JP7180165B2 - ロボット、制御装置および制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ロボット、制御装置および制御方法に関するものである。

特許文献１に記載されているロボットは、床面に固定されているベース台と、ベース台に回動可能に連結されている基端アームと、基端アームに回動可能に連結されている第１手首要素と、第１手首要素に回動可能に連結されている第１中間アームと、第１中間アームに回動可能に連結されている第２手首要素と、第２手首要素に回動可能に連結されている第２中間アームと、第２中間アームに回動可能に連結されている第３手首要素と、第３手首要素に回動可能に連結されている先端アームと、を有する。また、このロボットは、ベース台と基端アームとの間に配置された第１力センサーおよび第２力センサーを有し、第１力センサーおよび第２力センサーによってロボットと異物との衝突等を検出することができる。

特開２０１２－２１８０９４号公報

しかしながら、ロボットの表面やロボットに衝突する異物の硬さ、異物との衝突時間等によっては、特許文献１に記載されているロボットでは、異物との接触を検出できないおそれがある。

本発明のロボットは、基台と、前記基台に対して変位するロボットアームと、を有するロボット本体と、
前記ロボット本体に配置され、前記ロボット本体の振動を検出する振動センサーと、
前記振動センサーからの出力に基づいて、前記ロボット本体と物体との衝突を検出する衝突検出部と、を有し、
前記衝突検出部は、前記振動センサーから出力される振動信号に基づいて前記衝突を検出する第１検出部と、
前記振動信号から第１所定値以上の周波数の振動成分を抽出した抽出振動信号に基づいて前記衝突を検出する第２検出部と、を備えることを特徴とする。

本発明の第１実施形態に係るロボットを示す斜視図である。 図１に示すロボットのブロック図である。 図１に示すロボットが有する振動センサーの斜視図である。 図３に示す振動センサーの縦断面図である。 図３に示す振動センサーの横断面図である。 図３に示す振動センサーが有するセンサーデバイスの断面図である。 図６に示すセンサーデバイスが有する力検出素子の断面図である。 図１に示すロボットが有する衝突検出部のブロック図である。 振動センサーから出力される振動信号の一例を示すグラフである。 図１に示すロボットの制御方法を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係るロボットが有する衝突検出部のブロック図である。 本発明の第３実施形態に係るロボットが有する衝突検出部のブロック図である。

以下、本発明のロボット、制御装置および制御方法を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係るロボットを示す斜視図である。図２は、図１に示すロボットのブロック図である。図３は、図１に示すロボットが有する振動センサーの斜視図である。図４は、図３に示す振動センサーの縦断面図である。図５は、図３に示す振動センサーの横断面図である。図６は、図３に示す振動センサーが有するセンサーデバイスの断面図である。図７は、図６に示すセンサーデバイスが有する力検出素子の断面図である。図８は、図１に示すロボットが有する衝突検出部のブロック図である。図９は、振動センサーから出力される振動信号の一例を示すグラフである。図１０は、図１に示すロボットの制御方法を示すフローチャートである。

図１および図２に示すロボット１００は、ロボット本体１と、ロボット本体１に配置され、ロボット本体１に生じる振動を検出する振動センサー２と、振動センサー２から出力される振動信号Ｓｖに基づいてロボット本体１と異物（物体）との衝突を検出する衝突検出部５と、衝突検出部５による検出結果に基づいてロボット本体１の駆動を制御する制御装置６と、を有する。このようなロボット１００では、衝突検出部５がロボット本体１と異物との衝突を検出すると、制御装置６は、ロボット本体１の駆動を通常駆動モードから安全駆動モードに切り替えて、ロボット本体１の駆動を通常駆動モードと比べて制限する。これにより、より安全なロボット１００となる。

＜ロボット本体＞
ロボット本体１は、エンドエフェクター１７が装着されたロボットアーム１０を用いて、例えば、精密機器やこれを構成する部品の給材、除材、搬送および組立等の作業を行うシステムである。ロボット本体１は、いわゆる６軸の垂直多関節ロボットである。図１に示すように、ロボット本体１は、基台１１０と、基台１１０に回動可能に連結されているロボットアーム１０と、を備える。

基台１１０は、例えば、床、壁、天井、移動可能な台車上等に固定される。また、ロボットアーム１０は、基台１１０に対して回動可能に連結されている第１アーム１１と、第１アーム１１に対して回動可能に連結されている第２アーム１２と、第２アーム１２に対して回動可能に連結されている第３アーム１３と、第３アーム１３に対して回動可能に連結されている第４アーム１４と、第４アーム１４に対して回動可能に連結されている第５アーム１５と、第５アーム１５に対して回動可能に連結されている第６アーム１６と、第６アーム１６に着脱自在に接続されたエンドエフェクター１７と、を有する。なお、基台１１０および第１アーム１１～第６アーム１６のうちの互いに連結された２つの部材同士を屈曲または回動させる部分が「関節部」を構成している。

また、図２に示すように、ロボット本体１は、ロボットアーム１０の各関節部を駆動する駆動部１３０と、ロボットアーム１０の各関節部の駆動状態を検出する角度センサー１３１と、を有する。駆動部１３０は、例えば、モーターおよび減速機を含んで構成されている。角度センサー１３１は、例えば、磁気式または光学式のロータリーエンコーダーを含んで構成されている。

＜振動センサー＞
図１に示すように、振動センサー２は、第１アーム１１と基台１１０との間に設けられている。振動センサー２は、ロボットアーム１０に付与される外力に起因したロボットアーム１０の振動を検知するセンサーである。このような振動センサー２を設けることにより、ロボットアーム１０やエンドエフェクター１７に外力が付与されたとき、その外力が振動としてロボットアーム１０を経て振動センサー２に伝達され、振動センサー２においてその振動の大きさを検知することができる。そのため、振動センサー２が検出する振動に基づいて、ロボットアーム１０やエンドエフェクター１７と異物との衝突検出が可能となる。

本実施形態では、振動センサー２として、振動センサー２に加えられた外力の６軸成分を検出可能な６軸力覚センサーを用いている。なお、６軸成分は、互いに直交する３軸であるα軸、β軸およびγ軸のそれぞれの方向の並進力成分と、これら３軸のそれぞれの軸まわりの回転力成分と、からなる。

図３に示すように、振動センサー２は、その中心軸Ｏまわりに等間隔に配置された４つのセンサーデバイス３と、これらセンサーデバイス３を収納しているケース４と、を有する。このような振動センサー２では、各センサーデバイス３が受けた外力に応じた検出信号を出力し、それらの検出信号を処理することにより、振動センサー２に加えられた外力の６軸成分を検出することができ、検出した６軸成分から振動を検出することができる。

ケース４は、第１ケース部材４１と、第１ケース部材４１に対して間隔を隔てて配置されている第２ケース部材４２と、第１ケース部材４１および第２ケース部材４２の外周部に設けられた側壁部４３と、を有する。第１ケース部材４１、第２ケース部材４２および側壁部４３の構成材料としては、それぞれ、特に限定されず、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼等の金属材料、セラミックス等を用いることができる。

図４および図５に示すように、４つのセンサーデバイス３は、それぞれ、第１ケース部材４１に設けられた壁部４１１と、第２ケース部材４２に設けられた壁部４２１とによって挟持されている。また、壁部４１１と壁部４２１とを貫通して与圧ボルト４９が締結されており、これにより、第１ケース部材４１と第２ケース部材４２とが固定されると共に、センサーデバイス３が与圧されている。

図６に示すように、各センサーデバイス３は、パッケージ３１と、パッケージ３１に収納された力検出素子３２と、を有する。パッケージ３１は、基体３１１と、基体３１１に接合された蓋体３１２と、を有する。パッケージ３１の内側には気密な収納空間が形成され、収納空間に力検出素子３２が収納されている。

力検出素子３２は、力検出素子３２に加えられた外力のＡ軸方向の成分に応じた電荷Ｑａおよび力検出素子３２に加えられた外力のＡ軸方向および与圧方向に直交するＢ軸方向の成分に応じた電荷Ｑｂを出力する機能を有する。力検出素子３２は、図７に示すように、Ａ軸方向のせん断力に応じて電荷Ｑａを出力する第１圧電素子３２１と、Ｂ軸方向のせん断力に応じて電荷Ｑｂを出力する第２圧電素子３２２と、一対の支持基板３２３、３２４と、を有する。

また、第１圧電素子３２１は、図中の右側から、グランド電極層３２１ａ、圧電体層３２１ｂ、出力電極層３２１ｃ、圧電体層３２１ｄ、グランド電極層３２１ｅ、圧電体層３２１ｆ、出力電極層３２１ｇ、圧電体層３２１ｈ、グランド電極層３２１ｉが順に積層した構成となっている。このような構成の第１圧電素子３２１は、出力電極層３２１ｃ、３２１ｇからＡ軸方向のせん断力に応じた電荷Ｑａを出力する。一方、第２圧電素子３２２は、第１圧電素子３２１に積層されており、図中の右側から、グランド電極層３２２ａ、圧電体層３２２ｂ、出力電極層３２２ｃ、圧電体層３２２ｄ、グランド電極層３２２ｅ、圧電体層３２２ｆ、出力電極層３２２ｇ、圧電体層３２２ｈ、グランド電極層３２２ｉが順に積層した構成となっている。このような構成の第２圧電素子３２２は、出力電極層３２２ｃ、３２２ｇからＢ軸方向のせん断力に応じた電荷Ｑｂを出力する。なお、本実施形態では、グランド電極層３２１ｉ、３２２ａが共通化されている。

また、圧電体層３２１ｂ、３２１ｄ、３２１ｆ、３２１ｈ、３２２ｂ、３２２ｄ、３２２ｆ、３２２ｈは、それぞれ、水晶で構成されている。これにより、高感度、広いダイナミックレンジ、高い剛性等の優れた特性を有する力検出素子３２となる。また、圧電体層３２１ｂ、３２１ｄ、３２１ｆ、３２１ｈ、３２２ｂ、３２２ｄ、３２２ｆ、３２２ｈは、それぞれ、水晶の機械軸であるＹ軸を厚さ方向とするＹカット水晶板で構成され、電気軸であるＸ軸が矢印の方向を向いている。なお、圧電体層３２１ｂ、３２１ｄ、３２１ｆ、３２１ｈ、３２２ｂ、３２２ｄ、３２２ｆ、３２２ｈは、水晶以外の圧電材料を用いた構成であってもよい。水晶以外の圧電材料としては、例えば、トパーズ、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等が挙げられる。

以上のような振動センサー２は、図示しない外力検出回路を有し、外力検出回路は、各センサーデバイス３から出力される電荷Ｑａ、Ｑｂに基づいて、α軸方向の並進力成分Ｆα、β軸方向の並進力成分Ｆβ、γ軸方向の並進力成分Ｆγ、α軸周りの回転力成分Ｍα、β軸周りの回転力成分Ｍβ、γ軸周りの回転力成分Ｍγを演算することができる。

なお、前述したように、本実施形態では、振動センサー２が第１アーム１１と基台１１０との間に設けられているが、振動センサー２の配置としては、ロボット本体１に生じる振動を検出することができれば特に限定されず、例えば、ロボットアーム１０やエンドエフェクター１７に配置されていてもよいし、基台１１０と床面との間に配置されていてもよい。また、振動センサー２としては、ロボット本体１に生じる振動を検出することができれば、特に限定されず、例えば、加速度センサー、角速度センサー、３軸加速度センサーと３軸角速度センサーとを組み合わせた慣性計測装置（ＩＭＵ：Inertial Measurement Unit）、トルクセンサー等、いかなるセンサーを用いてもよい。

＜衝突検出部＞
衝突検出部５は、振動センサー２から出力される振動信号Ｓｖに基づいて、ロボットアーム１０やエンドエフェクター１７と異物との衝突を検出する機能を有する。なお、衝突検出部５が衝突検知に用いる振動信号Ｓｖとしては、振動センサー２から出力される信号であれば特に限定されない。例えば、本実施形態の振動センサー２は、並進力成分Ｆα、Ｆβ、Ｆγおよび回転力成分Ｍα、Ｍβ、Ｍγに関する信号を出力するため、これらのうちのいずれか１つの信号を振動信号Ｓｖとして用いてもよいし、２つ以上の信号を組み合わせた信号を振動信号Ｓｖとして用いてもよい。なお、２つ以上の信号を組み合わせるとは、２つ以上の信号を合成した合成信号に基づいて衝突を検出してもよいし、各信号に基づいて別々に衝突を検出してもよい意味である。また、異物としては、特に限定されず、例えば、人間、人間以外の動物、他のロボット、壁、柱、天井等の構造物、落下、投下された飛散物等いかなるものであってもよい。

以下では、説明の便宜上、ロボットアーム１０と異物との衝突について代表して説明するが、例えば、異物の硬さによっては、衝突時に生じる振動の周波数が大きく異なる。具体的には、衝突の条件が同じであれば、異物が柔らかい程、衝突時に生じる振動の周波数が低くなり、異物が硬い程、衝突時に生じる振動の周波数が高くなる。そのため、衝突検出部５は、異物の硬さに影響を受けることなく精度よく衝突を検知できるように、異物が柔らかい場合用の検出回路と、異物が硬い場合用の検出回路と、を備えている。以下、衝突検出部５の構成について具体的に説明する。

図８に示すように、衝突検出部５は、振動センサー２から出力される振動信号Ｓｖに基づいてロボットアーム１０と異物との衝突を検出する第１検出部５１と、振動信号Ｓｖから第１所定値Ｌ以上の周波数の振動成分を抽出した抽出振動信号Ｓｖ’に基づいてロボットアーム１０と異物との衝突を検出する第２検出部５２と、第１検出部５１および第２検出部５２の少なくとも一方においてロボットアーム１０と異物との衝突が検出されれば、当該衝突が生じたと判断する衝突判断部５３と、を有する。このような構成では、第１検出部５１によってロボットアーム１０と柔らかい異物との衝突が検出され、第２検出部５２によってロボットアーム１０と硬い異物との衝突が検出される。なお、第１検出部５１、第２検出部５２および衝突判断部５３は、それぞれ、その機能を発揮することができれば、特に限定されず、アナログ回路で構成されていてもよいし、デジタル回路で構成されていてもよい。

ここで、「柔らかい異物」とは、所定のヤング率Ｅよりも小さいヤング率を有する物体を言い、「硬い異物」とは、所定のヤング率Ｅよりも大きいヤング率を有する物体を言う。また、所定のヤング率Ｅは、ロボット１００の作業内容や周囲の構造物等を考慮して適宜設定することができる。

第１検出部５１は、振動センサー２から出力された振動信号Ｓｖと第１閾値Ａ１とを比較し、その結果を出力するコンパレータ５１１を有する。例えば、第１閾値Ａ１よりも振動信号Ｓｖが高いとコンパレータ５１１から「１」の信号が出力され、第１閾値Ａ１よりも振動信号Ｓｖが低いとコンパレータ５１１から「０」の信号が出力される。第１閾値Ａ１は、ロボットアーム１０の通常の駆動では生じ得ず、かつ、異物との衝突によっては生じ得る電圧値として設定する。これにより、コンパレータ５１１から「１」の信号が出力されれば、ロボットアーム１０と異物との衝突が生じたと判定でき、反対に、コンパレータ５１１から「０」の信号が出力されれば、ロボットアーム１０と異物との衝突が生じていないと判定できる。この衝突判定を第１衝突検出とも言う。なお、第１閾値Ａ１の決定方法としては、特に限定されず、例えば、ロボットアーム１０を正常な状態で駆動してその際に生じる振動の大きさを計測し、ロボットアーム１０を実際に異物に衝突させその際に生じる振動の大きさを計測し、これらの間の値となるように決定すればよい。また、第１閾値Ａ１は、例えば、ロボットアーム１０の姿勢や移動側等に応じて変化してもよい。

ここで、例えば、異物が樹脂材料、特に軟質樹脂材料で構成されたものや人間のような比較的柔らかい物体の場合、衝突時に生じる振動の周波数が数十～数百Ｈｚ程度と比較的低く、ロボットアーム１０の駆動に起因して生じる振動と周波数域も近くなり易い。また、衝突時の振動の振幅も比較的大きい。そのため、図９に示す振動の領域Ｑ１のように、ロボットアーム１０の駆動に起因する振動と衝突に起因する振動とが重畳した振動信号Ｓｖからでも、第１閾値Ａ１と比較することにより、ロボットアーム１０と異物との衝突を検出することができる。一方で、例えば、異物が金属材料で構成されたような比較的硬い物体の場合、衝突時に生じる振動の周波数が数ｋＨｚ程度と比較的高く、ロボットアーム１０の駆動に起因して生じる振動と周波数域も大きく異なり易い。また、異物が柔らかい場合と比べて、衝突時の振動の振幅が比較的小さくなり易い。そのため、図９に示す振動の領域Ｑ２のように、衝突により生じる振動が、ロボットアーム１０の駆動に起因する振動に隠れてしまい、振動信号Ｓｖからでは衝突を検出することが困難である。

そこで、衝突検出部５は、硬い異物との衝突を検出するための第２検出部５２を有している。図８に示すように、第２検出部５２は、振動センサー２からの振動信号Ｓｖから硬い異物との衝突に起因する高周波成分を抽出して抽出振動信号Ｓｖ’を得るハイパスフィルター５２１と、抽出振動信号Ｓｖ’と第２閾値Ａ２とを比較して、その結果を出力するコンパレータ５２２と、を有する。このように、ハイパスフィルター５２１を用いることにより、簡単な回路構成で、振動信号Ｓｖから硬い異物との衝突時に生じる高周波成分を抽出して抽出振動信号Ｓｖ’を生成することができる。ハイパスフィルター５２１に設定された第１所定値Ｌすなわち遮断周波数は、ロボットアーム１０の正常な駆動に起因して生じる周波数ｆαよりも高く、硬い異物との衝突により生じる振動の周波数ｆβよりも低い。すなわち、ｆα＜Ｌ＜ｆβの関係を満足している。なお、ロボットアーム１０の正常な駆動とは、決められた作業を何の異常もなく行っている状態を意味する。また、ｆαは、ロボットアーム１０を正常に駆動することにより予め決定することができ、ｆβは、ロボット１００の作業内容や周囲の構造物等から衝突し得る異物を特定することにより決定することができる。

コンパレータ５２２は、抽出振動信号Ｓｖ’と第２閾値Ａ２とを比較し、その結果を出力する。例えば、第２閾値Ａ２よりも抽出振動信号Ｓｖ’が高いとコンパレータ５２２から「１」の信号が出力され、第２閾値Ａ２よりも抽出振動信号Ｓｖ’が低いとコンパレータ５２２から「０」の信号が出力される。第２閾値Ａ２は、ロボットアーム１０の通常の駆動では生じ得ず、かつ、異物との衝突によっては生じ得る電圧値として設定する。これにより、コンパレータ５２２から「１」の信号が出力されれば、ロボットアーム１０と異物との衝突が生じたと判定でき、反対に、コンパレータ５２２から「０」の信号が出力されれば、ロボットアーム１０と異物との衝突が生じていないと判定できる。この衝突判定を第２衝突検出とも言う。なお、第２閾値Ａ２の決定方法としては、特に限定されず、例えば、ロボットアーム１０を駆動してその際に生じる振動の大きさを計測し、ロボットアーム１０を実際に異物に衝突させその際に生じる振動の大きさを計測し、これらの間の値となるように決定すればよい。また、第２閾値Ａ２は、例えば、ロボットアーム１０の姿勢や移動側等に応じて変化してもよい。

ここで、振動センサー２のサンプリングスピード、特に検出レート（検出信号を出力する周期）としては、特に限定されないが、１０ｋＨｚ以上であることが好ましく、１２ｋＨｚ以上であることがより好ましい。前述したように、ロボットアーム１０と硬い物体とが衝突した場合に生じる振動の周波数が数ｋＨｚ程度であるため、これよりも振動センサー２のサンプリングスピードを高めることにより、振動センサー２によって、ロボットアーム１０と硬い物体とが衝突した場合に生じる振動をより確実に検出することができる。特に、振動センサー２は、前述したように、力検出素子３２として水晶を用いている。この水晶は、十分に硬く、ロボットアーム１０に加わる力によってはほとんど変形せず、復帰に要する時間を実質的に必要としない。したがって、振動センサー２は、高いサンプリングスピードを実現することができ、ロボット１００に特に適したセンサーとなる。

衝突判断部５３は、第１検出部５１および第２検出部５２の少なくとも一方においてロボットアーム１０と異物との衝突が検出されれば、当該衝突が生じたと判断する機能を有する。図８に示すように、このような衝突判断部５３は、ＯＲ回路５３１を有する。ＯＲ回路５３１には、コンパレータ５１１、５２２からの信号が入力されるようになっており、コンパレータ５１１、５２２の少なくとも一方から「１」の信号が入力された場合には、ロボットアーム１０と異物とが衝突したとして「１」の信号を出力し、コンパレータ５１１、５２２のそれぞれから「０」の信号が入力された場合には、ロボットアーム１０と異物とが衝突していないとして「０」の信号を出力する。このような衝突判断部５３を有することにより、異物の硬さに影響されることなく、ロボットアーム１０と異物との衝突を検出することができる。なお、本実施形態では、衝突判断部５３の構成としては、特に限定されない。

以上、衝突検出部５について説明した。上述では、第２検出部５２は、ロボットアーム１０と硬い異物との衝突を検出する機能を有するとしていたが、ロボット本体１の構成等によっては、ロボットアーム１０と柔らかい異物とが衝突した際に、低周波の振動と共に高周波数の振動が生じる場合もある。このような場合には、第２検出部５２によって、この高周波の振動を検出することができる。すなわち、第２検出部５２は、ロボットアーム１０と硬い異物との衝突を検出するたけでなく、ロボットアーム１０と柔らかい異物との衝突を検出する機能を有する。

＜制御装置６＞
制御装置６は、衝突検出部５の検出結果に基づいて、ロボットアーム１０の駆動を制御する機能を有する。図２に示すように、制御装置６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサーと、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等のメモリーと、Ｉ／Ｆ（インターフェース回路）と、を有する。そして、制御装置６は、メモリーに記憶されているプログラムをプロセッサーが適宜読み込んで実行することにより、ロボットアーム１０およびエンドエフェクター１７の動作の制御、各種演算および判断等の処理を実現する。また、Ｉ／Ｆは、ロボット本体１、エンドエフェクター１７および衝突検出部５のそれぞれと通信可能に構成されている。

なお、制御装置６は、図示の構成では、ロボット本体１の基台１１０内に配置されているが、これに限定されず、例えば、基台１１０の外部やロボットアーム１０内に配置されていてもよい。また、制御装置６には、ディスプレイ等のモニターを備える表示装置、例えばマウスやキーボード等を備える入力装置等が接続されていてもよい。

また、制御装置６は、通常動作でロボットアーム１０およびエンドエフェクター１７を駆動する通常駆動モードと、安全動作でロボットアーム１０およびエンドエフェクター１７を駆動する安全駆動モードと、を有し、これらを選択することができる。なお、安全駆動モードとしては、特に限定されず、通常駆動モードに対して何らかの制限が加えられているモードとすることができる。具体的には、各アーム１１～１６の角速度を通常動作よりも低く設定する、各アーム１１～１６の加速度を通常動作よりも低く設定する、各アーム１１～１６の回動範囲を通常動作よりも小さく設定する、ロボットアーム１０の駆動を停止する等が挙げられる。

制御装置６は、衝突検出部５での衝突検出の結果に基づいて通常駆動モードと安全駆動モードとを切り換える。具体的には、制御装置６は、衝突判断部５３がロボットアーム１０と異物とが衝突していることを示す「１」の信号を出力しているときは、安全駆動モードでロボットアーム１０を駆動し、衝突判断部５３がロボットアーム１０と異物とが衝突していないことを示す「０」の信号を出力しているときは、通常駆動モードでロボットアーム１０を駆動する。これにより、異物との衝突が生じているときのロボットアーム１０の過度な駆動（高負荷な駆動）が抑制され、ロボットアーム１０の故障の可能性を低減することができる。特に、衝突した異物が人間である場合には、人間の安全性を高めることができる。

なお、制御装置６は、第１検出部５１がロボットアーム１０と異物との衝突を検出した場合と、第２検出部５２がロボットアーム１０と異物との衝突を検出した場合と、でロボットアーム１０の駆動制限を異ならせてもよい。この場合、制御装置６は、安全駆動モードとして、第１安全駆動モードと、この第１安全駆動モードとは駆動制限の異なる第２安全駆動モードと、を有し、第１検出部５１がロボットアーム１０と異物との衝突を検出した場合には第１安全駆動モードでロボットアーム１０を駆動し、第２検出部５２がロボットアーム１０と異物との衝突を検出した場合には第２安全駆動モードでロボットアーム１０を駆動すればよい。第１安全駆動モードと第２安全駆動モードとの制限の異なりは、特に限定されず、ロボット１００の使用条件によって適宜設定すればよい。例えば、柔らかい異物として人間が想定され、硬い異物としてロボット１００の周囲に位置する壁が想定される場合、人間と接触した場合の方がより安全を確保する必要がある。このような場合には、第１安全駆動モードの駆動制限を第２安全駆動モードの駆動制限よりも厳しいものとすればよい。具体的には、各アーム１１～１６の角速度を第２安全駆動モードよりも低く設定する、各アーム１１～１６の加速度を第２安全駆動モードよりも低く設定する、各アーム１１～１６の回動範囲を第２安全駆動モードよりも小さく設定する、ロボットアーム１０の駆動を停止する等が挙げられる。

以上のように、第１検出部５１がロボットアーム１０と異物との衝突を検出した場合と、第２検出部５２がロボットアーム１０と異物との衝突を検出した場合と、でロボットアーム１０の駆動制限を異ならせる場合、衝突検出部５は、衝突判断部５３を省略してもよい。

以上、ロボット１００の構成について詳細に説明した。次に、ロボット１００の制御方法について、図１０に示すフローチャートに基づいて説明する。まず、ステップＳ１として、衝突検出部５は、振動センサー２から振動信号Ｓｖを取得する。次に、ステップＳ２として、衝突検出部５は、第１検出部５１のコンパレータ５１１において振動信号Ｓｖと第１閾値Ａ１とを比較してロボットアーム１０と異物との衝突の有無を検出する。第１検出部５１によってロボットアーム１０と異物との衝突が検出された場合は、ステップＳ４として、ロボットアーム１０と異物とが衝突したと判断する。一方、第１検出部５１によってロボットアーム１０と異物との衝突が検出されない場合は、ステップＳ３として、衝突検出部５は、第２検出部５２のコンパレータ５２２において抽出振動信号Ｓｖ’と第２閾値Ａ２とを比較してロボットアーム１０と異物との衝突の有無を検出する。第２検出部５２によってロボットアーム１０と異物との衝突が検出された場合は、ロボットアーム１０と異物とが衝突したと判断する。一方、第２検出部５２によってロボットアーム１０と異物との衝突が検出されない場合は、ステップＳ１に戻って、ステップＳ１～Ｓ３を繰り返す。このような制御方法によれば、異物が柔らかい場合でも硬い場合でも、すなわち、異物の硬さによらずロボットアーム１０と異物との衝突をより精度よく検出することができる。なお、図１０では、第１検出部５１での衝突検出を第２検出部５２での衝突検出よりも先に行っているが、これに限定されず、衝突検出の順番は、逆であってもよいし、第１検出部５１での衝突検出と第２検出部５２での衝突検出とを並列処理してもよい。

このようなロボット１００は、前述したように、基台１１０と、基台１１０に対して変位するロボットアーム１０と、を有するロボット本体１と、ロボット本体１に配置され、ロボット本体１の振動を検出する振動センサー２と、振動センサー２からの出力に基づいて、ロボット本体１と物体としての異物との衝突を検出する衝突検出部５と、を備える。ここで、検出する衝突とは接触も含むものであるので、衝突検出部は、接触検出部とも言える。そして、衝突検出部５は、振動センサー２から出力される振動信号Ｓｖに基づいて衝突を検出する第１検出部５１と、振動信号Ｓｖから第１所定値Ｌ以上の周波数の振動成分を抽出した抽出振動信号Ｓｖ’に基づいて衝突を検出する第２検出部５２と、を有する。このような構成によれば、第１検出部５１において、柔らかい異物との衝突を検出することができ、第２検出部５２において、硬い異物との衝突を検出することができる。そのため、異物の硬さによらず、ロボット本体１と異物との衝突を精度よく検出することができる。

また、制御装置６は、第１検出部５１および第２検出部５２での検出結果に基づいてロボット本体１の駆動を制御する。これにより、異物と衝突していない状態と、異物と衝突した状態とで、ロボット本体１の駆動をそれぞれより適切に制御することができる。

また、前述したように、第１検出部５１は、振動信号Ｓｖが第１閾値Ａ１よりも大きければ異物と衝突したと判定し、第２検出部５２は、抽出振動信号Ｓｖ’が第２閾値Ａ２よりも大きければ異物と衝突したと判定する。これにより、より簡単な構成で、異物との衝突を検出することができる。

また、前述したように、衝突検出部５は、第１検出部５１および第２検出部５２の少なくとも一方において異物との衝突が検出されれば、異物との衝突が生じたと判断する衝突判断部５３を有する。これにより、異物の硬さによらず、ロボット本体１と異物との衝突を精度よく検出することができる。

また、ロボット１００は、ロボット本体１の駆動を制御する制御部としての制御装置６を有する。そして、制御装置６は、第１検出部５１が異物との衝突を検出した場合と、第２検出部５２が異物との衝突を検出した場合と、でロボット本体１に与える駆動制限を互いに異ならせることができる。これにより、状況により適した駆動が可能なロボット１００となる。

また、前述したように、振動センサー２のサンプリングスピード（検出レート）は、１０ｋＨｚ以上である。これにより、より詳細な振動信号Ｓｖを取得することができ、特に、硬い異物との接触をより確実に検出することができる。

また、前述したように、ロボット１００の制御方法は、振動センサー２から出力される振動信号Ｓｖに基づいて異物との衝突を検出する第１衝突検出と、振動信号Ｓｖから第１所定値Ｌ以上の周波数の振動成分を抽出した抽出振動信号Ｓｖ’に基づいて異物との衝突を検出する第２衝突検出と、を行い、第１衝突検出および第２衝突検出の結果に基づいてロボット本体１の駆動を制御する。このような制御方法によれば、第１衝突検出において、柔らかい異物との衝突を検出することができ、第２衝突検出において、硬い異物との衝突を検出することができる。そのため、異物の硬さによらず、ロボット本体１と異物との衝突を精度よく検出することができる。

＜第２実施形態＞
図１１は、本発明の第２実施形態に係るロボットが有する衝突検出部のブロック図である。

本実施形態に係るロボット１００は、衝突検出部５の構成が異なること以外は、前述した第１実施形態のロボット１００と同様である。なお、以下の説明では、第２実施形態のロボット１００に関し、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図１１では、前述した第１実施形態と同様の構成について、同一符号を付している。

図１１に示すように、本実施形態の第２検出部５２は、振動センサー２からの振動信号Ｓｖから高周波成分を抽出して抽出振動信号Ｓｖ’を得るバンドパスフィルター５２３と、抽出振動信号Ｓｖ’と第２閾値Ａ２とを比較して、その結果を出力するコンパレータ５２２と、を有する。このように、バンドパスフィルター５２３を用いることにより、簡単な回路構成で、振動信号Ｓｖから高周波成分を抽出して抽出振動信号Ｓｖ’を生成することができる。なお、バンドパスフィルター５２３のパス領域は、振動信号Ｓｖから第１所定値Ｌ以上でかつ第１所定値Ｌよりも大きい第２所定値Ｈ以下の周波数の振動成分を抽出する。第１所定値Ｌ（パス領域の下限周波数）は、ロボットアーム１０の正常な駆動に起因して生じる周波数ｆαよりも高く、硬い異物との衝突により生じる振動の周波数ｆβよりも低い。一方、第２所定値Ｈ（パス領域の上限周波数）は、周波数ｆβよりも高い。すなわち、ｆα＜Ｌ＜ｆβ＜Ｈの関係を満足している。なお、第１所定値Ｌから第２所定値Ｈまでの幅は、なるべく小さく設定することが好ましい。これにより、よりノイズの少ない抽出振動信号Ｓｖ’を抽出することができる。

以上のように、第２検出部５２は、抽出振動信号Ｓｖ’として、振動信号Ｓｖから第１所定値Ｌ以上でかつ第１所定値Ｌよりも大きい第２所定値Ｈ以下の周波数の振動成分を抽出するように構成されている。これにより、例えば、前述した第１実施形態のハイパスフィルター５２１と比べて、パス領域を狭めることができるため、よりノイズの少ない抽出振動信号Ｓｖ’を抽出することができる。

以上のような第２実施形態においても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。

＜第３実施形態＞
図１２は、本発明の第３実施形態に係るロボットが有する衝突検出部のブロック図である。

本実施形態に係るロボット１００は、衝突検出部５の構成が異なること以外は、前述した第１実施形態のロボット１００と同様である。なお、以下の説明では、第３実施形態のロボット１００に関し、前述した第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図１２では、前述した第１実施形態と同様の構成について、同一符号を付している。

図１２に示すように、本実施形態の衝突検出部５は、振動センサー２から出力される振動信号Ｓｖに基づいてロボットアーム１０と異物との衝突を検出する第１検出部５１と、振動信号Ｓｖから第１周波数域の振動成分を抽出した第１抽出振動信号Ｓｖ１に基づいてロボットアーム１０と異物との衝突を検出する第２検出部５２と、振動信号Ｓｖから第２周波数域の振動成分を抽出した第２抽出振動信号Ｓｖ２に基づいてロボットアーム１０と異物との衝突を検出する第３検出部５４と、第１検出部５１、第２検出部５２および第３検出部５４の少なくとも１つにおいてロボットアーム１０と異物との衝突が検出されれば、当該衝突が生じたと判断する衝突判断部５３と、を有する。

このような構成では、第１検出部５１によってロボットアーム１０と柔らかい異物との衝突が検出され、第２検出部５２および第３検出部５４によってロボットアーム１０と硬い異物との衝突が検出される。ここで、ロボットアーム１０と硬い異物との衝突であっても、ロボットアーム１０のどの部分と異物とが衝突するかにより、ロボットアーム１０に生じる振動の周波数が異なる場合がある。例えば、隣り合うアームとの接続を担う骨格の部分は、十分な剛性を持つ金属材料で構成されるのに対して、この骨格を覆うカバー部材は、軽量化等の目的から金属材料よりも柔らかい樹脂材料が用いられることが多い。このような材料の異なりも一因となり、例えば、骨格と異物とが衝突し、骨格を介して振動センサー２に伝わった振動と、カバー部材と異物とが衝突し、カバー部材を介して振動センサー２に伝わった振動とでは、振動の周波数が異なる場合がある。

そこで、本実施形態では、第２検出部５２によって骨格を伝わる振動を検出し、第３検出部５４によってカバー部材を伝わる振動を検出するように構成されている。第２検出部５２は、振動信号Ｓｖから高周波成分を抽出して第１抽出振動信号Ｓｖ１を得る第１バンドパスフィルター５２４と、第１抽出振動信号Ｓｖ１と第２閾値Ａ２とを比較して、その結果を出力するコンパレータ５２２と、を有する。なお、第１バンドパスフィルター５２４のパス領域は、振動信号Ｓｖから所定値Ｌ１以上でかつ所定値Ｌ１よりも大きい所定値Ｈ１以下の周波数の振動成分を抽出する。所定値Ｌ１（パス領域の下限周波数）は、ロボットアーム１０の正常な駆動に起因して生じる周波数ｆαよりも高く、硬い異物との衝突により骨格に生じる振動の周波数ｆγよりも低い。一方、所定値Ｈ１（パス領域の上限周波数）は、周波数ｆγよりも高い。すなわち、ｆα＜Ｌ１＜ｆγ＜Ｈ１の関係を満足している。なお、所定値Ｌ１～Ｈ１までの幅は、なるべく小さく設定することが好ましい。これにより、衝突に起因する振動以外の振動成分を効果的に除去でき、よりノイズの少ない第１抽出振動信号Ｓｖ１を生成することができる。

コンパレータ５２２は、第１抽出振動信号Ｓｖ１と第２閾値Ａ２とを比較し、その結果を出力する。例えば、第２閾値Ａ２よりも第１抽出振動信号Ｓｖ１が高いとコンパレータ５２２から「１」の信号が出力され、第２閾値Ａ２よりも第１抽出振動信号Ｓｖ１が低いとコンパレータ５２２から「０」の信号が出力される。第２閾値Ａ２は、ロボットアーム１０の通常の駆動では生じ得ず、かつ、異物との衝突によっては生じ得る電圧値として設定する。これにより、コンパレータ５２２から「１」の信号が出力されれば、ロボットアーム１０と異物との衝突が生じたと判定でき、反対に、コンパレータ５２２から「０」の信号が出力されれば、ロボットアーム１０と異物との衝突が生じていないと判定できる。

第３検出部５４は、振動信号Ｓｖから高周波成分を抽出して第２抽出振動信号Ｓｖ２を得る第２バンドパスフィルター５４３と、第２抽出振動信号Ｓｖ２と第３閾値Ａ３とを比較して、その結果を出力するコンパレータ５４２と、を有する。なお、第２バンドパスフィルター５４３のパス領域は、振動信号Ｓｖから所定値Ｌ２以上でかつ所定値Ｌ２よりも大きい所定値Ｈ２以下の周波数の振動成分を抽出する。所定値Ｌ２（パス領域の下限周波数）は、ロボットアーム１０の正常な駆動に起因して生じる周波数ｆαよりも高く、硬い異物との衝突によりカバー部材に生じる振動の周波数ｆδよりも低い。一方、所定値Ｈ２（パス領域の上限周波数）は、周波数ｆδよりも高い。すなわち、ｆα＜Ｌ２＜ｆδ＜Ｈ２の関係を満足している。なお、所定値Ｌ２～Ｈ２までの幅は、なるべく小さく設定することが好ましい。これにより、衝突に起因する振動以外の振動成分を効果的に除去でき、よりノイズの少ない第２抽出振動信号Ｓｖ２を生成することができる。

コンパレータ５４２は、第２抽出振動信号Ｓｖ２と第３閾値Ａ３とを比較し、その結果を出力する。例えば、第３閾値Ａ３よりも第２抽出振動信号Ｓｖ２が高いとコンパレータ５４２から「１」の信号が出力され、第３閾値Ａ３よりも第２抽出振動信号Ｓｖ２が低いとコンパレータ５４２から「０」の信号が出力される。第３閾値Ａ３は、ロボットアーム１０の通常の駆動では生じ得ず、かつ、異物との衝突によっては生じ得る電圧値として設定する。これにより、コンパレータ５４２から「１」の信号が出力されれば、ロボットアーム１０と異物との衝突が生じたと判定でき、反対に、コンパレータ５４２から「０」の信号が出力されれば、ロボットアーム１０と異物との衝突が生じていないと判定できる。

以上のような第３実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。

以上、本発明のロボット、制御装置および制御方法を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、本発明は、前述した実施形態のうちの、任意の２以上の構成を組み合わせたものであってもよい。

また、本発明のロボットは、単腕ロボットに限定されず、例えば、双腕ロボット、スカラーロボット等の他のロボットであってもよい。また、ロボットアームが有するアームの数（関節の数）は、前述した実施形態の数に限定されず、１つ以上５つ以下または７つ以上であってもよい。

１…ロボット本体、１０…ロボットアーム、１１…第１アーム、１２…第２アーム、１３…第３アーム、１４…第４アーム、１５…第５アーム、１６…第６アーム、１７…エンドエフェクター、１００…ロボット、１１０…基台、１３０…駆動部、１３１…角度センサー、２…振動センサー、３…センサーデバイス、３１…パッケージ、３１１…基体、３１２…蓋体、３２…力検出素子、３２１…第１圧電素子、３２１ａ…グランド電極層、３２１ｂ…圧電体層、３２１ｃ…出力電極層、３２１ｄ…圧電体層、３２１ｅ…グランド電極層、３２１ｆ…圧電体層、３２１ｇ…出力電極層、３２１ｈ…圧電体層、３２１ｉ…グランド電極層、３２２…第２圧電素子、３２２ａ…グランド電極層、３２２ｂ…圧電体層、３２２ｃ…出力電極層、３２２ｄ…圧電体層、３２２ｅ…グランド電極層、３２２ｆ…圧電体層、３２２ｇ…出力電極層、３２２ｈ…圧電体層、３２２ｉ…グランド電極層、３２３…支持基板、３２４…支持基板、４…ケース、４１…第１ケース部材、４１１…壁部、４２…第２ケース部材、４２１…壁部、４３…側壁部、４９…与圧ボルト、５…衝突検出部、５１…第１検出部、５１１…コンパレータ、５２…第２検出部、５２１…ハイパスフィルター、５２２…コンパレータ、５２３…バンドパスフィルター、５２４…第１バンドパスフィルター、５３…衝突判断部、５３１…ＯＲ回路、５４…第３検出部、５４２…コンパレータ、５４３…第２バンドパスフィルター、６…制御装置、Ａ１…第１閾値、Ａ２…第２閾値、Ａ３…第３閾値、Ｏ…中心軸、Ｑ１…領域、Ｑ２…領域、Ｑａ…電荷、Ｑｂ…電荷、Ｓ１…ステップ、Ｓ２…ステップ、Ｓ３…ステップ、Ｓ４…ステップ、Ｓｖ…振動信号、Ｓｖ’…抽出振動信号、Ｓｖ１…第１抽出振動信号、Ｓｖ２…第２抽出振動信号

Claims (6)

1. 基台と、前記基台に対して変位するロボットアームと、を有するロボット本体と、
   前記ロボット本体に配置され、前記ロボット本体の振動を検出する振動センサーと、
   前記振動センサーからの出力に基づいて、前記ロボット本体と物体との衝突を検出する衝突検出部と、を有し、
   前記衝突検出部は、前記振動センサーから出力される振動信号に基づいて前記衝突を検出する第１検出部と、
   前記振動信号から第１周波数帯域の振動成分を抽出した第１抽出振動信号に基づいて前記衝突を検出する第２検出部と、
   前記振動信号から前記第１周波数帯域と異なる第２周波数帯域の振動成分を抽出した第２抽出振動信号に基づいて前記衝突を検出する第３検出部と、を備えることを特徴とするロボット。
2. 前記第１検出部は、前記振動信号が第１閾値よりも大きければ前記衝突と判定し、
   前記第２検出部は、前記第１抽出振動信号が第２閾値よりも大きければ前記衝突と判定し、
   前記第３検出部は、前記第２抽出振動信号が第３閾値よりも大きければ前記衝突と判定する請求項１に記載のロボット。
3. 前記振動センサーの検出レートは、１０ｋＨｚ以上である請求項１または２に記載のロボット。
4. 前記ロボット本体は、骨格と、前記骨格を覆うカバー部材と、を有し、
   前記第２検出部は、前記第１抽出振動信号として、前記振動信号から所定値Ｌ１以上でかつ前記所定値Ｌ１よりも大きい所定値Ｈ１以下の周波数の振動成分を抽出し、
   前記第３検出部は、前記第２抽出振動信号として、前記振動信号から所定値Ｌ２以上でかつ前記所定値Ｌ２よりも大きい所定値Ｈ２以下の周波数の振動成分を抽出し、
   前記所定値Ｌ１は、前記ロボット本体の正常な駆動に起因して生じる周波数ｆαよりも高く、所定のヤング率よりも大きいヤング率を有する前記物体との衝突により前記骨格に生じる振動の周波数ｆγよりも低く、前記所定値Ｈ１は、前記周波数ｆγよりも高く、
   前記所定値Ｌ２は、前記周波数ｆαよりも高く、前記所定のヤング率よりも大きいヤング率を有する前記物体との衝突により前記カバー部材に生じる振動の周波数ｆδよりも低く、前記所定値Ｈ２は、前記周波数ｆδよりも高い請求項１ないし３のいずれか１項に記載のロボット。
5. 基台と、前記基台に対して変位するロボットアームと、を有するロボット本体と、
   前記ロボット本体に配置され、前記ロボット本体の振動を検出する振動センサーと、
   前記振動センサーからの出力に基づいて、前記ロボット本体と物体との衝突を検出する衝突検出部と、を備えるロボットの駆動を制御する制御装置であって、
   前記衝突検出部は、前記振動センサーから出力される振動信号に基づいて前記衝突を検出する第１検出部と、
   前記振動信号から第１周波数帯域の振動成分を抽出した第１抽出振動信号に基づいて前記衝突を検出する第２検出部と、
   前記振動信号から前記第１周波数帯域と異なる第２周波数帯域の振動成分を抽出した第２抽出振動信号に基づいて前記衝突を検出する第３検出部と、を備え、
   前記第１検出部、前記第２検出部および前記第３検出部での検出結果に基づいて前記ロボット本体の駆動を制御することを特徴とする制御装置。
6. 基台と、前記基台に対して変位するロボットアームと、を有するロボット本体と、
   前記ロボット本体に配置され、前記ロボット本体の振動を検出する振動センサーと、を備えるロボットの駆動を制御する制御方法であって、
   前記振動センサーから出力される振動信号に基づいて前記衝突を検出する第１衝突検出と、
   前記振動信号から第１周波数帯域の振動成分を抽出した第１抽出振動信号に基づいて前記衝突を検出する第２衝突検出と、
   前記振動信号から前記第１周波数帯域と異なる第２周波数帯域の振動成分を抽出した第２抽出振動信号に基づいて前記衝突を検出する第３衝突検出と、を行い、
   前記第１衝突検出、前記第２衝突検出および前記第３衝突検出の結果に基づいて前記ロボット本体の駆動を制御することを特徴とする制御方法。

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