TWI789639B - 機器人的自動模式安全系統及方法 - Google Patents

Abstract

一種機器人的自動模式安全系統及方法，藉由靜止狀態程序，讓自動模式運行的機器人進入等待狀態，以提醒機制，提醒啟動啟用機制，使機器人進入安全狀態，利用手拉致能裝置取消安全狀態，以手拉牽引機器人作業，確保自動模式下協作的安全性。

Description

機器人的自動模式安全系統及方法

本發明有關一種機器人的安全系統及方法，尤其關於機器人在自動模式下，對於使用者手拉機器人協作，進行保護的安全系統及方法。

隨著機器人的技術蓬勃發展，工廠利用機器人，雖可協助作業人員快速進行加工組裝製造作業，提高工廠生產效率，但是快速移動的機器人，嚴重影響到協作作業人員的安全，因此各國訂定嚴格的安全標準規範，以維護機器人的作業安全。

請參圖4，先前技術為了教導機器人1作業，在機器人1的末端設置手拉按鈕2，手拉按鈕通常設計為按壓運行(Hold to Run)，或為軟體上的按鍵，手拉按鈕2電性或通訊連接至機器人1控制器3。在示教器4設定機器人1處於教導模式時，當使用者按壓手拉按鈕2，訊號通知控制器3，將機器人1從靜止狀態切入手拉模式(Hand Guiding)。先前技術的手拉模式有多種方式，例如透過機器人1各肘節5中致動器之編碼器、馬達電流感測器經計算與補償，得知對各關節之施力或對末端之手拉施力，控制機器人1順從手拉移動。利用手拉機器人1至點位記錄位置、或手拉紀錄路徑，教導機器人1作業。並於放開手拉按鈕2時，使機器人1切出手拉模式回到靜止狀態。

前述先前技術機器人1的示教器4，為了符合安全標準規範ISO 10218-1的要求，在教導模式下，裝設致能裝置(Enable Device)，以保護協作的使用者。致能裝置6通常設在示教器4，為三段式按鈕(3 Position Enabling Switch)，其結構設計有三個按壓階段，完全放開、中位、壓緊，其中僅中位可致能機器人1進行教導行為，完全放開或壓緊時，都將電性或通訊傳達至控制器3，安全系統7啟動中斷教導行為，讓機器人1停止運動，並透過「監控靜止」(Stand Still Monitoring)監控機器人1在致動器仍有電時不輕舉妄動，如監控發現機器人發生運動，安全系統7將切斷機器人1致動器之電力，以保護使用者在教導過程中的安全。

然而，前述先前技術的機器人僅提供教導模式的安全保護，但是機器人除教導模式外尚有自動模式，自動模式有時也需要使用者與機器人協同工作，例如手拉牽引機器人，使其到達作業區域開始作業，或於機器人持重物時，手拉牽引機器人協作搬持重物，或手拉牽引機器人示範等多種協作作業，仍欠缺保護使用者手拉時安全的解決方案，特別是在自動模式下何時確保安全無虞允許使用者進行手拉協作。因此，機器人在自動模式的安全系統及方法上，仍有問題亟待解決。

本發明的目的提供一種機器人的自動模式安全系統，藉由編程靜止狀態程序，讓自動模式運行的機器人進入等待狀態，設置提醒機制，提醒使用者啟動啟用機制，使機器人進入安全狀態，並利用手拉致能裝置手拉牽引機器人，以確保自動模式下協作的安全性。

本發明的另一目的提供一種機器人的自動模式安全方法，利 用控制器計時等待時間，等待時間超過時限，自動讓機器人進入安全狀態，以提高自動模式下協作的安全性。

本發明的再一目的提供一種機器人的自動模式安全方法，利用使用者再啟動啟用機制，讓機器人回到自動模式，以增加自動模式下協作的安全性。

為了達到前述發明的目的，本發明的機器人的自動模式安全系統，包含具有多肘節機器人，一端為活動的末端，各肘節中設置致動器及位置感測器，控制器連接機器人，控制致動器及位置感測器，移動機器人的末端，且儲存自動模式的靜止狀態程式，示教器連接至控制器，人機介面連接至控制器，顯示編輯程式或作業程序或操控畫面，手拉致能裝置具備致能與啟動手拉之致能開關，安全模組設於控制器內，與手拉致能裝置及位置感測器電性或通訊相連，依據手拉致能裝置開關狀態，發出電性或通訊訊號與安全模組最終相連，機器人於自動模式下，運行至靜止狀態程式後，讓機器人進入靜止狀態，機器人進入安全狀態，按壓手拉致能裝置於開狀態手拉牽引機器人。

本發明的機器人的自動模式安全系統，安全模組電性或通訊連接機器人各肘節之位置感測器，接收位置感測器的訊號進行監控機器人的活動狀態。靜止狀態程式由人機介面進行編程或預先編程備用。安全系統在靜止狀態利用提醒機制，提醒機器人進入等待啟用狀態，由使用者指示啟動安全系統的啟用機制，讓機器人進入安全狀態。提醒機制由控制器的燈號或響聲，或人機介面的顯示，或機器人反覆展示特定動作示意，或由IO通知，或由通訊通知的提醒訊號。啟用機制設在機器人的末端或控制 器或示教器或人機介面。啟用機制為IO介面或通訊的軟硬體按鈕或感測器感測使用者身體部位動作獲得指示訊號。提醒機制在該機器人進入安全狀態，提醒機制隨即停止。控制器可利用展示燈號或響聲或動作的安全警示機器人進入安全狀態。

本發明的控制器計時靜止狀態預定時間後，自動指示機器人進入安全狀態。自動模式下手拉牽引機器人完成作業後，讓手拉致能裝置處於關狀態，回至安全狀態，經由再啟動啟用機制，指示結束作業。或自動模式下手拉牽引機器人完成作業後，讓該手拉致能裝置處於關狀態，回至安全狀態，在控制器計時等待預定時間後，讓機器人回至自動模式，自動進行下一作業。手拉致能裝置由可致能之致能開關以及啟動手拉之軟硬體開關組成，設置在機器人的末端、示教器、或具備電性與外接致能裝置相連之端口。

本發明的機器人的自動模式安全方法，儲存靜止狀態程序，讓機器人在自動模式運行，運行靜止狀態程序至靜止狀態，讓機器人進入安全狀態，使手拉致能裝置處於開狀態，讓機器人取消安全狀態及進行手拉牽引機器人作業。

本發明的機器人的自動模式安全方法，在機器人進入靜止狀態後，提醒機器人在等待狀態。在等待狀態，檢查指示啟用機制時，讓機器人進入安全狀態，檢查未指示啟用機制時，則繼續在等待狀態。機器人在進入靜止狀態後，計時時間。檢查計時時間超過時限，直接讓機器人進入安全狀態，檢查計時時間未超過時限，則繼續計時時間。機器人手拉牽引作業中，檢查手拉致能裝置處於關狀態，讓機器人進入安全狀態，當檢 查手拉致能裝置未處於關狀態，則繼續進行手拉機器人作業。機器人檢查結束作業，回至自動模式，自動進行下一作業，檢查未結束作業時，則繼續讓機器人進入安全狀態。

10:安全系統

11:機器人

12:控制器

13:示教器

14:安全模組

15:人機介面

16:致能裝置

17:手拉致能裝置

18:肘節

19:基座

20:末端

21:位置感測器

22:燈號或響聲

23:軟硬體按鈕

24:感測器

圖1 為本發明機器人的自動模式安全系統的示意圖。

圖2 為本發明安全系統的控制功能的示意圖。

圖3 為本發明機器人的自動模式安全方法的流程圖。

圖4 為先前技術手拉教導機器人的示意圖。

有關本發明為達成上述目的，所採用之技術手段及其功效，茲舉較佳實施例，並配合圖式加以說明如下。

機器人為了符合安全標準規範ISO 10218-1之要求，具備以下幾種運行模式(Operation Mode)：自動模式(Auto Mode)、手動(或稱教導)模式(Manual Mode)，其中自動模式定義為機器人自動運行程式，用於生產自動化作業，使用者為產線作業員。目前手拉牽引已被用於自動模式中，便利產線操作員進行以下任務：手拉移動(例如牽引機器人至下一工作起始點)、手拉示範(例如手拉示範工作路徑)、手拉協作(例如使機器人舉重而由人引導其放置位置)，以上自動模式下之手拉牽引非安全規範中之教導行為，而是自動生產過程中之手拉牽引操作。

請同時參閱圖1至圖2，圖1為本發明機器人的安全系統的示意圖，圖2為本發明安全系統的控制功能的示意圖。圖1中，本發明的安全 系統10包含機器人11、控制器12、示教器13、安全模組14、人機介面15、致能裝置16、及手拉致能裝置17等。其中機器人11具備手拉牽引能力，具有多肘節18，一端為固定的基座19，另一端為活動的末端20。機器人11連接至控制器12，控制器12內含一安全模組14。控制器12藉由控制各肘節18中的致動器及位置感測器21，控制移動機器人11的末端20。示教器13連接至控制器12，用以操作控制機器人11。人機介面15連接至控制器12，用以顯示編輯程式或作業程序或操控畫面。本發明另在示教器13設置一般的致能裝置16，而在機器人11的末端20設置手拉致能裝置17。本實施例雖以手拉致能裝置17設置在機器人11的末端20舉例說明，但包含且不限於設置在末端20，亦可設在示教器13、或具備電性與外接致能裝置相連之端口。

圖2中，安全模組14經由控制器12與致能裝置16、手拉致能裝置17及位置感測器21電性或通訊相連。致能裝置16具備開狀態(ON)與關狀態(OFF)操作的功能，當致能裝置16處於開狀態(ON)狀態時，安全模組14可依據機器人之運行模式，取消機器人11之安全狀態，而當致能裝置16處於關狀態(OFF)狀態時，安全模組14可依據機器人之運行模式，使機器人11停機進入安全狀態。而手拉致能裝置17除具一般致能裝置16的安全功能外，另兼具於開狀態(ON)狀態時，可手拉牽引機器人11移動的作用，手拉致能裝置17可為同時具備致能與啟動手拉之致能開關，或由可致能之致能開關以及啟動手拉之軟硬體開關組成。安全模組14電性或通訊連接機器人11各肘節18之位置感測器21，接收位置感測器21的訊號進行監控機器人11的活動狀態。

安全模組14停機機器人11進入安全狀態有三種類型，零類安 全狀態為斷電停機功能：當安全模組14判定機器人11應進入安全狀態時，直接關斷致動器電力。一類安全狀態為進階斷電停機功能：當安全模組14判定機器人11應進入安全狀態時，對控制器12下達減速命令後，經過固定時間或觀察機器人11減速運動達成後，關斷致動器電源。二類安全狀態為非斷電停機功能：當安全模組14判定機器人11應進入安全狀態時，對控制器12下達減速命令後，經過固定時間或觀察機器人減速運動達成後，開啟靜止監控安全功能(Standstill Monitoring)，持續監控位置感測器21，當監控機器人11產生運動，即關斷致動器電源。

本發明人機介面15透過命令或圖形化指定機器人11自動運行之程序。控制器12可藉由人機介面15進行編程，或預先外界編程讓機器人11進入靜止狀態程式，例如「暫停」、「等待」或專為自動模式手拉程序安排之「等待啟用手拉」程式，並將程式檔案儲存至控制器12。當機器人11自動運行至靜止狀態程式後，讓機器人11進入靜止狀態，等待使用者啟用協同作業。在機器人11等待使用者啟用協同作業時，為了提醒使用者機器人11正等待啟用協同作業，本發明的安全系統10經由控制器12控制的燈號或響聲22，或人機介面15顯示，或反覆展示特定動作示意，或由IO通知，或由通訊通知的提醒機制，提醒使用者機器人11已進入等待使用者啟用協同作業的狀態。

當機器人11自動運行至靜止狀態程式後，為了確保使用者與機器人11協作的安全，本發明另具備一個可由使用者指示機器人11進入安全狀態之啟用機制。即在機器人11的末端20或控制器12或示教器13或人機介面15，設置IO介面或通訊的軟硬體按鈕23，或感測器24感測使用者身體 部位動作獲得指示之方法，如手勢偵測等，利用按壓按鈕23或感測器24感測姿勢等啟用機制指示機器人11進入安全狀態。或者在控制器12計時預定時間之展示燈號、響聲、動作之提醒機制，使用者仍不指示機器人11進入安全狀態後，為了監視機器人11安全狀態，讓機器人11自行進入安全狀態，以維持機器人11處於安全狀態。一旦機器人11進入安全狀態，提醒機制隨即停止，或由控制器12展示燈號、響聲、動作等安全警示，讓使用者確知機器人11進入安全狀態。

當機器人11自動運行至靜止狀態，並進入安全狀態後，安全模組14處理致能裝置16與手拉致能裝置17之基本運作為，在自動模式中，致能裝置16不能使用，亦即致能裝置16處於ON或OFF狀態皆不致能機器人11運動，而手拉致能裝置17當處於OFF狀態時，作動機器人11於安全狀態，當處於ON狀態時，作動取消機器人11之安全狀態，同時致能手拉牽引機器人11。因此，可讓手拉致能裝置17處於ON狀態，使機器人11取消安全狀態，手拉牽引機器人11，進行例如牽引機器人11至下一工作起始點的手拉移動，或例如使機器人11舉重而由人引導其放置位置的手拉協作。完成在自動模式下手拉牽引機器人11的作業後，讓手拉致能裝置17處於OFF狀態，作動機器人11立即回至安全狀態，經由利用按壓按鈕23或感測器24感測姿勢等再啟動啟用機制，指示結束作業，自動進行下一作業。

如圖3所示，為本發明機器人的自動模式安全方法的流程圖。本發明機器人的自動模式安全方法的詳細步驟說明如下：步驟S1，儲存編程的靜止狀態程序；步驟S2，讓機器人在自動模式，運行機器人運行靜止狀態程序至靜止狀態；步驟S3，提醒機器人在等待狀態；步驟S4，計時 等待時間；步驟S5，檢查是否指示啟用機制？假如指示啟用機制，則至步驟S6，機器人進入安全狀態，假如未指示啟用機制，則至步驟S7，檢查計時等待時間是超過時限？假如未超過時限，則回至步驟S4，繼續計時等待時間，假如超過時限，則至步驟S6，直接讓機器人進入安全狀態；再至步驟S8，使手拉致能裝置處於ON狀態，讓機器人取消安全狀態；在步驟S9，繼續使手拉致能裝置處於ON狀態，進行手拉機器人作業；步驟S10，檢查手拉致能裝置是否處於OFF狀態？假如手拉致能裝置未處於OFF狀態，則回至步驟S9，繼續進行手拉機器人作業，假如手拉致能裝置處於OFF狀態，則至步驟S11，檢查是否結束作業？假如未結束作業，則回至步驟S6，繼續讓機器人進入安全狀態，假如結束作業，則至步驟S12，結束作業，讓機器人回至自動模式，自動進行下一作業。

因此，本發明機器人的自動模式安全系統及方法，既可藉由編程靜止狀態程序，讓自動模式運行的機器人進入等待狀態，且設置提醒機制，提醒使用者啟動啟用機制，啟用機制使機器人進入安全狀態，利用控制器計時等待時間，等待時間超過時限，自動讓機器人進入安全狀態，並利用手拉致能裝置手拉牽引機器人，結束作業時，利用使用者再啟動啟用機制，讓機器人回到自動模式，達到確保自動模式下協作的安全性的發明目的。

以上所述者，僅為用以方便說明本發明之較佳實施例，本發明之範圍不限於該等較佳實施例，凡依本發明所做的任何變更，於不脫離本發明之精神下，皆屬本發明申請專利之範圍。

10:安全系統

11:機器人

12:控制器

13:示教器

14:安全模組

15:人機介面

16:致能裝置

17:手拉致能裝置

18:肘節

19:基座

20:末端

21:位置感測器

22:燈號或響聲

23:軟硬體按鈕

24:感測器

Claims (21)

1. 一種機器人的自動模式安全系統，包含：機器人，具有多肘節，一端為活動的末端，該各肘節中設置致動器及位置感測器；控制器，連接該機器人，控制該致動器及該位置感測器，移動該機器人的末端，且儲存自動模式的靜止狀態程式；示教器，連接至控制器；人機介面，連接至控制器，顯示編輯程式或作業程序或操控畫面；手拉致能裝置，具備致能與啟動手拉之致能開關；安全模組，設於該控制器內，與該手拉致能裝置及該位置感測器電性或通訊相連，依據該手拉致能裝置開關狀態，發出電性或通訊訊號與安全模組最終相連；其中，該機器人於自動模式下，運行自動模式的該靜止狀態程式後，讓該機器人進入靜止狀態，機器人進入安全狀態，按壓該手拉致能裝置於開狀態手拉牽引該機器人；其中該安全系統在靜止狀態進入等待啟用狀態，由使用者指示啟動該安全系統的啟用機制，讓該機器人進入安全狀態。
2. 如申請專利範圍第1項所述之機器人的自動模式安全系統，其中該安全模組電性或通訊連接該機器人各肘節之該位置感測器，接收該位置感測器的訊號進行監控該機器人的活動狀態。
3. 如申請專利範圍第1項所述之機器人的自動模式安全系統，其中該靜止狀態程式由該人機介面進行編程或預先編程備用。
4. 如申請專利範圍第1項所述之機器人的自動模式安全系統，其中該啟用機制設在該機器人的末端或該控制器或該示教器或該人機介面。
5. 如申請專利範圍第4項所述之機器人的自動模式安全系統，其中該啟用機制為IO介面或通訊的軟硬體按鈕或感測器感測使用者身體部位動作獲得指示訊號。
6. 如申請專利範圍第1項所述之機器人的自動模式安全系統，其中該靜止狀態利用提醒機制，提醒該機器人進入等待啟用狀態。
7. 如申請專利範圍第6項所述之機器人的自動模式安全系統，其中該提醒機制由該控制器的燈號或響聲，或該人機介面的顯示，或該機器人反覆展示特定動作示意，或由IO通知，或由通訊通知的提醒訊號。
8. 如申請專利範圍第6項所述之機器人的自動模式安全系統，其中該提醒機制在該機器人進入安全狀態，提醒機制隨即停止。
9. 如申請專利範圍第1項所述之機器人的自動模式安全系統，其中該控制器計時該靜止狀態預定時間後，自動指示機器人進入安全狀態。
10. 如申請專利範圍第1項所述之機器人的自動模式安全系統，其中該控制器展示燈號或響聲或動作的安全警示機器人進入安全狀態。
11. 如申請專利範圍第1項所述之機器人的自動模式安全系統，其中該自動模式下手拉牽引該機器人完成作業後，讓該手拉致能裝置處於關狀態，回至安全狀態，經由再啟動該啟用機制，指示結束作業。
12. 如申請專利範圍第1項所述之機器人的自動模式安全系統，其中該自動模式下手拉牽引該機器人完成作業後，讓該手拉致能裝置處於關狀態，回至安全狀態，在控制器計時等待預定時間後，讓機器人回至自動模 式，自動進行下一作業。
13. 如申請專利範圍第1項所述之機器人的自動模式安全系統，其中該手拉致能裝置由可致能之致能開關以及啟動手拉之軟硬體開關組成。
14. 如申請專利範圍第13項所述之機器人的自動模式安全系統，其中該手拉致能裝置設置在該機器人的末端、該示教器、或具備電性與外接致能裝置相連之端口。
15. 一種機器人的自動模式安全方法，包含：儲存自動模式的靜止狀態程序；讓機器人在自動模式運行，運行自動模式的靜止狀態程序至靜止狀態；讓機器人進入安全狀態；使手拉致能裝置處於開狀態，讓機器人取消安全狀態及進行手拉牽引機器人作業；其中該機器人進入靜止狀態後，提醒機器人在等待狀態。
16. 如申請專利範圍第15項所述之機器人的自動模式安全方法，其中在該等待狀態，檢查指示啟用機制時，讓機器人進入安全狀態，檢查未指示啟用機制時，則繼續在等待狀態。
17. 如申請專利範圍第15項所述之機器人的自動模式安全方法，其中該機器人進入靜止狀態後，計時時間。
18. 如申請專利範圍第17項所述之機器人的自動模式安全方法，其中檢查計時時間超過時限，直接讓機器人進入安全狀態，檢查計時時間未超過時限，則繼續計時時間。
19. 如申請專利範圍第15項所述之機器人的自動模式安全方法，其中該 機器人手拉牽引作業中，檢查手拉致能裝置處於關狀態，讓機器人進入安全狀態，當檢查手拉致能裝置未處於關狀態，則繼續進行手拉機器人作業。
20. 如申請專利範圍第15項所述之機器人的自動模式安全方法，其中該機器人檢查結束作業，回至自動模式，自動進行下一作業，檢查未結束作業時，則繼續讓機器人進入安全狀態。
21. 如申請專利範圍第15項所述之機器人的自動模式安全系統，其中該控制器展示安全警示機器人進入安全狀態。

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