CN104908043B - 对工件取出工序进行仿真的机器人仿真装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种对工件取出工序进行仿真的机器人仿真装置。机器人仿真装置具备：模型配置部，其将容器的三维模型配置在虚拟空间内，并且将具有任意姿势的各个工件的三维模型配置在容器模型上方的初始位置；落下动作仿真部，其对各个所述工件受到重力的作用从初始位置落入容器内的落下动作进行仿真。机器人仿真装置根据作为落下动作的仿真结果而得到的各个工件模型的位置以及姿势，来生成工件模型的散装状态。

Description

对工件取出工序进行仿真的机器人仿真装置
技术领域
本发明涉及一种对工件取出工序进行仿真的机器人仿真装置。
背景技术
为了在虚拟空间内对机器人操作工件等的预定的动作进行仿真而使用机器人仿真装置。为了评价机器人的控制程序，并且为了根据需要进行修正而使用仿真结果。
在JP-2007-326160A中公开了在取出散装在容器内的多个工件时，以预测机器人与工件之间的干扰以及机器人与容器之间的干扰为目的而使用的机器人仿真装置。
例如，在对通过机器人依次取出散装在容器内的工件时的机器人的动作进行仿真时，需要在虚拟空间内生成散装状态的工件。在JP-2007-326160A公开的机器人仿真装置中，随机决定各个工件模型的位置以及姿势。然而，当随机配置工件模型时，因为没有考虑重力等影响，所以生成了无法充分反映实际可能发生的散装状态的不自然的散装状态。
因此，需要能够考虑对工件作用的重力以及对工件的干扰来生成散装状态的工件的机器人仿真装置。
发明内容
根据本申请的第一方式，提供一种机器人仿真装置，其对在作业空间中，通过机器人依次取出散装在容器内的多个工件的取出工序进行仿真，其具备：虚拟空间生成部，其生成通过三维表现所述作业空间的虚拟空间；模型生成部，其生成通过三维表现所述容器的容器模型以及通过三维表现所述多个工件的多个工件模型；模型配置部，其将所述容器模型配置在所述虚拟空间，并且将具有任意姿势的各个所述工件模型配置在所述容器模型上方的初始位置；落下动作仿真部，其对各个所述工件受到重力的作用而从所述初始位置落入所述容器内的落下动作进行仿真；以及散装状态生成部，其根据作为所述落下动作的仿真结果而得到的各个所述工件模型的位置以及姿势，来生成所述工件模型的散装状态。
根据本申请的第二方式，在第一方式的机器人仿真装置中，所述落下动作仿真部考虑对各个所述工件模型作用的重力、所述工件模型之间的干扰以及各个所述工件模型与所述容器模型之间的干扰，来对所述落下动作进行仿真。
根据本申请的第三方式，在第二方式的机器人仿真装置中，所述落下动作仿真部还考虑对各个所述工件模型作用的冲击力以及摩擦力，来对所述落下动作进行仿真。
根据本申请的第四方式，在第一至第三方式中的任意一个方式的机器人仿真装置中，为了使各个所述工件模型不相互干扰，并且保证各个所述工件模型落入所述容器模型内，所述模型配置部将各个所述工件模型配置在初始位置。
根据本申请的第五方式，在第一至第四方式中的任意一个方式的机器人仿真装置中，还具备：位置姿势计算部，其在所述落下动作的仿真的执行过程中，计算各个所述工件模型的位置以及姿势；以及判定部，其判定所述落下动作的仿真是否完成，所述判定部在通过所述位置姿势计算部计算出的各个所述工件模型的位置以及姿势的变化量小于预先决定的阈值时，判定为所述落下动作的仿真完成。
根据本申请的第六方式，在第五方式的机器人仿真装置中，所述位置姿势计算部在所述取出工序的仿真的执行过程中，计算各个所述工件模型的位置以及姿势，所述落下动作仿真部根据由所述位置姿势计算部在所述取出工序的仿真的执行过程中得到的各个所述工件模型的位置以及姿势，来对所述工件的落下动作进行仿真，所述散装状态生成部根据作为所述取出工序的仿真的执行过程中的所述落下动作的仿真结果而得到的各个所述工件模型的位置以及姿势，生成所述工件的散装状态。
通过参照附图所示的本发明的示例性的实施方式的详细说明，本发明这些以及其他的目的、特征以及优点更加明确。
附图说明
图1是包含本实施方式的机器人仿真装置的机器人系统的全体配置图。
图2是机器人仿真装置的显示部的显示例。
图3是机器人仿真装置的功能框图。
图4是表示生成散装状态的工件模型的工序流程的流程图。
图5A是用于说明工件模型的配置条件的图。
图5B是将图5A所示的工件模型中的一个工件模型进行放大表示的放大图。
图6A是表示位于初始位置的工件模型的图。
图6B是表示从初始位置落下的工件模型的图。
图7是表示对工件模型作用的重力、冲击力以及摩擦力的图。
图8是机器人仿真装置的功能框图。
图9是表示在取出工序的仿真的执行过程中，生成散装状态的工件模型的工序流程的流程图。
图10A是表示散装状态的工件模型的图。
图10B是表示工件模型的位置以及姿势发生了变化的状态的图。
图10C是表示对落下动作进行仿真后的工件模型的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。为了有助于理解本发明，将图示的实施方式的构成要素的缩尺进行了适当的变更。此外，在多个附图中，对相同或对应的构成要素使用相同的参照符号。
图1是包含本实施方式的机器人仿真装置10的机器人系统100的全体配置图。机器人仿真装置10例如是能够生成并执行机器人程序的数字计算机。机器人系统100还具备机器人130。机器人130是通过机器人控制装置140控制的多关节机器人。机器人仿真装置10与机器人控制装置140经由具有公知结构的通信单元102相互连接。通信单元102用于例如将在机器人仿真装置10中生成的控制程序发送给机器人控制装置140。
机器人130例如在机械臂的前端具备可抓持工件160的机械手132。通过机器人控制装置140控制机器人130，以便从在容器150内散装的、即不规则地配置的多个工件160中依次取出工件160。
容器150例如是具有底壁152和从底壁152大致沿铅垂方向向上方延伸的侧壁154的筐状形态。容器150向上方开口，机器人130对于由容器150的底壁152以及侧壁154划定的收容空间156可以从上方进行存取。
在图示的例子中，工件160虽然具有长方体形状，但工件160的形状并不局限于此。此外，如果可以通过机器人130在收容空间156内进行存取，则容器150也可以具有其他任意的形状。
虽然未进行图示，但机器人仿真装置10具备：执行各种运算处理的CPU、存储CPU的运算结果的RAM、存储各种程序的ROM以及输入装置。输入装置是鼠标、键盘等公知的输入单元。机器人仿真装置10还具备液晶显示器等显示部12。
图2表示了机器人仿真装置10的显示部12的显示例。在显示部12中显示通过三维表现图1所示的机器人130的作业空间的虚拟空间。如图所示，在显示部12的画面中分别显示了通过三维表现机器人130的机器人模型30、通过三维表现容器150的容器模型50以及通过三维表现工件160的工件模型60。此外，在画面中还分别显示了机器人模型30的机械手32和容器模型50的底壁52以及侧壁54。
在图2中，在显示部12上仅表示了二维信息，但操作员可以使用鼠标、键盘等输入装置来改变视角，由此能够在三维空间中确认各要素的位置关系。
机器人仿真装置10可以在虚拟空间内执行通过机器人模型30依次取出散装在容器模型50内的工件模型60的取出工序。操作员在确认在虚拟空间执行的仿真的状态的同时，能够确认针对机器人130的控制程序是否适当。
图3是机器人仿真装置10的功能框图。如图所示，机器人仿真装置10具备：虚拟空间生成部14、模型生成部16、模型配置部18、落下动作仿真部20、散装状态生成部22、位置姿势计算部24以及判定部26。
虚拟空间生成部14具有用于生成通过三维表现图1所示的机器人130的作业空间的虚拟空间的功能。在机器人仿真装置10的显示部12上显示通过虚拟空间生成部14生成的虚拟空间(参照图2)。
模型生成部16具有用于生成通过三维分别表现机器人130、容器150以及工件160的机器人模型30、容器模型50以及工件模型60的功能。例如，按照在机器人仿真装置10的ROM中存储的各要素的形状信息来生成各个模型30、50、60。或者，操作员也可以使用机器人仿真装置10的输入单元来设定各个模型30、50、60的形状。
模型配置部18具有将通过模型生成部16生成的机器人模型30、容器模型50以及工件模型60分别配置在虚拟空间内的预定的位置的功能。
落下动作仿真部20具有考虑对各个工件模型60作用的重力、工件模型60之间的干扰以及工件模型60与容器模型50之间的干扰，来对工件160落下的动作进行仿真的功能。并且，如后所述，落下动作仿真部20也可以考虑对工件模型60作用的冲击力以及摩擦力来对工件160的举动进行仿真。
散装状态生成部22具有根据作为工件160的落下动作的仿真结果而得到的工件模型60的位置以及姿势，来生成在容器模型50内散装了多个工件模型60的散装状态的功能。
位置姿势计算部24具有用于计算虚拟空间内的工件模型60的位置以及姿势的功能。例如，根据针对虚拟空间设定的基准坐标系中的工件模型60的重心位置来决定工件模型60的位置。此外，例如根据经过工件模型60的重心的平面的倾斜角度来计算工件模型60的姿势。
判定部26具有用于判定工件模型60的落下动作是否完成的功能。例如，在位置姿势计算部24检测出的工件模型60的位置以及姿势的变化量变得足够小时，判定部26判定工件模型60的落下动作完成。即，在各个工件模型60落下后的举动收敛时视为落下动作完成。
机器人仿真装置10按照存储在ROM中的动作程序，可以在虚拟空间内生成散装在容器内的工件。图4是表示生成散装状态的工件模型的工序流程的流程图。
首先，在步骤S401中，通过虚拟空间生成部14生成与机器人130的作业空间(参照图1)对应的三维虚拟空间。在机器人仿真装置10的显示部12上显示生成的虚拟空间。
接着，在步骤S402中，通过模型生成部16生成与容器150以及工件160分别对应的三维的容器模型50以及工件模型60。
在步骤S403中，通过模型配置部18将在步骤S402中生成的容器模型50以及工件模型60配置在虚拟空间内。在本实施方式中，忽略重力作用，将工件模型60配置在容器模型50的上方。
图5A是用于说明工件模型60的配置条件的图。图5B是将在图5A中表示的工件模型60中的一个工件模型进行放大表示的放大图。在图5A中，通过虚线描绘了与各个工件模型60对应的虚拟球体62。另外，虽然在决定工件模型60的初始位置时使用球体62，但并不需要实际显示在显示部12上。
如图5B所示，球体62是以工件模型60的重心G为中心，以从重心G到位于最远位置的顶点P的距离D为半径的球。在为具有如图所示的长方体形状的工件模型60时，各个顶点与重心G之间的距离相互相同，因此可以选择任意一个顶点。
再次参考图5A时可知，以各个球体62相互不重合，即使各个球体62的重心G之间的距离为2D以上的方式分别进行配置。当如上所述地配置各个工件模型60时，可以防止各个工件模型60在初始位置相互重合。
此外，将各个球体62配置在通过从容器模型50的侧壁54的前端54a沿铅垂方向向上方延伸的虚拟线所划定的区域的内侧。通过这样的配置，在如后所述使各个工件模型60落下时，能够保证工件模型60落入容器模型50的收容空间56内。如果以按照这样的预定的配置条件来配置工件模型60的方式构成模型配置部18，能够降低操作员的负担。
虽然如上所述按照预定的条件来决定工件模型60的位置(重心G的位置)，但是例如按照随机数随机地设定工件模型60的姿势。或者，也可以通过操作员来任意地设定工件模型60的姿势。
返回图4，在步骤S404中，通过落下动作仿真部20对在步骤S403中配置在初始位置的工件模型60落入容器模型50内的落下动作进行仿真。即，在此考虑了在步骤S403中忽略的重力，来计算工件模型60落下时的举动。
图6A是表示位于初始位置的工件模型60a、60b、60c的图。图6B是表示使工件模型60a、60b、60c从图6A的初始位置落下后的状态的图。在图6B中，为了参考，通过虚线表示从初始位置落下的途中的工件模型60a、60b、60c。在图6A以及图6B中，为了便于说明，仅图示了三个工件模型60a、60b、60c，但可以配置任意数量的工件模型。
在步骤S404中执行的落下动作的仿真中，考虑各个工件模型60a、60b、60c彼此作用的干扰以及工件模型60a、60b、60c与容器模型50之间的干扰。在此所说的两个要素之间的“干扰”是指一方要素的移动由于另一方要素的存在而物理上受到妨碍。在图6B中分别表示了工件模型60a与工件模型60b之间的干扰部Q1、工件模型60b与工件模型60c之间的干扰部Q2、工件模型60a与容器模型50之间的干扰部Q3以及工件模型60c与容器模型50之间的干扰部Q4。
此外，在落下动作的仿真中，还可以考虑对各个工件模型60a、60b、60c作用的摩擦力以及冲击力。图7是表示对工件模型60作用的重力、冲击力以及摩擦力的图。在图7中，为了便于说明，仅表示了一个工件模型60。
图7的箭头A1表示重力的作用方向。箭头A2表示工件模型60落到容器模型50的底壁52时的冲击力的作用方向。箭头A3表示在工件模型60与容器模型50的底壁52之间作用的摩擦力的作用方向。
按照以下的计算式(1)～(3)，分别计算对工件模型60作用的各个力。
重力＝Mg 式(1)
冲击力＝MV(1+e)/t 式(2)
摩擦力＝μsMg 式(3)
另外，“M”表示工件模型60的质量，“g”表示重力加速度，“V”表示工件模型60与容器模型50碰撞紧前的速度，“e”表示恢复系数，“t”表示工件模型60与容器模型50之间的碰撞时间，“μ”表示摩擦系数，“s”表示工件模型60与容器模型50之间的接触面积。此时，将容器模型50的位置设成固定。将落下动作的仿真所需要的参数存储在机器人仿真装置10的ROM中，或使用输入单元进行设定。
再次参照图4时，在落下动作的仿真的执行过程中，通过位置姿势计算部24在预定的周期计算各个工件模型60a、60b、60c的位置以及姿势(步骤S405)。
接着，在步骤S406中，计算工件模型60a、60b、60c的位置以及姿势的变化量，并且将得到的变化量与预先决定的阈值进行比较。在步骤S406中，当工件模型60a、60b、60c的位置以及姿势的变化量在阈值以上时，通过判定部26判定为落下动作没有完全结束。此时，返回步骤S404，继续落下动作的仿真。
另一方面，在步骤S406中，当判定为工件模型60a、60b、60c的位置以及姿势的变化量小于阈值时，通过判定部26判定为工件模型60a、60b、60c的落下动作完成。虽然没有对步骤S406中与位置的变化量进行比较的阈值进行限定，但例如可以使用与工件模型60相关联的球体的半径D(参照图5B)的百分之一的值。此外，虽然没有对与姿势的变化量(倾斜角度的变化量)进行比较的阈值进行限定，但例如是0.1度。
根据这样得到的落下动作完成时的各个工件模型60a、60b、60c的位置以及姿势，散装状态生成部22生成工件模型60a、60b、60c的散装状态。为了对通过机器人依次取出工件的取出工序进行仿真而使用生成的散装状态。
根据本实施方式，考虑对工件模型作用的重力、工件模型之间的干扰以及工件模型与容器模型的干扰，来生成容器模型内的工件模型的散装状态。由此，可以在虚拟空间内生成与实际可能发生的散装状态更接近的状态。然后，使用这样的散装状态工件来执行取出工序的仿真时，可以提高仿真的可靠性。
此外，如果考虑任意地对工件模型作用的冲击力以及摩擦力来执行落下动作的仿真，则可以在虚拟空间内生成更自然的散装状态。
图8是在取出工序的仿真的执行过程中，以生成散装状态的工件模型的方式构成的机器人仿真装置10的功能框图。如图所示，机器人仿真装置10除了图3所示的结构外，还具备：取出工序仿真部21、位置姿势变化判定部23以及初始配置设定部25。
如图1所示，取出工序仿真部21具有执行通过机器人130从容器150依次取出工件160的取出工序的仿真的功能。这样的取出工序的仿真是公知的，因此在本说明书中省略了详细的说明。
位置姿势变化判定部23具有用于判定在取出工序的仿真的执行过程中，工件模型60的位置以及姿势中的至少一方是否发生了变化的功能。在取出工序的仿真的执行过程中，通过位置姿势计算部24周期性地计算各个工件模型60的位置以及姿势。因此，位置姿势变化判定部23与位置姿势计算部24协作来执行上述判定。
初始配置设定部25具有用于设定落下动作仿真部20对执行的工件160的落下动作进行仿真时的初始位置的功能。
图10A表示散装在容器模型50内的工件模型60a、60b、60c。图10B表示将工件模型60b从容器模型50取出的状态。此时，工件模型60a、60b忽略重力影响而浮在空中。由此，当工件模型60b的位置以及姿势发生了变化时，有时其他工件模型60a、60b的位置以及姿势成为不自然的状态。在现有技术中，在该不自然的状态下，继续进行取出工序的仿真。
根据本实施方式的机器人仿真装置10，将图10B所示的状态设成工件模型60a、60b的初始状态，执行工件的落下动作的仿真，由此再次生成散装状态。图10C是表示考虑了重力作用，使图10B所示的工件模型60a、60b落入容器模型50内的状态。
图9是表示在取出工序的仿真的执行过程中，生成散装状态的工件模型的工序流程的流程图。
首先，在步骤S901中，通过取出工序仿真部21执行取出散装在容器内的工件的取出工序的仿真。此时，虚拟空间内的工件模型60通过散装状态生成部22以上述的状态散装在容器模型50内(参照图10A)。
在步骤S902中判定取出工序的仿真是否完成。当仿真完成时，执行结束处理。
当在步骤S902中判定为取出工序的仿真没有完成时，通过位置姿势计算部24计算各个工件模型60a、60b、60c的位置以及姿势(步骤S903)。然后，在步骤S904中，通过位置姿势变化判定部23判定工件模型60a、60b、60c的位置以及姿势是否发生了变化。当判定为工件模型60a、60b、60c的位置以及姿势没有发生变化时，返回步骤S901，继续进行取出工序的仿真。
另一方面，当在步骤S904中判定为工件模型60a、60b、60c的位置以及姿势发生了变化(参照图10B)时，进入步骤S905。在步骤S905中，将在之前的步骤S903中计算出的各个工件模型60的位置以及姿势设定为初始配置。
接着，在步骤S906中，按照在步骤S905中设定的初始配置来执行各个工件模型60的落下动作的仿真。步骤S906～S908的工序可以与图4的步骤S404～S406的工序对应地以同样的方式执行，因此省略详细的说明。
按照步骤S906～S908的工序，如果通过散装状态生成部22生成了工件模型的散装状态，则再次返回步骤S901，使用新生成的散装状态的工件来继续进行机器人的取出工序的仿真。
根据这样的实施方式，在取出工序的仿真的执行过程中，当工件的位置以及姿势中的至少任意一方发生了变化时，根据变化后的工件的配置来重新生成工件的散装状态。由此，在取出工序的仿真的执行过程中，可以始终维持自然的散装状态。由此，提高取出工序的仿真的可靠性。
发明效果
根据具备上述结构的机器人仿真装置，在考虑了重力的影响后，可以生成散装在容器模型内的工件模型，能够生成更自然的散装状态。由此，在接近于实际可能发生的散装状态的条件下，能够对工件取出工序进行仿真，从而能够提高仿真的可靠性。
以上，对本发明的各种实施方式进行了说明，但本领域的技术人员应当明白通过其他的实施方式也能够得到本发明所希望的作用效果。特别是可以不脱离本发明的范围地删除或置换上述实施方式的构成要素，还可以附加公知的单元。此外，本领域的技术人员应当明白通过任意组合在本说明书中明示或暗示公开的多个实施方式的特征，也能够实施本发明。

Claims (5)

1.一种机器人仿真装置，其对在作业空间中，通过机器人依次取出散装在容器内的多个工件的取出工序进行仿真，所述机器人仿真装置具备：虚拟空间生成部，其生成通过三维表现所述作业空间的虚拟空间；以及模型生成部，其生成通过三维表现所述容器的容器模型以及通过三维表现所述多个工件的多个工件模型，
所述机器人仿真装置的特征在于，
还具备：
模型配置部，其将所述容器模型配置在所述虚拟空间中，并且将具有任意姿势的各个所述工件模型配置在所述容器模型上方的初始位置，以使各个所述工件模型不互相干扰，并且各个所述工件模型落入所述容器模型内；
落下动作仿真部，其对各个所述工件受到重力的作用而从所述初始位置落入所述容器内的落下动作进行仿真；以及
散装状态生成部，其根据作为所述落下动作的仿真结果而得到的各个所述工件模型的位置以及姿势，来生成所述工件模型的散装状态。
2.根据权利要求1所述的机器人仿真装置，其特征在于，
将所述落下动作仿真部构成为考虑对各个所述工件模型作用的重力、所述工件模型之间的干扰以及各个所述工件模型与所述容器模型之间的干扰，来对所述落下动作进行仿真。
3.根据权利要求2所述的机器人仿真装置，其特征在于，
将所述落下动作仿真部构成为还考虑对各个所述工件模型作用的冲击力以及摩擦力，来对所述落下动作进行仿真。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的机器人仿真装置，其特征在于，
还具备：位置姿势计算部，其在所述落下动作的仿真的执行过程中，计算各个所述工件模型的位置以及姿势；以及
判定部，其判定所述落下动作的仿真是否完成，
将所述判定部构成为在通过所述位置姿势计算部计算出的各个所述工件模型的位置以及姿势的变化量小于预先决定的阈值时，判定为所述落下动作的仿真完成。
5.根据权利要求4所述的机器人仿真装置，其特征在于，
并且将所述位置姿势计算部构成为在所述取出工序的仿真的执行过程中，计算各个所述工件模型的位置以及姿势，
并且将所述落下动作仿真部构成为根据由所述位置姿势计算部在所述取出工序的仿真的执行过程中得到的各个所述工件模型的位置以及姿势，来对所述工件的落下动作进行仿真，
并且将所述散装状态生成部构成为根据作为所述取出工序的仿真的执行过程中的所述落下动作的仿真结果而得到的各个所述工件模型的位置以及姿势，生成所述工件的散装状态。
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