JP2021177127A

JP2021177127A - 機械装置

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Publication number: JP2021177127A
Application number: JP2020081695A
Authority: JP
Inventors: 博史東條; Hiroshi Tojo; 興仁結城; Koji Yuki; まゆみ湯山; Mayumi Yuyama
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2020-05-07
Filing date: 2020-05-07
Publication date: 2021-11-11
Anticipated expiration: 2040-05-07
Also published as: JP7394699B2

Abstract

【課題】従来構成に対し、物体の検出ミスを低減可能とする。【解決手段】アーム部１と、アーム部１の先端面において、当該アーム部１の先端側において主な振動が生じると想定される方向とは垂直な方向に、直線状に配列された複数の超音波素子２１１を有する送受信部と、送受信部による送受信結果に基づいて、物体の有無を検出する物体検出部とを備え、送受信部は、超音波素子２１１が超音波を放射することで、主な振動が生じると想定される方向を含む面において２次元円形波を形成する。【選択図】図１

Description

この発明は、物体の有無を検出する機械装置に関する。

従来、物体の有無の検出には、光電スイッチが広く用いられている（例えば特許文献１参照）。この光電スイッチがロボットアームにおけるアーム部の先端に取付けられることで、ロボットアームは、前方に存在する物体を検出可能となる。

特開平１０−１５４４５０号公報

しかしながら、光電スイッチは、光の照射範囲（光路範囲）が狭いため、物体を検出可能な範囲も狭い。よって、従来のロボットアームでは、アーム部の振動により、物体の検出ミスが発生し易く、改善が求められている。

なお、この課題は、上記のようなロボットアームのみに存在する課題ではなく、光電スイッチが取付けられたアーム部を有するその他の機械装置（例えば搬送装置）についても同様に存在する課題である。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、従来構成に対し、物体の検出ミスを低減可能な機械装置を提供することを目的としている。

この発明に係る機械装置は、アーム部と、アーム部の先端面において、当該アーム部の先端側において主な振動が生じると想定される方向とは垂直な方向に、直線状に配列された複数の超音波素子を有する送受信部と、送受信部による送受信結果に基づいて、物体の有無を検出する物体検出部とを備え、送受信部は、超音波素子が超音波を放射することで、主な振動が生じると想定される方向を含む面において２次元円形波を形成することを特徴とする。

この発明によれば、上記のように構成したので、従来構成に対し、物体の検出ミスを低減可能となる。

実施の形態１に係るロボットアームの構成例を示す図である。実施の形態１における超音波センサの構成例を示す図である。図３Ａ、図３Ｂは、実施の形態１における超音波素子（ＰＭＵＴ）の構成例を示す図であり、図３Ａは上面図であり、図３ＢはＡ−Ａ線断面図である。実施の形態１における超音波センサの動作例を示すフローチャートである。図５Ａ、図５Ｂは、実施の形態１における超音波センサにより送信される超音波の一例を示す図であり、図５ＡはＸＺ平面図であり、図５ＢはＹＺ平面図である。図６Ａ、図６Ｂは、実施の形態１に係るロボットアームの効果を説明する図であり、図６Ａは従来のロボットアームにおける物体の検出可能範囲の一例を示す図であり、図６Ｂは実施の形態１に係るロボットアームにおける物体の検出可能範囲の一例を示す図である。図７Ａ、図７Ｂは、実施の形態１における超音波センサにより送信される超音波の別例を示す図であり、図７ＡはＸＺ平面図であり、図７ＢはＹＺ平面図である。実施の形態２における超音波センサの構成例を示す図である。実施の形態３における超音波センサの構成例を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１は実施の形態１に係るロボットアームの構成例を示す図である。
ロボットアーム（機械装置）は、図１に示すように、アーム部１及び超音波センサ２を備えている。図１では、超音波センサ２が有する構成のうちの後述する超音波素子２１１のみを図示している。

アーム部１は、制御部（不図示）による制御に応じて移動する。なお図１では、ロボットアームが有するアーム部１のうちの先端部分のみを図示している。また、アーム部１の先端側は、移動等により振動が生じる。

超音波センサ２は、アーム部１の前方に存在する物体を検出する。超音波センサ２は、図２に示すように、送受信部２１及び物体検出部２２を有する。

送受信部２１は、アーム部１の前方に対して超音波の送受信を行う。送受信部２１は、図１に示すように、複数の超音波素子２１１を有する。複数の超音波素子２１１は、アーム部１の先端面において、直線状に配列されている。この際、複数の超音波素子２１１は、アーム部１の先端側において主な振動が生じると想定される方向とは垂直な方向に配列される。図１では、アーム部１の先端側においてＹ軸方向に主な振動が生じると想定された場合を示し、２つの超音波素子２１１（超音波素子２１１ａ，２１１ｂ）がＸ軸方向に配列されている。

この送受信部２１は、複数の超音波素子２１１が超音波を放射することで、３次元空間における１つの面（アーム部１の先端側において主な振動が生じると想定される方向を含む面）において２次元円形波を形成する。図１では、送受信部２１は、ＹＺ平面において２次元円形波を形成する。

超音波素子２１１としては、例えばＭＵＴ（ＭｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＴｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ）が用いられる。ＭＵＴは、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）の半導体製造技術によって構成された微小な超音波素子である。
ＭＵＴとしては、ＰＭＵＴ（ＰｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃＭｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＴｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ）及びＣＭＵＴ（ＣａｐａｃｉｔｉｖｅＭｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＴｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ）がある。図３に、超音波素子２１１の一例として、ＰＭＵＴの構成例について示す。

ＰＭＵＴは、圧電型の超音波素子である。このＰＭＵＴは、図３に示すように、半導体基板２１１１、圧電素子（圧電膜）２１１２、電極２１１３及び電極２１１４を有している。

半導体基板２１１１には、下面の一部に溝が設けられることで、薄膜であるダイヤフラム２１１５が形成されている。
圧電素子２１１２は、半導体基板２１１１におけるダイヤフラム２１１５上に積層されている。
電極２１１３は、圧電素子２１１２の上面（ダイヤフラム２１１５側とは反対側の面）に接続されている。
電極２１１４は、圧電素子２１１２の下面（ダイヤフラム２１１５側の面）に接続されている。

このように構成されたＰＭＵＴは、電極２１１３及び電極２１１４により圧電素子２１１２に対して電圧が印可されることで圧電素子２１１２が伸縮し、これに伴ってダイヤフラム２１１５が振動し、このダイヤフラム２１１５の変位によって生じる圧力差により超音波が発信される。
また、ＰＭＵＴは、外部から超音波が到来すると、この超音波によってダイヤフラム２１１５が振動し、これに伴って圧電素子２１１２の電極間に電位差が生じ、この電位差を検出することで超音波を受信する。

一方、ＣＭＵＴは、静電型の超音波素子である。このＣＭＵＴは、ＰＭＵＴに対し、駆動方式として静電引力を用い、出力方式としてキャパシタを用いる点が異なるが、ダイヤフラムを用いた基本的な動作原理については同様である。

物体検出部２２は、送受信部２１による送受信結果に基づいて、ロボットアームの前方における物体の有無を検出する。
また、物体検出部２２は、上記の物体有無検出機能に加え、検出可能範囲内に物体が有る場合に、ロボットアーム（アーム部１の先端）から当該物体までの距離を検出する機能を有していてもよい。この場合、物体検出部２２は、検出可能範囲内に物体が有ると判定した場合に、送受信部２１が超音波を送信してから当該物体により反射された超音波を受信するまでの時間に基づいて、当該物体までの距離を検出する。

なお、物体検出部２２は、システムＬＳＩ（ＬａｒｇｅＳｃａｌｅＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）等の処理回路、又はメモリ等に記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）等により実現される。

次に、図２に示す実施の形態１における超音波センサ２の動作例について、図４を参照しながら説明する。
図２に示す実施の形態１における超音波センサ２の動作例では、まず、送受信部２１は、アーム部１の前方に対して超音波を送信する（ステップＳＴ４０１）。この際、送受信部２１では、複数の超音波素子２１１が超音波を放射することで、３次元空間における１つの面（アーム部１の先端側において主な振動が生じると想定される方向を含む面）において２次元円形波を形成する。

図５では、Ｘ軸上に２つの超音波素子２１１（超音波素子２１１ａ，２１１ｂ）が配列され、２つの超音波素子２１１がＺ軸方向に向けて同時に超音波（球面波）を放射した場合を示している。この場合、図５Ａに示すように、ＸＺ平面では、２つの超音波素子２１１の中心線上において超音波が干渉し、超音波ビームが形成される。一方、図５Ｂに示すように、ＹＺ平面では、２次元円形波が形成される。図５において、符号５０１は超音波ビームを示し、符号５０２は２次元円形波を示している。

次いで、送受信部２１は、超音波の受信を行う（ステップＳＴ４０２）。

次いで、物体検出部２２は、送受信部２１による送受信結果に基づいて、物体の有無を検出する（ステップＳＴ４０３）。また、物体検出部２２は、検出可能範囲内に物体が有ると判定した場合、送受信部２１が超音波を送信してから当該物体により反射された超音波を受信するまでの時間に基づいて、当該物体までの距離を検出してもよい。

ここで、ロボットアームでは、アーム部１の形状及び弾性に起因して、アーム部１の先端における振動は避けられない。そして、このアーム部１の振動が、物体の検出ミスの要因の一つとなる。そこで、実施の形態１に係るロボットアームでは、２次元円形波を用いることで、従来構成に対し、アーム部１において主な振動が生じると想定される方向に対して検出可能範囲を拡張している（図６参照）。これにより、このロボットアームは、従来のロボットアームに対し、アーム部１の振動による物体の検出ミスを低減可能となる。なお図６において、符号６０１はロボットアームの前方に存在する物体を示し、符号６０２は光電スイッチを示し、符号６０３は従来のロボットアームにおける物体の検出可能範囲を示し、符号６０４は実施の形態１に係るロボットアームにおける物体の検出可能範囲を示している。

なお、実施の形態１に係るロボットアームでは、物体の検出可能範囲を拡張するために２次元円形波を用いているが、２次元円形波の精度は、各超音波素子２１１の設置場所の精度に影響する。これに対し、ＭＵＴでは、フォトリソグラフィーにより精度よく各超音波素子２１１を配置可能である。よって、実施の形態１に係るロボットアームが有する超音波素子２１１としてＭＵＴを用いることで、精度の高い２次元円形波を送信可能となる。

なお図５では、超音波素子２１１の数を最少の２つとした場合を示しているが、これに限らず、超音波素子２１１の数は３つ以上でもよい。図７では、Ｘ軸上に４つの超音波素子２１１（超音波素子２１１ａ〜２１１ｄ）が配列され、４つの超音波素子２１１がＺ軸方向に向けて同時に超音波（球面波）を放射した場合を示している。なお図７では、４つの超音波素子２１１が同時に超音波を放射した場合を示したが、これに限らず、例えば、まず外側の２つの超音波素子２１１（超音波素子２１１ａ，２１１ｄ）が同時に超音波を放射し、その後に内側の２つの超音波素子２１１（超音波素子２１１ｂ，２１１ｃ）が同時に超音波を放射してもよい。この場合、図７Ａに示すように、ＸＺ平面では、４つの超音波素子２１１の中心線上において超音波が干渉し、超音波ビームが形成される。一方、図７Ｂに示すように、ＹＺ平面では、２次元円形波が形成される。なお、一般に、超音波素子２１１の数を増やすと超音波の振幅が上がるため、Ｓ／Ｎが向上する。図７において、符号７０１は超音波ビームを示し、符号７０２は２次元円形波を示している。

以上のように、この実施の形態１によれば、ロボットアームは、アーム部１と、アーム部１の先端面において、当該アーム部１の先端側において主な振動が生じると想定される方向とは垂直な方向に、直線状に配列された複数の超音波素子２１１を有する送受信部２１と、送受信部２１による送受信結果に基づいて、物体の有無を検出する物体検出部２２とを備え、送受信部２１は、超音波素子２１１が超音波を放射することで、主な振動が生じると想定される方向を含む面において２次元円形波を形成する。これにより、実施の形態１に係るロボットアームは、従来構成に対し、物体の検出ミスを低減可能となる。

実施の形態２．
図８は実施の形態２における超音波センサ２の構成例を示す図である。この図８に示す実施の形態２における超音波センサ２は、図２に示す実施の形態１における超音波センサ２に対し、信号検出部２３及び振動有無推定部２４を追加している。その他の構成は実施の形態１に係るロボットアームと同様であり、同一の符号を付して異なる部分についてのみ説明を行う。なお、超音波素子２１１はＭＵＴである。

信号検出部２３は、送受信部２１による送受信結果に基づいて、超音波素子２１１が放射する超音波の駆動周波数以外の周波数の信号を検出する。なお、超音波の駆動周波数は、超音波素子２１１の共振周波数であり、例えば５００ｋＨｚである。
振動有無推定部２４は、信号検出部２３により検出された信号に基づいて、アーム部１における振動の有無を推定する。

ここで、ＭＵＴは、その構造上、ダイヤフラムを有している。そのため、ＭＵＴは、このダイヤフラムにより、超音波だけではなく、超音波の駆動周波数以外の信号も微弱ながら受信可能である。すなわち、超音波素子２１１としてＭＵＴを用いた場合、超音波素子２１１はアーム部１で生じた振動による信号を受信可能である。
よって、超音波素子２１１がＭＵＴである場合、信号検出部２３は、超音波の駆動周波数以外の周波数の信号を検出可能であり、振動有無推定部２４は、この信号の有無からアーム部１における振動の有無の可能性を検出可能である。

実施の形態３．
図９は実施の形態３における超音波センサ２の構成例を示す図である。この図９に示す実施の形態３における超音波センサ２は、図２に示す実施の形態１における超音波センサ２に対し、信号検出部２３及び劣化推定部２５を追加している。その他の構成は実施の形態１に係るロボットアームと同様であり、同一の符号を付して異なる部分についてのみ説明を行う。なお、超音波素子２１１はＭＵＴである。

信号検出部２３は、送受信部２１による送受信結果に基づいて、超音波素子２１１が放射する超音波の駆動周波数以外の周波数の信号を検出する。この信号検出部２３は、実施の形態２における信号検出部２３と同一である。
劣化推定部２５は、信号検出部２３により検出された信号を監視することで、アーム部１の劣化を推定する。この際、劣化推定部２５は、例えば、過去のデータを利用した機械学習を用いて、劣化を推定する。

ここで、アーム部１は、新品の状態と劣化した状態とで振動の仕方が異なる。よって、劣化推定部２５は、信号検出部２３により検出された信号に基づくアーム部１の振動を機械学習等によって解析することで、アーム部１の劣化状態の診断が可能となる。

なお上記では、図２に示す実施の形態１における超音波センサ２に対し、信号検出部２３及び劣化推定部２５を追加した場合を示した。しかしながら、これに限らず、図８に示す実施の形態２における超音波センサ２に対し、劣化推定部２５を追加してもよい。

また、実施の形態１〜３では、機械装置がロボットアームである場合を示した。しかしながら、これに限らず、機械装置は、超音波センサ２が取付けられたアーム部１を有する装置であればよく、例えば搬送装置でもよい。

また、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組合わせ、或いは各実施の形態の任意の構成要素の変形、若しくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１アーム部
２超音波センサ
２１送受信部
２２物体検出部
２３信号検出部
２４振動有無推定部
２５劣化推定部
２１１超音波素子
２１１１半導体基板
２１１２圧電素子
２１１３電極
２１１４電極
２１１５ダイヤフラム

Claims

アーム部と、
前記アーム部の先端面において、当該アーム部の先端側において主な振動が生じると想定される方向とは垂直な方向に、直線状に配列された複数の超音波素子を有する送受信部と、
前記送受信部による送受信結果に基づいて、物体の有無を検出する物体検出部とを備え、
前記送受信部は、前記超音波素子が超音波を放射することで、前記主な振動が生じると想定される方向を含む面において２次元円形波を形成する
ことを特徴とする機械装置。
前記超音波素子は、ＭＵＴである
ことを特徴とする請求項１記載の機械装置。
前記送受信部による送受信結果に基づいて、前記超音波素子が放射する超音波の駆動周波数以外の周波数の信号を検出する信号検出部と、
前記信号検出部により検出された信号に基づいて、前記アーム部における振動の有無を推定する振動有無推定部とを備えた
ことを特徴とする請求項２記載の機械装置。
前記送受信部による送受信結果に基づいて、前記超音波素子が放射する超音波の駆動周波数以外の周波数の信号を検出する信号検出部と、
前記信号検出部により検出された信号を監視することで、前記アーム部の劣化を推定する劣化推定部とを備えた
ことを特徴とする請求項２又は請求項３記載の機械装置。