JP6737827B2 - 協働ロボットの制御装置及び制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、協働ロボットを制御するロボット制御装置及びロボット制御方法に関する。

コンベヤ等の搬送装置によって搬送される自動車の車体等の作業対象に対して、ロボットを用いて部品を取り付ける作業を行う技術が知られている（例えば特許文献１）。

また、搬送装置の停止や急発進に伴うロボットやワークの破損を防止するための技術が知られており（例えば特許文献２及び３参照）、さらに、車両用物品や保持冶具に偶発的な外力が加わっても該物品の損傷や作業者の負傷を防止する技術も周知である（例えば特許文献４参照）。

特開２０１３−１６９６１６号公報 特開２０１４−１４０９４４号公報 特開２００９−２０２２８１号公報 特開２００４−２０３３１２号公報

コンベヤによって搬送されてくるワークに対して部品を取り付ける等の作業は、現状では殆ど人間（作業者）が行っており、ロボットによる自動化が望まれている。しかし全ての作業をロボットが行うことは技術的にもコスト的にも現実的でないことから、人間が行っていた作業の一部をロボットに担わせることが推進されている。この場合、人間とロボットが作業領域を共有することから、このようなロボットとしては、人間の安全確保のために、人間と接触したときに停止する機能を備えた協働ロボットが使用される。

そのような協働ロボットが、コンベヤによって移動中のワークに対して作業を行っているときに、作業者がロボットに接触した場合、ロボットは安全のために停止するか、所定の位置に向けて退避動作を行う。しかしこのときにコンベヤが動き続けていると、ワークが停止中のロボットに衝突し、ワーク又はロボットが損傷する虞がある。また、ロボットの退避動作によってロボットとワークとの間の距離が小さくなり、ロボットとワークとの間に挟まれた作業者が負傷する危険性もある。

本開示の一態様は、所定の搬送方向に移動する搬送部によって搬送されるワークに対して作業を行うとともに、前記搬送部とは異なる部位に設置されたロボットを制御するロボット制御装置であって、前記ロボットの異常又は前記ロボットに対する接触を検知した旨の信号を受信する受信部と、前記受信部が前記信号を受信した後は、前記ロボットの可動部と前記ワークとの間の最短距離が、予め定めた安全距離以上離れるように前記ロボットの動作を制御する動作制御部と、を備え、前記動作制御部は、前記可動部が前記ワークより前記搬送部の搬送方向について前方に位置しているときに前記受信部が前記信号を受信したときは、前記可動部が前記搬送方向と同方向にかつ、前記搬送部より高速で移動するように前記ロボットを制御し、前記可動部が前記ワークより前記搬送方向について後方に位置しているときに前記受信部が前記信号を受信したときは、前記可動部が前記搬送方向と反対方向に移動するように前記ロボットを制御する、ロボット制御装置である。

本開示の他の態様は、所定の搬送方向に移動する搬送部によって搬送されるワークに対して作業を行うとともに、前記搬送部とは異なる部位に設置されたロボットを制御するロボット制御方法であって、前記ロボットの異常又は前記ロボットに対する接触を検知した旨の信号を受信することと、前記信号を受信した後は、前記ロボットの可動部と前記ワークとの間の最短距離が、予め定めた安全距離以上離れるように前記ロボットの動作を制御することと、を含み、前記ロボットの動作を制御することは、前記可動部が前記ワークより前記搬送部の搬送方向について前方に位置しているときに前記信号を受信したときは、前記可動部が前記搬送方向と同方向にかつ、前記搬送部より高速で移動するように前記ロボットを制御し、前記可動部が前記ワークより前記搬送方向について後方に位置しているときに前記信号を受信したときは、前記可動部が前記搬送方向と反対方向に移動するように前記ロボットを制御することを含む、ロボット制御方法である。

本開示によれば、コンベヤが動作中であっても、コンベヤ上のワークがロボットと接触したり、該ワークと該ロボットとの間に人間が挟まれたりすることを防止することができる。

協働ロボットシステムの一構成例を示す。 位置検出部としてカメラを使用した例を示す。 位置検出部としてエリアセンサを使用した例を示す。 位置検出部として３次元センサを使用した例を示す。 （ａ）ロボットがワークより搬送方向について前方に位置する場合を例示し、（ｂ）（ａ）の状態から、ロボットに関する異常又は接触が検知されたときのロボットの動作の一例を示す。 （ａ）ロボットがワークより搬送方向について後方に位置する場合を例示し、（ｂ）（ａ）の状態から、ロボットに関する異常又は接触が検知されたときのロボットの動作の一例を示す。 （ａ）ロボットが搬送方向についてワークの先端と後端の間に位置する場合を例示し、（ｂ）（ａ）の状態から、ロボットに関する異常又は接触が検知されたときのロボットの動作の一例を示す。

図１は、好適な実施形態に係るロボット制御装置を含む協働ロボットシステムの概略構成例を示す。協働ロボットシステム１０は、ロボット制御装置１２と、ロボット制御装置１２によって制御される協働ロボット（以下、単にロボットを称する）１４と、ロボット１４の作業対象であるワーク（図示例では自動車の車体）１６を搬送する搬送装置（コンベヤ）１８とを有し、ロボット１４は車体１６に対して所定の作業を行えるように構成されている。また協働ロボットシステム１０では、人間（作業者）１９もワーク１６に対して部品の取り付けや組立等の所定の作業を行えるようになっており、作業者１９及びロボット１４は共通の作業領域を有する。従って作業者１９は、ロボット１４に意図せずに接触する場合がある。

コンベヤ１８は、ベルトコンベヤ、スキッドコンベヤ又はオーバーヘッドコンベヤ等、所定のワーク１６を搬送可能な種々の構造を有し、ワーク１６を保持するとともに所定の搬送方向（図示例では、矢印２０で示すような左方から右方）に移動可能に構成された搬送部２２と、搬送部２２（ワーク１６）の位置を検出し、検出結果をロボット制御装置１２に送信可能に構成された位置検出部２４とを有する。位置検出部２４は例えば、コンベヤ１８に設けられた（より具体的には、搬送部２２を駆動するモータ等に取り付けられた）エンコーダ２６と、ワークが所定の搬送方向位置（破線２８で例示）を通過したことを検知する赤外線センサ３０とを有する。

協働ロボットシステム１０では、ワーク１６が位置２８を通過したときのエンコーダ２６の値を記録し、その後のエンコーダ２６の値（出力）を所定の時間間隔で取得することにより、ロボット１４に対する搬送部２２（ワーク１６）の位置、搬送部２２の速度、及び搬送部２２の惰走距離（後述）等をリアルタイムで求めることができる。或いは図２に例示するように、位置検出部２４としてコンベヤ１８の上方又は側方にカメラ等の２次元センサ２５を設けてもよく、この場合は、所定の時間間隔で取得したカメラ画像の処理結果に基づいて、ワーク１６とロボット１４との相対位置関係を所定の時間間隔で求めることができる。位置検出部２４の他の例としては、図３に示すような、コンベヤ１８の側方に設けたエリアセンサ２７、又は図４に示すような、ロボット１４の可動部に取り付けた３次元センサ２９が使用可能である。

また或いは、ワーク１６に対するロボット１４の作業（一連の動作）に関する教示を行う際に、ロボット１４とワーク１６との位置関係をメモリ等に記録しておき、コンベヤ１８が停止動作を開始したときの位置関係が、後述する第１の状態及び第２の状態に相当するかをロボット制御装置１２が判断できるようにしてもよく、この場合は当該判断を行う要素（プロセッサ等）が位置検出部に相当する。

一方、ロボット１４は、例えば６軸の多関節ロボットであり、コンベヤ１８の搬送部２２とは異なる部位（例えばコンベヤ１８近傍の床面）に設置されたベース部３２と、ベース部３２に対して可動に取り付けられたロボットアーム等の可動部３４と、ロボットアーム３４の先端に取り付けられたロボットハンド等のエンドエフェクタ３６とを有し、ロボット制御装置１２からの指令に基づいて、ワーク１６に対して部品（図示せず）を取り付ける作業や、ワーク１６の一部を加工する作業等の、所定の作業を行うように構成されている。

ロボット制御装置１２は、ロボット１４の異常又はロボット１４に対する接触を検知した旨の信号を受信する受信部３８と、受信部３８が該信号を受信した後は、ロボット１４の可動部とワーク１６との間の最短距離が、予め定めた安全距離以上離れるようにロボット１４の動作を制御する動作制御部４０とを備える。

ここでロボット１４の「異常」とは例えば、ロボットの即時停止や退避動作等を要する、すなわち通常の動作を中止・中断する必要がある不具合を意味し、例えばロボットアーム３４がその仕様等に基づいて定められた上限速度を超えて動作しようとした場合、又はロボットアーム３４が特異点を通過しようとした場合が該当する。通常、ロボット１４の教示はコンベヤ１８が停止した状態で行うので、コンベヤ１８が動作している状態で教示通りにロボット１４を移動させようとすると、ロボットアーム３４の上限速度を超えた指令が作成される場合がある。また教示が不適切であると、ロボット１４の代表点（ツール先端点等）が特異点を通ることがある。このような「異常」は、ロボット１４の各軸に設けられたエンコーダ４３（図１）等によって検知することができ、エンコーダ４３はこのような異常を検知したら、当該異常を示す信号を直ちに受信部３８に対して出力・送信することができる。

またロボット１４に対する「接触」とは、人間やワーク等がロボット１４に（多くの場合意図せずに）接触することを意味し、ロボット１４への接触は、例えばロボット１４の表面に設けた接触センサ、ロボット１４の各軸に設けたトルクセンサ、又はベース部３２の下部に設けた６軸力覚センサ４４（図１）等を用いて検知することができる。上述のセンサはロボット１４に対する接触を検知したら、当該接触を示す信号を直ちに受信部３８に対して出力・送信することができる。

なお本開示では、ロボット１４に関する異常又は接触が検知された旨の信号を送信部（本実施例ではエンコーダ４３、接触センサ、トルクセンサ又は力覚センサ４４が相当）が送信するが、受信部３８が該信号を受信したときにコンベヤ１８を停止させなくともよく、ロボット１４に関する異常等が解消されたら、再びロボット１４を通常動作に戻してもよい。このような処理により、ロボットシステムとしての生産効率を高めることができ、ロボットが複数台ある場合や、異常が生じたロボットを短時間で復旧できる場合等は特に有効である。但し、ロボット制御装置１２は任意に、受信部３８がロボット１４に関する異常や接触を検知した旨の信号を受信したときに、コンベヤ１８（搬送部２２）を停止させるための搬送停止指令を出力する搬送停止指令部４２をさらに備えてもよい。

またロボット制御装置１２は、作業者１９が各種の設定を行えるように、キーボードやタッチパネル等の適当な入力部（図示せず）を具備してもよい。また受信部３８、動作制御部４０及び搬送停止指令部４２等のロボット制御装置１２の構成要素は、例えば電算機のＣＰＵ（中央処理装置）等のプロセッサを機能させるためのソフトウェアとしても構成可能である。或いは例えば、当該ソフトウェアの処理の少なくとも一部を実行可能なプロセッサやメモリ等のハードウェアとして実現可能である。

搬送停止指令は、例えばコンベヤ１８を制御するコンベヤ制御装置４６に送られ、コンベヤ制御装置４６は、例えば演算処理装置（プロセッサ）及び記憶装置（メモリ）を有し、該搬送停止指令に基づいて搬送部２２の停止動作を実行する。但し搬送部２２の停止はロボットへの接触が検知された場合に限られず、例えばコンベヤ１８又はロボット１４に何らかの異常が生じた場合等、搬送部２２を安全確保等の理由から速やかに停止させるべき場合にも、搬送部２２の停止動作が開始され得る。なおコンベヤ制御装置４６（の機能）は、ロボット制御装置１２内に組み込むこともできる。

次に、図５−図７を参照して、受信部３８が上述の異常又は接触に関する信号を受信した後における、ロボットの動作制御について説明する。ロボット制御装置１２の動作制御部４０は、受信部３８がエンコーダ４３又はセンサ４４等から信号を受信したら、ロボットアーム３４がワーク１６に対して、予め定めた安全距離以上離れるようにロボット１４の動作を制御する。ここで「安全距離」とは、人間１９がロボットアーム３４とワーク１６との間に挟まれても負傷しない（つまり人間の安全が確保される）距離であり、例えば５００ｍｍ〜１ｍの距離に設定される。

図５は、ロボットアーム３４の動作方向の一例を示す。図５の例ではロボットアーム３４は、ロボット１４における異常又は接触が検知（信号が受信）されたとき（図５（ａ））に、搬送方向２０についてワーク１６より前方に位置しており、信号受信後はコンベヤ１８の搬送方向２０と同方向にかつ、コンベヤ１８より高速で移動する。従って図５（ｂ）に示すように、ロボットの可動部（ロボットアーム３４又はエンドエフェクタ３６）とワーク１６との間に少なくとも安全距離Ｄが確保され、人間の安全を確保することができる。なおコンベヤ１８（搬送部２２）は、ロボット１４における異常又は接触が検知された後も移動し続けてもよく、その場合ロボット１４は、ロボット可動部とワーク１６との間の最短距離が安全距離Ｄ以上となるように制御される。

なお本開示において「搬送方向についてロボットの可動部がワークより前方に位置する」とは、ロボットの可動部の位置（例えばツール先端点等の代表点）よりも搬送方向前方側にワークが存在せず、可動部を搬送方向に移動させればワークとの最短距離が拡大する状態を意味する。例えば、図５（ａ）に示した状態がこの状態に相当するが、これ以外にも、ワーク１６の搬送方向２０についての先端５０よりも可動部３４（エンドエフェクタ３６）が搬送方向前方に位置している場合もこの状態に該当する。

図６は、ロボットアーム３４の動作方向の他の例を示す。図６の例ではロボットアーム３４は、ロボット１４における異常又は接触が検知（信号が受信）されたとき（図６（ａ））に、搬送方向２０についてワーク１６より後方に位置しており、信号受信後はコンベヤ１８の搬送方向２０と反対方向に移動する。従って図６（ｂ）に示すように、ロボットの可動部（ロボットアーム３４又はエンドエフェクタ３６）とワーク１６との間に少なくとも安全距離Ｄが確保され、人間の安全を確保することができる。なおコンベヤ１８（搬送部２２）は、ロボット１４における異常又は接触が検知された後も移動し続けてもよく、その場合ロボット１４は、ロボット可動部とワーク１６との間の最短距離が安全距離Ｄ以上となった後は停止してもよい。或いは、ロボット１４における異常又は接触が検知された時点でロボットアーム３４とワーク１６との間の最短距離が安全距離Ｄ以上となっていたら、ロボット１４は即時停止してもよい。

なお本開示において「搬送方向についてロボットの可動部がワークより後方に位置する」とは、ロボットの可動部の位置（例えばツール先端点等の代表点）よりも搬送方向後方側にワークが存在せず、可動部を搬送方向と反対方向に移動させればワークとの最短距離が拡大する状態を意味する。例えば、図６（ａ）に示した状態がこの状態に相当するが、これ以外にも、ワーク１６の搬送方向２０についての後端５２よりも可動部３４（エンドエフェクタ３６）が搬送方向後方に位置している場合もこの状態に該当する。

図７は、ロボットアーム３４の動作方向の他の例を示し、ロボット１４及びコンベヤ１８を、コンベヤ１８の搬送方向に見た図である。つまり図７では、コンベヤ１８の搬送方向は、紙面に垂直な方向に相当する。図７の例では、ロボットアーム３４は、ロボット１４における異常又は接触が検知（信号が受信）されたとき（図７（ａ））に、搬送方向２０についてワーク１６の先端５０と後端５２の間に位置しており、このような場合、搬送方向２０について概ね垂直な方向に、ワーク１６から離れるように移動することができる。この場合も、図７（ｂ）に示すように、ロボットの可動部（ロボットアーム３４又はエンドエフェクタ３６）とワーク１６との間に少なくとも安全距離Ｄが確保され、人間の安全を確保することができる。なおコンベヤ１８（搬送部２２）は、ロボット１４における異常又は接触が検知された後も移動し続けてもよく、その場合ロボット１４は、ロボット可動部とワーク１６との間の最短距離が安全距離Ｄ以上となった後は停止してもよい。

なお図５−図７を用いて説明したロボットの動作は一例であり、これら以外にも、ロボットの可動部とワークとの間の最短距離が安全距離Ｄ以上となるのであれば、ロボットはどのような動作をしてもよい。なおこのようなロボットの動作は、ロボットの異常等が解消されたら、作業者の入力等によって解除することができ、その後、ロボットは通常の動作（所定の作業等）を行うように制御される。

従来、ロボットにおいて上述のような異常や接触が生じた場合、該ロボットを即時停止させるか、所定の退避位置（初期位置等）に向けて退避動作をさせるという処理を行うことが多かった。しかし協働ロボットシステムでは、ロボットを単純に即時停止させたり退避動作させたりすると、ロボットの可動部とワークとの距離が小さくなり、人間が該可動部とワークとの間に挟まれて負傷する虞がある。一般に、このような負傷は重傷に至る可能性があり、アームと人間の単純な衝突等よりも、優先的に回避しなければならない。

そこで本開示では、ロボットに関する異常や接触が生じた時点からは、通常とは異なるロボット動作の制御として、ロボットの可動部とワークとの間の最短距離が、予め定めた安全距離以上となるようにロボットを制御し、この安全距離は、挟まれによって人間が負傷しない距離として設定される。このような制御により、コンベヤ１８を停止させることなく、作業者の安全を確保することができる。従って本開示では例えば、ロボットに異常が生じた場合又は人間がロボットに接触した場合であっても、ロボットが作業者に部品を渡すような作業をしており、ワークとは十分に距離が離れている間は、ロボットに退避動作を行わせる必要性が低いので、ロボットに通常動作を続行させたり、ロボットを動かないように（静止状態に）維持したりする制御をすることもできる。この状態でワーク（コンベヤ）が動き続けて、ロボットとワークとの距離が短くなると、ロボットを退避させる必要が生じ得るが、その前に作業者がロボットを再起動できれば、不要な退避動作も回避できる。従って本開示では、人間がロボットとワークとの間に挟まれる可能性が高まったときにのみ、ロボットに退避動作を行わせることができる。

なお、ロボットに関する異常又は接触が検知された時点（信号受信時）から、ロボットの可動部がワークと安全距離以上離れるように移動すると、結果的にロボットの近くに居る人間にロボットの可動部が接近する（作業者に危険が及ぶ）可能性もある。このような場合は、予めロボットの可動部が移動するときの方向や、ロボットが多軸の場合は駆動させる軸と駆動させない軸とを定めておき、予め作業者（人間）に周知しておくことが好ましい。或いは又はこれに加え、信号受信時以降のロボットの動作速度をできるだけ低い値に設定しておくことも有効である。

１０ ロボットシステム
１２ ロボット制御装置
１４ ロボット
１６ ワーク
１８ コンベヤ
１９ 作業者
２０ 搬送方向
２２ 搬送部
２４ 位置検出部
２６ エンコーダ
３０ 赤外線センサ
３２ ベース部
３４ 可動部
３６ エンドエフェクタ
３８ 受信部
４０ 動作制御部
４２ 搬送停止指令部
４３ エンコーダ
４４ 力覚センサ
４６ コンベヤ制御装置

Claims (4)

1. 所定の搬送方向に移動する搬送部によって搬送されるワークに対して作業を行うとともに、前記搬送部とは異なる部位に設置されたロボットを制御するロボット制御装置であって、
   前記ロボットの異常又は前記ロボットに対する接触を検知した旨の信号を受信する受信部と、
   前記受信部が前記信号を受信した後は、前記ロボットの可動部と前記ワークとの間の最短距離が、予め定めた安全距離以上離れるように前記ロボットの動作を制御する動作制御部と、
   を備え、
   前記動作制御部は、
   前記可動部が前記ワークより前記搬送部の搬送方向について前方に位置しているときに前記受信部が前記信号を受信したときは、前記可動部が前記搬送方向と同方向にかつ、前記搬送部より高速で移動するように前記ロボットを制御し、
   前記可動部が前記ワークより前記搬送方向について後方に位置しているときに前記受信部が前記信号を受信したときは、前記可動部が前記搬送方向と反対方向に移動するように前記ロボットを制御する、
   ロボット制御装置。
2. 前記ロボットの異常を検知した旨の信号は、前記ロボットの各軸に設けられたエンコーダから出力される、請求項１に記載のロボット制御装置。
3. 前記ロボットに対する接触を検知した旨の信号は、前記ロボットに設けられた接触センサ、トルクセンサ又は力覚センサから出力される、請求項１又は２に記載のロボット制御装置。
4. 所定の搬送方向に移動する搬送部によって搬送されるワークに対して作業を行うとともに、前記搬送部とは異なる部位に設置されたロボットを制御するロボット制御方法であって、
   前記ロボットの異常又は前記ロボットに対する接触を検知した旨の信号を受信することと、
   前記信号を受信した後は、前記ロボットの可動部と前記ワークとの間の最短距離が、予め定めた安全距離以上離れるように前記ロボットの動作を制御することと、
   を含み、
   前記ロボットの動作を制御することは、
   前記可動部が前記ワークより前記搬送部の搬送方向について前方に位置しているときに前記信号を受信したときは、前記可動部が前記搬送方向と同方向にかつ、前記搬送部より高速で移動するように前記ロボットを制御し、
   前記可動部が前記ワークより前記搬送方向について後方に位置しているときに前記信号を受信したときは、前記可動部が前記搬送方向と反対方向に移動するように前記ロボットを制御することを含む、
   ロボット制御方法。

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