(57)【要約】【課題】作業者がロボットに接触する位置に関わらず、より確実に接触を検知して作業者に加わる力を抑える。【解決手段】先端に取り付けたツールの位置を決定する手首軸部３と、該手首軸部３の位置を決定する、１以上の直動軸５，６，７のみからなる基本軸部２とを備え、該基本軸部２の各直動軸５，６，７には、推進力を関連身体領域に対する制限値以下に制限する推進力制限部が設けられている協働ロボット１である。【選択図】図１
2020023032.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端に取り付けたツールの位置を決定する手首軸部と、
該手首軸部の位置を制御する、１以上の直動軸のみからなる基本軸部とを備え、
各前記直動軸に、推進力を関連身体領域に対する制限値以下に制限する推進力制限部が設けられている協働ロボット。
【請求項２】
前記基本軸部が、相互に直交する水平方向の２つの水平直動軸と、鉛直方向の１つの鉛直直動軸とを備える請求項１に記載の協働ロボット。
【請求項３】
前記鉛直直動軸が、カウンタバランサを備える請求項２に記載の協働ロボット。
【請求項４】
各前記直動軸が、各該直動軸を駆動するモータを備え、
前記推進力制限部が、各前記モータのトルク、または出力軸のトルクを検出するトルク検出部と、該トルク検出部により検出された前記トルクに基づいて各前記直動軸の推進力を制限する制御部とを備える請求項１から請求項３のいずれかに記載の協働ロボット。
【請求項５】
各前記直動軸が、各該直動軸を駆動するモータを備え、
前記推進力制限部が、各前記直動軸の推進力を検出する力検出部と、該力検出部により検出された前記推進力に基づいて各前記直動軸の前記推進力を制限する制御部とを備える請求項１から請求項３のいずれかに記載の協働ロボット。
【請求項６】
前記推進力制限部が、メカニカルクラッチである請求項１から請求項３のいずれかに記載の協働ロボット。
【請求項７】
前記トルク検出部が多重化されている請求項４に記載の協働ロボット。
【請求項８】
前記力検出部が多重化されている請求項５に記載の協働ロボット。
【請求項９】
前記メカニカルクラッチが多重化されている請求項６に記載の協働ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、協働ロボットに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、６軸多関節型の協働ロボットが知られている（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）。
この協働ロボットは、ロボット下部に配置した力センサあるいはロボットの各軸に配置したトルクセンサによって外力を検出し、検出された外力が規定値を超えたときにロボットを停止させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５９８０８７７号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１３／０２５５４２６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ロボット下部に配置した力センサを使った外力検出では、６軸多関節型のロボットアームの複雑な動きの影響で感度よく外力を検出することが難しかったり、ロボットアーム間の挟み込みが検出できなかったりする不都合がある。また、ロボットの各軸に配置したトルクセンサによって外力を検出する方式では、回転駆動されるアームの先端と基端とでは、検出される外力の大きさが異なるという不都合がある。すなわち、アームの先端において発生した挟み込みは検出し易いが、アームの基端において発生した挟み込みは検出し難いという不都合がある。
【０００５】
本発明は、作業者がロボットに接触する位置に関わらず、より確実に接触を検知して作業者に加わる力を抑えることができる協働ロボットを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様は、先端に取り付けたツールの位置を決定する手首軸部と、該手首軸部の位置を制御する、１以上の直動軸のみからなる基本軸部とを備え、各前記直動軸に、推進力を関連身体領域に対する制限値以下に制限する推進力制限部が設けられている協働ロボットである。
本態様によれば、基本軸部の作動により手首軸部の空間上の位置が決定され、手首軸部の作動により先端に取り付けたツールの位置が決定される。この場合において、基本軸部を構成する１以上の直動軸のうち、いずれかの直動軸を作動させることにより、手首軸部およびツールを一方向に直線移動させることができる。
【０００７】
一の直動軸の作動による直線移動動作の際に、直動軸と他の物体との間において挟み込みが発生しても、推進力制限部により、推進力が関連身体領域に対する制限値以下に制限される。関連身体領域に対する制限値は、産業用協働ロボットが作業者に接触したときに発生する過渡状態後において超えてはならない限界値を示し、一つの例として、ＩＳＯ／ＴＳ  １５０６６：２０１６付属書Ａに、ロボットが接触する可能性のある人体の部位毎に示されている。
【０００８】
この場合において、本態様によれば、基本軸部が直動軸のみにより構成されているので、各直動軸を作動させることにより発生する挟み込みにおける力は、直動軸のどの位置において発生しても同じである。したがって、直動軸の推進力を制限することにより、挟み込みにより人体の受ける力をより確実に制限値内に抑えることができる。
【０００９】
上記態様においては、前記基本軸部が、相互に直交する水平方向の２つの水平直動軸と、鉛直方向の１つの鉛直直動軸とを備えていてもよい。
この構成により、基本軸部の作動により、手首軸部を３次元空間上の任意の位置に配置することができる。
【００１０】
また、上記態様においては、前記鉛直直動軸が、カウンタバランサを備えていてもよい。
この構成により、重力に抗して手首軸部等を上下動させる必要がある鉛直直動軸に設けられたカウンタバランサにより、手首軸部等を上昇させる際に必要とされる推進力を緩和して、手首軸部等を上下動させる際に発生する挟み込みにおける力をより確実に制限値内に抑えることができる。
【００１１】
また、上記態様においては、各前記直動軸が、各該直動軸を駆動するモータを備え、前記推進力制限部が、各前記モータのトルク、または出力軸のトルクを検出するトルク検出部と、該トルク検出部により検出された前記トルクに基づいて各前記直動軸の推進力を制限する制御部とを備えていてもよい。
【００１２】
この構成により、モータの作動により直動軸が動作させられて、該直動軸に搭載されている部分が一方向に移動させられる。この場合に、モータのトルク、または出力軸のトルクがトルク検出部により検出され、検出されたトルクに基づいて制御部により、直動軸の推進力を制限することができる。例えば、挟み込みなどにより当該直動軸を駆動するモータのトルク、または出力軸のトルクが上昇しても、制御部により制限されることにより、挟み込みよる力をより確実に制限値内に抑えることができる。
【００１３】
また、上記態様においては、各前記直動軸が、各該直動軸を駆動するモータを備え、前記推進力制限部が、各前記直動軸の推進力を検出する力検出部と、該力検出部により検出された前記推進力に基づいて各前記直動軸の前記推進力を制限する制御部とを備えていてもよい。
【００１４】
また、上記態様においては、前記推進力制限部が、メカニカルクラッチであってもよい。
この構成により、直動軸が動作させられ、該直動軸に搭載されている部分が一方向に移動させられる。この場合に、挟み込みなどにより当該直動軸を駆動する推進力が上昇してもメカニカルクラッチによって駆動系が切り離されることにより、挟み込みによる力をより確実に制限値内に抑えることができる。
【００１５】
また、上記態様においては、前記トルク検出部が多重化されていてもよい。
この構成により、１つのトルク検出部が故障等によりトルクを検出できなくても、他のトルク検出部によりトルクを検出して、挟み込みによる力をより確実に制限値内に抑えることができる。
また、上記態様においては、前記力検出部が多重化されていてもよい。
【００１６】
また、上記態様においては、前記メカニカルクラッチが多重化されていてもよい。
この構成により、１つのメカニカルクラッチが故障等により駆動系を切り離すことができなくても、他のメカニカルクラッチにより駆動系を切り離して、挟み込みによる力をより確実に制限値内に抑えることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、作業者がロボットに接触する位置に関わらず、より確実に接触を検知して作業者に加わる力を抑えることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係る協働ロボットの一例を示す斜視図である。
【図２】図１の協働ロボットに備えられる鉛直直動軸内部のカウンタバランサを説明する模式図である。
【図３】図２のカウンタバランサの動作を説明する模式図である。
【図４】図１の協働ロボットを動作範囲内の一位置に配置した状態を説明する斜視図である。
【図５】図１の協働ロボットを動作範囲内の他の位置に配置した状態を説明する斜視図である。
【図６】図１の協働ロボットの変形例を示す模式図である。
【図７】図１の協働ロボットの他の変形例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の一実施形態に係る協働ロボット１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る協働ロボット１は、図１に示されるように、基本軸部２と手首軸部３とを備えている。また、協働ロボット１は、基本軸部２および手首軸部３を制御する制御部（図示略：推進力制限部）を備えている。
【００２０】
基本軸部２は、床面に設置される第１水平直動軸（水平直動軸、直動軸）５と、第１水平直動軸５によって第１の水平方向に移動させられる第２水平直動軸（水平直動軸、直動軸）６と、第２水平直動軸６によって第１の水平方向に直交する第２の水平方向に移動させられる鉛直直動軸（直動軸）７とを備えている。
第１水平直動軸５、第２水平直動軸６および鉛直直動軸７は、直方体箱状のベース８，９，１０と、ベース８，９，１０に対してベース８，９，１０の長手軸方向に移動可能に支持されたスライダ１１，１２，１３とを備えている。ベース８，９，１０内には、ベース８，９，１０に対してスライダ１１，１２，１３を直線移動させる、図示しないモータおよびボールねじを備える直動機構が備えられている。
【００２１】
各直動軸５，６，７のスライダ１１，１２，１３と、該スライダ１１，１２，１３に接続される他の直動軸６，７のベース９，１０または手首軸部３との間にはスライダ１１，１２，１３にかかる外力を検出する図示しないセンサ（トルク検出部、力検出部、推進力制限部）が備えられている。
【００２２】
また、鉛直直動軸７は、図２および図３に示されるように、スライダ１３を上方に引き上げる力を発生させて、モータを補助するカウンタバランサ１４を備えている。カウンタバランサ１４は、図２および図３に示す例では、ベース１０に回転可能に取り付けられたプーリ１５と、プーリ１５に回し掛けられ一端がスライダ１３に固定されたワイヤ１６と、ワイヤ１６の他端に支持されるカウンタウェイト１７とを備えている。カウンタウェイト１７の重量は、スライダ１３、手首軸部３および手首軸部３の先端に取り付けるツールの合計重量の１／２、あるいはツールがワークを把持するハンド等である場合には、スライダ１３、手首軸部３、ツールおよびワークの合計重量の１／２である。
【００２３】
手首軸部３は、鉛直直動軸７のスライダ１３に固定された手首本体１８に対して、水平な第１軸線回りに回転可能に支持された第１手首要素１９と、第１手首要素１９に対して直交する第２軸線回りに回転可能に支持された第２手首要素２０と、第１軸線と同一平面内に配置される第３軸線回りに回転可能に支持された第３手首要素２１とを備えている。図示しないツールは第３手首要素２１に固定される。
【００２４】
手首軸部３は、手首本体１８に対する第１軸線回りの第１手首要素１９の回転、第１手首要素１９に対する第２軸線回りの第２手首要素２０の回転、および、第２手首要素２０に対する第３軸線回りの第３手首要素２１の回転によって、第３手首要素２１に取り付けたツール（図示略）の姿勢を任意に調節することができる。
【００２５】
図４および図５に示されるように、基本軸部２の作動により手首軸部３の位置を３次元空間上で移動させることができる。図４および図５に示される立方体は、第１軸線、第２軸線および第３軸線の交点（手首中心）の動作範囲Ｘである。
【００２６】
制御部は、プロセッサおよびメモリにより構成され、メモリに記憶されているプログラムに基づいて基本軸部２および手首軸部３の各モータを動作させる電流を供給する。制御部には、各モータに供給される電流値を検出する図示しない電流検出部（トルク検出部、力検出部、推進力制限部）が設けられている。基本軸部２のモータに供給する電流値に基づいてスライダ１１，１２，１３にかかる外力を推定することができる。
【００２７】
制御部は、電流検出部により検出された電流値に基づいて推定される外力の大きさおよびセンサにより検出された外力の大きさの少なくとも一方に基づいて、モータに供給する電流値を制限する。
これにより、センサによる外力の検出と、電流値に基づく外力の推定により、外力の検出が多重化されている。
【００２８】
制御部は、スライダ１１，１２，１３の推進力が関連身体領域に対する制限値以下となる電流値に制限する。ここで、関連身体領域に対する制限値は、産業用の協働ロボット１が作業者に接触したときに発生する過渡状態後に超えてはならない限界値を示し、例えば、ＩＳＯ／ＴＳ  １５０６６：２０１６付属書Ａに、ロボットが接触する可能性のある人体の部位毎に示されている。
【００２９】
本実施形態においては、最も小さい制限値をとる関連身体領域として腹筋を採用し、制御部は、スライダ１１，１２，１３の推進力が、腹筋に対する制限値である１１０Ｎ以下となる電流値に制限する。これにより、他のいずれの関連身体領域に対する制限値よりも小さい推進力に制限される。勿論、協働ロボット１のアプリケーションに応じリスクを考慮した任意の制限値を採用する事ができる。
【００３０】
このように構成された本実施形態に係る協働ロボット１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係る協働ロボット１によれば、基本軸部２を構成する３つの直動軸５，６，７の作動により、３次元空間上における手首軸部３の位置が決定され、手首軸部３を構成する３つの手首要素１９，２０，２１の作動により、第３手首要素２１に取り付けたツールの位置が決定される。これにより、ツールを図４および図５に示される動作範囲Ｘ内において、所望の位置に所望の姿勢で配置して、作業を行うことができる。
【００３１】
この場合において、基本軸部２を構成する３つの直動軸５，６，７にそれぞれ備えられたセンサにより検出される外力の大きさおよびこれらの直動軸５，６，７を駆動するモータへの電流値が常時監視される。制御部は、センサにより検出された外力の大きさおよびモータへの電流値に基づいて推定される外力の大きさのいずれもが１１０Ｎ以下となる電流値に制限する。
【００３２】
例えば、第１水平直動軸５の動作中に作業者が協働ロボット１に接触することにより、協働ロボット１に外力が加わると、第１水平直動軸５を作動させるモータへの電流値が上昇するが、制御部は推進力が１１０Ｎ以下となる電流値に制限しているので、作業者に対して１１０Ｎを超える力が加わることを確実に防止することができる。１１０Ｎの力は、関連身体領域に対する制限値としては最小の力であるため、関連身体領域が作業者の身体のどの位置であっても、作業者の受ける力を確実に制限値内に抑えることができるという利点がある。
【００３３】
特に、本実施形態に係る協働ロボット１は、基本軸部２を構成する３つの軸を全て直動軸５，６，７により構成しているので、作業者の受ける力は、直動軸５，６，７のどの位置において発生しても同じである。したがって、直動軸５，６，７の推進力を制限することにより、挟み込みにより人体の受ける力をより確実に制限値内に抑えることができるという利点がある。
【００３４】
また、本実施形態においては、各直動軸５，６，７が受ける外力を、センサおよび電流検出部により２重に検出している。検出の多重化により、センサあるいは電流検出部のいずれかに不具合が発生した場合であっても、外力を確実に検出あるいは推定して、作業者にかかる力を制限値内に抑えることができるという利点がある。
なお、２重より多い多重化をしてもよい。また、センサと電流検出部により多重化したが、センサを２重化してもよいしクランプメータ等を用いて電流検出部を多重化してもよい。
【００３５】
また、本実施形態においては、関連身体領域として腹筋を選択することにより、全ての身体の部位に対して適用可能な１１０Ｎの推進力を制限値として設定したが、協働ロボット１に接触する作業者の身体の部位が限定される場合には、限定された部位に対する制限値を採用してもよい。例えば、テーブル上におけるワークのハンドリング等、協働ロボット１に接触する作業者の身体の部位が手指や腕に限定される場合などには、手指に対する制限値である１４０Ｎを採用すればよい。勿論、協働ロボット１のアプリケーションに応じリスクを考慮した任意の制限値を採用する事ができる。
【００３６】
また、本実施形態においては、推進力制限部として、センサあるいは電流検出部による検出結果に基づいて制御部がモータへの電流を調整することにより、推進力を制限するものを例示したが、これに代えて、メカニカルクラッチ２２を採用してもよい。メカニカルクラッチ２２は、回転式あるいは直動式のいずれの方式のものでもよい。
【００３７】
例えば、図６に示されるように、ベース１０に対してスライダ１３を直線移動させる直動機構２３が、ベース１０に固定されたラックギヤ２４とラックギヤ２４に噛み合うピニオンギヤ２５とを備える場合に、モータ２６の回転を減速する減速機２７とピニオンギヤ２５との間に回転式のメカニカルクラッチ（ローラーツーウェイクラッチ等）２２を配置すればよい。図６は、鉛直直動軸７を用いて説明したが、他の直動軸５，６に適用してもよい。
【００３８】
関連身体領域に対する制限値を超える推進力が発生したときに、モータの動力がスライダ１１，１２，１３に伝達されるのを遮断するものであれば任意の形式のメカニカルクラッチ２２を採用してもよい。また、この場合においても、メカニカルクラッチ２２を多重化することが好ましい。
【００３９】
また、本実施形態においては、直動軸５，６，７として、モータおよびボールねじを備える直動機構により、ベース８，９，１０に対してスライダ１１，１２，１３を直線移動させる形式のものを例示したが、これに代えて、ベース８，９，１０自体が一方向にテレスコピックに伸縮する構造のものや、パンタグラフ型あるいはプーリおよびベルトを用いた構造のものを採用してもよい。
【００４０】
また、本実施形態においては、鉛直直動軸７にカウンタバランサ１４を設けたので、可搬重量を確保しながら、鉛直直動軸７のモータが発生可能な推進力を抑えることができるという利点がある。この場合において、カウンタウェイト１７をツールおよびワークの重量に合わせて変更可能にしてもよい。また、カウンタバランサ１４に備えられたプーリ１５にセンサを設けてプーリ１５の動作異常を検出することにしてもよい。また、カウンタウェイト１７の揺れを防止する機構をつけることも協働ロボット１を安定して動作させるためには有効である。また、鉛直直動軸７にはブレーキ付モータを使用し、第１水平直動軸５および第２水平直動軸６についてはブレーキなしモータを使用してもよい。
【００４１】
また、基本軸部２の誤動作を防止するため、第１水平直動軸５の設置角度を検出する傾斜角度センサを備えていてもよい。
また、センサにより制限値を超える力が検出された場合あるいは、電流値に基づいて制限値を超える推進力が推定された場合、あるいは、メカニカルクラッチ２２が作動してモータの動力のスライダ１１，１２，１３への伝達が遮断された場合には、アラームを出力して、外部に報知することにしてもよい。
【００４２】
また、図７に示されるように、基本軸部２の一部を収容する覆い２８を設けることにより、協働ロボット１と作業者との接触および挟み込み等の発生の機会を低減してもよい。図７におけるハッチング部分は、例えば、蛇腹あるいはプレート等の組合せにより、鉛直直動軸７の２次元的な水平移動を許容しながら、作業者による手指や腕の進入を禁止するカバーである。
【符号の説明】
【００４３】
１  協働ロボット
２  基本軸部
３  手首軸部
５  第１水平直動軸（水平直動軸、直動軸）
６  第２水平直動軸（水平直動軸、直動軸）
７  鉛直直動軸（直動軸）
１４  カウンタバランサ
２２  メカニカルクラッチ（推進力制限部）
【図１】
2020023032.tif 000003
【図２】
2020023032.tif 000004
【図３】
2020023032.tif 000005
【図４】
2020023032.tif 000006
【図５】
2020023032.tif 000007
【図６】
2020023032.tif 000008
【図７】
2020023032.tif 000009