JP6753836B2 - ロボットとその衝突検知方法 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットとその衝突検知方法に関するものである。

従来、重力による負荷が作用する軸のサーボモータのトルクを補助する装置として、重力方向とは逆方向にトルクを発生させるガススプリングからなるバランサを備えたロボットが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
ガススプリングは、同等の出力を発生可能なコイルスプリングと比較して、小型軽量であるため、ロボットの小型軽量化及び低コスト化を図ることができる。
特許文献１のロボットは、ガススプリングのシリンダに対するピストンロッドの動作に伴うガスの漏出によるシリンダ内圧低下を検知している。

また、サーボモータのトルクに基づいて衝突による外力を算出し、算出された外力が所定の閾値より大きい場合に、ロボットの衝突を検知する衝突検知方法が知られている（例えば、特許文献２参照。）。

特許第５６２８９５３号公報 特開２０１３−１６９６０９号公報

しかしながら、特許文献１のロボットでは、ガスの漏出によるガススプリングのシリンダ内圧低下が発生した場合には、その旨の表示がなされることにより、ユーザあるいはロボットシステムがシリンダ内圧低下の発生を認識することができるに留まる。
また、特許文献２の方法によれば、サーボモータのトルクに基づいて衝突を検知することができるが、ガススプリングのシリンダ内圧低下が発生している場合には、衝突検知の精度が著しく低下する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、ガススプリングのシリンダ内圧低下が発生した場合においても、精度よくロボットの衝突を検知することができるロボットとその衝突検知方法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、少なくとも１つのアームを備えたロボット本体と、該ロボット本体の前記アームのバランサとして機能するガススプリングと、該ガススプリングのシリンダ内圧を検知する内圧検知部と、前記ロボット本体を制御する制御装置とを備え、該制御装置は、前記アームを駆動するサーボモータへのトルク指令値と、実際に前記アームを動作させるために必要となった前記サーボモータのトルクとの差分を推定外乱値として算出し、該推定外乱値が所定の閾値を超えた場合に前記ロボット本体が衝突したと判定するとともに、前記内圧検知部により検知された前記シリンダ内圧に基づいて、前記推定外乱値または前記閾値を補正するロボットを提供する。

本態様によれば、内圧検知部によりガススプリングのシリンダ内圧が検知され、制御装置により、アームを駆動するサーボモータへのトルク指令値と実際にアームを動作させるために必要となったサーボモータのトルクとの差分が推定外乱値として算出され、算出された推定外乱値または閾値が検知されたシリンダ内圧に基づいて補正される。そして、補正された値に基づき、推定外乱値が閾値を超えたか否かによりロボット本体の衝突が判定される。

ガススプリングのシリンダ内圧が低下しているときには、サーボモータによって余分にトルクを発生する必要があるため、実際にアームを動作させるために必要となるサーボモータのトルクは増大し、推定外乱値も増大するが、本態様によれば、検知されたシリンダ内圧によって推定外乱値またはこれと比較する閾値を補正することにより、ガススプリングのシリンダ内圧低下が発生した場合においても、衝突の誤検知を防止して精度よくロボットの衝突を検知することができる。

上記態様においては、前記制御装置は、前記内圧検知部により検知された前記シリンダ内圧と、適正量のガスが充填されている状態での前記シリンダ内圧との差分に基づくトルク変化分を用いて前記推定外乱値または前記閾値を補正してもよい。
このようにすることで、シリンダ内圧の低下によりサーボモータによって新たに受け持つ必要が生じたトルクの変化分によって推定外乱値を精度よく補正することができる。

また、上記態様においては、前記内圧検知部が、前記ガススプリングに備えられた圧力センサであってもよい。
このようにすることで、ガススプリングのシリンダ内圧の変化を圧力センサにより直接検知することができる。

また、上記態様においては、前記内圧検知部が、適正量のガスが充填されている状態で前記アームを所定の判定位置に配置したときの前記サーボモータの電流値を基準値として、前記アームを前記判定位置に配置したときの前記サーボモータの電流値と前記基準値との差分に基づいて前記シリンダ内圧を推定してもよい。
このようにすることで、新たなセンサを用いることなく、サーボモータの電流値から簡易にシリンダ内圧を推定することができる。

また、上記態様においては、前記内圧検知部が、前記ガススプリングを構成するシリンダに対するピストンの総動作距離を積算し、積算された前記総動作距離に基づいて前記シリンダ内圧を推定してもよい。
ガススプリングはシリンダに対するピストンの摺動距離に応じて内部に封入されているガスが漏出することが知られている。このため、総動作距離を計算することにより、シリンダ内圧を簡易に推定することができる。

また、本発明の他の態様は、少なくとも１つのアームを備えたロボット本体の前記アームのバランサとして機能するガススプリングのシリンダ内圧を検知する内圧検知ステップと、前記ロボット本体の前記アームを駆動するサーボモータへのトルク指令値と、実際に前記アームを動作させるために必要となったサーボモータのトルクとの差分を推定外乱値として算出する外乱算出ステップと、前記内圧検知ステップにより検知された前記シリンダ内圧に基づいて、前記推定外乱値を補正する補正ステップと、該補正ステップにより補正された前記推定外乱値が所定の閾値を超えた場合に前記ロボット本体が衝突したと判定する判定ステップとを含むロボットの衝突検知方法を提供する。

本発明によれば、多関節ロボットの補助トルクとしてガススプリングを採用しているロボットにおいて、ガススプリングのシリンダの内圧が変動した場合においても、精度よくロボットの衝突を検知することができる。

本発明の一実施形態に係るロボットを示す全体構成図である。 図１のロボットにおける第１アームに必要なトルクの（Ａ）適正量のガスが封入されている場合、（Ｂ）ガスが漏出した場合のそれぞれのサーボモータおよびガススプリングによるトルクの配分を示す図である。 図１のロボットの衝突検知方法を示すフローチャートである。 図１のロボットのガススプリングの内圧が低下した場合の推定外乱値が推移する例を示す図である。

本発明の一実施形態に係るロボット１とその衝突検知方法について、図面を参照しながら以下に説明する。
本実施形態に係るロボット１は、図１に示されるように、直立多関節型のロボット本体２と、該ロボット本体２を制御する制御装置３とを備えている。

ロボット本体２は、被設置面（床面）に固定されるベース４と、ベース４に対して鉛直な第１軸線Ａ回りに回転可能に支持された旋回胴５と、旋回胴５に対して水平な第２軸線Ｂ回りに回転可能に支持された第１アーム（アーム）６と、第１アーム６の先端に水平な第３軸線Ｃ回りに回転可能に支持された第２アーム（アーム）７と、第２アーム７の先端に支持された３軸の手首ユニット８とを備えている。

また、本実施形態に係るロボット本体２は、旋回胴５と第１アーム６との間に、ガススプリング９を備えている。ガススプリング９は、第１アーム６に回転可能に支持されたシリンダ１０と、旋回胴５に回転可能に支持されシリンダ１０内を長手軸方向に沿って摺動させられるピストンロッド（ピストン）１１とを備え、シリンダ１０内部には不活性ガスが封入されている。

ガススプリング９は、重力による大きな負荷が作用する第１アーム６を駆動するサーボモータ１２の負荷を軽減するバランサとして機能するようになっている。
制御装置３はロボット本体２の各軸のサーボモータ１２を制御するようになっている。

第１アーム６には、図２に示されるように、サーボモータ１２によるトルクＴｓ_０とガススプリング９によるトルクＴｇ_０，または、サーボモータ１２によるトルクＴｓ_１とガススプリング９によるトルクＴｇ_１とが同時に作用し、動作に必要なトルクＴｒが賄われている。図２において、（Ａ）は適正量のガスがガススプリング９に充填されている場合のトルク配分を示し、（Ｂ）はガスが漏出してシリンダ１０のシリンダ内圧が低下している状態のトルク配分を示している。

上述したようにガススプリング９は、第１アーム６のバランサとして機能するので、第１アーム６を駆動するために必要なトルクＴｒは、サーボモータ１２のトルクＴｓ_０とガススプリング９によるトルクＴｇ_０の合計となる。ガスが漏出してくると、ガススプリング９によるトルクがＴｇ_１まで低下するので、必要トルクＴｒを得るためには、サーボモータ１２のトルクをＴｓ_１まで大きくする必要がある。

サーボモータ１２のトルクＴｓ_０，Ｔｓ_１は、サーボモータ１２の電流値に基づいて算出することができ、ガススプリング９によるトルクＴｇ_０，Ｔｇ_１はシリンダ内圧に基づいて算出することができる。
制御装置３は、各軸のサーボモータ１２に供給する電流指令値と、実際に検出された各軸のサーボモータ１２の電流値との差分とを推定外乱値として算出し、該推定外乱値が所定の閾値を超えた場合に、ロボット本体２が外部の物体に衝突したものと判定するようになっている。

そして、本実施形態に係るロボット１によれば、シリンダ内圧を検知する圧力センサ（図示略：内圧検知部）を備え、制御装置３は、圧力センサにより検知されたシリンダ内圧に基づいて、推定外乱値または閾値を補正する補正部として機能するようになっている。

具体的には、制御装置３は、適正量のガスが封入されている状態で、第１アーム６を所定の判定位置に配置したときに圧力センサにより検知されたシリンダ内圧を基準として、ロボット本体２を動作させた後の適時に第１アーム６を同じ判定位置に配置したときに圧力センサにより検知されたシリンダ内圧との差分を算出する。そして、当該差分に対応するトルクをガススプリング９によるトルクＴｇ_０，Ｔｇ_１の変化分ΔＴｇとして算出するようになっている。

そして、制御装置３は、算出された推定外乱値からガススプリング９によるトルク変化分ΔＴｇを減算することにより、例えば、推定外乱値を補正し、補正された推定外乱値と閾値とを比較することにより、ロボット本体２の外部の物体との衝突を判定するようになっている。あるいは、設定されている閾値にトルク変化分ΔＴｇを加算して、補正された閾値と推定外乱値とを比較することにより、ロボット本体２の外部の物体との衝突を判定するようになっている。

このように構成された本実施形態に係るロボット１の衝突検知方法について、以下に説明する。
本実施形態に係るロボット１の衝突検知方法は、図３に示されるように、適正量のガスが封入されている状態で、第１アーム６を所定の判定位置に配置して圧力センサによりシリンダ内圧を検知し、検知されたシリンダ内圧を基準内圧として記憶する（ステップＳ１）。

その後、ロボット本体２を動作させ、シリンダ内圧を検知する時期であるか否かが判定され（ステップＳ２）、判定する時期である場合には、第１アーム６が判定位置に配置されたときに、圧力センサによりシリンダ内圧を検知する（内圧検知ステップＳ３）。同じ判定位置で検知されたシリンダ内圧と基準内圧との差分が算出され（ステップＳ４）、算出された差分を用いて、ガススプリング９によるトルクＴｇ_０，Ｔｇ_１の変化分ΔＴｇが算出される（ステップＳ５）。

ロボット本体２の動作中には、各軸のサーボモータ１２に指令される電流指令値と、実際にサーボモータ１２に流れたことが検出された電流値との差分に基づいて推定外乱値が算出される（外乱算出ステップＳ６）。推定外乱値は、例えば、図４に一点鎖線で示されるように変化する。

そして、算出された推定外乱値から変化分ΔＴｇに相当する電流変化分ΔＩｇが減算されて、補正された推定外乱値（図４中、実線で示す）が算出される（補正ステップＳ７）。
その後に、補正された推定外乱値と閾値とが比較され（ステップＳ８）、補正された推定外乱値が閾値を超えた場合にロボット本体２が外部の物体と衝突したと判定され（判定ステップＳ９）、その旨が報知される。また、補正された推定外乱値が閾値以下の場合には、ステップＳ２からの工程が実行される。
ステップＳ２においてシリンダ内圧を検知する時期ではないと判定された場合には、外乱算出ステップＳ６からの工程が実行される。

このように、本実施形態に係るロボット１とその衝突検知方法によれば、サーボモータ１２の電流値に基づいてロボット１の衝突を検知している場合に、ガススプリング９のシリンダ内圧が低下している場合には、算出されるサーボモータ１２の推定外乱値が一点鎖線で示されるように大きくなるが、図４に実線で示すようにシリンダ内圧に基づいて推定外乱値または閾値が補正されるので、ロボット１の衝突の誤検知を防止して衝突を精度よく検知することができるという利点がある。

なお、本実施形態においては、内圧検知部として、ガススプリング９のシリンダ内圧を検知する圧力センサを例示したが、これに代えて、適正量のガスが充填されている状態で第１アーム６を所定の判定位置に配置したときのサーボモータ１２の電流値を基準値として記憶しておき、ロボット本体２の動作後の適時に、第１アーム６を再度判定位置に配置したときのサーボモータ１２の電流値と基準値との差分に基づいてシリンダ内圧を推定することにしてもよい。
このようにすることで、圧力センサを用意することなく、シリンダ内圧の低下を検知することができる。

また、内圧検知部として、ガススプリング９のシリンダ１０に対するピストンロッド１１の総動作距離を累積して算出し、算出された総動作距離に基づいてシリンダ内圧を推定することにしてもよい。
これによっても、特別なセンサを設けることなく、第１アーム６の回転角度に応じて簡易に総動作距離を算出することができる。

１ ロボット
２ ロボット本体
３ 制御装置
６ 第１アーム（アーム）
７ 第２アーム（アーム）
９ ガススプリング
１０ シリンダ
１１ ピストンロッド（ピストン）
１２ サーボモータ
Ｓ３ 内圧検知ステップ
Ｓ６ 外乱算出ステップ
Ｓ７ 補正ステップ
Ｓ９ 判定ステップ

Claims (6)

1. 少なくとも１つのアームを備えたロボット本体と、
   該ロボット本体の前記アームのバランサとして機能するガススプリングと、
   該ガススプリングのシリンダ内圧を検知する内圧検知部と、
   前記ロボット本体を制御する制御装置とを備え、
   該制御装置は、前記アームを駆動するサーボモータへのトルク指令値と、実際に前記アームを動作させるために必要となった前記サーボモータのトルクとの差分を推定外乱値として算出し、該推定外乱値が所定の閾値を超えた場合に前記ロボット本体が衝突したと判定するとともに、前記内圧検知部により検知された前記シリンダ内圧に基づいて、前記推定外乱値または前記閾値を補正するロボット。
2. 前記制御装置は、前記内圧検知部により検知された前記シリンダ内圧と、適正量のガスが充填されている状態での前記シリンダ内圧との差分に基づくトルク変化分を用いて前記推定外乱値または前記閾値を補正する請求項１に記載のロボット。
3. 前記内圧検知部が、前記ガススプリングに備えられた圧力センサである請求項１または請求項２に記載のロボット。
4. 前記内圧検知部が、適正量のガスが充填されている状態で前記アームを所定の判定位置に配置したときの前記サーボモータの電流値を基準値として、前記アームを前記判定位置に配置したときの前記サーボモータの電流値と前記基準値との差分に基づいて前記シリンダ内圧を推定する請求項１または請求項２に記載のロボット。
5. 前記内圧検知部が、前記ガススプリングを構成するシリンダに対するピストンの総動作距離を積算し、積算された前記総動作距離に基づいて前記シリンダ内圧を推定する請求項１または請求項２に記載のロボット。
6. 少なくとも１つのアームを備えたロボット本体の前記アームのバランサとして機能するガススプリングのシリンダ内圧を検知する内圧検知ステップと、
   前記ロボット本体の前記アームを駆動するサーボモータへのトルク指令値と、実際に前記アームを動作させるために必要となったサーボモータのトルクとの差分を推定外乱値として算出する外乱算出ステップと、
   前記内圧検知ステップにより検知された前記シリンダ内圧に基づいて、前記推定外乱値を補正する補正ステップと、
   該補正ステップにより補正された前記推定外乱値が所定の閾値を超えた場合に前記ロボット本体が衝突したと判定する判定ステップとを含むロボットの衝突検知方法。
   
   
   
   

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