(57)【要約】【課題】  能動的な誘導を介すことなく正確な作業を実現できる作業管理システムの提供。【解決手段】  作業位置及び作業順序の情報を備え工具の次作業位置を出力する作業管理手段と、前記相対角度と各アームの有効長に基いて、工具位置の水平位置を導くと共に、工具位置の垂直位置を導く工具位置検出手段と、当該工具位置検出手段により検出した前後の位置変化に基いて、前記工具の移動方向を導く移動方向検出手段と、前記工具位置を起点とする前記次作業位置の方向を導く目的方向検出手段と、前記工具の移動方向と前記次作業位置への方向との比較により当該工具の次作業位置への近接状況を判定する操作方向判定手段と、前記近接状況が近接傾向にある場合には各連結部のブレーキを解除し、前記近接状況が離隔傾向にある場合には各連結部のブレーキを作動させる抵抗調整手段を備える作業管理システム。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平方向又は垂直方向へ揺動自在又は進退自在に連結された複数のアームからなるフレームと、
当該フレームの工具ベースに取り付けられた工具とを備え、
各アームの連結部に相連結するアームの相対角度又は相対進退長を検出する揺動センサ又は進退センサ、及びその揺動抵抗又は進退抵抗を加減するブレーキを備え、
作業位置及び作業順序を備え工具の次作業位置を出力する作業管理手段と、
前記相対進退長、又は前記相対角度及び各アームの有効長に基いて、前記基面に平行する面における工具位置の水平位置を導く工具位置検出手段と、
前記次作業位置の周囲一定の平面領域に前記工具位置が含まれる事を条件として垂直方向へ揺動又は進退するアームの連結部のブレーキを解除し、当該平面領域に前記工具位置が含まれる事を条件として垂直方向へ揺動又は進退するアームの連結部のブレーキを作動させる昇降規制手段を備える作業管理システム。
【請求項２】
水平方向又は垂直方向へ揺動自在又は進退自在に連結された複数のアームからなるフレームと、
当該フレームの工具ベースに取り付けられた工具とを備え、
各アームの連結部に相連結するアームの相対角度又は相対進退長を検出する揺動センサ又は進退センサ、及びその揺動抵抗又は進退抵抗を加減するブレーキを備え、
作業位置及び作業順序を備え工具の次作業位置を出力する作業管理手段と、
前記相対進退長、又は前記相対角度及び各アームの有効長に基いて、前記基面に平行する面における工具位置の水平位置を導くと共に、当該基面に対する工具位置の垂直位置を導く工具位置検出手段と、
当該工具位置検出手段により検出した前後の位置変化に基いて、前記工具の移動方向を導く移動方向検出手段と、
前記工具位置検出手段により検出した工具位置を起点とする前記次作業位置の方向を導く目的方向検出手段と、
前記工具の移動方向と前記次作業位置への方向との比較により当該工具の次作業位置への近接状況を判定する操作方向判定手段と、
前記近接状況が近接傾向にある場合には各連結部のブレーキを解除し、前記近接状況が離隔傾向にある場合には各連結部のブレーキを作動させる抵抗調整手段を備える作業管理システム。
【請求項３】
前記水平位置及び垂直位置を前記基面に平行する面の位置座標で算出する工具位置検出手段と、
前記工具の移動方向をベクトルで算出する移動方向検出手段と、
前記近接状況を、前記移動方向を示すベクトルが前記工具位置を原点とする相対座標系のうちで次作業位置が存在する象限に向いていることを条件として近接方向にあると判定する操作方向判定手段とを備える前記請求項２に記載の作業管理システム。
【請求項４】
前記抵抗調整手段に、前記次作業位置の周囲一定の平面領域に前記工具位置が含まれる事を条件として垂直方向へ揺動又は進退するアームの連結部のブレーキを解除する昇降規制手段を備える前記請求項２又は３のいずれかに記載の作業管理システム。
【請求項５】
前記工具に稼動検出センサを備え、当該稼動検出センサの出力により当該工具が稼動した位置、及びその稼動時における作業量のデータを保存する作業履歴管理手段を備える前記請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の作業管理システム。
【請求項６】
前記工具として自動ネジ締め手段を備え、前記稼動検出センサとしてトルクにセンサを備え、当該工具が稼動した位置、及び稼動時に生じたトルクのデータを保存する作業履歴管理手段を備える前記請求項５に記載の作業管理システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ネジ締めや溶接等の組立作業等において、その作業具の軌道管理を以って作業手順を教授し監視するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
産業用ロボットが普及する今日では、種々の製造作業が自動的に行おうとする傾向があるが、その中にあっても、人による組立作業等の重要性は欠かせないのが実情である。しかしながら、人による作業は、当然にミスが伴うという欠点があり、例えば、種々の機器を組み立てるに際して、ネジ締めや溶接といった作業が伴うが、ネジの閉め忘れや溶接漏れ等、或いはそれらの作業を行う為の適正な順序を徹底することは極めて困難であった。また、人による作業は、作業の経過を情報として残し難く、製品の品質維持並びに製造過程を事後管理検証する点でも大きな問題となっている。
【０００３】
そこで、各作業機器が備えるセンサー出力に基いて採取した作業状況と前記作業プログラムとを照合して、事後的に作業の良否を判別する作業システム（例えば、下記特許文献１参照。）や、ネジの締め忘れが発生した際に警告音を出すシステム（例えば、下記特許文献２参照。）や、前段の装置が首尾よくネジ締め付け作業が完了しない限り、後段の装置が動作しないシステム（例えば、下記特許文献３参照。）が紹介されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１７７９１９号公報
【特許文献２】特開２００５−３４９１４号公報
【特許文献３】特開２００５−２８５５１号公報
【特許文献４】特開平７−１３４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来のシステムは、事後判断のみで作業者が操作する機器を適正な作業位置へ自然に誘導する措置が施されておらず、その作業の手順は専ら作業者の記憶によるものであった。また、仮に、作業者が機器を持つ手を能動的に誘導する手法を採るとすれば、更に、安全装置を付加して作業者の怪我を防止する措置を採らねばならないと言う問題があった。
【０００６】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、能動的な誘導を介すことなく正確な作業を実現できる作業管理システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決する為になされた本発明による作業管理システムは、任意の基面に対して、水平方向又は垂直方向へ揺動自在又は進退自在に連結された複数のアームからなるフレームと、当該フレームの工具ベース（先部）に取り付けられた工具とを備え、各アームの連結部に相連結するアームの相対角度又は相対進退長（相連結するアームの一方に対して他方が水平方向又は垂直方向へ進退する距離。）を検出する揺動センサ又は進退センサ、及びその揺動抵抗又は進退抵抗を加減するブレーキを備えるものである。
【０００８】
当該作業管理システムは、作業位置及び作業順序を備え工具の次作業位置を出力する作業管理手段と、前記相対進退長、又は前記相対角度及び各アームの有効長に基いて、前記基面に平行する面における工具位置の水平位置を導く工具位置検出手段と、前記次作業位置の周囲一定の平面領域に前記工具位置が含まれる事を条件として垂直方向へ揺動又は進退するアームの連結部のブレーキを解除し、当該平面領域に前記工具位置が含まれる事を条件として垂直方向へ揺動又は進退するアームの連結部のブレーキを作動させる昇降規制手段を備える事を特徴とする。
【０００９】
また、別の形態を採る本発明による作業管理システムは、作業位置及び作業順序を備え工具の次作業位置を出力する作業管理手段と、前記相対進退長、又は前記相対角度及び各アームの有効長（各アームの両端に支持された揺動軸間の長さ）に基いて、前記基面に平行する面における工具位置の水平位置を導くと共に、当該基面に対する工具位置の垂直位置を導く工具位置検出手段と、当該工具位置検出手段により検出した前後の位置変化に基いて、前記工具の移動方向を導く移動方向検出手段と、前記工具位置検出手段により検出した工具位置を起点とする前記次作業位置の方向を導く目的方向検出手段と、前記工具の移動方向と前記次作業位置への方向との比較により当該工具の次作業位置への近接状況を判定する操作方向判定手段と、前記近接状況が近接傾向にある場合には各連結部のブレーキを解除（前記揺動抵抗又は進退抵抗を弱める様に動作させる。）し、前記近接状況が離隔傾向にある場合には各連結部のブレーキを作動（前記揺動抵抗を強める様に動作させる。）させる抵抗調整手段を備えることを特徴とするものである。
【００１０】
当該作業管理システムの具体的構成としては、前記水平位置及び垂直位置を前記基面に平行する面の位置座標で算出する工具位置検出手段と、前記工具の移動方向をベクトルで算出する移動方向検出手段と、前記近接状況を、前記移動方向を示すベクトルが前記工具位置を原点とする相対座標系のうちで次作業位置が存在する象限（例えば、平面状において二つの直線が直交するとき、直線が分かつ平面の四つのそれぞれの部分をいう。）に向いていることを条件として近接方向にあると判定する操作方向判定手段とを備える構成が挙げられる。
【００１１】
更に、前記次作業位置に対する工具の昇降を制御すべく、前記抵抗調整手段に、前記次作業位置の周囲一定の平面領域に前記工具位置が含まれる事を条件として垂直方向へ揺動又は進退するアームの連結部のブレーキを解除する昇降規制手段を備える作業管理システムとして構成することができる。
【００１２】
また、工具の使用に関する作業経過及び作業内容を管理すべく、前記工具に稼動検出センサを備え、当該稼動検出センサの出力により当該工具が稼動した位置、及びその稼動時における作業量のデータを保存する作業履歴管理手段を備える作業管理システムとして構成することができる。
【００１３】
具体的には、前記工具として自動ネジ締め手段を備え、前記稼動検出センサとしてトルクにセンサを備え、当該工具が稼動した位置、及び稼動時に生じたトルクのデータを保存する作業管理手段を備える作業管理システムとして構成することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明による作業管理システムによれば、作業者による手作業でありながら、比較的簡単な構成を以って、事後判断のみならず、作業中においても作業者が操作する機器を適正な作業位置へ自然に誘導する措置が施され、予め、その作業の手順を作業者が記憶せずとも、正しい順序による正確な作業が保証される。また、作業者の操作を解析することによって、受動的に禁止されるべき作業を規制し、規制されない操作にあっては、その反動として明確に許容された旨の認識を得ることが出来るので、機器が作業者の身体に能動的に働くことによる事故を回避できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明による作業管理システムの実施の形態を図面に基き説明する。
図に示す作業管理システムは、組立台の基面に対して水平方向又は垂直方向へ揺動自在に連結された複数のアームからなるフレーム２と、当該フレーム２の先部に取り付けられた工具３とを備え、各アームの連結部に相連結するアームの相対角度を量的に検出する揺動センサ４、及びその揺動抵抗を加減するブレーキ５を備えるものである。
【００１６】
前記組立台の基面とは、位置検出処理上の基面を意味し、基面には組立対象物が常に同じ状態で固定される様な支持手段６を設定する。
当該例におけるフレーム２は、当該基面に基づいてベース（フレームベース）７に水平方向へ揺動する関節（水平関節）８を介して一本のアーム（水平揺動アーム）９を連結し、その先端部に、同じ長さの一対のアーム（垂直揺動アーム）１０を具備する平行リンク機構の一方のベース（リンクベース）１１を水平関節１３を介して連設したものであって、当該平行リンク機構の先端部に設けられたベース（工具ベース）１２に工具３として自動ネジ締め手段が装着されている。
【００１７】
前記フレームベース７と水平揺動アーム９とを連結する水平関節（第１関節）８と、前記水平揺動アーム９とリンクベース１１とを連結する水平関節（第２関節）１３と、平行リンク機構を構成する垂直揺動アーム１０，１０とリンクベース１１との支持部には、前記揺動センサとブレーキがそれぞれ付設され、フレームにおける各アームの連結部について、相連結するアーム９，１０の相対角度θ１，θ２，θ３を、その量に適した電気信号を以って量的に検出すると共に、所定の場合には、当該ブレーキ５を稼動させ作業者が十分に認識できる程度の揺動抵抗を発生させる。
【００１８】
前記揺動センサ４は、例えば、回転方向の判別が可能なパルス信号を発するロータリーエンコーダ等を用い、ブレーキ５は、空気圧等で関節部分において揺動軸１６，１７や相連結するアーム９，１０の接触面を圧迫する等の手法等、目的に応じた公知手段を用いれば良い。当該例においては、特に平行リンク機構についてスプリング等の弾性部材１９と、当該平行リンク機構を構成するアーム９，１０を水平状態より上方へ揺動しない様に規制するストッパ（図示省略）を以って復元機構を構成している。
【００１９】
当該作業管理システムは、コンピュータシステムを備え、そのハードウエア資源とソフトウエアとが協働した以下の具体的手段を具備する。
【００２０】
即ち、当該作業管理システムは、作業位置及び作業順序を備え工具の次作業位置を出力する作業管理手段２０と、前記揺動センサで検出された相対角度θ１，θ２，θ３と、水平揺動アーム９の有効長Ｒ１、及び垂直揺動アーム１０の有効長Ｒ２に基いて、前記基面に平行する面における工具位置（例えば、工具３における被加工物１８との接点の位置）の水平座標を導くと共に、当該基面に対する工具位置の垂直座標を導く工具位置検出手段２１と、当該工具位置検出手段２１により検出した現在位置と直前位置の位置変化に基いて、前記工具の移動方向を導く移動方向検出手段２２と、前記工具位置検出手段により検出した工具位置を起点とする前記次作業位置の方向を導く目的方向検出手段２３と、前記工具の移動方向と前記次作業位置への方向との比較により当該工具３の次作業位置への近接状況を判定する操作方向判定手段２４と、前記近接状況が近接傾向にある場合には各連結部のブレーキ５を解除し、前記近接状況が離隔傾向にある場合には各連結部（前記第１関節８、第２関節１３、及び支持部１５）のブレーキ５を作動させる抵抗調整手段１４を備える。
【００２１】
前記作業管理手段２０は、事前に登録された被加工物１８における作業位置及び作業順序を順次出力し、一の被加工物１８に要する作業が終了する毎に繰り返すものである。
【００２２】
当該例における前記工具位置検出手段２１は、前記水平位置及び垂直位置を前記基面をＸＹ平面とする三次元座標系における工具の位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）で算出するものである。当該位置座標の原点は適宜定め、例えば、前記フレームベース７の揺動軸１６の中心を原点とする。その場合、水平揺動アーム９と垂直揺動アーム１０とが、フレームベース７と工具ベース１２との間が最も離隔する状態で、前記基面の基軸（Ｘ軸及びＹ軸）のいずれか一方上（此処では、Ｘ軸上。）で一直線となり、且つ垂直遥動アームが１０水平となる時における工具位置を（Ｒ１＋Ｒ２，０，０）とし、その際の角度をθ１＝０，θ２＝０，θ３＝０（図３において下折れとなる場合を（＋））とすると、（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（Ｒ１・ｃｏｓθ１＋Ｒ２・ｃｏｓθ３・ｃｏｓ（θ１＋θ２），Ｒ１・ｓｉｎθ１＋Ｒ２・ｃｏｓθ３・ｓｉｎ（θ１＋θ２），Ｒ２・ｓｉｎθ３）となる。
【００２３】
当該例における前記移動方向検出手段２２は、移動前後（有効な最終２件のサンプリング座標）のＸ，Ｙ，及びＺの変位を算出し、移動直前の工具位置を起点とする前記工具３の移動方向を移動方向ベクトル（Ｘ−Ｘ０，Ｙ−Ｙ０，Ｚ−Ｚ０）として保存するものである。尚、有効なサンプリング座標とは、例えば、一定時間における移動量が一定距離以上であるものを対象とする。
【００２４】
当該例における前記目的方向検出手段２３は、前記作業管理手段２０から次作業位置を取得し、前記工具位置検出手段２１により検出した工具位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を起点とする前記次作業位置（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）までのＸ，Ｙ，及びＺ成分の所要変異を算出し、当該工具位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）から次作業位置（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）までの方向を目的方向ベクトル（Ｘｐ−Ｘ，Ｙｐ−Ｙ，Ｚｐ−Ｚ）として保存するものである。
【００２５】
当該例における前記操作方向判定手段２４は、前記移動方向を示す移動方向ベクトル（Ｘ−Ｘ０，Ｙ−Ｙ０，Ｚ−Ｚ０）が、前記三次元座標系における前記工具位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（Ｘ０，Ｙ０，Ｚ０）を原点とする相対座標系のうちで、次作業位置（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）が存在する象限に向いていること、例えば、目的方向ベクトル（Ｘｐ−Ｘ０，Ｙｐ−Ｙ０，Ｚｐ−Ｚ０）の各成分の正負状況が移動方向ベクトル（Ｘ−Ｘ０，Ｙ−Ｙ０，Ｚ−Ｚ０）の各成分の正負状況と一致することを条件として近接傾向にあると判定する。
【００２６】
前記抵抗調整手段１４は、前記近接状況が近接傾向にある場合には、油圧或いは空気圧の回路を各連結部のブレーキ５を解除する状態に切り替え、前記近接状況が離隔傾向（近接傾向以外）にある場合には前記回路を前記各連結部のブレーキ５を作動させる方向に切り替える。
【００２７】
更に、当該例にあっては、前記次作業位置に対する工具の昇降を制御すべく、前記抵抗調整手段１４に、前記次作業位置（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）の周囲一定の平面領域に前記工具位置が含まれる事を条件として垂直方向へ揺動する垂直揺動アーム１０の連結部のブレーキ５を解除する（垂直）昇降規制手段２５を備える作業管理システムとして構成することができる。この場合、その平面領域に入らない限り、Ｚ成分の方向へ容易に下降しない様にロック機構を付設することも考慮され、その場合は、その平面領域に入るまでは、前記移動方向検出手段２２、目的方向検出手段２３、及び操作方向判定手段２４における処理において、Ｚ成分を無視することができる。
【００２８】
前記昇降規制手段２５による前記次作業位置（Ｘｐ，Ｙｐ，Ｚｐ）の周囲一定の平面領域内の存在の確認は、例えば、現時点の工具位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）が、Ｘ，Ｙの各成分について、｜Ｘｐ−Ｘ｜＜｜規定値｜を満たし、且つ｜Ｙｐ−Ｙ｜＜｜規定値｜を満たせば、当該平面領域内に存在するとする。当該一定の平面領域内に存在する場合には、前記支持部１５のブレーキ５を解除する状態に回路を切り替え、工具の下降規制処理を解除する。尚、工具の下降規制処理は工具の高さ（Ｚ成分）各々について機能するが、工具の上昇については規制を加えず、前記一定の平面領域外へ出た場合には、再び工具の下降規制処理を機能させる。
【００２９】
前記一定の平面領域は、隣接する作業を要しない位置と抵触しない様に設けることが望ましいが、予め作業位置を記憶していない場合に、作業位置の的を絞ることは容易ではないことから、当該一定の平面領域を当初は工具下降位置の検索に手間取らない程度に十分に広く設定し、次作業位置のＺ成分と工具位置のＺ成分が近接する（｜Ｚａ−Ｚ｜が減少する）に従って狭小化させる処理を行う領域縮約手段２６を備える構成を採っても良い。
【００３０】
尚、本発明による作業管理システムのフレームに、前記基面のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に進退する各アーム（Ｘ軸方向への進退アーム、Ｙ軸方向への進退アーム、Ｚ軸（上下）方向への進退アーム）を隣接するアームに対して水平及び垂直方向へ垂直に順次連結した構成を採用することができる。当該構成によれば、前記工具位置検出手段における位置検出に、各アームの相対進退長を前記基面のＸ，Ｙ，Ｚ座標として用いることが可能となり、移動方向検出手段、目的方向検出手段、操作方向判定手段、及び領域縮約手段の処理も、先に示した揺動する形態のアームと同様の処理を以って対応することができる。また、前記抵抗調整手段については、垂直揺動に対するブレーキをＺ方向（垂直方向）への進退に対するブレーキと置き換えれば動揺の処理を以って対応することができる。
【００３１】
また、簡易な処理が要求される場合には、前記移動方向検出手段、目的方向検出手段、及び操作方向判定手段を備えず、或いは機能させない形態で、前記作業管理手段、工具位置検出手段、並びに、前記次作業位置の周囲一定の平面領域に前記工具位置が含まれる事を条件として垂直方向へ揺動又は進退するアームの連結部のブレーキを解除し、当該平面領域に前記工具位置が含まれる事を条件として垂直方向へ揺動又は進退するアームの連結部のブレーキを作動させる昇降規制手段を備え、或いは機能させる構成としても良い。
【００３２】
本発明による作業管理システムは、前記抵抗調整手段１４が機能することを以って、作業者に対して受動的に作業手順を知らせることとなり、間違った位置での作業が防止されることとなる。また、作業者のからだに対して能動的に物理的作用を加えることがないので、作業中における確実な事故防止が可能となる。
【００３３】
また、当該例は、工具の使用に関する作業経過及び作業内容を管理すべく、前記工具に稼動検出センサを備え、当該稼動検出センサの出力により当該工具３が稼動した位置、及びその稼動時における作業量のデータを保存する作業履歴管理手段を備えている。具体的には、前記工具３として自動ネジ締め手段を備え、前記稼動検出センサとしてトルクセンサ１を備え、当該工具３が稼動した位置、及び稼動時に生じたトルクのデータを作業内容として保存する作業管理手段を備えている。
【００３４】
尚、前記工具３が半田コテである場合には、半田付けすべき箇所との接触を検出する圧電センサと、当該接触によるコテ温度の変化を検出する温度センサを備え、当該工具３が稼動した位置、及びか同時に生じた温度データを作業内容として保存する作業履歴管理手段２７を備えれば良い。
【００３５】
前記作業履歴管理手段２７は、各被加工物１８について、当該対象物とデータとで１：１に対応する符号、作業位置（座標）、及び作業内容、並びに作業年月日時等を管理情報として記憶手段に保存する。保存された情報は、行われた作業の事後判定に有効に利用される。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明による作業管理システムは、理論的には作業の用途は問わないものの、人による作業を前提とすることに鑑みれば、人の可動エリアの観点から自動車等のミッション、スタータ、インバータ、ブレーキ、ランプ等、人体よりも小さな物の組み立てや分解等の補助具的な位置づけで利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明による作業管理システムの一例を示す機能構成図である。
【図２】本発明による作業管理システムの構造の一例を示す側面図である。
【図３】本発明による作業管理システムの構造の一例を示す平面図である。
【図４】本発明による作業管理システムの昇降規制手段の一例を示す説明図である。
【図５】本発明による作業管理システムで行われる処理の一例を概説するフローチャートである。
【符号の説明】
【００３８】
１  トルクセンサ，２  フレーム，３  工具，４  揺動センサ，５  ブレーキ，
６  支持手段，７  フレームベース，８  水平関節（第１関節），
９  水平揺動アーム，１０  垂直揺動アーム，１１  リンクベース,
１２  工具ベース，１３  水平関節（第２関節），
１４  抵抗調整手段，１５  支持部，１６  揺動軸，１７  揺動軸，
１８  被加工物，１９  弾性部材，
２０  作業管理手段，２１  工具位置検出手段，２２  移動方向検出手段，
２３  目的方向検出手段，２４  操作方向判定手段，
２５  昇降規制手段，２６  領域縮約手段，２７  作業履歴管理手段，
【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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