JP6841802B2

JP6841802B2 - ロボットおよびロボットシステム

Info

Publication number: JP6841802B2
Application number: JP2018163209A
Authority: JP
Inventors: 一隆中山; 健一郎小栗
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2018-08-31
Filing date: 2018-08-31
Publication date: 2021-03-10
Anticipated expiration: 2038-08-31
Also published as: DE102019122415A1; US20200070341A1; US11358276B2; CN110871455A; JP2020032517A

Description

本発明は、ロボットおよびロボットシステムに関する。

従来、第１軸から第３軸までのそれぞれを駆動させるため高駆動力サーボモータと、第４軸から第６軸までのそれぞれを駆動させるための低駆動力サーボモータと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。）。また、作業者が直接アームに触れて動かすことによってアームの可動を許容するダイレクト教示を行う人間協働ロボットシステムが知られている（例えば、特許文献２参照。）。

特開平１１−７７５７１号公報特開２０１８−１１１１７４号公報

しかしながら、特許文献２に記載された作業者と協働作業を行う協働するロボットは、作業者の安全を確保するために、作業者との接触を検出するための高感度のトルクセンサを各軸に備えている。トルクセンサを各軸に備えてしまうと、高感度のトルクセンサは高価であるため、ロボットが高価になってしまう。
本発明は、作業者の安全性を確保しつつ低コスト化を図ることができるロボットおよび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、複数の手首関節を備える手首部と、該手首部の３次元空間上での位置を決定する複数の基本関節を備え、各該基本関節のみに、各該基本関節の軸線回りのトルクを検出するトルクセンサが備えられているロボットを提供する。

本態様によれば、複数の基本関節を動作させることにより、手首部の３次元空間上の位置が決定され、手首部を構成する複数の手首関節を動作させることにより、手首部の先端に取り付けるツールの姿勢が決定される。作業者がロボットの任意の位置に接触した場合には、複数の基本関節にそれぞれ備えられたトルクセンサのいずれかによって基本関節の軸線回りのトルクが検出される。これにより、手首関節の軸線回りのトルクが検出されなくても、作業者とロボットとの接触を高感度に検出することができるとともに、手首関節にトルクセンサを設けないので低コスト化を図ることができる。

上記態様においては、前記手首関節を駆動させるモータと、各該モータに供給される電流を検出する電流検出部と、検出された電流に基づいて、前記手首関節の軸線回りのトルクを推定するトルク推定部とを備える。

この構成により、各手首関節にトルクセンサが配置されていなくても、各手首関節を駆動させるモータの電流に基づいて、トルク推定部により各手首関節の軸線回りのトルクが推定される。これにより、高価なトルクセンサの手首関節への設置を不要として低コスト化を図るとともに、手首部に取り付けられたツールへの作業者の接触についても検出して、作業者の安全性を確保することができる。

上記態様においては、外力により各前記基本関節の軸線回りに発生したトルクが前記トルクセンサにより検出された場合に、検出されたトルクと同方向に各前記基本関節を動作させる制御部を備えていてもよい。

この構成により、手首部またはツールに外力が加わった場合に、制御部により外力の向きと同方向に各基本関節が駆動されるため、手首を３次元空間上において容易に所望の方向に移動させることができる。一方で、手首部は、外力の方向に動作させる制御が行われないため、外力を受けてもツールの姿勢を維持することができる。

上記態様においては、３つの前記基本関節を備え、各該基本関節に前記トルクセンサが備えられていてもよい。
この構成により、３つの基本関節の作動によって手首部の３次元的な位置を任意に決定することができる。そして、各基本関節に備えられたトルクセンサによって３次元方向のトルクを検出することができる。

上記態様においては、４つの前記基本関節を備え、各該基本関節に前記トルクセンサが備えられていてもよい。
この構成により、４つの基本関節の内の１つの基本関節を冗長軸として機能させることができ、手首部を３次元空間上の任意の位置に固定しながら、複数の基本関節を備える基本軸部を複数の状態に変化させることができる。作業者がロボットの任意の位置に接触した場合には、４つの基本関節にそれぞれ備えられたトルクセンサのいずれかによって基本関節の軸線回りのトルクが検出される。これにより、手首関節の軸線回りのトルクが検出されなくても、作業者とロボットとの接触を高感度に検出することができるとともに、手首関節にトルクセンサを設けないので低コスト化を図ることができる。

上記態様においては、４つの前記基本関節を備え、冗長軸となる１つの前記基本関節を除く３つの前記基本関節に前記トルクセンサが備えられていてもよい。
この構成により、４つの基本関節の内の１つの基本関節を冗長軸として機能させることができ、手首部を３次元空間上の任意の位置に固定しながら、複数の基本関節を備える基本軸部を複数の状態に変化させることができる。作業者がロボットの任意の位置に接触した場合には、冗長軸を除く３つの基本関節にそれぞれ備えられたトルクセンサのいずれかによって各基本関節の軸線回りのトルクが検出される。これにより、手首関節の軸線回りのトルクが検出されなくても、作業者とロボットとの接触を高感度に検出することができるとともに、手首関節および冗長軸となる１つの基本関節にトルクセンサを設けないので低コスト化を図ることができる。

上記態様においては、各前記基本関節に備えられた前記トルクセンサが同一であってもよい。
この構成により、部品の種類を削減し低コスト化を図ることができる。

上記態様においては、前記手首部が、挟み込み防止構造を備えていてもよい。
この構成により、トルクセンサが配置されていない手首部に作業者が挟み込まれることを防止でき作業者の安全性を向上することができる。

また、本発明の他の態様は、上記ロボットと、該ロボットを制御する制御装置とを備え、前記ロボットの輪郭形状情報が前記制御装置に記憶され、該制御装置が、少なくとも１つの前記基本関節の前記軸線上に、前記ロボットの輪郭が重ならないように、前記基本関節および前記手首関節の少なくとも１つの動作範囲に制限を設けるロボットシステムである。

また、本発明の他の態様は、上記のロボットと、該ロボットを制御する制御装置とを備え、少なくとも１つの前記基本関節の前記軸線上に、前記ロボットの輪郭が重ならないように、前記基本関節および前記手首関節の少なくとも１つの動作範囲にメカ機構による制限を設けるロボットシステムである。

上記態様においては、前記手首関節の先端にツールが取り付けられ、前記制御装置に、前記ツールの輪郭形状情報が記憶され、前記制御装置が、少なくとも１つの前記基本関節の前記軸線上に、前記ツールの輪郭が重ならないように、前記基本関節および前記手首関節の少なくとも１つの動作範囲に制限を設けてもよい。

本発明によれば、作業者の安全性を確保しつつ、低コスト化を図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の概略平面図である。図１のロボットのベースと旋回胴との接続部分の概略側面図である。図１のロボットの制御装置によるモータのトルク制御のブロック線図である。図１の変形例に係るロボットの概略平面図である。図１のロボットを備えるロボットシステムの概略全体図である。

本発明の一実施形態に係るロボット１００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１００は、それぞれの軸線回りに回転駆動される６つの関節を備える垂直多関節型ロボットである。

ロボット１００は、図１に示されるように、設置面に固定されたベース（基本関節）１と、ベース１に対して鉛直方向に延びるＪ１軸（軸線）回りに回転可能に支持された旋回胴（基本関節）２と、旋回胴２に対してＪ１軸に直交する水平なＪ２軸（軸線）回りに回転可能に支持された第１アーム（基本関節）３と、第１アーム３に対してＪ２軸に平行なＪ３軸（軸線）回りに回転可能に支持された第２アーム（基本関節）４と、第２アーム４に対してＪ３軸とねじれの位置にあるＪ４軸（軸線）回りに回転可能に支持された第１手首要素（手首関節）５と、第１手首要素５に対してＪ４軸に直交するＪ５軸（軸線）回りに回転可能に支持された第２手首要素（手首関節）６と、第２手首要素６に対してＪ５軸に直交するＪ６軸（軸線）回りに回転可能に支持された第３手首要素（手首関節）７とを備えている。なお、以降では、ベース１から第２アーム４までを基本軸部５０といい、第１手首要素５から第３手首要素７までを手首部６０ともいう。

また、ロボット１００は、ベース１と旋回胴２との間に配置されてＪ１軸回りのトルクを検出する第１トルクセンサ（トルクセンサ）Ｓ１と、旋回胴２と第１アーム３との間に配置されてＪ２軸回りのトルクを検出する第２トルクセンサ（トルクセンサ）Ｓ２と、第１アーム３と第２アーム４との間に配置されてＪ３軸回りのトルクを検出する第３トルクセンサ（トルクセンサ）Ｓ３とを備えている。各トルクセンサＳ１，Ｓ２，Ｓ３としては、同一のトルクセンサが用いられている。なお、ロボット１００は、手首部６０のＪ４，Ｊ５，Ｊ６軸回りのトルクを検出するためのトルクセンサを備えていない。

また、ロボット１００は、Ｊ１〜Ｊ６軸回りに各部を駆動させる各モータＭＴ１〜ＭＴ６と、各モータＭＴ１〜ＭＴ６を制御する制御装置１０とを備えている。図中、符号ＥＮ１〜ＥＮ６はモータＭＴ１〜ＭＴ６のＪ１〜Ｊ６軸回りの回転角度を検出するエンコーダである。なお、ベース１に対して旋回胴２をＪ１軸回りに駆動させるモータＭＴ１およびエンコーダＥＮ１は、図２に示され、図１における図示が省略されている。

制御装置１０は、図示されていないＣＰＵと、ＲＯＭと、ＲＡＭとで構成されている。ＣＰＵが、ＲＯＭに格納されたプログラムを、ＲＡＭに展開することにより、制御装置１０は各プログラム機能を実行する。

制御装置１０は、図３に示されるように、ロボット１００に備えられた各モータＭＴ１〜ＭＴ６に対して駆動電流を出力しモータＭＴ１〜ＭＴ６を駆動する。図中、表示を簡略化するために、モータＭＴ１〜ＭＴ６はロボット１００から離れた位置に纏めて配置されている。

制御装置１０は、モータＭＴ１〜ＭＴ６への駆動電流を検出する電流検出部１１と、検出された駆動電流に基づいてＪ４〜Ｊ６軸回りの推定トルクＴｒを推定するトルク推定部１３と、エンコーダＥＮ１〜ＥＮ６により検出された回転角度による位置フィードバックおよび電流検出部１１により検出された駆動電流による電流フィードバックを実施するとともに、トルク推定部１３により推定された推定トルクＴｒおよびトルクセンサにより検出された検出トルクＴとに基づいてモータＭＴ１〜ＭＴ６を制御する制御部１２とを備えている。

トルク推定部１３は、電流検出部１１により検出された手首部６０のモータＭＴ４〜ＭＴ６への駆動電流に基づいて、Ｊ４〜Ｊ６軸回りのトルクＴｒを推定する。

制御部１２は、教示モードにおいて、トルクセンサＳ１〜Ｓ３により検出トルクＴが検出された場合には、Ｊ１〜Ｊ３軸回りに作用するトルクの方向と同じ方向にＪ１〜Ｊ３軸回りに基本軸部５０を回転させるためのトルクをモータＭＴ１〜ＭＴ３に入力する。すなわち、制御部１２は、モータＭＴ１〜ＭＴ３を制御することにより、外力によってＪ１〜Ｊ３軸回りに発生する回転を補助するトルクを発生させる。なお、補助するトルクは、トルクセンサＳ１〜Ｓ３の検出トルクＴの大きさに応じて変化させてもよいし、一定であってもよい。

また、制御部１２は、手首部６０あるいは手首部６０に装着されたツールに外力が作用した場合に、モータＭＴ４〜ＭＴ６への駆動電流の変化によりトルク推定部１３により推定された推定トルクＴｒに基づいて、ツールへの作業者の接触を検出し、ロボット１００を停止あるいは退避動作させるよう、モータＭＴ１〜ＭＴ６を制御する。

このように構成された本実施形態に係るロボット１００の作用について以下に説明する。
基本軸部５０の３つの基本関節が回転駆動されることにより、手首部６０の３次元空間上の位置が決定され、手首部６０の３つの手首関節が回転駆動されることにより、手首部６０の先端に取り付けられるツールの姿勢が決定される。

例えば、作業者がロボット１００の任意の位置に接触した場合には、トルクセンサＳ１〜Ｓ３のいずれかによって、Ｊ１〜Ｊ３軸回りのトルクとして外力がロボット１００に加わっていると判定される。また、作業者が、手首部６０あるいはツールに接触した場合には、トルク推定部１３によって推定トルクＴｒが推定され、作業者の接触が検出される。

これにより、Ｊ４〜Ｊ６軸回りのトルクが検出されなくても、作業者とロボット１００との接触を高感度に検出できるとともに、Ｊ４〜Ｊ６軸にトルクセンサを設けずに済むのでロボット１００の低コスト化を図ることができる。

また、トルク推定部１３は、電流検出部１１により検出されるモータＭＴ４〜ＭＴ６の電流に基づいて、Ｊ４〜Ｊ６軸回りのトルクを推定するため、Ｊ４〜Ｊ６軸にトルクセンサが配置されていなくてもよい。これにより、高価なトルクセンサをＪ４〜Ｊ６軸に設置せずにロボット１００の低コスト化を図るとともに、Ｊ４〜Ｊ６軸に取り付けられたツールと作業者との接触についても検出して、作業者の安全を確保することができる。

また、制御部１２は、教示モードにおいて、手首部６０またはツールに外力が加わった場合に、外力の向きと同方向にＪ１〜Ｊ３軸を駆動する。これにより、ロボット１００に外力を加えることにより３次元空間上における手首部６０の位置を容易に変更できる。一方で、制御部１２が手首部６０に対して外力による制御を行わないため、外力を受けてもツールの姿勢を維持できる。

上記実施形態に係るロボット１００は、Ｊ１〜Ｊ３軸回りの３つの基本関節を備える基本軸部５０とＪ４〜Ｊ６軸回りの３つの手首関節を備える手首部６０とを備えていた。これに代えて、図４に示されるように、Ｊ１〜Ｊ６軸回りの６つの関節に加えて、さらに、Ｊａ軸（冗長軸）回りの冗長関節を備えたロボット１０１を採用してもよい。ロボット１０１は、第１アーム３に対してＪ２軸に直交するＪａ軸回りに回転する冗長アーム８と、冗長アーム８を駆動するモータＭＴａとを備えている。ロボット１０１は、Ｊａ軸回りのトルクを検出するトルクセンサを備えている。

この７軸多関節型のロボット１０１によれば、冗長関節によって、手首部６０を３次元空間上の位置に固定しながら、基本軸部５０を複数の状態に変化させることができる。なお、冗長関節にはトルクセンサを備えなくてもよい。

また、上記実施形態に係る手首部６０は、作業者を挟み込まないための防止構造を備えていてもよい。防止構造としては、例えば、第２手首要素６と第３手首要素７との接続部分の継ぎ目を小さくしたり、第２手首要素と第３手首要素とが最も近接した場合の隙間の寸法を十分に大きく確保したりする構造を挙げることができる。これにより、作業者の腕などが継ぎ目や隙間に挟み込まれることを防止し、作業者の安全性を向上させることができる。

また、上述したロボット１００と、以下の制御装置２００とを備えるロボットシステム３００を採用してもよい。
すなわち、制御装置２００は、ロボット１００の輪郭形状を記憶し、ロボット１００の輪郭形状がＪ１軸、Ｊ２軸およびＪ３軸の内の少なくとも１つの軸線上に重ならないように、Ｊ１〜Ｊ６軸の少なくとも１つに動作制限をかけることにしてもよい。これにより、ロボット１００の全ての外面に作用する外力をＪ１〜Ｊ３軸に設けたいずれかのトルクセンサＳ１〜Ｓ３により漏れなく検出することができる。

例えば、図５に示されるように、Ｊ２〜Ｊ６軸の輪郭形状がＪ１軸の軸線上に重ならないような動作制限を行うことにより、ロボット１００の全ての外面に作用する外力をＪ１軸に設けた第１トルクセンサＳ１により検出することができる。

また、手首部６０の先端にツール１１０が取り付けられている場合には、制御装置２００はツール１１０の輪郭形状も記憶し、ツール１１０の輪郭形状がＪ１軸、Ｊ２軸およびＪ３軸の内の少なくとも１つの軸線上に重ならないように、Ｊ１〜Ｊ６軸の少なくとも１つに動作制限をかけることにしてもよい。これにより、ツール１１０の全ての外面に作用する外力をＪ１〜Ｊ３軸に設けたいずれかのトルクセンサＳ１〜Ｓ３により漏れなく検出することができる。また、上記の動作制限は、ソフトウェア上で実施してもよいし、メカ機構で実施してもよい。

１ベース（基本関節）
２旋回胴（基本関節）
３第１アーム（基本関節）
４第２アーム（基本関節）
５第１手首要素（手首関節）
６第２手首要素（手首関節）
７第３手首要素（手首関節）
１１電流検出部
１２制御部
１３トルク推定部
６０手首部
１００，１０１ロボット
１１０ツール
２００制御装置
３００ロボットシステム
Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６軸線
Ｊａ冗長軸
ＭＴ１〜ＭＴ６モータ
Ｓ１第１トルクセンサ（トルクセンサ）
Ｓ２第２トルクセンサ（トルクセンサ）
Ｓ３第３トルクセンサ（トルクセンサ）

Claims

複数の手首関節を備える手首部と、
該手首部の３次元空間上での位置を決定する複数の基本関節と、
前記手首関節を駆動させるモータと、
各該モータに供給される電流を検出する電流検出部と、
検出された電流に基づいて、前記手首関節の軸線回りのトルクを推定するトルク推定部とを備え、
各該基本関節のみに、各該基本関節の軸線回りのトルクを検出するトルクセンサが備えられているロボット。
外力により各前記基本関節の軸線回りに発生したトルクが前記トルクセンサにより検出された場合に、検出されたトルクと同方向に各前記基本関節を動作させる制御部を備える請求項１に記載のロボット。
３つの前記基本関節を備え、
各該基本関節に前記トルクセンサが備えられている請求項１または請求項２に記載のロボット。
４つの前記基本関節を備え、
各該基本関節に前記トルクセンサが備えられている請求項１または請求項２に記載のロボット。
４つの前記基本関節を備え、
冗長軸となる１つの前記基本関節を除く３つの前記基本関節に前記トルクセンサが備えられている請求項１または請求項２に記載のロボット。
各前記基本関節に備えられた前記トルクセンサが同一である請求項１から請求項５のいずれかに記載のロボット。
前記手首部が、挟み込み防止構造を備えている請求項１から請求項６のいずれかに記載のロボット。
ロボットと、
該ロボットを制御する制御装置とを備え、
前記ロボットが、
複数の手首関節を備える手首部と、
該手首部の３次元空間上での位置を決定する複数の基本関節を備え、
各該基本関節のみに、各該基本関節の軸線回りのトルクを検出するトルクセンサが備えられ、
前記ロボットの輪郭形状情報が前記制御装置に記憶され、
該制御装置が、少なくとも１つの前記基本関節の前記軸線上に、前記ロボットの輪郭が重ならないように、前記基本関節および前記手首関節の少なくとも１つの動作範囲に制限を設けるロボットシステム。
ロボットと、
該ロボットを制御する制御装置とを備え、
前記ロボットが、
複数の手首関節を備える手首部と、
該手首部の３次元空間上での位置を決定する複数の基本関節を備え、
各該基本関節のみに、各該基本関節の軸線回りのトルクを検出するトルクセンサが備えられ、
少なくとも１つの前記基本関節の前記軸線上に、前記ロボットの輪郭が重ならないように、前記基本関節および前記手首関節の少なくとも１つの動作範囲にメカ機構による制限を設けるロボットシステム。
前記手首関節の先端にツールが取り付けられ、
前記制御装置に、前記ツールの輪郭形状情報が記憶され、
前記制御装置が、少なくとも１つの前記基本関節の前記軸線上に、前記ツールの輪郭が重ならないように、前記基本関節および前記手首関節の少なくとも１つの動作範囲に制限を設ける請求項８または請求項９に記載のロボットシステム。