CN105856216A - 工件取出机器人系统以及工件取出方法 - Google Patents

工件取出机器人系统以及工件取出方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种工件取出机器人系统以及工件取出方法，其在用机器人依次取出散装的多个工件时，能够以简易的计算容易地避免干涉，且能够高效地进行取出。基于与工件的高度分布相关的信息在工件的侧面上规定用于决定机器人的取出动作的第一检测坐标系，并使第一检测坐标系向其Z轴的负方向平行移动规定量，之后以使X-Z平面与机器人坐标系的X-Y平面所成的角度成为垂直的方式使X-Z平面绕X轴旋转，将由此得到的坐标系设为工件坐标系。接着使工件坐标系绕其X轴回旋转目标角度，使工件坐标系向Z轴的正方向平行移动工件的半径，将所得到的坐标系作为第二检测坐标系而输出。

Description

工件取出机器人系统以及工件取出方法
技术领域
本发明涉及具备与应该用机器人取出的工件的位置以及姿势相关的变换运算功能的工件取出机器人系统、以及进行该变换运算来取出工件的取出方法。
背景技术
一般而言，在机器人一个一个地取出散装(装载)了的多个工件的机器人系统中，用传感器检测工件的位置以及姿势(以下，也称为位置姿势)，并使手部向机器人所检测到的位置姿势移动来保持并取出工件。作为与此相关的公知技术例，日本特开2007-203406号公报中记载了一种工件取出装置，该工件取出装置具有构成为把持并取出工件容器内的同种的多个工件的机器人、控制该机器人的机器人控制器、配置于工件容器的大致正上方而大范围地拍摄工件的摄像机、以及对该摄像机所拍摄到的图像进行处理的图像处理装置。
并且，日本特开2008-272886号公报中记载了实现了如下目的的装置以及方法：为了缩短教导作业所需要的时间，根据工件的形状数据来自动地选出机器人手部把持工件的把持候补位置，并基于选出来的把持候补位置来生成机器人手部接近工件的把持路径。
另外，日本特开平05-104465号公报中公开了机器人的作业计划装置，此处，基于对象物的初始状态以及目标状态、机器人手部的几何形状等，来计算能够把握以及载置对象物的载置把握候补，从以计算出的载置把握候补的把握位置为中心的空间锥面中选择不与障碍物干涉的开放空间锥面，对于选择出的各开放空间锥面求出离非开放空间锥面的距离，并基于其结果从载置把握候补中选择进行把握作业时的作业空间的最大的载置把握位置姿势。
大多情况下，检测工件的位置姿势的传感器以能够对所装载的工件全部进行检测的方式设置于该工件的上方。因此，能够从所装载的工件中取得多个检测结果，决定从中取出的工件的优先顺序，机器人能够根据该优先顺序取出工件。但是，这样的处理基于从上方拍摄了工件的结果(图像)来进行，从而在因手部与容器干涉等原因而无法取出位于最上方的工件的情况下，紧接着位于其下方的工件也因最上方的工件成为妨碍而无法取出，作为结果，有残留多个工件的问题(参照后述的图4a～图6b)。
在上述的专利文献所记载的结构中，为了解决上述问题，通过根据预先登录的工件的几何形状计算把持位置的方法、进行检测到的工件与预先登录的工件的三维模型之间的匹配的方法，可确定能够不与机器人干涉地把持的工件的部位。但是，这样的方法中，需要预先登录、存储工件的三维模型的作业等，尤其在工件的品种多的情况下需要大量的劳力和时间。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供如下工件取出机器人系统以及工件取出方法：在用机器人依次取出散装的多个工件时，能够以简易的计算来容易地避免干涉，并能够高效地进行取出。
为了实现上述目的，本申请发明的一个方案是一种将散装的多个工件取出的工件取出机器人系统，其具备：视觉传感器，其取得与上述多个工件的高度分布相关的信息；机器人，其具有能够把持上述工件的手部；运算装置，其具备如下功能:基于由上述视角传感器取得的与工件的高度分布相关的信息来求出工件的第一位置姿势，并基于上述第一位置姿势来求出用于由上述手部取出工件的上述机器人的动作；以及机器人控制装置，其基于由上述运算装置求出的上述机器人的动作来控制上述机器人以使上述手部移动，将取出对象的工件取出，上述运算装置具有进行如下变换运算的功能：基于根据工件的形状而决定的姿势变换信息将上述第一位置姿势变换为第二位置姿势，在进行了上述变换运算的情况下，基于上述第二位置姿势来求出用于由上述手部取出工件的上述机器人的动作。
上述姿势变换信息能够是上述工件的半径以及绕上述工件的中心轴线的旋转角度。
并且，优选能够以数值的方式指定或者输入上述姿势变换信息。
优选的实施方式中，当基于根据上述第一位置姿势求出的上述机器人的动作来使上述手部移动时，在上述机器人与取出对象的工件以外的物体干涉的情况下，上述运算装置将上述第一位置姿势变换为上述第二位置姿势。
本申请发明的其它方案是一种工件取出方法，是利用具备手部的机器人将散装的多个工件取出的方法，包括如下步骤：取得与上述多个工件的高度分布相关的信息；基于与上述工件的高度分布相关的信息来求出工件的第一位置姿势；进行变换运算，基于根据工件的形状而决定的姿势变换信息来将上述第一位置姿势变换为第二位置姿势；基于上述第二位置姿势来求出用于由上述手部取出工件的上述机器人的动作；以及基于求出的上述机器人的动作来控制上述机器人以使上述手部移动，将取出对象的工件取出。
上述姿势变换信息能够是上述工件的半径以及绕上述工件的中心轴线的旋转角度。
并且，优选能够以数值的方式指定或者输入上述姿势变换信息。
优选的实施方式中，当基于根据上述第一位置姿势求出的上述机器人的动作来使上述手部移动时，判定上述机器人是否与取出对象的工件以外的物体的干涉情况。
通过参照附图对以下优选的实施方式进行说明，本发明的上述或者其它的目的、特征以及优点会变得更加清楚。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式的工件取出机器人系统的简要结构的图。
图2是表示多个工件散装在容器内的状态的一个例子的图。
图3是用配置于容器的上方的摄像机拍摄工件而得到的图像的一个例子。
图4a是表示在以往的方法中用机器人取出最上层的工件的情况的图。
图4b是图4a的A部的局部放大图。
图5a是表示在以往的方法中用机器人取出第二层的工件的情况的图。
图5b是图5a的B部的局部放大图。
图6a是表示在以往的方法中用机器人取出第三层的工件的情况的图。
图6b是图6a的C部的局部放大图。
图7是说明工件呈圆柱形状的情况下的变换运算的一个例子的图。
图8是表示基于图7的变换运算结果来用机器人取出对象工件的例子的图。
具体实施方式
图1是表示本申请发明的优选的实施方式的工件取出机器人系统10的简要结构的图。机器人系统10具有机器人12、控制机器人12的机器人控制装置14、以及与机器人控制装置14连接的视觉传感器(摄像机)16，用于从散装(堆积如山)有多个(图示例子中为同种的)工件18的容器(箱)20一个一个把持并取出工件18。
机器人12具有机器人臂22等可动部、和安装于机器人臂22的前端的机器人手部24等工件把持部，机器人手部24构成为能够对容器20内的工件18(图示例子中，为大致圆柱形状的工件18的侧面)进行把持。此外，这里的“把持”，除夹持之外，还包括利用了磁力、减压的吸附等(通常为一个)能够保持工件的任何方式。
摄像机16能够对装载于容器20内的工件18的二维图像进行拍摄。得到的二维图像向具备图像处理功能的机器人控制装置14、或者其它的图像处理装置发送而被处理，由此检测各工件的位置姿势。此外，图示例子中，摄像机16以容器20整体进入其视场内的方式设置于专用的架台26等的固定位置，但也可以安装于机器人臂22或者机器人手部24等可动部。
图2中表示多个工件18散装在容器20内的状态的一个例子，此处，多个工件18中，工件18a位于最上方(最上层)，工件18b局部地位于工件18a的下方(第二层)，另外工件18c局部地位于工件18b的下方(第三层)。换言之，如图3所示，在用配置于容器20的上方的摄像机16拍摄了容器20内的情况下，得到了工件18a与工件18b局部重叠(工件18a为上侧)、工件18b与工件18c局部重叠(工件18b为上侧)的图像。
并且，图2中，表示基于由摄像机16得到的与各工件表面的高度分布相关的信息而求出每个工件的检测位置的状态。图示例子中，基于由摄像机16得到的图像的图像处理结果，在工件18a、18b以及18c的圆筒状侧面上分别规定检测坐标系28a、28b以及28c，机器人控制装置14基于这些检测坐标系(工件的位置姿势)，能够求出用于取出工件的机器人的动作。此外，各坐标系的X方向与各工件的轴向平行，Z方向与各工件的径向一致，Y方向成为与X方向以及Z方向双方垂直的方向。
图4a～图6b中，作为与本发明比较的比较例，表示在以往的方法中用机器人取出工件18a～18c的情况。如上述那样，工件18a～18c中工件18a位于最上层，从而机器人控制装置14首先求出用于取出最上层的工件18a的机器人12的动作。但是，如图4a以及作为图4a的局部放大图的图4b所示，因手部24与容器20干涉而有取不出工件18a的情况。
这样，机器人控制装置14求出用于取出第二层的工件18b的机器人12的动作。但是，如图5a以及作为图5a的局部放大图的图5b所示，因手部24与最上层的工件18a干涉而有取不出工件18b的情况。这样，进一步，机器人控制装置14求出用于取出第三层的工件18c的机器人12的动作。但是，如图6a以及作为图6a的局部放大图的图6b所示，因手部24与第二层的工件18b干涉而有取不出工件18c的情况。
这样，以往的方法中，由于为了从上方拍摄各工件而在各工件的上部(侧面中的上侧的部位)设定检测坐标系，所以若欲基于此而取出工件，则因在容器20、对象工件上重叠的工件与手部24之间的干涉，而对于工件18a～18c中任一个而言均有无法决定机器人的动作(产生工件的残留)的情况。
因此，机器人系统10具有运算装置，该运算装置进行根据基于工件18的形状而决定的姿势变换信息(后述)，将通过由摄像机16得到的图像的图像处理而规定在工件18的表面上的第一检测坐标系(第一位置姿势)变换为不会产生机器人与取出对象工件以外的物体的干涉的第二检测坐标系(第二位置姿势)的变换运算，在本实施方式中，机器人控制装置14具备该运算装置或者其功能。在进行了变换运算的情况下，基于第二检测坐标系来进行机器人12的动作控制。以下，对其具体例进行说明。
图7是说明工件18具有圆柱形状的情况下的变换运算的一个例子的说明图。首先，基于与由摄像机16得到的工件18的高度分布相关的信息，来在工件18的表面(侧面)上规定用于决定机器人的取出动作的第一检测坐标系30。此处，第一检测坐标系30的原点处于工件18的侧面上，其X轴与工件18的轴向平行，Y轴以及Z轴分别沿工件18的切线方向以及径向(法线方向)延伸。并且，图7所记载的平面32表示用于机器人12的动作决定、修正的坐标系(机器人坐标系34(参照图1))的X-Y面。
此处，由图7可知，第一检测坐标系30的X-Z平面36不限定于与机器人坐标系的X-Y平面32垂直。因此，在使第一检测坐标系30向其Z轴的负方向平行移动规定量(此处为相当于工件18的半径的距离R)之后，以使X-Z平面36与机器人坐标系的X-Y平面32所成的角度成为垂直的方式使X-Z平面36绕工件18的X轴38旋转，将由此得到的坐标系设为工件坐标系40。其结果，X-Z平面36向X-Z平面42旋转移动。
接下来，使工件坐标系40(X-Z平面42)绕其X轴旋转目标角度θ，之后使工件坐标系40向Z轴的正方向平行移动工件18的半径R，将所得到的坐标系作为第二检测坐标系44而输出。其结果，X-Z平面42向X-Z平面46旋转移动。换句话说，第二检测坐标系44相当于使第一检测坐标系30绕工件坐标系40的X轴旋转移动后的坐标系，图7中的目标角度θ是第一检测坐标系30的X-Z平面36与机器人坐标系的X-Y平面32所成的角度。
图8是表示基于通过使用图7而说明的变换运算而得到的第二检测坐标系44，而相对于图2中的工件18b求出机器人12的取出动作，并基于此来控制机器人12的例子的图。如图2或者图3所示，以往，在工件18b的上方设定第一检测坐标系，若基于此使机器人12动作，则手部24与工件18a干涉，但根据本发明，由于第一检测坐标系变换为工件18b的侧方的第二检测坐标系，所以通过基于此使机器人12动作，能够不产生干涉地取出工件18b。
这样，本发明中，仅预先指定、输入工件的半径和目标角度，就能够使在工件上规定的检测坐标系简单地向在机器人进行取出时难以产生干涉的位置移动(变换)。此外，图8的例子中，在最上层的工件18a因干涉而无法取出的情况下，进行与第二层的工件18b相关的变换运算，但也可以在之前进行最上层的工件18a变换运算。其中，若第二层的工件18b的取出成功，则最上层的工件18a的位置姿势变化(货物倒塌)，从而在利用以往的方法无法取出最上层的工件18a的情况(图4a)下，优选立即进行第二层的工件18b的取出。
上述的目标角度既可以是操作人员经由设于控制装置14等的适当的输入装置以数值的方式指定或者输入，也可以是操作人员通过经由设于控制装置14等的适当的显示器的视觉的操作来指定或者输入。或者，也能够自动地进行如下这样的处理直至不产生干涉：预先决定适当的角度的刻度(例如5～10°)，在产生干涉的情况下使检测坐标系旋转其刻度大小而再次检查干涉的有无。该情况下，即使不预先指定或者输入目标角度，也能够自动地进行变换运算。
变换运算也可以在判定为产生容器或者取出对象以外的工件与机器人的干涉的情况下进行，但也可以不判定干涉的有无而根据姿势变换信息(工件的半径、目标角度)来进行变换运算。该情况下，优选操作人员预先设定目标角度。
上述的实施方式中，对工件呈圆柱形状、姿势变换信息是工件的半径以及目标角度(绕工件的中心轴线的旋转角度)的情况进行了说明，但本发明不限定于此。例如，在工件是螺栓之类的局部地具有大致圆柱形状的情况下，对于该大致圆柱状部分也能够用与图8的例子相同的方法进行变换运算。并且，在工件具有棱柱形状的情况下，若作为工件的半径而利用相当半径(相当直径的1/2)或者工件表面与中心轴线之间的最短距离，则能够进行与图8相同的处理。另外，若作为机器人手部，使用工件把持部是球面且通过实质点接触来吸引工件的类型、经由浮动机构而具备吸盘的类型，则即使在工件的形状不是精确的圆柱的情况下，若工件近似圆柱则也能够应用本发明。这样，本发明中，作为工件的“半径”的用语，除工件呈圆柱(或者局部地具有圆柱)的情况之外，还包括工件近似圆柱的情况下的该圆柱的半径。
根据本发明，由于能够基于姿势变换信息将基于由视觉传感器得到的高度分布而求出的工件的第一位置姿势简单地变换为第二位置姿势，所以能够不进行复杂的计算而求出用机器人不产生干涉地取出工件的动作。

Claims (8)

1.一种工件取出机器人系统，将散装的多个工件取出，其特征在于，具备：
视觉传感器，其取得与上述多个工件的高度分布相关的信息；
机器人，其具有能够把持上述工件的手部；
运算装置，其具备如下功能：基于由上述视角传感器取得的与工件的高度分布相关的信息来求出工件的第一位置姿势，并基于上述第一位置姿势来求出用于由上述手部取出工件的上述机器人的动作；以及
机器人控制装置，其基于由上述运算装置求出的上述机器人的动作来控制上述机器人以使上述手部移动，将取出对象的工件取出，
上述运算装置具有进行如下变换运算的功能：基于根据工件的形状而决定的姿势变换信息将上述第一位置姿势变换为第二位置姿势，在进行了上述变换运算的情况下，基于上述第二位置姿势来求出用于由上述手部取出工件的上述机器人的动作。
2.根据权利要求1所述的工件取出机器人系统，其特征在于，
上述姿势变换信息是上述工件的半径以及绕上述工件的中心轴线的旋转角度。
3.根据权利要求1或2所述的工件取出机器人系统，其特征在于，
能够以数值的方式指定或者输入上述姿势变换信息。
4.根据权利要求1～3任一项中所述的工件取出机器人系统，其特征在于，
当基于根据上述第一位置姿势求出的上述机器人的动作来使上述手部移动时，在上述机器人与取出对象的工件以外的物体干涉的情况下，上述运算装置将上述第一位置姿势变换为上述第二位置姿势。
5.一种工件取出方法，利用具备手部的机器人将散装的多个工件取出，其特征在于，包括如下步骤：
取得与上述多个工件的高度分布相关的信息；
基于与上述工件的高度分布相关的信息来求出工件的第一位置姿势；
进行变换运算，基于根据工件的形状而决定的姿势变换信息来将上述第一位置姿势变换为第二位置姿势；
基于上述第二位置姿势来求出用于由上述手部取出工件的上述机器人的动作；以及
基于求出的上述机器人的动作来控制上述机器人以使上述手部移动，将取出对象的工件取出。
6.根据权利要求5所述的工件取出方法，其特征在于，
上述姿势变换信息是上述工件的半径以及绕上述工件的中心轴线的旋转角度。
7.根据权利要求5或6所述的工件取出方法，其特征在于，
包括如下步骤：以数值的方式指定或者输入上述姿势变换信息。
8.根据权利要求5～7任一项中所述的工件取出方法，其特征在于，
包括如下步骤：当基于根据上述第一位置姿势求出的上述机器人的动作来使上述手部移动时，判定上述机器人与取出对象的工件以外的物体的干涉情况。
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