合、回転中心であるツール座標系Ｚ軸上に存在する点は、物理的に不変であるため、第２の撮像装置２２による撮像画像における位置も同様に不変であることから、カメラ座標系（ＣＣＤカメラのＣＣＤ等の撮像面をＸＹ面とし、撮像面の中心を原点とする座標系）においても不変である。

しかし、Ｚ軸上に存在しない点は、Ｚ軸周りの回転に伴い回転変位（移動）し、その移動量は、Ｚ軸からの距離の増減に従って増減する結果、カメラ座標系における計測座標値も同様に移動する。

そこで、この物理的性質を利用して、モータ４１をツール座標系Ｚ軸周りに角度θ回転させた場合における計測対象点の移動量の計測値に基づき、計測対象点のツール座標系Ｚ軸からのずれ量を算出することができる。本実施形態においては、その算出ずれ量に基づき、出力軸４２の精密な軸線方向を算出する。

前記（４）と（５）により、再取得された出力軸４２の先端部中心位置および根元部中心位置の座標値を利用した、より精密な出力軸４２の軸心方向を算出する方法について、図４を参照しつつ、以下に詳細に説明する。

(i)算出座標値Ｐ、Ｐ’に基づく出力軸４２の先端部中心位置の補正
作業ロボット２のハンド３に把持されたモータ４１をツール座標系Ｚ軸周りに角度θ回転させると、出力軸４２の先端部中心がツール座標系Ｚ軸上に存在していないと、出力軸４２の先端部中心位置のカメラ座標系のＸＹ座標値は、図３に示すように、ＰからＰ’に移動（変位）する。カメラ座標系においてＰからＰ’に向かう移動ベクトルをベクトルＶ_１とすると、ベクトルＶ_１は、Ｐ、Ｐ’の算出座標値から算出できる。

したがって、図４に基づき、ベクトルＶ_１とθを用いて、下記の方法により、Ｐからツール座標系原点に向かうベクトルＶ_２を求めることができるので、現在のツール座標系における出力軸４２の先端部中心位置にベクトルＶ_２を合成することにより、精密な出力軸４２の先端部中心位置を求めることができる。

すなわち、まず、ＰとＰ’の座標値からベクトルＶ_１（大きさＬ_１、カメラ座標系Ｘ軸からの角度α_２）を算出し、それら算出された値を用いて、ツール座標系原点からＰに向かうベクトルＶ_１（大きさＬ、カメラ座標系Ｘ軸からの角度α）を次式による求める。

Ｌ＝Ｌ_１／（２・sin(θ/２)）

α＝α_２−（π/２＋θ/２）

前記で求めたベクトルＶ_１を、現在のツール座標系原点位置に合成することにより、出力軸４２の精密な先端部中心位置Ｐ^＊を算出する。

(ii)算出座標値Ｑ、Ｑ’に基づく出力軸４２の根元部中心位置の補正
出力軸４２の根元部中心位置についても、前記(i)と同様な方法により、算出座標値Ｑ、Ｑ’に基づき補正し、出力軸４２の精密な根元部中心位置Ｑ^＊を算出する。

(iii)モータ４１の出力軸４２の精密な軸心方向の算出
前記(i)と(ii)で算出したＰ^＊とＱ^＊に基づき、出力軸４２の精密な軸心方向Ｃ^＊を算出する。

（３−４）出力軸４２の軸心方向を修正
前記により算出された出力軸４２の精密な根元部中心位置Ｑ^＊および先端部中心位置Ｐ^＊、および精密な軸心方向Ｃ^＊に基づき、Ｑ^＊をツール座標系原点、Ｃをツール座標系Ｚ軸と新たなツール座標系となるように設定し直す。

＜モータ側歯車と減速機歯車の組立方法＞
本実施形態による歯車組立装置に基づくモータ側歯車４３と減速機歯車の組立方法を、以下に詳細に説明する。

（１）モータ取付け平面の測定
ハンド３がモータ４１を把持していない状態で作業ロボット１を駆動して、ハンド３に装着された光学センサ（レーザ距離センサなど）２３を用いて、モータ４１を取り付ける平面（例えば、製品ロボット６１のアーム部材の表面）の位置（ロボットベース座標系）を生成する。すなわち、光学センサ２３で検出した３点を通る平面を算出し、ロボットベース座標系での平面傾き（挿入軸方向）を決定する。

（２）モータ嵌め合い部の中心位置の測定
モータ４１を取り付ける対象の部材（例えば、製品ロボット６１のアーム部材）における、加工精度の高い、モータ嵌め合い部（円形状の挿入口）のエッジを、上述の光学センサ（距離センサ）２３でセンシングする。このとき、作業ロボット２のハンド３は、内側から外側に向かって移動しながら距離センサ読み値を監視し、段差部分を検出する。ここで、処理速度向上のため、内側から外側に向けて粗センシング、外側から内側に向けて詳細センシングの二段階でセンシングを実施する。

上述のセンシングにより検出した３カ所の位置を通る円の中心位置（ロボットベース座標系）を算出し、モータ嵌め合い部の中心位置を特定する。

（３）モータ取付け穴の計測
作業ロボット２に装着したＣＣＤカメラ（第１の撮像装置２１を兼用しても良い。）で、モータを取り付ける対象部材に形成されたボルト穴（モータ４１を対象部材に固定するためのボルトを螺着する穴）を計測し、最終セット回転位置を決定する。

そして、上記（１）で求めた平面をＸＹ平面、上記（２）で求めた中心位置を挿入位置、上記（２）で求めた中心位置から、上記（３）で検出したボルト穴中心位置への方向をＸ軸とする座標（ベース座標系）を生成する。

（４）減速機歯車３１の位相、およびモータ側歯車挿入軸穴および挿入軸穴軸心の位置の計測
作業ロボット２のハンド３を製品ロボット６１の駆動軸付近に接近させて、駆動軸に設けられたモータ３１の挿入穴４６から、ハンド３に装着された第１の撮像装置２１により挿入穴４６の内部の状況を撮像して、第１の画像処理部２２を用いた画像処理により、減速機歯車３１の位相並びにモータ側歯車挿入軸穴および挿入軸穴軸心の位置を算出する。

なお、第１の画像処理で算出された減速機歯車の特性情報は、作業ロボット２のロボット制御装置４に送信される。

（５）作業ロボット２のハンド３によるモータ３１の把持
載置台上に載置されているモータ３１を作業ロボット２のハンド３で把持する。ハンド３又はモータ３１には位置決め用ピンが設けられているため、モータ３１は、所定の精度でハンド３に把持される。

（６）モータ側歯車４３の位相の検出並びに出力軸４２の先端部中心位置と根元部中心位置の計測および出力軸４２の軸心方向の計測
作業ロボット２のハンド３で把持したモータ３１の出力軸４２を第２の撮像装置で撮像し、撮像画像を第２の画像処理部２３により画像処理することにより、モータ側歯車４３の位相の検出および出力軸４２の先端部中心位置と根元部中心位置の計測を行う。

（７）出力軸４２の軸心方向の計測結果に基づくツール座標系の設定の変更
第２の画像処理部２３により算出された出力軸４２の軸心方向の計測結果に基づき、ツール座標系の設定を変更する。

（８）設定変更されたツール座標系に基づき組立ロボット２の動作制御による歯車の組立の実行
設定変更されたツール座標系に基づき組立ロボット２の動作制御により、モータ側歯車４３が、減速機側歯車３１と嵌め合わせながら歯車同士の組立が実行される。

上記の通り、本実施形態による歯車機構の組立装置１を用いて、歯車同士の嵌め合わせを、作業ロボット２により支障なく実施することができる。

１ 歯車機構の組立装置
２ 作業ロボット
３ ハンド
４ ロボット制御装置
１１ 画像処理システム
１２ 第１の画像処理部
１３ 第２の画像処理部
２１ 第１の撮像装置
２２ 第２の撮像装置
２３ 光学センサ（距離センサ）
３１ 減速機歯車（第１の歯車）
４１ モータ
４２ 出力軸
４３ モータ側歯車（第２の歯車）
４４ 遊星歯車
４６ 挿入穴
６１ 製品ロボット
Ｃ 外接円bの中心
Ｄ 円弧ａと外接円bとの接点
Ｅ 遊星歯車の谷部分の重心
Ｆ モータ側歯車の山部分の重心
ａ 遊星歯車谷部分の重心を通る円弧
ｂ 円弧ａに外接する外接円

Claims (17)

1. 第１の歯車に第２の歯車を嵌め合わせて歯車機構を組み立てるための歯車機構の組立装置であって、
   前記第２の歯車を保持するためのハンドを有するロボットと、
   前記ハンドに設けられ、前記第１の歯車を撮像するための第１の撮像装置と、
   前記第２の歯車を撮像するための第２の撮像装置と、
   前記第１の撮像装置により撮像された画像を画像処理して前記第２の歯車の嵌め込み位置および前記第１の歯車の位相を取得し、前記第２の撮像装置により撮像された画像を画像処理して前記第２の歯車の位相および前記第２の歯車の歯車軸の位置を取得する画像処理システムと、を備え、
   前記画像処理システムにより取得された情報に基づいて前記ロボットを制御して、前記ハンドに保持された前記第２の歯車の前記歯車軸を前記第１の歯車における前記第２の歯車の嵌め込み位置に位置合わせするとともに、前記第２の歯車の位相を前記第１の歯車の位相に位置合わせすることにより、前記ロボットを用いて前記歯車機構を組み立てるように構成されている、歯車機構の組立装置。
2. 前記画像処理システムが、前記第１の歯車の画像を画像処理して前記第１の歯車の領域を検出し、検出された前記第１の歯車の領域に基づき、前記第１の歯車における前記第２の歯車の嵌め込み位置および前記第１の歯車の位相を取得する第１の画像処理手段を備えている、請求項１記載の歯車機構の組立装置。
3. 前記第１の歯車は、複数の遊星歯車を有し、
   前記第１の画像処理手段は、前記第１の歯車の領域に基づき、撮像画像に含まれる前記複数の遊星歯車についての谷部分を抽出し、抽出された前記谷部分の重心を円周上の点とする複数の円弧に外接する外接円の中心を前記第１の歯車における前記第２の歯車の嵌め込み位置とすると共に、前記外接円の中心を基準として、前記複数の円弧のいずれかにおける前記外接円との接点に最も近い位置にある谷部分の重心に向かう方向を前記第１の歯車の位相として特定する、請求項２記載の歯車機構の組立装置。
4. 前記第１の歯車は、複数の遊星歯車を有し、
   前記第１の画像処理手段は、前記第１の歯車の領域に基づき、前記第１の撮像装置の撮像画像に含まれる前記複数の遊星歯車についての谷部分を抽出し、抽出された前記谷部分の重心を円周上の点とする複数の円弧に外接する外接円の中心を前記第１の歯車における前記第２の歯車の嵌め込み位置とすると共に、前記外接円の中心を基準として、前記複数の円弧のいずれかにおける前記外接円との接点からの前記外接円上の長さが、前記円弧において前記接点に最も近い位置に存在する谷部分の重心と前記接点との間の前記円弧の円周上の長さと等しくなる前記外接円の円周上の点に向かう方向を前記第１の歯車の位相として特定する、請求項２記載の歯車機構の組立装置。
5. 前記画像処理システムが、前記第２の歯車の画像を画像処理して前記第２の歯車の領域を検出し、検出された前記第２の歯車の領域に基づき、前記第２の歯車の前記歯車軸の先端部の位置および根元部の位置、および前記第２の歯車の位相を取得する第２の画像処理手段を備えている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の歯車機構の組立装置。
6. 前記第２の画像処理手段により取得された前記第２の歯車の前記歯車軸の先端部の位置および根元部の位置に基づき、前記第２の歯車の軸心方向を取得し、前記第２の歯車の前記軸心方向に基づき、前記ハンドによる前記第２の歯車の保持位置のずれを修正するように前記ロボットを制御する、請求項５記載の歯車機構の組立装置。
7. 前記第２の画像処理手段により前記第２の歯車の前記歯車軸の先端部の位置および根元部の位置を取得した後、前記ハンドを予め設定された角度回転させて、前記第２の撮像装置により前記第２の歯車を再度撮像し、再度の撮像画像に基づき前記第２の画像処理手段により前記第２の歯車の前記歯車軸の先端部の位置および根元部の位置を再度取得し、それら前後２回にわたって取得した前記第２の歯車の前記歯車軸の先端部の位置および根元部の位置に関する情報に基づき、前記第２の歯車の軸心方向を取得し、前記第２の歯車の前記軸心方向に基づき、前記ハンドによる前記第２の歯車の保持位置のずれを修正するように前記ロボットを制御する、請求項６記載の歯車機構の組立装置。
8. 前記第二の歯車は、モータの出力軸に設けられており、
   前記ハンドは、前記モータを把持するように構成されており、
   前記モータが装着される対象物までの距離を測定するための光学センサが前記ハンドに設けられている、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の歯車機構の組立装置。
9. 前記歯車機構は、遊星歯車機構であり、前記第１の歯車が前記遊星歯車機構の遊星歯車であり、前記第２の歯車が前記遊星歯車機構の太陽歯車である、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の歯車機構の組立装置。
10. ロボットを用いて第１の歯車に第２の歯車を嵌め合わせて歯車機構を組み立てる歯車機構の組立方法であって、
    前記第１の歯車における前記第２の歯車の嵌め込み位置および前記第１の歯車の位相を取得する第１の歯車計測工程と、
    前記第２の歯車の位相および歯車軸の位置を取得する第２の歯車計測工程と、を備え、
    前記第１の歯車計測工程および前記第２の歯車計測工程により取得された情報に基づいて前記ロボットを制御して、前記ロボットのハンドに保持されている前記第２の歯車の前記歯車軸を前記第１の歯車における前記第２の歯車の嵌め込み位置に位置合わせするとともに、前記第２の歯車の位相を前記第１の歯車の位相に位置合わせすることにより、前記ロボットを用いて前記歯車機構を組み立て、
    前記第１の歯車計測工程が、前記ハンドに設けられた撮像装置を用いて前記第１の歯車の画像を取得して画像処理を行う第１の画像処理工程を有し、
    前記第１の画像処理工程が、前記第１の歯車の画像を画像処理して前記第１の歯車の領域を検出し、検出された前記第１の歯車の領域に基づき、前記第１の歯車における前記第２の歯車の嵌め込み位置および前記第１の歯車の位相を取得するように構成されている、歯車機構の組立方法。
11. 前記第１の歯車は、複数の遊星歯車を有し、
    前記第１の画像処理工程において、前記第１の歯車の領域に基づき、撮像画像に含まれる前記複数の遊星歯車についての谷部分を抽出し、抽出された前記谷部分の重心を円周上の点とする複数の円弧に外接する外接円の中心を前記第１の歯車における前記第２の歯車の嵌め込み位置とすると共に、前記外接円の中心を基準として、前記複数の円弧のいずれかにおける前記外接円との接点に最も近い位置にある谷部分の重心に向かう方向を前記第１の歯車の位相として特定する、請求項１０記載の歯車機構の組立方法。
12. 前記第１の歯車は、複数の遊星歯車を有し、
    前記第１の画像処理工程において、前記第１の歯車の領域に基づき、撮像画像に含まれる前記複数の遊星歯車についての谷部分を抽出し、抽出された前記谷部分の重心を円周上の点とする複数の円弧に外接する外接円の中心を前記第１の歯車における前記第２の歯車の嵌め込み位置とすると共に、前記外接円の中心を基準として、前記複数の円弧のいずれかにおける前記外接円との接点からの外接円上の長さが、前記円弧において前記接点に最も近い位置に存在する谷部分の重心と前記接点との間の前記円弧の円周上の長さと等しくなる前記外接円の円周上の点に向かう方向を前記第１の歯車の位相として特定する、請求項１０記載の歯車機構の組立方法。
13. 前記第２の歯車計測工程が、前記第２の歯車の画像を取得して画像処理する第２の画像処理工程を有し、
    前記第２の画像処理工程が、前記第２の歯車の画像を画像処理して前記第２の歯車の領域を検出し、検出された前記第２の歯車の領域に基づき、前記第２の歯車の歯車軸の先端部の位置および根元部の位置、および前記第２の歯車の位相を取得する、請求項１０乃至１２のいずれか一項に記載の歯車機構の組立方法。
14. 前記第２の画像処理工程により取得された前記第２の歯車の歯車軸の先端部の位置および根元部の位置に基づき、前記第２の歯車の軸心方向を取得し、前記第２の歯車の前記軸心方向に基づき、前記ハンドによる前記第２の歯車の保持位置のずれを修正するように前記ロボットを制御する、請求項１３記載の歯車機構の組立方法。
15. 前記第２の歯車計測工程において前記第２の歯車の前記歯車軸の先端部の位置および根元部の位置を取得した後、前記ハンドを予め設定された角度回転させて、前記第２の歯車を再度撮像し、再度の撮像画像に基づき記第２の歯車の前記歯車軸の先端部の位置および根元部の位置を再度取得し、それら前後２回にわたって取得した前記第２の歯車の前記歯車軸の先端部の位置および根元部の位置に関する情報に基づき、前記第２の歯車の軸心方向を取得し、前記第２の歯車の前記軸心方向に基づき、前記ハンドによる前記第２の歯車の保持位置のずれを修正するように前記ロボットを制御する、請求項１４記載の歯車機構の組立方法。
16. 前記第二の歯車は、モータの出力軸に設けられており、
    前記ハンドは、前記モータを把持するように構成されており、
    前記モータが装着される対象物までの距離を、前記ハンドに設けられた光学センサによって計測し、その計測結果に基づいて前記対象物におけるベース座標系を生成する、請求項１０乃至１５のいずれか一項に記載の歯車機構の組立方法。
17. 前記歯車機構は、遊星歯車機構であり、前記第１の歯車が前記遊星歯車機構の遊星歯車であり、前記第２の歯車が前記遊星歯車機構の太陽歯車である、請求項１０乃至１６のいずれか一項に記載の歯車機構の組立方法。

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