TWI625612B - 機器人系統之監視裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明之機器人系統之監視裝置具備：外力檢測部，其檢測作用於機器人之外力；區域判定部，其判定機器人之既定部分是否存在於既定區域內；力監視部，其於由區域判定部判定為機器人之既定部分存在於既定區域內之情形時，以至少包含作用於機器人之外力之監視之第1監視基準偵測碰撞，並且於由區域判定部判定為機器人之既定部分不存在於既定區域內之情形時，以不包含外力之監視之第2監視基準偵測碰撞；及停止訊號產生部，其於利用力監視部偵測出碰撞之情形時，產生機器人2之停止訊號，並將其供給至控制裝置。

Description

機器人系統之監視裝置
本發明係關於一種機器人系統之監視裝置。
習知，開發出用以監視機器人之各種技術。例如於專利文獻1及專利文獻2中，揭示出於機器人之臂之前端設置力感測器，根據利用力感測器檢測出之資訊監視機器人之異常之技術。又，於專利文獻3及專利文獻4中，揭示出於機器人之動作範圍內設定既定區域，於既定區域監視機器人之動作速度之異常之技術。
再者，近年來，就提高生產性之觀點而言，提出機器人與作業人員於同一作業空間內共同進行作業。因此，就安全性之觀點而言，例如於專利文獻5中，揭示出於機器人之動作範圍內設定既定區域，偵測人進入至既定區域內而使機器人以低速動作之技術。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開平07-251394號公報
[專利文獻2]日本專利特開平07-223190號公報
[專利文獻3]日本專利特表2001-525263號公報
[專利文獻4]日本專利特開2008-022590號公報
[專利文獻5]日本專利特表2015-526309號公報
但是，於習知之機器人之監視技術中，偵測碰撞時之監視基準於所有區域中共用，而有對於機器人與作業人員之共同作業而言並非最佳之狀況。因此，存在如下課題，即尋求作為如於人之周圍以低速進行作業之機器人之監視技術且適合用於共同作業者。
因此，本發明之目的在於，在與人共存進行作業之機器人系統之監視裝置中，進行更適合用於機器人與作業人員之共同作業之碰撞偵測。
本發明之一態樣之機器人系統之監視裝置係具備具有1個以上之關節軸及驅動該關節軸之伺服馬達之機器人、以及於上述機器人之動作範圍內預先設定既定之區域並控制上述機器人之動作之控制裝置者，且具備：外力檢測部，其檢測作用於上述機器人之外力；區域判定部，其判定上述機器人之既定部分是否存在於既定區域內；力監視部，其於由上述區域判定部判定為上述機器人之上述既定部分存在於既定區域內之情形時，以至少包含作用於上述機器人之外力之監視之第1監視基準偵測碰撞，並且於由上述區域判定部判定為上述機器人之上述既定部分不存在於既定區域內之情形時，以不包含上述外力之監視之第2監視基準偵測碰撞；及 停止訊號產生部，其於利用上述力監視部偵測出碰撞之情形時，產生上述機器人之停止訊號，並將其供給至上述控制裝置。
根據上述構成，例如於作業人員與機器人共存進行作業之機器人系統中，監視基準於機器人與人碰撞之可能性較高之低速動作區域(第1速度)和可能性較低之高速動作區域(第2速度)不同，因此能夠恰當地偵測碰撞。藉此，偵測出碰撞後，能夠利用控制裝置(例如機器人控制器)停止機器人之動作，因此更適於機器人與作業人員之共同作業。
亦可為，上述力監視部於由上述區域判定部判定為上述機器人之上述既定部分不存在於上述既定區域內之情形時，以包含與作用於上述機器人之外力之微分值成比例之衝擊力之監視的上述第2監視基準偵測碰撞。
根據上述構成，例如即便於與人碰撞之可能性較低之高速動作區域，機器人碰撞到人，亦能夠迅速地偵測碰撞。藉此，更適合用於機器人與作業人員之共同作業。
亦可為，上述機器人系統之監視裝置進一步具備：位置感測器，其檢測上述各伺服馬達之旋轉角度位置；速度運算部，其根據利用上述位置感測器檢測出之上述各伺服馬達之旋轉角度位置，運算上述機器人之動作速度；及速度監視部，其於由上述區域判定部判定為上述機器人之上述既定部分存在於上述既定區域內之情形時，監視上述機器人之動作速度是否超過第1速度，於由上述區域判定部判定為上述機器人之上述既定部分不存在於上述既定區域內之情形時，監視上述機器人之動作速度是否超過高於上述第1速度之第2速度；且上述停止訊號產生部於由上述區域 判定部判定為上述機器人之上述既定部分存在於上述區域內，且由上述速度監視部判定為上述機器人之動作速度超過上述第1速度之情形時，或者於由上述區域判定部判定為上述機器人之上述既定部分不存在於上述區域內，且由上述速度監視部判定為上述機器人之動作速度超過上述第2速度之情形時，產生上述機器人之停止訊號，並將其供給至上述控制裝置。
根據上述構成，例如於與人碰撞之可能性較低之高速動作區域中，能夠監視是否以如下速度進行運轉，即，該速度藉由使機器人以高速動作而使之最大限度地發揮其能力，且即便假設偵測出碰撞，受傷之危險性亦較低。另一方面，於與人碰撞之可能性較高之低速動作區域中，能夠監視是否以如不會因自碰撞偵測至停止之慣性運轉而使機器人向碰撞之人之部位壓入般之速度進行運轉。即，除了力監視以外，還藉由速度監視來進一步提高機器人與於其周邊進行作業之作業人員之共同作業中之方便性。
亦可為，上述機器人系統之監視裝置於上述機器人之動作範圍內預先設定有複數個上述區域。
根據上述構成，例如能夠根據作業區域之寬窄或形狀而靈活且恰當地設定與人碰撞之可能性較高之低速動作區域，因此進一步提高機器人與於其周邊進行作業之作業人員之共同作業中之方便性。
亦可為，於上述複數個既定區域中，上述第1監視基準與上述第1速度之至少一者於上述各區域不同。例如於與人碰撞之可能性較高之低速動作區域中，以如不會因自碰撞偵測至停止之慣性運轉而使機器人向碰撞之人之部位壓入般之速度進行運轉，但監視基準(例如動作速度或 外力之閾值)依存於假定碰撞之危險性之部位。例如存在碰撞之危險性之部位在手或軀體，嚴重性或危險度亦不同，因此應設定之速度亦不同。
根據上述構成，監視基準(例如速度或外力之閾值)於各區域不同，因此，進一步提高機器人與於其周邊進行作業之作業人員之共同作業中之方便性。
亦可為，上述機器人系統之監視裝置進一步具備檢測於上述各伺服馬達流動之電流值之電流感測器，且上述外力檢測部具備：電流轉矩轉換部，其將上述電流感測器檢測出之於上述各伺服馬達流動之電流值轉換為轉矩值；驅動轉矩推定部，其推定上述各伺服馬達之驅動所需之驅動轉矩；擾動轉矩運算部，其運算利用上述電流轉矩轉換部轉換所得之轉矩值與上述驅動轉矩之推定值之差作為擾動轉矩；及外力運算部，其使用利用上述擾動轉矩運算部運算出之擾動轉矩值運算作用於上述機器人之外力。
根據上述構成，不使用力感測器，而根據馬達電流值計算作用於機器人之外力，因此能夠低價且高精度地偵測碰撞。藉此，進一步提高機器人與於其周邊進行作業之作業人員之共同作業中之方便性。
根據本發明，能夠於與人共存進行作業之機器人系統之監視裝置中，進行更適合用於機器人與作業人員之共同作業之碰撞偵測。
本發明之上述目的、其他目的、特徵、及優點，將透過參照圖式進行之以下之較佳實施態樣之詳細說明而更為明確。
1‧‧‧機器人系統
2‧‧‧機器人
3‧‧‧控制裝置
4‧‧‧監視裝置
5‧‧‧電流感測器
6‧‧‧運算處理器
7‧‧‧伺服放大器
10‧‧‧外力檢測部
11‧‧‧區域判定部
12‧‧‧力監視部
13‧‧‧停止訊號產生部
30‧‧‧電流轉矩轉換部
31‧‧‧擾動轉矩運算部
32‧‧‧外力運算部
33‧‧‧加減法器
34‧‧‧區域內碰撞判定部
35‧‧‧衝擊力運算部
36‧‧‧區域外碰撞判定部
61‧‧‧電流值產生部
62‧‧‧區域設定部
63‧‧‧驅動轉矩推定部
J‧‧‧關節軸
M‧‧‧伺服馬達
E‧‧‧位置感測器
L‧‧‧電纜
圖1係顯示具備第1實施形態之監視裝置之機器人系統之整體構成的方塊圖。
圖2係顯示圖1之監視裝置之具體構成之方塊圖。
圖3係示意性地顯示圖1之機器人之關節構造之圖。
圖4係顯示圖3之機器人之構成之俯視圖。
圖5係顯示圖1之控制裝置之機器人控制之流程的流程圖。
圖6係顯示圖2之監視裝置之力監視處理之流程的流程圖。
圖7係顯示第2實施形態之監視裝置之構成之方塊圖。
圖8係顯示圖7之監視裝置之速度監視處理之流程的流程圖。
一面參照圖式，一面對本發明之實施形態進行說明。以下，於所有圖式中，對相同或相當之要素標註相同之符號，並省略重複之說明。
(第1實施形態)
[機器人系統]
圖1係顯示具備第1實施形態之監視裝置之機器人系統之整體構成的方塊圖。如圖1所示，機器人系統1具備機器人2、控制裝置3、及監視裝置4。本實施形態之機器人系統1係用於供機器人2與作業人員於同一作業區域共同進行作業。因此，機器人系統1具備監視裝置4以確保周邊之作業人員之安全。
機器人2具備1個以上之關節軸J、及驅動該關節軸之伺服 馬達M。分別設置檢測驅動各伺服馬達M之電流之電流感測器5、制動各伺服馬達M之旋轉之制動器(未圖示)、及檢測各伺服馬達M之旋轉角度位置之編碼器等位置感測器E。此處，旋轉角度位置係各伺服馬達M之關節座標系統中之各關節軸J之角度之位置(以下，亦稱為關節軸角度位置)。
控制裝置3透過電纜L(以粗體圖示)而與機器人2連接。此處，電纜L包含用以將電源供給至關節軸J之伺服馬達M或制動器等之電源線、用以接收來自安裝於伺服馬達M之位置感測器E之感測器訊號之訊號線等。又，控制裝置3透過通訊電纜(未圖示)而與監視裝置4連接。此處，通訊電纜例如為RS422等串列通訊用之電纜。控制裝置3透過通訊電纜將監視訊號供給至監視裝置4，並且具備當自監視裝置4接收到停止訊號時使機器人2之動作停止之停止功能。
控制裝置3係具備運算處理器6、伺服放大器7、記憶體、輸入輸出介面、通訊介面等之機器人控制器。運算處理器6具備區域設定部61、電流指令值產生部62、及驅動轉矩推定部63。此處各部(61~63)係藉由於運算處理器6中執行既定之程式而實現之功能模塊。區域設定部61於機器人2之動作範圍內預先設定既定之區域。既定區域之設定例如根據機器人2之基準座標系而設定。電流指令值產生部62根據預先設定之位置指令值與來自位置感測器之關節軸角度位置運算電流指令值，並輸出至伺服放大器7。伺服放大器7與伺服馬達M對應而設置，並根據所供給之電流指令值產生電流，透過電纜L將產生之電流供給至伺服馬達M。亦即，各伺服放大器7係根據電流指令值產生伺服馬達M之驅動電流之放大器。如此，控制裝置3係以如下方式構成，即藉由根據位置指令值對設置於各 關節軸J之伺服馬達M進行位置控制而控制機器人2之動作。於本實施形態中，控制裝置3進行機器人2之區域控制。具體而言，控制裝置3於機器人2之既定部分(例如指尖部分)存在於既定區域內之情形時，以機器人2之動作速度(最大速度)成為第1速度以下之方式控制機器人2之動作，於機器人2之既定部分不存在於既定區域內之情形時，以機器人2之動作速度(最大速度)成為高於第1速度之第2速度以下之方式控制機器人2。
驅動轉矩推定部63根據利用位置感測器E而算出之關節軸角度位置而推定驅動機器人2之關節軸J之伺服馬達M所需之驅動轉矩。驅動轉矩推定部63於本實施形態中，藉由分別算出重力轉矩、慣性力轉矩、及摩擦力轉矩，並將該等相加，而算出驅動轉矩之推定值。此處，重力轉矩係用以克服各連桿之重量部分而維持姿勢之轉矩。慣性力轉矩係用以克服連桿之慣性部分所需之轉矩。摩擦力轉矩係用以克服減速機之摩擦部分所需之轉矩。該驅動轉矩推定值與包含利用電流感測器5檢測出之感測器電流值及利用位置感測器E檢測出之關節軸角度位置之感測器訊號一同作為監視訊號自控制裝置3發送至監視裝置4。
[監視裝置]
監視裝置4係以於機器人系統1中監視機器人2之動作並偵測碰撞之方式構成。監視裝置4於自控制裝置3接收機器人2之監視訊號，偵測出碰撞之情形時，將停止訊號供給至控制裝置3。監視裝置4獨立於控制裝置3而設置，以提高與機器人2一同進行作業之作業人員之安全性。例如，控制裝置3與監視裝置4收容於一個殼體中。
監視裝置4具備：外力檢測部10，其檢測作用於機器人2之外力；區域判定部11，其根據利用位置感測器E檢測出之各伺服馬達M之旋轉角度位置，判定機器人2之既定部分是否存在於既定區域內；力監視部12，其於由區域判定部11判定為機器人2之既定部分存在於既定區域內之情形時，以至少包含作用於機器人2之外力之監視之第1監視基準偵測碰撞，並且於由區域判定部11判定為機器人2之既定部分不存在於既定區域內之情形時，以不包含外力之監視之第2監視基準偵測碰撞；及停止訊號產生部13，其於利用力監視部12偵測出碰撞之情形時，產生機器人2之停止訊號，並將其供給至控制裝置3。此處，監視裝置4係具備1個以上之處理器、記憶體、輸入輸出介面、通訊介面等之電腦。監視裝置4具備能夠由管理者將碰撞偵測時之閾值調整為任意值之構成。各部(10~13)係藉由於處理器中執行既定之程式而實現之功能模塊。
其次，利用圖2之方塊圖對監視裝置4之具體構成進行說明。如圖2所示，外力檢測部10具備電流轉矩轉換部30、擾動轉矩運算部31、及外力運算部32。電流轉矩轉換部30將利用電流感測器5檢測出之於各伺服馬達M流動之感測器電流值轉換為轉矩值。此處，將監視訊號所包含之感測器電流值透過通訊電纜自控制裝置3發送至監視裝置4，並輸入至電流轉矩轉換部30。電流轉矩轉換部30將所輸入之感測器電流值轉換為轉矩值，並將其輸出至擾動轉矩運算部31。擾動轉矩運算部31運算利用電流轉矩轉換部30轉換而得之轉矩值與驅動轉矩之推定值之差作為擾動轉矩。此處，驅動轉矩推定值於經驅動轉矩推定部63(參照圖1)運算後，作為監視訊號，透過通訊電纜自控制裝置3發送至監視裝置4，並輸入至擾動轉 矩運算部31。再者，於本實施形態中，控制裝置3具備驅動轉矩推定部63，但亦可為監視裝置4具備驅動轉矩推定部63。擾動轉矩運算部31於本實施形態中具備加減法器33。加減法器33從自電流轉矩轉換部30所輸入之各伺服馬達M之轉矩值減去自驅動轉矩推定部63所輸入之驅動轉矩推定值而算出擾動轉矩，並將其輸出至外力運算部32。外力運算部32使用利用擾動轉矩運算部31運算出之擾動轉矩值運算作用於機器人2之外力，並將其輸出至力監視部12。
區域判定部11根據利用位置感測器E檢測出之各伺服馬達M之旋轉角度位置，判定機器人2之既定部分是否存在於既定區域內。此處，將監視訊號所包含之各伺服馬達M之旋轉角度位置透過通訊電纜自控制裝置3發送至監視裝置4，並輸入至區域判定部11。區域判定部11根據各伺服馬達M之旋轉角度位置及預先設定之各連桿之長度或形狀等資訊，產生機器人2之三維模型。區域判定部11係以判定機器人2之三維模型之既定部分(例如指尖部分)是否存在於既定區域內，並將判定結果輸出至力監視部12之方式構成。
力監視部12具備區域內碰撞判定部34、衝擊力運算部35、及區域外碰撞判定部36。區域內碰撞判定部34於由區域判定部11判定為機器人2之既定部分存在於既定區域內之情形時，以至少包含作用於機器人2之外力之監視之第1監視基準偵測碰撞。於本實施形態中，區域內碰撞判定部34係以如下方式構成，即判定自外力運算部32輸入之外力之值|fd|是否超過預先設定之第1閾值fth1，當超過第1閾值fth1時判定為機器人2發生了碰撞，而產生碰撞偵測訊號，並將其輸出至停止訊號產生部13。於本 實施形態中，第1閾值fth1設定為100N。作為與第1閾值fth1之比較對象之外力之值|fd|為外力fd之標量值。
衝擊力運算部35運算作用於機器人2之衝擊力。於本實施形態中，衝擊力運算部35運算與自外力運算部32輸入之外力之值fd之微分值成比例之值f'd作為作用於機器人2之衝擊力，並將其輸出至區域外碰撞判定部36。區域外碰撞判定部36於由區域判定部11判定為機器人2之既定部分不存在於既定區域內之情形時，以包含作用於機器人2之衝擊力之監視之第2監視基準偵測碰撞。區域外碰撞判定部36係以如下方式構成，即判定自衝擊力運算部35輸入之作用於機器人2之衝擊力之值|f'd|是否超過預先設定之第2閾值fth2，當超過第2閾值fth2時判定為機器人2發生了碰撞，而產生碰撞偵測訊號，並將其輸出至停止訊號產生部13。作為與第2閾值fth2之比較對象之衝擊力之值|f'd|為外力f'd之標量值。
停止訊號產生部13於自力監視部12輸出碰撞偵測訊號之情形時產生機器人2之停止訊號，並將其輸出至控制裝置3。
[機器人]
其次，利用圖式，對機器人2之具體構成進行說明。圖3係示意性地顯示機器人2之關節構造之圖。本實施形態之機器人2為同軸雙臂型水平多關節機器人。如圖3所示，左臂2L具有作為旋轉關節軸之第1關節軸J1、第2關節軸J2及第3關節軸J3、與作為平移(直動)關節軸之第4關節軸J4。右臂2R具有作為旋轉關節軸之第1關節軸J1、第2關節軸J2及第3關節軸J3、與作為平移(直動)關節軸之第4關節軸J4。
右臂2R係藉由關節軸將支承構件21R、第1右連桿22R、 第2右連桿23R、第3右連桿24R及右末端效應器25R連結而構成。於右臂2R中，支承構件21R設置於基台20之上表面，水平延伸之第1右連桿22R之一端部透過具有與基台20鉛垂之旋轉軸線之第1關節軸J1而與支承構件21R連結。第1右連桿22R之另一端部透過具有鉛垂之旋轉軸線之第2關節軸J2而與第2右連桿23R之一端連結。第2右連桿23R水平延伸。第2右連桿23R之另一端部透過具有鉛垂之旋轉軸線之第3關節軸J3而與第3右連桿24R之一端連結。第3右連桿24R水平延伸。於第3右連桿24R之另一端部，透過具有鉛垂之平移方向之第4關節軸J4連結右末端效應器25R。
左臂2L係藉由關節軸將支承構件21L、第1左連桿22L、第2左連桿23L、第3左連桿24L及左末端效應器25L連結而構成。於左臂2L中，支承構件21L設置於右臂2R之第1右連桿22R之上表面，水平延伸之第1左連桿22L之一端部透過具有鉛垂之旋轉軸線之第1關節軸J1而與支承構件21L連結。左臂2L之第1關節軸J1係以其旋轉軸線與右臂2R之第1關節軸J1之旋轉軸線一致之方式配置。第1左連桿22L之另一端部透過具有鉛垂之旋轉軸線之第2關節軸J2而與第2左連桿23L之一端連結。第2左連桿23L水平延伸。第2左連桿23L之另一端部透過具有鉛垂之旋轉軸線之第3關節軸J3而與第3左連桿24L之一端連結。第3左連桿24L水平延伸。於第3左連桿24L之另一端部，透過具有鉛垂之平移方向之第4關節軸J4連結左末端效應器25L。如此，機器人2之左右之臂2L及2R各自具有4軸之自由度，於各自之前端設置有末端效應器。
構成右臂2R及左臂2L之各關節軸J1~J4係由伺服機構(未圖示)驅動。伺服機構包括用以對臂進行位移驅動之驅動部、及用以將驅 動部之動力傳遞至臂之傳遞機構。於本實施形態中，驅動部例如係由伺服馬達來實現(參照圖1)。於各伺服馬達M分別設置檢測旋轉角度位置之編碼器等位置感測器E(參照圖1)。控制裝置3係以藉由對伺服馬達M進行位置控制而以任意之速度控制右臂2R及左臂2L之動作的方式構成。此處，左臂2L之第1關節軸J1由於透過支承構件21L及右臂2R之第1右連桿22R以共有旋轉軸線之方式連接於右臂2R之第1關節軸J1，故被以在按抵消右臂2R之第1關節軸J1之旋轉之方式旋轉之後進行所給定之旋轉之方式進行控制。
圖4係顯示機器人2之構成之俯視圖。如圖4所示，機器人2之基台20係呈正方形設置於所規定之作業空間100之中央。於機器人2之正面設置俯視下為矩形之作業台200。於作業台200之上例如配置作業對象(工件)。機器人2之基台20與設置於作業空間100之壁300隔開既定之間隔而設置。機器人2係以於作業空間100中進行與作業人員相同之作業之方式被設定。
機器人2具有基準座標系(以下，稱為基礎座標系)。該座標系例如為，基台20之設置面與右臂2R之第1關節軸J1(參照圖3)之旋轉軸線之交點為原點，第1關節軸J1之旋轉軸線為Z軸，與Z軸正交之任意軸為X軸，與Z軸及X軸正交之軸為Y軸。對機器人2之右臂2R及左臂2L之動作範圍係以該基礎座標系統為基準而設定。再者，動作範圍為以左臂2L之第1關節軸J1及右臂2R之第1關節軸J1為中心之圓形區域(未圖示)。於本實施形態中，於機器人2之動作區域中，設定有2個區域100A及100B。區域100A設定為如覆蓋作業台200之上表面之既定之三維空間(俯 視下為矩形)。區域100B設定為壁300與基台20之間之既定之三維空間(俯視下為矩形)。此處，區域100A及100B假定作為與人碰撞之可能性較低之區域。再者，區域100A及100B只要為既定之三維空間，則亦可為俯視下呈曲面之空間。又，機器人2之動作範圍內除區域100A及100B以外之部分被設定作為區域外區域。此處，區域外區域假定作為與人碰撞之可能性較高之區域。
控制裝置3於機器人2之既定部分處於區域100A及100B內之情形時，以第1速度以下之速度使機器人2動作。控制裝置3於機器人2之既定部分不處於既定區域100A及100B之情形時(處於區域外區域之情形時)，以高於第1速度之第2速度以下之速度使機器人2動作。於本實施形態中，機器人2之既定部分係機器人2之右末端效應器25R或左末端效應器25L之工具中心點P(以下，簡稱為工具中心點P)。使機器人2動作係指使機器人2之右臂2R或左臂2L分別動作。此處，第1速度設定為ISO10218-1中作為低速控制所規定之250mm/s。第2速度例如設定為800mm/s。藉此，能夠一面於區域100A及100B內低速控制機器人2，一面於區域外區域盡可能地使機器人2以高速動作。據此，機器人2之作業效率提高。
[機器人之監視]
其次，一面亦參照圖5及圖6之流程圖，一面對機器人系統1中之機器人2之動作監視進行說明。首先，控制裝置3執行機器人2之區域控制(圖5之步驟S51)。如圖4所示，控制裝置3於機器人2之工具中心點P存在於區域100A或100B內之情形時，以動作速度成為第1速度以下之方 式控制機器人2之臂2R或2L，於機器人2之工具中心點P不存在於區域100A或100B內之情形時，以機器人2之動作速度成為第2速度以下之方式控制機器人2之臂2R或2L。
又，控制裝置3產生用以監視機器人2之動作所需之監視訊號(圖5之步驟S52)。具體而言，作為監視訊號，控制裝置3於動作中之機器人2中利用電流感測器5檢測於各伺服馬達M流動之感測器電流值，利用位置感測器E檢測各伺服馬達M之旋轉角度位置，利用驅動轉矩推定部63推定驅動各伺服馬達M所需之驅動轉矩推定值(參照圖1)。其次，控制裝置3每隔既定期間將步驟S52中產生之監視訊號發送至監視裝置4(圖5之步驟S53)。此處，於監視訊號中包含於動作中之機器人2中利用電流感測器5檢測出之於各伺服馬達M流動之感測器電流值、利用位置感測器E檢測出之各伺服馬達M之旋轉角度位置、及利用驅動轉矩推定部63運算出之驅動各伺服馬達M所需之驅動轉矩推定值。
另一方面，監視裝置4等待每隔既定期間自控制裝置3所發送之監視訊號之接收(圖6之步驟S61)。監視裝置4接收到監視訊號時，利用外力檢測部10檢測外力(圖6之步驟S62)。具體而言，藉由圖2之電流轉矩轉換部30將利用電流感測器5檢測出之於各伺服馬達M1~M6流動之感測器電流值轉換為轉矩值。電流轉矩轉換部30將輸入之感測器電流值轉換為轉矩值，並將其輸出至擾動轉矩運算部31。其次，圖2之擾動轉矩運算部31運算利用電流轉矩轉換部30轉換而得之轉矩值與驅動轉矩之推定值之差作為擾動轉矩，並將其輸出至外力運算部32。其次，圖2之外力運算部32使用利用擾動轉矩運算部31運算出之擾動轉矩值而運算作用於機器 人2之外力。此處，外力運算部32根據虛功原理從自擾動轉矩運算部31輸入之擾動轉矩τd如下式(1)般求出作用於機器人2之前端(工具中心點P)之外力fd。
fd=(AT)-1 τd…(1)
此處，A為亞可比矩陣，且為表現機器人2之座標系統與關節座標系統之間之微小位移關係的矩陣。關於亞可比矩陣A，對於誤差△x與關節角差分△θ，式(2)之關係成立。
△x=A△θ……(2)
如此，外力運算部32係藉由如式(1)般對擾動轉矩τd乘以亞可比矩陣A之轉置矩陣AT之逆矩陣而算出作用於機器人2之外力fd，並將其輸出至力監視部12。此處，式(1)之外力fd係假定於機器人2之前端(工具中心點P)作用時之外力。於外力fd將機器人2之前端以外作為作用點之情形時，亦可將外力fd座標轉換為於實際之作用點之外力。
另一方面，監視裝置4(區域判定部11)根據利用位置感測器E檢測出之各伺服馬達M之旋轉角度位置，判定機器人2之工具中心點P是否存在於區域100A或100B內(圖6之步驟S63)。區域判定部11根據各伺服馬達M之旋轉角度位置及預先設定之各連桿之長度或形狀等資訊，產生機器人2之三維模型。區域判定部11判定機器人2之三維模型之工具中心點P是否存在於區域100A或100B內，並將判定結果輸出至力監視部12。
其次，監視裝置4(區域內碰撞判定部34)於由區域判定部11判定為機器人2之工具中心點P存在於區域100A或100B內之情形時(於 圖6之步驟S63中為是(YES))，以包含作用於機器人2之外力之監視之第1監視基準偵測碰撞。於本實施形態中，區域內碰撞判定部34判定自外力運算部32輸入之外力之值fd是否超過預先設定之第1閾值fth1，當超過第1閾值fth1時，判定為機器人2發生了碰撞，而產生碰撞偵測訊號，並將其輸出至停止訊號產生部13。作為與第1閾值fth1之比較對象之外力之值|fd|為外力fd之標量值。監視裝置4於未偵測到碰撞之情形時，返回至步驟S61，等待監視訊號之接收。
另一方面，監視裝置4(區域外碰撞判定部36)於由區域判定部11判定為機器人2之工具中心點P不存在於區域100A或100B內之情形時，以包含作用於機器人2之衝擊力之監視之第2監視基準偵測碰撞(圖6之步驟S66)。具體而言，區域外碰撞判定部36判定自衝擊力運算部35輸入之作用於機器人2之衝擊力之值|f'd|是否超過預先設定之第2閾值fth2，當超過第2閾值fth2時，判定為機器人2發生了碰撞，而產生碰撞偵測訊號，並將其輸出至停止訊號產生部13。作為與第2閾值fth2之比較對象之衝擊力之值|f'd|為外力f'd之標量值。監視裝置4於未偵測到碰撞之情形時，返回至步驟S61，等待監視訊號之接收。藉此，即便於作為高速動作區域之區域外區域，機器人2碰撞到人，亦能夠迅速偵測碰撞。
其次，監視裝置4(停止訊號產生部13)於自力監視部12輸入碰撞偵測訊號(外力或衝擊力)之情形時，產生機器人2之停止訊號，並將其輸出至控制裝置3(圖6之步驟S65)。
控制裝置3於自監視裝置4接收到停止訊號時(於圖5之步驟S54中為是)使機器人2之動作停止(圖5之步驟S55)。此處，機器人2 之停止態樣為任意。例如可藉由阻斷動力而即刻使之停止(所謂緊急停止)；亦可阻斷動力且減速使之停止(所謂減速停止)；亦可不阻斷動力，而進行減速使之停止(所謂暫時停止)。控制裝置3於未接收到停止訊號之情形時，返回至步驟S51，繼續機器人2之區域控制。
因此，根據本實施形態，監視基準於作為機器人2與人碰撞之可能性較高之低速動作區域之區域100A或100B、和作為碰撞之可能性較低之高速動作區域之區域外區域不同，因此能夠恰當地偵測碰撞。藉此，於偵測到碰撞後，能夠利用控制裝置3停止機器人之動作，因此能夠確保於機器人2之周邊進行作業之作業人員之安全。
又，於本實施形態中，機器人系統1之監視裝置藉由於機器人2之動作範圍內預先設定2個區域100A或100B，能夠根據作業空間100之寬窄或形狀而靈活且恰當地進行設定，因此，進一步提高機器人2與於其周邊進行作業之作業人員之共同作業中之方便性。
再者，於本實施形態中，外力之第1監視基準於在機器人2之動作範圍內所設定之作為低速動作區域之區域100A及100B中均設定為相同之值(100N)，但並不限定於此。亦可於區域100A及100B中第1監視基準於各區域中不同。例如，於與人碰撞之可能性較高之低速動作區域中，以如不會因自碰撞偵測至停止之慣性運轉而使機器人向碰撞之人之部位壓入般之速度進行運轉，但監視基準(例如動作速度或外力之閾值)依存於假定碰撞之危險性之部位。例如存在碰撞之危險性之部位於手或軀體，嚴重性或危險度亦不同，因此應設定之速度亦不同。藉此，進一步提高機器人與於其周邊進行作業之作業人員之共同作業中之方便性。
(第2實施形態)
其次，對第2實施形態進行說明。以下，省略與第1實施形態共通之構成之說明，僅對不同之構成進行說明。
圖7係顯示第2實施形態之監視裝置之構成之方塊圖。如圖7所示，於本實施形態中，若與第1實施形態(圖1)進行比較，則不同點在於，監視裝置4A進而具備速度運算部14、及速度監視部15。
速度運算部14根據利用位置感測器E檢測出之各伺服馬達M之旋轉角度位置而運算機器人2之動作速度。此處，監視訊號所包含之各伺服馬達M之旋轉角度位置透過通訊電纜自控制裝置3發送至監視裝置4，並輸入至速度運算部14。速度運算部14係以將算出結果輸出至速度監視部15之方式構成。
速度監視部15於由區域判定部11判定為機器人2之既定部分存在於既定區域100A及100B內之情形時，監視機器人2之動作速度是否超過第1速度，於由區域判定部11判定為機器人2之既定部分不存在於既定區域100A及100B內之情形時，監視機器人2之動作速度是否超過高於第1速度之第2速度。於本實施形態中，第1速度設定為250mm/s，第2速度設定為800mm/s。
停止訊號產生部13於由區域判定部11判定為機器人2之既定部分存在於區域100A及100B內，且由速度監視部15判定為機器人2之動作速度超過第1速度之情形時，或者於由區域判定部11判定為機器人之既定部分不存在於區域100A及100B內，且由速度監視部15判定為機器人2之動作速度超過第2速度之情形時，產生機器人2之停止訊號，並將其供 給至控制裝置3。
圖8係顯示監視裝置4A之速度監視處理之流程之流程圖。如圖8所示，監視裝置4A等待於每個既定期間自控制裝置3發送之監視訊號之接收(圖8之步驟S81)。監視裝置4A(速度運算部14)接收到監視訊號時，根據利用位置感測器E檢測出之各伺服馬達M之旋轉角度位置，運算機器人2之動作速度(圖8之步驟S82)。此處，監視訊號所包含之各伺服馬達M之旋轉角度位置透過通訊電纜自控制裝置3發送至監視裝置4，並輸入至速度運算部14。速度運算部14自關於各伺服馬達M之旋轉角度位置之資訊算出基礎座標系統中之機器人2之工具中心點P之位置座標(X,Y,Z)，並且算出工具中心點P之速度，將算出結果輸出至速度監視部15(參照圖4)。
另一方面，監視裝置4A(區域判定部11)根據利用位置感測器E檢測出之各伺服馬達M之旋轉角度位置，判定機器人2之工具中心點P是否存在於區域100A或100B內(圖8之步驟S83)。區域判定部11根據各伺服馬達M之旋轉角度位置及預先設定之各連桿之長度或形狀等資訊，產生機器人2之三維模型。區域判定部11判定機器人2之三維模型之工具中心點P是否存在於區域100A或100B內，並將判定結果輸出至速度監視部15。
其次，監視裝置4(速度監視部15)於由區域判定部11判定為機器人2之工具中心點P存在於區域100A或100B內之情形時(於步驟S83中為是)，監視機器人2之動作速度是否超過第1速度。此處，第1速度為250mm/s。
於本實施形態中，速度監視部15判定自速度運算部14輸入之動作速度V之值是否超過預先設定之第1速度Vth1，當超過第1速度Vth1時，判定為機器人2以異常速度動作，而產生異常速度偵測訊號，並將其輸出至停止訊號產生部13。監視裝置4於未偵測到異常速度之情形時，返回至步驟S81，等待監視訊號之接收。
其次，監視裝置4(速度監視部15)於由區域判定部11判定為機器人2之工具中心點P不存在於區域100A或100B內之情形時(於步驟S83中為否(NO))，監視機器人2之動作速度是否超過第2速度。此處，第2速度為800mm/s。於本實施形態中，速度監視部15判定自速度運算部14輸入之動作速度V之值是否超過預先設定之第2速度Vth3，當超過第2速度Vth2時，判定為機器人2以異常速度動作，產生異常速度偵測訊號，並將其輸出至停止訊號產生部13。監視裝置4於未偵測到異常速度之情形時，返回至步驟S81，等待監視訊號之接收。
根據本實施形態，於作為與人碰撞之可能性較低之高速動作區域之區域外區域中，能夠監視是否以如下速度進行運轉，即，該速度藉由使機器人2以高速動作，而使之最大限度地發揮其能力，且即便假設偵測到碰撞，受傷之危險性亦較低。另一方面，於作為與人碰撞之可能性較高之低速動作區域之區域100A或100B中，能夠監視是否以如不會因自碰撞偵測至停止之慣性運轉而使機器人向碰撞之人之部位壓入般之速度進行運轉。亦即，除了力監視以外，還藉由速度監視來進一步提高機器人2與於其周邊進行作業之作業人員之共同作業中之方便性。
(其他實施形態)
再者，上述各實施形態之外力檢測部根據在各伺服馬達M流動之電流值及各伺服馬達M之驅動所需之驅動轉矩而運算出作用於機器人2之外力，但並不限定於此。例如亦可藉由於機器人2之前端設置力感測器，而檢測作用於機器人2之外力。
再者，上述各實施形態之機器人2為雙臂型水平多關節型機器人，但並不限定於此。可為單臂機器人，亦可為垂直多關節型機器人。又，各臂具備4個關節軸，但只要為1個以上之關節軸，則並無特別限定。
再者，於上述各實施形態中，機器人系統之監視裝置於機器人之動作範圍內預先設定有2個區域100A或100B，但只要為複數個區域，則亦可設定3個以上之區域。
再者，於上述各實施形態中，速度之監視基準於在機器人2之動作範圍內所設定之作為低速動作區域之區域100A及100B中均設定為相同之值(250mm/s)，但並不限定於此。於區域100A及100B中，速度之監視基準亦可不同。例如於與人碰撞之可能性較高之低速動作區域中，以如不會因自碰撞偵測至停止之慣性運轉而使機器人向碰撞之人之部位壓入般之速度進行運轉，但監視基準(例如動作速度或外力之閾值)依存於假定碰撞之危險性之部位。例如存在碰撞之危險性之部位於手或於軀體，其嚴重性或危險度亦不同，因此應設定之速度亦不同。藉此，進一步提高於機器人之周邊進行作業之作業人員之安全性。
又，於上述各實施形態中，不使用力感測器，而根據伺服馬達M之電流值計算作用於機器人2之外力，因此能夠低價且高精度地偵測碰撞。藉此，進一步提高機器人與於其周邊進行作業之作業人員之共同作 業中之方便性。
再者，上述各實施形態之監視裝置4、4A雖與控制裝置3分開地設置，但亦可包含於控制裝置3。例如亦可於控制裝置3之運算處理器6中，以執行監視裝置4之各部(10~13)之功能模塊之方式構成。
根據上述說明，本技術領域人員自可明瞭本發明之眾多改良或其他實施形態。因此，上述說明應僅作為例示進行解釋，其係以向本技術領域人員教導執行本發明之最佳態樣為目的而提供。可於不脫離本發明之精神之範圍內，實質性地變更其構造及功能之兩者或一者之詳細內容。
[產業上之可利用性]
本發明有效用於與人共存進行作業之機器人系統之監視。

Claims (6)

  1. 一種機器人系統之監視裝置，其係具備具有1個以上之關節軸及驅動該關節軸之伺服馬達之機器人、以及於上述機器人之動作範圍內預先設定既定之區域並控制上述機器人之動作之控制裝置者，且具備：外力檢測部，其檢測作用於上述機器人之外力；區域判定部，其判定上述機器人之既定部分是否存在於既定區域內；力監視部，其於由上述區域判定部判定為上述機器人之上述既定部分存在於既定區域內之情形時，以至少包含作用於上述機器人之外力之監視之第1監視基準偵測碰撞，並且於由上述區域判定部判定為上述機器人之上述既定部分不存在於既定區域內之情形時，以不包含上述外力之監視之第2監視基準偵測碰撞；及停止訊號產生部，其於利用上述力監視部偵測出碰撞之情形時，產生上述機器人之停止訊號，並將其供給至上述控制裝置。
  2. 如申請專利範圍第1項之機器人系統之監視裝置，其中上述力監視部於由上述區域判定部判定為上述機器人之上述既定部分不存在於上述既定區域內之情形時，以包含與作用於上述機器人之外力之微分值成比例之衝擊力之監視的上述第2監視基準偵測碰撞。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之機器人系統之監視裝置，其進一步具備：位置感測器，其檢測上述各伺服馬達之旋轉角度位置；速度運算部，其根據利用上述位置感測器檢測出之上述各伺服馬達之旋轉角度位置，運算上述機器人之動作速度；及速度監視部，其於由上述區域判定部判定為上述機器人之上述既定部分存在於上述既定區域內之情形時，監視上述機器人之動作速度是否超過第1速度，於由上述區域判定部判定為上述機器人之上述既定部分不存在於上述既定區域內之情形時，監視上述機器人之動作速度是否超過高於上述第1速度之第2速度；且上述停止訊號產生部於由上述區域判定部判定為上述機器人之上述既定部分存在於上述區域內，且由上述速度監視部判定為上述機器人之動作速度超過上述第1速度之情形時，或者於由上述區域判定部判定為上述機器人之上述既定部分不存在於上述區域內，且由上述速度監視部判定為上述機器人之動作速度超過上述第2速度之情形時，產生上述機器人之停止訊號，並將其供給至上述控制裝置。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之機器人系統之監視裝置，其中於上述機器人之動作範圍內預先設定有複數個上述區域。
  5. 如申請專利範圍第4項之機器人系統之監視裝置，其中於上述複數個既定區域中，上述第1監視基準與上述第1速度之至少一者於上述各區域不同。
  6. 如申請專利範圍第1或2項之機器人系統之監視裝置，其進一步具備檢測於上述各伺服馬達流動之電流值之電流感測器，且上述外力檢測部具備：電流轉矩轉換部，其將利用上述電流感測器檢測出之於上述各伺服馬達流動之電流值轉換為轉矩值；驅動轉矩推定部，其推定上述各伺服馬達之驅動所需之驅動轉矩；擾動轉矩運算部，其運算利用上述電流轉矩轉換部轉換而得之轉矩值與上述驅動轉矩之推定值之差作為擾動轉矩；及外力運算部，其使用利用上述擾動轉矩運算部運算出之擾動轉矩值運算作用於上述機器人之外力。
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