JP4289219B2

JP4289219B2 - 人間介入型ロボットの制御装置

Info

Publication number: JP4289219B2
Application number: JP2004155185A
Authority: JP
Inventors: 幸男橋口
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2004-05-25
Filing date: 2004-05-25
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2024-05-25
Also published as: JP2005335000A

Description

本発明は、作業者が介入しロボットと協調しながら作業を実行する人間介入型ロボットの制御装置に関する。

従来、工場内において作業対象である素材や部品などをベルトコンベヤなどによって所定の位置に搬送し、加工や組み立てを行う場合が多かった。
しかし、消費者ニーズが多様化している現在においては少品種大量生産から多品種少量生産に変化しており、品種ごとの治具やセンサが必要となり生産コストの低減が生産技術の課題となっていた。そのため、人間のフレキシビリティを主体としたセル生産方式などが提案されていた。
一方、屋外での作業の自動化においても、作業環境が千差万別という点で工場内の多品種少量生産の問題と同様な問題が存在したため同じく人間のフレキシビリティを活用した人間介入型のロボットが提案されてきた。

このような人間介入型のロボットにおいて、人間との衝突を防止する安全技術は重要である。従来の産業用ロボットにおいては、その動作範囲に人間が入らぬよう、ロボットの可動域の周辺を柵で囲むなどして空間分離により安全性を確保していた。
さらにロボットと周辺機器との衝突防止のために、衝突を招く恐れのあるロボットの姿勢および周辺機器の状態の組合せを動作制限条件として別途プログラムしておくと共に、各々の動作制限条件に対応する制限動作範囲を定めておき、動作制限条件が成立すると、対応する制限動作範囲内で動作するようにして衝突等の相互の干渉を回避し得るようにする方法があった（例えば、特許文献１参照）。

図７は、従来のロボットと周辺機器との衝突等の相互の干渉を回避し得るようにした産業用ロボットの制御装置の模式図であり、図において１０１はロボット本体部、１０２はコントロールボックスを示している。
ロボット本体部１０１は基台１１１上に設けた水平軸（Ｓ軸という）１１２に第１アーム部１１３が軸支され、この第１アーム部１１３の先端部側に第１アーム部１１３に対して伸縮並びに回転可能な軸１１４（Ｘ軸という）を介して第２アーム部１１５が固定される。そしてこの第２アーム部１１５の先端部に回転並びに掴み動作が可能なハンド部１１６が設けられている。
水平軸１１２は第１アーム部１１３を水平状態から垂直状態に９０°の範囲で上下方向に回転でき、また軸１１４は３００ｍｍの範囲で伸縮し、また軸１１４が水平の状態では１２０°の範囲内で、また軸１１４が垂直の状態では１８０°の範囲内で回転可能となっており、これがロボット本体部１０１の定常動作範囲となっている。

一方コントロールボックス１０２はロボット本体部１０１の動作を制御するための運転操作ボタンの外、マイクロコンピュータ，外部記憶装置（いずれも図示せず）等を備えている。マイクロコンピュータはＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備え、ＲＯＭには動作プログラム等のシステムソフトが、またＲＡＭにはロボット本体部１０１の定常動作範囲を規定するための位置データファイル等が格納されており、ＣＰＵはＲＯＭから読み出したシステムソフトに従ってＲＡＭから位置データを読出し、ロボット本体部１０１に対して定常動作範囲内での動作を実行させるようになっている。
またＲＡＭにはロボット本体部１０１と周辺機器とが衝突する恐れのある場合のロボット本体部１０１の姿勢と周辺機器の状態との各組合せ、即ち各動作制限条件が成立したとき衝突を回避するに必要なロボット本体部１０１の各制限動作範囲を動作プログラムとして格納してある。
またＣＰＵはロボット本体部１０１に設けた図示しない各種センサからロボット本体部１０１の姿勢を知るための検出信号を、工作機械等の周辺機器に設けた図示しない各種センサから周辺機器の状態を知るための検出信号を取り込んでいるが、予め定めた一の入力ポート（例えばＰ₂₀）にはロボット本体部１０１と周辺機器とが衝突する恐れのある組合せとなるときのロボット本体部１０１の姿勢を示す信号が、また他の入力ポート（例えばＰ₂₁）には衝突を招く恐れがある場合の周辺機器の状態を示す信号が入力されるようにしてある。

ＣＰＵは上記２つの入力ポート各々に入力される信号に基づいて、動作制限条件が成立するか否かを判断し、動作制限条件が成立すると、この動作制限条件に対応して予めＲＡＭに格納してある他の位置データに切り換えて制限動作範囲内の動作を実行する。
即ちＣＰＵは入力ポートＰ₂₀、Ｐ₂₁に、例えばハイレベルの信号（IN20＝ON AND IN21＝ON）が入力され、動作制限条件が成立したと判断するとこれに対応して予め定めてある制限動作範囲、例えばＸ軸（軸１１４）の伸縮域は基準点に向う側（−）側にＸＬ、また基準点が遠ざかる側（＋）側にＸＨの範囲に、一方Ｓ軸（水平軸１１２）の回転域はＳ軸がＳ−（軸１１４が垂直に位置している状態）でＡＬ、またＳ軸がＳ＋（軸１１４が水平に位置している状態）でＡＨの範囲に動作範囲内を制限すべく位置データを切り換えてロボット本体部１０１を動作させることとなる。
以下に制限動作範囲の例を示す。
ＸＬ＝１００．００ｍｍＸＨ＝２６０．００ｍｍ
ＡＬ（Ｓ−）＝５０° ＡＨ（Ｓ＋）＝２４０°

図８、図９はロボット本体部の定常動作範囲と制限動作範囲を示した説明図であり、図８はＸ軸の動作範囲を、また図９はＡ軸の動作範囲を各々示している。
図８に実線で示す如くロボット本体部１のＸ軸の定常動作範囲がソフトＬｏｗリミット位置（ここを０ｍｍとする）からソフトＨｉｇｈリミット位置(３００ｍｍとする) であるのに対し、動作制限条件が成立した場合には破線で示す如くＸＬ位置(１００ｍｍ) からＸＨ位置(２６０ｍｍ) の範囲に制限される。これによってロボット本体部１０１と周辺機器との衝突が回避出来ることとなる。
図９に実線で示すが如くロボット本体部１０１の軸１１４の定常動作範囲が（−）側で０°から１８０°、またＳ軸が（＋）側で１５０°から２７０°の範囲であるのに対し、前述した如き動作制限条件が成立すると、破線で示すが如くＳ軸が（−）側で５０°から１８０°までの１３０°の範囲に、またＳ軸が（＋）側で１５０°から２００°までの９０°の範囲に制限される。

特開平７−９６４９２号公報

しかしながら、特許文献１にて開示される方法では、周辺機器との衝突防止を目的としているため、ロボットと協調して作業する作業者へ制限動作範囲の提示がなされておらず作業者が安全を確認することができない。
さらに、通常の自動運転の作業プログラム上で明示的に安全範囲の設定変更ができないため、作業プログラムの実行途中での人間介入の安全性を確認することが困難であるという問題もあった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、ロボットと協調して作業する作業者へ制限動作範囲を効果的に提示して作業者が安全を確認でき、さらに作業プログラム上での安全範囲設定の有無を容易に確認できる人間介入型ロボットの制御装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、ロボット（５）が周辺と干渉しないよう前記ロボット（５）の制限動作範囲を設定する手段（１７）と、前記ロボット（５）の現在位置が前記制限動作範囲であるかを判定する手段と、前記判定手段（１７）が前記制限動作範囲外と判定した場合に前記ロボット（５）の動作を停止させる手段とを備え、予め教示された作業プログラム（１６）に沿って動作しているロボット（５）に対し、作業者（１）が前記ロボット（５）の動作に介入し協調しながら作業を実行する人間介入型ロボットの制御装置であって、前記制限動作範囲の設定および解除を、前記作業プログラム（１６）による指定に従って行う作業プログラム実行手段（９）と、前記制限動作範囲を前記作業者（１）に提示する動作範囲提示手段と、前記作業プログラム（１６）による指定の状態を提示する状態提示手段とを備え、前記作業プログラム（１６）による指定は、動作制限設定インストラクションと前記動作制限設定インストラクションと対をなす動作制限解除インストラクションとの組み合わせで構成されることを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、前記動作範囲提示手段は、前記ロボット（５）のモデルを表示するモニタ（３）であることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、前記動作範囲提示手段は、前記ロボット（５）に付設された発光体であることを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、前記状態提示手段は、音声発話手段（１５）であることを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、前記作業プログラム実行手段（９）は、実行時に前記動作制限設定インストラクションまたは前記動作制限解除インストラクションの一方しか前記作業プログラム（１６）内に存在しない場合は、異常状態を出力し前記作業プログラム（１６）の実行を停止することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によると、作業プログラム上にて制限動作範囲の設定が明示されているため、動作開始前と動作中において作業者が安全を確実に確認でき、人間介入の可否が可能な作業プログラムかどうかの判断が容易で、担当作業者が変更になる場合も安全性を維持できる。また、作業プログラム上での動作制限区間の理解が容易となり、安全性が向上する。
また、請求項２に記載の発明によると、ロボットのモデル表示により作業者は直感的に制限動作範囲を確認でき、ロボット操作の熟練者でなくても安全の確認が確実に行える。
また、請求項３に記載の発明によると、作業者はロボットを操作しながらでも目視にて制限動作範囲を直接確認できるため、安全の確認が確実に行える。
また、請求項４に記載の発明によると、作業者が目視で確認できないような状況においても制限動作の設定状態を確認できるため、安全の確認が確実に行える。
また、請求項５に記載の発明によると、制限動作範囲の設定が適切になされていない場合には作業プログラムの実行を停止するため、安全性が向上する。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の人間介入型ロボットの制御装置のブロック図である。図１において1は作業者、２はモニタ画面３を備えたプログラミングペンダントである。
６はコントローラで、記憶手段７、モデル表示生成部８、作業プログラム実行部９、音声情報生成部１０、指令生成部１１、手動操作指令生成部１２、比例積分制御を行う位置速度制御部１３、サーボアンプ１４、動作範囲監視部１７、指令阻止部１８で構成される。
記憶手段７には予め教示された作業プログラム１６が保存されており、作業者１はプログラミングペンダント２を操作して作業プログラム１６をモニタ画面３に表示したり、作業プログラムの作成や編集を行ったりすることができる。プログラミングペンダント２の詳細な機能については説明を省略する。
モデル表示生成部８は後述するロボット５およびその動作範囲のモデル図をプログラミングペンダント２のモニタ画面３に表示する。
４は操作ハンドルで、作業者１は操作ハンドル４を動かすことでロボット５が作業プログラムを実行している間でもその動作に介入しロボット５を操作することができる。
さらにコントローラ６は、作業者１の近傍に設置されたスピーカ１５が接続されている。

図２は本発明の作業適用例を示す図である。
図２において、５は回転関節Ｌ軸およびＵ軸で構成された２軸ロボットである。操作ハンドル４はロボット５に付設されている。ロボット５は説明を容易にするため簡単な２軸構成としたものであり、本発明はより複雑な動作が可能な多軸ロボットにも適用できる。
以後、ロボット５にて第１部品１９を把持し第２部品２０の穴部２０ａへ挿入する作業を例に説明する。
多品種少量生産の生産環境においては、生産する品種によって穴部２０ａの中心が予め教示された目標位置Ｐ１と異なる位置に存在する場合がある。このような状況に対し、視覚センサ等で穴部２０ａを検出してロボット５の位置を補正しようとしても、周囲の外乱光などの影響により位置ずれを起こす場合がある。

以上のような場合を想定し、作業者１が操作ハンドル４を操作して手動操作を介入させロボット５の軌道修正を行い第１部品１９を穴部２０ａへ確実に挿入する。図２の例では動作方向をＡからＢへと手動で変更する。
この際問題となるのが作業者１の安全性の確保である。図３にロボット５の本来の動作範囲および制限された動作範囲を示す。説明のために図２の姿勢を基準として動作範囲を示している。図３に示すように本来の動作範囲に制限が加えられていない場合、作業者１が操作ハンドル４を誤操作した場合に、ロボット５と作業者１とが衝突する危険がある。
そこで、Ｌ軸およびＵ軸の動作範囲を制限することでロボット５との衝突を回避することが可能となる。以下、その手法を具体的に説明する。

図４は、図２の作業に該当する作業プログラム１６を示している。作業実行の際には、作業プログラム１６は記憶手段７から読み出され作業プログラム実行部９へ送られる。
図４において、Ｓｔｅｐ１（ＳｅｔＬｉｍｉｔ）が動作制限設定インストラクションで、Ｓｔｅｐ４（ＥｎｄＬｉｍｉｔ）が動作制限解除インストラクションである。作業プログラム１６は図５に示すようにプログラミングペンダント２のモニタ画面３に表示される。
作業プログラム実行部９は、まず作業プログラム１６中に動作制限設定インストラクションと動作制限解除インストラクションが対となって記述されているかどうかチェックし、作業プログラム１６上にいずれか一方しか存在しない場合、エラーと判断して音声情報生成部１０に「設定異常発生」というテキストを出力し作業プログラム１６の実行を停止する。音声情報生成部１０は、入力されたテキスト「設定異常発生」を音声合成し、スピーカ１５で発話する。
作業プログラム実行部９は動作制限設定インストラクションと動作制限解除インストラクションが対となって記述されていることを確認した場合、作業プログラム１６を１行ずつ解釈し実行していく。

Ｓｔｅｐ１で、制限される動作範囲の制限値が動作範囲監視部１７に設定される。ＳｅｔＬｉｍｉｔの右の数字が各軸の動作範囲の制限値を指定しており、図４の例ではＬ軸の動作範囲を−３０〜３０°、Ｕ軸の動作範囲を−２０〜２０°にそれぞれ制限する。
なお図５に示すように、プログラミングペンダント２のモニタ画面３では作業プログラム１６の実行に合わせカーソルが移動する。
さらにモデル表示生成部８はモニタ画面３の作業プログラム表示部の上に、制限動作範囲をグラフィックモデルにて表示する。これにより作業者１は容易に制限動作範囲を目視にて確認できる。

Ｓｔｅｐ１実行後、動作範囲監視部１７はロボット５の各関節に付設されたエンコーダなどの角度検出センサ値から算出した各関節の角度が動作範囲の制限値以内かどうかチェックを行なう。制限範囲を越える場合は、指令阻止部１８に制限範囲を越えたことを出力し、位置速度制御部１３への指令を停止させるともに、音声情報生成部１０に「リミットオーバ発生」というテキストを出力する。音声情報生成部１０では、入力されたテキスト「リミットオーバ発生」を音声合成し、スピーカ１５で発話する。

Ｓｔｅｐ２で作業プログラム実行部９は音声情報生成部１０に対し「動作制限設定完了、手動操作ＯＫ」というテキストを出力し、音声情報生成部１０は入力されたテキスト「動作制限設定完了、手動操作ＯＫ」を音声合成し、スピーカ１５で発話する。
作業者１は、スピーカ１５の出力を確認し手動操作の体勢に入る。Ｓｔｅｐ３でロボット５は目標位置Ｐ１に向かって動作開始する。作業者１は、力センサ（図示せず）付き操作ハンドル４を介して作業者１の操作力を手動操作指令生成部１２に出力する。
手動操作指令生成部１２は、以下の（式１）に示す位置指令型のインピーダンス制御系で構成され、位置速度制御部１３にロボット５の各関節角度に変換された位置の修正量を加算する。

但し、
ΔＸ：位置の修正量、
Ｍ：仮想慣性、
Ｄ：仮想粘性、
Ｆ：操作力
である。

Ｓｔｅｐ４で、作業プログラム実行部９は通常の動作範囲（本実施例では、図３に示すＬ軸：―１３０〜５０°、Ｕ軸：−９０〜９０°）を動作範囲監視部１７に設定し、Ｓｔｅｐ５で音声情報生成部１０に「動作制限解除」というテキストを出力する。音声情報生成部１０では入力されたテキスト「動作制限解除」を音声合成し、スピーカ１５で発話する。

以上は作業実行時の例であったが、プログラミングペンダント２にはカーソル移動用スイッチ２aが付設されており、非作業実行時であっても、作業者１がカーソル移動用スイッチ２aを操作してモニタ画面３上のＳｔｅｐ１にカーソルを合わせるとモデル表示生成部８はモニタ画面３に、作業実行時と同様、制限動作範囲を表示する。これにより作業者１は事前に制限動作範囲を確認できる。

さらにロボット５の各関節Ｌ軸とＵ軸の周囲に、それぞれ複数個のＬＥＤを円周状に等間隔で設置して、制限動作範囲の設定と同期してＬＥＤを発光させることで、作業者１が制限動作範囲を確認できるようにしてもよい。
図６に具体例を示す。図６では、Ｌ軸、Ｕ軸にそれぞれＬＥＤ（ＱＬ１〜ＱＬ３６、ＱＵ１〜ＱＵ３６）が設置されている。各軸に３６個のＬＥＤを配置しているので１０°単位でおおまかな動作範囲を表示できる。図４に示す作業プログラム１６にて制限動作範囲を設定した場合、コントローラ６内のＬＥＤ発光制御部を介してＬ軸部ではＱＬ１〜ＱＬ６のＬＥＤが発光、Ｕ軸部ではＱＵ１〜ＱＵ４のＬＥＤが発光する。これにより、制限動作範囲を目視にて容易に確認できる。

ＬＥＤによる制限動作範囲表示は、作業実行時に作業プログラム１６のＳｔｅｐ１が実行された場合のみならず、非作業実行時であっても作業者１がカーソル移動用スイッチ２aを操作して図５のようにモニタ画面３上のＳｔｅｐ１にカーソルを合わせることで確認することができる。

以上述べたように、制限動作範囲を効果的に提示して安全を確認でき、さらに作業プログラム上での安全範囲設定の有無を容易に確認できるので、ロボットと人間が協調して作業する人間介入型ロボットの制御装置に広く利用できる。

本発明のロボット制御装置のブロック図本発明の作業適用例を示す図本発明のロボットの動作範囲および制限された動作範囲を示す図本発明の作業プログラムを示す図本発明のプログラミングペンダントのモニタ画面を示す図本発明のロボットの関節部のＬＥＤを示す図従来の産業用ロボット制御装置の模式図従来例のロボット本体部Ｘ軸方向の定常動作範囲と制限動作範囲を示す図従来例のロボット本体部Ａ軸方向の定常動作範囲と制限動作範囲を示す図

符号の説明

１作業者
２プログラミングペンダント
２ａカーソル移動用スイッチ
３モニタ画面
４操作ハンドル
５ロボット
６コントローラ
７記憶手段
８モデル表示生成部
９作業プログラム実行部
１０音声情報生成部
１１指令生成部
１２手動操作指令生成部
１３位置速度制御部
１４サーボアンプ
１５スピーカ
１６作業プログラム
１７動作範囲監視部
１８指令阻止部
１９第１部品
２０第２部品
２０a 第２部品の穴部
１０１ロボット本体部
１０２コントロールボックス
１１１基台
１１２水平軸（Ｓ軸）
１１３第1アーム部
１１４Ｘ軸
１１５第２アーム部
１１６ハンド部

Claims

ロボット（５）が周辺と干渉しないよう前記ロボット（５）の制限動作範囲を設定する手段（１７）と、
前記ロボット（５）の現在位置が前記制限動作範囲であるかを判定する手段と、
前記判定手段（１７）が前記制限動作範囲外と判定した場合に前記ロボット（５）の動作を停止させる手段とを備え、
予め教示された作業プログラム（１６）に沿って動作しているロボット（５）に対し、作業者（１）が前記ロボット（５）の動作に介入し協調しながら作業を実行する人間介入型ロボットの制御装置であって、
前記制限動作範囲の設定および解除を、前記作業プログラム（１６）による指定に従って行う作業プログラム実行手段（９）と、
前記制限動作範囲を前記作業者（１）に提示する動作範囲提示手段と、
前記作業プログラム（１６）による指定の状態を提示する状態提示手段とを備え、
前記作業プログラム（１６）による指定は、動作制限設定インストラクションと前記動作制限設定インストラクションと対をなす動作制限解除インストラクションとの組み合わせで構成されることを特徴とする人間介入型ロボットの制御装置。
前記動作範囲提示手段は、前記ロボット（５）のモデルを表示するモニタ（３）であることを特徴とする請求項１記載の人間介入型ロボットの制御装置。
前記動作範囲提示手段は、前記ロボット（５）に付設された発光体であることを特徴とする請求項１記載の人間介入型ロボットの制御装置。
前記状態提示手段は、音声発話手段（１５）であることを特徴とする請求項１乃至３記載の人間介入型ロボットの制御装置。
前記作業プログラム実行手段（９）は、実行時に前記動作制限設定インストラクションまたは前記動作制限解除インストラクションの一方しか前記作業プログラム（１６）内に存在しない場合は、異常状態を出力し前記作業プログラム（１６）の実行を停止することを特徴とする請求項１記載の人間介入型ロボットの制御装置。