JP3932283B2

JP3932283B2 - Robot compliance device

Info

Publication number: JP3932283B2
Application number: JP2003016697A
Authority: JP
Inventors: 友康平澤
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2003-01-24
Filing date: 2003-01-24
Publication date: 2007-06-20
Anticipated expiration: 2023-01-24
Also published as: JP2004223680A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、外力を受けながら作業を行うロボットのコンプライアンス装置に関するものであり、部品組立、分解作業等において動作中にロボットハンドに一定以上の外力がかかることを未然に回避し、また、コンプライアンス剛性を適宜調整することによって、作業の高精度化、高速化を図ることができるものである。
【０００２】
【従来の技術】
ロボットアーム先端に設けたハンドにより部品を把持して組立作業又は分解作業を行う場合、ロボットハンドにコンプライアンス性がないと部品の寸法誤差や位置決め誤差に対する許容範囲が小さく、したがって、アームやハンドに要求される動作精度が厳しくなり、そのために作業速度が遅くなってしまったり、作業の失敗率が高くなってしまう。そこで、アームとハンドとの接続部分あるいはハンドの指部分に弾性機構によるコンプライアンス特性を持たせて、組立あるいは分解作業時の作業反力によって前記弾性機構が変位するようにして部品同士の位置や姿勢を合致させる方法や、上記の構成に加えて、作業反力を検出する力センサを設けて、検出された作業反力に基いてアームを制御することで部品同士の位置や姿勢を合致させて作業する方法がある。
【０００３】
一般的に用いられるコンプライアンス機構を図１０（ａ）に示してあり、このものではハンド側プレート９１とアーム側プレート９２が弾性部材９３により連結されている。
ロボットアーム９４で組立作業をする際、ハンド９５が把持している嵌合部品９６と定置されている被嵌合部品９７との間に相対位置や姿勢のずれがあると、嵌合部品９６を被嵌合部品９７の穴に押し込むとき、これらが接触してずれ量とずれ方向とに応じた外力がハンド９５に作用する。この外力によって弾性部材９３が弾性変形して嵌合部品９６と被嵌合部品９７の相対位置ずれと姿勢ずれとを吸収する（補償する）ことで、組立作業をスムーズに行うことができる。
【０００４】
しかし、部品の相対位置ずれ量が弾性部材の許容変形量よりも大きい場合や、部品の強度が弾性部材のコンプライアンス剛性よりも小さい場合は、上記のコンプライアンス機構では相対位置ずれを吸収（補償）し得なかったり、あるいは、部品が壊れてしまう恐れがある。また、上記コンプライアンス機構に加えて、アームとハンドの接続部分に力センサを設けて作業反力を検出し、作業の際に想定される方向以外の並進力やモーメントが発生しないようにアームを制御する方法（図１０（ｂ））においては、ハンドとアームの間にコンプライアンス機構と力センサ９８を個々に設けているため、その分だけ、アームからハンド先端までの距離や重量が大きくなり、高速で高精度なハンド先端の動作が難しくなる。
【０００５】
ところで、Ｚ軸方向の薄型化を図ったコンプライアンス機構と力センサが特開平５−２５３８８３号公報に記載されており、このコンプライアンス機構（「Ｘ−Ｙ−θＺ軸板ばねコンプライアンス機構」）は次のとおりのものである（図１１参照）。
外形及び剛性の等しい４枚の板ばね１０２を、板ばねの表面と平行な回転軸を有する４個の回転リンク１０４で、正方形の格子状をなすように短辺同士で結合し、互いに相対して向き合う２対の板ばねのうち、１対の板ばね１０２，１０２の間に可動体１０６を各板ばね１０２の中点に橋渡しするように固定するとともに、他方の板ばね対を各板ばねの中点で静止剛体１１０に固定することにより、前記可動剛体１０６と静止剛体１１０の間に、板ばね１０２の表面に垂直な互いに直交するＸ軸及びＹ軸方向と、該Ｘ軸及びＹ軸に直交するＺ軸の回転方向にコンプライアンスを持たせる。また、前記板ばね１０２に適切に歪ゲージを貼付してブリッジ回路を組むことにより、Ｘ、Ｙ軸方向の力とＺ軸回りのモーメントを独立して検出している。しかし、この方法では、歪ゲージの許容変位量が小さいために板ばね１０２の変位量を小さくしなければならなず、したがって、機械的なコンプライアンスの変位量を大きくすることができず、またハンドへの衝撃により歪ゲージを壊してしまう恐れがある等の理由から、動作を高速にすることが難しい。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−２５３８８３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、位置ずれ、姿勢ずれのために作用する外力を受けながら作業を行うロボットのコンプライアンス装置について、簡単な構造でコンプライアンス性と力センシング機能を有し、高速で高精度な作業が可能なコンプライアンス装置および簡単な構造で、高速かつ高精度な作業が可能なロボットを提供することを目的とするものであり、そのための課題は次のとおりである。
【０００８】
【課題１】
課題１は、ベース部材に可動部材が弾性的に連結されているロボットアームのコンプライアンス装置について、簡単な構造で並進２自由度方向及び多自由度方向のコンプライアンス性を有するようにコンプライアンス装置の機構を工夫することである。
【０００９】
【課題２】
課題２は、上記課題１に加えて、コンプライアンスの剛性の変更、調整を自在にかつ迅速に行え、コンプライアンス剛性の適正化によってロボットハンドによる作業の高速化、高精度化が図られるようにすることである。
【００１０】
【課題解決のために講じた手段】
【解決手段１】
解決手段１は、課題１の解決手段であり、ベース部材に可動部材が弾性的に連結されているロボットアームのコンプライアンス装置について、ベース部材と、該ベース部材に対して鉛直方向の移動が規制されている可動部材と、該可動部材の基準位置からの変位量に応じた強さの復元力を発生させる複数の１自由度の復元力発生手段と、該復元力発生手段の制御手段を有し、上記復元力発生手段と上記可動部材との接点において、上記復元力発生手段が可動部材とその摺動可能な球面先端で当接していることである。
【００１１】
【作用】
上記復元力発生手段の可動部材との当接面が摺動可能な球面であるから、可動部材に対する復元力発生手段による支持が自在性を有し、したがって、可動部材は並進方向と旋回方向に変位可能である。また，復元力発生手段は可動部材の変位量に応じた強さの復元力を発生するため，復元力発生手段により可動部材は変位に応じて初期の位置と姿勢に戻るような力を受けるから，コンプライアンス性を有する。
そして、弾性復元手段の球面先端が可動部材にスライド自在に当接しているにすぎないから、このコンプライアンス装置は極めて構造が簡単である。
【００１２】
【実施態様１】
実施態様１は、解決手段１について、上記復元力発生手段と外部の制御手段との入出力手段とを有することである。
【００１３】
【実施態様２】
実施態様２は、上記解決手段１又は実施態様１において、ベース部材及び可動部材が略多角形又は楕円の板状であり、ベース部材の周囲に少なくとも３つ以上の復元力発生手段が、その変位方向が略同一平面内になるように配置されていることである。
【作用】
略多角形または楕円の形状をなすベース部材の周囲に３つ以上の復元力発生手段が配置されることで、復元力発生手段が発生する復元力の合力により並進および回転の３自由度のコンプライアンス性を有する。
【００１４】
【解決手段２】
（請求項１に対応）
解決手段２は、ベース部材に可動部材が弾性的に連結され、該ベース部材及び可動部材の断面が多角形又は楕円であり、
上記可動部材の基準位置からの変位量に応じた強さの復元力を発生させる複数の１自由度の復元力発生手段と、該復元力発生手段の制御手段を有し、
上記復元力発生手段と上記可動部材との接点において、上記復元力発生手段がその摺動可能な球面先端で可動部材と当接するロボットアームのコンプライアンス装置を前提として、
上記可動部材の側面が、上記ベース部材に向かって凸形状となるように、反対の傾斜角度を有する２つの傾斜面により形成され、
上記ベース部材の周囲において、上記可動部材の基準位置でのＺ軸に垂直であり、且つ該可動部材の側面の各傾斜面に交わるそれぞれの平面内で、少なくとも３つ以上の復元力発生手段が、その変位方向を上記それぞれの平面内とするように配置されていることである。
【作用】
可動部材の側面を反対の傾斜角度を有する２つの傾斜面により形成し、該可動部材の側面の各傾斜面に交わるそれぞれの平面内で３つ以上の復元力発生手段を配置することにより、並進２自由度と垂直な方向にもそれぞれの復元力発生手段の復元力の合力によりコンプライアンス性を有するので、これにより、並進３自由度と回転３自由度のコンプライアンス性が得られる。
【００１５】
【実施態様１】
（請求項２に対応）
実施態様１は、解決手段２において、上記復元力発生手段がシリンダとピストンから成り、圧縮性流体の弾性を利用することである。
【００１６】
【実施態様２】
（請求項３に対応）
実施態様２は、上記実施態様１において、上記シリンダに圧縮性流体を供給する流体供給手段と、圧縮性流体の圧力を制御する圧力制御手段と、流体供給手段とシリンダの結合部に開閉弁を有することである。
【００１７】
【作用】
開閉弁の開閉制御、圧力制御手段による圧力調整によって、コンプライアンス剛性を自在に変更、調整することができる。
したがって、コンプライアンス動作の初期条件の設定、調整を、迅速かつ容易に行うことができる。また一連の作業途中で、コンプライアンス剛性を最適値に迅速かつ容易に変更、調整することができるので、一連の作業の高速化、高精度化が図られる。
【００１８】
【実施態様３】
実施態様３は、上記実施態様２において、圧縮性流体の圧力を測定する測定手段と、測定された圧力から外力を計算する計算手段とを有することである。
【作用】
圧縮性流体の圧力から外力を算出することによって、コンプライアンス負荷の大きさを検知でき、検知したコンプライアンス負荷の大きさに応じた適切な制御を行うことができる。
【００１９】
【実施態様４】
実施態様４は、上記実施態様２において、圧縮性流体の圧力を測定する測定手段と、測定された圧力からベース部材と可動部材の相対移動量を計算する計算手段とを有することである。
【作用】
圧縮性流体の圧力からベース部材と可動部材の相対移動量を算出することによって、コンプライアンス負荷の大きさを検知で、検知したコンプライアンス負荷の大きさに応じた適切な制御を行うことができる。
【００２０】
【実施態様５】
（請求項４に対応）
実施態様５は、実施態様２において、上記圧力制御手段が全ての復元力発生手段の復元力を変化させるものであることである。
【００２１】
【実施態様６】
（請求項５に対応）
実施態様６は、実施態様２において、上記圧力制御手段が特定の復元力発生手段の復元力を変化させるものであることである。
【作用】
特定の復元力発生手段の復元力を変化させることで、特定の方向のコンプライアンス剛性を変化させることができ、また、作業内容に応じて所望の方向のコンプライアンス剛性を必要な値にすることができる。
【００２２】
【実施の形態】
初めに図１に基いて、本発明におけるコンプライアンス装置の実施例を説明する。
図１（ａ）において、正方形の板形状の可動部材１はベース部材２に対して突き当て部材３によりＺ軸方向（紙面表裏方向）への移動が規制されている。可動部材１およびベース部材２には、他部材と接続するためのフランジとネジ止め可能なように複数のネジ穴および位置決め用の穴が設けられている。他部材と接続する時は上記フランジと他部材とを固定し、フランジを可動部材１あるはベース部材２と接続する。ベース部材２の各辺の内側中央に十字状に埋め込まれたシリンダ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄにピストン５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄが嵌合されている。
そして、上記ピストン５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの先端は耐摩耗性の高い半球状頭５ｈになっていて、これが可動部材１の側平面に当接している。この例においては半球状頭５ｈはピストン５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄに固定されているが、球状体をピストン５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの凹部に回転自在に保持させ、その一部を突出させて半球状頭５ｈを構成することもでき、この方が可動部材１の側平面とピストンの球状先端との摺動抵抗を低くすることができる。
【００２３】
また、シリンダ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの端面には計算機６により制御される開閉弁７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄが設けられており、これらの開閉弁７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄにチューブ８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄを介して計算機６により制御されるレギュレータ９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄが接続され、さらに、レギュレータ９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄにはエア供給手段（図示略）が接続される。
計算機６の指令に基づいて開閉弁７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄを開いてエアの給排を行い、そのエア圧が計算機６の指令に基づいてレギュレータ９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄによって調整され、これによって、シリンダ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ内の初期圧力が調整される。初期状態においては、全てのシリンダ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄに同圧のエアを供給し、可動部材１がピストン５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄで四方から等しい押し付け力で押えられる。作動状態においては開閉弁７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄが閉じられ、各シリンダは完全に密閉される。ピストン５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ内の初期圧力を所望の値にすることで、部品強度や作業精度に応じたコンプライアンス剛性に調整することが可能になる。
【００２４】
作業状態において、図１（ｂ）に示すように、可動部材にＸ軸方向とＹ軸方向の分力を有する並進の外力が作用すると、可動部材１は同方向に移動する。この時、ピストン５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄも外力の分力方向に移動し、シリンダ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ内のエアの膨張あるいは収縮によってピストン５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの押し付け力が増減し、その押し付け力の差が上記外力と釣り合って可動部材が停止するとともに、これが可動部材１に対する復元力となる。
Ｚ軸回りの回転の外力が作用した場合も、可動部材１は外力の方向に回転し、それにともなうピストン５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの移動によりシリンダ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ内のエアが膨張あるいは圧縮されてピストン５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄの押し付け力が増減し、その差による復元力と外力が釣り合った状態で停止する（図１（ｃ）参照）。並進と回転の外力が同時に作用した場合も同様である（図１（ｄ）参照）。
【００２５】
シリンダ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの内圧の変更・調整は、初期調整時だけでなく、一連の作業途中において適宜自在に行えるので、予め工程毎に最適なコンプライアンス剛性を調べておき、一連の作業の各工程で最適なコンプライアンス剛性に調整する。これによって各工程の作業性を向上させることができる。
【００２６】
また、シリンダ４ａ，４ｃとシリンダ４ｂ，４ｄの圧力を変えることによりＸ軸，Ｙ軸方向のコンプライアンス剛性を個々に調整することができる。この実施例においてはシリンダ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄに対して個々にレギュレータ９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄを設けているが、シリンダ４ａ，４ｃとシリンダ４ｂ，４ｄに対して共通のレギュレータを設けることでも、Ｘ軸，Ｙ軸方向のコンプライアンス剛性を個々に調整することがきる。
コンプライアンス剛性の方向性を必要としない場合は、全てのシリンダに対して共通のレギュレータを接続し、レギュレータからのチューブを分岐してエアを供給することも可能である。また、レギュレータ９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄによる供給圧力を高めにすることによってコンプライアンス剛性を増大させて、可動部材１の移動や振動時のコンプライアンス装置の安定性を向上させることができる。
【００２７】
次に図２に基いて、本発明におけるコンプライアンス装置の外部制御手段への入出力手段について説明する。
図２において、レギュレータ１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄと開閉弁１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄは外部の計算機１６に入出力装置１１を介して接続されている。上記と同様に計算機１６からの指令に基づいてレギュレータ１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄと開閉弁１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄが動作しコンプライアンス剛性を調整する。
【００２８】
次に図３に基いて、本発明におけるコンプライアンス装置の第１の部材の形状と復元力発生手段の配置の様子を説明する。
図３（ａ）において、可動部材２１は三角形の板形状になっている。また、シリンダ２４ａ，２４ｂ，２４ｃはその変位方向が可動部材２１の上面（下面）と平行な面上で、且つシリンダ２４ａ，２４ｂ，２４ｃの可動部材２１への押し付け力が釣り合い可能な位置に配置されている。
可動部材２１に外力が作用していない状態において、シリンダ２４ａ，２４ｂ，２４ｃの押し付け力が釣り合った位置が可動部材２１の基準位置であり、可動部材２１に外力が作用して基準位置から移動した際にはシリンダ２４ａ，２４ｂ，２４ｃの押し付け力のベクトル和が復元力となる。
図３（ｂ）のように、可動部材２２が楕円でその周囲にシリンダ２５ａ，２５ｂ，２５ｃを配置している場合も可能である。
【００２９】
次に図４に基いて、本発明におけるコンプライアンス装置の第１の部材の形状と復元力発生手段の配置の様子を説明する（請求項１に対応）。
図４において、図中のＺ軸に垂直な２平面にそれぞれ４つずつシリンダが設けられ（一つの平面は５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄともう一つの平面は、５５ａ，５５ｃのみ図示）、それぞれの平面上でベース部材５２の各辺の内側中央に十字状に埋め込まれている。また、可動部材５１の側面は斜めになっており、個々のピストンはＸＹ平面に平行な力とＺ軸方向の力を発生させる。初期状態においては各平面にある４つのピストンのＸＹ平面に平行な成分の合力は釣り合っており、２組の４つのシリンダが発生させるＺ軸方向の合力も釣り合っている。
可動部材５１に外力が作用した場合、可動部材５１は並進３自由度、回転３自由度の動きが可能でありその移動によって変位したシリンダの押し付け力のベクトル和が復元力となる。
【００３０】
次に図５に基いて、本発明におけるコンプライアンス装置の復元力発生手段と第１の部材、第２の部材との接続の様子を説明する。
図５（ａ）において、シリンダ３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄはベース部材３２に埋め込まれて固定されている。また、ピストン３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄの先端は半球形状の摺動可能な押し付け部材３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄとなっていて、可動部材３１の側面に対して並進および回転自在になっている。外力の方向や大きさに応じて、ピストン３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄの変位と可動部材３１と押し付け部材３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６ｄ間の摺動とにより、可動部材３１はベース部材３２に対して２方向の並進と回転の３自由度の変位が可能であり、初期位置からの変位に対応した復元力がある。
また、図５（ｂ），（ｃ）に示すようにシリンダが可動部材に埋め込まれている場合や、可動部材とベース部材のどちらかに埋め込まれている場合も同様である。
【００３１】
次に図６に基いて、本発明におけるコンプライアンス装置の圧力の測定装置と外力の算出のしかたを説明する。
図６の点線は無負荷状態（中立状態）を示し、実線は可動部材４１に並進力Ｆ（ベクトル）とモーメントＭが作用した時の状態を示している。このものは図１の実施例（実施例１）のシリンダ底に圧力センサ４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄを設けたものであり、当該圧力センサによる検出圧力値を用いて計算機４３によって外力Ｆあるいは可動部材４１の移動量Ｔを検出するものである。シリンダ４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄの断面積をＳとし、その内圧をＰａ，Ｐｂ，Ｐｃ，Ｐｄ，押し付け力ベクトルをＦａ，Ｆｂ，Ｆｃ，Ｆｄ（図中の座標軸の矢印方向を正とする）とすると、Ｆａ＝（ＰａＳ，０）、Ｆｂ＝（０，ＰｂＳ）、Ｆｃ＝（−ＰｃＳ，０）、Ｆｄ＝（０，−ＰｄＳ）となる。
【００３２】
Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃ，Ｆｄのピストン４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄと可動部材４１との接点から可動部材重心を結ぶ方向の成分をＦａＣ，ＦｂＣ，ＦｃＣ，ＦｄＣ、垂直な方向の成分をＦａＣ’，ＦｂＣ’，ＦｃＣ’，ＦｄＣ’とすると、ＦはＦａＣ，ＦｂＣ，ＦｃＣ，ＦｄＣの和、ＭはＦａＣ’，ＦｂＣ’，ＦｃＣ’，ＦｄＣ’による重心回りのモーメントの和として以下の式で求められる。
Ｆ＝ＦａＣ＋ＦｂＣ＋ＦｃＣ＋ＦｄＣ
Ｍ＝｜Ｄａ｜｜ＦａＣ’｜＋｜Ｄｂ｜｜ＦｂＣ’｜＋｜Ｄｃ｜｜ＦｃＣ’｜＋｜Ｄｄ｜｜ＦｄＣ’｜
ここで、ベクトルＤａ，Ｄｂ，Ｄｃ，Ｄｄはピストン４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄと可動部材４１との接点から可動部材重心を結ぶベクトルとする。この実施例においては、ＦａＣ，ＦｂＣ，ＦｃＣ，ＦｄＣ，ＦａＣ’，ＦｂＣ’，ＦｃＣ’，ＦｄＣ’，Ｄａ，Ｄｂ，Ｄｃ，Ｄｄは以下のように求められる。
【００３３】
無負荷状態におけるシリンダ４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄ内の圧力をＰ（初期設定値）、シリンダ４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄのエア部分の長さをｌとし、力Ｆによるピストン４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄの変位量をｘａ，ｙｂ，ｘｃ，ｙｄ（図中の座標軸の矢印方向を正とする）とする（ただし、シリンダ内温度をほぼ一定と見做す）と、
ＰｌＳ＝Ｐａ（ｌ＋ｘａ）Ｓ
ＰｌＳ＝Ｐｂ（ｌ＋ｙｂ）Ｓ
ＰｌＳ＝Ｐｃ（ｌ＋ｘｃ）Ｓ
ＰｌＳ＝Ｐｄ（ｌ＋ｙｄ）Ｓ
であるから、
ｘａ＝ｌ（Ｐ−Ｐａ）／Ｐａ
ｙｂ＝ｌ（Ｐ−Ｐｂ）／Ｐｂ
ｘｃ＝ｌ（Ｐ−Ｐｃ）／Ｐｃ
ｙｄ＝ｌ（Ｐ−Ｐｄ）／Ｐｄ
となる。
なお、実際にはピストンの変位による圧縮は断熱圧縮に近いけれども、しかし、圧縮の前後で温度は必ずしも一定ではないので、この温度変化分を補正すれば、より高い精度で上記変位量ｘが求められる。
【００３４】
可動部材の重心の移動量ベクトルをＴ（ｔｘ，ｔｙ）とすると、
ｔｘ＝（ｘａ＋ｘｃ）／２
ｔｙ＝（ｙｂ＋ｙｄ）／２
となる。
【００３５】
また、可動部材の一辺の長さを２Ｌとし、ピストン先端の半球の半径がＬに比べて十分小さいとすると、
Ｄａ＝（Ｌ＋ｔｘ，ｔｙ）
Ｄｂ＝（ｔｘ，Ｌ＋ｔｙ）
Ｄｃ＝（−Ｌ＋ｔｘ，ｔｙ）
Ｄｄ＝（ｔｘ，−Ｌ＋ｔｙ）
また、
ＦａＣ＝Ｆａ・Ｄａ／｜Ｄａ｜
ＦｂＣ＝Ｆｂ・Ｄｂ／｜Ｄｂ｜
ＦｃＣ＝Ｆｃ・Ｄｃ／｜Ｄｃ｜
ＦｄＣ＝Ｆｄ・Ｄｄ／｜Ｄｄ｜（・はベクトルの内積）
であるから、
ＦａＣ’＝Ｆａ−ＦａＣ
ＦｂＣ’＝Ｆｂ−ＦｂＣ
ＦｃＣ’＝Ｆｃ−ＦｃＣ
ＦｄＣ’＝Ｆｄ−ＦｄＣ
となる。
【００３６】
上記のように測定し、算出した外力あるいは可動部材の移動量に基いて、コンプライアンス装置あるいはロボットを制御することができる。予め最適なコンプライアンス剛性が判然としない作業においては、算出される外力が所定の値を超えないようにシリンダ内のエア圧力を変化させることによって、コンプライアンス剛性あるいはロボットを制御することもできる。
【００３７】
次に図７に基いて本発明にけるコンプライアンス装置をリスト部に搭載したロボットの様子を説明する（請求項６に対応）。
図７において、コンプライアンス装置７１はロボットのアーム先端とハンドの間に搭載される。可動部材とハンド、ベース部材とアーム先端とが接続されており、嵌合部品の組立や分解の際に作用する作業反力に応じてハンドを移動させて位置補正を行う。また、組立精度や組立状態が未知の部品でも作業中に発生する作業反力や位置補正量に応じてコンプライアンス剛性を変化させて位置の補正を行う。
【００３８】
次に図８に基いて、本発明におけるコンプライアンス装置をフィンガ部に搭載したロボットの様子を説明する（請求項７に対応）。
図８において、コンプライアンス装置８１はアーム先端に設けられたチャック式のハンドのチャック移動部とフィンガの間に搭載される。可動部材とフィンガ、ベース部材とチャック移動部とが接続されており、嵌合部品の組立や分解の際に作用する作業反力に応じてフィンガを移動させて位置補正を行う。また、組立精度や組立状態が未知の部品でも作業中に発生する作業反力や位置補正量に応じてコンプライアンス剛性を変化させて位置の補正を行う。
【００３９】
次に図９に基いてコンプライアンス装置を作業台に搭載したロボットの様子を説明する（請求項８に対応）。
図９において、コンプライアンス装置９１は被嵌合部品を定置する治具と作業台の筐体の間に搭載される。可動部材と治具、ベース部材と筐体とが接続されており、嵌合部品の組立や分解の際に作用する作業反力に応じて治具を移動させて位置補正を行う。また、組立精度や組立状態が未知の部品でも作業中に発生する作業反力や位置補正量に応じてコンプライアンス剛性を変化させて位置の補正を行う。
【００４０】
【発明の効果】
この発明の効果は、主な請求項の発明毎に次のとおりに整理される。
（１）請求項１に係る発明の効果
可動部材を復元力発生手段の先端の球面先端に当接させ、付勢しているだけでコンプライアンス性を得ることができるので、簡単な構造でコンプライアンス装置を構成できる。また、復元力発生手段の制御手段を有することで、一連の作業中に部品剛性や作業の内容に応じて部品毎あるいは作業毎にコンプライアンス剛性を適宜、迅速に所望の値にすることができる。
さらに、可動部材の側面を反対の傾斜角度を有する２つの傾斜面により形成し、該可動部材の側面の各傾斜面に交わるそれぞれの平面内で３つ以上の復元力発生手段を配置することにより、３自由度の並進と３自由度の回転運動に対するコンプライアンス動作を得ることができる。
【００４１】
（削除）
【００４２】
（削除）
【００４３】
（削除）
【００４４】
（２）請求項２に係る発明の効果
復元力発生手段が圧縮性流体の弾性を利用することで流体圧力を調整するものであるから、弾性復元力ひいてはコンプライアンス剛性を容易に無段階に設定することができる。
【００４５】
（３）請求項３に係る発明の効果
無負荷状態でシリンダ内の圧力を調整してから開閉弁を閉じて、シリンダを密閉することでコンプライアンス剛性を変えることができる。圧力制御手段により無負荷状態のシリンダ内の圧力を適時に適宜調整できるので、コンプライアンス剛性を作業内容に応じて最適化することにより、作業の高速化、高精度化を図ることができる。
【００４６】
（削除）
【００４７】
（削除）
【００４８】
（４）請求項４に係る発明の効果
圧力制御手段が全ての復元力発生手段の復元力を変化させることで、コンプライアンス剛性の設定を初期だけでなく一連の作業途中で迅速に容易に行うことができる。
【００４９】
（５）請求項５に係る発明の効果
圧力制御手段が特定の復元力発生手段の復元力を変化させることで、復元力を変化させる復元力発生手段を適切に選ぶことができるものであるから、コンプライアンス剛性に方向性を持たせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】は、コンプライアンス機構の基本構成を示す図である。
【図２】は、コンプライアンス装置の外部制御手段への入出力手段を示す図である。
【図３】は、コンプライアンス機構の他の基本的構成を示した図である。
【図４】は、コンプライアンス機構の実施例における第１の部材と第２の部材と復元力発生手段の配置の様子を示した図である。
【図５】は、コンプライアンス機構における第１の部材と第２の部材と復元力発生手段の配置の様子を示した図である。
【図６】は、コンプライアンス機構における圧力の測定手段とそれに基く計算方法を示した図である。
【図７】は、コンプライアンス機構をリスト部に搭載したロボットの実施例を示した図である。
【図８】は、コンプライアンス機構をハンドのフィンガー部に搭載したロボットの実施例を示した図である。
【図９】は、コンプライアンス機構を作業台に搭載したロボットの実施例を示した図である。
【図１０】（ａ）は、コンプライアンス装置を有するロボットアームの主要部の概念図であり、（ｂ）は図（ａ）のロボットアームに力測定装置を単純に付加する場合の概念図である。
【図１１】（ａ）は、力測定装置を有する従来のコンプライアンス装置の主要部の側面図、（ｂ）は平面図である。
【符号の説明】
１，２１，２２，４１，３１，５１：可動部材
２，３２，４６，５２：ベース部材
３：突き当て部材
４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄ，４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄ，５４ａ，５４ｂ，５４ｃ，５４ｄ，５５ａ，５５ｃ：シリンダ
５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，３５ａ，３５ｂ，３５ｃ，３５ｄ，４５ａ，４５ｂ，４５ｃ，４５ｄ：ピストン
６，１６，４３：計算機
７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ：開閉弁
８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ：チューブ
９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，１９ａ，１９ｂ，１９ｃ，１９ｄ：レギュレータ
１１：入出力手段
４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ：圧力測定手段
６１，７１，８１：コンプライアンス装置
９１：ハンド側プレート
９２：アーム側プレート
９３：弾性部材
９４：ロボットアーム
９５：ハンド
９６：嵌合部品
９７：被嵌合部品
９８：力センサ[0001]
[Industrial application fields]
  The present invention relates to a compliance device for a robot that performs work while receiving external force, and avoids that a certain amount of external force is applied to the robot hand during operation during parts assembly, disassembly work, etc., and compliance rigidity. It is possible to increase the accuracy and speed of the work by appropriately adjusting.
[0002]
[Prior art]
  When assembly or disassembly work is performed by gripping a component with the hand provided at the tip of the robot arm, the tolerance range for component dimensional error or positioning error is small if the robot hand is not compliant. As a result, the operation accuracy becomes severe, and therefore the work speed becomes slow or the work failure rate becomes high. Therefore, the connection part between the arm and the hand or the finger part of the hand has a compliance characteristic by an elastic mechanism, and the elastic mechanism is displaced by the work reaction force during assembly or disassembly work so that the positions and postures of the parts are In addition to the above method and the above configuration, a force sensor that detects the work reaction force is provided, and the arm is controlled based on the detected work reaction force so that the positions and postures of the parts are matched. There is a way to work.
[0003]
  A generally used compliance mechanism is shown in FIG. 10A, in which a hand side plate 91 and an arm side plate 92 are connected by an elastic member 93.
  When the assembly work is performed by the robot arm 94, if there is a deviation in the relative position or posture between the fitting component 96 held by the hand 95 and the fixed fitting component 97, the fitting component 96 is moved. When they are pushed into the holes of the fitted component 97, they come into contact with each other, and an external force corresponding to the amount and direction of displacement acts on the hand 95. The elastic member 93 is elastically deformed by the external force and absorbs (compensates for) the relative positional deviation and the attitude deviation between the fitting part 96 and the fitting part 97, so that the assembling work can be performed smoothly.
[0004]
  However, if the relative displacement amount of the component is larger than the allowable deformation amount of the elastic member, or if the strength of the component is smaller than the compliance rigidity of the elastic member, the above-mentioned compliance mechanism absorbs (compensates) the relative displacement. There is a risk that it will not be obtained or the parts will be broken. In addition to the compliance mechanism described above, a force sensor is provided at the connection between the arm and the hand to detect the work reaction force and control the arm so that translational forces and moments other than those assumed in the work are not generated. In this method (FIG. 10B), since the compliance mechanism and the force sensor 98 are individually provided between the hand and the arm, the distance and weight from the arm to the tip of the hand are increased accordingly, and the speed is increased. This makes it difficult to move the tip of the hand with high accuracy.
[0005]
  Incidentally, a compliance mechanism and a force sensor which are made thin in the Z-axis direction are described in Japanese Patent Laid-Open No. 5-253883, and this compliance mechanism (“XY-θZ-axis leaf spring compliance mechanism”) is described below. (See FIG. 11).
  Four leaf springs 102 having the same outer shape and rigidity are coupled to each other by four rotation links 104 having a rotation axis parallel to the surface of the leaf springs so as to form a square lattice and are opposed to each other. Among the two pairs of leaf springs facing each other, the movable body 106 is fixed between the pair of leaf springs 102, 102 so as to bridge the middle point of each leaf spring 102, and the other leaf spring pair is attached to each leaf spring. By fixing to the stationary rigid body 110 at the middle point, the X-axis and Y-axis directions perpendicular to the surface of the leaf spring 102 are orthogonal between the movable rigid body 106 and the stationary rigid body 110, and the X-axis and Y-axis. Compliance is provided in the rotation direction of the Z axis perpendicular to the axis. In addition, by appropriately attaching a strain gauge to the leaf spring 102 and assembling a bridge circuit, forces in the X and Y axis directions and moments around the Z axis are detected independently. However, in this method, since the allowable displacement amount of the strain gauge is small, it is necessary to reduce the displacement amount of the leaf spring 102. Therefore, the displacement amount of the mechanical compliance cannot be increased, and the hand displacement is not increased. It is difficult to increase the speed of operation because there is a risk that the strain gauge may be broken by the impact on the surface.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-5-253883
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
  This invention is a robot compliance device that performs work while receiving external forces acting due to positional deviation and attitude deviation, and has a simple structure with compliance and force sensing functions, enabling high-speed and high-precision work. An object of the present invention is to provide a robot capable of high-speed and high-precision work with a compliance device and a simple structure, and the problems for that purpose are as follows.
[0008]
[Problem 1]
  Problem 1 is a compliance device for a robot arm in which a movable member is elastically connected to a base member, and the mechanism of the compliance device is configured so that it has a simple structure and compliance in two-degree-of-translation and multi-degree-of-freedom directions. It is to devise.
[0009]
[Problem 2]
  Task 2 is to change and adjust the compliance rigidity freely and quickly in addition to the above problem 1, and to make the robot hand work faster and more precise by optimizing the compliance rigidity. It is.
[0010]
[Measures taken to solve the problem]
[Solution 1]
  Solution 1 is a solution to Problem 1, and in a compliance device for a robot arm in which a movable member is elastically connected to a base member, movement in the vertical direction with respect to the base member and the base member is restricted. A movable member, a plurality of one-degree-of-freedom restoring force generating means for generating a restoring force having a strength corresponding to the amount of displacement from the reference position of the movable member, and a control means for the restoring force generating means In the contact point between the restoring force generating means and the movable member, the restoring force generating means is in contact with the movable member and its slidable spherical tip.
[0011]
[Action]
  Since the contact surface of the restoring force generating means with the movable member is a slidable spherical surface, the movable member can be freely supported by the restoring force generating means. Therefore, the movable member is in the translational direction and the turning direction. Displaceable. Further, since the restoring force generating means generates a restoring force having a strength corresponding to the amount of displacement of the movable member, the restoring member generates a force that returns the movable member to the initial position and posture according to the displacement. , Compliant.
  The compliance device has a very simple structure because the spherical tip of the elastic restoring means is merely slidably in contact with the movable member.
[0012]
Embodiment 1
  The first embodiment is that the solving means 1 includes an input / output means for the restoring force generating means and an external control means.
[0013]
Embodiment 2
  In Embodiment 2, the base member and the movable member are substantially polygonal or elliptical plate-shaped in the above solution 1 or Embodiment 1, and at least three or more restoring force generating means are disposed around the base member. It is arrange | positioned so that a direction may become substantially in the same plane.
[Action]
  By arranging three or more restoring force generating means around the base member having a substantially polygonal or elliptical shape, compliance with three degrees of freedom of translation and rotation is achieved by the resultant force of the restoring force generated by the restoring force generating means. Have sex.
[0014]
[Solution 2]
(Claim 1Corresponding to)
  The solving means 2 includes a movable member elastically coupled to the base member,Base member and movable partMaterialcross sectionThere are manySquare or oval,
  A plurality of one-degree-of-freedom restoring force generating means for generating a restoring force having a strength corresponding to the amount of displacement from the reference position of the movable member, and a control means for the restoring force generating means;
  Assuming a compliance device for a robot arm in which the restoring force generating means abuts against the movable member at the slidable spherical tip at the contact point between the restoring force generating means and the movable member. The,
  The side surface of the movable member is formed by two inclined surfaces having opposite inclination angles so as to be convex toward the base member.,
  Around the base member, in each plane perpendicular to the Z-axis at the reference position of the movable member and intersecting each inclined surface of the side surface of the movable member,There are at least three restoring force generating means,ThatDisplacement directionThe above eachIn planeToArranged asingThat is.
[Action]
  The side surface of the movable member is formed by two inclined surfaces having opposite inclination angles, and in each plane intersecting each inclined surface of the side surface of the movable memberArranging three or more restoring force generating meansBy averageEven in the direction perpendicular to the 2nd degree of freedom, there is compliance by the resultant force of each restoring force generating means.BecauseThereby, the compliance property of three translational degrees of freedom and three degrees of freedom of rotation is obtained.
[0015]
[Embodiment 1]
(Claim 2Corresponding to)
  Embodiment 1 is a solution 2The restoring force generating means includes a cylinder and a piston.Consist ofUse the elasticity of compressible fluidsRukoIt is.
[0016]
[Embodiment 2]
(Claim 3Corresponding to)
  Embodiment 2 is the embodiment 1 described above.In the above cylinderCompressible fluidSupplyfluidSupply means;Compressible fluidPressure control means for controlling the pressure offluidAn on-off valve is provided at the coupling portion between the supply means and the cylinder.
[0017]
[Action]
  The compliance rigidity can be freely changed and adjusted by opening / closing control of the opening / closing valve and pressure adjustment by the pressure control means.
  Therefore, the initial conditions for the compliance operation can be set and adjusted quickly and easily. In addition, since the compliance rigidity can be changed and adjusted to the optimum value quickly and easily during the series of operations, the sequence of operations can be speeded up and increased in accuracy.
[0018]
[Embodiment 3]
  Embodiment 3 is the embodiment 2 described above.The measuring means for measuring the pressure of the compressible fluid and the calculating means for calculating the external force from the measured pressure.
[Action]
  By calculating the external force from the pressure of the compressive fluid, the magnitude of the compliance load can be detected, and appropriate control according to the detected magnitude of the compliance load can be performed.
[0019]
[Embodiment 4]
  Embodiment 4 is the embodiment 2 described above.In the above, there are provided a measuring means for measuring the pressure of the compressive fluid and a calculating means for calculating the relative movement amount of the base member and the movable member from the measured pressure.
[Action]
  By calculating the relative movement amount of the base member and the movable member from the pressure of the compressive fluid, it is possible to detect the magnitude of the compliance load and perform appropriate control according to the detected magnitude of the compliance load.
[0020]
[Embodiment 5]
(Claim 4Corresponding to)
  Embodiment 5 is Embodiment 2The pressure control means changes the restoring force of all restoring force generating means.
[0021]
[Embodiment 6]
(Claim 5Corresponding to)
  Embodiment 6 is Embodiment 2In the abovepressureThe control means changes the restoring force of the specific restoring force generating means.
[Action]
  By changing the restoring force of the specific restoring force generating means, the compliance stiffness in a specific direction can be changed, and the compliance stiffness in a desired direction can be set to a required value according to the work content. .
[0022]
Embodiment
  First, an embodiment of a compliance device according to the present invention will be described with reference to FIG.
  In FIG. 1A, the movement of the square plate-shaped movable member 1 in the Z-axis direction (the front and back direction in the drawing) is restricted by the abutting member 3 against the base member 2. The movable member 1 and the base member 2 are provided with a plurality of screw holes and positioning holes so that they can be screwed to a flange for connecting to other members. When connecting to another member, the flange and the other member are fixed, and the flange is connected to the movable member 1 or the base member 2. Pistons 5a, 5b, 5c, and 5d are fitted into cylinders 4a, 4b, 4c, and 4d embedded in a cross shape at the center of each side of the base member 2.
  The tips of the pistons 5a, 5b, 5c, 5d are hemispherical heads 5h having high wear resistance, which are in contact with the side plane of the movable member 1. In this example, the hemispherical head 5h is fixed to the pistons 5a, 5b, 5c, and 5d. Thus, the hemispherical head 5h can be configured, and this can lower the sliding resistance between the side plane of the movable member 1 and the spherical tip of the piston.
[0023]
  Further, on end faces of the cylinders 4a, 4b, 4c, 4d are provided on-off valves 7a, 7b, 7c, 7d controlled by the computer 6, and these on-off valves 7a, 7b, 7c, 7d are provided with tubes 8a, Regulators 9a, 9b, 9c, 9d controlled by the computer 6 are connected via 8b, 8c, 8d, and air supply means (not shown) is connected to the regulators 9a, 9b, 9c, 9d.
  The on-off valves 7a, 7b, 7c, 7d are opened based on the command from the computer 6 to supply / discharge air, and the air pressure is adjusted by the regulators 9a, 9b, 9c, 9d based on the command from the computer 6, Thus, the initial pressure in the cylinders 4a, 4b, 4c, 4d is adjusted. In the initial state, air of the same pressure is supplied to all the cylinders 4a, 4b, 4c and 4d, and the movable member 1 is pressed by the pistons 5a, 5b, 5c and 5d with equal pressing force from all directions. In the operating state, the on-off valves 7a, 7b, 7c and 7d are closed, and each cylinder is completely sealed. By setting the initial pressure in the pistons 5a, 5b, 5c, and 5d to a desired value, it becomes possible to adjust the compliance rigidity according to the component strength and work accuracy.
[0024]
  In the working state, as shown in FIG. 1B, when a translational external force having component forces in the X-axis direction and the Y-axis direction acts on the movable member, the movable member 1 moves in the same direction. At this time, the pistons 5a, 5b, 5c, and 5d also move in the direction of the component force of the external force, and the pressing force of the pistons 5a, 5b, 5c, and 5d increases or decreases due to the expansion or contraction of the air in the cylinders 4a, 4b, 4c, and 4d. Then, the difference in the pressing force balances with the external force and the movable member stops, and this becomes a restoring force for the movable member 1.
  Even when an external force rotating around the Z-axis is applied, the movable member 1 rotates in the direction of the external force, and the air in the cylinders 4a, 4b, 4c, 4d expands due to the movement of the pistons 5a, 5b, 5c, 5d. Or it is compressed and the pressing force of piston 5a, 5b, 5c, 5d increases / decreases, and it stops in the state which the restoring force and external force by the difference have balanced (refer FIG.1 (c)). The same applies when translational and rotational external forces are applied simultaneously (see FIG. 1D).
[0025]
  The internal pressure of the cylinders 4a, 4b, 4c, and 4d can be changed and adjusted as needed during the series of operations as well as during the initial adjustment. The optimal compliance rigidity is adjusted in each process. Thereby, the workability of each process can be improved.
[0026]
  Further, the compliance rigidity in the X-axis and Y-axis directions can be individually adjusted by changing the pressures of the cylinders 4a and 4c and the cylinders 4b and 4d. In this embodiment, the regulators 9a, 9b, 9c, 9d are individually provided for the cylinders 4a, 4b, 4c, 4d, but a common regulator is provided for the cylinders 4a, 4c and the cylinders 4b, 4d. However, the compliance rigidity in the X-axis and Y-axis directions can be individually adjusted.
  When the direction of compliance rigidity is not required, it is possible to connect a common regulator to all the cylinders and branch the tube from the regulator to supply air. Further, by increasing the supply pressure by the regulators 9a, 9b, 9c, 9d, the compliance rigidity can be increased, and the stability of the compliance device during the movement or vibration of the movable member 1 can be improved.
[0027]
  Next, the input / output means to the external control means of the compliance device according to the present invention will be described with reference to FIG.The
  In FIG. 2, regulators 19 a, 19 b, 19 c and 19 d and on-off valves 17 a, 17 b, 17 c and 17 d are connected to an external computer 16 via an input / output device 11. Similarly to the above, the regulators 19a, 19b, 19c, 19d and the on-off valves 17a, 17b, 17c, 17d are operated based on commands from the computer 16 to adjust the compliance rigidity.
[0028]
  Next, based on FIG. 3, the shape of the first member of the compliance device according to the present invention and the state of arrangement of the restoring force generating means will be described.The
  In FIG. 3A, the movable member 21 has a triangular plate shape. Further, the cylinders 24a, 24b, and 24c are arranged at positions where the displacement directions are parallel to the upper surface (lower surface) of the movable member 21 and the pressing force of the cylinders 24a, 24b, and 24c against the movable member 21 can be balanced. Has been.
  In a state where no external force is applied to the movable member 21, the position where the pressing forces of the cylinders 24a, 24b, 24c are balanced is the reference position of the movable member 21, and the movable member 21 is moved from the reference position due to the external force. In this case, the vector sum of the pressing forces of the cylinders 24a, 24b, and 24c becomes the restoring force.
  As shown in FIG. 3B, the movable member 22 is oval and cylinders 25a, 25b, and 25c are arranged around it.
[0029]
  Next, based on FIG. 4, the shape of the first member of the compliance device according to the present invention and the state of arrangement of the restoring force generating means will be described (Claim 1Corresponding).
  In FIG. 4, four cylinders are provided on each of two planes perpendicular to the Z-axis in the figure (one plane is 54a, 54b, 54c, 54d and the other plane is only 55a, 55c), Are embedded in a cross shape at the center of the inner side of each side of the base member 52. Also movable member51The side surfaces of the pistons are slanted, and each piston generates a force parallel to the XY plane and a force in the Z-axis direction. In the initial state, the resultant force of the components parallel to the XY plane of the four pistons in each plane is balanced, and the resultant force in the Z-axis direction generated by the two sets of four cylinders is also balanced.
  When an external force is applied to the movable member 51, the movable member 51 can move in three translational degrees of freedom and three degrees of freedom of rotation, and the vector sum of the pressing force of the cylinder displaced by the movement becomes the restoring force.
[0030]
  Next, referring to FIG. 5, the state of connection between the restoring force generating means of the compliance device according to the present invention and the first member and the second member will be described.
  In FIG. 5A, the cylinders 34a, 34b, 34c, 34d are embedded and fixed in the base member 32. Pistons 35a, 35b, 35c, 35d have hemispherical slidable pressing members 36a, 36b, 36c, 36d, which are movable members.31It is possible to translate and rotate with respect to the side surface. The movable member 31 is moved relative to the base member 32 by displacement of the pistons 35a, 35b, 35c, and 35d and sliding between the movable member 31 and the pressing members 36a, 36b, 36c, and 36d according to the direction and magnitude of the external force. Therefore, the displacement in three directions of translation and rotation in two directions is possible, and there is a restoring force corresponding to the displacement from the initial position.
  The same applies when the cylinder is embedded in the movable member as shown in FIGS. 5B and 5C, or when the cylinder is embedded in either the movable member or the base member.
[0031]
  Next, based on FIG. 6, the pressure measuring device of the compliance device and how to calculate the external force in the present invention will be described.The
  The dotted line in FIG. 6 indicates the no-load state (neutral state), and the solid line indicates the state when the translational force F (vector) and the moment M act on the movable member 41. This is a pressure sensor at the bottom of the cylinder in the embodiment of FIG.42a, 42b, 42c, 42dUsing the pressure value detected by the pressure sensor.43Thus, the external force F or the moving amount T of the movable member 41 is detected. The cross-sectional areas of the cylinders 44a, 44b, 44c, 44d are S, the internal pressures are Pa, Pb, Pc, Pd, and the pressing force vectors are Fa, Fb, Fc, Fd (the direction of the arrow of the coordinate axes in the figure is positive). Then, Fa = (PaS, 0), Fb = (0, PbS), Fc = (− PcS, 0), and Fd = (0, −PdS).
[0032]
  FaC, FbC, FcC, FdC are the components in the direction connecting the movable member 41 from the contact points of the pistons 45a, 45b, 45c, 45d of Fa, Fb, Fc, Fd and the movable member 41, and the components in the vertical direction are FaC ′, When FbC ′, FcC ′, and FdC ′, F is the sum of FaC, FbC, FcC, and FdC., M isThe sum of moments around the center of gravity by FaC ′, FbC ′, FcC ′, and FdC ′ is obtained by the following equation.
  F = FaC + FbC + FcC + FdC
  M = | Da || FaC ′ | + | Db || FbC ′ | + | Dc || FcC ′ | + | Dd || FdC ′ |
  Here, the vectors Da, Db, Dc, and Dd are vectors that connect the movable member gravity center from the contact point between the pistons 44a, 44b, 44c, and 44d and the movable member 41. In this embodiment, FaC, FbC, FcC, FdC, FaC ', FbC', FcC ', FdC', Da, Db, Dc, and Dd are obtained as follows.
[0033]
  The pressure in the cylinders 44a, 44b, 44c, 44d in the no-load state is P (initial setting value), the length of the air portion of the cylinders 44a, 44b, 44c, 44d is l, and the pistons 44a, 44b, 44c by the force F are applied. , 44d is assumed to be xa, yb, xc, yd (the direction of the arrow of the coordinate axis in the figure is positive) (however, the cylinder temperature is assumed to be substantially constant)
  PlS = Pa (l + xa) S
  PlS = Pb (l + yb) S
  PlS = Pc (l + xc) S
  PlS = Pd (l + yd) S
Because
  xa = 1 (P-Pa) / Pa
  yb = 1 (P-Pb) / Pb
  xc = 1 (P-Pc) / Pc
  yd = 1 (P-Pd) / Pd
It becomes.
  Actually, compression due to piston displacement is close to adiabatic compression, but the temperature is not always constant before and after compression. Therefore, if the temperature change is corrected, the displacement x can be obtained with higher accuracy. It is done.
[0034]
  If the moving amount vector of the center of gravity of the movable member is T (tx, ty),
  tx = (xa + xc) / 2
  ty = (yb + yd) / 2
It becomes.
[0035]
  Also, if the length of one side of the movable member is 2L and the radius of the hemisphere at the piston tip is sufficiently smaller than L,
  Da = (L + tx, ty)
  Db = (tx, L + ty)
  Dc = (− L + tx, ty)
  Dd = (tx, -L + ty)
  Also,
  FaC = Fa · Da / | Da |
  FbC = Fb · Db / | Db |
  FcC = Fc · Dc / | Dc |
  FdC = Fd · Dd / | Dd | (• is the inner product of vectors)
Because
  FaC '= Fa-FaC
  FbC ′ = Fb−FbC
  FcC '= Fc-FcC
  FdC ′ = Fd−FdC
It becomes.
[0036]
  The compliance device or the robot can be controlled based on the external force measured or calculated as described above or the amount of movement of the movable member. In an operation in which the optimum compliance rigidity is not known in advance, the compliance rigidity or the robot can be controlled by changing the air pressure in the cylinder so that the calculated external force does not exceed a predetermined value.
[0037]
  Next, the state of the robot equipped with the compliance device according to the present invention in the wrist part will be described with reference to FIG.Claim 6Corresponding).
  In FIG. 7, the compliance device 71 is mounted between the arm tip of the robot and the hand. The movable member and the hand, and the base member and the arm tip are connected, and the position is corrected by moving the hand according to the work reaction force acting when the fitting part is assembled or disassembled. Further, even for a component whose assembly accuracy or assembly state is unknown, the position is corrected by changing the compliance rigidity in accordance with the work reaction force and the position correction amount generated during the work.
[0038]
  Next, based on FIG. 8, the state of the robot having the compliance device according to the present invention mounted on the finger portion will be described (Claim 7Corresponding).
  In FIG. 8, a compliance device 81 is mounted between a chuck moving part of a chuck-type hand provided at the arm tip and a finger. The movable member and the finger, the base member, and the chuck moving unit are connected, and the position is corrected by moving the finger according to the work reaction force that acts when the fitting part is assembled or disassembled. Further, even for a component whose assembly accuracy or assembly state is unknown, the position is corrected by changing the compliance rigidity in accordance with the work reaction force and the position correction amount generated during the work.
[0039]
  Next, the state of the robot having the compliance device mounted on the work table will be described based on FIG. 9 (Claim 8Corresponding).
  In FIG. 9, the compliance device 91 is mounted between a jig for placing a fitted part and a casing of a work table. The movable member and the jig, and the base member and the housing are connected, and the position is corrected by moving the jig in accordance with the work reaction force acting when the fitting part is assembled or disassembled. Further, even for a component whose assembly accuracy or assembly state is unknown, the position is corrected by changing the compliance rigidity in accordance with the work reaction force and the position correction amount generated during the work.
[0040]
【The invention's effect】
The effects of the present invention are organized as follows for each invention of the main claims.
(1) Effect of the invention according to claim 1
  Since compliance can be obtained simply by bringing the movable member into contact with the spherical tip of the restoring force generating means and biasing it, the compliance device can be configured with a simple structure. Also, the control means of the restoring force generating meansStepBy having it, the compliance rigidity can be quickly and appropriately set to a desired value for each part or for each work according to the part rigidity and the content of the work during a series of work.
  Further, the side surface of the movable member is formed by two inclined surfaces having opposite inclination angles, and three or more restoring force generating means are arranged in each plane intersecting each inclined surface of the side surface of the movable member. It is possible to obtain compliance operation for translation with 3 degrees of freedom and rotational motion with 3 degrees of freedom..
[0041]
    (Delete)
[0042]
    (Delete)
[0043]
    (Delete)
[0044]
(2) Claim 2Effects of the invention
  Since the restoring force generating means adjusts the fluid pressure by utilizing the elasticity of the compressive fluid, the elastic restoring force and thus the compliance rigidity can be easily set steplessly.
[0045]
(3) Claim 3Effects of the invention
  The compliance rigidity can be changed by adjusting the pressure in the cylinder in an unloaded state and then closing the on-off valve to seal the cylinder. Since the pressure in the unloaded cylinder can be appropriately adjusted in a timely manner by the pressure control means, the work speed can be increased and the precision can be improved by optimizing the compliance rigidity according to the work content.
[0046]
    (Delete)
[0047]
    (Delete)
[0048]
(4) Claim 4Effects of the invention
  pressureBy changing the restoring force of all restoring force generating means by the control means, it is possible to quickly and easily set the compliance rigidity not only in the initial stage but also in the middle of a series of operations.
[0049]
(5) Claim 5Effects of the invention
  pressureBy changing the restoring force of the specific restoring force generating means by the control means, the restoring force generating means for changing the restoring force can be appropriately selected, so the compliance rigidity can be given directionality. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows the basic structure of the compliance mechanism.To completeFIG.
FIG. 2 is a diagram showing an input / output unit to an external control unit of the compliance device.StepFIG.
FIG. 3 shows the compliance mechanismotherBasic structureTo completeFIG.
FIG. 4 is a diagram showing a state of arrangement of the first member, the second member, and the restoring force generating means in the embodiment of the compliance mechanism.
FIG. 5 shows a compliance machineIndeedIt is the figure which showed the mode of arrangement | positioning of the 1st member, 2nd member, and restoring force generation | occurrence | production means in it.
FIG. 6 shows a compliance machineIndeedIt is the figure which showed the measurement means of the pressure in it, and the calculation method based on it.
FIG. 7 is a diagram showing an embodiment of a robot having a compliance mechanism mounted on a wrist unit.
FIG. 8 is a view showing an embodiment of a robot in which a compliance mechanism is mounted on a finger portion of a hand.
FIG. 9 is a diagram showing an embodiment of a robot in which a compliance mechanism is mounted on a work table.
10A is a conceptual diagram of a main part of a robot arm having a compliance device, and FIG. 10B is a conceptual diagram when a force measuring device is simply added to the robot arm of FIG. .
11A is a side view of a main part of a conventional compliance device having a force measuring device, and FIG. 11B is a plan view.
[Explanation of symbols]
1, 21, 22, 41, 31, 51: movable member
2, 32, 46, 52: Base member
3: Abutting member
4a, 4b, 4c, 4d, 24a, 24b, 24c, 25a, 25b, 25c, 34a, 34b, 34c, 34d, 44a, 44b, 44c, 44d, 54a, 54b, 54c, 54d, 55a, 55c: cylinder
5a, 5b, 5c, 5d, 35a, 35b, 35c, 35d, 45a, 45b, 45c, 45d: Piston
6, 16, 43:calculator
7a, 7b, 7c, 7d, 17a, 17b, 17c, 17d: Open / close valve
8a, 8b, 8c, 8d: Tube
9a, 9b, 9c, 9d, 19a, 19b, 19c, 19d: regulator
11: Input / output means
42a, 42b, 42c, 42d: Pressure measuring means
61, 71, 81: Compliance device
91: Hand side plate
92: Arm side plate
93: Elastic member
94: Robot arm
95: Hand
96: mating parts
97: mated parts
98: Force sensor

Claims

ベース部材に可動部材が弾性的に連結され、該ベース部材及び可動部材の断面が多角形又は楕円であり、
上記可動部材の基準位置からの変位量に応じた強さの復元力を発生させる複数の１自由度の復元力発生手段と、該復元力発生手段の制御手段を有し、
上記復元力発生手段と上記可動部材との接点において、上記復元力発生手段がその摺動可能な球面先端で可動部材と当接するロボットアームのコンプライアンス装置において、
上記可動部材の側面が、上記ベース部材に向かって凸形状となるように、反対の傾斜角度を有する２つの傾斜面により形成され、
上記ベース部材の周囲において、上記可動部材の基準位置でのＺ軸に垂直であり、且つ該可動部材の側面の各傾斜面に交わるそれぞれの平面内で、少なくとも３つ以上の復元力発生手段が、その変位方向を上記それぞれの平面内とするように配置されていることを特徴とするコンプライアンス装置。A movable member is elastically connected to the base member, and the cross section of the base member and the movable member is a polygon or an ellipse ,
Has a restoring force generating means of the plurality of single degree of freedom for generating the restoring force of the strength corresponding to the amount of displacement from the reference position of the movable member, the control means該復source force generating means,
In contact with the restoring force generating means and the movable member, the compliance device of the robot arm into contact with the movable member in a slidable spherical tip of the restoring force generating means pixels,
The side surface of the movable member is formed by two inclined surfaces having opposite inclination angles so as to be convex toward the base member ,
Around the base member, there are at least three restoring force generating means in each plane perpendicular to the Z-axis at the reference position of the movable member and intersecting each inclined surface of the side surface of the movable member. The compliance device is arranged so that the displacement direction is in the respective planes .

上記復元力発生手段がシリンダとピストンから成り、圧縮性流体の弾性を利用することを特徴とする請求項１に記載のコンプライアンス装置。The restoring force generating means comprises Cylinders and piston, the compliance device of claim 1, wherein the benzalkonium take advantage of the elasticity of the compressible fluid.

上記シリンダに圧縮性流体を供給する流体供給手段と、圧縮性流体の圧力を制御する圧力制御手段と、流体供給手段とシリンダの結合部に開閉弁を有することを特徴とする請求項２に記載のコンプライアンス装置。 According to claim 2, wherein the fluid supply means for supplying compressed fluid to the cylinder, a pressure control means for controlling the pressure of the compressed fluid, to have an on-off valve in the coupling portion of the fluid supply means and the cylinder Compliance equipment.

上記圧力制御手段が全ての復元力発生手段の復元力を変化させるものであることを特徴とする請求項３に記載のコンプライアンス装置。4. The compliance apparatus according to claim 3, wherein the pressure control means changes the restoring force of all restoring force generating means.

上記圧力制御手段が特定の復元力発生手段の復元力を変化させるものであることを特徴とする請求項３に記載のコンプライアンス装置。4. The compliance apparatus according to claim 3, wherein the pressure control means changes a restoring force of a specific restoring force generating means.

請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のコンプライアンス装置をロボットアームの先端とハンドとの間に搭載したことを特徴とするロボット。A robot comprising the compliance device according to any one of claims 1 to 5 mounted between a tip of a robot arm and a hand.

請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のコンプライアンス装置をロボットアームに装着されたハンドの指の根元あるいは中間に搭載したことを特徴とするロボット。A robot comprising the compliance device according to any one of claims 1 to 5 mounted at a base or middle of a finger of a hand attached to a robot arm.

請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のコンプライアンス装置を、ロボットにより組立又は分解される組立部品を定置する治具と、この治具が取り付けられる作業台との間に搭載したことを特徴とするロボット。The compliance device according to any one of claims 1 to 5 is mounted between a jig for placing an assembly part to be assembled or disassembled by a robot and a work table to which the jig is attached. Robot.