JP6878381B2 - ロボットシステム - Google Patents

Description

本発明は、ロボットシステムに関するものである。

従来、人が接触すると停止する接触停止機能を備え、所定の基準力を記憶しておき、検出された外力が記憶されている基準力より大きい場合にロボットを停止させる協働ロボットが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１８−５１７３４号公報

特許文献１の協働ロボットにおいては、取り扱う負荷の大きさが大きく変化する場合にも、基準力を超える大きな外力が作用したものと誤検出して、協働ロボットが接触停止機能によって停止してしまうので、負荷の変化のパターンが既知である場合には、負荷の変化のパターン自体をあらかじめ設定しておく必要がある。この場合には、負荷の変化のパターンをあらかじめ設定する作業が必要となるという不都合がある。
本発明は、ロボット本体が取り扱う負荷が大きく変化する場合においても、負荷の変化のパターンをあらかじめ設定しておくことなく、接触停止機能によって誤停止させずに動作させつづけ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。

本発明の一態様は、ロボット本体と、該ロボット本体に加わる外力の大きさを検出し、該外力が、前記ロボット本体の自重、該ロボット本体が取り扱う負荷、および、前記ロボット本体と接触する人または物体から受ける力を含む、センサと、前記ロボット本体を制御する制御部と、運転中の前記ロボット本体が特定動作状態であるときに前記センサにより検出された前記外力の値を基準外力値として記憶し、前記特定動作状態は前記自重および前記負荷のみが前記ロボット本体に作用する状態である、基準値記憶部と、前記ロボット本体の動作中に、前記センサにより検出された前記外力の値と前記基準値記憶部に記憶されている前記基準外力値との差分の絶対値が、所定の閾値よりも大きい場合に、前記ロボット本体に前記自重および前記負荷以外の外力が作用したと判定する判定部とを備え、前記ロボット本体の運転中、前記基準値記憶部は、前記特定動作状態が実現されたときに前記センサによって新たに検出された前記外力の値を新たな基準外力値として記憶することによって、前記基準値記憶部に記憶される前記基準外力値を更新し、前記負荷の大きさの変化に応じて、前記基準値記憶部に記憶される前記基準外力値が変化するロボットシステムである。

本態様によれば、ロボット本体の自重およびロボット本体が取り扱う負荷のみが作用している動作状態においてロボット本体に加わる外力の大きさがセンサにより検出され、検出された外力の値が基準外力値として基準値記憶部に記憶される。そして、ロボット本体の動作中には、センサにより検出された外力の値と基準値記憶部に記憶されている基準外力値との差分の絶対値が算出され、差分の絶対値が閾値より大きい場合に、判定部により、ロボット本体に自重および取り扱う負荷以外の外力が作用していると判定される。

すなわち、基準外力値としては、ロボット本体の動作の各位置において実施されるロボット本体の自重およびロボット本体が取り扱う負荷のみが作用している動作状態において、センサにより、その都度検出された外力の大きさを用いることができる。したがって、ロボット本体が取り扱う負荷が大きく変化する場合においても、基準外力値をあらかじめ取得しておく必要がなく、接触停止機能によって誤停止させずに動作させつづけることができる。

上記態様においては、前記基準値記憶部が、前記ロボット本体の動作経路上の複数箇所において、前記基準外力値を更新してもよい。
この構成により、ロボット本体の動作経路上の複数箇所における、ロボット本体の自重およびロボット本体が取り扱う負荷のみが作用している動作状態において、ロボット本体に加わる外力の大きさがセンサにより検出され、検出された外力の値が基準外力値として基準値記憶部に記憶される。これにより、ロボット本体の動作経路に沿う各位置における外力の変化のパターンが一定しない場合であっても、ロボット本体が取り扱う負荷が大きく変化する場合に、複数箇所において実際に検出した基準外力値により、接触停止機能によって誤停止させずに動作させつづけることができる。

また、上記態様においては、前記特定動作状態が、前記ロボット本体の停止状態または低速動作状態であってもよい。
この構成により、ロボット本体を停止状態または低速動作状態として、ロボット本体の自重およびロボット本体が取り扱う負荷のみが作用している動作状態を簡易に達成することができる。

また、上記態様においては、前記センサは、前記ロボット本体に組み込まれたまたは該ロボット本体に付加された、少なくとも一つの力センサまたはトルクセンサのいずれかであってもよい。
この構成により、ロボット本体の自重およびロボット本体が取り扱う負荷のみが作用している動作状態においてロボット本体に作用している外力を精度よく検出することができる。

また、上記態様においては、前記基準値記憶部は、操作者により手動で動作させられている前記ロボット本体が前記特定動作状態となる都度に、前記基準外力値を更新してもよい。
この構成により、教示操作中やロボット本体を直接操作するハンドガイド中等、操作者が手動でロボット本体を動作させている際に、負荷の大きさが大きく変化する場合には、ロボット本体が停止状態または低速動作状態となる都度に、センサにより検出された基準外力値を基準値記憶部に記憶することにより、基準外力値をあらかじめ取得しておく必要がなく、接触停止機能によって誤停止させずに動作させつづけることができる。

また、上記態様においては、前記基準値記憶部は、教示プログラムの実行中に、該教示プログラムに設定されたいずれかの教示点において、あるいは、所定時間間隔または所定移動距離毎に前記ロボット本体を前記特定動作状態として、前記基準外力値を更新してもよい。
この構成により、教示プログラムの実行中の適時に、ロボット本体が停止状態または低速動作状態とされて基準外力値の検出および記憶が行われる。これにより、ロボット本体が取り扱う負荷が大きく変化する場合に、教示作業において基準外力値をあらかじめ取得しておかなくても、接触停止機能によって誤停止させずに動作させつづけることができる。

また、上記態様においては、前記基準値記憶部が、前記ロボット本体が前記特定動作状態であるときに、自動的に前記基準外力値を更新してもよい。
また、上記態様においては、前記基準値記憶部は、人が前記ロボット本体に接触していない場合、かつ、前記ロボット本体が前記特定動作状態である場合において、前記基準外力値を更新してもよい。

本発明によれば、ロボット本体が取り扱う負荷が大きく変化する場合においても、負荷の変化のパターンをあらかじめ設定しておくことなく、接触停止機能によって誤停止させずに動作させつづけ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に備えられた制御装置を示すブロック図である。 図１のロボットシステムにより線条体をロボットに艤装する作業の初期位置を示す図である。 図３の状態からハンドを下降させて線条体を把持した第１位置を示す図である。 図４の状態からハンドを上昇させて線条体を持ち上げる途中位置を示す図である。 図５の状態から線条体を十分に持ち上げた第２位置を示す図である。 図６の第２位置において線条体のロボットへの艤装を開始した状態を示す図である。 図７の第２位置からハンドを若干下降させた第３位置を示す図である。 図８の第３位置において線条体のロボットへの艤装を行った状態を示す図である。 図３から図９の動作において、センサにより検出された外力値と、基準外力値の更新位置および基準外力値＋閾値の変化を示すグラフである。 図１のロボットシステムの他の用途である多品種パレタイジングにおいて、重量の小さいワークを若干持ち上げて基準外力値を更新している状態を示す図である。 図１１において、重量の大きいワークに持ち替えて、基準外力値を更新している状態を示す図である。 線条体の艤装方法を説明するフローチャートである。

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、安全柵なしに人間と作業エリアを共有して稼働可能な協働ロボット（以下、ロボット本体）２を備えるシステムである。

このロボットシステム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、図１に示す例では垂直多関節型ロボットを示しているが、他の任意の形態のものを採用してもよい。

ロボット本体２には、外力の大きさを検出するセンサ２１が備えられている。センサ２１としては、ロボット本体２に組み込まれたまたはロボット本体２に付加された、力センサ、トルクセンサまたはスキンセンサの少なくとも一つを採用すればよい。本実施形態においては、説明を簡単にするために、センサ２１はロボット本体２の第１軸よりも下に設置されている。

センサ２１は、ロボット本体２自体の自重、ロボット本体２が取り扱う負荷に加え、例えば、作業者等が接触、あるいはロボット本体２が他の周辺物体に接触することにより、ロボット本体２に加わる荷重等の外力を検出することができる。

制御装置３は、プロセッサおよびメモリを備えている。
制御装置３は、あらかじめ教示された教示プログラムを実行する際にロボット本体２の動作を制御したり、図示しない教示操作盤を作業者が操作して操作入力を入力することにより、ロボット本体２にジョグ送り動作を実行させるよう制御したりする制御部（プロセッサ）３１を備えている。

また、制御装置３は、図２に示されるように、ロボット本体２にロボット本体２の自重およびロボット本体２が取り扱う負荷のみが作用している特定動作状態において、センサ２１により検出された外力の値を基準外力値として記憶する基準値記憶部（メモリ）３２と、ロボット本体２の動作中にセンサ２１により検出された外力の値と基準外力値との差分の絶対値を算出する差分算出部（プロセッサ）３３と、差分算出部３３により算出された差分の絶対値が所定の閾値より大きいか否かを判定する判定部（プロセッサ）３４とを備えている。
制御部３１は、判定部３４により差分の絶対値が所定の閾値よりも大きいと判断した場合に、ロボット本体２の動作を停止させる接触停止機能やロボット速度を低速化する機能等を備えている。

特定動作状態は、ロボット本体２の停止状態または低速動作状態であり、基準外力値を基準値記憶部３２に記憶するタイミングは、ロボット本体２の動作態様によって異なる。
例えば、教示操作盤の操作によりロボット本体２を手動で動作させる動作態様には、ロボット本体２をジョグ送り動作させている途中に、ロボット本体２が停止状態または低速動作状態となる都度に、センサ２１により検出された外力値を基準外力値として記憶すればよい。あるいは、作業者の指示により、任意のタイミングで記憶してもよい。

また、例えば、ロボット本体２を教示プログラムに従って自動運転させる動作態様では、教示プログラムの複数の適当な教示点に、ロボット本体２を停止状態または低速動作状態とさせる指令を教示しておき、動作経路上の複数地点において特定動作状態を実現させ、その際にセンサ２１により検出された外力値を基準外力値として記憶すればよい。

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を用いてロボット本体２が取り扱う負荷の大きさが大きく変化する作業を実施する場合として、例えば、図３から図９に示されるように、長尺の軟性の線条体４を他のロボット等の他の装置５に艤装する作業を挙げることができる。

この作業においては、ロボット本体２は先端にハンド２２を備え、教示プログラムに従ってロボット本体２を動作させる。
ロボット本体２の動作は、まず、図３に示されるように、初期位置に配置されている状態から、図４に示されるように、ハンド２２をパレット６内の第１位置まで下降させ、パレット６内に収容されている線条体４の末端をハンド２２で把持させる。次に、線条体４の末端を把持した状態で、図６に示されるように、ハンド２２を十分に高い第２位置まで持ち上げ状態とし、その位置で作業者の操作入力を待つ待機状態とする。

そして、作業者が操作入力を行った場合には、図８に示されるように、第２位置よりも低い第３位置までハンド２２を移動し、その位置で、再び作業者の操作入力を待つ待機状態とする。第３位置まで下降した時点で、ハンド２２により把持していた線条体４の末端を解放し、初期位置に戻ることにより作業が終了する。

この作業においては、図３の初期位置から図４の第１位置において線条体４を把持するまでの間、図１０に示されるように、センサ２１にはロボット本体２の自重とハンド２２の重量のみが作用しており、初期位置において、センサ２１により検出された外力の値が最初の基準外力値として基準値記憶部３２に記憶される。

次いで、第１位置においてハンド２２により線条体４が把持された第１位置から第２位置までロボット本体２が動作する間に、パレット６内の線条体４が徐々に持ち上げられていくので、センサ２１により検出される外力の値が徐々に増加していく。所定の時間間隔でセンサ２１により外力値が検出され、検出された外力値と基準値記憶部３２に記憶されている基準外力値との差分が差分算出部３３により算出され、算出された差分の絶対値が所定の閾値を超えるか否かが判定部３４により判定される。差分の絶対値が閾値を超えた場合には、制御部３１の接触停止機能によりロボット本体２の動作が停止させられる。

本実施形態においては、ロボット本体２が停止させられる、初期位置、第１位置から第３位置のそれぞれに教示点が設けられる他、図５に示されるように、第１位置から第２位置までの間の差分の絶対値が閾値を超えない位置毎に教示点が設けられる。教示点の数は任意である。そして、各教示点には、特定動作状態を実現する指令が教示され、その際にセンサ２１により検出された外力の値を新たな基準外力値として基準値記憶部３２の値を更新する指令が教示される。

次に、図７に示されるように、第２位置において、吊り下げられた線条体４の下端から他の装置５への艤装が開始されるので、ハンド２２により支持される線条体４の重量は徐々に軽減され、センサ２１により検出される外力値は小さくなっていく。この場合に、第２位置における艤装作業による線条体４の重量変化は閾値を超えないものとする。

そして、第２位置における線条体４の艤装が終了した時点で、作業者が教示操作盤に対して操作入力を行うことにより、図１０に示されるように、再度、基準外力値が更新された後に、ロボット本体２は第２位置から図８に示される第３位置へ移動する。これにより、第３位置における艤装を行うための線条体４の弛みが形成される。

ロボット本体２が第３位置に移動して停止し、待機状態となった時点で、センサ２１により検出された外力値が新たな基準外力値として基準値記憶部３２の値が更新される。図９に示されるように、第３位置における艤装に伴う線条体４の重量変化も閾値を超えないものとする。図１０に示されるように、第３位置において線条体４を解放した後には、再度、基準外力値が更新され、更新された基準外力値を用いて初期位置まで戻る。

このように、本実施形態に係るロボットシステムによれば、ロボット本体２により取り扱う負荷の大きさが連続的に変化する作業において、接触停止機能を作動させる閾値を超えて負荷の大きさが変化する場合であっても、負荷の変化のパターンをあらかじめ設定しておくことなく、かつ、接触停止機能によって誤停止させずに動作させつづけることができるという利点がある。

すなわち、ロボット本体２の動作中に特定動作状態を実現した状態で、センサ２１により検出した外力値を、接触停止機能の基準外力値として更新するので、負荷の変化のパターンをあらかじめ設定しておく必要がない。また、負荷の変化のパターンが定まっていない場合であっても、接触停止機能を維持しつつ、作業を継続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、教示プログラムを実行させる作業において、教示プログラムに適宜設定した教示点において特定動作状態を実現し、センサ２１により検出された外力値を基準外力値として自動的に更新することとしたが、これに代えて、作業者が教示操作盤を操作して手動でロボット本体２を動作させる作業において、ロボット本体２が停止状態あるいは低速動作状態となる都度に、センサ２１により検出した外力値によって基準外力値を更新することにしてもよい。

また、本実施形態においては、図１０に示されるように、７か所の教示点において、特定動作状態を実現して、基準外力値を更新することとしたが、これに代えて、更新する頻度をさらに多くすることにしてもよい。これにより、閾値をより小さくすることができ、接触停止機能の感度を上げることができる。

また、人がロボット本体２に接触していない場合、かつ、ロボット本体２にロボット本体２の自重およびロボット本体２が取り扱う負荷のみが作用している特定動作状態において、基準外力値を記憶するようにすれば、より正確な基準外力値を記録することができる。これにより、閾値を小さくすることができ、接触停止機能の感度を上げることができる。人がロボット本体２に接触していないことは、ロボット本体２の周囲に設置した人の接近を検出可能なレーザ式のエリアセンサやビジョンセンサ等を用いるとよい。

また、本実施形態においては、軟性の線条体４を昇降させる場合のように、荷重が連続的に変化する作業を例示して説明したが、これに限定されるものではなく、図１１および図１２に示されるように、把持するワークＷ１，Ｗ２の重量が変化する場合に適用することにしてもよい。

例えば、多品種パレタイジング作業のように、２種類の重量のワークＷ１，Ｗ２を持ち替えて把持する場合に、図１１および図１２に示されるように、各ワークＷ１，Ｗ２をハンド２２によって把持して若干持ち上げた状態で、特定動作状態を実現し、その時点でセンサ２１により検出された外力値により基準外力値を更新すればよい。

また、３種類以上の重量のワークを持ち替える場合にも同様に適用することができる。この場合には、すべてのワークの重量差が閾値よりも小さくてもよいし、持ち替えの順序を規定する場合には、隣り合う重量を有するワークの重量差が閾値よりも小さくてもよい。この場合、閾値をより小さくすることで、接触停止の感度を上げることができる。

また、本実施形態においては、以下の線条体４の艤装方法についても開示している。
従来、線条体の艤装は、長尺で大重量の線条体を作業者が持ち上げながら、他の装置の下側から順次行われていた。しかしながら、多数の線条体が束ねられている場合、あるいは、大電流用の線条体が含まれている場合、あるいは、線条体を固定するための板金および配電盤等が組み付けられている線条体を取り扱う場合には、線条体の重量は大きなものとなり、作業者にかかる負担が大きいという不都合がある。

これに対して、この線条体４の艤装方法は、ロボット本体２の先端に取り付けたハンド２２により、線条体４の一端を把持して持ち上げた状態において、線条体４の他端側から作業者が他の装置５への線条体４の艤装作業の一部を実施するステップと、次の艤装作業に必要な量だけ線条体４を弛ませる位置までロボット本体２の動作によりハンド２２を下降させるステップとを繰り返すものである。

具体的には、図１３に示されるように、初期位置に配置されている状態から、図４に示されるように、ハンド２２をパレット６内の第１位置まで下降させ（ステップＳ１）、パレット６内に収容されている線条体４の末端をハンド２２で把持させる（ステップＳ２）。次に、線条体４の末端を把持した状態で、図６に示されるように、ハンド２２を十分に高い第２位置まで持ち上げ状態とし（ステップＳ３）、その位置で作業者の操作入力を待つ待機状態とする（ステップＳ４）。

そして、作業者が操作入力を行った場合には、図８に示されるように、第２位置よりも低い第３位置までハンド２２を移動し（ステップＳ５）、その位置で、再び作業者の操作入力を待つ待機状態とする（ステップＳ６）。第３位置まで下降した時点で、ハンド２２により把持していた線条体４の末端を解放し、初期位置に戻る（ステップＳ７）ことにより作業が終了する。

この線条体４の艤装方法によれば、ロボット本体２によって吊り上げた状態の線条体４を下部から、他の装置５に艤装していくことができ、その際に、線条体４の重量がロボット本体２によって支持されているので、作業者が線条体４を持ち上げる必要がないので、作業者にかかる負担を軽減することができるという利点がある。

そして、線条体４の下部の艤装が終了する毎に、より上部の線条体４を艤装するための弛みを形成するようにロボット本体２が動作するので、作業者は、線条体４を持ち上げることなく、線条体４を順次艤装していくことができる。

そして、この場合において、図３の初期位置から図４の第１位置において線条体４を把持するまでの間、図１０に示されるように、センサ２１にはロボット本体２の自重とハンド２２の重量のみが作用しており、初期位置において、センサ２１により検出された外力の値が最初の基準外力値として基準値記憶部３２に記憶される。

次いで、第１位置においてハンド２２により線条体４が把持された第１位置から第２位置までロボット本体２が動作する間に、パレット６内の線条体４が徐々に持ち上げられていくので、センサ２１により検出される外力の値が徐々に増加していく。所定の時間間隔でセンサ２１により外力値が検出され、検出された外力値と基準値記憶部３２に記憶されている基準外力値との差分が差分算出部３３により算出され、算出された差分の絶対値が所定の閾値を超えるか否かが判定部３４により判定される。差分の絶対値が閾値を超えた場合には、制御部３１の接触停止機能によりロボット本体２の動作が停止させられる。

本実施形態においては、ロボット本体２が停止させられる、初期位置、第１位置から第３位置のそれぞれに教示点が設けられる他、図５に示されるように、第１位置から第２位置までの間の差分の絶対値が閾値を超えない位置毎に教示点が設けられる。教示点の数は任意である。そして、各教示点には、特定動作状態を実現する指令が教示され、その際にセンサ２１により検出された外力の値を新たな基準外力値として基準値記憶部３２の値を更新する指令が教示される。

次に、図７に示されるように、第２位置において、吊り下げられた線条体４の下端から他の装置５への艤装が開始されるので、ハンド２２により支持される線条体４の重量は徐々に軽減され、センサ２１により検出される外力値は小さくなっていく。この場合に、第２位置における艤装作業による線条体４の重量変化は閾値を超えないものとする。

そして、第２位置における線条体４の艤装が終了した時点で、作業者が教示操作盤に対して操作入力を行うことにより、図１０に示されるように、再度、基準外力値が更新された後に、ロボット本体２は第２位置から図８に示される第３位置へ移動する。これにより、第３位置における艤装を行うための線条体４の弛みが形成される。また、教示操作盤としては、ロボット本体２自体に設けた教示操作盤だけに限らず、別途設置した有線式または無線式リモコン操作器を用いてもよい。

ロボット本体２が第３位置に移動して停止し、待機状態となった時点で、センサ２１により検出された外力値が新たな基準外力値として基準値記憶部３２の値が更新される。図９に示されるように、第３位置における艤装に伴う線条体４の重量変化も閾値を超えないものとする。図１０に示されるように、第３位置において線条体４を解放した後には、再度、基準外力値が更新され、更新された基準外力値を用いて初期位置まで戻る。

１ ロボットシステム
２ ロボット本体
２１ センサ
３１ 制御部（プロセッサ）
３２ 基準値記憶部（メモリ）
３４ 判定部（プロセッサ）

Claims (8)

1. ロボット本体と、
   該ロボット本体に加わる外力の大きさを検出し、該外力が、前記ロボット本体の自重、該ロボット本体が取り扱う負荷、および、前記ロボット本体と接触する人または物体から受ける力を含む、センサと、
   前記ロボット本体を制御する制御部と、
   運転中の前記ロボット本体が特定動作状態であるときに前記センサにより検出された前記外力の値を基準外力値として記憶し、前記特定動作状態は前記自重および前記負荷のみが前記ロボット本体に作用する状態である、基準値記憶部と、
   前記ロボット本体の動作中に、前記センサにより検出された前記外力の値と前記基準値記憶部に記憶されている前記基準外力値との差分の絶対値が、所定の閾値よりも大きい場合に、前記ロボット本体に前記自重および前記負荷以外の外力が作用したと判定する判定部とを備え、
   前記ロボット本体の運転中、前記基準値記憶部は、前記特定動作状態が実現されたときに前記センサによって新たに検出された前記外力の値を新たな基準外力値として記憶することによって、前記基準値記憶部に記憶される前記基準外力値を更新し、
   前記負荷の大きさの変化に応じて、前記基準値記憶部に記憶される前記基準外力値が変化するロボットシステム。
2. 前記基準値記憶部が、前記ロボット本体の動作経路上の複数箇所において、前記基準外力値を更新する請求項１に記載のロボットシステム。
3. 前記特定動作状態が、前記ロボット本体の停止状態または低速動作状態である請求項１または請求項２に記載のロボットシステム。
4. 前記センサは、前記ロボット本体に組み込まれたまたは該ロボット本体に付加された、少なくとも一つの力センサまたはトルクセンサのいずれかである請求項１から請求項３のいずれかに記載のロボットシステム。
5. 前記基準値記憶部は、操作者により手動で動作させられている前記ロボット本体が前記特定動作状態となる都度に、前記基準外力値を更新する請求項１または請求項２に記載のロボットシステム。
6. 前記基準値記憶部は、教示プログラムの実行中に、該教示プログラムに設定されたいずれかの教示点において、あるいは、所定時間間隔または所定移動距離毎に前記ロボット本体を前記特定動作状態として、前記基準外力値を更新する請求項１または請求項２に記載のロボットシステム。
7. 前記基準値記憶部が、前記ロボット本体が前記特定動作状態であるときに、自動的に前記基準外力値を更新する請求項１または請求項２に記載のロボットシステム。
8. 前記基準値記憶部は、人が前記ロボット本体に接触していない場合、かつ、前記ロボット本体が前記特定動作状態である場合において、前記基準外力値を更新する請求項１から請求項７のいずれかに記載のロボットシステム。

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