JP7708840B2 - ロボットの構成部材の干渉を検出するロボット装置 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットの構成部材の干渉を検出するロボット装置に関する。

ロボットおよび作業ツールを備えるロボット装置では、ロボットが位置および姿勢を変更することにより、様々な作業を実施することができる。ロボット装置の周りには作業に関連する周辺物が配置される。例えば、ワークを収容するコンテナまたはワークを搬送する搬送装置などが周辺物として配置される。または、ロボット装置の作業領域を確定するために、フェンスが配置される場合がある。

ロボットが駆動すると、ロボットまたは作業ツールが周辺物と干渉する虞がある。ロボット装置が周辺物と干渉しないことを確認するために、ロボット装置の動作のシミュレーションを行うシミュレーション装置を用いることができる。シミュレーション装置では、ロボットを表現するモデルおよび周辺物を表現するモデルが生成されて、ロボットを駆動した時の干渉の発生を判定することができる。

作業者は、シミュレーションの結果に基づいて、ロボット装置と周辺物とが干渉しないようにロボットおよび周辺物の配置を定めることができる。また、ロボット装置と周辺物とが干渉しないように、ロボットが駆動する時のロボットの位置および姿勢を定めることができる。特に、作業者は、教示操作盤を操作して、実際にロボットを駆動することができる。作業者は、干渉が生じないようにロボットの位置および姿勢を教示するティーチングプレイバック（オンラインティーチング）を行うことができる。

ところで、ロボットの動作が１つに定まらないロボット装置が知られている。例えば、多数のワークがコンテナなどの容器にバラ積みされている場合が有る。バラ積みされたワークを取り出すロボット装置では、ワークが積まれている状態を予め定めることが出来ないために、ワークを把持するときのロボットの位置および姿勢を教示することは困難である。従来の技術においては、ワークの位置および姿勢を視覚センサにて検出して、ワークを容器から取り出すロボット装置が知られている（例えば、特開２０１３－４３２７１号公報）。

バラ積みされたワークを取り出すロボット装置では、シミュレーション装置にて検討を行って干渉を回避することが困難な場合が有る。このために、ロボット装置を実際に動かすときに３次元センサにて周辺物を撮像し、ロボットと周辺物との干渉が生じるか否かを判定する制御装置が知られている（例えば、特開２０２０－２８９５７号公報）。このような制御装置では、ロボットとの干渉が生じる虞のある周辺物の位置データを予め取得する。そして、制御装置は、複数の円柱状のモデルなどによりロボットのモデルを生成する。制御装置は、ワークの位置および姿勢に応じてロボットの位置および姿勢を算出し、ロボットが周辺物と干渉するか否かを判定している。

特開２０１３－４３２７１号公報 特開２０２０－２８９５７号公報

ロボットの動作がワークの状態等により定まるロボット装置では、ロボットの位置および姿勢を予め定めることは困難である。このために、作業者は、ロボット装置が駆動する時の多くのロボットの位置および姿勢をシミュレーション装置によって生成する。作業者は、様々なロボットの位置および姿勢にて、多くの回数のシミュレーションを実施することにより、干渉が生じないことを確認していた。しかしながら、シミュレーションを行う回数は、作業者の経験に基づいて定められる。一般的に、実際にロボット装置の使用を開始するときには、シミュレーションにて検討できなかったロボット装置の駆動状態に関して、ロボットの位置および姿勢の微調整を行う。このために、ロボットおよび作業ツールが干渉しないように充分な余裕を有してロボットおよび周辺物が配置されることが多かった。

また、制御装置がロボットを駆動するときにロボットまたは作業ツールが周辺物と干渉するか否かを判定する機能を、ロボットの製造者以外の使用者が実現するためには、ロボットのアーム等の構成部材を分解して３次元的に形状を計測する、または、ロボットの構成部材の形状データをロボットの製造者に公開してもらうしかないという問題がある。このために、使用者は、ロボットの構成部材を簡易な形状のモデルに置き換えて実施している。例えば、ロボットのアームを、直方体または円柱のモデルに置き換えて判定している。簡易な形状のモデルは、ロボットと周辺物との干渉を回避するために、実際のロボットの構成部材よりも大きくなるように生成される。すなわち、ロボットの構成部材がモデルの内部に含まれるように、大きなモデルが生成される。このために、実際にロボットを駆動したときにロボットの構成部材が周辺物と干渉しない場合であっても、干渉が生じると判定される場合があった。

一方で、ロボットの構成部材のモデルの形状を実際の形状に近づけると、ロボットのモデルの干渉を判定する計算量が多くなり、干渉の判定に時間がかかるという問題があった。または、計算時間を短くするために、高い性能の計算機を用いる必要があった。

本開示の位置態様は、少なくともロボットの複数の構成部材の３次元の形状データを記憶する１又は複数のメモリと、１又は複数のプロセッサと、を備え、前記１又は複数のプロセッサは、ロボットの運転状態または動作プログラムの実行状態に応じて、ロボットの複数の構成部材のうち干渉の判定を行う一部の構成部材を選択し、前記選択された構成部材の３次元の形状データに基づいて、前記選択された構成部材がワークまたは周辺物と干渉するかを判定する、制御装置である。

本開示の態様によれば、少ない計算量でロボットの干渉の判定を行うロボット装置を提供することができる。

実施の形態におけるロボット装置の斜視図である。 実施の形態におけるロボット装置のブロック図である。 実施の形態における３次元の形状データの説明図である。 実施の形態におけるロボットおよびハンドのモデルの斜視図である。 実施の形態におけるワークを搬送する制御のフローチャートである。 干渉を回避する位置を探索する制御を説明するロボットおよびハンドの斜視図である。 干渉を回避する位置を説明する領域の平面図である。 干渉を回避する姿勢を探索する制御を説明するロボットおよびハンドの斜視図である。 干渉を回避する姿勢を説明するハンドの概略平面図である。 ハンドおよびコンベヤのモデルを簡略化したロボット装置のモデルの斜視図である。

図１から図１０を参照して、実施の形態におけるロボット装置について説明する。本実施の形態では、容器の内部に山の様に積まれているワークを取り出して、コンベヤまでワークを搬送するロボット装置を例に取り上げて説明する。

図１は、本実施の形態におけるロボット装置の斜視図である。ロボット装置５は、ロボット１および作業ツールとしてのハンド２を備える。本実施の形態のロボット１は、複数の関節部を含む多関節ロボットである。ロボット１は、上部アーム１１と下部アーム１２とを含む。下部アーム１２は、旋回ベース１３に支持されている。旋回ベース１３は、ベース１４に支持されている。ロボット１は、上部アーム１１の端部に連結されているリスト１５を含む。リスト１５は、回転可能に形成されているフランジ１５ａを含む。ロボット１は、複数の構成部材を含む。本実施の形態では、構成部材として、上部アーム１１、下部アーム１２、旋回ベース１３、ベース１４、およびリスト１５を例示して説明する。上部アーム１１、下部アーム１２、旋回ベース１３、およびリスト１５は、ロボットが駆動することにより位置および姿勢が変化する。これらの構成部材は、予め定められた回転軸の周りに回転する。ロボットとしては、この形態に限られず、作業ツールを支持して、作業ツールを移動することができる任意のロボットを採用することができる。

作業ツールは、ワークに対して予め定められた作業を行うように形成されている。本実施の形態のハンド２は、ワークＷを把持したり解放したりする。ハンド２は、リスト１５のフランジ１５ａに固定された本体部２ａと、本体部２ａに支持された電磁石２ｂとを含む。電磁石２ｂは、磁力による吸着力を発生させる。本実施の形態の電磁石２ｂは、円柱状に形成されている。電磁石２ｂの底面にワークＷが吸着される。

ロボット装置５は、ロボット１の周りに配置される周辺物としてのコンベヤ８を備える。コンベヤ８は、ロボット１の近傍に配置されている。コンベヤ８に載置されたワークＷは、矢印９３に示す向きに搬送される。本実施の形態のコンベヤ８は、ロボット１が位置および姿勢を変更した時に、下部アーム１２がコンベヤ８に干渉する可能性を有する位置に配置されている。すなわち、コンベヤ８の一部は、ロボット１の下部アーム１２の動作範囲の内部に配置されている。

本実施の形態のワークＷは、鉄などの磁性を有する材質にて形成されている。本実施の形態のワークＷは、直方体の形状を有する。ワークＷは、面積が最大となる面積最大面を有する。ワークＷは、容器としてのコンテナ９の内部に配置されている。コンテナ９は、ロボット１の周りに配置されている周辺物に相当する。複数のワークＷは、それぞれのワークＷの向きが不規則になるようにバラ積みされている。

ロボット装置５は、コンテナ９に収容されたワークＷの位置および姿勢を検出するための３次元センサとしてのレンジセンサ６を備える。本実施の形態のレンジセンサ６は、２台のカメラ６１，６２を含むステレオカメラである。カメラ６１，６２は、２次元の画像を撮像することができる２次元カメラである。カメラ６１，６２としては、ＣＣＤ（Charge-Coupled Device）センサまたはＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）センサなどの撮像素子を備えた任意のカメラを採用することができる。２台のカメラ６１，６２の相対的な位置は予め定められている。本実施の形態のレンジセンサ６は、ワークＷに向かって縞模様などのパターン光を投影するプロジェクタ６３を含む。

レンジセンサ６は、物体の表面に設定される測定点までの距離の情報を取得する。レンジセンサ６は、コンテナ９に収容されたワークＷを撮像できる位置に配置される。本実施の形態では、レンジセンサ６は、コンテナ９の上方に配置されている。レンジセンサ６は、支持部材８３により支持されている。レンジセンサ６は、撮像が可能な範囲である撮像範囲を有する。カメラ６１，６２は、撮像範囲の内部にコンテナ９が含まれるように配置されることが好ましい。

本実施の形態のロボット装置５は、レンジセンサ６の出力から生成された３次元情報に基づいて、コンテナ９から取り出す１個のワークＷを選定する。図１では、ロボット１の位置および姿勢は、取出しを開始する基準となる初期位置および初期姿勢である。ロボット装置５は、矢印９１に示すように、ロボット１の位置および姿勢を変更して、コンテナ９の内部に配置されているワークＷを把持する。ロボット装置５は、矢印９２に示すようにロボット１の位置および姿勢を変更して、コンテナ９の内部からコンベヤ８までワークＷを搬送する。この後に、ロボット１は、基準となる初期位置および初期姿勢に戻る。

本実施の形態のロボット装置５には、ロボット１の位置および姿勢が変化した時に不動の基準座標系３７が設定されている。図１の例では、ロボット１のベース１４に、基準座標系３７の原点が配置される。基準座標系３７はワールド座標系とも称される。また、ロボット装置５には、作業ツールの任意の位置に設定された原点を有するツール座標系３８が設定されている。ツール座標系３８は、ハンド２と共に位置および姿勢が変化する。本実施の形態では、ツール座標系３８の原点は、ツール先端点に設定されている。

基準座標系３７およびツール座標系３８のそれぞれの座標系は、座標軸として、互いに直行するＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を含む。また、Ｘ軸の周りの座標軸としてＷ軸、Ｙ軸の周りの座標軸としてＰ軸、および、Ｚ軸の周りの座標軸としてＲ軸が設定されている。

ロボット１の位置および姿勢が変化すると、ツール座標系３８の原点の位置および姿勢が変化する。例えば、ロボット１の位置は、ツール先端点の位置（ツール座標系３８の原点の位置）に対応する。また、ロボット１の姿勢は、基準座標系３７に対するツール座標系３８の姿勢に対応する。

図２に、本実施の形態におけるロボット装置のブロック図を示す。図１および図２を参照して、ロボット１は、ロボット１の位置および姿勢を変化させるロボット駆動装置を含む。ロボット駆動装置は、アームおよびリスト等の構成部材を駆動するロボット駆動モータ２２を含む。ロボット装置５は、ハンド２を駆動するハンド駆動装置を備える。ハンド２の電磁石２ｂが駆動することにより、ワークＷが電磁石２ｂに吸着される。本実施の形態の電磁石２ｂの底面は平面である。電磁石２ｂの底面がワークＷの面積が最大になる主表面を吸着する。

ロボット装置５は、ロボット１およびハンド２を制御する制御装置４を備える。制御装置４は、プロセッサとしてのＣＰＵ（Central Processing Unit）を含む演算処理装置（コンピュータ）を含む。制御装置４は、ＣＰＵにバスを介して接続されたＲＡＭ（Random Access Memory）およびＲＯＭ（Read Only Memory）等を有する。制御装置４は、ロボット１およびハンド２の制御に関する情報を記憶する記憶部４２を含む。記憶部４２は、揮発性メモリ、不揮発性メモリ、またはハードディスク等の情報を記憶可能な記憶媒体にて構成されることができる。

ロボット装置５は、動作プログラム４１に基づいてワークＷを搬送する。制御装置４は、動作指令を送出する動作制御部４３を含む。動作制御部４３は、動作プログラム４１に従って駆動するプロセッサに相当する。プロセッサが動作プログラム４１を読み込んで、動作プログラム４１に定められた制御を実施することにより、動作制御部４３として機能する。

動作制御部４３は、動作プログラム４１に基づいてロボット１を駆動するための動作指令をロボット駆動部４５に送出する。ロボット駆動部４５は、ロボット駆動モータ２２を駆動する電気回路を含む。ロボット駆動部４５は、動作指令に基づいてロボット駆動モータ２２に電気を供給する。また、動作制御部４３は、動作プログラム４１に基づいてハンド２を駆動する動作指令をハンド駆動部４４に送出する。ハンド駆動部４４は、電磁石２ｂを駆動する電気回路を含む。ハンド駆動部４４は、動作指令に基づいて電磁石２ｂに電気を供給する。更に、動作制御部４３は、動作プログラム４１に基づいて、撮像する動作指令をレンジセンサ６に送出する。レンジセンサ６は、制御装置４により制御されている。

本実施の形態の制御装置４は、動作プログラム４１に基づいてロボット１の動作を設定する動作設定部５１を含む。動作制御部４３は、動作設定部５１からの指令に基づいて動作指令を生成する。本実施の形態の動作設定部５１は、コンテナ９から取り出すワークＷを選定し、ワークＷをハンド２にて把持する制御を実施する。また、動作設定部５１は、ハンド２にて把持されたワークＷをコンベヤ８まで搬送する制御を実施する。

動作設定部５１は、レンジセンサ６の出力に基づいて、ワークＷの３次元情報を生成する処理部５２を含む。物体の３次元情報は、物体の３次元の形状データに相当する。また、処理部５２は、コンテナ９に配置されているワークＷの位置および姿勢を検出する。動作設定部５１は、コンテナ９から取り出すワークＷを選定する選定部５４を含む。動作設定部５１は、ロボット１の経路を生成する経路生成部５５を含む。動作設定部５１は、ロボット１の運転状態に応じて、干渉の判定を行う一部の部材を設定する設定部５６を含む。動作設定部５１は、ロボット１を駆動した時に干渉するか否かを判定する判定部５７を含む。動作設定部５１は、干渉が生じると判定された場合に、干渉が生じないようにロボット１の位置および姿勢を修正する経路修正部５８を含む。

動作設定部５１は、動作プログラム４１に従って駆動するプロセッサに相当する。また、動作設定部５１に含まれる処理部５２、選定部５４、経路生成部５５、設定部５６、判定部５７、および経路修正部５８のそれぞれのユニットは、動作プログラム４１に従って駆動するプロセッサに相当する。プロセッサが動作プログラム４１を読み込んで、動作プログラム４１に定められた制御を実施することにより、それぞれのユニットとして機能する。

ロボット１は、ロボット１の位置および姿勢を検出するための状態検出器を含む。本実施の形態における状態検出器は、アーム等の構成部材の駆動軸に対応するロボット駆動モータ２２に取り付けられた位置検出器１８を含む。それぞれの位置検出器１８が出力する回転角に基づいて、ロボット１の位置および姿勢が算出される。

図３に、本実施の形態の制御装置に記憶される３次元の形状データの説明図を示す。図２および図３を参照して、本実施の形態では、ロボット装置５を駆動する前に３次元の形状データ４６が制御装置４に入力される。記憶部４２は、３次元の形状データ４６を記憶する。３次元の形状データ４６は、それぞれの部材の３次元の形状を示す任意のデータを採用することができる。

３次元の形状データ４６は、ワークの形状データ４６ａを含む。ワークの形状データ４６ａは、コンテナ９に配置されるワークＷの位置および姿勢を検出するために使用される。３次元の形状データ４６は、ロボットの構成部材の形状データ４６ｂおよびハンドの形状データ４６ｃを含む。ロボットの構成部材の形状データ４６ｂおよびハンドの形状データ４６ｃは、ロボット１の構成部材またはハンド２と、他の物との干渉の判定に使用される。本実施の形態のワークの形状データ４６ａ、ロボットの構成部材の形状データ４６ｂ、およびハンドの形状データ４６ｃは、ＣＡＤ（Computer Aided Design）装置にて生成される３次元データが採用されている。特に、ロボットの構成部材の形状データ４６ｂおよびハンドの形状データ４６ｃは、製造者が設計した時のＣＡＤ装置のデータが採用されている。ＣＡＤ装置にて生成された設計時のデータは、実際の部材の形状に一致している。すなわち、四角柱または円錐などの簡易な形状の３次元の形状データを用いずに、実際の形状に相当する設計時のデータが採用されている。但し、構成部材の干渉に関係しない部分は、設計データから除外されていても構わない。例えば、構成部材の表面に形成され、ボルトの頭部が配置されるための窪み部などの細かい部分は、設計データから除外されていても構わない。

図４に、本実施の形態のロボットおよびハンドのモデルの斜視図を示す。動作設定部５１は、ロボットの構成部材の形状データ４６ｂおよびハンドの形状データ４６ｃにより、ロボットの構成部材のモデルおよびハンドのモデルを生成する。ロボット１およびハンド２を設計する時の設計データの形状と同一の形状を有するモデルが生成される。

ロボットのモデルＭ１は、複数の構成部材のモデルを含む。ロボットのモデルＭ１は、上部アームのモデルＭ１１、下部アームのモデルＭ１２、旋回ベースのモデルＭ１３、ベースのモデルＭ１４、およびリストのモデルＭ１５を含む。本実施の形態では、それぞれのロボット１の構成部材のモデルは、実際の構成部材の形状に一致する。例えば、ロボット１の構成部材の曲面状の表面、段差、および突起部などの細かい部分についても、実際のロボット１の形状と一致する。また、ハンドのモデルＭ２についても、細かい部分まで実際のハンド２の形状に一致する。なお、前述の通りに、構成部材の干渉に関係しない凹部などの細かい部分は除外されていても構わない。

なお、図１を参照して、本実施の形態のロボット１は、上部アーム１１および下部アーム１２の外側に配置される電気ケーブル１６を含む。ロボット１の位置および姿勢が変化すると電気ケーブル１６の形状が変化する。このために、図４を参照して、本実施の形態のロボットのモデルＭ１では電気ケーブル１６が除外されているが、この形態に限られない。ロボット１の電気ケーブルおよび配管等の部材のモデルが生成されていても構わない。

図２および図３を参照して、３次元の形状データ４６は、ロボット１の周りに配置された周辺物の形状データ４６ｄを含む。周辺物の形状データ４６ｄは、周辺物とロボット１またはハンド２との干渉の判定に使用される。本実施の形態においては、周辺物の形状データ４６ｄには、コンベヤ８の形状データおよびコンテナ９の形状データが含まれる。周辺物の形状データ４６ｄとしては、ＣＡＤ装置にて生成される３次元データを採用することができる。

周辺物としては、コンベヤおよびコンテナに限られず、ロボットの周りに配置され、ロボットまたは作業ツールと干渉が生じる虞のある任意の障害物を採用することができる。例えば、周辺物として、ワークを載置する架台またはロボット装置の周りに配置される柵等の固定された物体を採用することができる。または、周辺物としては、ロボットの近傍を通る搬送車等の移動する物体を採用しても構わない。

図５に、本実施の形態のロボット装置の制御のフローチャートを示す。図５には、１個のワークＷを搬送する制御が記載されている。図５に示す制御は、１個のワークＷを取り出すごとに繰り返して実施することができる。図２および図５を参照して、前述の通りに、ロボット装置および周辺物の３次元の形状データ４６は、予め記憶部４２に記憶されている。

始めに、動作設定部５１は、ロボット１の位置および姿勢を、ワークＷの取り出しを開始するときの初期位置および初期姿勢にする（図１を参照）。本実施の形態においては、この時のロボット１の移動点を初期点と称する。初期点における初期位置および初期姿勢は、作業者が予め定めておくことができる。初期点は、例えば、レンジセンサ６の撮像範囲にロボット１およびハンド２が配置されないように定められる。

ステップ１１１において、レンジセンサ６は、コンテナ９の内部のワークＷを撮像する。動作設定部５１の処理部５２は、カメラ６１，６２にて撮像した画像を処理する。処理部５２は、ステレオ法によりワークＷの３次元情報を生成する。処理部５２は、ワークＷの表面に測定点を設定する。処理部５２は、２台のカメラ６１，６２にて撮像される２つの画像の視差に基づいて、レンジセンサ６から測定点までの距離を算出する。処理部５２は、レンジセンサ６から測定点までの距離に基づいて、測定点の位置を検出する。３次元情報には、物体の表面に設定される複数の測定点の位置の情報が含まれる。

３次元情報は、例えば、距離画像または３次元マップであり、３次元の形状データに相当する。距離画像は、レンジセンサ６からの距離に応じて画像の色または画像の濃さを変化させた画像である。３次元マップは、予め定められた座標系における測定点の座標値、またはレンジセンサからの測定点までの距離および測定点の方向の情報を含む。

ステップ１１２において、処理部５２は、ワークＷの３次元情報をワークの形状データ４６ａと比較するテンプレートマッチングを行うことにより、コンテナ９に収容されているワークＷの位置および姿勢を検出する。なお、本実施の形態のワークの形状データは、ＣＡＤ装置にて生成される３次元データが採用されているが、この形態に限られない。作業者は、様々な方向からワークを撮像したときの距離画像をワークの形状データとして採用しても構わない。

または、処理部５２は、ワークＷの検出において、２次元の画像を利用しても構わない。レンジセンサ６の２つのカメラ６１，６２のうち、一つのカメラにて２次元の画像を撮像する。２次元の画像のテンプレートマッチングにより、２次元の画像におけるワークを検出する。そして、処理部５２は、１つのワークを選定し、ワークＷの表面に対応する領域の３次元情報を取得する。例えば、処理部５２は、ワークＷの表面に対応する複数の測定点により平面を算出して、ワークＷの位置および姿勢を算出することができる。

ステップ１１３において、選定部５４は、ロボット装置５にて取り出すための目標のワークＷを選定する。選定部５４は、処理部５２にて検出されたワークＷの位置および姿勢に基づいて目標のワークＷを選定する。選定部５４は、任意の制御により目標のワークＷを選定することができる。例えば、選定部５４は、レンジセンサ６に最も近いワークＷを目標のワークＷに設定することができる。すなわち、選定部５４は、ワークＷの位置が高いものから順番にワークＷを選定することができる。

ステップ１１４において、記憶部４２は、ロボット装置５にて取り出すワークＷ以外のワークＷの３次元情報を記憶部４２に記憶する。ロボット装置５にて取り出すワークＷ以外のワークＷは、ロボット１またはハンド２と干渉が生じる物になる。この３次元情報は、ロボット１またはハンド２と干渉が生じるか否かを判定する制御に使用される。

ステップ１１５において、経路生成部５５は、目標のワークＷの位置および姿勢に応じて、ロボット１がワークＷを把持する点である把持点を設定する。経路生成部５５は、把持点におけるロボット１の把持位置および把持姿勢を算出する。

ステップ１１６において、経路生成部５５は、初期点からワークＷを把持する把持点までのロボット１の第１の経路を生成する。図１においては、矢印９１に示す経路が第１の経路に相当する。経路生成部５５が第１の経路を生成するための制御については、ロボット１またはハンド２の３次元形状を考慮して、ロボット１またはハンド２がワークＷに干渉しないように、種々の経路探索アルゴリズムを適用することができる。経路生成部５５は、ロボット１の位置が通過する複数の移動点を生成することができる。複数の移動点を通る経路が第１の経路に相当する。また、複数の移動点同士の間には補間点が設定されても構わない。この時に、経路生成部５５は、ハンド２またはロボット１と他の物との干渉を考慮せずに、第１の経路を生成することができる。

次に、ステップ１１７において、設定部５６は、ロボット１の複数の構成部材およびハンド２のうち、干渉の判定を行う部材を設定する。ここでの例では、設定部５６は、ロボット１の複数の構成部材のうち、リスト１５および上部アーム１１を干渉の判定を行う構成部材に設定する。また、設定部５６は、ハンド２を干渉の判定を行う部材に設定する。

設定部５６は、ロボット１の運転状態に応じて干渉の判定を行う部材を設定する。図１を参照して、矢印９１に示すように第１の経路に沿ってロボット１の位置が移動する時に、ハンド２およびリスト１５はコンテナ９の内部に挿入される。また、上部アーム１１は、コンテナ９の近傍に配置される。ハンド２、リスト１５、および上部アーム１１は、コンテナ９に接触する虞が生じる。このために、ハンド２、リスト１５、および上部アーム１１を干渉の判定を行う部材に設定することができる。また、設定部５６は、コンテナ９およびワークＷを干渉の判定を行う部材に設定することができる。干渉の判定を行う部材は、例えば、動作プログラム４１に予め定めておくことができる。設定部５６は、動作プログラム４１を読み込んで干渉の判定を行う部材を設定する。

次に、ステップ１１８において、判定部５７は、把持点および第１の経路において、干渉が生じるか否かを判定する。判定部５７は、設定部５６にて設定された部材の３次元の形状データと、ワークの３次元情報、および周辺物の３次元の形状データに基づいて、設定部５６にて設定された部材がワークまたは周辺物と干渉するか否かを判定する。なお、周辺物が配置される位置は、予め定められている。

始めに、判定部５７は、ロボット１がワークＷを把持するための把持位置および把持姿勢になったときに、ハンド２、リスト１５、および上部アーム１１が、コンテナ９またはロボット装置５に把持されるワークＷ以外のワークＷに干渉するか否かを判定する。

判定部５７は、ロボット１の把持位置および把持姿勢を取得する。判定部５７は、ロボット１の把持位置および把持姿勢に基づいて、ロボット装置５の構成部材のモデルの位置および姿勢を算出する。判定部５７は、構成部材のそれぞれの駆動軸の情報に基づいて、モデルの位置および姿勢を算出する。ここでは、判定部５７は、ハンドのモデルＭ２、リストのモデルＭ１５、および上部アームのモデルＭ１１の位置および姿勢を算出する。それぞれのモデルの位置および姿勢は、例えば、基準座標系３７にて表現することができる。

更に、判定部５７は、コンテナ９の３次元の形状データおよびワークの３次元情報を取得する。ここで、判定部５７は、コンテナの３次元の形状データおよびワークの３次元情報に基づいて、コンテナのモデルおよびワークのモデルを生成しても構わない。コンテナのモデルまたはワークのモデルについても、例えば、基準座標系３７にて表現することができる。

判定部５７は、ハンドのモデルＭ２、リストのモデルＭ１５、および上部アームのモデルＭ１１が、コンテナ９または把持されるワークＷ以外のワークＷと接触する位置に配置される場合に、干渉が生じると判定することができる。

次に、判定部５７は、ロボット１の位置が第１の経路に沿って移動する時に、干渉が生じるか否かを判定する。判定部５７は、経路生成部５５にて生成された移動点を取得する。また、判定部５７は、移動点同士の間に生成された補間点を取得する。判定部５７は、それぞれの移動点および補間点において、ロボット１の位置および姿勢を算出する。把持点おける判定の制御と同様に、判定部５７は、それぞれの移動点および補間点において、ハンドのモデルＭ２、リストのモデルＭ１５、および上部アームのモデルＭ１１が、コンテナ９または把持されるワークＷ以外のワークＷと干渉するか否かを判定する。

ステップ１１８において、把持点および第１の経路において、ロボット１の構成部材が、ワークまたは周辺物と干渉すると判定される場合に、制御は、ステップ１１９に移行する。また、把持点および第１の経路において、ハンド２が、ワークまたは周辺物と干渉すると判定される場合に、制御は、ステップ１１９に移行する。

ステップ１１９において、経路修正部５８は、把持点、移動点および補間点のうち、干渉が生じる点において、ロボット１の位置または姿勢を修正する。または、経路修正部５８は、ロボット１の位置および姿勢の両方を修正しても構わない。ここで、把持点、移動点、または補間点におけるロボット１の位置の修正方法および姿勢の修正方法について説明する。

図６に、ロボットの位置の修正方法を説明するハンドのモデルおよびロボットのモデルの斜視図を示す。ここでの例では、ロボット１の位置が移動点ＭＰＡに配置されるときに干渉が生じると判定されている。そこで、経路修正部５８は、ロボット１の位置を修正する。経路修正部５８は、移動点ＭＰＡの周りに移動点ＭＰＡを移動させるための領域７１を設定する。領域７１の形状および大きさは予め定めておくことができる。本実施の形態においては、ツール座標系３８のＸ軸およびＹ軸を含む平面において、四角形の領域７１が設定されている。

図７に、移動点の位置を移動させる領域の平面図を示す。本実施の形態においては、移動点ＭＰＡからツール座標系３８のＸ軸の方向およびＹ軸の方向に、予め定められた距離にて領域７１が設定されている。経路修正部５８は、領域７１の内部において、干渉を回避できる移動点ＭＰＢを探索する。経路修正部５８は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に領域７１を等分に分割する。そして、領域７１を分割した時の小さな領域の頂点に移動点ＭＰＢを設定することができる。ここでの例では、Ｘ軸方向に６分割され、Ｙ軸方向に６分割されている。移動点ＭＰＡの周りに４８点の移動点ＭＰＢが設定されている。

経路修正部５８は、それぞれの移動点ＭＰＢにロボット１の位置を移動したときに、ハンドのモデルＭ２、リストのモデルＭ１５、および上部アームのモデルＭ１１に干渉が生じるか否かを判定する。経路修正部５８は、全ての移動点ＭＰＢについて干渉の判定を実施することができる。

経路修正部５８は、干渉が回避される移動点ＭＰＢを修正後の移動点に設定することができる。干渉が回避される複数の移動点ＭＰＢが存在する場合には、経路修正部５８は、予め定めた優先順位に基づいて、１個の移動点ＭＰＢを選定することができる。例えば、経路修正部５８は、元の移動点ＭＰＡに最も近い移動点ＭＰＢを採用することができる。更に、Ｘ軸の正側の方向または負側の方向の優先順位を定めておくことができる。更に、Ｙ軸の正側の方向または負側の方向の優先順位を定めておくことができる。

図８に、移動点におけるロボットの姿勢を修正するときのハンドのモデルおよびロボットのモデルの斜視図を示す。経路修正部５８は、ロボット１の姿勢を変更して、干渉が回避できる姿勢を探索する。ここでの例では、経路修正部５８は、ツール座標系３８のＺ軸の周り、すなわち、Ｒ軸の方向にハンドのモデルＭ２を回転させる。経路修正部５８は、矢印９４に示す方向にハンドのモデルＭ２を回転させることにより、ロボットの姿勢を変更する。

図９に、ハンドのモデルが回転する時の平面図を示す。本実施の形態の経路修正部５８は、予め定められた角度ごとにハンドのモデルＭ２を回転させる。ここでの例では、１回転を６個に分割した回転角度が設定されている。経路修正部５８は、全ての回転角度において、ハンド２、リスト１５、および上部アーム１１の位置および姿勢を算出し、干渉が生じるか否かを判定する。

経路修正部５８は、干渉が回避されるロボット１の姿勢を修正後の姿勢に設定することができる。干渉を回避できる複数の姿勢がある場合には、経路修正部５８は、任意の制御により１つの姿勢を選定することができる。例えば、経路修正部５８は、元の回転角度に最も近い回転角度を採用することができる。また、ハンドを回転する時の時計回りまたは半時計周りの優先順位を定めておくことができる。

経路修正部５８は、ロボットの位置またはロボットの姿勢のいずれか一方を変更しても干渉が回避できない場合に、他方を変更することができる。本実施の形態では、ロボットの姿勢を変更しても干渉が回避できない場合に、ロボットの位置を変更している。

図５を参照して、このように、ステップ１１９においては、干渉が生じる点におけるロボットの位置または姿勢を変更する。経路修正部５８は、修正後のロボットの位置および姿勢を採用して、新たな第１の経路を生成することができる。そして、制御は、ステップ１１８に移行して、干渉が生じるか否かを判定することができる。把持点および第１の経路において干渉が生じなくなるまで、ステップ１１８およびステップ１１９の制御を繰り返すことができる。

ステップ１１８において、把持点および第１の経路において、干渉が生じない場合には把持点および第１の経路におけるロボット１の位置および姿勢を確定する。制御は、ステップ１２０に移行する。次に、ワークＷをコンベヤ８に搬送する第２の経路を生成する。

ステップ１２０において、経路生成部５５は、把持点からワークＷをコンベヤ８に載置するための目標点までの第２の経路を生成する。図１を参照して、矢印９２に示す経路が第２の経路に相当する。経路生成部５５は、ステップ１１６において第１の経路を生成した制御と同様の制御により、第２の経路を生成することができる。

次に、ステップ１２１において、設定部５６は、ロボット１の運転状態に応じて干渉の判定を行う部材を設定する。図１を参照して、ロボット装置５がワークＷを把持した後にコンベヤ８まで搬送する時に、下部アーム１２がコンベヤ８と干渉する虞がある。この運転状態では、下部アーム１２の干渉の判定を行う。設定部５６は、動作プログラム４１の記載に基づいて、下部アーム１２を干渉の判定を行う部材に設定する。また、設定部５６は、動作プログラム４１の記載に基づいて、コンベヤ８を干渉の判定を行う部材に設定する。

ステップ１２２において、判定部５７は、ステップ１１８と同様の制御により、目標点および第２の経路において、下部アーム１２とコンベヤ８との干渉が生じるか否かを判定する。判定部５７は、下部アームのモデルＭ１２およびコンベヤ８の３次元の形状データに基づいて、下部アーム１２とコンベヤ８との干渉が生じるか否かを判定する。

ステップ１２２において、目標点および第２の経路において干渉が生じると判定される場合に、制御はステップ１２３に移行する。ステップ１２３において、経路修正部５８は、ステップ１１９におけるロボット１の位置を修正する制御またはロボット１の姿勢を修正する制御と同様の制御により、ロボット１の位置または姿勢を修正する。そして下部アーム１２とコンベヤ８との干渉が生じなくなるまで、ステップ１２２およびステップ１２３の制御を繰り返す。ステップ１２２において、目標点および第２の経路において干渉が生じないと判定される場合に、目標点および第２の経路におけるロボット１の位置および姿勢が確定される。制御は、ステップ１２４に移行する。

ステップ１２４において、動作設定部５１は、把持点、目標点、第１の経路、および第２の経路におけるロボット１の位置および姿勢を動作制御部４３に送出する。ロボット１の位置は、第１の経路に沿って移動する。ロボット１は、把持位置および把持姿勢に向かって位置および姿勢を変更する。ロボット１が把持位置および把持姿勢に到達した後に、ハンド２の電磁石２ｂが励磁されることにより、ワークＷを把持することができる。

次に、ロボット１の位置は、第２の経路に沿って移動する。動作制御部４３は、ロボット１の位置および姿勢を変更して、コンベヤ８にワークＷを載置する目標点までワークＷを移動する。ロボット１が目標位置および目標姿勢に到達した後に、ハンド２の電磁石２ｂの励磁を停止することによりワークＷが解放される。その後に、ロボット１は、初期位置および初期姿勢に戻る。

本実施の形態のロボット装置５では、干渉の判定を行う場合に、ロボット１の運転状態に応じて、ロボット１の複数の構成部材から一部の構成部材を選定している。すなわち、制御装置４は、ロボット１の運転状態に応じて、干渉の判定を行う構成部材を切替えている。また、制御装置４は、一部の構成部材の３次元の形状データに基づいて干渉の判定を行っている。このために、短時間で正確な判定を行うことができる。例えば、ロボット１の全ての構成部材の３次元の形状データを用いて、他の物との干渉を判定する場合には、計算量が多くなり、計算時間が長くなる。しかしながら、本実施の形態では、一部の構成部材を運転状態に応じて選定することにより、干渉の判定の計算量を少なくすることができる。また、ロボット１の構成部材の形状に一致する形状データを用いることにより、正確にロボット１の干渉の判定を行うことができる。

更に、本実施の形態においては、ハンド２のモデルＭ２としてハンド２の実際の形状に一致する３次元の形状データを採用している。このために、ハンド２の干渉を正確に判定することができる。

本実施の形態においては、ロボットの構成部材の干渉の判定に加えてハンドの干渉の判定を行っているが、この形態に限られない。ハンドの干渉の判定は行わなくても構わない。例えば、ハンドの形状がコンテナおよびワークとの干渉を生じない形状である場合には、ハンドの干渉の判定は行わなくても構わない。更には、ロボット装置は、作業ツールを備えていなくても構わない。例えば、ロボット装置が作業ツールを自動的に交換する装置を備える場合が有る。作業ツールを交換するために作業ツールがロボットに取り付けられていない状態でロボットが位置および姿勢を変更する場合が有る。この期間中に、制御装置は、作業ツールの干渉の判定を行わずに、ロボットの構成部品の干渉の判定を行うことができる。また、本実施の形態においては、ロボットの駆動が一時的に停止する把持点および目標点において干渉の判定を行うとともに、第１の経路および第２の経路において干渉の判定を行っているが、この形態に限られない。第１の経路および第２の経路においては、干渉の判定を行わなくても構わない。

本実施の形態の動作設定部５１は、レンジセンサ６を用いて、ロボット装置５にて取り出すワークＷ以外のワークＷの３次元情報を生成している。すなわち、コンテナ９に残存するワークＷの３次元情報を生成している。そして、動作設定部５１は、ワークＷの３次元情報を用いて、ハンド２またはロボット１の構成部材がワークＷに干渉するか否かを判定している。コンテナ９に配置されているワークＷと、ハンド２の本体部２ａまたはリスト１５とが干渉して、目標のワークＷを把持することができない場合がある。本実施の形態におけるロボット装置５では、ロボット装置５にて取り出すワークＷの周りに配置されているワークＷと、ハンド２またはロボット１との干渉を判定することができる。

本実施の形態では、コンテナ９等の周辺物については、ＣＡＤ装置にて生成される３次元の形状データを採用することにより、実際の形状と一致するモデルが生成されている。周辺物のモデルの生成方法としては、この形態に限られない。動作設定部は、３次元センサにて周辺物を撮像して、３次元センサの出力に基づいて周辺物の３次元の形状データを生成しても構わない。

例えば、動作設定部５１は、レンジセンサ６の出力に基づいて、モデルマッチングの方法により、コンテナ９の３次元情報を生成することができる。動作設定部５１は、周辺物の形状データ４６ｄとして、コンテナ９の３次元情報を生成する。動作設定部５１は、コンテナ９の３次元情報に基づいて、ロボット１とコンテナ９とが干渉を生じるか否かを判定しても構わない。この制御は、周辺物が移動する場合に好適である。

また、周辺物が１つの方向に移動する場合には、３次元センサの代わりに２次元センサを採用することができる。周辺物の３次元の形状データは予め記憶部に記憶させておくことができる。予め定められた位置に周辺物を配置して２次元センサで基準画像を撮像する。周辺物が移動した時に２次元センサにて周辺物を撮像して画像における周辺物の位置を検出する。このときの画像における周辺物の位置と基準画像における周辺物の位置とに基づいて、周辺物の位置を検出することができる。

図１０に、作業ツールの形状を簡略化したモデルおよびコンベヤの形状を簡略化したモデルを含むロボット装置のモデルの斜視図を示す。作業ツールのモデルおよび周辺物のモデルのうち少なくとも一方のモデルは、簡略化された形状を有するモデルを採用しても構わない。

製造者は、ロボット１を設計したときにＣＡＤ装置にて生成される設計データ（３次元の形状データ）を有する。このために、製造者は、ロボット１の製造時にロボットの構成部材の形状データ４６ｂ（ロボットのモデルＭ１）を記憶部４２に記憶させることができる。一方で、作業者は、作業ツールまたはコンベヤ等の周辺物を、ロボットの製造者とは異なる製造者から購入する場合がある。この時に、作業者は、作業ツールまたは周辺物の設計データを製造者から入手できない場合がある。

この場合に、作業者は、作業ツールの形状を簡略化した形状を有する作業ツールのモデル、および周辺物の形状を簡略化した形状を有する周辺物のモデルのうち、少なくとも一方のモデルを採用しても構わない。簡易なモデルは、作業者が作成して記憶部４２に記憶させることができる。判定部５７は、作業ツールのモデルおよび周辺物のモデルのうち少なくとも一方のモデルを用いて、設定部５６にて設定された部材の干渉が生じるか否かを判定する。

図１０に示す例では、ハンドのモデルＭＳ２は、四角錐台の形状を有する。コンベヤのモデルＭＳ８は、直方体の形状を有する。このような簡易なモデルは、作業者が形状および大きさを指定することにより、容易に生成することができる。例えば、作業者が直方体のそれぞれの辺の長さを指定することにより、コンベヤのモデルＭＳ８を生成することができる。簡易なモデルの形状としては、円柱、六面体、または球等の任意の形状を採用することができる。また、簡易なモデルは、実際の装置が内部に含まれるように大きく形成されることが好ましい。このように、作業者は、作業ツールのモデルおよび周辺物のモデルとして、簡易なモデルを採用しても構わない。

上記の実施の形態では、ロボット１の構成部材として、上部アーム１１、下部アーム１２、旋回ベース１３、ベース１４、およびリスト１５を例示しているが、この形態に限られない。ロボットの構成部材としては、アームの一部分、旋回ベースの一部分、ベースの一部分、またはリストの一部分であっても構わない。すなわち、ロボットを構成する任意の部分をロボットの構成部材に選定することができる。例えば、制御装置は、上部アームの一部分の３次元の形状データを記憶して、この形状データに基づいてワークまたは周辺物との干渉が生じるか否かを判定しても構わない。

また、本実施の形態では、ロボットの全ての構成部材の３次元の形状データは、実際の形状に一致するように形成されているが、この形態に限られない。ロボットの一部の構成部材の３次元の形状データが実際の形状に一致するように形成され、その他の構成部材の３次元の形状データが簡易な形状のデータであっても構わない。更に、ロボットの少なくとも一部の構成部材の３次元の形状データが四角柱などの簡易な形状のデータであっても構わない。

本実施の形態の３次元センサとしてのレンジセンサ６は、プロジェクタを備えるが、プロジェクタを備えなくても構わない。更に、３次元センサは、ワークの表面の３次元情報を取得できる任意のセンサを採用することができる。例えば、光飛行時間方式により距離画像を撮像するＴＯＦ（Time of Flight）カメラ、または、ラインセンサ等を採用することができる。

本実施の形態のレンジセンサ６は、支持部材８３に固定されているが、この形態に限られない。３次元センサは、ワークを撮像可能なように配置することができる。例えば、３次元センサは、ロボットのリストと一体的に移動するように、リストに固定されていても構わない。

本実施の形態のロボット装置は、ワークを搬送する作業を行うが、この形態に限られない。任意の作業を行うロボット装置に本実施の形態の制御を適用することができる。作業ツールは、ワークに対して予め定められた作業を行う任意の装置を採用することができる。特に、本実施の形態の制御は、ワークの状態または周辺物の状態に応じてロボットの位置および姿勢が変化するロボット装置に好適である。例えば、ワークをパレットの上面等に並べて積むロボット装置に本実施の形態の制御を適用することができる。

上述のそれぞれの制御においては、機能および作用が変更されない範囲において適宜ステップの順序を変更することができる。

上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。上述のそれぞれの図において、同一または相等する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、請求の範囲に示される実施の形態の変更が含まれている。

１ ロボット
２ ハンド
４ 制御装置
５ ロボット装置
６ レンジセンサ
８ コンベヤ
９ コンテナ
１１ 上部アーム
１２ 下部アーム
１３ 旋回ベース
１４ ベース
１５ リスト
４２ 記憶部
４６ ３次元の形状データ
４６ａ ワークの形状データ
４６ｂ ロボットの構成部材の形状データ
４６ｃ ハンドの形状データ
４６ｄ 周辺物の形状データ
５２ 処理部
５６ 設定部
５７ 判定部

Claims (10)

1. 少なくともロボットの複数の構成部材の３次元の形状データを記憶する１又は複数のメモリと、
   １又は複数のプロセッサと、を備え、
   前記１又は複数のプロセッサは、
   ロボットの運転状態または動作プログラムの実行状態に応じて、ロボットの複数の構成部材のうち干渉の判定を行う一部の構成部材を選択し、
   前記選択された構成部材の３次元の形状データに基づいて、前記選択された構成部材がワークまたは周辺物と干渉するかを判定する、制御装置。
2. ロボットの複数の構成部材の３次元の形状データの少なくとも一部は、実際の形状に一致するように形成されている、請求項１に記載の制御装置。
3. 前記１又は複数のメモリは、
   作業ツールに関する３次元の形状データを記憶し、
   前記１又は複数のプロセッサは、
   ロボットの複数の構成部材および作業ツールのうち、干渉の判定を行う部材を選択し、
   前記選択された部材の３次元の形状データに基づいて、前記選択された部材がワークまたは周辺物と干渉するか否かを判定する、
   請求項１又は２に記載の制御装置。
4. 前記１又は複数のメモリは、
   作業ツールの形状を簡略化した形状を有する作業ツールのモデル、および周辺物の形状を簡略化した形状を有する周辺物のモデルのうち、少なくとも一方のモデルを記憶し、
   前記１又は複数のプロセッサは、
   作業ツールのモデルおよび周辺物のモデルのうち少なくとも一方のモデルに基づいて、干渉の判定を行う、請求項１又は２に記載の制御装置。
5. 前記１又は複数のメモリは、
   ロボットの動作プログラムを記憶し、
   前記１又は複数のプロセッサは、
   動作プログラムに基づいて、干渉の判定を行う一部の構成部材を選択する、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の制御装置。
6. ワークまたは周辺物は、ワークまたは周辺物の３次元形状データを含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の制御装置。
7. 周辺物は、少なくとも、コンベア、コンテナ、把持対象とは他のワークの何れかの３次元形状データを含む、請求項６に記載の制御装置。
8. 前記１又は複数のプロセッサは、
   動作プログラムの記載に基づいて、干渉の判定を行う一部の構成部材を選択する、
   請求項１から７のいずれか一項に記載の制御装置。
9. ロボットと、
   請求項１から８のいずれか一項に記載の制御装置と、を備えるロボット装置。
10. 少なくともロボットの複数の構成部材の３次元の形状データを記憶するステップと、
    ロボットの運転状態または動作プログラムの実行状態に応じて、ロボットの複数の構成部材のうち干渉の判定を行う一部の構成部材を選択するステップと、
    前記選択された構成部材の３次元の形状データに基づいて、前記選択された構成部材がワークまたは周辺物と干渉するかを判定するステップと、を１又は複数のプロセッサに実行させるためのプログラム。