JP2019042906A

JP2019042906A - ロボットの外部接触２重チェック装置

Info

Publication number: JP2019042906A
Application number: JP2017171787A
Authority: JP
Inventors: 章丸山; Akira Maruyama
Original assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Current assignee: Nachi Fujikoshi Corp
Priority date: 2017-09-07
Filing date: 2017-09-07
Publication date: 2019-03-22

Abstract

【課題】人との協調作業を行い、人と共存するロボットの外部接触２重チェック装置において、外部から一定の力が加わった場合に確実にロボットを安全に制御させることができる外部接触２重チェック装置の提供を目的とする。【解決手段】基台と、前記基台の上部に３軸以上の多関節を有するロボットの外部接触２重チェック装置は、前記ロボットと外部との接触を検知する相互に独立した第１検知手段及び、第２検知手段の２つの検知手段を有する。前記第１検知手段は前記多関節のうち第１軸と第２軸と第３軸に設けた３つのトルクセンサによる第１系統であり、前記第２検知手段は前記基台の設置部に設けた３自由度力トルクセンサによる第２系統として、ロボットを安全に制御することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、人との協調作業を行い、人と共存するロボットの外部接触２重チェック装置において、外部から一定の力が加わった場合に確実にロボットを安全に制御させるロボットの外部接触２重チェック装置に関する。

産業用ロボットに代表されるロボットアームは、図３に示す６つの回転関節（ａ〜ｆ）からなるアーム状の機械である。
機械である以上は、人や周辺環境との接触は不可避であり、その接触をなんらかの手段で検知しない場合、人や周辺環境へ危害を及ぼす恐れがある。
従来は、モータの電流が過大に流れた場合、周辺との接触が発生したとして止める接触検知方法が用いられていた。
しかし、各関節には減速機が入っており、その減速機の伝達効率が良くない為、出力側の力やトルクが減速機入力側のモータへ影響することが少なく、モータの電流では、十分な検知精度が得られないという課題があった。

特許文献１は、減速機のダイヤフラムに歪ゲージ式のトルクセンサを内蔵し、そのトルクセンサにより、接触を検知する方式が開示されている。
特許文献２は、ロボットアームの根元部のロボットベースに力検知器を設ける。
そして、力検知器で検知した外部から加えられる接触力から、ロボットアーム自身の動作によって加えられる内力分を差し引いた力成分をロボットアームに働く接触力とする方法が開示されている。
こうしたトルクセンサや力検知器を用いる方法は、モータの電流により検知する場合と比較して、検知の精度は十分な性能が得られる。
しかし、トルクセンサや力検知器が故障した場合には、その力やトルクを検知することが出来なくなり、人との接触を伴う場合、安全に関する不安が存在する。

そこで、安全に関する不安に対応する為、特許文献１のトルクセンサを各関節毎に２つ以上取り付けて、ひとつが故障したとしても、もう一つで検知する。
また、それぞれの出力を比較して過大な差が発生した場合に、いずれかのトルクセンサが故障していると判定することもできる。
しかし、同一の関節にトルクセンサを２つ付けることは、関節の肥大化を招くと同時に、トルクセンサ自体が関節部の歪を検知するものであるため、必然的に剛性は低めとなり、トルクセンサの２重化は関節の剛性が低下するという課題も含む。
また、特許文献２の力検知器をロボットアームの根元部に２つ以上取り付ける場合も、力検知器の２重化は関節の肥大化と剛性が低下するという課題を含むことは同じである。
加えて、同一箇所での同一原理による２重化は、ひとつの原因で同時に故障してしまう可能性も高くなるという課題も存在する。
従って、従来の力やトルクの検知方法では人との協調作業を行い、人と共存するロボットにおいて、一定の力が加わった場合に確実にロボットを安全に制御させることができなかった。

特開平９−２２９１４７号公報特開２００６−０２１２８７号公報

本発明は、人との協調作業を行い、人と共存するロボットの外部接触２重チェック装置において、外部から一定の力が加わった場合に確実にロボットを安全に制御させることができるロボットの外部接触２重チェック装置の提供を目的とする。

本発明に係るロボットの外部接触２重チェック装置は、基台と、前記基台の上部に３軸以上の多関節を有するロボットの外部接触２重チェック装置において、前記ロボットと外部との接触を検知する相互に独立した第１検知手段及び第２検知手段の２つの検知手段を有し、前記第１検知手段は前記多関節のうち第１軸と第２軸と第３軸に設けた３つのトルクセンサによる第１系統であり、前記第２検知手段は前記基台の設置部に設けた３自由度力トルクセンサによる第２系統であり、前記第１検知手段及び前記第２検知手段から得られる検知信号により、前記ロボットを安全に制御することを特徴とする。
ここで、ロボットは多関節からなるアームの先端部に手首部等を有する。
そして、ロボットが人との協調作業を行なう際に、外部接触２重チェック装置は、アーム又はアームの先端部が人と接触したことを検知し、ロボットを安全に制御させるための検知手段を、相互に独立した２系統にした点に特徴がある。
また、基台の設置部とは、基台の底部又は基台を設置する設置面のどちらに第２検知手段を設けてもよい趣旨である。

本発明において、第１系統の前記第１検知手段は、前記第１軸と第２軸と第３軸に設けた３つのトルクセンサにより得られるトルク信号を用いてロボット先端部の接触力を演算する３軸トルク変換部を有し、前記第２系統の前記第２検知手段は、前記３自由度力トルクセンサにより得られる力トルク信号を用いて前記ロボット先端部の接触力を演算する力トルクセンサ変換部を有し、前記３軸トルク変換部と前記力トルクセンサ変換部とでそれぞれ得られた接触力の差が所定の不一致半定閾値内か否かを判定する不一致判定部と、前記３軸トルク変換部で得られた接触力又は前記力トルクセンサ変換部で得られた接触力が所定の接触判定閾値内か否かを判定する接触判定部と、を有し、前記不一致判定部が前記不一致判定閾値を超えたと判定した場合、又は前記接触判定部が前記接触判定閾値を超えたと判定した場合に前記ロボットを安全に制御させる形態が例として挙げられる。
本発明は、各種多関節ロボットに適用できるが、例えば前記ロボットは前記基台の設置面に垂直な軸回りに回転動作するように第１軸駆動部を介して前記基台に連結されたフレームと、前記設置面に平行な軸回りに回転動作するように第２軸駆動部を介して前記フレームに連結された下腕及び、第３軸駆動部を介して前記下腕に連結された上腕と、前記第１軸駆動部の出力軸に第１軸トルクセンサ、前記第２軸駆動部の出力軸に第２軸トルクセンサ及び前記第３軸駆動部の出力軸に第３軸トルクセンサをそれぞれ取り付けた３つのトルクセンサを有するロボットであってよく、また前記力トルクセンサはロボットの設置面に垂直なＺ軸方向の力成分と、前記設置面に水平なＸ軸及びＹ軸回りのそれぞれのトルク成分を検知するものであってよい。

本発明によれば、人との協調作業を行い、人と共存するロボットの外部接触２重チェック装置において、外部から一定の力が加わった場合に確実にロボットを安全に制御させるロボットの外部接触２重チェック装置を実現することが可能となる。

本発明に係るロボットの外部接触２重チェック装置の機能ブロック図の例を示す。図３の６軸構成の産業用ロボットの基台から順に第１軸、第２軸、第３軸の構成を模式的に示した図である。６軸の回転関節を有する産業用ロボットの外観図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態を説明するが、本発明はこれに限定されない。

図２は、図３の６軸構成の産業用ロボットの基台から順に第１軸、第２軸、第３軸の構成を模式的に示した図である。
設置面に基台１２が設置され、基台１２の内部には、基台に垂直な軸回り回転する第１軸駆動モータ１６、第１軸減速機１９、第１軸出力軸２２の順に第１軸駆動部が構成されている。
第１軸出力軸２２にはフレーム１３が取り付けられ、フレーム１３は、第１軸駆動部により駆動され、設置面に垂直な軸の回りに回転動作を行う。
フレーム１３には、第２軸駆動モータ１７、第２軸減速機２０、第２軸出力軸２３の順に第２軸駆動部が構成されている。
第２軸出力軸２３には下腕１４が取り付けられ、下腕１４は、設置面に平行な軸の回りに回転動作を行う。
下腕１４には、第３軸駆動モータ１８、第３軸減速機２１、第３軸出力軸２４の順に第３軸駆動部が構成されている。
第３軸出力軸２４は下腕の他端に取り付けられ、第３軸減速機２１のケースには上腕１５が取り付けられ、上腕１５の他端は手首部が取り付けられている。

第１軸出力軸２２、第２軸出力軸２３、第３軸出力軸２４には、それぞれ第１軸トルクセンサ１、第２軸トルクセンサ２、第３軸トルクセンサ３が取り付けられ、基台の設置部には、３自由度力トルクセンサ４が取り付けられている。
１〜４のそれぞれのセンサから検知されたトルクあるいは力の信号は、図１に示す力トルク信号処理部２５に入力される。
第１軸、第２軸、第３軸のトルクセンサ１、２、３で、第１軸、第２軸、第３軸の出力軸２２、２３、２４を通して印加される第１軸、第２軸、第３軸の出力トルクｔ１、ｔ２、ｔ３を検知する。
３自由度力トルクセンサ４からは、設置面に垂直なＺ軸方向の力Ｆｂｚと、設置面に水平なＸ軸及びＹ軸回りのトルクＴｂｘとＴｂｙの１つの力成分と２つのトルク成分、計３つの力トルク信号が出力され、力トルク信号処理部２５に入力される。

第１軸、第２軸、第３軸の３つのトルクセンサからの３つのトルク信号と３自由度力トルクセンサ４からの３つの力トルク信号は、異なった場所に取り付けられた、異なった検知方法に基づく、独立２系統の信号である。
外部接触２重チェック装置５では、この独立した２系統の信号により、ロボットと外部との接触を独立に監視し、所定の閾値を超えたと判定した場合に、ロボットを安全に制御する。
ここで、ロボットを安全に制御するとは、「ロボットの動作を停止する。」「ロボットの動作を低速にする。」「ロボットの動作を反対方向に少し戻す。」「ロボットが異常であることを出力する。」等の、人や周辺環境への危害を軽減することである。

３自由度力トルクセンサ４からの設置面に水平なＸ軸及びＹ軸回りのトルクＴｂｘとＴｂｙは、図２の設置面に垂直な軸の回りに回転する第１軸により発生する水平方向の力を観測するに適した信号である。
また、設置面に水平な軸の回りに回転する第２軸、第３軸により発生するトルクを観測するに適した信号でもある。
３自由度力トルクセンサ４からの設置面に垂直なＺ軸方向の力Ｆｂｚは、ロボットの重量は変わらないため、低速動作時には、力Ｆｂｚの変動分が垂直方向の接触力として、正確な値を出力するという特長も有する。
こうして、３自由度力トルクセンサ４の出力信号として選定した設置面に垂直なＺ軸方向の力Ｆｂｚと、設置面に水平なＸ軸及びＹ軸回りのトルクＴｂｘとＴｂｙの３つの信号は、検知の対象とするロボットの軸構成と関連付けて選定する。
これにより、本質的に、より正確な接触力検知を確実にしているという特徴を持たせている。

図１に示すように、第１検知手段２６において、第１軸、第２軸、第３軸の３つのトルクセンサ１、２、３で検知された３つのトルク信号ｔ１、ｔ２、ｔ３は、ロボット先端の座標系Ｘｔ−Ｙｔ−Ｚｔでのそれぞれの座標軸成分での接触力Ｆｔｘ１、Ｆｔｙ１、Ｆｔｚ１へと変換する３軸トルク変換部６に入力される。
行列表記で接触力Ｆｔ及びトルクｔを、それぞれ、Ft1=(Ftx1,Fty1,Ftz1)，t=(t1,t2,t3)と表記すると、ツール先端位置のヤコビアンＪを用いて、Ft1=J^Ttで計算できることが知られている。
ここに、Ｔは転置行列を表している。
ロボットが動作している時は、ロボットの運動方程式を解いて、動作に必要なトルクを計算し、その分をｔから差し引いて、外部から加わった力による発生トルクを計算する。
第３軸より基台に近い側で接触した場合には、ツール先端換算した接触力は、実際の接触力と異なるが、各軸の動作する方向のトルクの影響は差し引かれており、人に危害が加わる可能性があるロボットの動作方向の力は正常に検知できる。
３軸トルク変換部６では、上記の計算により、第１軸、第２軸、第３軸の３つのトルクセンサ１、２、３で検知された３つのトルク信号ｔ１、ｔ２、ｔ３を、ロボット先端の座標系Ｘｔ−Ｙｔ−Ｚｔでのそれぞれの座標軸成分での接触力Ｆｔｘ１、Ｆｔｙ１、Ｆｔｚ１へと変換する。

第２検知手段２７において、３自由度力トルクセンサ４で検知された３つの力トルク信号Ｆｂｚ、Ｔｂｘ、Ｔｂｙは、ロボット先端の座標系Ｘｔ−Ｙｔ−Ｚｔでのそれぞれの座標軸成分での接触力Ｆｔｘ２、Ｆｔｙ２、Ｆｔｚ２へと変換する力トルクセンサ変換部７に入力される。
設置面に定義した座標軸Ｘｂ−Ｙｂ−Ｚｂの、Ｚｂ軸方向の力信号ＦｂｚとＸｂ及びＹｂ回りのトルク信号Ｔｂｘ、Ｔｂｙを、ロボット先端の座標系Ｘｔ−Ｙｔ−Ｚｔでのそれぞれの座標軸成分での接触力Ｆｔｘ２、Ｆｔｙ２、Ｆｔｚ２へと変換は、次の式（１）で行うことが良く知られている。
ここに（Ｘｂ，Ｙｂ，Ｚｂ）は、設置面に定義した座標系Ｘｂ−Ｙｂ−Ｚｂで表記したツール先端の座標である。
ロボットが動作している時は、ロボットの運動方程式を解いて、動作に必要なトルクを計算し、その分をＺｂ軸方向の力信号ＦｂｚとＸｂ及びＹｂ回りのトルク信号Ｔｂｘ、Ｔｂｙから差し引いて、外部から加わった力による発生トルクを計算することは同様である。
３自由度力トルクセンサ４からの信号が入力される力トルクセンサ変換部７では、上記の計算により、ロボット先端の座標系Ｘｔ−Ｙｔ−Ｚｔでのそれぞれの座標軸成分での接触力Ｆｔｘ２、Ｆｔｙ２、Ｆｔｚ２へと変換する。

不一致判定閾値記憶部８には、不一致と判定する基準値が記憶され、接触判定閾値記憶部９には、接触したと判定する基準値が記憶されている。
３軸トルク変換部６で計算されたツール先端換算の接触力（Ｆｔｘ１，Ｆｔｙ１，Ｆｔｚ１）と、力トルクセンサ変換部７で計算されたツール先端換算の接触力（Ｆｔｘ２，Ｆｔｙ２，Ｆｔｚ２）とが、不一致判定部１０で比較される。
そして、それぞれの接触力の差異が、不一致判定閾値を超えている場合には、センサが故障したと判定して、ロボットを安全に制御する。
３軸トルク変換部６で計算されたツール先端換算の接触力（Ｆｔｘ１，Ｆｔｙ１，Ｆｔｚ１）と、力トルクセンサ変換部７で計算されたツール先端換算の接触力（Ｆｔｘ２，Ｆｔｙ２，Ｆｔｚ２）とが、接触判定部１１に入力される。
そして、いずれかの接触力が接触判定閾値を超えている場合には、接触が有ったと判定し、ロボットを安全に制御する。
こうして、人との協調作業を行い、人と共存するロボットにおいて、一定の力が加わった場合に確実にロボットを安全に制御させる外部接触２重チェック装置５を実現することが可能となる。

１第１軸トルクセンサ
２第２軸トルクセンサ
３第３軸トルクセンサ
４３自由度力トルクセンサ
５外部接触２重チェック装置
６３軸トルク変換部
７力トルクセンサ変換部
８不一致判定閾値記憶部
９接触判定閾値記憶部
１０不一致判定部
１１接触判定部
１２基台
１３フレーム
１４下腕
１５上腕
１６第１軸駆動モータ
１７第２軸駆動モータ
１８第３軸駆動モータ
１９第１軸減速機
２０第２軸減速機
２１第３軸減速機
２２第１軸出力軸
２３第２軸出力軸
２４第３軸出力軸
２５力トルク信号処理部
２６第１検知手段
２７第２検知手段

Claims

基台と、前記基台の上部に３軸以上の多関節を有するロボットの外部接触２重チェック装置において、前記ロボットと外部との接触を検知する相互に独立した第１検知手段及び、第２検知手段の２つの検知手段を有し、前記第１検知手段は前記多関節のうち第１軸と第２軸と第３軸に設けた３つのトルクセンサによる第１系統であり、前記第２検知手段は前記基台の設置部に設けた３自由度力トルクセンサによる第２系統であり、前記第１検知手段及び前記第２検知手段から得られる検知信号により、前記ロボットを安全に制御することを特徴とするロボットの外部接触２重チェック装置。
前記第１系統の前記第１検知手段は、前記第１軸と第２軸と第３軸に設けた３つのトルクセンサにより得られるトルク信号を用いてロボット先端部の接触力を演算する３軸トルク変換部を有し、前記第２系統の前記第２検知手段は、前記３自由度力トルクセンサにより得られる力トルク信号を用いて前記ロボット先端部の接触力を演算する力トルクセンサ変換部を有し、前記３軸トルク変換部と前記力トルクセンサ変換部とでそれぞれ得られた接触力の差が所定の不一致判定閾値内か否かを判定する不一致判定部と、前記３軸トルク変換部で得られた接触力又は前記力トルクセンサ変換部で得られた接触力が所定の接触判定閾値内か否かを判定する接触判定部と、を有し、前記不一致判定部が前記不一致判定閾値を超えたと判定した場合、又は前記接触判定部が前記接触判定閾値を超えたと判定した場合に、前記ロボットを安全に制御することを特徴とする請求項１記載のロボットの外部接触２重チェック装置。
前記ロボットは前記基台の設置面に垂直な軸回りに回転動作するように第１軸駆動部を介して前記基台に連結されたフレームと、前記設置面に平行な軸回りに回転動作するように第２軸駆動部を介して前記フレームに連結された下腕及び、第３軸駆動部を介して前記下腕に連結された上腕と、前記第１軸駆動部の出力軸に第１軸トルクセンサ、前記第２軸駆動部の出力軸に第２軸トルクセンサ及び前記第３軸駆動部の出力軸に第３軸トルクセンサをそれぞれ取り付けた３つのトルクセンサを有することを特徴とする請求項１又は２記載のロボットの外部接触２重チェック装置。
前記力トルクセンサは前記ロボットの設置面に垂直なＺ軸方向の力成分と、前記設置面に平行なＸ軸及びＹ軸回りのそれぞれのトルク成分を検知するものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のロボットの外部接触２重チェック装置。