JP2021037594A - ロボットシミュレーション装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ハンドによるワークの把持位置の正確な教示を自動的に行うことのできる装置を提供する。【解決手段】ハンドモデル及びワークモデルを記憶するモデルデータ記憶部３０と、ワークモデルの把持形態、ワークモデルに対するハンドモデルの接近方向、及び、把持部位に関する入力を受け付ける把持条件入力部１１と、仮想空間において、ハンドモデルがワークモデルに接近を開始するための第１位置から、ハンドモデルがワークモデルの把持部位を把持可能な第２位置まで、ハンドモデルが接近方向に沿ってワークモデルと干渉することなく移動できるように第１位置及び第２位置を決定するハンド位置姿勢決定部１２と、第１位置と第２位置とをロボット動作プログラムに教示点として追加する教示点追加部１３と、を備えるロボットシミュレーション装置９０である。【選択図】図１

Description

本発明は、ロボットシステムのためのロボットシミュレーション装置に関する。

ワーク搬送装置上に配置されたり、バラ積み状態に配置されたワークに対するハンドリングを行うロボットシステムが知られている。このようなロボットシステムでは、ロボット（すなわち、ハンド）がワークを把持する位置を教示する必要がある。特許文献１は、「仮想三次元空間を規定する、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の内、Ｘ軸とＹ軸で規定されるＸＹ平面上で表示させて、把持位置のＸ座標及びＹ座標を指定するためのＸ−Ｙ指定部と、Ｘ−Ｙ指定部で把持位置のＸ座標及びＹ座標を指定されたワークモデル又はエンドエフェクタモデルの何れか又は両方の、Ｚ座標及びＺ軸を中心としたＲ_Z角を指定するためのＺ−Ｒ_Z部と、Ｚ−Ｒ_Z部で把持位置のＺ座標及びＲ_Z角を指定されたワークモデル又はエンドエフェクタモデルの何れか又は両方の、Ｘ軸を中心としたＲ_X角、及び／又はＹ軸を中心としたＲ_Y回転角を指定するためのＲ_X−Ｒ_Y指定部、Ｘ−Ｙ指定部、Ｚ−Ｒ_Z指定部、Ｒ_X−Ｒ_Y指定部で指定されたワークモデル又はエンドエフェクタモデルの把持位置を保存するための把持位置保存部とを備える、ロボット設定装置」を記載する（特許文献１、要約書）。

特許文献２は、「ロボット把持パターンを生成する方法であって、対象物体に関係する複数の接近光線を生成するステップを含み、複数の接近光線はそれぞれ対象物体の表面から垂直に伸びる。この方法は更に、複数の接近光線に関係する対象物体の把持パターンを生成するために、複数の接近光線の接近光線ごとに少なくとも一つの把持パターンを生成するステップと、把持パターン集合の個別把持パターンごとに把持品質評点を計算するステップと、個別把持パターンそれぞれの把持品質評点と、把持品質しきい値とを比較するステップと、を含む。この方法は更に，把持品質しきい値より高い把持品質評点を有する把持パターン集合の個別把持パターンを選択するステップと、選択された把持パターンを対象物体のオンライン操作用にロボットに供給するステップとを含む。」と記載する（特許文献２、要約書）。

特開２０１８−１４４１６２号公報 特開２０１３−１４４３５５号公報

一般に、ハンドによるワークの把持位置を正確に教示することは難しく、現場での調整が必要になる場合もある。ハンドによるワークの把持位置の正確な教示を自動的に行うことのできる装置が望まれている。

本開示の一態様は、ハンド及びワークのモデルデータであるハンドモデル及びワークモデルを記憶するモデルデータ記憶部と、前記ハンドモデルによる前記ワークモデルの把持形態、前記ワークモデルに対する前記ハンドモデルの接近方向、及び、前記ハンドモデルが前記ワークモデルを把持する把持部位に関する入力を受け付ける把持条件入力部と、前記ハンドモデル及び前記ワークモデルを用いて、仮想空間において、前記ハンドモデルが前記ワークモデルに接近を開始するための第１位置から、前記ハンドモデルが前記ワークモデルの前記把持部位を把持可能な第２位置まで、前記ハンドモデルが前記接近方向に沿って前記ワークモデルと干渉することなく移動できるように前記第１位置及び前記第２位置を決定するハンド位置姿勢決定部と、前記第１位置と前記第２位置とをロボット動作プログラムに教示点として追加する教示点追加部と、を備えるロボットシミュレーション装置である。

上記構成によれば、ロボット（ハンド）による正確な把持動作の自動的な教示を行うことができる。

添付図面に示される本発明の典型的な実施形態の詳細な説明から、本発明のこれらの目的、特徴および利点ならびに他の目的、特徴および利点がさらに明確になるであろう。

一実施形態に係るシミュレーション装置の構成を表すブロック図である。 ハンド位置姿勢決定処理の流れを表すフローチャートである。 把持形態の第１の例を表す図である。 把持形態の第２の例を表す図である。 把持形態の第３の例を表す図である。 把持形態の第４の例を表す図である。 接近方向及び把持部位の指定の第１の例を表す図である。 接近方向及び把持部位の指定の第２の例を表す図である。 接近方向及び把持部位の指定の第３の例を表す図である。 接近方向及び把持部位の指定の第４の例を表す図である。 接近位置及び把持位置間でのハンドの移動のシミュレーション動作を説明する図である。 把持シミュレーションの動作を説明する図である。 ソフトハンドの把持シミュレーションの動作を説明する図である。 シミュレーション装置により接近位置及び把持位置が教示点として反映されたロボット動作プログラムが適用されるロボットシステムの構成例を表す図である。 ハンドの仕様を決定するためのパラメータを説明するための図である。 決定されるハンドの仕様を説明するための図である。 ハンドの爪部のサイズの決定に関して説明するための図である。 梁に生じるたわみについて説明するための図である。 ワークの第１の部位を把持する形態を表す図である。 ワークの第２の部位を把持する形態を表す図である。 ワークの第３の部位を把持する形態を表す図である。 ランダムに発生させたワークの位置及び姿勢の例を表す図である。 図１４Ａのワークをハンドで把持する状態を表す図である。

次に、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。参照する図面において、同様の構成部分または機能部分には同様の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これらの図面は縮尺を適宜変更している。また、図面に示される形態は本発明を実施するための一つの例であり、本発明は図示された形態に限定されるものではない。

図１は一実施形態に係るロボットシミュレーション装置９０（以下、シミュレーション装置９０と記す）の構成を表すブロック図である。シミュレーション装置９０は、一例としてユーザにより入力されたロボットハンド（以下、単にハンドと記す）の把持条件に関する所定のパラメータを用いて、ロボット（ハンド）によるワークの把持位置等を自動的に生成してロボット動作プログラムに反映させる、いわゆるオフラインプログラミング装置である。これにより、ユーザが意図する形態でのロボット（ハンド）による正確な把持動作の自動的な教示が実現される。

図１に示されるように、シミュレーション装置９０は、一例として、ＣＰＵ１０に対して、メモリ２０（ＲＯＭ、ＲＡＭ等）、ＨＤＤ等の記憶装置３０、ディスプレイを含む表示部４０、操作部５０（キーボード、ポインティングデバイス等）、通信インタフェース６０等がバスラインを介して接続された一般的なコンピュータとしての構成を有する。シミュレーション装置９０は、例えば、デスクトップ型ＰＣ、ラップトップ型ＰＣ、タブレット端末、携帯型情報端末等の各種情報処理装置であっても良い。

シミュレーション装置９０は、更に、把持条件入力部１１、ハンド位置姿勢決定部１２、教示点追加部１３、把持シミュレーション実行部１４、把持形態登録部１５、及びハンド仕様決定部１６を備える。把持条件入力部１１は、表示部４０及び操作部５０により実現されるユーザインタフェースを介して、ユーザによる把持条件の入力を受け付ける。ハンド位置姿勢決定部１２は、ユーザにより入力された把持条件を用いて、ハンドが適切な把持動作を行うためのハンドの位置及び姿勢を決定する。教示点追加部１３は、ハンド位置姿勢決定部１２により決定されたハンドの位置及び姿勢を、ハンドを搭載するロボット動作プログラムに教示点として反映させる。記憶装置３０は、ロボット、各種のハンド、各種のワーク等のモデルデータ３１（ロボットモデル、ハンドモデル、ワークモデル等）を記憶する。把持シミュレーション実行部１４は、記憶装置３０内に記憶されたハンド等のモデルデータ３１を用いて、ハンドが爪部を閉じてワークを把持する動作のシミュレーションを実行する。以下では、説明の便宜上、ロボットモデル、ハンドモデル、ワークモデルを指して、単に、ロボット、ハンド、ワークと称する場合がある。

図１では、把持条件入力部１１、ハンド位置姿勢決定部１２、教示点追加部１３、把持シミュレーション実行部１４、把持形態登録部１５、及びハンド仕様決定部１６は、ＣＰＵ１０が記憶装置３０に格納された各種ソフトウェアを実行することによって実現される機能であるものとして記載しているが、本発明はこのような構成に限定されるものではない。例えば、これらの機能部は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated IC）等のハードウェアを主体とした構成により実現されても良い。シミュレーション装置９０は、例えば、通信インタフェース６０を介してロボット制御装置と接続され、シミュレーション装置９０により生成されたロボット動作プログラムは、通信インタフェース６０を介してロボット制御装置に提供されても良い。

図２は、ハンド位置姿勢決定処理の流れを表すフローチャートである。本実施形態に係るハンド位置姿勢決定処理では、把持条件として、把持形態、ハンドがワークに対して接近する場合の方向を表す接近方向、ワークの把持部位の３つのパラメータに基づいて、仮想空間において、ハンドがワークに接近を開始するための第１位置（接近位置）からハンドがワークの把持部位を把持可能な第２位置（把持位置）まで、ハンドモデルが接近方向に沿ってワークと干渉することなく移動できるように接近位置及び把持位置を決定する。なお、接近位置、把持位置にはハンドの姿勢も含まれる。ハンド位置姿勢決定処理は、シミュレーション装置９０のＣＰＵ１０が、記憶装置３０に記憶されたハンド位置姿勢決定プログラム３２を実行することによって実現される。

はじめに、シミュレーション装置９０（把持条件入力部１１）は、把持形態の選択を受け付ける（ステップＳ１１）。ステップＳ１１においてユーザが選択入力する把持形態の４つの例を図３Ａ−図３Ｄに示す。図３Ａは、ワークの把持部位を外側から挟み込むように把持する把持形態（以下、外径把持と記す）を模式的に表す図である。図３Ａに示すように、外径把持の場合には、一例として、平行移動型の爪部を有するハンドＨ１を用いてワークＷ１を外側より挟んで把持する形態をとる。図３Ｂは、ワークの孔部に対して内側から爪部を押し付けることでワークを保持する把持形態（以下、内径把持と記す）を模式的に表す図である。図３Ｂに示すように、内径把持の場合には、一例として、平行移動型の爪部を有するハンドＨ２を用いてワークＷ２の孔部の内周面に対して爪部を押し当てることでワークＷ２を保持する。

図３Ｃは、ワークをすくいあげる把持形態（以下、すくいあげと記す）を模式的に表す図である。すくいあげの場合には、一例として図３Ｃに示すように、縦断面視でＬ字状の形状を有するハンドＨ３を用いて、ワークＷ３を下から持ち上げて保持する。図３Ｄは、吸着による把持形態を模式的に示す図である。図３Ｄに示されるように、吸着の場合には、吸着式のハンドＨ４を用いてワークＷ４を吸引して持ち上げる。なお、本明細書では、図３Ａ−図３Ｃに示したような外径把持、内径把持、すくいあげ、吸着を含め、ハンドによりワークを保持する動作を把持と称する場合がある。

ステップＳ１１における把持形態の選択においては、シミュレーション装置９０は、図３Ａ−図３Ｄに示すような、把持形態を模式的に表すアイコン画像を表示し、アイコン画像に対する選択操作による把持形態の選択を受け付けるようにしても良い。把持形態の選択は、使用するハンドのタイプを選択することに相当する。したがって、シミュレーション装置９０は、ステップＳ１１での把持形態の選択結果に基づいて、ステップＳ１２以降の動作確認において使用するハンドのタイプを決定しても良い。

ステップＳ１２では、シミュレーション装置９０（把持条件入力部１１）は、接近方向の指定を受け付ける。また、ステップＳ１３では、シミュレーション装置９０（把持条件入力部１１）は、把持部位の指定を受け付ける。図４Ａは、把持形態として外径把持が選択されている場合の、接近方向及び把持部位の指定の例を表す図である。一例として、シミュレーション装置９０は、ワークＷのモデルデータを用いて図４Ａに示すようなワークＷの画像を表示部４０に表示し、当該画像上で接近方向及び把持部位の指定を受け付けても良い。図４Ａの例では、ワークＷの上側の部位１１２の側面の上下方向中心付近が、把持部位Ｍ１、Ｍ２として指定されている。また、接近方向として、ワークＷの上側の部位１１２の上面から上側に向かう方向が、接近方向Ｄ１として指定されている。なお、接近方向は、図示のようにワークから見てハンドがどの方向から接近するかを表すものとして指定されても良い。シミュレーション装置９０は、図４Ａに示したような円形（又は楕円形）の枠線や、矢印のマークによる把持部位や接近方向の指定を受け付けるよう構成されていても良い。図４Ａのように接近方向Ｄ１及び把持部位Ｍ１，Ｍ２の指定がなされた場合、シミュレーション装置９０は、ワークＷに対してハンドを上側から接近させ、ハンドの爪部で把持部位Ｍ１，Ｍ２を把持する動作をさせるように接近位置及び把持位置を決定する。

図４Ｂは、把持形態として内径把持が選択されている場合の、接近方向及び把持部位の指定の例を表す図である。一例として、シミュレーション装置９０は、ワークＷ２のモデルデータを用いて図４Ｂに示すようなワークＷ２の画像を表示し、当該画像上で接近方向及び把持部位の指定を受け付けても良い。図４Ｂの例では、ワークＷ２の孔部１２１が把持部位Ｍ３として指定され、孔部１２１の底面からの上側に向かう方向が接近方向Ｄ２として指定されている。シミュレーション装置９０は、図４Ｂに示したような円形（又は楕円形）の枠線や、矢印のマークによる把持部位や接近方向の指定を受け付けても良い。図４Ｂのように接近方向Ｄ２及び把持部位Ｍ３の指定がなされた場合、シミュレーション装置９０は、ワークＷ２に対してハンドを上側から接近させ、ハンドの爪部を孔部１２１の内周面に押し付けてワークＷ２を把持する動作をさせるように接近位置及び把持位置を決定する。

図４Ｃは、把持形態として、すくいあげが選択されている場合の、接近方向及び把持部位の指定の例を表す図である。一例として、シミュレーション装置９０は、図４Ｃに示すようなワークＷ３の画像を表示し、当該画像上で接近方向及び把持部位の指定を受け付けても良い。図４Ｃの例では、ワークＷ３の底面１３１が把持部位Ｍ４として指定され、ワークＷ３の右側面からの右側に向かう方向が接近方向Ｄ３として指定されている。シミュレーション装置９０は、図４Ｃに示したような円形（又は楕円形）の枠線や、矢印のマークによる把持部位や接近方向の指定を受け付けるようにしても良い。図４Ｃのように接近方向Ｄ３及び把持部位Ｍ４の指定がなされた場合、シミュレーション装置９０は、ワークＷ３に対してハンドを上方から、一旦ワークＷ３の右側の位置に配置させ、次に、ハンドをワークＷ３の右側からワークＷ３に接近して保持する動作をさせるように接近位置及び把持位置を決定する。なお、本例の場合には、接近位置として、ワークＷ３の上方にある位置と、ワークＷ３の右側にある位置の２つを設定するようにしても良い。

図４Ｄは、把持形態として吸着が選択されている場合の、接近方向及び把持部位の指定の例を表す図である。一例として、シミュレーション装置９０は、図４Ｄに示すようなワークＷ４の画像を表示し、当該画像上で接近方向及び把持部位の指定を受け付けても良い。図４Ｄの例では、ワークＷ４の上面１４１が把持部位Ｍ５として指定され、上面１４１から上側に向かう方向が接近方向Ｄ４として指定されている。シミュレーション装置９０は、図４Ｄに示したような円形（又は楕円形）の枠線や、矢印のマークによる把持部位や接近方向の指定を受け付けるようにしても良い。図４Ｄのように接近方向Ｄ４及び把持部位Ｍ５の指定がなされた場合、シミュレーション装置９０は、ワークＷ４に対してハンドを上側から接近させ、ワークＷ４の上面１４１を吸着により保持する動作をさせるように接近位置及び把持位置を決定する。

次に、ステップＳ１４において、シミュレーション装置９０（ハンド位置姿勢決定部１２）は、ハンドとワークとが干渉しないような位置として接近位置及び把持位置を決定する。図５は、ステップＳ１４においてシミュレーション装置９０が実行するシミュレーション動作を説明する図である。ここでは、把持形態として外径把持が選択され、接近方向及び把持部位として図４Ａのような指定がなされている場合について説明する。シミュレーション装置９０は、ワークＷの把持部位Ｍ１、Ｍ２を把持可能な仮の位置としての把持位置Ｐ₀₁を決定し、また、接近方向Ｄ１に沿った位置であってロボットの一動作命令で把持位置Ｐ₀₁に移動可能な位置として仮の接近位置Ｐ₀₂を決定する。把持位置Ｐ₀₁は、ハンドＨ１の２つの爪２１１、２１２の間（把持空間）の中央の位置にワークＷの部位１１２が配置されるような位置として決定されても良い。

次に、シミュレーション装置９０は、ワークＷ及びハンドＨ１のモデルデータを用いてワークＷモデルに対してハンドＨ１モデルを接近位置Ｐ₀₂と把持位置Ｐ₀₁との間で動作させるシミュレーションを実行する。具体的には、シミュレーション装置９０は、仮想空間内の所定位置に、図示の姿勢のワークＷのモデルを配置し、ハンドＨ１のモデルを接近位置Ｐ₀₂と把持位置Ｐ₀₁との間で模擬的に移動させる。このとき、シミュレーション装置９０は、ワークＷのモデルとハンドＨ１のモデルとの間に干渉が生じないか否かを確認する。干渉が生じる場合には、仮の把持位置Ｐ₀₁及び仮の接近位置Ｐ₀₂の位置調整を行って干渉が生じないようにする。仮の把持位置Ｐ₀₁と仮の接近位置Ｐ₀₂との間でハンドＨ１のモデルを移動させた場合にワークＷとの干渉が生じないことが確認されると、シミュレーション装置９０は、仮の把持位置Ｐ₀₁及び仮の接近位置Ｐ₀₂を、正式な把持位置Ｐ₁₁及び接近位置Ｐ₁₂として採用する（図５の右側参照）。

なお、接近位置及び把持位置は、ＴＣＰ（ツール・センター・ポイント）を表す位置として生成されても良い。また、接近位置及び把持位置は仮想空間上での座標として生成されるが、これらは、例えば実空間（ロボット座標系）内でのワークの位置情報に基づいて、実空間上での位置として適用することができる。

次に、シミュレーション装置９０は、ステップＳ１４にて決定された把持位置Ｐ₁₁及び接近位置Ｐ₁₂を、ロボットに対する教示点に加えることで、ロボット動作プログラムに反映させる（ステップＳ１５）。以上の処理により、ロボットによるワークの把持動作の教示の自動化が実現される。

シミュレーション装置９０（把持シミュレーション実行部１４）は、把持位置においてハンドＨ１のモデルの爪２１１、２１２を閉じる動作を模擬的に実行させて、ワークＷを正しく把持できることを確認するように構成されていても良い（ステップＳ１６）。具体的には、シミュレーション装置９０は、ハンドＨ１のモデルデータを把持位置に配置した上で、爪２１１、２１２を閉じ（図６の左側参照）、爪２１１、２１２がワークＷのモデルに接触したところで停止させる（図６の右側参照）。この動作を行うことにより、シミュレーション装置９０は、ハンドＨ１のストロークの範囲内でワークＷを正しく把持できることを確認する。なお、ハンドＨ１のストロークの範囲内でワークＷを把持できない等の問題が見つかった場合には、把持位置の調整を行った上でステップＳ１４からの処理を再度実行しても良い。これにより、より正確な把持動作の教示が可能になる。

ハンドが柔軟な素材からなるいわゆるソフトハンドである場合の、把持シミュレーション実行部１４による把持動作のシミュレーションについて図７を参照して説明する。図７の左側にソフトハンドとして構成されたハンドＨ６の構成を示す。図７の左側に示す通り、ハンドＨ６は、シリコン樹脂等の柔軟な素材により形成された指１６１及び１６２と、指１６１及び１６２を支持する支持部１６０とを有する。指１６１及び１６２は、例えば圧縮エアを注入することにより所定の向きに湾曲して対象物を把持するように構成される。このようなソフトハンドの把持動作をシミュレーションするに当たり、柔軟に湾曲する指１６１、１６２を多関節構造にモデル化する。一例として、図７では（図７の中央部参照）、指１６１を、３つのリンク１７１−１７３が２つの関節部１８１、１８２により連結された多関節モデルとした例を図示している。指１６２についても同様に３つのリンクとそれらを連結する２つの関節部にモデル化する。

このようなモデル化を行った上で、以下のような動作ルールにより把持動作のシミュレーションを実行する。
（Ｍ１）図７中央部に示したような状態よりも更に指１６１、１６２の先端が互いに広がった状態を開状態とする。この開状態から、各指１６１、１６２を支持部１６０に連結した基端部を中心として、指１６１，１６２の先端同士が近づくような回転の動きを与える。
（Ｍ２）上記（Ｍ１）の動きを行う中で、リンク１７１−１７３のいずれかがワークに接触することを検出し、接触が検出されたリンクを含む基端側のリンクの動きを停止させる。
（Ｍ３）上記（Ｍ２）において接触が検出されたリンクよりも先端側のリンクについてさらに上記（Ｍ１）及び（Ｍ２）に従って動作を継続させる。このような（Ｍ１）〜（Ｍ３）の動作を、先端のリンクがワークに接触するまで実行する。

このような動作を行うことにより、各指１６１、１６２をワークＷに沿わせるように移動させてワークＷの把持する動作をシミュレーションすることができる。図７の右側に、上記動作ルールに従って、ソフトハンドＨ１の多関節構造モデルにワークＷの把持動作を実行させた場合の実行結果を示す。この場合の動作例では、指１６１のリンク１７２及び１７３（及び指１６２における対応する２つのリンク）により、ワークＷが把持される結果が得られている。このように、ソフトハンドの場合に関しても把持動作のシミュレーションが実現される。以上により、ソフトハンドの把持シミュレーションを演算の負荷を軽減し確実に実行することができる。

図８は、シミュレーション装置９０により接近位置及び把持位置が教示点として反映されたロボット動作プログラムが適用されるロボットシステム５００の構成例を表す図である。図８に示すように、ロボットシステム５００は、ロボット６００と、ロボット６００を制御するロボット制御装置５１０と、ワーク搬送装置６５０とを備える。ロボット６００は垂直多関節ロボットとして構成され、アーム先端には一例としてハンドＨ１が搭載されている。ロボット制御装置５１０は、ワーク搬送装置６５０の搬送動作についても制御する。この構成において、ロボット６００は、ロボット動作プログラムにしたがって、ワーク搬送装置６５０上を搬送されるワークＷをピックアップして所定の位置に搬送する作業を実行する。

ロボットシステム５００には、更にワークＷの位置及び姿勢を検出するためのビジョンセンサ５５０が配置されている。ビジョンセンサ５５０はロボット制御装置５１０に接続される。シミュレーション装置９０からロボット制御装置５１０に提供されるロボット動作プログラムには、教示点として、上述のハンド位置姿勢決定処理により決定された接近位置及び把持位置が反映されている。ロボット制御装置５１０は、ビジョンセンサ５５０で検出されたワークＷの実空間上の位置及び姿勢に基づいて、教示点（接近位置及び把持位置）を実空間上の位置として補正した上で、ワークＷに対する接近及び把持動作を実行させる。

シミュレーション装置９０は、ワークの形状、及び、把持位置におけるハンドとワークとの配置関係に関する所定のパラメータに基づいてハンドの仕様を生成するハンド仕様決定部１６を更に有していても良い。ここでは、図９に示すような、平行移動型のハンドＨ１及びワークＷを例にとり、所定のパラメータとハンドの仕様の決定について説明する。なお、図９は、ハンドの仕様を決定するためのパラメータを説明するための図であり、図１０は、決定されるハンドの仕様を説明するための図である。指定するパラメータは、下記の５つのパラメータとする。ハンド仕様決定部１６は、ユーザインタフェースを介して、又は、外部装置からパラメータの入力を受け付ける。
（Ｐ１）上部オフセット（図９において符号３１１を付す）
（Ｐ２）ハンド開オフセット（図９において符号３１２を付す）
（Ｐ３）把持点（図９において符号３１３を付す）
（Ｐ４）把持径（図９において符号３１４を付す）
（Ｐ５）ワーク質量

上部オフセット３１１は、ハンドＨ１の爪部２１０のうち爪２１１及び２１２を支持する支持部２１３の下面２１３ａと、ワークＷの把持部位である部位１１２の上面１１２ａとの間の距離である。ハンド開オフセット３１２は、ハンドＨ１が爪部２１０を開いた状態にある場合における、ワークＷの部位１１２の側面（例えば側面１１２ｂ）と、この側面に対向する爪部の内側面（例えば内側面２１２ａ）との間の距離である。把持点３１３は、部位１１２の内部の位置（典型的には、部位１１２の略中心位置或いは略重心位置）である。把持径３１４は、爪２１１及び２１２の開閉方向における部位１１２のサイズを表す。例えば、部位１１２が円筒状である場合には、把持径３１４は、円筒状の部位１１２の外径として設定される。ワーク質量は、ワークＷの質量である。なお、パラメータＰ１〜Ｐ４は、把持位置を基準として設定することができる。

シミュレーション装置９０（ハンド仕様決定部１６）は、記憶装置３０内に予め登録されている複数種類のチャックの中から、ワーク質量に基づいて好適な把持力を有するチャックを選択する。
一例として、図９に示したような外径把持を行う場合、シミュレーション装置９０は、以下の計算式により必要な把持力Ｆの計算を行う。
ｎ：爪の数
Ｆ：把持力（Ｎ）
μ：爪とワーク間の摩擦係数
ｍ：ワーク質量
ｇ：重力加速度（＝９．８Ｎ）
ｍｇ：ワーク重量
ワークが落下しない条件：ｎ×μＦ＞ｍｇ
よって、Ｆ＞ｍｇ／（ｎ×μ）
安全率をｓ_aとして、必要把持力は、
Ｆ＝（ｓ_a×ｍｇ）／（ｎ×μ）
例えば、爪数ｎ＝２、摩擦係数μ＝０．２、安全率ａ＝４の場合を想定すると、
Ｆ＝（ｍｇ×４）／（２×０．２）
＝１０×ｍｇ
となり、必要把持力はワーク重量の１０倍となる。この場合、シミュレーション装置９０は、必要把持力Ｆ以上の把持力を有するチャックを選定する。また、シミュレーション装置９０は、必要把持力を有するチャックを選定するに当たり、把持径その他のパラメータを考慮することもできる。また、シミュレーション装置９０は、ハンド開オフセット、把持径等に更に基づいて、必要なストロークを有するチャックを選定するようにすることができる。

次に、シミュレーション装置９０（ハンド仕様決定部１６）は、パラメータＰ１−Ｐ３に基づいて、ハンド内側の寸法を決定する（図１０参照）。ハンド内側の寸法は、例えば、図１０に示すように、ハンドの把持空間における、支持部２１３の把持方向（爪の開閉方向）の幅ｂ１と、爪２１１、２１２の突出方向の長さａ１として決定されても良い。一例として、爪２１１、２１２の長さａ１を、上部オフセット３１１と、ワークＷの上面１１２ａと把持点３１３との間の長さとの合計よりも長い値となるように設定することができる。また、支持部２１３の把持方向の幅ｂ１は、ハンド開オフセット３１２の２倍の値と、把持径３１４との合計の値よりも大きな値となるように設定することができる。

次に、シミュレーション装置９０（ハンド仕様決定部１６）は、選定されたチャックの把持力Ｆから、強度計算を行うことにより爪部２１０のサイズ及び形状を決定する。
図１１の平行移動型で２つの爪２１１及び２１２を有するハンドＨ１を想定する。部材の断面積（縦、横）の寸法を指定してそのたわみと歪を計算して許容範囲であればよいこととする。
図１２に示したような状況において梁に生じるたわみδは下記の数式（１）で表される。

δ＝Ｗｌ₂ ²（３ｌ₁＋２ｌ₂）／（６ＥＩ）・・・（１）
ここで、Ｗ：荷重
ｌ：はりの長さ（支持点から荷重がかかる位置までの長さをｌ₂、荷重がかかる位置から先端までの長さをｌ₁とする。）
Ｅ：縦弾性係数（ヤング率）
Ｉ：断面２次モーメント

図１１に図示した状況において、把持力Ｆが爪２１２の図示の位置にかかるとして、数式（１）におけるＷ＝Ｆとして爪２１２のたわみδを算出する。断面２次モーメントは、一例として、矩形の断面形状における幅をｂ、高さをｈとするとき、ｂｈ³／１２と表される。

次に、支持部２１３に対して把持方向に把持力Ｆが作用する状況における支持部２１３の歪εを計算する。断面積Ａの長さＬ部材の長さ方向に荷重Ｆがかかる場合の応力σは、
σ＝Ｆ／Ａ
と表される。
この場合、歪ε、部材の長さ方向の変化量ΔＬは、以下のように表される。
ε＝σ／Ｅ
ΔＬ＝Ｌ×ε
上記計算式に従って、支持部２１３に把持力Ｆが作用する場合の支持部２１３の歪又は長さの変化量が許容値以内であれば良いとする。

チェックと支持部２１３を連結するボルト２７１については、最大荷重を把持力×安全率以上に設定して選択する。また、支持部２１３と爪２１２とを連結するボルト２７２については、せん断強度を把持力Ｆ×安全率以上に設定して選択する。

以上の計算により、ハンドのチャックが選定されると共に、チャックに取り付ける爪部２１０の、内側寸法４０３、形状、大きさ等を含む仕様が決定されたこととなる。なお、チャックの選択や爪部のサイズを決定する場合、必要な条件（把持力、長さ等）を満たしつつも、できるだけコンパクトな構成となるように選択、決定することが望ましい。なお、以上により決定されたハンドの仕様にしたがって、上述のハンド位置姿勢決定処理に用いるハンドを決定しても良い。

ワークに対する最適な把持形態（ワークに対するハンドの位置及び姿勢）は、ワークの種類（形状）や姿勢に依存する場合がある。シミュレーション装置９０は、ワークの種類（形状）や姿勢に依存する複数の把持形態を登録すると共に、シミュレーションにより動作検証を行う把持形態登録部１５を備えていても良い。図１３Ａ−１３Ｃ及び図１４Ａ−１４Ｂを参照して把持形態登録部１５の機能について説明する。ここでは、一例として、ハンドとして平行移動型のハンドＨ１、ワークとして、円筒状部１５１と、円筒状部１５１の一端に形成されたフランジ部１５２とを有するワークＷを用いる場合について説明する。

ワークＷに関しては、図１３Ａに示す円筒状部１５１を把持する把持形態（以下、把持形態１と記す）、図１３Ｂに示すフランジ部１５２の一端部１５２ａを把持する把持形態（以下、把持形態２と記す）、図１３Ｃに示すフランジ部１５２の他端部１５２ｂを把持する把持形態（以下、把持形態３と記す）が想定される。シミュレーション装置９０（把持形態登録部１５）は、ユーザからの、このような把持部位の指定を受け付けると共に、当該複数の異なる部位をハンドモデルで把持する場合のハンドモデルの複数の把持形態（把持位置及び姿勢）を登録する。具体的には、把持形態登録部１５は、ユーザによるワークＷの把持部位の指定を受け付け、指定されたワークＷの把持部位をハンドＨ１で把持するための把持位置及び姿勢を自動計算する。

一例として、ユーザが指定した把持部位が、フランジ部１５２の一端部１５２ａであるものとする。この場合、シミュレーション装置９０（把持形態登録部１５）は、ハンドＨ１の把持空間に一端部１５２ａが収容され、爪部を閉じたときに一端部１５２ａを正しく把持可能なハンドＨ１の位置及び姿勢を求める（把持形態２）。この場合、シミュレーション装置９０（把持形態登録部１５）は、ハンドＨ１のモデル及びワークＷのモデルを模擬動作させて動作確認を行う。シミュレーション装置９０は、同様の手法により、把持部位として円筒状部１５１が指定された場合、把持部位としてフランジ部１５２の他端部１５２ｂが指定された場合についても、ワークＷに対するハンドＨ１の把持位置及び姿勢を算出する（把持形態１、３）。

シミュレーション装置９０（把持形態登録部１５）は、把持形態１−３の情報を記憶する。以上のような登録は、使用が想定されるワークの種類毎（形状毎）に行っておく。

次に、シミュレーション装置９０（把持形態登録部１５）は、ワークＷモデルの姿勢をランダムに発生させ、発生させた姿勢に最適な把持形態を、ワークＷに関して登録された把持形態１〜３の中から選択する。例えば、ランダムに発生させたワークＷの姿勢が図１４Ａのようなものであったとする。この場合、図１３Ａ−１３Ｃに示す３つの把持形態１〜３におけるワークＷの姿勢のうち、図１４Ａの姿勢に最も近いのは図１３Ａの把持形態１におけるワークＷの姿勢であると言える。例えば、図１４Ａの姿勢において、ワークＷの円筒状部１５１の中心線Ｃの鉛直方向に対する角度θは、２０度程度であり、把持形態１〜３における円筒状部１５１の中心線Ｃの鉛直方向に対する角度を尺度として判断すると、図１４Ａの姿勢は、把持形態１（図１３Ａ）におけるワークＷの姿勢に最も近いと言える。このような場合、シミュレーション装置９０（把持形態登録部１５）は、図１４Ａの姿勢のワークＷを把持するのに最も適した把持形態として把持形態１を選択することができる。なお、この判断基準は一例であり、ランダムに発生した姿勢に最も適した把持形態を選択する他の判断基準が用いられても良い。

次に、シミュレーション装置９０（把持形態登録部１５）は、選択された把持形態１でワークＷを把持するシミュレーションを実行する。具体的には、シミュレーション装置９０は、ハンドＨ１モデルを、ワークＷから離間した位置であって円筒状部１５１に接近可能な位置（例えば、円筒状部１５１の中心線Ｃに沿った位置）から、把持位置（円筒状部１５１がハンドＨ１の把持空間に含まれる位置）までハンド１モデルを移動させ、爪部を円筒状部１５１との接触が検出されるまで爪部を閉じる方向に移動させる。

シミュレーション装置９０は、ワークＷのランダムな姿勢を多数発生させて、それぞれについて図１４Ｂのような把持シミュレーションを行い、ワークＷを正しく把持できることを検証する。このような、ワークＷのあらゆる姿勢にについて正しく把持可能なことを検証しておくことで、実機上でのハンドによるワークのハンドリングの有効性を予め検証することができる。例えば、このような検証機能は、ハンド仕様決定部１６によって生成した仕様によるハンドの動作検証に有効に活用することができる。

ここで登録された把持形態を、実機（すなわち、ロボット制御装置）に登録しておくことで、ロボットシステムが備えるビジョンセンサでワークの姿勢を検出し、登録された把持形態の中から、検出された姿勢に適した把持形態を選択し、ロボットによるワークのバラ積みピッキング動作等に反映させることが可能となる。

以上説明したように、本実施形態によれば、ハンドによる正確な把持動作の自動的な教示を行うことができる。

以上、典型的な実施形態を用いて本発明を説明したが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなしに、上述の各実施形態に変更及び種々の他の変更、省略、追加を行うことができるのを理解できるであろう。

上述の実施形態では、把持条件入力部１１は、把持条件のパラメータをユーザインタフェースを介して取得するものとして説明したが、把持条件のパラメータは、例えばネットワークを介して外部装置からシュミュレーション装置９０に入力されても良い。

上述した実施形態に示したハンド位置姿勢決定処理等を実行するプログラムは、コンピュータに読み取り可能な各種記録媒体（例えば、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリ等の半導体メモリ、磁気記録媒体、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ等の光ディスク）に記録することができる。

１０ ＣＰＵ
１１ 把持条件入力部
１２ ハンド位置姿勢決定部
１３ 教示点追加部
１４ 把持シミュレーション実行部
１５ 把持形態登録部
１６ ハンド仕様決定部
２０ メモリ
３０ 記憶装置
４０ 表示部
５０ 操作部
６０ 通信インタフェース
９０ シミュレーション装置
５００ ロボットシステム
５１０ ロボット制御装置
５５０ ビジョンセンサ
６００ ロボット
６５０ ワーク搬送装置

Claims (6)

1. ハンド及びワークのモデルデータであるハンドモデル及びワークモデルを記憶するモデルデータ記憶部と、
   前記ハンドモデルによる前記ワークモデルの把持形態、前記ワークモデルに対する前記ハンドモデルの接近方向、及び、前記ハンドモデルが前記ワークモデルを把持する把持部位に関する入力を受け付ける把持条件入力部と、
   前記ハンドモデル及び前記ワークモデルを用いて、仮想空間において、前記ハンドモデルが前記ワークモデルに接近を開始するための第１位置から、前記ハンドモデルが前記ワークモデルの前記把持部位を把持可能な第２位置まで、前記ハンドモデルが前記接近方向に沿って前記ワークモデルと干渉することなく移動できるように前記第１位置及び前記第２位置を決定するハンド位置姿勢決定部と、
   前記第１位置と前記第２位置とをロボット動作プログラムに教示点として追加する教示点追加部と、
   を備えるロボットシミュレーション装置。
2. 前記第２位置において前記ハンドモデルの指部を閉じる把持動作を模擬的に実行させ、前記指部が前記ワークモデルと接触したことを検出したときに前記把持動作を停止させる把持シミュレーション実行部を更に備える、請求項１に記載のロボットシミュレーション装置。
3. 前記ハンドモデルの指部がソフトハンドとして構成されている場合、
   前記把持シミュレーション実行部は、前記指部を多関節モデルとして表したデータを用いて前記把持動作を模擬的に実行する請求項２に記載のロボットシミュレーション装置。
4. 前記多関節モデルは、複数のリンクと、該複数のリンクを連結する１以上の関節部とを含み、
   前記把持シミュレーション実行部は、前記把持動作において、
   （１）前記複数のリンクの一部が前記ワークモデルに接触したことを検出すると該接触したリンクの移動を停止させ、
   （２）該停止させたリンクよりも先端側にあるリンクを前記ワークモデルに接触するまで移動させる、
   という処理を前記複数のリンクのうちの先端のリンクが前記ワークモデルと接触するまで繰り返し実行する、
   請求項３に記載のロボットシミュレーション装置。
5. 前記ワークの重量、及び、前記第２位置における前記ハンドモデルと前記ワークモデルとの配置関係に基づいて、前記ハンドに用いるチャックの把持力及び前記ハンドの形状に関する仕様を決定するハンド仕様決定部を更に備える、請求項１から４のいずれか一項に記載のロボットシミュレーション装置。
6. 前記ワークモデルにおける複数の異なる部位を前記ハンドモデルで把持すべき部位として指定することを受け付けると共に、当該複数の異なる部位を前記ハンドモデルで把持する場合の前記ハンドモデルの複数の把持位置及び姿勢を登録する把持形態登録部を更に備え、
   前記把持形態登録部は、前記ワークモデルの姿勢をランダムに発生させ、発生された前記姿勢に基づいて前記ハンドモデルの前記複数の把持位置及び姿勢の一つを選択し、発生された前記姿勢にある前記ワークモデルを前記選択された前記ハンドモデルの把持位置及び姿勢で把持する動作を模擬的に実行して検証を行う、
   請求項１から５のいずれか一項に記載のロボットシミュレーション装置。

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