JP5980877B2 - ロボットに掛かる荷重を検知するためのシステム、ロボット、およびロボットシステム - Google Patents

Description

本発明は、ロボットに掛かる荷重を検知するためのシステム、ロボット、およびロボットシステムに関する。

ロボットアームに力センサを取り付けて、該力センサによってロボットアームに掛かる荷重を検知する技術が知られている（例えば、特許文献１および２）。

特開２００６−２１２８７号公報 特開２００６−２７５６５０号公報

同じ作業空間内で作業員とともに作業を行う、いわゆる人協調型のロボットへの要望が高まってきている。このようなロボットは、作業員の安全性を確保する観点から、作業員との接触を検知した場合に、動作を緊急停止するように構成されている。従来、このような緊急停止動作の信頼性を高めることが求められている。

本発明の一態様において、ロボットに掛かる荷重を検知するためのシステムは、力センサを備え、該力センサは、一方向の荷重を検出する検出部を有し、該検出部は、第１の検出要素および第２の検出要素を含む。

また、このシステムは、第１の検出要素によって検出された第１の検出値と、第２の検出要素によって検出された第２の検出値とが、互いに異なっているか否かを判断し、第１の検出値と第２の検出値とが互いに異なっている場合に、第１の検出要素または第２の検出要素が故障したと判断する故障判断部を備える。

故障判断部は、第１の検出値と第２の検出値との差を算出し、該差が予め定められた閾値を超えた場合に、第１の検出値と第２の検出値とが異なっていると判断してもよい。

故障判断部は、第１の検出値から算出される第１の力と、第２の検出値から算出される第２の力との差を算出し、該差が予め定められた閾値を超えた場合に、第１の検出値と第２の検出値とが異なっていると判断してもよい。第１の検出要素と第２の検出要素とは、互いに並んで配置されてもよい。第１の検出要素は、第２の検出要素とは異なる種類の検出要素であってもよい。

本発明の他の態様において、ロボットは、ロボットアームと、上述のシステムとを備え、力センサは、ロボットアームに取り付けられる。本発明のさらに他の態様において、ロボットシステムは、ロボットと、ロボットを制御する制御部とを備え、制御部は、故障判断部によって第１の検出要素または第２の検出要素が故障していると判断された場合に、ロボットの動作を停止する。

本発明の一実施形態に係るロボットシステムの概略図である。 本発明の他の実施形態に係るロボットシステムの概略図である。 図２に示す力センサの斜視図である。 図３に示す力センサを、図３中の矢印ＩＶから見た図である。 図３に示す力センサの部分拡大図である。 本発明の他の実施形態に係る力センサの部分拡大図であって、図５に対応する。 本発明の一実施形態に係る、危険回避方法のフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。まず、図１を参照して、本発明の一実施形態に係るロボットシステム１０について説明する。ロボットシステム１０は、ロボット１２と、該ロボット１２を制御する制御部１４とを備える。

制御部１４は、ロボット１２を構成する各要素を直接的または間接的に制御する。ロボット１２は、固定プレート１６、ロボットベース１８、旋回胴２０、ロボットアーム２２、ロボットハンド２４、およびシステム５０を備える。

固定プレート１６は、ワークセルの床（図示せず）に固定されている。ロボットベース１８は、固定プレート１６の上方に位置し、固定プレート１６に対して固定される。旋回胴２０は、ロボットベース１８に鉛直軸周りに回動可能に取り付けられている。

ロボットアーム２２は、旋回胴２０に第１の回転軸２７を介して連結された下腕部２６と、該下腕部２６に第２の回動軸２８を介して取り付けられた前腕部３０とを有する。ロボットハンド２４は、手首部３２を介して、前腕部３０の先端に取り付けられている。ロボットハンド２４は、ワークＷを把持したり、解放したりする。

本実施形態に係るシステム５０は、ロボットアーム２２に荷重が掛けられた場合に該荷重を検知する。システム５０は、力センサ５２および故障判断部５４を備える。本実施形態においては、力センサ５２は、固定プレート１６とロボットベース１８との間に配置されている。

力センサ５２は、一方向の荷重を検出可能な検出部５６を有する。本実施形態においては、検出部５６は、水平方向の荷重を検知可能である。検出部５６は、一対の第１の検出要素５８および第２の検出要素６０を有する。

第１の検出要素５８および第２の検出要素６０は、互いに略同等となる検出値を得ることができる位置に配置される。ここで、本明細書にて記載されている「検出値」とは、例えば、検出要素から出力される電気信号、該電気信号から求められる歪み量または変位量等、検出要素によってもたらされる、如何なる情報をも含むものとして定義される。

また、２つの検出値が「互いに略同等」とは、例えば、これら検出値の符号および絶対値の双方が一致している場合、検出値の符号は異なるが絶対値が一致している場合、または、一方の検出値が、他方の検出値に予め定められた係数を乗算した値となっている場合等に相当する。本実施形態においては、第１の検出要素５８および第２の検出要素６０は、力センサ５２の同じ部位において、互いに並んで配置されている。

第１の検出要素５８および第２の検出要素６０は、例えば、半導体歪ゲージもしくは金属箔歪ゲージ等の歪ゲージ、レーザ変位計、近接センサ、オプトセンサ、または、静電容量式変位計から構成され得る。例えば、１軸歪ゲージを並べて配置する場合には、第１の検出要素５８（例えば、半導体歪ゲージ）と、第２の検出要素６０（例えば、半導体歪みゲージ）とは、互いに平行となるように配置される。

なお、本実施形態においては、第１の検出要素５８と第２の検出要素６０とは、互いに同じ種類の検出要素から構成される。しかしながら、これに限らず、第１の検出要素５８と第２の検出要素６０とは、異なる種類の検出要素から構成されてもよい。具体的には、第１の検出要素５８が半導体歪ゲージから構成される一方で、第２の検出要素６０が金属箔歪ゲージから構成されてもよい。

第１の検出要素５８および第２の検出要素６０の各々は、水平方向の荷重を検出するように配置される。そして、第１の検出要素５８は、ラインＬ_１を介して、制御部１４へ接続されている。なお、第１の検出要素５８および第２の検出要素６０は、水平方向以外の如何なる方向の荷重を検出可能となるように、配置されてもよい。

一方、第２の検出要素６０は、ラインＬ_１とは別のラインＬ_２を介して、制御部１４へ接続されている。このように、第１の検出要素５８および第２の検出要素６０は、それぞれ別の系統で、検出した検出値を制御部１４へ送信する。

次に、本実施形態に係るロボットシステム１０の動作について説明する。ワークＷに対して作業をする場合、制御部１４は、ロボットアーム２２を動作させてロボットハンド２４を移動させ、ワークＷを把持したり解放したりする。

ロボット１２の動作中に、制御部１４は、第１の検出要素５８から第１の検出値を、第２の検出要素６０から第２の検出値を、例えば一定の周期Ｔでそれぞれ受信する。制御部１４は、力センサ５２から受信した検出値に基づいて、ロボットアーム２２に掛かる力を算出する。

ここで、ロボットアーム２２やロボットハンド２４が、同じワークセル内で作業をしている作業員Ａに接触してしまう虞がある。ロボットアーム２２等が作業員Ａと接触した場合、力センサ５２によって得られた検出値は、通常動作時とは異なって異常に変動する。

制御部１４は、このような検出値の異常な変動を検知したときに、ロボット１２の動作を停止させる、または、ロボットアーム２２が作業員Ａから離反する方向へ移動させるといった、危険回避動作を実行する。

ここで、本実施形態においては、システム５０によって、上述の危険回避動作の信頼性を高めるべく、力センサ５２の故障を検知することができる。具体的には、制御部１４は、ロボット１２の動作中において、第１の検出要素５８によって検出された第１の検出値と、第２の検出要素６０によって検出された第２の検出値とが、互いに異なっているか否かを判断する。

一具体例として、制御部１４は、ある時点τ_１にて第１の検出要素５８から取得した第１の検出値Ｓ_１−１と、時点τ_１から周期Ｔ経過後の時点τ_２にて第１の検出要素５８から取得した第１の検出値Ｓ_１−２との差δ_Ｓ１＝Ｓ_１−２−Ｓ_１−１を算出する。

ここで、差δ_Ｓ１＝Ｓ_１−２−Ｓ_１−１は、例えば、第１の検出要素５８から出力された電気信号の電圧の差であり得る。または、差δ_Ｓ１＝Ｓ_１−２−Ｓ_１−１は、第１の検出要素５８からの出力信号に基づいて求められた歪み量（変位量）の差であり得る。

一方、制御部１４は、時点τ_１にて第２の検出要素６０から取得した第２の検出値Ｓ_２−１と、時点τ_２にて第２の検出要素６０から取得した第２の検出値Ｓ_２−２との差δ_Ｓ２＝Ｓ_２−２−Ｓ_２−１を算出する。

そして、制御部１４は、第１の検出値と第２の検出値との差として、差Δ_１＝δ_Ｓ１−δ_Ｓ２を算出する。ここで、上述したように、第１の検出要素５８および第２の検出要素６０は、互いに略同等となる検出値（すなわち、歪み量、変位量等）を得ることができるように配置されている。

したがって、第１の検出要素５８および第２の検出要素６０の双方が正常に機能している場合は、第１の検出値と第２の検出値とが略同等になるので、上述の差Δ_１は、比較的に小さい値となるものと考えられる。

これに対して、差Δ_１が不適正に大きな値となっている場合、第１の検出値と第２の検出値とが大きく相違していることになる。この場合、第１の検出要素５８および第２の検出要素６０のいずれか一方が故障して正常に機能していないものと考えられる。

そこで、本実施形態においては、制御部１４は、この差Δ_１が、予め定められた閾値α_１を超えた場合（すなわち、｜Δ_１｜＞α_１）に、第１の検出値と第２の検出値とが異なっているものと判断し、以って、第１の検出要素５８または第２の検出要素６０が故障したものと判断することができる。

他の具体例として、第１の検出要素５８または第２の検出要素６０の故障を判断するために、制御部１４は、ある時点τ_１にて第１の検出要素５８から取得した第１の検出値Ｓ_１−１と、時点τ_１にて第２の検出要素６０から取得した第２の検出値Ｓ_２−１との差Δ_２＝Ｓ_１−１−Ｓ_２−１を算出する。

そして、制御部１４は、この差Δ_２が、予め定められた閾値α_２を超えた場合（すなわち、｜Δ_２｜＞α_２）に、第１の検出値と第２の検出値とが異なっているものと判断し、以って、第１の検出要素５８または第２の検出要素６０が故障したものと判断する。

また、さらに他の具体例として、制御部１４は、第１の検出値および第２の検出値の各々を、予め記憶された他のレファレンス値（例えば、第１の検出要素５８および第２の検出要素６０が配置されている部位における計算上または理論上の値）と比較する。

そして、制御部１４は、第１の検出値および第２の検出値の各々が、このレファレンス値（すなわち、計算値または理論値）に対して設定された予め定められた範囲の許容値内（例えば、レファレンス値の±０．１％の範囲）に収まっているか否かを判断することによって、第１の検出要素５８または第２の検出要素６０の故障を判断してもよい。

また、さらに他の具体例として、第１の検出要素５８または第２の検出要素６０の故障を判断するために、制御部１４は、第１の検出値から算出される第１の力と、第２の検出値から算出される第２の力との差を算出してもよい。

具体的には、制御部１４は、時点τ_１にて第１の検出要素５８から取得した第１の検出値Ｓ_１−１を、以下の式１に代入することによって、時点τ_１における第１の力Ｆ_１−１を算出する。
Ｆ_１−１＝Ｃ_１Ｓ_１−１・・・（式１）。

ここで、式１中のＣ_１は、較正係数であって、既知の荷重に対する各検出要素５８、６０の出力、すなわち、既知のＦとＳとの関係を実験により複数求め、例えば式１と最小二乗法とを用いることにより、求めることができる。

同様にして、制御部１４は、時点τ_１にて第２の検出要素６０から取得した第２の検出値Ｓ_２−１を、以下の式２に代入することによって、時点τ_１における第２の力Ｆ_２−１を算出する。
Ｆ_２−１＝Ｃ_２Ｓ_２−１・・・（式２）。

式２中のＣ_２は、上述の係数Ｃ_１と同様の較正係数であって、実験的手法によって求められ得る。次いで、制御部１４は、第１の力Ｆ_１−１と第２の力Ｆ_２−１との差Δ_３＝Ｆ_１−１−Ｆ_２−１を算出する。

そして、制御部１４は、該差Δ_３が予め定められた閾値α_３を超えた場合（すなわち、｜Δ_３｜＞α_３）に、第１の検出値と第２の検出値とが異なっているものと判断し、以って、第１の検出要素５８または第２の検出要素６０が故障したものと判断してもよい。

また、さらに他の具体例として、制御部１４は、時点τ_１にて第１の検出要素５８から取得した第１の検出値Ｓ_１−１を、上記の式１に代入することによって、時点τ_１における力Ｆ_１−１を算出する。

次いで、制御部１４は、時点τ_１から周期Ｔ経過後の時点τ_２にて第１の検出要素５８から取得した第１の検出値Ｓ_１−２を、以下の式３に代入することによって、時点τ_２における力Ｆ_１−２を算出する。
Ｆ_１−２＝Ｃ_１Ｓ_１−２・・・（式３）。

次いで、制御部１４は、力Ｆ_１−１と力Ｆ_１−２との差δ_Ｆ１＝Ｆ_１−１−Ｆ_１−２を算出する。一方、制御部１４は、時点τ_１にて第２の検出要素６０から取得した第２の検出値Ｓ_２−１を、上記の式２に代入することによって、時点τ_１における力Ｆ_２−１を算出する。

次いで、制御部１４は、時点τ_２にて第２の検出要素６０から取得した第２の検出値Ｓ_２−２を、以下の式４に代入することによって、時点τ_２における力Ｆ_２−２を算出する。
Ｆ_２−２＝Ｃ_２Ｓ_２−２・・・（式４）。

次いで、制御部１４は、力Ｆ_２−１と力Ｆ_２−２との差δ_Ｆ２＝Ｆ_２−１−Ｆ_２−２を算出する。次いで、制御部１４は、差δ_Ｆ１と差δ_Ｆ２との差Δ_４＝δ_Ｆ１−δ_Ｆ２を算出する。そして、制御部１４は、該差Δ_４が予め定められた閾値α_４を超えた場合（すなわち、｜Δ_４｜＞α_４）に、第１の検出値と第２の検出値とが異なっているものと判断し、以って、第１の検出要素５８または第２の検出要素６０が故障したものと判断してもよい。

また、さらに他の具体例として、制御部１４は、上述の差Δ_１、Δ_２、Δ_３、およびΔ_４の少なくとも２つを並行して算出し、差Δ_１、Δ_２、Δ_３、およびΔ_４の少なくとも２つが、各々に対して設定された閾値（すなわち、対応する閾値α_１、α_２、α_３、またはα_４）を超えたか否かを判断してもよい。

例えば、制御部１４は、上述の差Δ_１を算出し、該差Δ_１が閾値α_１を超えたか否か（すなわち、｜Δ_１｜＞α_１であるか否か）を判断する。これと並行して、制御部１４は、上述の差Δ_４を算出し、該差Δ_４が閾値α_４を超えたか否か（すなわち、｜Δ_４｜＞α_４であるか否か）を判断する。

そして、制御部１４は、差Δ_１が閾値α_１を超えた場合、または、差Δ_４が閾値α_４を超えた場合に、第１の検出要素５８または第２の検出要素６０が故障したものと判断してもよい。

このように、本実施形態においては、制御部１４は、第１の検出値と第２の検出値とが異なっているか否かを判断し、以って、第１の検出要素５８または第２の検出要素６０が故障したか否かを判断する故障判断部５４としての機能を含む。この故障判断部５４の機能によって、第１の検出要素５８または第２の検出要素６０が故障したと判断された場合、制御部１４は、ロボット１２の動作を緊急停止する。

この構成によれば、制御部１４は、第１の検出要素５８または第２の検出要素６０の故障を検知した場合に、ロボット１２の動作を即座に停止できる。これにより、ロボットアーム２２と作業員Ａとの接触による事故を、さらに確実に回避することができる。

また、本実施形態においては、一方向の荷重を検知するための検出部５６を、第１の検出要素５８および第２の検出要素６０によって構成し、且つ、互いに異なる２つの系統で、検出した検出値を制御部１４へ送信している。

この構成によれば、仮に、何らかの要因で第１の検出要素５８および第２の検出要素６０のうちのいずれか一方が故障したとしても、検出部５６は、第１の検出要素５８および第２の検出要素６０のうちの他方によって、一方向の荷重を検知できる。

すなわち、第１の検出要素５８および第２の検出要素６０のうちのいずれか一方が故障したとしても、力センサ５２を引き続き機能させることができる。このため、制御部１４は、力センサ５２からの検出値によって、ロボットアーム２２と作業員Ａとの接触を検知できるので、ロボットアーム２２と作業員Ａとの接触による事故を確実に回避することができる。

また、本実施形態によれば、第１の検出要素５８と第２の検出要素６０とは、互いに同じ種類の検出要素から構成されている。この構成によれば、第１の検出値と第２の検出値とが、互いに異なっているか否かを、より高精度に判断することができる。

なお、上述したように、第１の検出要素５８と第２の検出要素６０とは、互いに異なる種類の検出要素から構成されてもよい。この構成によれば、ロボット１２を厳しい環境下で使用する場合等において、環境に起因して第１の検出要素５８および第２の検出要素６０の双方が故障してしまうリスクを、低減させることができる。

また、本実施形態においては、一例として、力センサ５２が、固定プレート１６とロボットベース１８との間に配置されている場合について述べた。しかしながら、これに限らず、力センサ５２は、例えば、ロボットアーム２２の第１の回転軸２７、第２の回動軸２８、または手首部３２に取り付けられてもよい。また、複数の力センサ５２を設けてもよい。

次に、図２を参照して、本発明の他の実施形態に係るロボットシステム７０について説明する。なお、以下の実施形態において、既に述べた実施形態と同様の要素には同じ符号を付し、詳細な説明を省略する。

ロボットシステム７０は、ロボット７２と、該ロボット７２を制御する制御部７４とを備える。ロボット７２は、固定プレート１６、ロボットベース１８、旋回胴２０、ロボットアーム２２、ロボットハンド２４、およびシステム９０を備える。

本実施形態に係るシステム９０は、上述のシステム５０と同様に、ロボットアーム２２に荷重が掛けられた場合に該荷重を検知する。システム９０は、力センサ９２および故障判断部９４を備える。本実施形態においては、力センサ９２は、固定プレート１６とロボットベース１８との間に配置されている。

次に、図３〜図５を参照して、本実施形態に係る力センサ９２について説明する。なお、以下の説明における軸方向は、図３中の軸線Ｏに沿う方向を示し、径方向とは、軸線Ｏを中心とする円の半径方向を示し、周方向とは、軸線Ｏを中心とする円の円周方向を示す。また、軸方向上方とは、図３の紙面上方を示すものとする。

力センサ９２は、軸方向に互いに対向して配置される一対のリング９５および９６と、リング９５および９６の間で延在する複数の脚９８、１００、１０２、および１０４とを有する。

リング９５および９６は、互いに同心に配置され、各々の中心軸線は、軸線Ｏに一致する。リング９５および９６の中央部には、軸方向に延びる貫通孔１０６が形成されている。この貫通孔１０６内に、ロボット７２の関節等の部材が嵌着され、これにより、力センサ９２がロボット７２に固定される。

脚９８、１００、１０２、および１０４は、周方向に略等間隔（すなわち、約９０°）で配列する。図４および図５に示すように、脚９８は、周方向に延びる横梁１０８と、横梁１０８の周方向中央部から軸方向下方へ延び、その下端にてリング９６に連結する縦梁１１０とを含む。

リング９５の外周縁のうち、脚９８の上方に位置する部分には、扇状の切欠き部１１２が形成されている。脚９８の横梁１０８の周方向両端は、該切欠き部１１２の周方向両端面に連結され、支持されている。また、縦梁１１０には、径方向に貫通する開口部１１４が形成されている。

この開口部１１４によって、縦梁１１０は、周方向に撓み易くなっている。これにより、小さい荷重が力センサ９２に作用した場合でも、縦梁１１０は、周方向に比較的大きく撓むことになる。

一方、横梁１０８は、例えば力センサ９２にｚ軸方向の力が掛けられた場合、縦梁１１０から力を受けてｚ軸方向に撓むことになる。なお、脚１００、１０２、および１０４も、脚９８と同様の構成を備える。

力センサ９２は、計８個の検出部１１６、１１８、１２０、１２２、１２４、１２６、１２８、および１３０を有する。これら検出部１１６、１１８、１２０、１２２、１２４、１２６、１２８、および１３０の各々によって、力センサ９２は、図３中のｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向の荷重と、ｘ軸周り、ｙ軸周り、およびｚ軸周りのモーメントといった、６軸方向の力（モーメントを含む）を検出することができる。

具体的には、検出部１１６および１１８は、脚９８に設けられている。検出部１１６は、脚９８の横梁１０８の上面に設けられている一方、検出部１１８は、脚９８の縦梁１１０の周方向一方の端面に設けられている。

図５に示すように、検出部１１６は、一対の第１の検出要素１３２および第２の検出要素１３４を有する。第１の検出要素１３２および第２の検出要素１３４は、互いに略同等となる検出値（すなわち、横梁１０８の歪み量、変位量）を得ることができるように、互いに径方向に並んで（または当接して）配置されている。

一方、検出部１１８は、一対の第１の検出要素１３６および第２の検出要素１３８を有する。第１の検出要素１３６および第２の検出要素１３８は、互いに略同等となる検出値（すなわち、縦梁１１０の歪み量、変位量）を得ることができるように、互いに径方向に並んで（または当接して）配置されている。

同様に、検出部１２０は、脚１００の横梁１０８に設けられ、一対の第１の検出要素１３２および第２の検出要素１３４を有する。また、検出部１２２は、脚１００の縦梁１１０に設けられ、一対の第１の検出要素１３６および第２の検出要素１３８を有する。

同様に、検出部１２４は、脚１０２の横梁１０８に設けられ、一対の第１の検出要素１３２および第２の検出要素１３４を有する。また、検出部１２６は、脚１０２の縦梁１１０に設けられ、一対の第１の検出要素１３６および第２の検出要素１３８を有する。

同様に、検出部１２８は、脚１０４の横梁１０８に設けられ、一対の第１の検出要素１３２および第２の検出要素１３４を有する。また、検出部１３０は、脚１０４の縦梁１１０に設けられ、一対の第１の検出要素１３６および第２の検出要素１３８を有する。

第１の検出要素１３２、１３６、および第２の検出要素１３４、１３８は、例えば、半導体歪ゲージもしくは金属箔歪ゲージ等の歪ゲージ、レーザ変位計、近接センサ、オプトセンサ、または、静電容量式変位計から構成され得る。本実施形態においては、第１の検出要素１３２、１３６が半導体歪ゲージから構成される一方で、第２の検出要素１３４、１３８が金属箔歪ゲージから構成される。

第１の検出要素１３２および１３６は、ラインＬ_１（図２）を介して、制御部７４へ接続されている一方、第２の検出要素１３４および１３８は、ラインＬ_１とは別のラインＬ_２を介して、制御部７４へ接続されている。このように、第１の検出要素１３２、１３６、および第２の検出要素１３４、１３８は、それぞれ別の系統で、検出した検出値を制御部７４へ送信する。

次に、図２〜図５を参照して、本実施形態に係るロボットシステム７０の動作について説明する。ロボットシステム７０は、上述の実施形態と同様に、危険回避動作の信頼性を高めるべく、力センサ９２の故障を検知することができる。

具体的には、制御部７４は、ロボット７２の動作中において、第１の検出要素１３２および１３６によって検出された第１の検出値と、第２の検出要素１３４および１３８によって検出された第２の検出値とが、互いに異なっているか否かを判断する。

この動作について、脚９８に設けられた検出部１１６を例として説明する。上述したように、検出部１１６は、６軸方向の荷重の検出に用いられる。一具体例として、制御部７４は、ある時点τ_１にて第１の検出要素１３２から取得した第１の検出値Ｓ_３−１と、時点τ_１から周期Ｔ経過後の時点τ_２にて第１の検出要素１３２から取得した第１の検出値Ｓ_３−２との差δ_Ｓ３＝Ｓ_３−２−Ｓ_３−１を算出する。

一方、制御部７４は、時点τ_１にて第２の検出要素１３４から取得した第２の検出値Ｓ_４−１と、時点τ_２にて第２の検出要素１３４から取得した第２の検出値Ｓ_４−２との差δ_Ｓ４＝Ｓ_４−２−Ｓ_４−１を算出する。

そして、制御部７４は、第１の検出値と第２の検出値との差として、Δ_５＝δ_Ｓ３−δ_Ｓ４を算出する。制御部７４は、この差Δ_５が、予め定められた閾値α_５を超えた場合（すなわち、｜Δ_５｜＞α_５）に、第１の検出値と第２の検出値とが異なっているものと判断し、以って、第１の検出要素１３２または第２の検出要素１３４が故障したものと判断する。

このように、本実施形態においては、制御部７４は、第１の検出要素１３２または第２の検出要素１３４が故障したか否かを判断する故障判断部９４としての機能を含む。この故障判断部９４の機能によって、第１の検出要素１３２または第２の検出要素１３４が故障したと判断された場合、制御部７４は、ロボット１２の動作を緊急停止する。

同様にして、制御部７４は、故障判断部９４として機能して、他の検出部１１８、１２０、１２２、１２４、１２６、１２８、および１３０の各々に関しても、第１の検出要素１３２、１３６または第２の検出要素１３４、１３８の故障を判断することができる。

この構成によれば、制御部７４は、第１の検出要素１３２、１３６および第２の検出要素１３４、１３８の故障を検知し、且つ、該故障を検知した場合に、ロボット１２の動作を即座に停止できる。これにより、ロボットアーム２２と作業員Ａとの接触による事故を、さらに確実に回避することができる。

また、本実施形態においては、６軸方向の荷重を検知するための検出部１１６、１１８、１２０、１２２、１２４、１２６、１２８、および１３０の各々を、第１の検出要素１３２、１３６と、第２の検出要素１３４、１３８とによって構成し、且つ、互いに異なる２つの系統で、検出した検出値を制御部７４へ送信している。

この構成によれば、仮に、何らかの要因で第１の検出要素１３２、１３６、および第２の検出要素１３４、１３８のうちのいずれか一方が故障したとしても、力センサ９２を引き続き機能させることができる。このため、制御部７４は、力センサ９２からの検出値によって、ロボットアーム２２と作業員Ａとの接触を引き続き検知できるので、ロボットアーム２２と作業員Ａとの接触による事故を確実に回避することができる。

なお、本実施形態においては、一例として、力センサ９２が、固定プレート１６とロボットベース１８との間に配置されている場合について述べた。しかしながら、これに限らず、力センサ９２は、例えば、ロボットアーム２２の第１の回転軸２７、第２の回動軸２８、または手首部３２に取り付けられてもよい。

次に、図６を参照して、本発明の他の実施形態に係る力センサ１４０について説明する。本実施形態に係る力センサ１４０は、上述の力センサ９２と以下の点で相違する。すなわち、力センサ１４０においては、縦梁１１０に設けられた検出部を構成する２つの検出要素が、互いに離隔して配置されている。

この構成について、脚９８の縦梁１１０に設けられた検出部１１８’を例として説明する。この検出部１１８’は、縦梁１１０の周方向一方の端面に配置された第１の検出要素１３６’と、縦梁１１０の周方向他方の端面に配置された第２の検出要素１３８’とを含む。

ここで、第１の検出要素１３６’および第２の検出要素１３８’は、互いに略同等となる検出値（すなわち、縦梁１１０の歪み量、変位量）を得ることができる位置に、配置される。具体的には、第１の検出要素１３６’および第２の検出要素１３８’は、縦梁１１０における軸方向の同じ高さの位置、さらに言えば、縦梁１１０の（軸方向と周方向の）中心を基準として対称となる位置に、配置される。

ここで、仮に、力センサ１４０にｘ軸方向の荷重が加えられたとすると、縦梁１１０の上端が横梁１０８によってｘ軸方向へ押されることにより、縦梁１１０が周方向へ撓むことになる。

この場合、縦梁１１０の周方向一方の端面は引き延ばされるので、第１の検出要素１３６’は引っ張られる一方、縦梁１１０の周方向他方の端面は圧縮されるので、第２の検出要素１３８’は圧縮されることになる。したがって、第１の検出要素１３６’によって得られる第１の検出値と、第２の検出要素１３８’によって得られる第２の検出値とは、正負が逆の値となる。

しかしながら、上述したように、第１の検出要素１３６’および第２の検出要素１３８’は、互いに略同等となる検出値を得ることができる位置、具体的には、縦梁１１０において互いに対称な位置に位置決めされているので、第１の検出値と第２の検出値の絶対値は、略同等となる。

したがって、図６に示すように第１の検出要素１３６’および第２の検出要素１３８’を互いに離隔するように配置させたとしても、上述した第１の検出値と第２の検出値との差Δ_１やΔ_２を適正に算出できるので、第１の検出要素１３６’または第２の検出要素１３８’の故障を検知することができる。

次に、図７を参照して、本発明の一実施形態に係る、使用者Ａとロボット１２との接触の危険性を回避する方法について説明する。図７に示すフローは、使用者からワークＷへの作業命令を受け付けたときに開始する。

ステップＳ１において、第１の検出要素および第２の検出要素から、第１の検出値および第２の検出値が取得される。例えば、図１に示す実施例の場合、このステップＳ１において、制御部１４は、第１の検出要素５８および第２の検出要素６０から、第１の検出値および第２の検出値を受信する。

ステップＳ２において、第１の検出値と第２の検出値とが互いに異なっているか否か判断される。例えば、図１に示す実施例の場合、このステップＳ２において、制御部１４は、上述の差Δ_１＝δＳ１−δＳ２を算出する。または、制御部１４は、このステップＳ２において、第１の検出値から算出される第１の力と、第２の検出値から算出される第２の力との差Δ_３を算出してもよい。

そして、制御部１４は、算出した差Δ_１が閾値α_１を超えたか否かを判断する。制御部１４は、算出した差Δ_１が閾値α_１を超えたと判断した場合、ステップＳ４へ進む。一方、制御部１４は、差Δ_１が閾値α_１を超えていないと判断した場合、ステップＳ３へ進む。

ステップＳ３において、使用者から作業終了命令を受け付けたか否かが判断される。使用者から作業終了命令を受け付けていない場合、動作フローは、ステップＳ１へ戻る一方、作業終了命令を受け付けた場合、動作フローは、終了する。

一方、Ｓ２にてＹＥＳと判断された場合、ロボットの動作が緊急停止される。具体的には、図１に示す実施例の場合、制御部１４は、Ｓ２にてＹＥＳと判断した場合、第１の検出要素５８または第２の検出要素６０が故障したものと判断し、ロボット１２に指令を送り、ロボット１２の全ての動作を停止する。

この方法により、第１の検出要素および第２の検出要素の故障を検知した場合に、ロボット１２の動作を即座に停止できる。これにより、ロボットアーム２２と作業員Ａとの接触による事故を、より確実に回避することができる。

なお、上述の実施形態においては、第１の検出要素５８、１３２、１３６を、半導体歪ゲージによって構成した。このように半導体歪ゲージを用いることによって、高感度に歪を検出し、力検出の分解能を向上させることができるので、小さい接触力を検知したときでもロボットを停止させることが可能となる。これにより、より安全性を高めることができる。

また、上述の実施形態においては、第１の検出要素１３２、１３６と第２の検出要素１３４、１３８とを、それぞれ半導体歪ゲージと金属箔歪ゲージとから構成することによって、互いに異なる種類とした場合について述べた。

しかしながら、これに限らず、第１の検出要素１３２、１３６と第２の検出要素１３４、１３８とを同方式の歪みゲージから構成し、一方に用いられる接着剤を、他方とは異ならせることによって、互いに異なる種類の検出要素とすることもできる。この場合においても、用いられる接着剤によって、環境等への耐性が異なるので、環境に起因して双方が故障してしまうリスクを低減させることができる。

また、上述の実施形態においては、検出部は、一対の第１の検出要素および第２の検出要素を有する場合について述べたが、これに限らず、検出部は、３以上の検出要素を有していてもよい。

一例として、故障判断部は、複数の検出要素の各々から取得した複数の検出値の平均値を算出し、複数の検出値の各々と、該平均値との差を算出する。そして、故障判断部は、該差が、予め定められた閾値を超えたか否かを判断することによって、複数の検出要素の各々の故障を判断してもよい。

また、上述の実施形態においては、いわゆる人協調型の産業用ロボットにおいて、ロボットと作業員との接触力を検出する力センサの例について述べたが、本発明の概念は、ロボットの手首等に取り付ける一般的な産業用ロボットの力センサの信頼性を向上させることにも、有効である。また、力センサの形状と検出要素についても、上述の例に必ずしも限定されるものではない。

以上、発明の実施形態を通じて本発明を説明したが、上述の実施形態は、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、本発明の実施形態の中で説明されている特徴を組み合わせた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得るが、これら特徴の組み合わせの全てが、発明の解決手段に必須であるとは限らない。さらに、上述の実施形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることも当業者に明らかである。

また、特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、工程、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１０，７０ ロボットシステム
１２，７２ ロボット
１４，７４ 制御部
２２ ロボットアーム
５０，９０ システム
５２，９２，１４０ 力センサ
５４，９４ 故障判断部
５６，１１６，１１８，１２０，１２２，１２４，１２６，１２８，１３０ 検出部
５８，１３２，１３６ 第１の検出要素
６０，１３４，１３８ 第２の検出要素

Claims (7)

1. ロボットに掛かる荷重を検知するためのシステムであって、
   一方向の荷重を検出する検出部を有する力センサであって、該検出部は、１軸の第１の検出要素および前記１軸の第２の検出要素を含む、力センサと、
   前記第１の検出要素によって検出された第１の検出値と、前記第２の検出要素によって検出された第２の検出値とが、互いに異なっているか否かを判断し、前記第１の検出値と前記第２の検出値とが互いに異なっている場合に、前記第１の検出要素または前記第２の検出要素が故障したと判断する故障判断部と、を備える、システム。
2. 前記故障判断部は、前記第１の検出値と前記第２の検出値との差を算出し、該差が予め定められた閾値を超えた場合に、前記第１の検出値と前記第２の検出値とが異なっていると判断する、請求項１に記載のシステム。
3. 前記故障判断部は、前記第１の検出値から算出される第１の力と、前記第２の検出値から算出される第２の力との差を算出し、該差が予め定められた閾値を超えた場合に、前記第１の検出値と前記第２の検出値とが異なっていると判断する、請求項１または２に記載のシステム。
4. 前記第１の検出要素と前記第２の検出要素とは、互いに並んで配置される、請求項１〜３のいずれか１項に記載のシステム。
5. 前記第１の検出要素は、前記第２の検出要素とは異なる種類の検出要素である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のシステム。
6. ロボットアームと、
   請求項１〜５のいずれか１項に記載のシステムと、を備え、
   前記力センサは、前記ロボットアームに取り付けられる、ロボット。
7. 請求項６に記載のロボットと、
   前記ロボットを制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記故障判断部によって前記第１の検出要素または前記第２の検出要素が故障していると判断された場合に、前記ロボットの動作を停止する、ロボットシステム。

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