JP6664830B2 - 製造システム - Google Patents

Description

本発明は、工場等の生産ラインに用いられる製造システムに関する。

工場等の生産ラインでは、従来から、産業用ロボットや無人搬送台車（Automatic Guided Vehicle）が用いられている。産業用ロボットは、一般に所定位置に据え付けられ、製造作業を実施する。無人搬送台車は、磁気テープや磁気棒、あるいは床上の形状を認識することで走行と停止を行い、生産ラインに用いられる部品等を搬送する。近年では、産業用ロボットに対し、より一層の作業範囲の拡大が求められている。また、無人搬送台車として、全方向に移動可能なものが普及している。

特許文献１には、ロボットの作業中に、インストルメントパネル等のワークが載置されている搬送台車を前後左右上下に動かすことで搬送台車にロボットの一軸を担わせ、固定配置されているロボットの作業範囲を疑似的に広げる、とする技術が開示されている。

特開平８−１７４３５５号公報

しかしながら、特許文献１の技術は、精密な電子部品等の生産ラインに適用することは困難である。まず、搬送台車に電子部品を載せて搬送する場合、搬送台車上での電子部品の位置ずれが生じるおそれがある。そのため、搬送台車上に載せられた電子部品を産業用ロボットで直接把持する等の作業が困難になるおそれがある。

また、搬送台車のタイヤの状態や床面の状態によりタイヤ滑りが発生し、搬送台車の停止時の位置ずれが生じると、産業用ロボットの駆動範囲内に電子部品が入らないおそれがある。とりわけ、全方向に移動可能な台車では、位置精度をｘ軸（水平方向）、ｙ軸（垂直方向）の２軸分確保する必要があるが、磁気テープや磁気棒、あるいは床上の形状認識では、必要とされる位置精度が得られない。さらに、全方向に移動可能な台車では、台車が作業スペースに対し傾いた状態で停止すると、産業用ロボットと電子部品との水平性が失われ組立の精度が低下するおそれがある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、精密な電子部品等の生産ラインにも適用可能であり、生産ラインで作業するロボットの作業範囲を拡大することができる製造システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明者らが鋭意検討したところ、作業スペースに電子部品を配置し、移動体にロボットアームを載置すれば、搬送台車上での電子部品の位置ずれを生じず、ロボットアームの作業範囲を拡大できることに着目した。そこで、更に検討を重ね、複数の作業スペースそれぞれに画像認識可能な位置識別標識を備え、これを移動体に設けられた撮像装置で撮像し移動体の位置を補正することで位置精度を得る事を見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の一態様によれば、ロボットアームと、前記ロボットアームが載置され前記複数の作業スペースを往復する移動体と、前記移動体の上下段に設けられた撮像装置と、画像認識により位置を識別可能な形態をなし、前記複数の作業スペースそれぞれに前記移動体の進行方向と垂直方向の前後に少なくとも１つずつ設置される位置識別標識と、前記撮像装置を用いた前記位置識別標識の画像認識により、前記作業スペースに対する前記移動体の位置を補正する制御装置と、を備えることを特徴とする製造システムが提供される。

本発明の実施形態によれば、精密な電子部品等の生産ラインにも適用可能であり、生産ラインで作業するロボットの作業範囲を拡大することができる製造システムが提供される。

本発明の実施形態の一態様である製造システムの概略図である 図１の矢視Ａ図である。 図２の位置識別標識の例示としてのキャリブレーションプレートの説明図である。 図１の台車の位置ずれ補正の手順を例示するフローチャートである。 図１の台車の底面に設けられるストッパの説明図である。 図４の位置ずれ補正手順の横ずれ補正と縦ずれ補正の関係を例示する図である。 図６の横ずれが発生した場合の説明図である。 図６の縦ずれが発生した場合の説明図である。 図４の変形例を例示するフローチャートである。 図１の製造システムの第１の変形例を示す図である。 図１の製造システムの第２の変形例を示す図である。

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。係る実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、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、又、本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、本発明の実施形態の一態様である製造システム１００の概略図である。図１に示すように、製造システム１００は、工場等の生産ラインに用いられる。具体的には、製造システム１００では、作業台１１２上の複数の作業スペース１０２、１０４、１０６をロボットアーム１０８が往復し、各作業スペース１０２、１０４、１０６に配置されたトレーＴ（代表して１つに符号を付す）から電子部品Ｐ（代表して１つに符号を付す）を把持および組立てることで、製造作業を実施する。

図２は、図１の矢視Ａ図である。図２に示すように、ロボットアーム１０８は、各作業スペース１０２、１０４、１０６を往復する移動体に載置される。ここでは、移動体は、作業スペースに対し水平方向（ｘ軸方向）及び垂直方向（ｙ軸方向）に移動可能且つ回転可能な無人搬送台車（以下、単に「台車１１０」と称する）である。

台車１１０は、全方向に移動可能なため、台車の停止時にどの方向にも位置ずれが生じるおそれがある。そこで、製造システム１００では、画像認識により位置を識別可能な形態をなす位置識別標識を各作業スペース１０２、１０４、１０６それぞれに少なくとも１つ設置する（図１参照）。

図３は、位置識別標識の例示としてのキャリブレーションプレートの説明図である。なお、図２中、下段のキャリブレーションプレートの１つに代表して符号１１８を付し、上段のキャリブレーションプレートの１つに代表して符号１２０を付すものとする。図３に例示するように、キャリブレーションプレート１１８、１２０は、プレート幅Ｌ１、ドットサイズＳやピッチＬ２、配置関係に固有の値を有する。なお、位置識別標識は、キャリブレーションプレート１１８、１２０に限らず、いわゆるクロスマーカーのようなものであってもよい。

再び図２を参照する。台車１１０は、キャリブレーションプレート１１８、１２０を画像認識する撮像装置としてのステレオカメラ１２２、１２４を備える。ステレオカメラ１２２、１２４でキャリブレーションプレート１１８、１２０を画像認識することにより、キャリブレーションプレート１１８、１２０の外枠および各ドットから中心座標を認識し、キャリブレーションプレート１１８、１２０との相対的な位置関係や姿勢を識別することができる。

一般に、キャリブレーションプレート１１８、１２０の画像認識は、ステレオカメラ１２２、１２４自体の歪みや、取り付け位置による煽り等の校正あるいはロボットアームのベース座標系とのずれを校正するために用いられる。これに対し、製造システム１００では、画像認識の結果が、台車１１０の停止時に生じる作業スペース１０２、１０４、１０６に対する台車１１０の不可避の位置ずれ（以下「姿勢ずれ」を含む）を補正するために用いられる。

ステレオカメラ１２２、１２４は、それぞれ２台分以上のレンズ機構を有し、対象物を複数の異なる方向から同時に撮影することにより、その奥行き情報を取得する。ステレオカメラ１２２、１２４は、それぞれ鉛直方向に延びる架台１１４、１１６に支持される。架台１１４は、ロボットアームの前方から略鉛直方向（ｚ軸方向）に延び、その先端で下段のキャリブレーションプレート１１８と略同じ高さにステレオカメラ１２２を支持する。架台１１６は、ロボットアームの後方から略「Ｌ」字状に延び、その先端で上段のキャリブレーションプレート１２０と略同じ高さにステレオカメラ１２４を支持する。

なお、ここでは撮像装置としてステレオカメラ１２２、１２４を例示しているが、撮像装置としてモノラルカメラを使用してもよい。なお、ステレオカメラ１２２、１２４の方がキャリブレーションプレート１１８、１２０の画像認識に対しては好適である。

上述の位置ずれの補正は、制御装置１２６によって実施される。制御装置１２６は、中央処理装置（ＣＰＵ）やＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶装置を含んで構成される。ここでは、制御装置１２６は台車１１０に内蔵されるものとして例示するが、制御装置１２６を台車１１０の外に設置し、有線や無線で制御装置１２６からの指示を伝達するように構成してもよい。

制御装置１２６は、台車１１０の作業スペース１０２、１０４、１０６間での移動についても制御する。具体的には、台車１１０が駆動機構の例示としての車輪１２８（代表して１つに符号を付す）やこの車輪１２８を駆動するサーボモータ（不図示）等を含み、制御装置１２６がサーボモータの回転数や回転速度を検出するエンコーダ（不図示）等を含む駆動制御部（不図示）を制御することで、作業スペース１０２、１０４、１０６間での移動を制御する。

以下、台車１１０の位置ずれ補正について、より詳しく説明する。

図４は、台車１１０の位置ずれ補正の手順を例示するフローチャートである。図４に例示するように、まず事前準備として、作業台１１２に取り付けたキャリブレーションプレート１１８、１２０のサイズと、台車１１０が理想位置で停止した際のキャリブレーションプレート１１８、１２０のプレート幅Ｌ１、ドットサイズＳやピッチＬ２、配置関係が制御装置１２６の画像処理プログラムに登録される（ステップ２００）。

次に、制御装置１２６は、例えば図１に示すように作業スペース１０２で作業する台車１１０に対し生産ライン上での必要性に応じて他の作業スペース１０４、１０６への移動を指示する（ステップ２０２）。すなわち、制御装置１２６は、台車１１０をｘ軸に沿って所望の移動量だけ移動させる。所望の移動量は、サーボモータの回転数を制御することで達成される。制御装置１２６は、台車１１０を所望の移動量だけ移動させたら、台車１１０を停止させる（ステップ２０４）。

次に、制御装置１２６は、ステレオカメラ１２２、１２４が撮像（撮影）した画像と、画像処理プログラムに登録された理想位置での画像とに基づく画像認識を実行する。そして、制御装置１２６は、画像認識の結果から、台車１１０が作業スペース１０４、１０６に対し正対しているか否かを判定する。すなわち、制御装置１２６は、画像認識の結果から、台車１１０の作業スペース１０４、１０６に対する傾きが許容量以内か否か判定する（ステップ２０６）。

なお、製造システム１００では、作業スペース１０２、１０４、１０６に対し水平にキャリブレーションプレート１１８、１２０を設置し、台車１１０のキャリブレーションプレート１１８、１２０に対する傾きを検知する事で、台車１１０の作業スペース１０２、１０４、１０６に対する傾きを取れるように構成される。

図５は、台車１１０の底面１１０ａに設けられるストッパ１３０の説明図である。図５（ａ）がストッパ１３０の動作を例示する模式的な側面図であり、図５（ｂ）がストッパ１３０の位置を例示する模式的な底面図である。

図５（ａ）に例示するように、台車１１０の底面１１０ａには昇降可能なストッパ１３０が設けられる。制御装置１２６は、台車１１０の作業スペース１０４、１０６に対する傾きが許容量以内でない場合には（ステップ２０６Ｎｏ）、ストッパ１３０を下降させる（ステップ２１２）。そして、制御装置１２６は、このストッパ１３０を回転中心として、台車１１０を回転させる（ステップ２１４）。

これにより、ステップ２１４の回転の際にストッパ１３０が回転軸として機能するため、回転動作により台車１１０の位置がずれたり台車１１０が大幅に移動したりして、整合が取れなくなる事を回避できる。なお、ストッパ１３０を回転中心とした台車１１０の回転は、車輪１２８が接地していても接地していなくてもよい。車輪１２８が接地していない場合には、台車１１０自身にストッパ１３０を回転中心として、台車１１０を回転させる機構を設ける必要がある。

ストッパ１３０は昇降機能が果たせれば特に機構は限定されないが、例えばストッパ１３０の床面との接触部は摩擦係数の高いゴム製部材等で構成され、当該ゴム製部材を昇降させ且つゴム製部材を下降させた際には床面との密着を維持する昇降機構はボールねじやウォームギヤ等で構成される。

図５（ｂ）に例示するように、ストッパ１３０は、ロボットアーム１０８のベース座標系における鉛直方向に設定された座標軸上に設置される。これにより、鉛直方向の座標軸を回転軸として回転し傾き補正されるので、回転前の座標系と回転後の座標系の鉛直方向の座標軸が変化せず、回転後の座標系の把握が容易となる。

次に、制御装置１２６は、ステレオカメラ１２２、１２４が撮像（撮影）した画像と、画像処理プログラムに登録された理想位置での画像とに基づく画像認識の結果から、台車１１０の作業スペース１０４、１０６に対する傾きが許容量以内に達したか否か判定する（ステップ２１６）。制御装置２１６は、この作業スペース１０４、１０６に対する傾きが許容量以内にならない場合（ステップ２１６Ｎｏ）、許容量以内になるまでステップ２１４、ステップ２１６の処理を繰り返す。そして、制御装置２１６は、この作業スペース１０４、１０６に対する傾きが許容量以内になったら（ステップ２１６Ｙｅｓ）、台車１１０の回転を完了し、ストッパ１３０を上昇させる（ステップ２１８）。ストッパ１３０は、台車１１０の回転前に下降し、回転完了後に上昇するため、各作業スペース１０２、１０４、１０６間での移動の妨げにはならない。

ステップ２０６Ｙｅｓ、ステップ２１８の次に、制御装置１２６は、ステレオカメラ１２２、１２４が撮像（撮影）した画像と、画像処理プログラムに登録された理想位置での画像とに基づく画像認識の結果から、台車１１０の横ずれ量（ｘ軸方向のずれ量）が許容以内か否か判定する（ステップ２０８）。台車１１０の横ずれ量が許容以内の場合には（ステップ２０８Ｙｅｓ）、制御装置１２６は、ステレオカメラ１２２、１２４が撮像（撮影）した画像と、画像処理プログラムに登録された理想位置での画像とに基づく画像認識の結果から、台車１１０の縦ずれ量（ｙ軸方向のずれ量）が許容以内か否か判定する（ステップ２１０）。台車１１０の縦ずれ量が許容以内の場合には（ステップ２１０Ｙｅｓ）、ストッパ１３０を再び下降させてその場で固定し（ステップ２１１）台車１１０の位置ずれ補正を終了する。なおここでは、ステップ２０２における他の作業スペース１０４、１０６への移動の際に、ストッパ１３０が下降していないものとして説明したが、ステップ２０８、ステップ２１０に限らず、移動の際にストッパ１３０が下降している場合にはストッパ１３０を上昇させる処理が実施される。

図６は、図４の位置ずれ補正手順の横ずれ補正と縦ずれ補正の関係を例示する図である。図６に例示するように、制御装置１２６は、画像認識の結果から、台車１１０の横ずれ量が許容以内でない場合（ステップ２０８Ｎｏ）、理想位置に向かって台車１１０をｘ軸方向に移動させる（ステップ２２０）。そして、再度、ステレオカメラ１２２、１２４の画像と、理想位置での画像とを比較して横ずれ量を確認し、横ずれ量が許容以内となるまでステップ２０８、ステップ２２０の処理を繰り返す。また、台車１１０の横ずれ量が許容以内となったら（ステップ２０８Ｙｅｓ）、ステレオカメラ１２２、１２４の画像と、理想位置での画像とを比較して縦ずれ量を算出し、台車１１０の縦ずれ量が許容以内でない場合（ステップ２１０Ｎｏ）、理想位置に向かって台車１１０をｙ軸方向に移動させる（ステップ２２２）。そして、再度、ステレオカメラ１２２、１２４の画像と、理想位置での画像とを比較して縦ずれ量を確認し、縦ずれ量が許容以内となるまでステップ２１０、ステップ２２２の処理を繰り返す。なお、図６では、横ずれ及び縦ずれ共に、１回の移動（補正）で許容量以内となる場合を例示している。

図７は、横ずれが発生した場合の説明図である。図７（ａ）が理想位置に台車１１０が停止した場合（「理想例Ｏ１」として図示する）と理想位置から横ずれして台車１１０が停止した場合（「横ずれ例Ｒ１」として図示する）を比較した図であり、図７（ｂ）が理想例Ｏ１と横ずれ例Ｒ１のステレオカメラ１２２、１２４の画像を比較する図である。図７（ａ）（ｂ）に例示するように、横ずれは、理想位置での撮像（撮影）に対してキャリブレーションプレート１１８、１２０が画像左右方向にずれた状態となる。図７（ａ）（ｂ）において、理想位置と理想位置から横ずれした位置との差を符号Ｘ１で図示する。

図８は、縦ずれが発生した場合の説明図である。図８（ａ）が理想位置に台車１１０が停止した場合（「理想例Ｏ１」として図示する）と理想位置から縦ずれして台車１１０が停止した場合（「縦ずれ例Ｒ２」として図示する）を比較した図であり、図８（ｂ）が理想例Ｏ１と縦ずれ例Ｒ２のステレオカメラ１２２、１２４の画像を比較する図である。図８（ａ）（ｂ）に例示するように、縦ずれは、理想位置での撮像（撮影）に対してキャリブレーションプレート１１８、１２０が大きくなったり、小さくなったりした状態となる。図８（ｂ）の画像では、図８（ａ）の例示にて台車１１０が作業スペース１０４、１０６に近づく方向に縦ずれしているため、理想位置で撮像したキャリブレーションプレート１１８、１２０の外形Ｏ１’よりもキャリブレーションプレート１１８、１２０の外形Ｒ２’が大きくなっている。

なお、図４のフローチャートでは、作業スペース１０２で作業する台車１１０に対し他の作業スペース１０４、１０６へ移動させる場合について説明したが、作業スペース１０４で作業する台車１１０に対し他の作業スペース１０２、１０６へ移動させる場合、作業スペース１０６で作業する台車１１０に対し、他の作業スペース１０２、１０４へ移動させる場合についても同様である。

なお、当該フローチャートは、あくまでも例示であって、位置ずれ補正の手順はこの例示に限られない。図９は、図４の変形例を例示するフローチャートである。図９に示す例示では、台車１１０の横ずれ量（ｘ軸方向のずれ量）が許容以内か否か判定するステップ２０８および台車１１０の縦ずれ量（ｙ軸方向のずれ量）が許容以内か否か判定するステップ２１０が、台車１１０の作業スペース１０４、１０６に対する傾きが許容量以内か否か判定するステップ２０６に先んじて実施される。変形例は図９の例示に限られず、当該フローチャート上の複数の処理を並列に実施してもよいし、横ずれ補正、縦ずれ補正の順序を逆にしてもよい。

以上、上述の製造システム１００によれば、各作業スペース１０２、１０４、１０６に配置されたトレーＴに電子部品Ｐが配置されるため、トレーＴ内での電子部品Ｐの位置ずれのおそれがない。また、台車１１０にロボットアーム１０８が載置され、生産ラインの都合に応じ複数の作業スペース１０２、１０４、１０６を往復し、各作業スペース１０２、１０４、１０６に対する位置精度は作業台１１２上のキャリブレーションプレート１１８、１２０の画像認識により担保されるので、ロボットアーム１０８の作業範囲を拡大することができる。

また、キャリブレーションプレート１１８、１２０を適宜配置し、ステレオカメラ１２２、１２４を適宜動作させることで、ロボットアーム１０８と各作業スペース１０２、１０４、１０６（電子部品Ｐ）間で常に安定した位置関係を確保しながら、製造作業を実施することができる。

また、上述の例では移動体が、作業スペース１０２、１０４、１０６に対し水平方向及び垂直方向に移動可能且つ回転可能な台車１１０で構成されている。これにより、床面に磁気テープや磁気棒、あるいはレールを設ける必要がないので、自由度が高くレイアウトの変更等が容易な製造システムが実現される。また、対象物さえ設定すれば、自由自在の走行が可能となる。

図１０は、製造システム１００の第１の変形例としての製造システム３００を示す図である。図１０に示すように、移動体は床面に敷設された磁気部材の磁気を不図示の磁気センサで検出し、磁気部材に追従して（誘導されて）ロボットアーム１０８を走行させる無人搬送台車（以下、単に「台車３０４」と称する）であってもよい。ここでは、磁気部材として、磁気テープ３０２が例示される。これにより、台車３０４が磁気テープ３０２に追従して走行するため、磁気テープ３０２が敷設されない場合と比して移動精度を確保することができる。

図１１は、製造システム１００の第２の変形例としての製造システム４００を示す図である。図１１に示すように、移動体がｘ軸方向に沿って床面に敷設された単軸のフレーム４０２上を走行するスライダ４０４であって、スライダ４０４上にロボットアーム１０８が載置された単軸ロボットであってもよい。これにより、ｙ軸方向、ｚ軸方向の位置ずれが機構上生じないため、画像認識による位置ずれ補正がｘ軸方向のみでよくなる。したがって、位置ずれ補正の手間を低減しつつ、各作業スペース１０２、１０４、１０６間を往復させることができる。

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、本発明はかか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、工場等の生産ラインに用いられる製造システムとして利用することができる。

１００、３００、４００…製造システム
１０２、１０４、１０６…作業スペース
１０８…ロボットアーム
１１０、３０４…台車（移動体）
１１２…作業台
１１４、１１６…架台
１１８、１２０…キャリブレーションプレート（位置識別標識）
１２２、１２４…ステレオカメラ（撮像装置）
１２６…制御装置
１２８…車輪
１３０…ストッパ
３０２…磁気テープ
４０２…フレーム
４０４…スライダ（移動体）
Ｔ…トレー
Ｐ…電子部品

Claims (9)

1. 複数の作業スペースで製造作業が実施される製造システムにおいて、
   ロボットアームと、
   前記ロボットアームが載置され前記複数の作業スペースを往復する移動体と、
   前記移動体の上下段に設けられた撮像装置と、
   画像認識により位置を識別可能な形態をなし、前記複数の作業スペースそれぞれに前記移動体の進行方向と垂直方向の前後に少なくとも１つずつ設置される位置識別標識と、
   前記撮像装置を用いた前記位置識別標識の画像認識により、前記作業スペースに対する
   前記移動体の位置を補正する制御装置と、
   を備えることを特徴とする製造システム。
2. 前記移動体は、床面に設けられた磁気部材に追従して、前記複数の作業スペースを往復することを特徴とする請求項１に記載の製造システム。
3. 前記移動体は、固定された単軸に沿って移動し、前記複数の作業スペースを往復することを特徴とする請求項１に記載の製造システム。
4. 前記移動体は、前記作業スペースに対し水平方向及び垂直方向に移動可能且つ回転可能な台車であり、前記複数の作業スペースを往復することを特徴とする請求項１または２に記載の製造システム。
5. 前記台車の底面に昇降可能なストッパを有し、
   前記制御装置は、前記台車を回転させる前に前記ストッパを下降させて該ストッパを回転中心とすることを特徴とする請求項４に記載の製造システム。
6. 前記台車の底面に昇降可能なストッパを有し、
   前記制御装置は、前記台車の位置の補正の完了後、前記ストッパを下降させた状態にし、当該位置で固定することを特徴とする請求項４に記載の製造システム。
7. 前記制御装置は、前記台車の移動に際して、前記ストッパを上昇させることを特徴とする請求項５または６に記載の製造システム。
8. 前記ストッパが、前記ロボットアームのベース座標系における鉛直方向に設定された座標軸上に設置されていることを特徴とする請求項５から７のいずれか１項に記載の製造システム。
9. 前記複数の作業スペースが作業台に設けられており、
   前記位置識別標識が前記作業台に設置されていて、
   前記撮像装置はステレオカメラであり、該ステレオカメラが前記移動体から鉛直方向に延びる架台によって支持されていることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の製造システム。