监视机器人与人的接触力的机器人系统的制作方法

本发明涉及与人共享作业空间地进行作业的人机协作机器人系统。本发明尤其涉及监视机器人与人的接触力而确保人的安全的机器人系统。

背景技术：

产业用机器人中，为了确保人的安全，在机器人的可动区域的周围设置安全栅栏，来限制人进入机器人的可动区域。但是，近年来，相对于代替安全栅栏而进行了能够充分确保人的安全的某些处置的工业用机器人，能够与人共享作业空间地实施作业。因此，这样的机器人、所谓的人机协作机器人的迫切期望日益高涨。

通过使用人机协作机器人系统，人和机器人能够在相同的空间内实施各自的作业、或者人能够对由机器人把持的工件实施作业。但是，在使用人机协作机器人的情况下，由于人和机器人共享作业空间，所以需要防止人与机器人接触而受伤。因此，采用了在机器人臂安装力传感器来监视人与机器人的接触力的方法。更具体而言，当由力传感器检测到超过预定的阈值的接触力时，进行使机器人的动作停止、或者使机器人向减少接触力的方向动作。

此外，为了确保人的安全，日本专利第4650062号公报以及日本专利第3067363号公报中公开了根据机器人周围的温度来控制机器人的动作的技术。

日本专利第4650062号公报中公开了一种机器人控制装置，即，在驱动机器人的多个马达的编码器分别设置温度传感器，并使用各温度传感器的温度数据来修正机器人的定位精度。

并且，日本专利3067363号公报中公开了一种机器人，即，是一种具备感知各种异常状态的多个传感器的能够移动的机器人，作为传感器之一而具备温度传感器，并在温度传感器的测定值超过了预定的值的情况下报告异常。

上述的以往技术中，用于检测接触力的力传感器具备力传感器主体、和粘贴于力传感器主体的电阻式应变仪。而且，将力传感器主体设置于机器人臂， 利用应变仪检测力传感器主体的形变量，从而基于该检测值，对作用于机器人臂的力的方向以及大小进行识别。因此，对于供应变仪粘贴的力传感器主体的材料，选择针对冲击力比较强的材料，一般使用金属。

因此，金属制的力传感器主体的体积有因机器人周围的温度变化而变化的情况。该情况下，因温度变化而引起的力传感器主体的体积变化量被追加至因作用于机器人臂的力而引起的力传感器主体的形变量。

换言之，在机器人周围的温度从第一值变化为第二值的情况下，在各个值的温度中即使对机器人臂作用相同的力，力传感器的检测值有时也会在第一值与第二值之间较大地不同。

尤其是，在人机协作机器人系统中，当由力传感器检测到的接触力超过了预定的阈值时，使机器人的动作停止、或者以减少接触力的方式使机器人动作。因此，理想的是，将上述的阈值设定为尽量小的值，以便在机器人与人的接触时减少对身体的危害。

但是，如上所述，由于针对同一个力的力传感器的检测值根据温度而变化，所以需要把因温度而引起的检测值的变化加入考虑来设定上述的阈值。由此，若不是比力传感器至此检测到的力大的力施加于机器人，则有力传感器无法检测人与机器人已接触的情况的担忧。其结果，产生机器人对人产生危害的危险变高的问题。

此外，日本专利第4650062号公报以及日本专利第3067363号公报中公开了根据机器人周围的温度来控制机器人的动作的方法，但完全没有认识到机器人与人的接触力的检测精度的问题。

技术实现要素：

本发明提供在机器人和人协作地进行作业时能够将机器人对人产生危害的危险抑制为最小限度的机器人系统。

根据本发明的第一方案，提供如下机器人系统：具备机器人、对施加于机器人的负载进行检测的负载检测装置、以及控制机器人的机器人控制装置，其中，负载检测装置内置有检测温度的至少一个温度检测元件，机器人控制装置基于从温度检测元件输出的检测温度来判定是否使机器人的动作停止。

根据本发明的第二方案，提供如下机器人系统：在第一方案的机器人系统 中，机器人控制装置在检测温度超过了第一阈值的情况下，使机器人的动作停止。

根据本发明的第三方案，提供如下机器人系统：在第一方案或者第二方案的机器人系统中，机器人控制装置在检测温度在预定的单位时间的温度上升量是超过第二阈值的量的情况下，使机器人的动作停止。

根据本发明的第四方案，提供如下机器人系统：在第一方案的机器人系统中，负载检测装置内置有多个温度检测元件，机器人控制装置监视从多个温度检测元件中的至少两个温度检测元件输出的检测温度的差是否超过第三阈值，并在该检测温度的差超过了第三阈值的情况下，使机器人的动作停止。

根据本发明的第五方案，提供如下机器人系统：在第四方案的机器人系统中，机器人控制装置在从多个温度检测元件中的至少一个温度检测元件输出的检测温度超过了第一阈值的情况下，使机器人的动作停止。

根据本发明的第六方案，提供如下机器人系统：在第四方案或者第五方案的机器人系统中，机器人控制装置在从多个温度检测元件中的至少一个温度检测元件输出的检测温度在预定的单位时间的温度上升量是超过第二阈值的量的情况下，使机器人的动作停止。

根据本发明的第七方案，提供如下机器人系统：在第四方案或者第五方案的机器人系统中，多个温度检测元件包括种类不同的至少两个温度检测元件。

根据附图所示的本发明的典型的实施方式的详细说明，本发明的上述目的、特征以及优点、其它的目的、特征以及优点会变得更加明确。

附图说明

图1是第一实施方式的人机协作机器人系统的侧视图。

图2是表示图1所示的人机协作机器人系统的机器人控制装置的构成要素的框图。

图3A是第三实施方式的力传感器的立体图。

图3B是图3A中的由点线X围起的部分的放大图。

图3C是图3A所示的力传感器的侧视图。

图4A是第四实施方式的力传感器的立体图。

图4B是图4A中的由点线X围起的部分的放大图。

图4C是图4A所示的力传感器的侧视图。

具体实施方式

接下来，参照附图对本发明的实施方式进行说明。以下的附图中，对于相同的部件标注相同的符号。为了使理解容易，这些附图中适当地变更比例尺。

(第一实施方式)

图1表示了第一实施方式的人机协作机器人系统的侧视图。图1所示的人机协作机器人系统1中，人9和机器人10为了进行协作作业而相互接近。

机器人10是垂直多关节型机械手。为了将机器人10设置于地板部L，而在地板部L上固定有固定板11。而且，在固定板11上配置力传感器12，另外在力传感器12上配置有机器人10的机器人基体13。

力传感器12被用作对施加于机器人10的负载进行检测的负载检测装置。在力传感器12内包括有对因外力而产生的力传感器12的形变进行检测的形变检测器，例如是应变仪，尤其是半导体应变仪。更具体而言，力传感器12具备力传感器主体、和粘贴于力传感器主体的应变仪。这样的力传感器12测量作用于机器人10的外力并输出外力测量值。此外，力传感器12也可以安装于机器人基体13、或者机器人10的其它的部分、例如机器人臂14间的关节部。

另外，力传感器12内置有多个温度检测元件、例如温度传感器(参照图3A、图4A等)。

在机器人10的机器人臂14的前端安装有机器人腕部凸缘15。在机器人腕部凸缘15的前端设有把持手16。机器人10的把持手16对处于预定的位置的工件W进行把持，并且机器人10使工件W移动至目的的场所，之后释放工件W。

如图1所示，在机器人10的附近设置有对人9进行检测的人检测部18。人检测部18是区域传感器，形成二维的检测区域19。而且，人检测部18确认人9或者其它的障碍物是否处于检测区域19。此外，人检测部18与机器人控制装置20连接。

另外，机器人10与机器人控制装置20连接。机器人控制装置20是数字计算机，对机器人10的动作进行控制。

图2是表示第一实施方式的机器人控制装置20内的结构的框图。

参照图2，机器人控制装置20包括：对力传感器12所输出的外力测量值进行监视的外力测量值状态监视部21；从力传感器12所输出的外力测量值减去修正值而计算力检测值的力检测值计算部22；以及总是对力检测值计算部22所输出的力检测值的状态进行监视的力检测值状态监视部23。

机器人控制装置20还具备机器人动作控制部24和机器人内马达控制部25。

机器人动作控制部24总是一边比较机器人10的动作状态例如停止状态、加速状态、减速状态、恒定速度运动状态等与力检测值状态监视部23所正在监视的力检测值的状态，一边使机器人10动作。

机器人内马达控制部25根据来自机器人动作控制部24的指令，来对机器人10的各轴的马达(未图示)进行控制。并且，与机器人控制装置20连接的输出部29在需要的情况下输出警报。

另外，机器人控制装置20的力检测值状态监视部23包括修正值更新部31、力检测值存储部32、更新允许部33、机器人停止部34、以及力检测值用阈值变更部35。

修正值更新部31更新预定的条件成立时的力检测值来作为力检测值计算部22计算力检测值时的修正值。修正值更新部31进行的修正值的更新处理能够被称为力传感器12的复位。上述的预定的条件中包括由人检测部18检测到在机器人10附近不存在人9的情况。

力检测值存储部32对上述的预定的条件成立时的力检测值进行存储。此外，力检测值存储部32也可以在预定的条件成立了的情况下，每当力检测值计算部22计算力检测值时就依次存储力检测值。

在由人检测部18检测到在机器人10附近不存在人9的情况下，更新允许部33允许修正值更新部31进行的修正值的更新处理。

在由修正值更新部31更新后的力检测值超过停止用阈值的情况下，机器人停止部34使机器人10减速或者停止。此外，机器人停止部34也可以被包括在机器人控制装置20的机器人动作控制部24内。

力检测值用阈值变更部35根据从由修正值更新部31更新修正值后起的经过时间来变更力检测值用阈值。例如，在使机器人10的动作开始后在预定时 间的期间有时力检测值不稳定，该情况下，将力检测值用阈值设定为第一值，并且若经过了预定时间则将力检测用阈值变更为第二值。

并且，机器人控制装置20的外力测量值状态监视部21包括故障判定部36。该故障判定部36监视力传感器12所包括的形变检测器所检测到的形变量是否在预定的适当范围内，在不在该适当范围内的情况下，判定为力传感器12故障、或者检测到异常的形变量。

机器人控制装置20的温度状态监视部37还包括故障判定部38。该故障判定部38监视力传感器12所包括的温度检测元件、即温度传感器所检测到的温度是否满足预定的判定基准，在不满足预定的判定基准的情况下，判定为温度传感器故障、或者检测到异常的温度。

在故障判定部36、38中的至少一方被判定为故障或者异常的情况下，机器人控制装置20使机器人10立即停止，并且与机器人控制装置20连接的输出部29输出警报。作为警报，能够单独地使用光、声音、以及语音等、或者任意地组合来使用。

另外，第一实施方式中，将温度状态监视部37的故障判定部38中的判定基准设定为45℃。由此，在从力传感器12内的温度传感器输出的检测温度超过了45℃的情况下，故障判定部38使机器人10立即停止。

也就是说，由开发者预先通过实验等计算机器人10对人产生危害的危险变高的温度值，并将该计算出的温度值作为温度状态监视部37的故障判定部38的判定基准。而且，当由力传感器12内的温度传感器检测到的温度超过了判定基准的温度时，机器人10立即停止，从而能够将对人产生危害的危险抑制为最小限度。

(第二实施方式)

接下来，对第二实施方式进行说明。其中，在包括第二实施方式的以下的各实施方式中，对与第一实施方式相同的构成要素使用同一的符号，以与第一实施方式不同的点为主进行说明。

第二实施方式中，相对于第一实施方式，温度状态监视部37的故障判定部38根据从力传感器12内的温度传感器输出的检测温度来计算预定的单位时间的温度上升量。之后，故障判定部38判定该温度上升量是否超过预定的阈 值，在超过了预定的阈值的情况下，使机器人10立即停止。

例如，上述的预定的时间是1分钟，当在该1分钟内从力传感器12的温度传感器输出的检测温度的上升量超过了1℃的情况下，故障判定部38使机器人10立即停止。

也就是说，对于同一个力的力传感器12的外力测定值有时会根据机器人10周围的温度而较大地变化。因此，在从力传感器12内的温度传感器输出的检测温度在1分钟内上升了1℃的情况下，能够判断出成为不可信赖力传感器12的外力测定值的状况。例如，当力传感器12内的温度传感器产生了某些异常、或者因某些重要因素而在力传感器12附近产生了高温的热源时，无法确保力传感器12的检测精度。第二实施方式中，若成为这样的无法确保力传感器12的检测精度的状态，则立即使机器人10的动作停止，从而能够将对人产生危害的危险抑制为最小限度。

(第三实施方式)

接下来，对第三实施方式进行说明。图3A是第三实施方式的力传感器12的立体图，图3B是图3A中的由点线X围起的部分的放大图，图3C是图3A所示的力传感器12的侧视图。

如图3A所示，力传感器12具备力传感器主体200、以及分别粘贴于力传感器主体200的多个负载检测要素、例如应变仪212、222。另外，如图3B所示，力传感器12具有多个被负载检测部211、221，在第一被负载检测部211中，在一个应变仪212的近端配置有两个温度传感器213、214。同样，在第二被负载检测部221中，在一个应变仪222的近端配置有两个温度传感器223、224。此外，对于两个温度传感器213、214(或者223、224)的配置场所而言，也可以代替图3B所示的场所而在将应变仪212(或者222)夹在之间的两个场所配置两个温度传感器。

另外，作为配置于第一被负载检测部211的两个温度传感器213、214，使用相同类型的温度传感器。因此，配置于第一被负载检测部211的两个温度传感器213、214在正常的状态下输出相同的检测温度。同样，配置于第二被负载检测部221的两个温度传感器223、224也使用相同类型的温度传感器。因此，配置于第二被负载检测部221的两个温度传感器223、224在正常的状 态下输出大致相同的检测温度。换言之，若从相同类型的温度传感器输出的检测温度不同为温度传感器的个体差所引起的差以上，则至少一个温度传感器被置于异常的环境下、或者处于故障的状态。

因此，图2所示的温度状态监视部37监视配置于各个被负载检测部211(或者221)的两个温度传感器213、214(或者223、224)的检测值的差是否超过预定的阈值。而且，在上述两个温度传感器的检测值的差超过了预定的阈值、例如2℃的情况下，温度状态监视部37的故障判定部38使机器人10立即停止。

如上所述，通过在各个被负载检测部211(或者221)设置相同类型的多个温度传感器213、214(或者223、224)，能够根据各被负载检测部211、221的更加细微的温度变化来使机器人10的动作停止。因此，第三实施方式与第二实施方式相比，能够进一步提高对人的安全性。

此外，由于力传感器主体200需要相对于冲击力较强，所以其材料使用金属。而且，如图3A以及图3C所示，力传感器主体200形成为使环状部件200a和圆板状部件200b对置、并通过四根柱部201将它们相互连结而成那样的形状。该实施方式中，柱部201是四根，但当然不一定必需是四根。当环状部件200a和圆板状部件200b相对地移动时，柱部201变形。因此，第三实施方式中，在柱部201的垂直面设有被负载检测部211，并在柱部201的水平面设有被负载检测部221。并且，通过将图3B所示的被负载检测部211、221如图3A所示地分别设于四根柱部201，也能够对力传感器主体200的局部的温度上升进行检测。

另外，在将第三实施方式的力传感器12用于机器人10(参照图1)的情况下，将环状部件200a固定于机器人基体13，并将圆板状部件200b固定于固定板11即可。

并且，第三实施方式中，也可以在从配置于各个被负载检测部211(或者221)的多个温度传感器213、214(或者223、224)中的至少一个输出来的检测温度超过了45℃的情况下，故障判定部38使机器人10立即停止。也就是说，在内置于力传感器12的多个温度传感器中的一个示出了异常的温度的情况下，判断为任一温度传感器故障了的可能性较高，使机器人10立即停止。 或者，在多个温度传感器示出了异常的温度的情况下，判断为周围温度过高而成为无法进行正常的力检测的状况，使机器人10立即停止。因此，即使是为了得到详细的外力而力传感器12具备多个被荷重检测部211、221的人机协作机器人系统1，也能够将对人产生危害的危险抑制为最小限度。

另外，第三实施方式中，也可以在从配置于各个被负载检测部211(或者221)的多个温度传感器213、214(或者223、224)中的至少一个输出的检测温度在1分钟内的上升量超过了1℃的情况下，故障判定部38使机器人10立即停止。通过像这样基于位于力传感器12内的多个温度传感器的检测温度来控制机器人10，能够将对人产生危害的危险抑制为最小限度。

(第四实施方式)

接下来，对第四实施方式进行说明。图4A是第四实施方式的力传感器12的立体图，图4B是图4A中的由点线X围起的部分的放大图，图4C是图4A所示的力传感器12的侧视图。

第四实施方式的力传感器12在力传感器主体200的柱部201设有多个被负载检测部311、321，这一点与第三实施方式相同。第四实施方式中，与第三实施方式相比，设置于各个负载检测部311、321的温度传感器的个数以及耐环境性能不同。

具体而言，如图4B所示，在一个被负载检测部311(或者321)中，在一个应变仪312(或者322)的近端配置有四个温度传感器313、314、315、316(或者323、324、325、326)。此外，如图4A以及图4B所示，四个温度传感器313、314、315、316(或者323、324、325、326)以包围应变仪312(或者322)的方式配置。

另外，第一被负载检测部311内的四个温度传感器313、314、315、316中的两个温度传感器313、314是具有耐水性或者耐油性的相同类型的温度传感器。剩余的两个温度传感器315、316是具有耐热性的相同类型的温度传感器。同样，第二被负载检测部321内的四个温度传感器323、324、325、326中的两个温度传感器323、324是具有耐水性或者耐油性的相同类型的温度传感器。剩余的两个温度传感器325、326是具有耐热性的相同类型的温度传感器。此外，上述的第三实施方式中，图3B所示的两个温度传感器213、214 (或者223、224)可以是相同类型的温度传感器，也可以是不同类型的温度传感器。

通过像这样设置耐水、耐油、耐热等耐环境性不同的至少两种的温度传感器，从而力传感器12在各种环境中总是能够进行稳定的力检测。由此，能够针对各种环境提供安全性高的人机协作机器人系统。此外，作为具有耐环境性的温度传感器，除了具有上述的耐水、耐油、或者耐热的温度传感器之外，还可以使用具备防尘或者耐冲击的温度传感器。

并且，作为温度传感器，有使用直接检测力传感器主体200的温度的热电偶类型的温度传感器。该情况下，作为多个温度传感器中的至少一个温度传感器，优选使用非接触类型、例如接受红外线能量来检测温度的类型。

热电偶类型的温度传感器有因某些重要因素而从力传感器主体200剥离、不能发挥温度传感器的功能的可能性。与此相对，由于非接触类型的温度传感器不需要与力传感器主体200直接接触，所以不会产生温度传感器的剥离等问题。一般地，由于非接触类型的温度传感器非常昂贵，所以若使全部的温度传感器为非接触类型则成本上升。但是，通过在多个温度传感器中的一部分中使用非接触类型，能够降低成本。

此外，上述的各实施方式中，示出了将应变仪用作负载检测要素的例子，但能够应用于本发明的负载检测要素不限定于应变仪。若是具备存在检测值因周围温度的变化而变动的可能性的负载检测要素的产业用机器人，则在任意产业用机器人中都能够应用本发明。

并且，以上，作为机器人10图示垂直多关节型机械手来对本发明进行了说明，但本发明不限定于这样的机械手，也能够应用于直角坐标机器人、圆筒坐标机器人、以及极坐标机器人。

另外，以上示出了典型的实施方式，但本发明不限定于上述的实施方式，在不脱离本发明的思想的范围内能够将上述的实施方式变更为各种方式、构造或材料等。

发明的方式的效果如下。

根据本发明的第一方式，在对施加于机器人的负载进行检测的负载检测装置内置有温度检测元件。而且，机器人控制装置基于从温度检测元件输出的检 测温度，判定是否使机器人的动作停止。因此，在负载检测装置的检测值有因周围温度的变化而变动的可能性的情况下，能够考虑机器人对人产生危害的危险而使机器人停止。由此，在人机协作机器人系统中能够提高作为最重要的功能的安全性。

根据本发明的第二方式，在从温度检测元件输出的检测温度超过第一阈值的情况下，机器人控制装置使机器人的动作停止。因此，若将该第一阈值设定为机器人对人产生危害的危险变高的温度值，则能够使这样的危险为最小限度。

根据本发明的第三方式，在温度检测元件的检测温度在预定的时间内的温度上升量是超过第二阈值的量的情况下，机器人控制装置使机器人的动作停止。也就是说，在因机器人周围的急剧的温度上升而负载检测装置的检测值变得不正确的情况下，机器人对人产生危害的危险变高。这样的情况下，能够立即停止机器人的动作，从而能够使对人产生危害的危险为最小限度。

根据本发明的第四方式，在负载检测装置内置有多个温度检测元件，在从这些温度检测元件中的至少两个温度检测元件输出的检测温度的差超过了第三阈值的情况下，判断为使机器人的动作停止。由此，在任一温度检测元件存在异常的情况下能够停止机器人的动作，从而能够进一步提高对人的安全性。

根据本发明的第五方式，在第四方式中，在从内置于负载检测装置的多个温度检测元件中的至少一个温度检测元件输出的检测温度超过第一阈值的情况下，也停止机器人的动作。因此，相对于第四方式能够进一步提高对人的安全性。

根据本发明的第六方式，在第四方式或者第五方式中，在因机器人周围的急剧的温度上升而负载检测装置的检测值变得不正确的情况下，能够立即停止机器人的动作，从而能够进一步提高对人的安全性。

根据本发明的第七方式，内置于负载检测装置的多个温度检测元件包括种类不同的至少两个温度检测元件。由此，负载检测装置在各种环境中总是能够进行稳定的力检测。另外，通过在机器人设置这样的负载检测装置，能够针对各种环境提供安全性高的人机协作机器人系统。