WO2023112828A1 - 作業装置および作業装置の制御方法 - Google Patents

作業装置および作業装置の制御方法 Download PDF

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WO2023112828A1
WO2023112828A1 PCT/JP2022/045296 JP2022045296W WO2023112828A1 WO 2023112828 A1 WO2023112828 A1 WO 2023112828A1 JP 2022045296 W JP2022045296 W JP 2022045296W WO 2023112828 A1 WO2023112828 A1 WO 2023112828A1
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Inventor
裕二 アンドレ 保富
Original Assignee
株式会社日立製作所
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J13/00—Controls for manipulators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J5/00—Manipulators mounted on wheels or on carriages

Definitions

  • the present invention relates to the configuration and control of a working device, and more particularly to a technique effectively applied to height adjustment of a working robot mounted on a working device.
  • the robot on the vertical mobile platform is used to perform assembly, inspection and maintenance work in the construction and maintenance fields. Such operations include, but are not limited to, automatic installation of elevator rails, maintenance of building exteriors, fastening of interior boards to walls, inspection of dam walls, and cleaning of windows. .
  • a winder is typically used to move the platform so that the robot moves vertically to reach the height of the target to be processed by the robot.
  • High-precision height measurement is required when performing high-precision work or when performing work according to a pre-programmed trajectory based on a drawing or 3D schematic of the work environment.
  • Patent Literature 1 discloses a technique using a laser distance sensor composed of a laser irradiator placed on the ground floor and a laser reflector installed on a movable platform.
  • Patent Document 2 discloses a technique for measuring the height of a platform with high accuracy by detecting scales traced on a vertically stretched piano wire.
  • Patent Document 1 in addition to the cost increase due to the addition of the laser distance sensor, the laser irradiator must be placed on the lowest floor and aligned with the laser reflector before operating the robot system, which makes the system operation difficult. Preparation lead time increases.
  • Patent Document 2 in addition to increasing the cost of the robot system, it is necessary to use a specially calibrated piano wire, which makes the system more complicated.
  • an object of the present invention is to provide a working apparatus in which a working robot is mounted on a vertical movement platform, and which has a relatively simple and inexpensive configuration and is capable of highly accurate height adjustment of the working robot. It is to provide a control method.
  • the present invention provides a work robot that works on a target, a platform on which the work robot is mounted, a height adjustment device that adjusts the height of the platform, and the target.
  • a detection device for detecting a determination device for determining whether the position of the target detected by the detection device is within an operation range of the working robot, and a robot control device for controlling the operation of the working robot.
  • the determination device determines whether or not the target is within the operating range of the working robot. and instructing the height adjustment device to adjust the height of the platform if it is not within the range of motion.
  • the present invention includes the steps of (a) moving a platform on which a work robot is mounted to a height of a target, (b) detecting the target with a detection device attached to the work robot, and ( c) determining whether the position of the target detected by the detection device is within the operating range of the working robot; If it is determined that the object is within the operation range, the operation trajectory of the work robot is calculated according to the position of the target, and if it is determined that the target is not within the operation range of the work robot, It is characterized by adjusting the height of the platform.
  • the working device in which a working robot is mounted on a vertical movement platform, the working device is capable of highly accurate height adjustment of the working robot with a relatively simple and inexpensive configuration, and a control method thereof. can be realized.
  • FIG. 1 is a front view of an assembly system arranged in a hoistway of an elevator according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 2 is a top view of the assembly system of FIG. 1
  • FIG. 1 is a flowchart illustrating a method for optimizing the height of a robot for assembly work according to Example 1 of the present invention
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a method for optimizing the height of a robot for assembly work according to Embodiment 2 of the present invention
  • FIG. FIG. 11 is a front view of an assembly system arranged outside a building with windows according to Example 3 of the present invention
  • Example 1 of the present invention A work device and a control method thereof according to Example 1 of the present invention will be described with reference to FIGS.
  • an example of an assembly system that performs assembly work mainly in an elevator hoistway will be described as a work device.
  • work equipment such as exterior maintenance of buildings, fixing of interior boards to walls, inspection of dam walls, and wiping of windows.
  • FIG. 1 is a front view of the assembly system 100 arranged in the hoistway 101 of the elevator of this embodiment.
  • FIG. 2 is a top view of assembly system 100 of FIG.
  • FIG. 3 is a flow chart illustrating a method for optimizing the height of the robot for the assembly task of the present invention.
  • the assembly system 100 of this embodiment is arranged in a hoistway 101 of an elevator for assembly work.
  • Assembly system 100 comprises a robotic arm 1 positioned on top of a vertical mobile platform 2 suspended by at least two ropes 3 .
  • the ropes 3 are respectively wound or stretched by at least one winding machine 4, which allows the vertical movement platform 2 to move vertically.
  • At least one of the winders 4 is equipped with an absolute position detector (not shown) that allows rough estimation of the height of the vertical moving platform 2 .
  • the orientation of the vertical moving platform 2 in the X and Y axes is measured by the tilt sensor 5. This orientation is adjusted by a winder controller 12 which sends winding commands to the winder 4 to keep the vertical moving platform 2 horizontal.
  • the assembly system 100 also includes a system control device 10 including a robot control device 11, a winder control device 12, a robot operating range determination device 13 (hereinafter simply referred to as determination device 13), and a work planning device 14. It has
  • the robot controller 11 sends control commands to the robot arm in order to move the robot arm according to the plan created by the work planner 14.
  • the work planning device 14 plans the operation of the winding machine 4 driven by the winding machine control device 12 .
  • the determination device 13 determines whether the robot is at a height at which the assembly work can be performed without reaching an area where the robot cannot reach, whether the robot is positioned at a singular point, or whether the robot collides with the surrounding environment. do.
  • the elevator hoistway 101 in which the assembly system 100 is located comprises a wall 6 surrounding the assembly system 100, two rails 7 fixed to the ground in a lower position, and targets 8 fixed to the rails 7. It has
  • the target 8 includes a bracket 8a, a clip bolt 8b, a clip 8c and a nut 8d.
  • a clip bolt 8b presses a clip 8c against one side of the rail 7 edge and a nut 8d on the opposite side of the rail 7 edge is screwed against the surface of the bracket 8a so that the bracket on the opposite side of the rail 7 edge is secured.
  • 8a is fixed to the rail 7;
  • the clip bolt 8b passes through a hole (not shown) provided in the bracket 8a to connect with the nut 8d on the opposite side.
  • the bracket 8a may be fixed by soldering, for example, instead of being fixed to the rail 7 by the clip bolt 8b and the nut 8d.
  • the robot arm 1 includes a target detection device 9 (hereinafter simply referred to as the target detection device 9) used to detect a target 8 outside the assembly system 100.
  • a target detection device 9 hereinafter simply referred to as the target detection device 9 used to detect a target 8 outside the assembly system 100.
  • a camera with image processing capability for detecting predetermined targets is used as the target detection device 9 .
  • sensors with target detection capabilities can be used instead of cameras.
  • laser profilers with algorithms for object detection, laser scanners, and ultrasonic range sensors can be used instead of cameras.
  • the assembly system 100 is used in the hoistway 101 of the elevator, but the scope of application of the present invention is not limited to the hoistway of the elevator.
  • the present invention can also be applied to building exteriors, locations close to dam walls, construction facilities where interior boards need to be fixed to walls, and the like.
  • the assembly work performed by the assembly system 100 of this embodiment also includes work related to handling of the target object 8 .
  • the type of handling task affects the determination of the robot's range of motion, but is not important to the concept of the invention.
  • a handling operation is defined here as a series of operations including unclamping the clip bolt 8b, partially shifting the position of the bracket 8a, and tightening the clip bolt 8b.
  • This operation is performed to move the bracket 8a, one end of which is fixed to the rail 7, to a height above the wall 6 where the bracket can be fixed on the wall surface (for example, the height of the wall with no uneven surface).
  • this work requires at least a tool such as a nut runner for loosening the clip bolt and a tool such as an air gripper for gripping the bracket.
  • FIG. 3 shows a flow chart of a method for optimizing the height of the robot to perform the assembly work in this embodiment.
  • step S30 the vertical movement platform 2 is moved to a predetermined height close to the target 8.
  • step S31 the target detection device 9 (hereinafter also referred to as a camera) is moved to the position of the target 8 presumed in advance.
  • step S32 detection of the target object 8 by the camera 9 is attempted.
  • step S33 it is determined whether or not the target 8 can be detected.
  • the target 8 may not be within the field of view 15 of the camera 9 due to inaccuracies in the winder 4 or height inaccuracies due to manual positioning of the target 8 . In that case (No), the camera 9 is moved to a new search position, the process returns to step S32, and the detection of the target object 8 by the camera 9 is repeated.
  • step S33 the process proceeds to step S35 to check whether the target 8 is within the working range of the robot arm 1 or not.
  • step S35 If it is determined in step S35 that the target 8 is within the working range of the robot arm 1 (Yes), then the process proceeds to step S37 where the robot assembly including the robot arm 1 is adjusted to accommodate the height of the target 8. Adjust the trajectory to the new target position and carry out the assembly work.
  • step S35 determines whether the target object 8 is within the working range of the robot arm 1 (No)
  • the process proceeds to step S36 to move the vertical movement platform 2 to a new height, and returns to step S31. , the operations after step S31 are repeated.
  • the predetermined initial height of the vertical moving platform 2 and the pre-estimated search position of the target 8 can be obtained from the 3D data or 2D drawing of the elevator shaft 101 .
  • the height of the target 8 can also be obtained by directly measuring it in advance.
  • the blind spot of the target detection device (camera) 9 should also be considered.
  • An example of a blind spot is the position of the camera 9 such that there is a rope 3 or other object between the camera 9 and the target 8.
  • features of the target 8 are extracted from previously captured images of the same target 8 via image processing, and then features matching those extracted features are extracted. can be retrieved from newly captured images during the search for the target 8 .
  • a matching feature If a matching feature is found, it means that target 8 has been found.
  • image processing methods for extracting image features include template matching and pattern detection.
  • the use of neural networks is also conceivable.
  • the determination device 13 determines whether (1) the target 8 is within the joint limits of the robot arm 1; (3) not in a position where collisions of the robot arm 1 have occurred in previous experience; ) Even if it is not included in (1) to (3), it is possible to easily check whether or not the joint of the robot arm 1 is at a position where the joint of the robot arm 1 is broken due to an overload due to the posture of the robot.
  • Another method for determining whether the target 8 is within the working range of the robotic arm 1 is to (1) inspect all components of the assembly system 100 as well as the work environment (i.e., the elevator hoistway 101); (2) updating the environment based on the position of the target 8 obtained by the camera 9; (3) graph-based e.g. Rapid Search Random Tree (RRT) is to try to find a collision-free path for manipulating the target 8 via the trajectory search algorithm of .
  • RRT Rapid Search Random Tree
  • the target 8 is determined to be within the working range of the robot arm 1; otherwise, it is determined that the target 8 is not within the working range of the robot arm 1. If no target 8 is found at the initial search position, the new camera 9 position for searching for the target 8 is any position within the working range of the robot arm 1 and not measured by the camera 9. There is a possibility.
  • the robot arm 1 can be moved with a step size equal to or less than the horizontal or vertical field of view 15 of the camera 9.
  • an efficient approach to locate the target 8 is to allow the robot arm 1 to reach its reach limit , without moving in a direction (upward or downward) that allows longer movements with a step size equal to the vertical field of view of the camera 9 .
  • the robot arm 1 can cover the entire search area in the vertical direction, and if the target 8 is not found, the determination device 13 determines whether the target 8 is within the working range of the robot arm 1. It can be determined with certainty that there is no
  • the height of the new vertical movement platform 2 is determined by the target 8 relative to the robot arm 1 for a given optimal working range. It can be the direction and step size to be in position. This optimum position can be obtained by preliminary experiments with the assembly system 100. FIG.
  • the new vertical movement platform 2 height if no target 8 is found may be the height shifted up or down from the current platform position by a step size equal to the vertical working range of the robot arm 1.
  • the search direction can be chosen randomly.
  • the robot arm 1 of the assembly system 100 can be arranged at a height that optimizes the assembly work.
  • FIG. 4 is a flow chart illustrating a method for optimizing the height of the robot for the assembly task of the present invention. This embodiment is a modification of the first embodiment (FIG. 3).
  • step S40 while trying to detect the target 8 using the camera 9, the vertical moving platform 2 is moved (raised).
  • step S41 it is determined whether or not the target 8 can be detected.
  • step S40 If the camera 9 does not detect the target 8 (No), the process returns to step S40, and continues to move the vertical moving platform 2 until the upper limit or lower limit is reached, depending on the moving direction of the vertical moving platform 2.
  • step S42 the movement of the vertical movement platform 2 is stopped.
  • step S43 the camera 9 is moved to the position where the target 8 is detected, and the target 8 is detected more precisely. That is, move the vertical movement platform 2 and robot arm 1 to a better detection height in order to redetect the target 8 .
  • step S44 proceed to check whether the target 8 is within the working range of the robot arm 1.
  • step S44 If it is determined in step S44 that the target 8 is within the working range of the robot arm 1 (Yes), the process proceeds to step S46 where the robot assembly including the robot arm 1 is adjusted to accommodate the height of the target 8. Adjust the trajectory to the new target position and carry out the assembly work.
  • step S44 determines that the target 8 is not within the working range of the robot arm 1 (No)
  • the process proceeds to step S45, after which the vertical movement platform 2 is moved to a new (different) height. , the process returns to step S43, and the operations after step S43 are repeated.
  • the re-detection of the target 8 in step S43 is done because the detection of the target 8 while moving the vertical moving platform 2 may suffer image acquisition errors due to the movement of the vertical moving platform 2. .
  • Another reason for redetection is that there is a delay from when the target 8 is detected until the vertical moving platform 2 comes to a complete stop. Therefore, after the vertical moving platform 2 stops, the position of the target 8 is not the same as when the target 8 was detected.
  • the height moved during this delay is used to compensate for height errors in the position of the detected target 8, then as the camera 9 moves to redetect the target 8, the target 8 is within the field of view 15 of the camera 9.
  • this method continuously tries to detect the target 8 when the vertical moving platform 2 is being raised, so that the target 8 is detected by e.g. 3D data verification. It is advantageous because it does not rely on prior estimation of position.
  • f is the sampling frequency
  • Vplatf is the maximum vertical velocity of the platform
  • dVFOV' is the dimension of the vertical field of view of the camera 9. Note that if other sensors are used, the measurement range of the sensor can be replaced with dVFOV.
  • FIG. 5 is a front view of the assembly system arranged outside the windowed building of this embodiment.
  • the assembly system 100 of this embodiment is placed outside a building 501 with windows, and performs window cleaning work as an example of maintenance work.
  • the basic configuration of the assembly system 100 of this embodiment is the same as that of the first embodiment (FIGS. 1 and 2), except that the winding machine 4 is arranged on the vertical moving platform 2 and the rope 3 is wound. It is different from the first embodiment (FIGS. 1 and 2) in that it is not housed inside the winder 4 when it is unwound and passes through the winder 4 when the vertical movement platform 2 moves vertically.
  • An outer wall 52 and windows 53 are arranged on the outside of the building 501 with windows.
  • Window 53 is rectangular and has four corners. These four corners are the targets 8 in this embodiment. Although the four corners of the target 8 are highlighted in FIG. 5, they have the shape of the four corners of a normal window and do not have the special shape required for use in the method of the present invention. .
  • Examples 1 and 2 can be used in the windowed building 501 of this example, but in this assembly environment the targets 8 to be detected are the four corners of the window 53 .
  • the window has four corners, any of which can be detected.
  • a detection algorithm that can detect all four corners of the window 53 is more effective in estimating the position of the robot because it provides more options for detecting the position of the window if one corner is falsely detected.
  • targets 8 used in Examples 1 to 3 are merely exemplary and do not limit the scope of the claims. Any object that can be used as a reference for determining the height of assembly system 100 relative to the area in which assembly operations are performed is effective. Non-objects such as marks on walls or rails can also be used as reference points (targets 8).
  • the present invention is not limited to the above-described examples, and includes various modifications.
  • the above-described embodiments have been described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and are not necessarily limited to those having all the described configurations.
  • it is possible to replace part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment.

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Abstract

垂直移動プラットフォーム上に作業用ロボットが搭載された作業装置において、比較的シンプルかつ安価な構成で、作業用ロボットの高精度な高さ調整が可能な作業装置を提供する。目標物に対し作業を行う作業ロボットと、前記作業ロボットを搭載するプラットフォームと、前記プラットフォームの高さを調整する高さ調整装置と、前記目標物を検出する検出装置と、前記検出装置が検出した前記目標物の位置が前記作業ロボットの動作範囲内にあるかを判定する判定装置と、前記作業ロボットの動作を制御するロボット制御装置と、を備え、前記判定装置は、前記目標物が前記作業ロボットの動作範囲内に入っているかを判定し、動作範囲に入っている場合は、前記ロボット制御装置に前記目標物の位置に合わせて前記作業ロボットの動作軌道を計算するよう指示し、動作範囲に入っていない場合は、前記高さ調整装置に前記プラットフォームの高さを調整するよう指示することを特徴とする。

Description

作業装置および作業装置の制御方法
　本発明は、作業装置の構成とその制御に係り、特に、作業装置に搭載された作業用ロボットの高さ調整に適用して有効な技術に関する。
　垂直移動プラットフォーム上のロボットは、建設及び保守分野における組立・検査・保守作業を行うために使用される。このような作業には、これに限定されるものではないが、エレベータレールの自動設置や建物の外観のメンテナンス、内装ボードの壁への固定、ダム壁の検査、及び窓の拭き取りなどが含まれる。これらの作業を実行するために、通常、巻き取り機を使用してプラットフォームを移動し、その結果、ロボットが垂直に移動して、ロボットが処理する目標物の高さに到達する。
　高精度な作業を実行する場合や、作業環境の図面または３Ｄ概略図に基づいて予めプログラムされた軌道に従って作業を実行する場合は、高精度の高さ測定が必要とされる。
　しかしながら、一般的な巻き取り機は、ロボットの到達不足やロボットの特異点、障害物との衝突を避けるために必要なミリメートル単位の精度を満たしておらず、別の高さ測定方法が必要である。
　本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１には、地上階に配置されたレーザ照射器と可動プラットフォームに設置されたレーザ反射板とで構成されるレーザ距離センサを用いる技術が開示されている。
　また、特許文献２には、垂直に引き伸ばされたピアノ線にトレースされた目盛りを検出して、プラットフォームの高さを高精度で測定する技術が開示されている。
特開２０２０－７０９５号公報 特開平４－５５２７６号公報
　特許文献１では、レーザ距離センサの追加によるコスト増に加えて、レーザ照射器を最下階に配置し、それをロボットシステムの操作前にレーザ反射板に位置合わせする必要があり、システムの稼働準備のリードタイムが増加する。
　さらに、レーザ測定の精度はプラットフォームの高さと共に低下し、ロボットを操作できる最大の高さが制限される。
　また、特許文献２では、ロボットシステムのコスト増に加えて、特別に目盛りが付けられたピアノ線を使用する必要があり、システムがより複雑になる。
　さらに、ピアノ線が伸びると塑性変形し、高さ測定精度が低下する。また、ピアノ線は形状が細いため、目盛りの測定が困難である。
　そこで、本発明の目的は、垂直移動プラットフォーム上に作業用ロボットが搭載された作業装置において、比較的シンプルかつ安価な構成で、作業用ロボットの高精度な高さ調整が可能な作業装置及びその制御方法を提供することにある。
　上記課題を解決するために、本発明は、目標物に対し作業を行う作業ロボットと、前記作業ロボットを搭載するプラットフォームと、前記プラットフォームの高さを調整する高さ調整装置と、前記目標物を検出する検出装置と、前記検出装置が検出した前記目標物の位置が前記作業ロボットの動作範囲内にあるかを判定する判定装置と、前記作業ロボットの動作を制御するロボット制御装置と、を備え、前記判定装置は、前記目標物が前記作業ロボットの動作範囲内に入っているかを判定し、動作範囲に入っている場合は、前記ロボット制御装置に前記目標物の位置に合わせて前記作業ロボットの動作軌道を計算するよう指示し、動作範囲に入っていない場合は、前記高さ調整装置に前記プラットフォームの高さを調整するよう指示することを特徴とする。
　また、本発明は、（ａ）作業ロボットを搭載したプラットフォームを目標物の高さに移動するステップと、（ｂ）前記作業ロボットに取り付けられた検出装置により前記目標物を検出するステップと、（ｃ）前記検出装置が検出した前記目標物の位置が前記作業ロボットの動作範囲内に入っているかを判定するステップと、を有し、前記（ｃ）ステップにおいて、前記目標物が前記作業ロボットの動作範囲内に入っていると判定した場合、前記目標物の位置に合わせて前記作業ロボットの動作軌道を計算し、前記目標物が前記作業ロボットの動作範囲内に入っていないと判定した場合、前記プラットフォームの高さを調整することを特徴とする。
　本発明によれば、垂直移動プラットフォーム上に作業用ロボットが搭載された作業装置において、比較的シンプルかつ安価な構成で、作業用ロボットの高精度な高さ調整が可能な作業装置及びその制御方法を実現することができる。
　これにより、垂直移動を伴う作業において、ロボットによる作業を最適に行うことができる。
　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。
本発明の実施例１に係るエレベータの昇降路内に配置された組立システムの正面図である。 図１の組立システムの上面図である。 本発明の実施例１に係る組み立て作業のためにロボットの高さを最適化する方法を示すフローチャートである。 本発明の実施例２に係る組み立て作業のためにロボットの高さを最適化する方法を示すフローチャートである。 本発明の実施例３に係る窓付き建物の外部に配置された組立システムの正面図である。
　以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。
　図１から図３を参照して、本発明の実施例１の作業装置とその制御方法について説明する。
　なお、本明細書では、作業装置として、主にエレベータの昇降路内で組み立て作業を実施する組立システムの例を用いて説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、上述したように、建物の外観のメンテナンスや内装ボードの壁への固定、ダム壁の検査、窓の拭き取りなどの作業装置にも適用することができる。
　図１は、本実施例のエレベータの昇降路１０１内に配置された組立システム１００の正面図である。図２は、図１の組立システム１００の上面図である。図３は、本実施例の組み立て作業のためにロボットの高さを最適化する方法を示すフローチャートである。
　本実施例の組立システム１００は、図１及び図２に示すように、組み立て作業を行うためにエレベータの昇降路１０１内に配置されている。組立システム１００は、少なくとも２本のロープ３によって吊り下げられた垂直移動プラットフォーム２の上部に配置されたロボットアーム１を備える。
　ロープ３は、それぞれ少なくとも１台の巻き取り機４によって巻き取りまたは引き延ばしが行われ、これにより、垂直移動プラットフォーム２が上下方向に移動することができる。巻き取り機４の少なくとも１台は、垂直移動プラットフォーム２の高さの大まかな推定を可能にする絶対位置検出器（図示せず）を備えている。
　なお、ロープ３の伸縮や劣化により、垂直移動プラットフォーム２の高さの推定精度が低下するため、絶対位置検出器の値を垂直移動プラットフォーム２の高さに正確に関連付けることはできない。
　X軸及びY軸における垂直移動プラットフォーム２の向きは、傾斜センサ５によって測定される。この向きは、垂直移動プラットフォーム２を水平方向に保つために巻き取り機４に巻き取りコマンドを送信する巻き取り機制御装置１２によって調整される。
　また、組立システム１００は、ロボット制御装置１１と、巻き取り機制御装置１２と、ロボット動作範囲判定装置１３（以下、単に判定装置１３と称する）と、作業計画装置１４とを含むシステム制御装置１０を備えている。
　ロボット制御装置１１は、作業計画装置１４によって作成された計画に従ってロボットアームを移動させるために、制御コマンドをロボットアームに送信する。
　作業計画装置１４は、巻き取り機制御装置１２によって駆動される巻き取り機４の動作を計画する。
　判定装置１３は、ロボットが到達できない領域に到達することなく組立作業を実行できる高さであるか、ロボットが特異点に位置する状態であるか、またはロボットが周囲の環境と衝突するかを判定する。
　組立システム１００が配置されているエレベータの昇降路１０１は、組立システム１００を取り囲む壁６と、下方位置で地面に固定されている２つのレール7と、レール７に固定されている目標物８とを備えている。
　目標物８は、ブラケット８ａと、クリップボルト８ｂと、クリップ８ｃと、ナット８ｄとを含んで構成されている。
　クリップボルト８ｂがレール７のエッジの一方の側にクリップ８ｃを押し付け、レール７のエッジの反対側においてナット８ｄをブラケット８ａの表面に向かってねじ込むことにより、レール７のエッジの反対側にあるブラケット８ａをレール７に固定する。クリップボルト８ｂは、反対側のナット８ｄと連結するために、ブラケット８ａに設けられた穴（図示せず）を貫通する。
　なお、ブラケット８ａは、クリップボルト８ｂ及びナット８ｄによってレール７に固定される以外にも、例えば、半田付けによって固定しても良い。
　ロボットアーム１は、組立システム１００の外部の目標物８を検出するために使用される目標物検出装置９（以下、単に目標検出装置９と呼ぶ）を備える。
　本実施例では、所定の目標物を検出するための画像処理能力を備えたカメラが、目標検出装置９として使用される。なお、カメラの代わりに、目標検出機能を備えた他のセンサを使用することもできる。例えば、物体検出用のアルゴリズムを備えたレーザプロファイラや、レーザスキャナ、超音波距離センサを、カメラの代わりに使用することができる。
　また、本実施例では、組立システム１００はエレベータの昇降路１０１内で使用されているが、本発明の適用範囲はエレベータの昇降路に限定されない。本発明は、建物の外装や、ダム壁に近接した場所、内装ボードを壁に固定する必要のある建設施設などにも適用可能である。
　本実施例の組立システム１００によって実施される組立作業には、目標物８の取り扱いに関する作業も含まれる。取り扱い作業の種類は、ロボットの動作範囲の判断に影響を与えるが、本発明の概念において重要ではない。
　しかしながら、本発明の説明を分かり易くするために、ここでは取り扱い作業を、クリップボルト８ｂの締め付け解除、ブラケット８ａの位置の部分的なシフト、及びクリップボルト８ｂの締め付けを含む一連の作業として定義する。
　この作業は、一端がレール７に固定されているブラケット８ａを、壁面上のブラケット固定が可能な壁６上の高さ（例えば、表面の凹凸のない壁の高さ）に移動させるために行われる。
　図１及び図２には図示していないが、この作業を行うには、少なくとも、ナットランナなどのクリップボルトを緩めるための工具と、エアグリッパなどのブラケットを把持するための工具が必要である。
　図３に、本実施例において、組立作業を実施するためにロボットの高さを最適化する方法のフローチャートを示す。
　先ず、ステップＳ３０において、垂直移動プラットフォーム２を目標物８に近い所定の高さに移動させる。
　次に、ステップＳ３１において、目標検出装置９（以下、カメラとも称する）を予め推定した目標物８の位置に移動させる。
　続いて、ステップＳ３２において、カメラ９による目標物８の検出を試行する。
　次に、ステップＳ３３において、目標物８の検出可否を判定する。
　巻き取り機４の不正確さや目標物８の手動配置による高さの不正確さのために、目標物８がカメラ９の視野１５内にない可能性がある。その場合（No）、カメラ９を新たな検索位置に移動させ、ステップＳ３２に戻り、カメラ９による目標物８の検出を繰り返す。
　一方、ステップＳ３３において、カメラ９により目標物８を検出した場合（Yes）は、ステップＳ３５に進み、目標物８がロボットアーム１の作業範囲内にあるかどうかをチェックする。
　ステップＳ３５において、目標物８がロボットアーム１の作業範囲内にあると判定された場合（Yes）、ステップＳ３７に進み、目標物８の高さに適応するように、ロボットアーム１を含むロボットアセンブリの軌道を新しい目標位置に調整し、組立作業を実施する。
　一方、ステップＳ３５において、目標物８がロボットアーム１の作業範囲内にないと判定された場合（No）、ステップＳ３６に進み、垂直移動プラットフォーム２を新たな高さに移動させ、ステップＳ３１に戻り、ステップＳ３１以降の動作を繰り返す。
　なお、垂直移動プラットフォーム２の所定の初期高さ、及び予め推定された目標物８の探索位置は、エレベータの昇降路１０１の３Ｄデータまたは２Ｄ図面によって得ることができる。
　また、例えば、目標物８が手動で配置された場合には、目標物８の高さを事前に直接測定することによっても得ることができる。
　垂直移動プラットフォーム２の初期高さを考慮する際には、目標検出装置（カメラ）９の死角も考慮されるべきである。
　死角の例としては、カメラ９と目標物８との間にロープ３や他の物体があるようなカメラ９の位置である。
　目標物８を検出するためには、例えば、同じ目標物８の事前に撮影された画像から画像処理を介して目標物８の特徴を抽出し、次いで、それらの抽出された特徴に一致する特徴を目標物８の検索中に新たに撮影した画像から検索することができる。
　一致する特徴が見つかった場合、それは目標物８が見つかったことを意味する。画像の特徴を抽出するための画像処理方法の例には、テンプレートマッチング及びパターン検出が挙げられる。また、ニューラルネットワークの使用も考えられる。
　目標物８がロボットアーム１の作業範囲内にあるかどうかを判定するために、判定装置１３は、（１）目標物８がロボットアーム１の関節制限内にあるかどうか、（２）ロボットアーム１の仕様に従ってロボットの特異点が発生する可能性のあるロボット構成を必要とする位置にないかどうか、（３）以前の経験でロボットアーム１の衝突が発生した位置にないかどうか、（４）（１）～（３）に含まれない場合であっても、ロボットの姿勢によりロボットアーム１の関節が過負荷により壊れる位置にないか、を簡単にチェックすることができる。
　これらの経験を得るには、ロボットアーム１を様々な高さに移動し、作業をシミュレートして衝突の可能性を確認する必要がある。そして、衝突の可能性のある情報は、判定装置１３によるアクセスのためにデータベース（図示せず）に格納する。
　（４）の例としては、例えば、ロボットアーム１がある対象物を把持しようとした時に、ロボットアーム１の重心位置が変化しプラットフォーム２が変異および回転することで、ロボットアーム１のグリッパー位置が変異し、対象物をつかめなくなったり、衝突したりする問題を挙げられる。また、ロボットアームが対象物をつかんでから、対象物を扱っている時、ロボットの姿勢によりプラットフォーム２がロボットアーム１の関節に負担がかかる動きをしてしまい、ロボットアーム１が関節過負荷で壊れたり、止まったりする問題も挙げられる。
　過負荷により停止するロボットアーム１の姿勢であるか否かを判断するには、過去の運転試験のデータもしくはセンサにより過負荷手前の負荷を検出することである。負荷検出センサとしては、ロボットアーム１の各関節での電流を測定する電流センサ、ロボットアーム１の各関節でのトルクを測定するトルクセンサ、ロボットアーム１手先に取り付け、ロボットアーム１手先の力とモーメントを測定する力覚センサを挙げられる。
　目標物８がロボットアーム１の作業範囲内にあるか否かを判定するための別の方法は、（１）組立システム１００の全ての構成要素並びに作業環境（つまり、エレベータの昇降路１０１）の全ての構成要素と共にシミュレーション環境を作ること、（２）カメラ９によって得られた目標物８の位置に基づいて環境を更新すること、（３）例えば、高速探索ランダムツリー（ＲＲＴ）などのグラフベースの軌道検索アルゴリズムを介して、目標物８を操作するための衝突のない経路を見つけようとすることである。
　経路が見つかった場合は、目標物８はロボットアーム１の作業範囲内にあると判定され、それ以外の場合は、目標物８はロボットアーム１の作業範囲内にないと判定される。　最初の探索位置に目標物８が見つからない場合に、目標物８を探索するための新しいカメラ９の位置は、ロボットアーム１の作業範囲内にあり、カメラ９によって測定されていない任意の位置である可能性がある。
　目標物８を効率的に探索するために、ロボットアーム１は、カメラ９の水平方向または垂直方向の視野１５以下のステップサイズで移動させることができる。
　横方向（図１のY軸）における目標物８の位置の推定が常に正確であることを考慮すると、目標物８を探索するための効率的なアプローチは、ロボットアーム１がその到達限界に達することなく、カメラ９の垂直視野に等しいステップサイズでより長く動くことができる方向（上向きまたは下向き）に移動することである。
　一方向への連続した探索ステップの後に到達限界に達した場合、効率的なアプローチは、ロボットアーム１を最初の探索位置に戻し、他の方向への探索を継続することである。
　このようにして、ロボットアーム１は、垂直方向の全ての探索領域をカバーすることができ、標的物８が見つからない場合には、判定装置１３は、標的物８がロボットアーム１の作業範囲内にないことを確実に判定することができる。
　検出された目標物８の位置が、ロボットアーム１の作業範囲内にないと判断された場合の新しい垂直移動プラットフォーム２の高さは、ロボットアーム１に対して目標物８が所定の最適な作業位置にあるようにする方向及びステップサイズである可能性がある。この最適な位置は、組立システム１００を用いた事前の実験によって得ることができる。
　目標物８が見つからなかった場合の新しい垂直移動プラットフォーム２の高さは、ロボットアーム１の垂直作業範囲に等しいステップサイズで、現在のプラットフォーム位置から上方または下方にシフトされた高さである可能性がある。
　目標物８が検出されなかった理由に関する経験がなければ、探索方向はランダムに選択することができる。
　上述の方法により、組立システム１００のロボットアーム１を、組立作業を最適化する高さに配置することができる。
　図４を参照して、本発明の実施例２の作業装置とその制御方法について説明する。図４は、本実施例の組み立て作業のためにロボットの高さを最適化する方法を示すフローチャートである。本実施例は、実施例１（図３）の変形例である。
　図４に示すように、先ず、ステップＳ４０において、カメラ９を用いて目標物８の検出を試行しながら、垂直移動プラットフォーム２を移動（上昇）させる。
　次に、ステップＳ４１において、目標物８の検出可否を判定する。
　カメラ９が目標物８を検出しなかった場合（No）、ステップＳ４０に戻り、垂直移動プラットフォーム２の移動方向に応じて、上限または下限に達するまで垂直移動プラットフォーム２を移動し続ける。
　一方、カメラ９が目標物８を検出した場合（Yes）には、ステップＳ４２に進み、垂直移動プラットフォーム２の移動を停止する。
　続いて、ステップＳ４３において、カメラ９を目標物８が検出された位置まで移動させ、目標物８をより精密に検出する。つまり、目標物８を再検出するために、より良い検出高さに垂直移動プラットフォーム２及びロボットアーム１を移動させる。
　次に、ステップＳ４４に進み、目標物８がロボットアーム１の作業範囲内にあるかどうかをチェックする。
　ステップＳ４４において、目標物８がロボットアーム１の作業範囲内にあると判定された場合（Yes）、ステップＳ４６に進み、目標物８の高さに適応するように、ロボットアーム１を含むロボットアセンブリの軌道を新しい目標位置に調整し、組立作業を実施する。
　一方、ステップＳ４４において、目標物８がロボットアーム１の作業範囲内にないと判定された場合（No）、ステップＳ４５に進み、垂直移動プラットフォーム２を新たな（異なる）高さに移動させた後、ステップＳ４３に戻り、ステップＳ４３以降の動作を繰り返す。
　ステップＳ４３における目標物８の再検出は、垂直移動プラットフォーム２を移動させている間の目標物８の検出が垂直移動プラットフォーム２の動きに起因する画像取得エラーを受ける可能性があるために行われる。
　サンプリング周波数が高く、シャッター速度が速い場合、この画像取得エラーは軽減される可能性があるが、再検出の方が確実である。
　再検出の別の理由は、目標物８が検出されてから、垂直移動プラットフォーム２が完全に停止するまでに遅延があるためである。したがって、垂直移動プラットフォーム２が停止した後、目標物８の位置は、目標物８が検出された時と同じではない。
　上記の遅延の事前推定とこの遅延の間に移動する高さの推定を行い、目標物８の位置推定の高さ誤差を補償することができる。しかしながら、垂直移動プラットフォーム２の静止状態での目標物８の再検出は、さらに正確である。
　この遅延の間に移動した高さを使用して、検出された目標物８の位置の高さ誤差を補償する場合、目標物８を再検出するためにカメラ９が移動する際に、目標物８がカメラ９の視野１５内にあることを保証することができる。
　実施例１（図３）の方法と比較して、この方法は、垂直移動プラットフォーム２が上昇している時に目標物８を継続的に検出しようとするので、例えば３Ｄデータ検証による目標物８の位置の事前の推定に依存しないため有利である。
　但し、この方法は、目標物８が動いていることが検出されるため、検出エラーが発生しやすくなる。別の欠点は、使用されるカメラ９が、垂直移動プラットフォーム２が移動する全ての高さを捕捉するのに十分な高いサンプリング周波数を有していなければならないことであり、これは、式（１）によって計算することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、fはサンプリング周波数、Vplatfはプラットフォーム垂直方向の最大速度、dVFOV’はカメラ９の垂直視野の寸法である。なお、他のセンサを用いた場合には、センサの測定範囲をdVFOVに置き換えることができる。
　図５を参照して、本発明の実施例３の作業装置とその制御方法について説明する。図５は、本実施例の窓付き建物の外部に配置された組立システムの正面図である。
　本実施例の組立システム１００は、図５に示すように、窓付き建物５０１の外部に配置され、メンテナンス作業の一例としての窓拭き作業を行う。
　本実施例の組立システム１００の基本的な構成は、実施例１（図１及び図２）と同様であるが、巻き取り機４が垂直移動プラットフォーム２上に配置されており、ロープ３が巻かれる際に巻き取り機４の内部に収納されず、垂直移動プラットフォーム２が垂直に移動する際に巻き取り機４を通過する点において、実施例１（図１及び図２）と異なっている。
　窓付き建物５０１の外側部分には、外壁５２及び窓５３が配置されている。窓５３は長方形であり、四隅を有する。この四隅は、本実施例の目標物８となる。図５では目標物８である四隅を強調して表示しているが、それらは通常の窓の四隅の形状であり、本発明の方法で使用するのに必要な特別な形状を有していない。
　実施例１及び実施例２で説明した方法は、本実施例の窓付き建物５０１で使用することができるが、この組立環境では、検出される目標物８は窓５３の四隅である。窓は４つの角部を有しており、いずれの角部も検出対象とすることができる。窓５３の四隅すべてを検出できる検出アルゴリズムは、１つの角部が誤検出された場合に窓の位置を検出するためのオプションが増えるため、ロボットの位置を推定するのにさらに効果的である。
　なお、実施例１から実施例３で使用される目標物８は、単に例示的なものであり、特許請求の範囲を限定するものではない。組み立て作業が行われる領域と比較した組立システム１００の高さを決定するための基準として使用することができる任意の物体が有効である。壁やレールのマークのような非物体も基準点（目標物８）として使用することができる。
　また、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明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ものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　１…ロボットアーム、２…垂直移動プラットフォーム、３…ロープ、４…巻き取り機、５…傾斜センサ、６…壁、７…レール、８…目標物、８ａ…ブラケット、８ｂ…クリップボルト、８ｃ…クリップ、８ｄ…ナット、９…目標物検出装置（目標検出装置，カメラ）、１０…システム制御装置、１１…ロボット制御装置、１２…巻き取り機制御装置、１３…ロボット動作範囲判定装置（判定装置）、１４…作業計画装置、１５…視野、５２…（窓付き建物の）外壁、５３…（窓付き建物の）窓、１００…組立システム、１０１…エレベータの昇降路、５０１…窓付き建物

Claims (11)

  1. 　目標物に対し作業を行う作業ロボットと、
    　前記作業ロボットを搭載するプラットフォームと、
    　前記プラットフォームの高さを調整する高さ調整装置と、
    　前記目標物を検出する検出装置と、
    　前記検出装置が検出した前記目標物の位置が前記作業ロボットの動作範囲内にあるかを判定する判定装置と、
    　前記作業ロボットの動作を制御するロボット制御装置と、を備え、
    　前記判定装置は、前記目標物が前記作業ロボットの動作範囲内に入っているかを判定し、
    　動作範囲に入っている場合は、前記ロボット制御装置に前記目標物の位置に合わせて前記作業ロボットの動作軌道を計算するよう指示し、
    　動作範囲に入っていない場合は、前記高さ調整装置に前記プラットフォームの高さを調整するよう指示することを特徴とする作業装置。
  2. 　請求項１に記載の作業装置であって、
    　前記判定装置は、前記目標物の位置が前記作業ロボットの関節制限内であるか否か、または、前記目標物の位置が過去の移動実験で前記作業ロボットの衝突が発生した領域内にあるか否かを判定することを特徴とする作業装置。
  3. 　請求項１に記載の作業装置であって、
    　前記判定装置は、前記検出装置が検出した前記目標物の位置に基づいて、前記作業装置の構成要素および作業環境の構成要素を用いてシミュレーション環境を更新し、
    　前記作業ロボットの作業範囲内の前記目標物の位置特定を表す経路生成アルゴリズムを介して、前記シミュレーション環境内に衝突のない経路を生成することを特徴とする作業装置。
  4. 　請求項１に記載の作業装置であって、
    　前記判定装置は、前記目標物が前記作業ロボットの動作範囲内に入っていないと判定した場合、前記検出装置の垂直測定能力以下のステップサイズで前記検出装置を移動させることを特徴とする作業装置。
  5. 　請求項１に記載の作業装置であって、
    　前記判定装置は、前記目標物が前記作業ロボットの動作範囲内に入っていないと判定した場合、前記作業ロボットの垂直可動範囲以下のステップサイズで前記プラットフォームを移動させることを特徴とする作業装置。
  6. 　請求項１に記載の作業装置であって、
    　前記目標物の検出時点から前記プラットフォームが完全に停止するまでの間に移動する前記プラットフォームの高さを事前に推定し、当該推定した高さに基づき前記検出装置による前記目標物の検出位置を補正することを特徴とする作業装置。
  7. 　請求項１に記載の作業装置であって、
    　エレベータの昇降路内に配置され、前記昇降路内の組立作業を行うことを特徴とする作業装置。
  8. 　請求項１に記載の作業装置であって、
    　窓付き建物の外壁に配置され、窓の四隅を前記目標物として検出し、窓拭き作業を行うことを特徴とする作業装置。
  9. 　請求項１に記載の作業装置であって、
    　前記判定装置は、前記作業ロボットの姿勢が過去の移動実験において前記ロボットの関節が過負荷により停止する手前の姿勢になっているか、または、前記ロボットに取り付けた負荷検出器からの信号により前記作業ロボットの関節が過負荷により停止する手前の姿勢になっているか、を判定することを特徴とする作業装置。
  10. 　（ａ）作業ロボットを搭載したプラットフォームを目標物の高さに移動するステップと、
    　（ｂ）前記作業ロボットに取り付けられた検出装置により前記目標物を検出するステップと、
    　（ｃ）前記検出装置が検出した前記目標物の位置が前記作業ロボットの動作範囲内に入っているかを判定するステップと、を有し、
    　前記（ｃ）ステップにおいて、前記目標物が前記作業ロボットの動作範囲内に入っていると判定した場合、前記目標物の位置に合わせて前記作業ロボットの動作軌道を計算し、　前記目標物が前記作業ロボットの動作範囲内に入っていないと判定した場合、前記プラットフォームの高さを調整することを特徴とする作業装置の制御方法。
  11. 　請求項１０に記載の作業装置の制御方法であって、
    　前記（ｂ）ステップと前記（ｃ）ステップとの間に、
    　（ｄ）前記検出装置を前記目標物が検出された位置まで移動させ、前記目標物を再検出するステップを有することを特徴とする作業装置の制御方法。
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