JP2013180380A - 制御装置、制御方法及びロボット装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ロボットが把持する対象物の撮像画像に基づいてロボットのマニピュレーターを制御する第1制御信号を生成するビジュアル制御部110と、ビジュアル制御部110が生成した第1制御信号と、前記対象物にかかっている力を示す負荷情報とに基づいて、前記ロボットのマニピュレーターを制御するコンプライアントモーション制御部150と、を備える。
【選択図】図5
Description
この構成によれば、制御装置は、ロボットが把持する対象物の撮像画像と対象物にかかっている力を示す負荷情報とに基づいてロボットのマニピュレーターを制御する。これにより、制御装置は、対象物の撮像画像に基づいて対象物を移動させつつ、対象物が他の物体と接触しても対象物に過大な力がかからないように対象物を移動させることができる。その結果、制御装置は、対象物を破壊することなく対象物を適切な位置へ移動させることができる。
この構成によれば、ビジュアル制御部が位置決めを行うために対象物と被組み付け部品との位置関係を検出するので、コンプライアントモーション制御部は、その位置関係と負荷情報とに基づいてロボットのマニピュレーターを制御することができる。この結果、制御装置は、その位置関係に応じた第2制御信号を生成することができるので、対象物に過大な力がかからない方向に対象物を移動適切なコンプライアントモーションの制御ができる。
この構成によれば、制御装置は、コンプライアントモーション制御部による制御とビジュアル制御部による制御とを常に実行することができ、ロボットが把持する対象物に過大な力がかかることを常に防ぎつつ、対象物を目標の位置に向かって移動させることができる。
この構成によれば、制御装置は、コンプライアントモーション制御部による制御とビジュアル制御部による制御とを常に実行することができ、ロボットが把持する対象物に過大な力がかかることを常に防ぎつつ、対象物を目標の位置に向かって移動させることができる。
この構成によれば、制御装置は、力センサーが検出した前記ロボットに働く力に基づいて、前記対象物にかかっている力を示す負荷情報を算出し、その負荷情報に基づいて、前記第2制御信号を生成するので、コンプライアントモーション制御部による制御を実行することができ、ロボットが把持する対象物に過大な力がかかることを防ぐことができる。
前記負荷情報を、前記力センサーを基準とするセンサー座標系から前記対象物を基準とする物体座標系に変換する第1座標変換部と、前記第1座標変換部によって変換された後の負荷情報に対して、前記対象物の質量とダンパ係数とばね定数とに基づいて決定される伝達関数を乗じる伝達関数乗算部と、前記伝達関数乗算部が乗じることにより得られた負荷情報を前記物体座標系から前記ロボットを基準とするロボット座標系に変換することで、前記第2制御信号を生成する第2座標変換部と、を備えることを特徴とする。
この構成によれば、制御装置は、ロボット座標系において、力センサーが検出した力に応じてロボットを動かす位置を決定することができるので、ロボットが把持する対象物に過大な力がかかることを防ぐことができ、対象物を破壊することを防止することができる。
この構成によれば、制御装置は、現在画像とゴール画像との比較に基づいて第1制御信号を生成し、この第1制御信号に基づいてロボットのマニピュレーターを制御するので、対象物を目標の位置に向かうように移動させることができる。
この構成によれば、制御装置は、対象物が目標の位置に到達するまで、対象物の撮像画像に基づいて対象物を移動させつつ、対象物が他の物体と接触しても対象物に過大な力がかからないように対象物を移動させることができる。その結果、制御装置は、対象物を破壊せずに対象物を組み立てることができる。
この構成によれば、制御装置は、対象物が目標の位置に到達するまで、対象物の撮像画像に基づいて対象物を移動させつつ、対象物が他の物体と接触しても対象物に過大な力がかからないように対象物を移動させることができる。その結果、制御装置は、対象物を破壊せずに対象物を組み立てることができる。また、制御装置は、少なくともある1つの向きに対して、力を目標の値に近づけるようにマニピュレーターを制御するので、対象物に過大な力がかからないように移動させるだけでなく、ハンドプレス機を用いたプレス作業などを行わせることができる。
この構成によれば、制御装置は、ロボットが把持する対象物の撮像画像と対象物にかかっている力を示す負荷情報とに基づいてロボットのマニピュレーターを制御する。これにより、制御装置は、対象物の撮像画像に基づいて対象物を移動させつつ、対象物が他の物体と接触しても対象物に過大な力がかからないように対象物を移動させることができる。
前記ビジュアル制御部が生成した第1制御信号と、前記対象物にかかっている力を示す負荷情報に基づいて、前記ロボットのマニピュレーターを制御するコンプライアントモーション制御部と、を備えることを特徴とするロボット装置である。
[第1の実施形態]
図1は、第1の実施形態におけるロボット装置1の概略斜視図である。図1に示すように、ロボット装置1は、制御装置10、多関節ロボット(以下、ロボットともいう)20を備える。なお、図1における部品や構造等の縮尺は、図を明瞭なものとするために実際のものとは異なっている。
ロボット20は、地面に固定された支持台20a、旋回可能及び回転可能に支持台20aに連結されたマニピュレーター部(マニピュレーター)20b、マニピュレーター部20bに連結された把持部20c、力センサー20d及び撮像装置30を備える。また、把持部20cは開閉機能を有する。これにより、把持部20cは対象となる物体(以下、対象物という)を把持することができる。本実施形態では、対象物の一例として部品200を用いて説明する。
なお、ロボット20の自由度は6軸によるものに限られない。また、支持台20aは、床、壁、天井等、地面に対して固定された場所に設置してもよい。
また、不図示のエンコーダー21は、ロボット20の各関節の角度を検出し、検出した各関節の角度を制御装置10へ送信する。
被組み付け部品210は、部品200が組み合わされる穴211を有している。なお、穴211は、被組み付け部品210を貫通していても、貫通していなくてもよい。
なお、符号220は、後述するように、部品200と被組み付け部品210との接触状態を、2次元で表す場合に用いる平面である。
生成部14と、記憶部15と、動作制御部16と、画像取得部17と、類似度算出部18と、判定部19と、負荷算出部40とを備える。
開始位置移動指示部12は、マニピュレーター部20bを制御して、部品200を所定の組み付け作業開始位置に移動する。
そして、位置姿勢検出部13は、検出した被組み付け部品210の位置及び姿勢を示す情報を画像データとともにゴール画像生成部14へ出力する。
なお、本実施形態における位置姿勢検出部13は、予め部品の位置及び姿勢を変化させた状態のカメラ画像を取得しておいて、それらとの比較により現在の部品の位置及び姿勢を検出したが、これに限ったものではない。位置姿勢検出部13は、部品の位置及び姿勢を変化させた状態をCG(Computer Graphics)で再現して、それらとの比較により現在の位置及び姿勢を検出してもよい。
ビジュアル制御部110は、ロボットが把持する対象物の撮像画像に基づいてロボットのマニピュレーターを制御する第1制御信号を生成する。本実施形態では、第1制御信号は、一例として、ロボット20を動かす先の相対的な位置を示す信号とする。その場合、ビジュアル制御部110は、現在の対象物を撮像した現在画像と、該対象物を目標の位置に移動させた状態のゴール画像との比較に基づいて、第1制御信号を生成する。
なお、本実施形態では、第1制御信号は、一例として、ロボット20を動かす先の相対的な位置を示す信号としたが、これに限らず、ロボット20を動かす速度などであってもよい。
本実施形態では、第2制御信号ΔXは、一例として、ロボット20を動かす先の相対的な位置を示す信号としたが、これに限らず、ロボット20を動かす速度などであってもよい。
第1加算部131は、ロボット制御部140から入力された把持部20cの現在位置を示す現在位置信号X_cを取得する。第1加算部131は、ビジュアル制御部110から入力された第1制御信号と取得した現在位置信号X_cとを加算して、ビジュアル制御部110によってロボット20が移動された後の位置を示すビジュアル制御位置信号を生成する。第1加算部131は、生成したビジュアル制御位置信号を補間部132へ出力する。
なお、第1及び第2制御信号が速度の場合、ロボット制御部140への出力X_dも速度になるので、その場合ロボット制御部140はX_dが示す速度にロボット20を制御する。
なお、補間部132は補間信号を生成する際に、現在の位置、速度及び加速度と、移動後の位置、速度及び加速度とを境界条件として、時間に関する5次多項式を用いても良い。
第1位置検出部111は、一例として記憶部15から、予め関連付けて保持された部品200の取りうる全ての位置及び姿勢と、その状態において撮像されたカメラ画像とを読み出す。そして、第1位置検出部111は、ゴール画像生成部14から入力されたゴール画像Igと読み出したカメラ画像とを比較して、最も類似度の高い画像に関連付けられた位置及び姿勢を、ゴール画像中の部品200のカメラ座標ΣCにおける位置及び姿勢として算出する。第1位置検出部111は、算出した位置を示すカメラ座標位置信号Ugを第1減算部113へ出力する。
第1座標変換部121は、力センサー20dが検出した力ベクトルF_sをセンサー座標系から物体座標系に変換する。ここで、力ベクトルF_sは力とモーメントを含むものとする。また、センサー座標系は、力センサー20dが使用する座標系であり、物体座標系は一例として、部品200を基準とする座標系である。なお、物体座標系は、被組み付け部品210を基準とする座標系であっても良いし、部品200と被組み付け部品210の相対的な位置関係を基準とする座標系であっても良い。ここで、第1座標変換部121は、第1変換行列算出部122と、第1乗算部123とを備える。
伝達関数乗算部124は、第1乗算部123から入力された力ベクトル信号が示す乗算後の力ベクトルF_oに対して、予め決められた伝達関数を乗じる。力ベクトルF_oに含まれる力及びモーメントの6つの要素、及びΔx(→)に含まれる位置及び姿勢の6つの要素をそれぞれF_o[i]、Δx[i]とすると、予め決められた伝達関数は、次式で表される。
第2変換行列算出部126は、ビジュアル制御部110から入力された位置関係信号に基づいて、物体座標系ΣOからロボット座標系ΣRに変換する第2変換行列Tを算出する。第2座標変換部125は、例えば、以下の処理により第2変換行列Tを算出する。
第2乗算部127は、伝達関数乗算部124から入力された乗算後信号に第2変換行列Tを乗じることにより、第2制御信号ΔXを生成する。そして、第2乗算部127は、生成した第2制御信号ΔXを制御信号生成部130へ出力する。
角度位置変換部141は、ロボット20が保持するエンコーダー21からロボット20の各関節の角度θcを取得する。そして角度位置変換部141は、取得した各関節の角度θcから、把持部20cの現在位置を算出し、算出した現在位置を示す現在位置信号X_cを第1加算部131へ出力する。
また、第3ベクトル94は、第1ベクトル92と第2ベクトル93とを加算したベクトルである。同図の例において、制御信号生成部130は、現在位置Pから第3ベクトル94が示す位置Qへ部品200を動かすようロボット20を制御する。
続いて、本発明の第2の実施形態について説明する。図13は、第2の実施形態におけるロボット装置1bの概略斜視図である。なお、図1と共通する要素には同一の符号を付し、その具体的な説明を省略する。図13のロボット装置1bの構成は、図1のロボット装置1の構成に対して、制御装置10が、制御装置10bに変更されたものとなっている。第2の実施形態における制御装置10bは、収束判定処理が第1の実施形態の制御装置10とは異なる。
選択部41は、部品200に設定された座標軸毎に、類似度と負荷情報のうちいずれの指標を用いて収束判定するかを示す選択信号を生成し、生成した選択信号を判定部19bへ出力する。
次に、ステップS210において、判定部19bは、選択信号が類似度か否か判定する。選択信号が類似度である場合(ステップS210 YES)、判定部19bはステップS211の処理に遷移する。一方、選択信号が類似度でなく負荷情報である場合(ステップS210 NO)、判定部19bはステップS212の処理に遷移する。
また、ビジュアルサーボによる位置決めの精度を出しにくい、例えば撮像装置30にとっての奥行き方向については、力又はモーメントの情報を収束判定に適用して被組み付け部品210と部品200との接触を利用して位置決めを行わせることで、高精度な位置決めを実現することが出来る。
続いて、本発明の第3の実施形態について説明する。第1及び第2の実施形態では、一つのマニピュレーター(マニピュレーター部)を有するロボットについて説明したが、第3の実施形態では、二つのマニピュレーターを備える例を説明する。
図16は、第2の実施形態におけるロボット装置1cの概略斜視図である。図12に示すように、ロボット装置1aは、ロボット20’と、制御装置10cと、本体302とを備える。なお、第1の実施形態と同様のものは、同じ符号を用いて説明を省略する。
また、各実施形態では、類似度算出部18は、類似度を算出し、判定部(19又は19b)は類似度に基づいて収束判定したが、これに限ったものではない。例えば、類似度算出部18は、相違度を算出して、判定部(19又は19b)は相違度に基づいて収束判定してもよい。その際、例えば、類似度算出部18は、SSD(Sum of Squared Difference)を相違度として算出してもいい。ここで、一例として相違度が低いほど、現在の部品200の位置及び姿勢が、目標とする位置及び姿勢に近い。
また、ゴール画像は、複数のゴール画像があってもよい。例えば、第1のゴール画像と第2のゴール画像とがあった場合に、各実施形態の制御装置は、現在画像が第1のゴール画像と一致した後に、第2のゴール画像と一致させるようにしてもよい。
また、各実施形態の制御装置(10、10b、10c)の各処理を実行するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、当該記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより、制御装置(10、10b、10c)に係る上述した種々の処理を行ってもよい。
10、10b、10c 制御装置
11 把持指示部
12 開始位置移動指示部
13 位置姿勢検出部
14 ゴール画像生成部
15 記憶部
16 動作制御部
17 画像取得部
18 類似度算出部
19 判定部
20、20’ ロボット
30 撮像装置
20a 支持台
20b、20A、20B マニピュレーター部(マニピュレーター)
20c 把持部
20Ac 第1把持部
20Bc 第2把持部
20d、20Ad、20Bd 力センサー
30 撮像装置
40 負荷算出部
41 選択部
110 ビジュアル制御部
111 第1位置検出部
112 第2位置検出部
113 第1減算部
114 移動量算出部
115 カメラロボット座標変換部
120 負荷変位変換部
121 第1座標変換部
122 第1変換行列算出部
123 第1乗算部
124 伝達関数乗算部
125 第2座標変換部
126 第2変換行列算出部
127 第2乗算部
130 制御信号生成部
131 第1加算部
132 補間部(軌道生成部)
133 第2加算部
140 ロボット制御部
141 角度位置変換部
142 位置角度変換部
143 第2減算部
144 増幅部
150 コンプライアントモーション制御部
200 部品(対象物)
210 被組み付け部品
302 本体
303A、303B 搬送部
Claims (12)
- ロボットが把持する対象物の撮像画像に基づいてロボットのマニピュレーターを制御する第1制御信号を生成するビジュアル制御部と、
前記ビジュアル制御部が生成した第1制御信号と、前記対象物にかかっている力を示す負荷情報とに基づいて、前記ロボットのマニピュレーターを制御するコンプライアントモーション制御部と、
を備えることを特徴とする制御装置。 - 前記ビジュアル制御部は、前記撮像画像に基づいて、前記対象物と該対象物を組み付ける被組み付け部品との位置関係を検出し、
前記コンプライアントモーション制御部は、前記ビジュアル制御部が検出した位置関係と前記負荷情報とに基づいて、前記ロボットのマニピュレーターを制御することを特徴とする請求項1に記載の制御装置。 - 前記コンプライアントモーション制御部は、
前記ビジュアル制御部が検出した位置関係と前記負荷情報とに基づいて、ロボットのマニピュレーターを制御する第2制御信号を生成する負荷変位変換部と、
前記第1制御信号に基づいて制御信号を生成する軌道生成部を備え、前記第1制御信号と前記軌道生成部が生成した制御信号とに基づいて、前記ロボットのマニピュレーターを制御することを特徴とする請求項2に記載の制御装置。 - 前記軌道生成部は、前記第1制御信号を、前記負荷変位変換部が生成する第2制御信号の生成周期と同じ生成周期となるように補間した前記制御信号を生成することを特徴とする請求項3に記載の制御装置。
- 力センサーが検出した前記ロボットに働く力に基づいて、前記対象物にかかっている力を示す負荷情報を算出する負荷算出部を備え、
前記負荷変位変換部は、前記負荷算出部が算出した負荷情報に基づいて、前記第2制御信号を生成することを特徴とする請求項3または4に記載の制御装置。 - 前記負荷変位変換部は、
前記負荷情報を、前記力センサーを基準とするセンサー座標系から前記対象物を基準とする物体座標系に変換する第1座標変換部と、
前記第1座標変換部によって変換された後の負荷情報に対して、前記対象物の質量とダンパ係数とばね定数とに基づいて決定される伝達関数を乗じる伝達関数乗算部と、
前記伝達関数乗算部が乗じることにより得られた負荷情報を前記物体座標系から前記ロボットを基準とするロボット座標系に変換することで、前記第2制御信号を生成する第2座標変換部と、
を備えることを特徴とする請求項5に記載の制御装置。 - 前記ビジュアル制御部は、現在の対象物を撮像した現在画像と、該対象物を目標の位置に移動させた状態のゴール画像との比較に基づいて、第1制御信号を生成することを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の制御装置。
- 前記対象物が目標の位置に到達したか否か判定する判定部を備え、
前記コンプライアントモーション制御部は、前記判定部により前記対象物が目標の位置に到達したと判定されるまで、前記ロボットのマニピュレーターの制御を続けることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の制御装置。 - 前記対象物が目標の位置に到達したか否か、及び前記対象物にかかっている力が目標の力に到達したか否か判定する判定部を備え、
前記コンプライアントモーション制御部は、前記判定部により前記対象物が目標の位置に到達したと判定され、かつ前記対象物にかかっている力が目標の力に到達したと判定されるまで、前記ロボットのマニピュレーターの制御を続けることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の制御装置。 - ロボットが把持する対象物の撮像画像及び前記対象物にかかっている力を示す負荷情報に基づいて、前記ロボットのマニピュレーターを制御することを特徴とする制御装置。
- ビジュアル制御部が、ロボットが把持する対象物の撮像画像に基づいてロボットのマニピュレーターを制御する第1制御信号を生成する手順と、
コンプライアントモーション制御部が、前記ビジュアル制御部が生成した第1制御信号と、前記対象物にかかっている力を示す負荷情報に基づいて、前記ロボットのマニピュレーターを制御する手順と、
を有することを特徴とする制御方法。 - ロボットが把持する対象物の撮像画像に基づいてロボットのマニピュレーターを制御する第1制御信号を生成するビジュアル制御部と、
前記ビジュアル制御部が生成した第1制御信号と、前記対象物にかかっている力を示す負荷情報に基づいて、前記ロボットのマニピュレーターを制御するコンプライアントモーション制御部と、
を備えることを特徴とするロボット装置。
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