CN110267778B - 机器人控制方法以及机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种机器人控制方法以及机器人。在机器人控制方法中，设定覆盖机器人的至少一部分的机器人监视模型，将用于监视机器人的可动作范围的监视区域设定为与机器人的坐标系平行，将结构点的位置变换为与机器人的坐标系不同的坐标系中的位置，所述结构点是机器人监视模型中包含的任意的点(ST9)，使用变换后的结构点的位置，判定机器人监视模型是否与监视区域的边界面接触(ST6)，在接触的情况下使机器人的动作停止(ST8)。

Description

机器人控制方法以及机器人

技术领域

本发明涉及用于监视机器人的动作的区域的设定方法以及利用该方法的机器人。

背景技术

在使用了机器人的生产系统中，机器人和人经常共同进行作业。例如，1台焊接机器人交替地焊接两个焊接对象物，在焊接机器人对一方的焊接对象物进行焊接的期间由人更换另一方的焊接对象物的作业，相当于上述共同进行作业的情形。

在这样的作业中，进行不使机器人误进入人动作的区域那样的安全对策。在该安全对策中，如图11所示，设定覆盖机器人100以及附带设备的球状或者胶囊状的三维模型200(以下称为“机器人监视模型200”)，进而，设定机器人能够动作的安全区域300和机器人不能动作的非安全区域400。然后，监视机器人监视模型200的空间上的位置，在机器人监视模型200要进入非安全区域的情况下使机器人的动作停止。

这些区域由用于操作机器人的控制器来设定。例如，在专利文献1中公开了能够容易地进行安全区域的设定的技术。在该技术中，不是通过直接的数值输入而是通过拖拽操作来进行安全区域的设定，进而还通过拖动操作来进行安全区域的移动、放大、缩小。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2016-59980号公报

发明内容

然而，在专利文献1的技术中，以机器人的坐标系的X轴、Y轴、Z轴分别与用户设备的X轴、Y轴、Z轴平行为前提，以包含机器人的可动范围整体的方式设定安全区域。因此，在机器人的坐标系的X轴、Y轴、Z轴不与用户设备的X轴、Y轴、Z轴平行的情况下，也会以包含机器人的可动范围整体的方式设定安全区域。于是，不得不使安全区域变大，在该安全区域内会出现本来不需要的多余的非安全区域，机器人能够动作的区域的比率降低。

因此，本发明提供能够设定与用户设备相应的适当的监视区域的机器人控制方法。

为了解决上述课题，本发明的机器人控制方法的特征在于，设定覆盖机器人的至少一部分的机器人监视模型，将用于监视机器人的可动作范围的监视区域设定为与机器人的坐标系平行，将结构点的位置变换为与机器人的坐标系不同的坐标系中的位置，所述结构点是机器人监视模型中包含的任意的点，使用变换后的结构点的位置，判定机器人监视模型是否与监视区域的边界面接触，在接触的情况下使机器人的动作停止。

根据上述结构，本发明的机器人控制方法能够设定与用户设备相应的适当的监视区域。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式中的机器人的概要结构的图。

图2是本发明的实施方式中的机器人控制方法的流程图。

图3A是用于说明本发明的实施方式中的球模型的图。

图3B是用于说明本发明的实施方式中的胶囊模型的图。

图4是用于说明本发明的实施方式中的机器人监视模型的图。

图5是用于说明本发明的实施方式中的监视区域的图。

图6A是用于说明本发明的实施方式中的机器人监视模型与监视区域的接触的图。

图6B是用于说明本发明的实施方式中的机器人监视模型与监视区域的接触的图。

图6C是用于说明本发明的实施方式中的机器人监视模型与监视区域的接触的图。

图7是用于说明本发明的实施方式中的机器人坐标系和用户坐标系的图。

图8A是用于说明机器人监视模型与监视区域的关系的图。

图8B是用于说明机器人监视模型与监视区域的关系的图。

图9是用于说明机器人坐标系和用户坐标系的设定的图。

图10是用于说明将监视区域以用户坐标系为基础进行了旋转变换的情况的图。

图11是用于说明机器人监视模型与监视区域的关系的图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

图1是表示本实施方式中的机器人的概要结构的图。机器人具有：机器人主体1，具备具有6轴关节的机器人臂6；控制装置2，控制机器人臂6的动作；以及连接电缆9，连接机器人主体1以及控制装置2。此外，带显示器的操作装置3与控制装置2之间进行通信，进行机器人臂6的动作设定、动作控制等。

机器人主体1具备用于使机器人臂6进行动作的多个电动机4和用于检测各电动机4的旋转量的多个编码器5。机器人主体1向控制装置2反馈各电动机4的位置信息。

控制装置2具有用于对控制装置2进行控制的CPU7和能够进行读取和写入的RAM8。RAM8存储机器人的操作者通过操作装置3创建的机器人的示教程序、机器人的功能设定等。此外，在RAM8中也能够保存向机器人主体1的位置指令等。此外，控制装置2具备伺服驱动器10和安全单元11。CPU7通过对伺服驱动器10进行动作指令，从而伺服驱动器10控制电动机4。此外，安全单元11接收编码器5的信息和来自CPU7的动作指令，判断编码器5是否出现了故障。

接下来，对控制装置2的机器人控制方法进行说明。本实施方式中的机器人控制方法是使用机器人监视模型和监视区域来进行的、用于确保机器人的安全的方法。具体而言，在本实施方式中，机器人主体1被控制成在监视区域的内部动作。即，在机器人主体1伸出到监视区域的外部的情况下，机器人主体1的动作停止。

图2是机器人控制方法的流程图。在本实施方式中，控制装置2起动机器人主体1。之后，安全单元11判定机器人监视模型与监视区域的接触，使机器人主体1停止。

首先，在步骤ST1中，控制装置2起动机器人主体1，接下来在步骤ST2中，控制装置2使机器人主体1进行动作(移动、停止等)，进入步骤ST3。

之后的步骤ST3～ST9是安全单元11周期性地实施的处理。

在步骤ST3中，安全单元11从编码器5取得编码器数据。在步骤ST4中，安全单元11根据取得的编码器数据、电动机4的各轴的减速比、电动机原点信息来计算电动机4的角度，根据电动机4的角度进一步计算电动机4的位置。

在步骤ST5中，安全单元11基于在步骤ST4中计算出的电动机位置来计算机器人的坐标系(以下称为“机器人坐标系”)中的机器人监视模型以及监视区域的位置。

在此，具体说明该机器人监视模型以及监视区域的位置的计算。

机器人监视模型组合多个球状的三维模型(以下称为“球模型”)和胶囊状的三维模型(以下称为“胶囊模型”)而构成，使得覆盖机器人主体1。在此，机器人监视模型是组合多个球模型以及胶囊模型而构成的立体形状的外壳。如图3A所示，球模型35由中心位置P0和球的半径R构成。如图3B所示，胶囊模型36由两个结构点P1以及P2和胶囊的半径R1构成。

图4表示由多个三维模型构成的机器人监视模型。机器人主体1具有6轴的关节，各电动机4配置于第1轴位置37、第2轴位置38、第3轴位置39、第4轴位置40、第5轴位置41、第6轴位置42。而且，机器人监视模型由胶囊模型43、胶囊模型44、胶囊模型45、附带设备模型46以及工具模型47构成，使得覆盖机器人主体1。

胶囊模型43覆盖第1轴位置37和第2轴位置38，半径为r1。胶囊模型44覆盖第4轴位置40和第5轴位置41，半径为r2。胶囊模型45覆盖第5轴位置41和第6轴位置42，半径为r3。附带设备模型46是覆盖附带设备的球模型，其中心位置从第3轴位置偏移的偏移量为s1，其半径为r4。工具模型47组合多个胶囊模型和球模型而构成。

在图2的步骤ST5的机器人监视模型计算中，首先根据机器人臂6的长度和在步骤ST4中计算出的各轴的角度，计算各电动机在机器人坐标系中的三维上的位置。

接下来，作为胶囊模型43的结构点设定第2轴位置38和第3轴位置39，设定半径r1。同样地，作为胶囊模型44的结构点设定第4轴位置40和第5轴位置41，设定半径r2。同样地，作为胶囊模型45的结构点，设定第5轴位置41和第6轴位置42，设定半径r3。附带设备模型46将中心位置设定为从第3轴位置39偏移了偏移量s1，并将半径设定为r4。工具模型47以第6轴位置42为基准，设定球模型以及胶囊模型的结构点和半径。

关于各模型43～47的值r1～r4、s1等，在本控制流程开始前预先设定有标准值，但用户也能够使用操作装置3来变更值。

图5是用于说明监视区域的图。监视区域构成为以结构点Q1、Q2为对角的长方体。这2点在本控制流程开始前由用户使用操作装置3输入机器人坐标系上的2点Q1、Q2的XYZ坐标来设定。在此，设为(Q2的Z轴的坐标值)＞(Q1的Z轴的坐标值)。在步骤ST5中，使用该设定值计算监视区域的位置。

在图2的流程图中，在步骤ST5之后，进入步骤ST9，将机器人监视模型变换为用户坐标系之后，进入步骤ST6。但是，在此，为了方便，在步骤ST9的说明之前先进行步骤ST6以后的说明。

在步骤ST6中，判定机器人监视模型和与机器人坐标系平行地设定的监视区域的接触。在此，机器人坐标系与监视区域平行是指机器人坐标系的X轴、Y轴、Z轴分别与用户设备的X轴、Y轴、Z轴平行。因此，“与机器人坐标系平行地设定的监视区域”是指监视区域的X轴与机器人坐标系的X轴平行、且监视区域的Y轴与机器人坐标系的Y轴平行、且监视区域的Z轴与机器人坐标系的Z轴平行的状态的监视区域。

在此，以球模型为例对接触判定进行说明。图6A是从机器人坐标系50的Z轴+侧观察的图。在该例子中，示出了作为机器人监视模型的球模型49存在于监视区域48的内部的模式。球模型49的半径为R，中心坐标为P0(x、y、z)。

另外，该监视区域48与图5同样地由结构点Q1(x1、y1、z1)和Q2(x2、y2、z2)构成，将监视区域48的内部设定为安全区域。即，在监视区域48的内部，机器人主体1能够自由地动作。

在球模型49位于监视区域48内的情况下，从图6A可知，关于球模型49的中心坐标P0，下式成立。

x1+R＜x＜x2-R (式1)

y1+R＜y＜y2-R (式2)

z1+R＜z＜z2-R (式3)

在这三个条件成立的情况下，球模型49存在于监视区域48的内部。另外，在图6B中示出了球模型49伸出到监视区域48外的模式，但可知在该情况下(式1)的右边x＜x2-R不成立。

这样，在步骤ST6的接触判定中，根据在步骤ST5中设定的各机器人监视模型的结构点以及半径与监视区域的结构点进行判定。而且，在上述三个条件不成立的情况下，即，在球模型49与监视区域48的边界面接触的情况下、以及球模型49的至少一部分伸出到监视区域48的外部的情况下，判定为非安全。

另外，关于胶囊模型，基本的想法也与球模型相同，安全单元11基于胶囊模型与监视区域的距离来判定安全或非安全。

接下来，在步骤ST7中，若机器人监视模型与监视区域的接触的判定结果是判定为机器人监视模型与监视区域的关系安全，则返回步骤ST3。若判定为机器人监视模型与监视区域的关系非安全，则进入步骤ST8，对机器人主体1施加紧急停止，使机器人主体1的动作停止。

以上的控制流程仅使用机器人坐标系来判定安全或非安全，并基于其结果控制机器人。这是通常进行的控制方法。在本实施方式中，在步骤ST5和步骤ST6之间还追加了步骤ST9。

在该步骤ST9中，进行基于用户指定的坐标系对机器人监视模型进行变换的计算。对该步骤ST9中的变换进行详细地说明。

在图7中示出了机器人坐标系24和用户自由地指定的用户坐标系23。机器人监视模型的结构点P在从用户坐标系23观察的情况下和从机器人坐标系24观察的情况下表示相同的位置，因此(式4)的关系性成立。

[数学式1]

^rP＝^rT_u·^uP (式4)

其中，

^rP：从机器人坐标系观察的点P的位置

^rT_u：从机器人坐标系向用户坐标系的齐次变换矩阵

^uP：从用户坐标系观察的点P的位置

通过对该式进行变形可导出(式5)。用户坐标系23中的机器人监视模型的位置关系能够通过(式5)表现。

[数学式2]

^uP＝^rT_u ^-1·^rP (式5)

其中，

^rT_u ^-1：从机器人坐标系向用户坐标系的齐次变换矩阵的逆矩阵

在步骤ST9中，通过对在步骤ST5中计算出的机器人监视模型的位置进行(式5)的变换计算，从而变换为从用户坐标系上观察的机器人监视模型的位置。然后，在步骤ST6中进行变换后的机器人监视模型与监视区域的接触判定。

这样，通过设定与机器人坐标系24无关的用户坐标系23，并根据该用户坐标系23使监视区域能够平行或者旋转移动，从而能够设定最佳的监视区域，由此不会无谓地限制机器人的动作范围而能够进行最佳的设定。

另外，在上述中说明了将机器人监视模型变换为用户坐标系的例子，但例如也考虑将监视区域变换为用户坐标系。但是，在该情况下，需要变更以往进行的步骤ST6中的计算处理，因此对现有处理的影响变大。

对将该监视区域变换为用户坐标系的情况进行说明。图8A表示从机器人坐标系25的Z轴+侧观察监视区域26和机器人监视模型27的图。为了简化说明，考虑使监视区域26绕机器人坐标系25的Z轴旋转θ的情况。

在图9中示出用于使监视区域26旋转的用户坐标系28(Xu、Yu、Zu)。在用户坐标系28中，将Zu设定为与机器人坐标系25的Z方向相同的朝向。Xu和Yu设定为从机器人坐标系25的X轴和Y轴进行+θ旋转。此外，图9所记载的U0、U1以及U2分别是用户坐标系28的结构点。

该用户坐标系28通过用户使用操作装置3输入机器人坐标系的3点的XYZ位置、或者指定由控制装置2登记的3点来创建。

图10示出了将用虚线显示的监视区域26以用户坐标系28为基准旋转的情况下的变换后的监视区域33。然而，如上所述，在如图10那样进行将监视区域26变换为监视区域33的操作的情况下，无法使用图2的流程图中的步骤ST6的处理。这是因为，步骤ST6的计算以监视区域与机器人坐标系平行地配置的情况为前提。

作为具体例，在图6C中示出将图6A的监视区域48绕Z轴进行θ旋转而得到的变换后的监视区域52与球模型49的关系。由该图可知，在X方向或Y方向上，从球模型49的中心到划分安全和非安全的监视区域48的边界面的距离比球的半径R大。因此，满足球模型49存在于监视区域48内的情况下的判定式(式1)以及(式2)。尽管如此，球模型49的一部分伸出到了监视区域48外。当球模型49的一部分伸出到监视区域48的外部时，应该将其判定为非安全。

因此，在本实施方式中，仅对机器人监视模型进行(式5)的变换计算，不变更监视区域。因此，由于仅机器人监视模型的位置改变，所以无需变更步骤ST6的判定处理。

表示此时的机器人监视模型与监视区域的位置关系的是图8B。图8B示出不变更监视区域26而仅对机器人监视模型进行了变换处理的情况下的变换后的机器人监视模型34。

图8B的机器人监视模型27与监视区域26的位置关系，与在图10中变换了监视区域的情况下的位置关系一致。但是，由于监视区域26与机器人坐标系25平行地配置，因此可知能够直接使用以往的计算处理，并且利用变换后的机器人监视模型进行接触判定。

进而，在不想变换机器人监视模型的坐标的情况下，通过将(式5)的齐次变换矩阵设为单位矩阵，能够不变换机器人监视模型的坐标。因此，能够始终进行步骤ST9的变换计算。

如上所述，在本实施方式中，由于实现了监视区域的坐标变换，从而能够使用以往的判定处理，因此具有能够维持作为产品的品质、能够削减动作确认所花费的评价工时这样的优点。

假设在变更了判定处理(步骤ST6)的情况下，需要确认在变更后判定处理也与以往同样正确地进行动作。此外，还需要确认新追加的变换计算能够正确地进行。但是，本实施方式的机器人控制方法能够沿用以往的判定处理，因此对于判定处理不需要确认，能够维持与以往相同的品质。本实施方式的机器人控制方法仅进行新追加的变换计算的确认即可，因此能够在削减确认工时的同时维持产品质量。

进而，是否进行变换计算这样的处理上的分支也可以不进行，因此能够进一步减少确认工时。

如上所述，本实施方式的机器人控制方法在控制装置2使机器人主体1起动并使其动作之后，控制装置2内的安全单元11反复执行ST3～ST9的处理。安全单元11进行机器人监视模型与监视区域的接触判定，进行使机器人主体1停止的处理，由此确保机器人系统的安全。

这样，本发明的实施方式的机器人控制方法，能够与机器人坐标系无关地设定基准坐标系，并且监视区域能够根据该基准坐标系平行或旋转移动。因此，能够在维持作为产品的品质的同时，自由地配置(旋转、平移移动)监视区域。因此，能够设定与用户设备相应的最佳的监视区域，其结果是，能够在不无谓地限制机器人的动作自由度、动作范围的情况下确保安全。

此外，本发明的实施方式的机器人控制方法设定想要设定监视区域的坐标系，将从该坐标系上观察的机器人监视模型的位置变换为机器人坐标系。由此，能够在不变更现有的机器人坐标系上的机器人监视模型与监视区域的判定处理的情况下自由地设置监视区域。

例如，在监视区域的外部设置有用户进行作业用的用户设备。用户只要能够确保用户设备的安全，则能够将机器人监视模型变换为任意的坐标系。因此，本来在机器人停止的位置也能够使机器人动作。

即，根据本发明的实施方式，能够设定与用户设备相应的最佳的监视区域，机器人能够以所需最低限度的限制进行动作，能够在确保安全的同时提高设备的使用效率。

另外，在上述说明中安全单元11实施了步骤ST3～ST9的处理，但也可以由控制装置2的CPU7实施。

此外，在上述说明中，机器人监视模型只要能够覆盖作为针对机器人的周围的安全对策所需的范围即可，也可以设定为覆盖机器人主体1的至少一部分。

产业上的可利用性

通过使用本发明的机器人控制方法，能够自由地设定机器人的监视区域，由此能够设定与设备相应的最佳的区域，能够应用于焊接机器人、切断机器人等。

符号说明

1 机器人主体

2 控制装置

3 操作装置

4 电动机

5 编码器

6 机器人臂

7 CPU

8 RAM

9 连接电缆

10 伺服驱动器

11 安全单元

23 用户坐标系

24、25 机器人坐标系

26 监视区域

27 机器人监视模型

28 用户坐标系

33 变换后的监视区域

34 变换后的机器人监视模型

35 球模型

36 胶囊模型

37 第1轴位置

38 第2轴位置

39 第3轴位置

40 第4轴位置

41 第5轴位置

42 第6轴位置

43、44、45 胶囊模型

46 附带设备模型

47 工具模型

48 监视区域

49 球模型

50 机器人坐标系

52 变换后的监视区域

100 机器人

200 三维模型

300 安全区域

400 非安全区域

Claims (2)

1.一种机器人控制方法，

设定机器人监视模型，该机器人监视模型是覆盖机器人的至少一部分的区域，

将用于监视所述机器人的可动作范围的监视区域设定为与所述机器人的坐标系平行，

通过进行下式的变换计算，将构成所述机器人监视模型的球模型或胶囊模型的结构点的位置变换为用户指定的用户坐标系中的位置，

^uP＝^rT_u ^-1·^rP (式5)

其中，

^uP：从所述用户坐标系观察的结构点P的位置

^rT_u ^-1：从所述机器人坐标系向所述用户坐标系的齐次变换矩阵的逆矩阵

^rP：从所述机器人坐标系观察的结构点P的位置

使用变换后的所述结构点的位置，判定所述机器人监视模型是否与所述监视区域的边界面接触，

在接触的情况下使所述机器人的动作停止。

2.一种机器人，具备：

机器人主体；和

控制装置，控制所述机器人主体，

所述控制装置进行如下处理：

设定机器人监视模型，该机器人监视模型是覆盖所述机器人主体的至少一部分的区域，

将用于监视所述机器人主体的可动作范围的监视区域设定为与所述机器人主体的坐标系平行，

通过进行下式的变换计算，将构成所述机器人监视模型的球模型或胶囊模型的结构点的位置变换为用户指定的用户坐标系中的位置，

^uP＝^rT_u ^-1·^rP (式5)

其中，

^uP：从所述用户坐标系观察的结构点P的位置

^rT_u ^-1：从所述机器人主体的坐标系向所述用户坐标系的齐次变换矩阵的逆矩阵

^rP：从所述机器人主体的坐标系观察的结构点P的位置

使用变换后的所述结构点的位置，判定所述机器人监视模型是否与所述监视区域的边界面接触，

在接触的情况下使所述机器人主体的动作停止。

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