WO2022138367A1 - ロボットシステム及びロボット移動制御装置 - Google Patents

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WO2022138367A1
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robot
movement
manipulator
hand
coordinate system
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PCT/JP2021/046228
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好紀 落石
浩 飯島
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ファナック株式会社
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    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
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    • B25J9/16Programme controls
    • B25J9/1656Programme controls characterised by programming, planning systems for manipulators
    • B25J9/1664Programme controls characterised by programming, planning systems for manipulators characterised by motion, path, trajectory planning
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
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    • B25J5/00Manipulators mounted on wheels or on carriages
    • B25J5/007Manipulators mounted on wheels or on carriages mounted on wheels
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
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    • B25J9/1697Vision controlled systems
    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05BCONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00Program-control systems
    • G05B2219/30Nc systems
    • G05B2219/40Robotics, robotics mapping to robotics vision
    • G05B2219/40607Fixed camera to observe workspace, object, workpiece, global

Definitions

  • the present invention relates to a robot system and a robot movement control device.
  • AGV automatic guided vehicle
  • the robot system includes a free trolley, a robot having a manipulator mounted on the free trolley, and a control device for controlling the manipulator.
  • the control device controls the manipulator to perform a predetermined task, and also controls the manipulator to move the robot itself.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a robot system according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a perspective view of the robot and the bird's-eye view camera of FIG.
  • FIG. 3 is a flow chart showing a processing procedure of the robot system according to the present embodiment.
  • FIG. 4A is a supplementary explanatory diagram relating to the process S3 of FIG.
  • FIG. 4B is a supplementary explanatory diagram relating to the process S5 of FIG.
  • FIG. 5A is a supplementary explanatory diagram relating to the first procedure of step S5 of FIG.
  • FIG. 5B is a supplementary explanatory diagram relating to the next procedure of FIG. 5A.
  • FIG. 5C is a supplementary explanatory diagram relating to the next procedure of FIG. 5B.
  • FIG. 5A is a supplementary explanatory diagram relating to the process S3 of FIG.
  • FIG. 4B is a supplementary explanatory diagram relating to the process S5 of FIG.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of robot movement according to the present embodiment.
  • FIG. 7 is a supplementary diagram for transferring the coordinate conversion of FIG.
  • FIG. 8 is a perspective view showing how the robot moves by operating the manipulator according to the present embodiment.
  • FIG. 9 is a perspective view showing an existing handle as a gripping point to be gripped by the manipulator.
  • FIG. 10 is a perspective view showing a guide mechanism for guiding the movement of the robot.
  • FIG. 11 is a diagram showing an example of robot movement using the guide mechanism of FIG.
  • the shelf S is composed of a plurality of shelf board CPs partitioned by the side plate SP, and these shelves are composed of the shelves. It is assumed that the entire work of arranging, for example, a beverage can W as a work on each of the plate CPs is assumed. In the actual operation, the robot 10 picks up the beverage cans W one by one from the stocker (not shown) that stores a large amount of the beverage cans W as a work, releases them to one shelf board CP1, and picks up and releases them.
  • a predetermined number of beverage cans W such as 10 cans W are arranged in a row on the shelf board CP1.
  • a work unit in which 10 beverage cans W are arranged on one shelf board CP is referred to as a subtask.
  • the robot 10 moves to the adjacent shelf board CP2 and executes the same work (subtask).
  • the task is completed by arranging the beverage tubes W on all the shelf board CPs while alternately repeating the subtask and the movement of the robot in this way.
  • the robot system includes a robot 10, a control device 20, and a bird's-eye view camera 30.
  • the bird's-eye view camera 30 is installed at a position and posture for taking a bird's-eye view of the entire work space including the shelf S, the robot 10, and a stocker (not shown).
  • a world coordinate system (X, Y, Z) whose origin is an arbitrary position such as the center of a work area in the space is defined in the work space taken by the bird's-eye view camera 30.
  • the robot 10 has a manipulator 11 typically mounted as a multi-rotating joint arm mechanism.
  • the links 114 and 116 are connected to the support column 112 vertically rotatably supported on the base 111 via the rotary joints 113 and 115.
  • a wrist portion 117 having three orthogonal axes of rotation is attached to the tip of the link 116.
  • a hand 118 equipped with a pair of fingers 119 is attached to the wrist portion 117 as an end effector.
  • a hand camera 14 is attached to the hand 118 in order to capture a hand image as a sensor for detecting a hand target.
  • the robot coordinate system (x, y, z) is defined with the center of the base 111 as the origin.
  • the control device 20 calculates a hand trajectory or the like on the robot coordinate system (x, y, z) and controls the manipulator 11 to realize hand movement.
  • the manipulator 11 is mounted on the table 122 of the free carriage 12.
  • the free trolley 12 is defined as a free trolley that is not equipped with a moving drive means but is equipped with a caster 124 and moves passively.
  • three casters 124 are attached to each of the three beams 123 extending radially from the column 121.
  • An outrigger mechanism 13 is provided at the tip of each of the three beams 123.
  • a cylinder rod 132 is inserted into the cylinder 131, and a pad 133 as an installation plate for rubber or the like is attached to the bottom of the cylinder rod 132.
  • the movement of the cylinder rod 132 with respect to the cylinder 131 is realized by a hydraulic type, an electric type, or any other drive method.
  • the pad 133 By feeding out the cylinder rod 132 from the cylinder 131, the pad 133 can be installed on the floor surface and the free carriage 12 can be fixed together with the robot 10. By pulling the cylinder rod 132 back to the cylinder 131, the pad 133 can be separated from the floor surface, the free carriage 12 can be released from being fixed, and the pad 133 can be made movable.
  • control device 20 describes a task program code in which the procedure, operation, conditions, and the like necessary for executing the above task via the control / data bus 27 are described in the control unit 21 that controls the entire control.
  • the data of the plurality of position PRs corresponding to the plurality of subtasks to be repeatedly executed by the robot 10 are stored in advance.
  • the position PR of the robot 10 is expressed on the world coordinate system (X, Y, Z).
  • the image processing unit 24 processes the bird's-eye view image taken by the bird's-eye view camera 30 to extract the area of the shelf board CP and the area of the side plate SP.
  • the image processing unit 24 sets the area of the side plate SP near the position (movement target position) PR of the robot 10 to move for the next subtask from the extracted area of the side plate SP to the hand 118 on the movement path of the robot 10. Select as the area of fixation to be gripped.
  • the image processing unit 24 calculates the center position, the center of gravity position, or other position of the area of the selected side plate SP as the gripping position to be gripped by the hand 118 in order for the robot 10 to move to the movement target position.
  • the gripping position is calculated and expressed on the world coordinate system (X, Y, Z).
  • the target to be gripped by the hand 118 is not limited to the side plate SP, and may be a shelf plate CP, or as shown in FIG. 9, gripping of a handle HG or the like already installed on the shelf S for gripping. It may be a relatively easy projecting body.
  • the trajectory calculation processing unit 23 describes the displacement of the origin position of the current robot coordinate system (x, y, z) (referred to as the first robot coordinate system) with respect to the origin position of the world coordinate system (X, Y, Z) and the coordinate axes. Coordinate axis for aligning the coordinate system xyz with respect to XYZ Based on the rotation angle (also called posture) around each axis of XYZ, the position and posture on the world coordinate system are changed to the position and posture on the first robot coordinate system.
  • the coordinate conversion matrix for conversion (first coordinate conversion matrix, T1) is calculated.
  • the trajectory calculation processing unit 23 converts the next gripping position on the movement path of the robot 10, that is, the hand position, into the hand position on the first robot coordinate system by the first coordinate transformation matrix (T1).
  • the trajectory calculation processing unit 23 is a hand movement trajectory on the first robot coordinate system from the known current hand position on the first robot coordinate system to the next hand position (particularly, for "grasping"). It is called “hand movement trajectory”).
  • the next hand position is a fixed position because it is a position on the side plate SP of the shelf S fixed to the floor surface, and the manipulator 11 is operated with the side plate SP gripped by the hand 118 at the next hand position. Thereby, the manipulator 11 together with the free trolley 12, that is, the robot 10 can be moved to the next robot position (movement target position) PR.
  • the trajectory calculation processing unit 23 calculates the hand trajectory for the movement of the robot 10.
  • the trajectory calculation processing unit 23 is the next robot after movement with respect to the current robot position on the world coordinate system (X, Y, Z), that is, the origin position of the current robot coordinate system (first robot coordinate system).
  • the first position for aligning the position that is, the displacement of the origin position of the robot coordinate system (second robot coordinate system) after movement and the coordinate axis xyz of the first robot coordinate system with the coordinate axis xyz of the second robot coordinate system.
  • Coordinate axes of the robot coordinate system xyz A coordinate conversion matrix (second coordinate conversion matrix, T2) from the first robot coordinate system to the second robot coordinate system is calculated based on the rotation angle (attitude) around each axis.
  • the trajectory calculation processing unit 23 moves from the next hand position represented on the first robot coordinate system (which is the current position at the time of grasping, but is referred to as the next position for convenience of explanation) to the next hand position.
  • the hand movement trajectory (referred to as "hand movement trajectory for robot movement") to the position obtained by multiplying the inverse matrix T2'of the coordinate conversion matrix T2 is calculated.
  • the manipulator 11 By controlling the manipulator 11 according to this "hand movement trajectory for robot movement", the manipulator 11 can be moved together with the robot 10, that is, the free trolley 12 with the hand fixed at the next gripping position (Fig.). 8).
  • the movement path in which the robot 10 moves from the current position to the next position is shifted to the next hand position as it is, and the movement direction is reversed. Corresponds to the orbit. Therefore, the robot 10 is moved from the current position to the next position (movement target position) by moving the hand according to the "hand movement trajectory for robot movement” while grasping and fixing the next hand position. Can be done.
  • the manipulator motion control unit 25 calculates changes in the rotational angle and rotational speed with respect to the rotary joints 113, 115 and the three axes orthogonal to the wrist according to the "hand movement trajectory for gripping", and the rotary joint 113, the rotary joint 115, Drive each servo motor on the wrist. Similarly, the manipulator motion control unit 25 calculates changes in the rotational joints 113 and 115, the rotation angle and the rotational speed with respect to the three axes orthogonal to the wrist, according to the “hand movement trajectory for robot movement”, and the rotary joint 113 and rotation according to them. It drives each servo motor of the joint 115 and the wrist.
  • the hand By moving the manipulator 11 so that the hand moves along the opposite trajectory with respect to the movement path in which the robot 10 moves from the current position to the next position (movement target position), the hand is fixed and free. Since the dolly 12 is released from being fixed and is in a state of being freely movable, as a result, the robot 10 moves from the current position to the next position (movement target position).
  • the outrigger operation control unit 26 drives the drive unit of the outrigger mechanism 13 according to the instruction of the control unit 21, and sends out or pulls back the cylinder rod 132 from the cylinder 131.
  • the free carriage 12 can be fixed by feeding out the cylinder rod 132 from the cylinder 131 and installing the pad 133 on the floor surface. By pulling the cylinder rod 132 back to the cylinder 131 and separating the pad 133 from the floor surface, the caster 124 of the free carriage 12 can be installed on the floor surface and returned to a movable state.
  • the outrigger mechanism 13 can be replaced with another configuration such as an electromagnetic brake if the free carriage 12 can be fixed on the floor surface.
  • FIG. 3 shows a processing procedure of the robot system according to the present embodiment.
  • 4A and 4B show an outline of the work.
  • the free trolley 12 is fixed to the first robot position PR1 on the floor surface.
  • the control unit 21 reads the subtask program code from the storage unit 22, and the orbit calculation processing unit 23 picks up the beverage can W from the stocker according to the reading, and calculates the hand movement trajectory for releasing to the first shelf board CP1.
  • the manipulator operation control unit 25 controls the manipulator 11 according to the hand movement trajectory, so that the manipulator 11 and the hand 118 pick up the beverage can W from the stocker (step S1) and release it to the first shelf board CP1 (S2).
  • the control unit 21 determines whether or not the subtask in which a predetermined number of beverage cans W are arranged on the shelf board CP1 has been completed (S3). When it is determined that the subtask has not been completed (S3, NO), the process returns to step S1. Steps S1, S2 and S3 are repeated until the subtask in which a predetermined number of beverage cans W are arranged on the shelf board CP1 is completed.
  • the control unit 21 determines whether or not the work of arranging the beverage cans W on all the planned shelf board CPs, that is, whether or not the task is completed. (S4). When it is determined that the task is not completed (S4, NO), the robot 10 is moved to the next robot position PR2 (movement target position) corresponding to the next shelf board CP2 (S5). When the robot 10 moves to the movement target position, the outrigger mechanism 13 is driven at that position, and the free carriage 12 is fixed at the next robot position PR2 on the floor surface. Returning to step S1, the subtask of arranging the beverage cans W on the next shelf board CP2 is executed. When it is determined that the task is completed (S4, YES), the work is completed.
  • FIGS. 5A, 5B, and 5C show an outline of robot movement.
  • the manipulator 11 originally equipped for executing a task such as arranging the beverage cans W is also used for moving the robot 10.
  • the manipulator 11 in a state where the robot 10 is located at the current robot position PRn, the manipulator 11 is operated, and the position is detected by the hand camera 14, for example, as a fixed portion near the next robot position PRn + 1.
  • the side plate SPn + 1 is gripped by the hand 118.
  • FIG. 5B the robot 10 moves little by little by operating the manipulator 11 while holding the side plate SPn + 1 with the hand 118.
  • the robot 10 moves to the next robot position PRn + 1 as the movement target position.
  • FIG. 6 shows a processing procedure of the control device 20 for realizing the movement of the robot 10 shown in FIGS. 5A, 5B, and 5C.
  • FIG. 7 shows a supplementary diagram of the coordinate conversion process.
  • step S11 under the control of the control unit 21, the data of the next robot position PRn + 1 (X2, Y2, Z2) expressed in the world coordinate system (X, Y, Z) from the storage unit 22 and the next robot.
  • the attitude data of the robot coordinate system (second robot coordinate system) at the position PRn + 1 (X2, Y2, Z2) is read out to the trajectory calculation processing unit 23 (S11).
  • the posture is defined by the rotation angles ( ⁇ X2, ⁇ Y2, ⁇ Z2) around each coordinate axis XYZ of the robot coordinate system with respect to the world coordinate system.
  • the current robot position PRn (X1, Y1, Z1) and the current hand position PGn (X1, Y1, Z1) are known.
  • step S12 the image processing unit 24 extracts the region of the side plate SP2 near the next shelf plate CP2 from the bird's-eye view image taken by the bird's-eye view camera 30, and the center position of the extracted region of the side plate SP2 is determined.
  • the robot 10 is specified as a gripping position PGn + 1 (X2, Y2, Z2) to be gripped by the hand 118 in order to move to the next robot position (movement target position) PRn + 1.
  • step S13 the trajectory calculation processing unit 23 aligns the origin position of the current robot coordinate system (first robot coordinate system) in the world coordinate system (X, Y, Z) with the coordinate system xyz with respect to the coordinate axis XYZ.
  • Coordinate axis for XYZ Coordinate conversion matrix for converting the position and posture on the world coordinate system to the position and posture on the first robot coordinate system based on the rotation angle (attitude) around each axis (first).
  • the coordinate transformation matrix, T1) is calculated (see FIG. 7A).
  • the trajectory calculation processing unit 23 causes the next robot position PRn + 1 (X2, Y2,) with respect to the current robot position PRn (X1, Y1, Z1) in the world coordinate system (X, Y, Z).
  • Coordinate axis of (second robot coordinate system) XYZ Coordinate conversion matrix from the first robot coordinate system to the second robot coordinate system (second coordinate conversion matrix, T2) based on the rotation angle (attitude) around each axis. Is calculated (see FIG. 7 (d)).
  • step S15 the next hand position PGn + 1 (X2, Y2, Z2) represented in the world coordinate system by the first coordinate transformation matrix T1 is the next hand position PRn + on the robot coordinate system. Converted to 1 (x2, y2, z2).
  • the trajectory calculation processing unit 23 changes the current hand position PGn (x1, y1, z1) on the first robot coordinate system to the next hand position PGn + 1 (x2, y2, z2).
  • the hand movement trajectory (hand movement trajectory for gripping) OPn + 1 for moving the hand to is calculated (see FIG. 7 (b)).
  • step S17 the manipulator operation control unit 25 operates the manipulator 11 according to the hand movement trajectory OPn + 1 for gripping, and the side plate CP2 is gripped by the hand 118 at the next hand position PGn + 1.
  • the posture of the robot at this time is shown in FIG. 7 (c).
  • the orbit calculation processing unit 23 causes the inverse matrix T2'of the second coordinate transformation matrix T2 to be at the next hand position PGn + 1 (x2, y2, z2) represented on the first robot coordinate system. It is multiplied and the hand position PG'n + 1 (x2, y2, z2) is calculated.
  • the relative positional relationship between this hand position PG'n + 1 (x2, y2, z2) and the current robot position PRn (x1, y1, z1) before movement is the next hand position PGn + 1 (x2).
  • Y2, z2) is equivalent to the relative positional relationship between the next robot position PRn + 1 (x2, y2, z2) after movement (see FIG. 7 (d)).
  • the trajectory calculation processing unit 23 converts the hand position PGn + 1 (x2, y2, z2) represented on the first robot coordinate system by the inverse matrix T2'of the second coordinate conversion matrix T2.
  • the hand movement trajectory (hand movement trajectory for robot movement) OP2n + 1 for the hand to move to the hand position PG'n + 1 (x2, y2, z2) is calculated.
  • the hand movement trajectory OP2n + 1 for robot movement is the movement path in which the robot 10 moves from the current position PRn (x1, y1, z1) to the next robot position PRn + 1 (x2, y2, z2).
  • the starting point and the ending point are inverted, and the starting point is shifted so as to match the hand position PGn + 1 (x2, y2, z2). Therefore, the robot is moved by moving the manipulator 11 according to the hand movement trajectory OP2n + 1 for moving the robot while holding and fixing the hand position PGn + 1 (x2, y2, z2) with the hand 118.
  • the robot 10 approaches (or separates from) the next hand position PGn + 1 (x2, y2, z2), and as a result, the robot 10 moves from the current position PRn (x1, y1, z1) to the next robot position PRn + 1 (or It will move to x2, y2, z2).
  • step S20 the out-trigger mechanism 13 is driven to release the fixation
  • step S21 the manipulator 11 is controlled according to the “hand movement trajectory for robot movement” to hold the grip position PGn + 1 (X2, Y2). , Z2) is fixed, and the manipulator 11 moves to the movement target position PRn + 1 (X2, Y2, Z2) together with the robot 10, that is, the free trolley 12 (see FIG. 8).
  • the outrigger mechanism 13 is driven in step S22, and the free carriage 12 is fixed at the position PRn + 1 (X2, Y2, Z2).
  • the manipulator 11 originally equipped for executing the task is also utilized for the movement of the robot 10, whereby the work of pushing the free trolley by the worker is performed. Since it is unnecessary, labor can be saved. Since it is not necessary to introduce a self-propelled automatic guided vehicle (AGV) or the like, and it is practically unnecessary to maintain a movement route, it is possible to easily introduce a collaborative robot that accompanies movement.
  • AGV automatic guided vehicle
  • the robot 10 moves to guide the movement of the robot 10 for the purpose of simplifying the processing of the movement and the posture change of the robot 10 and improving the smoothness and accuracy of the movement and the posture change of the robot 10.
  • a guide mechanism 200 installed along the route may be provided.
  • the guide mechanism 200 has a guide pole 201 laid along the moving trajectory of the robot 10 and a slider 202 movably inserted into the guide pole 201.
  • a connection block 204 fixed to the tip of the crossbar 203 horizontally attached to the support column 121 of the free carriage 12 is detachably attached to the slider 202.
  • a plurality of sensors 300 such as a photoelectric sensor or a push switch for detecting the robot 10 are laid along the moving trajectory of the robot 10, and here, a plurality of sensors 300 are installed on each side plate SP along the guide pole 201. The position of the robot 10 may be detected by the sensor 300.
  • the side plate SPn + 1 as a fixed object on the movement path, typically the wrist portion 117 as a part of the manipulator 11 without gripping the fixed object (side plate SP) with the hand 118. It is possible to move the robot 10 by operating the manipulator 11 in a state of being hooked on or pressed against the robot 10. When the sensor 300 that approximates the next robot position PSn + 1 is turned on, the robot 10 can be moved to the next robot position PSn + 1 by stopping the manipulator 11.

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Abstract

省力化の実現とともに、導入コストの低廉化及び移動経路の整備の抑制を図ることにより、移動を伴う協働ロボットの導入障壁を下げることを目的とする。ロボットシステムは、自由台車12と、自由台車12上に載置されたマニピュレータ11とを有するロボット10と、マニピュレータ11を制御する制御装置20とを具備する。制御装置20は、所定のタスクを実行させるためにマニピュレータ11を制御するとともに、ロボット10それ自体を移動させるためにマニピュレータ11を制御する。

Description

ロボットシステム及びロボット移動制御装置
 本発明は、ロボットシステム及びロボット移動制御装置に関する。
 最近、協働ロボットによる作業の自動化が進んでいる。協働ロボットの利点を活かして、ロボットを手押自由台車上に搭載し、作業員が手押自由台車を押しながらロボットを移動し、その各場所でロボットが作業を繰り返すことが考えられる。
 しかし移動の都度、作業員が手押自由台車を押す作業が必要となるので、作業員がロボットから離れることができず、期待したほどの省力化効果があげられない。
 そこで自動搬送車(AGV)等の自走自由台車の導入が考えられる。AGVであれば、作業とともに移動を自動化できるので、作業員がロボットから離れることができ、省力化効果が期待できる。
 しかし、AGVシステムはそれ自体が高価であるばかりか、AVGの移動経路をスペース及び設備の観点から整備する必要があるため、導入は比較的大掛かりになる。
 このために移動を伴う協働ロボットを導入する障壁は決して低いとは言えないものであった。
 省力化の実現とともに、導入コストの低廉化及び移動経路の整備の抑制を図ることにより、移動を伴う協働ロボットの導入障壁を下げることが望まれている。
 本開示の一態様に係るロボットシステムは、自由台車と、自由台車上に載置されたマニピュレータとを有するロボットと、マニピュレータを制御する制御装置とを具備する。制御装置は、所定のタスクを実行させるためにマニピュレータを制御するとともに、ロボットそれ自体を移動させるためにマニピュレータを制御する。
 マニピュレータの動作により、所定のタスクの実行だけでなく、ロボットそれ自体の移動も実現されるため、省力化の実現とともに、導入コストの低廉化及び移動経路の整備の抑制を図ることができ、移動を伴う協働ロボットの導入障壁を下げること可能になる。
図1は一実施形態に係るロボットシステムの構成を示す図である。 図2は図1のロボット及び俯瞰カメラの斜視図である。 図3は本実施形態に係るロボットシステムの処理手順を示す流れ図である。 図4Aは図3の工程S3に関する補足説明図である。 図4Bは図3の工程S5に関する補足説明図である。 図5Aは図3の工程S5の最初の手順に関する補足説明図である。 図5Bは図5Aの次の手順に関する補足説明図である。 図5Cは図5Bの次の手順に関する補足説明図である。 図6は本実施形態によるロボット移動の概略図である。 図7は図3の座標変換移管する補足図である。 図8は本実施形態によるマニピュレータ操作によりロボットが移動する様子を示す斜視図である。 図9はマニピュレータが把持する把持箇所として既設された取っ手を示す斜視図である。 図10はロボットの移動をガイドするガイド機構を示す斜視図である。 図11は図10のガイド機構を利用したロボット移動例を示す図である。
 以下、図面を参照しながら本実施形態に係るロボットシステムを説明する。 
 ここで、説明の便宜上、図4A、図4Bに示すように、当該ロボットシステムが実行するタスクの一例として、棚Sが側板SPで仕切られた複数の棚板CPから構成されており、それら棚板CP各々にワークとして例えば飲料缶Wを配列する作業全体を想定する。実際の動作としては、ワークとしての飲料缶Wを大量に保管するストッカ(図示せず)から飲料缶Wをロボット10が一つずつピックアップし、一の棚板CP1にリリースし、それらピックアップ及びリリース作業を繰り返すことで10個等の所定数の飲料缶Wを当該棚板CP1に一列に配列する。なお、一つの棚板CPに10個の飲料缶Wを配列する作業単位をサブタスクと称するものとする。ロボット10は隣の棚板CP2に移動して、同じ作業(サブタスク)を実行する。このようにサブタスクとロボットの移動とを交互に繰り返しながら、全ての棚板CPへ飲料管Wを配列することによりタスクが完了する。
 図1に示すように、本実施形態に係るロボットシステムは、ロボット10と制御装置20と俯瞰カメラ30とを有する。俯瞰カメラ30は、棚S、ロボット10、さらに図示しないストッカを含む作業空間全体を俯瞰で撮影する位置及び姿勢で設置される。なお、俯瞰カメラ30で撮影する作業空間には当該空間内の作業エリアの中心等の任意の位置を原点とするワールド座標系(X,Y,Z)が規定される。
 図2に示すように、ロボット10は、典型的には多回転関節アーム機構として実装されるマニピュレータ11を有する。マニピュレータ11は、基台111上に垂直に回転自在に支持された支柱112に、回転関節113、115を介してリンク114、116が連結される。リンク116の先端には直交3軸の回転軸を備えた手首部117が取り付けられる。手首部117には、エンドエフェクタとしてここでは一対のフィンガ119を装備したハンド118が取り付けられる。ハンド118には手先対象を検知するセンサとしての手先画像を撮影するために手先カメラ14が取り付けられる。例えば基台111の中心を原点としてロボット座標系(x、y、z)が規定される。制御装置20はロボット座標系(x、y、z)上で手先軌道等を計算し、マニピュレータ11を制御することにより手先移動を実現する。
 マニピュレータ11は、自由台車12のテーブル122上に搭載される。自由台車12とは、移動駆動手段を装備せず、キャスタ124を装備して、受動的に移動する自由台車として定義される。ここでは3つのキャスタ124が支柱121から放射状に延設された3つのビーム123にそれぞれ取り付けられる。3つのビーム123それぞれの先端にはアウトリガ機構13が装備される。アウトリガ機構13は、シリンダ131にシリンダロッド132が内挿され、シリンダロッド132の底部にはゴム等の設置板としてのパッド133が取り付けられる。シリンダ131に対するシリンダロッド132の移動は油圧式、電動式、その他任意の駆動方式により実現される。シリンダロッド132をシリンダ131から送り出すことにより、パッド133を床面に設置させ、ロボット10とともに自由台車12を固定することができる。シリンダロッド132をシリンダ131に引き戻すことにより、パッド133を床面から離間させ、自由台車12の固定を解除して、移動可能な状態にすることができる。
 図1に戻り、制御装置20は、全体の制御を統括する制御部21に制御/データバス27を介して上記タスクを実行するために必要な手順、動作、条件などが記述されたタスクプログラムコードとともに、ロボット10が繰り返し実行される複数のサブタスクにそれぞれ対応する複数の位置PRのデータが予め記憶される。なお、ロボット10の位置PRはワールド座標系(X,Y,Z)上で表現される。
 画像処理部24は、俯瞰カメラ30で撮影された俯瞰画像を処理して、棚板CPの領域と側板SPの領域を抽出する。画像処理部24は、抽出した側板SPの領域から、次のサブタスクのために移動するロボット10の位置(移動目標位置)PRに近傍する側板SPの領域を、ロボット10の移動経路上におけるハンド118が把持するべき固定物の領域として選択する。画像処理部24は、選択した側板SPの領域の中心位置、重心位置又はその他の位置を、ロボット10が移動目標位置まで移動するためにハンド118が把持するべき把持位置として計算する。当該把持位置はワールド座標系(X,Y,Z)上で計算され、表現される。なお、ハンド118が把持する対象としては側板SPに限定されることは無く、棚板CPであってもよいし、図9に示すように把持用に棚Sに既設された取っ手HGなどの把持の比較的容易な突状体であってもよい。
 軌道計算処理部23は、ワールド座標系(X,Y,Z)の原点位置に対する現在のロボット座標系(x,y,z)(第1のロボット座標系という)の原点位置の変位と、座標軸XYZに対して座標系xyzを揃えるための座標軸XYZ各軸回りの回転角(姿勢ともいう)に基づいて、ワールド座標系上での位置及び姿勢を第1のロボット座標系上の位置及び姿勢に変換するための座標変換行列(第1座標変換行列、T1)を計算する。
 軌道計算処理部23は、第1座標変換行列(T1)により、ロボット10の移動経路上の次の把持位置、つまり手先位置を、第1のロボット座標系上での手先位置に変換する。軌道計算処理部23は、第1のロボット座標系上での既知の現在の手先位置から、上記次の手先位置までの第1のロボット座標系上での手先移動軌道(特に「把持のための手先移動軌道」と称する)を計算する。
 次の手先位置は、床面に固定された棚Sの側板SP上の位置であるので固定位置であり、次の手先位置で側板SPをハンド118により把持した状態で、マニピュレータ11を動作させることにより、自由台車12とともにマニピュレータ11を、つまりロボット10を次のロボット位置(移動目標位置)PRまで移動させることができる。軌道計算処理部23は、このロボット10の移動のための手先軌道を計算する。
 軌道計算処理部23は、ワールド座標系(X,Y,Z)上での現在のロボット位置、つまり現在のロボット座標系(第1のロボット座標系)の原点位置に対する、移動後の次のロボット位置、つまり移動後のロボット座標系(第2のロボット座標系)の原点位置の変位と、第1のロボット座標系の座標軸xyzを第2のロボット座標系の座標軸xyzに揃えるための第1のロボット座標系の座標軸xyz各軸回りの回転角(姿勢)に基づいて、第1ロボット座標系から第2ロボット座標系への座標変換行列(第2座標変換行列、T2)を計算する。
 軌道計算処理部23は、第1ロボット座標系上で表現された次の手先位置(把持した時点では現在位置になるが、説明の便宜上次の位置という)から、当該次の手先位置に第2座標変換行列T2の逆行列T2’を乗じて得られた位置までの手先移動軌道(「ロボット移動のための手先移動軌道」と称する)を計算する。
 この「ロボット移動のための手先移動軌道」に従ってマニピュレータ11を制御することにより、次の把持位置で手先が固定した状態で、ロボット10、つまり自由台車12とともにマニピュレータ11を移動させることができる(図8参照)。
 なお、「ロボット移動のための手先移動軌道」は、ロボット10が現在位置から次の位置(移動目標位置)に移動する移動経路を、そのまま次の手先位置にシフトし、且つ移動方向を反転した軌道に相当する。従って次の手先位置を把持して固定した状態で、「ロボット移動のための手先移動軌道」に従って手先を移動させることにより、ロボット10を現在位置から次の位置(移動目標位置)に移動させることができる。
 マニピュレータ動作制御部25は、「把持のための手先移動軌道」に従って回転関節113,115、手首部直交3軸に関する回転角度、回転速度の変化を計算し、それらに従って回転関節113、回転関節115、手首部の各サーボモータを駆動する。同様にマニピュレータ動作制御部25は、「ロボット移動のための手先移動軌道」に従って回転関節113,115、手首部直交3軸に関する回転角度、回転速度の変化を計算し、それらに従って回転関節113、回転関節115、手首部の各サーボモータを駆動する。
 ロボット10が現在位置から次の位置(移動目標位置)に移動する移動経路に対して、逆向きの軌道に沿って手先を移動するようにマニピュレータ11を動かすことにより、手先が固定し、且つ自由台車12は固定解除されて自由移動自在な状態であるので、結果として、ロボット10が現在位置から次の位置(移動目標位置)に移動することになる。
 アウトリガ動作制御部26は、制御部21の指示に従ってアウトリガ機構13の駆動部を駆動し、シリンダロッド132をシリンダ131から送り出し、又は引き戻す。シリンダロッド132をシリンダ131から送り出して、パッド133を床面に設置させることにより、自由台車12を固定することができる。シリンダロッド132をシリンダ131に引き戻して、パッド133を床面から離間させることにより、自由台車12のキャスタ124が床面に設置して、移動可能な状態に戻すことができる。なお、アウトリガ機構13は、自由台車12を床面上で固定することができれば、電磁ブレーキ等の他の構成に代替可能である。
 図3には、本実施形態に係るロボットシステムの処理手順を示している。図4A、図4Bには作業概要を示している。自由台車12が床面上の最初のロボット位置PR1に固定されている。制御部21は記憶部22からサブタスクプログラムコードを読み出し、それに従って軌道計算処理部23がストッカから飲料缶Wをピックアップし、最初の棚板CP1にリリースするための手先移動軌道を計算する。その手先移動軌道に従ってマニピュレータ動作制御部25がマニピュレータ11を制御することにより、マニピュレータ11及びハンド118はストッカから飲料缶Wをピックアップし(工程S1)、最初の棚板CP1にリリースする(S2)。制御部21により、棚板CP1に所定数の飲料缶Wが配列するサブタスクが完了したか否かが判定される(S3)。サブタスクが完了していないと判定されたとき(S3、NO)、工程S1にリターンする。工程S1、S2及びS3は、棚板CP1に所定数の飲料缶Wが配列するサブタスクが完了するまで繰り返される。
 サブタスクが完了したと判定されたとき(S3、YES)、制御部21により、予定している棚板CPすべてへの飲料缶Wの配列作業、つまりタスクが完了しているか否かが判定される(S4)。タスクが完了していないと判定されたとき(S4、NO)、次の棚板CP2に対応する次のロボット位置PR2(移動目標位置)へロボット10を移動させる(S5)。ロボット10が移動目標位置へ移動したとき、その位置でアウトリガ機構13が駆動され、自由台車12が床面上の次のロボット位置PR2で固定される。工程S1にリターンし、次の棚板CP2へ飲料缶Wを配列するサブタスクが実行される。タスクが完了していると判定されたとき(S4、YES)、当該作業は終了する。
 図5A、図5B、図5Cにはロボット移動の概要を示している。本来的に上記飲料缶Wを配列する等のタスクを実行するために装備されているマニピュレータ11を、ロボット10の移動のためにも活用するものである。図5Aに示すようにロボット10が現在のロボット位置PRnに位置する状態で、マニピュレータ11を動作させて、手先カメラ14で位置検出しながら次のロボット位置PRn+1に近傍する固定部としての例えば側板SPn+1をハンド118により把持する。図5Bに示すように側板SPn+1をハンド118で把持したままで、マニピュレータ11を動作させることにより、ロボット10は少しずつ移動する。図5Cに示すようにそのままマニピュレータ11をさらに動作させることにより、ロボット10は移動目標位置としての次のロボット位置PRn+1まで移動する。
 図6には図5A、図5B、図5Cに示したロボット10の移動を実現するための制御装置20の処理手順を示している。図7には座標変換処理の補足図を示している。工程S11において、制御部21の制御により、記憶部22からワールド座標系(X、Y、Z)で表現された次のロボット位置PRn+1(X2,Y2,Z2)のデータと、次のロボット位置PRn+1(X2,Y2,Z2)におけるロボット座標系(第2のロボット座標系)の姿勢のデータとが軌道計算処理部23に読み出される(S11)。姿勢とは、ワールド座標系に対するロボット座標系の各座標軸XYZ周りの回転角(θX2,θY2,θZ2)により定義される。なお、現在のロボット位置PRn(X1,Y1,Z1)、現在の手先位置PGn(X1,Y1,Z1)は既知である。
 工程S12において、画像処理部24により、俯瞰カメラ30で撮影された俯瞰画像から、次の棚板CP2に近傍する側板SP2の領域が抽出され、抽出された側板SP2の領域の中心位置等が、ロボット10が次のロボット位置(移動目標位置)PRn+1まで移動するためにハンド118が把持するべき把持位置PGn+1(X2,Y2,Z2)として特定される。
 工程S13において、軌道計算処理部23により、ワールド座標系(X,Y,Z)における現在のロボット座標系(第1のロボット座標系)の原点位置と、座標軸XYZに対して座標系xyzを揃えるための座標軸XYZ各軸回りの回転角(姿勢)とに基づいて、ワールド座標系上での位置及び姿勢を第1のロボット座標系上の位置及び姿勢に変換するための座標変換行列(第1座標変換行列、T1)が計算される(図7(a)参照)。
 同様に、工程S14において、軌道計算処理部23により、ワールド座標系(X,Y,Z)における現在のロボット位置PRn(X1,Y1,Z1)に対する次のロボット位置PRn+1(X2,Y2,Z2)の変位と、現在のロボット位置PRn(X1,Y1,Z1)におけるロボット座標系(第1のロボット座標系)に対する次のロボット位置PRn+1(X2,Y2,Z2)のにおけるロボット座標系(第2のロボット座標系)の座標軸XYZ各軸回りの回転角(姿勢)とに基づいて、第1ロボット座標系から第2ロボット座標系への座標変換行列(第2座標変換行列、T2)が計算される(図7(d)参照)。
 ロボット制御において、手先移動軌道に従って回転関節角等を計算するためには、手先移動軌道がロボット座標系で表現されている必要がある。そのために工程S15において、第1座標変換行列T1により、ワールド座標系で表現されている次の手先位置PGn+1(X2,Y2,Z2)は、ロボット座標系上での次の手先位置PRn+1(x2,y2,z2)に変換される。
 次の工程S16において、軌道計算処理部23により、第1のロボット座標系上での現在の手先位置PGn(x1,y1,z1)から、次の手先位置PGn+1(x2,y2,z2)まで手先が移動するための手先移動軌道(把持のための手先移動軌道)OPn+1が計算される(図7(b)参照)。
 工程S17において、マニピュレータ動作制御部25により、把持のための手先移動軌道OPn+1に従ってマニピュレータ11が動作し、次の手先位置PGn+1において側板CP2がハンド118により把持される。この時のロボット姿勢を図7(c)に示す。
 次の工程S18において、軌道計算処理部23により、第1ロボット座標系上で表現された次の手先位置PGn+1(x2,y2,z2)に第2座標変換行列T2の逆行列T2’が乗ぜられ、手先位置PG’n+1(x2,y2,z2)が計算される。なお、この手先位置PG’n+1(x2,y2,z2)と移動前の現在のロボット位置PRn(x1,y1,z1)との相対的位置関係は、次の手先位置PGn+1(x2,y2,z2)と移動後の次のロボット位置PRn+1(x2,y2,z2)との相対的位置関係に対して等価になる(図7(d)参照)。
 次の工程S19において、軌道計算処理部23により、第1ロボット座標系上で表現された手先位置PGn+1(x2,y2,z2)から、第2座標変換行列T2の逆行列T2’により変換された手先位置PG’n+1(x2,y2,z2)までの手先が移動するための手先移動軌道(ロボット移動のための手先移動軌道)OP2n+1が計算される。
 ロボット移動のための手先移動軌道OP2n+1は、ロボット10が現在位置PRn(x1,y1,z1)から次のロボット位置PRn+1(x2,y2,z2)に移動する移動経路に対して、起点と終点が反転し、且つ起点が手先位置PGn+1(x2,y2,z2)に一致するようにシフトした軌道になる。従って、ハンド118で手先位置PGn+1(x2,y2,z2)を把持し固定した状態で、ロボット移動のための手先移動軌道OP2n+1に従ってマニピュレータ11を動かして手先を移動させることにより、ロボット10が次の手先位置PGn+1(x2,y2,z2)に接近し(又は離反)し、結果として、ロボット10が現在位置PRn(x1,y1,z1)から次のロボット位置PRn+1(x2,y2,z2)に移動することになる。
 工程S20において、アウトリガ機構13を駆動して、固定を解除し、そして工程S21において、「ロボット移動のための手先移動軌道」に従ってマニピュレータ11を制御することにより、把持位置PGn+1(X2,Y2,Z2)が固定した状態で、ロボット10、つまり自由台車12とともにマニピュレータ11が移動目標位置PRn+1(X2,Y2,Z2)まで移動する(図8参照)。移動完了後は、工程S22において、アウトリガ機構13が駆動され、自由台車12が位置PRn+1(X2,Y2,Z2)で固定される。
 このように本実施形態では、本来的にタスクを実行するために装備されているマニピュレータ11を、ロボット10の移動のためにも活用するものであり、それにより自由台車を作業員が押す作業を不要となるので、省力化することができる。自動搬送車(AGV)等の自走自由台車の導入が不要となり、移動経路の整備も実質的に不要になるので、移動を伴う協働ロボットを容易に導入することが可能となる。
 なお、ロボット10の移動及び姿勢変更の処理の簡易化及びロボット10の移動及び姿勢変更の円滑さ及び精度の向上を目的として、図10に示すように、ロボット10の移動を案内するために移動経路に沿って設置されるガイド機構200を設けてもよい。ガイド機構200は、ロボット10の移動軌道に沿って敷設されるガイドポール201と、ガイドポール201に移動自在に挿入されるスライダ202とを有する。スライダ202には、自由台車12の支柱121に水平に取り付けられたクロスバー203の先端に固定される接続ブロック204が着脱自在に取り付けられる。ロボット10が不要なときは、スライダ202から取り外して、容易に別の場所に移動させることが可能である。
 またロボット10の移動軌道に沿ってロボット10を検知する光電センサ又はプッシュスイッチ等の複数のセンサ300を敷設し、ここでは複数のセンサ300をガイドポール201に沿って側板SP各々に設置し、これらセンサ300によりロボット10の位置を検出するようにしてもよい。
 図11に示すように、ハンド118で固定物(側板SP)を把持しなくても、マニピュレータ11の一部として典型的には手首部117を移動経路上の固定物としての例えば側板SPn+1に引っ掛け、又は押し当てた状態でマニピュレータ11を動作させることにより、ロボット10を移動させることが可能である。次のロボット位置PSn+1に近似するセンサ300がオンしたときに、マニピュレータ11を停止させることによりロボット10を次のロボット位置PSn+1に移動させることができる。
 この例であっても、上記実施形態と同様に、省力化、移動経路の整備も実質的に不要になるので、移動を伴う協働ロボットを容易に導入することが可能となる。
 本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
 10…ロボット、20…制御装置、30…俯瞰カメラ、11…マニピュレータ、12…自由台車12…アウトリガ機構、21…制御部、22…記憶部、23…軌道計算処理部、24…画像処理部、25…マニピュレータ動作制御部、26…アウトリガ動作制御部。

Claims (11)

  1.  自由台車と、前記自由台車上に載置されたマニピュレータとを有するロボットと、
     前記マニピュレータを制御する制御装置とを具備するロボットシステムにおいて、
     前記制御装置は、所定のタスクを実行させるために前記マニピュレータを制御するとともに、前記ロボットそれ自体を移動させるために前記マニピュレータを制御する、ロボットシステム。
  2.  前記マニピュレータの先端にはハンドが取り付けられ、
     前記制御装置は、前記ハンドにより前記ロボットの移動経路上の固定物を把持させた状態で前記マニピュレータを動作させることにより前記ロボットを前記固定物に対して接近し又は離反させる、請求項1記載のロボットシステム。
  3.  前記固定物として所定形状の突状体が前記ロボットの移動経路に沿って設置される、請求項2記載のロボットシステム。
  4.  前記ロボットの位置を検出するための俯瞰カメラをさらに備える、請求項1乃至3のいずれか一項記載のロボットシステム。
  5.  前記ロボットの移動経路に沿って前記ロボットの位置を検出するためのセンサが設置される、請求項1乃至3のいずれか一項記載のロボットシステム。
  6.  前記ロボットには位置を検出するためのセンサが装備される、請求項1乃至3のいずれか一項記載のロボットシステム。
  7.  前記制御装置は、
      前記ロボットの現在位置に対する移動目標位置の変位及び姿勢変化に基づいて、前記ロボットの現在位置を原点とした第1ロボット座標系に対する前記移動目標位置を原点とした第2ロボット座標系への座標変換行列を計算し、
      前記固定物を把持した前記ハンドの手先位置から、前記座標変換行列の逆行列を前記固定物を把持した前記ハンドの手先位置に乗じて得られた位置までの手先移動軌道を計算し、
     前記ロボットを前記現在位置から前記移動目標位置まで移動させるために、前記手先移動軌道に従って前記マニピュレータを制御する、請求項2乃至6のいずれか一項記載のロボットシステム。
  8.  前記ロボットの移動を案内するために設置されるガイド機構をさらに備える請求項1乃至7のいずれか一項記載のロボットシステム。
  9.  前記ガイド機構は、前記ロボットの移動軌道に沿って敷設されるガイドポールと、前記ガイドポールに挿入されるスライダとからなり、前記スライダには前記ロボット又は前記自由台車が着脱自在に取り付けられる、請求項8記載のロボットシステム。
  10.  前記マニピュレータの一部を前記ロボットの移動経路上の固定物に押し当てた状態で前記マニピュレータを動作させることにより、前記ロボットを前記固定物に対して接近し、または離反させる、請求項1記載のロボットシステム
  11.  自由台車と前記自由台車上に載置されたマニピュレータと、前記マニピュレータの先端に装備されたハンドとを有するロボットの移動を制御するロボット移動制御装置において、
     ワールド座標系に対する前記ロボットの現在位置を原点とした第1ロボット座標系の位置及び各軸回転角に基づいて、前記ワールド座標系上での位置及び姿勢を前記第1ロボット座標系上の位置及び姿勢に変換するための第1座標変換行列(T1)を計算する手段と、
     前記第1座標変換行列(T1)により、前記ロボットの移動経路上の固定物を前記ハンドが把持した把持位置を、前記第1ロボット座標系上で表現された把持位置に変換する手段と、
     前記ロボットの現在位置に対する移動目標位置の変位及び姿勢変化に基づいて、前記第1ロボット座標系から前記移動目標位置を原点とした第2ロボット座標系への第2座標変換行列(T2)を計算する手段と、
     前記第1ロボット座標系上で表現された把持位置から、前記第1ロボット座標系上で表現された把持位置に前記第2座標変換行列(T2)の逆行列を乗じて得られた位置までの手先移動軌道を計算する手段と、
     前記ロボットを前記現在位置から前記移動目標位置まで移動させるために、前記手先移動軌道に従って前記マニピュレータを制御する制御部とを具備する、ロボット移動制御装置。
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