JP2019155536A - 保持装置、飛行体、および搬送システム - Google Patents
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Abstract
Description
ところで、保持装置は、吸着保持動作の信頼性の向上が期待されている。
図1は、第1の実施形態に係る保持装置(保持機構ともいう)20を用いた搬送システム(物体移載システムともいう)1の一例を示す概略図である。図1に示すように、搬送システム1は、飛行体10、認識装置12、飛行体制御装置14、および搬送装置16を備える。「搬送システム」または「物体移載システム」とは、物体Pを移動させるシステムを広く意味する。飛行体10は、「移動機構」の一例である。飛行体制御装置14は、「移動機構制御装置」の一例である。
飛行体10は、三次元空間上を自由に移動可能である。飛行体10には、物体Pを保持するように構成された保持装置20を有する。保持装置20は、物体Pを保持可能な少なくとも1つの保持部を有する。保持装置20は、保持部が飛行体10に対して外側を向くように配置される。保持部は、例えば、吸着により物体Pを保持する吸着パッドを含む。また、保持部は、電磁石が発生する磁力により物体Pを磁気吸着するタイプであってもよい。保持装置20については、後に詳細に説明する。
認識装置12は、積載領域18に載置された複数の物体Pを認識する。認識装置12は、外部画像センサ12a、および外部画像センサ12aに接続された計算機12bを備える。「画像センサ」とは、対象からの光(例えば反射光で、可視光に限定されない)に基づいて対象の画像を取得するセンサを意味する。外部画像センサ12aは、例えば、積載領域18に載置された複数の物体Pに対して直上または斜め上方に位置する。外部画像センサ12aは、位置が固定されていてもよく、移動可能であってもよい。外部画像センサ12aとして、距離画像センサまたは赤外線ドットパターン投影方式カメラなどの三次元位置計測可能なカメラを利用することができる。赤外線ドットパターン投影方式カメラは、赤外線のドットパターンを対象物に投影し、その状態で積載領域18に載置された物体Pの赤外線画像を撮影する。赤外線画像を解析することで物体Pの3次元情報を得ることが可能である。赤外線ドットパターン投影方式カメラは、カラー画像またはモノクロ画像を撮影することができてもよい。また、外部画像センサ12aは、赤外線ドットパターン投影方式カメラに加えて、カラー画像またはモノクロ画像を取得するカメラなどの光学センサを含んでいてもよい。画像は、例えば、jpg、gif、pngやbmpなどの一般的に用いられている形式の画像データとして取得されてもよい。
搬送装置16は、飛行体10により搬送装置16上に移載された物体Pを搬送する。搬送装置16は、例えば、ベルトコンベア16aおよび搬送制御装置16bを備える。ベルトコンベア16aは、所定の方向に並べた複数のローラと、複数のローラに巻き付けたベルトと、を含む。ベルトコンベア16aは、複数のローラを回転することによりベルトを駆動し、物体Pを搬送する。搬送装置16は、ベルトコンベア16aの代替として、ローラコンベアまたはソータを備えていてもよい。
図2から図4は、それぞれ保持装置20を示す斜視図、正面図、および側面図である。図5は、図2のF5−F5線に沿う保持装置20の断面図である。図2から図4に示すように、保持装置20は、筐体22、支持部材24、吸着パッド(吸盤ともいう)26、吸引装置28、圧力センサ30、切替弁32、画像センサ基板34、および画像センサ36を備える。この例では、画像センサ36の数は1つであるが、2つ以上であってもよい。また、吸着パッド26は、複数設けられていてもよい。保持装置20は、制御装置や電源部を内包することにより、自律的に単独で動作可能であってよい。吸着パッド26は、「吸着部」の一例である。画像センサ36は、「光量センサ」の一例である。「光量センサ」とは、入射光の光量を検出するセンサであり、カメラなどの画像センサを含む。画像センサ36は、光量を二次元的に検出することができる。ここで、「二次元的に検出する」とは、互いに交差する2つの空間的方向によって規定される平面内において、各方向において少なくとも2点で検出を行うことを意味する。例えば、一般的なカメラでの撮影は二次元的な光量分布の検出を行うことに該当する。画像センサ36による画像撮影は、「光量の二次元的な検出」の一例である。
具体的には、様々な大きさの物体Pに対して、物体Pの上空に飛行体10が位置している場合の、吸着パッド26と物体Pとの高さ方向の距離と、画像センサ36の画像全体に占める物体Pの面積の割合との対応を列挙した参照テーブルが予め作成される。この参照テーブルは、制御装置60または保持装置20に予め記憶される。実際の移載時には、移載対象である物体Pの大きさが認識装置12により見積もられる。制御装置60は、認識装置12により見積もられた物体Pの大きさと、画像センサ36の画像全体に占める物体Pの面積の割合とに基づき、参照テーブルを参照して吸着パッド26と物体Pとの距離を見積もることができる。
あるいは、第1タイミングにおいて認識装置12により取得された吸着パッド26と物体Pとの間の距離に関する情報と、略同じ第1タイミングにおける画像センサ36の画像とが対応付けられる。また、第1タイミングと異なる第2タイミングにおいて認識装置12により取得された吸着パッド26と物体Pとの間の距離に関する情報と、略同じ第2タイミングにおける画像センサ36の画像とが対応付けられる。制御装置60は、これら2つの対応関係に基づき、吸着パッド26と物体Pとの間の距離と画像センサ36の画像全体に占める物体Pの面積の割合との関係を推定することができる。制御装置60は、このように推定された関係に基づき(例えば外挿または内挿により)、任意のタイミングにおける画像センサ36の画像全体に占める物体Pの面積の割合から吸着パッド26と物体Pとの間の距離を見積もることができる。
なお、物体P全体の面積に代えて、物体Pの全部または一部の大きさ(例えば長さや幅)の変化、または物体Pの表面上の特徴部の大きさの変化に基づき、吸着パッド26と物体Pとの間の距離が見積もられてもよい。
さらに、吸着パッド26により物体Pが保持されている場合において、物体Pの保持状態が変化すると、吸着パッド26内部の画像センサ36により検出された光量が変化し得る。例えば、画像センサ36により検出された光量が変化して第1の光量閾値以上になった場合、吸着パッド26が保持している物体Pは存在しないと判定され得る。この場合、物体Pが落下したと判定することが可能である。このようにして、物体Pの運搬中における物体Pの落下を検知することも可能である。また、例えば、画像センサ36により検出された光量の時間変化が大きい場合にも、物体Pの保持状態に何らかの変化が生じたと判定することが可能である。
図8は、保持装置20の制御系を示すブロック図である。保持装置20は、制御装置(制御部ともいう)60、電源部62、DCDCコンバータ64、切替弁駆動回路(切替弁ドライバ回路)66、および吸引装置駆動回路(吸引装置ドライバ回路)68をさらに備える。これらは、筐体22の内部に収容される。なお、これらは筐体22の外部に配置されてもよい。
図9は、制御装置60による保持装置20の制御の詳細を示すブロック図である。図9に示すように、制御装置60は、コマンド生成部74、動作モード格納部76、目標指令値生成部78、駆動制御部80、判定部82、および信号処理部84を含む。制御装置60は、入力部72からの入力を受け付けるとともに、駆動部86への出力を行う。駆動部86は、図8に示した切替弁駆動回路66および吸引装置駆動回路68を含む。
図10は、保持装置20の動作例を示す図である。図10中の(a)は、吸着パッド26が物体Pに接近する途中の状態を示し、図10中の(b)は、吸着パッド26が物体Pに接触している状態を示し、図10中の(c)は、吸着パッド26が物体Pを保持および運搬している状態を示す。図10において、物体Pは、移載対象の物体であり、積載台B上に載置されている。
飛行体10が、物体Pに向けて移動する。具体的には、飛行体10は、物体Pの上方に移動し、その後に下降する。保持装置20の画像センサ36により取得された画像に基づき物体Pの接近が検出されると、制御装置60は、物体Pを素早く吸着するために、吸引装置28を予め駆動して吸着パッド26内部の真空引きを開始する。制御装置60は、画像センサ36からの画像に基づいて見積もられた吸着パッド26から物体Pまでの距離が距離閾値未満になった場合に、吸引装置28を駆動する。
制御装置60は、画像センサ36からのセンサ信号に基づいて吸着パッド26への物体Pの接触を検知し、吸着動作を継続するとともに、圧力をモニタリングする。例えば、画像センサ36により取得される画像の明るさが一定値を下回った場合、制御装置60は、吸着パッド26に物体Pが接触したと判定することができる。制御装置60は、圧力が所定の圧力閾値(予め設定された真空度)より低くなった場合に、吸引装置28の駆動を停止してもよい。通気性のない物体Pを吸着する場合は、吸引装置28の駆動を停止しても吸着パッド26の真空度が維持される時間は長い。一方、通気性のある物体Pを吸着する場合は、吸引装置28の駆動を停止すると吸着パッド26内部に空気が進入するので、吸着パッド26の真空度が維持される時間は短い。このため、制御装置60は、圧力をモニタリングしながら吸引装置28を断続的に駆動する。
制御装置60は、真空度をモニタリングして吸引装置28を断続的に駆動しながら、物体Pを運搬するために飛行体10の移動を制御する。例えば、飛行体10は、上昇し、その後に横方向に移動する。制御装置60は、必要に応じて、画像センサ36および圧力センサ30から出力されるセンサ信号を含む情報を上位コントローラ70に送信する。上位コントローラ70は、保持装置20から受け取った情報に基づいて保持状態を確認する。上位コントローラ70は、移載作業全体のスケジュール管理や飛行体10の動作管理などを行う。
飛行体10が物体Pを目的地(例えば図1に示した搬送装置16)まで運搬すると、制御装置60は、切替弁32を開き、大気圧空間と吸着パッド26を連通させる。これにより、吸着パッド26内の真空が破壊され、物体Pは吸着パッド26から解放される。このとき、吸引装置28は停止している。物体Pが解放されたか否かは、必要に応じて、画像センサ36および圧力センサ30から出力されるセンサ信号に基づいて判定され得る。例えば、画像センサ36により取得される画像の明るさが一定値を上回った場合、または圧力センサ30により取得される圧力が一定値(例えば大気圧程度の値)まで増加した場合、制御装置60は、物体Pが解放されたと判定することができる。
図11は、飛行体10による物体Pへの接近から物体Pの保持までの動作フローを示す。まず、飛行体10は、飛行体制御装置14の制御のもと、目標位置へ移動する(S101)。飛行体制御装置14は、認識装置12によって生成される物体Pの位置姿勢情報に基づいて、飛行体10の移動を制御する。なお、作業者が、目視により物体Pを確認し、物体Pの位置姿勢情報を入力してもよい。
図13は、画像センサ36の一応用例を示す。図13中の(a)は、保持装置20の長さ方向Xが鉛直方向に略一致する状態において、吸着パッド26が積載台Bに載置された物体Pを上方から吸着しようとしている様子を示す。図13中の(b)は、図13中の(a)の状態において画像センサ36により取得される画像の概略図を示す。図13中の(c)は、保持装置20の吸着面が物体Pの被吸着面と略平行となるように吸着パッド26が傾けられている状態において、吸着パッド26が積載台Bに載置された物体Pを上方から吸着しようとしている様子を示す。図13中の(d)は、図13中の(c)の状態において画像センサ36により取得される画像の概略図を示す。
図14中の(a)および図14中の(b)に示すように、物体Pの上面は、吸着パッド26の吸着面より十分に広い。このため、保持装置20が物体Pを適切な位置で保持していれば、画像センサ36の画像は物体Pで占められるはずである。しかしながら、図14中の(a)および図14中の(b)に示されるように吸着パッド26の一部のみが物体Pに接触し吸着パッド26の残りの部分が宙に浮いている状態では、画像センサ36の画像は物体Pで占められない(図14中の(c)参照)。制御装置60は、画像センサ36の光検出素子が受光した光量が所定の光量閾値以上である場合、保持装置20が物体Pを適切な位置で保持していないと判定することができる。この場合、飛行体制御装置14は、保持動作をやり直すように飛行体10に指示する。また、物体Pの保持中に画像センサ36により検出された物体Pと、認識装置12の外部画像センサ12aなどの画像認識処理などにより事前に検出された移載対象の物体Pとの間に相違がある場合に、制御装置60は、保持装置20が誤った物体(すなわち、移載対象の物体Pとは異なる物体)を保持していると判定することができる。例えば、移載対象の物体Pが細長い物体であることが認識装置12により事前に認識されていた場合において、画像センサ36からの画像が、細長い物体ではなく画像全体を占める物体を写している場合、制御装置60は、保持装置20が誤って別の物体を保持している可能性があると判定することができる。
図15中の(a)に示すように、物体Pの上面に凸部が形成されていることにより、吸着パッド26の吸着面と物体Pの被吸着面との間に隙間が生じている。このような場合、隙間から空気が吸着パッド26内部へ流入し、吸着パッド26内部の真空度が上がらないため、吸着力は低下する傾向にある。図15中の(b)に示すように、隙間から外光(例えば、照明装置42による光または自然光)が吸着パッド26内部に入射することにより、画像センサ36により取得される画像では、光量分布(明暗度分布ともいう)に偏りが生じる。ここで、「光量分布」とは、画像における各画素の光量の大小を示す分布を意味する。「光量分布の偏り」とは、光量分布が不均一であることを意味し、例えば、画像の中心に関してまたは中心を通る直線に関して光量分布が非対称である場合などがある。このような光量分布の偏りが所定の範囲内である場合、制御装置60は、吸着パッド26の吸着面と物体Pの被吸着面との間に隙間が存在しないと判定して吸引装置28を駆動することができる。一方、このような光量分布の偏りが所定の範囲を超えている場合、制御装置60は、吸着パッド26の吸着面と物体Pの被吸着面との間に隙間が存在すると判定することができる。この場合、飛行体制御装置14は、物体Pから離れて上昇して位置を補正するように飛行体10に指示する。その後、飛行体制御装置14は、再度物体Pに接近して、隙間が生じないような場所で吸着を行うように飛行体10に指示する。
図16中の(a)では、物体Pが略水平に保持装置20に保持されている。一方、図16中の(b)では、物体Pが水平面に対して傾いた状態で保持装置20に保持されている。
ベローズ形状の吸着パッド26では、物体Pを保持している状態で吸着パッド26が収縮する。吸着パッド26の素材がシリコン素材など透光性の材質である場合、吸着時の吸着パッド26内部は一定の明るさに保たれる。図16中の(b)のように物体Pが水平面に対して傾いている場合、吸着パッド26のベローズ形状において密になっている箇所と疎になっている箇所が生じる場合がある。この場合、ベローズ形状が密の箇所よりも疎の箇所からより多くの外光が吸着パッド26内部に入光するため、画像センサ36により取得される画像に光量分布の偏りが生じ得る。このため、物体Pを保持して持ち上げている状態で画像センサ36により取得される画像に光量分布の偏りが生じている場合、制御装置60は、保持されている物体Pが水平面に対して傾いていると判定することができる。また、制御装置60は、画像センサ36により検出された光量に基づいて、物体Pの傾斜の程度を算出することができる。この場合、傾斜した物体Pが外部環境と接触して破損するような事態を避けるために、飛行体制御装置14は、一旦物体Pから離れて位置を補正した後再度物体Pに対して吸着を行うように飛行体10に指示する。吸着位置の変更を行う場合、飛行体制御装置14は、ベローズ形状が疎になっている方向、すなわち光量分布で明るい方向(物体Pの重心に近い側)へ吸着パッド26が移動するように飛行体10に指示する。算出された光量分布に基づいて物体Pの保持動作が再度行われることにより、保持装置20が物体Pを安定して保持することが可能になる。なお、吸着パッド26には光量変化をより検出しやすいように模様(例えば縦線や格子線など)を施してもよい。なお、外光は、照明装置42による照明光でもよく、自然光でもよい。
次に、図17を参照して、第2の実施形態について説明する。第2の実施形態では、近接センサ90が設けられる点で、第1の実施形態とは異なる。なお、以下に説明する以外の構成は、第1の実施形態と同様である。
なお、近接センサ90および近接センサ基板92は、吸着パッド26の後ろ側に配置されてもよい。例えば、近接センサ90は、画像センサ36に隣接して設けられてもよい。この場合、近接センサ基板92が省略されて画像センサ基板34が近接センサ90用の基板を兼ねてもよい。
アクティブ型の光学距離測定センサは、LEDなどの光源から対象物に光を照射し、対象物における反射光を光検出素子で検出することで、対象物までの距離に応じた信号を出力する。アクティブ型の光学距離測定センサの例にPSD(Position Sensitive Detector)がある。PSDは、対象物までの距離を簡易に測定することができる光三角測量型の光学距離測定センサである。
次に、図18を参照して、第3の実施形態について説明する。第3の実施形態では、加速度センサ94が設けられる点で、第2の実施形態とは異なる。なお、以下に説明する以外の構成は、第2の実施形態と同様である。
次に、図19中の(a)および図19中の(b)を参照して、第4の実施形態について説明する。第4の実施形態では、アクチュエータ96が設けられる点で、第1の実施形態とは異なる。なお、以下に説明する以外の構成は、第1の実施形態と同様である。
図19に示すように、画像センサ36にアクチュエータ96が取り付けられている。アクチュエータ96は、支持部材24や吸着パッド26などに対して画像センサ36を直線状に移動させることにより、吸着パッド26の吸着面に対して画像センサ36を突出させることが可能である。すなわち、アクチュエータ96は、画像センサ36の全体が空洞部27a内に位置する第1位置と、画像センサ36の少なくとも一部が空洞部27aの外部に位置する第2位置との間で、空洞部27aを通じて画像センサ36を移動させることができる。アクチュエータ96としては、例えば空圧式や電動式のアクチュエータが使用され得る。空圧式アクチュエータは、図19のベローズ形状の内部に空気を流入出することにより、画像センサ36の位置を変更することができる。また、空圧式アクチュエータとして、シリンダ型のアクチュエータなどが使用されてもよい。なお、空圧式アクチュエータは、吸引装置28により作動されてもよい。この場合、例えば、吸引装置28が吸着パッド26の吸引を行うモードと、吸引装置28が空圧式アクチュエータを作動させるモードとの切替えを行う弁機構(例えば電磁弁)が設けられ得る。電動式アクチュエータが使用される場合、例えば、電動式アクチュエータは、モータと送りねじとを組み合わせることにより直線運動を実現することができる。
Claims (19)
- 気体を吸引する吸引装置と、
前記吸引装置に連通し、前記吸引装置の吸引により物体を吸着する吸着部と、
前記物体からの光量を二次元的に検出する光量センサと、
前記光量センサにより検出された情報に基づいて前記吸引装置を制御する制御装置と、
を備えた保持装置。 - 前記制御装置は、前記光量センサによる光量分布の検出の結果が所定の条件を満たす場合に吸引を行うように前記吸引装置を制御する、
請求項1に記載の保持装置。 - 前記制御装置は、前記光量センサにより検出された情報に基づき前記物体が前記吸着部に近接していることが検出された場合に吸引を行うように前記吸引装置を制御する、
請求項1または請求項2に記載の保持装置。 - 前記吸着部と前記吸着部を支持した支持部材とを含む吸着ユニットを備え、
前記光量センサは、前記吸着ユニットの内部に配置されている、
請求項1から請求項3のうちいずれか1項に記載の保持装置。 - 前記光量センサは、画像センサである、
請求項1から請求項4のうちいずれか1項に記載の保持装置。 - 前記制御装置は、前記画像センサにより取得された画像における前記物体および前記物体の表面の特徴部の少なくとも一方の大きさの変化に基づいて前記物体までの距離を見積もり、前記距離が距離閾値以下である場合に吸引を行うように前記吸引装置を制御する、
請求項5に記載の保持装置。 - 前記制御装置は、前記吸着部の移動速度が第1の速度である場合に前記距離閾値を第1の値に設定し、前記吸着部の移動速度が前記第1の速度より速い第2の速度である場合に前記距離閾値を前記第1の値より大きな第2の値に設定する、
請求項6に記載の保持装置。 - 加速度センサをさらに備え、
前記制御装置は、前記加速度センサから出力される信号に基づいて前記距離閾値を設定する、
請求項7に記載の保持装置。 - 前記吸着部と前記吸着部を支持した支持部材とを含む吸着ユニットと、
前記画像センサの全体が前記吸着ユニットの内部に位置する第1位置と、前記画像センサの少なくとも一部が前記吸着ユニットの外部に位置する第2位置との間で前記画像センサを移動させるアクチュエータと、
を備えた、
請求項5から請求項8のうちいずれか1項に記載の保持装置。 - 前記物体が前記吸着部に近接していることを検出する近接センサをさらに備え、
前記制御装置は、前記光量センサによる検出の結果にかかわらず、前記近接センサにより検出された情報に基づき前記物体が前記吸着部に近接していることが検出された場合に吸引を行うように前記吸引装置を制御する、
請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の保持装置。 - 前記吸着部と前記吸着部を支持した支持部材とを含む吸着ユニットを備え、
前記近接センサは、前記吸着ユニットの内部に配置されている
請求項10に記載の保持装置。 - 照明装置をさらに備え、
前記制御装置は、前記照明装置が光を照射している状態で前記光量センサにより取得された光量分布の検出の結果が所定の条件を満たす場合に吸引を行うように前記吸引装置を制御する、
請求項1から請求項11のいずれか1項に記載の保持装置。 - 前記光量センサは、前記吸着部が物体に吸着する方向に対して略直交する平面内で前記吸着部の略中央に配置されている、
請求項1から請求項12のいずれか1項に記載の保持装置。 - 前記吸引装置と前記吸着部との間の流路と大気圧空間とを連通させる第1の状態と、前記流路と前記大気圧空間との連通を遮断する第2の状態との間で切替可能な切替弁と、
前記吸引装置および前記切替弁を駆動する駆動装置と、
前記流路内の前記気体の圧力を検出する圧力センサと、
をさらに備えた、
請求項1から請求項13のいずれか1項に記載の保持装置。 - 前記制御装置は、前記圧力センサによって検出された圧力が第1の圧力閾値よりも低い場合に前記吸引装置の駆動を停止し、前記圧力センサによって検出された圧力が第2の圧力閾値よりも高い場合に前記吸引装置の駆動を開始し、前記第2の圧力閾値は、前記第1の圧力閾値と略等しいまたは前記第1の圧力閾値より高い、
請求項14に記載の保持装置。 - 前記吸着部を支持する支持部材をさらに備え、
前記支持部材は、前記吸着部および前記吸引装置と連通する空気穴を有し、
前記光量センサは、前記空気穴に対して前記吸引装置の方へ離間して配置されている、
請求項1から請求項15のいずれか1項に記載の保持装置。 - 前記支持部材に対して前記光量センサを支持した弾性部材をさらに備えた、
請求項16に記載の保持装置。 - 気体を吸引する吸引装置と、
前記吸引装置に連通し、前記吸引装置の吸引により物体を吸着する吸着部と、
前記物体からの光量を二次元的に検出する光量センサと、
前記光量センサにより取得された情報に基づいて前記吸引装置を制御する制御装置と、
を備えた飛行体。 - 気体を吸引する吸引装置と、前記吸引装置に連通し、前記吸引装置の吸引により物体を吸着する吸着部と、前記物体からの光量を二次元的に検出する光量センサと、前記光量センサにより取得された情報に基づいて前記吸引装置を制御する制御装置と、を有する保持装置と、
前記保持装置を移動させる移動機構と、
前記物体を認識する認識装置と、
前記認識装置からの出力に基づいて前記移動機構を制御する移動機構制御装置と、
を備えた搬送システム。
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