JP6997068B2 - ロボット制御装置、ロボット制御システム、及びロボット制御方法 - Google Patents

ロボット制御装置、ロボット制御システム、及びロボット制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、ロボットを制御するための、ロボット制御装置、ロボット制御システム、及びロボット制御方法に関し、特に、作業者と作業領域を共有して動作するロボットを制御するための、ロボット制御装置、ロボット制御システム、及びロボット制御方法に関する。
従来、産業用ロボット等の分野において、生産や組立の効率化を図るために、ロボットと作業者とが、作業領域を共有して作業を行うことがある。
この場合に、ロボットと作業者との干渉が発生して、ロボットと作業者とが作業領域にて接触してしまうことは望ましくない。このような干渉の発生を防止するための技術が知られている(例えば特許文献1を参照)。
特許文献1には、「予め作業内容が設定された一つ以上の作業工程を行う作業者と作業領域を共有して動作するロボットを制御するロボット制御装置であって、前記ロボットの位置及び姿勢であるロボット制御状態を計測するロボット制御状態計測部と、前記作業工程の開始から終了までの作業者の作業動作で、前記作業者の身体が占有する空間を包含した領域を作業工程毎に記憶し、前記作業者が現在行っている前記作業工程を指定する作業工程指定信号に基づき、前記作業者の現在の作業工程に対応した作業領域を設定する作業領域設定部と、前記作業領域及び前記ロボット制御状態をもとに前記ロボットへの動作指令を生成するロボット指令生成部とを備え、前記ロボット指令生成部は、前記ロボットが前記作業領域内に存在するか否かによって、前記ロボットへの動作指令を変更することを特徴とするロボット制御装置」が記載されている。
国際公開第2017/203937号パンフレット
ロボットと作業者とが、作業領域を共有して作業を行う場合に、作業者は作業動作とは関係のない動作、例えば、不意に腕を伸ばしたりする動作を行う場合があり、このような場合も考慮して、ロボットと作業者との間の干渉の発生を防止するための技術が望まれる。
(1) 本開示の一態様のロボット制御装置(例えば、後述のロボット制御装置100)は、作業者と作業領域を共有して動作するロボットを制御するロボット制御装置であって、
前記作業者の位置情報と身体情報とに基づいて前記作業者の到達範囲を求め、前記ロボットの位置情報と形状情報、及び前記到達範囲とに基づいて、前記到達範囲と前記ロボットとの間隔を求める間隔推定部(例えば、後述の間隔推定部102)と、
前記間隔に基づいて、前記ロボットと前記作業者との干渉確率を求める干渉確率計算部(例えば、後述の干渉確率計算部103)と、
前記干渉確率に基づいて前記ロボットの動作を制御する動作制御部(例えば、後述の動作制御部104)と、
を備えたロボット制御装置である。
(2) 上記(1)に記載のロボット制御装置において、前記動作制御部は、記干渉確率に基づいて前記ロボットのアームの速度を決定してもよい。
(3) 上記(2)に記載のロボット制御装置において、前記動作制御部は、前記ロボットの前記アームの移動方向によって前記ロボットのアームの速度を決定してもよい。
(4) 上記(1)から(3)のいずれかに記載のロボット制御装置において、前記作業者及び前記ロボットにそれぞれバーコード又はQRコード(登録商標)(例えば、後述のQRコード420、210)が取り付けられ、
前記作業者に取り付けられたバーコード又はQRコードには作業者ID及び前記作業者の体格を示す情報が含まれ、前記ロボットに取り付けられたバーコード又はQRコードには前記ロボットID及びロボットサイズを示す情報が含まれてもよい。
(5) 本開示の一態様のロボット制御システムは、上記(1)から(4)のいずれかに記載のロボット制御装置と、該ロボット制御装置によって制御されるロボットと、作業者及び前記ロボットを撮像するカメラと、を備えたロボット制御システムである。
(6) 本開示の一態様のロボット制御方法は、作業者と作業領域を共有して動作するロボットを制御するロボット制御装置(例えば、後述のロボット制御装置100)のロボット制御方法であって、
前記作業者の位置情報と身体情報とに基づいて前記作業者の到達範囲を求め、前記ロボットの位置情報と形状情報、及び前記到達範囲とに基づいて、前記到達範囲と前記ロボットとの間隔を求め、前記間隔に基づいて、前記ロボットと前記作業者との干渉確率を求め、 前記干渉確率に
本開示の一態様によれば、作業者が作業動作とは関係のない動作を行っても、作業者とロボットとの干渉が発生しないようにロボットを動作させることができる。
本発明の一実施形態のロボット制御システムの全体の構成を示す模式図である。 本発明の実施形態におけるロボット制御装置の機能ブロックを示す図である。 作業者とロボットとの位置関係及び間隔を示す図である。 ロボット制御装置の動作を示すフローチャートである。 ロボット制御システムを用いた作業工程の例を示す図である。
<実施形態全体の構成>
まず、図1を参照して、本実施形態であるロボット制御システム10の全体の構成について説明する。図1に示すようにロボット制御システム10は、ロボット制御装置100、ロボット200及びカメラ300を備える。また、図中には、作業者400、作業台501が示されている。作業者400は、QRコード(登録商標)420が頭上部に取り付けられた作業用帽子(保護帽ともいう)410を被っている。
ロボット制御装置100とロボット200は相互に通信可能に接続されている。また、ロボット制御装置100とカメラ300も相互に通信可能に接続されている。これらの接続は、信号線を介した有線接続であってもよく、無線接続であってもよい。また、例えば、LAN(Local Area Network)又はインターネット等のネットワークを介した接続であってもよい。
ロボット制御装置100、ロボット200及びカメラ300は、かかる接続によって相互に通信を行う。
ロボット制御装置100は、ロボット200の動作を制御するための装置である。ロボット制御装置100はロボット200の動作を制御するための種々の機能ブロックを備えている。この機能ブロックの詳細については図4を参照して後述する。ロボット制御装置100は、一般的なロボット制御装置(ロボットコントローラ)に、本実施形態特有の機能を追加することにより実現することができる。
ロボット200は、ロボット制御装置100の制御に基づいて動作するロボットである。ロボット200は、ロボット制御装置100の制御に基づいて動作するアーム、及びエンドエフェクタ(例えば、ワークを把持するためのグリッパ)等の可動部を備える。ロボット制御装置100のエンドエフェクタの先端にはQRコード(登録商標)210が設けられている。ロボット200は、例えば、自動車、家電製品又は電子部品を生産する工場で使用されるような、一般的な産業用ロボットである。
カメラ300は、作業台501周辺の作業者及びロボットを撮像するカメラである。カメラ300は、ロボット200及び作業者400が作業台501周辺にいるときに、ロボット200のエンドエフェクタの先端に設けられたQRコード210、及び作業用帽子410の頭上部に取り付けられたQRコード420を撮像できるように、例えば天上に設置される。カメラ300が撮像した撮像データは、ロボット制御装置100に対して出力される。なお、ここでは、カメラ300が1台の場合を説明しているが、カメラは複数台設けてもよい。
QRコード210は、ロボットID(例えば、ロボット識別番号),ロボットサイズ等の情報を含んでいる。ロボットサイズの情報には、アームとエンドファクタの長さ、アームとエンドファクタの直径等の情報が含まれている。
QRコード420は、作業者ID(例えば、作業者識別番号)、その作業者の体格等の情報を含んでいる。作業者の体格の情報には肩幅及び左右の腕の長さが含まれており、この情報を用いて両腕を広げたときの長さを算出することができる。QRコード420は、体格の情報として、両腕を広げたときの長さを含んでいてもよい。
QRコード210及びQRコード420は、バーコードであってもよい。
図2は本発明の実施形態におけるロボット制御装置の機能ブロックを示す図である。
図2に示すように、ロボット制御装置100は、情報取得部101、間隔推定部102、干渉確率計算部103、及び動作制御部104を有する。
情報取得部101は、カメラ300から、QRコード(登録商標)210とQRコード420を含む撮像データを取得し、間隔推定部102に送る。
間隔推定部102は、撮像データを用いて、ロボット200と作業者400の到達範囲との間隔dを求める。間隔は次の手順(1)~(4)によって求めることができる。
(1)間隔推定部102は、ロボット200のエンドエフェクタの先端位置と作業者400の作業用帽子の頭上部の位置を、カメラ300の撮像領域に対する4角形状のQRコード210とQRコード420の位置を検出することで求める。
(2)間隔推定部102は、QRコード420に記載された、作業者400の身体情報、例えば肩幅及び左右の腕の長さを読み取り、作業者400が両腕を広げたときの長さを算出する。そして、間隔推定部102は、QRコード420の位置と、作業者400が両腕を広げたときの長さとに基づいて、図3に示す、作業者400の到達範囲Aを求める。ここでは作業者のQRコード420の位置を中心として作業者400が両腕を広げたときの円形の範囲を到達範囲としたが、作業者400が前屈みで手を伸ばした場合を考慮して、作業者400が両腕を広げたときの範囲よりも更に広い範囲を到達範囲としてもよい。なお、作業者400が作業を行う場合は、通常、背面側に手を伸ばす可能性は低いため、到達範囲を作業者の正面側(胸側)の半円の範囲としてもよい。
(3)間隔推定部102は、QRコード210に記載された、ロボットの形状情報、例えば、アームとエンドファクタの長さ、及びアームとエンドファクタの直径等を読み取り、読み取った情報と、QRコード210の位置とから、アームとエンドファクタの作業者400に最も近い側面を通る直線Lを求める。
(4)間隔推定部102は、図3に示すように、求めた直線Lと手の到達範囲Aとの間隔dを求める。この間隔dは、到達範囲とロボットとの間隔となる。
間隔推定部102は、求めた間隔dを干渉確率計算部103へ送る。
干渉確率計算部103は、間隔dを用いて、ロボット200と作業者400との干渉確率を算出する。ここで、干渉確率は作業者の到達範囲とロボット200のアームとの重なり具合とし、以下のように計算する。
干渉確率計算部103は、作業者400の体格より決まる円形の到達範囲とロボット200のアームとの間隔dが、閾値Thよりも大きい場合に、干渉確率を0%とする。干渉確率計算部103は、間隔dが閾値Thよりも小さいが、0よりも大きい場合に、干渉確率を50%とする。干渉確率計算部103は、間隔dが0以下(重なる)場合に、干渉確率を100%とする。
干渉確率計算部103は、計算した干渉確率を動作制御部104に送る。
動作制御部104は、制御プログラムに基づいてロボット200のアーム及びエンドファクタの動作を制御する。動作制御部104は、干渉確率が0%の場合は、ロボット200のアームを制御プログラムで設定される速度(通常速度)で動作するように制御する。動作制御部104は、干渉確率が100%の場合は、ロボット200のアームを停止するように制御する。動作制御部104は、干渉確率が50%の場合は、ロボット200のアームを例えば通常速度の20%程度の速度で動作するように制御する。
ここでは、干渉確率を3段階に分けたが、間隔dが閾値Thよりも小さいが、0よりも大きい場合に、間隔dの値によって、干渉確率を複数、例えば10%、30%、50%、70%のように設定してもよい。これら干渉確率の値によってアームの速度を段階的に制御する。
なお、動作制御部104は、ロボット200と作業者400との干渉確率が100%の場合は干渉確率が50%以下のところまで動作してロボット200のアームを停止させ、作業者との干渉が回避されたらロボット200のアームを元の位置に戻すように制御することが好ましい。
動作制御部104は、制御プログラムにより制御されるアームの移動方向によってアームの速度を制御する。例えば、干渉確率が100%の場合に、アームが作業者400に近づく場合には、動作制御部104は、ロボット200のアームを停止するように制御するが、アームが作業者400から遠ざかる場合には、動作制御部104は、ロボット200のアームを通常速度で動作するように制御する。
ロボット200のアームの移動方向は、制御プログラムによって求めることができるが、間隔dの変動を求めて大きくなる方向にあるのか小さくなる方向にあるのかにより求めてもよい。
上記ロボット制御装置100の動作を図4のフローチャートを参照して説明する。ここでは、ロボット200のアームは作業者400に近づくように移動するとして説明を行う。
ステップS11において、情報取得部101は、カメラ300からQRコード(登録商標)210とQRコード420とを含む撮像データを取得する。
ステップS12において、間隔推定部102は、撮像データを用いて、ロボット200と作業者400の到達範囲との間隔dを求める。
ステップS13において、干渉確率計算部103は、間隔dに基づいて干渉確率を求める。次にステップS14において干渉確率の値を判断する。干渉確率が0%の場合は、ステップS15において、動作制御部104はロボット200を通常速度で動作するように制御する。干渉確率が50%の場合は、ステップS16において、動作制御部104はロボット200を通常の20%程度の速度で動作するように制御する。干渉確率が100%の場合は、ステップS17において、動作制御部104はロボット200が停止するように制御する。
ステップS18において、動作制御部104は制御プログラムが終了かどうかを判断し、終了でない場合には、ステップS11に戻る。動作制御部104は制御プログラムが終了する場合は処理を終了する。
以上のロボット制御装置100の動作によって、作業者400とロボット200との干渉の発生を防止することができる。すなわち、作業者400が作業台501で作業をしているときに、ロボット200のアームが作業台501に侵入してしまうことを防止することができる。
以上の説明は、作業者400とロボット200との干渉を防止する例についてであったが、作業者400以外の者、例えば管理者がQRコードを頭上部に取り付けた作業用帽子を被ってロボット200に近づいた場合についても同様に適用できる。
以上、ロボット制御装置100に含まれる機能ブロック及び動作について説明した。
ロボット制御装置100の機能ブロックを実現するために、ロボット制御装置100は、CPU(Central Processing Unit)等の演算処理装置を備える。また、ロボット制御装置100は、アプリケーションソフトウェアやOS(Operating System)等の各種の制御用プログラムを格納したHDD(Hard Disk Drive)等の補助記憶装置や、演算処理装置がプログラムを実行する上で一時的に必要とされるデータを格納するためのRAM(Random Access Memory)といった主記憶装置も備える。
そして、ロボット制御装置100において、演算処理装置が補助記憶装置からアプリケーションソフトウェアやOSを読み込み、読み込んだアプリケーションソフトウェアやOSを主記憶装置に展開させながら、これらのアプリケーションソフトウェアやOSに基づいた演算処理を行なう。また、この演算結果に基づいて、各装置が備える各種のハードウェアを制御する。これにより、本実施形態の機能ブロックは実現される。つまり、本実施形態は、ハードウェアとソフトウェアが協働することにより実現することができる。
<作業工程の例>
ロボット制御システム10を用いた作業工程の例について図5を用いて説明する。ロボット200は作業台502上にあった仕掛品601を、アームを用いて作業台501上に運び、その後、作業台502上の次の仕掛品602を運ぶために作業台502側にアームを移動する。このとき作業者400は作業台503に向かっており、作業台501近傍にはいないものとする。作業者400は作業台503から作業台501に移動し、作業台501に置かれた仕掛品601に2つの部品を取り付けて、次の作業台503に移す。そして、作業者400は作業台503で2つの部品を取り付けた仕掛品601に対して検査装置を用いて検査を行う。作業者400が作業台503で検査を行っている間に、ロボット200は作業台502上にあった仕掛品602を、アームを用いて作業台501上に運ぶ。
以上の作業工程において、ロボット200が仕掛品601を、作業台501上に運ぶときに、作業者400は作業台501近傍にいないので、ロボット200と作業者400との干渉確率は0%である。ロボット200のアームが仕掛品601を作業台501に置いて、アームが作業台502側に移動すると、作業者400が作業台501近傍にいても干渉確率は0%となる。
しかし、ロボット200が作業台502上にあった仕掛品602を、アームを用いて作業台501上に運ぼうとしているときに、作業者400が作業台501で仕掛品601に2つの部品を取り付けていると、作業者400とロボット200との干渉が発生する可能性がある。
ロボット制御装置100は、干渉確率が50%になったときにロボット200のアームの速度を通常速度の20%に減速し、ロボット200のアームを間隔dが0となって干渉確率が100%となったとき、又は干渉確率が100%になる前に停止することで干渉を防止する。
その後、作業者400が、2つの部品が取り付けられた仕掛品601(製品)を作業台503に移すために移動すると、ロボット制御装置100は、干渉確率は0%となったときに、ロボット200が仕掛品602を作業台501上に運ぶように制御する。
このように、本実施形態のロボット制御装置100は、ロボット200と作業者400との干渉を回避するために、ロボット200と作業者400との間の干渉確率を算出してロボット200を制御する。
なお、上記のロボット制御装置は、ハードウェア、ソフトウェア又はこれらの組み合わせにより実現することができる。また、上記のロボット制御システムに含まれる各装置のそれぞれが協働することにより行なわれるロボット制御方法も、ハードウェア、ソフトウェア又はこれらの組み合わせにより実現することができる。ここで、ソフトウェアによって実現されるとは、コンピュータがプログラムを読み込んで実行することにより実現されることを意味する。
プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体(non-transitory computer readable medium)を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体(tangible storage medium)を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体(例えば、フレキシブルディスク、ハードディスクドライブ)、光磁気記録媒体(例えば、光磁気ディスク)、CD-ROM(Read Only Memory)、CD-R、CD-R/W、半導体メモリ(例えば、マスクROM、PROM(Programmable ROM)、EPROM(Erasable PROM)、フラッシュROM、RAM(random access memory))を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体(transitory computer readable medium)によってコンピュータに供給されてもよい。
また、上述した実施形態は、本発明の好適な実施形態ではあるが、上記実施形態のみに本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更を施した形態での実施が可能である。例えば、変形例として以下に記載するような変更を施すことが可能である。
<変形例1>
上述した実施形態では、カメラ300が撮像した、QRコード(登録商標)210とQRコード420とを含む撮像データ撮像データに基づいて、ロボット制御装置100がロボット200の動作を制御している。QRコード420は、作業者ID、その作業者の体格等の情報を含み、QRコード210は、ロボットID,ロボットサイズ等の情報を含んでいる。これを変形して、QRコード420は作業者IDのみを含み、QRコード210は、ロボットIDのみを含むようにしてもよい。この場合、間隔推定部102は予め、作業者IDと対応づけて作業者の体格等の情報を記録し、ロボットIDと対応づけてロボットサイズ等の情報を記録しておく。このようにすれば、間隔推定部102は間隔dを求めることができる。
<変形例2>
上述した実施形態では、ロボット制御装置100とロボット200を別体の装置により実現することを想定している。これを変形して、ロボット制御装置100とロボット200を同一の装置により実現するようにしてもよい。あるいは、ロボット制御装置100の機能ブロックの一部又は全部をロボット200と同一の装置により実現するようにしてもよい。
<変形例3>
上述した実施形態では、ロボット200と作業者400が1対1の関係である場合を想定している。これを変形して、ロボット200と作業者400が1対複数、複数対1又は複数対複数の関係である場合に本実施形態を適用するようにしてもよい。
10 ロボット制御システム
100 ロボット制御装置
101 情報取得部
102 間隔推定部
103 干渉確率計算部
104 動作制御部
15 動作計画作成部
200 ロボット
300 カメラ
400 作業者
501、502、503 作業台

Claims (5)

  1. 作業者と作業領域を共有して動作するロボットを制御するロボット制御装置であって、
    前記作業者の位置情報と身体情報とに基づいて前記作業者の到達範囲を求め、前記ロボットの位置情報と形状情報、及び前記到達範囲とに基づいて、前記到達範囲と前記ロボットとの間隔を求める間隔推定部と、
    前記間隔に基づいて、前記ロボットと前記作業者との干渉確率を求める干渉確率計算部と、
    前記干渉確率に基づいて前記ロボットの動作を制御する動作制御部と、
    を備え
    前記作業者に第1のバーコード又は第1のQRコードが取り付けられ、前記ロボットに第2のバーコード又は第2のQRコードが取り付けられ、
    前記第1のバーコード又は前記第1のQRコードには、作業者ID、又は該作業者ID及び前記身体情報が含まれ、前記第2のバーコード又は前記第2のQRコードには、ロボットID、又は該ロボットID及び前記形状情報が含まれ、
    前記間隔推定部は、
    前記第1のバーコード又は前記第1のQRコードの位置と、前記第1のバーコード若しくは前記第1のQRコードに記載された前記身体情報、又は前記作業者IDを用いて得られた前記身体情報と、に基づいて前記作業者の到達範囲を求め、
    前記到達範囲と、前記第2のバーコード又は前記第2のQRコードの位置と、前記第2のバーコード若しくは前記第2のQRコードに記載された前記形状情報、又は前記ロボットIDを用いて得られた前記形状情報と、に基づいて前記到達範囲と前記ロボットとの前記間隔を求める、ロボット制御装置。
  2. 前記動作制御部は、記干渉確率に基づいて前記ロボットのアームの速度を決定する請求項1に記載のロボット制御装置。
  3. 前記動作制御部は、前記ロボットの前記アームの移動方向によって前記ロボットのアームの速度を決定する請求項2に記載のロボット制御装置。
  4. 請求項1からのいずれか1項に記載のロボット制御装置と、
    該ロボット制御装置によって制御されるロボットと、
    作業者及び前記ロボットを撮像するカメラと、
    を備えたロボット制御システム。
  5. 作業者と作業領域を共有して動作するロボットを制御するロボット制御装置のロボット制御方法であって、
    前記作業者の位置情報と身体情報とに基づいて前記作業者の到達範囲を求め、前記ロボットの位置情報と形状情報、及び前記到達範囲とに基づいて、前記到達範囲と前記ロボットとの間隔を求め、
    前記間隔に基づいて、前記ロボットと前記作業者との干渉確率を求め、
    前記干渉確率に基づいて前記ロボットの動作を制御
    前記作業者に第1のバーコード又は第1のQRコードが取り付けられ、前記ロボットに第2のバーコード又は第2のQRコードが取り付けられ、
    前記第1のバーコード又は前記第1のQRコードには、作業者ID、又は該作業者ID及び前記身体情報が含まれ、前記第2のバーコード又は前記第2のQRコードには、ロボットID、又は該ロボットID及び前記形状情報が含まれ、
    前記到達範囲は、前記第1のバーコード又は前記第1のQRコードの位置と、前記第1のバーコード若しくは前記第1のQRコードに記載された前記身体情報、又は前記作業者IDを用いて得られた前記身体情報と、に基づいて求められ、
    前記間隔は、前記到達範囲と、前記第2のバーコード又は前記第2のQRコードの位置と、前記第2のバーコード若しくは前記第2のQRコードに記載された前記形状情報、又は前記ロボットIDを用いて得られた前記形状情報と、に基づいて求められる、ロボット制御方法。
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