JP6918535B2 - ロボット装置、交換ツール、ロボットアーム、ロボット装置を用いた物品の製造方法、ロボット装置の制御方法、制御プログラムおよび記録媒体 - Google Patents

Description

本発明は操作対象物を操作する操作部を交換可能なロボットハンド、そのロボットハンドの制御方法、そのロボットハンドを用いた組立方法、およびロボット装置に関する。

近年、カメラ、プリンタなどのように小型で複雑な構造を有する工業製品の組立、加工などの作業の自動化が行われている。この種の工業製品に使用される部品は、小型の精密部品が多く、その形状も多種にわたっている。

一方で、同一のロボット装置で多品種製品の生産を連続的に行うことが求められており、製造現場では、ワークの品種や工程の変更に応じてロボット装置のエンドエフェクタやツール類の交換などを含む段取り替えが必要になる場面が増えている。この種のロボット装置の構成変更を作業員が手動で行う場合には労力と作業時間を要するため、可能な限り段取り替えをロボット装置のプログラミングによって行う、いわゆる自動段取り替えへの要求が高まっている。

以上のような事情から、ロボット装置には、小型で簡易な構成で、かつ、多種多様なワークの把持および組立、加工などの作業ができる仕様および性能が要求されている。同時に、ワークの把持および組立や加工などの作業のためのツールを作業員の作業や補助を必要とせず自動的に交換し、最小限の装置構成の変更で自動段取り替えを行え、ロボット装置全体の稼働率を高めることが望まれている。

ロボット装置のツール（エンドエフェクタ）のような操作部、あるいはそれらの構成部の自動交換に関しては、ツールの小型化・軽量化と、ツールないしその構成部の交換時間の短縮、および交換時の取付け精度を高めることが要求されている。ツール（エンドエフェクタ）には、把持／搬送のための（ロボット）ハンド、塗装のためのスプレーガンや溶接機などの種々の装置が含まれ、ワークや工程に応じて（ロボット）アームに対して交換可能に構成される。

また、（ロボット）ハンドのようなツールでは、ワークを取り扱うフィンガ（ピンセットなどと呼ばれる場合もある）の部位が交換できるよう構成される場合もある。特にハンドのフィンガの部位を交換するために、下記の特許文献１や特許文献２に記載されるような構造が提案されている。

例えば、特許文献１のロボットハンドは、ロボットアームの先端に取り付けられたハンド本体としてのコモンベースと、このコモンベースに着脱可能な且つモジュール化された複数のフィンガ（指部材）を有するフィンガユニットとを備えている。コモンベースにフィンガユニットを装着する場合、所定の治具にフィンガユニットを設置し、ロボットアームをフィンガユニットの上方から接近させて、フィンガユニットの上端部に突出状に設けられた１対のロケートピンを、コモンベースの下端部に形成された１対のロケート穴に嵌合し、ロケートピンにロックピンを係合させることで、コモンベースにフィンガユニットを装着している。

特許文献２のロボットハンドは、指部材を有するロボットハンドに着脱可能に装着される交換爪モジュールを備えている。交換爪モジュールには、ロボットハンドの指部材を挿入可能な挿入孔を備え爪部材と、この爪部材を対応する指部材の開閉方向へ移動可能に案内する案内機構と、この案内機構を介して爪部材を支持するフレーム部材とを備えている。そして、ロボットハンドの指部材で交換爪モジュールの爪部材を、把持し交換爪モジュールを支持し、且つ、指部材の駆動力を爪部材に伝達し爪部材を移動させる。

特願２００６−４４６３０号公報 特許第５８９２７６５号

特許文献１のロボットハンドでは、各フィンガユニットに複数の指部材を開閉駆動する為の開閉駆動源が内蔵されているので、製作コストが高価になる。さらに、交換毎にアクチュエータの原点出しを行う必要があるため、交換時間が長くなり作業効率が悪くなる。

特許文献２のロボットハンドでは、ロボットハンドの指部材を介して交換爪モジュールを支持し、且つ、爪部材を移動させてワークを把持する構成である。そのためロボットハンドおよび交換爪モジュールを含めたエンドエフェクタ全体が大型化し、且つ、重量が大きくなるという問題がある。エンドエフェクタ全体が大型且つ重量増加すると、エンドエフェクタ先端の振動が大きくなり、ワークを把持するための位置決め精度が低下するという問題がある。

本発明の目的は、このような課題に着目してなされたものであり、予めモジュール化してあるツール交換モジュールを積極的に脱着交換することで多種多様な部品の把持に対応できるようにした汎用性の高いロボットハンドを提供しようとするものである。

上述の課題を解決するために本発明によれば、ロボットアームに着脱可能な交換ツールを用いて対象物を把持するロボット装置であって、前記ロボットアームは、互いに接近または離間可能な可動部と、前記可動部の所定の設置面に設けられ、前記可動部の動作を伝達する伝達部材と、前記可動部が設けられたロボットアーム側装着面と、を備え、前記交換ツールは、フィンガと、前記フィンガに連結され、前記ロボットアームに前記交換ツールが装着された状態において前記伝達部材と係合され前記可動部と連動して動く連動機構と、前記連動機構が設けられた交換ツール側装着面と、を備え、前記伝達部材の前記設置面からの長さが、前記交換ツールが前記ロボットアームに装着された状態における前記ロボットアーム側装着面と前記交換ツール側装着面との間隔より小さい、ことを特徴とするロボット装置を採用した。

本発明によれば、装着部のハンド部の駆動モジュールとツール交換モジュールがどちらも同じ構成でモジュール化されている。ゆえにツールを機械的な着脱機構により駆動できるので、電気的な着脱機構による駆動で生じる駆動アクチュエータの原点出しを行う必要がなく、交換時間を短くすることができる。

さらに、ツールそのものを交換して駆動するので、新たな爪モジュール等を装着することがなくなりロボットハンドのエンドエフェクタ部分を小型且つ軽量化することができる。

本発明を実施可能なロボットシステムの概略構成の一例を示した説明図である。 図１のロボットシステムの制御系の構成を示したブロック図である。 本発明の実施例１における駆動モジュールを上方から見た斜視図である。 本発明の実施例１における駆動モジュールにツール交換モジュールを装着させた際の透視図である。 図４中のＶＳ面での断面図をツール部材側から見上げた透視図である。 本発明の実施例１における駆動モジュールとツール交換モジュールが互いに結合され駆動伝達ピンが、駆動伝達孔と嵌合した状態の図である。 本発明の実施例１におけるツール交換モジュールを上方から見た斜視図である。 本発明の実施例１におけるツール交換モジュール置台の斜視図である。 本発明の実施例１におけるツール交換モジュールを取得するための接近時の図である。 本発明の実施例１におけるツール交換モジュールの取得時の図である。 本発明の実施例１における駆動伝達部を異ならせた時のツール交換モジュールの上方からの斜視図である。 本発明の実施例１における駆動伝達部を異ならせた時の駆動モジュールの上方からの斜視図である。

以下、添付図面に示す実施例を参照して本発明を実施するための形態につき説明する。なお、以下に示す実施例はあくまでも一例であり、例えば細部の構成については本発明の趣旨を逸脱しない範囲において当業者が適宜変更することができる。

（実施例１）
図１および図２に本発明を実施することができるロボットシステムの構成例を示す。図１は本発明を実施可能なロボットシステムの概略構成の一例を示した説明図である。図１において、ロボットシステム１０は、ロボット装置２０、交換装置５００、およびロボット装置２０と交換装置５００とを制御する制御装置６００とコントローラ６１０を備えている。制御装置６００およびコントローラ６１０は、図１の下部にブロック図として示している。

図２は、制御装置６００およびコントローラ６１０を含む制御系の構造を示している。

図１のロボット装置２０は、アーム１００の先端に取り付けられたハンド２００と、ハンド２００に配されたツール交換モジュール３００ａとによって、操作対象物であるワークＷ（Ｗａ，Ｗｂ）に対する操作を行うことができる。ツール交換モジュール３００ａは、後述するように、ハンド２００側に設けられた駆動モジュール２１０に着脱可能である。

アーム１００は、７つのリンク１０１〜１０７と、これらリンク１０１〜１０７を揺動または回動可能に連結する６つの関節１１１〜１１６とを備えている。本実施例のリンク１０１〜１０７には、長さが固定されたものを採用しているが、例えば、直動アクチュエータにより伸縮可能なリンクを用いてもよい。

図１において、ハンド２００は、アーム１００の最先端のリンク１０７に装着される。リンク１０７に支持されたハンド２００は、アーム１００の動作により位置および姿勢の少なくとも一自由度を変更することができる。ハンド２００は、駆動モジュール２１０、およびツール部材３３０を備えているツール交換モジュール３００ａで構成されている。このツール換モジュール３００ａは、駆動モジュール２１０に対して交換可能であり、別のツール交換モジュール３００ｂと交換できる。アーム１００の位置姿勢およびハンド２００の姿勢の制御とツール部材３３０の開閉動作を組合せることにより、ワークＷに対する作業（操作）を行うことができる。この駆動モジュール２１０は本発明の駆動ユニットに相当する。

本実施例では、駆動モジュール２１０に対して交換可能な操作部としてツール交換モジュール（３００ａもしくは３００ｂ）を考える。例えば、図１に示す状態では、駆動モジュール２１０には第１のツール交換モジュール３００ａを装着している。後述の動作を実行することで、第１のツール交換モジュール３００ａを第２のツール交換モジュール３００ｂに交換することができる。第２のツール交換モジュール３００ｂは、図１の状態では、図中左側のツール置台５１０ｂによって保持されている。以下、ツール交換モジュールの総称という意味でツール交換モジュール３００と呼称する場合がある。このツール交換モジュール３００は本発明のツール交換ユニットに相当する。

組立を行う製品のワークの形状や作業内容が多種多様に存在する場合、ハンド２００で把持、および組み立てするワークＷが異なるので、ワークＷや作業内容に応じて各ツール交換モジュール３００の使い分けを行うことができる。例えば、ツール部材３３０の長さや形状の異なるものを第１、第２（第３…）のツール交換モジュール３００として用意しておき、ワークＷや作業内容に応じて交換することにより、ワークＷや作業内容に最適なツール部材を用いることができる。

なお、駆動モジュール２１０に対して、交換可能な「操作部」は把持用の「フィンガ」に限定されない。例えばフィンガ以外のドライバ、ドリル、溶接機などの作業ツール類が考えられる。これらのツール類が後述する操作部の交換のための機構を有していれば、フィンガのみならず、上記のような任意のツールを装着することもできる。また、操作内容により駆動するツールの本数を増やしても良い。操作部の交換のための機構、特にハンド２００廻りの構成の詳細については後述する。

図２は図１のロボットシステムの制御系の構成を示したブロック図である。ロボットシステム１０の制御部としての制御装置６００は、マイクロプロセッサ素子などを用いたコンピュータにより構成することができる。この制御装置６００により、ロボット装置２０、および交換装置５００を制御することができる。

制御装置６００を構成するコンピュータは、ＣＰＵ６０１、各部を制御するためのプログラムを記憶するＲＯＭ６０２、ＲＡＭ６０３、通信インターフェース（図中ではＩ／Ｆ）６０４などから構成される。このうち、ＲＡＭ６０３はコントローラ６１０の操作による教示点や制御指令などのデータの一時記憶に用いられる。

コントローラ６１０は、例えばティーチングペンダント（ＴＰ）のような操作装置が考えられるが、ロボットプログラムを編集可能な他のコンピュータ装置（ＰＣやサーバ）であってもよい。コントローラ６１０は、制御装置６００に対して有線ないし無線の通信接続手段を介して接続することができ、ロボット操作および状態表示などのユーザインターフェース機能を有する。

ＣＰＵ６０１は、例えばコントローラ６１０で入力された教示点データを通信インターフェース６０４から受信する。また、コントローラ６１０から入力された教示点データに基づきロボット装置２０の各軸の軌道を生成し、通信インターフェース６０４を介して制御目標値としてロボット装置２０に送信することができる。

次に、本実施例において、操作部としてのツール交換モジュール３００を着脱するためのハンド２００周りの構成例につき説明する。本実施例では、ツール部材３３０は２本１組であり、以下ではこの２本のツール部材を有するツール交換モジュール３００を着脱（さらに交換）するための着脱部の構成を示す。

まず、ハンド２００について説明する。図３は本実施例の駆動モジュール２１０を上方から見た斜視図である。ハンド２００のベース１５０には、ツール交換モジュール３００を着脱し駆動力を伝達するための駆動機構が設けられている。

駆動機構として、一対の駆動基台２１１ａ、２１１ｂが各々設けられている。駆動基台２１１ａ、２１１ｂは、ガイドブロック２０４ａ、２０４ｂとガイドレール２０５ａ、２０５ｂとによって構成されたスライドガイドにより直線移動させることができる。

さらに、駆動基台２１１ａ、２１１ｂは２つの水平辺部２１４ａ、２１４ｂにガイドブロック２０４ａ、２０４ｂとビスで固定されている。

駆動基台２１１ａ、２１１ｂの上部（図３から見て）には、駆動伝達ピン２１２ａ、２１２ｂが設けられている。駆動基台２１１ａ、２１１ｂの下部（図３から見て）にはラック２２５ａ、２２５ｂ（図５）を備えている。

図４は駆動モジュール２１０にツール交換モジュール３００を装着させた際の透視図である。図４より、駆動モジュール２１０の内部には駆動機構を駆動するためのモータ２２１が配置されている。モータ２２１の駆動軸に相当するピニオンシャフト２２２の先端にはピニオンギア２２３が設けてある。

図５は図４中の装着面ＶＳ（詳細は後述）での断面図をツール部材側から見上げた透視図である。図５よりピニオンギア２２３には、それぞれラック２２５ａ、２２５ｂが同図で見て上下より噛み合っており、ピニオンギア２２３の正逆回転により、矢印Ａ，Ｂ方向に摺動するように構成されている。すなわちピニオンギア２２３が時計方向に回転するとラック２２５ａ、２２５ｂは互いに接近し（矢印Ａ方向）、ピニオンギア２２３が反時計方向に回転すると、互いに離間する（矢印Ｂ方向）ように制御される。またラック２２５ａ、２２５ｂは、それぞれ駆動基台２１１ａ、２１１ｂと結合されており、上記矢印Ａ，Ｂ方向の摺動により、駆動基台２１１ａ、２１１ｂをガイドレール２０５ａ、２０５ｂに沿って、矢印Ａ，Ｂ方向に移動することが可能である。これによって駆動伝達ピン２１２ａ、２１２ｂの位置を制御することが可能となる。

次に、ハンド側固定部について説明する。図３に示す様にハンド側固定部は２つのロケートピン２４０ａ、２４０ｂで構成されている。一対のロケートピン２４０ａ、２４０ｂと、一対の駆動基台２１１ａ、２１１ｂ及び駆動基台上の駆動伝達ピン２１２ａ、２１２ｂが互い違いにハンド２００の軸心Ｓを中心に円陣配置され、且つロケートピン２４０ａ、２４０ｂの中心を結ぶ直線と、駆動基台２１１ａ、駆動基台２１１ｂの中心を結ぶ直線とが、ほぼ直交するように配置されている。

ロケートピン２４０ａ、２４０ｂは、嵌合軸２４１ａ、２４１ｂ、当接部２４２ａ、２４２ｂを有し、その先端部には中心方向へ移動可能なボール２４３ａ、２４３ｂが備えられている。そしてロケートピン２４０ａ、２４０ｂに圧縮空気を供給もしくは排気することで、ボール２４３ａ、２４３ｂをそれぞれロケートピン２４０ａ、２４０ｂの外周側面に対して進退動作させることができる。

図６は駆動モジュール２１０とツール交換モジュール３００が互いに結合され駆動伝達ピン２１２ａ、２１２ｂが、駆動伝達孔３１７ａ、３１７ｂと嵌合した状態の図である。図４、図６に示すように、ロケートピン２４０ａ、２４０ｂにはエア経路２３２ａ、２３２ｂが設けられている。このエア経路２３２ａ、２３２ｂを介して電磁弁５２１（図１）に接続されている。電磁弁５２１を制御することで、コンプレッサ５２３（図１）からエア経路２３２ａ、２３２ｂを介し圧縮空気の吸気と排気とを切り替えることにより、ボール２４３ａ、２４３ｂを中心方向へ移動させることができる。

このロケートピン２４０ａ、２４０ｂが後述するツール交換モジュール３００側に設けられた嵌合孔３４０ａ、３４０ｂ（図６）と嵌合した状態で圧縮空気を供給し、ボール２４３ａ、２４３ｂが半径方向の外方向へ移動すると、ボール２４３ａ、２４３ｂが段付嵌合孔３４０ａ、３４０ｂの係止部３４３ａ、３４３ｂと係合し、ロケートピン２４０ａ、２４０ｂと段付嵌合孔３４０ａ、３４０ｂとが機械的に結合状態になる。逆に、ボール２４３ａ、２４３ｂが半径方向の内方向へ移動すると、ボール２４３ａ、２４３ｂと係止部３４３ａ、３４３ｂと係合が解除され、ロケートピン２４０ａ、２４０ｂと段付嵌合孔３４０ａ、３４０ｂとが分離可能な状態となる。

次に図７を用いて、ツール交換モジュール３００について説明する。図７はツール交換モジュール３００の斜視図である。ツール交換モジュール３００は、フレーム部材３１１と、このフレーム部材３１１の上面に平行且つ一直線上に配置された、開閉機構として機能する２つのツール支持部材３１４ａ、３１４ｂと、これら２つのツール支持部材３１４ａ、３１４ｂの下端部に固定された２つのツール部材３３０ａ、３３０ｂと、２つのツール支持部材３１４ａ、３１４ｂが平行移動するように案内する案内機構であるガイドレール３２２ａ、３２２ｂとガイドブロック３２２ａ、３２２ｂを備えており、且つ、ツール交換モジュール３００は駆動モジュール２１０に着脱されるものである。

まず、フレーム部材３１１について説明する。フレーム部材３１１は、ロボットアーム１００の軸心Ｓを中心とする円弧状の外形を有し、ツール部材３３０ａ、３３０ｂを支持する２つのツール支持部材３１４ａ、３１４ｂ、段付嵌合孔３４１ａ、３４１ｂを備えている。

フレーム部材３１１には、２つの開口部３１３ａ、３１３ｂが形成されている。ツール支持部材３１４ａ、３１４ｂは、ツール部材３３０ａ、３３０ｂが各開口部３１３ａ、３１３ｂを通るように其々配設されている。各開口部３１３ａ、３１３ｂを挟んでガイドレール３２２ａ、３２２ｂが配置されている。ツール支持部材３１４ａ、３１４ｂは、２組の水平辺部３１５ａ、３１５ｂにガイドブロック３２１ａ、３２１ｂとビスで固定されている。ガイドブロック３２１ａ、３２１ｂはガイドレール３２２ａ、３２２ｂに沿って直線移動させることができ、ツール支持部材３１４ａ、３１４ｂをツール部材３３０ａ、３３０を開閉させるための開閉機構としている。

ツール交換モジュール３００のフレーム部材上面３１１上の、２つの段付嵌合孔３４０ａ、３４０ｂと、２つのツール支持部材３１４ａ、３１４ｂ及び駆動伝達孔３１７ａ、３１７ｂが互い違いにハンド２００の軸心Ｓを中心に円陣配置され、且つ段付嵌合孔３４０ａ、３４０ｂの中心を結ぶ直線と、ツール支持部材３１４ａ、３１４ｂを結ぶ直線が、ほぼ直交するように配置されている。

段付嵌合孔３４０ａ、３４０ｂには、嵌合部３４１ａ、３４１ｂと当接部３４２ａ、３４２ｂ及び係合部３４３ａ、３４３ｂが構成されている。この段付嵌合孔３４０ａ、３４０ｂにロケートピン２４０ａ、２４０ｂが挿入され、まず嵌合部３４１ａ、３４１ｂと嵌合軸２４１ａ、２４１ｂとが嵌合し、ボール２４３ａ、２４３ｂが半径方向の外方向へ移動するとボール２４３ａ、２４３ｂが係止部３４３ａ、３４３ｂと係合し斜め上方向に付勢される。さらに、段付嵌合孔３４０ａ、３４０ｂの当接部３４２ａ、３４２ｂとロケートピン２４０ａ、２４０ｂの当接部２４２ａ、２４２ｂ同志が密着し、ロケートピン２４０ａ、２４０ｂと段付嵌合孔３４０ａ、３４０ｂとが位置が決めされ、機械的に結合状態（クランプ状態）になる。すなわちツール交換モジュール３００が、駆動モジュール２１０に装着された装着状態となる。

逆に、ボール２４３ａ、２４３ｂが半径方向の内方向へ移動すると、ボール２４３ａ、２４３ｂと係止部３４３ａ、３４３ｂとの係合が解除され、ロケートピン２４０ａ、２４０ｂと段付嵌合孔３４０ａ、３４０ｂとが分離可能な状態となる。

また、フレーム部材３１１はツール交換モジュール３００側の実質的な装着面に相当し、複数のビスの下穴および、位置決め孔が設けられており、任意のツールを取り付けることが可能である。

次に、一対のツール支持部材３１４ａ、３１４ｂについて詳しく説明する。図７より、ツール支持部材３１４ａ、３１４ｂの２組の水平辺部３１５ａ、３１５ｂそれぞれにおいて、ガイドブロック３２１ａ、３２１ｂにビスで固定され、且つ、鉛直辺部３１６ａ、３１６ｂが開口部３１３ａ、３１３ｂ内に配設され、フレーム部材３１１を貫通し下面から突出している。

図４、図６の各図において、ツール支持部材３１４ａ、３１４ｂの上部には駆動伝達孔３１７ａ、３１７ｂが設けられ、駆動モジュール２１０とツール交換モジュール３００とが結合されている状態の時には、図５で示すように、駆動伝達ピン２１２ａ、２１２ｂの其々が駆動伝達孔３１７ａ、３１７ｂと嵌合状態になっており、駆動基台２１１ａ、２１１ｂ（駆動機構）の駆動をツール支持部材３１４ａ、３１４ｂ（開閉機構）に伝達している。

駆動基台２１１ａ、２１１ｂが図４の矢印Ａ方向に互いに接近、矢印Ｂ方向に互いに離間すると、駆動伝達ピン２１２ａ、２１２ｂを介してツール支持部材３１４ａ、３１４ｂに駆動力が伝達され、開口部３１３ａ、３１３ｂ内を、矢印Ａ方向に互いに接近、矢印Ｂ方向に互いに離間が可能となる。従って、駆動基台２１１ａ、２１１ｂの位置を制御することで、ツール支持部材３１４ａ、３１４ｂの位置も制御可能となる。

次に、一対のツール部材３３０ａ、３３０ｂについて説明する。図４に示すように、ツール部材３３０ａ、３３０ｂは、ツール支持部材３１４ａ、３１４ｂに固定されているので、駆動伝達ピン２１２ａ、２１２ｂから伝達される駆動力によりツール支持部材３１４ａ、３１４ｂが駆動し、ツール部材３３０ａ、３３０ｂを矢印Ａ方向に互いに接近、矢印Ｂ方向へ互いに離間する直線駆動をさせることができる。

ツール部材３３０ａ、３３０ｂは、上端部に形成された固定部３２１ａ、３２１ｂと、この固定部３２１ａ、３２１ｂの下方へ鉛直に延びるツール部材３３０ａ、３３０ｂとから一体的に形成されている。

この固定部３２１ａ、３２１ｂは、ツール支持部材鉛直辺部３１６ａ、３１６ｂ（図７）に対してビスで固定されている。ツール部材３３０ａ、３３０ｂの下端部には、ツール部材３３０ａ、３３０ｂの開閉方向の矢印Ａ及びＢ方向と直交且つ内側を向いた、ワークと接触する内側把持面と、ツール部材３３０ａ、３３０ｂの開閉方向の矢印Ａ及びＢ方向と直交且つ外側を向いた、ワークと接触する外側把持面が形成されている。

図４より、一対の駆動基台２１１ａ、２１１ｂを閉方向（矢印Ａ方向）へ駆動させることにより、駆動伝達ピン２１２ａ、２１２ｂ及び駆動伝達孔３１７ａ、３１７ｂを介して一対のツール支持部材３１４ａ、３１４ｂが駆動された結果、一対のツール部材３３０ａ、３３０ｂが閉方向（矢印Ａ方向）へ移動して一対のツールの内側把持面の間でワークと接触させることで把持することができる。

前記と逆に一対の駆動基台２１１ａ、２１１ｂを開方向（矢印Ｂ方向）へ駆動することで、駆動伝達ピン２１２ａ、２１２ｂ及び駆動伝達孔３１７ａ、３１７ｂを介して一対のツール支持部材３１４ａ、３１４ｂが駆動された結果、一対のツール部材３３０ａ、３３０ｂが開方向（矢印Ｂ方向）へ移動してワークの把持を解除することができる。

この「把持」とは、ワークの外面を把持する場合と、ワークの内面を内側から押圧して把持する把持操作を含む。

他方、ワークの内面を把持する場合は、２つのツール支持部材３１４ａ、３１４ｂを介して２つのツール部材３３０ａ、３３０ｂを開方向（矢印Ｂ方向）へ駆動させることにより、２つの外側把持面をワークと接触させることでワークの内面を把持することができ、上記と逆に駆動することで、ワークの把持を解除することができる。

また本実施例によれば、ハンド２００に対して作業に応じた種々のツール交換モジュール３００を着脱（交換）するため、その交換動作及び新たなツール交換モジュールの設計を容易とするための考慮がなされている。

すなわち図４に示すように、ハンド部とツール交換モジュールの装着状態においては、その両者を着脱するための機構及び駆動伝達を行う機構とが、それぞれ装着面ＶＳ上に位置するように構成されている。この装着面ＶＳは、ハンド側（駆動モジュール２１０）の装着面となるベース１５０とツール交換モジュール３００側の装着面となるフレーム部材３１１によって構成される装着面を代表して定義したものである。

このような装着面を定義することにより、新たなツール交換モジュールを開発する場合も着脱機構と駆動伝達系の配置の標準化が容易となり、汎用性の高いロボット装置を提供することができる。

尚、ツール部材３３０の形状は一例であり、把持対象となるワークの形状又は姿勢に応じて種々の形状を採用可能である。

次に、本発明のツール交換モジュール３００が駆動モジュール２１０から取り外された際に保管されるツール交換モジュール置台５１０ａ、５１０ｂについて説明する。以下、全てのツール交換モジュール置台の総称という意味でツール交換モジュール置台５１０と呼称する場合がある。

図８は本発明の実施例１におけるツール交換モジュール置台の斜視図である。図８で示すツール置台５１０は、ツール交換モジュール３００を所定の位置決め状態にして姿勢を維持する接地部５１１を備え、さらに接地部５１１の中央には開口部５１２が設けられている。接地部５１１のツール交換モジュール３００を設置する面と反対側には脚部５１３が備えられ、脚部５１３を介してツール置台５１０は床面に固定されている。

図９は本発明の実施例１におけるツール交換モジュールを取得するための接近時の平面図である。ツール交換モジュール３００をツール交換モジュール置台５１０から取得する場合には、図９のようにロボットアーム１００の移動に連動して駆動モジュール２１０がツール置台５１０上に保管されているツール交換モジュール３００の上空に移動し、次に矢印Ｃ方向へツール交換モジュール３００に直線的に接近し、このロケートピン２４０ａ、２４０ｂが段付嵌合孔３４０ａ、３４０ｂに挿入されると同時に、駆動伝達ピン２１２ａ、２１２ｂが駆動伝達孔３１７ａ、３１７ｂに挿入される。

図１０は本発明の実施例１におけるツール交換モジュールの取得時の平面図である。ロケートピン２４０ａ、２４０ｂが段付嵌合孔３４０ａ、３４０ｂに挿入された状態で、ツール交換モジュール３００の位置決めが解除され、電磁弁５２１が作動し、ロケートピン２４０ａ、２４０ｂと段付嵌合孔３４０ａ、３４０ｂで構成される着脱機構内のエアが排気もしくは給気されボール２４３ａ、２４３ｂが外側に移動することで、駆動モジュール２１０にツール交換モジュール３００がクランプされハンド２００が構成される。その後、ロボットアーム１００の移動に連動してハンド２００が矢印Ｄ方向へツール交換モジュール置台５１０上空から直線的に移動する。

ツール交換モジュール３００をツール交換モジュール置台５１０へ保管する場合には、ロボットアーム１００の移動に連動してハンド２００がツール置台５１０上空の所定の位置に移動し、次に矢印Ｄ方向へツール交換モジュール置台５１０に直線的に接近しツール部材３３０ａ、３３０ｂ（３３０ｂは裏側にあるため不図示）を開口部５１２に挿入し、フレーム部材３１０の下面を接地部５１１上の所定の位置まで移動する。

この状態で、電磁弁５２１が作動しロケートピン２４０ａ、２４０ｂと段付嵌合孔３４０ａ、３４０ｂで構成される着脱機構中へエアが給気もしくは排気されボール２４３ａ、２４３ｂが内側に移動することで、駆動モジュール２１０とツール交換モジュール３００のクランプが解除され、ツール交換モジュール３００の位置決めがされることで、ツール交換モジュール３００だけがツール交換モジュール置台５１０上に保管される。その後、ロボットアーム１００の移動に連動して駆動モジュール２１０が矢印Ｄ方向へツール交換モジュール置台５１０上空から直線的に移動する。

次に、本発明のツール交換システムについて説明する。図１に示したように、ツール交換モジュール３００を２つ、あるいはそれ以上用意する。例えば、種々の形状の異なるワークＷ（ＷａやＷｂ）を収納した収納ケース（不図示）からワークを取り出して、ある場所から別の場所に移動させる場合（組み立て工程も含む）、制御装置６００よりロボットアーム１００を制御して、ツール交換モジュール置台５１０ａ上方に駆動モジュール２１０を移動させ、ツール交換モジュール３００ａを取得する。

その後、制御装置６００よりロボットアーム１００を制御して、駆動モジュール２１０およびツール交換モジュール３００ａとで構成されたハンド２００を、収納ケース（不図示）上方へ移動させる。

次に、ハンド２００を把持対象となるワークＷａに向けて下方に移動させ、制御装置６００によりハンド制御回路２２２を介してモータ２２１を駆動させ、駆動基台２１１ａ、２１１ｂを制御し、駆動伝達ピン２１２ａ、２１２ｂ及び駆動伝達孔３１７ａ、３１７ｂを介して、ツール支持部材３１４ａ、３１４ｂ及びツール部材３３０ａ、３３０ｂを制御することでワークＷａを把持する。そして、ハンド２００を収納ケース（不図示）上空へ移動させてワークＷａを取り出す。その後、ロボットアーム１００はワーク置台９００上の目的位置にワークＷａを搬送し、ツール部材３３０ａ、３３０ｂを制御してワークＷａの把持を解除して目的位置に設置する。

次にワークＷｂを把持する場合には、制御装置６００よりロボットアーム１００を制御して、ツール交換モジュール置台５１０ａ上方にハンド２００を移動させ、ツール交換モジュール３００ａをツール交換モジュール置台５１０ａに設置した状態で、ロケートピン２４０ａ、２４０ｂと段付嵌合孔３４０ａ、３４０ｂで構成される着脱機構を作動させてツール交換モジュール３００ａと駆動モジュール２２０を分離状態（アンクランプ状態）にした後に、制御装置６００よりロボットアーム１００を制御して、ツール交換モジュール置台５１０ａ上方に駆動モジュール２２０を移動させる。この時には、ツール交換モジュール３００ａはツール交換モジュール置台５１０ａに保管状態となる。

次に、制御装置６００よりロボットアーム１００を制御して、ツール交換モジュール置台５１０ｂ上方に駆動モジュール２１０を移動させ、前記と同様にツール交換モジュール３００ｂを取得する。次に、制御装置６００よりロボットアーム１００を制御して、ツール交換モジュール３００ｂを装着したハンド２００を、収納ケース（不図示）上方へ移動させる。

次に、ワークＷａと場合と同様に、ハンド２００で把持対象となるワークＷｂを把持し、ワークＷｂを取り出す。そして、ハンド２００を移動させてワーク置台９００上の目的位置にワークＷｂを搬送し、次に、ツール部材を制御してワークＷｂの把持を解除して、目的位置に設置する。

以上実施例１により、このツール交換モジュールを用いたロボットハンドによれば、ツール交換モジュールを２つあるいはそれ以上用意した場合、装着部のハンド部側とツール側がどちらも同じ構成でモジュール化されている（駆動モジュール２１０とツール交換モジュール３００）。また、ハンド部側にモータ等の駆動源を備えてモジュール化している。

ゆえに、各ツール交換モジュールにツール部材を開閉駆動するためのモータ等の駆動源および電気回路等を、其々設ける必要がないので、コストを低減することができ、ロボットハンド全体を小型、且つ、軽量に構成できる。さらに、ツールそのものを交換しているため、先行文献２のようにエンドエフェクタ部が大型化することもない。

また、両者のモジュール化により機械的な着脱機構でツール部材を開閉駆動可能であるため、電機的な着脱機構でツール部材を駆動させる際に生じる交換動作毎のアクチュエータの原点出しを行う必要がなくなる。ゆえにツール交換モジュール交換動作をロボットアームの制御部に１度覚えさせるだけで繰り返し交換が容易になり、交換時間を短くすることができる。またツールの交換により、ワークの形状に適したツールでワークの操作が可能となり、汎用性を高めることができる。

さらに、ハンド部側固定部（ロケートピン２４０ａ、２４０ｂ）と駆動機構（モータ２２１により駆動される駆動基台２１１ａ、２１１ｂ）、ツール交換モジュール側固定部及びツール交換ユニット側固定部（段付嵌合孔３４０ａ、３４０ｂ）と開閉機構（３１４ａ、３１４ｂ）は両者の装着面において互いに専有する領域が重複しないよう略直行に配置されている。そのため、図６のようにリンク１０７とロボット２００との接続箇所からツール交換モジュール３００の先端までのハンド全体の長さＦの内、Ｅの部分を短くできる。従って、ロボットハンド全体を小型且つ軽量化することで、ロボットアーム１００を動作させた時の先端の慣性力も小さくできるのでツール交換モジュール３００の先端の振動が小さくなり、ワークを把持するための位置決め精度が高くするためのロボットアーム１００の制御が容易になる。

なお、本実施例では、２組のツール交換モジュール３００ａ、３００ｂとツール交換モジュール置台５１０ａ、５１０ｂは一例であり、操作対象となるワークの形状と姿勢に応じたツールの種類に合わせて、数を増やすことも可能である。

また、ワークに対して把持だけでなく、塗装や溶接などを行う場合は、適宜ツール部材の指部（３３２ａ、３３２ｂ）を取り外し、用途に合わせたツールに付け替えても良い。

また、本実施例では、駆動モジュール２１０とツール交換モジュール３００との固定部に、圧縮空気でボール２４３ａ、２４３ｂが進退し係合部３４３ａ、３４３ｂと係合することで結合されるボールフランジャ構成で説明したが、電磁石と永久磁石で結合する構成に当事者が任意に変更可能である。

また、図１１のように駆動伝達ピンをツール交換モジュール側（３１８ａ、３１８ｂ）に設け、図１２のように駆動伝達孔を駆動モジュール側（２１６ａ、２１６ｂ）に設けても同様に効果を得ることができる。

本発明は産業用ロボットとして利用可能である。

１０ ロボットシステム
２０ ロボット装置
１００ ロボットアーム
１５０ ベース
２００ ハンド
２２１ モータ
２１０ 駆動モジュール
２１１ａ、２１１ｂ 駆動基台
２１４ａ、２１４ｂ 駆動伝達ピン
２４０ａ、２４０ｂ ロケートピン
３００ ツール交換モジュール
３１４ａ、３１４ｂ ツール支持部材
３１７ａ、３１７ｂ 駆動伝達孔
３４０ａ、３４０ｂ 段付嵌合孔
３３０ａ、３３０ｂ ツール部材
５１０ ツール交換モジュール置台
６００ 制御装置
６１０ コントローラ

Claims (24)

1. ロボットアームに着脱可能な交換ツールを用いて対象物を把持するロボット装置であって、
   前記ロボットアームは、
   互いに接近または離間可能な可動部と、
   前記可動部の所定の設置面に設けられ、前記可動部の動作を伝達する伝達部材と、
   前記可動部が設けられたロボットアーム側装着面と、を備え、
   前記交換ツールは、
   フィンガと、
   前記フィンガに連結され、前記ロボットアームに前記交換ツールが装着された状態において前記伝達部材と係合され前記可動部と連動して動く連動機構と、
   前記連動機構が設けられた交換ツール側装着面と、を備え、
   前記伝達部材の前記設置面からの長さが、前記交換ツールが前記ロボットアームに装着された状態における前記ロボットアーム側装着面と前記交換ツール側装着面との間隔より小さい、
   ことを特徴とするロボット装置。
2. 請求項１に記載のロボット装置において、
   前記ロボットアーム側装着面と前記交換ツール側装着面とを互いに一方向に接近または離間させることで前記交換ツールの着脱を行う、
   ことを特徴とするロボット装置。
3. 請求項２に記載のロボット装置において、
   前記ロボットアーム側装着面には、前記交換ツールを装着状態に維持するロボットアーム側固定部が設けられ、
   前記交換ツール側装着面には、前記ロボットアーム側固定部と係合する交換ツール側固定部が設けられ、
   前記交換ツールが前記ロボットアームに装着された状態では、前記ロボットアーム側固定部と、前記交換ツール側固定部と、前記可動部と、前記連動機構とが位置する面が、前記ロボットアーム側装着面と前記交換ツール側装着面との間に存在している、
   ことを特徴とするロボット装置。
4. 請求項３に記載のロボット装置において、
   前記ロボットアーム側固定部は一対設けられ、
   前記交換ツール側固定部は一対設けられ、
   前記ロボットアーム側装着面において、一対の前記ロボットアーム側固定部が配される方向と前記可動部の動作の方向とが互いに略直行するように、前記ロボットアーム側固定部と前記可動部とが配置され、
   前記交換ツール側装着面において、一対の前記交換ツール側固定部が配される方向と前記可動部の動作の方向とが互いに略直行するように、前記交換ツール側固定部と前記連動機構とが配置されている、
   ことを特徴とするロボット装置。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載のロボット装置において、
   前記連動機構には前記伝達部材と係合する係合部材が設けられており、
   前記伝達部材は、駆動伝達ピンと前記駆動伝達ピンが嵌合する駆動伝達孔のどちらか一方であり、前記係合部材は前記駆動伝達ピンと前記駆動伝達孔の他方である、
   ことを特徴とするロボット装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載のロボット装置において、
   前記可動部と前記連動機構が、ガイドレールとガイドブロックで構成されたスライドガイドで構成されている、
   ことを特徴とするロボット装置。
7. 請求項３または４に記載のロボット装置において、
   前記ロボットアーム側固定部と前記交換ツール側固定部が、空気により着脱可能なボールプランジャで構成されている、
   ことを特徴とするロボット装置。
8. 請求項３または４に記載のロボット装置において、
   前記伝達部材の前記設置面からの長さは、前記ロボットアーム側固定部の前記ロボットアーム側装着面からの長さよりも小さい、
   ことを特徴とするロボット装置。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載のロボット装置を用いて物品の製造を行うことを特徴とする物品の製造方法。
10. ロボットアーム側装着面を備えたロボットアームに着脱可能な、交換ツール側装着面を備えた交換ツールであって、
    フィンガと、
    前記フィンガに連結され、前記ロボットアームに装着された状態において、前記ロボットアーム側装着面に設けられた互いに接近または離間可能な可動部と連結されることで前記可動部と連動して動く連動機構と、
    前記連動機構の所定の設置面に設けられ、前記可動部と係合する係合部材と、を備え、
    前記係合部材の前記設置面からの長さが、前記交換ツールが前記ロボットアームに装着された状態における前記ロボットアーム側装着面と前記交換ツール側装着面との間隔より小さい、
    ことを特徴とする交換ツール。
11. 請求項１０に記載の交換ツールにおいて、
    前記ロボットアーム側装着面と前記交換ツール側装着面とを互いに一方向に接近または離間させることで前記交換ツールの着脱が行われる、
    ことを特徴とする交換ツール。
12. 請求項１１に記載の交換ツールにおいて、
    前記交換ツール側装着面には、前記交換ツールを装着状態に維持するロボットアーム側固定部と係合する交換ツール側固定部が設けられ、
    前記交換ツールが前記ロボットアームに装着された状態では、前記ロボットアーム側固定部と、前記交換ツール側固定部と、前記可動部と、前記連動機構とが位置する面が、前記ロボットアーム側装着面と前記交換ツール側装着面との間に存在する、
    ことを特徴とする交換ツール。
13. 請求項１２に記載の交換ツールにおいて、
    前記交換ツール側固定部は一対設けられ、
    前記交換ツール側装着面において、一対の前記交換ツール側固定部が配される方向と前記可動部の動作の方向とが互いに略直行するように、前記交換ツール側固定部と前記連動機構とが配置されている、
    ことを特徴とする交換ツール。
14. ロボットアームに着脱可能な交換ツールを用いて対象物を把持するロボット装置の制御方法あって、
    前記ロボットアームは、
    互いに接近または離間可能な可動部と、
    前記可動部の所定の設置面に設けられ、前記可動部の動作を伝達する伝達部材と、
    前記可動部が設けられたロボットアーム側装着面と、を備え、
    前記交換ツールは、
    フィンガと、
    前記フィンガに連結され、前記ロボットアームに前記交換ツールが装着された状態において前記伝達部材と係合され前記可動部と連動して動く連動機構と、
    前記連動機構が設けられた交換ツール側装着面と、備え、
    前記伝達部材の前記設置面からの長さが、前記交換ツールが前記ロボットアームに装着された状態における前記ロボットアーム側装着面と前記交換ツール側装着面との間隔より小さく、
    前記ロボットアームを制御する制御装置が、前記可動部の動作を制御することで前記連動機構を制御し前記フィンガを制御する、
    ことを特徴とする制御方法。
15. 請求項１４に記載の制御方法において、
    前記制御装置が、
    前記ロボットアーム側装着面を前記交換ツール側装着面に対して一方向に接近または離間させることで前記交換ツールの着脱を行う、
    ことを特徴とする制御方法。
16. 請求項１５に記載の制御方法において、
    前記ロボットアーム側装着面には、前記交換ツールを装着状態に維持するロボットアーム側固定部が設けられ、
    前記交換ツール側装着面には、前記ロボットアーム側固定部と係合する交換ツール側固定部が設けられ、
    前記制御装置が、
    前記ロボットアーム側装着面を前記交換ツール側装着面に対して一方向に接近または離間させ、
    前記ロボットアーム側固定部と前記交換ツール側固定部とを係合または解除することで前記交換ツールの着脱を行う、
    ことを特徴とする制御方法。
17. 請求項１６に記載の制御方法において、
    前記ロボットアーム側固定部と前記交換ツール側固定部は、空気により着脱可能なボールプランジャで構成され、
    前記制御装置が、
    前記空気の流入により前記ボールプランジャを動作させ、前記ロボットアーム側固定部と前記交換ツール側固定部とを係合させる、
    ことを特徴とする制御方法。
18. 請求項１６または１７に記載の制御方法において、
    前記交換ツールが前記ロボットアームに装着された状態では、前記ロボットアーム側固定部と、前記交換ツール側固定部と、前記可動部と、前記連動機構とが位置する面が、前記ロボットアーム側装着面と前記交換ツール側装着面との間に存在する、
    ことを特徴とする制御方法。
19. 請求項１４から１８のいずれか１項に記載の制御方法において、
    前記連動機構には前記伝達部材と係合する係合部材が設けられており、
    前記伝達部材は、駆動伝達ピンと前記駆動伝達ピンが嵌合する駆動伝達孔のどちらか一方であり、前記係合部材は、前記駆動伝達ピンと前記駆動伝達孔の他方であり、
    前記制御装置が、
    前記駆動伝達ピンと前記駆動伝達孔とを嵌合することで、前記可動部と前記連動機構とが連結される、
    ことを特徴とする制御方法。
20. 請求項１６から１８のいずれか１項に記載の制御方法において、
    前記伝達部材の前記設置面からの長さは、前記ロボットアーム側固定部の前記ロボットアーム側装着面からの長さよりも小さい、
    ことを特徴とする制御方法。
21. 請求項１４から２０のいずれか１項に記載の制御方法を実行可能な制御プログラム。
22. 請求項２１に記載の制御プログラムを格納したコンピュータで読み取り可能な記録媒体。
23. フィンガと前記フィンガに連結された連動機構と交換ツール側装着面とを備えた交換ツールを着脱可能な、ロボットアーム側装着面を備えたロボットアームであって、
    互いに接近または離間可能な可動部と、
    前記可動部の所定の設置面に設けられ、前記可動部の動作を前記連動機構に伝達する伝達部材と、
    前記可動部が設けられたロボットアーム側装着面と、を備え
    前記伝達部材の前記設置面からの長さが、前記交換ツールが前記ロボットアームに装着された状態における前記ロボットアーム側装着面と前記交換ツール側装着面との間隔より小さい、
    ことを特徴とするロボットアーム。
24. 請求項２３に記載のロボットアームにおいて、
    前記ロボットアーム側装着面には、前記交換ツールを装着状態に維持するために交換ツール側固定部と係合するロボットアーム側固定部が設けられ、
    前記交換ツールが前記ロボットアームに装着された状態では、前記ロボットアーム側固定部と、前記交換ツール側固定部と、前記可動部と、前記連動機構とが位置する面が、前記ロボットアーム側装着面と前記交換ツール側装着面との間に存在している、
    ことを特徴とするロボットアーム。

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