JPH0811085A - ロボット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 アームに外力が作用したことで衝突の発生を
検出する技術と、アームにクッションを被覆して衝撃度
を緩和する技術は、衝撃度を緩和させると衝突の発生を
検出するタイミングが遅れるために併用が難しい。 【構成】 この技術では粘弾性材料を用いることで上述
の背反性を克服する。特に粘性係数と弾性係数を所定範
囲内から選択することによって、衝撃度を緩和し、衝突
検出タイミングが遅れすぎず、アームと物体力に作用す
る力が許容値を越える以前にアームを強制停止させられ
るようになる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ロボットのアームに加
わる外力の大きさを検出し、検出された外力が所定値以
上になったときに、アームを旋回させるモータ等のアー
ム駆動手段を強制停止させる手段を備えた安全装置付ロ
ボットに関する。

【０００２】

【従来の技術】ロボットのアームに予定外の物体が接触
したことを検知するために、光学式センサや形状記憶合
金製のひげセンサや近接スイッチ等を利用する各種の試
みが検討されている。このうちの一つの方式にアームに
加わった外力の大きさを検出する方式が提案されてお
り、その一例が特開平２−５９２９１号公報に開示され
ている。外力の大きさを検出する方式によると、他のセ
ンサを利用する場合に比して構造を簡単化し得る。特開
平２−５９２９１号公報に記載の技術は、図１に示すよ
うに、ロボットのアーム２を旋回させるモータ１に、ト
ルクと駆動電流が比例するモータを用いる。そしてアー
ム２を例えば位置データに基づいて運転している間、モ
ータ１に流れる駆動電流をモニターし、モニターされた
電流値が急激に変動したことをもって物体３にアーム２
が衝突したことを検出している。衝突が検出されるとモ
ータ１を強制的に停止する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】物体３にアーム２が衝
突するおそれがある場合、アーム２の表面を例えばスポ
ンジ等のクッション材で被覆しておくことによって衝撃
度を緩和し得るものと予想される。このことは当然であ
るものの、この方式は外力を検出して衝突の発生を検出
する技術と両立させることが難しい。クッション材で衝
撃度を緩和すると、検出される外力も衝突初期には低下
してしまい、この結果として衝突を検出するタイミング
が遅れてしまう。衝突を検出してからアーム２の移動が
停止するまでの間にはある程度の応答遅れが生じること
が避けられない。そこで衝突検出タイミングが遅れてし
まうと、アーム２の移動が停止するタイミングも遅れて
しまい、この間に、たとえクッション材で被覆されてい
たとしても、物体３をアーム２が押圧する力が増大して
しまう。このように、アームに加わった外力を検出する
ことでアームを非常停止させる技術と、アームの外表面
をクッション材で被覆して衝撃度を緩和する技術は相い
入れないところがあり、両立が困難である。本発明はか
かる技術的背反性を克服し、衝突時の衝撃度を緩和させ
ながらなおかつ衝突の発生を極力早いタイミングで検出
することのできる技術を実現しようとするものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明では、上
記課題を解決するために、アームに加わった外力の大き
さを検出する手段と、検出された外力の大きさが所定値
以上になったときにアーム駆動手段を強制停止させる手
段とを備えたロボットにおいて、該アームの表面を粘弾
性材料で被覆する。

【０００５】

【作用】アームの表面が粘弾性材料で被覆されている
と、アームが物体に衝突したときの衝撃度が緩和され
る。これにともない、検出される外力も衝突初期におい
て低下するが、単なる弾性材でなく、粘弾性を有する材
料で被覆しておくと、検出する外力は比較的迅速に増大
し、外力を検出する方式でありながらなお早いタイミン
グで衝突の発生を検出することができる。

【０００６】

【課題を解決するための好ましい手段】上記のロボット
の場合、前記粘弾性材料の粘性係数と弾性係数とが、前
記粘弾性材料が物体に接触し始めたときから前記粘弾性
材料に作用する力が前記所定値となるまでの間をｔ１と
し、その後前記停止手段を作動させてから前記アームが
停止するまでの時間をｔ２としたとき、前記ｔ１にｔ２
を加えた時刻において前記粘弾性材料に作用する力が許
容値以下となる範囲に設定されていることが好ましい。

【０００７】

【作用】上記条件が充足されていると、粘弾性材料に外
力が作用し始めたタイミングから短時間のうちに衝突の
発生が検出されるために、その後に強制停止手段を作動
させてからロボットのアームの移動が停止するまでの間
に応答遅れがあっても、なお粘弾性材料を介して物体と
アーム間に許容値以上の外力が作用し始めるよりも以前
にアームの移動が停止されることになり、衝突によって
物体ないしアームに損傷が発生することを防止できる。
特に、前記の許容値を人体の痛覚耐性力以下に設定して
おくと、人体にロボットのアームが接触しても、人体が
痛覚に耐えられなくなる以前にアームの移動が停止され
るために、人とロボットの共存が安全に行なえることに
なる。

【０００８】

【実施例】次に本発明を具現化した一実施例について説
明する。図２はこの実施例のロボットを示し、このロボ
ット２１のベースに対して第１モータ２２で第１アーム
２３が水平面内で旋回可能となっており、第１アーム２
３の先端に対して第２モータ２５で第２アーム２６が水
平面内で旋回可能となっている。第２アーム２６の先端
にはハンド２９が取付けられており、このハンド２９で
作業が行なえる。

【０００９】第１アーム２３の側面は第１粘弾性材料３
２で被覆されており、物体に第１アーム２３が衝突した
ときの衝撃度を緩和する。第２アーム２６の側面は第２
粘弾性材料３１で被覆されており、物体に第２アーム２
６が衝突したときの衝撃度を緩和する。第２アーム２６
とハンド２９の間には第３粘弾性材料３０が介装されて
おり、物体にハンド２９が衝突したときの衝撃度を緩和
する。

【００１０】第１、第２モータ２２，２５とも、トルク
と駆動電流がほぼ比例する特性を持ち、電流値を検出す
ることでトルクが検出可能となっている。また第１、第
２モータ２２，２５にはロータリーエンコーダが内蔵さ
れており、回転角度情報が入手可能となっている。

【００１１】図３はこのロボットの制御システムを示
し、図中３３は目標値、すなわちある時間ｔにおける第
１、第２モータ２２，２５の目標回転角θｄ（ｔ）、そ
の回転角速度及び回転角加速度を指示する。図中３７は
第１、第２モータ２２，２５のエンコーダ出力であり、
そのときの実際の回転角θ（ｔ）、回転角速度及び回転
角加速度を出力する。図中３５はフィードバックコント
ロール回路であり、目標値と実際値の差に基づいて第
１、第２モータ２２，２５をフィードバック制御する。
図中３５に示されているＫｐとＫｉとＫｄはそれぞれ比
例・微分・積分制御のためのフィードバックゲインを示
している。

【００１２】図中３４は、ロボットの慣性モーメントＩ
と粘性による減衰係数ＤV と摩擦係数Ｃによって構成さ
れるインバースキネマティクスブロックであり、第１モ
ータ２２と第２モータ２５のそれぞれについて、必要な
トルクを算出する。このブロックの出力はロボットの軌
道計画によって変動する。

【００１３】図中３６はロボットのアームに加わる外力
Ｆｅを演算するブロックである。一般にロボットの運転
方程式は式１で示される。

【数１】 ここでＴａはモータのトルクであり、Ｆｅは外力であ
り、Ｊ^T はヤコビアンの転置行列である。式(1) から外
力Ｆｅは式(2) で求められる。

【数２】 図３中の外力演算部３６は式(2) に基づいて外力を検出
する。ここで式(2) の右辺の各値は、エンコーダ出力
値、ならびにモータの駆動電流値に基づいて求められ
る。

【００１４】図４は第２アーム２６に加わる外力Ｆｅを
ゼロに維持した状態で第２モータ２５に加減速を加え、
そのとき式(2) で算出される外力Ｆｅの値とその算出頻
度の関係をプロットしたグラフである。ここでは第２ア
ーム２６の旋回中心から０．２５ｍ離れたところに外力
Ｆｅが加わったものとしている。この場合、すべてが正
確であれば演算される外力Ｆｅは全部ゼロになるはずで
あるが、実際には少々の誤差が含まれることがわかる。
この結果から、式(2) に基づいて算出される外力の誤差
は４．０Ｎ以下であり、余裕をみても５．０Ｎ以下の誤
差で外力を検出できることがわかる。また検出のための
計測時間を測定したところ、７／１０００秒前後の遅れ
であり、以下に記述する時間に比して充分に高速で検出
できることが確認された。

【００１５】さて図５はアームが旋回して物体５１に衝
突した場合の力学モデルを示している。粘弾性材料３１
等は弾性成分と減衰成分が並列に多数並んでいるものと
して扱い得る。ここで物体５１の先端が半径Ｒの球であ
り、アーム２６が速度Ｖで等速度運動しており、粘弾性
材料３１の粘性係数がηであり、弾性係数がＧであると
すると、粘弾性材料３１に作用する力、すなわち物体５
１とアーム２６間に作用する力は式(3) ，(4) で示され
るように変化する。すなわち衝突開始時（ｔ＝０）から
半球が全部粘弾性材料３１に当接するまで（ｔ＝Ｒ／
Ｖ）の間は Ｆ(t) ＝（Ｖ／Ｒ）² ｔ（２Ｒ−Ｖｔ）（η＋Ｇｔ） …式(3) ｔ＝Ｒ／Ｖから粘弾性材料が変形限界に達するまでの間
は Ｆ(t) ＝（ηＶ＋ＧＲ）＋ＧＶ（ｔ−Ｒ／Ｖ） …式(4)

【００１６】なお図６は、式(3) 、式(4) で求められる
力Ｆ(t) を時間に対してプロットした図であり、式(3)
に従って最初は急激に増大し、その後は緩やかに上昇す
る傾向にある。前記したように、このロボットで検出可
能な外力は５．０Ｎである。そこで式(3) においてｔ＝
Ｒ／ＶのときにＦ(t) ≧５．０Ｎとなるようにすると、
半球の全部が粘弾性材料３１に当接する以前に、ロボッ
トの方で物体５１に衝突したことを検出できることにな
る。そこで式(3) において、Ｖ＝０．６m/sec 、Ｒ＝
０．０３４ｍとしてＦ（ｔ＝Ｒ／Ｖ）≧５．０Ｎの式を
簡単化すると、式(5) が得られる。なおここではｔ＝Ｒ
／Ｖである。 ５．０Ｎ≦Ｖη＋ＧＲ＝０．６η＋０．０３４Ｇ …式(5)

【００１７】式(5) の条件を満たしていると、半球が粘
弾性材料のなかに埋まる以前にロボットの方で物体５１
と衝突したことの検出が可能となる。なおここで、ロボ
ットの方で算出された外力と比較するために用いられる
所定値は５．０Ｎであり、この程度の外力は仮にアーム
が接触した相手が人体であっても、人体になんら負担を
及ぼすような値ではない。

【００１８】さて図３の制御装置において、検出された
外力が所定値（５．０Ｎ）を上回ったことが判別される
と、モータの駆動を停止する。このとき当然のことなが
らアームの移動はただちには止まらない。この実施例の
場合、非常停止処理の開始後０．１５秒でアームの移動
が停止する。

【００１９】そこで最悪のケースを想定して、０．１５
秒間アームがなお等速で移動し続けると考える。このと
き粘弾性材料は圧縮され続け、徐々に作用する力が増大
する。その力は０．１５秒後に最大となり、その値は式
(4) においてｔ＝Ｒ／Ｖ＋０．１５秒としたときの値と
なる。式(4) においてｔ＝Ｒ／Ｖ＋０．１５秒を代入す
ると式(6) が得られる。 Ｆ(t) ＝Ｖη＋ＧＲ＋ＧＶ×０．１５ …式(6) この値はアームと物体が衝突してからアームが停止する
に至るまでにあり得る最大の力、すなわち粘弾性材料を
介してアームと物体間に作用するかもしれない最大の外
力の値を示している。

【００２０】図７は人体の手背部における痛覚耐性値を
示している。これは手背部に粘弾性材料を介して衝撃荷
重を加えたときに、被験者が耐えられる荷重を示したも
のであり、３０Ｎまでの荷重には手背部が充分に耐えら
れることを示している。そこで式(6) から求められる外
力Ｆが３０Ｎ以下であるのならば、人体の手背部にアー
ムが接触しても手背部に負担がかかる以前にアームを停
止させることができることになる。式(7) はこの条件を
示している。 ３０Ｎ≧Ｖη＋ＧＲ＋ＧＶ×０．１５ …式(7)

【００２１】図８は式(5) と式(7) の不当式を満たす粘
性係数ηと弾性係数Ｇの範囲を示している。ここでＶは
前述のように０．６m/sec であり、Ｒは０．０３５ｍで
ある。また式(5) は粘弾性材料が柔らかすぎると、衝突
検出タイミングが遅れすぎることに対応しており、式
(7) は固すぎると衝撃度を充分に緩和できないことに相
当している。

【００２２】図８において、許容される粘性係数ηと弾
性係数Ｇをあわせもつ粘弾性材料が存在しなければ、こ
の技術は実用化できない。しかるに図９に示すように、
ウレタンフォームやシリコンゲルのなかには上述の関係
を満たす特性を有するものが存在する。そこでそのよう
な特性をもつ粘弾性材料を選択すると、衝撃度が緩和さ
れるために衝突検出タイミングが遅れるにもかかわら
ず、なお非常停止することによって人体に負担のかかる
ほどの外力が作用し始める以前にアームの動きを停止さ
せることが可能であることが確認される。なお粘弾性材
料のうちの特別の特性をもつ材料を選ぶことで、技術の
背反性、すなわち衝撃度は緩和したいが、緩和すると衝
突検出タイミングが遅れてしまうというジレンマを克服
できるという知見は本発明によって始めて見出されたも
のである。

【００２３】さて図１０は、ロボットが５０Ｎの能力を
持ち、衝突時の有効質料が３kgであり、速度Ｖ＝０．６
m/sec で衝突したときの過渡特性を示している。図中
(1) は衝突時間が０．０１秒（アームが被覆されていな
い場合に相当する）であり、(2) は０．０３秒、(3) は
０．０４秒の場合を示している。(2) と(3) はアームを
粘弾性材料で被覆した場合に相当する。このグラフは非
常停止処理を実施しない場合を示しており、非常停止処
理をしないとたとえアームを粘弾性材料で被覆していて
もアームが人体を押す力が増大し、やがて耐えられない
値となることを示している。図中(c) は人体が耐えられ
る値を示しており、(b) はモータトルクを示している。

【００２４】これに対し、図１１は図８の特性を満たす
粘弾性材料で被覆しておき、さらに非常停止処理を実行
した場合の力を示している。図中(a) は非常停止処理を
しなかった場合、図中(b) は０．１０秒間の遅れで停止
した場合、図中(c) は０．１５秒間の遅れで停止した場
合の計測値を示している。

【００２５】式(4) で求められる図６のグラフは、非常
停止中も等速運動を続けるとしたときの値である。これ
に対し、図１１は実測値を示している。実際時には非常
停止後にアーム速度Ｖが徐々に低下してゆくために物体
とアーム間に作用する力はさほど増大しない。図１１か
ら明らかに、粘弾性材料と非常停止処理を組合せること
により、人体に負担がかかる以前にアームを停止させる
ことが可能であることが確認される。

【００２６】なお以上の実施例では図１２に示すよう
に、モータに加わるトルクや回転角度、回転角速度、回
転角加速度の情報から外力を検出している。これに対
し、図１３、図１４に示すように、圧力センサ１３１に
よって直接外力を検出するようにしてもよい。このよう
にしても圧力センサで検出される力は粘弾性材料１３０
によって緩和されたものとなり、普通なら衝突検出タイ
ミングが遅れてしまうと予想されるが、粘弾性係数の選
択によって、衝撃度を緩和しながらなおかつ衝突検出タ
イミングが遅れすぎないようにすることができる。

【００２７】なお式(3) においてＦ（ｔ＝Ｒ／Ｖ）≧
５．０Ｎとしたのは一つの解法にすぎず、より一般的に
はロボット側における外力検出感度をＮ１、アームない
し物体の側における最小耐性力（許容力）をＮ２とする
と、まず式(3) によってＦ(t)＝Ｎ１となるタイミング
ｔ１を求め、次にｔ＝ｔ１＋ｔ２（ここでｔ２は強制な
いし非常停止後にアームが実際に停止するまでの時間）
を式(4) に代入し、そのときの力Ｆ（ｔ＝ｔ１＋ｔ２）
≦Ｎ２となる粘性係数ηと弾性係数Ｇを求めることにな
る。また特殊の場合には式(4) からＦ(t) ＝Ｎ１となる
タイミングｔ１を求めるようにしてもよい。いずれの場
合にも、衝撃度を緩和させながら、衝突発生の検出タイ
ミングが遅れすぎず、その後に非常ないし強制停止処理
することで、アームと物体間に許容値以上の力が作用し
始めるよりも以前にアームの移動を停止させることがで
きる。

【００２８】

【発明の効果】本発明によると、アームと物体間に発生
する衝撃度を緩和させる技術と、衝突の発生を早期に検
出して早期にアームの移動を停止させる技術との間の背
反性が克服され、衝撃度を緩和させながら衝突の発生の
検出タイミングが遅れすぎることなく、物体とアーム間
に作用する力が許容値以上となる前にアームの移動を停
止させることが可能となる。このためにアームや物体の
損傷が有効に予防される。また許容値として人体の痛覚
耐性力を採用することも可能であり、このようにする
と、ロボットと人間とが安全に共同作業することが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の衝突検出技術を模式的に示す図

【図２】実施例で用いたロボットの斜視図

【図３】実施例で用いたロボットの制御ブロック図

【図４】実施例で用いたロボットの外力検出感度を示す
図

【図５】物体と粘弾性材料間の衝突時の力学モデルを示
す図

【図６】物体と粘弾性材料間に作用する力の過渡状態を
示す図

【図７】人体手背部の痛覚耐性力を示す図

【図８】本実施例で用いうる粘性係数ηと弾性係数Ｇの
範囲を示す図

【図９】実施例で用いた粘弾性材料の特性を示す図

【図１０】強制停止処理をしない場合のアームと物体間
に作用する力を示す図

【図１１】強制停止処理をした場合のアームと物体間に
作用する力を示す図

【図１２】本発明の適用範囲の一例を示す図

【図１３】本発明の適用範囲の他の一例を示す図

【図１４】本発明の適用範囲のさらに他の一例を示す図

【符号の説明】

２３，２６ アーム ３０，３１，３２ 粘弾性材料

フロントページの続き (72)発明者 山田 陽滋 愛知県名古屋市天白区久方２丁目12番地１ 豊田工業大学内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アームに加わった外力の大きさを検出す
   る手段と、検出された外力の大きさが所定値以上になっ
   たときにアーム駆動手段を強制停止させる手段とを備え
   たロボットにおいて、 該アームの表面が粘弾性材料で被覆されていることを特
   徴とするロボット。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のロボットにおいて、前
   記粘弾性材料の粘性係数と弾性係数とが、 前記粘弾性材料が物体に接触し始めたときから前記粘弾
   性材料に作用する力が前記所定値となるまでの間をｔ１
   とし、その後前記停止手段を作動させてから前記アーム
   が停止するまでの時間をｔ２としたとき、前記ｔ１にｔ
   ２を加えた時刻において前記粘弾性材料に作用する力が
   許容値以下となる範囲に設定されていることを特徴とす
   る請求項１に記載のロボット。