WO2013175553A1 - ロボット - Google Patents

Abstract

　より安全性が向上したロボットを提供する。軸周りに回転自在に連結された１以上のリンク体と、リンク体を軸周りに回転させるモータと、モータの回転状態を検出する第１のセンサと、リンク体の回転状態を検出する第２のセンサとを備える。また、ロボットは、第１のセンサからの情報に基づいてリンク体の回転を制御する制御部を備える。制御部は、第１のセンサからの第１の情報と第２のセンサからの第２の情報とに基づいて、第１のセンサおよび第２のセンサの少なくとも一方の動作状態を判断する。

Description

ロボット

　開示の実施形態は、ロボットに関する。

　従来、軸周りに回転自在に連結された複数のリンク体を備えたロボットがあり、かかるロボットにおいて、人間を含む他物体と同じ場所で作業を行う、いわゆる人共存型と呼ばれるロボットが知られている（たとえば、特許文献１を参照）。

　このような人共存型ロボットは、リンク体の人への干渉回避や、仮に接触したとしても相手にダメージを与えないことが求められる。したがって、人と接触しても人へダメージを与えることがないように、リンク体の動作制御を行うようにしていた。

特開２００８－３０２４９６号公報

　しかしながら、上述した従来の人共存型と呼ばれるロボットにおけるリンク体の動作制御は、リンク体を駆動するモータに付設されたエンコーダの出力への依存度合いが大きいという課題がある。人共存型のロボットとしては、非常の事態であっても安全性をより高めることのできる動作制御の実現が望ましい。

　実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、より安全性が向上したロボットを提供することを目的とする。

　実施形態の一態様に係るロボットは、軸周りに回転自在に連結された１以上のリンク体と、前記リンク体を前記軸周りに回転させるモータと、前記モータの回転状態を検出する第１のセンサと、前記リンク体の回転状態を検出する第２のセンサとを備える。また、ロボットは、前記第１のセンサからの情報に基づいて前記リンク体の回転を制御する制御部を備える。前記制御部は、前記第１のセンサからの第１の情報と前記第２のセンサからの第２の情報とに基づいて、前記第１のセンサおよび前記第２のセンサの少なくとも一方の動作状態を判断する。

　実施形態の一態様によれば、アームの動作をより確実に制御することが可能となる。

図１は、第１の実施形態に係るロボットが設置された作業エリアを示す説明図である。 図２Ａは、同ロボットが備える関節部とリンク体の模式的説明図である。 図２Ｂは、同ロボットの第２関節部を示す模式的説明図である。 図３は、同ロボットの制御部を示す説明図である。 図４は、第２の実施形態に係るロボットを示す説明図である。 図５は、第３の実施形態に係るロボットが備える第１のセンサおよび第２のセンサの説明図である。

　以下、添付図面を参照して、本願の開示するロボットの実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

　（第１の実施形態）
　図１は、第１の実施形態に係るロボット１が設置された作業エリア１００を示す説明図である。また、図２Ａは、同ロボット１が備える関節部とリンク体の模式的説明図、図２Ｂは、同ロボット１の第２関節部２２を示す模式的説明図、図３は、同ロボット１の制御部５を示す説明図である。

　本実施形態に係るロボット１は、図１に示すように、作業者６なども出入り可能な所定の作業エリア１００の所定位置に設置される。なお、ロボット１の設置位置としては、作業に応じて適宜設定することができるが、ここでは作業エリア１００の略中央位置としている。また、作業エリア１００は、例えば、工場などの製造ラインにおいては作業ブース（不図示）として区画されている。

　図１に示すように、ロボット１は、フロア２００上に設置された基台２と、この基台２に取付けられたアーム部４とを備える。

　アーム部４は、基台２に対して旋回自在の設けられる旋回部４０と、それぞれ軸を介して順次連結される第１アーム４１と、第２アーム４２と、第１リスト部４３１、第２リスト部４３２および第３リスト部４３３からなるリスト部４３と、回転するフランジ部４４とを備えている。そして、フランジ部４４にはロボット１に与えられた作業内容に適したエンドエフェクタ（不図示）が取り付けられる。

　このように、本実施形態に係るロボット１は、胴体部３、第１アーム４１、第２アーム４２、およびリスト部４３を可動部位とする多関節ロボットで構成されている。

　ロボット１は、以下に説明するように、第１関節部２１～第６関節部２６を備えた多関節ロボットであり、可動部位を軸周りに回転可能としている。

　図２Ａに示すように、第１関節部２１～第６関節部２６は、いずれもサーボモータ及び減速機を有するアクチュエータとして構成されている。第１関節部２１～第６関節部２６の概ねの構成は共通しており、図２Ａ参照して第１関節部２１～２６それぞれの構成について説明する。

　図２Ａに示すように、第１関節部２１～第６関節部２６は、それぞれモータ３１と減速機３２とを有する伝動機構３０を備えている。モータ３１と減速機32とは、モータ３１の出力軸３１１に設けた出力側プーリ３１２と、減速機３２の入力軸３２１に設けた入力側プーリ３２２との間にベルト３３を巻装して連動連結される。

　図２Ｂは、胴体部３の一側部分に設けられ、リンク体である第１アーム４１を回転可能に連結した第２関節部２２を示している。図２Ｂに示すように、減速機３２の出力軸３２３に第１アーム４１が固着され、モータ３１の駆動によって第１アーム４１が回転される。すなわち、第１アーム４１は、伝動機構３０により、第２軸１２周りに回転、つまり、上下方向に揺動する（図１の矢印４００を参照）。

　ところで、第１関節部２１～第６関節部２６の各モータ３１には、その回転状態を検出するエンコーダ７１が設けられている。このエンコーダ７１は、出力軸３１１の後端に取付けたディスク７１１と、ディスク７１１の回転量に応じて出力軸３１１の回転角度を検出する検出器７１２とを備えている。

　次に、前述の第２関節部２２をはじめとする関節部を介してそれぞれ軸周りに回転する可動部位について、図１に基づいて簡単に説明する。

　胴体部３は、フロア２００に固定状態に設置された略円筒状の基台２に対し、第１関節部２１を介して回転可能に連結されている。第１関節部２１は、基台２の略中央に設けられており、垂直方向（Ｚ方向）に延在する第１軸１１を備えている。

　そして、この第１軸１１を、第１のモータと第１の減速機とを備える第１の伝動機構（図２Ａの伝動機構３０を参照）に連動連結している。こうして、胴体部３は、フロア２００に固定された基台２に対して、第１の伝動機構により、第１軸１１周りに水平方向に回転することになる（矢印３００を参照）。

　また、胴体部３の一側部分には、前述したように第２関節部２２が設けられており、この第２関節部２２を介して第１アーム４１が回転可能に連結されている。なお、かかる第１アーム４１は、第１軸１１に偏心した位置に連結されているため、この第１アーム４１を含み、これにそれぞれ軸を介して順次連結される第２アーム４２、およびリスト部４３についても第１軸１１を中心に旋回することになる。

　可動部位の中で最も長尺な第１アーム４１の先端側には第３関節部２３が設けられており、この第３関節部２３を介して略Ｌ字状の第２アーム４２が連結されている。

　第３関節部２３は、第２軸１２と平行方向、すなわち、第１軸１１と直交する第２軸１２と同方向に延在する第３軸１３を備えている。そして、この第３軸１３は、第３のモータと第３の減速機とを備える第３の伝動機構（図２Ａの伝動機構３０を参照）に連動連結している。こうして、第２アーム４２は、第３の伝動機構により、第３軸１３周りに回転、つまり、上下方向に揺動する（矢印５００を参照）。

　また、第２アーム４２の先端側には第４関節部２４が設けられており、この第４関節部２４を介して、第１リスト部４３１が連結されている。

　なお、リスト部４３は、第４関節部２４に連結する円筒状の第１リスト部４３１と、この第１リスト部４３１に連結する第２リスト部４３２と、エンドエフェクタを設けた第３リスト部４３３とから構成される。

　第１リスト部４３１を連動連結する第４関節部２４は、第３軸１３と直交する方向、すなわち、図面上の左右水平方向（Ｘ方向）に延在する第４軸１４を備えている。そして、この第４軸１４は、第４のモータと第４の減速機とを備える第４の伝動機構（図２Ａの伝動機構３０を参照）に連動連結している。こうして、第４軸１４と同軸方向に連動連結された第１リスト部４３１は、第４の伝動機構により、第４軸１４周りに回転、つまり、第４軸１４周りに自転する（矢印６００を参照）。

　第１リスト部４３１の先端側には、第５関節部２５が設けられており、この第５関節部２５を介して、第２リスト部４３２が同軸方向に連結されている。

　第５関節部２５は、第４軸１４と同軸方向、すなわち、図面上の左右水平方向（Ｘ方向）に延在する第５軸１５を備えている。そして、この第５軸１５は、第５のモータと第５の減速機とを備える第５の伝動機構（図２Ａの伝動機構３０を参照）に連動連結している。したがって、第５軸１５と同軸方向に連動連結された第２リスト部４３２は、第５の伝動機構により、第５軸１５周りに回転、つまり、第５軸１５周りに自転する（矢印７００を参照）。

　第２リスト部４３２の先端側には、第６関節部２６が設けられており、この第６関節部２６を介して、第３リスト部４３３が連結されている。

　第６関節部２６は、第５軸１５と直交する方向、すなわち、図面上の前後水平方向（Ｙ方向）に延在する第６軸１６を備えている。そして、この第６軸１６は、第６のモータと第６の減速機とを備える第６の伝動機構（図２Ａの伝動機構３０を参照）に連動連結している。したがって、第３リスト部４３３は、第６の伝動機構により、第６軸１６周りに回転、つまり、上下方向に揺動する（矢印８００を参照）。

　上述してきたように、本実施形態に係るロボット１は、所定の設置面であるフロア２００に設けられる基台２に対して第１軸１１周りに回転可能に設けられた胴体部３と、この胴体部３に対して回転可能に設けられたアーム部４とを備えている。

　アーム部４は、胴体部３に対して第２軸１２周りに回転可能に設けられた第１アーム４１と、この第１アーム４１に対して第３軸１３周りに回転可能に設けられた第２アーム４２と、第２アーム４２に対して回転可能に設けられたリスト部４３とを備えている。

　また、リスト部４３は、第１リスト部４３１と第２リスト部４３２と第３リスト部４３３とを備えている。第１リスト部４３１は、第２アーム４２に対して第４軸１４周りに回転可能に設けられている。第２リスト部４３２は、第１リスト部４３１に対して第５軸１５周りに回転可能に設けられている。また、第３リスト部４３３は、第２リスト部４３２に対して第６軸１６周りに回転可能に設けられるとともに、先端には所定のエンドエフェクタが取り付けられている。

　これらの胴体部３、第１アーム４１、第２アーム４２、第１リスト部４３１、第２リスト部４３２、および第３リスト部４３３は、軸周りに回転自在に連結された複数のリンク体であり、ロボット１の可動部位を構成することになる。そして、かかるリンク体を、各伝動機構にそれぞれ設けられたモータが各軸（第１軸１１～第６軸１６）周りに回転させる。

　また、本実施形態に係るロボット１は、モータの回転状態を検出する第１のセンサと、リンク体の回転状態を検出する第２のセンサとをそなえている。具体的には、図２に示すように、第２関節部２２に設けられた第２のモータ３１の回転状態を検出する第１のセンサとしてのエンコーダ７１と、リンク体である第１アーム４１の回転状態を検出する第２のセンサである加速度センサ７２とを備えている。

　第１のセンサであるエンコーダ７１は、前述したように、出力軸３１１の後端に取付けたディスク７１１と、ディスク７１１の回転量に応じて出力軸３１１の回転角度を検出する検出器７１２とを備えている。

　本実施形態に係るロボット１は、エンコーダ７１からの出力値に基づき、後述する制御部５によって第２のモータ３１の駆動制御が行われる。つまり、第１アーム４１を例にとると、この第１アーム４１の回転動作の制御は、エンコーダ７１からの出力軸３１１の回転角度を示す第１の情報に基づいて行われる。かかるエンコーダ７１は、第１関節部２１、第３関節部２３～第６関節部２６においても同じように設けられており、各モータの制御に用いられる。

　また、第２のセンサである加速度センサ７２は、第１アーム４１の中途に内蔵されて、当該第１アーム４１の加速による位置変化を検出することができる。加速度センサ７２としては、半導体式、光学式、機械式のセンサから適宜採用することができる。

　また、第２のセンサとして、加速度センサ７２を用いたが、これに代えて、速度センサまたは歪センサのいずれかを用いることもできる。すなわち、第２のセンサは、エンコーダ７１からの出力値に基づいて動作制御されるリンク体（ここでは第１アーム４１）の実際の動作を、エンコーダ７１とは異なる方式で検出可能なセンサであればよい。

　本実施形態に係るロボット１は、図３に示すように、当該ロボット１の動作を制御する制御部５を備えている。この制御部５には、ロボット１への制御指令のプログラムが予め記憶されており、かかるプログラムに基づいて、ロボット１は制御されることになる。かかる制御部５は、本実施形態に係るロボット１の要部となるものであり、以下にその構成を説明する。

　制御部５は、ロボット１と電気的に接続しており、図示しないＣＰＵ（Central　Processing　Unit）やＲＯＭ（Read　Only　Memory）、ＲＡＭ（Random　Access　Memory）、さらにはハードディスクなどの記憶部を備えている。そして、制御部５は、記憶部に格納されたプログラムをＣＰＵが読み出し、プログラムに従ってリンク体である胴体部３、第１アーム４１、第２アーム４２、第１リスト部４３１、第２リスト部４３２、および第３リスト部４３３を駆動する。すなわち、各リンク体を回転駆動させるモータの駆動を制御する。

　また、制御部５は、図３に示すように、第１比較部５１と、第２比較部５２と、判定部５３と、指令部５４とを備えている。この指令部５４は、記憶部に記憶されたプログラムに基づいて、例えば第２のモータ３１へ指令信号を出力する。このとき、制御部５では、エンコーダ７１から送信される第１の情報に基づくフィードバック制御を行う。

　また、第１比較部５１は、エンコーダ７１から受信した第１の情報と、第２のモータ３１に対する指令信号に対応する期待値とを比較する。第２比較部５２は、加速度センサ７２から受信した第２の情報と、指令信号に対応する期待値とを比較する。判定部５３は、第１比較部５１および第２比較部５２の各比較結果に基づいて、エンコーダ７１および加速度センサ７２の少なくとも一方の動作状態を判断する。

　例えば、第１アーム４１を駆動させる場合、制御部５は、第２のモータ３１を駆動するための指令信号を出力する。そして、かかる指令信号を受けて駆動した第２のモータ３１の回転状態を、制御部５は、エンコーダ７１が検出した第２のモータ３１の回転角度に基づく第１の情報、すなわちエンコーダ７１からの受信信号から判断する。

　本実施形態における制御部５では、このときの判断を、第１比較部５１に予め格納された第１比較テーブルを用いて行う。

　すなわち、第１比較テーブルに、指令信号に基づいて第２のモータ３１が正常に回転駆動した場合、エンコーダ７１が検出して制御部５に対して出力されるはずのデータを、指令信号に対応付けられた期待値として記憶させておく。

　制御部５は、エンコーダ７１から実際に出力されてきた受信信号により得た第１の情報と第１比較テーブルの期待値とを比較する。そして、制御部５は、所定の誤差範囲内であれば、正常を示すフラグを所定の記憶領域に格納し、所定の誤差範囲から逸脱している場合は、異常を示すフラグを所定の記憶領域に格納する。

　一方、第２比較テーブルには、指令信号に基づいて第２のモータ３１が正常に回転駆動した場合、加速度センサ７２が検出して制御部５に対して出力されるはずの第１アーム４１の動作結果を示すデータを、指令信号に対応付けられた期待値として記憶させておく。

　制御部５は、加速度センサ７２から実際に出力されてきた受信信号により得た第２の情報と第２比較テーブルの期待値とを比較する。そして、制御部５は、所定の誤差範囲内であれば、正常を示すフラグを所定の記憶領域に格納し、所定の誤差範囲から逸脱している場合は、異常を示すフラグを所定の記憶領域に格納する。

　こうして、制御部５は、第１比較テーブルを用いて得た、エンコーダ７１を介した比較結果と、第２比較テーブルを用いて得た、加速度センサ７２を介して得た比較結果とを付き合わせて比較する。そして、その比較した結果から、少なくともエンコーダ７１に異常があるか否かをより正確に判断することが可能となる。

　このように、制御部５は、エンコーダ７１の出力に基づいて第１アーム４１の動作制御を行っているが、エンコーダ７１からの出力値に基づいて動作制御される第１アーム４１の実際の動作結果を、エンコーダ７１とは異なる方式で検出している。

　したがって、エンコーダ７１および加速度センサ７２のいずれか一方、または双方に異常があった場合、かかる異常を効果的に検出することができる。そのため、異常を検出した場合、第１アーム４１の駆動を停止するなど、適切な対応が可能となる。

　すなわち、制御部５は、第２のモータ３１の駆動状況を二重で監視することになり、人共存型のロボットとしての信頼性をより向上させることができる。

　上述してきたロボット１では、第２のセンサである加速度センサ７２を、第１のセンサであるエンコーダ７１を備える第２のモータ３１により駆動される第１アーム４１に設けていた。しかし、第２のセンサである加速度センサ７２は、第２のモータ３１のみならず、その他の各モータによって駆動される各リンク体にそれぞれ対応して設けることもできる。

　すなわち、第２のセンサである加速度センサ７２は、胴体部３、第２アーム４２、第１リスト部４３１、第２リスト部４３２、および第３リスト部４３３にそれぞれ設けることができる。

　このように、加速度センサ７２（第２のセンサ）を各リンク体にそれぞれ対応して設ければ、どのリンク体に対応するエンコーダ７１、あるいは加速度センサ７２に異常があると考えられるのかが特定できる。なお、この場合、制御部５は、各モータ毎に、少なくとも、第１比較部５１と第２比較部５２とを対応付けて設けておくこととする。

　（第２の実施形態）
　図４は、第２の実施形態に係るロボット１を示す説明図である。なお、本実施形態では前述してきた第１の実施形態に係るロボット１と同じ構成要素については同じ符号を用いて示し、構成要素の具体的な説明は省略する。

　図４に示すように、本実施形態に係るロボット１は、第２のセンサである加速度センサ７２を、基台２に対して最先端に位置するリンク体の先端部に設けている。すなわち、軸を介して順次連結されるアーム部４の先端部をなす第３リスト部４３３に加速度センサ７２を設けている。

　加速度センサ７２を第３リスト部４３３に設けることにより、ロボット１の作業目的に直結するアーム部４の先端の動きが検出できる。すなわち、制御部５からの指令信号に基づいたロボット１の動作結果として、第３リスト部４３３の正常な動作結果を示すデータを指令信号に対応付けられた期待値とする。そして、この期待値と、実際に加速度センサ７２から受信した受信信号により得た第２の情報とを比較するのである。

　本実施形態に係るロボット１によれば、第１比較部５１および第２比較部５２の各比較結果を付き合わせることで、複数のエンコーダ７１のうちのいずれかに異常がある場合の検出を、最少個数の第２のセンサで実現することが可能となる。

　（第３の実施形態）
　図５は、第３の実施形態に係るロボット１が備える第１のセンサおよび第２のセンサの説明図である。なお、本実施形態においても、第２関節部２２を例示しており、前述してきた第１、第２の実施形態と同じ構成要素については同じ符号を用いて示し、構成要素の具体的な説明は省略する。

　上述してきた実施形態では、第２のセンサを、速度センサ、加速度センサ、または歪センサのうちのいずれかとして説明した。しかし、ここでは、リンク体である第１アーム４１の回転状態を検出する第２のセンサとして、第１のセンサと同じくエンコーダとしている。

　すなわち、図示するように、第２のモータ３１に設けた一次側のエンコーダ７１に対し、第２の減速機３２の下手側に、第２のセンサとしての二次側のエンコーダ７２０を配設している。二次側のエンコーダ７２０は、第２の減速機３２の出力軸３２３に取付けたディスク７２１と、ディスク７２１の回転量に応じて出力軸３２３の回転角度を検出する検出器７２２とを備えている。

　この場合においても、第２のモータ３１の制御の基は一次側のエンコーダ７１である。制御部５は、第１比較テーブルを用いて得た、一次側のエンコーダ７１を介した比較結果と、第２比較テーブルを用いて得た、二次側のエンコーダ７２０を介して得た比較結果とを付き合わせて比較する。そして、その比較した結果から、一次側のエンコーダ７１および二次側のエンコーダ７２０の少なくとも一方の動作状態を判断することが可能となる。

　さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。例えば、リンク体が単数であるものにおいても本発明を構成することがである。

　１　　ロボット
　２　　基台
　３　　胴体部（リンク体）
　４　　アーム部
　５　　制御部
　６　　作業者
　２２　　第２関節部
　３１　　第２のモータ
　４１　　第１アーム（リンク体）
　４２　　第２アーム（リンク体）
　４３　　リスト部
　５１　　第１比較部
　５２　　第２比較部
　５３　　判定部
　７１　　エンコーダ（第１のセンサ）
　７２　　加速度センサ（第２のセンサ）
　４３１　　第１リスト部（リンク体）
　４３２　　第２リスト部（リンク体）
　４３３　　第３リスト部（リンク体）

Claims (6)

1. 　軸周りに回転自在に連結された１以上のリンク体と、
   　前記リンク体を前記軸周りに回転させるモータと、
   　前記モータの回転状態を検出する第１のセンサと、
   　前記リンク体の回転状態を検出する第２のセンサと、
   　前記第１のセンサからの情報に基づいて前記リンク体の回転を制御する制御部と、
   　を備え、
   　前記制御部は、
   　前記第１のセンサからの第１の情報と前記第２のセンサからの第２の情報とに基づいて、前記第１のセンサおよび前記第２のセンサの少なくとも一方の動作状態を判断すること
   　を特徴とするロボット。
2. 　前記制御部は、
   　前記第１のセンサから受信した前記第１の情報と、前記モータに対する指令信号に対応する期待値とを比較する第１比較部と、
   　前記第２のセンサから受信した前記第２の情報と、前記指令信号に対応する期待値とを比較する第２比較部と、
   　前記第１比較部および前記第２比較部の各比較結果に基づいて、前記第１のセンサおよび前記第２のセンサの少なくとも一方の動作状態を判断する判定部と、
   　を備えることを特徴とする請求項１に記載のロボット。
3. 　前記第１のセンサは前記モータに付設されたエンコーダであり、
   　前記第２のセンサは、速度センサ、加速度センサ、または歪センサのうちのいずれかであること
   　を特徴とする請求項１または２に記載のロボット。
4. 　前記リンク体は、
   　基台から、それぞれ軸を介して順次連結されてアーム部を構成すること
   　を特徴とする請求項１、２または３に記載のロボット。
5. 　前記第２のセンサは、
   　前記各モータによって駆動される前記リンク体にそれぞれ対応して設けられていること
   　を特徴とする請求項４に記載のロボット。
6. 　前記第２のセンサは加速度センサであり、
   　前記基台に対して最先端に位置する前記リンク体の先端部に設けられていること
   　を特徴とする請求項４に記載のロボット。

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