JP4986154B2 - ロボット、ロボット制御装置、ロボット制御プログラム、ロボット制御プログラムを作成するためのシミュレータ - Google Patents

Description

本発明は、ロボット、ロボット制御装置、ロボット制御プログラム、ロボット制御プログラムを作成するためのシミュレータにかかり、特に人間と連携して安全に作業できるロボット、このロボットに適用されるロボット制御装置、ロボット制御プログラム、このロボット制御プログラムを作成するためのシミュレータに関する。

現在、工場等の作業現場で多くの産業ロボットが人間と共に作業している。従前の産業用ロボットは、主に作業者が立入らない専用の作業エリアで作業していた。しかし、近年では、作業者の人件費にかかるコストを抑えるため、作業者の代わりに同様の作業ができるロボットの開発の要請が高まっている。
作業者と同様に作業できるロボットには、工場等施設の改造をすることなく導入できることが望ましい。したがって、近年の作業ロボットには、大きさや駆動軸が人間に近く、また、人間と同じ作業エリアに入って作業できることが要求されている。

人間と同じ作業エリアで動作するロボットには、作業中に人間と接触することを防ぐ様々な方法がなされている。このような従来技術としては、例えば、非特許文献1、非特許
文献２が挙げられる。
非特許文献１には、作業者と連携して作業するロボットの動作を許可するバーチャルな空間を定義することが記載されている。非特許文献１に記載された技術によれば、ロボットの動作や軸を監視して作業中のロボットがバーチャル空間から出ないように停止位置や速度を制御することができる。

また、非特許文献２には、産業用ロボットの動作軌跡を３Ｄグラフィックで表すシミュレータが記載されている。このようなシミュレータによれば、産業用ロボットが作業者と接触することがない動作やその範囲、さらには作業手順を簡易に判定することができる。
また、非特許文献３には、産業用ロボット、作業者双方の動きを監視する技術が記載されている。非特許文献３の技術では、産業用ロボットと作業者とが接触する可能性のある領域に同時に入った場合、産業ロボットの動きを停止させることができる。このような技術によれば、作業者が人間より重量があって硬いロボットと接触することを未然に防いで作業者の安全性を確保することができる。

Ｅｌａｎ社（ドイツ）、「安全柵なしの人とロボットによる協働」http://www.schmersaljp.com/pdf/SafetyController.pdf（２００７／０９／２５）。 日本デルミア株式会社、「カタログ ＤＥＬＭＩＡ／ＩＧＲＩＰ」http://delmia.jp/download/pdf/igrip_j.pdf（２００７／０９／２５）。 オムロン株式会社「セーフティガード・スイッチングユニットＧ９ＳＸ−ＧＳ」，セーフティコンポ総合カタログ２００８，ｐｐ．５３０−５５４

産業用ロボットの動作や作業エリアを規制することは、当然のことながら作業用ロボットを使った作業の自由度を低くする。一方、産業ロボットの動作や作業エリアの規制を緩和すると、産業用ロボットが作業者に接触する可能性が高まって作業者の安全性が低下するおそれがある。また、産業ロボットが頻繁に停止し、作業効率が低下するおそれがある。
したがって、作業者と共に作業する作業用ロボットには、作業の自由度の低下を抑えながら作業者の安全性や作業効率を確保するという、トレードオフにある条件を満たすことが要求されている。

本発明は、上記した点に鑑みてなされたものであって、産業用ロボットの側の条件と作業者の側の条件とを考慮して両者の接触によって起こる支障の程度に着目した。そして、支障の程度に応じて規制を必要最小限に抑えながら、作業者の安全性をも確保することができるロボット、ロボット制御プログラム、ロボット制御プログラムを作成するためのシミュレータを提供することを目的とする。

以上の課題を解決するため、本発明の請求項１に記載のロボットは、複数の部位を有し、当該部位を動かして自動的に動作可能なロボットであって、前記部位の位置を検出するロボット部位検出手段と、前記ロボット部位検出手段によって検出された位置に基づいて、前記部位を含む空間の少なくとも一部が、予め設定されている立入規制空間に進入したか否かを判断する立入判断手段と、前記立入判断手段によって前記部位が前記立入規制空間を含む空間に進入したと判断された場合、ロボットの動作を停止させる動作停止手段と、を備え、前記立入規制空間は、前記部位の種別、前記部位が進入した空間に存在する可能性がある人体の部分、前記部位の動作にかかる規制に応じて設定されていることを特徴とする。

このような発明によれば、ロボットの特定の部位の種別、部位が進入した空間に存在する可能性がある人体の部分、部位の動作にかかる規制を考慮してロボットの進入を許可するか否か判断することができる。このため、ロボットの進入を一律に制御するよりも動作の自由度を高めることができる。また、ロボットの特定の部位、空間の範囲の種別、動作にかかる規制を考慮することによって支障がでるロボットの接触を確実に防ぎ、安全性は確保することができる。このため、この発明は、ロボットの動作の規制を必要最小限に抑えながら、作業者の安全性をも確保することができるロボットを提供することができる。

また、請求項２に記載のロボット制御装置は、自動的に動作可能なロボットにおいて、ロボットの部位の位置を検出するロボット部位検出手段と、前記ロボット部位検出手段によって検出された位置に基づいて、前記部位を含む空間の少なくとも一部が、予め設定されている立入規制空間に進入したか否かを判断する立入判断手段と、前記立入判断手段によって前記部位が前記立入規制空間を含む空間に進入したと判断された場合、ロボットの動作を停止させる動作停止手段と、を備え、前記立入規制空間は、前記部位の種別、前記部位が進入した空間に存在する可能性がある人体の部分、前記部位の動作にかかる規制に応じて設定されていることを特徴とする。

このような発明によれば、ロボットの特定の部位の種別、部位が進入した空間に存在する可能性がある人体の部分、部位の動作にかかる規制を考慮してロボットの進入を許可するか否か判断することができる。このため、ロボットの進入を一律に制御するよりも動作の自由度を高めることができる。また、ロボットの特定の部位、空間の範囲の種別、動作にかかる規制を考慮することによって支障がでるロボットの接触を確実に防ぎ、安全性は確保することができる。このため、この発明は、ロボットの動作の規制を必要最小限に抑えながら、作業者の安全性をも確保することができるロボット制御装置を提供することができる。

また、請求項３に記載のロボット制御プログラムは、自動的に動作可能なロボット制御プログラムであって、ロボットにおける所定の部位の位置を検出するロボット部位検出ステップと、前記ロボット部位検出ステップにおいて検出された位置に基づいて、前記部位を含む空間の少なくとも一部が、前記部位の種別、前記部位が進入した空間に存在する可能性がある人体の部分、前記部位の動作にかかる規制に応じて予め設定されている立入規制空間に進入したか否かを判断する立入判断ステップと、前記立入判断ステップにおいて前記部位が前記立入規制空間に進入したと判断された場合、ロボットの動作を停止させる動作停止ステップと、を含むことを特徴とする。

このような発明によれば、ロボットの特定の部位の種別、部位が進入した空間に存在する可能性がある人体の部分、部位の動作にかかる規制を考慮してロボットの進入を許可するか否か判断することができる。このため、ロボットの進入を一律に制御するよりも動作の自由度を高めることができる。また、ロボットの特定の部位、空間の範囲の種別、動作にかかる規制を考慮することによって支障がでるロボットの接触を確実に防ぎ、安全性は確保することができる。このため、この発明は、ロボットの動作の規制を必要最小限に抑えながら、作業者の安全性をも確保することができるロボット制御プログラムを提供することができる。

また、請求項４に記載のロボット制御プログラムを作成するためのシミュレータは、自動的に動作可能なロボット制御プログラムを作成するためのシミュレータであって、ロボットにおける所定の部位をハザード源として特定する部位特定手段と、前記部位特定手段によって特定された前記ハザード源の少なくとも一部が進入可能な空間に存在する人及び物に基づいて前記空間を複数の種別に分類し、分類された空間をハザード対象に設定するハザード対象設定手段と、前記ハザード対象、前記ハザード源及び前記ハザード源の動作にかかる規制を含む条件に基づいて、前記ハザード源の進入が許可されない立入規制空間を判定する立入規制空間判定手段と、を備えることを特徴とする。

このような発明によれば、ロボットの特定の部位、空間の範囲の種別、動作にかかる規制を考慮してロボットの進入を許可するか否か判断するシミュレータを作成することができる。このため、ロボットの進入を一律に制御するよりも動作の自由度を高めることができる。また、ロボットの特定の部位、空間の範囲の種別、動作にかかる規制を考慮することによって支障がでるロボットの接触を確実に防ぎ、安全性は確保することができる。このため、この発明は、ロボットの動作の規制を必要最小限に抑えながら、作業者の安全性をも確保することができるロボット制御プログラムを作成するシミュレータを提供することができる。

また、請求項５に記載のロボット制御プログラムを作成するためのシミュレータは、請求項４に記載の発明において、前記立入規制空間判定手段による判定結果を可視化して表す可視化データを作成する可視化データ作成手段を、さらに備えることを特徴とする。
このような発明によれば、空間に複数重畳して存在する立入規制空間を安全方策、ハザード源、ハザード対象ごとに可視化することができる。このため、オペレータは、各立入規制空間について個別に対応することができる。

また、請求項６に記載のロボット制御プログラムを作成するためのシミュレータは、請求項４または請求項５に記載の発明において、前記立入規制空間判定手段は、前記ハザード源が到達し得る空間の少なくとも一部と前記ハザード対象とが重なる範囲であって、かつ、前記ハザード源が動作に関する規制に応じて進入することが禁止される範囲を前記立入規制空間と判定することを特徴とする。
このような発明によれば、充分なマージンを持って立入規制空間を規定することができる上、規制によってロボットとの接触に支障がでない場合にはロボットの動作の自由度を高めることができる。

また、請求項７に記載のロボット制御プログラムを作成するためのシミュレータは、請求項４から請求項６のいずれか１つに記載の発明において、前記ハザード対象設定手段は、前記空間を、当該空間にある可能性がある人体の部分に応じて複数の種別に分類し、ハザード対象に設定することを特徴とする。
このような発明によれば、接触による支障の大小によって進入の可否を調整することができる。このため、人間の安全性を効率的に高めることができ、ロボットの動作の自由度を高めることができる。

また、請求項８に記載のロボット制御プログラムを作成するためのシミュレータは、請求項４から請求項７のいずれか１つに記載の発明において、前記立入規制空間判定手段が、前記ハザード源の動作速度、姿勢角度、露出の有無、回転角度の少なくとも１つを規制する条件に基づいて、前記立入規制空間を判定することを特徴とする。
このような発明によれば、安全に関わる規制に応じて進入の可否を調整することができる。このため、人間の安全性を効率的に高めることができ、ロボットの動作の自由度を高めることができる。

また、請求項９に記載のロボット制御プログラムを作成するためのシミュレータは、請求項４から請求項８のいずれか１つに記載の発明において、ロボットの進入が許可される空間である立入許可空間を設定する立入許可空間設定手段をさらに備え、前記立入許可空間設定手段は、前記立入規制空間判定手段によって判定された立入規制空間を除く空間に多面体の閉空間を設定し、当該閉空間をロボットの立入許可空間に設定することを特徴とする。
このような発明によれば、直方体等の単純な形状の閉空間を規定する簡易なパラメータを使ってロボットの動作を制御することができる。このため、ロボット制御装置の小型化、低廉化、制御の応答性の向上に寄与することができる。

以下、図を参照して本発明にかかるロボット、ロボット制御装置、ロボット制御プログラム、ロボット制御プログラムを作成するためのシミュレータの一実施形態を説明する。
本実施形態の構成に説明に先立って、先ず、本発明の考え方について説明する。
従来技術には、非特許文献１のように、ロボットが作業者と接触する可能性のあるエリア（実施形態中では作業者エリアと記す）に入ることがないようにロボットの動作や位置を規制するものがある。また、非特許文献３のように、ロボットが作業者エリアに入った場合に動作を停止させるものがある。このような従来技術では、作業者エリアに入るロボットの部位や作業者エリア内の位置に関わらず一様にロボットの作業者エリアへの立入りを規制していた。

このような従来技術に対し、本実施形態は、ロボットと作業者の接触によって生じる支障の程度を、接触するロボットの部位、作業者の部位及びロボットの動作規制によって予め分類しておく。そして、支障の程度が軽い接触を防ぐための規制を緩和することによってロボットの動作や作業位置の自由度を高める。また、支障が大きいと考えられる接触についてはロボットを停止させ、確実に発生を防いで作業者の安全を防いでいる。

次に、接触によって生じる支障の程度の考え方について説明する。
（１）ハザード
本実施形態では、「ユーザが許容できない支障が起きる潜在的な可能性」を以降ハザードと記す。すなわち、ロボットとの接触が許容できるか否かは、ロボットの種別や使い方、状況に応じてユーザが決定する。ハザードは、ロボットの部位に起因する要素（ハザード源）、ロボットの動作規制に起因する要素（安全方策）、作業者の部位に起因する要素（ハザード対象）とによって決定する。

決定したハザードが進入を許可するものであれば、ロボットは、そのハザード源、ハザード対象について進入が許可される。一方、決定したハザードが進入を禁止するものであれば、ロボットは、そのハザード源、ハザード対象について進入を禁止される。また、ロボットの進入を禁止されているハザード源がハザード対象に基づいて決定した空間に進入した場合、後述する安全制御プログラムがロボットを強制的に停止させる。

なお、本実施形態では、作業者やロボットが所定の空間に進入することを、以降、立入ると記すものとする。立入るとは、作業者やロボットがその空間に直接進入することのみならず、作業者やロボットが存在する空間にマージンを加えた空間の少なくとも一部が進入することも含むものとする。
図１は、ハザード源とハザード対象とについて説明するための図である。図１に示したロボットＲは、作業者Ｗと同じエリアで作業する。なお、ここでいう同じエリアとは、ロボットＲと作業者Ｗが柵等によって隔てられていない空間に存在することを意味している。

ロボットＲは、図示しないモータによって回動する回動部１０１〜１０６を有している。また、ロボットＲは、ワークピース１０７を有していて、破線で示す範囲ａが、ワークピース１０７が達することができる範囲（可達域）である。
回動部１０１〜１０６及びワークピース１０７は、いずれもハザード源である。ハザード源とは、作業者Ｗと接触したときに生じるハザードを決定するロボット側に起因する要素である。なお、本実施形態では、ハザードを、主として接触した場合に作業者Ｗが受けるダメージの程度を基準にして設定するものとする。ただし、本実施形態でいうハザードは作業者側のダメージを基準にして決定するばかりでなく、ロボット側の例えば壊れやすい部品等が受けるダメージを基準にして決定してもよい。

本実施形態では、ハザード源として、鈍的ハザード源、鋭的ハザード源、噛込ハザード源、環境ハザード源を設定した。鈍的ハザード源には、ロボットの躯体の全部位が相当する。鋭的ハザード源には、ロボットＲの部位のうち先鋭な部位が設定される。図１に示した例では、ワークピース１０７が先鋭的ハザードに該当する。ただし、本実施形態では、ロボットＲの先鋭的ハザードをワークピース１０７に限定するものでなく、ワークピース１０７と共にエンドエフェクタ等の他の部位を先鋭的ハザードに設定してもよい。

噛込ハザード源には、ロボットの関節として機能する回転機構及び回転機構の周辺が設定される。ロボットＲの例では、回動部１０１〜１０６及び回動部１０１〜１０６を中心にして設定される可達域が噛込ハザード源に設定されている。
環境ハザード源は、ロボットとロボットの周辺環境とによって生じるハザード源である。例えば、ロボットＲの周辺に壁があれば、ロボットＲと壁との間の空間に作業者Ｗが立入って挟まれる可能性がある。このような場合、壁と空間をなすロボットＲの部位が環境ハザード源に設定される。なお、環境ハザード源には、ロボットの躯体の全部位と周辺との空間が該当し得る。

なお、本実施形態は、ハザード源を以上のものに限定するものではない。本実施形態は、ロボットの構成や機能に応じて任意の部位をハザード源に設定することが可能である。
また、本実施形態では、頭部１０８、腕部１０９、足部１１０、体幹１１１を基準にして頭部ゾーンｂ１、腕部ゾーンｂ２、足部ゾーンｂ３、体幹ゾーンｂ４をハザード対象を設定した。頭部ゾーンｂ１は、作業者Ｗの頭部１０８及び首部が移動して到達し得る空間である。なお、ハザード対象のこのような空間についても、本明細書では頭部等との可達域というものとする。

腕部ゾーンｂ２は、作業者Ｗの肩から手の先までの可達域である。足部ゾーンｂ３は、作業者Ｗの足の付け根から先までの可達域である。体幹ゾーンｂ４は、作業者Ｗの首下から臀部までの可達域である。頭部ゾーンｂ１、腕部ゾーンｂ２、足部ゾーンｂ３、体幹ゾーンｂ４を、それぞれ図１中に破線で示す。なお、腕部ゾーンｂ２、足部ゾーンｂ３を総称して四肢ゾーンとも記すものとする。

さらに、本実施形態では、作業者Ｗと周囲の環境との関係によるハザード対象として、四肢環境ゾーンと体幹環境ゾーンを設定する。四肢環境ゾーンとは、作業者の腕または足（四肢）の可達域と、作業エリアにある壁や棚等の物体から所定の範囲にある空間とが重なった空間をいう。なお、四肢環境ゾーンにおける所定の範囲とは、物体の周囲１０ｃｍ程度の範囲を指すものとする。
体幹環境ゾーンとは、作業者の体幹の可達域と、壁、棚といった作業環境にある物体から所定の範囲にある空間とが重なった空間をいう。なお、体幹環境ゾーンにおける所定の範囲とは、物体から作業者の肩幅程度の長さまでの範囲を指すものとする。
なお、本実施形態では、以上述べた頭部ゾーンｂ１等を作業者Ｗが通常作業する姿勢や位置に基づいて決定する。

安全方策とは、ロボットの動作や作業姿勢に関する規制である。本実施形態では、安全方策として、ロボットの運動速度の規制（速度規制）、先鋭部姿勢角規制、先鋭部露出規制、狭窄規制、警報機付極低速度規制を設定した。速度規制とは、ロボットの全部位を対象に、各部位の移動速度を規制するものである。速度規制により、ロボットＲの移動速度は、制止している作業者Ｗに接触したとしても作業者Ｗにダメージを与えない程度に抑えられる。

先鋭部姿勢角規制とは、ワークピース１０７等の先鋭な部位の角度を規制するものである。先鋭部姿勢角規制によれば、ワークピース１０７の先端が、ロボットＲの運動方向や上下方向を向くことを規制することができる。また、先鋭部露出規制とは、ワークピース１０７等にカバー等を被せる、あるいはロボット内部に収納する等して先鋭な部位の露出を規制するものである。このような規制により、ロボットＲが作業者Ｗに接触したとしても先鋭な部位によって作業者Ｗにダメージを与えることを防ぐことができる。

狭窄規制とは、回動部１０１等の回動角を規制するものである。このような規制により、作業者Ｗの手指や衣服等が回動部に巻き込まれることを防ぐことができる。警報機付極低速度規制とは、ロボットＲが警報を発しながら速度規制で規制されるよりも低速度で運動することをいう。このような規制によれば、作業者Ｗの判断によってロボットＲとの接触の回避をすることができる。
なお、本実施形態は、安全方策を以上のものに限定するものではなく、ロボットの構成や機能に応じて任意の規制を設定し、設定した規制のいずれをも安全方策としてハザードの判定に利用することが可能である。

本実施形態は、以上述べたハザード源、ハザード対象、安全方策を考慮し、安全方策によって規制を受けたハザード源を含む空間の少なくとも一部が、ハザード対象に立入ることが許可されるか否かを判断することができる。
なお、ハザード源を含む空間とは例えば図１に示したワークピース１０７を含む空間であって、本実施形態では可達域である。また、「立入る」とは、図１に示すように、腕部ゾーンｂ２に範囲ａで示すワークピース１０７の可達域が進入して両者が重なる範囲ｃが生じることをいう。ただし、本実施形態は、ハザード源を含む空間を可達域に限定するものではなく、空間は可達域より狭くてもよいし、可達域にさらにマージンを加えた範囲であってもよい。

以上述べたハザードを前提にして、以下、本発明のロボット、ロボット制御装置、ロボット制御プログラム、ロボット制御プログラムを作成するためのシミュレータの一実施形態について具体的に説明する。
（２）シミュレータ
図２は、本実施形態のロボット制御プログラムを作成するためのシミュレータ２０１を説明するための機能ブロック図である。本実施形態のシミュレータは、自動的に動作可能なロボット制御プログラムを作成するためのシミュレータである。そして、図示するように、ロボットにおける所定の部位をハザード源として特定するハザード源の可達域特定部２０１ａ、ハザード源の少なくとも一部が立入り可能な空間に存在する人及び物に基づいて前記空間を複数の種別に分類し、分類された空間をハザード対象に設定するハザード対象特定部２０１ｂ、ハザード対象と、ハザード源及びハザード源の動作にかかる規制を含む条件に基づいて、ハザード源の立入りが許可されない立入規制空間を判定する立入規制空間判定部２０１ｃを備えている。

また、本実施形態は、立入許可空間設定部２０１ｅを備えている。立入許可空間設定部２０１ｅは、立入規制空間を除く空間に多面体の閉空間を設定し、この閉空間をロボットの立入許可空間に設定する。このようにすれば、立入許可空間は、例えば、ｎ個の直方体の空間の組合せとして設定される。そして、本実施形態では、ロボットが立入許可空間を出た場合にロボットが立入規制空間に立入ったとみなすものとする。可動制限値設定部２０１ｄは、立入許可空間を出たことを検出するための検出値を設定する。

立入許可空間を設定することにより、ロボットの動作を直方体の頂点の座標をパラメータにして検出できる。ｎ個の直方体によって構成される閉空間は、６組の頂点の座標の組合せという比較的単純なパラメータとなる。このことから、本実施形態は、ロボットの動作を単純な論理演算と数値の比較とによって制御することができる。このため、ロボット制御の応答性を高め、ロボット制御装置を小型化し、コストを低廉化することができる。

また、シミュレータ２０１には、ロボットと作業者とが作業するエリア（作業エリア）のレイアウトを示す設備レイアウトデータｄ１、制御対象となるロボットに関するロボットデータｄ２、安全方策や安全に関するポリシーのデータ（安全データｄ３）、作業者の作業エリアに関するデータ（作業者データｄ４）が入力される。
設備レイアウトデータｄ１には、作業エリアの広さ、寸法、高さ、エリア内にある壁や棚の位置が含まれている。ロボットデータｄ２には、ロボットの形状やサイズ、可動部や動作状態を示すデータが含まれている。

安全データｄ３には、ロボットの動作速度や先鋭ハザードの角度等の規制に関するデータが含まれている。また、安全データｄ３には、ハザード対象へのハザード源の立入を許可するか否かを安全方策別に示すデータが含まれている。立入を許可するか否かを安全方策別に示すデータの具体例を、図３ないし図８によって説明する。
また、作業者データｄ４は、設備エリア内において作業者Ｗが立入ることが可能な領域を示すデータである。

本実施形態では、作業者データｄ４に作業者の平均的な体格、あるいは安全の観点から最大のマージンを持って設定された体格を含めるものとする。また、作業者の作業姿勢や作業位置をも含めるものとする。
ハザード源の可達域特定部２０１ａは、ロボットデータｄ２を入力する。そして、ロボットの形状に基づいて、ロボットの先鋭な形状を含む部位、回動可能な部位、人または物に接触し得る部位の少なくとも１つをハザード源として特定する。そして、特定したハザード源の可達域を特定する。なお、ハザード源の特定は、シミュレータ２０１の側によって行われるものに限定されるものではない。例えば、オペレータが、ロボットデータｄ２上でハザード源として特定したい部位を指定してもよい。このような場合、ハザード源の可達域特定部２０１ａは、指定された部位をハザード源として特定し、その可達域を特定する。

ただし、本実施形態は、可達域特定部２０１によってハザード源及びその可達域を特定する構成に限定されるものではない。ロボットのハザード源は、ロボットのメーカ等によって設計時に分析し、ハザード源となる部位及びその可達域を特定しておくことができる。ロボットデータｄ２として、特定されたハザード源及び可達域のデータを入力すれば、本実施形態の可達域特定部２０１を備えることなくハザード源及びその可達域を特定することが可能である。

ハザード対象特定部２０１ｂは、設備レイアウトデータｄ１と作業者データｄ４とを入力する。そして、設備レイアウトデータｄ１と作業者データｄ４とに基づいて、前述のように、ハザード源の少なくとも一部が立入り可能な空間に存在する人及び物に基づいて、作業エリアを複数の種別に分類し、分類された空間をハザード対象に設定する。
具体的には、作業エリアの広さ、寸法、高さ、エリア内にある壁や棚の位置を含む設備レイアウトデータｄ１と、作業者の平均的な体格、作業姿勢や作業位置を含む作業者データｄ４とに基づいて、ロボットと作業者が作業する作業エリア（空間）を、ハザード源の少なくとも一部が立入り可能な空間にある可能性がある頭部、腕、足といった人体の部分に応じて複数の種別に分類し、このように分類された空間をハザード対象に設定する。この結果、頭部ゾーンｂ１、腕部ゾーンｂ２、足部ゾーンｂ３、体幹ゾーンｂ４のハザード対象が特定される。また、作業エリアにおける壁や棚等と頭部ゾーンｂ１等のハザード対象との関係から、四肢環境ゾーン、体幹環境ゾーンをハザード対象として特定する。

立入規制空間判定部２０１ｃは、特定された各対象ハザードとハザード源の可達域との関係に基づいて、両者が重なる空間の範囲を特定する。さらに、立入規制空間判定部２０１ｃは、安全データｄ３を入力する。そして、ハザード源にかかる速度規制や先鋭部姿勢角規制等の安全方策を考慮し、対象ハザードとハザード源の可達域とが重なる空間であって、かつ、ハザード源が動作に関する規制に応じて進入することが禁止される範囲を立入規制空間と判定する。すなわち、本実施形態では、ハザード源の可達域とハザード対象とが重なった同一の空間であっても、ハザード源の安全方策によって立入規制空間に設定される場合と設定されない場合がある。

なお、安全データｄ３は、オプションとして予めメーカ等によって設計されているデータである。シミュレータ２０１では、このデータを入力してセットして使用すればよい。
立入規制空間判定部２０１ｃが空間へのハザード源の立入りを禁止した場合、この空間は立入規制空間に設定される。なお、立入規制空間判定部２０１ｃが空間へのハザード源の立入りを許可した場合、この空間は立入規制空間に設定されることがない。

本実施形態では、立入規制空間判定部２０１ｃが、安全データｄ３として設定されたテーブルを使って立入規制空間の設定をするものとした。図３ないし図８は、本実施形態の立入規制空間を設定するためのテーブルを説明するための図である。図３は、ロボットに安全方策による規制が一切されていない場合に立入規制空間を判定するためのテーブルである。

図３のテーブルの縦欄には頭部ゾーン、四肢ゾーンといったハザード対象が記されている。横欄には、ロボットの鈍的ハザード源、鋭的ハザード源といったハザード源が記されている。縦欄と横欄とが交差する欄には、該当するハザード対象とハザード源との組合せにおいてハザード源の立入りが許可されることを示す○、または禁止されることを示す×が記されている。図３に示した○、×の判断は、ハザード源に一切の規制がかかっていない場合にされるものである。

図３のテーブルによれば、頭部ゾーンへの鈍的ハザードの立入りは禁止されている。このため、鈍的ハザードにとって頭部ゾーンは立入規制空間に設定される。同様に、頭部ゾーンは、鋭的ハザード、躯体ハザードのいずれにとっても立入規制空間に設定され、環境ハザード源にとってのみ立入りが許可されることになる。
また、図４から図８のテーブルは、縦欄、横欄、○、×の判定については図３と同様である。ただし、図４のテーブルは安全方策が速度規制であって、各ハザード源の動作速度が一定の速度以下に制限されている場合のものである。図５のテーブルは、安全方策が先鋭部姿勢角規制であって、鋭的ハザード源の姿勢角度が制限されている場合のものである。図６のテーブルは、安全方策が先鋭部露出規制であって、鋭的ハザード源がカバーされている場合のものである。図７のテーブルは、安全方策が狭窄規制であって、噛込ハザード源の回転角度が一定の角度以上に制限されている場合のものである。図８のテーブルは、安全方策が警報付極低速度規制であって、ロボットが警報を発しながら極低速度で動作する場合のものである。

図４から図８を比較することにより、ハザード源とハザード対象の組合せが同じであっても、両者が重なる空間は安全方策によって立入規制空間に設定される場合と設定されない場合とがあることがわかる。例えば、鋭的ハザード源は、速度規制をした場合にも全てのハザード対象が立入規制空間に設定されている。しかし、先鋭部姿勢角を規制することによって体幹ゾーン及び体幹環境ゾーンへの立入りが許可される。また、先鋭部が露出しないようカバーをすることによって全てのハザード対象への立入りが許可される。

なお、図３から図８に記したテーブルの○、または×の判定の結果は、いずれも１つの安全方策（無制限を含む）がとられている場合、頭部ゾーン、四肢ゾーンといったハザード対象とハザード源との１対１の関係について記したものである。
安全方策が複数とられている場合には、複数の安全方策の各テーブルを総合的に判断して立入規制空間を判定することができる。例えば、ハザード源とハザード対象との同一の組合せについて、いずれかの安全方策のテーブルで許可されていれば立入を許可し、全てのテーブルで禁止されていれば立入を禁止することが考えられる。このような判定は、○、×の論理和をとることによって簡易に実現することができる。

また、例えば、図４のテーブルに示したように、速度規制がされていて、鈍的ハザード源の可達域と鋭的ハザード源の可達域が頭部ゾーンと重なる場合、鈍的ハザードの立入は許可され、鋭的ハザード源の立入は禁止されている。
このような場合、１つのゾーンに１つでも立入が禁止されるハザード源があれば、その空間をロボットの立入規制空間に設定し、全てのハザード源について立入が許可されている場合にだけ立入を許可することができる。このような判定は、図３から図８に示した○、×の論理積をとることによって簡易に実現することができる。

また、本実施形態では、立入規制空間判定部２０１ｃが立入規制空間の判定結果を可視化する可視化データを作成する。可視化データによって表示される画像の一例を図９に示す。図９では、作業者Ｗの複数のハザード対象をまとめてゾーン３０１で表している。また、ロボットＲの先鋭ハザードであるワークピース１０７の可達域を３０３で示している。ゾーン３０１と可達域３０３とが重なった範囲が範囲３０２である。可視化データによって表示される画像において、範囲３０２は他の箇所と区別できる色によって表示される。

さらに、可視化データでは、他の複数のハザードとゾーン３０１とが重なった箇所もそれぞれ範囲３０２とは異なった色によって表示される。この結果、オペレータは、空間に重畳している複数の立入規制空間を見ることができる。また、表示の際の色をハザード対象やハザード源に応じて特有の色に設定すれば、ハザードの種別に応じて安全対策を講じる際の利便性を高めることが可能である。
可視化データは、図２に示したディスプレイ２０２に必要に応じて送られ、ディスプレイ２０２において表示される。なお、ディスプレイ２０２は、シミュレータと一体化されたものであってもよい。また、別体になったものであってもよい。

本実施形態では、このような可視化データ上で立入許可空間を設定することが可能である。すなわち、オペレータは、ディスプレイ２０２に表示された可視化データを見ながら、可視化データ上で任意の直方体を描くことができる。立入許可空間設定部２０１ｅは、直方体の頂点の座標を検出し、検出された座標によって規定される閉空間の内部を立入許可空間に設定する。
非特許文献２として挙げたシミュレータは、一般的に３次元ＣＡＤ機能を持っている。立入許可空間設定部２０１ｅは、このような既存の機能を使って簡易に構成することができる。

可動制限値設定部２０１ｄは、ロボットが立入規制空間に立入ったことを検出するための可動制限値を設定する。ロボットでは、ロボットを駆動するためのモータが出力するパルス信号等を使って各ハザード源の位置を検出することができる。後述するロボット制御装置は、このようなパルス信号を、床表面を基準にした直交座標系に変換し、全てのハザード源の位置を示す情報を出力する専用のＩＣチップを有している。このため、可動制限値設定部２０１ｄは、制限値を直交座標系によって表される数値として設定する。

算出された可動制限値は、図２に示したメモリ２０３に送られて蓄積され、後にロボットにダウンロードされる。メモリ２０３は、シミュレータと一体化されたものであってもよい。また、別体になったものであってもよい。
以上のシミュレータにおいて、ハザード源の可達域特定部２０１ａは部位特定手段として機能する。また、ハザード対象特定部２０１ｂは、ハザード対象設定手段、立入規制空間判定部は、立入規制空間判定手段、立入許可空間設定部２０１ｅは立入許可空間設定手段として機能する。

図１０は、以上説明したシミュレータにおいて実行される処理を説明するためのプログラムを説明するためのフローチャートである。シミュレータ２０１では、先ず、設備レイアウトデータｄ１、ロボットデータｄ２、安全データｄ３、作業者データｄ４を図示しないメモリにダウンロードする（ステップＳ１００１）。そして、ハザード源の可達域特定部２０１ａが、ロボットデータｄ２に基づいてロボットのハザード源を特定する（ステップＳ１００２）。そして、特定されたハザード源の可達域を特定するための演算を実行して可達域を特定する（ステップＳ１００３）。

次に、ハザード対象特定部２０１ｂは、設備レイアウトデータｄ１、作業者データｄ４に基づいて、演算によりハザード対象を特定する（ステップＳ１００４）。立入規制空間判定部２０１ｃは、ハザード源可達域とハザード対象とが互いに重なる（干渉する）領域をチェックする（ステップＳ１００５）。重なる領域がない場合には（ステップＳ１００５：Ｎｏ）、全てのハザード源、ハザード対象、安全方策の組合せによって立入規制空間の判定をしたか否か判断する（ステップＳ１００８）。

一方、ハザード源可達域とハザード対象とが重なる領域がある場合（ステップ１００５：Ｙｅｓ）、図３ないし図８に示したテーブルを参照し、安全方策に応じて重なった領域を立入禁止空間に設定するか否か判断する（ステップＳ１００６）。立入禁止空間に設定しない場合（ステップＳ１００６：Ｎｏ）、ステップＳ１００８に進む。
また、重なった領域が立入禁止空間に設定される場合（ステップＳ１００６：Ｙｅｓ）、可動制限値設定部２０１ｄは、立入規制空間判定部２０１ｃによって立入規制空間と判定された空間に、ハザード源が立入るとき図示しないＩＣチップから出力されるハザードの位置を示す座標を算出する。そして、算出された座標をハザード源の可動制限値として設定する（ステップＳ１００７）。

以上の処理の終了後、立入規制空間判定部２０１ｃは、未だ判定がされていない組合せがあるか否か判断する（ステップＳ１００８）。未だ判定がされていない組合せがある場合、処理を終了することはできないとして（ステップＳ１００８：Ｎｏ）、ハザード源の可達域とハザード対象とが重なるか否か判断する（ステップＳ１００５）。また、全ての組合せについて判定したので、処理を終了してよいと判断された場合には（ステップＳ１００８：Ｙｅｓ）、処理を終了する。

また、ステップＳ１００７は、立入規制空間に立入る際のハザード源の位置を示す座標を設定するものに限定されるものではない。すなわち、上記したフローチャートにおいてステップＳ１００７の処理を省いて全ての立入規制空間を判定し、その後に立入規制空間に基づいて立入許可空間を設定してもよい。このようにすれば、可動制限値設定部２０１ｄは、立入許可空間から出る際のハザード源の位置を示す座標をハザード源の可動制限値として設定する。このようにした場合、ロボット制御装置は、ハザード源が立入許可空間から出た場合、ハザード源が立入規制空間へ進入したとみなす。

（３）ロボット（ロボット制御装置）
次に、上記したシミュレータによって作成された制御プログラムが適用されるロボットについて説明する。なお、本実施形態では、立入許可空間を設定し、ハザード源が立入許可空間を出たことを、立入禁止空間に進入した（立入った）とみなす例を挙げて説明するものとする。
図１１は、本実施形態のロボットを説明するための図であって、ロボットに適用されるロボット制御装置１１０１の機能ブロック図である。図示したロボット制御装置１１０１は、ロボットの動作を制御する構成とは電源及び制御部が別系統になっていて、緊急停止を独自に判断し、実行することができる。

図示したロボット制御装置１１０１は、自動的に動作可能なロボットに備えられている。そして、ロボットにおける所定の部位であるハザード源の位置を検出するハザード源監視部を備えている。本実施形態では、ロボットがＡ〜Ｄの４つのハザード源を有するものとし、各ハザード源の位置を検出するため、ハザード源Ａ監視部１１０１ａ、ハザード源Ｂ監視部１１０１ｂ、ハザード源Ｃ監視部１１０１ｃ、ハザード源Ｄ監視部１１０１ｄを有している。

本実施形態では、ロボット制御装置１１０１が、前記したシミュレータ２０１によって設定された可動制限値をダウンロードして制御に使用するものとする。この際、ロボット側にあるロボット制御装置１１０１には、予めロボットのメーカ等によって設定されている安全方策に関する情報がオプションとしてプリセットされている。プリセットされた複数のオプションのいずれかをロボット制御装置の側で選択することにより、ロボットの動作を選択されたオプションによって規制することができる。
また、本実施形態では、ロボット制御装置１１０１が、シミュレータ２０１によって設定された可動制限値をダウンロードし、ロボットに設定されている安全方策に対応する可動制限値だけをロードして使用するものとする。

また、ハザード源Ａ監視部１１０１ａ等は、ロボットの複数のハザード源の位置の座標を示す信号（座標信号）を入力している。そして、入力された複数の座標信号のうち、自身に対応するハザード源の座標信号がハザード源の可動制限値と一致すると、座標信号と可動制限値とが一致したことを緊急停止部１１０１ｅに通知する。
緊急停止部１１０１ｅは、ハザード源Ａ監視部１１０１ａ等から通知を受けると、ハザード源が立入許可空間を出た（立入規制空間に立入った）と判断する。そして、ロボットの動作を停止させるために緊急停止信号をロボットの図示しない緊急停止用のＣＰＵ等に出力する。

以上の構成において、ハザード源Ａ監視部１１０１ａ、ハザード源Ｂ監視部１１０１ｂ、ハザード源Ｃ監視部１１０１ｃ、ハザード源Ｄ監視部１１０１ｄはロボット部位検出手段及び立入判断手段として機能する。また、緊急停止部１１０１ｅは動作停止手段として機能する。
このようにすれば、ロボットは可動規制値という少量のデータだけをダウンロードして、ハザード源、ハザード対象、安全方策を考慮した安全制御によって動作することができる。このため、ロボットに大型のメモリや常時通信の機能を持たせることが必要なくなって、ロボットの構成の大型化や複雑化を避けることができる。

（４）ロボット制御プログラム
図１２は、本実施形態のロボットの安全制御プログラムを説明するためのフローチャートである。図示したフローチャートは、主に緊急停止部１１０１ｅによって実行される。
緊急停止部１１０１ｅは、安全制御装置１１０１を介して可動制限値のデータをダウンロードする（ステップＳ１２０１）。そして、ハザード源Ａ監視部１１０１ａからハザード源Ａの立入りが通知されたか否か判断する（ステップＳ１２０２）。立入りが通知された場合（ステップＳ１２０２：Ｙｅｓ）、緊急停止信号を発信してロボットを停止させる（ステップＳ１２０６）。立入りが通知されない場合（ステップＳ１２０２：Ｎｏ）、ハザード源Ｂ監視部１１０１ｂからハザード源Ｂの立入りが通知されたか否か判断する（ステップＳ１２０３）。

緊急停止部１１０１ｅは、ハザード源Ｂ監視部１１０１ｂから立入りが通知された場合（ステップＳ１２０３：Ｙｅｓ）、緊急停止信号を発信してロボットを停止させる（ステップＳ１２０６）。立入りが通知されない場合（ステップＳ１２０３：Ｎｏ）、ハザード源Ｃ監視部１１０１ｃからハザード源Ｃの立入りが通知されたか否か判断する（ステップＳ１２０４）。そして、ハザード源Ｃ監視部１１０１ｃから立入りが通知された場合（ステップＳ１２０４：Ｙｅｓ）、緊急停止信号を発信してロボットを停止させる（ステップＳ１２０６）。立入りが通知されない場合（ステップＳ１２０４：Ｎｏ）、ハザード源Ｄ監視部１１０１ｄからハザード源Ｄの立入りが通知されたか否か判断する（ステップＳ１２０５）。

さらに、緊急停止部１１０１ｅは、ハザード源Ｄ監視部１１０１ｃから立入りが通知された場合（ステップＳ１２０５：Ｙｅｓ）、緊急停止信号を発信してロボットを停止させる（ステップＳ１２０６）。立入りが通知されない場合（ステップＳ１２０５：Ｎｏ）、ステップＳ１２０２に戻って再びハザード源Ａの立入りの通知を検出する。

本発明の一実施形態のハザード源とハザード対象とについて説明するための図である。 本発明の一実施形態のロボット制御プログラムを作成するためのシミュレータを説明するための機能ブロック図である。 本発明の一実施形態の立入規制空間を判定するためのテーブルを説明するための図であって、ロボットに安全方策による規制が一切されていない場合に立入規制空間を判定するためのテーブルである。 本発明の一実施形態の立入規制空間を判定するためのテーブルを説明するための図であって、速度規制がされた場合に立入規制空間を判定するためのテーブルである。 発明の一実施形態の立入規制空間を判定するためのテーブルを説明するための図であって、先鋭部姿勢角規制がされた場合に立入規制空間を判定するためのテーブルである。 発明の一実施形態の立入規制空間を判定するためのテーブルを説明するための図であって、先鋭部露出規制がされた場合に立入規制空間を判定するためのテーブルである。 発明の一実施形態の立入規制空間を判定するためのテーブルを説明するための図であって、狭窄規制がされた場合に立入規制空間を判定するためのテーブルである。 発明の一実施形態の立入規制空間を判定するためのテーブルを説明するための図であって、警報付極低速規制がされた場合に立入規制空間を判定するためのテーブルである。 発明の一実施形態の可視化データによって表示される画像の一例を示した図である。 発明の一実施形態のシミュレータにおいて実行される処理を説明するためのプログラムを説明するためのフローチャートである。 本発明の一実施形態のロボットを説明するための図である。 本実施形態のロボットの安全制御プログラムを説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１０１ 回動部
１０７ ワークピース
２０１ シミュレータ
２０１ａ 可達域特定部
２０１ｂ ハザード対象特定部
２０１ｃ 立入規制空間判定部
２０１ｄ 可動制限値設定部
２０２ ディスプレイ
２０３ メモリ
１１０１ ロボット制御装置
１１０１ａ ハザード源Ａ監視部
１１０１ｂ ハザード源Ｂ監視部
１１０１ｃ ハザード源Ｃ監視部
１１０１ｄ ハザード源Ｄ監視部
ｂ１ 頭部ゾーン
ｂ２ 腕部ゾーン
ｂ３ 足部ゾーン
ｂ４ 体幹ゾーン

Claims (9)

1. 複数の部位を有し、当該部位を動かして自動的に動作可能なロボットであって、
   前記部位の位置を検出するロボット部位検出手段と、
   前記ロボット部位検出手段によって検出された位置に基づいて、前記部位を含む空間の少なくとも一部が、予め設定されている立入規制空間に進入したか否かを判断する立入判断手段と、
   前記立入判断手段によって前記部位が前記立入規制空間に進入したと判断された場合、ロボットの動作を停止させる動作停止手段と、を備え、
   前記立入規制空間は、前記部位の種別、前記部位が進入した空間に存在する可能性がある人体の部分、前記部位の動作にかかる規制に応じて設定されていることを特徴とするロボット。
2. 自動的に動作可能なロボットにおいて、ロボットの部位の位置を検出するロボット部位検出手段と、
   前記ロボット部位検出手段によって検出された位置に基づいて、前記部位を含む空間の少なくとも一部が、予め設定されている立入規制空間に進入したか否かを判断する立入判断手段と、
   前記立入判断手段によって前記部位が前記立入規制空間に進入したと判断された場合、ロボットの動作を停止させる動作停止手段と、を備え、
   前記立入規制空間は、前記部位の種別、前記部位が進入した空間に存在する可能性がある人体の部分、前記部位の動作にかかる規制に応じて設定されていることを特徴とするロボット制御装置。
3. 複数の部位を有し、当該部位を動かして自動的に動作可能なロボットのロボット制御プログラムであって、
   前記部位の位置を検出するロボット部位検出ステップと、
   前記ロボット部位検出ステップにおいて検出された位置に基づいて、前記部位を含む空間の少なくとも一部が、予め設定されている立入規制空間に進入したか否かを判断する立入判断ステップと、
   前記立入判断ステップにおいて前記部位が前記立入規制空間に進入したと判断された場合、ロボットの動作を停止させる動作停止ステップと、を含み、
   前記立入規制空間は、前記部位の種別、前記部位が進入した空間に存在する可能性がある人体の部分、前記部位の動作にかかる規制に応じて設定されていることを特徴とするロボット制御プログラム。
4. 自動的に動作可能なロボット制御プログラムを作成するためのシミュレータであって、
   ロボットにおいて設定されたハザード源の少なくとも一部が進入可能な空間に存在する人及び物に基づいて前記空間を複数の種別に分類し、分類された空間をハザード対象に設定するハザード対象設定手段と、
   前記ハザード対象、前記ハザード源及び前記ハザード源の動作にかかる規制を含む条件に基づいて、前記ハザード源の進入が許可されない立入規制空間を判定する立入規制空間判定手段と、
   を備えることを特徴とするロボット制御プログラムを作成するためのシミュレータ。
5. 前記立入規制空間判定手段による判定結果を可視化して表す可視化データを作成する可視化データ作成手段を、さらに備えることを特徴とする請求項４に記載のロボット制御プログラムを作成するためのシミュレータ。
6. 前記立入規制空間判定手段は、前記ハザード源が到達し得る空間の少なくとも一部と前記ハザード対象とが重なる範囲であって、かつ、前記ハザード源が動作に関する規制に応じて進入することが禁止される範囲を立入規制空間と判定することを特徴とする請求項４または請求項５に記載のロボット制御プログラムを作成するためのシミュレータ。
7. 前記ハザード対象設定手段は、前記空間を、当該空間にある可能性がある人体の部分に応じて複数の種別に分類し、ハザード対象に設定することを特徴とする請求項４から請求項６のいずれか１つに記載のロボット制御プログラムを作成するためのシミュレータ。
8. 前記立入規制空間判定手段は、前記ハザード源の動作速度、姿勢角度、露出の有無、回転角度の少なくとも１つを規制する条件に基づいて、前記立入規制空間を判定することを特徴とする請求項４から請求項７のいずれか１つに記載のロボット制御プログラムを作成するためのシミュレータ。
9. ロボットの進入が許可される空間である立入許可空間を設定する立入許可空間設定手段をさらに備え、
   前記立入許可空間設定手段は、前記立入規制空間判定手段によって判定された立入規制空間を除く空間に多面体の閉空間を設定し、当該閉空間をロボットの立入許可空間に設定することを特徴とする請求項４から８のいずれか１項に記載のロボット制御プログラムを作成するためのシミュレータ。

Images