JPWO2019035362A1 - ロボット制御装置およびこれを用いたロボットシステム - Google Patents

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Abstract

作業物体の安全性を確保しつつ、高い作業効率が得られるようにロボット(3)の動作を制御するロボット制御装置(1)を得る。ロボット制御装置(1)は、現在位置から目標位置へ向かう第1軌道(1040)上の少なくとも1つの点において算出された衝突可能性(1050)に基づき、軌道修正の要否を判断する修正要否判断部(106)と、修正要否判断部(106)の判断結果に基づき、指令軌道を設定する軌道修正部(107)とを備える。軌道修正部(107)は、修正要否判断部(106)にて軌道修正が必要と判断された場合には、物体位置情報および第1軌道(1040)に基づき、第1軌道(1040)の衝突可能性(1050)よりも小さい衝突可能性を有する第2軌道を指令軌道として設定し、修正要否判断部(106)にて軌道修正が必要でないと判断された場合には、第1軌道(1040)を指令軌道として設定する。

Description

本発明は、ロボットを制御するロボット制御装置およびこれを用いたロボットシステムに関する。
近年、自律的に動作する自律型ロボット、作業者等の作業物体が、安全柵で仕切られることなくロボットと作業空間を共有して作業を行うことができるロボットシステムの開発が進められている。このようなロボットシステムでは、作業物体がロボットの動作範囲に進入する場合があり、このような場合でも作業物体の安全性を担保する必要がある。
ところで、一般的に作業物体とロボットとが近くに位置すればする程、そして両者が高速に移動すればする程、両者の衝突可能性が高まる。よって、作業物体に対する安全性の観点からすると、両者が互いに離れて位置する段階、そして両者が低速で移動している段階で、ロボットの動作を制限することが望ましい。一方で、ロボットの作業効率の観点からすると、できる限りロボットの動作を制限しないことが望ましい。
そこで、作業物体への安全性とロボットの作業効率とを両立させるための取り組みがなされている。例えば特許文献1では、ロボットを極力動作させながらロボットと作業物体との衝突を回避する手法が開示されている。具体的には、ロボットのアームの先端を監視対象部として、この監視対象部が人等の作業物体に向かう方向の速度成分を有していない場合は動作制限を実施しない。一方、監視対象部が当該作業物体に向かう方向の速度成分を有している場合は、その速度成分に応じて設定される安全位置および作業物体との距離に基づいて、監視対象部を減速又は停止させる。
特開2011−125975号公報
しかしながら、従来の技術によれば、作業物体が監視対象部の動作軌道上に侵入した場合、ロボットは、作業物体との衝突を回避するために監視対象部を減速又は停止させるため、作業物体が監視対象部の動作軌道上から離れなければ、ロボット自身では作業を再開することができない。したがってロボットの作業効率が低下するという問題があった。
本発明は、上述のような事情を鑑みてなされたものであって、作業物体の安全性を確保しつつ、高い作業効率が得られるようにロボットの動作を制御するロボット制御装置およびこれを用いたロボットシステムを提供することを目的とする。
本発明に係るロボット制御装置は、ロボットにおいて監視対象として設定された監視対象部が指令軌道に沿って動作するようにロボットを制御するロボット制御装置であって、監視対象部の現在位置および監視対象部の目標位置に基づき、現在位置から目標位置へ向かう第1軌道を演算する第1軌道演算部と、作業物体の位置を含む物体位置情報、および第1軌道上の少なくとも1つの点における監視対象部の予測軌道情報に基づき、監視対象部の作業物体に対する衝突可能性を推定する衝突可能性推定部と、推定された衝突可能性に基づき、第1軌道の軌道修正が必要か否かを判断する修正要否判断部と、修正要否判断部の判断結果に基づき、指令軌道を設定する軌道修正部とを備え、軌道修正部は、修正要否判断部にて軌道修正が必要と判断された場合には、物体位置情報および第1軌道に基づき、第1軌道の衝突可能性よりも小さい衝突可能性を有する第2軌道を指令軌道として設定し、修正要否判断部にて軌道修正が必要でないと判断された場合には、第1軌道を指令軌道として設定するものである。
本発明に係るロボット制御装置およびこれを用いたロボットシステムにあっては、作業物体の安全性を確保しつつ、高い作業効率が得られるようにロボットの動作を制御することができる。
図1は本発明の実施の形態1に係るロボット制御装置およびこれを備えたロボットシステムを説明するための上面概略図である。 図1に示すロボット制御装置の構成を示すブロック図である。 軌道修正部にて行われる第1軌道の修正方法の一例示す説明図である。 本発明の実施の形態1に係るロボット制御装置の動作のフローチャートである。 図5は図4のステップS2をより詳細に説明するフローチャートである。 本発明の実施の形態1に係る衝突可能性推定部の構成の一例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態1に係る接近距離の演算方法の一例に関する説明図である。 本発明の実施の形態1に係る相対速度を演算する方法の一例に関する説明図である。 本発明の実施の形態1に係るロボット制御装置を実現するためのハードウェア構成図である。 本発明の実施の形態1に係るロボット制御装置の変形例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態2に係るロボット制御装置の構成例を示すブロック図である。 衝突可能性推定部の構成例を示すブロック図である。 本発明の実施の形態2に係る接近距離演算法の一例を示した図である。 本発明の実施の形態2に係る相対速度演算の一例を示した図である。 本発明の実施の形態3に係るロボット制御装置の構成の一例を示す図である。 本発明の形態3に係るロボット制御装置の動作を説明するフローチャートである。 図16のステップS3Aの処理を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施の形態4に係るロボット制御装置の構成の一例を示す図である。 本発明の実施の形態5に係るロボット制御装置の構成の一例を示す図である。 衝突可能性推定部の構成例を示すブロック図である。
実施の形態1.
図1は本発明の実施の形態1に係るロボット制御装置1およびこれを備えたロボットシステムを説明するための上面概略図である。図中、ロボットシステムは、少なくともロボット制御装置1およびロボット3を備える。ロボットシステムが位置検出装置2を備えていてもよい。
ロボット制御装置1には、位置検出装置2およびロボット3が接続される。ロボット制御装置1は、位置検出装置2が取得した検出情報20およびロボット3から取得した関節角度等の情報に基づいて、ロボット3に対して制御信号10を出力する。ロボット制御装置1からの制御信号10に応じてロボット3が駆動されることにより、ロボット手先3bが指令軌道に沿って動作する。
位置検出装置2は、ロボット3の周囲にて作業する作業者5を制御周期ごとに検出し、検出結果を検出情報20としてロボット制御装置1へ出力する。
ロボット3は、アーム3aおよびアーム3aの先端に設けられたロボット手先3bを有する。アーム3aの関節には、関節角度を制御する駆動装置(図示省略)が設けられる。なお、駆動装置はサーボモータ、ステッピングモータ等の電動モータにより構成される。ロボット3は各関節の関節角度を駆動装置により変更することで位置および姿勢を自在に変更可能である。駆動装置として、電動モータの代わりに、空気圧又は油圧を利用したシリンダを用いてもよい。
ロボット3は、アーム3aの関節角度を計測する画像センサ、エンコーダ等の関節角度計測装置(図示省略)を有する。よって、ロボット制御装置1は、ロボット3の関節角度計測装置で得られた関節角度を取得し、この取得した関節角度およびロボット3のアーム3aのアーム長などの機器情報を用いて、ロボット手先3bの位置を演算可能である。
なお、ロボット手先3bを監視対象部として設定した場合を例に挙げて以下の説明を行うが、監視対象部はこの例には限定されず、監視対象部をロボット3の任意の場所に設定してもよい。また、監視対象部は一箇所に限らず複数箇所設定してもよい。
本実施の形態に係る作業現場には作業台4が配置される。ロボット3の周囲には作業を行う作業者5が存在し、ロボット3はこの作業者5と共に作業空間を共有して動作する。作業台4上には、ロボット3および作業者5の双方が利用可能な領域として、作業領域61および62が設定される。この作業領域61および62において、ロボット3は、作業対象物71および72に対してロボット手先3bで運搬、加工、検査、搬出等の作業を施す。作業領域61および62において、作業者5も作業対象物71および72に対してロボット3と同様な作業を実施できる。なお、作業領域、作業対象物の個数等の作業現場の構成は上述の例に限定されるものではない。
図中、作業者5が作業対象物72を保持した状態である。ロボット3が作業領域62へ向かって(破線矢印)ロボット手先3bを移動する前の状態であることがわかる。
なお、作業者5すなわち人がロボット3と共に作業を行う場合を例に挙げて以下の説明を行うが、倉庫内等で作業を行うピッキングロボット等の自律的に動作する装置がロボット3と作業する場合であってもよい。作業物体はロボット3に対して自律的に動作する装置または作業者を意味する。
ここで、位置検出装置2についてより詳細に説明する。位置検出装置2は、レンジセンサ、RGB−D(Red Green Blue−Depth)センサ、超音波センサ、静電容量センサ等のセンサにより構成される。上述のセンサでは検出ができない領域の検出情報20を取得するために、又は作業者5の検出精度を向上するために、マットスイッチ、ライトカーテン等の追加のセンサを用いてもよい。
また、図1では位置検出装置2が作業現場に設置されているが、位置検出装置2がロボット3に設置されていてもよい。ここで、位置検出装置2を作業現場に固定した場合の座標系での位置は、位置検出装置2をロボット3に固定した場合の座標系での位置と、相互に変換可能である。よって、位置検出装置2の設置場所を変更した場合でも、上述の例と同様に計算できる。
図2は図1に示すロボット制御装置1の構成を示すブロック図である。図2に示すロボット制御装置1は、手先情報取得部101、目標点情報取得部102、人位置情報取得部103、第1軌道演算部104、衝突可能性推定部105、修正要否判断部106、軌道修正部107、およびロボット動作制御部108を備える。
手先情報取得部101は、関節角度計測装置で取得された関節角度に基づき、ロボット3の手先情報1010を演算する。その後、手先情報取得部101は、この手先情報1010を第1軌道演算部104へ出力する。
より具体的には、手先情報取得部101は、関節角度と関節角速度をロボット3の予め作成された筺体モデルへ適用することにより、ロボット3の手先位置、手先速度を含む手先情報1010を演算する。ロボット3の筺体モデルは、ロボット制御装置1の記憶装置(図9に図示)に記憶される。関節角速度はロボット3の関節角度の時間差分を行うことにより演算される。この演算された関節角速度に対して、ローパスフィルタを用いて、ノイズを除去してもよい。
目標点情報取得部102は、記憶装置から目標点情報1020を取得する。目標点情報1020は、ロボット手先3bの目標位置および目標姿勢に関する情報を含む。目標点情報1020は予めロボット3への教示作業によりロボット制御装置1の記憶装置(図9に後述)に記憶される。なお、予め作成して記憶された目標点情報1020を用いる代わりに、目標点情報1020がロボット3の動作中に作業者5によって指定されてもよい。
人位置情報取得部103は、位置検出装置2からの検出情報20を用いて、作業者5の代表点の位置座標である人位置情報(物体位置情報)1030を取得する。人位置情報1030は、衝突可能性推定部105および軌道修正部107へ出力される。
ここで、検出情報20から人位置情報1030を取得する方法の一例を以下に述べる。検出情報20が作業者5の複数の身体部位を点群とした情報である場合、検出した点群のうちロボット3から最も近い距離にある代表点を人位置情報1030として設定できる。
なお、代表点の設定方法は上述の例に限らず、ロボット3の動作条件、作業現場等の構成によって適宜変更してもよい。検出情報20がRGB−Dセンサによって取得された画像情報である場合、この画像情報に対し画像処理を行うことで作業者5の人体モデルを構築する。その後、この構築された人体モデルの関節およびリンクの座標を計算することで、人位置情報1030を取得してもよい。この場合、精密な人体モデルを構築できるため、ロボット3の作業者5に対する衝突可能性を低減することができる。
第1軌道演算部104は、手先情報1010および目標点情報1020を用いて、第1軌道1040を計算する。具体的には、第1軌道演算部104は、まず手先情報1010からロボット手先3bの現在位置を取得し、ロボット制御装置1の記憶装置に予め記憶された目標点情報1020からロボット手先3bの目標位置を取得する。次に、第1軌道演算部104は現在位置から目標点へ向かう第1軌道を計算する。その後、第1軌道1040が衝突可能性推定部105および軌道修正部107へ出力される。
ここで、第1軌道1040は、制御周期に対応したそれぞれの時刻(t=t1,t2,…,tn−1,tn,…)におけるロボット手先3bの手先位置(予測位置)、予測姿勢、および手先速度(予測速度)に関する予測軌道情報を含む。なお、ロボット手先3bの速度は、例えば以下のとおり導出される。第1軌道1040上の時刻(t=t1,t2,…,tn−1,tn,…)に対応する手先位置(P(0),P(t1),P(t2),…,P(tn−1),P(tn),…)のそれぞれについて、1制御周期前の時刻における位置との差分を取り(例えば、P(tn)−P(tn−1))、この差分値を(tn―tn−1)で割ることで、各時刻におけるロボット手先3bの手先速度が演算できる。
なお、第1軌道1040の軌道の導出方法は、滑らかな軌道となるように始点と終点を複数の点で結ぶPTP(Point To Point)軌道として導出する。この滑らかな軌道を生成する方法として関節空間補間軌道を用いるがこれに限定されるものではない。またPTP軌道の代わりにCP(Continuous Path)軌道を用いてもよく、このCP軌道では始点と終点までの軌道が連続関数として導出される。
衝突可能性推定部105は、第1軌道1040上の少なくとも一点におけるロボット手先3bの予測軌道情報と作業者5の人位置情報1030とに基づき、作業者5とロボット手先3bとの衝突の可能性を示す衝突可能性1050を推定する。衝突可能性1050の具体的な推定方法については図6の衝突可能性演算部1055と共に詳細に説明する。
修正要否判断部106は、衝突可能性1050に基づいて、第1軌道1040の修正が必要か否かを判断する。例えば、修正要否判断部106は算出された衝突可能性1050が予め設定された閾値を超えた場合に、第1軌道1040の修正が必要であると判断し、修正要否判断部106は軌道修正部107へ修正指示信号1060を出力する。なお、修正要否判断部106は、修正指示信号1060と共に衝突可能性1050を軌道修正部107へ出力する。
修正要否判断部106から修正指示信号1060が入力された場合には、軌道修正部107は、人位置情報1030および第1軌道1040に基づいて、第1軌道1040よりも衝突可能性が低い第2軌道を生成する。軌道修正部107は、生成された第2軌道を指令軌道1070として設定する。修正要否判断部106から修正指示信号1060が入力されない場合には、軌道修正部107は第1軌道1040を指令軌道1070として出力する。
図3は、軌道修正部107による第1軌道1040の修正方法を示す説明図である。図中、第2軌道Qは、第1軌道Pを修正した後の軌道の一例である。図中、P0およびPfはそれぞれロボット3の位置および目標位置を示す。また、L0は人位置H1とP0とを結ぶ線分を示し、Lfは目標位置Pfと人位置H1とを結ぶ線分を示す。線C0は中心H1であり、半径が線分L0の長さである円を示す。
第2軌道Qは、例えば、人位置H1から見たときに、第2軌道Qの全ての点において第1軌道Pよりも外側を通過するように設定される。図3に示すように第2軌道Qは人位置H1から見たときに外側に凸の曲線となるように設定されていてもよい。上述のように第2軌道を設定することにより、第1軌道Pと比較して、作業者5とロボット手先3bとの接近距離が長くなっているため、作業者5に衝突しにくい軌道とすることができ、衝突可能性を低くすることができる。
図3に示す第2軌道Qは、人位置H1を中心とし、線分L0を半径とする円弧状の軌道(C0)から、人位置H1を中心とし、線分Lfを半径とする円弧状の軌道へと滑らかに移行する軌道となっている。言い換えると、図3において、ロボット手先3bが軌道修正時の位置P0から目標位置Pfへと向かうにつれて、ロボット手先3bから作業者5までの距離が単調に変化(単調減少または単調増加)するように、第2軌道Qが生成される。このように第2軌道Qが生成されることによって、第2軌道Qの各点において、ロボット手先3bから作業者5までの最短距離は、線分L0又は線分Lfの長さとなる。したがって、ロボット手先3bが作業者5に近付き過ぎることを防止でき、衝突可能性を低くすることができる。
また、人位置H1から見たときに外側に凸の曲線となるように第2軌道Qを設定することで、ロボット手先3bの移動速度(手先速度)のうち、人位置H1に向かう速度成分が小さくなる。この結果、ロボット手先3bの衝突可能性を低くすることができる。また、人位置H1に向かう速度成分が小さくなると、手先速度を速くして目標位置Pfへの到達時間を短縮することも可能となる。なお、図3は第2軌道Qの一例を示しており、第2軌道Qとしては他の軌道であっても良い。
上述のように第1軌道1040を修正する代わりに、軌道修正部107は予め作成された複数の修正軌道から、第1軌道1040よりも衝突可能性1050が小さな修正軌道、例えば、衝突可能性1050が最も小さな修正軌道を選択し、選択した修正軌道を第2軌道として用いてもよい。また、軌道修正部107は、第1軌道1040よりも衝突可能性1050が小さく、衝突可能性1050と目標位置Pfへの到達時間とのバランスの良い修正軌道を選択し、選択した修正軌道を第2軌道として用いてもよい。なお、複数の修正軌道はロボット制御装置1の記憶装置(図9に図示)に保存される。
ロボット動作制御部108は、指令軌道1070に基づき、ロボット3に対して制御周期ごとに制御信号10を出力する。
なお、ロボット動作制御部108は、指令軌道1070に加えて手先情報1010と人位置情報1030を用いて、ロボット手先3bの動作中に、制御周期ごとに算出される衝突可能性に応じて、その速度を変更する構成としてもよい。具体的には、ロボット動作制御部108は、人位置情報1030および手先情報1010から制御周期ごとに算出される衝突可能性について、その衝突可能性の値が大きく(小さく)なるにつれてロボット手先3bの速度を低下(増加)させる制御信号10を作成してもよい。
図4は本実施の形態のロボット制御装置1に係る動作のフローチャートである。まず、ステップS1にて、ロボット制御装置1は、位置検出装置2から検出情報20を取得し、ロボット3から関節角等のデータを取得する。
ステップS2にて、ロボット制御装置1は得られたデータに基づいて指令軌道1070を設定する。ステップS3にて、ロボット制御装置1は、指令軌道1070に基づき、制御周期ごとに制御信号10を出力する。ステップS4にてロボット手先3bが目標点に到達すれば(YES)、ロボット3は動作を終了する。ステップS4にてロボット手先3bが目標点に到達していなければ(NO)、ステップS3に戻る。
図5は図4のステップS2をより詳細に説明するフローチャートである。ステップS21にて、ロボット3の制御に必要なデータを準備する。具体的には、まず手先情報取得部101、目標点情報取得部102、および人位置情報取得部103は、それぞれロボット3の現在の手先情報1010、目標点情報1020、および人位置情報1030を取得する。
ステップS22にて、第1軌道演算部104がロボット3の手先情報1010および目標点情報1020を用いて、第1軌道1040を演算する。
ステップS23にて、衝突可能性推定部105は、人位置情報1030および第1軌道1040における予測軌道情報を用いて、衝突可能性1050を推定する。
ステップS24にて、修正要否判断部106は、衝突可能性1050の値に基づき、第1軌道1040の修正が必要か否かを判断する。具体的には、ステップS24にて、衝突可能性1050が閾値以上であれば(YES)、修正指示信号1060を生成してステップS25に進むが、衝突可能性1050が閾値より小さければ(NO)、修正指示信号1060を生成せずステップS26に進む。
ステップS25にて、軌道修正部107は、修正指示信号1060の入力を受けて、第1軌道1040に比べて、衝突可能性が低い第2軌道へ修正し、第2軌道を指令軌道1070として設定する。
ステップS26では、軌道修正部107は、修正指示信号1060の入力がないため、第1軌道1040を指令軌道1070として設定する。
図6は、衝突可能性推定部105の構成の一例を示すブロック図である。衝突可能性推定部105は、手先位置取得部1051、接近距離演算部1052、手先速度取得部1053、相対速度演算部1054、および衝突可能性演算部1055を備える。
手先位置取得部1051は、第1軌道1040の予測軌道情報から、ロボット3の手先位置10510を取得する。その後、この取得された手先位置10510は、後述する接近距離演算部1052および相対速度演算部1054へ出力される。
手先速度取得部1053は、第1軌道1040上の少なくとも一点における予測軌道情報から手先速度10530を取得する。この取得されたロボット3の手先速度10530は、相対速度演算部1054へ入力される。
接近距離演算部1052は、手先位置10510および人位置情報1030を用いて、ロボット手先3bと作業者5との接近距離10520を演算する。
ここで、図7を用いて接近距離10520を演算する方法を詳細に説明する。図7は接近距離10520の演算方法の一例に関する説明図である。
まず、接近距離演算部1052は、第1軌道P上に設定されたn点の手先位置P1,P2,P3,〜,Pnについて、このn点の手先位置P1〜Pnのそれぞれと人位置H1とを結ぶ線分を、それぞれ線分L1,L2,L3,〜,Lnとして設定する。具体的には、線分L1、L2、およびL3は、それぞれ手先位置P1と人位置H1とを結ぶ線分、手先位置P2と人位置H1とを結ぶ線分、および手先位置P3と人位置H1とを結ぶ線分である。また、以下の説明では、n=3すなわち3つの手先位置を設定した場合を例に挙げて説明を行うが、少なくとも1つの手先位置を設定していればよい。
次に、接近距離演算部1052は、線分L1〜L3の長さに基づいて、接近距離10520を導出する。上述の例のように複数の線分が導出される場合には、例えば、線分L1〜L3のうちその長さが最も小さい線分を選択し、その選択された線分の長さを接近距離10520として選択する。例えば、図7では、線分L1〜L3のうち線分の長さが最小値となる線分L2の長さを接近距離10520としている。
なお、図7および図8では、各手先位置からその手先位置に隣接する手先位置までの移動距離が予め設定された距離となるように手先位置P1〜P3を設定している。一方で、各手先位置からその手先位置に隣接する手先位置までの移動時間が予め設定された時間となるように手先位置P1〜P3を設定してもよい。
ここで、図6および図8を用いて相対速度演算部1054の処理を説明する。図6に示すとおり、相対速度演算部1054は、人位置情報1030、手先位置10510、および手先速度10530に基づき、ロボット手先3bの作業者5に対する相対速度10540を演算する。
図8は、相対速度10540を演算する方法の一例に関する説明図である。図8を用いて相対速度演算部1054が相対速度10540を演算する方法を詳細に説明する。図中V1〜V3は手先速度取得部1053にて演算された手先位置P1〜P3における手先速度10530を示す。
最初に、相対速度演算部1054は、手先速度V1〜V3を線分L1〜L3方向へ射影することにより、作業者5に対するロボット手先3bの相対速度ベクトルRV1〜RV3を演算する。例えば、図8ではRV1、RV2およびRV3は、それぞれ手先速度V1を線分L1へ射影した相対速度ベクトル、手先速度V2を線分L2へ射影した相対速度ベクトル、および手先速度V3に対して線分L3へ射影した相対速度ベクトルである。
次に、相対速度演算部1054は相対速度ベクトルRV1〜RV3の値に基づき、相対速度10540を導出する。上述の例のように複数の相対速度ベクトルが演算された場合には、例えば、相対速度ベクトルRV1〜RV3のうち、作業者5へ向かう相対速度ベクトルであってその絶対値が最大となる相対速度ベクトルを相対速度10540とする。具体的には、相対速度ベクトルRV1〜RV3のうち、作業者5に向かう相対速度ベクトルであるRV1、RV2を選択し、選択された両ベクトルの絶対値を比較して絶対値が大きい相対速度ベクトルRV1を相対速度10540とする。
図6に戻り、衝突可能性推定部105の残りの構成の説明を行う。衝突可能性演算部1055は、例えば、入力された接近距離10520および相対速度10540に基づき、衝突可能性1050を演算する。衝突可能性1050を演算する方法の一例としては、予測軌道情報と作業者5の位置情報について予め作成された衝突評価指標を参照することで算出される。衝突評価指標はロボット制御装置1が有する記憶装置(図9に図示)に保存される。衝突評価指標は、例えば接近距離10520が小さくなるにつれて、また相対速度10540が大きくなるにつれて、衝突可能性1050が大きな値となるように設定される。
また、衝突評価指標の別の例として、人位置情報1030の経時変化から算出された作業者5の移動速度を用い、作業者5とロボット3との仮想的な衝突予測時間を算出する。次に、算出された衝突予測時間が短くなるにつれて衝突可能性が高くなるように作成された衝突評価指標を用いる。さらに、作業者5が侵入した場合にロボット3との衝突が予想される範囲を、ロボット3が設置された位置の周囲に予め設定し、この範囲内に人位置情報1030が存在するか否かにより、衝突可能性を推定してもよい。
なお、接近距離10520および相対速度10540の両方に基づき衝突可能性1050を演算する例を説明したが、接近距離10520および相対速度10540のいずれか一方のみに基づき、衝突可能性1050を演算する構成としてもよい。この場合、衝突評価指標は、接近距離10520および相対速度10540のいずれか一方のみに応じて衝突可能性1050が変化するように作成される。このとき、予測軌道情報は手先位置10510又は手先速度10530のいずれか一方を含んでいればよい。
本実施の形態によれば、ロボット3の指令軌道上で予め衝突可能性が高いと判定した場合には、ロボット3と作業者5との衝突可能性1050を低下させるように第1軌道1040を修正するため、ロボット3の第1軌道1040に作業者5の侵入が予想される場合においてもロボット3の作業効率を維持したロボット動作が可能となる。
図9はロボット制御装置1を実現するためのハードウェア構成図である。図9に示すとおり、上記ロボット制御装置1の一部又は全部は、具体的には、CPU151(Central Processing Unit)、記憶装置152、IO(INPUT OUTPUT:入出力)インターフェース153、およびシステムバス154等により構成される。記憶装置152はROM(Read Only Memory)、HDD(Hard Disk Drive)等から構成される。ロボット制御装置1のIOインターフェース153には、入力装置201および出力装置202がケーブル155を介して接続される。なお、記憶装置152には、先述したロボット3の筺体モデル、目標点情報1020、衝突評価指標、軌道修正部107で用いられる第2軌道の候補となる修正軌道等が保存されている。
ロボット制御装置1の各処理はCPU151により実行される。手先情報取得部101、目標点情報取得部102、人位置情報取得部103、およびロボット動作制御部108については、IOインターフェース153を介して、ロボット制御装置1の外部構成(位置検出装置2およびロボット3等)との入力および出力を行う。
図10は、本発明の実施の形態1に係るロボット制御装置1の変形例を示すブロック図である。図2では手先情報取得部101がロボット3の関節角度計測装置からの情報を用いて手先情報1010を取得していたが、図10に示したロボット制御装置1Aのように、第1軌道演算部104Aが、制御信号10を用いて現在の手先情報1010を導出する構成としてもよい。この場合、ロボット制御装置1Aにおいて手先情報取得部101を省略することができる。
実施の形態2.
図11は本発明の実施の形態2に係るロボット制御装置1Bの構成例を示すブロック図である。衝突可能性推定部105の代わりに衝突可能性推定部105Aを備える点が上述の実施の形態とは異なる。
図12は衝突可能性推定部105Aの構成例を示すブロック図である。図12に示す衝突可能性推定部105Aは、人移動速度演算部(移動速度演算部)1056をさらに備え、作業者5の移動速度を考慮して衝突可能性1050を演算する点が、図6に示した衝突可能性推定部105と異なる。図13は本発明の実施の形態2に係る接近距離10520を演算する方法の一例を示した図である。図中、手先位置を3点設定した場合を示す。図中、人位置H1、ロボット3の第1軌道Pにおける手先位置P1〜P3は、図7と同様である。
最初に、接近距離演算部1052Aは、現在の人位置情報1030および人移動速度10560を用いて、各手先位置に対応する時刻(制御周期)における人位置の移動先10521を求める。具体的には、図13における人位置H2および人位置H3は、人位置H1および人移動速度HVを用いて演算される。言い換えると、接近距離演算部1052Aは、取得された人位置情報1030および人移動速度10560を用いて、人位置情報1030が取得された時刻より後の時刻における人位置の移動先10521を推定する。人位置の移動先10521は相対速度演算部1054Aに出力される。人位置H1〜H3は、それぞれ手先位置P1〜P3に対応した制御周期における人位置を示す。人位置の移動先10521は、H2およびH3に対応する。ここで、人位置H1はロボット手先3bの動作開始前に、手先位置取得部1051で取得される。人移動速度HVは人移動速度演算部1056により演算される。
次に、図12に示す接近距離演算部1052Aは、人位置情報1030、人位置の移動先10521、および手先位置10510に基づいて、ロボット手先3bと作業者5との接近距離10520を演算する。その後、接近距離10520は、衝突可能性演算部1055へ出力される。
より詳細には、図13に示した人位置H1〜H3と手先位置P1〜P3との間の線分として、それぞれLa1,La2,La3を作成する。例えば図13では、手先位置P1と人位置H1との間の線分がLa1であり、手先位置P2と人位置H2との間の線分がLa2であり、手先位置P3と人位置H3との間の線分がLa3である。さらに、線分La1〜La3を用いて接近距離10520を演算する。具体的には、線分La1〜La3の長さのうちの最小値を接近距離10520とする。なお、上述の例では手先位置を3点設定した場合を例示しているが、手先位置は一点以上設けられていればよい。
図12示す相対速度演算部1054Aは、手先位置10510、人位置の移動先10521、手先速度10530、および人移動速度10560に基づいて、ロボット手先3bの作業者5に対する相対速度10540を出力する。
図14は本発明の実施の形態2に係る相対速度10540の演算方法の一例を示した図である。図14において、図13と同様の構成は同符号を付し説明を省略する。図8と同様に、図中V1〜V3は手先速度取得部1053にて演算された手先位置P1〜P3における手先速度10530を示す。
相対速度演算部1054Aは、まず、手先速度V1〜V3を線分La1〜La3方向へ射影することにより、作業者5に対するロボット手先3bの相対速度ベクトルRVa1〜RVa3を演算する。さらに相対速度演算部1054Aは、相対速度ベクトルRVa1〜RaV3に基づき、相対速度10540を導出する。
上述の例のように複数の相対速度ベクトルが演算された場合には、例えば、相対速度ベクトルRVa1〜RVa3のうち、作業者5へ向かう相対速度ベクトルであってその絶対値が最大となる相対速度ベクトルを、相対速度10540とする。例えば、相対速度ベクトルRVa1〜RVa3のうち、作業者5に向かう相対速度ベクトルであるRVa1、RVa2を選択し、選択された両ベクトルの絶対値を比較して絶対値が大きい相対速度ベクトルRVa1を相対速度10540とする。
本実施の形態によれば、作業者5の人移動速度を考慮して衝突可能性を判定するために仮に作業者5がロボット3の指令軌道に接近するように動作していた場合では、実施の形態1に比べ接近距離が小さくなることでより衝突可能性が高く算出され、結果として第1軌道の修正が行われやすくなる。一方で、作業者5がロボット3の指令軌道から遠ざかるように動作していた場合では、実施の形態1に比べ接近距離が大きくなることでより衝突可能性が低く算出され、結果として不必要な第1軌道の修正が行われない。したがって、実施の形態1のロボット制御装置と比較して、本実施の形態のロボット制御装置では、作業者5への安全性とロボットの動作効率を向上させることができる。
実施の形態3.
図15は本発明の実施の形態3に係るロボット制御装置1Cの構成の一例を示す図である。図15において、図2と同様の構成は同符号を付し説明を省略する。ただし、図15に示す衝突可能性推定部105は、図11および図12に示す衝突可能性推定部105Aであってもよく、後述する図19および図20に示す衝突可能性推定部105Eであってもよい。
ロボット制御装置1Cは、軌道修正部107に代わり軌道修正部107Cを備え、ロボット動作制御部108に代わりロボット動作制御部108Aを備える。
図15〜図17を用いて本実施の形態に係るロボット制御装置1Cの構成および動作を説明する。図16は、本発明の実施の形態3に係るロボット制御装置1Cの動作を説明するフローチャートである。図17は、図16のステップS3Aの処理を説明するためのフローチャートである。なお、図16では、ステップS1は図4のステップS1と同様である。また、図中、ステップS2(ステップS21〜ステップS26)は、図4のステップS2つまり図5のステップS21〜S26と同様である。よって、それらのステップの説明は繰り返し行わない。
ステップS3Aにて、図16に示すようにロボット動作制御部108Aはロボット3の駆動制御を行う。ここで図17を用いて、ステップS3Aを詳細に説明する。
まず、ステップS31Aでは、ロボット動作制御部108Aが現在の手先情報1010および人位置情報1030を取得する。次に、ステップS32Aにて、ロボット動作制御部108Aは、現在の手先情報1010および人位置情報1030に基づき、上述した衝突評価指標を用いて、予め設定された周期で衝突可能性を算出する。ここで、現在の手先情報1010および人位置情報1030とは、取得されている最新の手先情報1010および人位置情報1030を指す。ステップS33Aにて、ロボット動作制御部108Aは、算出された衝突可能性が閾値以下であるか否かを判断する。ステップS33Aにて、衝突可能性が閾値以下(YES)であれば、ロボット動作制御部108Aは制御信号10を生成する。一方で、ステップS33Aにて、衝突可能性が閾値より大きければ(NO)、ステップS35Aに進み、ロボット動作制御部108Aは再計画指令1080を生成する。
図16に戻り、ロボット制御装置1CのステップS3B以降の動作を説明する。ステップS3Bにて、再計画指令1080の有無を判断する。ステップS3Bにて、ロボット動作制御部108Aにより再計画指令1080が生成されていない場合(YES)、ステップS4に進む。一方で、ステップS3Bにて、ロボット動作制御部108Aにより再計画指令1080が生成されている場合は(NO)ステップS25に戻り、軌道修正部107Cにより指令軌道1070を修正する。
なお、再計画指令1080が入力されたとき、軌道修正部107Cは、第1軌道1040の代わりに指令軌道1070を用いて、第2軌道を生成する(ステップS25)。軌道修正部107Cは、この生成された第2軌道を新たな指令軌道1070として設定する。この新たに設定された指令軌道は、予め設定された指令軌道1070に比べて衝突可能性が低くなるように軌道修正部107Cにより生成される。
ステップS4にて、ロボット動作制御部108Aはロボット手先3bが目標点に到達したか否かを判断し、目標点に到達している場合は(YES)動作を終了し、そうでない場合は(NO)ステップS3Aに戻る。
図16のフローチャートでは、再計画指令が入力された場合に、指令軌道1070の衝突可能性が閾値以下となるまでステップS25〜ステップS3Bを繰り返す。
本実施の形態によれば、ロボット3と作業者5との衝突可能性が高まる場合において、ロボット3の指令軌道1070を再計画することで作業者5への安全性とロボット3の動作効率が向上する。
実施の形態4.
図18は本発明の実施の形態4に係るロボット制御装置1Dの構成の一例を示す図である。図2と同じ又は対応する構成については同符号を付しその説明を繰り返さない。
本実施の形態のロボット制御装置1Dでは、ロボット制御装置1(実施の形態1)と比較して、ロボット制御装置1Dがロボット手先3bの周囲の部材の情報を取得するセンサ6に接続されている点、および、ロボット制御装置1Dが動作環境取得部109と干渉判定部110とを有する点が異なる。センサ6はレンジセンサ、RGB−D(Red Green Blue−Depth)センサ、超音波センサ、静電容量センサを例示することができ、図1における位置検出装置2と併用してもよい。
動作環境取得部109は、センサ6からの情報を用いて、ロボット手先3bの動作範囲に配置されている部材の位置情報1090を取得する。その後、この部材に関する位置情報1090は動作環境取得部109により干渉判定部110へ出力される。
なお、ロボット手先3bの動作範囲に配置された部材とは、ロボット3以外の部材に加えて、ロボット手先3b以外のロボット3の構成(ロボット3の土台等)を意味する。
干渉判定部110は、部材の位置情報1090および第1軌道1040の軌道予測情報を用いてロボット手先3bがこの部材へ干渉するか否かを判断する。干渉判定部110により軌道の修正が必要と判定された場合、軌道修正指示信号1100が軌道修正部107Dへ出力される。これにより軌道修正部107Dは、第1軌道1040の予測軌道情報および部材の位置情報1090に基づき、軌道の修正を行う。一方で、干渉判定部110により軌道の修正が必要でない判定された場合、軌道修正指示信号1100が軌道修正部107Dへ入力されないため、軌道修正部107Dによる軌道修正が行われない。
本実施の形態によれば、ロボット手先3bの動作範囲に存在する部材に衝突しないように修正された指令軌道を得ることが可能である。なお、本実施の形態は、上述の実施の形態のロボット制御装置1A〜1C、後述する実施の形態のロボット制御装置1Eのいずれとも組み合わせることができる。
実施の形態5.
図19は本発明の実施の形態5に係るロボット制御装置1Eの構成の一例を示す図である。図19に示すロボット制御装置1Eは、実施の形態2に係るロボット制御装置1Bの変形例となる。図19において、図11と同様の構成は同符号を付し説明を省略する。
図11では、軌道修正部107が、人位置情報取得部103から出力される人位置情報1030を用いて第2軌道を生成していた。一方、図19に示したロボット制御装置1Eのように、衝突可能性推定部105Eが、第2軌道を生成するための基準位置1200を出力し、軌道修正部107が人位置情報1030の代わりに基準位置1200を用いて第2軌道を生成する構成としてもよい。軌道修正部107の構成は、第2軌道を生成する際に、人位置情報1030の代わりに基準位置1200を用いる他は、図11に示されるものと同一である。
図20は、衝突可能性推定部105Eの構成例を示すブロック図である。図20に示す衝突可能性推定部105Eは、衝突可能性演算部1055Eが、人位置情報1030に含まれる人位置、及び人位置の移動先10521の中から、基準位置1200を選択して出力する点が、図12に示した衝突可能性推定部105Aと異なる。
衝突可能性演算部1055Eは、図13又は図14に示す人位置H1、H2、H3の中から、接近距離10520又は相対速度10540を参照して基準位置1200を決定する。例えば、衝突可能性演算部1055Eは、人位置H1、H2、H3のそれぞれに対応する接近距離又は相対速度を参照して、最も衝突の可能性が高い人位置を選択して基準位置1200とする。したがって、基準位置1200は、現在の作業者5の位置、又は推定される作業者5の移動先を表す。作業者5の移動先は、将来における作業者5の予測位置と言い換えることもできる。
本実施の形態のロボット制御装置1Eによれば、作業者5への衝突の可能性がより低い、ロボット手先3bの移動軌道を生成することが可能となる。
1 ロボット制御装置
10 制御信号
2 位置検出装置
20 検出情報
3 ロボット
4 作業台
5 作業者(作業物体)
61、62 作業領域
71、72 作業対象物
101 手先情報取得部
1010 手先情報
102 目標点情報取得部
1020 目標点情報
103 人位置情報取得部
1030 人位置情報(物体位置情報)
104 第1軌道演算部
1040 第1軌道
105 衝突可能性推定部
106 修正要否判断部
107 軌道修正部
108 ロボット動作制御部
109 動作環境取得部
1056 人移動速度演算部(移動速度演算部)
本発明に係るロボット制御装置は、ロボットにおいて監視対象として設定された監視対象部が指令軌道に沿って動作するようにロボットを制御するロボット制御装置であって、監視対象部の現在位置および監視対象部の目標位置に基づき、現在位置から目標位置へ向かう第1軌道を演算する第1軌道演算部と、作業物体の位置を含む物体位置情報、および第1軌道上の少なくとも1つの点における監視対象部の予測軌道情報に基づき、監視対象部の作業物体に対する衝突可能性を推定する衝突可能性推定部と、推定された衝突可能性に基づき、第1軌道の軌道修正が必要か否かを判断する修正要否判断部と、修正要否判断部の判断結果に基づき、指令軌道を設定する軌道修正部とを備え、軌道修正部は、修正要否判断部にて軌道修正が必要と判断された場合には、予め作成された複数の修正軌道の中から衝突可能性が最も小さな修正軌道第2軌道とし、第2軌道を指令軌道として設定し、修正要否判断部にて軌道修正が必要でないと判断された場合には、第1軌道を指令軌道として設定するものである。

Claims (11)

  1. ロボットにおいて監視対象として設定された監視対象部が指令軌道に沿って動作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って、
    前記監視対象部の現在位置および前記監視対象部の目標位置に基づき、前記現在位置から前記目標位置へ向かう第1軌道を演算する第1軌道演算部と、
    作業物体の位置を含む物体位置情報、および前記第1軌道上の少なくとも1つの点における前記監視対象部の予測軌道情報に基づき、前記監視対象部の前記作業物体に対する衝突可能性を推定する衝突可能性推定部と、
    前記推定された衝突可能性に基づき、前記第1軌道の軌道修正が必要か否かを判断する修正要否判断部と、
    前記修正要否判断部の判断結果に基づき、前記指令軌道を設定する軌道修正部と
    を備え、
    前記軌道修正部は、
    前記修正要否判断部にて前記軌道修正が必要と判断された場合には、前記物体位置情報および前記第1軌道に基づき、前記第1軌道の衝突可能性よりも小さい衝突可能性を有する第2軌道を前記指令軌道として設定し、
    前記修正要否判断部にて前記軌道修正が必要でないと判断された場合には、前記第1軌道を前記指令軌道として設定する
    ロボット制御装置。
  2. 前記軌道修正部は、前記作業物体の位置から見たときに、前記第2軌道の全ての点において前記第2軌道が前記第1軌道よりも外側を通過するように、前記第2軌道を設定する
    請求項1に記載のロボット制御装置。
  3. 前記軌道修正部は、前記作業物体の位置から見たときに、前記第2軌道が外側に凸の曲線となるように、前記第2軌道を設定する
    請求項2に記載のロボット制御装置。
  4. 前記軌道修正部は、前記監視対象部が前記現在位置から前記目標位置へと向かうにつれて、前記監視対象部から前記作業物体までの距離が単調に変化するように、前記第2軌道を設定する
    請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のロボット制御装置。
  5. 前記衝突可能性推定部は、前記作業物体の移動速度を演算する移動速度演算部を備え、前記作業物体の前記移動速度に基づいて前記作業物体に対する衝突可能性を推定する
    請求項1から請求項4のいずれか一項に記載のロボット制御装置。
  6. 前記衝突可能性推定部は、前記作業物体の前記移動速度に基づいて前記作業物体の移動先を推定し、推定された前記作業物体の前記移動先に基づいて衝突可能性を推定する
    請求項5に記載のロボット制御装置。
  7. 前記軌道修正部は、前記作業物体の前記移動先に基づいて前記第2軌道を設定する
    請求項6に記載のロボット制御装置。
  8. 前記監視対象部の動作範囲に配置された部材の位置情報および前記予測軌道情報を用いて、前記監視対象部が前記部材に衝突するか否かを判断する干渉判定部と
    を備え、
    前記軌道修正部は、前記干渉判定部の判定結果に応じて、前記指令軌道を修正する
    請求項1から請求項7のいずれか一項に記載のロボット制御装置。
  9. 前記指令軌道に基づき前記監視対象部の移動を制御するロボット動作制御部をさらに備え、
    前記ロボット動作制御部は、
    前記監視対象部の前記現在位置および前記物体位置情報に基づき、予め設定された制御周期ごとに衝突可能性を算出すると共に、前記算出された衝突可能性が予め設定された閾値を越えた場合には、再計画指令を生成し、
    前記軌道修正部は、前記再計画指令が入力された場合には、前記指令軌道を修正する
    請求項1から請求項8のいずれか一項に記載のロボット制御装置。
  10. 前記指令軌道に基づき前記監視対象部の移動を制御するロボット動作制御部をさらに備え、
    前記監視対象部の前記現在位置は、前記ロボット動作制御部から出力された制御信号から導出されたものである
    請求項1から請求項8のいずれか一項に記載のロボット制御装置。
  11. 請求項1から請求項10のいずれか一項に記載のロボット制御装置と、
    前記ロボット制御装置により制御されて動作する前記ロボットと
    を備えたロボットシステム。
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