JP2023038456A - ロボット制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ロボットハンドにおけるワーク把持の安定性に加えて、ワークが落下した際のリスクを考慮してロボットハンドの軌道を決定することが可能なロボット制御システムを提供する。【解決手段】ロボットアーム１１４の先端に取り付けられたカメラ１１８を有するロボット１１０と、制御装置２００とを含み、制御装置は、ロボットアームがワークを搬送する軌道候補を複数生成する軌道生成部２０４と、軌道候補上の通過点におけるワーク把持の安定性を算出する安定性算出部２０６と、作業空間に設定したメッシュごとに危険度を算出する危険度設定部２０８と、通過点における安定性と通過点が属するメッシュの危険度から通過点の評価値を算出する評価値設定部２１０と、複数の軌道候補が含む通過点の評価値から各々の軌道候補の優先順位を算出する優先順位設定部２１２と、を有することを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、ワークを把持するロボットアームを有するロボットと、ロボットを駆動制御する制御装置とを含むロボット制御システムに関する。

近年、工場等の生産現場において、ロボットアームやマニピュレータ等の産業用機械が用いられている。ロボットアームでは、先端に取り付けられるエンドエフェクタの種類によって、ワークの搬送やワークの加工等の様々な処理を行うことが可能である。ロボットアームを用いてワークのピッキングを行う際には、作業空間においてロボットアームが移動する軌道を設定しておく必要がある。

例えば特許文献１のロボットピッキングでは、ピッキング動作を開始する時点におけるグリッパがそれぞれの候補ワークに至るまでの軌跡の情報である軌跡データを生成している。また特許文献１では、初期状態にあるグリッパが軌跡に沿って候補ワークに至るまでの時間である所要時間（タクトタイム）を算出している。特許文献１によれば、かかる構成により、ピッキング動作においてピッキングに要する時間を優先させる制御を行うことができるとしている。

また例えば特許文献２には、ロボットの把持姿勢評価装置および把持姿勢評価プログラムが開示されている。特許文献２では、ロボットがワークを搬送する際の動作軌道を生成している。そして、動作軌道に従ってロボットがロボットハンドによりワークを把持して搬送する場合の負荷指標値、および動作軌道に従ってロボットがロボットハンドによりワークを把持して搬送する場合の安定指標値を算出し、把持姿勢を評価している。

特許第５７５４４５４号 特開２０２０－１１３１７号公報

しかしながら特許文献１のロボットピッキングでは、グリッパが候補ワークをピッキングするまでの軌跡における所要時間については検討されているものの、ピッキング後のワークを搬送する際の軌跡における検討は全くなされていない。また特許文献１では、候補ワークの把持の安定性についても考慮されていない。

特許文献２では、ワークを搬送する場合の負荷指標値および安定指標値に基づいてロボットハンドの把持姿勢が適正であるか否かを評価している。特許文献２では、適正な把持姿勢でロボットにワークを搬送させることにより、ロボットの非常停止を回避し、生産性が担保できるとしている。しかしながら特許文献２では、ロボットハンドがワークから落下した場合については何ら検討されていない。

本発明は、このような課題に鑑み、ロボットハンドにおけるワーク把持の安定性に加えて、ワークが落下した際のリスクを考慮してロボットハンドの軌道を決定することが可能なロボット制御システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明にかかるロボット制御システムの代表的な構成は、ワークを把持するロボットアームを有するロボットと、ロボットを駆動制御する制御装置とを含むロボット制御システムであって、ロボットは、ロボットアームの先端に取り付けられワーク周辺の作業空間を撮像するカメラを有し、制御装置は、ロボットアームがワークを搬送する軌道候補を複数生成する軌道生成部と、軌道候補上の通過点におけるワーク把持の安定性を算出する安定性算出部と、作業空間に設定したメッシュごとに危険度を算出する危険度設定部と、通過点における安定性と通過点が属するメッシュの危険度から通過点の評価値を算出する評価値設定部と、複数の軌道候補が含む通過点の評価値から各々の軌道候補の優先順位を算出する優先順位設定部と、を有することを特徴とする。

上記制御装置は、危険度が低い作業空間ではロボットアームの移動速度を速くし、危険度が高い作業空間ではロボットアームの移動速度を遅くするとよい。

上記評価値設定部は、通過点における安定性をＳ、通過点が属するメッシュの危険度をＫ、危険度を重視する係数をｅとしたとき、次式「Ｅ＝Ｓ（１－ｅＫ） （ただし０＜ｅ≦１）」を用いて評価値を設定するとよい。

本発明によれば、ロボットハンドにおけるワーク把持の安定性に加えて、ワークが落下した際のリスクを考慮してロボットハンドの軌道を決定することが可能なロボット制御システムを提供することができる。

ロボットシステム制御を説明する概略図である。 制御装置を説明する機能ブロック図である。 本実施形態のロボット制御システムの動作を説明するフローチャートである。 危険度Ｋの算出方法を説明する図である。 危険度Ｋの算出方法を説明する図である。 評価値Ｅの算出方法を説明する図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（ロボット制御システム１００）
図１は、ロボットシステム制御１００を説明する概略図である。図１に示すように、ロボット制御システム１００は、容器１０２に入っているワーク１０４を把持するロボットアーム１１４を有するロボット１１０と、ロボット１１０を駆動制御する制御装置２００とを含んで構成される。ロボットシステム１００は、ロボットアーム１１４のエンドエフェクタ１１６によってワーク１０４を把持し、所定の位置まで搬送する。

図１に示すように、ロボット１１０はロボットアーム１１４を有する。ワーク１０４の上方には、エンドエフェクタ１１６、およびワーク１０４（容器１０２）の周辺の作業空間を撮像するカメラ１１８が取り付けられている。本実施形態では後述するように作業空間すなわち三次元空間を撮影するため、カメラ１１８としては３Ｄカメラを用いる。なお図１ではロボット１１０と別体の装置としてカメラ１１８を設置しているが、ロボット１１０に取り付けてもよい。

図２は、制御装置２００を説明する機能ブロック図である。図２に示すように、制御装置２００は、撮像部２０２、軌道生成部２０４、安定性算出部２０６、危険度設定部２０８、評価値設定部２１０および優先順位設定部２１２を含んで構成される。

図３は、本実施形態のロボット制御システム１００の動作を説明するフローチャートである。図３に示すように本実施形態のロボット制御システム１００では、まず制御装置２００は撮像部２０２として機能し、カメラ１１８によってワーク１０４（容器１０２）の周辺の作業空間を撮像する（Ｓ３０２）。

次に軌道生成部２０４は、Ｓ３０２で撮像された作業空間の情報に基づいて、ロボットアーム１１４が初期位置から容器１０２の内のワーク１０４をピッキングする、およびピッキングしたワーク１０４を所定の位置まで搬送する軌道候補を複数生成する（Ｓ３０４）。なお、軌道生成部２０４は、生成した軌道候補におけるロボット１１０の動作をシミュレートし、各時間のロボット１１０の姿勢、速度および加速度を算出する処理を行ってもよい。

軌道候補を複数生成したら、安定性算出部２０６は、軌道候補上の通過点におけるワーク把持の安定性Ｓを算出する（Ｓ３０６）。ワーク把持の安定性Ｓの算出方法としては、例えばロボット工学の特にハンドリングにおける安定性を示すフォースクロージャ（力拘束）を適用することができる。フォースクロージャは、ワークに対する外力のつり合いの評価指標である。

また他の安定性Ｓの算出方法としてはフォームクロージャ（形態拘束）を適用してもよい。フォームクロージャは、ワーク１０４に対する拘束によってワーク１０４が動ける方向がない状態、すなわち拘束状態の評価指標である。なお、これらについては例示にすぎず、他の既知の算出方法を適用することも可能である。

ワーク把持の安定性Ｓを算出したら、危険度設定部２０８は、Ｓ３０２において撮像された作業空間にメッシュを設定し、設定したメッシュごとに危険度Ｋを算出する（Ｓ３０８）。危険度Ｋとしては、ピッキングされたワーク１０４がロボットアーム１１４から落下した際の影響度を例示することができる。影響度としては、例えばワーク１０４の損傷度合や、落下したワーク１０４を再ピッキング可能であるか等が挙げられる。

図４および図５は、危険度Ｋの算出方法を説明する図である。なお、図４および図５では、説明の都合上、作業空間を上下方向および左右方向の二次元で示しているが、実際には、カメラ１１８によって撮像された三次元空間に対して危険度Ｋを設定する処理を行う。また危険度Ｋは０－１の範囲とし、値が高いほど危険度Ｋが高いものとする。

図４では、左右方向で容器１０２外の位置にあるメッシュでは、危険度Ｋが１に設定される。これは、作業空間４００のうち、容器１０２外に落下するとワーク１０４の損傷度が大きくなる傾向があり、且つ容器１０２外に落下したワーク１０４は再ピッキングが不可能となる可能性があるためである。なお、カメラ１１８の撮影範囲外においては状況が確認できないため、危険度Ｋは１に設定される。

また容器の上方で落下する場合では、落下位置が高くなるほど、危険度Ｋを高く設定している（最大値を１とする）。これは、落下位置が高いほどワーク１０４の損傷が大きくなると考えられるためである。そして落下位置が低くなるにしたがって、危険度Ｋを０．８－０の範囲で設定している。これは、落下位置が低ければワーク１０４の損傷が小さく、特に容器１０２の底面近傍で落下した場合にはワーク１０４の損傷が生じないと見做せるためである。すなわち、容器１０２の上方から落下する場合には、落下位置の高さと危険度Ｋは正比例していると言える。

図５では、ワーク１０４の点群から危険度Ｋを設定する場合を例示している。図５（ａ）に示すように、ワーク１０４は容器１０２内に収容されている。この図５（ａ）の作業空間４００をカメラ１１８によって撮像し、ワーク１０４近傍を拡大した画像が図５（ｂ）である。このように拡大した画像において、ワーク１０４の最も高い位置に各点が設定される。この各点の集合が点群１０４ａである。

危険度設定部２０８は、図５（ｂ）の点群の各点から所定高さ以上の領域の危険度Ｋを１に設定する。これは、上述したように落下位置が高いとワーク１０４の損傷度合が大きくなると考えられるためである。そして落下位置の高さとワーク１０４の損傷度合は正比例するため、図５（ｃ）に示すように点群１０４ａの各点から落下位置までの高さが低くなるにしたがって危険度Ｋは低くなる。

上述したワークの点群を用いた危険度Ｋの設定方法は、軌道候補の生成時（Ｓ３０４）に干渉判定を行っていない場合に特に有効である。なお、ワーク１０４の点群を用いて危険度Ｋを設定する際に危険度Ｋを１に設定する落下位置の高さは、実際にワーク１０４を落下させ、実験的に得られた「ワーク１０４が損傷しない最大の高さ」とすることが好ましい。他には、ワーク１０４のＣＡＥ解析により得られた衝撃強さから安全率を考慮して設定することも可能である。

図６は、評価値の算出方法を説明する図である。作業空間４００のメッシュごとの危険度Ｋを算出したら、評価値設定部２１０は、通過点ｐ（ｐｉは三次元座標（ｘｉ，ｙｉ，ｚｉ）である。）における安定性Ｓと通過点ｐが属するメッシュの危険度Ｋから通過点の評価値Ｅを算出する（Ｓ３１０）。

例えば図６では、ロボットアーム１１４（厳密にはエンドエフェクタ１１６）は、通過点ｐ１から通過点ｐ２－ｐ４を通過して通過点ｐ５にワーク１０４を搬送する。各通過点ｐ１－ｐ５の間は直線移動すると仮定し、直線移動しているときはワーク１０４を落としにくいと想定されるので、各通過点ｐ１－ｐ５における安定性のみを検討する。

通過点ｐ１－ｐ５それぞれにおける安定性Ｓは、「Ｓ（ｐ１）－Ｓ（ｐ５）」と表される。具体的には、通過点ｐ１がロボットアーム１１４の初期位置であり、通過点ｐ２においてワーク１０４をピッキングした後に、通過点ｐ３・ｐ４を経由し、所定の位置である通過点ｐ５までワーク１０４を搬送する軌跡候補を想定している。

評価値Ｅを算出する式としては、下記の式１を例示することができる（Ｓ：通過点における安定性、Ｋ：通過点が属するメッシュの危険度、Ｅ：評価値、ｅ：危険度を重視する係数、ｐ：作業空間の三次元座標、ただし０＜ｅ≦１）。
Ｅ＝Ｓ（ｐ）（１－ｅＫ（ｐ）） …式１

式１では、危険度Ｋを重視する係数ｅが大きくなるほど、危険度Ｋの重みづけが大きくなる。そして危険度Ｋが大きいほど、危険度を重視した評価値Ｅが算出される。評価値設定部２１０は、１つの軌道候補の各通過点の評価値Ｅのうち、最も低い（危険度Ｋが高い）評価値Ｅをかかる軌道候補の評価値とする。

Ｓ３０４において生成された複数の軌道候補における通過点の評価値を算出したら、優先順位設定部２１２は、複数の軌道候補が含む通過点の評価値（それぞれの軌道候補が含む最も低い評価値Ｅ）から各々の軌道候補の優先順位を算出する（Ｓ３１２）。そして優先順位設定部２１２は、評価値Ｅの高い（危険度Ｋが低い）軌道候補の優先順位を高く設定する。

上記説明したように本実施形態のロボット制御システム１００によれば、ロボットアーム１１４におけるワーク把持の安定性Ｓに加えて、ワーク１０４が落下した際の危険度Ｋを考慮してロボットアーム１１４の軌道を決定することできる。これにより、ロボットアーム１１４から落下した際のワークの損傷や、再ピッキング不可能な場所へのワーク１０４の落下を好適に回避することができる。したがって、作業効率の向上を図り、生産性を高めることが可能となる。

なお、制御装置２００は、危険度Ｋが低い作業空間ではロボットアーム１１４の移動速度を速くし、危険度Ｋが高い作業空間ではロボットアーム１１４の移動速度を遅くしてもよい。これにより、危険度Ｋが低い、すなわち落下によるワーク１０４への影響が低い場合にはワーク１０４の移動を速くすることで作業効率の向上を図ることができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、ワークを把持するロボットアームを有するロボットと、ロボットを駆動制御する制御装置とを含むロボット制御システムとして利用することができる。

１００…ロボット制御システム、１０２…容器、１０４ …ワーク、１１０…ロボット、１１４…ロボットアーム、１１６…エンドエフェクタ、１１８…カメラ、２００…制御装置、２０２…撮像部、２０４…軌道生成部、２０６…安定性算出部、２０８…危険度設定部、２１０…評価値設定部、２１２…優先順位設定部、４００…作業空間

Claims (3)

1. ワークを把持するロボットアームを有するロボットと、該ロボットを駆動制御する制御装置とを含むロボット制御システムであって、
   前記ロボットは、前記ロボットアームの先端に取り付けられ前記ワーク周辺の作業空間を撮像するカメラを有し、
   前記制御装置は、
   前記ロボットアームが前記ワークを搬送する軌道候補を複数生成する軌道生成部と、
   前記軌道候補上の通過点におけるワーク把持の安定性を算出する安定性算出部と、
   前記作業空間に設定したメッシュごとに危険度を算出する危険度設定部と、
   前記通過点における安定性と該通過点が属するメッシュの危険度から該通過点の評価値を算出する評価値設定部と、
   前記複数の軌道候補が含む通過点の前記評価値から各々の軌道候補の優先順位を算出する優先順位設定部と、
   を有することを特徴とするロボット制御システム。
2. 前記制御装置は、前記危険度が低い作業空間では前記ロボットアームの移動速度を速くし、該危険度が高い作業空間では該ロボットアームの移動速度を遅くすることを特徴とする請求項１に記載のロボット制御システム。
3. 前記評価値設定部は、前記通過点における安定性をＳ、該通過点が属するメッシュの危険度をＫ、危険度を重視する係数をｅとしたとき、次式
   Ｅ＝Ｓ（１－ｅＫ） （ただし０＜ｅ≦１）
   を用いて前記評価値を設定することを特徴とする請求項１または２に記載のロボット制御システム。

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