組立装置
【課題】移動操作精度を向上させることなく、凸部の凹部への挿入を短時間で完了することができ、ロボットアームの可搬重量や可動範囲が制限されることのない組立装置を提供する。
【解決手段】凹部を有する部品１０１を把持して移動操作し凹部１０３に凸部が設けられた部品１０２の凸部を挿入させるロボットアーム１と、凸部が設けられた部品１０２を保持する保持台と、保持台４に設けられ凹部１０３に凸部を挿入させようとしたときに凹部を有する部品１０１または凸部が設けられた部品１０２が受ける並進力及び／又はこれらの軸周りのモーメントを検出する力覚センサ２と、保持台４を移動操作するアクチュエータ５とを備え、力覚センサ２により検出された並進力及び／又はモーメントに基づき、凸部の先端部の当接位置の凹部１０３の中心からの方向及び距離を算出し、これらに応じて保持台４を移動操作し、凸部を凹部１０３に挿入させる。
【解決手段】凹部を有する部品１０１を把持して移動操作し凹部１０３に凸部が設けられた部品１０２の凸部を挿入させるロボットアーム１と、凸部が設けられた部品１０２を保持する保持台と、保持台４に設けられ凹部１０３に凸部を挿入させようとしたときに凹部を有する部品１０１または凸部が設けられた部品１０２が受ける並進力及び／又はこれらの軸周りのモーメントを検出する力覚センサ２と、保持台４を移動操作するアクチュエータ５とを備え、力覚センサ２により検出された並進力及び／又はモーメントに基づき、凸部の先端部の当接位置の凹部１０３の中心からの方向及び距離を算出し、これらに応じて保持台４を移動操作し、凸部を凹部１０３に挿入させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、凹部または孔が設けられた部材（孔部品）と、凸部を有する部材または棒状部材（軸部品）とのいずれかを把持して移動操作し、凹部または孔が設けられた部材の凹部または孔に、凸部または棒状部材を挿入させる組立装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、凸部を有する部材、例えば、棒状部材（軸部品）を把持して移動操作し、この棒状部材を、凹部が設けられた部材、例えば、孔が設けられた部材（孔部品）の孔（凹部）に挿入、嵌合させる組立装置が提案されている。
【０００３】
このような組立装置としては、孔が設けられた部材を固定して支持し、この部材の孔の内径と棒状部材の外径との差（孔及び棒状部材間のクリアランス）よりも芯ずれが小さくなるように、棒状部材を高精度に移動操作できるように構成し、この棒状部材を孔に挿入できるようにしたものが提案されている。
【０００４】
また、このような組立装置として、特許文献１には、ロボットアームに力覚センサを設け、このロボットアームによって棒状部材を把持し、棒状部材を孔が設けられた部材の孔に挿入させようとしたときに、棒状部材の先端が当接して受ける力（反力）を力覚センサにより検出し、受けた力の方向に応じて棒状部材を移動操作し、再度の挿入動作を行うようにしたピン挿入装置が提案されている。
【０００５】
さらに、このような組立装置として、特許文献１には、ロボットアームに力覚センサ及び微小動作用のアクチュエータを設け、このロボットアームによって棒状部材を把持し、棒状部材を孔が設けられた部材の孔に挿入させようとしたときに、棒状部材の先端が当接して受ける力（反力）を力覚センサにより検出し、受けた力の方向に応じてアクチュエータを動作させて棒状部材を微小移動させ、再度の挿入動作を行うようにした組立装置が記載されている。
【０００６】
また、従来、ロボットアームに、弾性を有し、または、並進及びねじれ方向に自由に動作する受動機構を設け、このロボットアームによって棒状部材を把持し、棒状部材を孔が設けられた部材の孔に挿入させようとしたときに、棒状部材の先端が当接して受ける力（反力）に応じて受動機構の位置及び姿勢が変化して棒状部材が移動し、挿入動作が行えるようにした組立装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−７１７６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、前述した従来の組立装置においては、芯ずれが孔及び棒状部材間のクリアランスよりも小さくなるように構成したものにおいては、棒状部材の移動操作を極めて高い精度で行う必要があり、特に、精密部品を扱う場合には、クリアランスが極めて小さいため、バックラッシュや装置の微小な撓みも重大な影響を与えるものとなり、装置の構成及び使用が困難となる。すなわち、極めて高い精度で部材の把持及び固定を行うことができる冶具や把持手段を用意しなければならず、また、装置の動作について精密な教示が必要となる。このような教示は部材の種類が変わるたびに実施しなければならず、極めて煩雑である。
【０００９】
また、特許文献１に記載された組立装置及びさらに微小動作用のアクチュエータを設けた組立装置においては、力覚センサやアクチュエータなど多くの機構をロボットアームの先端部分に設ける必要があるため、その分、ロボットアームの可搬重量が制限されてしまうという問題がある。
【００１０】
また、ロボットアームに受動機構を設けた組立装置においては、ロボットアームの動作によって把持した部材が振動してしまい、振動が収まるまで挿入操作ができず、迅速な作業ができないという問題がある。また、ロボットアームを横向きにすると重力によって受動機構より先端側が下方に降下してしまうので、上下方向の挿入操作以外は極めて困難で、受動動作にロック機構を設けるか、または、把持した部材の位置及び姿勢を検出するセンサを別途設けるなどの必要が生じ、装置構成が複雑化してしまう。
【００１１】
さらに、これら組立装置においては、ロボットアームの先端部分が長くなってしまい、把持した部材の姿勢を所定量変化させるためにロボットアームを大きく動かす必要が生じ、可動範囲が制約されてしまうという問題がある。
【００１２】
そこで、本発明は、前記の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、部材の移動操作の精度を特段に向上させる必要を生ずることなく、凸部が設けられた部材または棒状部材の凹部または孔への挿入を短時間で完了することができ、さらに、把持手段（ロボットアーム）の可搬重量や可動範囲が制限されることのない組立装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前述の課題を解決し、前記目的を達成するため、本発明に係る組立装置は、以下の構成を有するものである。
【００１４】
〔構成１〕
凹部または孔が設けられた部材と凸部が設けられた部材または棒状部材とのいずれか一方を把持して移動操作し凹部または孔に凸部または棒状部材を挿入させる把持手段と、凹部または孔が設けられた部材と凸部が設けられた部材または棒状部材との他方を保持する保持台と、把持手段または保持台に設けられ把持手段が凹部または孔に凸部または棒状部材を挿入させようとしたときに凸部または棒状部材の先端部と凹部または孔の周囲部とが当接した場合に凹部または孔が設けられた部材または凸部が設けられた部材または棒状部材が受ける並進力及び／又はモーメントを検出する検出手段と、保持台を並進方及び／又は回転方向に移動操作するアクチュエータと、検出手段により検出された並進力及び／又はモーメントに基づく演算を行いこの演算結果に応じてアクチュエータを制御する制御手段とを備え、制御手段は、検出手段により検出された並進力及び／又はモーメントに基づき、凸部または棒状部材の先端部の当接位置の凹部または孔の中心からの方向及び距離を算出し、これらの方向及び距離に応じて、アクチュエータにより保持台を移動操作させ、凸部または棒状部材を凹部または孔に挿入させることを特徴とするものである。
【００１５】
なお、並進３自由度と回転３自由度のどの自由度を検出手段により検出し、アクチュエータを動作させるかは任意である。例えば、検出手段による検出は、挿入方向に対し直交する並進軸２自由度及びこれらの軸回り２自由度などであってもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る組立装置においては、構成１を有することにより、制御手段は、検出手段により検出された並進力及び／又はモーメントに基づき、凸部または棒状部材の先端部の当接位置の凹部または孔の中心からの方向及び距離を算出し、これらの方向及び距離に応じて、アクチュエータにより保持台を移動操作させ、凸部または棒状部材を凹部または孔に挿入させるので、凸部または棒状部材と凹部または孔との相対位置を迅速に修正して、凸部または棒状部材の凹部または孔への挿入を完了することができる。
【００１７】
この組立装置においては、把持手段としては受動機構等の特別の機構を有しない任意の把持手段を用いることができるので、把持手段（ロボットアーム）の可搬重量や可動範囲が制限されることがない。また、アクチュエータの制御周期や位置精度を把持手段よりも高性能のものとすることにより、把持手段のみを制御する場合よりも高速、かつ、高精度の組立を行うことができる。
【００１８】
また、この組立装置においては、把持手段に受動機構が設けられていないので、任意の方向の組立（挿入）を行うことができる。
【００１９】
さらに、この組立装置においては、任意の軸に対して任意の特性を持たせることができ、組立作業によって特性を変更したり、アクチュエータの弾性的な移動をなくすこともできる。例えば、組立（挿入）時には変位が大きくなっても過大な力がかからないようダンパ要素のみを持たせ、組立（挿入）後にばね要素を加えて原点に戻すなどの動作も容易に行うことができる。
【００２０】
すなわち、本発明は、部材の移動操作の精度を特段に向上させる必要を生ずることなく、凸部または棒状部材の凹部または孔への挿入を短時間で完了することができ、さらに、把持手段の可搬重量や可動範囲が制限されることのない組立装置を提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る組立装置の構成を示す側面図である。
【図２】本発明に係る組立装置において、前回の挿入操作における検出値を反映した組立作業を示す側面図である。
【図３】本発明に係る組立装置において、動作の対象となる凹部が設けられた部材及び凸部が設けられた部材の形状を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。
【００２３】
〔組立装置の構成〕
図１は、本発明に係る組立装置の構成を示す側面図である。
【００２４】
本発明に係る組立装置は、図１に示すように、把持手段となるロボットアーム１、制御手段３及び保持台４を有して構成されている。ロボットアーム１は、凹部が設けられた部材である孔が設けられた部材（以下、「孔部品」という。）１０１または凸部が設けられた部材である棒状部材（以下、「軸部品」という。）１０２のいずれかを保持治具１ａを介して把持し、移動操作する。この実施の形態においては、ロボットアーム１は、孔部品１０１を把持するようになっている。また、この組立装置においては、保持台４には、軸部品１０２または孔部品１０１が固定される。この実施の形態においては、保持台４には、保持治具４ａを介して軸部品１０２が固定される。
【００２５】
この組立装置においては、ロボットアーム１は、把持した孔部品１０１を移動操作し、この孔部品１０１の孔１０３に、図１中矢印で示す挿入方向に、軸部品１０２を挿入させる。
【００２６】
保持台４には、この保持台４が軸部品１０２を介して受ける並進方向（挿入方向に直交する軸方向）の力及び挿入方向に直交する軸回りのモーメントを計測する検出手段として、力覚センサ２が設けられている。この力覚センサ２は、ロボットアーム１が軸部品１０２を孔１０３に挿入させようとしたときに、軸部品１０２の先端部と孔１０３の周囲部とが当接した場合に、軸部品１０２を介して保持台４が受ける挿入方向に直交する並進力及び挿入方向に直交する軸周りのモーメントを検出する。
【００２７】
なお、力覚センサ２は、並進３自由度と回転３自由度のどの自由度を検出するものであってもよい。例えば、力覚センサ２は、挿入方向に対し直交する並進軸２自由度及びこれらの軸回り２自由度を検出するものでであってもよい。
【００２８】
また、保持台４には、この保持台４を挿入方向に直交する方向及び挿入方向に直交する軸周りの回転方向に移動操作するアクチュエータ５が設けられている。
【００２９】
この組立装置においては、力覚センサ２からの検出出力は、制御手段３の演算装置３ａに送られる。この制御手段３は、演算装置３ａと、ロボット制御装置３ｂとから構成されている。演算装置３ａは、力覚センサ２により検出された並進力及びモーメントに基づき、保持台４が受けた力に倣ってアクチュエータ５を動作させるための倣い動作信号（移動量及び速度）を生成する。アクチュエータ５は、倣い動作信号に応じて動作する。また、倣い動作信号は、ロボット制御装置３ｂに送られる。
【００３０】
演算装置３ａによって行なわれる処理は、力覚センサ２により取得された力覚情報から、アクチュエータ５の動作指令を生成することである。力覚センサ２が計測する力覚の軸数は、アクチュエータ５の制御に用いる軸数となるが、ここでは、図１に示すｘ軸方向の距離、ｙ軸方向の距離、ｘ軸周りのロール（Roll）及びｙ軸周りのピッチ（Pitch）の４軸について説明する。
【００３１】
力覚センサ２により計測された力をＦｉ、アクチュエータ５への指令速度をｖｉとする。ここで、ｉは、ｘ軸方向の距離、ｙ軸方向の距離、ｘ軸周りのロール及びｙ軸周りのピッチのいずれかを示す。
【００３２】
この組立装置において、アクチュエータ５により仮想的なダンパを構成するためには、４軸それぞれに対して、指令速度を以下のように定めればよい。なお、ここで、Ｄｉは、仮想粘性係数である。
ｖｉ＝−Ｆｉ／Ｄｉ
【００３３】
また、この組立装置において、アクチュエータ５により仮想的なダンパを構成する上で、目標の力（押し付け力など）を設定するためには、４軸それぞれに対して、指令速度を以下のように定めればよい。なお、ここで、Ｆｄｉは、目標の力である。
ｖｉ＝−（Ｆｉ−Ｆｄｉ）／Ｄｉ
【００３４】
さらに、この組立装置において、アクチュエータ５により仮想的なインピーダンス（バネ、マス、ダンパ）を構成するためには、４軸それぞれについて、以下に示す微分方程式を解けばよい。なお、ここで、変数の肩の「′」は、時間による微分を示し、〔ｘｉ′（位置の微分）＝ｖｉ（速度）〕である。また、Ｍｉ、Ｄｉ、Ｋｉは、それぞれ仮想重量、仮想粘性、仮想バネ係数を示す。
Ｍｉ×ｘｉ′′＋Ｄｉ×ｘｉ′＋Ｋｉ×ｘｉ＝Ｆｉ
【００３５】
これらの方法によりｖｉを求め、アクチュエータ５を駆動させる。アクチュエータ５が位置入力を必要とする場合には、速度ｖｉを積分した値を位置情報として入力し、また、トルクの入力を必要とする場合には、アクチュエータ５の速度が速度ｖｉと一致するような制御系を構成して、トルクｔｉを求めればよい。
【００３６】
図２は、本発明に係る組立装置において、前回の挿入操作における検出値を反映した組立作業を示す側面図である。
【００３７】
また、この組立装置においては、図２中の（ａ）に示すように、保持台４の位置を変更しない場合において、孔部品１０１と軸部品１０２との間に毎回同じだけの位置ずれが想定される場合には、この位置ずれに対応したアクチュエータ５の移動量の情報を保存しておき、図２中の（ｂ）に示すように、この移動量の情報に基づいてロボットアーム１を制御することにより、アクチュエータ５を駆動しなくとも、孔部品１０１と軸部品１０２とを組立てることができる。
【００３８】
すなわち、孔部品１０１と軸部品１０２との間の位置ずれに対応したアクチュエータ５の移動量の情報をロボット制御装置３ｂに送信し、このロボット制御装置３ｂにより、ロボットアーム１の動作に、アクチュエータ５の移動量に対応した移動量を加算して制御することによって、アクチュエータ５を駆動させずに、孔部品１０１と軸部品１０２とを組立てることができる。
【００３９】
例えば、最初の組立作業において、アクチュエータ５をｘ方向に２ｍｍ、ｙ方向に１ｍｍ駆動させて組立作業が完了したとする。そして、次に組立作業を行うときには、ロボットアーム１を、ｘ方向に−２ｍｍ、ｙ方向に−１ｍｍずれた場所を目標位置として制御することにより、挿入時に各部品１０１，１０２にかかる力を減らすことができ、より高速、かつ、部品に無理な力をかけずに組立作業を完了することができる。
【００４０】
なお、力覚センサ２は、ロボットアーム１が軸部品１０２を孔１０３に挿入させようとしたときに、軸部品１０２の先端部と孔１０３の周囲部とが当接した場合に、孔部品１０１が受ける挿入方向に直交する並進力及び挿入方向に直交する軸周りのモーメントを検出するようにしてもよい。
【００４１】
また、本発明に係る組立装置においては、力覚センサ２は、状況に応じて、保持台４にではなく、ロボットアーム１の先端側に設けるようにしてもよい。すなわち、力覚センサ２は、より計測レンジの狭い小型な力覚センサで足りる側に設ければよい。また、力覚センサ２は、ロボットアーム１及び保持台４のうち、孔部品１０１を保持する側に設けることが望ましい。
【００４２】
図３は、本発明に係る組立装置において、動作の対象となる凹部が設けられた部材及び凸部が設けられた部材の形状を示す斜視図である。
【００４３】
また、本発明に係る組立装置においては、動作の対象となる凹部が設けられた部材としては、図３に示すように、前述のような孔部品１０１に限定されず、また、凸部が設けられた部材としては、前述のような軸部品１０２に限定されない。
【００４４】
すなわち、凹部が設けられた部材及び凸部が設けられた部材は、図５中の（ａ）に示すように、複数の凹部１０３ａ及び複数の凸部１０２ａを有する部材であってもい。
【００４５】
また、凹部が設けられた部材及び凸部が設けられた部材は、図５中の（ｂ）に示すように、矩形の凹部１０３ｂ及び矩形の凸部１０２ｂを有する部材であってもい。
【００４６】
さらに、凹部が設けられた部材及び凸部が設けられた部材は、図５中の（ｃ）に示すように、溝状の凹部１０３ｃ及び突条１０２ｃを有する部材であってもい。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、凹部または孔が設けられた部材（孔部品）と、凸部を有する部材または棒状部材（軸部品）とのいずれかを把持して移動操作し、凹部または孔が設けられた部材の凹部または孔に、凸部または棒状部材を挿入させる組立装置に適用される。
【符号の説明】
【００４８】
１ ロボットアーム（把持手段）
２ 力覚センサ
３ 制御手段
４ 保持台
５ アクチュエータ
１０１ 孔部品
１０２ 軸部品
１０３ 孔
【技術分野】
【０００１】
本発明は、凹部または孔が設けられた部材（孔部品）と、凸部を有する部材または棒状部材（軸部品）とのいずれかを把持して移動操作し、凹部または孔が設けられた部材の凹部または孔に、凸部または棒状部材を挿入させる組立装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、凸部を有する部材、例えば、棒状部材（軸部品）を把持して移動操作し、この棒状部材を、凹部が設けられた部材、例えば、孔が設けられた部材（孔部品）の孔（凹部）に挿入、嵌合させる組立装置が提案されている。
【０００３】
このような組立装置としては、孔が設けられた部材を固定して支持し、この部材の孔の内径と棒状部材の外径との差（孔及び棒状部材間のクリアランス）よりも芯ずれが小さくなるように、棒状部材を高精度に移動操作できるように構成し、この棒状部材を孔に挿入できるようにしたものが提案されている。
【０００４】
また、このような組立装置として、特許文献１には、ロボットアームに力覚センサを設け、このロボットアームによって棒状部材を把持し、棒状部材を孔が設けられた部材の孔に挿入させようとしたときに、棒状部材の先端が当接して受ける力（反力）を力覚センサにより検出し、受けた力の方向に応じて棒状部材を移動操作し、再度の挿入動作を行うようにしたピン挿入装置が提案されている。
【０００５】
さらに、このような組立装置として、特許文献１には、ロボットアームに力覚センサ及び微小動作用のアクチュエータを設け、このロボットアームによって棒状部材を把持し、棒状部材を孔が設けられた部材の孔に挿入させようとしたときに、棒状部材の先端が当接して受ける力（反力）を力覚センサにより検出し、受けた力の方向に応じてアクチュエータを動作させて棒状部材を微小移動させ、再度の挿入動作を行うようにした組立装置が記載されている。
【０００６】
また、従来、ロボットアームに、弾性を有し、または、並進及びねじれ方向に自由に動作する受動機構を設け、このロボットアームによって棒状部材を把持し、棒状部材を孔が設けられた部材の孔に挿入させようとしたときに、棒状部材の先端が当接して受ける力（反力）に応じて受動機構の位置及び姿勢が変化して棒状部材が移動し、挿入動作が行えるようにした組立装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−７１７６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、前述した従来の組立装置においては、芯ずれが孔及び棒状部材間のクリアランスよりも小さくなるように構成したものにおいては、棒状部材の移動操作を極めて高い精度で行う必要があり、特に、精密部品を扱う場合には、クリアランスが極めて小さいため、バックラッシュや装置の微小な撓みも重大な影響を与えるものとなり、装置の構成及び使用が困難となる。すなわち、極めて高い精度で部材の把持及び固定を行うことができる冶具や把持手段を用意しなければならず、また、装置の動作について精密な教示が必要となる。このような教示は部材の種類が変わるたびに実施しなければならず、極めて煩雑である。
【０００９】
また、特許文献１に記載された組立装置及びさらに微小動作用のアクチュエータを設けた組立装置においては、力覚センサやアクチュエータなど多くの機構をロボットアームの先端部分に設ける必要があるため、その分、ロボットアームの可搬重量が制限されてしまうという問題がある。
【００１０】
また、ロボットアームに受動機構を設けた組立装置においては、ロボットアームの動作によって把持した部材が振動してしまい、振動が収まるまで挿入操作ができず、迅速な作業ができないという問題がある。また、ロボットアームを横向きにすると重力によって受動機構より先端側が下方に降下してしまうので、上下方向の挿入操作以外は極めて困難で、受動動作にロック機構を設けるか、または、把持した部材の位置及び姿勢を検出するセンサを別途設けるなどの必要が生じ、装置構成が複雑化してしまう。
【００１１】
さらに、これら組立装置においては、ロボットアームの先端部分が長くなってしまい、把持した部材の姿勢を所定量変化させるためにロボットアームを大きく動かす必要が生じ、可動範囲が制約されてしまうという問題がある。
【００１２】
そこで、本発明は、前記の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、部材の移動操作の精度を特段に向上させる必要を生ずることなく、凸部が設けられた部材または棒状部材の凹部または孔への挿入を短時間で完了することができ、さらに、把持手段（ロボットアーム）の可搬重量や可動範囲が制限されることのない組立装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前述の課題を解決し、前記目的を達成するため、本発明に係る組立装置は、以下の構成を有するものである。
【００１４】
〔構成１〕
凹部または孔が設けられた部材と凸部が設けられた部材または棒状部材とのいずれか一方を把持して移動操作し凹部または孔に凸部または棒状部材を挿入させる把持手段と、凹部または孔が設けられた部材と凸部が設けられた部材または棒状部材との他方を保持する保持台と、把持手段または保持台に設けられ把持手段が凹部または孔に凸部または棒状部材を挿入させようとしたときに凸部または棒状部材の先端部と凹部または孔の周囲部とが当接した場合に凹部または孔が設けられた部材または凸部が設けられた部材または棒状部材が受ける並進力及び／又はモーメントを検出する検出手段と、保持台を並進方及び／又は回転方向に移動操作するアクチュエータと、検出手段により検出された並進力及び／又はモーメントに基づく演算を行いこの演算結果に応じてアクチュエータを制御する制御手段とを備え、制御手段は、検出手段により検出された並進力及び／又はモーメントに基づき、凸部または棒状部材の先端部の当接位置の凹部または孔の中心からの方向及び距離を算出し、これらの方向及び距離に応じて、アクチュエータにより保持台を移動操作させ、凸部または棒状部材を凹部または孔に挿入させることを特徴とするものである。
【００１５】
なお、並進３自由度と回転３自由度のどの自由度を検出手段により検出し、アクチュエータを動作させるかは任意である。例えば、検出手段による検出は、挿入方向に対し直交する並進軸２自由度及びこれらの軸回り２自由度などであってもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る組立装置においては、構成１を有することにより、制御手段は、検出手段により検出された並進力及び／又はモーメントに基づき、凸部または棒状部材の先端部の当接位置の凹部または孔の中心からの方向及び距離を算出し、これらの方向及び距離に応じて、アクチュエータにより保持台を移動操作させ、凸部または棒状部材を凹部または孔に挿入させるので、凸部または棒状部材と凹部または孔との相対位置を迅速に修正して、凸部または棒状部材の凹部または孔への挿入を完了することができる。
【００１７】
この組立装置においては、把持手段としては受動機構等の特別の機構を有しない任意の把持手段を用いることができるので、把持手段（ロボットアーム）の可搬重量や可動範囲が制限されることがない。また、アクチュエータの制御周期や位置精度を把持手段よりも高性能のものとすることにより、把持手段のみを制御する場合よりも高速、かつ、高精度の組立を行うことができる。
【００１８】
また、この組立装置においては、把持手段に受動機構が設けられていないので、任意の方向の組立（挿入）を行うことができる。
【００１９】
さらに、この組立装置においては、任意の軸に対して任意の特性を持たせることができ、組立作業によって特性を変更したり、アクチュエータの弾性的な移動をなくすこともできる。例えば、組立（挿入）時には変位が大きくなっても過大な力がかからないようダンパ要素のみを持たせ、組立（挿入）後にばね要素を加えて原点に戻すなどの動作も容易に行うことができる。
【００２０】
すなわち、本発明は、部材の移動操作の精度を特段に向上させる必要を生ずることなく、凸部または棒状部材の凹部または孔への挿入を短時間で完了することができ、さらに、把持手段の可搬重量や可動範囲が制限されることのない組立装置を提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る組立装置の構成を示す側面図である。
【図２】本発明に係る組立装置において、前回の挿入操作における検出値を反映した組立作業を示す側面図である。
【図３】本発明に係る組立装置において、動作の対象となる凹部が設けられた部材及び凸部が設けられた部材の形状を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。
【００２３】
〔組立装置の構成〕
図１は、本発明に係る組立装置の構成を示す側面図である。
【００２４】
本発明に係る組立装置は、図１に示すように、把持手段となるロボットアーム１、制御手段３及び保持台４を有して構成されている。ロボットアーム１は、凹部が設けられた部材である孔が設けられた部材（以下、「孔部品」という。）１０１または凸部が設けられた部材である棒状部材（以下、「軸部品」という。）１０２のいずれかを保持治具１ａを介して把持し、移動操作する。この実施の形態においては、ロボットアーム１は、孔部品１０１を把持するようになっている。また、この組立装置においては、保持台４には、軸部品１０２または孔部品１０１が固定される。この実施の形態においては、保持台４には、保持治具４ａを介して軸部品１０２が固定される。
【００２５】
この組立装置においては、ロボットアーム１は、把持した孔部品１０１を移動操作し、この孔部品１０１の孔１０３に、図１中矢印で示す挿入方向に、軸部品１０２を挿入させる。
【００２６】
保持台４には、この保持台４が軸部品１０２を介して受ける並進方向（挿入方向に直交する軸方向）の力及び挿入方向に直交する軸回りのモーメントを計測する検出手段として、力覚センサ２が設けられている。この力覚センサ２は、ロボットアーム１が軸部品１０２を孔１０３に挿入させようとしたときに、軸部品１０２の先端部と孔１０３の周囲部とが当接した場合に、軸部品１０２を介して保持台４が受ける挿入方向に直交する並進力及び挿入方向に直交する軸周りのモーメントを検出する。
【００２７】
なお、力覚センサ２は、並進３自由度と回転３自由度のどの自由度を検出するものであってもよい。例えば、力覚センサ２は、挿入方向に対し直交する並進軸２自由度及びこれらの軸回り２自由度を検出するものでであってもよい。
【００２８】
また、保持台４には、この保持台４を挿入方向に直交する方向及び挿入方向に直交する軸周りの回転方向に移動操作するアクチュエータ５が設けられている。
【００２９】
この組立装置においては、力覚センサ２からの検出出力は、制御手段３の演算装置３ａに送られる。この制御手段３は、演算装置３ａと、ロボット制御装置３ｂとから構成されている。演算装置３ａは、力覚センサ２により検出された並進力及びモーメントに基づき、保持台４が受けた力に倣ってアクチュエータ５を動作させるための倣い動作信号（移動量及び速度）を生成する。アクチュエータ５は、倣い動作信号に応じて動作する。また、倣い動作信号は、ロボット制御装置３ｂに送られる。
【００３０】
演算装置３ａによって行なわれる処理は、力覚センサ２により取得された力覚情報から、アクチュエータ５の動作指令を生成することである。力覚センサ２が計測する力覚の軸数は、アクチュエータ５の制御に用いる軸数となるが、ここでは、図１に示すｘ軸方向の距離、ｙ軸方向の距離、ｘ軸周りのロール（Roll）及びｙ軸周りのピッチ（Pitch）の４軸について説明する。
【００３１】
力覚センサ２により計測された力をＦｉ、アクチュエータ５への指令速度をｖｉとする。ここで、ｉは、ｘ軸方向の距離、ｙ軸方向の距離、ｘ軸周りのロール及びｙ軸周りのピッチのいずれかを示す。
【００３２】
この組立装置において、アクチュエータ５により仮想的なダンパを構成するためには、４軸それぞれに対して、指令速度を以下のように定めればよい。なお、ここで、Ｄｉは、仮想粘性係数である。
ｖｉ＝−Ｆｉ／Ｄｉ
【００３３】
また、この組立装置において、アクチュエータ５により仮想的なダンパを構成する上で、目標の力（押し付け力など）を設定するためには、４軸それぞれに対して、指令速度を以下のように定めればよい。なお、ここで、Ｆｄｉは、目標の力である。
ｖｉ＝−（Ｆｉ−Ｆｄｉ）／Ｄｉ
【００３４】
さらに、この組立装置において、アクチュエータ５により仮想的なインピーダンス（バネ、マス、ダンパ）を構成するためには、４軸それぞれについて、以下に示す微分方程式を解けばよい。なお、ここで、変数の肩の「′」は、時間による微分を示し、〔ｘｉ′（位置の微分）＝ｖｉ（速度）〕である。また、Ｍｉ、Ｄｉ、Ｋｉは、それぞれ仮想重量、仮想粘性、仮想バネ係数を示す。
Ｍｉ×ｘｉ′′＋Ｄｉ×ｘｉ′＋Ｋｉ×ｘｉ＝Ｆｉ
【００３５】
これらの方法によりｖｉを求め、アクチュエータ５を駆動させる。アクチュエータ５が位置入力を必要とする場合には、速度ｖｉを積分した値を位置情報として入力し、また、トルクの入力を必要とする場合には、アクチュエータ５の速度が速度ｖｉと一致するような制御系を構成して、トルクｔｉを求めればよい。
【００３６】
図２は、本発明に係る組立装置において、前回の挿入操作における検出値を反映した組立作業を示す側面図である。
【００３７】
また、この組立装置においては、図２中の（ａ）に示すように、保持台４の位置を変更しない場合において、孔部品１０１と軸部品１０２との間に毎回同じだけの位置ずれが想定される場合には、この位置ずれに対応したアクチュエータ５の移動量の情報を保存しておき、図２中の（ｂ）に示すように、この移動量の情報に基づいてロボットアーム１を制御することにより、アクチュエータ５を駆動しなくとも、孔部品１０１と軸部品１０２とを組立てることができる。
【００３８】
すなわち、孔部品１０１と軸部品１０２との間の位置ずれに対応したアクチュエータ５の移動量の情報をロボット制御装置３ｂに送信し、このロボット制御装置３ｂにより、ロボットアーム１の動作に、アクチュエータ５の移動量に対応した移動量を加算して制御することによって、アクチュエータ５を駆動させずに、孔部品１０１と軸部品１０２とを組立てることができる。
【００３９】
例えば、最初の組立作業において、アクチュエータ５をｘ方向に２ｍｍ、ｙ方向に１ｍｍ駆動させて組立作業が完了したとする。そして、次に組立作業を行うときには、ロボットアーム１を、ｘ方向に−２ｍｍ、ｙ方向に−１ｍｍずれた場所を目標位置として制御することにより、挿入時に各部品１０１，１０２にかかる力を減らすことができ、より高速、かつ、部品に無理な力をかけずに組立作業を完了することができる。
【００４０】
なお、力覚センサ２は、ロボットアーム１が軸部品１０２を孔１０３に挿入させようとしたときに、軸部品１０２の先端部と孔１０３の周囲部とが当接した場合に、孔部品１０１が受ける挿入方向に直交する並進力及び挿入方向に直交する軸周りのモーメントを検出するようにしてもよい。
【００４１】
また、本発明に係る組立装置においては、力覚センサ２は、状況に応じて、保持台４にではなく、ロボットアーム１の先端側に設けるようにしてもよい。すなわち、力覚センサ２は、より計測レンジの狭い小型な力覚センサで足りる側に設ければよい。また、力覚センサ２は、ロボットアーム１及び保持台４のうち、孔部品１０１を保持する側に設けることが望ましい。
【００４２】
図３は、本発明に係る組立装置において、動作の対象となる凹部が設けられた部材及び凸部が設けられた部材の形状を示す斜視図である。
【００４３】
また、本発明に係る組立装置においては、動作の対象となる凹部が設けられた部材としては、図３に示すように、前述のような孔部品１０１に限定されず、また、凸部が設けられた部材としては、前述のような軸部品１０２に限定されない。
【００４４】
すなわち、凹部が設けられた部材及び凸部が設けられた部材は、図５中の（ａ）に示すように、複数の凹部１０３ａ及び複数の凸部１０２ａを有する部材であってもい。
【００４５】
また、凹部が設けられた部材及び凸部が設けられた部材は、図５中の（ｂ）に示すように、矩形の凹部１０３ｂ及び矩形の凸部１０２ｂを有する部材であってもい。
【００４６】
さらに、凹部が設けられた部材及び凸部が設けられた部材は、図５中の（ｃ）に示すように、溝状の凹部１０３ｃ及び突条１０２ｃを有する部材であってもい。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、凹部または孔が設けられた部材（孔部品）と、凸部を有する部材または棒状部材（軸部品）とのいずれかを把持して移動操作し、凹部または孔が設けられた部材の凹部または孔に、凸部または棒状部材を挿入させる組立装置に適用される。
【符号の説明】
【００４８】
１ ロボットアーム（把持手段）
２ 力覚センサ
３ 制御手段
４ 保持台
５ アクチュエータ
１０１ 孔部品
１０２ 軸部品
１０３ 孔
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹部または孔が設けられた部材と、凸部が設けられた部材または棒状部材とのいずれか一方を把持して移動操作し、前記凹部または前記孔に前記凸部または前記棒状部材を挿入させる把持手段と、
前記凹部または前記孔が設けられた部材と、前記凸部が設けられた部材または前記棒状部材との他方を保持する保持台と、
前記把持手段または前記保持台に設けられ、前記把持手段が前記凹部または前記孔に前記凸部または前記棒状部材を挿入させようとしたときに、前記凸部または前記棒状部材の先端部と前記凹部または前記孔の周囲部とが当接した場合に、前記凹部または前記孔が設けられた部材または前記凸部が設けられた部材または前記棒状部材が受ける並進力及び／又はモーメントを検出する検出手段と、
前記保持台を並進方及び／又は回転方向に移動操作するアクチュエータと、
前記検出手段により検出された並進力及び／又はモーメントに基づく演算を行い、この演算結果に応じてアクチュエータを制御する制御手段と
を備え、
前記制御手段は、前記検出手段により検出された並進力及び／又はモーメントに基づき、前記凸部または前記棒状部材の先端部の当接位置の前記凹部または前記孔の中心からの方向及び距離を算出し、これらの方向及び距離に応じて、前記アクチュエータにより前記保持台を移動操作させ、前記凸部または前記棒状部材を前記凹部または前記孔に挿入させる
ことを特徴とする組立装置。
【請求項１】
凹部または孔が設けられた部材と、凸部が設けられた部材または棒状部材とのいずれか一方を把持して移動操作し、前記凹部または前記孔に前記凸部または前記棒状部材を挿入させる把持手段と、
前記凹部または前記孔が設けられた部材と、前記凸部が設けられた部材または前記棒状部材との他方を保持する保持台と、
前記把持手段または前記保持台に設けられ、前記把持手段が前記凹部または前記孔に前記凸部または前記棒状部材を挿入させようとしたときに、前記凸部または前記棒状部材の先端部と前記凹部または前記孔の周囲部とが当接した場合に、前記凹部または前記孔が設けられた部材または前記凸部が設けられた部材または前記棒状部材が受ける並進力及び／又はモーメントを検出する検出手段と、
前記保持台を並進方及び／又は回転方向に移動操作するアクチュエータと、
前記検出手段により検出された並進力及び／又はモーメントに基づく演算を行い、この演算結果に応じてアクチュエータを制御する制御手段と
を備え、
前記制御手段は、前記検出手段により検出された並進力及び／又はモーメントに基づき、前記凸部または前記棒状部材の先端部の当接位置の前記凹部または前記孔の中心からの方向及び距離を算出し、これらの方向及び距離に応じて、前記アクチュエータにより前記保持台を移動操作させ、前記凸部または前記棒状部材を前記凹部または前記孔に挿入させる
ことを特徴とする組立装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１０−２１４５１２（Ｐ２０１０−２１４５１２Ａ）
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−６３４６２（Ｐ２００９−６３４６２）
【出願日】平成２１年３月１６日（２００９．３．１６）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１６日（２００９．３．１６）
【出願人】（０００００００９９）株式会社ＩＨＩ (5,014)
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
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