(57)【要約】【課題】締結穴の位置を広範囲において効率よく探索して位置ズレを修正でき、斜め噛み込みなどの不完全締結を防止できる締結装置を提供する。【解決手段】自動ネジ締め装置１００は、ネジ２０を目的座標に移動させるＸＹＺ軸方向駆動ロボット１４と、上記目的座標を算出しＸＹＺ軸方向駆動ロボット１４に送信するロボット制御用コンピュータ１７と、ネジ２０が受けている、Ｘ−Ｙ平面方向に働く反力値を計測し、ロボット制御用コンピュータ１７に送信する力センサー１６と、を備え、ロボット制御用コンピュータ１７は、スパイラル演算部及び力制御演算部を備え、スパイラル演算部は、締結部品の移動軌跡がスパイラル状軌道となるように、目的座標のうちＸ−Ｙ平面上の座標を算出するものであり、力制御演算部は、上記反力値が小さくなるように、目的座標のうちＸ−Ｙ平面上の座標を算出するものである。【選択図】図１
2012020345.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
締結部品を締結穴に挿入し締結するための締結装置であって、
上記締結部品を目的座標に移動させる駆動手段と、
上記目的座標を算出し上記駆動手段に送信する制御手段と、
上記締結部品が受けている、挿入方向と垂直な面方向に働く反力値を計測し上記制御手段に送信する計測手段と、
を備え、
上記制御手段は、スパイラル演算手段及び力制御演算手段を備え、
上記スパイラル演算手段は、上記締結部品の移動軌跡がスパイラル状軌道となるように、上記目的座標のうち挿入方向と垂直な平面上の座標を算出するものであり、
上記力制御演算手段は、上記反力値が小さくなるように、上記目的座標のうち挿入方向と垂直な平面上の座標を算出するものであることを特徴とする締結装置。
【請求項２】
上記制御手段は、演算制御手段を備え、
上記演算制御手段は、
上記反力値と予め設定された締結穴接触閾値とを比較し、上記反力値が上記締結穴接触閾値より小さければ、
上記スパイラル演算手段が、上記目的座標のうち挿入方向と垂直な平面上の座標を算出し、
上記反力値が上記締結穴接触閾値より大きければ、上記力制御演算手段が、上記目的座標のうち挿入方向と垂直な平面上の座標を算出することを特徴とする請求項１に記載の締結装置。
【請求項３】
上記計測手段は、上記挿入方向と垂直な平面上の互いに直交する２本の直線のそれぞれに平行な方向であるＸ軸方向及びＹ軸方向に働く、Ｘ軸方向反力値及びＹ軸方向反力値を計測するものであり、
上記駆動手段は、上記Ｘ軸方向及びＹ軸方向に、上記締結部品を移動させるものであることを特徴とする請求項１または２に記載の締結装置。
【請求項４】
上記計測手段は、上記Ｘ軸方向反力値及び上記Ｙ軸方向反力値から、下記式（１）に従って平面内反力値を計算して上記制御手段に送信し、
上記力制御演算手段は、上記平面内反力値が小さくなるように、
上記目的座標のうちＸ軸方向の座標及びＹ軸方向の座標を算出することを特徴とする請求項３に記載の締結装置。
平面内反力値＝（Ｘ軸方向反力値２＋Ｙ軸方向反力値２）０．５・・・（１）
【請求項５】
上記計測手段は、さらに、上記挿入方向と平行な方向に働くＺ軸方向反力値を計測するものであり、
上記駆動手段は、上記Ｚ軸方向に上記締結部品を移動させるものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の締結装置。
【請求項６】
上記制御手段は、Ｚ軸方向座標演算手段を有し、
上記Ｚ軸方向座標演算手段は、上記Ｚ軸方向反力値が、予め設定されたＺ軸方向反力基準値と同じになるよう、上記目的座標のうち上記Ｚ軸方向の座標を算出することを特徴とする請求項５に記載の締結装置。
【請求項７】
上記スパイラル状軌道は、アルキメデスの螺旋であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の締結装置。
【請求項８】
上記スパイラル状軌道の隣接する円周間の距離は、
上記締結部品の直径と上記締結穴の直径との差より小さいことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の締結装置。
【請求項９】
上記計測手段は、上記挿入方向と垂直な平面上の互いに直交する２本の直線のそれぞれに平行な方向であるＸ軸方向及びＹ軸方向に働く、Ｘ軸方向反力値及びＹ軸方向反力値を計測し、上記Ｘ軸方向反力値及び上記Ｙ軸方向反力値から、下記式（１）に従って平面内反力値を計算して上記制御手段に送信するものであり、
平面内反力値＝（Ｘ軸方向反力値２＋Ｙ軸方向反力値２）０．５・・・（１）
上記駆動手段は、上記Ｘ軸方向及びＹ軸方向に、上記締結部品を移動させるものであり、
上記制御手段は、演算制御手段と原点復帰演算手段とを備え、
上記原点復帰演算手段は、上記締結部品の移動軌跡が、上記スパイラル状軌道の原点に向かう直線となるよう、上記目的座標のうちＸ軸方向及びＹ軸方向の座標を算出するものであり、
上記演算制御手段は、上記平面内反力値と予め設定された誤判定排除閾値とを比較し、上記平面内反力値が上記誤判定排除閾値より小さければ、
原点復帰演算手段が、上記目的座標のうちＸ軸方向及びＹ軸方向の座標を算出することを特徴とする請求項１〜８に記載の締結装置。
【請求項１０】
上記締結部品はネジであり、
上記締結装置は締付手段を備えることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の締結装置。
【請求項１１】
上記計測手段は、上記挿入方向と垂直な平面上の互いに直交する２本の直線のそれぞれに平行な方向であるＸ軸方向及びＹ軸方向に働く、Ｘ軸方向反力値及びＹ軸方向反力値を計測し、下記式（１）に従って平面内反力値を計算して上記制御手段に送信し、
平面内反力値＝（Ｘ軸方向反力値２＋Ｙ軸方向反力値２）０．５・・・（１）
さらに、上記挿入方向と平行な方向に働くＺ軸方向反力値を計測するものであり、
上記駆動手段は、上記Ｘ軸方向、上記Ｙ軸方向、及び上記Ｚ軸方向に上記締結部品を移動させるものであり、
上記制御手段は、さらに演算制御手段、力制御演算手段、原点復帰演算手段を備え、
上記演算制御手段は、上記Ｚ軸方向反力値と予め設定されたＺ軸方向反力基準値とを比較し、
上記Ｚ軸方向反力値が上記Ｚ軸方向反力基準値より大きければ、
上記スパイラル演算手段が、上記目的座標のうち挿入方向と垂直な平面上の座標を算出し、上記駆動手段は、上記スパイラル演算手段が算出した座標に上記締結部品を移動させ、
上記演算制御手段は、上記駆動手段が上記スパイラル演算手段により算出された座標上に上記締結部品を移動させた後に、上記平面内反力値と予め設定された締結穴接触閾値とを比較し、
上記平面内反力値が上記締結穴接触閾値より大きければ、
上記力制御演算手段が、上記目的座標のうち挿入方向と垂直な平面上の座標を算出して、上記駆動手段は、上記力制御演算手段が算出した座標に上記締結部品を移動させ、
上記演算制御手段は、上記駆動手段が上記力制御演算手段により算出された座標上に上記締結部品を移動させた後に、上記平面内反力値と予め設定された誤判定排除閾値とを比較し、
上記平面内反力値が上記誤判定排除閾値より小さければ、
上記原点復帰演算手段が、上記目的座標のうち挿入方向と垂直な平面上の座標を算出して、上記駆動手段は、上記原点復帰演算手段が算出した座標に上記締結部品を移動させ、
上記演算制御手段は、上記駆動手段が上記原点復帰演算手段により算出された座標上に上記締結部品を移動させた後に、上記平面内反力値と上記締結穴接触閾値とを比較し、
上記平面内反力値が上記締結穴接触閾値より大きければ、
上記力制御演算手段が、上記目的座標のうち挿入方向と垂直な平面上の座標を算出して、上記駆動手段は、上記力制御演算手段が算出した座標に上記締結部品を移動させ、
上記演算制御手段は、上記駆動手段が上記力制御演算手段により算出された座標上に上記締結部品を移動させた後に、上記力制御演算手段により算出された座標から上記スパイラル状軌道の原点までの距離と予め設定された原点接近閾値とを比較し、上記スパイラル状軌道の原点までの距離が上記原点接近閾値より小さければ、
上記スパイラル演算手段が、上記目的座標のうち挿入方向と垂直な平面上の座標を算出して、上記駆動手段は、上記スパイラル演算手段が算出した座標に上記締結部品を移動させることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の締結装置。
【請求項１２】
上記計測手段は、上記挿入方向と垂直な平面上の互いに直交する２本の直線のそれぞれに平行な方向であるＸ軸方向及びＹ軸方向に働く、Ｘ軸方向反力値及びＹ軸方向反力値を計測し、下記式（１）に従って平面内反力値を計算して上記制御手段に送信し、
平面内反力値＝（Ｘ軸方向反力値２＋Ｙ軸方向反力値２）０．５・・・（１）
上記締結穴接触閾値は、
予め、締結穴に締結部品が入らない条件で、予め設定した距離をスパイラル状に移動させて測定した上記平面内反力値の最大値より大きい値であることを特徴とする請求項２に記載の締結装置。
【請求項１３】
上記誤判定排除閾値が、予め、締結穴に締結部品の一部が入っている条件で、上記平面内反力値が小さくなるように、目的座標を算出しながら締結部品を移動させて測定した上記平面内反力値の平均値より小さい値であって０より大きい値のうち任意の値であることを特徴とする請求項９に記載の締結装置。
【請求項１４】
上記原点接近閾値は、上記スパイラル状軌道の隣接する円周間の距離の半分であることを特徴とする請求項１１に記載の締結装置。
【請求項１５】
締結部品を締結穴に挿入し締結するための締結方法であって、
上記締結部品の移動軌跡がスパイラル状軌道となるように、目的座標のうち挿入方向と垂直な平面上の座標を算出し、上記締結部品を上記目的座標まで移動させるスパイラル探索工程と、
上記締結部品が挿入方向と垂直な平面内において受ける反力値を計測し、上記反力値が小さくなるように上記目的座標のうち挿入方向と垂直な平面上の座標を算出し、上記締結部品を上記目的座標まで移動させる力制御探索工程とを含み、
上記反力値と予め設定された締結穴接触閾値とを比較し、
上記反力値が上記締結穴接触閾値より小さければ、上記スパイラル探索工程を実行し、
上記反力値が上記締結穴接触閾値より大きければ、上記力制御探索工程を実行することを特徴とする締結方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、締結装置、及び締結方法に関するものである。例えば、ネジなどの締結部品を、ワーク上にある締結穴に挿入して締め付けを行うことで、二つの部品を締結させるための締結装置、及び締結方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、家電製品及び自動車の製造をはじめ、製造工程における各種組立工程は複雑化、精密化の一途をたどる傾向にある。現状では組立工程の大半は人手による作業に頼っているため、自動組立工程の実現は産業界から強く求められている。
【０００３】
自動組立工程における自動化手段としては、従来から産業用ロボットが利用されている。自動組立工程において、組み立てられる部品同士の位置合わせには、主に、位置決め機構もしくは治具によって部品の位置を規制する、またはカメラと画像認識手段によってワーク位置を測定する方法が使用されている。しかしながら、これらの方法では、締結部品の外形で部品の位置を規制する、または締結部品の特定部分で位置測定をするため、部品内部の寸法公差による部品の挿入部での位置の誤差などを把握することはできず、位置合わせの精度が不十分となる場合がある。
【０００４】
位置合わせの精度を向上させるためには、部品のいくつかの点において、それぞれ測定を行い、測定結果に基づき部品の位置を補正する方法が用いられているが、しかしながら、測定回数が増えるに伴い、作業時間が長時間化し、作業効率が悪化してしまうという問題点が存在する。
【０００５】
自動組立工程の代表的な工程として、例えば、ネジなどの締結部品を、ワーク上の締結穴に挿入して、締め付けを行う「ネジ締め」工程が挙げられる。自動式のネジ締めドライバと、直動式のロボットとを組み合わせた自動ネジ締め装置が製品化され、従来から使用されている。しかしながら、このようなネジ締め装置を使用した場合、ワークのばらつきなどによって締結穴の位置が設計位置からズレが生じると、適切に位置補正してネジを締めることはできない。例えば、ネジ径の約１／１０程度以上の位置ズレが生じると、斜め噛み込みなどの不完全なネジ締めとなり、またはエラー停止して人手による補正作業を必要とする。
【０００６】
特許文献１〜３では、締結穴位置にズレが生じた場合に、締結部品の位置を自動的に補正する技術について開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−３３１４２８号公報（２００２年１１月１９日公開）
【特許文献２】特開昭６２−１０２９２８号公報（１９８７年０５月１３日公開）
【特許文献３】特開平７−１６０３３６号公報（１９９５年０６月２３日公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１において、力制御ロボットによりネジの締付を行う方法について記載している。雄ネジを保持するソケットを送信軸に備えたナットランナーを、力センサーを介してロボット本体に設け、力センサーの送信結果に基づいてロボット制御部によって行われるロボット本体の力制御による位置決め動作と、前記ロボット制御部からの指令に基づいてナットランナー制御部によって行われるナットランナーの回転制御により、雄ネジとワークに取り付けられた雌ネジを締め付けることで、ネジが斜め噛み込みになることなく、確実にネジ締めすることができる。
【０００９】
上記方法では、ネジが受けている反力を力センサーによって感知することによって位置補正を行っている。この方法では、ネジ先端が締結穴に入りかかっている場合は、力センサーによって反力の方向を検知して位置補正をすることができる。しかしこの方法では、図９に示すような状況では、位置補正を行うことはできない。図９は、従来からある力制御技術により位置補正が不可能な状況について示した模式図である。図９（ａ）に示すように、ネジ９２のネジ先端９３は締結穴９１内部になく、ネジ先端９３の平坦面がワーク９０の締結穴９１周辺の平坦面に接触している場合、挿入方向と垂直な面方向においてネジ９２が受ける反力によって位置ズレの方向を感知することはできず、位置補正することはできない。また、図９（ｂ）に示すように、ネジ先端９３が締結穴９１の周囲にあるバリ９５に乗り上げた場合、ネジ９２を動かすことに対し大きな摩擦抵抗が生じてしまい、ネジ９２を締結穴９１へ位置補正することは不可能である。このように、特許文献１では、初期時にネジ先端９３が締結穴９１内部に入っていなければ、位置補正をすることができないとの問題点が存在する。
【００１０】
また、未知の目標位置を探索する方法として、スパイラル軌跡に従って探索する方法が開示されている。特許文献２では、大寸法ボルトの締付において、締結トルクを調べ、締結トルクが閾値を超える度に、ボルト保持部をスパイラル軌跡に従って動かし、斜め噛み込みなどの不完全な締結を防ぐ技術について記載している。また、特許文献３では、ロケートピンを所定の位置に位置決めした際、ロケート穴の検出ができなかったときは、ロケート穴形状判定部は化合データ記憶部からロケート穴の形状に関する情報を読み込み、ロケートピン駆動部によってロケートピンをスクロール動作させ、ロケート穴を探索することによって、多少の位置ズレが生じている場合でも、ロケートピンを挿入できる技術について記載している。
【００１１】
しかしながら、特許文献２と特許文献３に記載の技術は、いずれも多少の位置ズレが生じた際に位置修正を行うことを目的としたものであり、広範囲において位置ズレが生じた際には、位置修正することはできずに、エラーとして出力してしまう。
【００１２】
本発明はこのような事情に鑑みて、締結部品を締結穴に挿入して締結するための締結装置であって、締結穴の位置を広範囲において効率よく探索して位置ズレを修正でき、斜め噛み込みなどの不完全締結を防止できる、締結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】
【００１３】
上記の課題を解決するために、本発明に係る締結装置は、締結部品を締結穴に挿入し締結するための締結装置であって、上記締結部品を目的座標に移動させる駆動手段と、上記目的座標を算出し上記駆動手段に送信する制御手段と、上記締結部品が受けている、挿入方向と垂直な面方向に働く反力値を計測し上記制御手段に送信する計測手段と、を備え、上記制御手段は、スパイラル演算手段及び力制御演算手段を備え、上記スパイラル演算手段は、上記締結部品の移動軌跡がスパイラル状軌道となるように、上記目的座標のうち挿入方向と垂直な平面上の座標を算出するものであり、上記力制御演算手段は、上記反力値が小さくなるように、上記目的座標のうち挿入方向と垂直な平面上の座標を算出するものであることを特徴とする。
【００１４】
上記構成によれば、締結部品と締結穴との間に大きな位置ズレが生じた際でも、スパイラル演算手段によって、締結穴の位置を広範囲において効率よく探索することができ、位置ズレを修正することが可能である。また、力制御演算手段によって、挿入方向と垂直な面方向に働く反力値が小さくなるよう位置補正をすることによって、斜め噛み込みなどの不完全な締結を防止できる。
【００１５】
また、本発明に係る締結装置において、上記制御手段は、演算制御手段を備え、上記演算制御手段は、上記反力値と予め設定された締結穴接触閾値とを比較し、上記反力値が上記締結穴接触閾値より小さければ、上記スパイラル演算手段が、上記目的座標のうち挿入方向と垂直な平面上の座標を算出し、上記反力値が上記締結穴接触閾値より大きければ、上記力制御演算手段が、上記目的座標のうち挿入方向と垂直な平面上の座標を算出するのが好ましい。
【００１６】
上記構成によれば、演算制御手段は、計測手段によって測定された反力値と、予め設定された締結穴接触閾値とを比較することによって、締結部品の先端が締結穴内部に入っているかを判定することができる。反力値が締結穴接触閾値より小さければ、締結部品の先端は、まだ締結穴内部に入っていないと判定し、反力値が締結穴接触閾値より大きければ、締結部品の先端は、締結穴内部に入っていると判定する。締結部品の先端が締結穴内部に入っていない場合は、引き続きスパイラル演算手段によって次の目的座標を算出し、その目的座標まで締結部品を移動させ、締結部品の先端が締結穴内部に入っている場合は、力制御演算手段によって次の目的座標を算出し、その目的座標まで締結部品を移動させることができる。
【００１７】
また、本発明に係る締結装置において、上記計測手段は、上記挿入方向と垂直な平面上の互いに直交する２本の直線のそれぞれに平行な方向であるＸ軸方向及びＹ軸方向に働く、Ｘ軸方向反力値及びＹ軸方向反力値を計測するものであり、上記駆動手段は、上記Ｘ軸方向及びＹ軸方向に、上記締結部品を移動させるものであるのが好ましい。
【００１８】
上記構成によれば、計測手段は、Ｘ軸方向反力値及びＹ軸方向反力値をそれぞれ独立に計測することができ、駆動手段は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に、それぞれ独立に上記締結部品を移動させることができ、より精密に目的座標の計算と位置の制御を行うことが可能となる。
【００１９】
また、本発明に係る締結装置において、上記計測手段は、上記Ｘ軸方向反力値及び上記Ｙ軸方向反力値から、下記式（１）に従って平面内反力値を計算して上記制御手段に送信し、上記力制御演算手段は、上記平面内反力値が小さくなるように、上記目的座標のうちＸ軸方向の座標及びＹ軸方向の座標を算出するのが好ましい。
【００２０】
平面内反力値＝（Ｘ軸方向反力値２＋Ｙ軸方向反力値２）０．５・・・（１）
上記構成によれば、力制御演算手段は、計測手段によって算出された平面内反力値がなるべく小さくなるよう、目的座標のうちＸ軸方向の座標及びＹ軸方向の座標を算出する。これによって、挿入方向と垂直な面内において、力の釣り合う地点の目的座標をより効率よく探索することができる。
【００２１】
また、本発明に係る締結装置において、上記計測手段は、さらに、上記挿入方向と平行な方向に働くＺ軸方向反力値を計測するものであり、上記駆動手段は、上記Ｚ軸方向に上記締結部品を移動させるものであるのが好ましい。
【００２２】
上記構成によれば、計測手段によって計測されたＺ軸方向反力値の大きさによって、駆動手段はＺ軸方向上において上記締結部品を移動させることができ、締結部品とワークとのＺ軸方向上における距離を調整することが可能である。
【００２３】
また、本発明に係る締結装置において、上記制御手段は、Ｚ軸方向座標演算手段を有し、上記Ｚ軸方向座標演算手段は、上記Ｚ軸方向反力値が、予め設定されたＺ軸方向反力基準値と同じになるよう、上記目的座標のうち上記Ｚ軸方向の座標を算出するのが好ましい。
【００２４】
上記構成によれば、Ｚ軸方向反力値が予め設定されたＺ軸方向反力基準値と同じになるように、Ｚ軸方向座標演算手段がＺ軸方向の座標を算出し、駆動手段が締結部品を上記座標に移動させることで、常に締結部品をワークに接地させた状態にさせ、ワークの表面に段差があればそれを検出することが可能である。
【００２５】
また、本発明に係る締結装置において、上記スパイラル状軌道は、アルキメデスの螺旋であるのが好ましい。
【００２６】
上記構成によれば、アルキメデスの螺旋は隣接する円周間の距離が等間隔であるため、効率よく探索することができ、より短時間で探索を終えることができる。
【００２７】
また、本発明に係る締結装置において、上記スパイラル状軌道の隣接する円周間の距離は、上記締結部品の直径と上記締結穴の直径との差より小さいのが好ましい。
【００２８】
上記構成によれば、スパイラル状軌道の隣接する円周間の距離は締結部品直径と締結穴直径との差より小さく、探索範囲を漏れなく探索することができ、スパイラル状軌道に沿って移動する締結部品は必ず締結穴上方を通過することになる。
【００２９】
また、本発明に係る締結装置において、上記計測手段は、上記挿入方向と垂直な平面上の互いに直交する２本の直線のそれぞれに平行な方向であるＸ軸方向及びＹ軸方向に働く、Ｘ軸方向反力値及びＹ軸方向反力値を計測し、上記Ｘ軸方向反力値及び上記Ｙ軸方向反力値から、下記式（１）に従って平面内反力値を計算して上記制御手段に送信するものであり、平面内反力値＝（Ｘ軸方向反力値２＋Ｙ軸方向反力値２）０．５・・・（１）
上記駆動手段は、上記Ｘ軸方向及びＹ軸方向に、上記締結部品を移動させるものであり、上記制御手段は、演算制御手段と原点復帰演算手段とを備え、上記原点復帰演算手段は、上記締結部品の移動軌跡が、上記スパイラル状軌道の原点に向かう直線となるよう、上記目的座標のうちＸ軸方向及びＹ軸方向の座標を算出するものであり、上記演算制御手段は、上記平面内反力値と予め設定された誤判定排除閾値とを比較し、上記平面内反力値が上記誤判定排除閾値より小さければ、原点復帰演算手段が、上記目的座標のうちＸ軸方向及びＹ軸方向の座標を算出するのが好ましい。
【００３０】
上記構成によれば、締結部品が一度締結穴内部に入ったが、また外れてしまった場合、または締結部品が締結穴周辺のバリに乗り上げた場合など、誤って締結部品が締結穴に入ったと判定された場合は、平面内反力値と誤判定排除閾値とを比較することにより、その誤判定を検出することができる。平面内反力値が誤判定排除閾値より小さければ、原点復帰演算手段によって、上記締結部品の移動軌跡が、上記スパイラル状軌道の原点に向かう直線となるよう、上記目的座標のうちＸ軸方向及びＹ軸方向の座標を算出し、駆動手段によって締結部品を移動させる。原点復帰演算手段を備えることによって、バリへの乗り上げなど探索の継続が不可能になった場合でも、スパイラル状軌道の原点に戻ることが可能であるため、エラー停止とならない。
【００３１】
本発明に係る締結装置において、上記締結部品はネジであり、上記締結装置は締付手段を備える構成であってもよい。
【００３２】
上記構成によれば、広範囲において位置ズレを修正でき、斜め噛み込みなどの不完全締結を防止でき、効率よくかつ確実にネジの締め付けを行うことができる。
【００３３】
本発明に係る締結装置において、上記計測手段は、上記挿入方向と垂直な平面上の互いに直交する２本の直線のそれぞれに平行な方向であるＸ軸方向及びＹ軸方向に働く、Ｘ軸方向反力値及びＹ軸方向反力値を計測し、下記式（１）に従って平面内反力値を計算して上記制御手段に送信し、
平面内反力値＝（Ｘ軸方向反力値２＋Ｙ軸方向反力値２）０．５・・・（１）
さらに、上記挿入方向と平行な方向に働くＺ軸方向反力値を計測するものであり、
上記駆動手段は、上記Ｘ軸方向、上記Ｙ軸方向、及び上記Z軸方向に上記締結部品を移動させるものであり、
上記制御手段は、さらに演算制御手段、力制御演算手段、原点復帰演算手段を備え、
上記演算制御手段は、上記Ｚ軸方向反力値と予め設定されたＺ軸方向反力基準値とを比較し、上記Ｚ軸方向反力値が上記Ｚ軸方向反力基準値より大きければ、上記スパイラル演算手段が、上記目的座標のうち挿入方向と垂直な平面上の座標を算出し、上記駆動手段は、上記スパイラル演算手段が算出した座標に上記締結部品を移動させ、
上記演算制御手段は、上記駆動手段が上記スパイラル演算手段により算出された座標上に上記締結部品を移動させた後に、上記平面内反力値と予め設定された締結穴接触閾値とを比較し、上記平面内反力値が上記締結穴接触閾値より大きければ、上記力制御演算手段が、上記目的座標のうち挿入方向と垂直な平面上の座標を算出して、上記駆動手段は、上記力制御演算手段が算出した座標に上記締結部品を移動させ、
上記演算制御手段は、上記駆動手段が上記力制御演算手段により算出された座標上に上記締結部品を移動させた後に、上記平面内反力値と予め設定された誤判定排除閾値とを比較し、上記平面内反力値が上記誤判定排除閾値より小さければ、上記原点復帰演算手段が、上記目的座標のうち挿入方向と垂直な平面上の座標を算出して、上記駆動手段は、上記原点復帰演算手段が算出した座標に上記締結部品を移動させ、
上記演算制御手段は、上記駆動手段が上記原点復帰演算手段により算出された座標上に上記締結部品を移動させた後に、上記平面内反力値と上記締結穴接触閾値とを比較し、上記平面内反力値が上記締結穴接触閾値より大きければ、上記力制御演算手段が、上記目的座標のうち挿入方向と垂直な平面上の座標を算出して、上記駆動手段は、上記力制御演算手段が算出した座標に上記締結部品を移動させ、
上記演算制御手段は、上記駆動手段が上記力制御演算手段により算出された座標上に上記締結部品を移動させた後に、上記力制御演算手段により算出された座標から上記スパイラル状軌道の原点までの距離と予め設定された原点接近閾値とを比較し、上記スパイラル状軌道の原点までの距離が上記原点接近閾値より小さければ、上記スパイラル演算手段が、上記目的座標のうち挿入方向と垂直な平面上の座標を算出して、上記駆動手段は、上記スパイラル演算手段が算出した座標に上記締結部品を移動させる構成であるのが好ましい。
【００３４】
上記構成によれば、初期時において締結部品が締結穴の内部、または締結穴の外部のどちらかに位置しても、効率よくかつ確実に締結を行うことができる。また、バリへの乗り上げなどにより、探索が継続不可能となっても、原点復帰演算手段によって、スパイラル原点付近に戻り再度スパイラル探索を行うことが可能である。原点までの移動中において、スパイラル状軌道の原点までの距離が予め設定された原点接近閾値より小さければ、二回目のスパイラル探索を開始する。
【００３５】
本発明に係る締結装置において、上記計測手段は、上記挿入方向と垂直な平面上の互いに直交する２本の直線のそれぞれに平行な方向であるＸ軸方向及びＹ軸方向に働く、Ｘ軸方向反力値及びＹ軸方向反力値を計測し、下記式（１）に従って平面内反力値を計算して上記制御手段に送信し、
平面内反力値＝（Ｘ軸方向反力値２＋Ｙ軸方向反力値２）０．５・・・（１）
上記締結穴接触閾値は、予め、締結穴に締結部品が入らない条件で、予め設定した距離をスパイラル状に移動させて測定した上記平面内反力値の最大値より大きい値であるのが好ましい。
【００３６】
上記構成によれば、適切な締結穴接触閾値を使用することによって、締結部品が締結穴に入っているか否かについて正確に判定することができる。
【００３７】
本発明に係る締結装置において、上記誤判定排除閾値が、予め、締結穴に締結部品の一部が入っている条件で、上記平面内反力値が小さくなるように、目的座標を算出しながら締結部品を移動させて測定した上記平面内反力値の平均値より小さい値であって０より大きい値のうち任意の値であるのが好ましい。
【００３８】
上記構成によれば、適切な誤判定排除閾値を使用することによって、誤判定があったか否かについて正確に判定することができる。
【００３９】
本発明に係る締結装置において、上記原点接近閾値は、上記スパイラル状軌道の隣接する円周間の距離の半分であるのが好ましい。
【００４０】
上記構成によれば、一回目のスパイラル探索の原点と、二回目のスパイラル探索の原点とを異なる位置にすることで、二回目のスパイラル探索では以前と同じ軌道を通ることなく、再度同じ位置で誤判定を引き起こす可能性を減らすことができる。
【００４１】
上記の課題を解決するために、本発明に係る締結方法は、締結部品を締結穴に挿入し締結するための締結方法であって、上記締結部品の移動軌跡がスパイラル状軌道となるように、目的座標のうち挿入方向と垂直な平面上の座標を算出し、上記締結部品を上記目的座標まで移動させるスパイラル探索工程と、上記締結部品が挿入方向と垂直な平面内において受ける反力値を計測し、上記反力値が小さくなるように上記目的座標のうち挿入方向と垂直な平面上の座標を算出し、上記締結部品を上記目的座標まで移動させる力制御探索工程とを含み、上記反力値と予め設定された締結穴接触閾値とを比較し、上記反力値が上記締結穴接触閾値より小さければ、上記スパイラル探索工程を実行し、上記反力値が上記締結穴接触閾値より大きければ、上記力制御探索工程を実行することを特徴とする。
【００４２】
上記構成によれば、締結部品と締結穴との間に大きな位置ズレが生じた際でも、スパイラル探索工程によって、締結穴の位置を広範囲において効率よく探索することができ、位置ズレを修正することが可能である。また、力制御探索工程によって、挿入方向と垂直な面方向に働く反力値が小さくなるよう位置補正をすることによって、斜め噛み込みなどの不完全な締結を防止できる。
【発明の効果】
【００４３】
本発明に係る締結装置は、締結部品を締結穴に挿入し締結するための自動締結装置であって、上記締結部品を目的座標に移動させる駆動手段と、上記目的座標を算出し上記駆動手段に送信する制御手段と、上記締結部品が受けている、挿入方向と垂直な面方向に働く反力値を計測し上記制御手段に送信する計測手段とを備え、上記制御手段は、スパイラル演算手段及び力制御演算手段を備え、上記スパイラル演算手段は、上記締結部品の移動軌跡がスパイラル状軌道となるように、上記目的座標のうち挿入方向と垂直な平面上の座標を算出するものであり、上記力制御演算手段は、上記反力値が小さくなるように、上記目的座標のうち挿入方向と垂直な平面上の座標を算出するものであることを特徴とし、締結穴の位置を広範囲において効率よく探索して位置ズレを修正でき、斜め噛み込みなどの不完全締結を防止できる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の一実施形態に係る自動ネジ締め装置の構成を示した模式図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る自動ネジ締め装置の機能構成を示したブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る自動ネジ締め装置の作動の流れを示したフローチャートである。
【図４】本発明の一実施形態に係るスパイラル演算におけるスパイラルの形状の例を示した図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る一回目のスパイラル状軌道と二回目のスパイラル状軌道の様子を示した模式図である。
【図６】接地時ネジ先端が締結穴内部にある場合の、ネジの移動軌跡を示した図である。
【図７】接地時ネジ先端が締結穴外部にある場合の、ネジの移動軌跡を示した図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る樹脂ピン自動挿入装置を示した模式図である。
【図９】従来技術による位置補正が不可能な状況について示した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
〔実施形態１〕
本発明の一実施形態について、図１〜図７に基づいて説明すると以下のとおりである。
【００４６】
（１．自動ネジ締め装置の構成）
まず、図１を用いて本発明の一実施形態に係る自動ネジ締め装置（締結装置）の構成について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る自動ネジ締め装置１００の構成を示した模式図である。図１（ａ）は、自動ネジ締め装置１００全体を示したものであり、図１（ｂ）は、点線で囲まれている範囲１１０の拡大図である。
【００４７】
本発明に係る自動ネジ締め装置１００は、ＸＹＺ軸方向駆動ロボット１４（駆動手段）、ネジ締めドライバ１５（締付手段）、力センサー１６（計測手段）、ロボット制御用コンピュータ１７（制御手段）、ワーク載置部１８、ビット１９を備えている。
【００４８】
自動ネジ締めを行う際、自動ネジ締め装置１００におけるビット１９は、ビット先端にネジ２０（締結部品）を保持し、ワーク載置部１８には、上下２枚のワーク２１、２２が載置される。自動ネジ締め装置１００は、ネジ２０を、ワーク２１及び２２を貫通している締結穴２３に挿入し締め付ける（締結する）ための装置である。
【００４９】
この明細書中において、Ｘ軸方向及びＹ軸方向とは、ネジの挿入方向と垂直な平面上の互いに直交する２本の直線のそれぞれに平行な方向であり、Ｚ軸方向とは、ネジの挿入方向と平行な方向である。Ｘ−Ｙ平面方向とは、ネジの挿入方向と垂直な面方向である。
【００５０】
ＸＹＺ軸方向駆動ロボット１４は、Ｘ軸方向駆動アーム１１（Ｘ軸方向駆動手段）、Ｙ軸方向駆動アーム１２（Ｙ軸方向駆動手段）、Ｚ軸方向駆動アーム１３（Ｚ軸方向駆動手段）を備えている。Ｘ軸方向駆動アーム１１、Ｙ軸方向駆動アーム１２、Ｚ軸方向駆動アーム１３は、それぞれ独立に制御することができ、ネジ２０をＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向においてそれぞれ移動させることができる。ＸＹＺ軸方向駆動ロボット１４は、ロボット制御用コンピュータ１７から目的座標（Ｘｎ，Ｙｎ，Ｚｎ）を受け取ると、Ｘ軸方向駆動アーム１１、Ｙ軸方向駆動アーム１２、Ｚ軸方向駆動アーム１３を制御してビット１９を制御して、ビット１９に保持されているネジ２０を目的座標（Ｘｎ，Ｙｎ，Ｚｎ）まで移動させる。
【００５１】
力センサー１６は、ＸＹＺ軸方向駆動ロボット１４の先端部に備えられている。力センサー１６は、ネジ２０がＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向において受けている反力の大きさ、すなわちＸ軸方向反力値Ｆｘ、Ｙ軸方向反力値Ｆｙ、Ｚ軸方向反力値Ｆｚをそれぞれ独立に測定することができる。
【００５２】
ネジ締めドライバ１５は、力センサー１６を介してＸＹＺ軸方向駆動ロボット１４先端部に連結している。ビット１９は、ネジ締めドライバ１５の先端部に装着されている。ビット１９は、真空吸着機能を有し、ネジ２０を保持することができる。ネジ締めドライバ１５は、ロボット制御用コンピュータ１７から回転開始信号を受け取るとビット１９を回転させ、トルクアップに伴いロボット制御用コンピュータ１７から回転停止信号を受け取るとビット１９の回転を停止させる。
【００５３】
（２．自動ネジ締め装置の機能構成）
次に、図２を参照して機能的な観点から自動ネジ締め装置１００の構成を説明する。図２は、本発明の一実施形態に係る自動ネジ締め装置１００の要部構成を示した機能ブロック図である。
【００５４】
自動ネジ締め装置１００は、力センサー１６、ロボット制御用コンピュータ１７、ＸＹＺ軸方向駆動ロボット１４、ネジ締めドライバ１５を備えている。
【００５５】
力センサー１６は、ネジ（締結部品）が受けている反力値を測定するための手段である。力センサー１６は、Ｘ軸方向反力値計測部２１１、Ｙ軸方向反力値計測部２１２、Ｚ軸方向反力値計測部２１３、平面反力値算出部２１４を備えている。Ｘ軸方向反力値計測部２１１、Ｙ軸方向反力値計測部２１２、Ｚ軸方向反力値計測部２１３は、ネジがＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向において受けているＸ軸方向反力値計Ｆｘ、Ｙ軸方向反力値Ｆｙ、Ｚ軸方向反力値Ｆｚをそれぞれ計測する。平面反力値算出部２１４は、下記式（１）に従って平面内反力値Ｆｘ−ｙを算出する。
平面内反力値Ｆｘ−ｙ＝（Ｘ軸方向反力値Ｆｘ２＋Ｙ軸方向反力値Ｆｙ２）０．５・・・（１）
力センサー１６は、平面内反力値Ｆｘ−ｙとＺ軸方向反力値Ｆｚとをロボット制御用コンピュータ１７に送信する。
【００５６】
ロボット制御用コンピュータ１７は、目的座標（Ｘｎ，Ｙｎ，Ｚｎ）を算出し、ＸＹＺ軸方向駆動ロボット１４に送信するための手段である。ロボット制御用コンピュータ１７は、演算制御部２２１（演算制御手段）、スパイラル演算部（スパイラル演算手段）２２２、力制御演算部２２３（力制御演算手段）、原点復帰演算部２２４（原点復帰演算手段）、Ｚ軸方向座標演算部２２５（Ｚ軸方向座標演算手段）、記憶部２２６を備えている。各部分の詳細については後述する。
【００５７】
ＸＹＺ軸方向駆動ロボット１４は、ネジを目的座標まで移動させるための手段である。ＸＹＺ軸方向駆動ロボット１４は、Ｘ軸方向駆動アーム１１（Ｘ軸方向駆動手段）、Ｙ軸方向駆動アーム１２（Ｙ軸方向駆動手段）、Ｚ軸方向駆動アーム１３（Ｚ軸方向駆動手段）を備えている。Ｘ軸方向駆動アーム１１、Ｙ軸方向駆動アーム１２、Ｚ軸方向駆動アーム１３は、それぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向においてネジを移動させることができる。ロボット制御用コンピュータ１７が目的座標（Ｘｎ，Ｙｎ，Ｚｎ）をＸＹＺ軸方向駆動ロボット１４に送信すると、Ｘ軸方向駆動アーム１１、Ｙ軸方向駆動アーム１２、Ｚ軸方向駆動アーム１３はネジを目的座標（Ｘｎ，Ｙｎ，Ｚｎ）まで移動させる。
【００５８】
ネジ締めドライバ１５は、ネジを締め付けるための手段である。ネジ締めドライバ１５は、ロボット制御用コンピュータ１７から締付開始信号を受け取るとネジを回転させ、締付停止信号を受け取ると回転を停止させる。また、ネジ締めドライバ１５は、回転に伴いトルクアップを検知すると、ロボット制御用コンピュータ１７に対してネジ締め完了信号を送信する。
【００５９】
（３．自動ネジ締め装置の作動フロー）
ここで、自動ネジ締め装置１００の作動について、図３を参照して説明する。図３は、自動ネジ締め装置１００の作動の流れを示したフローチャートである。
【００６０】
（３−１．初期化工程）
まず、ネジを取得して、予め定められた締結穴位置に移動させる初期化工程（ステップＳ０〜ステップＳ２）について説明する。
【００６１】
ワーク載置部１８に締結穴２３のある上下２枚のワーク２１、２２を設置して、自動ネジ締め動作を開始する（ステップＳ０）。
【００６２】
ロボット制御用コンピュータ１７の演算制御部２２１は、記憶部２２６から予め定められたネジ供給位置座標（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）を取得して、ＸＹＺ軸方向駆動ロボット１４に送信する。ＸＹＺ軸方向駆動ロボット１４はビットを（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）に移動させる。ビットは、真空吸引でネジを取得し、保持する（ステップＳ１）。
【００６３】
ロボット制御用コンピュータ１７の演算制御部２２１は、記憶部２２６から予め定められたネジ締結穴座標（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）を取得して、ＸＹＺ軸方向駆動ロボット１４に送信する。ＸＹＺ軸方向駆動ロボット１４はネジを（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）に移動させる（ステップＳ２）。
【００６４】
（３−２．接地確認工程）
次に、Ｚ軸方向において、ネジが接地していることを確認する接地確認工程について説明する（ステップＳ３〜ステップＳ４）。
【００６５】
力センサー１６は、Ｚ軸方向反力値計測部２１３によってネジがＺ軸方向において受けている反力値の大きさを測定し、Ｚ軸方向反力値Ｆｚをロボット制御用コンピュータ１７に送信する。ロボット制御用コンピュータ１７の演算制御部２２１は、記憶部２２６から、予め設定してある接地判定閾値Ｆｃｏｎｔａｃｔを取得し、Ｚ軸方向反力値Ｆｚと接地判定閾値Ｆｃｏｎｔａｃｔとを比較する。ネジがワークに接地している場合、ネジはワークからの反力（挿入方向と平行な軸方向における反力）を受ける。これによって、Ｚ軸方向反力値Ｆｚ＞接地判定閾値Ｆｃｏｎｔａｃｔであれば、ネジはワークに接地していると判定することができる（ステップＳ３）。
【００６６】
演算制御部２２１は、比較の結果、Ｚ軸方向反力値Ｆｚ＞接地判定閾値Ｆｃｏｎｔａｃｔであれば、接地していると判定して、ステップＳ５に進む。一方、演算制御部２２１は、Ｚ軸方向反力値Ｆｚ１＜接地判定閾値Ｆｃｏｎｔａｃｔであれば、接地していないと判定して、Ｚ軸方向座標演算部２２５に次の目的座標を算出するように指示する。
【００６７】
Ｚ軸方向座標演算部２２５は、ネジをワークに近づけるようＸ，Ｙ軸方向の座標をそのままに、ネジの高度を降下させる次の目的座標（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２‘）を算出し、ＸＹＺ軸方向駆動ロボット１４に送信する。ＸＹＺ軸方向駆動ロボット１４は、ネジを目的座標（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２‘）に移動させる（ステップＳ４）。次に、再度接地判定（ステップＳ３）を行う。
【００６８】
なお、接地が確認できたステップＳ４以後において、演算制御部２２１は、記憶部２２６から予め設定されたＺ軸方向反力基準値Ｚｓｔａｎｄａｒｄを取得し、Ｚ軸方向反力値ＦｚとＺ軸方向反力基準値Ｚｓｔａｎｄａｒｄとを比較する。Ｚ軸方向座標演算部２２５は、Ｚ軸方向反力値Ｆｚが常にＺ軸方向反力基準値Ｚｓｔａｎｄａｒｄと同じになるように、目的座標のうちＺ軸方向の座標を算出する。Ｚ軸方向座標演算部２２５は、算出されたＺ軸方向の座標をＸＹＺ軸方向駆動ロボット１４に送信する。すなわち、Ｚ軸方向反力値Ｆｚ＞Ｚ軸方向反力基準値Ｚｓｔａｎｄａｒｄであれば、ネジをワークから遠ざける方向に、Ｚ軸方向反力値Ｆｚ＜Ｚ軸方向反力基準値Ｚｓｔａｎｄａｒｄであれば、ネジをワークに近づける方向に、目的座標のうちＺ軸方向の座標を算出する。これ以後の説明では、Ｚ軸方向座標演算部２２５によるＺ軸方向の座標の算出、及びＸＹＺ軸方向駆動ロボット１４によるネジのＺ軸方向における移動については説明を省略する。
【００６９】
（３−３．スパイラル探索工程）
次に、締結穴の位置を探索して、ネジ先端を探索穴に入るようにするためのスパイラル探索工程（ステップＳ５〜ステップＳ７）について説明する。
【００７０】
演算制御部２２１は、Ｘ−Ｙ平面内におけるネジの現地点の座標（Ｘ２，Ｙ２）を第一スパイラル原点として、記憶部２２６に記憶させる（ステップＳ５）。
【００７１】
次に、第一スパイラル原点において、ネジの先端が締結穴内部に入っているかどうかを判定する（ステップＳ６）。力センサー１６は、ネジが受けている平面内反力値Ｆｘ−ｙをロボット制御用コンピュータ１７に送信する。演算制御部２２１は、記憶部２２６から、予め設定してある締結穴接触閾値Ｆｉｎ−ｈｏｌｅを取得し、平面内反力値Ｆｘ−ｙと締結穴接触閾値Ｆｉｎ−ｈｏｌｅとを比較する。
【００７２】
ネジ先端が締結穴内部に入っている場合、ネジは締結穴の壁に衝突して、挿入方向と垂直な面方向において反力を受けるため、平面内反力値Ｆｘ−ｙが締結穴接触閾値Ｆｉｎ−ｈｏｌｅより大きければ、ネジ先端は締結穴内部に入っていると判定することができる。（ステップＳ６）
演算制御部２２１は、比較の結果、平面内反力値Ｆｘ−ｙ＞締結穴接触閾値Ｆｉｎ−ｈｏｌｅであれば、ネジ先端は締結穴内部にあると判定して、ステップＳ８に進む。一方、平面内反力値Ｆｘ−ｙ＜締結穴接触閾値Ｆｉｎ−ｈｏｌｅであれば、ネジ先端は締結穴の外部にあると判定して、ステップＳ７に進む。
【００７３】
ステップＳ７において、スパイラル演算部２２２は、ネジがＸ−Ｙ平面方向において等速に移動し、かつその移動軌跡が第一スパイラル原点（Ｘ２，Ｙ２）を中心とする、外に広がるアルキメデスの螺旋（スパイラル）状軌道となるように、Ｘ−Ｙ平面上の目的座標（ＸＳｐｉｒａｌ，ＹＳｐｉｒａｌ）を算出するものである。スパイラル演算部２２２は、算出した目的座標（ＸＳｐｉｒａｌ，ＹＳｐｉｒａｌ）を、ＸＹＺ軸方向駆動ロボット１４に送信する。ＸＹＺ軸方向駆動ロボット１４は、ネジを目的座標（ＸＳｐｉｒａｌ，ＹＳｐｉｒａｌ）に移動させる。
【００７４】
次に、再度ステップＳ５を実施して、ネジ先端が締結穴内部に入っているかについて判定を行う。
【００７５】
なお、スパイラル状軌道について、図４を参照して説明すると以下の通りである。図４は、スパイラル演算におけるスパイラルの形状の例を示した図である。本実施形態においては、図４（ａ）に示すように、原点４０を中心とした、アルキメデスの螺旋となるようにしているが、この他にも、例えば図４（ｂ）、図４（ｃ）に示す、原点４１、４２を中心としたスパイラルとすることもでき、軌道はスパイラル形状であればよく、特に限定されない。また、図４（ａ）に示すように、隣接する円周間の距離Ｌ１は、ネジ（締結部品）直径と締結穴直径との差より小さいのが好ましい。これによって、効率よくかつ漏れなく探索を行うことが可能となり、ネジは必ず締結穴上方を通過することになる。
【００７６】
（３−４．力制御探索工程）
ネジ先端が締結穴内部にある場合でも、ネジの中心位置と締結穴の中心位置とに位置のズレがあれば、斜め噛み込みなどの不完全な締付が発生しやすくなる。次に、ネジと締結穴の軸線を平行、かつ重ねるようにするための力制御探索工程について説明する。
【００７７】
ステップＳ８において、演算制御部２２１は、カウンタ変数ｃｎｔを０として、記憶部２２６に記憶させる。
【００７８】
ステップＳ９において、力制御演算部２２３は、平面内反力値Ｆｘ−ｙが、ゼロに近づくよう、Ｘ−Ｙ平面方向における目的座標（Ｘｆｃｏｎｔｒｏｌ，Ｙｆｃｏｎｔｒｏｌ）を算出する。具体的には、例えば、現地点（Ｘｆｃｏｎｔｒｏｌ  ０，Ｙｆｃｏｎｔｒｏｌ  ０）におけるＸ軸方向反力値Ｆｘ及びＹ軸方向反力値Ｆｙの大きさに比例して、下記の式（２）によりＸ軸方向における変位量△x、およびＹ軸方向における変位量Δyを算出する。
【００７９】
△x＝α×Ｆｘ  △ｙ＝β×Ｆｙ    ・・・・（２）
なお、式中において、α、βは定数である。
【００８０】
次に、目的座標（Ｘｆｃｏｎｔｒｏｌ，Ｙｆｃｏｎｔｒｏｌ）を、下記の式（３）により算出する。
【００８１】
Ｘｆｃｏｎｔｒｏｌ＝Ｘｆｃｏｎｔｒｏｌ  ０＋△ｘ
Ｙｆｃｏｎｔｒｏｌ＝Ｙｆｃｏｎｔｒｏｌ  ０＋△ｙ・・・・（３）
力制御演算部２２３は、算出された目的座標（Ｘｆｃｏｎｔｒｏｌ，Ｙｆｃｏｎｔｒｏｌ）をＸＹＺ軸方向駆動ロボット１４に送信する。ＸＹＺ軸方向駆動ロボット１４は、ネジを目的座標（Ｘｆｃｏｎｔｒｏｌ，Ｙｆｃｏｎｔｒｏｌ）に移動させる。
【００８２】
つづいて、演算制御部２２１は記憶部２２６からカウンタ変数ｃｎｔを取得し、ｃｎｔ＝ｃｎｔ＋１として更新し、更新されたカウンタ変数値を再度記憶部２２６に記憶させる（ステップＳ１０）。
【００８３】
次に、現時点でネジ先端が締結穴内部にあるかどうかを再度判定する、すなわち誤判定排除を行う（ステップＳ１１）。演算制御部２２１は、記憶部２２６から、予め設定してある誤判定排除閾値Ｆｏｕｔ−ｈｏｌｅを取得し、平面内反力値Ｆｘ−ｙと誤判定排除閾値Ｆｏｕｔ−ｈｏｌｅとを比較する。
【００８４】
ネジ先端は締結穴内に入っている場合、ネジは締結穴の壁に衝突して、平面内反力（挿入方向と垂直な平面上方向に働く反力）を少なからず受けるため、平面内反力値Ｆｘ−ｙが完全に０になることはない。平面内反力値Ｆｘ−ｙが誤判定排除閾値Ｆｏｕｔ−ｈｏｌｅより小さければ、ネジ先端は締結穴内部に入っていないと判定することができる（ステップＳ１１）。
【００８５】
例えば、ネジ先端が一度は締結穴内部に入ったが、また締結穴からはずれて締結穴周辺の平坦部と接触している場合、またはネジ先端は締結穴に入っていないが、締結穴周辺のバリと接触していたためステップＳ６で締結穴内部にあると誤判定された場合は、この時点において平面内反力値Ｆｘ−ｙはほぼ０であり、誤判定排除閾値Ｆｏｕｔ−ｈｏｌｅより小さいため、これらを検出することができる。
【００８６】
演算制御部２２１は、比較の結果、平面内反力値Ｆｘ−ｙ＞誤判定排除閾値Ｆｏｕｔ−ｈｏｌｅであれば、ネジ先端は締結穴内部にあると判定して、ステップＳ１２に進む。一方、平面内反力値Ｆｘ−ｙ＜誤判定排除閾値Ｆｏｕｔ−ｈｏｌｅであれば、ネジ先端は締結穴内部にないと判定して、ステップＳ１３に進む。
【００８７】
次に、演算制御部２２１は記憶部２２６からカウンタ変数閾値Ｃｔｈｒを取得し、カウンタ変数ｃｎｔとカウンタ変数閾値Ｃｔｈｒとを比較する。比較の結果カウンタ変数ｃｎｔ＞カウンタ変数閾値Ｃｔｈｒであれば、充分に長い時間にわたりネジ先端は締結穴内部にあり、かつ充分に力制御による位置調整が行われたと判定して、ステップＳ１６に進む。一方、カウンタ変数ｃｎｔ＜カウンタ変数閾値Ｃｔｈｒであれば、まだ充分に長い時間にわたりネジ先端は締結穴内部に入っていない、充分に力制御による位置調整が行われていないと判定して、ステップＳ９に進む（ステップＳ１２）。
【００８８】
（３−５．原点復帰工程）
ステップＳ１１において、比較の結果、平面内反力値Ｆｘ−ｙ＜誤判定排除閾値Ｆｏｕｔ−ｈｏｌｅであれば、ネジ先端は締結穴内部にないと判定して、ステップＳ１３に進む。平面内反力値Ｆｘ−ｙ＜誤判定排除閾値Ｆｏｕｔ−ｈｏｌｅである理由は、ネジ先端は一度締結穴内部に入ったもののまたすぐに外れてしまった、または締結穴周辺のバリ部分に衝突してしまった、などの理由が考えられる。この場合は、第一スパイラル原点に移動して、再度スパイラル探索工程、力制御探索工程を行う必要がある。
【００８９】
ステップＳ１３において、演算制御部２２１は、原点復帰演算部２２４に目的座標を算出するよう指示する。原点復帰演算部２２４は、ネジが現在地点から、ステップＳ５で記録された第一スパイラル原点（Ｘ２，Ｙ２）に向かって、等速かつ直線的に接近するように、目的座標のうちＸ−Ｙ平面方向における座標（Ｘｒｅｔｕｒｎ，Ｙｒｅｔｕｒｎ）を算出する。原点復帰演算部２２４は、算出された座標（Ｘｒｅｔｕｒｎ，Ｙｒｅｔｕｒｎ）を、ＸＹＺ軸方向駆動ロボット１４に送信する。ＸＹＺ軸方向駆動ロボット１４は、ネジを（Ｘｒｅｔｕｒｎ，Ｙｒｅｔｕｒｎ）まで移動させる。
【００９０】
次に、ネジの先端が締結穴中に入っているかどうかを判定する（ステップＳ１４）。演算制御部２２１は、記憶部２２６から、予め設定してある締結穴接触閾値Ｆｉｎ−ｈｏｌｅを取得し、平面内反力値Ｆｘ−ｙと締結穴接触閾値Ｆｉｎ−ｈｏｌｅとを比較する。
【００９１】
ネジ先端が締結穴内部に入っている場合、ネジは締結穴の壁に衝突して、挿入方向と垂直な面方向において反力を受けるため、平面内反力値Ｆｘ−ｙが締結穴接触閾値Ｆｉｎ−ｈｏｌｅより大きければ、ネジ先端は締結穴内に入っていると判定することができる。（ステップＳ１４）
演算制御部２２１は、比較の結果、平面内反力値Ｆｘ−ｙ＞締結穴接触閾値Ｆｉｎ−ｈｏｌｅであれば、ネジ先端は締結穴内部にあると判定して、ステップＳ８に進む。一方、平面内反力値Ｆｘ−ｙ＜締結穴接触閾値Ｆｉｎ−ｈｏｌｅであれば、ネジ先端は締結穴内部にないと判定して、ステップＳ１５に進む。
【００９２】
次に、現在の位置が第一スパイラル原点と接近しているかについて判定する（ステップＳ１５）。演算制御部２２１は、現位置と第一スパイラル原点（Ｘ２，Ｙ２）との間の距離Ｄを算出する。演算制御部２２１は、記憶部２２６から、予め設定した原点接近閾値Ｄｔｈｒを取得し、原点までの距離Ｄと原点接近閾値Ｄｔｈｒとを比較する。演算制御部２２１は、比較の結果、距離Ｄ＞原点接近閾値Ｄｔｈｒであれば、原点までまだ距離があると判定して、ステップＳ１３に進む。一方、距離Ｄ＜原点接近閾値Ｄｔｈｒであれば、原点に接近していると判定して、ステップＳ５に進む。
【００９３】
（締め付け工程）
ステップＳ１５で比較の結果カウンタ変数ｃｎｔ＞カウンタ変数閾値Ｃｔｈｒであれば、充分に長い時間にわたりネジ先端は締結穴内部に入っている、かつ充分に力制御による位置調整が行われたと判定して、締め付け工程に入る。締め付け工程は、力制御をしながらネジを回転させ、締め付けを行う工程である。
【００９４】
演算制御部２２１は、ネジ締めドライバ１５に対して、回転開始指令を送信する（ステップＳ１６）。ネジ締めドライバ１５は、ネジの回転を開始させる。
【００９５】
力制御演算部２２３は、平面内反力値Ｆｘ−ｙが、なるべくゼロに近づくよう、目的座標（Ｘｆｃｏｎｔｒｏｌ，Ｙｆｃｏｎｔｒｏｌ）を算出し、ＸＹＺ軸方向駆動ロボット１４に送信する。ＸＹＺ軸方向駆動ロボット１４は、ネジを目的座標（Ｘｆｃｏｎｔｒｏｌ，Ｙｆｃｏｎｔｒｏｌ）に移動させる（ステップＳ１７）。
【００９６】
演算制御部２２１は、ネジ締め完了信号があるか否かについて検出する。ネジ締め完了信号とは、回転に伴いトルクアップを検知すると、締め付け手段２４０が演算制御部２２１に対して送信するものである。演算制御部２２１がネジ締め完了信号を検出できなければ、ステップＳ１７に進む。演算制御部２２１がネジ締め完了信号を検出できれば、演算制御部２２１は、締め付け手段２４０に回転停止指令を送信し、ステップＳ１９に進む。
【００９７】
ステップＳ１９において、演算制御部２２１は、ネジ締めドライバ１５の高度を上昇させ、ネジ締めドライバが移動してもワークに衝突しないよう高度まで、ネジ締めドライバを退避させる。
【００９８】
これで、自動ネジ締め装置１００によるネジ締め動作は終了する（ステップＳ２０）。
【００９９】
（使用される各種閾値）
なお、本実施形態で使用する各種閾値は、予め設定した数値であり、例えば、以下のような予備実験を行うことにより決定されたものを使用することができる。
【０１００】
ネジ２０の先端が、締結穴２３の内部に入っていない状態で、ネジ２０とワーク２１とを、Ｚ軸方向において接触させる。Ｚ軸方向において接触したまま、スパイラル演算部２２２は、目的座標のうちＸ−Ｙ平面上の座標を算出し、ＸＹＺ軸方向駆動ロボット１４に送信する。ＸＹＺ軸方向駆動ロボット１４は、スパイラル演算部２２２が算出した座標にネジ２０を移動させる。演算制御部２２１は、ＸＹＺ軸方向駆動ロボット１４がスパイラル演算部２２２により算出された座標上にネジ２０を移動させた後の、平面内反力値Ｆｘ−ｙの記録する。記録された平面内反力値Ｆｘ−ｙの最大値より大きな値を、締結穴接触閾値Ｆｉｎ−ｈｏｌｅと設定することができる。これによって、正確に締結穴に接触しているか否かの判定が可能となる。
【０１０１】
また、ネジ２０の先端が、締結穴２３の内部に入っている状態で、ネジ２０とワーク２１とを、Ｚ軸方向において接触させる。Ｚ軸方向において接触したまま、スパイラル演算部２２２は、目的座標のうちＸ−Ｙ平面上の座標を算出し、ＸＹＺ軸方向駆動ロボット１４に送信する。ＸＹＺ軸方向駆動ロボット１４は、スパイラル演算部２２２が算出した座標にネジ２０を移動させる。演算制御部２２１は、ＸＹＺ軸方向駆動ロボット１４がスパイラル演算部２２２により算出された座標上にネジ２０を移動させた後に、上記平面内反力値Ｆｘ−ｙと予め設定された締結穴接触閾値Ｆｉｎ−ｈｏｌｅとを比較する。上記平面内反力値Ｆｘ−ｙが上記締結穴接触閾値Ｆｉｎ−ｈｏｌｅより大きければ、力制御演算部２２３は、目的座標のうちＸ−Ｙ平面上の座標を算出し、ＸＹＺ軸方向駆動ロボット１４に送信する。ＸＹＺ軸方向駆動ロボット１４は、力制御演算部２２３が算出した座標にネジ２０を移動させる。演算制御部２２１は、ＸＹＺ軸方向駆動ロボット１４が力制御演算部２２３により算出された座標上にネジ２０を移動させた後の、平面内反力値Ｆｘ−ｙの記録する。記録された平面内反力値Ｆｘ−ｙの平均値より小さな値を、誤判定排除閾値Ｆout-ｈｏｌｅと設定することができる。これによって、誤判定か否かの判定が可能となる。
【０１０２】
原点接近閾値Ｄｔｈｒは、スパイラル状軌道の隣接する円周間の距離の半分とすることができる。次に、図５を参照してこのように原点接近閾値を設定する理由について説明する。図５は、一回目のスパイラル探索軌道と二回目のスパイラル探索軌道の様子を示した模式図である。
【０１０３】
図５に示すように、一回目のスパイラル探索では、ネジは地点５０を中心として、外向きに広がるアルキメデスのスパイラル状軌道５１に沿って移動する。地点５３付近において、ネジ先端が締結穴内部に入ったと判定され、力制御探索に切り替わる。力制御による位置探索の結果、地点５４付近で誤判定と判定され、原点復帰探索によって地点５４から地点５５まで移動する。地点５５と地点５０との間の距離はスパイラル状軌道の隣接する円周間の距離の半分（原点接近閾値Ｄｔｈｒ）より小さいため、二回目のスパイラル探索を開始する。二回目のスパイラル探索では、ネジは地点５５を中心として、外向きに広がるアルキメデスのスパイラル状軌道５６に沿って移動する。これによって、一回目のスパイラル状軌道の原点となる地点５０と、二回目のスパイラル原点となる地点５５は重ならないため、一回目のスパイラル状軌道５１と二回目のスパイラル状軌道５６は重ならず、二回目のスパイラル探索時に一回目に遭遇した誤判定を起こした地点５３を通らない軌跡となる。このため、二回目のスパイラル探索で誤判定が起こる可能性は低くなる。
【０１０４】
次に、図６と図７を用いて、本実施形態に係る自動ネジ締め装置１００を使用してネジ締めを行う際、ネジがワークに接地した時、ネジ先端が締結穴内部にある場合と、締結穴外部にある場合とを想定して、それぞれについて説明する。
【０１０５】
図６は、接地時ネジ先端が締結穴内部にある場合の、ネジの移動軌跡を示した図である。図６（ａ）に示すように、ネジ２０先端がワークに接地する際、ネジ２０先端は締結穴２３内部にある。図６（ｂ）は締結穴２３を上面から見たようすを示した模式図である。
図６（ｂ）に示すように、ネジ先端は地点６０に位置している。スパイラル探索によって、地点６０を中心とするスパイラル状軌道６１に沿って、ネジ２０は移動する。地点６２において、ネジ２０は締結穴２３と衝突する。力制御探索によって、ネジは地点６３まで移動する。地点６３において、締付装置はネジを回転させ、締め付けを行う。
【０１０６】
図７は、接地時ネジ先端が締結穴内部にある場合の、ネジの移動軌跡を示した図である。図７（ａ）に示すように、ネジ２０先端がワークに接地する際、ネジ２０先端は締結穴２３外部にある。図７（ｂ）は締結穴２３を上面から見た様子を示した模式図である。
図７（ｂ）に示すように、ネジ先端は地点７０に位置している。スパイラル探索によって、地点７０を中心とするスパイラル状軌道７１に沿って、ネジ２０は移動する。地点７２において、ネジ２０は締結穴２３と衝突する。力制御探索によって、ネジは地点７３まで移動する。地点７３において、締付装置はネジを回転させ、締め付けを行う。
【０１０７】
（４．自動ネジ締め方法）
また、本発明に係る自動ネジ締め方法は、ネジ（締結部品）を締結穴に挿入し締結するための方法である。上記自動ネジ締め方法は、ネジの移動軌跡がスパイラル状軌道となるように、挿入方向と垂直な平面上の座標を算出し、ネジを目的座標まで移動させるスパイラル探索工程と、ネジが挿入方向と垂直な平面内において受ける反力値を計測し、この反力値が小さくなるように挿入方向と垂直な平面上の座標を算出し、ネジを目的座標まで移動させる力制御探索工程とを含み、反力値と予め設定した締結穴接触閾値とを比較し、反力値が締結穴接触閾値より小さければ、スパイラル探索工程を実行し、反力値が締結穴接触閾値より大きければ、力制御探索工程を実行する。
【０１０８】
〔実施形態２〕
次に、図８を用いて、本発明に係るもう一つの実施形態について説明する。図８は、実施形態２に係る樹脂ピン自動挿入装置８００を示した模式図である。なお、実施形態１に係る自動ネジ締め装置と同一な部分は説明を省略し、異なる部分のみについて説明する。
【０１０９】
樹脂ピン自動挿入装置８００は、ネジの替わりに樹脂ピン８１（締結部品）を使用し、ネジ締めドライバの替わりに樹脂ピン把持部８０を備えている。樹脂ピン８１を、ワーク８２とワーク８３を貫通している挿入穴８４（締結穴）に挿入することで、樹脂ピン８１の爪８５が挿入穴８４周辺に引っかかり、ワーク８２とワーク８３は固定（締結）される。樹脂ピン自動挿入装置８００は、締付手段を備えない以外は、計測手段、制御手段、駆動手段については自動ネジ締め装置１００と同じである。
【０１１０】
樹脂ピン自動挿入装置８００を使用することによって、接地時に樹脂ピン８１が挿入穴８４から位置ズレして、挿入穴内部に入っていない場合でも、スパイラル探索と力制御探索を行うことにより位置修正できる。これによって、効率よくかつ確実に樹脂ピンを挿入することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１１】
本発明は、家電製品及び自動車の製造をはじめ、各種の自動組立工程に好適に利用することができる。
【符号の説明】
【０１１２】
１１  Ｘ軸方向駆動アーム（Ｘ軸方向駆動手段）
１２  Ｙ軸方向駆動アーム（Ｙ軸方向駆動手段）
１３  Ｚ軸方向駆動アーム（Ｚ軸方向駆動手段）
１４  ＸＹＺ軸方向駆動ロボット（駆動手段）
１５  ネジ締めドライバ（締付装置）
１６  力センサー（計測手段）
１７  ロボット制御用コンピュータ（制御手段）
１８  ワーク載置部
１９  ビット
２０  ネジ（締結部品）
２１  ワーク
２２  ワーク
２３  締結穴
８０  樹脂ピン把持部
８１  樹脂ピン（締結部品）
８２  ワーク
８３  ワーク
８４  挿入穴（締結穴）
８５  爪
１００  自動ネジ締め装置（自動締結装置）
２１１  Ｘ軸方向反力値計測部
２１２  Ｙ軸方向反力値計測部
２１３  Ｚ軸方向反力値計測部
２１４  平面反力値算出部
２２１  演算制御部（演算制御手段）
２２２  スパイラル演算部（スパイラル演算手段）
２２３  力制御演算部（力制御演算手段）
２２４  原点復帰演算部（原点復帰演算手段）
２２５  Ｚ軸方向座標演算部（Ｚ軸方向座標演算手段）
２２６  記憶部
８００  樹脂ピン自動挿入装置（自動締結装置）
【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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【図９】
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