力制御ロボット
【課題】力制御ロボットのエンドエフェクタの振動を抑制し、エンドエフェクタに作用する力の検出精度を向上させる。
【解決手段】一方が固定端、他方が可動端となるロボットアーム１の可動端に弾性部材３ａを介して接続されたエンドエフェクタ２は、エンドエフェクタコントローラ６によって開閉動作等を制御される。力覚センサ３は、エンドエフェクタ２に作用する外力を、弾性部材３ａの変形量より検出する。エンドエフェクタコントローラ６は、弾性部材３ａよりロボットアーム１の固定端側に支持され、ロボットコントローラ５は、力覚センサ３の検出値に基づいてロボットアーム１の動作を修正する。
【解決手段】一方が固定端、他方が可動端となるロボットアーム１の可動端に弾性部材３ａを介して接続されたエンドエフェクタ２は、エンドエフェクタコントローラ６によって開閉動作等を制御される。力覚センサ３は、エンドエフェクタ２に作用する外力を、弾性部材３ａの変形量より検出する。エンドエフェクタコントローラ６は、弾性部材３ａよりロボットアーム１の固定端側に支持され、ロボットコントローラ５は、力覚センサ３の検出値に基づいてロボットアーム１の動作を修正する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、部品の組み付け等の作業を行うロボットアームの先端部に、力検出手段とエンドエフェクタを備えた力制御ロボットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、小型で複雑な構造をした製品の組み立てに対する自動化の要求が高まっており、これらの製品は複雑な動作で正確な力制御を伴う組み立てが必要となる。従来より、把持した部品を正確かつ確実に組み付けるため、垂直多関節型のロボットアームの先端に物体を把持する可動機構部を備えるロボットハンド（エンドエフェクタ）と力覚センサを搭載した力制御ロボットがある。力制御ロボットは、組み付け時にロボットハンドにかかる力を力覚センサで検知しながら、ロボットアームとロボットハンドの制御をすることで、複雑な構造をした製品の正確な組み立てを行う。力制御ロボットのようなハンドのセンサ信号を利用して制御を行うロボットには、ロボットアームの先端に取り付けるロボットハンド上に、ロボットハンドの制御回路が搭載される（特許文献１参照）。
【０００３】
図５は従来の力制御ロボットを示すもので、（ａ）は力制御ロボットの全体図であり、（ｂ）は、（ａ）の力制御ロボットの先端部を拡大したものである。この力制御ロボットは、ロボットアーム１０１と、ロボットアーム１０１を制御するロボットコントローラ１０５、力覚センサ１０３、エンドエフェクタ１０２によって構成される。力覚センサ１０３はロボットアーム１０１の可動端側に取り付けられており、エンドエフェクタ１０２は力覚センサ１０３を介し、ロボットアーム１０１に取り付けられている。力覚センサ１０３は、例えば弾性部材と、弾性部材の変形量を検出する変位センサで構成される。エンドエフェクタ１０２は、物体を把持する把持機構部１０２ａと、把持機構部１０２ａを駆動する駆動部１０２ｂ、駆動部１０２ｂを駆動制御するエンドエフェクタコントローラ１０６で構成されている。駆動部１０２ｂは、把持機構部１０２ａを動かす動力としてのサーボモータを有している。エンドエフェクタコントローラ１０６は、エンドエフェクタ１０２の駆動部１０２ｂに配置される。エンドエフェクタコントローラ１０６は、サーボモータを駆動するサーボ回路と、力覚センサの信号処理を行う信号処理回路等を搭載している。
【０００４】
ロボットコントローラ１０５は、組み立ての動作プログラムに基づいて、ロボットアーム１０１を駆動制御しロボットアーム１０１を動作させる。また、エンドエフェクタコントローラ１０６に、力、速度、位置などの動作の指令を送り、エンドエフェクタ１０２を動作させる。
【０００５】
ロボットアーム１０１の先端アームフレーム１０１ａからエンドエフェクタ１０２へ至る電線部材は、複数本の電線１０７からなる。そして、エンドエフェクタコントローラ１０６とロボットコントローラ１０５間の制御信号と、信号処理を施したセンサの検出値の伝達を行う。また、エンドエフェクタ１０２で必要とする電力を電源から供給するための役割もはたしている。エンドエフェクタコントローラ１０６は、ロボットコントローラ１０５より指令を受け、エンドエフェクタ１０２内のサーボモータを駆動する。この際、エンドエフェクタ１０２で把持した部品１２１がワーク１２２に当接したときの部品１２１とワーク１２２間で発生する力を、力覚センサ１０３の弾性部材のたわみ変位量として検出する。ロボットコントローラ１０５は、この検出データを元に、ロボットアーム１０１の動作を修正し、把持された部品１２１とワーク１２２間で発生する力を調整しながら部品１２１をワーク１２２に組み付ける。
【０００６】
このようにして、部品１２１やワーク１２２、エンドエフェクタ１０２などの破損を防止し、良好な状態で把持した部品１２１をワーク１２２に挿入し組み付けを行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭６３−３１２０８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら従来の力制御ロボットでは、力覚センサに支えられたエンドエフェクタ（ロボットハンド）の上に、エンドエフェクタコントローラを配置しているために、以下のような未解決の課題がある。
【０００９】
従来の力制御ロボットは、エンドエフェクタ、力覚センサ、ロボットアームの各々を、ユニット単位で連結し構成されているため、エンドエフェクタコントローラはエンドエフェクタ上に実装される。ロボットアームの重心から遠く離れたエンドエフェクタ上に、制御回路や、力覚センサの信号処理回路などを搭載すると、ロボットアームの過般重量が増加する。そのため、エンドエフェクタ先端の固有振動周波数が低下し、ロボットが動作中の振動や、停止した際の残留振動が大きくなる。振動が大きくなると、力覚センサで正確な検出ができないことから、力制御ロボットによる組み立て作業の正確さを悪化させる原因となっていた。
【００１０】
また、エンドエフェクタコントローラに接続された電線部材は、ロボットアームの関節軸の回転や曲げ動作により、電線部材が引きつられたりロボットに巻きついたりするなどして、電線部材に大きな外力が加わることがある。電線部材に外力が加わり引っ張られると、その外力はエンドエフェクタコントローラから、エンドエフェクタへ伝わるため、力覚センサで本来検出したくない余計な力成分を検出することになる。その結果、力覚センサで正確な検出ができないことから、力制御ロボットによる組み立て作業の正確さを悪化させる原因となっていた。
【００１１】
本発明は、力制御ロボットの振動を抑制するとともに、ロボットによる組み立て時のエンドエフェクタに加わる力を高精度に検出し、正確な組み立てを行うことのできる力制御ロボットを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の力制御ロボットは、一端が固定端、他端が可動端となるロボットアームと、前記ロボットアームの可動端に弾性部材を介して接続され、部品を把持する把持機構部及び把持駆動部を備えたエンドエフェクタと、前記エンドエフェクタの前記把持駆動部を制御し、前記把持機構部を動作させるエンドエフェクタコントローラと、前記ロボットアームの動作を制御するロボットコントローラと、前記エンドエフェクタの前記把持機構部に作用する外力を、前記弾性部材の変形量より検出する力検出手段と、前記ロボットアームの可動端に配置され、前記エンドエフェクタコントローラを前記弾性部材より前記ロボットアームの固定端側に支持する支持手段と、を有し、前記ロボットコントローラは、前記力検出手段の検出値に基づいて前記ロボットアームの動作を修正することを特徴とする。
【００１３】
また、一端が固定端、他端が可動端となるロボットアームと、前記ロボットアームの可動端に接続され、部品を把持する把持機構部及び把持駆動部と、前記把持駆動部を弾性部材を介して支持するエンドエフェクタ筐体と、を備えたエンドエフェクタと、前記エンドエフェクタの前記把持駆動部を制御し、前記把持機構部を動作させるエンドエフェクタコントローラと、前記ロボットアームの動作を制御するロボットコントローラと、前記エンドエフェクタの前記把持機構部に作用する外力を、前記弾性部材の変形量より検出する力検出手段と、を有し、前記エンドエフェクタ筐体は、前記ロボットアームの可動端において前記エンドエフェクタコントローラを前記弾性部材より前記ロボットアームの固定端側に支持する支持手段を備え、前記ロボットコントローラは、前記力検出手段の検出値に基づいて前記ロボットアームの動作を修正することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
エンドエフェクタコントローラの実装位置がロボットアームの重心に近づくため、ロボットの動作中や、停止の際の振動を抑制することができる。その結果、力検出手段の検出値の振動による誤差分の影響が小さくなり、高精度な力制御による複雑な組み立てを行うことができる。
【００１５】
また、エンドエフェクタコントローラに接続された電線部材から受ける外力を、力検出手段に伝えない構成となるため、ロボットによる組み立て時のエンドエフェクタに加わる正確な力を読み取ることができる。これによって、より一層高精度な力制御による複雑な組み立てを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施例１による力制御ロボットを示すもので、（ａ）はその全体を示す模式図、（ｂ）はロボットアームの可動端とエンドエフェクタを拡大して示す図である。
【図２】実施例１に係るもので、（ａ）はエンドエフェクタが変位したときの変位中心を示す図、（ｂ）は一変形例を示す図である。
【図３】実施例２による力制御ロボットを示すもので、（ａ）はその全体を示す模式図、（ｂ）はロボットアームの可動端とエンドエフェクタを拡大して示す図である。
【図４】実施例２に係るもので、エンドエフェクタが変位したときの変位中心を示す図である。
【図５】従来の力制御ロボット示すもので、（ａ）はその全体を示す模式図、（ｂ）はロボットアームの可動端とエンドエフェクタを拡大して示す図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１７】
図１は、実施例１による力制御ロボットを示すもので、（ａ）に示すように、ロボットアーム１は、ｎ個（ｎ≧１、整数）の関節軸を備え、軸と軸との間はアームフレーム等の機構部品により連結されている。ロボットアーム１は、一端を固定端、他端を可動端とし、可動端にはエンドエフェクタ２と力覚センサ３が配置され、固定端は架台４に固定される。ロボットアーム１の可動端は、力覚センサ３を介して、エンドエフェクタ２と接続されている。ロボットアーム１の各軸を、固定端側より、第１軸、第２軸、・・・第Ｎ―１軸、第Ｎ軸とし、可動端を構成する第Ｎ軸のアームフレームを、先端アームフレーム１ａとよぶこととする。ロボットアーム１は、サーボモータ等の動力源を備え、ロボットコントローラ５からの制御信号と、電源１０からの電力供給により、サーボモータを駆動し各関節軸を駆動制御する。
【００１８】
この多関節ロボットの先端部分を拡大したものを図１（ｂ）に示す。力覚センサ３は、弾性部材３ａを介して対向して向かい合った被検出部３ｂと変位検出部３ｃの相対変位を検出する変位センサ（力検出手段）によって構成される。被検出部３ｂと変位検出部３ｃの位置関係は図１（ｂ）の配置と逆であってもかまわない。
【００１９】
変位センサは、例えば非接触式の磁気式センサなどで構成され、エンドエフェクタ２の把持機構部２ａが外力を受けた際の弾性部材３ａの変形量を、変位検出部３ｃの相対変位として検出することで、把持機構部２ａに加わった力を変位として検出する。
【００２０】
エンドエフェクタ２は、把持機構部２ａ及び駆動部（把持駆動部）２ｂにより構成され、駆動部２ｂには把持機構部２ａを駆動する動力源２ｃを備えている。把持機構部２ａは、把持対象となる部品に合わせて、さまざまな形態の把持機構部品に交換し、駆動部２ｂに取り付けることができる。駆動部２ｂは、把持機構部２ａの把持動作を駆動する機構が備えられており、駆動するためのギアやリンク等のメカニカルな機構及びアクチュエータで構成されている。把持機構部２ａは、例えば部品を把持するグリッパであり、動力源２ｃは、例えばサーボモータを採用する。
【００２１】
ロボットアーム１の第Ｎ軸と弾性部材３ａとの間の先端アームフレーム１ａは、エンドエフェクタ２の開閉を制御するエンドエフェクタコントローラ６を弾性部材３ａより固定端側に支持する支持手段を有する。エンドエフェクタコントローラ６は、エンドエフェクタ上の電気回路と、ロボットコントローラ５とに電気的に接続されている。
【００２２】
エンドエフェクタコントローラ６は、動力源２ｃの駆動制御回路と、力覚センサ３の出力（検出値）を変位検出部３ｃから受け取り信号処理する信号処理回路を備えている。さらにエンドエフェクタコントローラ６は、ロボットコントローラ５との通信回路を備え、把持機構部２ａを駆動する駆動パターンや力覚センサ３の出力の信号処理演算した結果を、制御線７ａにより通信する。ロボットコントローラ５から把持機構部２ａに指示する駆動パターンは、例えばエンドエフェクタ２がグリッパ式のハンドであれば、グリッパの開閉位置、速度、力などを指令値とする。制御線７ａを伝達される信号は、例えば差動のシリアル信号プロトコルなどによって行われる。
【００２３】
また、エンドエフェクタコントローラ６は、力覚センサ３、エンドエフェクタ２及びエンドエフェクタコントローラ６自身で消費する電力を、外部の電源１０より受けるための電力線７ｂを備えている。ここで、制御線７ａと電力線７ｂは１本の線として示されているが、それぞれ、２本以上の束線であってかまわない。
【００２４】
図１に示した力制御ロボットが、エンドエフェクタ２で把持した部品をワークに組み付ける際の動作シーケンスを以下に説明する。エンドエフェクタコントローラ６は、ロボットコントローラ５よりエンドエフェクタ２の動作の指令を受けて、エンドエフェクタ２内のサーボモータを駆動する。この際、エンドエフェクタ２で把持した部品がワークに当接したときにエンドエフェクタ２に作用する外力を、力覚センサ３の弾性部材３ａのたわみ変位量（変形量）として検出する。ロボットコントローラ５は、この検出値に基づき、ロボットアーム１の動作を修正し、エンドエフェクタ２に把持された部品とワーク間で発生する力を調整しながら部品をワークに組み付ける。
【００２５】
力制御ロボットは、このような駆動制御の修正を行うことで、把持された部品やワーク、エンドエフェクタ２などの破損を防止し、良好な状態で把持した部品をワークに挿入して組み付けを行う。
【００２６】
本実施例の特徴は、エンドエフェクタコントローラ６を、エンドエフェクタ２に搭載せず、ロボットアーム１の第Ｎ軸と弾性部材３ａとの間の先端アームフレーム１ａに搭載したことにある。
【００２７】
この構成により、エンドエフェクタ２にエンドエフェクタコントローラ６を搭載する場合に比べて、エンドエフェクタコントローラ６が力制御ロボットの固定端側の架台４により近づくため、エンドエフェクタ先端の固有振動周波数の低下が抑制される。そのため、力覚センサ３にとって検出誤差の要因となるエンドエフェクタ２の振動を低減することができ、正確な組み付けを行うことができる。振動収束を待つ必要がなくなるので、ロボットの作業性も向上する。
【００２８】
また、ロボットアーム１の第Ｎ軸と弾性部材３ａとの間の先端アームフレーム１ａに、エンドエフェクタコントローラ６が支持されるため、ロボットアーム１が動作した際の制御線７ａと電力線７ｂの引きつれによる外力を、エンドエフェクタ２に伝えない。さらに、ロボットアーム１が動いたとき、エンドエフェクタコントローラ６とエンドエフェクタ２の間にロボットアーム１の動く関節を介さない。そのため、エンドエフェクタコントローラ６とエンドエフェクタ２とを接続する電線が引っ張られたり、よじれることがなくなり、組み立ての際の力をより正確に検出することができる。すなわち、制御線７ａと電力線７ｂなどの電線を中継留めする中継部材や、保護部材といった、部品を新規に追加することなしに、問題となるケーブルからの外力による力覚センサの検出誤差も排除することができる。
【００２９】
図２（ａ）に示すように、エンドエフェクタ２が外力を受けたとき、ロボットアーム１の可動端に対するエンドエフェクタ２の位置変化が最も小さい作動中心部２１を介して、エンドエフェクタ２の電気部品とエンドエフェクタコントローラ６を接続する。エンドエフェクタ２の中心と力覚センサ部中心を結ぶ直線をＺ軸とすると、図２（ａ）ではエンドエフェクタ２と弾性部材３ａの接合面とＺ軸との交差点が、作動中心部２１となる。このようにエンドエフェクタ２とエンドエフェクタコントローラ６とを電気接続する電線を、ここではエンドエフェクタ線とよぶこととする。エンドエフェクタ線は、実際は複数の電線である。エンドエフェクタ線を、作動中心部２１を介してエンドエフェクタ２に結線すると、エンドエフェクタ２が弾性部材３ａを支点に動いたときに力検出手段の検出誤差の要因となる、電線のばね成分により発生する力の影響を抑制することができる。つまり、力覚センサ３によるさらなる高精度な力の検出が可能となり、正確な組み立てが実現できる。
【００３０】
エンドエフェクタコントローラ６は、先端アームフレーム１ａの外装表面に取り付けてもよいし、内部を空洞とした先端アームフレーム１ａの内部に取り付けてもかまわない。先端アームフレーム１ａにエンドエフェクタコントローラ６を固定する支持手段としては、先端アームフレーム１ａに、エンドエフェクタコントローラ６を固定するための溝を設ける。また、先端アームフレーム１ａとエンドエフェクタコントローラ６との間に、スペーサーなどの固定するための部材を介し、ネジや接着により、先端アームフレーム１ａとエンドエフェクタコントローラ６を固定するようにしてもよい。本実施例のエンドエフェクタは平行グリッパタイプであるが、これに限らず、複数の関節と、フィンガーを供えた人間の手に近い多指形状の汎用ハンドであってもよい。
【００３１】
図２（ｂ）に示すように、弾性部材３ａと先端アームフレーム１ａの間に、弾性部材３ａを支持する力覚センサ支持体３ｄが独立に存在した場合も、先端アームフレーム１ａにエンドエフェクタコントローラ６を配置することで同様の効果を得ることができる。
【実施例２】
【００３２】
図３は実施例２による力制御ロボットを示すもので、（ａ）に示すように、ロボットアーム１は、ｎ個（ｎ≧１、整数）の関節軸を備え、軸と軸との間はアーム等の機構部品により連結されている。ロボットアーム１は、一方を固定端、他方を可動端とし、固定端は架台４に固定され、可動端には、力覚センサ内蔵型のエンドエフェクタ２２が配置されている。ロボットアーム１の各軸を、固定端側より、第１軸、第２軸、・・・第Ｎ―１軸、第Ｎ軸とし、可動端を構成する第Ｎ軸のアームフレームを、先端アームフレーム１ａとよぶこととする。ロボットアーム１は、サーボモータ等の動力源を備え、ロボットコントローラ５からの制御信号と、電源１０からの電力供給により、サーボモータを駆動し各関節軸を制御する。
【００３３】
力覚センサ内蔵型のエンドエフェクタ２２は、図３（ｂ）に示すように、部品を把持する把持機構部２２ａと、把持機構部２２ａを駆動するための駆動部（把持駆動部）２２ｂと、動力源２２ｃと、エンドエフェクタ筐体２２ｄとを有する。力覚センサ３は、エンドエフェクタ２２が把持機構部２２ａで受けた力を変位に変換するための弾性部材３ａと、被検出部３ｂと、変位検出部３ｃとを有する。弾性部材３ａは、エンドエフェクタ２２の駆動部２２ｂとエンドエフェクタ筐体２２ｄの間に配置されている。把持機構部２２ａの中心と力覚センサ３の中心を結ぶ直線をＺ軸とする。
【００３４】
把持機構部２２ａは、把持対象となる部品に合わせて、さまざまな形態の把持機構部品に交換し、駆動部２２ｂに取り付けることができる。駆動部２２ｂは、把持機構部２２ａの把持動作を駆動する機構が備えられており、駆動するためのギアやリンク等のメカニカルな機構及びアクチュエータ等がユニットとなっている。力覚センサ３は、対抗する被検出部３ｂと変位検出部３ｃの相対変位を、変位検出部３ｃで検出する変位センサによって構成される。
【００３５】
力覚センサ３の被検出部３ｂはエンドエフェクタ２２の駆動部２２ｂ側に配置され、対向するエンドエフェクタ筐体２２ｄの底部に変位検出部３ｃが配置されている。被検出部３ｂと変位検出部３ｃの位置関係は逆であってもかまわない。
【００３６】
エンドエフェクタ２２で部品を把持して組み付けるときに部品に反力が加わると、把持機構部２２ａに力が伝わり、駆動部２２ｂが弾性部材３ａを支点に変位する。例えば被検出部３ｂを磁気出力素子とし、変位検出素子をホール素子などの磁気検出素子とすると、組み付け反力による、被検出部３ｂの変位を、変位検出部３ｃの出力の変化により検出する。これによって組み付け反力の大きさや方向を検出する。
【００３７】
力覚センサ内蔵型のエンドエフェクタ２２は、ロボットアーム１の可動端に固着されたエンドエフェクタ筐体２２ｄを有し、弾性部材３ａは、Ｚ方向に駆動部２２ｂの重心位置に配置してある。ロボットアーム１が動作したとき働く慣性力は、弾性部材３ａを介して結合されている駆動部２２ｂと把持機構部２２ａを合わせた部分に主にかかる。把持機構部２２ａは、駆動部２２ｂに比べて質量が充分に小さいので、重心位置への影響は小さく、（把持機構部２２ａ＋駆動部２２ｂの重心位置）≒（駆動部２２ｂの重心位置）となる。
【００３８】
本実施例では、ロボットアーム１の先端アームフレーム１ａに固着されたエンドエフェクタ筐体２２ｄが、弾性部材３ａよりロボットアーム１の固定端側にエンドエフェクタコントローラ２６を支持する支持手段を備える。エンドエフェクタコントローラ２６は、エンドエフェクタ上の電気回路と、ロボットコントローラ５に電気的に接続されている。なお、この構成で、先端アームフレーム１ａにエンドエフェクタコントローラ２６を支持させてもよい。
【００３９】
エンドエフェクタコントローラ２６は、駆動源２２ｃの駆動制御回路と、力覚センサ３の出力を変位検出部３ｃから受け取り信号処理する信号処理回路を備えている。さらにエンドエフェクタコントローラ２６は、ロボットコントローラ５との通信回路を備え、把持機構部２２ａを駆動する駆動パターンや力覚センサ部の信号処理演算した結果を、制御線２７ａにより通信する。ロボットコントローラ５から把持機構部２２ａに指示する駆動パターンは、例えばエンドエフェクタ２２がグリッパ式のハンドであれば、グリッパの開閉位置、速度、力などを指令値とする。制御線２７ａを伝達される信号は、例えば差動のシリアル信号プロトコルなどによって行われる。
【００４０】
また、エンドエフェクタコントローラ２６は、力覚センサ３やエンドエフェクタ２２、エンドエフェクタコントローラ２６自身で消費する電力を、外部の電源１０より受けるための電力線２７ｂを備えている。ここで、制御線２７ａと電力線２７ｂは１本の線として示されているが、それぞれ、２本以上の束線であってかまわない。
【００４１】
本実施例による力制御ロボットが、エンドエフェクタ２２で把持した部品をワークに組み付ける際の動作シーケンスを以下に説明する。エンドエフェクタコントローラ２６は、ロボットコントローラ５よりエンドエフェクタ２２の動作の指令を受けて、駆動部２２ｂ内のサーボモータを駆動する。この際、把持機構部２２ａで把持した部品が、ワークに当接したときの部品とワーク間で発生する力を、弾性部材３ａのたわみ変位量（変形量）として検出する。ロボットコントローラ５は、この検出値に基づき、ロボットアーム１の動作を修正し、エンドエフェクタ２２に把持された部品とワーク間で発生する力を調整しながら部品をワークに組み付ける。このようにして、力制御ロボットは、把持された部品やワーク、エンドエフェクタ２２などの破損を防止し、良好な状態で把持した部品をワークに挿入して組み付けを行う。
【００４２】
本実施例は、実施例１と同様の効果に加えて、弾性部材３ａを把持機構部２２ａの近傍に備えたことにより、弾性部材３ａの変形による駆動部２２ｂの変形支点との距離を大きくとることができる。そのため、力覚センサでエンドエフェクタを支えた積層構造に比較して、エンドエフェクタ自体の小型化ができる。小型化によって、ロボットアーム先端の把持機構部２２ａの振動を抑制することができ、検出感度を落とすこと無く力覚センサ部で変位拡大することができる。また、変位拡大されていることから弾性部材３ａの剛性も落とす必要が無くなり、小型化と同時に高速化への対応も可能となる。
【００４３】
駆動部２２ｂの重心位置と弾性部材３ａの変形支点を一致させることで、弾性部材３ａの変形支点と駆動部２２ｂの重心位置の位置差によるモーメント力が力覚センサ部に及ぼす影響を極力小さくすることができる。よって、ロボットアーム１を動作させたときの、被検出部２３ｂと変位検出部２３ｃの位置決め静定時間を短くし、力覚センサ３の検出を高速化できる。
【００４４】
図４に示すように、把持機構部２２ａが外力を受けたとき、エンドエフェクタ筐体２２ｄに対する把持機構部２２ａの位置変化が最も小さい場所を作動中心部２１と呼ぶことにする。図４では、作動中心部２１は、駆動部２２の重心となる。作動中心部２１を介して、駆動部２２ｂに実装されたサーボモータなどの電気回路及び電気部品と、エンドエフェクタコントローラ２６とを電気接続する電線を、ここではエンドエフェクタ線とよぶこととする。エンドエフェクタ線は、実際は複数の電線である。エンドエフェクタ線を、作動中心部２１を介して駆動部２２ｂに結線すると、駆動部２２ｂが弾性部材３ａを支点に動いたとき、力覚センサ３の検出誤差の要因となる、電線のばね成分により発生する力の変動の影響を抑制することができる。つまり、力覚センサ３によるさらなる高精度な力の検出が可能となり、正確な組み立てが実現できる。
【００４５】
上記実施例１、２において、エンドエフェクタの把持機構部は、部品を把持できるものであれば２本である必要はない。また、エンドエフェクタの駆動部は、把持機構部による把持を可能とする駆動機構であれば、駆動源（電磁式や圧空式など）や機構部（ギア、リンクなど）も何でも構わない。弾性部材は、エンドエフェクタが変位することができれば材質及び構成は限定されず、複数部品を組み合わせたユニットでも構わない。力覚センサ部は、ホール素子などを想定したが、相対変位が検出できるセンサであれば、レーザ変位計や渦電流センサ等でも構わない。また、検出素子の数、位置を変えることで６軸の検出も可能となる。
【符号の説明】
【００４６】
１ ロボットアーム
１ａ 先端アームフレーム
２、２２ エンドエフェクタ
３ 力覚センサ
３ａ 弾性部材
４ 架台
５ ロボットコントローラ
６、２６ エンドエフェクタコントローラ
２２ｄ エンドエフェクタ筐体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、部品の組み付け等の作業を行うロボットアームの先端部に、力検出手段とエンドエフェクタを備えた力制御ロボットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、小型で複雑な構造をした製品の組み立てに対する自動化の要求が高まっており、これらの製品は複雑な動作で正確な力制御を伴う組み立てが必要となる。従来より、把持した部品を正確かつ確実に組み付けるため、垂直多関節型のロボットアームの先端に物体を把持する可動機構部を備えるロボットハンド（エンドエフェクタ）と力覚センサを搭載した力制御ロボットがある。力制御ロボットは、組み付け時にロボットハンドにかかる力を力覚センサで検知しながら、ロボットアームとロボットハンドの制御をすることで、複雑な構造をした製品の正確な組み立てを行う。力制御ロボットのようなハンドのセンサ信号を利用して制御を行うロボットには、ロボットアームの先端に取り付けるロボットハンド上に、ロボットハンドの制御回路が搭載される（特許文献１参照）。
【０００３】
図５は従来の力制御ロボットを示すもので、（ａ）は力制御ロボットの全体図であり、（ｂ）は、（ａ）の力制御ロボットの先端部を拡大したものである。この力制御ロボットは、ロボットアーム１０１と、ロボットアーム１０１を制御するロボットコントローラ１０５、力覚センサ１０３、エンドエフェクタ１０２によって構成される。力覚センサ１０３はロボットアーム１０１の可動端側に取り付けられており、エンドエフェクタ１０２は力覚センサ１０３を介し、ロボットアーム１０１に取り付けられている。力覚センサ１０３は、例えば弾性部材と、弾性部材の変形量を検出する変位センサで構成される。エンドエフェクタ１０２は、物体を把持する把持機構部１０２ａと、把持機構部１０２ａを駆動する駆動部１０２ｂ、駆動部１０２ｂを駆動制御するエンドエフェクタコントローラ１０６で構成されている。駆動部１０２ｂは、把持機構部１０２ａを動かす動力としてのサーボモータを有している。エンドエフェクタコントローラ１０６は、エンドエフェクタ１０２の駆動部１０２ｂに配置される。エンドエフェクタコントローラ１０６は、サーボモータを駆動するサーボ回路と、力覚センサの信号処理を行う信号処理回路等を搭載している。
【０００４】
ロボットコントローラ１０５は、組み立ての動作プログラムに基づいて、ロボットアーム１０１を駆動制御しロボットアーム１０１を動作させる。また、エンドエフェクタコントローラ１０６に、力、速度、位置などの動作の指令を送り、エンドエフェクタ１０２を動作させる。
【０００５】
ロボットアーム１０１の先端アームフレーム１０１ａからエンドエフェクタ１０２へ至る電線部材は、複数本の電線１０７からなる。そして、エンドエフェクタコントローラ１０６とロボットコントローラ１０５間の制御信号と、信号処理を施したセンサの検出値の伝達を行う。また、エンドエフェクタ１０２で必要とする電力を電源から供給するための役割もはたしている。エンドエフェクタコントローラ１０６は、ロボットコントローラ１０５より指令を受け、エンドエフェクタ１０２内のサーボモータを駆動する。この際、エンドエフェクタ１０２で把持した部品１２１がワーク１２２に当接したときの部品１２１とワーク１２２間で発生する力を、力覚センサ１０３の弾性部材のたわみ変位量として検出する。ロボットコントローラ１０５は、この検出データを元に、ロボットアーム１０１の動作を修正し、把持された部品１２１とワーク１２２間で発生する力を調整しながら部品１２１をワーク１２２に組み付ける。
【０００６】
このようにして、部品１２１やワーク１２２、エンドエフェクタ１０２などの破損を防止し、良好な状態で把持した部品１２１をワーク１２２に挿入し組み付けを行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭６３−３１２０８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら従来の力制御ロボットでは、力覚センサに支えられたエンドエフェクタ（ロボットハンド）の上に、エンドエフェクタコントローラを配置しているために、以下のような未解決の課題がある。
【０００９】
従来の力制御ロボットは、エンドエフェクタ、力覚センサ、ロボットアームの各々を、ユニット単位で連結し構成されているため、エンドエフェクタコントローラはエンドエフェクタ上に実装される。ロボットアームの重心から遠く離れたエンドエフェクタ上に、制御回路や、力覚センサの信号処理回路などを搭載すると、ロボットアームの過般重量が増加する。そのため、エンドエフェクタ先端の固有振動周波数が低下し、ロボットが動作中の振動や、停止した際の残留振動が大きくなる。振動が大きくなると、力覚センサで正確な検出ができないことから、力制御ロボットによる組み立て作業の正確さを悪化させる原因となっていた。
【００１０】
また、エンドエフェクタコントローラに接続された電線部材は、ロボットアームの関節軸の回転や曲げ動作により、電線部材が引きつられたりロボットに巻きついたりするなどして、電線部材に大きな外力が加わることがある。電線部材に外力が加わり引っ張られると、その外力はエンドエフェクタコントローラから、エンドエフェクタへ伝わるため、力覚センサで本来検出したくない余計な力成分を検出することになる。その結果、力覚センサで正確な検出ができないことから、力制御ロボットによる組み立て作業の正確さを悪化させる原因となっていた。
【００１１】
本発明は、力制御ロボットの振動を抑制するとともに、ロボットによる組み立て時のエンドエフェクタに加わる力を高精度に検出し、正確な組み立てを行うことのできる力制御ロボットを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の力制御ロボットは、一端が固定端、他端が可動端となるロボットアームと、前記ロボットアームの可動端に弾性部材を介して接続され、部品を把持する把持機構部及び把持駆動部を備えたエンドエフェクタと、前記エンドエフェクタの前記把持駆動部を制御し、前記把持機構部を動作させるエンドエフェクタコントローラと、前記ロボットアームの動作を制御するロボットコントローラと、前記エンドエフェクタの前記把持機構部に作用する外力を、前記弾性部材の変形量より検出する力検出手段と、前記ロボットアームの可動端に配置され、前記エンドエフェクタコントローラを前記弾性部材より前記ロボットアームの固定端側に支持する支持手段と、を有し、前記ロボットコントローラは、前記力検出手段の検出値に基づいて前記ロボットアームの動作を修正することを特徴とする。
【００１３】
また、一端が固定端、他端が可動端となるロボットアームと、前記ロボットアームの可動端に接続され、部品を把持する把持機構部及び把持駆動部と、前記把持駆動部を弾性部材を介して支持するエンドエフェクタ筐体と、を備えたエンドエフェクタと、前記エンドエフェクタの前記把持駆動部を制御し、前記把持機構部を動作させるエンドエフェクタコントローラと、前記ロボットアームの動作を制御するロボットコントローラと、前記エンドエフェクタの前記把持機構部に作用する外力を、前記弾性部材の変形量より検出する力検出手段と、を有し、前記エンドエフェクタ筐体は、前記ロボットアームの可動端において前記エンドエフェクタコントローラを前記弾性部材より前記ロボットアームの固定端側に支持する支持手段を備え、前記ロボットコントローラは、前記力検出手段の検出値に基づいて前記ロボットアームの動作を修正することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
エンドエフェクタコントローラの実装位置がロボットアームの重心に近づくため、ロボットの動作中や、停止の際の振動を抑制することができる。その結果、力検出手段の検出値の振動による誤差分の影響が小さくなり、高精度な力制御による複雑な組み立てを行うことができる。
【００１５】
また、エンドエフェクタコントローラに接続された電線部材から受ける外力を、力検出手段に伝えない構成となるため、ロボットによる組み立て時のエンドエフェクタに加わる正確な力を読み取ることができる。これによって、より一層高精度な力制御による複雑な組み立てを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施例１による力制御ロボットを示すもので、（ａ）はその全体を示す模式図、（ｂ）はロボットアームの可動端とエンドエフェクタを拡大して示す図である。
【図２】実施例１に係るもので、（ａ）はエンドエフェクタが変位したときの変位中心を示す図、（ｂ）は一変形例を示す図である。
【図３】実施例２による力制御ロボットを示すもので、（ａ）はその全体を示す模式図、（ｂ）はロボットアームの可動端とエンドエフェクタを拡大して示す図である。
【図４】実施例２に係るもので、エンドエフェクタが変位したときの変位中心を示す図である。
【図５】従来の力制御ロボット示すもので、（ａ）はその全体を示す模式図、（ｂ）はロボットアームの可動端とエンドエフェクタを拡大して示す図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１７】
図１は、実施例１による力制御ロボットを示すもので、（ａ）に示すように、ロボットアーム１は、ｎ個（ｎ≧１、整数）の関節軸を備え、軸と軸との間はアームフレーム等の機構部品により連結されている。ロボットアーム１は、一端を固定端、他端を可動端とし、可動端にはエンドエフェクタ２と力覚センサ３が配置され、固定端は架台４に固定される。ロボットアーム１の可動端は、力覚センサ３を介して、エンドエフェクタ２と接続されている。ロボットアーム１の各軸を、固定端側より、第１軸、第２軸、・・・第Ｎ―１軸、第Ｎ軸とし、可動端を構成する第Ｎ軸のアームフレームを、先端アームフレーム１ａとよぶこととする。ロボットアーム１は、サーボモータ等の動力源を備え、ロボットコントローラ５からの制御信号と、電源１０からの電力供給により、サーボモータを駆動し各関節軸を駆動制御する。
【００１８】
この多関節ロボットの先端部分を拡大したものを図１（ｂ）に示す。力覚センサ３は、弾性部材３ａを介して対向して向かい合った被検出部３ｂと変位検出部３ｃの相対変位を検出する変位センサ（力検出手段）によって構成される。被検出部３ｂと変位検出部３ｃの位置関係は図１（ｂ）の配置と逆であってもかまわない。
【００１９】
変位センサは、例えば非接触式の磁気式センサなどで構成され、エンドエフェクタ２の把持機構部２ａが外力を受けた際の弾性部材３ａの変形量を、変位検出部３ｃの相対変位として検出することで、把持機構部２ａに加わった力を変位として検出する。
【００２０】
エンドエフェクタ２は、把持機構部２ａ及び駆動部（把持駆動部）２ｂにより構成され、駆動部２ｂには把持機構部２ａを駆動する動力源２ｃを備えている。把持機構部２ａは、把持対象となる部品に合わせて、さまざまな形態の把持機構部品に交換し、駆動部２ｂに取り付けることができる。駆動部２ｂは、把持機構部２ａの把持動作を駆動する機構が備えられており、駆動するためのギアやリンク等のメカニカルな機構及びアクチュエータで構成されている。把持機構部２ａは、例えば部品を把持するグリッパであり、動力源２ｃは、例えばサーボモータを採用する。
【００２１】
ロボットアーム１の第Ｎ軸と弾性部材３ａとの間の先端アームフレーム１ａは、エンドエフェクタ２の開閉を制御するエンドエフェクタコントローラ６を弾性部材３ａより固定端側に支持する支持手段を有する。エンドエフェクタコントローラ６は、エンドエフェクタ上の電気回路と、ロボットコントローラ５とに電気的に接続されている。
【００２２】
エンドエフェクタコントローラ６は、動力源２ｃの駆動制御回路と、力覚センサ３の出力（検出値）を変位検出部３ｃから受け取り信号処理する信号処理回路を備えている。さらにエンドエフェクタコントローラ６は、ロボットコントローラ５との通信回路を備え、把持機構部２ａを駆動する駆動パターンや力覚センサ３の出力の信号処理演算した結果を、制御線７ａにより通信する。ロボットコントローラ５から把持機構部２ａに指示する駆動パターンは、例えばエンドエフェクタ２がグリッパ式のハンドであれば、グリッパの開閉位置、速度、力などを指令値とする。制御線７ａを伝達される信号は、例えば差動のシリアル信号プロトコルなどによって行われる。
【００２３】
また、エンドエフェクタコントローラ６は、力覚センサ３、エンドエフェクタ２及びエンドエフェクタコントローラ６自身で消費する電力を、外部の電源１０より受けるための電力線７ｂを備えている。ここで、制御線７ａと電力線７ｂは１本の線として示されているが、それぞれ、２本以上の束線であってかまわない。
【００２４】
図１に示した力制御ロボットが、エンドエフェクタ２で把持した部品をワークに組み付ける際の動作シーケンスを以下に説明する。エンドエフェクタコントローラ６は、ロボットコントローラ５よりエンドエフェクタ２の動作の指令を受けて、エンドエフェクタ２内のサーボモータを駆動する。この際、エンドエフェクタ２で把持した部品がワークに当接したときにエンドエフェクタ２に作用する外力を、力覚センサ３の弾性部材３ａのたわみ変位量（変形量）として検出する。ロボットコントローラ５は、この検出値に基づき、ロボットアーム１の動作を修正し、エンドエフェクタ２に把持された部品とワーク間で発生する力を調整しながら部品をワークに組み付ける。
【００２５】
力制御ロボットは、このような駆動制御の修正を行うことで、把持された部品やワーク、エンドエフェクタ２などの破損を防止し、良好な状態で把持した部品をワークに挿入して組み付けを行う。
【００２６】
本実施例の特徴は、エンドエフェクタコントローラ６を、エンドエフェクタ２に搭載せず、ロボットアーム１の第Ｎ軸と弾性部材３ａとの間の先端アームフレーム１ａに搭載したことにある。
【００２７】
この構成により、エンドエフェクタ２にエンドエフェクタコントローラ６を搭載する場合に比べて、エンドエフェクタコントローラ６が力制御ロボットの固定端側の架台４により近づくため、エンドエフェクタ先端の固有振動周波数の低下が抑制される。そのため、力覚センサ３にとって検出誤差の要因となるエンドエフェクタ２の振動を低減することができ、正確な組み付けを行うことができる。振動収束を待つ必要がなくなるので、ロボットの作業性も向上する。
【００２８】
また、ロボットアーム１の第Ｎ軸と弾性部材３ａとの間の先端アームフレーム１ａに、エンドエフェクタコントローラ６が支持されるため、ロボットアーム１が動作した際の制御線７ａと電力線７ｂの引きつれによる外力を、エンドエフェクタ２に伝えない。さらに、ロボットアーム１が動いたとき、エンドエフェクタコントローラ６とエンドエフェクタ２の間にロボットアーム１の動く関節を介さない。そのため、エンドエフェクタコントローラ６とエンドエフェクタ２とを接続する電線が引っ張られたり、よじれることがなくなり、組み立ての際の力をより正確に検出することができる。すなわち、制御線７ａと電力線７ｂなどの電線を中継留めする中継部材や、保護部材といった、部品を新規に追加することなしに、問題となるケーブルからの外力による力覚センサの検出誤差も排除することができる。
【００２９】
図２（ａ）に示すように、エンドエフェクタ２が外力を受けたとき、ロボットアーム１の可動端に対するエンドエフェクタ２の位置変化が最も小さい作動中心部２１を介して、エンドエフェクタ２の電気部品とエンドエフェクタコントローラ６を接続する。エンドエフェクタ２の中心と力覚センサ部中心を結ぶ直線をＺ軸とすると、図２（ａ）ではエンドエフェクタ２と弾性部材３ａの接合面とＺ軸との交差点が、作動中心部２１となる。このようにエンドエフェクタ２とエンドエフェクタコントローラ６とを電気接続する電線を、ここではエンドエフェクタ線とよぶこととする。エンドエフェクタ線は、実際は複数の電線である。エンドエフェクタ線を、作動中心部２１を介してエンドエフェクタ２に結線すると、エンドエフェクタ２が弾性部材３ａを支点に動いたときに力検出手段の検出誤差の要因となる、電線のばね成分により発生する力の影響を抑制することができる。つまり、力覚センサ３によるさらなる高精度な力の検出が可能となり、正確な組み立てが実現できる。
【００３０】
エンドエフェクタコントローラ６は、先端アームフレーム１ａの外装表面に取り付けてもよいし、内部を空洞とした先端アームフレーム１ａの内部に取り付けてもかまわない。先端アームフレーム１ａにエンドエフェクタコントローラ６を固定する支持手段としては、先端アームフレーム１ａに、エンドエフェクタコントローラ６を固定するための溝を設ける。また、先端アームフレーム１ａとエンドエフェクタコントローラ６との間に、スペーサーなどの固定するための部材を介し、ネジや接着により、先端アームフレーム１ａとエンドエフェクタコントローラ６を固定するようにしてもよい。本実施例のエンドエフェクタは平行グリッパタイプであるが、これに限らず、複数の関節と、フィンガーを供えた人間の手に近い多指形状の汎用ハンドであってもよい。
【００３１】
図２（ｂ）に示すように、弾性部材３ａと先端アームフレーム１ａの間に、弾性部材３ａを支持する力覚センサ支持体３ｄが独立に存在した場合も、先端アームフレーム１ａにエンドエフェクタコントローラ６を配置することで同様の効果を得ることができる。
【実施例２】
【００３２】
図３は実施例２による力制御ロボットを示すもので、（ａ）に示すように、ロボットアーム１は、ｎ個（ｎ≧１、整数）の関節軸を備え、軸と軸との間はアーム等の機構部品により連結されている。ロボットアーム１は、一方を固定端、他方を可動端とし、固定端は架台４に固定され、可動端には、力覚センサ内蔵型のエンドエフェクタ２２が配置されている。ロボットアーム１の各軸を、固定端側より、第１軸、第２軸、・・・第Ｎ―１軸、第Ｎ軸とし、可動端を構成する第Ｎ軸のアームフレームを、先端アームフレーム１ａとよぶこととする。ロボットアーム１は、サーボモータ等の動力源を備え、ロボットコントローラ５からの制御信号と、電源１０からの電力供給により、サーボモータを駆動し各関節軸を制御する。
【００３３】
力覚センサ内蔵型のエンドエフェクタ２２は、図３（ｂ）に示すように、部品を把持する把持機構部２２ａと、把持機構部２２ａを駆動するための駆動部（把持駆動部）２２ｂと、動力源２２ｃと、エンドエフェクタ筐体２２ｄとを有する。力覚センサ３は、エンドエフェクタ２２が把持機構部２２ａで受けた力を変位に変換するための弾性部材３ａと、被検出部３ｂと、変位検出部３ｃとを有する。弾性部材３ａは、エンドエフェクタ２２の駆動部２２ｂとエンドエフェクタ筐体２２ｄの間に配置されている。把持機構部２２ａの中心と力覚センサ３の中心を結ぶ直線をＺ軸とする。
【００３４】
把持機構部２２ａは、把持対象となる部品に合わせて、さまざまな形態の把持機構部品に交換し、駆動部２２ｂに取り付けることができる。駆動部２２ｂは、把持機構部２２ａの把持動作を駆動する機構が備えられており、駆動するためのギアやリンク等のメカニカルな機構及びアクチュエータ等がユニットとなっている。力覚センサ３は、対抗する被検出部３ｂと変位検出部３ｃの相対変位を、変位検出部３ｃで検出する変位センサによって構成される。
【００３５】
力覚センサ３の被検出部３ｂはエンドエフェクタ２２の駆動部２２ｂ側に配置され、対向するエンドエフェクタ筐体２２ｄの底部に変位検出部３ｃが配置されている。被検出部３ｂと変位検出部３ｃの位置関係は逆であってもかまわない。
【００３６】
エンドエフェクタ２２で部品を把持して組み付けるときに部品に反力が加わると、把持機構部２２ａに力が伝わり、駆動部２２ｂが弾性部材３ａを支点に変位する。例えば被検出部３ｂを磁気出力素子とし、変位検出素子をホール素子などの磁気検出素子とすると、組み付け反力による、被検出部３ｂの変位を、変位検出部３ｃの出力の変化により検出する。これによって組み付け反力の大きさや方向を検出する。
【００３７】
力覚センサ内蔵型のエンドエフェクタ２２は、ロボットアーム１の可動端に固着されたエンドエフェクタ筐体２２ｄを有し、弾性部材３ａは、Ｚ方向に駆動部２２ｂの重心位置に配置してある。ロボットアーム１が動作したとき働く慣性力は、弾性部材３ａを介して結合されている駆動部２２ｂと把持機構部２２ａを合わせた部分に主にかかる。把持機構部２２ａは、駆動部２２ｂに比べて質量が充分に小さいので、重心位置への影響は小さく、（把持機構部２２ａ＋駆動部２２ｂの重心位置）≒（駆動部２２ｂの重心位置）となる。
【００３８】
本実施例では、ロボットアーム１の先端アームフレーム１ａに固着されたエンドエフェクタ筐体２２ｄが、弾性部材３ａよりロボットアーム１の固定端側にエンドエフェクタコントローラ２６を支持する支持手段を備える。エンドエフェクタコントローラ２６は、エンドエフェクタ上の電気回路と、ロボットコントローラ５に電気的に接続されている。なお、この構成で、先端アームフレーム１ａにエンドエフェクタコントローラ２６を支持させてもよい。
【００３９】
エンドエフェクタコントローラ２６は、駆動源２２ｃの駆動制御回路と、力覚センサ３の出力を変位検出部３ｃから受け取り信号処理する信号処理回路を備えている。さらにエンドエフェクタコントローラ２６は、ロボットコントローラ５との通信回路を備え、把持機構部２２ａを駆動する駆動パターンや力覚センサ部の信号処理演算した結果を、制御線２７ａにより通信する。ロボットコントローラ５から把持機構部２２ａに指示する駆動パターンは、例えばエンドエフェクタ２２がグリッパ式のハンドであれば、グリッパの開閉位置、速度、力などを指令値とする。制御線２７ａを伝達される信号は、例えば差動のシリアル信号プロトコルなどによって行われる。
【００４０】
また、エンドエフェクタコントローラ２６は、力覚センサ３やエンドエフェクタ２２、エンドエフェクタコントローラ２６自身で消費する電力を、外部の電源１０より受けるための電力線２７ｂを備えている。ここで、制御線２７ａと電力線２７ｂは１本の線として示されているが、それぞれ、２本以上の束線であってかまわない。
【００４１】
本実施例による力制御ロボットが、エンドエフェクタ２２で把持した部品をワークに組み付ける際の動作シーケンスを以下に説明する。エンドエフェクタコントローラ２６は、ロボットコントローラ５よりエンドエフェクタ２２の動作の指令を受けて、駆動部２２ｂ内のサーボモータを駆動する。この際、把持機構部２２ａで把持した部品が、ワークに当接したときの部品とワーク間で発生する力を、弾性部材３ａのたわみ変位量（変形量）として検出する。ロボットコントローラ５は、この検出値に基づき、ロボットアーム１の動作を修正し、エンドエフェクタ２２に把持された部品とワーク間で発生する力を調整しながら部品をワークに組み付ける。このようにして、力制御ロボットは、把持された部品やワーク、エンドエフェクタ２２などの破損を防止し、良好な状態で把持した部品をワークに挿入して組み付けを行う。
【００４２】
本実施例は、実施例１と同様の効果に加えて、弾性部材３ａを把持機構部２２ａの近傍に備えたことにより、弾性部材３ａの変形による駆動部２２ｂの変形支点との距離を大きくとることができる。そのため、力覚センサでエンドエフェクタを支えた積層構造に比較して、エンドエフェクタ自体の小型化ができる。小型化によって、ロボットアーム先端の把持機構部２２ａの振動を抑制することができ、検出感度を落とすこと無く力覚センサ部で変位拡大することができる。また、変位拡大されていることから弾性部材３ａの剛性も落とす必要が無くなり、小型化と同時に高速化への対応も可能となる。
【００４３】
駆動部２２ｂの重心位置と弾性部材３ａの変形支点を一致させることで、弾性部材３ａの変形支点と駆動部２２ｂの重心位置の位置差によるモーメント力が力覚センサ部に及ぼす影響を極力小さくすることができる。よって、ロボットアーム１を動作させたときの、被検出部２３ｂと変位検出部２３ｃの位置決め静定時間を短くし、力覚センサ３の検出を高速化できる。
【００４４】
図４に示すように、把持機構部２２ａが外力を受けたとき、エンドエフェクタ筐体２２ｄに対する把持機構部２２ａの位置変化が最も小さい場所を作動中心部２１と呼ぶことにする。図４では、作動中心部２１は、駆動部２２の重心となる。作動中心部２１を介して、駆動部２２ｂに実装されたサーボモータなどの電気回路及び電気部品と、エンドエフェクタコントローラ２６とを電気接続する電線を、ここではエンドエフェクタ線とよぶこととする。エンドエフェクタ線は、実際は複数の電線である。エンドエフェクタ線を、作動中心部２１を介して駆動部２２ｂに結線すると、駆動部２２ｂが弾性部材３ａを支点に動いたとき、力覚センサ３の検出誤差の要因となる、電線のばね成分により発生する力の変動の影響を抑制することができる。つまり、力覚センサ３によるさらなる高精度な力の検出が可能となり、正確な組み立てが実現できる。
【００４５】
上記実施例１、２において、エンドエフェクタの把持機構部は、部品を把持できるものであれば２本である必要はない。また、エンドエフェクタの駆動部は、把持機構部による把持を可能とする駆動機構であれば、駆動源（電磁式や圧空式など）や機構部（ギア、リンクなど）も何でも構わない。弾性部材は、エンドエフェクタが変位することができれば材質及び構成は限定されず、複数部品を組み合わせたユニットでも構わない。力覚センサ部は、ホール素子などを想定したが、相対変位が検出できるセンサであれば、レーザ変位計や渦電流センサ等でも構わない。また、検出素子の数、位置を変えることで６軸の検出も可能となる。
【符号の説明】
【００４６】
１ ロボットアーム
１ａ 先端アームフレーム
２、２２ エンドエフェクタ
３ 力覚センサ
３ａ 弾性部材
４ 架台
５ ロボットコントローラ
６、２６ エンドエフェクタコントローラ
２２ｄ エンドエフェクタ筐体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端が固定端、他端が可動端となるロボットアームと、
前記ロボットアームの可動端に弾性部材を介して接続され、部品を把持する把持機構部及び把持駆動部を備えたエンドエフェクタと、
前記エンドエフェクタの前記把持駆動部を制御し、前記把持機構部を動作させるエンドエフェクタコントローラと、
前記ロボットアームの動作を制御するロボットコントローラと、
前記エンドエフェクタの前記把持機構部に作用する外力を、前記弾性部材の変形量より検出する力検出手段と、
前記ロボットアームの可動端に配置され、前記エンドエフェクタコントローラを前記弾性部材より前記ロボットアームの固定端側に支持する支持手段と、を有し、
前記ロボットコントローラは、前記力検出手段の検出値に基づいて前記ロボットアームの動作を修正することを特徴とする力制御ロボット。
【請求項２】
一端が固定端、他端が可動端となるロボットアームと、
前記ロボットアームの可動端に接続され、部品を把持する把持機構部及び把持駆動部と、前記把持駆動部を弾性部材を介して支持するエンドエフェクタ筐体と、を備えたエンドエフェクタと、
前記エンドエフェクタの前記把持駆動部を制御し、前記把持機構部を動作させるエンドエフェクタコントローラと、
前記ロボットアームの動作を制御するロボットコントローラと、
前記エンドエフェクタの前記把持機構部に作用する外力を、前記弾性部材の変形量より検出する力検出手段と、を有し、
前記エンドエフェクタ筐体は、前記ロボットアームの可動端において前記エンドエフェクタコントローラを前記弾性部材より前記ロボットアームの固定端側に支持する支持手段を備え、
前記ロボットコントローラは、前記力検出手段の検出値に基づいて前記ロボットアームの動作を修正することを特徴とする力制御ロボット。
【請求項３】
前記エンドエフェクタコントローラは、前記エンドエフェクタの前記把持機構部が外力を受けたときの変位が小さい前記エンドエフェクタの作動中心部に電気接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の力制御ロボット。
【請求項１】
一端が固定端、他端が可動端となるロボットアームと、
前記ロボットアームの可動端に弾性部材を介して接続され、部品を把持する把持機構部及び把持駆動部を備えたエンドエフェクタと、
前記エンドエフェクタの前記把持駆動部を制御し、前記把持機構部を動作させるエンドエフェクタコントローラと、
前記ロボットアームの動作を制御するロボットコントローラと、
前記エンドエフェクタの前記把持機構部に作用する外力を、前記弾性部材の変形量より検出する力検出手段と、
前記ロボットアームの可動端に配置され、前記エンドエフェクタコントローラを前記弾性部材より前記ロボットアームの固定端側に支持する支持手段と、を有し、
前記ロボットコントローラは、前記力検出手段の検出値に基づいて前記ロボットアームの動作を修正することを特徴とする力制御ロボット。
【請求項２】
一端が固定端、他端が可動端となるロボットアームと、
前記ロボットアームの可動端に接続され、部品を把持する把持機構部及び把持駆動部と、前記把持駆動部を弾性部材を介して支持するエンドエフェクタ筐体と、を備えたエンドエフェクタと、
前記エンドエフェクタの前記把持駆動部を制御し、前記把持機構部を動作させるエンドエフェクタコントローラと、
前記ロボットアームの動作を制御するロボットコントローラと、
前記エンドエフェクタの前記把持機構部に作用する外力を、前記弾性部材の変形量より検出する力検出手段と、を有し、
前記エンドエフェクタ筐体は、前記ロボットアームの可動端において前記エンドエフェクタコントローラを前記弾性部材より前記ロボットアームの固定端側に支持する支持手段を備え、
前記ロボットコントローラは、前記力検出手段の検出値に基づいて前記ロボットアームの動作を修正することを特徴とする力制御ロボット。
【請求項３】
前記エンドエフェクタコントローラは、前記エンドエフェクタの前記把持機構部が外力を受けたときの変位が小さい前記エンドエフェクタの作動中心部に電気接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の力制御ロボット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−２００９４３（Ｐ２０１１−２００９４３Ａ）
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−６８０１５（Ｐ２０１０−６８０１５）
【出願日】平成２２年３月２４日（２０１０．３．２４）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月１３日（２０１１．１０．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月２４日（２０１０．３．２４）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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