JP2019181604A - 防護柵付ロボットおよびロボットシステム - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットの可動範囲内への人の進入を許容しつつ、ロボットと人との接触を防止する。【解決手段】防護柵付ロボット１００は、ベース１と、第１軸線Ｊ１回りにベース１に対して回転可能に基端が支持され、先端が作業対象ＳＡ１に作業を行う可動部２０と、可動部２０と共に第１軸線Ｊ１回りに回転させられ、可動部２０の先端が作業を行う防護柵付ロボット１００の正面側とは反対の背面側に配置されている防護柵１０とを備え、防護柵１０が、第１軸線Ｊ１を中心として、正面側において可動部２０の先端が第１軸線Ｊ１から最も離れた距離よりも近い径方向位置、かつ、背面側において作業時の可動部２０の内の第１軸線Ｊ１から最も離れた位置までの距離よりも遠い径方向位置に配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、防護柵付ロボットおよびロボットシステムに関する。

従来、ロボットを取り囲む位置に配置された防護柵を備えるロボットシステムが知られている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に記載されたロボットシステムにおいては、ロボットの位置と、仮想領域として設定された仮想防護柵の位置とが予め設定され、ロボットが仮想防護柵を超えた領域へと進入することを防止している。

特開２０１１−２１２８３１号公報

特許文献１に記載されたロボットシステムを用いることによって、ロボットが仮想防護柵の領域に進入するおそれがある場合には、ロボットを停止させる制御が行われるため、ロボットが仮想防護柵を超えることはない。しかし、ロボットの可動範囲全体を取り囲む位置に仮想防護柵が設定されてしまうため、人の進入が制限される領域が広範囲に及んでしまう。
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、ロボットの可動範囲内への人の進入を許容しつつロボットと人との接触を防止することができる防護柵付ロボットおよびロボットシステムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、防護柵付ロボットであって、ベースと、第１軸線回りに前記ベースに対して回転可能に基端が支持され、先端が作業対象に作業を行う可動部と、前記可動部と共に前記第１軸線回りに回転させられ、前記可動部の先端が作業を行う前記防護柵付ロボットの正面側とは反対の背面側に配置されている防護柵とを備え、該防護柵が、前記第１軸線を中心として、前記正面側において前記可動部の先端が前記第１軸線から最も離れた距離よりも近い径方向位置、かつ、前記背面側において作業時の前記可動部の内の前記第１軸線から最も離れた位置までの距離よりも遠い径方向位置に配置されている防護柵付ロボットを提供する。

防護柵付ロボットの可動範囲全体は、ベースに対して第１軸線回りに可動部が３６０°回転した場合に、可動部の先端が届く範囲を包含する領域として設定される。しかし、ベースに対して回転する可動部の角度範囲が正面側の一定の範囲に限られている場合には、当該角度範囲に入らない防護柵付ロボットの背面側において、作業中の可動部が届く範囲は、正面側よりも小さくなる場合がある。すなわち、防護柵付ロボットの背面側において、第１軸線から背面側における可動部が届く範囲までの境界と、第１軸線回りに可動部が３６０°回転する場合における可動部の先端の可動範囲全体を示す境界との間には、可動部が第１軸線回りに回転しない限り可動部が進入しない領域が存在する。

ここで、防護柵は、第１軸線を基準として、背面側において可動部の内の最も離れた位置よりも遠くに配置されるため、作業中の可動部が背面側に移動してきても防護柵に接触することはない。すなわち、可動部の可動範囲全体に含まれる範囲であっても作業時の可動部が入り込まない背面側の領域を、防護柵の径方向外側の領域として人に認識させることができる。そして、防護柵の径方向外側の領域において作業する人がロボットの背面側における可動範囲内に入ることを確実に規制することができる。

上記態様においては、前記可動部が、前記第１軸線回りに前記ベースに対して回転可能に支持された旋回胴と、前記第１軸線に直交する第２軸線回りに前記旋回胴に対して回転可能に支持された第１アームと、前記第２軸線と平行な第３軸線回りに前記第１アームの先端近傍に対して回転可能に支持された可動先端部とを有し、前記防護柵が、前記背面側において、作業時の前記可動先端部の基端が前記第１軸線から最も離れた距離に略一致する径方向位置に配置されている垂直多関節型の防護柵付ロボットであってもよい。

このような垂直多関節型ロボットでは、作業時の可動先端部の基端が、他の可動部の位置と比較して、背面側において第１軸線から最も離れた位置まで移動する。防護柵が可動先端部の基端に接触しない位置に配置されることによって、ロボットの作業性を損なわず、かつ、防護策の径方向外報を可動部が入り込まない位置として人に認識させることができる。

上記態様においては、前記防護柵が、前記第１軸線に直交する任意の断面において、前記第１軸線を中心とする円の半径の±１０％の範囲内に配置されている外周面を備えていてもよい。
このようにすることで、防護柵の外周面が径方向に沿う所定の厚さ範囲に含まれるため、外周面における防護柵の径方向の凹凸を小さく抑えることができる。これにより、防護柵が回転することにより、防護柵の外周面が人に接触した場合の影響を低減できる。

上記態様においては、前記外周面が、前記第１軸線に直交する全ての断面において、径方向外方に凸の連続する曲線形状を有していてもよい。
このようにすることで、外周面が凹凸のない滑らかな曲面で形成されているため、防護柵が回転することにより、防護柵の外周面が人に接触した場合の影響を低減できる。

上記態様においては、前記外周面が、前記第１軸線に直交する全ての断面において、前記第１軸線を中心とする円弧形状を有していてもよい。
このようにすることで、防護柵の外周面が所定の軸線を中心とする同一の径方向位置に存在する。これにより、可動部が軸線回りに回転しても、外周面の位置が変化しないため、外周面に接触していない状態で人の位置が変化しなければ、防護柵が回転しても、防護柵の外周面が人に接触することはない。

上記態様においては、前記防護柵が、前記第１軸線に直交する任意の断面において、前記第１軸線を中心とする半径の±１０ミリメートル以下の範囲内に配置されている外周面を備えていてもよい。
このようにすることで、防護柵の径方向に沿った厚みが薄くなるため、防護柵が軽くなる。

上記態様においては、前記防護柵が前記可動部に固定されていてもよい。
このようにすることで、防護柵が可動部と共にベースに対して所定の軸線回りに回転する簡単な構造を実現することができる。

また、本発明の他の態様は、上記態様の防護柵付ロボットと、前記ベースから所定の範囲内に存在する前記防護柵付ロボットとは異なる物体を検出する検出装置とを備えるロボットシステムを提供する。
本態様によれば、検出装置を用いて防護柵付ロボットの近くにいる人などの物体を検出するため、防護柵付ロボットとそれ以外の物体との接触を低減できる。

本発明によれば、ロボットの可動範囲内への人の進入を許容しつつ、ロボットと人との接触を防止するという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係る防護柵付ロボットの概略斜視図である。 図１に示される防護柵付ロボットの概略平面図である。 本発明の一実施形態に係る防護柵付ロボットおよびロボットシステムの概略平面図である。

本発明の第１実施形態に係る防護柵付ロボット１００について、図面を参照しながら以下に説明する。
図１は、本実施形態に係る防護柵付ロボット（ロボット）１００の概略斜視図である。本実施形態に係るロボット１００は、ロボット本体５０と、ロボット本体５０における一部の外周を囲う防護柵１０とを備えている。ロボット本体５０は、６個の関節を有する垂直多関節型ロボットである。

ロボット本体５０は、床面に固定されたベース１と、鉛直な第１軸Ｊ１回りにベース１に対して回転可能に支持された可動部２０とを備えている。可動部２０は、ベース１に第１軸Ｊ１回りに回転可能に支持された旋回胴２１と、水平な第２軸Ｊ２回りに旋回胴２１に対して回転可能に支持された第１アーム２２と、水平な第３軸Ｊ３回りに第１アーム２２に対して回転可能に支持された可動先端部２９とを備えている。

可動先端部２９は、第３軸Ｊ３回りに第１アーム２２に対して基端が回転可能に支持された第２アーム２３と、第２アーム２３に対して第３軸Ｊ３と捻れの位置関係にある第４軸Ｊ４回りに回転可能に支持された第１手首要素２４と、第４軸Ｊ４に直交する第５軸Ｊ５回りに第１手首要素２４に対して回転可能に支持された第２手首要素２５と、第５軸Ｊ５に直交する第６軸Ｊ６回りに第２手首要素２５に対して回転可能に支持された第３手首要素２６とを備えている。第３手首要素２６の先端には、ワーク（作業対象）ＳＡ１などに作業を行うエンドエフェクタＥＦが取り付けられている。

各関節には、これらの関節を回転駆動するモータと、各モータの回転角度を検出するエンコーダ（不図示）とが備えられている。図１には、旋回胴２１を回転駆動するモータＭ１と、第１アーム２２を回転駆動するモータＭ２と、第１手首要素２４を回転駆動するモータＭ４とが示されている。なお、図１において、第２アーム２３を回転駆動するモータ、第２手首要素２５を回転駆動するモータおよび第３手首要素２６を回転駆動するモータの図示は省略されている。

ロボット本体５０は、６個の関節に対応するモータを制御する図示しない制御装置を備えている。制御装置は、ＣＰＵと、ＲＯＭと、ＲＡＭと、メモリとを備えている。制御装置は、６個の関節に対応するエンコーダから検出されるモータの回転角度を用いて、各モータを回転駆動させるフィードバック制御を行っている。

図２は、ロボット１００の平面図である。図２に示されるように、本実施形態において、ロボット本体５０は、エンドエフェクタＥＦが第４軸Ｊ４を含む平面である動作平面ＡＰ上に常に位置するロボットである。本実施形態においては、動作平面ＡＰ上において、作業時の可動部２０が移動可能な範囲は、第１軸Ｊ１を基準として、エンドエフェクタＥＦがワークＳＡ１に作業を行う正面側よりも背面側の方が小さく設定されている。

なお、本明細書におけるロボット１００の「正面側」および「背面側」とは、ベース１に対する第１軸Ｊ１回りの可動部２０の回転角度に応じて変化する。第１軸Ｊ１および第２軸Ｊ２を含む平面（本実施形態では、動作平面ＡＰに直交する平面と同じ平面）を基準として、作業が行われる方が「正面側」と定義され、「正面側」の反対が「背面側」と定義される。そのため、仮に、図１および図２に示される例において、ロボット１００の作業対象が、作業台ＷＴ１に載置されたワークＳＡ１から作業台ＷＴ２に載置されたワークＳＡ２に変化した場合には、可動部２０は、ベース１に対して第１軸Ｊ１回りに回転する。その結果、図１および図２に示された「正面側」と「背面側」とは、入れ替わる。すなわち、ロボット１００の「正面側」および「背面側」は、ベース１に対する可動部２０の回転角度によって決定する。

図２に示されるように、ロボット１００の正面側では、作業時のエンドエフェクタＥＦが、作業領域ＡＲ１内で、第１軸Ｊ１から最も離れた位置まで移動する。正面側において、作業時のエンドエフェクタＥＦが移動可能な範囲の平面視における半径は、最大正面半径ＲＦである。最大正面半径ＲＦは、図２に示される可動部２０の基準位置からベース１に対して第１軸Ｊ１回りに角度θ１だけ可動部２０が回転した動作平面ＡＰ上における可動部２０の移動可能範囲の全体を含む範囲である。

一方で、ロボット１００の背面側では、作業時の可動部２０の内、可動先端部２９の基端に位置する第２アーム２３の基端が、作業領域ＡＲ１内で、第１軸Ｊ１から最も離れた位置まで移動する。図２に示されるように、背面側において、作業時の可動部２０が移動可能な範囲の平面視における半径は、最大正面半径ＲＦよりも小さい最大背面半径Ｒｒである。

図１および図２に示される防護柵１０は、円筒における一部の円弧が切り欠かれた開口部１３を有する防護柵本体１１と、防護柵本体１１を旋回胴２１に固定する固定部材１２とを備えている。固定部材１２は、防護柵本体１１の中心軸を第１軸Ｊ１に一致させた状態に、防護柵本体１１を旋回胴２１に固定している。防護柵本体１１は、動作平面ＡＰを中心として両側に対称となる角度範囲にわたって、ロボット本体５０の背面側の全体および正面側の一部を取り囲む位置に配置されている。

図２に示されるように、防護柵本体１１は、厚さｔ１の鋼板を内径Ｒｗで湾曲させたものである。防護柵の内径Ｒｗに厚さｔ１を加えた防護柵本体１１の外周面１１Ａまでの半径（Ｒｗ＋ｔ１）は、最大正面半径ＲＦよりも小さい。また、防護柵本体１１の内周面までの半径である内径Ｒｗは、最大背面半径Ｒｒよりも大きい。

開口部１３は、長手軸方向の全長にわたって形成されている。開口部１３を可動部２０が通過することによって、可動部２０が防護柵本体１１よりも径方向外側に進退することを可能にしている。本実施形態においては、図１および図２に示される防護柵本体１１の径方向外側には、ワークＳＡ２を載置する作業台ＷＴ２が配置されている。

このように構成された本実施形態に係る防護柵付ロボット１００の作用について以下に説明する。
作業領域ＡＲ１内に設置された正面側の作業台ＷＴ１上のワークＳＡ１に対してロボット本体５０により作業する場合には、ロボット本体５０の可動部２０は、第１軸Ｊ１回りの限られた角度範囲内に位置し、防護柵本体１１の開口部１３はほぼ一方向に向かっている。

この場合に、ロボット本体５０は、開口部１３を除く全周にわたって防護柵本体１１によって取り囲まれている。そのため、ロボット本体５０が、作業台ＷＴ１上のワークＳＡ１に対して作業している状態では、作業者ＷＫが防護柵本体１１に接触する位置まで径方向外側から近接しても、作業者ＷＫがロボット本体５０の可動部２０に接触することを防護柵本体１１によって確実に阻止することができる。すなわち、作業者ＷＫは、第１軸Ｊ１回りに可動部２０が３６０°回転した場合のエンドエフェクタＥＦの移動可能範囲の内側であっても、防護柵本体１１によってロボット本体５０から区画された背面側の領域において作業することができ、スペースを有効利用することができるという利点がある。

また、本実施形態の防護柵本体１１は、中心軸からの距離が一定である外周面１１Ａを有する。そのため、可動部２０が第１軸Ｊ１回りに回転しても、外周面１１Ａが径方向に変動せず、可動部２０が回転することによる作業者ＷＫと防護柵本体１１との干渉を抑制することができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係るロボットシステムについて、図面を参照して以下に説明する。
図３は、本実施形態に係るロボットシステム２００の平面図である。ロボットシステム２００は、防護柵付ロボット１００と、作業者ＷＫなど物体を検出する検出装置１５０とを備えている。検出装置１５０は、防護柵の外面から径方向外方に延びる平面に沿ってレーザ光ＬＡを走査するとともに、作業者ＷＫ等の外部の物体において反射したレーザ光ＬＡを検出するレーザスキャナである。検出装置１５０を防護柵１０に取り付けておくことにより、防護柵１０の回転とともにレーザ光ＬＡの走査平面を回転させることができる。これにより、可動部２０の第１軸Ｊ１回りの回転位置に応じた位置に検出範囲を移動させることができる。

図３に示されるロボットシステム２００によれば、例えば、可動部２０の作業範囲に含まれなくても、可動部２０の作業範囲に含まれる境界付近の作業者ＷＫが検出されることによって、作業者ＷＫと可動部２０との接触をより低減できる。

上記実施形態における防護柵付ロボット１００およびロボットシステム２００は、一例であって、種々変形可能である。例えば、防護柵付ロボット１００は、必ずしも垂直多関節型ロボットである必要はなく、第１軸Ｊ１を中心として正面側と背面側とで作業時の可動部２０の移動可能範囲が異なっていればよい。可動部２０の第３手首要素２６は、必ずしも動作平面ＡＰ上に常に位置していなくてもよく、可動部２０が正面側と背面側とで異なる移動可能範囲を有していればよい。また、ロボット本体５０のベース１は、床面に固定される必要はなく、例えば、自走可能なＡＧＶ（automated guided vehicle）に固定されてもよい。

防護柵本体１１の形状についても種々変形可能である。例えば、防護柵本体１１は、所定の軸線に直交する任意の断面において、八角形などの多角形の一部の形状を有していてもよい。防護柵本体１１の外周面１１Ａは、防護柵本体１１の中心軸に直交する任意の断面において、防護柵本体１１の中心軸から所定の半径の±１０パーセントの範囲内に含まれることが好ましい。このような範囲で防護柵本体１１の外周面１１Ａが形成されることによって、例えば、防護柵本体１１の外周面１１Ａとして第１軸Ｊ１に直交する断面が、正六角形の一部を切り欠いたもの等の形状を採用できる。また、防護柵本体１１の径方向に沿った厚みが、防護柵本体１１の中心軸から±１０ミリメートル（ｍｍ）以下であることが好ましい。防護柵本体１１の厚さを薄くすることによって、防護柵１０および防護柵付ロボット１００を軽くすることができる。

また、防護柵本体１１は、中心軸に直交する任意の断面において、楕円の一部などの径方向外方に凸の連続する曲線形状を有していてもよいし、第１軸Ｊ１方向に沿って軸線から外周面１１Ａまでの半径が変化する円弧形状を有していてもよい。このような曲線形状および円弧形状は、中心軸に沿った任意の断面において異なった形状であってもよいし、例えば、半径の異なる円で形成された球の一部を切り欠いた形状であってもよい。また、防護柵１０は、動作平面ＡＰを基準として、対称に形成されていなくてもよい。

また、防護柵本体１１は、上記実施形態のような鋼板以外の材料で形成されていてもよく、例えば、金網のような網状の材料で形成されていてもよいし、金属以外の樹脂などの材質によって形成されていてもよい。また、防護柵本体１１が配置される軸線回りの角度範囲についても、上記実施形態と異なり、１８０°未満であり、正面側に防護柵本体１１の一部が形成されていなくてもよい。防護柵本体１１の中心軸に直交する異なる任意の断面において、角度範囲に対応する範囲が異なっていてもよい。また、可動部２０の動作範囲を制限しない防護柵本体１１に形成された開口部１３は、必ずしも防護柵本体１１の中心軸に沿って全体に形成される必要はなく、可動部２０の動作を妨げない範囲の領域に形成されればよい。

防護柵１０は、必ずしも旋回胴２１に固定される必要はなく、可動部２０と共にベース１に対して第１軸Ｊ１回りに回転可能な状態で、他の箇所に取り付けられてもよい。また、防護柵１０は、必ずしも可動部２０と共に回転する必要はなく、可動部２０の回転と防護柵１０の回転とが別々に駆動されてもよい。例えば、旋回胴２１とは別個の駆動部をベース１の外側に配置し、駆動部に防護柵１０を取り付けることにしてもよい。この場合、駆動部を旋回胴２１と同期して駆動してもよいし、旋回胴２１とは独立に防護柵１０を駆動してもよい。旋回胴２１を大きく回転させる場合にのみ防護柵１０を駆動し、旋回胴２１を細かく回転させる場合には防護柵１０を停止させておいてもよい。防護柵１０は、可動部２０から取り外し可能であってもよい。防護柵本体１１と可動部２０とを固定していた固定部材１２の形状や材質についても、種々変形可能である。

検出装置１５０として、図３に示されるレーザスキャナを一例に挙げたが、検出装置１５０が作業者ＷＫなどの物体を検出する範囲や方法については、種々変形可能である。例えば、検出装置は、図２に示されるベース１の４隅に配置され、水平方向に発した光を検出することによって、作業者ＷＫなどの進入を禁止したい領域に進入した作業者ＷＫの足下を検出してもよい。また、検出装置としてのレーザスキャナが床面に鉛直上方にレーザ光を発することにより、検出装置が、所定の領域内への進入した作業者ＷＫを検出してもよい。

１ ベース
１０ 防護柵
１１Ａ 外周面
２０ 可動部
２１ 旋回胴
２２ 第１アーム
２９ 可動先端部
１００ 防護柵付ロボット
１５０ 検出装置
２００ ロボットシステム
ＥＦ エンドエフェクタ（先端）
Ｊ１ 第１軸
Ｊ２ 第２軸

Claims (8)

1. 防護柵付ロボットであって、
   ベースと、
   第１軸線回りに前記ベースに対して回転可能に基端が支持され、先端が作業対象に作業を行う可動部と、
   前記可動部と共に前記第１軸線回りに回転させられ、前記可動部の先端が作業を行う前記防護柵付ロボットの正面側とは反対の背面側に配置されている防護柵とを備え、
   該防護柵が、前記第１軸線を中心として、前記正面側において前記可動部の先端が前記第１軸線から最も離れた距離よりも近い径方向位置、かつ、前記背面側において作業時の前記可動部の内の前記第１軸線から最も離れた位置までの距離よりも遠い径方向位置に配置されている防護柵付ロボット。
2. 前記可動部が、前記第１軸線回りに前記ベースに対して回転可能に支持された旋回胴と、前記第１軸線に直交する第２軸線回りに前記旋回胴に対して回転可能に支持された第１アームと、前記第２軸線と平行な第３軸線回りに前記第１アームの先端近傍に対して回転可能に支持された可動先端部とを有し、
   前記防護柵が、前記背面側において、作業時の前記可動先端部の基端が前記第１軸線から最も離れた距離に略一致する径方向位置に配置されている垂直多関節型の請求項１に記載の防護柵付ロボット。
3. 前記防護柵が、前記第１軸線に直交する任意の断面において、前記第１軸線を中心とする円の半径の±１０％の範囲内に配置されている外周面を備える請求項１または請求項２に記載の防護柵付ロボット。
4. 前記外周面が、前記第１軸線に直交する全ての断面において、径方向外方に凸の連続する曲線形状を有する請求項３に記載の防護柵付ロボット。
5. 前記外周面が、前記第１軸線に直交する全ての断面において、前記第１軸線を中心とする円弧形状を有する請求項４に記載の防護柵付ロボット。
6. 前記防護柵が、前記第１軸線に直交する任意の断面において、前記第１軸線を中心とする半径の±１０ミリメートル以下の範囲内に配置されている外周面を備える請求項１から請求項５のいずれかに記載の防護柵付ロボット。
7. 前記防護柵が前記可動部に固定されている請求項１から請求項６のいずれかに記載の防護柵付ロボット。
8. 請求項１から請求項７のいずれかに記載の防護柵付ロボットと、
   前記ベースから所定の範囲内に存在する前記防護柵付ロボットとは異なる物体を検出する検出装置とを備えるロボットシステム。
   

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