(57)【要約】【課題】協働ロボットの電界方式を利用した対人保護装置において、床面電極を用いない簡単な構成で、ロボットと作業者との接近を検知できる距離を長くする。【解決手段】作業者２に保持される検出電極３と、ロボット１に設けられる電界発生電極４と、電界発生電極４に電圧を付加する電圧付加装置５と、作業者２側から無線通信で送信される検出電極３の電圧情報を用いてロボット１側で検出電極３の電圧を計測する計測器６とからなる簡単な構成で、ロボット１と作業者２とが接近して検出電極３の電圧が高くなると、計測器６が計測した検出電極３の電圧値に基づいて制御用の信号をロボット１の制御器７に送り、ロボット１に接触回避動作を行わせるようにした。この構成では、大きな電界を付与されたロボット１に作業者２が接近したときに生じる検出電極３の電圧の変化を検出するので、従来の人体通信を用いたものよりも最長検知距離を長くできる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットとそのロボットの周囲で作業する作業者とが接近したときに、前記ロボットに作業者との接触を回避するための動作をさせるロボットの対人保護装置において、
前記ロボットに設けられる電界発生電極と、前記電界発生電極に電圧を付加する電圧付加装置と、前記作業者に保持される検出電極と、前記検出電極における電圧を計測する計測器とを備え、前記計測器で計測した電圧値に基づいてロボットの制御器へ信号を送り、ロボットの動作を制御することを特徴とするロボットの対人保護装置。
【請求項２】
前記ロボットが作業者との共同作業を行う協働ロボットであることを特徴とする請求項１に記載のロボットの対人保護装置。
【請求項３】
前記電圧付加装置が前記電界発生電極に付加する電圧は、正負に変動する交流電圧であることを特徴とする請求項１または２に記載のロボットの対人保護装置。
【請求項４】
前記計測器に前記電圧付加装置の周波数の９０度電気長を有するグランド電極が接続されていることを特徴とする請求項３に記載のロボットの対人保護装置。
【請求項５】
前記電圧付加装置に電圧付加装置の周波数の９０度電気長を有するグランド電極が接続されていることを特徴とする請求項３または４に記載のロボットの対人保護装置。
【請求項６】
前記ロボットが複数並設されており、各ロボットにそれぞれ設けられた前記電圧付加装置が互いに異なる周波数の交流電圧を付加するものであることを特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載のロボットの対人保護装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、産業用ロボットの周囲の作業者をそのロボットとの衝突から保護するための対人保護装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、工業製品の製造現場等においては、労働人口の不足や製品品質の向上要求に対応するため、従来は人が行っていた作業を人に代わって行う協働ロボットの開発が進んでいる。この協働ロボットは、例えば種々の作業工程の中で作業者の欠員が生じた工程に配置され、作業者と隣り合う状態で作業を行う等、従来の産業用ロボットと異なり安全柵で囲まれない状態で使用される。このため、協働ロボットを使用する場合は、その周囲の作業者を協働ロボットとの衝突から保護するための対人保護装置が必要となっている。
【０００３】
ロボットの対人保護装置（以下、単に「対人保護装置」とも称する。）は、従来の安全柵で囲まれた産業用ロボットに対しても開発されており、例えば特許文献１では、携帯装置（信号発信機）を携帯した作業者が安全柵内で調整作業等を行う際にロボットに接近すると、携帯装置から発信される識別信号が人体通信によってロボットに伝達され、その識別信号をロボットから受信したロボット制御装置がロボットを停止または減速させて、ロボットと作業者との衝突を防止する方法が提案されている。
【０００４】
一方、特許文献２で提案されている衝突防止装置（対人保護装置）は、協働ロボットを対象としたものであり、人体通信送信機（信号発信機）と接続された電極を作業場の床面に設置し、その上に立っている作業者がロボットに接近すると、人体通信送信機で生成した識別信号が床面の電極から人体通信によってロボット側の受信機に伝達され、その受信機に接続されたロボット制御機がロボットを停止させるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１８８４５８号公報
【特許文献２】特開２０１３−１９３１３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１、２で提案されているロボットの対人保護装置は、いずれも電界方式の人体通信技術を利用したもので、非常にシンプルな回路方式で作業者とロボットの接近を検知することができる。
【０００７】
ところが、電界方式の人体通信は、人体が有しているごく微小な静電界を利用して、人体の表面から数ｃｍまでの領域を覆っている静電気層に通信相手が入ってきたときに信号伝達を行うものなので、これを利用したロボットの対人保護装置では、ロボットが作業者の体表面から数ｃｍ以内の距離に入るまでは両者の接近を検知できず、ロボットが高速で動作している場合、ロボットと作業者の接近を検知してからロボットを停止させても、両者の衝突を避けられないおそれがある。
【０００８】
また、特許文献２の対人保護装置では、対象となる協働ロボットの使用場所が変わるごとに、その場所の床面に応じた形状の電極を設置する必要があり、その電極の形状変更や設置作業に手間がかかるという問題もある。
【０００９】
そこで、本発明は、協働ロボットの電界方式を利用した対人保護装置において、床面電極を用いない簡単な構成で、ロボットと作業者との接近を検知できる距離を長くすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するため、本発明は、ロボットとそのロボットの周囲で作業する作業者とが接近したときに、前記ロボットに作業者との接触を回避するための動作（以下、「接触回避動作」と称する。）をさせるロボットの対人保護装置において、前記ロボットに設けられる電界発生電極と、前記電界発生電極に電圧を付加する電圧付加装置と、前記作業者に保持される検出電極と、前記検出電極における電圧を計測する計測器とを備え、前記計測器で計測した電圧値に基づいてロボットの制御器へ信号を送り、ロボットの動作を制御する構成としたのである。
【００１１】
すなわち、従来の人体通信を用いた対人保護装置において、ロボットと作業者との接近を検知できる距離が短いのは、人体表面近傍に通常生じている静電界が微小で、人体の筋肉の動きや周囲の帯電状況に応じて微小な変化はするが、放電しない限りほぼ一定とみなせる帯電状態となっているためと考えられることから、本発明では、作業者の電界を検出するための検出電極を作業者に保持させるとともに、ロボットに設けた電界発生電極に電圧付加装置で電圧を付加して電界を発生させ、作業者がロボットに接近したときにロボットの電界を受けて生じる作業者の電界の変化（具体的には、検出電極の電圧の変化）を検出する方式とすることにより、ロボットと作業者との接近を検知できる距離（以下、「最長検知距離」と称する。）が長くなるようにしたのである。なお、その検出電極の電圧は電界発生電極と作業者の距離が短くなるほど高くなるので、ロボットと作業者との接近を検知できる範囲は０ｍ〜最長検知距離となる。
【００１２】
そして、従来方式では、最長検知距離が数ｃｍ程度しかないため、ロボットの接触回避動作が実質的に停止動作のみに限定されてしまうのに対し、本発明では、上記のように最長検知距離を長くできるので、ロボットと作業者とが接近したときに、アラームの発信、減速、停止等の接触回避動作のうち、検知された距離に応じた適切な動作をロボットに行わせることができる。
【００１３】
ここで、作業者が検出電極を保持する位置は、特に制限はないが、作業者の腰部等、体の中心付近とすることが望ましい。検出電極が作業者の体の中心付近に保持されていれば、体の左右で検出距離に差が生じにくいからである。その検出電極は、精度のよい電圧検知を行うために、電極面が作業者の体表面に対向する状態で保持することが好ましい。一方、電界発生電極は、通常、感電防止のため、表面を絶縁して用いる。
【００１４】
また、検出電極の電圧を計測する計測器は、検出電極とともに作業者に保持させてもよいし、ロボット自体に設けたり、作業者とロボットの間に設置したりしてもよい。計測器を作業者に保持させる場合は、計測器からロボットを制御するための信号を無線通信によって制御器へ送信すればよい。一方、計測器を作業者に保持させない場合には、作業者に送信用の通信機（送信機）を保持させ、検出電極の電圧情報を無線通信によって計測器へ送信し、計測器から制御器への信号の送信は無線通信または有線通信で行うようにすればよい。
【００１５】
本発明は、上記のような構成および作用を有するものであるから、前記ロボットが作業者との共同作業を行う協働ロボットである場合に、特に有効に適用することができる。
【００１６】
ここで、前記電圧付加装置が前記電界発生電極に付加する電圧を、正負に変動する交流電圧とすることにより、電界発生電極から周囲の人や物への放電による被害を発生させることなく、安全に使用できるものとすることができる。
【００１７】
上記のように電圧付加装置によって電界発生電極に交流電圧を付加する場合、その交流電圧の周波数は、特に制限されるものではないが、数ＭＨｚ〜数十ＭＨｚとすることが好ましい。周波数をこの範囲に設定すると、作業者の電界がロボットとの距離に応じて感度よく変化するし、数ＭＨｚ未満のＡＭ波や各種無線、数十ＭＨｚを超えるＦＭ放送や無線ＬＡＮ等の外部要因のノイズとの区別がしやすくなるからである。
【００１８】
また、電界発生電極の表面は絶縁しているためその交流電圧の実効値に制限はないが、３Ｖｒｍｓ〜１０Ｖｒｍｓとすることが好ましい。実効値を１０Ｖｒｍｓ以下とすることにより、万一漏電や感電が起こった場合でも、国際電気標準会議規格IEC60479-1に定められているAC-2（通常、有害な生理的影響はない）の範囲に入るようになるため、安全に使用できるし、３Ｖｒｍｓ以上とすることにより十分な最長検知距離（１ｍ程度）を確保できるからである。
【００１９】
さらに、電界発生電極をロボット側に配置したことで、交流電圧の実効値を高めることができ、精度が要求される場合は、２０Ｖｒｍｓ〜５０Ｖｒｍｓとすることができる。これにより、周囲のノイズとの区別を容易にすることができる。
【００２０】
また、検出電極と計測器の間にフィルタを設けて、電圧付加装置で発生させる交流電圧の周波数以外の信号を低減または除去し、電界発生電極で発生させた電界による効果だけを計測器で検知するようにしてもよい。このようにすれば、ロボットと作業者との接近をより精度よく検知できるようになる。
【００２１】
ところで、上記構成の対人保護装置を採用しても、ロボットの設置場所によっては、床に施されている帯電防止対策や絶縁性の塗装や周囲の機械の稼働状況等の影響により、電圧付加装置と計測器とで基準電位が異なってロボットと作業者との距離の検知が困難になる場合がある。このような場合には、前記計測器に前記電圧付加装置の周波数の９０度電気長を有するグランド電極を接続しておくことにより、ロボットの設置場所によらず電圧付加装置と計測器の基準電位差がなくなり、安定して精度よく検知動作を行えるようになる。また、前記電圧付加装置に電圧付加装置の周波数の９０度電気長を有するグランド電極を接続しておくことにより、さらに安定して精度よく検知動作を行えるようになる。さらに、前記電圧付加装置の周波数の９０度電気長を有するグランド電極は、前記計測器と前記電圧付加装置の両方に接続しておくこともできる。
【００２２】
そして、前記ロボットが複数並設されている場合、すなわち作業者が複数のロボットと接触する可能性がある場合は、各ロボットにそれぞれ設けられた前記電圧付加装置は互いに異なる周波数の交流電圧を付加するものとするとよい。このようにすれば、例えば作業者の両側に協働ロボットが配置されている場合でも、各ロボットと作業者との接近をそれぞれ確実に検知して、対応するロボットの制御器に動作制御のための信号を送信し、適切なロボット制御を行うことが可能となる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明のロボットの対人保護装置は、上述したように、ロボットに設けた電界発生電極に電圧付加装置で電圧を付加して電界を発生させ、ロボットと作業者とが接近したときに、作業者に保持させた検出電極の電圧を計測器で計測し、その電圧値に基づいてロボットの制御器へ制御用の信号を送り、ロボットの動作を制御するものであるから、従来の人体通信を用いたものよりも最長検知距離が長く、高速で動作するロボットに対しても十分な安全性を確保することができる。
【００２４】
また、その検出電極は作業者に保持され、電界発生電極および電圧付加装置はロボット側に設けられるので、従来の床面電極を用いたものに比べて構成が簡単であり、ロボットの使用場所が変わっても電極の形状変更や設置作業が不要で、ロボットの移設を効率よく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の対人保護装置の基本構成の説明図
【図２】図1の基本構成の変形例の説明図
【図３】図1の基本構成の別の変形例の説明図
【図４】第１実施形態の対人保護装置を適用したロボットの正面図
【図５】図４の制御器の制御方法を説明するグラフ
【図６】第２実施形態の対人保護装置の適用状態の概略を説明する平面図
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面に基づき、本発明の実施形態を説明する。本発明のロボットの対人保護装置は、図１に示すように、ロボット１の周囲で作業する作業者２に保持され、作業者２の電界を検出するための検出電極３と、ロボット１に設けられる電界発生電極４と、電界発生電極４に正負に変動する交流電圧を付加する電圧付加装置５と、ロボット１側で検出電極３の電圧を計測する計測器６とで基本的に構成されており、その計測器６がロボット１の制御器７に接続されている。その電界発生電極４は、感電防止のため表面が絶縁されている。また、電圧付加装置５および計測器６にはグランド電極８が接続されており、制御器７には一般的なモータドライバやコントローラが用いられる。
【００２７】
なお、この図１では、説明上、検出電極３と計測器６との間を実線でつないでいるが、実際には、検出電極３に接続された送信機（図示省略）から検出電極３の電圧情報を無線通信によって計測器６へ送信し、その電圧情報を用いて計測器６が検出電極３の電圧を計測するようになっている。その検出電極３は、電極面が作業者２の体表面に対向する状態で、送信機とともに作業者２の腰部（ベルト）に保持されている。また、電圧付加装置５は、ロボット１自体とは離れたところに設置するようにしてもよい。
【００２８】
そして、電圧付加装置５の作用によって、ロボット１に正負に変動する交流電界が生じている状態で、ロボット１と作業者２とが接近することにより作業者２側の検出電極３の電圧が高くなると、計測器６が検出電極３の電圧値に応じた対人保護のための制御用の信号を制御器７に送り、制御器７が計測器６から受信した制御用信号に基づいてロボット１を減速させたり、停止させたりするようになっている。
【００２９】
図２および図３は図１の変形例を示す。図２の変形例は、図示省略したグランド電極が接続された計測器６を、検出電極３とともに作業者２に保持させたものである。その計測器６は、図示省略した送信機を有しており、ロボット１を制御するための信号を無線通信（図中では実線）によって制御器７へ送信している。
【００３０】
一方、図３の変形例は、図示省略した受信機および送信機を有するグランド電極付き計測器６をロボット１と作業者２の間に設置したもので、検出電極３の電圧情報の計測器６への送信および計測器６から制御器７への制御用信号の送信を無線通信（図中では実線）によって行っている。その計測器６は１台で複数の作業者２（検出電極３）からの電圧情報を処理してもよく、また１台の計測器６から複数のロボット１の制御器７へ制御用信号を送信するようにしてもよい。なお、この変形例における計測器６から制御器７への信号の送信は、有線通信で行うようにしてもよい。
【００３１】
ここで、上記各基本構成において電圧付加装置５が電界発生電極４に付加する電圧は、直流電圧とすることもできるが、上記のように正負に変動する交流電圧とした方が、電界発生電極４から周囲の人や物への放電による被害を発生させることなく、安全に使用できるようになるので好ましい。
【００３２】
図４および図５は本発明の第１実施形態を示す。この第１実施形態の対人保護装置は、上記図２に示した基本構成を有している。そのロボット１は、図４に示すように、台車９の上面にロボット本体１０と制御器７を取り付けたもので、種々の作業場所へ移動可能な協働ロボットである。また、図示は省略するが、このロボット１と隣り合う状態で作業する作業者２は、腰部（ベルト）に検出電極３と送信機を有するグランド電極付き計測器６を保持している。
【００３３】
ロボット本体１０は、台車９の上面に固定されるベース１１と、ベース１１の上部に水平面内で回動自在に取り付けられる第１アーム１２ａと、第１アーム１２ａの先端部に水平面内で回動自在に取り付けられる第２アーム１２ｂとを備えている。そのベース１１の上部には第１アーム１２ａを回動させる第１アクチュエータ１３ａが内蔵され、第１アーム１２ａの先端部には第２アーム１２ｂを回動させる第２アクチュエータ１３ｂが内蔵されている。そして、第２アーム１２ｂの先端部にエンドエフェクタ１４が取り付けられている。
【００３４】
また、ロボット本体１０の第１アーム１２ａおよび第２アーム１２ｂには、それぞれの上面および両側面に１枚ずつ表面を絶縁した板状の電界発生電極４ａ、４ｂが貼り付けられ、それぞれの基端部に各電界発生電極４ａ、４ｂに正負に変動する交流電圧を付加する電圧付加装置５ａ、５ｂが内蔵されている。各電圧付加装置５ａ、５ｂは図示省略したグランド電極と接続されている。そのグランド電極および前記計測器６に接続されるグランド電極は、電圧付加装置５ａ、５ｂの周波数の９０度電気長を有するものが用いられている。そして、各電圧付加装置５ａ、５ｂが付加する交流電圧の実効値は３Ｖｒｍｓ〜１０Ｖｒｍｓ、周波数は数ＭＨｚ〜数十ＭＨｚとされている。
【００３５】
この対人保護装置では、ロボット１と作業者２が接近すると、作業者２側の検出電極３の電圧が上昇し、その電圧を計測した計測器６が電圧値に応じた制御用の信号をロボット１の制御器７に送り、制御器７がロボット１に作業者２との接触を回避するための動作（接触回避動作）をさせるようになっている。
【００３６】
ここで、作業者２とロボット１（電界発生電極４ａ、４ｂ）との接近距離をＡとすると、図５に示すように、その接近距離Ａが近くなるほど検出電極３の電圧は高くなる。したがって、予め計測器６に対してロボット１の動作速度に応じた電圧の閾値を設定しておき、計測器６では、計測した電圧値と設定した閾値とを比較して、その比較結果に基づく制御用信号を制御器７に送るようにすればよい。図５に示した例では、２段階の閾値ＶＴ１、ＶＴ２を設定し、計測した電圧値がＶＴ１未満であればロボット１に通常運転を続けさせ、ＶＴ１とＶＴ２の間にあるときはロボット１を減速させて低速運転とし、ＶＴ２を超えればロボット１を停止させるようにしている。また、計測した電圧値が低いときに作業者２に対して警告（アラーム発信）を行ったり、電圧値が高くなったときにロボット１を停止させずに接触回避動作をさせたりすることもできる。
【００３７】
この対人保護装置は、上述したように、作業者２の電界を検出するための検出電極３を作業者２に保持させるとともに、ロボット１に設けた電界発生電極４ａ、４ｂに電圧付加装置５ａ、５ｂで正負に変動する交流電圧を付加して交流電界を発生させ、ロボット１と作業者２とが接近したときに、検出電極３における電圧を計測器６で計測し、その電圧値に基づいてロボット１の制御器７へ制御用の信号を送りロボット１の動作を制御するようにしたので、従来の人体通信を用いたものよりも最長検知距離が長く、ロボット１が高速で動作する場合も十分な安全性を確保することができる。また、従来の床面電極を用いたものに比べて構成が簡単であり、ロボット１の使用場所が変わっても電極の形状変更や設置作業が不要で、ロボット１の移設を効率よく行うことができる。
【００３８】
なお、この第１実施形態では、計測器６が計測した電圧値に応じた制御用の信号を制御器７に送るようにしたが、計測器６は計測した電圧値のみを制御器７に送り、制御器７の方で受信した電圧値と設定した閾値とを比較し、その比較結果に基づいてロボット１の対人保護の制御を行うようにしてもよい。
【００３９】
また、計測器は、この第１実施形態のようにグランド電極付きのものとして、ロボットの設置場所によらず安定して精度よく検知動作を行えるようにすることが望ましいが、ロボットの設置場所によって計測器自体と電圧付加装置の基準電位が大きく異ならないと考えられる場合は、グランド電極を省略してコストの削減を図ることもできる。
【００４０】
さらに、上述した第１実施形態の変形例として、電圧付加装置５ａ、５ｂで付加する交流電圧の周波数に対して、それよりも高い周波数の信号を重畳したり、信号に応じた変調をかけたりして、信号情報を付加することができる。また、検出電極３に接続される送信機から計測器６に送信する電圧情報に、例えば検出電極を保持している作業者を識別できる情報を付加することもできる。検出電極と計測器を一対とする場合には、計測器で作業者の識別情報を付加してもよい。
【００４１】
このような信号情報は、データとして、計測器に接続されるデータ保存装置に保存することもできる。このようにすれば、ロボットと作業者の接近を検知したときに、データ保存装置に保存されているデータを照合することにより、接近した作業者に応じた接触回避動作を行うようにロボットを制御することも可能となる。
【００４２】
図６は第２実施形態の対人保護装置の適用状態を示す。この実施形態は、横長の作業台１５に沿って作業者２とロボット（協働ロボット）１’が交互に配置され、左右で隣り合う状態で作業を行う作業現場において、各作業者２および各ロボット１’を適用対象としたものである。この作業現場では、図６に示す仮想線Ｂよりも左側と右側とでは作業工程が異なっている。
【００４３】
各ロボット１’は、第１実施形態のロボット１に対して、そのベース１１の上部に第３アーム１２ｃを第１アーム１２ａと同一の軸のまわりに水平面内で回動自在に取り付け、第３アーム１２ｃの先端部に第４アーム１２ｄを水平面内で回動自在に取り付けたものである。そして、図示は省略するが、第３、第４アーム１２ｃ、１２ｄも第１、第２アーム１２ａ、１２ｄと同様、それぞれアクチュエータで駆動されるようになっており、３つの電界発生電極とグランド電極付き電圧付加装置が取り付けられている。
【００４４】
そして、前記図３に示した基本構成のように、各作業者２は腰部（ベルト）に検出電極３（および送信機）を保持しており、ロボット１と作業者２の間に、各作業者２が保持する送信機との間および各ロボット１の制御器との間で無線通信を行う１台の計測器６が設置されている。
【００４５】
この第２実施形態では、ロボット１’ごとに電圧付加装置で電界発生電極に付加する交流電圧の周波数を異ならせている。これにより、計測器６が各ロボット１’に対応した周波数の電圧値を計測し、各周波数の電圧値の大小に基づいて、それぞれの周波数に対応するロボット１’の制御器（図示省略）に制御用の信号を送信して、各ロボット１’により適切な接触回避動作を行わせることができる。
【００４６】
なお、本発明は、対象となるロボットが上述した各実施形態のような協働ロボットである場合に特に有効に適用できるが、従来の産業用ロボットとその調整作業やメンテナンス等を行う作業者に適用して、作業者がロボットの周囲で作業するときの衝突を防ぐようにすることもできる。
【符号の説明】
【００４７】
１、１’  ロボット（協働ロボット）
２  作業者
３  検出電極
４、４ａ、４ｂ  電界発生電極
５、５ａ、５ｂ  電圧付加装置
６  計測器
７  制御器
８  グランド電極
１０  ロボット本体
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ  アーム
【図１】
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【図２】
2020049595.tif 000004
【図３】
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【図４】
2020049595.tif 000006
【図５】
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【図６】
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