JP2007003274A - アナログセンサとこれを用いたセンサ装置、駆動装置及びロボット - Google Patents

Abstract

【課題】 力又はトルク等の外力を測定するフィードバック制御用のアナログセンサ自体にフェールセーフ機能を併有させることにより、フェールセーフな力・トルク制御をより簡便な配線構造で行えるようにする。
【解決手段】 力又はトルク等の外力Ｆに対して一対一対応のアナログ出力Ｖを連続的に発生させるアナログセンサにおいて、外力Ｆがゼロの時にアナログ出力Ｖが最大となりかつ同外力Ｆが予め設定された最大外力の時にアナログ出力Ｖがゼロになるとともに、外力Ｆがゼロから最大外力に変動するまでの間にアナログ出力Ｖが漸減する連続的な出力特性を有するものとする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、フェールセーフ機能を有するアナログセンサとこれを用いたセンサ装置、駆動装置及びロボットに関するものである。

福祉、医療、家事、サービス労働などの分野において、人間の傍らで人間と一緒に働くロボット（人間共存ロボット、パーソナルロボット、サービスロボット等）の開発が進んでおり、一部では既に実用化が始まっている。このようなロボットの基礎技術の一つに、力・トルク制御がある。これはロボットに搭載した力センサやトルクセンサの信号に基づいて所定の駆動力をロボットに発揮させる技術である。この制御が正しく動作すれば、ロボットが過大な力を人間に加えて危害を及ぼすことがないが、この制御において安全に関する最大の問題点はフェールセーフに構成されていないという点にあった。

ここで、フェールセーフとは、故障した場合でも人間に害が加わらない、或いは最小限の害しか生じないように故障することを意味する。例えば、パソコンの暴走と同様に、ロボットのコントローラも電磁波等の何らかの原因で暴走することがあり得る。
また、上記した力・トルク制御の場合には、センサからの信号線が何らかの原因で切断した場合、コントローラはセンサからの信号がまったくないことから、人間との間にはまったく力が加わっていないと判断して過大な力を人間に加えてしまい、その結果、人間に大怪我をさせる可能性がある。このように、ロボットの制御における安全対策では、故障した場合に安全かどうかを考える必要がある。

しかし、従来から力・トルク制御に常用されているアナログセンサとして歪みゲージ式の力・トルクセンサがあるが、このセンサはフェールセーフではない。例えば、歪みゲージの出力はホイーストンブリッジ等の回路によって検出感度を上げるようにしているが、この出力線信号が切断してしまうと、力が作用していても作用していない場合と同じ信号が出力され、人間に危害が及ぶ可能性が生じる。また、ホイーストンブリッジを使用しない場合でも、歪みゲージの剥離その他の故障時において現実には作用している力が検出されなくなり、人間にとって危険な状態となる。

一方、フェールセーフなタッチスイッチ、すなわち、常時はオフになっているが一定値以上の力が加わるとオンになるスイッチ（オンオフしか検出しない点でアナログセンサとは異なる。）は既に市販されている。従って、このタッチスイッチと力・トルクセンサとを組み合わせてフェールセーフな構成にすることは可能であるが、この場合には新たなスイッチを組み込む必要があるため、ロボットの配線構造が複雑になり、製造コストが非常に高くなるという欠点がある。
例えば、ロボットでよく使用される６軸の力・トルクセンサのような多方向の力・トルク成分を測定する必要のある場合には、各アナログセンサに対応して上記タッチスイッチをそれぞれ設ける必要があるが、これではセンサ及びスイッチの取り付けや結線が複雑になり過ぎて殆ど実現することができない。

本発明は、このような実情に鑑み、力又はトルク等の外力を測定するフィードバック制御用のアナログセンサ自体にフェールセーフ機能を併有させることにより、フェールセーフな力・トルク制御をより簡便な配線構造で行えるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は次の技術的手段を講じた。
すなわち、本発明は、力又はトルク等の外力に対して一対一対応のアナログ出力を連続的に発生させるアナログセンサにおいて、
前記外力がゼロの時に前記アナログ出力が最大となりかつ同外力が予め設定された最大外力の時に前記アナログ出力がゼロになるとともに、前記外力がゼロから最大外力に変動するまでの間に前記アナログ出力が漸減する連続的な出力特性を有することを特徴とするものである。

上記の出力特性を有するアナログセンサによれば、このアナログセンサと、同アナログセンサの出力部に接続されたＡ／Ｄコンバータを有する第一出力経路と、前記アナログセンサの出力部に接続されたコンパレータであって、そのアナログセンサのアナログ出力が所定の閾値未満の場合に出力がローとなりかつそのアナログ出力が同閾値以上の場合に出力がハイとなるコンパレータを有する第二出力経路と、を備えたセンサ装置として使用することにより、当該アナログセンサ自体にフェールセーフ機能を併有させることができるようになる。

すなわち、かかるセンサ装置において、第一出力経路のＡ／Ｄコンバータはアナログセンサのアナログ出力をデジタル化するものであるから、このＡ／Ｄコンバータにフィードバック制御を行うコントローラを接続することにより、当該第一出力経路を利用してアナログセンサからの検出値に基づくフィートバック制御を行うことができる。
他方、上記のセンサ装置において、アナログセンサのアナログ出力が所定の閾値未満の場合に出力がローとなり、かつ、そのアナログ出力が同閾値以上の場合に出力がハイとなるコンパレータを有する第二出力経路を備えている。このため、このコンパレータの出力がハイの場合には、閾値に対応する所定の外力（安全が保証される限界外力。以下、単に限界外力という。）以下の安全領域であり、ローの場合にはその閾値に対応する限界外力を超えた危険領域であると判断することができる。

そして、本発明のセンサ装置を構成するアナログセンサは、通常のアナログセンサとは逆に、外力がゼロから最大外力に変動するまでの間にアナログ出力が漸減する連続的な出力特性を有している。このため、そのアナログセンサの故障や断線によってアナログ出力がゼロになった場合でも、第二出力経路のコンパレータがローになって危険領域であると判断することができる。
このように、本発明のセンサ装置によれば、外力が大きくなるほどアナログ出力が低下する通常とは逆の傾きの出力特性を有するアナログセンサを使用し、このセンサのアナログ出力が閾値より大きいときに安全領域でかつ小さいときに危険領域であると判定するようにしているので、アナログセンサの故障や断線によってアナログ出力がゼロになった場合も危険領域であると判断することができ、フィートバック制御用のアナログセンサ自体にフェールセーフ機能を併有させることが可能となる。

従って、本発明のセンサ装置を、外力を検出してフィードバック制御するロボットの駆動装置に使用すれば、一つのアナログセンサのみでフェールセーフを担保しながらフィードバック制御を行うことができ、フェールセーフな力・トルク制御をより簡便な配線構造で行えるようになる。
そして、本発明のセンサ装置を利用した駆動装置は、より具体的には、上記センサ装置と、このセンサ装置の前記第一出力経路に接続されたデジタル制御のコントローラと、前記センサ装置の第二出力経路の出力がハイの場合にだけ前記コントローラの出力を通過させる判定回路と、この判定回路からの出力に基づいてフィードバック制御される駆動源と、から構成することができる。

この駆動装置によれば、センサ装置の第二出力経路を直接コントローラに接続するのではなく、コントローラとは別に設けた判定回路に接続しているので、コントローラの暴走や故障が原因で過大な力が作用した場合には、アナログセンサによって検出したその過大な力によってセンサ装置の第二出力経路の出力がローになり、判定回路によってコントローラの出力が駆動源に供給されなくなる。従って、上記の駆動装置によれば、アナログセンサの故障や断線だけでなく、コントローラの暴走や故障に対するフェールセーフも担保できるようになる。

以上の通り、本発明によれば、力又はトルク等の外力を測定するフィードバック制御用のアナログセンサ自体にフェールセーフ機能を併有させることができるので、フェールセーフな力・トルク制御をより簡便な配線構造で行うことができる。

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態を説明する。
図４は、フェールセーフ機能を有する本発明のアナログセンサを用いたロボットの回路構成の一例を示している。
このロボット１は、人間の傍らで人間と一緒に働く人間共存ロボットであり、複数のアーム部２を関節を介して接続してなる作業アーム３を備えている。この作業アーム３の先端部にはハンド部４が取り付けられており、このハンド部４とアーム部２との間にフェールセーフなアナログセンサである後述の力センサ５が設けられている。

また、このロボット１は、ハンド部４に作用する力（力センサ５が検出する力に対応する出力電圧）に基づいてアーム部２をフィードバック制御しながら駆動する駆動装置７を備えている。
この駆動装置７は、後述のセンサ装置８と、このセンサ装置８の一方の出力部に接続されたマイコン又はプロコン等よりなるデジタル制御のコントローラ９と、センサ装置８の他方の出力部の安全確認出力がハイ（安全）である場合にだけコントローラ９の出力を通過させるＡＮＤ回路等よりなる判定回路１０と、この判定回路１０からの出力が入力されるモータドライバ１１と、このモータドライバ１１に接続されることでコントローラ９によってフィードバック制御されるサーボモータ等よりなる駆動源１２とを備えている。

上記センサ装置８は、一つの力センサ５の出力電圧に基づいてフィードバック制御用のデジタル制御出力とフェールセーフ用の安全確認出力とを同時に行うものであり、作業アーム３のハンド部４に組み込まれた前記力センサ５と、この力センサ５から分岐する一対の出力経路１３，１４とを備えている。
図４の（ａ）〜（ｃ）は、上記センサ装置８の各接点ａ〜ｃにおける出力波形を示している。図４（ａ）に示すように、力センサ５は、力Ｆがゼロから最大外力に変動するまでの間に出力電圧Ｖが漸減する連続的な出力特性を有している。この力センサ５の出力電圧の閾値Ｖ１は、予め想定された限界外力Ｆ１に対応する出力電圧であり、この限界外力Ｆ１は、作業アーム３のハンド部４が人間に対して安全に接触し得るための限界の力として設定されている。

前記一対の出力経路１３，１４のうち、第一出力経路１３は、力センサ５からの出力電圧Ｖに基づいてフィードバック制御用のデジタル出力を得るための経路であり、力センサ５の出力部に接続されたＡ／Ｄコンバータ１５を経路中に有している。すなわち、図４（ｂ）に示すように、このＡ／Ｄコンバータ１５は、力センサ５に作用する力Ｆに対応する出力電圧Ｖを離散化してリアルタイムでデジタル情報に変換するものである。
他方、第二出力経路１４は、フェールセーフ用の安全確認出力のための経路であり、力センサ５の出力部に接続されたコンパレータ１６を経路中に有している。すなわち、図４（ｃ）に示すように、このコンパレータ１６は、力センサ５からの出力電圧が所定の閾値Ｖ１未満の場合に出力がローとなり、かつ、その出力電圧が同閾値Ｖ１以上の場合にハイとなる機能を有している

図１は上記センサ装置８に適した力センサ５の構成例を示し、図２はその力センサ５の出力特性を示している。
図１に示すように、本実施形態の力センサ５は、固定プレート１８に取り付けられたフックの法則に従う弾性変形自在なバネ部材１９と、このバネ部材１９の端部に取り付けられた光ファイバーよりなる発光部材２０と、固定プレート１８に固定された光ファイバーよりなる受光部材２１とを備えている。なお、図示していないが、発光部材２０にはＬＥＤ等よりなる光源が接続され、受光部材２１にはフォトトランジスタ又はフォトダイオード等よりなる光センサが接続されている（図１（ｃ）参照）。

上記発光部材２０には、力の検出面である受圧プレート２２が固定されており、受光部材２１に接続された光センサは、受光量の増減に対応して出力電圧が増減する特性を有している。
そして、受光部材２１は、受圧プレート２２に力が作用していない状態においては発光部材２０の光軸に対して同軸心状となるように、固定プレート１８に位置決めされている（図１（ａ）参照）。従って、このときに受光部材２１の受光量が最大になり、光センサの出力電圧が最大となる。また、図１（ｂ）に示すように、受圧プレート２２に力が作用すると、受光部材２１が発光部材２０の光軸から次第にはずれて受光量が減少し、これによって光センサの出力電圧も減少する。

このため、図２に示すように、本実施形態の力センサ５は、受圧プレート２２に作用する力（外力）Ｆがゼロの時に出力電圧Ｖが最大となり、かつ、その力Ｆが予め設定された最大外力の時に出力電圧Ｖがゼロになるとともに、力Ｆがゼロから最大外力に変動するまでの間に出力電圧Ｖが漸減する連続的な出力特性を有している。
なお、力Ｆと出力電圧Ｖの対応関係は、図２に実線で示すように、コントローラ９による制御処理上は線形関係であることが好ましいが、フェールセーフという観点からは、図２に一点鎖線で示すような上に膨らんだ非線形関係であってもよく、また、図２に二点差線で示すような下に凹んだ非線形関係であってもよい。

図２の出力特性を有する力センサ５は、図１に示す構造のものに限られるものではなく、種々の変形例が考えられる。例えば、光ファイバーを使用しないで、ＬＥＤ等の光源と光センサを直接的に正対させる構造にしてもよい。
また、図３（ａ）に示すように、光軸方向に同軸心状に並ぶ発光素子２３と受光素子２４の間に遮光板２５を介在させた構造にしてもよいし、図３（ｂ）に示すように、互いに平行に配置された発光素子２３と受光素子２４の発光側に反射板２６を配置した構造にしてもよい。

なお、図３（ａ）及び（ｂ）には図示を省略しているが、上記遮光板２５と発光板２６には、力Ｆに対して線形的に変形するバネ部材に接続されており、これによって力が大きくなるほど受光素子２４の受光量が漸減するようになっている。
更に、図２の出力特性を有する力センサ５としては、図示した光センサを利用したものだけではなく、差動トランス、ホール素子のような磁気センサ、超音波センサなどでも実施可能である。もっとも、測定精度や小型化の容易性等を考慮すると、光センサ方式が最も有効であると考えられる。

次に、図２に示す通常とは逆の出力特性を有する力センサ５を利用したセンサ装置８と、このセンサ装置８が組み込まれたロボット１の作用を説明する。
すなわち、前記センサ装置８の第一出力経路１３にあるＡ／Ｄコンバータ１５は力センサ５の出力電圧をデジタル化するので、このＡ／Ｄコンバータ１５にフィードバック制御を行うプログラムが内蔵されたコントローラ９を接続することにより、当該第一出力経路１３を利用して力センサ５の検出値に基づくフィートバック制御が行われる。

他方、前記センサ装置８において、第二出力経路１４のコンパレータ１６は、力センサ５の出力電圧Ｖが限界外力Ｆ１に対応する閾値Ｖ１未満の場合に出力がローとなり、かつ、その出力電圧Ｖが同閾値Ｖ１以上の場合に出力がハイとなる。このため、コンパレータ１６の出力がハイの場合には、閾値Ｖ１に対応する限界外力Ｆ１以下の安全領域であり、ローの場合にはその閾値Ｖ１に対応する限界外力Ｆ１を超えた危険領域であると判断することができる。

そして、当該センサ装置８を構成する力センサ５は、通常のアナログセンサとは異なる図２に示す出力特性（外力がゼロから最大外力に変動するまでの間にアナログ出力が漸減する連続的な出力特性）を有している。このため、その力センサ５の故障や断線によって同センサ５からの出力電圧Ｖがゼロになった場合でも、第二出力経路１４のコンパレータ１６の出力がローになって危険領域であると判断されることになる。
このように、本実施形態のセンサ装置８によれば、力Ｆが大きくなるほど出力電圧Ｖが低下する通常とは逆の傾きの出力特性を有する力センサ５を使用し、このセンサ５の出力電圧Ｖが閾値Ｖ１より大きいときに安全領域でかつ小さいときに危険領域であると判定するようにしたので、力センサ５の故障や断線によって出力電圧Ｖがゼロになった場合も危険領域であると判断することができ、フィートバック制御用の力センサ５自体にフェールセーフ機能を併有させることが可能となる。

このため、一つの力センサ（アナログセンサ）５のみでフェールセーフを担保しながらフィードバック制御を行うことができ、フェールセーフな力制御をより簡便な配線構造で行えるようになる。
なお、センサ装置８の第二出力経路１４を直接コントローラ９に接続し、コントローラ９に対するプログラミングでフェールセーフ制御を行わせることもできるが、この場合には、コントローラ９が暴走したり故障したりすると、フェールセーフを担保できなくなる可能性がある。

この点、本実施形態では、センサ装置８の第二出力経路１４をコントローラ９とは別に設けた判定回路１０に接続しているので、コントローラ９の暴走や故障が原因で過大な力が作用した場合には、力センサ５によって検出したその過大な力によってセンサ装置８の第二出力経路１４からの出力がローになり、判定回路１０によってコントローラ９の出力が駆動源１２に供給されなくなる。従って、力センサ５の故障や断線だけでなく、コントローラ９の暴走や故障に対するフェールセーフも担保できるようになる。

なお、上記実施形態は例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって規定され、そこに記載された構成と均等の範囲内のすべての変更も本発明の範囲に含まれる。
例えば、本発明は力センサ５だけでなく、トルクセンサ等のその他のアナログセンサにも応用することができる。

（ａ）及び（ｂ）は本発明に係る力センサの原理を示す構造図であり、（ａ）は無負荷状態、（ｂ）は力が作用した状態を示す。（ｃ）は力センサの回路構成図である。 力センサの出力特性を示すグラフである。 力センサの変形例を示し、（ａ）は遮光板を使用したタイプ、（ｂ）は反射板を使用したタイプを示す。 本発明に係る力センサを用いたセンサ装置及びロボットの回路構成図であり、（ａ）は同回路構成図中の接点ａでの出力特性、（ｂ）は同回路構成図中の接点ｂでの出力特性、（ｃ）は同回路構成図中の接点ｃでの出力特性を示す。

符号の説明

１ ロボット
２ アーム部
３ 作業アーム
４ ハンド部
５ 力センサ（アナログセンサ）
７ 駆動装置
８ センサ装置
９ コントローラ
１０ 判定回路
１１ モータドライバ
１２ 駆動源
１３ 第一出力経路
１４ 第二出力経路
１５ Ａ／Ｄコンバータ
１６ コンパレータ

Claims (4)

1. 力又はトルク等の外力に対して一対一対応のアナログ出力を連続的に発生させるアナログセンサにおいて、
   前記外力がゼロの時に前記アナログ出力が最大となりかつ同外力が予め設定された最大外力の時に前記アナログ出力がゼロになるとともに、前記外力がゼロから最大外力に変動するまでの間に前記アナログ出力が漸減する連続的な出力特性を有することを特徴とするアナログセンサ。
2. 請求項１に記載のアナログセンサと、
   このアナログセンサの出力部に接続されたＡ／Ｄコンバータを有する第一出力経路と、
   前記アナログセンサの出力部に接続されたコンパレータであって、そのアナログセンサのアナログ出力が所定の閾値未満の場合に出力がローとなりかつそのアナログ出力が同閾値以上の場合に出力がハイとなるコンパレータを有する第二出力経路と、
   を備えているセンサ装置。
3. 請求項２に記載のセンサ装置と、
   このセンサ装置の前記第一出力経路に接続されたデジタル制御のコントローラと、
   前記センサ装置の第二出力経路の出力がハイの場合にだけ前記コントローラの出力を通過させる判定回路と、
   この判定回路からの出力に基づいてフィードバック制御される駆動源と、
   を備えている駆動装置。
4. 請求項３に記載の駆動装置によって駆動される作業アームを有するロボット。

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