JP2016153156A - 外力に応じてロボットを退避動作させる人間協調ロボットシステム - Google Patents

Abstract

【課題】人間がロボットに外力を意図的に作用させる場合にのみ退避動作を行わせる。
【解決手段】人間協調ロボットシステム（１）は、ロボットに作用する外力を検出する外力検出部（Ｓ、２１）と、外力検出部により検出された外力が第一閾値より大きい場合には、外力を小さくする方向にロボットを移動させる退避動作を指令する退避動作指令部（２２）と、退避動作が指令された後の所定時間における外力検出値の変動の幅が第二閾値より小さい場合に退避動作を停止させる外力変動監視部（２３）とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロボットに作用する外力に応じてロボットを退避動作させる人間協調ロボットシステムに関する。

近年、生産現場において人間とロボットとを混在して配置し、生産作業を人間とロボットとに分担させる人間協調ロボットシステムが開発されている。人間の安全を確保するために、人間とロボットとの間に安全柵を配置する場合がある。しかしながら、安全柵を配置すると作業の遅延を招くので、近年では、安全柵を用いることのない人間協調ロボットシステムが提案されている。

そのような人間協調ロボットシステムにおいては、人間の安全を確保するために、ロボットが人間に接近または接触すると、ロボットを減速または停止させている。しかしながら、人間とロボットとが作業エリアを共有しているので、減速または停止されたロボットは人間が作業する際の障害物になる場合がある。

従って、そのようなロボットを作業エリアから退避させることが望まれる。この目的のために、人間がロボットを押圧する際にロボットに作用させた外力を検出するセンサがロボットに設けられている。そして、人間がロボットを所定値以上の外力で単に押圧することにより、ロボットに退避動作を行わせることが行われている。この場合には教示操作盤を用いる必要はない。

ここで、特許文献１には、人間とロボットとが協働でワークを搬送するシステムにおいて、ワークとロボットのハンドとの間に作用する外力を検出するセンサが設けられている。特許文献２においては、モータと該モータにより駆動されるアームとの間にトルクセンサが設けられた構成が開示されている。

特許第４４４５０３８号公報 特開平１０−２９１１８２号公報

しかしながら、ロボットに外力が作用していないにもかかわらず、センサが外力を誤検出してロボットに退避動作を行わせる場合がありうる。そのような場合とは、例えばロボットがワークを把持している際にワークが不意に落下した場合およびワークの重量の設定値が誤っている場合などである。

ここで、特許文献１は、ロボットのハンドがワークの一端を把持すると共に人間がワークの他端を把持する構成に限定している。また、特許文献１はロボットとハンドとの間に力センサを配置することを想定しており、特許文献２のようにロボットの関節などにセンサを配置する場合には適用できない。このため、特許文献１の構成を、ロボットと人間とが作業空間を共有して協調作業を行う人間協調ロボットシステムに適用するのは難しい。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、誤検出によりロボットが退避動作を行うことのない、人間協調ロボットシステムを提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために１番目の発明によれば、ロボットと人間とが作業空間を共有して協調作業を行う人間協調ロボットシステムにおいて、前記ロボットに作用する外力を検出する外力検出部と、該外力検出部により検出された外力が第一閾値より大きい場合には、前記外力を小さくする方向に前記ロボットを移動させる退避動作を指令する退避動作指令部と、該退避動作指令部により退避動作が指令された後の所定時間における前記外力の変動の幅が第二閾値より小さい場合に前記退避動作を停止させる外力変動監視部と、を具備する人間協調ロボットシステムが提供される。
２番目の発明によれば、１番目の発明において、前記外力検出部は、前記ロボットの先端に取付けられた力センサである。

人間がロボットを意図的に押圧している場合は、人間が押圧していない場合、例えばワークが不意に落下した場合と比較して、外力の変動の幅が大きくなる傾向がある。本発明においては、外力の変動の幅に応じて退避動作を停止させているので、誤検出によりロボットが退避動作を行うのを防止することができ、人間がロボットを意図的に押圧している場合にのみ退避動作を行わせることができる。

添付図面に示される本発明の典型的な実施形態の詳細な説明から、本発明のこれら目的、特徴および利点ならびに他の目的、特徴および利点がさらに明解になるであろう。

本発明における人間協調ロボットシステムの基本構成を示す図である。 ロボットの第一の側面図である。 ロボットの第二の側面図である。 時間と外力との関係を示す図である。 時間と外力との関係を示す他の図である。 本発明における人間協調ロボットシステムの動作を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同様の部材には同様の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。
図１は本発明における人間協調ロボットシステムの基本構成を示す図である。図１に示されるように、人間協調ロボットシステム１は、ロボット１０と、ロボット１０を制御する制御装置２０と、人間１１とを主に含んでいる。ロボット１０は人間１１の近傍に配置されているので、人間協調ロボットシステム１においては、ロボット１０と人間１１とが作業空間を共有して協調作業を行うことができる。

ロボット１０は、例えば六軸多関節ロボットであり、ワークＷを把持することのできるハンドＨをその先端に備えている。そして、力センサＳがハンドＨとロボットアームの先端との間においてロボット１０に内蔵されている。従って、力センサＳは、力センサＳが取付けられた場所からハンドＨの先端およびワークＷまでに作用する外力を外力検出値Ｆｄとして検出する。

図１に示される制御装置２０はデジタルコンピュータであり、力センサＳにより検出された外力検出値Ｆｄを用いて、周辺機器などの外部環境からロボット１０に作用する力を外力推定値として推定する外力推定部２１を含んでいる。外力推定部２１は、力センサＳが検出した外力検出値Ｆｄから、外力が作用していないときにおけるハンドＨおよびワークＷのそれぞれの自重を減算して外力推定値Ｆｅを算出する。より正確に外力推定値Ｆｅを算出する場合には、外力検出値Ｆｄから、ロボット１０とワークＷのそれぞれが移動することによって生じる慣性力によって力センサＳに作用する力をさらに減算するようにしてもよい。なお、他の方法により外力推定値Ｆｅを推定してもよい。力センサＳおよび外力推定部２１はロボット１０に作用する外力を検出する外力検出部としての役目を果たす。

さらに、制御装置２０は、外力推定部２１により推定された外力推定値Ｆｄが第一閾値より大きい場合には、外力推定値を小さくする方向にロボット１０を移動させる退避動作を指令する退避動作指令部２２を含んでいる。従って、人間１１が第一閾値より大きい力でロボット１０を意図的に押圧すると、退避動作指令部２２が退避動作を指令し、ロボット１０が退避動作を開始するようになる。

さらに、制御装置２０は、退避動作指令部２２により退避動作が指令された後の所定時間における外力検出値Ｆｄの変動の幅が第二閾値より小さい場合に退避動作を停止させる外力変動監視部２３を含んでいる。なお、第一閾値および第二閾値は実験等により予め求められ、制御装置２０の記憶部２４に記憶されているものとする。

図２および図３はロボットの側面図である。図２において、ロボット１０のハンドＨは、重量が例えば３０ｋｇのワークＷを把持している。この場合、ロボット１０に作用する外力はないので、外力推定部２１が算出する外力推定値Ｆｅは０ｋｇである。

ここで、図３に示されるように、ロボット１０のハンドＨからワークＷが不意に脱落した場合を考える。これにより、外力検出値ＦｄはワークＷの重量である３０ｋｇだけ減少する。その結果、外力推定部２１が算出する外力推定値Ｆｅは３０ｋｇ前後になる。

そして、退避動作指令部２２のための第一閾値が３０ｋｇ前後に設定されている場合には、退避動作指令部２２が退避動作を指令する。この場合には、実際には、退避する必要がないにもかかわらず、ロボット１０が退避動作を開始する事態となる。これにより、ロボット１０が周辺機器または人間１１に衝突する可能性があり、その結果、ロボット１０や周辺機器が損傷したり、人間１１に危険が及ぶ場合がある。

ところで、図４Ａおよび図４Ｂは時間と外力との関係を示す図である。これら図面において横軸は時間を示しており、縦軸は外力推定部２１により推定された外力推定値Ｆｅを示している。図４Ａの時刻ｔ１においてワークＷがロボット１０のハンドＨから不意に落下すると、外力はほぼゼロから外力ＦＡ２まで急激に上昇する。その後、外力は外力ＦＡ２と、これよりも小さい外力ＦＡ１との間で変動する。

同様に、図４Ｂの時刻ｔ２において人間１１がロボット１０を手などで意図的に押圧すると、外力はほぼゼロから外力ＦＢ２まで上昇する。そして、外力は外力ＦＢ２と、これよりも小さい外力ＦＢ１との間で変動する。

しかしながら、図４Ｂにおける外力の上昇速度は図４Ａの場合よりも緩やかである。また、ワークＷが不意に落下した場合における外力ＦＡ１と外力ＦＡ２との間の変動幅ＷＡは、人間１１がロボット１０を意図的に押圧したときにおける外力ＦＢ１と外力ＦＢ２との間の変動幅ＷＢよりも小さい。人間１１がロボット１１を一定の力で意図的に押圧し続けることは困難であるので、変動幅ＷＢは変動幅ＷＡよりも大きくなる。

本発明では、変動幅ＷＢと変動幅ＷＡの大きさの違いを利用して、人間１１が意図的にロボットを押圧して退避指令が指令された場合にのみロボット１０を退避させるようにしている。

図５は本発明における人間協調ロボットシステムの動作を示すフローチャートである。以下、図５を参照しつつ、人間協調ロボットシステム１の動作を説明する。なお、図５に示される処理は所定の制御周期毎に繰返し実施されるものとする。

はじめに、図５のステップＳ１１において、力センサＳが外力検出値Ｆｄを検出する。次いで、ステップＳ１２において、外力推定部２１が外力推定値Ｆｅを推定する。さらに、ステップＳ１３においては、外力推定値Ｆｅと第一閾値Ａ１とを比較する。第一閾値Ａ１は図４Ａに示される外力ＦＡ１および図４Ｂに示される外力ＦＢ１よりも小さくてゼロより大きい所定の値である。

ステップＳ１３において、外力推定値Ｆｅが第一閾値Ａ１より大きいと判定された場合には、ステップＳ１４に進む。ステップＳ１４においては、退避動作指令部２２が退避指令を出力する。次いで、ステップＳ１５においては、退避指令出力後の所定時間、例えば１００ｍｓにおける変動幅Ｗを検出する。ここで、変動幅Ｗは、例えば図４Ａに示される外力ＦＡ１と外力ＦＡ２との間の変動幅ＷＡ、または図４Ｂに示される外力ＦＢ１と外力ＦＢ２との間の変動幅ＷＢに相当する。

そして、ステップＳ１６においては、変動幅Ｗと第二閾値Ａ２とが比較される。ここで、第二閾値Ａ２は図４Ａに示される変動幅ＷＡと図４Ｂに示される変動幅ＷＢとの間の値である。そして、変動幅Ｗが第二閾値Ａ２より大きいと判定された場合には、ステップＳ１７に進む。この場合には、図４Ｂを参照して説明したように、人間１１がロボット１０を意図的に押圧しているものと判断される。従って、ステップＳ１７に進んで、退避動作が継続される。これにより、ロボット１０は外力推定値を小さくする方向に退避動作するようになり、人間１１の安全を確保することができる。

これに対し、ステップＳ１６において変動幅Ｗが第二閾値Ａ２より大きくないと判定された場合には、ステップＳ１８に進む。この場合には、図４Ａを参照して説明したように、ワークＷが不意に落下したものと判断される。従って、ステップＳ１８において外力変動監視部２３がロボット１０を停止させるかまたは退避動作を停止させる。

このように、本発明では、変動幅Ｗが第二閾値Ａ２より大きくない場合に退避動作を停止させているので、人間１１がロボット１０を意図的に押圧している場合にのみ退避動作を行わせることができる。従って、人間１１がロボット１０を押圧していないにも関わらず、人間１１がロボット２０を押圧していると誤判断して退避動作が行われるのを防止することができる。また、ワークの重量の設定値が誤っているためにロボット１０が退避動作する場合にも同様な制御を行うことができる。

なお、図５を参照して説明した実施形態においては外力推定部２１は、外力検出値Ｆｄを用いて外力推定値Ｆｅを推定している。しかしながら、外力推定部２１がロボット１０の各軸を駆動するモータに流れる電流値を用いて外力推定値Ｆｅを推定してもよい。また、力センサＳの外力検出値Ｆｄに基づいて前述したのと同様な判断をすることも可能である。この場合には、第一閾値Ａ１および第二閾値Ａ２は別途設定されるのが好ましい。

さらに、力センサＳがロボット１０の基部に配置されていてもよい。この場合には、ロボット１０のアームに他の物体が載置されることにより誤検出が生じてロボット１０が退避動作するのを防止することができる。

典型的な実施形態を用いて本発明を説明したが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなしに、前述した変更および種々の他の変更、省略、追加を行うことができるのを理解できるであろう。

１ 人間協調ロボットシステム
１０ ロボット
１１ 人間
２０ 制御装置
２１ 外力推定部（外力検出部）
２２ 退避動作指令部
２３ 外力変動監視部
２４ 記憶部
Ｓ 力センサ（外力検出部）

Claims (2)

1. ロボット（１０）と人間（１１）とが作業空間を共有して協調作業を行う人間協調ロボットシステム（１）において、
   前記ロボットに作用する外力を検出する外力検出部（Ｓ、２１）と、
   該外力検出部により検出された外力が第一閾値より大きい場合には、前記外力を小さくする方向に前記ロボットを移動させる退避動作を指令する退避動作指令部（２２）と、
   該退避動作指令部により退避動作が指令された後の所定時間における前記外力の変動の幅が第二閾値より小さい場合に前記退避動作を停止させる外力変動監視部（２３）と、を具備する人間協調ロボットシステム。
2. 前記外力検出部は、前記ロボットの先端に取付けられた力センサである、請求項１に記載の人間協調ロボットシステム。

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