JP6633580B2 - ロボットシステム及びロボット制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットシステム及びロボット制御装置に関する。

ロボットの動作の教示を行うための手段として、作業者が操作可能な教示操作盤が知られている。一方、他の教示手段として、作業者がロボットに力を作用させて該ロボットを移動させることによってロボットの教示を行う、いわゆるダイレクトティーチングが知られている（例えば特許文献１〜５参照）。

特開２０１５−２０２５３７号公報 特開２０１３−０７１２３９号公報 特開平０４−０４０５０６号公報 特開平０９−０７６１８３号公報 特開平１１−２３１９２５号公報

教示操作盤による作業は熟練を要し、不慣れな作業者では教示に時間がかかるという問題があった。一方、ダイレクトティーチングを利用した場合、作業者は直感的にロボットの移動方向を決めることができるので、教示操作盤を利用した場合よりも簡単に教示を行うことができる場合が多い。しかしダイレクトティーチングを利用するためには、作業者が把持・操作する教示用ハンドル等の専用装置をロボット（多くの場合、ハンド等のロボット先端部）に取り付ける必要があり、またその取り付け位置は容易には変更できない。

本開示の一態様は、可動部を備えたロボットと、前記可動部の表面に設けられるセンサであって、物体が前記センサに接触又は近接した状態における前記物体の３次元位置を測定するセンサと、前記物体が前記センサに接触又は近接している基準位置に到達したときに、前記ロボットを追従モードに移行させるモード切替部と、前記物体の３次元位置が前記基準位置から変化したときに、該変化の方向に応じて前記物体に前記可動部が追従する追従動作を前記ロボットに行わせる動作制御部と、を有し、前記ロボットは、前記可動部を覆うカバー部材を有し、前記センサは前記カバー部材の内側に配置される、ロボットシステムである。

本開示の他の態様は、可動部と、前記可動部の表面に設けられるセンサであって、物体が前記センサに接触又は近接した状態における前記物体の３次元位置を測定するセンサとを有するロボットの制御装置において、前記物体が前記センサに接触又は近接している基準位置に到達したときに、前記ロボットを追従モードに移行させるモード切替部と、前記物体の３次元位置が前記基準位置から変化したときに、該変化の方向に応じて前記物体に前記可動部が移動する追従動作を前記ロボットに行わせる動作制御部と、を有し、前記動作制御部は、前記センサを設けた前記可動部の部位よりも前記ロボットの先端側の可動部が、前記追従モードにおいて動作しないようにする、ロボット制御装置である。

本開示によれば、センサに接触又は近接した物体の３次元位置の変化に応じて、ロボットの可動部の追従動作を行わせることができるので、簡単な操作で直感的にロボットの教示等の動作制御を行うことができる。

本開示に係る好適な人間協調型ロボット及びロボット制御装置の構成例を示す図である。 図１のロボットの部分拡大図である。 図１のロボットのセンサの構成を模式的に示す図である。 センサに対する物体の３次元位置の変化の例を示す図である。

図１は、好適な実施形態に係るロボット（機構部）１０及びロボット制御装置２０を含むロボットシステム８の概略構成例を示す図である。ロボット１０としては、ロボットアーム等の可動部を有するものであれば種々のものが使用可能であるが、図示されたロボット１０は垂直多関節ロボットであり、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る。ロボット１０は、基部１２と、基部１２に設けられ、略鉛直方向軸線回りに回転可能な旋回胴１４と、旋回胴１４に回転可能に設けられた上腕１６と、上腕１６の先端に回転可能に設けられた前腕１８とを有する。

ロボット１０では、可動部（ここでは旋回胴１４、上腕１６及び前腕１８の少なくとも１つ）を回転させることにより、ロボット１０の先端位置（前腕１８の先端部）を移動・制御できるようになっている。また、前腕１８の先端にさらに手首軸及びハンド（図示せず）等を設け、ロボットにワークの把持や搬送等の、種々の作業を行わせることができる。

ロボット１０の教示や動作制御は、ロボット１０に接続されたロボット制御装置２０によって行うことができる。ロボット制御装置２０は、モード切替部２２及び動作制御部２４を有するが、それらの機能については後述する。またモード切替部２２及び動作制御部２４（又はそれらの機能）は、制御装置２０が有する演算処理装置（ＣＰＵ）やメモリ等によって実現することができるが、制御装置２０とは別に設けられたパーソナルコンピュータ又はホスト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。

ロボット１０は、ロボット１０の可動部（図示例では前腕１８）の表面に設けられたセンサ２６を有し、センサ２６は、作業者の指等の物体２８（図２参照）がセンサ２６に接触又は近接した状態における物体２８の３次元位置を測定するように構成されている。一例として、拡大図２に示すように、センサ２６は感圧式センサであり、複数の感圧センサ要素３０を有する。複数の感圧センサ要素３０は、可動部（ここでは前腕１８）の表面に列状（好ましくは図示例のような格子状）に配置されており、物体２８がセンサ２６に接触しているときに、物体２８の３次元位置を測定することができる。

図３は、センサ２６によって物体２８の３次元位置を測定している状態を説明する図である。センサ２６は、前腕１８等の可動部の表面３２に所定の間隔で整列配置された複数の感圧センサ要素３０と、複数の感圧センサ要素３０全体を覆うように、各感圧センサ要素３０から所定の間隔ｄだけ離隔して配置された、アルミニウム等の金属からなる電極層３４とを有する。なお以降の説明では、電極層３４は比較的柔軟性のある電極膜として説明するが、電極膜よりも剛性の高い板状の電極層（電極板）等も電極層３４として使用可能である。

作業者の指等の物体２８が電極膜３４に接触すると、センサ２６に対する指２８の押圧力に応じて電極膜３４が変形し、電極膜３４と各センサ要素３０との距離が変化する（非接触時のｄより小さくなる）。このときの距離の変化を、電気的な抵抗又は静電容量の変化等から検出することにより、センサ２６は指２８の３次元的な位置を測定することができる。

次に、センサ２６を用いたロボット１０の追従機能を、ロボット制御装置２０を用いてロボット１０の教示を行う場合を例として説明する。先ず、図３に示したような、物体２８がセンサ２６に接触しているときの物体２８の所定の３次元位置を、ロボット１０を追従モードに移行させるための基準位置として、ロボット制御装置２０のメモリ等に記憶しておく。この基準位置は任意に定めることができ、例えば複数の感圧センサ要素３０のいずれか１つが、指２８が電極膜３４を押圧したことを検出したときに指２８が基準位置に到達したと判断してもよいし、電極膜３４を押圧されたことを、予め定めた特定の感圧センサ要素３０が検出したときにのみ指２８が基準位置に到達したと判断してもよい。或いは又はこれに加え、指２８とある感圧センサ要素３０との距離が、非接触時（初期）のｄに対して所定の割合（例えばｄの２／３、１／２又は１／３）になったときに指２８が基準位置に到達したと判断してもよい。

次に、指２８が上述の基準位置に到達したときに、上述のモード切替部２２が、ロボット１０の動作モードを追従モードに切り替える。この追従モードでは、基準位置から指２８がどの方向に移動したかに基づいて、ロボット１０の動作（方向）を決定する。例えば、図４のＡ部に示す指２８の３次元位置を基準位置とした場合を考える。ここでＢ部に示すように、指２８が基準位置からＺ方向に、前腕１８から離れるように移動したときは、上述の動作制御部２４が、指２８が接触している前腕１８の部位（センサ２６）が指２８の移動方向と概ね同方向（図２の矢印３６で示す方向）に移動（すなわち追従）するようにロボット１０の各軸の動作を制御する。なお本実施例では、感圧センサ要素３０と電極膜３４との間の距離（ｄ）の方向（表面３２に垂直な方向）をＺ方向とし、Ｚ方向に垂直でかつ互いに直交する２つの方向をそれぞれＸ方向及びＹ方向とする。

同様に、Ｃ部に示すように、指２８が基準位置からＺ方向に、前腕１８を押し込むように移動したときは、動作制御部２４は、指２８が接触している前腕１８の表面（センサ２６）が指２８の移動方向と概ね同方向（図２の矢印３８で示す方向）に移動（すなわち追従）するようにロボット１０の各軸の動作を制御する。また、Ｄ部に示すように、指２８が基準位置からＸ方向又はＹ方向に、センサ２６上を摺動するように移動したときも、動作制御部２４は、指２８が接触している前腕１８の部位（センサ２６）が指２８の移動方向と概ね同方向（図２の矢印４０で示す方向）に移動（すなわち追従）するようにロボット１０の各軸の動作を制御する。

またセンサ２６に対する指の押圧力や相対速度に応じて、ロボット１０の可動部の移動速度が変化するようにしてもよい。例えば、図４のＣ部に示す場合において、作業者が指２８をセンサ２６に対して強く（素早く）押し込んだ場合や、図４のＤ部に示す場合において、作業者が指２８をセンサ２６に対して素早く移動させた場合は、ロボット１０の可動部を指２８の速度に応じて高速で移動させることができる。

なお追従モード（教示）を終了させたい場合又は他のモードに切り替えたい場合、例えば、作業者が一定速度（例えばロボットの上限動作速度）より大きい速度で指をセンサ２６から離したときに、モード切替部２２が追従モードの終了又は他モードへの切替えを行うようにすることができる。

このようにして作業者は、簡単な操作によってロボット１０の移動方向を決定して動作させることができるので、教示操作盤等を使用せずとも、短時間で直感的にロボットの教示等を行うことができる。一般に感圧式センサや後述する静電容量式近接センサは、接触又は近接した物体の座標と押圧力（接離方向についての距離）の双方を高精度に検出できるという性質があり、本開示ではこの性質を、ロボット１０の可動部を所望の方向に簡易に移動させるために利用することができる。またセンサ２６は予めロボット１０に設けられているので、教示のために別途、ハンドルやガイド等の専用機器をロボット１０に取り付ける必要もない。

図示例ではセンサ２６はロボット１０の前腕１８に設けられているが、これの代わりに又はこれに加え、同様のセンサを旋回胴１４や上腕１６等の他の可動部に設けてもよい。また動作制御部２４は、センサ２６を設けた部位よりもロボット先端側（基部の反対側）の構成要素が、追従モードにおいて動作（回転）しないようにすることができる。例えば、センサ２６を上腕１６に設けた場合、動作制御部２４は追従モードにおいて、図４のような操作によって旋回胴１４及び上腕１６は追従動作をするが、前腕１８は上腕１６に対して回転しないような動作制御を行うことができる。このように本開示では、センサ２６の配置位置によって、追従モードにおいて駆動（動作）させるべき要素とさせない要素とを使い分けることができる。

ロボット制御装置２０は、作業者の指等の物体２８が基準位置に到達したとき、すなわちロボット１０が追従モードに移行した（追従動作が可能となった）ときに、その旨を表す通知信号を出力する通知部４２をさらに有してもよい。通知部４２は例えば、指２８が基準位置に到達したことをセンサ２６が検知したときに音声を出力するスピーカや、ロボット１０の動作モードが追従モードに切り替わった旨を表示するディスプレイを有し、これらのスピーカ又はディスプレイは上記通知信号によって作動可能に構成される。なお上記スピーカやディスプレイは、制御装置２０以外の装置として提供することもできる。また通知部４２は、追従モードが終了したことを、音声や画面表示によって作業者に知らせるようにしてもよい。このようにすれば作業者は、現時点が追従モードか否かを正しく認識できるので、教示操作等を安心して行うことができる。

図１又は図２に示すように、ロボット１０が人間と作業領域を共有する人間協調型ロボットである場合、ロボット１０が人間に衝突したときの衝撃を緩和するために、ロボット１０の可動部（図示例では上腕１６及び前腕１８）の少なくとも一部、好ましくは全体を柔軟性のあるカバー部材４４で覆うことが多い。本開示では、上腕１６や前腕１８等の可動部の表面にセンサ２６が配置されるが、センサ２６の配置形態としては、該センサの構成要素（例えば電極膜３４）が外部に露出しており、指２８等の物体が直接その構成要素に接触できる形態や、ロボット１０がカバー部材４４を有する場合に、外部に露出しないようにカバー部材４４の内側（カバー部材４４と前腕１８等の可動部の表面との間）に配置される形態も含まれ、後者の場合、作業者は教示等を行う際、センサ２６（電極膜３４）にカバー部材４４を介して間接的に接触することになる。但しいずれの場合も、センサ２６は、センサ２６に接触又は近接した物体２８が上述の基準位置に達したことと、物体２８が該基準位置からいずれの方向に移動したか（物体２８の位置が該基準位置からいずれの方向に変化したか）を検出することができる。

上述の実施例では、１本の指でロボット１０の追従動作を実現できる場合を説明したが、複数の指（物体）を用いて、より複雑な動作や制御を行うこともできる。例えば、上述のように１本の指で追従動作を行った後、２本の指をセンサ２６に同時に接触させることを以て追従モードを終了するようにしてもよい。また、ロボット１０がハンド等を有する場合、２本の指をセンサ２６に接触させた状態で互いに接離させることにより、ハンドの開閉動作を行わせることもできる。

また、教示操作盤等には、常時操作者が触れていなければ教示等を行えないイネーブルスイッチ又はデッドマンスイッチが設けられる場合があるが、本開示では、特定の感圧センサ要素３０をイネーブルスイッチ又はデッドマンスイッチとして設定すれば、作業者はある指で当該イネーブルスイッチ又はデッドマンスイッチに触れつつ、他の指で上述の追従動作を行わせるという操作を行うこともできる。このように、動作制御部２４は、複数の物体をセンサ２６に同時に接触又は近接させて行うセンサ２６の操作を、予めロボットの各軸の移動（追従動作）以外の所定動作と関連付けておくことにより、該操作が行われたときに該所定動作をロボットに行わせることができる。

さて上述の実施例では、センサ２６が複数の感圧センサ要素３０を有する感圧式センサである場合を説明したが、センサ２６は静電容量式近接センサでもよく、具体的には感圧センサ要素３０の代わりに、複数の静電容量式センサ要素を、感圧センサ要素３０と同様に列状又は格子状に配置してもよい。静電容量式センサ要素を用いた場合のセンサ２６の構成は、図３において電極膜３４がないものに概ね相当し、感圧センサ要素３０では電極膜３４に指２８の物体が接触したこと及び接触した状態での該物体の３次元位置を検出できるのに対し、静電容量式センサ要素は、指２８の物体が該静電容量式センサ要素に該物体が所定距離以内に近接したこと及び該近接した状態での該物体の３次元位置を検出できる。従って静電容量式近接センサ要素を使用した場合も、感圧センサ要素を使用した場合と同様に、物体が基準位置に到達したことに伴う追従モードへの移行や、ロボットによる追従動作の実行（教示等）を行うことができる。

なお多くの産業用ロボットには、人間（作業者）等によってロボットに加わった外力を検出する力センサやトルクセンサが設けられ、検出した外力が予め定めた閾値を超えた場合、安全確保のために該ロボットが停止するように構成されているが、本開示に係るセンサ２６は、この力センサやトルクセンサの機能を兼ねることもできる。このようにすれば、ロボットシステムのコスト低減を図ることができる。

１０ ロボット（機構部）
１２ 基部
１４ 旋回胴
１６ 上腕
１８ 前腕
２０ ロボット制御装置
２２ モード切替部
２４ 動作制御部
２６ センサ
２８ 物体
３０ 感圧センサ要素
３４ 電極膜
４２ 通知部

Claims (4)

1. 可動部を備えたロボットと、
   前記可動部の表面に設けられるセンサであって、物体が前記センサに接触又は近接した状態における前記物体の３次元位置を測定するセンサと、
   前記物体が前記センサに接触又は近接している基準位置に到達したときに、前記ロボットを追従モードに移行させるモード切替部と、
   前記物体の３次元位置が前記基準位置から変化したときに、該変化の方向に応じて前記物体に前記可動部が追従する追従動作を前記ロボットに行わせる動作制御部と、を有し、
   前記ロボットは、前記可動部を覆うカバー部材を有し、前記センサは前記カバー部材の内側に配置される、ロボットシステム。
2. 前記センサは、感圧式センサ又は静電容量式近接センサである、請求項１に記載のロボットシステム。
3. 可動部と、前記可動部の表面に設けられるセンサであって、物体が前記センサに接触又は近接した状態における前記物体の３次元位置を測定するセンサとを有するロボットの制御装置において、
   前記物体が前記センサに接触又は近接している基準位置に到達したときに、前記ロボットを追従モードに移行させるモード切替部と、
   前記物体の３次元位置が前記基準位置から変化したときに、該変化の方向に応じて前記物体に前記可動部が移動する追従動作を前記ロボットに行わせる動作制御部と、を有し、
   前記動作制御部は、前記センサを設けた前記可動部の部位よりも前記ロボットの先端側の可動部が、前記追従モードにおいて動作しないようにする、ロボット制御装置。
4. 前記モード切替部によって前記ロボットが前記追従モードに移行したことを表す通知信号を出力する通知部をさらに有する、請求項３に記載のロボット制御装置。

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