本发明涉及一种具有外力显示功能的机器人系统。本发明还涉及一种具有外力显示功能的处理装置。本发明还涉及一种具有外力显示功能的示教操作盘。
背景技术：
已知一种具备检测由机器人受到的接触力的力传感器的机器人系统(例如参照日本国专利公开公报第2015-171747号(JP2015-171747A))。JP2015-171747A中记载的机器人系统中，在多关节机器人上安装力传感器，从力传感器的当前输出减去推定内力以及力修正量，并计算机器人臂接触外部环境的接触力。该机器人系统具有在接触力超过预定值时使机器人臂停止的结构。
另外，已知一种机器人系统(例如参照日本国专利公开公报第2017-001122号(JP2017-001122A))，具备检测在作业工具与工件之间进行作用的力的力检测部、显示力检测部检测出的力的显示部。在JP2017-001122A中记载的机器人系统中，机器人臂上安装力传感器，将力传感器检测出的在作业工具与工件之间作用的力作为工件表面的力的作用点或者以其附近作为原点的线段或线段状(例如向量状)的图形显示在显示部中。
技术实现要素：
在检测出施加给机器人的外力并显示的系统结构中，优选以不仅能够通过视觉识别检测出的外力的大小以及方向，也能够直观地进行判定的方式来进行图像化显示。
本公开的一个方式为机器人系统，该机器人系统具备：机器人；检测部，其检测施加给机器人的外力；转换部，其将检测部检测出的外力的大小以及方向转换为三维正交坐标系的坐标值；图像生成部，其使用通过转换部得到的坐标值来生成通过图形表示外力的大小以及方向的力模型图像；以及显示部，其对由图像生成部生成的力模型图像进行三维显示。
本公开的其他方式为处理装置，该处理装置具备：外力取得部，其取得施加给机器人的外力；转换部，其将外力取得部所取得的外力的大小以及方向转换为三维正交坐标系的坐标值；图像生成部，其使用通过转换部得到的坐标值生成通过图形表示外力的上述大小以及方向的力模型图像；以及显示处理部，其对由图像生成部生成的力模型图像进行三维显示处理。
本公开的另一其他方式为示教操作盘，该示教操作盘具备将通过图形表示施加给机器人的外力的大小以及方向的力模型图像进行三维显示的显示部。
一个方式的机器人系统构成为，由转换部将检测部检测出的外力的大小以及方向转换为三维正交坐标系的坐标值，图像生成部使用该坐标值生成通过图形表示外力的大小以及方向的力模型图像，并由显示部对力模型图像进行三维显示，因此力模型图像的识别者不仅能够通过视觉识别出施加给机器人的外力的大小以及方向，也能够直观地判定以什么程度的外力施加给哪个方向。
其他方式的处理装置以及其他方式的示教操作盘会有与上述机器人系统的效果相同的效果。
附图说明
通过说明与附图关联的以下实施方式，能够更加明确本发明的目的、特征以及优点。在该附图中：
图1是表示一个方式的机器人系统的结构的功能框图。
图2是示意地表示一个实施方式的机器人系统的图。
图3是表示显示画面的一个例子的图。
图4是表示显示画面的其他例子的图。
图5是表示显示画面的另一其他的例子的图。
图6表示显示画面的例外其他的例子。
图7是表示其他实施方式的机器人系统的功能框图。
图8是表示其他方式的处理装置的结构的功能框图。
图9是表示一个实施方式的处理装置的功能框图。
图10是表示另一其他方式的示教操作盘的结构的功能框图。
图11是示意地表示一个实施方式的示教操作盘的图。
图12是表示其他实施方式的示教操作盘的功能框图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本公开的实施方式。在所有附图中，对相应的结构要素标注相同的参照标记。
图1通过功能块表示本公开一个方式的机器人系统10的结构。机器人系统10具备：机器人12；检测部14，其检测施加给机器人12的外力F；转换部16，其将检测部14检测出的外力F的大小以及方向转换为三维正交坐标系的坐标值C；图像生成部18，其使用通过转换部16得到的坐标值C来生成通过图形表示外力F的大小以及方向的力模型图像If以及显示部20，其对由图像生成部18生成的力模型图像If进行三维显示。
机器人12具备从多关节型、龙门式、横向双摆臂式等公知的各种机构部适当选择出的机构部(也称为机器人臂)，使用安装在机构部前端的机械手和工具等终端执行器针对对象物执行处理、加工等各种作业。检测部14由设置在机器人12上的所希望个数的力传感器、加速度传感器等传感器类、检测机器人12的所希望的动作轴的负荷等的检测电路等构成。检测部14能够具有以下结构，即将施加给机器人12的外力F作为例如三维正交坐标系的各轴方向的分力进行检测。另外，在本公开中，不特别限定机器人12、检测部14的结构。
转换部16能够作为例如计算机的CPU(中央处理装置)等运算处理装置的一个功能(硬件)来构成。或者，转换部16能够作为例如用于使计算机的CPU等运算处理装置发挥功能的软件来构成。转换部16进行以下的运算，即从检测部14检测出的外力F的数据提取外力F的大小以及方向，并将这些大小以及方向转换为三维正交坐标系的坐标值C(fx、fy、fz)。转换部16所得到的坐标值C用于生成适合向显示部20显示的力模型图像If，作为该三维正交坐标系能够采用设定在显示部20中的坐标系。
图像生成部18能够作为例如计算机的CPU(中央处理装置)等运算处理装置的一个功能(硬件)来构成。或者，图像生成部18能够作为例如用于使计算机的CPU等运算处理装置发挥功能的软件来构成。图像生成部18使用通过转换部16所得到的坐标值C(fx、fy、fz)来绘出图像识别者能够直观地判定外力F的大小以及方向的单一立体图形，生成通过该立体图形表现的力模型图像If。作为力模型图像If的立体图形的一例，能够列举出后述的圆锥状的图形。在圆锥状的力模型图像If的情况下，图像生成部18能够生成力模型图像If，该力模型图像If将坐标值C的三维正交坐标系的原点置于圆锥底面的中心，并通过从圆锥的底面中心到顶点的距离和方向分别表现通过坐标值C所表示的外力F的大小和方向。另外，力模型图像If所表示的“外力F的大小”表示的不是外力F的数值自身而是外力F的大小的程度(例如相对于预定的外力限制值的比例)。
显示部20能够具有LCD(液晶显示器)、OLED(有机EL显示器)等显示装置和进行用于在显示装置的画面上显示图像的数据处理的显示处理部。显示部20在显示装置的画面上将图像生成部18所生成的力模型图像If进行三维显示。另外，在本公开中，“三维显示”包括例如显示表现深度的三维距离图像、以图像识别者能够通过图像的旋转等确认三维信息的方式进行显示等。
图2示意地表示具有上述机器人系统10的基本结构的一个实施方式的机器人系统22。图2的机器人系统22中，在具有垂直多关节型的机构部的机器人12中内置有检测部14，对控制机器人12的机器人控制器24赋予转换部16以及图像生成部18的功能。另外，可移动型示教操作盘26与机器人控制器24连接，在示教操作盘26上设置包括显示装置以及显示处理部的显示部20。另外，也能够使机器人控制器24具有显示部20的显示处理部的功能。或者，也能够在机器人控制器24或其上位的控制装置(未图示)上设置显示部20。机器人控制器24能够控制由机器人12完成的作业相关的各种动作，不仅能够控制机构部各轴的动作，也能够控制安装在结构部前端的终端执行器(未图示)的动作。
图3～图6表示显示部20的显示画面28的例子。如图所示，显示部20能够将力模型图像If和表示机器人12的当前姿势的机器人模型图像Ir一起进行三维显示。在该结构中，图像生成部18(图1)除了生成力模型图像If，还能够生成机器人模型图像Ir。显示部20能够将力模型图像If以及机器人模型图像Ir进行彩色显示。
在图3～图6所示的例子中，由图像生成部18生成的力模型图像If是通过从球体S的球面向中心形成前端尖细的圆锥状的图形表示外力F的大小以及方向的图像。在图示的例子中，图像生成部18生成包括深度的三维距离图像的球体S以及机器人模型图像Ir，显示部20将球体S与机器人模型图像Ir重叠地显示。在图示的例子中，球体S被配置在其中心与机器人模型图像Ir的中心大概一致的位置，以半透明的球体S恰好包围机器人12(图2)的方式进行显示。
在图3～图6所示的例子中，在球体S球面的局部配置圆锥状的力模型图像If的圆形底面，在连接底面中心和球体S的中心的线上配置力模型图像If的顶点。在该显示方式中，从力模型图像If的底面中心到顶点的距离表示施加给机器人12的外力F(图1)的大小，从力模型图像If的底面中心面向顶点的方向表示施加给机器人12的外力F的方向。图像生成部18使用如上述那样由转换部16(图1)得到的坐标值C，首先，以用坐标值C表示的外力F的方向成为从球体S的球面面向中心的方向的方式在球体S上设定坐标值C的三维正交坐标系。接着，图像生成部18在球面上绘出以配置在球体S的球面上的坐标系原点为中心的任意直径的圆，并且将该圆设为底面，并且绘出以从坐标系原点到顶点的距离表现通过坐标值C表示的外力F的大小的圆锥，由此能够生成作为球体S的一部分的力模型图像If。
由于图3～图6所例示的力模型图像If与表示机器人12的当前姿势的机器人模型图像Ir一起被显示在显示部20中，因此例如如图3所示，根据施加给机器人12的外力F的方向能够产生在球体S的球面上只显示力模型图像If的底面的状态。为了能够应对这种显示状态，显示部20具有在画面上使力模型图像If在三维方向旋转的功能。显示部20能够使机器人模型图像Ir与力模型图像If一起在三维方向旋转。
例如如图4所示，使力模型图像If以及机器人模型图像Ir以在图3的显示画面36内上下延伸的垂直轴线(不可视)为中心旋转，由此能够显示可识别圆锥顶点的力模型图像If。调整从图3的图像向图4的图像的旋转量，由此能够在显示部20显示可以更准确地判定外力F的大小的力模型图像If。另外，例如如图5所示，使力模型图像If以及机器人模型图像Ir以在图4的显示画面36内左右延伸的水平轴线(不可视)为中心旋转，由此能够显示可从另外方向识别圆锥顶点的力模型图像If。调整从图4的图像向图5的图像的旋转量，由此能够在显示部20显示可以更准确地判定外力F的方向的力模型图像If。显示部20构成为，例如能够按照操作员的指示，使力模型图像If以及机器人模型图像Ir在所有的三维方向以希望的角度进行旋转。
如上述，图像生成部18能够通过力模型图像If的高度(从底面中心到顶点的距离)表现外力F的大小。作为一例，随着外力F变大，能够提高力模型图像If的高度。球体S的半径能够设定为可由图像识别者容易地识别出力模型图像If的高度的变化的尺寸。另外，显示部20能够以例如能够按照操作员的指示自由地变更球体S的半径的方式来构成。另外，用于力模型图像If的图形不限于图示的圆锥状的图形，而能够采用可以表现外力F的大小以及方向的各种立体图形。
图像生成部18能够将球体S的半径设为零来生成力模型图像If。此时，例如将预先设定在显示部20中的机器人模型图像Ir的三维正交坐标系的原点配置在机器人模型图像Ir的中心(即零半径的球体S的中心)，并将坐标值C适用于该三维正交坐标系，绘出从机器人模型图像Ir的中心指向直径方向外方的立体图形，由此能够生成表示外力F的大小以及方向的力模型图像If。
图像生成部18能够根据外力F的大小生成不同颜色的力模型图像If。作为一例，当检测部14检测出的外力F相对于预先设定的外力限制值为预定比例(例如80％)以下时，能够生成表示安全的颜色(例如蓝色)的力模型图像If，当超过预定比例时，能够生成表示危险的颜色(例如红色)的力模型图像If。显示部20能够将以与外力F的大小对应的颜色生成的力模型图像If进行三维显示。另外，显示部20也能够将球体S透明化。显示部20构成为，例如能够按照操作员的指示自由地变更球体S的透明度和颜色。
如图6所示，图像生成部18能够生成表示外力F的大小的图表图像30。在图6的例子中，图表图像30被生成为表示外力F相对于预定的外力限制值的比例的条形图。另外，在图6的例子中，除了表示外力F的大小的图表图像30外，还将表示施加给机器人12的动作轴的负荷外力的大小的图表图像32和表示力矩大小的图表图像34作为同样的条形图来生成。显示部20能够将力模型图像If进行三维显示，并且也能够在相同的显示画面28内显示图表图像30、32、34。
图像生成部18能够根据外力F的大小生成不同颜色的图表图像30。作为一例，当检测部14检测出的外力F相对于预先设定的外力限制值为预定比例(例如80％)以下时，能够生成表示安全的颜色(例如绿色)的图表图像30，当超过预定比例时，能够生成表示危险的颜色(例如红色)的图表图像30。另外，也能够将外力F的阈值设定为多段，并生成表示稍微危险的颜色(例如黄色)的图表图像30。显示部20能够显示以与外力F的大小对应的颜色生成的图表图像30。显示部20构成为，例如能够按照操作员的指示自由地设定外力F的阈值、图表图像30的颜色。也能够与图表图像32、34同样地构成图表图像30。
具有上述结构的机器人系统10、22构成为，转换部16将检测部14检测出的外力F的大小以及方向转换为三维正交坐标系的坐标值C，图像生成部18使用该坐标值C来生成通过图形表示外力F的大小以及方向的力模型图像If，显示部20对力模型图像If进行三维显示，所以力模型图像的识别者不仅能够通过视觉识别出施加给机器人12的外力F的大小以及方向，也能够直观地判定以什么程度的外力F施加给哪个方向。
例如机器人系统10、22在具备能够安全地实施与人的协作作业的机器人12(所谓的协作机器人)的情况下，一般采用在检测部14检测出的外力F超过预定的外力限制值时使机器人12强制停止，由此能够确保人的安全的系统结构。在该结构中，为了使机器人12在停止后再次运转，需要确定成为停止的原因的外力并且排除外力F的原因。为了确定外力F，了解在机器人12停止时施加给机器人12的外力F的方向是有用的。根据机器人10、22，力模型图像If的识别者(例如机器人系统10、22的操作员)能够直观地判定向哪个方向施加什么程度的外力F，所以在机器人12停止后能够确定外力F并迅速地排除其原因，能够降低机器人系统10、22的恢复和再构筑的时间，从而能够避免工作效率的下降。
显示部20将力模型图像If与机器人模型图像Ir一起进行三维显示，由此识别者能够更加可靠地判定对机器人12向哪个方向施加什么程度的外力F。另外，如果设为使用从球体S的球面向中心的圆锥状的图形来生成力模型图像If的结构，则识别者能够容易直观地判定外部的力(即外力F)以向圆锥的前端尖细方向按压机器人12的方式施加给机器人12。进而，根据外力F的大小显示不同的颜色的力模型图像If，由此能够更加容易地进行直观的判定。
图7通过功能块表示具有上述机器人系统10的基本结构的其他实施方式的机器人系统40。关于机器人系统40的结构要素中与机器人系统10的结构要素对应的部分标注相同的参照标记并适当省略其说明。
机器人系统40具备：显示控制部42，其比较预先决定的阈值和由检测部14检测出的外力F的大小，当外力F的大小超过阈值时使力模型图像If显示在显示部20中。显示控制部42例如能够作为计算机的CPU(中央处理装置)等运算处理装置的一个功能(硬件)来构成，或者能够作为用于使该运算处理装置发挥功能的软件来构成。在图2的机器人系统22中，能够使机器人控制器24或示教操作盘26具有显示控制部42的功能。显示控制部42的结构为在外力F的大小超过阈值之前不使显示部20显示力模型图像If，而在外力F的大小超过阈值时开始使力模型图像If显示在显示部20中，并且维持该显示状态。根据该结构能够减轻与力模型图像If的三维显示相关的运算负荷。
显示控制部42所使用的外力F的阈值例如能够设定在预先决定的外力限制值的50％～100％的范围内。在外力F的阈值相当于外力限制值的100％的结构(即阈值＝限制值)中，例如当机器人系统40具备上述协作机器人12时，在显示部20显示力模型图像If，并维持该显示状态，该力模型图像If表示外力F超过预定的外力限制值且使机器人12强制停止后瞬间的外力F的大小与方向。根据该结构，例如机器人系统40的操作员在机器人12停止后识别显示部20的力模型图像If，由此能够判定成为机器人12停止的原因的外力F的大小以及方向，并能够迅速地进行系统恢复作业。
机器人系统40具备：机器人控制部44，其比较由检测部14检测出的外力F的大小和预先决定的外力限制值，当外力F的大小超过外力限制值时停止机器人12。机器人控制部44例如能够作为计算机的CPU(中央处理装置)等运算处理装置的一个功能(硬件)来构成，或者能够作为用于使该运算处理装置发挥功能的软件来构成。在图2的机器人系统22中，能够使机器人控制器24具有机器人控制部44的功能。例如当机器人系统40具备上述协作机器人12时，机器人控制部44在外力F超过预定的外力限制值时使机器人12强制停止。另外，机器人系统40能够具备显示控制部42和机器人控制部44中的至少一个。
在机器人系统40中，如图6所示，显示部20能够具有用于视觉地通知机器人12的停止的停止通知栏46。在停止通知栏46中能够显示例如在机器人12正常动作期间表示安全的颜色(例如绿色)和字符(例如SAFE)，在机器人12强制停止时，能够显示表示危险的颜色(例如红色)和字符(例如STOP)。
图8通过功能块表示本公开其他方式的处理装置50的结构。处理装置50能够负责上述机器人系统10、22的力模型图像If的三维显示处理的功能，对于与机器人系统10、22的结构要素对应的结构要素标注相同的参照标记并适当省略其说明。
处理装置50包括：外力取得部52，其取得施加给机器人12的外力F；转换部16，其将外力取得部52所取得的外力F的大小以及方向转换为三维正交坐标系的坐标值C；图像生成部18，其使用通过转换部16得到的坐标值C来生成通过图形表示外力F的大小以及方向的力模型图像If；以及显示处理部54，其对由图像生成部18生成的力模型图像If进行三维显示处理。处理装置50例如能够作为计算机的CPU(中央处理装置)等运算处理装置，外力取得部52、转换部16、图像生成部18以及显示处理部54分别作为处理装置50的一个功能(硬件)，或者作为用于使处理装置50发挥功能的软件。另外，也能够使物理上不同的多个处理装置分担处理装置50的外力取得部52、转换部16、图像生成部18以及显示处理部54的功能。
外力取得部52能够从检测部14取得在机器人系统10、22中由检测部14检测出的施加给机器人12的外力F。转换部16以及图像生成部18具有相当于机器人系统10、22的转换部16以及图像生成部18的功能。显示处理部54能够使机器人系统10、22所具备的显示部20对力模型图像If进行三维显示。
如参照图3～图6说明的那样，在处理装置50中，图像生成部18能够生成表示机器人12的当前姿势的机器人模型图像Ir，显示处理部54能够将力模型图像If与机器人模型图像Ir一起进行三维显示处理。另外，图像生成部18所生成的力模型图像If能够通过从球体S的球面向中心的圆锥状的图形表示外力F的大小以及方向。另外，图像生成部18能够根据外力F的大小生成不同颜色的力模型图像If。另外，图像生成部18能够生成表示外力F大小的图表图像30，显示处理部54能够对力模型图像If进行三维显示处理并且对图表图像30进行显示处理。
图9通过功能块表示具有上述处理装置50的基本结构的一个实施方式的处理装置60。关于处理装置60的结构要素中与处理装置50的结构要素对应的部分标注相同的参照标记并适当省略其说明。处理装置60能够负责上述机器人系统40的力模型图像If的三维显示处理的功能。
处理装置60还包括比较外力取得部52所取得的外力F的大小与预先决定的阈值的比较部62。显示处理部54在外力F的大小超过阈值时对力模型图像If进行三维显示处理。比较部62能够作为处理装置60的一个功能(硬件)，或者能够作为用于使处理装置60发挥功能的软件。显示处理部54通过例如上述机器人系统40的显示控制部42的控制，在外力F的大小超过阈值之前不使显示部20显示力模型图像If，而在外力F的大小超过阈值时开始使力模型图像If显示在显示部20中，并且维持该显示状态，这样能够执行三维显示处理。根据该结构，能够减轻与力模型图像If的三维显示相关的运算负荷。
具有上述结构的处理装置50、60获得与上述机器人系统10、22、40的效果相同的效果。
图10通过功能块表示本公开的另一其他方式的示教操作盘70的结构。示教操作盘70能够负责上述机器人系统10、22、40的力模型图像If的三维显示功能，对于与机器人系统10、22、40的结构要素对应的结构要素标注相同的参照标记并适当省略其说明。
示教操作盘70具备：显示部20，其对通过图形表示施加给机器人12的外力F的大小以及方向的力模型图像If进行三维显示。显示部20具有相当于机器人系统10、22、40的显示部20的功能。显示部20能够在显示画面上对由机器人系统10、22、40的图像生成部18所生成的力模型图像If或者由上述处理装置50、60的显示处理部54所处理的力模型图像If进行三维显示。
图11示意地表示具有上述示教操作盘70的基本结构的一个实施方式的示教操作盘72。示教操作盘72是为了由机器人系统10、22、40的操作员操作机器人12所使用的可移动型的用户接口装置，具有用于输入操作指示的各种输入键74、用于显示机器人12的状态的显示画面28等。
图12通过功能块表示具有上述示教操作盘70的基本结构的其他实施方式的示教操作盘80。对于示教操作盘80的结构要素中与示教操作盘70的结构要素对应的部分标注相同的参照标记并适当省略其说明。
示教操作盘80具备用于使力模型图像IF在三维方向旋转的输入操作部82。在图11的示教操作盘72中，使输入键74的一部分或在显示画面28具有触摸输入功能时使显示画面28的一部分具有输入操作部82的功能。如参照图3～图5所说明的那样，在示教操作盘80中，例如由机器人系统10、22、40的操作员操作输入操作部82，使力模型图像If向希望的三维方向旋转，由此能够在显示部20显示能够通过视觉判定外力F的大小和方向的力模型图像If。
具有上述结构的示教操作盘70、72、80获得与上述机器人系统10、22、40的效果同样的效果。
以上说明了本公开的实施方式，但是本领域技术人员能够理解能够在不脱离专利请求的范围内进行各种修正以及变更。