WO2020137176A1 - 制御装置 - Google Patents

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航平 森口
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京セラドキュメントソリューションズ株式会社
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    • G05B2219/40202—Human robot coexistence

Definitions

  • the present invention relates to a control device that controls the drive of each joint that constitutes an arm of a robot.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and when the worker and the robot approach each other, it is possible to ensure the safety of the worker without significantly reducing the productivity.
  • the purpose is to
  • a control device includes an arm that has a plurality of joints, one end of which is supported by a base, and is freely movable in a three-dimensional space, and the joints that are provided in each of the plurality of joints.
  • a control device for controlling the movement of a robot comprising: a drive unit for driving the action plan of the drive unit according to the action plan generated by the action plan unit and the action plan unit generated by the action plan unit.
  • a limit unit that limits the action of the arm by setting the action prohibited range of the arm in a range in which the arm does not contact the intruder
  • the planning unit regenerates the action plan in a plan in which the arm does not act in the action prohibition range
  • the control unit sets the action planning unit to The drive of the drive unit is controlled according to the regenerated action plan.
  • the action prohibited range is set and the action of the arm is limited, so that a contact accident between the human and the arm can be prevented.
  • the operation of the arm is not decelerated or stopped, it is possible to avoid a large decrease in productivity. Therefore, it is possible to ensure the safety of the operator without significantly reducing the productivity.
  • FIG. 1 is a functional block diagram schematically showing a main internal configuration of a robot control system including a control device according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is an external view schematically showing a robot to be controlled.
  • the robot control system 1 is configured to include a robot 10 and a control device 20 that controls the operation of the robot 10.
  • the robot 10 is a manipulator having a movement function similar to that of a human arm, and includes an arm (robot arm) 11 that can freely move in a three-dimensional space, and one end of the arm 11 is a base ( It is supported by a base 14).
  • the arm 11 has a plurality of joints 12A to 12D (hereinafter, also collectively referred to as “joint 12”) and links 13A to 13C that connect the joints 12 to each other.
  • the robot 10 includes driving units (joint driving units) 16 ⁇ /b>A to 16 ⁇ /b>D (hereinafter collectively referred to as “driving unit 16”) that are provided in each joint 12, and that are provided in each joint 12.
  • driving unit 16 Joint driving units
  • Joint angle detection units 17A to 17D (hereinafter, also collectively referred to as “joint angle detection unit 17”) that detect the rotation angle of the joint 12.
  • a camera 32 that monitors the work environment of the robot 10 is installed above the robot 10.
  • Each of the drive unit 16 and the joint angle detection unit 17 may be, for example, a motor or an encoder.
  • the camera 32 is an example of the monitoring unit in the claims.
  • the joint angle detection unit 17 serves as a position detection unit that detects the position of the tip portion 15 of the arm 11. It should be noted that the camera 32 that takes an image of the entire robot 10 can be used as the position detection unit.
  • the control device 20 includes a control unit 21, an operation unit 22, a display unit 23, a storage unit 24, and an external interface unit (external I/F) 25.
  • the operation unit 22 is composed of a keyboard, a mouse and the like, and inputs commands and characters to the control unit 21 and operates a pointer on the screen of the display unit 23.
  • the display unit 23 is, for example, a display device such as a liquid crystal display (LCD: Liquid Crystal Display) or an organic EL (OLED: Organic Light-Emitting Diode) display, and displays a response or a data result from the control unit 21.
  • the operation unit 22 is used, for example, for inputting an instruction of a work to be performed by the arm 11, and a target reaching position of the tip end portion 15 of the arm 11 (for example, a position for grasping a work or a position for carrying and releasing the grasped work). Used for inputting instructions.
  • the position where the work is gripped is the end point of the picking operation, and the position where the work is released is the end point of the place operation.
  • the storage unit 24 is a storage device such as an HDD (Hard Disk Drive), stores programs and data necessary for the operation of the control device 20, and includes an action plan storage unit 241. What is stored in the action plan storage unit 241 is an action plan of the arm 11 generated by the action plan unit 212 described later.
  • HDD Hard Disk Drive
  • the external interface unit 25 is for connecting to an external device, and the control device 20 is connected to the driving unit 16 and the joint angle detecting unit 17 that configure the robot 10 and the camera 32 via the external interface unit 25. Further, it is connected to the hand driving unit 31C via the robot 10.
  • the control unit 21 is configured to include a processor, a RAM (Random Access Memory), a ROM (Read Only Memory), and a dedicated hardware circuit.
  • the processor is, for example, a CPU (Central Processing Unit), an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), an MPU (Micro Processing Unit), or the like.
  • the control unit 21 includes a control unit 211, an action planning unit 212, a detection unit 214, and a limiting unit 215.
  • the control unit 21 functions as the control unit 211, the action planning unit 212, the detection unit 214, and the restriction unit 215 by the operation of the processor according to the control program stored in the storage unit 24.
  • each of the above-described configurations of the control unit 21 and the like can be configured by a hardware circuit instead of the operation based on the control program by the control unit 21.
  • the control unit 211 controls the overall operation of the control device 20.
  • the control unit 211 is connected to the operation unit 22, the display unit 23, the storage unit 24, and the external interface unit 25, and controls the operation of each of the above-described connected components and signals or data to and from the components. Send and receive.
  • the action plan unit 212 generates an action plan for the arm 11 as a plan for realizing the work instructed by the user via the operation unit 22.
  • the action planning unit 212 generates a target trajectory of the tip portion 15 of the arm 11, a work point on the target trajectory, a work content at the work point, and the like.
  • various generation algorithms such as RRT (Rapidly exploring random tree) can be applied to generate the target trajectory.
  • the control unit 211 further controls driving of the driving unit 16 according to the action plan generated by the action planning unit 212.
  • the control unit 211 causes the distal end portion 15 to follow the target trajectory based on the target trajectory (for example, the target position) generated by the action planning unit 212 and the position of the distal end portion 15 of the arm 11.
  • the position of the tip portion 15 of the arm 11 can be calculated from all angles detected by the joint angle detection unit 17.
  • the detection unit 214 detects an intruder in the movable range E1 (see FIG. 3) of the arm 11 based on the work environment information obtained from the camera 32. For example, the detection unit 214 analyzes the image data acquired by the camera 32 to detect a moving object other than the arm 11 as an intruder. Further, the detection unit 214 detects, based on the work environment information obtained from the camera 32, whether or not the intruder leaves the movable range E1, moves the intruder, and detects the position of the intruder. Is possible.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining the movable range E1 of the arm 11.
  • the movable range E1 of the arm 11 is a range from the vertical axis VA passing through one end of the arm 11 supported by the base 14 to the tip of the hand 31, which is an end effector, when the arm 11 is horizontally extended. Further, the distance D1 indicates the distance from the vertical axis VA to the boundary line of the movable range E1.
  • the limiting unit 215 sets the action prohibited range E2 (see FIG. 4) of the arm 11 in a range in which the arm 11 does not contact the intruder, The action of the arm 11 is restricted.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining the action prohibited range E2 of the arm 11.
  • the action prohibited range E2 (hatched portion in the figure) includes a part of the movable range E1 (the position where the intruder P exists and its periphery) so that the arm 11 does not contact the intruder P that has entered the movable range E1.
  • the distance D2 indicates the distance from the vertical axis VA to the boundary line of the action prohibited area E2, and the distance D2 is shorter than the distance D1.
  • the action planning unit 212 regenerates the action plan to a plan in which the arm 11 does not act in the action prohibition range E2. Then, the control unit 211 controls the driving of the drive unit 16 according to the action plan regenerated by the action plan unit 212.
  • the processing operation described above is a processing operation performed when a work such as picking and placing is repeated.
  • control unit 211 controls the drive of the drive unit 16 according to the action plan generated by the action plan unit 212 and starts the work instructed by the user (S1)
  • the control unit 211 causes the detection unit 214 to move within a movable range. It is determined whether the intruder P to E1 is detected (S2).
  • the control unit 211 determines that the detection unit 214 has detected the intruder P in the movable range E1 (YES in S2)
  • the limiting unit 215 sets the action prohibited range E2 of the arm 11 and the action of the arm 11 is performed. (S3), and the action planning unit 212 regenerates an action plan for realizing the above-described work to a plan in which the arm 11 does not act in the action prohibited range E2 (S4).
  • the action plan unit 212 stores the original action plan in the action plan storage unit 241. Note that the following three methods can be given as examples of methods for setting the action prohibited range E2.
  • the limiting unit 215 sets a predetermined action prohibited range E2.
  • a plurality of action prohibited ranges E2 are prepared in advance according to the distance D3 (see FIGS. 6A and 6B) from the vertical axis VA to the intruder P, and the detection unit 214 detects the distance from the vertical axis VA to the intruder P.
  • the distance D3 is detected, and the restriction unit 215 determines and sets the action prohibited range E2 according to the distance D3. That is, the action prohibited area E2 is switched stepwise according to the distance D3.
  • FIGS. 6A and 6B are explanatory diagrams for explaining that the action prohibited range E2 is switched stepwise.
  • the action prohibition range E2 becomes the action prohibition range E21 that is the distance D21 away from the vertical axis VA, and the intruder from the vertical axis VA.
  • the distance D3 to P is the distance D32 ( ⁇ D31)
  • the action prohibition range E2 becomes the action prohibition range E22 which is a distance D22 ( ⁇ D21) away from the vertical axis VA, and the action of the arm 11 is made.
  • the range that is allowed is narrowed.
  • the detection unit 214 detects the existence position of the intruder P, and the restriction unit 215 determines and sets the existence position of the intruder P and its periphery as the action prohibited range E2.
  • control unit 211 determines whether all of the above work is completed. It is determined (S9). For example, when the scheduled picking and placing has been completed or when there is no object to be gripped, the control unit 211 determines that all the work is completed. It should be noted that whether or not there is no object to be grasped can be determined by analyzing the image data from the camera 32.
  • control unit 211 determines whether all of the above work is completed. If it is determined whether or not (S10) and the control unit 211 determines that all of the above work is completed (YES in S10), this processing operation is ended, and the control unit 211 completes all of the above work. If it is determined that it is not (NO in S10), the process returns to S2.
  • the action prohibited range E2 is set and the action of the arm 11 is restricted, so that a contact accident between the person and the arm 11 is prevented. be able to.
  • the operation of the arm 11 is not decelerated or stopped, so that it is possible to avoid a large decrease in productivity. Therefore, it is possible to ensure the safety of the operator without significantly reducing the productivity.
  • the control unit 211 informs the speaker that "there is a worker in the dangerous area, so the action area of the robot is limited.” I will limit it. If it is inconvenient, please go down to the back.”
  • the processing operation described above is a processing operation performed when a work such as picking and placing is repeated.
  • control unit 211 determines that the detection unit 214 has detected the intruder P in the movable range E1 (YES in S12), the control unit 211 temporarily stops the operation of the arm 11 (S13).
  • control unit 211 determines that the detection unit 214 has detected the movement of the intruder P (YES in S18)
  • the control unit 211 temporarily stops the operation of the arm 11 (S19), and then the control unit 211 Then, it is determined whether or not the detection unit 214 detects the stop of the intruder P (S20).
  • the control unit 211 determines that the detection unit 214 has detected the stop of the intruder P (YES in S20)
  • the process proceeds to S15, and the restriction unit 215 determines the existence position of the intruder P detected by the detection unit 214.
  • the action prohibited range E2 is determined and set based on the (stop position) (S15), and the action of the arm 11 is limited.
  • control unit 211 determines that the detection unit 214 does not detect the stop of the intruder P (NO in S20), whether the detection unit 214 detects the exit of the intruder P from the movable range E1. It is determined (S21).
  • control unit 211 determines that the detection unit 214 has detected the exit of the intruder P from the movable range E1 (YES in S21), it is determined whether or not the operation of the arm 11 is in the middle of a series of operations. A judgment is made (S22).
  • the restriction unit 215 cancels the setting of the action prohibited range E2 of the arm 11 (S23), and the control unit 211.
  • control unit 211 determines that the operation of the arm 11 is in the middle of a series of operations (YES in S22)
  • restriction unit 215 determines that the series of operations is completed (NO in S22).
  • the setting of the action prohibited range E2 of the arm 11 is canceled (S23).
  • control unit 211 determines whether or not all of the above-described work is completed. If it is determined (S25), and the control unit 211 determines that all of the above work is completed (YES in S25), this processing operation is ended, and the control unit 211 determines that all of the above work is not completed. If determined (NO in S25), the process returns to S18.
  • control unit 211 determines in S14 that the detection unit 214 does not detect the stop of the intruder P (NO in S14)
  • the control unit 211 causes the detection unit 214 to move from the movable range E1. It is determined whether the exit of P is detected (S26).
  • control unit 211 determines that the detection unit 214 has detected the exit of the intruder P from the movable range E1 (YES in S26), the control unit 211 restarts the above work (S27), and then the processing is performed. Return to S12.
  • control unit 211 determines that the detection unit 214 does not detect the exit of the intruder P from the movable range E1 (NO in S26), the process returns to S14.
  • control unit 211 determines whether all of the above work is completed. If it is determined (S28) and the control unit 211 determines that all of the above work is completed (YES in S28), this processing operation is ended, and the control unit 211 completes all of the above work. If it is determined that it is not (NO in S28), the process returns to S12.
  • the operation of the arm 11 is stopped first, so that it is possible to more reliably ensure the safety of the worker.
  • the action prohibited range E2 is determined based on the stop position of the intruder P, the action prohibited range E2 can be made as small as possible, the safety of the worker is ensured, and the decrease in productivity is minimized. It becomes possible to suppress.
  • control unit 211 stops the operation of the arm 11 when a person enters the movable range E1
  • control unit 211 changes the operation speed of the arm 11. You may drop it.
  • the detection unit 214 detects intrusion of a human into a predetermined caution area around the movable range E1 based on the work environment information obtained from the camera 32, and the detection unit 214 detects When detecting the intrusion of a person into the caution area, the control unit 211 may decrease the operation speed of the arm 11. For example, the operating speed of the arm 11 is slower than the operating speed of the arm 11 when the detecting unit 214 does not detect the intrusion of a person into the attention area.
  • FIG. 8 is a functional block diagram schematically showing a main internal configuration of a robot control system including a control device according to the third embodiment.
  • the control device according to the third embodiment is different from the control device shown in FIG. 1 in that the control unit 21 includes a calculation unit 216.
  • the restriction unit 215 sets the action prohibited range E2 to restrict the action of the arm 11, but The action of the arm 11 is not restricted until the time T becomes the predetermined time T1 or less. That is, even if a person invades the movable range E1, the restriction unit 215 does not restrict the action of the arm 11 if there is time grace.
  • the action of the arm 11 is not limited, and the productivity is reduced. Can be prevented.
  • the determination unit 217 determines the arm 11 and the intruder P based on the action plan being executed at this detection time and the existing position of the intruder P. Judge whether there is a possibility of contact.
  • the restriction unit 215 does not set the action prohibited range E2 when the determination unit 217 determines that there is no possibility of contact between the arm 11 and the intruder P.
  • the determination unit 217 determines that there is a possibility of contact between the arm 11 and the intruder P
  • the action plan of the work different from the work being executed at the time of this determination and the position where the intruder P exists. Based on the above, it is determined whether or not there is a possibility of contact between the arm 11 and the intruder P when the action plan of the other work is executed. It should be noted that the action plan of another work may be generated in advance and stored in the action plan storage unit 241.
  • the changing unit 218 changes the work to be performed to the other work described above.
  • the restriction unit 215 does not set the action prohibited range E2 when the work executed by the changing unit 218 is changed.
  • the action of the arm 11 is not limited if there is no possibility of contact between the arm 11 and the intruder P.
  • the work is changed to another work which has no possibility of contact. Therefore, it is possible to prevent a decrease in productivity while ensuring the safety of the worker.
  • the action prohibition range E2 and a learning unit for learning the timing of setting the action prohibition range E2 are further provided, and the learning unit learns the action pattern of the intruder P and the action prohibition range E2 based on the learning result.
  • the timing for setting the action prohibited range E2 may be adjusted as appropriate.

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Abstract

制御装置（２０）は制御ユニット（２１）に、アーム（１１）の可動範囲（Ｅ１）への侵入者（Ｐ）を検出する検出部（２１４）と、検出部（２１４）が可動範囲（Ｅ１）への侵入者（Ｐ）を検出した場合、アーム（１１）が侵入者Ｐに接触しない範囲に、アーム（１１）の行動禁止範囲（Ｅ２）を設定して、アームの行動を制限する制限部（２１５）と、を備える。

Description

制御装置
　本発明は、ロボットのアームを構成する各関節の駆動を制御する制御装置に関する。
　作業者がロボットと協働して作業を行っている時、アームが作業者に接触することにより事故が発生する可能性がある。このような事故を防止する方法として、作業者がロボットに接近した時にロボットの動作を減速させる、又は停止させる方法が提案されている（下記の特許文献１を参照）。
特開２０１０－１８８４５８号公報
　しかしながら、作業者がロボットに接近するたびに、ロボットの動作を減速又は停止させると、作業効率が悪化し、生産性が大きく低下するおそれがある。
　本発明は、上記の事情に鑑みなされたものであり、作業者とロボットとが接近する状況になったときに、生産性を大きく低下させることなく、作業者の安全性を確保できるようにすることを目的とする。
　本発明の一局面に係る制御装置は、複数の関節を有し、一方端がベースに支持され、三次元空間を自在に移動可能なアームと、前記複数の関節それぞれに設けられた、前記関節を駆動する駆動部と、を備えるロボットの動作を制御する制御装置であって、前記アームの行動計画を生成する行動計画部と、前記行動計画部により生成された行動計画に従って、前記駆動部の駆動を制御する制御部と、前記ロボットの作業環境を監視する監視部から得られる作業環境情報に基づいて、前記アームの可動範囲への侵入者を検出する検出部と、前記検出部が前記可動範囲への前記侵入者を検出した場合、前記アームが前記侵入者に接触しない範囲に、前記アームの行動禁止範囲を設定して、前記アームの行動を制限する制限部と、を備え、前記行動計画部は、前記制限部により前記行動禁止範囲が設定された場合には、前記行動禁止範囲で前記アームが行動しない計画に、行動計画を生成し直し、前記制御部は、前記行動計画部が生成し直した行動計画に従って、前記駆動部の駆動を制御する。
　本発明によれば、アームの可動範囲へ人間が侵入すると、行動禁止範囲が設定され、アームの行動が制限されるので、人間とアームとの接触事故を防止することができる。また、従来のように、アームの動作を減速や停止させることはないので、生産性が大きく低下するのを回避することが可能となる。従って、生産性を大きく低下させることなく、作業者の安全性を確保することが可能になる。
本発明の一実施形態に係る制御装置を含んで構成されるロボット制御システムの主要内部構成を概略的に示す機能ブロック図である。 制御の対象となるロボットを模式的に示す外観図である。 アームの可動範囲を説明するための説明図である。 アームの行動禁止範囲を説明するための説明図である。 第１実施形態に係る制御装置の制御ユニットで行われる処理動作の一例を示すフローチャートである。 行動禁止範囲が段階的に切り替えられることを説明するための説明図である。 行動禁止範囲が段階的に切り替えられることを説明するための説明図である。 第２実施形態に係る制御装置の制御ユニットで行われる処理動作の一例を示すフローチャートである。 第３実施形態に係る制御装置を含んで構成されるロボット制御システムの主要内部構成を概略的に示す機能ブロック図である。 第４実施形態に係る制御装置を含んで構成されるロボット制御システムの主要内部構成を概略的に示す機能ブロック図である。
　以下、本発明の一実施形態に係る制御装置について図面を参照して説明する。図１は、第１実施形態に係る制御装置を含んで構成されるロボット制御システムの主要内部構成を概略的に示す機能ブロック図である。図２は、制御の対象となるロボットを模式的に示す外観図である。
　ロボット制御システム１は、ロボット１０と、ロボット１０の動作を制御する制御装置２０と、を含んで構成される。
　ロボット１０は、図２に示すように、人間の腕と同様の運動機能を持つマニピュレーターで、三次元空間を自在に移動可能なアーム（ロボットアーム）１１を備え、アーム１１の一方端はベース（土台）１４に支持されている。アーム１１は、複数の関節１２Ａ乃至１２Ｄ（以降、まとめて「関節１２」とも称す）と、関節１２どうしをつなぐリンク１３Ａ乃至１３Ｃとを有する。
　また、アーム１１は、その先端部１５にエンドエフェクターが着脱交換可能に構成されている。図２中では、エンドエフェクターとして、対向して配置された２つの指部３１Ａ，３１Ｂを有するハンド３１が取り付けられている。ハンド３１は、例えば、把持対象物であるワークを掴んで（ピッキング動作）、掴んだワークを任意の場所まで運ぶこと（プレース動作）に使用される。また、ハンド３１には、指部３１Ａ，３１Ｂを駆動するハンド駆動部３１Ｃが内蔵されている。
　ロボット１０は、関節１２それぞれに設けられた、関節１２を駆動する駆動部（関節駆動部）１６Ａ乃至１６Ｄ（以降、まとめて「駆動部１６」とも称す）と、関節１２それぞれに設けられた、関節１２の回転角を検出する関節角検出部１７Ａ乃至１７Ｄ（以降、まとめて「関節角検出部１７」とも称す）と、を備える。また、ロボット１０の上方には、ロボット１０の作業環境を監視するカメラ３２が設置されている。なお、駆動部１６、及び関節角検出部１７としてはそれぞれ、例えば、モーター、エンコーダーが挙げられる。また、カメラ３２は、特許請求の範囲における監視部の一例である。
　アーム１１の先端部１５の位置は、関節１２Ａ乃至１２Ｄすべての角度から割り出すことができる。そのため、関節角検出部１７は、アーム１１の先端部１５の位置を検出する位置検出部としての役割を果たす。なお、ロボット１０の全体を撮影するカメラ３２を、上記位置検出部として利用することも可能である。
　制御装置２０は、制御ユニット２１と、操作部２２と、表示部２３と、記憶部２４と、外部インターフェイス部（外部Ｉ／Ｆ）２５と、を備える。
　操作部２２は、キーボードやマウス等から構成され、制御ユニット２１にコマンドや文字を入力したり、表示部２３における画面上のポインターを操作したりする。表示部２３は、例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：Liquid Crystal Display）や有機ＥＬ（ＯＬＥＤ：Organic Light-Emitting Diode）ディスプレイなどの表示装置であり、制御ユニット２１からの応答やデータ結果を表示する。操作部２２は、例えば、アーム１１に行わせる作業の指示入力に用いられ、アーム１１の先端部１５の目標到達位置（例えば、ワークを掴む位置や、掴んだワークを運んで放す位置）などの指示入力に用いられる。ワークを掴む位置は、ピッキング動作の終点となり、ワークを放す位置は、プレース動作の終点になる。
　記憶部２４は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）などの記憶装置であり、制御装置２０の動作に必要なプログラムやデータを記憶し、行動計画記憶部２４１を含む。行動計画記憶部２４１に記憶されるのは、後述する行動計画部２１２で生成されるアーム１１の行動計画である。
　外部インターフェイス部２５は、外部装置と接続するためのもので、制御装置２０は、外部インターフェイス部２５を介して、ロボット１０を構成する駆動部１６及び関節角検出部１７と、カメラ３２と接続され、更に、ロボット１０を介して、ハンド駆動部３１Ｃと接続されている。
　制御ユニット２１は、プロセッサー、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及び専用のハードウェア回路を含んで構成される。プロセッサーは、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、又はＭＰＵ（Micro Processing Unit）等である。制御ユニット２１は、制御部２１１と、行動計画部２１２と、検出部２１４と、制限部２１５と、を備えている。
　制御ユニット２１は、記憶部２４に記憶されている制御プログラムに従った上記プロセッサーによる動作により、制御部２１１、行動計画部２１２、検出部２１４、及び制限部２１５として機能する。但し、制御ユニット２１等の上記の各構成は、制御ユニット２１による制御プログラムに基づく動作によらず、それぞれハードウェア回路により構成することも可能である。以下、特に触れない限り、各実施形態について同様である。
　制御部２１１は、制御装置２０の全体的な動作制御を司る。制御部２１１は、操作部２２、表示部２３、記憶部２４、及び外部インターフェイス部２５と接続されており、接続されている上記各構成の動作制御や、各構成との間での信号またはデータの送受信を行う。
　行動計画部２１２は、操作部２２を介してユーザーによって指示された作業を実現する計画として、アーム１１の行動計画を生成する。例えば、行動計画部２１２は、アーム１１の先端部１５の目標軌道や、目標軌道上の作業点、作業点での作業内容等を生成する。なお、目標軌道の生成には、ＲＲＴ（Rapidly exploring random tree）など、種々の生成アルゴリズムを適用することができる。
　制御部２１１は、更に、行動計画部２１２により生成された行動計画に従って、駆動部１６の駆動を制御する。例えば、制御部２１１は、行動計画部２１２により生成された目標軌道（例えば、目標位置）と、アーム１１の先端部１５の位置とに基づいて、当該先端部１５を目標軌道に追従させるように、駆動部１６の駆動を制御する。なお、アーム１１の先端部１５の位置は、関節角検出部１７により検出されるすべての角度から割り出すことができる。
　検出部２１４は、カメラ３２から得られる作業環境情報に基づいて、アーム１１の可動範囲Ｅ１（図３を参照）への侵入者を検出する。例えば、検出部２１４は、カメラ３２が撮影することによって得られた画像データを解析して、アーム１１以外の動く物体を、侵入者として検出する。また、検出部２１４は、カメラ３２から得られる作業環境情報に基づいて、可動範囲Ｅ１からの侵入者の退出や、侵入者の移動の有無を検出すること、侵入者の存在位置を検出することが可能である。
　図３は、アーム１１の可動範囲Ｅ１を説明するための説明図である。アーム１１の可動範囲Ｅ１は、アーム１１を水平に延ばしたときの、ベース１４に支持されるアーム１１の一方端を通る鉛直軸ＶＡからエンドエフェクターであるハンド３１の先端までの範囲である。また、距離Ｄ１は、鉛直軸ＶＡから可動範囲Ｅ１の境界線までの距離を示している。
　制限部２１５は、検出部２１４が可動範囲Ｅ１への侵入者を検出した場合、アーム１１が侵入者に接触しない範囲に、アーム１１の行動禁止範囲Ｅ２（図４を参照）を設定して、アーム１１の行動を制限する。
　図４は、アーム１１の行動禁止範囲Ｅ２を説明するための説明図である。行動禁止範囲Ｅ２（図中斜線部）は、アーム１１が可動範囲Ｅ１へ侵入した侵入者Ｐに接触しないように、可動範囲Ｅ１の一部（侵入者Ｐの存在位置及びその周辺）を含む。また、距離Ｄ２は、鉛直軸ＶＡから行動禁止範囲Ｅ２の境界線までの距離を示し、距離Ｄ２は距離Ｄ１よりも短い。
　制限部２１５により行動禁止範囲Ｅ２が設定されると、行動計画部２１２は、行動禁止範囲Ｅ２でアーム１１が行動しない計画に、行動計画を生成し直す。そして、制御部２１１は、行動計画部２１２が生成し直した行動計画に従って、駆動部１６の駆動を制御する。
　次に、第１実施形態に係る制御装置２０における制御ユニット２１で行われる処理動作の一例について、図５に示すフローチャートに基づいて説明する。例えば、上記処理動作は、ピッキングアンドプレース等の作業を繰り返す場合に行われる処理動作である。
　制御部２１１が、行動計画部２１２により生成された行動計画に従って、駆動部１６の駆動制御を行い、ユーザーによって指示された作業を開始すると（Ｓ１）、制御部２１１は、検出部２１４が可動範囲Ｅ１への侵入者Ｐを検出したか否かを判断する（Ｓ２）。
　制御部２１１が、検出部２１４が可動範囲Ｅ１への侵入者Ｐを検出したと判断した場合（Ｓ２でＹＥＳ）、制限部２１５は、アーム１１の行動禁止範囲Ｅ２を設定し、アーム１１の行動を制限し（Ｓ３）、行動計画部２１２は、行動禁止範囲Ｅ２でアーム１１が行動しない計画に、上記作業を実現するための行動計画を生成し直す（Ｓ４）。その際、行動計画部２１２は、元の行動計画を行動計画記憶部２４１に保存する。なお、行動禁止範囲Ｅ２の設定方法としては、例えば、以下の３つが挙げられる。
　１．検出部２１４が、可動範囲Ｅ１への侵入者Ｐを検出すると、制限部２１５が、予め定められた行動禁止範囲Ｅ２を設定する。
　２．鉛直軸ＶＡから侵入者Ｐまでの距離Ｄ３（図６Ａ及び図６Ｂを参照）に応じた、行動禁止範囲Ｅ２を予め複数用意しておき、検出部２１４が、鉛直軸ＶＡから侵入者Ｐまでの距離Ｄ３を検出し、制限部２１５が、距離Ｄ３に応じて、行動禁止範囲Ｅ２を決定して設定する。すなわち、行動禁止範囲Ｅ２は、距離Ｄ３に応じて段階的に切り替わる。
　図６Ａ及び図６Ｂはそれぞれ、行動禁止範囲Ｅ２が段階的に切り替えられることを説明するための説明図である。鉛直軸ＶＡから侵入者Ｐまでの距離Ｄ３が距離Ｄ３１の時には、図６Ａに示すように、行動禁止範囲Ｅ２は、鉛直軸ＶＡから距離Ｄ２１離れた行動禁止範囲Ｅ２１となり、鉛直軸ＶＡから侵入者Ｐまでの距離Ｄ３が距離Ｄ３２（＜Ｄ３１）の時には、図６Ｂに示すように、行動禁止範囲Ｅ２は、鉛直軸ＶＡから距離Ｄ２２（＜Ｄ２１）離れた行動禁止範囲Ｅ２２となり、アーム１１の行動が許可される範囲が狭くなる。
　３．検出部２１４が、侵入者Ｐの存在位置を検出し、制限部２１５が、侵入者Ｐの存在位置及びその周辺を、行動禁止範囲Ｅ２に決定して設定する。
　なお、ここでは制限部２１５が行動禁止範囲Ｅ２を設定する場合について説明しているが、鉛直軸ＶＡから侵入者Ｐまでの距離Ｄ３が予め定められた閾値以下になると（すなわち、侵入者Ｐがアーム１１に接近し過ぎた場合には）、制御部２１１が、アーム１１の動作を停止させてもよい。
　続いて、制御部２１１は、行動計画部２１２が生成し直した行動計画に従って、駆動部１６の駆動制御を行い、上記作業を実行し（Ｓ５）、その後、制御部２１１は、検出部２１４が可動範囲Ｅ１からの侵入者Ｐの退出を検出したか否かを判断する（Ｓ６）。
　制御部２１１が、検出部２１４が可動範囲Ｅ１からの侵入者Ｐの退出を検出したと判断した場合（Ｓ６でＹＥＳ）、制限部２１５は、アーム１１の行動禁止範囲Ｅ２の設定を解除し（Ｓ７）、制御部２１１は、行動計画記憶部２４１に記憶されている元の行動計画に従って、駆動部１６の駆動制御を行い、上記作業を実行し（Ｓ８）、その後、処理はＳ２に戻る。
　一方、制御部２１１が、検出部２１４が可動範囲Ｅ１からの侵入者Ｐの退出を検出していないと判断した場合（Ｓ６でＮＯ）、制御部２１１は、上記作業の全てが完了したか否かを判断する（Ｓ９）。例えば、予定されていた回数のピッキングアンドプレースが終了した場合や、把持対象物が無くなった場合、制御部２１１は、作業の全てが完了したと判断する。なお、把持対象物が無くなったか否かは、カメラ３２からの画像データを解析することによって判断することが可能である。
　制御部２１１が、上記作業の全てが完了したと判断した場合（Ｓ９でＹＥＳ）、この処理動作を終了し、制御部２１１が、上記作業の全ては完了していないと判断した場合（Ｓ９でＮＯ）、処理はＳ６に戻る。
　また、Ｓ２において、制御部２１１が、検出部２１４が可動範囲Ｅ１への侵入者Ｐを検出していないと判断した場合（Ｓ２でＮＯ）、制御部２１１は、上記作業の全てが完了したか否かを判断し（Ｓ１０）、制御部２１１が、上記作業の全てが完了したと判断した場合（Ｓ１０でＹＥＳ）、この処理動作を終了し、制御部２１１が、上記作業の全ては完了していないと判断した場合（Ｓ１０でＮＯ）、処理はＳ２に戻る。
　上記第１実施形態によれば、アーム１１の可動範囲Ｅ１へ人間が侵入すると、行動禁止範囲Ｅ２が設定され、アーム１１の行動が制限されるので、人間とアーム１１との接触事故を防止することができる。また、従来のように、アーム１１の動作を減速や停止させるのではないので、生産性が大きく低下するのを回避することが可能となる。従って、生産性を大きく低下させることなく、作業者の安全性を確保ことが可能である。
　また、アーム１１の行動を制限する際には、その旨を侵入者Ｐへ通知するのが好ましい。例えば、スピーカーを設け、行動禁止範囲Ｅ２を設定する前に、制御部２１１がスピーカーから「危険領域に作業者がいるので、ロボットの行動範囲を制限します」といった案内や「ロボットの行動範囲を制限します。都合が悪ければ、後ろに下がってください」といった案内を流す。
　次に、第２実施形態に係る制御装置２０における制御ユニット２１で行われる処理動作の一例について、図７に示すフローチャートに基づいて説明する。例えば、上記処理動作は、ピッキングアンドプレース等の作業を繰り返す場合に行われる処理動作である。
　制御部２１１が、行動計画部２１２により生成された行動計画に従って、駆動部１６の駆動制御を行い、ユーザーによって指示された作業を開始すると（Ｓ１１）、制御部２１１は、検出部２１４が可動範囲Ｅ１への侵入者Ｐを検出したか否かを判断する（Ｓ１２）。
　制御部２１１が、検出部２１４が可動範囲Ｅ１への侵入者Ｐを検出したと判断した場合（Ｓ１２でＹＥＳ）、制御部２１１は、アーム１１の動作を一旦停止させる（Ｓ１３）。
　続いて、制御部２１１は、検出部２１４が侵入者Ｐの停止を検出したか否かを判断する（Ｓ１４）。例えば、検出部２１４は、予め定められた時間継続して、侵入者Ｐの動く範囲が微小である場合、侵入者Ｐは停止していると判定する。
　制御部２１１が、検出部２１４が侵入者Ｐの停止を検出したと判断した場合（Ｓ１４でＹＥＳ）、制限部２１５は、検出部２１４が検出した侵入者Ｐの存在位置（すなわち、侵入者Ｐの停止位置）に基づいて、行動禁止範囲Ｅ２を決定して設定し、アーム１１の行動を制限し（Ｓ１５）、行動計画部２１２は、行動禁止範囲Ｅ２でアーム１１が行動しない計画に、上記作業を実行するための行動計画をし直す（Ｓ１６）。その際、行動計画部２１２は、元の行動計画を行動計画記憶部２４１に保存する。
　続いて、制御部２１１は、行動計画部２１２が生成し直した行動計画に従って、駆動部１６の駆動制御を行い、上記作業を再開し（Ｓ１７）、その後、制御部２１１は、検出部２１４が侵入者Ｐの移動を検出したか否かを判断する（Ｓ１８）。
　制御部２１１が、検出部２１４が侵入者Ｐの移動を検出したと判断した場合（Ｓ１８でＹＥＳ）、制御部２１１は、アーム１１の動作を一旦停止させ（Ｓ１９）、その後、制御部２１１は、検出部２１４が侵入者Ｐの停止を検出したか否かを判断する（Ｓ２０）。
　制御部２１１が、検出部２１４が侵入者Ｐの停止を検出したと判断した場合（Ｓ２０でＹＥＳ）、処理はＳ１５に移り、制限部２１５は、検出部２１４が検出した侵入者Ｐの存在位置（停止位置）に基づいて、行動禁止範囲Ｅ２を決定して設定し（Ｓ１５）、アーム１１の行動を制限する。
　一方、制御部２１１は、検出部２１４が侵入者Ｐの停止を検出していないと判断した場合（Ｓ２０でＮＯ）、検出部２１４が可動範囲Ｅ１からの侵入者Ｐの退出を検出したか否かを判断する（Ｓ２１）。
　そして、制御部２１１は、検出部２１４が可動範囲Ｅ１からの侵入者Ｐの退出を検出したと判断した場合（Ｓ２１でＹＥＳ）、アーム１１の動作が一連の作業の途中であるか否かを判断する（Ｓ２２）。
　例えば、ピッキングアンドプレースの作業が繰り返し行われている場合であれば、１回分のピッキングアンドプレースの動作中のとき、制御部２１１は、アーム１１の動作が一連の作業の途中であると判断する。
　制御部２１１が、アーム１１の動作が一連の作業の途中でないと判断した場合（Ｓ２２でＮＯ）、制限部２１５は、アーム１１の行動禁止範囲Ｅ２の設定を解除し（Ｓ２３）、制御部２１１は、行動計画記憶部２４１に記憶されている元の行動計画に従って、駆動部１６の駆動制御を行い、上記作業を再開し（Ｓ２４）、その後、処理はＳ１２に戻る。
　一方、制御部２１１が、アーム１１の動作が一連の作業の途中であると判断した場合（Ｓ２２でＹＥＳ）には、一連の作業が終了してから（Ｓ２２でＮＯ）、制限部２１５は、アーム１１の行動禁止範囲Ｅ２の設定を解除する（Ｓ２３）。
　また、Ｓ２１において、制御部２１１が、検出部２１４が可動範囲Ｅ１からの侵入者Ｐの退出を検出していないと判断した場合（Ｓ２１でＮＯ）、処理はＳ２０に戻る。
　また、Ｓ１８において、制御部２１１が、検出部２１４が侵入者Ｐの移動を検出していないと判断した場合（Ｓ１８でＮＯ）、制御部２１１は、上記作業の全てが完了したか否かを判断し（Ｓ２５）、制御部２１１が、上記作業の全てが完了したと判断した場合（Ｓ２５でＹＥＳ）、この処理動作を終了し、制御部２１１が、上記作業の全ては完了していないと判断した場合（Ｓ２５でＮＯ）、処理はＳ１８に戻る。
　また、Ｓ１４において、制御部２１１が、検出部２１４が侵入者Ｐの停止を検出していないと判断した場合（Ｓ１４でＮＯ）、制御部２１１は、検出部２１４が可動範囲Ｅ１からの侵入者Ｐの退出を検出したか否かを判断する（Ｓ２６）。
　制御部２１１が、検出部２１４が可動範囲Ｅ１からの侵入者Ｐの退出を検出したと判断した場合（Ｓ２６でＹＥＳ）、制御部２１１は、上記作業を再開し（Ｓ２７）、その後、処理はＳ１２に戻る。
　一方、制御部２１１が、検出部２１４が可動範囲Ｅ１からの侵入者Ｐの退出を検出していないと判断した場合（Ｓ２６でＮＯ）、処理はＳ１４に戻る。
　また、Ｓ１２において、制御部２１１が、検出部２１４が可動範囲Ｅ１への侵入者Ｐを検出していないと判断した場合（Ｓ１２でＮＯ）、制御部２１１は、上記作業の全てが完了したか否かを判断し（Ｓ２８）、制御部２１１が、上記作業の全てが完了したと判断した場合（Ｓ２８でＹＥＳ）、この処理動作を終了し、制御部２１１が、上記作業の全ては完了していないと判断した場合（Ｓ２８でＮＯ）、処理はＳ１２に戻る。
　上記第２実施形態によれば、アーム１１の可動範囲Ｅ１へ人間が侵入すると、まずはアーム１１の動作を停止させるので、作業者の安全性をより確実に確保することが可能である。また、行動禁止範囲Ｅ２は侵入者Ｐの停止位置に基づいて決定されるので、行動禁止範囲Ｅ２を極力小さくすることができ、作業者の安全を確保しつつ、生産性の低下を最小限に抑えることが可能となる。
　また、ここでは可動範囲Ｅ１へ人間が侵入すると、制御部２１１が、アーム１１の動作を停止させる場合について説明しているが、別の実施形態では、制御部２１１が、アーム１１の動作速度を落とすようにしてもよい。
　また、更に別の実施形態では、検出部２１４は、カメラ３２から得られる作業環境情報に基づいて、可動範囲Ｅ１周辺の予め定められた注意領域への人間の侵入を検出し、検出部２１４が上記注意領域への人間の侵入を検出した場合、制御部２１１が、アーム１１の動作速度を落とすようにしてもよい。例えば、検出部２１４が注意領域への人間の侵入を検出していないときのアーム１１の動作速度よりも遅い動作速度に落とす。
　図８は、第３実施形態に係る制御装置を含んで構成されるロボット制御システムの主要内部構成を概略的に示す機能ブロック図である。上記第３実施形態に係る制御装置は、図１に示した制御装置と制御ユニット２１が算出部２１６を備える点で相違する。
　算出部２１６は、検出部２１４が可動範囲Ｅ１への侵入者Ｐを検出した場合、この検出時点で実行中の行動計画と侵入者Ｐの存在位置とに基づいて、アーム１１と侵入者Ｐとの接触までの猶予時間Ｔを算出する。
　制限部２１５は、算出部２１６が算出した猶予時間Ｔが予め定められた時間Ｔ１（例えば、５分）以下になると、行動禁止範囲Ｅ２を設定して、アーム１１の行動を制限するが、猶予時間Ｔが予め定められた時間Ｔ１以下になるまでは、アーム１１の行動を制限しない。すなわち、可動範囲Ｅ１へ人間が侵入したとしても、時間的猶予がある場合には、制限部２１５は、アーム１１の行動を制限しない。
　上記第３実施形態によれば、猶予時間Ｔが予め定められた時間Ｔ１以下になるまでに、侵入者Ｐが可動範囲Ｅ１から退出すれば、アーム１１の行動は制限されないので、生産性の低下を防止することができる。
　図９は、第４実施形態に係る制御装置を含んで構成されるロボット制御システムの主要内部構成を概略的に示す機能ブロック図である。上記第４実施形態に係る制御装置は、図１に示した制御装置と制御ユニット２１が判断部２１７及び変更部２１８を備える点で相違する。
　判断部２１７は、検出部２１４が可動範囲Ｅ１への侵入者Ｐを検出した場合、この検出時点で実行中の行動計画と侵入者Ｐの存在位置とに基づいて、アーム１１と侵入者Ｐとの接触の可能性の有無を判断する。
　制限部２１５は、判断部２１７がアーム１１と侵入者Ｐと接触の可能性が無いと判断した場合には、行動禁止範囲Ｅ２を設定しない。
　更に、判断部２１７は、アーム１１と侵入者Ｐとの接触の可能性が有ると判断した場合、この判断時点で実行中の作業とは別の作業の行動計画と侵入者Ｐの存在位置とに基づいて、当該別の作業の行動計画を実行したときのアーム１１と侵入者Ｐとの接触の可能性の有無を判断する。なお、別の作業の行動計画については、事前に生成して、行動計画記憶部２４１に保存しておけばよい。
　変更部２１８は、判断部２１７が別の行動計画を実行したときのアーム１１と侵入者Ｐとの接触する可能性は無いと判断した場合、実行する作業を上記別の作業に変更する。
　制限部２１５は、変更部２１８が実行する作業を変更した場合には、行動禁止範囲Ｅ２を設定しない。
　上記第４実施形態によれば、行動禁止範囲Ｅ２を設定しなくても、アーム１１と侵入者Ｐとの接触の可能性が無い場合には、アーム１１の行動は制限されない。一方、アーム１１と侵入者Ｐとの接触の可能性が有る場合には、上記接触の可能性の無い別の作業への変更が行われる。従って、作業者の安全性を確保しつつ、生産性の低下を防止することができる。
　また、行動禁止範囲Ｅ２や当該行動禁止範囲Ｅ２を設定するタイミングを学習する学習部を更に備え、学習部が侵入者Ｐの行動パターン等を学習し、その学習結果に基づいて、行動禁止範囲Ｅ２や当該行動禁止範囲Ｅ２を設定するタイミングを適宜調整するようにしてもよい。
　本発明は上記実施の形態の構成に限られず種々の変形が可能である。また、上記実施形態では、図１乃至図９を用いて上記実施形態により示した構成及び処理は、本発明の一実施形態に過ぎず、本発明を当該構成及び処理に限定する趣旨ではない。

Claims (10)

  1. 　複数の関節を有し、一方端がベースに支持され、三次元空間を自在に移動可能なアームと、
    　前記複数の関節それぞれに設けられた、前記関節を駆動する駆動部と、を備えるロボットの動作を制御する制御装置であって、
    　前記アームの行動計画を生成する行動計画部と、
    　前記行動計画部により生成された行動計画に従って、前記駆動部の駆動を制御する制御部と、
    　前記ロボットの作業環境を監視する監視部から得られる作業環境情報に基づいて、前記アームの可動範囲への侵入者を検出する検出部と、
    　前記検出部が前記可動範囲への前記侵入者を検出した場合、前記アームが前記侵入者に接触しない範囲に、前記アームの行動禁止範囲を設定して、前記アームの行動を制限する制限部と、を備え、
    　前記行動計画部は、前記制限部により前記行動禁止範囲が設定された場合には、前記行動禁止範囲で前記アームが行動しない計画に、行動計画を生成し直し、
    　前記制御部は、前記行動計画部が生成し直した行動計画に従って、前記駆動部の駆動を制御する制御装置。
  2. 　前記検出部は、前記一方端を通る鉛直軸から前記侵入者までの距離を検出し、
    　前記制限部は、前記距離に応じて、前記行動禁止範囲を決定して設定する請求項１に記載の制御装置。
  3. 　前記制御部は、前記距離が予め定められた閾値以下である場合、前記アームの動作を停止させる請求項２に記載の制御装置。
  4. 　前記制御部は、前記検出部が前記可動範囲への前記侵入者を検出した場合、前記アームの動作を中断し、前記侵入者が停止すると、前記動作を再開し、
    　前記検出部は、前記侵入者の停止位置を検出し、
    　前記制限部は、前記検出部が検出した前記侵入者の停止位置に基づいて、前記行動禁止範囲を決定して設定する請求項１に記載の制御装置。
  5. 　前記検出部は、前記可動範囲からの前記侵入者の退出を検出し、
    　前記制限部は、前記検出部が前記可動範囲からの前記侵入者の退出を検出した場合、前記行動禁止範囲の設定を解除するが、前記アームの動作が一連の作業の途中である場合には、当該一連の作業が終了してから、前記行動禁止範囲の設定を解除する請求項１に記載の制御装置。
  6. 　前記検出部は、前記侵入者の存在位置を検出し、
    　前記検出部が前記可動範囲への前記侵入者を検出した場合、当該検出時点で実行中の行動計画と前記侵入者の存在位置とに基づいて、前記アームと前記侵入者との接触までの猶予時間を算出する算出部を更に備え、
    　前記制限部は、前記算出部が算出した前記猶予時間が予め定められた時間以下になると、前記行動禁止範囲を設定して、前記アームの行動を制限するが、前記猶予時間が前記予め定められた時間以下になるまでは、前記アームの行動を制限しない請求項１に記載の制御装置。
  7. 　前記検出部は、前記侵入者の存在位置を検出し、
    　前記検出部が前記可動範囲への前記侵入者を検出した場合、当該検出時点で実行中の行動計画と前記侵入者の存在位置とに基づいて、前記アームと前記侵入者との接触の可能性の有無を判断する判断部を更に備え、
    　前記制限部は、前記判断部が前記接触の可能性が無いと判断した場合には、前記行動禁止範囲を設定しない請求項１に記載の制御装置。
  8. 　前記判断部は、前記接触の可能性が有ると判断すると、当該判断時点で実行中の作業とは別の作業の行動計画と前記侵入者の存在位置とに基づいて、前記別の作業の行動計画を実行したときの前記アームと前記侵入者との接触の可能性の有無を判断し、
    　前記判断部が前記別の行動計画を実行したときの前記アームと前記侵入者との接触する可能性は無いと判断した場合、実行する作業を前記別の作業に変更する変更部を更に備え、
    　前記制限部は、前記変更部が実行する作業を変更した場合には、前記行動禁止範囲を設定しない請求項７に記載の制御装置。
  9. 　前記監視部はカメラであり、
    　前記検出部は、前記カメラが撮影することによって得られた画像データを解析して、前記アーム以外の動く物体を、前記侵入者として検出する請求項１に記載の制御装置。
  10. 　前記検出部は、前記監視部から得られる作業環境情報に基づいて、前記アームの可動範囲の周辺の予め定められた注意領域への人間の侵入を検出し、
    　前記制御部は、前記検出部が前記注意領域への人間の侵入を検出した場合、前記アームの動作速度を、当該検出部が当該注意領域への人間の侵入を検出していないときの前記アームの動作速度よりも遅い動作速度に落とす請求項１に記載の制御装置。
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