JP7434196B2 - 作業システム - Google Patents

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本発明は、コンベアで搬送中のワークにロボットで作業を遂行する作業システムに関し、特に、コンベアで搬送中の冷蔵庫本体の前面に、ドア閉時シール用の塗布材をロボットで塗布する塗布システムに関する。
冷蔵庫のなかには、ドア背面と対向する冷蔵庫本体の前面の一部にドア閉時シール用に例えば、シリコン材を塗布することでドア閉時の密閉性を高め、庫内からの冷気の漏洩を防止するものがある。冷蔵庫本体にシリコン材を塗布する作業は、従来、未完成の冷蔵庫本体を搬送中のコンベア上で作業していたが、搬送中に所定位置に塗布することが困難な為、塗布品質の安定化が図れず、塗り直しの冷蔵庫本体をコンベアから退避し、工員が所定位置にシリコン材を塗布した後、冷蔵庫本体を再度コンベアに載せるという一連の作業からなっていた。
このように、工員がシリコン材を塗布する作業方法を採った場合、非熟練工員による塗布作業では塗布品質が安定しないという問題があった。また、工員による塗布作業自体は15秒程度で完了するが、コンベアから冷蔵庫本体を退避したり、冷蔵庫本体をコンベアに載せたりする作業に相応の時間を要し、塗布作業全体の完了には数分程度の時間がかかるため、シリコン材の塗布作業が冷蔵庫の製造時間を長くする一因となっていた。そのため、コンベアで搬送中の冷蔵庫本体にロボットでシリコン材を塗布できるようにすることで、塗布品質の安定と、塗布作業時間の短縮を図ることが望まれていた。
ここで、コンベアで搬送中のワークに対し、ロボットで所定の作業を遂行できる従来技術として、特許文献1のビジュアルトラッキング方法が知られている。例えば、同文献の段落0001には、「本願発明は、ベルトコンベア等の搬送手段によって移動中の対象物(例えば、組立部品)に対するロボット作業を遂行する為にロボットに該対象物に対するトラッキングを伴う動作をさせる技術に関し、更に詳しくは、視覚センサを利用して、前記移動中の対象物の位置ずれを補正したトラッキング動作をロボットに行なわせる為のビジュアルトラッキング方法に関する。」との記載があり、また、同文献の図2等では、視覚センサとしてカメラを用い、コンベア上のワークの基準位置からのずれ量を求め、このズレ量を用いてロボットに補正したトラッキング動作を行わせている。
特許第3002097号公報
特許文献1には、コンベア上のワークにロボットが遂行する作業の一例として、ハンドによる把持が例示されている(同文献の段落0016、0056など)。コンベア上のワークをハンドで把持する場合、ロボットの制御に必須の情報は、二次元空間上でのワークの基準位置からのずれ量であるため、特許文献1では、二次元空間上でのずれ量検出に必要十分な性能の単眼CCDカメラを用いて(同文献の段落0036、0060など)、ビジュアルトラッキングを実現している。
一方、冷蔵庫本体に塗布したシリコン材にドア閉時のシール機能を持たせるには、凹凸のある冷蔵庫本体の適切な位置に、シリコン材を適切な厚さで塗布する必要がある。この際、シリコン材の塗布位置には±1mm程度の精度が求められるが、コンベアで搬送中の冷蔵庫本体は、必ずしもシステム設計時に想定した基準搬送状態にあるわけではなく、コンベア上での載置位置や向きにバラツキがあるため、二次元空間上でのずれ量しか検出できない特許文献1の技術を利用しても、ドア閉時シール用のシリコン材をロボットに高精度で塗布させることはできなかった。
そこで、本発明では、コンベアで搬送中の冷蔵庫本体の前面に、ドア閉時シール用の塗布材をロボットに高精度で塗布させることができる、塗布材塗布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、本発明の作業システムは、ワークを搬送するコンベアと、該コンベアの上流側に配置され、搬送中のワークのステレオ画像データを取得するステレオカメラ装置と、前記コンベアの下流側に配置され、搬送中のワークに対して作業を実行するロボットと、該ロボットを制御するシステム制御装置と、を具備し、前記ステレオカメラ装置は、前記ステレオ画像データを撮像する撮像部と、該撮像部を前記コンベアの進行方向に移動させる単軸駆動部と、を有しており、前記システム制御装置は、搬送中のワークと同期移動する前記撮像部が連続撮像した複数の前記ステレオ画像データに基づいて、前記ワークのxyz空間上での三次元形状を算出し、該三次元形状に基づいて前記ロボットを制御するものとした。
本発明の塗布材塗布システムによれば、コンベアで搬送中の冷蔵庫本体の前面に、ドア閉時シール用の塗布材をロボットに高精度で塗布させることができる。
冷蔵庫の断面図。 ドアを取り外した、冷蔵庫本体の正面図。 実施例1の塗布材塗布システムの概略構成図。 実施例1の塗布材塗布システムの機能ブロック図。 実施例1の塗布材塗布システムの処理フローチャート。 コンベア上の冷蔵庫本体の載置誤差発生時の座標変換方法。 実施例2の塗布材塗布システムの概略構成図。 実施例2の塗布材塗布システムの機能ブロック図。 実施例2の塗布材塗布システムの処理フローチャート。
以下、図面を用いて、本発明の作業システムの実施例を説明する。
図1から図6を用いて、実施例1の塗布材塗布システム100を説明する。なお、以下では、搬送中の冷蔵庫1に塗布材を塗布する作業システムを説明するが、本発明の作業システムは、冷蔵庫以外のワークに所定の作業を実行するものであっても良い。本実施例の塗布材は、シリコン材で説明するが、冷気漏れを抑制できるシール性を有するものであれば、シリコン材に限定しなくてもよい。
<冷蔵庫1>
まず、搬送対象ワークの一例である冷蔵庫1の構造について説明する。図1は、冷蔵庫1の断面図であり、上下、前後の各方向を図示するように定義する。この冷蔵庫1は、前方が開口した外箱11で外郭を構成し、前方の開口を三枚のドア12(12a、12b、12c)で開閉するものである。また、外箱11の内部には内箱13が備えられており、外箱11と内箱13の間には発泡断熱材14が充填されている。外箱11の背面下部には、冷媒を圧縮する圧縮機15が備えられている。圧縮機15には、図示しない凝縮器、膨張弁、蒸発器が接続されて冷凍サイクルを構成しており、気化熱を利用して冷気を生成する。内箱13には、冷凍サイクルで生成した冷気を吹き出す吐出口が形成されており、吐出口から冷気を吐出することで庫内16を冷却することができる。また、ドア12aとドア12bの隙間の裏側、および、ドア12bとドア12cの隙間の裏側には、各隙間からの冷気漏洩を防止するための水平部材16aが配置されている。
図2は、冷蔵庫1にドア12を取り付ける前の冷蔵庫本体の正面図である。ここに示すように、冷蔵庫1の庫内16には、ドア同士の隙間からの冷気漏洩を防止すべく、上記した水平部材16aを配置しているが、各ドアが滑らかに開閉するためには、ドア12と内箱13の間や、ドア12と水平部材16aの間に、ある程度の隙間を設ける必要があり、これらの隙間から冷気が漏洩する可能性がある。そこで、冷蔵庫1には、破線で示す略L字状または略コ字状の領域にシリコン材を塗布し、これをシール部17(17a、17b、17c)とすることで、ドア閉時の各隙間からの冷気漏洩を改善する。なお、シール部17に塗布するシリコン材は、例えば、ヘルメシール(登録商標)に代表される液状ガスケットである。
シール部17で適切なシール性能を確保するには、適切な位置に過不足なくシリコン材を塗布する必要があるが、シール部17は平面ではなく凹凸もあり、また、比較的複雑な形状をしているため、コンベアで搬送中の、載置位置や向きにバラツキのある冷蔵庫本体に対し、適切な位置にシリコン材を塗布するには、塗布ロボットの作業開始前に、冷蔵庫1の実際の搬送状態(コンベア上での設置位置、姿勢など)を高精度に認識しておく必要がある。その場合、ワークの把持制御や、ワーク面へのホットメルト接着剤の塗布制御での利用であれば不足のなかった、特許文献1などの従来のワーク状態認識方法を利用することはできず、より高度なワーク状態認識方法が必要となる。
<塗布材塗布システム100>
図3は、搬送中の冷蔵庫1のシール部17に塗布ロボットでシリコン材を塗布する、本実施例の塗布材塗布システム100の概略構成図である。本実施例の塗布材塗布システム100は、図3に示す、コンベア2、ステレオカメラ装置3、塗布ロボット4(4A~4C)に加え、後述するシステム制御装置5を備えている。
コンベア2は、例えば2~4m/分の速度で複数の冷蔵庫1(1A~1F)を同時に右方向に移動させるスラットコンベア等であり、コンベア2を挟むように配置したファイバセンサを利用してコンベア2が搬送するワーク(冷蔵庫1)の通過を検出するワーク検出部21と、コンベアチェーンと同期回転するロータリーエンコーダーを利用してコンベア2の移動速度を検出するコンベア速度検出部22を備えている。なお、以下では、このコンベア2が常時駆動されており、複数の冷蔵庫1が常時右方向に搬送されているものとする。
また、図示するように、コンベア2の進行方向をx軸、幅方向をy軸、高さ方向をz軸とする。そして、冷蔵庫1の右方向(図2参照)がx軸の正方向と一致し、前方向(図1参照)がy軸の正方向と一致し、かつ、冷蔵庫1がコンベア2の幅方向の中央に載置されている、冷蔵庫1B、1Fのような搬送状態を、冷蔵庫1の基準搬送状態とする。冷蔵庫1の製造担当の工員には、冷蔵庫1を基準搬送状態でコンベア2に載置するよう要請されているが、冷蔵庫1の実搬送状態は均一でなく、誤差を強調すれば、冷蔵庫1A、1Eのようにz軸周りの回転が生じていたり、冷蔵庫1Cのように中央より奥側に載置されていたり、冷蔵庫1Dのように中央より手前側に載置されていたりする。従って、様々な実搬送状態の冷蔵庫1にシリコン材を適切に塗布するには、塗布材塗布システム100は、個々の冷蔵庫1の実搬送状態を正確に検出し、その検出結果に基づいて塗布ロボット4を制御しなければならない。
そこで、本実施例では、冷蔵庫1の実搬送状態を検出するための視覚センサとして、高精度な三次元形状を取得可能なステレオカメラ装置3を利用する。このステレオカメラ装置3は、搬送中の冷蔵庫1を連続撮像して、基準搬送状態に対する誤差量を検出するための装置であり、ステレオカメラを有する撮像部31と、その撮像部31を冷蔵庫1の搬送と同期してコンベア2の進行方向(x軸の正方向)に移動させる単軸駆動部32を備えている。
塗布ロボット4は、搬送中の冷蔵庫1のシール部17にシリコン材を塗布する垂直多関節ロボットである。なお、図2のように多数のシール部17が存在する場合には、例えば、塗布ロボット4Aに上段のシール部17aを担当させ、塗布ロボット4Bに中段のシール部17bを担当させ、塗布ロボット4Cに下段のシール部17cを担当させる、という分担体制により、コンベア速度を下げることなく所望の塗布作業を完了させることができる。
図4は、塗布材塗布システム100の機能ブロック図である。本実施例の塗布材塗布システム100は、図3の各構成に加え、それらと連結されたシステム制御装置5を備えている。このシステム制御装置5は、直線駆動制御部51と、画像処理部52と、ロボット制御部53を備えている。なお、このシステム制御装置5は、具体的には、CPU等の演算装置、半導体メモリ等の主記憶装置、ハードディスク等の補助記憶装置、および、通信装置などのハードウェアを備えたコンピュータである。そして、主記憶装置にロードされたプログラムを演算装置が実行することで、直線駆動制御部51等の各機能を実現するが、以下では、このような周知技術を適宜省略しながら、システム制御装置5の詳細を説明する。
<塗布材塗布システム100の制御フローチャート>
次に、図5の制御フローチャートを用いて、塗布材塗布システム100の、特にシステム制御装置5による処理を説明する。なお、コンベア2は、システム制御装置5の制御によらず、常時駆動しているものとする。
まず、ステップS1では、直線駆動制御部51は、コンベア2を挟むように設置されたワーク検出部21の出力に基づいて、搬送中の冷蔵庫1を検出したかを判定する。そして、冷蔵庫1を検出した場合はステップS2に進み、検出しない場合はステップS1に戻る。
ステップS2では、直線駆動制御部51は、コンベア速度検出部22が検出したコンベア速度と同等の速度で、ステレオカメラ装置3の単軸駆動部32を駆動し、撮像部31をx方向に移動させる。
ステップS3では、画像処理部52は、搬送中の冷蔵庫1と並走する撮像部31を駆動して、冷蔵庫1を連続撮像し(例えば1秒間)、複数のステレオ画像データを取得する。このとき、撮像部31は搬送中の冷蔵庫1と同期移動しているため、撮像部31が撮像した複数のステレオ画像データは、その冷蔵庫1の正面を同じ方向から連続撮像したものとなる。
ステップS4では、画像処理部52は、まず、各々のステレオ画像データを画像処理して冷蔵庫1のxyz空間上での三次元形状を算出する。ここで算出した個々の三次元形状には欠落もあるため、画像処理部52はさらに、複数の三次元形状を補完合成することで、実搬送状態の冷蔵庫1のより正確な三次元形状を算出する。そして、画像処理部52は、基準搬送状態と実搬送状態の冷蔵庫1の三次元形状を比較することで、基準搬送状態に対する、冷蔵庫1の実搬送状態の誤差量を算出する。
ステップS5では、ロボット制御部53は、ステップS4で算出した誤差量に基づき、塗布ロボット4の制御値を補正し、補正後の制御値を塗布ロボット4に出力する。
ここで、図6を用いて、ステップS4で算出した誤差量と、ステップS5で補正した制御値の関係を説明する。図6において、点Oは、基準搬送状態の冷蔵庫1の原点であり、点O’は、実搬送状態の冷蔵庫1の原点の一例である。この実搬送状態の冷蔵庫1は、基準搬送状態よりΔyだけ前寄りに変位し、基準搬送状態よりθだけz軸の反時計回りに回転した状態で、コンベア2に載置されている。そのため、ステップS4の演算では、誤差量として、y軸方向の変位Δyと、z軸周りの回転θが算出される。これらの誤差量により、基準搬送状態時の任意の点Pは、図6中の座標変換式を利用して算出される、実搬送状態時の点P’に移動する。ロボット制御部53には、塗布ロボット4の基準制御値として、基準搬送状態の冷蔵庫1を前提とするシール部17の始点や終点等の座標が予め登録されているため、上記の座標変換式にステップS4で演算した変位Δyと回転θを代入することで、実搬送状態の冷蔵庫1でのシール部17の各点座標を算出することができる。なお、搬送対象ワークが、コンベア2に水平に載置される冷蔵庫1である場合には、通常は、z軸周りの回転θだけを考慮してロボット制御値を補正すれば良いが、搬送対象が様々な姿勢でコンベア2に載置されうる他種のワークであれば、x軸周りやy軸周りの回転も考慮してロボット制御値を補正しなければならない場合もある。それらの場合も上記と同様の考え方で用意した座標換算式を用いて、ロボット制御値を補正すれば良い。
ステップS6では、各々の塗布ロボット4は、ロボット制御部53から入力された、実搬送状態でのシール部17の各点座標に基づき、シール部17の塗布作業を実行する。これにより、冷蔵庫1の実搬送状態が基準搬送状態と相違する場合であっても、冷蔵庫1の各々のシール部17にシリコン材を適切に塗布することができる。
以上で説明したように、本実施例の塗布材塗布システムによれば、コンベアで搬送中の冷蔵庫本体の前面に、ドア閉時シール用のシリコン材をロボットに高精度で塗布させることができる。これにより、シリコン材の塗布品質を安定させることができ、また、シリコン材塗布の作業時間を短縮することができる。
次に、図7から図9を用いて、実施例2の塗布材塗布システム100を説明する。なお、実施例1との共通点は重複説明を省略する。
実施例1では図3等に示したように、搬送中の冷蔵庫1と同期移動する撮像部31を備えたステレオカメラ装置3を利用したが、本実施例では、図7に示すように、ステレオカメラ装置3に代えて、所定位置に固定された単眼カメラ装置6を利用するとともに、各々の塗布ロボット4の手先にLiDAR等の距離センサ41を設けた。
図8は、本実施例の塗布材塗布システム100の機能ブロック図である。本実施例のシステム制御装置5では、図4に示す実施例1のシステム制御装置5に対し、直線駆動制御部51を省略し、ワーク検出部21とコンベア速度検出部22の出力が画像処理部52に直接入力されるようになっている。
<塗布材塗布システム100の制御フローチャート>
次に、図8の制御フローチャートを用いて、本実施例の塗布材塗布システム100の、特にシステム制御装置5による処理を説明する。
まず、ステップS11では、画像処理部52は、コンベア2を挟むように設置されたワーク検出部21の出力に基づいて、搬送中の冷蔵庫1を検出したかを判定する。そして、冷蔵庫1を検出した場合はステップS12に進み、検出しない場合はステップS11に戻る。
ステップS12では、画像処理部52は、単眼カメラ装置6を駆動して、搬送中の冷蔵庫1を撮像(例えば、シャッタースピードが1000分の1秒)し、1枚の画像データを取得する。
ステップS13では、画像処理部52は、1枚の画像データを画像処理し、実搬送状態の冷蔵庫1のxz平面上での二次元形状を算出する。そして、画像処理部52は、基準搬送状態と実搬送状態の冷蔵庫1の二次元形状を比較することで、基準搬送状態に対する、冷蔵庫1の搬送状態の誤差量を算出する。なお、ここでは、単眼カメラ装置6が出力する1枚の画像データを処理するので、y軸方向の誤差量を算出せず、x軸方向とz軸方向の誤差量だけを算出する。
ステップS14では、ロボット制御部53は、ステップS13で算出した誤差量に基づき、x軸とz軸に関する塗布ロボット4の制御値を補正し、補正後の制御値を塗布ロボット4に出力する。
ステップS15では、塗布ロボット4は、ステップS14で補正された制御値が指定する位置に距離センサ41を移動させる。そして、距離センサ41は、冷蔵庫1までのy軸方向の距離を検出し、ロボット制御部53は、距離センサ41の出力に基づいて、塗布ロボット4の制御値のうちy軸方向の制御値を補正する。
ステップS16では、各々の塗布ロボット4は、ロボット制御部53から入力された、実搬送状態に対応したシール部17の各点座標に基づき、シール部17の塗布作業を実行する。これにより、冷蔵庫1の実搬送状態が基準搬送状態と相違する場合であっても、冷蔵庫1の各々のシール部17にシリコン材を適切に塗布することができる。
このように、本実施例の塗布材塗布システム100によれば、ステレオカメラ装置に代えて単眼カメラ装置を用いる場合であっても、実施例1と同様に、コンベアで搬送中の冷蔵庫本体の前面に、ドア閉時シール用の塗布材をロボットに高精度で塗布させることができる。なお、本実施例の塗布材塗布システム100のステレオカメラ装置3で撮像した高精度の画像データによって、コンベアで搬送中の各冷蔵庫の外観および内装、扉等の品質(欠品、誤組、傷、凹み、歪み、傾き、ウレタン漏れ箇所等)も、タグ情報(バーコード、RFID(Radio Frequency IDentification)、QRコード(登録商標)など)製品番号毎に記憶させることで、不良発生要因の傾向と予兆、予測を同時に常時観測することも可能である。
また、本実施例の塗布材塗布システム100は、シリコン材以外に、接着剤(ホットメルト)やシール材(フォームメルト)などを塗布する用途に用いてもよい。さらには、塗布ロボット4を塗布以外の用途に用いてもよく、例えば、ロボットの作業手段を用途に応じて変更することで、画像データから座標位置に対して、ネジ締め作業や、貼付け作業、部組作業などが可能となる。
100 塗布材塗布システム
1 冷蔵庫、
11 外箱、
12 ドア、
13 内箱、
14 発泡断熱材、
15 圧縮機、
16 庫内、
17 シール部、
2 スラットコンベア、
21 ワーク検出部、
22 コンベア速度検出部、
3 ステレオカメラ装置、
31 撮像部、
32 単軸駆動部、
4 塗布ロボット、
41 距離センサ、
5 システム制御装置、
51 直線駆動制御部、
52 画像処理部、
53 ロボット制御部、
6 単眼カメラ装置

Claims (6)

  1. ドア取り付け前の正面側が開口した冷蔵庫本体を搬送するコンベアと、
    該コンベアの上流側に配置され、搬送中の冷蔵庫本体の正面側のステレオ画像データを取得するステレオカメラ装置と、
    前記コンベアの下流側に配置され、搬送中の冷蔵庫本体の正面側に設けた水平部材を含む領域に対してドア閉時の冷気漏洩を改善するためのシリコン材を略L字状または略コ字状に塗布する作業を実行するロボットと、
    該ロボットを制御するシステム制御装置と、を具備する作業システムであって、
    前記ステレオカメラ装置は、前記ステレオ画像データを撮像する撮像部と、該撮像部を前記コンベアの進行方向に移動させる単軸駆動部と、を有しており、
    前記システム制御装置は、搬送中の冷蔵庫本体と同期移動する前記撮像部が連続撮像した複数の前記ステレオ画像データに基づいて、前記冷蔵庫本体の正面側のxyz空間上での三次元形状を算出し、該三次元形状に基づいて前記ロボットを制御することを特徴とする作業システム。
    (x軸はコンベアの進行方向、y軸はコンベアの幅方向、z軸はコンベアの高さ方向)
  2. 請求項1に記載の作業システムにおいて、
    前記システム制御装置は、前記xyz空間上での基準搬送状態と実搬送状態の前記冷蔵庫本体の三次元形状を比較することで、前記xyz空間上での前記基準搬送状態に対する前記実搬送状態の誤差量を算出し、該誤差量に基づいて補正した制御値に基づいて、前記ロボットに前記作業を実行させることを特徴とする作業システム。
  3. 請求項2に記載の作業システムにおいて、
    前記システム制御装置は、前記誤差量として、前記基準搬送状態に対する前記実搬送状態の変位と回転を算出し、該変位と該回転に基づいて、前記作業の始点と終点の座標制御値を補正することを特徴とする作業システム。
  4. ドア取り付け前の正面側が開口した冷蔵庫本体を搬送するコンベアと、
    該コンベアの上流側に配置され、搬送中の冷蔵庫本体の正面側の画像データを取得する単眼カメラ装置と、
    前記コンベアの下流側に配置され、搬送中の冷蔵庫本体の正面側に設けた水平部材を含む領域に対してドア閉時の冷気漏洩を改善するためのシリコン材を略L字状または略コ字状に塗布する作業を実行するとともに、距離センサを備えたロボットと、
    該ロボットを制御するシステム制御装置と、
    を具備する作業システムであって、
    前記システム制御装置は、搬送中の冷蔵庫本体の正面側を撮像した前記画像データに基づいて、前記冷蔵庫本体の正面側のxz平面上での二次元形状を算出し、該二次元形状に基づいて前記ロボットを制御することを特徴とする作業システム。
    (x軸はコンベアの進行方向、y軸はコンベアの幅方向、z軸はコンベアの高さ方向)
  5. 請求項4に記載の作業システムにおいて、
    前記システム制御装置は、前記xz平面上での基準搬送状態と実搬送状態の前記冷蔵庫本体の二次元形状を比較することで、前記xz平面上での前記基準搬送状態に対する前記実搬送状態の変位を算出し、該変位に基づいて補正した制御値に基づいて、前記距離センサの位置を制御することを特徴とする作業システム。
  6. 請求項5に記載の作業システムにおいて、
    前記システム制御装置は、前記距離センサが検出したy軸方向の距離に基づいて、前記作業の始点と終点の座標制御値を補正することを特徴とする作業システム。
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