JP7351677B2

JP7351677B2 - ロボットシステム

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Publication number: JP7351677B2
Application number: JP2019160247A
Authority: JP
Inventors: 康広内藤
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2019-09-03
Filing date: 2019-09-03
Publication date: 2023-09-27
Anticipated expiration: 2039-09-03
Also published as: US20210060794A1; US11654577B2; JP2021037578A; DE102020122234A1; CN112440274A

Description

本開示は、ロボットシステムに関するものである。

力センサの上にロボットを配置して、ロボットに作用する外力を検出する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
また、各関節の回転方向のトルクを検出するトルクセンサを配置して、外力をトルクとして検出する技術が知られている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２０１６－７６４５号公報特開２０１７－１７７２９３号公報

力センサによって外力を検出する技術は、ロボットに作用する力が所定の閾値を超える場合にロボットを停止させる接触停止制御を行う場合に適しているが、ロボットの自重が作用した状態で高感度に外力を検出可能な力センサは大型かつ高価である。
一方、トルクセンサにより外力を検出する場合には、センサとして小型かつ廉価なものを採用できるが、検出されるトルク値によって接触停止制御を行うと、トルクセンサに近い位置と遠い位置とで外力に対する検出感度が大きく相違してしまう。

したがって、センサの小型化およびコストの低減を図りつつ、トルクセンサからの距離に応じた外力の検出感度の差を低減して、高感度にロボットの接触停止制御を行うことが望ましい。

本開示の一態様は、１以上の関節を有するロボットと、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、少なくとも１つの前記関節に該関節の軸線回りの第１トルクを検出するトルクセンサを備えるとともに、該トルクセンサよりも先端側に力を検出する力センサを備え、前記制御装置は、前記力センサにより検出された前記力が所定の第１閾値以下である場合には、前記第１トルクのみに基づいて前記ロボットを停止させるか否かの判定を行うロボットシステムである。

本開示の第１の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おける制御装置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けるロボットの各位置に作用する外力の例を示す図である。本開示の第１の実施形態に係るロボットシステムにおける制御装置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けるロボットの先端に作用した力Ｆ１およびトルクＭ１およびトルクセンサにより検出されたトルクＭ０に基づく接触停止制御を説明する図である。

本開示の第１の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、ロボット２への外部の物体の接触を検出してロボット２を停止させる接触停止制御を行うシステムである。このロボットシステム１は、ロボット２への直接的な接触のみならず、ロボット２に装着しているツールＳあるいはワークへの接触によるロボット２への間接的な接触に対しても接触停止制御を行うことができる。また、接触を検出してロボット２を停止させるのみならず、ロボット２を減速させるなど、停止に準じる動作をさせる場合も含む。

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２と、ロボット２に接続された制御装置３とを備えている。
ロボット２は、例えば、６軸多関節型ロボットである。

ロボット２は、床面Ｇに固定されるベース４と、鉛直な第１軸線Ａ回りにベース４に対して回転可能に支持された旋回胴５とを備えている。また、ロボット２は、水平な第２軸線Ｂ回りに旋回胴５に対して揺動可能に支持された第１アーム６と、水平な第３軸線Ｃ回りに第１アーム６に対して揺動可能に支持された第２アーム７とを備えている。さらに、ロボット２は、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を備えている。

本実施形態においては、手首ユニット８の先端にハンド等のツールＳが固定されている。
さらに、ロボット２には、第２軸線（軸線）Ｂ回りのトルク（第１トルク）を検出するトルクセンサ９と、手首先端とツールＳとの間に配置された力センサ１０とが備えられている。力センサ１０は、相互に直交する３軸方向の力を検出可能である。

制御装置３は、プロセッサおよびメモリにより構成されている。
制御装置３は、予め教示されたプログラムに従ってロボット２の動作を制御するとともに、トルクセンサ９により検出されたトルクおよび力センサ１０により検出された力に基づいてロボット２の接触停止制御を行う。

具体的には、制御装置３は、図２に示されるように、まず、力センサ１０により検出された力およびトルクセンサ９により検出されたトルクを受信し（ステップＳ1）、力センサ１０により検出された３軸方向の力の内、いずれか一方向の力Ｆが第１閾値Ｔｈ１よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ２）。第１閾値Ｔｈ１は、力センサ１０のノイズレベルよりも大きく、かつ可能な限り小さい値に設定されている。

検出された力Ｆが第１閾値Ｔｈ１よりも大きい場合には、外部の物体との接触は力センサ１０よりも先端側において発生しているため、力センサ１０により検出された３軸方向の力の内、いずれか一方向の力Ｆ（または、３軸方向の力の合力）が、第２閾値Ｔｈ２よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ３）。力Ｆが第２閾値Ｔｈ２よりも大きい場合には、ロボット２を停止させる（ステップＳ４）。一方、力Ｆが第２閾値Ｔｈ２以下である場合には、ロボット２を停止させることなくステップＳ１からの工程を繰り返す。

検出された３軸方向の力Ｆのいずれもが第１閾値以下Ｔｈ１である場合には、力センサ１０よりも先端側においては外部の物体との接触は発生していない。この場合には、トルクセンサ９により検出された第１トルクＭ０が、第３閾値Ｔｈ３よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ５）。第１トルクＭ０が第３閾値Ｔｈ３よりも大きい場合には、ロボット２を停止させる（ステップＳ４）。第１トルクＭ０が第３閾値Ｔｈ３以下である場合には、ロボット２を停止させることなくステップＳ１からの工程を繰り返す。

すなわち、本実施形態に係るロボットシステム１によれば、力センサ１０よりも先端側において外部の物体との接触が発生している場合には、トルクセンサ９により検出される第１トルクＭ０が接触停止制御に用いられない。トルクセンサ９から離れた位置に外力が作用する場合、トルクセンサ９の感度が高くなりすぎてしまうからである。これにより、ツールＳを作業対象に押し付けるような作業をする場合に、その押し付け力だけでロボット２が停止してしまう不都合の発生を防止することができる。

そして、この場合には、力センサ１０によって検出された力に基づいてロボット２を接触停止制御することにより、ロボット２に作用する外力をより正確に検出して、確実にロボット２を停止させることができる。すなわち、ロボット２の作業を阻害することなく、接触が発生したときにはより確実にロボット２を停止することができるという利点がある。

また、力センサ１０よりも基端側において外部の物体との接触が発生している場合には、力センサ１０により検出される力は第１閾値Ｔｈ１以下となるので、トルクセンサ９により検出される第１トルクＭ０のみに応じてロボット２を接触停止制御することができる。手首ユニット８の先端までの範囲であれば、外部の物体との接触点は、トルクセンサ９に比較的近い位置となるため、感度の変動を一定範囲に抑えることができる。

例えば、図３に示されるように、第２軸線Ｂからの距離ｄ１＝０．２ｍの第１アーム６の根元位置に１００Ｎの外力が作用した場合には、トルクセンサ９により２０Ｎｍのトルクが検出される。したがって、１００Ｎの外力の検出によってロボット２を停止させたい場合には、第３閾値Ｔｈ３を２０Ｎｍとする。この場合には、第２軸線Ｂからの距離ｄ２＝１ｍの手首ユニット８の位置に２０Ｎの外力が作用したときにロボット２が停止する。

一方、力センサ１０よりも先端側の第２軸軸Ｂからの距離ｄ３＝２ｍの位置に外力が作用したときには、１０Ｎの外力で第３閾値Ｔｈ３を超えてしまう。本実施形態によれば、第２閾値Ｔｈ２を１００Ｎに設定しておくことにより、１００Ｎｍ以下の外力であれば、トルクセンサ９により２０Ｎｍよりも大きなトルクが検出されてもロボット２を停止させずに済むことになる。

次に、本開示の第２の実施形態に係るロボットシステムについて図面を参照して以下に説明する。
本実施形態の説明において、上述した第１の実施形態に係るロボットシステム１と構成を共通とする箇所には同一符号を付して説明を省略する。
本実施形態に係るロボットシステムは、手首先端とツールＳとの間に配置された力センサ１１において第１の実施形態に係るロボットシステム１と相違している。

本実施形態においては、力センサ１１は、相互に直交する３軸方向の力Ｆおよびこれら３軸回りのトルクを検出することができる６軸の力センサである。
本実施形態においても、図４に示されるように、３軸方向の力Ｆおよびこれら３軸回りのトルクを検出し（ステップＳ１）、力センサ１１により検出された３軸方向の力Ｆのいずれもが第１閾値Ｔｈ１よりも大きいか否かが判定される（ステップＳ２）。

力センサ１１により検出された３軸方向の力Ｆのいずれもが第１閾値Ｔｈ１以下である場合には、トルクセンサ９によるトルクＭ０のみに基づいて停止制御が行われる（ステップＳ４、Ｓ５）。
力センサ１１により検出された３軸方向の力Ｆのいずれかが第１閾値Ｔｈ１よりも大きい場合には、外部の物体との接触は力センサ１１よりも先端側において発生している。このため、力センサ１１により検出された３軸方向の力Ｆのいずれか（または、３軸方向の力の合力）が、第２閾値Ｔｈ２よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ３）。

力センサ１１により検出された３軸方向の力Ｆのいずれか（または、３軸方向の力の合力）が第２閾値Ｔｈ２よりも大きい場合には、ロボット２を停止させる（ステップＳ４）。一方、力Ｆが第２閾値Ｔｈ２以下である場合には、制御装置３は、力センサ１１により検出された力ＦおよびトルクＭ０を用いて、力センサ１１よりも先端側に作用した力Ｆがトルクセンサ９に発生させるトルク（第２トルク）Ｍ２を以下の方法によって算出する（ステップＳ６）。

そして、トルクセンサ９により検出されたトルク（第１トルク）Ｍ０からトルクＭ２を減算してトルク（第３トルク）Ｍを算出し（ステップＳ７）、得られたトルクＭが第３閾値Ｔｈ３を超えているか否かによって、ロボット２を停止させるか否かを決定する（ステップＳ８）。
トルクＭ２は以下の方法によって算出する。
制御装置３は、図５に示されるように、まず、力センサ１１により検出された力ＦおよびトルクＭ０に基づいて、力センサ１１の原点Ｐを通り第２軸線Ｂに平行な軸線回りのトルクＭ１と軸線に直交する平面に沿う力ベクトルＦ１を算出する。

すなわち、力センサ１１により検出された相互に直交する３軸方向の力Ｆの合力を第２軸線Ｂに直交する平面に投影することにより、力ベクトルＦ１の大きさ｜Ｆ１｜およびその方向を算出する。また、力センサ１１により検出された３軸回りのトルクに基づいて力センサ１１の原点を通過し第２軸線Ｂに平行な軸線回りのトルクＭ１を算出する。

そして、求められた力ベクトルＦ１およびトルクＭ１を用いることにより、力ベクトルＦ１の力が作用している直線を求めることができる。直線は、図５に示されるように、力センサ１１の原点から距離ｄ１＝Ｍ１／｜Ｆ１｜の位置に配置されている。また、直線の方向は力ベクトルＦ１の方向に一致している。

そして、制御装置３は、ロボット２のリンク長および関節角度を用いて、力センサ１１とトルクセンサ９との位置関係を求め、上記において求められた直線と第２軸線Ｂとの距離Ｄを算出する。次いで、
Ｍ２＝｜Ｆ１｜×Ｄ
により、トルクＭ２を算出する。

最後に、
Ｍ＝Ｍ０－Ｍ２
により、トルクＭを算出する。

制御装置３は、算出されたトルクＭが、第３閾値Ｔｈ３よりも大きいか否かを判定し（ステップＳ８）、トルクＭが第３閾値Ｔｈ３よりも大きい場合には、ロボット２を停止させる（ステップＳ４）。トルクＭが第３閾値Ｔｈ３以下である場合には、ロボット２を停止させず、ステップＳ１からの工程が繰り返される。

すなわち、本実施形態においては、力センサ１１よりも先端側に作用した力によって、トルクセンサ９に作用してしまうトルクＭ２をトルクセンサ９の検出値であるトルクＭ０から減算する。これにより、力センサ１１よりも先端側に小さい力が作用した場合にトルクセンサ９により大きなトルクが検出されてロボット２が停止させられてしまうことを防止することができる。

特に、本実施形態に係るロボットシステムによれば、力センサ１１よりも先端側に外力が作用している状態で、力センサ１１よりも基端側にも外力が作用した場合に、その外力の大きさによってロボット２を接触停止制御することができる。すなわち、ツールＳをワークに押し当ててその反力が外力として作用する作業において、力センサ１１により検出される力を第２閾値Ｔｈ２以下に抑えれば作業を継続することができる。そして、作業を継続しつつ、第１アーム６あるいは第２アーム７に作業者等が大きな力で接触した場合に、より確実にロボット２を停止することができるという利点がある。

なお、上記各実施形態においては、第２軸線Ｂ回りのトルクＭ０を検出するトルクセンサ９を備える場合を例示したが、これに代えて、第３軸線Ｃ回りのトルクを検出する場合に適用してもよい。また、第２軸線Ｂおよび第３軸線Ｃの両方にトルクセンサ９を配置してもよい。
また、力センサ１０，１１を手首ユニット８とツールＳとの間に配置する場合を例示したが、これに代えて、トルクユニットよりも先端側の他の任意の位置に配置してもよい。

１ロボットシステム
２ロボット
３制御装置
９トルクセンサ
１０，１１力センサ
Ｂ第２軸線（軸線）
Ｆ力
Ｍ０第１トルク
Ｍ２第２トルク
Ｍ第３トルク
Ｔｈ１第１閾値
Ｔｈ２第２閾値
Ｔｈ３第３閾値

Claims

１以上の関節を有するロボットと、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、少なくとも１つの前記関節に該関節の軸線回りの第１トルクを検出するトルクセンサを備えるとともに、該トルクセンサよりも先端側に力を検出する力センサを備え、
前記制御装置は、前記力センサによる所定の第１閾値以下の前記力の検出に応じて、前記第１トルクのみに基づいて前記ロボットを停止させるか否かの判定を行うロボットシステム。
前記制御装置は、前記力センサにより検出された前記力が前記第１閾値以下である場合には、前記第１トルクが所定の第３閾値よりも高い場合にのみ前記ロボットを停止させる請求項１に記載のロボットシステム。
前記制御装置は、前記力センサにより検出された前記力が前記第１閾値よりも大きい場合には、前記力センサにより検出された前記力のみに基づいて前記ロボットを停止させる請求項１に記載のロボットシステム。
前記制御装置は、前記力センサにより検出された前記力が前記第１閾値よりも大きい場合には、前記力センサにより検出された前記力が所定の第２閾値よりも大きい場合にのみ前記ロボットを停止させる請求項３に記載のロボットシステム。
前記力センサが、相互に交差する３軸方向の力を検出可能な３軸の力センサである請求項１から請求項４のいずれかに記載のロボットシステム。
該力センサが、相互に交差する３軸方向の力および該３軸回りのトルクを検出可能な６軸の力センサであり、
前記制御装置は、前記力センサにより検出された前記力が前記第１閾値よりも大きい場合には、前記力センサにより検出された前記力および前記第１トルクを用いて、前記軸線回りの第２トルクを算出し、前記第１トルクから前記第２トルクを減算した第３トルクに基づいて前記ロボットを停止させる請求項１に記載のロボットシステム。