JP2018062026A - ロボットの速度や加速度を制限する機能を備えたロボット制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】速度制限をする必要の無い動作領域でロボットの速度や加速度が低下するのを回避し、またロボット教示中でも生産中でも、指定された領域に侵入するロボットの速度及び加速度を制限できるようにする。【解決手段】ロボット制御装置１０は、ロボット１１におけるツール１１ｃの先端部の位置を計算するロボットツール先端位置計算部１５と、ユーザが任意の大きさの動作制限領域Ａを設定するために設けられた動作制限領域設定部１６と、ツール１１ｃの先端部の位置が動作制限領域Ａ内に有るか無いかを判定する判定部１７と、ツール１１ｃの先端部の位置が動作制限領域Ａ内に有る場合にロボット１１の速度及び加速度のうちの少なくとも一方を制限するようになされた動作制限部１８と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、生産現場に設置される産業用ロボットを制御するロボット制御装置に関する。

生産現場において産業用ロボットを使用する場合、ユーザは、ロボットに対する動作指令を含むプログラムを予め作成してロボット制御装置に記憶している。あるいは、ユーザは、ロボット制御装置に接続された教示操作盤などを使って実際にロボットを操作して作業動作をロボットに教示している。また、このようにロボットの動作を設定する際、ユーザは、一般に、ロボットが発揮できる最大速度や最大加速度を上限として、そのロボットの用途に必要な速度や加速度を決めている。

しかし、プログラムミスや操作ミスによりロボットが周辺機械と干渉した場合、万が一にロボットが最大速度または最大加速度で動いていたとすると、周辺機械に対して甚大な被害が及んでしまう。
従来、こうした干渉時の被害を小さくする為に、ロボットの動作制限に関するパラメータを設定することにより、ロボットが発揮できる最大速度や最大加速度を制限する方法（以下、第一従来例と呼ぶ。）がある。また同様の目的で、ロボットの動作モードを教示モードに切替えるスイッチをロボット制御装置に設け、教示モードにおいてはロボットの動作速度を所定の安全速度に制限してロボットの教示操作を行える方法（以下、第二従来例と呼ぶ。）もある。

また、ロボットの動作速度を制限する方法は、特許文献１、特許文献２、特許文献３などにおいても開示されている。
具体的には、特許文献１は、ロボットに設置されたセンサによりロボット周囲の環境情報を検出し、その環境情報を基に、センサが検出不可能な未観測領域とロボットの動作環境とを含む３次元の環境モデルを生成するようにした装置を開示する。この装置は、ロボットが未観測領域に侵入すると判断したとき、ロボットの動作速度、動作加速度、動作力など制限する機能を備えている。
特許文献２は、ロボットと人間とを隔離する安全距離が設定されており、ロボットを非常停止しても停止できずに安全距離を超えると判定された場合に、ロボットの動作速度を制限し、停止できるようにするロボット制御装置を開示している。
特許文献３は、ロボットアームを含む所定の範囲内へ侵入した物体の位置を検出する侵入検出部と、ロボットアームの先端の位置、移動方向及び移動速度を検出する動作検出部とを備えた装置を開示する。この装置は、物体とロボットアーム先端との距離や、物体に対するロボットアーム先端の移動方向に応じて、ロボットアームの動作速度を制限する機能を有する。ロボットアームが人や物体に近付く方向に移動し、人や物体に対して所定の離間距離内に存在する場合はロボットアームの動作が制限される。一方、ロボットアームが人や物体から遠ざかる方向に移動する場合はロボットアームの動作は制限されることなく継続される。

特開２０１５−２０８７８９号公報 特開２０１５−０００４７０号公報 特開２０１１−１２５９７５号公報

しかし、上述した第一従来例のようにパラメータ設定によりロボットの発揮可能な最大速度や最大加速度を制限すると、速度制限をする必要の無い動作領域、例えば干渉の可能性が小さい動作領域においても、ロボットの最大速度や最大加速度が制限されてしまう。これにより、ロボットを使用した生産工程においてサイクルタイムが伸びてしまう。
また、上述した第二従来例のようにロボットの動作モードを教示モードに切替えてロボットの最大速度や最大加速度を制限する場合も同様に、速度制限をする必要の無い動作領域でも、ロボットの最大速度や最大加速度が制限されてしまう。この結果、ロボット教示作業の効率が悪くなる。また、教示モードの時しか速度制限を行えず、ロボットによる生産中は速度制限を行えないという問題も生じる。

さらに、前述した特許文献１に記載された装置の場合は、ロボットの動作速度を制限するために、センサによりロボット周囲の環境情報を検出し、その環境情報を基に、センサにより検出不可能な未観測領域を含む三次元の環境モデルを生成する必要がある。このため、ロボットの動作制御を開始する度に、三次元の環境モデルを生成するための演算処理が必要となる。
また、前述した特許文献２に記載された装置の場合は、ロボットを非常停止しても停止できずに安全距離を超えると判定された場合にロボットの動作速度を制限するように構成されている。この装置においては、ロボットの動作速度を制限するか否かを判定する条件が複雑である。
また、前述した特許文献３に記載された装置の場合は、ロボットアームの速度を制限するか否かを判定するために、物体とロボットアーム先端との距離や、物体に対するロボットアーム先端の移動方向を検出する必要があり、動作制限の制御が複雑である。

そこで本発明の目的は、上述の実状に鑑み、速度制限をする必要の無い動作領域でロボットの速度や加速度が低下するのを回避し、またロボット教示中でも生産中でも、指定された領域に侵入するロボットの速度及び加速度を制限できるロボット制御装置を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明の一態様は、産業用のロボットを制御するロボット制御装置であって、
前記ロボットの動作中、前記ロボットに取付けられたツールの先端部の位置を計算するロボットツール先端位置計算部と、
ユーザが前記ロボットのワールド座標系における座標値によって任意の大きさの動作制限領域を設定するために設けられた動作制限領域設定部と、
前記ロボットツール先端位置計算部により計算された前記先端部の位置が、前記動作制限領域設定部により定められた前記動作制限領域内に有るか無いかを判定する判定部と、
前記先端部の位置が前記動作制限領域内に有ることが前記判定部により判定された場合、前記ロボットの速度及び加速度のうちの少なくとも一方を制限するようになされた動作制限部と、
を備えたロボット制御装置が提供される。
本発明の他の態様は、上記した一態様のロボット制御装置であって、前記ロボットは、工作機械に対してワークを着脱する作業を行うロボットであり、前記動作制限領域は、前記工作機械を含む領域である、ロボット制御装置が提供される。

本発明によれば、速度制限をする必要の無い動作領域でロボットの速度や加速度が低下するのを回避することができる。さらに、ロボット教示中でも生産中でも、指定された領域、例えば工作機械を含む領域に侵入したロボットの速度及び加速度を制限することができる。

添付図面に示される本発明の典型的な実施形態の詳細な説明から、本発明のこれらの目的、特徴および利点ならびに他の目的、特徴および利点がさらに明確になるであろう。

一実施形態のロボット制御装置を示す機能ブロック図である。 一実施形態のロボット制御装置により動作されるロボットのアーム部と動作制限領域とを示す上面図である。 一実施形態のロボット制御装置によるロボットの制御フローを示したフローチャートである。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。参照する図面において、同様の構成部分または機能部分には同様の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これらの図面は縮尺を適宜変更している。また、図面に示される形態は本発明を実施するための一つの例であり、本発明は図示された形態に限定されるものではない。

図１は、一実施形態のロボット制御装置１０を示す機能ブロック図である。
図１を参照すると、本実施形態のロボット制御装置１０は、産業用のロボット１１を制御するためにロボット１１と相互通信可能に接続されている。
ロボット１１は、図１における二点鎖線の枠内に示されるように、複数のアーム部（リンク部）１１ａを関節部１１ｂにより互いに連結して構成された多関節ロボットである。

ロボット１１により作業を行うために、ロボットハンド、加工ツール、溶接ツールなどの各種ツール１１ｃが、ロボット１１の遠位側のアーム部１１ａの末端に在る関節部１１ｂ（以下、手首部と呼ぶこともある。）に着脱可能に取付けられている。手首部は、ロール方向、ピッチ方向、及びヨー方向という３方向にツール１１ｃを動作させられるような関節構造を有しているのが好ましい。

ロボット１１の各関節部１１ｂには、アーム部１１ａを回転駆動するモータ２０が内蔵されている。ロボット制御装置１０は、ロボット１１の各関節部１１ｂ内のモータ２０に速度指令、位置指令、トルク指令などの動作指令を送ることによって各アーム部１１ａを動作させるようになっている。さらに、ロボット１１は、モータ２０の軸位置（回転角度）を検出するエンコーダなどの位置検出器２１を備えている。ロボット制御装置１０は、位置検出器２１により検出されるモータ２０の実際の軸位置と指令値との偏差を補正するように動作指令をモータ２０に出力するサーボアンプ１９を備えている。

本願においては、ロボット１１のアーム部１１ａの回転可能範囲によって定まる範囲内に工作機械やベルトコンベアなどの各種の周辺機械または構造物（図示せず）が設置される状況を想定している。例えば、ロボット１１が、工作機械に対してワークを着脱する作業を行うローダ・アンローダ部として生産現場に設置されるような状況である。こうした状況においてロボット１１が動作プログラムに従って動作したとき、プログラムミスが在ると、ロボット１１の手首部に取付けられたツール１１ｃの先端部（以下、ツール先端部と称す。）が工作機械と干渉することがある。また、ロボット１１に作業動作を教示するためにユーザが教示操作盤２３を使ってロボット１１を動作させたときも、ユーザの操作ミスによりロボット１１のツール先端部が工作機械と干渉することがある。こうした干渉時にロボット１１の発揮可能な最大速度及び最大加速度でツール先端部が動いていたとすると、工作機械は甚大な被害を受ける。そこで、被害を低減するため、本願においては、ロボット１１を高速動作させない領域、すなわち動作制限領域Ａをユーザがロボット制御装置１０内に事前に設定登録できるようにしている。さらに、ロボット制御装置１０は、その動作制限領域Ａ内にツール先端部の位置が有る間はロボット１１の速度や加速度を制限するように構成されている。

図２は、ロボット制御装置１０により動作されるロボット１１のアーム部１１ａと動作制限領域Ａとを示す上面図である。但し、図２に示されるアーム部１１ａは、ロボット１１の遠位側に在ってツールが取付けられたアーム部とする。また、動作制限領域Ａは、実際の空間においては視認不能な領域であるが、理解を容易にするために点線の枠により図示されている。
図２に示されるように、ロボット１１のツール先端部の位置が、位置Ｐ１から位置Ｐ２へ向かって旋回されるとする。このとき、ツール先端部が、点線で示される動ユーザ作制限領域Ａを通過する間は、ロボット１１の動作制限が行われる。このため、ツール先端部が動作制限領域Ａにおける工作機械などと干渉したとしても、工作機械の損傷を小さく抑えることができる。
一方、ロボット１１のツール先端部が動作制限領域Ａに入る前と動作制限領域Ａを出た後は、ロボット１１の動作制限は行われず、動作指令どおりの速度や加速度でロボット１１のアーム部１１ａは旋回する。このため、速度や加速度を制限するパラメータを予め設定しておく方法や、教示モードに切替えてロボットの動作を所定の安全速度に制限してロボットの教示操作を行う方法と比べ、ロボット１１の動作効率が向上する。

動作制限領域Ａは、例えば、図２に示されるように直方体の内側として定義される。この場合には、直方体の頂点の座標値が、後述する動作制限領域設定部１６から数値入力されて判定部１７に保存される。その座標値は、ロボット１１のワールド座標系における位置であることが好ましい。また、動作制限領域Ａは複数の領域として定義されてもよく、また、形状は直方体に限定されない。

さらに、再び図１を参照して、上述した本実施形態のロボット制御装置１０をより具体的に説明する。
図１に示されるように、本実施形態のロボット制御装置１０は、動作指令部１２、教示モード指令部１３、記憶部１４、ロボットツール先端位置計算部１５、動作制限領域設定部１６、判定部１７、動作制限部１８、サーボアンプ１９を備える。以下、これら構成要素の機能を説明する。

ロボット制御装置１０の制御対象であるロボット１１の各軸を駆動するモータ２０はサーボモータである。
動作指令部１２は、予め作成されたロボット動作プログラムに従ってロボット１１を動作させる指令信号（動作指令）を出力する。ロボット動作プログラムは記憶部１４内に記憶されている。ユーザが、ロボット制御装置１０に通信可能に接続された上位コンピュータ２２を使って作成し、記憶部１４に記憶させてもよい。記憶部１４は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）といったメモリ装置や、ハードディスクといった磁気記憶装置などである。
教示モード動作指令部１２は、ユーザが教示操作盤２３を使ってロボット１１を操作する信号をロボット制御装置１０に入力すると、その入力信号に応じた指令信号（動作指令）を生成および出力する。

サーボアンプ１９は、動作指令部１２から出力される指令信号を後述する動作制限部１８を介して受取って、この指令信号と、モータ２０の軸位置（回転角度）を検出する位置検出器２１からの出力信号とが一致するようにモータ２０を制御する機能を有する。位置検出器２１にはエンコーダが使用されるのが好ましい。また、サーボアンプ１９はロボット制御装置１０外に設けられていてもよい。

ロボットツール先端位置計算部１５は、ロボット１１の動作中に、ロボット１１に取付けられたツール１１ｃの先端部の位置、すなわちツール先端部の位置を計算する機能を有する。算出されるツール先端部の位置は、ロボット１１のワールド座標系における座標値で表されるものとする。
動作制限領域設定部１６は、ユーザがロボット１１のワールド座標系における座標値によって任意の大きさの動作制限領域Ａを設定するために設けられている。動作制限領域Ａは、ロボット１１が設置された実空間においてロボット１１の高速動作が許されない領域である。例えばロボット１１が工作機械に対してワークを着脱する作業を行う場合、その工作機械を包む領域が動作制限領域Ａとして設定される。
動作制限領域設定部１６は、上位コンピュータ２２または教示操作盤２３などに付属されたキーボードまたはタッチパネルなどの入力装置から構成されてもよい。動作制限領域設定部１６により設定された動作制限領域Ａの座標値データは、後述する判定部１７に送られて保存される。

判定部１７は、ロボットツール先端位置計算部１５により計算されたツール先端部の位置が、動作制限領域設定部１６により設定された動作制限領域Ａ内に有るか無いかを判定する機能を有する。
動作制限部１８は、ツール先端部の位置が動作制限領域Ａ内に有ることが判定部１７により判定された場合、ロボット１１の速度及び加速度のうちの少なくとも一方を所定の値以下に制限する機能を有する。具体的には、動作制限部１８は、ツール先端部の位置が動作制限領域Ａ内に有る間、ロボット１１に出力すべき動作指令のうちの速度や加速度の指令値のみを一定の割合で小さくすることにより、ロボット１１の速度及び加速度のうちの少なくとも一方を所定の値以下に低下させる。

前述したロボット制御装置１０は、ロボット１１の動作制限領域Ａをグラフィック表示する表示部（図示せず）を備えていてもよい。また、表示部は、上位コンピュータ２２に付属される表示パネルや、教示操作盤２３に備わる表示画面により構成されてもよい。このような表示部を備えることにより、ユーザは、ロボット１１の動作制限領域Ａの設定を表示部により確認しながら行えるようになる。

図３は、図１に示されたロボット制御装置１０によるロボット１１の処理フローを示したフローチャートである。
以下、図１〜図３を参照しつつ、図１に示されたロボット制御装置１０の動作について説明する。但し、図３のステップＳ１１が実施されるときには、動作制限領域Ａが動作制限領域設定部１６により設定されて判定部１７に入力されているものとする。

はじめに、図３のステップＳ１１において、ロボット制御装置１０のロボットツール先端位置計算部１５は、現在動作中のロボット１１におけるツール先端部の位置を計算する。
例えば、ロボットツール先端位置計算部１５は、エンコーダなどの位置検出器２１から所定時間毎、例えば制御周期毎に、ロボット１１の各関節部１１ｂ内のモータ２０の軸位置（回転角度）を読取る。そして、ロボットツール先端位置計算部１５は、読取った各モータ２０の回転角度及び、各アーム部１１ａやツール１１ｃなどの機構部の設計寸法、例えば各モータ軸間の長さに基づき、ロボット１１のワールド座標系におけるツール先端部の位置を計算する。上記の機構部の設計寸法は事前にロボット制御装置１０に記憶されている。

続いて、図３のステップＳ１２において、判定部１７は、ロボットツール先端位置計算部１５により計算されたツール先端部の位置が、動作制限領域設定部１６により予め設定された動作制限領域Ａ内に有るか無いかを判定する。この判定の結果、ツール先端部の位置が動作制限領域Ａ内に有る場合は、図３のステップＳ１３が行われる。

図３のステップＳ１３においては、動作制限部１８がロボット１１の速度及び加速度のうちの少なくとも一方を所定の値以下に制限する。
例えば、動作制限部１８は、図１に示された動作指令部１２または教示モード指令部１３から出力される動作指令のうちの速度や加速度の指令値のみをそれぞれ所定の閾値以下に低減してサーボアンプ１９に出力する。これにより、生産中でもロボット教示中でもツール先端部の位置が動作制限領域Ａ内に有る間は、ロボット１１の速度や加速度が所定の安全値以下に抑えられながら、ロボット１１は指令された動作を履行する。
一方、上記ステップＳ１２において、ツール先端部の位置が動作制限領域Ａ内に無いと判定された場合には、ロボット１１の速度や加速度を制限することは行われない。つまり、動作指令部１２または教示モード指令部１３から出力された動作指令どおりの速度や加速度でロボット１１は動作する（図３のステップＳ１４）。

さらに、前述のステップＳ１３またはステップＳ１４の処理が実行されると、動作指令の終了信号が出たかどうかが判別される（図３のステップＳ１５）。このステップにおいて動作指令の終了信号が出たと判断されると、ロボット１１の動作は終了する。一方、動作指令の終了信号が出ていないと判断されている間、言い換えれば、動作指令が出力されている間は前述のステップＳ１１〜ステップＳ１５の一連の処理が繰返される。

以上に説明したように、生産設備において例えば工作機械に対するワークの着脱をロボット１１に行わせる場合、ユーザは、工作機械を含む任意の領域を動作制限領域Ａとしてロボット制御装置１０内に事前に設定することができる。ロボット制御装置１０は、生産時や教示時にロボット１１におけるツール先端部の位置を計算し、該ツール先端部の位置が動作制限領域Ａ内に有る間はロボット１１の速度及び加速度を制限するように構成されている。このため、生産中やロボット教示中にプログラムミスや操作ミスにより工作機械とロボット１１が干渉した場合でも、ロボット１１の速度や加速度を制限しない場合に比べて被害を小さくすることができる。
さらに、ロボット制御装置１０は、ツール先端部の位置が動作制限領域Ａ内に無ければロボット１１の速度及び加速度を制限しないように構成されている。このため、速度制限をする必要の無い動作領域でロボットの速度や加速度が低下するのを回避することができ、生産中や教示中のロボット１１の動作効率が向上する。

なお、上述した実施形態のロボット制御装置１０は、バスを介して互いに接続された、記憶部、ＣＰＵ（control processing unit）、および通信部などを備えたコンピュータシステムを用いて構成されうる。該記憶部は、ＲＯＭ（read only memory)やＲＡＭ（random access memory）などである、また、上述したようなロボット制御装置１０が備える動作指令部１２、教示モード指令部１３、ロボットツール先端位置計算部１５、動作制限領域設定部１６、判定部１７、動作制限部１８、等の機能や動作は、ＲＯＭに記憶されたプログラムがＣＰＵにより実行されることよって達成されうる。

以上、典型的な実施形態を用いて本発明を説明したが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなしに、上述の各実施形態に変更及び種々の他の変更、省略、追加を行うことができるのを理解できるであろう。

１０ ロボット制御装置
１１ ロボット
１１ａ アーム部
１１ｂ 関節部
１１ｃ ツール
１２ 動作指令部
１３ 教示モード指令部
１４ 記憶部
１５ ロボットツール先端位置計算部
１６ 動作制限領域設定部
１７ 判定部
１８ 動作制限部
１９ サーボアンプ
２０ モータ
２１ 位置検出器
２２ 上位コンピュータ
２３ 教示操作盤

Claims (2)

1. 産業用のロボット（１１）を制御するロボット制御装置（１０）であって、
   前記ロボット（１１）の動作中、前記ロボット（１１）に取付けられたツール（１１ｃ）の先端部の位置を計算するロボットツール先端位置計算部（１５）と、
   ユーザが前記ロボット（１１）のワールド座標系における座標値によって任意の大きさの動作制限領域（Ａ）を設定するために設けられた動作制限領域設定部（１６）と、
   前記ロボットツール先端位置計算部（１５）により計算された前記先端部の位置が、前記動作制限領域設定部（１６）により定められた前記動作制限領域（Ａ）内に有るか無いかを判定する判定部（１７）と、
   前記先端部の位置が前記動作制限領域（Ａ）内に有ることが前記判定部（１７）により判定された場合、前記ロボット（１１）の速度及び加速度のうちの少なくとも一方を制限するようになされた動作制限部（１８）と、
   を備えたロボット制御装置（１０）。
2. 前記ロボット（１１）は、工作機械に対してワークを着脱する作業を行うロボットであり、
   前記動作制限領域（Ａ）は、前記工作機械を含む領域である、請求項１に記載のロボット制御装置（１０）。

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