JP2010120139A - 産業用ロボットの安全制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
産業用ロボットと作業者とが協調して協同作業を行うに際して、ロボットの不要な停止を避けながらも、ロボットと作業者とが接触しないようにする。
【解決手段】
本発明に係る安全制御装置１８は、予め教示された作業プログラムに従って作業者４と協同して作業を行う人間協同型産業用ロボット３の安全制御装置１８である。そして、作業者４及びロボット３それぞれの現在位置及び移動速度を取得し、作業者４の現在位置及び移動速度に基づいて作業者４の将来位置を予測した作業者基準位置を算出するとともに、ロボット３の現在位置及び移動速度に基づいてロボット３の将来位置を予測したロボット基準位置を算出し、作業者基準位置及びロボット基準位置に基づいてロボット３と作業者４との接触可能性を判断し、接触可能性の判断結果に応じた処理を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、人間と協同して作業を行う人間協調型産業用ロボットの安全制御装置に関する。

従来、予め教示された作業プログラムに従って動作する産業用ロボットが、製造現場において使用されている。このような産業用ロボットが配置された作業現場において発生する労働災害の原因の１つは、ロボットと作業者の接触である。このため、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、ロボットの可動範囲内に作業者が立ち入らないようにすることによって、ロボットと作業者との接触を回避する措置が執られている。さらに、安全防護柵内にセーフティマットやセーフティカーテンと呼ばれる特定領域への侵入者を検出する手段を設け、ロボットに近づこうとする作業者を検出するとロボットが動作を停止することによって、ロボットと作業者との接触を回避するように構成されることもある。

ところが、近づこうとする作業者を検出して動作を停止するように構成されたロボットは、作業者がロボットの動作に介入して作業を行おうとする度に動作が停止してしまうこととなり、ロボットと作業者との協同作業を行うことは困難である。

そこで、例えば、特許文献１に記載のロボットの作業環境監視装置は、ロボットの作業空間を撮るカメラと、カメラの撮影画像を取り込み蓄積する画像メモリと、画像メモリに蓄積された画像を画像処理して作業空間に存在する物体を抽出する物体抽出手段と、物体抽出手段からの時間的に前後の複数画像の物体位置情報に基づいて作業空間内における移動物体の有無とその位置を検出する検出手段と、移動物体の位置がロボットに近接した位置にある場合に警告を発生する警告手段とを備えている。

また、例えば、特許文献２に記載のロボットは、ロボット本体に設けたアームと、アームを制御するアーム制御部と、アームに設けられ周辺の人間や物との距離を検出する距離センサと、この距離センサの検出信号に基づいて周辺の人間や物の近接の有無をチェックする近接チェック部とを備え、アーム制御部は、近接チェック部がアームと周辺の人間や構造物とが近接したと判断すると、アームの周辺の人間や構造物との距離を一定値以上に保ちつつ指令された動作を継続させるように構成されている。
特開平５−２６１６９２号公報 特開２００６−４３７９２号公報

上述のようにロボットが、作業者が所定範囲内に近接したことを検出して動作を停止したり回避動作を行ったりすると、ロボットと作業者との接触を避けることができる。しかし、ロボットと作業者とが近接しても、例えば、互いの次の動作方向が異なる場合のように、ロボットと作業者との次の動作方向や動作速度によれば、ロボットの動作を停止させる必要がないこともある。このようにロボットの動作を停止させる必要がない場合にまでロボットが動作を停止すると、作業効率が低下するという課題が生じる。なお、特許文献１では、移動物体の移動方向や移動速度を加味して警告を発生させることが示唆されているが、作業環境監視装置で行われる具体的な処理は開示されていない。

そこで、本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであって、ロボットと作業者とが協調して協同作業を行うに際して、必要以上にロボットを停止させないような、産業用ロボットの安全制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る安全制御装置は、予め教示された作業プログラムに従って作業者と協同して作業を行う人間協同型産業用ロボットの安全制御装置であって、前記作業者及び前記ロボットそれぞれの現在位置及び移動速度を取得し、前記作業者の現在位置及び移動速度に基づいて前記作業者の将来位置を予測した作業者基準位置を算出するとともに、前記ロボットの現在位置及び移動速度に基づいて前記ロボットの将来位置を予測したロボット基準位置を算出し、前記作業者基準位置及び前記ロボット基準位置に基づいて前記ロボットと前記作業者との接触可能性を判断し、該接触可能性の判断結果に応じた処理を行う。

上記構成によれば、ロボットと作業者の将来位置を予測して、ロボットと作業者との接触可能性を判断するため、例えロボットと作業者が現時点で近い位置にあっても、将来接触する可能性が低い場合にはロボットを停止等しないようにすることができ、作業効率を上げることができる。

また、上記安全制御装置において、前記ロボット基準位置は、前記ロボットの現在位置及び移動速度に加え、前記作業プログラムによれば移動するであろう計画移動位置に基づいて算出されるようにしてもよい。かかる構成によれば、現在の移動速度であれば進むであろう直線方向の位置に拘束されず、ロボットが曲線的な動きをする場合にこれを反映させることができるため、将来位置を精度良く予想することができる。

また、上記安全制御装置において、前記作業者基準位置は、前記作業者の現在位置を表わす作業者現在位置項と、前記作業者の移動速度に第１重み係数を掛けた作業者速度項と、からなる演算式によって算出され、前記ロボット基準位置は、前記ロボットの現在位置を表わすロボット現在位置項と、前記ロボットの移動速度に第２重み係数を掛けたロボット速度項と、前記ロボットの所定時間後までの各時間における前記計画移動位置とその微小時間前の前記計画移動位置との差のそれぞれに第３重み係数を掛けたものを総和したロボット将来軌跡項と、からなる演算式によって算出されるようにしてもよい。

また、上記安全制御装置において、前記第３重み係数の値は現在に近いほど大きくなるように設定されるようにするのが望ましい。

本発明は、以下に示すような効果を奏する。すなわち、本発明によれば、ロボットと作業者の協同作業中に、必要以上にロボットが停止することがないので、作業効率の低下を抑制することができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複説明を省略する。

まず、本実施の形態に係る産業用ロボット及びその制御装置について、図１〜２を用いて説明する。図１は本発明の実施の形態に係るロボット及びその制御装置とロボットが設置された作業エリアの様子を示す図、図２はロボットの安全制御装置の構成を示すブロック図である。

産業用ロボット（以下、単に「ロボット３」という）は、例えば、６軸マニピュレーターであって、ワーク５をつかみ取って移動させるなどしてワーク５に対して種々の作業を行う産業用ロボットである。但し、ロボット３は、６軸マニピュレーターに限定されず、３軸以上の自由度を持つ、自動制御、プログラム可能なマニピュレーターであればよい。

ロボット３は、台座２１と、台座２１に支持されたアーム２２とを備えている。アーム２２は、６つの関節に６つの回動軸を備え、各回動軸はその回動軸を回動させるアクチュエータ２４を備えている。このアクチュエータ２４は、制御のために状態を検出するセンサ２５が組み込まれており、このセンサ２５で検出されたアクチュエータ２４の状態は制御装置１８に伝達される。

上記構成のロボット３は、ロボット３と作業者４とが協同作業を行う作業エリア２８に設置されている。この作業エリア２８では、作業者４がロボット３の動作に介入し協調しながら作業を実行する。作業エリア２８には、該作業エリア２８を撮像するために、例えば、ＣＣＤカメラ等の複数のカメラ１０が備えられている。本実施の形態では、３台のカメラ１０，１０，１０が作業エリア２８全体を三方向から撮像できるようにそれぞれ配置されている。各カメラ１０で撮像された作業エリア２８の画像データは、例えば、ＵＷＢ（超広帯域無線）等の通信手段を介して、制御装置１８に送信される。

制御装置１８は、コンピュータであって、ＣＰＵ６１を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ６１の他に、処理プログラムやロボット３の作業プログラムを記憶する記憶装置６２と、データを一時的に記憶するＲＡＭ６３と、図示しない入出力ポートおよび通信ポートとを備えている。制御装置１８には、操作部からの操作信号や、アクチュエータ２４のセンサ２５からの検出信号や、カメラ１０からの画像データなどが入力ポートを介して入力される。また、制御装置１８からは、アクチュエータ２４の駆動部への制御信号や、図示しない操作部への表示信号又は警告信号や、図示しない警報機２９への警告信号などが出力ポートを介して出力される。なお、警報機２９は、ロボット３と共に作業をする作業者４に警告できるように、ロボット３自体又はその近傍に備られている。

そして、制御装置１８が予め教示された作業プログラムに従ってアクチュエータ２４の動作を制御することにより、ロボット３は作業プログラムに従ってアーム２２の関節を曲げたり伸ばしたりする動作を行う。なお、上述したロボット３の構造、及び制御装置１８にて実行されるロボット３の通常の運転制御は、特別な特徴を有さず、既知の６軸マニピュレーター及びその制御装置をそのまま用いることができるので、ロボット３及びその制御装置１８についての詳細な説明は省略する。

次に、ロボット３の安全制御装置について説明する。この安全制御装置は、ロボット３が予め教示された作業プログラムに従って動作している際に、作業者４がロボット３の動作に介入し協調しながら作業を行うにあたって、ロボット３と作業者４との接触を避けるための機能を備えている。

本実施の形態に係る安全制御装置は、制御装置１８にその機能を備えることにより実現している。従って、制御装置１８は、安全制御装置として機能するために、画像メモリ７、位置算出部９、位置メモリ１１、状況算出部１２、判定値算出部１３、判断部１４、及び処置部１５等を備えている。なお、本実施の形態においては、ロボット３の動作を制御する制御装置１８と、安全制御装置とは同一のコンピュータに構成されているが、これらがそれぞれ独立したコンピュータに構成されていてもよい。

画像メモリ７は、カメラ１０，１０，１０にて撮像された作業エリア２８の画像データを蓄積するものである。位置算出部９は、画像メモリ７に蓄積された画像データを取り込んで、画像データに含まれる物体の輪郭を抽出する画像処理を行い、抽出された物体の輪郭から当該物体の三次元形状と三次元位置を算出するものである。ここで、画像データには、ロボット３、作業者４、作業台、及びワーク５などの物体が含まれているが、位置算出部９では、これらのうちロボット３のアーム２２及び作業者４の三次元輪郭を特定し、ロボット３のアーム２２と作業者４との三次元形状及び三次元位置を算出する。なお、複数の二次元画像データから三次元輪郭を抽出する画像処理、並びに三次元位置及び三次元形状を算出する処理は、何れも既知の技術であり、例えば、特開２００７−２０５９８２号公報や特開平１０−２２８５４２号公報などに記載されている技術を適用して、位置算出部９は必要な演算を行うように構成されている。

位置メモリ１１は、位置算出部９にて算出されたロボット３のアーム２２と作業者４との三次元形状及び三次元位置を、位置データとして蓄積するものである。上述したカメラ１０による撮像、並びに、カメラ１０にて撮像された作業エリア２８の複数の画像データから位置データを作成する演算処理は、所定時間毎に連続的に行われて、位置メモリ１１には最新の位置データが時系列で逐次格納される。

状況算出部１２は、位置メモリ１１に蓄積されている位置データのうち、現在の位置データと、前回の位置データとを読み出して、ロボット３のアーム２２と作業者４とのそれぞれについて、現在位置及び移動速度（速さと向きが含まれるベクトル量）を算出するものである。

判定値算出部１３は、ロボット３と作業者４との接触可能性を判断する基礎となる判定値ｄを算出する。具体的には、下記の［数１］に示すように、ｘ_Wを作業者基準位置とし、ｘ_Rをロボット基準位置とすると、判定値ｄはこれらの差分として算出される。

ここで、作業者の基準位置ｘ_Wは、作業者の将来位置を予測したものであって、下記の［数２］によって算出される。つまり、作業者４の現在位置ｘ_W0を表わす作業者現在位置項と、作業者４の移動速度ｖ_W0に任意の第１重み係数ｋ_aを掛けた作業者速度項と、からなる演算式によって作業者基準位置ｘ_Wが算出される。なお、上記の第1重み係数ｋ_aは、作業者４の移動速度による影響の程度を調整するものであって、装置の性能や使用環境によって決定される。第1重み係数ｋ_aの値を大きくすることで、移動速度による影響を大きくすることができる。

また、ロボット３の基準位置ｘ_Rは、ロボット３の将来位置を予測したものであって、下記の［数３］によって算出される。つまり、ロボット３の現在位置ｘ_R0を表わすロボット現在位置項と、ロボット３の移動速度ｖ_R0に第２重み係数ｋ_ｂを掛けたロボット速度項と、ロボット３の所定時間（n・Δt）後までの各時間i・Δt（i＝1〜n）における計画移動位置ｘ_Riとその微小時間Δt前の計画移動位置ｘ_Ri-1との差のそれぞれに第３重み係数ｋ_ciを掛けたものを総和したロボット将来軌跡項と、からなる演算式によってロボット基準位置ｘ_Rが算出される。ただし、上記の計画移動位置ｘ_Riとは、作業プログラムによればロボット３が移動するであろうi・Δt時間後の位置であり、作業プログラムから取得（算出）することができる。なお、上記のΔtは、いわゆる「刻み時間」であって、通常は数ミリ秒〜数百ミリ秒程度である。

上記の第２重み係数ｋ_bは、ロボット３の移動速度による影響の程度を調整するものであって、装置の性能や使用環境によって決定される。第２重み係数ｋ_bの値を大きくすることで、移動速度による影響を大きくすることができる。また、第３重み係数ｋ_ciは作業プログラムによる計画移動位置の影響の程度を調整するものであって、装置の性能や使用環境によって決定される。

なお、ロボット基準位置は、ロボット現在位置項とロボット速度項のみから構成される演算式（［数３］のロボット将来軌跡項がない演算式）から算出するようにしてもよい。この場合であっても不必要な警戒領域を避けることができる。ただし、ロボット将来軌跡項を加えることで、ロボットの将来位置をより高い自由度又は精度で予測することができる。例えば、ロボット現在位置項とロボット速度項からでは、速度方向線上にロボットの将来位置を予測するという直線的な予想ができるに留まるが、ロボット将来軌跡項を加えることで、ロボットが将来的に方向を変えたり反転したりするような場合はこれを考慮することができ、曲線的な予測をすることができる。

なお、将来のロボット位置の影響は、近未来ほど重要であるので、第３重み係数ｋ_ciは現在から近いほど大きく設定するのが望ましい。例えば、図３に示すようにロボットが将来的にｘ_R1及びｘ_R2を経由してｘ_R0からｘ_R3まで作業プログラムに従って移動するとする。このとき、［数３］のロボット将来軌跡項においてi＝１における第３重み係数ｋ_c1（計画移動位置ｘ_R1から計画移動位置ｘ_R0を引いたもの（図３の矢印Ａ）の係数）を「０.８」とし、i＝２における第３重み係数ｋ_c2（計画移動位置ｘ_R2から計画移動位置ｘ_R1を引いたもの（図３の矢印Ｂ）の係数）を「０.６」とし、i＝３における第３重み係数ｋ_c3（計画移動位置ｘ_R3から計画移動位置ｘ_R2を引いたもの（図３の矢印Ｃ）の係数）を「０.４」とする。このように、第３重み係数ｋ_ciを現在から近いほど大きく設定することで、現在に近いものの影響を大きくしつつ、各時間における位置（軌道）の影響を数値化することができる。仮に、第３重み係数ｋ_ciを現在に近いか否かに関係なく全て１とした場合、上記の例ではロボット将来軌跡項がｘ_R3−ｘ_R0と表わされることになり（図３の矢印Ｄ）、途中の目標位置であるｘ_R1やｘ_R２の情報が利用できないことになる。

判断部１４は、判定値算出部１３にて算出された接触可能性の判定値ｄを用いて、ロボット３と作業者４との接触可能性の有無を判断するものである。具体的には、判断部１４は、接触可能性の判定値ｄと、予め設定されたロボット３の警戒領域径ｄ_０とを比較演算し、判定値ｄが警戒領域径ｄ_０よりも小さい場合には、「接触可能性あり」と判断する。判断部１４が「接触可能性あり」と判断したときには、ロボット３の警戒領域径ｄ_０内に作業者４が侵入していることを意味している。このように、作業者４の将来位置を予測した作業者基準位置とロボット３の将来位置を予測したロボット基準位置に基づいて、ロボット３と作業者４の接触可能性を判断することにより、例えば作業者４とロボット３が近い場合であっても、作業者４やロボット３が互いに離れる方向に移動するのであれば、両者が接触する可能性を低いと判断し、不必要な警戒領域を避けることができるのである。

処置部１５は、判断部１４にて「接触可能性あり」と判断された場合に、警報機２９に警告信号を出力して作業者４に対して警告を発すると共に、アクチュエータ２４の駆動部に停止信号を出力してロボット３の動作を停止させるなどの、接触可能性の判断結果に応じた処置を行うものである。このとき、処置部１５は、アクチュエータ２４の駆動部に停止信号を出力する代わりに、減速信号を出力して、ロボット３の動作を減速させることもできる。

次に、この安全制御装置の動作を、図４を用いて説明する。図４はロボットの安全制御装置の動作の流れ図である。

安全制御装置は、カメラ１０にて撮影することにより得られた画像データを取得し、画像メモリ７に格納する（ステップＳ１）。続いて、安全制御装置の位置算出部９は、この画像データを画像処理することで、画像データに含まれるロボット３と作業者４との三次元輪郭を抽出し（ステップＳ２）、この三次元輪郭からロボット３と作業者４との三次元形状及び三次元位置を算出する（ステップＳ３）。安全制御装置は、このロボット３と作業者４との三次元形状及び三次元位置を、位置データとして時系列に位置メモリ１１に格納する（ステップＳ４）。

そして、安全制御装置の状況算出部１２は、現在の位置データと前回の位置データとを位置メモリ１１から読み出して（ステップＳ５）、ロボット３と作業者４との現在位置ｘ_R0、ｘ_W0及び移動速度ｖ_R0、ｖ_W0を算出する（ステップＳ６）。

さらに、安全制御装置の判定値算出部１３は、ロボット３と作業者４との現在位置ｘ_R0，ｘ_W0及び移動速度ｖ_R0、ｖ_W0、並びに作業プログラムによればロボット３が移動するであろうｉ時間後の移動位置ｘ_Riを用いて、作業者基準位置ｘ_Wとロボット基準位置ｘ_Rを算出する（ステップS７）。かかる演算には、前述の［数２］及び［数３］で示される演算式を用いる。そして、前述の［数１］に示すように、作業者基準位置ｘ_Wとロボット基準位置ｘ_Rの差分値を接触可能性の判定値ｄとして算出する（ステップＳ８）。

最後に、安全制御装置の判断部１４は、算出された判定値ｄと予め設定されたロボットの警戒領域径ｄ_０とを比較演算して（ステップＳ９）、ロボット３と作業者４との接触可能性を判断し、ここで「接触可能性あり」と判断された場合には（ステップＳ１０のＹＥＳ）、安全制御装置の処置部１５は、接触可能性の判断結果に応じた対応処置を行う（ステップＳ１１）。

上記のとおり動作する安全制御装置では、ロボット３の将来位置を予測したロボット基準位置と、作業者４の将来位置を予測した作業者基準位置とが算出され、将来のロボット３と作業者４との接触可能性が判断されるので、ロボット３と作業者４とが単に近接したことを検出してロボット３の動作を停止させるときと比較して、ロボット３と作業者４とが接触する可能性がある場合にのみロボット３が停止などの対応処置を執るので、ロボット３が無闇矢鱈に停止することがない。よって、ロボット３と作業者４の協同作業中に、必要以上にロボット３が停止することがないので、作業効率の低下を抑制することができる。

以上、本発明に係る実施形態について図を参照して説明したが、具体的な構成はこれらの実施例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。例えば、作業者及びロボットそれぞれの現在位置及び移動速度をカメラの映像に基づいて取得する場合について説明したが、これに代えてロボットや作業者の指先などに発信器を取付けるとともに、受信機を周辺に配置し、この受信機が発信器からの信号を取得することで、作業者及びロボットそれぞれの現在位置及び移動速度を取得するようにしてもよい。

本発明の活用例として、予め教示された作業プログラムに従って動作し、作業者と協調しながら作業を行うために使用される産業用ロボットにおいて、ロボットと作業者とが接触しないようにするための安全機構として、有用である。

本発明の実施の形態に係るロボット及びその制御装置とロボットが設置された作業エリアの様子を示す図。 ロボットの安全制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に係るロボット将来軌跡項を説明するための図である。 ロボットの安全制御装置の動作の流れ図である。

符号の説明

３ ロボット
４ 作業者
５ ワーク
７ 画像メモリ
９ 位置算出部
１０ カメラ
１１ 位置メモリ
１２ 状況算出部
１３ 判定値算出部
１４ 判断部
１５ 処置部
１８ 制御装置
２１ 台座
２２ アーム
２３ 回動軸
２４ アクチュエータ
２５ センサ
２８ 作業エリア
６１ ＣＰＵ
６２ 記憶装置
６３ ＲＡＭ

Claims (4)

1. 予め教示された作業プログラムに従って作業者と協同して作業を行う人間協同型産業用ロボットの安全制御装置であって、
   前記作業者及び前記ロボットそれぞれの現在位置及び移動速度を取得し、前記作業者の現在位置及び移動速度に基づいて前記作業者の将来位置を予測した作業者基準位置を算出するとともに、前記ロボットの現在位置及び移動速度に基づいて前記ロボットの将来位置を予測したロボット基準位置を算出し、前記作業者基準位置及び前記ロボット基準位置に基づいて前記ロボットと前記作業者との接触可能性を判断し、該接触可能性の判断結果に応じた処理を行う、安全制御装置。
2. 前記ロボット基準位置は、前記ロボットの現在位置及び移動速度に加え、前記作業プログラムによれば前記ロボットが移動するであろう計画移動位置に基づいて算出される、請求項１に記載の安全制御装置。
3. 前記作業者基準位置は、前記作業者の現在位置を表わす作業者現在位置項と、前記作業者の移動速度に第１重み係数を掛けた作業者速度項と、からなる演算式によって算出され、前記ロボット基準位置は、前記ロボットの現在位置を表わすロボット現在位置項と、前記ロボットの移動速度に第２重み係数を掛けたロボット速度項と、前記ロボットの所定時間後までの各時間における前記計画移動位置とその微小時間前の前記計画移動位置との差のそれぞれに第３重み係数を掛けたものを総和したロボット将来軌跡項と、からなる演算式によって算出される、請求項２に記載の安全制御装置。
4. 前記第３重み係数の値は現在に近いほど大きくなるように設定されている、請求項３に記載の安全制御装置。

Images