TWI759592B - 機器人之控制裝置 - Google Patents

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TWI759592B
TWI759592B TW108111924A TW108111924A TWI759592B TW I759592 B TWI759592 B TW I759592B TW 108111924 A TW108111924 A TW 108111924A TW 108111924 A TW108111924 A TW 108111924A TW I759592 B TWI759592 B TW I759592B
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宗藤康治
亀山篤
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日商川崎重工業股份有限公司
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Abstract

本發明之機器人之控制裝置係具有經由一旋轉軸線而連結之複數個連桿、及設置於上述旋轉軸線之驅動用馬達的控制機器人手臂之動作的機器人之控制裝置。控制裝置具備：角度算出部，其算出經由上述旋轉軸線而鄰接之兩根連桿所成之角度；及角度監視部，其監視藉由上述角度算出部所算出之上述角度是否為既定角度以下。

Description

機器人之控制裝置
本發明係關於一種與人共存而作業之機器人之控制裝置。
近年來，自生產性提高之觀點考慮，提出有機器人與作業者於相同作業空間內共同地進行作業。因此，自安全性之觀點考慮，此種機器人具備檢測外力之功能，若人接觸於機器人時所檢測出之外力超過既定之閾值，則使機器人停止，藉此確保人之安全。例如，於專利文獻1中，揭示有於機器人之動作範圍內設定既定區域，於區域之內外變更外力之判定條件的機器人之監視裝置。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2017-77608號公報
[發明所欲解決之課題]
但是，通常根據機器人手臂之位置或姿態，實際上機器人對周圍之人所造成之影響不同。因此，有時可謂上述習知之機器人之監視裝置未必最適於與人共同地作業之機器人。
因此，本發明之目的在於提供一種最適於與人共同地作業之機器人之控制裝置。 [解決課題之技術手段]
本發明之一態樣之機器人之控制裝置係具有經由一旋轉軸線而連結之複數個連桿、及設置於上述旋轉軸線之驅動用馬達的控制機器人手臂之動作者，其具備：角度算出部，其算出經由上述旋轉軸線而鄰接之兩根連桿所成之角度；及角度監視部，其監視藉由上述角度算出部所算出之上述角度是否為既定角度以下。
根據上述構成，由於可監視機器人手臂之鄰接之兩根連桿所成之角度（關節角度）是否為有夾入周圍之障礙物（例如作業者）之可能性之角度（例如未達20度之範圍），故而可提供最適於與人共同地作業之機器人之控制裝置。
又，上述機器人之控制裝置亦可於藉由上述角度算出部所算出之上述角度為上述既定角度以下之情形時，以上述馬達速度不超過既定速度之方式控制上述機器人手臂之動作。
於機器人與作業者於相同作業空間內共同地作業之情形時，若加快機器人之動作，則雖作業性提高，但有作業者之安全性之確保成為問題之情形。另一方面，若減慢機器人之動作，則雖可確保作業者之安全性，但作業性降低。如此機器人之作業性與作業者之安全性處於取捨之關係。根據上述構成，若為無夾入周圍之物體之可能性之關節角度（機器人手臂之鄰接之連桿所成之角度大於既定角度之情形），則可使機器人手臂儘可能以高速度動作。另一方面，若為有夾入周圍之障礙物之可能性之角度（例如20度）以下，則以馬達速度不超過既定速度之方式控制機器人手臂之動作。藉此，例如即便於機器人之附近之作業者之部位夾於鄰接之連桿之間之情形時，連桿亦不會以高速碰撞。因此，可謀求機器人之作業性與作業者之安全性之兼顧。
進而，上述機器人之控制裝置亦可進而具備速度監視部，其於藉由上述角度算出部所算出之上述角度為上述既定角度以下之情形時，監視上述馬達速度是否超過上述既定速度，且於上述馬達速度超過上述既定速度之情形時，使上述機器人手臂之動作停止。
根據上述構成，當於關節角度為有夾入周圍之障礙物之可能性之角度以下之情形時，馬達速度超過既定速度時，使機器人手臂之動作停止，因此作業者之安全性進一步提高。
此外，亦可上述機器人手臂進而具有檢測上述驅動用馬達之旋轉角度位置之位置感測器，上述角度算出部基於上述位置感測器之檢測訊號，算出經由上述旋轉軸線而鄰接之兩根連桿所成之角度。
上述機器人之控制裝置亦可進而具備：外力檢測部，其檢測作用於上述機器人之外力；及力監視部，其於藉由上述角度算出部所算出之上述角度為既定角度以下之情形時，基於藉由上述外力檢測部所檢測出之外力，以既定之監視基準偵測碰撞；且於偵測到碰撞之情形時，使上述機器人手臂之動作停止。
根據上述構成，若為有夾入周圍之物體之可能性之角度以下，則偵測碰撞，於偵測到碰撞後，可使機器人之動作停止。可提高作業者之安全性。
上述機器人之控制裝置亦可進而具備：外力檢測部，其檢測作用於上述機器人之外力；及力監視部，其於藉由上述角度算出部算出之上述角度大於既定角度之情形時，基於藉由上述外力檢測部而檢測之外力，以第1監視基準偵測碰撞，並且於藉由上述角度算出部所算出之上述角度為既定角度以下之情形時，基於藉由上述外力檢測部所檢測出之外力，以作為與上述第1監視基準不同之監視基準即第2監視基準偵測碰撞；且於偵測到碰撞之情形時，使上述機器人手臂之動作停止。
根據上述構成，若為無夾入周圍之物體之可能性之角度，則以第1監視基準（例如將碰撞感度設定得較低）偵測碰撞。另一方面，若為有夾入周圍之物體之可能性之角度以下，則以第2監視基準（例如將碰撞感度設定得較高）偵測碰撞。即，可根據關節角度而變更碰撞感度，因此可謀求機器人之作業性與作業者之安全性之兼顧。
此外，亦可上述機器人手臂具有一個或複數個旋轉關節，上述一旋轉軸線為上述旋轉關節之旋轉軸線。 [發明之效果]
根據本發明，可提供一種適於與人共同地作業之機器人之控制裝置。
一面參照圖式一面對本發明之實施形態進行說明。以下，貫穿全部圖式對相同或相當之要素標附相同之符號，且省略重複之說明。
（第1實施形態） 圖1係概略性地表示第1實施形態之機器人1之構成之前視圖。如圖1所示，機器人1具備固定於台車8之基底9、由基底9支持之一對機器人手臂（以下，有時簡記為「手臂」）2、2、及收納於基底9內之控制裝置3。本實施形態之機器人1係同軸雙腕型之水平多關節機器人。以下，將使一對手臂2、2擴展之方向稱為左右方向，將與基軸16之軸心平行之方向稱為上下方向，將與左右方向及上下方向正交之方向稱為前後方向。各手臂2具備手臂部20、腕部17、及末端執行器（未圖示）。此外，2條手臂2亦可為實質上相同之構造。又，2條手臂2可獨立地動作，或者相互關聯地動作。本實施形態之機器人1例如導入至生產線而於與作業者相同之作業空間內共同地進行作業。
於本例中，手臂部20係由第1連桿20a及第2連桿20b所構成。第1連桿20a係藉由旋轉關節J1與固定於基底9之上表面之基軸16連結，且可圍繞通過基軸16之軸心之旋轉軸線A1而旋動。又，2條手臂2、2之第1連桿20a、20a之旋轉軸線A1位於同一直線上，一手臂2之第1連桿20a與另一手臂2之第1連桿20a係於上下設置高低差而配置。第2連桿20b係藉由旋轉關節J2與第1連桿20a之前端連結，且可圍繞第1連桿20a之前端所規定之旋轉軸線A2而旋動。
腕部17具有直動關節J3及旋轉關節J4。腕部17係藉由直動關節J3而相對於第2連桿20b升降移動。腕部17係藉由旋轉關節J4而可圍繞相對於第2連桿20b垂直之旋轉軸線A3而旋動。於腕部17之前端安裝機械介面18。機械介面18經由直動關節J3及旋轉關節J4而與第2連桿20b之前端連結。於機械介面18安裝作業用之末端執行器（未圖示）。
上述構成之各手臂2具有各關節J1～J4。各關節J1～J4例如由伺服機構（未圖示）驅動。伺服機構包含用以將手臂2位移驅動之驅動部、及用以將驅動部之動力傳遞至手臂2之傳遞機構。本實施形態中，驅動部例如藉由伺服馬達而實現，於各伺服馬達分別設置檢測馬達之旋轉角度位置之編碼器等位置感測器（未圖示）。此處，所謂旋轉角度位置，係指各伺服馬達之關節座標系中之各關節之角度之位置（以下，亦稱為關節角度位置）。控制裝置3構成為藉由對伺服馬達進行位置控制，而以任意之速度控制左右之手臂2之動作。
圖2係表示圖1之機器人1之作業之一例之俯視圖。該機器人1可設置於相當於人一人份之有限之空間（例如610 mm×620 mm）。如圖2所示，機器人1係導入至生產線而於與作業者相同之線上共同地進行作業。於作業台100上，例如配置有4種工件W1、W2、W3、W4。機器人1係以於作業台100上進行與作業者同樣之作業之方式被賦予作業空間。於機器人1之左右之手臂2之各者之前端（機械介面18）分別連結有作業用之末端執行器19。本實施形態中，左右之末端執行器19為相同之構造。作業台100上之機器人之作業空間之左右兩側之區域分別為作業者進行各自之作業之作業空間。例如位於左側之作業者對機器人1供給作為材料構件之工件W1。機器人1對所供給之工件W1，安裝作為第1部品之工件W2及作為第2部品之工件W3，而完成工件W4。位於右側之作業者對所完成之工件W4進行下一作業行程。
機器人1具有基準座標系（以下，稱為基底座標系）。該座標系中，例如基底（基台）9之設置面與第1關節J1之旋轉軸線A1之交點為原點，第1關節J1之旋轉軸線為Z軸，與Z軸正交之任意之軸為X軸，與Z軸及X軸正交之軸為Y軸。機器人1之手臂2之可動範圍係以第1關節J1為中心之圓形區域（未圖示）。各手臂2之動作範圍係以該基底座標系為基準而設定。本實施形態中，動作區域以至少覆蓋配置於機器人1之正面之作業台100之方式設定。此種情形時，根據手臂2之位置或姿態，例如有手臂部20之第1連桿20a與第2連桿20b所成之角度陡峭之情形。因此，有於機器人1之兩側進行作業之作業者夾於經由手臂2之旋轉關節J2之旋轉軸線A2而連結之第1連桿20a與第2連桿20b之間之可能性。
因此，為了確保周邊之作業者之安全，本實施形態之機器人1之控制裝置3具備監視自身之動作之監視功能。圖3係表示機器人1之整體構成之方塊圖。如圖3所示，機器人1具備機器人手臂2、控制裝置3、及監視裝置4。機器人手臂2具備1個以上之關節J、經由關節而連結之複數個連桿、及設置於各關節J的驅動用伺服馬達M。於各伺服馬達M，安裝檢測馬達之位置（相對於轉子之基準旋轉角度位置之旋轉角度位置）之編碼器等位置感測器E、及檢測驅動馬達之電流之電流感測器5。
控制裝置3係經由纜線C（以粗字圖示）與機器人手臂2連接。此處，纜線C包含用以對關節J之伺服馬達M或制動器（未圖示）等供給電源之電源線、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經由通訊纜線（未圖示）與監視裝置4連接。此處，纜線C例如為RS422等串列通訊用纜線。本實施形態中，控制裝置3構成為經由纜線C對監視裝置4供給監視訊號（位置感測器之檢測訊號），並且自監視裝置4接收速度限制指令，據此變更機器人1之動作速度。此處，所謂機器人1之動作速度，係指構成機器人手臂2之伺服馬達M之旋轉速度（以下，亦稱為「馬達速度」）。
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具備電流指令值生成部61、及速度限制值設定部62。此處，各部（61及62）係於運算處理器6中藉由實行既定之程式而實現之功能區塊。電流指令值生成部61係基於機器人之動作程式，生成驅動關節J之伺服馬達M之位置指令值，基於所生成之位置指令值及來自位置感測器之檢測值（實際值）之偏差，生成速度指令值。並且，基於所生成之速度指令值與速度當前值之偏差而生成轉矩指令值（電流指令值），輸出至伺服放大器7。伺服放大器7係對應於伺服馬達M而設置，基於所提供之電流指令值而產生電流，將經由纜線C而產生之電流供給至伺服馬達M。即，各伺服放大器7係根據電流指令值而產生伺服馬達M之驅動電流之增幅器。控制裝置3構成為藉由基於位置指令值而對設置於各關節J之伺服馬達M進行位置控制，控制各機器人手臂2之動作。
速度限制值設定部62係基於自監視裝置4接收之速度限制指令，以馬達速度不超過既定之速度之方式設定速度限制值。本實施形態中，速度限制值設定部62係將速度限制值設定為第1速度（例如800 mm/s）作為初始值。電流指令值生成部61係以不超過藉由速度限制值設定部62所設定之速度限制值之方式，對所生成之速度指令值施加制約。
圖4係表示圖3之監視裝置4之構成之方塊圖。如圖4所示，監視裝置4具備角度算出部41、角度監視部42、速度限制值生成部43、速度算出部44、速度監視部45、及停止訊號生成部46。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。各部（41～46）係於處理器中藉由實行既定之程式而實現之功能區塊。
角度算出部41構成為算出經由關節J而鄰接之兩根連桿所成之角度（以下，亦稱為關節角度）θ。本實施形態中，角度算出部41係基於設置於既定之關節之伺服馬達M之旋轉角度位置（位置感測器E之檢測訊號）而算出關節角度θ。
角度監視部42構成為監視藉由角度算出部41所算出之關節角度θ是否為既定角度以下。本實施形態中，既定角度為20度。此外，監視裝置4具備可將作為監視對象之關節或關節角度之既定角度之設定值例如藉由管理者調整為任意值之輸入手段（未圖示）。角度監視部42亦可構成為基於各伺服馬達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，生成機器人1之三維模型。
速度限制值生成部43構成為於關節角度θ為既定角度以下之情形時，以馬達速度不超過既定速度之方式，生成速度限制指令，發送至控制裝置3。本實施形態中，速度限制值生成部43構成為於關節角度θ為既定角度以下之情形時，生成馬達速度不超過低於第1速度（初始值）之第2速度之速度限制指令，發送至控制裝置3。
速度算出部44係基於各伺服馬達M之旋轉角度位置（位置感測器E之檢測訊號），運算各伺服馬達M之速度（馬達速度）。此處，監視訊號中所含之各伺服馬達M之旋轉角度位置經由通訊纜線自控制裝置3發送至監視裝置4，輸入至速度算出部44。速度算出部44構成為將算出結果輸出至速度監視部45。
速度監視部45監視馬達速度是否超過既定之速度。本實施形態中，速度監視部45於藉由角度算出部41所算出之關節角度θ為既定角度以下之情形時，監視設置於各機器人手臂2之關節J1～J4之伺服馬達M中任一馬達速度是否超過第2速度。
停止訊號生成部46係當於關節角度θ為既定角度以下之情形時，藉由速度監視部45判定為馬達速度超過第2速度時，生成機器人1之停止訊號，將其供給至控制裝置3。
本實施形態之監視裝置4除具備關節角度監視功能以外，亦具備速度監視功能。
其次，一面參照圖5之流程圖一面對利用監視裝置4之機器人1之監視動作進行說明。如圖5所示，首先，監視裝置4使自控制裝置3每隔既定期間發送之監視訊號之接收待機（圖5之步驟S11）。本實施形態中，監視訊號包含檢測設置於機器人手臂2之位置控制中所使用之各關節J之關節角度位置的位置感測器E之檢測訊號。
其次，監視裝置4於接收監視訊號時，藉由角度算出部41算出關節角度θ（圖5之步驟S12）。圖6係示意性地表示作為監視對象之機器人1之關節角度θ之圖。如圖6所示，作為監視對象之關節角度θ係經由關節J2之旋轉軸線A2而鄰接之第1連桿20a及第2連桿20b之長度方向所成之關節角度。此處，分別表示基底座標系所定義之XY平面中之第1關節J1至第4關節J4。此外，XY平面中之直動關節J3與旋轉關節J4之中心位置座標相同，因此該圖中僅表示旋轉關節J4。L1及L2係第1連桿20a及第2連桿20b之長度方向之長度。該等資訊預先由監視裝置4之記憶體所記憶。θ1及θ2係第1關節J1之旋轉角度位置及第2關節J2之旋轉角度位置。該等資訊包含於監視訊號。藉此，角度算出部41可基於相當於第2關節J2之旋轉角度位置（θ2）之位置感測器E之檢測訊號，根據下式（1）算出經由關節J2而鄰接之第1連桿20a及第2連桿20b所成之關節角度θ。
θ＝180°－θ2 （1） 其次，角度監視部42監視藉由角度算出部41所算出之關節角度θ是否為既定角度（20度）以下（圖5之步驟S13）。既定角度係有由第1連桿20a及第2連桿20b夾入周圍之障礙物（例如作業者）之可能性的既定之角度。本實施形態中，既定角度為20度，但亦可根據機器人1之周圍之狀況或假定之障礙物之大小而適宜設定。於關節角度θ為大於20度且180度以下之範圍之情形時，角度監視部42判定為無由第1連桿20a及第2連桿20b夾入機器人1之周圍所存在之障礙物之可能性。另一方面，於關節角度θ為20度以下且0度以上之範圍之情形時，角度監視部42判定為有由第1連桿20a及第2連桿20b夾入機器人1之周圍所存在之障礙物之可能性。
其次，於藉由角度算出部41所算出之關節角度θ為20度以下之情形（圖5之步驟S13中為是（YES））時，速度限制值生成部43生成馬達速度不超過低於第1速度之第2速度之速度限制指令，將其供給至控制裝置3（圖5之步驟S14）。此處，第2速度係於ISO10218-1中規定為低速控制之250 mm/s。藉此，控制裝置3係以馬達速度不超過第2速度之方式控制機器人手臂2之動作。例如即便於機器人之附近之作業者之部位夾於鄰接之連桿之間之情形時，連桿亦不會以高速碰撞。
其次，速度監視部45於藉由角度算出部41所算出之關節角度θ為20度以下之情形時，監視馬達速度是否超過第2速度（圖5之步驟S15）。本實施形態中，速度監視部45於關節角度θ為20度以下之情形時，監視各機器人手臂2之關節J1～J4所設置之伺服馬達M中任一馬達速度是否超過第1速度。
其次，停止訊號生成部46當於關節角度θ為20度以下之情形（圖5之步驟S15中為是）時，藉由速度監視部45判定為馬達速度超過第2速度時，生成機器人1之停止訊號，將其供給至控制裝置3（圖5之步驟S16）。控制裝置3使機器人1之動作停止。
另一方面，速度限制值生成部43於關節角度θ超過20度之情形（圖5之步驟S13中為否（NO））時，不生成速度限制指令。此處，速度限制值之初始值係設定為第1速度（例如800 mm/s），因此控制裝置3係以馬達速度不超過第1速度之方式以高速控制機器人手臂2之動作。藉此，可使機器人1之能力最大限度地發揮。控制裝置3在機器人1之作業結束之前反覆進行如以上之動作。
通常，如圖2所示，於機器人1與作業者於相同作業空間內共同地作業之情形時，若加快機器人1之動作，則雖作業性提高，但有作業者之安全性之確保成為問題之情形。另一方面，若減慢機器人1之動作，則雖可確保作業者之安全性，但作業性降低。如此，機器人1之作業性與作業者之安全性處於取捨之關係。因此，根據本實施形態，於機器人手臂2之關節角度θ大於20度之情形（圖5之步驟S13中為否）時，判斷為無夾入周圍之障礙物（例如作業者）之可能性而使機器人手臂2儘可能以高速度（第1速度）動作。另一方面，若關節角度θ為20度以下，則判斷為有夾入周圍之障礙物（例如作業者）之可能性而使機器人手臂2以低速度（第2速度）動作。藉此，例如即便於機器人之附近之作業者之部位夾於鄰接之連桿之間之情形時，連桿亦不會以高速碰撞。因此，可謀求機器人之作業性與作業者之安全性之兼顧。
進而，本實施形態中，當於關節角度θ為20度以下之情形時，機器人手臂2之動作速度超過第2速度時，使機器人手臂2之動作停止，因此作業者之安全性進一步提高。可提供適於與人共同地作業之機器人之控制裝置3。
此外，本實施形態中，角度算出部41係基於相當於第2關節J2之旋轉角度位置（θ2）之位置感測器E之檢測訊號，算出關節角度θ，但並不限定於此。角度算出部41亦可基於第1連桿20a及第2連桿20b的與該關節J2側為相反側的各前端之位置之相對距離L，算出關節角度θ。此處，如圖6所示，相對距離L係作為第1關節J1之中心位置座標之基底座標系之原點G（0,0）與第4關節J4之中心P之位置座標（x,y）之間的距離。例如藉由使用公知之三維相機，測量三維空間上之2點間之距離，藉此可算出相對距離L。
藉此，以關節J1、J2及J4為頂點之三角形之3邊之長度確定，因此可使用下式（2）之餘弦定理而算出關節角度θ。
cosθ＝（L12 ＋L22 －L2 ）/2×L1×L2 （2）
（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係表示第2實施形態之監視裝置之構成之方塊圖。如圖7所示，本實施形態中，若與第1實施形態（圖4）相比，則監視裝置4A代替速度限制值生成部43、速度算出部44及速度監視部45，具備驅動轉矩推定部47、外力檢測部48及力監視部49之方面不同。本實施形態之監視裝置4A除具備關節角度監視功能以外，亦具備力監視功能。因此，本實施形態中，自控制裝置3發送至監視裝置4之監視訊號包含位置感測器E之檢測訊號、及電流感測器5中所檢測出之感測器電流值。
驅動轉矩推定部47係根據藉由位置感測器E所算出之關節角度位置，推定驅動機器人1之關節之伺服馬達所需之驅動轉矩。本實施形態中，驅動轉矩推定部47分別算出重力轉矩、慣性力轉矩、及摩擦力轉矩，將該等相加，藉此算出驅動轉矩之推定值。此處，重力轉矩係用以對抗各連桿之重量而維持姿態之轉矩。慣性力轉矩係用以對抗連桿之慣性所需之轉矩。摩擦力轉矩係用以對抗減速機之摩擦所需之轉矩。此外，本實施形態中，驅動轉矩推定部47係如安裝於監視裝置4之構成，但亦可安裝於控制裝置3。驅動轉矩推定值亦可與包含電流感測器5中所檢測出之感測器電流值及位置感測器E中所檢測出之關節軸角度位置之感測器訊號一起，作為監視訊號自控制裝置3發送至監視裝置4。
外力檢測部48檢測作用於機器人1之外力。本實施形態中，外力檢測部48係將電流感測器5中所檢測出之流經各伺服馬達M之感測器電流值轉換為轉矩值。並且，自由感測器電流值轉換之轉矩值，減去自驅動轉矩推定部47輸入之驅動轉矩之推定值，將其作為干擾轉矩而算出。並且，使用該干擾轉矩值算出作用於機器人1之外力，將其輸出至力監視部49。具體而言，外力檢測部48係根據干擾轉矩τd ，藉由假想工作之原理，按照下式（3），求出作用於機器人1之前端（例如工具中心點）之外力fd 。
fd ＝（KT ）-1 τd （3） 此處，K係雅可比矩陣（Jacobian matrix），係表現機器人1之基底座標系與關節座標系之間之微小位移關係之矩陣。關於雅可比矩陣K，誤差∆x與關節角差量∆θ中式（4）之關係成立。
∆x＝K∆θ （4） 如此，外力檢測部48藉由按照式（3）將干擾轉矩τd 乘以雅可比矩陣K之倒置矩陣JT 之逆矩陣而算出作用於機器人1之外力fd ，將其輸出至力監視部49。此外，式（3）之外力fd 係假定於機器人1之前端作用時之外力。於外力fd 以機器人1之前端以外作為作用點之情形時，亦可將外力fd 座標轉換為實際之作用點處之外力。
力監視部49構成為於藉由角度算出部41所算出之關節角度θ大於既定角度之情形時，基於藉由外力檢測部48所檢測出之外力，以第1監視基準偵測碰撞。具體而言，力監視部49構成為算出與自外力檢測部48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1之衝擊力，判定作用於機器人1之衝擊力之值|f'd |是否超過預先設定之第1閾值fth1 ，於超過第1閾值fth1 時判定為機器人1碰撞而生成碰撞偵測訊號，將其輸出至停止訊號生成部46。作為與第1閾值fth1 之比較對象之衝擊力之值|f'd |係外力f'd 之標量值。此外，力監視部49亦可判定自外力檢測部48輸入之外力之值|fd |是否超過預先設定之閾值而偵測碰撞。此外，監視裝置4例如具備可藉由管理者將碰撞偵測時之閾值調整為任意值之輸入手段（未圖示）。
停止訊號生成部46於自力監視部49輸入碰撞偵測訊號之情形時，生成機器人1之停止訊號，將其輸出至控制裝置3。
其次，一面參照圖8之流程圖一面對利用監視裝置4A之機器人1之監視動作進行說明。圖8之步驟S21至步驟S23之角度算出部41及角度監視部42之動作與圖5之步驟S11至步驟S13之動作相同，因此省略說明。
如圖8所示，力監視部49於關節角度θ為既定角度以下之情形（圖8之步驟S23中為是）時，基於藉由外力檢測部48所檢測出之外力，以第1監視基準偵測碰撞（圖8之步驟S24）。具體而言，力監視部49判定自外力檢測部48輸入之外力之值|fd |是否超過預先設定之第1閾值fth1 ，於超過第1閾值fth1 時判定為機器人1碰撞而生成碰撞偵測訊號，將其輸出至停止訊號生成部46。如此，力監視部49於藉由角度監視部42判斷為有由第1連桿20a及第2連桿20b夾入機器人1之周圍所存在之障礙物（例如作業者）之可能性之情形時，偵測碰撞。
並且，停止訊號生成部46於自力監視部49輸入碰撞偵測訊號之情形時，生成機器人1之停止訊號（圖8之步驟S25），將其輸出至控制裝置3。藉此，控制裝置3可使機器人1之動作停止。
根據本實施形態，若為有夾入周圍之物體之可能性之角度，則偵測碰撞，於偵測到碰撞後，可使機器人之動作停止，因此可使作業者之安全性提高。藉此，可提供適於與人共同地作業之機器人之控制裝置3。
＜變形例＞ 其次，對本實施形態之力監視功能之變形例進行說明。本變形例中，根據關節角度以2個不同之監視基準偵測碰撞。具體而言，圖7之力監視部49構成為於藉由角度算出部41所算出之關節角度θ大於既定角度之情形時，基於藉由外力檢測部48所檢測出之外力，以第1監視基準偵測碰撞。具體而言，力監視部49構成為判定自外力檢測部48輸入之外力之值|fd |是否超過預先設定之第1閾值fth1 ，於超過第1閾值fth1 時判定為機器人1碰撞而生成碰撞偵測訊號，將其輸出至停止訊號生成部46。本實施形態中，第1閾值fth1 係設定為100N。作為與第1閾值fth1 之比較對象之外力之值|fd |係外力fd之標量值。
另一方面，力監視部49構成為於藉由角度算出部41所算出之關節角度θ為既定角度以下之情形時，基於藉由外力檢測部48所檢測出之外力，以作為與第1監視基準不同之監視基準即第2監視基準偵測碰撞。具體而言，力監視部49構成為算出與自外力檢測部48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1之衝擊力，判定作用於機器人1之衝擊力之值|f'd |是否超過預先設定之第2閾值fth2 ，於超過第2閾值fth2 時判定為機器人1碰撞而生成碰撞偵測訊號，將其輸出至停止訊號生成部46。作為與第2閾值fth2 之比較對象之衝擊力之值|f'd |係外力f'd 之標量值。
圖9係表示本變形例之監視動作之流程圖。如圖9所示，力監視部49於關節角度θ超過20度之情形（圖9之步驟S23中為否）時，基於藉由外力檢測部48所檢測出之外力，以第1監視基準偵測碰撞（圖9之步驟S24-1）。具體而言，力監視部49判定自外力檢測部48輸入之外力之值|fd |是否超過預先設定之第1閾值fth1 ，於超過第1閾值fth1 時判定為機器人1碰撞而生成碰撞偵測訊號，將其輸出至停止訊號生成部46。如此，力監視部49於藉由角度監視部42判斷為無由第1連桿20a及第2連桿20b夾入機器人1之周圍所存在之障礙物（例如作業者）之可能性之情形時，將碰撞感度設定得較低而偵測碰撞。
另一方面，力監視部49於關節角度θ為既定角度以下之情形（圖9之步驟S23中為是）時，基於藉由外力檢測部48所檢測出之外力，以作為與第1監視基準不同之監視基準即第2監視基準偵測碰撞（圖9之步驟S24-2）。具體而言，力監視部49算出與自外力檢測部48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1之衝擊力，判定作用於機器人1之衝擊力之值fd 是否超過預先設定之第2閾值fth2 ，於超過第2閾值fth2 時判定為機器人1碰撞而生成碰撞偵測訊號，將其輸出至停止訊號生成部46。如此，力監視部49於藉由角度監視部42判斷為有由第1連桿20a及第2連桿20b夾入機器人1之周圍所存在之障礙物（例如作業者）之可能性之情形時，將碰撞感度設定得較高而偵測碰撞。
並且，停止訊號生成部46於自力監視部49輸入碰撞偵測訊號之情形時，生成機器人1之停止訊號（圖9之步驟S25），將其輸出至控制裝置3。藉此，控制裝置3可使機器人1之動作停止。
根據本變形例，若為無夾入周圍之物體之可能性之角度，則以第1監視基準（例如將碰撞感度設定得較低）偵測碰撞。另一方面，若為有夾入周圍之物體之可能性之角度以下，則以第2監視基準（例如將碰撞感度設定得較高）偵測碰撞。即，可根據關節角度而變更碰撞感度，因此可謀求機器人之作業性與作業者之安全性之兼顧。
此外，本實施形態中，於偵測到碰撞後，使機器人之動作停止，但亦可通知周圍之作業者或管理者。
又，本實施形態之監視裝置4A具備監視關節角度之關節角度監視功能、以及根據關節角度基於作用於機器人1之外力進行碰撞偵測之力監視功能，但亦可組合第1實施形態之根據關節角度之速度監視功能。
此外，本實施形態中，不使用力感測器，而基於伺服馬達之電流值計算作用於機器人1之外力，因此可廉價且高精度地偵測碰撞。藉此，機器人與於其周邊作業之作業者之共同作業中之便利性進一步提高。
（其他實施形態） 此外，上述各實施形態中，監視經由關節J2之旋轉軸線A2而鄰接之第1連桿20a及第2連桿20b所成之角度（參照圖2），但並不限定於此。同軸雙腕型之機器人1中，亦可監視經由於2個關節J1共通之旋轉軸線A1而鄰接之2條第1連桿20a及第1連桿20a所成之角度。
此外，上述各實施形態之機器人1為雙腕型之水平多關節型機器人，但並不限定於此。可為單腕機器人，亦可為垂直多關節型機器人。又，各機器人手臂只要具備經由至少一個關節而鄰接之兩根連桿，則並不限定於此。
此外，上述各實施形態中，關節角度θ係定義為經由關節而鄰接之兩根連桿所成之角度，但亦可由機器人手臂2前端之末端執行器、或機器人1之基底置換兩根連桿中之一者。即，關節角度θ亦可定義為經由關節而鄰接之連桿與機器人手臂2前端之末端執行器、或連桿與機器人之基底所成之角度。
此外，上述各實施形態之監視裝置4、4A與控制裝置3分別地設置，但亦可包含於控制裝置3。例如，於控制裝置3之運算處理器6中，亦可以實行監視裝置4之各部之功能區塊之方式構成。
根據上述說明，對於發明所屬技術領域中具有通常知識者而言，明確本發明之多種改良或其他實施形態。因此，上述說明應僅作為例示而解釋，以提示發明所屬技術領域中具有通常知識者實行本發明之最佳之態樣為目的而提供。在不脫離本發明之精神之情況下，可實質地變更其構造及功能之兩者或一者之細節。 [產業上之可利用性]
本發明對於與人共存而作業之機器人之控制裝置是有用的。
1‧‧‧機器人 2‧‧‧機器人手臂 3‧‧‧控制裝置 4、4A‧‧‧監視裝置 5‧‧‧電流感測器 6‧‧‧運算處理器 7‧‧‧伺服放大器 8‧‧‧台車 9‧‧‧基底 17‧‧‧腕部 18‧‧‧機械介面 19‧‧‧末端執行器 20‧‧‧手臂部 20a‧‧‧第1連桿 20b‧‧‧第2連桿 41‧‧‧角度檢測部 42‧‧‧角度監視部 43‧‧‧速度限制值生成部 44‧‧‧速度算出部 45‧‧‧速度監視部 46‧‧‧停止訊號生成部 47‧‧‧驅動轉矩推定部 48‧‧‧外力檢測部 49‧‧‧力監視部 61‧‧‧電流指令值生成部 62‧‧‧速度限制值設定部 100‧‧‧作業台 J‧‧‧關節 M‧‧‧伺服馬達 E‧‧‧編碼器（位置感測器） C‧‧‧纜線 θ‧‧‧關節角度
圖1係概略性地表示第1實施形態之機器人之構成之前視圖。 圖2係表示圖1之機器人之作業之一例之俯視圖。 圖3係表示圖1之機器人之整體構成之方塊圖。 圖4係表示圖3之監視裝置之構成之方塊圖。 圖5係表示機器人之監視動作之一例之流程圖。 圖6係示意性地表示作為監視對象之機器人之關節角度之圖。 圖7係表示第2實施形態之監視裝置之構成之方塊圖。 圖8係表示機器人之監視之動作之一例之流程圖。 圖9係表示圖7之監視動作之變形例之流程圖。
1‧‧‧機器人
2‧‧‧機器人手臂
3‧‧‧控制裝置
8‧‧‧台車
9‧‧‧基底
17‧‧‧腕部
18‧‧‧機械介面
19‧‧‧末端執行器
20‧‧‧手臂部
20a‧‧‧第1連桿
20b‧‧‧第2連桿
100‧‧‧作業台
A1、A2、A3‧‧‧旋轉軸線
W1、W2、W3、W4‧‧‧工件

Claims (8)

  1. 一種機器人之控制裝置，其係具有經由一旋轉軸線而連結之複數個連桿、及設置於上述旋轉軸線之驅動用馬達的控制機器人手臂之動作者，其具備：角度算出部，其算出經由上述旋轉軸線而鄰接之兩根連桿所成之角度；及角度監視部，其監視藉由上述角度算出部所算出之上述角度是否為既定角度以下；上述角度，係有被上述兩根連桿夾入之可能性之障礙物所位於之側的該兩根連桿所成之角度；於上述角度為上述既定角度以下之情形時，以不使上述角度變大之方式控制上述機器人手臂之動作；於藉由上述角度算出部所算出之上述角度為上述既定角度以下之情形時，以上述馬達速度不超過既定速度之方式控制上述機器人手臂之動作。
  2. 如請求項1所述之機器人之控制裝置，其進而具備：速度監視部，其於藉由上述角度算出部所算出之上述角度為上述既定角度以下之情形時，監視上述馬達速度是否超過上述既定速度，於上述馬達速度超過上述既定速度之情形時，使上述機器人手臂之動作停止。
  3. 如請求項1所述之機器人之控制裝置，其中上述機器人手臂進而具有檢測上述驅動用馬達之旋轉角度位置之位置感測器，上述角度算出部基於上述位置感測器之檢測訊號，算出經由上述旋轉軸線而鄰接之兩根連桿所成之角度。
  4. 如請求項1至3中任一項所述之機器人之控制裝置，其進而具 備：外力檢測部，其檢測作用於上述機器人之外力；及力監視部，其於藉由上述角度算出部所算出之上述角度為既定角度以下之情形時，基於藉由上述外力檢測部所檢測出之外力，以既定之監視基準偵測碰撞；於偵測到碰撞之情形時，使上述機器人手臂之動作停止。
  5. 如請求項1至3中任一項所述之機器人之控制裝置，其進而具備：外力檢測部，其檢測作用於上述機器人之外力；及力監視部，其於藉由上述角度算出部所算出之上述角度大於既定角度之情形時，基於藉由上述外力檢測部所檢測出之外力，以第1監視基準偵測碰撞，並且於藉由上述角度算出部所算出之上述角度為既定角度以下之情形時，基於藉由上述外力檢測部所檢測出之外力，以作為與上述第1監視基準不同之監視基準即第2監視基準偵測碰撞；於偵測到碰撞之情形時，使上述機器人手臂之動作停止。
  6. 如請求項1至3中任一項所述之機器人之控制裝置，其中上述機器人手臂具有一個或複數個旋轉關節，上述一旋轉軸線為上述旋轉關節之旋轉軸線。
  7. 如請求項4所述之機器人之控制裝置，其中上述機器人手臂具有一個或複數個旋轉關節，上述一旋轉軸線為上述旋轉關節之旋轉軸線。
  8. 如請求項5所述之機器人之控制裝置，其中上述機器人手臂具有一個或複數個旋轉關節，上述一旋轉軸線為上述旋轉關節之旋轉軸線。
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