TWI474905B - 機械人控制裝置 - Google Patents

Description

機械人控制裝置

本發明係關於一種機械人控制裝置。

以往，連接到機械人與三維視覺感測器(vision sensor)的機械人控制裝置，係對於藉由三維視覺感測器所辨認的對象工件(work)，以安裝於機械人的手臂(arm)之前端的手部將機械人取出並使其從上空位置往檢測出對象工件的位置移動，以取出對象工件。此時，機械人控制裝置係以使手部從上空由三維視覺感測器辦識位置往檢測出對象工件的位置移動的方式移動手臂並進行對象工件的取出作業。

將手部直線性地從上空位置往由三維視覺感測器檢測出對象工件的位置的情形時，有干擾周圍環境(周邊輛助具、收納有對象工件的箱子)的情形。此時，必須避開成為干擾的對象工件並求出未干擾的區域使其從上空位置往檢測出對象工件的位置移動。

為了避開成為干擾的區域並求出未干擾的區域以使其移動，係假設為配置有機械人的各種各樣的周邊環境，故必須每次製作符合周邊環境之個別的程式(使用為了管理機械人的移動條件所製作之語言的控制順序)。再者，每當周圍環境屬於複雜的形狀或周圍環境中途被變更或追加，都會花費改造程式的時間勞力。

記載於專利文獻1的發明係揭露有以下技術：將把持對象物的附近空間分割為以把持位置為頂點的預定大小之空間錘，並且從該空間錘之中選擇不會與周圍物體產生干擾的開放空間錘，並針對所得到的開放空間錘求出與周圍物體的距離，並依據此距離決定把持姿勢。

(先前技術文獻) (專利文獻)

專利文獻1：日本特開平4-167104號公報

然而，在從上空位置往把持位置移動時，手臂的姿勢及移動方向係已決定。因此，在研究從上空位置往把持位置移動時與周圍環境的干擾時，係如上述專利文獻所述，在利用複數個空間錘將把持位置當作中心的多面體中，當全方位進行與周圍環境的干擾之研究時，會有機械人控制裝置的處理負荷會增加且處理變慢的問題存在。

本發明為有鑑於上述之問題點所開發者，其目的為獲得一種不需要配合周圍環境來變更動作記述程式的機械人控制裝置。

為了解決上述問題並達成目的，本發明係提供一種機械人控制裝置，其係使在手臂的前端設置有手部的機械人進行將工件檢測單元所檢測出的工件藉由前述手部把持並使其移動的取出動作，該機械人控制裝置具有：參數記憶單元，將手部與周圍環境不會產生干擾的非干擾區域、以及於把持工件時有手部通過的可能性之工件區域分別以參數記憶；程式執行單元，執行包含按照取出動作的順序所記述之命令列的動作記述程式，並令機械人驅動手臂以使手部移動；工件區域運算單元，從參數記憶單元讀出工件區域之參數，依據從工件檢測單元所取得的工件的位置及姿勢，來運算工件區域之位置及方向；重複部分運算單元，從參數記憶單元讀出非干擾區域之參數，並運算除了非干擾區域以外之周圍環境區域、與藉由工件區域運算單元運算出位置及方向之工件區域的重複部分；以及干擾時動作執行單元，於周圍環境區域與藉由工件區域運算單元運算出位置及方向的工件區域存在有重複部分時，當手部進入工件區域內時，執行當作干擾時動作之預先規定的動作。

本發明之機械人控制裝置係能將當手臂進入時與周圍環境發生干擾的干擾區域、以及在把持工件時手部能通過的工件區域之形狀當作參數而個別地設定動作記述程式，因此可達到無須配合周圍環境來變更動作記述程式的效果。

以下，依據圖式詳細地說明本發明的機械人控制系統之實施形態。此外，並非藉由本實施形態限定本發明者。

(實施形態)

第1圖係為顯示使用了本發明之機械人控制裝置之實施形態的機械人控制系統的構成之圖。機械人控制系統係具備有：三維視覺感測器1、教導盒(teaching box)(T/B)2、電腦3、機械人控制裝置4及機械人5，並藉由機械人5把持工件6以進行使其移動的動作。

做為工件檢測單元的三維視覺感測器1係具有：攝像部11，藉由攝像生成圖像資料；以及機械人座標生成部12，將攝像部11所生成的圖像資料加以處理而生成機械人的座標資料。

機械人控制裝置4係具備有：介面(I/F)41，用以進行與三維視覺感測器1及/或T/B2、電腦3之間的資料之接收傳送；記憶部42，用以儲存各種的參數421、動作記述程式422及控制程式423；控制部43，用以執行動作記述程式422及控制程式423；以及伺服放大器44，對具備有機械人5的伺服馬達(servo motor)輸出控制訊號。

參數421係利用於後段說明之初始設定記憶於當作參數記憶單元之記憶部42。動作記述程式422係為記述有令機械人5執行將三維視覺感測器1檢測出的工件6以手部51把持並使其移動而取出的動作之自動運轉用的動作之程式列表(program list)，並包含有按照取出動作的順序所記述的命令列(指令列)。控制程式423係顯示動作記述程式422中所執行的命令，或為了按照利用T/B2進行的操作使機械人5動作而對伺服放大器44傳送的命令。伺服放大器44係驅動搭載於機械人5的未圖示之伺服馬達，以令機械人5執行預定的動作。

電腦3係使用做為進行參數421等資料的輸入、動作記述程式423的製作、以及在後段說明的警告表示等的使用者介面。

T/B2係為用以藉由手動操作來控制機械人5之輸入介面。

機械人5係具有：手部51，用以把持工件6；手臂52，用以使手部51朝非干擾區域內的任意位置移動；伺服馬達53，使手部51及手臂52動作。手部51及手臂52係由伺服馬達53依據以來自伺服放大器44的控制訊號所驅動而動作。

於上述構成中，在執行將動作記述程式422中的手部51往預定位置移動的命令時，控制部43係依據當作控制程式423所記憶的命令，對伺服放大器44送出指令而輸出控制訊號，使機械人5的伺服馬達53驅動並使移動手臂52移動，藉此使手部51移動。

初始設定係設定非干擾區域、工件區域、干擾時動作及區域干擾確認的執行之有無。

屬於在不與周圍環境產生干擾之情形下能使手部移動之區域的非干擾區域係藉由初始設定，而當作參數421設定於記憶部42。非干擾區域係藉由將座標位置及尺寸指定為數值而設定。第2圖係為顯示非干擾區域的設定的一例之圖。若機械人5的座標系統為XYZABC之六軸座標系統，則在座標空間內指定兩個點(於第2圖中係P_A 及P_B )，藉此能包含將所指定的兩個點當作頂點的長方體設定為非干擾區域。於此，X、Y、Z係為相距座標基準位置(例如手臂52的根部)的X方向、Y方向、Z方向的距離，而A、B、C係為X座標軸、Y座標軸、Z座標軸的旋轉角度。藉此，除了非干擾區域以外的空間係間接地被設定為周圍環境區域(干擾區域)。此外，藉由設定複數個非干擾區域，亦能設定複雜形狀之周圍環境區域。

工件區域係視為在把持以三維視覺感測器1所檢測出的工件6時有手部51通過之可能性的區域，將以三維視覺感測器1所檢測出的工件的位置當作基準而設定何種形狀(立方體、圓柱、圓錐等)以及大小。在空間內幾何學形狀的區域的定義係可運用眾人所知的方法。例如，在定義圓錐狀的區域的情形則只要指定高度、底面半徑及軸方向即可。第3A圖係為顯示將工件區域設定為立方體形狀的一例之圖。第3B圖係為顯示將工件區域設定為圓柱形狀的一例之圖。第3C圖係為顯示將工件區域設定為圓錐形狀的一例之圖。第3D圖係為顯示將工件區域設定為除了頂點側以外之局部圓錐形狀(錐形柱形狀)的一例之圖。

第4圖係為顯示手部51將未傾斜的工件6加以取出的狀態之一例之圖。在工件6未傾斜的情形下，手部51係在配置於相距工件6的鉛直上方的預定距離之取出上空位置後，移動至把持位置並把持工件6。因此，此時工件區域係設於工件6的鉛直上方。

第5圖係為顯示手部51將傾斜的工件6加以取出的狀態之一例之圖。在工件6傾斜的情形時，手部51係在配合工件6的傾斜而傾斜的狀態下配置於相距工件6的垂線方向的預定距離之取出上空位置後移動至把持位置並把持工件6。因此，於此種情形下，工件區域係設於工件6的斜上方。

第6圖係為顯示在取出工件6時手部與周圍環境產生干擾的狀態之一例之圖。在工件6傾斜的情形下，即使於把持位置及取出上空位置中不會與周圍環境產生干擾，亦有在取出上空位置及從該取出上空位置往把持位置移動時手部51與周圍環境產生干擾的可能性。周圍環境區域與工件區域存在有重複部分時，亦即，工件區域超出非干擾區域時，係可判斷為有手部51與周圍環境產生干擾的可能性。第7圖係為顯示存在有周圍環境區域與工件區域重複之部分時之一例之圖，設於工件6的斜上方的工件區域30係超出非干擾區域20，而手部51係與周圍環境產生干擾，第8圖係為顯示未存在有周圍環境區域與工件區域重複的部分時之一例之圖，設於工件6的斜上方之工件區域30係未超出非干擾區域20，而可判斷為無手部51與周圍環境產生干擾的可能性。

干擾動作係為：在當使手部51移動時，有與周圍環境產生干擾的可能性時就干擾動作而言會進行怎樣的處理之設定，例如，設定藉由錯誤停止使手部51的移動停止的處理，或在警告顯示的前提下使手部51的移動繼續進行的處理等。

設定成為有區域干擾確認(設為區域干擾確認動作模式)時，自動運轉時係不依據動作記述程式422的記述，而在使手部51移動時恆常地進行區域干擾確認動作。設定成為無區域干擾確認時，區域干擾確認動作係不會進行。然而，在於動作記述程式422包含有區域干擾確認開始命令的情形時，其命令的執行後係執行區域干擾確認動作直到動作記述程式422中的區域干擾確認結束命令被執行為止。如此依循動作記述程式422中的區域干擾確認命令來執行區域干擾確認動作時，非干擾區域及周邊環境的區域設定，亦能在動作記述程式422中執行。此外，亦能以參數421與動作記述程式422的兩者設定非干擾區域及周邊環境的區域。另外，關於工件區域的設定，亦可藉由動作記述程式422來設定。

第9圖係為顯示初始設定的流程之圖。首先，透過電腦3輸入區域參數及干擾時動作等，並於記憶部42記憶參數421(步驟S101)。另外，關於區域干擾確認執行的有無之設定亦當作參數421記憶於記憶部42(步驟S102)。這些的設定完成後，控制部43係對是否執行區域干擾確認動作之設定加以確認(步驟S103)。設定為未執行區域干擾確認動作之情形時(步驟S103/No)，初始設定係結束。設定為執行區域干擾確認動作的情形時(步驟S103/Yes)，係進行是否有將外部環境與工件區域之兩者當作參數421設定的確認(步驟S104)，在當外部環境與工作區域的至少一者未被設定的情形時(步驟S104/No)，係在將無法執行區域干擾確認動作的意旨進行錯誤顯示的情況下，將區域干擾確認動作的執行之設定變更為無效(步驟S105)，並結束初始設定。當兩者皆被設定的情形時(步驟S104/Yes)係能進行區域干擾確認動作，故不會進行錯誤顯示而結束初始設定。

接著，說明關於機械人5的自動運轉時的動作。控制部43係發揮當作程式執行單元的功能，而藉由執行動作記述程式422，機械人5係以按照動作記述程式422的順序，對由三維視覺感測器1檢測出位置及姿勢(傾斜)的工件6應進行取出作業的動作。依據藉由參數421及動作記述程式422所設定的區域將區域干擾確認動作設為有效，藉此控制部43係發揮當作工件區域演算單元的功能，並進行工件區域的運算。另外，控制部43係發揮當作重複部分演算單元的功能，以運算周圍環境區域與工件區域的重複部分。控制部43係在使手部51往上空位置移動時，依據區域運算結果判斷手部51是否能在與周圍環境不會產生干擾之情形下動作，而在能移動的情形係不輸出錯誤並繼續進行作業。在有手部51與周圍環境產生干擾的可能性時，控制部43係發揮當作干擾時動作執行單元的功能，並在手部51進入工件區域的時間點進行當作干擾時動作所指定的動作(機械人5的錯誤停止、警告顯示等)。

第10圖係為顯示動作記述程式422之一例之圖。於第10圖中動作記述程式422係記述有以下動作：在使手部51移動到非干擾區域內的預定位置P0之後，使手部移動到上空位置P1，再使手部51移動到把持位置P2後以手部51把持工件6，並使手部51移動到上空位置P1。由於於此例中係於動作記述程式422中包含有區域干擾確認動作的開始以及結束的命令(區域干擾確認動作執行命令)，故無關於藉由參數421所進行的設定，在使手部51從P0移動到上空位置P1時、以及使手部51從上空位置P1移動到把持位置P2時，係執行區域干擾確認動作。

第11圖係為顯示區域干擾確認動作時的機械人控制裝置4的動作之流程之圖。在非區域干擾確認動作時中，不進行處理而結束(步驟S201/No)。當區域干擾確認動作開始時(步驟S201/Yes)，控制部43係發揮當作工件區域運算單元的功能，並依據從三維視覺感測器1所輸入的工件之座標位置、以及設定於參數421或動作記述程式422的形狀來運算出工件區域。另外，控制部43係發揮當作重複部分運算單元的功能，並將間接地設定周圍環境區域的非干擾區域之參數421從記憶部42讀出，以運算周圍環境區域與工件區域的重複部分(步驟S202)。

接著，控制部43係確認狀態變數之值(步驟S203)。狀態變數係為工作區域與周圍環境區域重複的部分，且為手部51的現在位置為工件區域內時成為「1」，除此之外的情形成為「0」的變數。狀態變數之初始值係設為「0」。狀態變數為「0」的情形(步驟S203/0)，即使手部51移動也沒有與與周圍環境產生干擾的可能性，故控制部43係使用伺服放大器44來驅動機械人5的伺服馬達，以移動手臂52並使手部51移動(步驟S204)。使手部51移動後，控制部43係判斷手部51是否到達以動作記述程式422所指定的位置(步驟S205)。若手部51到達以動作記述程式422所指定的位置(步驟S205/Yes)則結束處理。

在手部51未到達以動作記述程式422中的命令所指定的位置的情形時，(步驟S205/No)，確認工件區域與周圍環境區域是否有重複的部分，且確認手部51的現在位置是否為工件區域內(步驟S206)。若工件區域與周圍環境區域有重複的部分，且手部51的現在位置為工件區域內的情形時(步驟S206/Yes)，係將狀態變數設定為「1」(步驟S207)，若非上述情形時(步驟S206/No)，則將狀態變數設為「0」(步驟S208)。之後，回到步驟S203。

在確認了狀態變數時，值為「1」的情形(步驟S203/1)係確認當作參數421所設定的干擾時動作(步驟S209)。在干擾時動作為「錯誤」的情形(步驟S209/錯誤)，則不使手部51移動而結束處理。以此種方式設定干擾時動作的情形時，能設成在有與周圍環境產生干擾的可能性的區域內不使手部51移動。因此，能防止手部51與周圍環境產生干擾而損壞的情形，而能長期使用機械人5。另外，由於手部51的更換之需求變少，故可減低做為生產設備的環境負荷。另外，在干擾時動作為「訊號輸出」的情形時(步驟S209/訊號輸出)，係警告顯示手部51正在有與周圍環境產生干擾之可能性的區域內移動的狀況(步驟S210)，並且在其上移動手臂使手部51移動(步驟S204)。由於即使在周圍環境與工作區有重複的部分的情形，手部51也不一定實際上與周圍環境產生干擾，故在以此種方式設定干擾時動作而進行警告顯示的情況下繼續手部51的移動，藉以能提高作業效率。即使手部51與周圍環境產生干擾，由於有在事前做警告顯示，故能在實際上產生干擾之前藉由來自T/B2的操作而使手部51的移動停止，或在干擾發生後迅速地使手部51的移動停止。此外，就干擾動作而言也能設定「無效」，此情形係無關於狀態變數之值而移動手臂52以使手部51移動。

於此係將執行動作記述程式422而自動運轉的情形為例進行了說明，然即使藉由T/B2的操作使控制部43動作並往伺服放大器44發送控制訊號的手動運轉時，若於初始設定中進行能執行區域干擾確認動作之設定，則能按照狀態變數使手部51的動作停止，或者進行警告顯示。因此，在藉由透過T/B2的操作使機械人5往不會產生干擾的區域移動的情形下，能輕易地進行程式的變更或修正。

如此，於本實施形態中，程式的製作者係不需要按照配置機械人的干擾狀態的周圍環境個別地每次運算並求出干擾條件，藉由確認機械人的狀態變數即能輕易地製作。再者，狀態變數係能於程式製作用的電腦中輕易地確認，並能做為三維立體圖加以可視化而確認。

1．．．三維視覺感測器

2．．．教導盒(T/B)

3．．．電腦

4．．．機械人控制裝置

5．．．機械人

6．．．工件

11．．．攝像部

12．．．機械人座標生成部

20．．．非干擾區域

30．．．工件區域

41．．．介面(I/F)

42．．．記憶部

43．．．控制部

44．．．伺服放大器

51．．．手部

52．．．手臂

53．．．伺服馬達

421．．．參數

422．．．動作記述程式

423．．．控制程式

P1．．．上空位置

P2．．．把持位置

P0．．．預定位置

第1圖係為顯示使用本發明之機械人控制裝置之實施形態的機械人控制系統的構成之圖。

第2圖係為顯示非干擾區域的設定的一例之圖。

第3A圖係為顯示將工件區域設定為立方體形狀的一例之圖。

第3B圖係為顯示將工件區域設定為圓柱形狀的一例之圖。

第3C圖係為顯示將工件區域設定為圓錐形狀的一例之圖。

第3D圖係為顯示將工件區域設定為除了頂點側以外的局部圓錐形狀(錐柱形狀)的一例之圖。

第4圖係為顯示手部將未傾斜的工件加以取出的狀態之一例之圖。

第5圖係為顯示手部將傾斜的工件加以取出的狀態之另一例之圖。

第6圖係為顯示在取出工件時手部與周圍環境產生干擾的狀態之一例之圖。

第7圖係為顯示在周圍環境區域及工件區域存在有重複的部分的情形之一例之圖。

第8圖係為顯示在周圍環境區域及工件區域未存在有重複的部分的情形之一例之圖。

第9圖係為顯示初始設定的流程之圖。

第10圖係為顯示動作記述程式之一例之圖。

第11圖係為顯示區域干擾確認動作時的機械人控制裝置的動作之流程之圖。

1．．．三維視覺感測器

2．．．教導盒(T/B)

3．．．電腦

4．．．機械人控制裝置

5．．．機械人

6．．．工件

11．．．攝像部

12．．．機械人座標生成部

41．．．介面(I/F)

42．．．記憶部

43．．．控制部

44．．．伺服放大器

51．．．手部

52．．．手臂

53．．．伺服馬達

421．．．參數

422．．．動作記述程式

423．．．控制程式

Claims (6)

1. 一種機械人控制裝置，係使在手臂的前端設置有手部的機械人進行將工件檢測單元所檢測出的工件藉由前述手部把持並使其移動的取出動作，該機械人控制裝置具有：參數記憶單元，分別以參數記憶前述手部與周圍環境不會產生干擾的非干擾區域、以及工件區域，該工件區域係為於把持前述工件之前，前述手部從往垂線方向離開前述工件預定距離之取出上空位置移動至把持前述工件之把持位置為止之間所通過的區域；程式執行單元，執行包含按照前述取出動作的順序所記述之命令列的動作記述程式，並令前述機械人驅動前述手臂以使前述手部移動；工件區域運算單元，從前述參數記憶單元讀出前述工件區域之參數，以從前述工件檢測單元所取得的前述工件的位置及姿勢為基準，來運算相對於前述工件往垂線方向延伸且包含有前述取出上空位置及前述把持位置之前述工件區域之位置及方向；重複部分運算單元，從前述參數記憶單元讀出前述非干擾區域之參數，並運算除了前述非干擾區域以外之周圍環境區域、與藉由前述工件區域運算單元運算出位置及方向之前述工件區域的重複部分；以及干擾時動作執行單元，於前述周圍環境區域與藉由前述工件區域運算單元運算出位置及方向的前述工件 區域存在有重複部分時，當前述手部進入前述工件區域內時，執行當作干擾時動作之預先規定的動作。
2. 如申請專利範圍第1項所述之機械人控制裝置，其中，前述動作記述程式係包含區域干擾確認動作執行命令，並且前述工件區域運算單元、前述重複部分運算單元及前述干擾時動作執行單元係於藉由前述程式執行單元執行前述區域干擾確認動作執行命令時運作。
3. 如申請專利範圍第1項所述之機械人控制裝置，其中，復具有以使前述工件區域運算單元、前述重複部分運算單元及前述干擾時動作執行單元在前述程式執行單元執行前述動作記述程式之期間動作的方式指定動作模式之單元。
4. 如申請專利範圍第1項所述之機械人控制裝置，其中，前述干擾時動作係為前述手部的移動的中止動作。
5. 如申請專利範圍第1項所述之機械人控制裝置，其中，復具有依據從教導盒所輸入的指令使前述機械人驅動前述手臂，以使前述手部移動之單元。
6. 如申請專利範圍第1項至第5項中任一項所述之機械人控制裝置，其中，前述參數記憶單元係能記憶複數個前述非干擾領域之參數；並且前述干擾時動作執行單元係將在前述參數記憶單元記憶有參數的複數個前述非干擾區域之任一區域所未包含的區域當作周圍環境區域而動作。