WO2023047574A1 - 作業教示方法、作業教示装置及びロボット - Google Patents

作業教示方法、作業教示装置及びロボット Download PDF

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弘樹 高橋
昌宏 小山
智博 井上
高志 三枝
慎一 石川
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Definitions

  • the present invention is a robot work teaching method that enables a robot to perform actual work with a simple configuration, and also enables a robot that performs high-speed work to teach a work motion of a teacher with high accuracy. and to provide a work teaching device.
  • the hand of the robot 12 is an example of the gripping section of the present invention. Details of the left hand of the robot 12 that grips the test tube 320 will now be described with reference to FIGS.
  • FIG. 13 (Method of Calculating Teaching Data 106 and Corrected Teaching Data 106) Details of the method of calculating the teaching data 106 and the corrected teaching data 106 will be described with reference to FIGS. 13 and 14.
  • FIG. Although the reference path 104, the motion path 105, and the teaching data 106 all include data for both arms of the robot 12, the left arm will be described as an example for simplicity.
  • correction step The procedure of the correction step will be explained along the flow chart of FIG.
  • the teacher 11 leaves the workbench 10 and instead moves the robot 12 to a predetermined position in front of the workbench 10 by means of an automatic guided vehicle.
  • the robot 12 does not hold anything, and the marker plate 321 is placed on the finger 620e of the left hand 620 as shown in FIG.
  • the fingers 620d and 620e are spread apart so that the positional relationship between the marker plate coordinate system 3200 ( ⁇ LM ) and the left gripping unit coordinate system 6200 ( ⁇ LT ) matches that when the left hand 620 grips the test tube 320. Adjust width.

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Abstract

被把持物を把持する把持部を有し、把持部に把持された被把持物を移動させるロボットに作業を教示する作業教示方法であって、教示者が被把持物を把持して移動させた際の被把持物の位置及び姿勢の時系列データを参照経路として出力し、参照経路に対応するロボットの教示データを生成する生成ステップ（Ｓ７０１）と、ロボットによる実作業の実行前に、教示データによりロボットを動作させた際の被把持物又は把持部の位置及び姿勢の時系列データを動作経路として出力し、動作経路を参照経路と一致させるように教示データを修正する修正ステップ（Ｓ７０２）と、を有する。

Description

作業教示方法、作業教示装置及びロボット
　本発明は、ロボットに作業を教示する作業教示方法及び作業教示装置、作業教示装置を備えるロボットに関する。
　特許文献１には、ロボットに作業を教示する作業教示方法が開示されている。
特開２０１７－２１７７３８号公報
　ロボットは、一般に、繰り返す作業において同じ位置で作業を再現する高い精度を有するのに対して、実空間における絶対位置の位置決め精度（以下、絶対位置決め精度、と呼ぶ）は保証されていないケースが多い。そのため、ロボットに作業を教示する際には、絶対位置決め精度が問題となる。指令値としてロボットに与えた座標と実空間における位置決めされる位置との間には、誤差が生じる。このため、ロボットに正確に作業を実施させるためには、この誤差の影響を対策する必要がある。しかし、この誤差は、ロボットの構造、ロボットに与える指令値の経路、ロボットが把持する対象物の重量など、様々な要因に起因して変化する。
　特許文献１に開示される作業教示方法では、超音波距離計を用いて作業者の作業動作を三次元計測し、この三次元計測データを用いて多軸ロボットの作業動作の補正制御を行う。特許文献１では、多軸ロボットに実作業を実行させている間に、多軸ロボットの作業動作を超音波距離計で計測して、事前に取得した作業者の作業動作に係る三次元測定データを用いて多軸ロボットの作業動作の補正制御を行う。
　特許文献１では、多軸ロボットに実作業を実行させている間に補正制御を行うため、常に超音波距離計が必要となる。また、作業動作が高速であれば、作業中の補正制御が間に合わないため、高速な作業には適用しづらいという課題があった。
　本発明は、簡単な構成でロボットに実作業を実行させることが可能で、且つ、高速な作業を行うロボットにも教示者の作業動作を高精度に教示することが可能なロボットの作業教示方法及び作業教示装置を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、本発明に係るロボットの作業教示方法は、被把持物を把持する把持部を有し、把持部に把持された被把持物を移動させるロボットに作業を教示する作業教示装置により実行される作業教示方法であって、作業教示方法は、教示者が被把持物を把持して移動させた際の被把持物の位置及び姿勢の時系列データを参照経路として出力し、参照経路に対応するロボットの教示データを生成する生成ステップと、ロボットによる実作業の実行前に、教示データを用いてロボットを動作させた際の被把持物又は把持部の位置及び姿勢の時系列データを動作経路として出力し、動作経路を参照経路と一致させるように教示データを修正する修正ステップと、を有する。
　本発明によれば、簡単な構成でロボットに実作業を実行させることが可能で、且つ、高速な作業を行うロボットにも教示者の作業動作を高精度に教示することが可能なロボットの作業教示方法及び作業教示装置を提供することができる。
　上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
実施例１の作業教示装置の構成図である。 制御装置のハードウェア構成を示すブロック図である。 作業台へのカメラの配置を示す図である。 マーカープレートを被把持物に取り付けた様子を示す図である。 試験管を把持するロボットのハンドに設定された座標系を示す図である。 試験管を把持するロボットのハンドに設定された座標系とマーカープレートに設定された座標系との関係を示す図である。 制御装置の動作を示すフローチャートである。 生成ステップにおける作業教示装置の構成図である。 生成ステップの詳細を示すフローチャートである。 修正ステップにおける作業教示装置の構成図である。 修正ステップの詳細を示すフローチャートである。 ロボットに実作業を実行させる際の作業教示装置の構成図である。 生成ステップで計測する参照経路の模式図である。 修正ステップで計測する動作経路の模式図である。 実施例２におけるロボットのハンドに設定された座標系を示す図である。 実施例２におけるロボットのハンドに設定された座標系とマーカープレートに設定された座標系との関係を示す図である。
　以下に、本発明の作業教示方法、作業教示装置及び作業教示装置を備えるロボットの実施例を、図面を用いて説明する。
　＜実施例１＞
　実施例１では、教示者が行う作業を高精度にロボットに教示することが可能な作業教示方法及び作業教示装置の例について、図１～図１４を用いて説明する。
　（作業教示装置１）
　図１は、実施例１の作業教示装置の構成図である。実施例１では、教示者１１が教示する作業の例として、作業台１０において、右手で把持したマイクロピペット３１０を使って、左手で把持した試験管３２０に試薬を分注する作業を、ロボット１２に教示する。作業教示装置１は、作業台１０に設置されたモーションキャプチャシステム用のカメラ２０１～２０４と、マイクロピペット３１０に取り付けられたマーカープレート３１１と、試験管３２０に取り付けられたマーカープレート３２１と、制御装置１００と、を備える。カメラ２０１～２０４は、本発明の撮像手段の一例である。ロボット１２は、被把持物（実施例１では、マイクロピペット３１０及び試験管３２０）の把持、及び、把持した被把持物の移動を行う。ロボット１２は、マイクロピペット３１０及び試験管３２０を把持及び移動する双腕を有し、可動範囲内で任意の位置に被把持物を移動させることが可能であり、且つ、把持物を任意の姿勢で把持することが可能である。ロボット１２の動作は、制御装置１００によって制御される。なお、実施例１では、ロボット１２とは別体の制御装置１００がロボット１２に作業を教示するが、ロボット１２に制御装置１００を組み込んでも良い。また、制御装置１００は、オンプレミスであっても良いし、クラウドであっても良い。
　（ロボット１２）
　ロボット１２は、頭部の目にあたる部分に設置されたステレオカメラ１２ｃを備える。ロボット１２は、首に１又は複数の関節軸を備え、ステレオカメラ１２ｃを作業台１０の任意の方向に向けることが可能である。ロボット１２は、図示しない無人搬送車上に設置されており、予め作成した部屋の地図を用いて、部屋内を移動して作業台１０の前に自律移動する。
　（制御装置１００のソフトウェア構成）
　制御装置１００は、ポーズ計測部１０１、教示データ生成・修正部１０２及び教示データ実行部１０３を含む。ポーズ計測部１０１は、カメラ２０１～２０４が撮像した複数の画像から、マーカープレート３１１及び３２１の各々の三次元位置及び姿勢の時系列データを出力する。ポーズ計測部１０１は、本発明の出力手段の一例である。以下、マーカープレート３１１及び３２１の三次元位置及び姿勢をポーズと称する。ポーズ計測部１０１が出力するポーズの時系列データは、参照経路１０４又は動作経路１０５として、記録される。
　教示データ生成・修正部１０２は、参照経路１０４からロボット１２への指令値となるデータを算出し、このデータは、教示データ１０６として、記録される。また、教示データ生成・修正部１０２は、記録された教示データ１０６を修正して、記録する。教示データ生成・修正部１０２は、本発明の生成手段の一例である。
　教示データ実行部１０３は、教示データ１０６及び修正した教示データ１０６を用いて、ロボット１２を動作させる。参照経路１０４、動作経路１０５及び教示データ１０６の詳細については、後述する。
　実施例１では、双腕を有するロボット１２へ作業を教示する例を示すが、１台または複数台の単腕のロボットを用いても構わない。また、複数台の単腕のロボットを用いる場合、それぞれ異なる種類の単腕のロボットであっても構わない。
　（制御装置１００のハードウェア構成）
　図２は、制御装置のハードウェア構成を示すブロック図である。図２に示すように、制御装置１００は、プロセッサ１２０と、通信インターフェース（以下、インターフェースをＩ／Ｆと略する）１２１と、主記憶装置１２２と、補助記憶装置１２３と、入出力Ｉ／Ｆ１２４と、上記した各ユニットを通信可能に接続するバス１２５と、を有する。
　プロセッサ１２０は、制御装置１００の各部の動作の制御を行う中央処理演算装置である。プロセッサ１２０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等である。プロセッサ１２０は、補助記憶装置１２３に記憶されたプログラムを主記憶装置１２２の作業領域に実行可能に展開する。主記憶装置１２２は、プロセッサ１２０が実行するプログラム、当該プロセッサ１２０が処理するデータ等を記憶する。プロセッサ１２０は、主記憶装置１２２に展開されたプログラムを実行することによって、上記したポーズ計測部１０１、教示データ生成・修正部１０２、及び、教示データ実行部１０３として機能する。主記憶装置１２２は、フラッシュメモリ、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等である。補助記憶装置１２３は、各種のプログラム及び各種のデータを記憶する。補助記憶装置１２３は、例えば、ＯＳ（Operating System）、各種プログラム、各種テーブル等を記憶する。補助記憶装置１２３は、不揮発性半導体メモリ（フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable ROM））を含むシリコンディスク、ソリッドステートドライブ装置、ハードディスク（ＨＤＤ、Hard Disk Drive）装置等である。入出力I／Ｆ１２４には、図示しないキーボードやマウスなどの入力デバイスやディスプレイなどの出力デバイスが接続される。通信Ｉ／Ｆ１２１は、カメラ２０１～２０４やロボット１２と通信可能に接続されている。カメラ２０１～２０４によって撮像された画像は、通信Ｉ／Ｆ１２１を介して、プロセッサ１２０に入力される。プロセッサ１２０に入力された画像は、プロセッサ１２０によって処理されて、参照経路１０４や動作経路１０５として、補助記憶装置１２３に記録される。また、プロセッサ１２０は、補助記憶装置１２３に記録された参照経路１０４を処理して、教示データ１０６を生成し、この教示データ１０６を補助記憶装置１２３に記録する。また、プロセッサ１２０は、教示データ１０６を修正し、修正した教示データ１０６を補助記憶装置１２３に記録する。通信Ｉ／Ｆ１２１は、プロセッサ１２０からの指示に従い、教示データ１０６や修正した教示データ１０６をロボット１２に出力する。
　図３は、作業台１０へのカメラ２０１～２０４の配置を示す図である。作業台１０に向かって作業する教示者１１が把持するマイクロピペット３１０及び試験管３２０には、マーカープレート３１１及び３２１が取り付けられている。マーカープレート３１１及び３２１のポーズの時系列データを出力するため、カメラ２０１～２０４は、作業台１０を挟んで教示者１１と反対側に設置される。カメラ２０１～２０４は、その視野２１０が重なり合いながら作業台１０上を覆うように、互いに間隔を空けて設置される。モーションキャプチャシステムは、キャリブレーションを実行して、作業台１０に設置されたカメラ２０１～２０４間の相対位置関係を把握し且つモーションキャプチャシステムによる計測時の座標系となる作業台座標系２１００（ΣＷ）を設定する。キャリブレーションにおいて、カメラ２０１～２０４は、配置が既知の反射マーカーを複数回撮像する。参照経路１０４、動作経路１０５及び教示データ１０６は、作業台座標系２１００（ΣＷ）を基準とする。作業台座標系２１００は、ロボット１２が作業を行う作業環境を表す作業環境座標系である。作業台１０上には、３個のマーカー１２ｍが設置されている。マーカー１２ｍの配置は、予め制御装置１００に登録されており、ロボット１２が作業台１０の前で動作する際には、ステレオカメラ１２ｃによりマーカー１２ｍを撮像することで、ロボット１２と作業台座標系２１００（ΣＷ）との位置関係を把握する。
　図４は、マーカープレートを被把持物に取り付けた様子を示す図である。マーカープレート３１１及び３２１の各々には、４個の反射マーカー３１１ａ～３１１ｄ及び３２１ａ～３２１ｄが配置される。反射マーカー３１１ａ～３１１ｄ及び３２１ａ～３２１ｄは、マーカープレート３１１及び３２１上で上下左右非対称に配置される。マーカープレート３１１及び３２１の各々には、マーカープレート座標系３１００（ΣＲＭ）及び３２００（ΣＬＭ）が設定されている。ポーズ計測部１０１には、反射マーカー３１１ａ～３１１ｄ及び３２１ａ～３２１ｄの配置パターンと、マーカープレート座標系３１００（ΣＲＭ）及び３２００（ΣＬＭ）との位置関係が予め登録されている。そして、ポーズ計測部１０１は、作業台座標系２１００（ΣＷ）を基準としたマーカープレート座標系３１００（ΣＲＭ）及び３２００（ΣＬＭ）のポーズを計測する。反射マーカー３１１ａ～３１１ｄと反射マーカー３２１ａ～３２１ｄとを異なる配置パターンにすることによって、ポーズ計測部１０１は、マーカープレート３１１及び３２１を区別しながら、マーカープレート３１１及び３２１のポーズを同時に計測可能となる。なお、異なる配置パターンとする代わりに、反射マーカー３１１ａ～３１１ｄの大きさや色を反射マーカー３２１ａ～３２１ｄとは異なるものとすることで、マーカープレート３１１及び３２１を識別することも可能である。また、マーカープレート３１１及びマーカープレート３２１に配置する反射マーカーの個数は、３個以上であれば個数が異なっていても構わない。また、図３では反射マーカーは、二次元的に配置されているが、立体的な配置であっても構わない。マーカープレート３１１は、アタッチメント３１２を介してマイクロピペット３１０に取り付けられる。マーカープレート３２１は、アタッチメント３２２を介して試験管３２０に取り付けられる。アタッチメント３１２及び３２２は、教示者１１がマイクロピペット３１０及び試験管３２０を把持及び移動する際の妨げとならないような形状となっている。これにより、モーションキャプチャシステムは、教示者１１がマイクロピペット３１０及び試験管３２０を把持し移動させる時のマーカープレート３１１及び３２１のポーズを容易に計測することができる。
　（ハンドの詳細）
　次に、被把持物を把持するロボット１２のハンドの詳細について説明する。ロボット１２のハンドは、本発明の把持部の一例である。ここでは、試験管３２０を把持するロボット１２の左ハンドの詳細を、図５及び６を用いて説明する。
　図５は、試験管３２０を把持するロボット１２の左ハンド６２０に設定された座標系を示す図であり、図６は、左ハンド６２０に設定された座標系とマーカープレート３２１に設定された座標系との関係を示す図である。左ハンド６２０は、開閉する２本の指６２０ａを有し、これらの指６２０ａの先端の凹部で試験管３２０を挟んで把持する。指６２０ａの先端には、切り欠き部６２０ｂが設けられており、マーカープレート３２１が取り付けられた試験管３２０を把持できる様になっている。左ハンド６２０の指６２０ａの把持中心には、左把持部座標系６２００（ΣＬＴ）が設定され、左ハンド６２０を取り付けるロボット１２の左手首フランジ６２０ｃの中心には左リンク先端座標系７２００（ΣＬＥ）が設定されている。左リンク先端座標系７２００（ΣＬＥ）に対する左把持部座標系６２００（ΣＬＴ）の位置関係は、ロボット１２のリンクパラメータとして予め制御装置１００に登録され、ロボット１２への指令値は左把持部座標系６２００（ΣＬＴ）のポーズとして与えられる。また、図６に示すマーカープレート座標系３２００（ΣＬＭ）と左把持部座標系６２００（ΣＬＴ）の位置関係も予め制御装置１００に登録されている。そして、モーションキャプチャシステムによりマーカープレート３２１を計測してマーカープレート座標系３２００（ΣＬＭ）のポーズを計測することで、これに対応する左把持部座標系６２００（ΣＬＴ）のポーズを計算することが可能である。実施例１では、左把持部座標系６２００（ΣＬＴ）のポーズを教示データ１０６として用いる。ここでは、試験管３２０を把持する左ハンド６２０を例に説明したが、マイクロピペット３１０を把持する右ハンドについても同様である。
　（制御装置１００の動作）
　図７は、制御装置の動作を示したフローチャートである。図７に示すように、実施例１の制御装置１００は、ロボット１２に作業を教示する教示段階と、ロボット１２に実作業を実行させる実行段階と、を実行する。ロボット１２に作業を教示する教示段階は、教示者１１が作業を実演して教示データ１０６を生成する生成ステップ（図９参照）と、教示データ１０６を修正する修正ステップ（図１１参照）と、の２つの工程を有している。生成ステップでは、教示者１１が被把持物を把持して移動させた際の被把持物の位置及び姿勢の時系列データを参照経路１０４として出力し、この参照経路１０４に対応するロボット１２の教示データを生成する。そして、修正ステップでは、ロボット１２による実作業の実行前に、教示データ１０６によりロボット１２を動作させた際の被把持物の位置及び姿勢の時系列データを動作経路１０５として出力する。そして、修正ステップでは、この動作経路１０５を参照経路１０４と一致させるように教示データ１０６を修正する。その後、実行段階において、制御装置１００は、教示データ１０６又は修正ステップで修正した教示データ１０６を用いて、ロボット１２に実作業を実行させる。
　（生成ステップ）
　まず、教示データ１０６を生成する生成ステップについて、図８及び９を用いて説明する。図８は、生成ステップにおける作業教示装置１の構成図であり、図９は、生成ステップの詳細を示すフローチャートである。生成ステップでは、まず、教示者１１が作業台１０に向かう。教示者１１は、マーカープレート３１１及び３２１が取り付けられたマイクロピペット３１０及び試験管３２０を把持して移動する作業を実演する。ポーズ計測部１０１は、マーカープレート３１１及び３２１のポーズを所定のサンプリング周期（例えば１０Ｈｚ）で計測し、マーカープレート座標系３１００及び３２００（ΣＲＭ、ΣＬＭ）のポーズの時系列データを参照経路１０４として出力し、記録する（Ｓ９０１）。このマーカープレート３１１及び３２１のポーズの時系列データが、本発明の参照経路（被把持物の位置及び姿勢の時系列データ）の一例である。続いて、教示データ生成・修正部１０２は、参照経路１０４に対応するロボット１２の教示データ１０６を生成する。具体的には、教示データ生成・修正部１０２は、記録した参照経路１０４からロボット１２の両腕の把持部座標系６２００（ΣＬＴ、ΣRＴ）のポーズの時系列データを生成し、これを教示データ１０６とする（Ｓ９０２）。また、教示データ生成・修正部１０２は、生成した教示データ１０６の実行が可能かどうかについて確認する（Ｓ９０３）。具体的には、教示データ生成・修正部１０２は、ロボット１２が作業台１０の前の所定の位置に設置されているものとして教示データ１０６に対する逆運動学計算を実施する。そして、ロボット１２の関節角の解が得られるかどうか、得られた関節角の解が非連続でないかどうか、得られた関節角の解においてロボット１２自身やロボット１２と周囲環境との干渉が生じないかどうか、を確認する。いずれも問題が無く、教示データ１０６の実行が可能である場合、ロボット１２での実行が可能なデータとして教示データ１０６を記録する（Ｓ９０４）。これにより、生成ステップは完了となる。なお、Ｓ９０３において、教示データ１０６の実行が不可能であると判断した場合は、教示者１１にその旨を提示し、改めて参照経路１０４の計測（Ｓ９０１）を、やり直す。
　（修正ステップ）
　次に、教示データ１０６を修正する修正ステップについて、図１０及び１１を用いて説明する。必要な計算の詳細については、後述するものとし、ここでは手順の流れについて説明する。図１０は、修正ステップにおける作業教示装置１の構成図であり、図１１は、修正ステップの詳細を示すフローチャートである。修正ステップでは、教示者１１は作業台１０から離れ、替わりに無人搬送車によりロボット１２が作業台１０の前の位置に移動する。ロボット１２は、マーカープレート３１１及び３２１を取り付けたマイクロピペット３１０及び試験管３２０を把持する。ロボット１２は、ステレオカメラ１２ｃにより作業台１０上のマーカー１２ｍを計測し、作業台座標系２１００（ΣＷ）を認識する（Ｓ１１０１）。作業台１０に対するロボット１２の立ち位置の誤差は、これにより把握される。次に、教示データ実行部１０３は、生成ステップで記録した教示データ１０６を用いてロボット１２を動作させ、マーカープレート３１１及び３２１が取り付けられたマイクロピペット３１０及び試験管３２０を把持して、移動させる。このとき、ポーズ計測部１０１は、マーカープレート３１１及び３２１のポーズの時系列データを動作経路１０５として計測し、記録する（Ｓ１１０２）。このマーカープレート３１１及び３２１のポーズの時系列データは、本発明の動作経路（被把持物の位置及び姿勢の時系列データ）の一例である。マーカープレート３１１及び３２１のポーズの時系列データは、本発明の被把持物の位置及び姿勢の時系列データである。
　Ｓ１１０２における動作経路１０５の計測の際、教示データ１０６をそのまま実行するのではなく、数点おきにロボット１２の動作を停止させ、停止時のマーカープレート３１１及び３２１のポーズの時系列データを動作経路１０５として計測する。続いて、教示データ生成・修正部１０２は、参照経路１０４と動作経路１０５との間の誤差（以下、位置決め誤差と呼ぶ）を算出する（Ｓ１１０３）。この位置決め誤差が所定の規定値を越えている場合（Ｓ１１０４：Ｙｅｓ）、教示データ生成・修正部１０２は、位置決め誤差を用いて教示データ１０６を修正する（Ｓ１１０５）。修正した教示データ１０６は、補助記憶装置１２３に記録される。そして、教示データ実行部１０３は、修正した教示データ１０６を用いて、ロボット１２を動作させ、再び動作経路１０５の計測（Ｓ１１０２）、及び、位置決め誤差の算出（Ｓ１１０３）を行う。再び算出した位置決め誤差が所定の規定値を越えている場合、又は、教示データ１０６の修正回数が所定回数を超過するまで、ステップＳ１１０２～ステップＳ１１０５を繰り返す。位置決め誤差が所定の規定値以内となった場合、又は、教示データ１０６の修正回数が所定回数を超過した場合、教示データ１０６又は修正した教示データ１０６を記録する（Ｓ１１０６）。これにより、修正ステップは完了となる。
　（実行ステップ）
　次に、教示データ１０６又は修正した教示データ１０６を用いてロボット１２が行う実作業について、図１２を用いて説明する。図１２は、教示段階が終了したロボット１２に実作業を実行させる作業教示装置１の構成図である。教示段階の終了後、マーカープレート３１１及び３２１をマイクロピペット３１０及び試験管３２０から取り外す。また、カメラ２０１～２０４を作業台１０から取り外す。ロボット１２は、作業台１０の前の位置に移動する。ロボット１２は、ステレオカメラ１２ｃにより作業台１０上のマーカー１２ｍを計測し、作業台座標系２１００（ΣＷ）を認識する。作業台１０に対するロボット１２の立ち位置の誤差は、これにより把握される。次に、教示データ実行部１０３は、教示データ１０６又は修正した教示データ１０６を用いてロボット１２に実作業を実行させる。ロボット１２は、教示データ１０６又は修正した教示データ１０６に従って動作し、マイクロピペット３１０及び試験管３２０を把持し、移動させる。
　（教示データ１０６及び修正した教示データ１０６の算出方法）
　教示データ１０６及び修正した教示データ１０６を算出する方法の詳細について、図１３及び１４を用いて説明する。なお、参照経路１０４、動作経路１０５及び教示データ１０６は、いずれもロボット１２の両腕分のデータを含んでいるが、簡単のためここでは左腕を例として説明する。
　まず、参照経路１０４から教示データ１０６を求める方法について説明する。図１３は、生成ステップで計測した参照経路１０４の模式図である。Ｓ９０１において計測された参照経路１０４は、モーションキャプチャシステムにより所定のサンプリング周期で計測されたマーカープレート３２１のポーズの時系列データであり、次式で表現する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　数式１中において、左上の添字「Ｗ」は作業台座標系２１００（ΣＷ）を基準であることを示し、右下の添字「ＬＭ」はマーカープレート座標系３２００（ΣＬＭ）を対象とすることを示す。引数「ｉ」は、時系列データの順番を示す。数式における添字の意味は、以降も同様である。ＷＴＬＭ（ｉ）は、４×４の同次変換行列であり、ＷＲＬＭ（ｉ）は、姿勢を表す３×３の回転行列、ＷｐＬＭ（ｉ）は、位置を表す３×１の位置ベクトルである。姿勢の表現については、回転行列の他、オイラー角やクオータニオンを用いた表現であっても構わない。図１３は、参照経路１０４に含まれる姿勢及び位置のうちＸ座標１０４ｘのみを図示した例であり、所定のサンプリング周期Δｔでｘ（ｉ）が並んだデータである。
　Ｓ９０２では、次式により参照経路１０４から教示データ１０６を生成する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　数式２中のＬＴＴＬＭは、左把持部座標系６２００（ΣＬＴ）から見たマーカープレート座標系３２００（ΣＬＭ）のポーズであり、図６より既知である。数式２により得られるＷＴＬＴ（ｉ）は、作業台座標系２１００（ΣＷ）基準の左把持部座標系６２００（ΣＬＴ）のポーズの時系列データであり、これが教示データ１０６である。
　次に、修正ステップで動作経路１０５から教示データ１０６を修正する方法について説明する。図１４は、修正ステップで計測する動作経路１０５の模式図である。動作経路１０５は、Ｓ１１０２において教示データ１０６を用いてロボット１２を動作させ、数点おきにロボット１２を停止させて計測されたマーカープレート３２１のポーズの時系列データであり、数式１の右肩にプライムを振って、次式で表現する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　図１４は、図１３と同様に動作経路１０５に含まれる位置及び姿勢のうちＸ座標１０５ｘのみを図示した例であり、２点おきにｉ＝１，４，７……の点で測定している。
　Ｓ１１０３における位置決め誤差は、参照経路１０４と動作経路１０５との間の差であり、動作経路１０５を測定したｉにおいて、位置誤差ｐｅ（ｉ）及び姿勢誤差Ｒｅ（ｉ）を次式のように定義する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　数式４及び５から分かるように、位置誤差ｐｅ（ｉ）は、単純な位置ベクトルの差であり、姿勢誤差Ｒｅ（ｉ）は、参照経路１０４の姿勢から見た動作経路１０５の姿勢の回転行列である。動作経路１０５を測定していないｉについては、式４及び５により得られた位置決め誤差を補間して位置決め誤差を求める。補間方法は、線形補間の他、スプライン補間など任意の補間方法で構わない。但し、姿勢誤差Ｒｅ（ｉ）は、３×３の回転行列であるため、行列形式のまま補間計算をすると回転行列の制約を満たさなくなるケースがある。そこで、オイラー角やクオータニオンなど他の表現形式に変換してから補間計算をし、改めて回転行列に変換することで、参照経路１０４の全てのｉに対して、位置誤差ｐｅ（ｉ）及び姿勢誤差Ｒｅ（ｉ）を得ることができる。
　この位置決め誤差が規定値を越えている場合、位置決め誤差を用いて教示データ１０６が修正される。動作経路１０５が参照経路１０４と一致するように、修正後の教示データ１０６は、次式により求まる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　数式６により得られるＷＴＬＴ（ｉ）が、位置決め誤差により修正された教示データ１０６である。修正した教示データ１０６を用いてロボットを動作させ、改めて計測した動作経路１０５を、数式３の右肩にプライムを追加して、次式で表現する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 　Ｓ１１０３において改めて求める位置決め誤差は、参照経路１０４と動作経路１０５との間の差であり、次式のように表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　Ｓ１１０４において位置決め誤差が再び規定値を超過している場合、Ｓ１１０５において修正した教示データ１０６を修正する。この時の教示データ１０６の計算は、数式４及び５の１回目の位置決め誤差と、数式８及び９の２回目の位置決め誤差の両方を用いて、次式により表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　上記のように、動作経路１０５の計測と教示データ１０６の修正とを反復することで、動作経路１０５が参照経路１０４とほぼ一致する修正した教示データ１０６を得ることができる。
　（実施例１の効果）
　実施例１では、ロボット１２による実作業の実行前に、修正ステップＳ７０２を実行する。これにより、ロボット１２による実作業中には、マーカープレート３１１及び３２１及び当該マーカープレート３１１及び３２１を撮像するカメラ２０１～２０４を設ける必要が無いので、簡単な構成でロボットに実作業を実行させることができる。
　また、実施例１では、ロボット１２による実作業の実行前に、修正ステップＳ７０２を実行することによって、高速な作業を行うロボット１２にも教示者１１の作業動作を高精度に教示することができる。
　また、実施例１では、ロボット１２は、作業台座標系２１００（ΣＷ）を認識してから、作業台座標系２１００（ΣＷ）を基準とした教示データにより動作する。これにより、作業台１０に対するロボット１２の立ち位置の精度が悪くても、ロボット１２による作業台座標系２１００（ΣＷ）の認識によって、作業台１０に対するロボット１２の立ち位置の誤差を把握することができる。その結果、ロボット１２が把持する被把持物の絶対位置決め精度が保証される。
　実施例１では、マーカープレート３１１及び３２１の４個の反射マーカー３１１ａ～３１１ｄ及び３２１ａ～３２１ｄをカメラ２０１～２０４で撮像することによって、被把持物の三次元位置及び姿勢を容易に測定することができる。
　実施例１では、参照経路１０４及び動作経路１０５の両方が、被把持物の位置及び姿勢の時系列データであるから、教示者１１が把持した被把持物の位置及び姿勢と、ロボット１２が把持した被把持物の位置及び姿勢とを、精度良く位置させることができる。
　実施例１では、参照経路１０４と動作経路１０５との誤差が規定値より大きい場合に修正ステップが実行されるので、不要な修正ステップが実行されるのを防止することができる。また、修正ステップでは、参照経路１０４と動作経路１０５との誤差を用いて、教示データ１０６を修正することができるので、誤差に応じた適切な教示データ１０６の修正を行うことができる。
　実施例１では、生成ステップにおいて教示者１１が作業を実演した際の参照経路１０４と修正ステップでロボット１２を動作させた際の動作経路１０５との間の誤差（位置決め誤差）が規定値以内となるような教示データ１０６を得ることできる。これにより、教示者１１が実演した作業と一致するような高精度な作業をロボットに実行させることができる。なお、位置決め誤差の要因としては、ロボット１２の実際のリンクパラメータが制御装置１００内と厳密には一致していないことによる誤差、ロボット１２や被把持物の重量によるたわみ変形による誤差、モーションキャプチャシステムの計測誤差、マーカープレート３１１及び３２１の取付位置の誤差など様々挙げられる。しかし、実施例１では、教示者１１とロボット１２とが同じ計測環境の中で被把持物を把持して移動させた際の参照経路１０４と動作経路１０５とを一致させるように教示データ１０６を修正する。これにより、上記したいずれの誤差の影響も取り除いて、教示者１１が教示した参照経路１０４の通りに、ロボット１２を動作させることができる。
　実施例１では、被把持物のポーズの計測に光学式のモーションキャプチャシステムを用いる例を示したが、その他の非接触の三次元計測手段であっても構わない。例えば、磁気式の三次元計測器、レーザートラッカー、教示者１１の動作をカメラで撮影した画像を解析するシステムなどが挙げられる。非接触の三次元計測手段を用いることで、教示者１１は、計測手段による拘束を受けずに作業を教示することができる。
　実施例１では、Ｓ９０１において、参照経路１０４を所定のサンプリング周期で計測した時系列データとして記録する例を示した。しかし、必ずしも所定のサンプリング周期である必要はなく、軌道の代表点であっても構わない。特徴的な点のみを時系列データとして記録することで、扱うデータのサイズを小さくすることができる。
　また、Ｓ９０２において教示データ１０６を生成する際、参照経路１０４と教示データ１０６との時系列データの時間幅は一致している必要は無い。例えば、参照経路１０４をダウンサンプリングしてから、教示データ１０６を生成しても構わない。これにより、教示データ１０６のデータのサイズを小さくすることができ、最終的にロボット１２を動作させるために必要なデータを小さくすることができる。
　実施例１では、Ｓ１１０２において動作経路１０５を計測する際、教示データ１０６を用いてロボット１２を動作させて、数点おきにロボット１２の動作を停止させてポーズ計測部１０１により計測する例を示した。しかし、一点ずつ停止して計測しても構わない。この場合、動作経路１０５の計測に時間を要するが、各点における位置決め誤差を補間することなく得られる。さらに、一点ずつ停止する場合、ロボット１２を低速で動作させることになるため、ロボット１２が安全に動作するかの確認を兼ねることができる。なお、数点おきにロボット１２を停止させる場合の時間間隔は一定でなくても構わない。例えば、事前に教示データ１０６の各点間の移動量を求めておき、所定の移動量を超えるたびにロボット１２を停止させて動作経路１０５を計測する。これにより、移動量が小さい箇所で必要以上にロボット１２を停止することがなくなり、修正ステップに要する時間を短縮することができる。
　＜実施例２＞
　実施例２では、実施例１より作業の教示が簡単なロボットの作業教示装置について、図１５及び１６を用いて説明する。図１５は、実施例２におけるロボット１２の左ハンド６２０に設定された座標系を示す図であり、図１６は、左ハンド６２０に設定された座標系とマーカープレート３２１に設定された座標系との関係を示す図である。図１５及び１６において、図５及び６と同じもの又は同一機能のものは同一の符号を付して重複する説明を省略する。実施例２におけるロボット１２の左ハンド６２０は、開閉する２本の指６２０ｄ及び６２０ｅを有し、これらの指６２０ｄ及び６２０ｅの先端の凹部で試験管３２０を挟んで把持する。指６２０ｅの側面には、マーカープレート３２１を設置することが可能なマーカープレート設置部６２０ｆが形成されている。
　実施例２における作業教示の手順は、実施例１と同様に、教示者１１が作業を実演して教示データ１０６を生成する生成ステップと、ロボット１２に作業を実施させて教示データ１０６を修正する修正ステップと、の二つの工程を有している。その後、修正ステップで修正された教示データ１０６を用いて、ロボット１２に作業を実行させる。以下、実施例１と異なる点について、詳細に説明する。
　生成ステップの手順については、実施例１と同様である。なお、実施例２の生成ステップで生成されるマーカープレート３１１及び３２１のポーズの時系列データは、本発明の参照経路（把持部の位置及び姿勢の時系列データ）の一例である。
　（修正ステップ）
　修正ステップの手順について、図１１のフローチャートに沿って説明する。修正ステップでは、教示者１１は作業台１０から離れ、替わりに無人搬送車によりロボット１２を作業台１０の前の所定の位置に移動させる。実施例１とは異なり、ロボット１２には何も持たせず、図１６のように左ハンド６２０の指６２０ｅにマーカープレート３２１を設置する。マーカープレート座標系３２００（ΣＬＭ）と左把持部座標系６２００（ΣＬＴ）との位置関係が、左ハンド６２０で試験管３２０を把持した時と一致するように、指６２０ｄと６２０ｅとの開き幅を調整する。右ハンドも同様に、マーカープレート３１１を設置し、右ハンドの指の開き幅を調整する。ロボット１２は、ステレオカメラ１２ｃにより作業台１０上のマーカー１２ｍを計測し、作業台座標系２１００（ΣＷ）を認識する（Ｓ１１０１）。作業台１０に対するロボット１２の立ち位置の誤差は、これにより把握される。次に、教示データ実行部１０３は、生成ステップで記録した教示データ１０６を用いてロボット１２を動作させ、マーカープレート３１１及び３２１が取り付けられた両ハンドを動作させる。このとき、ポーズ計測部１０１は、マーカープレート３１１及び３２１のポーズの時系列データを動作経路１０５として計測し、記録する（Ｓ１１０２）。マーカープレート３１１及び３２１のポーズの時系列データは、本発明の動作経路（把持部の位置及び姿勢の時系列データ）の一例である。
　Ｓ１１０２における動作経路１０５の計測の際、教示データ１０６をそのまま実行するのではなく、数点おきにロボット１２の動作を停止させ、停止時のマーカープレート３１１及び３２１のポーズの時系列データを動作経路１０５として計測する。続いて、教示データ生成・修正部１０２は、生成ステップで記録した参照経路１０４と修正ステップで記録した動作経路１０５との間の誤差（位置決め誤差）を算出する（Ｓ１１０３）。この位置決め誤差が所定の規定値を越えている場合（Ｓ１１０４：Ｙｅｓ）、教示データ生成・修正部１０２は、位置決め誤差を用いて教示データ１０６を修正する（Ｓ１１０５）。修正した教示データ１０６は、補助記憶装置１２３に記録される。そして、教示データ実行部１０３は、修正後の教示データ１０６を用いて、ロボット１２を動作させ、再び動作経路１０５の計測（Ｓ１１０２）、及び、位置決め誤差の算出（Ｓ１１０３）を行う。再び算出した位置決め誤差が所定の規定値を越えている場合、又は、教示データ１０６の修正回数が所定回数を超過するまで、Ｓ１１０２～Ｓ１１０５を繰り返す。位置決め誤差が所定の規定値以内となった場合、又は、教示データ１０６の修正回数が所定回数を超過した場合、教示データ１０６又は修正した教示データ１０６を記録する（Ｓ１１０６）。これにより、修正ステップは完了となる。
　（実行ステップ）
　次に、教示データ１０６又は修正した教示データ１０６を用いてロボット１２が行う実作業について、説明する。教示段階の終了後、マーカープレート３１１及び３２１をロボット１２の両ハンドから取り外す。また、カメラ２０１～２０４を作業台１０から取り外す。ロボット１２は、作業台１０の前の位置に配置される。ロボット１２は、ステレオカメラ１２ｃにより作業台１０上のマーカー１２ｍを計測し、作業台座標系２１００（ΣＷ）を認識する。作業台１０に対するロボット１２の立ち位置の誤差は、これにより把握される。次に、教示データ実行部１０３は、教示データ１０６又は修正した教示データ１０６を用いてロボット１２を動作し、マイクロピペット３１０及び試験管３２０を把持し、移動させる。教示されたロボット１２による実作業中に試験管３２０を左ハンドで把持する様子は、図１５に示す通りである。
　（実施例２の効果）
　実施例２では、修正ステップにおいてロボット１２に被把持物を把持させる必要がないため、扱う被把持物の種類が多い場合に、作業教示の工数を低減することができる。
　また、実施例２では、ロボット１２による実作業時に、マーカープレート３１１及び３２１をロボット１２の両ハンドから取り外す例について示した。しかし、マーカープレート３１１及び３２１が実作業の妨げにならないのであれば、取り外さなくても構わない。教示者１１による作業教示用のマーカープレート３１１及び３２１と、ロボット１２の両ハンドへの取り付け用のマーカープレート３１１及び３２１と、を二組用意しておけば、作業教示時の生成ステップから修正ステップへの移行が簡単となる。また、作業教示の工数を低減することができる。
　その他の効果については、実施例１と同様である。
　＜変形例＞
　本開示は、上述した実施形態に限定されるものでなく、様々な変形例を含んでいる。例えば、上述した実施形態は、本開示を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備える必要はない。また、ある実施形態の一部を他の実施形態の構成に置き換えることができる。また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることもできる。また、各実施形態の構成の一部について、他の実施形態の構成の一部を追加、削除又は置換することもできる。
１…ロボットの作業教示装置、１０…作業台、１１…教示者、１２…ロボット、１２ｃ…ステレオカメラ、１２ｍ…マーカー、１００…制御装置、１０１…ポーズ計測部、１０２…教示データ生成・修正部、１０３…教示データ実行部、１０４…参照経路、１０５…動作経路、１０６…教示データ、２０１～２０４…カメラ、２１０…カメラの視野、３１０…マイクロピペット、３２０…試験管、３１１、３２１…マーカープレート、３１１ａ～３１１ｄ、３２１ａ～３２１ｄ…反射マーカー、３１２、３２２…アタッチメント、６２０…左ハンド、２１００…作業台座標系、３１００、３２００…マーカープレート座標系、６２００…左把持部座標系、７２００…左リンク先端座標系

Claims (15)

  1. 　被把持物を把持する把持部を有し、前記把持部に把持された前記被把持物を移動させるロボットに作業を教示する作業教示装置により実行される作業教示方法であって、
    　前記作業教示方法は、
    　教示者が前記被把持物を把持して移動させた際の前記被把持物の位置及び姿勢の時系列データを参照経路として出力し、前記参照経路に対応する前記ロボットの教示データを生成する生成ステップと、
    　前記ロボットによる実作業の実行前に、前記教示データを用いて前記ロボットを動作させた際の前記被把持物又は前記把持部の位置及び姿勢の時系列データを動作経路として出力し、前記動作経路を前記参照経路と一致させるように前記教示データを修正する修正ステップと、
    　を有することを特徴とする作業教示方法。
  2. 　前記参照経路、前記動作経路及び前記教示データは、前記ロボットが前記作業を行う作業環境を表す作業環境座標系を基準とし、
    　前記修正ステップは、前記ロボットに前記作業環境座標系を認識させること、及び、前記作業環境座標系を基準とした前記教示データを用いて前記ロボットを動作させること、を含む、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の作業教示方法。
  3. 　前記生成ステップは、前記ロボットが前記作業を行う作業環境に設置された複数の撮像手段によって撮像された複数の画像であって、前記教示者が把持して移動させる前記被把持物の複数の画像から前記参照経路を出力することを含み、
    　前記修正ステップは、前記複数の撮像手段によって撮像された複数の画像であって、前記ロボットが把持して移動させる前記被把持物の複数の画像から前記動作経路を出力することを含む、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の作業教示方法。
  4. 　前記複数の撮像手段は、前記被把持物に取り付けられた３個以上のマーカー又は前記把持部に取り付けられた３つ以上のマーカーを撮像する、
    　ことを特徴とする請求項３に記載の作業教示方法。
  5. 　前記参照経路及び前記動作経路は、前記被把持物の位置及び姿勢の時系列データである、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の作業教示方法。
  6. 　前記教示データの修正は、前記参照経路と前記動作経路との誤差が規定値より大きい場合に、実行される、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の作業教示方法。
  7. 　前記修正ステップでは、前記参照経路と前記動作経路との誤差を用いて、前記教示データを修正する、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の作業教示方法。
  8. 　被把持物を把持する把持部を有し、前記把持部に把持された前記被把持物を移動させるロボットに作業を教示する作業教示装置であって、
    　教示者が前記被把持物を把持して移動させた際の前記被把持物の位置及び姿勢の時系列データを参照経路として出力する出力手段と、
    　前記出力手段によって出力された前記参照経路に対応する前記ロボットの教示データを生成する生成手段と、を備え、
    　前記出力手段は、前記教示データを用いて前記ロボットを動作させた際の前記被把持物又は前記把持部の位置及び姿勢の時系列データを動作経路として出力し、
    　前記生成手段は、前記ロボットによる実作業の実行前に、前記動作経路を前記参照経路と一致させるように前記教示データを修正する、
    　ことを特徴とする作業教示装置。
  9. 　前記参照経路、前記動作経路及び前記教示データは、前記ロボットが前記作業を行う作業環境を表す作業環境座標系を基準とし、
    　前記ロボットは、前記作業環境座標系を認識してから、前記作業環境座標系を基準とした前記教示データにより動作する、
    　ことを特徴とする請求項８に記載の作業教示装置。
  10. 　前記ロボットが前記作業を行う作業環境に設置された複数の撮像手段をさらに備え、
    　前記出力手段は、前記撮像手段によって撮像された前記被把持物の複数の画像から前記参照経路及び前記動作経路を出力する、
    　ことを特徴とする請求項８に記載の作業教示装置。
  11. 　前記撮像手段は、前記被把持物に取り付けられた３個以上のマーカー又は前記把持部に取り付けられた３つ以上のマーカーを撮像する、
    　ことを特徴とする請求項１０に記載の作業教示装置。
  12. 　前記参照経路及び動作経路は、前記被把持物の位置及び姿勢の時系列データである、
    　ことを特徴とする請求項８に記載の作業教示装置。
  13. 　前記生成手段は、前記参照経路と前記動作経路との誤差が規定値より大きい場合に、前記教示データを修正する、
    　ことを特徴とする請求項８に記載の作業教示装置。
  14. 　前記生成手段は、前記参照経路と前記動作経路との誤差を用いて、前記教示データを修正する、
    　ことを特徴とする請求項８に記載の作業教示装置。
  15. 　請求項８に記載の作業教示装置を備えるロボット。
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