JP3357392B2 - ロボットのツール干渉防止装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、トーチ等のツールを装
着したロボットにおいて、教示中や自動運転中にこのツ
ールがロボットのアームと干渉（接触）して破損する等
する不具合を未然に防止する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ロボットのアーム先端には作業種類に応
じて種々の形態のツールが装着される。そしてロボット
によってはアーム先端に枢着された関節を第５軸によっ
て上下に回転させ、かつ上記関節に装着されたツールを
第５軸に垂直な第６軸を回転中心にして回転させる、い
わゆる６軸の垂直多関節ロボットがある。ここで、上記
第５、第６軸の回転位置によってはツールとアームとが
干渉してしまい破損等の重大な事故を招く虞がある。

【０００３】そこで、このような事故を未然に防止する
装置として、干渉が発生しないとされる第５、第６軸の
動作範囲の最大〜最小範囲を予め決定しておき、この動
作範囲内で上記各軸が駆動されるよう制御するものがあ
る。

【０００４】また、各回動軸（第１〜第６軸）の回転位
置を検出し、これら検出された回転位置に基づき逐次変
化するアームの３次元位置およびツールの３次元位置を
演算によって求め、これら演算結果に基づき３次元空間
における干渉を監視するものがある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前者の技術
は、ロボットに装着する多種多様のツールごとに動作範
囲を予め決定する必要があり、手数がかかり、それに要
するコストの上昇を招来する等の不都合がある。しか
も、第５軸の角度に応じて第６軸の動作範囲（角度）が
異なってくることとなり、第５軸の角度に対応して第６
軸の角度範囲を定める複雑な式、表を作成する必要があ
る。このため、事実上、実施は困難となっている。

【０００６】一方、後者の技術によれば、所定のサンプ
リング時間内に第１軸〜第６軸の回転位置から３次元位
置を求める複雑な演算を行う必要がある。このため多大
な計算時間を要することとなり、事実上、リアルタイム
に演算を実行することが不可能となっている。

【０００７】本発明はこうした実状に鑑みてなされたも
のであり、ロボットのアーム先端に装着されたツールが
アームと干渉してしまうことを、従来のものよりも簡単
な演算によって行うことによりコスト上昇を招来するこ
となくリアルタイムに監視することができるロボットの
ツール干渉防止装置を提供することをその目的としてい
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】そこで、この発明では、
アーム先端に設けられたツール回動軸により前記アーム
先端に枢着されたツールを回動するようにしたロボット
における前記ツールと前記アームとの干渉を防止するロ
ボットのツール干渉防止装置において、前記アームの長
手方向の軸および前記ツール回動軸を座標軸とし、前記
アームの各部の寸法に基づき前記座標軸における座標位
置で示される干渉領域を設定するとともに、前記ツール
回動軸の現在の回転位置を検出し、この検出回転位置と
前記ツール各部の寸法とに基づき前記ツールの所定部位
の現在の位置を前記座標軸における座標位置として求
め、前記求めたツールの現在の座標位置が前記干渉領域
内の座標位置である場合に、前記ツールと前記アームと
が干渉していると判定し、該判定結果に応じて所定の処
理を行うようにしている。

【０００９】

【作用】かかる構成によれば、ロボットのアームの長手
方向の軸およびツール回動軸が座標軸とされ、アーム各
部の寸法に基づき干渉領域が設定される。ここで、アー
ムの長手方向の軸が座標軸とされているので、ロボット
各軸が駆動されたとしてもアーム各部の座標位置は変化
しない。したがって干渉領域各部の座標位置もロボット
各軸の変化に対して固定された位置となる。したがって
干渉領域を設定するための演算が簡単なものとなる。

【００１０】一方、ツール回動軸の現在の回転位置が検
出され、この検出回転位置とツール各部の寸法と座標軸
とに基づきツールの所定部位の現在の座標位置が求めら
れる。ここで、ツール回動軸が座標軸であり、アームの
長手方向が座標軸となっているので、ツールの各部の座
標位置は、他のロボット各軸の回転位置によらずにツー
ル回動軸の回転位置のみで決定される。したがって、ツ
ールの所定部位の位置の演算が簡単なものとなる。この
ような簡単な演算なので、演算が短時間で済みツールの
現在の座標位置が干渉領域内の座標位置である場合に、
ツールとアームとが干渉していると判定する監視がリア
ルタイムで行われ、該判定結果に応じてロボットの動作
停止等の所定の処理が確実に行われる。

【００１１】

【実施例】以下、図面を参照してロボットのツール干渉
防止装置の実施例について説明する。

【００１２】さて、図１は実施例に適用される６軸の垂
直多関節ロボットＲＢの構成を示している。

【００１３】同図に示すようにロボットＲＢの第１軸１
は床に配設された旋回ベース７の上部の旋回ボディ８を
水平方向に回動するものであり、その軸角度はθ1 で表
せられる。第２軸２は旋回ボディ８の上部に枢着された
第１アーム９を前後方向に回動するものであり、その軸
角度はθ2 で表せられる。第３軸３は第１アーム９先端
に枢着された関節３ａを上下方向に回動するものであ
り、その軸角度はθ3 で表される。第４軸４は関節３ａ
に装着された第２アーム１０を該第２アーム１０の長手
方向中心軸Ｃを回動中心にして回動するものであり、そ
の軸角度はθ4 で表される。第５軸５は第２アーム１０
の先端に枢着された関節６ａを上下Ａ、Ｂ方向に回動す
るものであり、その軸角度はθ5 で表される。第６軸６
は関節６ａに装着されたツールＴＬを第５軸５に垂直な
第６軸６を回動中心にして回動するものであり、その軸
角度はθ6 で表される。

【００１４】ロボットＲＢの各軸１〜６の回転角度θ1
〜θ6 は、図示せぬエンコーダによって検出され、検出
信号は図示せぬコントローラに出力される。このコント
ローラは、検出角度θ1 〜θ6 に基づき各軸１〜６が駆
動制御する。また、このコントローラは検出角度θ5 、
θ6 に基づき図５に示す干渉防止処理を実行する。かか
る干渉防止処理に当たりロボットＲＢの第２アーム１０
とツールＴＬとの間の幾何学的関係が図１〜図４に示す
ように設定される。

【００１５】・座標系の設定 図３は図１に示す第２アーム１０とツールＴＬとの幾何
学的関係を斜視図にて示すものであり、まず直交３次元
座標系ＸーＹーＺのうちＺ軸が第２アーム１０の長手方
向中心軸Ｃ、つまり第４軸４と同軸のものとして設定さ
れる。そして、Ｙ軸が第５軸５と同軸のものとして設定
される。さらにＸ軸が、これらＹ軸、Ｚ軸に垂直な軸と
して設定される。 ・ツール上の干渉点、ツールパラメータの設定 つぎにツールＴＬ上の所定の点（以下「干渉点」とい
う）Ｐ1 、Ｐ2 が選択される。たとえば図２に示すよう
に干渉点Ｐ1 、Ｐ2 をツールＴＬ上の２つの頂点として
選択したものとする。ついで、これら干渉点Ｐ1 、Ｐ2
と第５軸５との距離がツールパラメータとして求められ
る。いま、ツールＴＬが、同図２に示すように干渉点Ｐ
1 、Ｐ2 のＹ軸上の座標位置がゼロとなるような姿勢と
なっているとき、第５軸５と干渉点Ｐ1 との距離はＺ軸
上においてＴz であり、第５軸５と干渉点Ｐ2 との距離
はＸ軸上においてＴx であるから、これらＴx 、Ｔz が
ツールパラメータとされる。ちなみにＹ軸上におけるツ
ールパラメータＴy は実施例ではゼロとなっている。な
お、この実施例では干渉点を２点に設定しているが、１
点でもよく、また３点以上設定する実施も可能である。

【００１６】・干渉領域の設定 つぎに図４の斜視図に示すように第２アーム１０がモデ
ル化される。すなわち、第２アーム１０の長手方向に渡
り、その断面の厚さＴ、幅Ｗが一定のものであると単純
化される。そして第２アーム先端部のアール部分１０ａ
は第５軸５からの距離が一定値（ｒ）となっているもの
と仮定される（ＸーＺ平面においてアール部分１０ａは
半円形状となっている）。

【００１７】ついで、このモデル化された第２アーム１
０に関するデータＴ、Ｗ、ｒ等に基づいてツールＴＬ上
の干渉点Ｐ1 、Ｐ2 がその内部に入ったならば干渉する
虞があるであろうと考えられる干渉領域Ｖが第２アーム
１０よりも大きい範囲の領域（一点鎖線参照）として設
定される。干渉領域Ｖが第２アーム１０と同じ範囲であ
れば、干渉点Ｐ1 、Ｐ2 が領域Ｖに入ったときにはすで
に干渉してしまった後だからである。しかし、実施例で
は説明の便宜のため領域Ｖは第２アーム１０であると仮
定して説明する。このようにロボットＲＢの第２アーム
１０の長手方向の軸Ｃおよび第５軸５が座標軸Ｚ、Ｙと
され、アーム１０各部の寸法データＴ等に基づき干渉領
域Ｖが設定される。したがって、ロボット各軸θ1 〜θ
4 が駆動されたとしてもアーム１０の各部の３次元座標
位置（Ｘ、Ｙ、Ｚ）は変化しないこととなり、干渉領域
Ｖ内部の座標位置（Ｘ、Ｙ、Ｚ）もロボット各軸の変化
に対して固定された座標位置となる。したがって干渉領
域Ｖ（Ｘ、Ｙ、Ｚ）はロボット各軸の回転位置θ1〜θ4
によらずにアーム１０の寸法Ｔ等のみにより簡単に演
算できるのがわかる。

【００１８】・干渉点の演算式の設定 いま、第５軸５の現在の回転位置θ5 が検出され、第６
軸６の回転位置θ6 が検出されたものとすると、これら
検出回転位置θ5 、θ6 と上記求められたツールパラメ
ータＴx 、Ｔy 、Ｔx とに基づきツールＴＬ上の干渉点
Ｐ1 、Ｐ2 の座標位置Ｐ1 （Ｘ1 、Ｙ1 、Ｚ1 ）、Ｐ2
（Ｘ2 、Ｙ2 、Ｚ2 ）は以下のような演算式（１）によ
り求められる。

【００１９】 ［Ｘi ］ ［ｃｏｓθ5 ０ ーｓｉｎθ5 ］［ｃｏｓθ6 ーｓｉｎθ6 ０］ ［Ｙi ］＝［０ １ ０ ］［ｓｉｎθ6 ｃｏｓθ6 ０］ ［Ｚi ］ ［ｓｉｎθ5 ０ ｃｏｓθ5 ］［０ １ ０］ ［ＴX ］ ×［ＴY ］ （ただし、ｉ＝１、２） …（１） ［ＴZ ］ この（１）式から明かなように、第５軸５が座標軸Ｙで
あり、アーム１０の長手方向軸Ｃが座標軸Ｚとなってい
るので、干渉点Ｐ1 、Ｐ2 の座標位置は、他のロボット
各軸の回転位置θ1 〜θ4 によらずに第５軸５の回転位
置θ5 およびこの第５軸５よりも先端の第６軸６の回転
位置θ6 のみで決定されているのがわかる。

【００２０】・干渉判定の基準の設定 つぎに、干渉点Ｐ1 、Ｐ2 が干渉領域Ｖに入った場合の
条件式、つまり干渉する虞があると判定するための条件
式が以下に示すように設定される。

【００２１】１）干渉点Ｐ1 、Ｐ2 がアーム先端に存在
している場合（Ｚi ＞０） この場合には下記（２）〜（４）式を同時に満足したと
きに「干渉する虞あり」と判定する。

【００２２】Ｚi ＞０ …（２） ｜Ｙi ｜≦Ｗ／２ …（３） （Ｚi ）2 ＋（Ｘi ）2 ≦（Ｗ／２）2 …（４） ２）干渉点Ｐ1 、Ｐ2 がアーム中央に存在している場合
（Ｚi ≦０） この場合には下記（５）〜（７）式を同時に満足したと
きに「干渉する虞あり」と判定する。

【００２３】Ｚi ≦０ …（５） ｜Ｙi ｜≦Ｗ／２ …（６） ｜Ｘi ｜≦Ｔ／２ …（７） 以上のような各設定がなされたならば、これら各設定に
基づきロボットＲＢの稼働中に図５に示す処理がコント
ローラにて実行される。なお、ロボットＲＢの教示中に
この処理を実行してもよく、また自動運転中にこの処理
を実行してもよい。

【００２４】まず、干渉点Ｐi （ｉ＝１、２）にうち、
最初に干渉点Ｐ1 の干渉を監視すべく、ｉの内容が１に
される（ステップ１０１）。つぎに上記（１）式を用い
て干渉点Ｐ1 につきその座標位置（Ｘ1 、Ｙ1 、Ｚ1 ）
が演算される。ここで、この演算は検出角度θ5 、θ6
のみに基づく簡単な演算であるので、ロボットＲＢの補
間周期の時間内に余裕をもって実行することが可能であ
る（ステップ１０２）。

【００２５】つぎに、演算された座標位置Ｙ1 に上記
（３）、（６）式を適用して、干渉する虞があるか否か
を判定する。ここで、（３）、（６）式は１）のアーム
先端、２）のアーム中央の双方に共通する条件式である
ので、もしこの（３）、（６）式を満足しないならば
（ステップ１０３の判断ＮＯ）、ツールＴＬはアーム１
０と干渉する虞がないものと判定され、手順はステップ
１０６に移行される。ステップ１０６ではｉの内容がす
べての干渉監視数ｎ（＝２）に達したか否かが判断され
る。干渉監視数ｎに達していれば（ステップ１０６の判
断ＹＥＳ）、処理を終了させる。この場合、再びｉを１
にイニシャライズしてステップ１０１から再度実行させ
るようにしてもよい。

【００２６】干渉監視数ｎに達していなければ（ステッ
プ１０６の判断ＮＯ）、残りの干渉点（Ｐ2 ）につい
て、監視をすべく、つぎのステップ１０７においてｉの
内容がインクリメントされ、手順は再びステップ１０２
に移行され、（１）式の演算がなされる。

【００２７】ここで、干渉点Ｐ2 のＹ座標位置Ｙ2 につ
き（３）、（６）式の条件が満足されたものとすると
（ステップ１０３の判断ＹＥＳ）、つぎに（２）、
（４）式が同時に満足されたか否かが判断される（ステ
ップ１０４）。ここで（２）、（４）式が同時には満足
されていないと判断されれば（ステップ１０４の判断Ｎ
Ｏ）、つぎに（５）、（７）式が同時に満足されたか否
かが判断される（ステップ１０５）。ここで（５）、
（７）式が同時に満足されたものと判断されれば（ステ
ップ１０５の判断ＹＥＳ）、図１に示すように干渉点Ｐ
2 が第２アーム１０の中央部において干渉する場合であ
り、このままロボットＲＢが駆動されると危険であると
判断して、安全のためロボットＲＢの各軸を停止させる
処理が実行される（ステップ１０８）。一方、オペレー
タに警告を発すべく所定の表示器に、「干渉する虞あ
り」というエラーの内容が表示される（ステップ１０
９）。

【００２８】なお、ステップ１０４において（２）、
（４）式が同時に満足された場合も（ステップ１０４の
判断ＹＥＳ）、干渉点Ｐ2 が第２アーム１０先端におい
て干渉する虞がある場合であるので、同様にステップ１
０８、１０９の処理が実行され、危険が回避される。

【００２９】なお、危険を回避するための処理（ステッ
プ１０８）の内容は任意であり、自動運転から手動運転
に切り替えるようにすることもできる。

【００３０】なお、実施例では、第２アーム１０先端の
関節６ａが第６軸６により回転するロボットＲＢを想定
したが、第６軸６を有しない、ツールＴＬが第５軸５の
みによって回転するロボットにも適用可能である。この
場合、上記（１）式における演算は回転角度θ6 を考慮
しなくてよいので、さらに演算の単純化により処理時間
のさらなる短縮が図られる。ここで、第６軸６による回
転がないロボットにあっては、この回転に伴う干渉がな
いので、ＸーＺ平面における干渉だけを考えればよい。
したがって、ツールの干渉点、干渉領域の座標位置も２
次元で考察すればよいので、より演算の単純化が図れる
ことになる。

【００３１】また、第６軸６の先にさらに回動軸を具え
たロボットにも適用可能である。

【００３２】なお、実施例では垂直多関節ロボットを想
定しているが、これに限定されることなく水平多関節ロ
ボットにも適用することができる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ロボットのツールとアームとが干渉するか否かを、簡単
な演算により判定するようにしたので、干渉の監視がコ
スト上昇を伴うことなくリアルタイムに行われる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明に係るロボットの干渉防止装置の
実施例におけるロボットの構成を示す図である。

【図２】図２は図１に示すツールの各部の寸法を示す図
である。

【図３】図３は図１に示すアームとツールの幾何学的関
係を示す斜視図である。

【図４】図４は図１に示すアームの形状を示す斜視図で
ある。

【図５】図５は実施例における干渉防止処理を説明する
フローチャートである。

【符号の説明】

５ 第５軸 ６ 第６軸 １０ 第２アーム ＴＬ ツール

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G05B 19/18 - 19/46 B25J 3/00 - 3/04 B25J 9/10 - 9/22 B25J 13/00 - 13/08 B25J 19/02 - 19/06

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アーム先端に設けられたツール回動
   軸により前記アーム先端に枢着されたツールを回動する
   ようにしたロボットにおける前記ツールと前記アームと
   の干渉を防止するロボットのツール干渉防止装置におい
   て、 前記アームの長手方向の軸および前記ツール回動軸を座
   標軸とし、前記アームの各部の寸法に基づき前記座標軸
   における座標位置で示される干渉領域を設定するととも
   に、 前記ツール回動軸の現在の回転位置を検出し、この検出
   回転位置と前記ツール各部の寸法とに基づき前記ツール
   の所定部位の現在の位置を前記座標軸における座標位置
   として求め、 前記求めたツールの現在の座標位置が前記干渉領域内の
   座標位置である場合に、前記ツールと前記アームとが干
   渉していると判定し、該判定結果に応じて所定の処理を
   行うようにしたロボットのツール干渉防止装置。
2. 【請求項２】 前記アームの長手方向の軸および前
   記ツール回動軸は直交する２軸であり、さらにこれら直
   交２軸に直交する軸を座標軸とする請求項１記載のロボ
   ットのツール干渉防止装置。
3. 【請求項３】 前記ツールは１または２以上の回動
   軸を有しており、該回動軸の現在の回転位置を検出し、
   この検出回転位置に基づき前記ツールの所定部位の現在
   の座標位置を求める請求項１記載のロボットのツール干
   渉防止装置。