JPH08241107A

JPH08241107A - ロボットのソフトウェア安全継ぎ手

Info

Publication number: JPH08241107A
Application number: JP6665995A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Kosaka; 哲也小坂; Koichi Okanda; 光一大神田
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 1995-03-02
Filing date: 1995-03-02
Publication date: 1996-09-17

Abstract

(57)【要約】【目的】力センサと簡単なソフトウェア処理手段を組
み合わせたソフトウェア安全継ぎ手の提供。【構成】ロボットの手首先端部とツールの間に力セン
サを取り付け、検出された６軸力のデータを短周期でロ
ボット制御装置内のバッファに書き込む一方、以下の処
理を短周期で繰り返し実行する。ステップＳ１でバッフ
ァから６軸力を表わす最新のデータｆ1 ，ｆ2 ・・・ｆ
6 をバッファから読み出し、ステップＳ２で評価関数ｇ
（ｆ1 ，ｆ2 ・・・ｆ6 ）＝ａ1 ｜ｆ1 ｜＋ａ2 ｜ｆ2
｜＋・・・・＋ａ6 ｜ｆ6 ｜を計算し、予め設定された
許容限界Ｇ0 とステップＳ３で比較する。許容限界Ｇ0
を越えていれば、直ちにロボット停止信号を出力する
（ステップＳ４）。ロボットの動作中に干渉が発生した
場合、ロボット機構部、ツール等を破損させるに十分な
力が加わる前に、ロボットが停止され、それ以上の外力
の増大が回避される。安全／危険を判定する許容基準
は、ベクトル＜ｆ＞＝（ｆ1 ，ｆ2 ・・・ｆ6 ）の大き
さの粗い評価が可能であれば、任意のものが利用出来
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本願発明は、産業用ロボット（以
下、単に「ロボット」と言う。）に装備される継ぎ手の
技術に関し、更に詳しく言えば、ロボットの機構部並び
にロボットの手首の先端部に取り付けられたツールを干
渉時の機械的衝撃から守ることが出来る安全継ぎ手に関
する。

【０００２】

【従来技術】ロボットの手首先端部にツール（ハンド、
視覚センサ等を使用する場合にはそれらを含む。以下同
様。）を取り付けてロボットを動作させた場合、ツール
がワークや他の周辺機器と衝突して干渉事故を起こすこ
とがある。干渉事故時には、衝突時の機械的な衝撃によ
ってロボットの機構部あるいはツールが破損する恐れが
ある。このような事態を避ける手段として、安全継ぎ手
を用いる方法が従来より知られている。

【０００３】従来の安全継ぎ手の一つの型は、ロボット
の手首先端部とツールの間に比較的破壊され易い部材
（例えば、所定の脆さを有する鋳物）を含む機構を介在
させるものである。また、従来の安全継ぎ手のもう一つ
の型は、ロボットの手首先端部とツールの間にバネを利
用した機構を設け、衝突時にツールに所定方向から作用
した衝撃力を逃がすものである。

【０００４】前者においては、強い衝撃がツールに作用
した場合には安全継ぎ手自身が破壊されてしまい、交換
が必要となる。安全継ぎ手の再使用が出来ないことは経
済的に不利であり、交換作業も煩雑である。また、常に
十分なスペアを用意しておかなければ、ロボット作業が
続行出来なくなる。更に、継ぎ手の強度調整（破壊を起
こす臨界点）の調整が出来ないという問題点がある。

【０００５】後者においては、限定された方向からの衝
撃力しか逃がすことが出来ないという問題点がある。強
度調整（バネの強さの調整）も実際上は困難である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本願発明の目
的は上記従来技術の問題点を克服し、継ぎ手自身が破壊
されることがなく、多方向からの衝撃力に対して有効に
機能する安全継ぎ手を提供することにある。また、本願
発明のもう一つの目的は強度調整が容易な安全継ぎ手を
提供することにある。更に、本願発明はこれらのことを
通して、ロボットを用いた作業の安全性、効率性並びに
経済性を向上させようとするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本願発明は、上記目的を
達成する為に、ロボットの手首先端部とツールの間に取
り付けられた力センサと、ソフトウェア処理手段と、前
記ソフトウェア処理手段に前記力センサの出力信号に関
連したソフトウェア処理を実行させる為のソフトウェア
手段を備えたソフトウェア安全継ぎ手を提案したもので
ある。

【０００８】ソフトウェア処理には、力センサによって
検出された６軸力と予め設定された許容基準との間の関
係を判定する為の処理と、該判定結果に応じてロボット
を制御する為の処理が含まれる。ソフトウェア処理手段
には、通常、ロボット制御装置が利用される。

【０００９】また、判定結果に応じた処理として代表的
なものは、ロボットの停止信号を出力する処理である。
ここで、力センサによって検出される６軸力とは、セン
サ座標系における力のＸ，Ｙ，Ｚ各成分と各成分回り
（Ｘ，Ｙ，Ｚ各軸回り）のトルクのことである。これら
６成分を、ｆ1 ，ｆ2 ・・・ｆ6 で表わすこととする。

【００１０】力センサによって検出される６軸力につい
ての許容基準は、力センサによって検出される６軸力を
成分に持つベクトル＜ｆ＞＝（ｆ1 ，ｆ2 ・・・ｆ6 ）
の大きさを粗く評価するように設定される。好ましい許
容基準の例として、次のものがある。

【００１１】［許容基準１］力センサによって検出され
る６軸力の各成分の大きさ｜ｆ1 ｜，｜ｆ2 ｜・・・｜
ｆ6 ｜ついて、許容限界Ｆ1 ，Ｆ2 ・・・Ｆ6 （いずれ
も正の値）を定めるもの。［許容基準２］力センサによって検出される６軸力の成
分ｆ1 ，ｆ2 ・・・ｆ6 を変数とする評価関数ｇ（ｆ1
，ｆ2 ・・・ｆ6 ）＝ａ1 ｜ｆ1 ｜＋ａ2 ｜ｆ2 ｜＋
・・・・＋ａ6 ｜ｆ6 ｜（但し、ａ1 ，ａ2 ・・・ａ6
は同符号の定数）の許容限界Ｇ0を定めるもの。［許容基準３］力センサによって検出される６軸力の成
分ｆ1 ，ｆ2 ・・・ｆ6 を変数とする評価関数ｈ（ｆ1
，ｆ2 ・・・・ｆ6 ）＝ｂ1 ｆ1²＋ｂ2 ｆ2²＋・・・
＋ｂ6 ｆ6²（但し、ｂ1 ，ｂ2 ・・・ｂ6 は同符号の定
数）の許容限界Ｈ0 を定めるもの。

【００１２】

【作用】ロボットの手首先端部とツールの間に取り付け
られた力センサで検出された６軸力を表わす信号は、ソ
フトウェア処理手段（通常はロボット制御装置）へ伝え
らる。ソフトウェア処理手段は、ソトウェア処理によっ
て許容基準との関係を判定する。許容基準に照らして、
検出された力／モーメントが許容範囲を逸脱している判
定された場合には、安全を確保する為のロボット制御信
号を出力させる処理を行なう。

【００１３】安全を確保する為のロボット制御信号とし
て最も一般的なものは、ロボット停止信号であるが、場
合によっては各軸の位置ループゲインＫp 、速度ループ
ゲインＫv を小さな値に切り換えた上で、アラーム信号
やロボット停止信号を出力することも考えられる。

【００１４】ロボットの機構部、ツール等に破損が発生
するのは、ツールに正常時に比べて非常に大きな力／モ
ーメントが作用した場合であると考えて良い。そして、
そのような場合には、当然、力センサで検出された６軸
力ｆ1 ，ｆ2 ・・・ｆ6 を成分とするベクトル＜ｆ＞の
大きさ（ベクトルのノルム）も非常に大きくなってい
る。

【００１５】従って、力センサによって検出される６軸
力を成分に持つベクトル＜ｆ＞＝（ｆ1 ，ｆ2 ・・・ｆ
6 ）の大きさを（少なくとも）粗く評価し、その（少な
くとも）粗く評価されたベクトル＜ｆ＞の大きさが、ロ
ボット機構やツール等の強度と安全率を考慮して適正に
定めた許容基準を上回わった場合に、安全確保の為の措
置がとられるようにすれば良い。

【００１６】上記［許容基準１］〜［許容基準３］は、
そのような考え方に沿って定められる好ましい許容基準
の例である。

【００１７】［許容基準１］における許容限界Ｆ1 ，Ｆ
2 ・・・Ｆ6 （いずれも正の値）は、Ｆ1 ＝Ｆ2 ＝・・
・＝Ｆ6 に定めるのが最も簡単であるが、力成分とモー
メント成分に分けて別個に許容限界を定めても良い。ま
た、特に力あるいはモーメントがかかっては不都合な方
向が、力センサの座標系上で予測されている場合には、
その成分に関する許容限界を小さく設定することが出来
る。例えば、センサ座標系のＺ軸方向がツールの軸線方
向とほぼ一致しており、ツールが圧縮に弱い場合には、
センサ座標系のＺ軸方向に関する力の大きさの許容限界
を小さく設定することが好ましい。

【００１８】［許容基準２］における評価関数ｇ（ｆ1
，ｆ2 ・・・ｆ6 ）＝ａ1 ｜ｆ1 ｜＋ａ2 ｜ｆ2 ｜＋
・・・・＋ａ6 ｜ｆ6 ｜の係数ａ1 〜ａ6 についても、
ａ1 ＝ａ2 ＝・・・＝ａ6 （＞０）に定めるのが最も簡
単であるが、力成分とモーメント成分に分けて別個に定
めても良い。また、特に重く評価した成分があれば、そ
の成分に対応するａi の値を相対的に大きく定めること
が好ましい。

【００１９】［許容基準３］における評価関数ｈ（ｆ1
，ｆ2 ・・・・ｆ6 ）＝ｂ1 ｆ1²＋ｂ2 ｆ2²＋・・・
＋ｂ6 ｆ6²の係数ｂ1 〜ｂ6 についても同様である。即
ち、ｂ1 ＝ｂ2 ＝・・・＝ｂ6 （＞０）に定めるのが最
も簡単であるが、力成分とモーメント成分に分けて別個
に定めても良い。また、特に重く評価した成分があれ
ば、その成分に対応するｂi の値を相対的に大きく定め
ることが好ましい。

【００２０】

【実施例】図１は、嵌め合いのアプリケーションを例に
とり、本願発明に従ったソフトウェア安全継ぎ手を装備
したロボットを使用する際の配置を例示したものであ
る。

【００２１】図１において、符号１はロボット本体で、
ケーブル１１を介してロボットコントローラ２に接続さ
れている。ロボット（本体）１の構造自体は従来のもの
と特に変わるところはない。また、ロボット制御装置２
についても、後述する処理を実行する為のソフトウェア
手段を除けば、従来より使用されているものと同じで良
い。

【００２２】ロボット１の手首先端には、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸
方向（センサ座標系上）の並進力とそれらの軸回りのモ
ーメントを成分とする６軸力を検出する力センサ３が取
り付けられている。力センサ３とロボット制御装置２は
ケーブル３１によって接続されている。

【００２３】嵌め合い作業の対象とされるワークの組が
符号４，５で示されており、嵌合時にガイドピンとして
機能する突起４１を有するワーク４が、力センサ３を介
してロボット１に取り付けられている。また、穴５１を
有するワーク５はワークテーブル６上に位置決めされて
いる。

【００２４】図２は、上記配置で使用されるシステムの
概要を要部ブロック図で示したものである。同図を参照
すると、システム全体は、ロボット制御装置２０、該ロ
ボット制御装置２０によって制御されるロボット（本体
機構部）１、ロボット本体のアーム先端部に支持される
６軸力センサ３、該力センサ３の検出信号を処理する信
号処理装置３０から構成される。

【００２５】ロボット制御装置２０は中央演算処理装置
（以下、ＣＰＵという。）２１を備えている。、該ＣＰ
Ｕ２１には、ＲＯＭからなるメモリ２２、ＲＡＭからな
るメモリ２３、不揮発性メモリ２４、ロボットの教示及
び他のシステム各部の動作についての各種の指令入力あ
るいは設定値入力を行なうキーボードを備えた教示操作
盤２５、信号処理装置３０との間のインターフェイス機
能を果たす入出力装置２６、及びロボット本体１の各軸
の動作をサーボ回路２８を介して制御するロボット軸制
御部２７が、各々バス２９を介して接続されている。

【００２６】ロボット本体１のアーム先端部に搭載され
る力センサ３には、例えば歪ゲージで構成され発振器に
より交流駆動される複数のブリッジ回路を内蔵した公知
の構造のものが使用出来る。力センサ３からは、６軸力
の成分ｆ1 ，ｆ2 ・・・ｆ6を表わす検出信号が信号処
理装置３０に出力される。

【００２７】信号処理装置３０に於ける信号処理の概略
を例記すれば、次のようになる。力センサ３から出力さ
れた各検出信号は、差動アンプで増幅後、同期整流され
て直流信号に変換された上で信号処理装置内のマルチプ
レクサに入力される。マルチプレクサは、ロボット制御
装置２０のＣＰＵ２１から入出力装置２６を介して受け
取る制御信号に従い、各成分を表わす検出信号を順次サ
ンプルホールド回路及びＡ／Ｄコンバータを介して入出
力装置２６へ送り出す。

【００２８】ＣＰＵ２１は、これを順次不揮発性メモリ
２４またはＲＡＭ２３内に設定された所定のバッファに
格納する。格納された力センサ３の検出データは、後述
するソフトウェア処理の中で用いられる。

【００２９】ＲＯＭ２２、ＲＡＭ２３及び不揮発性メモ
リ２４は、上記力センサ３の検出データの格納の他に、
ロボット制御装置２０自身の動作を制御するプログラ
ム、後述するソフトウェア処理、信号処理装置２０との
間の信号授受のコントロール等を実行するプログラム並
びに各処理の関連パラメータの格納等に用いられる。

【００３０】設定されるパラメータには、力センサ３で
検出される６軸力の許容基準に関連したパラメータが含
まれる。許容基準の選択及びパラメータ（ａ1 ，ａ2 ・
・・ａ6 ，Ｇ0 ；ｂ1 ，ｂ2 ・・・ｂ6 ，Ｈ0 等）の設
定は、教示操作盤２５に付設されたＬＣＤを用いた画面
入力で行なわれることが好ましい。

【００３１】以上の事項を前提として、ソフトウェア安
全継ぎ手を作動させた時に実行されるソフトウェア処理
の概要を図３のフローチャートを参照しながら説明す
る。この処理は、ロボットの動作時に短い周期で繰り返
し実行される。なお、図３のフローチャートに記した処
理とは別に、力センサ３で検出された６軸力のデータを
上記周期と整合した周期（同一周期が好ましい。）でバ
ッファに書き込む処理が実行される。また、ここでは力
センサ３によって検出される６軸力の許容基準として前
述の［許容基準２］を採用するものとし、係数ａ1 ，ａ
2 ・・・ａ6 並びに許容限界Ｇ0 の値は設定済みである
ものとする。

【００３２】先ず、ステップＳ１でバッファから６軸力
を表わす最新のデータｆ1 ，ｆ2 ・・・ｆ6 をバッファ
から読み出し、続くステップＳ２で評価関数ｇ（ｆ1 ，
ｆ2・・・ｆ6 ）＝ａ1 ｜ｆ1 ｜＋ａ2 ｜ｆ2 ｜＋・・
・・＋ａ6 ｜ｆ6 ｜を計算する。

【００３３】次いで、計算された評価関数の値をステッ
プＳ３で許容限界Ｇ0 と比較し、もし許容限界Ｇ0 を越
えていた場合には、直ちにロボット停止信号を出力して
ロボットを停止させる（ステップＳ４）。

【００３４】このような処理が繰り返し短周期で実行さ
れていれば、図１に示した配置を用いて教示の為のジョ
グ送りあるいは再生運転を実行中に干渉が発生した場合
（例えば、ワーク４をワーク５あるいはテーブル６のに
衝突させた場合）でも、ロボット機構部あるいはワーク
４，５等を破損させるに十分な力が加わる前に、ロボッ
トが停止され、それ以上の外力の増大が回避される。

【００３５】干渉時のソフトウェア安全継ぎ手の応答を
出来るだけ迅速なものとする為に、力センサ３の応答、
信号処理回路２０の処理時間、検出データのバファへの
書き込み周期、及び図３のフローチャートに記した処理
の周期は、可能な限り短いことが好ましい。力センサ３
で検出された６軸力をツールに作用した６軸力に変換せ
ずに安全か危険かの判定を行なうことは、この観点から
見ても有利なことである。

【００３６】以上、図１に示した配置で使用されるロボ
ットについて許容基準２を採用したケースについて実施
例を説明したが、適用されるアプリケーションには特に
制限はない。例えば、バリ取り加工時のツール破損事故
を回避する手段として本願発明のソフトウェア安全継ぎ
手を有効に利用することが出来る。また、力センサで検
出されたる６軸力について安全／危険を判定する許容基
準については、検出されたる６軸力の大きさを粗く評価
し得るものである限り、上記した基準以外のものを採用
しても構わないことは言うまでもない。

【００３７】なお、安全継ぎ手を機能させる為のソフト
ウェア処理を実行する手段としては、本実施例のよう
に、ロボット制御装置を利用することが合理的である
が、力センサ側の信号処理部に必要な処理の全部または
一部（例えば、最大の６軸力成分の出力、評価関数の計
算など）を分担させることも可能である。

【００３８】

【発明の効果】本願発明によれば、力センサと簡単なソ
フトウェア処理手段を組み合わせることで、継ぎ手自身
が破壊されることがなく、多方向からの衝撃力に対して
有効に機能する安全継ぎ手を提供することが出来る。ま
た、本願発明のソフトウェア安全継ぎ手には、強度調整
が容易であるという特性がある。従って、本願発明のソ
フトウェア安全継ぎ手をロボットに装備させることで、
ロボットを用いた作業の安全性、効率性並びに経済性を
向上させることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】嵌め合いのアプリケーションを例にとり、本願
発明に従ったソフトウェア安全継ぎ手を装備したロボッ
トを使用する際の配置を例示したものである。

【図２】図１に示した配置で使用されるシステムの概要
を要部ブロック図で示したものである。

【図３】実施例に係るソフトウェア安全継ぎ手を作動さ
せた時に実行されるソフトウェア処理の概要を記したフ
ローチャートである。

【符号の説明】

１ロボット本体２ロボット制御装置３力センサ４，５ワーク１１，３１ケーブル２１中央演算処理装置（ＣＰＵ）２２ＲＯＭ２３ＲＡＭ２４不揮発性メモリ２５教示操作盤２６入出力装置２７ロボット軸制御部２８サーボ回路２９バス３０信号処理装置４１突起５１穴

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０５Ｂ 19/18 Ｄ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ロボットの手首先端部とツールの間に取
り付けられた力センサと、ソフトウェア処理手段と、前
記ソフトウェア処理手段に前記力センサの出力信号に関
連したソフトウェア処理を実行させる為のソフトウェア
手段を備え、前記ソフトウェア処理は、前記力センサによって検出さ
れた６軸力と予め設定された許容基準との間の関係を判
定する為の処理と、該判定結果に応じて安全を確保する
為の処理を含んでおり、前記許容基準は、前記力センサによって検出される６軸
力を成分に持つベクトル＜ｆ＞＝（ｆ1 ，ｆ2 ・・・ｆ
6 ）の大きさを粗く評価するように設定されるロボット
のソフトウェア安全継ぎ手。
【請求項２】ロボットの手首先端部とツールの間に取
り付けられた力センサと、前記ロボットを制御するロボ
ット制御装置内に設けられたソフトウェア処理手段と、
前記ソフトウェア処理手段に前記力センサの出力信号に
関連したソフトウェア処理を実行させる為のソフトウェ
ア手段を備え、前記ソフトウェア処理は、前記力センサによって検出さ
れた６軸力と予め設定された許容基準との間の関係を判
定する為の処理と、該判定結果に応じて安全を確保する
為の処理を含んでおり、前記許容基準は、前記力センサによって検出される６軸
力を成分に持つベクトル＜ｆ＞＝（ｆ1 ，ｆ2 ・・・ｆ
6 ）の大きさを粗く評価するように設定されるロボット
のソフトウェア安全継ぎ手。
【請求項３】ロボットの手首先端部とツールの間に取
り付けられた力センサと、前記ロボットを制御するロボ
ット制御装置内に設けられたソフトウェア処理手段と、
前記ソフトウェア処理手段に前記力センサの出力信号に
関連したソフトウェア処理を実行させる為のソフトウェ
ア手段を備え、前記ソフトウェア処理は、前記力センサによって検出さ
れた６軸力と予め設定された許容基準との間の関係を判
定する為の処理と、該判定結果に応じて前記ロボットを
停止させる為の処理を含んでおり、前記許容基準は、前記力センサによって検出される６軸
力を成分に持つベクトル＜ｆ＞＝（ｆ1 ，ｆ2 ・・・ｆ
6 ）の大きさを粗く評価するように設定されるロボット
のソフトウェア安全継ぎ手。
【請求項４】前記許容基準が、前記センサによって検
出される６軸力の各成分の大きさ｜ｆ1 ｜，｜ｆ2 ｜・
・・｜ｆ6 ｜に関する許容限界Ｆ1 ，Ｆ2 ・・・Ｆ6 を
定めたものである請求項１〜請求項３のいずれか１項に
記載されたロボットのソフトウェア安全継ぎ手。
【請求項５】前記許容基準が、前記センサによって検
出される６軸力の各成分ｆ1 ，ｆ2 ・・・ｆ6 を変数と
する評価関数ｇ（ｆ1 ，ｆ2 ・・・・ｆ6 ）＝ａ1 ｜ｆ
1 ｜＋ａ2 ｜ｆ2 ｜＋・・・・＋ａ6 ｜ｆ6 ｜（但し、
ａ1 ，ａ2 ・・・ａ6 は同符号の定数）の許容限界Ｇ0
を定めたものである請求項１〜請求項３のいずれか１項
に記載されたロボットのソフトウェア安全継ぎ手。
【請求項６】前記判定基準が、前記センサによって検
出される６軸力の各成分ｆ1 ，ｆ2 ・・・ｆ6 を変数と
する評価関数ｈ（ｆ1 ，ｆ2 ・・・・ｆ6 ）＝ｂ1 ｆ1²
＋ｂ2 ｆ2²＋・・・＋ｂ6 ｆ6²（但し、ｂ1 ，ｂ2 ・・
・ｂ6 は同符号の定数）の許容限界Ｈ0 を予め定めたも
のである請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載され
たロボットのソフトウェア安全継ぎ手。