JP2012245575A - Work support system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、製造現場での産業用ロボットシステムに係り、特に組立作業を行う作業者の作業をアシストする作業支援システムに関する。 The present invention relates to an industrial robot system at a manufacturing site, and more particularly to a work support system that assists a worker who performs an assembly work.
製造現場で安定した品質で効率的な生産を行うために産業用ロボットが重要な役割を担っている。利用範囲も、自動車車体へのスポット溶接や塗装のみでなく電子回路基板へのパーツの組立、製品の箱詰めなど、拡大を続けてきている。 Industrial robots play an important role in efficient production with stable quality at manufacturing sites. The range of use has continued to expand, including spot welding and painting on automobile bodies, assembling parts on electronic circuit boards, and boxing of products.
しかし一方で、現在でも産業用ロボットによって自動化が実現していない工程が数多く残っている。例えば、自動車の組立工程や電気製品の組立工程などは産業用ロボットでの置き換えが難しいことから、依然として人手による作業で行われている。近年では、社会の高齢化や少子化が世界的に急速に進行しており、これに伴う労働人口の減少が懸念されている。このような状況から、製造現場においても労働力確保の問題は不可避であり、組立工程においてもさらなる自動化が求められている。 However, there are still many processes that have not been automated by industrial robots. For example, the assembly process of automobiles and the assembly process of electrical products are still performed manually because they are difficult to replace with industrial robots. In recent years, the aging of society and the declining birthrate are rapidly progressing worldwide, and there is concern about a decrease in the working population. Under such circumstances, the problem of securing the labor force is inevitable even at the manufacturing site, and further automation is required in the assembly process.
自動車の組立工程では、作業者は作業場所の傍にある部品や工具の設置場所と作業箇所の間を行き来して部品の選択と工具の取り出しとを行う必要があり、本来の作業以外に多くの時間と労力とを割いている。 In the assembly process of automobiles, workers need to go back and forth between the place of installation of parts and tools near the work place and the work place to select parts and take out tools. Time and effort.
自動車の組立工程で作業支援を行って、作業者の負担の軽減と作業の効率化とを図る作業支援ロボットが特許文献１に開示されている。 Patent Document 1 discloses a work support robot that performs work support in an automobile assembly process to reduce the burden on an operator and improve work efficiency.
ロボットによる完全な自動化が困難な自動車の組立工程において、特許文献１の作業支援ロボットは部品や工具をロボットアーム等によって作業者の手元へ搬送する。作業者がロボットを操作しない場合でも、作業支援ロボットは作業者の状態を常に認識することで必要な部品や工具を作業者の手元に差し出す。これにより、本来の組立作業に付随する工具などを取りに行く作業等を減らし、作業者の負担軽減や作業効率の向上を行うことができる。また、作業者の作業とロボットの動作とが対応しない場合に作業工程表に従った作業を作業者が行っていないことが判明して、作業ミスを検出することができる。 In an automobile assembly process that is difficult to be completely automated by a robot, the work support robot of Patent Document 1 transports parts and tools to the operator's hand by a robot arm or the like. Even when the worker does not operate the robot, the work support robot always recognizes the state of the worker and presents necessary parts and tools to the worker. Thereby, the work etc. which take the tool etc. which accompany an original assembly work etc. can be reduced, a worker's burden can be reduced, and work efficiency can be improved. Further, when the worker's work does not correspond to the operation of the robot, it is found that the worker is not performing the work according to the work process chart, and the work mistake can be detected.
作業支援ロボットは部品や工具を作業者の手元へ搬送するため、作業者と同一の作業空間で動作を行う。また、作業支援ロボットは作業者の動作から作業進度を推定し、状況に応じて動作するため、作業者の操作を必要としない。そのため、作業中に作業者は必ずしも作業支援ロボットの運動を注視しているわけではないことから、組立作業支援ロボットが正常に動作していたとしても、作業者との過度な接近により接触する可能性がある。 Since the work support robot conveys parts and tools to the operator's hand, it operates in the same work space as the operator. In addition, the work support robot estimates the work progress from the movement of the worker and operates according to the situation, so that the operation of the worker is not required. Therefore, since the worker does not always watch the movement of the work support robot during work, even if the assembly work support robot is operating normally, it can come into contact with the worker due to excessive proximity. There is sex.
人間と同一空間内で動作する組立作業支援ロボットの安全対策に関する研究としては、従来、安全のためのリスクアセスメントを施しながら作業支援を目的としたロボットの開発が行われている。自動車の組立工程における組立作業支援パートナロボットとして、非特許文献１にはインパネ搭載補助機、非特許文献２にはウィンドウ搭載補助機、非特許文献３には低出力駆動で作業者と協働するスペアタイヤ自動搭載ロボットが開示されている。 As research on safety measures for assembly work support robots that operate in the same space as humans, the development of robots that support work while performing risk assessment for safety has been conducted. As an assembly work support partner robot in an automobile assembly process, Non-Patent Document 1 cooperates with an operator with an instrument panel-mounted auxiliary machine, Non-Patent Document 2 with a window-mounted auxiliary machine, and Non-Patent Document 3 with a low output drive. A spare tire automatic robot is disclosed.
通常の産業用ロボットは，安全柵に囲われながら動作するため，ロボットの動作エリアに作業者が進入し、干渉の可能性がある場合には警報装置やロボットの緊急停止等の安全装置が作動する。さらに、非特許文献１〜３に示される作業支援ロボットはおもに作業者の操作力に基づいて動作するため、作業者がロボットの動作軌道を認識しつつ当該ロボットを動作させることができる。 Since normal industrial robots operate while being surrounded by a safety fence, if an operator enters the robot's operating area and there is a possibility of interference, a safety device such as an alarm device or emergency stop of the robot is activated. To do. Furthermore, since the work support robots disclosed in Non-Patent Documents 1 to 3 mainly operate based on the operator's operating force, the operator can operate the robot while recognizing the robot motion trajectory.
一方、ロボットが作業者の操作を必要とせず、作業者の意図を推定し、作業の状況を把握して動作を行う場合であっても、作業支援ロボットが部品や工具の供給動作で作業者と接近する際、ロボットが正常に動作しているにもかかわらず作業者と接触する可能性がある。 On the other hand, even if the robot does not require the operator's operation, the operator's intention is estimated, the situation of the work is grasped and the operation is performed, the work support robot is operated by supplying parts and tools. When approaching, the robot may come into contact with the operator even though the robot is operating normally.
しかしながら、ロボットと人間とが一緒に作業する環境において、ロボットの動作速度が速く、人間に接触しうるほど接近し、かつ人間が殆どロボットを目視しない状況下におけるロボットの安全な動作方法に関しては、これまでに議論されていない。 However, in an environment where a robot and a human work together, the robot's operating speed is fast, close enough to contact a human, and a safe operating method of the robot in a situation where the human hardly sees the robot. It has not been discussed so far.
そこで、本発明は、作業者との接近を検出し、衝突を防止し、また万が一の衝突の際にも事故を防止する作業支援システムを提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a work support system that detects an approach with an operator, prevents a collision, and prevents an accident even in the event of a collision.
上記目的を達成するために、本発明は、工具及び／又はパーツの工具類を作業者の手元に搬送する搬送機構を備えた作業支援システムであって、搬送機構を動作させる駆動部と、搬送機構の移動方向の領域で作業者を検出する検出部と、検出部で作業者を検出した場合に搬送機構の移動を規制する緊急動作生成部と、を備え、検出部は搬送機構に取り付けられたセンサを備え、駆動部はモータとモータに搭載されたトルクリミッタとを備え、緊急動作生成部はトルクリミッタが作動するトルクより小さいトルクでモータを制動制御することを特徴としている。 In order to achieve the above object, the present invention provides a work support system including a transport mechanism for transporting tools and / or parts of tools to a worker's hand, a drive unit for operating the transport mechanism, and a transport A detection unit that detects an operator in an area in the moving direction of the mechanism, and an emergency operation generation unit that restricts movement of the conveyance mechanism when the detection unit detects the worker, and the detection unit is attached to the conveyance mechanism. The drive unit includes a motor and a torque limiter mounted on the motor, and the emergency operation generation unit controls braking of the motor with a torque smaller than the torque at which the torque limiter operates.
本発明の作業支援システムにおいて、検出部は複数の前記センサと該複数のセンサからの信号を分散して処理する複数の処理部とを備え、少なくとも一つの処理部で作業者を検出したときに緊急動作生成部が搬送機構の移動を規制する。 In the work support system of the present invention, the detection unit includes a plurality of the sensors and a plurality of processing units that process the signals from the plurality of sensors in a distributed manner, and when the worker is detected by at least one processing unit. The emergency motion generation unit regulates the movement of the transport mechanism.
本発明によれば、作業者の不意の動きにも，移動中の搬送機構が自ら作業者へ接触することを防止することができ、また万が一のモータの暴走などによる衝突の際にも押し付け力を低減し事故を防止することができる。システムが暴走するなどによってモータが回転し続けることで作業者への衝突が起こった場合にも、トルクリミッタが作動することにより搬送機構の運動がフリーになり作業者への押し付け力を低減できる。ただしトルクリミッタを搭載した場合、急激に搬送機構を停止しようとするとその減速時の慣性力によりトルクリミッタが作動し、搬送機構が自由に動くことによって搬送機構が作業者へ接触することになるが、本発明によれば、検出部が作業者を検出するとトルクリミッタが作動するトルクより小さいトルクでモータを制動制御するので、トルクリミッタを作動させずに、搬送機構が停止できる。また、搬送機構が緩衝材で構成された外装を備えている場合、トルクリミッタが作動した後に、搬送機構が作業者に接触しても、作業者への衝撃力を低減することができる。 According to the present invention, it is possible to prevent the moving transport mechanism from coming into contact with the worker even when the worker moves unexpectedly. Also, in the event of a collision due to a runaway motor, the pressing force is prevented. Can be reduced and accidents can be prevented. Even when a collision with the worker occurs because the motor continues to rotate due to a system runaway or the like, the movement of the transport mechanism is freed by operating the torque limiter, and the pressing force against the worker can be reduced. However, when the torque limiter is installed, if the transport mechanism is suddenly stopped, the torque limiter is actuated by the inertia force at the time of deceleration, and the transport mechanism moves freely, and the transport mechanism comes into contact with the operator. According to the present invention, since the motor is brake-controlled with a torque smaller than the torque at which the torque limiter operates when the detection unit detects the operator, the transport mechanism can be stopped without operating the torque limiter. Further, when the transport mechanism includes an exterior made of a cushioning material, even if the transport mechanism comes into contact with the operator after the torque limiter is activated, the impact force on the worker can be reduced.
１．概要
本発明の実施形態に係る作業支援システムは、自動車の組立工程など作業者がある範囲を移動しながら行う組立作業において、作業者の必要な時に、必要な部品と工具とを作業者の手元へ搬送することを特徴としている。
具体的には、作業支援システムは、作業者の位置情報を取得し、この位置情報と作業者の確率的な作業モデルとから作業者が現在行っている作業とその進度とを推定し、この推定情報に基づいて次の作業に用いる部品及び／又は工具の適切な搬送位置と搬送時刻とを決定し、部品及び／又は工具を手元に搬送する搬送機構を制御する。
1. Outline In a work support system according to an embodiment of the present invention, in an assembly work performed while a worker moves within a certain range, such as an automobile assembly process, the necessary parts and tools are handed to the worker when needed by the worker. It is characterized by being transported to.
Specifically, the work support system acquires the position information of the worker, estimates the work currently being performed by the worker and the progress thereof from the position information and the probabilistic work model of the worker. Based on the estimated information, an appropriate transfer position and transfer time of a part and / or tool to be used for the next operation are determined, and a transfer mechanism for transferring the part and / or tool to the hand is controlled.
さらに、作業支援システムでは、搬送機構の移動が作業者の操作に拠らないため、作業者が途中で作業位置から外れた場所へ移動する場合等に、搬送機構と作業者とが衝突する虞があるため、作業者が搬送機構に近接すると搬送機構の移動を規制して、搬送機構が作業者に接触することを防止することを特徴としている。 Furthermore, in the work support system, since the movement of the transport mechanism does not depend on the operator's operation, the transport mechanism and the worker may collide when the worker moves to a place off the work position on the way. Therefore, when the worker approaches the transport mechanism, the movement of the transport mechanism is restricted and the transport mechanism is prevented from coming into contact with the worker.
２．構成
図１は本発明の実施形態に係る作業支援システム１を示す斜視図である。
作業支援システム１は、ベースフレーム１０と、部品及び／又は工具を作業者の手元に搬送する搬送機構２０と、搬送機構２０を運動させる駆動部３０と、作業者の運動を計測する計測部４０と、搬送機構２０の動作を制御する制御装置５０と、を備えている。なお、図１では計測部４０の表示を省略している。
2. Configuration FIG. 1 is a perspective view showing a work support system 1 according to an embodiment of the present invention.
The work support system 1 includes a base frame 10, a transport mechanism 20 that transports parts and / or tools to the hand of an operator, a drive unit 30 that moves the transport mechanism 20, and a measurement unit 40 that measures the motion of the worker. And a control device 50 that controls the operation of the transport mechanism 20. In addition, the display of the measurement part 40 is abbreviate | omitted in FIG.
本実施形態の作業支援システム１では、搬送機構２０としてアーム２０Ａを利用する。アーム２０Ａはベースフレーム１０に回動可能に取り付けられている。アーム２０Ａは、基端部をベースフレーム１０に回動可能に連結された第１アーム部２１と、基端部を第１アーム部２１の先端部に連結部２３を介して回動可能に連結された第２アーム部２２と、第２アーム部２２の先端部に設けた保持部２４と、を備えている。第１アーム部２１と第２アーム部２２とは真直ぐに延びたフレーム２１Ａ，２２Ａを備え、これらのフレーム２１Ａ，２２Ａは水平に延びるように配設されている。なお、図１に示すように、第１アーム部２１と第２アーム部２２とは、水平方向に重ならないように、第２アーム部２２が第１アーム部２１の高さより上方へずれて配設されている。連結部２３は、第１アーム部２１の先端部に固定された軸受部２３Ａと、この軸受部２３Ａに受容され第２アーム２２の基端部に固定された軸部２３Ｂと、を備えている。軸部２３Ｂは第２アーム部２２が第１アーム部２１に対して回動するための回転軸として機能する。 In the work support system 1 of the present embodiment, the arm 20 </ b> A is used as the transport mechanism 20. The arm 20 </ b> A is rotatably attached to the base frame 10. The arm 20 </ b> A has a base end portion rotatably connected to the base frame 10 and a base end portion rotatably connected to a distal end portion of the first arm portion 21 via a connecting portion 23. The second arm portion 22 is provided, and a holding portion 24 provided at the distal end portion of the second arm portion 22. The first arm portion 21 and the second arm portion 22 include frames 21A and 22A that extend straight, and these frames 21A and 22A are arranged to extend horizontally. As shown in FIG. 1, the first arm part 21 and the second arm part 22 are arranged so that the second arm part 22 is shifted upward from the height of the first arm part 21 so as not to overlap in the horizontal direction. It is installed. The connecting portion 23 includes a bearing portion 23A that is fixed to the distal end portion of the first arm portion 21, and a shaft portion 23B that is received by the bearing portion 23A and is fixed to the proximal end portion of the second arm 22. . The shaft portion 23 </ b> B functions as a rotation shaft for the second arm portion 22 to rotate with respect to the first arm portion 21.
駆動部３０は、第１アーム部２１を回転させる第１モータ３１と、第２アーム部２２を回転させる第２モータ３２と、を備えている。なお、第１モータ３１の出力軸３１Ａと第１アーム部２１の基端部の回転軸２１Ｂとにはタイミングプーリ３３，３４がそれぞれ取り付けられており、これらのタイミングプーリ３３，３４は図示を省略するベルトで連結されている。第１モータ３１の回転がベルトと各タイミングプーリ３３，３４とを介して第１アーム部２１に伝達されて、第１アーム部２１が回動する。 The drive unit 30 includes a first motor 31 that rotates the first arm unit 21 and a second motor 32 that rotates the second arm unit 22. Timing pulleys 33 and 34 are respectively attached to the output shaft 31A of the first motor 31 and the rotating shaft 21B at the base end of the first arm portion 21, and these timing pulleys 33 and 34 are not shown. Connected with a belt. The rotation of the first motor 31 is transmitted to the first arm portion 21 via the belt and the timing pulleys 33 and 34, and the first arm portion 21 rotates.
第２モータ３２の出力軸と第２アーム部２２の基端部の回転軸２３Ｂとにはタイミングプーリ３５，３６がそれぞれ取り付けられており、これらのタイミングプーリ３５，３６は図示を省略するベルトで連結されている。第２モータ３２の出力軸は第１アーム部２１の基端部の回転軸２１Ｂと共軸に構成されている。 Timing pulleys 35 and 36 are respectively attached to the output shaft of the second motor 32 and the rotation shaft 23B of the base end portion of the second arm portion 22, and these timing pulleys 35 and 36 are belts not shown. It is connected. The output shaft of the second motor 32 is configured coaxially with the rotation shaft 21 </ b> B of the base end portion of the first arm portion 21.
また、第１モータ３１及び第２モータ３２の各出力軸３１Ａ，２１Ｂには、図示を省略するトルクリミッタが搭載されている。第１アーム部２１，第２アーム部２２に過負荷が生じるとトルクリミッタが機能して、第１アーム部２１，第２アーム部２２は第１モータ３１，第２モータ３２の出力に因らず自由に回転することができる。このため何らかの事情でモータが制御不能となり、回転し続けるような場合でも作業者に対しアームを押し付け続けることを回避できる。 Further, a torque limiter (not shown) is mounted on each of the output shafts 31A and 21B of the first motor 31 and the second motor 32. When an overload occurs in the first arm portion 21 and the second arm portion 22, the torque limiter functions, and the first arm portion 21 and the second arm portion 22 are caused by the outputs of the first motor 31 and the second motor 32. Can rotate freely. For this reason, it is possible to avoid pressing the arm against the operator even when the motor becomes uncontrollable for some reason and continues to rotate.
計測部４０は、カメラや測距センサなどの作業者の動作を計測するためのセンサ群で構成される。本実施形態ではレーザ式測域センサ(LRF：Laser Range Finder)を用いる。レーザ式測域センサは、レーザ光を照射し、設置物や移動しつつある作業者や車体など、各種のものによって反射したレーザ光を計測して対象物までの距離データを２次元的に出力する。 The measuring unit 40 includes a sensor group for measuring the operation of the operator such as a camera or a distance measuring sensor. In the present embodiment, a laser range sensor (LRF: Laser Range Finder) is used. Laser range sensors irradiate laser light, measure laser light reflected by various things such as installation objects, moving workers, and vehicle bodies, and output distance data to the target two-dimensionally To do.
制御装置５０は、図２に示すように、支援動作制御部６０と、緊急動作制御部７０と、から構成されている。 As shown in FIG. 2, the control device 50 includes a support operation control unit 60 and an emergency operation control unit 70.
支援動作制御部６０は、部品及び／又は工具を作業者の手元に搬送させるためにアーム２０Ａを駆動制御する。支援動作制御部６０は、作業モデル生成部６１と作業推定部６２と動作生成部６３とを備えている。 The support operation control unit 60 drives and controls the arm 20 </ b> A in order to convey parts and / or tools to the operator. The support operation control unit 60 includes a work model generation unit 61, a work estimation unit 62, and an operation generation unit 63.
作業モデル生成部６１は作業者の動作を確率的にモデル化する。作業モデル生成部６１は、計測部４０から得られた作業者の運動データから作業者の運動のモデルを生成する。 The work model generation unit 61 probabilistically models the worker's movement. The work model generation unit 61 generates a worker motion model from the worker motion data obtained from the measurement unit 40.
作業推定部６２は作業の進度を推定する。作業推定部６２は、作業モデル生成部６１で作成された作業モデルと、計測部４０で得られた作業者の位置情報と、データベース６４に格納された複数の作業の順序及び各作業での作業者の位置情報等の作業情報と、に基づいて作業進度を推定する。 The work estimation unit 62 estimates the progress of work. The work estimation unit 62 includes a work model created by the work model generation unit 61, worker position information obtained by the measurement unit 40, a plurality of work orders stored in the database 64, and work in each work. The work progress is estimated based on the work information such as the position information of the person.
動作生成部６３は、作業者の手元へ部品及び／又は工具を搬送、つまり部品及び／又は工具を載せたり把持したりする保持部２４を作業者の手元に搬送させるために、作業者の作業進度に合わせたアーム２０Ａの運動情報を生成する。具体的には、動作生成部６３は、作業推定部６２で推定された作業進度と作業モデル生成部６１で生成された作業モデルとに基づいて、各作業で搬送すべき位置に保持部２４を移動させるためのアーム２０Ａの軌道を算出する。作業推定部６２で行われた作業推定にはアームの軌道の修正も含まれている。これにより、作業推定部６２が推定した作業進行状況に応じて動作生成部６３によってアーム２０Ａの軌道が計画されて、アーム２０Ａが制御される。つまり、作業の進行状況に応じてアーム２０Ａが制御されて、作業に必要となる部品及び／又は工具が運搬される。なお、図２に示すように、動作生成部６３によって生成されたアーム２０Ａの軌道は、後述する緊急動作生成部７２を経由して駆動部３０へ送られる。詳細を後述する緊急動作生成部６３が制動制御を行わない場合に、駆動部３０は動作生成部６３で生成された軌道、具体的には目標角速度などの目標動作に基づいてアーム２０を制御する。 The motion generation unit 63 transports parts and / or tools to the operator's hand, that is, the operator's work is performed in order to transport the holding unit 24 on which the component and / or tool is placed or gripped to the operator's hand. The movement information of the arm 20A in accordance with the progress is generated. Specifically, the motion generation unit 63 sets the holding unit 24 at a position to be transported in each work based on the work progress estimated by the work estimation unit 62 and the work model generated by the work model generation unit 61. The trajectory of the arm 20A for movement is calculated. The work estimation performed by the work estimation unit 62 includes correction of the arm trajectory. Thereby, the trajectory of the arm 20A is planned by the motion generation unit 63 according to the work progress status estimated by the work estimation unit 62, and the arm 20A is controlled. That is, the arm 20A is controlled in accordance with the progress of the work, and parts and / or tools necessary for the work are transported. As shown in FIG. 2, the trajectory of the arm 20A generated by the motion generation unit 63 is sent to the drive unit 30 via an emergency motion generation unit 72 described later. When an emergency motion generation unit 63, which will be described in detail later, does not perform braking control, the drive unit 30 controls the arm 20 based on a trajectory generated by the motion generation unit 63, specifically, a target motion such as a target angular velocity. .
以上の制御装置５０はコンピュータから構成される。このコンピュータは、前もってインストールされたソフトウェアを実行することで、作業モデル生成部６１、作業推定部６２、動作生成部６３として機能する。また、計測部４０がLRFであれば，LRFから得られるセンサデータを処理する部分も制御装置５０に含まれる。 The above control device 50 is composed of a computer. The computer functions as a work model generation unit 61, a work estimation unit 62, and an operation generation unit 63 by executing software installed in advance. If the measurement unit 40 is an LRF, the control device 50 also includes a part that processes sensor data obtained from the LRF.
なお、複数のコンピュータをＬＡＮによって接続して、作業モデル生成部６１、作業推定部６２、動作生成部６３の動作を複数のパーソナルコンピュータによって分散処理させてもよい。コンピュータは、従来公知の構成のものを使用することができ、ＲＡＭ，ＲＯＭ，ハードディスクなどの記憶装置と、キーボード，ポインティングデバイスなどの操作装置と、操作装置等からの指示により記憶装置に格納されたデータやソフトウェアを処理する中央処理装置（ＣＰＵ）と、処理結果等を表示するディスプレイなどを備えている。このコンピュータは汎用の装置であっても、専用の装置として構成されたものであってもよい。 Note that a plurality of computers may be connected by a LAN, and the operations of the work model generation unit 61, the work estimation unit 62, and the motion generation unit 63 may be distributed by a plurality of personal computers. A computer having a conventionally known configuration can be used, and is stored in a storage device such as a RAM, a ROM, a hard disk, an operation device such as a keyboard and a pointing device, and an instruction from the operation device. A central processing unit (CPU) for processing data and software, a display for displaying processing results, and the like are provided. This computer may be a general-purpose device or a dedicated device.
コンピュータとしての動作生成部６３は、ＰＣＩバス(Peripheral Component Interconnect Bus)で接続されたカウンタボードから第１モータ３１，第２モータ３２の角度の情報を取得して、Ｄ／Ａボードからモータドライバを介して第１モータ３１，第２モータ３２の制御を行う。同様にＰＣＩバスで接続されたＤＩＯ(Digital I/O)ボードによってフォトマイクロセンサの値を読み取ることでアーム２０Ａの初期姿勢が設定される。さらに、コンピュータには車体番号や車種等の生産ライン情報も入力される。 The operation generation unit 63 as a computer acquires information on the angles of the first motor 31 and the second motor 32 from a counter board connected by a PCI component (Peripheral Component Interconnect Bus), and sends a motor driver from the D / A board. The first motor 31 and the second motor 32 are controlled via these. Similarly, the initial posture of the arm 20A is set by reading the value of the photomicrosensor with a DIO (Digital I / O) board connected by a PCI bus. Furthermore, production line information such as a vehicle body number and a vehicle type is also input to the computer.
このように、支援動作制御部６０が作業者の意志を推定することで、作業者が明示的に操作しなくとも思った通りに必要な部品及び／又は工具を作業者の手元に差し出すことができる。これにより、本来の作業に付随する作業、つまり部品及び／又は工具を作業者自身が取りに行く作業を減らし、作業者の負担軽減や作業効率の向上を図ることができる。 As described above, the support operation control unit 60 estimates the will of the worker, so that the necessary parts and / or tools can be presented to the worker as expected even if the worker does not explicitly operate. it can. As a result, the work accompanying the original work, that is, the work for the worker himself / her to pick up parts and / or tools can be reduced, and the burden on the worker can be reduced and the work efficiency can be improved.
支援動作制御部６０によるアーム２０Ａの移動は、作業者の操作に拠らないため、作業者が途中で作業位置から外れた場所へ移動する場合等に、アーム２０Ａと作業者とが衝突する虞がある。 Since the movement of the arm 20A by the support operation control unit 60 does not depend on the operator's operation, the arm 20A may collide with the worker when the worker moves to a place off the work position on the way. There is.
このため作業支援システム１は緊急動作制御部７０を備えている。緊急動作制御部７０は図２に示すように、近接検出部７１と緊急動作生成部７２とを備えている。 For this reason, the work support system 1 includes an emergency operation control unit 70. As illustrated in FIG. 2, the emergency operation control unit 70 includes a proximity detection unit 71 and an emergency operation generation unit 72.
近接検出部７１はアーム２０Ａに接近した作業者を検出する。具体的には、近接検出部７１は、第１アーム部２１と第２アーム部２２の各側面から水平方向へ広がった領域に作業者が存在する場合に当該作業者を検出する。このため、図３に示すように、近接検出部７１は、第１アーム部２１の左右の側面２１Ｄ，２１Ｅと、第２アーム部２２の左右の側面２２Ｄ，２２Ｅと、第１アーム部２１と第２アーム部２２との連結部２３と、第２アーム部２２の先端部と、にそれぞれ複数のセンサを備えている。第１アーム部２１と第２アーム部２２の各側面２１Ｄ，２１Ｅ，２２Ｄ，２２Ｅ、連結部２３、第２アーム部２２の先端部で、複数のセンサは距離を置いて配設されている。 The proximity detector 71 detects an operator approaching the arm 20A. Specifically, the proximity detection unit 71 detects the worker when the worker is present in a region extending horizontally from the side surfaces of the first arm unit 21 and the second arm unit 22. Therefore, as shown in FIG. 3, the proximity detection unit 71 includes left and right side surfaces 21D and 21E of the first arm unit 21, left and right side surfaces 22D and 22E of the second arm unit 22, and the first arm unit 21. A plurality of sensors are provided in each of the connecting portion 23 to the second arm portion 22 and the distal end portion of the second arm portion 22. A plurality of sensors are arranged at a distance from each of the side surfaces 21D, 21E, 22D, 22E of the first arm portion 21 and the second arm portion 22, the connecting portion 23, and the distal end portion of the second arm portion 22.
本実施形態では、距離を検出できるセンサ、例えば光位置センサ(PSD: Position Sensitive Detector)７５として赤外線距離センサを利用する。図３の符号αは各光位置センサ７５からの赤外線のイメージを表している。なお、図１では各光位置センサ７５の表示を省略している。なお、各アーム部２１，２２のその時々の速度に対応した制動距離に応じて、各アーム部２１，２２に設けた光位置センサ７５の検出距離が設定される。 In the present embodiment, an infrared distance sensor is used as a sensor capable of detecting a distance, for example, an optical position sensor (PSD: Position Sensitive Detector) 75. A symbol α in FIG. 3 represents an infrared image from each optical position sensor 75. In FIG. 1, the display of each optical position sensor 75 is omitted. In addition, the detection distance of the optical position sensor 75 provided in each arm part 21 and 22 is set according to the braking distance corresponding to the speed of each arm part 21 and 22 from time to time.
図４は第１アーム部２１の断面図である。アーム２０Ａを構成するフレーム２１Ａには、スポンジやウレタンなどの緩衝材で構成された外装２１０が取り付けられている。この外装２１０に形成された開口２１１からアーム外側方向を光位置センサ２５が臨むよう、光位置センサ２５は第１アーム部２１に配設されている。
なお、本実施形態で用いる光位置センサ２５としての赤外線距離センサは、出力特性上、作業者が近づき過ぎた場合正確に検出することができないため、外装２１０の厚みは光位置センサ２５の最小検出距離よりも大きく設定されている。この外装２１０によって作業者が光位置センサ２５に正確に検出できないほど近接することを防止できる。さらに、外装２１０は、作業支援システム全体の故障や停電などでの誤動作のときに、作業者に衝突した場合でも、作業者への押し付け力を緩和することができる。
FIG. 4 is a cross-sectional view of the first arm portion 21. An exterior 210 made of a cushioning material such as sponge or urethane is attached to the frame 21A constituting the arm 20A. The optical position sensor 25 is disposed on the first arm portion 21 so that the optical position sensor 25 faces the arm outward direction from the opening 211 formed in the exterior 210.
In addition, since the infrared distance sensor as the optical position sensor 25 used in this embodiment cannot be accurately detected when the operator approaches too much due to output characteristics, the thickness of the exterior 210 is the minimum detection of the optical position sensor 25. It is set larger than the distance. The exterior 210 can prevent an operator from being so close to the optical position sensor 25 that it cannot be accurately detected. Furthermore, the exterior 210 can relieve the pressing force on the worker even when it collides with the worker in the event of a malfunction due to a failure of the entire work support system or a power failure.
本実施形態の近接検出部７１は、並列分散処理を行う。例えば、図５に示す第１アーム部２１の左側面２１Ｄには８つの光位置センサ７５が設けられているが、長さ方向に所定の間隔で並んだ光位置センサ７５は、基端側から奇数番目が第１群システム７１Ａに属し、偶数番目が第２群システム７１Ｂに属する。そして、第１群システム７１Ａに属する光位置センサ７５からの出力は第１群システム７１Ａの処理部７６Ａに送られる。この第１群システム７１Ａの処理部７６Ａの結果が制御装置５０へ送られる。 The proximity detection unit 71 of the present embodiment performs parallel distributed processing. For example, although eight optical position sensors 75 are provided on the left side surface 21D of the first arm portion 21 shown in FIG. 5, the optical position sensors 75 arranged at predetermined intervals in the length direction are arranged from the base end side. The odd number belongs to the first group system 71A, and the even number belongs to the second group system 71B. The output from the optical position sensor 75 belonging to the first group system 71A is sent to the processing unit 76A of the first group system 71A. The result of the processing unit 76A of the first group system 71A is sent to the control device 50.
このような大量のセンサ群のアナログ信号を個別にＡ／Ｄコンバータでリアルタイムで処理することは、計測システムの規模を考えると現実的ではない。そこで、複数のセンサの入力信号をＯＲ回路で纏めて処理することで、センサの数が多い場合でも、システムの入力チャンネルは少なくて済むように構成した。また、本実施形態では、Ｄ／Ａボードからコンパレータ回路に参照電圧を付加することで、作業者との接近を検出する距離を可変に設定できるようにした。
具体的には、第１群システム７１Ａの処理部７６Ａは、図６に示すように、各光位置センサ７５からの出力が入力される比較回路７７と、各比較回路７７からの出力が入力されるＯＲ論理回路７８と、を備えている。各比較回路７７の参照電圧は、検出距離によって決定され、制御装置５０に接続されたキーボードなどの操作によって設定できる。何れかの比較回路７７から検出した信号がＯＲ論理回路７８へ入力されることで、当該第１アーム部２０の左側の側面に作業者が近接していることが判断される。
Processing analog signals of such a large number of sensors individually with an A / D converter in real time is not realistic considering the scale of the measurement system. Therefore, the input signals of a plurality of sensors are collectively processed by an OR circuit, so that even when the number of sensors is large, the number of system input channels can be reduced. In the present embodiment, the reference voltage is applied to the comparator circuit from the D / A board so that the distance for detecting the approach to the worker can be set variably.
Specifically, as shown in FIG. 6, the processing unit 76A of the first group system 71A receives the outputs from the optical position sensors 75 and the outputs from the comparison circuits 77. OR logic circuit 78. The reference voltage of each comparison circuit 77 is determined by the detection distance, and can be set by operating a keyboard or the like connected to the control device 50. A signal detected from any one of the comparison circuits 77 is input to the OR logic circuit 78, whereby it is determined that an operator is in close proximity to the left side surface of the first arm unit 20.
第２群システム７１Ｂに属する光位置センサ７５からの出力は、第２群システム７１Ｂの処理部７６Ｂに送られる。第２群システム７１Ｂの処理部７６Ｂは、第１群システム７１Ａの処理部７６Ａと同様に構成されている。 The output from the optical position sensor 75 belonging to the second group system 71B is sent to the processing unit 76B of the second group system 71B. The processing unit 76B of the second group system 71B is configured similarly to the processing unit 76A of the first group system 71A.
このような分散センシングシステムを備えることで、第１群システム７１Ａでは４個の光位置センサ７５の出力電圧を４個の比較回路７７にそれぞれ入力し、それらの出力が１つのＯＲ論理回路７８へと入力される。第２群システム７１Ｂでも同様のことが行われる。この時、仮に第１群のシステム７１Ａにおいて光位置センサ７５が１つ故障し、センサ７５からの出力電圧が発生しなかった場合、１つの比較回路７７への入力がなくなってしまう。この場合には故障個所以外の光位置センサ７５が機能するので、第１群システム７１Ａでは３個の光位置センサ７５が機能し、第２群システム７１Ｂでは４個の光位置センサ７５全てが機能することとなる。次に、第１群システム７１Ａで１つの比較回路７７が故障した場合に、４つの光位置センサ７５の出力電圧を４つの比較回路７７が処理してＯＲ論理回路７８に入力しても処理されないこととなる。この場合には、第２群システム７１Ｂでは４個の光位置センサ７５全てが機能する。このように、分散センシングシステムを並列にすることによって、片側のシステムが故障しても、もう一方のシステムによって障害物を検出し続けることが可能となる。
このように、同様のセンシングシステムをもう一つ並列に接続することで、片方のセンシングシステムが故障した場合でも作業者との接近の検出を行える。
By providing such a distributed sensing system, in the first group system 71A, the output voltages of the four optical position sensors 75 are respectively input to the four comparison circuits 77, and the outputs thereof to one OR logic circuit 78. Is entered. The same applies to the second group system 71B. At this time, if one optical position sensor 75 fails in the first group of systems 71A and no output voltage is generated from the sensor 75, there is no input to one comparison circuit 77. In this case, since the optical position sensors 75 other than the failure location function, the three optical position sensors 75 function in the first group system 71A, and all four optical position sensors 75 function in the second group system 71B. Will be. Next, when one comparison circuit 77 fails in the first group system 71A, the output voltages of the four optical position sensors 75 are processed by the four comparison circuits 77 and input to the OR logic circuit 78, but are not processed. It will be. In this case, all the four optical position sensors 75 function in the second group system 71B. As described above, by arranging the distributed sensing systems in parallel, even if the system on one side breaks down, it is possible to continue to detect obstacles on the other system.
In this way, by connecting another similar sensing system in parallel, even when one sensing system fails, it is possible to detect the approach to the worker.
このような分散センシングシステムは、第１アーム部２１の右側面２１Ｅに設けられる近接検出部７１、第２アーム部２２の左右の各側面２２Ｄ，２２Ｅに設けられる近接検出部７１、第１アーム部２１と第２アーム部２２との関節部２３に設けられる近接検出部７１、第２アーム部２２の先端部に設けられる近接検出部７１にも適用される。 Such a distributed sensing system includes a proximity detection unit 71 provided on the right side surface 21E of the first arm unit 21, a proximity detection unit 71 provided on the left and right side surfaces 22D and 22E of the second arm unit 22, and the first arm unit. 21 is also applied to the proximity detector 71 provided at the joint 23 of the second arm 22 and the proximity detector 71 provided at the tip of the second arm 22.
本実施形態では、図３及び下記に示すように、アーム近傍の６つのエリアＡ〜Ｆごとに近接検出部７１が設けられ、各近接検出部７１が分散センシングシステムとして構成されている。
エリアＡ： 第２アーム部２２の先端部から第２アーム部２２の延長方向を中心として左右に９０度迄でセンサ検出距離の領域。
エリアＢ： 第２アーム部２２の左側面２２Ｄから水平方向にセンサ検出距離迄の領域。
エリアＣ： 第２アーム部２２の右側面２２Ｅから水平方向にセンサ検出距離迄の領域。
エリアＤ： 第１アーム部２１の先端部から第１アーム部２１の延長方向を中心として左右に９０度迄でセンサ検出距離の領域。
エリアＥ： 第１アーム部２１の左側面２１Ｄから水平方向にセンサ検出距離迄の領域。
エリアＦ： 第１アーム部２１の右側面２１Ｅから水平方向にセンサ検出距離迄の領域。
In the present embodiment, as shown in FIG. 3 and the following, a proximity detection unit 71 is provided for each of the six areas A to F near the arm, and each proximity detection unit 71 is configured as a distributed sensing system.
Area A: An area of the sensor detection distance from the tip of the second arm part 22 to 90 degrees to the left and right with the extending direction of the second arm part 22 as the center.
Area B: An area from the left side surface 22D of the second arm portion 22 to the sensor detection distance in the horizontal direction.
Area C: An area from the right side surface 22E of the second arm portion 22 to the sensor detection distance in the horizontal direction.
Area D: An area of the sensor detection distance from the tip of the first arm portion 21 to 90 degrees to the left and right with the extending direction of the first arm portion 21 as the center.
Area E: An area from the left side surface 21D of the first arm portion 21 to the sensor detection distance in the horizontal direction.
Area F: An area from the right side surface 21E of the first arm portion 21 to the sensor detection distance in the horizontal direction.
このように、エリアＡ〜Ｆに分けて光位置センサ７５を配設することで、アーム２０Ａの部位ごとに作業者との接近を検出することができる。光位置センサ７５の配置間隔は、アーム２０Ａの側面２１Ｄ，２１Ｅ，２２Ｄ，２２Ｅでは作業者の胴（腰や腹部領域を含む。）を検出できるように、またアーム２０Ａの関節部２３では巻き込みや挟み込みが生じる恐れがあることから作業者の腕を検出できるように設定されている。この配置間隔は、前述の分散センシングシステムにおいて片群のシステムが不動作の場合も作業者の胴程度は検出できるように設定することが望ましい。 As described above, by arranging the optical position sensor 75 in the areas A to F, it is possible to detect the approach to the worker for each part of the arm 20A. The arrangement interval of the optical position sensor 75 is such that the side surfaces 21D, 21E, 22D, and 22E of the arm 20A can detect the operator's torso (including the waist and abdomen regions), and the joint portion 23 of the arm 20A It is set so that the operator's arm can be detected because there is a possibility of pinching. This arrangement interval is desirably set so that the level of the operator's trunk can be detected even when one group of systems does not operate in the distributed sensing system described above.
これらのエリアＡ〜Ｆの近接検出部７１の何れかで作業者を検出した場合、本実施形態に係る作業支援システム１はアーム２０Ａを制動制御する。 When an operator is detected by any of the proximity detection units 71 in these areas A to F, the work support system 1 according to the present embodiment performs braking control on the arm 20A.
本実施形態では、緊急動作生成部７２がアーム２０Ａの制動制御を行う。緊急動作生成部７２は、前述の並列分散センシングシステムによって作業者との接近を検出した場合、最短距離でアーム２０Ａを停止させることで作業者との衝突を防ぐ。ただし、作業者との接近を検出した際に第１アーム部２１と第２アーム部２２とを動作させる第１モータ３１と第２モータ３２との急停止を行った場合、第１アーム部２１と第２アーム部２２とを動作させる第１モータ３１と第２モータ３２とに搭載されたトルクリミッタが作動することによって第１アーム部２１と第２アーム部２２とが制御不能に陥る可能性がある。この場合、第１モータ３１と第２モータ３２とが停止しても第１アーム部２１と第２アーム部２２とは慣性力によって動き続けることとなり、作業者との衝突が起こり得る。これを防ぐために、トルクリミッタを作動させずにアーム２０Ａを停止させる必要がある。 In the present embodiment, the emergency motion generator 72 performs braking control of the arm 20A. When the emergency motion generation unit 72 detects the approach to the worker by the parallel distributed sensing system described above, the emergency motion generation unit 72 prevents the collision with the worker by stopping the arm 20A at the shortest distance. However, when the first motor 31 and the second motor 32 that operate the first arm unit 21 and the second arm unit 22 when the approach to the worker is detected are suddenly stopped, the first arm unit 21 is used. The first arm unit 21 and the second arm unit 22 may become uncontrollable due to the operation of the torque limiter mounted on the first motor 31 and the second motor 32 that operate the first arm unit 22 and the second arm unit 22. There is. In this case, even if the 1st motor 31 and the 2nd motor 32 stop, the 1st arm part 21 and the 2nd arm part 22 will continue to move with an inertial force, and a collision with an operator may occur. In order to prevent this, it is necessary to stop the arm 20A without operating the torque limiter.
作業支援システム１が停止指令を受けてからトルクリミッタを作動させずに停止を行うために必要な制動距離は、停止指令を受けて制動制御を開始する時点におけるアーム２０Ａの姿勢やその際の速度に依存する。 The braking distance necessary for stopping without operating the torque limiter after the work support system 1 receives the stop command is the posture of the arm 20A and the speed at that time when the braking control is started upon receiving the stop command. Depends on.
本実施形態に係るアーム２０Ａの運動モデルを図７に示す。各パラメータは、第１アーム部２１の質量ｍ1、第２アーム部２２の質量ｍ2、保持部２４及び工具の質量ｍ3、第１アーム部２１の長さｌ1、第２アーム部２２の長さｌ2、第１アーム部２１の重心距離ｒ1、第２アーム部２２の重心距離ｒ2、第１アーム部２１の慣性モーメントＩ1、第２アーム部２２の慣性モーメントＩ2、第１アーム部２１の基端側の軸周りの第１軸トルクＴ1、第２アーム部２２の基端側の軸周りの第２軸トルクＴ2とした。作業支援システム１のアーム２０Ａの運動方程式は以下の式となる。式（１）が第１アーム部２１、式（２）が第２アーム部２２を表している。 A motion model of the arm 20A according to this embodiment is shown in FIG. Each parameter, the mass m 1 of the first arm portion 21, the mass m 2 of the second arm portion 22, the holding portion 24 and the tool mass m 3, the length l 1 of the first arm portion 21, the second arm portion 22 length l 2, the centroid distance r 1 of the first arm portion 21, the center of gravity distance r 2 of the second arm portion 22, the moment of inertia I 1 of the first arm portion 21, the moment of inertia I 2 of the second arm portion 22, The first axial torque T 1 around the base end side axis of the first arm portion 21 and the second axial torque T 2 around the base end side axis of the second arm portion 22 were used. The equation of motion of the arm 20A of the work support system 1 is as follows. Expression (1) represents the first arm portion 21, and Expression (2) represents the second arm portion 22.
本実施形態に係る緊急動作生成部７２で用いる制動制御には、図８に示されるブロック図の制御則を用いた。この制御則で停止軌道を求めるために、上式で示したロボットの運動方程式を加速度に関して解いた以下の式（３）、（４）を用いる。式（３）が第１アーム部２１、式（４）が第２アーム部２２を表している。 The control law of the block diagram shown in FIG. 8 is used for the braking control used in the emergency motion generation unit 72 according to the present embodiment. In order to obtain the stop trajectory using this control law, the following equations (3) and (4) obtained by solving the motion equation of the robot shown in the above equation with respect to acceleration are used. Equation (3) represents the first arm portion 21 and Equation (4) represents the second arm portion 22.
そこで、緊急動作生成部７２は、上式（３），（４）を用いてトルクリミッタを作動させずに第１アーム部２１及び第２アーム部２２を停止させるために、トルクＴ1，Ｔ2にトルクリミッタが作動する限界値を超えないトルクを指令する。トルクリミッタの限界値は、例えば８０［Ｎｍ］であるため、トルクＴ1，Ｔ2には８０［Ｎｍ］以下の数値を上限とするトルクの時間推移を代入することとなる。緊急動作生成部７２は、作業者を検出した時点から、アーム２０Ａが停止するまでトルクの指令値を、例えばステップ入力で図８の目標トルク値Ｔdesに入力する。図８の運動方程式にトルクの指令値、動作中のロボットの角度θcur、角速度を代入した後に、アーム２０Ａの目標値となる目標角速度を算出し、サーボドライバへの入力とする。このように動作生成部６３で生成された目標動作に代えて緊急動作生成部７２が緊急動作、つまり制動動作を行うための目標角速度を算出し、この緊急動作に基づいて駆動部３０が各モータ２１，２２を制御する。
この制動制御により、第１アーム部２１と第２アーム部２２の回動が規制され、作業者への到達前に第１アーム部２１と第２アーム部２２とが停止する。
なお、コンピュータが前もってインストールされたソフトウェアを実行することで、緊急動作生成部７２として機能する。
Therefore, the emergency motion generation unit 72 uses the above formulas (3) and (4) to stop the first arm unit 21 and the second arm unit 22 without operating the torque limiter, so that the torques T 1 , T Command the torque that does not exceed the limit value at which the torque limiter is activated in 2 . Since the limit value of the torque limiter is, for example, 80 [Nm], the time transition of the torque whose upper limit is a value of 80 [Nm] or less is substituted for the torques T 1 and T 2 . The emergency motion generation unit 72 inputs the torque command value from the time when the operator is detected until the arm 20A stops, for example, to the target torque value T des in FIG. 8 by step input. After substituting the torque command value, the angle θ cur of the operating robot, and the angular velocity into the equation of motion of FIG. 8, a target angular velocity that is the target value of the arm 20A is calculated and used as an input to the servo driver. Thus, instead of the target motion generated by the motion generator 63, the emergency motion generator 72 calculates a target angular velocity for performing an emergency motion, that is, a braking operation. 21 and 22 are controlled.
By this braking control, the rotation of the first arm portion 21 and the second arm portion 22 is restricted, and the first arm portion 21 and the second arm portion 22 stop before reaching the operator.
Note that the computer functions as the emergency operation generation unit 72 by executing software installed in advance.
このように本実施形態に係る作業支援システム１によれば、作業者の不意の動きにもアーム２０Ａへの接触を防止することができる。 As described above, according to the work support system 1 according to the present embodiment, it is possible to prevent contact with the arm 20 </ b> A even if the worker moves unexpectedly.
さらに、本実施形態では、各エリアＡ〜Ｆで作業者を検出するための近接検出部７１が並列分散処理を行う。つまり二つの検出システム７１Ａ，７１Ｂを備えて、一方のシステム７１Ａ（７１Ｂ）に不具合がある場合でも、他方のシステム７１Ｂ（７１Ａ）で作業者を検出することができる。よって、安全性をより高めることができる。 Furthermore, in this embodiment, the proximity detection unit 71 for detecting workers in the areas A to F performs parallel distributed processing. That is, the two detection systems 71A and 71B are provided, and even if one system 71A (71B) has a problem, an operator can be detected by the other system 71B (71A). Therefore, safety can be further improved.
[制動距離と検出距離との関係について]
前述のように、並列分散センシングシステムでは、Ｄ／Ａボード７９（図６参照）から比較回路７７へ入力する参照電圧を変化させることで光位置センサ７５の検出距離を変化させることができる。その際に、光位置センサ７５の検出距離がアーム２０Ａの停止までに必要な制動距離より大きければ、作業者とアーム２０との衝突を未然に防ぐことが可能である。ただし、この検出距離を必要以上に大きく設定してしまうと、アーム２０Ａは作業者に近づくことができず、部品や工具の配送を行うことができない。そこで、アーム２０Ａの運動に応じて光位置センサ７５の検出距離を以下の方法で逐次変更することで、作業者との衝突を防ぎつつ、部品や工具の配送を行う。
[Relationship between braking distance and detection distance]
As described above, in the parallel distributed sensing system, the detection distance of the optical position sensor 75 can be changed by changing the reference voltage input from the D / A board 79 (see FIG. 6) to the comparison circuit 77. At this time, if the detection distance of the optical position sensor 75 is larger than the braking distance necessary until the arm 20A stops, the collision between the operator and the arm 20 can be prevented in advance. However, if this detection distance is set to be larger than necessary, the arm 20A cannot approach the operator, and parts and tools cannot be delivered. Therefore, by sequentially changing the detection distance of the optical position sensor 75 according to the movement of the arm 20A by the following method, parts and tools are delivered while preventing collision with the operator.
検出距離は、アーム２０Ａの運動状態に応じた理論制動距離dsと任意に設定できるアーム停止時の作業者との距離dwを加算することで設定する。理論制動距離dsは、前述のアーム２０Ａのモデルと運動方程式とから制動制御を行った場合の手先の移動距離から算出できる。この制動距離は、作業支援システム１が作業者との接近を検出し、制動制御を開始する時のアーム２０Ａの運動状態に因るため、予めアーム２０Ａの運動計画からその運動を行う際の制動距離を制御周期ごとに求めておく。
しかしながら、実際の制動距離とモデルとから計算した制動距離はモデル化誤差などの影響から一致しない。そこで、１５パターンの手先速度において制動制御実験を行い、実際の制動距離とモデルから計算される制動距離の誤差を求めた。各速度パターンについて、１０回ずつ実験を行った結果を表１に示す。
The detection distance is set by adding the theoretical braking distance ds corresponding to the motion state of the arm 20A and the distance dw with the worker when the arm can be arbitrarily set. The theoretical braking distance ds can be calculated from the moving distance of the hand when the braking control is performed from the model of the arm 20A and the equation of motion. This braking distance depends on the movement state of the arm 20A when the work support system 1 detects the approach to the worker and starts the braking control. Therefore, the braking when performing the movement from the movement plan of the arm 20A in advance is performed. The distance is obtained for each control cycle.
However, the braking distance calculated from the actual braking distance and the model does not match due to the influence of modeling error and the like. Therefore, a braking control experiment was performed at the hand speed of 15 patterns, and an error between the actual braking distance and the braking distance calculated from the model was obtained. Table 1 shows the results of experiments conducted 10 times for each speed pattern.
実際の制動距離に対して標準偏差が十分に小さいことから、制動距離には再現性があるといえる。この結果から、手先速度と制動距離の誤差の関係は図９で示される。この関係を最小二乗法により近似を行い、モデルから求められた制動距離に加算することによって、検出距離の設定に用いる制動距離dsとした。 Since the standard deviation is sufficiently small with respect to the actual braking distance, it can be said that the braking distance is reproducible. From this result, the relationship between the hand speed and the braking distance error is shown in FIG. This relationship is approximated by the least square method, and added to the braking distance obtained from the model to obtain the braking distance ds used for setting the detection distance.
[評価実験]
本実施形態に係る作業支援ロボットの評価実験を行った。実験で用いた作業支援ロボットのアームの手先軌道を図１０に示す。
作業者は図中に示すＸ位置で作業を行っているものと想定し、手先速度を変えた場合に、アーム停止時の作業者とアーム２０Ａとの距離から、設定された検出距離が適切であったかを確認する。このときdwは１５０[mm]に設定した。
表２は、作業者との接近を検出時の手先速度、検出距離、制動距離、アームと作業者の間の距離を示す。
[Evaluation experiment]
An evaluation experiment of the work support robot according to the present embodiment was performed. FIG. 10 shows the hand trajectory of the arm of the work support robot used in the experiment.
Assuming that the worker is working at the X position shown in the figure, when the hand speed is changed, the set detection distance is appropriate from the distance between the worker and the arm 20A when the arm is stopped. Check if there was. At this time, dw was set to 150 [mm].
Table 2 shows the hand speed, the detection distance, the braking distance, and the distance between the arm and the worker when detecting the approach with the worker.
接近検出時のアーム２０Ａの手先速度が上がるにつれて制動距離が大きくなっていることがわかる。また、それに応じて動作開始位置からのアーム２０Ａが検出されるまでの検出距離も長くなっている。アーム停止時のアーム２０Ａと作業者との距離は、その設定値dw=１５０[mm]とほぼ一致した。 It can be seen that the braking distance increases as the hand speed of the arm 20A at the time of approach detection increases. Further, the detection distance until the arm 20A is detected from the operation start position is also increased accordingly. The distance between the arm 20A and the operator when the arm stopped substantially matched the set value dw = 150 [mm].
［検出距離とセンサ位置との関係について］
アーム２０Ａが制動制御により緊急停止動作を始めてから止まるまでに起こる姿勢変化自体は、緊急停止動作を始める瞬間の各関節の角度と角速度に依存する。この時、回転関節を軸に回転するアーム２０Ａ上のある点が制動制御に伴う姿勢変化によって停止するまでに移動する距離はそのアーム２０Ａ上での位置に依存する。
例えば、回転関節で接続されたアームであれば、回転中心から遠ければ遠い点ほど制動距離が長くなる。棒状のものが片端を回転中心としてある角速度で動いていた時に，単位時間あたりに動く距離は中心から遠ければ遠いほど長くなるのと同じである。従って、ある瞬間からある時間後に停止するといった場合、この時の制動距離は中心からの距離に応じて変化する。
従って、作業者と衝突する前にアーム２０Ａを停止しようとすると、その際の制動距離はアーム２０Ａ上の位置によって変わる。このことから、各センサ７５の検出距離は、「アーム２０Ａの運動状態に応じて決まる、各センサ７５の設置位置の制動距離」に合わせて検出距離を変化させる必要がある。つまり、各アーム部２１，２２のその時々の速度に対応した制動距離に応じて、各アーム部２１，２２に設けた光位置センサ７５の検出距離が設定される。
[Relationship between detection distance and sensor position]
The posture change itself that occurs from when the arm 20A starts the emergency stop operation by the braking control to when it stops is dependent on the angle and angular velocity of each joint at the moment of starting the emergency stop operation. At this time, the distance by which a certain point on the arm 20A rotating around the rotary joint moves until it stops due to the posture change accompanying the braking control depends on the position on the arm 20A.
For example, in the case of an arm connected by a rotary joint, the farther away from the center of rotation, the longer the braking distance. When a rod-shaped object is moving at an angular velocity centered on one end, the distance moved per unit time is the same as the distance from the center increases. Therefore, when stopping after a certain time from a certain moment, the braking distance at this time changes according to the distance from the center.
Therefore, if the arm 20A is to be stopped before colliding with the worker, the braking distance at that time varies depending on the position on the arm 20A. Therefore, the detection distance of each sensor 75 needs to be changed in accordance with “the braking distance of the installation position of each sensor 75 determined according to the motion state of the arm 20A”. That is, the detection distance of the optical position sensor 75 provided in each arm part 21 and 22 is set according to the braking distance corresponding to the speed of each arm part 21 and 22 at that time.
以上説明したが、本発明は発明の趣旨を逸脱しない範囲において様々な形態で実施をすることができる。 As described above, the present invention can be implemented in various forms without departing from the spirit of the invention.
（１）搬送機構
搬送機構２０は、図１に示すロボットアーム２０Ａのように関節を複数持つものでなく、1自由度の直動テーブルのように、工具、部品の何れか又は双方を搬送するものであればよい。さらに３自由度以上の多関節のロボットアームでもよい。また、搬送機構は台車として構成されてもよい。
搬送機構２０を構成するロボットアーム２０Ａは、図１に示すようにベースフレーム１０に駆動可能に取り付けられていても、製造ラインの固定設備に取り付けられていても、台車のような移動可能なものに取り付けられていてもよい。
このように、作業エリアで可動する搬送機構の駆動部にはトルクリミッタが搭載され、規定値以上の力が加わる場合には搬送機構がフリーとなる。またこの搬送機構にセンサが設けられ、当該センサによって作業者を検出した場合に搬送機構の移動が抑制される。具体的には、作業を検知した際の姿勢や速度に応じて、速度を減少させるサーボ制御を行う。例えば、台車であれば車輪を回転させるサーボモータを制御する。その際、台車の運動方程式と速度と位置とに基づいて、台車を所定距離内で停止させるための加速度を求めて、サーボ制御を行う。搬送機構がＸＹステージであれば、ステージの各軸方向への移動を減少させるサーボ制御をＸＹステージの運動方程式から導き、サーボ制御を行う。
(1) Conveying mechanism The conveying mechanism 20 does not have a plurality of joints like the robot arm 20A shown in FIG. 1, but conveys either or both of tools and parts like a linear motion table with one degree of freedom. Anything is acceptable. Further, an articulated robot arm having three or more degrees of freedom may be used. Further, the transport mechanism may be configured as a carriage.
The robot arm 20A constituting the transport mechanism 20 can be moved like a carriage, whether it is drivably attached to the base frame 10 as shown in FIG. It may be attached to.
Thus, the torque limiter is mounted on the drive unit of the transport mechanism that is movable in the work area, and the transport mechanism becomes free when a force greater than a specified value is applied. Further, a sensor is provided in the transport mechanism, and movement of the transport mechanism is suppressed when an operator is detected by the sensor. Specifically, servo control is performed to reduce the speed according to the posture and speed when the work is detected. For example, in the case of a carriage, a servo motor that rotates the wheels is controlled. At that time, the servo control is performed by obtaining an acceleration for stopping the carriage within a predetermined distance based on the equation of motion, speed and position of the carriage. If the transport mechanism is an XY stage, servo control is performed by deriving servo control for reducing the movement of the stage in each axial direction from the equation of motion of the XY stage.
（２）搬送機構の移動方向
前述の説明では、搬送機構としてアーム２０Ａは水平方向であったが、搬送機構の移動方向は水平に代えて上下方向、或いは三次元方向であってもよいことは勿論である。
(2) Movement direction of the transport mechanism In the above description, the arm 20A is the horizontal direction as the transport mechanism. However, the movement direction of the transport mechanism may be a vertical direction or a three-dimensional direction instead of horizontal. Of course.
（３）用途
作業支援システムの用途は、自動車の組立に限定されるものではない。
(3) Application The application of the work support system is not limited to automobile assembly.
（４）センサ
搬送機構の移動に伴って近接領域の作業者を検出するセンサは、光位置センサに限定されるものではなく、電波や超音波などを利用するセンサであってもよい。比較回路の参照電圧は、検出距離の関係がセンサの種類によって異なるため、各センサに応じて参照電圧が設定される。
(4) Sensor The sensor that detects the worker in the proximity region as the transport mechanism moves is not limited to the optical position sensor, and may be a sensor that uses radio waves, ultrasonic waves, or the like. The reference voltage of the comparison circuit is set according to each sensor because the relationship of the detection distance differs depending on the type of sensor.
（５）並列分散処理
上記説明では、並列分散処理として２系統を扱う場合を説明したが、３系統以上を並列処理してもよい。また、並列処理を省略しても本発明を構成できることは勿論である。
(5) Parallel distributed processing In the above description, the case where two systems are handled as parallel distributed processing has been described, but three or more systems may be processed in parallel. Of course, the present invention can be configured even if parallel processing is omitted.
（６）各センサの検出距離
アーム以外の搬送機構においても、各センサの検出距離は、センサの取付位置とその位置での搬送機構の運動状態に基づいた制動距離とに応じて、作業者との接触を回避するように設定される。
(6) Detection distance of each sensor Also in the conveyance mechanism other than the arm, the detection distance of each sensor depends on the attachment position of the sensor and the braking distance based on the movement state of the conveyance mechanism at that position. It is set to avoid contact.
１ 作業支援システム
１０ ベースフレーム
２０ アーム
２１ 第１アーム部
２２ 第２アーム部
２３ 連結部
３０ 駆動部
３３，３４，３５，３６ タイミングプーリ
４０ 計測部
５０ 制御装置
６０ 支援動作制御部
６１ 作業モデル生成部
６２ 作業推定部
６３ 動作生成部
７０ 緊急動作制御部
７１ 近接検出部
７２ 緊急動作生成部
７５ 光位置センサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Work support system 10 Base frame 20 Arm 21 1st arm part 22 2nd arm part 23 Connection part 30 Drive part 33,34,35,36 Timing pulley 40 Measurement part 50 Control apparatus 60 Support action control part 61 Work model production | generation part 62 Work Estimation Unit 63 Operation Generation Unit 70 Emergency Operation Control Unit 71 Proximity Detection Unit 72 Emergency Operation Generation Unit 75 Optical Position Sensor
Claims (6)
上記搬送機構を動作させる駆動部と、上記搬送機構の移動方向の領域で作業者を検出する検出部と、上記検出部で上記作業者を検出した場合に上記搬送機構の移動を規制する緊急動作生成部と、を備え、
上記検出部は、上記搬送機構に取り付けられたセンサを備え、
上記駆動部はモータと上記モータに搭載されたトルクリミッタとを備え、
上記緊急動作生成部は上記トルクリミッタが作動するトルクより小さいトルクでモータを制動制御することを特徴とする、作業支援システム。 A work support system including a transport mechanism for transporting tools and / or parts tools toward an operator,
A drive unit that operates the transport mechanism, a detection unit that detects an operator in an area in the moving direction of the transport mechanism, and an emergency operation that regulates movement of the transport mechanism when the detection unit detects the worker A generator,
The detection unit includes a sensor attached to the transport mechanism,
The drive unit includes a motor and a torque limiter mounted on the motor,
The work support system according to claim 1, wherein the emergency motion generation unit brakes the motor with a torque smaller than a torque at which the torque limiter operates.
少なくとも一つの処理部で前記作業者を検出したときに前記緊急動作生成部が前記搬送機構の移動を規制することを特徴とする、請求項１に記載の作業支援システム。 The detection unit includes a plurality of the sensors, and a plurality of processing units that distribute and process signals from the plurality of sensors.
The work support system according to claim 1, wherein when the worker is detected by at least one processing unit, the emergency motion generation unit regulates movement of the transport mechanism.
上記アームは、関節部を介して互いに水平方向へ回動可能に連結された複数のアーム部と、先端のアーム部に取り付けられ上記作業者へ提供する工具及び／又はパーツの工具類を保持する保持部と、を備え、
上記制御装置は、上記工具類を上記作業者に向けて搬送させるために上記アームを駆動制御する支援動作制御部を備えた、作業支援システムであって、
上記駆動部は、上記アームを駆動するモータと、上記モータに搭載されたトルクリミッタと、を備え、
上記制御装置は、各アーム部から各水平方向へ近接した領域で作業者を検出する検出部と、上記検出部で上記作業者を検出した場合に上記各アーム部の移動を規制する緊急動作生成部と、を備え、
上記検出部は、上記各アーム部に取り付けられた複数のセンサで構成され、
上記緊急動作生成部は上記トルクリミッタが作動するトルクより小さいトルクでモータを制動制御することを特徴とする、作業支援システム。 A base, an arm rotatably attached to the base, a drive unit that rotates the arm, a measurement unit that measures the movement of the operator, and a control device that controls the operation of the arm. ,
The arm holds a plurality of arm portions that are connected to each other via a joint portion so as to be rotatable in the horizontal direction, and a tool and / or a part tool that is attached to the arm portion at the tip and provided to the operator. A holding part,
The control device is a work support system including a support operation control unit that drives and controls the arm to convey the tools toward the worker.
The drive unit includes a motor that drives the arm, and a torque limiter mounted on the motor.
The control device includes: a detection unit that detects an operator in a region close to each horizontal direction from each arm unit; and an emergency operation generation that regulates movement of each arm unit when the detection unit detects the worker. And comprising
The detection unit is composed of a plurality of sensors attached to each arm unit,
The work support system according to claim 1, wherein the emergency motion generation unit brakes the motor with a torque smaller than a torque at which the torque limiter operates.
前記検出部は上記各側面に設けられたセンサからの信号を分散して処理する複数の処理部を備え、
各アームの側面毎に少なくとも一つの処理部で前記作業者を検出したときに前記緊急動作生成部が前記アームの移動を規制するよう、各アームの側面毎に並列分散処理を行うことを特徴とする、請求項４に記載の作業支援ロボット。 A plurality of sensors are provided on each side surface of the arm portion at predetermined intervals along the length direction of the arm,
The detection unit includes a plurality of processing units that distribute and process signals from the sensors provided on the side surfaces.
The parallel distributed processing is performed for each side surface of each arm so that the emergency motion generation unit regulates movement of the arm when the worker is detected by at least one processing unit for each side surface of each arm. The work support robot according to claim 4.
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