CN110856932A - 干涉回避装置以及机器人系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种干涉回避装置以及机器人系统，能够准确且简便地获取应该回避的周围物体的位置，并且可靠地回避机器人与周围物体的干涉。干涉回避装置(3)具备：三维传感器(13)，其安装于机器人臂的前端部，并且获取机器人(1)周围的距离图像；位置数据创建部(15)，其将距离图像中的周围物体的坐标转换为机器人坐标系中的坐标，并且基于机器人坐标系中的周围物体的坐标，创建周围物体的位置数据(23)；存储部(12)，其存储位置数据(23)；以及控制部(11)，其基于机器人坐标系控制机器人(1)，控制部(11)基于存储于存储部(12)的位置数据(23)，以回避机器人(1)与周围物体的干涉的方式控制机器人(1)。

Description

干涉回避装置以及机器人系统
技术领域
本发明涉及干涉回避装置以及机器人系统。
背景技术
以往，已知一种机器人系统，其具有回避机器人与周围物体的干涉的功能(例如，参照专利文献1～4。)。
在专利文献1～3中，利用机器人臂的前端的传感器检测工件以及该工件附近的物体的位置，并且以使手与物体不干涉的方式控制手的位置。
在专利文献4中，为了回避机器人与该机器人周围的障碍物的干涉，利用3D摄像机获取机器人周围区域的摄像图像，并且基于摄像图像设定存在障碍物的干涉区域。之后，以禁止机器人向干涉区域内移动的方式控制机器人。其中，在专利文献4中，利用3D摄像机从机器人的外侧摄像包含机器人在内的周围区域。在机器人上附有用于识别摄像图像内的机器人的标记。基于摄像图像内的标记，将摄像图像内的障碍物的坐标转换为机器人坐标系中的坐标。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2011-125989号公报
专利文献2：日本特开2002-331480号公报
专利文献3：日本特开2018-001332号公报
专利文献4：日本专利第5980873号公报
发明内容
发明要解决的问题
如上所述，在专利文献1～3中，在机器人的作业过程中检测工件附近的物体的位置。因此，不能回避机器人与周围的障碍物的干涉。
在专利文献4中，在改变3D摄像机相对于机器人的位置以及姿态的同时，获取多个摄像图像。因此，摄像图像内的障碍物的坐标的转换需要复杂的计算。另外，复杂的坐标转换的计算导致机器人坐标系中的障碍物的位置精度变低。
另外，摄像图像是从周围观察的机器人以及障碍物的图像。基于这样的摄像图像，难以把握从机器人观察的障碍物的准确的位置。
另外，由于需要在3D摄像机的摄像范围中包含机器人的标记，因此限制了3D摄像机的位置以及姿态。因此，在机器人的动作区域内可能产生3D摄像机的盲区。由于存在于盲区的物体未设定于干涉区域，因此不能回避这样的物体与机器人的干涉。
本发明是鉴于上述的情况而做出的，目的在于提供一种干涉回避装置以及机器人系统，能够准确且简便地获取应该回避的周围物体的位置，并且可靠地回避机器人与周围物体的干涉。
用于解决问题的方案
为了达到上述目的，本发明提供以下方案。
本发明的一个方案是一种干涉回避装置，其回避机器人与配置于该机器人周围的周围物体的干涉，所述干涉回避装置具备：三维传感器，其安装于所述机器人的机器人臂的前端部，并且获取所述机器人周围的距离图像；位置数据创建部，其将所述距离图像中的所述周围物体的坐标转换为机器人坐标系中的坐标，并且基于该机器人坐标系中的所述周围物体的坐标，创建所述周围物体的位置数据；存储部，其存储所述位置数据；以及控制部，其基于所述机器人坐标系控制所述机器人，该控制部基于存储于所述存储部的所述周围物体的位置数据，以回避所述机器人与所述周围物体的干涉的方式控制所述机器人。
根据本方案，在机器人进行作业之前，周围物体的位置数据利用三维传感器以及位置数据创建部获取并存储于存储部。即，机器人周围的距离图像利用三维传感器获取，机器人坐标系中的周围物体的位置数据利用位置数据创建部根据距离图像创建。之后，机器人按照控制部的控制，回避与周围物体的干涉并且进行作业。
由于三维传感器安装于机器人臂的前端部，因此能够简便地获取周围物体的准确的位置数据。能够基于这样的准确的位置数据，可靠地回避机器人与周围物体的干涉。
即，获取距离图像时的三维传感器在机器人坐标系中的准确的位置以及姿态，是根据控制部用于机器人的控制的控制信号容易获取的。因此，能够将距离图像中的周围物体的坐标通过简单的计算，高精度地转换为机器人坐标系的坐标，并且能够获取机器人坐标系中的周围物体的准确的位置。
另外，从机器人观察的周围物体的距离图像利用三维传感器获取。因此，在机器人的动作区域内不会产生三维传感器的盲区，能够准确地把握动作区域内的周围物体的存在。另外，能够得到从机器人观察的周围物体的准确的位置。
在上述方案中，所述位置数据创建部还可以判别所述机器人坐标系中的所述周围物体的坐标中的每一个坐标是否为所述机器人的自身坐标，该自身坐标是获取所述距离图像时的所述机器人在所述机器人坐标系中的坐标，基于除了作为所述自身坐标的所述周围物体的坐标以外的其他的所述机器人坐标系中的所述周围物体的坐标，创建所述位置数据。
距离图像内能够包含机器人的一部分。距离图像内的机器人的一部分的位置随着机器人的动作而变化。因此，在距离图像内的机器人的一部分的位置数据存储于存储部的情况下，控制部会误识别在获取距离图像时的机器人的一部分的位置存在周围物体，并控制机器人回避该位置。根据上述结构，能够防止这种误识别，并且消除机器人的不必要的回避动作。
在上述方案中，所述机器人臂可以具备多个关节，通过该多个关节的动作，能够三维地改变所述三维传感器的位置以及姿态，所述控制部在使所述机器人臂的所述多个关节进行动作的同时，使所述三维传感器获取所述距离图像。
根据该结构，能够利用一个三维传感器，获取机器人周围的宽广范围的距离图像。
在上述方案中，所述三维传感器可以获取包含所述机器人的整个动作区域的范围的所述距离图像。
根据该结构，从距离图像中获取能够配置有作业中的机器人的动作区域内的所有的周围物体的坐标，与所有的周围物体相关的位置数据存储于存储部。由此，能够更可靠地回避机器人与周围物体的干涉。
本发明的另一个方案是机器人系统，所述机器人系统具备：机器人，其具有机器人臂；以及上述任一项所述的干涉回避装置。
发明效果
根据本发明，起到如下效果：能够准确且简便地获取应该回避的周围物体的位置，并且可靠地回避机器人与周围物体的干涉。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式的机器人系统的整体结构图。
图2是图1的机器人系统的框图。
图3是表示图1的机器人系统的动作的流程图。
附图标记说明
1：机器人
2：控制装置
3：干涉回避装置
4：机器人臂
5：基台
10：机器人系统
11：机器人控制部
12：存储部
13：三维传感器
14：传感器控制部
15：位置数据创建部
21：动作程序
22：位置数据创建程序
23：位置数据
具体实施方式
以下参照附图对本发明的一个实施方式的干涉回避装置以及机器人系统进行说明。
如图1所示，本实施方式的机器人系统10是在机器人1的周围配置有周围物体O的环境中，以回避作业中的机器人1与周围物体O的干涉的方式控制机器人1。周围物体O例如是设备、其他机器人、以及构造物等。如图1以及图2所示，机器人系统10具备：机器人1；控制装置2，其与机器人1连接；以及干涉回避装置3，其回避机器人1与周围物体O的干涉。
机器人1例如是六轴多关节机器人。机器人1具有设置有多个关节的机器人臂4，并且通过关节的动作能够三维地改变机器人臂4的前端的位置以及姿态。与机器人臂4的前端一起，还改变安装于机器人臂4的前端部的三维传感器13(将在后面叙述)的位置以及姿态。在各关节设置有伺服马达(省略图示)，各伺服马达按照来自控制装置2的机器人控制信号使对应的关节旋转。在机器人臂4的前端的手腕凸缘安装有诸如手或工具等的末端执行器(省略图示)。机器人1利用末端执行器来进行诸如工件的搬运或加工等的预定的作业。
在机器人1中定义有机器人坐标系A。机器人坐标系A是以机器人的不动的部分的预定的位置(例如基台5的设置面的中心)为原点的三维坐标系。
如图2所示，控制装置2具备：机器人控制部11，其具有处理器；以及存储部12，其具有RAM、ROM、以及非易失性存储器等。
在存储部12中存储有动作程序21。机器人控制部11基于动作程序21生成用于驱动各伺服马达的机器人控制信号，并将机器人控制信号发送到各伺服马达。由此，机器人臂4基于动作程序21进行动作。在由机器人控制部11对机器人1所进行的控制中，使用机器人坐标系A中的坐标。
干涉回避装置3具有三维传感器13、传感器控制部14、以及位置数据创建部15。传感器控制部14和位置数据创建部15例如设置于控制装置2内。机器人控制部(控制部)11和存储部12也作为干涉回避装置3的一部分发挥功能。
三维传感器13安装于机器人臂4的前端部。例如，三维传感器13是具有一对摄像机的立体摄像机。立体摄像机从由一对摄像机获取的立体图像中，计算该立体图像内的物体与立体摄像机之间的距离，并生成距离图像。例如，三维传感器13是与末端执行器一起安装于手腕凸缘并且观察由末端执行器握持或加工的工件的视觉传感器。三维传感器13还可以是输出激光并且根据激光的反射位置和反射时间计算物体的距离的激光测距仪。
三维传感器13获取机器人1周围的距离图像。距离图像是各像素具有从三维传感器13至物体为止的距离的信息的图像。优选地，距离图像的摄像范围包含机器人1在作业中能够配置的整个动作区域。这种宽广范围的距离图像是通过机器人臂4的动作在使三维传感器13朝向机器人1的外侧的同时三维地改变三维传感器13的位置以及姿态，并通过三维传感器13在多个位置以及姿态获取距离图像而得到。距离图像从三维传感器13发送到控制装置2，并存储于存储部12。
在三维传感器13中定义有传感器坐标系B。传感器坐标系B是以三维传感器13的预定的位置为原点的三维坐标系。距离图像内的物体的坐标是传感器坐标系B中的坐标。
传感器控制部14控制三维传感器13。传感器控制部14响应来自机器人控制部11的传感器控制信号而使三维传感器13执行摄像，从而使三维传感器13与机器人臂4的动作同步地获取距离图像。
位置数据创建部15具有处理器，并且根据将在后面叙述的位置数据创建程序22执行以下处理。位置数据创建部15从存储部12读取距离图像，并且获取距离图像内的周围物体O的表面的三维坐标。所获取的坐标是传感器坐标系B中的坐标。接下来，位置数据创建部15基于获取距离图像时的机器人坐标系A中的三维传感器13的位置以及姿态，将周围物体O的表面的坐标转换为机器人坐标系A中的坐标。
获取距离图像时的机器人坐标A中的三维传感器13的位置以及姿态根据获取距离图像时的机器人臂4的前端的位置以及姿态、和三维传感器13相对于机器人臂4的前端的位置以及姿态而算出。机器人臂4的前端的位置以及姿态根据机器人控制信号而算出。这些计算例如利用机器人控制部11或位置数据创建部15来进行。
接下来，位置数据创建部15基于机器人坐标系A中的周围物体O的三维坐标，创建周围物体O的位置数据23。位置数据23例如是机器人坐标系A中的周围物体O的表面的坐标的集合。
在存储部12中存储有位置数据创建程序22。机器人控制部11基于位置数据创建程序22生成机器人控制信号和传感器控制信号。机器人控制部11将机器人控制信号发送到各伺服马达，将传感器控制信号发送到传感器控制部14。由此，机器人臂4基于位置数据创建程序22进行动作，三维传感器13基于位置数据创建程序22获取距离图像。
机器人控制部11按照动作程序21生成用于使机器人臂4的前端向目标位置移动的机器人控制信号。机器人控制部11在向机器人1发送机器人控制信号之前，基于位置数据23预测在前端到达目标位置为止的期间机器人1是否会与周围物体O干涉。在预测出机器人1与周围物体O不会干涉的情况下，机器人控制部11向机器人1发送机器人控制信号，使机器人臂4的前端向目标位置移动。另一方面，在预测出机器人1与周围物体O会干涉的情况下，机器人控制部11以回避机器人1与周围物体O干涉的方式控制机器人1。例如，机器人控制部11停止向机器人1发送机器人控制信号，使机器人1的动作停止。
机器人1与周围物体O的干涉例如按照以下顺序进行预测。
在存储部12中作为位置数据23而存储有周围物体O的表面的位置的坐标Pi＝(Xi，Yi，Zi)(i＝1、2、…、n)。坐标Pi是机器人坐标系A中的坐标。机器人控制部11将机器人1的三维形状定义为多个圆柱状的区域Cj(j＝1、2、…、m)。即，机器人1的三维形状表现为多个区域Cj的组合。实际上，由于难以利用多个区域Cj的组合来准确地表示机器人1的三维形状，因此以机器人1整体包含于多个区域Cj的组合中的方式来设定各区域Cj。
机器人控制部11对假设机器人臂4按照机器人控制信号进行了动作时的机器人1的三维形状Cj进行计算。然后，机器人控制部11针对i＝1、2、…、n以及j＝1、2、…、m，计算是否存在满足Pi∈Cj的(i、j)。在不存在的情况下，机器人控制部11预测机器人1与周围物体O不会干涉。另一方面，在存在的情况下，机器人控制部11预测机器人1与周围物体O会干涉。
接下来，对如此构成的机器人系统10的作用进行说明。
根据本实施方式的机器人系统10，执行位置数据创建程序22，之后执行动作程序21。
若执行位置数据创建程序22，则如图3所示，通过机器人臂4的动作改变三维传感器13的位置以及姿态，并且三维传感器13在多个位置以及姿态获取距离图像。由此，获取机器人1周围的距离图像(步骤S1)。距离图像从三维传感器13发送到控制装置2，并存储于存储部12。接下来，在位置数据创建部15中，获取距离图像内的周围物体O的三维坐标，并将周围物体O的坐标转换为机器人坐标系A中的坐标(步骤S2)，根据机器人坐标系A中的周围物体O的坐标创建周围物体O的位置数据23(步骤S3)。将位置数据23存储于存储部12(步骤S4)。
位置数据创建程序22可以在每次执行动作程序21之前执行。或者，位置数据创建程序22也可以仅在使机器人1移动了之后或者周围设备的配置改变之后等的机器人1的周围的环境变化之后执行。
接下来，执行动作程序21。机器人控制部11使机器人1按照动作程序21进行预定的作业。另外，机器人控制部11从存储部12读取位置数据23，并基于位置数据23，以回避机器人臂4与周围物体O的干涉的方式控制作业中的机器人1。例如，机器人控制部11预测机器人1在机器人臂4的前端的下一个目标位置或至目标位置为止的移动路径上是否会与周围物体O干涉，在预测出会发生干涉的情况下，使机器人1停止。
如此，根据本实施方式，利用安装于机器人臂4的前端部的三维传感器13获取周围物体O的距离图像。具有如下有优点：能够基于该距离图像获取周围物体O的准确的位置数据23，并且能够基于准确的位置数据23可靠地回避机器人1与周围物体O的干涉。
具体而言，为了将距离图像内的周围物体O的位置转换为机器人坐标系A中的位置，需要获取距离图像时的机器人坐标系A中的三维传感器13的位置以及姿态的信息。根据本实施方式，机器人坐标系A中的三维传感器13的准确的位置以及姿态通过根据机器人控制信号简单计算而得到。因此，能够计算出机器人坐标系A中的周围物体O的准确的位置。
另外，距离图像是从机器人臂4的前端部观察周围物体O的图像。因此，在机器人1的动作区域内不会产生利用三维传感器13不能摄像到的盲区，能够从距离图像中可靠地识别出存在于动作区域内的周围物体O。另外，能够从距离图像中得到从机器人1观察的周围物体O的准确的位置。
与利用配置于机器人1的周围的三维传感器获取周围物体O的距离图像的情况不同，在利用机器人臂4的前端部的三维传感器13获取距离图像的情况下，摄像机器人1自身的情况较少。但是，在距离图像中会包含机器人1的一部分。在距离图像内的机器人1的一部分是可动部分(例如，机器人臂4)且可动部分的坐标存储为位置数据23的情况下，机器人控制部11会在获取距离图像时将配置有可动部分的三维区域误识别为周围物体O，并以回避该区域的方式控制机器人1。
为了防止这种不必要的干涉回避动作，位置数据创建部15还可以从距离图像中所获取的周围物体O的坐标中排除掉机器人1的一部分的坐标，并根据剩余的坐标创建位置数据23。
位置数据创建部15对坐标转换后的周围物体O的坐标是否为机器人1的可动部分的自身坐标进行判别。机器人1的可动部分的自身坐标是在获取距离图像时配置有可动部分的三维区域在机器人坐标A中的坐标。位置数据创建部15根据除了作为自身坐标的周围物体O的坐标以外的其他周围物体O的坐标创建位置数据23。
机器人1的自身坐标根据机器人控制信号能够容易地计算出。因此，能够容易地判别距离图像内的物体是周围物体O还是机器人1的一部分。基于位置数据创建程序22所计算出的机器人1的自身坐标可以预先存储于存储部12。
在本实施方式中，位置数据创建部15可以创建包含从距离图像中所获取的周围物体O的所有坐标的位置数据23，也可以间隔去除从距离图像中所获取的周围物体O的坐标,并根据剩余的坐标创建位置数据23。例如，在预定的距离内存在周围物体O的两个坐标的情况下，可以仅将一个坐标用于位置数据23。
如此，通过减少位置数据23中所包含的坐标的数量，能够减少位置数据23的信息量。另外，能够减少机器人1与周围物体O的干涉判定所需的处理时间。

Claims (5)

1.一种干涉回避装置，其特征在于，回避机器人与配置于该机器人周围的周围物体的干涉，
所述干涉回避装置具备：
三维传感器，其安装于所述机器人的机器人臂的前端部，并且获取所述机器人周围的距离图像；
位置数据创建部，其将所述距离图像中的所述周围物体的坐标转换为机器人坐标系中的坐标，并且基于该机器人坐标系中的所述周围物体的坐标，创建所述周围物体的位置数据；
存储部，其存储所述位置数据；以及
控制部，其基于所述机器人坐标系控制所述机器人，
该控制部基于存储于所述存储部的所述周围物体的位置数据，以回避所述机器人与所述周围物体的干涉的方式控制所述机器人。
2.根据权利要求1所述的干涉回避装置，其特征在于，
所述位置数据创建部判别所述机器人坐标系中的所述周围物体的坐标中的每一个坐标是否为所述机器人的自身坐标，该自身坐标是获取所述距离图像时的所述机器人在所述机器人坐标系中的坐标，
基于除了作为所述自身坐标的所述周围物体的坐标以外的其他的所述机器人坐标系中的所述周围物体的坐标，创建所述位置数据。
3.根据权利要求1或2所述的干涉回避装置，其特征在于，
所述机器人臂具备多个关节，通过该多个关节的动作，能够三维地改变所述三维传感器的位置以及姿态，
所述控制部在使所述机器人臂的所述多个关节进行动作的同时，使所述三维传感器获取所述距离图像。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的干涉回避装置，其特征在于，
所述三维传感器获取包含所述机器人的整个动作区域的范围的所述距离图像。
5.一种机器人系统，其特征在于，具备：
机器人，其具有机器人臂；以及
权利要求1至4中任一项所述的干涉回避装置。
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