JP6703018B2 - 作業ロボットシステム - Google Patents

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Description

本発明は作業ロボットシステムに関する。
従来、搬送装置によって搬送される物品に部品を組み付ける時には、搬送装置を停止させる場合が多かった。特に、車のボディ等の大きな物品に部品を精密に組み付ける時には、搬送装置による物品の搬送を停止する必要があった。これが作業効率の低下に帰結する場合もあった。
一方、ロボットと、物品を搬送する搬送装置と、搬送装置に沿って設けられたレールと、レールに沿ってロボットを移動させる移動装置とを備えた生産ラインが知られている(例えば、特許文献1参照。)。この生産ラインでは、搬送装置によって物品が搬送されている時に、ロボットは物品の欠陥検査および研磨を行う。また、欠陥検査および研磨が行われる時に、搬送装置による物品の搬送速度と同じ速度で、移動装置がロボットをレールに沿って移動させる。
特開平08−72764号公報
前記生産ラインでは、欠陥検査および研磨を行っているだけである。一方、ロボットと物品とが干渉し得る作業が行われる場合は、ロボット、搬送装置、物品等の破損防止の目的で、ロボットの力制御を行う必要が生ずる。しかし、搬送装置によって移動している物品は予測できない挙動を行う可能性があるので、力制御の制御周期を極めて短くし、または、感度を高めないと、前記の破損防止を実現することは難しい。
しかし、ロボットはロボットの制御周期でしか動作できないため結果的に力制御の制御周期はロボットの制御周期よりも短くできない。つまり、ロボット自体の性能を変更しない限り、前記の破損防止を実現することが難しいケースがあった。また、力制御の感度を高くすると、ロボットの発振が発生する可能性が高まる。また、物品が予測できない挙動を行う場合、連続するいくつかの制御周期の期間に力制御が行われても、ロボットと物品との接触が改善されない状態も生じ得る。この時もロボットの発振が発生する可能性が高まる。
本発明は、前述の事情に鑑みてなされている。本発明の目的の一つは、ロボット、搬送装置、物品等の破損防止を効率的に実現することのできる作業ロボットシステムの提供を目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明の一態様の作業ロボットシステムは、物品を搬送する搬送装置と、前記搬送装置によって搬送される前記物品の対象部に対して所定の作業を行うロボットと、前記ロボットを制御する制御部と、前記搬送装置による前記物品の移動量を検出する移動量検出部と、前記ロボットに支持された部品又はツールと前記物品との接触によって生ずる力を検出する力検出部と、を備え、前記制御部が、前記ロボットによる前記所定の作業が行われる時に、前記対象部の位置の情報と前記移動量検出部の検出値とを用いた前記ロボットの制御を行いながら、前記力検出部の検出値に基づいた力制御を行い、前記移動量検出部の前記検出値が所定の基準を超えて変動する時に、前記制御部が前記力制御の制御周期を短くする、または、感度を高める
上記態様では、搬送装置上の物品における対象部の位置の情報と、搬送装置による物品の移動量の検出値とを用いて、ロボットが制御される。このため、力制御が無い状態であっても、制御部は、ロボットに支持された部品又はツールと物品との位置関係を認識でき、両者の接触有無を認識できる場合もある。例えば、搬送装置による物品の移動量が大きく変動する搬送装置の異常も、制御部は力制御が無い状態において認識できる。このため、力制御の制御周期を無理に短くせずに、ロボット、搬送装置、物品等の破損防止を実現できるようになり、ロボットの発振の発生も抑制される。
つまり、力制御の感度を高くすると、ロボットの発振が発生する可能性が高まるが、上記のように、対象部の位置の情報と移動量検出部の検出値とを用いたロボットの制御を行いながら、力検出部の検出値に基づいた力制御が行われるので、ロボットの発振の発生が効果的に抑制される。
一方、移動量検出部の検出値が所定の基準を超えて変動する時に、制御部が力制御の制御周期を短くする、または、力制御の感度を高める。
このように、本願発明は、移動量検出部で所定の基準を超えた変動が検出されない際はロボットの発振の発生を効果的に抑制し、移動量検出部で所定の基準を超えた変動が検出される時は、力検出部に加わる力に応じてロボットをより敏感に動かすことが可能となる。
上記態様において、好ましくは、前記制御部が、前記対象部の位置の情報を有する座標系を前記移動量検出部の検出値に応じて前記搬送装置の搬送方向に移動させ、前記制御部が、移動している前記座標系を用いて前記ロボットの前記部品又は前記ツールを前記対象部に追随させながら、前記力検出部の検出値を用いて前記力制御を行う。
このように、搬送装置による物品の移動量に応じて、対象部の位置の情報を有する座標系が移動し、移動している座標系を用いてロボットが制御される。このため、制御部は、ロボットが支持している部品又はツールを対象部に容易且つ確実に追随させることができる。このため、制御部は、ロボットが所定の作業を行う時に、搬送装置によって搬送される物品の対象部に対して、ロボットに支持された部品又はツールの位置および姿勢を正確に制御できる。これは、力制御の制御周期を短くせずに、または、感度を高めずに、ロボット、搬送装置、物品等の破損防止を実現するために有利であり、ロボットの発振の発生を抑制するためにも有利である。
上記態様において、好ましくは、前記搬送装置上の前記物品における前記対象部の少なくとも位置を検出する検出部を備え、前記制御部が、前記検出部の検出結果を用いて、前記対象部の位置の情報を有する前記座標系を設定する。
例えば、検出部が二次元カメラである場合、検出部の検出結果は画像データである。この場合、制御部は、画像データを用いて、対象部の位置の情報を有する座標系を設定する。つまり、制御部は、画像データ内の対象部に対して座標系の原点設定および方向設定を行う。つまり、座標系に対して対象部の位置が固定される。このように座標系を設定すると、移動している対象部に対して、ロボットに支持された部品又はツールの位置および姿勢が正確に制御される。
上記態様において、好ましくは、前記検出部が、前記搬送装置上の前記物品における前記対象部の位置を検出するものであり、前記制御部が、前記検出部の検出結果を用いて、前記対象部の位置の情報を有する前記座標系を設定する。
例えば、検出部が二次元カメラである場合、検出部の検出結果は画像データである。この場合、制御部は、画像データを用いて、対象部の位置の情報を有する座標系を設定する。つまり、制御部は、画像データ内の対象部に対して座標系の原点設定を行う。つまり、座標系に対して対象部の位置が固定される。このように座標系を設定すると、移動している対象部に対して、ロボットに支持された部品又はツールの位置が正確に制御される。
上記態様において、好ましくは、前記移動量検出部の前記検出値が所定の基準を超えて変動する時に、記搬送装置が異常対応作動を行う。
当該態様では、前述のようにロボットに支持された部品又はツールと物品との位置関係が認識されている状態において、制御部がさらに、移動量検出部の検出値に基づいて異常対応作動を行う。当該構成は、ロボット、搬送装置、物品等の破損防止の確実な実現を図る時に有利であり、ロボットの発振の発生を抑制するためにも有利である。
本発明によれば、ロボット、搬送装置、物品等の破損防止を効率的に実現することができる。
本発明の一実施形態の作業ロボットシステムの概略構成図である。 本実施形態の作業ロボットシステムの制御装置のブロック図である。 本実施形態の作業ロボットシステムのセンサによって撮像される画像データの例である。 本実施形態の作業ロボットシステムの制御部の作動を示すフローチャートである。 本実施形態の作業ロボットシステムにおけるトラッキング制御の座標系を説明する図である。
本発明の一実施形態に係る作業ロボットシステム1について、図面を用いながら以下説明する。
本実施形態の作業ロボットシステム1は、図1に示されるように、作業対象である物品100を搬送する搬送装置2と、搬送装置2によって搬送される物品100の対象部101に対して所定の作業を行うロボット10と、ロボット10を制御する制御装置20と、検出部としての検出装置40とを備えている。
検出装置40は、搬送装置2によって搬送される物品100の対象部101の位置および姿勢を特定できるデータを取得する。検出装置40として、このような機能を有する装置は全て利用することができる。検出装置40は、例えば、二次元カメラ、三次元カメラ、三次元距離センサ、ライン光を対象物に照射して形状を測定するセンサ等である。本実施形態の検出装置40は搬送装置2の上方に取付けられた二次元カメラであり、検出装置40は、対象部101が画角40aの所定の範囲に入っている状態で、図3に示されるような対象部101の画像データを取得する。検出装置40は画像データを制御装置20に送信する。画像データは2つの対象部101の少なくともどちらか一方の位置を特定できるデータである。また、例えば画像データ中の2つの対象部101の位置関係に基づいて、対象部101の姿勢を特定することも可能である。
物品100は特定の種類の物に限定されないが、本実施形態では、一例として、物品100は車のボディである。搬送装置2はモータ2aを駆動することによって物品100を一方向に搬送するものであり、本実施形態では搬送装置2は図1における右側に向かって物品100を搬送する。モータ2aは作動位置検出装置2bを備えており、作動位置検出装置2bはモータ2aの出力軸の回転位置および回転量を逐次検出する。作動位置検出装置2bは例えばエンコーダである。作動位置検出装置2bの検出値は制御装置20に送信される。
本実施形態では、作動位置検出装置2bをモータに直結させているが、エンコーダの回転軸にローラを付け、搬送装置2上のベルト部分にローラを押しつけて回転量を逐次検出しても良い。
対象部101は、物品100において、ロボット10が所定の作業を行う部分である。本実施形態では、所定の作業として、ロボット10のハンド30が部品110を持上げ、ロボット10は部品110の取付部111を対象部101に取付ける。これにより、例えば、部品110の取付部111から下方に延びるシャフト111aが、物品100の対象部101に設けられた孔101aに嵌合する。
なお、物品100が搬送装置2によって一方向に移動している状態において、ロボット10は部品110の取付部111を対象部101に取付ける。
ロボット10は特定の種類に限定されないが、本実施形態のロボット10は、複数の可動部をそれぞれ駆動する複数のサーボモータ11を備えている(図2参照)。各サーボモータ11はその作動位置を検出するための作動位置検出装置を有し、作動位置検出装置は一例としてエンコーダである。作動位置検出装置の検出値は制御装置20に送信される。
ロボット10の先端部にはハンド30が取付けられている。本実施形態のハンド30は複数の爪による把持によって部品110を支持するが、磁力、空気の吸引等を用いて部品110を支持するハンドを用いることも可能である。
ハンド30は爪を駆動するサーボモータ31を備えている(図2参照)。サーボモータ31はその作動位置を検出するための作動位置検出装置を有し、作動位置検出装置は一例としてエンコーダである。作動位置検出装置の検出値は制御装置20に送信される。
なお、各サーボモータ11,31として、回転モータ、直動モータ等の各種のサーボモータが用いられ得る。
ロボット10の先端部には力センサ32が取付けられている。力センサ32は、例えば、図1に示すX軸方向、Y軸方向、Z軸方向、X軸周り、Y軸周り、およびZ軸周りの力を検出する。力センサ32は、ハンド30又はハンド30によって把持された部品110に加わる力の方向および力の程度を検出できるものであればよい。このため、本実施形態では力センサ32がロボット10とハンド30との間に設けられているが、力センサ32はハンド30内に設けられていてもよい。
制御装置20は、図2に示されるように、CPU、RAM等を有する制御部21と、表示装置22と、不揮発性ストレージ、ROM等を有する記憶部23と、ロボット10のサーボモータ11にそれぞれ対応している複数のサーボ制御器24と、ハンド30のサーボモータ31に対応しているサーボ制御器25と、制御装置20に接続された入力部26とを備えている。一例では、入力部26はオペレータが持ち運べる操作盤等の入力装置である。入力部26が制御装置20と無線通信を行う場合もある。
記憶部23にはシステムプログラム23aが格納されており、システムプログラム23aは制御装置20の基本機能を担っている。また、記憶部23には動作プログラム23bが格納されている。また、記憶部23には、トラッキングプログラム23cと、力制御プログラム23dとが格納されている。
制御部21は、これらプログラムに基づいて、物品100に対する所定の作業を行うための制御指令を各サーボ制御器24,25に送信する。これによって、ロボット10およびハンド30が物品100に対して所定の作業を行う。この際の制御部21の動作を図4のフローチャートを参照しながら説明する。
先ず、制御部21は、トラッキングプログラム23cに基づいて、検出装置40から図3に示されるような対象部101の画像データを取得する(ステップS1−1)。また、制御部21は、検出装置40が当該画像データを撮像した時の作動位置検出装置2bの検出値e1と、作動位置検出装置2bの現在の検出値e2とを用いて、搬送装置2上の物品100と共に移動するトラッキング座標系を設定する(ステップS1−2)。
トラッキング座標系の一例を図5に示す。TFは、検出装置40によって対象部101の画像データを撮像した瞬間のトラッキング座標系を示す。図5に示すように、トラッキング座標系TFは、対象部101の孔101aの位置および姿勢の情報を有する。TF’は、現在のトラッキング座標系を示す。図5に示すように、現在のトラッキング座標系TF’も、対象部101の孔101aの位置および姿勢の情報を有する。つまり、トラッキング座標系TF,TF’に対して、対象部101はそれぞれ同じ位置および姿勢情報を有する。
下記式(1)に示されるように、座標変換行列Tを用いてトラッキング座標系TF’が得られる。
TF’=T・TF ・・・(1)
移動成分は、例えば、下記式(2)を用いて得られる。
(e2−e1)/S ・・・(2)
Sは、エンコーダである作動位置検出装置2bのカウントと、搬送装置2による物品100の移動量との比である。
つまり、Sが1である時は、作動位置検出装置2bの検出値が搬送装置2による物品100の移動量であり、作動位置検出装置2bが移動量検出部として機能する。一方、Sが1ではない時は、作動位置検出装置2bおよび制御部21が移動量検出部として機能する。
次に、制御部21は、動作プログラム23cに基づいたロボット10およびハンド30への制御指令の送信を開始する(ステップS1−3)。これにより、部品110がハンド30によって把持され、ハンド30によって把持された部品110が搬送装置2上の物品100の方に移動される。その後、部品110のシャフト111aが物品100の孔101aに嵌合される。
また、ステップS1−3において、制御部21は、ステップS1−2において設定されたトラッキング座標系TF’を、動作プログラム23cに基づいて作動するロボット10の基準座標系として用いる。例えば、基準座標系に対して、ハンド30のツールセンターポイント(TCP)を原点とする座標系、部品110の基準位置を原点とする座標系等が表現される。
このため、ロボット10の基準座標系が搬送装置2の搬送方向に移動し、基準座標系の移動が搬送装置2による物品100の移動と一致する。この状況では、搬送装置2によって物品100の対象部101は移動しているが、制御部21から見ると基準座標系内において対象部101が停止している。これにより、制御部21は、ロボット10の先端部を対象部101に安定して追随させることができる。
続いて、例えば図1に示されるように部品110が嵌合のための位置および姿勢に到達した時に、制御部21は、力制御プログラム23dに基づいた力制御を開始する(ステップS1−4)。力制御として、周知の力制御を用いることが可能である。本実施形態では、力センサ32によって検出される力から逃げる方向にロボット10が部品110を移動させる。その移動量は力センサ32の検出値に応じて制御部21が決定する。
例えば、ハンド30によって把持された部品110のシャフト111aと物品100の孔101aとが嵌合し始めた状況で、搬送装置2による搬送方向と反対方向の力が力センサ32によって検出されると、ロボット10は基準座標系内において追従しながら搬送方向と反対方向に部品110を僅かに移動させて検出される力から逃げる。
続いて、制御部21は、搬送装置2のモータ2aの作動位置検出装置2bの検出値が所定の基準を超えて変動する時に(ステップS1−5)、第1の異常対応作動を行う(ステップS1−6)。所定の基準を超えた変動は、所定の基準を超えた加減速、所定の基準を超えた回転振動等である。電力供給が安定していない場合、モータ2aの回転速度が急激に低下する場合もあり、モータ2aの回転速度が大きく変動する場合もある。これらの場合に、作動位置検出装置2bの検出値が前記所定の基準を超えて変動することになる。
第1の異常対応作動として、制御部21は、力制御の制御周期を短くする作動または感度を高める作動、嵌合の進行を停止する作動、嵌合作業を中止する作動等を行う。力制御の制御周期を短くし、または、感度を高めると、部品110に加わる力に対してロボット10をより敏感に移動させることが可能となる。本実施形態では、制御部21は、嵌合作業を中止する作動、搬送装置を停止させる作動、またはそれらを組み合わせた作動等を行う。
また、制御部21は、力センサ32の検出値が所定の基準値を超える時に(ステップS1−7)、第2の異常対応作動を行う(ステップS1−8)。力センサ32の検出値が所定の基準値を超える時は、部品110、物品100等に異常な力が加わっている可能性が高い。このため、制御部21は、第2の異常対応作動として、ロボット10を停止させる作動、力センサ32によって検出された力の方向から逃げる方向にロボット10を低速で移動させる作動、搬送装置を停止させる作動、またはそれらを組み合わせた作動等を行う。本実施形態では、制御部21は、ロボット10を停止させる作動を行う。
一方、制御部21は、嵌合作業が完了したか否かを判断し(ステップS1−9)、嵌合作業が完了している場合は、ロボット10およびハンド30に制御指令を送る(ステップS1−10)。これにより、ハンド30が部品110から離れ、ハンド30がロボット10によって待機位置又は次の部品110がストックされている場所に移動する。
このように、本実施形態では、搬送装置2上の物品100における対象部101の位置の情報と、搬送装置2による物品100の移動量の検出値とを用いて、ロボット10が制御される。このため、力制御が無い状態であっても、制御部21は、ロボット10に支持された部品110と物品100との位置関係を認識でき、両者の接触有無を認識できる場合もある。例えば、搬送装置2による物品100の移動量が大きく変動する搬送装置2の異常も、制御部21は力制御が無い状態において認識できる。このため、力制御の制御周期を無理に短くせず、または、感度を高めずに、ロボット10、搬送装置2、物品100等の破損防止を実現できるようになり、ロボット10の発振の発生も抑制される。
また、本実施形態では、制御部21が、対象部101の位置の情報を有する座標系を作動位置検出装置2bの検出値に応じて搬送装置2の搬送方向に移動させ、制御部21が、移動している座標系を用いてロボット10の部品110を対象部101に追随させながら、力センサ32の検出値を用いて力制御を行う。
このように、搬送装置2による物品100の移動量に応じて、対象部101の位置の情報を有する座標系が移動し、移動している座標系を用いてロボット10が制御される。このため、制御部21は、ロボット10が支持している部品110を対象部101に容易且つ確実に追随させることができる。このため、制御部21は、ロボット10が所定の作業を行う時に、搬送装置2によって搬送される物品100の対象部101に対して、ロボット10に支持された部品110の位置および姿勢を正確に制御できる。これは、力制御の制御周期を短くせず、または、感度を高めずにロボット10、搬送装置2、物品100等の破損防止を実現するために有利であり、ロボット10の発振の発生を抑制するためにも有利である。
また、本実施形態では、搬送装置2上の物品100における対象部101の位置および姿勢を検出する検出装置40を備え、制御部21が、検出装置40の検出結果を用いて、対象部101の位置の情報を有する座標系を設定する。
本実施形態では、検出装置40は二次元カメラである。このため、検出装置40の検出結果は画像データである。制御部21は、画像データを用いて、対象部101の位置および姿勢の情報を有する座標系を設定する。つまり、制御部21は、画像データ内の対象部101に対して座標系の原点設定および方向設定を行う。つまり、座標系に対して対象部101の位置および姿勢が固定される。このように座標系を設定すると、移動している対象部101に対して、ロボット10に支持された部品110の位置および姿勢が正確に制御される。
本実施形態では、作動位置検出装置2bの検出値が所定の基準を超えて変動する時に、制御部21が異常対応作動を行う。
つまり、前述のようにロボット10に支持された部品110と物品100との位置関係が認識されている状態において、制御部21がさらに、作動位置検出装置2bの検出値に基づいて異常対応作動を行う。当該構成は、ロボット10、搬送装置2、物品100等の破損防止の確実な実現を図る時に有利であり、ロボット10の発振の発生を抑制するためにも有利である。
なお、ロボット10の先端部に加工ツールが支持され、搬送装置2によって搬送される物品100にロボット10が所定の作業として加工を行ってもよい。この場合、加工ツールは、ドリル、フライス、ドリルタップ、バリ取り工具、その他の工具等である。この場合でも、ステップS1−3において加工ツールが対象部101に近付けられ、ステップS1−4において加工ツールと対象部101との接触に応じて力制御が行われること等により、前述と同様の効果が達成される。
また、ステップS1−6において、制御部21は、第1の異常対応作動として、搬送装置2のモータ2aの停止、搬送装置2のモータ2aの減速等をおこなってもよい。
また、作動位置検出装置2bを用いる代わりに、検出装置40が搬送装置2上の所定のマーク等の位置をモニタしてもよい。この場合、搬送装置2上の所定のマークの移動に基づき、搬送装置2上の物品100の移動量が逐次検出される。その他の周知の方法を用いることによって搬送装置2上の物品100の移動量を逐次検出することもできる。
本実施形態では、ロボット10の先端部に力センサ32が取付けられている。一方、搬送装置2と物品100との間、物品100の内部等に、力センサ32を配置することも可能である。この場合でも、力センサ32の検出値に基づく力制御を行うことが可能であり、前述と同様の効果が達成される。
また、ステップS1−3において、制御部21は、対象部101の位置の情報と、作動位置検出装置2bの検出値とを用いて、ロボット10の基準座標系を設定することができる。対象部101の位置の情報として、検出装置40で撮像された画像データを用いることができる。画像データ中に対象部101が存在していれば、制御部21は画像データに基づいて対象部101の位置および姿勢を特定することができる。この場合、トラッキング座標系TF’を使わない制御も可能となる。
1 作業ロボットシステム
2 搬送装置
2a モータ
2b 作動位置検出装置
3 ローラ
10 ロボット
11 サーボモータ
20 制御装置
21 制御部
22 表示装置
23 記憶部
23a システムプログラム
23b 動作プログラム
23c トラッキングプログラム
23d 力制御プログラム
24 サーボ制御器
25 サーボ制御器
26 入力部
30 ハンド
31 サーボモータ
32 力センサ
40 検出装置
50 センサ
100 物品
101 対象部
101a 孔
110 部品
111 取付部
111a シャフト

Claims (5)

  1. 物品を搬送する搬送装置と、
    前記搬送装置によって搬送される前記物品の対象部に対して所定の作業を行うロボットと、
    前記ロボットを制御する制御部と、
    前記搬送装置による前記物品の移動量を検出する移動量検出部と、
    前記ロボットに支持された部品又はツールと前記物品との接触によって生ずる力を検出する力検出部と、を備え、
    前記制御部が、前記ロボットによる前記所定の作業が行われる時に、前記対象部の位置の情報と前記移動量検出部の検出値とを用いた前記ロボットの制御を行いながら、前記力検出部の検出値に基づいた力制御を行い、
    前記移動量検出部の前記検出値が所定の基準を超えて変動する時に、前記制御部が前記力制御の制御周期を短くする、または、前記力制御の感度を高める作業ロボットシステム。
  2. 前記制御部が、前記対象部の位置の情報を有する座標系を前記移動量検出部の検出値に応じて前記搬送装置の搬送方向に移動させ、
    前記制御部が、移動している前記座標系を用いて前記ロボットの前記部品又は前記ツールを前記対象部に追随させながら、前記力検出部の検出値を用いて前記力制御を行う請求項1に記載の作業ロボットシステム。
  3. 前記搬送装置上の前記物品における前記対象部の少なくとも位置を検出する検出部を備え、
    前記制御部が、前記検出部の検出結果を用いて、前記対象部の位置の情報を有する前記座標系を設定する請求項2に記載の作業ロボットシステム。
  4. 前記検出部が、前記搬送装置上の前記物品における前記対象部の位置を検出するものであり、
    前記制御部が、前記検出部の検出結果を用いて、前記対象部の位置の情報を有する前記座標系を設定する請求項2に記載の作業ロボットシステム。
  5. 前記移動量検出部の前記検出値が前記所定の基準を超えて変動する時に、記搬送装置が異常対応作動を行う請求項1〜4の何れかに記載の作業ロボットシステム。
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