JP2015199174A - リードスルー機能を有する人協調型産業用ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】リードスルー動作を実行する際の作業者の負担を軽減しながら、作業者の安全を確保できるようにした、人協調型産業用ロボットを提供する。
【解決手段】人協調型産業用ロボットは、作業者とロボットとが接触したときにロボットに付与される接触力を検出する接触力検出部と、接触力が所定の閾値を超えた場合にロボットを停止させるか、又は接触力を低減する方向にロボットを退避させる接触力監視部と、リードスルー動作を実行する際にロボットに付与される操作力を検出する操作力検出部と、を備えている。ロボットは、リードスルー動作の有効と無効とを切替えるリードスルースイッチを備えており、リードスルー動作が有効であるときには、接触力監視部が無効化されるとともに、リードスルー動作が無効であるときには、接触力監視部が有効化されるようになっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、人協調型産業用ロボットに関する。

一般的な産業用ロボットは、作業者の安全を確保するために、作業者の立ち入りが制限される安全柵で包囲された空間内で動作するようになっている。しかしながら、近年、作業者の近くで動作するように構成された人協調型ロボットに対する要望が高まっている。人協調型ロボットの場合、ロボットが作業者に接触して作業者に危険が及ぶことがあるので、ロボットと作業者との間の接触の有無をセンサで監視するように構成される。例えば、ロボットに作用する接触力を力センサで検出し、その検出値が所定の閾値を超える場合、作業者の安全を確保するために、ロボットが停止される。

特許文献１には、ロボットアームの任意の箇所に作用する接触力を検出する接触力検出装置を備えたロボットシステムが開示されている。このロボットシステムにおいては、検出された接触力を回避するようにロボットを動作させることによって、ロボットの周囲の人又は物に危害が加わることを防止するようになっている。

人協調型ロボットにおいて、ロボットに対する教示位置を作業者が手動で教示するリードスルー動作が行われることがある。例えば特許文献２には、力センサの出力信号に基づいてロボットに直接教示するようにした教示方法が開示されている。また、特許文献３には、直接教示を安全に実行できるように、簡易教示装置に設けられたサーボ電源保持スイッチと、教示用ハンドルに設けられた操作可能ボタンと、の両方を押圧したときのみ、直接教示を実行可能であるように構成された直接教示装置が開示されている。

図５には、既存の関連技術に係るロボット１００が示されている。ロボット１００は、リードスルー動作を実行する際に作業者によって操作されるハンドル１１０を手首１０２に備えている。また、手首１０２には、力センサ１２０がさらに設けられており、ハンドル１１０に作用する操作力を検出できるようになっている。作業者は、ロボット制御装置１３０に接続された教示操作盤１４０を操作して、リードスルー動作を実行する。

教示操作盤１４０は、サーボイネーブルスイッチ１４２を備えている。サーボイネーブルスイッチ１４２は、所定の時間にわたって押圧されるとサーボ電源がオンに切替わり、ロボット１００が動作可能な状態になる。また、押圧力が解放されると、サーボ電源がオフに切替わり、ロボット１００の動作が停止する。他方、ハンドル１１０は、リードスルーイネーブルスイッチ１１２を有している。リードスルーイネーブルスイッチ１１２は、リードスルー動作の有効と無効を切替えるのに使用される。すなわち、サーボイネーブルスイッチ１４２を押圧してサーボ電源をオンにした状態で、リードスルーイネーブルスイッチ１１２が所定の時間にわたって押圧されると、リードスルー動作が可能になり、押圧力が解放されると、リードスルー動作が無効になる。

特開２００６−２１２８７号公報 特開昭５９−１５７７１５号公報 特開平９−１５０３８２号公報

図５を参照して説明した関連技術では、サーボイネーブルスイッチ１４２と、リードスルーイネーブルスイッチ１１２との両方を押圧した状態でなければリードスルー動作を実行できない。教示操作盤１４０の重量は決して小さくなく、また、２つのスイッチを同時に操作すると作業者の両手がふさがってしまうことになり、作業時の負担が重くなる。結果として作業性が低下し、また、誤操作の原因にもなりうる。

また、ロボットと作業者との間に作用する接触力が閾値を超えたときにロボットを停止させる安全手段が設けられている場合、安全性を確保するために閾値を十分に小さくすることが好ましい。しかしながら、閾値が小さすぎると、リードスルー動作時に作業者によって付与される操作力が閾値を超えてしまい、ロボットが意図せずに停止されることがあった。

したがって、リードスルー動作を実行する際の作業者の負担を軽減しながら、作業者の安全を確保できるようにした、人協調型産業用ロボットが求められている。

本願の１番目の態様によれば、作業者と作業空間を共有する人協調型の産業用ロボットであって、作業者が操作力をロボットに付与して前記ロボットの位置及び姿勢を変更するリードスルー動作を実行するリードスルー実行部と、前記リードスルー動作を実行する際に前記ロボットに付与される操作力を検出する操作力検出部と、押圧力が付与されたときに前記リードスルー動作を有効化し、押圧力が解放されたときに前記リードスルー動作を無効化するリードスルースイッチと、作業者と前記ロボットとが接触したときに前記ロボットに付与される接触力を検出する接触力検出部と、前記接触力が所定の閾値を超えた場合に、前記ロボットを停止させるか、又は前記接触力を低減する方向に前記ロボットを退避させる接触力監視部と、を備えており、前記リードスルー動作が有効であるときには、前記接触力監視部が無効化されるとともに、前記リードスルー動作が無効であるときには、前記接触力監視部が有効化される、産業用ロボットが提供される。
本願の２番目の態様によれば、１番目の態様に係る産業用ロボットにおいて、前記操作力検出部が、前記ロボットの手首に取付けられた力センサによって前記操作力を検出する。
本願の３番目の態様によれば、１番目又は２番目の態様に係る産業用ロボットにおいて、前記接触力検出部が、前記ロボットの非可動部に取付けられた力センサ、又は前記ロボットの少なくとも３つの駆動軸にそれぞれ取付けられたトルクセンサによって前記接触力を検出するようになっている。
本願の４番目の態様によれば、１番目の態様に係る産業用ロボットにおいて、前記接触力検出部が、前記ロボットの非可動部に取付けられた力センサ、又は前記ロボットの少なくとも３つの駆動軸にそれぞれ取付けられたトルクセンサによって前記接触力を検出するようになっており、前記操作力検出部が、前記力センサ又は前記トルクセンサによって前記操作力を検出するようになっている。
本願の５番目の態様によれば、１番目から４番目のいずれかの態様に係る産業用ロボットにおいて、ワークを解放可能に把持するハンドを手首に備えており、把持状態と解放状態との間を切替えるように前記ハンドを動作させるハンド操作スイッチが、前記ロボット、前記ハンド、又は前記ロボットの周囲に設けられる。

これら及び他の本発明の目的、特徴及び利点は、添付図面に示される本発明の例示的な実施形態に係る詳細な説明を参照することによって、より明らかになるであろう。

上記構成を備えたロボットによれば、リードスルースイッチの操作を通じて、リードスルー動作の有効と無効とが切替えられる。また、リードスルー動作が有効であるときは接触力監視が無効化され、リードスルー動作が無効であるときは接触力監視が有効化される。すなわち、共通のスイッチを操作することによって、接触力監視とリードスルー動作とのうちのいずれか一方のみが有効になるので、それにより、作業者の負担が軽減され、作業性が向上する。また、作業者が危険を感じたときは、リードスルースイッチから手を話すことによって接触力監視が有効になるので、作業者の安全を確保できる。

一実施形態に係るロボットの全体構成を示す図である。 一実施形態に係るロボット制御装置の機能ブロック図である。 接触力監視とリードスルー動作との間の関係を示す図である。 別の実施形態に係るロボットの全体構成を示す図である。 関連技術に係るロボットの全体構成を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図示される実施形態の構成要素は、本発明の理解を助けるために縮尺が適宜変更されている。また、同一又は対応する構成要素には、同一の参照符号が複数の図面にわたって使用される。

図１は、一実施形態に係るロボット１０の全体構成を示す図である。ロボット１０は、作業者と作業空間を共有する人協調型の産業用ロボットである（以下、単に「ロボット」と称する。）。図示されるロボット１０は、６軸垂直多関節ロボットであるものの、例えばスカラ型若しくはパラレルリンク型のロボットを含む、任意の公知の構成を有するロボットであってもよい。

ロボット１０は、床面に固定された固定プレート１１に載置されている。ロボット１０は、ロボットベース１２と、ロボットベース１２に対して回転可能に取付けられる胴部１３と、一方の端部において胴部１３に対して回転可能に取付けられる下腕１４と、胴部１３とは反対側の下腕１４の端部に回転可能に取付けられる上腕１５と、上腕１５に対して回転可能に取付けられる手首１６と、を備えている。

ロボット１０の各回転軸は、ロボット制御装置２０によって制御されるサーボモータ（図示せず）によってそれぞれ駆動される。手首１６には、エンドエフェクタ４０がさらに取付けられている。ロボット１０は、エンドエフェクタ４０のタイプに応じて、部品の組立て、溶接、切削加工などの種々の作業を実行できるようになっている。このようなロボットの構成及び機能は周知であるので、本明細書では詳細な説明を省略する。

ロボット１０は、固定プレート１１とロボットベース１２との間に力センサ３１（以下、「第１の力センサ」と称する。）が設けられている。第１の力センサ３１は、ロボット１０の各部位（例えば、ロボットベース１２、胴部１３、下腕１４、上腕１５又は手首１６）の任意の箇所に作用する力を検出できるようになっている。例えば、上腕１５に作用する力は、下腕１４、胴部１３及びロボットベース１２を介して伝達され、第１の力センサ３１によって検出される。このように、第１の力センサ３１は、ロボット１０の動作中に、ロボット１０が作業者に接触したときに発生する接触力を検出できるようになっている。

検出された接触力が所定の閾値を超える場合、作業者の安全を確保するためにロボット１０を停止させるか、或いは、接触力を低減する方向にロボット１０を退避させるようになっている。このような接触力の検出結果に基づいて、ロボット１０を停止させるか、或いは、接触力を低減する方向にロボット１０を退避させる機能を本明細書では「接触力監視」と称する。

図示されるロボット１０は、ワーク５０に部品５１を挿入する挿入工程を実行するのに使用される。エンドエフェクタ４０は、例えば、アダプタ４１を介して手首１６に取付けられるハンド４２を備えている。ハンド４２は、例えば流体圧により駆動されるハンド、又は電気的に駆動されるハンドであり、部品５１を解放可能に把持できるように構成される。部品５１は、例えば作業テーブル６０に載置されたワーク５０の挿入穴５２に受容されるように寸法決めされている。ロボット１０は、ハンド４２で部品５１を把持した状態で、部品５１の位置及び姿勢を変更するように駆動される。ロボット１０は、部品５１をワーク５０の挿入穴５２の付近まで移動させ、その後、リードスルー動作により挿入工程を実行する。

また、図１に示されるように、手首１６に取付けられるアダプタ４１には、リードスルー動作を実行する際の操作力を検出する力センサ３２（以下、「第２の力センサ」と称する。）が取付けられている。第２の力センサ３２は、アダプタ４１と、リードスルーハンドル４５との間に設けられている。

作業者は、リードスルーハンドル４５を操作してロボット１０に対するリードスルー動作を実行する。第２の力センサ３２は、このときに作業者によって付与される操作力を検出できるようになっている。ロボット１０は、第２の力センサ３２によって検出される操作力の大きさ及び作用方向に応じて各々の回転軸のサーボモータを駆動し、部品５１の位置及び姿勢を変更する。このリードスルー動作により、作業者が部品５１の位置及び姿勢を微調整しながら、部品５１をワーク５０の挿入穴５２に挿入する。

リードスルーハンドル４５は、機能スイッチ４３を備えている。機能スイッチ４３は、例えばハンド操作スイッチと、並進移動スイッチと、回転移動スイッチと、速度変更スイッチと、位置教示スイッチと、を備えている。ハンド操作スイッチは、例えばハンド４２を開閉動作させるのに使用される。例えば、作業者は、部品５１がワーク５０に対して所定の位置に位置決めされたときに、ハンド操作スイッチを操作して、ハンド４２の把持力を解放させることができる。

並進移動スイッチは、部品５１の姿勢を変更することなく位置のみを変更するのに使用される。逆に、回転移動スイッチは、部品５１の位置を変更することなく、部品５１の姿勢のみを変更するために使用される。部品５１とワーク５０との間の位置関係によっては、部品５１を並進移動のみさせたり、回転移動のみさせたりすることが望ましいことがある。

速度変更スイッチは、例えばリードスルー動作において、ロボット１０を低速で動作させるのに使用される。したがって、例えば速度変更スイッチが押圧されて速度変更機能がオンに切替わった場合は、同程度の操作力であっても、ロボット１０がより低速で移動するようになる。このような機能は、例えば部品５１をワーク５０の挿入穴５２に挿入する直前の操作など、より一層の正確性が要求されるときに利用される。

位置教示スイッチは、リードスルー動作を介して変更したロボットの位置及び姿勢をロボットの動作プログラムの教示点として取り込む際に使用される。取り込まれた教示点は、ロボットに対する動作プログラムを作成する場合、又は変更する場合に利用される。なお、機能スイッチ４３には、前述した機能以外の機能を有するスイッチが必要に応じてさらに設けられていてもよいし、例示されたスイッチのうちの１つ又は２つ以上が省略されてもよい。

また、リードスルーハンドル４５は、リードスルースイッチ４４をさらに備えている。リードスルースイッチ４４は、リードスルー動作の有効と無効とを互いに切替えるのに使用される。具体的には、リードスルースイッチ４４は、作業者によって押圧力が付与されたときにリードスルー動作がオンに切替わり、押圧力が解放されたときにリードスルー動作がオフに切替わるように構成されている。すなわち、作業者がリードスルー動作を実行する場合、リードスルースイッチ４４を押圧し続ける必要がある。

また、本実施形態によれば、リードスルースイッチ４４が押圧されてリードスルー動作が有効化されたときに、接触力監視が無効化されるようになっている。反対に、押圧力が解放されて、リードスルー動作が無効化されたときに、接触力監視が有効化される。このことについては、さらに後述する。

図２は、一実施形態に係るロボット制御装置２０の機能ブロック図である。図示されるように、ロボット制御装置２０は、制御部２１と、接触力検出部２２と、接触力監視部２３と、操作力検出部２４と、リードスルー実行部２５と、を備えている。

制御部２１は、ロボット１０に対して動作指令を送出する。制御部２１は、例えば所定の制御プログラムに従って、又はリードスルー動作時の操作力に従って、ロボット１０を制御する。接触力監視が有効であるとき、制御部２１は、検出される接触力の大きさに応じてロボット１０を停止させる停止指令、或いは、接触力を低減する方向にロボット１０を退避させる退避指令を出力するようになっている。また、リードスルー動作が有効であるとき、制御部２１は、リードスルー実行部２５と協働して、操作力の大きさ及び作用方向に応じてロボット１０を駆動するよう動作指令を出力するようになっている。

接触力検出部２２は、第１の力センサ３１によって、ロボット１０と作業者との間に作用する接触力を検出する。検出された接触力は、接触力監視部２３に出力される。

接触力監視部２３は、ロボット１０と作業者との間に作用する接触力を監視し、接触力が所定の閾値を超えたか否かを判定する。接触力が閾値を超えた場合、制御部２１によってロボット１０を停止させるか、或いは、接触力を低減する方向にロボット１０を退避させる。このように、作業者が負傷しかねない接触力が作用する場合には、ロボット１０が停止するか、又は接触力を低減するように退避するので、作業者の安全を確保できる。接触力監視部２３は、リードスルースイッチ４４がオフの状態において有効化される。なお、接触力監視部２３は、作業者とロボット１０の周囲にある他の物体とを識別しないので、作業者との接触事故のみならず、ロボット１０が周囲の物体に接触する接触事故も同様に防止できる。

操作力検出部２４は、第２の力センサ３２によって、作業者がリードスルー動作を実行する際に、リードスルーハンドル４５に付与される操作力を検出する。

リードスルー実行部２５は、作業者がリードスルーハンドル４５に付与する操作力に従って、リードスルー動作を実行する。すなわち、リードスルー実行部２５は、制御部２１と協働して、操作力の大きさ及び作用方向に応じて定まる動作指令を生成する。リードスルー実行部２５は、リードスルースイッチ４４がオンの状態で有効化される。

図３は、接触力監視とリードスルー動作との間の関係を示す図である。本実施形態によれば、接触力監視とリードスルー動作とは、一方が有効であるときには、他方が無効になるようになっている。すなわち、接触力監視が有効であるとき、リードスルー動作は無効化される。他方、リードスルー動作が有効であるとき、接触力監視は無効化される。そして、これら２つの状態は、リードスルースイッチ４４を操作することによって切替えられる。

本実施形態によれば、以下のような効果が得られる。
（１）リードスルー動作を実行する際には、リードスルースイッチ４４が押圧され、接触力監視が無効化される。したがって、リードスルー動作時に作業者がロボット１０に対して付与する操作力に起因してロボット１０が意図せずに停止してしまうことを防止できる。他方、リードスルー動作の実行中に、作業者が危険を感じた場合、リードスルースイッチ４４に対する押圧力を解放することによって接触力監視が再度有効化される。それにより、ロボット１０と作業者との接触事故を防止できる。

（２）リードスルー動作を完了した後、リードスルースイッチ４４がオフに切替えられれば、接触力監視が直ちに有効化される。したがって、リードスルー動作の直後からロボット１０の周囲にいる作業者の安全を確保できる。
（３）リードスルースイッチ４４を操作することのみによって、リードスルー動作が有効になるので、図５を参照して前述したように、サーボイネーブルスイッチとリードスルーイネーブルスイッチとの両方を同時に押圧する必要がない。したがって、リードスルー動作時における作業者の負担が軽減され、作業性が向上する。

（４）リードスルースイッチ４４に対する押圧力が解放された後は、接触力監視に切替わるので、サーボモータの電源が遮断されない。したがって、リードスルー動作の実行中に作業者がリードスルースイッチ４４からいったん手を離したりした場合であっても、サーボ電源を再起動する必要がなくなるので、リードスルー動作を速やかに再開できる。

（５）操作力を検出する第２の力センサ３２が、ロボット１０の手首１６よりも先端側に設けられている。すなわち、第２の力センサ３２は、操作力が作用するリードスルーハンドル４５に対して近位に設けられているので、操作力を正確に検出できるようになる。
（６）機能スイッチ４３がロボット１０の手首１６よりも先端側に設けられているので、作業者は、機能スイッチ４３を容易に操作できるようになり、作業性が向上する。

図４は、別の実施形態に係るロボット１０の全体構成を示す図である。本実施形態においては、図１に示される実施形態とは異なり、第１の力センサ３１の代わりに３つのトルクセンサ３３，３４，３５が設けられている。ロボットベース１２と胴部１３との間に設けられた第１のトルクセンサ３３は、胴部１３の回転軸線回りのトルクを検出する。また、第２のトルクセンサ３４は、胴部１３と下腕１４との間の関節回りのトルクを検出する。第３のトルクセンサ３５は、下腕１４と上腕１５との間の関節回りのトルクを検出する。

これらトルクセンサ３３，３４，３５からそれぞれ得られたトルクの値は、ロボット１０の姿勢と関連付けられ、ロボット１０と作業者との間に作用する接触力を算出するのに使用される。算出された接触力は、前述した実施形態と同様に、接触力監視の目的で利用される。図示されないものの、追加のトルクセンサが、例えば手首１６に設けられてもよい。

また、図１に示されるロボット１０において、第１の力センサ３１によってリードスルー動作時の操作力を検出するようにしてもよい。同様に、図４に示されるロボット１０において、トルクセンサ３３，３４，３５によってリードスルー動作時の操作力を検出するようにしてもよい。このように、接触監視時の接触力、及びリードスルー動作時の操作力を共通の力センサで検出することによって、第２の力センサ３２を設ける必要がなくなり、コストを削減できる。

前述した実施形態では、機能スイッチ４３は、リードスルーハンドル４５に設けられているものの、ロボット１０の手首１６に設けられていてもよいし、或いは、手首１６よりもロボット本体側、例えば上腕１５又は下腕１４などに設けられていてもよい。或いは、ロボット１０の周辺にロボット１０とは独立して機能スイッチ４３が備え付けられていてもよい。また、サーボ電源を強制的に遮断する非常停止ボタンが、ロボット１０の手首１６又はその周辺に設けられていてもよい。

以上、本発明の種々の実施形態について説明したが、当業者であれば、他の実施形態によっても本発明の意図する作用効果を実現できることを認識するであろう。特に、本発明の範囲を逸脱することなく、前述した実施形態の構成要素を削除又は置換することができるし、公知の手段をさらに付加することができる。また、本明細書において明示的又は暗示的に開示される複数の実施形態の特徴を任意に組合せることによっても本発明を実施できることは当業者に自明である。

１０ ロボット
１１ 固定プレート
１２ ロボットベース
１３ 胴部
１４ 下腕
１５ 上腕
１６ 手首
２０ ロボット制御装置
２１ 制御部
２２ 接触力検出部
２３ 接触力監視部
２４ 操作力検出部
２５ リードスルー実行部
３１ 第１の力センサ
３２ 第２の力センサ
３３〜３５ トルクセンサ
４０ エンドエフェクタ
４１ アダプタ
４２ ハンド
４３ 機能スイッチ
４４ リードスルースイッチ
４５ リードスルーハンドル
５０ ワーク
５１ 部品
５２ 挿入穴
６０ 作業テーブル

Claims (5)

1. 作業者と作業空間を共有する人協調型の産業用ロボットであって、
   作業者が操作力をロボットに付与して前記ロボットの位置及び姿勢を変更するリードスルー動作を実行するリードスルー実行部と、
   前記リードスルー動作を実行する際に前記ロボットに付与される操作力を検出する操作力検出部と、
   押圧力が付与されたときに前記リードスルー動作を有効化し、押圧力が解放されたときに前記リードスルー動作を無効化するリードスルースイッチと、
   作業者と前記ロボットとが接触したときに前記ロボットに付与される接触力を検出する接触力検出部と、
   前記接触力が所定の閾値を超えた場合に、前記ロボットを停止させるか、又は前記接触力を低減する方向に前記ロボットを退避させる接触力監視部と、を備えており、
   前記リードスルー動作が有効であるときには、前記接触力監視部が無効化されるとともに、前記リードスルー動作が無効であるときには、前記接触力監視部が有効化される、産業用ロボット。
2. 前記操作力検出部が、前記ロボットの手首に取付けられた力センサによって前記操作力を検出する、請求項１に記載の産業用ロボット。
3. 前記接触力検出部が、前記ロボットの非可動部に取付けられた力センサ、又は前記ロボットの少なくとも３つの駆動軸にそれぞれ取付けられたトルクセンサによって前記接触力を検出する、請求項１又は２に記載の産業用ロボット。
4. 前記接触力検出部が、前記ロボットの非可動部に取付けられた力センサ、又は前記ロボットの少なくとも３つの駆動軸にそれぞれ取付けられたトルクセンサによって前記接触力を検出するようになっており、
   前記操作力検出部が、前記力センサ又は前記トルクセンサによって前記操作力を検出する、請求項１に記載の産業用ロボット。
5. ワークを解放可能に把持するハンドを手首に備えており、
   把持状態と解放状態との間を切替えるように前記ハンドを動作させるハンド操作スイッチが、前記ロボット、前記ハンド、又は前記ロボットの周囲に設けられる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の産業用ロボット。

Images