JP2009028818A - ロボットシステム - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットシステムにおいて、移動中に発生する部品の滑り・回転を検出して把持対象とする部品を決定することで、部品の滑り・回転に起因する把持失敗を防ぎ、把持手段や部品の破損も防ぐ。
【解決手段】ロボットシステム１は、一つの処理工程から次の処理工程へと部品を搬送する搬送手段１１と、搬送手段１１により搬送中の部品を撮像することにより部品位置を計測する位置計測手段１３と、部品位置に基づいて部品を把持する把持手段１７を有したロボット１０と、を備え、さらに、部品の移動速度を算出する部品速度算出部１４と、部品の移動速度から部品の移動状態を検出する部品状態検出部１５と、部品の移動状態に基づいて把持対象とする部品を決定する把持部品決定部１６と、をさらに備えた。これにより、部品の滑り・回転などの部品の移動状態に起因する把持失敗を防ぐことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、搬送中の部品を把持する把持手段を有したロボットシステムに関して、把持の失敗の防止を図る技術に関する。

搬送手段のコンベヤ上を移動する部品を撮像し、部品の移動に同期して把持手段のロボットハンドの位置を制御して移動部品を把持する方法、いわゆるコンベヤトラッキングがある。

しかし、部品の形状、材質や、コンベヤとの接触状態などにより、滑り・回転などが発生する場合があり、かかる場合、把持手段が部品を把持する際に、撮像から予測された位置・姿勢に部品がないので、把持に失敗することがあり、場合によれば、把持手段と部品が衝突して、把持手段または部品が破損するおそれがある。

これを防ぐために、例えば、特許文献１に示されるトラッキングシステムがある。このトラッキングシステムは、コンベヤで搬送中の部品が、撮像により計測した位置から把持位置まで搬送されるまでの間に部品がコンベヤに対して動かないようにすべく、コンベヤの表面に、滑り止め用の多数の粘着性の突起を設けた滑り止め部材を取り付けている。

また、特許文献２に示されるトラッキングシステムがあり、コンベヤの表面に、粘着性物質を取り付けている。

しかし、上記のトラッキングシステムは、コンベヤの表面に前記滑り止め部材または前記粘着性物質をコンベヤに取り付ける必要があり、コストが高くなるという問題がある。また、粘着性物質を用いた場合は、コンベヤの表面にゴミの付着などによってメンテナンスが頻繁に必要になるという問題がある。
特開平１０−１３９１４６公報 特開平１０−１３９１４７公報

本発明は上記従来の問題を解決するためになされたものであり、移動中に発生する部品の滑り・回転を検出して把持対象とする部品を決定することで、部品の滑り・回転に起因する把持失敗を防ぎ、把持手段や部品の破損も防ぎ、安定した処理ができるロボットシステムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、一つの処理工程から次の処理工程へと部品を搬送する搬送手段と、前記搬送手段により搬送中の部品を撮像することにより追跡して部品位置を計測する位置計測手段と、前記部品位置に基づいて部品を把持する把持手段を有したロボットと、を備えるロボットシステムであって、前記部品位置の時間変化から部品の移動速度を算出する部品速度算出部と、前記部品の移動速度に基づいて部品の移動状態を検出する部品状態検出部と、前記部品の移動状態に基づいて把持対象とする部品を決定する把持部品決定部をと、をさらに備えたことを特徴とするものである。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載のロボットシステムにおいて、前記搬送手段の搬送速度を取得する搬送速度取得部を備え、前記把持部品決定部は、前記搬送速度と前記部品の移動速度が略同一となる部品を把持対象と決定することを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明は、請求項２記載のロボットシステムにおいて、前記搬送速度取得部は、前記部品の移動速度を統計処理して搬送速度を取得することを特徴とするものである。

請求項４に記載の発明は、請求項１記載のロボットシステムにおいて、前記把持部品決定部は、部品の移動速度が時間変化しない部品を把持対象と決定することを特徴とするものである。

請求項５に記載の発明は、請求項４記載のロボットシステムにおいて、前記把持部品決定部は、部品の移動速度が略０である部品を優先して把持対象と決定することを特徴とするものである。

請求項６に記載の発明は、請求項１記載のロボットシステムにおいて、前記把持部品決定部は、複数の部品が互いに接触する可能性が高いと判断されるとき、把持対象から外すことを特徴とするものである。

請求項７に記載の発明は、請求項１記載のロボットシステムにおいて、前記搬送手段の搬送速度を取得する搬送速度取得部を備え、前記把持部品決定部は、前記部品の移動速度と前記搬送速度との差の絶対値が大きいものから優先的に把持対象と決定することを特徴とするものである。

請求項１の発明によれば、搬送手段により搬送中の部品の移動状態に基づいて把持対象とする部品を決定するので、部品の滑り・回転などの部品の移動状態に起因する把持失敗を防ぎ、把持手段や部品の破損も防ぐことができる。

請求項２の発明によれば、搬送手段の搬送速度と部品の移動速度が略同一となる部品を把持対象に決定する。そのため、搬送手段上で滑りや固渋が生じていない通常の移動状態の部品を把持対象とする部品に決定するので、部品の移動状態に起因する把持失敗を防ぎ、把持手段や部品の破損も防ぐことができる。

請求項３の発明によれば、通常は、部品は搬送手段上と同じ移動速度で移動しているものが多いので、部品の移動速度を統計処理して、例えば、部品の移動速度の中央値または最頻値などを求めれば、搬送速度を算出できる。よって、特別な装置を追加することなく、搬送装置の搬送速度を算出できる。

請求項４の発明によれば、部品の移動速度が時間変化しない部品は位置の予測ができるので、把持対象として決定することができ、それによって、部品の移動状態に起因する把持失敗を防ぎ、把持手段や部品の破損も防ぐことができる。

請求項５の発明によれば、部品の移動速度が略０である部品は、搬送手段に引っ掛かったものであり、部品の搬送の妨げになる場合が多いため、かかる部品を優先して把持対象と決定することにより安定した処理を行うことができる。

請求項６の発明によれば、複数の部品が接触する可能性が高い場合には、把持対象から外すことにより、複数の部品間の接触を防ぎ、複数の部品間の相互間隔を把持可能な値以上に保ち、把持の安定性を向上することができる。

請求項７の発明によれば、複数の部品間の速度差が大きいと部品間の接触の可能性が高くなるが、搬送速度との相対速度が大きい部品を優先的に把持して処理することにより安定した処理を行うことができる。

以下、本発明の第１の実施形態に係るロボットシステムについて図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係るロボットシステムの構成図を示す。部品Ｗは、搬送手段１１の上に配置される。部品Ｗは、ロボットシステムにおける搬送対象物のことで、ワークと呼ばれることもある。搬送手段１１としては、コンベヤが一般的に用いられる。搬送手段１１のコンベヤ面は一定の搬送速度で移動し、部品Ｗは、搬送手段１１の表面との摩擦力によって移動し、搬送される。このようなコンベヤ面上を流れる部品の移動は部品の流れと呼ばれることもある。

位置計測手段１３は撮像手段１２を有し、搬送中の部品Ｗは、撮像手段１２によって撮像される。撮像された画像は、位置計測手段１３により画像処理され、部品位置が計測される。一定時間間隔で算出した同一部品の部品位置から部品速度算出部１４によって部品Ｗの移動速度が算出される。部品の移動速度は部品状態検出部１５に入力される。部品の移動は、並進だけでなく回転も含む場合があり、かかる場合には移動速度は並進速度に限定されない。部品状態検出部１５は、部品の移動速度を含む移動状態を検出する。把持部品決定部１６は、部品の移動状態に基づいて把持対象の部品を決定する。ロボット１０は、決定された把持対象の部品を把持手段１７で把持し、把持した部品に所定の処理を行う。

次に、本発明の第２の実施形態に係るロボットシステムについて図２を参照して説明する。図２は、部品の移動状態を説明する平面図である。撮像手段１２が撮像範囲の画像を撮像する。図２において、搬送手段のコンベヤ面が搬送速度Ｖで移動している。部品Ｗ上の点Ｐは、部品Ｗの特徴点を示す。特徴点Ｐとしては、例えば、部品Ｗの重心座標や部品端点などが用いられる。特徴点Ｐを求める手段としては、画像処理のテンプレートパターンマッチングやエッジ抽出などの方法を用いることができる。時間△ｔ間隔で撮像された画像をもとに特徴点Ｐの位置のベクトル変化量と部品Ｗの回転角変化量△θが求められる。

図２において、時刻０（ｓ）から一定時間△ｔ（ｓ）後に部品Ｗ１、部品Ｗ２、部品Ｗ３の位置が移動している。ｓは時間の単位である秒である。図２のＣに示す部品Ｗ３の移動は、通常の状態であり、部品とコンベア面との摩擦力によって搬送速度Ｖと同期してＶ・△ｔの距離をコンベヤ搬送方向に移動している。しかし、コンベヤ面の表面状態や部品の形状・重さによっては、十分な摩擦力が得られず、図２のＡに示す部品Ｗ１の移動のように部品Ｗの移動速度が搬送速度Ｖと異なったり、図２のＢに示す部品Ｗ２の移動のように部品角度が変化したり、また、ＡとＢが複合的に発生したりという、部品の滑りの状態が発生することがある。

通常のコンベヤトラッキングでは、部品は滑らず、コンベヤの搬送速度と部品の移動速度は同じであり、そのような前提で部品の把持が行われる。しかし、現実的には部品が滑ることはあり得、滑った部品を把持しようとすると把持に失敗する。そのような把持の失敗を防ぐために、滑っている移動状態を検出された部品は把持対象としない把持部品の決定を行う。図２のＣの場合は、部品の移動速度がコンベヤの搬送速度Ｖと同じなので把持対象と決定する。図２のＡの場合は、部品の移動速度がコンベヤの搬送速度Ｖよりも遅いので把持対象としない。図２のＢの場合は、時間△ｔに部品の角度が△θ変化しており把持対象としない。

なお、部品の移動速度と比較するコンベヤの搬送速度Ｖは、様々な方法、例えば、以下の方法で算出できる。コンベヤにエンコーダを設け、そのエンコーダを用いてパルスカウンタで算出する方法、コンベヤに目印となるマーカを取り付け、そのマーカの移動量を撮像手段１２を用いて追跡して算出する方法、事前にコンベヤの搬送速度を計測し、搬送速度は変化しないと仮定する方法などがある。

次に、本発明の第３の実施形態に係るロボットシステムについて図面を参照して説明する。図３に撮像手段１２が撮像した画像を例示する。撮像手段１２は、一定時間△ｔ（ｓ）ごとに搬送手段１１であるコンベヤ上の部品を撮像している。図３では、９つの部品Ｗ１〜９が撮像範囲に入っている。図４は、時間△ｔ（ｓ）間におけるそれぞれの部品Ｗの変位ベクトル（△ｘ，△ｙ，△ｔ）を横軸△ｘ、縦軸△ｙの平面にプロットしたグラフである。部品Ｗの変位ベクトル（△ｘ，△ｙ，△ｔ）は、流れベクトルと呼ばれることもある。図４（ａ）に示すように、部品Ｗの変位ベクトルは、グラフ上のある位置で最頻値（０，Ｖ，△ｔ）をとり、そのＶが搬送速度として算出される。なお、これは算出方法をグラフで説明したものであり、もちろん本発明の搬送速度取得部はグラフをプロットすることを必要とせず、直接に統計処理により前記の最頻値を計算して搬送速度Ｖを算出できる。統計処理としては、最頻値の代わりに中央値または平均値とすることも可能である。

もし撮像範囲内に十分な数の部品が入らなかったり、図４（ｂ）のように部品の変位ベクトルが分散してしまったりした場合には、部品が全体的に滑っていることになるため、正しい搬送速度を算出することができない。統計的に部品の移動速度の分散を計算し、分散がある閾値以上になるときは、部品の変位ベクトルのばらつきが大き過ぎるとして今回△ｔでは搬送速度を算出することはせず、次回の計測で搬送速度を算出するか、前回の搬送速度を使用する。

次に、本発明の第４の実施形態に係るロボットシステムについて説明する。図５は本実施形態に係る搬送手段上の部品の移動を説明する平面図である。搬送手段であるコンベヤ上を移動する部品Ｗの変位ベクトル・姿勢を時系列的に計測し、部品の位置変化・姿勢変化が一定量であるときは、把持部品決定部は部品Ｗが把持対象と決定する。図５に示す例では、一定時間△ｔ（ｓ）ごとに部品Ｗの位置と姿勢すなわち移動状態を検出している。図５のＡは、部品Ｗの移動速度に変化がなく、非滑り状態のため把持対象と決定する。Ｂは、滑り状態であるが、部品の速度が時系列的に変化していないため、動きが予測できるので把持対象と決定する。Ｃは部品の速度が時系列的に変化しており、Ｄは部品Ｗの姿勢変化量が時系列的に変化しているため、ともにこの後の部品Ｗの位置または姿勢が予測できないため把持対象としない。また、Ｅの場合は、部品Ｗの回転と並進移動が同時に起こるため、部品Ｗの回転中心の並進移動量を考慮する必要がある。よって、ＡからＤのような時間的な２区間ではなく、３区間の変化に基づいて決定する。まず、部品の回転中心を求めるために、時刻０から△ｔでの変位量と△ｔから２・△ｔでの変位量が同一になる部品上の点を求める。次に、この点の変位量が２・△ｔから３・△ｔにおいても前記変位量と同じであって、かつ、０から３・△ｔの間の各区間で部品が一定角度θずつ回転しているならば把持対象と決定する。

次に、本発明の第５の実施形態に係るロボットシステムについて説明する。図６は、本実施形態に係る搬送手段上の部品の移動を説明する平面図である。図６の上段は、部品Ｗが搬送速度Ｖに同期して移動していることを示す。図６の中段と下段には移動速度が略０の部品を示す。部品Ｗの移動速度が略０であるということは、何らかの原因で部品が固渋している状態である。そのような状態の部品を放置すると、コンベヤ上で部品詰まりが発生し、ロボットシステムの設備が正常に稼動できない状態となる。これを防ぐために、コンベヤ上で部品Ｗの移動速度が略０であることを検知した場合には、優先的にその部品を把持することによって、コンベヤ上を正常な状態にする。

次に、本発明の第６の実施形態に係るロボットシステムについて説明する。図７は本実施形態に係る搬送手段１１上の部品Ｗの移動を説明する平面図である。図７の上段に示すように搬送手段１１であるコンベヤ上の部品Ｗは、適当な相互間隔を空けて移動しており、部品相互間隔をＬとする。このとき、部品の滑りの影響で先行する部品の移動速度Ｖ’よりも後方の部品の移動速度Ｖが速い場合には、位置計測手段１３が部品位置を計測してからロボット１０の把持手段１７が部品を把持する時間△Ｔまでに、先行の部品に後方の部品が追いつき、図７の下段のように部品同士が接触する可能性がある。部品同士が接触した場合には、コンベヤ上での摩擦モードが変化するため、部品の移動速度や姿勢が変化する可能性があり、その後の部品の動きが予測できず、部品の把持を失敗する可能性がある。また、把持手段１７が平行チャックなどで部品を把持する場合、部品が隣の部品と接触するとチャックの爪を挿入する間隔がなくなるため、把持することができない。よって、部品の移動速度と姿勢変化量が一定な部品であっても、前記の時間△Ｔ内に部品同士が接触する可能性があるほど部品相互間隔Ｌが小さい、すなわちＬ＜△Ｔ＊（Ｖ−Ｖ’）である場合には、その前後の部品を把持対象から外す処理を行う。なお、△Ｔはロボットに把持指令が行われた部品位置と把持手段１７の目標到達位置との相対的位置関係（距離）に基づいて事前に算出したものを把持部品決定部１６に記憶しておく。また、部品の滑りによって部品の移動速度Ｖ’が時系列的に変動している部品については、その後、滑り量が増大する可能性を考慮し、Ｖ’＝０として前後の部品を把持対象とするかを決定する。

次に、本発明の第７の実施形態に係るロボットシステムについて説明する。図８は本実施形態に係る搬送手段１１上の部品Ｗの移動を説明する平面図である。部品Ｗがコンベヤ上を移動する際に滑りが発生したために、様々な速度Ｖ１〜Ｖ５で部品Ｗが移動している場合を図８の上段に示す。ここでは、コンベヤが斜めに設置されているなどの理由で、部品Ｗの移動速度が加速する方向の滑りも考慮している。図８の上段の全ての部品Ｗが把持対象であったとして、それぞれの部品Ｗの移動速度Ｖからコンベヤの搬送速度を引いた部品相対速度Ｖ’を考え、この部品相対速度が大きな部品は隣の部品と接触する可能性が高い。そこで、隣の部品と接触するまでの時間を、例えば図８の下段のＬ１２についてＴ１２＝Ｌ１２／（Ｖ１’−Ｖ２’）の式で算出する。Ｌ１２は、上流から１番目の部品と２番目の部品の相互間隔である。この算出を同様に各部品相互間隔Ｌ２３、Ｌ３４、Ｌ４５についても行う。このようにして算出されたＴが所定の閾値すなわちロボット１０の動作範囲内を部品が通過する間に前後の部品同士が接触するまでの時間以上の場合は、特に優先順位を設けず、先行している部品すなわち下流の部品から順に把持する。これは、無理に上流の部品を先に把持すると下流の部品がロボット１０の動作範囲外に出てしまい、設備稼働率が低下するためである。

さらに、前記のＴが閾値以下でかつ最もＴが小さくなる間隔の前後の部品のうち、部品相対速度の絶対値の大きい方の部品を優先して把持する。例えば、算出の結果、ロボット動作範囲内で図８の上流から４番目と５番目の部品が接触する可能性があり、かつ、Ｔ４５が一番小さくなったとすれば、Ｖ４’よりもＶ５’のほうが絶対値が大きいため優先的に把持するのは、上流から５番目の部品となる。ただし、前記第６の実施形態より、Ｔ１２、Ｔ２３、Ｔ３４、Ｔ４５の値はロボット１０が部品を把持するまでにかかる時間△Ｔより大きな値である必要がある。

なお、本発明は、上記各実施形態の構成に限られず、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、搬送手段１１は、一般的なコンベヤに限定されるものではなく、搬送手段１１の表面が楕円振動をし、前記搬送手段表面と部品との摩擦力によって部品が搬送されるものであってもよい。また、部品が搬送手段１１によって一つの処理工程から次の処理工程に搬送されるが、前記処理工程は、その処理内容が限定されるものではなく、例えば、部品の組立加工などの処理や物流におけるピッキングの処理でもいい。

本発明の第１の実施形態に係るロボットシステムの構成図。 第２の実施形態に係るロボットシステムにおける部品の移動状態を説明する平面図。 第３の実施形態に係るロボットシステムにおける搬送手段上の部品を撮像した画像を示す図。 同上における部品の変位ベクトルをプロットした図。 第４の実施形態に係るロボットシステムにおける搬送手段上の部品の移動を説明する平面図。 第５の実施形態に係るロボットシステムにおける搬送手段上の部品の移動を説明する平面図。 第６の実施形態に係るロボットシステムにおける搬送手段上の部品の移動を説明する平面図。 第７の実施形態に係るロボットシステムにおける搬送手段上の部品の移動を説明する平面図。

符号の説明

１ ロボットシステム
１０ ロボット
１１ 搬送手段
１２ 撮像手段
１３ 位置計測手段
１４ 部品速度算出部
１５ 部品状態検出部
１６ 把持部品決定部
Ｗ 部品
Ｐ 特徴点

Claims (7)

1. 一つの処理工程から次の処理工程へと部品を搬送する搬送手段と、
   前記搬送手段により搬送中の部品を撮像することにより追跡して部品位置を計測する位置計測手段と、
   前記部品位置に基づいて部品を把持する把持手段を有したロボットと、を備えるロボットシステムであって、
   前記部品位置の時間変化から部品の移動速度を算出する部品速度算出部と、
   前記部品の移動速度に基づいて部品の移動状態を検出する部品状態検出部と、
   前記部品の移動状態に基づいて把持対象とする部品を決定する把持部品決定部と、をさらに備えたことを特徴とするロボットシステム。
2. 前記搬送手段の搬送速度を取得する搬送速度取得部を備え、
   前記把持部品決定部は、前記搬送速度と前記部品の移動速度が略同一となる部品を把持対象と決定することを特徴とする請求項１記載のロボットシステム。
3. 前記搬送速度取得部は、前記部品の移動速度を統計処理して搬送速度を取得することを特徴とする請求項２記載のロボットシステム。
4. 前記把持部品決定部は、部品の移動速度が時間変化しない部品を把持対象と決定することを特徴とする請求項１記載のロボットシステム。
5. 前記把持部品決定部は、部品の移動速度が略０である部品を優先して把持対象と決定することを特徴とする請求項４記載のロボットシステム。
6. 前記把持部品決定部は、複数の部品が互いに接触する可能性が高いと判断されるとき、把持対象から外すことを特徴とする請求項１記載のロボットシステム。
7. 前記搬送手段の搬送速度を取得する搬送速度取得部を備え、
   前記把持部品決定部は、前記部品の移動速度と前記搬送速度との差の絶対値が大きいものから優先的に把持対象と決定することを特徴とする請求項１記載のロボットシステム。

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