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JP6136829B2 - 組立装置とその制御方法 - Google Patents
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本発明は、組立装置とその制御方法に関する。
スマートフォン等の電子機器は、様々な部品を組み立てることにより製造される。その部品にはケーブルや粘着シート等のような柔軟物も含まれるが、柔軟物の物理特性は部品ごとに異なり、また組立の作業内容も多岐にわたる。そのため、全ての作業において全ての柔軟物をロボットで扱うのは難しい。
仮にロボットを用いる場合には、特定の作業工程において特定の柔軟物を扱うための専用のツールで柔軟物を吸引することが考えられる。但し、そのツールは専用の作業工程に特化したものであるため、他の作業工程でそのツールを使用すると、ツールと電子機器とが干渉し、作業性が悪くなるおそれがある。
また、この方法では作業工程や部品ごとにツールを用意しなければならないため、ツールの設計に手間がかかる。
特開平8−174457号公報 特開2005−306187号公報
組立装置とその制御方法において、複数の作業工程において様々な柔軟物をロボットで扱えるようにすることを目的とする。
以下の開示の一観点によれば、ワークの姿勢を調節可能なステージと、柔軟物を把持する把持部を備えたロボットと、前記柔軟物の第1の法線方向を計算する法線方向計算部と、前記第1の法線方向に前記ワークの第2の法線方向が一致するのに要する前記ワークの前記姿勢の変更量を計算する姿勢計算部と、前記ステージを制御することにより、前記ワークの前記姿勢を前記変更量だけ変更するステージ制御部と、前記ワークの前記姿勢が前記変更量だけ変更された後、前記ロボットを制御することにより、前記ワークに前記柔軟物を組み付けるロボット制御部とを有する組立装置が提供される。
また、その開示の他の観点によれば、ロボットの把持部で把持された柔軟物の第1の法線方向を計算する処理と、ステージに保持されたワークの第2の法線方向が第1の法線方向に一致するのに要する前記ワークの姿勢の変更量を計算する処理と、前記ステージを制御することにより、前記ワークの前記姿勢を前記変更量だけ変更する処理と、前記ワークの前記姿勢を前記変更量だけ変更した後、前記ロボットを制御することにより、前記ワークに前記柔軟物を組み付ける処理とを有する組立装置の制御方法が提供される。
以下の開示によれば、ワークの姿勢を変更してその法線方向を柔軟物のそれに一致させるので、把持部とワークとが干渉する可能性が減り、汎用の把持部を用いて様々な柔軟物を複数の作業工程で扱えるようになる。
図1は、本実施形態に係る組立装置の機能ブロック図である。 図2は、本実施形態に係る組立装置の制御方法について示すフローチャートである。 図3は、本実施形態に係る組立装置の制御方法の各ステップを説明するための模式図(その1)である。 図4は、本実施形態に係る組立装置の制御方法の各ステップを説明するための模式図(その2)である。 図5は、本実施形態に係る組立装置の制御方法の各ステップを説明するための模式図(その3)である。 図6は、本実施形態に係る組立装置の制御方法の各ステップを説明するための模式図(その4)である。 図7は、本実施形態に係る組立装置の制御方法の各ステップを説明するための模式図(その5)である。 図8は、本実施形態に係る組立装置の制御方法の各ステップを説明するための模式図(その6)である。
以下に、本実施形態について図面を参照しながら説明する。
図1は、本実施形態に係る組立装置の機能ブロック図である。
この組立装置1は、スマートフォン等の電子機器の組み立てに使用されるものであって、ロボット部2とそれを制御する制御部3とを有する。
ロボット部2は、ロボット5とその先端に設けられた把持部6とを備え、その把持部6に柔軟物Sが把持される。柔軟物Sは特に限定されないが、以下では電子機器に組み付けられる柔軟性のあるシート状の部品を柔軟物Sとして用いる。そのような柔軟物Sとしては、例えば、電子機器に貼り付けられる粘着テープ等がある。
また、把持部6には二つのツール6aが設けられる。ツール6aは、柔軟物Sをその両主面から挟むようにして把持する。なお、二つのツール6aのうちの一方を省いて一つのツール6aのみで柔軟物Sを把持してもよい。
更に、ロボット部2には、ワークWを吸着して保持するステージ4が設けられる。ワークWは、組立途中の電子機器であり、上記の柔軟物Sが組み付けられる対象となる。
ステージ4は、水平面内に設定されたX-Y直交座標系内において並進移動可能であると共に、ワークWを保持する治具8を有する。治具8は、固定片9、第1のスライド片10、及び第2のスライド片11を備え、固定片9と第1のスライド片10にはそれぞれ円弧状の第1のガイド縁9aと第2のガイド縁10aが設けられる。
これらのガイド縁9a、10aに第1のスライド片10や第2のスライド片11が倣い動作をすることで、ワークWの姿勢を任意に制御することができる。
更に、第2のスライド片11には回転台12が設けられる。回転台12は、第2のスライド片11の主面11aに平行な面内でワークWを回転させる機能を有する。
このロボット部2には視覚センサ33が設けられる。視覚センサ33は、上記のワークWと柔軟物Sを観察するのに使用され、例えばCCD(Charge Coupled Device)カメラを視覚センサ33として使用し得る。
ワークWや柔軟物Sを観察し易い位置に視覚センサ33を移動させるため、視覚センサ33にはセンサ移動部34が設けられる。
センサ移動部34は、水平面内で視覚センサ33を並進移動させることが可能であると共に、視覚センサ33の観察方向Dを調節できる。
一方、制御部3は、物性値入力部21、把持位置入力部22、法線方向計算部23、位置ずれ計算部24、姿勢計算部25、移動量計算部26、及び動作計算部35を有する。これらの各部は、パーソナルコンピュータ等の計算機にアプリケーションソフトウエアをインストールし、その計算機におけるCPUやメインメモリ等が協働してそのアプリケーションソフトウエアを実行することでより実現できる。更に、制御部3には、センサ制御部28、ステージ制御部29、及びロボット制御部30も設けられる。
物性値入力部21と把持位置入力部22はいずれもGUI(Graphical User Interface)で実現され、物性値入力部21にはユーザから柔軟物Sの物性値や形状が入力される。その物性値としては例えば柔軟物Sの曲げ剛性がある。また、形状としては例えば柔軟物Sの厚さや各辺の長さがある。
一方、把持位置入力部22には、ツール6aによって拘束されている柔軟物Sの拘束点Pの位置と、当該拘束点Pにおける柔軟物Sの姿勢とが入力されている。
このうち、拘束点Pの位置としては、その拘束点Pの空間座標(X, Y, Z)が採用される。また、拘束点Pにおける柔軟物Sの姿勢としては、例えば、拘束点Pにおける柔軟物Sの接平面や法線方向がある。
法線方向計算部23は、後述のように有限要素法を用いて柔軟物Sの法線方向n1を計算する。その有限要素法の入力値としては、物性値入力部21から入力された柔軟物Sの物性値と変形前の形状、及び把持位置入力部22から入力された拘束点Pの位置と柔軟物Sの姿勢がある。
また、姿勢計算部25は、ワークWの法線方向n2が柔軟物Sの法線方向n1に一致するのに要するワークWの姿勢の変更量ΔRを計算する。その変更量ΔRとしては、例えば、各法線方向n1、n2の間の角度αを採用し得る。
姿勢計算部25は、移動量計算部26に対して法線方向計算部23から受けた柔軟物Sの法線方向n1を出力すると共に、動作計算部35に対して上記の変更量ΔRを出力する。
移動量計算部26は、姿勢計算部25から受けた法線方向n1に基づいて、視覚センサ33の観察方向Dがその法線方向n1と平行になるのに要する視覚センサ33の移動量を計算する。その移動量には、移動前を基準とした視覚センサ33のX方向とY方向のそれぞれの移動量(ΔX、ΔY)と、移動前を基準とした観察方向Dの角度の変更量Δθが含まれる。
これらの移動量ΔX、ΔY、Δθはセンサ制御部28に出力される。そして、センサ移動部28の制御下において、前述のセンサ移動部34が、各移動量ΔX、ΔY、Δθだけ視覚センサ33を移動させる。
一方、位置ずれ計算部24は、上記のようにして視覚センサ33が各移動量ΔX、ΔY、Δθだけ動いた後、視覚センサ33で観察したワークWと柔軟物Sのそれぞれの観察像に基づいて、ワークSと柔軟物Wとの位置ずれ量ΔLを計算する。
この位置ずれ量ΔLは、位置ずれ信号として動作計算部35に出力される。
動作計算部35は、ワークWに柔軟物Sを組み付ける前におけるこれらの距離を最短にするのに要するステージ4と把持部6との移動量を計算する機能を有する。この計算は、上記の位置ずれ量ΔL、前述の拘束点Pの空間座標(X, Y, Z)、及びワークWの姿勢の変更量ΔRに基づいて行われる。
なお、場合によってはこの機能を動作計算部35から省いてもよい。この場合は、前述の変更量ΔRと位置ずれ量ΔLが動作計算部35からステージ制御部29に出力される。
その変更量ΔRを受けて、ステージ制御部29は、ステージ4を制御することにより変更量ΔRだけワークWの姿勢を変更し、柔軟物SとワークWの各々の法線方向n1、n2を平行にする。
なお、変更後に前述の位置ずれ量ΔLがある場合には、その位置ずれがなくなるようにステージ制御部29がステージ4を並進移動させる。
そして、ロボット制御部30は、ワークWの姿勢が上記の変更量ΔRだけ変更された後、ロボット5を制御することにより、ワークWに柔軟物Sを組み付ける。
次に、この組立装置1の制御方法について説明する。
図2は、本実施形態に係る組立装置の制御方法について示すフローチャートである。
また、図3〜図8は、その制御方法の各ステップを説明するための模式図である。
以下では、ワークWに柔軟物Sを組み付ける作業の一例として、ワークWに粘着テープ等の柔軟物Sを貼り付ける作業について説明する。
図2の最初のステップP1では、図3に示すように、ロボット制御部30の制御下において、部品供給台40の上の柔軟物Sをツール6aが把持する。
次に、ステップP2に移行する。
ステップP2では、図4のようにツール6aから垂れ下がった柔軟物Sの形状を法線方向計算部23が有限要素法により求める。その有限要素法の入力値は、前述のように、柔軟物Sの物性値と変形前の形状、拘束点Pの位置、及び当該拘束点Pにおける柔軟物Sの姿勢である。
ここで、図4に示されるように、ワークWには柔軟物Sが組み付けられる予定の領域Rが設けられる。その領域Rの輪郭は柔軟物Sのそれと同一であり、最終的には領域Rと柔軟物Sの各々の輪郭が一致するように後のステップにおいてワークWに柔軟物Sが貼り付けられることになる。
その領域Rと柔軟物Sとの位置合わせをし易くするために、この例では柔軟物Sの表面と領域Rの各々に第1の点Q1と第2の点Q2とを仮想的に設定する。これらの点Q1、Q2は互いに対応しており、後でワークWに柔軟物Sを張り付ける際には各点Q2、Q2が互いに重ね合わされる。
第1の点Q1の位置は特に限定されない。但し、拘束点Pにおける柔軟物Sの法線方向の向きとの相違が最も大きくなる柔軟物Sの下端に第1の点Q1を設定するのが好ましい。
続いて、ステップP3に移り、図4のように柔軟物Sの第1の点Q1での接平面Fを計算し、更にその接平面Fの法線方向を柔軟物Sの点Q1での法線方向n1と同定する。本ステップは、上記の有限要素法を引き続き用いることで法線方向計算部23が実行する。
次に、ステップP4に移る。
ステップP4においては、姿勢計算部25が、ワークWの第2の法線方向n2(図4参照)が第1の法線方向n1に一致するのに要するワークWの姿勢の変更量ΔRを計算する。
その変更量ΔRは、前述のように、例えば各法線方向n1、n2の間の角度α(図4参照)である。
次に、ステップP5に移り、ステージ制御部29の制御下でステージ4の治具8を制御することにより、ワークWの姿勢を上記の変更量ΔRだけ変更する。これにより、図5に示されるように、ワークWの姿勢が矢印Aのように調節され、柔軟物SとワークWの各々の法線方向n1、n2が互いに平行となる。
また、本ステップではステージ4の治具8のみを動かし、ロボット5とツール6aは移動させずに空間の一点に固定した状態とする。これにより、ツール6aの移動に起因してツール6aがワークWと干渉する可能性が減るため、ワークWと干渉しない専用のツール6aを用意せずに、柔軟物Sの形状等に特化していない汎用のツール6aを用いることが可能となる。
ステップP5を終了した後は、ステップP6とステップP9の両方に移行する。
このうち、ステップP6においては、移動量計算部26が、現状の視覚センサ33の観察方向D(図1参照)を計算する。
そして、ステップP7に移り、移動量計算部26が、観察方向Dが柔軟物Sの第1の法線方向n1(図5参照)と平行になるのに要する視覚センサ33の移動量ΔX、ΔY、Δθを計算する。前述のように、(ΔX、ΔY)は、移動前を基準とした視覚センサ33のX方向とY方向のそれぞれの移動量である。そして、Δθは、移動前を基準とした観察方向Dの角度の変更量である。
次に、ステップP8に移り、センサ制御部28の制御下において、センサ移動部34が上記の移動量ΔX、ΔY、Δθだけ視覚センサ33を移動させる。これにより、視覚センサ33の観察方向Dが、柔軟物Sの第1の法線方向n1と平行になる。
一方、ステップP9においては、柔軟物SとワークWの各々の点Q1、Q2(図5参照)同士を重ねるのに要するステージ4の並進移動量ΔMを計算する。この計算は、例えば、動作計算部35が行う。
次に、ステップP10に移り、ステップP9で計算した移動量ΔMだけステージ4を並進移動させることにより、図6のように柔軟物SとワークWの各々の点Q1、Q2同士を重ね合わせる。
このとき、ステップP5において各法線方向n1、n2を予め平行にしてあるため、柔軟物SとワークWの各々の表面がなす角βは略0°となる。特に、この例のように柔軟物Sの下端に第1の点Q1を設定し、第1の法線方向n1の始点が柔軟物Sの下端になるようにすることで、当該下端とワークWの表面とが実質的に平行となり、上記の角βを限りなく0°に近づけることができる。
また、このようにステージ4を並進移動させることで、各点Q1、Q2同士を重ね合わせるためにツール6aやロボット5を動かす必要がなくなり、ツール6aを空間の一点に固定したままにすることができる。よって、各点Q1、Q2同士を重ねやすくするためにツール6aが柔軟物Sを持ち替える必要がなく、持ち替えのための作業時間を省くことができる。
上記のようにしてステップP8とステップP10を行った後はステップP11に移る。
ステップP11では、図7に示すように、視覚センサ33でワークWと柔軟物Sのそれぞれを観察し、それらの観察像に基づいて、ワークWと柔軟物Sとの位置ずれ量ΔLを計算する。
位置ずれ量ΔLの計算は、位置ずれ計算部24が画像処理により行う。例えば、位置ずれ計算部24がワークWと柔軟物Sの各々の縁部を認識し、これらの縁部同士の間隔に基づいて位置ずれ量ΔLを計算し得る。
また、本実施形態ではステップP8において予め視覚センサ33の観察方向Dを柔軟物Sの第1の法線方向n1に平行にしたので、視覚センサ33によって柔軟物Sをその正面から捉えることができ、位置ずれ量ΔLを認識し易くなる。
なお、位置ずれ量ΔLを更に認識し易くするために、観察方向Dを変えずに、視覚センサ33の視野中心に柔軟物Sの第1の点Q1が位置するように視覚センサ33を移動させるのが好ましい。
そして、ステップP12に移り、上記の位置ずれ量ΔLがなくなるように、ステージ制御部29がステージ4を並進移動させる。
このように視覚センサ33の観察に基づいてワークWと柔軟物Sとの位置ずれを解消させることで、後のステップにおいてワークWに柔軟物Sを精度よく組み付けることができる。
なお、ワークWと柔軟物Sとの位置ずれをなるべく低減するために、ステップP11とステップP12とを繰り返し行うフィードバック制御を行い、ステージ4の位置を微調整するのが好ましい。
その後、ステップP13に移り、ロボット制御部30の制御下でロボット5を制御することにより、図8のようにワークWに柔軟物Sを貼り付ける。
前述のように貼り付け前の柔軟物SとワークWの各々の間の角βは略0°であるため、ワークWとの接触が原因で貼り付け時に柔軟物Sが変形することは殆どない。よって、本ステップでは柔軟物Sの変形に起因したワークWと柔軟物Sとの位置ずれを抑制することができる。
なお、図8のような押さえ部材50をロボット部2に設け、その押さえ部材50で柔軟物Sを上から押さえ付けることにより、ワークWに柔軟物Sが確実に貼り付けられるようにしてもよい。
以上により、本実施形態に係る組立装置の制御方法の基本ステップを終了する。
上記した本実施形態では、ステップP5において各法線方向n1、n2を平行にするために、ツール6aを固定した状態でステージ4のみを移動させるので、汎用のツール6aを用いても当該ツール6aとワークWとが干渉する可能性が少なくなる。
そのため、電子機器を製造する複数の工程や異種の電子機器において一つのツール6aを共通に使用することが可能となり、工程や柔軟物Sの種類ごとに専用のツール6aを用いる必要がなく、ツール6aを交換する手間や時間を省くことができる。
以上説明した各実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
(付記1) ワークの姿勢を調節可能なステージと、
柔軟物を把持する把持部を備えたロボットと、
前記柔軟物の第1の法線方向を計算する法線方向計算部と、
前記第1の法線方向に前記ワークの第2の法線方向が一致するのに要する前記ワークの前記姿勢の変更量を計算する姿勢計算部と、
前記ステージを制御することにより、前記ワークの前記姿勢を前記変更量だけ変更するステージ制御部と、
前記ワークの前記姿勢が前記変更量だけ変更された後、前記ロボットを制御することにより、前記ワークに前記柔軟物を組み付けるロボット制御部と、
を有する組立装置。
(付記2) 前記第1の法線方向は、前記柔軟物の表面の第1の点における法線方向であり、
前記第2の法線方向は、前記ワークの表面において前記第1の点と重ね合わせられる第2の点における法線方向であることを特徴とする付記1に記載の組立装置。
(付記3) 前記法線方向計算部は、前記第1の点における前記柔軟物の接平面を求め、該接平面の法線方向を前記第1の法線方向と同定することを特徴とする付記2に記載の組立装置。
(付記4) 前記法線方向計算部は、有限要素法により前記第1の法線方向を計算することを特徴とする付記1乃至付記3のいずれかに記載の組立装置。
(付記5) 前記ワークと前記柔軟物とを観察する視覚センサと、
前記視覚センサを移動させるセンサ移動部と、
前記視覚センサの観察方向が前記第1の法線方向と平行になるのに要する前記視覚センサの移動量を計算する移動量計算部と、
前記センサ移動部を制御することにより、前記視覚センサを前記移動量だけ移動させるセンサ制御部と、
前記視覚センサを前記移動量だけ移動させた後、前記視覚センサで観察した前記ワークと前記柔軟物のそれぞれの観察像に基づいて、前記ワークと前記柔軟物との位置ずれ量を計算する位置ずれ計算部とを更に有し、
前記ステージ制御部が、前記位置ずれがなくなるように、前記ステージを移動させることを特徴とする付記1乃至付記4のいずれかに記載の組立装置。
(付記6) ロボットの把持部で把持された柔軟物の第1の法線方向を計算する処理と、
ステージに保持されたワークの第2の法線方向が第1の法線方向に一致するのに要する前記ワークの姿勢の変更量を計算する処理と、
前記ステージを制御することにより、前記ワークの前記姿勢を前記変更量だけ変更する処理と、
前記ワークの前記姿勢を前記変更量だけ変更した後、前記ロボットを制御することにより、前記ワークに前記柔軟物を組み付ける処理と、
を有する組立装置の制御方法。
(付記7) 前記第1の法線方向として、前記柔軟物の表面の第1の点における法線方向を採用し、
前記第2の法線方向として、前記ワークの表面において前記第1の点と重ね合わせられる第2の点における法線方向を採用することを特徴とする付記6に記載の組立装置の制御方法。
(付記8) 前記第1の法線方向を計算する処理において、前記第1の点における前記柔軟物の接平面を求め、該接平面の法線方向を前記第1の法線方向と同定することを特徴とする付記7に記載の組立装置の制御方法。
(付記9) 前記第1の法線方向を計算する処理において、有限要素法により前記第1の法線方向を計算することを特徴とする付記6乃至付記8のいずれかに記載の組立装置の制御方法。
(付記10) 前記ワークと前記柔軟物とを観察する視覚センサの観察方向が前記第1の法線方向と平行になるのに要する前記視覚センサの移動量を計算する処理と、
前記視覚センサを前記移動量だけ移動させる処理と、
前記視覚センサを前記移動量だけ移動させた後、前記視覚センサで観察した前記ワークと前記柔軟物のそれぞれの観察像に基づいて、前記ワークと前記柔軟物との位置ずれ量を計算する処理と、
前記位置ずれがなくなるように、前記ステージを移動させる処理とを更に有することを特徴とする付記6乃至付記9のいずれかに記載の組立装置の制御方法。
1…組立装置、2…ロボット部、3…制御部、4…ステージ、5…ロボット、6…把持部、6a…ツール、8…治具、9…固定片、9a…第1のガイド縁、10…第1のスライド片、10a…第2のガイド縁、11…第2のスライド片、11a…主面、12…回転台、21…物性値入力部、22…把持位置入力部、23…法線方向計算部、24…位置ずれ計算部、25…姿勢計算部、26…移動量計算部、28…センサ制御部、29…ステージ制御部、30…ロボット制御部、40…部品供給台、50…押さえ部材、S…柔軟物、W…ワーク、n1、n2…第1及び第2の法線方向、Q1、Q2…第1及び第2の点、F…接平面、D…観察方向。

Claims (5)

  1. ワークの姿勢を調節可能なステージと、
    柔軟物を把持する把持部を備えたロボットと、
    前記柔軟物の第1の法線方向を計算する法線方向計算部と、
    前記第1の法線方向に前記ワークの第2の法線方向が一致するのに要する前記ワークの前記姿勢の変更量を計算する姿勢計算部と、
    前記ステージを制御することにより、前記ワークの前記姿勢を前記変更量だけ変更するステージ制御部と、
    前記ワークの前記姿勢が前記変更量だけ変更された後、前記ロボットを制御することにより、前記ワークに前記柔軟物を組み付けるロボット制御部と、
    を有する組立装置。
  2. 前記法線方向計算部は、有限要素法により前記第1の法線方向を計算することを特徴とする請求項1に記載の組立装置。
  3. 前記ワークと前記柔軟物とを観察する視覚センサと、
    前記視覚センサを移動させるセンサ移動部と、
    前記視覚センサの観察方向が前記第1の法線方向と平行になるのに要する前記視覚センサの移動量を計算する移動量計算部と、
    前記センサ移動部を制御することにより、前記視覚センサを前記移動量だけ移動させるセンサ制御部と、
    前記視覚センサを前記移動量だけ移動させた後、前記視覚センサで観察した前記ワークと前記柔軟物のそれぞれの観察像に基づいて、前記ワークと前記柔軟物との位置ずれ量を計算する位置ずれ計算部とを更に有し、
    前記ステージ制御部が、前記位置ずれがなくなるように、前記ステージを移動させることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の組立装置。
  4. ロボットの把持部で把持された柔軟物の第1の法線方向を計算する処理と、
    ステージに保持されたワークの第2の法線方向が第1の法線方向に一致するのに要する前記ワークの姿勢の変更量を計算する処理と、
    前記ステージを制御することにより、前記ワークの前記姿勢を前記変更量だけ変更する処理と、
    前記ワークの前記姿勢を前記変更量だけ変更した後、前記ロボットを制御することにより、前記ワークに前記柔軟物を組み付ける処理と、
    を有する組立装置の制御方法。
  5. 前記ワークと前記柔軟物とを観察する視覚センサの観察方向が前記第1の法線方向と平行になるのに要する前記視覚センサの移動量を計算する処理と、
    前記視覚センサを前記移動量だけ移動させる処理と、
    前記視覚センサを前記移動量だけ移動させた後、前記視覚センサで観察した前記ワークと前記柔軟物のそれぞれの観察像に基づいて、前記ワークと前記柔軟物との位置ずれ量を計算する処理と、
    前記位置ずれがなくなるように、前記ステージを移動させる処理とを更に有することを特徴とする請求項4に記載の組立装置の制御方法。
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