JP5156311B2 - 搬送システム及び接触センサ - Google Patents

Description

本発明は、接触センサに関する。詳しくは、対象物を把持するロボットアームなどに適用される接触センサに関する。

従来より、対象物を把持し搬送する産業用ロボットのロボットアームには、対象物が破損したり滑り落ちたりしないように、対象物を適切な力で把持するために接触センサが設けられる。この接触センサは、ロボットアームが対象物を把持する力や、対象物の滑りを検出し、これら検出した力や滑りをロボットアームの把持力にフィードバックすることにより、適切な力で対象物を把持することができる。

このような接触センサとして、例えば特許文献１には、対象物と接触するタッチパッドを弾性体で半球状に形成し、このタッチパッドの変形を撮像手段で識別することにより、タッチパッドに作用する反力や滑りを検出するものが示されている。具体的には、このタッチパッドは光透過性の弾性体で形成されるとともに、その表面にはグリッドが形成されており、タッチパッドの内側に設けられた撮像手段でグリッドの挙動を撮影することで、タッチパッドの法線方向に作用する力や、接線方向に作用する力、すなわち対象物の滑りを検出する。
特開２００５−２５７３４３号公報

しかしながら、上述のような接触センサでは、対象物と接触するタッチパッドは、対象物を把持している間は常に変形することとなるため、使用の度に磨耗したり劣化したりするおそれがある。また、特許文献１には、光透過性の弾性体のタッチパッドとして、例えば透明のシリコンゴムを用いる点が示されているものの、このようなシリコンゴムを用いると、温度により伸縮性が変化してしまうため、検出値が温度によって変化してしまうおそれもある。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、対象物からの反力、およびこの対象物に対する滑りを検出できる接触センサであって、従来のものと比較してより耐久性に優れ、かつ、温度によらず安定して検出できる接触センサを提供することを目的とする。

本発明の接触センサ（例えば、後述の接触センサ１０）は、略筒状のケーシング（例えば、後述のケーシング１１）と、当該ケーシングに進退可能に設けられて対象物（例えば、後述の搬送対象物９）に接触可能な略筒状のセンサハウジング（例えば、後述のセンサハウジング１２）と、前記ケーシングに設けられ、前記センサハウジングに作用する外力を検出する力覚センサ（例えば、後述の力覚センサ１１２）と、前記センサハウジング内に回転可能に設けられ、対象物に接触可能な球体（例えば、後述のセンサボール１３）と、前記ケーシングに設けられ、前記球体を照射する光源（例えば、後述の光源１１４）と、前記ケーシング内に設けられ、前記光源で照射された球体を撮像する撮像手段（例えば、後述の固体撮像素子１２６）と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、例えば、ロボットアームで本発明の接触センサのケーシングを支持し、このロボットアームを操作して、接触センサのセンサハウジングおよび球体を対象物に接触させる。ここで、ロボットアームで対象物を把持すると、これに応じた反力が対象物から接触センサに作用し、センサハウジングがケーシングに対して進退し、力覚センサにより対象物からの反力が検出される。これにより、接触センサに対する対象物の反力を検出することができる。

また、このようにロボットアームで対象物を把持した状態で、この対象物が滑り、対象物と接触センサとの間に位置ずれが生じると、球体が対象物の表面を転動する。つまり、この球体は、対象物の表面に接しながら、センサハウジング内で回転する。また、センサハウジング内の球体を、光源で照射しつつ撮像手段により撮像することにより、このような位置ずれに応じた球体の回転、すなわち、対象物の滑りを検出することができる。また、撮像された球体の画像に基づいて、球体の回転量を算出することで、対象物と接触センサとの位置ずれ量を求めることも可能となる。

また、このような接触センサにおいて、対象物からの反力や滑りを検出するために、対象物に接触させる必要がある部分は、センサハウジングおよび球体のみである。上述のように、センサハウジングおよび球体は、反力や滑りを検出するために必ずしも弾性変形する必要がない。このため、本発明の接触センサによれば、接触部分に弾性体を用いる必要のある従来の接触センサと比較して、より耐久性に優れ、かつ、温度によらず安定して検出することができる。

この場合、前記球体の表面のうち前記撮像手段で撮像される部分を撮像面とし、前記センサハウジングには、前記球体の撮像面を囲んでリング状にスリット（例えば、後述のスリット１２８）が形成され、前記光源は、前記スリットを通して前記撮像面に光を照射することが好ましい。

この発明によれば、センサハウジングに、球体の撮像面を囲んでリング状にスリットを形成し、このスリットを通して撮像面に光を照射した。これにより、撮像面を均一に照射し、対象物と接触センサとの位置ずれ量を、より高い精度で求めることができる。

本発明の接触センサによれば、反力が対象物から接触センサに作用し、センサハウジングがケーシングに対して進退し、力覚センサにより対象物からの反力が検出される。これにより、接触センサに対する対象物の反力を検出することができる。また、対象物と接触センサとの間に位置ずれが生じると、球体がセンサハウジング内で回転する。この球体を、光源で照射しつつ撮像手段により撮像することにより、位置ずれに応じた球体の回転、すなわち、対象物の滑りを検出することができる。また、撮像された球体の画像に基づいて、球体の回転量を算出することで、対象物と接触センサとの位置ずれ量を求めることも可能となる。また、上述のように、センサハウジングおよび球体は、反力や滑りを検出するために必ずしも弾性変形する必要がない。このため、本発明の接触センサによれば、接触部分に弾性体を用いる必要のある従来の接触センサと比較して、より耐久性に優れ、かつ、温度によらず安定して検出することができる。

＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態に係る接触センサ１０を備える搬送システム１の構成を示す概略図である。

搬送システム１は、搬送対象物を把持するロボットアーム３と、このロボットアーム３の動作を制御する制御装置５とを含んで構成される。この搬送システム１は、例えば、自動車の製造ラインに設けられ、自動車部品などの搬送対象物を把持し、これを所定の位置まで搬送したり、車体の所定の位置に位置合わせしたりする。

ロボットアーム３は、いわゆる多関節ロボットであり、搬送対象物を把持するハンド部３１と、このハンド部３１の姿勢や３次元空間内での位置を変化させる多関節アーム部３２と、この多関節アーム部３２を支持するアーム基部３３と、を備える。

ハンド部３１は、一対のフィンガ部３４，３５と、これらフィンガ部３４，３５の先端部を互いに接近させたり離間させたりする駆動シリンダ３６と、を備える。ハンド部３１は、駆動シリンダ３６でフィンガ部３４，３５を開閉駆動することにより、フィンガ部３４，３５の両先端部で搬送対象物を把持したり開放したりできる他、搬送対象物を把持する力（以下、「把持力」とする）を調整することが可能となっている。また、これらフィンガ部３４，３５の先端部、すなわち、搬送対象物と接触する部分には、接触センサ１０が設けられている。この接触センサ１０の詳細な構成は、後に図２を参照して説明する。

また、このロボットアーム３は、多関節アーム部３２を駆動する図示しない駆動シリンダや上述のハンド部３１の駆動シリンダ３６などを制御し、ハンド部３１を移動させたりフィンガ部３４，３５を開閉させたりする駆動部３７（後述の図４参照）を備える。

制御装置５は、ロボットアーム３に制御信号を送信し、ロボットアーム３の動作を制御するコントローラ６と、接触センサ１０から入力される信号に応じたフィードバック制御信号をコントローラ６へ出力する信号処理部７と、を備える。

図２は、接触センサ１０の構成を示す部分断面図であり、ロボットアーム３の一対のフィンガ部３４，３５で搬送対象物９（検知対象物）を把持した状態における接触センサ１０を示す図である。

接触センサ１０は、略筒状のケーシング１１と、このケーシング１１内に進退可能に設けられ、搬送対象物９に接触可能な略筒状のセンサハウジング１２と、このセンサハウジング１２内に回転可能に設けられ、搬送対象物９に接触可能な球体のセンサボール１３と、を備える。

この接触センサ１０は、ロボットアーム３のフィンガ部３４，３５のそれぞれの先端部に、ケーシング１１を支持するように設けられ、図２に示すように、センサハウジング１２およびセンサボール１３の先端部が搬送対象物９に接触するようになっている。

ケーシング１１は、搬送対象物９に対向する面を先端側の面として、その先端側の面が開放されている。センサハウジング１２はセンサボール１３とともに、ケーシング１１の先端側から収納され、このケーシング１１内で進退可能に設けられている。

ケーシング１１内のうち、センサハウジング１２の基端側が当接する部分には、このセンサハウジング１２に作用する外力を検出する力覚センサ１１２が設けられている。これにより、フィンガ部３４，３５で搬送対象物９を把持することで、搬送対象物９からセンサハウジング１２へ、ケーシング１１内に向かって押し込むように作用する反力を検出することができる。また、力覚センサ１１２は、制御装置５（上述の図１参照）と接続され、この制御装置５へ検出した反力に関する信号を出力する。

センサハウジング１２は、略筒状でありその内部には、先端側から基端側へ向かって順に、センサボール１３を回転可能に支持するボール支持部１２２と、光学レンズ１２３の縁部を支持するレンズ支持部１２４と、センサボール１３を撮像する撮像手段としての固体撮像素子１２６が取り付けられる素子取付部１２７と、が形成されている。

ボール支持部１２２は、センサハウジング１２の先端面と、センサボール１３の先端面とが常時略面一になるように、センサボール１３を回転可能に支持する。すなわち、センサハウジング１２の先端面とセンサボール１３の先端面は、ともに搬送対象物９に接触する。これにより、例えば、搬送対象物９が、センサハウジング１２の進退方向と垂直な面内で滑ると、搬送対象物９の位置ずれに合わせて、センサボール１３がボール支持部１２２内で回転する。

センサボール１３の表面は、例えば、滑り止めの表面処理が施されて、微細な凹凸が形成されている。これにより、上述のようにして、搬送対象物９の滑りに応じて、センサボール１３を確実に回転させることができる。また、センサボール１３の表面には、格子状のグリッド１３１が設けられており、これにより、センサボール１３の回転はグリッド１３１の移動として検出することが可能となる。

光学レンズ１２３は、センサハウジング１２に支持されたセンサボール１３の表面のうち、センサハウジング１２内部側の面を撮像面とし、この撮像面内のセンサボール１３の像を、固体撮像素子１２６の受光面に結像する。

固体撮像素子１２６は、制御装置５（上述の図１参照）と接続されており、光学レンズ１２３を介して受光したセンサボール１３の撮像面内の像に関する情報を、画像信号として制御装置５へ出力する。

また、センサハウジング１２には、その外周部からボール支持部１２２へ貫通するスリット１２８が形成されている。このスリット１２８は、ボール支持部１２２内に支持されたセンサボール１３の円形の撮像面を囲うように形成されている。
一方、ケーシング１１には、このスリット１２８を通してセンサボール１３の撮像面に光を照射する光源１１４が設けられている。このようなスリット１２８と光源１１４を設けることにより、ボール支持部１２２内に収納されたセンサボール１３の撮像面を均等に照光できる。

次に、以上のような接触センサ１０から出力された信号に基づいて、ロボットアーム３の動作をフィードバック制御する制御装置５の構成について、図３および図４を参照して説明する。

図３は、ハンド部３１の構成を示す正面図である。より具体的には、図３は、ハンド部３１のフィンガ部３４，３５で搬送対象物９を把持した状態を示す図である。
図３に示すように、フィンガ部３４，３５で、搬送対象物９の両端を挟持して把持した状態では、搬送対象物９にはハンド部３１による把持力が作用する。また、フィンガ部３４，３５の各々の先端部に設けられた接触センサ１０には、この把持力と略等しい反力が作用する。

一方、搬送対象物９には重力が作用する。このため、ハンド部３１による把持力が、搬送対象物９を搬送するために必要な力よりも小さい場合には、フィンガ部３４，３５から滑り落ちる。
以上のような搬送対象物９を搬送する際に作用する力のうち、搬送対象物９からフィンガ部３４，３５に作用する反力、および、搬送対象物９のフィンガ部３４，３５に対する滑りは、接触センサ１０により検出することが可能となっている。

図４は、ロボットアーム３および制御装置５の構成を示すブロック図である。
図４に示すように、接触センサ１０で検出された反力および滑りに関する情報は、制御装置５へ入力される。制御装置５は、この入力に応じて制御信号を駆動部３７へ出力し、ロボットアーム３の動作をフィードバック制御する。

制御装置５のコントローラ６は、予めティーチングされたプログラムと、信号処理部７から入力されるフィードバック制御信号に基づいて、ロボットアーム３を制御するための制御信号をロボットアーム３の駆動部３７へ出力する。
具体的には、コントローラ６は、ハンド部３１の目標移動位置としてのハンド位置、および、ハンド部３１の指令把持力としての把持トルクに関する制御信号を駆動部３７へ出力する。

制御装置５の信号処理部７は、接触センサ１０から入力された信号を処理するセンサ信号処理部７２と、このセンサ信号処理部７２により処理された信号に基づいてコントローラ６へフィードバック制御信号を出力するフィードバック信号処理部７４と、を備える。

センサ信号処理部７２は、接触センサ１０の力覚センサ１１２および固体撮像素子１２６から入力された信号を処理し、搬送対象物９の滑り量を算出する。
具体的には、このセンサ信号処理部７２は、以下の手順により搬送対象物９の滑り量を算出する。
まず、接触センサ１０が搬送対象物９に接触したことを力覚センサ１１２が検出すると、この接触した時点におけるセンサボール１３の像を固体撮像素子１２６で撮像し記憶する。
次に、搬送対象物９と接触センサ１０との間で滑りが発生し、センサボール１３が回転すると、この回転した後のセンサボール１３の像を固体撮像素子１２６で撮像し記憶する。
次に、接触した時点におけるセンサボール１３の像のグリッド１３１の位置と、回転後のセンサボール１３の像のグリッド１３１の位置とを比較することにより、センサボール１３の回転量を算出する。
次に、このセンサボール１３の回転量に基づいて、搬送対象物９の滑り量を算出する。

フィードバック信号処理部７４は、このセンサ信号処理部７２により算出された滑り量および力覚センサ１１２により検出された反力に基づいて、現在のハンド部３１の把持トルクから増加させる必要のある把持トルク増加量を算出し、この把持トルク増加量をフィードバック制御信号としてコントローラ６へ出力する。この把持トルク増加量は、搬送対象物９を滑らせることなく把持するために増加する必要のあるトルク量であり、例えば、フィードバック信号処理部７４が備える制御マップにより算出される。

ロボットアーム３の駆動部３７は、多関節アーム部３２を駆動してハンド部３１の位置を制御するアーム駆動部３７１と、ハンド部３１を駆動してフィンガ部３４，３５の把持力を制御するハンド駆動部３７２とを備える。
アーム駆動部３７１は、多関節アーム部３２の駆動シリンダを制御し、コントローラ６から入力されたハンド位置へハンド部３１を移動させる。
ハンド駆動部３７２は、ハンド部３１の駆動シリンダ３６を制御し、コントローラ６から入力された把持トルクに応じた把持力でフィンガ部３４，３５を駆動する。

図５は、制御装置５の処理を示すフローチャートであり、ロボットアーム３のハンド部３１で搬送対象物を把持するまでの手順を示すフローチャートである。
先ず、ステップＳ１では、予めティーチングされたプログラムに基づいて、搬送対象物の把持位置へ、ハンド部３１を移動し、ステップＳ２に移る。ステップＳ２では、予めティーチングされた把持トルクでハンド部３１を制御し、搬送対象物９を把持し、ステップＳ３に移る。

ステップＳ３では、搬送対象物９の滑りを検出するために、ハンド部３１を試験的に微小移動させ、ステップＳ４に移る。具体的には、このステップでは、予め設定された高さまで、搬送対象物９を持ち上げる。ステップＳ４では、搬送対象物９の滑りを検出したか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはステップＳ５に移り、ＮＯの場合に搬送対象物９の把持する動作を完了する。

ステップＳ５では、搬送対象物の滑り量を算出し、ステップＳ６に移る。ステップＳ６では、算出された滑り量および現在の反力から、把持トルク増加量を算出し、ステップＳ７へ移る。ステップＳ７では、現在の把持トルクに算出された把持トルク増加量を加え、この把持トルクでハンド部３１を制御し、ステップＳ４に移る。

本実施形態の接触センサ１０によれば、以下のような作用効果がある。
（１）ロボットアーム３で接触センサ１０のケーシング１１を支持し、このロボットアーム３を操作して、接触センサ１０のセンサハウジング１２およびセンサボール１３を搬送対象物９に接触させる。ここで、ロボットアーム３で搬送対象物９を把持すると、これに応じた反力が搬送対象物９から接触センサ１０に作用し、センサハウジング１２がケーシング１１に対して進退し、力覚センサ１１２により搬送対象物９からの反力が検出される。これにより、接触センサ１０に対する搬送対象物９の反力を検出することができる。

また、このようにロボットアーム３で搬送対象物９を把持した状態で、この搬送対象物９が滑り、搬送対象物９と接触センサ１０との間に位置ずれが生じると、センサボール１３が搬送対象物９の表面を転動する。つまり、このセンサボール１３は、搬送対象物９の表面に接しながら、センサハウジング１２内で回転する。また、センサハウジング１２内のセンサボール１３を、光源１１４で照射しつつ固体撮像素子１２６により撮像することにより、このような位置ずれに応じたセンサボール１３の回転、すなわち、搬送対象物９の滑りを検出することができる。また、撮像されたセンサボール１３の画像に基づいて、センサボール１３の回転量を算出することで、搬送対象物９と接触センサ１０との位置ずれ量を求めることも可能となる。

また、このような接触センサ１０において、搬送対象物９からの反力や滑りを検出するために、搬送対象物９に接触させる必要がある部分は、センサハウジング１２およびセンサボール１３のみである。上述のように、センサハウジング１２およびセンサボール１３は、反力や滑りを検出するために必ずしも弾性変形する必要がない。このため、本実施形態の接触センサ１０によれば、接触部分に弾性体を用いる必要のある従来の接触センサと比較して、より耐久性に優れ、かつ、温度によらず安定して検出することができる。

（２）センサハウジング１２に、センサボール１３の撮像面を囲んでリング状にスリット１２８を形成し、このスリット１２８を通して撮像面に光源１１４の光を照射した。これにより、撮像面を均一に照射し、搬送対象物９と接触センサ１０との位置ずれ量を、より高い精度で求めることができる。

＜第２実施形態＞
以下、本発明の第２実施形態を図面に基づいて説明する。以下の第２実施形態の説明にあたって、第１実施形態と同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。

図６は、本実施形態に係る接触センサ１０Ａの構成を示す部分断面図である。
本実施形態の接触センサ１０Ａは、ケーシング１１Ａ、センサハウジング１２Ａ、および固体撮像素子１２６Ａの構成が、第１実施形態の接触センサ１０と異なる。より具体的には、本実施形態の接触センサ１０Ａは、固体撮像素子１２６Ａを設ける位置が第１実施形態の接触センサ１０と異なる。

ケーシング１１Ａおよびセンサハウジング１２Ａには、光ファイバ１２９Ａを挿通する貫通孔１１１Ａ，１２１Ａが形成されている。この光ファイバ１２９Ａの先端部は、センサハウジング１２Ａの素子取付部１２７Ａ内に位置するように設けられる。光学レンズ１２３Ａは、センサハウジング１２Ａに支持されたセンサボール１３の表面のうち、センサハウジング１２Ａ内部側の円形の面を撮像面とし、この撮像面内のセンサボール１３の像を、光ファイバ１２９Ａの先端部に結像する。

固体撮像素子１２６Ａは、ケーシング１１Ａの外部に設けられる。また、この固体撮像素子１２６Ａの受光面は、光ファイバ１２９Ａの基端部と対向して設けられている。これにより、撮像面内のセンサボール１３の像を、固体撮像素子１２６Ａの受光面に投光することができる。

本実施形態の接触センサ１０Ａによれば、上述の第１実施形態の接触センサ１０と同様の効果に加えて、以下の効果がある。
本実施形態の接触センサ１０Ａによれば、固体撮像素子１２６Ａをケーシング１１Ａの外部に設けた。これにより、固体撮像素子１２６がセンサハウジング１２内部に設けられた第１実施形態の接触センサ１０と比較して、ケーシング１１Ａおよびセンサハウジング１２Ａをより小型化できる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良などは本発明に含まれるものである。

例えば、上記実施形態では、一対のフィンガ部３４，３５を設け、これらフィンガ部３４，３５の各々の先端部に接触センサ１０を設けたが、これに限らない。フィンガ部の数は、搬送対象物を把持できる数であれば幾つでもよい。また、複数のフィンガ部のうち、何れかのフィンガ部にのみ接触センサを設けても、同様の効果を奏することができる。

また、例えば、上記実施形態では、センサボール１３には、格子状のグリッド１３１を設けたが、これに限らない。例えば、点状のドットパターンや、線状の目盛りなど、センサボールが回転したことを識別できる模様であればよい。

本発明の第１実施形態に係る接触センサを備える搬送システムの構成を示す概略図である。 前記実施形態に係る接触センサの構成を示す部分断面図である。 前記実施形態に係るハンド部の構成を示す正面図である。 前記実施形態に係るロボットアームおよび制御装置の構成を示すブロック図である。 前記実施形態に係るロボットアームのハンド部で物体を把持するまでの手順を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る接触センサの構成を示す部分断面図である。

符号の説明

１…搬送システム
３…ロボットアーム
３１…ハンド部
３４，３５…フィンガ部
３７…駆動部
５…制御装置
１０，１０Ａ接触センサ
１１…ケーシング
１１２…力覚センサ
１１４…光源
１２，１２Ａ…センサハウジング
１２６，１２６Ａ…固体撮像素子（撮像手段）
１２８…スリット
１３…センサボール（球体）

Claims (2)

1. 略筒状のケーシングと、
   当該ケーシングに進退可能に設けられて対象物に接触可能な略筒状のセンサハウジングと、
   前記ケーシングに設けられ、前記センサハウジングに作用する外力を検出する力覚センサと、
   前記センサハウジング内に回転可能に設けられ、対象物に接触可能な球体と、
   前記ケーシングに設けられ、前記球体を照射する光源と、
   前記ケーシング内に設けられ、前記光源で照射された球体を撮像する撮像手段と、を備えた接触センサと、
   前記接触センサがその先端部に設けられたハンド部と、
   前記ハンド部を制御し前記対象物を把持させる制御装置と、を備えた搬送システムであって、
   前記制御装置は、
   前記撮像手段により撮像された画像に基づいて前記対象物の滑り量を算出するセンサ信号処理部と、
   前記センサ信号処理部により算出された滑り量および前記力覚センサにより検出された反力に基づいて、前記ハンド部の把持トルク増加量を算出するフィードバック信号処理部と、を備えることを特徴とする搬送システム。
2. 略筒状のケーシングと、
   当該ケーシングに進退可能に設けられて対象物に接触可能な略筒状のセンサハウジングと、
   前記ケーシングに設けられ、前記センサハウジングに作用する外力を検出する力覚センサと、
   前記センサハウジング内の先端側に形成されたボール支持部に回転可能に設けられ、対象物に接触可能な球体と、
   前記ケーシングに設けられ、前記球体を照射する光源と、
   前記ケーシング内に設けられ、前記光源で照射された球体を撮像する撮像手段と、
   前記撮像手段により撮像された画像に基づいて前記対象物の滑り量を算出するセンサ信号処理部と、
   前記球体の表面のうち前記撮像手段で撮像される部分を撮像面とし、
   前記センサハウジングには、その外周部から前記ボール支持部へ貫通するスリットが前記球体の撮像面を囲んで形成され、
   前記光源は、前記スリットを通して前記撮像面に光を照射することを特徴とする接触センサ。

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