JP5802442B2 - 外観投影装置を用いてロボットの動作を決定するロボットシステム - Google Patents

Description

本発明は、外観投影装置を用いてロボットの動作を決定するロボットシステムに関する。

ロボットが円柱形状ワークを移動する作業を行う場合には、ロボットのハンドは円柱形状ワークを適切に把持する必要がある。特に円柱形状ワークがその側面または周面に位相特徴部を備えている場合には、外観投影装置によって位相特徴部の位置を検出し、特徴部の位置に応じて円柱形状ワークの位相を補正する必要がある。

位相特徴部を検出するために、撮像装置を円柱形状ワークの側面に対して垂直な位置に設置し、円柱形状ワークの周面を撮像することが提案される。しかしながら、この場合には、位相特徴部が検出されるまで、円柱形状ワークをその中心軸線回りに回転させて撮像を繰返す動作を行う必要がある。従って、このような動作を行うと、サイクルタイムが増加する。

また、位相特徴部の検出精度は円柱形状ワークの回転量に応じて定まる。従って、位相特徴部を検出するために円柱形状ワークの回転量が大きかった場合には、円柱形状ワークの位相を補正するときの精度も低下する可能性がある。

このような不具合を解消するために、引用文献１には、円柱形状ワークに対して同心に配置された円錐状の鏡面を備えた外観検査装置が開示されている。この場合には、円柱形状ワークの周面全体が円錐状の鏡面に投影されるので、鏡面を撮像した画像に基づいて、円柱形状ワークの周面全体を短時間で検査することができる。

特許第２７２６８０８号

しかしながら、引用文献１では、ロボットに把持された円柱形状ワークを外観検査装置内に仮置きし、外観検査後にロボットが円柱形状ワークを再び把持して取出している。そのような場合には、円柱形状ワークに対するロボットの把持ズレが発生する可能性がある。また、円柱形状ワークを仮置きする場合には、処理に時間がかかる上に、ロボットのプログラムも複雑になりうる。

さらに、引用文献１では、円柱形状ワークの周面の外観検査を行っているにすぎず、円柱形状ワークの側面に備えられた位相特徴部を検出しているわけではない。そして、引用文献１の外観検査装置により位相特徴部が検出できたとしても、引用文献１には、特徴部の位置に応じてロボットの動作を補正することまでは開示されていない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、把持ズレが発生することなしに、円柱形状ワークの位相特徴部を容易に検出して、円柱形状ワークの位相を補正することのできるロボットシステムを提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために１番目の発明によれば、周方向に延びる側面を有する被検出物を把持する把持機構を備えたロボットと、前記被検出物をその中心軸線の方向に挿入可能な開口部、および前記被検出物を挿入する挿入方向において前記開口部から半径方向外側に向かって広がる鏡面加工された湾曲した内面を含む外観投影装置と、前記被検出物が前記開口部に挿入されたときに前記被検出物の端面と前記湾曲した内面に投影された前記被検出物の側面の像を撮像する撮像装置と、前記撮像装置により撮像された前記被検出物の像を画像処理して、前記被検出物の端面および前記被検出部の側面に備えられた位相特徴部をそれぞれ検出する画像処理部と、前記被検出物の端面の位置が所定の位置に一致した状態で、前記画像処理部により検出された前記被検出物の端面の位置と前記位相特徴部の検出を基準位置としてそれぞれ記憶する記憶部と、前記画像処理部により検出された前記被検出物の前記位相特徴部の位相と前記記憶部に記憶された前記基準位置における位相特徴部の位相との間の偏差がゼロになるような前記ロボットの補正動作を算出する算出部と、を具備し、前記算出された補正動作で前記ロボットを動作させるようにしており、前記ロボットにより前記被検出物が前記開口部に挿入されたときに、前記被検出物の端面の位置が前記記憶部に記憶された前記基準位置における端面の位置と異なる場合には、前記被検出物の端面の位置が前記基準位置における端面の位置と同様になるように補正動作を行うようにした、ロボットシステムが提供される。

２番目の発明によれば、１番目の発明において、前記画像処理部により検出された前記位相特徴部の位置、または前記被検出物の側面の検査の結果に基づいて、前記ロボットの次の動作を決定するようにした。

３番目の発明によれば、１番目の発明において、前記外観投影装置の前記開口部とは反対側の端部に設けられた透明の板をさらに具備する。

４番目の発明によれば、１番目の発明において、前記撮像装置に光を直接照射することなしに、前記被検出物の側面に光を照射する照明装置をさらに具備する。

５番目の発明によれば、１番目の発明において、前記被検出物が円柱形状、円錐形状、円筒形状、楕円柱形状、多角柱形状または多角錘形状である。

６番目の発明によれば、１番目の発明において、前記被検出物の側面に備えられた位相特徴部は、突起、凹部、変形部、模様、傷のうちの少なくとも一つである。

１番目の発明においては、被検出物を把持したまま位相特徴部の検出または被検出物の側面の検査ができるので、被検出物を仮置きする必要が無く、また、把持ズレも発生しない。さらに、仮置きするのに必要な時間および手間を省略できるので、サイクルタイムの短縮を図ることもできる。さらに、仮置きのためのテーブルなどが必要でないので、ロボットシステムの構成を小型にできる。さらに、被検出物の位相を容易かつ効率的に検出して、ロボットにより被検出物の位相を容易に補正できる。

２番目の発明においては、位相特徴部の位置および被検出物の側面の検査に基づいてロボット適用範囲を広められる。

３番目の発明においては、外観投影装置に異物が進入するのを防止すると共に、外観投影装置の内面に汚れが付着するのを防止する。また、内面に傷が付くことを防止する。このため、被検出物の検出を安定して行うことができる。

４番目の発明においては、照明装置により被検出物を安定して検出できる。

５番目および６番目の発明においては、種々の形状の被検出物または位相特徴部に本発明を適用できる。

本発明の第一の実施形態に基づくロボットシステムの略図である。 撮像装置を通じて撮像した画像を示す図である。 本発明に基づくロボットシステムの動作を示す図である。 本発明の第二の実施形態に基づくロボットシステムの略図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同様の部材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、これら図面は縮尺を適宜変更している。
図１は本発明の第一の実施形態に基づくロボットシステムの略図である。図１に示されるように、ロボット１が台座などに固定されている。このロボット１はワーク４を把持するための把持機構２（ハンド）を備えている。ロボット１が把持機構２を備えている限りにおいては、ロボット１は垂直多関節ロボット、または他の構成のロボットであってもよい。

図１に示されるワーク４は円柱形状ワークであり、中心軸線周りにおいて周方向に延びる一つまたは複数の側面を有している。ワーク４は周方向に延びる側面を有していればよく、ワーク４が他の形状、例えば円錐形状、円筒形状、楕円柱形状、多角柱形状または多角錘形状であってもよい。

さらに、ワーク４はその側面に、少なくとも一つの位相特徴部６を備えている。位相特徴部６はワーク４の中心軸線回りの回転角度を示す指標である。位相特徴部６は、突起、凹部、変形部、模様または傷であり、これらのうちのいくつかを適宜組み合わせることにより、位相特徴部６を構成してもよい。

図１に示されるように、ロボット１の動作範囲内には、ワーク４を収容する収容部１６と、ワーク４に取付けられるべき治具１７とが配置されている。収容部１６は上方が開放した箱形部材であり、複数のワーク４が縦方向に自立するように挿入されている。ただし、収容部１６内においては、ワーク４の位相（ワーク４の中心軸線回りの回転角度）は把握されていないものとする。つまり、ワーク４は縦方向に配置されているものの、その中心軸線回りの回転角度は不定であるものとする。なお、後述するように位相が補正されたワーク４は所定の向きで治具１７に取付けられる。

図１に示されるように、外観投影装置５は、ロボット１の動作範囲内に配置されている。外観投影装置５の一面には、ワーク４をその長手方向に挿入させられる開口部７が形成されている。図１における参照符号３はワーク４の挿入方向を示している。

図１から分かるように、開口部７は、半径方向外側に広がる外観投影装置５の内面８に連通している。図１に示される外観投影装置５の内面８は円錐台形状であり、鏡面加工されている。ただし、外観投影装置５の内面８は、ワーク４の側面を投影できる限りにおいては、他の湾曲した形状、例えば多角錘形状、放物面形状または双曲面形状であってもよい。

また、図１においてはワーク４の挿入方向に対する内面８の傾斜角度は一定であるが、ワーク４の形状に応じてこの傾斜角度を変更してもよい。そのような場合には、傾斜角度を変更する機構（図示しない）を配置して、ワーク４の形状に応じて傾斜角度を変更するのが好ましい。さらに、図１に示されるように、開口部７と内面８の間に比較的短い通路が形成されていてもよい。この通路７ａはワーク４の寸法、特にワーク４の一端から位相特徴部６までの長さに応じて定まる。

また、外観投影装置５の他面には、透明の板９が取付けられている。この透明の板９は、外観投影装置５の内部に異物が進入するのを防止すると共に、外観投影装置５の内面８に汚れが付着するのを防止し、また内面に傷が付くことを防止する役目を果たす。

図１に示されるように、外観投影装置５の他面側においては、撮像装置１２が配置されている。撮像装置１２は例えばＣＣＤカメラであり、開口部７の略中心軸線上に位置している。また、より明確な像を撮像する目的で、複数の照明装置１１が撮像装置１２の周りに配置されている。これら照明装置１１は、その光が撮像装置１２に直接入らないように配置されている。また、図に示される参照符号１４は撮像装置により撮像される像の光路を示している。

図１における外観投影装置５はロボット１の設置面に対して垂直に配置されている。しかしながら、撮像装置１２の中心軸線と外観投影装置５の中心軸線とワーク４の中心軸線とが同一である限りにおいては、外観投影装置５はロボット１の設置面に対して垂直以外の角度で配置されていてもよい。

図１から分かるように、ロボット１および撮像装置１２は制御装置２０に接続されている。制御装置２０はデジタルコンピュータであり、図示されるロボットシステム全体を制御する。制御装置２０は、撮像装置１２により撮像されたワーク４の像を画像処理して、位相特徴部６を検出するか、またはワーク４の側面を検査する画像処理部２１を含んでいる。なお、この画像処理部２１は制御装置２０に接続された外部装置の形態であってもよい。さらに、制御装置２０は、画像処理部２１により検出された位相特徴部６が所定の向きになるようなロボット１の補正動作を算出する算出部２２も含んでいる。さらに、制御装置２０は各種データを記憶する記憶部２３を含んでいる。

図２は撮像装置を通じて撮像した画像を示す図である。前述したように、撮像装置１２は開口部７の概ね中心軸線上に配置されているので、撮像装置１２より撮像される画像３０は、外観投影装置５の内面８の像と開口部７に挿入されたワーク４の像との両方を含んでいる。

具体的には、図２に示される画像３０における中心部分３６がワーク４の端面に相当する。そして、中心部分３６周りに広がる円３１は外観投影装置５の開口部７の外形を示している。さらに、円３１と円３２とに囲まれた領域は、外観投影装置５の内面８に相当する。さらに、円３１と円３３とに囲まれた領域は、内面８に投影されたワーク４の像を示している。なお、図２における部分３４は、内面８に投影された位相特徴部６を示す。さらに、円３５は外観投影装置５の外形に相当する。

ロボットシステムの立上げ時には、検出されるべきワーク４のモデルパターンを画像３０を用いて予め制御装置２０の記憶部２３に教示しておく。具体的には、ロボット１とは反対側に位置するワーク４の端面の輪郭（図２に示される中心部分３６）のモデルパターンを記憶部に教示させる。このワーク４の端面を検出できる場合には、ワーク４が外観投影装置５の開口部７に挿入されていることを判断することも可能である。

さらに、外観投影装置５の内面８に投影された位相特徴部６に相当する部分３４もモデルパターンとして記憶部２３に教示する。ワーク４はその中心軸線回りに回転対称であるので、位相特徴部６に相当する部分３４の画像３０上における位置が確認されると、モデルパターンとの比較を通じてワーク４の位相を検出することができる。

モデルパターンの教示が終了すると、モデルパターンの検出位置を基準位置として記憶部２３に記憶する。その後、記憶された基準位置に基づいてロボット１の動作指令を作成する。そして、次にワーク４を検出したときのワーク４の位置と基準位置との間の偏差を求め、その差分が無くなるようにロボット１の動作を補正するようにする。

図３は本発明に基づくロボットシステムの動作を示す図である。図３に示される動作のためのプログラムは制御装置２０の記憶部（図示しない）に記憶されているものとする。以下、図３および前述した内容に基づいて、本発明のロボットシステムの動作について説明する。

はじめに、図３のステップＳ１０１において、ロボット１の把持機構２が一つのワーク４の基端を把持して収容部１６から取出す。なお、ロボット１は別の治具（図示しない）に取付けられたワーク４を把持したり、コンベア（図示しない）で搬送されるワーク４を把持するようにしてもよい。そのような場合であっても、本発明の範囲に含まれるものとする。

次いで、ステップＳ１０２において、ロボット１を動作させて、ワーク４の先端を外観投影装置５の開口部７に挿入する。本発明では、ロボット１の近位側に位置する外観投影装置５の開口部７からワーク４を挿入しているので、ロボット１および把持機構２が外観投影装置５の内面８と撮像装置１２との間に位置しないことになる。従って、撮像装置１２により撮像される画像３０には、ロボット１および把持機構２は含まれない。以下の動作は、ロボット１の把持機構２がワーク４を把持したまま行うものとする。

ワーク４の先端を外観投影装置５の内面８の領域まで到達させると、ワーク４の側面が内面８に投影されるようになる（ステップＳ１０３）。内面８に投影された像は光路１４を通って撮像装置１２に入力される。ステップＳ１０４においては、撮像装置１２により内面８を撮像し、それにより、図２に示されるような画像３０が得られるようになる。

なお、ステップＳ１０４においては、照明装置１１を点灯するのが好ましく、それにより、より鮮明な画像３０が得られるのが分かるであろう。ただし、十分な光量が得られている場合には、照明装置１１を点灯しなくてもよい。

その後、ステップＳ１０５において制御装置２０の画像処理部２１が画像３０を画像処理し、画像３０からワーク４の位相特徴部６の位相（位置）を検出する。次いで、ステップＳ１０６において、算出部２２が、検出された位相特徴部６の位相と、記憶部２３に記憶された基準位置との間の偏差を用いて、位相特徴部６が所定の向きになるようなロボット１の補正動作を算出する。例えば補正動作は、検出された位相特徴部６の位相と、記憶部２３に記憶された基準位置との間の偏差がゼロになるような動作である。

なお、ワーク４の位相の補正することに加えて、画像処理の結果に応じて、ワーク４が外観投影装置５内に存在しているか否か、またはワーク４の側面の外観検査を行うようにしてもよい。外観検査によりワーク４の側面に異常が存在することが判明した場合には、ロボット１がそのようなワーク４を廃棄物収納部（図示しない）に廃棄する動作を行うのが好ましい。

そして、ステップＳ１０７において、ロボット１がワーク４を外観投影装置５から引出して、外観投影装置５から離間させる。次いで、ステップＳ１０８において算出部２２により算出された補正動作でロボット１を動作させ、位相特徴部６を所定の向きにする。これにより、ロボット１が最初にワーク４を把持したときに生じていた把持ズレが補正される。この状態で、ワーク４の先端を治具１７に挿入し、それにより、治具１７をワーク４に取付ける。

このように本発明においては、ワーク４の側面を効率的に検出し、ワーク４の中心軸線周りの位相を容易に補正することができる。そして、本発明においては、ロボット１がワーク４を収容部１６から取出してワーク４の先端を治具１７に取付けるまでの間、ワーク４はロボット１の把持機構２に把持されたままである。つまり、ロボットの把持機構２がワーク４を把持して収容部１６から取出すとき以外には、ワーク４の中心軸線周りの位相の把持ズレは発生していない。そして、位相特徴部６を検出してワーク４を治具１７に取付けるまでに再度の把持ズレは発生しない。従って、本発明では、ステップＳ１０１でワーク４を把持したときの把持ズレのみを補正すれば足り、それゆえ、本発明では、ロボット１による補正動作を高精度で行えるのが分かるであろう。

また、本発明では、ワーク４を再度把持する必要がないので、サイクルタイムを短縮することが可能である。また、本発明においては、位相特徴部６の検出後にワーク４を仮置きする場所、例えばテーブルを準備する必要がない。従って、ロボットシステムを比較的小型にできるのが分かるであろう。

また、位相特徴部６がワーク４の側面に存在しているか否か、または位相特徴部６の位置および／または形状の結果に基づいて、ワーク４の種類を判別することも可能である。そのような場合には、ワーク４の種類に応じて、ロボット１の次の動作を変更するようにしてもよい。

さらに、ワーク４が複数の位相特徴部６を備えている場合には、複数の位相特徴部６を検出し、作成される補正動作の精度を高めることも可能である。このような場合には、複数の位相特徴部６が外観投影装置５の内面８に投影されるように、外観投影装置５に挿入されるワーク４の挿入量を変更するのが好ましい。

ところで、ロボット１がワーク４を取出す際に、ワーク４の中心軸線の方向または、中心軸線に対して垂直な方向に把持ズレが生じる場合がある。このような場合には、ワーク４と外観投影装置５との間の位置関係が、既に記憶させたモデルパターンと異なる可能性がある。さらに、モデルパターンの教示後に、外観投影装置５を新たな外観投影装置５に置換えてその配置精度が十分でない場合にも、同様な問題が生じ、検出精度が同様に低下しうる。

そのような場合には、画像３０における中心部分３６（ワーク４の端面に相当）と外観投影装置５の円３５とを検出して、ワーク４と外観投影装置５との間の位置関係を検出するのが望ましい。検出位置と、検出されたワーク４および外観投影装置５の寸法とに基づいて、ワーク４および外観投影装置５のＸＹＺ方向の位置を把握できる。そして、ワーク４および外観投影装置５との間の相対位置が基準位置と同様になるように補正動作を別途行う。その後、位相特徴部６の検出を行うことにより、検出精度の低下を防止することができる。

ところで、図１を参照して説明した実施形態においては、ワーク４の側面を主に検出しているが、ワーク４の端面（図２の中心部分３６に相当）を同時に検出するようにしてもよい。つまり、外観投影装置５の内面８に投影された像とワーク４の端面とを一緒に検出してもよい。

図４は、そのような検出を行う際に使用される、本発明の第二の実施形態に基づくロボットシステムの略図である。図４においては、外観投影装置５の内面８と撮像装置１２との間に光学ガラス１９が配置されている。この光学ガラス１９は外観投影装置５の中心軸線に対して垂直に配置されていて、光学ガラス１９の中心には、ワーク４を受容可能な開口部１９ａが形成されている。

図４に示されるロボットシステムの使用時には、ワーク４の先端が光学ガラス１９の遠位側端面１８と同一平面になるようにワーク４を挿入する。そして、図４から分かるように、外観投影装置５の内面８に投影された像は光学ガラス１９の遠位側端面１８に再投影される。その結果、ワーク４の端面と内面８に投影された像とを同一平面において撮像することができる。従って、第二の実施形態においては、焦点あわせされた鮮明な画像３０が得られるのが分かるであろう。

１ ロボット
２ 把持機構
３ 挿入方向
４ ワーク
５ 外観投影装置
６ 位相特徴部
７ 開口部
８ 内面
９ 透明の板
１１ 照明装置
１２ 撮像装置
１４ 光路
１６ 収容部
１７ 治具
１８ 遠位側端面
１９ 光学ガラス
１９ａ 開口部
２０ 制御装置
２１ 画像処理部
２２ 算出部
２３ 記憶部
３０ 画像

Claims (6)

1. 周方向に延びる側面を有する被検出物を把持する把持機構を備えたロボットと、
   前記被検出物をその中心軸線の方向に挿入可能な開口部、および前記被検出物を挿入する挿入方向において前記開口部から半径方向外側に向かって広がる鏡面加工された湾曲した内面を含む外観投影装置と、
   前記被検出物が前記開口部に挿入されたときに前記被検出物の端面と前記湾曲した内面に投影された前記被検出物の側面の像を撮像する撮像装置と、
   前記撮像装置により撮像された前記被検出物の像を画像処理して、前記被検出物の端面および前記被検出部の側面に備えられた位相特徴部をそれぞれ検出する画像処理部と、
   前記被検出物の端面の位置が所定の位置に一致した状態で、前記画像処理部により検出された前記被検出物の端面の位置と前記位相特徴部の位置をそれぞれ基準位置として記憶する記憶部と、
   前記画像処理部により検出された前記被検出物の前記位相特徴部の位相と前記記憶部に記憶された前記基準位置における位相特徴部の位相との間の偏差がゼロになるような前記ロボットの補正動作を算出する算出部と、を具備し、前記算出された補正動作で前記ロボットを動作させるようにしており、
   前記ロボットにより前記被検出物が前記開口部に挿入されたときに、前記被検出物の端面の位置が前記記憶部に記憶された前記基準位置における端面の位置と異なる場合には、前記被検出物の端面の位置が前記基準位置における端面の位置と同様になるように補正動作を行うようにした、ロボットシステム。
2. 前記画像処理部により検出された前記位相特徴部の位置、または前記被検出物の側面の検査の結果に基づいて、前記ロボットの次の動作を決定するようにした請求項１に記載のロボットシステム。
3. 前記外観投影装置の前記開口部とは反対側の端部に設けられた透明の板をさらに具備する請求項１に記載のロボットシステム。
4. 前記撮像装置に光を直接照射することなしに、前記被検出物の側面に光を照射する照明装置をさらに具備する請求項１に記載のロボットシステム。
5. 前記被検出物が円柱形状、円錐形状、円筒形状、楕円柱形状、多角柱形状または多角錘形状である請求項１に記載のロボットシステム。
6. 前記被検出物の側面に備えられた位相特徴部は、突起、凹部、変形部、模様、傷のうちの少なくとも一つである請求項１に記載のロボットシステム。

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