JP7540384B2 - 協働ロボットシステム及びその組み立てセット - Google Patents

Description

本開示は、協働ロボットシステム及びその組み立てセットに関し、例えば、作業者によって組み立てられ、作業者と協働してタスクを実行する協働ロボットシステム及びその組み立てセットに関する。

特許文献１に開示されているような一般的な産業用ロボットは、大型であり、完成品として工場などの現場に搬入されて設置される。このような産業用ロボットは、作業者と協働することを想定しておらず、柵で囲まれている。そのため、一般的な産業用ロボットは、作業者との接触を想定しておらず、安全装置などを備えていない。

特開２０１９－６３９６７号公報

本出願人は、以下の課題を見出した。所望のタスクを効率良く実行するために、作業者と産業用ロボットとが協働できることが好ましい。しかしながら、一般的な産業用ロボットは、作業者と協働することを想定しておらず、安全性の向上が望まれる。また、一般的な産業用ロボットは、完成品として現場に搬入されるため、現場で作業者が産業用ロボットの微調整などを行うことが困難である。

本開示は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、作業者と協働してタスクを実行する際の安全性が高く、現場での微調整などが可能な協働ロボットシステム及びその組み立てセットを実現する。

本開示の一形態の協働ロボットシステムは、作業者によって組み立てられ、前記作業者と協働してタスクを実行する協働ロボットシステムであって、
駆動部と、
前記タスクを実行するために前記駆動部の駆動力によって動作する動作部と、
前記駆動部を制御する制御部と、
前記制御部によって実行されるプログラムと、
前記動作部を覆うカバー又は当該動作部への前記作業者の接触を検出するためのセンサを含む安全確保部と、
前記プログラムを修正するために、前記作業者の入力装置が接続されるインタフェースと、
を備える。

上述の協働ロボットシステムにおいて、前記動作部は、動作軸が３軸以下であることが好ましい。

本開示の一形態の協働ロボットシステムの組み立てセットは、上述の協働ロボットシステムを組み立てるための、前記駆動部と、前記動作部と、前記プログラムと、前記安全確保部と、前記インタフェースと、の組み合わせを備える。

本開示によれば、作業者と協働してタスクを実行する際の安全性が高く、現場での微調整などが可能な協働ロボットシステム及びその組み立てセットを実現することができる。

実施の形態の協働ロボットシステムの構成を概略的に示す図である。 実施の形態の協働ロボットシステムの制御系を示すブロック図である。 第１の作業指示マーカが設けられた手袋の表側を示す図である。 第２の作業指示マーカが設けられた手袋の裏側を示す図である。

以下、本開示を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。但し、本開示が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

図１は、本実施の形態の協働ロボットシステムの構成を概略的に示す図である。図２は、本実施の形態の協働ロボットシステムの制御系を示すブロック図である。図３は、第１の作業指示マーカが設けられた手袋の表側（即ち、手の平側）を示す図である。図４は、第２の作業指示マーカが設けられた手袋の裏側（即ち、手の甲側）を示す図である。

本実施の形態の協働ロボットシステム１は、作業者によって組み立てられ、作業者と協働してタスクを実行する協働ロボットシステムとして好適である。ここで、以下の説明では、説明を明確にするために、図１の状態での協働ロボット２の構成を、三次元座標系（ＸＹＺ座標系）を用いて説明する。

協働ロボットシステム１は、例えば、図１乃至図４に示すように、協働ロボット２、安全確保部３、作業指示マーカ４、カメラ５及び制御部６を備えている。協働ロボット２は、例えば、接合部材を被接合部材に接合するタスクを作業者と協働するために、工具を作業者に提供したり、工具を作業者から回収したり、することが可能な構成とされている。

但し、協働ロボット２は、作業者とタスクを協働することができる構成であればよく、例えば、ロボットアームに限らず、搬送コンベアや搬送リフトなどであってもよい。ここで、協働ロボット２は、一般的な産業用ロボットに対して小型であり、例えば、駆動軸が３軸以下であるとよい。

協働ロボット２は、例えば、第１の駆動部２１、第２の駆動部２２及び動作部２３を備えている。第１の駆動部２１は、例えば、モータ及び減速機などを有する回転アクチュエータを備えている。第２の駆動部２２は、電動シリンダなどを有する直動アクチュエータを備えている。これらの第１の駆動部２１及び第２の駆動部２２の出力は、一般的な産業用ロボットが有するアクチュエータなどの出力に対して小さくてよい。

動作部２３は、上述のタスクを実行するために第１の駆動部２１及び第２の駆動部２２の駆動力によって動作する。動作部２３は、ベース部２３ａ、第１の駆動伝達部２３ｂ、支柱２３ｃ、第２の駆動伝達部２３ｄ及び載置台２３ｅを備えている。

ベース部２３ａは、例えば、ＸＹ平面と略平行な平板形状である。第１の駆動伝達部２３ｂは、第１の回転軸２３ｆ、第１のプーリ２３ｇ、第２の回転軸２３ｈ、第２のプーリ２３ｉ及びベルト２３ｊを備えている。

第１の回転軸２３ｆは、ベース部２３ａからＺ軸＋側に突出しており、ベース部２３ａにＺ軸回りに回転可能に設けられている。第１の回転軸２３ｆのＺ軸＋側の端部には、第１の駆動部２１の駆動力を伝達可能に、第１の駆動部２１の出力軸が接続されている。第１のプーリ２３ｇは、第１の回転軸２３ｆに固定されている。このとき、第１の回転軸２３ｆの中心軸と第１のプーリ２３ｇの中心軸とは、略重なるように配置されている。

第２の回転軸２３ｈは、第１の回転軸２３ｆとＹ軸方向に間隔を開けて配置されている。第２の回転軸２３ｈは、ベース部２３ａからＺ軸＋側に突出しており、ベース部２３ａにＺ軸回りに回転可能に設けられている。第２のプーリ２３ｉは、第２の回転軸２３ｈに固定されている。このとき、第２の回転軸２３ｈの中心軸と第２のプーリ２３ｉの中心軸とは、略重なるように配置されている。

支柱２３ｃは、Ｚ軸方向に延在している。支柱２３ｃのＺ軸－側の端部は、第２の回転軸２３ｈのＺ軸＋側の端部に固定されている。支柱２３ｃは、例えば、略正四角柱形状であり、支柱２３ｃの中心軸と第２の回転軸２３ｈの中心軸とは、略重なるように配置されている。但し、支柱２３ｃの形状は、上述の限りではなく、Ｚ軸方向に延在する柱形状であればよい。

ここで、図１の状態では、支柱２３ｃのＹ軸＋側の面は、ＸＺ平面と略平行に配置されている。そして、支柱２３ｃのＹ軸＋側の面におけるＺ軸－側の部分には、第２の駆動部２２が固定されている。このとき、第２の駆動部２２のロッド２２ａは、第２の駆動部２２のシリンダ２２ｂからＺ軸＋側に突出しており、Ｚ軸方向に伸縮する。

第２の駆動伝達部２３ｄは、Ｘ軸方向から見て、倒Ｖ字形状のパンタグラフ機構である。つまり、第２の駆動伝達部２３ｄは、第１のリンク部２３ｋ、及び当該第１のリンク部２３ｋに対してＺ軸－側に配置された第２のリンク部２３ｌを備えており、第１のリンク部２３ｋのＺ軸－側の端部と第２のリンク部２３ｌのＺ軸＋側の端部とがＸ軸方向に延在する回転軸２３ｍを介して回転可能に接続されている。

第１のリンク部２３ｋのＺ軸＋側の端部は、Ｘ軸方向に延在する回転軸２３ｎを介して、支柱２３ｃのＺ軸＋側の端部に固定された固定治具２３ｏに回転可能に接続されている。また、第２のリンク部２３ｌのＺ軸－側の端部は、Ｘ軸方向に延在する回転軸２３ｐを介して、第２の駆動部２２のロッド２２ａのＺ軸＋側の端部に固定された固定治具２３ｑに回転可能に接続されている。

載置台２３ｅは、例えば、ＸＹ平面と略平行な板形状である。載置台２３ｅのＹ軸－側の部分は、第２の駆動伝達部２３ｄにおける第１のリンク部２３ｋと第２のリンク部２３ｌとの接続部近傍に固定されている。但し、載置台２３ｅは、載置台２３ｅのＺ軸＋側の面に工具などを載置するための載置面を備えていればよい。

このような構成により、第１の駆動部２１が駆動した場合、第１の駆動伝達部２３ｂ及び支柱２３ｃなどを介して載置台２３ｅがＺ軸回りに旋回する。そして、第２の駆動部２２のロッド２２ａがＺ軸＋側に伸長した場合、第２の駆動伝達部２３ｄを介して載置台２３ｅをＹ軸＋側に押し出す。一方、第２の駆動部２２のロッド２２ａがＺ軸－側に収縮した場合、第２の駆動伝達部２３ｄを介して載置台２３ｅをＹ軸－側に引き込む。

安全確保部３は、協働ロボット２に作業者が接触した際に当該作業者を保護するための手段である。安全確保部３は、例えば、マグネットカップリング３１及び接触検出部３２を備えている。マグネットカップリング３１は、第１の駆動部２１の出力軸と動作部２３における第１の駆動伝達部２３ｂの第１の回転軸２３ｆとの間に配置されている。

詳細には、マグネットカップリング３１は、ＸＹ平面と略平行な平板形状の第１のマグネット３１ａ、及びＸＹ平面と略平行な平板形状の第２のマグネット３１ｂと、がＺ軸方向に重ねられた状態で、磁気接続されている。そして、第１のマグネット３１ａが第１の駆動部２１の出力軸に固定されている。第２のマグネット３１ｂは、動作部２３における第１の駆動伝達部２３ｂの第１の回転軸２３ｆに固定されている。

このような構成により、載置台２３ｅが旋回して当該載置台２３ｅが作業者に接触した場合、第１のマグネット３１ａと第２のマグネット３１ｂとの磁気接続が解除され、第１のマグネット３１ａから第２のマグネット３１ｂへの駆動力の伝達が解除される。そのため、載置台２３ｅの更なる旋回が抑制され、載置台２３ｅが作業者を強く押し込まない。

接触検出部３２は、支柱２３ｃのＹ軸＋側の面に固定されており、支柱２３ｃと第２の駆動伝達部２３ｄとの間に配置されている。接触検出部３２は、例えば、圧電素子の表面がスポンジなどの弾性材料で覆われた柔軟接触センサを備えているとよい。但し、接触検出部３２は、支柱２３ｃに作業者が接触したことを検出可能な配置及び構成であればよく、例えば、支柱２３ｃの全側面を覆うように配置されていてもよい。

作業指示マーカ４は、協働ロボット２に所望の動作を実行させるための目印である。本実施の形態では、図３及び図４に示すように、作業指示マーカ４として、第１の作業指示マーカ４１及び第２の作業指示マーカ４２を備えている。

第１の作業指示マーカ４１は、図３に示すように、作業者がする手袋７の手の表側に設けられている。第１の作業指示マーカ４１は、載置台２３ｅをＹ軸－側に移動させるための目印である。

第２の作業指示マーカ４２は、図４に示すように、作業者がする手袋７の手の裏側に設けられている。第２の作業指示マーカ４２は、載置台２３ｅをＹ軸＋側に移動させるための目印である。

カメラ５は、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）などの撮像素子を備える一般的なカメラである。カメラ５は、作業者の手にした手袋７に設けられた作業指示マーカ４を撮像する。

制御部６は、協働ロボット２を制御する制御装置であり、プロセッサ６１、メモリ６２、第１のインタフェース６３及び第２のインタフェース６４を備えている。プロセッサ６１、メモリ６２、第１のインタフェース６３及び第２のインタフェース６４は、データバスなどを介して相互に接続されている。

プロセッサ６１は、メモリ６２からソフトウェア（即ち、プログラム）を読み出して実行することで、協働ロボット２に所望の動作を実行させるための処理を行う。具体的には、プロセッサ６１は、詳細は後述するが、安全確保部３の接触検出部３２、及びカメラ５の検出情報に基づいて、第１の駆動部２１及び第２の駆動部２２を制御するための処理を行う。

プロセッサ６１は、例えば、マイクロプロセッサ、ＭＰＵ（Micro processor Unit）、又はＣＰＵ（Central processing Unit）などであってもよい。プロセッサ６１は、複数のプロセッサを含んでもよい。

メモリ６２は、例えば、揮発性メモリ及び不揮発性メモリの組み合わせによって構成されている。メモリ６２は、プロセッサ６１により実行される、１以上の命令を含むプログラム、及び協働ロボット２に所望の動作を実行させるための処理に用いるデータなどを格納するために使用される。

第１のインタフェース６３は、第１の駆動部２１、第２の駆動部２２、安全確保部３の接触検出部３２、及びカメラ５と通信するために使用される入出力部である。第２のインタフェース６４は、協働ロボット２の動作の微調整などを行うために、作業者のコンピュータなどの入力装置と通信するために使用される入出力部である。

このような制御部６は、コンピュータとして機能する装置である。ここで、上述のように第１の駆動部２１及び第２の駆動部２２の出力は、一般的な産業用ロボットが有するモータなどの出力に対して小さいので、制御部６は、一般的な産業用ロボットを制御するための制御部に対して簡易な構成でよく、例えば、Ｒａｓｐｂｅｒｒｙ Ｐｉ（登録商標）などの汎用品で構成することができる。

なお、プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）を用いて格納され、コンピュータ（情報通知装置を含むコンピュータ）に供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（tangible storage medium）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）を含む。さらに、この例は、ＣＤ－ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＤ－Ｒ、ＣＤ－Ｒ／Ｗを含む。さらに、この例は、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ）を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（transitory computer readable medium）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。

次に、本実施の形態の協働ロボットシステム１の動作を説明する。ここで、載置台２３ｅには、接合部材を被接合部材に接合するための工具が載置されているものとする。このとき、載置台２３ｅは、例えば、Ｘ軸＋側に向かって配置されているものとする。そして、第２の駆動部２２のロッド２２ａは、最も収縮した状態であり、載置台２３ｅが支柱２３ｃに最も接近している状態とする。このような状態を協働ロボット２の初期状態とする。

このような初期状態で、協働ロボット２に対してＹ軸＋側で作業する作業者が手袋７に設けられた第２の作業指示マーカ４２をカメラ５に向けると、カメラ５は、第２の作業指示マーカ４２を撮像して撮像情報を制御部６に送信する。

次に、制御部６は、載置台２３ｅがＹ軸＋側に移動するように、第１の駆動部２１及び第２の駆動部２２を制御する。これにより、第１の駆動部２１が駆動し、第１の駆動伝達部２３ｂ及び支柱２３ｃなどを介して載置台２３ｅがＺ軸回りに旋回して載置台２３ｅがＹ軸＋側に向かって配置される。

そして、第２の駆動部２２が駆動して当該第２の駆動部２２のロッド２２ａがＺ軸＋側に伸長し、第２の駆動伝達部２３ｄを介して載置台２３ｅがＹ軸＋側に押し出される。これにより、協働ロボットシステム１は、接合部材を被接合部材に接合するタスクを作業者と協働するために、工具を作業者に提供することができる。

一方、作業者が工具を使用し終えて、作業者が手袋７に設けられた第１の作業指示マーカ４１をカメラ５に向けると、カメラ５は、第１の作業指示マーカ４１を撮像して撮像情報を制御部６に送信する。

次に、制御部６は、協働ロボット２が初期状態に戻るように、第１の駆動部２１及び第２の駆動部２２を制御する。これにより、第２の駆動部２２が駆動して当該第２の駆動部２２のロッド２２ａがＺ軸－側に収縮し、第２の駆動伝達部２３ｄを介して載置台２３ｅがＹ軸－側に引き込まれる。

そして、第１の駆動部２１が駆動し、第１の駆動伝達部２３ｂ及び支柱２３ｃなどを介して載置台２３ｅがＺ軸回りに旋回して載置台２３ｅがＸ軸＋側に向かって配置される。これにより、協働ロボットシステム１は、接合部材を被接合部材に接合するタスクを作業者と協働するために、工具を作業者から回収することができる。

このように本実施の形態の協働ロボットシステム１は、作業指示マーカ４をカメラ５に向けるだけで、作業者への工具の提供及び回収を簡単に実行することができる。このとき、作業者が載置台２３ｅに接触した場合、安全確保部３のマグネットカップリング３１の磁気接続が解除され、第１の駆動部２１から第１の回転軸２３ｆへの駆動力の伝達が解除される。そのため、載置台２３ｅの更なる旋回が抑制され、載置台２３ｅによって作業者が強く押し込まれることを抑制できる。

また、制御部６は、安全確保部３の接触検出部３２の検出情報に基づいて、支柱２３ｃに接触したことを検出した場合、例えば、第２の駆動部２２のロッド２２ａがＺ軸＋側に伸長するように、第２の駆動部２２を制御する。そのため、支柱２３ｃと第２の駆動伝達部２３ｄとの間に作業者が挟まれることを抑制できる。これらにより、協働ロボット２に作業者が接触しても、作業者を保護することができ、協働ロボット２を作業者の近傍で動作させることができる。

次に、本実施の形態の協働ロボットシステム１を組み立てる流れを説明する。なお、例えば、作業者が各要素を選択する工程は、入力装置の表示面に表示される各種のリストから当該入力装置を介して選択することができる。

先ず、作業者は、協働ロボットシステム１に所望の動作を実行させるために、第１の駆動部２１及び第２の駆動部２２を、出力やストロークが異なる複数種類の回転アクチュエータや直動アクチュエータなどを含む駆動源リストから選択する。そして、作業者は、動作部２３を複数種類のリンク機構やカム機構などを含む動作機構（即ち、からくり機構）リストから選択する。

また、作業者は、安全確保部３をマグネットカップリング、接触センサやカバーなどを含む安全確保リストから選択する。さらに、作業者は、作業指示マーカ４やカメラ５を第１の駆動部２１及び第２の駆動部２２に所望の動作を実行させるための複数種類の作業指示マーカ、カメラやセンサなどを含む動作指令リストから選択する。

このように作業者が選択した第１の駆動部２１、第２の駆動部２２、動作部２３、安全確保部３、作業指示マーカ４及びカメラ５に加え、制御部６の組み合わせが組み立てセットとして、現場に搬入され、作業者が仮組み立てを行う。このとき、制御部６も、複数種類の制御装置を含む制御リストから選択可能であるとよい。

そして、作業者は、制御部６の第２のインタフェース６４に入力装置を接続して、当該入力装置によって協働ロボットシステム１に所望の動作を実行させるためのプログラムを選択し、制御部６にインストールする。

その後、作業者は、協働ロボットシステム１に所望の動作を実行させ、制御部６の第２のインタフェース６４を介して、入力装置によって協働ロボット２の動作の微調整などを行う。これにより、協働ロボットシステム１の組み立てが完了する。

このような協働ロボットシステム１は、安全確保部３を備えているので、協働ロボット２に作業者が接触しても、作業者を保護することができ、協働ロボット２を作業者の近傍で動作させることができる。

しかも、制御部６が第２のインタフェース６４を備えているので、作業者は、第２のインタフェース６４を介して、現場において入力装置によって協働ロボット２の動作の微調整などを行うことができる。

また、作業者は、協働ロボットシステム１に所望の動作を実行させるための各要素を選択することができ、作業者が希望する協働ロボットシステム１を簡単に構成することができる。

なお、本実施の形態では、協働ロボットシステム１を組み立てるための流れを説明したが、協働ロボットシステム１の構成は、上述の限りでなく、作業者とタスクを協働することができる構成であればよく、作業者は各種リストから適宜、必要な要素を選択し、組み立てセットを構成することができる。

なお、本開示は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１ 協働ロボットシステム
２ 協働ロボット
２１ 第１の駆動部
２２ 第２の駆動部、２２ａ ロッド、２２ｂ シリンダ
２３ 動作部、２３ａ ベース部、２３ｂ 第１の駆動伝達部、２３ｃ 支柱、２３ｄ 第２の駆動伝達部、２３ｅ 載置台、２３ｆ 第１の回転軸、２３ｇ 第１のプーリ、２３ｈ 第２の回転軸、２３ｉ 第２のプーリ、２３ｊ ベルト、２３ｋ 第１のリンク部、２３ｌ 第２のリンク部、２３ｍ、２３ｎ 回転軸、２３ｏ 固定治具、２３ｐ 回転軸、２３ｑ 固定治具
３ 安全確保部
３１ マグネットカップリング、３１ａ 第１のマグネット、３１ｂ 第２のマグネット
３２ 接触検出部
４ 作業指示マーカ
４１ 第１の作業指示マーカ
４２ 第２の作業指示マーカ
５ カメラ
６ 制御部
６１ プロセッサ
６２ メモリ
６３ 第１のインタフェース
６４ 第２のインタフェース
７ 手袋

Claims (3)

1. 作業者によって組み立てられ、前記作業者と協働してタスクを実行する協働ロボットシステムであって、
   駆動部と、
   前記タスクを実行するために前記駆動部の駆動力によって動作する動作部と、
   前記作業者が装着する手袋に設けられ、前記動作部に予め設定された動作を実行させるための作業指示マーカと、
   前記作業指示マーカを撮像し、撮像情報を取得するカメラと、
   前記撮像情報に基づいて、前記予め設定された動作を実行するように前記駆動部を制御する制御部と、
   前記制御部によって実行されるプログラムと、
   前記動作部を覆うカバー又は当該動作部への前記作業者の接触を検出するためのセンサを含む安全確保部と、
   前記プログラムを修正するために、前記作業者の入力装置が接続されるインタフェースと、
   を備え、
   前記作業指示マーカは、
   前記手袋の表側に設けられ、前記動作部に予め設定された第１の動作を実行させるための第１の作業指示マーカと、
   前記手袋の裏側に設けられ、前記動作部に予め設定された第２の動作を実行させるための第２の作業指示マーカと、
   を備える、協働ロボットシステム。
2. 前記動作部は、動作軸が３軸以下である、請求項１に記載の協働ロボットシステム。
3. 請求項１又は２に記載の協働ロボットシステムを組み立てるための、前記駆動部と、前記動作部と、前記作業指示マーカと、前記カメラと、前記プログラムと、前記安全確保部と、前記インタフェースと、の組み合わせを備える、協働ロボットシステムの組み立てセット。

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