JP2021123433A - 据付制御装置、及び据付制御方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 据付物に対して搬送物を据え付ける据付作業を自動化する。【解決手段】 据付制御装置は、搬送部品及び据付部品を含む作業空間の形状を表す計測データを計測する計測部と、前記計測データ及び搬送部品３Ｄ形状データに基づき、前記作業空間における前記搬送部品の位置を検出する搬送部品位置検出部と、前記計測データ及び据付部品３Ｄ形状データに基づき、前記作業空間における前記据付部品の位置を検出する据付部品位置検出部と、前記作業空間における前記搬送部品の位置から前記据付部品の位置までの前記搬送部品の搬送パスを算出する搬送パス算出部と、算出された前記搬送パスに基づき、据付作業を実行するクレーンを制御するための制御量を算出する制御量算出部と、を備えることを特徴とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、据付制御装置、及び据付制御方法に関する。
工場等において大型の製品を組み立てる場合、クレーン（起重機）が用いられる。クレーンの制御に関し、例えば、特許文献１には、航法用受信機が受信したＩＧＰＳ信号に基づき認識された上ロールの現在位置と目標位置との偏差を算出し、算出された現在位置と目標位置との偏差に基づいて上ロールの現在位置が目標位置になるように屋内クレーンを自律移動させる技術が開示されている。
特開２０１７−８８３３０号公報
特許文献１に記載の技術は、現在位置と目標位置との偏差を算出し、算出した偏差に基づいて現在地が目標位置になるように屋内クレーンを自律移動させている。
しかしながら、特許文献１の記載の技術では、工場で行われる部品の据付作業では、据付先の据付部品と、据え付ける対象である搬送部品とのそれぞれの３Ｄ(Dimension)次元空間における位置がわからないため、据付作業の自動化をすることができない。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであって、搬送部品を吊り上げ搬送して据付部品に据え付ける据付作業を自動化できるようにすることを目的とする。
本願は、上記課題の少なくとも一部を解決する手段を複数含んでいるが、その例を挙げるならば、以下の通りである。
上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る据付制御装置は、搬送部品を吊り上げ搬送して据付部品に据え付ける据付作業を制御する据付制御装置であって、前記搬送部品及び前記据付部品を含む作業空間の形状を表す計測データを計測する計測部と、前記計測データ及び搬送部品３Ｄ形状データに基づき、前記作業空間における前記搬送部品の位置を検出する搬送部品位置検出部と、前記計測データ及び据付部品３Ｄ形状データに基づき、前記作業空間における前記据付部品の位置を検出する据付部品位置検出部と、前記作業空間における前記搬送部品の位置から前記据付部品の位置までの前記搬送部品の搬送パスを算出する搬送パス算出部と、算出された前記搬送パスに基づき、前記据付作業を実行するクレーンを制御するための制御量を算出する制御量算出部と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、搬送部品を吊り上げ搬送して据付部品に据え付ける据付作業を自動化することが可能となる。
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。
図1は、本発明の一実施形態に係る据付制御装置が有する機能ブロックの構成例を示す図である。 図２は、計測データの一例を示す図である。 図３は、搬送物の一例を示す立体図である。 図４は、据付物の一例を示す立体図である。 図５は、据付自動処理の一例を説明するフローチャートである。 図６は、位置検出処理の一例を説明するフローチャートである。 図７は、搬送パス算出処理の一例を説明するフローチャートである。
以下、本発明の一実施形態について図面に基づいて説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、「Ａからなる」、「Ａよりなる」、「Ａを有する」、「Ａを含む」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除するものでないことは言うまでもない。同様に、以下の実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。
＜本発明の一実施形態に係る据付制御装置１００が有する機能ブロックの構成例＞
図１は、本発明の一実施形態に係る据付制御装置１００が有する機能ブロックの構成例を示している。
据付制御装置１００は、工場等に設けられたクレーン（不図示）を用いて搬送部品２００（図３）を吊り上げ搬送して据付部品３００（図４）に据え付ける据付作業を自動化するものである。なお、据付制御装置１００は、制御対象のクレーンに内蔵してもよいし、クレーンの外部に設けてもよい。
据付制御装置１００は、例えば、ＣＰＵ(Central Processor Unit)、メモリ、ストレージ、入力デバイス、出力デバイス、通信インタフェース等を備えるパーソナルコンピュータ等の一般的なコンピュータによって実現される。
据付制御装置１００は、入力部１１０、出力部１２０、計測部１３０、クレーン制御部１４０、通信部１５０、記憶部１６０、及び演算部１７０の各機能ブロックを有する。
入力部１１０は、コンピュータが備えるキーボード、マウス、マイクロホン等の入力デバイスからなり、ユーザからの各種の入力を受け付ける。出力部１２０は、コンピュータが備えるディスプレイ、スピーカ等の出力デバイスからなり、操作画面等を表示し、音声を出力する。
計測部１３０は、例えば、レーザスキャナ、カメラ等の３Ｄ計測器からなり、搬送物及２００及び据付部品３００が配置されている作業空間の３Ｄ形状を計測し、その計測結果を表す計測データ１６１を記憶部１６０に格納する。
クレーン制御部１４０は、クレーンの電動アクチュエータ（不図示）を制御することによってクレーンの動作を制御する。通信部１５０は、コンピュータが備える通信インタフェースを介して所定の外部装置を接続し、後述する各種のデータを受信し、記憶部１６０に格納する。
記憶部１６０は、コンピュータが備えるメモリ、ストレージからなる。記憶部１６０には、計測データ１６１、搬送部品３Ｄ形状データ１６２、据付部品３Ｄ形状データ１６３、搬送部品据付基準点データ１６４、据付部品据付基準点データ１６５、搬送姿勢制約データ１６６、及びクレーン仕様データ１６７が格納される。
計測データ１６１は、計測部１３０によって計測され、記憶部１６０に格納されるものである。計測データ１６１は、搬送部品２００、据付部品３００、その他の構造物が配置されている作業空間の形状を表す。図２は、計測データ１６１の一例を示している。計測データ１６１は、作業空間に存在する搬送部品２００、据付部品３００、その他の構造物が、作業空間の所定の点を原点とする座標系の３Ｄ座標位置（Ｘ軸座標，Ｙ軸座標，及びＺ軸座標）の点列として記録されている。
搬送部品３Ｄ形状データ１６２は、予め外部装置上のＣＡＤ(Computer Aided Design)ソフトウェア等によって作成され、記憶部１６０に格納されているものである。搬送部品３Ｄ形状データ１６２は、搬送部品２００の３Ｄ形状を表す。図３は、搬送部品２００の３Ｄ形状の一例を示している。搬送部品２００には、後述する複数の据付基準点２０１１〜２０１４（据付基準点２０１４は不図示）が設定されている。以下、据付基準点２０１１〜２０１４を個々に区別する必要がない場合、据付基準点２０１と称する。なお、据付基準点２０１の数は、４に限らず、１，２，３または４以上であってもよい。
据付部品３Ｄ形状データ１６３は、予め外部装置上のＣＡＤソフトウェア等によって作成され、記憶部１６０に格納されているものである。据付部品３Ｄ形状データ１６３は、据付部品３００の３Ｄ形状情報を表す。図４は、据付部品３００の３Ｄ形状の一例を示している。据付部品３００には、後述する複数の据付基準点３０１１〜３０１４が設定されている。以下、据付基準点３０１１〜３０１４を個々に区別する必要がない場合、据付基準点３０１と称する。なお、据付基準点３０１の数は、４に限らず、１，２，３または４以上であってもよい。また、据付基準点２０１及び据付基準点３０１の数は必ずしも一致していなくてもよい。
搬送部品据付基準点データ１６４は、予め外部装置から送信されて記憶部１６０に格納されている。搬送部品据付基準点データ１６４は、搬送部品２００における複数の据付基準点２０１（図３）の位置を、搬送部品２００の所定の点を原点とする座標系の３Ｄ座標によって表す。据付部品据付基準点データ１６５は、予め外部装置から送信されて記憶部１６０に格納されているものである。据付部品据付基準点データ１６５は、据付部品３００における複数の据付基準点３０１（図４）の位置を、据付部品３００の所定の点を原点とする座標系の３Ｄ座標によって表す。
搬送姿勢制約データ１６６は、予め外部装置から送信されて記憶部１６０に格納されているものである。搬送姿勢制約データ１６６は、搬送部品２００をクレーンによって吊り上げ搬送する際の搬送部品２００の姿勢に対する制約を表す。クレーン仕様データ１６７は、予め記憶部１６０に格納されているものであり、例えば、電動アクチュエータの分解能、吊り上げ荷重制限、搬送速度等のクレーンの仕様を表す。
演算部１７０は、コンピュータが備えるＣＰＵからなり、該ＣＰＵが所定のプログラムを実行することにより、据付制御装置１００の全体を制御するとともに、搬送部品位置検出部１７１、据付部品位置検出部１７２、搬送パス算出部１７３、及び制御量算出部１７４の各機能ブロックを実現する。
搬送部品位置検出部１７１は、計測データ１６１、及び搬送部品３Ｄ形状データ１６２に基づき、計測データ１６１によって表される作業空間における搬送部品２００を識別し、その３Ｄ座標位置を算出する。さらに、搬送部品位置検出部１７１は、搬送部品２００の３Ｄ座標位置、及び搬送部品据付基準点データ１６４に基づき、搬送部品２００の複数の据付基準点２０１の作業空間における３Ｄ座標位置を算出する。
据付部品位置検出部１７２は、計測データ１６１、及び据付部品３Ｄ形状データ１６３に基づき、計測データ１６１によって表される作業空間における据付部品３００を識別し、その３Ｄ座標位置を算出する。さらに、据付部品位置検出部１７２は、据付部品３００の３Ｄ座標位置、及び据付部品据付基準点データ１６５に基づき、据付部品３００の複数の据付基準点３０１の作業空間における３Ｄ座標位置を算出する。
搬送パス算出部１７３は、搬送部品２００の複数の据付基準点２０１の３Ｄ座標位置を始点、据付部品３００の複数の据付基準点３０１の３Ｄ座標位置を終点とする最短距離の搬送パスを算出する。図３及び図４の場合、搬送部品２００の４点の据付基準点２０１１〜２０１４が据付部品３００の４点の据付基準点３０１１〜３０１４に一致するように搬送パスが算出される。
制御量算出部１７４は、算出された搬送パス、及びクレーン仕様データ１６７に基づき、クレーン制御部１４０によるクレーンの電動アクチュエータの制御量を算出する。
＜据付制御装置１００による据付自動処理＞
次に、図５は、据付制御装置１００による据付自動処理の一例を示している。
前提として、既に記憶部１６０には、計測データ１６１、搬送部品３Ｄ形状データ１６２、据付部品３Ｄ形状データ１６３、搬送部品据付基準点データ１６４、据付部品据付基準点データ１６５、搬送姿勢制約データ１６６、及びクレーン仕様データ１６７が格納されているものとする。該据付自動処理は、作業空間において作業者がワイヤ等によって搬送部品２００をクレーンに取り付けた後、据付制御装置１００のオペレータが所定の開始操作を行うことに応じて開始される。
はじめに、演算部１７０が、記憶部１６０に格納されている各種のデータを読み込む（ステップＳ１１）。次に、搬送部品位置検出部１７１及び据付部品位置検出部１７２が、位置検出処理を行い、作業空間における搬送部品２００及び据付部品３００の位置を検出する（ステップＳ１２）。
図６は、ステップＳ１２における位置検出処理の一例を説明するフローチャートである。まず、搬送部品位置検出部１７１が、計測データ１６１及び搬送部品３Ｄ形状データ１６２に基づき、計測データ１６１が表す作業空間における搬送部品２００を識別し、作業空間における搬送部品２００の３Ｄ座標位置を算出する（ステップＳ２１）。
具体的には、搬送部品２００の識別は、計測データ１６１を平面フィッティング処理等により３Ｄ形状化し、計測データ１６１の３Ｄ形状と、搬送部品３Ｄ形状データとの形状特徴量を比較することにより、計測データ１６１のうち、搬送部品２００を表す点列を抽出する。また、搬送部品２００の３Ｄ座標位置の算出は、計測データ１６１では搬送部品２００の全体を表しきれておらず、隠れている部分が存在する可能性があるため、搬送部品２００の全体を表す搬送部品３Ｄ形状データ１６２を、計測データ１６１における搬送部品２００を表す点列と一致するように配置することにより、作業空間における搬送部品２００の３Ｄ座標位置を算出する。
次に、据付部品位置検出部１７２が、計測データ１６１及び据付部品３Ｄ形状データ１６３に基づき、計測データ１６１が表す作業空間における据付部品３００を識別し、作業空間における据付部品３００の３Ｄ座標位置を算出する（ステップＳ２２）。具体的には、搬送部品位置検出部１７１によるステップＳ２１の処理と同様なので、その説明は省略する。
次に、搬送部品位置検出部１７１が、作業空間における搬送部品２００の３Ｄ座標位置、及び搬送部品据付基準点データ１６４に基づき、搬送部品２００の複数の据付基準点２０１の作業空間における３Ｄ座標位置を算出する（ステップＳ２３）。具体的には、搬送部品据付基準点データ１６４が表す搬送部品２００における複数の据付基準点２０１の座標を、作業空間の座標系の座標に変換することにより、搬送部品２００の複数の据付基準点２０１の作業空間における３Ｄ座標位置を算出する。
次に、据付部品位置検出部１７２が、作業空間における据付部品３００の３Ｄ座標位置、及び据付部品据付基準点データ１６５に基づき、据付部品３００の複数の据付基準点３０１の作業空間における３Ｄ座標位置を算出する（ステップＳ２４）。具体的には、搬送部品位置検出部１７１によるステップＳ２３の処理と同様なので、その説明は省略する。以上で、図５のステップＳ１２における位置検出処理は終了される。なお、上述したステップＳ２１，Ｓ２２の処理は、実行する順序を入れ替えてもよいし、並行して実行するようにしてもよい。ステップＳ２３，Ｓ２４の処理についても同様である。
図５に戻る。上述した位置検出処理により、搬送部品２００の複数の据付基準点２０１、及び据付部品３００の複数の据付基準点３０１の作業空間のおける３Ｄ座標位置が算出された後、次に、搬送パス算出部１７３が、搬送パス算出処理を実行する（ステップＳ１３）。
図７は、ステップＳ１３における搬送パス算出処理の一例を説明するフローチャートである。まず、搬送パス算出部１７３が、搬送部品２００の複数の据付基準点２０１の作業空間における３Ｄ座標位置を搬送パスの始点、据付部品３００の複数の据付基準点３０１の作業空間における３Ｄ座標位置を搬送パスの始点に設定する（ステップＳ３１）。
次に、搬送パス算出部１７３が、計測データ１６１が表す作業空間における搬送部品２００及び据付部品３００以外の構造物を障害物に設定する（ステップＳ３２）。具体的には、計測データ１６１から、ステップＳ２１で算出した搬送部品２００の３Ｄ座標位置の点列、及びステップＳ２２で算出した据付部品３００の３Ｄ座標位置の点列を削除し、残った点列を作業空間における障害物として抽出する。
次に、搬送パス算出部１７３が、搬送中の搬送部品２００が障害物と干渉しないこと、及び搬送姿勢制約データ１６６が表す搬送中の搬送部品２００に対する姿勢の遷移の制限を制約とし、始点から終点までの搬送パスの最短距離を求める問題を最適化問題として帰着する（ステップＳ３３）。この最適化問題は、例えば、混合整数計画問題や最短グラフ探索問題等に帰着してもよい。
次に、搬送パス算出部１７３が、搬送パスの最適化問題を最適化解法を用いて求解し、搬送パスを算出する（ステップＳ３４）最適化解法としては、例えば、ＭＩＰ(Mixed Integer Programming)ソルバーや、遺伝的アルゴリズムや、ダイクストラ法等用いて最適解または準最適解を求めるようにしてもよい。以上で、搬送パス算出処理は終了される。
図５に戻る。上述した搬送パス算出処理によって搬送パスが算出された後、次に、制御量算出部１７４が、搬送パス、及びクレーン仕様データ１６７に基づき、クレーンが搬送パスを通って据付作業を実行するようにクレーンの電動アクチュエータの制御量を算出してクレーン制御部１４０に出力する（ステップＳ１４）。
次に、クレーン制御部１４０が、制御量算出部１７４から入力された制御量に従って電動アクチュエータを動作させる（ステップＳ１５）。これにより、クレーンによる据付作業が実現される。以上で、据付制御装置１００による据付自動処理は終了される。
以上に説明した据付制御装置１００による据付自動処理によれば、据付部品３００に対して搬送部品２００を据え付ける据付作業を自動化することが可能となる。
＜変形例＞
本実施形態によれば、クレーンによる据付作業までを自動化しているが、算出された搬送パス、及び算出された電動アクチュエータの制御量の少なくとも一方を、出力部１２０としてのディスプレイに表示してクレーンのオペレータに提示し、クレーンの操作はオペレータが実行するようにしてもよい。
また、本実施形態は、クレーンを制御対象としているが、搬送部品を据付部品に据え付けるロボット等を制御対象としてもよい。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上述した実施形態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、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えたり、追加したりすることが可能である。
また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ(Solid State Drive)等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
１００・・・据付制御装置、１１０・・・入力部、１２０・・・出力部、１３０・・・計測部、１４０・・・クレーン制御部、１５０・・・通信部、１６０・・・記憶部、１６１・・・計測データ、１６２・・・搬送部品３Ｄ形状データ、１６３・・・据付部品３Ｄ形状データ、１６４・・・搬送部品据付基準点データ、１６５・・・据付部品据付基準点データ、１６６・・・搬送姿勢制約データ、１６７・・・クレーン仕様データ、１７０・・・演算部、１７１・・・搬送部品位置検出部、１７２・・・据付部品位置検出部、１７３・・・搬送パス算出部、１７４・・・制御量算出部、２００・・・搬送部品、２０１・・・据付基準点、３００・・・据付部品、３０１・・・据付基準点

Claims (6)

  1. 搬送部品を吊り上げ搬送して据付部品に据え付ける据付作業を制御する据付制御装置であって、
    前記搬送部品及び前記据付部品を含む作業空間の形状を表す計測データを計測する計測部と、
    前記計測データ及び搬送部品３Ｄ形状データに基づき、前記作業空間における前記搬送部品の位置を検出する搬送部品位置検出部と、
    前記計測データ及び据付部品３Ｄ形状データに基づき、前記作業空間における前記据付部品の位置を検出する据付部品位置検出部と、
    前記作業空間における前記搬送部品の位置から前記据付部品の位置までの前記搬送部品の搬送パスを算出する搬送パス算出部と、
    算出された前記搬送パスに基づき、前記据付作業を実行するクレーンを制御するための制御量を算出する制御量算出部と、
    を備えることを特徴とする据付制御装置。
  2. 請求項１に記載の据付制御装置であって、
    前記搬送部品位置検出部は、搬送部品据付基準点データに基づき、前記搬送部品の複数の据付基準点の前記作業空間における位置を算出し、
    前記据付部品位置検出部は、据付部品据付基準点データに基づき、前記据付部品の複数の据付基準点の前記作業空間における位置を算出し、
    前記搬送パス算出部は、前記作業空間における前記搬送部品の複数の据付基準点の位置を始点、前記据付部品の複数の据付基準点の位置を終点とする前記搬送パスを算出する
    ことを特徴とする据付制御装置。
  3. 請求項１に記載の据付制御装置であって、
    算出された前記制御量に基づいて前記クレーンを操作するための電動アクチュエータを制御するクレーン制御部、
    を備えることを特徴とする据付制御装置。
  4. 請求項１に記載の据付制御装置であって、
    算出された前記搬送パス、及び前記制御量の少なくとも一方を前記クレーンのオペレータに提示する出力部、
    を備えることを特徴とする据付制御装置。
  5. 請求項１に記載の据付制御装置であって、
    前記搬送パス算出部は、搬送中の前記搬送部品が姿勢制約を満たすように前記搬送パスを算出する
    ことを特徴とする据付制御装置。
  6. 搬送部品を吊り上げ搬送して据付部品に据え付ける据付作業を制御する据付制御装置の据付制御方法であって、
    前記搬送部品及び前記据付部品を含む作業空間の形状を表す計測データを計測する計測ステップと、
    前記計測データ及び搬送部品３Ｄ形状データに基づき、前記作業空間における前記搬送部品の位置を検出する搬送部品位置検出ステップと、
    前記計測データ及び据付部品３Ｄ形状データに基づき、前記作業空間における前記据付部品の位置を検出する据付部品位置検出ステップと、
    前記作業空間における前記搬送部品の位置から前記据付部品の位置までの前記搬送部品の搬送パスを算出する搬送パス算出ステップと、
    算出された前記搬送パスに基づき、前記据付作業を実行するクレーンを制御するための制御量を算出する制御量算出ステップと、
    を含むことを特徴とする据付制御方法。
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