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WO2018147359A1 - ロボット制御方法およびロボット - Google Patents

ロボット制御方法およびロボット Download PDF

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WO2018147359A1
WO2018147359A1 PCT/JP2018/004357 JP2018004357W WO2018147359A1 WO 2018147359 A1 WO2018147359 A1 WO 2018147359A1 JP 2018004357 W JP2018004357 W JP 2018004357W WO 2018147359 A1 WO2018147359 A1 WO 2018147359A1
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monitoring
model
coordinate system
monitoring area
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PCT/JP2018/004357
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French (fr)
Inventor
靖啓 衣笠
Original Assignee
パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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Publication date
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Priority to EP18752067.1A priority patent/EP3581348A4/en
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
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    • G05B2219/49—Nc machine tool, till multiple
    • G05B2219/49142—Shut off power, stop if outside working zone

Definitions

  • the present invention relates to an area setting method for monitoring the operation of a robot and a robot using the method.
  • one welding robot welds two welding objects alternately, and a person replaces the other welding object while the welding robot welds one welding object.
  • robot monitoring model 200 a spherical or capsule-shaped three-dimensional model 200 (hereinafter referred to as “robot monitoring model 200”) that covers the robot 100 and the auxiliary devices is set, and further, a safety region in which the robot can operate. 300 and a non-safe area 400 where the robot cannot operate are set. Then, the position of the robot monitoring model 200 in the space is monitored, and when the robot monitoring model 200 tries to enter the non-safe area, the operation of the robot is stopped.
  • Patent Literature 1 discloses a technology that can easily set a safe area.
  • the safe area is set not by direct numerical input but by a drag operation, and the safe area is moved, enlarged, or reduced by the drag operation.
  • the movable range of the robot is assumed on the assumption that the X-axis, Y-axis, and Z-axis of the robot coordinate system are parallel to the X-axis, Y-axis, and Z-axis of the user equipment, respectively.
  • the safety area is set to include the whole. Therefore, even when the X, Y, and Z axes of the robot coordinate system are not parallel to the X, Y, and Z axes of the user equipment, the safety area is set to include the entire movable range of the robot. End up. In this case, the safety area must be increased, and an extra non-safe area that is not necessary in the safety area is created, and the ratio of the area in which the robot can operate is reduced.
  • the present invention provides a robot control method capable of setting a suitable monitoring area according to user equipment.
  • the robot control method of the present invention sets a robot monitoring model that covers at least a part of the robot, and sets a monitoring area for monitoring the operable range of the robot in parallel to the coordinate system of the robot.
  • Set convert the position of the constituent point, which is an arbitrary point included in the robot monitoring model, to a position in a coordinate system different from the coordinate system of the robot, and use the converted position of the constituent point to It is determined whether or not the boundary surface of the monitoring area is touched, and when it touches, the operation of the robot is stopped.
  • the robot control method of the present invention can set a suitable monitoring area according to the user equipment.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a robot according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart of the robot control method according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3A is a diagram for explaining a sphere model according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3B is a diagram for explaining a capsule model according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the robot monitoring model according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining a monitoring area in the embodiment of the present invention.
  • FIG. 6A is a diagram for explaining the contact between the robot monitoring model and the monitoring area in the embodiment of the present invention.
  • FIG. 6B is a diagram for explaining the contact between the robot monitoring model and the monitoring area in the embodiment of the present invention.
  • FIG. 6C is a diagram for explaining the contact between the robot monitoring model and the monitoring area in the embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the robot coordinate system and the user coordinate system in the embodiment of the present invention.
  • FIG. 8A is a diagram for explaining the relationship between the robot monitoring model and the monitoring area.
  • FIG. 8B is a diagram for explaining the relationship between the robot monitoring model and the monitoring area.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining setting of the robot coordinate system and the user coordinate system.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining a case where the monitoring area is rotationally converted based on the user coordinate system.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining the relationship between the robot monitoring model and the monitoring area.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a robot in the present embodiment.
  • the robot includes a robot main body 1 including a robot arm 6 having a six-axis joint, a control device 2 that controls the operation of the robot arm 6, and a connection cable 9 that connects the robot main body 1 and the control device 2.
  • the operation device 3 with a display communicates with the control device 2 to perform operation setting, operation control, and the like of the robot arm 6.
  • the robot body 1 includes a plurality of motors 4 for operating the robot arm 6 and a plurality of encoders 5 for detecting the amount of rotation of each motor 4.
  • the robot body 1 feeds back position information of each motor 4 to the control device 2.
  • the control device 2 has a CPU 7 for controlling the control device 2 and a RAM 8 capable of reading and writing.
  • the RAM 8 stores a robot teaching program, a robot function setting, and the like created by the robot operator using the operation device 3.
  • the RAM 8 can store a position command to the robot body 1 and the like.
  • the control device 2 includes a servo driver 10 and a safety unit 11.
  • the CPU 7 controls the motor 4 by giving an operation command to the servo driver 10.
  • the safety unit 11 receives information on the encoder 5 and an operation command from the CPU 7 and determines whether the encoder 5 has failed.
  • the robot control method according to the present embodiment is a method for ensuring the safety of the robot, which is performed using a robot monitoring model and a monitoring area. Specifically, in the present embodiment, the robot body 1 is controlled so as to operate inside the monitoring area. That is, when the robot body 1 goes outside the monitoring area, the operation of the robot body 1 is stopped.
  • FIG. 2 is a flowchart of the robot control method.
  • the control device 2 activates the robot body 1. Thereafter, the safety unit 11 determines the contact between the robot monitoring model and the monitoring area, and stops the robot body 1.
  • step ST1 the control device 2 activates the robot main body 1, and then in step ST2, the control device 2 operates (moves, stops, etc.) the robot main body 1 and proceeds to step ST3.
  • Subsequent steps ST3 to ST9 are processes periodically performed by the safety unit 11.
  • step ST3 the safety unit 11 acquires encoder data from the encoder 5.
  • step ST4 the safety unit 11 calculates the angle of the motor 4 from the acquired encoder data, the reduction ratio of each axis of the motor 4 and the motor origin information, and further calculates the position of the motor 4 from the angle of the motor 4.
  • step ST5 the safety unit 11 calculates the position of the robot monitoring model and the monitoring area in the robot coordinate system (hereinafter referred to as “robot coordinate system”) based on the motor position calculated in step ST4.
  • robot coordinate system the robot coordinate system
  • the robot monitoring model is configured by combining a plurality of spherical three-dimensional models (hereinafter referred to as “spherical models”) and capsule-shaped three-dimensional models (hereinafter referred to as “capsule models”) so as to cover the robot body 1. ing.
  • the robot monitoring model is a three-dimensional outer shell configured by combining a plurality of spherical models and capsule models.
  • the sphere model 35 includes a center position P0 and a radius R of the sphere.
  • the capsule model 36 includes two constituent points P1 and P2 and a capsule radius R1.
  • FIG. 4 shows a robot monitoring model composed of a plurality of three-dimensional models.
  • the robot body 1 has a six-axis joint, and each motor 4 has a first axis position 37, a second axis position 38, a third axis position 39, a fourth axis position 40, a fifth axis position 41, and a sixth axis position.
  • the robot monitoring model includes a capsule model 43, a capsule model 44, a capsule model 45, an accessory device model 46, and a tool model 47 so as to cover the robot body 1.
  • the capsule model 43 covers the first axis position 37 and the second axis position 38, and the radius is r1.
  • the capsule model 44 covers the fourth axis position 40 and the fifth axis position 41, and has a radius r2.
  • the capsule model 45 covers the fifth axis position 41 and the sixth axis position 42, and has a radius r3.
  • the accessory device model 46 is a sphere model that covers the accessory device, and its center position has a shift amount s1 from the third axis position, and its radius is r4.
  • the tool model 47 is configured by combining a plurality of capsule models and a sphere model.
  • step ST5 of FIG. 2 the three-dimensional position of each motor in the robot coordinate system is calculated from the length of the robot arm 6 and the angle of each axis calculated in step ST4.
  • the second axis position 38 and the third axis position 39 are set as the constituent points of the capsule model 43, and the radius r1 is set.
  • the fourth axis position 40 and the fifth axis position 41 are set as the constituent points of the capsule model 44, and the radius r2 is set.
  • the fifth axis position 41 and the sixth axis position 42 are set as the constituent points of the capsule model 45, and the radius r3 is set.
  • the center position is set to the shift amount s1 from the third axis position 39, and the radius r4 is set.
  • the tool model 47 sets the constituent points and the radius of the sphere model and the capsule model with the sixth axis position 42 as a reference.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the monitoring area.
  • the monitoring area is configured as a rectangular parallelepiped having the configuration points Q1 and Q2 as diagonals. These two points are set by the user inputting the XYZ coordinates of the two points Q1 and Q2 on the robot coordinate system using the operating device 3 before the start of this control flow.
  • step ST5 the position of the monitoring area is calculated using the set value.
  • step ST5 the process proceeds to step ST9, after converting the robot monitoring model into the user coordinate system, the process proceeds to step ST6.
  • step ST6 the description after step ST6 will be given prior to the description of step ST9.
  • step ST6 contact between the robot monitoring model and the monitoring area set in parallel with the robot coordinate system is determined.
  • the robot coordinate system and the monitoring area are parallel because the X, Y, and Z axes of the robot coordinate system are parallel to the X, Y, and Z axes of the user equipment, respectively. is there. Therefore, the “monitoring area set parallel to the robot coordinate system” means that the X axis of the monitoring area is parallel to the X axis of the robot coordinate system and the Y axis of the monitoring area is parallel to the Y axis of the robot coordinate system. And the monitoring area in a state where the Z-axis of the monitoring area is parallel to the Z-axis of the robot coordinate system.
  • 6A is a view of the robot coordinate system 50 as viewed from the Z axis + side.
  • a sphere model 49 that is a robot monitoring model shows a pattern in which the monitoring area 48 exists.
  • the radius of the sphere model 49 is R, and the center coordinates are P0 (x, y, z).
  • this monitoring area 48 is composed of configuration points Q1 (x1, y1, z1) and Q2 (x2, y2, z2) as in FIG. 5, and the inside of the monitoring area 48 is set as a safety area. Yes. That is, the robot main body 1 can freely move within the monitoring area 48.
  • FIG. 6B shows a pattern in which the sphere model 49 is outside the monitoring area 48. In this case, it can be seen that the right side x ⁇ x2-R in (Equation 1) is not established.
  • the determination is made based on the configuration points and radii of each robot monitoring model set in step ST5 and the configuration points of the monitoring area.
  • the basic concept of the capsule model is the same as that of the sphere model, and the safety unit 11 determines safety or non-safety based on the distance between the capsule model and the monitoring area.
  • step ST7 if it is determined in step ST7 that the relationship between the robot monitoring model and the monitoring area is safe as a result of the determination of the contact between the robot monitoring model and the monitoring area, the process returns to step ST3. If it is determined that the relationship between the robot monitoring model and the monitoring area is unsafe, the process proceeds to step ST8 where an emergency stop is performed on the robot body 1 to stop the operation of the robot body 1.
  • step ST9 is further added between step ST5 and step ST6.
  • step ST9 the robot monitoring model is calculated based on the coordinate system specified by the user.
  • the conversion in step ST9 will be described in detail.
  • FIG. 7 shows a robot coordinate system 24 and a user coordinate system 23 that is freely designated by the user. Since the configuration point P of the robot monitoring model indicates the same position when viewed from the user coordinate system 23 and when viewed from the robot coordinate system 24, the relationship of (Equation 4) is established.
  • step ST9 the position of the robot monitoring model calculated in step ST5 is converted to the position of the robot monitoring model as viewed from the user coordinate system by performing the conversion calculation of (Equation 5). Then, the contact determination between the converted robot monitoring model and the monitoring area is performed in step ST6.
  • an optimum monitoring area can be set.
  • an optimal setting can be made without unnecessarily restricting the operation range of the robot.
  • the robot monitoring model is converted into the user coordinate system.
  • the monitoring area may be converted into the user coordinate system.
  • the influence on the existing process is increased.
  • FIG. 8A shows a view of the monitoring area 26 and the robot monitoring model 27 as viewed from the Z axis + side of the robot coordinate system 25.
  • the monitoring area 26 is rotated by ⁇ around the Z axis of the robot coordinate system 25.
  • the user coordinate system 28 (Xu, Yu, Zu) for rotating the monitoring area 26 is shown in FIG.
  • Zu is set in the same direction as the Z direction of the robot coordinate system 25.
  • Xu and Yu are set to rotate + ⁇ from the X and Y axes of the robot coordinate system 25.
  • U0, U1 and U2 shown in FIG. 9 are constituent points of the user coordinate system 28, respectively.
  • the user coordinate system 28 is created when the user uses the operation device 3 and inputs three XYZ positions in the robot coordinate system or designates three points registered in the control device 2.
  • FIG. 10 shows the monitoring area 33 after conversion when the monitoring area 26 displayed by a broken line is rotated with reference to the user coordinate system 28.
  • the process of step ST6 in the flowchart of FIG. 2 cannot be used. This is because the calculation in step ST6 is based on the premise that the monitoring area is arranged in parallel with the robot coordinate system.
  • FIG. 6C shows the relationship between the converted monitoring area 52 and the spherical model 49 when the monitoring area 48 of FIG. 6A is rotated about the Z axis by ⁇ .
  • the distance from the center of the sphere model 49 to the boundary surface of the monitoring region 48 that separates safety and non-safety is larger than the radius R of the sphere. Therefore, (Expression 1) and (Expression 2), which are determination formulas when the sphere model 49 exists in the monitoring region 48, are satisfied. Nevertheless, a part of the sphere model 49 is out of the monitoring area 48. If a part of the sphere model 49 is outside the monitoring area 48, it should be determined as unsafe.
  • FIG. 8B shows the positional relationship between the robot monitoring model and the monitoring area at this time.
  • FIG. 8B shows the robot monitoring model 34 after conversion when the monitoring area 26 is not changed and conversion processing is performed only on the robot monitoring model.
  • the positional relationship between the robot monitoring model 27 and the monitoring area 26 in FIG. 8B matches the positional relationship when the monitoring area is converted in FIG. However, since the monitoring area 26 is arranged in parallel with the robot coordinate system 25, it can be seen that the contact determination can be performed with the converted robot monitoring model while using the conventional calculation processing as it is.
  • the coordinates of the robot monitoring model can be not converted by using the homogeneous conversion matrix of (Equation 5) as a unit matrix. Therefore, the conversion calculation in step ST9 can always be performed.
  • the conventional determination process can be used to realize coordinate transformation of the monitoring area, so that the quality as a product can be maintained and the evaluation man-hours required for the operation check are reduced. There is an advantage that you can.
  • step ST6 If the determination process (step ST6) is changed, it is necessary to confirm that the determination process operates correctly as before even after the change. It is also necessary to confirm that the newly added conversion calculation can be performed correctly.
  • the robot control method of the present embodiment can use the conventional determination process, the determination process does not require confirmation, and the same quality as the conventional one can be maintained. In the robot control method of this embodiment, it is only necessary to confirm the newly added conversion calculation, so that product quality can be maintained while reducing the number of confirmation steps.
  • the safety unit 11 in the control device 2 repeatedly executes the processes from ST3 to ST9. To do.
  • the safety unit 11 ensures the safety of the robot system by performing contact determination between the robot monitoring model and the monitoring area and performing a process of stopping the robot body 1.
  • the reference coordinate system is set regardless of the robot coordinate system, and the monitoring area can be moved in parallel or rotationally according to the reference coordinate system. Therefore, the monitoring area can be freely arranged (rotated or translated) while maintaining the quality as a product. Therefore, it is possible to set an optimum monitoring area according to the user equipment, and as a result, it is possible to ensure safety without unnecessarily restricting the freedom of movement and the movement range of the robot.
  • a coordinate system in which a monitoring area is desired to be set is set, and the position of the robot monitoring model viewed from the coordinate system is converted into the robot coordinate system.
  • the monitoring area can be freely set without changing the determination process between the robot monitoring model and the monitoring area on the existing robot coordinate system.
  • the robot monitoring model can be converted into an arbitrary coordinate system. Therefore, the robot can be operated even at a position where the robot was originally stopped.
  • the embodiment of the present invention it is possible to set an optimal monitoring area according to the user equipment, and the robot can operate with the minimum necessary limit, thereby improving the use efficiency of the equipment while ensuring safety. Can be raised.
  • the safety unit 11 performs the processes of steps ST3 to ST9, but the CPU 7 of the control device 2 may perform the processes.
  • the robot monitoring model may be set to cover at least a part of the robot body 1 as long as it can cover a range necessary as a safety measure for the surroundings of the robot.
  • the robot monitoring area can be set freely, so that the optimum area can be set according to the equipment, and can be applied to welding robots, cutting robots, and the like.

Landscapes

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Abstract

ロボットの少なくとも一部を覆うロボット監視モデルを設定し、ロボットの動作可能範囲を監視するための監視領域を、ロボットの座標系に平行に設定し、ロボット監視モデルに含まれる任意の点である構成点の位置を、ロボットの座標系とは異なる座標系における位置に変換し（ＳＴ９）、変換後の構成点の位置を用いて、ロボット監視モデルが監視領域の境界面に接触するか否かを判定し（ＳＴ６）、接触する場合はロボットの動作を停止させる（ＳＴ８）ロボット制御方法。

Description

ロボット制御方法およびロボット
　本発明はロボットの動作を監視するための領域の設定方法およびその方法を利用するロボットに関する。
　ロボットを使用した生産システムでは、ロボットと人とが共同で作業することがよく行われる。例えば、１台の溶接ロボットが２つの溶接対象物を交互に溶接しており、溶接ロボットが一方の溶接対象物を溶接している間に人が他方の溶接対象物を入れ替える作業がそれにあたる。
　このような作業では、ロボットが誤って人が動作している領域に入り込まないような安全対策が行われる。その安全対策では、図１１のように、ロボット１００および付帯機器を覆う球状またはカプセル状の３次元モデル２００（以降、「ロボット監視モデル２００」という）を設定し、さらに、ロボットが動作できる安全領域３００と、ロボットが動作できない非安全領域４００とを設定する。そして、ロボット監視モデル２００の空間上の位置を監視して、非安全領域にロボット監視モデル２００が入り込もうとした場合にはロボットの動作を停止させる。
　これらの領域はロボットを操作するためのコントローラで設定される。例えば特許文献１には、安全領域の設定を容易に行える技術が開示されている。この技術では、安全領域の設定を直接的な数値入力ではなくドラッグ操作により行い、さらにはドラッグ操作で安全領域の移動、拡大、縮小も行う。
特開２０１６－５９９８０号公報
　しかしながら、特許文献１の技術では、ロボットの座標系のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸がユーザー設備のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対してそれぞれ平行であることを前提として、ロボットの可動範囲全体を含むように安全領域が設定される。そのため、ロボットの座標系のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸がユーザー設備のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対して平行でない場合も、ロボットの可動範囲全体が含まれるように安全領域が設定されてしまう。そうすると、安全領域が大きくならざるを得ず、その安全領域内には本来は必要でない余計な非安全領域ができてしまい、ロボットの動作可能な領域の比率が低下する。
　そこで、本発明は、ユーザー設備に応じた好適な監視領域を設定することができるロボット制御方法を提供する。
　上記課題を解決するため、本発明のロボット制御方法は、ロボットの少なくとも一部を覆うロボット監視モデルを設定し、ロボットの動作可能範囲を監視するための監視領域を、ロボットの座標系に平行に設定し、ロボット監視モデルに含まれる任意の点である構成点の位置を、ロボットの座標系とは異なる座標系における位置に変換し、変換後の構成点の位置を用いて、ロボット監視モデルが監視領域の境界面に接触するか否かを判定し、接触する場合はロボットの動作を停止させることを特徴とする。
　上記構成により、本発明のロボット制御方法は、ユーザー設備に応じた好適な監視領域を設定することができる。
図１は、本発明の実施の形態におけるロボットの概略構成を示す図である。 図２は、本発明の実施の形態におけるロボット制御方法のフローチャートである。 図３Ａは、本発明の実施の形態における球モデルを説明するための図である。 図３Ｂは、本発明の実施の形態におけるカプセルモデルを説明するための図である。 図４は、本発明の実施の形態におけるロボット監視モデルについて説明するための図である。 図５は、本発明の実施の形態における監視領域を説明するための図である。 図６Ａは、本発明の実施の形態におけるロボット監視モデルと監視領域との接触について説明するための図である。 図６Ｂは、本発明の実施の形態におけるロボット監視モデルと監視領域との接触について説明するための図である。 図６Ｃは、本発明の実施の形態におけるロボット監視モデルと監視領域との接触について説明するための図である。 図７は、本発明の実施の形態におけるロボット座標系とユーザー座標系とを説明するための図である。 図８Ａは、ロボット監視モデルと監視領域との関係を説明するための図である。 図８Ｂは、ロボット監視モデルと監視領域との関係を説明するための図である。 図９は、ロボット座標系とユーザー座標系との設定について説明するための図である。 図１０は、監視領域をユーザー座標系をベースに回転変換した場合を説明するための図である。 図１１は、ロボット監視モデルと監視領域との関係を説明するための図である。
　以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
　図１は本実施形態におけるロボットの概略構成を示す図である。ロボットは、６軸の関節を有するロボットアーム６を備えたロボット本体１と、ロボットアーム６の動作を制御する制御装置２と、ロボット本体１および制御装置２をつなぐ接続ケーブル９とを有する。また、ディスプレイ付きの操作装置３は、制御装置２との間で通信を行い、ロボットアーム６の動作設定や動作制御等を行う。
　ロボット本体１は、ロボットアーム６を動作させるための複数のモータ４と、各モータ４の回転量を検出するための複数のエンコーダ５とを備える。ロボット本体１は、制御装置２に各モータ４の位置情報をフィードバックしている。
　制御装置２は、制御装置２を制御するためのＣＰＵ７と、読み取りおよび書き込みが可能なＲＡＭ８とを有している。ＲＡＭ８は、ロボットの操作者が操作装置３によって作成したロボットの教示プログラムやロボットの機能設定等を格納している。また、ＲＡＭ８には、ロボット本体１への位置指令などを保存することもできる。また、制御装置２は、サーボドライバ１０とセーフティユニット１１とを備える。ＣＰＵ７はサーボドライバ１０に動作指令を行うことで、サーボドライバ１０がモータ４を制御する。また、セーフティユニット１１はエンコーダ５の情報とＣＰＵ７からの動作指令とを受けてエンコーダ５が故障していないかを判断している。
　次に、制御装置２によるロボット制御方法について説明する。本実施形態におけるロボット制御方法は、ロボット監視モデルと監視領域とを用いて行う、ロボットの安全を確保するための方法である。具体的に、本実施の形態では、ロボット本体１は監視領域の内部で動作するように制御される。すなわち、ロボット本体１が監視領域の外部に出た場合には、ロボット本体１の動作が停止される。
　図２は、ロボット制御方法のフローチャートである。本実施形態では制御装置２がロボット本体１を起動する。その後、セーフティユニット１１がロボット監視モデルと監視領域との接触を判定して、ロボット本体１を停止させる。
　まず、ステップＳＴ１で制御装置２がロボット本体１を起動し、ついでステップＳＴ２で制御装置２はロボット本体１を動作（移動や停止など）させ、ステップＳＴ３に進む。
　以降のステップＳＴ３～ＳＴ９はセーフティユニット１１が周期的に実施する処理である。
　ステップＳＴ３において、セーフティユニット１１はエンコーダ５からエンコーダデータを取得する。ステップＳＴ４で、セーフティユニット１１は取得したエンコーダデータとモータ４の各軸の減速比とモータ原点情報とからモータ４の角度を計算し、モータ４の角度から更にモータ４の位置を計算する。
　ステップＳＴ５において、セーフティユニット１１はステップＳＴ４で計算したモータ位置に基づいてロボットの座標系（以下、「ロボット座標系」という）におけるロボット監視モデルおよび監視領域の位置を計算する。
　ここで、そのロボット監視モデルおよび監視領域の位置の計算について具体的に説明する。
　ロボット監視モデルは、ロボット本体１を覆うように、球状の３次元モデル（以下、「球モデル」という）とカプセル状の３次元モデル（以下、「カプセルモデル」という）とを複数組み合わせて構成されている。ここで、ロボット監視モデルは、球モデルおよびカプセルモデルが複数組み合わされて構成された立体形状の外殻である。図３Ａに示すように、球モデル３５は中心位置Ｐ０と球の半径Ｒとで構成される。図３Ｂに示すように、カプセルモデル３６は２つの構成点Ｐ１およびＰ２とカプセルの半径Ｒ１とで構成される。
　図４は複数の３次元モデルから構成したロボット監視モデルを示している。ロボット本体１は６軸の関節を有し、各モータ４は第１軸位置３７、第２軸位置３８、第３軸位置３９、第４軸位置４０、第５軸位置４１、第６軸位置４２に配置されている。そして、ロボット監視モデルは、ロボット本体１を覆うように、カプセルモデル４３、カプセルモデル４４、カプセルモデル４５、付帯機器モデル４６およびツールモデル４７から構成される。
　カプセルモデル４３は、第１軸位置３７と第２軸位置３８とを覆い、半径はｒ１である。カプセルモデル４４は、第４軸位置４０と第５軸位置４１とを覆い、半径はｒ２である。カプセルモデル４５は、第５軸位置４１と第６軸位置４２とを覆い、半径はｒ３である。付帯機器モデル４６は、付帯機器を覆う球モデルであって、その中心位置は第３軸位置からのシフト量がｓ１であり、その半径はｒ４である。ツールモデル４７は、複数のカプセルモデルと球モデルとを組み合わせて構成されている。
　図２のステップＳＴ５のロボット監視モデル計算では、まずロボットアーム６の長さと、ステップＳＴ４において算出した各軸の角度とから、各モータのロボット座標系における３次元上の位置を計算する。
　次に、カプセルモデル４３の構成点として第２軸位置３８と第３軸位置３９とを設定し、半径ｒ１を設定する。同様に、カプセルモデル４４の構成点として第４軸位置４０と第５軸位置４１とを設定し、半径ｒ２を設定する。同様に、カプセルモデル４５の構成点として第５軸位置４１と第６軸位置４２とを設定し、半径ｒ３を設定する。付帯機器モデル４６は、中心位置を第３軸位置３９からのシフト量ｓ１に設定し、半径ｒ４に設定する。ツールモデル４７は第６軸位置４２を基準として、球モデルおよびカプセルモデルの構成点と半径とを設定する。
　各モデル４３～４７の値ｒ１～ｒ４、ｓ１等については、本制御フローの開始前に予め標準値が設定されているが、ユーザーが操作装置３を用いて値を変更することも可能となっている。
　図５は、監視領域を説明するための図である。監視領域は構成点Ｑ１、Ｑ２を対角とする直方体として構成される。この２点は本制御フローの開始前にユーザーが操作装置３を使用してロボット座標系上の２点Ｑ１、Ｑ２のＸＹＺ座標を入力して設定している。ここでは、（Ｑ２のＺ軸の座標値）＞（Ｑ１のＺ軸の座標値）としている。ステップＳＴ５ではその設定値を用いて監視領域の位置を計算している。
　図２のフローチャートでは、ステップＳＴ５後、ステップＳＴ９に進み、ロボット監視モデルをユーザー座標系に変換した後、ステップＳＴ６に進む。しかし、ここでは便宜上、ステップＳＴ９の説明よりも先にステップＳＴ６以降の説明を行う。
　ステップＳＴ６において、ロボット監視モデルと、ロボット座標系に平行に設定した監視領域との接触を判定する。ここで、ロボット座標系と監視領域とが平行であるとは、ロボット座標系のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸がユーザー設備のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対してそれぞれ平行であることである。したがって、「ロボット座標系に平行に設定した監視領域」とは、監視領域のＸ軸がロボット座標系のＸ軸に平行であり、且つ、監視領域のＹ軸がロボット座標系のＹ軸と平行であり、且つ、監視領域のＺ軸がロボット座標系のＺ軸と平行である状態の監視領域のことである。
　ここで、球モデルを例に接触判定について説明する。図６Ａは、ロボット座標系５０のＺ軸＋側から見た図である。この例では、ロボット監視モデルである球モデル４９が監視領域４８の内部に存在するパターンを示している。球モデル４９の半径はＲであり、中心座標はＰ０（ｘ，ｙ，ｚ）である。
　なお、この監視領域４８は図５と同様に構成点Ｑ１（ｘ１，ｙ１，ｚ１）とＱ２（ｘ２，ｙ２，ｚ２）とによって構成されており、監視領域４８の内部を安全領域として設定している。すなわち、監視領域４８の内部では、ロボット本体１は自由に動作することが可能である。
　球モデル４９が監視領域４８内にある場合、図６Ａから分かるように、球モデル４９の中心座標Ｐ０に関して下記の式が成り立つ。
　　ｘ１＋Ｒ＜ｘ＜ｘ２－Ｒ　　　（式１）
　　ｙ１＋Ｒ＜ｙ＜ｙ２－Ｒ　　　（式２）
　　ｚ１＋Ｒ＜ｚ＜ｚ２－Ｒ　　　（式３）
　これらの３条件が成立する場合に球モデル４９は監視領域４８の内部に存在する。なお、球モデル４９が監視領域４８の外に出ているパターンを図６Ｂに示しているが、この場合は（式１）の右辺ｘ＜ｘ２－Ｒが成立していないことが分かる。
　このように、ステップＳＴ６の接触判定では、ステップＳＴ５で設定した各ロボット監視モデルの構成点および半径と監視領域の構成点とに基づいて判定を行う。そして、上記の３条件が成立しない場合、すなわち、球モデル４９が監視領域４８の境界面に接触している場合、および、球モデル４９の少なくとも一部が監視領域４８の外部に出ている場合に、非安全と判定している。
　なお、カプセルモデルについても基本的な考えは球モデルと同様であり、セーフティユニット１１は、カプセルモデルと監視領域との距離に基づき安全または非安全を判定している。
　次に、ステップＳＴ７において、ロボット監視モデルと監視領域との接触の判定の結果、ロボット監視モデルと監視領域の関係が安全と判定すれば、ステップＳＴ３に戻る。ロボット監視モデルと監視領域との関係が非安全と判定すれば、ステップＳＴ８に進み、ロボット本体１に非常停止をかけて、ロボット本体１の動作を停止させる。
　以上の制御フローは、ロボット座標系のみを用いて安全または非安全を判定し、その結果に基づいてロボットを制御している。これは、一般的に行われている制御方法である。本実施形態では、ステップＳＴ５とステップＳＴ６の間にさらにステップＳＴ９を追加している。
　このステップＳＴ９ではロボット監視モデルをユーザーが指定した座標系に基づいて変換する計算をおこなっている。このステップＳＴ９での変換について詳細に説明する。
　図７ではロボット座標系２４とユーザーが自由に指定するユーザー座標系２３とを示している。ロボット監視モデルの構成点Ｐは、ユーザー座標系２３から見た場合とロボット座標系２４から見た場合とで同じ位置を示すことから、（式４）の関係性がなりたつ。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　この式を変形することで（式５）が導出される。ユーザー座標系２３でのロボット監視モデルの位置関係は（式５）で表現できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ステップＳＴ９においてはステップＳＴ５で計算したロボット監視モデルの位置に対して、（式５）の変換計算を行うことで、ユーザー座標系上からみたロボット監視モデルの位置へと変換している。そして変換したロボット監視モデルと監視領域との接触判定をステップＳＴ６でおこなうことになる。
　このように、ロボット座標系２４とは関係ないユーザー座標系２３を設定し、そのユーザー座標系２３に応じて監視領域が平行あるいは回転移動できるようにすることで、最適な監視領域を設定できるようにし、ロボットの動作範囲を無駄に制限せずに最適な設定とすることができる。
　なお、上記ではロボット監視モデルをユーザー座標系に変換する例を説明したが、例えば監視領域をユーザー座標系に変換することも考えられる。しかし、この場合は従来からおこなっていたステップＳＴ６での計算処理を変更する必要があるため、既存処理への影響が大きくなってしまう。
　この監視領域をユーザー座標系に変換する場合について説明する。図８Ａは、監視領域２６とロボット監視モデル２７とをロボット座標系２５のＺ軸＋側から見た図を示している。説明を簡単にするために、監視領域２６をロボット座標系２５のＺ軸まわりにθだけ回転させる場合を考える。
　監視領域２６を回転させるためのユーザー座標系２８（Ｘｕ，Ｙｕ，Ｚｕ）を図９に示す。ユーザー座標系２８では、Ｚｕをロボット座標系２５のＺ方向と同じ向きに設定する。Ｘｕ，Ｙｕは、ロボット座標系２５のＸ軸，Ｙ軸から＋θ回転するように設定する。また、図９に記載のＵ０、Ｕ１およびＵ２は、それぞれユーザー座標系２８の構成点である。
　このユーザー座標系２８はユーザーが操作装置３を使用し、ロボット座標系の３点のＸＹＺ位置を入力する、または制御装置２で登録している３点を指定することにより作成される。
　図１０は破線で表示した監視領域２６をユーザー座標系２８を基準に回転させた場合の変換後の監視領域３３を示している。しかしながら前述したように、図１０のように監視領域２６を監視領域３３に変換する操作を行う場合、図２のフローチャートにおけるステップＳＴ６の処理が使えなくなる。なぜなら、ステップＳＴ６の計算は、監視領域がロボット座標系と平行に配置された場合を前提にしているからである。
　具体例として、図６Ａの監視領域４８をＺ軸まわりにθ回転した場合の変換後の監視領域５２と球モデル４９との関係を図６Ｃに示している。この図から分かるように、Ｘ方向またはＹ方向において、球モデル４９の中心から安全と非安全とを分ける監視領域４８の境界面までの距離は、球の半径Ｒよりも大きい。そのため、球モデル４９が監視領域４８内に存在する場合の判定式である（式１）および（式２）を満たしている。それにも関わらず、球モデル４９の一部は監視領域４８外に出ている。球モデル４９の一部が監視領域４８の外部に出ていれば、それは非安全と判定されるべきである。
　そこで、本実施形態では、（式５）の変換計算をロボット監視モデルに対してのみ行い、監視領域は変更しない。そのため、ロボット監視モデルの位置のみが変わるので、ステップＳＴ６の判定処理は変更しないで済むようになる。
　この時のロボット監視モデルと監視領域との位置関係を示したものが図８Ｂである。図８Ｂは、監視領域２６は変更せず、変換処理をロボット監視モデルに対してのみ行った場合の変換後のロボット監視モデル３４を示している。
　図８Ｂのロボット監視モデル２７と監視領域２６との位置関係は図１０で監視領域を変換した場合の位置関係と一致している。しかし、監視領域２６はロボット座標系２５と平行に配置されているため、従来の計算処理をそのまま使用しながら、変換したロボット監視モデルで接触判定をすることができることが分かる。
　さらにロボット監視モデルの座標を変換したくない場合は（式５）の同次変換行列を単位行列とすることによって、ロボット監視モデルの座標を変換しないことができる。そのため、ステップＳＴ９の変換計算は常時行うことが可能である。
　以上のように、本実施形態では、監視領域の座標変換を実現するため従来の判定処理を使用することができることにより、製品としての品質を維持することができ、動作確認にかかる評価工数を削減できるといったメリットがある。
　仮に判定処理（ステップＳＴ６）を変更した場合は変更後も判定処理が従来と同様に正しく動作することを確認する必要がある。また、新たに追加した変換計算が正しく行えることも確認する必要がある。しかし、本実施形態のロボット制御方法は、従来の判定処理を流用できるので、判定処理については確認が不要であり、従来と同じ品質を維持できる。本実施形態のロボット制御方法は、新たに追加した変換計算の確認のみ行えばよいので、確認工数を削減しつつ、製品品質の維持が可能となる。
　さらに変換計算をする、しないといった処理上の分岐もしなくてよくなるため、さらに確認工数が少なくてすむ。
　以上説明したように、本実施形態のロボット制御方法は、制御装置２がロボット本体１を起動させ、動作させたあとに、制御装置２内のセーフティユニット１１がＳＴ３～ＳＴ９までの処理を繰り返し実行する。セーフティユニット１１は、ロボット監視モデルと監視領域との接触判定を行い、ロボット本体１を停止させる処理を行うことでロボットシステムの安全を確保している。
　このようにして、本発明の実施の形態のロボット制御方法は、ロボット座標系とは関係なく基準座標系を設定し、その基準座標系に応じて監視領域が平行あるいは回転移動できる。したがって、製品としての品質を維持しながら、監視領域を自由に配置（回転や併進移動）させることができる。そのため、ユーザー設備に応じた最適な監視領域を設定することができ、その結果、ロボットの動作自由度や動作範囲を無駄に制限することなく、安全を確保することができる。
　また、本発明の実施の形態のロボット制御方法は、監視領域を設定したい座標系を設定し、その座標系上から見たロボット監視モデルの位置をロボット座標系へと変換する。これにより、既存のロボット座標系上でのロボット監視モデルと監視領域との判定処理を変更することなく、監視領域を自由に設置できる。
　例えば、監視領域の外部にはユーザーが作業を行うためのユーザー設備が設置されている。ユーザーは、ユーザー設備の安全を確保できれば、ロボット監視モデルを任意の座標系に変換することができる。そのため、本来であればロボットが停止していた位置でもロボットを動作させることが可能となる。
　すなわち、本発明の実施の形態によると、ユーザー設備に応じた最適な監視領域が設定できることになり、ロボットは必要最低限の制限で動作が可能となり、安全を確保しながら、設備の使用効率を上げることができる。
　なお、上記説明においてセーフティユニット１１がステップＳＴ３～ＳＴ９の処理を実施したが、制御装置２のＣＰＵ７が実施してもよい。
　また、上記説明において、ロボット監視モデルは、ロボットの周囲に対する安全対策として必要な範囲を覆うことができれば、ロボット本体1の少なくとも一部を覆うように設定されてもよい。
　本発明のロボット制御方法を用いることで、ロボットの監視領域を自由に設定できることにより、設備に応じた最適な領域が設定できることになり、溶接ロボットや切断ロボットなどに適用可能である。
　１　ロボット本体
　２　制御装置
　３　操作装置
　４　モータ
　５　エンコーダ
　６　ロボットアーム
　７　ＣＰＵ
　８　ＲＡＭ
　９　接続ケーブル
　１０　サーボドライバ
　１１　セーフティユニット
　２３　ユーザー座標系
　２４，２５　ロボット座標系
　２６　監視領域
　２７　ロボット監視モデル
　２８　ユーザー座標系
　３３　変換後の監視領域
　３４　変換後のロボット監視モデル
　３５　球モデル
　３６　カプセルモデル
　３７　第１軸位置
　３８　第２軸位置
　３９　第３軸位置
　４０　第４軸位置
　４１　第５軸位置
　４２　第６軸位置
　４３，４４，４５　カプセルモデル
　４６　付帯機器モデル
　４７　ツールモデル
　４８　監視領域
　４９　球モデル
　５０　ロボット座標系
　５２　変換後の監視領域
　１００　ロボット
　２００　３次元モデル
　３００　安全領域
　４００　非安全領域

Claims (2)

  1. 　ロボットの少なくとも一部を覆う領域であるロボット監視モデルを設定し、
    　前記ロボットの動作可能範囲を監視するための監視領域を、前記ロボットの座標系に平行に設定し、
    　前記ロボット監視モデルに含まれる任意の点である構成点の位置を、前記ロボットの座標系とは異なる座標系における位置に変換し、
    　変換後の前記構成点の位置を用いて、前記ロボット監視モデルが前記監視領域の境界面に接触するか否かを判定し、
    　接触する場合は前記ロボットの動作を停止させる
    　ロボット制御方法。
  2. 　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を備えるロボットであって、
    　前記制御装置は、
    　前記ロボット本体の少なくとも一部を覆う領域であるロボット監視モデルを設定し、
    　前記ロボット本体の動作可能範囲を監視するための監視領域を、前記ロボット本体の座標系に平行に設定し、
    　前記ロボット監視モデルに含まれる任意の点である構成点の位置を、前記ロボットの座標系とは異なる座標系における位置に変換し、
    　変換後の前記構成点の位置を用いて、前記ロボット監視モデルが前記監視領域の境界面に接触するか否かを判定し、
    　接触する場合は前記ロボット本体の動作を停止させる
    　ロボット。
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