JP2009148845A - 小型生産設備 - Google Patents

Abstract

【課題】作業対象に対してその位置や姿勢を正確に認識して作業を行う。
【解決手段】ワークＷの把持等の作業を行う小型生産設備１は、ワークＷを所定の状態に保持するステージ３と、ワークＷの把持等を行う第１マニピュレータ４と、第１マニピュレータ４に取付けられた第１エンドエフェクタ６と、第１エンドエフェクタ６に取付けられた第１カメラ７と、第１カメラ７の画像に基づいてワークＷの姿勢等を認識する認識手段と、認識結果に基づいてワークＷの姿勢等を制御する制御手段とを備え、第１カメラ７は、把持されたワークＷの幅方向の端部を撮像視野に含み、かつ幅方向の端部及びワークＷ前方の所定の範囲を被写界深度に含むように設定されており、認識手段は、第１カメラ７が取得した画像に基づいて、ワークＷ及び作業対象ワークの姿勢等を認識し、制御手段は、認識結果に基づいてワークＷの調整量を決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、画像認識手段を用いて部品等の位置・姿勢等の認識や検出を行い、当該部品の把持、搬送、組立等を行う小型生産設備に関する。

生産設備内において、マニピュレータを用いて被組立部品や部品等の把持、搬送、組立等を行う際には、当該作業の対象となる部品等の対象物の正確な位置や姿勢をマニピュレータに認識させる必要がある。

従来、上記のような位置、姿勢認識には、カメラ等の撮像手段で取得した対象物の画像を用いる方法が広く知られている。特に、組立工程において、エンドエフェクタが把持した対象物を相互に認識する必要がある場合に使用される装置として、カメラがマニピュレータのハンド部分に一体に取付けられた装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−１１５８０号公報

しかしながら、対象物の相互認識に必要とされるカメラの画角や被写界深度等の各種パラメータ
は、エンドエフェクタが把持する対象物の大きさや形状によって異なる。したがって、作業の対象となる対象物の大きさ・形状の範囲を広くしようとしてエンドエフェクタの形状を変更すると、当該カメラでは、一部の対象物について、位置や姿勢が正確に認識できなくなるという問題がある。

また、特許文献１に記載の装置では、エンドエフェクタとカメラとが一体化されているので、作業の対象となる対象物の大きさ・形状や工程が限定されてしまうので、大きさや形状の異なる複数種類の対象物を扱う際に充分に対応できないという問題がある。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、対象物に対してその位置や姿勢を正確に認識して作業を行うことができる小型生産設備を提供することを目的とする。

本発明は、ワークの把持、搬送、及び組立を行う小型生産設備であって、前記ワークが載置されて前記ワークの位置及び姿勢を所定の状態に保持するステージと、前記ワークの把持、搬送、及び組立を行うマニピュレータと、前記マニピュレータに取付けられ、前記ワークを把持するエンドエフェクタと、前記エンドエフェクタに取付けられ、前記エンドエフェクタに把持された前記ワーク及びその前方の画像を撮像する撮像手段と、前記撮像手段の取得した前記画像に基づいて、前記ワークの位置及び姿勢を認識する認識手段と、前記認識手段の認識結果に基づいて、前記ワークの位置及び姿勢を制御する制御手段とを備え、前記撮像手段は、前記エンドエフェクタが把持することができる最大幅のワークを把持した際に、前記ワークの幅方向の端部をその撮像視野に含み、かつ前記幅方向の端部及び前記ワークの前方の所定の範囲を被写界深度に含むように設定されており、前記認識手段は、前記撮像手段が取得した前記ワーク及び前記ワークの前方の作業対象ワークを含む画像に基づいて、前記ワーク及び前記作業対象ワークの位置及び姿勢を認識し、前記制御手段は、前記認識手段の認識結果に基づいて、前記ワークの位置及び姿勢に関する調整量を決定することを特徴とする。

なお、本発明において「ワーク」とは、作業の対象となる対象物を指し、単独の部品、及び複数の部品が組み合わされた製品又は半製品を含む。

本発明の小型生産設備によれば、撮像手段がワーク及び作業対象ワークの端部を同一の画像内に取得することによって、認識手段の認識結果に基づく制御手段のワークの調整量の算出が高い精度で行われる。

前記エンドエフェクタは前記複数のマニピュレータに着脱自在に取付けられており、かつ把持するワークの種類に応じて複数設けられており、前記制御手段は、前記ワークの画像に基づいて、前記ワークに適した前記エンドエフェクタを選択して交換するように構成されてもよい。この場合、より汎用性の高い小型生産設備を構成することができる。

本発明の小型生産設備によれば、作業対象に対してその位置や姿勢を正確に認識して作業を行うことができる小型生産設備を提供することができる。

本発明の一実施形態について、図１から図８を参照して説明する。図１は、本実施形態の小型生産設備１を示す斜視図である。
図１に示すように、小型生産設備１は、基台２上に設置されたステージ３と、基台２上に設置されてワークＷの把持、搬送、及び組立を行う第１マニピュレータ４及び第２マニピュレータ５の２つのマニピュレータと、各々のマニピュレータ４、５の先端に取付けられた各々の第１エンドエフェクタ６と、各々の第１エンドエフェクタ６に取付けられた第１カメラ（撮像手段）７（７Ａ、７Ｂ）と、基台２上に設置された交換用の第２エンドエフェクタ８と、基台２及び基台２上の各機構を覆うカバー９とを備えて構成されている。

ステージ３は、図示しない移動機構によって、回転制御可能及び上面３Ａが基台２となす傾斜角度を調節可能に構成されている。ステージ３にはワークＷが載置されて、その向き及び姿勢を各マニピュレータ４、５が把持しやすいように調節した状態で保持する。

各マニピュレータ４、５はいずれも多関節型の公知の構成であり、支持部１０を介して基台２上に設置されている。各マニピュレータ４、５の先端には、同一形状の第１エンドエフェクタ６が着脱自在に取付けられている。

第１エンドエフェクタ６は、各マニピュレータ４、５の先端に取り付けられる装着部６Ａと、装着部６Ａに取付けられてワークＷを把持する把持部６Ｂとを有している。把持部６Ｂは、２つの把持部材からなり、装着部６Ａの長手方向に沿って移動して、把持部材間の間隔をワークＷの寸法に合わせて変化させ、ワークＷを間に挟んで把持する。

第１カメラ７Ａ及び７Ｂは、それぞれ第１マニピュレータ４及び第２マニピュレータ５に取付けられた各々の第１エンドエフェクタ６の装着部６Ａに取付けられている。第１カメラ７Ａ、７Ｂの焦点距離は、各把持部６Ｂの先端位置に対応しており、把持部６Ｂが最大に開いた際の把持部材の内側面がその撮像視野内にとらえられるように設定されている。
なお、第１カメラ７Ａ及び７Ｂの設定については、後述する小型生産設備１の使用時の動作説明において詳述する。

第２エンドエフェクタ８は、第１エンドエフェクタ６と同様に、装着部８Ａ及び把持部８Ｂを有しており、第１エンドエフェクタ６より大きい幅を有するワークＷを把持できるように構成されている。そして、装着部８Ａには、第２カメラ（撮像手段）１１が取付けられている。第２エンドエフェクタ８は、基台２上に配置された収容部１２に収容されている。

カバー９は透明な部材によって形成されており、基台２及び基台２上の各マニピュレータ等の各機構を覆っている。カバー９には図示しない扉が設けられており、ユーザが扉を介して基台２上の諸機構にアクセス可能となっている。

図２は、小型生産設備１の各部のつながりを示すブロック図である。図２に示すように、第１カメラ７Ａ及び７Ｂは、認識手段１３に接続されている。認識手段１３は画像認識プログラム等を有し、各第１カメラ７Ａ、７Ｂが撮像したワークＷ等の画像に基づいて、ワークの端部の位置、ワークの姿勢や大きさ等が認識される。

ステージ３、各マニピュレータ４、５、及び認識手段１３は、小型生産設備１全体の動作制御を行う制御手段１４に接続されている。制御手段１４は、制御プログラム等を有し、接続された各機構の動作制御が可能となっている。また、各マニピュレータ４、５に装着された第１エンドエフェクタ６も、制御手段１４によって動作制御可能となっている。

なお、認識手段１３及び制御手段１４は、小型生産設備１と一体に設けられてもよいし、小型生産設備１に接続されたパソコン等の機器に格納されてもよい。

上記のように構成された小型生産設備１の使用時の動作について、図１から図８を参照して説明する。ここでは、２つのワークＷ１、Ｗ２に対して組立作業を行う例を用いて説明する。

まず、ユーザは、制御手段１４の制御プログラムを設定してから、図１に示すように、カバー９の扉からステージ３上に第１ワーク（ワーク）Ｗ１を供給する。制御手段１４は、当該制御プログラムに基づいて第１マニピュレータ４を操作して、ステージ３上の第１ワークＷ１を第１カメラ７Ａの撮像視野内にとらえる。

制御手段１４は、移動機構（不図示）を介してステージ３を回転させる。その間並行して、認識手段１３は第１カメラ７Ａの画像に基づいて、第１ワークＷ１の把持すべき側面を認識する。その後、制御手段１４は、必要に応じてステージ３を傾けて、第１マニピュレータ４が把持しやすい姿勢に第１ワークＷ１を保持しながら、図３に示すように、第１マニピュレータ４先端の第１エンドエフェクタ６の把持部６Ｂを操作して第１ワークＷ１を把持する。

次に、ユーザは、第１ワークＷ１と同様に、カバー９の扉からステージ３上に第２ワークＷ２を供給する。その後、制御手段１４は、同様の操作で第２マニピュレータ５を操作して、図４に示すように、作業対象の第２ワーク（作業対象ワーク）Ｗ２を把持する。そして、第１ワークＷ１と第２ワークＷ２とを接近させて、組立前の位置及び姿勢の調節を行う。

図５及び図６は、接近された各エンドエフェクタ６、６及び各ワークＷ１、Ｗ２を示す図である。図５に示すように、第１ワークＷ１と第２ワークＷ２は、それぞれ第１エンドエフェクタ６に把持された状態で接近する。そして、第１マニピュレータ４側に取付けられた第１カメラ７Ａによって、各ワークＷ１及びＷ２を含む画像が取得される。

第１カメラ７Ａは把持部６Ｂの先端においてピントが合うように焦点距離が設定されており、かつ把持部６Ｂが最大に開いた際の把持部材の内側面の先端Ｐが、撮像視野Ｒ内に捕らえられるように画角が設定されている。これによって、把持部６Ｂが把持できる最大幅を有するワークを把持した際でも、当該ワークの幅方向（把持部材の移動方向）の端部を第１カメラ７Ａによって撮像することができる。そして、把持部６Ｂが把持できる限りにおいて、ワークがどのような大きさであっても、その幅方向の端部を第１カメラ７Ａによって確実に撮像することができる。

また、第１カメラ７Ａは、把持部６Ｂの先端Ｐにピントを合わせた際に、その被写界深度の後端Ｅが、把持部６Ｂの先端Ｐから、例えば５センチメートル等の所定の距離前方に位置し、第１エンドエフェクタ６に把持された第１ワークＷ１の前方の一定の範囲が被写界深度に含まれるように設定されている。これによって、第１カメラ７Ａが第１ワークＷ１の幅方向の端部を含む画像を取得した際に、同時に第２マニピュレータ５に把持された第２ワークＷ２の幅方向の端部も、ピントのあった状態で同一画像内に取得される。
加えて、図６に角度を変えて示すように、第１カメラ７Ａによって、第１ワークＷ１の第１カメラ７Ａ側の端部や、第２ワークＷ２の高さ方向の端部も、それぞれピントのあった状態で同一画像内に取得される。

第１カメラ７Ａの取得した各ワークＷ１、Ｗ２の画像データは認識手段１３に送られ、公知の方法により上述した各端部の位置及び向きが検出されて、各ワークＷ１、Ｗ２の位置及び姿勢が認識される。そして、認識結果は制御手段１４に送られる。

制御手段１４は、当該認識結果に基づいて、第１ワークＷ１と第２ワークＷ２とが組立作業に適した所定の位置関係となるのに必要な第１ワークＷ１の移動量である調節量を算出する。そして、第１マニピュレータ４側の第１エンドエフェクタ６を介して当該調節量だけ第１ワークＷ１を移動し、第１ワークＷ１及び第２ワークＷ２を所定の位置関係に保持して位置決めを行う。

位置決め終了後、制御手段１４は、各マニピュレータ４、５を操作して、第１ワークＷ１と第２ワークＷ２とを接触させ、組立作業を行う。

図７に示すように、把持しようとするワークＷが、第１エンドエフェクタ６では把持できない大きさや形状であることが第１カメラ７の取得した画像に基づいて認識された場合、制御手段１４は対応するマニピュレータを操作して収容部１２まで移動させ、第１エンドエフェクタ６を第２エンドエフェクタ８に交換する。

図８に示すように、第２エンドエフェクタ８の装着部８Ａには、第１カメラ７と設定の異なる第２カメラ１１が取り付けられている。第２カメラ１１の焦点距離及び被写界深度は、把持部８Ａを基準として、上述した第１カメラ７Ａと同様に設定されているので、上述の操作によって、同様に把持したワークＷの位置決め及び組立作業を行うことができる。

本実施形態の小型生産設備１によれば、第１エンドエフェクタ６及び第２エンドエフェクタ８に取付けられた第１カメラ７及び第２カメラ１１が、取付けられたエンドエフェクタの把持部６Ｂ、８Ｂが把持することができる最大幅のワークを把持した際に、当該ワークの幅方向の端部をその撮像視野に含むように画角が設定されている。なおかつ、当該端部及び当該ワークの前方の所定の範囲を被写界深度に含むように、各カメラ７、１１の焦点距離及び被写界深度の後端位置が設定されている。

したがって、第１マニピュレータ４側の第１エンドエフェクタ６で把持した第１ワークＷ１の端部と、第２マニピュレータ５側に把持された作業対象の第２ワークＷ２の端部とをピントがあった状態で同一画像内に取得することができるため、認識手段１３が、各ワークＷ１、Ｗ２の位置及び姿勢を、同一の画像を基準として認識することができる。よって、制御手段１４が第１ワークＷ１の調節量を正確に算出し、各ワークＷ１、Ｗ２に対して位置決め及び作業を正確に行うことができる。

また、小型生産設備１が、第１エンドエフェクタ６より大きい幅のワークを把持できる第２エンドエフェクタ８を備えているので、より多種類のワークに対応することが可能となり、小型生産設備１の汎用性を向上させることができる。

以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上述の実施形態においては、第２マニピュレータ５に把持された第２ワークＷ２を作業対象とする例を説明したが、本発明はこれには限定されない。一例として、小型生産設備が１つのマニピュレータを備え、ライン上を流れる作業対象ワークの所定位置に把持したワークを搬送し、作業等を行うように構成されてもよい。

また、マニピュレータ及びエンドエフェクタの形状も、上記実施形態における形状に限定されない。例えば、多関節型でなくｘｙｚの直交ロボットを用いてエンドエフェクタを移動させるようにマニピュレータが構成されてもよいし、ワークを吸着する吸着ツールをエンドエフェクタとして使用しても構わない。
さらに、エンドエフェクタの種類も、取り扱うワークに応じて、３種類以上設けられてもよいし、あるいは１種類のみでもよい。

また、上述の実施形態では、第１ワークＷ１と第２ワークＷ２に関し、ステージ３上に供給した第１ワークＷ１を第１エンドエフェクタ６の把持部６Ｂにて把持した後に、当該ステージ３上に第２ワークＷ２を供給して、他のエンドエフェクタ６の把持部６Ｂにて把持する例を説明したが、これに代えて、ステージ３上の離隔した特定位置に第１ワークＷ１及び第２ワークＷ２をそれぞれ供給した後、各々の特定位置において、順次第１ワークＷ１及び第２ワークＷ２を撮像して、順次各エンドエフェクタ６の各把持部６Ｂにて把持するようにしてもよい。

本発明の一実施形態の小型生産設備を示す斜視図である。 同小型生産設備の各部のつながりを示すブロック図である。 同小型生産設備の使用時の動作を示す図である。 同小型生産設備の使用時の動作を示す図である。 同小型生産設備のエンドエフェクタ及びワークを示す拡大図である。 同小型生産設備のエンドエフェクタ及びワークを示す拡大図である。 同小型生産設備の使用時のエンドエフェクタ及びワークを示す図である。 同小型生産設備のエンドエフェクタを交換した状態を示す図である。

符号の説明

１ 小型生産設備
３ ステージ
４ 第１マニピュレータ
６ 第１エンドエフェクタ
７、７Ａ 第１カメラ（撮像手段）
８ 第２エンドエフェクタ（エンドエフェクタ）
１１ 第２カメラ（撮像手段）
１３ 認識手段
１４ 制御手段
Ｗ ワーク
Ｗ１ 第１ワーク
Ｗ２ 第２ワーク（作業対象ワーク）

Claims (2)

1. ワークの把持、搬送、及び組立を行う小型生産設備であって、
   前記ワークが載置されて前記ワークの位置及び姿勢を所定の状態に保持するステージと、
   前記ワークの把持、搬送、及び組立を行うマニピュレータと、
   前記マニピュレータに取付けられ、前記ワークを把持するエンドエフェクタと、
   前記エンドエフェクタに取付けられ、前記エンドエフェクタに把持された前記ワーク及びその前方の画像を撮像する撮像手段と、
   前記撮像手段の取得した前記画像に基づいて、前記ワークの位置及び姿勢を認識する認識手段と、
   前記認識手段の認識結果に基づいて、前記ワークの位置及び姿勢を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記撮像手段は、前記エンドエフェクタが把持することができる最大幅のワークを把持した際に、前記ワークの幅方向の端部をその撮像視野に含み、かつ前記幅方向の端部及び前記ワークの前方の所定の範囲を被写界深度に含むように設定されており、
   前記認識手段は、前記撮像手段が取得した前記ワーク及び前記ワークの前方の作業対象ワークを含む画像に基づいて、前記ワーク及び前記作業対象ワークの位置及び姿勢を認識し、
   前記制御手段は、前記認識手段の認識結果に基づいて、前記ワークの位置及び姿勢に関する調整量を決定することを特徴とする小型生産設備。
2. 前記エンドエフェクタは前記マニピュレータに着脱自在に取付けられており、かつ把持するワークの種類に応じて複数設けられており、
   前記制御手段は、前記ワークの画像に基づいて、前記ワークに適した前記エンドエフェクタを選択して交換することを特徴とする請求項１に記載の小型生産設備。

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