WO2021161950A1 - ロボットシステム - Google Patents

Abstract

測定対象物に対して抜けのない３次元点群を簡単に生成することのできるロボットシステムを提供することを課題とする。アームを有するロボットと、アームに設けられた３次元センサと、３次元センサによって測定対象物を測定した３次元データに基づいて、測定対象物の３次元点群を生成する３次元点群生成部と、を備え、３次元点群生成部は、ロボットの作業領域内の任意の座標系において、アームの移動によって３次元センサの位置を変えながら測定対象物を測定した３次元データを合成して、測定対象物の３次元点群を生成する、ロボットシステムである。

Description

ロボットシステム

　本発明は、ロボットシステムに関する。

　従来、ワークを把持可能なアームを有するロボットを用いて作業を行うロボットシステムが知られている（例えば、特許文献１参照）。ロボットのアームには、ワークを認識するためのカメラが設けられている。ロボットシステムは、予めワークの３次元形状を記憶しておくことによって、アームのカメラによって認識した３次元形状に基づいてワークを認識し、アームによってワークを把持する。

　工作機械と協働することによってワークに対する加工を行うロボットシステムでは、ロボットは、アームによってワークを把持することによって、加工前のワークを工作機械のテーブル上に載置させるとともに、加工後のワークをテーブル上から払い出す作業を行う。作業を行う際のロボットのアームの移動は、予め作業者によって教示される。ロボットの作業領域内には、ロボットと干渉する虞のある様々な障害物が存在するため、作業者は、ロボットが障害物と干渉しないようにアームの移動を教示しなくてはならない。

特開２００７－３１９９３８号公報

　ロボットが障害物と干渉しないようにするために、ロボットとは別の場所に固定設置された３次元センサで予め障害物を測定し、障害物の３次元点群を生成することも知られている。この場合、ロボットは、３次元点群に基づいて作業範囲内の障害物の有無を把握することによって、障害物と干渉しないように動作する。

　しかし、固定設置された３次元センサでは、測定できずにデータが抜けてしまう領域が発生する。例えば、障害物の影に隠れている領域は、固定設置された３次元センサでは認識されず、データの抜けが発生する。そのため、障害物の影に別の障害物が存在する場合、作業時にロボットのアームが障害物と干渉する虞がある。データの抜けを避けるためには、３次元センサを複数設置したり、３次元センサの位置を変えて計測し直したりすることも考えられる。しかし、これらの場合では、３次元センサを１回設置する毎にキャリブレーションを行う必要があり、実用的ではない。よって、測定対象物に対してデータの抜けのない３次元点群を簡単に生成することのできるロボットシステムが望まれる。

　本開示の一態様に係るロボットシステムは、アームを有するロボットと、前記アームに設けられた３次元センサと、前記３次元センサによって測定対象物を測定した３次元データに基づいて、前記測定対象物の３次元点群を生成する３次元点群生成部と、を備え、前記３次元点群生成部は、前記ロボットの作業領域内の任意の座標系において、前記アームの移動によって前記３次元センサの位置を変えながら前記測定対象物を測定した３次元データを合成して、前記測定対象物の前記３次元点群を生成する。

　一態様によれば、測定対象物に対して抜けのない３次元点群を簡単に生成することのできるロボットシステムを提供することができる。

ロボットシステムを示す斜視図である。 第１実施形態に係るロボットシステムの構成を示すブロック図である。 第１実施形態に係るロボットシステムにおけるロボット動作プログラムを生成する処理を説明するフローチャートである。 第１実施形態に係るロボットシステムにおける３次元点群を生成する際の処理を説明するフローチャートである。 第１実施形態に係るロボットシステムにおける３次元点群を生成する動作を説明する図である。 第２実施形態に係るロボットシステムの構成を示すブロック図である。 第２実施形態に係るロボットシステムにおける３次元点群を生成する動作を説明する図である。 測定対象物を測定する際の３次元センサの計測範囲を説明する説明図である。

　以下、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。
（ロボットシステムの概要）
　図１に示すロボットシステム１は、ワークに対して加工を行う加工室１００の近傍に設置されている。ロボットシステム１は、基台２上に設置されるロボット３と、ロボット３の動作を制御するロボット制御装置４とを有する。基台２上には、ロボット３による作業対象である複数のワークＷが配置されている。加工室１００の内部には、ワークＷに対して所定の加工を行う工作機械２００が設置されている。

　ロボット３は、基台２上に固定される胴部３１の上部に、複数の関節によって任意の方向に移動可能なアーム３２を有する多関節ロボットである。アーム３２の先端には、ワークＷを把持する把持部３３と、外界を撮影可能な３次元センサ３４と、作業者の把持によってアーム３２を手動操作で移動させるハンドガイド３５と、が設けられている。

　ロボット３は、ロボット３の位置及び姿勢を検出するための位置検出センサ３６（図２参照）を有する。位置検出センサ３６は、アーム３２の各関節部の駆動軸に対応する駆動モータ（図示せず）に設けられる例えば角度センサによって構成される。位置検出センサ３６によって、アーム３２の各駆動モータの回転角度を取得することができる。これによって、ロボット３のアーム３２の把持部３３の位置及び姿勢が検出される。

　ロボット３は、開閉扉１０１が開放された加工室１００の開口部１０２を通して、ロボット動作プログラムに基づく動作経路に沿ってアーム３２を移動させることによって、把持部３３によって把持した加工前のワークＷを加工室１００内の工作機械２００のテーブル２０１上に載置する動作を行う。また、ロボット３は、加工済みのワークＷを把持部３３によって把持して工作機械２００のテーブル２０１上から払い出す動作を行う。このとき、ロボット３のアーム３２は、加工室１００の開閉扉１０１を含む外壁面１０３、加工室１００内の装置及び部品等の障害物と干渉しないように移動することが要求される。

　３次元センサ３４は、例えばビジョンセンサによって構成される。３次元センサ３４は、ロボット３の作業領域内に存在する加工室１００の外壁面１０３、加工室１００の内部及びワークＷを測定対象物として撮像し、測定対象物の３次元データを取得する。詳しくは、３次元センサ３４は、測定対象物までの距離分布等の３次元データを測定し、測定した３次元データをロボット制御装置４に出力する。３次元センサ３４は、把持部３３に並んでアーム３２の先端に取り付けられ、キャリブレーションされることによってアーム３２に対する相対位置が予め規定されている。そのため、位置検出センサ３６によって、アーム３２の把持部３３の位置及び姿勢とともに、３次元センサ３４の位置及び姿勢も検出される。

（ロボットシステムの第１実施形態）
　図２は、第１実施形態に係るロボットシステム１の構成を示している。ロボット制御装置４は、３次元点群生成部４１と、障害物情報生成部４２と、記憶部４３と、制御部４４と、アーム駆動部４５と、ロボット動作プログラム生成部４６と、を有する。

　３次元点群生成部４１は、３次元センサ３４によって測定された３次元データから、３次元点群を生成して出力する。３次元点群とは、３次元空間中に存在する１つ以上の物体（測定対象物）の表面に分布する複数の点の集合である。３次元点群生成部４１は、３次元センサ３４によって測定された複数の３次元データを合成することによって、測定対象物の３次元点群を生成し、生成した３次元点群を障害物情報生成部４２に出力する。また、測定対象物がワークＷである場合は、３次元点群生成部４１は、測定したワークＷの３次元点群を記憶部４３に出力する。

　障害物情報生成部４２は、３次元点群生成部４１によって生成された障害物である測定対象物の３次元点群に基づいて、障害物情報を生成する。障害物情報は、ロボット３の作業領域内において、移動するアーム３２と干渉する虞のある障害物の位置を示す情報である。ロボット３の作業範囲（アーム３２の移動範囲）は予め決まっているため、３次元点群においてアーム３２と干渉する虞のある障害物の位置の特定が可能である。障害物情報生成部４２によって生成された障害物情報は、記憶部４３に送られて保存、登録される。

　制御部４４は、位置検出センサ３６によって検出されるアーム３２の位置情報に基づいて、アーム駆動部４５を制御する。制御部４４がアーム駆動部４５を制御することによって、アーム３２の移動及び把持部３３によるワークＷの把持動作が行われる。

　ロボット動作プログラム生成部４６は、ロボット３によってワークＷに対する作業を行うためのロボット３の動作プログラムを生成する。ロボット動作プログラムは、作業時のロボット３の動作経路の情報を含む。ロボット３の動作経路は、上述した障害物情報生成部４２によって生成される障害物情報に基づいて作成される。ロボット動作プログラム生成部４６によって生成されたロボット動作プログラムは、記憶部４３に送られて保存、登録される。

　次に、このロボットシステム１において、ワークＷに対して作業を行うためのロボット動作プログラムを生成する処理について、図３に示すフローチャートに基づいて説明する。ロボット動作プログラムを生成する処理は、ロボット制御装置４に予め記憶された所定の処理プログラムに従って実行される。

　まず、ロボット動作プログラム生成部４６は、ロボット３の初期位置を取得し、登録する（Ｓ１）。ロボット３の初期位置は、位置検出センサ３６によって取得される。次に、ロボット動作プログラム生成部４６は、制御部４４を介してアーム駆動部４５を制御してアーム３２を移動させ、３次元センサ３４によってワークＷを計測する。これによって、ワークＷの位置を取得し、登録する（Ｓ２）。その後、ロボット動作プログラム生成部４６は、ロボット動作プログラムの初期作成を行う（Ｓ３）。

　初期作成されるロボット動作プログラムは、アーム３２によってワークＷを把持して、例えばテーブル２０１上に載置するまでのロボット３の動作経路を含む暫定的な動作プログラムである。この動作プログラムには、アーム３２と干渉する虞のある障害物の情報は必ずしも反映されていない。そのため、ロボット動作プログラム生成部４６は、ロボットシステム１のモードを障害物情報生成モードに移行させ、障害物情報を取得して登録する（Ｓ４）。

　このステップＳ４における障害物情報の取得のための具体的な処理について、さらに図４に示すフローチャートに基づいて説明する。
　まず、アーム３２を移動させることによって、障害物である測定対象物に対する３次元センサ３４の位置を変えながら測定対象物の測定を行い、３次元データを取得する（Ｓ４１）。測定対象物は、ロボット３の作業範囲内においてアーム３２と干渉する虞のある物体である。具体的には、測定対象物は、加工室１００の外壁面１０３、加工室１００の内部に配置される装置及び部品である。

　本実施形態において、３次元センサ３４によって測定対象物を測定する際のアーム３２の移動は、図５に示すように、作業者ＯＰによって手動で行われる。すなわち、作業者ＯＰは、アーム３２の先端のハンドガイド３５を手で把持し、アーム３２の移動経路上の障害物の有無を確認しながら、ロボット３の作業範囲内の任意の座標系においてアーム３２を手動で直接移動させる。

　ロボット３の作業範囲内にロボット３から見えない隠れた障害物（例えば、開閉扉１０１及び外壁面１０３の裏に隠れている装置及び部品）が存在していても、図５に示すように、作業者ＯＰが隠れた障害物の近くまでアーム３２を手動で移動させることによって、確実に測定することができる。

　このように、３次元センサ３４は、作業者ＯＰの手動操作によってアーム３２が測定対象物に対して移動しながら、ロボット３の作業範囲内の任意の座標系において測定対象物を測定し、複数の３次元データを取得する。３次元センサ３４は、取得した複数の３次元データをロボット制御装置４の３次元点群生成部４１に出力する。

　３次元点群生成部４１は、３次元センサ３４によって取得した複数の３次元データを合成して、測定対象物の３次元点群を生成する（Ｓ４２）。３次元点群生成部４１によって生成された３次元点群のデータは、障害物情報生成部４２に出力される。

　障害物情報生成部４２は、３次元点群生成部４１から送られた３次元点群に基づいて、アーム３２と干渉する虞のある障害物の位置情報に関する障害物情報を生成する（Ｓ４３）。障害物情報生成部４２によって生成された障害物情報は、記憶部４３に保存される（Ｓ４４）。これによって、障害物情報生成モードが終了する。

　ロボット動作プログラム生成部４６は、以上によって障害物情報を取得した後、再び図３に示すフローに戻る。ロボット動作プログラム生成部４６は、初期作成したロボット動作プログラムを、障害物情報生成モードにおいて取得した障害物情報に応じて変更する（Ｓ５）。これによって、ロボット動作プログラム生成部４６は、障害物情報に基づいてアーム３２と干渉する虞のある全ての障害物情報が反映され、障害物との干渉を避けるロボット３の動作経路を含むロボット動作プログラムを生成する。生成されたロボット動作プログラムは、記憶部４３に送られて保存される。

　その後、ロボットシステム１は、アーム３２と干渉する虞のある障害物情報を含むロボット動作プログラムに基づいてロボット３を自動運転し、ワークＷに対する把持及び搬送の作業を行う（Ｓ６）。自動運転されるロボット３を動作するロボット動作プログラムは、ロボット３の設置場所からは見えない隠れた障害物の情報を含む抜けのない３次元点群によって構成された障害物情報を含むため、ロボット３の動作時のアーム３２と障害物との干渉は低減される、又は無くなる。

　第１実施形態に係るロボットシステム１によれば、次の効果が得られる。すなわち、３次元点群生成部４１は、ロボット３の作業領域内の任意の座標系において、アーム３２の移動によって３次元センサ３４の位置を変えながら測定対象物を測定した３次元データを合成して、測定対象物の３次元点群を生成する。そのため、測定対象物に対してデータの抜けのない３次元点群を簡単に生成し、取得することができる。

　３次元点群生成部４１は、作業者ＯＰがアーム３２を手動で移動させることによって３次元センサ３４の位置を変えながら測定した測定対象物の３次元データを合成して、測定対象物の３次元点群を生成する。そのため、測定対象物を様々な視点から測定することができ、ロボット３の作業範囲内に存在する障害物を３次元センサ３４によって、容易に漏れなく測定することが可能である。

　このようにして取得される障害物情報は、ワークＷの種類が変更されることによってロボット３の動作経路に変更が生じても変わらない。そのため、ワークＷの種類が変更される度に３次元センサ３４によって新たに障害物情報を生成し直したり、アーム３２の移動経路を教示し直したりする必要はない。

　アーム３２に設けられる３次元センサ３４は、作業時にワークＷを認識するために使用される３次元センサを兼ねている。そのため、障害物情報の生成用とワークＷの認識用とで別々の３次元センサを設ける必要がなく、安価なロボットシステム１を構築することが可能である。

　３次元点群生成部４１は、作業者ＯＰがアーム３２のハンドガイド３５を直接把持し、手動で移動させることによって３次元センサ３４の位置を変えながら測定した測定対象物の３次元データを合成して、測定対象物の３次元点群を生成するようにしている。これによれば、手軽に抜けのない３次元点群の生成が可能である。しかし、３次元点群生成部４１は、ティーチペンダントを用いた作業者によるジョグ送り動作によってアーム３２を移動させながら３次元センサ３４の位置を変えながら測定した測定対象物の３次元データを合成して、測定対象物の３次元点群を生成するようにしてもよい。

（ロボットシステムの第２実施形態）
　第１実施形態に係るロボットシステム１では、３次元センサ３４によって測定対象物を測定する際のアーム３２の移動を、作業者ＯＰが障害物の有無を確認しながら手動で行うようにした。しかし、ロボット３の作業範囲内の障害物とロボット３との位置関係は概ね決まっている場合がある。その場合には、アーム３２の移動を、所定の動作プログラムに基づいて、ロボットシステム１が自動で行ってもよい。

　図６は、第２実施形態に係るロボットシステム１Ａの構成を示している。ロボット制御装置４Ａには、図２に示したロボット制御装置４に対して、障害物情報生成用動作プログラム記憶部４７が追加されている。

　障害物情報生成用動作プログラム記憶部４７は、３次元センサ３４を用いて測定対象物を測定する際のアーム３２の移動を自動で行うための障害物情報生成用動作プログラムを予め保存している。障害物情報生成用動作プログラムは、予め分かっている障害物とアーム３２とが干渉しないと想定される範囲でアーム３２を移動させるためのロボット３に対する動作命令を含んでいる。したがって、ロボット制御装置４Ａのロボット動作プログラム生成部４６は、障害物情報生成モードにおいて３次元センサ３４を用いて測定対象物を測定する際に、図７に示すように、障害物情報生成用動作プログラムに基づいてアーム３２を自動で移動させるようにアーム駆動部４５を制御する。

　このロボット制御装置４Ａを備えるロボットシステム１において、３次元センサ３４を用いて測定対象物を測定する際の具体的な動作は、図４に示すフローチャートに準じて実行される。すなわち、図４のステップＳ４１において、作業者ＯＰがアーム３２を手動で移動させることに代えて、ロボット動作プログラム生成部４６は、障害物情報生成用動作プログラム記憶部４７から障害物情報生成用動作プログラムを読み出す。ロボット動作プログラム生成部４６は、読み出した障害物情報生成用動作プログラムに基づいて、制御部４４を介してアーム駆動部４５を制御し、アーム３２を自動で移動させて３次元センサ３４による測定対象物の測定を行う。これによって、ロボット３の作業範囲内に存在する障害物を３次元センサ３４によって測定した３次元データが取得される。その後は、図４に示すステップＳ４２からステップＳ４４と同様の処理が実行される。

　このロボットシステム１Ａにおいても、第１実施形態に係るロボットシステム１と同様に、測定対象物に対してデータの抜けのない３次元点群を簡単に生成することができる。作業者ＯＰがアーム３２を手動で移動させる必要がないため、障害物情報をより迅速で簡単に取得することができる効果が得られる。

　障害物情報生成用動作プログラムは、３次元センサ３４の計測範囲に基づいて生成されることが望ましい。すなわち、図８に示すように、障害物情報生成用動作プログラムは、アーム３２の移動前の３次元センサ３４の計測範囲Ｘ１とアーム３２の移動後の３次元センサ３４の計測範囲Ｘ２とが接するように、又は一部重なり合うように、ロボット３を動作させる。図８は、加工室１００の外壁面１０３を測定対象物として３次元センサ３４によって測定する場合を示している。これによって、測定対象物を測定するためにアーム３２を自動で移動させる場合でも、測定対象物に対して３次元センサ３４による漏れのない測定を行うことができる。

　障害物情報生成用動作プログラム記憶部４７の機能は、記憶部４３が兼ねていてもよい。障害物情報生成用動作プログラムは、３次元センサ３４によって測定対象物の測定を行う際に、例えば外部のサーバ等の記憶装置からロボット制御装置４Ａに読み込まれるようにしてもよい。ロボット制御装置４Ａは、３次元センサ３４によって測定対象物の測定を行う際のアーム３２の移動を、作業者ＯＰが手動で行うか、障害物情報生成用動作プログラムに基づいて自動で行うか、を切り替える切替スイッチ（図示せず）を有し、作業者ＯＰがいずれかを選択できるように構成されてもよい。

　以上の各実施形態では、３次元点群生成部４１、障害物情報生成部４２及びロボット動作プログラム生成部４６は、ロボット制御装置４，４Ａの機能の一部を構成しているが、これに制限されない。３次元点群生成部４１、障害物情報生成部４２及びロボット動作プログラム生成部４６の少なくとも一つは、ロボット制御装置４，４Ａとは別体に設けられてもよい。アーム駆動部４５は、ロボット制御装置４，４Ａとは別体に設けられてもよい。障害物情報生成用動作プログラム記憶部４７は、ロボット制御装置４Ａとは別体に設けられてもよい。

　１、１Ａ　ロボットシステム
　３　ロボット
　３２　アーム
　３４　３次元センサ
　４１　３次元点群生成部
　４３　障害物情報生成部
　４６　ロボット動作プログラム生成部
　Ｗ　ワーク

Claims (7)

1. 　アームを有するロボットと、
   　前記アームに設けられた３次元センサと、
   　前記３次元センサによって測定対象物を測定した３次元データに基づいて、前記測定対象物の３次元点群を生成する３次元点群生成部と、を備え、
   　前記３次元点群生成部は、前記ロボットの作業領域内の任意の座標系において、前記アームの移動によって前記３次元センサの位置を変えながら前記測定対象物を測定した３次元データを合成して、前記測定対象物の前記３次元点群を生成する、ロボットシステム。
2. 　前記３次元点群生成部によって生成された前記３次元点群に基づいて、障害物情報を生成する障害物情報生成部をさらに備える、請求項１に記載のロボットシステム。
3. 　前記ロボットの初期位置から認識されたワークまでの作業時の前記ロボットの動作経路を含むロボット動作プログラムを生成するロボット動作プログラム生成部をさらに備え、
   　前記ロボット動作プログラム生成部は、前記障害物情報生成部によって生成された前記障害物情報に基づいて、障害物との干渉を避ける前記ロボットの動作経路を含む前記ロボット動作プログラムを生成する、請求項２に記載のロボットシステム。
4. 　前記３次元センサは、ワークを認識する３次元センサを兼ねる、請求項１～３のいずれか１項に記載のロボットシステム。
5. 　前記３次元点群生成部は、作業者が前記アームを手動で移動させることによって前記３次元センサの位置を変えながら測定した前記測定対象物の３次元データを合成して、前記測定対象物の前記３次元点群を生成する、請求項１～４のいずれか１項に記載のロボットシステム。
6. 　前記３次元点群生成部は、障害物情報生成用動作プログラムに基づく前記アームの移動によって前記３次元センサの位置を変えながら測定した前記測定対象物の３次元データを合成して、前記測定対象物の前記３次元点群を生成する、請求項１～４のいずれか１項に記載のロボットシステム。
7. 　前記障害物情報生成用動作プログラムは、前記３次元センサの計測範囲に基づいて生成される、請求項６に記載のロボットシステム。

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