JP2019089165A - センサー、およびロボット - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットのなどの可動装置と他の物体との近接検知や接触検知を的確に行うセンサーを備え、対象物とエンドエフェクターとの接触作業においても支障をきたすこと無く、衝突に対する安全性を向上させることができるロボットを提供すること。【解決手段】他の物体との接近または接触を検出するセンサーの電極部が外装部材の外表面または内表面に形成されているセンサーを備え、前記センサーの出力信号に基づいて、前記ロボット本体部と他の物体との接近を回避するように、前記ロボット本体部の駆動部を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、センサー、およびロボットに関するものである。

従来から、対象物を把持する作業等を行う産業用ロボットが知られている。このような産業用ロボットは、例えば、基台と、基台に対して回動可能に接続されたアームとを有しており、一般に、アームの先端には、対象物を把持するハンド等のエンドエフェクターが装着される。

また、近年では、産業用ロボットと人体等の物体との衝突による事故防止を図るため、衝撃吸収用のクッションが巻回されたアームに対してセンサーを設け、当該センサーによって接近および接触する物体を感知することで、ロボットに回避動作ないしは停止動作を行わせる技術が開発されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−１０１１６号公報

しかし、従来技術のように、アームに衝撃吸収用のクッションが巻回されていると、以下に示すような問題があった。クッションの上にセンサーが配置される場合には、アームの動作によりクッションが変形するとセンサー出力が変動し、近接検知や接触検知の誤検出が発生するため、効率よい作業が出来なかった。クッションの下にセンサーが配置される場合には、クッションの厚み分だけ物体とセンサーとの距離が離れるため、近接検出の感度が低下する。また衝突時の衝撃力がクッションで吸収されるため、接触力検知の応答性が劣化する。そのため確実な衝突回避が出来なかった。

さらに、従来のロボットでは、アームに対して近接センサーが設けられているが、一般にエンドエフェクターは作業内容によって交換されるので、エンドエフェクターに直接近接センサーを設けることは現実的ではない。また、仮に、エンドエフェクターに近接センサーを設けると、対象物とエンドエフェクターとの接触作業において、近接センサーが対象物に接触する前に作動してしまい、作業を継続できなくなるという問題があった。そのため、従来のロボットでは、エンドエフェクターやエンドエフェクターで把持された対象物に対する衝突を検知することが困難であった。

本発明の目的は、ロボットのなどの可動装置と他の物体との近接検知や接触検知を的確に行うセンサーを備え、対象物とエンドエフェクターとの接触作業においても支障をきたすこと無く、衝突に対する安全性を向上させることができるロボットを提供することにある。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例または形態として実現することが可能である。

本適用例のセンサーは、他の物体との接近または接触を検出するセンサーであって、
可動装置の外装部材の外表面または内表面に検出電極部が形成されている
ことを特徴とする。

このようなセンサーによれば、ロボットのなどの可動装置と他の物体との近接検知や接触検知を的確に行うことができ、衝撃吸収用のクッションが無くても、協働ロボットなどの安全性を向上できる。

本適用例のセンサーは、他の物体との接近または接触を検出する検出電極部と、前記検出電極部と前記他の物体との接近または接触に応じて出力が変化する検出回路部と、前記検出電極部と前記検出回路部とを電気的に接続する接続部とを有するセンサーであって、
前記検出電極部は前記可動装置の外装部材と密接して装備されており、前記検出電極部に対する前記接続部の相対位置と、前記接続部に対する前記検出回路部の相対位置と、
が変化しないことを特徴とする。

このようなセンサーによれば、ロボットのなどの可動装置の動作時において、検出電極部、接続部、検出回路部といったセンサー構成要素の変形や揺動によるセンサー出力変化を低減または防止することができるので、可動装置の動作に伴うセンサーの誤動作を低減または防止することができる。

本適用例のセンサーでは、前記可動装置の外装部材の外表面および内表面の少なくとも一部に可展面でない曲面を有し、
前記外装部材に倣って可展面でない曲面形状を有する前記検出電極が形成されている
ことを特徴とすることが好ましい。

これにより、ロボットなどの可動装置の外装部のどこにでも検出電極を密接して設けることができ、ロボット本体部への物体の接触または接近を検出可能な領域が広がり、ロボットの安全性能をより向上させることができる。

本適用例のセンサーでは、検出電極の静電容量変化から前記物体の接触または接近を検出する静電容量型センサーであることが好ましい。

これにより、光電型等の他のセンサーに比べて、物体の色等の影響や周囲の温度の影響を大きく受けずに、物体の接触または接近を検出することができる。

本適用例のセンサーでは、検出電極と駆動電極を有する相互容量方式の静電容量型センサーであることが好ましい。

これにより、自己容量方式に比べて、離れた距離からの接近検出が可能となり、より安全な協働ロボットが提供できる。

本適用例のロボットは、本適用例のセンサーと、前記センサーが外装部材に配置されているロボット本体部と、前記センサーの出力信号に基づいて、前記ロボット本体部の駆動部を制御する制御装置と、を備えることを特徴とする。

このようなロボットによれば、他の物体との近接検知や接触検知を的確に行うことができ、衝撃吸収用のクッションが無くても、安全に人と協働作業が可能な協働ロボットを実現できる。

本適用例のロボットでは、前記制御装置は、前記センサーの出力信号に基づいて、前記ロボット本体部と他の物体との接近を回避するように、前記ロボット本体部の駆動部を制御する、ことが好ましい。

これにより、人の接近に対して接触を回避するようにロボットを動作させることができるため、より安全な協働ロボットを構成できる。

本適用例のロボットでは、前記ロボット本体部に力検出システムを有し、
前記制御装置は、前記センサーの出力信号と前記力検出システムの出力信号とに基づいて、前記ロボット本体部の駆動部を制御することが好ましい。

これにより、ダイレクトティーチングのように、力検出システムの検出力に基づいてロボット本体部を制御した場合にも、ロボット本体部が周辺の他の物体と接近したことを検出して回避することができるため、ロボットをより簡便に利用できる。

本適用例のロボットでは、センサーの出力信号に基づいて、前記ロボット本体部と他の物体との接近を回避し、
前記力検出システムの出力信号に基づいて、前記ロボット本体部とエンドエフェクターと対象物のいずれかと、他の物体との接触を回避する、ことが好ましい。

これにより、エンドエフェクターやエンドエフェクターで把持された対象物等に対する衝突を力検出システムによって検出できる。また、対象物とエンドエフェクターとの接触作業に対しても支障をきたすことがない。そのため、衝突時の安全性を向上させることができる。それゆえ、当該ロボットを、人と協働作業が可能な協働ロボットとして好適に用いることができる。

本発明の好適な実施形態に係るロボットを示す斜視図である。 図１に示すロボットの構成例のブロック図である。 図１に示すロボットの変形例のブロック図である。 図１に示すロボットの変形例のブロック図である。 近接センサーの構成を説明するための概略図である。 第１電極（検出電極）および第２電極（駆動電極）の配置の一例を示す図である。 ロボットアームにおける電極部および検出回路部の配置を示す図である。 力検出システムの概略構成を説明するための図である。 力検出システムの変形例のブリック図である。 ロボットアームの金属部材および樹脂部材の配置を示す図である。 樹脂部材および電極部の断面図である。 金属部材および電極部の断面図である。 アームの金属部材に対する回路部の固定状態の一例を示す図である。 回路基板と電極部とを接続する接続部の変形例を示す図である。 アームの金属部材に対する回路部の固定状態の変形例を示す図である。

以下、本発明のセンサーおよびロボットを添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。

≪ロボットの基本構成≫
図１は、本発明の好適な実施形態に係るロボットを示す斜視図である。図２は、図１に示すロボットの構成例のブロック図である。図３は、図１に示すロボットの変形例のブロック図である。図４は、図１に示すロボットの変形例のブロック図である。図５は、近接センサーの構成を説明するための概略図である。図６は、第１電極（検出電極）および第２電極（駆動電極）の配置の一例を示す図である。図７は、ロボットアームにおける電極部および検出回路部の配置を示す図である。図８は、力検出システムの概略構成を説明するための図である。図９は、力検出システムの変形例のブロック図である。なお、以下では、説明の便宜上、図１中の上側を「上」、下側を「下」と言う。また、図１中の基台１１０側を「基端側」、その反対側（エンドエフェクター９０側）を「先端側」と言う。また、図１の上下方向を「鉛直方向」とし、左右方向を「水平方向」とする。

図１に示すロボット１００は、いわゆる６軸の垂直多関節ロボットであり、例えば、精密機器やこれを構成する部品（対象物）の給材、除材、搬送および組立等の作業を行うことができる。

図１に示すように、ロボット１００は、基台１１０およびロボット可動部１０を有するロボット本体部１と、ロボット可動部１０の動作を制御する制御装置５（コントローラー）と、を有する。また、ロボット１００は、ロボット本体部１に設けられた、駆動部１７０、位置検出器２０、近接センサー３０および力検出システム４０を有する（図１ないし図４参照）。なお、位置検出器２０、近接センサー３０および力検出システム４０の設置数および設置箇所は、後述する実施形態に限定されるものではない。

［ロボット本体部］
〈基台〉
基台１１０は、例えば、床、壁、天井、移動可能な台車上等に固定される。なお、詳細な図示はしないが、基台１１０は、外装部材（ハウジングやカバー等）を含んで構成されており、当該外装部材によって形成された内部空間には、制御装置５が収容されている。

〈ロボット可動部〉
ロボット可動部１０は、基台１１０に回動可能に支持されており、アーム１１（第１アーム）、アーム１２（第２アーム）、アーム１３（第３アーム）、アーム１４（第４アーム）、アーム１５（第５アーム）、アーム１６（第６アーム、先端アーム）と、を有する。これらアーム１１〜１６は、基端側から先端側に向かってこの順に連結されており、隣り合う基端側のアームまたは基台１１０に対して相対的に回動可能に構成されている。なお、基台１１０およびアーム１１〜１６のうちの互いに連結された２つの部材同士を回動可能に接続した接続部分が「関節部」を構成している。また、詳細な図示はしないが、各アーム１１〜１６は、それぞれ、外装部材（ハウジングやカバー等）を含んで構成されており、当該外装部材によって形成された内部空間には、駆動部１７０や位置検出器２０が収容されている。

また、アーム１６の先端部には、力検出システム４０を介して例えば対象物を把持可能なハンドで構成されたエンドエフェクター９０が装着されている。なお、エンドエフェクター９０に接続されたケーブル（図示せず）が有するコネクター（図示せず）は、アーム１４に設けられたコネクター挿入部１４９に接続される。これにより、エンドエフェクター９０は、ロボット可動部１０内に設けられた配線（図示せず）を介して制御装置５に電気的に接続されている。

［駆動部］
図２に示すように、ロボット１００は、各アーム１１〜１６に対してそれぞれ１つ以上の駆動部１７０を有しており、１つのアームに複数個の駆動部１７０および位置検出器２０を装備していてもよい。複数の駆動部１７０は、それぞれ、対応するアームをそれの基端側に位置するアーム（または基台１１０）に対して回動させる機能、すなわちロボット可動部１０の各関節部を駆動する機能を有しており、モーターおよびブレーキを含むモーターユニット（図示せず）と、減速機やベルトおよびプーリー等とを含む動力伝達機構（図示せず）とを備える。なお、駆動部１７０は、制御装置５に電気的に接続されているモータードライバー（図示せず）を備えていてもよい。

［位置検出器］
図２に示すように、ロボット１００は、駆動部１７０と対応して位置検出器２０を有しており、１つの駆動部１７０に対して１つの位置検出器２０が設けられている。位置検出器２０は、モーターまたは減速機の回転軸の回転角度を検出する。これにより、基端側のアームに対する先端側のアームの角度（姿勢）等の情報（各関節部の駆動状態の情報）を得ることができる。このような各位置検出器２０としては、例えば磁気式または光学式のロータリーエンコーダー等を用いることができる。なお、各位置検出器２０は、後述する制御装置５に電気的に接続されている。また、位置検出器２０は、１つの駆動部に対して２つ以上の位置検出器を有していてもよく、例えばモーターの回転角度とアームの回転角度をそれぞれ検出して、ロボットを精度よく位置決めすることや、２つの位置検出器２０で同じモーターの回転角度を検出して相互監視することで安全なロボットを構成することができる。

［近接センサー］
図１ないし図４に示すように、ロボット１００は、近接センサー３０を有している。具体的には、近接センサー３０は、基台１１０およびアーム１１〜１４のそれぞれに１つずつ設けられている。なお、本実施形態では、アーム１５、１６には、近接センサー３０が設けられていないが、アーム１５、１６にも近接センサー３０が設けられていてもよい。

近接センサー３０は、例えば、ロボット１００の周囲に存在する人等の物体の接触または接近に伴う静電容量の変化を検出する静電容量型のセンサーである。特に、本実施形態では、近接センサー３０は、相互容量方式の静電容量型のセンサーである。

図５に示すように、近接センサー３０は、物体の接触または接近に伴う静電容量の変化に応じて信号（電荷）を出力する電極部３１０と、電極部３１０からの信号（電荷）を処理する検出回路部３６を含む回路部３５と、電極部３１０と回路部３５とを電気的に接続する配線３３１とを有する。なお、配線３３１は、図示はしないが、回路部３５と第２電極３１２とを電気的に接続する駆動系の配線と、回路部３５（検出回路部３６）と第１電極３１１とを電気的に接続する信号系の配線とを有する。

電極部３１０は、第１電極３１１（検出電極）と、交番電圧が印加される第２電極３１２（駆動電極）と、基準電位となるグランド電極３１３とを有する。

第１電極３１１および第２電極３１２は、図５に示すように、互いに離間して設けられている。また、第１電極３１１および第２電極３１２は、図６に示すように、それぞれ平面視で櫛歯状をなし、第１電極３１１の櫛歯と第２電極３１２の櫛歯とは互いに離間しつつ噛み合うように配置されている。また、グランド電極３１３は、図５に示すように、第１電極３１１および第２電極３１２に対して絶縁層３２０を介して配置されている。

このような電極部３１０では、第２電極３１２に対して交番電圧を印加して第１電極３１１と第２電極３１２との間に電界を発生させ、この状態で物体が電極部３１０に接近すると第１電極３１１と第２電極３１２との間の電界が変化する。この電界の変化による静電容量の変化を第１電極３１１で検出することで、物体の接触または接近を検出できる。なお、グランド電極３１３は、電磁シールドとして機能する。

また、第１電極３１１、第２電極３１２およびグランド電極３１３の配置は図示の例に限定されず、任意である。例えば、絶縁層３２０の第１電極３１１等と同じ側の面に設けてもよく、この場合、平面視で第１電極３１１を囲むようにしてグランド電極３１３を設けてもよい。

図５に示すように、回路部３５は、電極部３１０（具体的には第１電極３１１）から受けた電荷を処理する検出回路部３６と、第２電極３１２に対して電力を供給する駆動回路（図示せず）とを備える。検出回路部３６は、チャージアンプ３６１（増幅回路）と、ＡＤコンバーター３６２（変換出力回路）とを有する。チャージアンプ３６１は、第１電極３１１から出力された電荷を電圧に変換する。ＡＤコンバーター３６２は、チャージアンプ３６１から出力された電圧を所定のサンプリング周波数でアナログ信号をデジタル信号に変換する。ＡＤコンバーター３６２で変換された電圧情報（デジタル信号）は、制御装置５へ転送される。

このような近接センサー３０は、図５に示すように、基台１１０およびアーム１１〜１４のそれぞれに設けられている。近接センサー３０が有する電極部３１０は、例えば図５中のハッチングで示す箇所に設けられており、基台１１０およびアーム１１〜１４の各外表面側（外装部材の外表面）に配置されている。また、回路部３５は、例えば図５中の破線で示す箇所に設けられており、電極部３１０と同様に、基台１１０およびアーム１１〜１４の各外表面側（外装部材の外表面）に配置されている。このように、ロボット１００では、基台１１０およびアーム１１〜１４のそれぞれに、１つの電極部３１０と１つの回路部３５が設けられていることで、ロボット可動部１０の広範囲にわたって近接検出を行うことができる。

［力検出システム］
図１に示すように、ロボット１００は、４つの力検出システム４０を有している。力検出システム４０は、基台１１０の基端面、基台１１０とロボット可動部１０との間（接続部分）、アーム１３の中間部およびロボット可動部１０とエンドエフェクター９０との間（接続部分）に設けられている。これらの力検出システム４０は、ロボット本体部１のいずれか１箇所でも複数箇所に装着されてもよく、また１箇所に複数個装着されてもよい。

力検出システム４０は、例えば、力検出システム４０に加えられた外力の６軸成分を検出可能な６軸力覚センサーである。ここで、６軸成分は、互いに直交する３つの軸のそれぞれの方向の並進力（せん断力）成分、および、当該３つの軸のそれぞれの軸まわりの回転力（モーメント）成分である。なお、力検出システム４０の検出軸の数は、６つに限定されず、例えば、１つ以上５つ以下であってもよい。

図８に示すように、力検出システム４０は、外力に応じた信号（電荷）を出力する複数の力検出素子４１と、力検出素子４１からの信号（電荷）を処理する回路部４５と、これらを収容するとともに、力検出素子４１に外力を伝達するケース４０１とを有する。

力検出素子４１は、複数の圧電素子４１０を備える。圧電素子４１０は、水晶等の圧電材料で構成された圧電体４１１と、圧電体４１１の圧電効果により生じた電荷を出力する出力電極４１２と、基準電位となるグランド電極４１３とを有する。

回路部４５は、力検出素子４１から受けた電荷を処理する外力検出部４６と、力検出システム４０の各部に対して電力を供給する電源回路（図示せず）とを備える。外力検出部４６は、各圧電素子４１０に対応して設けられたチャージアンプ４６１（増幅回路）と、ＡＤコンバーター４６２（変換出力回路）とを有する。チャージアンプ４６１は、圧電素子４１０から出力された電荷を電圧に変換する。ＡＤコンバーター４６２は、チャージアンプ４６１から出力された電圧を所定のサンプリング周波数でアナログ信号をデジタル信号に変換する。ＡＤコンバーター４６２で変換された電圧情報（デジタル信号）は、力演算回路４６３で６軸成分に演算され力覚データとして、制御装置５へ転送される。

なお、力検出素子４１の数は、図示のように４つに限定されず、任意である。ただし、６軸成分を検出するためには、力検出システム４０は、少なくとも３つの力検出素子４１を備えていることが好ましい。

また、図９に示すように力演算回路４６３で演算された力覚データを例えばダウンサンプリング等の信号処理をして出力する信号処理部７０を有していてもよい。例えば信号処理部７０には、入力された力覚データを一時的に記憶するメモリー７２と、第１信号処理回路７６および第１出力部７５と、第２信号処理回路７１および第２出力部７４と、で構成される。このような構成であれば、互いに異なる系統の第１出力部と第２出力部から力覚データに基づいた互いに異なる第１データおよび第２データを目的に合わせて出力できる。

［制御装置］
図１ないし図４に示す制御装置５（コントローラー）は、位置検出器２０、近接センサー３０および力検出システム４０の検出結果に基づいてロボット可動部１０の動作を制御する機能を有する。この制御装置５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサーと、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等のメモリーと、Ｉ／Ｆ（インターフェース回路）５３とを有する。この制御装置５は、メモリーに記憶されているプログラムや教示データに基づいてロボット本体部１の動作軌道を生成し、モーション制御部５１へ動作指令を送出する。また、Ｉ／Ｆ５３は、一部図示しないが、駆動部１７０と位置検出器２０と近接センサー３０と力検出システム４０とエンドエフェクター９０とに通信可能に構成されている。また、制御装置５は、図示はしないが、制御装置５の各部や駆動部１７０（モータードライバー）に対して必要な電力を生成する電源回路を備えている。

なお、制御装置５は、図示では、ロボット本体部１の基台１１０の内部に配置されているが、これに限定されず、例えば、ロボット本体部１の外部に配置されていてもよい。また、制御装置５には、ディスプレイ等のモニターを備える表示装置、例えばマウスやキーボード等を備える入力装置等が接続されていてもよい。

以上、ロボット１００の基本的な構成について説明した。このようなロボット１００では、制御装置５のメモリーに予め教示作業によって生成した動作シーケンスが記憶されており、制御装置５は、その動作シーケンスに従って各駆動部１７０に回転速度および回転角度に関する信号を送ることで、各駆動部１７０を駆動させる。これにより、ロボット可動部１０を駆動させる。また、制御装置５は、位置検出器２０からの信号を受け、その信号を基にしてフィードバック制御を行う。さらに、本実施形態では、制御装置５は、力検出システム４０から外力に応じた信号を受ける。そして、力検出システム４０からの信号を基に、力制御指令部５５で力制御指令を生成し、モーション制御部５１へ送出する。モーション制御部５１は、受け取った力制御指令に基づいて各駆動部１７０に信号を送り、ロボット可動部１０を動作させることで、対象物へのエンドエフェクター９０の作業状態を検知しながら作業を行う。

このような制御装置５によるロボット可動部１０の動作の制御により、ロボット１００は、予め教示することによって生成した動作シーケンスに応じた作業を的確に行うことができる。

また、制御装置５は、このようなロボット可動部１０の動作を制御しつつ、各近接センサー３０との信号のやり取りを行う。具体的には、例えば、制御装置５は、近接センサー３０に対して各近接センサー３０の感度を調整する信号を送信しつつ、近接センサー３０からの信号を受け取って、その信号を基にロボット本体部１への物体の接触または接近の有無を近接認識部５７で判断する。例えば、近接認識部５７は、近接センサー３０からの出力値が閾値（予め設定した近接検出の閾値）以上となった場合、ロボット本体部１への物体の接触または接近があったと判断する。近接認識部５７は、ロボット本体部１への物体の接触または接近があったと判断した場合には、回避動作生成部５８で回避動作を生成し、動作指令部５２に転送する。動作指令部５２は、受け取った回避動作に基づいて、動作指令をモーション制御部５１に送出する。モーション制御部５１は、受け取った動作指令に基づいて、各駆動部１７０に信号を送り、ロボット可動部１０の動作速度を低減、動作停止または移動方向の切り替え（反転）を行う。このようにして、制御装置５は、各近接センサー３０との信号を基にして、物体に対する回避動作ないしは停止動作をロボット可動部１０に行わせる。

さらに、制御装置５は、力検出システム４０からの信号を基にしてロボット本体部１への物体の接触の有無を判断する。例えば、接触認識部５６は、力検出システム４０からの出力値が閾値（予め設定した力検出の閾値）以上となった場合、ロボット本体部１への物体の接触があったと判断する。その場合、制御装置５は、物体に対する回避動作ないしは停止動作をロボット可動部１０に行わせる。

このように、制御装置５は、近接センサー３０および力検出システム４０からの各信号を基に、物体に対する回避動作ないしは停止動作をロボット可動部１０に行わせることができる。

以上、ロボット１００の基本的な構成について説明した。前述したように、ロボット１００は、基台１１０と、基台１１０に対して回動可能に設けられ、複数のアーム１１〜１６を有し、エンドエフェクター９０を取り付け可能なロボット可動部１０と、を備えるロボット本体部１を有する。また、ロボット１００は、ロボット可動部１０に設けられ、ロボット本体部１への物体の接触または接近を検出する（本実施形態では複数の）近接センサー３０を有する。そして、ロボット１００は、基台１１０とロボット可動部１０との接続部分、アーム同士の接続部分、および、ロボット可動部１０とエンドエフェクター９０との接続部分の少なくとも１つに設けられ、ロボット本体部１またはエンドエフェクター９０に加わる力を検出する力検出システム４０と、を有する。前述のように、力検出システム４０は、基台１１０とロボット可動部１０との接続部分（これらの間）、および、ロボット可動部１０とエンドエフェクター９０との接続部分（これらの間）等に設けられている。

このようなロボット１００によれば、近接センサー３０によって、ロボット本体部１に対する物体の接触または接近を検出するとともに、力検出システム４０によって、エンドエフェクター９０やエンドエフェクター９０で把持された対象物に対する接触を検出できる。特に、前述した箇所に力検出システム４０が設けられていることで、近接センサー３０だけではロボット本体部１に対する物体の接近または接触を十分に検出できない領域における物体の接触を検出することができる。そのため、ロボット本体部１への物体の接触または接近を広範囲にわたって検出することができる。よって、衝突時の安全性を向上させることができる。また、仮に、エンドエフェクター９０に対して近接センサー３０を設けると、エンドエフェクター９０に設けられた近接センサー３０が対象物に接触する前に作動してしまい、エンドエフェクター９０による対象物への接触作業ができないという問題があるが、本実施形態のロボット１００によればそのような問題もない。このようなことから、ロボット１００によれば、対象物とエンドエフェクター９０との接触作業に対しても支障をきたすこと無く、衝突時の安全性を向上させることができる。それゆえ、ロボット１００を、人との協働作業が可能な協働ロボットとして好適に用いることができる。

また、ロボット１００は近接センサー３０および力検出システム４０を備えているので、例えば、近接センサー３０で物体の接近を検出した場合には、ロボット可動部１０の動作速度を低減させ、力検出システム４０で物体の接触を検出した場合には、ロボット可動部１０の動作停止を行う。これにより、ロボット１００の作業効率の低下をより低減しつつ、衝突時の危険性をより低下させることができる。

特に、本実施形態では、前述したように、力検出システム４０は、基台１１０とロボット可動部１０との接続部分や基台１１０の基端面に設けられている。

これにより、力検出システム４０によって、エンドエフェクター９０への衝突に加えて、ロボット可動部１０の任意の位置への衝突を検知することができる。そのため、より安全性を向上させることができる。

さらに、前述したように、力検出システム４０は、ロボット可動部１０とエンドエフェクター９０との接続部分（これらの間）に設けられている。

これにより、エンドエフェクター９０への接触を特に高精度かつ高感度に検出することができる。また、力検出システム４０によってエンドエフェクター９０による対象物への接触作業を高精度に検出することができるため、ロボット１００による作業の精度も向上させることができる。

なお、力検出システム４０は、アーム１１とアーム１２との接続部分（これらの間）、アーム１２とアーム１３との接続部分（これらの間）、アーム１３とアーム１４との接続部分（これらの間）、アーム１４とアーム１５との接続部分（これらの間）、および、アーム１５とアーム１６との接続部分（これらの間）のうちの任意の箇所に設けられていてもよい。

また、前述したように、本実施形態では、近接センサー３０は、ロボット可動部１０に加え、基台１１０にも設けられている。そのため、より安全性を向上させることができる。

なお、本実施形態では、アーム１５およびアーム１６には、近接センサー３０が設けられていないが、前述したように、アーム１６とエンドエフェクター９０との間に力検出システム４０が設けられているため、これらアーム１５およびアーム１６に近接センサー３０が設けられていなくても、安全性を十分に確保できる。

≪近接センサーの詳細な説明≫
次に、近接センサー３０について詳述する。具体的には、ロボット本体部１に対する電極部３１０および回路部３５の配置等について説明する。

図１０は、ロボット本体部１の外装部基材の金属部材および樹脂部材の配置を示す図である。図１１は、樹脂部材および電極部の断面図である。図１２は、金属部材および電極部の断面図である。図１３は、アームの金属部材に対する回路部の固定状態の一例を示す図である。図１４は、回路基板と電極部とを接続する接続部の変形例を示す図である。図１５は、アームの金属部材に対する回路部の固定状態の変形例を示す図である。

前述したように、近接センサー３０は、静電容量の変化から物体の接触または接近を検出する静電容量型のセンサーであり、電極部３１０と、回路部３５と、配線３３１とを有する（図３参照）。

［電極部］
電極部３１０は、第１電極３１１（検出電極）と、第２電極３１２（駆動電極）と、グランド電極３１３とを有し、アーム１１〜１４の外表面、より具体的にはアーム１１〜１４の外装部材の外表面に設けられている（図３および図５参照）。

ここで、図１０に示すように、基台１１０およびロボット可動部１０は、主として樹脂材料等で構成された樹脂部材１３０（例えばカバー）と、主として金属材料で構成された金属部材１４０（例えばハウジング）と、を含んで構成されている。図１０中のハッチングが付された箇所が、樹脂部材１３０で構成されており、それ以外の箇所が金属部材１４０で構成されている。例えば、金属部材１４０は、ロボット本体部１の骨格となる部分であり、樹脂部材１３０は、金属部材１４０に接続された金属部材１４０とともにロボット本体部１を構成する部分である。以下、樹脂部材１３０に設けられた電極部３１０と、金属部材１４０に設けられた電極部３１０とについて順次説明する。

〈樹脂部材に設けられた電極部〉
図１１に示す樹脂部材１３０は、例えば射出成形等により形成されている。なお、図１１ではアーム１４が有する樹脂部材１３０の一部を例に示している。この樹脂部材１３０の表面には、第１電極３１１、第２電極３１２およびグランド電極３１３が配置されており、第１電極３１１、第２電極３１２およびグランド電極３１３の外表面は、例えば、樹脂材料、金属酸化物、金属窒化物等で構成された絶縁層３２１で覆われている。

具体的には、樹脂部材１３０の外表面側には、第１電極３１１および第２電極３１２が配置され、その反対側の面の第１電極３１１に対応する箇所にグランド電極３１３が配置されている。また、コネクター挿入部１４９の近傍における樹脂部材１３０の外表面には、グランド電極３１３が設けられている。コネクター挿入部１４９はエンドエフェクター９０に電気的に接続されたコネクター（図示せず）が接続される部分であるため、コネクター挿入部１４９の近傍には、第１電極３１１や第２電極３１２が設けられていないことが好ましい。当該コネクターおよびそれに接続された配線（図示せず）に対する近接検出を防ぐためである。また、樹脂部材１３０（例えばカバー）は、ネジ孔１３１にネジ（図示せず）を用いて金属部材１４０（例えばハウジング）に対してネジ止めされる。これにより、樹脂部材１３０に設けられたグランド電極３１３を金属部材１４０に電気的に接続でき、グランド電極３１３を簡単に接地することができる。

このような第１電極３１１、第２電極３１２およびグランド電極３１３の形成方法としては、特に限定されず、真空蒸着法等の物理成膜法、ＣＶＤ等の化学蒸着法、インクジェット法等の各種塗布法、スパッタリング法、メッキ、金属箔の接合等を用いることができる。例えば、金属膜を形成した後、フォトリソグラフィー法およびドライエッチング法などを用いて金属膜をパターニングすることで、各電極やそれに接続された配線を一括して形成することができる。また、絶縁層３２１の形成方法としては、公知の蒸着法や塗布法等を用いることができる。

また、第１電極３１１、第２電極３１２およびグランド電極３１３の厚さは、特に限定されないが、例えば、１μｍ以上１００μｍ以下程度とすることができる。第１電極３１１、第２電極３１２およびグランド電極３１３の各厚さがこのように比較的薄いことで、第１電極３１１、第２電極３１２およびグランド電極３１３のそれぞれをロボット本体部１の金属部材１４０の形状に追従させることができる。また、絶縁層３２１の厚さは、特に限定されないが、例えば、１μｍ以上１００μｍ以下程度とすることができる。

なお、図示では、グランド電極３１３は、樹脂部材１３０の外表面とは反対側の面の一部に設けられていたが、グランド電極３１３は、樹脂部材１３０の外表面とは反対側の面の全域にわたって設けられていてもよい。

〈金属部材に設けられた電極部〉
図９に示すように、金属部材１４０は、例えば、ダイカスト等の鋳造法等で形成された２つの部材をネジ１４１で締結することにより構成されている。なお、図９ではアーム１２が有する金属部材１４０の一部を例に示している。この金属部材１４０の外表面には、絶縁層３２２を介して第１電極３１１、第２電極３１２およびグランド電極３１３が配置されている。さらに、第１電極３１１、第２電極３１２およびグランド電極３１３は、絶縁層３２３でその外表面が覆われている。なお、絶縁層３２２、３２３の構成材料、形成方法、膜厚は、前述した絶縁層３２１と同様である。

このような金属部材１４０はグランド電極３１３として機能する。これにより、別途グランド電極３１３を設ける手間を省くことができる。また、金属部材１４０の外表面側に配置されたグランド電極３１３は、第１電極３１１のシールド電極として機能している。また、ネジ１４１が挿入されるネジ孔１４２の近傍は、グランド電極３１３が配置されている。このネジ孔１４２の近傍に配置されたグランド電極３１３と金属部材１４０とは、ネジ１４１を介して電気的に接続されており、ネジ１４１はグランド電極３１３と金属部材１４０とを電気的に接続する配線としても機能している。また、図９中に示すグランド電極３１３ａのように、絶縁層３２２の一部を除去して、グランド電極３１３ａと金属部材１４０とを接続してもよい。すなわち、ネジ１４１の代わりにグランド電極３１３ａの一部を配線として用いてもよい。

なお、図示では、金属部材１４０が基準電位となるグランド電極３１３の機能を有しているが、さらに別途グランド電極３１３を設けてもよい。これにより、ロボット本体部１の一部である金属部材１４０で接地した場合よりも、近接センサー３０の高感度化を図ることができる。

［回路部］
回路部３５は、アーム１１〜１４の外表面、より具体的にはアーム１１〜１４の外装部材の外表面に設けられている（図５参照）。

具体的には、図１０に示すように、回路部３５が搭載された回路基板３５０は、金属部材１４０に形成された凹部１５０内に設けられている。なお、回路基板３５０は、樹脂部材１３０に設けられていてもよい。

この回路基板３５０は、ネジ３４によって金属部材１４０に固定されている。また、回路基板３５０の近傍に設けられた電極部３１０は、接着剤３２５および絶縁層３２４を介して回路基板３５０に固定されている。また、回路基板３５０と電極部３１０とを電気的に接続している配線３３１（接続部）は、接着剤３２５によって、配線３３１の移動が規制されるように固定されている。また、接着剤３２５は、例えば、シリコーン系、エポキシ系、アクリル系、シアノアクリレート系、ポリウレタン系等の絶縁性を有する接着剤等を用いることができる。なお、絶縁層３２４は、前述した絶縁層３２１と同様の構成である。

このように、回路基板３５０、電極部３１０および配線３３１は、金属部材１４０に対する相対位置が変わらないように固定されている。これにより、アーム１１〜１４が動作しても、回路基板３５０や電極部３１０が有する各電極の変形、揺動または屈曲等することを低減または防止することができる。そのため、これらの変形等に伴う寄生容量の変化を低減または防止することができるので、近接センサー３０の誤動作を低減または防止することができる。

また、図１１に示すように、回路基板３５０と電極部３１０とは、コネクター３３２（接続部）によって、電気的に接続されていてもよい。これにより、図１０に示す配線３３１に比べ、その移動が規制することが容易であるという利点がある。そのため、コネクター３３２の変形、揺動および屈曲等に伴う寄生容量の変化を配線３３１の場合に比べてさらに低減することができる。

また、図１２に示すように、回路基板３５０は、例えばセラミックや樹脂材料等の比較的ヤング率が高く、撓みにくい高剛性材料で構成されたスペーサー１６０を介して金属部材１４０に固定されていてもよい。具体的には、スペーサー１６０が有する凹部１６１の底面に接着剤３２６を介して回路基板３５０を固定して、スペーサー１６０を金属部材１４０に対して接着剤やネジ止め等で固定する。このようなスペーサー１６０を用いることで、金属部材１４０に回路基板３５０を収容する凹部１５０を形成する手間を省くことができるので、近接センサー３０を簡単にアーム１１〜１４に対して設けることができる。また、このような構成によっても、回路基板３５０、電極部３１０およびコネクター３３２の変形、揺動または屈曲等することを低減または防止することができるため、これらの変形等に伴う寄生容量の変化を低減または防止することができる。

以上、近接センサー３０について詳述した。前述したように、近接センサー３０は、静電容量の変化から物体の接触または接近を検出する静電容量型のセンサーであり、物体の接触または接近に伴う静電容量の変化に応じて信号（電荷）を出力する電極部３１０と、信号（電荷）を処理する回路部３５と、電極部３１０と回路部３５とを電気的に接続する配線３３１（接続部）またはコネクター３３２（接続部）とを備える。

これにより、例えば光電型等の他のセンサーに比べて、物体の色等の影響や周囲の温度の影響を大きく受けずに、物体の接触または接近を検出することができる。

なお、「近接センサー」は、物体の接触または接近を検出するセンサーであればよく、静電容量型の近接センサー３０に限定されない。例えば、「近接センサー」としては、光電型のセンサー、超音波型のセンサー、誘導型のセンサー等であってもよい。また、本実施形態では、「近接センサー」として、相互容量方式の近接センサー３０を用いたが、「近接センサー」は、自己容量方式のセンサーであってもよい。相互容量方式の近接センサー３０を用いることで、環境の影響を受け難く、高感度化を図ることができる。一方、自己容量方式のセンサーは、電極部を１つの電極（検出電極および駆動電極の機能を兼ねる電極）で構成することができるので、構成を簡易にできる。

また、前述したように、電極部３１０は、アーム１１〜１４の外表面に設けられている。

これにより、従来のように衝突吸収用の柔らかいクッションの上に電極部３１０が設けられている場合に比べ、電極部３１０の変形または変位を低減させることができるので電極部３１０の変形による寄生容量の変化を低減または防止することができる。

さらに、前述したように、電極部３１０は、アーム１１〜１４の各外形形状に沿って設けられており、電極部３１０は、アーム１１〜１４の外形形状に追従するようにして曲がっている部分を有する。さらに、例えば、電極部３１０は、コネクター挿入部１４９等の複雑な形状にも追従するように配置されている。

これにより、アーム１１〜１４の外表面の曲がっている部分に電極部３１０が設けられていない場合に比べて、ロボット本体部１への物体の接触または接近を検出可能な範囲を広げることができるので、ロボット１００の安全性能をより向上させることができる。

また、前述したように、電極部３１０は、ロボット可動部１０の動作時において、アーム１１〜１４に対する相対位置が変化しないようにアーム１１〜１４（具体的にはこれらが有する金属部材１４０または樹脂部材１３０）に対して固定されている。

これにより、電極部３１０の変形や揺動による寄生容量の変化を低減または防止することができるので、電極部３１０の変形や揺動による近接センサー３０の誤動作を低減または防止することができる。

さらに、前述したように、回路部３５（具体的には、回路部３５が搭載された回路基板３５０）は、ロボット可動部１０の動作時において、アーム１１〜１４に対する相対位置が変化しないようにアーム１１〜１４に対して固定されている。

これにより、回路基板３５０の変形や揺動等による近接センサー３０の誤動作を低減または防止することができる。

なお、本実施形態では、検出回路部３６および駆動回路（図示せず）を有する回路部３５が、１つの回路基板３５０に搭載されているが、検出回路部３６と駆動回路とは別の基板に搭載されていてもよい。すなわち、検出回路部３６が搭載された基板と駆動回路が搭載された基板とは別体であってもよい。その場合には、少なくとも検出回路部３６が搭載された基板が、その基板が設けられたアーム１１〜１４に対する相対位置が変化しないように設けられていればよい。

加えて、前述したように、配線３３１（接続部）またはコネクター３３２（接続部）は、ロボット可動部１０の動作時において、電極部３１０および回路部３５（具体的には、回路部３５が搭載された回路基板３５０）に対する相対位置が変化しないように設けられている。

これにより、配線３３１やコネクター３３２の変形や揺動等による近接センサー３０の誤動作を低減または防止することができる。

以上、本発明のロボットを図示の好適な実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、他の任意の構成物が付加されていてもよい。

また、前述した実施形態では、ロボット可動部の数は、前述した実施形態の数は１つであったが、ロボット可動部の数は、これに限定されず、例えば、２つ以上でもよい。すなわち、本発明のロボットは、例えば、双腕ロボット等の複数腕ロボットであってもよい。

また、前述した実施形態では、ロボット可動部が有するアームの数は、前述した実施形態の数に限定されず、例えば、３つ以上５つ以下、または、７つ以上であってもよい。

また、本発明のロボットは、いわゆる６軸の垂直多関節ロボットに限定されず、例えば、スカラーロボット、単軸ロボット、ガントリーロボット、パラレルリンクロボット等の他のロボットであってもよい。

１…ロボット本体部、５…制御装置、１０…ロボット可動部、１１…アーム、１２…アーム、１３…アーム、１４…アーム、１５…アーム、１６…アーム、２０…位置検出器、３０…近接センサー、３４…ネジ、３５…回路部、３６…検出回路部、４０…力検出システム、４１…力検出素子、４５…回路部、４６…外力検出部、５１…モーション制御部、５２…動作指令部、５３…Ｉ／Ｆ、９０…エンドエフェクター、１００…ロボット、１１０…基台、１３０…樹脂部材、１３１…ネジ孔、１４０…金属部材、１４１…ネジ、１４２…ネジ孔、１４９…コネクター挿入部、１５０…凹部、１６０…スペーサー、１６１…凹部、１７０…駆動部、３１０…電極部、３１１…第１電極（検出電極）、３１２…第２電極（駆動電極）、３１３…グランド電極、３１３ａ…グランド電極、３２０…絶縁層、３２１…絶縁層、３２２…絶縁層、３２３…絶縁層、３２４…絶縁層、３２５…接着剤、３２６…接着剤、３３１…配線、３３２…コネクター、３５０…回路基板、３６１…チャージアンプ、３６２…ＡＤコンバーター、４０１…ケース、４１０…圧電素子、４１１…圧電体、４１２…出力電極、４１３…グランド電極、４６１…チャージアンプ、４６２…ＡＤコンバーター

Claims (10)

1. 他の物体との接近または接触を検出するセンサーであって、
   可動装置の外装部材の外表面または内表面に電極部が形成されている
   ことを特徴とするセンサー。
2. 他の物体との接近または接触を検出する電極部と、
   前記検出電極部と前記他の物体との接近または接触に応じて出力が変化する検出回路部と、
   前記検出電極部と前記検出回路部とを電気的に接続する接続部とを有するセンサーであって、
   前記検出電極部は前記可動装置の外装部材と密接して装備されており、
   前記検出電極部に対する前記接続部の相対位置と、
   前記接続部に対する前記検出回路部の相対位置と、
   が変化しないことを特徴とするセンサー。
3. 前記可動装置の外装部材の外表面および内表面の少なくとも一部に可展面でない曲面を有し、
   前記外装部基材に倣って可展面でない曲面形状を有する前記検出電極が形成されている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のセンサー。
4. 前記センサーは、前記検出電極の静電容量変化から前記物体の接触または接近を検出する静電容量型センサーである請求項１ないし３のいずれか１項に記載のセンサー。
5. 前記センサーは、前記検出電極と駆動電極を有する相互容量方式の静電容量型センサーである請求項４に記載のセンサー。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載のセンサーと、
   前記センサーが外装部に配置されているロボット本体部と、
   前記センサーの出力信号に基づいて、前記ロボット本体部の駆動部を制御する制御装置と、
   を備えることを特徴とするロボット。
7. 請求項６に記載のロボットであって、
   前記制御装置は、前記センサーの出力信号に基づいて、前記ロボット本体部と他の物体との接近を回避するように、前記ロボット本体部の駆動部を制御する、
   ことを特徴とするロボット。
8. 請求項６または７に記載のロボットであって、
   前記ロボット本体部に力検出システムを有し、
   前記制御装置は、前記センサーの出力信号と前記力検出システムの出力信号とに基づいて、前記ロボット本体部の駆動部を制御する、ことを特徴とするロボット。
9. 請求項８のロボットであって、
   前記力検出システムの出力信号に基づいて対象物の力制御を行い、
   前記センサーの出力信号に基づいて、前記ロボット本体部と他の物体との接近を回避する、ことを特徴とするロボット。
10. 請求項８のロボットであって、
    前記センサーの出力信号に基づいて、前記ロボット本体部と他の物体との接近を回避し、
    前記力検出システムの出力信号に基づいて、前記ロボット本体部とエンドエフェクターと対象物のいずれかと、他の物体との接触を回避する、
    ことを特徴とするロボット。

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