JP6490121B2 - ロボットシステム - Google Patents

Description

本発明は、ロボットシステムに関するものである。

従来、ライトカーテンやレーザスキャナによって平面状の光学的な仕切りを形成することにより、ロボットの配置されたエリアと作業者が存在するエリアとを区画し、物体が仕切りを横切ることによって各エリアから他方のエリアへの作業者またはロボットの侵入を検出す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。）。

特開２０１５−６６６６４号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたロボットシステムでは、作業者が仕切りを横切った瞬間にロボットを停止させる必要があるが、作業者が仕切りを横切ったことが検出されてからロボットが完全に停止するまでの間、制御の時間的遅れやロボットの機械的な遅れによってロボットが惰走する。したがって、ロボットが惰走しても作業者に接触しないようにするためには、ロボットの動作限界を光学的な仕切りからある程度の距離（安全距離）だけ離して配置しなければならないという不都合がある。

このため、安全距離の分だけ、ロボットの設置面積が余計に必要となるという不都合があるとともに、適正な安全距離を予め検討してロボットを設置する必要があり、煩雑であるという問題もある。
本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、ロボットの設置に際して安全距離を検討する必要がなく、ロボットの設置面積を必要最小限に抑えることができるロボットシステムを提供することを目的としている。

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、第１エリア内に作業域が収まるように設置されたロボットと、境界を挟んで隣接する前記第１エリアおよび第２エリアの前記境界近傍の画像を経時的に取得する画像取得部と、該画像取得部により取得された各前記画像において、前記第１エリア内の前記境界に隣接する領域および前記第２エリア内の前記境界に隣接する領域にそれぞれ監視エリアを設定する監視エリア設定部と、該監視エリア設定部により設定された前記第２エリア内の監視エリア内における移動物体を前記画像取得部により取得された前記画像を処理して検出する物体検出部と、前記ロボットを制御する制御部とを備え、前記物体検出部により前記移動物体が検出された場合に、前記制御部が、前記第１エリア内の前記監視エリア内に配置されている前記ロボットの動作を制限するように制御し、前記第１エリア内の前記監視エリア外に配置されている前記ロボットの動作を制限しないロボットシステムを提供する。

本態様によれば、第１エリア内においてロボットが動作し、第２エリア内において作業者あるいは移動ロボット等の移動物体が動作する場合において、画像取得部により経時的に取得された境界近傍の第１エリアおよび第２エリアの画像において、監視エリア設定部により、第２エリア内に監視エリアが設定される。そして、物体検出部により監視エリア内に移動物体が検出された場合には、第１エリア内におけるロボットの動作が制限される。

すなわち、第２エリア内で動作する移動物体が境界を横切る前の監視エリアへの侵入が物体検出部により検出されるので、監視エリアの大きさを十分に設定しておけば、第１エリア内における安全距離の検討が不要となり、かつ、ロボットの作業域を境界ギリギリに設定しても、移動物体とロボットとの接触を確実に回避することができ、ロボットの設置面積を必要最小限に抑えることができる。

上記態様においては、前記監視エリア設定部が、前記第１エリア内の前記境界に隣接する領域にも監視エリアを設定し、前記制御部が、前記第１エリア内に設定された前記監視エリア内に配置されている前記ロボットの動作を制限するように制御する。
このようにすることで、移動物体が第２エリア内の境界に隣接する監視エリア内に入った場合には、ロボットは、第１エリア内の境界に隣接する監視エリア内に存在する場合にのみ動作制限される。すなわち、第１エリア内の監視エリア内に存在しない場合にはロボットの動作制限は行われず、効率よく動作させることができる。

また、上記態様においては、前記監視エリア設定部が、前記物体検出部による検出後前記制御部による前記ロボットの動作制限の完了までの前記移動物体の移動距離に基づいて、前記監視エリアを設定してもよい。
このようにすることで、移動物体が監視エリアに入ったことが検出された瞬間に開始された制御部によるロボットの動作制限が完了する前に移動物体が境界を超えて第１エリア内に入らないように設定することができる。

また、上記態様においては、前記画像取得部が、３次元画像を取得する３次元カメラであってもよい。
このようにすることで、移動物体等の３次元位置を把握して適正な監視エリアを設定することができる。例えば、２次元画像を取得して監視エリアを設定する場合、視野角によって、画像取得部から離れるに従って広くなる監視エリアが生成されるが、３次元画像を取得することにより画像取得部からの距離に依存することなく境界から均一な距離を有する監視エリアを設定することができる。

また、上記態様においては、前記画像取得部が、３次元画像を取得する３次元カメラであり、前記監視エリア設定部が、前記物体検出部による検出後前記制御部による前記ロボットの動作制限の完了までの前記移動物体の移動距離と、前記画像取得部により取得された前記３次元画像とに基づいて、前記第１エリア内の前記監視エリアを設定してもよい。

第２エリア内の監視エリアがロボットの動作制限の完了までの移動物体の移動距離に等しく設定されている場合に、移動物体が第２エリア内に設定された監視エリアに入ったときには、ロボットの動作制限が開始されて完了するまでに移動物体が到達する位置が境界を超えて第１エリア内まで延びる。
このように構成することで、第１エリア内に延びた領域を第１エリア内の監視エリアとして設定することができ、当該監視エリア内にロボットが存在する場合にのみロボットの動作制限を行うことで、接触の可能性のない場合におけるロボットの一律の動作制限をなくして、効率よく動作させることができる。

また、上記態様においては、前記制御部は、前記物体検出部により前記移動物体が検出された場合に、前記第１エリア内に設定された前記監視エリア内における前記ロボットを減速させるよう制御してもよい。
このようにすることで、ロボットの動作制限としてロボットを減速させることにより、ロボットを停止させることなく、第２エリア側から境界を超えてくる移動物体との接触を回避することができる。

本発明によれば、ロボットの設置に際して安全距離を検討する必要がなく、ロボットの設置面積を必要最小限に抑えることができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るロボットシステムを示す正面図である。 図１のロボットシステムを示す平面図である。 図１のロボットシステムに備えられる制御装置を示すブロック図である。 図１のロボットシステムの動作を説明するフローチャートである。 図１のロボットシステムの第１の変形例を示す正面図である。 図１のロボットシステムの第２の変形例を示す正面図である。 図１のロボットシステムの第３の変形例を示す正面図である。 図７のロボットシステムの動作を説明するフローチャートである。

本発明の一実施形態に係るロボットシステム１について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係るロボットシステム１は、図１および図２に示されるように、第１エリアに設置されるロボット２と、第１エリアと該第１エリアに隣接する第２エリアとの境界Ｌの鉛直上方に下向きに配置された３次元カメラ（画像取得部）３と、該３次元カメラ３によって取得された３次元画像に基づいてロボット２を制御する制御装置４とを備えている。

ロボット２は、第１エリア内に作業域（具体的には、動作制限等によって、ロボット２の最大可動域よりも狭められた領域。）を有し、第１エリア内においてのみ動作することができるようになっている。ここで、ロボット２には、ロボット２の機構部のみならず、ロボット２の手首に装着される治具および治具によって搬送されるワークも含まれる。すなわち、ロボット２は、ワークも含めて第１エリア内においてのみ動作することができるように設置されている。

３次元カメラ３は、第２エリア内で移動する作業者Ａあるいは移動ロボットが越境可能な境界Ｌの全体および境界Ｌの両側に隣接する第１エリアおよび第２エリアの少なくとも一部を視野範囲内に入れる位置に配置されている。３次元カメラ３は、経時的に視野範囲内の３次元画像を取得するようになっており、視野範囲内に配置される物体を監視してその３次元位置を検出することができるようになっている。

制御装置４は、図３に示されるように、３次元カメラ３により取得された３次元画像に基づいて、第１エリアおよび第２エリア内の境界Ｌに隣接する領域にそれぞれ監視エリア（図中、斜線部）を設定する監視エリア設定部５と、３次元画像を処理して第２エリア内に設定された監視エリア内における物体の有無を検出する物体検出部６と、３次元画像を処理して第１エリア内に設定された監視エリア内におけるロボット２の有無を検出するロボット検出部７と、物体検出部６およびロボット検出部７による検出結果に基づいてロボット２を動作制限するように制御するロボット制御部（制御部）８と、検出結果を報知する報知部９とを備えている。

本実施形態においては、監視エリア設定部５は、図１に示されるように、鉛直方向に延びる平面状の境界Ｌから第１エリア側および第２エリア側にそれぞれ所定の距離だけあけて平行に配置された平面との間の領域を監視エリアとして設定するようになっている。第２エリア側の監視エリアは、ロボット制御部８によるロボット２の動作制限が開始された後、動作制限が完了するまでに要する時間と、第２エリア側で移動する移動物体、例えば、作業者Ａの移動速度との積によって算出される移動物体の移動距離に等しく設定されている。移動距離は監視エリア設定部５に予め記憶されている。また、移動速度は、予想される移動物体の最高速度であってもよい。

ロボット制御部８によるロボット２の動作制限としては、例えば、動作しているロボット２を停止させること、あるいは、ロボット２を減速させることが挙げられる。このようにすることで、第２エリア側の監視エリア内に移動物体が侵入したことを検出した時点でロボット制御部８による動作制限を開始すれば、ロボット２の動作制限が完了するまでの間に移動物体が境界Ｌを超えないようにすることができる。

第１エリア側の監視エリアは、予め設定された安全距離以上の距離が確保されていればよい。第１エリア側の監視エリアを設定する安全距離も監視エリア設定部５に予め記憶されている。

ロボット制御部８は、物体検出部６により第２エリア内の監視エリア内に移動物体が検出された時点で、ロボット検出部７により第１エリア内の監視エリア内にロボット２が検出されている場合に、ロボット２の動作制限を開始するように制御するようになっている。
報知部９は、ロボット制御部８がロボット２の動作制限を開始した時点で、その旨を報知するようになっている。具体的には、状態表示灯を点灯させるようになっている。

このように構成された本実施形態に係るロボットシステム１の作用に付いて以下に説明する。
本実施形態に係るロボットシステム１によれば、図４に示されるように、３次元カメラ３によって３次元画像が逐次取得され（ステップＳ１）、取得された各３次元画像が制御装置４の監視エリア設定部５に送られて、第１エリアおよび第２エリアの境界Ｌ近傍にそれぞれ監視エリアが設定される（ステップＳ２）。

監視エリアが設定されると、物体検出部６により３次元画像が処理されて監視エリア内の移動物体の検出が行われる（ステップＳ３）。ロボット制御部８において、検出された移動物体が境界Ｌを超えているか否かが判定され（ステップＳ４）、境界Ｌを超えている場合にはロボット２を緊急停止させる（ステップＳ５）。検出された移動物体が境界Ｌを超えていない場合には、監視エリア内に侵入しているか否かが判定され（ステップＳ６）、侵入している場合には、ロボット検出部７によりロボット２の検出が実施され（ステップＳ７）、ロボット制御部８においてロボット２が監視エリア内に存在しているか否かが判定される（ステップＳ８）。

ロボット２が監視エリア内に存在する場合には、ロボット２を減速あるいは停止させる動作制限が実施される（ステップＳ９）。ステップＳ６において移動物体が監視エリア内に侵入していないと判定された場合、および、ステップＳ８においてロボット２が監視エリア内に存在しないと判定された場合には、ステップＳ１からの工程が繰り返される。

このように構成された本実施形態に係るロボットシステム１によれば、作業者Ａ等の移動物体が動作する第２エリア内の第１エリアとの境界Ｌから所定範囲にわたって監視エリアが設定され、該監視エリア内への移動物体の侵入によって第１エリア内におけるロボット２の動作を制限するので、ロボット２の設置に際して、ロボット２の作業域を第２エリアとの境界Ｌから離す必要がない。

すなわち、第２エリア側の監視エリア内への移動物体の侵入が検出された時点でロボット２の動作制限を開始することにより、ロボット２の動作制限が完了する時点までに移動物体が境界Ｌを超えることがなく、ロボット２の作業域を第１エリアと第２エリアとの境界Ｌギリギリに配置しても、ロボット２と移動物体との接触を確実に回避することができるという利点がある。その結果、ロボット２の設置スペースを最小限に抑えることができるという利点がある。

上記においては、第１エリア側に監視エリアが設定されていない場合は問題ないが、ステップＳ８およびステップＳ９の工程が存在するシステムにおいては、移動物体が境界Ｌを超えた場合にロボット２の動作制限は完了していない。なぜならば、第１エリア側の監視エリアにおいてロボット２が検出されていないためである。

また、本実施形態においては、画像取得部として、３次元画像を取得する３次元カメラ３を採用したので、移動物体の３次元位置を把握して適正な監視エリアを設定することができるという利点がある。すなわち、２次元カメラ１０により２次元画像を取得して監視エリアを設定する場合、図５に示されるように、視野角によって、２次元カメラ１０から離れるに従って広くなる監視エリアが生成される。

このため、２次元カメラ１０に近い上方では監視エリアが狭く、２次元カメラ１０から遠い下方では監視エリアが広くなる。移動物体の移動速度は上方でも下方でも同じなので、上方で十分な監視エリアを確保すると下方では監視エリアが無駄に大きくなってしまうという不都合がある。
これに対し、本実施形態においては、３次元画像を取得することにより高さ方向の全長にわたって境界Ｌから均一な水平距離を有する監視エリアを設定することができる。これにより、高さ方向のどの位置においても均一な監視を行うことができるという利点がある。

また、本実施形態においては、監視エリア設定部５によりロボット２が設置されている第１エリア側にも監視エリアを設定し、監視エリア内にロボット２が存在する場合にロボット２の動作制限を実施することとしたため、ロボット２は監視エリア内に存在しない場合には動作制限を受けずに済む。すなわち、第２エリア側の監視エリア内に移動物体が検出された場合に一律に動作制限する場合と比較して、移動物体との接触の可能性が低い場合にはロボット２の動作を制限しないこととして動作効率を向上することができるという利点がある。

なお、本実施形態においては、画像取得部として３次元カメラ３を採用した場合について説明したが、これに代えて２次元カメラ１０を採用してもよい。
また、第１エリア側にも監視エリアを設定して、当該監視エリア内にロボット２が存在する場合に動作制限を行うこととしたが、これに代えて、図６に示されるように、第１エリア側には監視エリアを設定せず、第２エリア側の監視エリア内に移動物体が検出された場合にロボット２に一律に動作制限を実施することにしてもよい。

また、本実施形態においては、予め記憶しておいた距離だけ境界Ｌから離れた位置までを第１エリア内の監視エリアとして設定したが、これに代えて、監視エリア設定部５が、第２エリア内の移動物体の３次元位置と移動距離とに基づいて第１エリア内の監視エリアを生成して設定することにしてもよい。

すなわち、図６に示されるように、第２エリア内の移動物体が監視エリアに侵入していない場合には、第１エリア側に監視エリアを設定せず、図７に示されるように、移動物体が監視エリア内に侵入した場合には、ロボット２の動作制限のために要する時間と移動物体の移動速度との積により算出される移動物体の移動距離分だけ、移動物体の表面の３次元位置からオフセットさせた位置に第１エリア側の監視エリアを生成すればよい。

このようにすることで、ロボット２の動作制限が実施される監視エリアを必要最小限に抑えることができ、動作効率をさらに向上することができるという利点がある。
すなわち、図７に示す例では、第２エリアの監視エリアの下側に作業者Ａの足が入ったため、足の表面から移動距離Ｄだけオフセットした第１エリアの下側のみに監視エリアが生成される。足が境界Ｌに近づいた下側部分ではロボット２との接触の可能性が高くなるため、ロボット２の動作制限を実施する監視エリアを設けているが、接触の可能性が低い上側部分では監視エリアが設定されず、ロボット２が動作制限を受けずに済む。

この場合、図８に示されるように、ステップＳ２において第２エリア内の監視エリアのみが設定され、第２エリア側の監視エリア内における移動物体の検出によって第１エリア内の監視エリアが生成される（ステップＳ１０）が、図４と相違している。

１ ロボットシステム
２ ロボット
３ ３次元カメラ（画像取得部）
５ 監視エリア設定部
６ 物体検出部
８ ロボット制御部（制御部）
Ａ 作業者（移動物体）
Ｌ 境界

Claims (6)

1. 第１エリア内に作業域が収まるように設置されたロボットと、
   境界を挟んで隣接する前記第１エリアおよび第２エリアの前記境界近傍の画像を経時的に取得する画像取得部と、
   該画像取得部により取得された各前記画像において、前記第１エリア内の前記境界に隣接する領域および前記第２エリア内の前記境界に隣接する領域にそれぞれ監視エリアを設定する監視エリア設定部と、
   該監視エリア設定部により設定された前記第２エリア内の監視エリア内における移動物体を前記画像取得部により取得された前記画像を処理して検出する物体検出部と、
   前記ロボットを制御する制御部とを備え、
   前記物体検出部により前記移動物体が検出された場合に、前記制御部が、前記第１エリア内の前記監視エリア内に配置されている前記ロボットの動作を制限し、前記第１エリア内の前記監視エリア外に配置されている前記ロボットの動作を制限しないロボットシステム。
2. 前記監視エリア設定部が、前記物体検出部による検出後前記制御部による前記ロボットの動作制限の完了までの前記移動物体の移動距離に基づいて、前記監視エリアを設定する請求項１に記載のロボットシステム。
3. 前記画像取得部が、３次元画像を取得する３次元カメラである請求項１または請求項２に記載のロボットシステム。
4. 前記画像取得部が、３次元画像を取得する３次元カメラであり、
   前記監視エリア設定部が、前記物体検出部による検出後前記制御部による前記ロボットの動作制限の完了までの前記移動物体の移動距離と、前記画像取得部により取得された前記３次元画像とに基づいて、前記第１エリア内の前記監視エリアを設定する請求項１から請求項３のいずれかに記載のロボットシステム。
5. 前記監視エリア設定部が、前記３次元カメラによって検出された前記第２エリア内の前記監視エリア内の前記移動物体の表面から前記移動距離分だけ前記第１エリア側にオフセットさせた位置まで、前記第１エリア内の前記監視エリアを設定する請求項４に記載のロボットシステム。
6. 前記制御部は、前記物体検出部により前記移動物体が検出された場合に、前記第１エリア内に設定された前記監視エリア内における前記ロボットを減速させるよう制御する請求項１から請求項５のいずれかに記載のロボットシステム。

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