机器人控制装置、机器人系统及其方法技术领域
本发明涉及一种控制与人协作地搬运物体的机器人的机器人控制装置、机器人系
统及其方法。
背景技术
已知一种人与机器人协作地搬运物体的机器人系统(例如，日本特开2000-176872
号公报、日本特开2000-343470号公报以及日本专利第4445038号公报)。
一般，对每个机器人决定可通过机器人搬运的物体的容许重量。在本技术领域中，
要求能够不超过机器人的容许重量地搬运各种物体的技术。
发明内容
在本发明的一个方式中，控制与人协作地搬运物体的机器人的机器人控制装置，
具备：力取得部，其取得在拿起物体时从该物体向机器人施加的力；比较部，其比较力取得
部取得的力的重力方向的力成分与针对该力成分预先决定的第1阈值；以及停止指令部，其
在力成分大于第1阈值时，使机器人停止。
机器人控制装置还可以具备：动作指令部，其在力成分为第1阈值以下时，生成用
于搬运物体的对机器人的动作指令，并将该动作指令发送给该机器人。
在力成分为比第1阈值小的第2阈值以下时，动作指令部生成用于在与重力方向相
反的方向上搬运物体的动作指令。
在力成分为第1阈值以下，且为比该第1阈值小的第2阈值以上时，动作指令部生成
用于在重力方向上搬运物体的动作指令。
在力成分小于比第1阈值小的第2阈值时，停止指令部使机器人停止。动作指令部
生成用于根据力取得部取得的力的、与重力方向交差的方向的力成分而向交差的方向搬运
物体的动作指令。
在力取得部取得的力的水平方向的力成分大于针对该水平方向的力成分预先设
定的阈值时，停止指令部使机器人停止。
在本发明的另一个方式中，机器人系统具备：机器人；以及控制机器人的机器人控
制装置。机器人具有：力检测部，其检测在该机器人拿起物体时从该物体向该机器人施加的
力。
在本发明的又一个方式中，对与人协作地搬运物体的机器人进行控制的方法具备
如下步骤：检测在机器人拿起物体时从该物体向该机器人施加的力；比较检测出的力的重
力方向的力成分与针对该力成分预先决定的阈值；以及在力成分大于阈值时，使机器人停
止。
附图说明
一边参照附图一边对以下的优选实施方式进行说明，从而使本发明的上述或其他
目的、特征以及优点变得更加明确。
图1是本发明的一实施方式的机器人系统的图。
图2是图1所示的机器人系统的框图。
图3是表示图1所示的机器人系统的动作流程的一例的框图。
图4是表示机器人与作业员协作地保持工件的状态的图。
图5是表示力取得部取得的力的重力方向的力成分的时间变化特性的例子的图
表。
图6是表示使用者从工件松开手时的、重力方向的力成分的时间变化特性的例子
的图表。
图7是表示在机器人与作业员协作地搬运工件时，障碍物碰撞到工件的状态的图。
图8是表示如图7所示障碍物从工件的下方发生了碰撞时的重力方向的力成分的
时间变化特性的例子的图表。
图9是表示在机器人与作业员协作地搬运工件时，障碍物碰撞到工件的状态的图。
图10是表示如图9所示障碍物从工件的侧方发生了碰撞时的水平方向的力成分的
时间变化特性的例子的图表。
图11是表示图1所示的机器人系统的动作流程的另一例的框图。
图12表示在图11中的步骤S21中判定为“是”时的重力方向的力成分的时间变化特
性的例子。
图13表示在图11中的步骤S23中判定为“是”时的重力方向的力成分的时间变化特
性的例子。
图14表示在图11中的步骤S25中判定为“是”时的水平方向的力成分的时间变化特
性的例子。
具体实施方式
以下，根据附图详细地说明本发明的实施方式。首先，参照图1和图2对本发明的一
实施方式的机器人系统10进行说明。机器人系统10与作业员A协作地搬运作为物体的工件
W。
机器人系统10具备：机器人12和控制该机器人12的机器人控制装置50。机器人12
例如为垂直多关节机器人，具备：机器人基座14、旋转体16、机器人臂部18、机器人手部20以
及力检测部22。
机器人基座14被固定在工作单元的地面上。旋转体16以可绕铅垂轴旋转地安装在
机器人基座14上。机器人臂部18具有：可转动地安装在旋转体16上的后臂部24和可转动地
安装在该后臂部24的前端的前臂部26。
机器人手部20经由手腕部28安装在前臂部26的前端。机器人手部20具有可开闭的
多个指部30，能够把持、释放工件W。
力检测部22被设置于手腕部28中。在本实施方式中，力检测部22具有6轴力觉传感
器，例如，能够检测图1中的x轴、y轴和z轴方向的载荷、以及绕x轴、y轴和z轴的力矩
(moment)。力检测部22将检测出的与力(即，载荷以及力矩)相关的数据发送给机器人控制
装置50。
如图2所示，机器人12具有多个伺服电动机32。伺服电动机32内置于旋转体16、机
器人臂部18、手腕部28以及机器人手部20中，根据来自机器人控制装置50的指令，使这些要
素动作。
机器人控制装置50具备：CPU(中央运算处理装置)52、存储部54以及力取得部56。
存储部54和力取得部56经由总线与CPU52连接。
存储部54由例如EEPROM(注册商标)等这样的可电擦除/记录的非易失性存储器，
或例如DRAM、SRAM等这样的可高速读写的随机存取存储器构成。存储部54记录使机器人12
动作所需要的常数、变量以及机器人程序等。
力取得部56包括A/D转换器等，接受从力检测部22发送的与力相关的数据。CPU52
将力取得部56取得的与力相关的数据存储在存储部54中。
在本实施方式中，CPU52承担比较部58、停止指令部60以及动作指令部62的功能。
另外，对于比较部58、停止指令部60以及动作指令部62的功能，在后面叙述。
接着，参照图3～图10对机器人系统10的动作流程的一实施方式进行说明。在
CPU52从使用者、上位控制器、或程序等接受到搬运工件W的指令时，开始图3所示的流程。
在步骤S1中，CPU52开始检测向机器人12施加的力。具体地，CPU52向力检测部22发
送力检测指令。当力检测部22接收力检测指令时，则以周期τ(例如，1秒)检测在设置有该力
检测部22的部位作用的力(即，x轴、y轴和z轴方向的载荷，以及绕x轴、y轴和z轴的力矩)。
力检测部22将检测出的与力相关的数据发送给机器人控制装置50。力取得部56以
周期τ从力检测部22接收与力相关的数据。CPU52将力取得部56取得的与力相关的数据依次
存储在存储部54中。
在步骤S2中，CPU52使机器人12动作，拿起工件W。具体地，CPU52向内置于机器人12
中的伺服电动机32发送指令，把持设置于预先设定的场所B(图1)的工件W，并拿起该工件W。
本实施方式的机器人12与人协作地搬运具有各种重量的各种工件W。在此，在机器
人12中决定能够搬运的物体的容许重量。假设当搬运超过该容许重量的工件W时，则机器人
12发生故障的可能性增加。
因此，本实施方式的机器人12当在步骤S2中拿起了工件W时，判定是否向机器人12
施加了超过容许重量的载荷。
在步骤S3中，CPU52判定在步骤S2中拿起工件W时从该工件W向机器人施加的力F的
重力方向的力成分Fg是否大于预先决定的阈值α。
具体地，CPU52根据最近力取得部56取得的与力相关的数据，计算从工件W向机器
人手部20施加的力F中在重力方向上作用的力成分Fg。
该力成分Fg为当机器人手部20拿起了工件W时因该工件W的重量而向机器人手部
20施加的力，例如包括重力方向的载荷或绕水平轴的力矩。
CPU52比较计算出的力成分Fg与针对该力成分Fg预先设定的阈值α(第1阈值)。在力
成分Fg大于阈值α的情况下，CPU52判定为“是”，并向步骤S4前进。另一方面，在力成分Fg为阈
值α以下的情况下，CPU52判定为“否”，并向步骤S6前进。
这样，在本实施方式中，CPU52作为比较力成分Fg与阈值α的比较部58发挥功能。另
外，与容许重量相关地来决定阈值α(例如，α＝容许重量×重力加速度)，并将其预先存储在
存储部54中。
在步骤S4中，CPU52向使用者报告工件W的重量超过了机器人12的容许重量的意
思。作为一例，CPU52生成“超过了容许重量。请辅助工件W的搬运”的图像信号或声音信号。
然后，CPU52经由与机器人控制装置50连接的显示部或扬声器(未图示)，向使用者输出图像
或声音。
使用者在通过步骤S4识别出超过机器人12的容许重量的意思的情况下，如图4所
示，从下方用手支撑工件W。这样，如图5所示，向机器人手部20施加的力成分Fg急剧下降。
在本实施方式中，在后述的步骤S5中，CPU52检测如图5所示那样的力成分Fg的下
降，在检测出该力成分Fg的下降时，在后述的步骤S6中，开始基于机器人12的工件W的搬运
动作。
在步骤S5中，CPU52判定力成分Fg是否为阈值α以下。具体地，CPU52根据最近力取
得部56取得的与力相关的数据来计算力成分Fg。
在力成分Fg为阈值α以下的情况下，CPU52判定为“是”，并向步骤S6前进。另一方
面，在成分Fg大于阈值α的情况下，CPU52判定为“否”，并返回到步骤S4，再次向使用者报告
需要辅助工件W的搬运的意思。
这样，CPU52能够检测通过作业者A支撑工件W而导致力成分Fg如图5所示地下降这
一情况。
在步骤S6中，CPU52使机器人12动作，与人协作地移动工件W。在本实施方式中，
CPU52按照存储在存储部54中的机器人程序，生成对机器人12的用于搬运工件W的动作指
令。
然后，CPU52将所生成的该动作指令发送给内置于机器人12中的伺服电动机32。由
此，机器人12按照机器人程序而动作，与人协作地将工件W从场所B搬运至预先决定的目的
场所。
这样，在本实施方式中，CPU52在力成分Fg为阈值α以下时，作为生成对机器人12的
动作指令并进行发送的动作指令部62发挥功能。
另外，可以通过向机器人12示教用于将工件W从场所B移动至目的场所的该机器人
12的动作路径等，来构筑上述的机器人程序。
在步骤S6中，当机器人12与作业者A协作地搬运工件W时，有时作业员A会因不注意
而从工件W松开手。在该情况下，如图6所示，力成分Fg急剧上升，再次超过阈值α。因此，在实
施方式中，CPU52在步骤S6的执行中，在以下的步骤S7中监视力成分Fg是否超过了阈值α。
在步骤S7中，CPU52判定最近取得的力F的力成分Fg是否大于阈值α。具体地，CPU52
计算力取得部56最近取得的力F的力成分Fg。
然后，CPU52作为比较部58发挥作用，比较计算出的力成分Fg与阈值α。在力成分Fg
大于阈值α的情况下，CPU52判定为“是”，并向步骤S8前进。另一方面，在成分Fg为阈值α以下
的情况下，CPU52判定为“否”，并向步骤S9前进。
在步骤S7中判定为“是”的情况下，在步骤S8中，CPU52停止机器人12的动作。具体
地，CPU52生成用于停止内置于机器人12中的伺服电动机32的指令，并发送给该伺服电动机
32。由此，使机器人12的动作停止。
这样，在本实施方式中，CPU52在力成分Fg大于阈值α时，作为停止机器人12的停止
指令部60发挥功能。在执行了步骤S8后，CPU52返回到步骤S4，再次向使用者报告需要辅助
工件W的搬运的意思。
在步骤S7中判定为“否”的情况下，在步骤S9中，CPU52判定最近取得的力F的力成
分Fg是否小于阈值β，或最近取得的力F的水平方向的成分Fh是否大于阈值γ。
以下，参照图7～图9对该步骤S9进行说明。在步骤S6中，当机器人12和作业员A搬
运工件W时，如图7所示，有可能障碍物C从工件W的下方发生碰撞。
在该情况下，作业员A的身体(例如，手指)被夹在障碍物C与工件W(或机器人12)之
间，作业员A有可能受伤。如图7所示，在障碍物C从工件W的下方发生了碰撞的情况下，如图8
所示，力成分Fg急剧下降。
此外，在步骤S6中，当机器人12和作业员A搬运工件W时，如图9所示，有可能障碍物
D从工件W的侧方发生碰撞。在该情况下，作业员A的身体被夹在障碍物D与工件W(或机器人
12)之间，作业员A也有可能受伤。
如图9所示，在障碍物D从工件W的侧方发生了碰撞的情况下，如图10所示，从工件W
向机器人施加的力F的水平方向的力成分Fh急剧上升。
因此，在本实施方式中，CPU52为了监视如图8所示那样的力成分Fg的下降以及如
图10所示那样的力成分Fh的上升，在步骤S9中，判定力成分Fg是否大于阈值β，或力F的水平
方向的成分Fh是否大于阈值γ。
具体地，CPU52计算力取得部5最近(最新most-recently)取得的力的力成分Fg。然
后，CPU52判定计算出的力成分Fg是否小于阈值β。该阈值β被使用者预先决定为小于上述阈
值α的值(即，α＞β)，并存储在存储部54中。
另一方面，CPU52根据力取得部56最近取得的与力相关的数据来计算力F的水平方
向的力成分Fh。然后，CPU52判定计算出的力成分Fh是否大于阈值γ。该阈值γ由使用者预先
决定，并存储在存储部54中。
在力成分Fg小于阈值β(即，Fg＜β)，或力成分Fh大于阈值γ(即，Fh＞γ)的情况下，
CPU52判定为“是”，并向步骤S10前进。
另一方面，在力成分Fg为阈值β以上(即，Fg≥β)，且力成分Fh为阈值γ以下(即，Fh
≤γ)的情况下，CPU52判定为“否”，并向步骤S11前进。
在步骤S9中判定为“是”的情况下，在步骤S10中与上述的步骤S8同样地，CPU52使
机器人12的动作停止，并结束图3所示的流程。
另一方面，在步骤S9中判定为“否”的情况下，在步骤S11中，CPU52判定是否将工件
W移动到了目的场所。例如，CPU52根据来自设定在各伺服电动机32中的编码器(未图示)的
信号，判定是否使各伺服电动机32以机器人程序规定的转速恰当地进行了转动。
CPU52在判定为将工件W移动到了目的场所(即，“是”)的情况下，向步骤S12前进。
另一方面，CPU52在判定为未将工件W移动至目的场所(即，“否”)的情况下，返回到步骤S7。
在步骤S12中，CPU52向内置于机器人手部20中的伺服电动机32发送指令，打开指
部30，释放所把持的工件W。这样，通过机器人12和作业员A 的协作，将工件W从场所B搬运至
目的场所。
在步骤S13中，CPU52判定由使用者指定的全部的工件W的搬运作业是否完成。
CPU52在判定为全部的工件W的搬运作业完成(即，“是”)的情况下，结束图3所示的流程。另
一方面，CPU52在判定为残留有应搬运的工件W(即，“否”)的情况下，返回到步骤S2，执行下
一个工件W的搬运作业。
如上所述，在本实施方式中，CPU52在步骤S6的执行中，监视从工件W向机器人12施
加的力成分Fg，在检测到超过了机器人12的容许重量时(步骤S7中为“是”)，停止机器人的
动作。根据该结构，能够防止向机器人施加超过容许重量的载荷的同时，能够搬运具有各种
重量的各种工件W。
此外，根据本实施方式，通过在相当于容许重量的值以下的范围内适当地设定阈
值α的值，能够适当地调整机器人12和作业员A之间的重量的分担比例。由此，能够灵活地应
对更广范围的种类的工件W的搬运作业。
此外，根据本实施方式，除了图1所示那样的块状的工件W外，还可以应对细长形状
等各种形状的工件W的搬运。
此外，在本实施方式中，通过在步骤S6的执行中监视力成分Fg和Fh，由此检测在工
件W的搬运中碰撞到障碍物C、D这一情况(步骤S9)，在检测到障碍物C、D的碰撞时，立即停止
机器人12。通过该结构，能够确实地防止在工件W的搬运中作业员A因障碍物C、D而受伤。
此外，在本实施方式中，CPU52在机器人12拿起了工件W(步骤S2)后，检测出对机器
人12施加了超过容许重量的载荷时(步骤S3中为“是”)，向使用者报告该意旨。通过该结构，
使用者能够自动且直观地识别需要对机器人12的工件W的搬运作业进行辅助。
此外，在步骤S3中判定为“是”的情况下，CPU52在检测出作业者A支撑了工件W(步
骤S5中为“是”)之前，不开始机器人12的工件W的搬运动作。通过该结构，能够确实地防止向
机器人12施加超过容许重量的载荷。
接着，参照图11～图14对机器人系统10的动作流程的另一个实施方式进行说明。
另外，在图11所示的流程中，对与上述图3所示的流程同样的步骤赋予相同的步骤编号，省
略详细的说明。
在本实施方式中，CPU52在检测出作业员A支撑了工件W的情况下(即，步骤S5中为
“是”)，以向作业员A对工件W施加的力的方向搬运工件W的方式来控制机器人12。
具体地，CPU52在步骤S5中判定为“是”的情况下，并行执行以下的步骤S21和S25。
在步骤S21中，CPU52判定最近取得的力F的力成分Fg是否为预先决定的阈值δ以
上。该阈值δ被使用者预先决定为小于上述阈值α的值(即，α＞δ)，并存储在存储部54中。
在力成分Fg为阈值δ以上的情况下，CPU52判定为“是”，并向步骤S22前进。另一方
面，在成分Fg小于阈值δ的情况下，CPU52判定为“否”，并向步骤S23前进。
在此，图12表示在步骤S21中判定为“是”时的成分Fg的时间变化特性的例子。在该
例子中，作业员A在时刻t1进行从下方支撑工件W的动作，由此成分Fg减少。
之后，作业员A在时刻t2使支撑工件W的手在重力方向上稍微下降，使从下方支撑
工件W的力变弱。其结果，成分Fg从时刻t2开始急剧上升，成为阈值δ与阈值α之间的值。
CPU52检测这样的作业员A进行的工件W的下降动作(即，成分Fg的上升)，在步骤
S22中，通过机器人12使工件W在重力方向上移动以便追随于该动作。
在步骤S22中，CPU52使机器人12动作，使工件W在重力方向上移动。具体地，CPU52
生成用于在重力方向上搬运工件W的动作指令。
然后，CPU52将所生成的该动作指令发送给内置于机器人12中的伺服电动机32。由
此，机器人12使工件W在重力方向上移动，以便追随于作业员A使工件W下降的动作。
另一方面，在步骤S21中判定为“否”的情况下，在步骤S23中，CPU52判定最近取得
的力F的力成分Fg是否在上述阈值β与阈值ε之间(即，ε≥Fg≥β)。该阈值ε被使用者预先决定
为小于阈值α、且大于阈值β的值(即，α＞ε＞β)，并存储在存储部54中。
在力成分Fg在阈值β与阈值ε之间的情况下，CPU52判定为“是”，并向步骤S24前进。
另一方面，在成分Fg不在阈值β与阈值ε之间(即，Fg＞ε，或β＞Fg)的情况下，CPU52判定为
“否”，并向步骤S7前进。
在此，图13表示在步骤S23中判定为“是”时的成分Fg的时间变化特性的例子。在该
例子中，作业员A在时刻t1进行从下方支撑工件W的动作，由此成分Fg减少。
之后，作业员A在时刻t3进行一边从下方支撑工件W、一边以预定力向与重力方向
相反的垂直上方拿起该工件W的动作。由此，通过力检测部22检测出的力F的重力方向的成
分Fg从时刻t3开始急剧下降，成为阈值β与阈值ε之间的值。
CPU52检测这样的作业员A进行的工件W的拿起动作(即，成分Fg的下降)，在步骤
S24中，通过机器人12使工件W向垂直上方移动，以便追随于该动作。
在步骤S24中，CPU52使机器人12动作而使工件W向垂直上方移动。具体地，CPU52生
成用于使工件W向垂直上方移动的动作指令。
然后，CPU52将所生成的该动作指令发送给内置于机器人12中的伺服电动机32。由
此，机器人12使工件W向垂直上方移动，以便追随于作业员A进行的工件W的拿起动作。
另一方面，在步骤S25中，CPU52判定最近取得的力F的水平方向的成分Fh是否为阈
值ζ以上。具体地，CPU52根据最近取得的力F来计算水平方向的力成分Fh，并判定计算出的
该力成分Fh是否为阈值ζ以上。该阈值ζ由使用者预先决定，并存储在存储部54中。
在力成分Fh为阈值ζ以上的情况下，CPU52判定为“是”，并向步骤S26前进。另一方
面，在成分Fh小于阈值ζ的情况下，CPU52判定为“否”，并向步骤S7前进。
在此，图14表示在步骤S25中判定为“是”时的成分Fh的时间变化特性的例子。在该
例子中，作业员A在时刻t4进行一边支撑工件W、一边向与重力方向交差的方向(例如，水平
方向)推压该工件W的动作，由此，成分Fh急剧上升。
在本实施方式中，CPU52检测这样的作业员A的动作(即，成分Fh的上升)，在步骤
S26中，通过机器人12使工件W在水平方向上移动以便追随于该动作。
在步骤S26中，CPU52使机器人12动作而使工件W在水平方向上移动。具体地，CPU52
生成用于使工件W向在步骤S25中计算出的力成分Fh的方向移动的动作指令。
然后，CPU52将所生成的该动作指令发送给内置于机器人12中的伺服电动机32。由
此，机器人12使该工件W向力成分Fh的方向移动，以便追随于作业员A推压工件W的动作。
如上所述，CPU52并行执行步骤S21～S24和步骤S25～S26。假定在同时执行步骤
S22和S26的情况下，CPU52生成向重力方向的动作指令和向力成分Fh的方向的动作指令，并
发送给伺服电动机32。
这样，合成使工件W向重力方向移动的动作和向力成分Fh的方向移动的动作，机器
人12可以使该工件W向作业员A对工件W施加的力的方向移动。
在本实施方式中，在力成分Fg为阈值α以下时，CPU52根据力取得部56取得的力F的
大小和方向，生成用于搬运工件W的动作指令，并将该动作指令发送给该机器人12。
根据该结构，能够防止向机器人12施加超过容许重量的载荷，并且作业员A通过与
机器人12协作能够向所希望的方向搬运工件W。由此，能够顺利地执行工件W的搬运作业。
另外，在上述的步骤S26中，CPU52也可以根据力成分Fh的大小，控制机器人12搬运
工件W的速度。例如，CPU52也可以生成向机器人12的动作指令以便以与力成分Fh的大小成
比例的速度搬运工件W。
此外，在上述的步骤S21、S23、S25中，CPU52也可以计算出力成分Fg、Fh相对于时间
的变化程度(例如，斜率＝δF/δt)，并比较计算出的变化的程度与针对该变化的程度设定的
阈值。
例如，CPU52也可以在检测出如图12所示那样的、在时刻t2力成分Fg的斜率增加时，
执行步骤S22。此外，CPU52也可以在检测出如图13所示那样的、在时刻t3力成分Fg的斜率下
降时，执行步骤S24。
此外，在图11所示的流程中，能够导入图3所示的步骤S9和S10那样的紧急停止方
案。在该情况下，在力成分Fg、Fh相对于时间的变化的程度超过了预先决定的阈值的情况下，
即力成分Fg、Fh发生了异常地增加或减少的情况下，CPU52也可以使机器人12停止。
此外，力检测部22并不限为设置于手腕部28，也可以设置于旋转体16、机器人臂部
18、或机器人手部20等机器人12的任何部位。
以上，通过发明的实施方式对本发明进行了说明，但上述实施方式并不限定于要
求专利保护的范围涉及的发明。此外，组合在本发明的实施方式中说明的特征的方式也可
以包含在本发明的技术范围内，但这些特征的组合的全部并不一定必须是发明的解决手
段。并且，所属技术领域的技术人员应明确可以对上述实施方式进行各种变更或改良。
此外，关于在要求专利保护的范围、说明书以及附图中所示的装置、系统、程序以
及方法的动作、顺序、步骤、工序以及阶段等各处理的执行顺序，应注意只要没有明示“之
前”、“提前”等或者在后面的处理中使用前面的处理的输出，则能够按照任意的顺序来实
现。关于要求专利保护的范围、说明书以及附图中的动作流程，为了方便即使使用“首先”、
“接着”、“紧接着”等来进行说明，也并不表示必须按照该顺序实施。