JP7394699B2 - mechanical equipment - Google Patents
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Description
この発明は、物体の有無を検出する機械装置に関する。 The present invention relates to a mechanical device that detects the presence or absence of an object.
従来、物体の有無の検出には、光電スイッチが広く用いられている(例えば特許文献1参照)。この光電スイッチがロボットアームにおけるアーム部の先端に取付けられることで、ロボットアームは、前方に存在する物体を検出可能となる。 Conventionally, photoelectric switches have been widely used to detect the presence or absence of an object (see, for example, Patent Document 1). By attaching this photoelectric switch to the tip of the arm portion of the robot arm, the robot arm can detect objects that are present in front of it.
しかしながら、光電スイッチは、光の照射範囲(光路範囲)が狭いため、物体を検出可能な範囲も狭い。よって、従来のロボットアームでは、アーム部の振動により、物体の検出ミスが発生し易く、改善が求められている。 However, since the photoelectric switch has a narrow light irradiation range (optical path range), the range in which it can detect objects is also narrow. Therefore, in conventional robot arms, errors in detecting objects are likely to occur due to vibration of the arm portion, and improvements are required.
なお、この課題は、上記のようなロボットアームのみに存在する課題ではなく、光電スイッチが取付けられたアーム部を有するその他の機械装置(例えば搬送装置)についても同様に存在する課題である。 Note that this problem is not only a problem that exists only in the robot arm as described above, but also a problem that similarly exists in other mechanical devices (for example, a transfer device) having an arm portion to which a photoelectric switch is attached.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、従来構成に対し、物体の検出ミスを低減可能な機械装置を提供することを目的としている。 The present invention was made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a mechanical device that can reduce detection errors of objects compared to the conventional configuration.
この発明に係る機械装置は、アーム部と、アーム部の先端面において、当該アーム部の先端側において主な振動が生じると想定される方向とは垂直な方向に、直線状に配列された複数の超音波素子を有する送受信部と、送受信部による送受信結果に基づいて、物体の有無を検出する物体検出部とを備え、送受信部は、超音波素子が超音波を放射することで、主な振動が生じると想定される方向を含む面において2次元円形波を形成することを特徴とする。 The mechanical device according to the present invention includes an arm portion and a plurality of linearly arranged vibrations on the distal end surface of the arm portion in a direction perpendicular to a direction in which main vibrations are expected to occur on the distal end side of the arm portion. The transmitting/receiving unit includes a transmitting/receiving unit having an ultrasonic element, and an object detecting unit that detects the presence or absence of an object based on the results of transmission and reception by the transmitting/receiving unit. It is characterized by forming a two-dimensional circular wave in a plane including the direction in which vibration is expected to occur.
この発明によれば、上記のように構成したので、従来構成に対し、物体の検出ミスを低減可能となる。 According to the present invention, with the above configuration, it is possible to reduce object detection errors compared to the conventional configuration.
以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態1.
図1は実施の形態1に係るロボットアームの構成例を示す図である。
ロボットアーム(機械装置)は、図1に示すように、アーム部1及び超音波センサ2を備えている。図1では、超音波センサ2が有する構成のうちの後述する超音波素子211のみを図示している。
Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of a robot arm according to the first embodiment.
The robot arm (mechanical device) includes an
アーム部1は、制御部(不図示)による制御に応じて移動する。なお図1では、ロボットアームが有するアーム部1のうちの先端部分のみを図示している。また、アーム部1の先端側は、移動等により振動が生じる。
The
超音波センサ2は、アーム部1の前方に存在する物体を検出する。超音波センサ2は、図2に示すように、送受信部21及び物体検出部22を有する。
The
送受信部21は、アーム部1の前方に対して超音波の送受信を行う。送受信部21は、図1に示すように、複数の超音波素子211を有する。複数の超音波素子211は、アーム部1の先端面において、直線状に配列されている。この際、複数の超音波素子211は、アーム部1の先端側において主な振動が生じると想定される方向とは垂直な方向に配列される。図1では、アーム部1の先端側においてY軸方向に主な振動が生じると想定された場合を示し、2つの超音波素子211(超音波素子211a,211b)がX軸方向に配列されている。
The transmitting/receiving
この送受信部21は、複数の超音波素子211が超音波を放射することで、3次元空間における1つの面(アーム部1の先端側において主な振動が生じると想定される方向を含む面)において2次元円形波を形成する。図1では、送受信部21は、YZ平面において2次元円形波を形成する。
This transmitting/receiving
超音波素子211としては、例えばMUT(Micromachined Ultrasonic Transducers)が用いられる。MUTは、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)の半導体製造技術によって構成された微小な超音波素子である。
MUTとしては、PMUT(Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers)及びCMUT(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers)がある。図3に、超音波素子211の一例として、PMUTの構成例について示す。
As the
MUTs include PMUTs (Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers) and CMUTs (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers). FIG. 3 shows a configuration example of a PMUT as an example of the
PMUTは、圧電型の超音波素子である。このPMUTは、図3に示すように、半導体基板2111、圧電素子(圧電膜)2112、電極2113及び電極2114を有している。
PMUT is a piezoelectric ultrasonic element. As shown in FIG. 3, this PMUT includes a
半導体基板2111には、下面の一部に溝が設けられることで、薄膜であるダイヤフラム2115が形成されている。
圧電素子2112は、半導体基板2111におけるダイヤフラム2115上に積層されている。
電極2113は、圧電素子2112の上面(ダイヤフラム2115側とは反対側の面)に接続されている。
電極2114は、圧電素子2112の下面(ダイヤフラム2115側の面)に接続されている。
A groove is provided in a part of the lower surface of the
The
The
The
このように構成されたPMUTは、電極2113及び電極2114により圧電素子2112に対して電圧が印可されることで圧電素子2112が伸縮し、これに伴ってダイヤフラム2115が振動し、このダイヤフラム2115の変位によって生じる圧力差により超音波が発信される。
また、PMUTは、外部から超音波が到来すると、この超音波によってダイヤフラム2115が振動し、これに伴って圧電素子2112の電極間に電位差が生じ、この電位差を検出することで超音波を受信する。
In the PMUT configured in this way, when a voltage is applied to the
Furthermore, when an ultrasonic wave arrives from the outside, the PMUT vibrates the
一方、CMUTは、静電型の超音波素子である。このCMUTは、PMUTに対し、駆動方式として静電引力を用い、出力方式としてキャパシタを用いる点が異なるが、ダイヤフラムを用いた基本的な動作原理については同様である。 On the other hand, CMUT is an electrostatic type ultrasonic element. This CMUT is different from the PMUT in that it uses electrostatic attraction as a drive method and uses a capacitor as an output method, but the basic operating principle using a diaphragm is the same.
物体検出部22は、送受信部21による送受信結果に基づいて、ロボットアームの前方における物体の有無を検出する。
また、物体検出部22は、上記の物体有無検出機能に加え、検出可能範囲内に物体が有る場合に、ロボットアーム(アーム部1の先端)から当該物体までの距離を検出する機能を有していてもよい。この場合、物体検出部22は、検出可能範囲内に物体が有ると判定した場合に、送受信部21が超音波を送信してから当該物体により反射された超音波を受信するまでの時間に基づいて、当該物体までの距離を検出する。
The
In addition to the above object detection function, the
なお、物体検出部22は、システムLSI(Large Scale Integration)等の処理回路、又はメモリ等に記憶されたプログラムを実行するCPU(Central Processing Unit)等により実現される。
Note that the
次に、図2に示す実施の形態1における超音波センサ2の動作例について、図4を参照しながら説明する。
図2に示す実施の形態1における超音波センサ2の動作例では、まず、送受信部21は、アーム部1の前方に対して超音波を送信する(ステップST401)。この際、送受信部21では、複数の超音波素子211が超音波を放射することで、3次元空間における1つの面(アーム部1の先端側において主な振動が生じると想定される方向を含む面)において2次元円形波を形成する。
Next, an example of the operation of the
In the operation example of the
図5では、X軸上に2つの超音波素子211(超音波素子211a,211b)が配列され、2つの超音波素子211がZ軸方向に向けて同時に超音波(球面波)を放射した場合を示している。この場合、図5Aに示すように、XZ平面では、2つの超音波素子211の中心線上において超音波が干渉し、超音波ビームが形成される。一方、図5Bに示すように、YZ平面では、2次元円形波が形成される。図5において、符号501は超音波ビームを示し、符号502は2次元円形波を示している。
In FIG. 5, two ultrasonic elements 211 (
次いで、送受信部21は、超音波の受信を行う(ステップST402)。
Next, the transmitter/
次いで、物体検出部22は、送受信部21による送受信結果に基づいて、物体の有無を検出する(ステップST403)。また、物体検出部22は、検出可能範囲内に物体が有ると判定した場合、送受信部21が超音波を送信してから当該物体により反射された超音波を受信するまでの時間に基づいて、当該物体までの距離を検出してもよい。
Next, the
ここで、ロボットアームでは、アーム部1の形状及び弾性に起因して、アーム部1の先端における振動は避けられない。そして、このアーム部1の振動が、物体の検出ミスの要因の一つとなる。そこで、実施の形態1に係るロボットアームでは、2次元円形波を用いることで、従来構成に対し、アーム部1において主な振動が生じると想定される方向に対して検出可能範囲を拡張している(図6参照)。これにより、このロボットアームは、従来のロボットアームに対し、アーム部1の振動による物体の検出ミスを低減可能となる。なお図6において、符号601はロボットアームの前方に存在する物体を示し、符号602は光電スイッチを示し、符号603は従来のロボットアームにおける物体の検出可能範囲を示し、符号604は実施の形態1に係るロボットアームにおける物体の検出可能範囲を示している。
Here, in the robot arm, vibration at the tip of the
なお、実施の形態1に係るロボットアームでは、物体の検出可能範囲を拡張するために2次元円形波を用いているが、2次元円形波の精度は、各超音波素子211の設置場所の精度に影響する。これに対し、MUTでは、フォトリソグラフィーにより精度よく各超音波素子211を配置可能である。よって、実施の形態1に係るロボットアームが有する超音波素子211としてMUTを用いることで、精度の高い2次元円形波を送信可能となる。
Note that the robot arm according to the first embodiment uses two-dimensional circular waves to expand the detectable range of objects, but the accuracy of the two-dimensional circular waves depends on the accuracy of the installation location of each
なお図5では、超音波素子211の数を最少の2つとした場合を示しているが、これに限らず、超音波素子211の数は3つ以上でもよい。図7では、X軸上に4つの超音波素子211(超音波素子211a~211d)が配列され、4つの超音波素子211がZ軸方向に向けて同時に超音波(球面波)を放射した場合を示している。なお図7では、4つの超音波素子211が同時に超音波を放射した場合を示したが、これに限らず、例えば、まず外側の2つの超音波素子211(超音波素子211a,211d)が同時に超音波を放射し、その後に内側の2つの超音波素子211(超音波素子211b,211c)が同時に超音波を放射してもよい。この場合、図7Aに示すように、XZ平面では、4つの超音波素子211の中心線上において超音波が干渉し、超音波ビームが形成される。一方、図7Bに示すように、YZ平面では、2次元円形波が形成される。なお、一般に、超音波素子211の数を増やすと超音波の振幅が上がるため、S/Nが向上する。図7において、符号701は超音波ビームを示し、符号702は2次元円形波を示している。
Although FIG. 5 shows a case where the minimum number of
以上のように、この実施の形態1によれば、ロボットアームは、アーム部1と、アーム部1の先端面において、当該アーム部1の先端側において主な振動が生じると想定される方向とは垂直な方向に、直線状に配列された複数の超音波素子211を有する送受信部21と、送受信部21による送受信結果に基づいて、物体の有無を検出する物体検出部22とを備え、送受信部21は、超音波素子211が超音波を放射することで、主な振動が生じると想定される方向を含む面において2次元円形波を形成する。これにより、実施の形態1に係るロボットアームは、従来構成に対し、物体の検出ミスを低減可能となる。
As described above, according to the first embodiment, the robot arm has the
実施の形態2.
図8は実施の形態2における超音波センサ2の構成例を示す図である。この図8に示す実施の形態2における超音波センサ2は、図2に示す実施の形態1における超音波センサ2に対し、信号検出部23及び振動有無推定部24を追加している。その他の構成は実施の形態1に係るロボットアームと同様であり、同一の符号を付して異なる部分についてのみ説明を行う。なお、超音波素子211はMUTである。
FIG. 8 is a diagram showing a configuration example of the
信号検出部23は、送受信部21による送受信結果に基づいて、超音波素子211が放射する超音波の駆動周波数以外の周波数の信号を検出する。なお、超音波の駆動周波数は、超音波素子211の共振周波数であり、例えば500kHzである。
振動有無推定部24は、信号検出部23により検出された信号に基づいて、アーム部1における振動の有無を推定する。
The
The vibration presence/
ここで、MUTは、その構造上、ダイヤフラムを有している。そのため、MUTは、このダイヤフラムにより、超音波だけではなく、超音波の駆動周波数以外の信号も微弱ながら受信可能である。すなわち、超音波素子211としてMUTを用いた場合、超音波素子211はアーム部1で生じた振動による信号を受信可能である。
よって、超音波素子211がMUTである場合、信号検出部23は、超音波の駆動周波数以外の周波数の信号を検出可能であり、振動有無推定部24は、この信号の有無からアーム部1における振動の有無の可能性を検出可能である。
Here, the MUT has a diaphragm due to its structure. Therefore, the MUT can receive not only ultrasonic waves but also signals other than the driving frequency of the ultrasonic waves, although weak, through this diaphragm. That is, when an MUT is used as the
Therefore, when the
実施の形態3.
図9は実施の形態3における超音波センサ2の構成例を示す図である。この図9に示す実施の形態3における超音波センサ2は、図2に示す実施の形態1における超音波センサ2に対し、信号検出部23及び劣化推定部25を追加している。その他の構成は実施の形態1に係るロボットアームと同様であり、同一の符号を付して異なる部分についてのみ説明を行う。なお、超音波素子211はMUTである。
Embodiment 3.
FIG. 9 is a diagram showing a configuration example of the
信号検出部23は、送受信部21による送受信結果に基づいて、超音波素子211が放射する超音波の駆動周波数以外の周波数の信号を検出する。この信号検出部23は、実施の形態2における信号検出部23と同一である。
劣化推定部25は、信号検出部23により検出された信号を監視することで、アーム部1の劣化を推定する。この際、劣化推定部25は、例えば、過去のデータを利用した機械学習を用いて、劣化を推定する。
The
The
ここで、アーム部1は、新品の状態と劣化した状態とで振動の仕方が異なる。よって、劣化推定部25は、信号検出部23により検出された信号に基づくアーム部1の振動を機械学習等によって解析することで、アーム部1の劣化状態の診断が可能となる。
Here, the
なお上記では、図2に示す実施の形態1における超音波センサ2に対し、信号検出部23及び劣化推定部25を追加した場合を示した。しかしながら、これに限らず、図8に示す実施の形態2における超音波センサ2に対し、劣化推定部25を追加してもよい。
Note that the above description shows a case in which the
また、実施の形態1~3では、機械装置がロボットアームである場合を示した。しかしながら、これに限らず、機械装置は、超音波センサ2が取付けられたアーム部1を有する装置であればよく、例えば搬送装置でもよい。
Furthermore, in the first to third embodiments, the mechanical device is a robot arm. However, the present invention is not limited thereto, and the mechanical device may be any device as long as it has an
また、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組合わせ、或いは各実施の形態の任意の構成要素の変形、若しくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。 Furthermore, within the scope of the invention, the present invention allows for free combinations of the embodiments, modification of any component of each embodiment, or omission of any component in each embodiment. be.
1 アーム部
2 超音波センサ
21 送受信部
22 物体検出部
23 信号検出部
24 振動有無推定部
25 劣化推定部
211 超音波素子
2111 半導体基板
2112 圧電素子
2113 電極
2114 電極
2115 ダイヤフラム
1
Claims (4)
前記アーム部の先端面において、当該アーム部の先端側において主な振動が生じると想定される方向とは垂直な方向に、直線状に配列された複数の超音波素子を有する送受信部と、
前記送受信部による送受信結果に基づいて、物体の有無を検出する物体検出部とを備え、
前記送受信部は、前記超音波素子が超音波を放射することで、前記主な振動が生じると想定される方向を含む面において2次元円形波を形成する
ことを特徴とする機械装置。 The arm part and
a transmitting/receiving section having a plurality of ultrasonic elements arranged linearly in a direction perpendicular to a direction in which main vibrations are expected to occur on the distal end side of the arm section on the distal end surface of the arm section;
an object detection unit that detects the presence or absence of an object based on the transmission and reception results by the transmission and reception unit,
A mechanical device characterized in that the transmitting/receiving unit forms a two-dimensional circular wave in a plane including a direction in which the main vibration is assumed to occur, by the ultrasonic element emitting ultrasonic waves.
ことを特徴とする請求項1記載の機械装置。 The mechanical device according to claim 1, wherein the ultrasonic element is a MUT.
前記信号検出部により検出された信号に基づいて、前記アーム部における振動の有無を推定する振動有無推定部とを備えた
ことを特徴とする請求項2記載の機械装置。 a signal detection unit that detects a signal of a frequency other than the drive frequency of the ultrasound emitted by the ultrasonic element based on the transmission and reception results by the transmission and reception unit;
The mechanical device according to claim 2, further comprising a vibration presence/absence estimating section that estimates the presence or absence of vibration in the arm section based on the signal detected by the signal detection section.
前記信号検出部により検出された信号を監視することで、前記アーム部の劣化を推定する劣化推定部とを備えた
ことを特徴とする請求項2又は請求項3記載の機械装置。 a signal detection unit that detects a signal of a frequency other than the drive frequency of the ultrasound emitted by the ultrasonic element based on the transmission and reception results by the transmission and reception unit;
The mechanical device according to claim 2 or 3, further comprising a deterioration estimating section that estimates deterioration of the arm section by monitoring the signal detected by the signal detecting section.
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