JP2011062786A - レーザセンサ制御装置及びレーザセンサ制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザセンサのレーザ光が直接人の眼に入る危険性がなく、レーザ光の反射を検知できなくなっても測定を続行することができるレーザセンサ制御装置を提供する。
【解決手段】ロボット１０と、ロボット１０のアーム先端部に設けられ、レーザ光を照射することでロボット１０の作業対象についての情報を取得するレーザセンサ２０と、ロボット１０の動作を制御し、ロボット１０の動作に伴ってレーザ光が予め定められた設定区域に対して照射されるか否かを判断するロボット制御装置３０と、ロボット制御装置３０で判断した結果を基に、レーザ光が設定区域に対して照射されると判断された場合にはレーザ光の出射を許可し、レーザ光が設定区域に対して照射されないと判断された場合にはレーザ光の出射を不許可とするレーザセンサコントローラ４０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザセンサ制御装置及びレーザセンサ制御方法に関し、特に、ハンドアイ方式のロボットシステムにおけるレーザセンサ制御装置及びレーザセンサ制御方法に関する。

工場等において組み立て作業、加工作業等を行うロボットマニピュレータ（以下、単に「ロボット」と称す）のシステムとして、ハンドアイ方式が知られている。「ハンドアイ方式」とは、ロボットのアーム先端部に測定用のレーザセンサを取り付け、そのレーザセンサによる測定によってロボットの作業対象であるワークの３次元情報、位置情報、距離情報等を取得する方式である。

レーザセンサは、種々の情報を取得するためにレーザ光を照射しているので、レーザセンサを使用の際は、レーザ光が直接人の眼に入らないように配慮しなければならない。ハンドアイ方式においては、ロボットの姿勢によっては周囲にいる人に向かってレーザ光を照射してしまう危険性があるので、特に注意が必要である。

レーザセンサが照射するレーザ光による危険を回避するために採用されている方法としては、人の眼に入っても害のないレーザ光を発するレーザセンサを使用する方法がある。しかしながら、人の眼に入っても害のないレーザ光では、レーザセンサの強度が限られるため、比較的高い強度のレーザ光を必要とした場合に対応できないという問題がある。

レーザセンサが照射するレーザ光による危険を回避するために採用されている他の方法としては、レーザセンサがレーザ光の反射を検知できなくなった場合に、レーザ測定を自動停止する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この提案では、溶接継手の検出など、測定対象に対して至近距離からのレーザ測定を想定しており、測定対象から離れた位置からレーザ光を走査しながら測定する場合を想定していない。したがって、反射が弱かったり、測定対象に穴が開いている等でレーザ光の反射がない場合に、以降の測定を中断してしまうという問題がある。

特開平５−１５７５１０号公報

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、レーザセンサのレーザ光が直接人の眼に入る危険性がなく、レーザ光の反射を検知できなくなっても測定を続行することができるレーザセンサ制御装置及びレーザセンサ制御方法を提供することを目的とする。

本願発明の一態様によれば、ロボットと、ロボットのアーム先端部に設けられ、レーザ光を照射することでロボットの作業対象についての情報を取得するレーザセンサと、ロボットの動作を制御し、ロボットの動作に伴ってレーザ光が予め定められた設定区域に対して照射されるか否かを判断するロボット制御装置と、ロボット制御装置で判断した結果を基に、レーザ光が設定区域に対して照射されると判断された場合にはレーザ光の出射を許可し、レーザ光が設定区域に対して照射されないと判断された場合にはレーザ光の出射を不許可とするレーザセンサコントローラとを備えるレーザセンサ制御装置であることを要旨とする。

本願発明の他の態様によれば、ロボットのアーム先端部に設けられ、レーザ光を照射することでロボットの作業対象についての情報を取得するレーザセンサからのレーザ光が照射されるべき設定区域を設定する工程と、レーザセンサから出射されるレーザ光のレーザ光出射原点の位置姿勢座標を計算する工程と、レーザセンサから出射されたレーザ光が設定区域に対して照射されるか判断する工程と、レーザ光が設定区域に対して照射されるか判断する工程で、レーザ光が設定区域に対して照射されると判断された場合にはレーザ光の出射を許可する工程と、レーザ光が設定区域に対して照射されるか判断する工程で、レーザ光が設定区域に対して照射されないと判断された場合にはレーザ光の出射を不許可とする工程と、レーザ光の出射を許可する工程の後に、レーザセンサによって測定対象の３次元形状データを検出する工程とを含むレーザセンサ制御方法であることを要旨とする。

本発明によれば、レーザセンサのレーザ光が直接人の眼に入る危険性がなく、レーザ光の反射を検知できなくなっても測定を続行することができるレーザセンサ制御装置及びレーザセンサ制御方法を提供することができる。

本発明の実施の形態に係るレーザセンサ制御装置のシステム概略図（その１）である。 本発明の実施の形態に係るレーザセンサ制御装置のシステム概略図（その２）である。 本発明の実施の形態に係るレーザセンサ制御方法を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施の形態に係るレーザセンサ制御装置による制御を示す実施例の概略図である。

以下に図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なる。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

（実施の形態）
本発明の実施の形態に係るレーザセンサ制御装置は、図１に示すように、ロボット１０と、ロボット１０のアーム先端部に設けられ、レーザ光を照射することでロボット１０の作業対象についての情報を取得するレーザセンサ２０と、ロボット１０の動作を制御し、ロボット１０の動作に伴ってレーザ光が予め定められた設定区域に対して照射されるか否かを判断するロボット制御装置３０と、ロボット制御装置３０で判断した結果を基に、レーザ光が設定区域に対して照射されると判断された場合にはレーザ光の出射を許可し、レーザ光が設定区域に対して照射されないと判断された場合にはレーザ光の出射を不許可とするレーザセンサコントローラ４０とを備える。ここで、作業対象についての情報とは作業対象の位置情報、距離情報、３次元情報を指す。

ロボット１０は、基台１１側から順に第１アーム部１２ａ、第２アーム部１２ｂ、第３アーム部１２ｃ、第４アーム部１２ｄを有している。基台１１と第１アーム部１２ａはＡ１軸１３ａで回転可能に連結されている。第１アーム部１２ａと第２アーム部１２ｂはＡ２軸１３ｂで回転可能に連結されている。第２アーム部１２ｂと第３アーム部１２ｃはＡ３軸１３ｃで回転可能に連結されている。第３アーム部１２ｃの先端側（第４アーム部１２ｄ側）はＡ４軸１３ｄにより、基端側（第２アーム部１２ｂ側）に対して回転可能とされている。第３アーム部１２ｃと第４アーム部１２ｄはＡ５軸１３ｅで回転可能に連結されている。第４アーム部１２ｄの先端には、Ａ６軸１３ｆを介してフランジ部１４が回転可能に連結されている。このように構成された本実施形態のロボット１０においては、Ａ１軸１３ａ〜Ａ６軸１３ｆの各軸用のロータリアクチュエータに、ロボット制御装置３０から適切な制御値を与えることで、基台１１に対して第１〜第４アーム部１２ａ〜１２ｄを適切な姿勢とする。

ロボット１０のフランジ部１４には、エンドエフェクタ１５が取り付けられる。但し、エンドエフェクタ１５は、ロボット１０の出荷段階ではフランジ部１４に取り付けられていない。エンドエフェクタ１５は、ロボット１０の受け入れ先において、ロボット１０を使用するシステム上の作業に適したものが適宜取り付けられる。本実施形態では、ワークをピッキングするためのグリッパタイプのエンドエフェクタ１５がフランジ部１４に取り付けられている。

レーザセンサ２０は、フランジ部１４に設けられたステー１４ａを介して取り付けられる。レーザセンサ２０は、エンドエフェクタ１５によってピッキングするワークの位置及び姿勢を検出するためのものである。レーザセンサ２０としては、例えばレーザスキャナを用いることができる。レーザスキャナでは、レーザ光等の測定光をポリゴンミラー及びガルバノミラーによって２次元方向に走査して測定対象に照射し、その反射光を受光する。レーザセンサ２０で受光した測定対象からの反射光を、後述するレーザセンサコントローラ４０で解析することで、測定対象の３次元形状データを検出することができる。そして、フランジ部１４に取り付けられたエンドエフェクタ１５とレーザセンサ２０は、フランジ部１４に対するエンドエフェクタ１５の立設方向と平行に延在する回転軸であるＡ６軸１３ｆの周りに、Ａ６軸１３ｆ用のロータリアクチュエータによって回転することができる。

ロボット制御装置３０は、図１及び図２に示すように、ロボット１０及びレーザセンサコントローラ４０に接続されている。ロボット制御装置３０は、レーザセンサ２０で検出した測定対象の３次元形状データをレーザセンサコントローラ４０を経由して受信し、測定対象の３次元形状データに基づいて、測定対象であったワークをピッキングする等のロボット１０の動作を制御する。具体的には、ロボット制御装置３０は、測定対象（ワーク）の３次元形状データに基づいて、ワークをピッキングするのに適した姿勢で、ワークをピッキングするピッキング箇所にエンドエフェクタ１５が移動するように、図１に示すロボット１０の多関節型アームを動作させる制御を行う。

また、ロボット制御装置３０には、予め、レーザセンサ２０からのレーザ光が照射されるべき設定区域が設定され、記憶されている。この設定区域は、ロボット１０の設置面で設定され、ロボット１０のアームの動作によって及ぶ範囲である動作範囲（活動範囲）のロボット１０の設置面への投影範囲、及び作業者等によって決められたロボット１０周辺に定められた人の立ち入り禁止範囲等に設定することができる。設定区域のデータは、周知の磁気テープ、磁気ドラム、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、あるいはＲＯＭ、ＲＡＭなどの半導体メモリ等の記憶装置に記憶される。

また、ロボット制御装置３０は、ロボット１０の動作に伴ってレーザセンサ２０からのレーザ光が定められた設定区域に対して照射されるか否かを判断する。ロボット制御装置３０は、レーザ光が設定区域に対して照射されると判断された場合には、レーザ光の出射許可信号をレーザセンサコントローラ４０に送信する。また、ロボット制御装置３０は、レーザ光が設定区域に対して照射されないと判断された場合には、レーザ光の出射不許可信号をレーザセンサコントローラ４０に送信する。

レーザセンサコントローラ４０は、ロボット制御装置３０から送信された出射許可信号、又は出射不許可信号を受信し、受信したいずれかの信号を基に、レーザセンサ２０からレーザ光を出射させるか否かの制御を行う。レーザセンサコントローラ４０がレーザセンサ２０に対してレーザ光の出射を止めるために行う制御手段としては、レーザセンサ２０を停止させることでレーザ光を出射させなくする手段や、レーザセンサ２０にシャッタ等のレーザ光遮断装置（図示せず）によってレーザセンサ２０から出射されるレーザ光を遮断する手段等がある。

以下に、レーザセンサ制御装置による制御方法を図３のフローチャートを参照しながら説明する。

（イ）まず、ステップＳ１１において、レーザセンサ２０からのレーザ光が照射されるべき設定区域を設定する。設定区域は、ロボット１０の設置面で設定され、ロボット１０の動作範囲のロボット１０の設置面への投影範囲、及び作業者等によって決められたロボット１０周辺に定められた人の立ち入り禁止範囲等に設定される。設定された設定区域は、ロボット制御装置３０に記憶される。

（ロ）次に、ステップＳ１２において、レーザセンサ２０から出射されるレーザ光のレーザ光出射原点の位置姿勢座標（レーザセンサ２０の位置姿勢座標）を計算する。レーザ光出射原点の位置姿勢座標は、ロボット１０の設置面との接触面の中心を原点とするワールド座標系によって決定される。レーザ光出射原点は、ロボット制御装置３０にて既知であるＡ６軸フランジ中心位置姿勢座標を用いて同次変換することによって算出する。

（ハ）次に、ステップＳ１３において、ロボット制御装置３０によって、レーザセンサ２０から出射されたレーザ光が設定区域に対して照射されるか判断する。ここでは、ロボット制御装置３０によって、レーザセンサ２０から出射されるレーザ光が、ロボット１０の設置面に設定された前述の設定区域に到達するか否かを判断する。ロボット制御装置３０によって、レーザ光が設定区域に対して照射されると判断された場合にはレーザ光の出射を許可し、ステップＳ１４に移行する。一方、ロボット制御装置３０によって、レーザ光が設定区域に対して照射されないと判断された場合にはレーザ光の出射を不許可とし、ステップＳ１５に移行する。

（ニ）次に、レーザ光の出射が許可された場合は、ステップＳ１４において、レーザセンサ２０によるレーザ測定によって、測定対象（ワーク）の３次元形状データを検出する。一方、レーザ光の出射が不許可となった場合は、ステップＳ１５において、レーザセンサ２０によるレーザ測定を行うことができない旨のエラーメッセージをモニター等の表示装置に表示する。ステップＳ１５においては、レーザセンサ２０によるレーザ測定を行わない。そして、ステップＳ１４又はステップＳ１５を経た後に、レーザセンサ制御装置の制御が終了する。

本発明の実施の形態に係るレーザセンサ制御装置及びレーザセンサ制御方法によれば、レーザセンサ２０からのレーザ光は、設定区域に対してのみ照射されるので、設定区域外にいる作業者等の眼にレーザ光が直接入る危険がない。したがって、レーザ光の強度を制限する必要がなくなり、比較的高い強度のレーザ光を必要とするレーザセンサ２０による検出も安全に行うことができる。

更に、本発明の実施の形態に係るレーザセンサ制御装置及びレーザセンサ制御方法によれば、レーザセンサ２０がレーザ光の反射を検知できなくなった場合に、レーザ測定を自動停止するのではないので、反射が弱かったり、測定対象に穴が開いている等でレーザ光の反射がない場合であっても、レーザ光が設定区域に対して照射している場合であれば、以降の測定を中断してしまうということがない。

（実施例）
以下に、上述したレーザセンサ２０からのレーザ光が設定区域に対して照射されるか判定する判断方法についての実施例を説明する。

まず、レーザセンサ２０からのレーザ光が照射されるべき設定区域を、半径Ｌ₀の円であると設定する。

ロボット１０の各部位の位置姿勢は、図４に示すように、ロボット１０の設置面との接触面の中心を原点Ｏとするワールド座標系によって（ｘ，ｙ，ｚ，Ａ，Ｂ，Ｃ）で表される。Ａはｚ軸回りの回転角度であり、Ｂはｙ軸回りの回転角度であり、Ｃはｘ軸回りの回転角度である。Ａ，Ｂ，Ｃの回転角度は、各軸正方向に向かって右回りを正とする。

レーザセンサ２０が設けられるフランジ部１４及びフランジ部１４の回転軸であるＡ６軸１３ｆの位置姿勢を示すＡ６軸フランジ中心位置姿勢座標は、フランジ部１４及びＡ６軸１３ｆがロボット制御装置３０によって制御されているので既知である。そして、レーザ光出射原点の位置姿勢座標（レーザセンサ２０の位置姿勢座標）は、レーザセンサ２０がフランジ部１４に固定して設けられているので、Ａ６軸フランジ中心位置姿勢座標を用いて同次変換によって算出することができる。レーザ光出射原点の位置姿勢座標は、（ｘ₁，ｙ₁，ｚ₁，Ａ₁，Ｂ₁，Ｃ₁）で表される。

レーザ光出射原点での単位ベクトルｔとすると、レーザセンサ２０から出射されレーザ光のロボット１０の設置面にて照射される箇所の座標（ｘ₂，ｙ₂，０）は、以下の式（１）で表される。

Ａ₁，Ｂ₁，Ｃ₁の回転行列Ｒとすると、回転行列Ｒは式（２）で表される。

次に、単位ベクトルｔを回転行列Ｒを用いて示すと、単位ベクトルｔは式（３）で表される。

式（３）を式（１）に代入して、ｚ軸について解くと、式（４）で表される。

０＝ｚ₁＋ｄcosBcosC ・・・・・（４）

よって、式（４）を展開することにより、ｄは式（５）で表される。

ｄ＝−z / cosBcosC ・・・・・（５）

よって、ｘ₂，ｙ₂は、それぞれ式（６）、式（７）で表される。

ｘ₂＝ｘ₁−ｚ₁(sinAsinC＋cosAsinBcosC)/cosBcosC ・・・・・（６）
ｙ₂＝ｙ₁−ｚ₁(−cosAsinC＋sinAsinBcosC)/cosBcosC ・・・・・（７）

そして、原点Ｏからレーザセンサ２０から出射されレーザ光のロボット１０の設置面にて照射される箇所の座標（ｘ₂，ｙ₂，０）までの距離Ｌは、式（８）で表される。

Ｌ＝（ｘ₂ ²＋ｙ₂ ²）^1/2 ・・・・・（８）

したがって、式（８）で求めた距離Ｌが設定範囲の半径Ｌ₀より小さいという条件（Ｌ＜Ｌ₀）を満たすときに、レーザセンサ２０からのレーザ光が設定区域に対して照射されていると判断することができる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。

例えば、実施例において、設定範囲の形状は円であると設定したが、設定範囲の形状は円に限られず、矩形、多角形でもよく、更には一部の箇所を除くという任意の形状であっても構わない。

また、実施の形態において、ロボット１０は、図１に示したように、６自由度である軸数が６軸の多関節ロボットであると示したが、ロボット１０の軸数は、６軸に限られず、４軸、５軸であっても構わない。ただし、ロボット１０は、軸数が多いほど汎用性が高くなるので、軸数が多い方が好ましい。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲の発明特定事項によってのみ限定されるものである。

１０…ロボット
１１…基台
１２ａ…第１アーム部
１２ｂ…第２アーム部
１２ｃ…第３アーム部
１２ｄ…第４アーム部
１３ａ…Ａ１軸
１３ｂ…Ａ２軸
１３ｃ…Ａ３軸
１３ｄ…Ａ４軸
１３ｅ…Ａ５軸
１３ｆ…Ａ６軸
１４…フランジ部
１４ａ…ステー
１５…エンドエフェクタ
２０…レーザセンサ
３０…ロボット制御装置
４０…レーザセンサコントローラ

Claims (6)

1. ロボットと、
   前記ロボットのアーム先端部に設けられ、レーザ光を照射することで前記ロボットの作業対象についての情報を取得するレーザセンサと、
   前記ロボットの動作を制御し、前記ロボットの動作に伴って前記レーザ光が予め定められた設定区域に対して照射されるか否かを判断するロボット制御装置と、
   前記ロボット制御装置で判断した結果を基に、前記レーザ光が前記設定区域に対して照射されると判断された場合には前記レーザ光の出射を許可し、前記レーザ光が前記設定区域に対して照射されないと判断された場合には前記レーザ光の出射を不許可とするレーザセンサコントローラ
   とを備えることを特徴とするレーザセンサ制御装置。
2. 前記設定区域は、前記ロボットの動作範囲の、前記ロボットの設置面への投影範囲であることを特徴とする請求項１に記載のレーザセンサ制御装置。
3. 前記レーザセンサコントローラは、前記レーザ光が前記設定区域に対して照射されないと判断された場合に、レーザ光遮断装置によって前記レーザセンサから照射される前記レーザ光を遮断することを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザセンサ制御装置。
4. ロボットのアーム先端部に設けられ、レーザ光を照射することで前記ロボットの作業対象についての情報を取得するレーザセンサからの前記レーザ光が照射されるべき設定区域を設定する工程と、
   前記レーザセンサから出射される前記レーザ光のレーザ光出射原点の位置姿勢座標を計算する工程と、
   前記レーザセンサから出射された前記レーザ光が前記設定区域に対して照射されるか判断する工程と、
   前記レーザ光が前記設定区域に対して照射されるか判断する工程で、前記レーザ光が前記設定区域に対して照射されると判断された場合には前記レーザ光の出射を許可する工程と、
   前記レーザ光が前記設定区域に対して照射されるか判断する工程で、前記レーザ光が前記設定区域に対して照射されないと判断された場合には前記レーザ光の出射を不許可とする工程と、
   前記レーザ光の出射を許可する工程の後に、前記レーザセンサによって測定対象の３次元形状データを検出する工程と、
   を含むことを特徴とするレーザセンサ制御方法。
5. 前記設定区域は、前記ロボットの動作範囲の、前記ロボットの設置面への投影範囲に設定されることを特徴とする請求項４に記載のレーザセンサ制御方法。
6. 前記レーザ光が前記設定区域に対して照射されるか判断する工程で、前記レーザ光が前記設定区域に対して照射されないと判断された場合に、レーザ光遮断装置によって前記レーザセンサから照射される前記レーザ光を遮断することを特徴とする請求項４又は５に記載のレーザセンサ制御方法。

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