JP5673717B2 - ロボットシステム及び被加工物の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットシステム及び被加工物の製造方法に関する。

近年、人間による作業をロボットにより自動化させる需要が高まっている。ロボットの動作を規定する種々の領域は、ロボットコントローラに設定される（例えば特許文献１を参照）。

特許第４６４８４８６号公報

ロボットを備えるロボットシステムにおいては、ロボットの動作を規定する領域の設定を簡易化してティーチングの効率を向上させることが望まれている。

そこで本発明は、ロボットの動作を規定する領域の設定が簡易化されティーチングの効率の向上が図られたロボットシステム、及び、被加工物の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係るロボットシステムは、ロボットと、ロボット外に固定され、ロボット及びロボットの周囲を含む範囲を撮像する撮像部と、撮像部により撮像された画像に基づいて、ロボットの動作を規定する領域情報を設定する設定部とを備える。

本発明によれば、ロボットの動作を規定する領域の設定が簡易化されティーチングの効率の向上が図られたロボットシステム、及び、被加工物の製造方法を提供することが可能となる。

本発明に係るロボットシステムの一実施形態を示す概略図である。 撮像部により撮像された画像を示す図である。 記憶部に記憶されている要素の例を示す図である。 ロボットの動作を規定する領域の例を示す図である。

以下、実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１に示されるように、ロボットシステム１は、ロボットセル２及び設定部３を備えている。ロボットセル２は、架台部４、双腕ロボット５、ロボットコントローラ６、プロジェクタ８及びカメラ（撮像部）９を備えている。このようなロボットセル２を複数配列することにより、製造ラインを構成することが可能である。なお、複数のロボットセル２を配列して製造ラインを構成する際、設定部３は、ロボットセル２のそれぞれに設けられてもよいし、複数のロボットセル２で共有されてもよい。

架台部４は、双腕ロボット５を支持している。架台部４は、矩形板状の支持板４１及び支持板４１下に取り付けられた４本の脚部４２を有している。支持板４１上には、矩形板状の台座４３が設けられており、台座４３上に、双腕ロボット５が配置されている。また、台座４３上には、双腕ロボット５と離間した位置に、双腕ロボット５が作業を行う際に使用する作業台４４が設けられている。

さらに、支持板４１上には、台座４３と離間した位置（図１では、支持板４１の隅の位置）に、受渡部４５が設けられている。この受渡部４５にワークＷが載置されることにより、双腕ロボット５と作業者との間でワークＷの受け渡しが行われる。なお、受渡部４５では、例えば、双腕ロボット５が作業に用いる工具Ｔが受け渡されてもよい。

ロボットシステム１に用いられる作業台４４及び受渡部４５の形状は規格化され得る。この場合、作業台４４及び受渡部４５は、複数の所定の形状の中から選択される。複数の所定の形状には、例えば、直方体（六面体）、円柱、円錐、球及び円筒等が含まれていてもよい（図３参照）。各形状には、サイズが異なるものが含まれていてもよい。さらに、複数の所定の形状には、他の形状が含まれていてもよく、例えば、六面体以外の多面体及び円筒以外の筒形状が含まれていてもよい。本実施形態では、作業台４４は円柱状を呈しており、受渡部４５は直方体状を呈している。

支持板４１には、カバー４６が設けられ、双腕ロボット５、台座４３、作業台４４及び受渡部４５を側方及び上方から覆っている。カバー４６は、支持板４１の４辺のそれぞれから上方に延びる側板と、側板の上部に設けられた天板と、側板及び天板を支持するフレームＦとで構成されている。フレームＦは、支持板４１の４隅のそれぞれから上方に延びる縦方向の柱と、縦方向の柱の上端部同士を連結する横方向の柱とを有している。カバー４６の側板及び天板は、例えば、外部から視認できるように透明な材料（例えば、ポリカーボネイト等）により形成されている。カバー４６の１つの側板には、受渡部４５に対応する一部分に、カバー４６内に作業者が手を進入させることが可能な受渡口４７が設けられている。なお、フレームＦには、ロボットセル２の動作状況を示す表示灯Ｐが取り付けられている。

双腕ロボット５は、左アーム５１Ｌ及び右アーム５１Ｒを有している。左アーム５１Ｌ及び右アーム５１Ｒは、互いに共同して作業を行うことが可能であり、さらに、互いに独立して作業を行うことが可能である。すなわち、左アーム５１Ｌ及び右アーム５１Ｒのそれぞれが、ロボットとして機能する。左アーム５１Ｌ及び右アーム５１Ｒのそれぞれは、多関節構造を有し、その先端部に継手部５２を含んでいる。左アーム５１Ｌ及び右アーム５１Ｒのそれぞれは、双腕ロボット５に内蔵された複数のアクチュエータにより、６自由度の動作が可能となっている。これにより、継手部５２は様々な位置、姿勢を取ることが可能である。継手部５２には、工具Ｔが取り付けられている。なお、左アーム５１Ｌ及び右アーム５１Ｒのそれぞれの自由度は一例であり、５自由度であっても７自由度以上であってもよい。

ロボットコントローラ６は、双腕ロボット５の動作を制御し、加えて、プロジェクタ８及びカメラ９も制御する。ロボットコントローラ６は、例えば演算装置、記憶装置及び入出力装置を有するコンピュータである。ロボットコントローラ６において入出力される情報には、例えば、左アーム５１Ｌ及び右アーム５１Ｒの動作を規定する領域の情報（領域情報）、左アーム５１Ｌ及び右アーム５１Ｒの一連の動作を規定するプログラム（ジョブ）等がある。

左アーム５１Ｌ及び右アーム５１Ｒの動作を規定する領域には、ロボット動作領域、協調動作領域及び進入禁止領域が含まれている。ロボット動作領域においては、左アーム５１Ｌ及び右アーム５１Ｒが進入可能である。ロボット動作領域は、協調動作領域及び進入禁止領域以外の領域である。

協調動作領域においては、当該協調動作領域に進入が許可された左アーム５１Ｌ、右アーム５１Ｒ又は作業者が進入可能である。協調動作領域は、例えば、作業台４４の上方の領域、及び、受渡部４５の上方の領域である。さらに協調動作領域は、左アーム５１Ｌ及び右アーム５１Ｒが協調して動作し、作業者は進入しないとする第１の協調動作領域と、双腕ロボット５及び作業者が協調して動作する第２の協調動作領域とに細分化されてもよい。例えば、作業台４４の上方の協調動作領域は、第１の協調動作領域であり、進入が許可された左アーム５１Ｌ又は右アーム５１Ｒが進入可能である。受渡部４５の上方の協調動作領域は、第２の協調動作領域であり、進入が許可された左アーム５１Ｌ、右アーム５１Ｒ又は作業者が進入可能である。

進入禁止領域においては、左アーム５１Ｌ及び右アーム５１Ｒの進入が禁止される。進入禁止領域は、左アーム５１Ｌ及び右アーム５１Ｒが周辺物と衝突すること等を回避するために設定される領域である。進入禁止領域は、例えば、支持板４１、台座４３、作業台４４、受渡部４５及びカバー４６等の各周辺物が存在する領域、並びに、カバー４６外の領域である。なお、安全性を向上させるため、進入禁止領域には、周辺物から所定距離以内の領域を含めてもよい。

ロボットコントローラ６は、例えば支持板４１下に配置されている。双腕ロボット５とロボットコントローラ６とは、配線により接続されている。なお、双腕ロボット５とロボットコントローラ６とは無線で接続されてもよいし、ロボットコントローラ６が双腕ロボット５に内蔵されていてもよい。

ロボットコントローラ６内の領域情報及びジョブ等は、ティーチングペンダント７により、現場において作業者が設定又は修正することができる（オンラインティーチング）。ティーチングペンダント７は、配線によりロボットコントローラ６に接続されても、無線によりロボットコントローラ６に接続されてもよい。

プロジェクタ８は、ロボットコントローラ６に入力された領域情報に基づいて、左アーム５１Ｌ及び右アーム５１Ｒの動作を規定する領域を双腕ロボット５の周辺物に投影する。プロジェクタ８は、カバー４６の天板に下向きに配向されて固定されており、双腕ロボット５の上方より光を照射する。領域が投影される周辺物としては、例えば、支持板４１、台座４３、作業台４４、受渡部４５及びカバー４６等がある。プロジェクタ８は、配線によりロボットコントローラ６に接続されても、無線によりロボットコントローラ６に接続されてもよい。

カメラ９は、双腕ロボット５及び双腕ロボット５の周辺物を含む範囲を撮像する。カメラ９は、カバー４６の天板にプロジェクタ８と並べて下向きに配向されて固定されており、双腕ロボット５の上方より撮像する。カメラ９は配線によりロボットコントローラ６に接続されており、カメラ９により撮像された画像はロボットコントローラ６を介して設定部３に送られる。なお、カメラ９は、無線によりロボットコントローラ６に接続されてもよい。

設定部３は、ロボットコントローラ６に設定される領域情報及びジョブ等を生成する（オフラインティーチング）。設定部３は、例えば演算装置、記憶装置及び入出力装置を有するコンピュータである。設定部３には、双腕ロボット５及び双腕ロボット５の周辺物の情報として、ＣＡＤデータが入力される。設定部３は、ＣＡＤデータを用いて、後述する表示部３１に仮想空間を表示する。なお、双腕ロボット５及び双腕ロボット５の周辺物の寸法情報等が設定部３に入力され、入力された情報に基づいて、設定部３自身が双腕ロボット５及び双腕ロボット５の周辺物のＣＡＤデータを生成してもよい。設定部３には、カメラ９により撮像された画像がロボットコントローラ６を介して入力される。

設定部３は、表示部３１、記憶部３２、周辺物抽出部３３、選択部３４及び領域情報生成部３５を有している。表示部３１は、例えば液晶ディスプレイ等であり、ＣＡＤデータ及びカメラ９により撮像された画像等の各種情報を表示する。

記憶部３２には、形状が定められた複数の要素が記憶されている。作業台４４及び受渡部４５を規格化する場合には、複数の要素の形状を、作業台４４及び受渡部４５の形状と対応させることができる。図３に示されるように、複数の要素の形状には、例えば、直方体（六面体）、円柱、円錐、球及び円筒等が含まれている。各形状のサイズに関しては、サイズが異なるものが記憶されていてもよく、サイズが可変である要素が記憶されていてもよい。さらに、複数の要素の形状には、他の形状が含まれていてもよく、例えば、六面体以外の多面体及び円筒以外の筒形状が含まれていてもよい。

周辺物抽出部３３は、カメラ９により撮像された画像中から、双腕ロボット５の周辺物を抽出する。本実施形態では、周辺物抽出部３３は、画像中から、作業台４４及び受渡部４５を抽出する。

選択部３４は、カメラ９により撮像された画像に基づいて、記憶部３２に記憶された複数の要素の中から、双腕ロボット５の周辺物の外形に対応した要素を選択する。

領域情報生成部３５は、ＣＡＤデータ及び選択部３４により選択された要素を用いて、領域情報を生成する。領域情報生成部３５は、領域情報として、例えば、ロボットセル２内における所定の点を基準とした座標系における領域の座標値（例えば、Ｘ座標値、Ｙ座標値、Ｚ座標値の各座標値又はそれらの組み合わせ）を生成する。領域情報生成部３５は、表示部３１に表示された情報を作業者が確認し、作業者が指示を入力すると、入力された指示に基づいて領域情報を生成するように構成されている。なお、領域情報生成部３５は、ＣＡＤデータ及び選択部３４により選択された要素から、自動的に領域情報を生成するように構成されていてもよい。

設定部３は、配線によりロボットコントローラ６に接続されているが、無線によりロボットコントローラ６に接続されてもよく、ロボットコントローラ６に接続されていなくてもよい。設定部３がロボットコントローラ６と接続されていない場合には、設定部３により生成された領域情報を記憶媒体に記憶し、当該記憶媒体をロボットコントローラ６に接続することにより、領域情報をロボットコントローラ６に入力することができる。また、反対に、記憶媒体を用いて、カメラ９により撮像された画像を設定部３に入力することができる。周辺物抽出部３３、選択部３４及び領域情報生成部３５は、ソフトウェアで構成されてもよいし、ハードウェアで構成されてもよい。

次に、ロボットシステム１の動作の一例について説明する。

図２に示されるように、ロボットシステム１では、先ず、カメラ９により、双腕ロボット５及び双腕ロボット５の周辺物を含む範囲が撮像され、カメラ９により撮像された画像が、ロボットコントローラ６を介して設定部３に入力される。

続いて、周辺物抽出部３３により、カメラ９により撮像された画像中から、作業台４４及び受渡部４５が抽出される。抽出は、公知の画像処理技術を用いて行うことができる。

続いて、表示部３１に、カメラ９により撮像された画像が表示される。また、表示部３１に、記憶部３２に記憶された複数の要素の中から、作業台４４及び受渡部４５のそれぞれに対応する要素の選択を促す指示が表示される。

作業者により設定部３に指示が入力されると、選択部３４は、作業者からの指示が示す要素を、選択する要素に決定する。ここでは、作業者により、作業台４４に対応する要素として所定のサイズの円柱を選択すると共に、受渡部４５に対応する要素として所定のサイズの直方体を選択する旨の指示が入力され、選択部３４は、これらの要素を選択する要素に決定する。

続いて、図４に示されるように、表示部３１に、双腕ロボット５、支持板４１、台座４３及びカバー４６のＣＡＤデータが表示されると共に、選択部３４により選択された要素が表示される。続いて、表示部３１に、左アーム５１Ｌ及び右アーム５１Ｒの動作を規定する領域の設定を促す指示が表示される。

作業者により指示が入力されると、領域情報生成部３５は、入力された指示に基づいて、左アーム５１Ｌ及び右アーム５１Ｒの動作を規定する領域の領域情報を生成する。図４に示されるように、ここでは、作業者により、作業台４４に対応する円柱状の要素を含む領域、及び、受渡部４５に対応する直方体状の要素を含む領域のそれぞれを進入禁止領域Ｒとして設定する旨の指示が入力され、領域情報生成部３５は、これら進入禁止領域Ｒの領域情報を生成する。

続いて、設定部３により生成された領域情報が、ロボットコントローラ６に入力される。続いて、ロボットコントローラ６に入力された領域情報に基づいて、プロジェクタ８により進入禁止領域Ｒが作業台４４及び受渡部４５のそれぞれに投影される（不図示）。以上により、一連の動作が終了する。

以上、本実施形態のロボットシステム１では、双腕ロボット５外に固定されカメラ９により双腕ロボット５及び双腕ロボット５の周辺を含む範囲が撮像され、カメラ９により撮像された画像に基づいて、設定部３により、左アーム５１Ｌ及び右アーム５１Ｒの動作を規定する領域情報が生成される。このため、カメラ９により撮像された画像から領域情報の生成に有益な情報を事前に得ることが可能となるため、何ら情報を得ずに領域情報を生成する場合に比して、ロボットコントローラ６に設定される領域情報の生成にかかる時間を短縮できる。従って、各領域の設定が簡易化されティーチングの効率を向上できる。

ロボットシステム１では、左アーム５１Ｌ及び右アーム５１Ｒは、ワークＷに加工を施す際に、ロボットの周囲に配置された作業台４４及び受渡部４５を使用し、設定部３は、カメラ９により撮像された作業台４４及び受渡部４５の外形に応じて、領域情報を設定する。ワークＷに加工を施す際に使用される作業台４４及び受渡部４５には、ロボットシステム１の稼働中に左アーム５１Ｌ及び右アーム５１Ｒが頻繁に近づくため、撮像された作業台４４及び受渡部４５の外形に応じて領域情報を生成することにより、安全性を向上できる。

設定部３は、形状が定められた複数の要素を記憶する記憶部３２と、複数の要素の中から要素を選択する選択部３４と、を有しており、設定部３は、選択部３４によって選択された要素を領域情報の生成に用いる。形状が定められた要素を使用して領域情報を生成することにより、領域情報の生成に伴い設定部３にかかる負荷を低減できる。また、例えば、上述のように、作業台４４及び受渡部４５を規格化する場合には、これらの形状に対応した要素を記憶部３２に記憶しておくことにより、作業台４４及び受渡部４５に対応した要素を容易に選択できる。従って、領域情報の生成に要する時間を短縮できる。

設定部３は、画像を作業者に対して表示する表示部３１をさらに有しており、選択部３４は、作業者から入力された指示に基づいて、選択する要素を決定する。どの要素を選択するかの判断は、表示部３１に表示された画像を確認できる作業者が行うため、要素の選択に伴い設定部３にかかる負荷を低減できる。

左アーム５１Ｌ及び右アーム５１Ｒの動作を規定する領域には、ロボット動作領域、協調動作領域及び進入禁止領域が含まれており、ロボット動作領域においては、左アーム５１Ｌ及び右アーム５１Ｒが進入可能であり、協調動作領域においては、当該協調動作領域に進入が許可された左アーム５１Ｌ、右アーム５１Ｒ又は作業者が進入可能であり、進入禁止領域においては、左アーム５１Ｌ及び右アーム５１Ｒの進入が禁止される。これらの領域の領域情報を、双腕ロボット５を含む範囲の画像に基づいて生成することにより、各領域の設定を簡易化できる。

ロボットシステム１は、双腕ロボット５を支持する架台部４を備え、ロボットセル２として構成されている。複数のロボットセル２を配列して製造ラインを構成する場合、上述のように、ロボットセル２のそれぞれにおいて各領域の設定を簡易化できるため、領域の設定からティーチングの実施までの作業全体の効率が向上し、製造ライン全体の立ち上げに要する時間を短縮できる。

上述のようなロボットシステム１を用いて被加工物を得る被加工物の製造方法においても、同様の効果が得られる。被加工物には、ボルト等の部品や自動車等の組立体が含まれる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。例えば、作業台４４及び受渡部４５は、規格化されていなくてもよい。この場合、カメラ９により撮像された画像に基づいて、記憶部３２に記憶された複数の要素の中から、画像中の作業台４４及び受渡部４５の外形に近い要素を選択できる。

上記実施形態では、プロジェクタ８及びカメラ９は、カバー４６の天板に固定されているが、カバー４６の側板に固定されていてもよい。カメラ９がカバー４６の側板に固定されている場合、作業台４４及び受渡部４５の高さ方向（Ｚ方向）の寸法を得ることができるため、作業台４４及び受渡部４５の外形に近い要素を好適に選択できる。また、プロジェクタ８及びカメラ９は、ロボットセル２外に固定されていてもよい。要は、プロジェクタ８は、領域を双腕ロボット５の周辺物に投影できる位置に固定されていればよく、カメラ９は、双腕ロボット５及び双腕ロボット５の周辺を含む範囲を撮像できる位置に固定されていればよい。さらに、プロジェクタ８及びカメラ９は、それぞれ複数設けられていてもよい。

上記実施形態では、プロジェクタ８及びカメラ９は、ロボットコントローラ６に接続され、ロボットコントローラ６を介して設定部３との入出力を行っているが、プロジェクタ８及びカメラ９の一方又は双方がロボットコントローラ６を介さずに設定部３と接続され、設定部３により制御されるように構成されていてもよい。

上記実施形態では、作業台４４及び受渡部４５は、周辺物抽出部３３により自動的に画像中から抽出されているが、表示部３１に表示された画像を確認できる作業者が設定部３に指示を入力し、入力された指示に基づいて抽出されてもよい。

上記実施形態では、選択部３４は、作業者により入力された指示に基づいて、記憶部３２に記憶された複数の要素の中から、作業台４４及び受渡部４５のそれぞれに対応する要素を選択するように構成されているが、選択部３４は、カメラ９により撮像された画像に基づいて、作業台４４及び受渡部４５のそれぞれに近い要素を自動的に選択するように構成されていてもよい。

上記実施形態では、作業台４４及び受渡部４５が設けられた状態で撮像が行われているが、作業台４４及び受渡部４５が設けられていない状態で撮像が行われてもよい。具体的には、上述したロボットシステム１の動作に先立って、先ず、作業台４４及び受渡部４５のそれぞれが設けられる予定の位置に、目印（例えば、作業者により保持された指し棒の先端）を配置する。続いて、カメラ９により、双腕ロボット５及び目印を含む範囲を撮像する。続いて、周辺物抽出部３３により、カメラ９により撮像された画像の中から、目印を抽出する。そして、記憶部３２に記憶された複数の要素の中から、設けられる予定の作業台４４及び受渡部４５に対応する要素を選択する。それ以外の動作は、上述と同様である。

上記実施形態では、作業台４４及び受渡部４５に対応する要素のそれぞれとして、一つの円筒及び直方体が選択されているが、複数の要素が選択され、複数の要素が組み合わされたものが用いられてもよい。

上記実施形態では、設定部３は、記憶部３２に記憶された複数の要素の中から、双腕ロボット５の周辺物に対応する要素を選択するように構成されているが、設定部３は、カメラ９により撮像された画像に基づいて、双腕ロボット５の周辺物に対応する要素を新たに生成するように構成されていてもよい。

上記実施形態では、架台部４にカバー４６が設けられているが、カバー４６は設けられていなくてもよい。上記実施形態では、ロボットは、双腕ロボット５の左アーム５１Ｌ及び右アーム５１Ｒであるが、例えば、一つの腕を有するロボットであってもよい。各要素の構成、個数及び材質等は、上記実施形態における構成、個数及び材質等に限られず、適宜変更可能である。

１…ロボットシステム、３…設定部、４…架台部、５…双腕ロボット、９…カメラ（撮像部）、３１…表示部、３２…記憶部、３４…選択部、５１Ｌ…左アーム（ロボット）、５１Ｒ…右アーム（ロボット）。

Claims (6)

1. ロボットと、
   前記ロボット外に固定され、前記ロボット及び前記ロボットの周囲を含む範囲を撮像する撮像部と、
   前記撮像部により撮像された画像に基づいて、前記ロボットの動作を規定する領域情報を生成する設定部と
   を備え、
   前記設定部は、
   形状が定められた複数の要素を記憶する記憶部と、
   前記複数の要素の中から要素を選択する選択部と、を有し、
   前記設定部は、前記選択部によって選択された前記要素を前記領域情報の生成に用いるロボットシステム。
2. 前記ロボットは、ワークに加工を施す際に、前記ロボットの周囲に配置された周辺物を使用し、
   前記設定部は、前記撮像部により撮像された前記周辺物の外形に応じて、前記領域情報を生成する、
   請求項１に記載のロボットシステム。
3. 前記設定部は、
   前記画像を作業者に対して表示するさらに表示部を有し、
   前記選択部は、作業者から入力された指示に基づいて、選択する要素を決定する、
   請求項１または２に記載のロボットシステム。
4. 前記領域には、ロボット動作領域、協調動作領域及び進入禁止領域の少なくとも一つが含まれており、
   前記ロボット動作領域においては、前記ロボットが進入可能であり、
   前記協調動作領域においては、当該協調動作領域に進入が許可された前記ロボット又は作業者が進入可能であり、
   前記進入禁止領域においては、前記ロボットの進入が禁止される、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のロボットシステム。
5. 前記ロボットを支持する架台部を備え、
   ロボットセルとして構成される請求項１〜４のいずれか一項に記載のロボットシステム。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のロボットシステムを用いて被加工物を得る、
   被加工物の製造方法。

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