JP2018111174A - ロボットの安全確保動作機能を備えた人間協働ロボットシステム - Google Patents

Abstract

【課題】人間の安全を確保しつつ、ハンドガイド操作を良好に行う。
【解決手段】人間協働ロボットシステム（１）は、ロボットに作用する外力を検出する第一力検出部（Ｓ１）と、人間がロボットを手動で操作するときのロボットに作用する操作力のみを検出する第二力検出部（Ｓ２）と、第一力検出部により検出された外力が所定の閾値よりも大きい場合には、外力を小さくする方向にロボットを移動させるかまたはロボットを停止させる安全確保動作を指令する安全確保動作指令部（２１）とを含む。人間が停止状態にあるロボットを手動で操作しているときには、安全確保動作指令部は、第一力検出部により検出された外力から第二力検出部により検出された操作力を減算した値を所定の閾値と比較する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロボットの安全確保動作機能を備えた人間協働ロボットシステムに関する。

一般的な産業用ロボットにおいて、作業者がロボットに力（操作力）を直接的に加えることにより、ロボットの位置および姿勢を微調整することがある（例えば、特許文献１を参照されたい）。さらに、操作者がロボットに備えられたハンドルに操作力を与えて教示点を設定する所謂ダイレクトティーチングも一般的に行われている。なお、本願明細書においては、前述した微調整操作、ダイレクトティーチング操作、リードスルー操作などをまとめて「ハンドガイド操作」と称する。

ところで、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働ロボットシステムが開発されている（例えば、特許文献２を参照されたい）。

そのような人間協働ロボットシステムにおいては、ロボットと人間との間に作用した力を力センサによって監視している。そして、人間協働ロボットシステムは、力センサによって検出された力が所定値よりも大きい場合に、ロボットを停止させるか、または、力が小さくなる方向にロボットを移動させる機能を備えている。これにより、人間の安全を確保している（例えば、特許文献３を参照されたい）。なお、力センサの代わりに、ロボットの各軸に設置されたトルクセンサまたはロボットの各軸を駆動するモータに流れる電流を検出する電流計を用いた場合であっても、同様な機能を実現できる。

さらに、他の人間協働ロボットシステムは、ハンドガイド操作、例えばリードスルー操作の有効と無効とを切替えるリードスルースイッチを備えている。そして、ハンドガイド操作が有効であるときには、ロボットを停止等させる機能が無効化されるとともに、ハンドガイド操作が無効であるときには、ロボットを停止等させる機能が有効化されるようになっている（例えば、特許文献３を参照されたい）。

特許第５９４６８５９号公報 特許第４９３８１１８号公報 特開２０１５−１９９１７４号公報

人間協働ロボットシステムのハンドガイド操作時には、人間が操作力を加えてロボットを移動させるので、ハンドガイド操作を有効にしてロボットを停止等させる機能を無効にしている。

しかしながら、ハンドガイド操作を有効にした場合、つまりロボットを停止等させる機能を無効にした場合には、人間とロボットとが互いに接触したとしても、ロボットは停止等しない。言い換えれば、ハンドガイド操作を有効にした場合には人間の安全が確保されなくなる可能性がある。

また、ハンドガイド操作を有効にしつつ、ロボットを停止等させる機能を有効にした場合には、力センサによって検出された力に、操作力が含まれることとなる。このため、力センサによって検出された力は容易に所定値よりも大きくなり、ロボットは頻繁に停止等することになる。その結果、ハンドガイド操作を良好に行うことができない。

それゆえ、ハンドガイド操作を有効にした場合であっても、人間の安全を確保しつつハンドガイド操作を良好に行うことのできる人間協働ロボットシステムが望まれている。

本開示の１番目の態様によれば、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働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第一力検出部と、前記人間が前記ロボットを手動で操作するときの前記ロボットに作用する操作力のみを検出する第二力検出部と、前記第一力検出部により検出された外力を所定の閾値と比較して、前記外力が前記所定の閾値よりも大きい場合には、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かまたは前記ロボットを停止させる安全確保動作を指令する安全確保動作指令部と、を具備し、前記人間が停止状態にある前記ロボットを手動で操作しているときには、前記安全確保動作指令部は、前記第一力検出部により検出された外力から前記第二力検出部により検出された操作力を減算した値を前記所定の閾値と比較するようにした、人間協働ロボットシステムが提供される。

１番目の態様においては、人間が停止状態にあるロボットを手動で操作しているとき、つまり、ハンドガイド操作時には、第一力検出部により検出された外力から第二力検出部により検出された操作力を減算して真の外力を求めている。このため、ロボットに作用する真の外力に基づいて安全確保動作を指令できる。それゆえ、ハンドガイド操作を有効にした場合であっても、人間の安全を確保しつつハンドガイド操作を良好に行うことができる。

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。

第一の実施形態に基づく人間協働ロボットシステムの略図である。 図１に示される人間協働ロボットシステムの動作を示すフローチャートである。 第二の実施形態に基づく人間協働ロボットシステムの略図である。

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は第一の実施形態に基づく人間協働ロボットシステムの略図である。人間協働ロボットシステム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、人間協働ロボットシステム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がアダプタ１２を介してロボット１０の先端に備えられている。なお、ハンドＨの代わりに、他のエンドエフェクタがロボット１０の先端に備えられていてもよい。

アダプタ１２には、操作者、例えば人間１１がハンドガイド操作を行うときに把持されるハンドル１５が取付けられている。さらに、ロボット１０の基部１８は固定プレート１９により、建物の床部に固定されている。

ロボット１０に作用する外力を検出する第一力検出部、例えば第一力センサＳ１が基部１８と固定プレート１９との間に設けられている。第一力センサＳ１は基部１８よりも下方に配置されているので、ロボット１０に作用する全ての外力を検出できる。なお、第一力検出部は、ロボット１０の各軸に設置されたトルクセンサであってもよく、ロボット１０の各軸を駆動するモータに流れる電流を検出する電流計であってもよい。このような場合には、検出されたトルクまたは電流からロボット１０に作用する外力を推定するものとする。

さらに、第二力検出部、例えば第二力センサＳ２がロボット１０のアダプタ１２とハンドル１５との間に配置されている。ハンドガイド操作を行うときには操作者、例えば人間１１がハンドル１５を把持して、停止状態にあるロボットに力（操作力）を直接的に加える。第二力センサＳ２は、操作者、例えば人間１１が、停止状態にあるロボット１０を手動でハンドガイド操作するときにロボット１０に作用される操作力のみを検出する。第二力センサＳ２はロボット１０とハンドル１５との間に取付けられているので、第二力センサＳ２はハンドル１５に作用する操作力のみを検出できる。

さらに、ハンドル１５にはハンドガイドスイッチ１３が設けられている。操作者、例えば人間１１は、ハンドガイド操作を行うときにハンドル１５を把持すると共にハンドガイドスイッチ１３を押圧する。ハンドガイドスイッチ１３が押圧されている間は、ハンドガイド操作を行うことができる。また、ハンドガイドスイッチ１３が押圧されていないときは、ハンドガイド操作を行うことができない。なお、ハンドガイドスイッチ１３の押圧の有無に関わらず、後述するロボットを停止等させる機能は有効である。

図１に示される制御装置２０はロボット１０を制御するデジタルコンピュータであり、ＣＰＵ、記憶部２２、例えばメモリを備えている。また、制御装置２０はハンドガイド実行部２３を含んでいる。ハンドガイドスイッチ１３が押圧されている間は、操作者、例えば人間１１によるハンドガイド操作に従って、ハンドガイド実行部２３がロボット１０を所望の位置および姿勢に移動させる。

さらに、制御装置２０は、第一力検出部Ｓ１により検出された外力を所定の閾値と比較して、外力が所定の閾値Ａよりも大きい場合には、外力を小さくする方向にロボット１０を移動させるかまたはロボット１０を停止させる安全確保動作を指令する安全確保動作指令部２１を含んでいる。なお、所定の閾値Ａは実験等により予め定められた値であり、記憶部２２に記憶されるものとする。

さらに、制御装置２０は、第一力検出部Ｓ１により検出された外力から第二力検出部Ｓ２により検出された操作力を減算する減算部２４を含む。減算部２４は、安全確保動作指令部２１の機能の一部分として、安全確保動作指令部２１に含まれていてもよい。なお、前述した安全確保動作指令部２１、ハンドガイド実行部２３、減算部２４の機能は制御装置２０のＣＰＵによって行われるものとする。

図２は図１に示される人間協働ロボットシステムの動作を示すフローチャートである。図２に示される動作は所定の制御周期毎に実施されるものとする。以下、図２を参照して第一の実施形態に基づく人間協働ロボットシステム１の動作について説明する。

はじめにステップＳ１０において、ハンドガイドスイッチ１３が押圧されているかが判定される。ハンドガイドスイッチ１３が押圧されていない場合は、人間１１が停止状態にあるロボットに対しハンドガイド操作、例えば微調整操作、ダイレクトティーチング操作、リードスルー操作などを行っていないと判断される。言い換えれば、ハンドガイド操作は有効ではなく、ロボット１０は、所定の動作プログラムに従って通常動作しているものと判断され、ステップＳ１１に進む。

ステップＳ１１においては、第一力センサＳ１がロボット１０に作用する外力Ｆｄを検出する。次いで、ステップＳ１２において、安全確保動作指令部２１が外力Ｆｄと所定の閾値Ａとを比較する。そして、外力Ｆｄが閾値Ａより大きいと判定された場合には、ロボット１０が人間１１等に衝突したと判断される。

このような場合には、ステップＳ１３に進んで、安全確保動作指令部２１が安全確保動作を指令する。これにより、外力を小さくする方向にロボット１０が移動するかまたはロボット１０が停止し、人間１１の安全が確保される。なお、ステップＳ１２において外力Ｆｄが閾値Ａより大きくないと判定された場合には、ステップＳ１１に戻り、ロボット１０の動作プログラムが終了するまで前述した処理を繰返す。

これに対し、ステップＳ１０において、ハンドガイドスイッチ１３が押圧されている場合は、人間１１が停止状態にあるロボット１０を手動でハンドガイド操作していると判断され、ロボット１０はハンドガイド実行部２３に従って動作されると判断できる。言い換えれば、ハンドガイド操作は有効であり、ロボット１０は所定の動作プログラムに従う動作をしていないと判断され、ステップＳ２１に進む。

ステップＳ２１においては、第一力センサＳ１がロボット１０に作用する外力Ｆｄを検出する。次いで、ステップＳ２２においては、第二力センサＳ２がロボット１０に作用する操作力Ｆｈを検出する。そして、ステップＳ２３においては、減算部２４が外力Ｆｄから操作力Ｆｈを減算して、ロボット１０に真に作用する外力Ｆｄ’を算出する。

次いで、ステップＳ２４において、安全確保動作指令部２１が外力Ｆｄ’と所定の閾値Ａとを比較する。そして、外力Ｆｄ’が閾値Ａより大きいと判定された場合には、ロボット１０が人間１１等に衝突したと判断し、ステップＳ２５に進んで、前述したように安全確保動作が指令される。これにより、人間１１の安全が確保される。なお、ステップＳ２４において外力Ｆｄ’が閾値Ａより大きくないと判定された場合には、ステップＳ２１に戻り、前述した処理を繰返す。

このように、第一の実施形態においては、ハンドガイド操作時、つまり人間１１が停止状態にあるロボット１０を手動でハンドガイド操作しているときには、第一力センサＳ１により検出された外力から第二力センサＳ２により検出された操作力を減算してロボット１０に作用する真の外力を求めている。

真の外力は操作力を含んでいないので、真の外力に基づいて安全確保動作を指令した場合には、ロボットが頻繁に停止等することなしに、人間の安全を確保することができる。このため、ハンドガイド操作を有効にした場合であっても、人間の安全を確保しつつハンドガイド操作を良好に行うことができる。

ところで、図３は第二の実施形態に基づく人間協働ロボットシステムの略図である。第二の実施形態は図１に示される内容と概ね同一であるので、以下、相違点についてのみ説明する。

図３においては、ハンドル１５の代わりに物理量入力部１６がロボット１０のアダプタ１２に備えられている。物理量入力部１６は、人間１１が物理量、例えば傾き角度、力などを直接的に入力して、ハンドガイド実行部２３を通じてハンドガイド操作を行う機器である。物理量入力部１６は、例えば図３に示されるジョイスティックであり、物理量入力部１６は、レバー、トラックボール、タッチパネルなどであってもよい。

第二の実施形態においては、第二力センサＳ２は、人間１１が停止状態にあるロボット１０を操作するのに使用される物理量入力部１６に加えられた物理量に基づいて所定の計算式などから操作力を求めるものとする。図３においては、ハンドガイドスイッチ１３が物理量入力部１６の一部分、例えばジョイスティック１６の先端に取付けられている。あるいは、物理量入力部１６の操作中には、ハンドガイド操作が自動的に有効になるようにして、ハンドガイドスイッチ１３を省略してもよい。

第二の実施形態における人間協働ロボットシステム１は、図２を参照して説明した第一の実施形態と概ね同様の動作を行うのは明らかであり、この場合であっても本発明の範囲に含まれる。

本開示の態様
１番目の態様によれば、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働ロボットシステム（１）において、前記ロボットに作用する外力を検出する第一力検出部（Ｓ１）と、前記人間が前記ロボットを手動で操作するときの前記ロボットに作用する操作力のみを検出する第二力検出部（Ｓ２）と、前記第一力検出部により検出された外力を所定の閾値と比較して、前記外力が前記所定の閾値よりも大きい場合には、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かまたは前記ロボットを停止させる安全確保動作を指令する安全確保動作指令部（２１）と、を具備し、前記人間が停止状態にある前記ロボットを手動で操作しているときには、前記安全確保動作指令部は、前記第一力検出部により検出された外力から前記第二力検出部により検出された操作力を減算した値を前記所定の閾値と比較するようにした、人間協働ロボットシステム（１）が提供される。

２番目の態様によれば、１番目の態様において、前記第一力検出部は前記ロボットの基部（１８）に取付けられている。
３番目の態様によれば、１番目または２番目の態様において、前記第二力検出部は、前記人間が停止状態にある前記ロボットを操作するのに使用されるハンドル（１５）と前記ロボットとの間に取付けられている。
４番目の態様によれば、１番目または２番目の態様において、前記第二力検出部は、前記人間が停止状態にある前記ロボットを操作するのに使用される物理量入力部（１６）に加えられた物理量に基づいて前記操作力を求めるようにした。

態様の効果
１番目の態様においては、人間が停止状態にあるロボットを手動で操作しているとき、つまり、ハンドガイド操作時には、第一力検出部により検出された外力から第二力検出部により検出された操作力を減算する。このため、ロボットに作用する真の外力に基づいて安全確保動作を指令できる。それゆえ、ハンドガイド操作を有効にした場合であっても、人間の安全を確保しつつハンドガイド操作を良好に行うことができる。
２番目の態様においては、ロボットに作用する全ての外力を検出できる。
３番目の態様においては、ハンドルに作用する操作力のみを検出できる。
４番目の態様においては、物理量入力部が設けられている場合であっても、所定の計算式などから操作力を求められる。物理量入力部は、ジョイスティック、レバー、トラックボール、タッチパネルなどである。

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 人間協働ロボットシステム
１０ ロボット
１１ 人間
１２ アダプタ
１３ ハンドガイドスイッチ
１５ ハンドル
１６ ジョイスティック（物理量入力部）
１８ 基部
１９ 固定プレート
２０ 制御装置
２１ 安全確保動作指令部
２２ 記憶部
２３ ハンドガイド実行部
２４ 減算部
Ｓ１ 第一力センサ（第一力検出部）
Ｓ２ 第二力センサ（第二力検出部）

Claims (4)

1. 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働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第一力検出部と、
   前記人間が前記ロボットを手動で操作するときの前記ロボットに作用する操作力のみを検出する第二力検出部と、
   前記第一力検出部により検出された外力を所定の閾値と比較して、前記外力が前記所定の閾値よりも大きい場合には、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かまたは前記ロボットを停止させる安全確保動作を指令する安全確保動作指令部と、を具備し、
   前記人間が停止状態にある前記ロボットを手動で操作しているときには、前記安全確保動作指令部は、前記第一力検出部により検出された外力から前記第二力検出部により検出された操作力を減算した値を前記所定の閾値と比較するようにした、人間協働ロボットシステム。
2. 前記第一力検出部は前記ロボットの基部に取付けられている、請求項１に記載の人間協働ロボットシステム。
3. 前記第二力検出部は、前記人間が停止状態にある前記ロボットを操作するのに使用されるハンドルと前記ロボットとの間に取付けられている、請求項１または２に記載の人間協働ロボットシステム。
4. 前記第二力検出部は、前記人間が停止状態にある前記ロボットを操作するのに使用される物理量入力部に加えられた物理量に基づいて前記操作力を求めるようにした、請求項１または２に記載の人間協働ロボットシステム。

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