WO2023170868A1 - 安全装置およびロボットシステム - Google Patents
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Abstract
安全装置は、ロボットの制御装置に接続される。安全装置は、物体を検出する検出部と、安全装置の異常の有無を判定する判定部と、検出部による物体の検出結果と判定部による異常の有無の判定結果とをロボットの制御装置に出力する出力部と、を備える。出力部は、検出結果と判定結果とを個別の信号線で制御装置に出力する第1出力モードと、検出結果と判定結果とを共通の信号線で制御装置に出力する第2出力モードと、を有する。
Description
本明細書は、安全装置およびロボットシステムについて開示する。
従来、物体の有無を検出する検出部と、異常の有無の検出結果を示す検出信号を出力する出力部と、を備える安全装置(安全スイッチ)において、検出信号を二重化された信号線(OSSD1,OSSD2)を介して出力するものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
物体を検出する一方、安全装置の異常の有無を判定する機能を備えた安全装置において、信号線を介して物体の検出結果と異常の判定結果とをシステムの制御装置に出力する場合、信号線が足りない等の制御装置側の仕様によっては、これらの結果(情報)を適切に制御装置に出力できない場合が生じる。
本開示は、制御装置側の仕様に拘わらず物体の検出結果と異常の判定結果とを制御装置に出力可能な安全装置を提供することを主目的とする。
本開示は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。
本開示の安全装置は、
ロボットの制御装置に接続された安全装置であって、
物体を検出する検出部と、
前記安全装置の異常の有無を判定する判定部と、
前記検出部による物体の検出結果と前記判定部による異常の判定結果とを個別の信号線で前記制御装置に出力する第1出力モードと、前記検出結果と前記判定結果とを共通の信号線で前記制御装置に出力する第2出力モードと、を有する出力部と、
を備えることを要旨とする。
ロボットの制御装置に接続された安全装置であって、
物体を検出する検出部と、
前記安全装置の異常の有無を判定する判定部と、
前記検出部による物体の検出結果と前記判定部による異常の判定結果とを個別の信号線で前記制御装置に出力する第1出力モードと、前記検出結果と前記判定結果とを共通の信号線で前記制御装置に出力する第2出力モードと、を有する出力部と、
を備えることを要旨とする。
この本開示の安全装置は、物体を検出する検出部と、安全装置の異常の有無を判定する判定部と、を備えるものにおいて、物体の検出結果と異常の判定結果とを個別の信号線で制御装置に出力する第1出力モードと、物体の検出結果と異常の判定結果とを共通の信号線で制御装置に出力する第2出力モードと、を有する。これにより、出力モードを切り替えるだけで、ロボットの制御装置側の仕様に合わせて検出結果と判定結果の双方を制御装置に出力することができる。この結果、制御装置側の仕様に拘わらず物体の検出結果と異常の判定結果とを制御装置に出力可能な安全装置とすることができる。
本開示のロボットシステムは、上述した本開示の安全装置を備えるため、本開示の安全装置が奏する効果と同様の効果を奏することができる。
次に、本開示を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。
図1は、本実施形態のロボットシステム1の概略構成図である。図2は、ロボット本体10とロボット制御装置20と安全装置30との電気的な接続関係を示すブロック図である。本実施形態のロボットシステム1は、図示するように、ロボット本体10と、ロボット本体10の動作を制御するロボット制御装置20と、ロボット本体10周辺の物体(作業者等の干渉物)を検知可能なロボットの安全装置30と、を備える。
ロボット本体10は、所定の作業を行なう作業ロボットであり、例えば、工具でワークを加工する加工ロボットや、チャックでワークを把持して別位置へ搬送する搬送ロボット、チャックでワークを把持して対象物に組み付ける組付ロボット等を挙げることができる。
ロボット本体10は、ベース11と、ベース11に設置された多関節アーム12と、を有する。多関節アーム12は、ベース11に対して関節軸を介して直列に接続された複数のアームを有する。各関節軸には、対応する関節軸を駆動するサーボモータ15と、対応するサーボモータ15の回転角度を検出するエンコーダ16(ロータリエンコーダ)と、が配置されている。また、ロボット本体10は、各サーボモータ15に駆動用の電流を印加するアンプ部17も備える。
ロボット制御装置20は、CPUやROM、RAMを含むマイクロプロセッサとして構成される制御部21と、安全装置30の制御部31と信号をやり取りするためのI/Oポート22と、を備える。また、ロボット制御装置20は、ロボット本体10のアンプ部17に制御信号を出力したり、エンコーダ16からの検出信号を入力したりする。
ロボット制御装置20の制御部21は、以下のようにしてロボット本体10の動作を制御する。すなわち、制御部21は、まず、手先の目標位置や目標姿勢から逆運動学により多関節アーム12の各関節軸の目標角度を設定する。続いて、制御部21は、各関節軸の現在の角度を対応するエンコーダ16から取得し、関節軸毎に目標角度と現在の角度との差分に基づいてフィードバック演算(例えば、比例積分演算や比例積分微分演算)により関節軸の速度指令値を設定する。次に、制御部21は、安全装置30から後述する距離情報や異常情報を入力する。続いて、制御部21は、入力した距離情報や異常情報に基づいて上限速度を設定し、設定した上限速度と速度指令値とのうち小さい方を目標速度に設定する。上限速度は、安全装置30が検出した物体の距離が短くなるにつれて、すなわち物体がロボット本体10に近づくにつれて低くなるように(ロボット速度が大きく制限されるように)設定される。また、制御部21は、物体との距離が所定距離(例えば500mm)以下となると、速度指令値に拘わらず、上限速度に値0を設定し、目標速度に値0を設定する。すなわち、ロボット本体10の動作を停止させる。また、制御部21は、安全装置30から異常情報として異常有りの情報を入力すると、同様に、上限速度に値0を設定し、目標速度に値0を設定してロボット本体10の動作を停止させる。
制御部21は、目標速度を設定すると、エンコーダ16から取得した関節軸の現在の角度から現在の速度を算出し、算出した現在の速度と目標速度との差分に基づいてフィードバック演算(例えば、比例積分演算や比例積分微分演算)によりサーボモータ15から出力すべきトルク指令値を設定する。そして、制御部21は、設定したトルク指令に応じたトルクがサーボモータ15から出力されるように対応するアンプ部17に制御信号を出力する。
ロボットの安全装置30は、本実施形態では、多関節アーム12の手先に取り付けられている。安全装置30は、CPUやROM、RAMを含むマイクロプロセッサとして構成される制御部31と、周囲を監視するセンサ部32と、ロボット制御装置20の制御部21と信号をやり取りするためのI/Oポート33と、を備える。なお、ロボット制御装置20の制御部21とやり取りする信号は二重化されることもある。
センサ部32は、本実施形態では、FMCW(Frequency Modulation Continuous Wave)方式のレーダセンサとして構成される。センサ部32は、送信チャープを送信する送信アンテナ、物体からの反射波を受信チャープとして受信する受信アンテナ、送信チャープと受信チャープとを混合して中間周波数信号(IF信号)を生成するミキサ、IF信号を処理して物体までの相対距離を検出する処理部等を備える。送信アンテナは、時間の経過と共に周波数が変化するように変調されそれぞれ一定間隔離れた複数個の送信チャープを1フレームとして送信する。処理部は、ミキサにより生成されたIF信号をA/D変換するA/Dコンバータや、A/D変換されたIF信号をフーリエ変換処理(FFT処理)するDSP等を有する。DSPは、IF信号に対してチャープ単位でFFT処理(距離FFT処理)して周波数スペクトルを取得することにより、ピーク周波数に基づいてセンサ部32と物体との相対距離を算出する。
次に、本実施形態の安全装置30の動作について説明する。図3は、安全装置30の制御部31(CPU)により実行される情報出力処理の一例を示すフローチャートである。情報出力処理では、制御部31は、まず、センサ部32と物体との間の相対距離を検出距離として当該センサ部32から取得する(S100)。続いて、制御部31は、安全装置30の各部のいずれかに異常があるか否かを判定する(S110)。安全装置30の各部の異常としては、例えば、外乱等による受信データの異常や処理部の演算エラー、電源電圧の低下等を挙げることができる。次に、制御部31は、現在の処理モードを判定する(S120)。ここで、処理モードには、距離情報と異常情報とを個別の信号線(DATAおよびRUN)でロボット制御装置20に出力するモードAと、距離情報と異常情報とを共通の信号線(DATA)でロボット制御装置20に出力するモードBと、が含まれる。2つのモードA,Bの選択は、例えば、安全装置30にコンピュータ(PC)を接続することにより、当該コンピュータから設定することができる。設定された処理モードは、安全装置30の記憶部(書き換え可能なEEPROM)に記憶される。S120の判定は、記憶部に記憶された処理モードを調べることにより行なわれる。
制御部31は、現在の処理モードがモードAであると判定すると、S100で取得した検出距離をDATA信号に変換すると共に(S130)、S110で判定した異常の有無の判定結果をRUN信号に変換する(S140)。図4は、モードA用変換テーブルの一例を示す説明図である。図示するように、モードA用変換テーブルには、検出距離を所定ビット(例えば2ビット)の距離情報(DATA信号)に変換する距離情報用変換テーブルと、異常有無の判定結果を所定ビット(例えば1ビット)の異常情報(RUN信号)に変換する異常情報用変換テーブルと、が含まれる。検出距離は、距離の長短に応じて複数の検出領域に分けられ、各検出領域には、それぞれ異なる距離情報が割り当てられている。例えば、検出距離が0mm以上500mm以下の場合、検出領域は、図5中、領域0となり、DATA1およびDATA2が共にオフ(off)の距離情報に変換される。また、検出距離が500mmよりも大きく1000mm以下の場合、検出領域は、図5中、領域1となり、DATA1がオン(on)でDATA2がオフ(off)の距離情報に変換される。さらに、検出距離が1000mmよりも大きい場合、検出領域は、図5中、領域2となり、DATA1およびDATA2が共にオン(on)の距離情報に変換される。異常有無の判定結果は、異常の有無によってそれぞれ異なる異常情報が割り当てられる。例えば、異常有無の判定結果が異常有りの場合には、RUNがオフ(off)の異常情報に変換され、異常無し(正常)の場合には、RUNがオン(on)の異常情報に変換される。
制御部31は、こうして検出距離を距離情報(DATA信号)に変換すると共に異常有無の判定結果を異常情報(RUN信号)に変換すると、距離情報(DATA信号)をDATA端子からロボット制御装置20に出力すると共に異常情報(RUN信号)をRUN端子からロボット制御装置20に出力して(S150)、情報出力処理を終了する。図6は、モードAにより距離情報と異常情報とをロボット制御装置20に出力する様子を示す説明図である。モードAは、DATA端子とRUN端子とを備える仕様のロボット装置に適用され、距離情報と異常情報は、それぞれDATA信号とRUN信号としてDATA端子とRUN端子とからロボット制御装置20に出力される。上述したように、ロボット制御装置20の制御部21は、距離情報と異常情報とを入力し、入力した距離情報や異常情報に基づいてロボット速度を制御する。
S120において、制御部31は、現在の処理モードがモードBであると判定すると、モードB用変換テーブルを用いて検出距離と異常有無とをDATA信号に変換する(S160)。図7は、モードB用変換テーブルの一例を示す説明図である。図示するように、モードB用変換テーブルでは、モードA用変換テーブルと同様に、検出距離は当該検出距離の長短に応じて複数の検出領域(領域0,領域1,領域2)に分けられ、各領域0~2には、それぞれ異なる距離情報(DATA1,DATA2)が割り当てられる。異常情報は、距離情報に含められ、異常有無の判定結果が異常有りの場合には、検出距離に拘わらず、物体との距離が500mm以下の領域0に割り当てられた距離情報と同じ情報(DATA信号)に変換される。なお、判定結果が異常無しの場合には、距離情報は、通常通り、検出距離の長短に応じた情報となる。
制御部31は、こうして検出距離と異常有無とをDATA信号に変換すると、DATA信号をDATA端子からロボット制御装置20に出力して(S170)、情報出力処理を終了する。図8は、モードBにより距離情報と異常情報とをロボット制御装置20に出力する様子を示す説明図である。モードBは、DATA端子を備えると共にRUN端子を備えない仕様のロボット装置に適用され、距離情報と異常情報は、いずれもDATA信号としてDATA端子からロボット制御装置20に出力される。安全装置30に異常がある場合、検出距離に拘わらず、安全装置30からは物体との距離が500mm以下の領域0と同じ距離情報(異常情報)が入力されるため、ロボット制御装置20の制御部21は、異常情報を認識することなく、上限速度に値0を設定し、目標速度に値0を設定してロボット本体の動作を停止させることができる。これにより、安全装置30は、処理モードを切り替えるだけで、DATA端子とRUN端子とを備える仕様のロボット装置と、DATA端子を備えRUN端子を備えない仕様のロボット装置の双方に適切に対応することが可能となる。
ここで、実施形態の主要な要素と請求の範囲に記載した本開示の主要な要素との対応関係について説明する。即ち、本実施形態のセンサ部32が本開示の検出部に相当し、情報出力処理のS110を実行する制御部31が判定部に相当し、情報出力処理のS120~S170の処理を実行する制御部31とI/Oポート33とが出力部に相当する。また、ロボット本体10がロボット本体に相当し、ロボット制御装置20が制御装置に相当する。
なお、本開示は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本開示の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
上述した実施形態では、安全装置30のセンサ部32は、センサ部32と物体との相対距離を検出するものとしたが、相対距離の検出に加えてセンサ部32と物体との相対速度も検出するようにしてもよい。センサ部32がFMCW方式のレーダセンサとして構成される場合、処理部(DSP)は、距離FFT処理後のデータに対してフレーム単位でFFT処理(速度FFT処理)して角周波数のピークを取得することにより、ピーク角周波数に基づいて物体との相対速度を算出することができる。この場合、安全装置30の制御部31は、検出距離と検出速度とから物体(作業者)がロボット本体10に衝突するまでの時間(衝突予測時間)を予測し、衝突予測時間を時間情報(DATA信号)に変換してロボット制御装置20に出力することができる。この他の実施形態に係る情報出力処理の一例を示すフローチャートを図9に示す。
他の実施形態に係る情報出力処理では、制御部31は、まず、センサ部32と物体との間の相対距離と相対速度とをそれぞれ検出距離、検出速度として当該センサ部32から取得する(S200)。続いて、制御部31は、安全装置30の各部のいずれかに異常があるか否かを判定する(S210)。次に、制御部31は、現在の処理モードを判定する(S220)。
制御部31は、現在の処理モードがモードAであると判定すると、検出距離を検出速度で除することにより衝突予測時間を算出する(S230)。そして、制御部31は、算出した衝突予測時間をDATA信号に変換すると共に(S240)、S210で判定した異常の有無の判定結果をRUN信号に変換する(S250)。図10は、モードA用変換テーブルの一例を示す説明図である。図示するように、モードA用変換テーブルには、衝突予測時間を所定ビット(例えば2ビット)の時間情報(DATA信号)に変換する時間情報用変換テーブルと、上述した異常情報用変換テーブルと、が含まれる。衝突予測時間は、時間の長短に応じて異なる時間領域に分けられ、各時間領域には、異なる時間情報(DATA信号)が割り当てられる。例えば、衝突予測時間が2sec以下の場合、時間領域は、領域0となり、DATA1およびDATA2が共にオフ(off)の時間情報に変換される。また、衝突予測時間が2secよりも大きく4sec以下の場合、時間領域は、領域1となり、DATA1がオン(on)でDATA2がオフ(off)の時間情報に変換される。さらに、衝突予測時間が4secよりも大きい場合、時間領域は、領域2となり、DATA1およびDATA2が共にオン(on)の時間情報に変換される。なお、異常情報については上述した本実施形態と同様であるため、説明を省略する。
制御部31は、こうして衝突予測時間を時間情報(DATA信号)に変換すると共に異常有無の判定結果を異常情報(RUN信号)に変換すると、時間情報(DATA信号)をDATA端子からロボット制御装置20に出力すると共に異常情報(RUN信号)をRUN端子からロボット制御装置20に出力して(S260)、情報出力処理を終了する。モードAは、上述したように、DATA端子とRUN端子とを備える仕様のロボット装置に適用され、時間情報と異常情報は、それぞれDATA信号とRUN信号としてDATA端子とRUN端子とからロボット制御装置20に出力される。ロボット制御装置20の制御部21は、時間情報と異常情報とを入力し、入力した時間情報や異常情報に基づいてロボット速度を制御する。例えば、制御部21は、入力した時間情報に基づいて衝突予測時間が短いほど低くなるように上限速度を設定し、上限速度と速度指令値とのうち小さい方を目標速度に設定してサーボモータ15を制御する。また、制御部21は、衝突予測時間が所定時間(例えば2sec)以下となると、速度指令値に拘わらず、上限速度に値0を設定し、目標速度に値0を設定してロボット本体10の動作を停止させる。また、制御部21は、異常情報として異常有りの情報を入力すると、上限速度に値0を設定し、目標速度に値0を設定してロボット本体10の動作を停止させる。
S220において、制御部31は、現在の処理モードがモードBであると判定すると、検出距離を検出速度で除することにより衝突予測時間を算出する(S270)。そして、制御部31は、算出した衝突予測時間と異常有無とをDATA信号に変換する(S280)。図11は、モードB用変換テーブルの一例を示す説明図である。図示するように、モードB用変換テーブルでは、モードA用変換テーブルと同様に、衝突予測時間は時間の長短に応じて複数の時間領域(領域0,領域1,領域2)に分けられ、各領域0~2には、それぞれ異なる時間情報(DATA1,DATA2)が割り当てられる。異常情報は、時間情報に含められ、異常有無の判定結果が異常有りの場合には、衝突予測時間に拘わらず、衝突予測時間が2sec以下の領域0に割り当てられた時間情報と同じ情報(DATA信号)に変換される。なお、判定結果が異常無しの場合には、時間情報は、通常通り、衝突予測時間の長短に応じた情報となる。
制御部31は、こうして衝突予測時間と異常有無をDATA信号に変換すると、DATA信号をDATA端子からロボット制御装置20に出力して(S290)、情報出力処理を終了する。モードBは、DATA端子を備えると共にRUN端子を備えない仕様のロボット装置に適用され、時間情報と異常情報は、いずれもDATA信号としてDATA端子からロボット制御装置20に出力される。安全装置30に異常がある場合、衝突予測時間に拘わらず、衝突予測時間が2sec以下の領域0と同じ時間情報(異常情報)が入力されるため、ロボット制御装置20の制御部21は、上限速度を値0に設定し、目標速度を値0に設定してロボット本体10の動作を停止させる。これにより、安全装置30は、処理モードを切り替えるだけで、DATA端子とRUN端子とを備える仕様のロボット装置と、DATA端子を備えRUN端子を備えない仕様のロボット装置の双方に適切に対応することが可能となる。
また、上述した実施形態では、安全装置30は、ロボット本体10の多関節アーム12の手先部(先端部)に取り付けられたが、ロボット本体10のベース11に取り付けられてもよい。また、安全装置30は、据え置き型のロボットに設けられたが、自走式のロボットに設けられてもよい。自走式のロボットは、上述した多関節アームを備えたアームロボットの他、搬送ロボットであってもよい。例えば、図12に示すように、基板の搬送方向に配列されると共にそれぞれフィーダ102が着脱されるフィーダ台を有し、フィーダ102から部品を採取して基板に実装する複数の部品実装機101を備えた実装ライン100において、実装ライン100に沿って移動して各部品実装機101に対してフィーダ102の交換を行なう自動交換ロボット110であってもよい。安全装置30は、自動交換ロボット110に設けられ、検知範囲内で物体が検出されると、当該物体との相対距離や衝突時間に応じた情報を自動交換ロボット110に出力する。自動交換ロボット110は、入力した情報に応じて制限された走行速度で走行する。
以上説明したように、本開示のロボットの安全装置では、物体を検出する検出部と、安全装置の異常の有無を判定する判定部と、を備えるものにおいて、物体の検出結果と異常の判定結果とを個別の信号線で制御装置に出力する第1出力モードと、物体の検出結果と異常の判定結果とを共通の信号線で制御装置に出力する第2出力モードと、を有する。これにより、出力モードを切り替えるだけで、制御装置側の仕様に合わせて検出結果と判定結果の双方を制御装置に出力することができる。この結果、制御装置側の仕様に拘わらず物体の検出結果と異常の判定結果とを制御装置に出力可能な安全装置とすることができる。
こうした本開示のロボットの安全装置において、前記第2出力モードは、前記物体の検出結果のうち特定の検出結果と、前記異常の有無の判定結果のうち特定の判定結果とを同じ情報として出力してもよい。この場合、前記検出部は、前記物体と前記検出部との相対距離を検出するものであり、前記特定の検出結果は、前記物体と前記検出部との相対距離が所定距離以下の検出結果であり、前記特定の判定結果は、異常有りの判定結果であってもよいし、前記検出部は、前記物体と前記検出部との相対距離と相対速度とを検出するものであり、前記特定の検出結果は、前記物体と前記検出部との相対距離と相対速度とから得られる前記物体が前記ロボットに衝突するまでの時間が所定時間以下の検出結果であり、前記特定の判定結果は、異常有りの判定結果であってもよい。ロボット側で物体との距離が所定距離以下の検出結果あるいは物体がロボットに衝突するまでの時間が所定時間以下の検出結果に基づいてロボット本体の動作を制限(停止)するものとすれば、異常情報を専用の端子で入力できない仕様のロボットにおいても、安全装置の異常に対して適切に対応することが可能となる。
また、本開示は、ロボットの安全装置の形態とするものに限られず、ロボット本体と制御装置と安全装置とを備えるロボットシステムの形態としてもよい。この場合、ロボット本体は、アームを備えるアームロボットであってもよい。また、ロボット本体は、基板の搬送方向に並ぶと共にそれぞれフィーダから部品を採取して基板に実装可能な複数の部品実装機を備えた実装ラインにおいて、予め定められた走行ライン上を移動して各部品実装機に対してフィーダの交換を行なう自動交換ロボットであってもよい。
本開示は、ロボットや安全装置の製造産業などに利用可能である。
1 ロボットシステム、10 ロボット本体、11 ベース、12 多関節アーム、15 サーボモータ、16 エンコーダ、17 アンプ部、20 ロボット制御装置、21 制御部、22 I/Oポート、30 安全装置、31 制御部、32 センサ部、33 I/Oポート、100 実装ライン、101 部品実装機、102 フィーダ、110 自動交換ロボット。
Claims (5)
- ロボットの制御装置に接続された安全装置であって、
物体を検出する検出部と、
前記安全装置の異常の有無を判定する判定部と、
前記検出部による物体の検出結果と前記判定部による異常の有無の判定結果とを個別の信号線で前記制御装置に出力する第1出力モードと、前記検出結果と前記判定結果とを共通の信号線で前記制御装置に出力する第2出力モードと、を有する出力部と、
を備える安全装置。 - 請求項1に記載の安全装置であって、
前記第2出力モードは、前記物体の検出結果のうち特定の検出結果と、前記異常の有無の判定結果のうち特定の判定結果とを同じ情報として出力する、
安全装置。 - 請求項2に記載の安全装置であって、
前記検出部は、前記物体と前記検出部との相対距離を検出するものであり、
前記特定の検出結果は、前記物体と前記検出部との相対距離が所定距離以下の検出結果であり、
前記特定の判定結果は、異常有りの判定結果である、
安全装置。 - 請求項2に記載の安全装置であって、
前記検出部は、前記物体と前記検出部との相対距離と相対速度とを検出するものであり、
前記特定の検出結果は、前記物体と前記検出部との相対距離と相対速度とから得られる前記物体が前記ロボットに衝突するまでの時間が所定時間以下の検出結果であり、
前記特定の判定結果は、異常有りの判定結果である、
安全装置。 - ロボット本体と、
前記ロボット本体を制御する制御装置と、
物体を検出する検出部と、前記安全装置の異常の有無を判定する判定部と、前記検出部による物体の検出結果と前記判定部による異常の判定結果とを個別の信号線で前記制御装置に出力する第1出力モードと、前記検出結果と前記判定結果とを共通の信号線で前記制御装置に出力する第2出力モードと、を有する出力部と、を含む安全装置と、
を備えるロボットシステム。
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