JP5229902B2 - 侵入検知機能付き安全位置検出装置 - Google Patents

Description

本発明は侵入検知機能付き安全位置検出装置に関するものであり、特に、作業者がロボットの近くに近づいても安全に作業ができるようにすることが可能な侵入検知機能付き安全位置検出装置に関する。

産業用ロボットにおいて作業者が巻き込まれる労働災害の主な原因は、ロボットと作業者との接触事故である。これを防ぐために、従来、労働安全衛生法に基づく労働安全衛生規則や国際安全規格から安全に関する指針による安全防護措置が定められている。特に、工場等での作 業員の位置検出には、誤りがないことが必要である。

例えば、産業用ロボットの可動範囲から十分な距離を離して安全防護柵を設置して周囲を囲い、出入り口等の開口部には光線式安全装置やマットスイッチを配置するなどして、ロボットの稼動中は可動範囲内に作業者が侵入できないようにすることが義務付けられている。

またその際の可動範囲の定義として、ロボットの暴走の可能性なども考慮し、ロボットの制御プログラムなどで制限した領域ではなく、機械的あるいは電気的ストッパで制限された領域とすることが定められている。

このように産業用ロボットの設置方法に厳しい制限が課せられているため、従来、ロボットの自動作業中にミスがあったり、一連の作業が終了して段取り換えや部品の供給などが必要になった場合、作業者が可動範囲内に入って作業台で作業するにはロボットの動作を完全に停止する必要があり、ロボットの稼働率や作業効率を著しく下げる原因となっていた。

これを解決する目的で、例えばロボットの可動範囲を可動式のストッパにより複数の保護区域に区画し、各保護区画に人が侵入した場合は、該当保護区画へのロボットの進入を停止することで、各保護区画ごとに、ロボットと人とが入れ替わりで作業することを可能にし、ロボットの稼働率の低下を最小限に抑えることができるというロボット制動装置及び制動方法が提案されている（特許文献１参照）。

ところがこの可動ストッパを用いた方法では、ロボットのすべての可動部分の可動範囲を一括して制限することができないために、２次元、あるいは３次元で任意の可動範囲を設定することは困難である。

また、例えばロボットが多くの関節からなり可動範囲が分かりにくい場合、あるいは作業対象物をハンドリングしたり、手先ツールを付け替えるなどして当初のロボットよりも実質的な大きさが大きくなってしまった場合など、ロボットの可動範囲が予想を超えて広いという場合があり、結果として作業者との思わぬ衝突による災害を招くという問題があった。

またロボットの進入を停止するだけでは、ロボットがすでに存在していて作業中の区画に作業者が侵入した場合には、接触による災害を防ぐことができないという問題があった。

これ以外の方法として、ロボットの作業領域に侵入検知センサを設け、作業者の侵入を検知してロボットの動作を停止させ、安全を図ろうとした場合、上記の例と同様に、ロボットの可動範囲が分かりにくい場合や予想外に大きくなった場合には思わぬ衝突の危険があった。

従来の方法でこのような思わぬ衝突を防ぐには、予想されるロボットの可動範囲を相当大きく見積もり、センサで設定した作業者の侵入禁止領域を十分広く取る必要があるため、ロボットと作業者とが近接したり、３次元的もしくは時間的に両者の作業領域を切り分けて作業することは困難であり、効率的な作業の妨げとなっていた。

すなわち産業用ロボットの稼働率向上と作業の効率化のため、人とロボットと近接して共存し、随時入れ替わりで作業したような場合でも安全に作業できる共存作業環境を構築する手段が必要とされていた。

そこで、本発明者等は、すでに、侵入検知センサを使った人とロボットの安全な共存可能な人間ロボット共存作業用安全装置を提案している（特許文献２参照）。この装置は、ロボットの構造にかかわらずセンサと安全コントローラによりロボットの可動範囲と作業者の侵入禁止領域を２次元あるいは３次元の任意の領域に確実かつ簡便に設定し、またその可動範囲と侵入禁止領域を随時変更することを可能にし、この結果、ロボットと作業者が近接し、あるいは時間的に入れ替わりで作業するような環境でも、安全に効率的な作業を可能にするものである。

また、本発明者等は、次世代生産ロボットを実現する高速ビジョン安全領域センサの開発:高速カメラによるビジョンシステムで高速に点滅する符号化光マーカを検知し，マーカの位置検出とオクルージョンなどの誤り検出を行う高信頼な位置検出システムを提案している（非特許文献１参照）。

特開昭６３−２８５９１号公報 特開２００７−２８３４５０号公報

産総研プレスリリース（２００８年１０月２２日）、http:/www.aist.go.jp/aist j/press release/pr2008/pr20081022/pr20081022/html

上記特許文献２記載の人間ロボット共存作業用安全装置は、作業員の侵入を検知することはできるが、作業員の位置の検出まではできない。そのため安全確保という点で、ロボットに十分近付いて作業することができない。

一方、上記非特許文献１記載の位置検出システムは、人位置検出が可能で十分近付いて作業することができるが、マーカをつけていない人がロボットに近付くのを検知できない。そのために、特許文献２に記載されているような侵入検知センサと組み合わせる必要があり、コストが高くなる問題がある。

本発明は、上記従来の問題点を鑑み、作業員の侵入を検知するとともに、作業員の位置の検出することができる、きわめて構成が簡単な侵入検知機能付き安全位置検出装置を実現することを課題とする。

本発明は上記課題を解決するために、ロボットから所定距離離れた境界線に沿って配設されライトカーテンを構成する複数の侵入検知センサ用のマーカと、人に取り付けた人位置検出用センサ用のマーカと、前記侵入検知センサ用のマーカ及び人位置検出用センサ用のマーカからの光を受光する受光器とを備えた侵入検知機能付き安全位置検出装置であって、マーカからの光は、所定の符号パターンとなるデジタル符号化した光信号であることを特徴とする侵入検知機能付き安全位置検出装置を提供する。

前記ライトカーテンを構成する複数の侵入検知センサ用のマーカは、照明装置から投光される光を反射する反射型マーカであり、人に取り付けた人位置検出用センサ用のマーカは、反射マーカであることが好ましい。

前記ライトカーテンを構成する複数の侵入検知センサ用のマーカ及び人に取り付けた人位置検出用センサ用のマーカは、それぞれ発光型のマーカであることが好ましい。

本発明の侵入検知機能付き安全位置検出装置は、簡単な構成によって、作業員の侵入を検知するとともに、作業員の位置の検出を同時に行うことができ、ロボットに近づいて作業する作業員の安全確保にきわめて有用である。

本発明の侵入検知機能付き安全位置検出装置の実施例１の構成を説明する図である。 本発明の侵入検知機能付き安全位置検出装置の実施例１の処理装置の構成を説明する図である。 本発明の侵入検知機能付き安全位置検出装置の実施例１の変形例の構成を説明する図である。本発明に係る侵入検知機能付き安全位置検出装置の全体構成を説明する図である。 本発明の侵入検知機能付き安全位置検出装置の実施例２の構成を説明する図である。

本発明に係る侵入検知機能付き安全位置検出装置の実施の形態を実施例に基づいて図面を参照して、以下に説明する。なお、本明細書では、「侵入」という用語は、無断又は許可されたかどうかの如何に拘わらず、人（又は物）が立ち入ることを意味するものである。

本発明の侵入検知機能付き安全位置検出装置は、侵入検知用の光センサ（ライトカーテン、マーカ等）と、人位置検出用センサ（人位置検出マーカ等）とを備えており、人の侵入を検知するとともに、人の位置の検出を同時に行う構成であることを特徴とする。

図１は、本発明の侵入検知機能付き安全位置検出装置の実施例１の全体構成を説明する図である。この実施例１では、侵入検知用の光センサとして、ロボット１から所定距離離れた境界線（立ち入りを検知する領域を画定する線）に沿って配設された複数の反射型マーカ２が配置されライトカーテン３を構築している。また、人位置検出用センサとして、人の着衣の１又は複数の箇所に反射マーカ４が取り付けられている。

反射型マーカ２及びロボット１の設置されたサイト（場所）に光を照射するＬＥＤ照明装置５が設けられており、侵入検知用の反射型マーカ２の反射光は、後記する光信号として受光器６で受光する。受光器６で受光した光信号は処理装置７（コンピュータが使用される。）により、処理され、受光パターンにより、人の侵入の有無、侵入位置等が分析される。例えば、人が侵入してきた場合には、侵入検知用の反射型マーカ２の反射光を遮光するために、侵入の有無及び上記境界線上の侵入位置を検出することができる。

また、人が侵入してきた場合は、人の衣服に付けた反射マーカ４がＬＥＤ照明装置５からの照射光を反射し、これが受光器６に入射することで、侵入及び侵入位置を検出することができる。

複数方向からのＬＥＤ照明装置５と、それらのＬＥＤ照明装置５と対応する受光器６との組み合わせを、複数設ければ、人の侵入位置について３次元での検出が可能となる。

なお、図１では、ＬＥＤ照明装置５と受光器６を別の箇所に設置したが、例えば、受光器６の周囲に複数のＬＥＤを設ける等、一体的に設けた構成としてもよい。その場合は、反射マーカとしては、再帰性の反射材を用いたマーカとしてもよい。

ＬＥＤ照明装置５は、符号器８に接続されている。この符号器８は、ＬＥＤ照明装置５から発光される光が、所定の元信号を所定の符号化方式でデジタル符号化した符号パターンとなる光信号となるように、ＬＥＤ照明装置５のＬＥＤ光源の発光パターンを制御する。

所定の符号化方式でデジタル符号化した光信号としては、例えば、点灯と消灯の２値信号から成る元信号の４ｂｉｔから成る信号ブロックの４つに加え、信号ブロック４つからリードソロモン符号化方式にて生成した誤り訂正符号ブロック４つから成る、符号ブロック８つから成る全体で３２ｂｉｔを１単位としている。元信号としては、ＩＤ番号や時刻信号、シーケンス番号などがある。このようなデジタル符号化した光信号となるような発光パターンで投光されたＬＥＤ照明装置５からの光を、反射マーカで反射し、その反射光を受光器６で受光する。

このような発光パターンデジタル符号化した光信号を利用することで、受光器６で受光する光にノイズ（例えば、ＬＥＤ照明装置５以外の投光による反射光や光の隠れ）が含まれている場合を誤り検出復号処理により検出することができ、さらに、ノイズが小さい場合は、誤り訂正復号処理により自動的に訂正することができる。

本願発明では、上記のとおり、ＬＥＤ照明装置５のＬＥＤ光源の光を、符号器８で制御して能動的に点減させ、所定の元信号を所定の符号化方式でデジタル符号化した符号パターンとして機能する光信号とし、これを投光し、その反射光を受光器６で受光し、図２に示すように、処理装置７で復号して、人の侵入の有無、侵入位置等を検知可能とし、またノイズの訂正等を可能とするものである。

処理装置７は、復号手段９と、分析手段１０とを備えており、これらの手段は、実際は、処理装置７（コンピュータ）の記憶装置（図示せず）に搭載されたソフトに従って、ＣＰＵが復号、分析の機能を発揮する動作手段である。あるいは、これらの手段は、デジタル回路（例．XILINX社のＦＰＧＡチップ（XC3S250E））で構成されたハードウェアロジックに従って、復号、分析の機能を発揮する手段でもよい。

復号手段９は、受光器６からの受信側の符号ブロック信号を、所定の復号方式に基づき復号処理し、復号された信号ブロック、あるいは復号処理の過程で誤りを検出、あるいは誤りを訂正して分析手段１０に送る。分析手段１０は、復号手段９から送信され入力された信号ブロックと元信号とを比較し、また誤りの検知結果、あるいは誤りの訂正結果を分析し、人の侵入の有無、侵入位置等が分析可能とするものである。

（変形例）
図３は、実施例１の変形例の全体構成を示す図である。この変形例は、上記実施例１とほぼ同じであるが、光を投光する照明装置として、ＬＥＤ照明装置５だけではなく、レーザ照明装置１１をも使用し、投光されたレーザ光の物体からの反射光による光点１３でライトカーテン１２を構成するとともに、反射型マーカ１４を人に取り付けた構成を特徴とする。

この変形例では、ＬＥＤ照明装置５に加えて、レーザ照明装置１１も符号器８に接続されており、ＬＥＤ照明装置５だけでなく、レーザ照明装置１１のレーザ光源の発光パターンも制御して、所定の符号パターンとなるデジタル符号化した光信号となるようにする。

投光されたレーザ光は、侵入検知のためにロボット１から所定距離離れた境界線に沿って照射され、物体からの反射光によりライトカーテン１２を構成する複数の光点１３からの反射光と、ＬＥＤ照明装置５から投光された光が人にとりつけた反射型マーカの１４で反射した反射光の両方が、受光器６で受光される。これにより、上記実施例１と同様に、人の侵入を検知するとともに、人の位置の検出を同時に行うことが可能となる。

図４（ａ）は、本発明の侵入検知機能付き安全位置検出装置の実施例２の全体構成を説明する図である。この実施例２は、実施例１とほぼ同じであるが、つぎのような構成を特徴とする。

実施例１では、侵入検知用の光センサのライトカーテン３として、反射型マーカ２をロボッ１トから所定距離離れた境界線に沿って複数配設し、また、人位置検出用センサとして、人の着衣に反射マーカ４を取り付け、ＬＥＤ照明装置５で、送信信号として機能する発光パターンで発光する光を投光し、反射光を受光器６で受光する構成とした。

しかし、実施例２では、侵入検知用の光センサのライトカーテン１４として、図４（ａ）に示すように、発光型マーカ１５（例．ＬＥＤ発光装置）を搭載した基板１６をロボット１から所定距離離れた境界線に沿って複数配設し、また、人位置検出用センサとして、同様の発光型マーカ１５を搭載した基板１６を人の着衣に取り付けた。

発光型マーカは、図４（ｂ）に示すように、基板１６に設けられた符号発生器１７（例．XILINX社のＦＰＧＡチップ（XC3S250E））によって、所定の符号パターンとなるデジタル符号化した光信号を発光するように、発光パターンが制御される。発光された光は、受光器６で受光される。これにより、人の侵入を検知するとともに、人の位置の検出を同時に行うことが可能となる。

以上、本発明に係る侵入検知機能付き安全位置検出装置の実施の形態及び実施例を図面を参照して説明したが、本発明はこのような実施例に限定されることなく、特許請求の範囲記載の技術的事項の範囲内で、いろいろな実施例があることは言うまでもない。

本発明に係る侵入検知機能付き安全位置検出装置は、作業者がロボットとともに作業する環境において、作業者の安全保護上、きわめて有用であり、作業用ロボットだけでなく今後活用が望まれる家庭用のロボット、介護や福祉分野におけるロボット等を利用する環境に好適である。

１ ロボット
２ 反射型マーカ
３、１２、１４ ライトカーテン
４ 反射マーカ
５ ＬＥＤ照明装置
６ 受光器
７ 処理装置
８ 符号器
９ 復号手段
１０ 分析手段
１１ レーザ照明装置
１３ 光点
１５ 発光型マーカ
１６ 基板
１７ 符号発生器
１８ 照明装置

Claims (1)

1. ロボットから所定距離離れた立ち入りを検知する領域を画定する境界線に沿って配設されライトカーテンを構成する複数の侵入検知センサ用のマーカと、人に取り付けた人位置検出用センサ用のマーカと、前記侵入検知センサ用のマーカ及び人位置検出用センサ用のマーカからの光を受光する受光器とを備え、前記侵入検知センサ用のマーカ及び人位置検出用センサ用のマーカからの光は、所定の符号パターンとなるデジタル符号化した光信号である侵入検知機能付き安全位置検出装置において、
   前記ライトカーテンを構成する複数の侵入検知センサ用のマーカ及び人に取り付けた人位置検出用センサ用のマーカは、それぞれ発光型のマーカであって、
   前記発光型のマーカは、それぞれ発光装置が基板に搭載されるとともに、当該基板に設けられた符号発生器によって、少なくとも点灯と消灯の２値信号からなる元信号、ＩＤ番号からなる元信号、時刻信号からなる元信号を、所定の符号パターンとなるデジタル符号化した光信号を発光するように発光パターンが制御されることを特徴とする侵入検知機能付き安全位置検出装置。

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