CN109775370A - 堆积模式计算装置以及机器人控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种堆积模式计算装置以及机器人控制装置。计算装置具备：模型创建部，其基于每种物品的尺寸创建物品的第一物理模型，并基于堆积多个物品的容纳区域的尺寸创建容纳区域的第二物理模型；配置部，其按对每种物品预先决定的优先度从高到低的顺序在第二物理模型内配置第一物理模型；以及物理运算部，其每当上述第一模型被配置于上述第二物理模型内，对第二物理模型给予振动或者冲击，并计算与该振动或者冲击相伴的上述第二物理模型内的上述第一物理模型的位置或者姿势的变化。

Description

堆积模式计算装置以及机器人控制装置

技术领域

本发明涉及计算物品的堆积模式的计算装置、以及包括该计算装置的机器人控制装置。

背景技术

已知在所谓的码垛堆积系统等将多个物品装载到托板等累积单元或者容纳单元的系统中，通过模拟等求出应该以怎样的顺序、模式装载(堆积)该物品的技术(例如，参照日本特开平01-092127号公报、日本特开2005-089067号公报)。

另一方面，已知在容器内配置多个部件的模拟中，通过使振动或者冲击、以及重力产生而计算部件的位置或姿势的变化的技术(例如，参照日本特开2011-128897号公报)。

在以往的码垛堆积系统中，存在使用计算多个物品的堆积模式的算法的情况，但这种算法并不是使用物理运算来计算堆积模式。因此，以往难以以适当的模式堆积随机搬运来的多个物品。

发明内容

本公开的一个方式是堆积模式计算装置，计算多个物品的堆积模式的堆积模式，该堆积模式计算装置具备：模型创建部，其基于上述物品的每个种类的尺寸创建上述物品的第一物理模型，并基于堆积上述多个物品的容纳区域的尺寸创建上述容纳区域的第二物理模型；配置部，其按照对上述物品的每个种类预先决定的优先度从高到低的顺序在上述第二物理模型内配置上述第一物理模型；以及物理运算部，其每当上述第一物理模型被配置于上述第二物理模型内时，对上述第二物理模型给予振动或者冲击，并计算与该振动或者冲击相伴的上述第二物理模型内的上述第一物理模型的位置或者姿势的变化。

本公开的其他方式是机器人控制装置，具备：多个上述堆积模式计算装置；模式选择部，其从由多个上述堆积模式计算装置计算出的多个堆积模式中选择稳定性高的堆积模式；以及程序创建部，其根据由上述模式选择部选择出的堆积模式所包含的多个物品的位置以及姿势自动地创建机器人堆积物品的动作程序。

附图说明

本发明的目的、特征以及优点通过与附图相关的以下的实施方式的说明更加清楚。在该附图中：

图1是表示优选的实施方式所涉及的堆积模式计算装置的一个结构例的图。

图2是表示基于图1的堆积模式计算装置计算出的堆积模式进行物品的堆积的码垛堆积系统的一个结构例的图。

图3是例示本实施方式中的处理的流程的流程图。

图4a是例示物品的物理模型的图。

图4b是例示容纳区域的物理模型的图。

图5a是表示物品的物理模型的位置变化的一个例子的图。

图5b是表示物品的物理模型的位置变化的一个例子的图。

图5c是表示物品的物理模型的位置变化的一个例子的图。

图6是表示本实施方式中的处理的应用例的流程图。

图7是从上方观察物品以及收纳区域的物理模型的图。

图8是表示堆积的物品的稳定度低的例子的图。

具体实施方式

图1是表示本公开所涉及的堆积模式计算装置(以下，也称为计算装置)10的一个结构例的功能框图。计算装置10是计算多个物品(工件)的堆积模式的装置，具备：模型创建部12，其基于每种物品的尺寸创建物品的第一物理模型，并基于堆积有多个物品的容纳区域的尺寸创建容纳区域的第二物理模型；配置部14，其按对每种物品预先决定的堆积的优先度从高到低的顺序在第二物理模型内配置第一物理模型；以及物理运算部16，其在每次将上述第一模型配置于上述第二物理模型内，对第二物理模型给予振动或者冲击，并计算与该振动或者冲击相伴的上述第二物理模型内的上述第一物理模型的位置或者姿势的变化，若全部物品的第一物理模型配置于第二物理模型内，则能够将此时的第二物理模型内的第一物理模型的堆积模式决定为装载在容纳区域内的物品的堆积模式并存储。

计算装置10可以还具有优先度决定部18，该优先度决定部18根据每种物品的重量、尺寸以及承重中的至少一个，自动地决定物品的堆积的优先度。或者，优先度也可以由作业者使用适当的输入单元输入到计算装置10，并将输入的优先度的数据存储到个人计算机的存储器等存储部20，在该情况下，配置部14能够从存储部20读出与优先度有关的数据。另外，存储部20也可以使用于存储最终决定的堆积模式。

另外，计算装置10可以还具备重心位置变更部22，该重心位置变更部22变更该第一物理模型的重心位置，以免第一物理模型由于给予第二物理模型的振动或者冲击而成为不适合堆积的姿势，配置部14能够在第一物理模型成为不适合堆积的姿势的情况下，重新配置不适合堆积的姿势的物品。

并且，计算装置10可以还具备位置姿势调节部24，该位置姿势调节部24在全部第一物理模型配置到第二物理模型内之后，调节至少一个第一物理模型的位置以及姿势的一方或者双方。

堆积模式计算装置10例如是个人计算机，上述的物理模型创建部12、配置部14、物理运算部16、优先度决定部18、存储部20、重心位置变更部22以及位置姿势调节部24能够通过个人计算机具有的CPU、GPU、存储器等实现。另外，该个人计算机也可以具有基于计算装置10计算出的堆积模式自动地创建机器人的动作程序，并将该动作程序发送到后述的机器人控制装置的功能。

图2是示出码垛堆积系统30的概略结构例子作为基于堆积模式计算装置10计算出的堆积模式实际进行工件的堆积的系统的一个例子的图。码垛堆积系统30具有：传送带34，其依次搬运多个物品(工件)32；机器人38，其保持传送带34上的工件32，并将其配置到预定的容纳区域36内；以及机器人控制装置40，其与机器人38连接，控制机器人38的动作。计算装置10和机器人控制装置40以能够相互通信的方式连接，机器人控制装置40能够基于从计算装置10接收到的堆积模式使机器人38执行堆积动作。或者，计算装置10(的功能)也能够设置于机器人控制装置40内，即，堆积模式计算装置10的各部的功能也能够通过机器人控制装置40具有的CPU、GPU、存储器等实现。

容纳区域36被预先决定为包含全部应该装载的工件32的区域，例如，既可以是在图2所示的托板42上规定的可能存在被装载的工件32的空间，也可以是由箱状或者笼状的容器(未图示)划定的内部空间。

在图示例中，机器人38是具有可动部的多关节机器人，具有底座部44、能够沿大致垂直方向轴线旋转地安装于底座部44的转动体46、能够旋转地安装于转动体46的上臂48、能够旋转地安装于上臂48的前臂50、能够旋转地安装于前臂50的手腕轴52、安装于手腕轴52的机械手54、以及安装于机器人38的可动部(例如，手54)的摄像机56。作为机械手54，可以是具备爪的把持式手、具备电磁铁或者吸引嘴的吸附式手等能够保持工件32的各种方式。

机器人控制装置40通过利用摄像机56拍摄传送带34上的工件32，并进行所得到的图像的图像处理，能够检测工件32相对于机器人38的位置以及姿势，并进一步将如下意思的指令发送到机器人38，即，基于检测到的工件32的位置以及姿势保持工件32，并根据后述的堆积模式将所保持的工件配置到容纳区域36内。

接下来，参照图3～图5c对使用堆积模式计算装置的处理的一个例子进行说明。此外，在后述的实施例中，对堆积尺寸彼此不同的3种工件的情况(所谓的混装)进行说明，但工件的种类并不局限于3个，另外，即使尺寸相同，比重不同的工件也能够作为“多种工件”来处理。此外，后述的处理是在计算装置10或者机器人控制装置40内虚拟地进行的离线处理(模拟)，也能够将这些处理的结果的至少一部分显示在个人计算机的显示器58(图2)等适当的画面中。

首先，在步骤S1中，创建混装堆积运算用的虚拟物理模型。具体而言，如图4a所示，根据每种工件的重量、尺寸以及个数创建第一物理模型60。另外，如图4b所示，根据堆积工件的容纳区域的尺寸创建第二物理模型62。这里，工件有尺寸彼此不同的A、B以及C三种，工件A以及C分别有1个，工件B有2个。另外，第二物理模型62为与在托板42上规定的容纳区域36相同或者稍大的虚拟空间，且具有能够包含全部第一物理模型的大小。

接下来，在步骤S2中，对每种工件决定堆积的优先度。该优先度规定在容纳区域(第二物理模型)内配置工件(第一物理模型)的顺序，例如，能够使用计算装置10的存储器、CPU(优先度决定部18)，基于各工件的每单位面积的重量、尺寸、承重来计算。更具体而言，考虑将后述的每接地面积的重量大的工件、尺寸大的工件、或者承重大的工件的优先度设得高。或者，也可以在对这些因素分别进行预定的加权后，对各工件计算综合的优先度。另外，或者，也可以由作业者使用键盘或触摸面板等适当的输入单元对计算装置输入(指定)各工件的优先度。此外，在本实施例中，优先度为C→A→B。

在接下来的步骤S3中，将在步骤S2中决定的优先度高的工件的第一物理模型配置到第二物理模型内。但是，这里的配置不需要进行精确的定位，粗略的定位即可。这里，首先，在第二物理模型62内配置有工件C。

在接下来的步骤S4中，对表示容纳区域的第二物理模型62给予振动、冲击。然后，接下来将剩余的工件A以及B中优先度高的工件A配置于第二物理模型62内(步骤S5→S3)，其后，对第二物理模型62给予振动、冲击，计算工件的位置关系的变化(步骤S4)。然后，最后，工件B配置于第二物理模型62内(步骤S5→S3)，其后，对第二物理模型62给予振动、冲击，计算工件的位置关系的变化(步骤S4)。

这里，对第二物理模型赋予的振动或者冲击是指使至少一个第一物理模型的位置以及姿势的一方或者双方在第二物理模型内变化的程度的物理性的力，优选作用于大致水平方向(前后或者左右方向)。此外，也可以给予包括上下方向(大致垂直方向)分量的振动或者冲击，但优选在该情况下容纳区域内的工件的上下方向的位置关系没有变化(例如，上下方向分量限制为小于恒定值)。另外，这里的振动也包含有比较低频地使第二物理模型较大地摆动的振动，另外，冲击也包含有使第二物理模型整体倾斜的冲击。

图5a—图5c示出由于反复进行步骤S3—S5而引起的第二物理模型62内的工件的位置变化的一个例子。例如，即使在步骤S3中工件A配置在工件C的大致中央(图5a)，也由于对第二物理模型62给予振动或者冲击而工件A在工件C上移动，用于接下来配置的工件B的空闲空间被自动地生成(图5b)，能够适当地配置工件B(图5c)。通过考虑了这样的振动或冲击和重力的模拟，即使不考虑算法，也自动地计算并决定图4b所示这样的工件间没有缝隙或者缝隙少的堆积模式。计算出的堆积模式从计算装置10被发送到机器人控制装置40，机器人控制装置40能够基于接收到的堆积模式控制机器人38，在托板42上进行工件32的堆积。

这样，在本实施例中，通过在容纳区域的物理模型内配置物品的物理模型，对容纳区域给予振动或冲击来使工件间的位置关系变化，能够自动地生成应该配置下个物品的空闲空间，能够自动地计算适合实际的堆积的堆积模式。另外，因为使用物理运算，所以即使在物品、容纳区域的形状是箱形状以外的情况下，也能够不考虑计算的算法而计算适当的堆积模式。

图6是表示本实施方式中的处理的应用例的流程图。首先，在步骤S11中，与图3的步骤S1相同地，创建混装堆积运算用的虚拟物理模型，即工件的第一物理模型以及容纳区域的第二物理模型62。

在接下来的步骤S12中，在每个第一物理模型中分别使其重心位置移动。具体而言，对于各工件预先决定堆积时的正确的姿势和在该正确的姿势中成为底面的面，在该底面(接地面)上或者其附近设定并变更重心位置。例如就图4a的工件A而言，在应将其一个面64作为底面的情况下，若使重心位置移动到面64上后进行后述的工件的配置(落下)计算，则在面64成为底面而与工件C抵接的状态下配置有工件A的可能性大幅度地上升。

在接下来的步骤S13中，与图3的步骤S2相同地，对每种工件决定堆积的优先度。

在接下来的步骤S14中，将在步骤S13中决定的优先度高的工件的第一物理模型配置在第二物理模型内。这里，作为配置的一个方式，也可以使第一物理模型从第二物理模型的上方落到该第二物理模型内。通过落下的工件的第一物理模型与其他的工件的第一模型、第二物理模型碰撞，而落下的工件或被该工件碰撞的工件的第一模型的位置、姿势变化，能够自动地配置在第二模型内的空闲空间。

在接下来的步骤S15中，与图3的步骤S4相同地，对表示容纳区域的第二物理模型62给予振动或冲击。然后，在接下来的步骤S16中，判定配置(落下)的工件的物理模型是否成为在步骤S12中描述的正确的堆积姿势。具体而言，在预先设定为底面的工件的面在落下、静止后不为底面的情况下，能够判断为不是正确的姿势。

在工件不为正确的姿势的情况下，前进到步骤S17，重新进行该工件的落下动作(计算)。该处理反复进行，直到工件成为正确的姿势。在本实施例中，在步骤S12中变更第一物理模型的重心，所以难以一开始成为不适合堆积的姿势(预先决定的底面不为最下面)，但根据落下时的位置、姿势、以及已经位于第二物理模型内的其他的工件的位置、姿势，也可能有工件成为不适合堆积的姿势的情况。但是，在这样的情况下，也能够通过重新进行物品的落下动作后对第二物理模型给予振动或者冲击，来使工件成为适合堆积的姿势。此外，在重新进行落下动作时，其他的工件的位置、姿势与上次的落下发生变化，所以即使使工件从与上次相同的位置以相同的姿势落下，也不成为与上次相同的结果，但优选使位置或者姿势与上次变化而重新进行落下动作。

在落下的工件的姿势正确的情况下，使剩余的工件中优先度高的工件落到第二物理模型内，反复进行姿势的确认、修正(步骤S14—S18)。

这里，也可以结束处理，但也能够进一步在步骤S19中，进行调节配置于第二物理模型内的第一物理模型的位置以及姿势的至少一方的处理。例如，如从上方观察第二物理模型62的图7所示，在未整齐配置3个表示工件的第一物理模型(这里，工件D)的情况下，若使第二物理模型62向左侧倾斜，则如参照符号70所示，3个工件D在第二物理模型内偏向左侧，作为结果，3个工件被整齐配置。或者，通过对3个工件向前后左右方向施加均等的力，从而如参照符号72所示，能够使3个工件整齐配置在第二物理模型62的大致中央。这样，通过调节通过使用物理运算杂乱配置的、配置完毕的全部的工件的位置、姿势，能够计算更整齐的堆积模式。

另外，也可以通过数值获取调节后的各工件的虚拟三维空间内的位置以及姿势(X、Y、Z、W、R、P)，并将其与工件的尺寸比较，进行数值的调节。例如宽度600mm的工件在X方向上位于901.893mm的情况下，也可以舍掉1mm以下而变更为900mm。这样一来，计算出的堆积模式的编辑作业等变得容易。

如上述的实施例那样，在有多个相同的优先度(例如同一种类)的工件(这里，工件B)的情况下，这些工件的物理模型既可以同时配置在(落到)第二物理模型内，也可以以预定的时间间隔依次配置。在后者的情况下，优选每配置一个工件时，对第二物理模型给予振动、冲击。

此外，参照图3以及图6说明的处理中除了作业者指定(输入)优先度的处理以外，全部能够自动地进行。因此，操作人员不需要高级的知识或算法，就能够求出最佳的堆积模式。

如上述那样，在本实施方式中，将工件的优先度设为C→A→B来计算堆积模式，但也考虑有实际上按例如B→A→C的顺序通过传送带搬运工件的情况。在这样的情况下，如图2所示，在系统30中，在机器人38的可动部能够到达的区域设置工件32的临时放置台66，在工件C之前搬运来的工件A或者B能够临时放置在临时放置台66上，直至工件C被机器人38保持而配置于容纳区域36内。根据这样的结构，优先度低的(堆积顺序靠后的)工件(这里，工件A或者B)能够在优先度高的(堆积顺序靠前的)工件(这里，工件C)的配置后的适当时机通过机器人38配置在容纳区域36内。

作为其他的优选的实施方式，也能够准备多个计算装置10，同时计算堆积模式，在计算出的多个堆积模式中，自动地选择(采用)稳定性(最)高的堆积模式。例如图8所示，在某工件(这里，工件B)的底面中与下方的物体(这里，工件C)抵接的面积的比例比较小的情况下，认为工件B的重心位置位于工件C的周边68的附近，所以实际这样堆积的工件B容易倒塌。因此，在这样的情况下，能够判定为稳定性低。

更具体而言，基于各工件的代表尺寸决定余量(例如，代表尺寸的1/10)，若从某工件的重心位置到该工件的下方的工件的周边的距离是该余量以上，则能够判定为该工件稳定。另外，在全部的工件通过该判定视为稳定的情况下，也能够通过计算各工件的底面中与其下方的物体抵接的面积的比例，来定量地求出稳定度。

此外，在使用多个计算装置的情况下，各计算装置中的前提条件(工件的形状、个数以及容纳区域的尺寸)相同，但计算条件(给予的振动、冲击的大小、方向、第一物理模型向第二物理模型内的的落下位置等)针对每个计算装置不同。

这样，通过使用多个混装堆积计算装置同时进行堆积模式的计算，能够在短时间内计算多个混装堆积模式，并从计算出的多个混装堆积模式中选择最佳(稳定度最高)的混装堆积模式。另外，能够根据计算出的堆积模式所包含的多个工件的位置以及姿势自动地创建用于机器人进行堆积的动作程序。这样的多个计算装置、模式选择功能(模式选择部)以及程序创建功能(程序创建部)既能够以个人计算机等方式作为编程装置准备，也能够设置于机器人控制装置中。

根据本公开，按优先度从高到低的顺序在容纳区域的物理模型内配置物品的物理模型，并对容纳区域的物理模型给予振动或冲击，由此能够自动地生成要放置物品的空闲空间，所以即使不考虑计算的算法，也能够求出适当的堆积模式。

Claims (7)

1.一种堆积模式计算装置，是计算多个物品的堆积模式的堆积模式计算装置，其特征在于，

具备：

模型创建部，其基于上述物品的每个种类的尺寸创建上述物品的第一物理模型，并基于堆积上述多个物品的容纳区域的尺寸创建上述容纳区域的第二物理模型；

配置部，其按照对上述物品的每个种类预先决定的优先度从高到低的顺序在上述第二物理模型内配置上述第一物理模型；以及

物理运算部，其每当上述第一物理模型被配置于上述第二物理模型内时，对上述第二物理模型给予振动或者冲击，并计算与该振动或者冲击相伴的上述第二物理模型内的上述第一物理模型的位置或者姿势的变化。

2.根据权利要求1所述的堆积模式计算装置，其中，

上述堆积模式计算装置还具有优先度决定部，该优先度决定部根据上述物品的每个种类的重量、尺寸以及承重中的至少一个自动地决定上述优先度。

3.根据权利要求1或者2所述的堆积模式计算装置，其中，

上述配置部通过使上述第一物理模型落到上述第二物理模型内，来在上述第二物理模型内配置上述第一物理模型。

4.根据权利要求1～3中的任一项所述的堆积模式计算装置，其中，

上述堆积模式计算装置还具备重心位置变更部，该重心位置变更部将上述第一物理模型的重心位置设定在针对该第一物理模型预先决定的底面上。

5.根据权利要求1～4中的任一项所述的堆积模式计算装置，其中，

在由上述物理运算部对上述第二物理模型给予振动或者冲击之后，上述第一物理模型成为不适合堆积的姿势的情况下，上述配置部重新配置成为上述不适合堆积的姿势的物品。

6.根据权利要求1～5中的任一项所述的堆积模式计算装置，其中，

上述堆积模式计算装置还具备位置姿势调节部，在将上述第一物理模型全部配置在上述第二物理模型内之后，该位置姿势调节部调节至少一个第一物理模型的位置以及姿势的至少一方。

7.一种机器人控制装置，其特征在于，

具备：

多个上述堆积模式计算装置；

模式选择部，其从由多个上述堆积模式计算装置计算出的多个堆积模式中选择稳定性高的堆积模式；以及

程序创建部，其根据由上述模式选择部选择出的堆积模式所包含的多个物品的位置以及姿势自动地创建机器人堆积物品的动作程序。