JP6985242B2

JP6985242B2 - ロボットの監視システムおよびロボットシステム

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Publication number: JP6985242B2
Application number: JP2018224753A
Authority: JP
Inventors: 昌宏森岡
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2018-11-30
Filing date: 2018-11-30
Publication date: 2021-12-22
Anticipated expiration: 2038-11-30
Also published as: US20200171662A1; CN111251291A; US11325259B2; DE102019131774A1; JP2020082318A

Description

本発明は、ロボットの監視システムおよびロボットシステムに関するものである。

ロボットと周辺の人との干渉を防止するために、ロボットの動作範囲の外側を全周にわたって安全柵によって取り囲み、安全柵の出入口に設けた扉に、扉の開閉を検出するセンサを配置することにより、動作範囲内への人の進入を防止することが一般に行われている。一方、人と協働して作業を行う協働ロボットの場合には、人が周囲に存在しない場合には高速に動作し、人が近接した場合には、動作速度を下げて、接触停止機能を有効にした安全モードに設定することにより、安全柵なしで運用することができる。

また、ロボットの上方に配置したカメラ、あるいは、ロボットの手首先端に取り付けられたレーザセンサによってロボットの周辺に位置する作業者を検出する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１７−９４４０９号公報

しかしながら、特許文献１のロボットの上方に配置したカメラは、ロボットの動作範囲全体を常時監視しているため、ロボットの動作状態に応じて、ロボットアームと人との距離が離れていても、カメラによる監視領域に人が進入した時点で、ロボットが停止または減速させられる。そのため、安全を確保しながら、人とロボットとが可能な限り近接して作業することができず、ロボットの稼働率を向上し難いという不都合がある。

また、ロボットの手首先端に取り付けられたレーザセンサによって作業者を検出する技術では、作業者を監視する監視領域を移動させることができるものの、手首の先端に取り付けるツールの姿勢に応じて監視領域が変動してしまうという不都合がある。すなわち、手首先端に取り付けたレーザセンサが向かっている方向とは逆方向にロボットを移動させる場合には、人とロボットとの近接状態を全く監視できないという不都合がある。

本発明は、人とロボットとが可能な限り近接して作業することを可能としつつ、ロボットの稼働率を向上することができるロボットの監視システムおよびロボットシステムを提供することを目的としている。

本発明の一態様は、被設置面に設置されるベースと、該ベースに対して移動可能に支持された可動部とを備えるロボットの監視システムであって、前記ロボットの周囲の物体の有無を監視するセンサと、前記ロボットの動作指令信号に基づいて前記センサの監視領域を制御する監視領域制御部とを備え、前記センサが、前記可動部の中心軸線を含む鉛直平面を挟んだ両側に前記監視領域を備えることにより、前記可動部の移動方向前方および移動方向後方を同時に監視し、前記監視領域制御部が、前記可動部の移動方向後方の前記監視領域を、前記可動部の移動方向前方の前記監視領域よりも小さくするロボットの監視システムである。

本態様によれば、センサの作動により、可動部の中心軸線を含む鉛直平面を挟んだ両側に監視領域が形成され、監視領域内に進入した物体がセンサにより検出される。センサの監視領域が、人との接触における危険源となる可動部の移動に追従して動くため、可動部が通過する可能性がある可動範囲全てをセンサが監視する場合と比較して、必要最小限の監視領域に絞ることができる。これにより、人は、監視領域に進入しない位置までロボットに近接することができ、進入してしまった場合にはロボットを停止または減速させることで、人とロボットとの干渉を回避することができる。

この場合において、被設置面に設置されたベースに対して可動部を移動させると、監視領域制御部が、ロボットの動作指令信号に基づいてセンサの監視領域を制御して、移動方向後方の監視領域を移動方向前方の監視領域よりも小さくする。これにより、人とロボットとが急速に近接する移動方向前方においては十分に広い監視領域を確保して、人とロボットとの干渉を回避し、人とロボットとが離れる移動方向後方においては、人とロボットとが可能な限り近接して作業することを可能として、ロボットの稼働率を向上することができる。

上記態様においては、前記センサが、前記可動部に取り付けられていてもよい。
この構成により、監視領域が可動部の動作とともに移動するので、監視領域制御部は、主として監視領域の大きさのみを制御すれば足り、制御を容易にすることができる。

また、上記態様においては、前記センサが、前記鉛直平面に対して一方向に前記監視領域を有する第１センサと、前記鉛直平面に対して他方向に前記監視領域を有する第２センサとを備えていてもよい。
この構成により、監視領域制御部が第１センサの監視領域および第２センサの監視領域を個別に制御すればよいので、制御を容易にすることができる。

また、本発明の他の態様は、被設置面に設置されるベースと、該ベースに対して移動可能に支持された可動部とを備えるロボットと、該ロボットを制御する制御装置と、前記ロボットの周囲の物体の有無を監視するセンサと、前記制御装置からの前記ロボットの動作指令信号に基づいて前記センサの監視領域を制御する監視領域制御部とを備え、前記センサが、前記可動部の中心軸線を含む鉛直平面を挟んだ両側に前記監視領域を備えることにより、前記可動部の移動方向前方および移動方向後方を同時に監視し、前記監視領域制御部が、前記可動部の移動方向後方の前記監視領域を、前記可動部の移動方向前方の前記監視領域よりも小さく制御し、前記制御装置が、前記センサによる前記物体の検出信号に基づいて、前記ロボットを停止または減速させる、または前記物体との接触を回避するように前記ロボットの動作を制御するロボットシステムである。

本態様によれば、センサの作動により、可動部の中心軸線を含む鉛直平面を挟んだ両側に監視領域が形成され、監視領域内に進入した物体がセンサにより検出される。これにより、人は、監視領域に進入しない位置までロボットに近接することができ、進入してしまった場合には、センサによる物体の検出信号に基づいて、制御装置がロボットを停止または減速させる、またはロボットと物体との接触を回避するようにロボットの動作を制御することで、人とロボットとの干渉を回避することができる。

この場合において、被設置面に設置されたベースに対して可動部を移動させると、監視領域制御部が、ロボットの動作指令信号に基づいてセンサの監視領域を制御して、移動方向後方の監視領域を移動方向前方の監視領域よりも小さくする。これにより、人とロボットとが急速に近接する移動方向前方においては十分に広い監視領域を確保して、人とロボットとの干渉を回避し、人とロボットとの離れる移動方向後方においては、人とロボットとが可能な限り近接して作業することを可能として、ロボットの稼働率を向上することができる。

上記態様においては、前記センサが、前記可動部に取り付けられていてもよい。
また、上記態様においては、前記可動部が、先端に手首ユニットを長手軸回りに回転可能に支持するアームを備え、前記センサが、前記アームに固定されていてもよい。
この構成により、センサは、長手軸回りに回転しないアームに取り付けられているので、手首の姿勢に関わらず、可動部の中心軸線を含む鉛直平面を挟んだ両側を監視し続けることができる。

また、上記態様においては、前記可動部が、先端に手首ユニットを長手軸回りに回転可能に支持するアームを備え、前記手首ユニットが、前記アームに対して前記長手軸回りに回転可能に支持された第１手首要素を備え、前記センサが、前記第１手首要素に、前記長手軸回りの周方向に間隔をあけて複数固定され、前記監視領域制御部が、前記第１手首要素の前記長手軸回りの回転角度に応じて、前記センサを切り替えてもよい。

この構成により、センサは、アームに対して長手軸回りに回転する第１手首要素に取り付けられているので、第１手首要素を長手軸回りに回転させると、センサの監視領域も長手軸回りに回転する。この場合には、監視領域制御部が、第１手首要素の長手軸回りの回転角度に応じてセンサを切り替えるので、可動部の中心軸線を含む鉛直平面を挟んだ両側に、常に適正な大きさの監視領域を配置することができる。

また、上記態様においては、前記監視領域が、前記可動部に近接する停止エリアと、該停止エリアよりも前記可動部から離れた位置に配置される減速エリアとを備え、前記センサが前記減速エリアにおいて前記物体を検出したときに、前記制御装置が、前記ロボットを減速させ、前記センサが前記停止エリアにおいて前記物体を検出したときに、前記制御装置が、前記ロボットを停止させてもよい。
この構成により、物体が監視領域に進入したときに、ロボットが即座に停止してしまうことを防止して、ロボットの稼働率を向上することができる。

本発明によれば、人とロボットとが可能な限り近接して作業することを可能としつつ、ロボットの稼働率を向上す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およびロボットの監視システムを示す全体構成図である。図１のロボットの監視システムにおけるセンサのロボットへの設置位置と監視領域を説明する模式図である。図１のロボットの監視システムにおけるロボットの第１軸が静止している状態のセンサの監視領域を示す平面図である。図１のロボットの監視システムにおけるロボットの第１軸が一方向に動作している状態のセンサの監視領域を示す平面図である。図２の監視領域の変形例を示す模式図である。図１のロボットの監視システムにおけるセンサの取り付け位置の変形例を示す側面図である。図１のロボットの監視システムにおけるセンサの取り付け位置の変形例を示す側面図である。図６または図７におけるセンサの監視領域の一例を示す平面図である。図１のロボットの監視システムにおけるロボットの変形例を示す側面図である。図９のロボットの第１手首要素に取り付けたセンサとその監視領域の一例を示す模式図である。図１０のロボットの第１手首要素を一方向に４５°回転させたときの監視領域の一例を示す模式図である。図１１のロボットの第１手首要素を一方向にさらに４５°回転させたときの監視領域の一例を示す模式図である。

本発明の一実施形態に係るロボット２の監視システム４およびロボットシステム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に示されるように、ロボット２と、ロボット２を制御する制御装置３と、ロボット２の監視システム４とを備えている。

ロボット２は、例えば、垂直多関節型ロボットである。ロボット２の種類は限定されるものではなく、他の任意の形式のロボットを採用してもよい。
ロボット２は、床面（被設置面）Ｆに設置されたベース２１と、鉛直な第１軸線Ａ回りにベース２１に対して回転可能に支持された旋回胴２２と、水平な第２軸線Ｂ回りに旋回胴２２に対して回転可能に支持された第１アーム（可動部）２３と、水平な第３軸線Ｃ回りに第１アーム２３に対して回転可能に支持された長手軸Ｄを有する第２アーム（可動部、アーム）２４と、該第２アーム２４の先端に支持された手首ユニット２５とを備えている。

ロボット２は、各軸を駆動するモータ（図示略）と、各軸の回転角度を検出するエンコーダ（図示略）とを備えている。
制御装置３は、予め教示された動作プログラムに従ってロボット２の各モータを駆動し、エンコーダにより検出された回転角度を用いて、ロボット２の各軸の角度および速度等を制御する。

ロボット２の監視システム４は、第２アーム２４に取り付けられたセンサ４１と、センサ４１を制御するセンサ制御部（監視領域制御部）４２とを備えている。
センサ４１は、例えば、平面に沿ってレーザ光を走査するレーザセンサであって、センサ４１を中心として放射状に広がる監視領域ＡＦを備え、レーザ光を遮る位置に配置された物体までの距離を計測することにより、物体が監視領域ＡＦに進入しているか否かを検出して、検出信号を制御装置３に出力する。

センサ４１は、図２に示されるように、第２アーム２４の下部に、第２アーム２４の長手軸Ｄを含む鉛直平面を挟んで両側に１つずつ配置されている。各センサ（第１センサおよび第２センサ）４１ａ，４１ｂは、図３に示されるように、鉛直平面近傍から鉛直平面に直交する平面に沿って半円状に広がる監視領域ＡＦを備えている。
各センサ４１ａ，４１ｂの監視領域ＡＦは、センサ４１ａ，４１ｂからの距離が近い位置に配置される停止エリアＡＦ１と、距離が遠い位置に配置される減速エリアＡＦ２とを備えている。

センサ制御部４２は、制御装置３とセンサ４１とに接続されている。センサ制御部４２は、制御装置３から出力されたロボット２の駆動指令信号、特に、ロボット２の第１軸の移動方向を示す駆動指令信号を受信して、センサ４１の監視領域ＡＦを制御する。
具体的には、ロボット２の第１軸が回転していない状態では、図３に示されるように、２つのセンサ４１ａ，４１ｂの監視領域ＡＦは均等であるが、ロボット２の第１軸が一方向に移動しているときには、図４に示されるように、移動方向前方に配置されるセンサ４１ａの監視領域ＡＦよりも移動方向後方に配置されるセンサ４１ｂの監視領域ＡＦを小さくする。

制御装置３は、センサ４１からの検出信号が入力されてきたときには、その検出信号の種類に応じて、ロボット２を制御する。すなわち、センサ４１から、減速エリアＡＦ２に物体が進入したことを検出する検出信号が入力されてきたときには、各軸の動作を減速させる、または、ロボット２と検出した物体との接触を回避するようにロボット２を制御する。また、センサ４１から、停止エリアＡＦ１に物体が進入したことを検出する検出信号が入力されてきたときには、各軸の動作を停止させるようロボット２を制御する。

このように構成された本実施形態に係るロボット２の監視システム４およびロボットシステム１の作用について以下に説明する。
本実施形態に係るロボット２の監視システム４およびロボットシステム１によれば、ロボット２の第２アーム２４に取り付けられたセンサ４１により、第２アーム２４の周囲に左右に延びる平面に沿って広がる監視領域ＡＦが形成されるので、監視領域ＡＦ内に物体が進入したことが検出されたときには、制御装置３がロボット２を停止または減速させることができる。これにより物体とロボット２との干渉を回避することができる。

この場合において、ベース２１に対して可動部である第１アーム２３および第２アーム２４を移動させると、第２アーム２４に取り付けられたセンサ４１も第２アーム２４とともに移動し、センサ制御部４２が、ロボット２の動作指令信号に基づいてセンサ４１の監視領域ＡＦを制御して、移動方向後方の監視領域ＡＦを移動方向前方の監視領域ＡＦよりも小さくする。この場合、移動方向後方の監視領域ＡＦが０、すなわち、移動方向後方の監視領域ＡＦが存在しない場合も含む。

これにより、物体とロボット２とが急速に近接する移動方向前方においては十分に広い監視領域ＡＦを確保して、物体とロボット２との干渉を回避することができる。一方、物体とロボット２とが離れる移動方向後方においては、物体とロボット２とが可能な限り近接することを可能として、ロボット２の無用な減速および停止を防止し、稼働率を向上することができるという利点がある。

また、本実施形態によれば、センサ４１が、物体との干渉の可能性が最も高い第２アーム２４に取り付けられているので、第２アーム２４の配置されている各位置において、第２アーム２４の周囲に確実に監視領域ＡＦを配置することができる。したがって、センサ制御部４２は、各センサ４１ａ，４１ｂの監視領域ＡＦの大きさを主として制御すれば足り、監視領域ＡＦの位置を制御する必要がないので、制御を容易に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、レーザ光を平面に沿って走査する走査型のセンサ４１ａ，４１ｂを例示したが、図５に示されるように、レーザ光を３次元的に走査して、立体的な監視領域を有していてもよいし、レーザセンサに代えて、３次元的に距離を検出可能な距離センサあるいはビジョンセンサ等を採用してもよい。

また、センサ制御部４２による各センサ４１ａ，４１ｂの監視領域ＡＦの制御は、移動方向前方か、移動方向後方かによって大小２種類の監視領域ＡＦを切り替えてもよい。また、センサ制御部４２が、ロボット２の第１軸の移動方向を示す駆動指令信号に応じて各センサ４１ａ，４１ｂの監視領域ＡＦを制御することとしたが、第１軸の移動速度に応じて、段階的に、あるいは、連続的に、監視領域ＡＦの大きさ、例えば、半径を制御することにしてもよい。すなわち、移動速度が大きいほど、移動方向前方の監視領域ＡＦを大きく、かつまたは、移動方向後方の監視領域ＡＦを小さくすることにしてもよい。

また、第２アーム２４の長手軸Ｄを含む鉛直平面を挟んで両側に配置される監視領域ＡＦを別々のセンサ４１ａ，４１ｂによって形成することとしたが、これに代えて、単一のセンサによって鉛直平面の両側の監視領域ＡＦを形成することにしてもよい。
また、センサ４１を第２アーム２４に取り付けることとしたが、これに代えて、図６に示されるように第１アーム２３に取り付けてもよいし、図７に示されるように旋回胴２２に取り付けてもよい。この場合に、図８に示されるように、移動方向前方と移動方向後方の監視範囲は角度範囲を変更することにより大きさを異ならせればよい。

また、センサ４１は、ベース２１あるいはロボット２の上方に固定して配置されていてもよい。この場合には、ロボット２の動作によって監視領域ＡＦが自動的に移動しないので、ロボット２の動作に合わせて、監視領域ＡＦの大きさのみならず位置についても制御すればよい。

また、本実施形態においては、図９に示されるように、手首ユニット２５が、第２アーム２４に対して長手軸Ｄ回りに回転可能な筒状の第１手首要素２６を備え、センサ４１が第１手首要素２６に取り付けられていてもよい。
この場合には、第１手首要素２６の回転とともにセンサ４１の監視領域ＡＦも回転するので、図１０に示されるように、第１手首要素２６に長手軸回りの周方向に間隔をあけて複数、例えば、４個のセンサ４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄを配置することが好ましい。

そして、センサ制御部４２が、各センサ４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄの監視領域ＡＦの大きさを制御することに加えて、第１手首要素２６の回転角度に応じて使用するセンサ４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄを切り替えることにしてもよい。
すなわち、図１０に示されるように、第１手首要素２６が原点位置に配置されている状態では、第１手首要素２６を挟んで水平方向の両側に配置されている２つのセンサ４１ａ，４１ｃを作動させ、図１１に示されるように、第１手首要素２６が長手軸回りに一方向に４５°だけ回転した時点で、斜め下方に監視領域ＡＦを配置する２つのセンサ４１ｂ，４１ｃを作動させる。図１２に示されるように、第１手首要素２６がさらに４５°回転した時点で、第１手首要素２６を挟んで水平方向の両側に配置されている２つのセンサ４１ａ，４１ｃを作動させる。

このように、第１手首要素２６の回転に伴って各センサ４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄの位置が変化するので、その都度、長手軸Ｄを含む鉛直平面に対して移動方向前方に配置されているセンサ４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄであるのか、移動方向後方に配置されているセンサ４１ａ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄであるのかによって、センサ制御部４２が作動しているセンサ４１を制御して、移動方向後方に配置されているセンサ４１の監視領域ＡＦを移動方向前方に配置されているセンサ４１の監視領域Ｆよりも小さくする。

１ロボットシステム
２ロボット
３制御装置
４監視システム
２１ベース
２３第１アーム（可動部）
２４第２アーム（可動部、アーム）
２５手首ユニット
２６第１手首要素
４１センサ
４２センサ制御部（監視領域制御部）
４１ａ第１センサ
４１ｂ第２センサ
ＡＦ監視領域
ＡＦ１停止エリア
ＡＦ２減速エリア
Ｄ長手軸
Ｆ床面（被設置面）

Claims

被設置面に設置されるベースと、該ベースに対して移動可能に支持された可動部とを備えるロボットの監視システムであって、
前記ロボットの周囲の物体の有無を監視するセンサと、
前記ロボットの動作指令信号に基づいて前記センサの監視領域を制御する監視領域制御部とを備え、
前記センサが、前記可動部の中心軸線を含む鉛直平面を挟んだ両側に前記監視領域を備えることにより、前記可動部の移動方向前方および移動方向後方を同時に監視し、
前記監視領域制御部が、前記可動部の移動方向後方の前記監視領域を、前記可動部の移動方向前方の前記監視領域よりも小さくするロボットの監視システム。
前記センサが、前記可動部に取り付けられている請求項１に記載のロボットの監視システム。
前記センサが、前記鉛直平面に対して一方向に前記監視領域を有する第１センサと、前記鉛直平面に対して他方向に前記監視領域を有する第２センサとを備える請求項２に記載のロボットの監視システム。
被設置面に設置されるベースと、該ベースに対して移動可能に支持された可動部とを備えるロボットと、
該ロボットを制御する制御装置と、
前記ロボットの周囲の物体の有無を監視するセンサと、
前記制御装置からの前記ロボットの動作指令信号に基づいて前記センサの監視領域を制御する監視領域制御部とを備え、
前記センサが、前記可動部の中心軸線を含む鉛直平面を挟んだ両側に前記監視領域を備えることにより、前記可動部の移動方向前方および移動方向後方を同時に監視し、
前記監視領域制御部が、前記可動部の移動方向後方の前記監視領域を、前記可動部の移動方向前方の前記監視領域よりも小さく制御し、
前記制御装置が、前記センサによる前記物体の検出信号に基づいて、前記ロボットを停止または減速させる、または前記物体との接触を回避するように前記ロボットの動作を制御するロボットシステム。
前記センサが、前記可動部に取り付けられている請求項４に記載のロボットシステム。
前記可動部が、先端に手首ユニットを長手軸回りに回転可能に支持するアームを備え、
前記センサが、前記アームに固定されている請求項５に記載のロボットシステム。
前記可動部が、先端に手首ユニットを長手軸回りに回転可能に支持するアームを備え、
前記手首ユニットが、前記アームに対して前記長手軸回りに回転可能に支持された第１手首要素を備え、
前記センサが、前記第１手首要素に、前記長手軸回りの周方向に間隔をあけて複数固定され、
前記監視領域制御部が、前記第１手首要素の前記長手軸回りの回転角度に応じて、前記センサを切り替える請求項５に記載のロボットシステム。
前記監視領域が、前記可動部に近接する停止エリアと、該停止エリアよりも前記可動部から離れた位置に配置される減速エリアとを備え、
前記センサが前記減速エリアにおいて前記物体を検出したときに、前記制御装置が、前記ロボットを減速させ、
前記センサが前記停止エリアにおいて前記物体を検出したときに、前記制御装置が、前記ロボットを停止させる請求項５から請求項７のいずれかに記載のロボットシステム。