JP2016068233A - 搬送ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】本発明では、人の出入りがある既設の検査室において、搬送中の液体搬送物を低振動で搬送する搬送ロボットを提供することを課題とする。【解決手段】本発明の搬送ロボットは、液体搬送物を搬送するための搬送機構と、搬送中の検体の状態を画像で監視するための画像センサと、画像センサの情報から液体の入った容器や液体自体の振動情報を抽出する手段と、抽出した振動情報をもとに搬送物の振動を抑制する制御手段を備え、搬送中の搬送物の振動を低減した搬送を可能とする。【選択図】図１

Description

本発明は、液体搬送物を低振動で搬送するロボットに関する。

血液や試薬などの液体試料を扱う検査室などでは、検査に必要な各工程の装置をラインで接続して全自動化できる装置を設置する検査室と、各装置を単体で配置し装置間は人手で搬送する検査室がある。装置間をライン接続するためには、大型装置が設置できる専用の広い検査室が必要で、搬送ラインによって通路が分断される。そのため、一般的な中小規模の検査室では、ライン化された装置を設置することは困難であり、単体装置間の搬送を人手で行っている。

近年、中小規模の検査室においても装置間の液体試料の搬送作業の自動化の要望があり、特許文献１のように搬送ステーション間を自律移動ロボットが搬送するシステムがある。

特開２００１-２７８４０９号公報

血液や特定の試薬などの搬送では振動によるダメージや成分の攪拌が発生しないように搬送する必要があり、特許文献１のように、自律移動ロボットが搬送する場合、ロボットの移動範囲の段差や障害物を解消し、ロボット移動中は検査室への人の出入りを制限することで液体搬送物を安定に搬送できる環境を作る必要がある。しかし、中小規模の検査室には様々な検査装置があるため使用者の出入りは多く、またロボットが搬送する専用の検査室の新設や改修はコスト的に難しい。

また、液体搬送物の積み降ろしを行うためのロボットアームは、手先の振動が発生しやすい機構であり、ロボットアームが把持したときの振動が問題となる。

そこで、本発明では、人の出入りがある既設の検査室において、搬送中の液体搬送物の振動を低減し搬送する搬送ロボットを提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明の搬送ロボットは、液体搬送物を搬送するための搬送機構と、搬送中の検体の状態を画像で監視するための画像センサと、画像センサの情報から液体の入った容器やあるいは液体自体の振動情報を抽出する手段と、抽出した振動情報をもとに搬送物の振動を抑制する制御手段を備え、搬送中の液体搬送物を直接観察しながら低振動で搬送を可能とする。

本発明によれば、低振動で液体搬送物を搬送可能な搬送ロボットを提供できる。

第一実施形態の搬送ロボット（積み降ろし時）の模式図である。 第一実施形態の搬送ロボット（搬送時）の模式図である。 搬送物搭載台の模式図（モータ使用）である。 搬送物搭載台の模式図（ピエゾ使用）である。 搬送ロボットの制御ブロック図である。 搬送ロボットの搬送シーケンス図である。 搬送ロボットの搬送物の振動抑制制御シーケンス図である。 搬送ロボットの衝突時シーケンス図である。 第二実施形態の搬送ロボット（搬送時）の模式図である。

以下、本発明の形態を図面に従い説明する。

本発明の第一の実施形態を図１から図８を参照し説明する。

図１は、本発明の第一実施形態の搬送ロボット１０の構成の一例であり、積み降ろし状態の図である。図１において、搬送ロボット１０は、液体試料が入った複数の試験管２０を搭載可能な搬送物搭載台３０と、試験管２０の積み降ろしするための多自由度のロボットアーム４０と、搬送物を把持するためのグリッパ４１と、画像を取得するための画像センサ６０と、ＸＹ平面の任意の位置に移動するための移動台車部５０から構成される。

ロボットアーム４０はＸＹＺの任意の座標に位置決め可能な多軸構成で、各軸にはアクチュエータ（図示せず）とエンコーダ（図示せず）があり、目標の角度に回転可能である。そのため、ロボットアーム４０の先端にあるグリッパ４１を搬送物が把持できる位置に移動可能である。ロボットアーム４０の先端にある画像センサ６０もグリッパ４１同様に、ロボットアーム４０に移動によって任意の位置に移動可能である。また、画像センサは図１のようにグリッパ４１が搬送物を把持した状態においては、搬送物の状態を監視するために使うことができる。また、ロボットアーム４０の手先や搬送物搭載台３０などには加速度センサ（図示せず）を備える。また、グッリパ４１は搬送部を把持可能な手段であれば良く、例えば、真空吸着や磁力等で搬送物を把持する手段でも良い。

ロボットアーム４０や搬送物搭載台３０が搭載された移動台車部５０には、回転型アクチュエータ（図示せず）やバッテリー（図示せず）を搭載しており、台車駆動部５１の駆動によって搬送ロボット１０を移動できる。台車駆動部５１にはサスペンションなどの振動吸収機構（図示せず）などを設けても良い。さらに、移動台車部５０には障害物や人などを検知するためのセンサを備えており、例えば周囲の人を検知するための全周囲型赤外線センサ５１や超音波センサ（図示せず）を複数搭載する。また、全周囲型赤外線センサ５１の部分に表示灯などの発光や点滅するデバイスを備えて、搬送ロボット１０が移動するときに周囲への注意を促しても良い。

搬送ロボット１０は、液体試料の入った試験管２０を搬送するときに、搬送物搭載台３０上に試験管２０を載せて移動する。搬送物搭載台３０の詳細構造は後述するが、搬送物搭載台３０には複数軸の動作が可能な構造であり、試験管２０内の液体の揺れを抑える動作が可能である。

搬送ロボット１０は、外部に置かれた端末（図示せず）と通信する通信手段があり、搬送元や搬送先の位置情報や搬送物の種類や数、移動経路の情報などを取得できる。なお、搬送ロボット１０には、ロボットを制御するための制御基板（図示せず）が搭載されており、制御基板にはＣＰＵが搭載されており、制御基板上のソフトによって自律動作を行う。

以上の構成によれば、搬送ロボット１０は任意の位置に置かれた液体試料の入った試験管２０などの搬送物を回収し、搬送ロボット１０に載せて目的の搬送先まで移動し、搬送物を積み降ろしすることができる。

図２は、本発明の第一実施形態の搬送ロボット１０の構成の一例であり、搬送時の図である。搬送ロボット１０は、搬送物を搬送するときに画像センサ６０を搬送物搭載台３０側に向けて、液体試料の状態を観測するため、ロボットアーム２０の姿勢を変更する。 搬送ロボット１０は、ロボットアーム２０の手先に少なくとも１つのカメラがあれば、搬送物の位置の確認と、積み降ろし時の搬送物の状態、さらに搬送時の搬送物の状態の確認を行うことができる。

図３は、搬送物搭載台３０をモータ２軸で構成した例（以降、搭載台タイプＡ３１と呼称）である。搬送台タイプＡ３１は、搬送台３０１をＸＹそれぞれの軸周りに回転することで、搬送台３０１上の搬送物の揺れを抑えるための機構である。搬送台タイプＡ３１には、Ｘ軸周りの回転を行うためのモータ３０２と、Ｙ軸周りの回転を行うためのモータ３０３があり、それぞれのモータは回転軸３０４と３０５に接続される。また、Ｙ軸回転用のモータ３０３および回転軸３０５は、Ｙ軸固定枠３０６に固定し、Ｘ軸回転用モータ３０２はＹ軸固定枠３０６ごと搬送台３０１を回転することができる。Ｘ軸回転用モータは移動台車５０に固定部３０７で固定される。また、各モータには回転軸が検知できるエンコーダを備え、目的の角度に位置決め可能である。

以上の構成により、搬送台タイプＡ３１は搬送台３０１をＸ軸とＹ軸の回転軸周りに任意の姿勢に制御可能であり、搬送台３０１上の試験管２０などの搬送物も姿勢を制御できる。

図３は、搬送物搭載台３０をピエゾアクチュエータで構成した例（以降、搭載台タイプＢ３２と呼称）である。搬送台タイプＢ３２は、搬送台４０１をＸＹそれぞれの軸周りの回転と、Ｚ方向に移動可能な機構であり、前述の搭載台タイプＡ３１と同様に、搬送台４０１上の搬送物の揺れを抑えるための機構である。搬送台タイプＢ３２は、搬送台４０１の３つ角にピエゾアクチュエータを備えた脚４０２を持ち、１つの角にリニアガイド４０３上に固定された回転ジョイント４０４の固定脚４０５で移動台車５０に固定される。

ピエゾアクチュエータの脚４０２は、ピエゾ素子に電圧を印加することで伸縮することができ、例えばＸ軸方向の回転で搬送台４０１を傾けたい場合、ピエゾアクチュエータの脚４０２ａと４０２ｂを縮め（あるいは伸ばし）、４０２ｃを伸ばせば（あるいは縮めれば）よい。ピエゾアクチュエータの脚４０２を駆動させるとき、固定脚４０５がリニアガイド４０３と回転ジョイント４０４が動作することで無理なく搬送台４０１を傾けることができる。Ｙ軸方向に関しても、前述のＸ軸回転と同様に、ピエゾアクチュエータの脚４０２ａと４０２ｃを同時に伸縮し、４０２ｂを逆方向に伸縮すればよい。

さらに、搬送台タイプＢ３２は３つのピエゾアクチュエータの脚４０２を同時に伸縮することで、搬送台４０１をＺ方向に移動することができる。

以上の構成により、搬送台タイプＢ３２は搬送台４０１をＸ軸とＹ軸の回転軸周りおよびＺ軸方向の任意の姿勢に制御可能であり、搬送台４０１上の試験管２０などの搬送物も姿勢を制御できる。

図５は、搬送ロボット１０の制御ブロック構成の一例である。搬送ロボット１０は、ロボット制御部５０１によって制御され、ロボット制御部５０１内では搬送シーケンス処理部５０２、衝突回避シーケンス処理部５０３、衝突対応シーケンス処理部５０４、通信イベント処理部５０５、異常監視イベント処理部５０６などが実行される。搬送処理シーケンス処理部５０２は、アーム制御部５０７やグリッパ制御部５０８や台車制御部５０９を使って、目的地（搬送元、搬送先）への移動や搬送物の回収と積み降ろしを実行する。また、積み降ろし時や搬送時の搬送物の状態監視では画像処理部５１０から画像センサ情報取得５１１を行い、例えば、エッジ抽出、ヒストグラム伸張、クラスタリング、二値化、パターンマッチング等の画像処理を行い、処理したデータから搬送物の振動情報を抽出する。この振動情報をもとに、搬送物の振動を低減するために搬送物搭載台制御部５１２が搬送物搭載台３０の制御を行う。搬送物の振動情報は、試験管２０のエッジ部分の変位から抽出する方法や、液体の液面の変位から抽出する方法がある。

なお、アーム４０やグリッパ４１、台車５０、搬送物搭載台３０の各制御部は、モータＦＢ制御５１３によって制御部が計算した目標の位置に位置決めを行う。その際にモータの回転角度はエンコーダ情報取得５１４から確認する。

また、衝突回避シーケンス処理部５０３や衝突対応シーケンス処理部５０４においても、搬送シーケンス処理部５０２と同様にアーム制御部５０７や搬送物搭載台制御部５１２を使い、搬送ロボット１０の各部位の制御を行う。

搬送ロボット１０は前述の通り、外部の端末と通信を行い、搬送に関する情報を取得する。この情報取得は通信データ取得５１５で行い、通信イベント処理部５０５が周期的にデータ更新の有無をチェックする。通信イベント処理部５０５は取得したデータに基づき、次の搬送処理を搬送シーケンス処理部５０２に指示する。また、通信イベント処理部５０５は定期的に搬送ロボット１０の情報（搬送の状況やセンサ状態）を外部ＰＣに送信する。

また、搬送ロボット１０は常時周囲の障害物や人の検知を監視用センサ情報取得５１６で行っており、搬送ロボット１０の動作への影響を異常監視イベント処理部５０６で判断する。異常監視イベント処理部５０６で障害物や人からの回避動作が必要な場合は、搬送ロボット１０の搬送シーケンスを中断し、衝突回避シーケンス処理部５０３に指示を送り、衝突回避するための処理を実行する。さらに、衝突により搬送物に影響があることが予想される場合、衝突回避シーケンス処理部５０３をさらに中断し、衝突対応シーケンス部に指示を送り、アーム４０や台車５０の移動を停止し、搬送物搭載台３０の制御による搬送物を保護する制御を行う。

図６は、搬送ロボットの搬送シーケンスの一例である。前述の搬送シーケンス処理部５０２では、搬送物情報の更新（Ｓ６０１）で最新の搬送するものの数や搬送先の情報更新を行い、搬送回収位置への移動（Ｓ６０２）を開始する。搬送物が置いてある位置まで移動すると、搬送指示を受けた搬送物が置いてある位置を画像センサ６０で確認（Ｓ６０３）する。画像センサ６０は前述の通りロボットアーム４０の手先にあり、通信データ取得５１５によって確認した搬送物のある座標付近を画像によって検出する。さらに、搬送物の正確な位置を検出すると、グリッパ４１で搬送物をつかみ（Ｓ６０４）、そのまま搬送台に載せる（Ｓ６０５）。Ｓ６０５の動作では、前述した画像センサ６０から取得した画像データをもとに搬送物の振動を低減するようにロボットアーム４０の制御を行う。以上の搬送物の回収動作を搬送の指示を受けた搬送物の数だけ繰り返す（Ｓ６０６）。

搬送物の回収が完了すると、搬送先までの移動（Ｓ６０７）を開始する。移動中は、ロボットアームの姿勢を変え、搬送物が画像センサで捉えられる位置に移動し、前述した画像センサ６０から取得した画像データをもとに搬送物の振動を低減するように搬送物搭載台３０を制御する。搬送先に移動後は、搬送ロボット１０に搭載した搬送物の位置を確認（Ｓ６０８）し、搬送物をグリッパ４１でつかみ（Ｓ６０９）、搬送先に降ろす（６１０）動作を繰り返す（６１１）。なお、積み降ろし時も画像センサ６０から取得した画像データをもとに搬送物の振動を低減するようにロボットアーム４０の制御を行う。

以上のような搬送シーケンス５０２を作業継続の指示がなくなるまで繰り返す（Ｓ６１２）。

図７は、搬送ロボットの搬送物の振動抑制制御シーケンスの一例である。搬送物の制御シーケンス（７００）は、前述の通り積み降ろし動作（Ｓ６０５）や搬送動作（Ｓ６０７）で実行させる。まず、画像処理部５１０で解析した搬送物の振動抽出（Ｓ７０１）の計算結果から搬送物の振動量が閾値以上かチェック（Ｓ７０２）を行う。閾値以上の振動を検出したときには、搬送時は搬送物搭載台制御５１２、積み降ろし時にはアーム制御５０７で搬送物の振動が低減されるようにアーム４０や搬送物搭載台３０を制御（Ｓ７０３）する。つまり、搬送物の実際の変位を画像処理で抽出し、その変位量をアーム３０や搬送物搭載台３０の制御処理にフィードバックし、搬送物の振動抑制制御を行う。

以上のような処理を搬送あるいは積み降ろし作業が完了するまで繰り返す（Ｓ７０４）。

図８は、搬送ロボットの衝突時シーケンスの一例である。異常監視イベント処理部５０６で検出された異常は、衝突回避シーケンス処理部５０３で再度周囲情報のチェック（Ｓ８０１）を行い、搬送ロボット１０に対する危険有無を判断（Ｓ８０２）する。危険ありと判断された場合、移動台車５０から飛び出しているロボットアーム２０を縮め、さらに移動台車５０の移動方向を危険の原因となっている障害物から遠ざけるように方向転換（Ｓ８０３）する。以上のような危険回避動作を行っても搬送ロボット１０への危険回避が不可能であると判断（Ｓ８０４）した場合には、移動停止（Ｓ８０５）を行い、衝突対応シーケンス処理部５０４へ処理を移行するが、危険回避判断（Ｓ８０４）で回避可能と判断した場合は、復帰動作（Ｓ８０６）を行う。

危険回避判断（Ｓ８０４）で衝突対応シーケンス処理部５０４へ処理を移行されると、搬送物の保護動作（Ｓ８１０）を開始する。保護動作（Ｓ８１０）の詳細は後述する。その後、搬送物の状態を画像センサ６０で確認し、搬送の中断の判断（Ｓ８１１）を行う。搬送物の状態によっては、人が作業の継続を判断するまで搬送ロボット１０を停止する必要がある場合もあるため、中断判断がされた場合は搬送ロボット１０の動作停止（Ｓ８１２）を行う。搬送中断の判断は、例えば搬送物の落下や液体の飛散などの検知がある。また、搬送の中断の判断（Ｓ８１１）で中断が不要だと判断した場合は、復帰動作（Ｓ８１３）により通常の搬送シーケンス５０２に処理を戻し、搬送を再開する。

前述した搬送物保護動作は、例えば、衝突が接近する方向に搬送台（３０１や４０１）を傾けることで内部の液体試料が飛散することを防ぐ。また、加速度センサでＺ方向の振動が検知された場合は、搬送物が搬送台４０１から離れないように搬送台４０１の上昇動作を行い、搬送物への衝撃を低減することもできる。なお、本実施例ではＺ方向への対応は搬送台タイプＢ３２しか行えない構成を記載したが、搬送台タイプＡ３１にＺ方向の自由度を有するアクチュエータを追加することで同様の動作を行える。

以上のように、本発明の検体搬送ロボット１０によれば、ロボットアーム４０の先端にある画像センサ６０で搬送物の状態を直接観測し、搬送中の液体の入った試験管２０などの搬送物の振動を抑制するようにロボットアーム４０や搬送物搭載台３０を制御することで、低振動で搬送および積み降ろしができる。

本実施例では試験管２０を例に説明したが、試験管以外の液体の入った容器にも本発明は有効である。また、ロボットアーム４０が２つ以上ある場合でも実施可能である。

本発明の第二の実施形態について、図９を参照し説明する。

図９は、本発明の第二の実施形態の検体搬送ロボット９００の全体構成の一例である。本実施形態は、第一の実施形態に搬送物のサンプル９０１と、第二の画像センサ９０２とを追加した構成である。

本実施例では、搬送中に搬送物を観測するために用いる画像センサをロボットアーム４０の先端の画像センサ６０とは別に、第二の画像センサ９０２を固定して用いる。また、第二の画像センサ９０２の前には、搬送物のサンプル９０１をあらかじめ設置し、搬送中は搬送物のサンプル９０１の振動を第二の画像センサ９０２で観測し、搬送物搭載台３０の制御を行い、搬送物の振動を低減した搬送を行う。搬送物のサンプル９０１は、実際の搬送物の液体試料の観測が困難である場合に使用し、搬送する液体に近い特性を持った液体を入れておく。搬送物のサンプル９０１は、搬送ロボット９００にあらかじめ複数種類を搭載しておき、搬送前にロボットアーム４０で搬送する液体に近いサンプル９０１を観測位置に移動するようにしても良い。

搬送ロボット９００に第二の画像センサ９０２を追加したことで、搬送中のロボットアーム４０の先端にある画像センサ６０は、搬送ロボット１０の前方あるいは周囲の情報を取得するために用いることができる。画像センサ６０によって得られた画像からは、人の接近や、障害物などの検知を行うことでより安全な搬送を行うことが可能となる。

また、ロボットアーム４０の画像センサ６０を搬送物の別方向からの観測手段として用いても良い。

１０ 搬送ロボット
２０ 試験管
３０ 搬送物搭載台
４０ ロボットアーム
４１ グリッパ
６０ 画像センサ
５１ 台車駆動部
５２ 全周囲型赤外線センサ
３０１ 搬送台
３０２ Ｘ軸回転モータ
３０３ Ｙ軸回転モータ
３０４ Ｘ回転軸
３０５ Ｙ回転軸
３０６ Ｙ軸固定枠
３０７ 固定部
４０１ 搬送台
４０２ ピエゾアクチュエータを備えた脚
４０３ リニアガイド
４０４ 回転ジョイント
４０５ 固定脚
５０１ ロボット制御部
５０２ 搬送シーケンス処理部
５０３ 衝突回避シーケンス処理部
５０４ 衝突対応シーケンス処理部
５０５ 通信イベント処理部
５０６ 異常監視イベント処理部
５０７ アーム制御部
５０８ グリッパ制御部
５０９ 台車制御部
５１０ 画像処理部
５１１ 画像センサ情報取得
５１２ 搬送物搭載台制御部
５１３ モータＦＢ制御
５１４ エンコーダ情報取得
５１５ 通信データ取得
５１６ 監視用センサ情報取得
６０１〜６１２ 搬送シーケンス処理部のシーケンス
７０１〜７０４ 搬送物の振動低減制御処理のシーケンス
８０１〜８１２ 衝突回避処理および衝突対応処理のシーケンス
９００ 搬送ロボット（第２実施例）
９０１ 搬送物のサンプル
９０２ 第二の画像センサ

Claims (5)

1. 液体を収容する搬送容器と,前記搬送容器を保持する容器保持機構と、前記容器を前記容器保持機構に積み降ろしを行うロボットアームと、前記ロボットアームおよび前記容器保持機構を移動させる移動機構と、前記容器を観測する画像センサとを備えた搬送ロボットにおいて、
   前記画像センサで前記搬送容器の振動情報を取得する測定手段を有する
   ことを特徴とする搬送ロボット。
2. 請求項１に記載の前記搬送容器の振動情報をもとに、前記ロボットアームの制御を行う制御手段を有する
   ことを特徴とする搬送ロボット。
3. 請求項１に記載の前記容器保持機構をｘ軸及びｙ軸の水平２軸のそれぞれの軸周りに回転する姿勢調整機構を有し、
   前記画像センサで取得した前記搬送容器の振動情報をもとに、前記姿勢調整機構により前記容器保持機構の姿勢を制御する姿勢制御手段を有する
   ことを特徴とする搬送ロボット。
4. 請求項１に記載の前記容器保持機構を概ね鉛直方向に移動させるＺ軸移動機構を有し、
   前記画像センサで取得した搬送容器の振動情報をもとに、前記Ｚ軸移動機構を移動させるＺ軸移動制御手段を有する
   ことを特徴とする搬送ロボット。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の前記画像センサは，前記ロボットアーム手先に取り付けた把持手段の近傍に設置し，前記搬送容器の積み降ろし時に前記搬送容器を観測し，
   前記搬送ロボット移動時には、前記画像センサで搬送容器を観測できる位置に前記ロボットアームが移動する
   ことを特徴とする搬送ロボット。