JP7329902B2 - ロボット制御装置、ロボットシステム、ロボット制御方法、および、ロボット制御プログラム - Google Patents

ロボット制御装置、ロボットシステム、ロボット制御方法、および、ロボット制御プログラム Download PDF

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Description

この発明は、ロボットと移動体との協調作業を実現する技術に関する。
従来、生産現場においては、ロボットと、作業員(ヒト)が、同じ空間で同時に行う作業(協調作業)が増加している。協調作業においては、ロボットと、作業員の接触(衝突)によって、作業員のケガ、ロボットの故障を防ぐ必要がある。
例えば、特許文献1には、作業員とロボットとの距離を考慮した条件に応じて、ロボットの可動速度を減速する、もしくは、ロボットの進入禁止区域を設け、ロボットを進入させない制御を行うことが検討されている。
また、特許文献2には、ロボットと作業員との距離を用いて、ロボットの減速、緊急停止を行う制御について検討されている。
特許第4648486号公報 特許第5370127号公報
しかしながら、ロボットと作業員が安全である距離を確保するためには、ロボットの可動する最大の領域を確保する必要があった。また、ロボットと、作業員との距離を用いて、ロボットを減速させることにより、仮に作業員が動いていない場合でも、ロボットを減速する必要があり、生産性が阻害されていた。ここでは、作業者を例にしているが、他の移動体であってもよい。
この発明の目的は、移動体の安全を確保するために、ロボットと移動体との距離を大きくすることなく、ロボットの可動中にロボットと移動体との衝突を回避することにある。
この発明のロボット制御装置は、上述の目的を達するために、以下のように構成している。
支点を軸にして可動するロボットアームと、移動体との相対的な位置関係を検知する検知部と、検知部により検知されたロボットアームと、移動体との相対的な位置関係の変化に基づいて、ロボットアームを可動させるアクチュエータの駆動制御信号を生成する制御部と、制御部が生成した駆動制御信号をアクチュエータに出力する出力部とを備えている。
また、検知部は、ロボットアームに取り付けたセンサによって、ロボットアームと移動体との相対的な位置関係を検出する。制御部は、ロボットアームの可動速度を、移動体との相対的な位置関係の変化に応じて変化させる駆動制御信号を生成する。
この構成によれば、ロボットアームと、移動体との相対的な位置関係を検知し、ロボットアームを可動させるアクチュエータの駆動制御信号を生成することができる。出力部は、駆動制御信号をアクチュエータに出力する。これにより、ロボットアームに取り付けたセンサによって、ロボットアームと移動体との相対的な位置関係を検出できる、また、ロボットアームの可動速度を移動体との相対的な位置関係の変化に応じて変化する駆動制御信号を生成することができる。
したがって、ロボットアームと、移動体との相対的な位置関係を用いて、ロボットを制御することができる。ロボットの不要な減速、緊急停止を回避することができるため、生産性が向上する。
また、ロボットアームには、一方の端部に支点が形成され、他方の端部にセンサが取り付けられていてもよい。このように構成すれば、ロボットアームは、移動体との距離が最も遠い位置、すなわちロボットアームと移動体とが最も衝突する可能性がある位置で、移動体の相対的な位置を検出することができ、センサの数を減らすことができる。
また、制御部は、ロボットアームと、移動体との相対的な位置関係の変化から算出した、ロボットアームと移動体との相対速度を用いて、駆動制御信号を生成してもよい。このように構成すれば、ロボットアームと移動体との相対的な位置関係の変化による相対速度を取得することにより駆動制御信号を生成することができる。なお、相対速度から、相対的な位置関係(距離)を算出することができる。
また、制御部は、ロボットアームと、移動体との相対的な速度の変化から算出した、ロボットアームと移動体との相対距離を用いて、駆動制御信号を生成してもよい。このように構成すれば、ロボットアームと移動体との相対的な速度関係の変化による相対距離を取得することにより駆動制御信号を生成することができる。なお、相対距離から、相対速度を算出することができる。
また、制御部は、ロボットアームと移動体との相対距離が、予め定めた停止距離よりも短ければ、ロボットアームを停止させる駆動制御信号を生成してもよい。このように構成すれば、予め安全であると想定される距離にロボットアームが進入した場合には、ロボットを緊急停止することができる。
また、ロボットアームと移動体との相対距離が、予め定めた停止距離よりも長ければ、ロボットアームを減速、または加速させる駆動制御信号を生成してもよい。このように構成すれば、ロボットの不要な緊急停止を回避することができ、生産性向上を図ることができる。
この発明によれば、ロボットと移動体との距離を大きくすることなく、ロボットが可動している場合における、移動体の安全を確保できる。
ロボットと作業者の位置関係を示す概略図である。 センサとコントローラの制御の流れを示すブロック図である。 緊急停止時における相対距離の推定方法についての概要図である。 センサとコントローラの制御の流れを示すフローチャートである。 ロボットハンドの可動時における、ロボットハンドと作業者の相対速度を算出する概略図である。 ロボットハンドの回転方向の可動時における、ロボットハンドと作業者の相対速度を算出する概略図である。
以下、この発明の実施形態について説明する。
図1は、この例にかかるロボット制御装置を用いた、ロボット1と、作業者2と、コントローラ3との関係を示す概略図である。この例のロボット1は、複数のロボットアーム11と、支点(関節)12、12A、12B、ロボットハンド10を備えている。ロボットハンド10には、センサ15を備えている。ロボット1は、ロボット基台20に支点12で固定されている。ロボット基台20は、旋回する構造であってもよい。
支点12、12A、12Bは、ロボット1の関節として可動する。ロボット1は、これらの関節を動かす駆動機構として、アクチュエータを備えている。
なお、本発明における、ロボットと移動体との距離とは、ロボットハンド10における、ロボット基台20の基点から最も遠い位置と、移動体との間の距離である。言い換えれば、その時点でのロボットの最大範囲の端と、移動体との距離である。ロボットの可動範囲は、関節の数(軸数)によって可動範囲が変化する。
ロボット1のセンサ15は、作業者2との相対的な位置関係を検知する。作業者2は、本発明の移動体である。コントローラ3は、本発明の制御部である。
センサ15は、例えば、変位センサ、超音波センサ、ミリ波センサ、光センサ等からなる。センサ15で検知する相対位置は、ロボットハンド10(ロボットアーム11)が3次元で可動すれば3次元である。また、センサ15で検知する相対位置は、ロボットハンド10(ロボットアーム11)が2次元で可動すれば、2次元である。
センサ15は、所定の時間間隔で相対位置を継続的に検知する。作業者2は、作業者移動方向に移動している、同様に、ロボットハンド10は、ロボットアーム移動方向に移動しているものとする。
センサ15は、作業者2と、ロボットハンド10との相対速度を算出する。センサ15は、算出した相対速度を、センシングデータとして、コントローラ3に送信する。
コントローラ3は、センシングデータを予め定めておいた危険判断を元に、駆動制御信号を生成する。コントローラ3は、駆動制御信号をロボット1に送信する。ロボット1は駆動制御信号を受信することによって、支点12、12A、12Bに備えられたアクチュエータに駆動制御信号を伝達する。
ここで、危険判断とは、ロボット1と作業者2とが安全に、衝突することなく、可動する規定値を定めたものである。
図2の機能ブロック図を用いて、センサとコントローラの制御の流れについて説明する。センサ15には、センシング部15A、検知部15B、コントローラ接続部15Cを備えている。コントローラ3には、センシングデバイス接続部3A、制御部3B、出力部3Cを備えている。制御部3Bは、離間距離推定機能部31Bと、危険判断機能部32Bを備えている。センサ15は、ロボット1が有するロボットハンド10(ロボットアーム11の先端)に取り付けられているものとする。また、センサ15は、例えば変位センサであるとして、以下に説明する。
センシング部15Aは、センシング素子であり、自身であるセンシング部15Aを含むセンサ15と、作業者2との位置関係に応じたセンサ信号を検知部15Bに出力する。
検知部15Bは、該センサ信号を用いて、センサ15の作業者2に対する、相対的な位置関係を算出する。
検知部15Bは、コントローラ接続部15Cに、相対的な位置関係を出力する。コントローラ接続部15Cは、センシングデバイス接続部3Aに相対的な位置関係を送信する。
センシングデバイス接続部3Aは、コントローラ接続部15Cから相対的な位置関係を受信する。センシングデバイス接続部3Aは、離間距離推定機能部31Bに相対的な位置関係を送信する。
離間距離推定機能部31Bは、相対的な位置関係の時間的な変化から、センサ15と、作業者2の相対速度を算出する。また、相対的な位置関係から、緊急停止がおきた場合の停止時相対距離を算出する。
離間距離推定機能部31Bは、停止時相対距離と相対速度を危険判断機能部32Bへ送信する。
危険判断機能部32Bは、停止時相対距離と相対速度をもとに、予め定めた危険判断によって生成された駆動制御信号を出力部3Cに送信する。
出力部3Cは、ロボット1のアクチュエータへ駆動制御信号を送信する。
なお、センサ15が、速度をセンシングする速度センサである場合は、センサ15と作業者2との相対速度を取得し、離間距離推定機能部31Bは、該相対速度を積分することによって、相対的な位置関係を算出できる。
図3は、離間距離推定機能部31Bを用いて、緊急停止時の停止時相対距離を推定する方法を、具体的に説明した図である。以下の説明においては、2次元の相対速度を用いる場合を例とする。
ロボット1の先端をロボットハンド10とすると、ロボットハンド10は、作業者2へ向かって(ロボット進行方向)、地点RA1、地点RA2、地点RA3の軌跡を描いて移動する。なお、図3においては、緊急停止時のロボットハンド10の軌跡について説明する。
また、作業者2は、ロボット1へ向かって(作業者進行方向)、地点SA1、地点SA2、地点SA3の軌跡を描いて移動する。なお、地点RA1と地点SA1、地点RA2と地点SA2、地点RA3と地点SA3は、ロボット1と作業者2のそれぞれ同時刻の位置を示している。
なお、停止時相対距離とは、ロボットハンド10が停止したと想定される時点での、ロボットハンド10(ロボット1)と作業者2との相対距離である。
ロボット1は、地点RA1では速度vr1、地点RA2では速度vr2、地点RA3では速度vr3で、移動している。速度の大小関係は、vr1>vr2>vr3(=0)となる。作業者2は、地点SA1では速度vs1、地点SA2では速度vs2、地点SA3では速度vs3で、移動している。なお、速度vs1、速度vs2、速度vs3は可変であるが、一定であっても良い。
コントローラ3は、地点RA1で、ロボットハンド10の緊急停止を行ったとした場合に、作業者2との停止時相対距離を算出する。なお、ロボットハンド10は、地点RA3で停止すると仮定する。
地点RA1において、コントローラ3は、速度vr1で移動するロボットハンド10に緊急停止をかけたと想定する。
ロボットハンド10は、緊急停止をかけたにもかかわらず、ロボットハンド10の慣性のため、地点RA2において停止せず、速度vr1から減速する。例えば、速度vr1から減速し、速度vr2を介してさらに減速する。
ロボットハンド10は、地点RA3において、速度vr2より遅い速度、すなわち速度が0となる速度vr3となり、停止する。
地点RA3におけるロボットハンド10の位置、地点SA3の作業者2の位置から、算出された距離が停止時相対距離である。
図2に示した構成によって算出した相対的な位置関係と、図3に示した方法によって算出した停止時相対距離を用いた、センサとコントローラの制御の流れについて、図4のフローチャートを用いて、説明する。なお、センサ15は、ロボットハンド10の一面に取り付けられており、ロボットハンド10は、常に作業者2の侵入方向に向くよう制御されているものとし、作業者2の侵入方向は限定されているものとする。
センサ15は、作業者2との相対距離を取得する(S1)。また、センサ15は、作業者2との相対速度を取得する。
コントローラ3は、緊急停止時の相対距離を推定する(S2)。緊急停止時の相対距離とは、現状の相対距離、相対速度で、緊急停止を行った場合に、ロボットハンド10が停止した時のロボットハンド10と作業者2の距離である。すなわち、ロボット1と作業者2がある地点に向かって前進している場合、ある任意の時点で、緊急停止を行った場合を推定して算出する距離である。これが停止時相対距離となる。
例えば、ロボット1の先端、すなわち、ロボットハンド10に取り付けられたセンサ15と、作業者2の相対距離と相対速度を算出する。この時点で、緊急停止を行った場合、ロボットハンド10は減速するが、作業者2は減速しないものとして、ロボットハンド10が停止した場合の、ロボットハンド10と作業者2との距離を算出する。
停止時相対距離が正の値である場合(S3:Yes)、コントローラ3は、停止時相対距離が、予め定められた停止距離PDよりも小さいかどうかを判断する(S4)。停止時相対距離が正の値であるとは、現時点で緊急停止した場合のロボットハンド10と作業者2が衝突しない距離が存在するということである。
停止時相対距離が、停止距離PDよりも小さい場合(S4:Yes)、コントローラ3は、ロボット1に対して、ロボットハンド10の移動方向を維持したまま減速する(S5)。すなわち、ロボットハンド10は、ロボットハンド10の軌跡を維持したまま減速する。停止時相対距離が、停止距離PDよりも小さいということは、当該相対速度を保ったまま、ロボット1と作業者2が移動すると、ロボットハンド10と作業者2が近接するということである。
この際、減速する速度は、停止時相対距離>PDの条件を満たすように設定される。
コントローラ3は、再度、相対位置、相対速度を取得して、停止時相対距離が、停止距離PDよりも小さいかどうかを判断する(S6)。停止時相対距離が、停止距離PDよりも小さい場合(S6:Yes)、ロボットを緊急停止する(S7)。
停止時相対距離が正の値でない場合(S3:No)、コントローラ3は、ロボットハンド10を緊急停止する(S7)。
停止時相対距離が、停止距離PDよりも大きい場合(S4:No)、ロボット1と作業者2の距離が十分あると判断し、ロボットが加速可能な速度まで加速、もしくは一定速度で移動し(S11)、再度相対速度を取得する(S1)。
停止時相対距離が、停止距離PDよりも大きい場合(S6:No)、再度、相対速度を取得する(S1)。
このことによって、ロボット1と、作業者2とは、衝突せず、安全な協調作業を行うことができる。また、ロボットの可動部と移動体との衝突を防げる距離を従来の構成よりも小さくできる。
なお、上述のフローを用いた説明では、ロボット1と作業者2の相対距離、相対速度を検知することを前提に説明を行ったが、相対距離のみを取得する場合には、相対距離の微分を行うことにより、相対速度を取得することができる。
また、センサ15が相対速度を取得する場合は、ドップラーセンサを用いるとよい。
なお、上述の相対速度は、具体的に次のように算出される。以下の説明においては、2次元の相対速度を用いる場合を例とする。
図5(A)、図5(B)を用いて、ロボットの可動時における、ロボットと作業者の相対速度を算出する概要を示す。図5(A)、図5(B)における、ロボットは、例えば、垂直多関節ロボットである。
図5(A)は、ロボット1と、作業者2との側面概要図である。図5(B)は、ロボット1と、作業者2を天面からみた概要図である。
図5(A)に示すように、ロボットハンド10を作業者2に向かって進行方向に移動させた場合のセンサ15で検知した相対速度ベクトルをVtとする。
ロボット1の固定されているロボット基台20(支点12)と、作業者2を直線で結んだ軸をX軸とする。X軸に直交する軸をY軸とする。相対速度ベクトルVtと、X軸の間の角度をθ1とする。このことによって、ロボット1におけるセンサ15の作業者2に対する相対速度Vxを算出する式は、Vx=Vt×cosθ1となる。
ロボット1と作業者2とを結ぶ方向の相対速度Vxを算出できることによって、緊急停止を行う際に最も有効な相対速度を算出でき、ロボットとヒトとの協調作業の安全性を向上できる。
図6(A)、図6(B)を用いて、ロボットの可動時における、ロボットと作業者(ヒト)の相対速度を算出する概要を示す。図6(A)、図6(B)における、ロボットは、例えば、水平多関節ロボットである。
図6(A)は、ロボット1と、作業者2との側面概要図である。図6(B)は、ロボット1と、作業者2を天面からみた概要図である。
図6(A)に示すように、ロボットハンド10を作業者2に向かって回転方向に回転させた場合のセンサ15で検知した相対速度ベクトルをVt2とする。
図6(B)を用いて、ロボットハンド10を作業者2に向かって回転方向に移動させた場合、天面方向から見る場合について図6(A)の相対速度ベクトルVt2を用いて説明する。
ロボット1の固定されているロボット基台20(支点12)と、作業者2を直線で結んだ軸をX軸とする。X軸に直交する軸をY軸とする。相対速度ベクトルVtと、X軸の間の角度をθ2とする。このことによって、ロボット1におけるセンサ15の作業者2に対する相対速度Vxを算出する式は、Vx=Vt2×cosθ2となる。
回転方向にロボットハンド10が移動する場合でも、ロボットハンド10と作業者2とを結ぶ方向の相対速度Vxを算出できることによって、より正確な相対速度を算出でき、ロボットとヒトとの協調作業の安全性を向上できる。
上述した構成を用いることにより、ロボットの可動部と移動体との衝突を防げる距離を大きくすることなく、ロボットと作業者が、より安全に協調作業を行うことができる。また、ロボットが緊急停止をする場合の従来のように予め規定した危険判断に基づく距離よりも、ロボットと作業者の間の距離が短くなった時であるため、ロボットの不要な停止が発生せず、生産性を高く維持することができる。
また、上述の説明では、ロボットと作業者の間の距離が、予め規定した危険判断に基づく距離よりも十分に存在する場合は、ロボットの速度を加速することができるため、不要な効率低下が抑制される。
なお、上述の説明では、制御部において、停止時相対距離、相対速度を算出する方法について説明した。しかしながら、相対距離、相対速度は、検知部において算出されても良い。
また、他の安全防護策が不要となるため、ロボットと作業者を保護するための追加投資(部材費、設計、メンテナンス工数)を削減することができる。
なお、上述の例では、ロボットの先端(上述の例では、ロボットハンド)に、センサを取り付けることによって、ロボットと作業者との相対速度を取得していた。しかしながら、ロボットの各支点(関節)にセンサを取り付けることによっても、同様の効果を得られる。さらに、各支点(関節)のセンサで相対速度、もしくは、相対距離をセンシングすることによって、より詳細なセンシングデータを得られるため、より安全性を高めることができる。
PD…停止距離
RA1、RA2、RA3、SA1、SA2、SA3…地点
vr1、vr2、vr3、vs1、vs2、vs3…速度
Vt…相対速度ベクトル
Vt2…相対速度ベクトル
Vx…相対速度
1…ロボット
2…作業者
3…コントローラ
3A…センシングデバイス接続部
3B…制御部
3C…出力部
10…ロボットハンド
11…ロボットアーム
12、12A、12B…支点
15…センサ
15A…センシング部
15B…検知部
15C…コントローラ接続部
20…ロボット基台
31B…離間距離推定機能部
32B…危険判断機能部

Claims (7)

  1. 複数のロボットアームを有し、いずれかのロボットアームが別のロボットアームに連結された支点を軸にして可動させられるロボットにおいて、前記ロボットアームが連結される前記ロボットの基台の支点から最も遠い前記ロボットアームの位置を対象位置とし、この対象位置と、移動体との相対距離、および相対速度を取得する取得部と、
    前記取得部が取得した前記ロボットアームの前記対象位置と、前記移動体との相対距離と、前記取得部が取得した前記ロボットアームの前記対象位置と、前記移動体との相対速度について算出した、前記ロボットアームと連結される前記基台の前記支点と前記移動体とを結ぶ直線方向の成分の大きさと、によって、前記ロボットアームを可動させるアクチュエータの駆動制御信号を生成する制御部と、
    前記制御部が生成した前記駆動制御信号を前記アクチュエータに出力する出力部と、を備え、
    前記取得部は、前記ロボットアームに取り付けたセンサによって、前記ロボットアームの前記対象位置と前記移動体との相対距離、または相対速度の一方を検知し、その検知結果から他方を算出する、ロボット制御装置。
  2. 前記ロボットアームの1つは、一方の端部側が別のロボットアームに前記支点で連結され、他方の端部側に前記センサが取り付けられている、請求項1に記載のロボット制御装置。
  3. 前記制御部は、前記取得部が取得した前記ロボットアームの前記対象位置と、前記移動体との相対距離と、前記取得部が取得した前記ロボットアームの前記対象位置と、前記移動体との相対速度について算出した、前記ロボットアームと連結される前記基台の前記支点と前記移動体とを結ぶ直線方向の成分の大きさを用いて、この時点で前記ロボットアームの停止制御を行った場合に、停止した前記ロボットアームの前記対象位置と、前記移動体との距離を推定し、ここで推定した距離が、予め定めた停止距離よりも短ければ、前記ロボットアームを減速させる前記駆動制御信号を生成する、請求項1、または2に記載のロボット制御装置。
  4. 前記制御部は、前記取得部が取得した前記ロボットアームの前記対象位置と、前記移動体との相対距離と、前記取得部が取得した前記ロボットアームの前記対象位置と、前記移動体との相対速度について算出した、前記ロボットアームと連結される前記基台の前記支点と前記移動体とを結ぶ直線方向の成分の大きさを用いて、この時点で前記ロボットアームの停止制御を行った場合に、停止した前記ロボットアームの前記対象位置と、前記移動体との距離を推定し、ここで推定した距離が、予め定めた停止距離よりも長ければ、前記ロボットアームを加速させる前記駆動制御信号を生成する、請求項1~請求項3のいずれかに記載のロボット制御装置。
  5. 複数のロボットアームを有し、いずれかのロボットアームが別のロボットアームに連結された支点を軸にして可動させられるロボット、および、
    前記ロボットに対して、前記ロボットアームを可動させる前記アクチュエータの駆動制御信号を生成して出力する請求項1~請求項4のいずれかに記載のロボット制御装置、を有するロボットシステム。
  6. 複数のロボットアームを有し、いずれかのロボットアームが別のロボットアームに連結された支点を軸にして可動させられるロボットの駆動制御を行うロボット制御装置のコンピュータが、
    前記ロボットアームが連結される前記ロボットの基台の支点から最も遠い前記ロボットアームの位置を対象位置とし、この対象位置と、移動体との相対距離、および相対速度を取得する取得ステップと、
    前記取得ステップで取得した前記ロボットアームの前記対象位置と、前記移動体との相対距離と、前記取得ステップで取得した前記ロボットアームの前記対象位置と、前記移動体との相対速度について算出した、前記ロボットアームと連結される前記基台の前記支点と前記移動体とを結ぶ直線方向の成分の大きさと、によって、前記ロボットアームを可動させるアクチュエータの駆動制御信号を生成する生成ステップと、
    前記生成ステップで生成した前記駆動制御信号を前記アクチュエータに出力する出力ステップと、を実行し、
    前記取得ステップは、前記ロボットアームに取り付けたセンサによって、前記ロボットアームの前記対象位置と前記移動体との相対距離、または相対速度の一方を検知し、その検知結果から他方を算出するステップである、ロボット制御方法。
  7. 複数のロボットアームを有し、いずれかのロボットアームが別のロボットアームに連結された支点を軸にして可動させられるロボットの駆動制御を行うロボット制御装置のコンピュータに、
    前記ロボットアームが連結される前記ロボットの基台の支点から最も遠い前記ロボットアームの位置を対象位置とし、この対象位置と、移動体との相対距離、および相対速度を取得する取得ステップと、
    前記取得ステップで取得した前記ロボットアームの前記対象位置と、前記移動体との相対距離と、前記取得ステップで取得した前記ロボットアームの前記対象位置と、前記移動体との相対速度について算出した、前記ロボットアームと連結される前記基台の前記支点と前記移動体とを結ぶ直線方向の成分の大きさと、によって、前記ロボットアームを可動させるアクチュエータの駆動制御信号を生成する生成ステップと、
    前記生成ステップで生成した前記駆動制御信号を前記アクチュエータに出力する出力ステップと、を実行させ、
    前記取得ステップは、前記ロボットアームに取り付けたセンサによって、前記ロボットアームの前記対象位置と前記移動体との相対距離、または相対速度の一方を検知し、その検知結果から他方を算出するステップである、ロボット制御プログラム。
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