DE112021005261T5

DE112021005261T5 - Robotersystem und Roboterbewegungs-Steuerapparat

Info

Publication number: DE112021005261T5
Application number: DE112021005261.6T
Authority: DE
Inventors: Yoshinori Ochiishi; Hiroshi Iijima
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2020-12-22
Filing date: 2021-12-15
Publication date: 2023-08-03
Also published as: JPWO2022138367A1; CN116615315A; JP7477653B2; WO2022138367A1; TW202224875A; US20240051133A1

Abstract

Ziel ist es, die Hürden für die Einführung eines kollaborativen Roboters, der sich bewegt, zu senken, indem die Einführungskosten und die Wartung der Bewegungsbahn reduziert werden, während gleichzeitig Arbeitseinsparungen erzielt werden. Ein Robotersystem ist mit einem Roboter 10, der einen freien Wagen 12 und einen an dem freien Wagen 12 gehaltenen Manipulator 11 umfasst, und einer Steuervorrichtung 20 zur Steuerung des Manipulators 11 versehen. Die Steuervorrichtung 20 steuert den Manipulator 11, um eine vorbestimmte Aufgabe auszuführen, und steuert auch den Manipulator 11, um den Roboter 10 selbst zu bewegen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die hier beschriebenen Ausführungsformen betreffen allgemein ein Robotersystem und einen Roboterbewegungs-Steuerapparat.
HINTERGRUND
In letzter Zeit ist die Automatisierung von Arbeiten mit kollaborierenden Robotern auf dem Vormarsch. Unter Ausnutzung der Vorteile von kollaborierenden Robotern ist es denkbar, dass der Roboter auf einem freien Wagen zum Schieben von Hand montiert ist, der Arbeiter den Roboter bewegt, während er den freien Wagen zum Schieben von Hand schiebt, und der Roboter die Arbeit an jedem Ort wiederholt.
Da der Arbeiter den freien Wagen jedoch bei jeder Bewegung des Roboters von Hand schieben muss, kann er den Roboter nicht verlassen, und die Arbeitsersparnis ist nicht so groß wie erwartet.
Unter diesen Umständen ist die Einführung eines selbstfahrenden freien Wagens, beispielsweise eines fahrerlosen Transportsystems (AGV), denkbar. Ein AGV kann sowohl die Bewegung als auch die Arbeit automatisieren, so dass der Arbeiter den Roboter verlassen kann und eine Arbeitsersparnis zu erwarten ist.
Die Einführung eines AGV-Systems ist jedoch relativ umfangreich, da das AGV-System selbst teuer ist und die Bewegungsbahn des AVG in Bezug auf Raum und Ausstattung beibehalten werden muss.
Daher waren die Hürden für die Einführung von kollaborativen Robotern, die sich bewegen, nie niedrig.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHES PROBLEM
Es ist erwünscht, die Hürden für die Einführung eines kollaborierenden Roboters, der sich bewegt, zu senken, indem die Einführungskosten und die Wartung der Bewegungsbahn reduziert werden, während gleichzeitig eine Arbeitsersparnis erreicht wird.
LÖSUNG DES PROBLEMS
Ein Robotersystem gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist mit einem Roboter versehen, der einen freien Wagen und einen an dem freien Wagen befestigten Manipulator umfasst, sowie mit einer Steuervorrichtung zur Steuerung des Manipulators. Die Steuervorrichtung steuert den Manipulator, um eine vorbestimmte Aufgabe auszuführen, und steuert auch den Manipulator, um den Roboter selbst zu bewegen.
VORTEILHAFTE AUSWIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Da die Operation des Manipulators nicht nur die Ausführung der vorbestimmten Aufgabe, sondern auch die Bewegung des Roboters selbst bewerkstelligt, ist es möglich, die Hürden für die Einführung eines kollaborierenden Roboters, der sich bewegt, zu senken, indem die Einführungskosten gesenkt und die Wartung der Bewegungsbahn reduziert werden, wobei gleichzeitig eine Arbeitsersparnis erzielt wird.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration eines Robotersystems gemäß einer Ausführungsform zeigt.
2 ist eine perspektivische Ansicht des in 1 dargestellten Roboters und einer Überkopfkamera.
3 ist ein Flussdiagramm, das einen Verarbeitungsvorgang eines Robotersystems gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt.
4A ist ein ergänzendes erklärendes Diagramm, das sich auf den Schritt S3 in 3 bezieht.
4B ist ein ergänzendes erklärendes Diagramm, das sich auf Schritt S5 in 3 bezieht.
5A ist ein ergänzendes erklärendes Diagramm, das sich auf das erste Verfahren in Schritt S5 in 3 bezieht.
5B ist ein ergänzendes erklärendes Diagramm, das den nächsten Prozess von 5A betrifft.
5C ist ein ergänzendes erklärendes Diagramm, das den nächsten Prozess zu 5B betrifft.
6 ist ein schematisches Diagramm der Roboterbewegung gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
7 ist ein ergänzendes Diagramm für die Koordinatentransformation in 3.
8 ist eine perspektivische Ansicht, die zeigt, wie der Roboter durch eine Operation des Manipulators gemäß der vorliegenden Ausführungsform bewegt wird.
9 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Griff zeigt, der bereits als ein vom Manipulator zu greifendes Teil existiert.
10 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Führungsmechanismus zum Führen der Bewegung des Roboters zeigt.
11 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Roboterbewegung unter Verwendung des in 10 gezeigten Führungsmechanismus zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Nachfolgend wird ein Robotersystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Zur Vereinfachung der Beschreibung wird hier, wie in den 4A und 4B gezeigt, als Beispiel für die vom Robotersystem ausgeführte Aufgabe die gesamte Arbeit des Anordnens von beispielsweise Getränkedosen W als Werkstücke auf jeder Säulenplatte CP angenommen, wenn ein Regal S aus einer Vielzahl von Säulenplatten CP besteht, die durch Seitenplatten SP unterteilt sind. Als tatsächliche Operation nimmt ein Roboter 10 die Getränkedosen Weine nach der anderen aus einem Lager (nicht gezeigt) auf, in dem eine große Anzahl von Getränkedosen W als Werkstücke gelagert werden, gibt jede Getränkedose W auf eine Säulenplatte CP1 ab und wiederholt die Aufnahme- und Abgabearbeiten, um eine vorbestimmte Anzahl von Getränkedosen W, beispielsweise zehn in einer Reihe, auf der Säulenplatte CP1 anzuordnen. Zu beachten ist, dass die Arbeitseinheit des Anordnens von zehn Getränkedosen W auf einer Säulenplatte CP als Teilaufgabe bezeichnet wird. Der Roboter 10 fährt zur benachbarten Säulenplatte CP2 und führt die gleiche Arbeit (Teilaufgabe) aus. Die Aufgabe wird abgeschlossen, indem die Getränkedosen W auf allen Säulenplatten CP angeordnet werden, wobei die Teilaufgabe und die Bewegung des Roboters wie oben beschrieben abwechselnd wiederholt werden.
Wie in 1 dargestellt, umfasst das Robotersystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform den Roboter 10, eine Steuervorrichtung 20 und eine Überkopfkamera 30. Die Überkopfkamera 30 ist an einer Position und in einer Haltung installiert, um eine Draufsicht auf den gesamten Arbeitsraum zu erfassen, die das Regal S, den Roboter 10 und den Lagerhalter (nicht gezeigt) umfasst. Für den von der Überkopfkamera 30 zu erfassenden Arbeitsraum wird ein Weltkoordinatensystem (X, Y, Z) definiert, das eine beliebige Position wie beispielsweise die Mitte eines Arbeitsbereichs im Raum als Ursprung aufweist.
Wie in 2 dargestellt, weist der Roboter 10 einen Manipulator 11 auf, der typischerweise als rotierender Gelenkarmmechanismus ausgeführt ist. Im Manipulator 11 sind die Glieder 114 und 116 über Drehgelenke 113 und 115 mit einem Pfosten 112 verbunden, der vertikal drehbar auf einem Sockel 111 gelagert ist. Ein Handgelenk 117, das drei orthogonale Drehachsen aufweist, ist am distalen Ende des Glieds 116 befestigt. An dem Handgelenk 117 ist eine Hand 118 befestigt, die hier mit einem Paar Finger 119 als Endeffektor ausgestattet ist. An der Hand 118 ist eine Handkamera 14 angebracht, die ein Bild der Hand aufnimmt und als Sensor zur Erfassung eines Handziels dient. Es wird ein Roboterkoordinatensystem (x, y, z) definiert, beispielsweise mit dem Zentrum des Sockels 111 als Ursprung. Die Steuervorrichtung 20 berechnet eine Handtrajektorie oder ähnliches im Roboterkoordinatensystem (x, y, z) und steuert den Manipulator 11, um eine Handbewegung zu erreichen.
Der Manipulator 11 ist auf einem Tisch 122 eines freien Wagens 12 gehalten. Der freie Wagen 12 ist definiert als ein freier Wagen, der nicht mit einem Bewegungsantrieb betrieben wird, sondern mit Rollen 124 ausgestattet ist und sich passiv bewegt. Hier sind drei Rollen 124 an jeweils drei Trägern 123 befestigt, die sich radial vom Pfosten 121 aus erstrecken. Am distalen Ende jedes der drei Träger 123 ist ein Auslegermechanismus 13 vorgesehen. Im Auslegermechanismus 13 ist eine Zylinderstange 132 in einen Zylinder 131 eingesetzt, und an der Unterseite der Zylinderstange 132 ist ein Polster 133 als Montageplatte aus Gummi oder dergleichen angebracht. Die Bewegung der Zylinderstange 132 relativ zum Zylinder 131 kann durch ein hydraulisches System, ein elektrisches System oder ein anderes Antriebssystem betrieben werden. Wenn die Zylinderstange 132 aus dem Zylinder 131 herausgefahren wird, wird das Polster 133 auf den Boden gelegt, und der freie Wagen 12 kann zusammen mit dem Roboter 10 befestigt werden. Durch Zurückziehen der Zylinderstange 132 in den Zylinder 131 wird das Polster 133 von der Bodenfläche getrennt, und der freie Wagen 12 ist nicht mehr befestigt und kann bewegt werden.
Zurückkommend auf 1 speichert die Steuervorrichtung 20 im Voraus in einer Steuereinheit 21, die die Gesamtsteuerung überwacht, Daten einer Vielzahl von Positionen PR, die jeweils einer Vielzahl von Teilaufgaben entsprechen, die wiederholt von dem Roboter 10 ausgeführt werden, zusammen mit Aufgabenprogrammcodes, die Verfahren, Operationen, Bedingungen und dergleichen beschreiben, die für die Ausführung der vorgenannten Aufgabe über einen Steuer/Datenbus 27 erforderlich sind. Die Positionen PR des Roboters 10 werden im Weltkoordinatensystem (X, Y, Z) ausgedrückt.
Eine Bildverarbeitungseinheit 24 verarbeitet das von der Überkopfkamera 30 aufgenommene Überkopfbild und extrahiert die Bereiche der Säulenplatten CP und die Bereiche der Seitenplatten SP. Die Bildverarbeitungseinheit 24 wählt aus den extrahierten Bereichen der Seitenplatten SP einen Bereich der Seitenplatte SP in der Nähe einer Position (Bewegungszielposition) PR, zu der sich der Roboter 10 für die nächste Teilaufgabe bewegt, als einen Bereich eines festen Objekts aus, das von der Hand 118 auf der Bewegungsbahn des Roboters 10 zu ergreifen ist. Die Bildverarbeitungseinheit 24 berechnet eine Mittelposition, eine Schwerpunktposition oder eine andere Position des ausgewählten Bereichs der Seitenplatte SP als eine von der Hand 118 zu greifende Greifposition, damit der Roboter 10 sich zur Bewegungszielposition bewegt. Die Greifposition wird im Weltkoordinatensystem (X, Y, Z) berechnet und ausgedrückt. Das von der Hand 118 zu greifende Objekt ist nicht auf die Seitenplatte SP beschränkt und kann eine Säulenplatte CP oder ein vorstehender Körper sein, der relativ leicht zu greifen ist, wie beispielsweise ein Griff HG, der bereits auf dem Regal S zum Greifen vorhanden ist, wie in 9 gezeigt.
Eine Bahnberechnungseinheit 23 berechnet eine Koordinatentransformationsmatrix (erste Koordinatentransformationsmatrix, T1) zur Transformation der Position und Haltung im Weltkoordinatensystem in die Position und Haltung im ersten Roboterkoordinatensystem, basierend auf der Verschiebung der Ursprungsposition des aktuellen Roboterkoordinatensystems (x, y, z) (als erstes Roboterkoordinatensystem bezeichnet) in Bezug auf die Ursprungsposition des Weltkoordinatensystems (X, Y, Z) und die Drehwinkel (auch als Haltung bezeichnet) um die Koordinatenachsen XYZ zur Ausrichtung des Koordinatensystems xyz auf die Koordinatenachsen XYZ.
Die Bahnberechnungseinheit 23 transformiert mit Hilfe der ersten Koordinatentransformationsmatrix (T1) die nächste Greifposition auf der Bewegungsbahn des Roboters 10, d.h. die Handposition, in die Handposition im ersten Roboterkoordinatensystem. Die Bahnberechnungseinheit 23 berechnet eine Handbewegungstrajektorie (insbesondere als „Handbewegungstrajektorie zum Greifen“ bezeichnet) im ersten Roboterkoordinatensystem von der bekannten aktuellen Handposition im ersten Roboterkoordinatensystem zur nächsten Handposition.
Die nächste Handposition ist eine feste Position, da es sich um eine Position auf einer Seitenplatte SP des Regals S handelt, die an der Bodenoberfläche befestigt ist, und durch die Operation des Manipulators 11 mit der Seitenplatte SP, die von der Hand 118 an der nächsten Handposition gegriffen wird, kann der Manipulator 11, nämlich der Roboter 10, zusammen mit dem freien Wagen 12 zur nächsten Roboterposition (Bewegungszielposition) PR bewegt werden. Die Bahnberechnungseinheit 23 errechnet eine Handtrajektorie für die Bewegung des Roboters 10.
Die Bahnberechnungseinheit 23 berechnet eine Koordinatentransformationsmatrix (zweite Koordinatentransformationsmatrix, T2) vom ersten Roboterkoordinatensystem zum zweiten Roboterkoordinatensystem, basierend auf der Verschiebung der nächsten Roboterposition nach der Bewegung, d.h. der Ursprungsposition des Roboterkoordinatensystems nach der Bewegung (zweites Roboterkoordinatensystem) in Bezug auf die aktuelle Roboterposition im Weltkoordinatensystem (X, Y, Z), d.h. die Ursprungsposition des aktuellen Roboterkoordinatensystems (erstes Roboterkoordinatensystem), und die Drehwinkel (Haltung) um die Koordinatenachsen xyz des ersten Roboterkoordinatensystems zum Ausrichten der Koordinatenachsen xyz des ersten Roboterkoordinatensystems mit den Koordinatenachsen xyz des zweiten Roboterkoordinatensystems.
Die Bahnberechnungseinheit 23 berechnet eine Handbewegungstrajektorie (als „Handbewegungstrajektorie für die Roboterbewegung“ bezeichnet) von der nächsten Handposition im ersten Roboterkoordinatensystem (die die aktuelle Position zum Zeitpunkt des Greifens ist, aber der Einfachheit halber als nächste Position bezeichnet wird) zu einer Position, die durch Multiplikation der nächsten Handposition mit einer inversen Matrix T2' der zweiten Koordinatentransformationsmatrix T2 erhalten wird.
Durch Steuerung des Manipulators 11 gemäß dieser „Handbewegungstrajektorie für die Roboterbewegung“ kann der Roboter 10, d. h. der Manipulator 11, zusammen mit dem freien Wagen 12 bewegt werden, wobei die Hand an der nächsten Greifposition fixiert wird (siehe 8).
Die „Handbewegungstrajektorie für die Roboterbewegung“ entspricht einer Trajektorie, die man erhält, indem man die Bewegungsbahn des Roboters 10 von der aktuellen Position zur nächsten Position (Bewegungszielposition) zur nächsten Handposition verschiebt, wie sie ist, und die Bewegungsrichtung umkehrt. Daher kann eine Operation zur Bewegung der Hand gemäß der „Handbewegungstrajektorie für die Roboterbewegung“, bei der die Hand ergriffen und an der nächsten Handposition fixiert wird, den Roboter 10 von der aktuellen Position zur nächsten Position (Bewegungszielposition) bewegen.
Eine Manipulatoroperations-Steuereinheit 25 berechnet gemäß der „Handbewegungstrajektorie für das Greifen“ Änderungen der Drehwinkel und Drehgeschwindigkeiten, die die Drehgelenke 113 und 115 und die drei orthogonalen Achsen des Handgelenks betreffen, und betreibt die Servomotoren des Drehgelenks 113, des Drehgelenks 115 und des Handgelenks gemäß den berechneten Änderungen. In ähnlicher Weise berechnet die Operationseinheit 25 des Manipulators die Änderungen der Drehwinkel und Drehgeschwindigkeiten der Drehgelenke 113 und 115 sowie der drei orthogonalen Achsen des Handgelenks gemäß der „Handbewegungstrajektorie für die Roboterbewegung“ und treibt die Servomotoren des Drehgelenks 113, des Drehgelenks 115 und des Handgelenks entsprechend den berechneten Änderungen an.
Durch Betätigung des Manipulators 11, um die Hand entlang der Bewegungsbahn in umgekehrter Richtung in Bezug auf die Bewegungsbahn für die Bewegung des Roboters 10 von der aktuellen Position zur nächsten Position (Bewegungszielposition) zu bewegen, wird der Roboter 10 von der aktuellen Position zur nächsten Position (Bewegungszielposition) bewegt, da die Hand fixiert ist und der freie Wagen 12 nicht fixiert ist und sich frei bewegen kann.
Eine Auslegeroperations-Steuereinheit 26 betreibt eine Operationseinheit des Auslegermechanismus 13 gemäß einer Anweisung der Steuereinheit 21, um die Zylinderstange 132 aus dem Zylinder 131 auszufahren oder in diesen zurückzuziehen. Der freie Wagen 12 kann fixiert werden, indem die Zylinderstange 132 aus dem Zylinder 131 herausgefahren und das Polster 133 auf die Bodenfläche gelegt wird. Durch Zurückziehen der Zylinderstange 132 in den Zylinder 131 und Trennen des Polsters 133 von der Bodenfläche können die Rollen 124 des freien Wagens 12 auf die Bodenfläche gestellt werden, und der freie Wagen 12 kehrt in einen beweglichen Zustand zurück. Der Auslegermechanismus 13 kann durch eine andere Struktur, wie beispielsweise eine elektromagnetische Bremse, ersetzt werden, solange der freie Wagen 12 auf der Bodenfläche befestigt werden kann.
3 zeigt einen Arbeitsablauf des Robotersystems gemäß der vorliegenden Ausführungsform. 4A und 4B zeigen einen Überblick über den Arbeitsablauf. Der freie Wagen 12 wird an der ersten Roboterposition PR1 auf der Bodenfläche befestigt. Die Steuereinheit 21 liest einen Programm-Code für eine Teilaufgabe aus einer Speichereinheit 22, und die Bahnberechnungseinheit 23 berechnet eine Handbewegungstrajektorie für die Aufnahme einer Getränkedose W aus dem Lager und ihre Abgabe auf die erste Säulenplatte CP1 gemäß dem Programm-Code für die Teilaufgabe. Die Manipulatoroperations-Steuereinheit 25 steuert den Manipulator 11 gemäß der Handbewegungstrajektorie, so dass der Manipulator 11 und die Hand 118 die Getränkedose W aus dem Lager aufnehmen (Schritt S1) und auf die erste Säulenplatte CP1 abgeben (S2). Die Steuereinheit 21 bestimmt, ob die Teilaufgabe, eine vorbestimmte Anzahl von Getränkedosen W auf der Säulenplatte CP1 anzuordnen, abgeschlossen ist oder nicht (S3). Wenn festgestellt wird, dass die Teilaufgabe nicht abgeschlossen ist (NEIN in S3), kehrt die Verarbeitung zu Schritt S1 zurück. Die Schritte S1, S2 und S3 werden wiederholt, bis die Teilaufgabe des Anordnens einer vorbestimmten Anzahl von Getränkedosen W auf der Säulenplatte CP1 abgeschlossen ist.
Wenn festgestellt wird, dass die Teilaufgabe abgeschlossen ist (JA in S3), bestimmt die Steuereinheit 21, ob die Arbeit des Anordnens der Getränkedosen W auf allen vorgesehenen Säulenplatten CP, d. h. die Aufgabe, abgeschlossen ist oder nicht (S4). Wenn festgestellt wird, dass die Aufgabe nicht abgeschlossen ist (NO in S4), wird der Roboter 10 zur nächsten Roboterposition PR2 (Bewegungszielposition) bewegt, die der nächsten Säulenplatte CP2 entspricht (S5). Wenn der Roboter 10 die Bewegungszielposition erreicht, wird der Auslegermechanismus 13 an dieser Position betrieben, und der freie Wagen 12 wird an der nächsten Roboterposition PR2 auf der Bodenfläche befestigt. Die Verarbeitung kehrt zu Schritt S1 zurück, und eine Teilaufgabe des Anordnens von Getränkedosen W auf der nächsten Säulenplatte CP2 wird ausgeführt. Wenn festgestellt wird, dass die Aufgabe abgeschlossen ist (JA in S4), wird die Arbeit beendet.
5A, 5B und 5C zeigen einen Überblick über die Roboterbewegung. Der Manipulator 11, der ursprünglich für die Ausführung der Aufgabe des Anordnens von Getränkedosen W oder ähnlichem ausgestattet ist, wird auch für die Bewegung des Roboters 10 verwendet. Wie in 5A gezeigt, wird der Manipulator 11, wenn sich der Roboter 10 an der aktuellen Roboterposition PRn befindet, so betrieben, dass die Hand 118 beispielsweise die Seitenplatte SPn+1 als festen Teil in der Nähe der nächsten Roboterposition PRn+1 ergreift, während die Position von der Handkamera 14 erfasst wird. Wie in 5B gezeigt, wird der Roboter 10 durch Betätigung des Manipulators 11 mit der von der Hand 118 ergriffenen Seitenplatte SPn+1 schrittweise bewegt. Wie in 5C gezeigt, wird der Roboter 10 durch weitere Operation des Manipulators 11 in die nächste Roboterposition PRn+1 bewegt, die die Zielposition der Bewegung ist.
6 zeigt eine Verarbeitungsprozedur der Steuervorrichtung 20 zum Erreichen der in den 5A, 5B und 5C dargestellten Bewegung des Roboters 10. 7 ist ein ergänzendes Diagramm der Verarbeitung der Koordinatentransformation. Im Schritt S11 werden unter der Steuerung der Steuereinheit 21 Daten der nächsten Roboterposition PRn+1 (X2, Y2, Z2), ausgedrückt im Weltkoordinatensystem (X, Y, Z), und Daten der Haltung des Roboterkoordinatensystems (zweites Roboterkoordinatensystem) an der nächsten Roboterposition PRn+1 (X2, Y2, Z2) aus der Speichereinheit 22 in die Bahnberechnungseinheit23 eingelesen (S11). Die Haltung ist durch die Drehwinkel (ΘX2, ΘY2, ΘZ2) um die Koordinatenachsen XYZ des Roboterkoordinatensystems in Bezug auf das Weltkoordinatensystem definiert. Die aktuelle Roboterposition PRn (X1, Y1, Z1) und die aktuelle Handposition PGn (X1, Y1, Z1) sind bekannt.
In Schritt S12 extrahiert die Bildverarbeitungseinheit 24 einen Bereich einer Seitenplatte SP2 in der Nähe der nächsten Säulenplatte CP2 aus einem von der Überkopfkamera 30 aufgenommenen Überkopfbild und identifiziert die Mittelposition oder dergleichen des extrahierten Bereichs der Seitenplatte SP2 als eine Greifposition PGn+1 (X2, Y2, Z2), die von der Hand 118 zu ergreifen ist, damit der Roboter 10 sich zur nächsten Roboterposition (Bewegungszielposition) PRn+1 bewegt.
In Schritt S13 berechnet die Bahnberechnungseinheit 23 eine Koordinatentransformationsmatrix (erste Koordinatentransformationsmatrix, T1) zum Transformieren der Position und Haltung im Weltkoordinatensystem in die Position und Haltung im ersten Roboterkoordinatensystem, basierend auf der Ursprungsposition des aktuellen Roboterkoordinatensystems (erstes Roboterkoordinatensystem) im Weltkoordinatensystem (X, Y, Z) und den Drehwinkeln (Haltung) um die Koordinatenachsen XYZ zum Ausrichten des Koordinatensystems xyz mit den Koordinatenachsen XYZ (siehe 7(a)).
In ähnlicher Weise berechnet die Bahnberechnungseinheit 23 in Schritt S14 eine Koordinatentransformationsmatrix (zweite Koordinatentransformationsmatrix, T2) von dem ersten Roboterkoordinatensystem zu dem zweiten Roboterkoordinatensystem, basierend auf der Verschiebung der nächsten Roboterposition PRn+1 (X2, Y2, Z2) in Bezug auf die aktuelle Roboterposition PRn (X1, Y1, Z1) im Weltkoordinatensystem (X, Y, Z) und den Drehwinkeln (Haltungen) um die Koordinatenachsen XYZ des Roboterkoordinatensystems (zweites Roboterkoordinatensystem) an der nächsten Roboterposition PRn+1 (X2, Y2, Z2) in Bezug auf das Roboterkoordinatensystem (erstes Roboterkoordinatensystem) an der aktuellen Roboterposition PRn (X1, Y1, Z1) (siehe 7(d)).
Bei der Steuerung von Robotern muss die Handbewegungstrajektorie im Roboterkoordinatensystem ausgedrückt werden, um einen Drehgelenkwinkel und dergleichen gemäß einer Handbewegungstrajektorie zu berechnen. Daher wird in Schritt S15 die nächste Handposition PGn+1 (X2, Y2, Z2), die im Weltkoordinatensystem ausgedrückt ist, in die nächste Handposition PRn+1 (x2, y2, z2) im Roboterkoordinatensystem durch die erste Koordinatentransformationsmatrix T1 transformiert.
Im nächsten Schritt S16 berechnet die Bahnberechnungseinheit 23 eine Handbewegungstrajektorie (Handbewegungstrajektorie zum Greifen) OPn+1 für die Bewegung der Hand von der aktuellen Handposition PGn (x1, y1, z1) zur nächsten Handposition PGn+1 (x2, y2, z2) im ersten Roboterkoordinatensystem (siehe 7(b)).
In Schritt S17 steuert die Manipulatoroperations-Steuereinheit 25 den Manipulator 11 gemäß der Handbewegungstrajektorie OPn+1 zum Greifen an, und eine Seitenplatte SP wird von der Hand 118 an der nächsten Handposition PGn+1 ergriffen. Die Haltung des Roboters zu diesem Zeitpunkt ist in 7(c) dargestellt.
Im nächsten Schritt S18 multipliziert die Bahnberechnungseinheit 23 die im ersten Roboterkoordinatensystem ausgedrückte nächste Handposition PGn+1 (x2, y2, z2) mit der inversen Matrix T2' der zweiten Koordinatentransformationsmatrix T2, um eine Handposition PG'n+1 (x2, y2, z2) zu berechnen. Die relative Positionsbeziehung zwischen der Handposition PG'n+1 (x2, y2, z2) und der aktuellen Roboterposition PRn (x1, y1, z1) vor der Bewegung ist äquivalent zur relativen Positionsbeziehung zwischen der nächsten Handposition PGn+1 (x2, y2, z2) und der nächsten Roboterposition PRn+1 (x2, y2, z2) nach der Bewegung (siehe 7(d)).
Im nächsten Schritt S19 berechnet die Bahnberechnungseinheit 23 eine Handbewegungstrajektorie OP2n+1 (Handbewegungstrajektorie für die Roboterbewegung) für die Bewegung der Hand von der im ersten Roboterkoordinatensystem ausgedrückten Handposition PGn+1 (x2, y2, z2) zur Handposition PG'n+1 (x2, y2, z2), die durch die inverse Matrix T2' der zweiten Koordinatentransformationsmatrix T2 transformiert ist.
Die Handbewegungstrajektorie OP2n+1 für die Roboterbewegung ist eine Trajektorie, die man erhält, indem man den Startpunkt und den Endpunkt der Bewegungsbahn des Roboters 10 umkehrt, um von der aktuellen Position PRn (x1, y1, z1) zur nächsten Roboterposition PRn+1 (x2, y2, z2) zu gelangen, und die Bewegungsbahn so verschiebt, dass der Startpunkt mit der Handposition PGn+1 (x2, y2, z2) zusammenfällt. Wenn der Manipulator 11 betrieben wird, um die Hand gemäß der Handbewegungstrajektorie OP2n+1 für die Roboterbewegung zu bewegen, wobei die Hand 118 an der PRn+1 (x2, y2, z2) greift und fixiert ist, nähert sich der Roboter 10 daher der nächsten Handposition PGn+1 (x2, y2, z2) (oder entfernt sich von dieser); infolgedessen wird der Roboter 10 von der aktuellen Position PRn (x1, y1, z1) zur nächsten Roboterposition PRn+1 (x2, y2, z2) bewegt.
In Schritt S20 wird der Auslegermechanismus 13 angetrieben, um die Fixierung zu lösen, und in Schritt S21 wird der Manipulator 11 gemäß der „Handbewegungstrajektorie für die Roboterbewegung“ gesteuert, so dass der Roboter 10, d. h. der Manipulator 11, zusammen mit dem freien Wagen 12 in die Bewegungszielposition PRn+1 (X2, Y2, Z2) bewegt wird, wobei die Greifposition PGn+1 (X2, Y2, Z2) fixiert wird (siehe 8). Nach Abschluss der Bewegung wird in Schritt S22 der Auslegermechanismus 13 betrieben, und der freie Wagen 12 wird in der Position PRn+1 (X2, Y2, Z2) fixiert.
Wie oben beschrieben, wird in der vorliegenden Ausführungsform der Manipulator 11, der ursprünglich für die Ausführung der Aufgabe ausgerüstet ist, auch zum Bewegen des Roboters 10 verwendet, wodurch die Notwendigkeit eines Arbeiters zum Schieben des freien Wagens entfällt, was Arbeit spart. Da die Einführung eines selbstfahrenden freien Wagens, wie beispielsweise eines fahrerlosen Transportfahrzeugs (FTS), unnötig wird und die Aufrechterhaltung der Bewegungsbahn im Wesentlichen unnötig wird, können kollaborative Roboter, die Bewegung beinhalten, leicht eingeführt werden.
Wie in 10 dargestellt, kann ein Führungsmechanismus 200, der entlang der Bewegungsbahn zur Führung der Bewegung des Roboters 10 installiert ist, vorgesehen werden, um die Vorgänge der Bewegung des Roboters 10 und der Haltungsänderung des Roboters 10 zu vereinfachen und die Glätte und Genauigkeit der Bewegung und Haltungsänderung des Roboters 10 zu verbessern. Der Führungsmechanismus 200 umfasst eine Führungsstange 201, die entlang der Bewegungsbahn des Roboters 10 angeordnet ist, und einen Schieber 202, der beweglich in die Führungsstange 201 eingesetzt ist. An dem Schieber 202 ist ein Verbindungsblock 204 abnehmbar angebracht, der am distalen Ende einer Querstange 203 zu befestigen ist, die horizontal an der Säule 121 des freien Wagens 12 angebracht ist. Wenn der Roboter 10 nicht benötigt wird, kann er vom Schieber 202 abgenommen und leicht an einen anderen Ort gebracht werden.
Alternativ kann eine Vielzahl von Sensoren 300, wie beispielsweise fotoelektrische Sensoren oder Druckschalter zur Erfassung des Roboters 10, entlang der Bewegungsbahn des Roboters 10 verlegt werden, und hier kann eine Vielzahl von Sensoren 300 an den jeweiligen Seitenplatten SP entlang der Führungsstange 201 vorgesehen werden, so dass die Position des Roboters 10 durch diese Sensoren 300 erfasst werden kann.
Wie in 11 gezeigt, kann der Roboter 10 bewegt werden, ohne die Hand 118 zum Ergreifen eines festen Objekts (Seitenplatte SP) zu benutzen, indem der Manipulator 11 mit einem Teil des Manipulators 11, typischerweise dem Handgelenk 117, an einem festen Objekt auf der Bewegungsbahn, wie der Seitenplatte SPn+1, eingehakt oder dagegen gedrückt wird. Der Roboter 10 kann zur nächsten Roboterposition PSn+1 bewegt werden, indem der Manipulator 11 angehalten wird, wenn der Sensor 300, der die nächste Roboterposition PSn+1 annähert, eingeschaltet wird.
Auch in diesem Beispiel, wie in der oben beschriebenen Ausführungsform, kann Arbeit eingespart werden und die Wartung der Bewegungsbahn wird im Wesentlichen unnötig, so dass kollaborative Roboter, die Bewegung beinhalten, leicht eingeführt werden können.
Während einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, sind diese Ausführungsformen als Beispiele dargestellt worden und sollen den Umfang der Erfindung nicht begrenzen. Diese Ausführungsformen können in verschiedenen anderen Formen umgesetzt werden, und verschiedene Auslassungen, Ersetzungen und Änderungen können vorgenommen werden, ohne vom Geist der Erfindung abzuweichen. Diese Ausführungsformen und ihre Modifikationen sind in Umfang und Geist der Erfindung umfasst und gehören zum Umfang der beanspruchten Erfindungen und ihrer Äquivalente.
Bezugszeichenliste

10: Roboter,
20: Steuervorrichtung,
30: Überkopfkamera,
11: Manipulator,
12: freier Wagen,
13: Auslegermechanismus,
21: Steuereinheit,
22: Speichervorrichtung,
23: Bahnberechnungs-Verarbeitungseinheit,
24: Bildverarbeitungseinheit,
25: Manipulatoroperations-Steuereinheit,
26: Auslegeroperations-Steuereinheit

Claims

Robotersystem, umfassend: einen Roboter, der einen freien Wagen und einen Manipulator umfasst, der auf dem freien Wagen gehalten wird; und eine Steuervorrichtung zum Steuern des Manipulators , wobei die Steuervorrichtung den Manipulator steuert, um eine vorbestimmte Aufgabe auszuführen, und den Manipulator steuert, um den Roboter selbst zu bewegen.
Robotersystem gemäß Anspruch 1, wobei eine Hand an einem distalen Ende des Manipulators angebracht ist, und die Steuerung den Manipulator betätigt, wobei die Hand ein festes Objekt auf einer Bewegungsbahn des Roboters ergreift, um den Roboter zu dem festen Objekt hin oder von ihm weg zu bewegen.
Robotersystem gemäß Anspruch 2, wobei ein vorstehender Körper mit einer vorbestimmten Form als festes Objekt entlang der Bewegungsbahn des Roboters installiert ist.
Robotersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, des Weiteren umfassend eine Überkopfkamera zur Erfassung einer Position des Roboters .
Robotersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Sensor zur Erfassung einer Position des Roboters entlang einer Bewegungsbahn des Roboters installiert ist.
Robotersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Roboter mit einem Sensor zur Erfassung einer Position ausgestattet ist.
Robotersystem gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei die Steuervorrichtung basierend auf einer Haltungsänderung und einer Verschiebung einer Bewegungszielposition in Bezug auf eine aktuelle Position des Roboters eine Koordinatentransformationsmatrix von einem ersten Roboterkoordinatensystem mit einer aktuellen Position des Roboters als Ursprung zu einem zweiten Roboterkoordinatensystem mit der Bewegungszielposition als Ursprung berechnet, eine Handbewegungstrajektorie von einer Handposition der Hand , die das feste Objekt ergreift, zu einer Position berechnet, die durch Multiplizieren der Handposition der Hand , die das feste Objekt ergreift, mit einer inversen Matrix der Koordinatentransformationsmatrix erhalten wird, und den Manipulator gemäß der Handbewegungstrajektorie steuert, um den Roboter von der aktuellen Position zu der Bewegungszielposition zu bewegen.
Robotersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, des Weiteren umfassend einen Führungsmechanismus , der zur Führung der Bewegung des Roboters installiert ist.
Robotersystem gemäß Anspruch 8, wobei der Führungsmechanismus eine entlang einer Bewegungsbahn des Roboters verlegte Führungsstange und einen in die Führungsstange eingesetzten Schieber umfasst, und der Roboter oder der freie Wagen lösbar an dem Schieber befestigt ist.
Robotersystem gemäß Anspruch 1, wobei der Roboter auf einer Bewegungsbahn des Roboters auf ein festes Objekt zu oder von diesem weg bewegt wird, indem der Manipulator mit einem Teil des Manipulators gegen das feste Objekt gedrückt wird.
Roboterbewegungs-Steuerapparat zum Steuern der Bewegung eines Roboters , umfassend einen freien Wagen , einen an dem freien Wagen befestigten Manipulator und eine an einem distalen Ende des Manipulators angebrachte Hand , wobei der Roboterbewegungs-Steuerapparat umfasst: Mittel zum Berechnen einer ersten Koordinatentransformationsmatrix (T1) zum Transformieren einer Position und einer Haltung in einem Weltkoordinatensystem in eine Position und eine Haltung in einem ersten Roboterkoordinatensystem mit einer aktuellen Position des Roboters als Ursprung, basierend auf einer Position und Drehwinkeln um Achsen des ersten Roboterkoordinatensystems in Bezug auf das Weltkoordinatensystem; Mittel, um durch die erste Koordinatentransformationsmatrix (T1) eine Greifposition, an der die Hand einen festen Gegenstand auf einer Bewegungsbahn des Roboters ergreift, in eine im ersten Roboterkoordinatensystem ausgedrückte Greifposition zu transformieren; Mittel zum Berechnen einer zweiten Koordinatentransformationsmatrix (T2) von dem ersten Roboterkoordinatensystem zu einem zweiten Roboterkoordinatensystem, das die Bewegungszielposition als Ursprung aufweist, basierend auf einer Haltungsänderung und einer Verschiebung der Bewegungszielposition in Bezug auf die aktuelle Position des Roboters ; Mittel zum Berechnen einer Handbewegungstrajektorie von der im ersten Roboterkoordinatensystem ausgedrückten Greifposition zu einer Position, die durch Multiplizieren der im ersten Roboterkoordinatensystem ausgedrückten Greifposition mit einer inversen Matrix der zweiten Koordinatentransformationsmatrix (T2) erhalten wird; und eine Steuereinheit zur Steuerung des Manipulators gemäß der Handbewegungstrajektorie, um den Roboter von der aktuellen Position zur Bewegungszielposition zu bewegen.