JP2007168000A - ロボットのダイレクト操作装置 - Google Patents

Abstract

【課題】実際の生産ラインへの適用に耐えうる、安全性の高いロボットのダイレクト操作装置を提供する。
【解決手段】多関節を有するロボット１の先端部に設置された力センサ７と、力センサ７上に立設された複数のロッド状操作部８、９を備え、操作者がロッド状操作部８、９を介して力センサ７に操作力を加えることによってロボット１へ動作指令を与えるダイレクト操作装置２であって、ロッド状操作部８、９の外表面に付設された複数のセンサと、複数のセンサの出力信号の組み合わせから、操作者によるロッド状操作部８、９の把持状態を判断し、その判断結果により力センサ７の出力の有効・無効を切り換えるダイレクト操作制御部６とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロボットのダイレクト操作装置に関する。

ロボットのような複数の独立した作動系をコントロールするための多制御型コントローラの一種として、例えば特許文献１に記載されているようなジョイスティック型コントローラが知られている。この従来のコントローラは、制御対象となる作動系を切り替えるスイッチを備えており、このスイッチにより制御対象となる作動系を選択した上で、ジョイスティックを傾動操作することにより選択した一つの作動系に対して傾動方向に対応した方向の作動信号を出力するようになっている。
しかし、このようなコントローラは、複雑なスイッチ操作のために誤操作が発生しやすいといった問題があった。この問題に対処するために、特許文献２に記載されているジョイスティック型コントローラは、ジョイスティックの外表面を軸方向で分割することによりジョイスティックの軸方向に複数の操作領域を形成しており、制御対象と作動方向を特定することが出来る。

特開平７−２８１７７９号公報 特許第３４０６２５９号公報

以上述べたような多自由度制御可能なジョイスティック型コントローラでは傾動操作によって対象の操作を行うが、ジョイスティックをロボットに直接付設して操作する（以下ダイレクト操作と呼ぶ）と、ロボットの動作に伴ってジョイスティック自体も同時に移動するため、所望の操作を行うことが非常に困難であり、さらに実際の工場の生産ラインでの適用において安全上の観点から問題となっていた。
さらに、操作者以外の作業者やクレーンなどの周辺機器が誤ってジョイスティックに触れるとロボットが誤動作する可能性があり、非常に危険であるという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、実際の生産ラインへの適用に耐えうる、安全性の高いロボットのダイレクト操作装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、多関節を有するロボットの先端部に設置された力センサと、前記力センサ上に立設された複数のロッド状操作部を備え、操作者が前記ロッド状操作部を介して前記力センサに操作力を加えることによって前記ロボットへ動作指令を与えるダイレクト操作装置であって、前記ロッド状操作部の外表面に付設された複数のセンサと、前記複数のセンサの出力信号の組み合わせから、前記操作者による前記ロッド状操作部の把持状態を判断し、その判断結果により前記力センサの出力の有効・無効を切り換えるダイレクト操作制御部とを備えたことを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、前記ロッド状操作部は、外表面に前記複数のセンサとしてテープスイッチを備え、前記ダイレクト操作制御部は、前記テープスイッチの出力が予め設定されたパターンと一致した場合のみ、前記力センサの出力を有効にすることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、前記ロッド状操作部は、外表面に前記複数のセンサとして圧力センサを備え、前記ダイレクト操作制御部は、前記圧力センサの出力値が予め設定された値以上である個数が、予め設定された値以上であるの場合のみ、前記力センサの出力を有効にすることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によると、操作者の手指による把持状態を監視して、力センサに加わる操作力の有効／無効を制御するため、操作者の意図しない動作をすることが無く安全性が非常に高くなる。さらに、複数のロッドを備えているため、例えばロボット周辺の２人の作業者がそれぞれの側に近いロッドによってロボットを操作することで１台のロボットを２人で共有でき、稼働率を上げることができる。
また、請求項２に記載の発明によると、テープスイッチのＯＮ／ＯＦＦパターンで操作者の把持状態を認識するため、認識の確実性と信頼性が実現できる。
また、請求項３に記載の発明によると、圧力センサにより操作者の把持力についても検出を行うため、さらに安全性を増すことができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明のダイレクト操作装置を適用したロボットシステムの構成図である。
図１において、１は多関節ロボットであり、各関節を駆動するモータによって動作する。ロボット１の先端部には、ダイレクト操作ハンドル２が設置されており、ダイレクト操作ハンドル２よりさらに先端には把持動作を行うハンド３が固定されている。図１ではハンド３は部品４を把持している。
ダイレクト操作ハンドル２は、力センサ７と、その上に立設された２本の円筒状のロッド８、９で構成され、ロッド８と９の表面にはそれぞれ、接触センサとしてテープスイッチ１０(ｉ)（ｉ＝１、２、・・・Ｎ）と１１(ｉ)（ｉ＝１、２、・・・Ｎ）が付設されている。 ここで、Ｎは各ロッドに敷設されたテープスイッチの数であり、ｉはそれらテープスイッチを識別する番号である。Ｎは十数〜数十程度の自然数とする。
操作者（図示せず）がロッドを把持すると、テープスイッチ１０、１１のうち操作者の手指が当接している部分がＯＮとなる。
さらに操作者がダイレクト操作ハンドル２に加えた操作力が力センサ７によって検出され、ダイレクト操作制御部６を介して制御装置５へ送られることによりロボット１への操作指令となる。ダイレクト操作制御部６については後述する。

ロボット１は制御装置５によって制御される。制御装置５は、サーボ遮断回路５ａと、力センサ７の出力に応じて操作位置指令量を生成するインピーダンス制御部５ｂと、インピーダンス制御部５ｂが出力する位置指令を入力として位置速度制御処理を行う位置・速度制御部５ｃと、位置・速度制御部５ｃの出力に応じてロボット１の各関節部のモータを電流制御するサーボアンプ部５ｄで構成される。
インピーダンス制御部５ｂで位置指令を生成する際に適用されるインピーダンスモデルは次の式（１）のようになる。

ここで、Ｆは力センサ７の出力である操作力、Ｍは慣性係数、Ｂは粘性係数、Ｋはバネ係数であり、それぞれ正の実数である。
慣性係数Ｍと粘性係数Ｂ、バネ係数Ｋを調整することで、ダイレクト操作ハンドル２への操作力に対するロボット１の動作特性を調整することが出来る。インピーダンス制御については公知技術であるため、詳細な説明は省略する。

本発明のダイレクト操作装置の制御部に当たるダイレクト操作制御部６は、把持パターン記憶部６ａと出力監視部６ｂにて構成される。把持パターン記憶部６ａには、図２に示すようなテープスイッチ１０（ｉ）（ｉ＝１、２、・・・Ｎ）と１１(ｉ)（ｉ＝１、２、・・・Ｎ）のＯＮ／ＯＦＦパターンが予め記憶されている。図２に示すＯＮ／ＯＦＦパターンは、操作者がロッド８だけを把持している場合の例であり、以後このようなＯＮ／ＯＦＦパターンを把持パターンと呼ぶ。
出力監視部６ｂは、把持パターン記憶部６ａ内の把持パターンと実際のテープスッチ１０、１１のＯＮ／ＯＦＦパターンとが一致した場合にのみ力センサ７の出力をインピーダンス制御部５ｂへ出力し、一致しない場合には力センサ７の出力を無視しインピーダンス制御部５ｂへの出力を行わない。

続いて、操作者が操作ハンドル２を用いてロボット１をダイレクト操作する過程を通して、本発明の実施の形態をより詳細に説明する。
操作者は、図１においてロボット１の後方に位置してロボット１をダイレクト操作する。説明のため、本実施例では、操作者は操作ハンドル２のロッドの一方（例えばロッド８）のみを把持してダイレクト操作を行うものとする。
ここで、操作者が予め決められた正しい握り方でロッド８を把持しなかったり、十分な力でロッド８を把持しなかったりした状態で操作を行うと、テープスイッチ１０のＯＮ／ＯＦＦパターンは図２の把持パターンと一致しないため、出力監視部６ｂは力センサ７の出力を無視しインピーダンス制御部５ｂへの出力を行わない。
よってインピーダンス制御部５ｂから位置指令が出力されずロボット１は動作しない。

また、操作者が一時的にロボット１から離れている間に、例えば工場の天井を移動中のクレーンの一部が操作ハンドル２に接触するなどして力が加わった場合でも、その際のテープスイッチ１０のＯＮ／ＯＦＦパターンは図２に示す把持パターンと一致しないため、出力監視部６ｂは力センサ７の出力を無視し、インピーダンス制御部５ｂへの出力を行わない。よってロボット１が誤動作することがない。
さらに、操作者と別の作業者とでそれぞれ操作ハンドル２のロッド８とロッド９を同時に把持した場合においても、把持パターン記憶部６ａに記憶された把持パターンと一致しないため、出力監視部６ｂは力センサ７の出力を無視してインピーダンス制御部５ｂに指令を出力しない。よってインピーダンス制御部５ｂの出力もゼロとなり、位置指令が出力されないためロボット１は動作しない。また、これとは逆に、ロボット１の両脇の作業者が同時に２本のロッドを把持しないようにすれば、２人の作業者が１台のロボットを共有し、各々がロボット１を操作して作業を行うことができる。
以上説明したように、本発明によるとダイレクト操作時の安全性を格段に向上することが可能となる。

また、本実施例では、操作者はロッドの一方のみを把持して操作を行うとしたが、１人の操作者がロボットを占有できる場合などは、両手でロッド８と９を把持し、その際のテープスイッチ１０および１１のＯＮ／ＯＦＦパターンが共に所定の把持パターンが一致しないとロボット１が動作しないようにしてもよい。

次に、図３に基づいて、本発明の第２の実施例について説明する。
図３は、本発明のダイレクト操作装置を適用した第２実施例のロボットシステムの構成図である。
図３において、図１と同一番号については同じものを指すので、説明は省略する。
図１と異なる点は、ダイレクト操作ハンドル２のロッド８、９の表面に付設された圧力センサ１２、１３と、出力監視部６ｃである。
図４は、圧力センサ１２と１３の詳細な付設状態を示す図である。図４（ａ）はダイレクト操作ハンドル２の上面図、図４（ｂ）は正面図である。圧力センサ１２と１３は、それぞれロッド８、９の周方向を４分割、軸方向を９分割した各部に付設されている。ここで、図４の圧力センサを敷設するための分割形式は一例にすぎず、これに限定されるものではない。

図５は、出力監視部６ｃの処理の流れを示すフローチャートである。出力監視部６ｃでは、敷設された圧力センサ１２−１〜１２−３６、１３−１〜１３−３６の各々について、予め設定された閾値Ｔとの比較を行い、分割されたセンサのうちその出力値が閾値Ｔを越えている個数をカウントする。ここでＴは正の実数である。
まず、圧力センサ１２−１から１２−３６までのすべての出力を取得する（ステップ１）。続いて変数ｎとＮｒの初期化を行う（ステップ２）。
ｎは圧力センサに割り振られた番号を示す整数型の変数であり、Ｎｒはロッド８に敷設された圧力センサのうち、その出力が所定の閾値Ｔを超えた数をカウントするための整数型の変数である。
その後、ｎをカウントアップしながら、ｎに対応する圧力センサの出力と閾値Ｔとの比較を行い、閾値を越えていたらＮｒをカウントアップするという処理を繰り返す。ｎが３６に達したら、ループを抜ける（ステップ３〜ステップ６）。
この処理により、圧力センサ１２−１〜１２−３６のうち、その出力値が閾値Ｔを越えた圧力センサの数が変数Ｎｒに格納されることになる。

続いて圧力センサ１３−１〜１３−３６についても同様の処理を行い、Ｎｒと同じく整数型の変数であるＮｌに、ロッド９に敷設された圧力センサのうち、閾値Ｔを越えた圧力センサの数を格納する（ステップ７〜ステップ１２）。

その後、ステップ１３、ステップ１４でＮｒ、Ｎｌの値とＭｉｎＮとの比較を行う。ＭｉｎＮは、ロッド操作の有効・無効を判断する基準となる自然数で、予め設定されている。ＭｉｎＮは圧力センサの総数を越えることはないので、本実施例の場合は３６以下の値となる。 Ｎｒ、Ｎｌ、ＭｉｎＮの大小関係によって、ロッド８、ロッド９操作の有効／無効を切り換える。
出力監視部６ｃは、ロッド８またはロッド９の操作が有効の場合にのみ力センサ７の出力をインピーダンス制御部５ｂへ出力し、どちらのロッドに対する操作も有効でない場合には力センサ７の出力を無視しインピーダンス制御部５ｂへの出力を行わない。

続いて、操作者が操作ハンドル２を用いてロボット１をダイレクト操作する過程を通して、本発明の第２実施例をより詳細に説明する。
操作者は、図３においてロボット１の後方に位置してロボット１をダイレクト操作する。説明のため、本実施例では、操作者は操作ハンドル２のロッドの一方（例えばロッド８）のみを把持してダイレクト操作を行うものとする。
この際、操作者が正しい握り方かつ十分な力でロッド８を把持せずに操作を行うと、圧力センサのうち、その出力が予め設定された閾値Ｔを超えたものの個数（図５中のＮｒ）が、予め設定された個数（図５中のＭｉｎＮ）以下となる。
この場合、図５のステップ１３、ステップ１４にてロッドの操作は無効と判断され出力監視部６ｃは力センサ７の出力を無視して、インピーダンス制御部５ｂへの出力を行わない。よってロボット１が誤動作することがない。

また、操作者が一時的にロボット１から離れている間に、例えば工場の天井を移動中のクレーンの一部が操作ハンドル２に接触するなどして力が加わった場合でも、図５に示すフローチャートに基づき、所定の個数（ＭｉｎＮ）以上の圧力センサの出力が閾値Ｔ以上とならない限り、力センサ７の出力を無視してインピーダンス制御部５ｂに指令を出力しない。よってロボット１が誤動作することがない。
さらに、操作者と別の作業者とが同時にそれぞれ操作ハンドル２のロッド８とロッド９を把持した場合においても、図５に示すフローチャートに基づきロッド操作は無効とされ、出力監視部６ｂは力センサ７の出力を無視してインピーダンス制御部５ｂに指令を出力しない。よってインピーダンス制御部５ｂの出力もゼロとなり、位置指令が出力されないためロボット１は動作しない。また、これとは逆に、ロボット１の両脇の作業者が同時に２本のロッドを把持しないようにすれば、２人の作業者が１台のロボットを共有し、各々がロボット１を操作して作業を行うことができる。

また、本実施例では説明のために、操作者はロッドの一方のみを把持して操作を行うとしたが、１人の操作者がロボットを占有できる場合などは、両手でロッド８と９を把持し、その際の圧力センサ１２および１３のうち、その出力値が閾値Ｔを越えた数が共にＭｉｎＮより大きくないとロボット１が動作しないようにしてもよい。

本発明は、生産ラインにおけるダイレクト操作型の組立てロボットなどに適用することができる。

本発明のダイレクト操作装置を適用した第１実施例のロボットシステムの構成図 テープスイッチのＯＮ／ＯＦＦパターンを示す図 本発明のダイレクト操作装置を適用した第２実施例のロボットシステムの構成図 圧力センサの設置状態を示す図 出力監視部の処理フローを示す図

符号の説明

１ ロボット
２ ダイレクト操作ハンドル
３ ハンド
４ 把持された部品
５ 制御装置
５ａ サーボ遮断回路
５ｂ インピーダンス制御部
５ｃ 位置・速度制御部
５ｄ サーボアンプ部
６ ダイレクト操作制御部
６ａ 把持パターン記憶部
６ｂ、６ｃ 出力監視部
７ 力センサ
８、９ ロッド
１０、１１ テープスイッチ
１２、１３ 圧力センサ

Claims (3)

1. 多関節を有するロボットの先端部に設置された力センサと、前記力センサ上に立設された複数のロッド状操作部を備え、操作者が前記ロッド状操作部を介して前記力センサに操作力を加えることによって前記ロボットへ動作指令を与えるダイレクト操作装置であって、
   前記ロッド状操作部の外表面に付設された複数のセンサと、
   前記複数のセンサの出力信号の組み合わせから、前記操作者による前記ロッド状操作部の把持状態を判断し、その判断結果により前記力センサの出力の有効・無効を切り換えるダイレクト操作制御部とを備えたことを特徴とするロボットのダイレクト操作装置。
2. 前記ロッド状操作部は、外表面に前記複数のセンサとしてテープスイッチを備え、
   前記ダイレクト操作制御部は、前記テープスイッチの出力が予め設定されたパターンと一致した場合のみ、前記力センサの出力を有効にすることを特徴とする請求項１記載のロボットのダイレクト操作装置。
3. 前記ロッド状操作部は、外表面に前記複数のセンサとして圧力センサを備え、
   前記ダイレクト操作制御部は、前記圧力センサの出力値が予め設定された値以上である個数が、予め設定された値以上であるの場合のみ、前記力センサの出力を有効にすることを特徴とする請求項１記載のロボットのダイレクト操作装置。