JP6055002B2 - 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

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。これにより、ロボットが周辺機器や人間などに衝突して危険になる可能性がある。

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、センサが誤検出することによりロボットが退避動作を開始した場合であっても、ロボットの退避動作を停止させることのできる、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、人間が停止状態にあるロボットに力を加えた際に前記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、前記ロボットの現在位置を取得する位置取得部と、該位置取得部により取得された前記ロボットの現在位置が、退避動作が許容される退避領域から逸脱するときには、前記退避動作を停止させる退避動作停止部と、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、さらに、前記外力が前記第一閾値よりも小さい第二閾値以下である場合に前記ロボットの現在位置を含む所定の領域を退避領域として設定する退避領域設定部を具備する。
３番目の発明によれば、１番目または２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。

１番目の発明においては、ワークがロボットのハンドから不意に落下して退避動作が開始した場合であっても、ロボットの現在位置が退避領域から逸脱するときには、ロボットを停止させられる。従って、ロボットが周辺機器や人間などに衝突して危険になるのを防止することが可能となる。
２番目の発明においては、退避領域を設定することにより、ロボットが退避動作可能な領域を制限することができる。

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。 退避領域を説明するための図である。 退避領域を説明するための他の図である。

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。なお、閾値は実験等により予め求められ、制御装置２０の記憶部（図示しない）に記憶されているものとする。

さらに、制御装置２０は、ロボット１０の現在位置を取得する位置取得部２３を含んでいる。位置取得部２３は、ロボット１０の各軸を駆動するモータ（図示しない）に取付けられたエンコーダ（図示しない）に接続されている。従って、位置取得部２３は、ロボット１０の特にアーム先端部の位置を取得することができる。

さらに、制御装置２０は、位置取得部２３により取得されたロボット１０の現在位置が退避領域から逸脱するときには、退避動作指令部２２により指令された退避動作を停止させる退避動作停止部２４を含んでいる。また、制御装置２０は、外力推定値が閾値以下である場合にロボット１０の現在位置を含む所定の領域を退避領域として設定する退避領域設定部２５を含んでいる。

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、縦軸は力センサＳにより推定された外力検出値Ｆｄ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。

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と退避領域用閾値Ａ２とを比較する。退避領域用閾値Ａ２は実験等により予め求められた所定の値であり、例えば２ｋｇである。

ステップＳ１３において、外力推定値Ｆｅが退避領域用閾値Ａ２より大きくな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、退避領域設定部２５が退避領域Ｚを設定する。

ここで、図６Ａおよび図６Ｂは退避領域を説明するための図である。はじめに、位置取得部２３によって取得された現在位置ＣＰが退避領域設定部２５に供給される。そして、図６Ａに示されるように、現在位置ＣＰを中心とした所定半径の球を退避領域Ｚとして設定する。所定半径は例えば３０ｃｍである。なお、他の手法により退避領域Ｚを設定するようにしてもよい。退避領域Ｚが設定されると、ステップＳ１１に戻る。

ステップＳ１３において、外力推定値Ｆｅが退避領域用閾値Ａ２より大きいと判定された場合には、ステップＳ１５に進む。ステップＳ１５においては、外力推定値Ｆｅが閾値Ａ１よりも大きいか否かがさらに判定される。閾値Ａ１は実験等により予め求められた退避領域用閾値Ａ２よりも大きい所定の値であり、尚且つ閾値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り、例えば３０ｋｇ前後であるものとする。

そして、外力推定値Ｆｅが閾値Ａ１より大きいと判定された場合には、ステップＳ１６に進む。ステップＳ１６においては、人間１１がロボット１０を意図的に押圧したものと判断して、退避動作指令部２２が退避指令を出力する。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る。なお、外力推定値Ｆｅが閾値Ａ１より大きくないと判定された場合には、ステップＳ１１に戻る。

そして、ロボット１０が退避動作しているときに、ステップＳ１７において、位置取得部２３によりロボット１０の先端部の現在位置ＣＰを取得する。そして、ステップＳ１８において、現在位置ＣＰが退避領域Ｚの外側にあるか否かが判定される。図６Ｂに示されるように、現在位置ＣＰが退避領域Ｚから逸脱して退避領域Ｚの外側にある場合には、ステップＳ１９において退避動作停止部２４が退避動作を停止させる。なお、現在位置ＣＰが退避領域Ｚ内にある場合には、ステップＳ１７に戻る。

ここで、人間１１がロボット１０を閾値Ａ１より大きい力で意図的に押圧した場合には、ロボット１０の先端点が所定半径、例えば３０ｃｍだけ移動すると、ロボット１０は停止する。この場合、人間１１がロボット１０を再度同様に押圧すると、ロボット１０は退避動作を再び開始するようになる。

また、前述したようにワークＷがロボット１０のハンドＨから不意に落下した場合には、外力推定値Ｆｅが３０ｋｇ前後になるので、ロボット１０が退避動作を開始する。この場合、ワークＷが落下した後では外力推定値Ｆｅはほとんど変化しない。そして、ロボット１０が退避領域Ｚから逸脱すると、ロボット１０が停止するようになる。従って、ロボット１０が停止すれば、新たな退避領域Ｚは作成されなくなる。それゆえ、本発明では、ワークＷがロボット１０から不意に落下して退避動作が開始した場合であっても、ロボット１０を停止させられる。

このように、本発明においては予め退避領域Ｚを設定しているので、ロボット１０が退避動作可能な領域を制限できる。このため、ワークＷがロボット１０から不意に落下したときなど、誤検出した場合であっても、ロボット１０が退避領域Ｚを逸脱するとロボット１０を停止させられる。なお、所定の領域を退避領域Ｚとして予め設定してもよい。このため、本発明では、ロボット１０が周辺機器や人間１１などに衝突して危険になるのを防止することが可能となる。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のアーム上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 位置取得部
２４ 退避動作停止部
２５ 退避領域設定部
Ｓ 力センサ（外力検出部）

Claims (3)

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、
   人間が停止状態にあるロボットに力を加えた際に前記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、
   前記ロボットの現在位置を取得する位置取得部（２３）と、
   該位置取得部により取得された前記ロボットの現在位置が、退避動作が許容される退避領域から逸脱するときには、前記退避動作を停止させる退避動作停止部（２４）と、を具備する人間協調ロボットシステム。
2. さらに、前記外力が前記第一閾値よりも小さい第二閾値以下である場合に前記ロボットの現在位置を含む所定の領域を退避領域として設定する退避領域設定部（２５）を具備する請求項１に記載の人間協調ロボットシステム。
3. 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または２に記載の人間協調ロボットシステム。

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