CN101888920B - 机器人动作限制方法、机器人系统和机器人动作限制装置 - Google Patents

机器人动作限制方法、机器人系统和机器人动作限制装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供机器人动作限制方法、机器人系统和机器人动作限制装置，其能够提高机器人作业的安全性，并且能够有效利用工厂等的地面空间。按照下述步骤进行处理：在存储器中定义包含机器人的臂部和在腕部所具备的工件或工具的臂部占用区域(A1、A2、A3、A4、A5、A6)以及臂部不得进入的动作禁止区域(50)，对在执行向下一次目标位置(302)的动作指令过程中使机器人紧急停止的情况下的机器人各轴的惯性移动角度进行估计，并与下一次目标位置(302)相加，由此求得机器人的惯性移动预测位置(303)，对惯性移动预测位置(303)处的臂部占用区域(A1、A2、A3、A4、A5、A6)是否进入到动作禁止区域(50)进行确认，在确认为进入的情况下，立即进行使机器人的动作停止的控制。

Description

机器人动作限制方法、机器人系统和机器人动作限制装置
技术领域
本发明涉及机器人动作限制方法、机器人动作限制装置、以及具有该机器人动作限制装置的机器人系统。
背景技术
机器人、特别是工业用机器人在机动车组装工厂等处被广泛地应用。
在进行动作时，机器人臂部及其腕部(包括腕部所具备的工件、工具)根据预先示教并记录于控制装置的存储器中的作业程序(记载有用于使机器人动作并执行作业的步骤的程序)，以不干涉周围设备、并且不产生多余的动作的方式沿预期的移动轨迹动作。
然而，通常在机器人的所述移动轨迹的外侧隔开预定的间距地配置有安全防护栅，以免发生因机器人臂部和腕部的动作而使作业者等处于危险中这样的意外情况。
此安全防护栅设于机器人的最大动作范围的外部，然而例如在运送小型部件等用途中，尽管机器人作业所需的动作范围狭小，但仍将安全防护栅设于机器人的最大动作区域的外部，这样一来，将机器人的占用区域确保得很广，是一种浪费。因此，也存在利用基于计算机的控制来限制机器人的动作范围的技术。
例如，在专利文献1中记载了具有如下特征的机器人动作限制方法：将用于限制机器人动作的区域在存储器中定义为“虚拟安全栅”，并定义至少两处以上的将机器人(包括工件、工具)的一部分包围起来的三维空间区域，对所述三维空间区域在轨迹计算中的预测位置与虚拟安全栅进行比对，只要有一部分接触到虚拟安全栅，则进行使机器人停止的控制。
此外，作为这样的监视动作区域的具体方法，例如在日本专利第3937080号(以下称作参考文献1)中提出了以下方法：将被定义为长方体的干涉区域内部表现为通过长方体的各面的四个顶点的六个外接球，求得外接球的中心位置与臂部各部分之间的距离，并根据对臂部设定的半径和外接球的半径来判断是否处于干涉状态。根据该方法，不会对控制器的CPU施加太大的负荷，能够实时地进行干涉区域检查。
通过采用所述技术，能够在不依赖安全防护栅等的情况下限制机器人的动作范围，能够将安全防护栅设置得更窄，从而有效地利用工厂等的有限的地面面积。
专利文献1：日本特开2004-322244号公报(第6-9页，图1)
专利文献1是在轨迹计算中的预测位置越过虚拟安全栅时使机器人停止的技术。并且，关于机器人的惯性移动，记载有以下内容：“虽然惯性运送、制动需要时间(距离)，但是由于能够通过预估将机器人本身比虚拟安全栅更靠前方预定距离的位置识别为制动开始位置，因此能够安全地停止”(参照段落0013。另外，对于在紧急停止时由惯性产生的过度移动量，在专利文献1中被记做“惯性运送”，而在本申请中统一为“惯性移动”)。
然而，在专利文献1中，从结论上来讲没有考虑到惯性移动距离。此处，在想要实时地实施具有充分余量的预估的情况下，需要非常高的CPU能力，这是不现实的。
此外，即使是在轨迹计算中不会与虚拟安全栅接触的动作模式，在因某些异常情况(例如生产线异常停止、伺服放大器的故障等)而紧急停止的情况下，因惯性力矩和重力力矩的大小、制动能力的差异，各轴的惯性移动角度对于每个轴都不相同，因此惯性移动后的位置会脱离原来估计的动作轨迹。因此，存在该位置越过虚拟安全栅的可能性。
因此，在想要导入机器人的时候，需要在考虑到该惯性移动量的基础上将安全防护栅和虚拟安全栅之间的间距确保得较大，从而产生了空间的浪费。
发明内容
本发明正是鉴于所述问题而作出的，假设在紧急停止的情况下，当各轴的惯性移动位置有可能进入到动作禁止区域时，即时地使机器人停止，或者发出警告，敦促对作业程序进行修正，由此在任何情况下机器人均不会进入到动作禁止区域。根据该作用，本发明的目的在于提供能够在不浪费的状态下有效地利用工厂等的地面面积和空间的机器人动作限制方法、机器人动作限制装置、以及具有该种装置的机器人系统。
为了解决上述问题，本发明如下所述地构成。
方案1所述的发明为一种机器人动作限制方法，其特征在于，在存储器中定义臂部占用区域以及所述臂部占用区域不得进入的动作禁止区域，所述臂部占用区域包含机器人的臂部和在腕部所具备的工具或所把持的工件，在按每个运算周期计算所述工件或者工具的目标位置、并生成所述机器人的各轴的动作指令时，对以下一次运算周期的所述工具或者工件的目标位置为基础的所述臂部占用区域是否进入到所述动作禁止区域进行确认，在确认为进入的情况下，进行使所述机器人的动作停止的控制，在未确认为进入的情况下，对在所述机器人以向所述下一次运算周期的所述工具或者工件的目标位置的动作指令为基础而动作的过程中使所述机器人紧急停止的情况下的、所述机器人各轴的惯性移动角度进行估计，通过将各轴的惯性移动角度与下一次运算周期的所述各轴的所述动作指令相加，求得所述机器人的各轴的惯性移动预测位置，对各轴的所述惯性移动预测位置处的所述臂部占用区域是否进入到所述动作禁止区域进行确认，在确认为进入的情况下，进行使所述机器人的动作停止的控制。
此外，方案2所述的发明为一种机器人系统，该机器人系统具有机器人和控制所述机器人的机器人控制装置，所述机器人控制装置包括：存储器，所述存储器对臂部占用区域以及所述臂部占用区域不得进入的动作禁止区域进行存储，所述臂部占用区域以所述机器人的臂部或者在所述机器人的腕部所具备的工具或所把持的工件为基础；目标位置计算部，所述目标位置计算部按每个运算周期计算所述工具或者工件的动作目标位置，并且生成所述机器人的各轴的动作指令；动作禁止区域进入监视部，所述动作禁止区域进入监视部对以由所述目标位置计算部求得的所述工具或工件的动作目标位置为基础的所述臂部占用区域是否进入到所述动作禁止区域进行确认，在确认为进入的情况下，所述动作禁止区域进入监视部输出使所述机器人的动作停止的停止要求；以及驱动部，所述驱动部进行所述机器人的动作，所述机器人系统根据所述停止要求控制所述机器人的动作使其停止，该机器人系统的特征在于，所述机器人控制装置包括惯性移动预测位置计算部，所述惯性移动预测位置计算部对在所述机器人向所述工具或工件的动作目标位置动作的过程中使所述机器人紧急停止的情况下的、所述机器人各轴的惯性移动角度进行估计，并且通过将所述估计出的各轴的惯性移动角度与所述各轴的动作指令相加，来求得所述机器人的各轴的惯性移动预测位置、和各轴的所述惯性移动预测位置处的所述工具或工件的惯性移动位置，所述动作禁止区域进入监视部对所述惯性移动位置处的所述臂部占用区域是否进入到所述动作禁止区域进行确认，在确认为进入的情况下，所述动作禁止区域进入监视部进一步输出使所述机器人的动作停止的停止要求。
此外，方案3所述的发明的特征在于，所述机器人控制装置与具备显示装置的示教部件连接，在根据使所述停止机器人的动作停止的停止要求来进行停止控制时，所述示教部件的显示装置配合显示使所述机器人停止的意思。
此外，方案4所述的发明的特征在于，所述机器人控制装置与具备显示装置的示教部件连接，当预先确定的控制方式被设定为继续时，所述示教部件的显示装置显示不根据所述停止要求进行停止控制而是进行使所述机器人继续的控制的意思。
此外，方案5所述的发明为一种机器人系统，该机器人系统具有机器人和控制所述机器人的机器人控制装置，所述机器人控制装置包括：目标位置计算部，所述目标位置计算部按每个运算周期计算在腕部所具备的工具或所把持的工件的动作目标位置，并且生成所述机器人的各轴的动作指令；以及驱动部，所述驱动部基于所述动作指令使所述机器人进行动作，所述机器人系统的特征在于，该机器人系统具有：存储器，所述存储器对臂部占用区域以及所述臂部占用区域不得进入的动作禁止区域进行存储，所述臂部占用区域以所述机器人的臂部或者在所述机器人的腕部所具备的工具或所把持的工件为基础；当前位置检测部，所述当前位置检测部从所述机器人的各轴所具备的位置检测器读取马达的当前位置，根据马达的当前位置求得所述机器人的当前位置，并存储马达的当前位置和机器人的当前位置；动作禁止区域进入监视部，所述动作禁止区域进入监视部对以由所述目标位置计算部求得的所述工具或工件的动作目标位置为基础的所述臂部占用区域是否进入到所述动作禁止区域进行确认，在确认为进入的情况下，所述动作禁止区域进入监视部输出使所述机器人的动作停止的停止要求；以及惯性移动预测位置计算部，所述惯性移动预测位置计算部对在所述机器人向所述工具或工件的动作目标位置动作的过程中使所述机器人紧急停止的情况下的、所述机器人各轴的惯性移动角度进行估计，并且通过将所述估计出的各轴的惯性移动角度与所述各轴的动作指令相加，来求得所述机器人的各轴的惯性移动预测位置、和各轴的所述惯性移动预测位置处的所述工具或工件的惯性移动位置，所述动作禁止区域进入监视部具有动作区域监视装置，所述动作区域监视装置对所述惯性移动位置处的所述臂部占用区域是否进入到所述动作禁止区域进行确认，在确认为进入的情况下，所述动作区域监视装置进一步输出使所述机器人的动作停止的停止要求。
此外，方案6所述的发明的特征在于，所述存储器、所述当前位置检测部、所述惯性移动预测位置计算部以及所述动作禁止区域进入监视部相对于所述机器人控制装置独立。
此外，方案7所述的发明为一种机器人动作限制装置，其特征在于，该机器人动作限制装置具备以下构件：在存储器中定义臂部占用区域的构件，所述臂部占用区域包含机器人的臂部和在腕部所具备的工具或所把持的工件；在存储器中定义所述臂部占用区域不得进入的动作禁止区域的构件；以预先确定的周期取得所述机器人的各轴的位置的构件；根据取得的所述机器人的各轴的位置和所述周期计算出各轴的速度，并根据各轴角度求得各轴的惯性力矩和重力力矩，进而根据各轴的速度、惯性力矩以及重力力矩来预测施加于各轴的转矩的构件；求出从所述转矩减去预先针对各轴设定的库仑摩擦、粘性摩擦以及制动装置所产生的制动转矩而得到的停止时转矩，并根据该停止时转矩来预测各轴的惯性移动角度的构件；将所述惯性移动角度与机器人各轴的当前角度相加，从而求得紧急停止的情况下的惯性移动预测位置的构件；对所述惯性移动预测位置处的所述臂部占用区域是否进入到所述动作禁止区域进行确认的构件；以及控制构件，在确认为所述进入的情况下，所述控制构件使机器人的动作停止。
根据方案1、2、5和7所述的发明，由于能够考虑到在发生意外的紧急停止的情况下的机器人的惯性移动地进行动作区域的限制，所以在任何情况下机器人均不会进入到动作禁止区域，因此能够安全地设定正确的动作禁止区域。因此，不但确保了在该处工作的作业人员的安全性，而且能够在不浪费的状态下有效地利用工厂的地面面积和空间。
此外，根据方案3和4所述的发明，作业者能够确认动作限制的状态，能够使作业者的确认容易化。
此外，根据方案5和6所述的发明，由于进行机器人的动作监视的动作区域监视装置为相对于控制机器人的机器人控制装置独立的结构，因此形成为即使进行与机器人的控制有关的改善(升级)等也不会影响到动作区域监视装置的结构。能够与机器人的控制无关地维持动作区域监视的安全性，因此例如能够通过使动作区域监视装置取得第三方机构的安全认证等而容易地取得顾客的信赖。
附图说明
图1是说明具有本发明所述的机器人动作限制方法和装配方法的机器人系统的图。
图2是用于实现本发明所述的机器人动作限制方法的框图。
图3是说明具有本发明所述的机器人动作限制方法和装配方法的机器人的动作的图。
图4是用于实现本发明所述的机器人动作限制方法的流程图。
图5是说明利用动作禁止区域来定义可动作区域的方法的图。
图6是用于实现本发明的第二方法所述的机器人动作限制方法的框图。
图7是用于实现本发明的第二方法所述的机器人动作限制方法的流程图。
标号说明
1：机器人；2：主体；3、4、5：臂部；6：把持装置；7：工具；8：关节；9：工件；10：物理安全防护栅；20：控制装置；21：示教部件；50：动作禁止区域；51：动作禁止区域(1)；52：动作禁止区域(2)；53：动作禁止区域(3)；54：动作禁止区域(4)；70：可动作区域201：示教和操作部；202：示教数据存储区域；203：参数存储区域；204：动作指令生成部；205：驱动部；206：下一次目标位置计算部；207、603：惯性移动预测位置计算部；208、604：动作禁止区域进入监视部；301：当前位置；302：下一次目标位置；303：惯性移动预测位置；304：第一轴；601：动作区域监视装置；602：当前位置检测部；605：马达位置；606：紧急停止指令；A1、A2、A3、A4、A5、A6：臂部占用区域。
具体实施方式
以下，根据附图对本发明的方法的具体实施例进行说明。
第一实施例
图1是说明具有本发明所述的机器人动作限制方法和装配方法的机器人系统的图(机器人以线型形态示出)。在工厂的地板设有物理安全防护栅10，在该物理安全防护栅10中配置机器人1。
在本示例中，机器人1具有主体2和三个臂部3、4、5。在臂部5经把持装置6具备工具7。作为工具7，可以安装电弧焊接用的焊矩、点焊接用的焊枪、用于运送的手部等。臂部3、臂部4、臂部5分别通过关节8而连接在一起。
标号9为放置于地面的工件。工件9为被焊接体或运送物等。
从控制装置20向主体2发送必要的信号，按照预定的作业程序，臂部3、4、5进行预定的动作，把持装置6或者工具7进行沿着预期的轨迹的动作。
在控制装置20连接有示教部件21，该示教部件21进行对机器人1的示教和作业程序的改写等。
在导入、设置进而运行机器人之前，设定机器人1的动作禁止区域50。该动作禁止区域50的设定除了在设置时以外，可以在需要变更时随时进行。动作禁止区域50被定义并设定为长方体。设定通过下述方法之一来进行定义：采用示教部件21，对长方体的顶点的坐标值进行数值输入；或者操作示教部件21使机器人1的控制点动作，从而指定长方体的顶点的位置。定义出的动作禁止区域50被存储在控制装置20的存储器中。另外，动作禁止区域50也可定义为多个区域。
此外，将机器人1的各臂部3、4、5和工具7在空间中所占用的区域定义为臂部占用区域A1、A2、A3、A4、A5、A6。
首先，将臂部3、4、5定义为以连接关节8的直线为轴心的预定半径的圆筒区域，并将这些圆筒区域设为A4、A5、A6。
此外，将包围机器人1的各关节8的区域A1、A2定义为以关节8的轴上的一个点为中心的预定半径的球。关节8的轴上的一个点通常采用在定义所述A4、A5、A6的区域时使用的“连接关节8的直线”与关节8的轴线相交的交点。另外，将包围臂部5的末端的把持装置6以及工具7的区域定义为预定半径的球A3。所述臂部占用区域A1至A6的定义也被存储在控制装置20的存储器中。
任意一个臂部占用区域均只要采用具有大致相当的半径的球和圆筒即可，在定义为半径更大的球和圆筒的情况下，虽然安全系数相应地升高了，然而需要将上述动作禁止区域50设定为更广的区域，空间利用率降低。或者会使臂部的移动受到限制。
图2是示出利用控制装置20构建的机器人控制的一个实施例的框图。
示教和操作部201通过操作者在示教部件21中的操作，来进行作业程序的调用和执行、以及用于示教作业的机器人操作。此外，示教和操作部201也进行示教数据(作业程序、其他的与作业相关的信息)向示教数据存储区域202的存储、以及各种参数向参数存储区域203的存储等。在参数存储区域203存储有插补运算所需的臂部各部分的尺寸、机器人轴动作所需的减速比和马达常数等轴规格、以及用于定义各轴臂部占用区域A1至A6的半径和动作禁止区域50的坐标值等。
在操作者进行作业程序的调用和执行、或者用于示教作业的机器人操作时，示教和操作部201对动作指令生成部204发送机器人动作指令要求。动作指令生成部204针对机器人动作指令要求，在每个确定的插补周期利用下一次目标位置计算部206计算出由作业程序确定的机器人的动作轨迹上的插补点作为下一次目标位置。对于在此求得的下一次目标位置，利用动作禁止区域进入监视部208进行是否进入到动作禁止区域的检查。此外，利用惯性移动预测位置计算部207计算出在向下一次目标位置动作的状态下实施了紧急停止的情况下机器人进行惯性移动而停止的位置(惯性移动预测位置)，并利用动作禁止区域进入监视部208对求得的惯性移动预测位置进行是否进入到动作禁止区域的检查。下一次目标位置计算部206将用于向计算出的位置进行动作的机器人各轴的指令值发送到驱动部205。但是，在动作禁止区域进入监视部208检测到机器人向动作禁止区域的进入的情况下，向驱动部205发送停止要求。
驱动部205使机器人1的各轴按照从动作指令生成部204发送来的指令值进行动作，但是在收到停止要求时，不进行机器人1的动作而是使其停止。
图3是对用于说明本发明的基本观点的机器人的动作进行说明的图。
假设机器人1想要从当前位置301向下一次目标位置302动作。在此，在对机器人1实施紧急停止时，各个轴根据当时的负载状况多少都会进行惯性移动然后停止。通过预测各轴的惯性移动角度，并与下一次目标位置相加，能够求得惯性移动预测位置303。
在图3的(b)中，θs1表示当前位置301处的第一轴304的角度，θe1表示下一次目标位置302处的第一轴304的角度。θd1表示在下一次目标位置302的姿势的负载状况下进行了紧急停止的情况下的惯性移动角度。在此，通过计算出θe1+θd1，能够求得惯性移动预测位置303。
关于该惯性移动预测位置303，考虑到臂部占用区域，在臂部占用区域其进入动作禁止区域50的情况下，在尚未使机器人1向下一次目标位置302动作之前便使机器人1停止，由此，即使有惯性移动也能够避免进入动作禁止区域50。
在图3中，与图3的(a)相比，图3的(b)的第一轴304的惯性力矩和重力力矩更大。因而，图3的(b)产生更大的惯性移动角度，如图所示，可以预测到腕部的臂部占用区域会进入动作禁止区域50。因此，在图3的(b)的情况下，使机器人1停止。
图4是用于实现在动作指令生成部204中以不干涉到动作禁止区域的方式被限制后的机器人的动作的流程图。利用该图对本发明的方法按照顺序进行说明。
在此，考虑的是轴数为n个的机器人。基本上，在各个步骤中，对从第一轴到第n轴重复同样的处理。用i作为表示各轴的轴序号的下标。(例如，如果是六轴机器人的话，取i＝1......6。)
[S01]
在步骤S01中，在下一次目标位置计算部206计算出每运算周期的下一次目标位置(图3中的标号302)。该下一次目标位置指的是求出到机器人各轴的角度的位置。
接下来前进到步骤S02。
[S02]
在步骤S02中，在步骤S01中求得的下一次目标位置处，对臂部占用区域A1至A6是否进入到动作禁止区域50进行检查。该检查在动作禁止区域进入监视部208中进行。
此处的进入监视的具体方法有很多种，在此如参考文献1所示采用以下方法：将动作禁止区域定义为长方体并表现为通过各面的四个顶点的六个外接球，求得外接球的中心位置与臂部各部分之间的距离，并根据对臂部设定的半径和外接球的半径来判断是否处于干涉状态。
另外，当在多个区域定义了动作禁止区域50的情况下，对所有的动作禁止区域进行相同的检查，哪怕只进入了其中一个动作禁止区域，也判定为“进入”。
在此，在判断为“进入”的情况下，前进到步骤S12。否则，前进到步骤S03。
[S03]
在步骤S03中，根据当前位置与下一次目标位置的差和运算周期时间t，求得机器人各轴的速度ωi。
该速度的计算在惯性移动预测位置计算部207中进行。
例如，图3的(b)中的第一轴的速度ω1由下式求得。
ω1＝(θe1-θs1)/t
在此，θs1、θe1如在图3中说明的那样，θs1表示当前位置的第一轴角度，θe1表示下一次目标位置的第一轴角度。
同样地，对于其他的轴(2～n轴)，也计算出各轴速度ωi。即，
ωi＝(θei-θsi)/t    (i＝1～n)
接下来前进到步骤S04。
[S04]
在步骤S04中，在惯性移动预测位置计算部207，计算出下一次目标位置处的绕机器人的各轴产生的惯性矩阵J、以及重力力矩G。
在轴数为n的机器人的情况下，惯性矩阵J表现为n行n列的行列式，重力力矩G表现为n行1列的行列式。
Figure GPA00001148444000111
G = g 1 g 2 . . . . . . g n
机器人各轴的惯性矩阵、重力力矩能够通过将各臂部分割为按关节分隔开的单独部分，并根据各自的质量和重心位置、形状力矩、机器人各轴角度而计算得出。各臂部的质量和重心位置、形状力矩预先存储在参数存储区域203。
作为根据机器人的姿势来计算各轴的惯性矩阵、重力力矩的具体方法，由于存在各种运动方程式，因此采用其中的任意一种即可。例如，采用“牛顿-欧拉运动方程式”、“拉格朗日运动方程式”等运动方程式的方法一般已经被公知，并且适合于计算机中的实时计算。
接下来前进到步骤S05。
[S05]
在步骤S05中，在惯性移动预测位置计算部207，使用至步骤S04为止求得的各轴的速度ωi、惯性矩阵J、重力力矩G来计算在各轴产生的能量Ui。
作用于动作中的旋转体的全部能量由下述算式表现。
U＝K+P
在此，U为全部能量，K为动能，P为位置势能。
机器人臂部在绝大多数情况下为进行以各轴为中心的旋转运动的旋转体。动能K在旋转体的情况下由下述算式表现。
K = 1 2 J ω 2
另一方面，位置势能P等于重力力矩G。
因此，第i轴的能量Ui可由下式求得。
U i = 1 2 ( j i 1 · ω 1 2 + j i 2 · ω 2 2 + . . . + j ii · ω i 2 . . . + j in · ω n 2 ) + g i
对i＝1～n的所有轴进行上述算式的计算，计算出各轴的能量。
接下来前进到步骤S06。
[S06]
在步骤S06中，在惯性移动预测位置计算部207，计算出对机器人1实施了紧急停止的情况下的各轴的惯性移动角度。在产生于第i轴的能量、第i轴的制动能力以及各轴的惯性移动角度之间存在如下式那样的关系。
Ui＝Tbi·θdi
Tbi为第i轴的制动转矩，θdi为第i轴的惯性移动角度。
在此，制动转矩Tbi是由伺服马达所具备的机械式制动器的能力、伺服放大器的动力制动器、电源再生、减速机构部的摩擦阻力等决定的各轴固有的值。制动转矩越大，则各轴的惯性移动角度越小。
因此，在使以某一能量动作着的机器人轴紧急停止时的第i轴的惯性移动角度可通过下式计算得出。
θdi＝Ui/Tbi
使用该算式计算出各轴的惯性移动角度θdi。在此，例如图3的(b)中的θd1表示第一轴的惯性移动角度。
另外，各轴的制动转矩的设定值利用示教部件21等保存于参数存储区域203。
接下来前进到步骤S07。
[S07]
在步骤S07中，基于步骤S06中求得的各轴的惯性移动角度来计算“惯性移动预测位置”。即，此处求得的惯性移动预测位置是当在下一次目标位置处对机器人1实施了紧急停止的情况下机器人1将到达的预想位置。以图3的(b)中的第一轴进行说明，下一次目标位置302中的第一轴的角度θe1加上在步骤S06中求得的惯性移动角度θd1而得到的角度为惯性移动预测位置303中的第一轴的角度。
接下来前进到步骤S08。
[S08]
在步骤S08中，对惯性移动预测位置303是否进入到动作禁止区域进行检查。检查方法本身与步骤S02是相同的，该检查在动作禁止区域进入监视部208中进行。
在此，在判断为“进入”的情况下，前进到步骤S09。否则，前进到步骤S11。
[S09]
在步骤S09中，按照操作者预先针对参数设定的控制方法，将控制分支为停止或者继续。如果控制方法为停止，则前进到步骤S12，如果为继续，则前进到步骤S10。
[S10]
在步骤S10中，在示教部件21的显示器，与在步骤S08中惯性移动预测位置进入了动作禁止区域的作业程序的示教步骤序号一起显示“动作继续”或者表示动作继续的意思的消息，并前进到步骤S11。
[S11]
在步骤S11中，将用于向下一次目标位置计算部206所计算出的下一次目标位置动作的动作指令输出到驱动部205，使机器人1动作。
[S12]
在到达了步骤S12的情况下，动作禁止区域进入监视部208向驱动部205发送停止要求。驱动部205通过该停止要求而使机器人1的动作停止。此外，将停止理由作为消息显示于示教部件21的显示器。
通过采用这样的步骤，即使发生了紧急停止、机器人1进行了惯性移动，机器人1也不会进入动作禁止区域。
由于惯性移动预测位置为与实际示教的轨迹不同的位置，因此在示教作业中预测惯性移动中的干涉是困难的。
在本实施例中，作为预测到惯性移动预测位置进入动作禁止区域的情况下的控制方法，可对“紧急停止”和“动作继续”进行选择。(步骤S09)
利用此方法，在示教了作业程序后的动作确认时，指定“动作继续”并再现作业程序，由此确认了有可能在紧急停止时干涉到动作禁止区域的部位，然后进行示教点、指令速度的修改，使得在正常动作时不存在干涉的可能。由此，能够尽量排除在难以预测的惯性移动中发生干涉的可能性。
并且，可以以如下方式进行利用：在实际生产时，指定“紧急停止”，在特殊的状况下产生了干涉的可能的情况下，使机器人紧急停止。
在本发明的动作禁止区域的设定中，在多数情况下，对于使用方式，不是定义机器人不得进入的区域，而是指定允许机器人动作的区域、即“可动作区域”，这样更加简便。即，为这样的情况：指定由安全防护栅包围的区域。
在这样的情况下，通过对将已定义的可动作区域包围起来的多个动作禁止区域进行定义，能够得到相同的效果。
图5表示从上面对将可动作区域70定义为包含机器人1的长方体的系统进行观察的状态。
在用户已定义可动作区域70的情况下，只要使控制器自动地生成与可动作区域70的各面相邻的多个动作禁止区域51～54，并预先将其扩展至参数存储区域203即可。由此，利用上述的方法，能够实现不超出至可动作区域70之外的动作限制。
第二实施例
所述的机器人动作限制方法由进行机器人的控制的控制程序构成，然而为了提高安全性和可靠性，也可以独立地设置机器人动作限制装置，该机器人动作限制装置用于对机器人向动作禁止区域的进入进行监视、并在进入时进行使机器人动作停止的控制。
图6和图7是说明作为本发明的其他实施方式的、使进行所述监视和停止控制的装置独立出来的情况下的实施方式的图。
图6形成为相对于图2的系统追加了动作区域监视装置601的结构。动作区域监视装置601中，当前位置检测部602自驱动部205每隔所确定的监视周期从编码器等位置检测器读取各轴的马达位置605。根据所述各轴的马达位置605求得机器人的当前位置(工件或者工具的位置，也称作TCP)，并利用动作禁止区域进入监视部604检查机器人的当前位置是否进入动作禁止区域。此外，基于由当前位置检测部602读取的马达位置605信息，在惯性移动预测位置计算部603计算出在该时刻实施了紧急停止的情况下机器人进行惯性移动而停止的位置。利用动作禁止区域进入监视部604检查该惯性移动预测位置是否进入到动作禁止区域。动作禁止区域进入监视部604在检测到进入动作禁止区域时，对驱动部205输出例如驱动电源切断信号等紧急停止指令606。
图7是用于实现在图6的系统结构中以不干涉到动作禁止区域的方式限制机器人的动作的流程图。利用该图对本发明的方法按照顺序进行说明。
[S101]
在步骤S101中，利用当前位置检测部602读取机器人的各轴的马达位置605。接下来，根据读取的各马达位置605求得机器人的当前位置。为了以后进行的处理，将各轴马达的当前的位置(当前位置)与上一次读取的上一次的位置(上一次位置)一起存储起来。接下来前进到步骤S102。
[S102]
在步骤S102中，利用动作禁止区域进入监视部604，在步骤S101中求得的机器人的当前位置处，对臂部占用区域A1至A6是否进入到动作禁止区域50进行检查。具体的进入监视的方法可以应用与在上述图4的流程图的步骤S02中采用的方法相同的方法。
在此，在判断为“进入”的情况下，前进到步骤S109。否则，前进到步骤S103。
[S103]
在步骤S103中，根据各轴马达的上一次位置与当前位置的差和监视周期时间，求得机器人各轴的速度ωi。标号i是表示各轴的轴序号的下标。接下来前进到步骤S104。
[S104]
在步骤S104中，计算出各轴马达的当前位置处的绕机器人的各轴产生的惯性矩阵I、以及重力力矩G。这些计算在惯性移动预测位置计算部603中进行。其方法与图4的步骤S04相同。
接下来前进到步骤S105。
[S105]
在步骤S105中，使用到步骤S104为止求得的各轴的速度ωi、惯性矩阵I、重力力矩矢量G来计算在各轴产生的能量Ui。这些计算在惯性移动预测位置计算部603中进行。计算方法与图4的步骤S05相同。接下来前进到步骤S106。
[S106]
在步骤S106中，计算出从各轴马达的当前位置起对机器人实施了紧急停止的情况下的各轴的惯性移动角度。这些计算在惯性移动预测位置计算部603中进行。计算方法与图4的步骤S06相同。接下来前进到步骤S107。
[S107]
在步骤S107中，将各轴马达的当前位置加上在步骤S106中求得的各轴的惯性移动角度，从而计算出“惯性移动预测位置”。这些计算在惯性移动预测位置计算部603中进行。计算方法与图4的步骤S07相同。接下来前进到步骤S108。
[S108]
在步骤S108中，对惯性移动预测位置是否进入到动作禁止区域进行检查。检查方法本身与步骤S102相同。
在此，在判断为“进入”的情况下，前进到步骤S109。否则，结束本次监视周期的监视处理。
[S109]
在步骤S109中，对驱动部205发出紧急停止要求指令。
通过采用这样的结构和步骤，即使在动作指令生成部发生故障、从而向机器人发送了异常的指令的情况下，也能够在惯性移动位置未进入到动作禁止区域时使机器人停止。
工业上的可利用性
本发明进行机器人的动作预测，并静态地和动态地监视机器人向作为虚拟安全防护栅的动作禁止区域的进入，因此能够实现可靠性高的机器人的动作区域限制。曾经是以坚固的安全防护栅来防止机器人意外地从动作区域脱离，然而由于可靠性增加了，因此可以利用简单的栅等示出机器人的动作区域，从而能够使机器人导入准备简单化。

Claims (6)

1.一种机器人动作限制方法，其特征在于，
在存储器中定义臂部占用区域和所述臂部占用区域不得进入的动作禁止区域，所述臂部占用区域包含机器人的臂部和在腕部所具备的工具或所把持的工件，
在按每个运算周期计算所述工件或者工具的目标位置、并生成所述机器人的各轴的动作指令时，
对以下一次运算周期的所述工具或者工件的目标位置为基础的所述臂部占用区域是否进入到所述动作禁止区域进行确认，
在确认为进入的情况下，进行使所述机器人的动作停止的控制，
在未确认为进入的情况下，
对在所述机器人以向所述下一次运算周期的所述工具或者工件的目标位置的动作指令为基础而动作的过程中使所述机器人紧急停止的情况下的、所述机器人各轴的惯性移动角度进行估计，
通过将各轴的惯性移动角度与下一次运算周期的所述各轴的所述动作指令相加，求得所述机器人的各轴的惯性移动预测位置，
对各轴的所述惯性移动预测位置处的所述臂部占用区域是否进入到所述动作禁止区域进行确认，
在确认为进入的情况下，进行使所述机器人的动作停止的控制。
2.一种机器人系统，该机器人系统具有机器人和控制所述机器人的机器人控制装置，
所述机器人控制装置包括：
存储器，所述存储器对臂部占用区域以及所述臂部占用区域不得进入的动作禁止区域进行存储，所述臂部占用区域以所述机器人的臂部或者在所述机器人的腕部所具备的工具或所把持的工件为基础；
目标位置计算部，所述目标位置计算部按每个运算周期求得所述工具或者工件的动作目标位置，并且生成所述机器人的各轴的动作指令；
动作禁止区域进入监视部，所述动作禁止区域进入监视部对以由所述目标位置计算部求得的所述工具或工件的动作目标位置为基础的所述臂部占用区域是否进入到所述动作禁止区域进行确认，在确认为进入的情况下，所述动作禁止区域进入监视部输出使所述机器人的动作停止的停止要求；以及
驱动部，所述驱动部使所述机器人进行动作，
所述机器人系统根据所述停止要求控制所述机器人的动作使其停止，该机器人系统的特征在于，
所述机器人控制装置包括惯性移动预测位置计算部，所述惯性移动预测位置计算部对在所述机器人向所述工具或工件的动作目标位置动作的过程中使所述机器人紧急停止的情况下的、所述机器人各轴的惯性移动角度进行估计，并且通过将所述估计出的各轴的惯性移动角度与所述各轴的动作指令相加，来求得所述机器人的各轴的惯性移动预测位置、和各轴的所述惯性移动预测位置处的所述工具或工件的惯性移动位置，
所述动作禁止区域进入监视部对所述惯性移动位置处的所述臂部占用区域是否进入到所述动作禁止区域进行确认，在确认为进入的情况下，所述动作禁止区域进入监视部进一步输出使所述机器人的动作停止的停止要求。
3.根据权利要求2所述的机器人系统，其特征在于，
所述机器人控制装置与具备显示装置的示教部件连接，在根据使所述机器人的动作停止的停止要求来进行停止控制时，所述示教部件的显示装置配合显示使所述机器人停止的意思。
4.根据权利要求2所述的机器人系统，其特征在于，
所述机器人控制装置与具备显示装置的示教部件连接，当预先确定的控制方式被设定为继续时，所述示教部件的显示装置显示不根据所述停止要求进行停止控制而是进行使所述机器人继续的控制的意思。
5.一种机器人系统，该机器人系统具有机器人和控制所述机器人的机器人控制装置，
所述机器人控制装置包括：
目标位置计算部，所述目标位置计算部按每个运算周期计算在腕部所具备的工具或所把持的工件的动作目标位置，并且生成所述机器人的各轴的动作指令；以及
驱动部，所述驱动部基于所述动作指令使所述机器人进行动作，所述机器人系统的特征在于，
该机器人系统具有：
存储器，所述存储器对臂部占用区域以及所述臂部占用区域不得进入的动作禁止区域进行存储，所述臂部占用区域以所述机器人的臂部或者在所述机器人的腕部所具备的工具或所把持的工件为基础；
当前位置检测部，所述当前位置检测部从所述机器人的各轴所具备的位置检测器读取马达的当前位置，根据马达的当前位置求得所述机器人的当前位置，并存储马达的当前位置和机器人的当前位置；
动作禁止区域进入监视部，所述动作禁止区域进入监视部对以由所述目标位置计算部求得的所述工具或工件的动作目标位置为基础的所述臂部占用区域是否进入到所述动作禁止区域进行确认，在确认为进入的情况下，所述动作禁止区域进入监视部输出使所述机器人的动作停止的停止要求；以及
惯性移动预测位置计算部，所述惯性移动预测位置计算部对在所述机器人向所述工具或工件的动作目标位置动作的过程中使所述机器人紧急停止的情况下的、所述机器人各轴的惯性移动角度进行估计，并且通过将所述估计出的各轴的惯性移动角度与所述各轴的动作指令相加，来求得所述机器人的各轴的惯性移动预测位置、和各轴的所述惯性移动预测位置处的所述工具或工件的惯性移动位置，
所述动作禁止区域进入监视部具有动作区域监视装置，所述动作区域监视装置对所述惯性移动位置处的所述臂部占用区域是否进入到所述动作禁止区域进行确认，在确认为进入的情况下，所述动作区域监视装置进一步输出使所述机器人的动作停止的停止要求。
6.根据权利要求5所述的机器人系统，其特征在于，
所述存储器、所述当前位置检测部、所述惯性移动预测位置计算部以及所述动作禁止区域进入监视部相对于所述机器人控制装置独立。
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