JP6496335B2

JP6496335B2 - ロボットシステム

Info

Publication number: JP6496335B2
Application number: JP2017039971A
Authority: JP
Inventors: 剛般若; 弘明山本; 岩山　貴敏; 貴敏岩山
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2017-03-03
Filing date: 2017-03-03
Publication date: 2019-04-03
Anticipated expiration: 2037-03-03
Also published as: DE102018104082A1; DE102018104082B4; JP2018144136A; CN108527361B; US20180250824A1; CN108527361A; US10478970B2

Description

本発明は、ロボットシステムに関するものである。

従来、ロボットアームの先端に小さな力を検出できるセンサを搭載し、ロボットアームの関節部に大きな力を検出できるセンサを搭載して幅広い範囲の力を検出できるようにしたロボットが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１６−１４４８６１号公報

しかしながら、特許文献１のロボットでは、小さい物体がロボットアーム間に挟まれた場合に、関節部に備えられたセンサでは挟み込みを感度よく検出することができないという不都合がある。
挟み込みが検出された場合にはロボットアームの動作を停止させる等の動作制限を行う必要があるが、仮に、関節部に備えたセンサの感度を上げて、挟み込みを検出しようとすると、通常動作時にもロボットアーム自体の振動や加速度がセンサによって検出されて、ロボットアームの動作制限が実施されてしまうという不都合がある。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、ロボットアームの意図せぬ動作制限を発生させることなく、ロボットアーム間への物体の挟み込みを防止することができるロボットシステムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、１以上の関節により相対移動させられる２以上のリンクを備えるロボット本体と、少なくとも２つの前記リンクの相互に対向する表面と、該表面間に挿入される物体との距離を検出するセンサと、該センサにより検出された距離が所定の閾値より小さい場合に、干渉回避動作を実施する制御部とを備え、前記センサが、前記関節近傍に配置され、前記リンク間に挿入された前記物体の表面までの距離を測定し、前記センサから前記物体の表面までの距離および各前記関節の角度に基づいて前記リンクの前記表面と前記物体との距離を導出するロボットシステムを提供する。

本態様によれば、関節により相対的に移動させられる２つのリンクの相互に対向する表面と、該表面間に挿入された物体との距離がセンサにより検出され、検出された距離が所定の閾値より小さい場合に、制御部によって干渉回避動作が実施される。すなわち、センサにより検出された距離が所定の閾値より小さい場合には、リンク間に挿入された物体がリンクと干渉する可能性が高いので、干渉回避動作を実施することにより、ロボット本体のリンク間への物体の挟み込みを防止することができる。関節に作用するトルクの検出によらないので、物体が小さくても、関節に近い位置に配置された物体であっても、高い感度で検出することができ、かつ、意図せぬロボット本体の動作制限等の発生を防止することができる。
本発明の他の一態様は、１以上の関節により相対移動させられる２以上のリンクを備えるロボット本体と、前記関節近傍に配置され、前記リンク間に挿入された物体の表面までの距離を測定するセンサと、該センサにより測定された前記センサから前記物体の表面までの距離、および、各前記関節の角度に基づいて、少なくとも２つの前記リンクの相互に対向する表面と前記物体との距離を導出し、導出した前記リンクの前記表面と前記物体との距離が所定の閾値より小さい場合に、干渉回避動作を実施する制御部とを備えるロボットシステムを提供する。

上記態様においては、前記制御部が、前記干渉回避動作として前記リンクと前記物体との近接を報知する報知部を備えていてもよい。
このようにすることで、物体がリンクに所定の閾値より小さい距離まで近接したことが報知部により報知され、物体をリンクから遠ざける等の対処を行わせることができる。

また、上記態様においては、前記制御部が、前記干渉回避動作として前記ロボット本体の動作を制限するように制御してもよい。
このようにすることで、物体がリンクに所定の閾値より小さい距離まで近接した場合に、ロボット本体の動作が制限され、ロボット本体が物体に干渉する可能性を低減することができる。ロボット本体の動作制限としては、ロボット本体の停止、ロボット本体の動作速度の低減、ロボット本体の動作角度の制限等を挙げることができる。

また、上記態様においては、前記制御部は、前記ロボット本体が前記リンク間の角度を相対的に小さくする方向に前記関節を動作させている場合にのみ、前記干渉回避動作を実施してもよい。
このようにすることで、ロボット本体がリンクと物体との距離を縮める方向に動いている場合にのみ干渉回避動作が実施され、リンク間の角度が大きくなる方向に関節を動作させている場合には、リンクと物体との距離が広がる方向であるため、干渉回避動作が実施されない。これにより、リンク間への物体の挟み込みを効果的に防止できるとともに、不必要な干渉回避動作が実施されることによる作業効率の低下を防止することができる。

また、本発明の参考例としての発明の態様においては、前記センサが、前記関節近傍に配置され、前記リンク間に挿入された前記物体の表面の各位置までの物体距離を測定する非接触式の距離センサと、該距離センサにより検出された前記物体距離および各前記関節の角度に基づいて前記リンクの前記表面と前記物体との距離を算出する算出部とを備えていてもよい。
このようにすることで、距離センサにより、該距離センサから物体までの物体距離が測定され、ロボット本体を構成している各関節の角度によりロボット本体の姿勢が分かるので、算出部により各リンクの表面と物体との距離を容易に算出することができる。

また、本発明の参考例としての発明の他の態様においては、前記センサが、前記リンクの各前記表面に取り付けられ、前記リンク間に挿入された前記物体の表面の各位置までの前記距離を測定する非接触式の距離センサであってもよい。
このようにすることで、リンクの各表面に取り付けられた距離センサにより、該距離センサから物体までの距離を測定することにより、各リンクの表面から物体までの距離を直接検出することができる。

また、本発明の参考例としての発明のさらに別の態様においては、前記センサが、少なくとも１つの前記リンクの前記表面に取り付けられ、前記リンク間に挿入された前記物体の接触を検出する接触式のセンサであってもよい。
このようにすることで、リンクの表面に取り付けられたセンサに物体が接触した時点で、物体とリンクとの距離がゼロであることを検出することができる。一方のリンクの表面に取り付けたセンサに物体が接触した時点でロボット本体を停止等することにより、リンク間に物体が挟み込まれることを防止することができる。

本発明によれば、ロボットアームの意図せぬ動作制限を発生させることなく、ロボットアーム間への物体の挟み込みを防止することができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るロボットシステムを示す全体構成図である。図１のロボットシステムのロボット本体に配置されたセンサを説明する側面図である。図１のロボットシステムにおける制御部を示すブロック図である。図１のロボットシステムの動作を説明するフローチャートである。図１のロボットシステムにおいてアームと物体との距離が大きい場合を示す側面図である。図１のロボットシステムにおいて図５と同じロボット本体の姿勢で、アームと物体との距離が小さい場合を示す側面図である。図１のロボットシステムにおいてアームの相対角度が図６より小さい姿勢で、アームと物体との距離が図６と同様である場合を示す側面図である。図１のロボットシステムの第１の変形例を示すロボット本体の側面図である。図１のロボットシステムの第２の変形例を示すロボット本体の側面図である。図１のロボットシステムの第３の変形例であって、ロボット本体のアームの相対角度が大きくなる場合を示す側面図である。図１のロボットシステムの第３の変形例であって、ロボット本体のアームの相対角度が減少する場合を示す側面図である。図１０および図１１のロボットシステムの動作を説明するフローチャートである。図１のロボットシステムの第４の変形例を示す制御部のブロック図である。

本発明の一実施形態に係るロボットシステム１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るロボットシステム１は、図１に示されるように、ロボット本体２と、該ロボット本体２に取り付けられたセンサ３と、ロボット本体２を制御する制御部４とを備えている。

ロボット本体２は、図１に示す例では、垂直多関節型ロボットであり、床面に固定されたベース５に対して、旋回胴６を鉛直な第１軸線Ａ回りに回転させる第１軸Ｊ１と、旋回胴６に対して水平な第２軸線Ｂ回りに第１アーム（リンク）７を回転させる第２軸Ｊ２と、第２アーム（リンク）８の先端に取り付けられ、第２アーム８に対して水平な第３軸線Ｃ回りに第２アーム８を回転させる第３軸Ｊ３と、第２アーム８の先端に設けられ相互に直交する３つの軸線Ａ，Ｂ，Ｃ回りに先端のエンドエフェクタ９を回転させる手首ユニット１０とを備えている。

センサ３は、図２に示されるように、第１アーム７と第２アーム８とを相対回転可能に連結する関節近傍に配置され、第１アーム７と第２アーム８との間に挟まれる空間に扇形状にレーザ光（図中、点線）を照射して、上記空間内に侵入してきた物体Ｘの表面において反射したレーザ光を検出することにより、物体Ｘの各位置までの距離を測定する非接触式の距離センサ１２を備えている。距離センサ１２は、ロボット本体２の動作中に所定の周期で逐次、物体距離の検出を行うようになっている。距離センサ１２は、図１に示されるように、第１アーム７および第２アーム８に設けられた凹部１１に収容される位置に配置され、第１アーム７および第２アーム８の動作を阻害しないようになっている。

制御部４は、図３に示されるように、教示されたプログラムに従ってロボット本体２を動作させるロボット制御部１３と、距離センサ１２により検出された、距離センサ１２から物体Ｘまでの距離（物体距離）と、各動作位置における各関節の角度と、予め記憶されているロボット本体２の各部の寸法とに基づいて、第１アーム７と第２アーム８との対向する表面と、上記空間に侵入した物体Ｘとの距離を算出する距離算出部（算出部）１４とを備えている。制御部４内の距離算出部１４および距離センサ１２によりセンサ３が構成されている。

また、制御部４は、距離算出部１４により算出された第１アーム７および第２アーム８の表面と物体Ｘとの距離が所定の閾値より小さいか否かを判定する判定部１５を備え、該判定部１５により閾値より小さいと判定された場合に、ロボット制御部１３によりロボット本体２の動作を制限するようになっている。ここで、ロボット本体２の動作制限としては、ロボット本体２の動作を停止させることの他、ロボット本体２の動作速度を低下させること、ロボット本体２の動作角度を制限すること等を挙げることができる。

このように構成された本実施形態に係るロボットシステム１の作用について、以下に説明する。
本実施形態に係るロボットシステム１によれば、図２に示されるように、第１アーム７と第２アーム８の関節近傍に配置された距離センサ１２から、第１アーム７と第２アーム８との間に確定される扇形状の空間にレーザ光が走査され、空間内における物体Ｘの検出が逐次行われる。

そして、空間内に物体Ｘが侵入してきた場合には、図４に示されるように、距離センサ１２によって、距離センサ１２から物体Ｘまでの距離が逐次検出される（ステップＳ１）。
また、ロボット制御部１３によりロボット本体２が教示されたプログラムに従って動作させられる際に、ロボット本体２の各軸Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３の関節の角度が逐次算出され、算出された各関節の角度と予め記憶されているロボット本体２の各部の寸法とに基づいて、第１アーム７と第２アーム８との対向する表面と、上記空間に侵入した物体Ｘとの距離が距離算出部１４により逐次算出される（ステップＳ２）。

そして、距離算出部１４により算出された距離が所定の閾値より小さいか否かが判定部１５により判定され（ステップＳ３）、閾値以上の場合には、処理を継続するか否かが判定され（ステップＳ５）、終了しない場合には、ステップＳ１からの工程が繰り返される。一方、距離算出部１４により算出された距離が所定の閾値より小さい場合には、ロボット制御部１３によりロボット本体２の動作が制限されることによる干渉回避動作が実施され（ステップＳ４）、干渉回避動作が実施された後に、処理を継続するか否かが判定される（ステップＳ５）。

この場合において、本実施形態に係るロボットシステム１によれば、トルクセンサによって第１アーム７または第２アーム８にかかる負荷を検出するのではなく、非接触式の距離センサ１２によって第１アーム７と第２アーム８との間の空間に配置されている物体Ｘまでの距離を検出するので、第１アーム７および第２アーム８と物体Ｘとの干渉の可能性を干渉の発生前に感度よく検出することができる。

そして、算出された距離が所定の閾値より小さい場合にロボット本体２の動作を制限することにより、図５から図７に示されるように第１アーム７と第２アーム８との相対角度に関わらず、算出された距離が小さい図６および図７の場合にロボット本体２の動作を制限することができる。これにより、物体Ｘとロボット本体２との干渉の可能性を低減することができ、第１アーム７と第２アーム８との間における物体Ｘの挟み込みを防止することができるという利点がある。

また、算出された距離が大きい図５の場合には、ロボット本体２の動作が制限されないので、物体Ｘとロボット本体２との干渉の可能性が低い場合の動作制限の実施を回避して、動作効率を向上することができる。

物体Ｘの大きさが既知の場合、または、距離センサ１２で物体Ｘの大きさを検出できる場合には、第１アーム７および第２アーム８の表面と物体Ｘとの距離をより正確に検出でき、より確実な挟み込み防止が実現できる。

なお、本実施形態においては、旋回胴６に回転可能に取り付けられた第１アーム７と、該第１アーム７の先端に回転可能に取り付けられた第２アーム８との間の挟み込みを防止する場合を例示して説明したが、これに代えて、旋回胴６と第１アーム７との間、旋回胴６とベース５との間における挟み込み防止に適用してもよい。また、垂直多関節型ロボットに限定されるものではなく、水平多関節型ロボットあるいは他の形式のロボットに適用してもよい。

また、本実施形態においては、第１アーム７と第２アーム８との関節近傍に配置した非接触式の距離センサ１２により物体Ｘとの距離を測定したが、これに代えて、図８に示されるように、第１アーム７および第２アーム８にそれぞれ設けた非接触式の距離センサ１２により、物体Ｘとの距離を測定することにしてもよい。また、レーザ光を走査する非接触式の距離センサ１２に代えて、静電容量センサのような他の方式の距離センサを採用してもよい。

また、非接触式の距離センサ１２に代えて、図９に示されるように、第１アーム７および第２アーム８の対向する表面にそれぞれ接触式のセンサ１６を配置してもよい。この場合には、いずれかのセンサ１６に物体Ｘが接触した場合にロボット本体２の動作制限を実施することにすればよい。なお、第１アーム７および第２アーム８の両方に接触式のセンサ１６を設けることに代えて、使用状況によっては、第１アーム７のみあるいは第２アーム８のみに接触式のセンサ１６を設けることにしてもよい。

２か所の関節近傍に非接触式の距離センサ１２を設けた場合や、第１アーム７および第２アーム８の表面に非接触式の距離センサ１２または接触式のセンサ１６を設けた場合には、２つの距離情報から物体Ｘの位置がより正確に特定できるため、より確実な挟み込み防止が実現できる。

また、本実施形態においては、第２アーム８として、長手軸回りに回転する構造を有するものを用いてもよい。この場合、挟み込みに関係する第２アーム８の表面は、回転による第２アーム８の姿勢変更により長手軸回りに位置が変わるため、第２アーム８の全面に非接触式の距離センサ１２または接触式のセンサ１６を設けることが好ましい。

第２アーム８全面に非接触式の距離センサ１２または接触式のセンサ１６を設けた場合、第２アーム８の長手軸回りの姿勢によって、挟み込みに関係する第２アーム８の表面を特定することができる。したがって、挟み込みに関係する表面のセンサ検出情報だけを使用することで、挟み込みの誤検出を防止することができる。

また、本実施形態においては、距離算出部１４により算出された第１アーム７または第２アーム８の表面から物体Ｘまでの距離が所定の閾値より小さい場合には、常にロボット本体２の動作制限を実施することとしたが、これに代えて、図１０に示されるように、ロボット本体２が第１アーム７と第２アーム８との相対角度を小さくする方向に移動している場合には、ロボット制御部１３がロボット本体２の動作制限を実施し、図１１に示されるように、相対角度を大きくする方向に移動している場合には動作制限を実施しないように制御してもよい。この場合、図１２に示されるように、干渉回避動作を実施するための条件として、第１アーム７と第２アーム８との相対角度が減少しているか否かを判定する（ステップＳ６）。

このようにすることで、第１アーム７と第２アーム８との相対角度が大きくなる方向に移動している場合には、第１アーム７と第２アーム８との間に挟み込みが発生する可能性が低いので、ロボット本体２が動作制限されないようにして、動作効率を向上することができるという利点がある。

また、本実施形態に係るロボットシステム１によれば、干渉回避動作としてロボット本体２を動作制限する場合を例示して説明したが、図１３に示されるように、これに代えて、または、これに加えて、制御部４にランプや音などの報知部１７を設け、距離算出部１４により算出された第１アーム７または第２アーム８の表面から物体Ｘまでの距離が所定の閾値より小さい場合には、その旨を報知部１７により報知することにしてもよい。これにより、ロボット本体２の周辺に存在する作業者が、物体Ｘとロボット本体２との干渉の可能性に気づき、干渉を回避するように物体Ｘを移動させることができる。

１ロボットシステム
２ロボット本体
３センサ
４制御部
７第１アーム（リンク）
８第２アーム（リンク）
１２距離センサ（センサ）
１４距離算出部（算出部）
１６接触式のセンサ（センサ）
１７報知部
Ｘ物体

Claims

１以上の関節により相対移動させられる２以上のリンクを備えるロボット本体と、
少なくとも２つの前記リンクの相互に対向する表面と、該表面間に挿入される物体との距離を検出するセンサと、
該センサにより検出された距離が所定の閾値より小さい場合に、干渉回避動作を実施する制御部とを備え、
前記センサが、前記関節近傍に配置され、前記リンク間に挿入された前記物体の表面までの距離を測定し、前記センサから前記物体の表面までの距離および各前記関節の角度に基づいて前記リンクの前記表面と前記物体との距離を導出するロボットシステム。
１以上の関節により相対移動させられる２以上のリンクを備えるロボット本体と、
前記関節近傍に配置され、前記リンク間に挿入された物体の表面までの距離を測定するセンサと、
該センサにより測定された前記センサから前記物体の表面までの距離、および、各前記関節の角度に基づいて、少なくとも２つの前記リンクの相互に対向する表面と前記物体との距離を導出し、導出した前記リンクの前記表面と前記物体との距離が所定の閾値より小さい場合に、干渉回避動作を実施する制御部とを備えるロボットシステム。
前記制御部が、前記干渉回避動作として前記リンクと前記物体との近接を報知する報知部を備える請求項１または請求項２に記載のロボットシステム。
前記制御部が、前記干渉回避動作として前記ロボット本体の動作を制限するように制御する請求項１から請求項３のいずれかに記載のロボットシステム。
前記制御部は、前記ロボット本体が前記リンク間の角度を相対的に小さくする方向に前記関節を動作させている場合にのみ、前記干渉回避動作を実施する請求項１から請求項４のいずれかに記載のロボットシステム。