(57)【要約】【課題】姿勢を正常な姿勢から遠ざけずに、第一嵌合部材を第二嵌合部材に嵌合する。【解決手段】ロボットアーム（２）の先端に取付けられたハンド（４）により把持される第一の嵌合部材を対応する第二の嵌合部材に嵌合させる嵌合装置（１０）は、第一および第二の嵌合部材が当接したときに発生する力を検出する検出手段（３）と、検出手段により検出された力に基づいて、これら嵌合部材が一点で当接している一点当接状態であるか、またはこれら嵌合部材が少なくとも二点で当接している二点当接状態であるかを判断する判断手段（１２）と、を具備する。一点当接状態である場合には、ロボットアームの把持姿勢を保持した状態で、ハンドに把持される第一の嵌合部材を第二の嵌合部材に嵌合方向に押付けて嵌合作用を進行させ、二点当接状態である場合には、ロボットアームの把持姿勢を変更可能な状態で、嵌合作用をさらに進行させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットアームの先端に取付けられたハンドにより把持される第一の嵌合部材を対応する第二の嵌合部材に嵌合させる嵌合装置において、
前記第一および第二の嵌合部材が当接したときに発生する力またはモーメントを検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された前記力または前記モーメントに基づいて、前記第一および第二の嵌合部材が一点で当接している一点当接状態であるか、または前記第一および第二の嵌合部材が少なくとも二点で当接している二点当接状態であるかを判断する判断手段と、を具備し、
前記第一および第二の嵌合部材を互いに嵌合させる間に、前記判断手段により前記一点当接状態であると判断される場合には、前記ロボットアームの把持姿勢を保持した状態で、前記ハンドに把持される前記第一の嵌合部材を前記第二の嵌合部材に嵌合方向に押付けて嵌合作用を進行させ、
前記判断手段により前記一点当接状態から前記二点当接状態に移行したと判断された場合には、前記ロボットアームの把持姿勢を変更可能な状態で、前記嵌合作用をさらに進行させるようにした、嵌合装置。
【請求項２】
前記検出手段は、前記ハンドと前記ロボットアームとの間に設けられた力センサである、請求項１に記載の嵌合装置。
【請求項３】
前記検出手段は、前記ロボットアームを駆動する電動モータの電流値に基づいて前記力またはモーメントのうちの少なくとも一方を推定する推定手段である、請求項１に記載の嵌合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットアームの先端に取付けられたハンドにより把持される嵌合部材を対応する他の嵌合部材に嵌合させる嵌合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
仮想的なコンプライアンスを構成することによりＲＣＣ（remotecenter compliance）を模した制御則を用いて嵌合作業を行うことが従来より行われている。特許文献１には、ロボットのハンドにより把持された棒状の嵌合部材を被嵌合部材の嵌合穴に嵌合させる一つの手法が開示されている。
【０００３】
図８は、非特許文献１に開示されるような従来技術における嵌合作業を説明するための図である。従来技術ではＲＣＣを模した制御則を用いるので、ＲＣＣを用いた嵌合作業を分析した非特許文献１の場合と同様な現象が生じる。図８に示されるように、被嵌合部材５０の嵌合穴５１周りには面取部５２が形成されている。さらに、図８においては、嵌合部材６０の挿入深さＬと嵌合部材６０の中心線および嵌合穴５１の中心線のなす角度θとの間の関係が示されている。なお、挿入深さＬの原点０は面取部５２の内側終端部５５に対応する。
【０００４】
図８においては、ロボットのハンド（図示しない）により嵌合部材６０が角度θ０（θ０＞０）をなして把持されているとする。ロボットのハンドが被嵌合部材５０に向かって嵌合方向に移動すると、図示されるように、嵌合部材６０の底面の縁部６１が一点のみにおいて被嵌合部材５０の面取部５２に当接する（挿入深さＬと角度θとの間の関係における点Ａに相当）。
【０００５】
非特許文献１においてはロボットのハンドが柔軟に制御されているので、嵌合部材６０は点Ａにおける当接後に反時計回りに回転する。これにより、角度θ０は上昇するようになる。嵌合部材６０が嵌合方向にさらに移動すると、嵌合部材６０の縁部６１は面取部５２の内側終端部５５を越えて嵌合穴５１に進入する（点Ａ’）。このときの角度θは角度θ１である。これにより、角度θは角度θ１からわずかながらさらに上昇する。
【０００６】
嵌合部材６０が嵌合方向にさらに移動すると、嵌合部材６０の底面における他の縁部６２が反対側の面取部５２に当接する（点Ｂ）。このときの角度θは角度θ２である。
【０００７】
その後、嵌合部材６０が嵌合方向にさらに移動すると、嵌合部材６０が嵌合穴５１内に部分的に嵌合され、それにより、嵌合部材６０は時計回りに回転するようになる（点Ｃ）。その結果、角度θは角度θ２から低下し、嵌合部材６０が嵌合穴５１に嵌合するにつれて角度θは角度θ０よりも低下して零に漸近するようになる（点Ｄ）。このように、非特許文献１に開示される手法において嵌合部材６０の縁部６１が面取部５２に当接した後は、嵌合部材６０の姿勢が変更されつつ、嵌合作業が行われる。
【特許文献１】特公平０４−４３７４４号
【非特許文献１】Daniel E. Whitney："弾性支持された剛体部品の準静的組立て", ロボット・モーションIII . ＨＢＪ出版局, pp.151-185, 1982
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
当然のことながら、嵌合部材６０が被嵌合部材５０に完全に嵌合すると、嵌合部材６０の角度θは最終的にはゼロに近くなる。ところが、図８に示されるように従来技術において嵌合部材６０が被嵌合部材５０の面取部５２に一点で当接すると（点Ａ）、角度θが増加して嵌合部材６０の姿勢が正常な姿勢（角度θ＝０）から一時的に遠ざかる事態が生じうる。このような場合には、二点で当接した後で、嵌合部材６０が嵌合穴５１内部で詰まったり、嵌合穴５１の内面に係合することがあり、それにより、嵌合作業が失敗しやすくなる。
【０００９】
なお、嵌合部材６０が面取部５２に一点で当接しているときに作用する力および／またはモーメントによって、嵌合部材６０の姿勢をどの方向に変化させれば良いかを判断することはできない。その理由は、力および／またはモーメントの向きは、嵌合部材６０のどの部位が面取部５２のどの部位に当接しているかに応じて定まり、嵌合部材６０の現在の姿勢と正常な姿勢との間の差に応じて定まるわけではないためである。
【００１０】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、嵌合作業の途中において嵌合部材の姿勢を正常な姿勢から遠ざけることなしに、嵌合部材を被嵌合部材に嵌合させることのできる嵌合装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前述した目的を達成するために１番目の発明によれば、ロボットアームの先端に取付けられたハンドにより把持される第一の嵌合部材を対応する第二の嵌合部材に嵌合させる嵌合装置において、前記第一および第二の嵌合部材が当接したときに発生する力またはモーメントを検出する検出手段と、前記検出手段により検出された前記力または前記モーメントに基づいて、前記第一および第二の嵌合部材が一点で当接している一点当接状態であるか、または前記第一および第二の嵌合部材が少なくとも二点で当接している二点当接状態であるかを判断する判断手段と、を具備し、前記第一および第二の嵌合部材を互いに嵌合させる間に、前記判断手段により前記一点当接状態であると判断される場合には、前記ロボットアームの把持姿勢を保持した状態で、前記ハンドに把持される前記第一の嵌合部材を前記第二の嵌合部材に嵌合方向に押付けて嵌合作用を進行させ、前記判断手段により前記一点当接状態から前記二点当接状態に移行したと判断された場合には、前記ロボットアームの把持姿勢を変更可能な状態で、前記嵌合作用をさらに進行させるようにした、嵌合装置が提供される。
【００１２】
すなわち１番目の発明においては、第一および第二の嵌合部材が一点で当接している一点当接状態に在るときには、第一の嵌合部材の姿勢が変更されるのを抑制している。このため、第一の嵌合部材が一点において第二の嵌合部材に当接するときには、第一の嵌合部材の姿勢は、正常な姿勢から遠ざかるように変化することが無い。従って、嵌合作業の途中において、第一および第二の嵌合部材が互いに詰まったり係合することはなく、嵌合作業を良好に行うことができる。
【００１３】
２番目の発明によれば、１番目の発明において、前記検出手段は、前記ハンドと前記ロボットアームとの間に設けられた力センサである。
すなわち２番目の発明においては、力またはモーメントをより正確に検出することができる。
【００１４】
３番目の発明によれば、１番目または２番目の発明において、前記検出手段は、前記ロボットアームを駆動する電動モータの電流値に基づいて前記力またはモーメントのうちの少なくとも一方を推定する推定手段である。
すなわち３番目の発明においては、力センサを用いることなしに、力またはモーメントを検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同様の部材には同様の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。
図１は本発明に基づく嵌合装置の略図である。図１に示される嵌合装置１０は、ロボット１とロボット制御ユニット１１とを含んでいる。ロボット１は、六軸構成の垂直多間接型ロボットである。ロボット１のロボットアーム２の先端には、ハンド４が取付けられている。図示されるように、ロボットアーム２とハンド４との間には、力センサ３が配置されている。力センサ３はハンド４に作用する力および／またはモーメントを検出する。
【００１６】
ロボット１および力センサ３はロボット制御ユニット１１に接続されている。ロボット制御ユニット１１はデジタルコンピュータであり、嵌合装置１０のロボット１全体の動作を制御する。また、ロボット制御ユニット１１は、後述する嵌合部材６０と被嵌合部材５０とが一点のみで当接する一点当接状態であるか、少なくとも二点で当接する二点当接状態であるかを判断する判断手段１２を含んでいる。
【００１７】
さらに、ロボット制御ユニット１１は推定手段１３を含んでいる。推定手段１３は、ロボット１のロボットアーム２を駆動する駆動モータ（図示しない）の電流値に基づいて、ハンド４に作用する力および／またはモーメントを推定する。言い換えれば、推定手段１３は、力センサ３の代わりに、力および／またはモーメントを求めるのに用いられる。なお、ロボット１の各軸にトルクセンサ（図示しない）を設け、これらトルクセンサに検出されたトルク検出値から、前述した力および／またはモーメントを推定するようにしてもよい。
【００１８】
図１においては、円柱型の嵌合部材６０がロボット１のハンド４により把持されている。そして、嵌合部材６０に嵌合可能な嵌合穴５１を備えた被嵌合部材５０が嵌合部材６０に対面して配置されている。図１においては、被嵌合部材５０は保持具３２によって支持台３０上の所定の位置に固定されている。なお、図示されるように、嵌合部材６０の嵌合方向をＺ軸とし、このＺ軸に垂直な面内にＸ軸およびＹ軸を配置する。
【００１９】
図２は嵌合部材および被嵌合部材の拡大断面図である。図示されるように、被嵌合部材５０に形成された嵌合穴５１の端部には、面取部５２が形成されている。図２に示される実施形態においては、面取部５２の角度αは４５°である。ただし、角度αは４５°に限定されるものではなく、角度αの値が異なっていてもよい。
【００２０】
図３は本発明に基づく嵌合装置の制御則の構成を示す機能ブロック図である。図３に示されるように、ロボット制御ユニット１１は、位置制御部１４と力制御部１５とを有している。位置制御部１４は、所定の手法により作成された位置指令に基づいて、ロボット１に対して位置制御を実行する。
【００２１】
また、力制御部１５は、力センサ３により検出された力検出値と所定の手法により作成された位置指令および力指令とに基づいて、ロボット１に対して力制御を実施する。具体的には、力制御部１５は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の力制御ループと、Ｘ軸回り、Ｙ軸回りおよびＺ軸回りの力制御ループとを含んでいる。そして、力制御部１５は、それら六つの力制御ループのうちのいずれかを実施する。
【００２２】
図３に示されるように、ロボット制御ユニット１１には、切換スイッチ３５が含まれている。切換スイッチ３５は、位置制御部１４による位置制御と力制御部１５による力制御とを切換える。通常は、ロボット１が位置制御により制御されるように、切換スイッチ３５が設定されている。そして、嵌合部材６０を被嵌合部材５０に嵌合する嵌合作業を行う際には、ロボット１が力制御により制御されるように、切換スイッチ３５が設定される。
【００２３】
以下、嵌合装置の動作を示すフローチャートである図４を参照しつつ、本発明に基づく嵌合装置１０の嵌合作業を説明する。はじめに、位置制御下において、ロボット１のハンド４により嵌合部材６０を把持する（ステップ１０１）。次いで、把持された嵌合部材６０を被嵌合部材５０の嵌合穴５１手前まで移動させる（ステップ１０２）。
【００２４】
その後、切換スイッチ３５によって位置制御から力制御に変更し、ステップ１０３において、後述する嵌合作業を実施する。嵌合作業が終了すると、ハンド４から嵌合部材６０を解放して（ステップ１０５）、処理を終了する。
【００２５】
図５は嵌合作業を示すフローチャートである。図５に示される処理は、嵌合作業の際に所定の制御周期毎に繰返し行われるものとする。ロボット制御ユニット１１においては二点当接状態であることを示す二点当接フラグが設けられており、ステップ３１１において、はじめに二点当接フラグが立っていないか否かを判定する。
【００２６】
二点当接フラグが立っていない場合には、ステップ３１２に進む。ステップ３１２においては、判断手段１２によって、嵌合部材６０と被嵌合部材５０とが一点で当接している一点当接状態か、これらが少なくとも二点で当接している二点当接状態であるか否かが判定される。
【００２７】
判断手段１２の具体的な判断手法を以下に説明する。はじめに、力センサ３によってＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の力Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚを検出する。次いで、Ｚ軸方向の力Ｆｚが所定の力Ｆｄｚに概ね等しいか否かを判定する。
【００２８】
Ｚ軸方向の力ＦｚがＦｄｚに概ね等しい場合には、Ｘ軸方向の力ＦｘとＹ軸方向の力Ｆｙとの合力を算出する。これら力の合力√（Ｆｘ2＋Ｆｙ2）がかなり小さいか否か、具体的にはこれら力の合力が「０．０５×｜Ｆｄｚ｜」よりも小さいか否かが判定される。
【００２９】
図６は被嵌合部材の面取部を拡大して示す部分拡大図である。図６は、嵌合部材６０の姿勢誤差がゼロ（つまり、角度θ＝０）の場合に、嵌合部材６０（図６には示さない）が被嵌合部材５０の面取部５２に一点で当接して面取部５２に沿って摺動している状態を示している。
【００３０】
ここで、嵌合部材６０が面取部５２に当接することによって生じた、面取部５２に対して垂直な押付力Ｐの大きさを（√２）Ｆとする。嵌合部材６０と面取部５２との間の動摩擦係数が０．５２である場合には、動摩擦力Ｍの大きさは０．５２・（√２）Ｆで表される。これら押付力Ｐおよび動摩擦力ＭをそれぞれＺ軸方向とＸ軸方向（Ｙ軸方向も含む）とに分解すると、図６に示されるようにＰｚ、ＰｘおよびＭｚ、Ｍｘが得られる。
【００３１】
面取部５２の角度αが４５°である場合には、Ｚ軸方向に作用する力の合力ＦｚはＦｚ（＝Ｐｚ＋Ｍｚ）＝１．５２Ｆであり、Ｘ軸、Ｙ軸方向に作用する力の合力ＦｘｙはＦｘｙ（＝Ｐｘ−Ｍｘ）＝０．４８Ｆである。従って、Ｚ軸方向の力Ｆｚと、Ｘ軸、Ｙ軸方向の力Ｆｘｙとの比は、Ｆｘｙ／Ｆｚ＝０．４８／１．５２≒０．３２になる。なお、姿勢誤差が±２°の範囲で存在する場合であっても、概ね同様の力の比が得られる。
【００３２】
このように一点当接状態においては、Ｚ軸方向だけでなく、Ｘ軸、Ｙ軸方向（Ｙ軸方向含む）にも或る程度の力が作用している。そして、嵌合部材６０と被嵌合部材５０とが二点当接状態になると、並進成分の力制御の作用により、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の力Ｆｘｙはゼロに収束し、Ｆｚは所定値Ｆｄｚに収束する。
【００３３】
従って、Ｆｚが所定値Ｆｄｚに概ね等しくて、合力Ｆｘｙ（＝√（Ｆｘ2＋Ｆｙ2））がＦｚよりもかなり小さい場合には二点当接状態にあると判断でき、合力Ｆｘｙ（＝√（Ｆｘ2＋Ｆｙ2））がＦｚよりもそれほど小さくなければ、一点当接状態にあると判断できる。ステップ３１２においては、マージンを考慮することにより、上記の比（＝Ｆｘｙ／Ｆｚ）０．３２よりもさらに小さい値として「０．０５」を採用している。
【００３４】
再び図５を参照すると、ステップ３１２において一点当接状態にあると判断された場合にはステップ３１３に進む。ステップ３１３においては、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の力制御ループが設定され、Ｘ軸回り、Ｙ軸回りおよびＺ軸回りの力制御ループは設定されない。次いで、ステップ３１６において作成された力指令値に基づいて、ステップ３１７においてＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の力制御ループが実施される。
【００３５】
図７は本発明に基づく嵌合作業を説明するための図であり、図８と同様の図である。図７に示されるように、嵌合部材６０の一方の縁部６１が被嵌合部材５０の面取部５２に当接開始したときは、嵌合部材６０と被嵌合部材５０とは一点当接状態にある。本発明においては、一点当接状態のときにはＸ軸回り、Ｙ軸回りおよびＺ軸回りの力制御ループは設定されないので、一点当接状態においても嵌合部材６０の姿勢は変化しない。従って、嵌合部材６０を嵌合方向に移動させると、嵌合部材６０はその姿勢を変化させることなしに、面取部５２に沿って摺動する（点Ａ１）。
【００３６】
再び図５を参照すると、ステップ３１２において二点当接状態にあると判断された場合にはステップ３１４に進んで、二点当接フラグが設定され、次いで、ステップ３１５に進む。ステップ３１５においては、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の力制御ループとＸ軸回りおよびＹ軸回りの力制御ループとが設定され、Ｚ軸回りの力制御ループは設定されない。次いで、ステップ３１６において作成された力指令値に基づいて、ステップ３１７においてＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の力制御ループならびにＸ軸回りおよびＹ軸回りの力制御ループが実施される。
【００３７】
図７に示されるように、嵌合部材６０の一方の縁部６１が嵌合穴５１内に進入すると、他方の縁部６２が面取部５２の内側終端部５５に当接して二点当接状態になる（点Ｂ１）。なお、このときには、嵌合部材６０の角度θは角度θ３（θ０＜θ３＜θ１＜θ２）までわずかながら増加する。つまり正常な姿勢（角度θ＝０）から遠ざかるように、嵌合部材６０はわずかながらその姿勢を変える。
【００３８】
次いで、嵌合部材６０の両方の縁部６１、６２が嵌合穴５１に進入する（点Ｂ１’）と、嵌合部材６０はＸ軸回りおよびＹ軸回りにその姿勢を変化させつつ嵌合方向に移動するようになる。しかしながら、嵌合部材６０と嵌合穴５１との間にすき間がある場合には、嵌合方向の反力をあまり受けない領域ＬＡが、この場所から延びるよう存在している。この領域ＬＡにおいては、角度θの変化よりも嵌合方向への進行の方が容易であり、角度θがほとんど変化しない間に嵌合部材６０は嵌合方向に領域ＬＡだけ進行する。
【００３９】
そして、この領域ＬＡを通過すると、嵌合方向に反力が発生するので、嵌合部材６０はその姿勢を正常な姿勢に徐々に戻しつつ嵌合方向にさらに移動する（点Ｃ１）。嵌合部材６０が嵌合方向にさらに移動すると、嵌合部材６０の姿勢は正常な姿勢に向かってさらに漸近し（Ｄ１）、最終的には嵌合部材６０は正常な姿勢（角度θ≒０）になる。
【００４０】
このように本発明においては、図７に示されるように嵌合部材６０と被嵌合部材５０とが一点当接状態にあるときには、嵌合部材６０の姿勢が変化しないように制御している。このため、一点当接後においては嵌合部材６０は、正常な姿勢から遠ざかるようにその姿勢を変化させることはほとんどない（点Ｂ１と点Ｂ１’との間を除く）。それゆえ、本発明においては、嵌合作業の途中において、嵌合部材６０と被嵌合部材５０とが互いに詰まったり係合することはなく、嵌合作業を良好に行うことが可能となる。
【００４１】
図面を参照して説明した実施形態においては、円柱型の嵌合部材６０を採用しているが、嵌合部材６０の形状はこれに限定されるものではない。さらに、被嵌合部材５０がロボット１のハンド４に把持されていて、嵌合部材６０が保持具３２に支持されている場合であっても、本発明の嵌合装置を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明に基づく嵌合装置の略図である。
【図２】嵌合部材および被嵌合部材の拡大断面図である。
【図３】本発明に基づく嵌合装置の機能ブロック図である。
【図４】本発明に基づく嵌合装置の動作を示すフローチャートである。
【図５】嵌合作業の詳細を示すフローチャートである。
【図６】被嵌合部材の面取部を拡大して示す部分拡大図である。
【図７】本発明に基づく嵌合作業を説明するための図である。
【図８】従来技術における嵌合作業を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４３】
１    ロボット
２    ロボットアーム
３    力センサ
４    ハンド
１０    嵌合装置
１１    ロボット制御ユニット
１２    判断手段
１３    推定手段
１４    位置制御部
１５    力制御部
３０    支持台
３２    保持具
３５    切換スイッチ
５０    被嵌合部材
５１    嵌合穴
５２    面取部
５５    内側終端部
６０    嵌合部材
６１、６２    縁部
【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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