(57)【要約】【課題】速度を落とすことなく螺合部品に接触可能とし、サイクルタイムを縮める。【解決手段】供給された電流により直動するダイレクトドライブ形のアクチュエータ１と、アクチュエータ１に取付けられ、工具の回転を行う締め付けツール２と、アクチュエータ１の位置を検出する位置検出部４と、位置検出部４により検出された位置を速度に変換する位置速度変換部８と、アクチュエータ１に供給される電流の値から、当該アクチュエータ１に加わる外力Ｆを検出する外力検出部１５と、位置検出部４により検出された位置、位置速度変換部８により得られた速度及び外力検出部１５により検出された外力Ｆに基づき、アクチュエータ１及び締め付けツール２を制御する作業制御部７とを備えた。【選択図】図１
2019025600.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給された電流により直動するダイレクトドライブ形のアクチュエータと、
前記アクチュエータに取付けられ、工具の回転を行う締め付けツールと、
前記アクチュエータの位置を検出する位置検出部と、
前記位置検出部により検出された位置を速度に変換する位置速度変換部と、
前記アクチュエータに供給される電流の値から、当該アクチュエータに加わる外力を検出する外力検出部と、
前記位置検出部により検出された位置、前記位置速度変換部により得られた速度及び前記外力検出部により検出された外力に基づき、前記アクチュエータ及び前記締め付けツールを制御する作業制御部と
を備えた締め付け装置。
【請求項２】
前記作業制御部は、
前記アクチュエータを作業方向へ一定の速度で移動させ、当該アクチュエータの速度の変化から物体への接触を検出する接触制御部を有する
ことを特徴とする請求項１記載の締め付け装置。
【請求項３】
前記作業制御部は、
前記接触制御部による処理後、初期押付け力に達するまで、前記アクチュエータを移動させる押付け制御部を有する
ことを特徴とする請求項２記載の締め付け装置。
【請求項４】
前記作業制御部は、
前記押付け制御部による処理後、前記初期押付け力を維持したまま、前記アクチュエータが第１の位置又は第１の速度となるまで、前記工具を回転させて螺合部品の締め付けを行う締め付け制御部を有する
ことを特徴とする請求項３記載の締め付け装置。
【請求項５】
前記作業制御部は、
前記締め付け制御部による処理後、押付け力を前記初期押付け力よりも大きい最大押付け力に変更し、当該最大押付け力を維持したまま、前記アクチュエータが第２の位置又は停止するまで、前記工具を回転させて螺合部品の着座を行う着座制御部を有する
ことを特徴とする請求項４記載の締め付け装置。
【請求項６】
前記アクチュエータの加速度を検出する加速度検出部と、
前記位置検出部により検出された位置と基準位置との差分に対するゲインを調整するゲイン調整部とを備え、
前記外力検出部は、前記加速度検出部により検出された加速度と前記ゲイン調整部により調整されたゲインに基づき、前記アクチュエータに加わる外力を検出する
ことを特徴とする請求項１から請求項５のうちの何れか１項記載の締め付け装置。
【請求項７】
前記アクチュエータは、固定部、及び当該固定部に対して変位可能な可動部を有し、
前記固定部が取付けられ、前記アクチュエータを移動する移動部を備えた
ことを特徴とする請求項１から請求項６のうちの何れか１項記載の締め付け装置。
【請求項８】
位置検出部は、供給された電流により直動するダイレクトドライブ形のアクチュエータの位置を検出し、
位置速度変換部は、前記位置検出部により検出された位置を速度に変換し、
外力検出部は、前記アクチュエータに供給される電流の値から、当該アクチュエータに加わる外力を検出し、
作業制御部は、前記位置検出部により検出された位置、前記位置速度変換部により得られた速度及び前記外力検出部により検出された外力に基づき、前記アクチュエータ、及び、前記アクチュエータに取付けられ、工具の回転を行う締め付けツールを制御する
ことを特徴とする締め付け方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、螺合部品の締め付けを行う締め付け装置及び締め付け方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、力センサを用い、螺合部品（ネジ、ボルト又はナット等）の締め付けを適切な力で行う方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。この特許文献１では、力センサを用いて反力を検知し、予め設定した押付け力になるようにロボットを動かす。これにより、螺合部品の正確な締め付けで必要な押付け力（初期押付け力、最後に必要な最大押付け力）を適切な値で行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２６４５１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、力センサは高価である。また、力センサは螺合部品に対して質量比が大きく、減速機構を有するロボットで安全に破損することなく接触させるためには、寸法誤差及び把持誤差等を考慮すると、物体に接触する前に十分に速度を落として動作を遅くせざるを得ず、サイクルタイムが延びる。
【０００５】
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、速度を落とすことなく物体に接触可能であり、サイクルタイムを縮めることが可能な締め付け装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る締め付け装置は、供給された電流により直動するダイレクトドライブ形のアクチュエータと、アクチュエータに取付けられ、工具の回転を行う締め付けツールと、アクチュエータの位置を検出する位置検出部と、位置検出部により検出された位置を速度に変換する位置速度変換部と、アクチュエータに供給される電流の値から、当該アクチュエータに加わる外力を検出する外力検出部と、位置検出部により検出された位置、位置速度変換部により得られた速度及び外力検出部により検出された外力に基づき、アクチュエータ及び締め付けツールを制御する作業制御部とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、上記のように構成したので、速度を落とすことなく物体に接触可能であり、サイクルタイムを縮めることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施の形態１に係る締め付け装置の構成例を示す図である。
【図２】この発明の実施の形態１における外力検出制御部の構成例を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１におけるゲイン調整部の構成例を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態１における作業制御部の構成例を示す図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係る締め付け装置によるネジの締め付け作業の一例を示すフローチャートである。
【図６】図６Ａ〜図６Ｄは、この発明の実施の形態１に係る締め付け装置によるネジの締め付け作業の一例を示す図である。
【図７】図６に示す締め付け装置によるネジの締め付け作業において、位置速度変換部により得られた速度を示す図である。
【図８】図６に示す締め付け装置によるネジの締め付け作業において、外力検出部により検出された反力を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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に係る締め付け装置の構成例を示す図である。
締め付け装置は、螺合部品の締め付け作業を行う装置である。螺合部品としては、例えばネジ、ボルト又はナット等が挙げられる。この締め付け装置は、図１に示すように、アクチュエータ１、締め付けツール２、移動部３、位置検出部４、加速度検出部５、外力検出制御部６及び作業制御部７を備えている。
【００１０】
アクチュエータ１は、磁界に置かれたコイルに電流が供給されることで、固定部１０１に対して可動部１０２を直動方向に変位可能とする。アクチュエータ１は、発生した推力が締め付けツール２に取付けられた工具に直接伝わるダイレクトドライブ型のリニアアクチュエータである。
アクチュエータ１として、ダイレクトドライブ型のリニアアクチュエータを用いることで、可動部１０２の軽量化が可能となる。そのため、物体に接触した場合での衝撃力を従来の力センサを用いた構成に対して小さくできる。
【００１１】
締め付けツール２は、可動部１０２に取付けられ、工具の回転を行う。図１に示す締め付けツール２では、工具として、ネジ５１が吸着されたドライバビット２１が取付けられている。
【００１２】
移動部３は、アクチュエータ１を移動（移送及び姿勢変更）する。図１では、移動部３として、先端にアクチュエータ１（固定部１０１）が取付けられ、アクチュエータ１を移動可能なロボットを示している。なお、移動部３は、必須の構成ではなく、締め付け装置から取除いてもよい。
【００１３】
位置検出部４は、アクチュエータ１に設けられ、固定部１０１に対する可動部１０２の位置（相対位置）を検出する。この位置検出部４により検出された位置を示す信号（位置信号）は、外力検出制御部６及び作業制御部７に出力される。
【００１４】
加速度検出部５は、固定部１０１に設けられ、固定部１０１の加速度を検出する。この際、加速度検出部５は、固定部１０１の重力加速度αｇ及び移動加速度α１のうちの一方、又は両方が加算された加速度（αｇ＋α１）を検出する。図２では、加速度検出部５が加速度（αｇ＋α１）を検出する場合を示している。この加速度検出部５により検出された加速度を示す信号（加速度信号）は、外力検出制御部６に出力される。なお、加速度検出部５は、必須の構成ではなく、締め付け装置から取除いてもよい。
【００１５】
外力検出制御部６は、アクチュエータ１に供給される電流の値から、可動部１０２に加わる外力（反力）Ｆを検出する。図１では、位置検出部４及び加速度検出部５による検出結果も考慮して、外力Ｆを検出する場合を示している。また、外力検出制御部６では、位置検出部４により検出された位置を速度に変換する機能も有している。この外力検出制御部６の構成例については後述する。
【００１６】
作業制御部７は、締め付け装置による螺合部品の締め付け作業を実現する。この際、作業制御部７は、位置検出部４により検出された位置、外力検出制御部６により得られた速度及び外力検出制御部６により検出された外力Ｆに基づいて、アクチュエータ１、締め付けツール２及び移動部３を制御することで、締め付け作業を実現する。また、作業制御部７は、外力検出制御部６に対して基準位置Ｐｒを設定する機能も有している。この作業制御部７の構成例については後述する。
【００１７】
次に、外力検出制御部６の構成例について、図２を参照しながら説明する。なお図２では、アクチュエータ１、締め付けツール２、位置検出部４及び加速度検出部５も図示している。また図２に示す締め付けツール２では、ネジ５１が吸着されたドライバビット２１が取付けられている。
外力検出制御部６は、図２に示すように、位置速度変換部８、減算器９、ゲイン調整部１０、質量推定部１１、加速度補償部１２、加減算器１３、定電流制御部１４及び外力検出部１５を有している。
【００１８】
位置速度変換部８は、位置検出部４により検出された位置を微分して速度に変換する。この速度は、固定部１０１に対する可動部１０２の速度（相対速度）を示す。この位置速度変換部８により変換された速度を示す信号（速度信号）は、加減算器１３及び作業制御部７に出力される。
【００１９】
減算器９は、基準位置Ｐｒから位置検出部４により検出された位置を減算する。この減算器９による減算結果を示す信号は、ゲイン調整部１０に出力される。
【００２０】
ゲイン調整部１０は、減算器９による減算結果に対するゲイン（アクチュエータ１におけるコンプライアンスの値）を調整する。コンプライアンスとは、バネ定数の逆数であり、固さ柔らかさを示す指標である。このゲイン調整部１０は、図２，３に示すように、ループゲイン測定部１００１、ゲイン交点制御部１００２及び可変ゲイン調整部１００３を有している。
【００２１】
ループゲイン測定部１００１は、減算器９から出力された信号のループゲインを測定する。この際、ループゲイン測定部１００１は、図３に示すように、減算器９から出力された信号に、発振器１００４によりループゲインが１倍（０ｄＢ）となる周波数、すなわちゲイン交点に設定された周波数の正弦波を、加算器１００５を介して加算する。このループゲイン測定部１００１による正弦波の加算前後の信号は、ゲイン交点制御部１００２に出力される。
【００２２】
ゲイン交点制御部１００２は、図３に示すように、比較器１００６によりループゲイン測定部１００１による正弦波の加算前後の信号での振幅比を比較する。このゲイン交点制御部１００２による比較結果を示す信号は、可変ゲイン調整部１００３に出力される。
【００２３】
可変ゲイン調整部１００３は、ゲイン交点制御部１００２により比較された振幅比の倍率が１となるように、減算器９から出力された信号のゲインを調整する。この可変ゲイン調整部１００３によりループゲインが調整された信号は、加減算器１３に電流指令値Ｉｒｐとして出力される。また、可変ゲイン調整部１００３によるループゲインの調整値を示す信号は、質量推定部１１に出力される。
【００２４】
なお、減算器９及びゲイン調整部１０は、位置検出部４により検出された位置と基準位置Ｐｒとの差分に基づく電流指令値Ｉｒｐを出力する位置制御手段（位相制御ループ）を構成する。
【００２５】
質量推定部１１は、可変ゲイン調整部１００３によるループゲインの調整値から、可動部１０２側の質量を推定する。すなわち、質量推定部１１は、ループゲインの変化と質量の変化とが比例する原理を利用する。ここで、可動部１０２側の質量とは、可動部１０２の質量Ｍ１と締め付けツール２の質量Ｍ２と工具の質量Ｍ３とが加算された質量（Ｍ１＋Ｍ２＋Ｍ３）である。なお、螺合部品の質量は、可動部１０２側の質量に対して十分に小さいため無視できる。この質量推定部１１により推定された質量を示す信号は、加速度補償部１２に出力される。
【００２６】
なお、ゲイン調整部１０及び質量推定部１１の動作原理は、下記の特許文献２と同様であり、その詳細については説明を省略する。
また上記では、質量推定部１１により可動部１０２側の質量を推定する場合を示したが、これに限らず、他の方法を用いて可動部１０２側の質量を取得してもよい。
【特許文献２】特開２０１０−１８２０８４号公報
【００２７】
加速度補償部１２は、外乱トルクを補正するための加速度補償値Ｉｒｃを出力する。この加速度補償部１２は、乗算器１２０１及び係数乗算部１２０２を有している。
【００２８】
乗算器１２０１は、加速度検出部５により検出された加速度と、質量推定部１１により推定された質量とを乗算する。この乗算器１２０１による乗算結果を示す信号は、係数乗算部１２０２及び外力検出部１５に出力される。
係数乗算部１２０２は、乗算器１２０１による乗算結果に係数（１／Ｋｔ）を乗算する。なお、Ｋｔは、アクチュエータ１が発生する推力と駆動電流Ｉａとの比を表したトルク定数である。この係数乗算部１２０２による乗算結果を示す信号は、加減算器１３に加速度補償値Ｉｒｃとして出力される。
【００２９】
加減算器１３は、ゲイン調整部１０から出力された電流指令値Ｉｒｐに対し、加速度補償部１２から出力された加速度補償値Ｉｒｃを加算し、位置速度変換部８から出力された速度信号を減算する。この加減算器１３による加減算結果を示す信号は、定電流制御部１４に電流指令値Ｉｒとして出力される。
【００３０】
定電流制御部１４は、アクチュエータ１を駆動する駆動電流Ｉａを電流指令値Ｉｒに一致させるように制御する。この定電流制御部１４は、減算器１４０１、駆動ドライバ１４０２及び電流検出部１４０３を有している。
【００３１】
減算器１４０１は、加減算器１３から出力された電流指令値Ｉｒから、電流検出部１４０３により検出された駆動電流Ｉａの電流値を減算する。この減算器１４０１による減算結果を示す信号は、駆動ドライバ１４０２に出力される。
駆動ドライバ１４０２は、減算器１４０１による減算結果に応じた駆動電流Ｉａを発生する。この駆動ドライバ１４０２により発生された駆動電流Ｉａは、電流検出部１４０３を介してアクチュエータ１に出力される。
電流検出部１４０３は、駆動ドライバ１４０２により発生された駆動電流Ｉａの電流値を検出する。この電流検出部１４０３により検出された電流値を示す信号は、減算器１４０１に出力される。
【００３２】
外力検出部１５は、駆動電流Ｉａの電流値から加速度補償値Ｉｒｃを減算した結果に基づいて、可動部１０２に加わる外力Ｆを検出する。なお、可動部１０２に加わる外力Ｆとしては、螺合部品が他部材に接触した際に発生する力や、工具が螺合部品に接触した際に発生する力が挙げられる。この外力検出部１５は、係数乗算部１５０１、減算器１５０２及び係数乗算部１５０３を有している。
【００３３】
係数乗算部１５０１は、加速度補償部１２の乗算器１２０１による乗算結果に係数（１／Ｋｔ）を乗算する。この係数乗算部１５０１による乗算結果を示す信号は、減算器１５０２に出力される。
減算器１５０２は、定電流制御部１４により発生された駆動電流Ｉａの電流値から、係数乗算部１５０１による乗算結果を減算する。この減算器１５０２による減算結果を示す信号は、係数乗算部１５０３に出力される。
係数乗算部１５０３は、減算器１５０２による減算結果に係数（Ｋｔ）を乗算することで、外力Ｆを得る。この外力検出部１５により得られた外力Ｆを示す信号は、作業制御部７に出力される。
【００３４】
なお、外力検出制御部６が有する機能部のうち、ゲイン調整部１０、質量推定部１１及び加速度補償部１２は必須の構成ではなく、取除いてもよい。
【００３５】
次に、作業制御部７の構成例について、図４を参照しながら説明する。
作業制御部７は、図４に示すように、接触制御部７０１、押付け制御部７０２、締め付け制御部７０３及び着座制御部７０４を有している。
【００３６】
接触制御部７０１は、アクチュエータ１（可動部１０２）を作業方向へ一定の速度で移動させ、当該アクチュエータ１（可動部１０２）の速度の変化から物体（螺合部品又は他部材）への接触を検出する。すなわち、工具に螺合部品が取付けられている場合には、接触制御部７０１は、螺合部品を作業方向へ一定の速度で移動させ、螺合部品の他部材への接触を検出する。また、工具に螺合部品が取付けられていない場合には、接触制御部７０１は、工具を作業方向へ一定の速度で移動させ、工具の螺合部品への接触を検出する。
【００３７】
押付け制御部７０２は、接触制御部７０１による処理後、初期押付け力Ｆ１に達するまで、アクチュエータ１（可動部１０２）を移動させる。
【００３８】
締め付け制御部７０３は、押付け制御部７０２による処理後、初期押付け力Ｆ１を維持したまま、アクチュエータ１（可動部１０２）が第１の位置又は第１の速度となるまで、工具を回転させて螺合部品の締め付けを行う。
【００３９】
着座制御部７０４は、締め付け制御部７０３による処理後、押付け力を最大押付け力Ｆ２に変更し、当該最大押付け力Ｆ２を維持したまま、アクチュエータ１（可動部１０２）が第２の基準位置又は停止するまで、工具を回転させて螺合部品の着座を行う。その後、着座制御部７０４は、工具を螺合部品の方向とは反対の方向へ移動させて締め付け作業を終了する。
【００４０】
次に、外力検出制御部６の動作原理について説明する。
アクチュエータ１は、定電流制御部１４が電流指令値Ｉｒに応じて発生した駆動電流Ｉａにより駆動する。
【００４１】
一方、位置検出部４は、固定部１０１に対する可動部１０２の直動方向における位置を検出する。
また、位置速度変換部８は、位置検出部４により検出された位置を微分して速度に変換する。この速度は、固定部１０１に対する可動部１０２の速度を示す。
【００４２】
また、加速度検出部５は、固定部１０１の直動方向における加速度を検出する。以下では、加速度検出部５は、固定部１０１の直動方向成分における移動加速度α１と、固定部１０１の直動方向成分における重力加速度αｇとが加算された加速度（α１＋αｇ）を検出するものとする。
【００４３】
また、位置検出部４により検出された位置は、減算器９で基準位置Ｐｒと比較され、その差分がゲイン調整部１０を介して電流指令値Ｉｒを構成する要素の一つである電流指令値Ｉｒｐとして加減算器１３に与えられる。
【００４４】
電流指令値Ｉｒは、電流指令値Ｉｒｐの他、外乱トルクを補正するための加速度補償値Ｉｒｃで構成され、次式（１）で表される。
Ｉｒ＝Ｉｒｐ＋Ｉｒｃ                                  （１）
【００４５】
なお、位置を単純にフィードバックすると制御系が不安定となる。そのため、実際には、位置速度変換部８からの速度信号をマイナーループとして加減算器１３のマイナス出力に加えて安定化を行っているが、以下では省略する。
【００４６】
また、ゲイン調整部１０では、位置制御ループのループゲインを変えることで、アクチュエータ１におけるコンプライアンスの値を変化させることができる。
【００４７】
ここで、駆動電流Ｉａに着目すると、外乱トルクがない場合には電流値は零になるが、外乱トルクがある場合にはそれに比例して電流値も変化する。
一般的な外乱トルクとしては、作業時に螺合部品から受ける反力、重力及び移動加速度により発生する力、減速器のロストルク等が考えられる。ここで、アクチュエータ１はダイレクトドライブ形式のリニアアクチュエータであるため、減速器は持たず、ロストルクは考慮する必要は少ない。したがって、駆動電流Ｉａは、作業時に螺合部品から受ける反力、重力、移動加速度により発生する力に比例した値となる。なお、反力は、螺合部品が他部材に接触した際に発生する力であるとする。
【００４８】
ここで、アクチュエータ１の駆動電流をＩａ、作業時に螺合部品から受ける反力をＦ、固定部１０１の直動方向成分における移動加速度をα１、固定部１０１の直動方向成分における重力加速度をαg、可動部１０２の質量をＭ１、締め付けツール２の質量をＭ２、工具の質量をＭ３とする。この場合、次式（２）の関係が成り立つ。
Ｆ＋（α１＋αｇ）・（Ｍ１＋Ｍ２＋Ｍ３）＝Ｋｔ・Ｉｒ＝Ｋｔ・（Ｉｒｐ＋Ｉｒｃ）
（２）
なお、Ｋｔはアクチュエータ１が発生する推力と駆動電流Ｉａとの比を表したトルク定数である。
【００４９】
また、式（２）において外乱トルクを補正するための加速度補償値Ｉｒｃを次式（３）のように設定する。
（α１＋αｇ）・（Ｍ１＋Ｍ２＋Ｍ３）＝Ｋｔ・Ｉｒｃ      （３）
【００５０】
式（３）のように加速度補償値Ｉｒｃを設定した場合、式（２）からα１、αｇ、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３の項が消え、次式（４）のように整理される。
Ｆ＝Ｋｔ・Ｉｒｐ                                        （４）
【００５１】
このように、外乱トルクを補正するための加速度補償値Ｉｒｃを式（３）のように設定すると、作業時に螺合部品から受ける反力Ｆと電流指令値Ｉｒｐは、比例関係になることがわかる。
【００５２】
これは、作業時に螺合部品から受ける力が零、つまり螺合部品が他部材に接触していない場合、基準位置Ｐｒと実際の位置の差分に基づく電流指令値Ｉｒｐも零、つまり位置が変位しないことを意味している。
そして、螺合部品が他部材に接触した際に生じる反力Ｆは、電流指令値Ｉｒｐを監視することで知ることができる。
【００５３】
そして、式（４）には、固定部１０１の直動方向成分における移動加速度α１、固定部１０１の直動方向成分における重力加速度αｇ、可動部１０２の質量Ｍ１、締め付けツール２の質量Ｍ２、工具の質量Ｍ３の項目が含まれていない。
つまり、ロボットが急激に移動、停止を行い移動加速度が発生した場合や、ロボットが連続して姿勢を変更し重力加速度が変化した場合でも、アクチュエータ１の可動部１０２はゆれることなく反力Ｆを正しく検出できる。
そして、コンプライアンスの値も自由に設定できる。
【００５４】
なお、上述したように、螺合部品が他部材と接触して発生する反力Ｆは、電流指令値Ｉｒｐを監視することで知ることができる。
しかしながら、位置制御ループにおいて、反力Ｆに対する電流指令値Ｉｒｐの応答は一般的に速くない。一方、反力Ｆに対する駆動電流Ｉａの応答は比較的早い。そこで、電流指令値Ｉｒｐを直接監視するのではなく、駆動電流Ｉａを監視することで反力Ｆの検出を行う。
【００５５】
ここで、式（２）は以下の通りである。
Ｆ＋（α１＋αｇ）・（Ｍ１＋Ｍ２＋Ｍ３）＝Ｋｔ・Ｉｒ＝Ｋｔ・（Ｉｒｐ＋Ｉｒｃ）
（２）
【００５６】
一方、駆動電流Ｉａは次式（５）で表せる。
Ｉａ＝Ｉｒ＝Ｉｒｐ＋Ｉｒｃ                              （５）
【００５７】
よって、式（２），（５）から下式（６）が得られる。
Ｆ＋（α１＋αｇ）・（Ｍ１＋Ｍ２＋Ｍ３）＝Ｋｔ・Ｉａ      （６）
【００５８】
そして、式（６）の両辺から、式（３）の左辺である（（α１＋αｇ）・（Ｍ１＋Ｍ２＋Ｍ３））を減算して整理すると、下式（７）が得られる。
Ｆ＝Ｋｔ・（Ｉａ−（α１＋αｇ）・（Ｍ１＋Ｍ２＋Ｍ３）／Ｋｔ）      （７）
【００５９】
この式（７）に示されるように、駆動電流Ｉａから加速度補償値（α１＋αｇ）・（Ｍ１＋Ｍ２＋Ｍ３）／Ｋｔを差し引いてトルク定数Ｋｔをかけることで、反力Ｆに比例して応答が速いＩａから反力Ｆを求めることができる。
【００６０】
次に、外力検出制御部６による効果について説明する。
ロボットの動作は、一般的に、位置制御によりコントロールされる。そのため、螺合部品の寸法誤差及び把持誤差等により、予めプログラムされた螺合部品の目標位置と実際の位置が異なる場合、螺合部品が他部材に接触した際に大きな力が発生し、螺合部品に傷や破損が発生する恐れがある。
【００６１】
その対策として、従来では、ロボットと締め付けツールとの間に力センサを設置し、螺合部品と他部材の接触時に過大な力が発生しそうになると力センサの検出結果をロボットにフィードバックし、過大な力が発生しないようにしている。
【００６２】
しかしながら、過大な力が発生したことを検出して停止指令を出してもロボットは急には止まれないため、停止指令が出た時点から急激に減速しても接触位置からずれた位置で停止してしまい、螺合部品を押し潰してしまう。そして、位置の行き過ぎ量は移動速度に比例するため、螺合部品を他部材に近付ける速度を遅くせざるを得ない。
【００６３】
上記の理由により、螺合部品が他部材に接触する可能性のある領域では、ロボットの移動速度を十分落とす必要がある。しかしながら、サイクルタイムを短くするため、工具を移動する速度は速くする必要がある。その結果、接触領域の近傍で速度を急激に落とすことになる。
【００６４】
一方、実施の形態１では、ロボット（移動部３）の先端にアクチュエータ１を取付け、また、外力検出制御部６は、アクチュエータ１が急激に移動又は停止されて移動加速度が発生した場合や、アクチュエータ１の姿勢が変更されて重力加速度が変化した場合でも、可動部１０２に加わる反力Ｆを正しく検出でき、また、コンプライアンス値を任意に変えられる。そのため、ロボットが急に止まれない点は同じだが、位置の行き過ぎにより螺合部品を押し潰してしまうことはない。よって、螺合部品を他部材に近づける速度を極端に遅くする必要がなく、また、安全に作業できる。
【００６５】
また、従来では、締め付けツールは力センサの先に取付けられており、ロボットが急激に減速した場合、締め付けツールの質量による影響で、力センサには負方向の加速度に比例した力が発生する。
ところが、上記加速度に比例した力と螺合部品の接触により発生する力とを区別することは難しく、区別するためにはロボットの減速時間を大幅に長くせざるを得ない。
【００６６】
一方、外力検出制御部６では、アクチュエータ１が急激に加減速された場合でも正しく外力Ｆを検出でき、接触時にのみ力を検出するため、アクチュエータ１の減速時間を長くする必要はない。
【００６７】
また、力センサを用いた場合には、重力による影響をリアルタイムに補償し難いという課題もある。
すなわち、組立作業を行う場合にロボットが取りうる姿勢は常に一定ではなく、作業の状態に応じて変化させる場合が多い。
しかしながら、上記の通り、締め付けツールは力センサの先に取付けられているため、ロボットの姿勢が水平ではない場合、力センサには重力加速度による影響でロボットの姿勢と締め付けツールの質量に応じた力が発生する。
【００６８】
一方、外力検出制御部６では、アクチュエータ１の姿勢が変更されて重力加速度が変化した場合でも外力Ｆを正しく検出できるため、重力による影響をリアルタイムに補償できる。
【００６９】
次に、作業制御部７の動作例について、図５〜８を参照しながら説明する。以下では、締め付け装置が、ネジ５１の取付け部材５２に対する締め付け作業を行う場合を示す。なお、図６に示す締め付けツール２では、ネジ５１が吸着されたドライバビット２１が取付けられている。
【００７０】
そして、作業制御部７は、位置検出部４により検出された位置、位置速度変換部８により得られた速度及び外力検出部１５により検出された反力Ｆに基づいて、アクチュエータ１、締め付けツール２及び移動部３を制御することで、上記締め付け作業を行う。また以下では、締め付け制御部７０３及び着座制御部７０４は、可動部１０２の位置に基づいて、処理の終了判定を行うものとする。
図７において、横軸は時間ｔ［ｓ］を示し、縦軸は位置速度変換部８により得られたアクチュエータ１の可動部１０２（と締め付けツール２及びドライバビット２１）の速度［ｍ／ｓ］を示している。また、図７における符号ａ〜ｄは、図６Ａ〜図６Ｄでの状態をそれぞれ示している。同様に、図８において、横軸は時間ｔ［ｓ］を示し、縦軸は外力検出部１５により検知された反力Ｆ［Ｎ］を示している。また、図８における符号ａ〜ｄは、図６Ａ〜図６Ｄでの状態をそれぞれ示している。
【００７１】
締め付け装置によるネジ５１の締め付け作業では、まず、図５に示すように、接触制御部７０１は、押付け力を初期押付け力Ｆ１に設定する（ステップＳＴ１）。
次いで、接触制御部７０１は、ドライバビット２１に吸着されたネジ５１を取付け部材５２の方向へ一定の速度で移動させる（ステップＳＴ２）。
次いで、接触制御部７０１は、可動部１０２の速度の変化から、ネジ５１が取付け部材５２に接触したかを判定する（ステップＳＴ３）。ここで、図６Ａ、図７に示すように、ネジ５１を取付け部材５２の方向へ一定の速度で移動させて接触させると、接触時に可動部１０２の速度が停止する。そこで、接触制御部７０１は、この可動部１０２の速度の変化を検出することで、ネジ５１の取付け部材５２への接触を検出する。
【００７２】
ステップＳＴ３において、接触制御部７０１が、ネジ５１が取付け部材５２に接触していないと判定した場合には、シーケンスはステップＳＴ２に戻り、上記の処理を繰返す。
【００７３】
一方、ステップＳＴ３において、接触制御部７０１が、ネジ５１が取付け部材５２に接触したと判定した場合には、押付け制御部７０２は、ネジ５１を取付け部材５２へ押付ける（ステップＳＴ４）。
次いで、押付け制御部７０２は、反力Ｆが初期押付け力Ｆ１になったかを判定する（ステップＳＴ５）。このステップＳＴ５において、押付け制御部７０２は、反力Ｆが初期押付け力Ｆ１にはなっていないと判定した場合には、シーケンスはステップＳＴ４に戻り、上記の処理を繰返す。
【００７４】
これにより、図６Ｂ、図８に示すように、ネジ５１を初期押付け力Ｆ１となるまで押付けることができる。
【００７５】
一方、ステップＳＴ５において、接触制御部７０１が、反力Ｆが初期押付け力Ｆ１になったと判定した場合には、締め付け制御部７０３は、初期押付け力Ｆ１を維持したまま、ドライバビット２１を回転させてネジ５１の締め付けを行う（ステップＳＴ６）。この際、図７に示すように、可動部１０２の速度は徐々に落ちる。
次いで、締め付け制御部７０３は、可動部１０２が第１の位置（押付け力変更位置）になったかを判定する（ステップＳＴ７）。このステップＳＴ７において、締め付け制御部７０３は、可動部１０２が第１の位置になっていないと判定した場合には、シーケンスはステップＳＴ６に戻り、上記の処理を繰返す。
【００７６】
これにより、図６Ｃ、図８に示すように、一定の初期押付け力Ｆ１を維持したまま、ネジ５１の締め付けが行われる。
【００７７】
一方、ステップＳＴ７において、締め付け制御部７０３が、可動部１０２が第１の位置になったと判定した場合には、着座制御部７０４は、押付け力を最大押付け力Ｆ２に変更する（ステップＳＴ８）。
次いで、着座制御部７０４は、最大押付け力Ｆ２を維持したまま、ドライバビット２１を回転させてネジ５１の締め付けを行う（ステップＳＴ９）。この際、図７に示すように、可動部１０２の速度は徐々に落ちる。
次いで、着座制御部７０４は、可動部１０２が第２の位置（着座位置）になったかを判定する（ステップＳＴ１０）。このステップＳＴ１０において、着座制御部７０４は、可動部１０２が第２の位置になっていないと判定した場合には、シーケンスはステップＳＴ９に戻り、上記の処理を繰返す。
【００７８】
このように、工具がネジ５１から外れること（カムアウト）を防止するため、ネジ５１が着座位置の直前の位置（可動部１０２が第１の基準位置）に到達した場合に、カムアウトしない力（最大押付け力Ｆ２）をアクチュエータ１に出力させる。そして、図６Ｄ、図８に示すように、その力で一定に押し付けて追従しながらネジ５１が着座するまで締め付けを行う。
【００７９】
一方、ステップＳＴ１０において、着座制御部７０４が、可動部１０２が第２の位置になったと判定した場合には、ネジ５１が着座したと判断し、ドライバビット２１をネジ５１の方向とは反対の方向へ移動させる（ステップＳＴ１１）。
【００８０】
ここで、実施の形態１に係る締め付け装置では、アクチュエータ１として、固定部１０１に対して可動部１０２を直動可能なダイレクトドライブ形式のリニアアクチュエータを用いている。これにより、可動部１０２の軽量化が可能となる。そのため、工具がネジ５１に接触した場合での衝撃力が従来の力センサを用いた構成に対して小さくでき、螺合部品の破損を回避できる。
【００８１】
また、外力検出制御部６により外力Ｆを検出することで、力センサを用いずに外力Ｆを検知できる。
【００８２】
また上記では、カムアウトを防止するため、締め付け制御部７０３が、ネジ５１が着座位置の直前の位置（第１の位置）又は第１の速度となったと判定した場合に、着座制御部７０４が、最大押付け力Ｆ２をアクチュエータ１に出力させる場合を示した。しかしながら、これに限らず、例えば、締め付け制御部７０３が、カムアウトし始めた瞬間に一瞬浮き上がることを位置検出部４により検出された位置から判定してもよい。これにより、着座制御部７０４は、完全にカムアウトをする前に最大押付け力Ｆ２へ変更でき、カムアウトを防止できる。
【００８３】
以上の動作により、ネジ５１又はアクチュエータ１を壊さず、且つ作業速度を落とさずに、ネジ５１の締め付け作業が実施できる。
【００８４】
また上記では、移動部３がロボットである場合を示した。しかしながら、これに限らず、移動部３として、直動機構又は回転機構を用いてもよい。
【００８５】
以上のように、この実施の形態１によれば、供給された電流により直動するダイレクトドライブ形のアクチュエータ１と、アクチュエータ１に取付けられ、工具の回転を行う締め付けツール２と、アクチュエータ１の位置を検出する位置検出部４と、位置検出部４により検出された位置を速度に変換する位置速度変換部８と、アクチュエータ１に供給される電流の値から、当該アクチュエータ１に加わる外力Ｆを検出する外力検出部１５と、位置検出部４により検出された位置、位置速度変換部８により得られた速度及び外力検出部１５により検出された外力Ｆに基づき、アクチュエータ１及び締め付けツール２を制御する作業制御部７とを備えたので、速度を落とすことなく螺合部品に接触可能であり、サイクルタイムを縮めることが可能である。
【００８６】
なお、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。
【符号の説明】
【００８７】
１  アクチュエータ
２  締め付けツール
３  移動部
４  位置検出部
５  加速度検出部
６  外力検出制御部
７  作業制御部
８  位置速度変換部
９  減算器
１０  ゲイン調整部
１１  質量推定部
１２  加速度補償部
１３  加減算器
１４  定電流制御部
１５  外力検出部
２１  ドライバビット
５１  ネジ
５２  取付け部材
１０１  固定部
１０２  可動部
７０１  接触制御部
７０２  押付け制御部
７０３  締め付け制御部
７０４  着座制御部
１００１  ループゲイン測定部
１００２  ゲイン交点制御部
１００３  可変ゲイン調整部
１２０１  乗算器
１２０２  係数乗算部
１４０１  減算器
１４０２  駆動ドライバ
１４０３  電流検出部
１５０１  係数乗算部
１５０２  減算器
１５０３  係数乗算部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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