TWI613054B - 齒輪機構之組裝裝置及組裝方法 - Google Patents

齒輪機構之組裝裝置及組裝方法 Download PDF

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TWI613054B
TWI613054B TW105116311A TW105116311A TWI613054B TW I613054 B TWI613054 B TW I613054B TW 105116311 A TW105116311 A TW 105116311A TW 105116311 A TW105116311 A TW 105116311A TW I613054 B TWI613054 B TW I613054B
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Hideshi Yamane
Jun Takebayashi
Shuhei Kuraoka
Tatsuhiro UTO
Shinichi Fujisawa
Akio Yoda
Hiroyuki Mizumoto
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Kawasaki Heavy Ind Ltd
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Abstract

本裝置(1)包括：第1、第2攝像裝置(21、22)，其等對第1、第2齒輪進行拍攝；機器人(2)，其設置有第1攝像裝置(21)；及圖像處理系統(11)，其係對第1攝像裝置(21)之圖像進行處理而獲取第2齒輪(43)之嵌入位置及第1齒輪之相位，對第2攝像裝置(22)之圖像進行處理而獲取第2齒輪(43)之相位及第2齒輪(43)之齒輪軸之位置。基於利用圖像處理系統(11)所獲取之資訊而控制機器人(2)，將由手(3)保持之第2齒輪(43)之齒輪軸對準第2齒輪(43)之嵌入位置，將第2齒輪(43)之相位對準第1齒輪之相位而組裝齒輪機構。可使用機器人將齒輪彼此嵌合而無障礙地組裝齒輪機構。

Description

齒輪機構之組裝裝置及組裝方法
本發明係關於一種用以將齒輪彼此嵌合而組裝齒輪機構之齒輪機構之組裝裝置及組裝方法。
近年來，於製造現場中，為了省力自動化、作業時間之縮短、成本削減等，於裝置或機械等製品之製造時使用機器人進行組裝之系統被廣泛地實用化。於製品之組裝時，必須進行軸朝軸孔之插入等嵌合作業等，因此，關於使用機器人之軸等之插入或嵌合，至今為止已進行各種開發。
為了將軸插入至軸孔，必須以使插入之軸之位置及方向與被插入之軸孔之位置及方向一致的方式對由機器人保持之軸之動作進行控制。作為藉由機構實現如上所述之動作者，先前使用RCC(Remote Center Compliance，終端對位順從器)機構。但是，RCC係利用彈簧等彈性體，使軸追隨軸孔之方向偏移等而插入，因此，於並非朝向鉛垂下方之組裝作業(縱向組裝作業)而朝向橫向之組裝作業(橫向組裝作業)中難以應對。
相對於此，於專利文獻1中，於緩衝機構部、RCC機構部及工件夾盤機構部連接而成之機器手中，將上述工件夾盤機構部組入至上述RCC機構部內，藉此，使因重量所致之RCC機構之下垂減小，而不僅可進行縱向組裝作業，亦可進行橫向組裝作業。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開平8-52682號公報
然而，上述採用RCC之先前之機器手係以將單純之圓形剖面之軸插入至單純之圓形剖面之軸孔為對象者。因此，於例如將齒輪彼此嵌合而組裝齒輪機構般之情形時，利用機器人之自動化極為困難或者不可能。
本發明係鑒於上述先前技術之問題點而完成者，其目的在於提供一種可使用機器人使齒輪彼此嵌合而無障礙地組裝齒輪機構的齒輪機構之組裝裝置及組裝方法。
為了解決上述課題，本發明之第1態樣係一種齒輪機構之組裝裝置，其特徵在於，其係用以將第2齒輪嵌合於第1齒輪而組裝齒輪機構者，且包括：機器人，其包含用以保持上述第2齒輪之手；第1攝像裝置，其設置於上述手，且用以拍攝上述第1齒輪；第2攝像裝置，其用以拍攝上述第2齒輪；及圖像處理系統，其係對由上述第1攝像裝置拍攝到之圖像進行圖像處理而獲取上述第2齒輪之嵌入位置及上述第1齒輪之相位，對由上述第2攝像裝置拍攝到之圖像進行圖像處理而獲取上述第2齒輪之相位及上述第2齒輪之齒輪軸之位置；且該齒輪機構之組裝裝置係構成為，基於藉由上述圖像處理系統所獲取之資訊控制上述機器人，將由上述手保持之上述第2齒輪之上述齒輪軸對準上述第2齒輪於上述第1齒輪中之嵌入位置，且將上述第2齒輪之相位對準上述第1齒輪之相位，藉此使用上述機器人組裝上述齒輪機構。
本發明之第2態樣如第1態樣，其特徵在於，上述圖像處理系統包括第1圖像處理器件，該第1圖像處理器件係對上述第1齒輪之圖像 進行圖像處理而檢測上述第1齒輪之區域，基於檢測出之上述第1齒輪之區域，獲取上述第2齒輪於上述第1齒輪中之嵌入位置及上述第1齒輪之相位。
本發明之第3態樣如第2態樣，其特徵在於，上述第1齒輪包含複數個行星齒輪，且上述第1圖像處理器件係基於上述第1齒輪之區域，抽出攝像圖像中所含之關於上述複數個行星齒輪之谷部分，並將外切於將所抽出之上述谷部分之重心設為圓周上之點之複數個圓弧之外切圓之中心，設為上述第2齒輪於上述第1齒輪中之嵌入位置，並且將以上述外切圓之中心為基準朝向位於距離上述複數個圓弧中之任一個之與上述外切圓之切點最近之位置之谷部分之重心的方向特定為上述第1齒輪之相位。
本發明之第4態樣如第2態樣，其特徵在於，上述第1齒輪包含複數個行星齒輪，且上述第1圖像處理器件係基於上述第1齒輪之區域，抽出上述第1攝像裝置之攝像圖像中所含之關於上述複數個行星齒輪之谷部分，並將外切於將所抽出之上述谷部分之重心設為圓周上之點之複數個圓弧之外切圓之中心設為上述第2齒輪於上述第1齒輪中之嵌入位置，並且將以上述外切圓之中心為基準朝向如下之上述外切圓之圓周上之點之方向特定為上述第1齒輪之相位，該上述外切圓之圓周上之點係距離上述複數個圓弧中之任一個之與上述外切圓之切點之上述外切圓上之長度，與上述圓弧中存在於距離上述切點最近之位置之谷部分之重心與上述切點之間之上述圓弧之圓周上之長度相等。
本發明之第5態樣如第1至第4中之任一態樣，其特徵在於，上述圖像處理系統包括第2圖像處理器件，該第2圖像處理器件係對上述第2齒輪之圖像進行圖像處理而檢測上述第2齒輪之區域，並基於檢測出之上述第2齒輪之區域，獲取上述第2齒輪之上述齒輪軸之前端部之位置及根部之位置、以及上述第2齒輪之相位。
本發明之第6態樣如第5態樣，其特徵在於以如下方式控制上述機器人，即，基於藉由上述第2圖像處理器件所獲取之上述第2齒輪之上述齒輪軸之前端部之位置及根部之位置，獲取上述第2齒輪之軸心方向，基於上述第2齒輪之上述軸心方向，修正上述手對上述第2齒輪之保持位置之偏移。
本發明之第7態樣如第6態樣，其特徵在於以如下方式控制上述機器人，即，藉由上述第2圖像處理器件獲取上述第2齒輪之上述齒輪軸之前端部之位置及根部之位置後，使上述手旋轉預先設定之角度，藉由上述第2攝像裝置再次拍攝上述第2齒輪，基於再次之攝像圖像，藉由上述第2圖像處理器件再次獲取上述第2齒輪之上述齒輪軸之前端部之位置及根部之位置，基於其等前後2次所獲取之上述第2齒輪之上述齒輪軸之前端部之位置及根部之位置相關之資訊，獲取上述第2齒輪之軸心方向，基於上述第2齒輪之上述軸心方向，修正上述手對上述第2齒輪之保持位置之偏移。
本發明之第8態樣如第1至第7中之任一態樣，其特徵在於，上述第二齒輪設置於馬達之輸出軸，上述手構成為抓持上述馬達，且於上述手設置有用以測定與安裝上述馬達之對象物相隔之距離之光學感測器。
本發明之第9態樣如第1至第8中之任一態樣，其特徵在於，上述齒輪機構係行星齒輪機構，上述第1齒輪為上述行星齒輪機構之行星齒輪，且上述第2齒輪為上述行星齒輪機構之太陽齒輪。
本發明之第10態樣係一種齒輪機構之組裝方法，其特徵在於，其係使用機器人將第2齒輪嵌合於第1齒輪而組裝齒輪機構者，且包括：第1齒輪計測步驟，其獲取上述第2齒輪於上述第1齒輪中之嵌入位置及上述第1齒輪之相位；及第2齒輪計測步驟，其獲取上述第2齒輪之相位及齒輪軸之位置；且該齒輪機構之組裝方法係基於藉由上述 第1齒輪計測步驟及上述第2齒輪計測步驟所獲取之資訊控制上述機器人，將由上述機器人之手保持之上述第2齒輪之上述齒輪軸對準上述第2齒輪於上述第1齒輪中之嵌入位置，並且將上述第2齒輪之相位對準上述第1齒輪之相位，藉此，使用機器人組裝上述齒輪機構。
本發明之第11態樣如第10態樣，其特徵在於，上述第1齒輪計測步驟包含使用設置於上述手之攝像裝置獲取上述第1齒輪之圖像而進行圖像處理的第1圖像處理步驟，且上述第1圖像處理步驟係對上述第1齒輪之圖像進行圖像處理而檢測上述第1齒輪之區域，基於檢測出之上述第1齒輪之區域，獲取上述第2齒輪於上述第1齒輪中之嵌入位置及上述第1齒輪之相位。
本發明之第12態樣如第11態樣，其特徵在於，上述第1齒輪包含複數個行星齒輪，且於上述第1圖像處理步驟中，基於上述第1齒輪之區域，抽出攝像圖像中包含之關於上述複數個行星齒輪之谷部分，並將外切於將所抽出之上述谷部分之重心設為圓周上之點之複數個圓弧之外切圓之中心，設為上述第2齒輪於上述第1齒輪中之嵌入位置，並且將以上述外切圓之中心為基準朝向位於距離上述複數個圓弧中之任一個中之與上述外切圓之切點最近之位置之谷部分之重心的方向特定為上述第1齒輪之相位。
本發明之第13態樣如第11態樣，其特徵在於，上述第1齒輪包含複數個行星齒輪，且於上述第1圖像處理步驟中，基於上述第1齒輪之區域，抽出攝像圖像中包含之關於上述複數個行星齒輪之谷部分，將外切於將所抽出之上述谷部分之重心設為圓周上之點之複數個圓弧之外切圓之中心設為上述第2齒輪於上述第1齒輪中之嵌入位置，並且將以上述外切圓之中心為基準，朝向如下之上述外切圓之圓周上之點之方向特定為上述第1齒輪之相位，該上述外切圓之圓周上之點係距離上述複數個圓弧中之任一個之與上述外切圓之切點之上述外切圓上之 長度，與上述圓弧中存在於距離上述切點最近之位置之谷部分之重心與上述切點之間之上述圓弧之圓周上之長度相等。
本發明之第14態樣如第10至第13中之任一態樣，其特徵在於，上述第2齒輪計測步驟包含獲取上述第2齒輪之圖像而進行圖像處理之第2圖像處理步驟，且 上述第2圖像處理步驟係對上述第2齒輪之圖像進行圖像處理而檢測上述第2齒輪之區域，基於檢測出之上述第2齒輪之區域，獲取上述第2齒輪之齒輪軸之前端部之位置及根部之位置、以及上述第2齒輪之相位。
本發明之第15態樣如第14態樣，其特徵在於以如下方式控制上述機器人，即，基於藉由上述第2圖像處理步驟所獲取之上述第2齒輪之齒輪軸之前端部之位置及根部之位置，獲取上述第2齒輪之軸心方向，基於上述第2齒輪之上述軸心方向，修正上述手對上述第2齒輪之保持位置之偏移。
本發明之第16態樣如第15態樣，其特徵在於以如下方式控制上述機器人，即，於上述第2齒輪計測步驟中獲取上述第2齒輪之上述齒輪軸之前端部之位置及根部之位置後，使上述手旋轉預先所設定之角度，再次拍攝上述第2齒輪，基於再次之攝像圖像再次獲取上述第2齒輪之上述齒輪軸之前端部之位置及根部之位置，基於其等前後2次所獲取之上述第2齒輪之上述齒輪軸之前端部之位置及根部之位置相關之資訊，獲取上述第2齒輪之軸心方向，基於上述第2齒輪之上述軸心方向，修正上述手對上述第2齒輪之保持位置之偏移。
本發明之第17態樣如第10至第16中之任一態樣，其特徵在於，上述第二齒輪設置於馬達之輸出軸，上述手係構成為抓持馬達，且藉由設置於上述手之光學感測器計測與安裝上述馬達之對象物相隔之距離，並基於該計測結果而產生上述對象物之基軸座標系。
本發明之第18態樣如第10至第17中之任一態樣，其特徵在於，上述齒輪機構係行星齒輪機構，上述第1齒輪為上述行星齒輪機構之行星齒輪，且上述第2齒輪為上述行星齒輪機構之太陽齒輪。
根據本發明，可提供一種可使用機器人使齒輪彼此嵌合而無障礙地組裝齒輪機構的齒輪機構之組裝裝置及組裝方法。
1‧‧‧齒輪機構之組裝裝置
2‧‧‧作業機器人
3‧‧‧手
4‧‧‧機器人控制裝置
11‧‧‧圖像處理系統
12‧‧‧第1圖像處理部
13‧‧‧第2圖像處理部
21‧‧‧第1攝像裝置
22‧‧‧第2攝像裝置
23‧‧‧光學感測器(距離感測器)
31‧‧‧減速機齒輪(第1齒輪)
41‧‧‧馬達
42‧‧‧輸出軸
43‧‧‧馬達側齒輪(第2齒輪)
44‧‧‧行星齒輪
46‧‧‧插入孔
61‧‧‧製品機器人
a‧‧‧通過行星齒輪谷部分之重心之圓弧
b‧‧‧外切於圓弧a之外切圓
C‧‧‧外切圓b之中心
D‧‧‧圓弧a與外切圓b之切點
E‧‧‧行星齒輪之谷部分之重心
F‧‧‧馬達側齒輪之山部分之重心
L‧‧‧大小
L1‧‧‧大小
P‧‧‧前端部中心位置
P'‧‧‧前端部中心位置
V1‧‧‧向量
V2‧‧‧向量
X‧‧‧軸
Y‧‧‧軸
α2‧‧‧角度
θ‧‧‧角度
圖1係表示本發明之一實施形態之齒輪機構之組裝裝置之概略構成的圖。
圖2係用以對圖1所示之實施形態之利用第1圖像處理部計算行星齒輪內組裝後應成為馬達側齒輪之軸心之目標位置及行星齒輪之相位之方法進行說明的概念圖。
圖3係利用圖1所示之實施形態表示計算用於將減速機齒輪之相位與馬達側齒輪之相位精確地對準之馬達側齒輪之相位之方法的概念圖。
圖4係用以利用圖1所示之實施形態對基於輸出軸之前端部中心位置之計算座標值P、P'之輸出軸之前端部中心位置之修正方法進行說明的圖。
以下，參照圖式對本發明之一實施形態之齒輪機構之組裝裝置及使用該組裝裝置之齒輪機構之組裝方法進行說明。
如圖1所示，本實施形態中之齒輪機構之組裝裝置1包括：機器人(以下，稱為「作業機器人」)2，其用於組裝齒輪；手3，其安裝於作業機器人2之手腕部並抓持工件；機器人控制裝置4，其控制作業機器人2之動作；圖像處理系統11；第1攝像裝置21；及第2攝像裝置22。
於手3進而安裝有包含雷射距離感測器等之光學感測器23。可使用光學感測器2測定與安裝工件之對象物相隔之距離等。
圖像處理系統11包括：第1圖像處理部12，其進行由第1攝像裝置21拍攝到之圖像之處理；及第1圖像處理部13，其進行由第2攝像裝置22拍攝到之圖像之處理。再者，第1圖像處理部12與第2圖像處理部13可為作為硬體而完全獨立之機器，亦可為作為硬體配置於一體之機器內、於機器內部具有局部共通要素而構成為子組件，進而亦可為作為機器內部之硬體雖為一體，但作為軟體即便存在局部共通要素而仍構成為子組件。
於本實施形態中，作業機器人2係使用具有6軸之多關節型機器人，並藉由機器人控制裝置4，對手腕部進行空間之任意之位置與方向、及動作路徑之控制。惟本發明中之作業機器人並不限定於6軸多關節型機器人。
第1攝像裝置21、第2攝像裝置22係使用CCD(Charge Coupled Device，電荷耦合元件)攝影機等。
本實施形態中作為組裝對象之齒輪機構係設為於配置於中心之1個太陽齒輪之周圍具有3個行星齒輪的機構。惟可藉由本發明之齒輪機構之組裝裝置進行組裝之齒輪機構並不限定於該構成之齒輪機構。
本實施形態中之齒輪組裝裝置1例如進行如下作業，即，使安裝於馬達41之輸出軸42之馬達側齒輪43(圖3)嵌合於已組入至製作組裝中之機器人(以下，稱為「製品機器人」)61之驅動軸之減速機齒輪31(圖2)，並將輸出軸42插入至減速機齒輪31中而將減速機齒輪31與馬達側齒輪43組裝。
因此，安裝於製品機器人61之驅動軸之馬達41之輸出軸42之軸向一般地不限定於鉛垂方向，而多數情況下配置於水平方向，因此，藉由作業機器人1將具有配置於水平方向之輸出軸42之馬達41之馬達 側齒輪43組合至減速機齒輪31的作業成為橫向組裝作業。
又，馬達側齒輪43為與輸出軸42及馬達41成為一體之狀態，因此，由作業機器人1之手3抓持之工件一般地重量非常大。本實施形態係於如此般包含要組合之齒輪之工件之重量較大且藉由作業機器人進行基於橫向組裝作業之齒輪之組裝的情形時，亦可無障礙地應對。
如圖2所示，於本實施形態中之齒輪機構，將安裝於馬達41之輸出軸42之馬達側齒輪43組入之行星齒輪44係組入至減速機之外殼內，且成為自外殼之外部僅可通過用以將輸出軸42插入至外殼內之插入孔46看到的狀態。
為了將馬達側齒輪43嵌合而組裝至行星齒輪44，必須朝使輸出軸42之前端部軸心與行星齒輪44內組裝後應成為馬達側齒輪43之軸心之目標位置一致且使馬達側齒輪43之相位與行星齒輪44之相位對應的方向調整輸出軸42之角度，並將輸出軸42插入至行星齒輪44之內部而組入。
因此，於本實施形態中，首先，計測行星齒輪44內組裝後應成為馬達側齒輪43之軸心之目標位置及行星齒輪44之相位。
以下，對計測行星齒輪44內組裝後應成為馬達側齒輪43之軸心之目標位置及行星齒輪44之相位的方法詳細進行說明。再者，以下，將進行計測之該等2個量稱為「減速機齒輪之特性資訊」。
於齒輪之組裝作業前，藉由安裝於作業機器人2之手3之第1攝像裝置21通過插入孔46拍攝包含減速機齒輪31之圖像，並對利用第1攝像裝置21拍攝到之圖像於圖像處理系統11之第1圖像處理部12中進行圖像處理，計算減速機齒輪之特性資訊。
減速機齒輪之特性資訊之計測係根據自機器人控制裝置4對第1圖像處理部12之指令信號而開始，接收到該指令信號之第1圖像處理部12係對第1攝像裝置21發送攝像指令信號，並藉由第1攝像裝置21進 行拍攝。拍攝到之圖像係如上述般，自第1攝像裝置21發送至第1圖像處理部12，被實施圖像處理並將計算值發送至機器人控制裝置4。
<減速機齒輪之特性資訊之計算方法>
減速機齒輪之特性資訊中，行星齒輪44內組裝後應成為馬達側齒輪43之軸心之目標位置係計算並特定為由所有行星齒輪44包圍之區域中距所有行星齒輪44為相等距離之點。
可藉由以減速機齒輪31之谷部分與馬達側齒輪43之山部分一致之方式將馬達側齒輪43插入至減速機齒輪31之內部而使兩齒輪嵌合。為此，可藉由如下步驟而執行，即，以行星齒輪44內組裝後應成為馬達側齒輪43之軸心之目標位置為基準，計測行星齒輪44之谷部分之方向(以下，稱為「行星齒輪之相位」或「減速機齒輪之相位」)，並對馬達側齒輪43之山部分之方向(以下，稱為「馬達側齒輪之相位」)進行調整而使其基本上對準藉由上述計測之行星齒輪44之相位之方向。
此處，為了準確地對準，必須對行星齒輪44之谷部分選定特定之位置。作為該特定之位置，例如，考慮節圓之谷部分之中點等，但亦考慮圖像處理等之容易程度等，而於本實施形態中，設為行星齒輪44之谷部分之重心。再者，關於要插入之馬達側齒輪43之山部分之特定之位置亦同樣，考慮齒輪之節圓之山部分之中點等，但以線對稱之齒輪之山部分之中心線之方向為基礎。
以下，基於圖2，根據處理之順序對利用第1圖像處理部12之減速機齒輪31之相位之計算方法進行說明。
(1)行星齒輪44之區域檢測
對攝像圖像使用二值化等其他圖像處理方法抽出行星齒輪44之部分輪廓線，並藉由與預先記憶之行星齒輪44之形狀之圖案匹配，進行行星齒輪44之區域之檢測。再者，行星齒輪44之區域係於圖2中為由行星齒輪44之齒型形狀之邊界線與插入孔46之圓弧所包圍之部分。
(2)通過行星齒輪44之谷部分之重心之圓弧之計算
基於藉由上述(1)檢測出之行星齒輪44之區域，抽出檢測出之區域中存在之複數個谷部分，並計算所抽出之複數個谷部分之重心E之位置後，計算通過其等重心E之位置之3個圓弧ai(i=1、2、3)。
(3)3個圓弧ai之外切圓b之計算
計算外切於上述(2)中計算出之3個圓弧ai之全部之外切圓b及其中心點B。中心點B成為行星齒輪44內組裝後應成為馬達側齒輪43之軸心之目標位置。
外切圓b對應於與行星齒輪44嵌合之馬達側齒輪43，且中心點B對應於馬達側齒輪43之軸心，因此，以下，有時將外切圓b稱為「馬達側齒輪插入軸孔」，將外切圓之中心點B稱為「插入軸孔軸心」。
再者，於上述中，對包含3個行星齒輪之行星齒輪機構之情形進行了說明，但於4個以上之行星齒輪機構之情形時，亦可利用與上述相同之方法計算外切圓b及外切圓b之中心點B，而獲取行星齒輪44內組裝後應成為馬達側齒輪43之軸心之目標位置。
又，於行星齒輪之個數為2個之行星齒輪機構之情形時，可利用以下方法計算外切圓b及其中心點B。
利用與上述相同之方法，計算2個圓弧，並計算該2個圓弧之中心點。其次，計算連結其等圓弧之中心之線段與2個圓弧之交點(2個)，並將其等2個交點設為直徑，計算以連結2個交點之線段之中點為中心B之圓b，藉此，可求得外切圓b及其中心B。
(4)自中心點B相對於距離圓弧ai與外切圓b之切點D最近之谷部分之重心E之方向之計算
選定3個圓弧ai中之1個圓弧，並選擇距離所選定之圓弧ai與圓b之切點D最近之重心E，計算自圓b之中心點B至重心E之方向。以馬達側齒輪43之軸心為基準，而方向BE為行星齒輪44之谷之方向，因此， 可近似為應插入至馬達側齒輪插入軸孔而嵌合之馬達側齒輪之山部分之中心線(線對稱之齒輪之山部分之中心線)之方向。藉此，於將馬達側齒輪43組入至行星齒輪44之馬達側齒輪插入軸孔內時，可對馬達側齒輪43之齒輪之山部分之中心線方向以成為上述計算出之方向BE之方式進行調整而插入。
但是，根據行星齒輪之形狀、尺寸，有如下情形，即，因齒輪之節距、節圓等之(相互)關係，而以插入軸孔軸心為基準之馬達側齒輪43之山部分之中心線方向與行星齒輪44之谷部分之重心之方向(方向BE)之偏移變大，即便使馬達側齒輪43之山部分之中心線方向與行星齒輪44之谷部分之重心之方向一致而將馬達側齒輪43插入至行星齒輪44內，亦難以將兩齒輪嵌合。
於如上所述之情形時，將欲插入至行星齒輪44內之馬達側齒輪43之方向調整為利用以下方法導出之方向而並非行星齒輪44之谷部分之重心之方向，而將馬達側齒輪43組入至行星齒輪44內。
即，如圖3所示，計算圓弧ai之圓周上之切點D與重心E之長度DE，並計算距離外切圓之圓周上之切點D之長度與上述圓周上之長度DE相等之點F，將馬達側齒輪43組入至行星齒輪44之馬達側齒輪插入軸孔內時，以馬達側齒輪43之齒輪之山部分之中心線方向成為上述計算出之方向BF之方式進行調整而插入。藉此，於切點D與重心E之距離較大之情形時，亦可準確地進行馬達側齒輪43與行星齒輪44之嵌合。
<馬達側齒輪之計測>
於使用作業機器人之齒輪之組裝作業中，利用手3抓持載置於載置台上之馬達41而進行組裝作業，因此，每次作業時手3對馬達41之抓持位置產生偏移。因該抓持位置之偏移而導致馬達41之輸出軸42之前端部中心位置及軸線方向產生偏移。又，由於載置於載置台上之馬 達側齒輪43之相位為任意，故而於剛被手3抓持後之狀態下，馬達側齒輪43之相位不特定。
因此，為了將馬達側齒輪43嵌合而組裝至減速機齒輪31，必須計測輸出軸42之前端部中心位置與軸線方向之偏移及馬達側齒輪43之相位，並基於其等計測資訊，以使輸出端42之前端部位置與軸線方向及馬達側齒輪43之相位分別與減速機齒輪31中之插入軸孔軸心與插入軸孔軸線方向及行星齒輪44之相位一致的方式進行作業機器人2之動作控制。
馬達側齒輪43之計測係根據自機器人控制裝置4對第2圖像處理部13之指令信號而開始，接收到該指令信號之第2圖像處理部13係對第2攝像裝置22發送攝像指令信號，並藉由第2攝像裝置22進行拍攝。此時，作業機器人1係使由手3抓持之馬達41移動至第2攝像裝置22之視野範圍。拍攝到之圖像係自第2攝像裝置22發送至第2圖像處理部13，並將實施圖像處理而計算出之馬達側齒輪43之相位等發送至機器人控制裝置4。
藉由第2圖像處理部13計算出之輸出軸42之前端部中心位置與軸線方向之偏移及馬達側齒輪43之相位係發送至作業機器人2之機器人控制裝置4，用於執行工具座標系之再次設定及馬達側齒輪43之動作控制。
此處，本實施形態中之作業機器人2之工具座標系係設定為將輸出軸42之馬達41之根部之平面作為XY座標面且將輸出軸42之軸線作為Z座標軸(朝向輸出軸前端部之方向為正方向)的座標系，於將馬達側齒輪43組入至減速機齒輪31時，以使由作業機器人2抓持之馬達41於工具座標系Z軸方向進行動作之方式控制。
再者，關於第2圖像處理部13中之馬達側齒輪43之相位及輸出軸42之前端部中心位置與根部中心位置之計算方法，於以下之<輸出軸 42之軸心方向之修正方法>之項中詳細進行說明。
<輸出軸42之軸心方向之修正方法>
以下，包括利用第2圖像處理部13之圖像處理方法在內，對馬達側齒輪43之相位之計測及計測輸出軸42之前端部中心位置與軸線方向之偏移並基於該計測結果修正輸出軸42之軸心方向的方法詳細進行說明。
(1)輸出軸42之前端部中心位置與馬達側齒輪43之相位之計測
使作業機器人2動作，而將手3移動至輸出軸42之前端朝向第2攝像裝置22且輸出軸42之軸線與第2攝像裝置22之透鏡光軸大致一致、且相對於第2攝像裝置22隔開至少比輸出軸之長度更長之距離的位置。
其後，藉由第2攝像裝置22，以輸出軸42之前端部及馬達側齒輪43包含於視野範圍內之方式進行拍攝。藉由第2攝像裝置22所獲取之圖像係被發送至第2圖像處理部13，藉由第2圖像處理部13計算輸出軸42之前端部中心位置P與馬達側齒輪43之相位。
以下，對利用第2圖像處理部13進行之輸出軸42之前端部中心位置與馬達側齒輪43之相位之計算方法進行說明。
(i)輸出軸42之前端部分中心位置之計算
首先，使用二值化處理等其他方法，抽出馬達側齒輪43之輪廓線，藉由與預先記憶之馬達側齒輪43之形狀之圖案匹配，進行馬達側齒輪43之區域之檢測。其後，基於檢測出之馬達側齒輪43之區域，計算輸出軸42之前端部中心位置P。
(ii)馬達側齒輪43之相位之計算
基於藉由上述(i)檢測出之馬達側齒輪43之區域，抽出馬達側齒輪43之山部分，並選擇特定之山部分之頂點N，而產生自上述(i)中計算出之前端部中心位置P相對於所選擇之頂點N之方向PN。將該方向 PN設為馬達側齒輪43之相位。
(2)輸出軸42之根部之中心位置之計算
使作業機器人2進行動作，使馬達41於輸出軸42之軸線方向朝遠離第2攝像裝置22之方向後退相當於輸出軸42之長度之距離後，藉由第2攝像裝置22，以輸出軸42之根部包含於視野範圍內之方式進行拍攝。藉由第2攝像裝置22所獲取之圖像係發送至第2圖像處理部13，並藉由第2圖像處理部13使用二值化等方法抽出輸出軸42之根部之輪廓線，利用根部之剖面形狀為圓形之形狀特徵，計算輸出軸42之根部中心位置Q。
(3)修正輸出軸42之軸心方向
(3-1)輸出軸42之前端部中心位置之計測(再次計測)
使作業機器人2進行將馬達側齒輪43組入至減速機齒輪31之作業之情形時，為了使輸出軸42之前端部中心及軸心與減速機齒輪31之插入軸孔軸心及插入軸孔軸心方向一致而對組裝機器人2之動作進行控制，而設定有上述工具座標系。
使作業機器人2之手3所抓持之馬達41繞上述工具座標系Z軸旋轉預先所設定之角度θ後，維持該姿勢，使作業機器人2進行動作，並將手3移動至上述(1)之計測位置後，藉由第2攝像裝置22，以輸出軸42之前端部及馬達側齒輪43包含於視野範圍內之方式進行拍攝。
藉由第2圖像處理部23使用二值化處理等其他方法對攝像圖像抽出馬達側齒輪43之輪廓線，並藉由與預先記憶之馬達側齒輪43之形狀之圖案匹配，進行馬達側齒輪43之區域之檢測。其後，基於檢測出之馬達側齒輪43之區域，計算再次計測之輸出軸42之前端部中心位置P'。
(3-2)輸出軸42之根部之計測
使作業機器人2進行動作，使馬達41於輸出軸42之軸線方向朝遠 離第2攝像裝置22之方向後退相當於輸出軸42之長度之距離後，藉由第2攝像裝置22，以輸出軸42之根部包含於視野範圍內之方式進行拍攝。藉由第2圖像處理部23使用二值化處理等方法對攝像圖像抽出輸出軸42之根部之輪廓線，並利用根部之剖面形狀為圓形，而計算再次計測之輸出軸42之根部中心位置Q'。
(3-3)輸出軸42之精確之軸線方向之計算
於使作業機器人2之手3所抓持之馬達41繞工具座標系Z軸旋轉角度θ之情形時，存在於旋轉中心即工具座標系Z軸上之點由於在物理方面不變，故而於利用第2攝像裝置22所得之攝像圖像中之位置亦同樣地不變，因此，於將攝影機座標系(將CCD攝影機之CCD等之攝像面設為XY面且以攝像面之中心為原點的座標系)中亦不變。
但是，不存在於Z軸上之點係伴隨圍繞Z軸之旋轉而旋轉移位(移動)，且其移動量根據距Z軸之距離之增減而增減，其結果，於攝影機座標系中之計測座標值亦同樣地進行移動。
因此，可利用該物理性質，基於使馬達41繞工具座標系Z軸旋轉角度θ之情形時之計測對象點之移動量之計測值，計算計測對象點自工具座標系Z軸之偏移量。於本實施形態中，係基於該計算偏移量而計算輸出軸42之精確之軸線方向。
以下，一面參照圖4，一面對利用藉由上述(4)與(5)而再次獲取之輸出軸42之前端部中心位置及根部中心位置之座標值計算更精確之輸出軸42之軸心方向的方法詳細進行說明。
(i)基於計算座標值P、P'之輸出軸42之前端部中心位置之修正
當使作業機器人2之手3所抓持之馬達41繞工具座標系Z軸旋轉角度θ時，若輸出軸42之前端部中心不存在於工具座標系Z軸上，則輸出軸42之前端部中心位置之攝影機座標系之XY座標值係如圖3所示，自P移動(移位)至P'。若將攝影機座標系中自P朝向P'之移動向量設為向 量V1，則向量V1可根據P、P'之計算座標值而計算。
因此，可根據圖4，使用向量V1與θ，利用下述方法求出自P朝向工具座標系原點之向量V2，因此，可藉由將向量V2合成至當前之工具座標系中之輸出軸42之前端部中心位置而求出精確之輸出軸42之前端部中心位置。
即，首先，根據P與P'之座標值計算向量V1(大小L1、相對於攝影機座標系X軸之角度α2)，並利用其等計算出之值，根據下式求出自工具座標系原點朝向P之向量V1(大小L、相對於攝影機座標系X軸之角度α)。
L=L1/(2‧sin(θ/2))
α=α2-(π/2+θ/2)
藉由將上述所求得之向量V1合成至當前之工具座標系原點位置，而計算輸出軸42之精確之前端部中心位置P*。
(ii)基於計算座標值Q、Q'之輸出軸42之根部中心位置之修正
關於輸出軸42之根部中心位置，亦利用與上述(i)相同之方法，基於計算座標值Q、Q'進行修正，而計算輸出軸42之精確之根部中心位置Q*。
(iii)馬達41之輸出軸42之精確之軸心方向之計算
基於上述(i)與(ii)中計算出之P*與Q*而計算輸出軸42之精確之軸心方向C*。
(3-4)修正輸出軸42之軸心方向
基於藉由上述計算出之輸出軸42之精確之根部中心位置Q*及前端部中心位置P*以及精確之軸心方向C*，以成為將Q*作為工具座標系原點且將C作為工具座標系Z軸之新工具座標系的方式重新進行設定。
<馬達側齒輪與減速機齒輪之組裝方法>
以下，對基於本實施形態之齒輪組裝裝置之馬達側齒輪43與減速機齒輪之組裝方法詳細進行說明。
(1)馬達安裝平面之測定
以手3未抓持馬達41之狀態驅動作業機器人1，使用安裝於手3之光學感測器(雷射距離感測器等)23，而產生安裝馬達41之平面(例如製品機器人61之臂構件之表面)之位置(機器人基軸座標系)。即，計算通過利用光學感測器23檢測出之3點之平面，並決定機器人基軸座標系中之平面傾斜度(插入軸方向)。
(2)馬達嵌合部之中心位置之測定
利用上述光學感測器(距離感測器)23感測安裝馬達41之對象之構件(例如製品機器人61之臂構件)中的加工精度較高之馬達嵌合部(圓形狀之插入口)之邊緣。此時，作業機器人2之手3一面自內側朝向外側移動一面監視距離感測器讀出值，而檢測階差部分。此處，為了提高處理速度，以自內側朝向外側粗略感測且自外側朝向內側詳細感測之兩階段實施感測。
計算通過藉由上述感測檢測出之3處位置之圓之中心位置(機器人基軸座標系)，並特定馬達嵌合部之中心位置。
(3)馬達安裝孔之計測
利用安裝於作業機器人2之CCD攝影機(亦可兼用作第1攝像裝置21)計測形成於安裝馬達之對象構件之螺栓孔(將用以將馬達41固定於對象構件之螺栓螺固之孔)，而決定最終設置旋轉位置。
繼而，產生如下座標(基軸座標系)，該座標係將上述(1)中所求得之平面設為XY平面，將上述(2)中所求得之中心位置設為插入位置，且將自上述(2)中所求得之中心位置朝向上述(3)中檢測出之螺栓孔中心位置之方向設為X軸。
(4)減速機齒輪31之相位及馬達側齒輪插入軸孔及插入軸孔軸心 之位置之計測
使作業機器人2之手3靠近製品機器人61之驅動軸附近，藉由安裝於手3之第1攝像裝置21自設置於驅動軸之馬達31之插入孔46拍攝插入孔46之內部之狀況，並藉由使用第1圖像處理部22之圖像處理，計算減速機齒輪31之相位以及馬達側齒輪插入軸孔及插入軸孔軸心之位置。
再者，藉由第1圖像處理計算出之減速機齒輪之特性資訊係發送至作業機器人2之機器人控制裝置4。
(5)作業機器人2之手3對馬達31之抓持
利用作業機器人2之手3抓持載置於載置台上之馬達31。由於在手3或馬達31設置有定位用銷，故而馬達31以特定之精度被手3抓持。
(6)馬達側齒輪43之相位之檢測以及輸出軸42之前端部中心位置與根部中心位置之計測及輸出軸42之軸心方向之計測
利用第2攝像裝置對由作業機器人2之手3抓持之馬達31之輸出軸42進行拍攝，並藉由第2圖像處理部23對攝像圖像進行圖像處理，藉此，進行馬達側齒輪43之相位之檢測及輸出軸42之前端部中心位置與根部中心位置之計測。
(7)基於輸出軸42之軸心方向之計測結果之工具座標系之設定之變更
基於藉由第2圖像處理部23計算出之輸出軸42之軸心方向之計測結果，變更工具座標系之設定。
(8)基於設定變更後之工具座標系藉由組裝機器人2之動作控制執行齒輪之組裝
基於設定變更後之工具座標系藉由組裝機器人2之動作控制，一面將馬達側齒輪43與減速機側齒輪31嵌合一面執行齒輪彼此之組裝。
可如上述般使用本實施形態之齒輪機構之組裝裝置1，藉由作業 機器人2無障礙地實施齒輪彼此之嵌合。
1‧‧‧齒輪機構之組裝裝置
2‧‧‧作業機器人
3‧‧‧手
4‧‧‧機器人控制裝置
11‧‧‧圖像處理系統
12‧‧‧第1圖像處理部
13‧‧‧第2圖像處理部
21‧‧‧第1攝像裝置
22‧‧‧第2攝像裝置
23‧‧‧光學感測器(距離感測器)
41‧‧‧馬達
42‧‧‧輸出軸
43‧‧‧馬達側齒輪(第2齒輪)
61‧‧‧製品機器人

Claims (17)

  1. 一種齒輪機構之組裝裝置，其係用以將第2齒輪嵌合於第1齒輪而組裝齒輪機構者，且包括：機器人，其包含用以保持上述第2齒輪之手；第1攝像裝置，其設置於上述手，且用以拍攝上述第1齒輪；第2攝像裝置，其用以拍攝上述第2齒輪；及圖像處理系統，其係對由上述第1攝像裝置拍攝到之圖像進行圖像處理而獲取上述第2齒輪之嵌入位置及上述第1齒輪之相位，並對由上述第2攝像裝置拍攝到之圖像進行圖像處理而獲取上述第2齒輪之相位及上述第2齒輪之齒輪軸之位置；且該齒輪機構之組裝裝置係構成為，基於藉由上述圖像處理系統所獲取之資訊而控制上述機器人，將由上述手保持之上述第2齒輪之上述齒輪軸對準上述第2齒輪於上述第1齒輪中之嵌入位置，且將上述第2齒輪之相位對準上述第1齒輪之相位，藉此使用上述機器人組裝上述齒輪機構。
  2. 如請求項1之齒輪機構之組裝裝置，其中上述圖像處理系統包括第1圖像處理器件，該第1圖像處理器件係對上述第1齒輪之圖像進行圖像處理而檢測上述第1齒輪之區域，基於檢測出之上述第1齒輪之區域，獲取上述第2齒輪於上述第1齒輪中之嵌入位置及上述第1齒輪之相位。
  3. 如請求項2之齒輪機構之組裝裝置，其中上述第1齒輪包含複數個行星齒輪，且上述第1圖像處理器件係基於上述第1齒輪之區域，抽出攝像圖像中所含之關於上述複數個行星齒輪之谷部分，並將外切於將所抽出之上述谷部分之重心設為圓周上之點之複數個圓弧之 外切圓之中心，設為上述第2齒輪於上述第1齒輪中之嵌入位置，並且將以上述外切圓之中心為基準朝向位於距離上述複數個圓弧中之任一個之與上述外切圓之切點最近之位置之谷部分之重心的方向特定為上述第1齒輪之相位。
  4. 如請求項2之齒輪機構之組裝裝置，其中上述第1齒輪包含複數個行星齒輪，且上述第1圖像處理器件係基於上述第1齒輪之區域，抽出上述第1攝像裝置之攝像圖像中所含之關於上述複數個行星齒輪之谷部分，並將外切於將所抽出之上述谷部分之重心設為圓周上之點之複數個圓弧之外切圓之中心設為上述第2齒輪於上述第1齒輪中之嵌入位置，並且將以上述外切圓之中心為基準朝向如下之上述外切圓之圓周上之點之方向特定為上述第1齒輪之相位，該上述外切圓之圓周上之點係距離上述複數個圓弧中之任一個之與上述外切圓之切點之上述外切圓上之長度，與上述圓弧中存在於距離上述切點最近之位置之谷部分之重心與上述切點之間之上述圓弧之圓周上之長度相等。
  5. 如請求項1至4中之任一項之齒輪機構之組裝裝置，其中上述圖像處理系統包括第2圖像處理器件，該第2圖像處理器件係對上述第2齒輪之圖像進行圖像處理而檢測上述第2齒輪之區域，並基於檢測出之上述第2齒輪之區域，獲取上述第2齒輪之上述齒輪軸之前端部之位置及根部之位置、以及上述第2齒輪之相位。
  6. 如請求項5之齒輪機構之組裝裝置，其以如下方式控制上述機器人，即，基於藉由上述第2圖像處理器件所獲取之上述第2齒輪之上述齒輪軸之前端部之位置及根部之位置，獲取上述第2齒輪之軸心方向，基於上述第2齒輪之上述軸心方向，修正上述手對上述第2齒輪之保持位置之偏移。
  7. 如請求項6之齒輪機構之組裝裝置，其以如下方式控制上述機器人，即，藉由上述第2圖像處理器件獲取上述第2齒輪之上述齒輪軸之前端部之位置及根部之位置後，使上述手旋轉預先設定之角度，藉由上述第2攝像裝置再次拍攝上述第2齒輪，基於再次之攝像圖像，藉由上述第2圖像處理器件再次獲取上述第2齒輪之上述齒輪軸之前端部之位置及根部之位置，基於其等前後2次所獲取之上述第2齒輪之上述齒輪軸之前端部之位置及根部之位置相關之資訊，獲取上述第2齒輪之軸心方向，基於上述第2齒輪之上述軸心方向，修正上述手對上述第2齒輪之保持位置之偏移。
  8. 如請求項1至4中之任一項之齒輪機構之組裝裝置，其中上述第二齒輪設置於馬達之輸出軸，上述手構成為抓持上述馬達，且於上述手設置有用以測定與安裝上述馬達之對象物相隔之距離之光學感測器。
  9. 如請求項1至4中之任一項之齒輪機構之組裝裝置，其中上述齒輪機構係行星齒輪機構，上述第1齒輪為上述行星齒輪機構之行星齒輪，且上述第2齒輪為上述行星齒輪機構之太陽齒輪。
  10. 一種齒輪機構之組裝方法，其係使用機器人將第2齒輪嵌合於第1齒輪而組裝齒輪機構者，且包括：第1齒輪計測步驟，其獲取上述第2齒輪於上述第1齒輪中之嵌入位置及上述第1齒輪之相位；及第2齒輪計測步驟，其獲取上述第2齒輪之相位及齒輪軸之位置；且基於藉由上述第1齒輪計測步驟及上述第2齒輪計測步驟所獲取之資訊控制上述機器人，將保持於上述機器人之手之上述第2 齒輪之上述齒輪軸對準上述第2齒輪於上述第1齒輪中之嵌入位置，並且將上述第2齒輪之相位對準上述第1齒輪之相位，藉此使用機器人組裝上述齒輪機構，上述第1齒輪計測步驟包含使用設置於上述手之攝像裝置獲取上述第1齒輪之圖像而進行圖像處理的第1圖像處理步驟，上述第1圖像處理步驟係對上述第1齒輪之圖像進行圖像處理而檢測上述第1齒輪之區域，基於檢測出之上述第1齒輪之區域，獲取上述第2齒輪於上述第1齒輪中之嵌入位置及上述第1齒輪之相位。
  11. 如請求項10之齒輪機構之組裝方法，其中上述第1齒輪包含複數個行星齒輪，且於上述第1圖像處理步驟中，基於上述第1齒輪之區域，抽出攝像圖像中包含之關於上述複數個行星齒輪之谷部分，並將外切於將所抽出之上述谷部分之重心設為圓周上之點之複數個圓弧之外切圓之中心，設為上述第2齒輪於上述第1齒輪中之嵌入位置，並且將以上述外切圓之中心為基準朝向位於距離上述複數個圓弧中之任一個之與上述外切圓之切點最近之位置之谷部分之重心的方向特定為上述第1齒輪之相位。
  12. 如請求項10之齒輪機構之組裝方法，其中上述第1齒輪包含複數個行星齒輪，且於上述第1圖像處理步驟中，基於上述第1齒輪之區域，抽出攝像圖像中包含之關於上述複數個行星齒輪之谷部分，將外切於將所抽出之上述谷部分之重心設為圓周上之點之複數個圓弧之外切圓之中心設為上述第2齒輪於上述第1齒輪中之嵌入位置，並且將以上述外切圓之中心為基準，朝向如下之上述外切圓之圓周上之點之方向特定為上述第1齒輪之相位，該上述外切 圓之圓周上之點係距離上述複數個圓弧中之任一個之與上述外切圓之切點之上述外切圓上之長度，與上述圓弧中存在於距離上述切點最近之位置之谷部分之重心與上述切點之間之上述圓弧之圓周上之長度相等。
  13. 如請求項10至12中之任一項之齒輪機構之組裝方法，其中上述第2齒輪計測步驟包含獲取上述第2齒輪之圖像而進行圖像處理的第2圖像處理步驟，且上述第2圖像處理步驟係對上述第2齒輪之圖像進行圖像處理而檢測上述第2齒輪之區域，基於檢測出之上述第2齒輪之區域，獲取上述第2齒輪之齒輪軸之前端部之位置及根部之位置、以及上述第2齒輪之相位。
  14. 如請求項13之齒輪機構之組裝方法，其以如下方式控制上述機器人，即，基於藉由上述第2圖像處理步驟所獲取之上述第2齒輪之齒輪軸之前端部之位置及根部之位置，獲取上述第2齒輪之軸心方向，基於上述第2齒輪之上述軸心方向，修正上述手對上述第2齒輪之保持位置之偏移。
  15. 如請求項14之齒輪機構之組裝方法，其以如下方式控制上述機器人，即，於上述第2齒輪計測步驟中獲取上述第2齒輪之上述齒輪軸之前端部之位置及根部之位置後，使上述手旋轉預先所設定之角度，再次拍攝上述第2齒輪，基於再次之攝像圖像再次獲取上述第2齒輪之上述齒輪軸之前端部之位置及根部之位置，基於其等前後2次所獲取之上述第2齒輪之上述齒輪軸之前端部之位置及根部之位置相關之資訊，獲取上述第2齒輪之軸心方向，基於上述第2齒輪之上述軸心方向，修正上述手對上述第2齒輪之保持位置之偏移。
  16. 如請求項10至12中之任一項之齒輪機構之組裝方法，其中 上述第二齒輪設置於馬達之輸出軸，上述手係構成為抓持上述馬達，且藉由設置於上述手之光學感測器計測與安裝上述馬達之對象物相隔之距離，基於該計測結果而產生上述對象物之基軸座標系。
  17. 如請求項10至12中之任一項之齒輪機構之組裝方法，其中上述齒輪機構係行星齒輪機構，上述第1齒輪為上述行星齒輪機構之行星齒輪，且上述第2齒輪為上述行星齒輪機構之太陽齒輪。
TW105116311A 2015-05-25 2016-05-25 齒輪機構之組裝裝置及組裝方法 TWI613054B (zh)

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