JP6840267B2

JP6840267B2 - 作業機

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Publication number: JP6840267B2
Application number: JP2019556043A
Authority: JP
Inventors: 識西山
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-11-24
Filing date: 2017-11-24
Publication date: 2021-03-10
Anticipated expiration: 2037-11-24
Also published as: JPWO2019102577A1; WO2019102577A1

Description

本明細書では、作業機を開示する。

従来、作業機としては、作業ヘッドを保持してその作業ヘッドを作業対象物に対して移動させる多関節ロボットを有するものが知られている。こうした作業機において、アーム先端に、ノズルを備えた作業ヘッドと下方カメラと側方カメラとを備えたものが提案されている（特許文献１参照）。下方カメラは作業対象物を撮像し、側方カメラは垂直なパネル面を撮像する。また、側方カメラは軸回転可能となっている。

国際公開第２０１４／２０７３９号パンフレット

特許文献１に記載された作業機は、広範囲な領域を撮像可能ではあるものの、アームの先端に２台のカメラを取り付ける必要があった。

本開示は、このような課題に鑑みなされたものであり、簡易な構成でありながら広範囲な領域を撮像可能にすることを主目的とする。

本開示の作業機は、
アームと、
前記アームの先端に取り付けられたカメラと、
前記カメラの光軸に沿った方向の第１撮像対象領域を照らす第１光源と、
前記カメラと前記第１光源との間で前記カメラの光軸と交差するように斜めに配置されたハーフミラーと、
前記ハーフミラーの傾斜面の法線に対して前記カメラの光軸がなす角度を＋θとしたときに前記法線に対する角度が−θとなる方向の第２撮像対象領域を照らす第２光源と、
前記第２光源と前記ハーフミラーとを一体的に支持する支持体と、
前記カメラの光軸を中心として前記支持体を回転させる支持体回転駆動部と、
を備えたものである。

この作業機では、第１撮像対象領域を撮像する場合には、第１光源を点灯し第２光源を消灯して、第１光源に照らされた第１撮像対象領域をハーフミラーを介してカメラで撮影する。第２撮像対象領域を撮像する場合には、第１光源を消灯し第２光源を点灯して、第２光源に照らされた第２撮像対象領域をハーフミラーを介してカメラで撮像する。また、第２光源とハーフミラーとを一体的に支持する支持体をカメラの光軸を中心として支持体回転駆動部が回転させることにより、第２撮像対象領域をカメラの光軸を中心とする周囲にまで広げることができる。このように、本開示の作業機によれば、カメラ１台という簡易な構成でありながら広範囲な領域を撮像することができる。

多関節ロボット１０の正面図。図１の円内の拡大斜視図。撮像機器３０等の縦断面図。制御装置９０の電気的な接続関係を示す説明図。撮像処理ルーチンの一例を示すフローチャート。別例の撮像機器３０等の縦断面図。

次に、本開示の発明を実施するための形態について説明する。

図１は多関節ロボット１０の正面図、図２は図１の円内の拡大斜視図、図３は撮像機器３０等の縦断面図、図４は制御装置９０の電気的な接続関係を示す説明図である。

多関節ロボット１０は、図１に示すように、テーブル１１の上に設置されたベース１２の垂直軸に水平方向の回転が可能なように取り付けられている。多関節ロボット１０は、複数のアーム１３を関節（水平軸）を介して連結したものであり、各アーム１３は垂直面内の回転が可能となっている。多関節ロボット１０は、複数の関節をそれぞれ駆動する関節駆動モータ１４（図４参照）と、複数の関節のそれぞれの角度を検出するエンコーダ１６（図４参照）とを有する。なお、図４には、便宜上、関節駆動モータ１４とエンコーダ１６を１つずつ示した。

多関節ロボット１０は、リスト１８と、メカニカルインタフェース２６と、撮像機器３０とを有している。

リスト１８は、複数のアーム１３のうち先端側のアーム１３の端部に取り付けられている。リスト１８には、図２に示すように、ステー２０を介して縦長の支持カバー２２が取り付けられている。支持カバー２２は、メカニカルインタフェース２６を軸回転させるθ軸モータ２４を支持している。θ軸モータ２４には、θ軸モータ２４の回転位置を検出するエンコーダ２５（図４参照）が取り付けられている。

メカニカルインタフェース２６は、ノズル７２を備えたエンドエフェクタ７０などを含む多種類のエンドエフェクタを着脱可能に取り付ける部材である。メカニカルインタフェース２６の上部には、駆動プーリ２８がメカニカルインタフェース２６と一体となって回転するように設けられている。

撮像機器３０は、支持カバー２２の側面にボルトで締結されたブラケット３２に支持されている。ブラケット３２は、上下方向に貫通する円筒穴を有してる。撮像機器３０は、図３に示すように、円筒体３４と、カメラ４２と、ハーフミラー４４と、第１環状光源５１と、第２環状光源５２とを備えている。

円筒体３４は、ブラケット３２の内周面にベアリング３６を介して軸回転可能に支持されている。円筒体３４の内部には、図示しないレンズが取り付けられている。円筒体３４の外周面の下部には、従動プーリ３８が一体化されている。従動プーリ３８は、駆動プーリ２８とループ状のベルト４０で架け渡されている。そのため、θ軸モータ２４によってメカニカルインタフェース２６及び駆動プーリ２８が回転すると、それに伴ってベルト４０を介して従動プーリ３８及び円筒体３４も回転する。円筒体３４の下面には、円筒穴４６ａを備えたミラー支持体４６が固定されている。

カメラ４２は、いわゆるデジタルカメラであり、支持カバー２２の上部に固定されている。そのため、円筒体３４が軸回転してもカメラ４２は回転せず固定されたままである。カメラ４２は、円筒体３４の上部から円筒体３４の中空内部を向くように取り付けられている。カメラ４２の光軸４３は鉛直下向きであり、円筒体３４の軸線と一致している。

ハーフミラー４４は、カメラ４２の光軸４３と交差するように設けられ、水平面に対して角度θ（θ＝４５°）だけ傾斜した状態でミラー支持体４６に支持されている。そのため、ハーフミラー４４は、ミラー支持体４６を介して円筒体３４と一体になっている。ミラー支持体４６の側面のうち第２環状光源５１と対向する位置には開口４６ｂが設けられている。

第１環状光源５１は、ミラー支持体４６の外面の下部にステー４８を介して取り付けられている。第１環状光源５１の軸線は、カメラ４２の光軸４３と一致している。第１環状光源５１の環状面は、多数のＬＥＤが並設された発光面５３であり、それらは透明カバー５５によって保護されている。第１環状光源５１は、カメラ４２の光軸４３に沿った方向の第１撮像対象領域Ａ１を照らす。

第２環状光源５２は、ブラケット３２の側面にステー５０（図２参照）を介して取り付けられている。第２環状光源５２の軸線は、水平方向と一致している。本実施形態では、ハーフミラー４４の傾斜面の法線に対してカメラ４２の光軸４３のなす角度が＋θ（θ＝４５°）であり、その法線に対する第２環状光源５２の軸線のなす角度が−θとなっている。第２環状光源５２の環状面は、多数のＬＥＤが並設された発光面５４であり、それらは透明カバー５６によって保護されている。第２環状光源５２は、ハーフミラー４４の傾斜面の法線に対する角度が−θ（θ＝４５°）となる方向（ここでは水平方向）の第２撮像対象領域Ａ２を照らす。

制御装置９０は、図４に示すように、ＣＰＵ９１を中心としたマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ９１の他に、ＲＯＭやＨＤＤなどの記憶部９２を備える。制御装置９０には、エンコーダ１６，２５からの各種信号が入力される。制御装置９０からは、関節駆動モータ１４やθ軸モータ２４、カメラ４２、第１環状光源５１、第２環状光源５２などへの各種制御信号が出力される。

次に、エンドエフェクタ７０を搭載した多関節ロボット１０の動作について説明する。この多関節ロボット１０は、例えば、水平面上のワーク供給地点にあるワークを作業地点まで運んでその作業地点でワークを装着する作業を行う。具体的には、多関節ロボット１０は、ノズル７２をワーク供給地点に移動させ、ノズル７２に負圧を供給してワークを吸着させる。その後、多関節ロボット１０は、ノズル７２に吸着されたワークを作業地点まで運び、その作業地点でノズル７２に正圧を供給してワークを作業地点に装着する。この作業中、ノズル７２の向きを変える必要があれば、θ軸モータ２４によってメカニカルインタフェース２６を回転させることによりノズル７２を所望の向きに変える。

こうした多関節ロボット１０は、作業を実行する前に、エンドエフェクタ７０をメカニカルインタフェース２６から取り外した状態で、ワーク供給地点（第１撮像対象領域Ａ１）をその真上からカメラ４２で撮像したり、ワーク供給地点の周壁（第２撮像対象領域Ａ２）をカメラ４２で撮像したりすることがある。ワーク供給地点の周壁を撮像するのは、例えば周壁の傷を探す必要があるときなどである。

多関節ロボット１０がこうした撮像を実行する場合、制御装置９０は、撮像処理ルーチン実行する。図５は撮像処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。制御装置９０のＣＰＵ９１は、目標地点を撮像する必要が生じた際に、撮像処理ルーチンのプログラムを記憶部９２から読み出して実行する。撮像処理ルーチンは、上述したようにエンドエフェクタ７０をメカニカルインタフェース２６から取り外した状態で実行される。

ＣＰＵ９１は、撮像処理ルーチンを開始すると、まず、目標地点を認識する（Ｓ１００）。例えば、ワーク供給地点が目標地点の場合、ＣＰＵは、ワーク供給地点として予め記憶部９２に記憶されている座標位置を読み込むことにより目標地点を認識する。

次に、ＣＰＵ９１は、目標地点を撮像する（Ｓ１１０）。具体的には、ＣＰＵ９１は、目標地点が撮像機器３０の第１撮像対象領域Ａ１に入るよう関節駆動モータ１４を制御して各アーム１３を動かし、目標地点の真上から目標地点が撮像されるよう撮像機器３０を制御する。目標地点を撮像する際、ＣＰＵ９１は、第１環状光源５１を点灯し第２環状光源５２を消灯して、第１環状光源５１に照らされた第１撮像対象領域Ａ１をハーフミラー４４を介してカメラ４２が撮影するよう撮像機器３０を制御する。カメラ４２が撮像した画像は記憶部９２に順次記憶される。

次に、ＣＰＵ９１は、目標地点の周囲を撮像する（Ｓ１２０）。具体的には、ＣＰＵ９１は、第１環状光源５１を消灯し第２環状光源５２を点灯して、第２環状光源５２に照らされた第２撮像対象領域Ａ２をハーフミラー４４を介してカメラ４２が撮像するよう撮像機器３０を制御する。また、ＣＰＵ９１は、いま撮像した第２撮像対象領域Ａ２が次に撮像する第２撮像対象領域Ａ２と接するように（あるいはわずかに重複するように）円筒体３４を所定角度だけ軸回転させる。ＣＰＵ９１は、θ軸モータ２４を制御することにより、円筒体３４を軸回転させる。つまり、円筒体３４をカメラ４２の光軸の回りに回転させる。その後、ＣＰＵ９１は、先ほどと同様にして新たな第２撮像対象領域Ａ２をカメラ４２が撮像するよう撮像機器３０を制御する。ＣＰＵ９１は、このように第２撮像対象領域Ａ２を順次更新していくことにより、目標地点の周囲を撮像する。カメラ４２が撮像した画像は記憶部９２に順次記憶される。

本実施形態では、エンドエフェクタ取付面であるメカニカルインタフェース２６が、撮像機器３０が３６０°軸回転するときの軌道経路と干渉する位置に設けられている。そのため、撮像機器３０がメカニカルインタフェース２６と干渉しない範囲で軸回転させる。

その後、ＣＰＵ９１は、他に目標地点があるか否かを判定し（Ｓ１３０）、他に目標地点があったならば、目標地点を更新し（Ｓ１４０）、再びＳ１００以降の処理を実行する。一方、Ｓ１３０で他に目標地点がなかったならば、ＣＰＵ９１は本ルーチンを終了する。

ここで、本実施形態の構成要素と本開示の作業機の構成要素との対応関係を明らかにする。本実施形態の多関節ロボット１０のアーム１３が本開示の作業機のアームに相当し、カメラ４２がカメラに相当し、第１環状光源５１が第１光源に相当し、第２環状光源５２が第２光源に相当し、ハーフミラー４４がハーフミラーに相当し、円筒体３４が支持体に相当し、θ軸モータ２４が支持体回転駆動部に相当する。

以上詳述した実施形態では、第１撮像対象領域Ａ１を撮像する場合には、第１環状光源５１を点灯し第２環状光源５２を消灯して、第１環状光源５１に照らされた第１撮像対象領域Ａ１をハーフミラー４４を介してカメラ４２で撮影する。第２撮像対象領域Ａ２を撮像する場合には、第１環状光源５１を消灯し第２環状光源５２を点灯して、第２環状光源５２に照らされた第２撮像対象領域Ａ２をハーフミラー４４を介してカメラ４２で撮像する。また、第２環状光源５２とハーフミラー４４とを一体的に支持する円筒体３４をカメラ４２の光軸４３を中心としてθ軸モータ２４が回転させることにより、第２撮像対象領域Ａ２をカメラ４２の光軸４３を中心とする周囲にまで広げることができる。このように、本実施形態によれば、カメラ１台という簡易な構成でありながら広範囲な領域を撮像することができる。

また、エンドエフェクタ７０の回転駆動部であるθ軸モータ２４が円筒体３４の回転駆動部を兼ねるように構成したため、両方の回転駆動部を別々に設ける場合に比べて、簡易な構成とすることができる。

更に、エンドエフェクタ７０は、カメラ４２、第１環状光源５１、第２環状光源５２、円筒体３４及びθ軸モータ２４を備えたアーム１３のメカニカルインタフェース２６に着脱可能に取り付けられる。これにより、メカニカルインタフェース２６に取付可能な多種類のエンドエフェクタに対して、カメラ４２、第１環状光源５１、第２環状光源５２、円筒体３４及びθ軸モータ２４を共通化することができるため、各エンドエフェクタをコンパクトにすることができる。

更にまた、メカニカルインタフェース２６は、円筒体３４が１回転するときの第２環状光源５２の軌道経路と干渉する位置に設けられている。そのため、第２撮像対象領域Ａ２をカメラ４２の光軸４３を中心とする全周にわたって連続させることはできないが、メカニカルインタフェース２６を第２環状光源５２の上面よりも高い位置に配置する必要がないため、エンドエフェクタ７０の上下方向の長さを比較的短くすることができる。

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

例えば、上述した実施形態では、メカニカルインタフェース２６を、円筒体３４が１回転するときの第２環状光源５２の軌道経路と干渉する位置に設けたが、特にこれに限定されるものではない。例えば、図６に示すように、メカニカルインタフェース２６を、円筒体１３４が１回転するときの第２環状光源５２の軌道経路と干渉しない位置に設けてもよい。図６では、円筒体１３４は、円筒体３４と比べて下部を長くすることにより、第２環状光源５２の上面よりもメカニカルインタフェース２６が高くなるようにした。こうすれば、第２撮像対象領域Ａ２をカメラ４２の光軸４３を中心とする全周にわたって連続させることができる。但し、メカニカルインタフェース２６を第２環状光源５２の上面よりも高い位置に配置する必要があるため、その分、上述したエンドエフェクタ７０よりも上下方向の長さが長いエンドエフェクタ１７０を用いる必要がある。

上述した実施形態では、撮像処理ルーチンにおいて、第１撮像対象領域Ａ１を撮像したあと、第２撮像対象領域Ａ２が連続するように撮像機器３０を軸回転させながら撮像したが、特にこれに限定されない。例えば、第１撮像対象領域Ａを撮像するだけでもよいし、第２撮像対象領域Ａ２が連続するように撮像機器３０を軸回転させながら撮像するだけでもよい。また、第２撮像対象領域Ａ２を撮像する場合、第２撮像対象領域Ａ２が断続的になるように撮像機器３０を軸回転させながら撮像してもよいし、撮像機器３０を回転させずに第２撮像対象領域Ａ２を１度だけ撮像してもよい。

上述した実施形態では、θ軸モータ２４の回転を駆動プーリ２８、ベルト４０及び従動プーリ３８を介して円筒体３４に伝達させたが、特にこれに限定されるものではなく、例えばθ軸モータ２４の回転をギヤ機構を介して円筒体３４に伝達させてもよい。

上述した実施形態では、エンドエフェクタ７０の回転駆動部であるθ軸モータ２４が円筒体３４の回転駆動部を兼ねるように構成したが、θ軸モータ２４とは別に、円筒体３４の回転駆動部としてのモータを設けてもよい。

上述した実施形態では、ノズル７２を備えたエンドエフェクタ７０を例示したが、特にこれに限定されるものではなく、例えばノズル７２の代わりにメカチャックや電磁石を採用してもよいし、電動工具（ドライバやドリルなど）を採用してもよい。また、エンドエフェクタ７０のノズル７２は、鉛直下向きのものを例示したが、鉛直下向きと横向き（水平方向）のいずれかの姿勢に切替可能としてもよい。横向きのノズル７２を用いてワークを垂直なパネル上の装着位置に装着する場合、その装着位置をカメラ４２によって撮像した画像を用いてその装着位置の状況を確認することができる。

上述した実施形態では、エンドエフェクタ７０をメカニカルインタフェース２６から取り外した状態でカメラ４２による撮像を行ったが、エンドエフェクタ７０をメカニカルインタフェース２６に取り付けた状態でカメラ４２による撮像を行ってもよい。

本開示の作業機は、以下のように構成してもよい。

本開示の作業機は、前記アームの先端に取り付けられたエンドエフェクタと、前記エンドエフェクタを軸回転させるエンドエフェクタ回転駆動部と、を備え、前記エンドエフェクタ回転駆動部は、前記支持体回転駆動部を兼ねるようにしてもよい。こうすれば、エンドエフェクタ回転駆動部と支持体回転駆動部とを別々に設ける場合に比べて、簡易な構成とすることができる。

こうした本開示の作業機において、前記エンドエフェクタは、前記カメラ、前記第１光源、前記第２光源、前記支持体及び前記エンドエフェクタ回転駆動部を備えた前記アームのエンドエフェクタ取付面に着脱可能に取り付けられていてもよい。こうすれば、エンドエフェクタ取付面に取付可能な多種類のエンドエフェクタに対して、カメラ、第１光源、第２光源、支持体及びエンドエフェクタ回転駆動部を共通化することができるため、各エンドエフェクタをコンパクトにすることができる。

また、前記エンドエフェクタ取付面は、前記支持体が１回転するときの軌道経路と干渉する位置に設けられていてもよいし、あるいは、前記支持体が１回転するときの軌道経路と干渉しない位置に設けられていてもよい。前者の場合、第２撮像対象領域をカメラの光軸を中心とする全周にわたって連続させることはできないが、エンドエフェクタ取付面を軌道経路よりも高い位置に配置する必要がないためエンドエフェクタの長さを比較的短くすることができる。後者の場合、第２撮像対象領域をカメラの光軸を中心とする全周にわたって連続させることができるが、エンドエフェクタ取付面を軌道経路よりも高い位置に配置する必要があるため、その分、エンドエフェクタの長さを長くする必要がある。

本発明は、カメラ付きの作業機を用いる各種産業に利用可能である。

１０多関節ロボット、１１テーブル、１２ベース、１３アーム、１４関節駆動モータ、１６エンコーダ、１８リスト、２０ステー、２２支持カバー、２４ θ軸モータ、２５エンコーダ、２６メカニカルインタフェース、２８駆動プーリ、３０撮像機器、３２ブラケット、３４円筒体、３６ベアリング、３８従動プーリ、４０ベルト、４２カメラ、４３光軸、４４ハーフミラー、４６ミラー支持体、４６ａ円筒穴、４６ｂ開口、４８ステー、５０ステー、５１第１環状光源、５２第２環状光源、５３，５４発光面、５５，５６透明カバー、７０エンドエフェクタ、７２ノズル、９０制御装置、９１ＣＰＵ、９２記憶部、Ａ１第１撮像対象領域、Ａ２第２撮像対象領域。

Claims

アームと、
前記アームの先端に取り付けられたカメラと、
前記カメラの光軸に沿った方向の第１撮像対象領域を照らす第１光源と、
前記カメラと前記第１光源との間で前記カメラの光軸と交差するように斜めに配置されたハーフミラーと、
前記ハーフミラーの傾斜面の法線に対して前記カメラの光軸がなす角度を＋θとしたときに前記法線に対する角度が−θとなる方向の第２撮像対象領域を照らす第２光源と、
前記第２光源と前記ハーフミラーとを一体的に支持する支持体と、
前記カメラの光軸を中心として前記支持体を回転させる支持体回転駆動部と、
を備えた作業機。
請求項１に記載の作業機であって、
前記アームの先端に取り付けられたエンドエフェクタと、
前記エンドエフェクタを軸回転させるエンドエフェクタ回転駆動部と、
を備え、
前記エンドエフェクタ回転駆動部は、前記支持体回転駆動部を兼ねる、
作業機。
前記エンドエフェクタは、前記カメラ、前記第１光源、前記第２光源、前記支持体及び前記エンドエフェクタ回転駆動部を備えた前記アームのエンドエフェクタ取付面に着脱可能に取り付けられている、
請求項２に記載の作業機。
前記エンドエフェクタ取付面は、前記支持体が１回転するときの軌道経路と干渉する位置に設けられている、
請求項３に記載の作業機。
前記エンドエフェクタ取付面は、前記支持体が１回転するときの軌道経路と干渉しない位置に設けられている、
請求項３に記載の作業機。