特許 7572581 ロボットシステムおよび制御装置

(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】2024-10-15

(45)【発行日】2024-10-23

(54)【発明の名称】ロボットシステムおよび制御装置

(51)【国際特許分類】

   B25J 3/00 20060101AFI20241016BHJP

【ＦＩ】

B25J3/00 A

B25J3/00 D

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2024027334

(22)【出願日】2024-02-27

(62)【分割の表示】P 2020006778の分割

【原出願日】2020-01-20

(65)【公開番号】P2024057047

(43)【公開日】2024-04-23

【審査請求日】2024-02-27

(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】板垣 岳人

(72)【発明者】

【氏名】山本 知之

(72)【発明者】

【氏名】稲葉 豪

【審査官】牧 初

(56)【参考文献】

【文献】特開平４－３７２３８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／０３３３７９（ＷＯ，Ａ１）

(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、
該ロボットに対する操作指令を操作者に入力させる操作装置と、
該操作装置および前記ロボットを制御する制御装置とを備え、
前記操作装置が、前記操作指令に対する反力を発生可能な反力発生部を備え、
前記制御装置が、前記操作装置に入力された前記操作指令に応じて前記ロボットを制御するロボット制御部と、前記ロボットの制限速度を記憶する記憶部と、前記ロボットの速度が前記制限速度よりも小さく、所定の閾値を超えると前記反力発生部に反力を発生させる反力制御部とを備えるロボットシステム。

【請求項2】

前記反力制御部が前記制限速度に近づくほど前記反力を大きくする請求項１に記載のロボットシステム。

【請求項3】

操作者により入力された操作指令に応じてロボットを制御する制御装置であって、
前記ロボットの制限速度を記憶する少なくとも１つのメモリと、
少なくとも１つのプロセッサとを備え、
該プロセッサは、前記ロボットの速度が前記制限速度よりも小さく、所定の閾値を超えると前記操作指令に対する反力を発生させる制御装置。

【請求項4】

前記制限速度に近づくほど前記反力を大きくする請求項３に記載の制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ロボットシステムおよび制御装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

操作者が回転操作する操作部に、モータおよび回転位置センサを備える教示装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
操作者が操作部を回転操作すると、その回転量および回転方向が回転位置センサにより検出され、検出された回転量および回転方向に応じてロボットが動作させられる。その一方で、ロボットのハンド等がハンドリングする部品等から反力を受けたときにその反力をモータのトルクに換算して操作者に力覚表示する。

【0003】

また、ロボットの可動領域とその内側に反力発生限界とを設定しておき、ロボットが反力発生限界を超えて可動領域に近接すると操作者に反力を力覚表示し、ロボットが可動領域に接触するとそれ以上の操作を禁止する技術が知られている（例えば、特許文献２参照。）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００９－１４２９０５号公報

【文献】特開２０１７－１３１６７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

可動領域の内側の所定距離に反力発生限界を設定する場合、可動領域と反力発生限界との距離が小さ過ぎると、操作者が反力を感じてロボットを停止させる方向に操作しても、ロボットの惰走によって可動領域を超えてしまうことがある。ロボットが可動領域を超えると、ロボットはアラーム停止してしまうので、その復旧作業に手間がかかる。

【0006】

また、制限速度を設定する場合、ロボットのツール先端（ＴＣＰ）の速度が制限速度を超えるとアラーム停止してしまい、速度制限に引っかかってしまうと復旧作業に手間がかかる。
したがって、操作者による操作を過度に制限することなく、アラーム停止をより確実に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】

【0007】

本開示の一態様は、ロボットと、該ロボットに対する操作指令を操作者に入力させる操作装置と、該操作装置および前記ロボットを制御する制御装置とを備え、前記操作装置が、前記操作指令に対する反力を発生可能な反力発生部を備え、前記制御装置が、前記操作装置に入力された前記操作指令に応じて前記ロボットを制御するロボット制御部と、前記ロボットの制限速度を記憶する記憶部と、前記ロボットの速度が前記制限速度よりも小さく、所定の閾値を超えると前記反力発生部に反力を発生させる反力制御部とを備えるロボットシステムである。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【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全体構成図である。

【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おいてロボットの周囲に設定された可動領域と動作制限領域とを説明する斜視図である。

【図4】図１のロボットシステムにおける反力発生領域を説明する図である。

【図5】図４の反力発生領域において発生させる反力と距離との関係の一例を示す図である。

【図6】図５の反力と距離との関係の変形例を示す図である。

【図7】図５の反力と距離との関係の他の変形例を示す図である。

【図8】図３の反力発生領域の変形例を示す図である。

【図9】本開示の一実施形態に係るロボットシステムの変形例におけるロボットのツール先端の速度とトルクとの関係を示す図である。

【図10】図９のロボットのツール先端の速度とトルクとの関係の変形例を示す図である。

【図11】図９のロボットのツール先端の速度とトルクとの関係の他の変形例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

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に示されるように、ロボット２と、操作装置３と、制御装置４とを備えている。

【0010】

ロボット２は、例えば、垂直６軸多関節型のロボットであり、先端にツールＳを備えている。ここで、ロボット２というときは、先端のツールＳまで含むものとする。
ロボット２の各軸はサーボモータ（図示略）によって駆動され、サーボモータには、各軸の回転角度位置を検出するエンコーダ（図示略）が備えられている。

【0011】

操作装置３は、ダイヤル５の回転角度に応じた数のパルスを発生する手動のパルス発生器６を備えている。また、操作装置３は、ダイヤル５に接続された反力用モータ（反力発生部）７を備えている。
制御装置４は、図２に示されるように、ロボット２の動作を制御するロボット制御部８と、操作装置３の反力用モータ７を制御する反力制御部９と、ロボット２の３次元モデルの情報および動作制限領域の情報を記憶する記憶部１０とを備えている。ロボット制御部８および反力制御部９はプロセッサにより構成され、記憶部１０はメモリにより構成されている。

【0012】

ロボット制御部８は、操作装置３のダイヤル５の回転によって発生したパルスを受け取って、パルス数に応じた距離だけツール先端点（ＴＣＰ）を移動させるようロボット２を制御する。また、ロボット制御部８は、操作装置３のダイヤル５の回転速度に対応するパルスの頻度に応じた速度でＴＣＰを移動させるようロボット２を制御する。

【0013】

動作制限領域は、ロボット２が動作できる空間（可動領域）の外側に位置する領域であって、周囲の物体との関係で予め設定されている。図３に示す例では、可動領域は直方体状の空間によって設定されており、動作制限領域は、可動領域の輪郭を形成している各平面を境界としてその外側に設定されている。可動領域および動作制限領域は、任意の形状でよい。

【0014】

ロボット制御部８は、エンコーダにより検出された各軸の回転角度位置および記憶部１０に記憶されている３次元モデルの情報に基づいて、各時刻におけるロボット２の外面の位置を算出する。そして、ロボット制御部８は、算出されたロボット２の外面が、いずれかの位置において動作制限領域と干渉しているか否かを監視し、干渉している場合には、アラームを出してロボット２を停止（アラーム停止）させる。

【0015】

反力制御部９は、動作制限領域を構成する境界の内側（可動領域内）に、境界面に対して平行に間隔をあけて反力の発生を開始する反力発生境界面（境界面）を設定する。そして、反力制御部９は、ロボット制御部８により算出されたロボット２の外面の情報を受け取る。

【0016】

反力制御部９は、受け取ったロボット２の外面が、いずれかの位置において反力発生境界面と動作制限領域の境界との間の領域（反力発生領域）内に位置しているか否かを監視する。ロボット２の外面が反力発生領域内に位置している場合には、反力制御部９は、操作装置３の反力用モータ７を駆動し、ダイヤル５に反力を発生させる。

【0017】

本実施形態においては、反力制御部９は、操作装置３のダイヤル５の回転によって動作するロボット２のＴＣＰの移動速度に基づいて、その移動速度で移動しているロボット２を非常停止させたときの動作制限領域に近接する方向の惰走距離を算出する。そして、反力制御部９は、図４に示されるように、動作制限領域の境界から反力発生境界面までの距離（反力発生距離）として、算出された惰走距離よりも大きな値を設定する。例えば、反力発生距離としては惰走距離＋α（αは正の実数）の値を設定する。

【0018】

反力発生境界面は、ロボット２の表面が反力発生境界面に接触するまで、例えば、一定のサンプリングタイム毎に逐次更新される。また、反力発生境界面は、ロボット２の表面が一旦、反力発生領域内に進入した後には、次にロボット２の表面が反力発生領域から離脱するまで、維持される。

【0019】

そして、反力制御部９は、ロボット２の外面の一部が反力発生領域内に位置する状態では、図５に示されるように、ロボット２の外面と動作制限領域との距離が近接するに従って大きな反力を発生させるよう反力用モータ７を制御する。すなわち、ロボット２が動作制限領域に向かって動作している場合には、ロボット２の外面が反力発生境界面に接触した位置において、反力用モータ７が作動させられて、比較的小さい反力が発生する。ロボット２がさらに反力発生領域内を移動して動作制限領域までの距離が小さくなってくると、反力用モータ７により発生する反力が増大させられていく。

【0020】

一方、ロボット２の外面の一部が反力発生領域内に位置する状態では、動作制限領域から離れる方向にロボット２を動作させるダイヤル５の操作時には、反力は発生しない。したがって、操作者は、ロボット２を動作制限領域から離れる方向に移動させて、ロボット２を反力発生領域から容易に離脱させることができる。

【0021】

このように構成された本実施形態に係るロボットシステム１の作用について以下に説明する。
本実施形態によれば、操作者が操作装置３のダイヤル５を回転させてロボット２を動作させているときに、反力用モータ７の作動によりダイヤル５に反力が与えられることにより、ロボット２の外面が動作制限領域に近づいたことを操作者に認識させることができる。

【0022】

また、操作者が、ダイヤル５における反力を感じながらもダイヤル５の回転を継続すると、ダイヤル５に加えられる反力が大きくなっていくので、ロボット２の外面が動作制限領域にさらに近づいていることを操作者に認識させることができる。
そして、操作者がダイヤル５の反力を感じてダイヤル５を停止させると、ロボット２は惰走して動作制限領域に近接する。

【0023】

この場合において、本実施形態に係るロボットシステム１によれば、反力発生距離が、惰走距離＋αに設定されているので、ロボット２が惰走しても動作制限領域に進入させることなくロボット２を停止させることができる。これにより、ロボット２のアラーム停止を防止することができるという利点がある。

【0024】

ロボット２の表面が動作制限領域に近接するに従ってダイヤル５に加わる反力が大きくなるので、操作者は反力に抗してダイヤル５を回転させることが困難になっていく。ロボット２の動作速度は、ダイヤル５の回転速度に応じて設定されるので、ロボット２の表面が動作制限領域に近接するとロボット２の動作速度は次第に低下していき、惰走距離が短くなる。したがって、動作制限領域に近接する位置においてロボット２を停止させた場合にも、ロボット２が動作制限領域に進入して、アラーム停止することを防止できる。

【0025】

なお、本実施形態においては、ロボット２の表面が反力発生領域内に位置する状態では、ロボット２の表面が動作制限領域に近づくに従って発生する反力を大きくすることとした。この場合の反力は、反力発生境界面からの距離に比例して線形的に反力を増大させることにしてもよいし、図６に示されるように非線形に増大させることにしてもよい。

【0026】

また、本実施形態においては、反力発生距離を惰走距離＋αに等しく設定したが、これに代えて、惰走距離に１よりも大きい比例係数を乗算することにより反力発生距離を算出してもよい。
また、本実施形態においては、ロボット２の表面が動作制限領域に一致するときに反力が最大となることとした。これに代えて、図７に示されるように、ロボット２の表面が動作制限領域から所定距離βだけ離れた位置に配置されているときに、発生する反力を最大にしてもよい。

【0027】

また、本実施形態においては、動作制限領域に対して平行に、ロボット２の惰走距離よりも大きく離れた位置に反力発生境界面を生成した。
これに代えて、制御装置４が、ロボット２の動作に同期して仮想空間内において３次元モデルを動作させ、図８に示されるように、反力制御部９が、３次元モデルの周囲に、占有領域を設定してもよい。占有領域は、仮想空間内において３次元モデルが惰走して停止するまでに占有する領域である。

【0028】

そして、動作制限領域に対して平行に、所定距離γだけ離れた位置に反力発生境界面を生成し、占有領域と反力発生領域とが重複する状態で、ダイヤル５に反力を与えることにしてもよい。これにより、本実施形態と同様の効果を奏する。
また、反力発生境界面を設定することなく、３次元モデルの外面から占有領域の外面までの距離を、惰走距離よりも大きく設定してもよい。

【0029】

また、本実施形態においては、ロボット２の表面が動作制限領域に近接するに従ってダイヤル５に加わる反力が大きくなるものを例示したが、これに代えて、ロボット２のツール先端点ＴＣＰの速度増加に応じてダイヤル５に加わる反力が大きくなるものを採用してもよい。

【0030】

この場合、記憶部１０には操作者によって設定されたロボット２のツール先端点ＴＣＰの制限速度が記憶される。そして、ロボット２のツール先端点ＴＣＰの速度が所定速度（所定の閾値）を超えると反力用モータ７に反力を発生させる。発生させる反力は、ロボット２のツール先端点ＴＣＰの速度増加に応じて増加し、記憶部１０に設定されている制限速度を超えない走行速度になるように付与される。

【0031】

これにより、操作者が操作装置３のダイヤル５を回転させてロボット２を動作させているときに、反力用モータ７の作動によりダイヤル５に反力が与えられることにより、ロボット２のツール先端点ＴＣＰの速度が制限速度に近づいたことを操作者に認識させることができる。

【0032】

また、操作者が、ダイヤル５における反力を感じながらもダイヤル５の回転を継続すると、ダイヤル５に加えられる反力が大きくなっていくので、ロボット２のツール先端点ＴＣＰの速度が制限速度にさらに近づいていることを操作者に認識させることができる。
したがって、ロボット２のツール先端点ＴＣＰの速度が増加しても制限速度を超えることなくロボット２を停止させることができる。これにより、ロボット２のアラーム停止を防止することができるという利点がある。

【0033】

また、ロボット２のツール先端点ＴＣＰの速度が所定速度を超えた状態では、ロボット２のツール先端点ＴＣＰの速度が制限速度に近づくに従って発生する反力を大きくすることとした。この場合の反力は、図９に示されるように、ロボット２のツール先端点ＴＣＰの速度に比例して線形的に反力を増大させることにしてもよいし、図１０に示されるように非線形に増大させることにしてもよい。

【0034】

また、図１１に示されるように、ロボット２のツール先端点ＴＣＰの速度に応じてデジタル的にトルクを付与して反力を発生させてもよい。

【符号の説明】

【0035】

１ ロボットシステム
２ ロボット
３ 操作装置
４ 制御装置
７ 反力用モータ（反力発生部）
８ ロボット制御部
９ 反力制御部
１０ 記憶部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】