JP2019058954A - 作業支援ユニット及び自動作業システム - Google Patents

Abstract

【課題】工場内のレイアウトを変更することなく、既存の作業ユニットによる作業を自動化する。【解決手段】作業位置に配置されたワークに対して所定作業を施す作業ユニットとは別のユニットとして設置される作業支援ユニットであって、前記作業ユニットに配置された前記ワークを移動させるロボットアームと、前記作業ユニットに設けられたマーカーの位置を認識するマーカー認識部と、前記マーカーの位置に基づき、前記作業位置及び前記ワークが当該作業位置に配置されていない場合に配置される作業退避位置に関する位置情報を取得する位置情報取得部と、前記ロボットアームを制御し、前記位置情報に含まれる前記各位置へ前記ワークを移動させるロボットアーム制御部と、を具備する。【選択図】図１

Description

本発明は、作業支援ユニット及びその作業支援ユニットを用いた自動作業システムに関するものである。

工場で使用される作業ユニットには、ワークに対して種々の作業を施すものがあるが、近年、これらの作業ユニットに対してロボットアームを組み合わせることにより、各作業ユニットによる作業を自動化する試みがなされている。

例えば、特許文献１には、基台上に、複数の作業ユニットとその複数の作業ユニットを操作するロボットアームとを設置して一体化した自動作業システムが開示されている。

しかし、前記自動作業システムにおいては、システム全体が一体化しているため、複数の作業ユニット及びロボットアームのいずれか一つが故障すると、他が故障していなくても、システム全体を停止せざるを得ないという問題点がある。そして、この問題は、設置スペースや予算の関係から同じ作業ユニットを複数導入することができない小規模工場では、生産のストップに直結し、死活問題に成り兼ねない。

また、仮に、敷地面積の狭い工場において、既存の作業ユニットを自動化するために、前記自動作業システムを導入しようとすると、既存の作業ユニットよりも占有面積が広くなり、単に既存の作業ユニットと入れ替えるだけでは設置スペースを確保できず、工場内のレイアウトの変更を余儀なくされるという問題点がある。さらに、この場合、既存の作業ユニットが現役で稼働しているにもかかわらず、前記自動作業システムと入れ替えることになり、既存の作業ユニットが無駄になる。

以上のような事情により、前記自動作業ユニットは、大規模工場における導入は進んでいるものの、町工場のような小規模工場における導入が進んでいないのが現状である。一方で、町工場においても、人件費の削減等を理由に作業ユニットの自動化が望まれているのも現状である。

特開２００９−１３１９０８

そこで、本発明は、工場内のレイアウトを変更することなく、既存の作業ユニットによる作業を自動化できる作業支援ユニットを提供することを主な課題とするものである。

すなわち、本発明に係る作業支援ユニットは、作業位置に配置されたワークに対して所定作業を施すための作業ユニットとは別のユニットとして設置される作業支援ユニットであって、前記作業ユニットに配置された前記ワークを移動させるロボットアームと、前記作業ユニットに設けられたマーカーの位置を認識するマーカー認識部と、前記マーカーの位置に基づき、前記作業位置及び前記ワークが当該作業位置に配置されていない場合に配置される作業退避位置に関する位置情報を取得する位置情報取得部と、前記ロボットアームを制御し、前記位置情報に含まれる前記各位置へ前記ワークを移動させるロボットアーム制御部と、を具備していることを特徴とするものである。

このようなものであれば、作業支援ユニットを既存の作業ユニットの近くに設置するだけで、作業支援ユニットが、作業ユニットに配置されたワークを作業位置と作業退避位置との間で移動させるため、作業ユニットによる作業を自動化することができる。また、作業支援ユニットが故障した場合に、作業支援ユニットに代わって作業員が作業ユニットによる作業を続行でき、生産がストップしない。一方、作業ユニットが故障した場合には、作業支援ユニットを別の作業ユニットの近くに設置することにより、その別の作業ユニットによる作業を自動化することができ、作業支援ユニットによる労力を無駄にすることなく有効活用できる。また、作業支援ユニットは、既存の作業ユニットの周囲に確保されている作業員の作業スペースに設置することができるため、工場内のレイアウトを変更しなくても使用することができる。

また、前記作業支援ユニットにおいて、前記作業ユニットに接続され、前記作業ユニットへ所定作業の開始信号を送信する作業開始信号送信部をさらに具備し、前記開始信号送信部が、前記ロボットアーム制御部によって前記作業退避位置に配置された前記ワークを前記作業位置へ移動させた後に、前記開始信号を送信するものであってもよく、また、前記作業ユニットに接続され、前記作業ユニットから所定作業の終了信号を受信する作業終了信号受信部をさらに具備し、前記ロボットアーム制御部が、前記終了信号を受信した後に、前記作業位置に配置された前記ワークを前記作業退避位置へ移動させるものであってもよい。

また、前記いずれかの作業支援ユニットにおいて、前記ロボットアームが、移動機構を備えているものであってもよい。

このようなものであれば、例えば、町工場の敷地内に設けられた各作業ユニットのうちで稼働が必要な作業ユニットの近くまで作業支援ユニットを容易に移動させることができる。また、作業ユニット又は作業支援ユニットのいずれかが故障した場合に、両ユニットを容易に切り離すことができる。

また、前記いずれかの作業支援ユニットにおいて、前記ロボットアームの稼働時における姿勢を安定させるためのバランス機構をさらに備えているものであってもよい。

このようなものであれば、ロボットアームの稼働時に生じる前後左右への揺れを抑制することができ、ロボットアームによるワークの移動を正確に行うことができるようになる。また、揺れに伴う転倒を防止することもできる。

また、本発明に係る自動作業システムは、前記いずれかの作業支援ユニットと前記作業ユニットとを具備することを特徴とするものである。

このように構成すれば、工場内のレイアウトを変更することなく、既存の作業ユニットによる作業を自動化できる。

実施形態１に係る自動作業システムを模式的に示す斜視図である。 実施形態１に係る自動作業システムを模式的に示す平面図である。 実施形態１に係る作業支援ユニットを模式的に示す側面図である。 実施形態１に係る自動作業ユニットの動作を示すブロック図である。 実施形態１に係るパラメータ設定画面を示す画面構成図である。 実施形態１に係る自動ティーチングプログラム画面を示す画面構成図である。 実施形態１に係る外部機器に表示される動作状況画面を示す画面構成図である。 その他の実施形態に係る自動作業システムを示す平面図である。 その他の実施形態に係る自動作業システムを示す平面図である。

以下に、本発明に係る作業支援ユニット及び自動作業システムを図面に基づいて説明する。

＜実施形態１＞ 本実施形態に係る自動作業システム１００は、図１又は図２に示すように、ワークＷに対して所定作業を施す作業ユニット２００と、作業ユニット２００による作業を自動化する作業支援ユニット３００と、を備えている。

前記作業ユニット２００は、第１作業台１０及び第２作業台２０を備えている。そして、第１作業台１０には、作業機器１１が設置され、第２作業台２０には、収容ボックス２１が交換可能に設置されている。なお、第１作業台１０には、第１マーカーＭ１が取り付けられており、第２作業台２０には、第２マーカーＭ２が取り付けられている。

前記作業機器１１は、ワークＷに対して所定作業を施すものであり、具体的には、作業位置Ｐ１に設置されたワークＷに対して所定作業を行う。なお、作業機器１１は、第１作業台１０の内部に設置された作業機器制御部１２によって制御される。所定作業としては、切削等の加工、質量等の計測、溶接等の接着、部品等の組立などが考えられるが、これに限定されるものではない。

前記収容ボックス２１は、作業機器１１によって作業を施す必要のあるワークＷを作業員が作業ユニット２００に対して搬入・搬出するためのものである。そして、収容ボックス２１は、第２作業台２０の所定位置に配置され、作業位置Ｐ１に配置されていない状態のワークＷが配置される作業退避位置Ｐ２となる。なお、第２作業台２０には、収容ボックス１１の位置決めを行うための位置決め部材１２が設けられており、この位置決め部材１２に従って収容ボックス１１を設置することにより、第２作業台２０に対する作業退避位置Ｐ２が常に同じ位置となる。

前記作業支援ユニット３００は、作業ユニット２００に配置されたワークＷを作業位置Ｐ１又は作業退避位置Ｐ２のいずれかへ移動させるものである。そして、作業支援ユニット３００は、ロボットアーム３０と、マシンビジョン４０と、各種センサ（図示せず）と、移動台５０と、を備えている。なお、作業支援ユニット３００は、移動台５０によってロボットアーム３０を自由に移動できるように構成されている。

前記ロボットアーム３０は、６軸ロボットアームであり、多関節アーム３１やハンド３２等を備えており、ハンド３２によってワークＷを把持できるようになっている。

前記マシンビジョン４０は、所謂３Ｄビジョンであり、ワークＷやマーカーＭ等の三次元上での位置や姿勢を特定するために用いられる。なお、マシンビジョン４０は、ロボットアーム３０の先端部に取り付けられて自在に移動し、その移動に応じた方向部位を撮像する移動カメラを利用して構成されている。

前記各種センサとしては、ロボットアーム３０の動作状態等を検知するロボットセンサ（図示せず）が設けられている。なお、ロボットセンサは、ハンド３２の保持力をセンシングする力感センサなどであり、ここでは、ロボットアーム３０にそもそも付帯しているものを用いている。力感センサは、例えば、ハンド３２に取り付けられたピエゾ素子等から構成したものであるが、このような力感センシング専用のセンサを設けず、ハンド３２の開閉アクチュエータ（モータ）を流れる電流から算出するようにしたものなどでもよい。

前記移動台５０は、箱状のものであり、その内部に作業機器２０及びロボットアーム３０を個別かつ統合的に制御する制御装置６０が収容されている。また、移動台５０には、その底面の四隅にキャスター５１及びアジャスター５２が設けられている。なお、アジャスター５２は、移動台５０のキャスター５１による移動を規制するためのものである。また、移動台５０には、その底面の中央にバランスウエイト５３が設けられており、これにより、ロボットアーム３０の稼働時における前後左右の揺れが低減される。また、移動台５０には、底面から外方へ向かって突出できるように構成されたアウトリガー５４が設けられており、これにより、ロボットアーム３０の稼働時における転倒が防止される。なお、アウトリガー５４は、移動台５０の第１作業台１０に向かう前側を除く後左右側にそれぞれ設けられている。

前記制御装置６０は、作業機器１１、ロボットアーム３０、マシンビジョン４０、各種センサ等の各内部機器に接続されている。なお、制御装置６０は、ＣＰＵ、内部メモリ、Ｉ／Ｏバッファ回路、ＡＤコンバータ等を有した所謂コンピュータである。そして、内部メモリの所定領域に格納した制御プログラムに従って動作することで、ＣＰＵ及び周辺機器が協働動作し、各機能を発揮する。

具体的には、制御装置６０は、マーカー認識部、位置情報取得部、ロボットアーム制御部、作業開始信号送信部、及び、作業終了信号受信部としての機能を発揮する。

前記マーカー認識部は、マシンビジョン４０によって撮影された第１マーカーＭ１及び第２マーカーＭ２の画像データに基づき、第１マーカーＭ１及び第２マーカーＭ２の三次元上の位置を特定する。

前記位置情報取得部は、第１マーカーＭ１の位置に基づき、第１作業台１０の作業機器１１における作業位置Ｐ１に関する位置情報（座標情報）を取得する。また、位置情報取得部は、第２マーカーＭ２の位置に基づき、第２作業台２０の収容ボックス２１における作業退避位置Ｐ２に関する位置情報（座標情報）を取得する。具体的には、制御装置６０に設けられたメモリに対し、予め第１マーカーＭ１と作業位置Ｐ１との位置関係、及び、第２マーカーＭ２と作業退避位置Ｐ２との位置関係を示す位置関係情報を記憶しておく。そして、この位置関係情報と各マーカーＭ１、Ｍ２の位置に基づき、作業位置Ｐ１及び作業退避位置Ｐ２を特定する。

前記ロボットアーム制御部は、前記位置情報に基づき、ロボットアーム３０によってワークＷを移動させる。具体的には、作業機器１１によって作業が施される前のワークＷを作業退避位置Ｐ２から作業位置Ｐ１へ移動させ、また、作業機器１１によって作業が施された後のワークＷを作業位置Ｐ１から作業退避位置Ｐ２へ移動させる。なお、作業位置Ｐ１や作業退避位置Ｐ２へワークＷを配置する場合には、ビジョンカメラ４０で撮影された画像データに基づいてワークＷの姿勢が所定の姿勢になるように配置する。

前記作業開始信号送信部は、ロボットアーム３０によって作業退避位置Ｐ２に配置されたワークＷを作業位置Ｐ２へ移動させた後に、作業機器１１へ開始信号を送信するものである。なお、開始信号を受信した作業機器１１は、メモリに記憶された作業手順に従って作業機器１１を動作させる。これにより、作業機器１１によってワークＷに対して所定作業が施される。

前記作業終了信号受信部は、作業機器１１によってワークＷに対して所定作業を施した後に、作業機器１１から送信される終了信号を受信するものである。なお、終了信号を受信した後に、ロボットアーム制御部は、作業位置Ｐ１に配置されたワークＷを作業退避位置Ｐ２へ移動させる。

なお、作業支援ユニット３００は、図２に示すように、作業ユニット２００に対し、ロボットアーム３０の可動域Ｒ（図２中、一点鎖線にて示す）内に作業位置Ｐ１及び作業退避位置Ｐ２が位置するように配置される。なお、本実施形態においては、ロボットアーム３０の可動域Ｒを制限する規制センサ７０が設けられている。そして、ロボットアーム３０は、規制センサ７０から射出される赤外線（図２中、二点鎖線にて示す）を跨いで移動できなくなり、これにより、可動域Ｒが規制され、作業員のセーフティーゾーンが確保される。

また、作業支援ユニット１００は、各内部機器Ｘ（作業機器１１、ロボットアーム３０、マシンビジョン４０、各種センサ等）を制御する制御装置６０が、外部機器Ｙと接続されており、この外部機器Ｙによって各内部機器Ｘの動作を監視・制御できるようなハードウェア構成になっている。なお、制御装置６０と外部機器Ｙとは、有線又は無線（インターネットを含む）によって接続されている。

なお、制御装置６０は、各内部機器Ｘが有する固有のデータ通信方式を、外部機器Ｙが有する標準的なアプリケーションやソフトウェアによって、各内部機器Ｘとやり取りできるようにインターフェース部としての機能を備えている。

インターフェース部は、外部機器Ｙから各内部機器Ｘを制御するための共通形式のデータを受け付け、これを各内部機器Ｘ特有のデータ形式にそれぞれ変換して各内部機器Ｘに送信する制御用インターフェースと、各内部機器Ｘから送信されてくる特有の動作状況データを統合して、外部機器Ｙから監視できるようにする監視用インターフェースと備えている。

制御用インターフィースは、各内部機器Ｘに対する命令をパラメータ化し、共通化するため、パラメータ設定画面や自動ティーチングプログラム画面を表示するものである。

パラメータ設定画面では、図４に示すように、作業位置Ｐ１を特定するための各情報（例えば、作業機器１１のサイズ情報や、作業機器１１と第１マーカーＭ１との位置関係情報）、作業退避位置Ｐ２を特定するための各情報（例えば、収容ボックス３１のサイズ情報や、収容ボックス３１と第２マーカーＭ２との位置関係情報）、ワークＷに関する各情報（例えば、ワークＷの数情報や、ワークＷのサイズ情報）、ロボットアーム３０のハンド３２に関する各情報（例えば、ハンド３２の把持力情報）等を、ユーザーが設定できるようになっている。

自動ティーチングプログラム画面では、図５に示すように、単位ジョブ（１つの内部機器が行う最小単位作業）を１つのレコードで設定できるようになっており、動作の順番はレコードの並び順になっている。なお、１つのレコードにおいて、内部機器Ｘの動作内容や、その動作内容に対応するコマンド等を設定できるようになっている。

監視用インターフェースは、実際のロボットアーム３０、マシンビジョン４０、及び、各種センサなどから送信されてくるデータを数値化乃至イラスト化して、図６に示すように、外部機器Ｙにおける所定の動作状況画面上に表示するものである。

次に、本実施形態に係る自動作業システム１００の動作を図４に基づいて説明する。

先ず、作業員が、第２作業台２０に対し、ワークＷが収容された収容ユニット２１を設置する。この場合、位置決め部材２２に合わせて収容ユニット２１を配置する。その後、セーフティーゾーンに退避した作業員が、作業支援ユニット３００を稼働させる。

作業支援ユニット３００が稼働すると、ロボットアーム制御部が、ロボットアーム３０を制御し、ビジョンカメラ４０によって第１マーカーＭ１及び第２マーカーＭ２を撮影する。そして、マーカー認識部４０が、その画像データに基づき、第１マーカーＭ１及び第２マーカーＭ２の位置を特定する（ステップＳ１）。そして、位置情報認識部が、予めメモリに記憶してある前記位置関係情報を利用して作業位置Ｐ１、及び、各ワークＷの作業退避位置Ｐ２に関する位置情報を取得する（ステップＳ２）。

次に、ロボットアーム制御部が、ロボットアーム３０を制御し、作業退避位置Ｐ２に配置された各ワークＷを予め設定された順序で作業位置Ｐ１へ移動させる（ステップＳ３）。そして、作業開始信号送信部が、作業機器１１へ所定作業の開始信号を送信し、作業機器１１によるワークＷに対する作業が開始される（ステップＳ４）。

次に、作業機器１１によるワークＷに対する作業が完了すると、作業機器１１から作業終了信号が送信され、作業終了信号受信部が受信する（ステップＳ５）。そして、ロボットアーム制御部が、ロボットアーム３０によって作業位置Ｐ１に配置されたワークＷを元の作業退避位置Ｐ２へ移動させる（ステップＳ６）。

そして、制御装置６０は、作業機器１１によって所定作業を施したワークＷの数をカウントし、当該ワークＷの数が所定数に達した場合には、作業支援ユニット３００を停止させる（ステップＳ７）。この後、作業員が、収容ユニット３１を入れ替え、再度作業支援ユニット３００を稼働させる。

＜その他の実施の形態＞ その他の実施形態として、前記実施形態１に係る自動作業ユニット１００の変形例を図８に示す。図８に示す自動作業ユニット１００は、ワークＷに対して異なる作業を施す二つの作業機器１１と、作業機器１１によって作業が施される前のワークＷが配置される第２作業台２０ａと、作業機器１１によって作業が施された後のワークＷが配置される第２作業台２０ｂと、を備えている。また、二つの第２作業台２０は、いずれも規制センサ７０によって形成されるセーフティーゾーンからロボットアーム３０の可動域Ｒへ伸びるベルトコンベア等の搬送機構２２を備えている。よって、本実施形態においては、作業位置Ｐ１及び作業退避位置Ｐ２がいずれも二つ設けられる。

そして、作業支援ユニット３００は、ロボットアーム３０によって、一方の第２作業台２０ａに配置されたワークＷを、二つの作業機器１１へ順次移動させた後、他方の第２作業台２０ｂへ配置させる動作を繰り返すようになっている。また、第２作業台２０は、搬送機構２２に設置された収容ボックス２１をセーフティーゾーンとロボットアームの可動域Ｒとの間で移動させるようになっている。

このように構成すれば、ワークＷに対して二つの作業を施すことができる。また、作業員は、第２作業台２０の収容ボックス２１を設置する作業を、セーフティーゾーンで実施することができ、安全性が向上する。

このように本発明においては、作業ユニット２００におけるワークＷに所定作業を実施する作業機器１１の数や、作業前後のワークＷを配置する作業台の数は、特に限定されず、色々なバリエーションが考えられる。また、前記実施形態１における第１作業台１０と第２作業台２０とを一体化したような態様のものであってもよい。

また、その他の実施形態としては、図９に示すように、前記作業ユニット２００に設置される作業機器１１として、第１作業台１０に固定されるロボットハンド１１を設置してもよい。このような構成にすれば、作業支援ユニット３００の制御装置６０によってロボットハンド１１を制御し、ロボットアーム３０とロボットハンド１１とを連携させることにより、ロボットハンド１１がワークＷの冶具としての役割を果たし、ロボットハンド１１によってワークＷを安定して保持した状態でロボットアーム３０による作業を実施できる。具体的には、第１作業台１０に対して作業位置Ｐ１に配置されたワークＷを安定して保持できるように固定式のロボットハンド１１を設置する。そして、作業退避位置Ｐ２に配置されたワークＷをロボットアーム３０によってロボットハンド１１に受け渡し、ロボットハンド１１によってワークＷを保持する。そして、ロボットハンド１１で保持されたワークＷに対し、ロボットアーム３０によって部品の組付け等の作業を実施する。

また、ロボットハンド１１に対してマーカーＭを取り付け、マシンビジョン４０によってロボットハンド１１の位置を認識するようにしてもよい。このような構成にすれば、ロボットハンド１１を磁気や多関節アームを利用して第１作業台１０に設置し、これにより、第１作業台１１に対するロボットハンド１１の位置を自由に変えることができるような構成にしても、その位置を正確に把握でき、ロボットハンド１１に対し、ロボットアーム３０によってワークＷの受け渡しを正確に行うことができる。

このように本発明に係る作業ユニット２００は、作業ユニット２００自体がワークＷに対して加工等の作業を実施するものに限定されず、作業に携わる機器が設置されたものであればよい。

また、作業位置又は作業退避位置に対するマーカーＭの位置が固定されているのであれば、マーカーＭの数は限定されない。なお、マーカーＭは、その位置を認識できるものであればよい。また、前記実施形態においては、作業台に対してマーカーを取り付けられたが、作業位置Ｐ１及び作業退避位置Ｐ２とマーカーＭとの位置関係が変化しなければよく、例えば、作業機器１１や収容ボックス２１にマーカーを取り付けてもよい。

その他、本発明は前記各実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

１００ 自動作業システム
２００ 作業ユニット
Ｗ ワーク
１０ 第１作業台
１１ 作業機器
Ｍ１ 第１マーカー
２０ 第２作業台
２１ 収容ボックス
Ｍ２ 第２マーカー
３００ 作業支援ユニット
３０ ロボットアーム
４０ マシンビジョン
５０ 移動台
６０ 制御装置

Claims (6)

1. 作業位置に配置されたワークに対して所定作業を施すための作業ユニットとは別のユニットとして設置される作業支援ユニットであって、
   前記作業ユニットに配置された前記ワークを移動させるロボットアームと、
   前記作業ユニットに設けられたマーカーの位置を認識するマーカー認識部と、
   前記マーカーの位置に基づき、前記作業位置及び前記ワークが当該作業位置に配置されていない場合に配置される作業退避位置に関する位置情報を取得する位置情報取得部と、
   前記ロボットアームを制御し、前記位置情報に含まれる前記各位置へ前記ワークを移動させるロボットアーム制御部と、を具備していることを特徴とする作業支援ユニット。
2. 前記作業ユニットに接続され、前記作業ユニットへ所定作業の開始信号を送信する作業開始信号送信部をさらに具備し、
   前記作業開始信号送信部が、前記ロボットアームによって前記作業退避位置に配置された前記ワークを前記作業位置へ移動させた後に、前記開始信号を送信するものである請求項１記載の作業支援ユニット。
3. 前記作業ユニットに接続され、前記作業ユニットから所定作業の終了信号を受信する作業終了信号受信部をさらに具備し、
   前記ロボットアーム制御部が、前記作業終了信号受信部で終了信号を受信した後に、前記ロボットアームによって前記作業位置に配置された前記ワークを前記作業退避位置へ移動させるものである請求項１記載の作業支援ユニット。
4. 前記ロボットアームが、移動機構を備えている請求項１乃至３のいずれかに記載の作業支援ユニット。
5. 前記ロボットアームの稼働時の姿勢を安定させるためのバランス機構をさらに備えている請求項１乃至４のいずれかに記載の作業支援ユニット。
6. 請求項１乃至５のいずれかの作業支援ユニットと前記作業ユニットとを備える自動作業システム。