CN116615315A - 机器人系统以及机器人移动控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于实现省力化，并实现导入成本的低廉化以及抑制移动路径的整备，由此降低伴随移动的协作机器人的导入障碍。机器人系统具有机器人(10)和控制装置(20)，机器人(10)具有自由台车(12)和载置在自由台车(12)上的机械臂(11)，控制装置(20)控制机械臂(11)。控制装置(20)为了执行预定的任务而控制机械臂(11)，并且为了使机器人(10)自身移动而控制机械臂(11)。

Description

机器人系统以及机器人移动控制装置

技术领域

本发明涉及一种机器人系统以及机器人移动控制装置。

背景技术

最近，由协作机器人实现的作业的自动化正在发展。利用协作机器人的优点，可以将机器人搭载于手推自由台车上，作业人员一边推动手推自由台车一边移动机器人，机器人在各个地方反复进行作业。

但是每次移动，都需要作业人员推动手推自由台车的作业，因此作业人员无法离开机器人，无法提高至期待程度的省力化效果。

因此，考虑导入自动搬运车(AGV)等自走自由台车。若是AGV，则能够使移动与作业一同自动化，所以作业人员能够离开机器人，能够期待省力化效果。

但是，AGV系统不仅其自身价格高，而且需要从空间以及设备的观点来整备AVG的移动路径，因此，导入变得比较大规模。

因此，导入伴随移动的协作机器人的障碍并不低。

发明内容

发明要解决的问题

期望实现省力化，并实现导入成本的低廉化以及抑制移动路径的整备，由此降低伴随移动的协作机器人的导入障碍。

用于解决问题的手段

本公开的一方式的机器人系统具有机器人以及控制装置，机器人具有自由台车以及载置在自由台车上的机械臂，控制装置控制机械臂。控制装置为了执行预定的任务而控制机械臂，并且为了使机器人自身移动而控制机械臂。

发明效果

通过机械臂的动作，不仅执行了预定的任务，还实现了机器人自身的移动，因此，能够实现省力化，并实现了导入成本的低廉化以及抑制移动路径的整备，能够降低伴随移动的协作机器人的导入障碍。

附图说明

图1是示出一实施方式的机器人系统的构成的图。

图2是图1的机器人以及俯瞰摄像头的立体图。

图3是示出本实施方式的机器人系统的处理步骤的流程图。

图4A是关于图3的工序S3的补充说明图。

图4B是关于图3的工序S5的补充说明图。

图5A是关于图3的工序S5的最开始的步骤的补充说明图。

图5B是关于图5A的之后的步骤的补充说明图。

图5C是关于图5B的之后的步骤的补充说明图。

图6是通过本实施方式进行的机器人移动的概略图。

图7是图3的坐标变换转移的补充图。

图8是示出通过本实施方式的机械臂操作使机器人移动的情况的立体图。

图9是示出作为机械臂把持的把持位置已经设置的把手的立体图。

图10是示出引导机器人的移动的引导机构的立体图。

图11是示出利用了图10的引导机构的机器人移动例的图。

具体实施方式

以下，参照附图，说明本实施方式的机器人系统。

在此，为了便于说明，如图4A、图4B所示，作为该机器人系统执行的任务的一例，搁架S由被侧板SP隔开的多个搁板CP构成，假设在这些搁板CP作为工件分别排列例如饮料罐W的作业整体。作为实际的动作，机器人10从大量保管作为工件的饮料罐W的储料器(未图示)逐个地抓取饮料罐W，释放于一个搁板CP1，通过重复这些抓取以及释放作业，使10个等预定数量的饮料罐W在该搁板CP1上排列成一列。此外，将在一个搁板CP排列10个饮料罐W的作业单位称为子任务。机器人10向相邻的搁板CP2移动，执行相同作业(子任务)。这样，一边使子任务和机器人的移动交替重复，一边向所有搁板CP排列饮料罐W，由此完成任务。

如图1所示，本实施方式的机器人系统具有机器人10、控制装置20、俯瞰摄像头30。俯瞰摄像头30设置为以俯瞰的方式对包含搁架S、机器人10以及未图示的储料器的作业空间整体进行拍摄的位置以及姿势。此外，在由俯瞰摄像头30拍摄的作业空间规定有以该空间内的作业区域的中心等任意位置为原点的世界坐标系(X、Y、Z)。

如图2所示，典型地，机器人10具有作为多旋转关节臂机构而安装的机械臂11。就机械臂11而言，连杆114、116经由旋转关节113、115连结于支柱112，支柱112垂直地支撑在基台111上而旋转自如。在连杆116的前端安装有腕部117，腕部117具有正交3轴的旋转轴。在腕部117作为末端执行器安装有在此装备有一对手指119的手部118。在手部118作为检测指尖对象的传感器安装有用于拍摄指尖图像的指尖摄像头14。例如将基台111的中心作为原点来规定机器人坐标系(x、y、z)。控制装置20在机器人坐标系(x、y、z)上计算指尖轨道等，通过控制机械臂11来实现指尖移动。

机械臂11搭载于自由台车12的工作台122上。自由台车12被定义为未装备移动驱动单元，而装备有脚轮124，被动的移动的自由台车。在此，3个脚轮124分别安装于从支柱121放射状地延伸设置的3个梁123。在3个梁123的各自的前端装备有外伸支腿机构13。就外伸支腿机构13而言，在缸体131内插有活塞杆132，在活塞杆132的底部安装有橡胶等作为设置板的垫133。活塞杆132相对于缸体131的移动通过油压式、电动式、其他任意的驱动方式实现。通过从缸体131送出活塞杆132，能够使垫133设置于地面，将自由台车12与机器人10一同固定。通过将活塞杆132拉回缸体131，能够使垫133离开地面，解除自由台车12的固定，变为能够移动的状态。

返回图1，控制装置20与任务程序代码一起预先存储有与机器人10重复执行的多个子任务分别对应的多个位置PR的数据，任务程序代码是记述有在统括整体的控制的控制部21经由控制及数据总线27执行上述任务所需要的步骤、动作、条件等的代码。此外，机器人10的位置PR表示在世界坐标系(X、Y、Z)上。

图像处理部24对由俯瞰摄像头30拍摄到的俯瞰图像进行处理，提取搁板CP的区域和侧板SP的区域。图像处理部24从提取出的侧板SP的区域中选择出为了下一个子任务而移动的机器人10的位置(移动目标位置)PR附近的侧板SP的区域，作为机器人10的移动路径上的手部118应当把持的固定物的区域。图像处理部24计算所选择的侧板SP的区域的中心位置、重心位置或者其他位置，作为为了使机器人10移动到移动目标位置而手部118应该把持的把持位置。该把持位置在世界坐标系(X、Y、Z)上进行计算并表示。此外，作为手部118把持的对象，不限于侧板SP，可以是搁板CP，如图9所示，也可以是为了把持而在搁架S上已经设置的把手HG等比较容易把持的突状体。

轨道计算处理部23基于当前的机器人坐标系(x、y、z)(称为第一机器人坐标系)的原点位置相对于世界坐标系(X、Y、Z)的原点位置的位移以及用于使坐标系xyz相对于坐标轴XYZ对齐的绕坐标轴XYZ各轴的旋转角(也称为姿势)，计算用于将世界坐标系上的位置以及姿势变换为第一机器人坐标系上的位置以及姿势的坐标变换矩阵(第一坐标变换矩阵，T1)。

轨道计算处理部23根据第一坐标变换矩阵(T1)，将机器人10的移动路径上的下一个把持位置即指尖位置变换为第一机器人坐标系上的指尖位置。轨道计算处理部23计算从第一机器人坐标系上的已知的当前的指尖位置到上述下一个指尖位置的第一机器人坐标系上的指尖移动轨道(尤其称为“用于把持的指尖移动轨道”)。

下一个指尖位置为固定于地面的搁架S的侧板SP上的位置，因此是固定位置，通过以在下一个指尖位置由手部118把持着侧板SP的状态下，使机械臂11动作，能够使机械臂11即机器人10与自由台车12一同移动到下一个机器人位置(移动目标位置)PR。轨道计算处理部23计算用于该机器人10的移动的指尖轨道。

轨道计算处理部23基于移动后的下一个机器人位置即移动后的机器人坐标系(第二机器人坐标系)的原点位置相对于世界坐标系(X、Y、Z)上的当前的机器人位置即当前的机器人坐标系(第一机器人坐标系)的原点位置的位移以及用于使第一机器人坐标系的坐标轴xyz与第二机器人坐标系的坐标轴xyz对齐的绕第一机器人坐标系的坐标轴xyz各轴的旋转角(姿势)，计算从第一机器人坐标系变换至第二机器人坐标系的坐标变换矩阵(第二坐标变换矩阵，T2)。

轨道计算处理部23对从在第一机器人坐标系上表示的下一个指尖位置(在把持的时间点为当前位置，为了便于说明，称为下一个位置)到该下一个指尖位置乘以第二坐标变换矩阵T2的逆矩阵T2’而得到的位置的指尖移动轨道(称为“用于机器人移动的指尖移动轨道”)进行计算。

根据该“用于机器人移动的指尖移动轨道”来控制机械臂11，由此能够在指尖固定在下一个把持位置的状态下，使机械臂11与机器人10即自由台车12一同移动(参照图8)。

此外，“用于机器人移动的指尖移动轨道”相当于将机器人10从当前位置移动到下一个位置(移动目标位置)的移动路径直接转移至下一个指尖位置且使移动方向反转的轨道。因此，在将把持下一个指尖位置并固定的状态下，通过使指尖根据“用于机器人移动的指尖移动轨道”移动，能够使机器人10从当前位置移动到下一个位置(移动目标位置)。

机械臂动作控制部25根据“用于把持的指尖移动轨道”计算旋转关节113、115的关于腕部正交3轴的旋转角度、旋转速度的变化，据此驱动旋转关节113、旋转关节115、腕部的各伺服电机。同样地，机械臂动作控制部25根据“用于机器人移动的指尖移动轨道”，计算旋转关节113、115的关于腕部正交3轴的旋转角度、旋转速度的变化，据此驱动旋转关节113、旋转关节115、腕部的各伺服电机。

使机械臂11以沿着相对于机器人10从当前位置移动到下一个位置(移动目标位置)的移动路径的逆向的轨道使指尖移动的方式运动，由此，指尖固定且自由台车12解除固定并处在自由移动自如的状态下，其结果是，机器人10从当前位置移动到下一个位置(移动目标位置)。

外伸支腿动作控制部26按照控制部21的指示驱动外伸支腿机构13的驱动部，从缸体131送出活塞杆132或拉回。通过从缸体131送出活塞杆132，使垫133设置在地面，能够固定自由台车12。通过将活塞杆132拉回缸体131，使垫133从地面离开，自由台车12的脚轮124能够设置在地面，返回能够移动的状态。此外，只要能够将自由台车12固定在地面上，则外伸支腿机构13能够被电磁制动器等其他构成代替。

图3示出本实施方式的机器人系统的处理步骤。图4A、图4B示出作业概要。自由台车12被固定在地面上的最开始的机器人位置PR1。控制部21从存储部22读取子任务程序代码，轨道计算处理部23据此计算用于从储料器抓取饮料罐W释放到最开始的搁板CP1的指尖移动轨道。机械臂动作控制部25按照该指尖移动轨道控制机械臂11，由此机械臂11以及手部118从储料器抓取饮料罐W(工序S1)，释放到最开始的搁板CP1(S2)。由控制部21判断在搁板CP1排列预定数量的饮料罐W的子任务是否完成(S3)。在判断为子任务未完成时(S3，否)，返回工序S1。重复工序S1、S2以及S3，直至在搁板CP1排列预定数量的饮料罐W的子任务完成。

在判断为子任务完成时(S3，是)，由控制部21判断预定的所有搁板CP的饮料罐W的排列作业即任务是否完成(S4)。在判断为任务未完成时(S4，否)，使机器人10移动到与下一个搁板CP2相对应的下一个机器人位置PR2(移动目标位置)(S5)。在机器人10移动到移动目标位置时，在该位置驱动外伸支腿机构13，自由台车12被固定在地面上的下一个机器人位置PR2。返回工序S1，执行向下一个搁板CP2排列饮料罐W的子任务。在判断为任务完成时(S4，是)，该作业结束。

图5A、图5B、图5C示出机器人移动的概要。本来为了执行排列上述饮料罐W等任务而装备的机械臂11也用于机器人10的移动。如图5A所示，在机器人10位于当前的机器人位置PRn的状态下，使机械臂11动作，一边通过指尖摄像头14进行位置检测，一边由手部118把持位于下一个机器人位置PRn+1附近的作为固定部的例如侧板SPn+1。如图5B所示，在由手部118把持着侧板SPn+1的状态下，使机械臂11动作，由此机器人10一点点地移动。如图5C所示，通过直接使机械臂11进一步动作，机器人10移动到作为移动目标位置的下一个机器人位置PRn+1。

图6示出为了实现图5A、图5B、图5C所示的机器人10的移动的控制装置20的处理步骤。图7示出坐标变换处理的补充图。在工序S11中，通过控制部21的控制，由世界坐标系(X、Y、Z)表示的下一个机器人位置PRn+1(X2、Y2、Z2)的数据以及下一个机器人位置PRn+1(X2、Y2、Z2)的机器人坐标系(第二机器人坐标系)的姿势的数据从存储部22读取至轨道计算处理部23(S11)。姿势定义为机器人坐标系相对于世界坐标系绕的绕各坐标轴XYZ的旋转角(θX2、θY2、θZ2)。此外，已知当前的机器人位置PRn(X1、Y1、Z1)，当前的指尖位置PGn(X1、Y1、Z1)。

在工序S12中，由图像处理部24，从由俯瞰摄像头30拍摄到的俯瞰图像中提取下一个搁板CP2附近的侧板SP2的区域，所提取的侧板SP2的区域的中心位置等被确定为为了使机器人10移动到下一个机器人位置(移动目标位置)PRn+1而手部118应该把持的把持位置PGn+1(X2、Y2、Z2)。

在工序S13中，由轨道计算处理部23，基于世界坐标系(X、Y、Z)中的当前的机器人坐标系(第一机器人坐标系)的原点位置以及用于使坐标系xyz相对于坐标轴XYZ对齐的绕坐标轴XYZ各轴的旋转角(姿势)，计算用于将世界坐标系上的位置以及姿势变换为第一机器人坐标系上的位置以及姿势的坐标变换矩阵(第一坐标变换矩阵，T1)(参照图7中的(a))。

同样地，在工序S14中，由轨道计算处理部23，基于世界坐标系(X、Y、Z)中的下一个机器人位置PRn+1(X2、Y2、Z2)相对于当前的机器人位置PRn(X1、Y1、Z1)的位移以及下一个机器人位置PRn+1(X2、Y2、Z2)处的机器人坐标系(第二机器人坐标系)相对于当前的机器人位置PRn(X1、Y1、Z1)处的机器人坐标系(第一机器人坐标系)的绕坐标轴XYZ各轴的旋转角(姿势)，计算从第一机器人坐标系变换至第二机器人坐标系的坐标变换矩阵(第二坐标变换矩阵，T2)(参照图7中的(d)参照)。

在机器人控制中，为了根据指尖移动轨道计算旋转关节角等，需要由机器人坐标系表示指尖移动轨道。因此，在工序S15中，利用第一坐标变换矩阵T1，由世界坐标系表示的下一个指尖位置PGn+1(X2、Y2、Z2)变换为机器人坐标系上的下一个指尖位置PRn+1(x2、y2、z2)。

在下一个工序S16中，由轨道计算处理部23，计算用于使指尖从第一机器人坐标系上的当前的指尖位置PGn(x1、y1、z1)移动到下一个指尖位置PGn+1(x2、y2、z2)的指尖移动轨道(用于把持的指尖移动轨道)OPn+1(参照图7中的(b))。

在工序S17中，由机械臂动作控制部25，使机械臂11根据用于把持的指尖移动轨道OPn+1动作，在下一个指尖位置PGn+1，侧板CP2被手部118把持。图7中的(c)示出此时的机器人姿势。

在下一个工序S18中，由轨道计算处理部23，将在第一机器人坐标系上表示的下一个指尖位置PGn+1(x2、y2、z2)乘以第二坐标变换矩阵T2的逆矩阵T2’，计算指尖位置PG’n+1(x2、y2、z2)。此外，该指尖位置PG’n+1(x2、y2、z2)与移动前的当前的机器人位置PRn(x1、y1、z1)的相对位置关系等价于下一个指尖位置PGn+1(x2、y2、z2)与移动后的下一个机器人位置PRn+1(x2、y2、z2)的相对位置关系(参照图7中的(d))。

在下一个工序S19中，由轨道计算处理部23计算用于使指尖从在第一机器人坐标系上表示的指尖位置PGn+1(x2、y2、z2)移动到利用第二坐标变换矩阵T2的逆矩阵T2’变换而得的指尖位置PG’n+1(x2、y2、z2)的指尖移动轨道(用于机器人移动的指尖移动轨道)OP2n+1。

用于机器人移动的指尖移动轨道OP2n+1是相对于机器人10从当前位置PRn(x1、y1、z1)移动到下一个机器人位置PRn+1(x2、y2、z2)的移动路径以起点和终点反转且起点与指尖位置PGn+1(x2、y2、z2)一致的方式偏移的轨道。因此，在由手部118把持并固定指尖位置PGn+1(x2、y2、z2)的状态下，根据用于机器人移动的指尖移动轨道OP2n+1使机械臂11运动而使指尖移动，由此，机器人10接近(或离开)下一个指尖位置PGn+1(x2、y2、z2)，其结果为，机器人10从当前位置PRn(x1、y1、z1)移动到下一个机器人位置PRn+1(x2、y2、z2)。

在工序S20中，驱动外伸支腿机构13，解除固定，然后在工序S21中，根据“用于机器人移动的指尖移动轨道”控制机械臂11，由此，在把持位置PGn+1(X2、Y2、Z2)固定的状态下，机械臂11与机器人10即与自由台车12一同移动到移动目标位置PRn+1(X2、Y2、Z2)(参照图8)。移动完成后，在工序S22中，驱动外伸支腿机构13，自由台车12被固定在位置PRn+1(X2、Y2、Z2)。

这样，在本实施方式中，本来为了执行任务而装备的机械臂11也用于机器人10的移动，由此，不需要作业人员推动自由台车的作业，因此能够省力化。不需要自动搬运车(AGV)等自走自由台车的导入，实质上也不需要移动路径的整备，因此能够容易地导入伴随移动的协作机器人。

此外，以机器人10的移动以及姿势变化的处理的简化以及机器人10的移动以及姿势变化的流畅程度以及精度的提高为目的，如图10所示，为了引导机器人10的移动，可以设置沿着移动路径设置的引导机构200。引导机构200具有沿着机器人10的移动轨道铺设的引导杆201以及被引导杆201插入为移动自如的滑动部202。在滑动部202上装卸自如地安装有连接块204，该连接块204固定在水平地安装在自由台车12的支柱121的横杆203的前端。在不需要机器人10时，从滑动部202卸下机器人10，能够容易地移动到其他地方。

另外，可以沿着机器人10的移动轨道铺设检测机器人10的光电传感器或按钮开关等多个传感器300，这里沿着引导杆201在各个侧板SP设置多个传感器300，通过这些传感器300检测机器人10的位置。

如图11所示，即使不通过手部118把持固定物(侧板SP)，典型地说，在使作为机械臂11的一部分的腕部117钩住或推抵作为移动路径上的固定物的例如侧板SPn+1的状态下，使机械臂11动作，由此能够使机器人10移动。在近似于下一个机器人位置PSn+1的传感器300开启时，通过使机械臂11停止，能够使机器人10移动到下一个机器人位置PSn+1。

即使是该例子，也与上述实施方式同样地省力化，实质上不需要移动路径的整备，因此，能够容易地导入伴随移动的协作机器人。

虽然说明了本发明的一些实施方式，但这些实施方式是作为示例给出的，并不旨在限定发明的范围。这些实施方式能够以其它的各种方式实施，在不脱离发明的宗旨的范围内，能够进行各种的省略、替换、变更。这些实施方式或其变形与包含于发明的范围或宗旨同样地，包含在与权利要求书中记载的发明及其等同的范围内。

附图标记说明

10…机器人、20…控制装置、30…俯瞰摄像头、11…机械臂、12…自由台车、12…外伸支腿机构、21…控制部、22…存储部、23…轨道计算处理部、24…图像处理部、25…机械臂动作控制部、26…外伸支腿动作控制部。

Claims (11)

1.一种机器人系统，具有机器人以及控制装置，所述机器人具有自由台车以及载置在所述自由台车上的机械臂，所述控制装置控制所述机械臂，其中，

所述控制装置为了执行预定的任务而控制所述机械臂，并且为了使所述机器人自身移动而控制所述机械臂。

2.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，

在所述机械臂的前端安装有手部，

所述控制装置在由所述手部把持所述机器人的移动路径上的固定物的状态下使所述机械臂动作，由此使所述机器人相对于所述固定物接近或远离。

3.根据权利要求2所述的机器人系统，其中，作为所述固定物，沿着所述机器人的移动路径设置有预定形状的突状体。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的机器人系统，其中，所述机器人系统还具有用于检测所述机器人的位置的俯瞰摄像头。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的机器人系统，其中，沿着所述机器人的移动路径设置有用于检测所述机器人的位置的传感器。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的机器人系统，其中，在所述机器人上装备有用于检测位置的传感器。

7.根据权利要求2至6中任一项所述的机器人系统，其中，

所述控制装置基于所述机器人的移动目标位置相对于当前位置的位移以及姿势变化，计算以所述移动目标位置为原点的第二机器人坐标系相对于以所述机器人的当前位置为原点的第一机器人坐标系的坐标变换矩阵，

所述控制装置计算从把持着所述固定物的所述手部的指尖位置到将把持着所述固定物的所述手部的指尖位置乘以所述坐标变换矩阵的逆矩阵而得到的位置为止的指尖移动轨道，

为了使所述机器人从所述当前位置移动到所述移动目标位置，根据所述指尖移动轨道来控制所述机械臂。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的机器人系统，其中，所述机器人系统还具有为了引导所述机器人的移动而设置的引导机构。

9.根据权利要求8所述的机器人系统，其中，所述引导机构包含沿着所述机器人的移动轨道铺设的引导杆以及被所述引导杆插入的滑动部，所述机器人或者所述自由台车装卸自如地安装在所述滑动部。

10.根据权利要求1所述的机器人系统，其中，通过在将所述机械臂的一部分推抵着所述机器人的移动路径上的固定物的状态下，使所述机械臂动作，由此使所述机器人相对于所述固定物接近或远离。

11.一种机器人移动控制装置，控制具有自由台车、机械臂以及手部的机器人的移动，所述机械臂载置在所述自由台车上，所述手部装备在所述机械臂的前端，其中，所述机器人移动控制装置具有：

基于以所述机器人的当前位置为原点的第一机器人坐标系相对于世界坐标系的位置以及各轴旋转角，计算用于将所述世界坐标系上的位置以及姿势变换为所述第一机器人坐标系上的位置以及姿势的第一坐标变换矩阵(T1)的单元；

利用所述第一坐标变换矩阵(T1)，将所述手部把持所述机器人的移动路径上的固定物的把持位置变换为在所述第一机器人坐标系上表示的把持位置的单元；

基于所述机器人的移动目标位置相对于当前位置的位移以及姿势变化，计算从所述第一机器人坐标系变换为以所述移动目标位置为原点的第二机器人坐标系的第二坐标变换矩阵(T2)的单元；

计算指尖移动轨道的单元，所述指尖移动轨道是从在所述第一机器人坐标系上表示的把持位置到将在所述第一机器人坐标系上表示的把持位置乘以所述第二坐标变换矩阵(T2)的逆矩阵而得到的位置为止的轨道；以及

控制部，为了使所述机器人从所述当前位置移动至所述移动目标位置，根据所述指尖移动轨道来控制所述机械臂。