JPS63139678A - 組立ロボツトの手首機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概　要〕 部品を掴むハンドと該ハンドを移動するアームとの間に
アームに対しハンドを変位自在に連結するコンプライア
ンス機構を具えた組立ロボットにおいて、部品を搬送す
るときと組立てるときとでコンプライアンス機構の硬さ
く変位自由度）を切換える手段を設けることにより運搬
作業時にはコンプライアンスを硬くしてぶれ防止を図る
とともに組立（部品挿入）時にはコンプライアンスを柔
らかくして本来のコンプライアンス機能を果たしスムー
ズな組立作業を確保する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は工業用組立ロボットに関し、特にそのアームと
ハンドとの連結部にコンプライアンス機構を有する組立
ロボットの手首機構に関する。

〔従来の技術〕

産業用ロボットの出現により自動組立化が進み、その作
業内容も高精度、高速度化の一途をたどっている。これ
に従い、ロボットの位置決め精度を向上させなければな
らない。しかし、ロボットの精度を向上させるだけでは
高精度組立は困難な場合が多い。即ち、組立作業では組
立対象物間の相対位置関係が重要であるため、絶対位置
よりはこの相対位置を高精度に位置決めする必要がある
。

特に数μｍのオーダーの嵌合作業においてはこのような
高精度の相対位置の位置決めの問題を考慮しなければな
らない。

ロボ−／　トによる高精度の嵌合ハメ合い作業を円滑に
行うために、仮バネあるいはコイルバネ等からなるコン
プライアンス機構によりアームに対しハンドを変位可能
として組立対象物間の相対位置の位置ずれを吸収する手
首構造が提案されている。

しかしながら、このような手首構造において、相対位置
ずれの吸収能力を上げようとしてコンプライアンスを大
きく　（柔かく）すれば、ハメ合い作業の挿入方向の力
も弱められ適切な挿入力が得られず挿入困難となる場合
があり、また大きなコンプライアンスを手首部にもたせ
ると挿入物の運搬の際の始動、停止時に大きな振動が起
り高速化の妨げになる。

そこで本願出願人は先に特開昭５９−５９３８９号にお
いて、上記従来技術の問題点を解消すべく、嵌合物（組
立部品）の搬送時にはコンプライアンスを小さくして振
動を防止し、挿入作業時には位置ずれ方向のコンプライ
アンスを大きくして円滑な挿入が達成できるようにコン
プライアンスを可変とすることを提案した。

〔発明が解決すべき問題点〕

しかしながら上述のコンプライアンス可変機構において
はコンプライアンスの硬さあるいは変位自由度の切換を
行う時期については特に言及されていない、実際、コン
プライアンスの切換は組立嵌合作業を開始する前の適当
な時期に行うようにしているが、そのため、コンプライ
アンスを大きくすべく切換た後に、実際の嵌合作業を行
うまでの間は大きなコンプライアンスのためハンドがぶ
れるという問題があった。ハンドの振れは組立てるべき
部品間の芯ずれを生ぜしめ、時には組立不能となること
すらある。従ってコンプライアンスの切換えはできるだ
け嵌合作業の直前がよいが、それでも実際の嵌合作業開
始時とは同一ではなく多少の時間的余裕を見込んでそれ
より少し前の時期に設定せざるを得ない。更にまた、従
来の方法では上述の如く実際の嵌合作業の開始前にコン
プライアンスを切り換えているため組立てるべき部品間
にたとえ芯ずれ等がなくとも常にコンプライアンスの切
換は行われていた。そのためこの場合には本来不必要な
コンプライアンスの切換を行っていることになる。

そこで本発明の目的は実際の組立嵌合作業開始後に組立
部品間の接触力を検出し、芯ずれ等がある場合にはこの
接触力が必ず大きな値となって現われるので、この接触
力が所定値以上のときのみコンプライアンスを柔らかく
するようにすることにより部品搬送時（実際の組立嵌合
作業を開始するまで）にはコンプライアンスを硬くして
ハンドの振れを確実に防止し、かつ組立部品間に芯ずれ
等がない場合にはコンプライアンスの切換をすることな
（迅速に組立作業を続行するようにすることである。

〔問題点を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために本発明に係る組立ロボット
の手首機構は組立てるべき部品を掴むハンドと、該ハン
ドを移動するアームと、該アームに対しハンドを変位自
在に連結するコンプライアンス機構と、ハンドに掴持さ
れた部品の相手組立部品への接触力を検出するセンサと
、該センサからの信号に応じてコンプライアンス機構の
変位自由度を切換える手段とを有する。

〔作　用〕

センサが組立部品間の接触力を検知し、その接触力が組
立部品間の芯ずれあるいは位置ずれを代表する所定値よ
りも大きいときのみコンプライアンスの切換えを行う。

それによりコンプライアンスは搬送時を含め、芯ずれ等
がないときも常に硬めに維持されハンドのぶれをなくし
、芯ずれ等が生じた場合のみコンプライアンスを柔かく
して芯ずれを有効に吸収し組立嵌合を可能ならしめる。

要するに本発明では部品嵌合方向（Ｚ方向）の接触力を
検知してそれに基づきそれと垂直なＸ−Ｙ平面内でのハ
ンドの変位自由度を切換えることを特徴とする特 〔実施例〕 第６．７図は上述の特開昭５９−５９３８９号に開示さ
れる組立ロボットの手首機構を示すものでまず初めにこ
れについて簡単に説明する。

第６図および第７図はロボットの手首部の上側および下
側からみた斜視図である。アーム１１（第１図）に接合
される手首支持板１に平行バネ組立体２の上面が固定さ
れる。この平行バネ組立体２は互に直交するＸ方向およ
びＹ方向に変位可能な２組の各々２枚づつの薄い対向平
行板バネ３゜４からなり、その下端には連結棒９を介し
てハンド１３（第１図）が取付けられる。ロボットの嵌
合ハメ合い作業時に組立部品（例えばピン）Ａと相手部
品Ｂの嵌入孔１０との相対位置がずれている場合、挿入
圧力の反力のＸ方向成分、Ｙ方向成分に応じて各平行板
バネ３．４が第８図に示す如く変形してＸ方向およびＹ
方向に変位しこの位置ずれを吸収して挿入を達成する。

各平行板バネ３゜４にはその変形量を検知するための歪
ゲージ５が貼付される。歪ゲージ５は好ましくは平行板
バネの変形量が最大となる位置、例えば各平行板バネの
上端部又は下端部に貼付される。この歪ゲージ５の出力
により各平行板バネ３．４の変形量が分り、従ってＸ方
向およびＹ方向の変位が検知される。平行バネ組立体２
の下部の連結棒９にはＸ方向駆動用平板コイル６および
Ｙ方向駆動用平面コイル７が連結され、各平面コイル６
．７は継鉄２１によって磁気的に結合された上下の永久
磁石８間に配置される。これらの平面コイル６．７およ
び永久磁石８によりＸ、Ｙ方向に移動可能な平面直流電
動機（リニアモータ）２０が構成される。

平行バネ組立体２のＸ方向にのみ力を加えた場合の前述
のＸ方向およびＹ方向の歪ゲージ５の出力電圧を見ると
Ｘ方向およびＹ方向の相互干渉は少く、かつ変位−出力
の直線性は良好であることが確認されている。従って、
Ｘ方向およびＹ方向の各歪ゲージ５の出力に基き、Ｘ方
向およびＹ方向の平面コイル６．７を各々独立させて駆
動制御し、これらの動きの合成として平行バネ組体２の
下部を所望位置に移動してコンプライアンスを可変とす
ることができる。例えば平行バネ組体がＸ方向に変位し
ている場合、前述の電動機の駆動制御により平行バネ組
体がさらにＸ方向に変位する方向に平面コイルに電流を
流すことによりコンプライアンスは大きくなる。逆に平
行バネ組体が変位方向と逆方向に移動するように平面コ
イルに電流を流せばコンプライアンスは小さくなる。

このような平面直流電動機の電圧および運動方程式は以
下のようになる。

ただし、　シ：電動機の端子間電圧 Ｒ：電動機の端子間抵抗 ｉ：を動機の電流 Ｌ：電動機のインダクタンス Ｂ：電動機の空隙磁束密度 ｌ：電動機の有効コイル長 Ｍ：可動部質量 β：粘性制動係数 に：平行バネのバネ定数 Ｘ：平行バネの変位 ｔ：時間 である、これをブロック図で表わすと第９図のようにな
る。この系に変位ＸをゲインＡ、を介して帰還（フィー
ドバック）し、かつ０部を電流帰還した位置帰還制御構
成のブロック図を第１０図に示す。第１０図の０部内の
伝達関数Ａ２を求めると次のようになる。

ここでＡｍの部分を第１１図の回路構成にすると、Ａｍ
ｘｏｏと近似できるので、 Ｅ（ｓ）＝Ａｆ　Ｉ（ｓ）　　　　　（４）と簡単な形
で表現できる。即ち、インダクタンスしによる電流の立
上り特性を無視できる。従って、閉ループ伝達関数Ｇ　
（ｓ）は となる、（６）式が安定である条件は に＋ＡＩ　Ａｔ　Ｂｌ　＞０　　　　（７）である０式
（７）はスティフネスを表わす。ここでＡｘ　＝１　　
（Ｖ／Ａ）とすると、式（７）から化させることで、平
行バネ支持系のコンプライアンスＣｍを ０＜Ｃｍ＜■ の範囲で安定に可変できることを表わす、即ちに □≦Ｃｍ＜閃となり０＜ＡＩ＜ωでは に ０＜Ｃｍ＜−となる。従って、Ａ、が負の時に は平行バネは柔らかくなり、正の時は硬くなる。

以上のようにＡ、およびＡ２を変化させることでコンプ
ライアンスを任意に設定できる。第１１図において、Ｆ
は電動機等価回路、Ｒ１は電流検出抵抗を示す、また、
Ａｍ、Ａｆはゲインである。

このようにコンプライアンスを変化させるための位置帰
還ゲインＡ、の符号切換は第１２図に示すように中央制
御装置（ＣＰ　Ｕ）により運搬作業あるいは組立作業等
のロボットの作業状態を判断しこれに応じて平行バネの
コンプライアンスを最適とするようにＡ、の符号制御信
号を送るように構成する。このような回路の具体例が第
１３図に示される。Ｇは平面直流電流機であり、３３は
０Ｎ１０ＦＦが交互に作動するトランスファ型アナログ
スイッチである。ｃｐｕからの信号によりアナログスイ
ッチ３３を制御し、平行バネ２の変位に基く歪ゲージ５
からの位置信号をアンプ２２の（＋）側又は（−）側に
入力させ、これによって位置帰還ゲインＡ１の符号を（
＋）又は（−）とすることができる。

以上の如き可変コンプライアンス機構を有するロボ−／
　）ハンドにおいて、本発明によれば可変コンプライア
ンス機構４０に部品ＡとＢとの接触力を検知するセンサ
５０（第１．２図）が設けられる。センサ５０はいわば
Ｚ方向（第６図）の変位を検出してＸ−Ｙ平面内でのコ
ンプライアンスを制御するものである。

尚、第１図において、アーム１１はシリンダ１５に連結
されるモータ１７に連結され、回転並びに上下動が可能
となっている。

センサ５０は例えば第２図に示す如く平行板ばね３の上
面に設けられる平行板ばね構造体により形成される。即
ち、Ｚ方向に変位可能な上下一対の板ばね片５１　、５
３と、手首支持板１に固定される中央支持柱５７と、板
ばね３の上面に固定される両端支持柱５５とを有する。

仮ばね片５１　（または５３）の曲げ応力が集中する部
分、例えば板ばね片５１と両端支持柱５７との接合部近
辺に歪ゲージ６０が貼着される。歪ゲージ（抵抗線ひず
み計）６０は公知の如くブリフジ回路７１を用いて抵抗
変化を測定しその測定値がＡＭＰ　７３により増幅され
、コンパレータ７５で所定値と比較される。コンパレー
タ７５に記憶される所定値は第５図に示す如く例えば部
品ＡとＢとの芯ずれがあった場合に孔１０の面とりのみ
では吸収できない、即ち嵌合不可の場合の部品ＡとＢと
の接触力（Ｚ方向の力）が選ばれる。そしてコンパレー
タ７５での比較の結果測定値が所定値を超えたときにの
みコンプライアンスを柔がくしなければ部品嵌合が行え
ないと判断してＣＰＵに切換信号を送り第１２図に示す
方法に従ってコンプライアンスを“剛”　（または硬）
から“柔”へ切り換える。

板ばね片５１　、５３は部品Ａが部品Ｂの孔に接触する
と（第５図）、板ばね３の上面の傾斜（傾斜角α）に応
じて第３図に示す如く変形し、そのひずみが歪ゲージ６
０により測定される。

第４図は歪ゲージ５０を直交する２方向に配置したもの
で、同様に３本、４本・・・の多数の歪ゲージを放射状
に配置することにより芯すれがＸ−Ｙ平面内でどの方向
におきても正確に測定することができる。

〔発明の効果〕

以上に説明した如く本発明によればコンプライアンス機
構に組立部品間の接触力を検知するセンサを付設するこ
とにより、コンプライアンスは実際に部品が嵌合動作に
入るまで硬の状態に保持してお（ことができるので嵌合
動作に入るまでの動作中に問題となるハンド、即ち部品
のぶれは解消される。

また、部品間に芯ずれが存在して嵌合作業に支障をきた
す場合にはコンプライアンスを柔に切り換えてコンプラ
イアンス本来の芯ずれ吸収機能を発揮せしめることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用した組立ロボットの要部を示す斜
視図、第２図は本発明に係る組立ロボットの手首機構の
要部を示す図解図、第３図は本発明に係るセンサの変形
状態を示す図、第４図は第２図の別の実施例を示す図、
第５図は組立部品どうしの接触開始状態を示す図、第６
図及び第７図は従来のロボットの手首機構を上部および
下部からみた斜視図、第８図はコンプライアンス機構の
原理を説明する図、第９図および第１０図はロボット制
御のブロック回路の一例を示す図、第１１図は第１０図
のブロック図の一部を示す部分回路図、第１２図および
第１３図はロボット制御の別のブロック図および回路図
。 ２・・・平行バネ組立体、　５・・・歪ゲージ、９・・
・連結棒、　　　　　　１１・・・アーム、１３・・・
ハンド、 ４０・・・可変コンプライアンス機構、５０・・・セン
サ。 本発明に係るロボットの手首機構の斜視図ＡＢ・・・　
部品 １１・・・　アーム １３・・・　ハンド ４０・・・　コンプライアンス機構 ５０・・・　センサ 本発明の手書機構の要部の図解図 第２図 センサの変形を示すメ 第３図 第２図の別の実施例を示す図 第４図 部品の接触状態を示す図 第５図 従来のロボットの手首機構を示す上方からの斜視図第６
図 従来のロボットの手首機構を示す下方からの斜視図第７
図 コンプライアンス機構の原理を示す間 第８図 ロ？ット制御のブロック図 第９図 １ｄｏｌ　　ロボット制御のブロック図＄＋＋１　　ロ
ボット制御のＭ路図 第１３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、組立てるべき部品を掴むハンドと、該ハンドを移動
   するアームと、該アームに対しハンドを変位自在に連結
   するコンプライアンス機構と、ハンドに掴持された部品
   の相手組立部品への接触力を検出するセンサと、該セン
   サからの信号に基づき接触力の大きさ応じてコンプライ
   アンス機構の変位自由度を切換える手段とを有すること
   を特徴とする組立ロボットの手首機構。