JP2020069624A - ロボット装置 - Google Patents

Abstract

【課題】センサ数の減少及び製造工数の減少による製造コストの低減、アーム、手首部及びエンドエフェクタの衝突判定の実現、衝突判定精度の確保にある。【解決手段】ロボット装置は複数のリンクが複数の関節Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３で連結されたアーム機構、アーム機構の先端に取り付けられた手首部９及び手首部に装着されたハンド部１１を有する。アーム機構には単一の加速度センサ２１が設置される。記憶装置２７はアーム機構、手首部及びエンドエフェクタ上に既定した複数の位置ＰＷ１−ＰＷ１３各々から加速度センサの設置位置ＰＳまでの機械的振動に関する伝搬特性のデータを記憶する。プロセッサ２３は伝搬特性に基づいて加速度センサにより測定された第１振動波形から複数の位置にそれぞれ対応する複数の第２振動波形を推定するとともに推定された複数の第２振動波形に基づいてアーム、手首部又はエンドエフェクタに対して物体が衝突したか否かを判定する。【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態はロボット装置に関する。

近年ロボットが作業者と同一空間にいる環境が多くなってきている。介護用ロボットはもちろん産業用ロボットでも作業者と並んで協働して作業を行なう状況が今後拡大していくものと考えられる。その状況で重要なのは安全性である。作業者等に対するロボットアームの接触、特に衝突時に、迅速にアームを停止させ、又はアームを退避させる必要がある。

例えば特許文献１にはアームの先端付近に加速度センサを取り付け、加速度センサの出力に基づいて衝突を判定するにあたってロボットの運転状態（動作モードと姿勢）に応じて判定条件を変更する技術が開示されている。

また特許文献２には、フォークに取り付けられた加速度センサの信号がしきい値以上の場合に衝突発生と判定するものであって、特に通常、高速等の動作モードに応じてしきい値を変更する技術が開示されている。

しかし、特許文献１、２では物体がアームやフォークに加速度センサを取り付けた位置への衝突に関しては比較的高精度で判定する事ができるものの、他の位置への衝突判定精度の低下は避けられない。協働ロボットではアームの全体わたってより精度での衝突判定を実施する技術が要求される。

高精度の衝突判定範囲をアーム全体に拡大するには、アームに多数の加速度センサを取り付けることが想定される。しかし、この場合、製造工数の増加に伴う製造コストの高騰は避けられない。加速度センサに代えて検知範囲の比較的広い静電容量センサであれば個数を減らす事が考えられるものの、静電容量センサは周辺環境の影響を大きく受けるため、汎用的な判定精度の確保が難しかった。

特開２０１０−０６９５８５号公報 特開２００５−３４２８５８号公報

目的は、センサ数を減少させて製造工数を減少させることにより製造コストの低減を実現すること、アーム、手首部、さらにエンドエフェクタまで衝突判定を実現すること、さらに衝突判定精度を確保することをともに達成するロボット装置を提供することにある。

本実施形態に係るロボット装置は、複数のリンクが複数の関節で連結されたアーム機構、アーム機構の先端に取り付けられた手首部及び手首部に装着されたエンドエフェクタを有する。アーム機構には単一の加速度センサが設置される。記憶部は、アーム機構、手首部及びエンドエフェクタ上に既定した複数の位置各々から加速度センサの設置位置までの機械的振動に関する伝搬特性のデータを記憶する。推定部は、伝搬特性に基づいて、加速度センサにより測定された第１振動波形から複数の位置にそれぞれ対応する複数の第２振動波形を推定する。判定部は、推定された複数の第２振動波形に基づいて、アーム、手首部又はエンドエフェクタに対して物体が衝突したか否かを判定する。

図１は、本実施形態に係る極座標型アーム機構を備えたロボット装置の外観図である。 図２は、図１のロボット装置の内部構造を示す側面図である。 図３は、図１のロボット装置の図記号表現図である。 図４は、本実施形態に係る垂直多関節型アーム機構を備えたロボット装置の外観図及び図記号表現図である。 図５は、図１のロボット装置の構成図である。 図６は、図５の記憶装置に記憶される伝搬特性の補足説明図である。 図７は、図５の記憶装置に記憶される基準振動波形の一例を示す図である。 図８は、図５のプロセッサによる衝突判定処理の手順を示すフローチャートである。 図９は、図８の動作手順の補足説明図である。

以下、図面を参照しながら本実施形態に係るロボット装置を説明する。ロボット装置は、複数のリンクを複数の関節で連結するアーム機構を有する。本実施形態は典型的には極座標型のアーム機構又は垂直多関節型のアーム機構に適用される。

図１、図２、図３には、本実施形態に係る極座標型のアーム機構を備えたロボット装置を示している。本実施形態に係るロボット装置のアーム機構は、基台１、基台１に垂直に設置された円筒形状の支柱部３、支柱部３上に載置されるショルダー部５、ショルダー部５から前方に伸びるアーム７を備える。アーム７の先端には手首部９が取り付けられる。手首部９には用途に応じたエンドエフェクタ（手先効果器）、例えばハンド部１１が装着される。

支柱部３には基台１に対して垂直な第１回転軸ＲＡ１を有する旋回用回転関節Ｊ１が装備される。ショルダー部５には、第１回転軸ＲＡ１に垂直な第２回転軸ＲＡ２を有する上下回転用回転関節Ｊ２が装備される。回転関節Ｊ２の回転部には直動関節、ここでは直動伸縮関節Ｊ３が装備される。

直動伸縮関節Ｊ３は、屈曲自在に連結された複数の上側ピース１３と、屈曲自在に連結された複数の下側ピース１５とを有する。上側ピース１３の先頭と下側ピース１５の先頭とは先頭ピース１７に結合される。上側ピース１３と下側ピース１５とは互いに重ね合わされることによりそれぞれの屈曲が拘束されて、一体化され、一定の剛性を有する柱状体としてのアーム７が構成される。アーム７の中心線を直動軸ＲＡ３という。支持部１９はアーム７を進退自在に支持する。支持部１９は角筒形の導通路を備える。角筒の内寸は重ねあわされた上側ピース１３と下側ピース１５の高さとそれらの幅に略等価である。支持部１９の後部にはモータに接続されたピニオンギア２２が配置される。上側ピース１３それぞれの裏面には図示しないリニアギアが設けられる。ピニオンギア２２はリニアギアに噛合わされる。ピニオンギア２２が順回転するとき、上側ピース１３は前方に送り出される。上側ピース１３に伴って、上側ピース１３と先頭において結合された下側ピース１５も前方に送り出される。支持部１９を通過する上側ピース１３は下側ピース１５と重ね合わされる。ピニオンギア２２が逆回転するとき、上側ピース１３は後方に引き戻される。上側ピース１３とともに下側ピース１５も後方に引き戻される。支持部１９の導通路の後方で下側ピース１５は上側ピース１３から分離する。それにより上側ピース１３と下側ピース１５とは屈曲自在な状態に復帰し、支柱部３の内部に収容される。

手首部９は、直交３軸の３つの回転関節Ｊ４、Ｊ５、Ｊ６が組み合わされてなる。回転関節Ｊ４は直動軸ＲＡ３に重なる回転軸ＲＡ４を有する。回転関節Ｊ５は回転軸ＲＡ４に垂直な回転軸ＲＡ５を有する。回転関節Ｊ６は回転軸ＲＡ４と回転軸ＲＡ５とに垂直な回転軸ＲＡ６を有する。回転関節Ｊ６の回転部にハンド部１１が取り付けられる。

本実施形態は典型的には上記極座標型アーム機構に適用されるものであるが、垂直多関節型アーム機構に適用されてもよい。
図４に示すように基台３０には上腕リンク３４が垂直回転軸を有する旋回用回転関節Ｊ１１と水平回転軸を有する回転関節Ｊ１２とを介して接続される。上腕リンク３４には前腕リンク３６が水平回転軸を有する回転関節Ｊ１３を介して接続される。前腕リンク３６の先端には、直交３軸の３つの回転関節Ｊ１４、Ｊ１５、Ｊ１６が組み合わされた手首部３８が装備される。

図１、図２、図３に戻り、衝突による振動を検出するために好ましくは３軸の加速度センサ２１が設けられる。加速度センサ２１としては典型的にはＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical System)加速度センサが採用されるが、他の種類の加速度センサの採用を否定するものではない。加速度センサ２１は、アーム７を進退自在に支持する支持部１９、つまりアーム７の付け根に設置することが好ましい。加速度センサ２１を設置する支持部１９は、旋回用回転関節Ｊ１の直上に位置することから、それをアーム７の先端や手首部９に設置するよりも、配線の取り回しが容易である。また極座標型アーム機構においては、物体が衝突する可能性が比較的高いのは、旋回や上下回転による移動距離が比較的長いアーム７、手首部９、ハンド部１１の各部であり、アーム７に直結する支持部１９に加速度センサ２１を設置することにより、加速度センサ２１を旋回用回転関節Ｊ１や支柱部３に設置するよりも、アーム７等に対する物体の衝突により生じる振動の検出感度を向上させることができる。さらに支持部１９の旋回半径及び上下回転半径は、アーム７、ハンド部１１、手首部９の各部のそれらよりも短く、従って加速度センサ２１が検出する旋回運動及び上下回転運動による加速度の影響を極小化させる事ができる。同様の理由で、図４（ａ）、図４（ｂ）に例示した垂直多関節型のアーム機構でも、加速度センサ２１は、上腕リンク３４に構造上接続する、旋回用の回転関節Ｊ１１に連結された回転関節Ｊ１２の回転軸の軸受け（固定部）に設置される。

図５に示すように本実施形態に係るロボット装置は、プロセッサ２３を有する。プロセッサ２３には、データ・制御バス２５を介して、記憶装置２７、加速度センサ２１、警告用のアラーム装置２９、図示しない緊急停止用のスイッチ、モータドライバ３１が接続される。モータドライバ３１は、プロセッサ２３からの指令値に従って、サーボモータ３３の回転軸の回転角、回転速度、回転方向等を検出するロータリエンコーダ３５の出力を参照しながら関節Ｊ１−Ｊ６にそれぞれ設けられたサーボモータ３３を駆動する。

記憶装置２７には、ロボット装置による手先基準の移動及びハンド部１１に関する一連の動作を記述したタスクプログラム、タスクプログラムを解読して逆運動学により各サーボモータ３３の指令値を計算するモータ制御プログラム、衝突判定プログラム、伝搬特性データ、基準振動波形データ等が記憶されている。

図６に例示するように、アーム７上のある位置で剛体衝突が生じたとき、その位置（振動発生源）で機械的振動が生起し、その振動波形（時間波形）がアーム７を伝搬して、加速度センサ２１で検出される。振動発生源の振動波形は、振動発生源から加速度センサ２１の設置位置（観測点ＰＳ）までの機械的振動に関する伝搬特性を乗ずることにより、加速度センサ２１の設置位置の振動波形に変換される。手首部９、アーム７、さらにハンド部１１上に既定した複数の位置（監視点ＰＷ１−ＰＷ１３という）各々に例えばインパクト加振を加えて、監視点（加振点）の振動波形と加速度センサ２１の設置位置（観測点ＰＳ）での振動波形とをそれぞれ計測し、それら２点の振動波形から任意の手法により両点間の伝搬特性が決定される。伝搬特性としては２点間の伝達関数、周波数応答又は監視点（加振点）の振動波形を加速度センサ２１の設置位置（観測点ＰＳ）の振動波形に変換する変換行列として与えられる。この振動波形の計測作業は、関節Ｊ１−Ｊ６の変位（回転角度、伸縮動より変化するアーム長）の組み合わせにより決まるアーム７及び手首部９の姿勢を様々に変えながら繰り返される。アーム７及び手首部９の姿勢を変えながら繰り返し振動波形から複数の伝搬特性が求められ、それら複数の伝搬特性は、監視点ＰＷ１−ＰＷ１３、さらにアーム７及び手首部９の様々な姿勢に関連付けられて、記憶装置２７に記憶される。

図７（ａ）、図７（ｂ）、図７（ｃ）に例示するように、基準振動波形は、アーム７の旋回、上下回転、伸縮、手首部９の軸回転、手首部９の曲げ、ハンド部１１によるワークの把持、ワークのリリース等の様々な動作又はそれらの組み合わせを実行し、それら実行期間に加速度センサ２１の設置位置で生じる振動波形が加速度センサ２１で事前に測定される。測定された複数の基準振動波形が、アーム等の動作に関連付けられて、記憶装置２７に記憶される。

図８に衝突判定プログラムを実行するプロセッサ２３による衝突判定処理手順を示している。なお、加速度センサ２１は３軸の振動波形とそれらの合成振動波形とをデジタル信号として出力するものであり、ここでは合成振動波形を処理するものとして説明するが、もちろん３軸の振動波形を個別に処理するものであってもよいし、３軸の振動波形を個別に処理して、監視点に関する３軸の推定波形を合成するものであっても良い。また、振動波形をそのままで処理しても良いし、特定のノイズ周波数成分を除去する等の前処理を適用した振動波形を処理するようにしても良いし、振動波形の包絡線を処理対象としても良い。

まず変数ｎを１に初期化する（工程Ｓ１）。“ｎ”は監視点ＰＷ１−ＰＷ１３を個々に識別するための変数である。加速度センサ２１により測定された振動波形（応答波形）に窓関数を掛け合わせることにより、直近の１０ｍｓｅｃ等の所定区間の部分的な振動波形が処理対象として切り出される（工程Ｓ２）。次に、振動波形測定時のアーム動作に従って、当該アーム動作に関連付けられている基準振動波形のデータが記憶装置２７から選択的に読み出され、工程Ｓ２で切り出された振動波形から引き算される（工程Ｓ３）。それにより加速度センサ２１により測定された振動波形から、アーム動作に由来する振動成分が取り除かれ、衝突等の外乱成分を表す振動波形（外乱振動波形）だけが抽出される。

次に測定時のアーム等の姿勢に従って、それに関連付けられた伝搬特性のデータが記憶装置２７から選択的に読み出され、その逆伝搬特性が、工程Ｓ３で抽出された外乱振動波形に乗ぜられる（工程Ｓ４）。それにより、監視点ＰＷ1の衝突等の外乱因子による振動波形が推定される。工程Ｓ４で推定された監視点ＰＷ1の振動波形から、任意の手法により外力（加振力、衝撃力）又はそれに対応する値を計算する（工程Ｓ５）。ここでは仮に振動波形の振幅のピーク値Ｐを特定するものとする。

ピーク値Ｐを所定の閾値ＴＨと比較し（工程Ｓ６）、ピーク値Ｐが閾値ＴＨを超過しているとき監視点ＰＷ1又はその近傍で物体の衝突が生じたことを判定し、アラーム装置２９を駆動して警報を発生し、また必要に応じて動作を停止させる（工程Ｓ７）。ピーク値Ｐが閾値ＴＨ以下であるときには、次の監視点での衝突判定処理のために、変数“ｎ”を１だけインクリメントする（工程Ｓ８）。変数ｎが監視点数Ｎ、図１の例ではＮ＝１３以下であるとき（工程Ｓ９）、工程Ｓ２にリターンして、次の監視点での衝突判定処理（Ｓ２−Ｓ６）を実行する。変数ｎが監視点数Ｎを超えているときには、タスク終了するまで（工程Ｓ１０）、工程Ｓ１にリターンして、最初の監視点ＰＷ１から衝突判定処理（Ｓ２−Ｓ６）を再開する。

上述したように本実施形態は、単一の加速度センサをアーム機構上に設置し、測定した振動波形から伝搬特性によりアーム７、手首部９、さらにハンド部１１上の複数の位置における振動波形を推定し、推定した振動波形から衝突の有無を判定することを重要な概念とする。単一の加速度センサであるので多数のセンサをアーム７、手首部９、さらにハンド部１１上に分散設置するよりも製造工数が削減され、製造コストの低減を図ることができる。また手首部、さらにハンド部１１上の複数の位置における振動波形を推定し、推定した振動波形から複数の位置での衝突判定を実施する事ができるので、多数のセンサをアーム７、手首部９、さらにハンド部１１上に分散設置する場合と同等の判定精度を確保することができる。振動波形の推定処理には位置的制限は無いので、従来、センサの設置が比較的困難であるハンド部１１の衝突判定も容易に実現できる。さらに加速度センサを極座標型であればアーム７の付け根（支持部１９）、垂直多関節型であれば上腕リンク３４の付け根（関節Ｊ１２の固定部）に設置するので衝突による振動を高精度に検出して、衝突判定精度を向上することができる。

なお、上述では、推定した監視点の振動波形から衝突を判定した、加速度センサ２１で測定した振動波形から、伝搬特性等により監視点における加振力を推定するものであっても良い。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…基台、３…支柱部、５…ショルダー部、７…アーム、９…手首部、１１…ハンド部、１３…上側ピース、１５…下側ピース、１７…先頭ピース、１９…支持部、２１…加速度センサ、２３…プロセッサ、２５…データ・制御バス、２７…記憶装置、２９…アラーム装置、３１…モータドライバ、３３…サーボモータ、３５…ロータリエンコーダ。

Claims (6)

1. 複数のリンクが複数の関節で連結されたアーム機構、前記アーム機構の先端に取り付けられた手首部及び前記手首部に装着されたエンドエフェクタを有するロボット装置において、
   前記アーム機構に設置された単一の加速度センサと、
   前記アーム機構、前記手首部及び前記エンドエフェクタ上に既定した複数の位置各々から前記加速度センサの設置位置までの機械的振動に関する伝搬特性のデータを記憶する記憶部と、
   前記伝搬特性に基づいて、前記加速度センサにより測定された第１振動波形から前記複数の位置にそれぞれ対応する複数の第２振動波形を推定する推定部と、
   前記推定された複数の第２振動波形に基づいて、前記アーム機構、前記手首部又は前記エンドエフェクタに対して物体が衝突したか否かを判定する判定部とを具備することを特徴とするロボット装置。
2. 前記記憶部は、前記位置とともに前記アーム機構、前記手首部及び前記エンドエフェクタの姿勢に関連付けて前記伝搬特性のデータを記憶し、
   前記推定部は、前記第１振動波形の測定時の前記姿勢に関連付けられた前記伝搬特性に基づいて前記第２振動波形を推定することを特徴とする請求項１記載のロボット装置。
3. 前記記憶部は、前記アーム機構、前記手首部及び前記エンドエフェクタの動作により前記加速度センサの設置位置で発生する基準振動波形のデータを記憶し、
   前記推定部は、前記動作以外の外乱因子による外乱振動波形を発生するために前記第１振動波形から前記基準振動波形を引き算し、前記外乱振動波形から前記第２振動波形を推定することを特徴とする請求項１又は２に記載のロボット装置。
4. 前記判定部は、前記第２振動波形から前記複数の位置各々の外力を演算し、前記外力を閾値と比較し、前記複数の位置の少なくとも一の位置の前記外力が前記閾値を超過するときに前記物体の衝突を判定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に請求項１記載のロボット装置。
5. 前記アーム機構は極座標型に構成され、
   前記加速度センサは前記複数の関節のうち直動関節のアームを進退自在に支持する支持部に設置されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のロボット装置。
6. 前記アーム機構は垂直多関節型に構成され、
   前記加速度センサは基台上の旋回用回転関節に接続された回転関節に設置されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のロボット装置。