日本ロボット学会誌 Vol. xx No. xx, pp.1〜4, 202x1

レター

軸状部品の姿勢変更・アライメント機能を備えた汎用ハンドによるギヤユニットの治具レス組立て柴田康平∗1土 橋宏規∗2

Jig-less Assembly of a Gear Unit with a Versatile Hand Equipped withFunctions for Reorientation and Alignment of a Shaft-shaped PartKohei Shibata∗1 and Hiroki Dobashi∗2
In recent years, jig-less assembly of variously shaped parts and development of versatile hands have been desiredfor variable type and variable volume production in the manufacturing industry. Focusing on shaft-shaped parts, wedeveloped a versatile hand with parallel stick ﬁngers that is equipped with functions for reorientation and alignmentof those parts in our previous study. This paper describes the veriﬁcation of feasibility and results of jig-less assemblyof an example product (a gear unit) containing shaft-shaped parts with the hand.
Key Words: Jig-less Assembly, Versatile Hand, Shaft-shaped Part, Alignment, Reorientation

1. 緒

言

近年，製造業では消費者のニーズの多様化や労働人口不足を背景に，ロボットセル生産システムの導入が求められている [1]．
現在のロボットセルは，多種多様な部品を扱うにあたって，部品の形状ごとに専用の治具やグリッパを用いることが一般的であり，品種変更や新製品の開発ごとに専用装置の導入や段取り替えが必要であるため，システムの立ち上げにかかるコストの増加が懸念されている．この解決策として，多形状部品の治具レス組立てや，汎用ハンドの開発が求められている．

Fig. 1 Common initial state of a shaft-shaped part, its alignedstate, and ﬁnal orientation for assembly

特に軸状部品は，組立作業で頻出かつ組立てには治具をはじらは，これを二台のアームとハンドによる複数回のブロックのめとする専用装置を用いることが多い部品の一つである．軸状受け渡しにより実現している．Gosselin ら [3] は，複数台のカ部品は治具レスの場合，Fig. 1(a) に示すように横たわった姿

メラを用いたビジョンシステムにより，単一のアームとハンド勢で供給されることが想定されるが，組付け時には同図 (c) にでギヤユニット [4] の組立てに成功している．ただし，構成要素示すように部品の長手方向が組付方向と一致するように把持すの一つであるシャフトだけは，一組のアームとハンドだけではる必要があり，把持の過程で適切な姿勢変更が必要となる．軸提案システムを用いても組立てることができていない．

状部品の組立てに治具を用いる必要がある理由として，多くのFukuda ら [5] は，単一の平行スティック指汎用ハンド [6] にハンドにそれを単体で行うための機能が搭載されていないことよるギヤユニットの治具レス組立てを実現している．このハンがあげられる．また，治具レスでの組立てには，Fig. 1(b) にドは，部品の形状に沿って受動回転する機構を指先に搭載して示すように部品の供給時の位置・姿勢の不確定性を事前に吸収おり，それを用いた効果的なアライメントを実現するとともに，（アライメント）することが必要であるほか，供給時の位置・姿その有効性が示されている．しかし，部品の姿勢変更には環境勢によらない部品の位置決めをハンドだけで行えるのが望ましへの仮置きが必要であるため，作業台面上で自立可能な部品しい．Zhang ら [2] は，平行グリッパを搭載したロボットシステムか扱うことができない．

により，複雑な形状を有するブロックの組立てを実現している．

こうした背景から，筆者らは環境への仮置きをすることなく，各ブロックは適切な向きで組立てる必要があるため，正しい向単一のアームとハンドで軸状部品を治具レスで組立てるためのきで把持できなかった場合には姿勢変更が必要になる．Zhang

操作戦略の提案と，それを実現する平行スティック指汎用ハン

原稿受付
和歌山大学大学院システム工学研究科∗2
和歌山大学システム工学部∗1
Graduate School of Systems Engineering, Wakayama University∗2
Faculty of Systems Engineering, Wakayama University■ 要素分野∗1

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ドのプロトタイプを開発した [7]．しかし，このハンドは機構が大きく小型の部品を扱うことができないことに加えて，効果的なアライメントに有効な受動回転機構が指に搭載されていないといった課題があり，ギヤユニットをはじめとする，軸状部品を含む製品の治具レス組立ての実現性は検証されていない．そ—1—202x 年 xx 月

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2康 平

土 橋 宏 規こで筆者らは，機構の小型化による小型部品の扱いと受動回転機構の搭載を実現した新たな平行スティック指汎用ハンドの開発と，それを用いた軸状部品の操作戦略の構築を行った [8]．このハンドは，軸状部品の治具レス組立てのために必要な姿勢変更とアライメントの機能を有するとともに，それらの一連の操作を単一のハンドで遂行するための機能と，多形状部品を扱うための汎用性の両立を実現している．
以上を踏まえ，本稿では，先行研究 [8] で開発した軸状部品の姿勢変更およびアライメントの機能を実装した単一の汎用ハンドによる，軸状部品を含む例題製品（ギヤユニット）の治具レス組立ての実現性の検証を目的とする．

2. 使用する汎用ハンド
2. 1 汎用ハンドの概要
本研究で使用する汎用ハンドを Fig. 2(a) に示す．ハンドはFig. 2 Versatile robotic hand developed in [8]4 本の平行なスティック状の剛体指を有しており，それぞれが十字をなす軌道上を独立して駆動する．これにより，Dobashi
ら [6] が提案したハンドと同様に，初期位置・姿勢に不確定性を有する多形状部品を，押し操作によりアライメントして把持するための機能を備えることができる．把持可能な部品の直径は15〜100 [mm] であり，指先力は理論値で約 14 [N] である．
2. 2 指機構
本研究で使用する汎用ハンドは，4 指すべてに対象部品に対し(a) Overall view(b) Components
Fig. 3 Gear unit and its componentsて受動回転する機構を搭載している．受動回転部はシリンダを上下からベアリングで挟んだ構造になっており，押し操作の際にシリンダが対象部品の形状に沿って受動的に回転するように成されている．なお，本稿では Fig. 3(b) 中に示すシャフトをなっている．これにより，指と対象部品との間の摩擦の影響を軸状部品として扱う．また，ギヤユニットはベースプレートにおおよそ排除した対象部品の押し操作が可能になり，Fig. 2(b)組付けられた 2 本のシャフトのそれぞれに，各部品が Fig. 3(b)に示すような押し操作による対象部品のアライメントを，効果に示す順で組付けられた構造となっており，大・小ギヤが適切的に行うことが可能となる．加えて，指の伸縮機構を備えるこにかみ合わさった状態となっている．カラーとワッシャの各部とで，Fig. 2(a) に示すように，上述の受動回転機構を指の内品とシャフトとの間のクリアランスは，いずれも 1.06 × 10−1 〜部へと収納することができる．また，各指を縮めたときにそれぞれの指先に位置するように半球状の突起を備えており，これ3.17 × 10−1 [mm] であり，大・小ギヤとシャフトとのクリアランスは −2 × 10−3 〜17 × 10−3 [mm] である．
3. 2 組立手順を用いて Fig. 2(c) に示すようなピボット操作による軸状部品の姿勢変更，およびねじ締めを行う．なお，突起部はゴム製にギヤユニットの組立手順を Fig. 4 に示す．はじめに，ベースすることで，点接触に近い状況でも把持に必要な摩擦力が得らプレートへ 2 本のシャフトの組付けを行う．次に，一方のシャれやすくなることに加え，突起の変形による接触面積の増加にフトへカラーと小ギヤの挿入を順に行う．その後，もう一方のより，軸状部品の曲面部を把持した状態でのピボット操作もよシャフトへカラーと大ギヤの挿入を順に行う．続けて，それぞり確実に行えるようになっている．ただし，突起部はこれらのれのシャフトへワッシャを挿入する．最後にナットの締結を行操作には有効であるが，アライメント時には操作の妨げになる

い，組立てを完了する．なお，ベースプレートへのシャフトのほか，突起部の変形により精確な位置決めが阻害されるおそれ組付け，およびナットの締結作業には，ねじ締めが必要となる．

があるため，指の伸縮機構により突起部の使い分けを行う．な3. 3 各構成要素の組立戦略

お，指は作業台面に押し付けることで縮めることができ，反対

3. 3. 1 シャフトに，指を最大まで開くことで伸ばすことができる．

シャフトの把持には，文献 [8] の手法を用いる．はじめに，初期位置・姿勢が不確定で，横たわった状態で供給されたシャフ

3. ギヤユニットの組立戦略

トを，Fig. 2(b) に示すように押し操作によりアライメントす3. 1 ギヤユニットの構成要素と構造
本稿では例題製品として，Fig. 3(a) に示すギヤユニットを用いる．同製品は World Robot Summit (WRS) のトライアル競技会 [4] にて組立て対象とされた製品の一つであり，組立ロ

る．続いて Fig. 2(c) に示すように，指の突起部によるピボッボットシステムの能力を評価するための指標として開発されたアームによりハンドを回転させ，ねじ締めすることによって行ト操作でシャフトの姿勢変更を行う．最後に，指の受動回転部でシャフトを把持し直すことで把持・位置決めを完了する．
組立ては Fig. 5 に示すように，部品を把持した状態のままう．このとき，同図 (b) に示す受動回転部を用いたねじ締めはものであることから，本研究でも用いることとする．
ギヤユニットは Fig. 3(b) に示すように，シャフト，カラー，最初の一回転分のみ行い，その後は一度指を縮めることによっ

ワッシャ，ナットが 2 点ずつ，歯数 40 のギヤ（以下，大ギヤ），て突起部を使用できるようにしたのち，同図 (e) に示すように歯数 30 のギヤ（以下，小ギヤ），ベースプレートが 1 点ずつで構突起部を用いて行う．これは，シャフトの把持部の断面が真円

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3Fig. 6 Alignment strategy of the large gear (proposed in [5])Fig. 4 Assembly procedure of the gear unit (adopted in [5])Fig. 7 Alignment strategy of the small gear (proposed in [5])小ギヤの組立ては，上記のアライメント戦略により，歯の位置を決定した状態のギヤを把持したのち，アームの動作によりシャフトへ搬送・挿入することで行う．一方，大ギヤの組立てでは，シャフトへのはめ合いと小ギヤとのかみ合わせを同時に満たすことは困難であるため，作業を二段階に分けて行う．はじめに，上記のアライメント戦略により，歯の位置が決定された状態のギヤを，Fig. 4(f) に示すようにはめ合いを無視してかみ合わせる．その後，一度ギヤを離し，同図 (g) に示すようにギヤを上面から鉛直方向に指で押し込むことで，挿入を完了する．
これらの手法は Fukuda ら [5] により提案されたものであり，Fig. 5 Assembly process of the shaft

いずれもその有用性が示されているため，本研究でも用いる．

であり，受動回転部で把持した状態のままハンドを回転させる

3. 3. 4 ナットと滑りが生じ，ねじ締めの効率が悪くなるのを防ぐための手段

ナットの把持は二段階に分けて行う．はじめに，対向する 2であり，部品が倒れないよう最初の一回転分のみ受動回転部を指を一組のみ閉じ，ナット側面の平面部を把持する．その後，使用し，以降は突起部によりねじ締めを行う．なお，本研究で残りの指を閉じてナットの鉛直軸と平行な二辺を把持すること

は実験装置のケーブル長による制約により，180 [deg] 以上ハンで，アライメントと把持を完了する．

ドを回転させることができないため，180 [deg] 回転させた後はまた，ナットのねじ締めは，シャフトと同様の手法にて 180 [deg]

一度部品を離したのち，ハンドを元の位置まで逆回転させ再度ずつ行う．ただし，ナットはシャフトとは異なり，受動回転部把持・回転を行う．これを繰り返すことで，ねじ締めを行う．

で把持した状態であっても締結作業時に滑りが生じないため，

3. 3. 2 カラー・ワッシャ

ねじ締めにおけるすべての工程を受動回転部により行う．

カラーとワッシャはいずれも円筒形であることから，ハンドの 4 本の指を同時かつ均等に閉じることで，部品の中心がハンドの中心に一致するよう，押し操作により部品をアライメントし，把持を行う．組立ては，アームの動作によりシャフトへの4. 実 機 検 証
4. 1 実験概要
2 節で述べた汎用ハンドと 3.3 節の組立戦略を用いた，ギヤユ搬送および挿入を行う．なお，このときスティック指の長手方向には部品との摩擦力が作用するため，鉛直方向の位置決めを維持した状態で挿入を完了する．

3. 3. 3 大・小ギヤ [5]ギヤの組立てでは，シャフトへの挿入に加えてかみ合わせを行う必要がある．そのため，常にギヤの歯の位置が一意に決まるよう把持することが必要となるが，4 指で把持する場合にはギヤの歯数によって把持形態が異なるため，ギヤの歯数に応じて異なるアライメント戦略を用いる必要がある．はじめに，歯数(a) Overall view(b) Initial states of the parts

Fig. 8 Experimental setup

40 の大ギヤのアライメント戦略を Fig. 6 に示す．大ギヤは，4指すべてが歯の隙間にはまる把持形態をとることができる．したがって，4 指を一度に閉じる操作のみで，歯の位置を一意に決定し，把持することができる．次に，歯数 30 の小ギヤのアライメント戦略を Fig. 7 に示す．小ギヤは，大ギヤのように4 指すべてを歯の隙間にはめることができない．一方で，Fig.
7(b) に示すように先に対向する 2 指を歯の隙間にはめておくことで，同図 (c) に示すように残りの 2 指は必ず歯先を把持することになり，歯の位置を一意に決定することができる．

日本ロボット学会誌 xx 巻 xx 号(a) Shaft A(b) Shaft B

Fig. 9 Initial pose errors of the shafts—3—202x 年 xx 月

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4康 平

土 橋 宏 規Fig. 10 Snapshots of the assembly experiment of the gear unit

ニットの治具レス組立ての実現性を検証する．Fig. 8(a) に示

5. 結すように，実験装置として垂直多関節型 6 自由度ロボットアー

言ム（三菱電機，RV-7FL-D）に同ハンドを取り付けて用いる．ま本稿では，軸状部品を含む例題製品（ギヤユニット）を対象た，アームとハンドはいずれも位置制御により動作し，3.3 節のとして，先行研究 [8] で開発した軸状部品の姿勢変更・アライメ組立戦略に対応した動作があらかじめプログラムされている．

ント機能を備えた汎用ハンドによる，治具レス組立ての実現性

対象部品の初期状態は Fig. 8(b) に示すとおりである．本稿の検証を行った．結果として，シャフトを除く部品の初期位置・では検証の第一段階として，まずは理想的な状態での組立ての姿勢に不確定性がない理想的な状態においては，ギヤユニット実現性に着目するため，原則として部品の初期位置・姿勢には不の治具レス組立てが実現可能であることが確認できた．

確定性を与えないものとする．ただし，同図 (b) 中に示すシャ今後の課題は，大きく二つある．一つ目は，ギヤユニットのフト A，B については，Fig. 9 に示すように初期位置・姿勢誤すべての部品に初期位置・姿勢誤差を与えた状態で実験を行い，差を与える．なお，Fig. 9 の図中に示す OB は，アライメントそうした条件下での治具レス組立ての実現性を確認することで完了時にハンドの中心と一致するシャフト上の点であり，x と yある．二つ目は，その他の軸状部品を含む製品を対象として，提はそれぞれ作業台面に固定された座標系 ΣW の x 軸，y 軸方向

案手法による治具レス組立ての実現性を検証することである．の位置誤差を，θ は OB を通る y 軸と平行な軸と軸状部品の長手方向の軸とが成す角（姿勢誤差）を，それぞれ表す．シャフト

A，B の初期誤差 (x, y, θ) は，それぞれ（−20 [mm], −5 [mm],10 [deg]），（20 [mm], −5 [mm], −10 [deg]）である．また，組立て対象の部品の形状や寸法，質量，重心位置，およびおおよその初期位置・姿勢は既知であるとする．ただし，ベースプレー
トの位置・姿勢については，精確に分かっているものとする．

4. 2 実験結果
実験の様子を Fig. 10 に示す．同図 (a)〜(c) は軸状部品であるシャフトのアライメント，(d)〜(f) はその姿勢変更，(g)〜(l) は把持，および受動回転部と突起部を使ったねじ締めの様子を示しており，(m)〜(n) はカラーの把持・挿入の様子を示している．続く (o)〜(p) は小ギヤの把持・挿入，(q)〜(s) は大ギヤの把持，ギヤのかみ合わせ，および上面からの押し込みによる挿入の様子を示している．さらに，(t)〜(u) はワッシャの把持・挿入，(v)〜(x) はナットの把持・ねじ締めの様子を示している．なお，組立てに要する時間は約 13 分であり，同実験を10 回行った結果，成功率は 100%であった．
以上より，シャフトを除く対象部品の初期位置・姿勢に誤差がない理想的な状態において，2 節で述べた汎用ハンドと 3.3 節

参考文献[ 1 ] 原田研介： 産業用ロボットによる組み立て作業の自動化に関する研究動向 ，精確工学会誌, vol. 84, no. 4, pp. 229–302, 2018.
[ 2 ] Y. Zhang, Y. Koga, and D. Balkcom : “Interlocking Block Assembly With Robots,” Trans. Automat. Sci. Eng., vol. 18, no.
3, pp. 902–916, 2021.
[ 3 ] F. Gosselin, et al. : “Robot Companion, an intelligent interactive robot coworker for the Industry 5.0,” Proc. 2022 IEEE/RSJ
Int. Conf. Intell. Robots Syst., pp. 8918–8925, 2022.
[ 4 ] IROS 2017 robotic grasping and manipulation competition:manufacturing track, https://www.nist.gov/el/intelligent-syste
ms-division-73500/iros-2017robotic-grasping-and-manipulation-competition, Accessed January 9, 2024.
[ 5 ] T. Fukuda, et al. : “Jigless assembly of an industrial productby a universal robotic hand mounted on an industrial robot,”
Robotica, vol. 41, no. 8, pp. 2464–2488, 2023.
[ 6 ] H. Dobashi, et al. : “Robust grasping strategy for assemblingparts in various shapes,” Adv. Robot., vol. 28, no. 15, pp. 1005–1019, 2014.
[ 7 ] H. Dobashi, K. Shibata, and T. Yamaguchi : “Study on Jigless Assembly of Shaft-shaped Parts with an Improved Versatile
Hand with Parallel Stick Fingers,” Proc. 2023 IEEE/SICE Int.
Symp. Syst. Integration, pp. 606–612, 2023.
[ 8 ] K. Shibata and H. Dobashi : “Development of a Versatile
Robotic Hand Toward Jig-less Assembly of a Shaft-Shaped
Part,” IEEE Robot. Automat. Lett., vol. 9, no. 2, pp. 12221229, 2024.の組立戦略により，ギヤユニットの治具レス組立てを実現できることが確認できた．

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