JPS63272478A - 精密嵌合用ロボツトハンド - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ロボット等の組立機を用いて、ミクロンオー
ダーのクリアランスの部品組付けを行う際の精密嵌合川
口ボットハンドに関する。

［従来の技術］ 従来、ロボット等を用いてワークを孔内に挿入する嵌合
作業において、公差がミクロンオーダーの高精度組付け
の場合には、挿入位置および傾き姿勢を正確に一致させ
なりれば、こじりを生じ製品を傷つけてしまう結果とな
る。

［発明が解決しようとする問題点］ したがフて、従来このような組付けにおいては、ロボッ
トを高鯖度に位置決め、姿勢合わせをすることが必要で
あり、制御が複雑となる。また、正確に位置決め、姿勢
合わせを行なっても部品のばらつきに対処できない欠点
があった。この点に関しては、特公昭６１−３４９３２
がある。

これは、手首部にずれ検出機構とロボットのアーム移動
制御手段を備えたロボットハンドにより円滑な挿入を行
うものであるが、部品間の相対傾きは考慮されておらず
、Ｘ−Ｙ平面のみのずれを検出修正するもので、事前の
正確な姿勢合わせが必要である。

本発明は、上述した高粒度の嵌合作業において、ロボッ
トを高粒度に位置決め、姿勢合わせをする必要なく、エ
アシリンダ型のオートハンド等に装着しても高粒度な嵌
合作業が行なえ、また、部品のばらつきにも対処できる
ロボットハンドを提供するものであり、また、挿入の高
速化も可能とするものである。

［問題点を解決するための手段］ 本発明では、Ｘ−Ｙ平面でのずれに関しては、コンプラ
イアンスが可変の受動的コンプライアンス機構のシリン
ダユニットと、ワークと被組付はワークとの接触状態に
応じてワークに生ずる少なくと６３軸（Ｚ方向の力、Ｘ
軸まわりのモーメント、Ｙ軸まわりのモーメント）以上
の力を検出できる検出手段と、この検出手段により得ら
れた情報によりワークの傾きを修正するアクチュエータ
と、ワークを掴むフィンガ部が挿入方向にスライドする
機構を設けることにより、それほど精密でない位置決め
、姿勢合わせをしても高速精密嵌合を可能としたもので
ある。

［実施例］ 次に、本発明の実施例を図面を参照して説明する。第１
図は本発明の精密嵌合川口ボットハンドの一実施例の縦
断面図、第２図は第１図のＡ−Ａ断面図、第３図は第１
図のＢ−Ｂ断面図である。

本実施例のロボットハンドは大別して、シリンダユニッ
ト１０と、ピエゾアクチュエータユニット２０ａ、２０
ｂと、３軸カセンサ３０と、ツイーンガスライド機構４
０とフィンガ部５０とからなる。

シリンダユニット１０は、可動板１３と、これを上下か
らはさみ付ける上面固定板１２ａおよび下面固定板１２
ｂと、可動板１３と固定板１２ａ、１２ｂの間に可動板
１３を可動にするために挿入された鋼球１５とリテーナ
１６と、可動板１３とピエゾアクチュエータユニット２
０のとニジユニット取付板２４とを固定して連結するブ
ロック１４と、エアシリンダ１１とを有する。

可動板１３は外周３箇所に位置決め端面１３ａを有し、
この面をエアシリンダ１１のシリンダエンドｌｌａが押
すようになっている。すなわち、シリンダエンドＩｌａ
で押されていない時は、可動板１３は中心軸と直角方向
には変位可能であるが軸方向には変位せず、押された時
は直角方向も固定される構造になっている。すなわち、
可動板１３がエアシリンダ１１によって押されるとシリ
ンダユニット１０はロックされ、エアシリンダ１１から
開放されると可動板１３は自由に変移可能になり、コン
プライアンスが大きくなる。

ピエゾアクチュエータユニット２０ａ、２０ｂは、それ
ぞれピエゾエレメント２１ａ、２１ｂと、その動きを拡
大するレバー２２ａ、２２ｂと、戻し用スプリング２３
ａ、２３ｂと、ピエゾユニット取付板２４と、十字形に
直交する十字軸２５ａ、２５ｂと、それらの両端にそれ
ぞれ取付けられたベアリング２６ａ１．２６ａ２．２６
ｂ、、２６ｂ２および可動軸２７とを有する。

ピエゾエレメント２１に電圧を加えるとエレメントは延
び、レバー２２の一端を押す。この一端の変位はてこの
形状をしているレバー２２によって拡大され、他端が可
動軸２７を矢印の方向に押す。ピエゾエレメント２１の
電気を切ると、可動軸２７は戻し用スプリング２３によ
って逆に押され元の位置に帰る（第３図）。

これら２組のピエゾアクチュエータ２１ａ、２２ａ、２
３ａおよび２１ｂ、２２ｂ、２３ｂは中心軸に対し互い
に直角に配置されている。

可動軸２７はその一端を、十字軸２５ａ、２５ｂおよび
ベアリング２６ａＩ、２６ａ２．２６ｂ、、２６ｂ２を
介してピエゾユニット取付板２４に取付られている。し
たがって、可動軸２７がピエゾアクチュエータによって
押されると、可動軸２７の一端は十字軸２５ａ、２５ｂ
のまわりに自由に回転し、他の端は押された方向の反対
側に傾く。例えば第１図において、ピエゾユニット取付
板２４を基点にして見ると、レバー２２が右側に動くと
、可動軸２７の下部は右方向に動き、可動軸２７として
は左側に傾くことになる。なお、可動軸２７の他端は３
軸カセンサ３０に固定して連結されている。

３軸カセンサ３０は３軸力（Ｚ軸方向の力Ｆｚ：以下ｒ
ＦｚＪと呼ぶ、Ｘ軸まわりのモーメント量Ｘ：以下ｒＭ
ｘ」と呼ぶ、Ｙ軸まわりのモーメントＭｙ：以下ｒＭ：
ＹＪと呼ぶ）のセンサである。

３輔カセンサ３０は十字形のセンサエレメント３１と、
これを可動軸２７の他端に固定して連結ｔ　る押え板３
２と、センサエレメント３１を保持する四角形のセンサ
枠３３と、このセンサ枠３３とフィンガスライド機構４
０を連結するフィンガ取付板３４を有する。

第４図は本実施例に用いられた３軸カセンサ３０の斜視
図、第５図は３軸力Ｆｚ、Ｍｘ、Ｍｙを検出するための
歪ゲージの結線図である。

第４図において、３！１ｉｌＩＩカセンサ３０は、十字
形のセンサエレメント３１をセンサ枠３３に取付けたも
のであり、本実施例では押え板３２によって十字形の中
心線の交点を可動軸２７の軸心に取付けである。

センサエレメント３１のそれぞれ中心に近い部分、およ
びセンサ枠３３に近い部分の表裏に歪ゲージ１６組がそ
れぞれはりつけられている。すなわち、Ａ（表）、ａ（
裏）が１組でＡ、ａ〜ｐ、ｐの１６組である。

これらの歪ゲージはホイートストンブリッヂ結線され、
これに電圧を加え、電圧ｅが測定される。すなわち、セ
ンサエレメント３１にＦＺ、ＭｘあるいはＭｙを与える
ことにより歪ゲージの抵抗が変化し、電圧ｅの値が変化
する。ここで、既知の力あるいはモーメントと電圧ｅと
の相対関係を予め測定しておき、得られた電圧ｅの値か
ら加えられた力あるいはモーメントを逆算する。この力
あるいはモーメントを人力の信号値とするのであるが、
出力電圧ｅを直接人力の信号値とすることもできる。

フィンガスライド機構４０は、スライドシャフト４１と
、スライドブツシュ４２と、荷重調整用のスプリング４
３を有する。このフィンガスライド機構４０は、フィン
ガ部５０の中心線と同軸に設けられている。

次に、本発明のロボットハンドによりワークを孔に挿入
する時の作用を原理的に説明する。第６図、第７図はそ
の過程を示す説明図である。

ワーク５１を孔内に挿入する場合、ワーク５１と孔中心
に位置ずれがあると、第６図に示すように面取り部に接
触し案内されて孔にすべりこむ。

この時、挿入力は水平方向の剛性力とずれ量に比例した
力が必要となる。ハンド移動中は、エアシリンダ１１に
より可動板１３は固定され、振動等の防止を行なうため
剛性は高く、すなわち、コンプライアンスは低くなって
いる。ここで３軸カセンサ３０からのＦｚ比出力ロック
開放の信号とし、可動板１３をエアシリンダ１１から開
放することでコンプライアンスは大きくなる。この際用
いるＦｚの出力としては、ワークが被組付はワークに接
触する時に発生するＦｚの値が、比較的小さい第１設定
値を超えたら作動するようにする。

シリンダユニット１０のコンプライアンスが大きくなる
ので、ワーク５１は水平方向に容易に移動し、アームの
姿勢合せかうまく行っている時はそのまま挿入される。

次に挿入を続けると１点接触状態を経て、第７図に示す
ような２点接触状態になる。この状態において傾き角α
が、クリアランスと部材間の摩擦係数によって決まるく
いつき角よりも小さい場合、傾き方向の剛性力と傾き角
αに比例する力で挿入を行なうことができるが、傾き角
αがくいつき用具上の場合は、くさび現象を起し挿入は
妨げられる。ミクロンオーダーの嵌合では、このくいつ
き角は数分以下という微小角である。本発明では、３軸
カセンサ３０の出力を信号とし、ピエゾエレメント２１
の印加電圧を制御し、レバー２２を駆動させ、傾きを修
正することで挿入を円滑に行なう。すなわち、３軸カセ
ンサ３０からのＦｚ比出力くいつきのしきい値よりも犬
きくなった時、制御を開始し、ＭｘおよびＭｙがそれぞ
れ０になる方向にピエゾエレメント２１を伸縮させ姿勢
合わせを行なう。この時フィンガ部５０はフィンガスラ
イド機構４０により上方にスライドしており、過負荷が
ワーク５１にかからない状態となっており、上述した方
法で傾きを修正すれば姿勢が一致した時に、自重あるい
はスプリング力等で高速に挿入される。挿入完了はフィ
ンガ５０の下降端信号か、Ｆｚ比出力より判断すること
ができる。

次に、第８図に示すフローチャートにより本実施例の動
作を説明する。なお、このフローチャートはロボット°
アーム下降、すなわち、ワーク挿入開始から挿入完了ま
での動作を示す。

まず、アームをワーク５１が被挿入物に接触するまで下
降させる（ステップ１）。挿入力Ｆｚを第１設定値と比
較しくステップ２）、第１設定値以下なら、ワーク５１
の最下端が挿入孔の下端に達したら、動作終了とし、最
下端でなければ元にもどって（ステップ３）、アームを
下降させ（ステップ１）、第１設定値以上ならシリンダ
ユニット１０の水平方向ロックを解除する（ステップ４
）。

次に、アームをさらに下降させ（ステップ５）、ワーク
５１の最下端が挿入孔の下端に達したら動作終了とし、
最下端でなければ（ステップ６）、Ｆｚを第２設定値と
比較する（ステップ７）。Ｆｚが第２設定値以下ならば
ステップ５に戻し、第２設定値以上なら、Ｍｘ、Ｍｙを
第２設定値と比較する（ステップ８）。Ｍｘ、Ｍｙが設
定値以上ならステップ１１に進む。Ｍｘ、Ｍｙが設定値
以下ならワーク５１を一旦上昇させ（ステップ９）、次
に再び下降させる（ステップ１０）。これはＦｚが第２
設定値以上でＭｘ、Ｍｙが設定値以下の場合、摩擦等に
よりＦｚが発生することがあるため、これを取除くため
のものである。上昇下降させたら同じくステップ１１に
進む。

次に、３軸カセンサ３０で検出したモーメントとほぼ等
しいモーメントを可動軸２７に検出モーメントと反対方
向から与えるためにピエゾアクチュエータユニット２０
に与える電圧をそれぞれ算出する（ステップ１１）。次
にピエゾエレメント２１にこの電圧を与え（ステップ１
２）、可動軸２７を押して、その傾きを修正する（ステ
ップ１３）。次に再びアームを下降させる（ステップ５
）。

次に、ピエゾエレメント２１によって与えるべきモーメ
ントの発生を制御する制御系のブロック線図を第９図に
示す。

図において、左はソフトウェア部分、右はハードウェア
部分であり、図示の各機能および機器の作用により、入
力信号から制御動作が得られる。

以上説明したように、傾き修正にピエゾアクチュエータ
を用いたため高分解能が得られ、ロボット本体では制御
できない微小角（軸径１０ｍｍ、クリアランス１μｍの
時くいつき角約０．０２度）の修正が可能となった。ま
た、孔面取り量を０１、ワーク面取り量をＣ２とした時
（Ｃ１十Ｃ２）以下の停止精度をもつ直交座標系ロボッ
ト、あるいは廉価なエアシリンダ型のオートハント等で
も高速精密な嵌合挿入が可能となった。

本実施例においてば３輔カセンサにより軸力を検出した
が、これは視角センサを用いて傾きを検出してもよい。

また、傾き修正はピエゾアクチュエータにより行なった
が、モータ等のアクチュエーターを用いて行なってもか
まわない。

［発明の効果］ 以上説明したように、コンプライアンス機構と、傾き修
正機構と、スライドユニット機構とを備えたロボットハ
ンドにより、笑挿入タクトが従来の１／１０以下となり
、ロボット使用台数を減少させることが可能となった。

また、新たに投資を行なう場合、高価なロボットではな
く、エアシリンダ型のオートハンドに装着することで、
高速精密挿入が可能なため設備投資が少なくてすむ効果
がある。

さらに、正確な位置合わせ、姿勢合わせを必要としない
ため、ティーチングの時間が大幅に低減し、システムの
立上げの迅速化がはかられる。また、稼動中に、挿入時
の検出手段からの出力をメモリにストアしておくことに
より、トラブル解析、ティーチングポイントの変更のた
めのデータとして利用できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のロボットハンドの一実施例の縦断面図
、第２図は第１図のＡ−Ａ断面図、第３図は第１図のＢ
−Ｂ断面図、第４図は３軸カセンサの斜視図、第５図は
第４図の歪ゲージの結線図、第６図、第７図はワーク挿
入過程の説明図、第８図は木実施例の動作のフローチャ
ート、第９図はモーメント発生制御系ブロック線図であ
る。 １０　、、、、、、シリンダユニット、１１　、、、、
、、エアシリンダ、 １２　ａ　、、、、、、上面固定板、 １２　ｂ　、、、、、、下面固定板、 １３　、、、、、、、、可動板、 １４　、、、、、、、、ブロック、 ｉ　ｓ　、、、、、、、、鋼球、 １６　、、、、、、、、リテーナ、 ２０ａ、２０ｂ ０８６０８．ピエゾアクチュエータユニット、２１　ａ
、　　２１　ｂ、、、、、、ピエゾエレメント、２２　
ａ、　　２２　ｂ　、、、、、、レバー、２３ａ、２３
　ｂ　、、、、、、戻し用スプリング、２４　、、、、
、、、、ピエゾユニット取付板、２５ａ、２５ｂ　、、
、、、、、、十字軸、２６ａｌ　、２６ａ２．２６ｂｌ
　、２６ｂ２・・・・・・・・ベアリング、 ２７　、、、、、、、、可動軸、 ３０、、、、、、、．３軸カセンサ、 ３１　、、、、、、センサエレメント、３２　、、、、
、、抑え板、 ３３　、、、、、、センサ枠、 ３４　、、、、、、フィンガ取付板、 ４０　、、、、、、、フィンガスライド機構、４１　、
、、、、、スライドシャフト、４２　、、、、、、スラ
イドブツシュ、４３　、、、、、、スプリング、 ５０　、、、、、、、、フィンガ部、 ５１　、、、、、、、、ワーク。 □。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ワークを把持し、組付けを行うロボットハンドにおいて
   、 ワーク移送時にはロック機構として作用し、組付け時に
   は水平方向のずれを吸収する受動的コンプライアンス機
   構として作用するシリンダユニットと、ワークと被組付
   けワークとの接触状態に応じてワークに生ずる力を検出
   する手段と、この検出手段より得られた情報によりワー
   クの傾きを修正するアクチュエータと、ワークを直接把
   持するフィンガ部が挿入方向にスライドする機構とを有
   することを特徴とする精密嵌合用ロボットハンド。