CN112297000A - 机器人手控制装置、机器人系统以及机器人手控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种机器人手控制装置、机器人系统以及机器人手控制方法，能够在工件的搬运位置的周边存在障碍物的情况下，使手指与障碍物不干涉而将工件放置于搬运位置。机器人手控制装置具备：空气供给部(11)，其向机器人手的手指(7a、7b、7c、7d)的内部供给空气，并从手指的内部排出空气；以及控制空气供给部的控制部(14)，空气供给部具有两个以上的空气系统(17a、17b)，该两个以上的空气系统与相互不同的手指(7a、7b；7c、7d)连接，并能够相互独立地向手指供给空气以及从手指排出空气，控制部根据工件的形状以及工件的搬运位置的周边物体，控制由两个以上的空气系统中的每一个进行的空气的供给以及排出。

Description

机器人手控制装置、机器人系统以及机器人手控制方法

技术领域

本发明涉及机器人手控制装置、机器人系统以及机器人手控制方法。

背景技术

以往，已知具有多根柔软的手指的机器人手(例如，参照专利文献1至3)。手指由橡胶等弹性材料形成，并且根据工件的外形而变形。利用这样的手指，能够无损伤地握持食品等柔软的工件。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平08-197475号公报

专利文献2：日本特开2003-191193号公报

专利文献3：日本特开2018-086717号公报

发明内容

发明要解决的问题

在机器人手的所有的手指同时闭合的情况下，存在如下情况：由于工件的形状，导致一部分手指的闭合动作被工件阻止而不能握持工件。另外，在工件的搬运位置的周边存在障碍物的情况下，存在如下情况：一部分手指与障碍物相干涉而不能将工件放置于搬运位置。

用于解决问题的方案

本发明的一个方案是一种机器人手控制装置，所述机器人手具备握持工件的多根中空的手指，该多根手指中的每一根根据该多根手指中的每一根的内部的空气压力而变形，从而进行开闭，所述机器人手控制装置具备：空气供给部，其向所述多根手指的内部供给空气，并且从所述多根手指的内部排出空气；以及控制部，其控制该空气供给部，所述空气供给部具有两个以上的空气系统，所述两个以上的空气系统与相互不同的所述手指连接，并且能够相互独立地向所述手指供给所述空气以及从所述手指排出所述空气，所述控制部根据所述工件的形状以及该工件的搬运位置的周边物体，控制由所述两个以上的空气系统中的每一个进行的所述空气的供给以及排出。

附图说明

图1是表示机器人手控制装置以及机器人系统的结构的框图。

图2是表示机器人手的结构的模式图。

图3是说明机器人手的第一对手指的开闭动作的示意图。

图4是说明利用机器人手握持工件的握持动作的一个例子的图。

图5是说明利用机器人手握持工件的握持动作的另一个例子的图。

图6是说明利用机器人手握持工件的握持动作的再一个例子的图。

图7是表示工件的搬运作业中的机器人系统的动作的流程图。

附图标记说明：

1：机器人手控制装置

2：机器人

4：机器人手

7a、7b：第一对手指

7c、7d：第二对手指

10：机器人系统

11：空气供给部

12：图像处理部

14：手控制部(控制部)

17a：第一空气系统

17b：第二空气系统

30：摄像机

W1、W2：工件

B：箱子、障碍物

具体实施方式

以下参照附图对一个实施方式的机器人系统10进行说明。

如图1所示，机器人系统10具备：机器人2；机器人控制装置3，其控制机器人2；机器人手4，其与机器人2连接；以及机器人手控制装置1，其控制机器人手4。

机器人2是一般用于工件的搬运的任意种类的工业机器人，例如是垂直多关节机器人、水平多关节机器人或者并联连杆机器人。机器人手4与机器人2的机器人臂的前端连接，通过机器人臂的动作，使得机器人手4进行移动。

机器人控制装置3与机器人2连接。机器人控制装置3具备：处理器；以及存储部，其具有RAM以及ROM等。在存储部中存储有动作程序，所述动作程序用于将工件从预定的供给位置搬运至预定的搬运位置。机器人控制装置3对后述的机器人2的控制，通过处理器按照动作程序执行处理而实现。

如图2所示，机器人手4具有：基座6，其与机器人臂的前端连接；以及两对手指7a、7b；7c、7d，其与基座6连接。手指7a、7b、7c、7d在围绕基座6的中心轴A的周向上排列，各手指7a、7b、7c、7d的基端与基座6连接。第一对手指7a、7b在与中心轴A正交的第一方向上相互对置，并且能够在第一方向上相互开闭。第二对手指7c、7d在与中心轴A以及第一方向正交的第二方向上相互对置，并且能够在第二方向上相互开闭。

各手指7a、7b、7c、7d是中空的，并且由橡胶等弹性材料形成。如图3所示，各手指7a、7b、7c、7d通过根据各手指7a、7b、7c、7d的内部的空气压力在打开形状与闭合形状之间变形而进行开闭。

如图3中实线所示，打开形状是手指7a、7b、7c、7d朝向与中心轴A相反的一侧延伸的形状。在打开形状中，手指7a、7b、7c、7d的前端配置于比手指7a、7b、7c、7d的基端更远离中心轴A的位置。如图3中双点划线所示，闭合形状是手指7a、7b、7c、7d朝向中心轴A弯曲的形状。在闭合形状中，手指7a、7b、7c、7d的前端配置于比手指7a、7b、7c、7d的基端更靠近中心轴A的位置。由此，各手指7a、7b、7c、7d在从打开形状向闭合形状变形的同时，以其基端为中心朝向中心轴A摆动。

例如，各手指7a、7b、7c、7d的与中心轴A相反的一侧的外侧面具有波纹结构，并且能够在长度方向上伸长。另一方面，各手指7a、7b、7c、7d的中心轴A侧的内侧面在长度方向上完全或者几乎不伸缩，在长度方向上具有固定的尺寸。随着因空气的供给而引起的内部空气压力的增大，各手指7a、7b、7c、7d的外侧面伸长，由此各手指7a、7b、7c、7d从打开形状向闭合形状变形。另外，随着因空气的排出而引起的内部空气压力的下降，各手指7a、7b、7c、7d的外侧面进行收缩，由此各手指7a、7b、7c、7d从闭合形状向打开形状变形。

各手指7a、7b、7c、7d也可以构成为，通过空气压力的供给，从闭合形状向打开形状变形，并且通过空气压力的排出，从打开形状向闭合形状变形。

如图1所示，机器人手控制装置1具备：空气供给部11、图像处理部12、存储部13、以及手控制部(控制部)14。

机器人手控制装置1也可以与机器人控制装置3完全分开。即，空气供给部11、图像处理部12、存储部13以及手控制部14也可以设置于与机器人控制装置3的壳体分开的壳体内。

或者，也可以是机器人手控制装置1的一部分结构设置于机器人控制装置3，机器人手控制装置1的另一部分结构与机器人控制装置3分开。例如，可以是图像处理部12、存储部13以及手控制部14设置于机器人控制装置3，空气供给部11设置于与机器人控制装置3的壳体分开的壳体内。在该情况下，存储部13可以由机器人控制装置3的存储部实现，图像处理部12以及手控制部14由机器人控制装置3的处理器实现。

空气供给部11具备单一的空气入口15、两个空气出口16a、16b、以及两个空气系统17a、17b。

空气入口15与诸如空气压缩机的空气源20连接，压缩空气从空气源20经由空气入口15供给到两个空气系统17a、17b。

两个空气系统17a、17b经由相互不同的空气出口16a、16b，与相互不同的手指7a、7b；7c、7d连接。具体而言，第一空气系统17a经由第一空气出口16a与第一对手指7a、7b连接，第二空气系统17b经由第二空气出口16b与第二对手指7c、7d连接。

第一空气系统17a向手指7a、7b的内部同时供给空气，并且从手指7a、7b的内部同时排出空气。通过空气的供给，使得手指7a、7b同时闭合，并且通过空气的排出，使得手指7a、7b同时打开。

第二空气系统17b向手指7c、7d的内部同时供给空气，并且从手指7c、7d的内部同时排出空气。通过空气的供给，使得手指7c、7d同时闭合，并且通过空气的排出，使得手指7c、7d同时打开。

第一空气系统17a具备：供给机构，其调整向手指7a、7b供给的空气的圧力以及流速；以及排出机构，其从手指7a、7b排出空气。与第一空气系统17a的供给机构以及排出机构分开，第二空气系统17b也具备：供给机构，其调整向手指7c、7d供给的空气的圧力以及流速；以及排出机构，其从手指7c、7d排出空气。由此，第一以及第二空气系统17a、17b能够相互独立地向第一对手指7a、7b以及第二对手指7c、7d供给空气，并且能够从相互独立地从第一对手指7a、7b以及第二对手指7c、7d排出空气。即，能够相互独立地控制第一对手指7a、7b的开闭以及第二对手指7c、7d的开闭。

例如，各空气系统17a、17b作为供给机构具备调节器和速度控制器，该调节器调整从空气源20供给的压缩空气的圧力，该速度控制器调整空气的流速；作为排出机构具备通过压缩空气的供给而排出空气的空气喷射器。另外，各空气系统17a、17b具备切换阀。来自空气源20的压缩空气通过切换阀的切换，择一地供给到供给机构以及排出机构。

图像处理部12与摄像机30连接。摄像机30例如固定于机器人手4或者机器人臂的前端部。或者，摄像机30也可以设置于供给位置以及搬运位置的每一个的上方。摄像机30按照由机器人控制装置3进行的控制，获取包含供给位置的握持对象的工件的图像、以及包含搬运位置以及搬运位置的周边的图像，并且将所获取的图像发送至图像处理部12。

图像处理部12从摄像机30接收供给位置的握持对象的工件的图像。图像处理部12从图像检测出工件，并且测量工件的外形。例如，图像处理部12测量相互正交的两个方向的工件的外形尺寸作为工件的外形。两个方向分别与如下方向对应：由第一对手指7a、7b握持工件的握持方向(第一方向)以及由第二对手指7c、7d握持工件的握持方向(第二方向)。

另外，图像处理部12从摄像机30接收搬运位置的图像，并检测出图像内的搬运位置的周边物体作为障碍物。

图像处理部12具有处理器，并且由处理器执行上述的处理。

存储部13具有RAM以及ROM等存储装置。存储部13存储有数据库，该数据库中注册有多个种类的工件的握持数据。各工件的握持数据包括由摄像机3获取的工件的图像、由图像处理部12测量的工件的外形、以及闭合模式数据。闭合模式数据是表示手指7a、7b、7c、7d的闭合模式的数据，包括表示第一对手指7a、7b的打开或者闭合的信息、和表示第二对手指7c、7d的打开或者闭合的信息。

闭合模式有三种，各工件的闭合模式数据根据各工件的形状而设定。第一种闭合模式是第一对手指7a、7b以及第二对手指7c、7d全部闭合的模式(参照图5)。第二种闭合模式是仅第一对手指7a、7b闭合的模式。第三种闭合模式是仅第二对手指7c、7d闭合的模式(参照图4)。在闭合模式数据中，不闭合的手指设定为打开，闭合的手指设定为闭合。

图4表示细长的棒状的工件W1用的闭合模式，图5表示较短的圆柱状的工件W2用的闭合模式。

在图4的例子中，第一对手指7a、7b的握持方向与工件W1的长度方向对应，第二对手指7c、7d的握持方向与工件W1的径向对应。在该例子中，第二对手指7c、7d能够握持工件W1，但第一对手指7a、7b不能握持工件W1。因此，在工件W1的闭合模式数据中，第一对手指7a、7b设定为打开，第二对手指7c、7d设定为闭合。

在图5的例子中，第一对手指7a、7b的握持方向与工件W2的长度方向对应，第二对手指7c、7d的握持方向与工件W2的径向对应。在该例子中，第一对手指7a、7b以及第二对手指7c、7d这两方均能够握持工件W2。因此，在工件W2的闭合模式数据中，第一对手指7a、7b以及第二对手指7c、7d这两方均设定为闭合。

手控制部14具有处理器，并由处理器执行后述的处理。

手控制部14通过控制第一空气系统17a来控制第一对手指7a、7b的开闭，并且通过控制第二空气系统17b来控制第二对手指7c、7d的开闭。

具体而言，手控制部14通过控制第一空气系统17a向第一对手指7a、7b供给空气来打开第一对手指7a、7b，并通过控制第一空气系统17a从第一对手指7a、7b排出空气来闭合第一对手指7a、7b。另外，手控制部14通过控制第二空气系统17b向第二对手指7c、7d供给空气来打开第二对手指7c、7d，并通过控制第二空气系统17b从第二对手指7c、7d排出空气来闭合第二对手指7c、7d。

手控制部14与机器人控制装置3通信，以通过与基于机器人2的动作的机器人手4在供给位置与搬运位置之间的移动同步地控制空气供给部11，来控制手指7a、7b、7c、7d的闭合动作以及打开动作。

在手指7a、7b、7c、7d的闭合动作的控制中，手控制部14基于机器人手4的握持对象的工件的闭合模式数据，控制空气供给部11。

具体而言，手控制部14例如基于来自摄像机30的工件的图像，从存储部13内的数据库读取握持对象的工件的握持数据。接着，手控制部14基于握持数据中所包括的闭合模式数据，即根据工件的形状控制空气系统17a、17b，由此仅闭合设定为闭合的手指。

在握持对象的工件的握持数据未存在于存储部13内的数据库的情况下，手控制部14创建该握持对象的工件的握持数据，并且注册于数据库。

具体而言，手控制部14基于由图像处理部12测量的工件的外形，判断第一对手指7a、7b以及第二对手指7c、7d中的每一对是否能够握持工件。是否能够握持工件通过如下比较进行判断：例如，将工件的外形尺寸、与第一对手指7a、7b以及第二对手指7c、7d能够稳定握持的工件的外形尺寸的最大值进行比较。手控制部14通过将能够握持工件的手指设定为闭合，并且将不能握持工件的手指设定为打开，来创建闭合模式数据。而且，手控制部14创建包括握持对象的工件的图像、工件的外形以及闭合模式数据的握持数据。

另外，手控制部14在手指7a、7b；7c、7d的闭合动作之后，根据由图像处理部12检测出的搬运位置的周边的障碍物，控制空气供给部11。

具体而言，手控制部14在由图像处理部12在搬运位置的周边检测出障碍物的情况下，预测在工件向搬运位置放置时以及闭合的手指的打开动作时，各手指7a、7b、7c、7d是否与障碍物干涉。干涉的有无例如通过对各手指7a、7b、7c、7d占据的区域与障碍物占据的区域进行比较来进行预测。在预测出手指7a、7b、7c、7d中的任一个与障碍物干涉的情况下，手控制部14在向搬运位置搬运工件之前，通过控制空气供给部11，打开预测为与障碍物干涉的手指。

图6表示将图5的工件W2放置到配置于搬运位置的箱子B内的情况。在图6的例子中，包围搬运位置的箱子B的侧壁是障碍物，握持工件W2的手指7c、7d与箱子B干涉。在该情况下，第二对手指7c、7d打开，仅用第一对手指7a、7b握持工件W2。之后，将工件W2放置于箱子B内。

下面参照图7对机器人系统10的作用进行说明。

通过机器人控制装置3控制机器人2，使得机器人手4配置于供给位置的上方。在供给位置，由未图示的工件供给装置隔开时间间隔地供给工件。接着，通过机器人控制装置3控制摄像机30，获取供给位置的握持对象的工件的图像(步骤S1)。图像从摄像机30发送至机器人手控制装置1。接着，通过机器人控制装置3控制机器人2，使得机器人手4定位于供给位置。

在机器人手控制装置1中，利用图像处理部12检测图像内的握持对象的工件。而且，利用控制部14确认所检测出的工件的握持数据是否已经注册于数据库(步骤S2)。在已经注册的情况下(步骤S2的是)，进入步骤S6的由机器人手4进行工件的握持动作。

在还未注册的情况下(步骤S2的否)，新创建握持对象的工件的握持数据(步骤S3、S4)。具体而言，利用图像处理部12测量工件的外形(步骤S3)。接着，利用手控制部14，基于工件的外形判断第一对手指7a、7b以及第二对手指7c、7d是否能够握持工件，并创建将不能握持工件的手指设定为打开的闭合模式数据(步骤S4)。将所创建的握持数据注册于数据库(步骤S5)。

接着，利用手控制部14，从数据库读取所检测出的工件的握持数据，并基于握持数据内的闭合模式数据，控制空气供给部11(步骤S6)。由此，根据握持对象的工件的形状，第一对手指7a、7b以及第二对手指7c、7d的一方或者两方闭合，工件被机器人手4握持。

利用机器人手4握持工件之后，接着，通过机器人控制装置3控制机器人2，使得机器人手4从供给位置移动至搬运位置的上方。接着，通过机器人控制装置3控制摄像机30，获取包含搬运位置以及搬运位置的周边的图像(步骤S7)。图像从摄像机30发送至机器人手控制装置1。

在机器人手控制装置1中，在图像内的搬运位置的周边存在诸如箱子B的障碍物的情况下，利用图像处理部12检测障碍物(步骤S8的否)。在未检测出障碍物的情况下(步骤S8的是)，进入步骤S11的机器人手4向搬运位置移动。

在检测出障碍物之后(步骤S8的否)，利用手控制部14预测工件向搬运位置放置时以及手指7a、7b、7c、7d进行打开动作时手指7a、7b、7c、7d是否与障碍物干涉(步骤S9)。预测为与障碍物干涉的手指，通过手控制部14控制空气供给部11而打开(步骤S10)。

接着，通过机器人控制装置3控制机器人2，使得机器人手4定位于搬运位置，工件放置于搬运位置(步骤S11)。

接着，通过手控制部14控制空气供给部11，使得机器人手4的所有的手指7a、7b、7c、7d打开而释放工件(步骤S12)。

如此，根据本实施方式，利用各自的空气系统17a、17b，控制第一对手指7a、7b的开闭以及第二对手指7c、7d的开闭。由此，能够根据工件W1、W2的形状，变更手指7a、7b、7c、7d的闭合模式，并且能够利用单一的机器人手4握持外形不同的多种工件W1、W2。

例如，在利用共用的空气系统控制所有的手指7a、7b、7c、7d的情况下，由于所有的手指7a、7b、7c、7d同时闭合，因此不能用机器人手4握持图4的工件W1。根据机器人手控制装置1，即使是这样的工件W1，也能够用机器人手4握持。

另外，如图5以及图6所示，能够以多种闭合模式握持同一工件W2。由此，例如，在搬运位置的周边存在诸如箱子B的障碍物的情况下，在握持工件之后，通过根据障碍物变更闭合模式，能够使被预测为与障碍物干涉的手指向不干涉的位置移动。由此，能够可靠地将工件向搬运位置搬运。

手控制部14可以将各手指7a、7b、7c、7d择一地控制为打开形状以及闭合形状，也可以将各手指7a、7b、7c、7d控制为打开形状与闭合形状之间的任意的形状。在该情况下，手控制部14通过控制由第一空气系统17a向手指7a、7b供给的空气的供给量，将各手指7a、7b的开角(打开量)调整为最大角与最小角之间的任意的角度。同样，手控制部14通过控制由第二空气系统17b向手指7c、7d供给的空气的供给量，将各手指7c、7d的开角(打开量)调整为最大角与最小角之间的任意的角度。开角是中心轴A与各手指7a、7b、7c、7d的长度方向所成的角度。

空气的供给量例如通过控制向手指7a、7b；7c、7d供给空气的时长、或者向手指7a、7b；7c、7d供给的空气的圧力来控制。

根据该结构，通过以第一对手指7a、7b的前端之间的握持宽度以及第二对手指7c、7d的前端之间的握持宽度与工件的外形尺寸大致相等的方式，根据工件的外形尺寸调整手指7a、7b、7c、7d的开角，能够用更弱小的力握持工件。这尤其有利于握持像食品那样的柔软且容易变形的工件的情况。

例如，在握持工件W2时将第一对手指7a、7b控制为闭合形状的情况下，手指7a、7b的内侧面与工件W2强力接触，对工件W2施加长度方向的压缩力。与此相对，通过将第一对手指7a、7b之间的握持宽度调整为与工件W2的长度方向的外形尺寸大致相等的宽度，能够轻轻握持工件W2。

另外，能够相互独立地调整第一对手指7a、7b的前端之间的握持宽度以及第二对手指7c、7d的前端之间的握持宽度。因此，例如，即使是如工件W2那样的纵向尺寸以及横向尺寸不同的工件，也能够用弱小的力握持。

在上述实施方式中，机器人手4具有四根手指7a、7b、7c、7d，但机器人手4的手指的数量不限于四根，而也可以是两根、三根或者五根以上。

在上述实施方式中，空气供给部11具有两个空气系统17a、17b，但取而代之，空气供给部11也可以具有三个以上的空气系统。例如，在机器人手4具有三对手指的情况下，空气供给部11也可以具有与相互不同的手指连接的三个空气系统。或者，空气供给部11也可以具有与相互不同的手指连接的、与手指的数量相同数量的空气系统。

在上述实施方式中，利用机器人手4搬运外形不同的多个种类的工件W1、W2，但取而代之，也可以搬运外形相同的同一种类的工件。在该情况下，基于供给位置的工件的图像识别工件不是必须的。因此，也可以省略步骤S2至S5。即，手控制部14也可以通过仅基于预定的一个握持数据的闭合模式数据控制空气供给部11，从而每次以同一闭合模式闭合手指7a、7b、7c、7d。

另外，在如将同一种类的工件W2装入配置于同一位置的同一种类的箱子B的作业那样，在搬运位置的周围存在预定的障碍物的情况下，基于搬运位置的图像识别障碍物不是必须的。因此，在该情况下，也可以省略步骤S7至S9。即，手控制部14也可以在向搬运位置搬运工件之前，每次打开预定的手指。

Claims (7)

1.一种机器人手控制装置，所述机器人手具备握持工件的多根中空的手指，该多根手指中的每一根根据该多根手指中的每一根的内部的空气压力而变形，从而进行开闭，其特征在于，

所述机器人手控制装置具备：

空气供给部，其向所述多根手指的内部供给空气，并且从所述多根手指的内部排出空气；以及

控制部，其控制该空气供给部，

所述空气供给部具有两个以上的空气系统，所述两个以上的空气系统与相互不同的所述手指连接，并且能够相互独立地向所述手指供给所述空气以及从所述手指排出所述空气，

所述控制部根据所述工件的形状以及该工件的搬运位置的周边物体，控制由所述两个以上的空气系统中的每一个进行的所述空气的供给以及排出。

2.根据权利要求1所述的机器人手控制装置，其特征在于，

所述控制部通过控制由各所述空气系统向所述手指供给空气的时长，从而根据所述工件的外形尺寸调整所述手指的打开量。

3.根据权利要求1所述的机器人手控制装置，其特征在于，

所述控制部通过控制由各所述空气系统向所述手指供给的空气的压力，从而根据所述工件的外形尺寸调整所述手指的打开量。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的机器人手控制装置，其特征在于，

所述机器人手控制装置具备存储握持数据的存储部，所述握持数据包括工件的形状和闭合模式数据，所述闭合模式数据表示所述多根手指中的每一根的打开或者闭合，

所述控制部基于所述闭合模式数据，控制由所述两个以上的空气系统中的每一个进行的所述空气的供给以及排出。

5.根据权利要求4所述的机器人手控制装置，其特征在于，

所述机器人手控制装置具备图像处理部，所述图像处理部从摄像机接收所述工件的图像，并且测量该工件的外形，

所述控制部基于由所述图像处理部测量的所述工件的外形，创建所述闭合模式数据，并且使握持数据存储于所述存储部，所述握持数据包括所创建的所述闭合模式数据、和由所述图像处理部测量的所述工件的外形。

6.一种机器人系统，其特征在于，具备：

机器人；

机器人手，其与该机器人连接，并具备多根中空的手指，该多根手指中的每一根根据各所述手指的内部的空气压力而变形，从而进行开闭；以及

权利要求1至5中任一项所述的机器人手控制装置。

7.一种机器人手控制方法，所述机器人手具备握持工件的多个中空的手指，该多根手指中的每一根根据该多根手指中的每一根的内部的空气压力而变形，从而进行开闭，其特征在于，

控制两个以上的空气系统，所述两个以上的空气系统与相互不同的所述手指连接，并且能够相互独立地向所述手指供给空气以及从所述手指排出所述空气，

根据所述工件的形状以及该工件的搬运位置的周边物体，控制由所述两个以上的空气系统中的每一个进行的所述空气的供给以及排出。

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