JPWO2015178377A1 - 組立教示装置及び方法 - Google Patents

Abstract

把持する部品との適合性を考慮した適切なハンド選択作業のティーチングを自動化する教示装置及び方法を提供する。組立品の組み立て作業における部品を把持するハンドを選択する組立教示装置であって、ハンドを選択する処理プログラム（ハンド選択処理プログラム）及び関連データベースを格納する記憶部と、ハンド選択処理プログラムを実行するデータ処理部と、を備え、関連データベースは部品に関する情報を格納した部品情報ＤＢと、一又は複数のハンドに関する情報を格納したハンド情報ＤＢと、を含み、データ処理部は、ハンド選択処理プログラムを実行することにより、部品情報ＤＢとハンド情報ＤＢの情報に基づいて、部品を把持するハンドを選択するティーチング情報を生成する、また部品の把持位置情報を生成する。

Description

本発明は部品の組立教示装置及び方法に関する。

ロボットを活用した組立自動化において事前に組立動作プログラムを生成する場合、通常は直接ロボットを動作させながら行うダイレクトティーチングが一般的である。このダイレクトティーチングは、ロボットに望むべき一連の動作を動作ごとに全てティーチングする必要があり、ティーチング作業が複雑になるので、多大な工数を要するため、ティーチング作業者の大きな負担となっている。

また、近年では、顧客ニーズの多様化により、商品の生産形態が少品種大量生産型から多品種変量生産型に移行してきており、ロボットを活用した組立工程も多品種に対応したものが望まれている。
このことは、ダイレクトティーチングを行なう作業者の負担を加速度的に増大させることになる。

そこで、従来より、ティーチングの作業負担を低減する自動化技術が提案されている。例えば特許文献１には、複数のツールの識別部位及び把持位置を画像処理装置により認識し、ツールを自動選択して把持し自動交換をすることにより、自動ツール交換装置の簡素化を図り、ツール選択に関するティーチングの作業負担を低減させる技術が開示されている。

また、例えば特許文献２には、ロボットハンドによる部品の把持作業のティーチングを自動化する技術が開示されている。

特開昭６２−２６４８３９号公報 特開２００８−２７２８８６号公報

汎用的なハンドが数種類準備してあるロボットを活用した組立ラインの場合、新規部品の組立に対応しようとすると、既存のハンドの中から適切なハンドを選択・選定し、さらに部品の把持位置を決定する必要がある。このハンド選択及び把持位置決定において、部品の大きさや重量（質量）、摩擦力等を考慮した部品の特性に最も適合したハンドを選択しなければならない。

しかし、このハンド選択のためのティーチング作業は、ティーチング作業全体の中でも特に作業内容が複雑であり、従来作業者の大きな負担となっているため、ティーチング作業の自動化の必要性が高い。

然るに、特許文献１に開示される従来技術は、ハンドが把持しようとする部品との相性や適合性は一切考慮せずに、予め与えられた複数のハンドの中から１つを選択するものである。

また、特許文献２に開示される従来技術は、所定のハンドが所定の部品を把持する場合の部品の把持位置を決定するものであり、選択にあたって部品との相性や適合性は考慮していない。

そこで、本発明の目的は、把持する部品との適合性を考慮した適切なハンド選択作業のティーチングを自動化する、あるいは把持する部品の位置を適正化する組立教示装置及び方法を提供することである。

本発明は、組立品の組み立て作業における部品を把持するハンドを選択する組立教示装置であって、ハンドを選択する処理プログラム（ハンド選択処理プログラム）及び関連データベースを格納する記憶部と、ハンド選択処理プログラムを実行するデータ処理部と、を備え、関連データベースは部品に関する情報を格納した部品情報ＤＢと、一又は複数のハンドに関する情報を格納したハンド情報ＤＢと、を含み、データ処理部は、ハンド選択処理プログラムを実行することにより、部品情報ＤＢとハンド情報ＤＢの情報に基づいて、部品を把持するハンドを選択するティーチング情報を生成することを特徴とする、また部品の把持位置情報を生成することを特徴とする組立教示装置として実現することができる。

また、本発明は、上記の処理を実行する工程を有する組立教示方法として実現することができる。

本発明によれば、ハンドの選択及び部品の把持位置情報の生成を自動化することにより、ロボットのティーチング作業工数を大幅に低減することができる。

本発明の一実施例にかかる組立教示装置の構成図を示す。 一実施例にかかるハンド・ツール情報ＤＢを示す図である。 一実施例にかかる部品情報ＤＢを示す図である。 一実施例にかかる組立教示装置の処理フロー全体を示す図である。 一実施例にかかる組立教示装置の処理フローの一部を示す図である。 一実施例にかかる組立教示装置の部品の配置を示す図である。 一実施例にかかる２爪ハンド及びその仮想六面体を示す図である。 一実施例にかかる仮想六面体及びそれより大きい対象部品を示す図である。 一実施例にかかる仮想六面体及びそれより幅の広い対象部品を示す図である。 一実施例にかかる３爪ハンド及びその仮想六面体を示す図である。 一実施例にかかる２爪ハンドの可動範囲及び対象部品の幅を示す図である。 一実施例にかかる組立教示装置の入力画面の一例を示す。 一実施例にかかるモーメントが最小となる把持位置の算出方法の一例の概略を示す図である。 一実施例にかかる吸着ハンドによる部品の吸着を示す図とグラフである。 一実施例にかかる吸着面が２箇所の吸着ハンドによる部品の吸着を示す図とグラフである。 一実施例にかかる外側開きのハンドによるリング状部品の把持例及びグラフを示す図である。 一実施例にかかる２系統のハンド機能を持つハンドを示す図である。 一実施例にかかる部品把持面抽出の処理フローを示す図である。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。図１は本実施例による組立教示装置１００の構成図である。

組立教示装置１００は、プログラムの実行やデータの処理を行うコンピュータ等のデータ処理部（ＣＰＵ１０）と、ユーザからの指示を含む入力信号を受け付ける入力部２０と、少なくとも入力画面を表示する表示部３０と、部品やハンドのデータベース及び処理プログラムを格納する記憶部４０と、ハンドの設計データを生成するハンド用３Ｄ−ＣＡＤ装置１０１と、部品の設計データを生成する製品用３Ｄ−ＣＡＤ装置１０２と、製品形状データを取込むことが可能なカメラやスキャナ等のビジョンシステム１０３と、から構成される。

記憶部４０は、製品用３Ｄ−ＣＡＤ装置１０２やビジョンシステム１０３から得られる部品の形状、大きさや材質、表面状態、質量の情報などを格納する部品情報ＤＢ１０４と、ハンドやドライバ、治具等のツール情報を格納するハンド・ツール情報ＤＢ１１７と、最適なハンドを選択するための処理プログラムであるハンド選択プログラム５０と、を記憶する。

ハンド選択プログラム５０は、複数部品から成る製品の組立順序や組立方向を生成する組立順序生成部１０５と、部品上においてハンドで把持できる面または位置を抽出する部品把持面抽出部１０６と、部品とハンドやツールの情報とを照らし合わせる部品−ハンド情報照合部１０７と、部品とハンド等の適合性を評価する部品−ハンド適合性評価部１０８と、最適なハンドを決定するハンド決定部１０９と、決定されたハンドで対象部品を把持する時の部品の把持位置を生成する部品把持位置生成部１１０と、各部品が初期位置から組立される組立位置まで移動する経路を生成する経路生成部１１１と、部品の組立が終るまでのハンド切替回数（交換回数）を計測するハンド切替回数カウント部１１２と、部品の組立時間を計算する組立時間計算部１１３と、を記憶する。
ここでハンド用３Ｄ−ＣＡＤ装置１０１と製品用３Ｄ−ＣＡＤ装置１０２は、お互いの機能を兼ね備えた装置としてひとつの装置として構成しても構わない。 このうち、ハンド・ツール情報ＤＢ１１７には、ハンド・ツール情報の内容の例として、図２（ａ）に示すように、ハンドの種類、例えば爪タイプ、それも２爪タイプ、３爪タイプ、また、内側閉じで部品を把持するタイプ、外側開きで部品を把持するタイプ、等、また爪ではなく吸着により製品の取扱いを行なうタイプ、指タイプなど様々なタイプの形状情報、ハンドの開閉動作範囲、可搬質量、等の様々な情報が格納されている。

組立順序生成部１０５と部品把持面抽出部１０６において、該部品把持面抽出部１０６により部品の把持可能な面を網羅的に抽出した情報と、組立順序生成部１０５で生成された組立順序および組立方向情報により、組立時に部品を置く面、あるいは組立の際に他の部品と共有する必要のある面は、ハンドで把持しない（把持出来ない）ので、他の２面以上を使って部品把持面を決定する機能を備えている（詳細後述）。

また、部品−ハンド情報照合部１０７は、部品をハンドにより把持するために、部品情報ＤＢ１０４から得られる部品の形状や大きさや質量等の部品情報（図２（ｂ）参照）と、ハンドやツールの情報を照らし合わせる。

この部品−ハンド情報照合部１０７では、部品の大きさとハンド可動範囲の比較、部品の質量とハンドの可搬質量との比較、ハンドと部品の滑りの程度を加味し、部品に適したハンドの候補を抽出する。その後、ハンドの各候補について、部品−ハンド適合性評価部１０８で、部品とハンドの適合性を定性的もしくは定量的に例えば評価関数を用いて計算して評価する。

この部品−ハンド情報照合部１０７、および部品−ハンド適合性評価部１０８では、任意の部品に対応するように予め準備されている複数種類のハンド、例えば、部品を吸着して把持する吸着タイプ、部品を複数の板状もしくは爪状の部材で挟持して把持する把持タイプ、中空タイプの部品を複数の板状もしくは爪状の部材を外開きして把持する外開きタイプ、とそれぞれ部品との相性を定性的、または定量的に評価する。ここで、本実施例による部品とハンドの組合せ評価の方法に関する詳細は後述する。

部品−ハンド適合性評価部１０８で評価されたハンドやツールに関して、次の処理であるハンド決定部１０９で部品−ハンド適合性評価部１０８で部品ごとに評価されたハンドやツールの中で、その評価値が例えば最大となるハンドやツールが決定される。ここで、評価値はその算出根拠となる評価関数（後述）の設定により、最大となる値を持ったハンドやツールを以って決定すべきか、最小となる値を持ったハンドやツールを以って決定すべきかが異なる。

ハンド決定部１０９でハンド・ツールが決定されると、次に、ハンドやツールで部品のどの領域を把持すべきかを部品把持位置生成部１１０で決定する（詳細後述）。続いて、経路生成部１１１でそれぞれの部品が初期位置から組立される組立位置まで移動する経路が生成される。その後、部品の組立が終るまでのハンド切替回数（交換回数）をハンド切替カウント部１１２で計測し、次に、組立時間計算部１１３で部品の組立時間を計算する。

引き続き、本実施例による組立教示装置の動作フローを図３に示す。ここで、本実施例で考慮するハンドは、一例として２爪、３爪を有したハンドで、それぞれ内側閉じで部品を把持するタイプ、または外側開きで部品を把持するタイプ、または吸着タイプ、または人手を模した指タイプ（図示せず）、およびそれらの組合せにより構成されたハンド等が考えられる。

組立教示装置のスタートが開始される（ＳＴＡＲＴ Ｓ２０００）と製品用３Ｄ−ＣＡＤ装置１０２の製品情報を基に組立順序生成部１０５で組立手順および部品の組立の際の方向が生成される（Ｓ２００１）。

次に、部品数をＮ個、ハンド数をｎ個として設定する（Ｓ２００２）。次に、本動作フロー中で部品数をカウントするカウンタＫ、ハンド数をカウントするカウンタＱの値をそれぞれ初期化（値を０に）する（Ｓ２００３）。

引き続き、カウンタＫを＋１し（Ｓ２００４）、まず組立の最初の部品、つまり第一番目の部品に対し、記憶部４０内のハンド選択プログラム５０にある部品−ハンド情報照合部１０７の情報を基に第一番目の部品に対し把持可能なハンド候補の絞込みおよび部品に対応した割振りが行なわれる（Ｓ２００５）。続いて、部品把持面の数を確認（Ｓ２００６）し、２面以上の面の存在が確認できた場合、次のステップに移り、ハンド数のカウンタＱを＋１する（Ｓ２００８）。次に、ハンド種類別の選定、例えば爪タイブ、吸着タイプ、指タイプの各種類のハンドについて以降選定を行なうステップに移る（Ｓ２００９）。ここで、吸着タイプのハンドは吸着面が少なくとも１面以上あれば吸着可能であるので、２面以上の条件でも言うまでもなく対応可能である（Ｓ２００９）。

部品把持面抽出部１０６で、第一部品の部品把持面を抽出し（Ｓ２０１０）、ハンドで把持可能な大きさの指標となる仮想６面体（以下、６面体の仮想空間）を生成する（Ｓ２０１１）。この仮想６面体については詳細を後述する。

引続き、２爪あるいは３爪タイプ等のハンドにより形成される仮想６面体空間と、把持すべき部品の大きさを比較し、第一のハンドで第一の部品が把持可能か否か評価する（Ｓ２０１２）。次に、ハンドで部品を把持する際、（把持できる面内において）把持後の動作においてモーメントが最少となるような把持位置を算出する（Ｓ２０１３）。

ここで、モーメントが最小となる把持位置の算出方法の一例の概略について図１２の（ａ）を用いて説明する。

ここで、説明のため、ハンドの移動方向は図中＋Ｚ方向（２２０Ｚ）である。
図１２の（ａ）において、部品２２３、部品２２３にある突起２２３ａ、本部品の重心位置２２３ｇ、ハンド２２０、ハンドの２爪２２２において、部品把持中心を２２０ｃ、部品の重心位置２２３ｇと部品把持中心２２０ｃとの距離をＬ、部品の質量をｍ、重力加速度をＧ、把持中心２２０ｃ周りに発生するモーメント２２５は部品質量ｍ×重力加速度Ｇとの積２２３ｆに距離Ｌを掛けた値ｍ×Ｇ×Ｌとなる。ここで、把持中心２２０ｃが部品の重心２２３ｇに近付くことが可能である場合、できるだけ重心位置に近い位置にハンドを予め近付け、モーメントｍ×Ｇ×Ｌを小さくすることが望まれる。

ここで、図１２の（ｂ）は、図１２の（ａ）において、ハンド２２０を部品の重心位置２２３ｇに最も近づけた図であるが、部品２２３には突起２２３ａがあるので、Ｌ＝０の位置までハンド２２０を部品重心２２３ｇまで近づけることができない。図１２の（ｃ）は横軸に部品重心（２２３ｇ）からハンド把持中心２２０ｃまでの距離Ｌを、縦軸はハンド把持中心２２０ｃに加わるモーメントを示している。

また、Ｌ＝Ｌ２の状態を図１２の（ａ）、Ｌ＝Ｌ１の状態を図１２の（ｂ）としている。以上のことより、把持位置中心に加わるモートントを小さくしようとすれば、Ｌ＝０に近づけることが望ましいが、把持する部品や、ハンドの構造、形状によりそれが困難である場合、図１２の（ｃ）の例では、Ｌ＝Ｌ１で、モーメントＭＯ＝ＭＯｍｉｎとなる。このようなＬが極小になる位置を製品用３Ｄ−ＣＡＤ装置１０２のデータを基に部品把持位置生成部１１０で算出する。次に、図３を用いて組立教示フローを引き続き説明する。複数のハンドからハンド候補を抽出し、ハンドで部品を掴む把持位置を算出する（Ｓ２０１４）。

また、次に、第一の部品およびそれを把持するハンドの組合せにおいて、部品把持から部品組立までの経路を経路生成部１１１で生成し、経路中に部品やハンドまたは図示しないロボットアーム等が存在しないか、また、ロボット周囲環境、例えば部品の供給台や、組立台を構成する櫓（やぐら）などの干渉物と干渉が発生しないか否か確認をする（Ｓ２０１６）。ここで、干渉物がない場合、次のステップとして部品累計組立時間、およびまたはハンドの切替（交換）回数をカウントする（Ｓ２０１７）。ここで、ひとつの部品に対して複数のハンドで同様な処理を行ない、部品とハンドとの適合性評価を計算する必要があるため、ハンドの数ｎ種類回だけＡとのループを繰返す。

また、更に部品の数であるＮ個分だけ同様な繰り返しが必要になるためＳ２００４との間で、処理を繰返す。一連のＮ×ｎ回分のループを終了すると、次に、部品累計組立時間Ｔが最少となるハンド組合せを抽出し（Ｓ２０２０）、実際のロボット動作プログラムの自動生成を行なう（Ｓ２０２１）。

ここで、部品累計組立時間Ｔが最少となるハンド組合せは低コストな組立作業と考えることもできる。
これらの処理フローを実行することで、組立てる部品に対応して交換すべきハンドの種類、ハンドの交換回数、ハンドの交換タイミング等のハンドの交換スケジュールを決定することが可能となる。

引き続き、Ｓ２０２１で生成された動作プログラムを実行すると（Ｓ２０２２）、組立に必要な部品に見合ったハンドが取り付けられ（Ｓ２０２３）、図示しない製品の組立動作の一連が実行され（Ｓ２０２４）、動作終了となる（Ｓ２０２５）。

続いて、図３において、Ｓ２０１２に記載のハンドと部品の組合せ評価方法について説明する。

まず、ハンドと部品の大小関係を評価し（Ｓ２０１２ａ）、次に、部品質量とハンドの耐荷重（以下、耐質量）の評価を行い（Ｓ２０１２ｂ）、さらに部品表面とハンドの把持面の滑り具合評価を実施し（Ｓ２０１２ｃ）、任意の部品に対するハンドの適合度を算出する。

この任意の部品に対するハンドの適合度に関しては、図１０を用いて更に詳細を後述する。またここで、図１３〜図１４に吸着タイプのハンドの概要を示す。

図１３の（ａ）で示される吸着面が１箇所の吸着ハンド２３０は、ハンドのベース２３１と、吸着用中空シャフト２３２、吸盤２３３から構成される。２３０ｃは吸着ハンド２３０の略中心線、２３４は組立対象となる部品、２３４ｇは部品重心、２３４ｃは部品の重心を通る重心線である。また、図１３の（ａ）に示す吸着ハンド２３０は図面下方の−Ｚ方向へ移動し、部品２３４を吸着しようとしている。またここで、部品２３４の質量はｍである。

また、図１３の（ｂ）は、部品２３４が吸着ハンド２３０に吸着されて、図面上方の＋Ｚ方向に移動する途中の図である。図１３の（ｃ）は図１３の（ａ）における部品２３４の重心位置２３４ｇ、および部品の大きさ（同図では幅）を示すものである。部品は略直方体であり、部品の幅は２Ｌ、重心位置から片端までの距離はＬである。また、図１３の（ｄ）は図１３の（ｃ）において、部品の重心線２３４ｃと吸着ハンドの略中心線２３０ｃがＬ_３だけずれている状態を示している。

また、図１３の（ｆ）に吸着ハンドで部品を吸着して持ち上げた時に発生するモーメントＭの関係を示す。横軸は部品重心から吸着ハンド把持（吸着）中心までの距離Ｌ、縦軸は吸着部に加わるモーメントＭＯ、直線２４０はモーメントＭＯの直線で質量ｍ×重力加速度Ｇ×距離Ｌなる線を示している。部品の質量ｍは吸着中に変化はしないものと仮定すると、言うまでもなくモーメントＭＯを小さい値にするには、部品重心との距離Ｌを小さくしなければならない。図１３の図の例では、部品吸着面２３４Ｔは概略平らな状態であるので、部品吸着面２３４Ｔ内の領域で吸着ハンドでの吸着が可能である。

ここで、部品形状が異なった場合の例について、図１３の（ｅ）を図を用いて説明する。図１３の（ｅ）中、部品２３５に関する部分以外は図１３の中で共通である。部品２３５は部品を形成する面が一様な面ではなく、吸着面２３５Ｔに一部分凸がある例を示している。また、部品２３５を吸着ハンド２３０で吸着しようとする場合、部品把持位置生成部１１０にて、優先的に吸着面２３５Ｔ以外の面を優先的な吸着面として算出する場合もあるが、本図１３の（ｅ）では説明のため吸着面２３５Ｔを吸着面として用いる場合について説明する。

図１３の（ｅ）及びこれまでに説明した通り、部品重心からハンド把持位置までの距離が小さいほどモーメントの影響が小さくなり、ハンドに掛かる負荷は小さくなる。しかしながら、図１３の（ｅ）のように、部品の重心線２３５ｃの直上付近に吸着ハンドで吸着できない突起２３５Ｕがある場合、その場所を極力小さい距離で回避する必要がある。この回避方法の一例としては図１２の（ｂ）のところで説明した方法で回避するものである。また、この回避処理は部品把持面抽出部１０６にて算出するものである。引き続き、別な形態のハンドで部品を吸着する場合について説明する。

図１４の（ａ）及び（ｂ）で示される吸着面が２箇所の吸着ハンド２４０は、ハンドのベース２４１と、吸着用中空シャフト２４２ｌと２４２ｒ、吸盤２４３ｌと２４３ｒ、から成る。また、２４０ａ、２４０ｂは、吸着用中空シャフト２４２ｌ、２４２ｒの中心線である。２４４は組立を行なおうとする部品で、２４４ｇは重心位置を示している。また、図１３の（ａ）と同様、図１４の（ａ）に示す吸着ハンド２４０は図面下方の−Ｚ方向へ移動し、部品２４４の吸着面２４４Ｔを吸着しようとしている。また、図１４の（ｂ）は、部品２４４が吸着面２４４Ｔで吸着ハンド２４０に吸着されて図面上方の＋Ｚ方向へ移動中の図である。

図１４の（ｃ）はモーメント図を示している。この図から吸盤間（−ｉから＋ｉまでの間）に重心位置２３４ｇがある場合は、そうでない場合よりモーメントの発生が少ないことが分かる。このことはハンド２４０にかかる負荷も少ないことを示している。本図では、これらの算出も部品把持位置生成部１１０で行なうものであり、ハンドに対してあるいは図示しないハンドが取り付けられている上位装置の負荷を低減することが可能となる。図１３及び図１４で示すように、吸着タイプのハンドは、部品吸着に必要な面は基本的に１面だけであるので、複雑な形状をした部品や平面エリアが小さく限定される部品の取扱いに有効である。

引き続き、図４の（ａ）に、吸着タイプのハンドに適用されるフローの一例と、図４の（ｂ）に、図示しない指タイプのハンドに適用されるフローの一例を示す。図４の（ａ）に示す吸着タイプのハンドの場合、図３のＳ２００６により、ハンドでの部品の把持面が２面以上取れない場合、まず部品吸着面の抽出を試みる（図４の（ａ）のＳ３００１）。ここで、吸着面が見つからない場合は、後述する指タイプのハンドを使用する場合のフロー図４の（ｂ）のＤに処理フローが移る。

Ｓ３００１で吸着面が見つかった場合、ハンドと部品との適合度を算出する（Ｓ３００２）。引き続き、ハンドが部品を吸着し、ハンドが次の姿勢まで移動しようとした場合、部品の質量によりハンドに作用するモーメントが最少になるようにハンド吸着位置を算出し（Ｓ３００３）、ハンドの候補と吸着位置が決定され（Ｓ３００４）、図３に示すＳ２０１５に動作が一旦移動する。このモーメントを把持可能な状態で最小にする方法については、図１２及び図１３で説明したので、ここでは省略する。ここで、Ｓ３００２の吸着タイプハンドと部品との照合について次に説明する。

Ｓ３００２ａは部品質量とハンドの耐質量との評価を行なうステップであり、３Ｄ−ＣＡＤ情報の属性情報などから得られる部品質量がハンドの耐質量を超えそうな時は部品とハンドが不適切な組合せと判断し、図３に示すＡに処理を移動し、ハンドの再見直しを行なう。一方、ステップＳ００５で耐質量をオーバーしていない場合は次のＳ３００２ｂで部品とハンドの滑り具合の評価を行なう。

ここで、滑り具合の評価の基になる情報は、一例として３Ｄ−ＣＡＤ装置１０１と１０２が有する属性情報からのものである。次に、図４の（ｂ）を用いて、図示しない指タイプのハンドを選択した場合のフローを示す。
ここで、指タイプのハンドとは、関節を持った指形状の連結部材を１組以上備えたハンドである。

図４の（ａ）のＳ３００１で吸着面が検出できなかった際、図４の（ｂ）の指タイプハンドを使用するフローに遷移する。まずＳ３００７において、指タイプのハンドと把持すべき部品との組合せ評価の各ステップ（Ｓ３００７ａとＳ３００７ｂ）を行なう。この評価の詳細は後述する。この組立評価の後、部品を把持した際にハンドにかかるモーメントを計算する（Ｓ３００８）。把持位置を例えば任意に数箇所変化させた場合、モーメント量が変化するが、少なくともそれら複数の把持可能な位置でモーメント量を算出し、最少になるように把持位置を決定する（Ｓ３００９）。

もし、部品質量がハンドの耐質量より重い時は、荷重オーバーとして図３に示すＡ（Ｓ２００７）に処理を移動し、次のハンド候補を選択するフローに入る。
部品質量がハンドの耐質量以下の場合、部品とハンドの滑り具合を評価するステップに移り評価を行なう（Ｓ３００７ｂ）。

続いて、図５を用いて、本実施例の特徴である製品の組立手順を加味したハンド把持位置の抽出について説明する。図５の（ａ）に、組立用の作業台１８０と、製品の一部品を構成する部品Ａ１８１と、同じく部品Ｂ１８２が示されており、部品Ａと部品Ｂは組立がまだ行なわれていない部品レベルの状態で作業台１８０に載置された状態が示されている。

ここで、部品１８１の一面を構成している面１８１ａは将来組立を行なった際に、部品Ｂと接する面であり、面１８２ｂは面１８２ａに対向する面で、例えば２爪タイプのハンドによればこの面１８２ａと面１８２ｂを使って部品１８２を把持することが可能である。また、部品Ｂ１８２のハッチングを施した面１８２ａは将来組立を行なった際に部品Ａ１８１と接する面を示している。図５の（ｂ）は部品１８１と部品１８２の組立途中の図であり、図５の（ｃ）は部品Ａ１８１と部品Ｂ１８２が組立てられた最終形態を示すものである。また、ここで、組立後に２つの部品の接触面となる１８１ａおよび１８２ａは図１の製品用３Ｄ−ＣＡＤ装置１０２、もしくはビジョンシステム１０３で得られた部品情報ＤＢ１０４を基に組立順序生成部１０５にて抽出されるものである。

ここで、使用するハンドは部品取出し用と部品組立て用と同じものとする。また、部品取り出しから部品組立てに動作が遷移する途中で、部品を持替えたりはしない場合を考える。

図５の（ａ）の部品Ｂ１８２では、作業台１８０と接しているのは面１８２ｃであり、この面１８２ｃ以外であれば例えば面１８２ａ、および１８２ｂ面をハンドを使って把持することができる。しかし図５の（ｃ）に示す組立完了後の状態を予測すると、部品Ｂの面１８２ａと部品Ａの面１８１ａはお互いに接触する状態にあるので、この面をハンドの把持面、あるいは吸着面とすることはできない。そこで、ハンド決定部１０９で決定される使用ハンド、部品把持位置生成部１１０で決定される把持位置において、組立終了後の状態を予め組立順序生成部１０５で算定し、ハンドでの把持もしくは吸着の際は、この組立後の接触面を予め除外して把持面を決定する。この過程が本実施例の大きな特徴となっており、これらを処理フローで表現した図を図１７に示す。

また、本図１７で示されるフローは、部品把持面抽出部１０６により部品把持面抽出ステップ（図３のＳ２０１０）で処理が行なわれるものである（詳説省略）。次に、図６、図７を用いて、任意のハンドで任意の部品が把持できるか否かの判定方法について一例を説明する。ここで説明する内容は、図１、図３中の部品−ハンド情報照合部１０７と、ハンドと部品の大小関係評価ステップのＳ２０１２ａ、で処理が行なわれる。

図６は２爪ハンドを模式的に示した図である。図６の（ａ）は２爪ハンドの概略斜視図で、ハンド１９０は、ハンドのベース部１９１と、２つの爪１９２で構成されており、この２つの爪がＸ方向に内側および外側に開閉することで部品を把持することができる。（本説明ではハンドのツメを駆動するアクチュエータ等の駆動部については説明を省略する。）図６の（ｂ）は２爪ハンドの爪部間隔をＢｍａｘまで最大に開いた時の図で、ハンドのベース部１９１と２つの爪１９２で囲まれた領域に６面体の仮想空間１９３を形成した状態を示している。

図６の（ｃ）は２爪ハンドを正面から見た図であり、２つの爪が完全に開いた状態の爪間寸法をＢｍａｘ、間隔が最小まで閉じた状態（破線１９２ａ）での爪間寸法をＢｍｉｎとしている。図６の（ｄ）は前記６面体の仮想空間１９３を抜き出した図である。
図７は６面体の仮想空間１９３と、この２爪ハンドで把持しようとしている部品１９４を示している。

図７の（ａ）は６面体の仮想空間１９３と部品１９４のお互いの寸法関係を示した図であり、ハンドの開閉方向寸法Ｂｍａｘに対し、部品の幅方向寸法ＢｐはＢｍａｘ＞Ｂｐという条件を満たしている場合の図である。図７の（ｂ）は、６面体の仮想空間１９３と部品１９４を重ねて表現した図であり、Ｂｍａｘ＞Ｂｐであることから、ハンドのベース部分と２つの爪で形成された６面体の仮想空間１９３に部品１９４が含まれている状態、つまり２爪ハンド１９０にて部品１９４が把持可能なことを示している。

図７の（ｃ）は、６面体の仮想空間１９３の状態は図７の（ａ）、図７の（ｂ）と同じだが、把持しようとしている部品１９５の寸法関係が部品１９４と異なっている場合を示している。本図７の（ｃ）ではＢｍａｘ＜Ｂｐとなっている。図７の（ｄ）は図７の（ｂ）と同様、６面体の仮想空間１９３と部品１９５を重ねて表現した図である。ここで、図７の（ｄ）に示すようにＢｍａｘ＜Ｂｐであるので部品１９５は６面体の仮想空間１９３よりはみ出した状態となっている。つまり２爪ハンド１９０にて部品１９５が把持不可能なことを示している。

このように、ハンドの爪と爪の間に形成できる６面体の仮想空間と把持すべき部品を重ね合わせる処理を部品−ハンド情報照合部１０７で行うことで、部品に対し、２爪タイプのハンドが把持可能か否かを判定することができる。次に、別な把持例を図８を用いて説明する。

図８の（ａ）は図６および図７で示した２爪ハンドによって形成された６面体の仮想空間１９３と部品１９４を示している。前記同様１９３ａは２つの爪で挟まれる面を示している。

図８（ａ）の状態では、Ｂｍａｘ＜Ｂｐであるから、２爪ハンドと部品の向きの関係が変化しなければ、部品１９４を２爪ハンド１９０で把持することはできない。図８の（ｂ）は図８の（ａ）において２爪ハンド１９０の向きを部品に対して９０度回転した様子を示している。この状態だと６面体の仮想空間１９３の部品に対する幅がＢｍａｘ、部品の幅がＷｐとなり、図８の（ｂ）に示すようにＢｍａｘ＞Ｗｐであるため、図８の（ｃ）に示すように両者を重ね合わせると６面体の仮想空間１９３に部品１９４が含まれる状態となる。

つまり部品に対してハンドで把持する面方向が固定の場合、６面体の仮想空間の幅に対し部品が大きい場合、ハンドでの把持は不可能であるが、ハンドを意図的に略９０度回転させることにより、部品を把持できる場合があるので、図１内、部品−ハンド情報照合部１０７では、部品に対してハンドを回転させた状態も想定して照合を行なう。

続いて、図９はこれまでの２爪のハンドから３爪ハンドにハンド形態を変化させた場合の図である。図９の（ａ）は３爪ハンド２００の概略斜視図、図９の（ｂ）は図９の（ａ）において一例として爪の内側に６面体の仮想空間を想定した場合の図、図９の（ｃ）は３爪ハンド２００を上から見た図である。３爪ハンド２００はハンドのベース部２０１と、３つの爪２０２で構成されており、この３つの爪が同図中矢印Ｅ方向に内側および外側に開閉することで、部品を把持することができる。

３爪２０２は爪の間隔を最大に広げた状態での様子、破線２０２ｂで示す３爪は部品２０４を把持している状態を示す図である。
６面体の仮想空間および把持すべき部品との関係は、図６〜図８で説明した内容と基本的に同様であるので、ここでの説明は省略する。

次に、図１０を用いて、ハンドと部品の把持動作に関する評価方法について一例を用いて説明する。ここで説明する内容は、図１、図３中の部品−ハンド適合性評価部１０８により、ハンドと部品の大小関係評価ステップＳ２０１２ａと、部品質量とハンドの耐質量評価ステップＳ２０１２ｂと、部品とハンドの滑り具合評価ステップＳ２０１２ｃとで処理が行なわれる。

図１０は簡単のために構成が２爪タイプのハンドと把持すべき部品を示した図である。
ここで、２爪ハンド２１０は２爪ハンドのベース部分２１１と、ハンドの支軸２１１ａ、２爪２１２から構成されており、２つの爪間隔が最大となった場合の爪の状態を２１２ａで示し、同じく最小になった場合の爪の状態を２１２ｂで示している。

２つの爪間隔が最大の時の間隔をＬ１、同じく爪間隔が最小の時の間隔をＬ２で示す。また、ここで把持しようとしている部品の幅寸法をＬｐで示す。ここで、ハンドとして望ましい理想的な状態は、爪が開いた状態の時、ＬｐとＬ１の比率が充分小さく（（Ｌｐ/Ｌ１）＜＜１）、爪が閉じた状態ではＬｐとＬ２の比率が充分大きい（（Ｌｐ/Ｌ２）＞＞１）ことであり、これらの条件を満たせば、部品の大きさに対する爪の開閉余裕度が高くなる。そこで一例として爪の開閉余裕度の指標として（１）の式を定義した。
Ｌmargin（％）＝［{１−（Ｌｐ/Ｌ１）}×１００＋{１−１/（Ｌｐ/Ｌ２）}×１００］
＝［{１−（Ｌｐ/Ｌ１）}＋{１−（Ｌｐ/Ｌ２）}］×１００ -----（１）
また、ここで、部品質量とハンドの耐質量との観点から評価すると、部品質量をＭｐ、ハンドの耐質量をＭｌｉｍｉｔとすると、ハンドの耐質量に対し、部品質量が小さい方が余裕度が高くなる。ここで、質量に対する余裕度Ｍｍａｒｇｉｎを一例として定義すると（２）に示す式になる。

Ｍmargin（％）＝{１−（Ｍｐ/Ｍlimit）}×１００ -----（２）
また、部品とハンドの滑り具合の評価としては、部品とハンド間の摩擦係数μ、およびハンドが部品を把持する力Ｆに左右される。部品の質量をＭｐ、摩擦係数をμ、重力加速度をＧ、ハンドが部品を把持する力Ｆとの関係は部品を垂直方向に持ち上げようとした場合、（３）の式で示す条件の時に釣り合い状態になる。

μ × Ｆ＝Ｍｐ×Ｇ -----（３）
また、（４）の式で表される条件の時にハンドで部品を持ち上げることが可能となる。

μ × Ｆ＞Ｍｐ×Ｇ
μ＞（Ｍｐ×Ｇ）/Ｆ （但し μ≦１） -----（４）
また、さらにハンドに加わるモーメントの余裕度の指標として、ハンドに加わるモーメントをＭＯｐ、ハンドに許容できるモーメントをＭＯlimitとすると、ハンドの許容モーメントに対し、ハンドに加わるモーメントＭＯｐが小さい方が余裕度が高くなる。ここで、モーメントに対する余裕度ＭＯmarginを一例として定義すると
ＭＯmargin（％）＝｛１−（ＭＯｐ/Ｍlimit）｝×１００ -----（５）
と定義することができる。

以上、部品の大きさ、質量、ハンドに加わるモーメント、摩擦状態を考慮した部品とハンドとの評価指標（評価関数ｆ）を纏めると、一例として（６）の式に示すものとなる。ここで、係数ａ，ｂ，ｃ，ｄは、それぞれ大きさ、質量、モーメント、摩擦状態に関する重み係数を示し、言うまでもなくａ＝ｂ＝ｃ＝ｄ＝１の場合は、大きさ、質量、モーメント、摩擦状態の重み、つまり重要度は等しいと言うことを示す。

ｆ＝ａ×Ｌmargin＋ｂ×Ｍmargin＋ｃ×ＭＯmargin＋ｄ×μ -----（６）
ａ，ｂ，ｃ，ｄ：重み係数
また、評価指標は（６）の式を拡張して、（７）の式に示すように、大きさ、質量、モーメント、摩擦状態の２乗平均の形を取っても構わない。

ｆ＝｛ａ×Ｌmargin^２＋ｂ×Ｍmargin^２＋ｃ×ＭＯmargin^２＋ｄ×μ^２｝^１/２ -----（７）
ａ，ｂ，ｃ，ｄ：重み係数
次に、図１１に本実施例における組立教示装置の入力画面の一例を示す。本画面は図１における表示部３０に表示され、キーボードやマウス等を含む入力部２０で入力操作を行なう。図１１において、製品用３Ｄ−ＣＡＤ装置１０２のデータの製品名称（ファイル名）を入力する入力部５０１、同装置１０２に格納してある製品完成の３Ｄ−ＣＡＤ情報を表示する表示部５０２ａ、確認用に部品配置レイアウトの様子を表示しているものを５０２ｂに示す。

また、ここで、ハンドにおける部品把持位置を入力または指定できるよう、ハンド把持位置面指定メニュー５０３を選択し、表示部５０４内でハンドの把持位置面指定用のカーソル５０６ａ、５０６ｂで把持位置面の指定を行なう。本図１１ではハッチングで示された５０７ａとその逆側の爪の対向面の５０８ａがハンドの部品把持位置面に指定されたことを示す。ここで、ハンドの部品把持位置面はハンド用３Ｄ−ＣＡＤ装置に格納してあるデータで例えば爪部のハンド把持面を予め属性設定等で設定しておいても構わない。
５０９はハンドと部品の評価関数の確認画面、５１０は組立順序生成ボタン、５１１は図２に示す組立教示処理の実行開始ボタンである。

また、ＣＡＤ図面情報のデータ取り込み、ハンド把持位置の面指定が済むと、教示実行ボタンを押すことによって一連の組立教示が自動的に行なわれる。
ここで、これまでハンドは一組の把持部分しか持たない構造の例について述べたが、本実施例の適用範囲はこれに留まらず、例えば図１６に示すように一つのハンドで２組以上の把持機能、もしくは２組以上の吸着機能、もしくは、把持機能と吸着機能を有した構造のものであっても構わない。

また、ここで、ハンドの形態が異なる例について図１５を用いて説明する。
図１５に示すハンド２５０はハンドベース２５１と３本の爪２５２から構成される。２５０ｃはハンド２５０の中心線を示している。２５３はリング状の部品であり、３本の爪２５２は部品２５３を中心穴２３５ａ部分で把持するのに適した構造となっている。
３本の爪２５２は図１５に示すように、部品２５３を通す時は爪がお互いに接近していて、部品２５３を通った後は図中Ｊ方向にお互いの爪が広がり、部品２５３を把持することができる。

このハンドはこれまで説明してきたハンドと違い、外側開きで部品を把持する形態である。
図１５の（ｆ）にハンドの爪の可動範囲とリング状部品の内周径の関係を示している。ここで、爪の可動範囲をＲ１〜Ｒ２、リング状部品の内周径をｒｐ１〜ｒｐ２とすると、Ｒ１＜ｒｐ１＜ｒｐ２＜Ｒ２の条件の時に把持が可能である。この把持可能な範囲の算出も部品−ハンド情報照合部１０７部品により処理が行なわれるものである。ハンドの選択方法、把持位置の決定方法、部品とハンドの開閉余裕度の考え方はこれまで説明してきた方法と同様なので、ここでの詳説は省略する。

図１６に一例として２系統のハンド機能をひとつのハンドに集約した形態を示す。
図１６は１つのハンドで２爪タイプのハンドが２系統形成された構造のハンド２６０の概略斜視図を示している。

ハンド２６０は、ハンドのベース部２６１と、２組の爪２６２（第一の爪）、２６３（第二の爪）で構成されており、この２組の爪がＸ方向に内側および外側に独立に開閉動作するようになっている。また、図中、ハッチングで示した２６２ａ、２６３ａは、それぞれ爪２６２、２６３における部品に対する把持面を示している。本実施例は、これら１つのハンドに複数の爪や吸着用の吸盤を持ったハンドにも適用されうる。

以上、本実施例によれば新規部品を使用して製品の組立を行なう場合であっても、部品のハンドリングに適したハンド（ツールを含む）を自動的に選択し、更に部品の把持位置も自動的に生成する。また、それらハンド選択情報や把持位置情報がロボットの動作プログラムに反映されるため、ティーチング作業の効率化、省力化を図ることが可能となる。

１０…ＣＰＵ（データ処理部）
２０…入力部、３０…表示部、４０…記憶部、
５０…ハンド選択プログラム、１００…組立教示装置、
１０４…部品情報ＤＢ、１０５…組立順序生成部、
１０６…部品把持面抽出部、１０７…部品−ハンド情報照合部、
１０８…部品−ハンド適合性評価部、１０９…ハンド決定部、
１１０…部品把持位置生成部、１１１…経路生成部、
１１２…ハンド切替回数カウント部、１１３…組立時間計算部
１１７…ハンド・ツール情報ＤＢ。

Claims (6)

1. 組立品の組み立て作業における部品を把持するハンドを選択する組立教示装置であって、
   ハンドを選択する処理プログラム及び関連データベースを格納する記憶部と、
   該処理プログラムを実行するデータ処理部と、
   を備え、
   該関連データベースは
   部品に関する情報を格納した部品情報ＤＢと、
   一又は複数のハンドに関する情報を格納したハンド情報ＤＢと、
   を含み、
   該データ処理部は、該処理プログラムを実行することにより、
   該部品情報ＤＢと該ハンド情報ＤＢの情報に基づいて、
   該部品を把持する該ハンドを選択するティーチング情報を生成する、
   ことを特徴とする組立教示装置。
2. 前記部品情報ＤＢは、前記部品の大きさ、質量、重心位置、材質、表面状態を示す情報を含み、
   前記ハンド情報ＤＢは、ハンドの種類、開閉動作範囲、可搬質量を示す情報を含むことを特徴とする請求項１に記載の組立教示装置。
3. 前記データ処理部は、前記処理プログラムを実行することにより、
   更に、前記組立品を組立てる手順および組立方向を生成し、
   生成された該組立方向の情報と、
   前記部品情報ＤＢと、前記ハンド情報ＤＢとの情報に基づき、
   前記部品の把持位置を決定するティーチング情報を生成することを特徴とする請求項１又は２に記載の組立教示装置。
4. 前記データ処理部は、前記ティーチング情報の生成において、前記部品情報ＤＢと前記ハンド情報ＤＢの情報を参照して、
   前記部品と前記ハンドの質量、重心位置、材質、表面状態の少なくとも１つ以上の物理属性に関する適合性に基づいて、前記ハンドを選択するティーチング情報を生成することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかの項に記載の組立教示装置。
5. 前記組立教示装置は、
   更に、前記部品に対して把持するハンドを交換する回数、もしくは交換に必要な時間を計測するタイマ、もしくはハンドの交換時間と前記部品の組立て時間の合計を計算するタイマを備えた計測部を有し、
   前記データ処理部は、前記処理プログラムを実行することにより、
   該計測部により計測された情報を基に、交換すべきハンドの種類、ハンドの交換回数、ハンドの交換タイミングのハンドの交換スケジュールを算定することを特徴とする前記請求項１ないし４のいずれかの項に記載の組立教示装置。
6. コンピュータを用いて、組立品の組み立て作業における部品を把持するハンドを選択する組立教示方法であって、
   該コンピュータは、
   データ処理部でハンドを選択する処理プログラムを実行することにより、
   組立品を組立てる手順および組立方向を生成する組立順序生成処理工程と、
   記憶部に格納した部品情報に関するＤＢとハンド情報に関するＤＢに基づいて、
   複数のハンドの中から該部品を把持するハンドを選択するティーチング情報を生成するハンド選択情報生成工程と、
   を実行することを特徴とする組立教示方法。

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