JP6659629B2

JP6659629B2 - 多関節ロボットの制御装置

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Publication number: JP6659629B2
Application number: JP2017148244A
Authority: JP
Inventors: 哲平星山
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2017-07-31
Filing date: 2017-07-31
Publication date: 2020-03-04
Anticipated expiration: 2037-07-31
Also published as: US10759056B2; JP2019025604A; DE102018117829B4; DE102018117829A1; US20190030721A1; CN109318244B; CN109318244A

Description

本発明は、多関節ロボットの制御装置に関する。

安全柵内に配置された多関節のロボットの制御装置として、安全柵の扉が開状態になった時にロボットを停止させると共に、ロボットの停止位置および停止姿勢を記憶装置に記憶し、記憶した停止位置および停止姿勢を復帰時のロボットの位置および姿勢として用いるものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

一方、安全柵が無くても人が近くにいる状況で作動することができる多関節のロボット（例えば、人との協働が可能なロボット）が様々な用途で使用されるようになってきている（例えば、特許文献２参照。）。このようなロボットの制御装置は、ロボット関節部への巻き込み防止機能、速度制限機能、センサによって危険を検知し停止する機能（安全停止機能）を備えることで、人が近くにいる状況でロボットを動作させることができる。

特開２００５−２１９１３８号公報特開２０１７−０７４６６０号公報

前記安全停止機能は、人の安全を確保する上で必要な機能であるが、危険を検知して停止する回数が多くなると、ロボットの稼働率が低下してしまう。この状況を回避する一つの対策として、安全停止が頻繁に発生する位置を回避するように、ロボットの動作プログラムを再教示することが考えられる。

しかし、安全柵が必要な通常の産業用ロボットと比べ、人が近くにいる状況で作動するロボットはあらゆる現場に導入可能である。このため、ロボットの操作に慣れた者が再教示対象のロボットの近くに居ないことが多く、このような時は必要な時にすぐに再教示を行うことができない。また、多関節ロボットの動作教示は容易な作業ではなく、ロボットの操作に慣れた者でも多くの時間を要する。

ここで、ロボットが安全停止する原因は、例えば、人、物体等の保護対象とロボットとの接触や近接である。保護対象は様々な位置でロボットに接触等する可能性があるため、安全停止が頻繁に発生する位置を回避するようなロボットへの再教示は大変難しい作業であり、当該作業に長時間を要することになる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、安全停止が頻繁に発生する位置を回避するような多関節ロボットの再教示作業に要する時間の短縮を可能とする多関節ロボットの制御装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明の第１の態様は、人が存在し得るエリアで作動する多関節ロボットの制御装置であって、前記多関節ロボットの作動中に人および物体の少なくとも一方との接触又は近接によって前記多関節ロボットの安全停止機能が働いた時に、該安全停止機能が働いた原因である前記接触又は前記近接の発生位置の情報、又は、前記発生位置を導出することができるセンサ検出情報を蓄積する情報蓄積手段と、教示操作盤の表示装置にロボットの概略の形状を描くと共に、前記該情報蓄積手段により蓄積された前記発生位置の情報又は前記センサ検出情報に基づき、前記発生位置を前記教示操作盤所定の表示装置に表示させる表示手段とを備える。

当該態様では、情報蓄積手段に蓄積された発生位置の情報に基づき、蓄積された発生位置とロボットの概略の形状が教示操作盤の表示装置に表示され、又は、情報蓄積手段に蓄積されたセンサ検出情報から導出される発生位置とロボットの概略の形状が教示操作盤の表示装置に表示される。このため、教示操作盤の表示装置を見ることにより、安全停止機能が働いた原因である接触又は近接の発生位置の分布を知ることができ、当該分布を用いて例えば発生位置が集中している領域、つまり、多関節ロボットの作動で回避すべき領域を認識することができる。

また、本発明の第２の態様は、人が存在し得るエリアで作動する多関節ロボットの制御装置であって、前記多関節ロボットの作動中に人および物体の少なくとも一方との接触又は近接によって前記多関節ロボットの安全停止機能が働いた時に、該安全停止機能が働いた原因である前記接触又は前記近接の発生位置の情報、又は、前記発生位置を導出することができるセンサ検出情報を蓄積する情報蓄積手段と、該情報蓄積手段により蓄積された複数の前記発生位置の情報又は複数の前記センサ検出情報に基づき、複数の前記発生位置の各々を中心とする複数の球を所定の表示装置に表示させると共に、前記球が複数重なって存在する領域を、前記球同士が重なっていない領域に対して色分けして前記所定の表示装置に表示させる表示手段とを備える。

当該態様では、情報蓄積手段により蓄積された複数の前記発生位置の情報又は複数のセンサ検出情報に基づき、複数の発生位置の各々を中心とする複数の球が所定の表示装置に表示されると共に、球が複数重なって存在する領域が、球同士が重なっていない領域に対して色分けして所定の表示装置に表示される。このため、どの領域を避けて動作プログラムの修正や新規作成を行うべきか、容易に判断することができる。

本発明によれば、安全停止が頻繁に発生する位置を回避するような多関節ロボットの再教示作業に要する時間の短縮が可能となる。

本発明の第１の実施形態に係る制御装置が制御するロボットの概略図である。第１の実施形態の制御装置およびロボットの一部のブロック図である。第１の実施形態の表示装置の表示の例を示す図である。第２の実施形態に係る制御装置が制御するロボットの概略図である。第３の実施形態の制御装置およびロボットの一部のブロック図である。第１〜第３の実施形態の変形例における発生位置の例を示す図である。

本発明の第１の実施形態に係るロボットの制御装置２０を図面を参照して以下に説明する。
この制御装置（作動制御手段）２０は、例えば図１に示すような、人が存在し得るエリアで作動する多関節のロボット１０を制御するものである。ロボット１０は、複数のアーム部材および関節を備えると共に、複数の関節をそれぞれ駆動する複数のサーボモータ１１を備えている（図２参照）。各サーボモータ１１として、回転モータ、直動モータ等の各種のサーボモータを用いることが可能である。各サーボモータ１１はその作動位置を検出するエンコーダ等の作動位置検出装置を内蔵しており、作動位置検出装置の検出値が制御装置２０に送信される。

ロボット１０の基部１０ａには、例えば６軸力センサから成る力センサ１２が設けられ、力センサ１２の検出結果も制御装置２０に送信されるように構成されている（図２参照）。
ロボット１０はワーク保持装置１３によりテーブルＴに載置されたワークＷを加工装置等の所定の装置Ｍに搬送するものであり、ロボット１０の先端にはワークＷを保持可能なワーク保持装置１３が設けられている。ワーク保持装置１３は、ワークＷを吸着する電磁石や吸引装置を有するものでもよく、ワークＷを把持する爪を有するものでもよい。ワーク保持装置１３は制御装置２０により制御される。

制御装置２０は、図２に示すように、例えば、ＣＰＵ、ＲＡＭ等を有する制御部２１と、表示装置２２と、不揮発性ストレージ、ＲＯＭ等を有する記憶装置２３と、ロボット１０のサーボモータ１１にそれぞれ対応するように設けられた複数のサーボ制御器２４と、制御装置２０に接続されると共に操作者が持ち運び可能な教示操作盤２５とを備えている。教示操作盤２５は制御装置２０と無線通信するように構成されていてもよい。

記憶装置２３にはシステムプログラム２３ａが格納されており、システムプログラム２３ａが制御装置２０の基本機能を担っている。また、記憶装置２３には、教示操作盤２５を用いて作成された動作プログラム２３ｂが少なくとも１つずつ格納されている。さらに、記憶装置２３には、力センサ１２の検出結果に基づきロボット１０を安全のために停止させる安全停止機能を司る安全停止プログラム２３ｃと、ロボット１０の安全停止機能が働いた原因の発生位置を蓄積する蓄積プログラム（情報蓄積手段）２３ｄと、蓄積した発生位置を表示させる表示プログラム（表示手段）２３ｅとを格納している。

制御部２１はシステムプログラム２３ａにより動作し、記憶装置２３に格納されている動作プログラム２３ｂを読み出してＲＡＭに一時的に格納し、読み出した動作プログラム２３ｂに沿って各サーボ制御器２４に制御信号を送り、これによりロボット１０の各サーボモータ１１のサーボアンプを制御すると共に、ワーク保持装置１３によるワークＷの把持および非把持を制御する。

この時、制御部２１は記憶装置２３に格納されている安全停止プログラム２３ｃを読み出してＲＡＭに一時的に格納し、読み出した安全停止プログラム２３ｃにより力センサ１２の検出結果をモニタし、力センサ１２の検出結果が所定の基準範囲を超える場合に、ロボット１０に人又は物体である保護対象が接触したものと判断して、ロボット１０の各サーボモータ１１の作動を停止させる（安全停止機能）。

ここで、制御部２１は、ロボット１０がワークＷを保持しているか否か、ロボット１０の先端部の位置、ロボット１０の姿勢、ロボット１０の作動速度、ロボット１０を構成する各アーム部材の重量、その慣性質量、各サーボモータ１１の重量、その慣性質量等を考慮して、前記所定の基準範囲を適宜変更する。

また、制御部２１は記憶装置２３に格納されている蓄積プログラム２３ｄを読み出してＲＡＭに一時的に格納して作動し、人および物体の少なくとも一方との接触があり安全停止機能が働いた時に、安全停止機能が働いた原因である接触の発生位置の情報を記憶装置２３に蓄積する。

ここで、力センサ１２は６軸力センサから成るので、制御部２１は、ロボット１０の姿勢と力センサ１２の検出結果とから、接触が発生したアーム部材の特定および当該アーム部材における接触が発生した位置の特定を行うことができる。つまり、接触の発生位置を力センサ１２を原点とする三次元座標上における座標の情報として特定することができる。力センサ１２自体が接触の発生位置の三次元座標上における座標を特定できるように構成され、制御部２１が力センサ１２から接触の発生位置の三次元座標上における座標の情報を受取るように構成してもよい。

制御部２１は記憶装置２３に格納されている表示プログラム２３ｅを読み出してＲＡＭに一時的に格納して作動し、上記のように蓄積された接触の発生位置を表示装置２２や教示操作盤２５に設けられた表示装置２５ａに表示させる。例えば、教示操作盤２５の表示装置２５ａに三次元座標を描くと共に、その中にロボット１０の概略の形状やロボット１０が現在の動作プログラム２３ｂにより通過する範囲を描き、蓄積された接触の発生位置をプロットする。これにより、当該表示を見た者は、どの位置で接触が多く発生しているか容易に認識することができる。

また、制御部２１が表示プログラム２３ｅにより作動し、例えば、各発生位置について、発生位置を中心とする第１の半径の球３１と、発生位置を中心とする第２の半径の球３２とを設定してもよい。この場合、表示プログラム２３ｅは、図３に示すように、教示操作盤２５の表示装置２５ａの三次元座標に第１の半径の球３１および第２の半径の球３２を描画する。

また、当該三次元座標において、第１の半径の球３１又は第２の半径の球３２が存在する空間をスコア１の領域とし、球３１，球３２が２つ重なって存在する空間をスコア２の領域とし、球３１，球３２が３つ重なって存在する空間をスコア３の領域とし、球３１，球３２が４つ以上重なって存在する空間をスコア４の領域として設定する。

そして、図３に示すように、スコア１の領域、スコア２の領域、スコア３の領域、およびスコア４の領域を色分けして当該三次元座標に表示する。このようにスコアにより色分けされているので、例えばスコア４の領域を避けるように動作プログラム２３ｂの修正や新規作成を行うことにより、安全停止の回数を低減したロボット１０の作動を実現することが可能となる。

また、制御部２１が表示プログラム２３ｅにより作動して、教示操作盤２５から入力されたスコア値に基づき当該三次元座標において回避対象領域を設定し、回避対象領域を当該三次元座標に表示するように構成してもよい。例えば、教示操作盤２５にスコア３が入力されると、スコア３以上の領域が回避対象領域として設定される。この場合、動作プログラム２３ｂの修正や新規作成をより容易に行うことが可能となる。

本実施形態では、蓄積された発生位置が教示操作盤２５等の表示装置２５ａに表示されるので、表示装置２５ａを見ることにより安全停止機能が働いた原因である接触の発生位置の分布を知ることができ、当該分布を用いて例えば発生位置が集中している領域、つまり、ロボット１０の作動で回避すべき領域を認識することができる。このため、安全停止が頻繁に発生する位置を回避するようなロボット１０の再教示作業を容易に行うことが可能となる。

なお、本実施形態では、ロボット１０の基部１０ａに設けられた力センサ１２の検出結果に基づき、制御部２１がロボット１０の各サーボモータ１１の作動を安全停止させるものを示した。これに対し、ロボット１０の各関節にトルクセンサを設け、各トルクセンサの検出結果に基づき制御部２１がロボット１０の各サーボモータ１１の作動を安全停止させるように構成してもよい。

また、ロボット１０の複数のアーム部材のうち人又は物体が接触する可能性があるアーム部材の表面に圧力分布センサを取付け、圧力分布センサの検出結果に基づき制御部２１がロボット１０の各サーボモータ１１の作動を安全停止させるように構成してもよい。
また、各トルクセンサの検出結果や圧力分布センサの検出結果を用いて接触の発生位置の特定を行うことも可能である。

なお、接触の発生位置、第１の半径の球３１、および第２の半径の球３２を三次元座標上に表示する代わりに、これら座標の数値情報を表示装置２５ａに表示するように構成してもよい。

本発明の第２の実施形態に係るロボットの制御装置２０を図面を参照して以下に説明する。
第２の実施形態は、力センサ１２の検出結果を用いて接触の発生位置を蓄積する代わりに、視覚センサ４０を用いてロボット１０と人又は物体との近接の発生位置を蓄積するものである。その他の構成は第１の実施形態と同様であるため、それら構成には同一の符号を付し、その説明は割愛する。

第２の実施形態では、図４に示すように、ロボット１０およびその作動範囲を撮像する視覚センサ４０が設けられている。視覚センサ４０は図２に示すように制御装置２０に接続されている。この場合は、制御部２１が安全停止プログラム２３ｃにより作動し、視覚センサ４０で撮像された画像に公知の画像処理を行い、処理後画像においてロボット１０と人又は物体との距離が所定値以下になった際に（近接した際に）、ロボット１０の各サーボモータ１１の作動を安全停止させる。なお、視覚センサ４０は三次元視覚センサであってもよく、この場合はロボット１０と人又は物体との上下方向の距離も把握することができる。

また、制御部２１は蓄積プログラム２３ｄによって作動し、前記処理後画像においてロボット１０と人又は物体との距離が所定値以下になった際に（近接した際に）、当該近接の発生位置を基部１０ａの所定位置を原点とする三次元座標上における座標の情報として特定する。近接の発生位置を、近接しているロボット１０のアーム部材上の位置としてもよく、近接している人又は物体上の位置としてもよく、両者の間の位置としてもよい。視覚センサ４０が三次元視覚センサである方が近接の発生位置を正確に特定することができるが、視覚センサ４０が二次元視覚センサであっても上記の方法で近接の発生位置を特定又は推定することができる。

そして、制御部２１は表示プログラム２３ｅによって作動し、上記のように蓄積された近接の発生位置を表示装置２２や教示操作盤２５に設けられた表示装置２５ａに表示させる。その後の処理は接触の発生位置を特定する場合と同様である。

第２の実施形態でも、表示装置２５ａを見ることにより安全停止機能が働いた原因である近接の発生位置の分布を知ることができ、当該分布を用いて例えば発生位置が集中している領域、つまり、ロボット１０の作動で回避すべき領域を認識することができる。このため、安全停止が頻繁に発生する位置を回避するようなロボット１０の再教示作業を容易に行うことが可能となる。

本発明の第３の実施形態に係るロボットの制御装置２０を図面を参照して以下に説明する。
第３の実施形態は、接触や近接の発生位置、第１および第２の半径の球３１，３２、およびスコア１〜４の領域を表示装置２２，２５ａに表示する代わりに、接触や近接の発生位置が集中している領域を避けるように動作プログラム２３ｂの修正又は新規作成を行うように構成されている。その他の構成は第１又は第２の実施形態と同様であるため、それら構成には同一の符号を付し、その説明は割愛する。

第３の実施形態では、図５に示すように、記憶装置２３に動作プログラム２３ｂの修正又は新規作成を行う作成プログラム（動作プログラム作成手段）２３ｆが格納されている。
第１および第２の実施形態と同様に接触又は近接の発生位置が記憶装置２３に蓄積されると、制御部２１は作成プログラム２３ｆによって作動し、発生位置が所定の基準値を超えて集中している領域を回避するように動作プログラム２３ｂの修正又は新規作成を行う。

例えば、第１および第２の実施形態と同様に、各発生位置に第１および第２の半径の球３１，３２を設定すると共に、第１および第２の半径の球３１，３２により形成されるスコア１〜４の領域を設定し、スコア３以上の領域が所定の基準値を超えて集中している領域であると判定し、当該領域を避けるように動作プログラム２３ｂの修正又は新規作成を行う。発生位置同士の距離が所定値以下となる一群の発生位置が存在する領域を、所定の基準値を超えて集中している領域とすることもできる。

第３の実施形態では、蓄積された発生位置の情報に基づき、発生位置が所定の基準値を超えて集中している領域を回避するよう動作プログラム２３ｂが修正又は新規作成される。このように、蓄積された情報に基づき制御装置２０は安全停止機能が働いた原因である接触又は近接の発生位置の分布を認識することができるので、安全停止が頻繁に発生する位置を回避する再教示を容易に行うことが可能となる。

なお、第１〜第３の実施形態では、安全停止機能が働く原因となった接触の発生位置を特定し、特定した接触の発生位置の情報を記憶装置２３に蓄積するように構成されている。これに対し、安全停止機能が働いた時に、ロボット１０の各関節に設けられた角度センサの検出情報（センサ検出情報）と、二次元視覚センサである視覚センサ４０の検出情報（センサ検出情報）とを記憶装置２３に蓄積することも可能である。角度センサの検出情報の代わりにサーボモータ１１に内蔵された作動位置検出装置の検出情報を蓄積してもよい。

ロボット１０の各関節に設けられた角度センサの検出情報から、ロボット１０の姿勢を一義的に導出することができる。つまり、各アーム部材の高さ位置や姿勢を一義的に導出することができる。記憶装置２３に蓄積された各角度センサの検出情報と視覚センサ４０の検出情報とを用いて、接触や近接の発生位置を導出することができるので、第１〜第３の実施形態と同様の作用効果を奏することが可能となる。

また、ロボット１０が６軸以下の多軸ロボットである場合、ロボット１０の先端の所定位置の座標情報（センサ検出情報）および当該先端の姿勢情報（センサ検出情報）を複数の視覚センサを用いて検出するように構成し、安全停止機能が働いた時に、ロボット１０の先端の当該所定位置の座標情報、当該先端の姿勢情報、および接触や近接を検出する力センサや視覚センサの検出情報（センサ検出情報）を記憶装置２３に蓄積することも可能である。これらセンサ検出情報を用いる場合も、接触や近接の発生位置を導出することができるので、第１〜第３の実施形態と同様の作用効果を奏することが可能となる。

第１〜第３の実施形態において、図６に示すように、安全停止機能が働いた時のロボット１０の動いていた方向に応じて、接触又は近接の発生位置の情報、又は、当該発生位置を導出することができるセンサ検出情報をグループ分けして記憶装置２３に蓄積することもできる。例えば、図６に示すように、方向Ａにロボット１０が動いていた時の接触の発生位置Ａ１〜Ａ４はグループＡに属するものとして記憶装置２３に蓄積し、方向Ｂにロボット１０が動いていた時の接触の発生位置Ｂ１〜Ｂ５はグループＢに属するものとして記憶装置２３に蓄積する。

この場合、制御部２１は表示プログラム２３ｅによって作動し、グループＡとグループＢの何れに属しているか識別可能な態様で表示装置２５ａ等に発生位置を表示することも可能であり、グループ毎に表示装置２５ａ等に発生位置を表示することも可能である。

また、制御部２１は作成プログラム２３ｆによって作動し、方向Ａにロボット１０を移動させる際は、発生位置Ａ１〜Ａ４が集中している領域を回避するように動作プログラム２３ｂの修正又は新規作成を行い、方向Ｂにロボット１０を移動させる際は、発生位置Ｂ１〜Ｂ３およびＢ５が集中している領域を回避するように動作プログラム２３ｂの修正又は新規作成を行う。

また、本実施形態では、ロボット１０はワークＷを搬送するものであるが、ロボット１０は加工、組立等を行うものであってもよく、その他の物品に対しその他の処理を行うものであってもよい。例えば、ロボット１０の先端にレーザ加工ツールが取付けられており、ロボット１０によりレーザ加工が行われる場合であって、物体に他の物体が頻繁に接触して安全停止機能が働いた時に、制御部２１は、接触の発生位置の分布の表示を行い、又は、接触の発生位置の分布に応じて動作プログラムの修正や新規作成を行う。

１０ロボット
１１サーボモータ
１２力センサ
１３ワーク保持装置
２０制御装置（作動制御手段）
２１制御部
２２表示装置
２３記憶装置
２３ａシステムプログラム
２３ｂ動作プログラム
２３ｃ安全停止プログラム
２３ｄ蓄積プログラム（情報蓄積手段）
２３ｅ表示プログラム（表示手段）
２３ｆ作成プログラム（動作プログラム作成手段）
２４サーボ制御器
２５教示操作盤
２５ａ表示装置
３１第１の半径の球
３２第２の半径の球
４０視覚センサ
Ｔテーブル
Ｍ所定の装置
Ｗワーク

Claims

人が存在し得るエリアで作動する多関節ロボットの制御装置であって、
前記多関節ロボットの作動中に人および物体の少なくとも一方との接触又は近接によって前記多関節ロボットの安全停止機能が働いた時に、該安全停止機能が働いた原因である前記接触又は前記近接の発生位置の情報、又は、前記発生位置を導出することができるセンサ検出情報を蓄積する情報蓄積手段と、
該情報蓄積手段により蓄積された複数の前記発生位置の情報又は複数の前記センサ検出情報に基づき、複数の前記発生位置の各々を中心とする複数の球を所定の表示装置に表示させると共に、前記球が複数重なって存在する領域を、前記球同士が重なっていない領域に対して色分けして前記所定の表示装置に表示させる表示手段とを備える多関節ロボットの制御装置。
前記表示手段は、前記球が他の前記球と重ならずに存在する領域を第１のスコアの領域とし、前記球が２つ重なって存在する領域を第２のスコアの領域とし、前記球が３つ重なって存在する領域を第３のスコアの領域として設定し、
当該多関節ロボットの制御装置は、スコアの値を入力する入力部を備え、
前記表示手段は、前記第１のスコア、前記第２のスコア、および前記第３のスコアのうち前記入力部に入力される前記スコアの値に対応する領域を回避対象領域として設定し、回避対象領域を前記所定の表示装置に表示させる、請求項１に記載の多関節ロボットの制御装置。