JP7057316B2

JP7057316B2 - ロボット

Info

Publication number: JP7057316B2
Application number: JP2019085597A
Authority: JP
Inventors: 泰伸畑田; 斉寛西村; 一隆中山
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2019-04-26
Filing date: 2019-04-26
Publication date: 2022-04-19
Anticipated expiration: 2039-04-26
Also published as: CN111844002A; JP2020179483A; DE102020110340B4; DE102020110340A1; US20200338727A1; US11872700B2

Description

本開示は、ロボットに関するものである。

床面に設置されるベースに力センサを配置したロボットが知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、各関節軸にトルクセンサを備えたロボットが知られている（例えば、特許文献２参照。）。

特許第５９８０８７７号公報米国特許出願公開第２０１３／０２５５４２６号公報

特許文献１のロボットは、ロボットの本体またはハンドに加わる荷重を、ベースに設けた力センサによって検出するので、人や物体のロボット各部への接触を検出することができる。しかしながら、アーム間への挟み込みやハンドとベースとの接触等、反力が打ち消しあう接触態様については検出しにくい場合がある。

一方、特許文献２のロボットは、アーム間への挟み込みについてもトルクセンサによって検出することができるが、全ての関節軸のトルクセンサにトルクが作用しない接触態様については検出することが困難である。
力センサあるいはトルクセンサの設置個所を増加させれば、あらゆる接触態様を検出することが可能となるが、構造が複雑になるとともにコストが増大する。したがって、センサ数を増大させることなく、必要な接触態様を検出可能なロボットが望ましい。

本開示の一態様は、第１部材と、該第１部材に対して第１軸線回りに回転駆動される第２部材と、前記第１軸線に対して間隔をあけた第２軸線回りに、前記第２部材に対して回転駆動される第３部材と、前記第１軸線回りおよび前記第２軸線回り少なくとも一方のトルクのみを検出する１軸トルク検出部と、前記第１部材と被設置面との間、前記第１部材、前記第２部材または前記第３部材のいずれかに設けられ、前記第１軸線および前記第２軸線の両方に交差する方向の力を検出可能な力センサと、制御装置とを備え、該制御装置が、前記１軸トルク検出部によって検出される前記トルクに基づいて、前記第１部材と前記第２部材との間および前記第２部材と前記第３部材との間の少なくとも一方の物体の挟み込みを検出し、かつ、前記力センサによって検出される前記力に基づいて、前記第１軸線および前記第２軸線の両方に交差する方向に作用する物体の接触を検出するロボットである。

本開示の一実施形態に係るロボットの一例を示す側面図である。図１のロボットの１軸トルクセンサにより検出できない接触態様を示す側面図である。図１のロボットを示す斜視図である。図１のロボットにより検出できない接触態様を示す側面図である。図１のロボットの変形例を示す側面図である。図１のロボットの他の変形例を示す側面図である。図１のロボットの他の変形例を示す側面図である。

本開示の一実施形態に係るロボット１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るロボット１は、床面（被設置面）Ｇに設置されるベース２と、鉛直なＪ１軸線（第３軸線）Ａ回りにベース２に対して回転可能に支持された旋回胴（第１部材）３とを備えている。また、ロボット１は、水平なＪ２軸線（第１軸線）Ｂ回りに旋回胴３に対して回転可能に支持された第１アーム（第２部材）４と、Ｊ２軸線Ｂに平行なＪ３軸線（第２軸線）Ｃ回りに第１アーム４に対して回転可能に支持された第２アーム（第３部材）５とを備えている。

また、ロボット１は、第２アーム５の先端に３軸の手首ユニット６を備えている。
手首ユニット６は、第２アーム５の長手方向に延びるＪ４軸線（第４軸線）Ｄ回りに第２アーム５に回転可能に支持された第１手首要素７を備えている。また、手首ユニット６は、Ｊ４軸線Ｄに直交するＪ５軸線（第５軸線）Ｅ回りに第１手首要素７に回転可能に支持された第２手首要素８を備えている。さらに、手首ユニット６は、Ｊ５軸線Ｅに直交し、Ｊ４軸線ＤとＪ５軸線Ｅとの交点を通過するＪ６軸線（第６軸線）Ｆ回りに第２手首要素８に回転可能に支持された第３手首要素９を備えている。

また、本実施形態に係るロボット１は、床面Ｇとベース２との間に配置され、Ｊ１軸線Ａ回りのトルクのみを検出する１軸トルクセンサ（第３の１軸トルク検出部）１０を備えている。また、ロボット１は、旋回胴３に取り付けられ、Ｊ２軸線Ｂに直交し、Ｊ１軸線Ａを含む平面に沿う水平一軸方向（旋回胴３に固定された直交座標系におけるｘ方向）の力を検出する力センサ１１を備えている。

また、ロボット１は、旋回胴３と第１アーム４との間のＪ２軸線Ｂ回りのトルクのみを検出する１軸トルクセンサ（１軸トルク検出部、第１の１軸トルク検出部）１２を備えている。さらに、ロボット１は、第１アーム４と第２アーム５との間のＪ３軸線Ｃ回りのトルクのみを検出する１軸トルクセンサ（第２の１軸トルク検出部）１３を備えている。

各１軸トルクセンサ１０，１２，１３により検出されたトルクおよび力センサ１１により検出された力は図示しない制御装置に送られ、所定の閾値を超えるトルクあるいは力が検出された場合には、制御装置がロボット１を停止動作または退避動作させる。

このように構成された本実施形態に係るロボット１によれば、旋回胴３と第１アーム４との間に物体が挟まれた場合には、Ｊ２軸線Ｂ回りのトルクを検出する１軸トルクセンサ１２により検出されるトルクが閾値を超えて増大する。また、第１アーム４と第２アーム５との間に物体が挟まれた場合には、Ｊ３軸線Ｃ回りのトルクを検出する１軸トルクセンサ１３により検出されるトルクが閾値を超えて増大する。これにより、各部に物体が挟まれたことを検出し、停止動作または退避動作を行わせることができる。

また、手首ユニット６あるいは手首ユニット６の先端に取り付けたツールが旋回胴３または第１アーム４に接触した場合にも、Ｊ２軸線Ｂ回りのトルク、Ｊ３軸線Ｃ回りのトルクが増大するので、これを検出し、停止動作または退避動作を行わせることができる。
すなわち、本実施形態によれば、床面Ｇとベース２との間に６軸の力センサを配置して物体との接触を検出していた従来のロボットと比較して、アーム４，５間の挟み込み等による接触についても検出することができるという利点がある。

次に、図２に示されるように、第１アーム４と第２アーム５とが略一直線上に配置され、当該直線に沿う方向に、例えば、手首ユニット６に外力Ｐが作用した場合について説明する。
この場合には、２つの１軸トルクセンサ１２，１３により検出されるトルクは、十分に増大しないので、閾値を超えず、接触を検出することができない。しかしながら、旋回胴３に設けられた力センサ１１により第１アーム４の長手方向、すなわち、Ｊ２軸線ＢおよびＪ３軸線Ｃの両方に直交する方向に作用した力の水平（ｘ方向）成分が検出される。

したがって、本実施形態によれば、各関節にトルクセンサを配置して物体との接触を検出していた従来のロボットと比較して、トルクセンサにトルクが作用しない態様での接触についても力センサ１１により検出することができるという利点がある。

また、例えば、図３に示されるように、第１アーム４、第２アーム５あるいは手首ユニット６に横方向の外力が作用した場合には、床面Ｇとベース２との間に配置されている１軸トルクセンサに１０より検出されるトルクが閾値を超えて増大する。これにより、ロボット１に横方向から物体が接触したことを検出することができる。

すなわち、本実施形態によれば、Ｊ１軸線Ａ、Ｊ２軸線ＢおよびＪ３軸線Ｃ回りのトルクのみを検出する３つの１軸トルクセンサ１０，１２，１３に加え、単一の力センサ１１を配置し、物体の挟み込みおよび１軸トルクセンサ１０，１２，１３では検出できない接触についても検出することができる。これにより、装備するセンサ数を低減した簡易な構造により、あらゆる接触を検出するロボット１を、低いコストで構成することができるという利点がある。また、力センサ１１を旋回胴３に配置したので、旋回胴３の動作角度に依存することなく、ロボット１に作用する力を検出することができる。

なお、本実施形態においては、力センサ１１がｘ方向の力のみを検出するものである。したがって、図４に示されるように、第１アーム４および第２アーム５がＪ１軸線Ａに沿う方向に延びる場合に、第２アーム５の先端にＪ１軸線Ａに沿う方向（ｚ方向）に作用する力を検出することはできない。

このような態様の接触についても検出する場合には、力センサ１１としてｘ方向およびｚ方向の力を検出可能なものを採用すればよい。また、力センサ１１としてｘ方向およびｙ方向の力を検出可能なものを採用する場合には、床面Ｇとベース２との間に配置される１軸トルクセンサ１０をなくしてもよい。また、力センサ１１がｘ方向、ｙ方向およびｚ方向の力を検出可能なものであってもよい。

また、本実施形態においては、力センサ１１を旋回胴３に設置したが、これに代えて、床面Ｇとベース２との間、ベース２、第１アーム４または第２アーム５のいずれかに設けてもよい。特に、図５に示されるように力センサ１１を第１アーム４に設けることにより、第１アーム４の長さ方向であるｘ_ｓ方向の力を検出することができ、第１アーム４の動作角度に依存することなく、Ｊ２軸線ＢおよびＪ３軸線Ｃに直交する方向の力を検出することができる。

すなわち、第１アーム４に力センサ１１を設けることにより、図４に示されるような接触態様でも、１軸の力センサ１１により検出可能な力の方向を第１アーム４の動作角度に合わせて移動させて、精度よく検出することができる。
また、本実施形態においては、旋回胴３と第１アーム４とがＪ２軸線Ｂに沿う方向にオフセットしていない場合を例示したが、これに代えて、オフセットしている場合に適用してもよい。

また、本実施形態においては、Ｊ１軸線Ａ～Ｊ３軸線Ｃ回りのトルクを検出する場合について説明したが、これに代えて、Ｊ４軸線Ｄ～Ｊ６軸線Ｆ回りのトルクを検出する１軸トルクセンサ１４，１５，１６をそれぞれ配置してもよい。また、図６に示されるように、Ｊ１軸線Ａ～Ｊ６軸線Ｆの全ての軸線回りのトルクを検出する１軸トルクセンサ１０，１２，１３，１４，１５，１６をそれぞれ配置してもよい。特に、Ｊ５軸線Ｅ回りのトルクを検出する１軸トルクセンサ（第４の１軸トルク検出部）１５を配置することにより、第１手首要素７と第２手首要素８との間、あるいは、手首ユニット６に取り付けたツール（図示せず）とロボット１の各部との間における挟み込みを検出することができる。

また、第３手首要素９に装着したツール（図示せず）とロボット１の各部との間に物体が挟まれた場合には、Ｊ６軸線Ｆ回りのトルクを検出する１軸トルクセンサ（第５の１軸トルク検出部）１６またはＪ４軸線Ｄ回りのトルクを検出する１軸トルクセンサ（第６の１軸トルク検出部）１４により、挟み込みを検出することができる。

Ｊ４軸線Ｄ～Ｊ６軸線Ｆ回りのトルクを検出する場合、またはＪ１軸線Ａ～Ｊ６軸線Ｆの全ての軸線回りのトルクを検出する場合には、力センサ１１を第２アーム５に取り付けてもよい。これにより、１軸トルク検出部１４，１５，１６では、第３手首要素９の先端にＪ４軸線Ｄに沿う方向に作用する力を検出することができなくとも、第２アーム５に取り付けられた力センサ１１によってＪ４軸線Ｄに沿う方向に作用する力を検出することができる。
また、力センサ１１を手首ユニット６に取り付けてもよい。これにより、力センサ１１の取付位置より先端側におけるＪ４軸線Ｄに沿う方向に作用する力を検出することができる。

また、手首ユニット６としては、第１手首要素７が、第２アーム５の先端に、第２アーム５に対して第４軸線Ｄ回りに第２アーム５に回転可能に支持され、第２手首要素８が、第１手首要素７に対して、第４軸線Ｄに直交する第５軸線Ｅ回りに回転可能に支持され、第３手首要素９が、第２手首要素８に対して、第５軸線Ｅに直交し、かつ第４軸線Ｄに対して平行な第６軸線Ｆ回りに回転可能に支持されていればよい。この場合、１軸トルク検出部１４，１５，１６は、第４軸線Ｄ回り、第５軸線Ｅ回りおよび第６軸線Ｆ回りのうち少なくとも１つのトルクのみを検出可能である。

また、手首ユニット６としては、第１手首要素７が、第２アーム５の先端に、第２アーム５の長手軸に直交する第４軸線Ｄ回りに第２アーム５に回転可能に支持され、第２手首要素８が、第１手首要素７に対して、第４軸線Ｄに直交する第５軸線Ｅ回りに回転可能に支持され、第３手首要素９が、第２手首要素８に対して、第５軸線Ｅに直交し、かつ第４軸線Ｄに対して平行な第６軸線Ｆ回りに回転可能に支持されているものを採用してもよい。

また、本実施形態においては、垂直多関節型のロボット１を例示したが、これに代えて、水平多関節型のロボットを採用してもよい。この場合に、ベース（第１部材）と鉛直なＪ１軸線（第１軸線）回りにベースに対して揺動させられる第１アーム（第２部材）との間に１軸トルクセンサ（第１の１軸トルク検出部）を配置する。また、第１アームとＪ１軸線に平行なＪ２軸線（第２軸線）回りに第１アームに対して揺動させられる第２アーム（第３部材）との間に１軸トルクセンサ（第２の１軸トルク検出部）を配置する。また、１軸トルクセンサとしては、第１の１軸トルク検出部および第２の１軸トルク検出部の少なくとも一方が配置されていればよい。

そして、床面から第１アームまでのいずれかの位置に、第１アームに沿う方向の力を検出可能な力センサを配置すればよい。
これにより、ベースと第１アームとの間の挟み込み、第１アームと第２アームとの間の挟み込み、および、第１アームと第２アームとが一直線状に配置された状態で、当該直線に沿う方向に加わる力を精度よく検出することができる。

また、本実施形態においては、トルクを検出するトルク検出部として１軸トルクセンサを例示したが、これに代えて、各部を駆動するモータの電流を検出してトルクを推定してもよい。
また、セカンダリエンコーダを備える場合には、セカンダリエンコーダにより検出された角度情報に基づいてトルクを推定してもよい。

また、６軸多関節型のロボット１を例示したが、図７に示される７軸多関節型のロボット２０に適用してもよい。この場合には、Ｊ１軸線Ａ１～Ｊ４軸線Ｄ１回りのトルクを検出する１軸トルクセンサ１０，１２，１３，２２を配置すればよい。符号２１は、Ｊ３軸線Ｃ１に平行なＪ４軸線Ｄ１回りに第２アーム５に対して回転可能に支持された第３アームである。

この場合、６軸多関節型のロボット１と同様に、１軸トルクセンサ１０，１２，１３，２２により検出できない接触態様がある。具体的には、１軸トルクセンサ１０，１２，１３，２２は、第１アーム４、第２アーム５および第３アーム２１がＪ１軸線Ａに沿う方向に延びる場合に、第３アーム２１の先端にＪ１軸線Ａに沿う方向に作用する力を検出することはできない。このため、Ｊ１軸線Ａに沿う方向を含む少なくとも２方向の力を検出可能な力センサ１１を備えている必要がある。これにより、１軸トルクセンサ１０，１２，１３，２２により検出できない接触態様でも、１軸の力センサ１１により検出可能な力の方向を第１アーム４の動作角度に合わせて移動させて、精度よく検出することができる。

この場合、第１手首要素７は、第３アーム２１の長手方向に延びるＪ５軸線Ｅ１回りに第３アーム２１に回転可能に支持されている。また、第２手首要素８は、Ｊ５軸線Ｅ１に直交するＪ６軸線Ｆ１回りに第１手首要素７に回転可能に支持され、第３手首要素９は、Ｊ６軸線Ｆ１に直交し、Ｊ５軸線Ｅ１とＪ６軸線Ｆ１との交点を通過するＪ７軸線Ｈ１回りに第２手首要素８に回転可能に支持されている。

また、１軸ロボットに適用してもよい。この場合、ロボット１は、１軸ロボットとして、床面Ｇに設置されるベース（第１部材）２と、水平な軸線（第１軸線）回りにベース２に対して回転可能に支持された第１アーム（第２部材）４と、水平な軸線回りのトルクを検出する１軸トルクセンサ１０と、ベース２と床面Ｇとの間に設けられた力センサ１１とを備えている。力センサ１１は、ベース２または第１アーム４に設けられていてもよい。

また、本実施形態に係るロボット１として、３つの１軸トルクセンサ１０，１２，１３を備えるものを例示したが、２つの１軸トルクセンサ１２，１３のうち少なくとも一方を備えているものを採用してもよい。
また、本実施形態においては、第１軸線であるＪ２軸線Ｂと、第２軸線であるＪ３軸線Ｃとが間隔をあけて平行であるものを例示したが、２つの軸線Ｂ，Ｃが間隔をあけて配置されていればよい。例えば、２つの軸線Ｂ，Ｃが間隔をあけてねじれの関係で配置されていてもよい。

１，２０ロボット
２ベース
３旋回胴（第１部材）
４第１アーム（第２部材）
５第２アーム（第３部材）
６手首ユニット
７第１手首要素
８第２手首要素
９第３手首要素
１０１軸トルクセンサ（第３の１軸トルク検出部）
１１力センサ
１２１軸トルクセンサ（１軸トルク検出部、第１の１軸トルク検出部）
１３１軸トルクセンサ（第２の１軸トルク検出部）
１４１軸トルクセンサ（第６の１軸トルク検出部）
１５１軸トルクセンサ（第４の１軸トルク検出部）
１６１軸トルクセンサ（第５の１軸トルク検出部）
ＡＪ１軸線（第３軸線）
ＢＪ２軸線（第１軸線）
ＣＪ３軸線（第２軸線）
ＤＪ４軸線（第４軸線）
ＥＪ５軸線（第５軸線）
ＦＪ６軸線（第６軸線）
Ｇ床面（被設置面）

Claims

第１部材と、
該第１部材に対して第１軸線回りに回転駆動される第２部材と、
前記第１軸線に対して間隔をあけた第２軸線回りに、前記第２部材に対して回転駆動される第３部材と、
前記第１軸線回りおよび前記第２軸線回りの少なくとも一方のトルクのみを検出する１軸トルク検出部と、
前記第１部材と被設置面との間、前記第１部材、前記第２部材または前記第３部材のいずれかに設けられ、前記第１軸線および前記第２軸線の両方に交差する方向の力を検出可能な力センサと、
制御装置とを備え、
該制御装置が、前記１軸トルク検出部によって検出される前記トルクに基づいて、前記第１部材と前記第２部材との間および前記第２部材と前記第３部材との間の少なくとも一方の物体の挟み込みを検出し、かつ、前記力センサによって検出される前記力に基づいて、前記第１軸線および前記第２軸線の両方に交差する方向に作用する物体の接触を検出するロボット。
前記１軸トルク検出部が、前記第１軸線回りのトルクおよび前記第２軸線回りのトルクを検出可能にそれぞれ設けられている請求項１に記載のロボット。
前記力センサが、前記第２部材に固定されている請求項１または請求項２に記載のロボット。
前記力センサが、前記第１軸線に沿う方向の力を検出可能である請求項１から請求項３のいずれかに記載のロボット。
前記被設置面に設置されるベースを備え、
前記第１部材が、前記被設置面に直交する第３軸線回りに前記ベースに対して回転可能に支持された旋回胴であり、
前記第２部材が、前記第３軸線に直交する平面内に配置された前記第１軸線回りに前記旋回胴に対して回転可能に支持された第１アームであり、
前記第３部材が、前記第１軸線に平行な前記第２軸線回りに回転可能な第２アームである請求項１から請求項４のいずれかに記載のロボット。
前記被設置面から前記旋回胴までのいずれかの位置に、前記第３軸線回りのトルクのみを検出可能な第３の１軸トルク検出部を備える請求項５に記載のロボット。
前記第２アームの先端に、第４軸線回りに回転可能に支持された第１手首要素と、該第１手首要素に対して、前記第４軸線に直交する第５軸線回りに回転可能に支持された第２手首要素と、該第２手首要素に対して、前記第５軸線に直交する第６軸線回りに回転可能に支持された第３手首要素とを備え、
前記第４軸線回り、前記第５軸線回りおよび前記第６軸線回りのうち少なくとも１つのトルクのみを検出可能な１軸トルク検出部を備える請求項５または請求項６に記載のロボット。
第１部材と、
該第１部材に対して第１軸線回りに回転駆動される第２部材と、
前記第１軸線回りのトルクのみを検出する第１の１軸トルク検出部と、
前記第１部材と被設置面との間または、前記第１部材または前記第２部材のいずれかに設けられ、少なくとも１方向の力を検出可能な力センサと、
制御装置とを備え、
該制御装置が、前記１軸トルク検出部によって検出される前記トルクに基づいて、前記第１部材と前記第２部材との間の物体の挟み込みを検出し、かつ、前記力センサによって検出される前記力に基づいて、前記第１軸線に交差する方向に作用する物体の接触を検出するロボット。