JP6874408B2

JP6874408B2 - マニピュレータおよびワーク取り出し方法

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Publication number: JP6874408B2
Application number: JP2017025108A
Authority: JP
Inventors: 伊藤　博; 伊藤　　博; 茂人林
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2017-02-14
Filing date: 2017-02-14
Publication date: 2021-05-19
Anticipated expiration: 2037-02-14
Also published as: JP2018130788A

Description

本発明は、箱に入ったコイル状のワークを箱から取り出すためのマニピュレータおよびワーク取り出し方法に関する。

近年、生産効率の向上のために生産ライン（例えば、加工ライン、組立ライン）の自動化が進んでいる。特許文献１には、コイル状ワークの一例であるバルブスプリングを箱から取り出して次工程に搬送するマニピュレータが開示されている。

特開平６−３２８３８４号公報

ところで、上述のようなコイル状のワークは、隣り合うワーク同士の距離が近い状態で箱の中に配置されている。このため、搬送時の振動により隣り合うワーク同士が近づいて、ワークの一部が軸方向に重なって（つまり、絡まって）しまう可能性がある。この状態のワークを取出そうとすると、取り出しの対象である取出しワークだけでなく、取出しワークに絡まったワークも一緒に取出されてしまう。このようなワークの絡まりを解消するために、生産ラインを一時的に停止することは、生産効率を低下させる可能性がある。

本発明の目的は、取出しワークが、他のワークが絡まった状態で箱から取り出されないようにできるマニピュレータの構造およびワークの取り出し方法を実現することである。

本発明のうちマニピュレータに係る発明は、箱内に配置されたコイル状の複数個のワークから、自身に対し箱の底面に沿った所定方向に空間が存在するワークを、取出しワークとして選択する制御装置と、制御装置の制御下で、取出しワークを保持しつつ空間側に移動した後、取出しワークを箱の外部空間に移動させるアーム部と、を備える。

本発明のうちワーク取出し方法に係る発明は、コイル状の複数個のワークが配置された箱から、アーム部を備えたマニピュレータにより前記ワークを取り出すワーク取出し方法であって、複数個のワークから、自身に対し箱の底面に沿った所定方向に空間が存在するワークを、取出しワークとして選択し、アーム部により取出しワークを保持し、アーム部がワークを保持した状態で、アーム部を空間側に移動させた後、アーム部を箱の外部空間に移動させる。

本発明のマニピュレータによれば、取出しワークが、他のワークが絡まった状態で箱から取り出されないようにできる。

本発明に係る実施形態１のマニピュレータの全体図アームのみを取り出して示す斜視図コイル状のワークの一例を示す図ワークが配置される箱の一例を示す斜視図図４のＢ−Ｂ断面に相当する断面図箱を傾けた状態を示す断面図保持アーム部が箱の上方に移動した状態を示す図保持アーム部が取出しワークの内径側に侵入した状態を示す図保持アーム部が取出しワークの内径側に侵入して開いた状態を示す図取出しワークを保持した保持アーム部が傾斜方向の上方に移動した状態を示す図取出しワークを保持した保持アーム部が取出しワークの軸方向に移動した状態を示す断面図実施形態１のマニピュレータが使用される工程およびその前工程に関するフローチャート実施形態１のマニピュレータの動作に関するフローチャート

以下、本発明に係るマニピュレータの構造について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明に係るマニピュレータの一例であり、本発明は実施形態により限定されるものではない。

[１実施形態１]
図１乃至７を参照して、実施形態１に係るマニピュレータＡについて説明する。なお、以下の説明において、前後方向はマニピュレータＡに関する前後方向（図１および図２の矢印ａｂの方向）をいう。「前方」は図１および図２に矢印ａで示す方向をいう。「後方」は図１および図２に矢印ｂで示す方向をいう。

また、上下方向はマニピュレータＡに関する上下方向（図１および図２の矢印ｅｆの方向）をいう。以下の説明において、単に「上方」といった場合には、図１および図２に矢印ｅで示す方向をいう。単に「下方」といった場合には、図１および図２に矢印ｆで示す方向をいう。

なお、前後方向および幅方向は水平方向に平行であってもよいし、平行でなくてもよい。上下方向は垂直方向に平行であってもよいし、平行でなくてもよい。

[１．１マニピュレータが使用される工程について]
本実施形態のマニピュレータＡは、コイル状のワークの自動組立装置にワークを供給する工程で使用される。具体的には、例えば、本実施形態のマニピュレータＡは、内燃機関に組み込まれるバルブの自動組立装置にバルブスプリングを供給する工程で使用される。以下、本実施形態のマニピュレータＡが使用される工程について簡単に説明する。

[１．２ワークの搬送状態について]
図３乃至図５Ａに示すように、バルブスプリングなどのワークＷ（図３参照）は、上方が開口した箱４の内側に配置された状態で組立工場に搬入される。具体的には、複数個のワークＷは縦横方向に整列した状態で箱４の内側に配置されている。

以上のようなワークＷは、図５Ａに示す状態で、搬送コンベア（図示省略）に乗って所定位置（後述する、旋回装置２の載置台２１）まで運ばれてくる。

[１．３マニピュレータの概容について]
以下、図１および図２を参照して、本実施形態のマニピュレータＡの概要を説明する。本実施形態のマニピュレータＡは、箱（具体的には、箱４）内に配置されたコイル状の複数個のワーク（具体的には、ワークＷ）から、自身に対し所定方向（例えば、箱の傾斜方向における上側）に空間（具体的には、後述する空間４２）が存在するワークを、取出しワーク（具体的には、後述する取出しワークＷ１）として選択する制御装置（具体的には、後述する制御装置３）と、制御装置の制御下で、取出しワークを保持しつつ空間側に移動した後、取出しワークを箱の外部空間に移動させるアーム部（具体的には、後述する保持アーム部１３）と、を備える。

[１．４マニピュレータの具体的構造について]
次に、図１乃至図５Ｇを参照して、本実施形態のマニピュレータＡの具体的構造について説明する。マニピュレータＡは、アーム装置１と、旋回装置２と、制御装置３と、を備えている。

[１．４．１アーム装置について]
アーム装置１は、三次元的に移動して、箱４の内部空間に配置されたワークＷを箱４から取り出すことができる。具体的には、アーム装置１は、多関節アーム部１１と、取付チャック部１２と、アーム部の一例である保持アーム部１３と、を備えている。

以下のアーム装置１の説明において、軸方向といった場合には、保持アーム部１３における軸方向（図１、２の矢印ｇの方向）をいう。また、径方向といった場合には、保持アーム部１３の中心軸（図１、２の矢印ｇを通る軸）を中心とした仮想円における径方向をいう。さらに、周方向といった場合には、上記仮想円における周方向をいう。

多関節アーム部１１は、複数個（例えば、３個）のアーム要素１１０と、アーム要素１１０同士を連結する関節部１１１と、を備えている。

関節部１１１は、関節駆動部（図示省略）により駆動されることにより、アーム要素１１０同士を屈曲（つまり、旋回運動）あるいは相対回転させる。このようにして多関節アーム部１１は、保持アーム部１３を三次元的に移動させる。上記関節駆動部の動作は制御装置３により制御される。なお、多関節アーム部１１の構造は、上述の場合に限定されず、従来から知られている各種構造を採用できる。

上述の多関節アーム部１１の基端部は固定部（図示省略）に固定されている。一方、多関節アーム部１１の先端部には、後述する取付チャック部１２が固定されている。

取付チャック部１２は、チャック基部１２１と、開閉機構１２２と、を備えている。
チャック基部１２１の基端部（図１の上端部）は多関節アーム部１１の先端部に固定されている。

開閉機構１２２は、チャック基部１２１の先端部（図１の下端部）に、周方向に１２０°ずれた状態で放射状に配置された３個のアクチュエータ１２２ａにより構成されている。

アクチュエータ１２２ａには、後述する保持アーム部１３の爪部１３１の基端部が締結用部品（例えば、ボルト、ボルトとナットの組）により固定されている。開閉機構１２２が駆動すると、アクチュエータ１２２ａが、アクチュエータ１２２ａに固定された部材（本実施形態の場合、後述する爪部１３１）を放射方向に変位させる。

開閉機構１２２の動作は制御装置３により制御される。なお、アクチュエータ１２２ａは、例えば、空圧式、油圧式、あるいは電気式の各種アクチュエータを採用できる。

保持アーム部１３は周方向に１２０°ずれた状態で配置された３個の爪部１３１を備えている。爪部１３１の基端部（図１の上端部）はアクチュエータ１２２ａに固定されている。つまり、１個のアクチュエータ１２２ａに対して１個の爪部１３１が固定されている。

保持アーム部１３は、開閉機構１２２が駆動していない状態で、径方向および周方向において爪部１３１同士が最も近接した状態（以下、「閉状態」という）となる（図１、２、５Ｄに示す状態）。

一方、保持アーム部１３は、開閉機構１２２が駆動している状態で、径方向および周方向において爪部１３１同士が最も離隔した状態（以下、「開状態」という）となる（図５Ｅ乃至５Ｇに示す状態）となる。なお、保持アーム部１３の開状態における爪部１３１同士の距離は、ワークＷの内径に応じて適宜調整される。

アーム装置１は、図示しない位置検出部を備えており、位置検出部により検出された自身の位置データを、後述する制御部３に出力する。なお、位置データの出力は、例えば、アーム装置１に設けられた制御部（図示省略）が行う。

[１．４．２旋回装置について]
旋回装置２は、箱４を、図１の矢印ｈｉの方向（以下、単に「旋回方向」という）に旋回させることができる。具体的には、旋回装置２は、載置台２１と、エアシリンダ２２と、を備えている。なお、旋回方向における一方側といった場合には、図１の矢印ｈの方向をいう。

載置台２１は、上下方向視で略矩形の板状部材である。
エアシリンダ２２は、下端部が固定部（図示省略）に固定されている。エアシリンダ２２は、シリンダ部２２ａと、ピストン部２２ｂと、を備えている。ピストン部２２ｂの上端部は、載置台２１の下面にヒンジ２３を介して結合されている。

シリンダ部２２ａの第一シリンダ空間に圧縮空気が供給されると、ピストン部２２ｂが上方に変位して、載置台２１が図１に二点鎖線で示す状態から実線で示す状態に旋回する。換言すれば、載置台２１が水平面（図１に一点鎖線αで示す面）に対して、所定角度θだけ傾く。この状態における載置台２１の傾斜方向（図１に一点鎖線βで示す方向）は、載置台２１に載置された箱４の傾斜方向ともいう。

なお、本実施形態の場合、箱４の横方向（図１の表裏方向）が、箱４の旋回中心軸５（図１参照）と平行となる状態で箱４を傾けている。ただし、箱４を傾ける態様は本実施形態の場合に限定されない。例えば、箱４の横方向と箱４の旋回中心軸５とが平行ではない状態で、箱４を傾けてもよい。この場合には、旋回中心軸５に直交し、かつ、水平面に対して所定角度θだけ傾いた方向が傾斜方向である。

すなわち、載置台２１は、ピストン部２２ｂの上下方向変位にともない、載置台２１の後端部（換言すれば、旋回中心軸５）を支点（旋回中心）として図１の矢印ｈの方向に旋回する。従って、載置台２１の上面に載置された箱４の上側開口部は斜め後上方を向く。

旋回装置２は、箱４が載置台２１の上面に載置されたことを示すデータ（以下、「箱載置データ」という）を、後述する制御装置３に出力する。なお、箱載置データの出力は、例えば、旋回装置２に設けられた制御部（図示省略）が行う。

[１．４．３制御装置について]
制御装置３は、例えば図示しない、入力端子、出力端子、マイコン、プログラムメモリ、およびメインメモリなどにより構成する。マイコンは、プログラムメモリからプログラムを読み出して、メインメモリを用いてプログラムを実行することにより、アーム装置１および旋回装置２の動作を制御する。なお、制御装置３の機能は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などの論理回路、あるいは、プログラムとして実現されてもよい。

制御装置３は、傾斜制御部３１と、ワーク選択部３３と、アーム制御部３２と、を機能ブロックとして含む。各機能ブロック３１、３３、３２は、例えば、プログラムを実行するマイコンにより実現される。各機能ブロック３１、３２、３３の機能については後述する。

[１．５マニピュレータの動作について]
以下、本実施形態のマニピュレータＡの動作について説明する。

まず、図６のステップＳ１において、作業者は、ワークＷが入った箱４（図５Ａ参照）を搬送コンベア（図示省略）に乗せる。この作業は作業者の手作業により行われる。

図６のステップＳ２において、搬送コンベア上の箱４は、マニピュレータＡにおける旋回装置２の載置台２１の上面まで搬送される。

図６のステップＳ３において、マニピュレータＡが箱４の中からワークＷを取り出す。そして、マニピュレータＡがワークＷを次工程（例えば、組付け工程）に供給する。

以下、図７を参照して、箱４の中からワークＷを取り出す際のマニピュレータＡの動作について説明する。図７は、図６のステップＳ３におけるマニピュレータＡの具体的な動作に関するフローチャートである。

なお、以下で説明するマニピュレータＡの動作は制御装置３により制御される。具体的には、旋回装置２の動作は、傾斜制御部３１に制御される。アーム装置１の動作は、アーム制御部３２に制御される。後述する図７のＳ３０７の、取出しワークＷ１を選択する処理は、ワーク選択部３３に制御される。

図７のＳ３０１において、箱４が載置台２１の上面に搬送されると、旋回装置２は、箱４が載置台２１の上面に載置されたことを示すデータ（以下、「箱載置データ」という）を制御装置３（具体的には、傾斜制御部３１）に出力する。なお、制御装置３が箱載置データを取得する方法は、上述の場合に限定されない。制御装置３は箱載置データを何らかの方法で取得すればよい。

つぎに、図７のＳ３０２において、制御装置３が箱載置データを受信すると、制御装置３は旋回装置２を作動させる制御を行う。旋回装置２が作動すると、載置台２１が図１に二点鎖線で示す状態から実線で示す状態に旋回する。箱４は載置台２１とともに旋回して図１および図５Ｂに示す状態となる。

図１および図５Ｂに示す状態において、箱４は、水平面（図１の一点鎖線矢印αを含む面）に対して所定角度θ（図１参照）だけ、図１の反時計周りの方向に傾いている。

図１および図５Ｂに示す状態において、箱４内のワークＷは、箱４の傾斜方向（図１に一点鎖線βで示す方向）における下側に移動している。この状態で、箱４内のワークＷのうち傾斜方向において最も上側に配置された横ワーク列ＷＳと、箱４の側壁のうち傾斜方向における上側に配置された第一側壁４１の内面との間には、空間４２が形成される。

空間４２の傾斜方向に関する長さ寸法Ｌ_１（図５Ｂ参照）は、横ワーク列ＷＳと、取出しワークＷ１の傾斜方向における下側に配置されている他のワークＷとの重なり部分（つまり、絡まっている部分）の傾斜方向に関する長さ寸法Ｌ_２（図５Ｂ参照）よりも大きい（Ｌ_１＜Ｌ_２）。

なお、箱４内のワークＷのうち、箱４の横方向（図１の表裏方向）に並べられた複数個のワークＷにより構成されるワークＷの列が、横ワーク列ＷＳである。一方、箱４内のワークＷのうち、箱４の縦方向（本実施形態の場合、傾斜方向に一致）に並べられた複数個のワークＷにより構成されるワークＷの列が、縦ワーク列ＷＬである。

次に、図７のＳ３０３において、旋回装置２は箱旋回動作の完了に関するデータ（以下、「旋回完了データ」という）を制御装置３に出力する。

次に、図７のＳ３０４において、制御装置３が旋回完了データを受信すると、制御装置３（具体的には、アーム制御部３２）はアーム装置１を作動させる制御を行う。なお、以下で説明するアーム装置１の動作は、制御装置３（つまり、アーム制御部３２）が関節部１１１に設けられた関節駆動部（図示省略）、および、取付チャック部１２の開閉機構１２２を制御することにより行われる。

次に、図７のＳ３０５において、アーム装置１が作動すると、多関節アーム部１１が保持アーム部１３を箱４の上方まで移動させる（図５Ｃ参照）。

次に、図７のＳ３０６において、取付チャック部１２に固定されたカメラなどの撮像装置６により、箱４の内側に配置されたワークＷを箱４の上方から撮影する。撮像装置６により撮影された画像データは制御装置３に出力される。

次に、図７のＳ３０７において、制御装置３が画像データを受信すると、制御装置３（具体的には、ワーク選択部３３）は画像データに基づいて取出しワークＷ１を選択する。取出しワークＷ１は、箱４内の複数個のワークＷのうち傾斜方向における上側に空間４２が存在するワークＷである。本実施形態の場合、傾斜方向において最も上側に配置された横ワーク列ＷＳを構成するワークＷのうちの一つが取出しワークＷ１として選択される。

次に、図７のＳ３０８において、取出しワークＷ１が選択されると、保持アーム部１３における爪部１３１が取出しワークＷ１の内径側に上方から侵入する（図５Ｄ参照）。この状態において、保持アーム部１３は閉状態である。

次に、図７のＳ３０９において、保持アーム部１３における爪部１３１同士が、径方向および周方向に離れるように作動して、保持アーム部１３が開状態となる（図５Ｅ参照）。この結果、保持アーム部１３の爪部１３１が、取出しワークＷ１に対して取出しワークＷ１の内径側から当接して、取出しワークＷ１が保持アーム部１３に保持される（図５Ｅ参照）。

次に、図７のＳ３１０において、保持アーム部１３が、傾斜方向における上側（図５Ｅの矢印β_１の方向）に移動する。このような保持アーム部１３の移動にともない、保持アーム部１３に保持された取出しワークＷ１も傾斜方向における上側に移動する。換言すれば、保持アーム部１３の移動にともない、取出しワークＷ１が空間４２側に移動する（図５Ｆ参照）。この結果、取出しワークＷ１の、取出しワークＷ１の傾斜方向における下側に配置されている他のワークＷとの軸方向の重なり（つまり、絡まり）が解消される。

次に、図７のＳ３１１において、保持アーム部１３が、保持アーム部１３の軸方向における一方側（図５Ｆに矢印ｇ_１で示す方向）に移動する。この結果、保持アーム部１３が、箱４の内部空間から外部空間に移動して、取出しワークＷ１が箱４から取り出される（図５Ｇ参照）。なお、取出しワークＷ１が箱４から取り出された後の状態で、空間４２は、箱４の内部空間のうち取出しワークＷ１が配置されていた部分だけ拡大する。

そして、図７のＳ３１２において、取出しワークＷ１が次工程（例えば、組付け工程）に供給される。

[１．６付記]
上述の本実施形態の場合、旋回装置２により箱４を傾けることにより、空間４２が形成される。ただし、これに限らず、例えば、搬送時の横方向への振動でワークＷが箱４内で偏ることで、空間４２が形成されることもある。

また、旋回装置２の載置台２１を旋回させるアクチュエータは、上述のエアシリンダ２２に限定されない。載置台２１を旋回させるアクチュエータは、例えば、油圧式アクチュエータあるいはソレノイド式アクチュエータなどでもよい。また、載置台２１を旋回させるアクチュエータは、ロータリアクチュエータなどでもよい。

アーム装置１の構造は、本実施形態の場合に限定されない。例えば、保持アーム部１３の爪部１３１の形状または数は、本実施形態の場合と異なっていてもよい。

[１．７実施形態１の作用・効果]
本実施形態によれば、図７のＳ３１０において、保持アーム部１３が傾斜方向における上側（図５Ｅの矢印β_１の方向）に取出しワークＷ１を移動させることにより、取出しワークＷ１と他のワークＷとの軸方向の重なり（つまり、絡まり）を解消する動作を行う。このため、図５Ｆに示すように、取出しワークＷ１に他のワークＷが絡まっていない状態で、取出しワークＷ１を箱４から取り出すことができる。この結果、生産ラインが停止する時間を低減し、生産効率を向上できる。

本発明のマニピュレータおよびワーク取り出し方法は、コイル状の各種ワークの加工ラインおよび組立ラインに適用できる。

Ａマニピュレータ
１アーム装置
１３保持アーム部
２旋回装置
３制御装置
３１傾斜制御部
３２アーム制御部
３３ワーク選択部
４箱
４２空間
Ｗワーク

Claims

箱内に配置されたコイル状の複数個のワークから、自身に対し前記箱の底面に沿った所定方向に空間が存在するワークを、取出しワークとして選択する制御装置と、
前記制御装置の制御下で、前記取出しワークを保持しつつ前記空間側に移動した後、前記取出しワークを前記箱の外部空間に移動させるアーム部と、
を備えたマニピュレータ。
前記箱を水平面に対して所定角度傾ける傾斜装置を備える、請求項１に記載のマニピュレータ。
前記所定方向が前記箱の傾斜方向における上側である、請求項２に記載のマニピュレータ。
コイル状の複数個のワークが配置された箱から、アーム部を備えたマニピュレータにより前記ワークを取り出すワーク取出し方法であって、
前記複数個のワークから、自身に対し前記箱の底面に沿った所定方向に空間が存在するワークを、取出しワークとして選択し、
前記アーム部により前記取出しワークを保持し、
前記アーム部が前記ワークを保持した状態で、前記アーム部を前記空間側に移動させた後、前記アーム部を前記箱の外部空間に移動させる、
ワーク取出し方法。
前記取出しワークを選択する前に、前記箱を水平面に対して所定角度傾ける、請求項４に記載のワーク取出し方法。