JP5643082B2 - 作業の良否判定システム及び良否判定方法 - Google Patents

Description

本発明は、工作機械やロボットのような機械装置によってワークを加工、組み付け等する作業の良否の判定に関する。

従来より生産現場においてワークを製品に組み付ける工程の自動化には産業用ロボットや自動組立機械が使用されており、ワークの位置やそれを組み付ける製品等の位置を検出するために、また、ワークが製品等に適正に組み付けられたことを判定するために、各種のセンサが用いられている。

例えば特許文献１に記載の自動ネジ締め機においては、ドライバビットの挿通されるチャックユニットの近傍に変位センサが設けられ、これにより検出される被検出体との間隔に応じてネジの締付け完了を検出するようになっている。また、特許文献２に記載の自動ネジ締め機においては、ネジ締めビットの近傍に配設された電動ドライバにトルクセンサが内蔵されており、これによりネジの締付けトルクを検出することができる。

特開２０００−３４３３４７号公報 特開２００４−３０６１６１号公報

ところが、前記の従来例では、機械装置においてドライバビットやネジ等のワークを保持する部位の近傍に変位センサやトルクセンサが配設されることになるから、ワーク保持部の周辺が大型化するとともにケーブル数が増加するという難がある。また、一般的にワーク保持部の近傍には作業に伴う振動や衝撃が加わりやすいので、精密機器であるセンサの故障を誘発するおそれもある。

かかる点に鑑みて本発明の目的は、ロボットや自動組立機械等によって行う作業の状態を検出する方法に工夫を凝らして、センサの配設に伴うワーク保持部近傍の大型化やケーブル数の増加を回避するとともに、センサの故障も防止することにある。

前記目的を達成するための本発明は、機械装置によって行う作業の良否を判定するシステムであって、前記機械装置におけるワークの保持部とこれを支持する支持部との間には、両者が前記作業の際にワークから受ける力によって相対変位するように可動部を設けてある。そして、前記保持部及び前記支持部の双方から離れて、前記保持部及び前記支持部の夫々の位置を検出可能な非接触式の位置検出装置と、前記作業の際に前記位置検出装置によって検出される前記保持部及び前記支持部の相対的な位置関係から、当該作業の良否を判定する良否判定手段と、を備えている。前記良否判定手段は、前記作業の開始直前に検出された前記保持部の位置及び前記支持部の位置から前記保持部と前記支持部の作業開始前の間隔を求めるとともに、前記作業の開始後に検出された前記保持部の位置及び前記支持部の位置から前記保持部と前記支持部の作業開始後の間隔を求め、前記作業の進行に伴う前記作業開始後の間隔の前記作業開始前の間隔からの変化を表す値と前記作業に応じた所定の閾値とを比較して前記作業の良否を判定するように構成されている。なお、前記作業は、例えば、前記保持部で保持したピンを挿入孔に挿入する作業、又は、前記保持部で保持したボルトを螺孔に螺入する作業であってよい。

かかる構成のシステムでは、機械装置におけるワーク保持部とこれを支持する支持部との間に可動部が設けられており、作業の際にワークから受ける力によって前記保持部と支持部とが相対変位する。一例として部品であるワークを製品の所定位置に挿入する場合、寸法のばらつきや組付け位置のずれによってワークに大きな力が加わると、これを受けて前記保持部と支持部との相対変位が大きくなる。よって、位置検出装置によって検出される保持部及び支持部の相対的な位置関係から作業の状態を検出可能であり、これに基づいて作業の良否を判定することができる。

なお、前記のように可動部において生じる保持部と支持部との相対変位によって作業の状態を検出するために、可動部には両部の相対変位に対して適度の弾発力や減衰力を付加するようにしてもよい。例えば前記保持部と支持部との間に弾性体を介在させる場合には、作業の際に位置検出装置によって検出される保持部及び支持部の間隔から両者間に作用する力の大きさが求められるので、これに基づいて作業の良否を判定することもできる。

そして、前記位置検出装置が前記保持部及び支持部の双方から離れているので、従来までのようにワーク保持部の近傍にセンサ等を配設したものとは異なり、機械装置のワーク保持部周辺が徒に大型化したり、ケーブル数が増加することはない。また、作業に伴う振動、衝撃によって位置検出装置が故障する心配もない。

そのように離れた場所からワーク保持部や支持部の位置を精度よく検出するためには、公知の種々の非接触式の位置検出装置を用いることができるが、一例としてカメラ等の撮像装置と、これにより撮影した画像内で対象物の位置を検出する画像処理装置とを用いてもよい。この場合、前記可動部を画像処理によって識別しやすいよう、その形状や色、表面の状態、照明の仕方等に工夫をしてもよいが、画像処理演算のアルゴリズムに対応して好適なマーカーを可動部の保持部側及び支持部側の夫々の部材に設けてもよい。

こうすれば、前記マーカーを撮影可能に前記撮像装置を配置し、これにより撮影して取得した画像における前記マーカーの位置を画像処理演算によって検出しやすくなる。しかも、個々のワークにマーカーを設ける必要はなく、機械装置の可動部にマーカーを設ければよいから、コストアップも少ない。

より具体的には、作業の開始直前に検出された前記保持部側及び支持部側部材の夫々のマーカー位置から、該両部材の間隔を求めるとともに、作業の開始後に検出された前記両部材の夫々のマーカー位置から該両部材の間隔を求めて、作業に伴う両部材の間隔の変化からその良否を判定するようにしてもよい。一例としてネジ締め作業であれば、その開始直前というのはネジをネジ孔に押し付けて、可動部が或る程度、縮んだ状態としてもよく、こうすれば、作業の開始とともにネジが回転しネジ孔に進入するのに連れて、保持部側部材が下降し支持部側部材との間隔が広がってゆく。

その場合に好ましくは、前記作業の開始直前に求めた前記両部材の間隔と、作業の開始後に求めた両部材の間隔との比率を、予め設定した閾値と比較して作業の良否を判定するようにしてもよい。こうすれば、作業の行われる場所と撮像装置の設置場所との距離に依らず、保持部側及び支持部側部材の間隔を正確に検出できる。更に、撮像装置の交換や位置変更の度に、撮影された画像の座標系を現実の空間座標に位置させるための精密なキャリブレーションを行う必要もない。

また、画像処理演算に要する時間をできるだけ短くするために、前記のように作業の開始直前に検出した保持部側及び支持部側の夫々のマーカー位置に基づいて、作業の開始後にマーカー位置を検出するための画像処理演算の範囲を絞るようにしてもよい。すなわち、通常、撮影した画像内において作業に伴いマーカーの移動する方向は既知であるから、画像内にて最初に検出したマーカー位置から前記マーカーの移動方向に延びる細長い領域に画像処理演算の範囲を絞ればよい。

それに代えて、或いはそれに加えて、例えばロボットのティーチング・データのような機械装置の制御データに基づいて、マーカー位置を検出するための画像処理演算の範囲を絞るようにしてもよい。こうすれば作業の開始前のマーカー位置検出の際の画像処理演算についても時間の短縮が図られる。

更に、前記位置検出装置として撮像装置及び画像処理装置の少なくとも一方を２つ以上備えてもよい。こうすれば、前記マーカーを含む画像の取得と画像処理演算とを少なくとも一部分が同時に進行するよう並行して行うことができ、このことも処理時間の短縮に寄与する。

ところで、一例としてネジ締め作業のようにワークであるネジやボルトを製品に締め込むときには、ワークをその保持部と一緒に回転させることになるが、この場合には、前記可動部の保持部側及び支持部側の部材を夫々、前記ワークの回転中心線に直交する円盤状部材とし、且つその外周に略全周に亘って前記マーカーを設けてもよい。こうすれば、ワーク保持部、可動部及び支持部の一部が回転しても、マーカーと撮像装置との距離が変化しないので、作業中に連続して、或いは任意のタイミングで位置の検出が行える。

なお、回転動作を含まない作業を行うのであれば、この作業の際に撮像装置の正面に位置するようにマーカーを可動部の保持部側及び支持部側部材に夫々１つずつ設けてもよい。また、１つの撮像装置の視野範囲内の２箇所以上で作業を行う場合、夫々の作業場所に対応して撮像装置の正面にマーカーが位置するようにするために、前記保持部側及び支持部側部材の夫々に複数のマーカーを設けてもよい。或いは、前記保持部側の部材が、外周を形成している３つの外周面のそれぞれに少なくとも１つの前記マーカーが設けられた、前記保持部に取り付けられた三角形の板部材であり、前記支持部側の部材が、外周を形成している３つの外周面のそれぞれに少なくとも１つの前記マーカーが設けられた、前記支持部に取り付けられた三角形の板部材であり、前記マーカーが真円状であり、前記画像処理装置は、前記撮影された画像に含まれる前記保持部側の部材上の前記マーカーのうち真円により近い１つの位置と、前記撮影された画像に含まれる前記支持部側の部材上の前記マーカーのうち真円により近い１つの位置とを検出するように構成されていてもよい。

また、前記可動部の構造について具体的には、ワークの保持部側部材と支持部側部材との間を延びるようにガイドシャフトを設けて両部材のうちの一方を貫通させ、当該一方の部材を他方の部材に対し近接／離遠するよう移動可能に支持するとともに、それら両部材に互いに離遠するような付勢力を付加するようにバネ部材を介在させてもよい。こうすると、前記保持部側及び支持部側の部材同士がガイドシャフトの延びる方向に相対移動するようになり、両部材の間隔から作業の良否を検出する上で好ましい。

見方を変えれば本発明は、機械装置によって行う作業の良否を判定する方法であって、当該機械装置におけるワークの保持部とこれを支持する支持部との間に、両者が前記作業の際にワークから受ける力によって相対変位するように可動部を設けて、前記作業の際に前記保持部及び支持部の双方から離れた場所で、非接触式の位置検出装置により該保持部及び支持部の位置を検出し、前記作業の開始直前に検出された前記保持部の位置及び前記支持部の位置から前記保持部と前記支持部の作業開始前の間隔を求めるとともに、前記作業の開始後に検出された前記保持部の位置及び前記支持部の位置から前記保持部と前記支持部の作業開始後の間隔を求め、前記作業の進行に伴う前記作業開始後の間隔の前記作業開始前の間隔からの変化を表す値と前記作業に応じた所定の閾値とを比較して前記作業の良否を判定するものである。

その場合に、上述したが、前記可動部の前記保持部に設けられた保持部側の部材及び前記支持部に設けられた支持部側の部材に夫々マーカーを設け、前記マーカーを撮影可能に撮像装置を配置するとともに、この撮像装置によって撮影した画像における前記マーカーの位置を画像処理によって検出し、この検出したマーカー位置から前記作業開始前の間隔及び前記作業開始後の間隔を求めるようにしてもよい。

また、前記可動部の保持部側及び支持部側の部材の間に、作業の際にワークから受ける力によって弾性変形するように弾性体を介在させ、前記作業の際に検出した前記保持部側及び支持部側の部材の間隔から両者の間に作用する力の大きさを求めて、作業の良否を判定するようにしてもよい。

以上より、本発明では、ロボットや自動組立機械等の機械装置のワーク保持部の近傍にセンサのような精密機器を配設することなく、作業の良否を判定できるので、センサ等を設けることによるワーク保持部近傍の大型化やケーブル数の増加を回避できるとともに、そのセンサ等が故障することを防止できる。

本発明に係る作業の良否判定システムを適用するロボットの一例を示す斜視図である。 ロボットアームに装着されるコンプライアンス装置の拡大図である。 良否判定システムの概略構成図である。 作業の良否判定の手順を示すフローチャート図である。 ピンの挿入作業の説明図であり、(a)は挿入作業の開始直前を、(b)は挿入に成功した状態を、(c)は挿入に失敗した状態を、夫々示す。 ボルトのネジ締め作業に係る図５相当図であり、(a)はネジ締め作業の開始直前を、(b)はネジ締めに成功した状態を、(c)はネジ締めに失敗した状態を、夫々示す。 ブラケットを円盤状としたコンプライアンス装置の他の実施形態に係る図２相当図である。

以下、添付の図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明に係る作業の良否判定システムが適用される機械装置としてのロボットの一例を示す斜視図であり、図２は、そのロボット１のアームに装着するコンプライアンス装置を拡大して示している。ロボット１は、例えば工場の組み立てラインにおいて種々のワークを製品や製造途中の組立体（半製品）に組み付ける作業に用いられる。

−ロボットの構成例−
図１に示すロボット１はいわゆる多関節型のもので、床などに固定される固定部２と、その上部において鉛直軸線ａの周りに旋回（矢印Ａで示す）可能なベース部３と、このベース部３の上部に順次、取り付けられた第１及び第２アーム部４，５とを備えている。第２アーム部５の先端部５ａには手首部６が取り付けられ、この手首部６にコンプライアンス装置７を介してチャック８が取り付けられている。

すなわち、前記ベース部３の上部には、左右一対の支持壁部３ａが設けられ、それらに挟まれた状態で第１アーム部４の基端部が水平軸線ｂの周りに回動可能に支持されている。これにより第１アーム部４は、矢印Ｂで示すように上下に傾倒可能になっている。また、第１アーム部４は、基端部の左右両側から延びる一対の板状部材からなり、その間に第２アーム部５の基端部を軸線ｃの周りに回動可能に支持している。これにより第２アーム部５も上下方向に傾倒（矢印Ｃ）可能になっている。

第２アーム部５の先端には、その長手方向の軸線ｄの周りに回動（矢印Ｄ）可能な状態で二股状の先端部５ａが設けられており、その間に円柱状の手首部６が軸線ｅの周りに回動（矢印Ｅ）可能に支持されている。その手首部６の先端、すなわち図の左手前寄りの端部に、コンプライアンス装置７を介してチャック８が取り付けられている。チャック８はコンプライアンス装置７と共に、例えば手首部６に内蔵した電動モータの作動により軸線ｆの周りに回動（矢印Ｆ）可能になっている。

なお、図１において符号９は、チャック８に把持されているワークであって、一例として、製品１０の上面に開口する挿入孔１０ａに挿入されるピンを示している。図の例では挿入孔１０ａの周縁部はテーパ状に拡径されていて、挿入されるピン９をガイドするようになっている。

−コンプライアンス装置−
本実施形態においてロボット１のチャック８（保持部）と手首部６（支持部）との間にはコンプライアンス装置７（可動部）が介設され、ピン９の挿入やボルト１５（図６を参照）のネジ締めといった作業の際に、位置ずれ等に起因して加わる力を受けて圧縮され、衝撃を吸収するようになっている。また、特にネジ締め作業に際しては、後述するようにボルト１５をその回転に連れて適度に押し出すという機能を発揮し、ロボット１の制御の簡易化に寄与する。

図２に拡大して示すように、本実施形態のコンプライアンス装置７は、チャック８側の部材であるブラケット７０（図では下方に位置し、以下では下ブラケットという）と、ロボットアームの手首部６側の部材であるブラケット７１（図では上方に位置し、以下では上ブラケットという）とを備えている。図の例では両ブラケット７０，７１はいずれも概略三角形状の板部材であって、中央に丸穴７０ａ，７１ａが開口している。これらの丸穴７０ａ，７１ａには、チャック８のモータに電力を供給するケーブル等が挿通される。

図示の例では、下ブラケット７０の中央の丸穴７０ａは、上ブラケット７１の丸穴７１ａよりも大径であり、これを囲むように複数のボルト孔７０ｂ（図の例では４つ）が形成されている。図示しないが、これらのボルト孔７０ｂに挿入されるボルトによって、下ブラケット７０の下部にチャック８が締結される。同様に上ブラケット７１にも中央の丸穴７１ａを囲むように複数のボルト孔７１ｂが形成されており、そのうちの幾つかには上ブラケット７１をロボット１の手首部６に締結するためのボルトが挿入される。

そして、前記のブラケット７０，７１同士はその間に設けられた３本のガイドシャフト７２によって連結されている。これらの各ガイドシャフト７２は、上端部が上ブラケット７１に固定される一方、下端側は下ブラケット７０を貫通して、当該下ブラケット７０を上下にスライド可能に支持している。また、各ガイドシャフト７２にはコイルばね７３（弾性体）が外挿されていて、両ブラケット７０，７１に対し上下に離遠するよう押圧付勢力を付加している。このコイルばね７３が作業の際に受ける力によって弾性変形し、上下のブラケット７０，７１の相対変位を許容する。

上下のブラケット７０，７１には、中央の丸穴７１ａ，７０ａを囲む円周方向に互いに等間隔で、三角形の頂部に対応するように３つの貫通孔７０ｃ，７１ｃが形成されており、その各々にガイドシャフト７２の端部が挿入されている。３本のガイドシャフト７２は互いに略平行に且つ等間隔に並んでいる。なお、図２には、３本のガイドシャフト７２及びコイルばね７３のうち、図の手前の２本のみが示されていて、図の奥にある１本のガイドシャフト７２及びコイルばね７３は、上ブラケット７１に隠れている。

一例としてガイドシャフト７２にはリーマボルトが用いられ、その軸部が上ブラケット７１の貫通孔７１ｃに付け根まで圧入されている。上ブラケット７１の上面に位置するリーマボルトの頭部は、上方から押さえ板７４によって押さえられている。この押さえ板７４は、外形が上ブラケット７１と同じ三角形状であり、その内部に大きな丸穴７４ａが開口することによって異形のリング状とされている。押さえ板７４は、ガイドシャフト７２の両側においてボルト７５により上ブラケット７１に締結されている。

一方、下ブラケット７０の貫通孔７０ｃには、この例ではフランジ付きブッシュ７６が上方から挿入され、その筒孔内に前記ガイドシャフト７２が摺動自在に挿通されている。ブッシュ７６は、一例として潤滑油を分散させた樹脂材により形成されており、高い摺動性を有している。ブッシュ７６のフランジ部７６ａは、下ブラケット７０の上面における貫通孔周縁部を覆って、その上面に当接するコイルばね７３の下端を受け止める受け座として機能している。

また、前記ブッシュ７６を突き抜けて下方に突出するガイドシャフト７２の下端部には雄ネジが形成されており、ここにナット７７が螺合されている。このナット７７は、下ブラケット７０の下面における貫通孔７０ｃの周縁部に下方から当接し、下ブラケット７０がガイドシャフト７２から脱落することを阻止するストッパとして機能している。つまり、下ブラケット７０は、ガイドシャフト７２によって上下に（上ブラケット７１に対し近接／離遠するように）スライド（移動）可能に支持されていて、コイルばね７３の押圧力により下方に付勢され、ナット７７に押し当てられている。

この状態で下ブラケット７０の貫通孔７０ｃ（ブッシュ７６の筒孔）内に位置しているのは、ガイドシャフト７２を構成するリーマボルトの軸部であり、この軸部の直径はブッシュ７６の筒径と略同じなので、両者の間にはスムーズに摺動可能な程度の隙間が形成されている。このため、下ブラケット７０がガイドシャフト７２に沿ってスライド移動するときには上ブラケット７１に対し斜めにはなり難く、概ね平行な状態で上下方向に移動する。

そして、そのように互いに近接／離遠する上下のブラケット７０，７１の双方に、画像処理によって検出し易いマーカーＭが設けられている。一例としてマーカーＭは真円形状のシールであり、上下のブラケット７０，７１の夫々の外周において、三角形の３つの辺に対応する３つの面の長手方向の概ね中央に貼り付けられている。マーカーＭは、以下に述べるように作業の良否を判定する際にブラケット７０，７１の間隔を検出するために利用されるもので、シールの貼り付けに限らず、印刷や刻印によって設けることもできる。

−作業の良否判定−
図３(a)には本実施形態の良否判定システムの概略構成を示す。このシステムは、ロボット１による作業の現場から側方に所定距離だけ離れて、前記コンプライアンス装置７のマーカーＭを撮影可能に設置されたカメラ１１（撮像装置）と、このカメラ１１によって撮影された画像のデータが転送されるコンピュータ装置１２と、を備えている。コンピュータ装置１２は、ロボットコントローラ１３との間で信号の送受を行いながら、前記の画像データに所定の画像処理演算を施して、一例を図３(b)に示す画像Ｐ中のマーカーＭの位置を検出する。なお、図３(a)ではロボットコントローラ１３を模式的にロボット１の固定部２内にあるかのように表しているが、実際にはロボットコントローラ１３は、ロボット１の外部に設けられている。

また、コンピュータ装置１２は、そうして検出した上下ブラケット７０，７１の夫々のマーカー位置から上下ブラケット７０，７１の間隔Ｄを計算し、これが作業の進行に連れて変化する様子から当該作業の良否を判定する。つまり、前記カメラ１１とコンピュータ装置１２とが、ロボットアームに設けられたコンプライアンス装置７の上下ブラケット７０，７１の夫々の位置を検出可能な非接触式の位置検出装置を構成し、コンピュータ装置１２は更に作業の良否判定手段も構成している。

すなわち、図３(b)に示すように撮影された画像Ｐにおいて各ブラケット７０，７１の外周面は横長の帯状に表れ、その上にマーカーＭが楕円形状に表れている。製品１０の位置ずれや誤制御等によって３つのマーカーＭのうちの２つがカメラ１１の視野内に入ることもあり得るが、例えばパターンマッチングによって、できるだけ真円に近いものを検出するようにすれば、カメラ１１の正面近くに位置するマーカーＭを検出できる。

そうして検出した上下ブラケット７０，７１の夫々のマーカーＭの中心同士の間隔Ｄを上下ブラケット７０，７１同士の間隔とする。そして、以下に図４〜６を参照して具体的に説明するように、作業の開始直前と開始後の少なくとも２回、上下ブラケット７０，７１同士の間隔を計算し、それが変化する様子から作業の良否を判定する。

図４は作業の良否判定手順を示し、図５は、一例としてロボット１のチャック８に把持したピン９を、製品１０の挿入孔１０ａに挿入する作業の説明図である。まず、図４においてスタート後のステップＳ１においてロボットコントローラ１３がロボットアームを動作させ、図５(a)に示すようにチャック８に把持したピン９を製品１０の挿入孔１０ａの上方に位置づける（作業場所へ移動）。このときに上下のブラケット７０，７１の間隔は、コンプライアンス装置７においてガイドシャフト７２上のナット７７の位置により設定されている値になる。

そして、ロボットコントローラ１３からの信号を受けてコンピュータ装置１２は、カメラ１１から撮影した画像データを取り込んで画像処理演算を行い、前記したように２つのマーカーＭの位置を検出して両者の、即ち上下のブラケット７０，７１の間隔Ｄ１を計算する（ステップＳ２：間隔Ｄ１の検出）。こうして求めた間隔Ｄ１は前記の設定値に対応するもので、これを基準とすることで、後述するようにロボット１とカメラ１１との距離による影響を排除することができる。本実施形態では一例として間隔Ｄ１を約３０ｍｍとしている。

なお、前記の画像処理演算においては、予めロボット１のティーチングデータに基づいてマーカーＭの表れる位置を推定し、これを含む所定範囲Ｌ（図３(b)に破線で示す）に画像処理演算の範囲を絞り込む。こうすれば画像全体に亘って演算を行うのに比べて遙かに演算量が少なくなり、処理時間の短縮が図られる。

それからロボットコントローラ１３がロボットアームを動作させて、チャック８が下降しピン９を挿入孔１０ａに上方から挿入する（ステップＳ３:作業開始）。このとき、製品１０の挿入孔１０ａに対してピン９の位置が概ね合致していれば、図５(b)に模式的に示すようにピン９は挿入孔１０ａにスムーズに挿入されてゆく。このため、コンプライアンス装置７にはあまり大きな力は加わらず、その上下ブラケット７０，７１の間隔Ｄ２は前記作業開始前の間隔Ｄ１からあまり変化しない。

一方、何らかの原因により製品１０の挿入孔１０ａに対するピン９の位置ずれが大きくなった場合、図５(c)に模式的に示すようにピン９は挿入孔１０ａの開口周縁部に押し当てられて、上向きの反力を受ける。これによりコンプライアンス装置７の下ブラケット７０が上方に押圧され、チャック８の下降に連れて上方に変位してゆく。即ち、コンプライアンス装置７の上下ブラケット７０，７１の間隔Ｄ２は作業開始前の間隔Ｄ１に比べて、かなり小さくなる。

そこで、ロボットコントローラ１３は、ロボットアームを所定距離、例えばコンプライアンス装置７に許容される最大圧縮量の半分程度、下降させた後に一旦、停止させる。そして、ロボットコントローラ１３から送られる信号を受けたコンピュータ装置１２が、前記ステップＳ２と同じくカメラ１１から撮影した画像データを取り込んで画像処理演算を行い、２つのマーカーＭの位置を検出して両者の、即ち上下のブラケット７０，７１の間隔Ｄ２を計算する（ステップＳ４：間隔Ｄ２の検出）。なお、ロボットアームを停止させることなく、その動作と並行してリアルタイムでマーカー位置を検出してもよい。

その際、前記ステップＳ２において検出した作業開始直前のマーカーＭの位置に基づいて、画像処理演算の範囲を絞り込む。すなわち、ピン９を挿入するロボットアームの動作によってコンプライアンス装置７は下降するので、作業開始後のマーカーＭは、作業開始前のマーカーＭの下方の上下に長い領域内に表れると考えられる。そこで、この領域内に画像処理演算の範囲を絞り、処理時間の短縮を図る。

そうして求めた作業開始後の上下ブラケット７０，７１の間隔Ｄ２と、作業開始直前の間隔Ｄ１との比率Ｄ２／Ｄ１を計算し（ステップＳ５）、この比率Ｄ２／Ｄ１が予め設定した閾値Ｒよりも大きいかどうか判別する（ステップＳ６）。閾値Ｒは、例えば作業開始前後の間隔の差Ｄ１−Ｄ２が１．０ｍｍくらいになるように設定すればよく、これよりも比率Ｄ２／Ｄ１が大きい（即ち差Ｄ１−Ｄ２の絶対値が小さい）ということは、コンプライアンス装置７があまり圧縮されておらず、ピン９はスムーズに挿入されていると判定できる。

なお、そのように作業開始前後の間隔の比率Ｄ２／Ｄ１に基づいて作業の状況を判定するのではなく、作業開始前後の間隔の差Ｄ１−Ｄ２に基づいて作業の状況を判定するようにしてもよい。しかしながら前記のように画像処理によって検出した上下ブラケット７０，７１の間隔Ｄ１，Ｄ２は、作業の行われる場所とカメラ１１の設置場所との距離に依って変化し、それらの差Ｄ１−Ｄ２の大きさも変化してしまうので、閾値Ｒと比較するのであれば比率に基づいて判定する方が好ましいと言える。比率の具体的な取り方としては、例えばＤ１／Ｄ２としてもよいし、（Ｄ２−Ｄ１）／Ｄ１としてもよいし、更に別の形式であってもよいことは言うまでもない。

そして、前記ステップＳ６でＹＥＳと判定すれば、挿入作業は順調に進行しており、これを継続すればよいので、コンピュータ装置１２からの信号を受けたロボットコントローラ１３が所定の作業ルーチンを最後まで実行して（ステップＳ７）、制御を終了する（エンド）。よって、ロボットアームは更に所定量、下降した後にチャック８を開いて、ピン９を離してから上方へと退避する。

一方、前記のステップＳ５において計算した比率Ｄ２／Ｄ１が閾値Ｒ以下であれば（ステップＳ６でＮＯ）、コンプライアンス装置７は或る程度以上、大きな抵抗力を受けて圧縮されており、ピン９を挿入孔１０ａに挿入するのは難しいと考えられる。よって、コンピュータ装置１２からの信号を受けたロボットコントローラ１３は、作業ルーチンを中断してチャック８を引き上げ（ステップＳ８）、再試行の準備をしてステップＳ１に戻るか、或いは作業を停止して異常を報知する。

つまり、この例ではピン９等の寸法ないし組付け誤差、又はバリ等の異物の影響によってその挿入に対し所定以上の抵抗力が加わっていれば、作業が良好に行われていないと判定する一方、摩擦等による多少の抵抗はあっても挿入が可能であれば、作業は良好に行われていると判定する。言い換えると、コンプライアンス装置７のブラケット７０，７１の間隔から、ピン９の挿入に対する抵抗力の大きさを求めて、作業の良否を判定している。

また、その判定には、作業の開始前のコンプライアンス装置７における上下ブラケット７０，７１の間隔Ｄ１を基準とし、これに対する作業開始後の間隔Ｄ２の比率Ｄ２／Ｄ１を用いている。このことで、ロボット１とカメラ１１との距離が遠くても近くても、その影響を受けることなく上下ブラケット７０，７１の間隔を正確に検出し、作業の良否を正確に判定することができる。

次に、ネジ締め作業の場合について図６を参照して説明する。これは、ロボット１のチャック８に把持したボルト１５を、製品１６のネジ孔１６ａに螺入させるものである。この場合は前記した図４のフローのステップＳ１において、チャック８に把持したボルト１５の下端を製品１６のネジ孔１６ａの開口に押し当てる（作業場所へ移動）。このときボルト１５の受ける上向きの力によって、コンプライアンス装置７の下ブラケット７０が上方に押圧され、図６(a)のように上方に変位する。

このようにネジ締め作業の場合は作業の開始直前の状態でコイルばね７３が圧縮されて上下のブラケット７０，７１の間隔が小さくなっており、この状態で基準となるマーカー間隔Ｄ１を検出する（ステップＳ２）。すなわち、前記したピン９の挿入作業と同じく、ロボットコントローラ１３からの信号を受けたコンピュータ装置１２がカメラ１１から画像データを取り込んで画像処理演算を行い、２つのマーカーＭの間隔Ｄ１を計算する。

続いてネジ締め作業が開始され、ロボットアームの位置は変えずにその手首部６の電動モータによりコンプライアンス装置７及びチャック８が回転すると、ボルト１５はその回転に連れてネジ孔１６ａに螺入されてゆく（ステップＳ３）。このときボルト１５は、コンプライアンス装置７からの押圧力を受けて下方に押し出され、１回転毎にネジピッチ分だけ下降してゆくので、ボルト１５の回転に同期してチャック８が下降するようにロボットアームを正確に動作させる高度な動作制御は不要である。

そうしてボルト１５を所定回数、回転させた後に一旦、停止させて、コンピュータ装置１２は前記ステップＳ２と同様に２つのマーカーＭの間隔、即ち上下のブラケット７０，７１の間隔Ｄ２を検出する（ステップＳ４）。それから作業開始前後における間隔の比率Ｄ２／Ｄ１を計算して（ステップＳ５）、予め設定してある閾値Ｒよりも大きいかどうか判別する（ステップＳ６）。

なお、このネジ締め作業の場合も前記した挿入作業と同じく、作業開始前後における間隔の比率Ｄ２／Ｄ１ではなく、例えばＤ１／Ｄ２、（Ｄ２−Ｄ１）／Ｄ１のような別な形式の比率を用いてもよいし、その間隔の差に基づいて作業の状況を判定するようにしてもよい。この場合の間隔はＤ２の方が大きくなるので、間隔の差としてはＤ２−Ｄ１を用いればよいが、Ｄ１−Ｄ２の絶対値を用いてもよい。

また、例えば作業箇所毎にボルトの押し当て力を異ならせる場合等、作業箇所によって間隔Ｄ１が変動する場合がある。このような場合には、前記したピン９の挿入作業と同様に、ボルト１５の下端を製品１６のネジ孔１６ａの開口に押し当てる前のマーカー間隔を検出して、これを間隔Ｄ１の代わりに基準値として用いてもよい。

前記の閾値Ｒは、例えばネジピッチに所望の回転回数を掛けた値を基準として、より具体的にはネジピッチ１ｍｍ×２回転＝２ｍｍを基準として、作業開始前後の間隔の差Ｄ２−Ｄ１が２ｍｍくらいになるように設定すればよく、これよりも比率Ｄ２／Ｄ１が大きければ（ステップＳ６でＹＥＳ）、ボルト１５のネジ孔１６ａへの螺入に連れて、図６(b)に模式的に示すようにコンプライアンス装置７における上下ブラケット７０，７１の間隔Ｄ２が広がっていると考えられる。よって、ステップＳ６でＹＥＳと判定すれば作業ルーチンを最後まで実行し（ステップＳ７）、ボルト１５を更にねじ込んだ後にチャック８を開いて、ボルト１５を離してからロボットアームが上方へと退避して、作業終了となる（エンド）。

一方、前記のステップＳ５において計算した比率Ｄ２／Ｄ１が閾値Ｒ以下であれば（ステップＳ６でＮＯ）、図６(c)に模式的に示すようにコンプライアンス装置７は作業開始前と同じように圧縮されたままであり、ボルト１５は空回りしていて、十分にねじ込まれてはいないと判定される。よって、作業ルーチンを中断してチャック８を引き上げ（ステップＳ８）、再試行の準備をしてステップＳ１に戻るか、或いは作業を停止して異常を報知する。

つまり、ネジ締め作業の場合はその開始直前にコンプライアンス装置７が圧縮されている状態を基準として、作業の進行に伴い徐々に圧縮から開放されるコンプライアンス装置７の上下ブラケット７０，７１の間隔の変化に基づいて、作業の良否判定を行うものである。

以上のように、本実施形態に係る作業の良否判定システムによると、ピン９やボルト１５等のワークを把持するロボットアームのチャック８と手首部６との間にコンプライアンス装置７が介設されており、作業の際に受ける力によって圧縮されるようになっている。そして、そのコンプライアンス装置７のブラケット７０，７１に夫々設けたマーカーＭをカメラ１１で撮影し、画像処理によって検出したブラケット７０，７１同士の間隔Ｄの変化に基づいて、作業の良否判定を行うことができる。

そのため、ロボット１の手先のチャック８や手首部６の近傍に変位センサやトルクセンサ等を配設する必要がなくなり、その大型化やケーブル数の増加を抑制できるとともに、作業の際に受ける振動、衝撃等によってセンサが故障する心配もなくなる。

−その他の実施形態−
上述した実施形態の説明は例示に過ぎず、本発明、その適用物又はその用途を制限することはない。例えば、前記の実施形態においてコンプライアンス装置７のブラケット７０，７１は三角形状であり、その外周の３つの面に夫々円形のマーカーＭを設けているが、マーカーＭはいずれか１つ或いは２つの面に設けてもよく、その形状も円形に限るものではない。

但し、ブラケット７０，７１の夫々に複数のマーカーＭを設けているので、前記の実施形態ではカメラ１１の視野範囲内の２箇所以上でロボット１が作業を行う場合に、夫々の作業場所に対応してカメラ１１の正面にマーカーＭが位置するように設定する上で有利である。

また、上述したネジ締め作業のようにボルト１５を回転させる場合には、これを把持するチャック８と共にコンプライアンス装置７も回転するので、図７に一例を示すように、コンプライアンス装置７のブラケット１７０，１７１の形状を、電動モータの回転軸線ｆ（ワークの回転中心線）に直交する円盤状として、その外周の略全周にマーカーＭを設けてもよい。

こうすれば、ボルト１５のネジ締め作業に伴いコンプライアンス装置７が回転しても、ブラケット１７０，１７１の外周のマーカーＭは常にカメラ１１の視野内にあり、且つそのマーカーＭとカメラ１１との距離が変化しないので、作業中に任意のタイミングで、或いは作業中に連続して、つまりリアルタイムでマーカー位置を検出し、作業の良否を判定することができる。なお、ピン９の挿入作業の場合は前記実施形態のようなマーカーＭであってもリアルタイムでマーカー位置を検出し、作業の良否判定を行える。

更に、前記実施形態のコンプライアンス装置７では、３本のガイドシャフト７２に夫々コイルばね７３を外挿して、上下のブラケット７０，７１間に付勢力を付加するようにしているが、これに限るものではない。コイルばね７３に代えて上下のブラケット７０，７１の間に、それらの丸穴７１ａ，７０ａと同心状に大きなコイルばねを介在させてもよいし、板ばねを介在させてもよい。また、ゴム弾性体を介在させてもよい。それらの弾性体に限らず例えば粘性ダンパや摩擦ダンパのような減衰手段を設けてもよい。ガイドシャフト７２の本数は１本若しくは２本としてもよいが、上下のブラケット７０、７１同士の不要な傾斜を抑えるという観点からは３本以上とするのが好ましい。

また、前記の実施形態では、コンプライアンス装置７の上下ブラケット７０，７１の間隔を検出するためにカメラ１１及びコンピュータ装置１２を１台ずつ使用しているが、処理時間を短縮するためには、カメラ１１及びコンピュータ装置１２の少なくとも一方を２台以上、設けて撮影（画像の取得）と画像処理演算とを少なくとも一部分が同時に進行するよう並行して行うようにしてもよい。

また、カメラ１１やコンピュータ装置１２を用いるのではなく、例えばレーザ変位計、レーザ測量器のような非接触式の位置検出装置を用いて、コンプライアンス装置７の上下ブラケット７０，７１の間隔を検出するようにしてもよい。

更にまた、本発明に係る良否判定装置は、前記実施形態のようにロボット１によって行う作業に限定されず、それ以外の種々の自動組立機械、加工装置等の機械装置によって行う作業に適用してもよい。

以上の如く、本発明に係る作業の良否判定システムによると、ロボットや自動組立機械等においてワーク保持部の近傍にセンサを設けることによる大型化やケーブル数の増加を回避できるとともに、そのセンサ等の故障も防止できるから、例えば組立ロボットに用いて非常に有益である。

１ ロボット（機械装置）
６ アームの手首部（支持部）
７ コンプライアンス装置（可動部）
７０ 下ブラケット（保持部側の部材）
７１ 上ブラケット（支持部側の部材）
７２ ガイドシャフト
７３ コイルばね（バネ部材）
８ チャック（保持部）
９ ピン（ワーク）
１１ カメラ（撮像装置）
１２ コンピュータ装置（画像処理装置、良否判定手段）
１５ ボルト（ワーク）
Ｍ マーカー

Claims (15)

1. 機械装置によって行う作業の良否を判定するシステムであって、
   前記機械装置におけるワークの保持部と、該保持部を支持する支持部との間には、両者が前記作業の際にワークから受ける力によって相対変位するように可動部が設けられ、
   前記保持部及び前記支持部の双方から離れて、前記保持部及び前記支持部の夫々の位置を検出可能な非接触式の位置検出装置と、
   前記作業の際に前記位置検出装置によって検出される前記保持部及び前記支持部の相対的な位置関係から、当該作業の良否を判定する良否判定手段と、を備え、
   前記良否判定手段は、前記作業の開始直前に検出された前記保持部の位置及び前記支持部の位置から前記保持部と前記支持部の作業開始前の間隔を求めるとともに、前記作業の開始後に検出された前記保持部の位置及び前記支持部の位置から前記保持部と前記支持部の作業開始後の間隔を求め、前記作業の進行に伴う前記作業開始後の間隔の前記作業開始前の間隔からの変化を表す値と前記作業に応じた所定の閾値とを比較して前記作業の良否を判定することを特徴とする作業の良否判定システム。
2. 前記可動部の前記保持部に設けられた保持部側の部材及び前記支持部に設けられた支持部側の部材に夫々マーカーが設けられ、
   前記位置検出装置は、前記マーカーを撮影可能に配置された撮像装置と、前記撮像装置によって撮影された画像における前記マーカーの位置を検出する画像処理装置とを備えており、
   前記良否判定手段は、検出された前記マーカーの位置から前記作業開始前の間隔及び前記作業開始後の間隔を求める、請求項１に記載の作業の良否判定システム。
3. 前記良否判定手段は、前記作業開始前の間隔と、前記作業開始後の間隔との比率を、予め設定した閾値と比較して作業の良否を判定する、請求項１又は２に記載の作業の良否判定システム。
4. 前記画像処理装置は、前記作業の開始直前に検出された前記保持部側の部材及び前記支持部側の部材の夫々の前記マーカーの位置に基づいて、前記作業の開始後に前記マーカーの位置を検出するための画像処理演算の範囲を絞る、請求項２又は３に記載の作業の良否判定システム。
5. 前記画像処理装置は、前記機械装置の制御データに基づいて、前記マーカーの位置を検出するための画像処理演算の範囲を絞る、請求項２〜４のいずれか１つに記載の作業の良否判定システム。
6. 前記位置検出装置は、前記撮像装置及び前記画像処理装置の少なくとも一方を２つ以上備えており、前記画像の取得と画像処理演算とを少なくとも一部分が同時に進行するよう並行して行う、請求項２〜５のいずれか１つに記載の作業の良否判定システム。
7. 前記作業には前記ワークを回転させる動作が含まれており、
   前記可動部の前記保持部側の部材及び前記支持部側の部材が夫々、前記ワークの回転中心線に直交する円盤状部材であって且つその外周に略全周に亘って前記マーカーが設けられている、請求項２〜６のいずれか１つに記載の作業の良否判定システム。
8. 前記保持部側の部材が、外周を形成している３つの外周面のそれぞれに少なくとも１つの前記マーカーが設けられた、前記保持部に取り付けられた三角形の板部材であり、
   前記支持部側の部材が、外周を形成している３つの外周面のそれぞれに少なくとも１つの前記マーカーが設けられた、前記支持部に取り付けられた三角形の板部材であり、
   前記マーカーが真円状であり、
   前記画像処理装置は、前記撮影された画像に含まれる前記保持部側の部材上の前記マーカーのうち真円により近い１つの位置と、前記撮影された画像に含まれる前記支持部側の部材上の前記マーカーのうち真円により近い１つの位置とを検出するように構成されている、請求項２〜６のいずれか１つに記載の作業の良否判定システム。
9. 前記可動部の前記保持部側の部材及び前記支持部側の部材の間に、前記作業の際に前記ワークから受ける力によって弾性変形するように弾性体が介在されている、請求項２〜８のいずれか１つに記載の作業の良否判定システム。
10. 前記良否判定手段は、前記作業の際に前記位置検出装置によって検出された前記保持部と前記支持部の間隔から、該両部材間に作用する力の大きさを求めて作業の良否を判定する、請求項９に記載の作業の良否判定システム。
11. 前記可動部は、前記保持部側の部材及び前記支持部側の部材の間に設けられ、その一方を貫通して、当該一方の部材を他方の部材に対し近接／離遠するよう移動可能に支持するガイドシャフトを備えており、
    前記弾性体は、前記両部材に互いに離遠するような付勢力を付加するバネ部材である、請求項１０に記載の作業の良否判定システム。
12. 前記作業が、前記保持部で保持したピンを挿入孔に挿入する作業、又は、前記保持部で保持したボルトを螺孔に螺入する作業である、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の作業の良否判定システム。
13. 機械装置によって行う作業の良否を判定する方法であって、
    前記機械装置におけるワークの保持部と、該保持部を支持する支持部との間に、両者が前記作業の際にワークから受ける力によって相対変位するように可動部を設け、
    前記作業の際に前記保持部及び前記支持部の双方から離れた場所で、非接触式の位置検出装置により前記保持部の位置及び前記支持部の位置を検出し、
    前記作業の開始直前に検出された前記保持部の位置及び前記支持部の位置から前記保持部と前記支持部の作業開始前の間隔を求めるとともに、前記作業の開始後に検出された前記保持部の位置及び前記支持部の位置から前記保持部と前記支持部の作業開始後の間隔を求め、
    前記作業の進行に伴う前記作業開始後の間隔の前記作業開始前の間隔からの変化を表す値と前記作業に応じた所定の閾値とを比較して前記作業の良否を判定することを特徴とする作業の良否判定方法。
14. 前記可動部の前記保持部に設けられた保持部側の部材及び前記支持部に設けられた支持部側の部材に夫々マーカーを設け、
    前記マーカーを撮影可能に撮像装置を配置するとともに、この撮像装置によって撮影した画像における前記マーカーの位置を画像処理によって検出し、
    前記検出したマーカーの位置から、前記作業開始前の間隔及び前記作業開始後の間隔を求める、請求項１３に記載の作業の良否判定方法。
15. 前記可動部の前記保持部側の部材及び前記支持部側の部材の間に、前記作業の際に前記ワークから受ける力によって弾性変形するように弾性体を介在させ、
    前記作業の際に検出した前記保持部と前記支持部の間隔から、両者の間に作用する力の大きさを求めて作業の良否を判定する、請求項１３又は１４のいずれかに記載の作業の良否判定方法。
    

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