JP3652904B2 - ロボット駆動装置の安全保護装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、人間または物体と接触することを前提とするサービスロボット等を駆動するロボット駆動装置の安全保護装置に関し、特にフェールセーフ化回路を用いた安全保護装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、医療福祉分野等において使用される人間共存型のロボットは、人間または物体と同一空間で作業を行うことになるため、ロボットが人間または物体と接触する可能性があり、人間の安全性を確保し作業を継続することが望まれる。通常、ロボットを駆動するためのロボット駆動装置は、図６のようになっている。
図において、１はロボット、１ａはロボット１のアーム、２はアーム１ａを駆動するサーボモータ、４１はロボットコントローラ、５はロボットコントローラ４１に内蔵されたＤ／Ａボード、６はＤ／Ａボード５からの指令電圧を入力するサーボアンプ、７はサーボモータ２の電源であるパワー部、２４はアーム１ａの外表面等に取り付けられたタッチセンサ、１４はタッチセンサの出力電圧を増幅する増幅器である。このタッチセンサ２４の負荷に対する出力電圧特性は、図７に示すように無負荷時に出力電圧が０Ｖであり、負荷状況に応じて出力電圧が単調増加するものである。
このようなロボット駆動装置において、サーボアンプ６よりパワー変換した電流指令によりサーボモータ２を駆動すると、ロボットのアーム１ａが動作する。このとき、ロボット１が人間Ｍと接触した場合、タッチセンサ２４の抵抗Ｒに基づく出力電圧からロボット１に加わる負荷を計測し、増幅器１４を介して得られる計測結果を表示したり、あるいはアラームを出すようにしたりしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来技術は、ロボット１と人間Ｍが接触した状態のもとで、仮にタッチセンサ２４の配線が断線したり他の要因で故障したりするとすると、タッチセンサ２４の時間に対する出力電圧特性は、図８に示すように、出力電圧が０Ｖとなる。そのため、実際にはロボット１に負荷がかかっているにもかかわらず、タッチセンサ２４の出力電圧値から無負荷であると判断してしまうという問題があった。その結果、無負荷であると誤った判断をしたまま、ロボットコントローラ４１からロボットに動作指令が出力されると、ロボット１を駆動するサーボアンプ６への指令電圧や駆動対象であるサーボモータ２に流れる電流が増加する一方となり、逆にロボット１の動作が人間Ｍに危害を加えることになりかねないという懸念があった。
そこで、本発明はロボットに負荷がかかった場合であって、ロボットと人間等との接触状況を検知するタッチセンサの断線故障が生じた場合に、無負荷と判断することなく、安全側故障になるようにしたロボット駆動装置の安全保護装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明はロボット駆動装置の安全保護装置に係り、ロボットコントローラに内蔵されたＤ／Ａボードからの指令電圧を入力するサーボアンプと、このサーボアンプから出力された電流指令により駆動されるサーボモータと、このサーボモータを駆動源とするロボットとを備えたロボット駆動装置において、前記ロボットのアームの外表面に設けられると共に、前記ロボットが人間と接触したときの負荷の大きさに応じてその検出された抵抗値が単調減少するタッチセンサと、前記タッチセンサの抵抗と固定抵抗３個とで平衡するようにブリッジ接続されて前記タッチセンサの抵抗値が小さくなった場合は低出力電圧を出力するホイートストンブリッジ回路と、予め設定された上限値のしきい値電圧を有する上限基準信号源および予め設定された下限値のしきい値電圧を有する下限基準信号源と、前記ホイートストンブリッジ回路の出力電圧が一方の入力端子に入力されると共に、前記上限基準信号源からの前記上限値が他方の入力端子に入力される第１比較器、および前記下限基準信号源からの前記下限値が他方の入力端子に入力される第２比較器と、前記第１比較器の前記一方の入力端子の入力電圧が前記他方の入力端子の前記上限値を超えた時、又は前記第２比較器の前記一方の入力端子の入力電圧が前記他方の入力端子の前記下限値を下回った時に前記ホイートストンブリッジ回路における断線故障の信号を出力するＡＮＤゲート回路と、前記ＡＮＤゲート回路により出力した信号を読込み、ＣＰＵを介して指令を出すように接続されたＩＯボードと、前記ＩＯボードに、前記第１および第２比較器に入力された電圧信号レベルにより前記サーボモータの電源を切るための指令を発するように接続されたリレーとを備え、前記第１および第２の比較器に入力された電圧信号レベルを用いて前記ロボットを安全側に動作させるようにしたことを特徴とするものである。
上記構成によって、ロボットの接触状況を検出するタッチセンサの可変抵抗と固定抵抗とで接続されたホイートストンブリッジ回路によりタッチセンサの出力電圧を分圧し、この分圧された出力電圧信号をフェールセーフなコンパレータを有する信号処理回路で処理することで、ロボットに負荷がかかり且つタッチセンサ等に断線故障が生じたときに、タッチセンサの出力から無負荷と判断することなく、配線等の断線故障時に負荷がかかっていると判断させ安全側故障にすることができる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図に基づいて説明する。
図１は本発明の実施例を示すロボット駆動装置の安全保護装置であって、（ａ）はそのブロック図、（ｂ）は信号処理回路のブロック図である。図２は本発明に使用したタッチセンサの負荷−出力電圧特性を示す図である。なお、従来と同じ構成要素については、同じ符号を付してその説明を省略する。
以下、本発明が従来と異なる点について説明する。
図において、３はロボット１のアーム１ａの外表面にが取り付けられた負荷状況に応じて抵抗値が単調減少するタッチセンサ（可変抵抗：Ｒ4）で、その特性を図２に示す。８〜１０は固定抵抗（Ｒ1〜Ｒ3）で、タッチセンサ３の可変抵抗Ｒ4並びに固定抵抗Ｒ1〜Ｒ3からなる合計４つの抵抗でホイートストンブリッジ回路１１を構成する。１２は該回路１１の定電圧源である。このようなホイートストンブリッジ回路１１において、固定抵抗８、９、１０の抵抗値を調整することにより、出力端子ａｂ間の電圧Ｖabからロボット1と人間Mその他の物体との接触状況から負荷を計測するようになっている。出力電圧Ｖabは、定電圧源の電圧をＶccとして以下の式で表せる。
Ｖab = ［（Ｒ2Ｒ4―Ｒ1Ｒ3）／（Ｒ1＋Ｒ4）（Ｒ2＋Ｒ3）］Ｖcc
また、１３はホイートストンブリッジ回路１１の出力端子ａｂに並列に設けられると共にタッチセンサ３からの出力信号を処理する信号処理回路であり、信号処理回路１３は、図１（ｂ）に示すように、タッチセンサ３の出力信号を増幅する増幅器１４と、この増幅器１４の後段に設けられた第１の比較器１５並びに第２の比較器１６とＡＮＤゲート回路１９とを組み合わせてなるウィンドウコンパレータ２０とで構成されている。ここで、ウィンドウコンパレータ２０はフェールセーフが保証されたものであり、しきい値電圧となるタッチセンサからの出力電圧の上限値を示す基準信号源１７と、しきい値電圧となるタッチセンサからの出力電圧の下限値を示す基準信号源１８が接続されている。この第１の比較器１５において、増幅器１４により増幅したタッチセンサ３の出力信号Ｖaと基準信号源１７の信号ＶHを比較して、信号Ｖaが信号ＶHより大きい時にＬＯＷレベルの信号を出力し、また、第２の比較器１６において、タッチセンサ３の出力信号Ｖaと基準信号源１８の信号ＶLと比較して、信号Ｖaが信号ＶLより小さい時にＬＯＷレベルの信号を出力するようになっており、第１、第２の比較器１５、１６により得られた信号ＶC1、ＶC2のうち、少なくとも何れかの信号がＬＯＷレベルの信号を出力した時の信号をＡＮＤゲート回路１９により、論理積０となる異常信号すなわち故障（断線）の信号に変換するものである。さらに、ロボットコントローラ４のうち、信号処理回路１３の後段に以下のものが設けられている。２１は信号処理回路１３における故障（断線）の信号を入力するパソコンのＣＰＵ、２２はパソコンのＣＰＵ２１に接続され後述するリレーを駆動するＩＯボード、２３はサーボアンプ６の電源であるパワー部７を遮断するリレーである。
次に、動作について説明する。
まず、図に示すタッチセンサ３の出力電圧がホイートストンブリッジ回路１１で分圧され、信号処理回路１３において、増幅器１４で増幅された出力電圧信号Ｖaがウィンドウコンパレータ２０内で予め設定された電圧のしきい値内（ＶL＜Ｖa＜ＶH ）に入っていると、ウィンドウコンパレータ２０の出力は論理積１となって正常と判断される。次にロボットコントローラ４はパソコンのＣＰＵ２１を用いてＤ／Ａボード５にて指令電圧を出力し、サーボモータ２を介してロボット１が動作する。
これとは逆に、ホイートストンブリッジ回路１１を介し、タッチセンサ３の増幅された出力電圧信号Ｖaがウィンドウコンパレータ２０内でしきい値外（ＶL＞Ｖa、ＶH＜Ｖa ）になると、ウィンドウコンパレータ２０の出力は論理積０となって異常と判断される。ロボットコントローラ４は、この異常時の故障断線信号をパソコンのＣＰＵ２１に入力し、ＣＰＵ２１を用いてＩＯボード２２でリレー２３を開路（駆動）し、サーボアンプ６のパワー部７を遮断すると、ロボット１が停止する。
以下、タッチセンサ等の故障断線時における信号処理回路出力後の出力電圧特性を図３〜図５に示す。図３は、固定抵抗Ｒ1、Ｒ2が断線した場合、固定抵抗Ｒ1とタッチセンサＲ4が断線した場合、固定抵抗Ｒ2、Ｒ3が断線した場合、固定抵抗Ｒ3、タッチセンサＲ4が断線した場合、定電圧源の配線が断線した場合、あるいは出力端子ａｂが断線した場合のいずれかの故障時の出力電圧特性を示す図である。これより、断線故障時に、最大負荷時よりも出力電圧の小さい０Ｖとなるため故障したと判断可能である。また、図４は、固定抵抗Ｒ2が断線した場合あるいはタッチセンサＲ4が断線した場合のいずれかの故障時の出力電圧特性を示す図である。これより、断線故障時に、非接触時よりも出力電圧が上昇するため故障したと判断可能である。図５は、固定抵抗Ｒ1が断線した場合、あるいは固定抵抗Ｒ3が断線した場合のいずれかの故障時の出力電圧特性を示す図であって、故障時に、出力電圧が負の値を示すので故障したと判断可能である。
したがって、ホイートストンブリッジ回路によりタッチセンサの可変抵抗と固定抵抗とでタッチセンサの出力電圧を分圧し、フェールセーフなコンパレータを有する信号処理回路を用いて、ロボットに負荷がかかり且つタッチセンサ等に断線故障が生じたときに、ロボットの接触状況を検出するタッチセンサの出力から無負荷と判断することなく、安全側故障と判断させることができる。
【０００６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、ロボット駆動装置において、負荷状況に応じて出力電圧が単調減少的に変化するタッチセンサの抵抗と固定抵抗からなるホイートストンブリッジ回路と、フェールセーフなコンパレータを有する信号処理回路を用いることで、ロボットに人間等が接触して負荷がかかった場合であって、ロボットの接触状況を検知するタッチセンサ等に断線故障が生じたときに、ロボットの接触状況を検出するタッチセンサの出力から無負荷と判断することなく、配線等の断線故障時に負荷がかかっていると判断させ安全側故障にすることができる安全保護装置を得る効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示すロボット駆動装置の安全保護装置であって、（ａ）は安全保護装置のブロック図、（ｂ）は（ａ）の信号処理回路のブロック図である。
【図２】本発明に使用したタッチセンサの負荷−出力電圧特性を示す図である。
【図３】固定抵抗Ｒ1とＲ2、固定抵抗Ｒ1とタッチセンサＲ4、固定抵抗Ｒ2とＲ3、固定抵抗Ｒ3とタッチセンサＲ4、電源、出力端子ａｂのうちいずれかが断線故障した際の出力電圧特性を示す図である。
【図４】固定抵抗Ｒ2またはタッチセンサＲ4の断線故障時における出力電圧特性を示す図である。
【図５】固定抵抗Ｒ1または固定抵抗Ｒ3の断線故障時における出力電圧特性を示す図である。
【図６】従来のロボット駆動装置のブロック図である。
【図７】従来例のタッチセンサの負荷―出力電圧特性を示す図である。
【図８】従来例のタッチセンサの時間―出力電圧特性を示す図である。
【符号の説明】
１ ロボット
１ａ アーム
２ サーボモータ
３ タッチセンサ（可変抵抗：Ｒ4）
４ ロボットコントローラ
５ Ｄ／Ａボード
６ サーボアンプ
７ パワー部
８、９、１０ 固定抵抗（Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3）
１１ ホイートストンブリッジ回路
１２ 定電圧源
１３ 信号処理回路
１４ 増幅器
１５ 第１の比較器
１６ 第２の比較器
１７ 基準信号源
１８ 基準信号源
１９ ＡＮＤゲート回路
２０ ウィンドウコンパレータ
２１ ＣＰＵ
２２ ＩＯボード
２３ リレー
Claims (1)
- ロボットコントローラに内蔵されたＤ／Ａボードからの指令電圧を入力するサーボアンプと、このサーボアンプから出力された電流指令により駆動されるサーボモータと、このサーボモータを駆動源とするロボットとを備えたロボット駆動装置において、
前記ロボットのアームの外表面に設けられると共に、前記ロボットが人間と接触したときの負荷の大きさに応じてその検出された抵抗値が単調減少するタッチセンサと、前記タッチセンサの抵抗と固定抵抗３個とで平衡するようにブリッジ接続されて前記タッチセンサの抵抗値が小さくなった場合は低出力電圧を出力するホイートストンブリッジ回路と、
予め設定された上限値のしきい値電圧を有する上限基準信号源および予め設定された下限値のしきい値電圧を有する下限基準信号源と、
前記ホイートストンブリッジ回路の出力電圧が一方の入力端子に入力されると共に、前記上限基準信号源からの前記上限値が他方の入力端子に入力される第１比較器、および前記下限基準信号源からの前記下限値が他方の入力端子に入力される第２比較器と、
前記第１比較器の前記一方の入力端子の入力電圧が前記他方の入力端子の前記上限値を超えた時、又は前記第２比較器の前記一方の入力端子の入力電圧が前記他方の入力端子の前記下限値を下回った時に前記ホイートストンブリッジ回路における断線故障の信号を出力するＡＮＤゲート回路と、
前記ＡＮＤゲート回路により出力した信号を読込み、ＣＰＵを介して指令を出すように接続されたＩＯボードと、
前記ＩＯボードに、前記第１および第２比較器に入力された電圧信号レベルにより前記サーボモータの電源を切るための指令を発するように接続されたリレーとを備え、
前記第１および第２の比較器に入力された電圧信号レベルを用いて前記ロボットを安全側に動作させるようにしたことを特徴とするロボット駆動装置の安全保護装置。
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Applications Claiming Priority (1)
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| JP00803599A JP3652904B2 (ja) | 1999-01-14 | 1999-01-14 | ロボット駆動装置の安全保護装置 |
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