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協調ロボットの安全対策のための近接覚センサ
福岡大学 工学部 電気工学科
助教 辻 聡史2019年5月21日
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ToF・静電容量複合センサ
近接測定:対象までの距離接触測定:接触
ToF(Time-of-Flight)センサ赤外線(光)の反射時間距離(数百mm~数十mm)
自己静電容量測定単電極とGND間の静電容量近接、接触(数十mm~接触)
提案技術の概要
測定のイメージToFセンサ 電極
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背景(従来の産業用ロボット)
ロボット安全柵
作業員
ワーク
安全柵が必要スペースが必要人と協調作業困難
自動車業界を中心にロボットが活躍
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背景人間共存型ロボット(協調ロボット)が注目
安全確保が必要
ロボット全体を覆う近接覚・触覚センサの開発
Work
Robot
Productionline
Worker
Safety fance Worker
WorkRobot
Sensor
Productionline
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目的
近接覚 触覚
衝突回避安全性 作業性
安全性向上作業性(直感的な操作)
Sensor
Robot
Object Detectionarea
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これまで提案したセンサ自己容量近接覚・触覚センサ
センサ
Detectioncircuit
A
BS
Elastic body
SA
B
E1
E2Shield
CDC
・近接測定、接触(圧力)測定
・自己静電容量測定のみ
・測定システムが単純
・センサ構造が単純
・形の変更、曲面に配置可
・低コスト
・I2Cバスで通信、省配線
・後付が可能
センサ10個設置S.Tsuji et al. Journal of the Institute of Industrial Applications Engineers (2018)
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これまで提案したセンサ提案した操作法
ロボット停止安全性向上
TP不要な操作(直感的な操作)
TP
Robot
Sensor
Hand
S.Tsuji et al. Journal of the Institute of Industrial Applications Engineers (2018)
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これまで提案したセンサデモ(自己容量近接覚・触覚センサ)
S.Tsuji et al. Journal of the Institute of Industrial Applications Engineers (2018)
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これまで提案したセンサ近接覚ToFセンサアレイ
センサ
・ ToFセンサ
・赤外線(光)の反射時間
・近接測定
・距離が測定可能(~300 mm)
・I2Cバスで通信、省配線
・後付が可能
センサ54個設置
S.Tsuji et al. IEEE sensors journal (2019)
Mastermicrocomputer
Sensor module
Buffer circuitI2C bus 1Slave microcomputer
I/OI2C bus 2ToF sensor board
30
30
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これまで提案したセンサ
提案した操作法
RobotHand
対象なし 対象遠 対象近(280 mm以上) (280 mm以下) (100 mm以下)
通常速度 低速度 ストップ
衝突を防止、安全性、作業性が向上
S.Tsuji et al. IEEE sensors journal (2019)
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これまで提案したセンサデモ(近接覚ToFセンサアレイ)
S.Tsuji et al. IEEE sensors journal (2019)
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これまで提案したセンサ
自己容量近接覚・触覚センサの課題非接触距離(電極面積に依存)
接地導体(人):約100 mmアクリル:約50 mm
非接触での対象を検知距離の検出が困難
センサ
近接覚ToFセンサアレイの課題
近距離(~10 mm)の感度低下接触の検出が困難
センサ
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提案技術
自己容量センサ+ToFセンサ
測定距離:遠(~300 mm)ToFセンサ(距離検出)
測定距離:近(~数十 mm)自己容量センサ(対象の有無、接触)ToFセンサ(低感度)
異なる原理の測定信頼度向上
辻ら. ROBOMECH2019 (2019)
測定のイメージToFセンサ 電極
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ToF・静電容量複合センサ
最終的なイメージ 試作センサ
辻ら. ROBOMECH2019 (2019)
30 m
m
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ToF・静電容量複合センサ基礎実験1(Z軸)
Forcegauge
Robot arm
Object
SensorDisntace (Z)
対象基板接地した導体(GND)アクリル
対象表面白い紙黒い紙
対象大きさ30 × 30 mm
Z軸距離0~150 mm
辻ら. ROBOMECH2019 (2019)
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ToF・静電容量複合センサ基礎実験結果1(Z軸)
0 50 100 1500
50
100
150
Distance [mm]
GND Black GND White Acrylic Black Acrylic WhiteTheoretical value
0 50 100 1500
10000
20000
Distance [mm]
GND Black GND White Acrylic Black Acrylic White
ToFセンサ 自己容量センサ
近接検出範囲
接触判別
対象までの距離を検出可能 10 mm以下で高感度10 mm以下で低感度 変化量により接触判別
辻ら. ROBOMECH2019 (2019)
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ToF・静電容量複合センサ基礎実験2(X軸)
Forcegauge
Robot arm
Object
Sensor
0 mm +-Position
X
30
対象接地した導体白い紙
対象大きさ30 × 130 mm
Z軸距離1~130 mm
X軸位置±46 mm
辻ら. ROBOMECH2019 (2019)
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-40 -20 0 20 400
100
200
Position [mm]
1 mm5 mm10 mm20 mm
30 mm50 mm
100 mm
130 mmAB BC C BC C
-40 -20 0 20 400
2000
4000
6000
8000
10000
Position [mm]
1 mm
5 mm10 mm
20 mm30 mm50 mm
ToF・静電容量複合センサ基礎実験結果2(X軸)
ToFセンサ 自己容量センサ
センサ上
センサ上
対象遠:範囲検出:広 センサ上で検出可能対象近:範囲検出:狭
辻ら. ROBOMECH2019 (2019)
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想定される用途
センサ
近接検出範囲
産業用ロボット 車いす(医療分野)
作業員
ワークロボット
センサ
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想定される用途
作業員
ワークロボット
センサ
生産ライン
・非接触対象検出:ロボットを減速、停止:安全性向上・接触検出:接触位置でロボットを操作:操作性向上
ロボットアーム(産業用ロボット)
センサ
近接検出範囲
産業用ロボット
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想定される用途
センサ
近接検出範囲
・非接触検出:衝突回避、搭乗者に通知:安全性向上・接触検出:外部から操作、搭乗者に通知:操作性向上
(電動)車いす (医療分野)
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実用化に向けた課題企業への期待現状、研究室レベルでの研究、検証
・実環境下における影響・ロボットの動き・温湿度・周辺機器からのノイズ
・サンプリング周波数の向上
実用化への展開
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本技術に関する知的財産権
発明の名称:ロボットセンサ
出願番号 :特願2018-185211
出願人 :学校法人福岡大学
発明者 :辻 聡史
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福岡大学 研究推進部 産学官連携センター
担当コーディネーター
川上 由基人
TEL: 092-871 - 6631(内線2806)
FAX: 092-866 - 2308
e-mail: sanchi@adm.fukuoka-u.ac.jp
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