JP7436241B2 - ロボットシステム - Google Patents

Description

本開示は、ロボットシステムに関する。

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

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。
したがって、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システムが望まれている。

本開示の一態様は、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とを備え、該基本関節の全ておよび前記手首関節の一部のみに、各該基本関節および前記手首関節の軸線回りのトルクを検出するトルク検出部が備えられ、前記制御装置が、前記トルク検出部を備えない前記手首関節のみについては、前記ロボットの外表面と該ロボットに装着される装着物との接近距離を検出し、該接近距離の最小値が所定の閾値を超える動作範囲内において前記ロボットを動作させるロボットシステムである。

本開示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を示すブロック図である。 図１のロボットシステムにおいて検出される手首先端の装着物とロボットの表面との接近距離の一例を示すロボットの側面図である。 図３の他の例を示すロボットの側面図である。 図１のロボットシステムにおいて検出可能な外力の一例を示すロボットの側面図である。 図５のロボットの正面図である。 図１の変形例に係るロボットシステムにおいて検出可能な外力の一例を示すロボットの側面図である。 図７のロボットの正面図である。 図５の他の変形例に係るロボットシステムにおいて検出可能な外力の一例を示すロボットの側面図である。 図９のロボットの正面図である。 図３の他の例を示すロボットの側面図である。

本開示の一実施形態に係るロボットシステム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システム１００は、ロボット１１０と制御装置１２０とを備えている。ロボット１１０は、６つの軸線Ｊ１～Ｊ６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１１０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、鉛直な第１軸線（軸線）Ｊ１回りにベース１に対して回転可能に支持された旋回胴（基本関節）２とを備えている。また、ロボット１１０は、水平な第２軸線（軸線）Ｊ２回りに旋回胴２に対して回転可能に支持された第１アーム（基本関節）３と、水平な第３軸線（軸線）Ｊ３回りに第１アーム３に対して回転可能に支持された第２アーム（基本関節）４とを備えている。さらに、ロボット１１０は、第２アーム４の先端に取り付けられた手首ユニット（手首部）６０を備えている。

手首ユニット６０は、第３軸線Ｊ３とねじれの位置関係にある第４軸線（軸線）Ｊ４回りに第２アーム４に対して回転可能に支持された第１手首要素（手首関節）５を備えている。また、手首ユニット６０は、第４軸線Ｊ４に直交する第５軸線（軸線）Ｊ５回りに第１手首要素５に対して回転可能に支持された第２手首要素（手首関節）６を備えている。

さらに、手首ユニット６０は、第５軸線Ｊ５に直交する第６軸線（軸線）Ｊ６回りに第２手首要素６に対して回転可能に支持された第３手首要素（手首関節）７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ともいう。

また、ロボット１１０は、ベース１と旋回胴２との間に配置されて第１軸線Ｊ１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、トルク検出部）Ｓ１を備えている。また、ロボット１１０は、旋回胴２と第１アーム３との間に配置されて第２軸線Ｊ２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、トルク検出部）Ｓ２を備えている。

また、ロボット１１０は、第１アーム３と第２アーム４との間に配置されて第３軸線Ｊ３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、トルク検出部）Ｓ３を備えている。また、ロボット１１０は、第２アーム４と第１手首要素５との間に配置されて、第４軸線Ｊ４回りのトルクを検出する第４トルクセンサ（トルクセンサ、トルク検出部）Ｓ４を備えている。

各トルクセンサＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４としては、同一のトルクセンサが用いられている。ロボット１１０は、手首ユニット６０の第５軸線Ｊ５および第６軸線Ｊ６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１１０は、図２に示されるように、第１軸線Ｊ１～第６軸線Ｊ６回りに各部を駆動させる各モータＭＴ１～ＭＴ６を備えている。図中、符号ＥＮ１～ＥＮ６は、モータＭＴ１～ＭＴ６の第１軸線Ｊ１～第６軸線Ｊ６回りの回転角度を検出するエンコーダである。

制御装置１２０は、ハードウェアを含むプロセッサ、例えば、ＣＰＵと、ＲＯＭおよびＲＡＭ等のメモリ１０を含んでいる。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１２０は各プログラム機能を実行する。
制御装置１２０は、図２に示されるように、ロボット１１０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。

制御装置１２０は、モータＭＴ１～ＭＴ６への駆動電流を検出する電流検出部１１を備えている。また、制御装置１２０は、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制御部１２を備えている。また、制御部１２は、トルクセンサにより検出された検出トルクに基づいてモータＭＴ１～ＭＴ６を制御する。

また、制御部１２は、手首ユニット６０または装着物９に加わった外力により各基本関節１，２，３，４の軸線Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４回りに発生したトルクがトルクセンサＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４により検出された場合に、外力の向きと同方向に各基本関節１，２，３，４を駆動する。これにより、ロボット１１０に外力を加えることにより３次元空間上における手首ユニット６０の位置を容易に変更できる。一方で、制御部１２が手首ユニット６０に対して外力による制御を行わないため、外力を受けても装着物９の姿勢を維持できる。

さらに、制御装置１２０は、メモリ１０に、ロボット１１０の形状情報およびロボット１１０の手首ユニット６０先端に取り付けるハンド８およびハンド８により把持するワークＷ等の装着物９の外形情報を記憶している。制御部１２は、ロボット１１０の各関節に備えられたエンコーダＥＮ１～ＥＮ６により検出される角度情報に基づいてロボット１１０の姿勢を算出する。そして、制御部１２は、メモリ１０に記憶されている外形情報に基づいて、各時点において算出された姿勢におけるロボット１１０各部の外面と装着物９の外面との接近距離を算出する。

さらに、制御部１２は、ロボット１１０と装着物９との接近距離の内の最小値を算出し、算出された最小値が所定の閾値以下か否かを判定する。
図３に示す例では、手首ユニット６０の先端に装着したハンド８と第１手首要素５の外面との距離が最小の接近距離となっている。また、図４に示す例では、ハンド８によって把持したワークＷと旋回胴２の外面との距離が最小の接近距離となっている。

所定の閾値は、ロボット１１０に実施させる作業の環境により異なる。所定の閾値としては、挟まれる可能性のある人の体の部位の大きさ、例えば、成人男性の平均的な腕の直径よりも大きな値が設定される。

そして、制御部１２は、判定の結果、接近距離の最小値が所定の閾値以下であると判定されたときには、接近距離をさらに小さくする方向への第５軸線Ｊ５回りの第２手首要素６の動作および第６軸線Ｊ６回りの第３手首要素７の動作を制限する。

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２，３，４が回転駆動されることにより、手首ユニット６０の３次元空間上の位置が決定される。そして、手首ユニット６０の３つの手首関節５，６，７が回転駆動されることにより、手首ユニット６０の先端に取り付けられているハンド８等の装着物９の姿勢が決定される。

作業者がロボット１１０の任意の外表面に接触した場合には、トルクセンサＳ１～Ｓ４のいずれかによって、第１軸線Ｊ１～第４軸線Ｊ４回りのトルクとして、外力がロボット１１０に加わっていると判定される。特に、第４軸線Ｊ４回りのトルクを検出するトルクセンサＳ４を備えることにより、基本軸部５０の３つのトルクセンサＳ１，Ｓ２，Ｓ３のみでは検出困難な外力を検出することができるという利点がある。

例えば、ロボット１１０が、図５および図６に示される姿勢となった場合に、手首ユニット６０に作用する、第１軸線Ｊ１を含む平面に沿い、かつ、第２軸線Ｊ２および第３軸線Ｊ３に平行な方向の外力を検出できる。
すなわち、手首ユニット６０が第１軸線Ｊ１上に配置される姿勢でも、手首ユニット６０を第１軸線Ｊ１および第２軸線Ｊ２に平行な方向に移動させる動作が可能となり、広い動作範囲を確保することができる。そして、手首ユニット６０の３つの手首関節５，６，７の内の２つの手首関節６，７にトルクセンサを設けないことにより、ロボット１１０のコストを低減することができる。

一方、トルクセンサが設けられていない第５軸線Ｊ５および第６軸線Ｊ６回りの手首関節６，７に関しては、手首ユニット６０に加わる外力は他のトルクセンサＳ１～Ｓ４によって検出することができる。さらに、本実施形態によれば、ロボット１１０の外表面と装着物９との間の接近距離を監視して、所定の閾値以上に近接させない。したがって、ロボット１１０の自らの外表面、例えば、ベース１、旋回胴２、第１アーム３および第２アーム４と手首ユニット６０あるいは装着物９との間における挟み込みも効果的に防止することができるという利点がある。

また、４つのトルクセンサＳ１～Ｓ４として同一のトルクセンサを用いることにより、部品の種類を少なくしてコストを削減することができる。

なお、本実施形態においては、手首ユニット６０に、第４軸線Ｊ４回りのトルクを検出するトルクセンサＳ４のみを設け、第５軸線Ｊ５および第６軸線Ｊ６回りのトルクを検出するトルクセンサを設けていない。これに代えて、第４軸線Ｊ４～第６軸線Ｊ６のいずれか１つまたは２つの軸線回りのトルクを検出可能なトルクセンサを設けることにしてもよい。

例えば、第５軸線Ｊ５回りのトルクを検出可能なトルクセンサ（トルクセンサ、トルク検出部）Ｓ５を設け、第４軸線Ｊ４および第６軸線Ｊ６回りのトルクを検出するトルクセンサを設けないことにしてもよい。この場合には、例えば、図７および図８に示されるロボット１１０の姿勢において、第１軸線Ｊ１を含む平面に沿い、かつ、第２軸線Ｊ２および第３軸線Ｊ３に直交する方向に手首ユニット６０に作用する外力を検出することができる。

この方向の外力は、基本軸部５０の３つのトルクセンサＳ１，Ｓ２，Ｓ３のみによっては検出できないが、第５軸線Ｊ５回りのトルクを検出するトルクセンサＳ５により検出できる。この場合にも、外力を検出困難な姿勢をなくして、広い動作範囲を確保することができるという利点がある。

また、例えば、第６軸線Ｊ６回りのトルクを検出可能なトルクセンサ（トルクセンサ、トルク検出部）Ｓ６を設け、第４軸線Ｊ４および第５軸線Ｊ５回りのトルクを検出するトルクセンサを設けないことにしてもよい。この場合には、例えば、図９および図１０に示されるロボット１１０の姿勢において、第１軸線Ｊ１を含む平面に沿い、かつ、第２軸線Ｊ２および第３軸線Ｊ３に平行な方向に手首ユニット６０に作用する外力を検出することができる。

この方向の外力も、基本軸部５０の３つのトルクセンサＳ１，Ｓ２，Ｓ３のみによっては検出できないが、第６軸線Ｊ６回りのトルクを検出するトルクセンサＳ６により検出できる。この場合にも、外力を検出困難な姿勢をなくして、広い動作範囲を確保することができるという利点がある。

また、本実施形態においては、ロボット１１０が各関節２，３，４，５に配置したトルクセンサＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４によって、第１軸線Ｊ１～第４軸線Ｊ４回りのトルクを検出することとした。これに代えて、制御部１２が、電流検出部１１により検出された駆動電流から各関節２，３，４，５に作用するトルクを推定してもよい。また、手首関節についてのみ、トルクセンサに代えて、駆動電流からトルクを推定してもよい。

また、本実施形態においては、接近距離の最小値として、ロボット１１０の自らの外表面とロボット１１０に装着される装着物９との距離を検出するものを例示したが、これに代えて、図１１に示されるように、ロボット１１０の外表面に取り付けられたエリアセンサ等の機器と装着物９との接近距離の最小値を検出するものを採用してもよい。この場合、ロボット１１０の外表面としては、ロボット１１０の自らの外表面だけでなく、ロボット１１０の外表面に取り付けられた機器の表面も含まれる。

また、本実施形態においては、ロボット１１０として、直立多関節型ロボットを例示したが、これに限定されるものではなく、任意の形態のロボットに適用することができる。

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）
９ 装着物
６０ 手首ユニット（手首部）
１００ ロボットシステム
１１０ ロボット
１２０ 制御装置
Ｓ１ 第１トルクセンサ（トルクセンサ、トルク検出部）
Ｓ２ 第２トルクセンサ（トルクセンサ、トルク検出部）
Ｓ３ 第３トルクセンサ（トルクセンサ、トルク検出部）
Ｓ４ 第４トルクセンサ（トルクセンサ、トルク検出部）
Ｓ５ 第５トルクセンサ（トルクセンサ、トルク検出部）
Ｓ６ 第６トルクセンサ（トルクセンサ、トルク検出部）
Ｊ１ 第１軸線（軸線）
Ｊ２ 第２軸線（軸線）
Ｊ３ 第３軸線（軸線）
Ｊ４ 第４軸線（軸線）
Ｊ５ 第５軸線（軸線）
Ｊ６ 第６軸線（軸線）
ＭＴ１，ＭＴ２，ＭＴ３，ＭＴ４，ＭＴ５，ＭＴ６ モータ

Claims (5)

1. 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とを備え、
   該基本関節の全ておよび前記手首関節の一部のみに、各該基本関節および前記手首関節の軸線回りのトルクを検出するトルク検出部が備えられ、
   前記制御装置が、前記トルク検出部を備えない前記手首関節のみについては、前記ロボットの外表面と該ロボットに装着される装着物との接近距離を検出し、該接近距離の最小値が所定の閾値を超える動作範囲内において前記ロボットを動作させるロボットシステム。
2. 前記トルク検出部がトルクセンサである請求項１に記載のロボットシステム。
3. 前記基本関節の全ての前記トルク検出部がトルクセンサであり、
   前記手首関節の前記トルク検出部が、前記手首関節を駆動させるモータに供給される電流を検出し、検出された電流に基づいて、前記手首関節の前記軸線回りのトルクを算出する請求項１に記載のロボットシステム。
4. 前記制御装置が、前記ロボットおよび前記装着物の外形情報を記憶し、前記ロボットの姿勢と前記外形情報とに基づいて前記接近距離を検出する請求項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. 前記制御装置は、外力により各前記基本関節の前記軸線回りに発生したトルクが前記トルク検出部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。

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