JP2006021287A - ロボットの接触力検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単かつ信頼性の高い構成で、アームの任意の箇所に加えられた接触力を検出可能な、ロボットアームの接触力検出装置を提供する。
【解決手段】 ロボット本体１においては、ロボットアーム１０１の根元部のロボットベース１０２に力検出器１０３を設けて、ロボットアーム１０１に加わる力を検出する。制御装置２においては、接触力算出部２５０を設けて、ロボットアーム１０１に加わる力からロボットアーム１０１自身の動作による内力を差し引くことにより、ロボットアーム１０１に作用する接触力を算出し、また関節回避量算出部２２０を設けることにより、前記接触力を用いて接触力回避動作を算出し、さらに動作制御部２３０およびモータ制御部２４０を設けることにより、ロボットアーム１０１の接触力回避動作を実行させる。これにより、ロボット本体１の安全な動作を達成する。
【選択図】 図１

Description

本発明はロボットの接触力検出装置に関し、特にロボットのアームが周囲の人や物と接触する可能性がある作業を行う場合に、このロボットのアームに対する接触力を検出し、この接触力を回避する動作をロボットに行わせて、安全なロボットの動作を行わせるための、ロボットの接触力検出装置に関する。

ロボットアームに対する外部からの接触力を検出するための従来の装置としては、ロボットアームの表面に感圧センサー等の接触センサーを貼り付けて検出するものや、ロボットアームの関節部にトルクセンサーを設置して検出するものや、ロボットアームの表面の接触センサーとロボットアームの関節部のトルクセンサーとの両者より検出するものなどがあった（例えば、特許文献１参照）。図３は、特許文献１に記載された従来のロボットアームの接触力検出装置を示すものである。

図３において、３０１はロボットアーム、３０２はロボットアーム３０１の手首に設置された力センサー、３０３は各関節軸の根元に設置された磁歪型等のトルクセンサー、３０４はロボットアーム３０１の表面に設置された表面感圧センサーである。そして、これらのセンサー３０２〜３０４によりロボットアーム３０１に加えられる接触力を検出し、その検出情報によりロボットアーム３０１のインピーダンス制御を実施している。
特許第３３８３６１４号公報（第５頁、図１）

しかしながら、ロボットアーム３０１の表面に貼り付ける構成の接触式の感圧センサー３０４では、センサー３０４からの配線が多く、信号処理が複雑であり、かつロボットアーム３０１の可動部に配線を設置する必要があるので断線・ノイズ等の信頼性確保の点でも課題を有していた。さらに、関節部等の可動部には接触式のセンサー３０４自体が貼り付けられないという課題も有していた。

また、関節部に設けた力センサー３０２やトルクセンサー３０３の場合も、ロボットアーム３０１の可動部に配線を設置する必要があるので、接触式のセンサー３０４と同様に、断線・ノイズ等の信頼性確保の点で課題を有していた。さらに、設置し易い手首部等にのみセンサー３０２、３０３を設置しただけでは、アーム３０１の全体における接触力を検出できないという課題も有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、簡単で信頼性の高い構成で、アームの任意の箇所に加えられた接触力を検出可能なロボットアームの接触力検出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のロボットの接触力検出装置は、外部からロボットアームに対して加えられる接触力を検出し、その外部からの接触力を回避するようにロボットアームを動作させるロボットシステムにおいて、外部からの接触力を検出する力検出器を、ロボットアーム根元のロボットベース部に設置したものである。

本発明によれば、ロボットアーム自身の動作により発生した外力相当分の力を推定する手段と、力検出器で検出される外力全体から、前記推定されたロボットアーム自身の動作により発生した外力相当分の力を差し引くことにより、ロボットアームに対する接触力を検出する手段とを具備することが好適である。

したがって本発明によれば、アームの任意の位置に加えられた接触力の大きさと方向の概略値を簡単な構成で検出することができ、この接触力を回避するような動作指令をロボットに与えて、ロボットのアームを動作させることができる。

以上のように、本発明のロボットの接触力検出装置によれば、複雑なセンサー配置や配線が不要な簡単な構成で、アームの任意の箇所に加えられた接触力を、接触力回避動作の目的に使用可能な精度で検出可能であり、しかも断線・ノイズ等の不具合も少なく信頼性が高いという効果を得ることができる。したがって、ロボットアームに人または物が接触した場合にロボットアームが接触力を回避するような動作をすることが可能となり、ロボット動作により人または物に危害が加わることを避けることができる安全なロボットを簡単な構成で達成することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１のロボットの接触力検出装置のブロック図である。

図１において、１はロボット本体、２はロボットの制御装置、３はロボット動作に関する環境認識装置である。なお、この実施の形態では、ロボット本体１として、６軸垂直多関節のものを例示している。

ロボット本体１において、ロボットアーム１０１には６個の関節部が設けられており、ロボットアーム１０１は各関節部Ｊ１〜Ｊ６で回動または捩り動作が可能な構成となっている。図１では一部のみを図示しているが、各関節部Ｊ１〜Ｊ６には、それぞれ、モータ１０４、減速機１０５、回転角検出器１０６などが設置され、制御装置２よりの指令で各関節部Ｊ１〜Ｊ６の回転角度を制御している。ロボットアーム１０１の先端にはハンド１０７が設置されており、物品の把持を行う。ロボットアーム１０１の根元部にはロボットベース１０２が設置されており、このロボットベース１０２の下部１００でロボット本体１を架台や移動台車等に固定している。

１０３は力検出器である６軸力センサーで、ロボットベース１０２に設置されており、ロボットベース１０２よりも上部に配置されたロボットアーム１０１に係わる力が変化した場合に、その出力が変化する。ここでロボットアーム１０１に係わる力とは、ロボットアーム１０１に外部より加えられる接触力、およびロボットアーム１０１自身が動作することによって加えられる力（以降この力を「内力」と呼ぶ）が考えられる。

制御装置２は、制御計画部２００と、作業制御部２１０と、関節回避量算出部２２０と、動作制御部２３０と、モータ制御部２４０と、接触力算出部２５０との機能ブロックより構成されており、モータ制御部２４０の出力値によりロボット本体１の各関節部に設けられたモータ１０４の回転角度を制御している。制御計画部２００において、２０１は動作計画部、２０２は作業計画部、２０３は接触回避計画部である。接触力算出部２５０は、力検出部２５１と力補正部２５２とを有する。

環境認識装置３は、ロボットアーム１０１の位置・姿勢を認識する視覚認識装置や、ロボット本体１による作業対象物の位置・姿勢を認識する視覚認識装置や、ロボット動作に関する情報を検出する各種のセンサー類などにて構成されている。

かかる構成において、ロボットアーム１０１に対して外部よりの接触などが無い通常の場合は、ロボットベース１０２に設置された力検出センサー１０３はロボットアーム１０１自身の動作による内力しか検出しない。このロボットアーム１０１自身の動作による内力は、回転角検出器１０６よりのモータ回転角情報や、環境認識装置３よりの環境認識情報や、動作制御部２３０よりのモータ回転角指令値等を利用して、制御装置２の力補正部２５２において概略値を推定できる。そして、制御装置２における力検出部２５１の出力値は、力補正部２５２の出力値と概略相殺される。その結果、制御装置２の関節回避量算出部２２０による接触力回避動作は算出されず、通常の作業計画に基づき、動作制御部２３０において各関節のモータ１０４に対する回転角指令が算出され、モータ制御部２４０を介してモータ１０４の回転角の制御が行われる。

一方、ロボットアーム１０１に対して人が接触したり障害物が干渉したりして接触力が発生した場合に、ロボットベース１０２に設置された力検出センサー１０３は、ロボットアーム１０１に対する接触力の概略の大きさと概略の方向とを検出することができる。この場合も、ロボットアーム１０１自身の動作による内力が力検出センサー１０３に加わっている。しかし、このロボットアーム１０１自身の動作による内力は、前記と同様に、回転角検出器１０６よりのモータ回転角情報や、環境認識装置３よりの環境認識情報や、動作制御部２３０よりのモータ回転角指令値等を利用して、力補正部２５２において概略値を推定し、その推定値を力検出部２５１の出力より差し引くことができる。この差し引きにより補正された後の力検出値を用いて、関節回避量算出部２２０において、各関節部Ｊ１〜Ｊ６の回避方向と回避角度が算出される。この算出の際には、ロボットアーム１０１に対する接触力が低減する方向への根元側の関節の回避動作を優先的に行わせるような方針がとられる。動作制御部２３０においては、作業制御部２１０からのハンド位置および姿勢に関する指令値と、関節回避量算出部２２０からの接触力回避動作指令とを用いて、各関節部Ｊ１〜Ｊ６のモータ１０４についての最終的な回転角指令値が算出される。算出結果は、モータ制御部２４０に与えられる。モータ制御部２４０は、モータ１０４の角度をフィードバック制御しており、この角度が動作制御部２３０からの回転角指令値となるように、各モータ１０４の回転角制御を行う。

以上のように、ロボットアーム１０１に外部よりの接触が無い場合は、制御装置２の制御計画部２００の作業計画部２０２にて計画される作業計画に基づいてロボット本体１の動作が実行される。これに対し、ロボットアーム１０１に人または障害物の干渉により接触力が加えられた場合は、ロボット本体１のロボットベース１０２に設けられた力検出器１０３によってロボットアーム１０１に対する接触力が検出され、制御装置２の関節回避量算出部２２０にてロボット本体１の各関節の回避量が算出され、動作制御部２３０およびモータ制御部２４０を通して各軸のモータ１０４の回転角が制御されて、接触力が低減する方向にロボットアーム１０１を回避動作させることや、さらにはロボットアーム１０１の動作を停止させることが実行される。

なお、本実施の形態１においては、ロボット本体１の形式として６軸垂直多関節のものを例示したが、水平多関節等の他のロボットの形式でももちろんよい。力検出器１０３として６軸力センサーを設けたが、６軸以下の軸数の力センサーでもよく、またロボットベース１０２の外周に歪検出センサーを設置して力を検出してもよい。また、各関節部の駆動源としてモータ１０４を用いたが、これは空圧アクチュエータや人口筋肉等の他のアクチュエータでもよい。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２のロボットの接触力検出装置におけるロボット本体１の部分を抜き出して示す斜視図である。図２において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用い、その詳細な説明は省略する。

図２において、１１０はロボットベース１０２に設けられた円筒状のスペーサで、その外周部に歪ゲージ方式の歪検出器１１３が装着されている。スペーサ１１０は、図１を用いて実施の形態１で示したたとえば鋼製のロボットベース１０２よりも剛性が低くなるように、すなわちある程度の弾性を有するように、アルミニウムにより構成されている。

かかる構成によれば、実施の形態１で示したような剛性の高いロボットベース１０２の外周に歪検出器１１３を装着するだけでは、ロボットアーム１０１に対する接触力によるロボットベース１０２の歪が小さくて、その接触力を検出できないような場合でも、スペーサ１１０の弾性を最適に設定することにより、接触力によりスペーサ１１０が大きく歪んで、その接触力を検出できるようになる。この場合に、ロボット本体１の作業が損なわれないようにスペーサ１１０の弾性値を選定する必要があることは、もちろんのことである。

実施の形態２においては、実施の形態１における力検出器１０３がスペーサ１１０の外周に設けられた歪検出器１１３に置き換わっているが、それ以外は実施の形態１と同一である。よって、その詳細な説明は省略する。

なお、本実施の形態２において、スペーサ１１０はアルミ円筒で構成したが、これに代えて、高剛性ゴムや、樹脂や、これら非金属と金属とを組み合わせたものなどで構成してもよい。また、歪検出器１１３を歪ゲージとしたが、磁歪素子等の検出器でもよい。

本発明のロボットの接触力検出装置は、ロボットアームに人または物が接触した場合にロボットアームが接触力を回避するような動作をすることが可能となり、ロボット動作により人または物に危害を加えることを避けることができる安全なロボットを簡単な構成で達成できるという効果を有し、特に人間と共存する作業が必要とされる生活支援型ロボットおよび介護ロボット等の非製造業ロボットの用途に主として適用できる。また、製造業で用いられる産業用ロボットにも、もちろん適用できる。

本発明の実施の形態１のロボットの接触力検出装置のブロック図 本発明の実施の形態２のロボットの接触力検出装置におけるロボット本体の斜視図 従来のロボットの接触力検出装置のブロック図

符号の説明

１ ロボット本体
２ 制御装置
３ 環境認識装置
１０１ ロボットアーム
１０２ ロボットベース
１０３ 力検出器
２５０ 接触力算出部

Claims (5)

1. 外部からロボットアームに対して加えられる接触力を検出し、その外部からの接触力を回避するようにロボットアームを動作させるロボットシステムにおいて、外部からの接触力を検出する力検出器を、ロボットアーム根元のロボットベース部に設置したことを特徴とするロボットの接触力検出装置。
2. 力検出器を、ロボットアーム根元のロボットベース部に設けた弾性体に設置したことを特徴とする請求項１記載のロボットの接触力検出装置。
3. ロボットアーム自身の動作により発生した外力相当分の力を推定する手段と、力検出器で検出される外力全体から、前記推定されたロボットアーム自身の動作により発生した外力相当分の力を差し引くことにより、ロボットアームに対する接触力を検出する手段とを具備することを特徴とする請求項１または２記載のロボットの接触力検出装置。
4. 力検出器が６軸力センサーであることを特徴とする請求項１または３記載のロボットの接触力検出装置。
5. 力検出器が歪検出器であることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項記載のロボットの接触力検出装置。

Images