JP2005334991A - ロボットの動作検出・規制装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトで、周囲との干渉範囲の拡大を招き難く、低価格化が容易な動作領域検出・規制装置を提供すること。
【解決手段】ロボットの２つのリンクが相対回転する関節の中空部に、中心軸が相対回転の回転軸線とほぼ一致するように一方のリンクに取付けられたパイプ状の支持部材４を配置し、その外周部にアダプタ６を介してドグ２１〜２４を段分けして取り付ける。他方のリンクには各ドグと対向して接触するスイッチ１１〜１４を持つスイッチ部１０を設置する。リンク間の相対回転に応じて、スイッチ１１〜１４と各対応するドグとの接触／非接触の状態が決まり、それがロボット制御装置へ信号で出力される。例えば、全スイッチ１１〜１４の非接触状態が危険領域を意味し、これに対応する信号をロボット制御装置が受けた時には、アラームとしてロボットを強制的に停止させる。
【選択図】図５

Description

本発明は、ロボットの二つのリンクが相対回転する中空構造を有する関節部において、該相対回転の現在位置が属する領域を検出する動作領域検出装置と、同装置を用いたロボット関節の動作範囲規制装置に関する。

産業用ロボット（以下、単に「ロボット」と云う）の周辺で人員が作業を行う際の安全確保策として、ロボットの位置（姿勢）を監視し、人員の作業スペース内にロボットが誤って侵入した場合、あるいは、侵入しようとした場合に、アラームによってロボットを停止させる機構は一般的に利用されている。また、人員が作業を行わない場合であっても、周辺機器および隣接したロボット同士の干渉を防ぐ目的で、同様の機能が使われている。

このような機能を実現する為の装置として、動作領域検出装置とそれを利用した動作範囲規制装置をロボットに装備することが知られている。これら装置（以下、合わせて「動作領域検出・規制装置」という）は、ロボットの制御系（各軸サーボモータを数値制御する系）とは独立した検出装置で構成される。これにより、例えばロボットの制御系に異常があってロボットが暴走したような場合でも、ロボットは非常停止し、安全が確保される。即ち、使用者が予め指定した条件に反するような検出結果が動作領域検出・規制装置で得られると、ロボットはアラーム状態となり強制的に停止させられる。動作領域検出・規制装置としては、一般的に相対運動する関節部に取付けられる接触スイッチ型のものが知られており、且つ、その取付けはオプション仕様としてロボット組立後に関節部の外周に設置する方式で実行されることが多い。

図１、図２は、そのような従来例に係る動作領域検出・規制装置を取付けたロボットの関節部を側面図（図１）及び同側面図中のＡ−Ａ’に沿った断面図で示したものである。これらの図に描かれているように、リンクベース１とリンクベース２は減速機を介して結合され、モータ１の出力回転により相対回転運動する構造を有している。リンクベース１には、スイッチテーブルが取付けられ、該スイッチテーブル上にスイッチ１及びスイッチ２が取付けられている。また、リンクベース２にはドグテーブルが取付けられ、該ドグテーブル上にドグ１及びドグ２が取付けられている。ドグ１の取付け位置は、リンクベース１、２間の相対回転位置がドグ１について定めた所定位置に到達すると該ドグ１がスイッチ１のヘッド部と接触するように調整される一方、ドグ２の取付け位置は、リンクベース１、２間の相対回転位置がドグ２について定めた所定位置に到達すると該ドグ２がスイッチ２のヘッド部と接触するように調整されている。

ドグ１の接触状態が示現されると、その接触が解除されるまで、同接触を表わす信号が外部に出力される。同様に、ドグ２の接触状態が示現されると、その接触が解除されるまで、同接触を表わす信号が外部に出力される。

このようにリンクベース１、２の一方にスイッチ（１個以上）を設け、他方に各スイッチを接触により付勢するドグを設けることで、２つのリンクの相対回転位置が特定の角度（１個以上）になったことを表わす信号を出力させることで、該信号に基づきリンクベース２がリンクベース１に対してどのような領域（範囲）にあるのか検出可能となる。そして、検出結果が危険な領域内への侵入を意味するものであれば、アラームとしてロボットを直ちに停止させることで安全を確保することができる。

しかし、上述したような従来装置の場合、ロボットの旋回部の外側に装置を取付けるためにドグが大型化し、それに合せてスイッチを取付ける位置も外側にはみ出してしまう。これにより、ロボットの干渉範囲が広がるため、動作領域検出・規制装置の取付け後に周辺との干渉を確認する必要が生じ、ロボットの設置密度を上げることが出来ない等の問題も生じる。また、それに加えて、動作範囲の指定はシステムに応じて変更することが一般的であり、システムの概略が決まってからロボットに動作領域検出・規制装置を取付けることになるが、その際には、個々の部品が大きいことや、動作領域検出・規制装置の取付けのためにロボットの設置作業全体に要する作業工数が増加することが問題となっている。更に、部品が大きいことは価格の面でも不利であり、小型化が望まれていた。

本発明は、これら従来技術の問題点を解消することを目的とするもので、コンパクトで、周囲との干渉範囲の拡大を招き難く、且つ、低価格化が容易な動作領域検出・規制装置を提供しようとするものである。

本発明は、ロボットの中空構造を有する関節において、その中空部を利用して動作領域検出・規制装置の諸要素を配置する手法を採用することで、上記目的を達成するものである。先ず、請求項１、２に記載された発明は、いずれもロボットの２つのリンクが相対回転する中空構造の関節における前記相対回転の動作領域検出装置に適用されるもので、前者はドグとスイッチの組み合わせを１ペア用いて構成し得る発明を規定しており、後者はドグとスイッチの組み合わせを複数ペア用いた構成を定めている。

請求項１に記載された発明の特徴に従った動作領域検出装置は、ドグと、該ドグを支持する支持部材と、該ドグとの接触または非接触により信号を出力する検出スイッチとを備え、前記支持部材は、前記中空構造の中空部内において、該支持部材の中心軸が前記相対回転の回転軸線と一致、または近傍を通るように前記２つのリンクの内の一方に取付けられており、前記ドグは、前記支持部材の外周面上に取付けられ、該外周面の周方向に沿って、所望検出領域に応じた長さを有している。
そして、前記検出スイッチは、前記２つのリンクの内の他方のリンクの、前記ドグと対向する位置に設けられ、前記信号の出力状況により前記相対回転の現在位置が属する領域を検出する。

また、請求項２に記載された発明の特徴に従った動作領域検出装置は、複数のドグと、該複数のドグを支持する支持部材と、前記複数のドグの夫々と対応して設けられ、各対応するドグとの接触または非接触により信号を夫々出力する複数の検出スイッチとを備え、前記支持部材は、前記中空構造の中空部内において、該支持部材の中心軸が前記相対回転の回転軸線と一致、または近傍を通るように前記２つのリンクの内の一方に取付けられており、前記複数のドグは、前記支持部材の外周面の周方向に沿って、複数段並んだ各段位置にそれぞれ取付けられるとともに所望検出領域に応じた長さを有している。
そして、前記複数の検出スイッチは、前記２つのリンクの内の他方のリンクの、複数段並んだ各段位置に、前記複数のドグの夫々と対向するように設けられ、
前記信号の出力状況により前記相対回転の現在位置が属する領域を検出する。

次に、請求項３に記載された発明は、ロボットの２つのリンクが相対回転する中空構造の関節における前記相対回転の動作範囲を規制する手段を備えたロボット関節の動作範囲規制装置を規定したもので、その特徴は、該規制手段にによる規制が、請求項１または請求項２に記載の動作領域検出装置により検出した相対回転の現在位置が属する領域に基づいて行なわれることである。
なお、これら各発明において、ドグ（１個または複数）の支持部材への取付けは、ドグを支持部材に直接取り付ける態様、あるいは、アダプタを介して取り付ける態様のいずれによっても良い。

本発明によれば、下記の効果を備えた動作領域検出装置、動作範囲規制装置が提供される。
（１）動作領域検出装置、動作範囲規制装置を構成する諸部品のコンパクト化と、設置工数の削減が可能になる。また、それに伴いコスト削減が容易となり、メンテナンス性も向上する。
（２）動作領域検出装置、動作範囲規制装置をロボットに装備しても外側へのはみ出しが起らないため、周辺機器との干渉範囲の拡大を招かない。また、ロボットの設置密度を高める際に障害とならない。

以下、図３〜図６を参照して本発明の実施形態について説明する。先ず図３は、本発明の一つの実施形態に係る動作領域検出・規制装置を取付けたロボットの関節部を断面図で示したものである。同図において、符号１はＪ１ベースに対応する第１の部材で、減速機５の筐体に固定されている。また、符号２は減速機５の出力軸に固定された第２部材（テーブル状部材）で、Ｊ２ベースに対応する第３部材に連結固定されている。一方、減速機５の入力軸は図示を省略したモータ（Ｊ１軸駆動用）に結合されている。

ここで、減速機５は回転軸Ｂ−Ｂ’周りに空洞部を持つ周知の構造を有し、第２部材（テーブル状部材）にも同空洞部に対応する部分（回転軸Ｂ−Ｂ’周り）に開口を有している。従って、同モータが回転すると、第２部材２と第３部材（Ｊ２べ一ス）３が一体となって軸Ｂ−Ｂ’周りで第１部材（Ｊ１べ一ス）１に対して相対回転する。また、回転軸Ｂ−Ｂ’周りには回転軸Ｂ−Ｂ’に沿って延びる中空部が確保される。

このような関節に動作領域検出・規制装置を装備するために、この回転軸Ｂ−Ｂ’に沿って延びる中空部にパイプ状の第４部材４が通される。第４部材４は、後述するドグを支持する部材であり、その一端がボルト等の固定手段（図示省略）を用いて第１部材１に固定される。これにより、第４部材４の固定姿勢は、パイプ状の第４部材の軸（中空部の軸）が回転軸Ｂ−Ｂ’とほぼ一致することになる。

次に、スイッチと、第１部材１と第３部材３との相対回転位置に応じて同スイッチと接触／非接触の状態をとるドグについて説明する。図３において、スイッチ部全体は図３において符号１０で示したように、第３部材３上に設置されている。図３中の符号Ｃは、スイッチ部１０のスイッチ（付勢子）と第４部材４の外周部に設けられたドグが接触を起こす部分を表わしているが、この部分Ｃは第３部材３が第１部材１に対して相対回転すると、当然、回転軸Ｂ−Ｂ’周りで公転運動を起こす。そしてこの公転位置に応じて、ドグとスイッチ（付勢子）が接触状態あるいは非接触状態となる。

図４は、部分Ｃの周辺を拡大して表わした部分拡大図である。同図に示したように、本例では、計４個のドグ２１〜２４が第５部材（アダプタ）６を介して第４部材４の外周部に取付けられている。また、スイッチ部１０には各ドグ２１〜２４に対応してスイッチ（付勢子）１１〜１４が設けられている。スイッチ１１〜１４は、例えば押圧力を印加することで弾性的に変位し、内部の回路を非接触状態を意味する「オフ」から接触状態を意味する「オン」に切り替える機能を有している。なお、このようなスイッチ及び内部回路については周知であるから説明は省略する。
スイッチ１１〜１４と各対応するドグ２１〜２４の位置関係（特に距離）を調整できるように、スイッチ部１０の第３部材３上への設置は、適当な位置調節機構により、前後左右や高さ位置が調節可能な態様で設置されることが好ましい。

図５は、図４にドグ２１〜２４とスイッチ（付勢子）１１〜１４の周辺を斜視図で示したものである。同図の描示から容易に理解されるように、各段に分けて取り付けられたドグ２１〜２４は、夫々円弧形状を有し、第４部材４の外周面の周方向に沿って、夫々が担当する所望検出領域に応じた長さを有している。一方、スイッチ（付勢子）１１〜１４は、ドグの段分け配置と整合するような高さ位置にあり（高さの微調整は可能であることが好ましい）、減速機５の入力軸に結合されたモータが回転を開始すると、ドグ２１〜２４とスイッチ１１〜１４は相対回転を始める。

そして、例えばドグ２１とスイッチ１１が接触すると、スイッチ部１０がそれを感知し、「ドグ２１とスイッチ１１が接触」を表わす外部へ信号を出力する。同様の接触感知と信号出力は、ドグ２２とスイッチ１２、ドグ２３とスイッチ１３及びドグ２４とスイッチ１４についても行なわれる。各ドグとそれに対応する各スイッチ（付勢子）とが接触する角度範囲は、ドグの長さ（第４部材４の外周に沿った長さ）を選ぶことで調整できる。また、接触／非接触の境界位置（臨界角度）は、第４部材４の外周に沿った取付け位置の選択を通して決めることができる。

図６は、このような動作領域検出結果に基づいて規制を行なうための構成をブロック図で示したものである。同図において、符号１５はスイッチ１１〜１４が各対応するドグと接触しているか否かに応じて４桁のバイナリ信号を出力する信号処理回路である。バイナリ信号の各桁は、例えば“１”で「接触」を表わし、“０”で「非接触」を表わすものとする。信号処理回路１５は、当該ロボットを制御するロボット制御装置３０に接続されており、ロボット制御装置３０は信号処理回路１５から送られてくる４桁のバイナリ信号に基づいて、第１部材１と第３部材３の相対回転位置の角度範囲を認識することができる。

例えば、すべてスイッチ（付勢子）１１〜１４が対応するドグにより接触状態にあれば“１１１１”が出力され、逆にすべて非接触状態にあれば“００００”が出力される。また、スイッチ（付勢子）１１のみが非接触で他は接触していれば、“０１１１”が出力され、スイッチ（付勢子）１１、１２が非接触で他は接触していれば、“００１１”が出力される。以下、同様にスイッチ１１〜１４が取り得るすべての接触・非接触の組み合わせについて、１対１の対応関係で４桁のバイナリ信号をロボット制御装置３０に送られる。

ロボット制御装置３０のメモリには、４桁のバイナリ信号と、第１部材１と第３部材３の相対回転位置の角度範囲との対応関係がテーブルデータの形式で記憶されている。ロボット制御装置３０のＣＰＵは、所定の短周期でスイッチ部１０から送られてくる４桁のバイナリ信号を上記テーブルデータと照合し、第１部材１と第３部材３の相対回転の現在位置が属している角度範囲をチェックし、例えば付属のディスプレイに表示する。

また、これに基づいて第１部材１と第３部材３の相対回転位置に規制をかけることができる。例えば、すべてのスイッチ１１〜１４が非接触状態となる状態が危険領域を意味する場合であれば、４桁のバイナリ信号“００００”の確認時にアラームを内部で出力し、ロボットを強制的に停止させることができる。また、例えばバイナリ信号“０００１”（スイッチ１１にみ接触状態）が、ロボット停止の必要まではなくとも好ましくない角度範囲にあることを意味するのであれば、それをブザーや、ディスプレイ上の点滅表示等で知らせるといったことも可能である。

なお、以上説明した実施形態では、ドグ及びスイッチは４連構成（４ペア）としているが、これはあくまで例示である。即ち、指定条件に合せて単連、あるいは任意の複連数をとることが出来る。また、ドグは第５部材（アダプタ）６を介して第４部材（ドグ支持部材）４に取付けているが、第４部材４に直接取付けることも出来る。

従来例に係る動作領域検出・規制装置を取付けたロボットの関節部を側面図で示したものである。 従来例に係る動作領域検出・規制装置を取付けたロボットの関節部を図１中のＡ−Ａ’に沿った断面図で示したものである。 本発明の実施形態に係る動作領域検出・規制装置を取付けたロボットの関節部を断面図で示したものである。 図３について一部を拡大して示した部分拡大図である。 本発明の実施形態に係る動作領域検出・規制装置について、ドグとスイッチの周辺を示した斜視図である。 動作領域検出結果に基づいて規制を行なうための構成をブロック図で示したものである。

符号の説明

１ 第１部材（Ｊ１ベース；第１軸ベース）
２ 第２部材（テーブル状部材）
３ 第３部材（Ｊ２ベース；第２軸ベース）
４ 第４部材（パイプ状の支持部材）
５ 減速機
６ 第５部材（アダプタ）
１０ スイッチ部
１１〜１４ スイッチ（付勢子）
１５ 信号処理回路
２１〜２４ ドグ
３０ ロボット制御装置

Claims (3)

1. ロボットの２つのリンクが相対回転する中空構造の関節における前記相対回転の動作領域検出装置において、
   ドグと、該ドグを支持する支持部材と、該ドグとの接触または非接触により信号を出力する検出スイッチとを備え、
   前記支持部材は、前記中空構造の中空部内において、該支持部材の中心軸が前記相対回転の回転軸線と一致、または近傍を通るように前記２つのリンクの内の一方に取付けられており、
   前記ドグは、前記支持部材の外周面上に取付けられ、該外周面の周方向に沿って、所望検出領域に応じた長さを有し、
   前記検出スイッチは、前記２つのリンクの内の他方のリンクの、前記ドグと対向する位置に設けられ、前記信号の出力状況により前記相対回転の現在位置が属する領域を検出することを特徴とする、動作領域検出装置。
2. ロボットの２つのリンクが相対回転する中空構造の関節における前記相対回転の動作領域検出装置において、
   複数のドグと、該複数のドグを支持する支持部材と、前記複数のドグの夫々と対応して設けられ、各対応するドグとの接触または非接触により信号を夫々出力する複数の検出スイッチとを備え、
   前記支持部材は、前記中空構造の中空部内において、該支持部材の中心軸が前記相対回転の回転軸線と一致、または近傍を通るように前記２つのリンクの内の一方に取付けられており、
   前記複数のドグは、前記支持部材の外周面の周方向に沿って、複数段並んだ各段位置にぞれ取付けられるとともに所望検出領域に応じた長さを有し、
   前記複数の検出スイッチは、前記２つのリンクの内の他方のリンクの、複数段並んだ各段位置に、前記複数のドグの夫々と対向するように設けられ、
   前記信号の出力状況により前記相対回転の現在位置が属する領域を検出することを特徴とする、動作領域検出装置。
3. ロボットの２つのリンクが相対回転する中空構造の関節における前記相対回転の動作範囲を規制する手段を備えた、ロボット関節の動作範囲規制装置であって、
   該規制が、請求項１または請求項２に記載の動作領域検出装置により検出した相対回転の現在位置が属する領域に基づいて行なわれることを特徴とする、ロボット関節の動作範囲規制装置。

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