KR20170102485A

KR20170102485A - 로봇 시스템

Info

Publication number: KR20170102485A
Application number: KR1020177018886A
Authority: KR
Inventors: 마사유키 와타나베; 토시히코 미야자키; 타카시 오히게; 아야타카 코바야시
Original assignee: 카와사키 주코교 카부시키 카이샤
Priority date: 2014-12-26
Filing date: 2014-12-26
Publication date: 2017-09-11
Also published as: CN107107349B; EP3238893A4; TW201622926A; EP3238893A1; CN107107349A; JPWO2016103308A1; WO2016103308A1; SG11201703982SA; US10345788B2; EP3238893B1; TWI603827B; US20170357242A1; JP6364096B2; KR101982226B1

Abstract

제어장치(3)는 고속 동작영역(20H)에서는 제1최대속도 이하의 속도에 있어서 로봇 팔(10),(12)를 이동시켜, 저속 동작영역(20L)에서는 제1최대속도보다 적은 제2최대속도 이하의 속도에서 로봇 팔(10),(12)을 동작시킬 수 있도록 구성되어, 고속 동작영역(20H)와 저속 동작영역(20L)과의 사이에서 고속 동작영역(20H)에서 충돌검지감도가 저속 동작영역(20L)에서 충돌검지감도 보다 낮아질 수 있도록 충돌검지감도를 변환시킬 수 있도록 구성되어 있다.

Description

로봇 시스템{ROBOT SYSTEM}

본 발명은 작업자와 로봇이 공전하여 작업을 행하기 위한 로봇 시스템에 관한 것이다.

종래 산업용의 로봇시스템에서는, 로봇과 인간이 같은 작업공간에서 동시에 작업을 행하지 않도록 인간과 로봇의 작업공간을 완전하게 분리하기 위한 안전책이 설치된 것이 일반적이다. 안전책에 의해 로봇이 동작 중에는 인간이 로봇의 가동범위 내에 물리적으로 침입할 수 없도록 하여 인간의 안전이 확보되어 있다. 이를 지지하는 기술로써, 예를 들면 다음과 같은 것이 있다. 특허문헌1에서는 로봇과 사람이 물건을 주고받을 때, 수도영역에 사람이 진입한 것을 검지했을 때, 수도(주고받음)영역에 로봇의 동작을 제한하는 제한영역을 설정한다. 또한, 특허문헌2에서는 로봇의 팔(arm) 선단의 좌표치에 대해서 제한영역을 설정하고, 이 제한영역과의 거리에 따라 속도를 제한한다.

특개2014-180725호 공보 특개평11-347983호 공보

그런데, 근년에는 생산라인에 로봇을 도입하여, 로봇이 인간과 같은 라인에서 작업을 함으로써, 생산성 향상을 실현하게 하고 싶다는 요망이 있다.

하지만, 상기의 종래기술에서는 로봇과 같은 라인에서 작업하는 작업자의 안전성을 확보하기 위해서는 안전책 등을 설치할 필요가 있고, 로봇의 도입 가격이 상승하여 바람직하지 않다. 이와 같이 종래기술에서는 생산라인에 로봇을 도입하여, 로봇이 인간과 같은 라인으로 작업할 경우, 안전성에 과제가 있다.

그래서 본 발명에서는 작업자와 로봇이 공존하여 작업을 행하기 위한 로봇시스템에 있어서, 작업자의 안전성과 작업능률의 향상을 꾀하기 위한 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일태양에 관계된 로봇 시스템은 작업자와 로봇이 공존하여 작업을 행하기 위한 로봇시스템으로서, 복수의 링크가 관절에 의해 연결되어 있는 로봇 팔을 갖춘 로봇과, 상기 로봇 팔의 동작을 제어하는 제어부와, 상기 로봇 팔이 물체와 충돌한 것을 검지하여 로봇 팔을 정지시키는 충돌 정지부를 갖추고 있고, 상기 로봇 팔에 대해서, 고속 동작영역 및 저속 동작영역이 설정되어 있어, 상기 제어부는, 상기 고속 동작영역에서는 제1최대속도 이하의 속도에서 상기 로봇 팔(arm)을 동작시키고, 상기 저속 동작영역에서는 상기 제1최대속도 보다 낮은 제2최대속도 이하의 속도에서 상기 로봇 팔을 동작시킬 수 있도록 구성되어, 상기 충돌 정지부는 상기 고속 동작영역과 상기 저속 동작영역과의 사이에 상기 고속 동작영역에서의 충돌검지감도가 상기 저속 동작영역에서에 충돌검지감도 보다 낮아지게끔 충돌검지감도를 바꾸도록 구성되어 있다.

일반적으로 로봇 팔이 물체와 충돌했다는 것을 검지하는 충돌검지에 있어서는 충돌검지감도를 높게 (충돌이라고 판정해야 하는 임계값 신호레벨을 낮게 한다)할수록, 노이즈 등에 기인하는 오검지 확률 (이하 오검지율이라 한다)이 높아지고, 또한 로봇 팔의 동작속도가 높아질수록 오검지율이 높아진다.

상기 구성에 따르면 충돌 정지부가 고속 동작영역과 저속 동작영역과의 사이에서, 고속 동작영역에 있는 충돌감도가 저속 동작영역에 있는 충돌검지감도보다 낮아지도록 충돌검지감도를 바꾸므로 고속 동작영역과 저속 동작영역과의 사이에서 충돌검지감도를 바꿀 수 없는 경우와 비교해서, 고속 동작영역과 저속 동작영역과의 사이에서 오검지율을 일정하게 유지하면서, 고속 동작영역의 최대 동작속도를 저속 동작영역에 대해서 상대적으로 높게 할 수 있다.

따라서 로봇 팔의 동작영역 중 작업자의 작업영역에 가까운 부분을 저속 동작영역으로 설정함과 동시에, 저속 동작영역에서의 충돌검지속도를 가능한 한 높게 설정함으로써, 작업자가 만일 로봇 팔에 접촉한 경우에도 로봇 팔이 저속도로 작업자에 충돌해서 감도 좋게 정지하도록 할 수 있고, 한편, 고속 동작영역에서 가능한 한 로봇 팔을 고속도로 동작시킬 수가 있다. 그 결과, 고속 동작영역과 저속 동작영역과의 사이에 충돌검지감도를 변환할 수 없는 경우에 비해서, 작업자의 안전성을 높일 수 있음과 동시에 작업능률을 높게 할 수 있다.

상기 충돌 정지부는, 상기 고속 동작영역에 있어서의 충돌검지감도가 제로가 되도록 충돌검지감도를 변환하도록 구성되어 있어도 좋다. 상기 구성에 따르면, 충돌의 오검지를 고려할 필요가 없으므로, 로봇 팔의 성능이 허락하는 한도까지 고속 동작영역에서 로봇 팔을 고속도로 동작시켜 작업능률을 높게 할 수가 있다.

상기 로봇시스템에서는 상기 로봇 팔의 동작영역 중, 작업자의 작업영역에 가까운 부분이 상기 저속 동작영역으로서 설정되고, 상기 저속 동작영역 이외의 부분이 상기 고속 동작영역으로 설정되어 있어도 좋다.

상기 구성에 따르면, 작업자가 만일 로봇 팔에 접촉한 경우에도, 로봇 팔이 저속도로 작업자에 충돌하여 감도 좋게 정지하도록 할 수 있다.

상기 제어부는 전 부분이 상기 고속 동작영역에 위치하는 상기 링크를 제1최대속도 이하의 속도에서 동작시키고, 적어도 일부분이 상기 저속 동작영역에 위치하는 상기 링크를 제2최대속도이하의 속도에서 동작시키도록 구성되어 있어도 좋다.

상기 구성에 따르면 보다 확실하게 작업자의 안전을 확보할 수 있다.

상기 고속 동작영역과 상기 저속 동작영역과의 사이에 1이상의 중간속 동작영역이 상기 상기 고속 동작영역으로부터 상기 저속 동작영역을 향해서 차례대로 늘어서도록 설정되어, 상기 제어부는, 상기 1이상의 중간속 동작영역에서는 상기 고속 동작영역으로부터 상기 저속 동작영역을 향해서 상기 제1최대속도 보다 낮은 제3최대속도부터 상기 제2최대속도보다 높은 제4최대속도로 차례로 낮아지도록 각각의 최대속도 이하의 속도에서 상기 로봇 팔을 동작시키도록 구성되어 있어도 좋다.

상기 구성에 의하면, 로봇 팔의 최대속도를 서서히 변환할 수 있다.

상기 충돌 정지부는, 상기 고속 동작영역, 상기 1이상의 중간속 동작영역 및 상기 저속 동작영역에 있어서 상기 고속 동작영역으로부터 상기 저속 동작영역을 향해서 차례로 각각의 충돌검지감도가 높아지도록 충돌검지감도를 변환되게 구성되어 있어도 좋다.

상기 구성에 의하면 충돌검지감도를 서서히 바꿀 수 있다.

상기 제어부는 상기 고속 동작영역, 상기 1이상의 중간속 동작영역 및 상기 저속 동작영역에서의 서로 인접하는 2개의 영역에 있어서, 그 대응하는 최대속도가 높은 쪽의 영역(이하, 상대적 고속 동작영역이라 한다)부터 그 대응하는 최대속도가 낮은 쪽의 영역(이하, 상대적 저속 동작영역이라 한다)에 상기 로봇 팔을 이동시키는 경우에는 상기 2개의 영역의 경계보다 앞에서부터 상기 상대적 저속 동작영역에 대응하는 최대속도 이하의 속도에서 상기 로봇 팔을 동작 시키고, 상기 상대적 저속 동작영역으로부터 상기 상대적 고속 동작영역으로 상기 로봇 팔을 이동시키는 경우에는, 상기 2개의 영역의 경계보다 앞에서부터 상기 상대적 고속 동작영역에 대응하는 최대속도 이하의 속도에서 상기 로봇 팔을 동작시키도록 구성되어 있어도 좋다.

상기 구성에 의하면, 상대적으로 고속 동작 영역에서 상대적 저속 동작영역으로 로봇 팔을 이동시키는 경우에는, 로봇 팔이 상대적 저속 동작영역에 들어가기 전에 저속 동작으로 변환하므로　최대 속도에 히스테리시스 특성을 특정할 수 없는 경우에 비해 안전성을 향상시킬 수있는 반면 상대적 저속 동작영역에서 상대적으로 빠른 동작 영역으로 로봇 팔을 이동시키는 경우에는, 로봇 팔이 상대적고속 동작영역으로 들어가기 전에 고속동작으로 변환하므로, 최대 속도에 히스테리시스 특성을 특정할 수 없는 경우에 비해 작업 능률을 높일 수있다.

본 발명에 의하면, 안전성을 확보하면서 인간과 공존 작업이 가능한 로봇 시스템을 제공할 수 있게 된다.

도1은 제1실시형태에 따른 로봇 시스템의 구성을 나타내는 사시도이다.
도2는 도1의 로봇 팔의 관절구조를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도3은 도1의 로봇 시스템의 평면도이다.
도4는 도1의 로봇 시스템의 제어장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도5는 도1의 로봇 팔의 충돌검지 처리를 설명하는 흐름도이다.

　이하, 본 발명에 따른 실시형태에 대해 도면을 참조하면서 설명한다. 이하에서는 모든 도면을 통해 동일 또는 상당한 요소에는 동일한 부호를 붙이고 중복 설명은 생략한다.

　도1은 제1실시형태에 따른 로봇 시스템의 구성을 나타내는 사시도이다. 도1에서 나타낸 바와 같이, 로봇 시스템(1)은 로봇 본체 (이하, 단순히 로봇이라 한다)2 로봇(2)를 제어하는 제어장치(3)를 포함한다. 로봇 시스템(1)은 작업자와 로봇(2)이 공존하여 작업을 수행하기 위한 시스템이다.

　로봇(2)는 복수의 링크가 관절에 의해 연결되어 이루어진 로봇 팔을 갖춘 로봇이면 된다. 본 실시형태에서는, 로봇(2)는 동축양팔형의 스칼라 로봇이다. 로봇(2)는 기대(9) 위에 배치된 아랫팔(10)과, 아랫팔(10) 위에 배치된 윗팔(12)을 구비한다. 아랫팔(10)은 제1링크(10a) 및 제2링크(10b)가 관절에 의해 연결되어 구성된다.

윗팔(12)은 제1링크(12a)및 제2링크(12b)가 관절에 의해 연결되어 구성된다.

제어장치(3)는 로봇(2)과 제어선(미도시)을 통해 접속되며, 예를 들면 마이크로 컨트롤러 등의 컴퓨터를 갖춘 로봇 컨트롤러이다. 제어장치(3)는 단일의 장치에 한정되지 않으며, 복수의 장치로 구성되어도 좋다. 본 실시형태에서는, 제어장치(3)는 예를 들어, 대차(4)에 수용된다. 대차(4)는 직육면체의 박스 형상의 본체(4a)와 본체(4a)의 상부에 장착된 손잡이(4b)와 본체(4a) 밑면의 네 모서리에 설치된 바퀴(4c)를 갖춘다.

　도 2는 아랫팔(10)과 윗팔(12)의 관절 구조를 모식적으로 나타낸 도면이다. 도2에 나타낸 바와 같이, 　아랫팔(10)은 회전관절인 제1축(21)및 제2축(22)와 　병진(직동)관절인 제3축(23의3) 자유도를 가진다. 윗팔(12)는 회전관절인 제4축(24) 및 제5축(25)과, 병진(직동)관절인 제6축 (26의3) 자유도를 가진다.

아랫팔(10)에서는 기대(9)의 윗면에 지지부재(10s)가 　설치되어, 수평하게 연장하는 제1링크(10a)의 일단부가 기대(9)에 연직된 회전축선을 가진 제1축(21)을 통해 지지부재(10s)와 연결된다. 제1링크(10a)의 다른 단부는 연직된 회전축선을 가진 제2축(22)를 통해 제2링크(10b)의 일단과 연결된다. 제2링크(10b)는 수평하게 연장한다. 제2링크(10b)의 다른 단부에는 연직된 병진방향을 가진 제3축(23)을 통해 제1엔드 이펙터(end effector)(11)가 연결된다. 　이에 의해, 제1엔드이팩터(11)는 제2링크(10b)의 선단부에서 제3축(23)에 의해 승강 가능하게 구성된다.

　윗팔(12)에서는 아랫팔(10)의 제1링크(10a)의 윗면에 지지부재(12s)가 　설치되고, 수평으로 　연장하는 　제1링크(12a)의 일단부가 연직한 회전축선을 가진 제4축(24)를 통해 지지부재(12s)에 연결된다. 제4축(24)은, 그 회전축선이 제1축(21)의 회전축선과 일치하도록 배치된다. 제1링크(12a)의 다른단부는 연직한 회전축선을 가진 제5축(25)을 통해 제2링크(12b)의 일단과 연결된다. 제2링크(12b)는 수평으로 연장한다. 제2링크(12b)의 다른 단부에는 연직한 병진방향을 가진 제6축(26)를 통해 제2엔드이팩터(13)가 연결된다. 이에 의해, 제2엔드이팩터(13)은 제2링크(12b)의 선단부에서 제6축(26)에 의해 승강 가능하게 구성된다. 제1엔드이팩터(11)의 기준위치와 제2엔드이팩터(13)의 기준위치는 서로 동일한 수평위치에 설정된다 (도1 참조).

　아랫팔(10) 및 윗팔(12)을 구성하는 각 축 21 ~ 26은 서보기구(미도시) 에 의해 　구동된다. 서보기구는 팔을 변위구동하기 위한 구동부와, 구동부의 동력을 팔에 전달하기 위한 전달기구를 포함한다. 본 실시형태에서 구동수단은 전동 모터, 예를들면 서보모터에 의해 실현된다. 즉, 아랫팔(10) 및 윗팔(12)은 서보기구에 의해 제어장치(3)의 지령에 따라 운동하도록 구성된다. 즉, 제어장치(3)는 서보 모터를 제어함으로써 아랫팔(10)과 윗팔(12)의 동작을　임의속도로 제어하도록 구성된다. 여기서, 윗팔(12)의 제4축(24)는 지지부재(12s) 및 아랫팔(10)의 제1링크(10a)를 통해 아랫팔의 제1축(21)에 회전축선을 공유하도록 접속되어 있기 때문에, 제1축(21)의 회전을 상쇄하도록 회전한 후에 주어진 회전을 행하도록 제어된다.

도3은 로봇 시스템(1)의 평면도이다. 도3에 나타낸 바와 같이, 로봇 시스템(1)은 예를 들면, 생산라인에 도입되어, 사용자와 동일한 라인에서 작업할 수 있도록 구성되어 있다. 로봇 시스템(1)의 로봇(2)은 기준 좌표계 (이하 베이스좌표계라고 함)를 가지고 있다. 이 좌표계는, 예를 들면, 기대(9)의 　설치면과 아랫팔(10)의 제1축(21)(도 2 참조)의 회전축선과의 교점이 원점이며. 제1축(21)의 회전축선이 Z축이고, Z축에 직교하는 임의의 축이 X축이고, Z축과 X축에 직교하는 축이 Y축 이다. 로봇(2)의 아랫팔(10) 및 윗팔(12)에 대한 동작영역(20)은 이 베이스 좌표계를 기준으로 설정 된다. 본 실시예에서 동작영역(20)은 평면에서 보았을 때 직사각형이며, 로봇(2)의 정면에 배치된 작업대(5)를 덮도록 설정된다. 작업대(5)의 위에는 예를 들어, 4종류의 워크(W1, W2, W3, W4)가 배치 되어 있다. 로봇(2)는 동작영역(20)에 있어서 작업자와　같은 모양의 작업을 행하도록 구성되어 있다. 동작영역(20)의 좌우양측의 영역에는 각가 작업자가 작업대(5)의 위에서 각자의 작업을 행하는는 작업영역 이다. 예를 들면. 왼쪽에 위치한 작업자가 로봇(2)에 재료부재(W1)를 공급한다. 로봇(2)는 공급된 재료부재(W1)에 대해서 제1의 부품(W2) 및 제2의 부품(W3)을 부착해서 가공품(W4)를 완성시킨다. 오른쪽에 위치한 작업자는 완성된 가공품(W4)에 대해 다음 작업행정을 실행한다.

　제어장치(3)는 아랫팔(10)과 윗팔(12)이 동작영역(20)에서 움직이도록 아랫팔(10)과 윗팔(12)의 동작을 제어한다. 동작영역(20)은 고속 동작영역(20H)과 저속 동작영역(20L)을 포함한다. 저속 동작영역(20L)은 동작영역(20)에서의 작업자의 작업영역에 가까운 부분이며, 평면시로 직사각형의 영역에 설정된다. 동작영역(20)에 있어서의 저속 동작영역(20L)이외의 부분이며, 평면시로 직사각형의 영역이 고속 동작영역(20H)으로써 설정된다. 본 실시형태에서는 저속 동작영역(20L)은 고속 동작영역(20H)의 좌우양측 영역에 각각 설정된다.

제어장치(3)는 고속 동작영역(20H)에서는 제1최대속도 이하의 속도에서 아랫팔(10) 및 윗팔(12)을 동작시키고, 저속 동작영역(20L)에서는 제1최대속도보다 낮은 제2최대속도 이하의 속도에서 아랫팔(10) 및 윗팔(12)을 동작시키도록 구성된다. 저속 동작영역(20L)에서의 제2최대속도는 예를 들면, ISO10218-1에 저속제어로서 규정 되어 있는 250mm/s로 설정한다. 이에 의해, 고속 동작영역(20H)에서 가능한 한 아랫팔(10) 및 윗팔(12)을 고속으로 동작시킬 수 있다. 따라서, 로봇(2)의 작업효율이 높아진다.

　제어장치(3)은 모든 부분이 고속 동작영역(20H)에 위치한 링크를 제1최대속도 이하의 속도에서 동작시키고, 적어도 일부분이 저속 동작영역(20L)에 위치한 링크를 제2최대속도 이하의 속도에서 동작시키도록 구성되어 있다. 이에 의해, 보다 확실하게 작업자의 안전을 확보 할 수 있다.

　더욱이 제어장치(3)는 고속 동작영역(20H)에서 저속 동작영역(20L)로 아랫팔(10) 및 윗팔(12)을 동작시키는 경우는 팔의 동작속도를 완만하게 저하시킴과 함께, 저속 동작영역(20L)에서 고속 동작영역(20H)으로 팔을 작동시키는 경우는 아랫팔(10) 및 윗팔(12)의 동작속도를 완만하게 상승시킨다. 이로써 동작속도의 급감한 변화가 억제되므로 안전성이 향상된다.

　더욱이 제어장치(3)는 아랫팔(10) 또는 윗팔(12)이 물체와 충돌했다는 것을 검지하여 동작을 중정지시키는 충돌정지 기능을 구비한다. 제어장치(3)는 고속 동작영역(20H)과 저속 동작영역(20L)과의 사이에서, 고속 동작영역(20H)에서의 충돌검지감도가 저속 동작영역(20L)에서의 충돌검지감도보다 낮아지게끔 충돌검지감도를 변환하도록 구성되어 있다. 이로써, 작업자가 만일 아랫팔(10) 또는 윗팔(12)에 접촉 한 경우에도, 아랫팔(10) 또는 윗팔(12)을 낮은 속도로 작업자에 충돌시켜서 감도 좋게 정지시킬 수 있음과 동시에 고속 동작영역(20H)에서 가능한 한 아랫팔(10) 또는 윗팔(12)을 높은 속도로 동작시킬 수 있다.

　이하에서는 상기 기능을 실현하는 제어장치(3)의 구체적인 구성에 대해 도4의 블록도를 이용하여 설명한다. 도4에 나타낸 바와 같이, 같이 제어장치(3)는 이동량지령부(31)와 전류발생회로(32)와 충돌검지부(33)와 전류제한부(34), 인터페이스부(35)를 구비한다. 제어장치(3)는, 예를 들면, 컴퓨터, 마이크로컨트롤러 등의 연산처리기에 의해 실현되며, 미리 정해져있는 프로그램을 실행함으로써, 상술한 이동량지령부(31), 충돌검지부(33), 전류제한부(34)를 실현할 수 있다. 　

　여기에서는, 아랫팔(10) 및 윗팔(12)을 구성하는 각 축(21)~(26)을 구동하는 구동수단으로서의 서보모터(28)을 나타내고 있다. 여기에서는 1개의 서보모터(28)만 나타나 있지만, 그 외의 서보모터(28)도 마찬가지이다. 서보모터(28)에는 모터의 위치 (회전자의 기준회전각도위치에 대한 회전각도 위치)를 검출하는 인코더(29)와, 모터에 흐르는 전류치를 검출하는 전류센서(30)가 붙여져 있다. 제어장치(3)는 인터페이스부(35)를 통해 인코더(29)에서 검출된 서보모터(28)의 위치 및 전류센서(30)에서 검출된 서보모터(28)에 흐르는 전류값을 취득하도록 구성되어 있다.

이동량지령부(31)는, 미리 정해진 위치지령치와 인코더(29)로부터의 검출위치정보를 바탕으로 전류지령치를 연산한다. 이동량지령부(31)은, 아랫팔(10) 및 윗팔(12)을 미리 정해진 고속 동작영역(20H) 또는 저속 동작영역(20L)으로 이동시키기 위해 필요한 전류지령치를 연산한다. 팔이 장애물에 충돌하지 않는 정상상태에서는, 이동량지령부(31)가 연산한 전류지령치가 전류발생회로(32)에 주어진다.

　전류발생회로(32)는 주어진 전류지령치를 바탕으로 전류를 발생하고, 발생한 전류를 서보모터(28)에 흐르게 한다. 전류발생회로(32)는 전류지령치에 따라 모터(28)의 구동전류를 발생하는 증폭기, 이른바 서보앰프이다. 이와 같이, 각 축 (21) ~ (26)의 서보모터(28)는 위치제어되므로, 제어장치(3)은 고속 동작영역(20H)에서는 제1최대속도 이하의 속도에서 아랫팔(10) 및 윗팔(12)를 동작시키고, 저속 동작영역(20L)에서는 제1최대속도보다 낮은 제2최대속도 이하의 속도에서 아랫팔(10) 및 윗팔(12)를 동작시킬 수 있다. 또한 제어장치(3)은 좌표변환에 의해 기준이 되는 베이스좌표계에서의 각 링크의 위치정보를 산출함으로써 모든 부분이 고속 동작영역(20H)에 위치한 링크를 제1최대속도이하의 속도에서 동작시켜, 적어도 일부분이 저속 동작영역(20L)에 위치한 링크를 제2최대속도이하의 속도에서 동작시킬 수 가 있다

　충돌검지부(33)는, 후술하는 바와 같이, 인코더(29)로부터의 검출위치정보 및 전류센서(30)으로부터의 전류치를 바탕으로 아랫팔(10)또는 윗팔(12)이 물체와 충돌한 것을 검지하여 충돌한 것을 나타내는 충돌검지신호를 전류제한부(34)로 출력한다.

　전류제한부(34)는 충돌검지부(33)로부터 충돌검지신호가 전해지면, 이동량지령부(31)가 연산한 전류지령치를 제한하고, 제한한 전류지령치를 전류발생회로(32)에 준다. 이로써, 팔 충돌검지시에는 전류발생회로(32)로부터 출력되는 전류는 전류제한전에 비해 감소되어 서보모터(28)에 주어진다. 여기서, 전류를 제한하는 것은 이동량지령부(31)의 전류지령치를 미리 정해진 감소율로 감소시킬 경우, 이동량지령부(31)의 전류치에도 불구하고 미리 정한 일정치로 제한하는 경우의 어느 경우도 좋다. 미리 정한 감소율이 0%인 경우도 포함한다. 이 경우, 전류 제한시에는 전류발생회로로부터 서보모터(28)에 주어지는 전류는 0이고, 서보모터(28)로 전류가 흐르는 것이 저지된다.

　[충돌검지처리]

다음으로, 제어장치(3)에서의 충돌검출처리에 대해 도5의 플로차트를 이용하여 설명한다. 이 처리는 제어장치(3)에서 일정시간 (예를들면, 20msec)마다 반복되어 실행된다.

　우선 충돌검지부(33)(도4참조)는 로봇(2)의 아랫팔(10) 및 윗팔(12)을 구성하는 각 축(21)~(26)(도2참조)의 주어진 시간에 있어서의 위치를 나타내는 변수를 바탕으로, 각 축에서 발생하는 토크를 산출한다 (스텝S1). 여기서, 토크 산출은, 전형적인 로봇의 운동 방정식을 이용해서 행해진다.

다음으로 충돌검지부(33)는 이 산출된 토크를 서보모터(28)가 발생하기 위해 필요한 전류(이하, 이론전류치라 함)을 산출한다(스텝S2).

　그런 다음 충돌검지부(33)는 전류센서(30)에서 검출된 서보모터(28)에 실제로 흐르는 전류(이하 실전류치라 함)를 취득하여 이론전류치와 실전류치와의 차의 절대치를 나타내는 차분전류치를 산출한다(스텝S3)

　그런 다음 충돌검지부(33)는, 차분전류치가 각 축 마다 설정된 제1기준치를 초과했는지 아닌지를 판정한다(스텝S4). 차분전류치가 제1기준치를 넘고 있는 경우에는 충돌이 발생한 것으로써 충돌이 검출된 것을 나타내는 충돌검출신호를 전류제한부(34)(도4 참조)에 출력한다(스텝S5). 그 후, 전류제한부(34)는 제한한 전류지령치를 전류발생회로(32)에 주고, 서보모터(28)로의 전류공급이 정지된다(스텝S6).

　한편, 충돌검지부(33)는, 스텝S4에서 차분전류치가 제1기준치를 넘지 않은 경우에는 차분전류치의 미분치인 미분차분전류치(즉, 차분전류치의 변화속도)를 산출하고(스텝7), 미분차분전류치가 각 축(21)~(26) 마다 설정되어 있는 제2기준치를 초과했는지 아닌지를 판정한다(스텝8). 충돌검지부(33)는 미분차분전류치가 제2기준치를 넘었을 경우에는 충돌이 발생한 것으로 스텝S5 이후의 처리에 이행하는 한편, 넘지 않았을 경우에는 충돌이 발생하지 않은 것으로써 스타트(통상의 위치제어처리)로 돌아간다.

　이와 같이, 본 실시형태에서는, 로봇(2)의 아랫팔(10) 및 윗팔(12)을 구성하는 각 축 (21) ~ (26)을 구동하는 서보모터(28)에 공급되는 실전류치를 바탕으로, 장애물과의 충돌을 검출할 수 있도록 구성되어 있으므로, 충돌검출을 위한 토크센서나 옵저버를 특별히 설치할 필요가 없으며, 구성을 간소화 할 수 있다.

　또한, 차분전류치의 변화량 및 그 변화속도를 나타내는 미분차분전류치의 어느 것이 각각에 대해 설정된 제1기준치 또는 제2기준치를 넘은 경우에 충돌이 발생한 것으로 판정되므로 피구동부재 구동속도의 대소에 관계없이 보다 신속 및 정확하게 충돌을 검출하는 것이 가능해진다.

　[충돌검지감도]

다음으로 충돌검지감도에 대해 설명한다. 충돌판정(스텝S4 및 스텝S8)에서의 제1기준치, 제2기준치의 값을 작게하면 충돌검출의 감도를 올릴 수 있지만, 각설정치가 너무 작으면 전기적 노이즈 등에 의한 구동전류의 흔들림이 충돌발생으로 판단되는 등의 오검출이 많아지고, 충돌검출의 신뢰성이 손상된다. 한편, 각 기준치의 설정치가 너무 큰 경우에는 충돌검출의 감도가 저하되어 충돌감출시기를 늦추게 하는 결과가 된다. 따라서, 충돌검출을 신속 및 정확하게 행하기 위해서는 제1기준치, 제2기준치를 적절하게 설정할 필요가 있다.

　그래서, 본실시형태에서는 충돌 검지부(33)가 고속 동작영역(20H)과 저속 동작영역(20L)과의 사이에서, 고속 동작영역(20H)에 있어서의 충돌검지감도가 저속 동작영역(20L)에 있어서의 충돌검지감도 보다 낮아지도록 충돌검지감도를 바꾼다. 즉, 고속 동작영역(20H)에 있어서의 각 기준치를 저속 동작영역(20L)에 있어서의 각기준치보다도 높게 설정한다. 본 실시형태에서는 고속 동작영역(20H)에 있어서의 충돌검지감도가 0이 되도록 설정한다. 이에 의해, 충돌의 오검지를 고려할 필요가 없으므로, 로봇팔의 성능이 허락하는 한도까,지 고속 동작영역에 있어서 로봇팔을 고속도로 동작시켜 작업능률을 높일 수 있다.

상술한 대로, 로봇 팔이 물체와 충돌한 것을 검지하는 충돌검지에 있어서는 충돌검지감도를 높게할(충돌이라고 판정할만한 임계값신호레벨을 낮게 한다)수록, 노이즈 등에 기인하는 오검지의 확률(이하 오검지확률 이라 한다)이 높아지는 경향이 있다. 또한 본 실시형태와 같이, 로봇 팔의 동작속도를 높게 할수록 오검지율이 높아지는 경향이 있다.

　본 실시예에 따르면, 충돌검지부(33)가 고속 동작영역(20H)과 저속 동작영역(20L)의 사이에서, 고속 동작영역(20H)에서의 충돌감도가 저속 동작영역(20L)에서의 충돌검지감도 보다 낮도록 충돌검지감도를 바꾸므로, 고속 동작영역(20H)과 저속 동작영역(20L) 간에 충돌검지감도를 변환하지 않는 경우에 비해, 고속 동작영역(20H)과 저속 동작영역(20L)의 사이에서 오검지율을 일정하게 유지하면서, 고속 동작영역(20H)의 최대 동작 속도를 저속 동작영역(20L)에 비해 상대적으로 높게 할 수 있다.

따라서, 로봇 팔 (윗팔(12) 및 아랫팔(10))의 동작영역(20) 중, 작업자의 작업영역에 가까운 부분을 저속 동작영역(20L)으로 설정함과 동시에 저속 동작영역(20L)에서의 충돌검지감도를 가능한 한 높게 설정함에 의해 작업자가 만일 로봇 팔(윗팔(12)과 아랫팔(10))에 접촉한 경우에도 로봇 팔(윗팔(12)과 아랫팔(10))이 낮은 속도로 작업자에게 충돌하여 감도 좋게 정지하도록 할 수 있으며, 한편, 고속 동작영역(20H)에서 가능한 한 로봇 팔을 고속도로 동작 시킬 수 있다.

그 결과, 고속 동작영역(20H)과 저속 동작영역(20L)간에 충돌검지감도를 변환 하지 않는 경우에 비해, 작업자의 안전성을 높일 수 있음과 함께 작업 능률을 높일 수 있다.

　또한, 본 실시형태의 로봇(2)은　동축양팔형 로봇이기 때문에 설치 공간이 작고, 또한 인간에 의한 섬세한 수작업과 동일한 형태의 작업을 실행할 수 있기 때문에, 생산 라인에서 인간과 용이하게 서로 바꿀 수 있다.

　(그 외의 실시예)

또한, 그 외의 실시형태로서, 고속 동작영역(20H)과 저속 동작영역(20L)의 사이에 1이상의 중간 속도동작영역(20M)(미도시)이 고속 동작영역(20H)에서 저속 동작영역(20L)을 향해 차례로 늘어서도록 설정되고, 제어장치(3)는 1이상의 중간속 동작영역(20M)에서는 고속 동작영역(20H)에서 저속 동작영역(20L)을 향해 제1최대속도 보다 낮은 제3최대속도에서 제2최대속도보다 높은 제4최대속도로 차례로 낮아지는 각각의 최대속도 이하의 속도에 있어서 전기 로봇 팔을 동작시키도록 구성되어 있어도 좋다. 이에 의해, 로봇 팔(10), (12)의 최대속도를 서서히 바꿀 수 있다. 최대속도의 다단계설정이 가능하게 된다.

충돌검지부(33)는 고속 동작영역(20H), 1이상의 중간속 동작영역(20M)과 저속 동작영역(20L)에서, 고속 동작영역(20H)에서 저속 동작영역(20L) 향해 차례로 각각의 충돌검지감도가 높아지도록 충돌검지감도를　바꾸도록 구성해도 좋다. 이에 의해 충돌검지 감도를 서서히 바꿀 수 있다. 충돌검지감도의 다단계설정이 가능하게 된다.

더욱이, 제어장치(3)는 고속 동작영역(20H), 1이상의 중간속 동작영역(20M) 및　저속 동작영역(20L)에 있어서의 서로 인접한 2개의 영역에서, 그 대응하는 최대속도가 높은 쪽의 영역(이하 상대적고속 동작영역이라 한다)으로부터 그 대응하는 최대속도가 낮은 쪽의 영역(이하, 상대적저속 동작영역이라 한다)으로 로봇 팔(10), (12)를 이동시키는 경우에는, 2개 영역의 경계보다 앞에서부터 상대적저속 동작영역에 대응하는 최대속도 이하의 속도에서 로봇 팔(10),(12)을 동작시키고, 상대적저속 동작영역으로부터 상대적고속 동작영역으로 로봇 팔(10),(12)를 이동시키는 경우에는 2개영역의 경계보다 앞에서 상대적고속 동작영역에 대응하는 최대속도 이하의 속도에서 로봇 팔(10),(12)을 동작시키도록 구성해도 좋다. 이에 의해, 상대적고속 동작영역으로부터 상대적저속 동작영역으로 로봇 팔(10), (12)을 이동시키는 경우에는 로봇 팔(10),(12)가 상대적저속 동작영역에 들어가기 전에 저속동작으로 변환되므로 최대속도에 히스테리시즈특성을 특정하지 않는 경우에 비해서 안전성을 향상시킬 수 있고, 한편으로 상대적저속 동작영역으로부터 상대적고속 동작영역으로 로봇 팔(10),(12)을 이동시키려는 경우에는 로봇팔(10),(12)이 상대적고속 동작영역에 들어가기 전에 고속동작으로 변환되므로 최대속도에 히스테리시스특성을 특정하지 않는 경우에 비해 작업능률을 높일 수 있다.

　또한 본 실시형태에서는 충돌검지 후에는 동작을 즉시 정지하도록 구성했지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 충돌을 검지한 경우에는 충돌에 의해 피구동부재와 장애물과의 사이에 발생하는 응력(力)을 제거하기 위한 응력제거처리를 행하여도 좋다. 즉, 제어장치(3)는 팔이 장애물에 충돌했는지 아닌지를 검지하고, 팔이 장애물에 충돌한 것을 검지했을 경우에는 충돌까지의 경로를 바탕으로 장애물로부터 소정거리를 떨어지도록 팔의 동작을 제어한다. 구체적으로는 충돌검지부(33)는 충돌을 검출한 경우 서보모터(28)의 이론전류치로부터 그 실전류치를 뺀 값이 해당이론전류치와 다른부호가 되어있는 축에 대해서는 종전의 구동방향과 반대방향으로 구동하는 후퇴처리를 행하고, 사보모터(28)의 이론전류치로부터 그 실전류치를 뺀 값이 해당이론전류치와 동일한 부호로 되어 있는 축에 대해서는 종전의 구동방향과 같은방향으로 구동하는 전진처리를 행한다. 이에 의해, 충돌의 충격을 완화할 수가 있고, 안전성이 더욱 향상된다.

또, 본 실시형태에서는, 충돌검지 시의 충돌검지감도(제1기준치, 제2기준치)를 수동으로 설정하고, 고속동작영역(20H) 및 저속동작영역(20L)의 사이에서 감도를 바꾸도록 구성했지만, 자동으로 설정해도 좋다. 결국, 미리, 로봇(2)에 특정의 작업을 행하게 하고, 해당 로봇(2)의 동작마다 각축(21~26)에 발생하는 최대 토크를 학습시켜서, 이 학습된 최대 토크에 기초해서 제1기준치, 제2기준치를 설정한다. 이것에 의해, 동작환경에 따라, 충돌검지의 감도를 적응한 최적의 값으로 설정할 수 있다.

또, 본 실시형태에서는, 고속동작영역(20H)과 저속동작영역(20L)과의 속도의 변환은, 제어장치(3)에서 소프트웨어처리로 바꾸도록 했지만, 예를 들면 센서 등의 하드웨어에 의해 팔이 영역을 넘은 것을 판별해서, 동작을 바꾸어도 좋다.

또, 본 실시형태에서는, 서보모터(28)의 검출위치정보 및 전류치에 기초해서 충돌을 검지하도록 했지만, 이것에 한정되지 않는다. 로봇 시스템(1)이, 팔에 설정된 비젼센서를 더 구비하고, 제어장치(3)가 비젼센서에 의해 촬상된 화상에 따라, 장해물에 충돌한 것을 검지해도 좋다. 이로써, 본 실시형태의 충돌검지기능을 비젼센서에 의해 치환 또는 지원할 수 있다. 또는, 가속도센서, 압력센서 등의 그외의 충돌검지센서를 이용해도 좋다.

또한, 본 실시형태에서는, 로봇(2)은, 동축쌍완형의 스칼라 로봇이지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 싱글 암(single arm)의 로봇이라도 좋고, 수직 다관절 로봇이어도 좋다.

또한, 본 실시형태에서는, 저속동작영역(20L) 및 고속동작영역(20H)은, 평면시에서 직사각형의 영역으로 설정했지만, 이것에 한정되는 것은 아니며, 임의의 형상으로 규정된 영역이라도 좋다.

상기 설명에서, 당업자(통상의 지식을 가진 자)에게는, 본 발명의 많은 개량이나 다른 실시형태가 명확해진다. 따라서, 상기 설명은, 예시로써만 해석되어야 하며, 본 발명을 실행하는 최선의 태양(態樣)을 당업자에게 교시(敎示)할 목적으로 제공된 것이다. 본 발명의 정신을 일탈하는 일 없이, 그 구조 및 기능의 한쪽 또는 쌍방의 상세한 사항을 실질적으로 변경할 수 있다.

본 발명은, 작업자와 로봇이 공존해서 작업을 행하기 위한 로봇 시스템에 유용하다.

1 로봇시스템
2 로봇본체
3 제어장치
4 대차
5 작업대
9 기대
10 아랫팔
10a 제1링크 (아랫팔)
10b 제2링크 (아랫팔)
11 제1엔드이펙터
12 윗팔
12a 제1링크 (윗팔)
12b 제2링크 (윗팔)
13 제2엔드이펙터
20 동작영역
20H 고속 동작 영역
20L 낮은 동작 영역
21~26 제1축~제6축
28 서보모터
29 인코더
30 전류센서
31 이동량지령부
32 전류발생회로
33 충돌검지부
34 전류제한부
35 인터페이스부

Claims

작업자와 로봇이 공존하여 작업을 행하기 위한 로봇 시스템으로서,
복수의 링크가 관절에 의해 연결되어 이루어진 로봇 팔을 구비한 로봇,
상기 로봇 팔의 동작을 제어하는 제어부,
상기 로봇 팔이 물체와 충돌한 것을 검지하여 로봇 팔을 정지시키는 충돌정지부를 구비하고,
상기 로봇 팔에 대해 고속 동작영역 및 저속 동작영역이 설정되어 있고,
상기 제어부는 상기 고속 동작영역에서는 제1최대속도 이하의 속도에서 상기 로봇 팔을 동작시키고, 상기 저속동작 영역에서는 상기 제1최대속도보다 낮은 제2최대속도 이하의 속도에서 상기 로봇 팔을 동작시키도록 구성되어 있고,
상기 충돌 정지부는 상기 고속 동작영역과 상기 저속 동작영역과의 사이에서 상기 고속 동작영역에 있어서의 충돌검지감도가 상기 저속 동작영역에 있어서의 충돌검지감도보다 낮아지게끔 충돌검지감도를 변환하도록 구성되어 있는 로봇 시스템.
제1항에 있어서,
상기 충돌 정지부는 상기 고속 동작영역에 있어서 충돌검지감도가 제로가 되도록 충돌검지감도를 변환하도록 구성되어 있는 로봇 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 로봇 팔의 동작영역 중에, 작업자의 작업영역에 가까운 부분이 상기 저속 동작영역으로서 설정되고, 상기 저속 동작영역 이외의 부분이 상기 고속동작 영역으로서 설정되는 로봇 시스템.
제1항 내지 제3항의 어느 한 항에 있어서,
상기 제어부는 전 부분이 상기 고속 동작영역에 위치하는 상기 링크를 제1최대속도 이하의 속도에서 동작시키고, 적어도 일부분이 상기 저속 동작영역에 위치하는 상기 링크를 제2최대속도 이하의 속도에서 동작시키도록 구성되어 있는 로봇 시스템.
제1항 내지 제4항의 어느 한항에 있어서,
상기 고속 동작영역과 상기 저속 동작영역과의 사이에 1이상의 중간속 동작영역이 상기 고속 동작영역으로부터 상기 저속 동작영역을 향해 차례로 늘어서도록 설정하고,
상기 제어부는 상기 1이상의 중간속 동작영역에서는 상기 고속 동작영역으로부터 상기 저속 동작영역을 향해 상기 제1최대속도보다 낮은 제3최대속도부터 상기 제2최대속도 보다 높은 제4최대속도까지 차례로 낮아지는 각각의 최대속도 이하의 속도에서 상기 로봇 팔을 동작시키도록 구성되어 있는 로봇 시스템.
제5항에 있어서,
상기 충돌 정지부는 상기 고속 동작영역, 상기 1이상의 중간속 동작영역 및 상기 저속 동작영역에 있어서, 상기 고속 동작영역으로부터 상기 저속 동작영역을 향해 차례로 각각에 있어서의 충돌검지감도가 높아지게끔 충돌검지감도를 변환하도록 구성되어 있는 로봇 시스템.
제5항 또는 제6항에 있어서,
상기 제어부는 상기 고속 동작영역, 상기 1이상의 중간속 동작영역 및 상기 저속 동작영역에서의 서로 인접하는 2개의 영역에서, 그 대응하는 최대속도가 높은 쪽의 영역(이하, 상대적 고속동작 영역이라 한다)으로부터 그 대응하는 최대속도가 낮은 쪽의 영역(이하, 상대적 저속동작 영역이라 한다)으로 상기 로봇 팔을 이동시킬 경우에는, 상기 2개의 영역의 경계보다 앞에서 부터 상기 상대적 저속동작 영역에 대응하는 최대속도 이하의 속도에서 상기 로봇 팔을 동작시켜, 상기 상대적 저속동작 영역으로부터 상기 상대적 고속동작 영역으로 상기 로봇 팔을 이동시키는 경우에는, 상기 2개의 영역의 경계보다 앞에서부터 상기 상대적 고속동작 영역에 대응하는 최대속도 이하의 속도에서 상기 로봇 팔을 동작시키도록 구성되어 있는 로봇 시스템.