JP6571618B2 - 人間協調型ロボット - Google Patents

Description

本発明は、人間と作業空間を共有する人間協調型ロボットに関する。

近年、安全柵等を用いず、作業者等の人間と作業空間を共有して稼動する人間協調型ロボットの普及が進んでいる。このような人間協調型ロボットの多くは、人間との接触を検知する接触センサや力センサを備え、人間との接触が検知されたら動作を停止し、人間に危害を加えないように構成されている。

これに関連する従来技術として、例えば特許文献１には、移動部及び制御部を有するロボット等の移動体と、移動体に付属され、作業対象との接触状態を検出する接触センサ及び接触時の接触力を検出する力センサを有するマニピュレータ部とを備える作業用マニピュレータが開示されており、さらに、制御部は接触センサで検出された接触状態または力センサで検出された接触力に基づいて作業状態を把握する手段を備えていると共に、接触センサまたは力センサで検出された人工的な規則性を有するパターン情報を命令として解釈する手段を備えている、と記載されている。

また、ロボットに人間が意図的に外力を作用させ、該ロボットに退避動作を行わせる技術も周知である。例えば特許文献２には、ロボットに作用する外力を検出する外力検出部と、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とを含む人間協調ロボットシステムが記載されている。

特開２００８−２００７６４号公報 特開２０１６−１５３１５６号公報

人間協調型ロボットが人間と接触して停止した場合、ロボットが作業を再開するためには、何らかの手段を用いてロボットを再起動する必要がある。一例として、ロボットの操作盤の再起動ボタンを押して再起動する方法があるが、操作盤が常時ロボットの近くにあるとは限らない。再起動ボタンがロボットから離れた場所にある場合、再起動ボタンがある場所まで人間（作業者）が移動しなければならず、ロボットの生産性が落ちてしまう。一方、再起動ボタンをロボットの近くに設置すれば、ロボットが停止しても速やかな再起動が可能であるので生産性の低下は防止されるが、再起動ボタンを操作盤とは別に設けることになるので、操作盤に再起動ボタンを設ける場合よりも費用がかかる。

特許文献１に記載の技術は、人工的な規則性を有するパターン情報を命令として解釈するので、再起動ボタン等を使用しなくても所定の動作をマニピュレータ（ロボット）に行わせることができると解される。しかし、人間協調型ロボットにおいて接触の検知に使用されるセンサの多くは、ロボットアーム全体の接触を検知するようになっている。そのため、従来技術を人間協調型ロボットに適用すると、人間が誤ってロボットに規則的な力を与えた場合も、ロボットが人間の意図と反して再起動してしまう恐れがある。例えば、人間がロボットを２回連続で叩くという動作パターンを行ったときにロボットが再起動する旨の設定がされている場合に、人間が誤ってロボットを２回連続で叩いてしまうと、ロボットは人間の意図に反して再起動することになり、人間が危険に曝される恐れがある。

これの解決方法として、再起動等の命令として判断・解釈すべき動作パターンを、意図せずに行われる可能性が低い複雑なものに設定する、というやり方も考えられるが、この方法には、利便性が低下してしまうという短所がある。そこで動作パターンとしては、できるだけ簡単に実行可能であることが望まれる。

そこで本発明は、比較的単純な動作パターンがロボットへの命令として設定された場合であっても、人間の意図に反してロボットが動作してしまう可能性を極力排除した人間協調型ロボットを提供することを目的とする。

第１の発明は、人間と作業空間を共有して稼働する人間協調型ロボットであって、前記ロボットに外力が作用したときに、前記外力が加えられた前記ロボットの部位を特定するセンサ部と、前記外力が予め定めたパターンに基づいて行われているか否か、かつ、前記外力が加えられた前記ロボットの部位が予め定めた規定部位に相当するか否かを判定する判定部と、前記外力が前記パターンに基づいて行われており、かつ、前記外力が加えられた前記ロボットの部位が前記規定部位に相当する場合に、前記パターンに予め関連付けられた動作を前記ロボットに行わせる指令部と、を有し、前記センサ部は、前記ロボットに加えられた外力の大きさ及びモーメントを検出する６軸力センサを有し、前記外力（ＦＸ，ＦＹ，ＦＺ）を、前記ロボットの第２の回転軸（Ｊ２）に射影して、前記第２の回転軸方向に沿う力（Ｆ２）を求め、前記モーメント（ＭＸ，ＭＹ，ＭＺ）から、前記ロボットの第１の回転軸（Ｊ１）の軸ベクトルと前記第２の回転軸（Ｊ２）の軸ベクトルとの外積ベクトル回りのモーメント（Ｍ２）を求め、求めた前記モーメント（Ｍ２）を求めた前記力（Ｆ２）で除した値（Ｍ２／Ｆ２）に基づいて、前記ロボットに対する前記外力の作用位置を計算するようにした、人間協調型ロボットを提供する。

第３の発明は、第１の発明において、前記センサ部は、人間が前記ロボットに接触したこと及び接触した前記ロボットの部位を検出する接触センサを有する、人間協調型ロボットを提供する。

第４の発明は、第１の発明において、前記センサ部は、前記ロボットの各軸のトルクを検出するトルクセンサを有する、人間協調型ロボットを提供する。

第５の発明は、第１〜４のいずれか１つの発明において、前記パターンは、前記ロボットに加えられた外力の大きさ、方向及び回数の少なくとも１つに基づいて設定される、人間協調型ロボットを提供する。

本発明によれば、予め定めたロボットの規定部位に対して行われる動作パターンを、再起動等の所定の動作をロボットに行わせる命令として判断するので、それ以外の部分に加わった動作パターンは無視することができる。従って、人間が意図しないときに、所定の動作が実行される可能性を大きく低減することができる。

本発明の第１の実施形態に係る人間協調型ロボットの概略構成例を示す図である。 図１のロボットを別角度からみた図である。 本発明の第２の実施形態に係る人間協調型ロボットの概略構成例を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る人間協調型ロボットの概略構成例を示す図である。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る人間協調型ロボット（機構部）１０の概略構成例を示す図である。ロボット１０は、人間と作業空間を共有して稼働する、例えば垂直多関節ロボットであり、基部（Ｊ１ベース）１２と、基部１２に設けられ、第１の軸線（Ｊ１軸）１４回りに回転可能な旋回胴（Ｊ２ベース）１６と、旋回胴１６に設けられ、第２の軸線（Ｊ２軸）１８回りに回転可能な上腕（Ｊ２アーム）２０と、上腕２０の先端に設けられ、第３の軸線（Ｊ３軸）２２回りに回転可能な前腕（Ｊ３アーム）２４とを有する。

ロボット１０では、Ｊ２アームがＪ１軸回りに旋回し、Ｊ２軸及びＪ３軸が回転して各アームの姿勢を変えることで、ロボット１０の先端位置が移動・制御できるようになっている。図示例では、Ｊ２軸とＪ３軸は平行な回転軸である。また、Ｊ３アームの先端にさらに手首軸（図示せず）を設け、該手首軸によって先端の姿勢を制御することもできる。

ロボット１０の動作は、ロボット１０に接続されたロボット制御装置２６によって制御可能である。また図１に示すように、判定部２８及び指令部３０（又はそれらの機能）は、制御装置２６が有する演算処理装置（ＣＰＵ）等によって実現することができるが、制御装置２６とは別に設けられたパーソナルコンピュータ等の装置（図示せず）によって実現することもできる。

図１に示すように、ロボット１０は、Ｊ１ベース１２の下方に取り付けられたセンサ部３２を有し、ここでのセンサ部３２は、力とモーメントを検出する力センサ（６軸力センサ）を有する。以下、第１の実施形態におけるロボット１０の機能及び動作について説明する。

ロボット１０に人間（作業者）等による外力が加わると、力センサ３２に力が伝わり、力センサ３２がこれを検出する。検出した外力が予め定めた閾値を超えた場合、ロボット１０は安全確保のために停止（多くの場合、即時停止）するように構成されている。このように、人間が接触してロボット１０に規定値以上の外力が加わった場合、ロボットが停止することで、人間へ危害を加えることを防いでいる。

一旦停止したロボット１０の動作を再開させるために、人間（作業者）は、ロボットに意図的に外力を加える。ここで、その外力が、予め定めたロボット１０の規定部位に、予め定めたパターンに基づいて加えられたものであるか否かを上述の判定部２８が判定し、外力が予め定めたロボット１０の規定部位に、予め定めたパターンに基づいて加えられたものであると判定された場合に、指令部３０は、そのパターンに予め関連付けられた動作（ここでは再開動作）をロボット１０に行わせる。

一例として、ロボット１０の「規定部位」を「旋回胴又はロボットアーム（Ｊ２アーム又はＪ３アーム）の側面のうち、力センサ（の上端）からの高さが２０ｃｍ以内の部位」とし、「予め定めたパターン」を「連続で（例えば０．５秒以内、又は１秒以内の間隔で）２回叩く」と設定した場合、人間によって「旋回胴又はロボットアーム側面のうち、力センサからの高さが２０ｃｍ以内の部分を連続で２回叩く」という動作が実行されたら、これを「ロボットの動作を再開する」という命令と判断して、当該命令を実行する。このようにすれば、人間がロボット１０に意図せずに接触してロボット１０が停止した場合、人間が力センサ３２から高さ２０ｃｍ以内の側面を２回叩くという簡単な動作を行うことで、ロボット１０の動作を再開させることができる。

なお第１の実施形態のように、センサ部として６軸力センサを使用した場合、外力がロボット１０のどの位置に加えられたかを直接特定することができないが、以下の計算によって求めることができる。先ず、ロボット１０を後方（図１では左方）からみた図２に示すように、３軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の力（ＦＸ，ＦＹ，ＦＺ）を、Ｊ２軸の回転軸に射影し、Ｊ２軸方向に沿う力Ｆ２を得る。次に、３軸のモーメント（ＭＸ，ＭＹ，ＭＺ）から、Ｊ１軸ベクトルとＪ２軸ベクトルの外積ベクトル回りのモーメントＭ２を得る。ここでＭ２をＦ２で除した値（Ｍ２／Ｆ２）が、力の作用点の高さに相当するので、外力の作用位置を特定（計算）することができる。なお図２において、Ｆ２は紙面に平行かつ横方向の力であり、Ｍ２は紙面に垂直な方向回りのモーメントである。

上述の処理により、第１の実施形態では、ロボット１０の規定部位以外の部位、例えばアーム先端に力が加えられた場合、これを誤って命令と解釈してしまうことがない。従って規定部位に所定のパターンで外力が加えられた場合にのみ、これを所定の命令（例えば動作再開命令）と解釈してロボットを動作させることができる。

図３は、本発明の第２の実施形態に係る人間協調型ロボット（機構部）４０の概略構成例を示す図である。なお第２の実施形態では、第１の実施形態と異なる部分についてのみ説明し、第１の実施形態と同様でよい部分については、同一の参照符号を付与して詳細な説明は省略する。

第２の実施形態では、センサ部が、６軸力センサの代わりに、接触位置を検出できる接触センサ４２を有し、ロボット４０は接触センサ４２で覆われている。接触センサ４２の使用により、人間がロボットに接触したこと、及び人間がロボットのどの部位に接触したかを検出することができるので、人間による接触部位が上述の「規定部位」に相当するか否かを直接判断することができる。

第２の実施形態では、例えば、「ロボット４０のＪ３軸２２の回転軸部分を連続で２回叩いた」ときに、これを「動作を再開する」という命令として解釈することができる。この場合人間は、ロボット４０と接触して、ロボットが停止した後、ロボットのＪ３軸の回転軸部分を続けて２回叩くことにより、ロボット４０の動作を再開することができる。従って第２の実施形態でも、規定部位に所定のパターンで外力が加えられた場合にのみ、これを所定の命令（例えば動作再開命令）と解釈してロボットを動作させることができる。

図４は、本発明の第３の実施形態に係る人間協調型ロボット（機構部）５０の概略構成例を示す図である。なお第３の実施形態では、第１の実施形態と異なる部分についてのみ説明し、第１の実施形態と同様でよい部分については、同一の参照符号を付与して詳細な説明は省略する。

第３の実施形態では、センサ部が、６軸力センサの代わりに、ロボットの複数の軸（図示例ではＪ１〜Ｊ３軸）にそれぞれ設けられ、各軸のトルクを検出するトルクセンサ５２、５４及び５６を有する。人間がロボット５０と接触すると、トルクセンサ５２、５４及び５６の少なくとも１つが外力トルクを検出し、ロボット５０の動作が停止する。

第３の実施形態では、例えば、「ロボット５０のＪ２アーム（上腕）２０を連続で２回叩いた」ときに、これを「動作を再開する」という命令として解釈することができる。人間が上腕２０を叩くと、Ｊ２軸のトルクセンサ５４は外力を検出するが、Ｊ３軸のトルクセンサ５６は外力を検出しない。一方、Ｊ３アーム（前腕）２４を叩いたときは、トルクセンサ５４及び５６の両方が外力を検出する。このように、複数のトルクセンサの検出結果に基づいて外力が加わった部分を特定することができるので、この例では、前腕２４に外力が加わっても、これを誤って命令として解釈することがない。従って第３の実施形態でも、規定部位に所定のパターンで外力が加えられた場合にのみ、これを所定の命令（例えば動作再開命令）と解釈してロボットを動作させることができる。

なお規定部位は上述のものに限られず、例えば「力センサ（又はロボット設置面等の基準面）からの高さが５０ｃｍ以上かつ７０ｃｍ以下のロボットアーム側面」としてももちろんよく、ロボットの任意の一部分を規定部位として設定可能である。特に、通常の稼働状況では外力が作用しにくいロボットの一部分を「規定部位」として設定することにより、人間が意図せずに（誤って）ロボットを動作させてしまう可能性を低減することができる。「パターン」についても、「連続で２回叩く」等に限られず、ロボットに加えられた外力の大きさ、方向、回数（複数回の場合はさらにその時間間隔等）の少なくとも１つに基づいて設定可能であり、通常の稼働状況では実現されにくい（意図せずに実行される可能性の低い）パターンとして設定されることが好ましい。

また上述の実施形態では、ロボットの規定部位に所定のパターンで外力が加えられた場合に行う命令（指令）を「（一旦停止した）動作の再開」としたが、本発明はこれに限られない。例えば、ロボットの所定の待機位置又は初期位置に移動させてもよいし、他の退避動作を行わせてもよい。また所定のパターンを複数用意しておき、パターンに応じて異なる動作（例えば、連続して２回叩いたら動作の再開、３回叩いたら初期位置への移動、等）を行わせることもできる。

１０、４０、５０ ロボット（機構部）
１２ 基部
１４ Ｊ１軸
１６ 旋回胴
１８ Ｊ２軸
２０ 上腕
２２ Ｊ３軸
２４ 前腕
２６ 制御装置
２８ 判定部
３０ 指令部
３２ ６軸力センサ
４２ 接触センサ
５２、５４、５６ トルクセンサ

Claims (2)

1. 人間と作業空間を共有して稼働する人間協調型ロボットであって、
   前記ロボットに外力が作用したときに、前記外力が加えられた前記ロボットの部位を特定するセンサ部と、
   前記外力が予め定めたパターンに基づいて行われているか否か、かつ、前記外力が加えられた前記ロボットの部位が予め定めた規定部位に相当するか否かを判定する判定部と、
   前記外力が前記パターンに基づいて行われており、かつ、前記外力が加えられた前記ロボットの部位が前記規定部位に相当する場合に、前記パターンに予め関連付けられた動作を前記ロボットに行わせる指令部と、を有し、
   前記センサ部は、前記ロボットに加えられた外力の大きさ及びモーメントを検出する６軸力センサを有し、
   前記外力（ＦＸ，ＦＹ，ＦＺ）を、前記ロボットの第２の回転軸（Ｊ２）に射影して、前記第２の回転軸方向に沿う力（Ｆ２）を求め、前記モーメント（ＭＸ，ＭＹ，ＭＺ）から、前記ロボットの第１の回転軸（Ｊ１）の軸ベクトルと前記第２の回転軸（Ｊ２）の軸ベクトルとの外積ベクトル回りのモーメント（Ｍ２）を求め、求めた前記モーメント（Ｍ２）を求めた前記力（Ｆ２）で除した値（Ｍ２／Ｆ２）に基づいて、前記ロボットに対する前記外力の作用位置を計算するようにした、人間協調型ロボット。
2. 前記パターンは、前記ロボットに加えられた外力の大きさ、方向及び回数の少なくとも１つに基づいて設定される、請求項１に記載の人間協調型ロボット。

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