JP7226864B1 - 左官作業自動化システム及びその運用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 左官作業自動化システム及びその運用方法を提供することを課題とする。【解決手段】 本発明は、モルタル供給装置(20)及びロボット(21)を有する機械(2)に設けられ、少なくとも１つの画像捕捉装置(10)と、ストレージ(11)と、プロセッサ(12)とを備えた左官作業自動化システム(1)であり、プロセッサ(12)は画像捕捉装置(10)及びストレージ(11)と接続し、通信を通じて機械(2)との間の接続を実現する。【選択図】 図１

Description

本発明は、左官作業システム及びその運用方法に関し、特に、ロボットと協働する左官作業自動化システム及びその運用方法に関する発明です。

一般的な左官作業の方法は、主に施工する壁面に一層のモルタルをまず塗り、モルタルが乾く前に、工具（例えば鏝）で塗り上げて平らにさせる。ただし、塗り付け及び塗り上げの時、モルタルを壁面上の不規則な隙間（又は開口部）に埋めていない場合、モルタルが乾燥した後、補修されていない隙間が凹状に見えることや壁面を平らにさせるのが難しくなるため、完成品の審美性に影響を及ぼしていた。

この問題を解決するために工法を実行することは、一般的であるが、この方法は、時間と労力を要するだけでなく、左官職人自身の熟達した技能に大きく依存している。如何にして自動化かつ迅速な状態で壁面を平らにするかが実際には業界が必要としているものであることがわかる。

上記の問題の少なくとも１つを解決するために、本発明のいくつかの実施形態は、左官作業システム及びその運用方法を提案し、特に、ロボットと協働する左官作業自動化システム及びその運用方法を提案する。具体的には、前記左官作業自動化システムは、異なる座標系での点群座標の座標変換を利用して、モルタルの吹付及び塗り時のモルタル供給装置及びロボットの動作を制御することから、大面積の壁面左官作業をより効果的に完成させ、作業時間を大幅に短縮できる。

本発明の少なくとも１つの実施形態は、モルタル供給装置及びロボットを有する機械に設けられ、少なくとも１つの画像捕捉装置と、ストレージと、プロセッサとを備えた左官作業自動化システムであり、前記プロセッサは前記画像捕捉装置及び前記ストレージと接続し、通信を通じて前記機械との間の接続を実現する。

本発明の少なくとも１つの実施形態は、左官作業自動化システムの運用方法である。前記方法は、前記左官作業自動化システムを用意するステップと、前記少なくとも１つの画像捕捉装置で捕捉された前記少なくとも１つの画像に基づき、第１座標系内で複数の点群座標を生成するステップと、前記少なくとも１つの変換行列に基づいてこれら点群座標に対して座標変換を実行することで、これら点群座標を前記少なくとも１つの画像に対応する前記第１座標系から前記モルタル供給装置に対応する第２座標系に変換させ、並びに前記少なくとも１つの変換行列に基づき、再度これら点群座標を前記モルタル供給装置に対応する前記第２座標系から前記ロボットに対応する第３座標系に変換させ、これら点群座標を含む前記第２座標系及び前記第３座標系をそれぞれ保存するステップと、ストレージ内の第２座標系に基づき、前記モルタル供給装置の動きを制御して、前記モルタル供給装置の吹付けノズルが壁面から一定の距離を置いた後、前記モルタル供給装置によって前記壁面に吹き付けるステップと、吹き付け動作が終了した後、ストレージ内の第３座標系に基づき、前記ロボットの動きを制御して、工具は所定の経路に沿って壁面に塗り動作を実行できるようにさせるステップと、を含む。

上記本発明の概要は、本発明の幾つか態様及び技術的特徴に対し基本的な説明をすることを目的とする。発明の概要は、本発明の詳細な説明ではないため、目的は特別に本発明の鍵となる或いは重要要素を挙げることなく、本発明の範囲を特定するために用いられることはなく、単に本発明のいくつかの概念を簡潔に開示する

本発明の左官作業自動化システムを示す概略図である。 本発明の左官作業自動化システム１の運用方法のフローチャートである。

本発明の技術的特徴及び技術的内容をさらに理解するため、以下の本発明に関する詳細な説明及び図面を参照されたい。

本発明の少なくとも１つの実施形態は、左官作業システム及びその運用方法に関し、特に、ロボットと協働する左官作業自動化システム及びその運用方法に関するものである。

図１は、本発明の左官作業自動化システムを示す概略図である。図１において、前記左官作業自動化システム１は、少なくとも１つの画像捕捉装置１０と、ストレージ１１と、プロセッサ１２とを備え、前記プロセッサ１２は前記画像捕捉装置１０及び前記ストレージ１１と接続し、複数の点群座標が画像捕捉装置１０によって取得され、プロセッサ１２で処理され得る。

前記左官作業自動化システム１には、少なくとも１つのロボット２１及びモルタル供給装置２０を有する機械２に設けられ、通信を通じてプロセッサ１２との間の接続を実現する。本実施形態において、前記ロボット２１は、任意の種類の機械要素又は類似するものを含み得、必要に応じて、アーム、吹付けノズル２０１、噴霧器又はこれらの組み合わせなどの操作機器に接続することができる。一態様（図１）において、ロボット２１は、少なくとも１つの上腕２１１と、少なくとも下腕２１２と、保持部材２１３とを有するロボットアームであり得る。ここでの上腕２１１は、下腕２１２の一端に設けられ、少なくとも１つの工具２１４を有し、保持部材２１３は機械２と接続するように下腕２１２の他端に設けられる。この場合、少なくとも１つの工具２１４は、ロボット２１としてのロボットアームによって操作することができるコテ（左官鏝）などのワークピースであり得る。

本実施形態において、前記モルタル供給装置２０はまた、中に設けられた吹付けノズル２０１を介して壁面３に向かってモルタルを吹付けるための吹付け作業で使用される任意の装置であり得る（例えば、Ｓ字形充てん方法による吹付け）。

本実施形態の特徴は、前記画像捕捉装置１０の第１座標系及び前記モルタル供給装置２０の第２座標系と前記ロボット２１の第３座標系との間の座標変換関係を構築（すなわち、ある座標系上の座標を別の座標系上の座標に変換）することによって、前記壁面３の吹き付け作業及び塗り作業を実現することである。

具体的には、本実施形態において、第１座標系は、画像捕捉装置１０を原点とする直交座標系で、第２座標はモルタル供給装置２０の吹付けノズル２０１を原点とする直交座標系、第３座標はロボット２１の工具２１４を原点とする直交座標系であると仮定する。画像捕捉装置１０、吹付けノズル２０１及び工具２１４の位置関係が固定されているため、第１座標系から第２座標系へ、第２座標系から第３座標系への座標変換をより高い精度に制御することができる。かつ、この仮定の下で、前記画像捕捉装置１０は、モルタル供給装置２０上の場所又はモルタル供給装置２０以外の場所に設けられることができ、ストレージ１１に格納された少なくとも１つの変換行列を介して、第１座標系内の複数の点群座標の座標変換を実行する。

図１の画像捕捉装置１０は、シーン内の少なくとも１つの画像及び複数の深度を捕捉するように構成された深度センサを搭載したカメラ（カラー／又はグレースケール）であり得、前記シーン内ではプロセッサ１２が壁面３のサイズを認識できるようにする少なくとも２つの境界線を含む。よって、複数の点群座標を生成する時、前記プロセッサ１２は、前記画像内の複数のピクセル座標を確認し、前記深度をこれらピクセル座標に入力してマッチングすることで、第１座標系内の複数の点群座標（すなわち、点群）を得る。もちろん、前記画像捕捉装置１０は、また飛行時間型（ＴｏＦ）深度カメラ、ＲＧＢ－Ｄカメラ及び構造化光３次元走査カメラ等の深度カメラであり得るが、本発明はこれを限定しない。

ストレージ１１は、動作中のプロセッサ１２又は実行中のプログラム及び関数を格納することができる。本実施形態において、ストレージ１１は、前記画像及び前記変換行列を格納及び提供するように構成する任意のタイプの長期メモリ、短期メモリ、長短期メモリ（ＬＳＴＭ）、揮発性（ｖｏｌａｔｉｌｅ）メモリ又は非揮発性（ｎｏｎ－ｖｏｌａｔｉｌｅ）メモリ等のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体であり得る。前記変換行列は、第１座標系と第２座標系、及び第２座標系と第３座標系の変換関係を記録する。一態様において、ストレージ１１は、プロセッサ１２の一部であることができるが、ストレージ１１はプロセッサ１２から独立してできることも理解されたい。

プロセッサ１２は、当業者によって使用される中央処理装置（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ、ＣＰＵ）、デジタルシグナルプロセッサ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ、ＤＳＰ）、マイクロプロセッサ（Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ、ＭＰＵ）、マイクロコントロートユニット（Ｍｉｃｒｏ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ、ＭＣＵ）及びこられの組み合わせ等を含む従来のプロセッサであり得る。

図２は、本発明の左官作業自動化システム１の運用方法を示すフローチャートである。本実施形態において、まずプロセッサ１２は、画像捕捉装置１０を制御してシーンから少なくとも２つの境界線を含む画像を捕捉し、前記画像に基づいて前記複数の点群座標を生成する（ステップＳ２）。その後、プロセッサ１２は、第２座標系及び第３座標系でのこれら壁面３座標の位置を確認した状態下（ステップＳ３）で、前記吹付けノズル２０１を壁面３の前方から一定の距離に位置させるようにモルタル供給装置２０の動きを制御し、モルタル供給装置２０がこの状態下で吹き付け動作を実行できるようにして、モルタルが壁面３の上を覆い（ステップＳ４）、所定の時間が経過したと判断された時（又は所定の供給量に達した後）、吹き付け動作を停止する。次に、ロボット２１の工具２１４を壁面３の前方に位置決めすることにより、工具２１４を図３に示すように予定の経路を沿って壁面３上で塗り動作を実行させ、平坦な壁面３を生成する（ステップＳ５）。図２に示すように、壁面３全体の塗りが完了するまでこれらステップを繰り返して実行することができる。

前記距離値は、必要に応じて設定することができ、本発明はこれを限定しない。（例えばより広い範囲の壁面３を吹き付ける場合、値を大きく設定できる）。

好ましくは、壁面３の不陸部分（例えば凹み又は凸起の部分）を正確に埋めることができるようにするため、吹き付け動作から塗り動作までの過程／又は塗り動作の過程は、好ましくは複数回実行されることで、壁面３をより平らにさせる。具体的には、ステップＳ３が完了した後、プロセッサ１２は、続いで第２座標系の壁面３座標内に識別されることができる少なくとも１つの目標座標があるかどうかを判定できる。判定結果が「ある」の場合、この目標座標をマークして記録し、ステップＳ４及びＳ４又はステップＳ５を繰り返し実行する必要のある壁面３上の不陸部分を示すために用いられる。例えばプロセッサ１２は、点群座標から吹付けノズル２０１（第２座標系の原点）までの距離値が閾値より大きいことを認識した場合、この点群座標がステップＳ５を繰り返し実行する必要のある目標座標であると判定し、これとは対照的に、プロセッサ１２は、点群座標から吹付けノズル２０１（第２座標系の原点）までの距離値が閾値より小さいことを認識した場合、この点群座標がステップＳ４及びステップＳ５を繰り返し実行する必要のある目標座標であると判定する。ここで、前記閾値は、実際の使用ニーズに応じて、これら距離値の中央値（ｍｅｄｉａｎ）、平均値（ｍｅａｎ）又は最頻値（ｍｏｄｅ）になる。

さらに、本実施形態において、プロセッサ１２はまた、各前記距離値と前記閾値との間の差を確定することに基づいて、吹き付け動作から塗り動作まで／又は塗り動作の回数を決定できる。例えば前記差が所定の値のＮ倍であると確定された場合、この差に対する目標座標はステップ（ステップＳ４及びＳ５、或いはステップＳ５）をＮ回繰り返す必要のある不陸部分であると判定する。前記差が正の値の場合、繰り返す実行されるステップはステップＳ５であり、前記差が負の値の場合、ステップＳ４及びＳ５である。ただし、Ｎは整数である必要があるため、差の商と所定の値が整数でない場合、Ｎの値は商を切り上げ／切り捨てた結果に等しくなる。

ステップＳ４の目標座標がステップＳ５内で認識されるためには、上述のステップを実行する時に特に言及されていないが、第２座標系内の目標座標の位置を第３座標系の位置に変換する過程を含むべきであることに留意されたい。

なお、プロセッサ１２はまた、モルタル供給装置２０の吹付けノズル２０１を特定の吹き付け動作開始位置に事前に配置して、設定された移動経路（Ｓ字形／又はＺ字形）に従い前記壁面３を吹き付けさせることもできる。吹き付け動作開始位置が第２座標系内の既知座標であるため、実際の実行において、プロセッサ１２は吹付けノズル２０１と工具２１４との間の固定された位置関係に従ってロボット２１の動きを制御することができ、また前記工具２１４が吹付けノズル２０１に対して相対的な位置に動かされた後、これを塗り動作開始位置とする。ここで、前記吹き付け動作開始位置は、壁面３上の任意の位置であり得るが、本発明はこれを限定しない。

本発明では好ましい実施形態を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変動や潤色を加えることができ、従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。

１０ 画像捕捉装置
１ 左官作業自動化システム
１１ ストレージ
１２ プロセッサ
２ 機械
２０ モルタル供給装置
２１ ロボット
２０１ 吹付けノズル
２１１ 上腕
２１２ 下腕
２１３ 保持部材
２１４ 工具
３ 壁面
Ｓ１～Ｓ５ ステップ

Claims (10)

1. モルタル供給装置及びロボットを有する機械に設けられ、
   シーン内の少なくとも一部の壁面を含む少なくとも１つの画像を捕捉するように構成された少なくとも１つの画像捕捉装置と、
   前記少なくとも１つの画像及び少なくとも１つの変換行列を格納するように構成されたストレージと、
   前記画像捕捉装置及び前記ストレージと接続し、通信を通じて前記機械との間の接続を実現し、前記少なくとも１つの画像を受信し、前記少なくとも１つの画像に基づいて複数の点群座標を生成し、前記少なくとも１つの変換行列が前記複数の点群座標を第１座標系から第２座標系に変換した結果に基づいて、前記モルタル供給装置を制御して吹き付け動作を実行し、並びに前記少なくとも１つの変換行列が前記複数の点群座標を前記第２座標系から第３座標系に変換した結果に基づいて、前記ロボットを制御して塗り動作を実行するように構成されるプロセッサと
   を含むことを特徴とする左官作業自動化システム。
2. 前記モルタル供給装置は、吹付けノズルを備える請求項１に記載の左官作業自動化システム。
3. 前記ロボットは、少なくとも１つの上腕と、少なくとも１つの下腕と、保持部材とを備え、前記少なくとも１つの下腕の両端が前記少なくとも１つの上腕及び前記保持部材とそれぞれ接続する請求項１に記載の左官作業自動化システム。
4. 前記少なくとも１つの画像は、前記壁面の少なくとも２つの境界線を含む請求項１に記載の左官作業自動化システム。
5. 前記少なくとも１つの上腕は、コテ又は左官鏝である少なくとも１つの工具をさらに有する請求項３に記載の左官作業自動化システム。
6. 左官作業自動化システムの運用方法であって、
   請求項１に記載の左官作業自動化システムを用意するステップＳ１と、
   前記少なくとも１つの画像捕捉装置で捕捉された前記少なくとも１つの画像に基づき、前記第１座標系内で前記複数の点群座標を生成するステップＳ２と、
   前記少なくとも１つの変換行列に基づいて前記複数の点群座標に対して座標変換を実行することで、前記複数の点群座標を前記少なくとも１つの画像に対応する前記第１座標系から前記モルタル供給装置に対応する前記第２座標系に変換させ、並びに前記少なくとも１つの変換行列に基づき、再度前記複数の点群座標を前記モルタル供給装置に対応する前記第２座標系から前記ロボットに対応する前記第３座標系に変換させ、前記複数の点群座標を含む前記第２座標系及び前記第３座標系をそれぞれ保存するステップＳ３と、
   前記ストレージ内の前記第２座標系に基づき、前記モルタル供給装置の動きを制御して、前記モルタル供給装置の吹付けノズルが前記壁面から一定の距離を置いた後、前記モルタル供給装置によって前記壁面に吹き付けるステップＳ４と、
   吹き付け動作が終了した後、前記ストレージ内の前記第３座標系に基づき、前記ロボットの動きを制御して、工具は所定の経路に沿って前記壁面に塗り動作を実行できるようにさせるステップＳ５と、
   を含む左官作業自動化システムの運用方法。
7. 前記ステップＳ３と前記ステップＳ４との間は、前記第２座標系内の各前記点群座標から原点までの距離値を判定するステップと、各前記距離値が閾値より大きいか小さいかを確認するステップと、各前記距離値が閾値より大きいか小さいと確認された場合、相対する各前記点群座標を目標座標として保存すると共に記録するステップとをさらに含む請求項６に記載の左官作業自動化システムの運用方法。
8. 前記ステップＳ４は、吹き付け動作を実行する前、先に前記モルタル供給装置の前記吹付けノズルを特定の吹き付け動作開始位置に移動させるステップと、設定された移動経路に沿って前記吹き付け動作開始位置から開始して前記壁面に吹き付けるステップとをさらに含む請求項６に記載の左官作業自動化システムの運用方法。
9. 前記閾値は、前記複数の距離値の中央値、平均値又は最頻値である請求項７に記載の左官作業自動化システムの運用方法。
10. 前記移動経路は、Ｓ字形又はＺ字形である請求項８に記載の左官作業自動化システムの運用方法。

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