JP5902664B2

JP5902664B2 - 保護部材を有する人協調型産業用ロボット

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Publication number: JP5902664B2
Application number: JP2013267253A
Authority: JP
Inventors: 淳哉藤田
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2013-12-25
Filing date: 2013-12-25
Publication date: 2016-04-13
Anticipated expiration: 2033-12-25
Also published as: US20150174771A1; JP2015123505A; DE102014019033A1; CN104742155A; DE102014019033B4; CN104742155B; US10828791B2

Description

本発明は、保護部材を有する人協調型産業用ロボットに関する。

人とロボットとが協調して作業を行う人協調型産業用ロボットにおいては、作業時に人とロボットとが接近し、両者が誤って接触する可能性がある。このような接触時の安全性を担保するため、従来、ロボットの関節部を発砲ゴムからなる衝撃吸収部で覆うようにしたロボットが知られている（例えば特許文献１参照）。この特許文献１記載のロボットでは、人とロボットとの接触を検出する触覚センサを衝撃吸収部に配置し、接触を検出した際に、作動モードを切り替える。

特開２０１０−１２５５４６号公報

しかしながら、上記特許文献１記載のロボットでは、弾力性を有する衝撃吸収部に触覚センサを配置するので、触覚センサによる検出範囲が狭い。したがって、人とロボットとの接触を広範囲にわたって検出するためには、触覚センサを高密度に多数配置する必要があり、センサケーブルの配線等が煩雑となる。

本発明の一態様は、基部と、基部上に移動可能に設けられた可動部とを備える人協調型産業用ロボットであり、基部および可動部のうち少なくとも可動部の周囲を覆う、基部および可動部よりも剛性が低い材質からなる保護部材と、基部および可動部の少なくとも一方に設けられ、保護部材を介して入力された外力を検出する検出器と、を備え、検出器は、保護部材を含んでおらず、保護部材に密着せずに離れた位置に配置され、基部および可動部の少なくとも一方に直接固定されており、外力は、基部または可動部を伝わって検出器にて検出されることを特徴とする。

本発明によれば、低剛性の保護部材で少なくとも可動部の周囲を覆うとともに、基部および可動部の少なくとも一方に、保護部材を介して入力された外力を検出する検出器を設けるようにしたので、人とロボットとの接触を検出するためのセンサを高密度に配置する必要がなく、センサケーブルの配線が容易である。

本発明の実施形態に係る人協調型産業用ロボットの構成を示す側面図。本発明の実施形態に係る人協調型産業用ロボットの構成を示す正面図。図１Ａ，図１Ｂのロボットを構成するリンクの要部断面図。図２の変形例を示す図。本発明の実施形態に係る人協調型産業用ロボットの制御構成を示すブロック図。本発明の実施形態に係る人協調型産業用ロボットの動作特性を示す図。本発明の比較例を示す図。本発明の実施形態に係る外力検出センサの取付状態を示す図。図２の変形例を示す図。図２の別の変形例を示す図。図１Ａの変形例を示す図。図１Ｂの変形例を示す図。図１Ａの変形例を示す図。図１Ｂの変形例を示す図。

以下、図１Ａ〜図１０Ｂを参照して本発明の実施形態に係る人協調型産業用ロボットについて説明する。人協調型産業用ロボットとは、人とロボットとが協調して作業を行う産業用ロボットである。一般的な産業用ロボットは、作業者の安全を確保するために、立ち入りが制限された安全柵に囲まれた領域内で作業を行う。これに対し、人協調型産業用ロボットにおいては、作業領域内に作業者が侵入して作業を行う場合があり、作業時に人とロボットとが接触する可能性がある。したがって、接触時における人の安全性を担保するとともに、人とロボットとの接触を早期に検出する必要がある。

図１Ａ，図１Ｂは、本発明の実施形態に係る人協調型産業用ロボット１００の構成を示す側面図および正面図である。このロボット１００は、基部１上に移動可能に設けられた複数のリンク２〜４を備える多関節型ロボットである。なお、リンクとは、機械構造を構成し、互いに相対運動可能な個々の剛体要素のことをいう。

図１Ａ，図１Ｂに示すように、ロボット１００は、基部１と、鉛直方向に延在する軸線Ｌ１を中心にして基部１の上方に旋回可能に設けられた第１リンク２と、水平方向に延在する軸線Ｌ２を中心にして第１リンク２に回転可能に支持された第２リンク３と、水平方向に延在する軸線Ｌ３を中心にして第２リンク３の先端部に回転可能に支持された第３リンク４と、第３リンク４の先端部に設けられた手首部５とを有する。なお、第１リンク２、第２リンク３および第３リンク４を、それぞれ旋回部、下部アームおよび上部アームとも呼ぶ。

第１リンク２には軸線Ｌ１に沿ってサーボモータ６が搭載され、第１リンク２はサーボモータ６の駆動により旋回部１上を旋回する。第１リンク２には軸線Ｌ２に沿ってサーボモータ７が搭載され、第２リンク３はサーボモータ７の駆動により第１リンク２に対し回動する。第３リンク４の基端部には軸線Ｌ３に沿ってサーボモータ８が搭載され、第３リンク４はサーボモータ８の駆動により第２リンク３に対し回動する。さらに第３リンク４の基端部にはサーボモータ９が搭載され、手首部５は、サーボモータ９の駆動により動作する。サーボモータ６〜９はロボット駆動用モータである。

基部１およびリンク２〜４の各駆動軸（軸線Ｌ１〜Ｌ３）の近傍には、基部１およびリンク２〜４に作用する外力を検出する外力検出センサ１０が取り付けられている。外力検出センサ１０は、例えば力センサ、トルクセンサ、変位センサ等により構成できる。変位センサにより外力検出センサ１０を構成する場合、例えば変位と外力との関係を予め定めておき、その関係を用いて変位の検出値から間接的に外力を検出すればよい。外力検出センサ１０は、基部１および各リンク２〜４にそれぞれ１つずつ設けられている。

基部１およびリンク２〜４の周囲は、それぞれ保護部材１１（点線）により覆われている。保護部材１１は、例えばスポンジ、ゴム、ウレタン等、弾力性を有する低剛性の材質により構成されている。

図２は、リンク２〜４の要部断面図である。図２に示すように、保護部材１１は、リンク２〜４の外周面に密着した状態でバンド１２により固定されている。なお、接着剤やボルト等、他の固定手段により保護部材１１を固定することもできる。図示は省略するが、基部１の表面にも保護部材１１が同様にして固定されている。

このように構成されたロボット１００において、リンク２〜４が人や障害物等に接触すると、保護部材１１に圧縮力が作用し、保護部材１１が押し潰される。この圧縮力（外力Ｆ）は、図の点線領域ＡＲにおいてリンク２〜４に作用し、外力検出センサ１０により検出される。保護部材１１はリンク２〜４の表面に密着しているため、外力検出センサ１０は、保護部材１１を介してリンク２〜４に作用する外力Ｆを、良好な感度で検出できる。

図３は、図２の変形例を示す図である。図３では、図２と同様、保護部材１１がバンド１２により固定されているが、図２と異なり、リンク２〜４と保護部材１１との間には微小の隙間１３が設けられている。図３において、リンク２〜４が人や障害物等に接触すると、保護部材１１に圧縮力（外力Ｆ）が作用して保護部材１１が変形する。これにより、保護部材１１がリンク２〜４と密着状態となって、図の点線領域ＡＲに外力Ｆが作用し、外力検出センサ１０により外力Ｆが検出される。

このようにリンク２〜４と保護部材１１との間に隙間１３があっても、リンク２〜４に装着された外力検出センサ１０により、保護部材１１を介して入力された外力Ｆを検出可能である。このため、保護部材１１をリンク２〜４に密着させて取り付ける必要がなく、寸法精度の悪いリンク２〜４や基部１、あるいは凹凸部等を有する複雑形状のリンク２〜４や基部１に対しても、保護部材１１を容易に取り付けることができる。

図４は、ロボット１００の制御構成を示すブロック図である。外力検出センサ１０からの信号は、制御ユニット２０に入力される。制御ユニット２０は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，その他の周辺回路などを有する演算処理装置を含んで構成される。制御ユニット２０は、外力検出センサ１０からの信号に基づき、リンク２〜４と人や障害物等との接触の有無を判定し、その判定結果に応じてサーボモータ６〜９の駆動を制御する。例えば、外力検出センサ１０により検出された外力Ｆが予め定めた閾値Ｆａ以上になると、リンク２〜４と人とが接触したと判定し、サーボモータ６〜９に停止信号を出力して、ロボット１００の動作を停止または減速させる。

図５は、リンク２〜４の移動によりリンク２〜４が人に接触した場合のリンク２〜４の移動量（干渉量）Ｓと、リンク２〜４から人が受ける力（接触力）Ｇとの関係を示す特性図である。図中、ｆ１は、リンク２〜４が保護部材１１を有しない場合の特性であり、ｆ２は、保護部材１１を有する場合の特性、すなわち本発明の実施形態に係るロボット１００の特性である。なお、接触力Ｇは、リンク２〜４に作用する外力Ｆに等しい。

図５の特性ｆ１に示すように、リンク２〜４が保護部材１１を有しない場合には、リンク２〜４が人に接触した後、接触力Ｇは急激に増加する。干渉量ＳがＳ１となり、接触力Ｇ（＝外力Ｆ）が所定値Ｆａに達すると、制御ユニット２０からサーボモータ６〜９に停止信号が出力されるが、リンク２〜４は即座に停止せず、慣性力により惰走して干渉量ＳがＳ１１となった状態で停止する。その結果、干渉量ＳがＳ１〜Ｓ１１の間に接触力Ｇが大幅に増大して、リンク停止時の接触力ＧはＧ１となり、サーボモータ６〜９を停止させるための外力設定値Ｆａよりも著しく増加する。

これに対し、リンク２〜４が保護部材１１を有する場合、リンク２〜４が人に接触した後、保護部材１１が圧縮されるため、図５の特性ｆ２に示すように、接触力Ｇは特性ｆ１よりも緩やかに増加する。干渉量ＳがＳ１よりも大きなＳ２となり、接触力Ｇが所定値Ｆａに達すると、制御ユニット２０からサーボモータ６〜９に停止信号が出力されるが、リンク２〜４は即座に停止せず、慣性力により惰走して干渉量ＳがＳ２１となった状態で停止する。この場合、リンク２〜４が保護部材１１を有することにより接触力Ｇは緩やかに増加するため、干渉量ＳがＳ２〜Ｓ２１の間における接触力Ｇの増加量は特性ｆ１の場合よりも小さく、リンク停止時の接触力Ｇは、Ｇ１よりも小さいＧ２となる。その結果、人に作用する接触力Ｇを抑えることができる。とくに、人がリンク２〜４と構造物等との間に挟まれて、リンク２〜４との接触時に退避することが困難な場合があることを考慮すると、本実施形態のようにリンク２〜４の周囲に保護部材１１を設けることが有効である。

本発明の実施形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）基部１と、基部１上に移動可能に設けられたリンク２〜４とを備える人協調型産業用ロボット１００において、低剛性の保護部材１１により基部１とリンク２〜４の周囲を覆うとともに、基部１とリンク２〜４に、保護部材１１を介して入力された外力Ｆを検出する外力検出センサ１０を取り付けるようにした。

このような構成では、保護部材１１のどの部分に外力Ｆが作用した場合であっても、その外力Ｆは保護部材１１を介してリンク２〜４に伝達される。このため、各リンク２〜４にそれぞれ取り付けられた単一の外力検出センサ１０により外力Ｆを検出することができる。その結果、外力検出センサ１０の個数を節約することができ、センサケーブルの配線が容易となる。

図６Ａ，図６Ｂは、それぞれ外力検出センサ１０を保護部材１１およびリンク２〜４に取り付けた例を示す図である。図６Ａに示すように、外力検出センサ１０を保護部材１１に取り付けた場合、保護部材１１に外力Ｆが作用すると、保護部材１１が変形し、これに伴い外力検出センサ１０の位置がずれる。このため、外力検出センサ１０に伝達される力が小さくなり、センサ感度が低下する。これに対し、図６Ｂに示すように、外力検出センサ１０をリンク２〜４に取り付けた場合、外力検出センサ１０の位置は不変であるため、良好なセンサ感度を維持できる。

また、保護部材１１は、人や障害物等と接触するため、劣化や摩耗が進みやすく、交換の頻度も高い。したがって、図６Ａに示すように外力検出センサ１０を保護部材１１に設けると、保守費用が増加する。これに対し、本実施形態のように外力検出センサ１０をリンク２〜４に設けると、保守費用の増加を抑えることができる。

リンク２〜４の移動によってリンク２〜４と人とが接触後に、人に作用する接触力Ｇは緩やかに増加するため（図５の特性ｆ２）、リンク２〜４の惰走による接触力Ｇの増加を抑えることができる。接触力Ｇの増加を抑える方法として、惰走距離が短くなるように構成することも考えられる。しかし、この場合にはロボット１００に作用する衝撃力が大きくなるため、ロボット１００の強化が必要となり、多大なコストがかかる。

人は、ロボット１００に接触すると、自ら退避する行動をとる。この点、本実施形態のように、リンク２〜４が低剛性の保護部材１１で覆われていれば、人は、ロボット１００に接触を開始した接触力Ｇが小さい状態で、安全に退避することができる。低剛性の保護部材１１により覆われたロボット１００であれば、接触しても人に与えるダメージは小さく、ロボット１００の近傍で作業する作業員に対し心理的な安心感を与える。一方、リンク２〜４の周囲を保護部材１１で覆うことだけで、接触時の安全性を確保しようとすると、保護部材１１の厚みを増大する必要があり、リンク２〜４の厚みの大幅な増大をもたらす。しかし、リンク２〜４の厚みが大幅に増大すれば、リンク同士が干渉するおそれがあり、ロボット１００の動作範囲が制限される結果となる。この点、本実施形態のように、リンク２〜４の周囲を保護部材１１で覆うだけでなく、リンク２〜４に外力検出センサ１０を取り付けることで、保護部材１１の厚みを増大することなく、接触時の安全性を確保できる。外力検出センサ１０のセンサケーブル等は、外力が作用することで破損する可能性があるが、保護部材１１でセンサケーブル等破損しやすい部分を覆うことで、外力検出センサ１０の破損を防止できる。

（２）保護部材１１をリンク２〜４の外周面に密着して固定すれば（図２）、外力検出センサ１０の感度を向上させることができる。保護部材１１は、リンク２〜４の外周面に隙間１３を空けて固定することもでき（図３）、この場合にも保護部材１１を介してリンク２〜４に作用する外力Ｆを検出できる。したがって、複雑形状のリンク２〜４や製造時の寸法誤差等の大きいリンク２〜４に対しても、保護部材１１を容易に装着することができる。

なお、リンク２〜４の周囲を覆う保護部材１１の構成は、上述したものに限らない。図７は、図２の変形例を示す図である。図７では、保護部材１１が剛性の異なる複数の層１１１，１１２を積層して構成されている。すなわち、リンク２〜４の外周面を第１層（高剛性部分）１１１で覆い、さらに第１層１１１の周囲を、第１層１１１よりも剛性の低い材質からなる第２層（低剛性部分）１１２で覆っている。保護部材１１を２層構造ではなく、３層以上としてもよい。保護部材１１の一部を、複数の層で構成してもよい。

高剛性部分１１１は、例えば鉄、アルミ、銅、ＭＣナイロン、ポリアセタール、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）等により構成することができる。低剛性部分１１２は、例えばスポンジ、ゴム、ウレタン等により構成することができる。高剛性部分１１１と低剛性部分１１２とは、接着やボルト等により一体化され、一体化状態の保護部材１１が、バンド、接着、ボルト等によりリンクに固定される。なお、図７では、高剛性部分１１１がボルト１５によってリンク２〜４に固定されている。ボルト１５を用いると、保護部材１１の着脱が容易である。

このように保護部材１１を２層構造として、外側の剛性を内側の剛性よりも低くすれば、高剛性部分１１１は外力を伝達しやすいため、図３に示すようにリンク２〜４の外周面から隙間を空けて保護部材１１を配置した場合であっても、外力検出センサ１０の感度が向上する。図８に示すように、リンク２〜４の周囲を低剛性部分１１２で覆い、低剛性部分１１２の周囲を高剛性部分１１１で覆うようにしてもよい。この場合には、保護部材１１の耐摩耗性が向上する。

上記実施形態では、基部１とリンク２〜４の全てを保護部材１１で覆うようにしたが、基部１およびリンク２〜４のうち、人や障害物との接触の可能性のある部位あるいは接触の可能性の高い部位のみを、保護部材１１で覆うようにしてもよい。図９Ａ，図９Ｂは、図１Ａ，図１Ｂの変形例を示す図である。図９Ａ，図９Ｂでは、第１リンク２と第２リンク３の一部のみを保護部材１１で覆っている。

上記実施形態では、基部１とリンク２〜４の全てに外力検出センサ１０を設け、検出された外力に基づいて、人や障害物と、保護部材１１を有するロボットとの接触の有無を検出するようにしたが、単一の外力検出センサ１０で接触の有無を検出可能である場合には、外力検出センサ１０を基部１およびリンクの一部に設けるようにしてもよい。図１０Ａ，図１０Ｂは、その一例を示す図であり、図１０Ａ，図１０Ｂでは、基部１のみに外力検出センサ１０を設けている。この構成によっても、基部１とリンク２〜４のいずれかに付加される外力および接触の有無を検出することができる。なお、図１０Ａ，図１０Ｂも、図９Ａ，図９Ｂと同様、リンク２〜４の一部のみを保護部材１１で覆っている。

上記実施形態では、外力検出センサ１０により、保護部材１１を介して入力される外力を検出し、その外力に基づいて人や障害物と、保護部材１１を有するロボットとの接触の有無を検出するようにしたが、他のセンサで接触の有無を検出してもよい。すなわち、保護部材１１を介して入力された他の物理量（外力以外）を検出することで、接触の有無を検出してもよい。

なお、上記実施形態では、基部１に対して回動可能な第１リンク２〜第３リンク４により可動部を構成したが、基部１上を移動可能であれば、可動部の構成は上述したものに限らない。例えば、基部１に対して直進動作可能な部材を、可動部が有してもよい。可動部は、上述したような複数の部材（リンク２〜４）ではなく、単一の部材であってもよい。基部１および可動部よりも剛性が低い材質によって構成され、基部１および可動部のうち少なくとも可動部の周囲を覆うのであれば、保護部材１１の構成はいかなるものでもよい。この場合、保護部材１１は可動部の一部を覆ってもよく、全部を覆ってもよい。基部１および可動部の少なくとも一方に設けられ、保護部材１１を介して入力された外力を検出するのであれば、検出器としての外力検出センサ１０の構成はいかなるものでもよい。

上記実施形態では、基部１上に複数のリンク２〜４を有するロボット１００に保護部材１１と外力検出センサ１０（検出器）を適用したが、基部と、基部上に移動可能に設けられた可動部とを備える人協調型産業用ロボットであれば、本発明を同様に適用することができる。

以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態および変形例により本発明が限定されるものではない。上記実施形態および変形例の構成要素には、発明の同一性を維持しつつ置換可能かつ置換自明なものが含まれる。すなわち、本発明の技術的思想の範囲内で考えられる他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上記実施形態と変形例の１つまたは複数を任意に組み合わせることも可能である。

１基部
２第１リンク
３第２リンク
４第３リンク
１０外力検出センサ
１１保護部材
１１１高剛性部分
１１２低剛性部分
１００人協調型産業用ロボット

Claims

基部と、該基部上に移動可能に設けられた可動部とを備える人協調型産業用ロボットにおいて、
前記基部および前記可動部のうち少なくとも前記可動部の周囲を覆う、前記基部および前記可動部よりも剛性が低い材質からなる保護部材と、
前記基部および前記可動部の少なくとも一方に設けられ、前記保護部材を介して入力された外力を検出する検出器と、を備え、
前記検出器は、前記保護部材を含んでおらず、前記保護部材に密着せずに離れた位置に配置され、前記基部および前記可動部の少なくとも一方に直接固定されており、
前記外力は、前記基部または前記可動部を伝わって前記検出器にて検出されることを特徴とする人協調型産業用ロボット。
請求項１に記載の人協調型産業用ロボットにおいて、
前記保護部材は、前記基部または前記可動部の外周面に密着して固定されていることを特徴とする人協調型産業用ロボット。
請求項１に記載の人協調型産業用ロボットにおいて、
前記保護部材は、前記基部または前記可動部の外周面から隙間を空けて固定されていることを特徴とする人協調型産業用ロボット。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の人協調型産業用ロボットにおいて、
前記保護部材は、剛性の異なる複数の層を積層してなることを特徴とする人協調型産業用ロボット。