(57)【要約】      （修正有）【課題】所定の安全機能を介して安全システムを実装する産業用ロボットを提供する。【解決手段】かかる安全機能を果たすべく、ロボットは、２つのロボットアームセクションを接続する関節の中に、関節の中のギアの入力側の角度配向を感知する第１位置センサと、ギアの出力側の角度配向を感知する第２位置センサとを含む。【選択図】図１
2020114623.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
安全システムを有する産業用ロボットであって、
・一のロボットアームの２つのロボットアームセクションを接続する関節であって、一方のアームセクションから他方のアームセクションに力又はトルクを伝えるギア又は同様のトランスミッションデバイスを備えた関節と、
・前記トランスミッションの入力側又は出力側の位置を感知する第１位置センサと、
・前記トランスミッションの入力側又は出力側の位置を感知する第２位置センサと、
・運動学計算及び動力学計算を含む物理的ロボットアームのソフトウェアモデルを実装する制御ユニットと、
・前記ロボットをプログラムする手段を含むユーザインタフェイス手段であって、前記ロボットの外部に、前記ロボットの一体部品として、又はこれらの組み合わせとして設けられるユーザインタフェイス手段と、
・ロボットの動き及びさらなる動作に関連する情報を格納するべく前記ユーザインタフェイス手段及び前記制御ユニットと協働する格納手段と
を含み、
前記制御ユニットは、前記関節が所定範囲を超えたか否かを決定することのような一つ以上の安全機能を実現するべく前記２つの位置センサからの情報を処理する、産業用ロボット。
【請求項２】
前記制御ユニットは、
・前記第２位置センサが前記ロボット関節の角度を直接監視し、当該角度が所定角度範囲を超えるか否かを検出する一方、前記第１位置センサが対応する出力側位置を、完全回転の回数及びギア比に基づいて計算する、関節位置制限安全機能と、
・前記ロボット関節の速度が位置の変化率によって決定される、関節速度安全機能と、
・前記ロボット関節の位置及び速度が、前記ロボットアームにおける質量分布と摩擦のモデルと併せて使用され、前記ロボット関節に及ぼされる予測トルクが計算される、関節トルク制限安全機能と、
・前記２つの位置センサからの出力に基づいてツールの速度が計算される、ツール速度制限安全機能と、
・前記関節トルク制限安全機能において計算された予測トルクが直交座標系空間に反映され、力制限機能が得られる、ツール力制限安全機能と、
・各関節のトルクと速度との積として計算される機械的仕事が一定値に制限される、パワー制限安全機能と、
・緊急停止がアクティブになると、前記ロボットが実際に減速していることをチェックするべく冗長速度測定が使用され、これにより、前記ロボットはフェールセーフな態様で、能動的にプログラム軌道内で減速する、緊急停止安全機能と、
・速度推定が使用され、保安手段入力がアクティブであるときの前記ロボットの減速が制御される、保安手段停止安全機能と、
・前記ロボット関節の位置及び速度が、前記アームの運動学モデル及び動力学モデルと組み合わされ、前記ロボットアームに投入されるパワーの合計が一定限度内に維持されているか否かが常に監視される、パワー制限安全機能と、
・前記２つのセンサそれぞれが、前記ロボット関節が動いているか否かを検出し、それに応じて出力を設定する、ロボット動きデジタル出力安全機能と、
・前記２つのセンサそれぞれが、前記ロボットが能動的にブレーキをかけ又は停止していないか否かを検出する、ロボット非停止デジタル出力安全機能と、
・前記２つのセンサが使用され、前記ロボットが作業空間内に存在するか否かが監視され、それに応じて安全パラメータが変更される、低減モードゾーン安全機能と、
・前記２つのセンサが、前記ロボット運動学のソフトウェアモデルと組み合わされて使用され、前記ロボットアームエンドエフェクタの位置が計算され、この位置が一定のユーザ定義限度内にあることが確認される、ツール位置制限安全機能と、
・前記２つのセンサが前記ロボット運動学のソフトウェアモデルと組み合わされて使用され、前記ロボットアームエンドエフェクタの配向が推測され、この配向が一定の特定角度限度内にあることが確認される、ツール配向制限安全機能と
のうち１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８又は１９のような一つ以上の安全機能を実現するべく前記２つの位置センサからの情報を処理する、請求項１に記載の産業用ロボット。
【請求項３】
前記ロボットアームはロボットツールを保持するべく構成される、請求項１又は２に記載の産業用ロボット。
【請求項４】
前記第１位置センサは、角度位置又は線形位置を感知するエンコーダ又は他のセンサを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の産業用ロボット。
【請求項５】
前記第１位置センサは、角度位置又は線形位置を感知するエンコーダ又は他のセンサを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の産業用ロボット。
【請求項６】
前記第１位置センサは、前記トランスミッションの入力側の位置を感知する、請求項１から５のいずれか一項に記載の産業用ロボット。
【請求項７】
前記第２位置センサは、前記トランスミッションの出力側の位置を感知する、請求項１から６のいずれか一項に記載の産業用ロボット。
【請求項８】
制御ユニットは、前記２つのセンサからの情報を使用し、少なくとも
・関節位置制限安全機能と、
・関節速度制限安全機能と、
・関節トルク制限安全機能と
を実現する、請求項１から７のいずれか一項に記載の産業用ロボット。
【請求項９】
前記制御ユニットは、前記２つのセンサからの情報を使用し、
・関節位置制限安全機能と、
・関節速度制限安全機能と、
・関節トルク制限安全機能と、
・ツール姿勢制限安全機能と、
・ツール速度制限安全機能と、
・ツール力制限安全機能と
を実現する、請求項１から８のいずれか一項に記載の産業用ロボット。
【請求項１０】
産業用ロボットの安全制御のための方法であって、
前記産業用ロボットは、
一のロボットアームの２つのロボットアームセクションを接続する関節であって、一方のアームセクションから他方のアームセクションに力又はトルクを伝えるギア又は同様のトランスミッションデバイスを備えた関節と、
前記ギアの入力側又は出力側の位置を感知する第１位置センサと、
前記ギアの入力側又は出力側の位置を感知する第２位置センサと、
運動学計算及び動力学計算を含む物理的ロボットアームのソフトウェアモデルを実装する制御ユニットと、
前記ロボットをプログラムする手段を含むユーザインタフェイス手段であって、前記ロボットの外部に、前記ロボットの一体的部分として、又はこれらの組み合わせとして設けられるユーザインタフェイス手段と、
前記ロボットの動き及びさらなる動作に関連する情報を格納するべく前記ユーザインタフェイス手段及び前記制御ユニットと協働する格納手段と
を含み、
前記方法は、前記制御ユニットを使用して、前記関節が所定範囲を超えたか否かを決定することのような一つ以上の安全機能を実現するべく前記２つの位置センサからの情報を処理する、方法。
【請求項１１】
前記制御ユニットは、
・前記第２位置センサが前記ロボット関節の角度を直接監視し、当該角度が所定角度範囲を超えるか否かを検出する一方、前記第１位置センサが対応する出力側位置を、完全回転の回数及びギア比に基づいて計算する、関節位置制限安全機能と、
・前記ロボット関節の速度が位置の変化率によって決定される、関節速度安全機能と、
・前記ロボット関節の位置及び速度が、前記ロボットアームにおける質量分布と摩擦のモデルと併せて使用され、前記ロボット関節に及ぼされる予測トルクが計算される、関節トルク制限安全機能と、
・位置センサからの出力に基づいてツールの速度が計算される、ツール速度制限安全機能と、
・前記関節トルク制限安全機能において計算された予測トルクが直交座標系空間に反映され、力制限機能が得られる、ツール力制限安全機能と、
・前記ロボットアームにおける質量分布モデル及び積載量を使用して任意の所与時点におけるロボット運動量及び積載量を計算及び制限するべく、ロボット関節の位置及び速度を使用することができる、運動量制限安全機能と、
・各関節のトルクと速度との積として計算される機械的仕事が一定値に制限される、パワー制限安全機能と、
・緊急停止がアクティブになると、前記ロボットが実際に減速していることをチェックするべく冗長速度測定が使用され、これにより、前記ロボットはフェールセーフな態様で、能動的にプログラム軌道内で減速する、緊急停止安全機能と、
・速度推定が使用され、保安手段入力がアクティブであるときの前記ロボットの減速が制御される、保安手段停止安全機能と、
・前記ロボット関節の位置及び速度が、前記アームの運動学モデル及び動力学モデルと組み合わされ、前記ロボットアームに投入されるパワーの合計が一定限度内に維持されているか否かが常に監視される、パワー制限安全機能と、
・前記２つのセンサそれぞれが、前記ロボット関節が動いているか否かを検出し、それに応じて出力を設定する、ロボット動きデジタル出力安全機能と、
・前記２つのセンサそれぞれが、前記ロボットが能動的にブレーキをかけ又は停止していないか否かを検出する、ロボット非停止デジタル出力安全機能と、
・前記２つのセンサが使用され、前記ロボットが作業空間内に存在するか否かが監視され、それに応じて安全パラメータが変更される、低減モードゾーン安全機能と、
・前記２つのセンサが、前記ロボット運動学のソフトウェアモデルと組み合わされて使用され、前記ロボットアームエンドエフェクタの位置が計算され、この位置が一定のユーザ定義限度内にあることが確認される、ツール位置制限安全機能と、
・前記２つのセンサが前記ロボット運動学のソフトウェアモデルと組み合わされて使用され、前記ロボットアームエンドエフェクタの配向が推測され、この配向が一定の特定角度限度内にあることが確認される、ツール配向制限安全機能と
のうち１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８又は１９のような一つ以上の安全機能を実現するべく前記２つの位置センサからの情報を処理する、請求項１０の方法。
【請求項１２】
前記ロボットアームはロボットツールを保持するべく構成される、請求項１０又は１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１位置センサは角度位置又は線形位置を感知する、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記第２位置センサは角度位置又は線形位置を感知する、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１位置センサは、前記ギアの入力側の位置を感知する、請求項１０〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記第２位置センサは、前記ギアの出力側の位置を感知する、請求項１０〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
前記制御ユニットは、前記２つのセンサからの情報を使用し、少なくとも
・関節位置制限安全機能と、
・関節速度制限安全機能と、
・関節トルク制限安全機能と
を実現する、請求項１０〜１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
前記制御ユニットは、前記２つのセンサからの情報を使用し、少なくとも
・関節位置制限安全機能と、
・関節速度制限安全機能と、
・関節トルク制限安全機能と、
・ツール姿勢制限安全機能と、
・ツール速度制限安全機能と、
・ツール力制限安全機能と
を実現する、請求項１０〜１７のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はロボット安全システムに関する。詳しくは、本発明は、所定の安全機能を介して安全システムを実装する産業用ロボットに関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットは、電子回路基板組み立て及び他の自動組み立て作業のようなアプリケーションのために産業界において産業において広く使用される。現代のロボットの人気が特に高いのは、その簡単な構造、低コスト、低メンテナンス性、軽量性、高精度、高速及びコンプライアンス特性による。
【０００３】
一般に、産業界において使用されるロボットのプログラミングは、専門知識を必要とし、システムインテグレータと称されることが多い当業者によってのみ行うことができる。産業界において又は家庭においてさえ使用される多目的ロボットに関し、いくつかの重要な安全課題が依然として未解決のままである。
【０００４】
従来のロボットシステムには、ロボットのマニピュレータ部分に発生する異常トルクに基づいてロボットとその周囲との衝突を検出する衝突検出機能が設けられる。この衝突検出機能により衝突が検出されると、ロボットの動作を停止するべく又は衝突力を軽減するべく制御が行われる。これにより、ロボットへの損傷と、当該ロボットに設けられたデバイス及び周囲の機器への損傷とが最小限にとどめられる。
【０００５】
それにもかかわらず、人間とロボットとの衝突を検出する衝突検出機能を使用するときは、人間の安全を確保するべく衝突への感度を上げる必要がある。この理由から、ロボットの異なる部分に設けられたギア又は減速機等の摩擦トルクを精度よく推定することが求められる。この点に関し、摩擦トルクは外気温度及びロボットの動作状態に応じて変動するので、摩擦トルクを高精度に推定することは難しい。したがって、ロボットのマニピュレータ部分のトルクから人間とロボットとの衝突を精度よく検出して人間への危害を防ぐことは困難であった。
【０００６】
それにもかかわらず、人間がロボットに直接接触し、搬送物体が人間及びロボット間に介在しない場合、人間及びロボット間に生じる力は検出されない。さらに、ロボットのアーム及びハンド間の力を検出する力センサを取り付けても、人間がロボットのアーム部分に接触するのを検出することが可能とはならない。その接触は、当該センサが検出することができないからである。この理由から、先行技術において、人間とロボットとが直接接触するようになる可能性が存在する場合に安全な相互作用作業を可能とするロボットシステムを与えることができなかった。
【０００７】
物体が接近した結果、センサにより形成されるキャパシタの電界に引き起こされる容量変化を測定するべく、容量センサが使用されている。容量センサは、すべての良好な導電性の材料のほか、十分高い誘電率を有する材料のみを検出する。空間内を自由に動かされる部品を備えた高速移動装置の場合、容量センサは安全デバイスとして有用ではない。この関係では、信頼できる人間機械協働を許容する完全なシステムが望ましい。
【０００８】
ロボットは、潜在的に危険であって人間に衝突することにより人間に危害を加え得る物理的機械である。ハードウェア又はソフトウェアの欠陥の場合、ロボットは、システムインテグレータ（ロボットのセットアップ時に安全性に責任を負う人）により予測されなかった想定外の動きをすることさえあり得る。この理由から、改善された安全システムをロボットが有することが非常に望ましくなり得る。
【０００９】
特許文献１は、安全システムを有するロボットを開示する。この安全システムは、関節と、各関節に取り付けられた第１トルクセンサ及び第２トルクセンサを含む。トルクセンサ（例えば歪みゲージ）は、信頼できる安全制御システムを得るべく適用可能とはならない。さらに、特許文献１の複数のセンサは、送信器ユニットＳ内の、マイクロコントローラを有する集積回路（ＩＣ）の形態の２つの演算器Ｓ１、Ｓ２に接続される。すなわち、特許文献１は、すべてのセンサ回路を同じコンポーネント上に配置していないので、安全制御にとって適用可能性が低い。
【００１０】
本発明の課題は、空間内で自由に可動な部品を有する装置の動作のための安全デバイスを与えることにある。これにより、かかる装置の信頼できる安全な動作が、複雑かつ高コストな周辺機器なしに許容され、さらには装置部品と人間又は物体との衝突が初期段階で確実に検出されることが保証される。その結果、計画及び製造のコストが回避されることに加え、かかる設置のための空間的要件が著しく低減されるので、人々及び機械が将来、作業エリアを一緒に使用することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／０３２４７３３（Ａ１）号明細書
【発明の概要】
【００１２】
上記の及び他の目的は、本発明によれば、特別な安全制御システムを有するプログラム可能ロボットシステムにより達成される。
【００１３】
具体的には、この専門知識を必要とすることなく簡単かつ容易な態様でプログラムすることができる、すなわち、例えば産業界のオペレータ又は技術者によって、又は例えば家庭の個人によってでさえ、行うことができる、プログラム可能ロボットシステムを与えることが本発明の目的である。具体的には、安全制御システムは、以下で詳述される所望の安全機能を達成するべく、各ロボット関節において２つの位置センサを利用する。位置センサは、ギア又は同様のトランスミッションデバイスの入力側又は出力側の角度位置又は線形位置を感知するべく使用される。ハードウェア又はソフトウェアにおける動作制限又は誤差の任意の違反が、当該安全機能のいずれかによって発見される場合、ロボットは安全状態にされる。
【００１４】
本発明によれば、システムは、ソフトウェア又はハードウェアのいずれにおける一つの故障もロボットを危険にすることがないように設計される。これを実現する一般的な方法は、安全機能を果たすべく２つの別個のシステム（ブランチ）を有することである。これらのシステムは双方とも、ロボットへの電力を独立して遮断することができる。これらのシステムはそれぞれが、所望の安全パラメータを監視することができる。
【００１５】
本発明者は、ギアの両側に位置センサを配置することにより、産業用ロボットに関する一定の安全性の問題が簡単な態様で解決され得るということを見出した。ロボットの関節内にセンサは、一つの位置センサがギアの入力側（モータ側）に載置されて一つの位置センサがギアの出力側（ロボットアーム側）に載置されるように置かれる。重要なことに、制御ユニットは、（センサ回路に対して別個のコンポーネントを使用する引用文献１とは対照的に）すべてのセンサ回路が同じコンポーネント上に配置されるようにして、一つ以上の安全機能を実現するべく２つのセンサからの情報を処理する。安全システムは、２つのセンサに基づいて多数の安全機能を果たす。各安全機能は、その使用値を第２ブランチのものと比較し、不一致の場合、ロボットを安全な状態にする。安全違反による故障を避けるべく、安全機能のほとんどはまた、パラメータを制限する。これらは、ロボットアームの動きの速度を制限して運動量違反を回避することができる。ここでの安全機能は以下のように定義される。
【００１６】
関節位置制限安全機能：
第１システムにおいて、出力側位置センサはロボット関節の角度を直接監視し、安全設定により定義された制限を外れるか否かを検出する。第２システムにおいて、入力側位置センサは、対応する出力側位置を、完全回転の回数及びギア比を考慮することにより計算する。
【００１７】
関節速度制限安全機能：
ロボット関節の速度を、一定時間インターバルにわたる位置の差によって近似することができる（数値微分）。高分解能位置センサ及び良好な時間測定の場合、これはかなり正確となり得る。これにより、２つの安全システムブランチのそれぞれにおいて速度安全機能が実現される。
【００１８】
関節トルク制限安全機能：
各ロボット関節の位置及び速度とロボットアームにおける質量分布とを知ることにより、各ロボット関節に及ぼされる予測トルクを計算することができる（出力側）。関節におけるモータ側トルクを推定するべくモータの電流も測定される（入力側）。これら２つのシステムを、トルクが所与制限内に存在することを確証するべく使用することができる。
【００１９】
ツール位置制限安全機能：
この場合、２つのセンサがロボット運動学のソフトウェアモデルと組み合わせて使用され、ロボットアームエンドエフェクタの位置が推測され、この位置が一定のユーザ定義制限内にあることが確認される。
【００２０】
ツール配向制限安全機能：
この場合、２つのセンサがロボット運動学のソフトウェアモデルと組み合わされて使用され、ロボットアームエンドエフェクタの配向が推測され、この配向が一定の特定角度制限内にあることが確認される。
【００２１】
ツール速度制限安全機能：
「関節速度制限安全機能」及び「ツール姿勢制限安全機能」と同様に、ツールの速度を推定するべく位置の数値微分を使用することができる。
【００２２】
ツール力制限安全機能：
「関節トルク制限安全機能」において言及された予測トルクを、力制限機能を実現するべく直交座標系空間に反映することができる。
【００２３】
運動量制限安全機能：
ロボットアームにおける質量分布モデル及び積載量を使用して任意の所与時点におけるロボット運動量及び積載量を計算及び制限するべく、ロボット関節の位置及び速度を使用することができる。
【００２４】
緊急停止安全機能：
緊急停止部が押されると、ロボットが実際に減速していることをチェックするべく冗長速度測定が使用される。これにより、ロボットはフェールセーフな態様で、能動的にプログラム軌道内で減速する。
【００２５】
保安手段停止安全機能：
速度推定はまた、保安手段入力がアクティブのとき、ロボットの冗長な減速を制御及び保証するべく使用することができる。
【００２６】
パワー制限安全機能：
ロボットによりもたらされる機械仕事の合計を確実に一定制限内に維持するべく、関節により生成されるトルクが、当該関節の速度に基づいて低減される。
【００２７】
ロボット動きデジタル出力安全機能：
２つのセンサそれぞれが、ロボット関節が動いているか否かを検出し、それに応じて出力を設定することができる。
【００２８】
ロボット非停止デジタル出力安全機能：
２つのセンサはそれぞれ、関節における電流消費と組み合わせて、ロボットが能動的にブレーキをかけ又は停止しているか否かを検出し、それに応じて出力を設定することができる。
【００２９】
低減モードゾーン安全機能：
ロボットがその作業空間の中のどこに存在しているかを監視し、それに応じて安全パラメータを変更するべく、２つのセンサを使用することができる。例えば、ロボットは、ＣＮＣ機械内では人にぶつかるリスクがかなり低いので、ＣＮＣ機械内では外よりも速く動く。
【００３０】
ツールに基づく安全機能は、ＴＣＰ（ツール中心点）のようなツール上の点、又はロボットのフランジ上の点を考慮する。
【００３１】
したがって、本発明は、第１側面において、安全システムを有する産業用ロボットを与える。この産業用ロボットは、
・一のロボットアームの２つのロボットアームセクションを接続する関節であって、一方のアームセクションから他方のアームセクションに力又はトルクを伝えるギア又は同様のトランスミッションデバイスを備えた関節と、
・トランスミッションの入力側の位置を感知する第１位置センサと、
・トランスミッションの出力側の位置を感知する第２位置センサと、
・運動学計算及び動力学計算を含む物理的ロボットアームのソフトウェアモデルを実装する制御ユニットと、
・ロボットをプログラムする手段を含むユーザインタフェイス手段であって、ロボットの外部に、ロボットの一体部品として、又はこれらの組み合わせとして設けられるユーザインタフェイス手段と、
・ロボットの動き及びさらなる動作に関連する情報を格納するべく前記ユーザインタフェイス手段及び前記制御ユニットと協働する格納手段と
を含み、
制御ユニットは、以下の安全機能のうち１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８又は１９のような一つ以上の安全機能を実現するべく当該２つの位置センサからの情報を処理する。
・関節位置制限安全機能。第２位置センサがロボット関節の角度を直接監視し、当該角度が所定角度範囲を超えるか否かを検出する一方、第１位置センサが対応する出力側位置を、完全回転の回数及びギア比に基づいて計算する。
・関節速度安全機能。ロボット関節の速度が、一定時間インターバルにわたる位置の差によって決定される。
・関節トルク制限安全機能。ロボット関節の位置及び速度が、ロボットアームにおける質量分布と併せて使用され、ロボット関節に及ぼされる予測トルクが計算される。
・ツール速度制限安全機能。位置の数値微分が使用され、ツールの速度が推定される。
・ツール力制限安全機能。前記関節トルク制限安全機能において計算された予測トルクが直交座標系空間に反映され、力制限機能が得られる。
・運動量制限安全機能。ロボットアームにおける質量分布モデル及び積載量を使用して任意の所与時点におけるロボット運動量及び積載量を計算及び制限するべく、ロボット関節の位置及び速度を使用することができる。
・緊急停止安全機能。緊急停止がアクティブになると、ロボットが実際に減速していることをチェックするべく冗長速度測定が使用される。これにより、ロボットはフェールセーフな態様で、能動的にプログラム軌道内で減速する。
・保安手段停止安全機能。二重センサに基づく速度推定が使用され、保安手段入力がアクティブであるときのロボットの冗長な減速が制御される。
・パワー制限安全機能。ロボット関節の位置及び速度が、アームの運動学モデル及び動力学モデルと組み合わされ、ロボットアームによりもたらされる機械的仕事の合計が一定限度内に維持されているか否かが常に監視される。
・ロボット動きデジタル出力安全機能。２つのセンサそれぞれが、ロボット関節が動いているか否かを検出し、それに応じて出力を設定する。
・ロボット非停止デジタル出力安全機能。２つのセンサそれぞれが、ロボットが能動的にブレーキをかけ又は停止していないか否かを検出し、それに応じて出力を設定する。
・低減モードゾーン安全機能。２つのセンサが使用され、ロボットが作業空間内に存在するか否かが監視される。それに応じて安全パラメータが変更される。
・ツール位置制限安全機能。２つのセンサが、ロボット運動学のソフトウェアモデルと組み合わされて使用され、ロボットアームエンドエフェクタの位置が計算され、この位置が一定のユーザ定義限度内にあることが確認される。
・ツール配向制限安全機能。２つのセンサがロボット運動学のソフトウェアモデルと組み合わされて使用され、ロボットアームエンドエフェクタの配向が推測され、この配向が一定の特定角度限度内にあることが確認される。
【００３２】
本発明の好ましい実施形態において、センサは角度位置又は線形位置を感知する。好ましくは、第１位置センサが、ギアの入力側の位置を感知する一方、第２位置センサが、ギアの出力側の位置を感知する。
【００３３】
本発明の好ましい実施形態において、制御ユニットは、２つのセンサからの情報を使用し、少なくとも以下の安全機能を実現する。
・関節位置制限安全機能
・関節速度制限安全機能
・関節トルク制限安全機能
【００３４】
本発明の他側面において、産業用ロボットの安全制御の方法が与えられる。この方法は、上述された安全機能を果たす。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態に係るロボット関節の断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
本発明によれば、システムは、ソフトウェア又はハードウェアのいずれにおける一つの故障もロボットを危険にすることがないように設計される。
【００３７】
これを実現する一般的な方法は、安全機能を果たすべく２つの別個のシステムを有することである。これらのシステムは双方とも、ロボットへの電力を独立して遮断することができる。これらのシステムはそれぞれが、所望の安全パラメータを監視することができる。２つのシステムは、共通原因故障を回避するべく可能な限り多様にする必要がある。これらの故障は、コンパイラのエラー、方法論のエラー、ソフトウェアのバグ、電子機器の誤作動としてよい。これを克服するべく、安全システムソフトウェアの２つのブランチが、２つの独立したプログラマーチームによって作られ、そのソースコードが、異なるコンパイラによってコンパイルされ、異なるマイクロプロセッサ上で実行される。２つのブランチは、角度位置を測定するべく異なるハードウェアを使用し、故障の場合には電源を遮断する２つの方法を使用する。
【００３８】
安全制御システムは、上で定義された所望の安全機能を果たすべく各ロボット関節において２つのセンサを利用するので、そのような修正がされたロボット関節の詳細な説明を以下に与える。
【００３９】
図１を参照すると、本発明の一実施形態に係る関節の断面図が示される。関節は、機械的、電気機械的、電子的、及び光学的要素を含む。これらの要素は、他の要素と、直接、電気コネクタを介し、又は無線、例えば光結合を介して互いに相互接続される。他の要素の最も簡単かつ分かりやすい取り付け及び接続を保証するべく、これらの要素は、可能な限り多くが、一つのプリント回路基板１３１（ＰＣＢ）上に設けられると有利である。これは、６軸ロボットにおいて使用され得る関節の一実施形態の断面図であるが、この関節はまた、他のロボットに関連して使用されてよいことも理解される。
【００４０】
図示の実施形態において、位置センサ１３２、１３３が使用され、安全ブレーキ１３４、１３５が実装される。ブレーキは、ソレノイド１３４が当該ブレーキを非常に限られた力でアクティブにし及びアクティブ解除することができるように設計される。
【００４１】
モータ（角度配向）の位置（アクスル／ロータの角度配向）を決定するべく使用されるセンサ１３３が、ＰＣＢ１３１の裏面に取り付けられる。図１に示されるモータは、ステータ部１３６及びロータ部１３７を含む。
【００４２】
関節の出力アクスル１３８又は出力フランジ１３９の角度配向を決定するべく使用されるセンサ１３２は、ＰＣＢの表面に又はＰＣＢ１３１の表面上のソケットに設けられる。好ましくは高分解能センサが使用され、中空アクスル１３８とセンサとの間の短い距離が、センサ及びエンコーダディスクの互いに対する適切な位置決めを達成するべく重要となる。関節を通るＰＣＢ１３１において出力フランジ１３９の動き（回転）を感知可能とするべく、エンコーダディスク１４０が、中空アクスル１３８に取り付けられる。中空アクスル１３８を通して電気及び空気圧接続部１４１が関節を通るように案内され、中空アクスル１３８は、出力フランジ１３９に接続される。
【００４３】
例えばパワーのドロップアウト時にロボット１３７を停止させる安全ブレーキ１３４及び１３５は、ＰＣＢ１３１との一体部品として形成される。パワーのドロップアウト事象においてラチェット１４２を変位させ、モータアクスル１４３に取り付けられた環状部材１３５に係合させるソレノイド１３４は、ＰＣＢ１３１に直接取り付けられる。この環状部材１３５（摩擦リング）は、モータアクスルに対して回転することができるが、当該環状部材とモータアクスル１４３との間には高摩擦が存在する。これにより、関節の制御された停止が保証されるが、ロボットアームが過負荷となるほど突発的に関節を停止させることはない。この図において、環状部材１３５とモータアクスル１４３との間の摩擦は、モータアクスル１４３と環状部材１３５（摩擦リング）との間にきつく嵌められたＯリング１４４によって保証される。
【００４４】
さらに、本発明のこの実施形態に係る関節は、隣接する関節が、さらなる要素を使用することなく互いに取り付けられ得るように設計される。当該関節の、隣接する関節又は接続部材（例えば薄壁管）への取り付けは、出力フランジ１３９と、関節のハウジング１４６上の接続部分１４５とを介して行われる。それ以外に、本発明に係る複数のロボット関節は、最適な剛性／重量比に起因して好ましい選択肢をなす適切な部材、例えば薄壁管、を介して一緒に結合することができる。さらに、本発明のこの実施形態に係る関節は、ハウジング１４６と出力フランジ１３９との間のシール１４７と、ハウジング１４６の中に設けられた傾斜内面部分（支承面）１５５に対して載置される主要ベアリング１４８と、密封ベアリング１４９と、トランスミッション１５０と、隣接する関節又は接続部材からの接続を目的とする少なくとも一つの通路１５１と、出力部材１３８、１３９が回転するときのスリップリング用及びツイストワイヤ１４１用のエリア／空間（１５２）と、ＰＣＢ１３１取り付けのための、さらには関節内のパワーエレクトロニクス用のヒートシンクとして作用する例えばアルミニウム又は他の適切な材料のさらなるベアリング１５３及びプレート１５４とを含む。
【００４５】
関節における主要ベアリング配列として図に示される一対のスラスト傾斜接触ニードルベアリングの代わりに、一つの４点接触ボールベアリング若しくは一つの交差ローラベアリング、又は一対の傾斜接触ボールベアリングを使用してよい。
【００４６】
さらに、図示の、一つの偏心ピニオンを有する偏心ギア配列の代わりに、１８０度位相シフトされた２つのピニオン、又は１２０度位相シフトされた３つのピニオンを有する偏心ギア配列も使用してよい。代替的に、ユニットにおいて、一体化された出力ベアリングあり又はなしのハーモニックドライブ（登録商標）ギアを使用することもできる。
【００４７】
一定数の特定実施形態が図示及び記載されてきたが、本発明すなわち、ロボット自体と、当該ロボットをプログラム及び制御するべく使用されるユーザインタフェイス手段との双方、及びそのような制御システム全体が、一定数の異なる態様で実装され得ることが理解される。したがって、例えば、ユーザインタフェイスにおいて多数の代替メニューページを設計してよい。よって本発明の範囲は、これらの技術的等価物を含む添付の特許請求の範囲によって定義される。本発明のユーザインタフェイス手段はまた、本願において図示、記載及び請求されるもの以外のロボットと関連して使用してよいことも、これが、例えば駆動手段、エンコーダ等を有する関節のようなロボットの電気機械要素にも当てはまることもさらに理解される。
【図１】
2020114623.tif 000003
【手続補正書】
【提出日】令和2年4月10日(2020.4.10)
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
産業用ロボットであって、
複数のセクションを有するロボットアームと、
前記ロボットアームの２つのセクションを接続する関節であって、前記ロボットアームの一方のセクションから他方のセクションに力又はトルクを伝えるギア又はトランスミッションデバイスを含む関節と、
前記ギア又はトランスミッションデバイスの入力側の第１位置を感知する第１位置センサと、
前記ギア又はトランスミッションデバイスの出力側の第２位置を感知する第２位置センサと、
前記第１位置又は前記第２位置の少なくとも一方に基づき、２つの別個のシステムを使用して前記産業用ロボットのための一つ以上の安全機能のうち同じ安全機能を果たすように構成された制御システムであって、前記同じ安全機能の出力が不一致の場合に前記産業用ロボットを安全な状態に置くべく構成された制御システムと、
前記産業用ロボットをプログラムするためのユーザインタフェイスであって、前記産業用ロボットの外部に存在し、前記産業用ロボットの一体部品であり、又は前記産業用ロボットの外部と前記産業用ロボットの一体部品との組み合わせであるユーザインタフェイスと
を含む、産業用ロボット。
【請求項２】
前記一つ以上の安全機能は、
前記第２位置センサが前記関節の角度を監視し、前記角度が所定の角度範囲を越えているか否かを検知するべく構成された関節位置制限安全機能であって、前記第１位置センサが前記関節の完全回転の回数とギア比とに基づいて出力側位置を計算するべく構成される関節位置制限安全機能、
前記関節の速度が前記関節の位置の変化率により決定される関節速度制限安全機能、
前記関節において及ぼされる予測トルクを計算するべく前記関節の位置及び速度、並びに前記ロボットアームにおける質量分布と、摩擦のモデルとが使用される関節トルク制限安全機能、
前記第１位置センサ及び前記第２位置センサからの出力に基づいてツールの速度が決定されるツール速度制限安全機能、
力制限機能を得るべく前記予測トルクが直交座標系空間に反映されるツール力制限安全機能、
前記関節のトルクと速度との積として計算される機械的仕事を所定値に制限するパワー制限安全機能、
緊急停止がアクティブにされているときに前記産業用ロボットが減速していることをチェックするべく冗長速度測定が使用され、前記産業用ロボットはフェールセーフな態様で、能動的に一定軌道内で減速するべく構成される緊急停止安全機能、
保安手段入力がアクティブであるときに前記産業用ロボットの減速を制御するべく速度予測が使用される保安手段停止安全機能、
前記ロボットアームに投入されるパワーの合計が所定制限内にあるか否かを常に監視するべく前記関節の位置及び速度と、前記ロボットアームの運動学及び動力学を表すソフトウェアモデルとが使用されるパワー制限安全機能、
前記第１位置センサ及び前記第２位置センサそれぞれが、一つ以上のロボット関節が動いているか否かを検出するべく、かつ、前記一つ以上のロボット関節が動いているか否かに基づいて出力を設定するべく構成されるロボット動きデジタル出力安全機能、
前記第１位置センサ及び前記第２位置センサそれぞれが、前記産業用ロボットが能動的にブレーキをかけ又は停止していないか否かを検出するべく構成されたロボット非停止デジタル出力安全機能、
前記第１位置センサ及び前記第２位置センサが、前記産業用ロボットが作業空間に存在するか否かを監視し、前記産業用ロボットが前記作業空間に存在するか否かに応じて安全パラメータを変更する縮小モードゾーン安全機能、
ロボットアームエンドエフェクタの位置を決定して前記位置がユーザ定義限度内であることを保証するべく前記第１位置センサ及び前記第２位置センサが前記ソフトウェアモデルと組み合わせて使用されるツール位置制限安全機能、
前記ロボットアームエンドエフェクタの配向を決定して前記配向が特定の角度限度内であることを保証するべく前記第１位置センサ及び前記第２位置センサが前記ソフトウェアモデルと組み合わせて使用されるツール配向制限安全機能、又は
前記産業用ロボットの運動量及び積載量を前記ロボットアームにおける質量分布及び前記積載量に基づいて決定及び制限するべく一つ以上のロボット関節の位置及び速度が使用可能な運動量制限安全機能
の２つ以上を含む、請求項１の産業用ロボット。
【請求項３】
前記ロボットアームはロボットツールを保持するべく構成される、請求項１又は２の産業用ロボット。
【請求項４】
前記第１位置センサ及び前記第２位置センサのいずれか一方又は双方は、角度位置又は線形位置を感知するエンコーダを含む、請求項１から３のいずれか一項の産業用ロボット。
【請求項５】
前記第１位置センサは、前記入力側の第１位置のみを感知することを目的とする、請求項１から４のいずれか一項の産業用ロボット。
【請求項６】
前記第２位置センサは、前記出力側の第２位置のみを感知することを目的とする、請求項１から５のいずれか一項の産業用ロボット。
【請求項７】
前記一つ以上の安全機能は、前記関節位置制限安全機能、前記関節速度制限安全機能、及び前記関節トルク制限安全機能を含む、請求項２の産業用ロボット。
【請求項８】
前記一つ以上の安全機能はさらに、前記ツール速度制限安全機能及び前記ツール力制限安全機能を含む、請求項７の産業用ロボット。
【請求項９】
前記２つの別個のシステムは、安全システムソフトウェアの２つのブランチを含み、
各ブランチは、他方のブランチから独立して前記同じ安全機能を果たすことを目的とする、請求項１から８のいずれか一項の産業用ロボット。
【請求項１０】
前記制御システムは複数のマイクロプロセッサを含み、
各マイクロプロセッサは、前記同じ安全機能の少なくとも一部を果たすべく構成される、請求項１から９のいずれか一項の産業用ロボット。
【請求項１１】
前記マイクロプロセッサのうち第１マイクロプロセッサは、前記第１位置に基づいて前記一つ以上の安全機能のうち第１安全機能の少なくとも一部を果たすべく構成され、
前記マイクロプロセッサのうち第２マイクロプロセッサは、前記第２位置に基づいて前記一つ以上の安全機能のうち第２安全機能の少なくとも一部を果たすべく構成される、請求項１０の産業用ロボット。
【請求項１２】
前記第１位置センサ及び前記第２位置センサの一方が一の基板の表面に設けられ、他方が前記一の基板の裏面に設けられる、請求項１から１１のいずれか一項の産業用ロボット。
【請求項１３】
産業用ロボットの安全制御を与える方法であって、
前記産業用ロボットは、
ロボットアームの２つのセクションを接続する関節であって、前記ロボットアームの一方のセクションから他方のセクションに力又はトルクを伝えるギア又はトランスミッションデバイスを含む関節と、
前記ギア又はトランスミッションデバイスの入力側の第１位置を感知する第１位置センサと、
前記ギア又はトランスミッションデバイスの出力側の第２位置を感知する第２位置センサと、
前記第１位置又は前記第２位置の少なくとも一方に基づき、２つの別個のシステムを使用して前記産業用ロボットのための一つ以上の安全機能のうち同じ安全機能を果たす制御システムと、
前記産業用ロボットをプログラムするユーザインタフェイスであって、前記産業用ロボットの外部に存在し、前記産業用ロボットの一体部品であり、又は前記産業用ロボットの外部と前記産業用ロボットの一体部品との組み合わせであるユーザインタフェイスと
を含み、
前記方法は、
前記第１位置又は前記第２位置の少なくとも一方に基づき、前記２つの別個のシステムを使用して前記産業用ロボットに対して前記同じ安全機能を果たすことと、
前記同じ安全機能を果たした前記２つの別個のシステムからの前記少なくとも一つの安全機能の出力を比較することと、
前記同じ安全機能を果たした前記２つの別個のシステムからの出力が不一致の場合に前記産業用ロボットを安全な状態に置くことと
を含む、方法。
【請求項１４】
前記ロボットアームはロボットツールを保持するべく構成される、請求項１３の方法。
【請求項１５】
前記第１位置センサ及び前記第２位置センサのいずれか一方又は双方は角度位置又は線形位置を感知する、請求項１３又は１４の方法。
【請求項１６】
前記第１位置センサは、前記ギアの入力側の位置を感知する、請求項１３から１５のいずれか一項の方法。
【請求項１７】
前記第２位置センサは、前記ギアの出力側の位置を感知する、請求項１３から１６のいずれか一項の方法。
【請求項１８】
前記一つ以上の安全機能は、
前記第２位置センサが前記関節の角度を監視し、前記角度が所定の角度範囲を越えているか否かを検知するべく構成された関節位置制限安全機能であって、前記第１位置センサが前記関節の完全回転の回数とギア比とに基づいて出力側位置を計算するべく構成される関節位置制限安全機能、
前記関節の速度が前記関節の位置の変化率により決定される関節速度制限安全機能、
前記関節において及ぼされる予測トルクを計算するべく前記関節の位置及び速度、並びに前記ロボットアームにおける質量分布と、摩擦のモデルとが使用される関節トルク制限安全機能、
前記第１位置センサ及び前記第２位置センサからの出力に基づいてツールの速度が決定されるツール速度制限安全機能、
力制限機能を得るべく前記予測トルクが直交座標系空間に反映されるツール力制限安全機能、
前記関節のトルクと速度との積として計算される機械的仕事を所定値に制限するパワー制限安全機能、
緊急停止がアクティブにされているときに前記産業用ロボットが減速していることをチェックするべく冗長速度測定が使用され、前記産業用ロボットはフェールセーフな態様で、能動的に一定軌道内で減速するべく構成される緊急停止安全機能、
保安手段入力がアクティブであるときに前記産業用ロボットの減速を制御するべく速度予測が使用される保安手段停止安全機能、
前記ロボットアームに投入されるパワーの合計が所定制限内にあるか否かを常に監視するべく前記関節の位置及び速度と、前記ロボットアームの運動学及び動力学を表すソフトウェアモデルとが使用されるパワー制限安全機能、
前記第１位置センサ及び前記第２位置センサそれぞれが、一つ以上のロボット関節が動いているか否かを検出するべく、かつ、前記一つ以上のロボット関節が動いているか否かに基づいて出力を設定するべく構成されるロボット動きデジタル出力安全機能、
前記第１位置センサ及び前記第２位置センサそれぞれが、前記産業用ロボットが能動的にブレーキをかけ又は停止していないか否かを検出するべく構成されたロボット非停止デジタル出力安全機能、
前記第１位置センサ及び前記第２位置センサが、前記産業用ロボットが作業空間に存在するか否かを監視し、前記産業用ロボットが前記作業空間に存在するか否かに応じて安全パラメータを変更する低減モードゾーン安全機能、
ロボットアームエンドエフェクタの位置を決定して前記位置がユーザ定義限度内であることを保証するべく前記第１位置センサ及び前記第２位置センサが前記ソフトウェアモデルと組み合わせて使用されるツール位置制限安全機能、
前記ロボットアームエンドエフェクタの配向を決定し、前記配向が特定の角度限度内であることを保証するべく前記第１位置センサ及び前記第２位置センサが前記ソフトウェアモデルと組み合わせて使用されるツール配向制限安全機能、又は
前記産業用ロボットの運動量及び積載量を前記ロボットアームにおける質量分布及び前記積載量に基づいて決定及び制限するべく一つ以上のロボット関節の位置及び速度が使用可能な運動量制限安全機能
の２つ以上を含む、請求項１３から１７のいずれか一項の方法。
【請求項１９】
前記一つ以上の安全機能は、前記関節位置制限安全機能、前記関節速度制限安全機能、及び前記関節トルク制限安全機能を含む、請求項１８の方法。
【請求項２０】
前記一つ以上の安全機能はさらに、前記ツール速度制限安全機能及び前記ツール力制限安全機能を含む、請求項１９の方法。
【請求項２１】
前記２つの別個のシステムは、安全システムソフトウェアの２つのブランチを含み、
各ブランチは、他方のブランチから独立して前記同じ安全機能を果たすことを目的とする、請求項１３から２０のいずれか一項の方法。
【請求項２２】
前記制御システムは複数のマイクロプロセッサを含み、
各マイクロプロセッサは、前記同じ安全機能の少なくとも一部を果たすべく構成される、請求項１３から２１のいずれか一項の方法。
【請求項２３】
前記マイクロプロセッサのうち第１マイクロプロセッサは、前記第１位置に基づいて前記一つ以上の安全機能のうち第１安全機能の少なくとも一部を果たし、
前記マイクロプロセッサのうち第２マイクロプロセッサは、前記第２位置に基づいて前記一つ以上の安全機能のうち第２安全機能の少なくとも一部を果たす、請求項２２の方法。
【請求項２４】
前記第１位置センサ及び前記第２位置センサの一方が一の基板の表面に設けられ、他方が前記一の基板の裏面に設けられる、請求項１３から２３のいずれか一項の方法。
【外国語明細書】
2020114623000001.pdf