JP7011910B2 - ロボットシステム - Google Patents

Description

本発明は、ロボットシステムに関し、特にロボットと人とが共存する作業システムに適したロボットシステムに関する。

近年、ロボットと人とが共存する作業システムにおいてロボットが用いられている。例えば、特許文献１に記載の技術では、レーザセンサがロボットアームの動作範囲領域から当該領域に接近しようとする人までの距離を計測し、コントローラが、当該距離がロボットアームの動作範囲領域であるとロボットアームの動作を停止させる。これにより、人がロボットアームに接近した場合に安全が確保される。

特開２０１７－０８０８４５号公報

ところで、従来の作業システムでは、工程間のワークの搬送が、コンベア、作業者のマニュアルハンドリング等によって行われていた。しかし、最近では、工程間のワークの搬送が、ＡＧＶ(Automatic Guided Vehicle)によって行われる場合がある。この場合、上記従来技術では、レーザセンサが人体と人体でない物体とを識別できないため、ＡＧＶがロボットアームの動作範囲領域に進入すると、コントローラがロボットアームの動作を停止させるという課題があった。

本発明は、上記従来の課題を解決すべくなされたものであり、人体でない物体がロボットアームの動作範囲領域に進入した場合にロボットアームの動作が減速又は停止されることを低減することが可能なロボットシステムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のある態様(aspect)に係るロボットシステムは、ロボットアームと、前記ロボットアームの動作範囲を含む所定の監視エリアにおける人体と人体でない物体とを識別するための人体識別情報を出力する人体識別器と、前記ロボットアームの動作を制御する制御器と、を備え、前記制御器は、前記人体識別器が出力する人体識別情報に基づいて前記所定の監視エリアにおける人体と人体でない物体とを識別することによって前記所定の監視エリアに人体が進入したことを検知すると、前記ロボットアームの動作を変えるよう前記ロボットアームを制御するように構成されている。ここで、「ロボットアームの動作を変える」ことには、ロボットアームの動作を減速又は停止すること、及び又はロボットアームの動作の方向を変えることが含まれる。

この構成によれば、制御器が、人体識別器の人体識別情報に基づいて人体と人体でない物体とを識別するので、ロボットアームの動作範囲を含む所定の監視エリアに人体でない物体として識別された物体が進入した場合には、ロボットアームの動作が変わらない、即ち、減速又は停止されない。従って、人体でない物体がロボットアームの動作範囲領域に進入した場合にロボットアームの動作が減速又は停止されることを低減することが可能である。

前記ロボットアームの動作を変えることが前記ロボットアームの動作を減速又は停止することであってもよい。

この構成によれば、所定の監視エリアに進入した人体の安全を的確に確保することができる。

前記制御器は、前記所定の監視エリアに人体が進入したことを検知すると、所定条件を満たす場合に、前記ロボットアームの動作を減速又は停止するよう前記ロボットアームを制御するように構成されていてもよい。

この構成によれば、所定条件を満たす場合にのみロボットアームの動作が減速又は停止されるので、監視エリアに人体が進入したことを検知すると必ずロボットアームの動作が減速又は停止される場合に比べて、よりロボットアームの動作が減速又は停止されることを低減することができる。

前記所定条件が、前記所定の監視エリアに人体が進入した時点における前記ロボットアームの動作又は当該動作の次の動作が、前記ロボットアームの少なくとも先端部が前記進入した人体に近づく動作であることであってもよい。

この構成によれば、ロボットアームに人が接近した場合の安全を的確に確保することができる。

前記人体識別器が、熱画像カメラ、人感センサ、デジタルカメラ、分子センサ、非接触式の表面温度計、人を理解するセンサであってもよい。

この構成によれば、具体的に人体識別器を作製することができる。

前記人体識別器が、熱画像カメラであってもよい。

この構成によれば、熱画像カメラは、所定の監視エリアの熱画像を出力するので、当該熱画像において人体の温度に対応する領域を人体として識別することができる。従って、所定の監視エリアにおける人体と人体でない物体とを的確に識別することができる。

前記熱画像カメラは、前記所定の監視エリアの熱画像を出力し、前記制御器は、前記熱画像において、３５℃以上３８℃以下の範囲の温度に対応し、且つ、前記熱画像の全面積に対する面積の割合が所定範囲の割合である領域を人体として識別することによって、前記所定の監視エリアにおける人体と人体でない物体とを識別するように構成されていてもよい。

この構成によれば、制御器が、所定の監視エリアの熱画像において、３５℃以上３８℃以下の範囲の温度に対応し、且つ、熱画像の全面積に対する面積の割合が所定範囲の割合である領域を人体として識別するので、所定の監視エリアにおける人体と人体でない物体とをより的確に識別することができる。

本発明によれば、人体でない物体がロボットアームの動作範囲領域に進入した場合にロボットアームの動作が減速又は停止されることを低減することが可能であるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施形態に係るロボットシステムのハードウェアの構成を示す斜視図である。 図２は、図１のロボットシステムの制御系統の構成を示すブロック図である。 図３は、図１のロボットシステムの安全確保動作を示すフローチャートである。 図４Ａは、図１のロボットアームが用いられる作業システムを模式的に示す平面図である。 図４Ｂは、図４Ａに示すロボットアームの動作の次の動作であって、ロボットアームが停止される態様の動作を示す平面図である。 図４Ｃは、図４Ａに示すロボットアームの動作の次の動作であって、ロボットアームが停止されない態様の動作を示す平面図である。

以下、本発明の実施形態を、添付図面を参照しつつ説明する。以下では、全ての図を通じて、同一又は相当する要素には同一の参照符号を付してその重複する説明を省略する。また、以下の図は本発明を説明するための図であるので、本発明に無関係の要素が省略される場合、簡略化される場合、誇張される場合、又は複数の図が互いに一致しない場合がある。

（実施形態）
［構成］
図１は、本発明の実施形態に係るロボットシステムのハードウェアの構成を示す斜視図である。図４Ａは、図１のロボットアームが用いられる作業システムを模式的に示す平面図である。図４Ｂは、図４Ａに示すロボットアームの動作の次の動作であって、ロボットアームが停止される態様の動作を示す平面図である。図４Ｃは、図４Ａに示すロボットアームの動作の次の動作であって、ロボットアームが停止されない態様の動作を示す平面図である。図４Ａ乃至図４Ｃでは図１のロボットアームが簡略化されて示されている。

図１及び図４Ａ乃至図４Ｃを参照すると、本実施形態のロボットシステム１００は、ロボットアーム２と、ロボットアーム２の動作範囲を含む所定の監視エリア５における人（人体）６と人体でない物体とを識別するための人体識別情報を出力する人体識別器４と、ロボットアーム２の動作を制御するロボット制御器３と、を備える。ロボット制御器３は、人体識別器４が出力する人体識別情報に基づいて所定の監視エリア５における人６と人体でない物体とを識別することによって所定の監視エリア５に人６が進入したことを検知すると、ロボットアーム２の動作を変えるようロボットアーム２を制御するように構成されている。ここで、「ロボットアーム２の動作を変える」ことには、ロボットアーム２の動作を減速又は停止すること、及び又はロボットアーム２の動作の方向を変えることが含まれる。以下では、ロボットアーム２の動作が停止される。

図４Ａ乃至４Ｃを参照すると、ロボットシステム１００が用いられる作業システムでは、例えば、ロボットアーム２の前側、左側、及び右側に、それぞれ、作業台２１、２２、２３が配置されている。ロボットアーム２は、この作業台２１～２３を利用して所定の作業を行う。この作業システムでは、ロボットアーム２と作業員とが共存する。また、作業に必要な部品等をＡＧＶが搬送する。

平面視において、これらの作業台２１、２２、２３の上方空間がロボットアーム２の動作範囲の外縁部である。そして、このロボットアーム２の動作範囲を含むように所定の監視エリア５が設定されている。この監視エリア５は、ロボット制御器３の記憶部に記憶されている。所定の監視エリアの形は任意である。ここでは、平面視において矩形に設定されている。

次に、ロボットシステム１００を詳細に説明する。

図１及び図４Ａ乃至４Ｃを参照すると、ロボットシステム１００は、台車１０を備える。台車１０は、ここでは、基部に車輪を備える箱体で構成されている。台車１０は、車輪によって移動可能であり、車輪に設けられた定置機構（図示せず）によって、所望の場所に定置することができる。

台車１０の上面には、ロボットアーム２が設置されている。ロボットアーム２は、所定の作業を行う。従って、ロボットアーム２は、アームを有し、且つ所定の作業を行うことが可能なものであればよい。例えば、水平多関節ロボット、垂直多関節ロボット、パラレルリンクロボット、直交ロボット等が例示される。ここでは、ロボットアーム２は、双腕の水平多関節ロボットである。

ロボットアーム２は、台車１０の上面に設置され、上下方向に延びる円柱状の基部１１と、基部１１に支持された右アーム及び左アームを備える。右アームは、基端部が基部１１の中心軸である第１回動軸線の周りに回動自在に基部１１に支持された右第１リンク１２Ａと、基端部が第１回動軸線と平行な第２回動軸線の周りに回動自在に右第１リンク１２Ａの先端部に支持された右第２リンク１３Ａと、右第２リンク１３Ａの先端部に第２回動軸線に垂直な第３回動軸線の周りに捻じれ回転可能で且つ昇降可能に支持された右リスト部１４Ａと、右リスト部１４Ａの下端に取り付けられた右ハンド１６Ａとを含む。右第１リンク１２Ａ、右第２リンク１３Ａ、及び右リスト部１４Ａが右アーム部１５Ａを構成する。

左アームは、基端部が基部１１の中心軸である第１回動軸線の周りに回動自在に基部１１に支持された左第１リンク１２Ｂと、基端部が第１回動軸線と平行な第４回動軸線の周りに回動自在に左第１リンク１２Ｂの先端部に支持された左第２リンク１３Ｂと、左第２リンク１３Ｂの先端部に第４回動軸線に垂直な第５回動軸線の周りに捻じれ回転可能で且つ昇降可能に支持された左リスト部１４Ｂと、左リスト部１４Ｂの下端に取り付けられた左ハンド１６Ｂとを含む。左第１リンク１２Ｂ、左第２リンク１３Ｂ、及び左リスト部１４Ｂが左アーム部１５Ｂを構成する。右ハンド１６Ａ及び左ハンド１６Ｂは、それぞれ、所定の作業に好適なように構成される。左右のアームは、独立して動作したり、互いに協働して動作したりすることができる。

台車１０の内部にはロボット制御器３が収容されている。ロボット制御器３は、処理部（図示せず）と記憶部（図示せず）とを有し、記憶部に格納された所定の制御プログラムを処理部が読み出して実行することにより、ロボットアーム２の動作を制御する。ロボット制御器３は、集中制御を行う単独の制御器で構成されてもよく、互いに協働して分散制御を行う複数の制御器で構成されてもよい。ロボット制御器３は、例えばマイクロコントローラ、ＭＰＵ、ＦＰＧＡ(Field Programmable Gate Array)、ＰＬＣ(Programmable Logic Controller)等によって構成される。ロボットアーム２とロボット制御器３とがロボット１を構成する。

ロボットアーム２の周囲には、人体識別器４が配置されている。人体識別器４が出力する人体識別情報は、ロボット制御器３に入力される。人体識別器４は、ロボットアーム２の動作範囲を含む所定の監視エリア５を監視することが可能な場所に設置される。ここでは、人体識別器４は、ロボットアーム２の上方に設置されている。

人体識別器４は、人体と人体でない物体とを識別するための人体識別情報を出力することが可能な機器であればよい。人体識別器として、熱画像カメラ（サーモグラフィーカメラ）、人感センサ、デジタルカメラ、分子センサ、非接触式の表面温度計、人を理解するセンサ等が例示される。人感センサとして、オムロン株式会社製のサーモパイル型人感センサ、東芝ライテック株式会社製のスマートアイセンサー（カメラ）、株式会社ヘルツ製の焦電型人感センサー等が例示される。人を理解するセンサとして、株式会社ロフトワーク製の人理解センサー、オムロン株式会社製の人理解画像センサ等が例示される。ここでは、人体識別器４は、熱画像カメラである。熱画像カメラは周知であるので、ここでは簡単に説明する。

熱画像カメラは、人体識別情報として、所定の監視エリア５の熱画像を出力するので、当該熱画像において人体の温度に対応する領域を人（人体）６として識別することができる。従って、所定の監視エリア５における人６と人体でない物体とを的確に識別することができる。

具体的には、熱画像カメラが、所定の監視エリア５の熱画像を出力する。熱画像カメラは、カメラの視野内の物体及び又は空間が放出する熱エネルギー（赤外線エネルギー）を熱画像に変換して出力する。物体及び又は空間が放出する熱エネルギーは、それらの温度に対応する。熱画像では、例えば、温度が高い部分程赤く且つ温度が低い部分程青く表示される。図４Ｂを例に取ると、可視エリア５内に特段の熱源が存在しない場合、可視エリア５内は黄色から青色の間の色で表示され、人６のみが赤色に表示される。熱画像カメラは、人が放出する熱エネルギーを検出するので、人６が熱エネルギーを遮断する物を身に着けていない限り、人６は人体の形状を有する赤色の領域として表示される。それ故、熱画像カメラが出力する熱画像を用いて、可視エリア５内における人体（人６）と人体でない物体とを好適に識別することができる。

ここでは、ロボット制御器３が、熱画像において、３５℃以上３８℃以下の範囲の温度に対応し、且つ、熱画像の全面積に対する面積の割合が所定範囲の割合である領域を人体として識別することによって、所定の監視エリア５における人体と人体でない物体とを識別する。この構成によれば、ロボット制御器３が、所定の監視エリア５の熱画像において、人体の平常時における温度である３５℃以上３８℃以下の範囲の温度に対応し、且つ、熱画像の全面積に対する面積の割合が所定範囲の割合である領域を人体として識別するので、所定の監視エリア５における人体（人６）と人体でない物体とをより的確に識別することができる。熱画像の全面積に対する「人体として識別すべき領域の面積」の「所定範囲の割合」は、実験、シミュレーション、計算等によって決定される。

図２は、図１のロボットシステムの制御系統の構成を示すブロック図である。図１、図２、及び図４Ａ乃至４Ｃを参照すると、ロボット１は、ロボットアーム２とロボット制御器３とを含む。ロボット制御器３は、ロボットアーム２の動作を制御する。ロボット制御器３によるロボットアーム２の動作の制御は周知であるので、その詳細な説明は省略する。ロボット制御器３は、ロボットアーム２の左右のアーム部１５Ａ、１５Ｂの動作をフィードバック制御するとともに、左右のハンド１６Ａ、１６Ｂの動作を制御する。

また、ロボット制御器３は、人体識別器４が出力する人体識別情報に基づいて、所定の監視エリア５における人６と人体でない物体とを識別する。そして、所定の監視エリア５に人）６が進入したことを検知すると、ロボットアーム２の動作を停止する。なお、ロボット制御器３が、所定の監視エリア５に人６が進入したことを検知すると、ロボットアーム２の動作を減速し、又はロボットアーム２の動作の方向を、人６を回避するよう変えてもよい。

ロボット制御器３は、所定の監視エリア５における人６と人体でない物体とを識別するので、例えば、ＡＧＶが所定の監視エリア５に進入してもロボットアーム２の動作を停止（又は減速）しない。

［動作］
次に、以上のように構成されたロボットシステム１００の動作のうち、本発明の特徴である安全確保動作を図１乃至４Ｃを参照しながら説明する。以下のロボットシステム１００の安全確保動作は、ロボット制御器３が所定の安全確保制御プログラムを実行することによって、遂行される。

図３は、図１のロボットシステムの安全確保動作を示すフローチャートである。図３において、ロボット制御器３は、ロボットアーム２の起動指令を受け取るとロボットアーム２を起動するとともに、安全確保制御を開始する。その後、ロボット制御器３は、ロボットアーム２の停止指令を受け取るとロボットアーム２の動作を停止し、その時点で安全確保制御を終了する。

ロボット制御器３は、安全確保制御を開始すると、まず、人（ここでは作業者）６が所定の監視エリア５に進入した否かを監視し（ステップＳ１でＮＯ）、人６が所定の監視エリア５に進入したと判定すると（ステップＳ１でＹＥＳ）、所定条件（停止条件）が満たされるか否か判定する（ステップＳ２）。ここで、ロボット制御器３は、ＡＧＶを人体でない物体であると識別するので、ＡＧＶが所定の監視エリア５に進入しても人６が所定の監視エリア５に進入したとは判定しない。

ここで、この所定条件について説明する。この所定条件は、例えば、図４Ｂに示すように、所定の監視エリア５に人６が進入した時点におけるロボットアーム２の動作又は当該動作の次の動作が、ロボットアーム２の少なくとも先端部が進入した人６に近づく動作であることである。この例では、ロボットアーム２の動作が図４Ａに示す動作から図４Ｂに示す動作に変化する。図４Ａでは、ロボットアーム２の左アーム１２Ｂ、１３Ｂ及び右アーム１２Ａ、１３Ａがロボットアーム２の前方向（作業台２１に向かう方向）に突出している。一方、図４Ｂでは、ロボットアーム２の左アーム１２Ｂ、１３Ｂ及び右アーム１２Ａ、１３Ａがロボットアーム２の略右方向（作業台２３に略向かう方向）に突出している。人６はロボットアーム２の右斜め前方向から所定の監視エリア５に進入している。その結果、ロボットアーム２の左アーム１２Ｂ、１３Ｂが人６に向かって突出している。従って、ロボットアーム２の左アーム１２Ｂ、１３Ｂの先端部が、進入した人６に近づいて、危険である。それ故、このような場合にロボットアーム２の動作を停止させることにより人６の安全が確保される。

一方、例えば、図４Ｃに示すように、所定の監視エリア５に人６が進入した時点におけるロボットアーム２の動作又は当該動作の次の動作が、ロボットアーム２の少なくとも先端部が進入した人６から遠ざかる動作である場合には、ロボットアーム２の動作は停止されない。図４Ｃでは、ロボットアーム２の左アーム１２Ｂ、１３Ｂ及び右アーム１２Ａ、１３Ａが所定の監視エリア５に進入した人６と略反対方向に突出している。それ故、人６は安全である。本実施形態では、このように、所定条件が満たされない場合には、ロボットアーム２の動作が停止されないので、不要なロボットアーム２の動作の停止を低減することができる。

ロボット制御器３は、所定条件が満される場合（ステップＳ２でＹＥＳ）、ロボットアーム２の動作を停止し（ステップＳ３）、人６が所定の監視エリア５から退出するまで待機する（ステップＳ４でＮＯ）。

そして、人６が所定の監視エリア５から退出すると（ステップＳ４でＹＥＳ）、ロボットアーム２を再起動し（ステップＳ５）、人６が所定の監視エリア５に進入した否かを監視する動作に戻る（ステップＳ１でＮＯ）。

一方、ステップＳ２で所定条件が満たされない場合（ステップＳ２でＮＯ）、ロボット制御器３は、人６が所定の監視エリア５から退出するまで所定条件が満たされるか否かの判定を続ける（ステップＳ６でＮＯ及びステップＳ２でＮＯ）。

そして、所定条件が満たされない状態で、人６が所定の監視エリア５から退出すると（ステップＳ６でＹＥＳ）、ロボット制御器３は、人６が所定の監視エリア５に進入した否かを監視する動作に戻る（ステップＳ１でＮＯ）。

以上の説明から明らかなように、本実施形態によれば、ロボット制御器３が、人体識別器４の人体識別情報に基づいて人６と人体でない物体とを識別するので、ロボットアーム２の動作範囲を含む所定の監視エリア５に人体でない物体として識別された物体が進入した場合には、ロボットアーム２の動作が減速又は停止されない。従って、人体でない物体がロボットアーム２の動作範囲領域に進入した場合にロボットアーム２の動作が減速又は停止されることを低減することが可能である。

また、ロボット制御器３は、所定の監視エリア５に人６が進入したことを検知すると、所定条件を満たす場合に、ロボットアーム２の動作を変えるようロボットアーム２を制御するので、所定の監視エリア５に人６が進入したことを検知すると必ずロボットアーム２の動作が減速又は停止される場合に比べて、よりロボットアーム２の動作が減速又は停止されることを低減することができる。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

本発明のロボットシステムは、人体でない物体がロボットアームの動作範囲領域に進入した場合にロボットアームの動作が減速又は停止されることを低減することが可能なロボットシステムとして有用である。

１ ロボット
２ ロボットアーム
３ ロボット制御器
４ 人体識別器
５ 所定の監視エリア
６ 人（人体）
１０ 台車
１１ 基部
１２Ａ 右第１リンク
１２Ｂ 左第１リンク
１３Ａ 右第２リンク
１３Ｂ 左第２リンク
１４Ａ 右リスト部
１４Ｂ 左リスト部
１５Ａ 右アーム部
１５Ｂ 左アーム部
１６Ａ 右ハンド
１６Ｂ 左ハンド
２１～２３ 作業台
１００ ロボットシステム

Claims (5)

1. ロボットアームと、
   前記ロボットアームの動作範囲を含む所定の監視エリアにおける人体と人体でない物体とを識別するための人体識別情報を出力する人体識別器と、
   前記ロボットアームの動作を制御する制御器と、を備え、
   前記制御器は、前記人体識別器が出力する人体識別情報に基づき前記所定の監視エリアにおける人体と人体でない物体とを識別することによって前記所定の監視エリアに人体が進入したことを検知すると、前記ロボットアームの動作を変えるよう前記ロボットアームを制御するように構成されており、
   前記制御器は、前記所定の監視エリアに人体が進入したことを検知すると、所定条件を満たす場合に、前記ロボットアームの動作を減速又は停止するよう前記ロボットアームを制御するように構成されており、
   前記所定条件が、前記所定の監視エリアに人体が進入した時点における前記ロボットアームの動作又は当該動作の次の動作が、前記ロボットアームの少なくとも先端部が前記進入した人体に近づく動作であることである、ロボットシステム。
2. 前記ロボットアームの動作を変えることが前記ロボットアームの動作を減速又は停止することである、請求項１に記載のロボットシステム。
3. 前記人体識別器が、熱画像カメラ、人感センサ、デジタルカメラ、非接触式の表面温度計、人を理解するセンサである、請求項１又は２に記載のロボットシステム。
4. 前記人体識別器が、熱画像カメラである、請求項３に記載のロボットシステム。
5. 前記熱画像カメラは、前記所定の監視エリアの熱画像を出力し、
   前記制御器は、前記熱画像において、３５℃以上３８℃以下の範囲の温度に対応し、且つ、前記熱画像の全面積に対する面積の割合が所定範囲の割合である領域を人体として識別することによって、前記所定の監視エリアにおける人体と人体でない物体とを識別するように構成されている、請求項４に記載のロボットシステム。

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