特許 7414983 ロボットシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-01-05

(45)【発行日】2024-01-16

(54)【発明の名称】ロボットシステム

(51)【国際特許分類】

   B25J 5/00 20060101AFI20240109BHJP

   B25J 19/06 20060101ALI20240109BHJP

   B25J 13/08 20060101ALI20240109BHJP

【ＦＩ】

B25J5/00 A

B25J19/06

B25J13/08 Z

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2022524538

(86)(22)【出願日】2021-05-20

(86)【国際出願番号】 JP2021019187

(87)【国際公開番号】W WO2021235520

(87)【国際公開日】2021-11-25

【審査請求日】2022-12-19

(31)【優先権主張番号】P 2020089282

(32)【優先日】2020-05-22

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】390008235

【氏名又は名称】ファナック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100118913

【弁理士】

【氏名又は名称】上田 邦生

(74)【代理人】

【識別番号】100142789

【弁理士】

【氏名又は名称】柳 順一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100201466

【弁理士】

【氏名又は名称】竹内 邦彦

(72)【発明者】

【氏名】森岡 昌宏

【審査官】國武 史帆

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－０９４９３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－０２６８２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６１－１２７５９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－００４１７７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２５Ｊ １／００ － ２１／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ロボットと、該ロボットを制御する制御装置とを備え、
前記ロボットが、台車と、該台車に搭載されるマニピュレータとを備え、
該マニピュレータが、１以上の関節に作用する力またはモーメントを検出するセンサを備え、
前記制御装置が、前記センサにより検出された力またはモーメントに基づいて、前記台車に作用するモーメントが転倒モーメントを超えない状態に前記マニピュレータおよび前記台車の少なくとも一方を制御し、前記台車に対する前記マニピュレータの動作中の各位置において、前記転倒モーメントから前記台車に作用するモーメントを減算した差分モーメントを算出し、該差分モーメントが所定値になった時点で前記マニピュレータの動作を減速させ、
前記所定値が、前記台車に対する前記マニピュレータの動作中の各位置において、前記マニピュレータを非常停止させるために必要な減速トルクよりも大きな値に設定されるロボットシステム。

【請求項2】

前記センサが、水平な第２軸線回りのモーメントを検出する請求項１に記載のロボットシステム。

【請求項3】

前記マニピュレータが、前記第２軸線回りに、前記台車に対して回転駆動される第１アームを備え、
前記センサが、前記第２軸線近傍に設置されている請求項２に記載のロボットシステム。

【請求項4】

ロボットと、該ロボットを制御する制御装置とを備え、
前記ロボットが、台車と、該台車に搭載されるマニピュレータとを備え、
該マニピュレータが、１以上の関節に作用する力またはモーメントを検出するセンサを備え、
前記制御装置が、前記センサにより検出された力またはモーメントに基づいて、前記台車に作用するモーメントが転倒モーメントを超えない状態に前記マニピュレータおよび前記台車の少なくとも一方を制御し、
前記マニピュレータが、水平な第２軸線回りに、前記台車に対して回転駆動される第１アームを備え、
前記制御装置は、前記台車に対する前記第１アームの動作中の各位置において、前記転倒モーメントから前記台車に作用するモーメントを減算した差分モーメントを算出し、該差分モーメントに対応する加減速度よりも小さい加減速度で前記第１アームを動作させるロボットシステム。

【請求項5】

前記マニピュレータが、前記第２軸線に平行な第３軸線回りに、前記第１アームに対して回転駆動される第２アームを備え、
前記制御装置は、前記差分モーメントが所定値になった時点で、前記センサにより検出されるモーメントを低下させる方向に前記第２アームを動作させる請求項４に記載のロボットシステム。

【請求項6】

前記マニピュレータが、鉛直な第１軸線回りに、前記台車に対して回転駆動される旋回胴を備え、
前記第１アームが、前記第２軸線回りに前記旋回胴に対して回転駆動される請求項４または請求項５に記載のロボットシステム。

【請求項7】

前記制御装置は、前記差分モーメントが所定値になった時点で、前記転倒モーメントを増大させる方向に前記旋回胴を動作させる請求項６に記載のロボットシステム。

【請求項8】

前記センサが、前記第１軸線回りのトルクを検出するトルクセンサである請求項６または請求項７に記載のロボットシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ロボットシステムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

台車に搭載されたマニピュレータを有する台車移動型ロボットが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
この特許文献１には、台車搭載型ロボットの挙動に基づいて求められる実ＺＭＰと、台車搭載型ロボットの起立状態が不安定となるＺＭＰ限界値とに基づいてＺＭＰの目標変化分を設定することが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００６－１５０５６７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１においては、台車の移動中に、台車の加速度によって転倒しないように、マニピュレータの角度を調整する。しかしながら、台車移動型ロボットにおいては、台車による移動先において、その都度、固定具により台車を地面に固定せずにロボットを作動させる。したがって、台車の移動中のみならず、移動先の各作業場所に台車を停止させた状態においても、マニピュレータの動作による転倒を防止することが望まれている。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示の一態様は、ロボットと、該ロボットを制御する制御装置とを備え、前記ロボットが、台車と、該台車に搭載されるマニピュレータとを備え、該マニピュレータが、１以上の関節に作用する力またはモーメントを検出するセンサを備え、前記制御装置が、前記センサにより検出された力またはモーメントに基づいて、前記台車に作用するモーメントが転倒モーメントを超えない状態に前記マニピュレータおよび前記台車の少なくとも一方を制御するロボットシステムである。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】本開示の一実施形態に係るロボットシステムを示す斜視図である。

【図2】図１のロボットシステムを示すブロック図である。

【図3】図１のロボットシステムに備えられる台車移動型ロボットの平面図である。

【図4】図１のロボットシステムに備えられる台車移動型ロボットの旋回胴の角度と転倒モーメントとの関係の一例を示す図である。

【図5】図３の台車移動型ロボットの旋回胴の角度θ１＝０°のときの各部に作用するモーメントを説明する側面図である。

【図6】図３の台車移動型ロボットの旋回胴の角度θ１＝９０°のときの各部に作用するモーメントを説明する正面図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

本開示の一実施形態に係るロボットシステム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システム１は、図１および図２に示されるように、台車移動型ロボット（ロボット）２と、台車移動型ロボット２を制御する制御装置３とを備えている。制御装置３は、例えば、台車移動型ロボット２に内蔵されている。

【0008】

台車移動型ロボット２は、路面を走行可能な自走式または手押し式の台車４と、台車４に搭載されたマニピュレータ５とを備えている。
台車４は、例えば、４輪車であり、その上面にマニピュレータ５を搭載するとともに、マニピュレータ５の動作範囲内にワーク等を搭載する載置台６を備えている。図中、符号１４は台車４の車輪である。

【0009】

マニピュレータ５は、台車４の上面に固定されたベース７と、鉛直な第１軸線Ｊ１回りにベース７に対して回転可能に支持された旋回胴８とを備えている。また、マニピュレータ５は、水平な第２軸線Ｊ２回りに旋回胴８に対して回転可能に支持された第１アーム９と、第２軸線Ｊ２に平行な第３軸線Ｊ３回りに第１アーム９に対して回転可能に支持された第２アーム１０と、第２アーム１０の先端に備えられた３軸の手首ユニット１１とを備えている。マニピュレータ５の形態は直立多関節型に限定されるものではなく、水平多関節型、直動型等任意の形態のものを採用することができる。

【0010】

第１アーム９には、図１に示されるように、第２軸線Ｊ２近傍に、第２軸線Ｊ２回りのモーメントを検出するトルクセンサ（センサ）１２が備えられている。第２軸線Ｊ２回りのモーメントを検出するトルクセンサ１２は、マニピュレータ５から台車４に作用するモーメントそのものを検出できる。
また、手首ユニット１１の先端には、ワーク（図示略）を把持するハンド１３が装着されている。

【0011】

制御装置３は、プログラム等を記憶する記憶部１６と、記憶部１６に記憶されているプログラムに従ってマニピュレータ５を制御する制御部１７とを備えている。記憶部１６はメモリ、制御部１７はプロセッサおよびメモリにより構成されている。

【0012】

また、制御装置３は、トルクセンサ１２により検出された第２軸線Ｊ２回りのモーメントを受け取って、台車４に対して動作しているマニピュレータ５の各位置において、検出されるモーメントが転倒モーメントＭａを超えない状態にマニピュレータ５を制御する。

【0013】

転倒モーメントＭａは、マニピュレータ５から台車４に作用するモーメントであって、台車４が転倒する限界値である。転倒モーメントＭａは、ベース７に対する旋回胴８の第１軸線Ｊ１回りの角度θ１に応じて予め記憶部１６に記憶されている。
例えば、図１および図３に示されるように、台車４の４つの車輪１４が配置され、第１軸線Ｊ１が、左右の車輪１４の中央に、前後の車輪１４の前輪寄りに配置されている場合には、転倒モーメントＭａは、図４に示されるように、角度θ１に応じて変化する。

【0014】

そして、例えば、図５に示されるように、マニピュレータ５の旋回胴８が、ベース７に対して台車４の進行方向前方に向かう原点位置（θ１＝０°）に配置されている状態においては、台車４が静的に転倒する条件は、下式（１）の通りである。

【0015】

Ｌ１×Ｗ１＜Ｌ２×Ｗ２ （１）
ここで、
Ｗ１は台車４の質量、
Ｌ１は台車４の前輪の中心から台車４の重心までの距離、
Ｗ２はマニピュレータ５、ハンド１３およびワークの質量、
Ｌ２は台車４の前輪の中心からマニピュレータ５、ハンド１３およびワークの合計の重心までの距離である。

【0016】

質量Ｗ１，Ｗ２および距離Ｌ１は既知の値である。
距離Ｌ２はマニピュレータ５の姿勢によって定まる値であるが、トルクセンサ１２により検出される第１軸線Ｊ１回りのモーメントＭを用いて下式（２）のように算出できる。

【0017】

Ｍ＝（Ｌ２＋Ｌ３）×Ｗ２ （２）
ここで、Ｌ３は台車４の前輪の中心から第１軸線Ｊ１までの距離であり、既知の値である。

【0018】

式（２）を用いて式（１）を変形すると、下式（３），（４）の通りとなる。
Ｌ１×Ｗ１＜（Ｍ／Ｗ２―Ｌ３）×Ｗ２ （３）
Ｍ＞Ｌ１×Ｗ１＋Ｌ３×Ｗ２＝Ｍａ（θ１） （４）
ここで、
Ｍａ（θ１）は、角度θ１に応じて変化する転倒モーメントである。

【0019】

すなわち、式（４）の左辺のモーメントＭが右辺の転倒モーメントＭａ（θ１）を超えると台車４が転倒する。
制御装置３は、トルクセンサ１２により検出されたモーメントＭと転倒モーメントＭａとの差分である差分モーメントをマニピュレータ５の各位置において、その都度算出する。

【0020】

一般には、定格以下の質量のワークを把持している限り、式（４）の転倒条件が満たされることはなく、マニピュレータ５は、全動作範囲にわたって、台車４を転倒させることなく、動作できるように設計される。しかしながら、マニピュレータ５の動作範囲を制限しても取り扱うワークの定格質量を増大させたい場合もあり、そのような場合に、台車４の転倒を考慮する必要がある。

【0021】

台車４が転倒する状況は、以下の通りである。
第１に、例えば、ハンド１３に重いワークを把持した状態で、第１アーム９および第２アーム１０を台車４の進行方向前方に伸ばしていくと、式（４）の転倒条件に近づいていき、ある時点で差分モーメントがゼロになり、台車４が転倒する。この場合の転倒を回避するために、制御装置３は、式（４）の転倒条件が満たされる前に、マニピュレータ５の動作を停止させる。

【0022】

第２に、式（４）の転倒条件に近づく方向に移動しているマニピュレータ５を停止させるために減速すると、減速トルクに等しい反力トルクが追加されることにより、台車４に作用するモーメントが急激に増大して式（４）の転倒条件が満たされる。
この場合の転倒を回避するためには、制御装置３は、台車４に対するマニピュレータ５の動作中の各位置において、その都度算出された差分モーメントが所定値となった時点でマニピュレータ５の動作を減速させる。

【0023】

マニピュレータ５が動作中に非常停止させられる場合に、最も大きな減速トルクが発生するので、所定値としては、非常停止に必要な減速トルク以上の値を設定することが好ましい。
非常停止に必要な減速トルクは、マニピュレータ５の動作速度によって異なるので、各位置における動作速度に基づいて算出される。

【0024】

マニピュレータ５が、式（４）の転倒条件に近づく方向に移動している場合、非常停止時の減速度よりも小さな減速度によって減速しても、転倒条件にさらに近づくことになるが、速度が低下することによって非常停止に必要な減速トルクが低下する。したがって、式（４）の転倒条件が満たされない状態を保ちながらマニピュレータ５を動作させることができ、仮に、非常停止指令がなされても、台車４を転倒させずに済む。

【0025】

第３に、マニピュレータ５がいずれかの軸を加速したために、反力によって動的に発生するモーメントによって、式（４）の転倒条件が満たされる場合がある。
例えば、図５の位置において、式（４）の転倒条件が満たされていない場合であっても、第１アーム９が第２軸線Ｊ２回りに、反時計回りに加速すると、台車４には時計回りの反力トルクが作用する。これにより、式（４）の転倒条件が満たされて台車４が転倒することがある。この場合には、制御装置３は、第１アーム９の反時計回りの加速度の大きさを制限する。

【0026】

このように、本実施形態に係るロボットシステム１によれば、マニピュレータ５に設けたトルクセンサ１２によって台車４に作用するモーメントを検出し、制御装置３が、検出されるモーメントが転倒モーメントＭａを超えない状態にマニピュレータ５を制御する。これにより、台車４を停止させた状態で、台車４を転倒させずにマニピュレータ５を動作させることができるという利点がある。

【0027】

なお、本実施形態においては、動作指令に基づくマニピュレータ５の動作軌跡を変更することなく、動作速度あるいは加減速度を調整することにより、台車４の転倒を防止する場合を例示した。これに代えて、動作指令に基づくマニピュレータ５の動作軌跡を変更することにより、台車４の転倒を防止することにしてもよい。

【0028】

例えば、上述したように、台車４の転倒モーメントＭａは、第１軸線Ｊ１回りの旋回胴８の角度θ１に応じて変動する。図４の場合には、角度θ１＝０°のときに転倒モーメントＭａが最も小さいので、図６に示されるθ１＝９０°の場合よりも、図５に示されるθ１＝０°の場合の方が転倒し易い。したがって、マニピュレータ５の動作の各位置において、トルクセンサ１２により検出されたモーメントがその時点での角度θ１における転倒モーメントＭａに近い場合に、より大きな転倒モーメントＭａとなる角度θ１に旋回胴８を回転させてもよい。

【0029】

また、例えば、台車４が自走式である場合であって、第１アーム９が図５において時計回りに回転している場合に、第１アーム９を減速すると台車４が前方に転倒する場合には、制御装置３は、台車４を前進方向に加速させるよう制御してもよい。これにより、マニピュレータ５から台車４に作用するモーメントを軽減することができ、台車４の転倒を防止することができる。

【0030】

あるいは、第１アーム９が図５において時計回りに回転している場合に、第１アーム９を減速すると台車４が前方に転倒する場合には、第２アーム１０を第１アーム９に対して第３軸線Ｊ３回りに、時計回りに加速してもよい。
この場合にも、マニピュレータ５の重心位置を第２軸線Ｊ２に近接させて、マニピュレータ５から台車４に作用するモーメントを軽減することができるとともに、第２アーム１０の加速による反力トルクを第１アーム９に発生させて、モーメントを軽減することができる。

【0031】

旋回胴８を回転させたり、第２アーム１０を回転させたりする場合には、動作指令に基づくマニピュレータ５の動作ではないため、台車移動型ロボット２と周辺機器との間に、干渉が生じないことを確認しておく必要がある。

【0032】

また、本実施形態においては、第２軸線Ｊ２回りのモーメントを検出するトルクセンサ１２を第１アーム９との間に設けたが、旋回胴８またはベース７に内蔵したり、台車４とベース７との間に設けたりしてもよい。これに代えて、少なくとも１つの関節に作用する力またはモーメントを検出する加速度センサ等の力センサあるいはトルクセンサを採用してもよい。

【0033】

また、本実施形態においては、台車４が停止している状態でマニピュレータ５を動作させたときに台車４が転倒しない状態にマニピュレータ５を制御する場合について説明した。これに代えて、台車４が動作している状態でマニピュレータ５を動作させたときに適用してもよい。この場合には、台車４の加減速度により台車４に作用するモーメントを追加して考慮すればよい。

【符号の説明】

【0034】

１ ロボットシステム
２ 台車移動型ロボット（ロボット）
３ 制御装置
４ 台車
５ マニピュレータ
８ 旋回胴
９ 第１アーム
１０ 第２アーム
１２ トルクセンサ（センサ）
Ｊ１ 第１軸線
Ｊ２ 第２軸線
Ｊ３ 第３軸線
Ｍａ 転倒モーメント

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】