JP2018094641A - 移動ロボットの干渉領域設定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安価かつ少ない手間で、移動ロボットの座標系上に障害物との干渉領域を設定する装置を提供する。
【解決手段】干渉領域設定装置４０は、移動ロボット１２の作業領域内にある障害物の、基準座標系４２上の形状、位置及び姿勢を障害物形状モデルとして記憶する形状モデル記憶部４４と、撮像装置２４により撮像された、作業領域内の定位置にある形状的特徴物４６の画像を解析し、ロボット座標系４８における基準座標系４２の位置及び姿勢を算出する位置姿勢算出部５０と、ロボット座標系４８における基準座標系４２の位置姿勢と記憶された障害物形状モデルとから、ロボット座標系４８における障害物の存在する領域である干渉領域を設定する干渉領域設定部５２とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、移動ロボットに対して干渉領域を設定する干渉領域設定装置に関する。

移動可能な台車に搭載されたロボット、又は自走機構を備えたロボット（いわゆる移動ロボット）を使用する場合、該ロボットの作業環境の位置を検出して作業を行う技術が知られている。これに関する従来技術例として、特許文献１には、自走可能な走行部と、該走行部に搭載されたロボットアーム部とを有する自走式ロボットの位置および姿勢の補正方法であって、走行経路上の所定の位置で、前記走行部の設定された位置および姿勢からの誤差を第１の誤差として検出し、該第１の誤差を補正するように前記走行部の動作を制御する工程と、前記ロボットアーム部が作業対象物に対して作業を行う前記走行経路上の所定の作業位置で、前記ロボットアーム部の設定された位置および姿勢からの誤差を第２の誤差として検出し、該第２の誤差を補正するように前記ロボットアーム部の動作を制御する工程と、を有する、自走式ロボットの位置および姿勢の補正方法が記載されている。

一方、移動ロボットが到達し得る作業領域内に周辺機器等の障害物が存在する場合に、該障害物と移動ロボットとの干渉の有無を判断するための技術も提案されている。例えば特許文献２には、移動体と障害物のそれぞれの形状を複数の物体要素で近似し、それぞれの物体要素の間を干渉チェックして前記移動体と前記障害物との間の衝突の有無を判定する移動体の衝突判定方法において、干渉チェックを行う今回の前記移動体の位置・姿勢で該移動体と前記障害物との間の衝突判定をする際、前回の前記移動体の位置・姿勢で得られた衝突判定結果と、少なくとも距離を含む衝突判定に必要なデータとにより衝突の可能性の高い順にそれぞれの物体要素を組合せ、干渉チェックの実行手順を決定する、移動体の衝突判定方法が記載されている。

また特許文献３には、ロボットのアームの形状モデルを記憶する手段と、前記ロボットについて与えられた位置姿勢情報と前記ロボットのアームの形状モデルとに基づき、前記ロボットのアームが前記位置姿勢情報に対応する位置姿勢をとった場合に、該ロボットのアームが占有する領域を求める占有領域算出手段と、ロボット動作プログラムから読み込んだ移動指令に基づいて、前記ロボットのアームが取るべき位置姿勢に対応する位置姿勢情報を逐次求め、前記占有領域算出手段に受け渡す受け渡し手段と、前記占有領域算出手段から今回受取った占有領域を、前回更新記憶された総占有領域に集合算的に加算して新たな総占有領域として更新記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶されている総占有領域を表示する機能を有する表示手段とを備えたロボットの干渉領域確認装置が記載されている。

さらに特許文献４には、ロボットの周囲を撮像することにより、距離情報と色情報とを含む前記ロボットの周囲の領域のカメラ画像を取得する３Ｄカメラと、前記カメラ画像に基づき前記ロボットの周囲の３次元空間に等間隔に配置される複数の点列からなる３Ｄマップを生成する３Ｄマップ生成部であって、各々の前記点列は前記カメラ画像に含まれる前記色情報を有する３Ｄマップ生成部と、前記ロボットおよび前記ロボットの周囲の障害物の少なくとも一方の色であり、前記ロボットと前記障害物とを区別可能な色を設定する色設定部と、前記３Ｄマップ生成部により生成された前記３Ｄマップから前記色設定部で設定された色に対応する色情報を有する点列を検索する色検索部と、前記色検索部で検索された前記点列の位置データであって、前記カメラ画像の前記距離情報によって得られる位置データに基づき干渉領域を設定する干渉領域設定部と、を備えるロボットの干渉領域設定装置が記載されている。

特開２０１０−１６２６３５号公報 特公平０８−００５０２８号公報 特開２００５−０８１４４５号公報 特開２０１６−０７８１７４号公報

移動ロボットと障害物との干渉領域を求めるための手段として、該障害物の形状モデルをロボット座標系上の位置と関連付けて設定・記録する作業が挙げられるが、移動ロボットを移動させた場合、移動後のロボットに対する障害物の形状モデルの位置を改めて設定する必要がある。この設定を手動で行う場合、ロボットを移動させる度に相当の手間がかかり、移動ロボットの利便性を欠いてしまう。一方、３Ｄカメラを使用すれば上記設定を自動で行うことができるが、３Ｄカメラ（特に、対象物の色情報も検出できる３Ｄカラーカメラ）は高価であり、コスト面で不利である。

本開示の一態様は、移動可能な走行部と、該走行部に搭載されたロボット機構部と、該ロボット機構部の周囲の画像を取得するように構成された撮像装置とを備えた移動ロボットに対して干渉領域を設定する干渉領域設定装置であって、前記移動ロボットの作業領域内にある障害物の、前記作業領域の基準となる基準座標系上の形状、位置及び姿勢を障害物形状モデルとして記憶する形状モデル記憶部と、前記撮像装置により撮像された、前記作業領域内の定位置にある形状的特徴物の画像を解析し、前記移動ロボットの基準となるロボット座標系における前記基準座標系の位置及び姿勢を算出する位置姿勢算出部と、前記ロボット座標系における前記基準座標系の位置姿勢と前記障害物形状モデルとから、前記ロボット座標系における障害物の存在する領域である干渉領域を設定する干渉領域設定部と、を備える干渉領域設定装置である。

本開示の一態様によれば、安価かつ簡易な構成で、移動ロボットを移動させた後の干渉領域を、実用に十分な精度で設定することができる。

本発明の好適な実施形態に係る干渉領域設定装置が適用可能なシステムの一例を示す図である。 本発明の好適な実施形態に係る干渉領域設定装置の機能ブロック図である。 図２の干渉領域設定装置における表示機能の一例を説明する図である。

図１は、本発明の好適な実施形態に係る干渉領域設定装置により干渉領域を設定し得るシステムの一例として、加工システム１０の概略構成を示す図である。加工システム１０は、移動ロボット１２、工作機械１４及びワーク供給台１６を含み、移動ロボット１２は、設置面１８に対して移動可能な走行部２０と、走行部２０に搭載されたロボット機構部（ロボットアーム）２２と、ロボット機構部２２の周囲の画像を取得するように構成された撮像装置２４とを有する。

走行部２０は、例えば台車であり、駆動源を備えた自走式のものでもよいし、人間（作業者）が押すことにより走行するものでもよい。ロボット機構部２２は、例えば複数軸を有する多関節ロボットであり、図示例での撮像装置２４は、ロボットの可動部（ロボットアームの先端若しくはロボットハンド２６）又は走行部２０に取り付けられたカメラである。なおカメラは三次元カメラ又は二次元カメラのいずれでもよいが、周囲の二次元画像（特に二次元の白黒画像）を撮像する二次元カメラがコスト面で有利である。また移動ロボット１２の動作は、ロボット制御装置２８によって制御可能である。なおロボット制御装置２８には、作業者がロボット１２の教示等の操作を行うための教示操作盤３０が無線又は有線で接続されてもよい。

一例として、工作機械１４はカバー３２、カバー３２により画定された加工室３４、及びカバー３２の一部に設けられた開閉可能な扉３６を有し、扉３６を介して加工室３４内に搬送された加工対象物（ワーク）３８に対して所定の加工を行うように構成されている。移動ロボット１２は、ワーク供給台１６の近傍まで走行してワーク供給台１６上に載置された未加工のワーク３８をハンド等で把持し、その後工作機械１４の近傍まで走行して、把持したワークを加工室３４内の所定位置に配置できるように構成されている。移動ロボット１２はさらに、加工済のワークを加工室３４から取り出して、所定の搬送先に搬送するように構成されてもよい。

システム１０において、移動ロボット１２が走行したりロボット機構部（ロボットアーム）２２が作動したりすると、移動ロボット１２の作業領域内にある工作機械１２、ワーク供給台１６、又は図示しない柱や構造物等（これらをまとめて障害物とも称する）と移動ロボット１２とが干渉する場合がある。例えば、工作機械１４の扉３６が開いているときにロボット１２が工作機械１４の内部（加工室３４）に進入して作業を行う場合、ロボット１２は扉３６やカバー３２に干渉する虞がある。そこで本実施形態では、障害物の存在する領域である干渉領域を移動ロボット１２（のロボット制御装置２８）に対して設定し、ロボット１２が該干渉領域内に進入しないようにロボット１２の動作を制御する。なお移動ロボット１２の作業領域とは、移動ロボット１２の少なくとも一部が到達し得る最大の空間領域を意味し、例えば走行部２０の最大走行範囲及びロボット機構部２２の最大動作範囲に基づいて定めることができる。

以下、干渉領域の設定の詳細について説明する。図２は、本実施形態に係る干渉領域設定装置４０の機能ブロック図であり、ここではロボット制御装置２８内にプロセッサやメモリ等の形態で組み込まれた例を示す。但し干渉領域設定装置４０は、パーソナルコンピュータ等の、ロボット制御装置２８とは別の装置とすることもでき、その場合は該装置とロボット制御装置２８とは有線又は無線で通信可能となっていることが好ましい。

干渉領域設定装置４０は、移動ロボット１２の作業領域内にある障害物（図示例では工作機械１４及びワーク供給台１６）の、基準座標系４２上の形状、位置及び姿勢を障害物形状モデル（三次元モデル）として記憶する形状モデル記憶部４４と、撮像装置２４により撮像された、作業領域内の定位置にある形状的特徴物４６の画像を解析し、ロボット座標系４８における基準座標系４２の位置及び姿勢を算出する位置姿勢算出部５０と、ロボット座標系４８における基準座標系４２の位置姿勢と記憶された障害物形状モデルとから、ロボット座標系４８における障害物の存在する領域である干渉領域を設定する干渉領域設定部５２とを備える。

基準座標系４２は、システム１０の作業領域の基準となる座標系であり、例えば、設置面１８に固定された固定座標系や、工作機械１４について定義された座標系である。また基準座標系４２と工作機械１４又はワーク供給台１６等の障害物との位置関係は既知であるとする。一方、ロボット座標系４８は、移動ロボット１２の基準となる座標系であり、例えば、走行部２０や、ロボット機構部２２のうち走行部２０に対して不動の部分（旋回胴等）に固定された座標系である。

形状的特徴物（マーカ）４６は、撮像装置２４によって撮像可能な定位置に設けられた、一定の形状的特徴を有する構造物や印刷物を意味し、撮像装置２４によって得られたマーカ４６の画像の画像処理によって、ロボット座標系４８におけるマーカ４６の二次元位置又は三次元位置及び姿勢を算出することができる。マーカ４６としては種々のものが使用可能であるが、例えば工作機械１４が元々具備しているロゴや構造体をマーカとすることもできる。また、マーカ４６と基準座標系４２との位置関係は既知であるとする。従って撮像装置２４を用いた画像解析により、ロボット座標系４８における基準座標系４２の位置及び姿勢を算出することができる。このような計算（座標変換）自体は、公知の手法で行うことができる。また複数のマーカを使用する場合は、それぞれの画像を取得した上で座標変換を行う。

なおマーカ４６の個数や形状は、算出すべきロボット座標系４８におけるマーカ４６の位置が二次元か三次元かによって適宜選択・変更可能である。例えば、移動ロボット１２及び工作機械１４等の障害物の高さが不変の場合は、マーカ４６の高さ方向の位置を撮像によって求める必要がないので、単純な円等の形状を有するマーカを１つ又は２つ設ければ、設置面１８に平行な平面内での、ロボット座標系４８における基準座標系４２の二次元位置及び姿勢を求めることができる。また、マーカが３つあれば、二次元カメラを用いた場合でも、ロボット座標系４８における基準座標系４２の三次元位置及び姿勢を求めることができる。或いは、マーカの形状（例えば図示するような互いに直交する十字線を円内に配置した形状）によっては、１つのマーカでもその画像処理によってロボット座標系４８における基準座標系４２の三次元位置及び姿勢を求めることができる。

一方、形状モデル記憶部４４には、移動ロボット１２の作業領域内にある障害物の、基準座標系４２上の形状、位置及び姿勢が、予め障害物形状モデルとして記憶されている。例えば、工作機械１４上に基準座標系４２を定義し、基準座標系４２上の工作機械１４の形状モデルを、メモリ等の形状モデル記憶部４４に記憶しておく。ここで形状モデルは、直方体などの要素を組み合わせて定義してもよいし、複数の点列からなる３Ｄマップで定義してもよい。

このようにして記憶された障害物形状モデルと、ロボット座標系４８における基準座標系４２の位置及び姿勢とから、ロボット座標系４８における障害物の存在する領域である干渉領域を移動ロボット１２（のロボット制御装置２８）設定することができる。具体的には、障害物形状モデルについて上述の座標変換を行うことにより、三次元の干渉領域を算出することができる。そしてロボット制御装置２８は、移動ロボット１２に対し、設定された干渉領域を回避するような動作を命令することができる。このようなマーカ４６の撮像処理や干渉領域の設定処理は自動で行うことができるので、移動ロボット１２が走行部２０によって異なる場所へ移動した場合も、実用面で十分な精度の干渉領域の設定を自動で容易に行うことができ、移動の度に手動で干渉領域を設定する等の面倒な作業を不要とすることができる。

図３は、干渉領域設定装置４０の表示命令機能について説明する図である。干渉領域設定装置４０は、上述の干渉領域が設定された際に、干渉領域設定部５２が設定した干渉領域（ここでは工作機械１４及びワーク供給台１６の占有領域）のロボット座標系４８における位置及び姿勢に関する情報を、移動ロボット１２とともに適当な表示部に表示させる機能（表示命令機能）を有する。なお表示部（表示画面）としては、例えばロボット制御装置２８のディスプレイ５４や教示操作盤３０のディスプレイ５６（図１参照）を使用することができるが、干渉領域設定装置４０がパーソナルコンピュータ等のロボット制御装置２８とは別装置である場合は、該パーソナルコンピュータ等のディスプレイ（図示せず）を使用することもでき、人間（作業者）が視認できるものであればどのような表示手段を用いてもよい。なお障害物については、その外形（輪郭）のみを簡易的に表示してもよい。また画面表示させる情報は三次元的なものが好ましいが、二次元的なものでもよい。

上述の表示機能により、作業者は、移動ロボット１２に干渉し得る障害物の存在を確認できるとともに、実際のシステム１０の状態（各機器の配置）と、画面表示されたものとを比較することができる。例えば、カメラ２４を移動ロボット１２に固定するボルトの緩み等によって、カメラ２４の位置又は姿勢が所定のものからずれている場合、そのずれが目視では識別が困難な僅かなものであっても、カメラ２４によるマーカ４６の撮像結果（干渉物の位置検出）には大きく影響するので、画面表示される各機器の配置は実際のものから大きく乖離することになり、この状態でロボットを稼働させると干渉が生じる虞がある。従って作業者は、ロボット座標系における干渉領域の画面表示によって、カメラ２４の位置ずれ等、実際のシステムにおける設定や構造に関する不具合の有無を知ることができる。

また、干渉領域設定装置４０は、干渉領域を新たに設定した際に、「干渉領域が変更されました。確認してください」等の、人間（作業者）に確認を求めるメッセージを教示操作盤３０のディスプレイ５６等の適当な表示画面に表示したり、上記メッセージを音声として出力したりする出力機能を具備してもよい。その場合、人間は実際の移動ロボット１２と工作機械１４等の障害物の位置関係と、画面表示された移動ロボット１２と干渉領域との位置関係を比較して、システム１０の設定に誤りがないか、カメラ２４の位置ずれ等の構造的な不具合がないか、等を確認し、問題がなければ、キーボードや操作パネル等の適当な入力手段を介して、干渉領域に関する設定内容を確認した旨を干渉領域設定装置４０に入力する。

そして干渉領域設定装置４０は、干渉領域を設定してからこの入力を受け付けるまでの間は、移動ロボット１２の動作を禁止する動作禁止機能を備えることができる。より具体的には、作業者からの入力があるまでは、移動ロボット１２の動作を禁止する旨の命令（信号等）をロボット制御装置２８に送信することができる。このようにして、人間が干渉領域の設定に問題ないことを確認するまでの間は、移動ロボットの動作を禁止することができ、不正確又は不適切な干渉領域に基づいてロボットが動作することを確実に防止することができる。

１０ 加工システム
１２ 移動ロボット
１４ 工作機械
１６ ワーク供給台
２４ 撮像装置
２８ ロボット制御装置
３０ 教示操作盤
４０ 干渉領域設定装置
４２ 基準座標系
４４ 形状モデル記憶部
４６ 形状的特徴物
４８ ロボット座標系
５０ 位置姿勢算出部
５２ 干渉領域設定部

Claims (4)

1. 移動可能な走行部と、該走行部に搭載されたロボット機構部と、該ロボット機構部の周囲の画像を取得するように構成された撮像装置とを備えた移動ロボットに対して干渉領域を設定する干渉領域設定装置であって、
   前記移動ロボットの作業領域内にある障害物の、前記作業領域の基準となる基準座標系上の形状、位置及び姿勢を障害物形状モデルとして記憶する形状モデル記憶部と、
   前記撮像装置により撮像された、前記作業領域内の定位置にある形状的特徴物の画像を解析し、前記移動ロボットの基準となるロボット座標系における前記基準座標系の位置及び姿勢を算出する位置姿勢算出部と、
   前記ロボット座標系における前記基準座標系の位置姿勢と前記障害物形状モデルとから、前記ロボット座標系における障害物の存在する領域である干渉領域を設定する干渉領域設定部と、を備える干渉領域設定装置。
2. 前記撮像装置は二次元カメラである、請求項１に記載の干渉領域設定装置。
3. 前記干渉領域設定部が設定した干渉領域の、前記ロボット座標系における位置及び姿勢に関する情報を表示させる表示命令機能を備えた、請求項１又は２に記載の干渉領域設定装置。
4. 前記干渉領域設定部が干渉領域を設定してから、前記干渉領域に関する設定内容を確認した旨の入力を受け付けるまでの間、前記移動ロボットの動作を禁止する動作禁止機能を備えた、請求項１〜３のいずれか１項に記載の干渉領域設定装置。

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