JP2000246684A - アーム型ロボット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】衝突した障害物によってロボットアームが停止
させられたときに、ロボットアームを動作させる駆動モ
ータを停止することによって、衝突によって傷ついたロ
ボット本体および障害物をさらに傷つけることを防止し
たアーム型ロボットを提供する。 【解決手段】負荷トルク検知手段４３において、いずれ
かのモータ２１〜２４に制限量を越える負荷トルクがか
かっていると、全てのモータ２１〜２４を停止させる。
したがって、ロボットアーム２が障害物に衝突する等し
て停止させられたときに、モータ２１〜２４を停止する
ことができる。これにより、モータ２１〜２４にに大き
な負荷トルクが長時間かかりつづけることがなく、モー
タ２１〜２４の焼損が防止できるとともに、衝突した障
害物を押圧しつづけることもないため、該障害物をさら
に傷つけるという問題も生じない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、周囲に人がいる
可能性のある環境での使用を考慮したアーム型ロボット
に関し、例えば一般家庭において料理、片づけ、洗濯た
たみ等の家事や、介護等でベットから車椅子に人を移動
させる作業を行うアーム型ロボットに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のアーム型ロボットは、例えば、工
場の生産ライン等で製品の組み立てを行う組立ロボット
や、溶接を行う溶接ロボット、塗装を行う塗装ロボット
等、さまざまな形態のものがあった。組立ロボットの場
合を一例として、従来のアーム型ロボットの動作を説明
する。組立ロボットは、物をつかむハンド部と物を移動
させるアーム部を備え、予めプログラムされた位置の物
体をハンド部でつかみ、アーム部で別の位置に移動させ
るものである。また、カメラを備え、画像認識によりハ
ンド部において物体が正確につかめるように制御してい
る組立ロボットもあった。

【０００３】このような、従来のアーム型ロボットは、
プログラムされた動作を繰り返し行うものであって、ア
ーム型ロボットの作業範囲に障害物が存在しないことを
前提にプログラムされており、人がアーム型ロボットの
作業範囲に入らないように柵を設けるなどの安全対策が
とられている。また、アーム型ロボットの作業範囲の周
囲に光センサ等の侵入検知センサを設け、人が入ったこ
とを検知すると、緊急停止するように構成したものもあ
った。

【０００４】このようなアーム型ロボットを一般家庭等
のように周囲に人がいる環境で動作させようとすると、
人と接近した状態で使用することを考慮しなければなら
ない。すなわち、アーム型ロボットの作業範囲に人が侵
入することを禁止するのではなく、作業範囲内にいる人
と衝突しないように動作を制御することを考慮しなけれ
ばならない。そこで、アーム等に超音波センサを取り付
け、該超音波センサの出力から人等の障害物の有無や障
害物までの距離を検出し、障害物を回避しながら（障害
物に衝突しないように）動作させる制御が考えられてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、アーム
型ロボットのアームに対して人や物体が近づいてくる場
合、ロボット本体では近づいてくる人や物体を障害物と
して検出できたとしても、該障害物を回避することがで
きずに衝突することがある。また、超音波センサの死角
に障害物が位置していると、アーム型ロボットでは障害
物を検出することができずに衝突することもある。そし
て、衝突した障害物によってアームが停止させられる
と、アーム駆動モータに過大な負荷がかかり、アーム型
ロボット本体が破損（駆動モータの焼損等）するという
問題があった。また、アームが衝突した障害物を押圧し
つづけるため、衝突によって傷ついた障害物をさらに傷
つけるという問題があった。

【０００６】この発明の目的は、衝突した障害物によっ
てロボットアームが停止させられたときに、ロボットア
ームを動作させる駆動モータを停止することによって、
衝突によって傷ついたロボット本体および障害物をさら
に傷つけることを防止したアーム型ロボットを提供する
ことにある。

【０００７】また、この発明の目的は、障害物との衝突
時における衝撃を緩和することによって、衝突によるロ
ボット本体および障害物の破損を低減したアーム型ロボ
ットを提供することにある。

【０００８】さらに、この発明の目的は、停止している
ロボットアームを所望の位置に簡単に移動させることが
できるアーム型ロボットを提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】(1) 駆動モータによって
ロボットアームの節の形態を変化させることで、このロ
ボットアームを動作させるアーム駆動手段を備えたアー
ム型ロボットにおいて、上記駆動モータにかかっている
負荷トルクを検出する負荷トルク検出手段と、上記ロボ
ットアームの動作中に、上記負荷トルク検出手段により
検出した負荷トルクの大きさが予め規定されている制限
量を越えたとき、上記駆動モータを停止する駆動モータ
停止手段と、を備えている（請求項１）。

【００１０】この構成においては、ロボットアームを動
作させる駆動モータに予め規定されている制限量を越え
る負荷トルクがかかると、駆動モータが停止される。周
知のように、ロボットアームが衝突した障害物によって
停止させられると、ロボットアームを動作させる駆動モ
ータに通常の動作時よりも大きい負荷トルクがかかる。
したがって、上記制限量を適当に規定しておけば、ロボ
ットアームが衝突した障害物によって停止させられたと
きに、駆動モータを停止することができる。したがっ
て、駆動モータに非常に大きな負荷トルクが長時間かか
りつづけることがなく、駆動モータの焼損を防止するこ
とができるとともに、衝突した障害物をロボットアーム
で押圧しつづけることがなく、衝突によって傷ついた障
害物をさらに傷つけるという問題も生じない。

【００１１】(2) 上記駆動モータ停止手段は、上記ロボ
ットアームを所定距離だけ移動させた後、上記駆動モー
タを停止する手段である（請求項２）。

【００１２】この構成においては、障害物に衝突したロ
ボットアームを所定距離だけ移動させてから駆動モータ
を停止するようにしたので、衝突した物体（人等）に進
路をゆずることができる。

【００１３】(3) (2) の発明において、上記駆動モータ
停止手段は、上記走行手段によって本体を所定距離だけ
バックさせた後、上記駆動モータを停止する手段である
としてもよい。

【００１４】このようにすれば、障害物に衝突したロボ
ットアームをバックさせるようにしたので、衝突時の衝
撃を緩和することができる。これにより、衝突による装
置本体および障害物が破損する可能性を低減することが
できる。

【００１５】(4) 上記駆動モータ停止手段による上記駆
動モータの停止時に、装置本体のその後の動作について
周囲に報知する報知手段を備えている（請求項３）。

【００１６】この構成においては、障害物に衝突して停
止したロボットアームのその後の動作を周囲に報知する
ようにしたので、周囲の人に停止しているロボットアー
ムがこの後どのように動作するのかといった不安感を与
えることがない。

【００１７】(5) (4) の発明において、前記報知手段
は、メッセージを表示する表示部を有する構成としても
よい。

【００１８】この構成では、表示部にロボットアームの
その後の動作についてのメッセージを表示することで、
停止しているロボットアームのその後の動作を周囲に報
知する。

【００１９】(6) また、(4) の発明において、前記報知
手段は、メッセージを音声で出力する音声出力部を有す
る構成としてもよい。

【００２０】この構成では、音声出力部からロボットア
ームのその後の動作についてのメッセージを音声で出力
することによって、停止しているロボットアームのその
後の動作を周囲に報知する。

【００２１】(7) 駆動モータによってロボットアームの
節の形態を変化させることで、このロボットアームを動
作させるアーム駆動手段を備えたアーム型ロボットにお
いて、上記駆動モータにかかっている負荷トルクを検出
する負荷トルク検出手段と、上記ロボットアームの停止
中に、上記負荷トルク検出手段により検出した負荷トル
クの大きさが一定量を越えたとき、上記アーム駆動手段
によって該負荷トルクがかかっている方向に所定距離だ
けロボットアームを移動させる移動制御手段と、を備え
ている（請求項４）。

【００２２】この構成においては、ロボットアームの停
止時に駆動モータに一定量以上の負荷トルクがかかる
と、移動制御手段がロボットアームを負荷トルクがかか
っている方向に所定距離だけ移動させる。ここで、駆動
モータが停止しているロボットアームをある方向に押す
と、駆動モータではロボットアームが押された方向に負
荷トルクが発生する。したがって、ユーザが停止してい
るロボットアームを移動したい方向に押せば、ロボット
アームが移動制御手段によって押された方向に所定距離
だけ移動させられる。よって、停止しているロボットア
ームを簡単に所望の位置に移動させることができる。

【００２３】(8) 上記移動制御手段は、上記負荷トルク
検出手段により検出した負荷トルクの大きさに基づいて
ロボットアームの移動速度を制御する手段を含んでいる
（請求項５）。

【００２４】この構成においては、停止しているロボッ
トアームが押された力の大きさに応じた速度でロボット
アームを押された方向に所定距離だけ移動させる。した
がって、ユーザはロボットアームを押す力の大きさを変
化させることによって、ロボットアームの移動速度を制
御でき、より簡単にロボットアームを所望の位置に移動
させることができる。

【００２５】

【発明の実施の形態】図１は、この発明の実施形態であ
る本棚片づけアーム型ロボットの動作機構を示す図であ
り、図２はそのアームの動作範囲を示す図であり、図３
はアーム型ロボットの主要制御ブロック図である。

【００２６】アーム型ロボットの本体１は床に固定され
ており、内部に本体の動作を制御する制御部４を備えて
いる。本体１にはロボットアーム２（以下、単にアーム
２と言う。）が設けられ、アーム２の節を構成する軸部
にモータ２１〜２４が設けられている。各モータは、そ
れぞれが位置する節の軸を駆動する。ハンド部３はロボ
ットアーム２の先端部に設けられている。指３１は、こ
のハンド部３に設けられており、制御部４の指令によっ
て駆動された図示していないモータによって物体を把持
する動作を行う。本体１の周囲には超音波センサ５が設
けられており、アーム２の動作範囲内に存在している障
害物の有無を検出している。また、ハンド部３にはカメ
ラ６が配置されている。表示・操作部７は、本体１に設
けられ、使用者が動作指示を設定したり、動作状況を確
認するのに使用される。

【００２７】また、８はアーム型ロボットの近辺に置か
れた本棚であり、９は周囲に置かれている本である。ア
ーム２の動作範囲は図２に示しており、同図に示す１０
がアーム２の最大動作範囲を示している。また、超音波
センサ５によって障害物（人や物）を検出することがで
きる範囲（図中に示す障害物検出可能範囲）は、上記の
最大動作範囲よりも広い範囲である。

【００２８】制御部４内部には、図３に示すように超音
波センサ５の出力から障害物検出可能範囲内に存在する
障害物を検出する障害物検出手段４１と、カメラ６にお
いて撮影された撮影画像から物体を認識する画像認識手
段４２と、モータ２１〜２４にかかっている負荷トルク
を検知する負荷トルク検知手段４３とが設けられてい
る。負荷トルク検知手段４３は、モータ２１〜２４毎に
伝達軸のねじれ量を検出し、該ねじれ量からモータ２１
〜２４にかかっている負荷トルクの大きさを検出してい
る。また、制御部４はモータ２１〜２４、超音波センサ
５、表示・操作部７、ハンド部３と電気的に接続されて
おり、表示、アーム動作、ハンド動作の制御も行う。

【００２９】上記の構成の本棚片づけアーム型ロボット
の動作について説明する。この実施形態の本棚片づけア
ーム型ロボットは、カメラ６で周囲に置かれている本９
を認識し、アーム２（モータ２１〜２４）、ハンド部３
を駆動して本９を把持し、本棚８の空きスペースまたは
本の種類により指定されているスペースに移動させて挿
入することによって、本棚８の周辺に放置されている本
９を片づける。このとき、超音波センサ５により障害物
検出可能範囲内に存在している障害物（人や物体）を検
出し、障害物に衝突しないようにアーム２を動作させて
いる。

【００３０】ところで、人が突然アーム２に接近してく
ると、超音波センサ５で接近してくる人を検知できたと
しても、アーム２の停止や障害物の回避動作が間に合わ
ずに衝突してしまうことがある。そして、衝突した障害
物によってアーム２が停止させられると、アーム２を動
作させるモータ２１〜２４には、通常の動作時よりも大
きな負荷トルクがかかる。

【００３１】図４はアームを動作させる駆動モータにか
かる負荷トルクの大きさを示す図である。図においてＴ
０が駆動モータの回転を開始（始動）したタイミング、
Ｔ２が障害物に衝突したタイミング、Ｔ３が駆動モータ
を停止したタイミングであり、Ｔ２〜Ｔ３が障害物によ
ってアーム２が停止させられている時の状態（モータは
停止していない。）である。図４に示すように、モータ
の始動時（Ｔ１）にはモータに一時的に若干大きな負荷
トルクがかかる。しかし、アーム２が障害物によって停
止させられたときには始動時に一時的にかかる負荷トル
クよりも大きな負荷トルクがモータを停止するまでかか
りつづける。

【００３２】制御部４では、負荷トルク検知手段４３に
おいて各モータ２１〜２４について伝達軸のねじれ量か
ら負荷トルクの大きさを検出しており、いずれかのモー
タ２１〜２４において検出した負荷トルクが予め規定し
ている制限量（図４中に破線で示す量）を越えると、ア
ーム２が衝突した障害物によって停止させられていると
判断し、全てのモータ２１〜２４を停止する。すなわ
ち、上記制限量をモータの始動時にかかる負荷トルクよ
りも大きく、且つ、障害物によって停止させられている
ときにかかる負荷トルクよりも小さい値に設定しておけ
ば、アーム２が障害物によって停止させられたときに全
てのモータ２１〜２４を停止させることができる。これ
により、モータ２１〜２４に非常に大きな負荷トルクが
長時間かかりつづけることがなく、モータ２１〜２４の
焼損等、アーム型ロボット１の破損を防止することがで
きる。また、モータ２１〜２４を停止したことによっ
て、衝突した障害物をアーム２で長時間押圧しつづける
こともなく、衝突した衝撃によって傷ついた物体（障害
物）をさらに傷つけるという問題も生じない。

【００３３】また、上記実施形態では、アーム２が障害
物によって停止させられたことを検出すると（いずれか
のモータ２１〜２４において負荷トルクが制限量を越え
ると）、全てのモータ２１〜２４を停止するとしたが、
アーム２を適当な位置に移動させてからモータ２１〜２
４を停止するようにしてもよい。なお、アーム２を移動
させる方向は、衝突した障害物を押圧しないで該障害物
から遠ざかる方向である。このようにすれば、アーム２
に衝突した人等に進路をゆずることができ、アーム２に
衝突にした人の移動を妨害することもない。

【００３４】また、衝突時の衝撃を緩和する方向（衝突
する直前の移動方向の逆方向）にアーム２を移動させる
ようにしておけば、衝突時の衝撃を効果的に緩和するこ
とができる。これにより、アーム型ロボット１本体およ
び衝突した障害物において衝突時の衝撃によって破損す
る可能性を低減することができる。

【００３５】また、この実施形態にかかるアーム型ロボ
ット１は、障害物に衝突してモータ２１〜２４を停止し
た後、周囲にいる人に対してこれ以降の動作について報
知する機能を備えている。具体的には、アーム型ロボッ
ト１はモータ２１〜２４を停止すると、表示・操作部７
に『大丈夫ですか。ハンド部を上方に上げてから右側に
旋回します。』等のメッセージを表示することで、周囲
にいる人にアーム型ロボット１が、この後どのように動
作するのかを報知する。これにより、周囲の人にアーム
型ロボット１がこの後どのように動作するのかといった
不安感を与えることがなく、また、周囲の人も円滑に行
動できる。

【００３６】また、モータ２１〜２４を停止したとき
に、表示・操作部７に『大丈夫ですか。再スタートしま
すか。』と言うメッセージを表示し、再スタートするか
どうかの入力を待つようにしてもよい。すなわち、アー
ム型ロボット１を動作させていた者にアーム型ロボット
１の動作を再開するかどうかを選択させるようにしても
よい。

【００３７】なお、上記の説明では表示・操作部７に動
作を停止したアーム型ロボット１のこれ以降の動作につ
いてのメッセージを表示するとしたが、このメッセージ
を音声で出力するように構成してもよい。

【００３８】次に、この実施形態のアーム型ロボット１
の停止時（モータ２１〜２４の停止時）における動作に
ついて説明する。アーム型ロボット１は、動作停止時に
いずれかのモータ２１〜２４に一定量（通常の動作時に
モータ２１〜２４にかかる負荷トルクよりも小さい）を
越える負荷トルクがかかっていることを検出すると、各
モータ２１〜２４について負荷トルクがかかっている方
向に所定量（アーム２を所定距離移動させる量）だけ回
転させる。なお、このときも各モータ２１〜２４にかか
っている負荷トルクの大きさは負荷トルク検知部４３で
検出されている。

【００３９】周知のように、モータ２１〜２４が停止し
ている状態でアーム２を移動させようとして前方や後方
等に押すと（移動させたい方向に押すと）、各モータ２
１〜２４では押された方向に負荷トルクがかかる。この
とき、いずれかのモータ２１〜２４において上記一定量
を越える負荷トルクがかかると、上記したように各モー
タ２１〜２４が駆動してアーム２を負荷トルクがかかっ
ている方向に所定距離だけ移動させる。したがって、ア
ーム２は押された方向に所定距離だけ移動する。すなわ
ち、停止しているアーム２を移動させたい方向に軽く押
すことによって、移動させたい方向にアーム２を移動さ
せることができる。なお、アーム２を移動させる所定量
については適当にきめればよい。また、上記動作でアー
ム２が移動させたい位置（所望の位置）まで移動しなか
ったとしても、アーム２を押しつづけていれば上記の動
作が繰り返し行われるので、アーム２を所望の位置に移
動させることができる。すなわち、この実施形態のアー
ム型ロボット１では停止しているアーム２を所望の位置
に簡単に移動させることができる。

【００４０】また、走行用モータ１１の停止中に装置本
体に移動物体が衝突した場合も、モータ２１〜２４に一
定量を越える負荷トルクがかかり、上記動作が実行され
る。したがって、停止時に移動物体が衝突したときにお
いても、衝突による衝撃を緩和することができ、アーム
型ロボット１および衝突した移動物体が破損する可能性
を低減することができる。

【００４１】さらに、モータ２１〜２４にかかった負荷
トルクの大きさに応じて、アーム２を移動させる速度を
変化させるように構成してもよい。このようにすれば、
アーム２を押す力の大きさを変えることによって、アー
ム２の移動速度を制御することができる。したがって、
アーム２が所望の位置から離れているときには、比較的
強い力で押し、アーム２が所望の位置に近づくと押す力
を弱めることで、簡単且つ短時間でアーム２を所望の位
置に移動させることができる。

【００４２】このように、この実施形態のアーム型ロボ
ット１は、停止しているアーム２を移動させたい方向に
押すという簡単な作業で、該アーム２を所望の位置に移
動させることができる。

【００４３】なお、上記の実施形態では各モータ２１〜
２４について伝達軸のねじれ量からかかっている負荷ト
ルクの大きさを検出するとしたが、モータ２１〜２４の
駆動電流から負荷トルクの大きさの検知するようにして
もよい（負荷トルクが大きくなるにつれて、駆動電流も
大きくなる。）。また、他の方法で各モータ２１〜２４
にかかっている負荷トルクの大きさを検出するようにし
てもよい。

【００４４】また、上記の説明では本棚片づけアーム型
ロボットを例にして本願発明の説明を行ったが、本願発
明は料理用アーム型ロボット、洗濯たたみ用アーム型ロ
ボット、介護用アーム型ロボット等、様々な形態のアー
ム型ロボットに適用することができる。また、上記実施
形態の本棚片づけアーム型ロボットにおいては、本体が
固定されているとしたが、本体を移動させるための自立
走行機能を有するアーム型ロボットにも本願発明を適用
することができる。なお、上記実施形態の本棚片づけア
ーム型ロボットに上記自立走行機能を設ければ、放置さ
れている本の片づけ範囲が広がるという効果がある。な
お、本体の自立走行機能については、駆動モータによっ
て回転させれるタイヤ等の駆動輪を設けることによっ
て、簡単に実現することができる。

【００４５】

【発明の効果】以上のように、この発明のアーム型ロボ
ットにおいては、ロボットアームが障害物に衝突する等
して停止させられたときに、駆動モータを停止するよう
にしたので、駆動モータの焼損を防止することができ
る。また、衝突した障害物を押圧しつづけることもない
ため、衝突によって傷ついた障害物をさらに傷つけると
いう問題も生じない。

【００４６】また、ロボットアームが障害物に衝突する
等して停止させられたときに、該ロボットアームを所定
距離だけ移動させるようにしたので、ロボットアームに
衝突した人等に進路をゆずることができ、円滑に行動さ
せることができる。

【００４７】また、ロボットアームが障害物に衝突する
等して停止させられたときに、周囲にその後の動作につ
いて報知するようにしたので、周囲の人に不安感を与え
ることがないとともに、周囲の人を一層円滑に行動させ
ることができる。

【００４８】また、停止しているロボットアームが押さ
れたときには、ロボットアームを押された方向に移動さ
せるようにしたので、停止しているロボットアームを簡
単に所望の位置に移動させることができる。

【００４９】さらに、ロボットアームが押された力の大
きさによって、移動速度を変化させるようにしたので、
ロボットアームを短時間で所望の位置に移動させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施形態である本棚片づけアーム型
ロボットの動作機構を示す図である。

【図２】この発明の実施形態である本棚片づけアーム型
ロボットにおけるアームの動作範囲を示す図である。

【図３】この発明の実施形態である本棚片づけアーム型
ロボットの主要制御ブロック図である。

【図４】モータにかかる負荷トルクの大きさを示すグラ
フである。

【符号の説明】

１−アーム型ロボット（本棚片づけアーム型ロボット） ２−ロボットアーム ３−ハンド部 ４−制御部 ５−超音波センサ５ ６−カメラ ７−表示・操作部 ８−本棚 ９−本 ２１〜２４−モータ ４１−障害物検出手段 ４２−画像認識手段 ４３−負荷トルク検知手段

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 駆動モータによってロボットアームの節
   の形態を変化させることで、このロボットアームを動作
   させるアーム駆動手段を備えたアーム型ロボットにおい
   て、 上記駆動モータにかかっている負荷トルクを検出する負
   荷トルク検出手段と、 上記ロボットアームの動作中に、上記負荷トルク検出手
   段により検出した負荷トルクの大きさが予め規定されて
   いる制限量を越えたとき、上記駆動モータを停止する駆
   動モータ停止手段と、を備えたアーム型ロボット。
2. 【請求項２】 上記駆動モータ停止手段は、上記ロボッ
   トアームを所定距離だけ移動させた後、上記駆動モータ
   を停止する手段である請求項１に記載のアーム型ロボッ
   ト。
3. 【請求項３】 上記駆動モータ停止手段による上記駆動
   モータの停止時に、装置本体のその後の動作について周
   囲に報知する報知手段を備えた請求項１または２に記載
   のアーム型ロボット。
4. 【請求項４】 駆動モータによってロボットアームの
   節の形態を変化させることで、このロボットアームを動
   作させるアーム駆動手段を備えたアーム型ロボットにお
   いて、 上記駆動モータにかかっている負荷トルクを検出する負
   荷トルク検出手段と、 上記ロボットアームの停止中に、上記負荷トルク検出手
   段により検出した負荷トルクの大きさが一定量を越えた
   とき、上記アーム駆動手段によって該負荷トルクがかか
   っている方向に所定距離だけロボットアームを移動させ
   る移動制御手段と、を備えたアーム型ロボット。
5. 【請求項５】 上記移動制御手段は、上記負荷トルク検
   出手段により検出した負荷トルクの大きさに基づいてロ
   ボットアームの移動速度を制御する手段を含む請求項４
   に記載のアーム型ロボット。