JP3491018B2

JP3491018B2 - フレキシブル治具

Info

Publication number: JP3491018B2
Application number: JP19289293A
Authority: JP
Inventors: 秀郎花房; 清永井; 智実山口
Original assignee: 智実山口
Priority date: 1993-07-06
Filing date: 1993-07-06
Publication date: 2004-01-26
Anticipated expiration: 2019-01-26
Also published as: JPH0724680A

Description

【発明の詳細な説明】【０００１】【産業上の利用分野】本発明は、比較的小さい部品など
組立に供せられる部品（以下、ワークという）を所定の
位置・姿勢で保持・固定することができるフレキシブル
治具に関する。【０００２】【従来の技術およびその問題点】治具は、加工や組立な
どの作業においてワークの位置・姿勢を保持・固定する
ものであり、ワークに外力が加わった場合でも、その位
置・姿勢を固定する機能が求められる。治具としては、
単純なものでは万力、一般的なものでは旋盤などの加工
機械のチャック機構がある。従来の治具の多くは、ワー
クの外周の形状に応じた枠構造をしており、ワークを嵌
め込んだり挟み込むことによって位置・姿勢の保持を行
っていた。しかし、これでは、個々のワーク形状に対応
した治具を製作しなければならず、近年の多品種少量生
産形態では、特に組立工程においてコストや生産効率の
面で問題が多い。この解決のためには１台で任意の形状
のワークの保持を行うことができる治具が望まれる。【０００３】組立作業において、任意形状のワークを保
持する機能を有する装置の一つとしてロボットハンドが
あり、形状の多様性に優れたハンド機構も多く考え出さ
れている。ただ、今までのハンドでは、（１）ワークの上面からハンドを下ろし、側面を指で把
持するものが多く、組付け面をハンドで塞いでしまう、（２）ワーク形状の多様性に対応するハンドでは多指ハ
ンドのように自由度の高い機構になるため、アクチュエ
ータが多くなり、制御が複雑になりやすい、（３）多くのハンドでは、把持のフレキシビリティやワ
ークの損傷防止などのために弾性を有する機構になって
いるところから、外力に対する固定機能を望めない、などの問題がある。つまり、任意形状のワークに対する
保持機能を備えていても、外力に対する固定機能に欠け
るといえる。【０００４】一方、ハンドとは別に治具機能を有する装
置として、回転台座と台座に垂直に並進できる細い棒状
の指を複数の台座に装備し、ワークの下面の形状に合わ
せて複数の指を上下させて、ワークを下から支える形で
保持する治具装置が考えられている。しかし、この治具
装置においては、（１）アクチュエータの数が多いため制御が複雑にな
る、（２）ワークを下から支える形になるため、横方向の外
力に対する固定能力に不安がある、などの問題がある。【０００５】任意形状のワークの保持に対しては、多指
ハンドのように複数の指でワークを把持する機構、特に
ハンドの自由度を減らし平面上でワークの側面を把持す
る機構が、動作機能を損なわず、制御の容易さからも適
していると考えられる。この場合、外力に対する固定機
能を有するためには、指がバックドライバビリティのな
い駆動機構であることが望まれる。しかし、バックドラ
イバビリティのない駆動機構では、動作速度が遅いため
作業効率が悪いという欠点がある。そこで、作業効率を
上げるためには、高速に稼働できる駆動部を併用する必
要がある。【０００６】本発明は、上述の事柄に留意してなされた
もので、その目的は、組立作業時などにおいて種々の形
状のワークの位置・姿勢の保持・固定を確実に行うこと
ができるフレキシブル治具を提供することにある。【０００７】【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明のフレキシブル治具は、ワークが載置される
水平な基盤の周囲に、回転駆動部と、この回転駆動部の
上方に設けられ、かつ、前記基盤より上方において基盤
に沿って回転するベースと、並進駆動部と、前記ベース
とともに回転しかつ並進駆動部により基盤に沿って並進
するプローブと、前記プローブの並進方向の保持力を検
出する力検出センサと、プローブに作用する回転力を検
出するセンサを備えて構成された触手を不特定に３以上
設け、前記力検出センサから出力された保持力の検出値
とプローブに作用する回転力を検出する前記センサーか
ら出力された保持力の検出値とを予め求めた保持力の指
令値と比較し、所定の保持力が得られたとき、位置指令
値が出力されてプローブの保持位置を確保して、各プロ
ーブの先端で前記ワークを保持・固定するように構成さ
れている。【０００８】【作用】上記構成のフレキシブル治具は、高速並進駆動
と高剛性（バックドライバビリティのない）回転駆動を
併せ持つ複数の触指からなるものであるので、従来の多
指ハンドと同様に、保持されるワークの任意方向への位
置決め機能を有することは勿論のこと、平面形状が種々
の多用なワークを所定の位置・姿勢で確実に保持・固定
することができ、しかも、素早い動作で行うことができ
る。従って、組立時における作業効率の向上が図れる。【０００９】【実施例】以下、本発明の実施例を、図面を参照しなが
ら説明する。【００１０】図１〜図５は、本発明の一実施例を示して
いる。先ず、図１は、本発明のフレキシブル治具の一例
を示すもので、この図において、１はワークＷが載置さ
れる水平な基盤で、平面視が例えば方形である。２はこ
の基盤１の各辺の適所に設けられた触指である。すなわ
ち、本発明のフレキシブル治具は、３以上（図示例では
４つ）の触指２から構成されている。触指２は、１つの
並進駆動部３と、１つのプローブ４と、１つの回転駆動
部５とからなり、並進駆動部３が基盤１のｘｙ平面より
上方に位置し、基盤１上に載置されたワークＷの保持・
固定を行う。なお、ワークＷは、基盤１上に安定して載
置できる形状であればよく、従って、平面視形状が方形
に限られるものではないことはいうまでもない。【００１１】並進駆動部３は、プローブ４をｘｙ平面上
で直線的に移動させる要素であり、回転駆動部５は、プ
ローブ４をｘｙ平面上で回転させる要素である。プロー
ブ４は、ワークＷと接触する要素である。並進駆動部３
と回転駆動部５によって発生した力をワークＷと接触す
る位置まで移動し、各触指２にそれぞれ設けられたプロ
ーブ４がワークＷに接触し、各並進駆動部３および回転
駆動部５によて発生した力によってワークＷをｘｙ平面
上で保持・固定する。なお、基盤１の辺に沿って設けら
れる触指２間の間隔は不特定であってもよい。【００１２】次に、各部の構成の詳細について、図２〜
図４を参照しながら説明する。図２は触指２の一例を示
す図で、並進駆動部３は次のように構成されている。す
なわち、この図において、６は回転駆動部５（後述す
る）の上方に設けられるベースで、このベース６は図１
に示すように、基盤１のｘｙ平面よりやや上方に位置
し、これとややオーバーラップするように水平に配置さ
れている。７は並進駆動部３の駆動源としてのボイスコ
イルモータ（以下、ＶＣＭという）で、ステータ８、コ
イル９、このコイル９を纏め固定するボビン１０からな
り、このＶＣＭ７が力検出センサーを構成する。【００１３】そして、ベース６上には、ｙ方向にリニア
ガイド１１が設けられ、この上面にスライダ１２がｙ方
向に摺動自在に設けられている。そして、このスライダ
１２にはボビン１０が取り付けられている。また、スラ
イダ１２には、プローブ４の軸１３（その構成について
は後述する）およびセンサ用軸１４が取り付けられてい
る。１５はベース６に立設されたセンサ台で、このセン
サ台１５にはセンサ用軸１４を外套するようにして並進
位置検出用センサ１６が保持されている。【００１４】従って、前記コイル９に電流（直流）を流
すと、電流の向きに応じてｙ方向の正負の向きに力が発
生し、コイル９およびボビン１０が力の向きに動き、ボ
ビン１０の直線的な移動に伴ってスライダ１２が同方向
に移動し、これによって、プローブ軸１３およびセンサ
用軸１４が同方向に移動する。そして、このときの移動
量は、並進位置検出用センサ１６によって検出される。【００１５】次に、プローブ４の詳細を、図２および図
３を参照しながら説明する。スライダ１２には、例えば
角軸状のプローブ軸１３がｙ方向に取り付けられ、その
先端には歪ゲージ１７を取り付けるためのベース板１８
がプローブ軸１３のｙｚ平面に平行な面に２枚設けられ
ている。歪ゲージ用ベース板１８の他端にはプローブ先
端軸１９が取り付けられ、このプローブ先端軸１９の他
端は、接触角検出用センサ２０の回転軸２１に固定され
ている。この回転軸２１は、接触板軸受２２の上下に組
み込まれた軸受２３によってｚ軸回りに回転自在であ
り、接触板軸受２２はワークＷと接触する接触板２４に
取り付けられている。【００１６】従って、接触板２４は、接触角検出用セン
サ２０の回転軸２１回りに回転自在であり、その回転角
度は接触角検出用センサ２０によって検出される。そし
て、接触板２４において発生するプローブ４の回転接線
方向の力は、プローブ４に作用する力を検出するセンサ
としてのこの歪ゲージ１７によって検出される。【００１７】次に、回転駆動部５の詳細を図４を参照し
ながら説明すると、この図において、２５はエンコーダ
付きのサーボモータで、その出力軸２６が水平になるよ
うに取付け板２７を介してケース２８の側板２９の外側
に取り付けられている。ケース２８の内部には、ギアボ
ックス３０が設けられている。このギアボックス３０内
には、サーボモータ２５の出力軸２６とカップリング３
１を介して接続される入力軸３２の先端に設けられたウ
ォーム３３と垂直な出力軸３４の先端に設けられたウォ
ームホイール３５とからなるウォーム歯車３６が配置さ
れている。そして、出力軸３６の他端側はカップリング
３７、ケース２８の天板３８に組み込まれた軸受３９を
介して、ベース６の底部に適宜のブラケット（図示して
ない）を介して取り付けられた回転軸４０と接続されて
いる。従って、前記サーボモータ２５が正転または逆転
することにより、回転駆動部５の上部に設けられた並進
駆動部３全体が基盤１上で回転する。【００１８】前記ギアボックス３０においては、動力伝
達機構としてウォーム歯車３６を用いているが、これに
代えて、例えばかさ歯車などを用いることができる。そ
して、ギアボックス３０の内部の歯車の選択によって、
回転駆動部５の特性が異なってくる。すなわち、簡単な
制御系によってワークＷへの外力に対する保持・固定機
能を実現するには、ウォーム歯車による減速が必要であ
る。ウォーム歯車は、バックドライバビリティがないた
め駆動系の剛性が無限大とみなせる。一方、ウォーム歯
車以外の例えばかさ歯車による減速の場合、大出力・高
剛性の駆動系となり、制御次第では保持・固定機能を実
現できる。因みに、ギア比が１：１の場合には、サーボ
モータ２５によるダイレクトドライブとなり、大きな出
力・高剛性は期待できないが、制御性に優れた駆動系と
なる。【００１９】次に、本発明のフレキシブル治具の制御系
の構成とワークＷを保持する場合の制御方法について、
図５を参照しながら説明する。この図は、一つの触指２
と制御装置としての計算機との入出力関係を示すブロッ
ク図であって、４１は計算機、４２はＶＣＭ７のドライ
バ、４３はその制御回路、４４はサーボモータ２５のド
ライバ、４５はサーボモータ２５のエンコーダである。【００２０】今、ワークＷがｍ個の触指２によって保持
（把握）されているとき、ｉ番目の触指２の並進駆動
力、回転駆動力をそれぞれｆ_i，ｎ_iとすると、ワーク
Ｗがｍ個の触指２から受ける力の合力Ｔは、Ｔ＝ＪＦと
表せる。ここに、Ｆは個々の触指２の駆動力ｆ_i，ｎ_i
からなる２ｍ×１次元のベクトルであり、Ｔはｘ方向、
ｙ方向、回転力（θ）の３要素からなる３×１次元のベ
クトル、Ｊは個々の触指２とワークＷの接点の位置によ
って定まる３×２ｍ次元の行列を示す。【００２１】ワークＷが所定の位置に置かれ保持される
とき、上記の式においてＴ＝０を代入し、予め求められ
た接点位置から、０＝ＪＦに基づいて、各触指２のプロ
ーブ４の移動量と把握力（保持力）の値を求め、その値
を計算機４１から並進駆動部３、回転駆動部５に与え
る。このとき、計算機４１には、並進位置検出用センサ
１６から並進駆動による移動量が、そして、サーボモー
タ２５に付属のエンコーダ４５からは回転駆動による移
動量がそれぞれフィードバックされる。【００２２】また、並進駆動によるワークＷに与える保
持力は、並進駆動がＶＣＭ７によるダイレクトイドライ
ブであることを利用して、ＶＣＭ７のドライバ４２で出
力する電流量を検出し、電流に比例する保持力を検出す
る。そして、回転駆動による保持力は、歪ゲージ１７か
ら得られた歪ゲージ用ベース板１８の歪み量から検出
し、計算機４１内に取り込む。これらの保持力の検出値
と予め求めた保持力の指令値との比較を行い、所定の保
持力が得られたとき、計算機４１から各駆動部３，５に
対して、その時点での位置を確保するための位置指令値
が出力され、触指２のプローブ４は保持位置に固定され
る。なお、ワークＷを把握したときに生じた保持姿勢の
誤差は、接触角検出用センサ２０からの検出値によって
明らかにされる。【００２３】既に示したワークＷが受ける合力と触指２
の駆動力との関係式Ｔ＝ＪＦからも明らかなように、ワ
ークＷを平面内で保持するためには、触指２の駆動力は
３要素あれば可能であり、それ以上の駆動力要素は冗長
となる。本発明のフレキシブル治具は、３個以上の触指
２からなるため、３つの並進駆動力要素と３つの回転駆
動力要素とを持っている。つまり、フレキシブル治具
は、平面内の保持に対して冗長であり、各触指２の並進
駆動力と回転駆動力とを分離して考えることができる。
この点が、本発明のフレキシブル治具の最も特長とする
ところであるといえる。【００２４】つまり、前記関係式Ｔ＝ＪＦは、Ｔ＝Ｊ_A
Ｆ_A＋Ｊ_LＦ_Lと書き直せる。ここで、Ｆ_Aは各触指２
の回転駆動力ｎ_iからなるｍ×１次元のベクトルを表
し、Ｆ_Lは各触指２の並進駆動力ｆ_iからなるｍ×１次
元のベクトルを表す。そして、各駆動力要素は最低３つ
ずつ存在することから、触指２を適当な位置に配置すれ
ば、並進駆動力のみによるワークＷの把握も可能である
し、回転駆動力のみによるワークＷの把握も可能である
ことが上記の式から明らかである。【００２５】そして、既に説明したように、従来の治具
では、ワークＷを保持・固定させておくには、ワークＷ
の形状に対応した治具が必要であったが、上記構成のフ
レキシブル治具では、一つの装置で種々の平面形状のワ
ークＷの把持（保持）が可能である。【００２６】また、上記実施例においては、回転駆動部
５にはサーボモータ２５の回転力を触指２に加える伝達
機構としてウォーム歯車３６を用いているので、回転駆
動部５による回転駆動力のみよってワークＷの保持を行
った場合、ウォーム歯車３６の特性により、無限大剛性
による保持が可能となる。つまり、ワークＷになんらか
の外力が加わった場合でも、ワークＷはその位置・姿勢
を変化させることなく保持・固定される。ただし、これ
はワークＷとプローブ４との接触点が滑らないという条
件下で成り立つ。もっとも、歪ゲージ１７によって検出
した回転接線方向の力を計算機４１内に取り込み、並進
駆動部３による並進駆動力を制御することにより、前記
接触点が滑らないようにすることができる。このとき、
回転駆動に対しては制御を行う必要はない。つまり、並
進駆動力のみを制御することによって、外力が発生した
場合においてもワークＷを固定することができる。【００２７】さらに、ワークＷを保持している状態で、
望まれるワークＷの位置・姿勢が求められれば、それに
対応してプローブ４の先端（接触部）の軌道を求めるこ
とができる。この目標軌道から、各触指２の並進駆動部
３、回転駆動部５の目標入力を計算機４１内で求め、出
力する。それと同時に、ワークＷを保持するための内力
が発生し続けるように並進、回転の各力をセンサから検
出して計算機４１内に取り込み、移動中、内力がゼロ以
下にならないように各駆動部３，５に出力する。これに
よって、ワークＷはｘｙ平面内で任意に位置決めされ
る。【００２８】本発明は、上記実施例に限られるものでは
なく、種々に変形して実施することがでる。例えば、並
進駆動部３の駆動源をＶＣＭ７に代えて、サーボモータ
やエアシリンダで構成してもよい。すなわち、図６は、
サーボモータを駆動源にした例を示し、この図におい
て、４６はベース６に載置されたギアボックスで、その
入力軸側にはエンコーダ付きのサーボモータ４７が設け
られ、出力軸側にはｙ方向にボールネジ４８がベース６
に載置された支持台４９に保持されるようにして設けら
れている。５０は上部に力検出センサを組み込んだテー
ブルで、ボールネジ４８と咬合し、ボールネジ４８の正
転または逆転によって、ｙ方向に延設されたガイド部材
５１に沿って前進または後進する。そして、このテーブ
ル５０の前記力検出センサ部分には、ｙ方向に延びるよ
うにして、プローブ軸１３が取り付けられている。図示
していないが、このプローブ軸１３の先端には、図２に
示されると同様に歪みゲージ１７、その取り付け板１
８、更にはプローブ先端軸１９、接触角検出用センサ２
０並びにその回転軸２１、そして接触板軸受２２、その
上下に組み込まれた軸受２３、接触板軸受２２を取り付
けるための接触板２４が備わっていることはいうまでも
ない。【００２９】従って、サーボモータ４７が回転すると、
ギアボックス４６を介してボールネジ４８がｙ軸回りに
回転し、この回転に伴ってテーブル５０がｙ方向に動
き、これにより、プローブ軸１３がｙ方向に動く。そし
て、プローブ４が並進方向に受けた力は、テーブル５０
に組み込まれた力検出センサによって検出され、また、
プローブ４の位置の検出は、サーボモータ４７に取り付
けられたエンコーダによって行われる。【００３０】図７は、空気圧を駆動源とした例を示し、
この図において、５２はエアシリンダで、そのシリンダ
軸５３がｙ軸と平行になるようにベース６に立設された
保持部材５４に保持されている。シリンダ軸５３の一端
側には並進位置検出用センサ１６が設けられ、他端側に
は力検出センサを組み込んだカップリング５５が設けら
れ、さらに、このカップリング５５の力検出センサ部分
には、ｙ方向に延びるようにしてプローブ軸１３が取り
付けられている。この場合も、図６に示される実施例と
同様に、このプローブ軸１３の先端には、歪みゲージ１
７、その取り付け板１８、更にはプローブ先端軸１９、
接触角検出用センサ２０並びにその回転軸２１、そして
接触板軸受２２、その上下に組み込まれた軸受２３、接
触板軸受２２を取り付けるための接触板２４が備わって
いることはいうまでもない。【００３１】従って、エアシリンダ５２内に空気を送り
込むことにより、シリンダ軸５３がガイド５６に沿うよ
うにしてｙ方向に動き、この動きに伴って、プローブ軸
１３がｙ方向に動く。そして、プローブ４が並進方向に
受けた力は、カップリング５５に組み込まれた力検出セ
ンサによって検出され、また、プローブ４の位置の検出
は、並進位置検出用センサ１６によって行われる。【００３２】また、前記回転駆動部５において、ギアボ
ックス３０内にかさ歯車を設けるようにしてもよい。こ
の場合、ギア比を１：Ｎとしたり、１：１とすることが
できる。【００３３】ところで、ＶＣＭ７によるもの（図２に例
示）、サーボモータ４７によるもの（図６に例示）、エ
アシリンダ５２によるもの（図７に例示）があり、回転
駆動機構としては、サーボモータ２５とウォーム歯車３
６によるもの、サーボモータ２５とかさ歯車によるもの
があり、さらに、サーボモータ２５とかさ歯車による場
合、１：Ｎのときと、１：１の場合とがある。【００３４】そして、並進駆動機構においては、ＶＣＭ
７による場合およびエアシリンダ５２による場合は、力
は小さいが動作が素早く、サーボモータ４７による場合
は、力は大きいが動作が遅い。また、回転駆動機構にお
いては、サーボモータ２５とウォーム歯車３６による場
合およびサーボモータ２５と１：Ｎのかさ歯車の場合
は、力は大きいが動作が遅く、サーボモータ２５と１：
１のかさ歯車による場合は、力は小さいが動作が素早
い。【００３５】従って、前記種々の並進駆動機構と回転駆
動機構とを適宜組み合わせることによって、種々の特性
のフレキシブル治具を得ることができるが、前記図１〜
図５に示した実施例のように構成した場合、ワークＷを
所定の位置および姿勢で素早くしかも確実に保持・固定
でき、組立などにおいて用いる治具として最適のものが
得られる。【００３６】【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
従来の多指ハンドと同様に、保持部品の任意方向への位
置決め機能を有することは勿論のこと、平面形状が種々
の多用なワークを所定の位置・姿勢で確実に保持・固定
することができる。従って、組立時における作業効率の
向上が図れる。【００３７】また、装置全体の構成が簡単であり、制御
も簡単である。

【図面の簡単な説明】【図１】本発明の一実施例に係るフレキシブル治具の全
体構成を示す斜視図である。【図２】前記フレキシブル治具の触指およびその並進駆
動部を示す斜視図である。【図３】前記触指の先端部における構成を示す一部を断
面した部分拡大図である。【図４】前記触指の回転駆動部を示す部分断面斜視図で
ある。【図５】前記触指の制御関係を示すブロック図である。【図６】本発明の他の実施例に係る並進駆動部を示す斜
視図である。【図７】本発明のさらに他の実施例に係る並進駆動部を
示す斜視図である。【符号の説明】１…基盤、４…プローブ、６…ベース、２０…接触角検
出用センサ、Ｗ…ワーク。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23Q 3/06 303 B23Q 3/06 304 B23Q 3/18 B23P 19/00 304

Claims

(57)【特許請求の範囲】【請求項１】ワークが載置される水平な基盤の周囲
に、回転駆動部と、この回転駆動部の上方に設けられ、
かつ、前記基盤より上方において基盤に沿って回転する
ベースと、並進駆動部と、前記ベースとともに回転しか
つ並進駆動部により基盤に沿って並進するプローブと、
前記プローブの並進方向の保持力を検出する力検出セン
サと、プローブに作用する回転力を検出するセンサを備
えて構成された触手を不特定に３以上設け、前記力検出
センサから出力された保持力の検出値とプローブに作用
する回転力を検出する前記センサーから出力された保持
力の検出値とを予め求めた保持力の指令値と比較し、所
定の保持力が得られたとき、位置指令値が出力されてプ
ローブの保持位置を確保して、各プローブの先端で前記
ワークを保持・固定するように構成したことを特徴とす
るフレキシブル治具。