JP2005342858A - 産業用ロボットの衝突検出方法および衝突検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 運転状況に応じて適切で高精度の衝突検出ができ、ダメージを招くことの少ない産業用ロボットの衝突検出方法および装置を提供する。
【解決手段】 産業用ロボットの衝突検出方法は、産業用ロボットの制御プログラムから動作モードの変更を識別する過程と、変更された前記ロボットの動作モードに応じて、ロボット部分の動作を検出す動作検出部と、衝突判定基準の少なくともいずれかを変更する過程と、前記動作検出部からの信号と前記衝突判定基準を用いて衝突を判定する判定過程と、備える。
【選択図】 図４

Description

この発明は、産業用ロボットに係り、より詳細には、産業用ロボットの衝突検出方法および装置の精度の向上に関するものである。

産業用ロボットが生産業のあらゆる分野で使用され、高品質の製品を多量に生産する上で欠かせないものとなっている。

ここでは一例として、液晶搬送用のロボットを取り上げる。ワーク（ガラス、アクリル板など）をロボットのフォーク（あるいはアームなど）に載せて搬送する際に、動作の教示、教示プログラム変更、ワークの種類の変更、個別の段取り作業等が行われるが、その際に誤ってフォークを衝突させてしまうことが発生している。

このような衝突が発生すると、動作や精度の確認のために、多大の時間が必要となるため生産効率が低下し、また、衝突が激しい場合には、損傷（ダメージ）、動作不良、精度低下等のトラブルが発生して、生産そのものに大きな影響を与えることがある。

ロボットの衝突検出およびダメージ軽減に関しては、従来多くの提案がなされているが、代表的なものとして次のような技術がある。

第１には、ロボットの現在位置ボテンショメータで検出し、目標位置と比較し、偏差を閾値と比較判定することにより衝突の可能性を検出するものがある（特許文献１参照）。

第２には、衝突検出手段を備え、衝突が検出されたときに衝突経路から、所定距離だけ離れて移動させ、ダメージを最小にするものがある（特許文献２参照）。

第３には、モータの電流を検知し閾値と比較し、衝突の可能性があるときには逆転によりダメージを最小にするものがある（特許文献３参照）。

てロボットを停止させることが行われてきた。

一方、衝突自体の検出については、衝突によるロボット部分の損傷等を最小限にすべく、衝突を迅速に検出するために次のような手法が採用されている。
（１） ロボット部分を駆動するモータの電流を検出し、電流値が一定値以上の場合に衝突と判断するもの。
（２） ロボット部分に近接センサを取り付け、他の物体が近接することで衝突と判断するもの。
（３） ロボット部分にＡＥ（acoustic emission）センサを取り付け、衝撃波を検出して衝突と判断するもの。
（４） ロボット部分に加速度センサを取り付け、加速度の変化量が大きくなると衝突と判断するもの。

しかしながら、これらの手法のいずれも、以下に説明するように実用上の問題を有している。

（１）の場合は、衝突があって始めてモータの負荷電流が上がるため、衝突と判断されるまでの時間遅れが大きく、衝突と判断される頃にはロボット部分のダメージがかなり大きくなっているという問題がある。

（２）の場合は、ワークを出し入れする際にワークを収納するカセットを障害物として誤って検出してしまうことがあるため、これを避けるために制御が複雑化し、これに伴ってコストが上昇するという問題がある。このため、低価格の製品への適用は困難である。

（３）および（４）では、衝突の衝撃による振動と移動中の機械的振動をしきい値の設定により識別する必要がある。ロボット部分ヘのダメージを減らす為には衝突した瞬間に異常を検出して、迅速に停止することが必要であり、衝突検出の精度を上げる必要があるが、これは以下の理由で困難である。

まず、検出の精度を上げる為にしきい値を下げていくと運転中の機械的振動を誤って衝突と検出し、正常運転中に異常停止してしまう。この問題は、しきい値を大きく設定すれば回避出来るが、この場合には逆にその分停止が遅れるため、ロボット部分のダメージは大きくなってしまう。

また、衝突判定の為のしきい値設定は、
最高速度における運転時の機械振動＜衝突時の衝撃
として設定せざるを得ない為、教示作業時など遅い速度域での衝突検出は検出されにくいという問題もある。
特開２００３−１７０３８６号公報 特開２００１−１１７６１８号公報 特許３４５９９７３号

以上のように、従来は、ロボットの種々の動作モードで正確な衝突検出を行うことは不可能であった。

このため、一旦衝突が発生するとダメージが大きく、修理や復旧に多大の時間や費用がかかっていた。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、運転状況に応じて適切で高精度の衝突検出ができ、ダメージを招くことの少ない産業用ロボットの衝突検出方法および装置を提供することを目的とする。

本発明にかかる産業用ロボットの衝突検出方法によれば、
産業用ロボットの制御プログラムから動作モードの変更を識別する過程と、
変更された前記ロボットの動作モードに応じて、ロボット部分の動作を検出す動作検出部と、衝突判定基準の少なくともいずれかを変更する過程と、
前記動作検出部からの信号と前記衝突判定基準を用いて衝突を判定する判定過程とを備えたことを特徴とする。

また、本発明にかかる産業用ロボットの衝突検出装置によれば、
産業用ロボットの制御プログラムから動作モードの変更を識別する動作モード変更検出部と、
モータ動作モニタ用の検出手段とは別にロボット部分に設けられた動作検出部と、
前記動作モード変更検出部で検出された変更された前記ロボットの動作モードに応じて、前記動作検出部と判定基準の少なくともいずれかを変更する変更部と、
前記変更された動作検出部からの信号と前記変更された判定基準を用いて衝突を判定する判定部とを備えたことを特徴とする。

この発明では上述のように、動作モードの変更に応じて信号を取り出す検出器と判定基準の少なくともいずれかを変更することにより衝突を判定するようにしているので、衝突検出精度が向上し、迅速な検出により、ロボット部分やワークのダメージを減少させることが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１および図２は、本発明が適用される産業用ロボットの一例を示すもので、ここでは液晶搬送ロボット１０を示し、図１は平面図、図２は正面図である。

この液晶搬送ロボットは、基台１と、この基台の上面にそれぞれ１７０°の範囲で回動可能な２つの第１アーム２と、この第１アームの先端部に回動可能に連結された２つの第２アーム３と、この２つの第２アームの連結点には、移動対象物である液晶パネル１５を載置するためのフォーク４（ハンド部あるいは第３アームとも称する）が取り付けられている。フォーク４には液晶パネル１５を安定的に保持するための真空吸着孔５が形成されている。

また、以上の構成全体はレール７の上を図中左右方向に摺動可能となっている。

この実施の形態においては、フォーク部に加速度センサ６が取り付けられている。なお、加速度センサの代わりにＡＥセンサでも良い。

図２においては、このロボット本体１０に、ロボット本体１０を制御するためのロボットコントローラ２０が接続された様子が示されている。

図３は、このロボットコントローラ２０のうちの主要部を示すブロック図である。

ロボットコントローラ２０は、ＣＰＵ２１にバスを介してＲＯＭ２２、ＲＡＭ２３、Ａ／Ｄ変換部２４、Ｉ／Ｏインターフェース部２５、モータドライバ２８が接続された構成となっている。

ＲＯＭ２２は種々のプログラムの格納領域となっており、例えば、ロボットの基本的な制御を行うロボットコントロールコア部、ロボットの各部に設けられたモータのサーボ制御を行うサーボコントロール部、ロボット制御プログラムのシーケンスを解読するシーケンス解読部、ロボット制御プログラムから動作モードを判別するモード決定部等を有している。

また、ＲＡＭ２３は、制御用の各種データを格納する制御用データ格納部と、モータのサーボ制御用のデータ格納部と、シーケンスラダー用のデータ格納部と、本発明において重要な構成要素であるしきい値テーブル等を有している。

Ａ／Ｄ変換器２４は、後述するロボットから出力されるアナログデータ、例えば加速度センサ出力、電流センサ出力等をＡ／Ｄ変換してコントローラに取り込むためのものである。

Ｉ／Ｏインターフェース部２５には緊急停止用のスイッチ２６や警告用のアラーム装置２７等が接続される。

モータにドライバ２８ははロボット１０におけるサーボモータに対する直接の制御信号を発生させるものである。ここでは４つのモータＭ１〜Ｍ４に対してサーボ信号が供給される。

また、各サーボモータにはそれぞれエンコーダＥ１〜Ｅ４が設けられ、各エンコーダからは各サーボモータの回転に伴う信号が出力され、速度のモニタとして各サーボモータの制御に用いられる。また、サーボモータに供給される電流を検出する電流センサＣ１〜Ｃ４も各サーボモータに設けられている。

次に、このような構成における動作を説明する。

図４は動作を説明するフローチャートである。

ＲＯＭ２２中のシーケンス解読部に格納された解読プログラムによりプログラム解読が行われ（ステップＳ１０１）、モード決定部に格納された動作モード決定プログラムにより、運転モードが決定される（ステップＳ１０２）。

この決定されたモードにしたがって、ＣＰＵ２１はどの検出信号を用いるかを決定し（ステップＳ１０３）、しきい値を変更できるときには選択する（ステップＳ１０４）。

この状態で加速度センサ６や電流センサＣ１ないしＣ４などからの信号を読み込み（ステップＳ１０５）、ＡＤ変換された値が選択されたしきい値と等しいかそれよりも大きいときには衝突があったものとしてロボットを緊急停止させ（ステップＳ１０７）、アラームを発生させる（ステップＳ１０８）。

ステップＳ１０６でＡＤ変換値がしきい値よりも小さいときには、運転モード変更の割り込みがない限りステップＳ１０５の前に戻って信号読み込みを続行し、運転モード変更の割り込みがあったときにはステップＳ１０１の前に戻る。

ステップＳ１０３とＳ１０４については、ルックアップテーブルを参照して決定することができる。

図５はこのようなルックアップテーブルの一例を示すものである。このルックアップテーブルはＲＡＭ２３中に設けられ、決定された動作モードに対して、使用する検出手段とその衝突判定しきい値の組み合わせを表形式で格納したものである。

図５では、検出されるデータはエンコーダより得られる速度データ、加速度センサより得られる加速度データ、電流センサより得られる電流データとなっている。各運転モードに対して用いられる検出データは対応する箇所に○印が付されている。

このしきい値テーブル中の衝突判定の為のしきい値は、例えば次のように設定されている。基本となるのは通常の送り（フィード）モードであり、現時点でのロボット部分に与えるであろう機械振動量を加味して、しきい値が決定される。

したがって、速度は定格の１２０％、加速度についても定格の１２０％で衝突発生を観察する。

次に高速（ラビッド）送りモードであるが、これは使用されるロボットの搬送速度のうちもっとも高い速度をいう。この場合には速度が速いため、速度、加速度、モータ電流のすべてを用い、大きなダメージを招かないように早く異常を発見するため、定格の１１０％で異常の判断を行うようにする。

次に微速（クリープ）送りモードが規定される。これは、最高速度の２０％以下の速度に相当し、教示作業時や微小送り時にそのロボットで使用される最低の速度である。この速度では、速度センサ、加速度センサでは衝突が起こっても検出されないことがあるため、モータ電流のみを観察し、定格の１２０バーセントで異常と判断している。

また、その他の動作として、全体がレール７上を左右方向に走行する場合、アーム全体の上下運動、アームの回転などが図５中に動作１，動作２として記載されている動作モードとして規定される。

この実施形態例の構成によれば、加速度センサを用いて、ロボットコントローラの内蔵のシーケンスコントローラにより、高速時や送り速度では、加速度センサの値を検出し微速のときは、ロボットコントローラの制御するロボットのモータ電流を比較しつつ判定するので、衝突検出が精密になった。

図６は、この液晶ロボットの制御装置の他の例であって、ロボットコントローラと別に外部のシーケンスコントローラを使用する。

すなわち、ロボットコントローラ３０は、ＣＰＵ３１、ＲＯＭ３２、ＲＡＭ３３、共通ＲＡＭ３４、モータドライバ３５等を有し、シーケンスコントローラ４０は、ＣＰＵ４１、ＲＯＭ４２、ＲＡＭ４３、シーケンスプログラム格納部４４、Ａ／Ｄ変換器４５等を有している。これらの内部構成は図３に示されたものと同様であるが、ＲＯＭ３１および４１、ＲＡＭ３２および４２についてはそれぞれＲＯＭ２２ＲＡＭ２３の機能が分散されたものとなっている。

また、ロボットコントローラと外部シーケンスコントローラには、制御データを共用する共通ＲＡＭ１（３４）および共通ＲＡＭ２（４６））が備えられている。これらはレジスタ構成であっても良い。これらの共通データメモリは、ＲＳ４８５の高速シリアル転送バスにより、共有するデータは、高速に交換される。

このシステムではロボットの制御シーケンスに関する事項はシーケンスコントローラ４０で、ロボットの各アームの動作、すなわちサーボモータに関する事項はロボットコントローラ３０で制御を分担している。

したがって、ロボットアームに取りつけられた加速度センサ又はＡＥセンサのアナログ電圧出力はＡ／Ｄ変換器４５を介してシーケンスコントローラに入力され、ロボット各軸のサーボモータ情報（速度・加速度）はロボットコントローラによりアナログ電圧出力して、シーケンスコントローラに入力する。モータ電流に関しては電流センサの出力をシーケンスコントローラに入力しても良いし、他のモータ情報と一体にしてロボットコントローラから出力するようにしても良い。

動作モードに対してどの検出器出力を用い、衝突判定用のしきい値としてどのような値を用いるかは実施例で説明したのと全く同じであるので、詳細な説明を省略する。

この実施形態例の構成によれば、ロボットコントローラとシーケンスコントローラとを別にしたので、多数の加速度センサをシーケンスコントローラに入力でき、したがって大型のロボットでも精度よく衝突検出が可能である。

以上の実施例では動作モードの違いにより使用する動作検出器としきい値の双方を変えるようにしているが、いずれかを変えるだけでも従来よりすぐれた衝突検出が可能である。

また、以上の実施例ではロボットアーム（フォーク）の移動における衝突検出について説明したが、全体の横方向移動や上下動等あらゆる動作について適用することが可能である。

この発明では、産業用ロボットの衝突検出方法として、動作の違いにより衝突の検出手段および判定基準の少なくともいずれかを変更して検出したので、ロボットにおける衝突検出が迅速かつ精密にでき、産業用ロボットの制御装置に適用できる。

本発明が適用されるロボットの一例を表す平面図であって、液晶搬送用ロボットを示すものである。 図１に示す液晶搬送用ロボットの正面図である。 本発明が適用されるロボット制御装置の一実施例の構成を示すブロック図である。 本発明にかかる衝突検出方法を説明するフローチャートである。 本発明において、衝突検出の際に参照されるルックアップテーブルの一例を示す説明図である。 本発明の他の実施例にかかるロボット制御装置の構成を示すブロック図である

符号の説明

１ 基台
２ 第１アーム
３ 第２アーム
４ フォーク
５ 真空吸着孔
６ 加速度センサ
７ レール
８ ＡＥセンサ
１０ ロボット
２０ ロボットコントローラ
２１ ＣＰＵ
２２ ＲＯＭ
２３ ＲＡＭ
２４ Ａ／Ｄ変換器
２５ Ｉ／Ｏインターフェース
２６ モータドライバ
３０ ロボットコントローラ
３１ ＣＰＵ
３２ ＲＯＭ
３３ ＲＡＭ
３４ 共通ＲＡＭ１
３５ モータドライバ
４０ ロボットコントローラ
４１ ＣＰＵ
４２ ＲＯＭ
４３ ＲＡＭ
４４ シーケンスプログラム格納部
４５ Ａ／Ｄ変換器

Claims (14)

1. 産業用ロボットの制御プログラムから動作モードの変更を識別する過程と、
   変更された前記ロボットの動作モードに応じて、ロボット部分の動作を検出す動作検出部と、衝突判定基準の少なくともいずれかを変更する過程と、
   前記動作検出部からの信号と前記衝突判定基準を用いて衝突を判定する判定過程と、
   を備えた産業用ロボットの衝突検出方法。
2. 動作検出部を変更する過程は、モータ動作モニタ用の検出手段とは別にロボット部分に設けられた動作検出部から検出信号を取出す過程であることを特徴とする請求項１に記載の産業用ロボットの衝突検出方法。
3. 前記動作態様の変更は、送り速度の変更を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の産業用ロボットの衝突検出方法。
4. 前記送り速度の変更は、通常の送り速度から、これよりも遅い微速送り速度への変更を含むことを特徴とする請求項３に記載の産業用ロボットの衝突検出方法。
5. 前記動作検出部は加速度センサを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の産業用ロボットの衝突検出方法。
6. 前記動作検出部は衝撃波検出センサを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の産業用ロボットの衝突検出方法。
7. 前記ロボット部分を駆動するサーボモータの電流を検出信号としてさらに使用することを特徴とする請求項２ないし６のいずれかに記載の産業用ロボットの衝突検出方法。
8. 前記判定基準の変更は、検出信号に対するしきい値の変更であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の産業用ロボットの衝突検出方法。
9. 種々の動作モードに対して使用すべき動作検出部と判定用しきい値を予めテーブル形式で準備しておき、動作モードの変更があった都度、参照するようにしたことを特徴とする請求項８に記載の産業用ロボットの衝突検出方法。
10. 産業用ロボットの制御プログラムから動作モードの変更を識別する動作モード変更検出部と、
    モータ動作モニタ用の検出手段とは別にロボット部分に設けられた動作検出部と、
    前記動作モード変更検出部で検出された変更された前記ロボットの動作モードに応じて、前記動作検出部と判定基準の少なくともいずれかを変更する変更部と、
    前記変更された動作検出部からの信号と前記変更された判定基準を用いて衝突を判定する判定部と、
    を備えた産業用ロボットの衝突検出装置。
11. 前記動作検出部は加速度センサを含むことを特徴とする請求項９に記載の産業用ロボットの衝突検出装置。
12. 前記動作検出部は衝撃波検出センサを含むことを特徴とする請求項９に記載の産業用ロボットの衝突検出装置。
13. 前記変更部は種々の動作モードに対して使用すべき動作検出部と判定用しきい値を予め対応させて記憶し、動作モードの変更があった都度参照される参照テーブルをさらに備えた請求項１０ないし１２のいずれかに記載の産業用ロボットの衝突検出装置。
14. ロボットのシーケンスに関する制御を行うシーケンスコントローラをさらに有し、ロボットの制御動作をロボットコントローラとで分担するようにしたことを特徴とする請求項１０に記載の産業用ロボットの衝突検出装置。

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