JPWO2018131237A1 - Collaborative robot system and control method thereof - Google Patents
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Abstract
本発明は、従来に比べてより高速に作業動作あるいは運動動作が可能な協働ロボットシステム、及びその制御方法を提供する。ロボットアーム(1)を備え、該ロボットアームに作業者が接近可能な協働ロボットシステムにおいて、ロボットアームに取り付けられロボットアームへの作業者の接近を検知する複数の近接センサ(2)と、ロボットアームの作業手順に従い作業者検知に用いる近接センサを複数の近接センサから選択するアーム制御部(5)とを備えた。The present invention provides a collaborative robot system that can perform a work operation or a movement operation at a higher speed than the conventional one, and a control method thereof. In a collaborative robot system that includes a robot arm (1) and allows an operator to approach the robot arm, a plurality of proximity sensors (2) that are attached to the robot arm and detect the approach of the operator to the robot arm; And an arm control unit (5) for selecting a proximity sensor used for worker detection from a plurality of proximity sensors according to the work procedure of the arm.
Description
本発明は、ロボットアームと作業者とが同じ作業空間で作業を行う協働ロボットシステムに関し、また、該協働ロボットシステムの制御方法に関する。 The present invention relates to a collaborative robot system in which a robot arm and a worker perform work in the same work space, and to a control method for the collaborative robot system.
ロボットアームと作業者とが協働する場合、従来、作業者の安全確保は、光カーテンあるいは物理的に構成された安全柵を用いて、ロボットアームと作業者との作業範囲を分割することで達成していた。
近年、作業効率向上のため、ロボットアームと作業者とを接近させて協働作業することが主流になりつつある。この場合における作業者の安全確保として、ロボットアーム自体に近接センサを設けて、作業者の接近を検知する方式が考案されている。When the robot arm and the worker collaborate, conventionally, the safety of the worker is divided by dividing the work range between the robot arm and the worker using a light curtain or a physically configured safety fence. It was achieved.
In recent years, in order to improve work efficiency, it is becoming mainstream to make a robot arm and a worker approach each other and collaborate. In order to ensure the safety of the worker in this case, a method has been devised in which a proximity sensor is provided on the robot arm itself to detect the approach of the worker.
この方式では、ロボットアームを広範囲にカバーする1つ以上の近接センサを有しており、ロボットアームの作動経路内における作業者等の障害物を検知する。そしてロボットアームと作業者等との干渉の危険を検知した場合には、直ちにロボットアームの動作を停止するか、あるいは作業者等を回避するようにロボットアームの作動経路を変更する(特許文献1参照)。 This system has one or more proximity sensors that cover the robot arm in a wide range, and detects obstacles such as an operator in the operation path of the robot arm. When the danger of interference between the robot arm and the worker is detected, the operation of the robot arm is immediately stopped or the operation path of the robot arm is changed so as to avoid the worker or the like (Patent Document 1). reference).
特許文献1では、ロボットにおけるマニピュレータの各リンク及び周囲物体に対して、それぞれの外形が包絡する球体を設定し、マニピュレータの動作に伴う各球体の中心間距離の計算のみで干渉判断を行っている。これにより演算処理の簡易化及び迅速化を図っている。
一方、近接センサによる作業者検知に応じて、ロボットアームの作動経路変更あるいは運動停止を行うため、複数の近接センサは、常時作動して作業者の検知を行う必要がある。よって近接センサの数が増加すると、作業者検知用の処理待ち時間が増加し、ロボットアームの運動速度あるいは作業速度が低下するという問題があった。In
On the other hand, since the operation path of the robot arm is changed or the movement is stopped according to the worker detection by the proximity sensor, the plurality of proximity sensors need to be constantly operated to detect the worker. Therefore, when the number of proximity sensors increases, there is a problem that the processing waiting time for worker detection increases and the movement speed or work speed of the robot arm decreases.
本発明は、上述の問題点を解決するためになされたもので、ロボットアームと作業者とが接近して作業する協働ロボットシステムにおいて、従来に比べてより高速に作業動作あるいは運動動作が可能な協働ロボットシステム、及び該協働ロボットシステムの制御方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and in a collaborative robot system in which a robot arm and an operator work close to each other, a work operation or a movement operation can be performed at a higher speed than before. An object of the present invention is to provide a collaborative robot system and a control method for the collaborative robot system.
上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の一態様における協働ロボットシステムは、ロボットアームを備え、該ロボットアームに作業者が接近可能な協働ロボットシステムにおいて、上記ロボットアームに取り付けられ、ロボットアームへの作業者の接近を検知する複数の近接センサと、上記ロボットアームの作業手順に従い作業者検知に用いる近接センサを上記複数の近接センサから選択するアーム制御部とを備えたことを特徴とする。In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
That is, a collaborative robot system according to an aspect of the present invention includes a robot arm, and the collaborative robot system in which an operator can access the robot arm is attached to the robot arm, and the worker approaches the robot arm. And a plurality of proximity sensors for selecting a proximity sensor used for worker detection from the plurality of proximity sensors in accordance with the work procedure of the robot arm.
本発明の一態様における協働ロボットシステムによれば、近接センサを選択するアーム制御部を備えたことから、作業者の検知に必要となる近接センサを特定することができる。即ち、全ての近接センサから作業者の検知情報を得る必要がなくなり、作業者の検知に必要となる近接センサの検知情報を削減することができる。よって近接センサによる処理待ち時間を短縮することができる。その結果、ロボットアームへの作業者の接近をより迅速に検知でき、次の作業動作に反映できるため、ロボットアームをより高速に作業あるいは動作させることが可能となる。 According to the collaborative robot system in one aspect of the present invention, since the arm control unit that selects the proximity sensor is provided, it is possible to specify the proximity sensor necessary for the detection of the operator. That is, it is not necessary to obtain the worker detection information from all the proximity sensors, and the proximity sensor detection information necessary for the worker detection can be reduced. Therefore, the processing waiting time by the proximity sensor can be shortened. As a result, the approach of the worker to the robot arm can be detected more quickly and reflected in the next work operation, so that the robot arm can be operated or operated at a higher speed.
実施形態である協働ロボットシステム、及び該協働ロボットシステムの制御方法について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。また、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け当業者の理解を容易にするため、既によく知られた事項の詳細説明及び実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。また、以下の説明及び添付図面の内容は、特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。 A collaborative robot system according to an embodiment and a control method of the collaborative robot system will be described below with reference to the drawings. In each figure, the same or similar components are denoted by the same reference numerals. In addition, in order to avoid the following description from becoming unnecessarily redundant and to facilitate understanding by those skilled in the art, a detailed description of already well-known matters and a duplicate description of substantially the same configuration may be omitted. . Further, the contents of the following description and the accompanying drawings are not intended to limit the subject matter described in the claims.
実施の形態1.
人協働ロボット(以下、「協働ロボット」と記す。)は、ロボットアームに作業者がより接近して、ロボットアームと共に作業者が作業することができる作業システムである。このような協働ロボットシステムでは、ロボットアームに作業者が接近、退去することによる作業効率の低下改善、及び作業者の安全確保のため、様々な検知方式の近接センサをロボットアーム自体に設置する検討が行われている。
A human collaborative robot (hereinafter referred to as a “collaborative robot”) is a work system in which an operator can work closer together with a robot arm so that the worker can work with the robot arm. In such a collaborative robot system, proximity sensors of various detection methods are installed in the robot arm itself in order to improve the work efficiency when the worker approaches and moves away from the robot arm and to ensure the safety of the worker. Consideration is being made.
図1は、実施形態による協働ロボットシステム101の概略構成を示している。協働ロボットシステム101は、基本的構成部分として、ロボットアーム1と、ロボットアーム1に複数個が取り付けられ作業者の接近、退去を検知する近接センサ(非接触センサ)2と、アーム制御部5とを備える。アーム制御部5は、詳細後述するように、ロボットアーム1の作業手順に従い作業者検知に用いる近接センサ2を複数の近接センサ2から選択する機能を有する部分である。
また協働ロボットシステム101は、さらに、作業空間への作業者の入退を検知する環境センサ3、アーム制御部5によって選択された近接センサ2の検知情報と環境センサ3の検知情報とに基づき作業者の位置を求めるセンサ処理部4を備えることができる。
以下に、これらの各構成要素について順次説明していく。FIG. 1 shows a schematic configuration of a
The
Hereinafter, each of these components will be sequentially described.
ロボットアーム1は、本実施形態では図1に示すように、関節を含めた各リンク1a−1fの全体を指し、複雑な作業が可能な、例えば6軸多関節型ロボットが相当し、アクチュエータ(駆動装置)も含む。一方、ロボットアーム1は、多関節型ロボットに限定するものではなく、作業者と協働可能なロボットが相当する。尚、リンク1a−1fは、ロボットアーム1における関節も含めたロボットアーム1の構成要素である。
As shown in FIG. 1, the
近接センサ2は、ロボットアーム1を構成しているリンク1a−1fの一部又は全部における表面(関節部分の表面も含む)に複数設置され、ロボットアーム1に接近する作業者を検知する。本実施形態における協働ロボットシステム101では、作業者の近接距離は、5mから0mと仮定しているが、使用する近接センサ2の性能によって可変である。近接センサ2は、超音波センサ、光学センサ、静電容量センサ、電波センサ等が使用でき、作業者との距離を計測できる距離センサを用いる。光学センサで、人の遠赤外放射を検知する焦電センサを用いる場合には、人までの距離を計測可能なセンサを併用してもよい。
A plurality of
近接センサ2は、本実施形態では、特に移動速度の速い、一又は複数のリンクの先端部に設置するが、リンク表面あるいは関節における、ロボットアーム1の仕様上で規定された位置に設置する。また、近接センサ2の設置位置により、近接センサ2は、検知距離、検知感度、検知時間、検知方向など、アーム制御部5が運用可能なように校正して使用される。
In the present embodiment, the
図2は、近接センサ2をリンク1a等の先端に設置した場合を示している。例えば直方体の筐体を有するリンク先端に対して、近接センサ2の一例としての超音波センサ21a〜21eを、天地方向、左右方向、及び前後方向のそれぞれに設置し、超音波センサ21a〜21eは、一例として、リンクから遠方2〜3mから近傍20cmまでの作業者を検知する。この検出距離は、上述のように設置する近接センサ2の性能によって可変である。
FIG. 2 shows a case where the
同様に、リンク筐体の全面あるいは一部分に静電容量センサ22を設置し、静電容量センサ22は、例えば近傍20cmから当該リンクに接触する作業者を検知する。検出距離は、設置する近接センサ2の性能により可変である。
尚、本明細書において用語「近接センサ2」は、上述の超音波センサ21a〜21e(総称して「超音波センサ21」と記す場合もある。)、及び静電容量センサ22、等の総称として用いている。また、それぞれの近接センサ2には、複数の近接センサ2同士を識別するための番号であるセンサIDが付与されている。Similarly, the
In this specification, the term “
また、各リンク1a−1fの形状は、円柱状あるいは曲線形状であってもよく、近接センサ2における上述の設置位置、設置方向は、相対的なものであり、ロボットアーム1の仕様上規定された位置で、アーム制御部5に設定可能なものであればよい。
Moreover, the shape of each
また、ロボットアーム1に設置した近接センサ2の検出距離は、ロボットアーム1の移動速度により可変長とするが、固定長であってもよい。ロボットアーム1におけるリンクの長さを基準とした最大検出距離、例えばリンク長以上の検出距離、に近接センサ2の検出距離を設定することで、リンクが到達する範囲内に存在する作業者を検出することができ、ロボットアーム1に設置する近接センサ2の台数を削減することができる。例えば、リンクの長さが大きく、広い動作範囲を有するリンクであっても、当該リンクの長さ以上の検出距離を有する近接センサ2を用いることで、その広い動作範囲を少なくとも一つの近接センサ2でカバーすることができ、近接センサ2の設置数を削減することができる。
The detection distance of the
複数の近接センサ2について上述のように構成することで、一方の近接センサの不感帯である近接距離以下を他方の近接センサで距離検出して補完するため、異なる距離検出を行う近接センサ2を用いて作業者の不感帯を無くすことができる。
By configuring the plurality of
環境センサ3は、ロボットアーム1の作業空間の全体を監視し、ロボットアーム1の作業空間への作業者の入退を検出する。環境センサ3は、監視カメラ、レーザースキャナ等のエリアセンサを用いて、作業空間内の変化として、取得画像から作業者の識別、移動方向、移動速度等を検出する。環境センサ3は、作業環境に応じて作業空間が監視できる位置に1台から複数台設置するが、全く設置しなくてもよい。尚、図1では、2台の環境センサ3を設置した場合を示している。
The
複数の環境センサ3を設置した場合には、ロボットアーム1及び作業者の作業空間を立体画像として生成することができる。よって作業空間内における作業者及びロボットアーム1の3次元位置を特定することができ、ロボットアーム1の作業者の回避動作を正確に制御可能となる。
When a plurality of
センサ処理部4は、近接センサ2から得られる、ロボットアーム1と作業者との距離の検出情報と、環境センサ3から得られる、作業空間における作業者の入退情報とから作業者の位置を特定し、作業者の位置情報をアーム制御部5に通知する。近接センサ2による距離検出情報は、後述するように、アーム制御部5によって必要に応じて選択される。
また、環境センサ3の出力信号は、直接アーム制御部5に供給してもよい。またセンサ処理部4は、アーム制御部5の一機能として、アーム制御部5と一体としてもよい。The sensor processing unit 4 determines the position of the worker from the detection information of the distance between the
Further, the output signal of the
アーム制御部5は、ロボットアーム1の作業用アームである、関節を含むリンク1a−1fの作業動作を制御する。即ち、アーム制御部5は、ロボットアーム1に作業者が接近すると、そのときのロボットアーム1の作業手順に基づいて、ロボットアーム1の移動によって作業者に干渉し危険を及ぼすであろう移動速度方向に配置されている近接センサ2の中から、一又は複数台を選択し、センサ処理部4に通知する。
近接センサ2の選択情報を通知されたセンサ処理部4は、この選択情報に対応する近接センサ2を制御し、制御した近接センサ2から作業者との距離情報を取得しアーム制御部5へ通知する。アーム制御部5は、得られた作業者までの距離情報から、ロボットアーム1と作業者との干渉を解析処理し、ロボットアーム1の作業状態あるいは動作状態を変更する。
ここで、アーム制御部5が近接センサ2の選択に使用する、「ロボットアーム1の作業手順」情報は、予め決められた作業手順に従いアーム制御部5に入力された記録情報を用いる。The
The sensor processing unit 4 notified of the selection information of the
Here, the “work procedure of the
図3は、本実施の形態を適用した、ハードウエア及びソフトウェアのシステムブロック構成を示しており、ロボットアーム1と、ロボットコントローラに相当するアーム制御部5と、センサ処理部4とを示している。アーム制御部5は、ロボットアーム1の動作制御及び作業手順制御を行うロボット制御モジュール51、人検知モジュール43、及び人認識モジュール44を有する。センサ処理部4は、近接センサ2及び環境センサ3を信号処理するセンサECU(Electric Control Unit)41、及び通信I/F(インターフェース)42を有する。センサECU41には、近接センサ2としての、超音波センサ21及び静電容量センサ22を接続している。上述のように近接センサ2は、他の検出方式のセンサであってもよい。また、人検知モジュール43及び人認識モジュール44は、センサ処理部4に含まれてもよい。
FIG. 3 shows a system block configuration of hardware and software to which the present embodiment is applied, and shows a
センサECU41には、近接センサ2からの情報が供給される。近接センサ2のうちの超音波センサ21は、遠方から近傍にいる作業者までの超音波エコーにより時間計測を行い、センサECU41は、距離情報に変換し、通信I/F42を介してアーム制御部5へ上記距離情報を供給する。また、近接センサ2のうちの静電容量センサ22は、上述のように例えば20cm程度以下の距離情報を出力する。一方で静電容量センサ22は、ロボットアーム1に作業者が接近してロボットアーム1が停止したとき、停止後、作業者が意図的に再びロボットアーム1に接触することで、ロボットアーム1の作業開始スイッチとなるマンマシンインターフェースとすることもできる。ここで、静電容量センサ22をマンマシンインターフェースとして構成した場合、センサ処理部4あるいはアーム制御部5は、ロボットアーム1の再起動を図る機能を有する。
Information from the
上述のようにマンマシンインターフェース構成として近接センサ2を利用した場合、停止したロボットアーム1の再作動が可能となり、かつ、アーム制御部5を再起動する手間を省略できることから、作業者の作業効率を向上させることができる。
As described above, when the
ロボットコントローラに相当するアーム制御部5は、ロボット制御モジュール51、人認識モジュール44、人検知モジュール43等を構成する、ソフトウェア及びハードウエアを内蔵している。従来のロボットコントローラは、ロボット制御のみを行うものであったが、人認識モジュール44及び人検知モジュール43による検知信号の処理動作を付加することで、協働ロボットシステム101において、ロボットアーム1と人との協働作業を可能としている。付加した人認識モジュール44及び人検知モジュール43は、それぞれの機能をロボット制御モジュール51と一体化してもよく、また、ロボットコントローラとは別体のハードウエアで構成したコントローラであってもよい。
The
人認識モジュール44は、環境センサ3の一例である監視カメラが取得した画像を処理して、所定の作業空間内における作業者の存否、位置、動き等を検出するソフトウェア及びハードウエアを有する機能部分である。また人認識モジュール44は、環境センサ3(監視カメラ)と一体で構成してもよい。
The
人検知モジュール43は、ロボットアーム1が動作する所定の位置座標、つまりロボットアーム1の作業手順、に基づいて計算された場所に設置されている近接センサ2を選択し、選択された近接センサ2から得られる作業者の位置情報を出力する。
人検知モジュール43の機能は、
・ロボットアーム1の先端のワールド座標(X,Y,Z)入力
・ワールド座標(X,Y,Z)からロボットアーム1の先端の速度ベクトルを演算
・速度ベクトルから計測すべきセンサIDを選択指示
・選択指示したセンサIDを有する近接センサから近接物(作業者)の距離情報の読取り・センサ距離情報から近接物(作業者)の速度を演算
・距離情報及び速度情報が決定したタイムスタンプを記録
・入力されたワールド座標(X,Y,Z)に対し、計測した距離情報とタイムスタンプを出力
・近接センサデータのロギング
・自己診断
等である。
上記ワールド座標とは、ロボットアーム1の作業空間に対して割り当てられた絶対位置座標であり、実作業空間の位置座標と相関がある。しかしながら、ロボットアーム1の作業空間の原点と実作業空間といずれかの位置を原点として位置合わせした相対座標であってもよい。The
The function of the
・ Enter the world coordinates (X, Y, Z) of the tip of the
The world coordinates are absolute position coordinates assigned to the work space of the
人検知モジュール43における上述の機能のうち、「ロボットアーム1の先端の速度ベクトルの演算」機能について、以下に詳しく説明する。ここで、「ロボットアーム1の先端」とは、一例として図1に示す「リンク1f」の先端、あるいは、各リンク1a〜1fにおけるそれぞれの先端が相当する。
ロボットアーム1の先端のワールド座標を(X,Y,Z)とすると、ロボットアーム1の先端の速度ベクトル演算は、以下の通りである。ワールド座標の時間変化から、時間差分を求め、ロボットアーム1の先端の速度ベクトルを演算する。時間差分は、近接センサ2の更新周期Δt(ms単位)とし、設定調整できるものとする。Of the above-described functions in the
Assuming that the world coordinates of the tip of the
時刻をt、t+Δtのワールド座標を、
WP(t)=(X(t),Y(t),Z(t))、WP(t+Δt)=(X(t+Δt),Y(t+Δt),Z(t+Δt))とすると、
速度ベクトルΔV[m/s]は、
ΔV=(dX/dt,dY/dt,dZ/dt)=(ΔVx,ΔVy,ΔVz)=(WP(t+Δt)−WP(t))/Δt
となる。The time is t and the world coordinates of t + Δt are
If WP (t) = (X (t), Y (t), Z (t)), WP (t + Δt) = (X (t + Δt), Y (t + Δt), Z (t + Δt))
The velocity vector ΔV [m / s] is
ΔV = (dX / dt, dY / dt, dZ / dt) = (ΔVx, ΔVy, ΔVz) = (WP (t + Δt) −WP (t)) / Δt
It becomes.
ワールド座標の移動方向Δθ[°/s]は、
Δθxy=(X(t)*Y(t) +X(t+Δt)*Y(t+Δt))/(√(X(t)*X(t+Δt))*√(Y(t)*Y(t+Δt)))
Δθyz=(Y(t)*Z(t) +Y(t+Δt)*Z(t+Δt))/(√(Y(t)*Y(t+Δt))*√(Z(t)*Z(t+Δt)))
Δθzx=(Z(t)*X(t) +Z(t+Δt)*X(t+Δt))/(√(Z(t)*Z(t+Δt))*√(X(t)*X(t+Δt)))
となる。The world coordinate movement direction Δθ [° / s]
Δθxy = (X (t) * Y (t) + X (t + Δt) * Y (t + Δt)) / (√ (X (t) * X (t + Δt)) * √ (Y (t) * Y (t + Δt)))
Δθyz = (Y (t) * Z (t) + Y (t + Δt) * Z (t + Δt)) / (√ (Y (t) * Y (t + Δt)) * √ (Z (t) * Z (t + Δt)))
Δθzx = (Z (t) * X (t) + Z (t + Δt) * X (t + Δt)) / (√ (Z (t) * Z (t + Δt)) * √ (X (t) * X (t + Δt)))
It becomes.
ロボットアーム1の先端について、図4に示すワールド座標軸上に対して±X、±Y、±Zの固定の六軸を与え、その六軸に図2で示した近接センサ2を配置し、各近接センサ2の座標位置にセンサIDを割り付ける。計算した速度ベクトルのΔV最大値及び移動方向Δθxy、Δθyz、Δθzxから、±X、±Y、±Zのいずれかを選択し、選択した方向に存在する近接センサ2のセンサIDを決定する。このとき移動方向Δθxy、Δθyz、Δθzxは、±45°以内とし設定調整できるものとする。
With respect to the tip of the
また、センサECU41にて得られる距離情報の時間変化から、センサECU41は、時間差分を求め、近接物(作業者)の速度を演算する。時間差分は、センサの更新周期Δt(ms単位)とし、設定調整できるものとする。
一義のセンサIDの時刻t、t+Δtの距離情報を、
D(t)[cm]、D(t+Δt)[cm]とすると、
速度ベクトルΔVは、
ΔV[cm/ms]=dD/dt=(D(t+Δt)−D(t))/Δt
となる。Further, the
The distance information of time t, t + Δt of the unique sensor ID,
When D (t) [cm] and D (t + Δt) [cm],
The velocity vector ΔV is
ΔV [cm / ms] = dD / dt = (D (t + Δt) −D (t)) / Δt
It becomes.
超音波センサ21は、センサECU41からの指定時間(調整可能)の出力によって距離計測を開始する。センサECU41は、入力トリガ時から一定のマスク時間(調整可能)経過後、読み取り開始から読み取り終了までの時間を計測して超音波伝搬時間T[us]とする。センサECU41は、温度センサを有し、温度センサから得られるセンサECU41の周囲温度temp[℃]とすると、計測距離D[cm]は、
D=(331.5+0.6*temp)/10000*T
(一例. (331.5+0.6*25[℃])/10000*1000[us]= 34.65[cm])
となる。The
D = (331.5 + 0.6 * temp) / 10000 * T
(Example. (331.5 + 0.6 * 25 [° C.] / 10000 * 1000 [us] = 34.65 [cm])
It becomes.
静電容量センサ22は、センサECU41から指定時間(調整可能)の出力によって近接検知出力を開始する。センサECU41は、入力トリガ時から一定のマスク時間(調整可能)経過後、読み取り開始から読み取り終了までの間に近接検知出力を数回サンプリングし、近接有り:H、近接無し:Lの論理とする。この論理は、HとLが逆転してもよい。
The
センサECU41がアーム制御部5とは別体で構成される場合、有線通信あるいは無線通信により、センサECU41は、ロボット制御モジュール51及び人検知モジュール43とセンサ情報の共有を行う。ロボット制御モジュール51、人検知モジュール43、及びセンサECU41間の情報交換は、共有メモリ53で行う。共有メモリ53は、二つのメモリを有し、それぞれ一方が書き込み、他方が読み出すのみの動作を行う。また、人認識モジュール44も同様に共有メモリ53を利用してよい。センサECU41がアーム制御部5と一体に構成される場合であっても、同様に情報の共有を行ってよい。
When the
共有メモリ53を設けることで、近接センサ2とアーム制御部5とのアクセスが同期せず時間差がある場合でも、両者の情報を共有することが可能となる。
Providing the shared
図5に、ロボット制御モジュール51、人検知モジュール43、及びセンサECU41間の情報交換シーケンスを示す。
ロボット制御モジュール51からロボットアーム1先端の現在位置を、人検知モジュール43との共有メモリ53に書き込み、人検知モジュール43は、動作させる近接センサ2のセンサIDを指定する。センサIDの指定は、複数存在する近接センサ2の全てを指定してもよく、また一部のみ(一又は複数)を指定してもよい。FIG. 5 shows an information exchange sequence among the
The current position of the tip of the
人検知モジュール43は、共有メモリ53に書き込まれたロボットアーム1先端の現在位置を記録する。人検知モジュール43は、動作カウンターを所持しており、ロボットアーム1先端の現在位置が書き込まれたカウント値あるいはロボットアーム1先端の現在位置を記録したカウント値を記録する。このカウント値がインクリメントあるいはデクリメントされていれば、人検知モジュール43が動作していることを示しており、人検知モジュール43の動作異常検知に用いることができる。
The
次に、人検知モジュール43は、センサECU41に対して指定されたセンサIDの近接センサ2に動作指示を出力する。センサECU41は、人検知モジュール43から指定されたセンサIDに対応する近接センサ2が送出している、作業者との距離情報を通知する。センサECU41も動作カウンターを所持しており、距離情報を通知したカウント値を記録する。このカウント値がインクリメントあるいはデクリメントされていれば、センサECU41が動作していることを示しており、センサECU41の動作異常検知に用いることができる。このとき、人検知モジュール43は、今回の距離情報と、前回出力した距離情報との差分から速度を算出する。
Next, the
さらに人検知モジュール43は、センサECU41から通知された距離、速度などの各情報を共有メモリ53に書き込む。
ロボット制御モジュール51は、共有メモリ53の情報から、作業者の接近あるいは退去を判断し、ロボットアーム1の位置を補正する、又はロボットアーム1の動作を停止する。Furthermore, the
The
以上説明した、協働ロボットシステム101の構成によれば、ロボットアーム1に対する作業者の接近及び退去をいち早く検知することができる。よって、作業者がロボットアーム1に接近して作業中のロボットアーム1と接触することを予防することができ、作業者の安全確保とロボットアーム1の高速動作とを両立することができる。
According to the configuration of the
次に、図6には、協働ロボットシステム101が作業者を検知した場合における一連の動作フローを示している。
アーム制御部5は、ロボットアーム1全体の位置、動作手順、動作速度、及び動作加速度の解析を行い(ステップ10b)、ロボットアーム1の動作手順と、作業者検知に最適となる近接センサ2との関連付けを逐次行う(10c)。Next, FIG. 6 shows a series of operation flows when the
The
ロボットアーム1の動作手順を開始すると(10d)、アーム制御部5は、作業者をいち早く検知するため、複数の近接センサ2から最適な近接センサを選択し(10e)、選択した近接センサ2から、作業者の近接情報である距離情報を収集する(10f)。
アーム制御部5(詳しくは人検知モジュール43)は、収集した距離情報から、作業者の位置、速度、加速度などを計算し(10g)、選択した近接センサ2を設置しているリンクに作業者が接近しているか否かを計算する(10h)。When the operation procedure of the
The arm controller 5 (specifically, the human detection module 43) calculates the position, speed, acceleration, etc. of the worker from the collected distance information (10g), and the worker is linked to the link where the selected
作業者が、選択した近接センサ2を設置しているリンクに接近しているか否かを判断する(10i)。
作業者がロボットアーム1に接近している場合には、接近しているリンク(アーム)の動作変更を行う。このリンクの動作変更は、当該リンクの動作速度変更、当該リンクの動作停止、当該リンクの作業者回避、ロボットアーム1の作業用開始位置への復帰、等が相当する。It is determined whether the operator is approaching the link where the selected
When the worker is approaching the
一方、作業者がロボットアーム1に接近していない場合、即ち、作業者がロボットアーム1から所定の距離以上離れている、あるいはロボットアーム1が現状位置で静止している、あるいは作業者がロボットアーム1から退去する場合には、現状維持として、ロボットアーム1の動作変更はせず、一連の作業動作を継続する。
On the other hand, when the worker is not approaching the
上述した、選択した近接センサ2を設置しているリンクに作業者が接近しているか否かを判断(10i)について、補足説明を行う。
ロボット制御モジュール51は、指定された一連の作業手順を解析して、ロボットアーム1先端の現時点のワールド座標と、t秒後のワールド座標とから動きベクトルを算出する。求めた、ロボットアーム1先端の動きベクトルから、ロボット制御モジュール51は、動く方向にあるリンクにおける近接センサ2を抽出し、当該近接センサ2に対する検出指示を人検知モジュール43に与える。
人検知モジュール43は、指示された、近接センサ2が検出した距離及び速度を取得する。ロボット制御モジュール51は、取得した、対象物となる作業者までの距離及び速度を用いて、動く方向にあるリンクに対する作業者の接近を検知し、ロボットアーム1と作業者とが干渉するか否か、即ち作業者が安全か否かを判定する。A supplementary explanation will be given for the determination (10i) of whether or not the worker is approaching the link where the selected
The
The
ロボットアーム1と作業者とが干渉するか否か、即ち作業者が安全か否かの判定は、以下の時間条件及び距離条件によって行う。尚、判定には、時間条件又は距離条件のいずれかを用いてもよい。ここで、
作業者の速度:V1
ロボットアーム1の速度:V2
作業者における安全領域までの設定距離:L1[m]
ロボットアーム1における安全領域の設定距離:L2[m]
とすると、安全か否かの判定条件は以下のようになる。Whether the
Worker speed: V1
Set distance to worker's safety area: L1 [m]
Set distance of safety area in robot arm 1: L2 [m]
Then, the judgment condition for whether or not it is safe is as follows.
ロボットアーム1が作業を続けてよい時間条件は、
作業者が等速で移動するとき、安全領域の設定距離に到達するまでの時間:
Tc1=L1/V1[sec]
ロボットアーム1が安全領域の設定距離に到達するまでの時間:
Tc2=L2/V2[sec]
としたとき、
安全か否かの判定条件:Tc1≦Tc2、又は、Tc1<Tc2
となる。The time condition that the
Time to reach the set distance in the safety area when the operator moves at a constant speed:
Tc1 = L1 / V1 [sec]
Time until the
Tc2 = L2 / V2 [sec]
When
Judgment conditions for safety: Tc1 ≦ Tc2 or Tc1 <Tc2
It becomes.
ロボットアーム1が作業を続けてよい距離条件は、
作業者が移動するときの加速度:α[m/s2]
ロボットアーム1が安全領域の設定距離に到達するまでの最小時間:
Tc2min=L2/V2[sec]
作業者が加速して安全領域に進入することができる最大距離:
Lmax=α/2×Tc2min^2
としたとき、
判定条件:L1≦Lmax、又は、L1<Lmax
となる。
前記条件を判定することにより、作業者とロボットアーム1の干渉を回避することができる。The distance condition that the
Acceleration when the worker moves: α [m / s2]
Minimum time for the
Tc2min = L2 / V2 [sec]
Maximum distance that an operator can accelerate and enter the safe area:
Lmax = α / 2 × Tc2min ^ 2
When
Judgment condition: L1 ≦ Lmax or L1 <Lmax
It becomes.
By determining the condition, it is possible to avoid the interference between the operator and the
以上説明したように協働ロボットシステム101によれば、作業者の安全を高め、ロボットアーム1と作業者との安全距離を確保し、作業者の動作あるいは位置によって生じるロボットアーム1の速度低下あるいは動作停止等を回避することができる。これにより、ロボットアーム1及び作業者の作業効率を向上することができる。
As described above, according to the
実施の形態2.
図7は、実施形態2による協働ロボットシステム102の概略構成を示している。本実施形態2における協働ロボットシステム102では、実施の形態1における環境センサ3に代えて、無線位置検出部9を設けたものである。無線位置検出部9は、電波の送受信を行うアンテナ7を有しており、ロボットアーム1及び作業者の作業空間を無線でカバーするため、一又は複数のアンテナ7を配置する。また、作業者は、無線位置検出部9で検出可能な無線タグ8を装着する。
その他の構成は、実施の形態1における協働ロボットシステム101の構成に同じである。よって以下では、特にこの相違箇所について説明を行い、同一構成部分については説明を省略する。
FIG. 7 shows a schematic configuration of the
Other configurations are the same as the configuration of the
無線位置検出部9は、作業者が携帯する無線タグ8の2次元あるいは3次元の位置座標を検出する。無線位置検出部9に使用する無線周波数帯は、LF帯(125kHz、21kHzなど)を用い、LF帯の無線周波数を送信する。
次に無線タグ8は、無線位置検出部9から送信されたLF帯の無線周波数を受信し、VHFあるいはUHFなどのLF帯の無線周波数とは異なる無線周波数帯を用いて、LF帯の無線周波数の受信強度を送信する。
次に無線位置検出部9は、無線タグ8から送信されたLF帯の無線周波数の受信強度を受信する。これらの動作を、設置したアンテナ7の台数分繰り返す。The wireless position detection unit 9 detects two-dimensional or three-dimensional position coordinates of the
Next, the
Next, the wireless position detection unit 9 receives the reception strength of the radio frequency in the LF band transmitted from the
無線タグ8からLF帯の無線周波数の電界強度は、図8に示すような距離減衰特性を有する。即ち、電界強度は、無線タグ8と無線位置検出部9とが近距離にあるとき、距離減衰特性が直線的であり、遠方になるほど距離減衰が少なくなり、アンテナ7からの距離の3乗に比例して減衰する傾向を示す。またLF帯の無線周波数は、ロボットアーム1あるいはその周辺機器及び機材の遮蔽などによる無線伝搬の劣化が少ない。
The electric field strength of the radio frequency in the LF band from the
アンテナ7について、第1アンテナ7−1(図9A)、第2アンテナ7−2(図9B)、第3アンテナ7−3(図9C)の3機設置した場合、各アンテナ7と、作業者が装着している無線タグ8との位置関係により、第1アンテナ7−1の受信電界強度V1から距離R1を特定し、同様に第2アンテナ7−2の受信電界強度V1から距離R1を特定し、第3アンテナ7−3の受信電界強度V1から距離R1を特定する。 When three antennas 7 are installed, the first antenna 7-1 (FIG. 9A), the second antenna 7-2 (FIG. 9B), and the third antenna 7-3 (FIG. 9C), each antenna 7 and the operator Identifies the distance R1 from the received electric field strength V1 of the first antenna 7-1 and similarly identifies the distance R1 from the received electric field strength V1 of the second antenna 7-2. Then, the distance R1 is specified from the received electric field strength V1 of the third antenna 7-3.
次に、図10に示すように、第1アンテナ7−1の位置をx1、y1として、無線タグ8の位置は距離R1の円上に存在する。同様にして、第2アンテナ7−2の位置をx2、y2として無線タグ8の位置は距離R2の円上に存在し、第3アンテナ7−3の位置をx3、y3として無線タグ8の位置は距離R3の円上に存在する。したがって無線タグ8の位置x0、y0は、上述の3つの円の交点に存在することになり、無線位置検出部9は、無線タグ8の位置を推定することができる。
Next, as shown in FIG. 10, the position of the first antenna 7-1 is x1, y1, and the position of the
よってアーム制御部5は、無線位置検出部9から得られた作業者の位置をもとに、ロボットアーム1の作業空間内における作業者の存否、ロボットアーム1からの作業者の位置を計算する。
本協働ロボットシステム102の構成では、作業者位置とロボットアーム1の作業手順とから近接センサ2を選択し、作業者の接近あるいは退去を検出して、作業者の安全確保、及び、作業者の接近によるロボットアーム1の作業効率低下を防止する。Therefore, the
In the configuration of the
また、複数のアンテナ7を設置した場合、ロボットアーム1の作業空間の監視画像を立体的に取得し、作業者の作業空間内の3次元位置を特定することが可能となる。よって、作業者及びロボットアーム1のそれぞれの位置を高精度に検出できるため、ロボットアーム1の作業者の回避動作を正確に制御することが可能となる。
When a plurality of antennas 7 are installed, a monitoring image of the work space of the
また、無線タグ8には、作業者を特定する種別IDを割り付けてもよい。種別IDは、例えば、作業者の熟練度、勤続年数、性別、メンテナンス者、一般者、等とすることにより、種別IDに応じてロボットアーム1と作業者との安全距離、制御動作速度の組み合せを変更することが可能となる。
これにより、作業者が装着している無線タグ8の位置検出と同時に、作業者が装着している無線タグ8の種別により作業者を特定してロボットアーム1の例えば制御動作速度を変更できる。よって、作業者の種別に応じた安全確保、及び、作業に従事する作業者の接近度合などを反映させることで、ロボットアーム1の作業効率を効率的に改善することが可能である。Further, the
Thereby, at the same time as detecting the position of the
尚、上述の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
又、2017年1月13日に出願された、日本国特許出願No.特願2017−3887号の明細書、図面、特許請求の範囲、及び要約書の開示内容の全ては、参考として本明細書中に編入されるものである。In addition, it can be made to show each effect which each above-mentioned embodiment combines suitably.
Although the present invention has been fully described in connection with preferred embodiments with reference to the accompanying drawings, various variations and modifications will be apparent to those skilled in the art. Such changes and modifications are to be understood as being included therein, so long as they do not depart from the scope of the present invention according to the appended claims.
In addition, Japanese Patent Application No. 1 filed on Jan. 13, 2017 was submitted. The entire contents of the specification, drawings, claims, and abstract of Japanese Patent Application No. 2017-3887 are incorporated herein by reference.
1 ロボットアーム、2 近接センサ、3 環境センサ、4 センサ処理部、
5 アーム制御部、7 アンテナ、8 無線タグ、9 無線位置検出部、
101、102 協働ロボットシステム。1 robot arm, 2 proximity sensor, 3 environmental sensor, 4 sensor processing unit,
5 arm control unit, 7 antenna, 8 radio tag, 9 radio position detection unit,
101, 102 Collaborative robot system.
Claims (11)
上記ロボットアームに取り付けられ、ロボットアームへの作業者の接近を検知する複数の近接センサと、
上記ロボットアームの作業手順に従い作業者検知に用いる近接センサを上記複数の近接センサから選択するアーム制御部と、
を備えたことを特徴とする協働ロボットシステム。In a collaborative robot system that includes a robot arm and allows an operator to approach the robot arm,
A plurality of proximity sensors attached to the robot arm for detecting the approach of the worker to the robot arm;
An arm control unit that selects a proximity sensor used for worker detection from the plurality of proximity sensors according to a work procedure of the robot arm;
A collaborative robot system characterized by comprising:
上記アーム制御部は、上記近接センサ及び上記環境センサから得た情報にて作業者の位置を求める人認識モジュールを有する、請求項1から4のいずれか1項に記載の協働ロボットシステム。An environmental sensor for detecting the entry / exit of the worker into the operation range of the robot arm
5. The collaborative robot system according to claim 1, wherein the arm control unit includes a human recognition module that obtains the position of an operator based on information obtained from the proximity sensor and the environmental sensor.
上記ロボットアームの動作範囲内への上記無線タグの入退を検出する無線位置検出部をさらに備え、
上記アーム制御部は、上記近接センサ及び上記無線位置検出部から得た情報にて、作業者位置の取得及び作業者種別の判定を行う人認識モジュールを有する、請求項1から4のいずれか1項に記載の協働ロボットシステム。The worker has a wireless tag,
A wireless position detector for detecting entry and exit of the wireless tag within the operating range of the robot arm;
The said arm control part has a person recognition module which performs acquisition of a worker position and determination of a worker type with the information obtained from the said proximity sensor and the said wireless position detection part. The collaborative robot system according to the item.
上記ロボットアームの作業手順に従い作業者検知に用いる近接センサを上記複数の近接センサから選択する、
ことを特徴とする制御方法。A control method of a collaborative robot system comprising a robot arm to which a plurality of proximity sensors for detecting the approach of an operator are attached, the operator being able to approach the robot arm,
A proximity sensor used for worker detection is selected from the plurality of proximity sensors according to the work procedure of the robot arm.
A control method characterized by that.
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