特許 7133987 エンドエフェクタ、およびこれを備える建設作業用ロボット

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-09-01

(45)【発行日】2022-09-09

(54)【発明の名称】エンドエフェクタ、およびこれを備える建設作業用ロボット

(51)【国際特許分類】

   E04G 21/16 20060101AFI20220902BHJP

   B25J 15/00 20060101ALI20220902BHJP

【ＦＩ】

E04G21/16

B25J15/00 Z

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2018107145

(22)【出願日】2018-06-04

(65)【公開番号】P2019210684

(43)【公開日】2019-12-12

【審査請求日】2021-05-26

(73)【特許権者】

【識別番号】000002299

【氏名又は名称】清水建設株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】谷 卓

(72)【発明者】

【氏名】五十嵐 俊介

【審査官】山口 敦司

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－１１０４６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－３４４２３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－０５７５４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－０５５５２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／２３５２０４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１７／１０４０２７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１３／００５３３０（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｅ０４Ｇ ２１／１６

Ｅ０４Ｇ ２１／１８

Ｂ２５Ｊ １１／００ー１５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

制御手段によって制御可能に構成されるとともに、変更手段の先端に着脱自在に取り付けられ、ねじ付き部材を把持してねじ穴部材に挿入して螺合するために用いられるエンドエフェクタであって、
前記ねじ付き部材をその軸線回りに回転可能に把持する把持手段と、前記ねじ付き部材をその軸線回りに回転させる回転手段と、前記ねじ付き部材をその軸線に沿って直線的に移動させる直線移動手段と、前記ねじ穴部材の位置および方向を検出する検出手段とを備え、
前記制御手段が、前記検出手段で検出した前記ねじ穴部材の位置および方向に基づいて、前記変更手段を制御して前記ねじ付き部材を前記ねじ穴部材と同一軸上の近傍に対向配置した後、前記直線移動手段を制御して前記ねじ付き部材を前記ねじ穴部材に向けて進出させて、前記ねじ付き部材の先端を前記ねじ穴部材に挿入し、前記回転手段を制御して前記ねじ付き部材をその軸線回りに回転させることによって、前記ねじ付き部材を前記ねじ穴部材に挿入して螺合させるものであり、
前記把持手段は、前記回転手段の回転軸に連結した駆動ローラと、この駆動ローラの回転軸と平行な回転軸回りにそれぞれ回転する少なくとも２つの押えローラによって構成され、前記駆動ローラおよび前記押えローラは、平行チャックの開閉動作で互いに接離することを特徴とするエンドエフェクタ。

【請求項2】

請求項１に記載のエンドエフェクタを備えることを特徴とする建設作業用ロボット。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、例えば天井工事における吊りボルトの取り付け作業に好適なエンドエフェクタおよび部材取り付け方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来の建物の天井工事において、天井吊りボルトや天井ボードの取り付け施工が行われている。こうした施工作業は、通常、作業員が高所作業車や足場等を利用して上向きの手作業により行っている。一般に、天井吊りボルトの取り付け数量は多く、足場等の移動と高所でのボルト締結作業を多数回繰り返す必要がある。

【0003】

このような作業員の負担を軽減するために、本特許出願人は、既に特許文献１に記載の建設作業用ロボットを提案している。この建設作業用ロボットは、吊りボルト（雄ねじ）をインサート（雌ねじ）に挿入して天井吊り材を固定するものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１７－１１０４６６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記の特許文献１に記載の建設作業用ロボットによる作業の効率化を図るために、吊りボルトの先端をインサート設置位置に導いた後に、吊りボルトを把持しながらインサートに挿入するまでの作業を短時間で行うことが望まれていた。

【0006】

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ねじ付き部材を把持してねじ穴部材に挿入するまでの作業を効率的に行うためのエンドエフェクタおよび部材取り付け方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るエンドエフェクタは、ねじ付き部材を把持してねじ穴部材に挿入して螺合するために用いられるエンドエフェクタであって、ねじ付き部材をその軸線回りに回転可能に把持する把持手段と、ねじ付き部材をその軸線回りに回転させる回転手段と、ねじ付き部材をその軸線に沿って直線的に移動させる直線移動手段と、ねじ穴部材の位置および方向を検出する検出手段と、ねじ穴部材に対するねじ付き部材の位置および方向を変更する変更手段と、これらの手段を操作制御する制御手段とを備え、制御手段は、検出手段で検出したねじ穴部材の位置および方向に基づいて、変更手段を制御してねじ付き部材をねじ穴部材と同一軸上の近傍に対向配置した後、直線移動手段を制御してねじ付き部材をねじ穴部材に向けて進出させて、ねじ付き部材の先端をねじ穴部材に挿入し、回転手段を制御してねじ付き部材をその軸線回りに回転させることによって、ねじ付き部材をねじ穴部材に挿入して螺合させるものであることを特徴とする。

【0008】

また、本発明に係る他のエンドエフェクタは、上述した発明において、把持手段は、回転手段の回転軸に連結した駆動ローラと、この駆動ローラの回転軸と平行な回転軸回りにそれぞれ回転する少なくとも２つの押えローラによって構成されることを特徴とする。

【0009】

また、本発明に係る建設作業用ロボットは、上述したエンドエフェクタを備えることを特徴とする。

【0010】

また、本発明に係る部材取り付け方法は、上述したエンドエフェクタを用いて、ねじ付き部材をねじ穴部材に取り付ける方法であって、把持手段でねじ付き部材を把持するステップと、検出手段でねじ穴部材の位置および方向を検出するステップと、検出手段で検出したねじ穴部材の位置および方向に基づいて、把持したねじ付き部材を変更手段でねじ穴部材と同一軸上の近傍に対向配置するステップと、対向配置したねじ付き部材を直線移動手段でねじ穴部材に向けて進出させて、ねじ付き部材の先端をねじ穴部材に挿入するステップと、回転手段でねじ付き部材をその軸線回りに回転させることによって、ねじ付き部材をねじ穴部材に挿入して螺合させるステップとを備えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0011】

本発明に係るエンドエフェクタによれば、ねじ付き部材を把持してねじ穴部材に挿入して螺合するために用いられるエンドエフェクタであって、ねじ付き部材をその軸線回りに回転可能に把持する把持手段と、ねじ付き部材をその軸線回りに回転させる回転手段と、ねじ付き部材をその軸線に沿って直線的に移動させる直線移動手段と、ねじ穴部材の位置および方向を検出する検出手段と、ねじ穴部材に対するねじ付き部材の位置および方向を変更する変更手段と、これらの手段を操作制御する制御手段とを備え、制御手段は、検出手段で検出したねじ穴部材の位置および方向に基づいて、変更手段を制御してねじ付き部材をねじ穴部材と同一軸上の近傍に対向配置した後、直線移動手段を制御してねじ付き部材をねじ穴部材に向けて進出させて、ねじ付き部材の先端をねじ穴部材に挿入し、回転手段を制御してねじ付き部材をその軸線回りに回転させることによって、ねじ付き部材をねじ穴部材に挿入して螺合させるものであるので、ねじ付き部材を把持してねじ穴部材に挿入するまでの作業に掛かる時間が短縮され、取り付け作業を効率的に行うことができるという効果を奏する。

【0012】

また、本発明に係る他のエンドエフェクタによれば、把持手段は、回転手段の回転軸に連結した駆動ローラと、この駆動ローラの回転軸と平行な回転軸回りにそれぞれ回転する少なくとも２つの押えローラによって構成されるので、簡単な構成によって、ねじ付き部材を把持する機能と回転させる機能を実現することができるという効果を奏する。

【0013】

また、本発明に係る建設作業用ロボットによれば、上述したエンドエフェクタを備えるので、建設作業用ロボットによる取り付け作業の効率化を図ることができるという効果を奏する。

【0014】

また、本発明に係る部材取り付け方法によれば、上述したエンドエフェクタを用いて、ねじ付き部材をねじ穴部材に取り付ける方法であって、把持手段でねじ付き部材を把持するステップと、検出手段でねじ穴部材の位置および方向を検出するステップと、検出手段で検出したねじ穴部材の位置および方向に基づいて、把持したねじ付き部材を変更手段でねじ穴部材と同一軸上の近傍に対向配置するステップと、対向配置したねじ付き部材を直線移動手段でねじ穴部材に向けて進出させて、ねじ付き部材の先端をねじ穴部材に挿入するステップと、回転手段でねじ付き部材をその軸線回りに回転させることによって、ねじ付き部材をねじ穴部材に挿入して螺合させるステップとを備えるので、ねじ付き部材を把持してねじ穴部材に挿入するまでの作業に掛かる時間が短縮され、取り付け作業を効率的に行うことができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】図１は、本発明に係るエンドエフェクタの実施の形態を示す正面図である。

【図2】図２は、本発明に係るエンドエフェクタの実施の形態を示す側面図である。

【図3】図３は、図２のＡ－Ａ線に沿った上面図である。

【図4】図４は、本発明に係るエンドエフェクタの実施の形態を示す下面図であり、（１）は把持手段を閉じた場合、（２）は把持手段を開いた場合である。

【図5】図５は、図４（１）のＢ－Ｂ線に沿った断面図である。

【図6】図６は、吊りボルトの挿入状況を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下に、本発明に係るエンドエフェクタおよび部材取り付け方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

【0017】

図１に示すように、本実施の形態に係るエンドエフェクタ１０は、吊りボルト１２（ねじ付き部材）を把持してインサート１４（ねじ穴部材）に挿し込むために用いられるものである。このエンドエフェクタ１０は、上述したような建設作業用ロボットのマニュピレータ（ロボットアーム）の先端に着脱自在に取り付けられる。

【0018】

図１～図３に示すように、このエンドエフェクタ１０は、本体１６と、本体１６の一方側に設けられた２つの押えローラ１８と、駆動ローラ２０（把持手段）を備えている。押えローラ１８と駆動ローラ２０の支持軸１８Ａ、２０Ａ（回転軸）は互いに平行に配置されており、図３に示すように、各軸心位置は軸方向視で二等辺三角形の頂点に位置している。

【0019】

図４および図５に示すように、押えローラ１８の支持軸１８Ａは、平行チャック２２に軸心回りに回転自在に固定されている。平行チャック２２は、本体１６に対して軸垂直方向（図４の上下方向）に移動可能に固定されている。押えローラ１８は、平行チャック２２の開閉動作で互いに接離する方向に移動可能である。図４（１）に示すように、吊りボルト１２を押えローラ１８と駆動ローラ２０との間に配置して平行チャック２２を閉じると、２つの押えローラ１８が互いに接近する。これにより、吊りボルト１２は外周面の三方を２つの押えローラ１８と駆動ローラ２０とに挟まれて把持される。逆に、図４（２）に示すように、平行チャック２２を開くと、２つの押えローラ１８が互いに離間する。これにより、吊りボルト１２の把持が解放される。

【0020】

図２および図３に示すように、駆動ローラ２０は、押えローラ１８とともに吊りボルト１２を把持して、吊りボルト１２に回転力を与えるために用いられる。図２に示すように、駆動ローラ２０の支持軸２０Ａは、減速機２４を介してサーボモータ２６（回転手段）の出力軸と接続している。サーボモータ２６が回転すると減速機２４を介して駆動ローラ２０が回転し、把持された吊りボルト１２が回転するようになっている。押えローラ１８、駆動ローラ２０、減速機２４、サーボモータ２６により、吊りボルト１２の把持と締め込みに関わる把持締結機構２８が構成される。このような簡単な構成によって、吊りボルト１２を把持する機能と回転させる機能を実現することができる。

【0021】

一方、本体１６の他方側には、図２および図３に示すように、リニアガイド３０と、エアシリンダ３２（直線移動手段）が設けられている。リニアガイド３０とエアシリンダ３２のロッド３２Ａは、駆動ローラ２０の支持軸２０Ａと平行に延びている。エアシリンダ３２のロッド３２Ａを伸張すると、リニアガイド３０に沿って把持締結機構２８を含む本体１６の一方側が移動するようになっている。これにより、押えローラ１８、駆動ローラ２０、減速機２４、サーボモータ２６からなる把持締結機構２８を吊りボルト１２の差し込み方向にスライドさせることが可能となる。

【0022】

また、この本体１６の一方側には、カメラセンサ３４と二次元センサ３６（検出手段）がアーム３８を介して設けられている。カメラセンサ３４と二次元センサ３６によって、インサート１４のねじ穴１４Ａの開口位置（位置）と傾き（方向）を検出することができる。

【0023】

上述したように、このエンドエフェクタ１０は、建設作業用ロボットのマニュピレータの先端に着脱自在に取り付けられる。このマニュピレータは、エンドエフェクタ１０の位置および傾き（方向）を変更する本発明の変更手段として機能する。

【0024】

上記の把持締結機構２８、エアシリンダ３２、カメラセンサ３４、二次元センサ３６、マニュピレータは、図示しない制御手段によって操作制御される。

【0025】

上記構成の動作および作用について説明する。
まず、吊りボルト１２を把持する位置にエンドエフェクタ１０を移動させ、押えローラ１８、駆動ローラ２０の間に吊りボルト１２を配置した後、平行チャック２２を閉操作し、図１に示すように、押えローラ１８、駆動ローラ２０で吊りボルト１２を把持する。

【0026】

続いて、図示しないマニュピレータを操作して、エンドエフェクタ１０をインサート１４の下側の近傍に配置するとともに、カメラセンサ３４、二次元センサ３６が上側を向くようにエンドエフェクタ１０の姿勢を調整する。カメラセンサ３４、二次元センサ３６によって、インサート１４のねじ穴１４Ａの位置と傾きを検出する。制御手段はこの検出結果に基づいてマニュピレータを操作して、把持する吊りボルト１２の軸がインサート１４のねじ穴１４Ａと同一軸上の近傍に対向配置されるように、エンドエフェクタ１０の姿勢を調整する。仮にインサート１４が傾いていたら、吊りボルト１２も同様に傾けることになる。

【0027】

例えば、インサート１４のねじ穴１４Ａの軸が鉛直方向に向いている場合は、インサート１４の下方に吊りボルト１２を同軸上に配置した状態で、エアシリンダ３２のロッド３２Ａを伸張する。これにより、リニアガイド３０に沿って把持締結機構２８が吊りボルト１２とともにインサート１４に向けて上昇し、図６（１）に示すように、吊りボルト１２の先端がねじ穴１４Ａに入り込む。続いて、エアシリンダ３２のロッド３２Ａを延伸させながらサーボモータ２６を駆動すると、駆動ローラ２０とともに吊りボルト１２が回転する。吊りボルト１２の雄ねじ部がインサート１４の雌ねじ部に螺合することによって、吊りボルト１２がインサート１４に固定される。

【0028】

一方、インサート１４のねじ穴１４Ａの軸が鉛直方向から傾いている場合は、インサート１４の下方に吊りボルト１２を配置するとともにその姿勢を傾けてインサート１４と吊りボルト１２が同軸上になるように配置した後、エアシリンダ３２のロッド３２Ａを伸張する。これにより、リニアガイド３０に沿って把持締結機構２８が吊りボルト１２とともにインサート１４に向けて上昇し、図６（２）に示すように、吊りボルト１２の先端がねじ穴１４Ａに入り込む。続いて、エアシリンダ３２のロッド３２Ａを延伸させながらサーボモータ２６を駆動すると、駆動ローラ２０とともに吊りボルト１２が回転する。吊りボルト１２の雄ねじ部がインサート１４の雌ねじ部に螺合することによって、吊りボルト１２がインサート１４に固定される。

【0029】

吊りボルト１２を取り付けた後は、押えローラ１８を開き、図示しないマニュピレータ（ロボットアーム）を操作してエンドエフェクタ１０を一旦、基本位置（ホームポジション）に戻し、次の吊りボルト１２を取り付ける作業を行う。これを全ての吊りボルト１２の取り付け作業が終了するまで繰り返す。

【0030】

このように、本実施の形態のエンドエフェクタ１０を用いた方法によれば、吊りボルト１２を把持してインサート１４に取り付けるまでの作業に掛かる時間が短縮され、取り付け作業を効率的に行うことができる。これにより、建設作業の省力化・省人化を図ることが可能となる。

【0031】

以上説明したように、本発明に係るエンドエフェクタによれば、ねじ付き部材を把持してねじ穴部材に挿入して螺合するために用いられるエンドエフェクタであって、ねじ付き部材をその軸線回りに回転可能に把持する把持手段と、ねじ付き部材をその軸線回りに回転させる回転手段と、ねじ付き部材をその軸線に沿って直線的に移動させる直線移動手段と、ねじ穴部材の位置および方向を検出する検出手段と、ねじ穴部材に対するねじ付き部材の位置および方向を変更する変更手段と、これらの手段を操作制御する制御手段とを備え、制御手段は、検出手段で検出したねじ穴部材の位置および方向に基づいて、変更手段を制御してねじ付き部材をねじ穴部材と同一軸上の近傍に対向配置した後、直線移動手段を制御してねじ付き部材をねじ穴部材に向けて進出させて、ねじ付き部材の先端をねじ穴部材に挿入し、回転手段を制御してねじ付き部材をその軸線回りに回転させることによって、ねじ付き部材をねじ穴部材に挿入して螺合させるものであるので、ねじ付き部材を把持してねじ穴部材に挿入するまでの作業に掛かる時間が短縮され、取り付け作業を効率的に行うことができる。

【0032】

また、本発明に係る他のエンドエフェクタによれば、把持手段は、回転手段の回転軸に連結した駆動ローラと、この駆動ローラの回転軸と平行な回転軸回りにそれぞれ回転する少なくとも２つの押えローラによって構成されるので、簡単な構成によって、ねじ付き部材を把持する機能と回転させる機能を実現することができる。

【0033】

また、本発明に係る建設作業用ロボットによれば、上述したエンドエフェクタを備えるので、建設作業用ロボットによる取り付け作業の効率化を図ることができる。

【0034】

また、本発明に係る部材取り付け方法によれば、上述したエンドエフェクタを用いて、ねじ付き部材をねじ穴部材に取り付ける方法であって、把持手段でねじ付き部材を把持するステップと、検出手段でねじ穴部材の位置および方向を検出するステップと、検出手段で検出したねじ穴部材の位置および方向に基づいて、把持したねじ付き部材を変更手段でねじ穴部材と同一軸上の近傍に対向配置するステップと、対向配置したねじ付き部材を直線移動手段でねじ穴部材に向けて進出させて、ねじ付き部材の先端をねじ穴部材に挿入するステップと、回転手段でねじ付き部材をその軸線回りに回転させることによって、ねじ付き部材をねじ穴部材に挿入して螺合させるステップとを備えるので、ねじ付き部材を把持してねじ穴部材に挿入するまでの作業に掛かる時間が短縮され、取り付け作業を効率的に行うことができる。

【産業上の利用可能性】

【0035】

以上のように、本発明に係るエンドエフェクタおよび部材取り付け方法は、建物の天井工事において吊りボルトをインサートに取り付ける作業に有用であり、特に、取り付け作業を短時間で行うのに適している。

【符号の説明】

【0036】

１０ エンドエフェクタ
１２ 吊りボルト（ねじ付き部材）
１４ インサート（ねじ穴部材）
１４Ａ ねじ穴
１６ 本体
１８ 押えローラ（把持手段）
２０ 駆動ローラ（把持手段、回転手段）
１８Ａ，２０Ａ 支持軸（回転軸）
２２ 平行チャック
２４ 減速機
２６ サーボモータ（回転手段）
２８ 把持締結機構
３０ リニアガイド（直線移動手段）
３２ エアシリンダ（直線移動手段）
３２Ａ ロッド
３４ カメラセンサ（検出手段）
３６ 二次元センサ（検出手段）
３８ アーム

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】