JP6157101B2 - ロボット装置 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットアームを有するロボット装置に関する。

近年、より生産効率の高い生産装置としてロボットアームを用いた生産装置が使用されている。所望の製品を生産するにあたり、ロボットハンドが装着されたロボットアームによって、構成部品をピックアップし、部品同士を組み付けることで製品を高速かつ長時間にわたって休止することなく生産することが可能である。

ロボットアームをさらに精密に動作させるため、ロボットアームに力覚センサまたは加重によって生じた歪を検知する変位センサを取り付け、検知した力または歪に応じてロボットアームをフィードバック制御することで、高い精度での力制御および位置制御する技術が知られている。

特許文献１記載のハンドリング装置〔ロボットアーム９では、変位センサがロボットアームとグリッパ（ハンド）との間〕に設けられており、組み付け時にグリッパに加わった加重による歪を、変位センサで検知することでロボットアームやグリッパのフィードバック制御を行っている。

特許文献２に記載されているように力覚センサには過度な力が加わった際の破損を防止する機構が提案されている。

特許文献２に記載の力覚センサでは台座で支持された導電性のダイアフラム部に対して、その下方に配置された土台部の上面に電極が設けられている。ダイアフラム部の上面には、柱状接続部を介して盤状受力体が接続されており、盤状受力体に外力が作用するとダイアフラム部が撓むので、各電極との間の静電容量値に基づいて外力の検出を行う。盤状受力体には、下層孔部および上層孔部が設けられており、これら各孔部内に支柱部材およびストッパー部材が配置されている。支柱部材の下端は力覚センサの台座に固着されている。盤状受力体の変位は、台座の上面およびストッパー部材によって制限される。したがって、ダイアフラム部が破損しないように、盤状受力体とダイアフラム部との相対変位を規制する強固な構造を有することで過度な外力が作用しても、ダイアフラム部に損障が生じない構造になっている。

特開昭６１−２４１０８３号公報 特開２０１０−８３４３号公報

しかしながら、力覚センサが単体として強固な構造をとる力覚センサをロボットアームに搭載した場合、力覚センサ自体は破損しないものの、ロボットアームとの連結部を介してロボットアームに強い内部応力が加わった場合に、ロボットアームの構成部品に変形が生じる場合がある。ロボットアームの自由端とエンドエフェクタの間に設けられる構造体は連結構造が複雑で変形が起きやすい。

本発明の目的は、過度の外力やモーメントに対して、ロボットアームの保護も考慮した、力覚センサを搭載したロボットアームを有するロボット装置を提供することにある。

特に、本発明の目的は、強い外力が加わった場合には所定の部品を誘導的に破損し、高価なロボットアームの大規模な破損を回避し得るロボット装置を提供することにある。

本発明のロボット装置は、ロボットアームと、前記ロボットアームに取り付けられている力覚センサと、前記力覚センサに、結合部材を介して取り付けられているエンドエフェクタと、結合部材を介して取り付けられているエンドエフェクタと、を有し、前記ロボットアームまたは前記力覚センサから前記エンドエフェクタに向かうＺ軸方向に突出する第一の当接部と、前記エンドエフェクタから前記ロボットアームまたは前記力覚センサに向かうＺ軸方向に突出する第二の当接部と、前記ロボットアームまたは前記力覚センサから前記エンドエフェクタに向かうＺ軸方向に突出する第三の当接部と、前記エンドエフェクタから前記ロボットアームまたは前記力覚センサに向かうＺ軸方向に突出する第四の当接部と、をさらに有し、前記第一の当接部および前記第二の当接部は、前記Ｚ軸方向と垂直なＸ軸方向に所定のクリアランスをもって対向して設置され、前記第三の当接部および前記第四の当接部は、前記Ｚ軸方向および前記Ｘ軸方向と垂直なＹ軸方向に所定のクリアランスをもって対向して設置されていることを特徴とする。

本発明は、ロボット装置に過度な外力が加わることによる力覚センサの破損を抑制するとともに、特定の方向の力やモーメントに対しては結合部材が優先的に破損されるような構造であることによってロボットアームの大規模な破損を抑制したロボット装置を提供することが可能である。

図１は本実施形態のロボット装置を示す外観図である。 図２は本実施形態におけるロボット装置の構造の概略図である。 図３（ａ）は本実施形態をより具体的に描いた構成図である。図３（ｂ）はロボット装置のＡ−Ａ断面である。 図４は、本実施形態のロボット装置が稼働時にクラッシュ等で不測の外力がフィンガーに 加わった場合の様子を示した図である。 図５（ａ）は、磁気式力覚センサの概略的な断面図を示す図である。図５（ｂ）は、磁気式力覚センサのセンシング部（検出部）の斜視図である。

以下、図面を参照しながら本発明のロボット装置に関して説明する。

図１は本発明のロボット装置の外観図を示す。不図示の台座や床に設置されたロボットアーム１の自由端に対して、力覚センサ２が連結されていて、さらに力覚センサ２とエンドエフェクタとしてのロボットハンド３が連結されている。ロボット装置による作業によってロボットハンド３に外力が加わり、外力は力覚センサ２に伝達し検出される。

力覚センサ２としては、磁気式力覚センサ、静電容量式力覚センサ、歪ゲージ式力覚センサの如き力覚センサが使用される。以下では、磁石の如き磁束発生源とホール素子の如き磁電変換素子の対からなる磁気式力覚センサを使用することが可能である。

また、ロボットアームの自由端と力覚センサ２とエンドエフェクタを結ぶ方向をＺ軸方向とし、Ｚ軸方向と交差する異なる方向にそれぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向をとるものとすると、ロボットハンド３や、力覚センサ２に加わる外力は、Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚと、モーメントはＭｘ、Ｍｙ、Ｍｚとの６成分がそれぞれ加重されることになる。用途に応じて、上述の６成分のうちの３成分を検出する３軸センサや６軸センサなど、様々な型式のセンサを使用することが可能である。

図２は、本発明のロボット装置の構造の概略的説明図である。ロボットアームの自由端に力覚センサ２が連結され、さらに深皿状の形状の結合部材４を介して力覚センサ２とロボットハンド３が連結されている。結合部材４はＺ軸に対して軸対称な部材で構成されており、力覚センサ２と面接触して連結される底部と、底部に対して径方向に突出したフランジで形成されており、フランジとロボットハンド３とが図のようにボルト等で結合されている。

結合部材４は、ロボットハンド３及び力覚センサ２の降伏点に対応するひずみより小さなひずみで降伏する。結合部材４は、ロボットハンド３と力覚センサ２は連結するとともに、過度な外力に対して、誘導的に破損する役割を担っている。

以下の説明では、応力、ひずみ及び降伏の用語を使用して説明をおこなう。

結合部材４に外力が加わると、加重の大きさに応じてひずみが生じ応力が上昇する。加わる外力の大きさが増大するにつれて、ひずみに対して線形に応力が上昇する。このように、ひずみに対して線形に応力が上昇する弾性域では、外力が無くなるとひずみも元に戻る弾性的な変形が結合部材４に生じる。

一方、強い外力によってひずみがある大きさを超えると降伏が生じ、外力によって結合部材４に生じた変形が元に戻らなくなる（塑性域）。この弾性域と塑性域の境界は降伏点と呼ばれる。

また、ロボットアームに固定された第一の当接部５と、ロボットハンドに固定された第二の当接部６とがＸ軸方向に沿って互いに対向するように設けられている。これらは、力覚センサ２が破損せずに構造的に許容できるＸ軸方向への変形δｘに対して小さいクリアランスΔｘ（Δｘ≦δｘ）を設けて対向している。クリアランスΔｘを調整するためにさらに第一の当接部５または第二の当接部６の一方にＸ軸方向に沿ってネジ部を設けてネジの先端と他方の当接部との距離（クリアランスΔｘ）を調整させる構造をとっても良い。

つまり、第一の当接部５及び第二の当接部６は、エンドエフェクタであるロボットハンドとロボットアームとの相対位置の変化が力覚センサのＸ軸方向に対する歪の限度より小さくなるように間隔（クリアランスΔｘ）が設けられている。

第一の当接部５及び第二の当接部６は、過度なＸ軸方向の成分を有する外力が加わった場合に、互いに接触し、変位が規制されるストッパーとして機能する。

さらに、図２では不図示の紙面手前から奥に向かってのＹ軸方向に沿って同じくロボットアームに固定された第三の当接部７と、ロボットハンドに固定された第四の当接部８を設けても良い。

ロボットハンド３に加わった力Ｆｘ、Ｆｙに対しては、当接部がストッパーとして機能するため所定の大きさ以上のロボットハンド３とロボットアーム１との相対位置の変化は規制され、結果として結合部材４の変形は生じ難い。

一方、モーメントＭｘ、Ｍｙに対しては結合部材４の底部が屈曲しやすいため、過度の大きさのモーメントＭｘ、Ｍｙに対しては、結合部材４が降伏し、破損しやすい構造となっている。力覚センサ及びロボットハンドの降伏点に対応するひずみより小さなひずみで結合部材４は降伏するので、過度なモーメントが加わった際に結合部材４が優先的に変形し、破損する。

したがって、結合部材４および上述の当接部を具備することで、Ｆｘ、Ｆｙの外力に強く、Ｍｘ，Ｍｙに対して結合部材４が犠牲的な破損を起こすような、外力に対して選択的な力感受性を持つロボット装置を提供することが可能である。

また、単に力覚センサやロボットハンドを高強度に構成するよりも、本発明は、ロボット装置の構成要素の保護特性の良好なロボット装置を提供することが可能である。

図３（ａ）は、本実施形態をより具体的に示している説明図である。図３（ａ）は、説明図中の左側断面を切り欠いて描いている。ロボットアームの自由端を台座として力覚センサ２が設けられ、力覚センサ２に対してその周囲に柱部材が複数配置されており、複数の柱部材によって天面９を支持している。また、天面９には中央に開口が設けられており、この開口を通して力覚センサ２、結合部材４、ロボットハンド３が接続されている。天面９には天面の表面に沿って突出して第一の当接部５が設けられている。力覚センサ２は結合部材４を介してフィンガーを備えたエンドエフェクタとしてのロボットハンド３に連結されている。ロボットハンド３には第二の当接部６が設けられており、天面９に設けられた第一の当接部５と対向して配置されている。天面９はロボットハンドとは間隔をあけて配置されており接触しないように配置されている。図３（ａ）におけるＡ−Ａ断面を図３（ｂ）に示す。第一の当接部５は、２個（５ａ、５ｂ）設けられており、第二の当接部６は、２個（６ａ、６ｂ）設けられており、第三の当接部７（７ａ、７ｂ）設及び第四の当接部８もしれぞれ２個（８ａ、８ｂ）設けられている。第一の当接部５（５ａ，５ｂ）及び第二の当接部６（６ａ，６ｂ）は、Ｘ軸方向に沿って所定のクリアランスΔｘを設けて対向して設置されており、第三の当接部７（７ａ，７ｂ）及び第四の当接部（８ａ，８ｂ）は、Ｙ軸方向に沿って所定のクリアランスΔｙを設けて対向して設置されている。第一、第二、第三、第四の当接部によって外力Ｆｘおよび外力Ｆｙによる過負荷が生じても、対向して設けられた当接部がストッパーとして機能し、力覚センサ２を破損させるほどの力が力覚センサ２に加わることを抑制する。

また、ロボットアームに連結された天面９に設けられた第一の当接部５及び第三の当接部７と、ロボットハンドに固定された第二の当接部６及び第三の当接部８とが、紙面の手前と奥を結ぶＺ軸方向を回転軸として回転の方向に沿って、順に、第一の当接部５、第二の当接部６、第四の当接部８、第三の当接部７が設けられている。この配置は、回転の方向に沿って、順に、第二の当接部６、第一の当接部５、第三の当接部７、第四の当接部８が設けられていてもよい。

このような構成をとると、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に対する変位に対するストッパー機能に加え、Ｚ軸方向を回転軸とする回転に対して、時計回り、反時計回り、いずれの方向に対する回転に関しても変位が規制されるためモーメントＭｚに対するストッパー機能をも備えた構造とすることができる。

このような当接部を備え、連結部材４を備えたロボット装置は、Ｆｘ、Ｆｙ、Ｍｚに対する過度な力による力覚センサの破損を抑制しつつ、Ｍｘ方向や、Ｍｙの方向に過度なモーメントが加わった場合には、結合部材４が破損する。したがって、力覚センサやロボットハンド、ロボットアームのフレームに変形や歪みが生じることを抑制できる。ロボットアームの如き長手状の装置は、長手方向に対して交差する方向のモーメント成分であるＭｘ、Ｍｙに対しては弾性域が狭く、比較的小さなひずみで降伏、変形しやすい。したがって、このようなモーメント成分に対しては犠牲的に破損し、交換が容易な部品をロボット装置に組み込んでおくことで、効果的にロボット装置を構成するロボットアームやロボットハンドの如き精密機器の破損を抑制できる。また生産用途に用いられるロボット装置の如く、高い稼働率が求められる装置において、不測の外力の印加による稼働停止トラブルが起きたとしても容易に部品交換して迅速に復旧できるメリットがある。

図４は、本実施形態のロボット装置が稼働時にクラッシュ等で不測の強い外力がフィンガーに加わった場合の様子を示す図である。例えば、ロボットの軌道上に誤配置された冶具や部品などの予期せぬ障害物にロボット装置が衝突しクラッシュすると、力覚センサ２にとって過負荷なモーメントＭｙがフィンガーに印加される場合がある。

その時、ロボットハンド３は、ロボットアームの自由端に対して大きく姿勢が変化する。姿勢の変化に伴って、第一の当接部５と第二の当接部６とが接触し、Ｘ軸方向に沿っての変位は規制されるため力覚センサ２には、力覚センサ２が破損するほどの力が印加されることは抑制される。一方で、モーメントＭｙが印加されたことによる姿勢の変化によって結合部材４の底部に大きな力が加わり屈曲・破損する。このようなクラッシュが起きた際には、ただちにロボット装置が停止され、点検・復旧が行われる。結合部材４は、力覚センサ２とロボットハンド３の間に設けられた部品であり、ロボットハンド３を力覚センサ２から脱離させ、結合部材４を交換の上再びロボットハンド３を装着し、復旧させる。

一方、図４に示すようなロボットハンド３のフィンガーの台座に相当する位置に過負荷ＦｘがＸ軸方向に沿って印加される場合、すなわち加わった加重の作用線と力覚センサ２との距離が比較的短い場合がある。この場合には、モーメントではなくＸ軸方向に沿った並進方向の加重が加わった場合は第一の当接部５及び第二の当接部６が接触してストッパー機能を果たす。

＜力覚センサについて＞
本実施形態において好適に力覚センサ２の一例として、磁気式力覚センサについて以下に説明する。

図５（ａ）は、磁気式力覚センサの概略的な断面図を示す図である。センシング部は筒状の筐体１２の内部に収められている。

磁気式力覚センサは、外部からの力が作用する作用部１４と、作用部１４の力を変位に変換する弾性体１５と、第１の磁電変換素子１１と、第２の磁電変換素子１２が実装される基板１６と、複数の磁石から構成される磁束発生源１７とを有している。基板１６に実装される磁電変換素子１１，１２は十字形の作用部１４に固定され、作用部１４は環状の弾性体１５を介して柱状構造体を、間隔をあけて環状部材に配置した支持部材２０に変位可能に支持されている。さらに、基板１６に配された磁電変換素子１１，１２の出力は不図示の配線を介して出力をＡ／Ｄ変換する変換部１０９に送信される。さらに、磁気式力覚センサは演算部１１０および記憶部１１１を有している。また、磁束発生源を構成する第１の磁石に対向する位置に第１の磁電変換素子が配置され、磁束発生源を構成する第１の磁石及び前記第２の磁石との境界に近い側に第２の磁電変換素子が配置されている。

作用部１４と弾性体１５及び支持部材２０は互いに一体に形成されていてもよいし、図のように各部材ごとに構成されていてもよい。また、支持部材２０は円筒状部材など様々な形状が取り得るが、作用部１４を支持できるものであればどのような構成でもよい。

つまり外力に対して磁電変換素子と磁束発生源との相対位置を変化できる構成であればどのような構成を採用してもよい。本実施形態ではＳＵＳ等の強度の高い部材で弾性体１５や筐体１２を形成している。

図５（ｂ）は、磁気式力覚センサのセンシング部（検出部）の斜視図である。本発明においては、力のセンシングに関係する第１磁電変換素子１１と第２磁電変換素子１２と磁束発生源１７とを併せてセンシング部と称する。センシング部は以下で説明する作用部１４と磁束発生源１７との相対位置を、検知した磁場を電気信号に変換して検出する機能を果たす。センシング部は、磁石の磁極面に対向して配置された第１磁電変換素子１１ａ〜１１ｄと、第１磁電変換素子の間に配置された第２磁電変換素子１２ａ〜１２ｄと、磁束発生源（磁石）１３ａ〜１３ｄを有する。磁石１３ａ〜１３ｄは、磁極面に対して法線方向であるＺ軸方向に対してそれぞれＮ極とＳ極とが互いに逆となるように配されている。

磁束発生源１７は、隣り合う磁石、すなわち第１の磁石と第２の磁石の磁極面が互いに逆となるように配された２つ以上の磁石から構成されていればよく、磁束発生源１７を構成する磁石は４つであることが好ましい。

第１の磁石の磁極面の第１の磁極と、第２の磁石の磁極面の第２の磁極とは、隣り合っており、かつ第１の磁極と、第２の磁極とは逆極性である。

また、センシング部は一つである必要はなく、一つのセンサに複数のセンシング部が設けられていてもよい。

また、力覚センサにおいて、配置された磁電変換素子の個数は、所望の精度に応じて適宜選択してよい。

磁束発生源１７は、Ｎ極とＳ極を一対有する２つ以上の磁石１３から構成されている。磁束発生源１７は、複数の磁石を連接してなるパターンを形成してもよい。すなわち、隣りあう磁石の境界を境にして、磁石から発生する磁場の向きが逆転するように構成されていれば良い。

また、磁石１３および磁束発生源１７はＮｄ−Ｆｅ−Ｂ磁石、Ｓｍ−Ｃｏ磁石、Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎ磁石、フェライト磁石に代表されるような永久磁石であってもよく、磁性体まわりにコイルを巻き、通電することによって磁力を発生させる電磁石であってもよい。磁電変換素子１１，１２は、ホール素子、ＭＲ素子、磁気インピーダンス素子、フラックスゲート素子、巻き線コイルである。

作用部１４にＸ軸方向の力Ｆｘ、Ｙ軸方向の力Ｆｙ、Ｚ軸方向のモーメントＭｚを受けると、磁電変換素子１１，１２は、水平方向（Ｘ軸−Ｙ軸平面上）に磁束発生源１７に対して相対的に変位する。一方で、作用部１４にＸ軸方向のモーメントＭｘ、Ｙ軸方向のモーメントＭｙ、Ｚ軸方向の力Ｆｚを受けると、磁電変換素子１１，１２は、垂直方向（Ｚ軸−Ｘ軸またはＺ軸−Ｙ軸平面上）に相対的に変位することになる。磁電変換素子１１，１２は、この相対的変位によって生じる磁電変換素子を通過する磁束密度の変化を検出して、力及びモーメントに変換する。

［垂直方向成分Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙの検出］
垂直方向成分Ｆｚ，Ｍｘ，Ｍｙを算出するためには、磁石の磁極面の中心に対向して配置される第１の磁電変換素子１１ａ〜１１ｄによって検出された垂直方向成分の磁場を用いる。第１の磁電変換素子１１ａの変位によって生じる出力変化を信号増幅部で増幅し、Ａ／Ｄ変換器等を有する変換器１９を用いてＶ１ａとして検出する。同様に、第１の磁電変換素子１１ｂ〜１１ｄについてもＶ１ｂ〜Ｖ１ｄとする。

Ｆｚ＝Ｖ１ａ＋Ｖ１ｂ＋Ｖ１ｃ＋Ｖ１ｄ
Ｍｘ＝（Ｖ１ａ＋Ｖ１ｂ）−（Ｖ１ｃ＋Ｖ１ｄ）
Ｍｙ＝（Ｖ１ｂ＋Ｖ１ｃ）−（Ｖ１ａ＋Ｖ１ｄ）
Ｆｚ， Ｍｘ， Ｍｙ は、演算部１１０で以上のように計算される。Ｆｚは４つの素子の総変化量により算出し、ＭｘはＸ軸方向に対して平行に配置した素子２組のペアの変化量によって算出し、ＭｙはＹ軸方向に対して平行に配置した素子２組のペアの変化量により算出することが可能である。

［水平方向成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｍｚの検出］
水平方向成分Ｆｘ，Ｆｙ，Ｍｚを算出するためには、第１の磁電変換素子の間にそれぞれ配置された第２の磁電変換素子１２ａ〜１２ｄによって検出される水平方向成分の磁場を用いる。第２の磁電変換素子１２ａの変位によって生じる出力変化を信号増幅部で増幅し、Ａ／Ｄ変換器等で形成される変換器１０９を用いてＶ２ａとして検出する。同様に、第２の磁電変換素子１２ｂ〜１２ｄについてもＶ２ｂ〜Ｖ２ｄとする。

Ｆｘ＝Ｖ２ｂ−Ｖ２ｄ
Ｆｙ＝Ｖ２ａ−Ｖ２ｃ
Ｍｚ＝Ｖ１ａ＋Ｖ１ｂ＋Ｖ１ｃ＋Ｖ１ｄ
Ｆｘ， Ｆｙ， Ｍｚ は、演算部１０で以上のように計算される。ＦｘはＸ軸方向に対して垂直に配置した素子のペアの変化量によって算出し、ＦｙはＹ軸方向に対して垂直に配置した素子のペアの変化量によって算出し、Ｍｚは４つの素子の総変化量により算出することが可能である。

以上説明したように、２×２個の磁石の磁極面に対向してそれぞれ配置される４個の第１の磁電変換素子が垂直方向成分の力を検出し、第１の磁電変換素子の間にそれぞれ配置された４個の第２の磁電変換素子により水平方向成分の力を検出する。水平方向成分と垂直方向成分の他軸干渉を低減する６軸の磁気式力覚センサを構成することができる。

このような磁気式の力覚センサは、他軸干渉が抑えられ、高い検出精度を有するため、上述のロボット装置に好適に適用可能である。支持部材１２は過度な力が加わると破損しやすいが、前述したロボット装置に搭載することで破損が抑制されて長期間にわたって使用することが可能である。

本発明は物品の生産などの産業用途のロボット装置として好適に利用できる。

１ ロボットアーム
２ 力覚センサ
３ ロボットハンド
４ 結合部材
５ 第一の当接部
６ 第二の当接部

Claims (5)

1. ロボットアームと、
   前記ロボットアームに取り付けられている力覚センサと、
   前記力覚センサに、結合部材を介して取り付けられているエンドエフェクタと、を有し、
   前記ロボットアームまたは前記力覚センサから前記エンドエフェクタに向かうＺ軸方向に突出する第一の当接部と、
   前記エンドエフェクタから前記ロボットアームまたは前記力覚センサに向かうＺ軸方向に突出する第二の当接部と、
   前記ロボットアームまたは前記力覚センサから前記エンドエフェクタに向かうＺ軸方向に突出する第三の当接部と、
   前記エンドエフェクタから前記ロボットアームまたは前記力覚センサに向かうＺ軸方向に突出する第四の当接部と、
   をさらに有し、前記第一の当接部および前記第二の当接部は、前記Ｚ軸方向と垂直なＸ軸方向に所定のクリアランスをもって対向して設置され、前記第三の当接部および前記第四の当接部は、前記Ｚ軸方向および前記Ｘ軸方向と垂直なＹ軸方向に所定のクリアランスをもって対向して設置されていることを特徴とするロボット装置。
2. 前記力覚センサは、磁束発生源と磁電変換素子を備えた磁気式の力覚センサであることを特徴とする請求項１記載のロボット装置。
3. 前記第一の当接部及び前記第三の当接部は柱状構造体であることを特徴とする請求項１または２記載のロボット装置。
4. 前記第一の当接部及び前記第三の当接部は、前記力覚センサの周囲に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３いずれか一項記載のロボット装置。
5. 前記結合部材は、前記力覚センサと面接触して連結される底部と、前記底部に対して径方向に突出したフランジとを有し、前記フランジと前記エンドエフェクタとが連結されていることを特徴とする請求項１乃至４いずれか一項記載のロボット装置。

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