JPH10249781A - 力制御ロボットおよび工具ホルダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 工具に作用する加工負荷の方向の違いによる
コンプライアンスの大きさのバラツキを解消し、力制御
ロボットによる加工の加工精度の向上を達成する。 【解決手段】 加工対象物に作用させる工具の加工作用
を制御する機能を備えた力制御ロボットの手首部に工具
１０を取り付けるための工具ホルダに生じるコンプライ
アンスが工具１０に作用する少なくとも異なる２方向の
加工負荷に対して工具ホルダに生じるコンプライアンス
がほぼ等しくなるようにコンプライアンス要素１８、１
９、３５ａ、３５ｂ、３６を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、力制御機能を有す
る産業用ロボット（本明細書において、力制御ロボット
という）および工具ホルダに係り、特に、バリ取り作業
や面取り作業での切削量のばらつきをなくすようにした
力制御ロボットおよび工具ホルダに関する。

【０００２】

【従来の技術】鋳造品のバリ取り作業や、工作物の面取
り作業では、産業用ロボットによる自動化が進展してい
る。この種の産業ロボットでは、工具の位置だけではな
く、加工対象物に工具を押し付ける力など工具の加工作
用を制御できる力制御機能を有している。

【０００３】この種の力制御ロボットでは、工具は、ロ
ボットアームの手首部に工具ホルダを用いて装着され
る。図７は、従来の工具ホルダを示す図である。１０
は、空気圧駆動の面取り用の工具で、その回転軸の先端
には刃１１が取り付けられている。この工具１０はホル
ダブロック１２の先端部に装着される。このホルダブロ
ック１２の先端部には、工具１０の胴部を把持する把持
部１３が設けられている。

【０００４】ホルダブロック１２の把持部１３とは反対
側の端部は、力制御ロボットの図示されないホルダ装着
部に接続するための構造を有している。工具ホルダは、
力制御ロボットのホルダ装着部に連結される被装着部で
あるソケット１４を含む。このソケット１４とホルダブ
ロック１２とは、複数のゴムダンパ１８、１９を取り付
けるための二枚の連結プレート１５、１６を介してボル
ト１７によって連結されている。この場合、ゴムダンパ
１８、１９は、ゴムなどの弾性材料からなる中空円筒形
の部材である。ソケット１４側の連結プレート１５の上
部には、ソケット１４の中心回りに対称的な位置の４ヶ
所のゴムダンパ１８が設けられている。同じように上下
に重なり合う位置の、ソケット１４側の連結プレート１
６とホルダブロック１２側の連結プレート１５の間に
は、４つのゴムダンパ１９が介装されている。ボルト１
７は、連結プレート１６の上側からそれぞれゴムダンパ
１８、１９を挿通され、連結プレート１５に締め込むこ
とでゴムダンパ１８、１９が締め付けられるようになっ
ている。

【０００５】このようなゴムダンパ１８、１９は、工具
１０を回転させて、加工対象の工作物を加工する間に生
じる振動をロボットに設けた力センサに伝達しないよう
にする振動伝播防止機能や、加工を開始するときに、工
具１０の刃１１が工作物に接触した瞬間の衝撃を緩和す
る衝撃緩和機能を果たす。

【０００６】また、ゴムダンパ１８、１９は、力制御ロ
ボットおよび工具ホルダの力学系のコンプライアンス要
素でもある。図５は、工具ホルダについて、力学的にモ
デル化して表し、そのコンプライアンスの働き方を説明
する図である。図７におけるゴムダンパ１８、１９は、
ばね係数Ｋのゴムダンパ２０として表されている。

【０００７】工具ホルダ全体のコンプライアンスのう
ち、ゴムダンパ２０の弾性変形によるコンプライアンス
が支配的である。ここで、工具１０の刃１１からの加工
作用点Ｄには、工作物から加工負荷としていろいろな方
向からの力が作用する。たとえば、加工作用点Ｄに、ダ
ンパ２０に対して圧縮する方向の圧力Ｐが加わった場合
を考える。ダンパ２０は、連結プレート１５、１６の間
に３ヶ所あるい４ヶ所接続されているとすれば、ばね係
数は、３Ｋ乃至４Ｋとなる。

【０００８】一方、加工作用点Ｄにモーメント方向の圧
力Ｍが加わった場合を考える。この場合、回転の中心
は、左右のゴムダンパ２０の真ん中で、圧力Ｍの方向と
直角な中心軸Ｃであるとする。圧力Ｍが加工作用点Ｄに
作用し、この中心軸Ｃ回りにモーメントが発生した結
果、単位力あたりのコンプライアンスは、加工作用点Ｄ
と中心軸Ｃとの距離ｂに比例して大きくなる。圧縮方向
からの圧力Ｐによるコンプライアンスと、モーメント方
向からの圧力Ｍによるコンプライアンスとを比較する
と、通常は、圧縮方向のコンプライアンスが小さい。

【０００９】以上は、工具ホルダのコンプライアンスで
あるが、図６は、力制御ロボットにおけるコンプライア
ンスの働き方を示すため、力制御ロボットを力学的にモ
デル化して表現した図である。

【００１０】破線で囲んだ部分がロボットアームの手首
部である。コンプライアンスの影響は、この手首部で大
きい。この手首部に作用する力として、例えば、手首部
の回転軸であるγ軸回りにモーメント方向の圧力Ｍと、
このモーメント方向に直角な、手首を圧縮する方向の圧
力Ｐを考える。モーメント方向の圧力によるコンプライ
アンスは、手首部の長さｄに比例して大きくなる。圧縮
方向の圧力Ｐによるコンプライアンスは、モーメント方
向に比べてかなり小さい。この圧縮方向は、手首部に工
具ホルダを介して工具を持たせた状態では、図５におけ
るコンプライアンスの小さな圧縮方向と同じ方向であ
る。したがって、力制御ロボットが工具１０を操作して
加工を行っているときには、加工負荷の方向によってコ
ンプライアンスがかなり相違する。例えば、図５におい
て、圧縮方向のコンプライアンスは、この圧縮方向に垂
直な平面に沿った他の方向と比べると、２０倍硬いとい
う事例が知られている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】力制御ロボットにおい
て、加工負荷の方向によるコンプライアンスのバラツキ
は、加工精度と直結する。すなわち、力制御ロボットを
制御して、ある一定の量を切削する場合、コンプライア
ンスの大きい方向に加工するときには、目標量よりも少
なく切削され、コンプライアンスの小さい方向に加工す
るときには、目標量よりも多く切削されるという不都合
が生じる。

【００１２】そこで、本発明の目的は、前記従来技術の
有する問題点を解消し、工具に作用する加工負荷の方向
の違いによるコンプライアンスの大きさのバラツキを解
消し、加工精度の向上を達成できるようにした力制御ロ
ボットおよびこの力制御ロボットに工具を取り付けるた
めの工具ホルダを提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、本発明による力制御ロボットは、工具を保持し、
加工対象物に作用させる工具の加工作用を制御する機能
を備えた力制御ロボットであって、工具に作用する少な
くとも異なる２方向の加工負荷に対して、力制御ロボッ
トの力学系に生じるコンプライアンスがほぼ等しいコン
プライアンスになるようにロボットにコンプライアンス
要素を配設したことを特徴とするものである。

【００１４】前記コンプライアンス要素は、それぞれ特
定方向にコンプライアンスを付与するコンプライアンス
要素の組み合わせから構成される。加工対象物の被加工
面に沿った工具の移動に伴い、前記工具に作用し得るい
ずれの方向の加工負荷に対してもほぼ等しいコンプライ
アンスにすることができる。

【００１５】一のコンプライアンス要素は、手首部の部
材間に少なくとも一方向への相対運動を生じさせる移動
機構と、この相対運動に対してバネ作用およびダンパ作
用を与える弾性体とから構成される。

【００１６】好ましい、実施形態によれば、前記移動機
構は、手首部の可動部材の移動を許容するリニアガイド
または手首部の可動部材と固定部材を連結するリンク機
構のうちのいずれから構成される。

【００１７】また、本発明による工具ホルダは、工具を
保持し、加工対象物に作用させる工具の加工作用を制御
する機能を備えた力制御ロボットの手首部に工具を取り
付けるための工具ホルダであって、工具に作用する少な
くとも異なる２方向の加工負荷に対して、工具ホルダに
生じるコンプライアンスがほぼ等しいコンプライアンス
になるようなコンプライアンス要素を備えることを特徴
とする。

【００１８】前記コンプライアンス要素は、例えば、互
いに直交する方向にコンプライアンスを付与するような
コンプライアンス要素の組み合わせから構成される。こ
の組合わせにより、加工対象物の被加工面に沿った工具
の移動に伴い、前記工具に作用し得るいずれの方向の加
工負荷に対してもほぼ等しいコンプライアンスにするこ
とができる。

【００１９】一のコンプライアンス要素は、工具ホルダ
の部材間に少なくとも一方向への相対運動を生じさせる
移動機構と、この相対運動に対してバネ作用およびダン
パ作用を与える弾性体とから構成される。

【００２０】好ましい、実施形態によれば、前記移動機
構は、工具ホルダの可動部材の移動を許容するリニアガ
イドまたは工具ホルダの可動部材と固定部材を連結する
リンク機構のうちのいずれから構成される。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明による力制御ロボッ
トおよび工具ホルダの一実施形態について、添付の図面
を参照して説明する。図１は、本実施の形態による工具
ホルダを示す。この工具ホルダ３０の構成要素のうち、
図７の従来の工具ホルダと同じ構成要素には同一の参照
符号が付されている。

【００２２】力制御ロボットの手首部のホルダ装着部と
連結されるソケット１４には連結プレート１６が固定さ
れている。この工具ホルダ３０では、工具側の連結部材
３２は、プレート３２ａとプレート３２ｂとからなるＬ
字形の部材である。連結プレート１６とこれに対向する
プレート３２ａとが、第１のコンプライアンス要素とし
てのゴムダンパ１８、１９を介して連結されている。第
１のコンプライアンス要素であるゴムダンパ１８、１９
は、ゴムなどの弾性材料からなる中空円筒形の部材であ
る。ソケット１４側の連結プレート１６の上部には、ソ
ケット１４の中心回りに対称的な位置に４ヶ所のゴムダ
ンパ１８が設けられている。同じように上下に重なり合
う位置の、ソケット１４側の連結プレート１６と工具側
のプレート３２ａの間には、４つのゴムダンパ１９が介
装されている。ボルト１７は、連結プレート１６の上側
からそれぞれ上下に重なり合うゴムダンパ１８、１９を
挿通して、連結プレート１５に締め込むことでゴムダン
パ１８、１９が締め付けられるようになっている。

【００２３】この第１のコンプライアンス要素では、工
具１０の刃１１に圧縮方向からの圧力Ｐによるコンプラ
イアンスと、モーメント方向からの圧力Ｍによるコンプ
ライアンスとを比較すると、圧縮方向のコンプライアン
スが小さくなっており、実質的にモーメント方向へのコ
ンプライアンスが付与されるようになっている。

【００２４】工具１０の胴部を把持する把持部１３を有
するホルダブロック３４は、第２のコンプライアンス要
素を介して、ゴムダンパ１９が取り付けられているプレ
ート３２ａと直角をなすプレート３２ｂに対して圧縮方
向に移動可能に取り付けられている。この第２のコンプ
ライアンス要素は、次に説明する移動機構と弾性部材と
から構成されている。

【００２５】この実施の形態では、プレート３２ｂを固
定の部材とし、ホルダブロック３４を可動の部材とし
て、両者の圧縮方向Ｐへの相対運動を生じさせる移動機
構がリニアガイド３５ａ、３５ｂとによって構成されて
いる。プレート３２ｂにリニアガイド３５ａが固定さ
れ、このリニアガイド３５ａの溝にホルダブロック３４
と一体のリニアガイド３５ｂが摺動自在に嵌合するよう
になっている。

【００２６】このリニアガイド３５ａ、３５ｂによっ
て、プレート３２ｂとホルダブロック３４との間で生じ
た圧縮方向Ｐへの相対運動に対してバネ作用およびダン
パ作用を与える弾性体として、ゴムダンパ３６が用いら
れている。このゴムダンパ３６は、ゴムダンパ１８、１
９と同様にゴムなどの弾性材料からなる中空円筒形の部
材である。ホルダブロック３４には、切り欠き３７が形
成されている。ゴムダンパ３６は、切り欠き３７に挿入
されるリミットブロック３８の上下両側に配設されてい
る。リミットブロック３８は、リニアガイド３５ａと一
体的である。相対運動が生じると上下どちらかのゴムダ
ンパ３６が圧縮されて、圧縮方向Ｐにコンプライアンス
が生じる。また、そのゴムダンパ３６は弾性力により運
動を減衰させるダンパ作用を発揮する。

【００２７】工具ホルダ３０では、第１コンプライアン
ス要素のゴムダンパ１８、１９は、主としてモーメント
方向Ｍの方向へのコンプライアンスを付与する。これに
対して、第２コンプライアンス要素は、リニアガイド３
５ａ、３５ｂおよびゴムダンパ３６が圧縮方向Ｐの相対
移動を許容することから、第１コンプライアンス要素を
補充して、主として圧縮方向Ｐの方向へのコンプライア
ンスを付与する。この場合、互いに直交する両方向のコ
ンプライアンスを均一化することは可能である。

【００２８】すなわち、第１および第２コンプライアン
ス要素同士のバネ係数を調整することより、それぞれ直
交する方向へのコンプライアンスを均一化することがで
き、図１に例示したモーメント方向Ｍ、圧縮方向Ｐに限
らず、加工負荷の任意の方向に対するコンプライアンス
をほぼ一定にすることが可能である。

【００２９】次に、図２は、力学系のコンプライアンス
を均一化した力制御ロボットの実施の形態として、工具
ホルダ３０を手首部４０に取り付けた力制御ロボットを
示す。この力制御ロボットは、ベース４１、コラム４
２、アーム４３、手首部４０からなる。その運動の機能
は、図６で示される通りである。ベース座標系Ｘ、Ｙ、
Ｚを図２のように取ると、アーム４３の先端部は、Ｘ方
向に運動する。また、アーム４３全体は、コラム４２に
そってＺ方向に運動する。コラム４２は、Ｙ方向に移動
することができる。手首部４０は、アーム４３の先端部
でγ軸回りに回動することができる。

【００３０】工具ホルダ３０では、前述したようにコン
プライアンスをそれぞれ直交する方向に与える第１およ
び第２コンプライアンス要素を組合わせ、また、そのバ
ネ係数を調整することにより、加工負荷の方向によらず
に、コンプライアンスを一定にすることができるように
なっている。

【００３１】この加工負荷の方向は、加工の形態、工具
の種類、工具１０の工作物に対する姿勢、その他の加工
条件により、様々な方向から作用する。

【００３２】そこで、力制御ロボットの手首部４０に工
具ホルダ３０を介して工具１０を取り付け、ロボットに
対向する工作物Ｗの対向面または工作物Ｗの上面を切削
する作業の場合について、工具１０の加工作用点に作用
する加工負荷について説明する。

【００３３】まず、工作物Ｗの対向面を切削する場合、
工具１０を工作物Ｗの対向面に対して垂直な姿勢を保持
して平行に移動させる。その場合、工具１０の刃１１の
加工作用点にかかる加工負荷の方向は、単純化すれば、
＋Ｘ、−Ｘ方向、＋Ｚ、−Ｚ方向である。

【００３４】前述したように、工具ホルダ３０では、コ
ンプライアンスをそれぞれ直交する方向に与える第１お
よび第２コンプライアンス要素を組合わせ、また、その
バネ係数を調整することより、加工負荷の方向によらず
に、コンプライアンスを一定にすることができる。この
上に、力制御ロボットの有するコンプライアンスの特性
を考慮して、第１および第２コンプライアンス要素のバ
ネ係数を調整すれば、力制御ロボット全体として、それ
ぞれ刃１１に＋Ｘ、−Ｘ方向、＋Ｚ、−Ｚ方向から作用
する加工負荷によるコンプライアンスを均一化すること
が可能である。

【００３５】同様にして、工作物Ｗの上面を切削する場
合、図２において２点鎖線で示すように、、工具１０を
工作物Ｗの上面に対して垂直な姿勢を保持して平行に移
動させる。その場合、工具１０の刃１１の加工作用点に
かかる加工負荷の方向は、単純化すれば、＋Ｘ、−Ｘ方
向、＋Ｙ、−Ｙ方向である。この場合も、これらの方向
から作用するコンプライアンスを均一化できる。

【００３６】次に、工具ホルダの他の実施の形態につい
て説明する。図３は、図１の工具ホルダのリニアガイド
３５ａ、３５ｂの替わりにリンク５０を用い、また、ゴ
ムダンパ３６に替えてコイルスプリングからなる弾性体
５１、５２を用いて、均等のコンプライアンス要素を構
成した形態である。リンク５０、５０の一端は、固定側
の部材であるプレート３２ｂとピン５３、５３を介して
連結され、他端はピン５４、５４を介して可動の部材で
あるホルダブロック３４と連結されて、平行リンクを構
成している。平行リンク機構をリニアガイド３５ａ、３
５ｂに代替した場合、圧縮方向Ｐからの加工負荷に対し
ては、ホルダブロック３４の運動形態は、リニアガイド
３５ａ、３５ｂの直線運動とは異なり、厳密にいえば円
運動になる。しかし、リンク５０でのピン５３、５４の
間の支点距離を長くし、また、移動量も実際には小さい
ことから、近似的にリニアガイド３５ａ、３５ｂによる
場合と同等の直線相対運動を得ることができる。

【００３７】ゴムダンパ３６に代替した弾性体５１、５
２については、この実施形態では、プレート３２ａの上
面と、プレート３２ａの下面とホルダブロック３４の上
端面に３あるいは４ヶ所対称的に配置している。ボルト
５５は、弾性体５１、５２を挿通して、ホルダブロック
３４にネジ込まれ、このボルト５５により弾性体５１、
５２を締め付けることができるようになっている。圧縮
方向Ｐからの加工負荷によってロボット手首部と、ホル
ダブロック３４の間に相対運動が生じると上下どちらか
の弾性体５１、５２が圧縮されて、圧縮方向Ｐにコンプ
ライアンスが生じる。

【００３８】なお、この弾性体５１、５２としては、コ
イルスプリングの他にも板ばね等のコンプライアンスの
特性に応じた適当な弾性体を用いることができる。

【００３９】図４は、他の工具ホルダの実施形態を示
す。この工具ホルダは、工具１０の保持姿勢がこれまで
の実施形態のものと異なり、保持姿勢に対応させて矢印
で示す横方向へのコンプライアンスを付加したものであ
る。この方向へコンプライアンスを生じさせるためのコ
ンプライアンス要素としては、図３の実施形態と同じよ
うにして、移動機構としての平行リンク６０、６０と弾
性体６１が用いられている。

【００４０】平行リンク６０、６０は、ホルダブロック
６２を矢印方向に移動可能なようにプレート６３と連結
する。また、弾性体６１はホルダブロック６２の両側面
とプレート６４との間に介装される。このように、コン
プライアンス要素により、工具ホルダにコンプライアン
スを付加する方向は、工具の取り付け姿勢や、加工の種
類によって異なる加工負荷の方向に対応させるようにす
ればよい。

【００４１】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、従来の
工具ホルダおよびこの工具ホルダを用いて工具を保持し
て加工を行う力制御ロボットでは、工具の作用点にかか
る加工負荷の方向によっては、コンプライアンスのばら
つきが生じ、それに原因した切削量が加工する方向によ
ってばらつく欠点があったが、本発明によれば、コンプ
ライアンスを方向によらずにばらつきを少なくしてほぼ
一定にできるので、力制御ロボットによる加工精度の一
層の向上を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による力制御ロボットに用いる工具ホル
ダの一実施形態を示す正面図。

【図２】工具ホルダを用いて工具を力制御ロボットの手
首部に取り付けた力制御ロボットの作業姿勢を示す図。

【図３】本発明の他の実施形態による工具ホルダの正面
図。

【図４】さらに本発明の他の実施形態による工具ホルダ
の正面図。

【図５】工具ホルダに作用する加工負荷とそのときに発
生するコンプライアンスについて説明する工具ホルダの
模式図。

【図６】力制御ロボットに生じるコンプライアンスにつ
いて説明するロボット力学系の模式図。

【図７】従来の工具ホルダを示す正面図。

【符号の説明】

１０ 工具 １１ 刃 １２ ホルダブロック １３ 把持部 １４ ソケット １５ プレート １６ プレート １８ ゴムダンパ １９ ゴムダンパ ３０ 工具ホルダ ３２ａ，３２ｂ プレート ３４ ホルダブロック ３５ａ，３５ｂ リニアガイド ３６ ゴムダンパ ４０ 手首部 ４３ アーム

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】工具を保持し、加工対象物に作用させる工
   具の加工作用を制御する機能を備えた力制御ロボットで
   あって、 工具に作用する少なくとも異なる２方向の加工負荷に対
   して、力制御ロボットの力学系に生じるコンプライアン
   スがほぼ等しいコンプライアンスになるようにロボット
   にコンプライアンス要素を配設したことを特徴とする力
   制御ロボット。
2. 【請求項２】前記コンプライアンス要素は、それぞれ特
   定方向にコンプライアンスを付与するコンプライアンス
   要素の組み合わせからなり、加工対象物の被加工面に沿
   った工具の移動に伴い、前記工具に作用し得るいずれの
   方向の加工負荷に対してもほぼ等しいコンプライアンス
   を有するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の
   力制御ロボット。
3. 【請求項３】一のコンプライアンス要素は、手首部の部
   材間に少なくとも一方向への相対運動を生じさせる移動
   機構と、この相対運動に対してバネ作用およびダンパ作
   用を与える弾性体とからなることを特徴とする請求項２
   に記載の力制御ロボット。
4. 【請求項４】前記移動機構は、手首部の可動部材の移動
   を許容するリニアガイドまたは手首部の可動部材と固定
   部材を連結するリンク機構のうちのいずれかであること
   を特徴とする請求項３に記載の力制御ロボット。
5. 【請求項５】工具を保持し、加工対象物に作用させる工
   具の加工作用を制御する機能を備えた力制御ロボットの
   手首部に工具を取り付けるための工具ホルダであって、 工具に作用する少なくとも異なる２方向の加工負荷に対
   して、工具ホルダに生じるコンプライアンスがほぼ等し
   いコンプライアンスになるようなコンプライアンス要素
   を備えることを特徴とする工具ホルダ。
6. 【請求項６】前記コンプライアンス要素は、それぞれ特
   定方向にコンプライアンスを付与するコンプライアンス
   要素の組み合わせからなり、加工対象物の被加工面に沿
   った工具の移動に伴い、前記工具に作用し得るいずれの
   方向の加工負荷に対してもほぼ等しいコンプライアンス
   を有するようにしたことを特徴とする請求項５に記載の
   工具ホルダ。
7. 【請求項７】一のコンプライアンス要素は、工具ホルダ
   の部材間に少なくとも一方向への相対運動を生じさせる
   移動機構と、この相対運動に対してバネ作用およびダン
   パ作用を与える弾性体とからなることを特徴とする請求
   項６に記載の工具ホルダ。
8. 【請求項８】前記移動機構は、工具ホルダの可動部材の
   移動を許容するリニアガイドまたは工具ホルダの可動部
   材と固定部材を連結するリンク機構のうちのいずれかで
   あることを特徴とする請求項７に記載の工具ホルダ。