JP2011115877A

JP2011115877A - 双腕ロボット

Info

Publication number: JP2011115877A
Application number: JP2009274307A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Ogami; 和訓小上
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2009-12-02
Filing date: 2009-12-02
Publication date: 2011-06-16
Also published as: US8855824B2; US20120197438A1; WO2011068227A1

Abstract

【課題】汎用性が高く複雑な組立作業ができる双腕ロボットを提供する。
【解決手段】第１アーム１は、第１ハンド２と第１視覚センサ３を有し、第１力センサ４を搭載する。第２アーム５は、第２ハンド６と第２視覚センサ７を有し、第２力センサ８を搭載する。各視覚センサ３、７で鏡筒９及び固定筒１０の位置を検出して把持し、中央の組立エリア１３に搬送する。フレキ９ａの位置を第１視覚センサ３で測定し、フレキ９ａを固定筒１０の中に通し、固定筒１０と鏡筒９を、力センサ４、８の出力を用いた力制御で嵌合して組み立てる。各視覚センサによって検出されたワークの位置座標を、ロボット座標に変換して各ハンドの軌道を計算し、各アームを駆動することで、２つのアームの協調動作を実現する。
【選択図】図１

Description

本発明は、それぞれ視覚センサを備えた２本のアームを互いに協調動作させてワークを組み立てる双腕ロボットに関するものである。

ロボットによる組立作業は広く実施されているが、ロボットはあらかじめ位置と姿勢が教示され、その教示に従って繰り返し作業を行うものがほとんどである。近年では、部品同士の嵌合作業といったより高度な作業が求められており、特許文献１に開示されたように、視覚センサによるワーク位置の検出と力センサによる力制御を用いた力制御ロボットシステムが知られている。このシステムは、図４に示すように、ロボット１０１の手先部１０２に取り付けられた力センサ１０３及びハンド１０４、ロボット１０１を制御する制御装置１０５等を有し、ハンド１０４の把持爪で把持された第１の部品１０７を第２の部品１０８に組み付ける。第２の部品１０８は、位置決め装置１０９によって位置決めされ、第１及び第２の部品１０７、１０８の位置及び姿勢を検出する視覚センサ１１０は定盤１１１に固定されている。

このように力制御システムは、第１の部品を把持するハンドと、第１の部品に加わる力を検知する力センサを有するロボットと、第１、第２の部品間の位置関係を得るための画像データを得る視覚センサと、ロボットと視覚センサを制御する制御手段とを備える。制御手段は、ロボットのハンドに把持された第１の部品を第２の部品に接近させ、力センサからの出力に基づく力制御を行いつつ嵌合動作を実行させる嵌合動作実行手段を有する。また、嵌合動作に先立って、視覚センサで得られた画像データに基づいて第１の部品と第２の部品との間の位置関係を表わすワーク位置データを取得し、取得されたワーク位置データに基づいて、ロボットの位置及び姿勢を補正する補正手段を有する。さらに、嵌合動作の終了後に、視覚センサで得られた第１及び第２の部品の画像データを用いて、第１の部品と第２の部品の嵌合状態を表わすデータを取得し、取得された嵌合状態データに基づいて嵌合状態の適否を判別する判別手段を有する。

また、２本のアームを備える双腕ロボットも生産現場に導入され始めており、特許文献２に開示されたように、双腕ロボットによってワークを把持し、把持したワークを高精度で取り付けることができるワーク取付けシステムも知られている。

ＷＯ００９８−０１７４４４号公報特開２００８−１６８４０６号公報

しかしながら上記従来例では、視覚センサが１ヶ所に固定されており、視覚センサの位置が常に同じであるため、以下のような問題点があった。

一方のワークがヒンジによる折り曲げ開閉部やケーブルといった可動部を持ち、その可動部を持ち上げてよける操作をしながら他方のワークを組み付けるといった複雑な動作が困難である。すなわち、一方のワークが持つ可動部の姿勢を操作しつつ、他方のワークを組み付けるなど、２本のアームが互いのワーク位置を認識しながら同時に動作して組み立てる協調動作が困難である。

また、フレキやケーブルなどの柔軟物を組み立てる際、柔軟物をハンドで把持した後も、搬送する際に受ける重力や慣性力などの影響でたわむため、その形状が刻一刻と変化する。高精度な組立を行うためには柔軟物の姿勢変化を視覚センサで監視しなければならないが、固定された視覚センサでは柔軟物の姿勢変化を追従することが困難である。

さらに、ワークの決まった箇所を視覚センサで検出するにはワークの位置を一定に固定するための治具が必要となるため、ワークの種類が変わったりした場合に、治具を作り変える段取り替えが必要になり、時間とコストがかかる。

本発明は、汎用性が高く複雑な作業を効率的に行うことのできる協調動作可能な双腕ロボットを提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するため、本発明の双腕ロボットは、第１ハンド及び第１視覚センサを有する第１アームと、第２ハンド及び第２視覚センサを有する第２アームと、前記第１ハンド及び前記第２ハンドの位置座標を表わすためのロボット座標系と、前記第１アーム及び前記第２アームによるワークの組立作業において、前記第１視覚センサ及び前記第２視覚センサによって検出される前記ワークの位置座標を表わすための視覚センサ座標系と、前記ワークの位置座標を前記視覚センサ座標系から前記ロボット座標系に変換して、前記組立作業のための前記第１ハンド及び前記第２ハンドのそれぞれの軌道を計算する手段と、前記軌道に基づいて、前記第１アーム及び前記第２アームの動作を制御する制御手段と、を有することを特徴とする。

上記構成において、２台のアームはそれぞれの視覚センサをワークに接近させてワークの位置座標を検出することができる。検出したワークの位置座標は視覚センサ座標系からロボット座標系へと変換され、ロボット座標系を基準としてワークを把持するために必要な軌道を計算し、各ハンドでワークを把持する。把持したワークの位置座標を再び視覚センサによって検出することで、第１アームと第２のアームの相対位置を確認する。次に、組立に必要な各ハンドの軌道をそれぞれ計算して各アームの動作を制御する。各アームに視覚センサが設けられているため、２本のアームが互いにワークの位置座標を認識して組立を行うことができる。

また、フレキやケーブルなどの柔軟物を有するワークを組み立てる際は、形状が刻一刻と変化する柔軟物を視覚センサで追従して位置を測定することで、高精度な組立を行うことが可能となる。

一方のアームのハンドでワークの姿勢を保持しつつ、他方のアームの視覚センサでワークの位置座標を検出し、組み付けることができる。そのため、ワークを固定するための治具をワークの種類が変わるたびに替える必要がなく、治具を作り変える段取り換えが必要なくなり時間とコストを低減できる。

一実施例による双腕ロボットを示すもので、（ａ）はその全体を示す斜視図、（ｂ）は座標変換を説明する図である。実施例１に係る動作手順を示すフローチャートである。図１に示す装置の動作を説明するもので、（ａ）は協調動作によりフレキと固定筒の位置を合わせている状況を示す図、（ｂ）はハンドを退避させると同時に、固定筒の中にフレキを通している状況を示す図である。従来例を説明する図である。

本実施例は、図１（ａ）に示すように、カメラのレンズ鏡筒の組立を行う双腕ロボットである。第１アーム１は、第１ハンド２と、第１アーム１の手首部に固定された第１視覚センサ３と、を有し、手首部には第１力センサ４が内蔵（搭載）される。第２アーム５は、第２ハンド６と、第２視覚センサ７と、を有し、手首部には第２力センサ８が内蔵（搭載）される。２台のアーム１、５は、それぞれの動作を制御する制御手段を有し、不図示のコントローラと相互に通信している。

各ハンドの位置（位置座標）を検出する各視覚センサ及び各力センサの出力値データ（出力）は全てコントローラによって共有される。そのデータに基づいて座標変換及び組立作業のための軌道の計算を行うことで、ワークである鏡筒９と固定筒１０の組立作業に必要な協調制御を行う。固定筒供給トレー１１には固定筒１０が配置され、鏡筒供給エリア１２には上端から柔軟軽薄なフレキ９ａが伸びた状態の鏡筒９が配置される。そして、組立エリア１３において、鏡筒９と固定筒１０が組み立てられる。組立後の鏡筒１４は、組立後鏡筒保管エリア１５に配置される。

図１（ｂ）は、第２アーム５、第２ハンド６、第２視覚センサ７によって鏡筒９を把持する工程におけるワークの位置座標であるワーク座標Ｐｗと、視覚センサ座標系Σｖ、ハンド６の位置座標を表わすロボット座標系Σｒの関係を示す図である。第１アーム１、第１ハンド２、第１視覚センサ３についても同様である。

図２のフローチャートに示す協調動作においては、図３（ａ）に示すように、鏡筒９のフレキ９ａの先端の方向と固定筒１０の中心軸の方向を揃えながら互いに接近させる。次いで、図３（ｂ）に示すように、フレキ９ａを固定筒１０に通した後に、第１ハンド２の退避と同時に第２ハンド６を下降させ、固定筒１０の内部にフレキ９ａを通す。

図２のフローチャートに従って本実施例の動作手順を説明する。まず、第１アーム１は、固定筒供給トレー１１付近に移動し、第１視覚センサ３によって固定筒供給トレー１１に並べられた固定筒１０の位置を検出する姿勢をとる。第２アーム５は、鏡筒供給エリア１２付近へ移動し、第２視覚センサ７によって鏡筒９の位置を検出する姿勢をとる（ステップＳ１）。

第１アーム１は、第１視覚センサ３を用いて固定筒１０の把持位置を検出する。ＣＡＤ等によって作成されたワークの形状データがコントローラに記憶されており、第１視覚センサ３を用いて固定筒１０のエッジを検出した際に、その形状データを照会することで円の中心点の位置をワーク座標として算出する。そのワーク座標とハンドの相対距離からアームが動く距離を計算し、各アームを把持位置へ移動させる。

各アームの動作を制御するために、変換手段を用いてワーク座標の座標変換を行い、視覚センサ座標系からロボット座標系に変換する。ここでは、固定筒１０のワーク座標である固定筒座標と、鏡筒９のワーク座標である鏡筒座標に対してそれぞれ座標変換を行う。同様に、第２アーム５は第２視覚センサ７を用いて鏡筒９の位置を検出し、第２アーム５を把持位置へ移動させる（ステップＳ２）。

ワークの把持位置は予めコントローラに記憶されており、ステップＳ２で検出したワーク座標から把持位置を算出して把持する。第１ハンド２は固定筒１０を、第２ハンド６は鏡筒９をそれぞれ把持する（ステップＳ３）。

第１アーム１は組立エリア１３の上空で固定筒１０を把持した状態で待機する。第２アーム５は鏡筒９を組立エリア面上に配置する。把持した鏡筒９の姿勢が組立エリア面上に垂直になるように維持しながら鏡筒９を下降させる。鏡筒９の底面と組立エリア面上の距離が近くなると下降速度を落として接地させる。鏡筒９の底面と組立エリア面上の距離は第２アーム５の移動距離から算出する。鏡筒９の底面が地面に接すると第２力センサ８の出力値が増大する。その出力値が閾値を越えることで鏡筒９が組立エリア面上に配置されたということを検出し、第２ハンド６による鏡筒９の把持を解除する（ステップＳ４）。

第１アーム１は第２アーム５が把持しやすい位置に固定筒１０の姿勢を維持する。第２アーム５は第１ハンド２が把持する固定筒１０の位置を第２視覚センサ７で検出する（ステップＳ５）。

ステップＳ５で検出した第１ハンド１が把持する固定筒１０を第２ハンド６で把持する。第２ハンド６による固定筒１０の把持が完了後、第１ハンド２による把持を解除する。固定筒１０の受け渡し作業の間、第１力センサ４と第２力センサ８の出力値を監視することで、固定筒１０に過度の力が加わることで破壊されないように力制御を行う（ステップＳ６）。

鏡筒９の配置位置はステップＳ４で第２アーム５が配置した位置となることから既知であり、そこから鏡筒９の姿勢とフレキ９ａの位置を推測して第１視覚センサ３で撮影する。フレキ９ａは薄く柔軟であるために姿勢が容易に変化する。そのために、一度第１視覚センサ３で撮影してフレキ９ａの位置が高精度に検出できない場合は、検出したエッジからフレキ９ａの正面位置を推測し、フレキ９ａが正面になるように撮影角度を変化させ、再度撮影を行いフレキ９ａの先端の位置を高精度に検出する。同時に、第２ハンド６で把持した固定筒１０の位置を第２視覚センサ７で検出する（ステップＳ７）。

次に、第１ハンド２でフレキ９ａを把持する。第２アーム５は把持した固定筒１０を鏡筒９上部へ移動させる（ステップＳ８）。

第１ハンド２によって把持されたフレキ９ａは、把持によって姿勢が変形して第１視覚センサ３を用いて正面から撮影することができなくなる。そのために、第２視覚センサ７を用いてフレキ９ａを正面から撮影して位置を検出する。ステップＳ７で検出した固定筒１０の位置とフレキ９ａの位置から、コントローラの計算手段によって、固定筒１０の中心軸とフレキ９ａの先端部の方向が揃い、フレキ９ａを固定筒１０の中へ通すための軌道を計算する。生成した軌道に従って第１アーム１と第２アーム５を同時に動作させ、図３（ａ）に示すように、フレキ９ａの先端の方向と固定筒１０の中心軸の方向を揃えながら互いに接近させてフレキ９ａの先端部を固定筒１０の中央に通す（ステップＳ９）。

次に、第１ハンド２によるフレキ９ａの把持を解除し、第１ハンド２を固定筒１０と鏡筒９の間から退避させる。退避と同時にフレキ９ａは、自らの弾性と重力の影響で元の形状に戻ろうとし、固定筒１０の中から逃げようとする。第１ハンド２の退避と同時にフレキ９ａが固定筒１０の外側に逃げないように、フレキ９ａの先頭部と固定筒１０の中心軸を合わせつつ第２ハンド６を下降させて、図３（ｂ）に示すように固定筒１０の内部にフレキ９ａを通す（ステップＳ１０）。

退避させた第１ハンド２で鏡筒９を把持して姿勢を保持する。次に、第１視覚センサ３を用いて鏡筒９の中心軸の位置を検出し、第２視覚センサ７を用いて固定筒１０の中心軸を検出する。それぞれの中心軸が一致するように固定筒１０と鏡筒９を互いに組み付ける。このとき、第１アーム１は第１力センサ４の出力値から鏡筒９に加わる力を測定し、第２アーム５は第２力センサ８の出力値から固定筒１０に加わる力を測定する。それぞれの力センサの出力値を用いて組立の軌道を補正することで、力制御を行いながら固定筒１０と鏡筒９を互いに嵌合させることができる（ステップＳ１１）。

第２力センサ８からの出力値が閾値を越えたら嵌合組立完了とする。第１視覚センサ３を用いて側面から鏡筒９を撮影して嵌合組立完了を確認する。組立後の鏡筒１４は、第２アーム５によって組立後鏡筒保管エリア１５へ搬送される（ステップＳ１２）。搬送後、ステップＳ１に戻り再び各アームをワーク供給位置へ移動させて次の組立を開始する。ステップＳ７からステップＳ１１までは、第１アーム１と第２アーム５が協調動作を行う。

フレキ９ａの先端の方向と固定筒１０の中心軸の方向を揃えながら互いに接近させフレキ９ａを固定筒１０に通した後に、第１ハンド２の退避と同時に第２ハンド６を下降させることで、固定筒１０の内部にフレキ９ａを通すことができる。薄く柔軟なフレキ９ａは容易にその形状が変形するためにロボットによる組立が困難であったが、本実施例の双腕ロボットによる協調動作によってそれが可能となる。

フレキ９ａを第１ハンド２で把持した後、把持によって姿勢が変わり第１視覚センサ３でフレキ９ａを正面から撮影できなくなっても、第２視覚センサ７でフレキ９ａを正面から撮影して位置を高精度に検出することができる。

このように、一方の視覚センサで検出することができない位置や姿勢にあるワークでも、他方の視覚センサを動作させることによって撮影して位置を高精度に検出することができるため、高精度な組立が可能となる。

第１視覚センサ３を用いて鏡筒９の中心軸の位置を検出し、第２視覚センサ７を用いて固定筒１０の中心軸を検出する。それぞれの中心軸が一致するように固定筒１０と鏡筒９を互いに組み付ける。このとき、第１アーム１は第１力センサ４の出力値から鏡筒９に加わる力を測定し、第２アーム５は第２力センサ８の出力値から固定筒１０に加わる力を測定する。それぞれの力センサの出力値を用いてアームの軌道を補正することで、力制御を行いながら固定筒１０と鏡筒９を互いに嵌合させて取り付けることができる。よって、ワークを固定する治具が無くても高精度なワークの嵌合を実現することができる。

なお、本実施例では、視覚センサをアームの手首部に備える構成であるが、ハンド部に備える構成でも同様の効果を得ることができる。

１第１アーム
２第１ハンド
３第１視覚センサ
４第１力センサ
５第２アーム
６第２ハンド
７第２視覚センサ
８第２力センサ
９、１４鏡筒
９ａフレキ
１０固定筒
１１固定筒供給トレー
１２鏡筒供給トレー

Claims

第１ハンド及び第１視覚センサを有する第１アームと、
第２ハンド及び第２視覚センサを有する第２アームと、
前記第１ハンド及び前記第２ハンドの位置座標を表わすためのロボット座標系と、
前記第１アーム及び前記第２アームによるワークの組立作業において、前記第１視覚センサ及び前記第２視覚センサによって検出される前記ワークの位置座標を表わすための視覚センサ座標系と、
前記ワークの位置座標を前記視覚センサ座標系から前記ロボット座標系に変換して、前記組立作業のための前記第１ハンド及び前記第２ハンドのそれぞれの軌道を計算する手段と、
前記軌道に基づいて、前記第１アーム及び前記第２アームの動作を制御する制御手段と、を有することを特徴とする双腕ロボット。
前記第１アームに搭載された第１力センサと、
前記第２アームに搭載された第２力センサと、を有し、
前記制御手段は、前記第１力センサ及び前記第２力センサの出力に基づいて前記軌道を補正することを特徴とする請求項１に記載の双腕ロボット。