JP2007334678A - ロボットシミュレーション装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットによるハンドリング作業において、ロボットの周囲の環境状態の変化に対応するロボットハンドの設計変更に要する検討時間を短くでき、ロボットハンドの設計を容易に行うことができるロボットシミュレーション装置を提供する。
【解決手段】ケースの形状モデルを所定の形状・寸法に設定するケース寸法設定手段と、ロボットを動作させてケースの内壁側からワークを取り出す際に、ハンドとケースとの干渉をチェックすると共に、干渉する場合に干渉部位を特定する干渉チェック手段と、干渉チェック手段によりハンドとケースとが干渉すると判断された場合に、ハンドとケースとが干渉しないようにハンドの形状モデルを変更するハンド変更手段と、ハンド変更手段により変更されたハンドの形状モデルからハンドの実際の製品寸法データを取得する製品データ取得手段と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロボットハンドによるハンドリング作業をアニメーション形式でシミュレーションするロボットシミュレーション装置に関する。

一般に、ロボットの動作をアニメーション形式でシミュレーションするロボットシミュレーション装置として、特許文献１に開示されているものが知られている。開示されているロボットシミュレーション装置は、ロボットやワークや周辺機器などの形状モデルを記憶する記憶手段と、形状モデルをディスプレイに表示する表示手段と、寸法変更する特定の形状モデルを選択し、画面上でその形状モデルの寸法を設定する手段とを備えている。これにより、ロボットを含む環境状態が変化し、ワークや周辺機器の寸法が変更になった場合に、新たにＣＡＤの形状モデルを作成して読む込む必要がなくなり、ロボットシミュレーションを容易に行うことができる。

なお、ロボットシミュレーション装置に関するものではないが、ビジョン装置としてのカメラを備えたハンドリング作業を行うロボットが一例として開示されている（特許文献２）。カメラは、ケースに乱雑に山積みされたワークを撮影するために用いられている。撮影された画像が画像装置で画像処理されることで、ワークの位置・姿勢が認識され、山積みされたワークを自動的にハンドリングすることができるようになっている。

特開２００１−１０５３５９号公報 特開２０００−２９３６９５号公報

特許文献１で開示されたシミュレーション装置は、ロボットを含む環境状態が変化した場合に、周囲と干渉することなくロボットを動作させるように、ワークや周辺機器の寸法変更を容易に行うことができるものであるが、ロボットハンドによるハンドリング作業をシミュレーションして、ロボットハンドの寸法変更を行うものではない。このため、ロボットハンドによるハンドリング作業においては、実際の現場においてロボットハンドを繰り返し動作させ、ケースに収容されたワークに対するロボットハンドの到達可能性や、ケースの壁部とロボットハンドの干渉可能性について検討しなければならなかった。したがって、設計者の知識と経験に依存せざるを得ず、ロボットハンドの設計を行うために非常に多くの時間が掛かるという問題があった。

本発明は、上記した点に鑑み、ロボットによるハンドリング作業において、ロボットの周囲の環境状態の変化に対応するロボットハンドの設計変更に要する検討時間を短くでき、ロボットハンドの設計を容易に行うことができるロボットシミュレーション装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１記載のロボットシミュレーション装置は、ハンドを有するロボットの形状モデルと、収容されるワーク及びケースの形状モデルとをディスプレイの画面上に所定の位置関係でレイアウトし、前記ハンドによるハンドリング作業をシミュレーションするロボットシミュレーション装置において、前記ケースの形状モデルを所定の形状・寸法に設定するケース寸法設定手段と、前記ロボットを動作させて前記ケースの内壁側から前記ワークを取り出す際に、前記ハンドと前記ケースとの干渉をチェックすると共に、干渉する場合に干渉部位を特定する干渉チェック手段と、該干渉チェック手段により前記ハンドと前記ケースとが干渉すると判断された場合に、前記ハンドと前記ケースとが干渉しないように前記ハンドの形状モデルを変更するハンド変更手段と、該ハンド変更手段により変更された前記ハンドの前記形状モデルから前記ハンドの実際の製品寸法データを取得する製品データ取得手段と、を備えたことを特徴とする。

また、請求項２記載の発明は、請求項１に記載のロボットシミュレーション装置において、前記ハンド変更手段により、前記干渉部位の寸法を変更する。
また、請求項３記載の発明は、請求項１に記載のロボットシミュレーション装置において、前記ハンド変更手段により、メモリに記憶されているハンドのライブラリの中から任意形状のハンドを選択する。
また、請求項４記載の発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載のロボットシミュレーション装置において、前記干渉チェック手段は、前記ロボットの前記ハンドに付加された周辺部分と前記ケースとの干渉をチェックすることができ、前記周辺部分と前記ケースとが干渉すると判断された場合に、前記ハンド変更手段により前記周辺部分と前記ケースとが干渉しないように前記ハンドの形状モデルを変更する。

また、請求項５記載の発明は、請求項４に記載のロボットシミュレーション装置において、前記周辺部分が、前記ケースに収容された前記ワークを撮影するために用いられるビジョン装置である。

以上の如く、請求項１記載の発明によれば、ケース寸法設定手段により、多数のワークが乱雑に収容されるケースの形状モデルを実際のケースに対応する所定の形状・寸法に設定することができる。干渉チェック手段により、シミュレーションによるハンドリング動作時に、ハンドとケースとの干渉をチェックすることができると共に、干渉する場合に干渉部位を特定することができる。ハンド変更手段により、ハンドとケースとが干渉すると判断された場合において、特定された干渉部位に基づいてハンドの形状モデルを変更し、ハンドとケースとが干渉しないようにすることができる。製品データ取得手段により、変更されたハンドの形状モデルからハンドの実際の製品寸法データが取得され、メモリに記憶される。したがって、ロボットハンドの設計者は、メモリに記憶された製品寸法データを実際のロボットハンドの設計に反映させることで、ロボットの周囲の環境状態の変化に対応するロボットハンドの設計変更に要する検討時間を短くでき、ロボットハンドの設計を容易に行うことができる。

また、請求項２記載の発明によれば、ハンド変更手段により、特定された干渉部位の寸法を変更することで、ロボットハンドの設計変更に要する時間を大幅に短縮することができる。例えば、ロボットハンドの長さ寸法を任意の寸法に変更することができる。

また、請求項３記載の発明によれば、ハンド変更手段により、多数のハンドの形状モデルデータが記憶されているライブラリ（データベース）の中から、例えば、任意の長さ寸法のハンドを選択することで、請求項２記載の発明と同様の効果を奏することができる。

また、請求項４記載の発明によれば、干渉チェック手段により、ロボットハンドに設けられた付属物との干渉もチェックすることができるから、ハンドリング作業に干渉を生ずることが心配される種々の部分で干渉チェックを行うことができ、ロボットシミュレーション装置の適用範囲を広げることができる。

また、請求項５記載の発明によれば、ロボットハンドに設けられた付属物としてのビジョン装置とケースとの干渉をチェックすることができ、現場における実際のハンドリング作業に近い条件でロボットアームの設計変更をすることができる。

以下、本発明に係るロボットシミュレーション装置（以下、「シミュレーション装置」という）を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付して重複した説明を省略する。

本実施形態のシミュレーション装置１は、実際のロボットにより行われるハンドリング作業（動作）をオフラインシミュレーションで実施できるようにしたものであり、図１に示されるように、制御機能を有する装置本体２と、装置本体２に接続されてグラフィック画像を表示するディスプレイ３とを備えている。なお、図示されていないが、装置本体２にはキーボードや、ディスプレイ３の画面上で特定の位置を指定するポインティングデバイスとしてのマウスが接続されている。

装置本体２は、制御部４と、図示しないインターフェースとを備えている。制御部４は、ＣＰＵ（図示せず）と、各種メモリ（図示せず）とを備えている。メモリは、ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性メモリなどの種々のメモリから構成されている。ＲＯＭには、このシミュレーション装置１を全体的に制御するシステムプログラムが格納される。ＲＡＭは、ＣＰＵが行う処理のためのデータの一時的な記憶に使用されるメモリである。不揮発性メモリには、ロボット１０の動作プログラムデータや諸設定値の他に、後述する本方法の実施に必要なプログラム並びに諸データが格納される。

制御部４は、インターフェースを介して、ディスプレイ３、キーボード、マウス、図示しないロボット制御装置やＣＡＤ装置などに電気的に接続され、電気信号の授受が行われるようになっている。ＣＡＤ装置からは、ロボットハンド１１を有するロボット１０や、収容されるワーク（図示せず））及びケース５や、その他の周辺機器の３次元モデルの形状データが送信され、これらの形状データが不揮発性メモリに記憶され、ロボット１０やケース５などがディスプレイ３の画面上に所定の位置関係でレイアウトされるようになっている。入力された信号は、制御部４によって処理され、各種の機能が実施されるようになっている。

一態様として、制御部４では、少なくとも次に示す機能が実施されるように構成されている。制御部４は、ＣＡＤ装置から送信されたロボット１０やケース５などの各種形状データを取得して、ディスプレイ３の画面上に表示するデータ取得手段（図示せず）と、ワークを収容するケース５の形状モデルを所定の形状・寸法に設定するケース寸法設定手段６と、ロボット１０を動作させてケース５の内壁側からワークを取り出す際に、ロボットハンド１１とケース５との干渉の有無をチェックする干渉チェック手段７と、干渉チェック手段７によりロボットハンド１１とケース５とが干渉すると判断された場合に、ロボットハンド１１とケース５とが干渉しないようにロボットハンド１１の干渉部位における寸法を変更するハンド寸法変更手段（ハンド変更手段）８と、ハンド寸法変更手段８により変更されたロボットハンド２２の形状モデルからロボットハンド１１の実際の製品寸法データを取得する製品データ取得手段９と、を備えている。なお、ロボットハンド１１とケース５との干渉部位は、干渉チェック手段７により特定されるようになっている。

ディスプレイ３には、液晶ディスプレイやＣＲＴなどが適用され、ロボットハンド１１を有するロボット１０の３次元モデルとケース５などの３次元モデルを画面上でグラフィック表示する。図２には、ロボットハンド１１とケース５とが所定の位置関係で配置されている。この位置関係は、現場における位置関係が再現されるようになっている。グラフィック表示方法は、任意であり、ソリッドモデルや、フレームモデルや、ワイヤモデルとすることができる。ロボットハンド１１とケース５の３次元モデルデータは、ＣＡＤ装置から直接的に読み込まれるが、記録媒体を介して間接的に取り込まれることもできる。

次に、図３に示すフローチャート、図４及び図５に示す説明図を参照し、本実施形態のシミュレーション装置１を用いたハンドリングシミュレーションについて説明する。
ステップＳ１では、ケース５、ワーク（図示せず）、ロボットハンド１１の３次元モデルをＣＡＤ装置から読み込み、ステップＳ２において、図４に示すように、実際の作業環境に対応する相互位置関係でディスプレイ３の画面上にグラフィック表示する。
ステップＳ３では、図５に示すように、直方体のケース５の形状・寸法、ここでは高さ寸法ｓ、幅寸法ｔ、奥行き寸法ｕが設定される（ケース寸法設定手段６）。

ステップＳ４では、ケース５内に乱雑に収容される多数のワークがケース５に対して占める仮想占有空間Ｖの大きさが設定される。本実施形態では、この仮想占有空間Ｖは立体的空間として設定される。
ステップＳ５では、ワークの仮想占有空間Ｖ上で、ケース５の内壁側から、ワークをロボットハンド１１で把持できるときのロボットハンド１１の姿勢（許容傾き角度θ）を求める。具体的には、ワークの占有領域Ｖの下面と上面の各４コーナ（合計で８コーナ）にロボットハンド１１を垂直な姿勢で降ろしたときにワークを把持できることの確認を行い、把持できなければワークに対してロボットハンド１１を任意の角度傾けて、把持できるかどうかの確認を行う。

ステップＳ６では、ロボットハンド１１をシミュレーション動作させてケース５の内壁側（ケース５のコーナ及びケース５の四辺を含む内壁側）からワークを取り出す際に、ロボットハンド１１とケース５内壁との干渉の有無をチェックする（干渉チェック手段７）。同時に、干渉する場合は、ロボットハンド１１とケース５との干渉部位を特定する。
ステップＳ７では、ロボットハンド１１とケース５とが干渉する場合に、ロボットハンド１１の干渉部位における寸法を変更する（ハンド変更手段８）。具体的には、ロボットハンド１１の長さ寸法Ｌを初期設定値の１／２倍〜３倍の範囲で適宜変更して干渉しなくなるまで干渉チェックを繰り返す。
ステップＳ８では、ロボットハンド１１とケース５とが干渉しなくなったときのロボットハンド１１の形状モデルからロボットハンド１１の実際の製品寸法データを取得する（製品データ取得手段９）。

以上のように、本実施形態のシミュレーション装置１によれば、ロボットハンド１１の設計者は、メモリに記憶されたロボットハンド１１の長さ寸法Ｌを実際のロボットハンドの設計に反映させることで、ロボット１０の周囲の環境状態の変化に対応するロボットハンド１１の設計変更に要する検討時間を短くでき、ロボットハンド１１の設計を容易に行うことができる。

次に、本実施形態のシミュレーション装置の変形例について説明する。この変形例は、図６に示されるように、図２のロボットハンド１１Ａにビジョン装置１２を備えたものである。この変形例では、相違点について説明することとし、主として共通する構成部分については、同一符号を付して重複した説明を省略することとする。

図７にフローチャートが示されているように、ステップＳ２でビジョン装置１２を有するロボットハンド１１Ａをディスプレイ３の画面上にレイアウトした後、Ｓ３及びＳ４に続くステップＳＡ１で、ビジョン装置１２の視野の空間を設定する。具体的には、ロボットハンド１１Ａによってビジョン装置１２の視野が妨げられない範囲を指定する。この変形例では、視野幅ｘと、視野長さｙと、スタンドオフ値ｚとが指定されるようになっている（図９）。

ステップＳＡ２では、ロボットハンド１１Ａをケース５内側（ケース５のコーナ及びケース５の四辺を含む内壁側）の枠状の稜線に沿って移動させることでビジョン装置の視野空間を広げる。広げられた視野空間がワークの占有領域Ｖを覆うことを確認する。

次に、ステップＳ５を経て、ステップＳ６において、ビジョン装置１２とケース５とが干渉することなく、ワークを把持することができるかを判断する。干渉なくワークを把持できると判断された場合はステップＳ８に進む。干渉を生ずると判断された場合は、ステップＳ７でビジョン装置１２とケース５とが干渉しないようにロボットハンド１１Ａの寸法が変更される（ハンド変更手段８）。

以上のように、本実施形態の別の態様によれば、ロボットハンド１１Ａに設けられた付属物としてのビジョン装置１２とケース５との干渉をチェックすることができ、実際のロボットハンドの態様に近い条件でシミュレーションを実施することができ、ロボットシミュレーション装置１Ａの適用範囲を広げることができると共に、シミュレーションの精度を高めることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、本実施形態及び変形例において、ロボットハンド１１の長さ寸法Ｌが変更されるようになっているが、他の形態として、多数のハンドの形状モデルデータが記憶されているライブラリの中から、長さ寸法が異なるロボットハンドを選択することで、ロボットハンドを変更することも可能である。ライブラリには、寸法だけではなく、タイプの異なるロボットハンドを登録することもでき、多様化するハンドリング作業の形態に対して柔軟に対応することができる。

本発明のロボットシミュレーション装置の一実施形態を示す構成図である。 ロボットハンドとケースとがディスプレイの画面上に表示された状態を示す斜視図である。 図１に示すロボットシミュレーション装置によるシミュレーションの流れを示すフローチャートである。 図３のステップＳ２の説明図である。 図３のステップＳ３及びＳ４の説明図である。 本実施形態の変形例において、ロボットハンドとケースとがディスプレイの画面上に表示された状態を示す斜視図である。 図６に示すロボットシミュレーション装置によるシミュレーションの流れを示すフローチャートである。 図６のステップＳ２の説明図である。 図６のステップＳＡ１の説明図である。

符号の説明

１ シミュレーション装置
２ 装置本体
３ ディスプレイ
４ 制御部
５ ケース
６ ケース寸法設定手段
７ 干渉チェック手段
８ ハンド変更手段
９ 製品データ取得手段
１１ ロボットハンド
１２ ビジョン装置

Claims (5)

1. ハンドを有するロボットの形状モデルと、収容されるワーク及びケースの形状モデルとをディスプレイの画面上に所定の位置関係でレイアウトし、前記ハンドによるハンドリング作業をシミュレーションするロボットシミュレーション装置において、
   前記ケースの形状モデルを所定の形状・寸法に設定するケース寸法設定手段と、
   前記ロボットを動作させて前記ケースの内壁側から前記ワークを取り出す際に、前記ハンドと前記ケースとの干渉をチェックすると共に、干渉する場合に干渉部位を特定する干渉チェック手段と、
   該干渉チェック手段により前記ハンドと前記ケースとが干渉すると判断された場合に、前記ハンドと前記ケースとが干渉しないように前記ハンドの形状モデルを変更するハンド変更手段と、
   該ハンド変更手段により変更された前記ハンドの前記形状モデルから前記ハンドの実際の製品寸法データを取得する製品データ取得手段と、を備えたことを特徴とするロボットシミュレーション装置。
2. 前記ハンド変更手段により、前記干渉部位の寸法を変更する請求項１に記載のロボットシミュレーション装置。
3. 前記ハンド変更手段により、メモリに記憶されているハンドのライブラリの中から任意形状のハンドを選択する請求項１に記載のロボットシミュレーション装置。
4. 前記干渉チェック手段は、前記ロボットの前記ハンドに付加された周辺部分と前記ケースとの干渉をチェックすることができ、前記周辺部分と前記ケースとが干渉すると判断された場合に、前記ハンド変更手段により前記周辺部分と前記ケースとが干渉しないように前記ハンドの形状モデルを変更する請求項１〜３の何れか１項に記載のロボットシミュレーション装置。
5. 前記周辺部分が、前記ケースに収容された前記ワークを撮影するために用いられるビジョン装置である請求項４に記載のロボットシミュレーション装置。

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