JP5468366B2 - ロボット制御システムおよびロボット制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ロボット制御システムおよびロボット制御方法に関し、特に、いわゆる「チョコ停」の未然防止を可能とするロボット制御システムおよびロボット制御方法に関する。

産業用ロボットは、一般に、旋回可能かつ上下動可能なロボットアームと、ロボットアームの先端に設けられ、ワーク（部品）を把持するためのチャック部を有するロボットハンドと、ロボットアームおよびロボットハンドを所定の制御プログラムにしたがって駆動制御する制御部とを備えている。また、自動組立装置は、ワークテーブル面上のそれぞれ所定位置に配置された、多数の部品を収容する複数の部品供給トレイと、部品の組立を行うための組立用治具とを有している。

自動組立装置の運転時には、ロボットアームを駆動して、ロボットハンドを所定の部品供給トレイの位置まで移動させ、先端のチャック部で部品を把持する。この状態から、ロボットアームを駆動して、ロボットハンドを組立用治具の位置まで移動させ、チャック部に把持されていた部品を組立用治具に組み付ける。以下、同様の動作を繰り返すことにより、所望の機器が自動的に組み立てられることになる。

このような産業用ロボットを含む自動組立装置においては、自動運転を開始する前に、ロボットに対して動作基準座標や動作手順等を教示するティーチングという作業が必要になる。従来のティーチング作業では、パソコン上のコンピュータシミュレーションなどにより、概略の座標位置を求めた後、作業者が、ティーチングペンダントやティーチングボックスを用いて実際にロボットハンドをマニュアル操作することにより、正確な座標位置の設定を行うようにしている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。

特開２０００−３５４９１９号公報 特開２００６−０４３８４４号公報

しかしながら、上述のような従来技術では、ティーチング作業において細かな座標位置の設定が非常に煩雑であった。また、ロボットの個体差による誤差、ロボットハンドや部品供給トレイ、組立用治具などの各種モジュールの設置時に生じる誤差、チャック部や組立用治具自体の個体差による誤差があるため、ロボット等を設置し直すごとにティーチングを行わなければならず、ティーチング作業に長時間を要していた。

とくに、小さな機器の組立装置の場合には、操作者が装置の中に頭を突っ込んで無理な態勢でティーチング作業を行わなければならない場合もあり、操作者にとって、とても安全かつフレンドリーな作業環境とはいえないものであった。

さらに、ロボットの自動組立を継続して行うと、ロボットアーム自身の位置ずれやロボットハンドの位置ずれが発生して累積し、あるいはワークの位置ずれにより、自動運転中に組立を継続して行えないというトラブルが発生して、ロボットが停止するといういわゆる「チョコ停」（すなわち、機械の故障ではなく、一時的なトラブルに起因した機械の停止状態）が発生していた。

従来技術のこのような課題に鑑み、本発明の目的は、上記のように様々な要因によって生じ得る作業対象部品などの位置ずれによる「チョコ停」の未然防止を可能とするロボット制御システムおよびロボット制御方法を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明のロボット制御システムは、作業内容を制御可能なロボットハンドを有するロボットと、前記ロボットハンドの複数の作業対象物が搭載されたトレイが載置される載置面が外部からの指令で水平移動可能な可動台と、前記ロボットハンドに取り付けられており、前記可動台の上に載置された前記トレイに搭載された作業対象物のうちで次の作業対象となるべき次作業対象物が含まれるようにこの次作業対象物の略真上から撮像する撮像部と、この撮像部で撮像された画像データから前記次作業対象物を検出するとともに、検出された前記次作業対象物の正常位置に対する位置誤差を算出する画像処理部と、この画像処理部で算出された前記位置誤差を補正するような移動を前記可動台に指令する位置誤差補正部とを備えることを特徴とする。

ここで、作業とは、例えば部品の自動組立などを例示できるが、これには限られない。作業対象物とは、例えば、電気部品や機械部品などの各種部品を例示できるが、これには限られない。前記可動台としては、水平面内においてＸ軸方向およびこのＸ軸に直交するＹ軸方向にいずれも独立移動可能であるとともに回転角θも可変であるＸ−Ｙ−θステージを例示できるが、これに限るわけではない。

このような構成のロボット制御システムによれば、ロボットによる自動組立などの作業を継続して行った場合などに、ロボットハンドなどの位置ずれが発生して累積したり、あるいは部品が搭載されるトレイを載置するときに位置ずれが発生したりしても、それらの位置ずれが前記可動台を使用することで適切に補正される。これにより、いわゆる「チョコ停」の未然防止が可能となって、ロボットやロボット制御システム全体の稼働率が向上する。また、撮像データにおいて次作業対象物の周辺端部などが明瞭で歪みなども比較的少なく、画像処理による検出がしやすくなって位置精度も高まる。なるべく大きめの倍率となるように、至近距離から撮像すれば、さらに位置検出精度を高めることができる。

あるいは、上記目的を達成するため、本発明のロボット制御方法は、作業内容を制御可能なロボットハンドの複数の作業対象物が搭載されたトレイが、外部からの指令で水平移動可能な可動台の上に載置された状態で、前記作業対象物のうちで次の作業対象となるべき次作業対象物が含まれるようにこの次作業対象物の略真上から前記ロボットハンドに取り付けられた撮像部によって撮像する撮像工程と、この撮像工程で撮像された画像データから前記次作業対象物を検出するとともに、検出された前記次作業対象物の正常位置に対する位置誤差を算出する画像処理工程と、この画像処理工程で算出された前記位置誤差を補正するような移動を前記可動台に指令する位置誤差補正工程と、前記可動台の前記移動によって前記位置誤差が補正された後に、前記次作業対象物への作業を実行する作業実行工程とを含むことを特徴とする。

このような構成のロボット制御方法によれば、ロボットによる自動組立などの作業を継続して行った場合などに、ロボットハンドなどの位置ずれが発生して累積したり、あるいは部品が搭載されるトレイを載置するときに位置ずれが発生したりしても、それらの位置ずれが前記可動台を使用することで適切に補正される。これにより、いわゆる「チョコ停」の未然防止が可能となって、ロボットやロボット制御システム全体の稼働率が向上する。また、撮像データにおいて次作業対象物の周辺端部などが明瞭で歪みなども比較的少なく、画像処理による検出がしやすくなって位置精度も高まる。なるべく大きめの倍率となるように、至近距離から撮像すれば、さらに位置検出精度を高めることができる。

また、本発明のロボット制御方法において、前記撮像工程では、前記作業対象物の形状を検出して正常な形状データと比較する形状検査も行って、前記作業対象物が不良品か否かを識別し、不良品と識別された前記作業対象物については、前記作業実行工程での作業を実行しないようにしてもよい。

このような構成のロボット制御方法によれば、作業対象物の変形などに起因する「チョコ停」の未然防止も可能となり、ロボットやロボット制御システム全体の稼働率がさらに向上する。

本発明のロボット制御システムおよびロボット制御方法によれば、ロボットによる自動組立などの作業を継続して行った場合などに、ロボットハンドなどの位置ずれが発生して累積したり、あるいは部品が搭載されるトレイを載置するときに位置ずれが発生したりしても、それらの位置ずれが前記可動台を使用することで適切に補正される。これにより、いわゆる「チョコ停」の未然防止が可能となって、ロボットやロボット制御システム全体の稼働率が向上する。また、撮像データにおいて次作業対象物の周辺端部などが明瞭で歪みなども比較的少なく、画像処理による検出がしやすくなって位置精度も高まる。なるべく大きめの倍率となるように、至近距離から撮像すれば、さらに位置検出精度を高めることができる。

本発明の第１実施形態に係るロボット制御システム１の平面概略図である。 ロボット制御システム１で制御されるロボット３の側面斜視図である。 ロボット３が有するロボットアーム３０の先端に設けられるロボットハンド３１の拡大斜視図である。 組立用治具７およびＸ−Ｙ−θステージ９の概略斜視図である。 ロボット制御システム１のティーチングに使用されるティーチングペンダント１０の正面拡大図である。 ロボット制御システム１の制御部１００のブロック構成図である。 小型カメラ３４によって撮像されて次の作業対象部品Ｐｎがほぼ中央に写っている画像が、パソコン１１０の画面に表示された一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

＜ロボット制御システム１の構成＞
図１は本発明の一実施形態に係るロボット制御システム１の平面概略図である。図２はこのロボット制御システム１で制御されるロボット３の側面斜視図である。図３はこのロボット３が有するロボットアーム３０の先端に設けられるロボットハンド３１の拡大斜視図である。図４は組立用治具７およびＸ−Ｙ−θステージ９の概略斜視図である。図５はロボット制御システム１のティーチングに使用されるティーチングペンダント１０の正面拡大図である。

図１に示すように、ロボット制御システム１は、ワークテーブル２上に離隔配置された２つの組立用ロボット３、４を備えている。ロボット３、４はいずれも多関節ロボットであって、複数のロボットアーム３０、４０をそれぞれ有している。先端側のロボットアーム３０、４０の先端には、ロボットハンド３１、４１がそれぞれ設けられている。

ワークテーブル２上の一側部には、それぞれ多数の部品（ワーク）（図示せず）を収容する複数の部品供給トレイ５、６が整列して配置されている。これらの部品供給トレイ５、６は、図示しない搬入装置によって、ワークテーブル２上に搬入されるようになっている。ワークテーブル面２上において、略中央位置には、各ロボット３、４により部品の組立作業が行われる組立用治具７が取り付けられている。ワークテーブル２の下方には、それぞれロボット３、４を駆動制御するためのコントローラＡ、Ｂが設けられている。また、ワークテーブル２の一側方には、ロボットアーム３０、４０の可動範囲全体を撮影するための可搬型カメラ８が配置されている。可搬型カメラ８は、広角レンズを有し、ズーム機能およびパン機能を有しているものが好ましい。

ロボット３は、図２に示すように、先端側のロボットアーム３０の先端に着脱自在なロボットハンド３１を有している。ロボットハンド３１には、複数のワーク把持用チャック部３２が設けられている。

チャック部３２は、図３に示すように、支持台３３に支持されている。支持台３３には、チャック部３２を駆動する駆動機構が内蔵されている。ロボットハンド３１は、ベース板３１Ａを有している。図示された４つの支持台３３のうちの一つが、ベース板３１Ａ上において図示矢印方向に移動可能に設けられており、この移動可能な支持台３３の側面には、チャック部３２の先端を撮影するための小型カメラ（例えば、ビジョンカメラまたはＣＣＤカメラ）３４が取り付けられている。

なお、ロボット４のロボットハンド４１についても同様の構成を有しているため、ここでは、説明を省略する。

また、本実施形態では、複数の部品供給トレイ５のうちの１つが、図４に示すように、外部からの指令で水平移動可能なＸ−Ｙ−θステージ９の上面に載置されるようになっている。このＸ−Ｙ−θステージ９は、例えば、外部から電気信号などによって指令を与えることで、その上面を、水平面内で直交する２方向（Ｘ軸方向およびＹ軸方向）にそれぞれ独立して移動させて精密な位置決めができるとともに、さらに、その水平面内の回転角θも精密に変更できるように構成されている。なお、他の部品供給トレイ５も同様に、それぞれ別のＸ−Ｙ−θステージに載置するようにしてもよい。

また、このロボット制御システム１は、図５に示すようなティーチングペンダント（操作部）１０を有している。ティーチングペンダント１０は、ロボットハンド３１のカメラ３４で撮影された画像を表示するためのＬＣＤ（液晶）ディスプレイ１１と、操作者が握るための左右のグリップ１２、１３と、非常停止スイッチ１４とを備えている。

ディスプレイ１１は、タッチパネル式のディスプレイである。また、ディスプレイ１１の左右両側には、起動、停止、ティーチングなどのロボット操作用の押しボタンスイッチ１１ａが複数個設けられている。グリップ１２の裏面には、ティーチング時や試運転時などの非定常作業時に操作者が危険を回避するための３ポジション方式のイネーブルスイッチ１５（図６参照）が設けられている。

次に、ロボット制御システム１の制御部について図６を用いて説明する。この図６はロボット制御システム１の制御部１００のブロック構成図である。

制御部１００は、記憶部とコンピュータを含んでいる。記憶部は以下に説明するロボット制御方法を実行するためのコンピュータプログラムが記憶され、コンピュータは当該プログラムを実行する。詳細には制御部１００は、ロボット３のコントローラＡと、ロボット４のコントローラＢと、パソコン１１０とを含んで構成されている。コントローラＡ、Ｂは互いに通信可能に構成されている。

コントローラＡの入力側には、ティーチングペンダント１０がワイヤレスで接続されている。ティーチングペンダント１０には、上述したように、タッチパネル式のディスプレイ１１、非常停止スイッチ１４およびイネーブルスイッチ１５が接続されている。また、コントローラＡの入力側には、小型カメラ３４および可搬型カメラ８が接続されている。

コントローラＡの出力側には、ロボットアーム３０およびロボットハンド３１を駆動するためのモータｍａ₁〜ｍａ_nが接続されている。また、コントローラＡの出力側には、自動運転中の「チョコ停」の発生時に仕掛品をワークテーブル２上から撤去するための撤去装置１０５が接続されている。この撤去装置１０５は、ロボットハンド３１に設けられており、好ましくは、ロボットハンド３１におけるいずれかのチャック部３２が撤去装置１０５として機能している。なお、ワークテーブル２上に向けて圧搾空気を噴出させるためのエアノズルを撤去装置１０５に設けるようにしてもよいし、このエアノズルをロボットハンド３１に設けるようにしてもよい。

コントローラＡの出力側には、さらにパソコン１１０が接続されている。パソコン１１０は、ティーチング時のシミュレーションを行うだけでなく、可搬型カメラ８で撮影した自動運転中の映像をモニターするのに用いられている。パソコン１１０は、コントローラＡに無線ＬＡＮで接続されている。なお、自動運転中の映像は、ティーチングペンダント１０に表示するようにしてもよい。

また、コントローラＡの出力側には、Ｘ−Ｙ−θステージ９も接続されている。

一方、コントローラＢの入力側には、同様にロボット４において、ロボットハンド４１のチャック部の支持台に設けられた小型カメラ４４が接続されている。また、コントローラＢの出力側には、ロボットアーム４０およびロボットハンド４１を駆動するためのモータｍｂ₁〜ｍｂ_nと、撤去装置１０５と同様の撤去装置１０６とが接続されている。

＜ロボット制御システム１の処理の流れ＞
本実施形態に係るロボット制御システム１では、例えば、部品の組立の主要作業はロボット４によって行われるものとする。その作業中にロボット３によって行われる処理の流れは概ね次の通りである。

（１）部品供給トレイ５に搭載された作業対象部品を小型カメラ３４で撮像
まず、Ｘ−Ｙ−θステージ９上に載置された部品供給トレイ５付近までロボットハンド３１を移動させた後、さらに、ロボットハンド３１に取り付けられた小型カメラ３４が、部品供給トレイ５上に搭載されている複数の作業対象部品Ｐのうちで次の作業対象となるべき部品Ｐｎの正常位置の真上に来るように移動させる。

そして、そこから小型カメラ３４が真下を見下ろすようにして次の作業対象部品Ｐｎを中央にして撮影する。こうすれば、撮像データにおいて次の作業対象部品Ｐｎの周辺端部などが明瞭で歪みなども比較的少ないから、画像処理による検出がしやすくなって位置精度も高まる。撮像した画像データから検出可能な次の作業対象部品Ｐｎの位置精度をできるだけ高めるには、なるべく大きめの倍率となるように、至近距離から撮像することが好ましい。

このようにして撮像されて次の作業対象部品Ｐｎがほぼ中央に写っている画像が、パソコン１１０の画面に表示された一例を図７に示す。この画面では、水平方向がＸ−Ｙ−θステージ９のＸ軸方向に対応し、垂直方向がＸ−Ｙ−θステージ９のＹ軸方向に対応している。また、位置検出や補正などが正常に行われているかどうかを容易に視認できるように、画面上には水平方向および垂直方向の中心線をそれぞれ描画している。ただし、このような表示は任意であって、他の表示形態でもよいし、なくてもかまわない。

（２）撮像された画像から作業対象部品の位置誤差を算出
小型カメラ３４によって撮像された画像をパソコン１１０によって画像処理することによって、その画像データから次の作業対象部品Ｐｎを検出する。そして、次の作業対象部品Ｐｎの実際の正確な位置を算出し、正常位置データとの比較によって次の作業対象部品Ｐｎの位置誤差を算出する。

図７に示した例では、次の作業対象部品Ｐｎの中心が、画面の中心よりも右上方向にずれているが、回転角θのずれはほとんど生じていないことがわかる。

なお、このときの画像処理では、次の作業対象部品Ｐｎの各部形状なども検出して、作業対象部品Ｐの正常な形状データと比較する形状検査も併せて行うことが好ましい。そして、この形状検査の結果、正常な形状データとの差が一定値以上であれば、次の作業対象部品Ｐｎが不良品であると識別する。このときは、次の（３）、（４）を省き、次の作業対象部品Ｐｎに対してロボットハンド３１による作業は実行しない。そして、部品供給トレイ５に搭載されているさらに次の作業対象部品Ｐを対象として、（１）からの処理を行う。

（３）位置誤差を補正するようにＸ−Ｙ−θステージ９の上面を水平移動
算出された次の作業対象部品Ｐｎの位置誤差に基づいて、その位置誤差を補正してキャンセルするような水平移動させるための指令をＸ−Ｙ−θステージ９に与える。具体的には、位置誤差の補正量に応じたＸ軸方向、Ｙ軸方向および回転角θの移動量に対応する信号出力などを送ればよい。

水平移動終了後には、もう一度、上記（１）および（２）を繰り返し、次の作業対象部品Ｐｎが正常位置にあって位置誤差がなくなっているかどうかを確認することが好ましい。もし、位置誤差が残存しているようなら、上記（３）も繰り返す必要がある。

（４）次の作業対象部品Ｐｎに対する作業の実行
以上のようにして、位置誤差がＸ−Ｙ−θステージ９によって補正され、次の作業対象部品Ｐｎが正常位置になった後に、ロボットハンド３１による次の作業対象部品Ｐｎに対する作業を実行することができる。

以上で説明した本実施形態の構成によれば、ロボット３による自動組立などを継続して行った場合などに、ロボットアーム３０やロボットハンド３１の位置ずれが発生して累積したり、あるいは部品供給トレイ５を載置するときに位置ずれが発生したりしても、それらが集約された位置ずれがＸ−Ｙ−θステージ９を使用することで適切に補正される。これにより、いわゆる「チョコ停」の未然防止が可能となって、ロボット３やロボット制御システム１全体の稼働率が向上する。

また、次の作業対象部品Ｐｎの形状検査も併せて行うことで、作業対象部品Ｐの変形などに起因する「チョコ停」の未然防止も可能となり、ロボット３やロボット制御システム１全体の稼働率がさらに向上する。

また、以上の説明のように、Ｘ−Ｙ−θステージ９による位置ずれの補正は、作業対象部品Ｐｎ毎に行ってもよいし、最初の作業対象部品に対して位置ずれ補正を行えば、その他の作業対象部品も同じトレイ上に搭載されているので位置ずれ補正されるので、最初の作業対象部品に対してのみ行ってもよい。このように位置ずれの補正を１回だけにすれば、組立工程全体を処理するタクトタイムがあまり影響を受けて長くなることを防止できる。

また、ロボット３のロボットハンド３１に設けられた小型カメラ３４を用いたが、これに代えて可搬型カメラ８を用いてもよい。この場合、可搬型カメラ８は部品供給トレイ５を見下ろすように撮影できるように設置される。このように構成すれば、ロボット３、４の動作とは独立して位置ずれの補正を行うことができるので、組立工程全体を処理するタクトタイムが影響を受けて長くなることを防止できる。

本発明は、その主旨または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の実施形態や実施例はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文にはなんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

１ ロボット制御システム
２ ワークテーブル
３ ロボット
３０ ロボットアーム
３１ ロボットハンド
３２ チャック部
３３ 支持台
３４ 小型カメラ
４ ロボット
４０ ロボットアーム
４１ ロボットハンド
４４ 小型カメラ
５ 部品供給トレイ
６ 部品供給トレイ
７ 組立用治具
８ 可搬型カメラ
９ Ｘ−Ｙ−θステージ
１０ ティーチングペンダント
１１ タッチパネル式ディスプレイ
１２ グリップ
１３ グリップ
１４ 非常停止ボタン
１５ イネーブルスイッチ
１００ 制御部
１０５ 撤去装置
１０６ 撤去装置
１１０ パソコン
Ａ、Ｂ コントローラ
Ｐ 作業対象部品
Ｐｎ 次作業対象部品
Ｗ ワーク

Claims (4)

1. 作業内容を制御可能なロボットハンドを有するロボットと、
   前記ロボットハンドの複数の作業対象物が搭載されたトレイが載置される載置面が外部からの指令で水平移動可能な可動台と、
   前記ロボットハンドに取り付けられており、前記可動台の上に載置された前記トレイに搭載された作業対象物のうちで次の作業対象となるべき次作業対象物が含まれるようにこの次作業対象物の略真上から撮像する撮像部と、
   この撮像部で撮像された画像データから前記次作業対象物を検出するとともに、検出された前記次作業対象物の正常位置に対する位置誤差を算出する画像処理部と、
   この画像処理部で算出された前記位置誤差を補正するような移動を前記可動台に指令する位置誤差補正部と
   を備えることを特徴とするロボット制御システム。
2. 請求項１に記載のロボット制御システムにおいて、
   前記可動台は、水平面内においてＸ軸方向およびこのＸ軸に直交するＹ軸方向にいずれも独立移動可能であるとともに回転角θも可変であるＸ−Ｙ−θステージであることを特徴とするロボット制御システム。
3. 作業内容を制御可能なロボットハンドの複数の作業対象物が搭載されたトレイが、外部からの指令で水平移動可能な可動台の上に載置された状態で、前記作業対象物のうちで次の作業対象となるべき次作業対象物が含まれるようにこの次作業対象物の略真上から前記ロボットハンドに取り付けられた撮像部によって撮像する撮像工程と、
   この撮像工程で撮像された画像データから前記次作業対象物を検出するとともに、検出された前記次作業対象物の正常位置に対する位置誤差を算出する画像処理工程と、
   この画像処理工程で算出された前記位置誤差を補正するような移動を前記可動台に指令する位置誤差補正工程と、
   前記可動台の前記移動によって前記位置誤差が補正された後に、前記次作業対象物への作業を実行する作業実行工程と
   を含むことを特徴とするロボット制御方法。
4. 請求項３に記載のロボット制御方法において、
   前記撮像工程では、前記作業対象物の形状を検出して正常な形状データと比較する形状検査も行って、前記作業対象物が不良品か否かを識別し、
   不良品と識別された前記作業対象物については、前記作業実行工程での作業を実行しないことを特徴とするロボット制御方法。

Images