計測自動制御学会東北支部第1帥同研究集会（19粥・与．24〕
贅料番号160−7

弾性ホースへの円筒棒の挿入技能
SkillinAssemblingaCylinderintoanElastic Hose
島地垂幸書，○服部博■♯

SigeyukiShimaL：hi＋，OHiroshiHattori＊−＊＊岩手大学＊，＊＊IwateUniversiLy
キーワード：組立作業（＾BSembLy），挿入力（tnsertion下brce）押しつけ力tLateTalForce）
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連絡先：〒ロ20 盛岡市上田4−3−5岩声大学工学部機械工学科
島地真幸†Tel＆托・X∴（0196）21，6403，nmail：SimaJ：hi⑳msv・CC・iwateTu・aC・jp

1．緒言

入する動作、回転を加える動作などがある。これらのうち、人間は円柱をホースと共に横方向に押ロボットによる組立作業の自動化は品質の向しつけ、そこで円柱を反対方向に傾けて、次に逆上、製造コストの削減、省力化などの多くの利点方向に押しつけ円柱を傾けるという動作を繰り返があり、工業的に有利である。そのため組立作業す入れ方のほうが挿入しやすいと感じているようの自動化は、いろいろな製品の生産工程においてに思われる。

開発が進められてきている。そして自動組立の大我々は、ロボットによって門柱を弾性ホースに半の研究は、剛体部品同士の組立作業に関するも挿入する軌作を垂直に入れる場合と左右交互に傾のである。しかし、実際の組立作業においては剛けて入れる場合について、理論と力の判定に基づ体部品同士の組立だけでなく、ゴムなどの非剛体いて挿入力の発生のメカニズムを考察し人間の動部品の作業も入ってくる。そのため近年非剛体部作の中に隠されている合理牲を明らかにし、それ品の組立に関する研究が束穿とみなされてきた。に基づいてロボットによる組立作業の自動化を設

最近では、ロボットによる柔軟対象物への挿入作計したいと考えている。

業に関する様々な研究り・21がある。
本報告では、弾性ホースに円柱軸を挿入する作

2．人間の挿入動作における挿入業を取り上げる。ロボットにこの種の作業をさせ力の評価たとの報告はあが）が、作業力などの作業性と挿
ここでは、人間の動作を追うことでいったいど入技能の関係を論じたものを知らない。

んなときに挿入しやすいと感じるかを述べ、どの人間が円柱を挿入するとき、見られる動作に様なことに注目すべきかを述べる．

は、垂直に挿入する動作、円柱を左右に傾けて挿−1−ヽ悪い。しかし人間はモーメントを除いた挿入力が人間が円柱をホースに挿入するとき、まず円柱をホースにそのまま押し込もうとすることを考え小さければ入れやすいと感じ盲ようである。モーる。その動作を実際に行うと、押し込む力がどんメントは挿入する力が小さくなるようにホースをどん大きくなっていくことが感じられる。そして変形させるようである。また、モーメントは、円次に考えることは、ホースを曲げることである。

柱を手で入れる場合は、入れるたびに持つ位置をこれは、ホースを自由に曲げることではなく、挿変えたり円柱に長い棒を付けて距離のあるところ入できるように羊の感覚を頼りに試行錯誤の上でで力を作用させることにより、さらに小さい力で挿入の動作をする。すると、ある動作を繰り返すモーメントを与えることができる。しかしながら、ことで挿入ができ、挿入しやすいと考えている。

ロボットという機械にさせる作業においてモーメ

そこで、人間の挿入作業の挿入しやすさは、どのントをどのように評価するかは今後検討することようにLて生まれているかを実際に見られた動作にして、本報告では、人間が挿入しやすいと感じから述べてみる。ている挿入力だけに注目することにする。

−＿．

l1

a．て 垂直挿入の実験

0Fig．1実験装置

用

lnse川onDeplhD 〔mm）
Fig．2 垂直挿入の実験

人間が円柱をホースに入れるときに見られる動Fig・1は、今回使用した実験装置である。この作は、前にも述べたように、垂直に入れる動作と、実験での座標の取り方は、円柱の中心軸を甘軸、そ左右交互に傾けて挿入する動作がある。これらのれと直交する軸を訂軸とする。垂直挿入の実験は動作の違いにはモーメントの働きがある。垂直挿

耳方向の力を零となるようにェ方向の力を制御し入においては、挿入する円柱に加わるモーメント打方向に挿入の動作になるように変位を0．1mm間がほぼゼロで挿入する力が直接手に伝わる。左右隔で与え、その都度、力を測定した。力の測定に交互に傾けて挿入する場合、左右に押しつけるこは6軸力覚センサーを用いた。測定開始時の円柱とや回転動作することでモーメントが現れる。挿とホースの状態は、円柱がホースに2mm挿入さ入力の全体から見ればモーメントが現れる分だけれているところから始めた。円柱の径はが7．Omm、一之ーヽ

4．1押しつけて回転させる実験

ホースの径は￠26mである。Fig．2はその実験の結果である。

グラフは小刻みに上下に振れながら挿入力が挿入探さに比例して増加している。こうした力の変化は、人間は挿入しにくいと感じる。

4．左右交互の動作

丁目Angleα

TilfAn9Ieα

Fig．4 押しつけて回転させる実験

Fig．3 左右交互の動作
人間の左右交互に動かす挿入動作は、よく見るロボットの挿入動作は、円柱を挿入させた状態と、押しつけて円柱に回転を与えて少しずつ挿入で、押Lつけ力が一定になるように制御しながらしている。Fig・3の〔几）では、ホースを傾けるだけ訂軸方向に移動させ、円柱の先端の角に回転中心で挿入にならない。（呵では、押しつけ力Ⅳを加を置き、挿入の動作となる方向に回転させる。実

えてホースを変形させ、円柱を傾けることで挿入験は、最初の挿入探さ剖ま、10mmと20mm、押される。人間の挿入動作はこのようなモデルを頭しつけ力Ⅳは、0、0■5xlO4、1・0×104、1．5×10叩）の中に描いているようである。そこで実験では、についてそれぞれ3回ずつ行う。円柱の傾き角は、ロボットに押しつけて、回転させる動きをあたえ円柱が垂直の時を00とし、向かって反時計間回りて力の変化を測定する。

を正とする。円柱の傾き角は、0，50ずつ、100まで傾け、力の測定は、0・5度ごとに打方向の力瑞を記

−3−

ヽ

ことができる。一つは、傾き始めたときで、力の録する。
Fig．4は、その実験結果ヤ、縦軸に封方向の力変化から、滑りが生じてない状態である。この状瑞、横軸に円柱の傾き角αをとったがラフである。

使は、円柱とホースが接着していて、力を取り除グラフより、挿入探さロが10mmから20mmにくともとにほとんどもとの状態に戻って挿入にななると野方向の力和ま、ホースからの締め付け力らないSpT主n計Ba血領軋もう一つは、その後、力により、大きくなる。また、押しつける力を大きが或値になると、おおよそ一定の力の変化になり、くすることで野方向の力瑞が小さくなっているこ

力を取り除いても、円柱が傾いた状態で挿入されとが分かる。

る滑りの領域である。

Tilt．人ngle〔rFig．5 変形と滑り

Fig▲7 滑り始めるときの封方向の力瑞と押しつけ力の関係

ここで、滑り始めるときの円柱の傾き角αをSpring−Batk角と呼ぶことにする。Fig・6は、Spring−

B且止角と押しつけ力の関係を示したものである。
Fig．7は、滑卵台めるときに打方向に働いた力瑞と、押しつけ力との関係を示したものである。
Fig．6、月＝10mmからβ＝20Ilmと深くなると円柱の回りに働くホースからの締め付け力によりL□輸血rorceW

Spling−Ba血角は、全体的に大きくなる。また押し1xlO4（N）

つけ力が0から0．5xlO4（N）の間では、Spling−B鋸渡
角はほとんど変化がなく0月xlO4から1．5×104（N）の間では、Spling−B8止角は小さくなっている。

Fig．6 滑り始め角と押しつけ力

Figてでも同様に深くなると和ま全体的に大きFig．5は、グラフの形を簡略化したもので、力くなる。また0から0・5×101（N）の間では、瑚この変化からグラフはおおよそ二つの領域に分ける

ほとんど変化はなく、挿入深さ￡ト＝10mの時、−d−ヽ ヽ

0．5xlO4から1．5xlO4（叩の間では、押しつけ力をは、押しつけ力を大きくすると力瑞が小さく滑り大きくすることで和ま小さくなっている。しかし、始め角も小さくなることを表している。F隠10は、か＝20m汀lのとき1．OxlO4と1．与Xl叫叩でははほとんど付こ変化はない。このことから、押しつけ力が挿入力を小さくするには、探さによって有効な値が限られてくる。また、押しつけ力を大きくすることで、Spling一触ck角と瑞が小さくなるので、押しつけることによって、摩擦力が小さく、小さい懐き角で挿入動作が行うことができると考えられる。
そこで、この現象を理解しやすいように以下のWように説明してみる。

Fig月において門柱をホースに押しつけると、F晦9 Spring−Ba止角及び押しつけ力と力瑞の片方の面で接触している部分」と、ホースの梁の関係性質により隙間eが現れる。この隙間巳によって接触状態が変化し摩擦力を小さくする。（叫のように深く挿入すると、隙間eを作っても、接触している部分」が広くなるので、押しつけ力による摩擦力を小さくする効果は滞れる。ここで、隙間eは実際に現れた隙間とは異なり、現象を理解する上で取り入れた概念である。しかし、実際の現象も類似した現象が現れているものと考えられる。

W

Fig・10 理解モデルから推測されるα−Ⅵ′−∴ロ
空間

実験の結果から推測したSpring−B邑止角と押しつ（Il）

け力Ⅳと探さ月の関係である。挿入を行うためには、Spring−Back角の面よりも上の領域でαとW

Fig．8 理解モデルをとる必要がある。また、ロボットは可軌領域が限られるため囲ではそれぞれ限界を取り入れる。

5．ロボットによる挿入動作の計画

この図をもとにして挿入動作を考えてみる。

Fig・9は、滑り始め角と押Lつけ九及び瑞のここで評価量を以下のように仮定する。

関係を表したものである。Springu召虻k領域は、滑Eu＝滑る畳〔Slide）／変形量（Spring−Ba・：k）りが生じず挿入にならない。Slideの領域において
u5¶3）MLSchweiser，T・WeisenerandT．F・Herkommer，Robot AssemblyofPliableHoses，TheIndus−

Ⅳの値を評価しない場合はじめからⅣを大きくαを大きくとる⊥一−Cという軌適が考えられ

trialRobot，20lL205，De亡ember（1990）

る。このとき吼は大きくなり良く滑る。

4）アカス，谷藤，ロボットによるゴム穴への軸の挿Ⅳをできるだけ小さくしたい場合には、∬一入作業に関する研究，岩手大卒輪（1994）

一打一皿Cという軌道が考えられる。このとき凧，は小さく少ししか滑らない。
しかし、実際のロボットではどのような状博からでも挿入動作を行なわれなければならない。そして、Fig・10のようなmapが分からない場合がほとんどである。このような場合、滑る滑らないの境界面であるSpring−Back面を検出し、瑞、Ⅳ、軋をそれぞれ評価する必要がある。評価の仕方としては以下のような式が考えられる。

評価量＝ul瑞＋M2Ⅳ＋1∫J3軌／一回当たりの進
み鼻叫、叫、叫は重み係数である。

6．結言
今後の研究の課題として、ロボットに挿入動作を自動的に行わせるために、滑りが起きたときの力の変化の検出方法を考える必要がある。

参考文献
1）山口，高野，佐々木，井上ロボットによる柔軟対象物への挿入作業に関する研究，精密工学会春季大会学術講演会講演論文集，pp761一祁2，（1993）
2）H・J・Warnedくe†B・Ftankenl−auSer，DtGLGweon
aJld H・S，Cho，Fitting of Crimp Contacts

to Connectors UsinglndustrialRDbots Sup−
POrtedbyVibratingTboIs，Robotica．Vol・6，123−
129，（198即−6−