JP2012066321A - ロボットシステムおよびロボット組立システム - Google Patents

Abstract

【課題】
三次元計測装置を用いて複数種類の部品を把持するのに適したロボットシステムを提供する。
【解決手段】
所定の計測領域の三次元情報を計測する三次元計測装置と、前記三次元情報から対象物の位置姿勢を求める位置姿勢認識装置と、鉛直な第１軸を旋回軸として固定ベースに水平旋回可能に取り付けられた旋回ヘッドによりアームを水平旋回させ、アームの先端に取り付けられた前記対象物を把持するツールの先端の動作領域が前記第１軸を回転軸とする回転体領域である垂直多関節ロボットと、から構成されるロボットシステムであって、動作領域内に第１軸を中心とした一定の角度ごとに複数の作業領域を設定し、ツールが一の作業領域に存在する場合に、前記計測領域が他の作業領域を包含する位置にて前記三次元計測装置の計測部を前記旋回ヘッドに固定する。
【選択図】 図２

Description

この発明は、三次元計測した対象物を把持するロボットシステムおよび当該ロボットシステムを利用して複数の部品を組み立てるロボット組立システムに関する。

従来、例えばコンテナ内にバラ積みされた部品を、ロボット装置に設けられた把持手段にてフレキシブルにピッキングするときには、多くの場合、画像処理手法を用いて複数の認識対象物体の３次元位置・姿勢計測を行い、その把持手段にてピッキングする方法が採用されている。

例えば、図１０に概略構成図を示した特許文献１に記載の従来技術では、認識対象物体Ｂ、Ｂ…の３次元位置・姿勢計測のための２つの異なる画像を取り込む撮像部２０３、２０３が、それぞれが２つの異なる位置に固定されている。撮像部２０３、２０３で複数の認識対象物体Ｂ、Ｂ…を撮像し、直線検出方法にハフ変換、及びステレオ３次元計測にエリアベースのステレオマッチング方法により１つの物体Ａを特定し、物体Ａをロボット２１２の把持手段２１３にてピッキングする。

また、図１１に概略構成図を示した特許文献２に記載の従来技術では、ワークに接近して高精度な画像を取得するため、今回取り出すワークをロボット３０１の手先部に三次元視覚センサ３０４を設け、３次元視覚センサ３０４による測定結果に基づいて干渉可能性チェックを経て、ワーク取出しを行う。

特開２０００−３０４５０９号公報 特開２００４−１８８５６２号公報

特許文献１に記載の技術では、カメラをパレットの上方に固定して部品を撮像するため、ロボットとカメラとの接触を避けるため、カメラをロボットの可動範囲の外に設置することとなる。そのため、カメラと部品との距離に応じた高倍率のレンズや明るい照明が必要となる。なお、三次元計測にレーザーセンサ等を用いる場合でも、計測部と部品との距離が大きくなると測定精度が悪化することとなるが、上記と同様で計測部をロボットの可動範囲外に設置する必要があることから、ロボットの可動範囲との関係から測定精度を向上させることができない。

また、特許文献２に記載の技術では、ロボットの手先部に取り付けたカメラにてパレット内の部品の画像を取得するためのロボットの動作が必要になり、ピッキングに要する作業時間が長くなる。

そこで、本願発明は、三次元計測装置を用いて高精度に部品の位置・姿勢を把握し、確実に部品を把持するのに適したロボットシステムを提供することが目的である。

上記課題を解決するため、本発明のロボットシステムは、計測部にて計測領域の三次元情報を計測する三次元計測装置と、前記三次元情報から対象物の位置姿勢を求める位置姿勢認識装置と、鉛直な第１軸を旋回軸として固定ベースに水平旋回可能に取り付けられた旋回ヘッドによりアームを水平旋回させ、アームの先端に取り付けられた前記対象物を把持するツールの先端の動作領域が前記第１軸を回転軸とする回転体領域である垂直多関節ロボットと、から構成されるロボットシステムにおいて、前記三次元計測装置の計測部を、前記計測領域の全部または一部が前記動作領域内に包含される位置であって、かつ、前記旋回ヘッドを基準とした前記ツールの先端の動作領域である第１基準領域と前記旋回ヘッドを基準とした前記三次元計測装置の前記計測領域である第２基準領域とが前記第１軸を回転中心とした周方向に離隔する位置に、計測部固定アームを介して前記旋回ヘッドに固定したこと、を特徴とする。

さらに、本発明に係るロボット組立システムは、前記ロボットシステムにおいて、前記複数の作業領域には部品を供給する部品供給部と前記部品を組み付ける部品組付部とを設け、一の部品供給部に前記ツールが位置する時に、前記計測領域に包含される作業領域に次に組み付ける部品の部品供給部を配置したこと、を特徴とする。

本発明によれば、三次元計測装置の計測部とロボットのアームとが干渉しないので計測部と対象物との距離を任意に設定する事が可能であり、高精度に対象物の位置・姿勢が認識でき、ロボットのツールにて対象物を確実に把持できる。

ロボットシステムの概略装置構成図 ロボットシステムの概略構成を示す平面図 ロボットシステムの概略構成を示す正面図 垂直多関節ロボット１００の関節記号表示図 第１の実施形態におけるロボットシステムの第１の状態図 第１の実施形態におけるロボットシステムの第２の状態図 第１の実施形態におけるロボットシステムの第３の状態図 ロボット組立システムの概略構成図 ロボット組立システムの動作フロー図 特許文献１に記載の従来技術のロボットシステムの概略構成図 特許文献２に記載の従来技術のロボットシステムの概略構成図

本発明に係るロボットシステムの第１の実施形態について、図を用いて説明する。
図１は、ロボットシステムの概略装置構成図である。ロボットシステムは、三次元計測装置１０、位置認識装置２０、ロボット制御装置３０、垂直多関節ロボット１００とから構成されている。

図２はロボットシステムの概略構成を示す平面図、図３はロボットシステムの概略構成を示す正面図である。なお、図２、３には三次元計測装置１０の一部、位置姿勢認識装置２０、ロボット制御装置３０は図示していない。また、図４は、垂直多関節ロボット１００の関節記号表示である。

図２、図３、図４において、垂直多関節ロボット１００は、固定ベース１１０、旋回ヘッド１２０、上腕アーム１３０、前腕アーム１４０、手首１５０、ツール１６０から構成されている。さらに、前腕アーム１４０は、前腕アーム基部１４１と前腕アーム回転部１４５から構成されている。

垂直多関節ロボット１００は、固定ベース１１０により床等に固定されている。旋回ヘッド１２０は、固定ベース１１０を貫通する鉛直な第１軸１２１を旋回軸として、固定ベース１１０に対して旋回可能に取り付けられている。つまり、旋回ヘッド１２０を、水平旋回させることで、上腕アーム１３０からツール１６０までのアーム全体を水平旋回させることができる。

上腕アーム１３０は、旋回ヘッド１２０を貫通する水平な第２軸１３１を回転軸として、旋回ヘッド１２０に対して回動可能に取り付けられている。前腕アーム基部１４１は、上腕アーム１３０の先端を貫通する第２軸１３１と平行な第３軸１４２を回転軸として、上腕アーム１３０に回動可能に取り付けられている。さらに、前腕アーム回転部１４５は、第３軸１４２に垂直な軸であって前腕アーム１４０の長手方向の第４軸１４６を回転軸として、前腕アーム基部１４１に対して回転可能に取り付けられている。

手首１５０は、第４軸１４６に垂直な第５軸１５１を回転軸として、前腕アーム回転部１４５の先端に回動可能に取り付けられている。さらに、手首１５０の先端は第５軸１５１に垂直な第６軸１５２を回転軸として、回転可能に取り付けられている。ツール１６０は、手首１５０の先端に固定されている。

つまり、垂直多関節ロボット１００は６自由度を有しており、ツール先端の動作領域は、第１軸１２１を回転中心とした回転体形状となる。例えば、図３において、旋回ヘッド１２０を停止させた状態におけるツール１６０の先端が移動可能な領域を１８１とすると、図２における第１軸１２１を回転中心とした領域１８１を断面とした回転体形状の領域がツール先端の動作領域１８０となる。なお、図３において領域１８１は、第４軸１４６により紙面の垂直方向にも領域を持った空間領域である。ここで、領域１８１は旋回ヘッド１２０に対して相対的に移動しない領域である。ここで、領域１８１は旋回ヘッド１２０を基準としたツール１６０の先端の動作領域である第１基準領域となる。

動作領域１８０には、第１軸１２１を中心として、一定の角度ごとに複数の作業領域を設定する。図２においては、９０度ごとに４つの第１作業領域１８２、第２作業領域１８３、第３作業領域１８４、第４作業領域１８５を設定している。なお、作業領域は９０度ごとである必要はなく、例えば、７２度ごとに５つの作業領域を設定しても、６０度ごとに６つの作業領域を設定しても、１２０度ごとに３つの作業領域を設定しても良い。さらに、３６０度全てを作業領域に設定する必要はなく、例えば、４５度ごとに６つの作業領域を設定しても良いし、１２０度で２つの作業領域のみを設定しても良い。なおさらに、動作領域１８０内に設定されれば作業領域の形状は任意の形状および大きさを持った領域であっても良い。いずれにしても、設定される作業領域が一定の角度で設定されていれば良い。

三次元計測装置１０の一部である計測部１１は、計測部固定アーム１７０により旋回ヘッド１２０に固定されている。よって、計測領域１２は旋回ヘッド１２０に対して相対的に移動しない領域である。ここで、計測領域１２は旋回ヘッド１２０を基準とした計測領域である第２基準領域となる。計測部１１は、第２基準領域である計測領域１２の一部または全部が動作領域１８０に含まれるように固定されている。さらに、計測部１１は、旋回ヘッド１２０を基準としたツール１６０の先端の動作領域である第１基準領域と、第２基準領域とが、第１軸１２１を回転中心とした周方向に離隔する位置に、計測部固定アームを介して前記旋回ヘッドに固定されている。図２に示した第１の実施形態においては、第１基準領域である領域１８１と第２基準領域である計測領域１２とが、第１軸１２１を中心に９０度回転した場所に位置している。
なお、図２に示す第１の実施形態においては、さらに、計測部１１は、垂直多関節ロボット１００のツール１６０が一の作業領域に位置している時に、計測領域１２が他の作業領域に位置するように固定されている。もちろん、図２に示す第１の実施形態とは異なり、垂直多関節ロボット１００のツール１６０が一の作業領域に位置している時に、計測領域１２が他の作業領域に位置するように固定しなくても良い。例えば、図２の平面図において第１基準領域である領域１８１と第２基準領域である計測領域１２とが、第１軸１２１を中心に６０度回転した場所に位置しても良い。このような構成としても、第１基準領域と第２基準領域の重複部分がないため、計測部１１を動作領域１８０内に設定することができる。

三次元計測装置１０は、例えばステレオカメラを用いた三次元計測装置を用いることができる。係る場合においては、計測部１１はステレオカメラとなる。なお、ステレオカメラを用いる場合には、撮像時に計測領域１２を照らす図示していない照明装置も計測部固定アーム１７０に固定されている。よって、旋回ヘッド１２０が旋回してもステレオカメラと照明装置は計測部固定アーム１７０と共に旋回するため、ステレオカメラと照明装置の位置関係は固定されている。

なお、三次元計測装置１０は、ステレオカメラを用いた物に限定される事はなく、計測領域の三次元情報を計測できる物であれば公知の三次元計測装置を用いることができる。もちろんレーザーセンサを用いた三次元計測装置でも良い。

ロボットシステムをＸＹＺ軸からなる直交座標系で表すこととし、第１軸１２１がＺ軸と平行であるとすれば、ＸＹ平面上においては旋回ヘッド１２０に対して、上腕アーム１３０・前腕アーム１４０と計測部１１とは第１軸１２１を中心として作業領域の設定角度と同じ角度で固定されている。

例えば、図２の場合には、上腕アーム１３０・前腕アーム１４０・ツール１６０が第１作業領域１８２にある時に、計測領域１２が隣接する第２作業領域１８３の一部を包含するように計測部１１が旋回ヘッド１２０に固定されている。また、７２度ごとに５つの作業領域を設定した場合には、上腕アーム１３０・前腕アーム１４０と計測部１１とが第１軸１２１を中心に７２度の角度で固定すれば良い。

図２のように作業領域を決定し、計測部１１を固定した場合において、上腕アーム１３０・前腕アーム１４０・ツール１６０が第２作業領域１８３にある場合の状態を図５、上腕アーム１３０・前腕アーム１４０・ツール１６０が第３作業領域１８４にある場合の状態を図６、上腕アーム１３０・前腕アーム１４０・ツール１６０が第４作業領域１８５にある場合の状態を図７に示す。つまり、垂直多関節ロボット１００において、旋回ヘッド１２０を基準とすれば、上腕１３０と前腕１４０の可動方向と計測部固定アーム１７０の取り付け方向は相対的に変化しない。

次に、前記ロボットシステムを用いたロボット組立システムにより、動作について説明する。なお、前記のロボットシステムを部品組み立てに適用したものであるので、共通する部分は説明を省略する。

図８はロボット組立システムの概略構成図である。ロボットの動作領域１８０には、図２と同様に９０度づつ第１作業領域１８２、第２作業領域１８３、第３作業領域１８４、第４作業領域１８５が設定されている。第１作業領域１８２には第１部品４２が入った第１パレット４１が、第２作業領域１８３には第２部品４４が入った第２パレット４３が、第３作業領域１８４には第３部品４６が入った第３パレット４５が、設置されている。さらに、第４作業領域１８５には、部品４２・部品４４・部品４６が組み付けられる第４部品５１が固定された組立パレット５０が設置されている。

図９は、ロボット組立システムの動作フロー図である。以下、この動作フローに基づいて説明する。
ロボットシステムは、第１ステップＳ１として、旋回ヘッド１２０を旋回移動させ、計測領域１２が第１パレット４１を包含する位置に計測部１１を移動させる。

第２ステップＳ２は、三次元計測装置１０が計測部１１から計測データを取得し、第１パレット４１上にある第１部品４２の三次元計測を行う。なお、第１パレットに第１部品４２は複数存在する。

第３ステップＳ３は、位置姿勢認識装置２０が三次元計測装置１０から第１部品４２の三次元計測データを受け取る。位置姿勢認識装置２０は、１つの第１部品４２を選択し、選択された第１部品４２の位置と姿勢を演算する。

第４ステップＳ４は、ロボット制御装置３０が位置姿勢認識装置２０から選択された第１部品４２の位置姿勢情報を受け取る。ロボット制御装置３０は、この位置姿勢情報に基づいて垂直多関節ロボット１００を制御し、ツール１６０にて選択された第１部品４２を把持する動作を行う。さらに、第１部品４２を把持する動作中に計測領域１２が第２パレット４３を包含する状態となるので、三次元計測装置１０にて計測部１１から計測データを取得し、第２パレット４３上にある第２部品４４の三次元計測を行う。なお、第２パレット４３に第２部品４４は複数存在する。

第５ステップＳ５は、ロボット制御装置３０により垂直多関節ロボット１００を制御し、把持した第１部品４２を第４作業領域１８５に搬送し、第５部品５１に組み付ける。
第６ステップＳ６は、位置姿勢認識装置２０が三次元計測装置１０から第２部品４４の三次元計測データを受け取る。位置姿勢認識装置２０は、１つの第２部品４４を選択し、選択された第２部品４４の位置と姿勢を演算する。

第７ステップは、ロボット制御装置３０が位置姿勢認識装置２０から選択された第２部品４４の位置姿勢情報を受け取る。ロボット制御装置３０は、この位置姿勢情報に基づいて垂直多関節ロボット１００を制御し、ツール１６０にて選択された第２部品４４を把持する動作を行う。さらに、第２部品４４を把持する動作中に計測領域１２が第３パレット４５を包含する状態となるので、三次元計測装置１０にて計測部１１から計測データを取得し、第３パレット４５上にある第３部品４６の三次元計測を行う。なお、第３パレット４５に第３部品４６は複数存在する。

第８ステップは、ロボット制御装置３０により垂直多関節ロボット１００を制御し、把持した第２部品４４を第４作業領域１８５に搬送し、第５部品５１に組み付ける。
第９ステップは、位置姿勢認識装置２０が三次元計測装置１０から第３部品４６の三次元計測データを受け取る。位置姿勢認識装置２０は、１つの第３部品４６を選択し、選択された第３部品４６の位置と姿勢を演算する。

第１０ステップは、ロボット制御装置３０により垂直多関節ロボット１００を制御し、把持した第３部品４６を第４作業領域１８５に搬送し、第５部品５１に組み付ける。さらに、第５部品５１への組付動作中に計測領域１２が第１パレット４１を包含する状態となるので、三次元計測装置１０にて計測部１１から計測データを取得し、第１パレット４１上にある第１部品４２の三次元計測を行う。

第１１ステップにて、更に組立を行うか否か判断し、続ける場合には第３ステップに戻って部品の組立を継続し、組立を行わない場合には終了する。
なお、上記実施形態においては、旋回ヘッド１２０に対して、上腕アーム１３０・前腕アーム１４０と計測部１１とは、ＸＹ平面において第１軸１２１を中心として作業領域の設定角度と同じ角度としている。しかし、分割数を奇数として動作領域１８０を均等に分割した作業領域を設定した場合には、上腕アーム１３０・前腕アーム１４０と計測部１１とは、ＸＹ平面において第１軸１２１を中心として作業領域の設定角度の整数倍の角度とすることができる。

例えば、作業領域の設定角度を７２度として５つの作業領域を設定した場合には、上腕アーム１３０・前腕アーム１４０と計測部１１とを第１軸１２１を中心として１４４度とすることができる。具体的には、５つの作業領域を時計回りに第１作業領域から第５作業領域とすれば、第１作業領域に上腕アーム１３０・前腕アーム１４０が存在するときには第３作業領域を計測部１１にて計測可能であり、第３作業領域に上腕アーム１３０・前腕アーム１４０が存在するときには第５作業領域を計測部１１にて計測可能であり、第５作業領域に上腕アーム１３０・前腕アーム１４０が存在するときには第２作業領域を計測部１１にて計測可能であり、第２作業領域に上腕アーム１３０・前腕アーム１４０が存在するときには第４作業領域を計測部１１にて計測可能となる。

本発明に係る実施形態では、上腕アーム１３０・前腕アーム１４０と計測部１１とを第１軸１２１を中心として所定の角度を有するように旋回ヘッド１２０へ取り付けたことで、各アーム（上腕アーム・前腕アーム）と計測部１１の干渉がなくなり、計測部１１をロボットの動作領域内に設けることが可能となった。さらに、計測部１１をロボットの動作領域内に設けることが可能となったため、部品を供給するパレットと計測部１１との距離を自由に選択することができ、三次元計測装置１０による部品の三次元計測精度が向上する。

ロボットの動作領域に複数の作業領域を設定し、ロボットの各アーム（上腕アーム・前腕アーム）が動作する領域と計測部１１の計測領域とを異なる作業領域とすることで、例えば、一の作業領域でピッキング動作をしている時に他の作業領域にある部品の三次元計測が可能となり、ロボットシステム全体の作業時間を短縮できる。

さらに、部品を供給するパレットが複数ある場合でも、計測部１１が各パレットの上方を移動することで、部品パレット毎に計測部１１を設ける必要がなく、設備価格を低減できる。

また、山積み部品を撮像する際、部品の一部が他の部品に隠されているため、部品相互の位置関係が判別できない場合、旋回ヘッドを移動させて僅かに計測部を移動して計測基準点を変え、部品相互の関係を確認することが可能になる。

さらに、ロボットの各アーム（上腕アーム・前腕アーム）が照明の光を遮ることがなく、照明の配置に気を使うことなく、安定した画像を取得することができる。

１０ 三次元計測装置
１１ 計測部
２０ 位置姿勢認識装置
３０ ロボット制御装置
１００ 垂直多関節ロボット
１８０ 動作領域

Claims (7)

1. 計測部にて計測領域の三次元情報を計測する三次元計測装置と、
   前記三次元情報から対象物の位置姿勢を求める位置姿勢認識装置と、
   鉛直な第１軸を旋回軸として固定ベースに水平旋回可能に取り付けられた旋回ヘッドによりアームを水平旋回させ、アームの先端に取り付けられた前記対象物を把持するツールの先端の動作領域が前記第１軸を回転軸とする回転体領域である垂直多関節ロボットと、
   から構成されるロボットシステムにおいて、
   前記三次元計測装置の計測部を、前記計測領域の全部または一部が前記動作領域内に包含される位置であって、かつ、前記旋回ヘッドを基準とした前記ツールの先端の動作領域である第１基準領域と前記旋回ヘッドを基準とした前記三次元計測装置の前記計測領域である第２基準領域とが前記第１軸を回転中心とした周方向に離隔する位置に、計測部固定アームを介して前記旋回ヘッドに固定したこと、を特徴とするロボットシステム。
2. 前記計測部を前記動作領域内に固定することを特徴とする請求項１に記載のロボットシステム。
3. 前記計測部をカメラとし、
   前記計測部固定アームに、前記カメラの計測領域を照らす照明装置を固定したこと、
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載のロボットシステム。
4. 前記動作領域に複数の作業領域を設定するに際し、
   一の前記作業領域に前記第１基準領域の一部または全部が包含される場合に、他の作業領域に前記第２基準領域の一部または全部が包含されるように作業領域を設定すること、を特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のロボットシステム。
5. 前記垂直多関節ロボットのアームは、
   前記旋回ヘッドに前記第１軸と垂直である第２軸を回転軸として回動可能に取り付けられた上腕アームと、
   前記上腕アームの先端に前記第２軸と平行である第３軸を回転軸として回動可能に取り付けられた前腕アーム基部と、
   前記第３軸と垂直であり、かつ、前記前腕アーム基部の長手方向と一致する軸を第４軸とし、前記前腕アーム基部に前記第４軸を回転軸として回転可能に取り付けられた前腕アーム回転部と、
   前記前腕アーム回転部の先端に取り付けられ、前記第４軸と垂直である第５軸を回転軸として回動可能で、かつ、前記第５軸と垂直である第６軸を回転軸として回転可能な手首と、
   を備えて構成されたことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のロボットシステム。
6. 請求項４または５に記載のロボットシステムにおいて、
   前記複数の作業領域には部品を供給する部品供給部と前記部品を組み付ける部品組付部とを設け、一の部品供給部に前記ツールが位置する時に、前記計測領域に包含される作業領域に次に組み付ける部品の部品供給部を配置したこと、を特徴とするロボット組立システム。
7. 請求項６に記載のロボット組立システムにおいて、
   前記作業領域は、前記第１軸を中心として均等な角度で設定し、
   前記部品組付部に前記ツールが位置する時に、前記計測領域に包含される作業領域に１番目に組み付ける部品の部品供給部を配置したこと、を特徴とするロボット組立システム。

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