JP3972350B2

JP3972350B2 - Robot drive device

Info

Publication number: JP3972350B2
Application number: JP23414398A
Authority: JP
Inventors: 亮吉平田; 武志坂本; 研司松熊; 寿之河野
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 1998-01-20
Filing date: 1998-08-20
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2018-08-20
Also published as: JPH11267994A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、人間または物体と接触することを前提とするサービスロボット等を駆動するロボット駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、医療福祉分野等において使用される人間共存型のロボットは、人間または物体と同一空間で作業を行うことになり、ロボットが人間または物体と接触する可能性があり、人間の安全性を確保し作業を継続することが望まれる。通常、ロボットを駆動するためのロボット駆動装置は、図１5のようになっている。
図において、１は人間、２はロボット、３はロボットコントローラ、４はロボットコントローラ３に内蔵されたＤ／Ａボード、５はＤ／Ａボード４からの指令電圧Ｖ_refを入力するサーボアンプ、２１はロボット２に設けられると共にサーボアンプ５よりパワー変換された電流指令により駆動されるサーボモータ、２２はサーボモータ２１を駆動源とするロボット２のアームである。このようなロボット２は、ロボット２自身と人間１との接触状態を監視するために、アーム２２の外表面等に負荷状況に応じて抵抗値が単調減少する図示しないタッチセンサが取り付けられ、接触検出情報に基づきソフトウェア制御により、ロボット２から人間１への衝撃を抑制し且つ安全を確保している。
ところが、例えば、Ｄ／Ａボード４やサーボアンプ５が故障したり、若しくはコントローラ３のソフトウェアが暴走したりしてＤ／Ａボード４からサーボアンプ５に異常な指令が出力されると、サーボモータ２１は指令電圧通りに動作するため暴走するという問題があった。これによりロボット２は人間１の安全性を保ちながらアーム２２の動作を継続することができなくなる恐れがある。そこで、ロボット駆動装置の異常を識別する手段が必要となる。
【０００３】
ロボット駆動装置の異常を識別する手段は種々提案されているが、例えば、一般の負荷駆動装置には、負荷に異常が発生している時に負荷側の駆動を停止するように指令を出すウィンドウコンパレータを用いたものがある。図１６は負荷駆動装置の一例を示す。このような装置は、図示しないセンサからのアナログ信号が、常時ウィンドウコンパレータ１６に入力されるものであり、入力されるセンサ信号がマイコン制御部１３によるセンサの設定範囲を超えた時、上限値設定部１４及び下限値設定部１５により設定された上限値及び下限値に対してセンサ信号が比較される。ウィンドウコンパレータ１６において、センサ信号がしきい値外になったときには、マイコン制御部１３またはＡ／Ｄ変換部１２が故障して動作不良であると判断され、出力信号を生じないようにして負荷側の駆動を停止させる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このような従来の技術においては、以下のような問題があった。
（１）図１５に示すようなロボットと人間が接触する状態において、例えば、ロボットのアーム２２に図示しないタッチセンサを取り付け、従来例の図１６に示すウィンドウコンパレータを用いて動作異常を判断する回路を加えた構成にすると、比較器の故障もしくはＡＮＤゲートの故障または断線故障が生じた場合に、動作異常であるにもかかわらず動作異常判断後の出力が安全であると判断してしまう。
（２）図１５に示したロボット駆動装置において、図示しないタッチセンサによりロボットと人間の接触状況を監視した場合であって、仮にロボットが暴走して人間の安全を確保できなくなるような恐れがあると、人間の判断でロボットの非常停止スイッチを投入して停止させている。しかし、人間自身が安全でないと感じて非常停止スイッチを投入するまでの間はロボットの動作を継続させることになり、また、迅速に非常停止スイッチを投入することができなくなると、ロボット等を駆動するサーボアンプへの指令電圧や駆動対象に流れる電流が増加する一方となる。その結果、ロボットは人間に危害を加え続けることになる。さらに、危険時に、ロボットを停止させた場合、再度ロボットを立ち上げ直すのに時間がかかり、作業の中断時間も長くなってしまう。
（３）通常、ロボットアームに取り付けた図示しないタッチセンサの増幅器の出力は、無負荷時に出力電圧が小さく、負荷状況に応じて出力電圧が単調増加的に変化するため、図１５に示すロボットに人間が接触して負荷がかかった状態において、タッチセンサが故障したりあるいはその配線が断線したりすると、センサ出力電圧が０Ｖとなる。そのため、ロボットに負荷がかかっているにもかかわらずタッチセンサの出力電圧から無負荷であると判断してしまう危険性がある。
そこで、本発明の第１の目的は、ロボットの駆動装置で動作異常を判断する比較器の故障もしくはＡＮＤゲートの故障または断線故障が生じた場合に、動作異常であるにもかかわらず動作異常判断後の出力を誤って安全と判断することのない、ロボット駆動装置を提供することである。
また、第２の目的は、ロボットが暴走して人間の安全を確保できなくなる様なおそれがある場合に、ロボットの動作を停止することなく、動作速度を低減することのできるロボット駆動装置を提供することである。
さらに、第３の目的は、ロボットに負荷がかかった場合において、ロボットと人間等との接触状況を検知するタッチセンサの故障・断線が生じたときに、駆動装置が無負荷と判断することなく、安全側故障になるようにしたロボット駆動装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明は次のような構成にしたものである。
（１）請求項１に記載の発明は、ロボットコントローラに内蔵されたＤ／Ａボードからの指令電圧を入力するサーボアンプと、このサーボアンプから出力された電流指令により駆動されるサーボモータと、このサーボモータを駆動源とするロボットと、を備えたロボット駆動装置において、
前記ロボットのアームの外表面に、前記ロボットが人間と接触したときの負荷の大きさが大きくなるにつれて、その検出された抵抗値が単調減少するタッチセンサが設けてあり、前記Ｄ／Ａボードと接続されると共に、前記タッチセンサの検出抵抗への負荷が大きくなるにしたがって単調減少するしきい値電圧と前記指令電圧を比較することにより、人と接触する際の前記ロボットの動作を安全側に働かせる判断を行う安全保護判断部を備えたものである。
（２）請求項２に記載の発明は、請求項１記載のロボット駆動装置において、前記タッチセンサは、前記アームの外表面の先端部に二つ設けてあり、前記安全保護判断部は、前記二つのタッチセンサの検出抵抗は前記負荷が大きくなるにしたがって単調減少し、前記検出抵抗の変化が電圧変換器により変換された電圧と予め設定された外部の固定抵抗により決定される電圧をそれぞれ上限、下限のしきい値電圧とすると共に前記二つのタッチセンサの検出抵抗は前記負荷が大きくなるにしたがって単調減少し、前記検出抵抗の変化が前記電圧変換器により変換された前記上限しきい値がともに前記指令電圧より高いときに発振するウィンドウコンパレータと、前記ウィンドウコンパレータより発振した出力を整流する整流回路と、前記整流回路による整流後の出力電圧を用いて前記サーボモータの電源を切るための指令を発するリレーと、より構成されたものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図に基づいて詳細に説明する。
図において従来例と同じ構成要素に同一符号を付してその説明を省略する。
図１は本発明の第1 の実施例を示すロボット駆動装置の安全保護装置であり、（ａ）は安全保護装置のブロック図、（ｂ）はウィンドウコンパレータの内部構成を示す模式図である。図２は、タッチセンサと安全保護判断部の動作を示す図で、安全保護判断部で安全と判断した場合であり、（ａ）は、タッチセンサの抵抗値の変化を示す図、（ｂ）は、ウィンドウコンパレータのしきい値に対する指令電圧と電源電圧の和Ｖ_refdの変化、（ｃ）は、整流回路の出力電圧である。図３は、安全保護判断部で危険と判断した場合におけるタッチセンサと安全保護判断部の動作を示す図で、（ａ）はタッチセンサの抵抗値の変化を示す図、（ｂ）はウィンドウコンパレータのしきい値に対する指令電圧と電源電圧の和Ｖ_refdの変化、（ｃ）は整流回路の出力電圧である。
従来と異なる点は、ロボット２のアーム２２の外表面、特に先端部には、ロボット２が人間１と接触した際、その負荷の大きさに応じて検出される抵抗値が単調減少的に変化するタッチセンサ８１、８２（可変抵抗：Ｒ_H1、Ｒ_H2とする）が取り付けられている。また、Ｄ／Ａボード４には、タッチセンサ８１、８２の抵抗Ｒ_H1、Ｒ_H2の検出値により変化するしきい値電圧と指令電圧Ｖ_refを比較すると共に、ロボット２の動作を常に安全側に働かせる判断を行う安全保護判断部７が接続されている。
安全保護判断部７は、２入力のＡＮＤゲート回路７２ａ、７２ｂ、７２ｃと比較器７２ｄ、７２ｅとを組み合わせてなるフェールセーフが保証されたウィンドウコンパレータ７２と、ウィンドウコンパレータ７２より発振した出力を整流する整流回路７３と、整流回路７３による整流後の出力電圧を用いてサーボモータ２１の電源（パワー部６）を切るための指令を発するリレー７４より構成されている。
このウィンドウコンパレータ７２では、比較器７２ｅは２つの異なる上限値Ｖ_H1および下限値Ｖ_Lの間でしきい値を設定しており、また、比較器７２ｄは２つの異なる上限値Ｖ_H2および下限値Ｖ_Lのしきい値を設定している。ここでは、上限しきい値Ｖ_H1、Ｖ_H2はタッチセンサ８１、８２の抵抗Ｒ_H1、Ｒ_H2の変化を電圧変換器８１ａ、８２ａにより電圧に変換して設定され、また、下限しきい値Ｖ_Lは予め設定された外部の固定抵抗７５、７６の抵抗値Ｒ_Lを電圧変換器７５ａ、７６ａにより電圧に変換して設定される。この比較器７２ｄ、７２ｅにより、Ｄ／Ａボード４から出力される指令電圧とウィンドウコンパレータ７２の電源電圧の和｜Ｖ_ref｜＋Ｖ_cc を監視するようにしている。さらに、ＡＮＤゲート回路７２ａ、７２ｂ、７２ｃにより、両しきい値内にある場合論理値１に相当する信号を発し、２入力が共に設定したしきい値内に｜Ｖ_ref｜＋Ｖ_ccの和であるＶ_refdが入っている場合すなわち論理積１のとき発振回路７２ｆを介して発振し、その際、交流（方形波）を出力する。また、しきい値外になる場合は論理積０に相当し、２入力の論理積が０のとき誤って発振しない特性を有するものである。ただし、下限値Ｖ_Lはウィンドウコンパレータの電源電圧Ｖ_ccより高く設定したものである。
次に、動作について説明する。
図１（ａ）、（ｂ）に示す様に、最初に、Ｄ／Ａボード４から出力される指令電圧Ｖ_refを整流回路７１に入力し、指令電圧｜Ｖ_ref｜と電圧源Ｖ_ccとの和で
あるＶ_refdをウィンドウコンパレータ７２に入力する。ロボット２が人間１と接触する際の負荷が大きくなると、図２の（ａ）に示す様にタッチセンサの抵抗値Ｒ_H1が単調減少していく。そのとき、図２の（ｂ）に示す様にＤ／Ａボード４から出力される指令電圧｜Ｖ_ref｜と電圧源Ｖ_ccとの和Ｖ_refdが、タッチセンサ８１、８２の抵抗Ｒ_H1、Ｒ_H2と固定抵抗Ｒ_Lに依存した電圧のしきい値内、すなわち、それぞれともにＶ_L＜Ｖ_refd＜Ｖ_H1、Ｖ_L＜Ｖ_refd＜Ｖ_H2にある場合、論理積１となって発振出力になる。そして、次段の整流回路７３で整流を行なうと、図２の（ｃ）に示す様にＨｉｇｈレベル（安全）になり、その信号をリレー７４に送り、ロボット２の動作を継続させるようにしている。また、逆に、抵抗Ｒ_H1、Ｒ_H2に依存した電圧がそれぞれともにしきい値外になる場合は、すなわち、図３の（ｂ）に示す様にＶ_H1＜Ｖ_refd、Ｖ_H2＜Ｖ_refdにある場合、図２の（ｃ）に示す様に安全保護判断部の判断により論理値０で、Ｌｏｗレべル（危険）となり、サーボモータ２１のパワー部６の電源を切り、ロボット２を停止する。
したがって、本発明では人間とロボットが接触したときの負荷（抵抗）に依存した電圧つまり上限しきい値Ｖ_H1、Ｖ_H2の変化に対して、Ｄ／Ａボードから出力された指令電圧Ｖ_refを、フェールセーフであるウィンドウコンパレータを用いて監視することで安全の有無を判断するようにしたので、ウィンドウコンパレータの比較器の故障や、比較器に接続しているＡＮＤゲートの故障、配線の断線故障等が生じたとしても、動作異常であるにもかかわらず動作異常判断後の出力が安全であると判断してしまうことはなく、負荷への入力を増加させることもない。よって、負荷に異常が発生している時にはその動作を常に安全側に働かせることのできるロボット駆動装置を得ることができる。
【０００７】
次に、本発明の第２の実施例について説明する。
図４は、本発明の第２の実施例を示すロボット駆動装置の安全保護装置のブロック図である。
第２の実施例が従来と異なる点は、図４に示すように、ロボット２のアーム２２の外表面には力の大きさに応じて抵抗検出値が単調増加的に変化するタッチセンサ８３（抵抗Ｒ_H3）を設け、タッチセンサ８３と直列に固定抵抗９（抵抗Ｒ₁）を接続してある点であり、サーボアンプ５に入力される直前の指令電圧Ｖ_outは、Ｄ／Ａボード４から出た直後の指令電圧Ｖ_refをタッチセンサ８３の抵抗Ｒ_H3と固定抵抗９とで分圧するようにしたことを特徴とする。
次に動作について説明する。
図５は安全保護装置の動作を示す図で、（ａ）は指令電圧の時間変化、（ｂ）はロボットの負荷に対するタッチセンサの抵抗変化、（ｃ）負荷に対するサーボアンプ指令電圧の変化である。
図５（ａ）に示すように、Ｄ／Ａボード４から一定の指令電圧Ｖ_refが出力されており、図５（ｂ）に示すように、ロボット２が人間１と接触する際の負荷が大きくなると、タッチセンサ８３の抵抗値Ｒ_H3が単調増加していく。サーボアンプ５に入力される直前の指令電圧Ｖ_outは、Ｄ／Ａボード４から出た直後の指令電圧Ｖ_refをタッチセンサ８３の抵抗と固定抵抗９とで分圧しているため、ロボット２が人間１と接触した際にその負荷状況に応じて、図５（ｃ）に示すように、ロボット２を駆動するサーボアンプ５への指令電圧Ｖ_outが単調減少する。このとき指令電圧Ｖ_outは、指令電圧Ｖ_ref、タッチセンサの抵抗Ｒ_H3、固定抵抗Ｒ₁より次式で表せる。
Ｖ_out＝Ｖ_ref／（１＋Ｒ_H3／Ｒ₁）（式1 ）
そのため、サーボアンプ５への指令電圧を低減し、且つ、負荷に流れる電流を低減することができるので、ロボット２を停止することなく動作速度を低減しながら、人間１と接触した状態で動作を継続させることができる。
なお、Ｄ／Ａボード４とサーボアンプ５の間に入力されるタッチセンサ８３の近傍にスイッチ（図示せず）を設けて、ロボット２が人間１と接触したとき任意に該スイッチを投入して、サーボアンプ５への指令電圧を単調減少させる様にしても良い。
また、ロボット駆動装置において、タッチセンサの抵抗値Ｒ_H3が負荷に応じて単調減少する場合、タッチセンサ８３と固定抵抗９の接続を入れ換えるとか、あるいはタッチセンサに替えて固定抵抗を用いても良く、上記の実施例同様にサーボアンプへの指令電圧を単調減少させることができる。
【０００８】
次に、本発明の第３の実施例について説明する。
図６は、本発明の第３の実施例を示すロボット駆動装置の安全保護装置のブロック図である。
第３の実施例が従来と異なる点は、図６に示すように、ロボット２のアーム２２の外表面には力の大きさに応じて抵抗検出値が単調減少的に変化するタッチセンサ８１を設け、タッチセンサ８１の抵抗Ｒ_H1と並列にサーボモータ２１のモータ抵抗Ｒ_mと接続し、タッチセンサ８１の抵抗Ｒ_H1およびサーボモータ２１のモータ抵抗Ｒ_mと直列に固定抵抗１０（抵抗Ｒ₂）を接続した点である。この構成によりサーボアンプ5から出た直後の電流をタッチセンサ８１の抵抗Ｒ_H1およびサーボモータ２１のモータ抵抗Ｒ_mとで分流することで、サーボモータ２１に入力される駆動電流ｉ_mを低減するようにしたことを特徴とする。
次に動作について説明する。
図７は安全保護装置の動作を示す図で、（ａ）は指令電圧の時間変化、（ｂ）はロボットの負荷に対するタッチセンサの抵抗変化、（ｃ）は負荷に対するサーボモータ駆動電流の変化である。
図７（ａ）に示すように、サーボアンプ５から一定の指令電圧Ｖ_refが出力されるが、図７（ｂ）に示すように、ロボット２が人間１と接触する際の負荷が大きくなると、タッチセンサ８１の抵抗値Ｒ_H1が単調減少していく。サーボアンプ５から出た直後の指令電圧をタッチセンサ８１の抵抗８１ａおよびサーボモータ２１のモータ抵抗Ｒ_mで分流するため、図７（ｃ）に示すように、ロボット２が人間１と接触した際にその負荷状況に応じて、ロボット２を駆動するサーボモータ２１への電流ｉ_mが単調減少する．このときのサーボモータ２１への電流ｉ_mは、指令電圧Ｖ_ref、タッチセンサの抵抗Ｒ_H1、固定抵抗Ｒ₂、サーボモータのモータ抵抗Ｒ_mより次式で表せる。
ｉ_m＝Ｖ_ref／（Ｒ₂Ｒ_m／Ｒ_H1＋Ｒ₂＋Ｒ_m）（式２）
そのため、サーボモータ２１への駆動電流を低減することができるので、ロボットを停止することなく動作速度を低減しながら、人間と接触した状態で動作を継続させることができる。
なお、サーボアンプ５とサーボモータ２１の間に入力されるタッチセンサの近傍にスイッチ（図示せず）を設け、ロボット２が人間１または物体と接触したときのみ任意に該スイッチを投入して、サーボモータへの電流を単調減少させるようにしても良い。
また、ロボット駆動装置において、タッチセンサに替えて固定抵抗とスイッチを用いても良く、上記の実施例同様にサーボモータへの電流を単調減少させることができる。
また、ロボットのアームが人間と接触したときモータトルクが小さくなるようにするために、タッチセンサの抵抗Ｒ_H1、固定抵抗Ｒ₂、サーボモータのモータ抵抗Ｒ_mの大きさを設定して駆動電流を小さくし、人間の安全性を図っており問題はない。
【０００９】
次に、本発明の第４の実施例について説明する。
図８は、本発明の第４の実施例を示すロボット駆動装置の安全保護装置のブロック図である。
第４の実施例が従来と異なる点は、図８に示すように、ロボット２のアーム２２の外表面には力の大きさに応じて抵抗検出値が単調増加的に変化するタッチセンサ８３を設け、タッチセンサ８３の抵抗Ｒ_H3と直列にサーボモータ２１のモータ抵抗Ｒ_mを接続し、タッチセンサ８３の抵抗８３ａとサーボモータ２１のモータ抵抗Ｒ_mを直列に接続した点である。この構成によりサーボアンプ5から出た直後の電流をタッチセンサ８３の抵抗Ｒ_H3で分流することで、サーボモータ２１に入力される駆動電流ｉ_mを低減するようにしたことを特徴とする。
次に動作について説明する。
図９は安全保護装置の動作を示す図で、（ａ）は指令電圧の時間変化、（ｂ）はロボットの負荷に対するタッチセンサの抵抗変化、（ｃ）は負荷に対するサーボモータ駆動電流の変化である。
図９（ａ）に示すように、サーボアンプ５から一定の指令電圧Ｖ_refが出力されるが、図９（ｂ）に示すように、ロボット２が人間１と接触する際の負荷が大きくなると、タッチセンサ８３の抵抗値Ｒ_H3が単調増加していく。サーボアンプ５から出た直後の指令電圧をタッチセンサ８３の抵抗Ｒ_H3で低減しているため、図９（ｃ）に示すように、ロボット２が人間１と接触した際にロボット２の負荷状況に応じて、ロボット２を駆動するサーボモータ２１への駆動電流ｉ_mが単調に減少する．このときのサーボモータ２１への駆動電流ｉ_mは指令電圧Ｖ_ref、タッチセンサの抵抗Ｒ_H3、サーボモータのモータ抵抗Ｒ_mより次式で表せる。
ｉ_m＝Ｖ_ref／（Ｒ_H3＋Ｒ_m）（式３）
その結果、サーボモータ２１への駆動電流を低減することができるので、ロボット２を停止することなく動作速度を低減しながら、人間１と接触した状態で動作を継続させることができる。
なお、ロボットのアームが人間と接触したときモータトルクが小さくなるようにするために、タッチセンサの抵抗Ｒ_H3、サーボモータのモータ抵抗Ｒ_mの大きさを設定して駆動電流を小さくし、人間の安全性を図っており問題はない。
【００１０】
次に、本発明の第５の実施例について説明する。
図１０は本発明の第５の実施例を示すロボット駆動装置の安全保護装置であって、（ａ）は安全保護装置のブロック図、（ｂ）はウィンドウコンパレータの内部構成を示す模式図である。
第５の実施例が従来と異なる点は、ロボット２のアーム２２の外表面に、負荷状況に応じて抵抗値が単調減少するタッチセンサ８１（可変抵抗Ｒ_H1）が取り付けられている点であり、また、ロボット駆動装置に、ＡＮＤゲート回路７２ａ、７２ｂ、７２ｃと比較器７２ｄ、７２ｅとを組み合わせてなるフェールセーフが保証されたウィンドウコンパレータと、ウィンドウコンパレータ７２より発振した出力を整流する整流回路７３とが、タッチセンサ８１に並列に接続され、また、固定抵抗１１（Ｒ₃）がタッチセンサ８１に直列に設けられている点である。
ここで、ウィンドウコンパレータ７２は上限値の符号は異なるが、第１の実施例で示したものと同じように、比較器７２ｅが２つの異なる上限値Ｖ_Heおよび下限値Ｖ_Lの間でしきい値電圧を設定し、また、比較器７２ｄが２つの異なる上限値Ｖ_Hdおよび下限値Ｖ_Lのしきい値電圧を設定している。ここで、上限しきい値Ｖ_Hd、Ｖ_Heは予め設定された固定抵抗７７、７８（抵抗値：Ｒ_Hd、Ｒ_He）を電圧変換器７７ａ、７８ａで電圧に変換して設定したものであり、一方の下限しきい値Ｖ_Lも同様に固定抵抗７５、７６を電圧変換器７５ａ、７６ａで電圧に変換して設定している。また、この比較器７２ｄ、７２ｅはウィンドウコンパレータ７２の電源電圧Ｖ_ccを監視している。さらに、ウィンドウコンパレータ７２はＡＮＤゲート回路７２ａ、７２ｂ、７２ｃにより、２入力が共に設定した両しきい値内にＶ_ccが入っている場合すなわち論理積１のとき発振回路７２ｆを介して発振し、その際、交流（方形波）を出力する。また、２入力のうち少なくとも何れか一方の入力がしきい値外になる場合は論理積０に相当し、この２入力の論理積が０のときは発振しないようになっている。
このようにウィンドウコンパレータ７２と整流回路７３が、タッチセンサ８１に並列に接続され、且つ、固定抵抗１１（Ｒ₃）がタッチセンサ８１に直列に設けられているため、タッチセンサ８１の可変抵抗にかかる出力電圧Ｖ_outは、ウィンドウコンパレータ７２の整流後の出力電圧Ｖ_compをタッチセンサ８１の可変抵抗Ｒ_H1と固定抵抗１１（Ｒ₃）で分圧する形となる。タッチセンサ８１の可変抵抗に現れる出力電圧は、
Ｖ_out＝［Ｒ₃／（Ｒ₃＋Ｒ_H1）］Ｖ_comp（式４）
となる。さらに、図１０に示すように、タッチセンサ８１に並列に設けたＡ／Ｄボード１７に入力するようにし、この信号をパソコンのＣＰＵ１８に送り、危険時にはパソコンのＣＰＵ１８に接続されたＩＯボード１９でリレー７４を駆動することで、サーボモータ２１の電源（パワー部６）を切りロボットを停止させるようにしている。
次に、動作について説明する。
図１１は、安全と判断した場合のウィンドウコンパレータと整流回路の動作を示す図で、（ａ）は、固定抵抗の抵抗値の変化を示す図、（ｂ）は、ウィンドウコンパレータのしきい値電圧に対する電源電圧Ｖ_CCの変化、（ｃ）は、整流回路の出力電圧である。図１２は、安全と判断した場合の負荷に対するタッチセンサの特性を説明する図で、（ａ）はタッチセンサの負荷に対する抵抗値変化、（ｂ）はタッチセンサの両端にかかるＡ／Ｄボードの出力電圧変化の図である。図１３は、危険と判断した場合のウィンドウコンパレータと整流回路の動作を示す図で、（ａ）はウィンドウコンパレータのしきい値電圧と電源電圧Ｖ_CCの変化であり、Ｖ_cc＜Ｖ_Lの場合、（ｂ）はウィンドウコンパレータのしきい値電圧と電源電圧Ｖ_CCの変化であり、Ｖ_He＜Ｖ_ccあるいはＶ_Hd＜Ｖ_ccの場合である。ウィンドウコンパレータのしきい値電圧に対する電源電圧Ｖ_CCの変化、（ｃ）は、整流回路の出力電圧である。図１４は、危険と判断した場合の負荷に対するタッチセンサの特性を説明する図で、（ａ）はタッチセンサの負荷に対する抵抗値変化、（ｂ）はＡ／Ｄボードの出力電圧変化の図である。
まず、図１０（ａ）に示すロボット駆動装置において、電源電圧Ｖ_ccがウィンドウコンパレータ７２に入力され、電源電圧Ｖ_ccの電圧値がウィンドウコンパレータ７２内で予め設定された固定抵抗Ｒ_Hd、Ｒ_He、Ｒ_L（いずれも図１１（ａ）参照）に依存した電圧のしきい値内、すなわち、図１１（ｂ）に示すようにそれぞれともにＶ_L＜Ｖ_cc＜Ｖ_Hd、Ｖ_L＜Ｖ_cc＜Ｖ_Heに入っていると、ウィンドウコンパレータ７２の出力は論理積１となって発振出力になる。これにより、電源電圧Ｖ_ccがウィンドウコンパレータ７２のしきい値内にあるので、整流回路出力後の電圧特性Ｖ_compは図１１（ｃ）のようにＨｉｇｈレベルになる。
一方、タッチセンサ８１の可変抵抗Ｒ_H1の特性は図１２（ａ）で示されるように、負荷がかかった場合に単調減少するものであり、電源電圧Ｖ_ccがウィンドウコンパレータ７２のウィンドウ内にあると、Ａ／Ｄボード１７に入力される出力電圧Ｖ_outの特性は、この整流回路出力後の出力電圧Ｖ_compをタッチセンサ８１の可変抵抗Ｒ_H1と固定抵抗１１（Ｒ₃）で分圧するので、図１２（ｂ）のようになる。このとき、すなわち、Ａ／Ｄボード１７に可変抵抗Ｒ_H1にかかる電圧Ｖ_outを入力し、正常時にはパソコンのＣＰＵ１８を用いてＤ／Ａボード４にて指令電圧を出力し、サーボモータ２１を介してロボット２を動作させる。
また、ウィンドウコンパレータ７２に入力された電源電圧Ｖ_ccの電圧値が変動し、図１３（ａ）に示すようなＶ_cc＜Ｖ_L、もしくは図１３（ｂ）に示すようなＶ_He＜Ｖ_ccまたはＶ_Hd＜Ｖ_ccの状態になると論理値０で、ウィンドウコンパレータ７２の出力はＬｏｗレべル（危険）となる。このとき、整流回路出力後の出力電圧特性は図１３（ｃ）のようになる。また、タッチセンサに図１４（ａ）に示すように過負荷が加わった場合、出力電圧Ｖ_outが０Ｖに近づくため危険と判断することができる（図１４（ｂ）参照）。
さらに、この整流回路出力後の出力電圧Ｖ_comp（Ｖ_out＝０Ｖ）がＡ／Ｄボード１７に入力されると、パソコンのＣＰＵ１８を用いてＩＯボード１９でリレー７４を駆動し、サーボモータ２１の電源（パワー部６）を切りロボット２を停止させる。
したがって、ロボットに負荷がかかり、ロボットと人間等との接触状況を検知するタッチセンサの故障・断線が生じた場合や、電源電圧が変動した場合に、ロボットを安全側に動作させることができる。
【００１１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば以下の効果がある。
（１）第１の実施例に示すように、ロボットのアームの外表面にロボットが人間と接触したときの負荷の大きさに応じて抵抗値が単調減少するタッチセンサを取り付け、タッチセンサの検出抵抗よる電圧と指令電圧を比較し、ロボットの動作を常に安全側に働かせるような判断を行う安全保護判断部を設けたので、異常が発生している時にはその動作を安全側に働かせることができる。
（２）第２の実施例に示すように、ロボットのアームの外表面にロボットが人間と接触したとき負荷の大きさに応じて抵抗値が単調増加するタッチセンサを設け、サーボアンプに入力される指令電圧をタッチセンサの抵抗と固定抵抗とで分圧させる構成にしたり、また、第３の実施例に示すように、負荷の大きさに応じて抵抗値が単調減少するタッチセンサを設け、サーボモータを駆動させる駆動電流をタッチセンサの抵抗とサーボモータのモータ抵抗で低減させるようにしたので、ロボットが暴走して人間の安全を確保できなくなるようなおそれがある場合に、ロボットの動作を停止することなく、動作速度を低減することができる。
（３）第４の実施例に示すように、ロボットのアームの外表面に抵抗値が単調増加するタッチセンサを設け、サーボモータを駆動させる駆動電流をタッチセンサの抵抗で低減させるようにしたので、ロボットの動作を停止することなく、動作速度を低減することができる。
（４）第５の実施例に示すように、ロボットに負荷がかかり、ロボットと人間等との接触状況を検知するタッチセンサの故障・断線が生じた場合、電源電圧の変動が生じた場合に、駆動装置がタッチセンサの出力電圧から無負荷であると判断することなく、安全側に動作することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第1 の実施例を示すロボット駆動装置の安全保護装置であり、（ａ）は安全保護装置のブロック図、（ｂ）はウィンドウコンパレータの内部構成を示す模式図である。
【図２】安全保護判断部で安全と判断した場合におけるタッチセンサと安全保護判断部の動作を示す図で、（ａ）はタッチセンサの抵抗値の変化、（ｂ）はウィンドウコンパレータのしきい値に対する指令電圧と電源電圧の和Ｖrefdの変化、（ｃ）は整流回路の出力電圧である。
【図３】安全保護判断部で危険と判断した場合における、タッチセンサと安全保護判断部の動作を示す図で、（ａ）はタッチセンサの抵抗値の変化、（ｂ）はウィンドウコンパレータのしきい値に対する指令電圧と電源電圧の和Ｖre
fdの変化、（ｃ）は整流回路の出力電圧である。
【図４】本発明の第２の実施例を示すロボット駆動装置の安全保護装置のブロック図である。
【図５】安全保護装置の動作を示す図で、（ａ）は指令電圧の時間変化、（ｂ）はロボットの負荷に対するタッチセンサの抵抗変化、（ｃ）は負荷に対するサーボアンプ指令電圧の変化を示す図である。
【図６】本発明の第３の実施例を示すロボット駆動装置の安全保護装置のブロック図である。
【図７】安全保護装置の動作を示す図で、（ａ）は指令電圧の時間変化、（ｂ）はロボットの負荷に対するタッチセンサの抵抗変化、（ｃ）は負荷に対するサーボモータ駆動電流の変化を示す図である。
【図８】本発明の第４の実施例を示すロボット駆動装置の安全保護装置のブロック図である。
【図９】安全保護装置の動作を示す図で、（ａ）は指令電圧の時間変化、（ｂ）はロボットの負荷に対するタッチセンサの抵抗変化、（ｃ）は負荷に対するサーボモータ駆動電流の変化を示す図である。
【図１０】本発明の第5の実施例を示すロボット駆動装置の安全保護装置であって、（ａ）は安全保護装置のブロック図、（ｂ）はウィンドウコンパレータの内部構成を示す模式図である。
【図１１】安全と判断した場合のウィンドウコンパレータと整流回路の動作を示す図で、（ａ）は固定抵抗による上限、下限のしきい値抵抗の時間変化を示す図、（ｂ）はウィンドウコンパレータのしきい値電圧に対する電源電圧Ｖ_CCの変化、（ｃ）は整流回路の出力電圧である。
【図１２】安全と判断した場合の負荷に対するタッチセンサの特性を説明する図で、（ａ）はタッチセンサの負荷に対する抵抗値変化、（ｂ）はＡ／Ｄボードに入力される出力電圧の特性である。
【図１３】危険と判断した場合のウィンドウコンパレータと整流回路の動作を示す図で、（ａ）および（ｂ）はウィンドウコンパレータのしきい値電圧に対する電源電圧Ｖ_CCの変化、（ｃ）は整流回路の出力電圧である。
【図１４】危険と判断した場合の負荷に対するタッチセンサの特性を説明する図で、（ａ）はタッチセンサの負荷に対する抵抗値変化、（ｂ）はＡ／Ｄボードに入力される出力電圧である。
【図１５】従来例を示すロボット駆動装置のブロック図である。
【図１６】従来の負荷駆動装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
１：人間
２：ロボット
２１：サーボモータ
２２：アーム
３：ロボットコントローラ
４：Ｄ／Ａボード
５：サーボアンプ
６：パワー部
７：安全保護判断部
７１：整流回路
７２：ウィンドウコンパレータ
７２ａ、７２ｂ、７２ｃ：ＡＮＤゲート回路
７２ｄ、７２ｅ：比較器
７２ｆ：発振回路
７３：整流回路
７４：リレー
７５、７６、７７、７８：固定抵抗（ウィンドウコンパレータ）
８１、８２、８３：タッチセンサ
９：固定抵抗
１０：固定抵抗
１１：固定抵抗
Ｖ_ref：指令電圧
Ｖ_cc：電源電圧
Ｖ_H1、Ｖ_H2、Ｖ_Hd、Ｖ_He：ウィンドウコンパレータの上限しきい値
Ｖ_L：ウィンドウコンパレータの下限しきい値[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention drives, for example, a service robot that assumes contact with a human or an object. Robot drive device About.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, human-friendly robots used in the medical welfare field, etc., work in the same space as humans or objects, and there is a possibility that the robot may come into contact with humans or objects, ensuring human safety However, it is desirable to continue the work. Normally, a robot driving apparatus for driving a robot is as shown in FIG.
In the figure, 1 is a human, 2 is a robot, 3 is a robot controller, 4 is a D / A board built in the robot controller 3, and 5 is a command voltage V from the D / A board 4. _ref The servo amplifier 21 is provided in the robot 2 and is driven by a current command whose power is converted by the servo amplifier 5, and 22 is an arm of the robot 2 using the servo motor 21 as a drive source. In order to monitor the contact state between the robot 2 itself and the human 1, such a robot 2 is provided with a touch sensor (not shown) whose resistance value monotonously decreases depending on the load state on the outer surface of the arm 22. By controlling the software based on the detection information, the impact from the robot 2 to the human 1 is suppressed and safety is ensured.
However, if an abnormal command is output from the D / A board 4 to the servo amplifier 5 due to a failure of the D / A board 4 or the servo amplifier 5 or the software of the controller 3 running out of control, for example, the servo motor 21 has a problem of running away because it operates according to the command voltage. As a result, the robot 2 may not be able to continue the operation of the arm 22 while maintaining the safety of the human 1. Therefore, a means for identifying the abnormality of the robot drive device is required.
[0003]
Various means for identifying an abnormality in a robot drive device have been proposed. For example, in a general load drive device, a window comparator that issues a command to stop driving on the load side when an abnormality occurs in the load. There is a thing using. FIG. 16 shows an example of a load driving device. In such a device, an analog signal from a sensor (not shown) is constantly input to the window comparator 16, and when the input sensor signal exceeds the sensor setting range by the microcomputer control unit 13, an upper limit value is set. The sensor signal is compared with the upper limit value and the lower limit value set by the unit 14 and the lower limit value setting unit 15. In the window comparator 16, when the sensor signal falls outside the threshold value, it is determined that the microcomputer control unit 13 or the A / D conversion unit 12 has failed and malfunctioned, so that no output signal is generated and the load side Stop driving.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, such a conventional technique has the following problems.
(1) In a state where a robot and a human are in contact with each other as shown in FIG. 15, for example, a touch sensor (not shown) is attached to the robot arm 22, and an abnormal operation is determined using the window comparator shown in FIG. If a comparator failure, an AND gate failure, or a disconnection failure occurs, it is determined that the output after the operation abnormality is judged to be safe despite the operation abnormality.
(2) In the robot driving apparatus shown in FIG. 15, when the contact state between the robot and a human is monitored by a touch sensor (not shown), there is a possibility that the robot may run away and the human safety cannot be secured. Then, the emergency stop switch of the robot is turned on and stopped by human judgment. However, the robot will continue to operate until the emergency stop switch is turned on because the person feels it is not safe, and if the emergency stop switch cannot be turned on quickly, the robot is driven. The command voltage to the servo amplifier and the current flowing through the drive target are increasing. As a result, the robot continues to harm humans. Further, when the robot is stopped in a danger, it takes time to restart the robot again, and the work interruption time also becomes longer.
(3) Normally, the output of the amplifier of the touch sensor (not shown) attached to the robot arm has a small output voltage when there is no load, and the output voltage changes monotonously according to the load condition. When a touch sensor breaks down or the wiring is disconnected in a state where a load is applied due to human contact, the sensor output voltage becomes 0V. For this reason, there is a risk of determining that there is no load from the output voltage of the touch sensor even though the robot is loaded.
Accordingly, a first object of the present invention is to determine an operation abnormality in spite of an operation abnormality when a failure of a comparator, an AND gate failure or a disconnection failure occurs in the robot drive device. Don't mistakenly identify the later output as safe, Robot drive device Is to provide.
The second purpose is to reduce the operation speed without stopping the operation of the robot when there is a possibility that the robot may run away and the safety of human beings cannot be ensured. Robot drive device Is to provide.
Further, the third object is that when a load is applied to the robot, when the touch sensor for detecting the contact state between the robot and a human or the like is broken or disconnected, the drive device does not determine that there is no load. The safety side failure Robot drive device Is to provide.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problem, the present invention is configured as follows.
(1) The invention described in claim 1 is a servo amplifier that inputs a command voltage from a D / A board built in the robot controller, a servo motor that is driven by a current command output from the servo amplifier, In a robot drive device provided with a robot using this servo motor as a drive source,
The magnitude of the load when the robot comes into contact with a human on the outer surface of the robot arm As becomes larger A touch sensor in which the detected resistance value monotonously decreases is provided and connected to the D / A board, and the detection resistance of the touch sensor Monotonically decreases as the load on By comparing the threshold voltage with the command voltage In contact with people A safety protection judgment unit is provided for making a judgment to apply the operation of the robot to the safety side.
(2) The invention according to claim 2 is the robot drive device according to claim 1, wherein the touch sensor is At the tip of the outer surface of the arm There are two, and the safety protection judgment unit is a detection resistor of the two touch sensors. Decreases monotonically as the load increases, and the change in the detection resistance is converted by a voltage converter. A voltage determined by a voltage and a preset external fixed resistance is an upper limit and a lower limit threshold voltage, respectively, and the detection resistance of the two touch sensors Is monotonically decreasing as the load increases, and the upper threshold value obtained by converting the change in the detection resistance by the voltage converter A window comparator that oscillates when the voltage is higher than the command voltage, a rectifier circuit that rectifies the output oscillated from the window comparator, and an output voltage after rectification by the rectifier circuit to turn off the servo motor. It consists of a relay that issues a command.
[0006]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
In the figure, the same components as those in the conventional example are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
1A and 1B show a safety protection device for a robot driving apparatus according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1A is a block diagram of the safety protection device, and FIG. 1B is a schematic diagram showing an internal configuration of a window comparator. FIG. 2 is a diagram illustrating the operation of the touch sensor and the safety protection determination unit, in which the safety protection determination unit determines safety, (a) is a diagram illustrating a change in the resistance value of the touch sensor, and (b). Is the sum V of the command voltage and the power supply voltage for the threshold value of the window comparator _refd (C) is the output voltage of the rectifier circuit. FIGS. 3A and 3B are diagrams illustrating the operation of the touch sensor and the safety protection determination unit when it is determined that the safety protection determination unit determines that the danger is present. FIG. 3A is a diagram illustrating a change in resistance value of the touch sensor, and FIG. Command voltage and power supply voltage sum V _refd (C) is the output voltage of the rectifier circuit.
The difference from the prior art is that the resistance value detected according to the magnitude of the load changes monotonously on the outer surface of the arm 22 of the robot 2, particularly the tip, when the robot 2 contacts the human 1. Touch sensors 81 and 82 (variable resistance: R _H1 , R _H2 Is attached). The D / A board 4 has a resistance R of the touch sensors 81 and 82. _H1 , R _H2 Threshold voltage and command voltage V that change according to the detected value _ref Are connected to each other, and a safety protection judgment unit 7 for making a judgment to always operate the robot 2 to the safe side is connected.
The safety protection judgment unit 7 rectifies the output oscillated from the window comparator 72 and the window comparator 72 in which fail-safe is ensured by combining the two-input AND gate circuits 72a, 72b, 72c and the comparators 72d, 72e. A rectifier circuit 73 and a relay 74 that issues a command to turn off the power supply (power unit 6) of the servo motor 21 using the output voltage rectified by the rectifier circuit 73.
In this window comparator 72, the comparator 72e has two different upper limit values V _H1 And lower limit V _L And the comparator 72d has two different upper limit values V _H2 And lower limit V _L The threshold value is set. Here, upper threshold V _H1 , V _H2 Is the resistance R of the touch sensors 81 and 82 _H1 , R _H2 Is converted into a voltage by the voltage converters 81a and 82a, and the lower limit threshold V is set. _L Is a preset resistance value R of the external fixed resistors 75 and 76 _L Is converted into a voltage by the voltage converters 75a and 76a. The sum of the command voltage output from the D / A board 4 and the power supply voltage of the window comparator 72 by the comparators 72d and 72e | V _ref | + V _cc To monitor. Further, the AND gate circuits 72a, 72b, and 72c generate a signal corresponding to the logical value 1 when both of the threshold values are within the threshold values, and | V _ref | + V _cc V which is the sum of _refd Is included, that is, when the logical product is 1, oscillates through the oscillation circuit 72f, and at this time, alternating current (square wave) is output. Further, when the value is outside the threshold value, it corresponds to the logical product 0, and when the logical product of two inputs is 0, it has a characteristic that does not oscillate accidentally. However, the lower limit V _L Is the window comparator power supply voltage V _cc It is set higher.
Next, the operation will be described.
As shown in FIGS. 1A and 1B, first, a command voltage V output from the D / A board 4 is used. _ref Is input to the rectifier circuit 71 and the command voltage | V _ref | And voltage source V _cc With the sum
A certain V _refd Is input to the window comparator 72. When the load when the robot 2 comes into contact with the human 1 increases, the resistance value R of the touch sensor as shown in FIG. _H1 Decreases monotonously. At that time, the command voltage | V output from the D / A board 4 as shown in FIG. _ref | And voltage source V _cc Sum V _refd Is the resistance R of the touch sensors 81 and 82 _H1 , R _H2 And fixed resistance R _L Within the threshold value of the voltage depending on _L <V _refd <V _H1 , V _L <V _refd <V _H2 In the case of the above, the logical product becomes 1 and the oscillation output is obtained. Then, when rectification is performed by the rectifier circuit 73 in the next stage, it becomes a high level (safety) as shown in FIG. 2C, and the signal is sent to the relay 74 so that the operation of the robot 2 is continued. Yes. Conversely, the resistance R _H1 , R _H2 When both of the voltages depending on the threshold voltage are outside the threshold value, that is, as shown in FIG. _H1 <V _refd , V _H2 <V _refd 2, as shown in FIG. 2 (c), the safety protection judgment unit determines that the logical value is 0 and becomes a low level (danger), the power unit 6 of the servo motor 21 is turned off, and the robot 2 is turned off. Stop.
Therefore, in the present invention, the voltage depending on the load (resistance) when the human and the robot are in contact, that is, the upper threshold V _H1 , V _H2 Command voltage V output from the D / A board in response to changes in _ref Is monitored by using a fail-safe window comparator, so that the comparator of the window comparator, the failure of the AND gate connected to the comparator, the disconnection of the wiring Even if a failure or the like occurs, the output after the operation abnormality determination is not determined to be safe despite the operation abnormality, and the input to the load is not increased. Therefore, it is possible to obtain a robot drive device that can always make its operation work safely when an abnormality occurs in the load.
[0007]
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
FIG. 4 is a block diagram of a safety protection device for a robot driving apparatus according to a second embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 4, the second embodiment is different from the conventional one in that the touch sensor 83 (on the outer surface of the arm 22 of the robot 2 has a monotonically increasing resistance detection value according to the magnitude of the force. Resistance R _H3 ) And a fixed resistor 9 (resistor R) in series with the touch sensor 83. ₁ ), The command voltage V just before being input to the servo amplifier 5 _out Is the command voltage V immediately after exiting the D / A board 4 _ref The resistance R of the touch sensor 83 _H3 And the fixed resistor 9 is used to divide the voltage.
Next, the operation will be described.
FIGS. 5A and 5B are diagrams showing the operation of the safety protection device. FIG. 5A shows a change in the command voltage with time, FIG. 5B shows a change in the resistance of the touch sensor with respect to the load of the robot, and FIG. .
As shown in FIG. 5A, a constant command voltage V from the D / A board 4 _ref When the load when the robot 2 comes into contact with the human 1 increases as shown in FIG. 5B, the resistance value R of the touch sensor 83 is output. _H3 Will increase monotonically. Command voltage V immediately before being input to the servo amplifier 5 _out Is the command voltage V immediately after exiting the D / A board 4 _ref Is divided by the resistance of the touch sensor 83 and the fixed resistance 9, so that when the robot 2 comes into contact with the person 1, the robot 2 is driven as shown in FIG. Command voltage V to servo amplifier 5 _out Monotonously decreases. At this time, the command voltage V _out Is the command voltage V _ref , Touch sensor resistance R _H3 , Fixed resistance R ₁ It can be expressed by the following equation.
V _out = V _ref / (1 + R _H3 / R ₁ (Formula 1)
Therefore, the command voltage to the servo amplifier 5 can be reduced, and the current flowing through the load can be reduced, so that the robot 2 can be operated in contact with the human 1 while reducing the operation speed without stopping the robot 2. Can continue.
A switch (not shown) is provided in the vicinity of the touch sensor 83 input between the D / A board 4 and the servo amplifier 5, and the switch is arbitrarily turned on when the robot 2 contacts the human 1. The command voltage to the servo amplifier 5 may be monotonously decreased.
In the robot driving device, the resistance value R of the touch sensor _H3 Is monotonously decreased according to the load, the connection between the touch sensor 83 and the fixed resistor 9 may be replaced, or a fixed resistor may be used instead of the touch sensor, and the command voltage to the servo amplifier is set as in the above embodiment. It can be monotonously decreased.
[0008]
Next, a third embodiment of the present invention will be described.
FIG. 6 is a block diagram of a safety protection device for a robot drive device according to a third embodiment of the present invention.
The third embodiment is different from the prior art in that a touch sensor 81 whose resistance detection value changes monotonously in accordance with the magnitude of force is provided on the outer surface of the arm 22 of the robot 2 as shown in FIG. Provided, resistance R of the touch sensor 81 _H1 In parallel with the motor resistance R of the servo motor 21 _m And the resistance R of the touch sensor 81 _H1 And motor resistance R of servo motor 21 _m Fixed resistor 10 (resistance R ₂ ). With this configuration, the current immediately after coming out of the servo amplifier 5 is used as the resistance R of the touch sensor 81. _H1 And motor resistance R of servo motor 21 _m The drive current i input to the servo motor 21 is divided by _m It is characterized by reducing the above.
Next, the operation will be described.
7A and 7B are diagrams showing the operation of the safety protection device, where FIG. 7A shows a change in command voltage over time, FIG. 7B shows a change in resistance of the touch sensor with respect to the robot load, and FIG. 7C shows a change in servo motor drive current with respect to the load. is there.
As shown in FIG. 7A, a constant command voltage V from the servo amplifier 5 is obtained. _ref However, as shown in FIG. 7B, when the load when the robot 2 comes into contact with the human 1 increases, the resistance value R of the touch sensor 81 is increased. _H1 Decreases monotonously. The command voltage immediately after coming out of the servo amplifier 5 is obtained by using the resistance 81a of the touch sensor 81 and the motor resistance R of the servo motor 21. _m Therefore, as shown in FIG. 7C, when the robot 2 comes into contact with the human 1, the current i to the servo motor 21 that drives the robot 2 is determined according to the load state. _m Monotonically decreases. Current i to servo motor 21 at this time _m Is the command voltage V _ref , Touch sensor resistance R _H1 , Fixed resistance R ₂ , Servo motor resistance R _m It can be expressed by the following equation.
i _m = V _ref / (R ₂ R _m / R _H1 + R ₂ + R _m (Formula 2)
Therefore, since the drive current to the servomotor 21 can be reduced, the operation can be continued while being in contact with a human being while reducing the operation speed without stopping the robot.
In addition, a switch (not shown) is provided in the vicinity of the touch sensor input between the servo amplifier 5 and the servo motor 21, and the switch is arbitrarily turned on only when the robot 2 comes into contact with the human 1 or an object. The current to the servo motor may be monotonously decreased.
Further, in the robot drive device, a fixed resistor and a switch may be used instead of the touch sensor, and the current to the servo motor can be monotonously reduced as in the above embodiment.
Also, in order to reduce the motor torque when the robot arm comes into contact with a human, the resistance R of the touch sensor _H1 , Fixed resistance R ₂ , Servo motor resistance R _m The drive current is reduced by setting the magnitude of the above, and human safety is achieved, so there is no problem.
[0009]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described.
FIG. 8 is a block diagram of a safety protection device for a robot driving apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
The fourth embodiment is different from the prior art in that, as shown in FIG. 8, a touch sensor 83 whose resistance detection value changes monotonically in accordance with the magnitude of the force is provided on the outer surface of the arm 22 of the robot 2. Provided, resistance R of the touch sensor 83 _H3 Motor resistance R of servo motor 21 in series _m Are connected, and the resistance 83a of the touch sensor 83 and the motor resistance R of the servo motor 21 are connected. _m Are connected in series. With this configuration, the current immediately after coming out of the servo amplifier 5 is used as the resistance R of the touch sensor 83 _H3 The drive current i input to the servomotor 21 is divided by _m It is characterized by reducing the above.
Next, the operation will be described.
9A and 9B are diagrams showing the operation of the safety protection device, where FIG. 9A shows a change in command voltage with time, FIG. 9B shows a change in resistance of the touch sensor with respect to the load of the robot, and FIG. is there.
As shown in FIG. 9A, a constant command voltage V from the servo amplifier 5 is obtained. _ref As shown in FIG. 9B, when the load when the robot 2 comes into contact with the human 1 increases, the resistance value R of the touch sensor 83 is increased. _H3 Will increase monotonically. The command voltage immediately after coming out of the servo amplifier 5 is the resistance R of the touch sensor 83. _H3 As shown in FIG. 9C, when the robot 2 comes into contact with the human 1, the drive current i to the servo motor 21 that drives the robot 2 depends on the load status of the robot 2. _m Decreases monotonically. The drive current i to the servo motor 21 at this time _m Is the command voltage V _ref , Touch sensor resistance R _H3 , Servo motor resistance R _m It can be expressed by the following equation.
i _m = V _ref / (R _H3 + R _m (Formula 3)
As a result, since the drive current to the servo motor 21 can be reduced, it is possible to continue the operation in contact with the human 1 while reducing the operation speed without stopping the robot 2.
In order to reduce the motor torque when the robot arm comes into contact with a human being, the resistance R of the touch sensor is reduced. _H3 , Servo motor resistance R _m The drive current is reduced by setting the magnitude of the above, and human safety is achieved, so there is no problem.
[0010]
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described.
10A and 10B show a safety protection device for a robot driving apparatus according to a fifth embodiment of the present invention. FIG. 10A is a block diagram of the safety protection device, and FIG. 10B is a schematic diagram showing an internal configuration of a window comparator. .
The fifth embodiment is different from the prior art in that a touch sensor 81 (variable resistance R) whose resistance value monotonously decreases depending on the load state on the outer surface of the arm 22 of the robot 2. _H1 The window comparator 72 is provided with a fail-safe guaranteed window combination of the AND gate circuits 72a, 72b, 72c and the comparators 72d, 72e, and the window comparator 72. A rectifier circuit 73 that rectifies the oscillated output is connected in parallel to the touch sensor 81, and the fixed resistor 11 (R _Three ) Is provided in series with the touch sensor 81.
Here, the window comparator 72 is different in the sign of the upper limit value, but, like the one shown in the first embodiment, the comparator 72e has two different upper limit values V. _He And lower limit V _L , And the comparator 72d has two different upper limit values V _Hd And lower limit V _L The threshold voltage is set. Where the upper threshold V _Hd , V _He Are preset fixed resistors 77 and 78 (resistance value: R _Hd , R _He ) Is converted into a voltage by the voltage converters 77a and 78a, and one of the lower limit threshold values V is set. _L Similarly, the fixed resistors 75 and 76 are set by converting them into voltages by the voltage converters 75a and 76a. The comparators 72d and 72e are connected to the power supply voltage V of the window comparator 72. _cc Is monitoring. Further, the window comparator 72 is connected to the V threshold value within the threshold values set by the two inputs by AND gate circuits 72a, 72b and 72c. _cc Is included, that is, when the logical product is 1, oscillates through the oscillation circuit 72f, and at this time, alternating current (square wave) is output. Further, when at least one of the two inputs is out of the threshold value, it corresponds to the logical product 0, and when the logical product of the two inputs is 0, the oscillation does not occur.
In this way, the window comparator 72 and the rectifier circuit 73 are connected in parallel to the touch sensor 81 and the fixed resistor 11 (R _Three ) Is provided in series with the touch sensor 81, the output voltage V applied to the variable resistance of the touch sensor 81. _out Is the rectified output voltage V of the window comparator 72 _comp The variable resistance R of the touch sensor 81 _H1 And fixed resistor 11 (R _Three ) To form a partial pressure. The output voltage appearing at the variable resistance of the touch sensor 81 is
V _out = [R _Three / (R _Three + R _H1 ]] V _comp (Formula 4)
It becomes. Further, as shown in FIG. 10, the signal is input to the A / D board 17 provided in parallel with the touch sensor 81, and this signal is sent to the CPU 18 of the personal computer. By driving the relay 74, the power (power unit 6) of the servo motor 21 is turned off to stop the robot.
Next, the operation will be described.
FIG. 11 is a diagram illustrating the operation of the window comparator and the rectifier circuit when it is determined to be safe. FIG. 11A is a diagram illustrating a change in the resistance value of the fixed resistor, and FIG. Power supply voltage V _CC (C) is the output voltage of the rectifier circuit. 12A and 12B are diagrams for explaining the characteristics of the touch sensor with respect to the load when it is determined to be safe. FIG. 12A shows a change in resistance value with respect to the load of the touch sensor, and FIG. It is a figure of an output voltage change. FIG. 13 is a diagram illustrating the operation of the window comparator and the rectifier circuit when it is determined to be dangerous. FIG. _CC Change of V _cc <V _L (B) shows the threshold voltage of the window comparator and the power supply voltage V _CC Change of V _He <V _cc Or V _Hd <V _cc This is the case. Supply voltage V with respect to threshold voltage of window comparator _CC (C) is the output voltage of the rectifier circuit. 14A and 14B are diagrams for explaining the characteristics of the touch sensor with respect to the load when it is determined to be dangerous. FIG. 14A is a change in resistance value with respect to the load of the touch sensor, and FIG. is there.
First, in the robot driving apparatus shown in FIG. _cc Is input to the window comparator 72 and the power supply voltage V _cc Is a fixed resistor R set in advance in the window comparator 72. _Hd , R _He , R _L (Both refer to FIG. 11A) within the threshold value of the voltage, that is, as shown in FIG. _L <V _cc <V _Hd , V _L <V _cc <V _He In the case of the input, the output of the window comparator 72 becomes the logical product 1 and becomes an oscillation output. As a result, the power supply voltage V _cc Is within the threshold value of the window comparator 72, the voltage characteristic V after the output of the rectifier circuit _comp Becomes a high level as shown in FIG.
On the other hand, the variable resistance R of the touch sensor 81 _H1 As shown in FIG. 12 (a), the characteristic of the power supply voltage monotonously decreases when a load is applied. _cc Is within the window of the window comparator 72, the output voltage V input to the A / D board 17 _out The characteristic of the output voltage V after the output of this rectifier circuit _comp The variable resistance R of the touch sensor 81 _H1 And fixed resistor 11 (R _Three ), The pressure is divided as shown in FIG. At this time, that is, the variable resistor R is applied to the A / D board 17. _H1 Voltage V _out In the normal state, a command voltage is output from the D / A board 4 using the CPU 18 of the personal computer, and the robot 2 is operated via the servo motor 21.
Further, the power supply voltage V input to the window comparator 72 _cc Voltage value fluctuates and V as shown in FIG. _cc <V _L Or V as shown in FIG. _He <V _cc Or V _Hd <V _cc In this state, the logical value is 0, and the output of the window comparator 72 becomes a low level (danger). At this time, the output voltage characteristic after the output of the rectifier circuit is as shown in FIG. In addition, when an overload is applied to the touch sensor as shown in FIG. _out Since it approaches 0V, it can be judged as dangerous (see FIG. 14B).
Furthermore, the output voltage V after the output of this rectifier circuit _comp (V _out = 0 V) is input to the A / D board 17, the relay 74 is driven by the IO board 19 using the CPU 18 of the personal computer, the power supply (power unit 6) of the servo motor 21 is turned off, and the robot 2 is stopped.
Therefore, when a load is applied to the robot and the touch sensor for detecting the contact state between the robot and a human or the like is broken or disconnected, or the power supply voltage fluctuates, the robot can be operated to the safe side.
[0011]
【The invention's effect】
As described above, the present invention has the following effects.
(1) As shown in the first embodiment, a touch sensor whose resistance value monotonously decreases in accordance with the magnitude of a load when the robot comes into contact with a human is attached to the outer surface of the robot arm, and the touch sensor is detected. A safety protection judgment unit that compares the resistance voltage with the command voltage and makes a decision to always make the robot operation work safely is provided so that it can work on the safety side when an abnormality occurs. .
(2) As shown in the second embodiment, a touch sensor is provided on the outer surface of the robot arm, the resistance value of which increases monotonically according to the magnitude of the load when the robot comes into contact with humans. The command voltage is divided by the resistance of the touch sensor and the fixed resistance, or as shown in the third embodiment, a touch sensor whose resistance value monotonously decreases according to the size of the load is provided. The drive current that drives the servo motor is reduced by the resistance of the touch sensor and the motor resistance of the servo motor, so if the robot runs out of control and there is a risk that human safety cannot be secured, The operating speed can be reduced without stopping.
(3) As shown in the fourth embodiment, a touch sensor whose resistance value monotonously increases is provided on the outer surface of the robot arm, and the drive current for driving the servo motor is reduced by the resistance of the touch sensor. The operation speed can be reduced without stopping the operation of the robot.
(4) As shown in the fifth embodiment, when a load is applied to the robot, a touch sensor that detects a contact state between the robot and a human or the like is broken or disconnected, or a power supply voltage fluctuates. The driving device can operate on the safe side without determining from the output voltage of the touch sensor that there is no load.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a safety protection device for a robot driving apparatus according to a first embodiment of the present invention, where (a) is a block diagram of the safety protection device and (b) is a schematic diagram showing an internal configuration of a window comparator. .
FIGS. 2A and 2B are diagrams illustrating operations of the touch sensor and the safety protection determination unit when the safety protection determination unit determines that safety is present; FIG. 2A illustrates a change in the resistance value of the touch sensor, and FIG. A change in the sum Vrefd of the command voltage and the power supply voltage with respect to the value, (c) is an output voltage of the rectifier circuit.
FIGS. 3A and 3B are diagrams illustrating operations of the touch sensor and the safety protection determination unit when it is determined that the safety protection determination unit is dangerous. FIG. 3A illustrates a change in the resistance value of the touch sensor, and FIG. Sum of command voltage and power supply voltage for threshold value Vre
The change of fd, (c) is the output voltage of the rectifier circuit.
FIG. 4 is a block diagram of a safety protection device for a robot drive device according to a second embodiment of the present invention.
FIGS. 5A and 5B are diagrams illustrating the operation of the safety protection device, where FIG. 5A is a time change of a command voltage, FIG. 5B is a touch sensor resistance change with respect to a robot load, and FIG. 5C is a servo amplifier command voltage change with respect to the load. FIG.
FIG. 6 is a block diagram of a safety protection device for a robot drive device according to a third embodiment of the present invention.
7A and 7B are diagrams illustrating the operation of the safety protection device, where FIG. 7A is a time change of a command voltage, FIG. 7B is a resistance change of a touch sensor with respect to a robot load, and FIG. FIG.
FIG. 8 is a block diagram of a safety protection device for a robot driving apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
FIGS. 9A and 9B are diagrams showing the operation of the safety protection device, where FIG. 9A shows a change in command voltage over time, FIG. 9B shows a change in resistance of a touch sensor with respect to a robot load, and FIG. FIG.
FIGS. 10A and 10B are safety protection devices for a robot driving apparatus according to a fifth embodiment of the present invention, where FIG. 10A is a block diagram of the safety protection device, and FIG. 10B is a schematic diagram illustrating an internal configuration of a window comparator. is there.
11A and 11B are diagrams illustrating operations of the window comparator and the rectifier circuit when it is determined to be safe, in which FIG. 11A is a diagram illustrating a temporal change in the upper and lower threshold resistances due to a fixed resistance, and FIG. Supply voltage V with respect to threshold voltage of _CC (C) is the output voltage of the rectifier circuit.
FIGS. 12A and 12B are diagrams for explaining characteristics of a touch sensor with respect to a load when it is determined to be safe, in which FIG. 12A shows a change in resistance value with respect to the load of the touch sensor, and FIG. It is a characteristic.
FIGS. 13A and 13B are diagrams showing the operation of the window comparator and the rectifier circuit when it is determined as dangerous. FIGS. 13A and 13B show the power supply voltage V with respect to the threshold voltage of the window comparator. _CC (C) is the output voltage of the rectifier circuit.
FIGS. 14A and 14B are diagrams for explaining characteristics of a touch sensor with respect to a load when it is determined to be dangerous, where FIG. 14A is a change in resistance value with respect to the load of the touch sensor, and FIG. 14B is an output voltage input to the A / D board; is there.
FIG. 15 is a block diagram of a robot driving apparatus showing a conventional example.
FIG. 16 is a block diagram showing a conventional load driving device.
[Explanation of symbols]
1: Human
2: Robot
21: Servo motor
22: Arm
3: Robot controller
4: D / A board
5: Servo amplifier
6: Power section
7: Safety Protection Judgment Department
71: Rectifier circuit
72: Window comparator
72a, 72b, 72c: AND gate circuit
72d, 72e: Comparator
72f: Oscillator circuit
73: Rectifier circuit
74: Relay
75, 76, 77, 78: Fixed resistor (window comparator)
81, 82, 83: Touch sensor
9: Fixed resistance
10: Fixed resistance
11: Fixed resistance
V _ref : Command voltage
V _cc :Power-supply voltage
V _H1 , V _H2 , V _Hd, V _He : Upper threshold of window comparator
V _L : Lower threshold of window comparator

Claims

A servo amplifier that inputs a command voltage from a D / A board built in the robot controller, a servo motor that is driven by a current command output from the servo amplifier, and a robot that uses this servo motor as a drive source. In the robot drive provided,
A touch sensor is provided on an outer surface of the arm of the robot , and the detected resistance value monotonously decreases as the load when the robot comes into contact with a human being increases. By comparing the command voltage with a threshold voltage that is connected and decreases monotonically as the load on the detection resistor of the touch sensor increases , the operation of the robot when contacting a person is brought to the safe side. A robot drive device comprising a safety protection judgment unit for making a judgment to work.

Two touch sensors are provided at the distal end portion of the outer surface of the arm, and the safety protection judgment unit determines that the detection resistance of the two touch sensors monotonously decreases as the load increases, and the detection resistance The voltage determined by the voltage converter and the voltage determined by a preset external fixed resistor are set as upper and lower threshold voltages, respectively, and the detection resistance of the two touch sensors is set by the load. A window comparator that oscillates when the upper limit threshold value, which is monotonously decreased as the change in the detection resistance is converted by the voltage converter, is higher than the command voltage, and an output oscillated from the window comparator. Rectification circuit for rectification, and a command to turn off the servo motor using the output voltage after rectification by the rectification circuit A relay for emitting, robot drive device according to claim 1, which is more configurations.