JP2013240857A - 部品組み立て装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットによる部品組み立てにおいて、力センサを用いずに簡易な方法で、作業途中の不良状態を検知する。
【解決手段】アクチュエータ制御部４は、一対の部品を所定箇所で接触させた際にその接触状態を保つことができる速度で、一対の部品を所定箇所で接触させる接触手段（位置・速度変換部４１、基準速度変更部４２、第１の減算器４３、スイッチ４４およびドライバ４５）と、一対の部品が接触した際に位置検出器３により検出された相対位置を記憶する位置保持部４７と、一対の部品が接触した状態から、一対の部品を組み立てるようグリッパ１が把持している部品を移送する移送手段（スイッチ４４、ドライバ４５および停止検出部４６）と、移送後に位置検出器３により検出された相対位置と、位置保持部４７に記憶されている相対位置との位置差分に基づいて、部品組み立ての成否を判定する成否判定手段（第２の減算器４８および比較判定部４９）とを備えた。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えばロボットなどを用いた部品組み立て装置に関するものである。

近年、電子部品の組み立てなどの生産現場において、マシンビジョンによる画像検査が汎用的に用いられており、製造不良率の低減に貢献している。

特開２０１１−２３０２４５号公報

このマシンビジョンによる画像検査では、作業対象物がハンドなどのエンドエフェクタの陰に隠れてしまう場合が多いため、作業中の不良をリアルタイムで検出することは難しく、一般的に組立工程が終了した後に行われる。

一方、人の手による部品組み立てでは、目視で作業状態を監視すると同時に、指先の感覚である触覚や指の力の入れ具合である力覚、場合によっては聴覚も利用して、総合的に判定する。したがって、作業中の不良に気付くことができ、すぐに作業をやり直すことができる。
ロボットによる部品組み立てにおいても、作業途中の不良状態を検知できればさらに不良率を下げることが可能である。

ここで、部品組み立てとして、例えば一対の部品（第１，２の部品）の溝と爪を嵌合する場合を想定する。そして、ロボットによる部品組み立ての成否を作業終了直後に判定する方法の一つとして、第１の部品の溝の位置と第２の部品の爪の位置が予め分かっている場合には、作業開始時の溝と爪の位置が作業終了後に概ね一致しているかを確認するという方法が考えられる。

上記方法の場合、第１の部品に対する第２に部品の相対位置を知る必要がある。しかしながら、この相対位置は、第１の部品を把持する装置および第２の部品を把持する装置とその把持位置の絶対精度の影響を受け、実際には、把持位置のばらつき、ロボットや把持部品の位置精度、温度などの環境や経時変化などにより絶対位置精度がばらつく。そのため、第１の部品に対する第２の部品の相対位置を正しく検出することは難しく、ロボットによる部品組み立ての成否を判定することは難しいという課題があった。

一方、部品組み立て作業において、様々な原因に依存する作業良否を正確に判定するシステムが開示されている（例えば特許文献１参照）。この特許文献１に開示されたシステムでは、ハンドなどのエンドエフェクタとロボットアームの間に力センサを備え、事前にテスト作業を反復実施して、その際の力センサ出力および／またはロボットアームの各位置検出信号に基づく特徴量を用いて作業成功時および作業失敗時の特徴量存在範囲を算出し、実作業における特徴量がどの存在範囲にあるかによって作業良否および失敗原因を推定している。

この特許文献１に開示されたシステムでは、コネクタの嵌合作業の例として「ワーク同士が接触してから穴底に到達するまでのハンドの移動量（挿入量）が穴の深さＬに一致するかどうかで、作業良否すなわち、作業成功（挿入量が十分）／作業失敗（挿入量が不十分）を判定することができる。ところが、嵌合部品が細い円筒状の端子コネクタで、被嵌合部品がピン状の端子コネクタの場合、挿入量だけでは作業良否を判定できない状況が発生し得る」としている。
しかしながら、ワーク同士が接触してから穴底に到達できた場合と、穴から外れて他の端面に接触した場合の移動量が合致するケースはまれで、多くの場合は移動量に差異があると考えられるため、ワーク同士が初めて接触してから作業が終了する場所まで移動した場合の移動量を正確に知ることができれば高い確率で作業の成否判定が可能である。

ここで、ワーク同士が接触する位置を起点として移動量を検出する方法ではなく、絶対位置からワーク同士の相対位置を算出し嵌合が終了する位置を求める方法を用いた場合、嵌合部品と非嵌合部品の把持位置のばらつき、ロボットや把持具の取り付け位置精度、温度などの環境や経時変化により絶対位置精度がばらつくため、移動量だけで部品組み立ての成否を判定することは難しい。
一方、ワーク同士が接触したことを検出する方法として、ハンドなどのエンドエフェクタとロボットアームの間に備えた力センサにより力の変化を観察する方法が考えられる。

しかしながら、ロボットボットアームや力センサの慣性・剛性の影響により作業の高速化が困難であるという課題があった。さらに、力センサは高価であり、破損し易いという課題もあった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、ロボットによる部品組み立てにおいて、力センサを用いずに簡易な方法で、作業途中の不良状態を検知可能な部品組み立て装置を提供することを目的としている。

この発明に係る部品組み立て装置は、一対の部品のうち一方の部品を把持する把持手段と、把持手段が取り付けられたアクチュエータ可動部を、アクチュエータ固定部に対して相対的に移動可能なアクチュエータと、アクチュエータ可動部のアクチュエータ固定部に対する相対位置を検出する位置検出器と、位置検出器により検出された相対位置に基づいて、アクチュエータを制御するアクチュエータ制御部とを備え、アクチュエータ制御部は、一対の部品を所定箇所で接触させた際にその接触状態を保つことができる速度で、一対の部品を所定箇所で接触させる接触手段と、接触手段により一対の部品が接触した際に位置検出器により検出された相対位置を記憶する記憶手段と、接触手段により一対の部品が接触した状態から、一対の部品を組み立てるよう把持手段が把持している部品を移送する移送手段と、移送手段による移送後に位置検出器により検出された相対位置と、記憶手段に記憶されている相対位置との位置差分に基づいて、部品組み立ての成否を判定する成否判定手段とを備えたものである。

この発明によれば、上記のように構成したので、ロボットによる部品組み立てにおいて、力センサを用いずに簡易な方法で、作業途中の不良状態を検知することができる。

この発明の実施の形態１に係る部品組み立て装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１におけるアクチュエータ制御部の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る部品組み立て装置による部品組み立ての形態を示す図である。 この発明の実施の形態１における第１の部品と第２の部品との接触状態を示す図である。 この発明の実施の形態１におけるアクチュエータ制御部の動作タイミングを示す図である。 この発明の実施の形態１におけるアクチュエータ可動部の速度制御の等価モデルを示す図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る部品組み立て装置の構成を示す図である。
部品組み立て装置は、一対の部品（第１の部品と第２の部品）を組み立てる装置であり、図１に示すように、グリッパ（把持手段）１、アクチュエータ２、位置検出器３およびアクチュエータ制御部４から構成されている。なお以下では、第１の部品としてフレーム５を用い、第２の部品としてケース６を用いて、フレーム５の外壁に設けられた溝５１に、ケース６の内壁に設けられた爪６１を嵌合する作業を行う場合を想定して説明を行う。また、フレーム５は、不図示の把持手段により把持され、その位置が固定されている。

グリッパ１は、アクチュエータ２（アクチュエータ可動部２１）の先端に取り付けられ、一対の部品のうち一方の部品（図１ではケース６）を把持するものである。
アクチュエータ２は、アクチュエータ可動部２１がアクチュエータ固定部２２に対して所定方向に相対的に移動することで、アクチュエータ可動部２１の先端に取り付けられたグリッパ１全体を移送するものである。なお、アクチュエータ２は、不図示の多関節アームなどのロボットアームに取り付けられている。

位置検出器３は、アクチュエータ固定部２２に取り付けられ、アクチュエータ可動部２１のアクチュエータ固定部２２に対する相対位置を検出するものである。この位置検出器３により検出された相対位置を示す位置信号はアクチュエータ制御部４に供給される。
アクチュエータ制御部４は、位置検出器３からの位置信号に基づいて、アクチュエータ可動部２１の動作（移動速度や推力）を制御するとともに、部品組み立ての成否判定を行うものである。

次に、アクチュエータ制御部４の構成について、図２を参照しながら説明する。
アクチュエータ制御部４は、図２に示すように、位置・速度変換部４１、基準速度変更部４２、第１の減算器４３、スイッチ４４、ドライバ４５、停止検出部４６、位置保持部（記憶手段）４７、第２の減算器４８および比較判定部４９から構成されている。

位置・速度変換部４１は、位置検出器３からの位置信号を微分して速度信号に変換するものである。これにより、アクチュエータ可動部２１のアクチュエータ固定部２２に対する相対速度を得ることができる。この位置・速度変換部４１により変換された速度信号は第１の減算器４３および停止検出部４６に供給される。

基準速度変更部４２は、位置検出器３からの位置信号に基づき、第１の減算器４３に供給する基準速度信号の値（基準速度）を変更するものである。ここで、基準速度変更部４２は、当該位置信号の値が予め設定された速度切替え位置基準を超えた場合に、基準速度を低速に切替える。

なお、低速とは、アクチュエータ可動部２１の先端に取り付けられたグリッパ１を含んだ質量Ｍの物体が速度Ｖで移動しており、ケース６をフレーム５と所定箇所で接触させた際に、アクチュエータ可動部２１の運動量や運動エネルギーにより発生する力と接触個所の摩擦力の関係で決まる位置ずれ量が大きくなく、その接触状態を保つことができる速度である。
また、速度切替え位置基準を超えた場合に基準速度を低速に切替える理由は、作業時間を短縮するためであり、速度切替え位置基準は絶対位置の誤差を考慮して接触位置の直前に設定する。

なお、グリッパ１を含むアクチュエータ可動部２１を低速に移送するために、アクチュエータ制御部４では、まず、位置・速度変換部４１により位置検出器３からの位置信号を速度信号に変換し、第１の減算器４３により当該速度信号の値を基準速度信号の値で減算する。そして、その減算結果（速度差分）をスイッチ４４のａｃ接点、ドライバ４５を経由してアクチュエータ２にフィードバックすることで、アクチュエータ可動部２１の移動速度を制御するようにしている。
ケース６をフレーム５と所定箇所で接触させた場合、接触個所の摩擦力の影響で速度が低下し始めるが、速度が一定になるようにフィードバックしているためアクチュエータ２が発生する推力は増大する。そして、その推力の最大値が接触個所の摩擦力より少ない場合に速度が減少し停止する。
そして、接触してから停止するまでの移動量、つまり接触個所の位置ずれ量は、接触個所の摩擦力に比べ最大発生推力が十分小さければ少なくなるが、最大発生推力は後に説明するように速度制御ループの基準速度信号に比例するため、基準速度信号の値は接触個所の摩擦力に比べ最大発生推力が十分小さくなるように設定する。

第１の減算器４３は、位置・速度変換部４１出力の速度信号の値から基準速度変換部４２出力の基準速度信号の値を減算するものである。この第１の減算器４３により減算された値を示す速度差分信号はスイッチ４４に供給される。

スイッチ４４は、停止検出部４６からの停止検出信号を受け取るまでは第１の減算器４３からの速度差分信号をドライバ４５に出力し、停止検出信号を受け取った後は、予め設定された一定の推力を示す推力指令信号をドライバ４５に出力するよう接続経路を切替えるものである。

ドライバ４５は、スイッチ４４を介して入力された速度差分信号をスイッチ４４のａｃ接点、ドライバ４５を経由してアクチュエータ２にフィードバックすることで、アクチュエータ可動部２１の移動速度を制御する。または推力指令信号に応じた駆動電圧を発生し、この駆動電圧に応じた推力でアクチュエータ可動部２１を移動させる。

停止検出部４６は、位置・速度変換部４１からの速度信号の値が、予め設定された時間、零を中心とした範囲内に入っているかを検出するものである。ここで、停止検出部４６は、当該速度信号の値が所定の時間、所定の範囲内に入っていると判定した場合には、アクチュエータ可動部２１が停止したと判定して、その旨を示す停止検出信号をスイッチ４４および位置保持部４７に供給する。

位置保持部４７は、停止検出部４６からの停止検出信号を受け取ったタイミングで、位置検出器３から入力された位置信号を保持するものである。これにより、ケース６がフレーム５に最初に接触した際のアクチュエータ可動部２１の相対位置を記憶することができる。そして、位置保持部４７は、保持している位置信号を第２の減算器４８に供給する。

第２の減算器４８は、位置保持部４７出力の位置信号の値から位置検出器３出力の位置信号の値を減算するものである。この第２の減算器４８により減算された値を示す位置差分信号は比較判定部４９に供給される。

比較判定部４９は、第２の減算器４８からの位置差分信号の値と、予め設定された位置差分基準とを比較し、部品組み立ての成否を判定するものである。なお、位置差分基準は、フレーム５に最初に接触した際のケース６の位置からフレーム５の溝５１にケース６の爪６１が嵌合した際のケース６の位置までの相対位置である。

なお、位置・速度変換部４１、基準速度変更部４２、第１の減算器４３、スイッチ４４およびドライバ４５は、本発明の「一対の部品を所定箇所で接触させた際にその接触状態を保つことができる速度で、一対の部品を所定箇所で接触させる接触手段」に対応する。
また、スイッチ４４、ドライバ４５および停止検出部４６は、本発明の「接触手段により一対の部品が接触した状態から、一対の部品を組み立てるよう把持手段が把持している部品を移送する移送手段」に対応する。
また、第２の減算器４８および比較判定部４９は、本発明の「移送手段による移送後に位置検出器により検出された相対位置と、記憶手段に記憶されている相対位置との位置差分に基づいて、部品組み立ての成否を判定する成否判定手段」に対応する。

次に、上記のように構成された部品組み立て装置による部品組み立て・成否判定動作について、図４，５を参照しながら説明する。なお図４では、フレーム５およびケース６のうち、接触部分である溝５１付近および爪６１付近のみを抜き出して示している。また、図５の接触状態（Ａ）は、図４の接触状態とそれぞれ対応している。
なお、本実施例の部品組み立て装置による部品組み立てでは、図３に示すように、フレーム５に対してケース６をスライドさせ、フレーム５の溝５１にケース６の爪６１が嵌った状態となれば作業成功となる。

本実施例の部品組み立て装置では、作業を行っている間、位置検出器３により、アクチュエータ可動部２１のアクチュエータ固定部２２に対する相対位置を検出し、その相対位置を示す位置信号をアクチュエータ制御部４に供給している。
そして、アクチュエータ制御部４では、まず、位置・速度変換部４１により位置検出器３からの位置信号を速度信号に変換し、第１の減算器４３により当該速度信号の値を基準速度信号の値で減算する。そして、その減算結果（速度差分）をスイッチ４４のａｃ接点、ドライバ４５を経由してアクチュエータ２にフィードバックすることで、アクチュエータ可動部２１の移動速度を制御する。

また、基準速度変換部４２では、位置検出器３からの位置信号の値が速度切替え位置基準を超えた場合に、基準速度を低速に切替える。
例えば、図５の現在位置（Ｃ）に示すように、速度切替え位置基準を、ケース６がフレーム５に接触する位置（停止位置）の数ｍｍ手前に設定し、基準速度（Ｄ）に示すように、この速度切替え位置基準を境に基準速度を低速に設定変更する。これにより、現在速度（Ｂ）の時刻ｔ２に示すように、ケース６がフレーム５に接触する手前で速度が急速に低下する。その状態でケース６がフレーム５に接近し、ケース６がフレーム５と接触する（図４の接触状態Ａ）と、速度は急速に低下して、図５の現在速度（Ｂ）、現在位置（Ｃ）の時刻ｔ３に示すように停止する。このとき、アクチュエータ可動部２１に発生する推力は、速度制御の基準速度（低速）の値に比例するため、ケース６はフレーム５に微小な力で接触し、その状態を保っている。

ここで、アクチュエータ可動部２１の速度の基準となる基準速度と、接触停止した場合に発生する推力との関係を、図６の速度制御の等価モデルを用いて説明する。
この図６において、アクチュエータ可動部２１が速度Ｖで移動している際に生じる推力（ケース６に加わる力）Ｆ２は、次式（１）となる。
Ｆ２＝Ｋｔ・Ｋｉ・（Ｋｖ・ΔＶ−ＫｅＶ）
＝Ｋｔ・Ｋｉ・（Ｋｖ・（Ｖｒｅｆ−Ｖｅ）−ＫｅＶ） （１）
そして、ケース６がフレーム５に接触して停止した状態（速度Ｖ＝０）では、実速度電圧がＶｅ＝０、実速度Ｖ＝０となり、その際の推力は次式（２）のようにＶｒｅｆに比例することになる。
Ｆ２＝Ｋｔ・Ｋｉ・Ｋｖ・Ｖｒｅｆ （２）
また、このときフレーム５はその反力Ｆ１（＝Ｆ２）を受ける。
したがって、基準速度が十分低速に設定されていれば、ケース６はフレーム５に微小な力で接触し、その状態を保つことができる。

また、十分速度を落とした状態でケース６をフレーム５に接触させることで、グリッパ１も含めたアクチュエータ可動部２１の慣性が大きくても、その影響をほとんど受けることがない。そのため、フレーム５やケース６を傷つけたり変形させることもない。

そして、この状態で、停止検出部４６は、アクチュエータ可動部２１の相対速度が予め設定された時間、零を中心とした所定の範囲内に入っていることを検出し、停止検出信号をスイッチ４４および位置保持部４７に供給する。
そして、位置保持部４７は、停止検出信号を受け取ったタイミングで、位置検出器３から入力された位置信号を保持して第２の減算器４８に供給する。第２の減算器４８では、位置検出器３からの位置信号の値から位置保持部４７の出力である保持された位置信号の値を減算して位置差分信号を出力する。なお、停止検出信号が出力された直後では、フレーム５とケース６は微小な力で接触し停止している状態であるため、位置差分信号は零である。

ここで、予めフレーム５とケース６との接触箇所の位置は分かっており、また、ケース６はフレーム５に微小な力で接触しているため、接触箇所の位置が大きくずれることがない。そのため、ケース６の移送において、フレーム５の溝５１に対するケース６の爪６１の相対位置を少ない誤差で正しく検出することが可能となる。

一方、スイッチ４４では、停止検出部４６からの停止検出信号を受け取ると、接続経路をａｃ接点からｂｃ接点に切替える。そして、所定の時間経過後、フレーム５の溝５１にケース６の爪６１を嵌め込むために必要な推力がｂｃ接点、ドライバ４５を経由してアクチュエータ２に加えられる。

推力がアクチュエータ２に印加されると、ケース６内壁の爪６１がフレーム５外壁と接触しながら移動し、フレーム５外壁の溝５１の手前に設けられた壁５２と接触する（図４の接触状態Ｂ）。
その後、ケース６はさらに移動して、この壁５２を乗り越える。この際、ケース６が外側に押し広げられるように変形し、接触による動摩擦力は移動に伴い増加するため、図５の現在速度（Ｂ）に示すように、速度が低下する。

その後、爪６１が壁５２の頂点に達した状態（図４の接触状態Ｃ）から溝５１に落ち始める手前（図４の接触状態Ｄ）までは、速度は概ね一定になると推定できる。
その後、爪６１が溝５１にさしかかった状態（図４の接触状態Ｄ）からさらに移動して溝５１に嵌ると（図４の接触状態Ｅ）、外側に押し広げられていたケース６も元の状態に戻り、動摩擦力も低下するので、図５の現在速度（Ｂ）の時刻ｔ５〜ｔ６に示すように、速度も再び増加する。

そして、爪６１が溝５１に嵌ってからさらに移動（図４の接触状態Ｆ）し、ストッパ位置まで到達すると（図４の接触状態Ｇ）、動摩擦力が急激に増加するため、図５の現在時刻（Ｂ）の時刻ｔ６〜ｔ７に示すように、速度が急速に低下し停止する。
この状態において、第２の減算器４８からは、ケース６がフレーム５に最初に接触した際の位置から最終的に停止した位置までの相対位置を示す位置差分信号が出力される。

そして、ケース６とフレーム５の接触箇所の位置は予め分かっており、その位置からフレーム５の溝５１にケース６の爪６１が嵌る位置までの相対位置も分かっているため、比較判定部４９は、第２の減算器４８からの位置差分信号と上記相対位置である位置差分基準信号とを比較することにより、フレーム５の溝５１にケース６の爪６１が嵌め込まれたか否かを判定することが可能となる。
すなわち、位置差分信号の値と位置差分基準信号の値とが概ね一致する場合には、フレーム５の溝５１にケース６の爪６１が嵌合したと判定できるため、作業が成功したと判定する。一方、ケース６の爪６１がフレーム５の壁５２を乗り越えられなかった場合など、位置差分基準信号の値に対して位置差分信号の値が不足する場合には、作業が失敗したと判定する。

以上のように、この実施の形態１によれば、低速に微小な力で一対の部品を所定箇所で接触させて、その際のアクチュエータ可動部２１の相対位置を記憶し、その後に、部品の移送を行って組み立てを実施し、移送後のアクチュエータ可動部２１の相対位置と、記憶した相対位置との位置差分に基づいて、部品組み立ての成否を判定するように構成したので、ロボットによる部品組み立てにおいて、力センサを用いず簡易な方法で、作業途中の不良状態を検知することができる。
また、従来のロボットによる部品組み立てでは、ロボットの質量が大きく剛性が高いため、部品組み立ての高速化が難しいが、本発明に係る部品組み立て装置では、アクチュエータを用いているため、高速化が可能である。

なお、実施の形態１では、図４の接触状態Ａに示すように、フレーム５とケース６との最初の接触箇所として、ケース６の爪６１をフレーム５の端部に接触させる場合について示したが、接触箇所はこれに限るものではなく、フレーム５に対するケース６の相対位置が得られる箇所であればどのような箇所でもよい。例えば、ケース６を組み立て方向に対して垂直な方向にずらし、ケース６の端面をフレーム５の端面に接触させるようにしてもよい。この場合には、接触させた後、ケース６を当該垂直な方向とは逆方向に移動させて、組み立て方向へ移動させる。また、ケース６を組み立て方向を軸心に回転させて、ケース６の端面をフレーム５の端面に接触させるようにしてもよい。この場合には、接触させた後、ケース６を当該回転方向とは逆方向に回転させて、組み立て方向へ移動させる。

また、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１ グリッパ
２ アクチュエータ
３ 位置検出器
４ アクチュエータ制御部
５ フレーム（第１の部品）
６ ケース（第２の部品）
２１ アクチュエータ可動部
２２ アクチュエータ固定部
４１ 位置・速度変換部
４２ 基準速度変更部
４３ 第１の減算器
４４ スイッチ
４５ ドライバ
４６ 停止検出部
４７ 位置保持部
４８ 第２の減算器
４９ 比較判定部
５１ 溝
５２ 壁
６１ 爪

Claims (1)

1. 一対の部品を組み立てる部品組み立て装置において、
   前記一対の部品のうち一方の部品を把持する把持手段と、
   前記把持手段が取り付けられたアクチュエータ可動部を、アクチュエータ固定部に対して相対的に移動可能なアクチュエータと、
   前記アクチュエータ可動部の前記アクチュエータ固定部に対する相対位置を検出する位置検出器と、
   前記位置検出器により検出された相対位置に基づいて、前記アクチュエータを制御するアクチュエータ制御部とを備え、
   前記アクチュエータ制御部は、
   前記一対の部品を所定箇所で接触させた際にその接触状態を保つことができる速度で、前記一対の部品を所定箇所で接触させる接触手段と、
   前記接触手段により前記一対の部品が接触した際に前記位置検出器により検出された相対位置を記憶する記憶手段と、
   前記接触手段により前記一対の部品が接触した状態から、前記一対の部品を組み立てるよう前記把持手段が把持している部品を移送する移送手段と、
   前記移送手段による移送後に前記位置検出器により検出された相対位置と、前記記憶手段に記憶されている相対位置との位置差分に基づいて、部品組み立ての成否を判定する成否判定手段とを備えた
   ことを特徴とする部品組み立て装置。

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