WO2013175554A1 - ロボットおよびロボットシステム - Google Patents

Abstract

安全面においてより信頼性の高いロボットおよびロボットシステムを提供する。ロボット（１）は、設置面（２００）に固定される基台（２）と、基台から軸を介して順次連結される複数のアーム体を有するアーム部（４）とを備え、アーム部は、アーム体の軸周りの回動動作を、所定の回動範囲に制限自在とした可動ストッパ部材（８１）を有するストッパ機構を有する。ストッパ機構は、可動ストッパ部材と係合する固定ストッパ部材（８２）を備える。

Description

ロボットおよびロボットシステム

　開示の実施形態は、ロボットおよびロボットシステムに関する。

　従来、人共存型のロボットとして、所定の設置面に固定された基台と、基台から軸を介して順次連結される複数のアーム体を有するアーム部とを備え、かつ人間と共に作業するロボットが知られている。このようなアーム部を備えるロボットには、人間を含む他物体との意図しない接触をより低減あるいは回避することが求められる。

　また、アーム部が接触しても人に対してダメージを与えることなく、人と共存できるようにアーム部の動作制御を行う制御装置を備えたロボットが提案されている。これは、制御装置のソフトウェアによるアーム部の動作制御によって、人間との最適な接触動作を行わせるようしたものである（たとえば、特許文献１を参照）。

特開２００８－３０２４９６号公報

　しかしながら、特に人間とロボットとが協業する用途においては、上記特許文献１に開示されているようなソフトウェアのみに依存した動作制御よりも、より信頼性または安全性を向上させることが望ましい。

　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、人共存型として、安全面においてより信頼性の高いロボットおよびロボットシステム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、設置面に固定される基台と、前記基台から軸を介して順次連結される複数のアーム体を有するアーム部とを備える。前記アーム部は、前記アーム体の前記軸周りの回動動作を、所定の回動範囲に制限自在とした可動ストッパ部材を有する。

　実施形態の一態様によれば、安全面においてより信頼性の高い、人共存型のロボットを提供することができる。

図１は、実施形態に係るロボットシステムが設備された作業エリアを示す説明図である。 図２は、実施形態に係るロボットシステムにおけるロボットのアーム部の旋回領域を示す説明図である。 図３は、ストッパ機構の側面視による説明図である。 図４は、同ストッパ機構の平面視による説明図である。 図５は、制御部によるストッパ機構の制御の一例を示す説明図である。

　以下、添付図面を参照して、本願の開示するロボットおよびロボットシステム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。

　図１は、本実施形態に係るロボット１を有するロボットシステム１０が設置された作業エリア１００を示す説明図、図２は、同ロボットシステム１０におけるロボット１のアーム部４の旋回領域を示す説明図である。

　本実施形態に係るロボットシステム１０は、ロボット１を備えている。ロボットシステム１０は、図１に示すように、移動体である作業者６なども出入り可能な所定の作業エリア１００におけるフロア２００上の所定位置にロボット１を設置することにより設備される。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。

　また、ロボットシステム１０は、図２に示すように、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、予めロボット１への制御指令の内容が記憶されており、かかる記憶内容に基づいて、ロボット１は制御されることになる。なお、制御部５については後に詳述する。

　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上に旋回自在に設けられたアーム部４とを備える。

　アーム部４は、基台２にそれぞれ軸を介して順次連結されるアーム基体３と、第１アーム体４１と、第２アーム体４２と、第１リスト４３１、第２リスト４３２および第３リスト４３３からなるリスト部４３とを備えている。そして、第３リスト４３３の先端に、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。かかるロボット１のアーム部４を最大に伸長させた状態での最大旋回軌跡９００を、図２に示す。

　このように、本実施形態に係るロボット１は、アーム基体３、第１アーム体４１、第２アーム体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。

　アーム基体３は、ロボット１の胴体部ともなるものであり、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の伝動機構に連動連結している。こうして、アーム基体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）。

　図示するように、基台２の上面とアーム基体３の下面とには、それぞれ第１軸１１を中心とした仮想円周上に位置するように凸状体(第１の凸状体８１、第２の凸状体８２)が設けられてストッパ機構８を構成している。かかるストッパ機構８の具体的な構成などは後述する。

　また、アーム基体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アーム体４１が回転可能に連結されている。なお、かかる第１アーム体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アーム体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アーム体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。

　第２関節部２２は、第１軸１１と直交方向、すなわち、図面上の前後水平方向（Ｙ方向）に延在する第２軸１２を備えている。そして、この第２軸１２は、第２のモータと第２の減速機とを備える第２の伝動機構（図示せず）に連動連結している。こうして、第１アーム４１は、第２の伝動機構により、第２軸１２周りに回転、つまり、上下方向に揺動する（矢印４００を参照）。

　可動部位の中で最も長尺な第１アーム体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アーム体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の伝動機構に連動連結している。こうして、第２アーム体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アーム体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４３１と、この第１リスト４３１に連結する第２リスト４３２と、エンドエフェクタを設けた第３リスト４３３とから構成される。

　第１リスト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の伝動機構に連動連結している。したがって、第３リスト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に対して回転可能に設けられたアーム部４を備えている。

　アーム部４は、第１軸１１周りに回転可能に設けられたアーム基体３と、このアーム基体３に対して第２軸１２周りに回転可能に設けられた第１アーム体４１と、この第１アーム体４１に対して第３軸１３周りに回転可能に設けられた第２アーム体４２と、第２アーム体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４３１と第２リスト４３２と第３リスト４３３とを備えている。第１リスト４３１は、第２アーム体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４３２は、第１リスト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４３３は、第２リスト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。

　これらアーム基体３、第１アーム体４１、第２アーム体４２、第１リスト４３１、第２リスト４３２、および第３リスト４３３は、軸周りに回転自在に連結された複数のリンクであり、ロボット１の可動部位を構成する。そして、かかるリンクを、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。

　なお、本実施形態では、基台２に連結されるアーム基体３、さらには第２アーム体４２に連結されるリスト部４３もアーム部４に含まれる。つまり、アーム基体３についても、リスト部４３を構成する第１リスト４３１、第２リスト４３２、および第３リスト４３３についても、いずれもアーム体の概念に含まれる。

　また、ロボットシステム１０が備える制御部５は、図２に示すように、ロボット１と接続している。また、制御部５は、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、かかる制御部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であるアーム基体３、第１アーム体４１、第２アーム体４２、第１リスト４３１、第２リスト４３２、および第３リスト４３３を駆動する。

　また、制御部５は、図示するように、作業エリア１００内における作業者６などの移動体の動きを検知する近接センサなどからなる移動体検出部７に対しても電気的に接続している。移動体検出部７は、ロボット１とは独立して作業エリア１００内に配置されている。また、移動体検出部７としては、作業エリア１００の内部全体を監視可能なカメラを用いることもできる。

　そして、制御部５は、移動体検出部７による検知結果を受信し、受信した検知結果に基づいて、例えば、作業者６が所定の領域内に存在すると判断すると、アーム部４に設けられた前述のストッパ機構８を駆動して、機械的にアーム部４の旋回を規制する。すなわち、ストッパ機構８は、アーム体であるアーム基体３の第１軸１１周りの回動動作を、所定の回動範囲に制限自在とすることができる。

　以下、本実施形態に係るストッパ機構８について、図３および図４を参照しながら具体的に説明する。図３は、ロボット１が備えるストッパ機構８の側面視による説明図、図４は、同ストッパ機構８の平面視による説明図である。

　図３に示すように、第１軸１１を中心とした仮想円周上に位置するように、基台２の上面に第１の凸状体８１を可動ストッパ部材として出没自在に設けている。出没自在とするために、ここでは、基台２に孔部８００を設けて第１の凸状体８１を上下摺動自在に嵌装するとともに、内にシリンダ装置８２０を配設して第１の凸状体８１と連動連結している。そして、シリンダ装置８２０を駆動することにより、基台２の上面に設けた孔部８００のストッパ出入口８１０から第１の凸状体８１を出没自在としている。

　一方、同じく第１軸１１を中心とした仮想円周上に位置するように、アーム基体３の下面には第２の凸状体８２を固定ストッパ部材として下向きに突出させた状態で固設している。

　したがって、可動ストッパ部材である第１の凸状体８１が基台２内に没している状態であれば、アーム基体３は第１軸１１を中心に自由に旋回可能である。しかし、可動ストッパ部材である第１の凸状体８１が基台２から突出した状態になると、図４に示すように、旋回しているアーム基体３の第２の凸状体８２は、いずれ第１の凸状体８１に当接して係合することになり、旋回が規制される。

　このように、本実施形態に係るロボット１では、可動ストッパ部材を用いて機械的にアーム基体３（アーム体）の回動を規制することができる。そのため、単にソフトウェアのみによる動作制御に比べて信頼性を向上させることが可能となり、人共存型のロボット１としてより好ましい構成となる。

　また、図４に示すように、本実施形態では、可動ストッパ部材である第１の凸状体８１を、第１軸１１周りに所定間隔をあけて複数個設けている。つまり、基台２に設けられた複数の第１の凸状体８１の中から、アーム基体３に固設されている第２の凸状体８２を挟むように所定距離隔てた２つを選択して突出させた状態とすれば、第１アーム体４１、ひいてはアーム部４の回動範囲を規制することができる。

　このように、本実施形態に係るストッパ機構８は、基台２に連結された第１アーム体４１の回動動作を所定の回動範囲に制限することが可能である。

　したがって、制御部５は、例えば作業者６などの移動体の作業エリア１００内における動きを検知し、検知結果に基づいて、第１の凸状体８１（可動ストッパ部材）と第２の凸状体８２（固定ストッパ部材）とを係合させる位置を変化させることができる。

　例えば、作業者６が、作業エリア１００内に予め設定された第１のエリアにいる場合、あるいは第２のエリアにいる場合、第３のエリアにいる場合などに対応して、アーム部４の回動動作を所定の回動範囲内に制限することができる。

　図５は、制御部５によるストッパ機構８の制御の一例を示す説明図である。例えば、アーム部４の回動範囲がフリーな状態のときに、作業者６が、第１のエリア（不図示）内に入ったことを移動体検出部７が検知し、検知結果を制御部５に送信したとする。

　これまでアーム部４の回動範囲を規制していなかった制御部５は、移動体検出部７からの検知結果を受信すると、図５に示すように、アーム部４の回動範囲を、第１のエリアに応じた第１の範囲９１に規制する。

　具体的には、図４に示した複数の第１の凸状体８１の中から、例えば、第１のストッパ出入口８１０ａ内の第１の凸状体８１と、第２のストッパ出入口８１０ｂ内の第１の凸状体８１とを選択し、シリンダ装置８２０を駆動して２つの第１の凸状体８１を突出させる。こうして、アーム部４の動作は、第１の範囲９１に規制されることになる。

　また、作業者６が、さらにロボット１の方に近づき、例えば、第２のエリア（不図示）内に入ったことを移動体検出部７が検知したとする。移動体検出部７からの検知結果を受信すると、制御部５は、図５に示すように、アーム部４の回動範囲を、第２のエリアに応じた第２の範囲９２に規制する。

　具体的には、図４に示した複数の第１の凸状体８１の中から、例えば、第３のストッパ出入口８１０ｃ内の第１の凸状体８１と、第４のストッパ出入口８１０ｄ内の第１の凸状体８１とを選択し、シリンダ装置８２０を駆動して２つの第１の凸状体８１を突出させる。こうして、アーム部４の動作は、第２の範囲９２に規制されることになる。なお、本実施形態に係るストッパ機構８では、図４に示す構成からも分かるように、図５に示す最少回動範囲９０を単位としてアーム部４の回動動作を制限する回動範囲が定められる。

　ところで、上述してきたロボット１のストッパ機構８として、可動ストッパ部材である第１の凸状体８１を、リンクの１つである基台２に設け、固定ストッパ部材である第２の凸状体８２をアーム基体３に設けた構成とした。

　しかし、可動ストッパ部材と固定ストッパ部材は、配設箇所を逆にしても構わない。すなわち、可動ストッパ部材は、第１軸１１を介して連結される基台２およびアーム基体３からなる一対のリンクのうちのいずれか一方に設けられ、固定ストッパ部材は、リンク（基台２およびアーム基体３）のうちのいずれか他方に設けられていればよい。

　また、本実施形態に係るストッパ機構８では、第２の凸状体８２からなる固定ストッパ部材を備える構成としたが、固定ストッパ部材としては、例えば、アーム基体３の下面に第１軸１１を中心とする円弧状の所定長さの溝部を形成して構成することもできる。

　すなわち、所望する位置に溝の端部を形成した溝部を形成し、この溝部内に可動ストッパ部材である第１の凸状体８１が遊嵌可能としておく。かかる構成であっても、アーム基体３が旋回すると、いずれは第１の凸状体８１は溝の端部に当接して旋回が規制されることになる。

　また、上述してきた実施形態では、移動体検出部７を、ロボット１と独立して作業エリア１００内に配置されたものとしたが、移動体検出部７は、ロボット１に一体的に設けられていても構わない。

　なお、アーム部４の回動動作の制限は、移動体検出部７を用いて、適宜、割込処理により制御することもできるし、アーム部４の回動範囲を定めて予め設定しておいてもよい。

　以上、説明してきたように、上述してきた構成の本実施形態に係るロボット１およびこのロボット１を備えるロボットシステム１０は、人共存型により適するように、安全面などの信頼性をより向上させることができる。

　ところで、上述してきた実施形態では、ストッパ機構８を、基台２とアーム基体３との間に設けた構成とし、アーム基体３の回動動作を、所定の回動範囲に制限自在にしたものとして説明した。しかし、ストッパ機構８は、その他のアーム体、たとえば、第１アーム体４１、第２アーム体４２、第１リスト４３１、第２リスト４３２、および第３リスト４３３の軸周りの回動動作を、所定の回動範囲に制限自在とするものであってもよい。あるいは、すべてのアーム体に対してその軸周りの回動動作を、所定の回動範囲に制限自在とすることもできる。

　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。

　１　　ロボット
　２　　基台
　３　　アーム基体
　４　　アーム部
　５　　制御部
　６　　作業者
　７　　移動体検出部
　８　　ストッパ機構
　８１　　第１の凸状体（可動ストッパ部材）
　８２　　第２の凸状体（固定ストッパ部材）
　１００　　作業エリア（所定エリア）

Claims (9)

1. 　設置面に固定される基台と、
   　前記基台から軸を介して順次連結される複数のアーム体を有するアーム部と
   　を備え、
   　前記アーム部は、
   　前記アーム体の前記軸周りの回動動作を、所定の回動範囲に制限自在とした可動ストッパ部材を有するストッパ機構を有する
   　ことを特徴とするロボット。
2. 　前記軸を介して連結される前記基台および前記アーム体、あるいは前記アーム体同士を一対のリンクとし、
   　前記ストッパ機構は、
   　前記可動ストッパ部材と係合する固定ストッパ部材を備え、
   　前記可動ストッパ部材は、
   　前記一対のリンクのうちのいずれか一方に設けられ、
   　前記固定ストッパ部材は、
   　前記一対のリンクのうちのいずれか他方に設けられる
   　ことを特徴とする請求項１に記載のロボット。
3. 　前記可動ストッパ部材は、
   　前記一対のリンクを連結する前記軸を中心とした仮想円周上に出没自在に設けられた第１の凸状体であり、
   　前記固定ストッパ部材は、
   　前記仮想円周上に固設された第２の凸状体であること
   　を特徴とする請求項２に記載のロボット。
4. 　前記ストッパ機構は、
   　前記基台に連結されたアーム体の回動動作を所定の回動範囲に制限すること
   　を特徴とする請求項１、２、または３に記載のロボット。
5. 　前記可動ストッパ部材は、
   　前記一対のリンクを連結する前記軸周りに所定間隔をあけて複数設けられていること
   　を特徴とする請求項２、３または４に記載のロボット。
6. 　所定エリア内における人を含む移動体の動きを検知し、検知結果に基づいて、前記可動ストッパ部材と前記固定ストッパ部材とを係合させる位置を変化させる制御部を備える
   　ことを特徴とする請求項１～５のいずれか１つに記載のロボット。
7. 　前記制御部は、
   　前記移動体の位置に応じて、前記アーム体の回動範囲を変更すること
   　を特徴とする請求項６に記載のロボット。
8. 　所定エリア内における人を含む移動体の動きを検知し、検知結果を前記制御部に出力する移動体検出部を備えること
   　を特徴とする請求項６または７に記載のロボット。
9. 　所定エリア内に配置される請求項６または７に記載のロボットと、
   　前記ロボットと独立して前記所定エリア内に配置され、前記所定エリア内における人を含む移動体の動きを検知し、検知結果を前記制御部に出力する移動体検出部と、
   　を備えることを特徴とするロボットシステム。

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