(57)【要約】【課題】作業者への違和感を低減できる加工装置を提供することを目的とする。【解決手段】ボルト締結装置１は、アシストアーム２と、作業者の操作によって移動可能に設けられたボルト締結工具３と、被加工物に設けられた複数のボルト孔の位置及びボルトの締結順序を記憶する記憶部８と、記憶したボルト孔の位置及びボルトの締結順序に基づき、ボルト締結工具３の移動を制御する制御部４とを備える。また、ボルト締結装置１は、ボルト孔の記憶位置と実際位置との差を算出する算出部９と、算出部９で算出した差に基づいて残りのボルト孔の位置を補正する補正部１０とを有する。【選択図】図１
2017213657.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作業者による加工作業を補助するための加工装置であって、
作業者の操作によって移動可能に設けられた加工工具と、
被加工物に設けられた複数の加工位置及び加工順序を記憶する記憶部と、
前記記憶部で記憶した加工位置及び加工順序に基づき、前記加工工具の移動を制御する制御部と、
前記記憶部で記憶した加工位置と、実際に作業者が前記加工工具を移動させたときの加工位置との差を算出する算出部と、
前記算出部で算出した差に基づいて、前記記憶部で記憶した残りの加工位置を補正する補正部と、
を備えることを特徴とする加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、作業者による加工作業を補助するための加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、このような分野の技術として、例えば下記特許文献に記載されるものがある。特許文献１には、作業者がボルト締結工具でボルトを締結する際に、ボルトを支持して被締結物（すなわち、被加工物）のボルト孔に案内するボルト締結装置であって、予め記憶したボルト締結順序に基づき作業者による締結ボルトの孔を指示するものが開示されている。このボルト締結装置では、ボルトと被締結物のボルト孔との軸心が一致するように形成されるボルト案内部を設けることで、ボルト孔に斜めに差し込む等の締結不良を防止し、作業時間の短縮を図ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−６１５８９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、上述したボルト締結装置では、ボルト締結装置が記憶した締結順序に沿って作業者にダイレクトにボルト孔の位置に指示するため、以下の問題が生じている。すなわち、被締結物の位置ズレ等によって記憶したボルト孔の位置が実際のボルト孔の位置とずれる場合、作業者が実際のボルト孔の位置に向けてボルト締結工具を動かす力と、ボルト締結工具が記憶通りに動く力とが異なり、これによって、作業者に違和感を与えてしまう。
【０００５】
本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、作業者への違和感を低減できる加工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】
【０００６】
本発明に係る加工装置は、作業者による加工作業を補助するための加工装置であって、作業者の操作によって移動可能に設けられた加工工具と、被加工物に設けられた複数の加工位置及び加工順序を記憶する記憶部と、前記記憶部で記憶した加工位置及び加工順序に基づき、前記加工工具の移動を制御する制御部と、前記記憶部で記憶した加工位置と、実際に作業者が前記加工工具を移動させたときの加工位置との差を算出する算出部と、前記算出部で算出した差に基づいて、前記記憶部で記憶した残りの加工位置を補正する補正部と、を備えることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、記憶した加工位置と実際に作業者が加工工具を移動させたときの加工位置との差が算出部によって算出され、補正部がその差に基づき残りの加工位置を補正する。これによって、作業者が実際の加工位置に向けて加工工具を動かす力と、加工工具が記憶通りに動く力との相違が小さくなるので、作業者への違和感を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態に係るボルト締結装置の構成を示す概略図である。
【図２】ボルト締結装置におけるボルト孔の位置補正機能を説明するための平面模式図である。
【図３】ボルト締結装置の制御処理を示すフローチャートである。
【図４】ボルト締結装置におけるアシスト機能を説明するための平面模式図である。
【図５】インピーダンスモデルを示す模式図である。
【図６】ボルト締結装置における仮想壁のガイド機能を説明するための平面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明の一例であるボルト締結装置の実施形態について説明する。図１は実施形態に係るボルト締結装置の構成を示す概略図である。本実施形態のボルト締結装置１は、例えば車のエンジン（被加工物）にチェーンケース（被加工物）をボルトで固定する際に用いられる装置であって、作業者によるボルト締結作業を補助する人協調型の装置である。
【００１０】
ボルト締結装置１は、主に、作業者によるボルト締結作業を補助するアシストアーム２と、アシストアーム２の先端部に取り付けられたボルト締結工具（加工工具）３と、ボルト締結装置１全体の各制御を行う制御部４とを備える。
【００１１】
アシストアーム２は、例えば固定ベース２５を介して壁や支柱などに回転可能に取り付けられており、直列に配置される第１アーム２１と第２アーム２２、第１アーム２１を固定ベース２５に回転自在に取り付けるための肩関節部２３、第１アーム２１と第２アーム２２とを回転自在に連結する肘関節部２４を有する。図示しないが、肩関節部２３及び肘関節部２４の内部には、サーボモータがそれぞれ配置されている。
【００１２】
第２アーム２２の先端部には、作業者が把持する把持部３１を有するボルト締結工具３が固定されている。ボルト締結工具３は、作業者の操作によって移動可能に設けられている。例えば、作業者が把持部３１を介しボルト締結工具３に力を加えることで、ボルト締結工具３を上下、左右及び前後方向に自由に動かすことができる。このとき、アシストアーム２は、ボルト締結工具３と連動し、作業者の動作に追従して動くことができる。なお、ボルト締結工具３は、既に周知された構造を有するものであり、詳細説明を省略する。
【００１３】
把持部３１の附近であって把持部３１の上方には、作業者がボルト締結工具３を動かす力を測定するための力覚センサ５が設置されている。力覚センサ５は、制御部４に接続されており、測定した結果を制御部４に出力する。
【００１４】
制御部４は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを含むコンピュータを主体として構成されており、予め記憶された各プログラムに基づいてボルト締結装置１に関する各制御を行う。例えば、制御部４は、後述の記憶部８に記憶されたボルト孔の位置及びボルトの締結順序に基づいて、ボルト締結工具３の移動を制御する。
【００１５】
また、ボルト締結装置１は、肩関節部２３のサーボモータに直接的な指令を行う第１サーボアンプ６と、肘関節部２４のサーボモータに直接的な指令を行う第２サーボアンプ７を備える。第１サーボアンプ６と第２サーボアンプ７とは、それぞれ制御部４に接続され、制御部４からの指令を受けて、肩関節部２３のサーボモータ又は／及び肘関節部２４のサーボモータの回転タイミング、回転速度及び回転数などを指示する。
【００１６】
更に、本実施形態のボルト締結装置１は、記憶部８、算出部９及び補正部１０を備える。記憶部８には、エンジン及びチェーンケース（図示せず）に形成された複数のボルト孔の位置及び締結順序のほか、ボルト締結装置１全体の制御に関する各プログラム等が記憶されている。この記憶部８は、制御部４に接続されており、制御部４の指令を受けて記憶された各情報を制御部４に出力する。
【００１７】
算出部９は、ボルト締結装置１全体の制御に関する各計算を行うものである。例えば、算出部９は、記憶部８で記憶したボルト孔の位置（以下、ボルト孔の記憶位置という）と、実際に作業者がボルト締結工具３を移動させたときのボルト孔の位置（以下、ボルト孔の実際位置という）との差を算出する。この算出部９は、制御部４に接続され、制御部４の指令に基づき各計算を行い、更に算出した結果を制御部４に出力する。
【００１８】
補正部１０は、ボルト締結装置１全体の制御に関する各補正を行うものである。例えば、補正部１０は、算出部９で算出したボルト孔の記憶位置と実際位置との差に基づき、記憶部８で記憶した残りのボルト孔の位置を全て補正する。補正部１０は、制御部４に接続され、制御部４の指令に基づき各補正を行い、更に補正した結果を制御部４に出力する。そして、補正部１０から補正結果が入力された場合には、制御部４は、補正された残りのボルト孔の位置に関する情報を記憶部８に出力すると共に、その補正された残りのボルト孔の位置を新しい位置情報として記憶部８に記憶させる。
【００１９】
続いて、図２及び図３を参照してボルト締結装置１におけるボルト孔の位置補正機能を詳細に説明する。ここで、ボルト孔の位置補正機能とは、上述のようにボルト孔の記憶位置と実際位置との間に差があった（すなわち、両者の間にズレがあった）場合に、ボルト締結装置１は作業者によるボルト締結工具３の操作結果に基づいてその差を算出し、以降のボルト孔の位置を補正することを意味する。
【００２０】
ボルト孔の位置補正機能を実現するために、本実施形態のボルト締結装置１では、次の式（１）及び式（２）が用いられる。
【数１】
2017213657.tif 000003
式（１）は座標変換式であり、Ｘｉはボルト孔の記憶位置、Ｘ’ｉはボルト孔の実際位置をそれぞれ示す。Ａは式（２）に示すアフィン変換行列である。
【００２１】
【数２】
2017213657.tif 000004
式（２）において、
2017213657.tif 000005
は回転移動部分、
2017213657.tif 000006
は平行移動部分をそれぞれ示す。
【００２２】
図２はボルト締結装置におけるボルト孔の位置補正機能を説明するための平面模式図である。図２において、ボルト孔４箇所を有する例を示し、そのボルトの締結順序は破線矢印に示すようにＸ１→Ｘ２→Ｘ３→Ｘ４である。Ｘ１（ｘ１，ｙ１）〜Ｘ４（ｘ４，ｙ４）は、記憶部８で記憶した１個目〜４個目のボルト孔の記憶位置及びその座標を示す。それに対し、Ｘ’１（ｘ’１，ｙ’１）〜Ｘ’４（ｘ’４，ｙ’４）は、１個目〜４個目のボルト孔の実際位置及びその座標を示す。また、Ｘ’３（ｘ’３，ｙ’３）及びＸ’４（ｘ’４，ｙ’４）は、後述のように実際位置に合わせるように補正されたため、３個目及び４個目のボルト孔の補正された位置及びその座標でもある。なお、本実施形態では、ボルト孔４箇所を有する例を示しているが、ボルト孔の数はこれに限らず、５箇所以上であっても良い。
【００２３】
図３はボルト締結装置の制御処理を示すフローチャートである。初めに、ステップＳ１１では、１個目のボルトの締結作業が行われる。このとき、制御部４は、記憶部８で記憶した１個目のボルト孔の記憶位置Ｘ１（ｘ１，ｙ１）に基づき、第１サーボアンプ６及び第２サーボアンプ７を介して肩関節部２３及び肘関節部２４のサーボモータをそれぞれ作動させることで、アシストアーム２に固定されたボルト締結工具３をボルト孔の記憶位置Ｘ１（ｘ１，ｙ１）に移動させる。これによって、ボルト締結工具３が記憶位置Ｘ１（ｘ１，ｙ１）に引っ張られる。
【００２４】
しかし、図２に示すように、１個目の記憶位置Ｘ１と実際位置Ｘ’１との間にズレがあり、作業者がボルト締結工具３に力を加えて該ボルト締結工具３をボルトの実際位置Ｘ’１まで動かし、１個目のボルトの締結作業を行う。これによって、記憶位置Ｘ１と実際位置Ｘ’１との間に差が生じたため、制御部４は算出部９にその差の算出を指示する。
【００２５】
ステップＳ１１に続くステップＳ１２では、算出部９は、記憶位置Ｘ１と実際位置Ｘ’１との差（図２の白抜き矢印Ｓ１参照）を算出する。更に、算出部９は、その算出した結果を用いて上述の式（２）中の平行移動部分を求める（ステップＳ１３）。
【００２６】
ステップＳ１３に続くステップＳ１４では、２個目のボルトの締結作業が行われる。このとき、制御部４は、１個目のボルト締結作業と同様に、記憶部８で記憶した２個目のボルト孔の記憶位置Ｘ２に基づき、ボルト締結工具３をボルト孔の記憶位置Ｘ２に移動させる。しかし、２個目の記憶位置Ｘ２と実際位置Ｘ’２との間にズレがあり、作業者がボルト締結工具３をボルトの実際位置Ｘ’２まで動かし、２個目のボルトの締結作業を行う。
【００２７】
ここで、算出部９は、２個目のボルト孔の記憶位置Ｘ２と実際位置Ｘ’２との差（図２の白抜き矢印Ｓ２参照）を算出し（ステップＳ１５）、更に算出した結果を用いて上述の式（２）中の回転移動部分を求める（ステップＳ１６）。
【００２８】
ステップＳ１６に続くステップＳ１７では、補正部１０は、算出部９によって算出した平行移動部分及び回転移動部分に基づき上記式（１）及び式（２）を用いて、被加工物のズレを推定し、記憶部８で記憶する残りのボトル孔の位置（すなわち、３個目のボルト孔の記憶位置Ｘ３と４個目のボルト孔の記憶位置Ｘ４）を全て補正する。これによって、図２中ドットで塗りつぶした矢印Ｓ３，Ｓ４に示すように、３個目のボルト孔の記憶位置Ｘ３がその実際位置Ｘ’３、４個目のボルト孔の記憶位置Ｘ４がその実際位置Ｘ’４にそれぞれ補正される。
【００２９】
補正部１０は、補正した結果を更に制御部４に出力する。制御部４は、補正した３個目及び４個目のボルト孔の位置を新しい位置情報として記憶部８に記憶させ、更にこの新しい位置情報に基づいて、ボルト締結工具３を移動させる。これによって、３個目及び４個目のボルト締結作業が行われる（ステップＳ１８）。このとき、３個目及び４個目のボルト孔の位置がそれぞれの実際位置に合わせるように補正されたため、１個目及び２個目のような記憶位置と実際位置とのズレは生じない。
【００３０】
なお、本実施形態のボルト締結装置１は、上述したボルト孔の位置補正機能に加えて、アシスト機能及び仮想壁によるガイド機能も有する。
【００３１】
まず、図４及び図５を参照してボルト締結装置１のアシスト機能を説明する。ここで、アシスト機能とは、作業者が操作するボルト締結工具３をボルト孔の実際位置に導くように、ボルト締結工具３に引張力を加える機能を意味する。具体的には、力覚センサ５を介して作業者がボルト締結工具３を動かす力を測定し、ボルト締結工具３にボルト孔の実際位置への引張力を加えた場合に、該ボルト締結工具３が如何に動くかをインピーダンスモデルで求め、その結果に基づいて肩関節部２３及び肘関節部２４のサーボモータを動作させる。
【００３２】
図４はボルト締結装置におけるアシスト機能を説明するための平面模式図である。図４において、矢印Ｆ（Ｆｘ，Ｆｙ）は、作業者がボルト締結工具３を動かす力を示し、力覚センサ５によって測定されるものである。Ｆｘ、Ｆｙは作業者がボルト締結工具３を動かす力のＸ方向の分力、Ｙ方向の分力である。一方、矢印Ｆａ（Ｆａｘ，Ｆａｙ）は、制御部４の制御によってボルト締結工具３をボルト孔の実際位置Ｐに導くように加えられる引張力を示す。Ｆａｘは引張力のＸ方向、Ｆａｙは引張力のＹ方向の分力である。また、図４に示す矢印Ｎ１は肩関節部２３のサーボモータの回転方向、矢印Ｎ２は肘関節部２４のサーボモータの回転方向をそれぞれ示す。
【００３３】
そして、作業者がボルト締結工具３を動かす力Ｆと引張力Ｆａとの合力Ｆａ'は、次の式（３）を用いて算出部９によって算出される。
【数３】
2017213657.tif 000007
【００３４】
算出部９は、算出した合力Ｆａ'に対し、更に図５に示すインピーダンスモデルに基づき、パネーマスーダンパ系の状態方程式を求める（式（４）参照）。
【数４】
2017213657.tif 000008
式（４）において、Ｍは質量（マス）、Ｃは粘性（ダンパ）、Ｋは弾性（バネ）の係数をそれぞれ示す。なお、後述の仮想壁を設けた場合には、弾性係数Ｋ＝０になる。
【００３５】
算出部９は、算出した結果を制御部４に出力する。制御部４は、算出した結果に基づき、肩関節部２３及び肘関節部２４のサーボモータの動作を制御する。
【００３６】
次に、図６を参照してボルト締結装置１における仮想壁のガイド機能を説明する。仮想壁のガイド機能は、ボルト締結工具３をボルト孔の実際位置へ導き易くするために、ボルト締結工具３の現在位置からボルトの実際位置までに一直線の道を作り、道の両側を仮想的な壁（以下、仮想壁という）で覆い、そして、ボルト締結工具３が仮想壁に当たると、反発する方向へ力を加えるように肩関節部２３のサーボモータ及び肘関節部２４のサーボモータを動作させる機能である。
【００３７】
図６の矢印Ｎ１、Ｎ２に示すように、肩関節部２３のサーボモータの回転方向及び肘関節部２４のサーボモータの回転方向がそれぞれ反時計回りであって、ボルト締結工具３が仮想壁の内側（図６では、仮想壁の上側）にある場合は、上記式（４）中の弾性係数Ｋ＝０にする。一方、ボルト締結工具３が仮想壁の外側（図６では、仮想壁の下側）にある場合は、弾性係数Ｋ＞０にすることで、ボルト締結工具３を仮想壁の内側に戻す方向に力が生じる（図６の矢印Ｎ３参照）。
【００３８】
本実施形態のボルト締結装置１によれば、算出部９がボルト孔の記憶位置と実際位置との差を算出し、補正部がその差に基づいて作業者によるボルト締結工具３の操作結果から被加工物のズレを推定し、記憶部８で記憶した残りのボルト孔の位置を全て補正する。これによって、作業者がボルト締結工具を動かす力と、ボルト締結工具が記憶通りに動く力との相違が小さくなるので、作業者への違和感を低減することができる。加えて、高額なセンサ等を使用せずにボルトの位置補正を実現できるので、ボルト締結装置１のコスト削減を図り易くなる。
【００３９】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、上述の実施形態において、加工装置としてボルト締結装置の例を挙げて説明したが、本発明はボルト締結装置に限らず、加工工具としてドリルを有する穴あけ加工装置や、加工工具としてバイトを有する中ぐり加工装置にも適用される。
【符号の説明】
【００４０】
１    ボルト締結装置
２    アシストアーム
３    ボルト締結工具
４    制御部
５    力覚センサ
６    第１サーボアンプ
７    第２サーボアンプ
８    記憶部
９    算出部
１０    補正部
２１    第１アーム
２２    第２アーム
２３    肩関節部
２４    肘関節部
２５    固定ベース
３１    把持部
【図１】
2017213657.tif 000009
【図２】
2017213657.tif 000010
【図３】
2017213657.tif 000011
【図４】
2017213657.tif 000012
【図５】
2017213657.tif 000013
【図６】
2017213657.tif 000014