JP2021041505A - ロボット制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】精密且つ安全な動作制限領域を自動的に作成することのできる装置を提供する。【解決手段】ロボットの動作を制御するロボット制御装置５０であって、動作プログラムに従ってロボットの動作を制御する動作制御部５５と、ロボットが動作プログラムに従って動作する際のロボットの所定の可動部位の動作経路を記憶する動作経路記憶部５１と、記憶された動作経路に基づいてロボットの動作を制限するための動作制限領域を表す動作制限領域データを作成する動作制限領域作成部５２と、動作制限領域データに基づいて動作制限領域におけるロボットの動作を制限する動作制限部５６と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明はロボット制御装置に関する。

ロボットの教示、すなわち、動作命令の作成においては、基準となる目標位置に対して、ロボット制御装置側で自動計算した位置補正を加える設定がなされることがある。例えば、カメラでワークの位置ずれを検出し、検出した位置ずれを補正するように動作命令を設定するような場合である。このような設定を行った場合、ユーザが意図した位置と異なる位置へロボットが動作することも考えられるため、ランニング試験により動作確認をすることが一般に行われる。また、ランニング試験中には発生しなかった要因により、本稼働中にロボットがユーザの意図しない位置に移動する可能性を考慮して、ロボット制御装置においてロボットの動作制限領域が設定される場合もある。

なお、特許文献１は、「ロボットを撮像する撮像部と、ロボットの動作を制御するプログラムに基づいて該ロボットの三次元的な動作領域を示すパラメータを取得し、該パラメータを用いてロボットの動作領域の三次元的な形状データを作成し、並びに、ロボットの位置を特定するためのマーカの画像に基づいてロボットの実機の画像と形状データとを重ね合わせて拡張現実空間を生成する演算部と、拡張現実空間を表示する表示部とを備える」ロボットシステムを記載する（要約書）。

特開２０１８−８３４７号公報

ところで、上述のようにロボットの動作制限領域を設定する場合には、教示作業者が現場において設定作業をする場合が多く、教示作業者による設定作業により精密な動作制限領域を作成することは一般に容易ではない。精密且つ安全な動作制限領域を自動的に作成することのできる装置が望まれている。

本開示の一態様は、ロボットの動作を制御するロボット制御装置であって、動作プログラムに従って前記ロボットの動作を制御する動作制御部と、前記ロボットが前記動作プログラムに従って動作する際の前記ロボットの所定の可動部位の動作経路を記憶する動作経路記憶部と、記憶された前記動作経路に基づいて前記ロボットの動作を制限するための動作制限領域を表す動作制限領域データを作成する動作制限領域作成部と、前記動作制限領域データに基づいて前記動作制限領域における前記ロボットの動作を制限する動作制限部と、を備えるロボット制御装置である。

上記構成によれば、精密且つ安全な動作制限領域を自動的に作成することが可能となる。

添付図面に示される本発明の典型的な実施形態の詳細な説明から、本発明のこれらの目的、特徴および利点ならびに他の目的、特徴および利点がさらに明確になるであろう。

一実施形態に係るロボット制御装置を含むロボットシステムの構成を表す図である。 ロボット制御装置の機能ブロック図である。 補正前と補正後のロボットの動作経路を表す図である。 幅を持った動作経路が得られた状態を表す図である。 ツール先端点が移動するときに、ロボットの可動部全体が侵入した領域を表す図である。 図４に示したようなツール先端点の動作経路を取得するために動作プログラムを繰り返し実行させた場合に、可動部全体が侵入した領域を表す図である。 ロボットが動作領域の範囲外の動作制限領域に侵入する状態を示す図である。 動作可能領域の範囲外に侵入した経路を含むように拡張された動作可能領域を示す図である。 ロボット制御装置の制御の下で実行される動作経路記憶処理を表すフローチャートである。 図３に示した動作を繰り返し実行させる動作プログラムの例を示す図である。 ロボットに所定の動作を３回繰り返し実行させた場合の動作経路を表す図である。 座標点列として定義される動作経路に基づいてある程度の太さを持った動作経路を作成する手法を説明する図である。

次に、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。参照する図面において、同様の構成部分または機能部分には同様の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これらの図面は縮尺を適宜変更している。また、図面に示される形態は本発明を実施するための一つの例であり、本発明は図示された形態に限定されるものではない。

図１は一実施形態に係るロボット制御装置５０を含むロボットシステム１００の構成を表す図である。図１に示すように、ロボットシステム１００は、ロボット１０と、ロボット１０を制御するロボット制御装置５０と、ロボット制御装置５０に接続された教示操作盤８０とを備える。ロボット１０は、図１では垂直多関節ロボットとして記載されているが、本発明はこれに限られない。他のタイプのロボットが用いられても良い。教示操作盤８０は、教示入力を行うための操作部、教示に関する各種情報が表示される表示部等を備える。操作者は、教示操作盤８０を用いてロボット１０の教示を行い、ロボット１０の動作プログラムを作成する。

ロボット制御装置５０は、動作プログラムに従ってロボット１０を制御する。なお、ロボット制御装置５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、記憶装置、操作部、表示部、入出力インタフェース、ネットワークインタフェース等を有する一般的なコンピュータとしての構成を有していても良い。また、図１に示すように、ロボットシステム１００には、ビジョンセンサ（カメラ）９０が設けられている。ビジョンセンサ９０は、ロボット１０がハンドリングするワーク（不図示）を撮像可能な位置に配置され、ワークが検出された画像をロボット制御装置５０に提供する。ロボット制御装置５０は、ビジョンセンサ９０から得られた画像に基づいてワークの位置ずれを検出し、ロボット１０の位置補正を行う機能を有する（以下、この位置補正をビジョン補正とも記載する）。

以下で詳細に説明するように、ロボット制御装置５０は、動作プログラムにしたがって動作するロボット１０の動作経路を記憶し、記憶された動作経路に基づいて、ロボット１０の動作制限領域を作成する。ここで、動作経路は、ロボット１０が実際に移動した位置情報として取得するものとする。ロボット１０が実際に移動した位置情報は、ロボット１０の各関節のサーボモータから得られる位置情報に基づいて算出する手法、ロボット１０の可動部の所定部位に加速度センサ、ジャイロセンサ等を取り付けて位置計測を行う手法等の、各種の手法を用いることができる。動作経路の記憶は、一例として、ロボットシステム１００の本稼働前のテスト運転時に実行され、記憶された動作経路に基づいて動作制限領域が作成される。このように作成された動作制限領域は、ロボットシステム１００の本稼働時において、ロボット１０の動作を制限すべき領域として用いられる。

図２は、ロボット制御装置５０の機能ブロック図である。これらの機能ブロックは、ロボット制御装置５０のＣＰＵが、記憶装置に格納された各種ソフトウェアを実行することで実現されても良く、或いは、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated IC）等のハードウェアを主体とした構成により実現されても良い。ロボット動作制御部５５は、動作プログラムにしたがってロボット１０の動作を制御する。動作経路記憶部５１は、ロボット１０が動作プログラムに従って動作する際のロボット１０の所定の可動部位の動作経路を記憶する。動作制限領域作成部５２は、記憶された動作経路に基づいてロボット１０の動作を制限するための動作制限領域を表す動作制限領域データを作成する。動作制限部５６は、動作制限領域作成部５２により作成された動作制限領域を、ロボット１０の動作を制限すべき領域として用いる。動作制限部５６による制限は、ロボット１０が動作制限領域に侵入しようとしたときにロボット１０の動きを停止させたり（動作制限領域への侵入を禁止する）、ロボット１０が動作制限領域に侵入した際に動作速度を制限することを含む。

動作経路記憶部５１及び動作制限領域作成部５２の動作について図３−図５を参照して説明する。図３は、ロボット１０の動作経路を表している。ここでは、ロボット１０の動作経路を、ロボット１０におけるツール先端点の動作軌跡として求める例を説明する。図３において実線で表された経路１１１は、ロボット１０が動作プログラムで指定された経路に従って動作した場合の動作経路を表している。ここでは、動作プログラムにより目標位置Ｐ１から目標位置Ｐ５まで進み、位置Ｐ１に戻る指令が実行されるものとする。ただし、ビジョン補正等による位置補正が加えられた場合、ロボット１０の動作経路は図３中の点線で示した動作経路１１２のように変化する場合がある。

ビジョン補正等による補正値は変化するため、ロボット１０の動作を繰り返すと動作経路も変化する。したがって、ロボット１０を繰り返し動作させることで記憶した動作経路を重ね合わせると、図４に示したような、ある程度の幅を持った動作経路１１３を得ることができる。動作制限領域作成部５２は、テスト運転を十分な回数実行することで、ある程度幅を持った領域として得られた動作経路１１３をロボット１０の動作可能領域と定義し、動作可能領域以外の範囲をロボット１０の動作制限領域として求める。一例として、動作可能領域は、記憶された複数の動作経路を含むようなチューブ状の領域として定義されても良い。このように、ロボット１０が実際に動作した動作経路に基づいて動作制限領域を作成することで、精密で安全性の高い動作制限領域を作成することができる。なお、図３及び図４の例の場合には、動作制限領域は、ロボット１０のツール先端点が侵入した場合に動作を制限すべき領域として用いられることとなる。

次に、ロボット１０の可動部位全体（ロボット本体）が侵入した領域に基づいて動作制限領域を作成する場合の例について図５−図８を参照して説明する。一例として、図５に示すように、ロボット１０が実線で示された位置・姿勢（ツール先端点の位置Ｐ１）から破線で示された位置・姿勢（ツール先端点の位置Ｐ２）に移動した状態を想定する。図５に示された領域２０１は、ツール先端点が位置Ｐ１から位置Ｐ２に移動するときに、ロボット１０の可動部全体が侵入した領域を表している。侵入領域記憶部５７は、このような侵入領域２０１を表す侵入領域データを記憶する。一例として、侵入領域記憶部５７は、ロボット１０のテスト運転中に、ロボット１０の可動部位全体（ロボット本体）の位置を表す情報（例えば、各関節の位置を表す情報）を記憶しても良い。

この場合、動作制限領域作成部５２は、テスト運転中にロボット１０の可動部位全体（ロボット本体）が侵入した領域として作成された動作可能領域以外の領域を動作制限領域として定義する。一例として、動作制限領域作成部５２は、テスト運転中に動作経路記憶部５１により記憶されたロボット１０の可動部位全体の位置情報に基づいてロボット１０の３次元モデルを仮想空間上で模擬動作させることでロボット１０の可動部位全体が侵入した領域を求めても良い。

動作制限部５６は、動作制限領域作成部５２により作成された動作制限領域に基づいてロボット１０の動作を制限する。一例として、動作制限部５６は、ロボット１０の本稼働時にはロボット１０の位置情報に基づいてロボット１０の簡易モデル（例えば、関節部位を球体でモデル化したもの）を仮想空間上で模擬的に動作させ、この簡易モデルが動作制限領域に侵入するか否かを計算することで、ロボット１０が動作制限領域に進入するか否かを検出しても良い。

図６は、図４に示したようなツール先端点の動作経路１１３を取得するために動作プログラムを繰り返し実行させた場合に、ロボット１０の可動部全体（ロボット本体）が侵入した領域である動作領域２１１を表している。この場合、動作制限領域作成部５２は、動作領域２１１の外側の領域（すなわち、ロボット１０が侵入していない領域）を動作制限領域として作成する。

ロボットシステム１００のテスト運転により図６に示したような可動部全体としての動作領域２１１が得られた場合において、ロボットシステム１００を本稼働させて場合に、図７において動作経路１１３ａとして示したように、ロボット１０が動作領域２１１の範囲外（すなわち、動作制限領域）に侵入するような事態も想定される。このような事態を考慮し、ロボット制御装置５０は、動作予測部５８と、実行許可要求部５３とを備えていても良い。動作予測部５８は、動作プログラムに基づいてロボット１０が動作制限領域に侵入しようとしているか否かを予測する。例えば、動作予測部５８は、ロボット１０が動作指令にしたがって位置Ｐ１から位置Ｐ２への移動を開始したときに当該動作指令に基づいてロボット１０の移動先の位置Ｐ２を算出し、ロボット１０の動作を予測する。

実行許可要求部５３は、動作予測部５８によりロボット１０が動作制限領域に侵入しようとすることが予測された場合に、ロボット１０の動作制限領域への侵入を許可するか否かのユーザによる入力操作を求める。一例として、実行許可要求部５３は、動作予測部５８によりロボット１０が動作制限領域へ侵入することが予測された時点で、動作制限領域への侵入の許可を求める入力操作画面を教示操作盤８０の表示画面に表示させる。そして、実行許可要求部５３は、動作制限領域への侵入を許可する入力操作がユーザによりなされた場合に、ロボット１０を動作制限領域に侵入させる。なお、ロボット制御装置５０は、ユーザによる動作制限領域への許可の入力操作がなされるまでは、ロボット１０を動作可能領域の境界部で停止させるようにしても良い。

このように、ユーザにより動作制限領域への侵入が許可された場合であっても、動作制限部５６は、安全性に配慮し、動作制限領域内ではロボット１０の動作速度を動作指令に基づく動作速度よりも低下させる。

ロボット制御装置５０は、ロボット１０と物体との衝突を検出する衝突検出装置５４を備えていても良い。衝突検出装置５４は、例えば、ロボット１０の各軸のモータの電流値をセンサで検出し、電流値が閾値を超えた場合に衝突が生じたと判定する構成、外乱オブザーバによりロボット１０に加わる外乱トルクを推定し、外乱トルク値が閾値を超えた場合に衝突が生じたと判定する構成、加速度センサ等によりロボット１０に加わる衝撃を検出し、衝撃の大きさが閾値を超えた場合に衝突が生じたと判定する構成等、各種の構成をとることができる。上述のように、ユーザにより動作制限領域への侵入が許可された場合、ロボット動作制御部５５（又は動作制限部５６）は、衝突検出装置５４の閾値の値を低下させることで、ロボット１０の物体に対する衝突検出の感度を上昇させる。これにより、ロボット１０が動作制限領域で動作する場合の安全性を高めることができる。

なお、ロボット制御装置５０（動作制限領域作成部５２）は、上記のようにユーザにより動作制限領域への侵入が許可された場合の動作経路について動作が正常に完了した場合に、この動作経路を含むように動作可能領域を拡張させても良い。図８は、図７に示したように動作領域２１１の範囲外に侵入した経路について動作が正常に実行されたことにより、動作領域２１１の範囲外に侵入した経路を含む動作経路１１３ａを含むように拡張された動作領域２２１を示している。このように、動作制限領域作成部５２は、ロボット１０の動作制限領域への侵入が許可された場合に、動作制限領域内に侵入したロボット１０の所定の可動部位の動作経路、又は、ロボット１０（可動部位全体）が動作制限領域内に侵入した領域を動作制限領域から除外しても良い。

図９は、ロボット制御装置５０（動作経路記憶部５１）の制御の下で実行される動作経路記憶処理を表すフローチャートである。はじめに、ロボット制御装置５０は動作プログラムを実行する（ステップＳ１０１）。次に、ロボット制御装置５０は、ロボット１０が動作中であるか否かを確認する（ステップＳ１０２）。ロボット１０が動作中である場合（Ｓ１２：ＹＥＳ）、ロボット制御装置５０は、動作経路の記憶が有効にされているか否かを確認する（ステップＳ１０３）。ロボット１０が動作中でない場合には（Ｓ１０２：ＮＯ）、処理はステップＳ１０５に進む。ステップＳ１０３において動作経路の記憶が有効にされていると判定される場合（Ｓ１０３：ＹＥＳ）、ロボット制御装置５０は動作経路を記憶する（ステップＳ１０４）。動作経路の記憶が有効になっていない場合には（Ｓ１０３：ＮＯ）、処理はステップＳ１０５に進む。

ステップＳ１０５では、ロボット制御装置５０は、動作プログラムが実行中であるか否かを確認する。動作プログラムが実行中である場合（Ｓ１０５：ＹＥＳ）、ステップＳ１０２からの処理が繰り返される。動作プログラムが実行中でない場合（Ｓ１０５：ＮＯ）、本処理を終了する。以上の動作フローにより、テスト運転時等におけるロボット１０の動作経路を記憶することができる。

次に、図３を参照し前述したような位置Ｐ１から位置Ｐ５まで移動して位置Ｐ１に戻る動作をロボット１０に繰り返し実行させて動作経路を記憶し、動作制限領域を作成する場合の実施例について図１０−図１２を参照して説明する。図１０に、図３に示した動作を繰り返し実行させる動作プログラムの例を示す。図１０では、教示操作盤８０として用いることができるタブレット端末８０ａの表示画面８１上に動作プログラム（Ｐｒｏｇｒａｍ１）を表示した状態を示している。

図１０の動作プログラムを実行した場合の動作は概略以下の通りである。
（１）はじめに、ロボット１０は基準位置である位置Ｐ１に移動する（動作プログラム、第１行目）。
（２）次に、動作経路の記憶が有効にされる（動作プログラム、第２行目）。
（３）ビジョンセンサ９０で撮像した画像に基づくビジョン補正値をイチレジスタ（イチレジ［１］）に格納する。
（４）ロボット１０はビジョン補正値が適用された位置Ｐ２から位置Ｐ５へと順に移動した後、基準位置である位置Ｐ１に戻る。
（５）ＤＩ［１］がオンになる度に（ビジョン補正が有効となる度に）上記（３）、（４）の処理を実行する。
以上の処理によりロボット１０が上記動作プログラムを実行中の動作経路の記憶が行われる。

図１１は、上記（３）、（４）の処理が３回繰り替えされた場合の動作経路を表している。図１１には、上記（３）、（４）の処理による１回目の動作経路１４１、２回目の動作経路１４２、及び３回目の動作経路１４３が示されている。ここで、この３つの動作経路に基づいて動作制限領域を作成することを考慮する。各動作経路は、ロボット座標系内の座標点列として定義されているため、これら動作経路以外の領域をそのまま動作制限領域として定義すると、これら動作経路を少しでもはずれた経路は動作制限領域にあるとみなされてしまう。

そこで、座標点列として定義される動作経路に基づいてある程度の太さを持たせることを考慮する。図１２は、座標点列として定義される動作経路に基づいてある程度の太さを持った動作経路を作成する手法を説明する図である。図１２において、位置補正がない場合の位置Ｐ１１から位置Ｐ１２の動作経路を動作経路２４１とする。位置Ｐ１１に位置補正が入った位置を位置Ｐ１１’、位置Ｐ１２に位置補正が入った位置を位置Ｐ１２’とし、位置Ｐ１１’から位置Ｐ１２’への動作経路を動作経路２４２とする。また、動作経路２４１と動作経路２４２の中心を通る経路２４３を作成する。位置Ｐ１１と位置Ｐ１１’の中心を位置Ｐ１１”とすると、位置Ｐ１１”は経路２４３上にある。ここで、位置Ｐ１１”を中心とし、位置Ｐ１１と位置Ｐ１１’に接する円２５０を定義する。円２５０と同様に、動作経路２４１と動作経路２４２に接する円を、経路２４３に沿って位置Ｐ１１”から位置Ｐ１２”に至るまで作成していくと、動作経路２４１と動作経路２４２間の幅に合ったチューブ状の領域を作成できる。このチューブ状の領域は、動作経路２４２（すなわち位置補正がある場合の経路）の外側に作成されることは無い。このチューブ状の領域を、太さを持った動作経路とする。このような手法により得られた、太さを持ったこの動作経路の外側の領域を動作制限領域とすることで、精密且つ安全な動作制限領域を作成することが可能となる。

動作経路記憶部５１に複数の動作経路が記憶されている場合に関しても、例えば、基準となる動作経路（図１２における動作経路２４１に相当する経路）と、位置補正による動作経路の各々について上記手法を適用することで、記憶された複数の動作経路を含む、太さを持った動作経路（動作領域）を作成することができる。そして、この動作領域の外側の領域を動作制限領域として定義する。

以上説明したように、本実施形態によれば、精密且つ安全な動作制限領域を自動的に作成することが可能となる。

以上、典型的な実施形態を用いて本発明を説明したが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなしに、上述の各実施形態に変更及び種々の他の変更、省略、追加を行うことができるのを理解できるであろう。

上述の実施形態では、主としてテスト運転により動作経路を記憶して動作制限領域を作成する例について説明したが、上述の実施形態は、本稼働時も含めロボットの動作履歴に基づいて動作制限領域を作成する構成に適用することができる。

上述した実施形態における動作経路記憶処理等の各種の処理を実行するプログラムは、コンピュータに読み取り可能な各種記録媒体（例えば、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリ等の半導体メモリ、磁気記録媒体、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ等の光ディスク）に記録することができる。

１０ ロボット
５０ ロボット制御装置
５１ 動作経路記憶部
５２ 動作制限領域作成部
５３ 実行許可要求部
５４ 衝突検出装置
５５ ロボット動作制御部
５６ 動作制限部
５７ 侵入領域記憶部
５８ 動作予測部
８０ 教示操作盤
９０ ビジョンセンサ
１００ ロボットシステム

Claims (9)

1. ロボットの動作を制御するロボット制御装置であって、
   動作プログラムに従って前記ロボットの動作を制御する動作制御部と、
   前記ロボットが前記動作プログラムに従って動作する際の前記ロボットの所定の可動部位の動作経路を記憶する動作経路記憶部と、
   記憶された前記動作経路に基づいて前記ロボットの動作を制限するための動作制限領域を表す動作制限領域データを作成する動作制限領域作成部と、
   前記動作制限領域データに基づいて前記動作制限領域における前記ロボットの動作を制限する動作制限部と、
   を備えるロボット制御装置。
2. 前記動作制限部による前記ロボットの動作の制限は、前記ロボットの前記動作制限領域への侵入を禁止すること、前記動作制限領域における前記ロボットの動作速度を動作指令に基づく速度よりも低下させることのいずれかを含む、請求項１に記載のロボット制御装置。
3. 前記所定の動作プログラムに従って動作する前記ロボットの可動部位全体が侵入した領域を表す侵入領域データを記憶する侵入領域記憶部を更に備え、
   前記動作制限領域作成部は、前記侵入領域データに基づいて前記動作制限領域を設定する、請求項１又は２に記載のロボット制御装置。
4. 前記動作プログラムに基づいて前記ロボットが前記動作制限領域に侵入しようとしているか否かを予測する動作予測部と、
   前記動作予測部により前記ロボットが前記動作制限領域に侵入すると予測された場合に、前記ロボットの前記動作制限領域への侵入を許可するか否かの入力操作を求める実行許可要求部と、を更に備える請求項１から３のいずれか一項に記載のロボット制御装置。
5. 前記実行許可要求部を介して前記ロボットの前記動作制限領域への侵入を許可する前記入力操作がなされた場合、前記動作制限部は、前記動作制限領域に侵入中の前記ロボットの動作速度を動作指令に基づく速度よりも低下させる、請求項４に記載のロボット制御装置。
6. 前記動作制限領域作成部は、前記ロボットの前記動作制限領域への侵入が許可された場合に、前記動作制限領域内に侵入した前記ロボットの前記所定の可動部位の動作経路、又は、前記ロボットが前記動作制限領域内に侵入した領域を前記動作制限領域から除外する、請求項４又は５に記載のロボット制御装置。
7. 前記ロボットの衝突を検出する衝突検出装置を更に備え、
   前記動作制御部は、前記衝突検出装置により前記ロボットの衝突が検出された場合に、前記ロボットの動作を停止させるように構成され、
   前記動作制御部は、前記ロボットが前記動作制限領域に侵入中に、前記衝突検出装置における衝突に対する感度を上昇させる、請求項１から６のいずれか一項に記載のロボット制御装置。
8. 前記動作経路記憶部には、前記ロボットが所定の動作を繰り返し実行することに得られた複数の前記動作経路が記憶され、
   前記動作制限領域作成部は、記憶された複数の前記動作経路を含む領域として動作領域を作成し、該動作領域の外側の領域として前記動作制限領域を設定する、請求項１から７のいずれか一項に記載のロボット制御装置。
9. 前記動作経路記憶部に記憶された複数の前記動作経路は、前記動作制御部が前記ロボットに対し前記動作プログラムで設定された位置補正を実行したことにより、前記ロボットの位置が前記動作プログラムに指定された目標位置からずれた場合の動作経路を含む、請求項８に記載のロボット制御装置。

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