JP6575306B2 - ロボット装置 - Google Patents

Description

本発明は、ロボット装置に関する。

特許文献１には、操作者の操作に従って動作する多関節ロボットが記載されている。この特許文献１に記載された多関節ロボットは、多関節アームと、多関節アームに接続された操作棹と、操作棹に接続された力覚センサと、多関節アームの動作を制御する制御装置とを備えている。

特許文献１に記載された多関節ロボットにおいては、操作棹を介して利用者が入力した力の向き大きさを力覚センサで検出して、制御装置が動作させる多関節アームの動作量としている。

特開２０１０−２６９４１９号公報

ところで、特許文献１に記載された多関節ロボットにおいては、多関節アームの動作は、力覚センサにて検出する力の基準点（即ち、ゼロ点）が正確に設定されていることが前提となる。

しかしながら、特許文献１に記載された多関節ロボットにおいては、操作棹や力覚センサに物体が接触している場合に、力覚センサの基準点を設定するゼロ点調整がなされると、力覚センサの基準点が不正確となる。

つまり、従来の技術では、ゼロ点調整において、力覚センサに力が加わっていない状態で、基準点を設定することが求められている。
そこで、本発明は、ロボット装置において、力覚センサにて検出する力の基準点を正確に設定する技術の提供を目的とする。

上記目的を達成するためになされた本発明の一態様は、ロボット装置（１）に関する。
ロボット装置は、アーム（６）と、力覚センサ（２０）と、調整部（３０，Ｓ１１０〜Ｓ１５０）とを備える。

力覚センサは、外部から加わる力を検出する力検出部（２２）を有し、アームの先端部に設置される。調整部は、保護状態である場合の力覚センサの検出結果に基づいて、力覚センサにおいて検出される力の基準点を設定するゼロ点調整を実行する。ここで言う保護状態とは、力覚センサの力検出部への負荷が無負荷となる状態である。

このようなロボット装置によれば、保護状態である場合に力覚センサの力検出部で検出した力に基づいてゼロ点調整を実行できる。
保護状態である場合、力覚センサの力検出部には、外部からの力が加わらないため、力覚センサの基準点を正確に設定できる。

つまり、ロボット装置において、力覚センサにて検出する力の基準点を正確に設定する技術を提供できる。

ロボット装置の概略構成を示す斜視図である。 ロボット装置の制御系を示すブロック図である。 保護部の構造を示す説明図である。 ロボット制御部が実行する初期化処理の処理手順を示すフローチャートである。 保護部の変形例を示す図である。

以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
＜１．１ ロボット装置＞
図１に示すロボット装置１は、アーム６と、力覚センサ２０と、ツール２６と、ロボット制御部３０（例えば、図２参照）と、基台４０とを備えた、いわゆる垂直多関節ロボットである。このロボット装置１は、利用者が実施する行為（以下、目的実現行為）を支援する。

ここで言う目的実現行為は、利用者がアーム６の先端を移動させつつ実現される行動である。目的実現行為には、例えば、物体の移し替え、物体の加工、医療行為などを含む。本実施形態における医療行為には、患者の顎骨にインプラント体を埋め込み、その埋め込まれたインプラント体に補綴物を装着する歯科インプラントを含む。

アーム６は、ツール２６を移動させる機構であり、例えば、リンクが関節によって接続された多関節アームである。
本実施形態のアーム６は、ベース部８と、上腕部１０と、前腕部１２と、ハンド取付部１４とを備えた、垂直多関節アームである。

ベース部８は、基台４０に固定される。上腕部１０は、ベース部８から延出するリンクである。前腕部１２は、上腕部１０の先端から延出するリンクである。ハンド取付部１４は、ツール２６が取り付けられる部位であり、前腕部１２の先端に位置する。すなわち、ハンド取付部１４は、アーム６の先端部に相当する。

アーム６では、ベース部８と上腕部１０とが、上腕部１０と前腕部１２とが、前腕部１２とハンド取付部１４とが、それぞれ、関節部を介して接続されている。関節部それぞれは、図２に示すように、関節アクチュエータ１６と、位置検出部１８とを備えている。関節アクチュエータ１６は、各関節を駆動する装置である。関節アクチュエータ１６の一例として、電動機が考えられる。

また、位置検出部１８は、アーム６の先端を表す先端位置（ひいては、ツール２６）の座標を検出する周知のセンサである。位置検出部１８の一例として、各関節の回転角度を検出するロータリーエンコーダが考えられる。

力覚センサ２０は、外部から加わる複数方向の力の大きさ及び向きを検出する力検出部２２を有した周知のセンサである。ここで言う力検出部２２は、例えば、歪みゲージを有し、外部から加わる力を検出する周知の機構である。また、ここで言う外部から加わる力とは、力検出部２２に加わる力である。この外部から加わる力には、例えば、ロボット装置１の利用者がツール２６を移動させることで力検出部２２に加わる力や、力検出部２２が物体に接触することで力検出部２２に加わる力を含む。すなわち、ここで言う外部から加わるとは、力検出部２２に、力検出部２２の外から加わるという意味である。

この力覚センサ２０は、アーム６の先端部、即ち、ハンド取付部１４に設置される。
ツール２６は、目的実現行為を実現するための道具である。例えば、目的実現行為が物体の移し替えであれば、ツール２６としてハンドが考えられる。また、目的実現行為が物体の加工であれば、ツール２６として切削工具や研削工具などが考えられる。

さらに、目的実現行為が医療行為であれば、患者への医療行為を実施する道具がツール２６として考えられる。この医療行為を実施する道具には、歯科医療に用いるドリルユニットを含む。このドリルユニットは、歯科医療に用いる各種のドリルビットと、そのドリルビットを駆動するドリル駆動機構とを有している。なお、ここで言うドリルユニットには、いわゆる歯科用ハンドピースを含む。この歯科用ハンドピースには、ストレート・ギアードアングルハンドピースやコントラハンドピースと称されるものを含む。

このツール２６は、力覚センサ２０を介してハンド取付部１４に設置される。すなわち、ツール２６は、アーム６の先端部に取り付けられる。
基台４０は、アーム６が設置される台である。この基台４０は、保護部４２を有する。

図３に示すように、保護部４２は、凹部４４と、接触センサ４６とを備えている。
凹部４４は、アーム６のハンド取付部１４に取り付けられた力覚センサ２０の力検出部２２及びツール２６を収納する窪みである。この凹部４４の底面及び側面は、当該凹部４４に収納された力検出部２２及びツール２６が非接触となるよう設けられている。

つまり、アーム６のハンド取付部１４に取り付けられた力覚センサ２０の力検出部２２及びツール２６が凹部４４に収納されると、力覚センサ２０の力検出部２２は、凹部４４の底面及び側面との間に空間を有して外部から遮られた状態となる。

なお、凹部４４は、基台４０を刳り抜くことで構成されていてもよい。
接触センサ４６は、物体の接触を検知する周知のセンサである。本実施形態の接触センサ４６は、物体としてのアーム６の先端部との接触を検知するように、保護部４２における凹部４４の周縁に設けられている。

ロボット制御部３０は、制御部３２と記憶部３４とを備え、アーム６の関節アクチュエータ１６を駆動する。
制御部３２は、少なくともＲＯＭ，ＲＡＭ，ＣＰＵを備えた周知のマイクロコンピュータを有した制御装置である。記憶部３４は、情報やデータを記憶する周知の装置である。

記憶部３４には、力覚センサ２０にて検出される力の基準値（即ち、ゼロ点）を設定する初期化処理をロボット制御部３０が実行するための処理プログラムが格納されている。さらに、記憶部３４には、基台４０における保護部４２の位置、例えば、実空間上の座標が記憶されている。
＜１．２ 初期化処理＞
次に、ロボット制御部３０が実行する初期化処理について説明する。

この初期化処理は、ロボット装置１に電力の供給が開始されると起動される。
そして、初期化処理が起動されると、図４に示すように、ロボット制御部３０は、アーム６の先端が基台４０の保護部４２へと移動するように、アーム６を駆動する（Ｓ１１０）。

続いて、ロボット制御部３０は、アーム６の先端が基台４０の保護部４２内に位置しているか否かを判定する（Ｓ１２０）。このＳ１２０での判定の結果、アーム６の先端が保護部４２内に位置していなければ（Ｓ１２０：ＮＯ）、ロボット制御部３０は、初期化処理をＳ１１０へと戻す。そして、ロボット制御部３０は、アーム６の先端が保護部４２内に位置するまでアーム６を駆動する。

一方、Ｓ１２０での判定の結果、アーム６の先端が保護部４２内に位置していれば（Ｓ１２０：ＹＥＳ）、ロボット制御部３０は、保護状態であるものと判断して、初期化処理をＳ１３０へと移行させる。

ここで言う保護状態とは、力覚センサ２０の力検出部２２への負荷が無負荷となる状態である。本実施形態における保護状態とは、力検出部２２との間に空間を有して力検出部２２が外部から遮られた状態である。

具体的に、本実施形態のＳ１２０では、ロボット制御部３０は、次の２つを満たした場合に、保護状態であるものと判断する。
位置検出部１８にて検出されたアーム６の先端位置、即ち、力覚センサ２０の力検出部２２及びツール２６の座標が、保護部４２の凹部４４内であること。

接触センサ４６での検出結果が、保護部４２の凹部４４の周縁にアーム６の先端が接触していることを表していること。
そして、Ｓ１３０では、ロボット制御部３０は、アーム６の駆動を停止する。

続いて、ロボット制御部３０は、力覚センサ２０の検出結果を取得する（Ｓ１４０）。このＳ１４０では、ロボット制御部３０は、具体的には、予め規定された期間の間に、力覚センサ２０で検出された全ての検出結果を取得する。

さらに、初期化処理では、ロボット制御部３０は、ゼロ点調整を実行する（Ｓ１５０）。ゼロ点調整は、保護状態である場合における力覚センサ２０の検出結果の代表値を、力覚センサ２０で検出される力の基準点として設定する処理である。ここで言う代表値とは、力覚センサ２０の検出結果の分布を代表する値であり、例えば、検出結果の分布における平均値であってもよいし、検出結果の分布における中央値であってもよいし、検出結果の分布における最頻値であってもよい。

初期化処理では、続いて、ロボット制御部３０は、目的実現行為を実行するための稼働空間へと、アーム６を移動させる（Ｓ１６０）。
その後、ロボット制御部３０は、初期化処理を終了し、目的実現行為の実行を支援する。

つまり、初期化処理では、力覚センサ２０の力検出部２２への負荷が無負荷（即ち、保護状態）である場合に、力覚センサ２０の検出結果を取得して、力覚センサ２０において検出される力の基準点を設定するゼロ点調整を実行する。
［１．３ 実施形態の効果］
（３ａ） ロボット装置１によれば、保護状態である場合に力覚センサ２０の力検出部２２で検出した力に基づいてゼロ点調整を実行できる。

保護状態では、力覚センサ２０の力検出部２２には、外部からの力が加わらないため、力覚センサ２０で検出される力の基準点を正確に設定できる。
つまり、ロボット装置１において、力覚センサ２０にて検出する力の基準点を正確に設定する技術を提供できる。

（３ｂ） ロボット装置１においては、アーム６のハンド取付部１４に取り付けられた力覚センサ２０の力検出部２２及びツール２６を収納する窪みとして、凹部４４が形成されている。

このため、凹部４４に収納されたツール２６及び力覚センサ２０の力検出部２２は、凹部４４の底面及び側面との間に空間を有して外部から遮られた状態、即ち、保護状態となる。

この結果、ロボット装置１によれば、力覚センサ２０のゼロ点調整を、アーム６にツール２６及び力覚センサ２０を取り付けた状態で実行できる。
（３ｃ） そして、初期化処理においては、保護状態であるものと判断する条件の１つを、アーム６の先端位置が凹部４４内であることとしている。

これにより、ロボット装置１によれば、保護状態であることを正確に検出できる。
（３ｄ） さらに、初期化処理においては、保護状態であるものと判断する条件の１つを、接触センサ４６での検出の結果が、凹部４４の周縁にアーム６の先端が接触していることを表していることとしている。

これにより、ロボット装置１によれば、保護状態であることを、より正確に検出できる。
（３ｅ） 初期化処理におけるゼロ点調整では、保護状態中の規定された期間の間に取得された力覚センサ２０の検出結果の代表値を、力覚センサ２０で検出される力の基準点として設定することがなされている。

このため、ロボット装置１によれば、保護状態である場合における力覚センサ２０の検出結果の代表値を、当該力覚センサ２０にて検出される力の基準点として設定でき、その基準点の設定の精度を高いものとすることができる。
［２．その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。

（２．１） 上記実施形態においては、力覚センサ２０として、外部からの力を計測するセンサを用いていたが、力覚センサ２０は、力を直接計測するセンサに限るものではなく、例えば、加速度を計測する加速度センサを用いてもよいし、力へと変換可能な指標を計測可能なその他のセンサであってもよい。

（２．２） また、上記実施形態においては、接触センサ４６の設置位置を、凹部４４の周縁としていたが、接触センサ４６の設置位置は、これに限るものではなく、例えば、アーム６の先端部において凹部４４の周縁に接触する部位であってもよい。

（２．３） 初期化処理のＳ１２０では、ロボット制御部３０は、位置検出部１８にて検出されたアーム６の先端位置の座標が、保護部４２の凹部４４内であり、かつ、接触センサ４６にてアーム６の先端の接触を検知している場合に、保護状態であるものと判断していた。

しかしながら、Ｓ１２０において、ロボット制御部３０が保護状態であるものと判断する条件は、これに限るものではない。
例えば、ロボット制御部３０は、基台４０における特定の面や、ロボット装置１が設置された空間における特定の面に対して、アーム６の先端位置が空間を有して非接触な状態である場合に、保護状態であるものと判断してもよい。

さらに、ロボット制御部３０は、力覚センサ２０の力検出部２２への負荷が無負荷であることを示す信号を外部から取得した場合に、保護状態であるものと判断してもよい。ここで言う外部とは、利用者が操作するスイッチであってもよいし、ロボット制御部３０に接続された他のコンピュータであってもよい。

（２．４） また、図５に示すように、保護部４２が、基台４０とは別体に形成されたカバーである場合には、初期化処理のＳ１２０では、ロボット制御部３０は、アーム６の先端部に保護部４２が取り付けられたことを示す信号を外部から取得した場合に、保護状態であるものと判断してもよい。なお、ここで言う外部とは、利用者が操作するスイッチであってもよいし、ロボット制御部３０に接続された他のコンピュータであってもよい。

すなわち、ロボット制御部３０は、力覚センサ２０の力検出部２２への負荷が無負荷である状態であれば、どのような状態を保護状態であるものと判断してもよい。
（２．５） 上記実施形態においては、垂直多関節アームを備えた垂直多関節ロボットをロボット装置１としていたが、ロボット装置１は、これに限るものではない。例えば、水平アームを備えた水平多関節ロボットを、ロボット装置１としてもよい。

（２．６） 上記実施形態におけるロボット制御部３０が実行する機能の一部または全部は、一つあるいは複数のＩＣ等によりハードウェア的に構成されていてもよい。
（２．７） 上記実施形態においては、記憶部３４にプログラムが格納されていたが、プログラムを格納する記憶媒体は、これに限るものではなく、半導体メモリなどの非遷移的実体的記憶媒体に格納されていてもよい。

（２．８）また、制御部３２は非遷移的実体的記録媒体に格納されたプログラムを実行する。このプログラムが実行されることで、プログラムに対応する方法が実現される。
（２．９） なお、「特許請求の範囲」及び「課題を解決するための手段」の欄に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

（２．１０） また、上記実施形態の構成の一部を省略した態様も本発明の実施形態である。また、上記実施形態と変形例とを適宜組み合わせて構成される態様も本発明の実施形態である。また、特許請求の範囲に記載した文言によって特定される発明の本質を逸脱しない限度において考え得るあらゆる態様も本発明の実施形態である。

［３． 対応関係］
初期化処理におけるＳ１１０〜Ｓ１５０を実行することで得られる機能が調整部に相当する。

１…ロボット装置 ６…アーム ８…ベース部 １０…上腕部 １２…前腕部 １４…ハンド取付部 １６…関節アクチュエータ １８…位置検出部 ２０…力覚センサ ２２…力検出部 ２６…ツール ３０…ロボット制御部 ３２…制御部 ３４…記憶部 ４０…基台 ４２…保護部 ４４…凹部 ４６…接触センサ

Claims (6)

1. アーム（６）と、
   外部から加わる力を検出する力検出部（２２）を有し、前記アームの先端部に設置された力覚センサ（２０）と、
   前記力覚センサを介して前記アームの先端部に取り付けられるツール（２６）と、
   前記力覚センサの力検出部及び前記ツールを収納する凹部（４４）を有した保護部（４２）と、
   前記力検出部及び前記ツールと前記凹部との間に空間を有して、前記力検出部及び前記ツールが外部から遮られた状態を保護状態とし、前記保護状態である場合の前記力覚センサの検出結果に基づいて、前記力覚センサにおいて検出される力の基準点を設定するゼロ点調整を実行する調整部（３０，Ｓ１１０〜Ｓ１５０）と、
   を備える、ロボット装置（１）。
2. 前記アームの先端の位置を表す先端位置を検出する位置検出部（１８）を備え、
   前記調整部は、
   前記位置検出部で検出した先端位置が、前記保護部が有する凹部内である場合、前記保護状態であるものとする、請求項１に記載のロボット装置。
3. 前記アームの先端部の一部は、前記保護部の凹部の周縁に接触するように構成され、
   物体の接触を検知し、前記保護部における凹部の周縁、または前記アームの先端部の一部の少なくともいずれか一方に設けられる接触センサ（４６）を備え、
   前記調整部は、
   前記接触センサにて物体の接触を検知した場合、前記保護状態であるものとする、請求項２に記載のロボット装置。
4. 前記アームは、基台（４０）に設置される、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載のロボット装置。
5. 前記保護部は、前記基台に設けられている、請求項４に記載のロボット装置。
6. 前記調整部は、
   前記保護状態である場合の前記力覚センサの検出結果の代表値を前記基準点として設定することを、前記ゼロ点調整として実行する、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載のロボット装置。