JP5805208B2 - 操作装置のため、特に産業用ロボットのための安全装置、並びに、安全装置の動作方法 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の操作装置のため、特に産業用ロボットのための安全装置に関する。本発明はさらに、このような安全装置の動作方法に関する。

このような安全装置は、ＥＰ１７３８８８２Ａ２から公知である。上記公知の安全装置の場合には、互いに独立した２つのセンサ装置が設けられており、これらのセンサ装置のうちの一方のセンサ装置は、触覚センサとして産業用ロボットのグリッパアームに配置されており、他方のセンサは、特に産業用ロボットの周囲の近接範囲で、例えばセンサ装置の周囲１０ｃｍ以内の範囲で検出する容量性センサ装置として構成されている。つまり後者のセンサ装置は、オブジェクト又は人が、動くグリッパ装置から１０ｃｍよりも短い距離内に存在する場合にようやく反応を示すということである。前者のセンサ装置は、それどころか、オブジェクトとグリッパ装置との間で既に衝突乃至接触が発生した場合にようやく反応を示す。

従って、ＥＰ１７３８８８２Ａ２から公知の上記安全装置は、センサ装置を冗長的に乃至二重に設けているおかげで確かに特に安全ではあるが、しかしながら、産業用ロボットに接近してくるオブジェクトを早期に識別して、速度を所期のように低減すること、乃至、オブジェクトとグリッパ装置との衝突を阻止することは、この公知の安全装置では不可能である。従って、衝突をより確実に阻止するために、近接範囲センサの射程範囲及びロボットの制動距離によって、ロボットの行動速度が制限されている。

上述の従来技術を前提として、本発明の基礎となる課題は、請求項１の上位概念に記載の操作装置のため、特に産業用ロボットのための安全装置を発展させて、一方では、オブジェクトとの衝突が確実に阻止されるように、例えばグリッパアームの動作に影響を与えることができるようにし、他方では、オブジェクトとグリッパアームとが接近しても引き続き操作装置が動作できるようにして、特に高いパフォーマンスを達成することができるようにすることである。この課題は、操作装置のため、特に産業用ロボットのための安全装置において、請求項１に記載の特徴によって解決される。この際、本発明の基礎となる思想は、２つのセンサ装置の検出範囲を操作装置の外側まで拡張して、起こり得るオブジェクトと操作装置との衝突をリアルタイムで識別できるようにすることである。これによって、操作装置の動作を完全に停止して、衝突が発生しないようにすることができる、乃至、操作装置の移動速度を低減して、識別されたオブジェクトが操作装置の移動経路内に存在する場合にも引き続き操作装置が動作できるようにすることができる。これによって結果的に、操作装置のパフォーマンスは常に比較的高くなる。

操作装置のための本発明の安全装置の有利な実施形態は、従属請求項に記載されている。本発明の範囲には、特許請求の範囲、明細書、及び／又は、図面にて開示された複数の特徴のうちの、少なくとも２つからなる全ての組み合わせが含まれる。

本発明の有利な実施形態においては、２つの検出範囲の間に、２つのセンサ装置のいずれによっても監視されない中間範囲を形成することが考えられる。このことは実際には、第１センサ装置を、操作装置から比較的大きい距離を置いて配置することができるということを意味しており、その一方で第２センサ装置は、操作装置の近接範囲のみを検出する。これによって、オブジェクトと操作装置との距離が比較的大きい場合には、既に、起こり得るオブジェクトと操作装置との衝突の相応の信号を形成しておき、これによって例えばグリッパの行動速度を、リアルタイムで、つまり場合によっては比較的僅かな遅延速度で、低減することが可能となる。オブジェクトが、第２センサ装置によって検出される程に操作装置に接近した場合に初めて、グリッパの動作速度乃至行動速度が、場合によっては停止状態までさらに低減される。これによって、オブジェクトの存在が第１センサ装置のみによって確認されている時間内において、操作装置は、通常動作に比べて低減された速度乃至出力で動作することが可能となる。

本発明の別の１つの実施形態においては、第２センサ装置は、操作装置の外側に配置されており、これによって操作装置乃至操作装置のグリッパアームを比較的簡単に構成することができる。このことはつまり、操作装置は第１センサ装置のみを支持する、ということを意味している。

特に有利には、第２センサ装置は台に配置されている。この台は、例えば操作装置を支持することができる。これによって第２センサ装置を、操作装置の制御装置へと比較的簡単に接続乃至結合することができる。

第１センサ装置が、容量性の測定原理に基づいて動作する複数のセンサ素子を有しており、これらのセンサ素子が操作装置の外表面に配置され、かつ操作装置を包囲している場合には、第１検出範囲内でオブジェクトを特により確実に検出することができる。

操作装置の動作安全性、乃至、衝突範囲内に存在し得るオブジェクトの検出という点で高められた要求を満たすために、さらに有利には、第１センサ装置乃至第２センサ装置の少なくとも１つのセンサ素子が、制御装置の２つの評価回路に接続されている。これによって実際には、センサ素子の出力信号の２つの評価が行われるので、例えば２つの評価の間に差があった場合には、センサ素子の機能エラーであると推定することができる。

本発明は、操作装置のための本発明の安全装置の動作方法も含む。この方法では、第２検出範囲のための第２センサ装置が反応した場合には、制御装置が、操作装置の行動速度を、通常動作よりも低減させる。このような方法によって、衝突を確実に阻止することができる。というのは、操作装置の行動速度は、オブジェクトが該操作装置からまだ比較的離れたところにある範囲において、既に減速されるからである。さらには、それにもかかわらず、低減された行動速度によって、操作装置の通常動作、乃至、低減された出力での動作が可能となる。

特に非常に有利には、操作装置の行動速度の低減、並びに、場合によってその後に再び行われる増加は、操作装置の移動経路へのオブジェクト又は人の接近速度に対して、乃至、実際に検出された距離に依存して、実施される。操作装置の行動速度をこのように適応的に変化させることによって、操作装置のパフォーマンスを最適化することができる。このことはつまり、オブジェクトが操作装置から遠ざかった場合には、操作装置の行動速度乃至出力が再び通常出力乃至通常速度に近づくということ、乃至、通常出力乃至通常速度に達するということも意味する。

安全性の観点から、さらに特に有利には、操作装置のそのつどの動作速度が監視乃至制御される。このことはつまり、操作装置の行動速度を低減するための相応の信号が制御装置から出力されるだけではなく、この速度が、コントロール乃至制御の点でも監視されるということを意味する。

さらに、操作装置の速度の低減に加えて付加的にグリッパの推進力を低減すると、衝突時において、高められた安全性要求を満たすことができる。これによって特に、オブジェクト乃至人に対して作用する衝突力が低減される。

本発明のさらなる利点、特徴、及び、詳細な説明は、有利な実施例に関する以下の記載並びに図面から明らかとなる。

本発明の安全装置が装備された操作装置の概略側面図である。 安全装置のセンサ素子によって形成された測定信号の評価を説明するためのブロック図である。

図１には、産業用ロボット１００の形態の操作装置１０が図示されている。産業用ロボット１００は、卓上装置として台１１の上に固定的に配置されている。産業用ロボット１００は、両端矢印１２の方向に移動可能な柱１３を有しており、この柱１３の端部には、水平に配置されたアーム１４が固定されている。アーム１４は、２つのグリップフィンガ１６，１７を備えた、例えば上下に可動かつ揺動可能なグリッパ１５を支持している。このように構成された操作装置１０を用いて、例えば台１１の上に配置された構成部材を第１位置から第２位置へと運ぶことができ、これによって例えば種々の構成部材の組み立て工程を実施することができる。

このように完全自動化乃至プログラミングされた組み立て工程の場合には、操作装置１０は制御装置２０を有しており、この制御装置２０の中に、産業用ロボット１００の、特にグリッパ１５及びグリップフィンガ１６，１７の移動経路乃至移動プロセスが保存乃至プログラミングされている。操作装置１０の移動プロセスがこのように固定的にプログラミングされている場合に危険なのは、オブジェクトと衝突した場合、例えば、予め設置されていないオブジェクトが卓１１の上に存在する場合、又は、人１と衝突した場合に、操作装置１０の構成部材を損傷してしまう可能性、乃至、人１を負傷してしまう可能性があるということである。このことを回避するために、本発明の操作装置１０は、安全装置５０を有する。ここで重要なのは、安全装置５０が、２つの独立したセンサ装置５１，５２を有する二段階式の安全装置５０として構成されているということである。ここでは、２つのセンサ装置５１，５２は、制御装置２０に接続されている。

第１センサ装置５１は、この実施例においては、産業用ロボット１００の周囲の近接範囲を監視する。このために第１センサ装置５１は、多数の第１センサ素子５４を有しており、これらの第１センサ素子５４は、産業用ロボット１００の外表面に、つまり、特に柱１３、アーム１４、並びに、グリッパ１５に配置乃至固定されており、これらを包囲している。第１センサ素子５４は、有利には容量性のセンサ素子５４として構成されており、つまり第１センサ素子５４は、オブジェクト又は人１が第１センサ素子５４の第１検出範囲５５内に存在すると直ぐに反応する。ここでは、第１センサ素子５４の射程範囲乃至検出範囲５５は、基本的には例えば最大２０ｃｍである。

第２センサ装置５２は、図１に図示された複数の第２センサ素子５７を有する。ここでは、第２センサ素子５７は、例えば卓１１に、特に卓板２１の範囲に配置されており、第２センサ素子５７の第２検出範囲５８は、卓板２１乃至卓１１の外側に位置する空間を監視乃至カバーしている。しかしながら第２センサ装置５２の配置は、例えば床上に固定的に配置することによって、卓１１の前に置くことも可能である。ここでは、第２センサ素子５７は、容量性のセンサとして構成することも、例えば超音波センサ又はその他の方式で構成することも可能である。

さらに図１によれば、第２検出範囲５８と第１検出範囲５５との間に、第１センサ装置５１によっても第２センサ装置５２によっても監視されない中間範囲５９が形成されていることが見て取れる。この中間範囲５９の寸法乃至配置は、第１センサ素子５４乃至第２センサ素子５７の配置、これらのセンサ素子の配向、及び、検出範囲５５，５８の射程範囲によって決まる。

図２によれば、制御装置２０が、第１センサ素子５４及び第２センサ素子５７の信号のための２つの異なる評価回路６１，６２を有していることが見て取れる。これら２つの評価回路６１，６２の出力部は、それぞれ中央ユニット６３，６４を介して安全性コントローラ６５と接続されており、安全性コントローラ６５は、操作装置１０、特に操作装置１０の駆動部（図示せず）を制御する。

例えば、それぞれ第１センサ素子５４と第２センサ素子５７に基づき、これら２つのセンサ素子５４，５７の各々がそれぞれ２つの評価回路６１，６２に接続されていることが認識される。この場合には例えば、第１センサ素子５４乃至第２センサ素子５７によって規則的な時間間隔で検出される測定値を、入力値として交互に２つの評価回路６１，６２に供給することができ、これによって測定値の妥当性検査を実施することができる。制御装置２０をこのように構成することによって、２つのセンサ装置５１，５２の第１検出範囲５５及び第２検出範囲５８において、特にオブジェクト又は人１が当該検出範囲５５，５８に存在するか否かが識別される。

本発明によれば、第２センサ装置５２によって、つまり操作装置１０の遠方範囲において、オブジェクト又は人１が検出されると、産業用ロボット１００、特に産業用ロボット１００のグリッパ１５の行動速度が安全性コントローラ６５によって低減される。これによって、オブジェクト乃至人１がさらに接近した場合には、産業用ロボット１００の動きを、オブジェクト乃至人１との衝突が起こる前に静止状態まで停止することができるようになる。

オブジェクト乃至人１が、第２センサ装置５２のみが反応する範囲にある場合、つまり特に第２検出範囲５８にある場合、又は、中間範囲５９にある場合には、このことは、オブジェクト乃至人１との差し迫った衝突の危険性はまだ存在しないということを意味する。この場合には、操作装置１０乃至産業用ロボット１００は、行動速度の低減により、低下した出力で引き続き動作することができる。

オブジェクト乃至人１がさらに産業用ロボット１００に接近した場合、第１センサ装置５１の第１センサ素子５４によってこのことが検出される。この範囲では、グリッパ１５の移動経路上において、オブジェクト乃至人１と産業用ロボット１００との差し迫った衝突の危険性が存在する。この場合には、グリッパアーム１５の移動速度乃至行動速度を、場合によっては実際に検出されたオブジェクト乃至人１と各第１センサ素子５４との距離に依存して、さらに低減することができ、場合によっては完全な静止状態まで低減することができる。

ここでは、操作装置１０の動作中に、産業用ロボット１００乃至産業用ロボットのグリッパアーム１５の実際の速度乃至行動速度が監視及び制御されることも重要である。さらに、特にオブジェクト乃至人１が第１センサ装置５１によって検出された場合には、起こり得る衝突時の衝突力を低減するために、グリッパ１５の推進力を低減することができる。

オブジェクト乃至人１が再び操作装置１０から離れると直ぐに、制御装置２０は再びグリッパ１５の行動速度を上昇させていき、センサ装置５１，５２のいずれによってもオブジェクト乃至人１が検出されない場合には、操作装置１０は再び通常出力乃至通常行動速度に達する。

これまで説明してきた操作装置１０は、本発明の技術思想から逸脱することなく種々の形式及び方法で変更乃至修正することができる。本発明の技術思想は、産業用ロボット１００の行動範囲内乃至移動経路内に接近するオブジェクト乃至人１を二段階で識別することにあり、産業用ロボット１００はこれに基づいて、自身のグリッパ１５の行動速度を低減乃至増加させる。例えば本発明を、産業用ロボット１００に使用するのではなく、電気式又は空気式に駆動されるアクスルシステムに使用することが考えられる。この場合には経路制御がないので、場合によっては、衝突の危険がある場合には速度を静止状態まで低減する必要があり得る。

Claims (13)

1. 操作装置（１０）のための安全装置（５０）であって、前記安全装置（５０）は、
   少なくとも１つの可動のグリッパアーム（１５）と、
   前記グリッパアーム（１５）に配置されたグリッパ装置（１６，１７）と、
   少なくとも前記グリッパアーム（１５）に割り当てられ、制御装置（２０）に結合され、第１検出範囲（５５）を有する、衝突識別のための第１センサ装置（５１）と、
   第２検出範囲（５８）を有する、前記制御装置（２０）に接続された、前記第１センサ装置（５１）とは異なる第２センサ装置（５２）と、
   を有しており、
   前記第２検出範囲（５８）は、前記操作装置（１０）からの距離が前記第１検出範囲（５５）よりも大きい範囲を検出し、
   ２つの検出範囲（５５，５８）は、前記操作装置（１０）の外側に延在しており、
   前記第１センサ装置（５１）は、容量性の測定原理に基づいて動作する複数の第１センサ素子（５４）を有しており、
   複数の前記第１センサ素子（５４）は、前記操作装置（１０）を包囲しており、
   前記第２センサ装置（５２）が反応した場合に、前記制御装置（２０）は、前記操作装置（１０）の行動速度を通常動作よりも低減させ、その後さらに、前記第１センサ装置（５１）が反応した場合に、前記制御装置（２０）は、前記操作装置（１０）の行動速度をさらに低減させるか、または、前記操作装置（１０）の動作を停止させる、
   ことを特徴とする安全装置。
2. ２つの前記検出範囲（５５，５８）の間に、２つの前記センサ装置（５１，５２）のいずれによっても監視されない中間範囲（５９）が形成されている、
   ことを特徴とする請求項１記載の安全装置。
3. 前記第２センサ装置（５２）は、前記操作装置（１０）の外側に配置されている、
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の安全装置。
4. 前記第２センサ装置（５２）は、台（１１）に配置されている、
   こと特徴とする請求項３に記載の安全装置。
5. 複数の前記第１センサ素子（５４）は、前記操作装置（１０）の外表面に配置されている、
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の安全装置。
6. 前記第１センサ装置（５１）乃至前記第２センサ装置（５２）の少なくとも１つのセンサ素子（５４，５７）は、前記制御装置（２０）の２つの評価回路（６１，６２）に接続されている、
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の安全装置。
7. 前記操作装置（１０）は、産業用ロボット（１００）である、
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の安全装置。
8. 請求項１から７のいずれか一項記載の、操作装置（１０）のための安全装置（５０）の動作方法であって、
   前記安全装置（５０）は、制御装置（２０）に接続された、異なる検出範囲（５５，５８）を有する２つのセンサ装置（５１，５２）を有しており、
   前記第２検出範囲（５８）は、前記操作装置（１０）の移動経路から、前記第１検出範囲（５５）よりも大きな距離を有しており、
   前記第２検出範囲（５８）のための前記第２センサ装置（５２）が反応した場合に、前記制御装置（２０）は、前記操作装置（１０）の行動速度を、通常動作よりも低減させ、その後さらに、前記第１センサ装置（５１）が反応した場合に、前記制御装置（２０）は、前記操作装置（１０）の行動速度をさらに低減させるか、または、前記操作装置（１０）の動作を停止させる、
   ことを特徴とする方法。
9. 前記操作装置（１０）の行動速度の低減を、前記操作装置（１０）の移動経路へのオブジェクト又は人（１）の接近速度に対して、乃至、実際に検出された距離に依存して、実施する、
   ことを特徴とする請求項８記載の方法。
10. 前記操作装置（１０）の行動速度の低減の後に行われる増加を、前記操作装置（１０）の移動経路へのオブジェクト又は人（１）の接近速度に対して、乃至、実際に検出された距離に依存して、実施する、
    ことを特徴とする請求項９記載の方法。
11. 前記操作装置（１０）の行動速度を監視乃至制御する、
    ことを特徴とする請求項８から１０のいずれか一項記載の方法。
12. 前記操作装置（１０）の行動速度の低減に加えて、付加的にグリッパ（１５）の推進力を低減する、
    ことを特徴とする請求項８から１１のいずれか一項記載の方法。
13. 前記操作装置（１０）は、産業用ロボット（１００）である、
    ことを特徴とする請求項８から１２のいずれか一項記載の方法。

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