JP6555351B2 - 処理システム及びロボットの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、処理システム及びロボットの制御方法に関する。

従来、物体をロボットアームによって確実に把持するため、物体の位置を測定することがあった。例えば、下記特許文献１には、ロボットのハンドに設けられたレーザマーカー及びＣＣＤカメラによって荷物の高さ位置、平面位置及び姿勢を測定し、ハンドにピッキング動作をさせる計測システムが記載されている。

また、下記特許文献２には、ロボットに搭載した位置検出センサによって、ワークの各辺のエッジ位置を１点又は複数点測定するスキャン動作が記載されている。さらに、下記特許文献３には、ロボットに設けられた接触位置検出プローブによって、作業対象物の直交する２辺上の３点（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）を測定することが記載されている。

特開平０９−１０５６０８号公報 特許第５３６６０１８号 特許第５５４９２２３号

ロボットアームは多関節を有する場合があり、複数の異なる姿勢により機器にアプローチすることができる場合がある。そのような場合、どのような姿勢で機器にアプローチしても、理想的には同一の点にアプローチすることができるはずだが、実際には、各関節を構成する歯車のバックラッシやロボットアームのたわみ等の影響があり、ロボットアームの姿勢によってアプローチする点がずれる場合がある。そのため、予め機器の位置を測定してあっても、その機器を用いた作業を行う際におけるロボットアームのアプローチする点が所望の点からずれる場合がある。

そのようなアプローチ点のずれは、作業の内容によっては問題とならないものであるが、精密な作業を行う場合には作業の妨げとなるおそれがある。

本発明は、ロボットアームによって、精密な作業ができる処理システム及びロボットの制御方法を提供することをその課題とする。

本発明の一の側面による処理システムは、１又は複数のアームで処理対象に対する処理を行うロボットと、前記アームに備えられた位置測定センサと、少なくとも前記ロボットを制御するロボット制御装置と、を有する処理システムであって、前記ロボット制御装置は、前記位置測定センサにより、前記ロボットが前記処理対象に処理を行う際に使用される機器の位置を測定させる位置測定部と、測定された前記機器の位置を基準として前記アームを移動させ、前記処理対象に対する処理をさせる処理部と、を有し、前記処理部は、前記処理対象に対する処理における前記アームの姿勢と、前記位置測定部による前記機器の位置の測定における前記アームの姿勢との差が小さくなるように前記アームを制御する。

また、本発明の別の側面による処理システムにおいて、前記ロボット制御装置は、前記機器における前記処理対象の位置と、前記アームの位置との関係を較正する較正部を有してもよい。

また、本発明の別の側面による処理システムにおいて、前記ロボット制御装置は、前記較正部に較正を行わせるか否かを判断する判断部と、前記判断部により、較正を行わせると判断される場合に、前記較正部による較正を、前記処理対象に対する処理を行わせる前に挿入する挿入部と、を有してもよい。

また、本発明の別の側面による処理システムにおいて、前記判断部は、前記処理対象に対する処理の種類に応じて、前記較正部に較正を行わせるか否かを判断してもよい。

また、本発明の別の側面による処理システムにおいて、前記判断部は、時間の経過及び処理の回数のうち少なくとも一方に応じて、前記較正部に較正を行わせるか否かを判断してもよい。

また、本発明の別の側面による処理システムにおいて、前記判断部は、前記処理対象に対する処理を行う前の待機時間に応じて、前記較正部に較正を行わせるか否かを判断してもよい。

また、本発明の別の側面による処理システムにおいて、前記判断部は、エラーにより前記ロボットが停止した場合に、前記較正部に較正を行わせると判断してもよい。

また、本発明の別の側面による処理システムにおいて、前記判断部は、前記ロボット及び前記機器の少なくともいずれかについてメンテナンスが行われた場合に、前記較正部に較正を行わせると判断してもよい。

また、本発明の別の側面による処理システムにおいて、前記機器は、平面視において互いに交わる方向に２辺を有し、前記位置測定部は、前記位置測定センサにより、前記機器の前記２辺それぞれについて、複数箇所で縁の位置を測定させてもよい。

また、本発明の別の側面による処理システムにおいて、前記ロボット制御装置は、前記位置測定部により測定された複数箇所の縁の位置に基づいて、前記機器における前記処理対象の位置を表す座標を構成する座標構成部を有してもよい。

また、本発明の別の側面による処理システムにおいて、前記位置測定部は、前記処理対象に対する処理が行われる処理位置よりも上方に位置する前記機器の部分について、前記位置測定センサによる位置の測定を行わせてもよい。

また、本発明の別の側面による処理システムにおいて、前記機器を固定し、上方に向かって延伸した延伸部が設けられた固定具をさらに有し、前記位置測定部は、前記固定具の前記延伸部の上面について、前記位置測定センサによる位置の測定を行わせてもよい。

また、本発明の別の側面によるロボットの制御方法は、ロボットが有する１又は複数のアームに備えられた位置測定センサにより、前記ロボットが処理対象に処理を行う際に使用される機器の位置を測定し、測定された前記機器の位置を基準として前記アームを移動させ、移動される前記アームの姿勢と、前記機器の位置の測定における前記アームの姿勢との差が小さくなるように前記アームを制御して、前記ロボットにより前記処理対象に対する処理をする。

本発明の実施形態に係る処理システムの物理的な構成を示す概略図である。 本発明の実施形態に係るロボット制御装置の物理的な構成を示す構成ブロック図である。 本発明の実施形態に係るロボット制御装置、位置測定センサ及びロボットの機能ブロック図である。 本発明の実施形態に係るチューブラックの外観を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る位置測定センサによって測定されるチューブラックの２辺を示す上面図である。 本発明の実施形態に係る位置測定センサによって測定された点から構成された機器座標系を示す図である。 本発明の実施形態に係る固定具を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る判断部による較正の要否の判断についてのフローチャートである。 本発明の実施形態に係るロボットの制御方法についてのフローチャートである。

図１は、本発明の実施形態に係る処理システム２００の物理的な構成を示す概略図である。処理システム２００は、少なくともロボット３を制御するロボット制御装置１を含む。ロボット制御装置１自体は、専用の機器であってもよいが、ここでは一般的なコンピュータを使用して実現されている。すなわち、市販のコンピュータにおいて、当該コンピュータをロボット制御装置１として動作させるコンピュータプログラムを実行することによりかかるコンピュータをロボット制御装置１として使用する。かかるコンピュータプログラムは、一般にアプリケーションソフトウェアの形で提供され、コンピュータにインストールされて使用される。当該アプリケーションソフトウェアは、ＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤ−ＲＯＭその他のコンピュータ読み取り可能な適宜の情報記録媒体に記録されて提供されてよく、また、インターネット等の各種の情報通信ネットワークを通じて提供されてもよい。あるいは、情報通信ネットワークを通じて遠隔地にあるサーバによりその機能が提供される、いわゆるクラウドコンピューティングにより実現されてもよい。

処理システム２００は、ロボット３の第１アーム３ａに備えられた位置測定センサ２を含む。位置測定センサ２は、ロボット３の有するアームに対して、測定対象の位置を特定するためのセンサである。位置測定センサ２は、単体で、又はアームの動作を伴って、測定対象の平面的又は立体的な位置を検出できるものである。本実施形態において、位置測定センサ２は、レーザセンサであって、測定対象にレーザ光を照射し、測定対象までの距離を測定するセンサである。位置測定センサ２は、レーザセンサでなくてもよく、例えば動画や静止画を撮影することのできるカメラによる位置検出や、超音波センサ、接触式センサ又は磁気センサ等を採用することもできる。本実施形態では、位置測定センサ２としてレーザセンサを採用することで、非接触かつ高精度で測定対象までの距離を測定することができる。

処理システム２００は、１又は複数のアームで処理対象に対する処理を行うロボット３を含む。本実施形態に係るロボット３は、多関節ロボットであり、第１アーム３ａ及び第２アーム３ｂにより処理対象に対する処理を行う。第１アーム３ａ及び第２アーム３ｂは、複数の異なる姿勢で処理対象に対する処理を行うことのできるアームである。具体的には、７軸以上の関節を有するアームである。また、本実施形態においては、処理対象は、生化学、生物及び生命工学の分野における一連の検査や培養、増幅といった処理を行う対象であり、例えば培養した細胞や薬剤を指している。もっとも、処理対象はそれ以外のものであってもよく、ロボット３による溶接やボルトの締め付け等の加工・組立分解対象となる部品や、搬送やパレタイジング等の搬送対象となる荷物であってもよい。

本実施形態に係るロボット３は、第１アーム３ａの先端に備えられたハンドによりピペットラックに収容されたピペット４を把持し操作する等、図示しあるいは図示しない実験器具を操作することができる。また、ロボット３は、第２アーム３ｂの先端に備えられたハンドによりチューブラック５に格納されたマイクロチューブ６を把持し、マイクロチューブ６をチューブラック５からボルテックスミキサー９や遠心分離器１０等へ移動させるなど、図示しあるいは図示しない各種容器を移動させることができる。本実施形態では、ロボット３は、第１アーム３ａの先端に備えられたハンドによりピペット４を把持し、薬液を吸引又は注入する場合、チップラック７に用意されたチップをピペット４の先端に装着して作業を行う。ここで、チップラック７は、固定具８によって作業台に固定されている。

図１に示す例では、ボルテックスミキサー９と、遠心分離器１０等が含まれるが、これらは実験を行う場合に用いられる器具の一例であり、これらの器具に加えて又は換えて、他の器具が含まれてもよい。例えば、処理システム２００には、ペトリ皿を保管するラックや、マグネットラック等が含まれてもよい。また、本実施形態に係るロボット３は双腕ロボットであり、ロボット３は第１アーム３ａ及び第２アーム３ｂを備えるが、処理システム２００に含まれる１又は複数のアームは、例えば、複数のアームが別個独立に備えられて、ロボット制御装置１により協調して動作するように制御されるものであってもよい。

本実施形態に係る処理システム２００は、ロボット３のアームの先端がアプローチする空間上の点Ｐ等を規定するために複数の座標系を使用する。１つは、ロボット３に付随するロボット座標系Ｓ_Ｒである。ロボット座標系Ｓ_Ｒは、ロボット３を基準とする座標系であり、この例では原点がロボット３の中心にある左手系の直交座標系である。任意の点は、ロボット３を基準とする座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）として表される。少なくともロボット座標系Ｓ_Ｒを用いることで、ロボット３のアームの先端の座標を表すことができる。ロボット座標系Ｓ_Ｒによって表される点Ｐの座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、アームを構成する複数（Ｎ個）の関節の角度（θ_１，θ_２，…，θ_Ｎ）に対応する。本明細書では、アームを構成する複数の関節の角度（θ_１，θ_２，…，θ_Ｎ）をアームの姿勢と称する。ここで、アームの自由度（関節の数）が７自由度以上ある場合には、点Ｐに対して所望の方向からアームの先端をアプローチさせる際、アームの関節の角度（θ_１，θ_２，…，θ_Ｎ）は一意に定まらず冗長性がある。なお、ロボット座標系Ｓ_Ｒの原点はロボットの中心以外の点に設定してもよいし、用いる座標系の種類は直交座標系以外であってもよい。

本実施形態に係る処理システム２００では、チューブラック５等、ロボット３が処理対象に処理を行う際に使用される機器に付随する機器座標系Ｓ_Ｄも使用される。例えばチューブラック５に付随する機器座標系Ｓ_Ｄ１は、原点がチューブラック５の上部の角にある左手系の直交座標系であり、チューブラック５を基準として点Ｐを表す座標（ｘ_１，ｙ_１，ｚ_１）である。機器座標系Ｓ_Ｄ１を用いることで、チューブラック５が有するマイクロチューブ６の収容箇所を簡潔に表すことができる。また、機器座標系Ｓ_Ｄを用いることで、機器毎に機器に適した座標系（球座標や円筒座標等）を設定することもできる。また、作業台における機器の取り付け位置を変更した場合であっても、処理におけるアームの先端の位置は機器座標系Ｓ_Ｄで表せば変わらないため、アームの姿勢（θ_１，θ_２，…，θ_Ｎ）の書き換えが行いやすいという利点がある。機器座標系Ｓ_Ｄは、ロボット制御装置１又は外部に置かれたコンピュータにおいて実行されるシミュレータ上で予め構成され、記憶されてよい。

図１に示す例では、機器座標系Ｓ_Ｄの例として、チューブラック５に付随する機器座標系Ｓ_Ｄ１の他、チップラック７に付随する機器座標系Ｓ_Ｄ２と、遠心分離器１０に付随する機器座標系Ｓ_Ｄ３とを示している。これらについては、後に詳細に説明する。

処理システム２００によって、ロボット３に生化学、生物及び生命工学の分野における実験を行わせる場合、実験の内容は様々に変わり得て、実験毎に使用する機器を変更したり、機器の配置を変更したりしたいという要求がある。しかしながら、例えばピペット４を用いた処理では、ピペット４の先端に装着されたチップをマイクロチューブ６の壁面に這わせて薬液の注入を行ったり、マイクロチューブ６に収容された微量の薬液の上澄みを吸引させたりする等、精密な作業が求められる場合があり、高精度なアームの制御が求められる場合がある。そのような場合、シミュレータ上で機器座標系Ｓ_Ｄを構成したとしても、アームの各関節を構成する歯車のバックラッシやアームのたわみ等の影響によって、アームが実際にアプローチする点がずれるおそれがある。そのため、精密な作業を行うためには、アームのたわみ等の影響を折り込んだ形で機器座標系Ｓ_Ｄを構成することが望まれる。

７自由度以上の自由度を有するアームの場合、アプローチする点及びアプローチする方向が指定されても、アームの姿勢には冗長性があるが、本実施形態に係るロボット制御装置１は、処理対象に対する処理におけるアームの姿勢と、位置測定センサ２による機器の位置の測定におけるアームの姿勢との差が小さくなるようにアームを制御する。ここで、アームの姿勢の差が小さいとは、処理時のアームの姿勢を表すＮ次元のベクトルθ_処理と、測定時におけるアームの姿勢を表すＮ次元のベクトルθ_測定との差ベクトル（θ_処理−θ_測定）のノルム｜θ_処理−θ_測定｜が小さいことを意味する。ベクトルの差のノルム｜θ_処理−θ_測定｜は、アームの姿勢の差を評価できるものであればどのようなものでもよく、例えば、｜（ａ_１，ａ_２，…，ａ_Ｎ）｜＝｜ａ_１｜＋｜ａ_２｜＋…＋｜ａ_Ｎ｜というように、各要素の絶対値の総和で算出してよい。また、アームの姿勢に及ぼす各関節の影響の大きさは、関節毎に異なるため、各関節の角度を表すベクトルの要素毎に重み付けを行って、ベクトルの差のノルムを評価してもよい。ベクトルの差のノルム｜θ_処理−θ_測定｜が小さいとは、ノルムが取り得る値のうち下位２５％以内にノルムの値が収まることをいうものとする。言い換えると、ベクトルの差のノルム｜θ_処理−θ_測定｜の最小値から最大値までを４つの数値区間に等分した場合に、最小値を含む区間にノルムの値が収まるということである。なお、アームの姿勢の差の大きさを評価するため、アームの姿勢の差ベクトルのノルムを用いるのではなく、その他の評価関数によって評価することとしてもよい。

本実施形態に係るロボット制御装置１によれば、処理時と測定時のアームの姿勢の差が小さくなるように制御されることで、機器座標系Ｓ_Ｄの原点におけるアームの姿勢と、処理時におけるアームの姿勢との差が小さくなり、各関節のバックラッシやたわみ等の影響を折り込んだ形でアームの原点合わせが行われる。そのため、本実施形態に係る処理システム２００によれば、アームのアプローチする点が所望の点からずれることが防止され、アームを正確に位置合わせすることができ、アームにより精密な作業を行うことができる。また、機器の位置が変化した場合であっても、機器の位置が正確に測定され、アームを機器に対して正確に位置合わせすることができる。

また、本実施形態に係るロボット制御装置１は、機器座標系Ｓ_Ｄとロボット座標系Ｓ_Ｒとの間の関係を較正する。ここで、機器座標系Ｓ_Ｄとロボット座標系Ｓ_Ｒとの間の関係とは、機器における処理対象の位置と、アームの位置との関係であり、具体的には、機器座標系Ｓ_Ｄによって表された点Ｐの座標（ｘ，ｙ，ｚ）を、ロボット座標系Ｓ_Ｒによって表された点Ｐの座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に変換する変換行列Ａをいう。変換行列Ａは、一般に３×３の行列であり、並進と回転を表す６自由度の行列である。本実施形態に係る処理システム２００は、機器座標系Ｓ_Ｄを正確に構成し、機器座標系Ｓ_Ｄとロボット座標系Ｓ_Ｒとの間の関係、すなわち変換行列Ａを較正することで、アームによる精密な作業を可能にするものである。

図２は、本発明の実施形態に係るロボット制御装置１の物理的な構成を示すブロック図である。図２に示した構成は、ロボット制御装置１として用いられる一般的なコンピュータを示しており、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１ａ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）１ｂ、外部記憶装置１ｃ、ＧＣ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）１ｄ、入力デバイス１ｅ及びＩ／Ｏ（Ｉｎｐｕｒ／Ｏｕｔｐｕｔ）１ｆがデータバス１ｇにより相互に電気信号のやり取りができるよう接続されている。ここで、外部記憶装置１ｃはＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）やＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）等の静的に情報を記録できる装置である。またＧＣ１ｄからの信号はフラットパネルディスプレイ等の、使用者が視覚的に画像を認識するモニタ１ｈに出力され、画像として表示される。入力デバイス１ｅはキーボードやマウス、タッチパネル等の、ユーザが情報を入力するための機器であり、Ｉ／Ｏ１ｆはロボット制御装置１が外部の機器と情報をやり取りするためのインタフェースである。

図３は、本発明の実施形態に係るロボット制御装置１、位置測定センサ２及びロボット３の機能ブロック図である。なお、ここで示した機能ブロックは、ロボット制御装置１等が有する機能に着目して示したものであり、必ずしも各機能ブロックに１対１に対応する物理的構成が存在するとは限らない。いくらかの機能ブロックはロボット制御装置１のＣＰＵ１ａ等の情報処理装置が特定のソフトウェアを実行することにより実現され、またいくらかの機能ブロックはロボット制御装置１のＲＡＭ１ｂ等の情報記憶装置に特定の記憶領域が割り当てられることにより実現されてよい。

ロボット制御装置１は、ユーザからの各種の入力を受け付ける入力部２０を有する。また、ロボット制御装置１は、入力部２０により受けつけられた入力に基づいて、ロボット３の動作を制御する指令である動作指令を生成する動作指令生成部２１を有する。さらに、ロボット制御装置１は、生成中及び生成された動作指令の電子データを記憶する動作指令記憶部２７と、生成された動作指令をロボットが読み取り可能な形式の電子ファイルとして出力する動作指令出力部２８と、動作指令記憶部２７に記憶された動作指令の電子データを成形しモニタ１ｈに表示する動作指令表示部２９とを有する。

入力部２０は、通常は図２に示した入力デバイス１ｅにより構成されるが、ロボット制御装置１がクラウドコンピューティングに用いられるアプリケーションサーバである場合には、遠隔地にある端末上でのユーザの操作情報が入力されるＩ／Ｏ１ｆが該当することになる。

動作指令生成部２１には動作指令を生成するための種々の機能ブロックが含まれる。詳細は後ほど動作指令の生成手順を説明する際に合わせて説明するが、本実施形態に係る動作指令生成部２１には、位置測定センサ２により、ロボット３が処理対象に処理を行う際に使用される機器の位置を測定させる位置測定部２３と、測定された機器の位置を基準としてアームを移動させ、処理対象に対する処理をさせる処理部２２と、機器における処理対象の位置と、アームの位置との関係を較正する較正部２４とが含まれる。また、動作指令生成部２１には、較正部２４に較正を行わせるか否かを判断する判断部２６と、判断部２６により、較正を行わせると判断される場合に、較正部２４による較正を、処理対象に対する処理を行わせる前に挿入する挿入部２５とが含まれる。

なお、本明細書において、動作指令とは、単一のジョブ又は複数のジョブが組み合わされたジョブの集合体であって、処理対象又は処理対象が収容される容器に対する一単位のものとして認識される処理を指示する指令をいうものとする。

また、本実施形態に係る処理システム２００において、ロボット３が処理対象に処理を行う際に使用される機器とは、ピペット４、チューブラック５、マイクロチューブ６、チップラック７、固定具８、ボルテックスミキサー９及び遠心分離器１０をいう。これらは例示であって、一般には、これら以外のものが含まれてもよいことは言うまでもない。処理システム２００に含まれる機器であれば、ロボット３が処理対象に処理を行う際に使用される機器となり得る。

位置測定部２３には、エッジ測定部２３ａ、座標構成部２３ｂ、上部測定部２３ｃ及び固定具測定部２３ｄが含まれる。

エッジ測定部２３ａは、ロボット３が処理対象に処理を行う際に使用される機器が有する２辺それぞれについて、位置測定センサ２により、複数箇所で縁の位置を測定させる。座標構成部２３ｂは、位置測定部２３に含まれるエッジ測定部２３ａにより測定された複数箇所の縁の位置に基づいて、機器における処理対象の位置を表す座標を構成する。上部測定部２３ｃは、処理対象に対する処理が行われる処理位置よりも上方に位置する機器の部分について、位置測定センサ２による位置の測定を行わせる。固定具測定部２３ｄは、機器を固定し、上方に向かって延伸した延伸部が設けられた固定具について、延伸部の上面について、位置測定センサ２による位置の測定を行わせる。

また、判断部２６には、処理種類判断部２６ａ、時間・回数判断部２６ｂ、待機判断部２６ｃ、エラー判断部２６ｄ及びメンテナンス判断部２６ｅが含まれる。

処理種類判断部２６ａは、処理対象に対する処理の種類に応じて、較正部２４に較正を行わせるか否かを判断する。時間・回数判断部２６ｂは、時間の経過及び処理の回数のうち少なくとも一方に応じて、較正部２４に較正を行わせるか否かを判断する。待機判断部２６ｃは、処理対象に対する処理を行う前の待機時間に応じて、較正部２４に較正を行わせるか否かを判断する。エラー判断部２６ｄは、エラーによりロボット３が停止した場合に、較正部２４に較正を行わせると判断する。メンテナンス判断部２６ｅは、ロボット３及びロボット３が処理対象に処理を行う際に使用される機器の少なくともいずれかについてメンテナンスが行われた場合に、較正部２４に較正を行わせると判断する。

図４は、本発明の実施形態に係るチューブラック５の外観を示す斜視図である。また、図５は、本発明の実施形態に係る位置測定センサ２によって測定されるチューブラック５の２辺を示す上面図である。チューブラック５は、作業台にボルト等で固定される土台５ａと、マイクロチューブ６を収容する６つの穴が空いた上板５ｂと、上板５ｂを土台５ａに接続する支柱５ｃとで構成される。チューブラック５は、平面視において互いに交わる方向に第１の辺Ｅ１及び第２の辺Ｅ２を有する。図５では、本実施形態での位置測定センサ２であるレーザセンサの走査軌跡を図示しており、第１の辺Ｅ１についての走査軌跡である第１の走査軌跡Ｓ１と、第２の辺Ｅ２についての走査軌跡である第２の走査軌跡Ｓ２とを図示している。レーザセンサのレーザ光は、チューブラック５の上板５ｂに向けて上方から照射され、上板５ｂの内側から外側に向けて走査される。レーザ光が上板５ｂの縁を横切る際に、レーザセンサによって測定される距離に飛びが生じる。エッジ測定部２３ａは、レーザ光が上板５ｂの縁を横切って飛びが生じた際のアームの姿勢（各関節の角度）及びレーザセンサにより測定された上板５ｂまでの距離を取得する。辺の縁におけるアームの姿勢から、ロボット座標で表した辺の縁の平面的な位置が算出でき、レーザセンサにより測定された距離と併せて、辺の縁の３次元的な位置を取得することができる。

エッジ測定部２３ａは、位置測定センサ２により、チューブラック５の第１の辺Ｅ１及び第２の辺Ｅ２それぞれについて、複数箇所で縁の位置を測定させる。図５に示す例では、第１の辺Ｅ１について６箇所で縁の位置を測定し、第２の辺Ｅ２について４箇所で縁の位置を測定している。測定箇所の数が多いほど誤差の影響を低減することができるが、測定に要する時間が長くなるため、両者のバランスを考慮して測定箇所の数が設定される。機器座標系を構成するためには、機器上の３点を測定すればよい。例えば、チューブラック５の第１の辺Ｅ１の両端の角の点と、第２の辺Ｅ１の角の点である。しかしながら、測定には種々の要因によって誤差が生じる。本実施形態に係るエッジ測定部２３ａによれば、機器の３点を測定して座標を構成する場合よりも、より精度良く座標を構成することができる。ひいては、アームの位置合わせをより精度良く行なうことができる。

なお、本実施形態に係るチューブラック５の支柱５ｃは、レーザセンサの走査に干渉しないように、上板５ｂの縁から離れた位置に設けられている。これにより、レーザセンサによって支柱５ｃによる段差を誤って検出することが防止され、チューブラック５の位置の測定を円滑に行うことができる。

図４では、マイクロチューブ６に収容された処理対象に対する処理が行なわれる処理位置６ａを星印で図示している。図４の例において、処理位置は、ピペット４のチップ先端が位置合わせされる位置である。本実施形態に係る上部測定部２３ｃは、処理位置６ａよりも上方に位置する機器の部分について、位置測定センサ２による位置の測定を行わせる。チューブラック５の上板５ｂは、処理位置６ａよりも上方に位置する機器（チューブラック５）の部分である。処理位置６ａよりも上方に位置する機器の部分（例えばチューブラック５の上板５ｂ）について位置の測定を行うことで、処理位置６ａよりも下方に位置する機器の部分（例えばチューブラック５の土台５ａ）について位置の測定を行う場合よりも、測定時のアームの姿勢が処理時のアームの姿勢と近くなり、バックラッシやアームのたわみ等の影響をより低減した状態で位置の測定を行うことができる。処理位置６ａよりも上方に位置する機器の部分について、位置測定センサ２による位置の測定を行わせることは、位置測定センサ２の測定可能範囲が限られている場合に特に有利となる。位置測定センサ２の測定可能範囲が限られている場合に土台５ａの位置を測定することとすると、位置測定センサ２を土台５ａに近付ける必要が生じて、測定時におけるアームの姿勢が処理時におけるアームの姿勢よりも下方に曲がった姿勢となる場合があるからである。

図６は、本発明の実施形態に係る位置測定センサ２によって測定された点から構成された機器座標系を示す図である。同図では、説明の簡明にするため上板５ｂ上の点を規定する２軸の座標について示すが、紙面に垂直な方向に他の１軸があり、合計３軸で座標系が構成される。本実施形態に係る座標構成部２３ｂは、エッジ測定部２３ａにより測定された第１の辺Ｅ１の複数箇所の縁の位置Ｅ１０と、第２の辺Ｅ２の複数箇所の縁の位置Ｅ２０とに基づいて、チューブラック５における処理対象の位置を表す座標（機器座標Ｓ_Ｄ）を構成する。座標構成部２３ｂは、第１の辺Ｅ１についての複数の縁の位置Ｅ１０から、第１の辺Ｅ１に重なる直線を算出し、ｘ軸５０を算出する。ここで、複数の点から直線を算出する方法としては、最小二乗法が採用できるが、他のアルゴリズムを採用することとしてもよい。また、座標構成部２３ｂは、第２の辺Ｅ２についての複数の縁の位置Ｅ２０から、第２の辺Ｅ２に重なる直線を算出し、ｙ軸５１を算出する。そして、ｘ軸５０とｙ軸５１とが交わる交点５２と、位置測定センサ２により測定された上板５ｂの高さとから、機器座標の原点５２を算出する。さらに、予め測定した上板５ｂの寸法を適用することで、ｘ軸５０における上板５ｂの端の座標５３と、ｙ軸５１における上板５ｂの端の座標５４とが定められ、チューブラック５の機器座標系Ｓ_Ｄ１が確定される。

本実施形態に係る座標構成部２３ｂによれば、複数の測定点に基づいて座標軸を算出して座標を構成することで、各測定点を測定する際の誤差の影響が低減され、機器座標系をより精度良く構成することができる。ひいては、ピペット４等のツールの位置合わせを精密に行うことのできる処理システム２００が得られる。

図７は、本発明の実施形態に係る固定具８を示す斜視図である。固定具８は、チップラック７を作業台に固定するための器具である。固定具８とチップラック７は比較的精密に位置合わせされてビス等で固定され、固定具８と作業台は取り外し可能にボルト等で固定される。固定具８によって固定される機器はチップラック７以外のものであってもよい。本実施形態に係る固定具８には、上方に向かって延伸した延伸部８ａが設けられる。延伸部８ａは、固定具８のボルト止めされる部分と同材料で形成されてよく、上面は位置測定センサ２による測定に適した表面状態とされる。位置測定センサ２がレーザセンサである場合、延伸部８ａの上面は平滑面とされる。

本実施形態に係る固定具測定部２３ｄは、固定具８の延伸部８ａの上面について、位置測定センサ２による位置の測定を行わせる。そして、座標構成部２３ｂは、測定された延伸部８ａの上面の縁の位置に基づいて、機器座標系Ｓ_Ｄ２を構成する。また、延伸部８ａの上面の高さは、チップラック７の上面の高さと近似している。そのため、延伸部８ａの上面について位置測定センサ２による測定を行う場合におけるアームの姿勢と、チップラック７についてピペット４にチップを装着する場合におけるアームの姿勢との差は、固定具８の土台（ボルト止めされる下板部分）について位置の測定を行う場合におけるアームの姿勢と、チップラック７についてピペット４にチップを装着する場合におけるアームの姿勢との差よりも小さくなる。固定具８が延伸部８ａを有することは、位置測定センサ２の測定可能範囲が限られている場合に特にメリットとなる。位置測定センサ２の測定可能範囲が限られている場合、固定具８の位置を測定すべく位置測定センサ２を固定具８に近付ける必要があり、測定時におけるアームの姿勢が処理時におけるアームの姿勢よりも下方に曲がった姿勢となる場合があるからである。

本実施形態に係る固定具測定部２３ｄによれば、位置測定センサ２によって延伸部８ａの上面を測定する際のアームの姿勢が、機器を用いた処理を行う際のアームの姿勢と近くなり、バックラッシやアームのたわみ等の影響をより低減した状態で位置の測定を行うことができる。よって、機器を用いた処理においてアームの位置合わせがより精度よく行なわれ、機器を用いた処理の精度も向上する。

図１に示す例では、遠心分離器１０の上面に基準平板１１が設けられている。本実施形態に係る位置測定部２３は、基準平板１１について、位置測定センサ２による位置の測定を行わせる。そして、座標構成部２３ｂは、測定された基準平板１１の縁の位置に基づいて、機器座標系Ｓ_Ｄ３を構成する。基準平板１１は、機器の辺が丸く面取りされていたり、複雑な形状であったり等、機器が測定に適したエッジを有さない場合に設けられる。機器と基準平板１１との相対位置が所定の位置に定まるように機器に基準平板１１が設けられることで、機器自体に位置測定センサ２による測定に適した部分がない場合であっても、基準平板１１の位置を測定することで機器の位置を間接的に測定することができる。そして、機器における処理対象を収容する位置と基準平板１１の位置とが近似していることで、測定時と処理時のアームの姿勢の差を小さくでき、測定が正確に行なわれ、アームの位置合わせを精密に行うことができる。

図８は、本発明の実施形態に係る判断部２６による較正の要否の判断についてのフローチャートである。判断部２６の処理種類判断部２６ａは、処理対象に対する処理の種類に応じて、較正部２４に較正を行わせるか否かを判断する。本実施形態に係る処理種類判断部２６ａは、処理対象に対する処理が、ピペット４を用いる処理である場合に、較正部２４に較正を行わせると判断する（ＳＴ１００）。ピペット４を用いる処理は、特に精度が要求される処理であり、アームの精密な制御が求められるためである。処理種類判断部２６ａは、ピペット４を用いる処理以外の処理が行なわれる場合に較正部２４に較正を行わせると判断してもよい。例えば、物理的な衝撃に対して敏感な薬剤を扱う場合に、アームの精密な制御が行えるように、処理に先立って較正部２４に較正を行わせることとしてもよい。

本実施形態に係る処理種類判断部２６ａによれば、特に高精度でアームを制御する必要がある処理について、事前に較正を行うことができ、アームによる精密な作業が行える。一方、比較的粗い精度でアームを制御しても問題が無い処理について、較正を省略することができ、作業時間を短縮することができる。

判断部２６の時間・回数判断部２６ｂは、時間の経過及び処理の回数のうち少なくとも一方に応じて、較正部２４に較正を行わせるか否かを判断する。本実施形態に係る時間・回数判断部２６ｂは、ロボット３が長時間稼働していない場合に、較正部２４に較正を行わせる（ＳＴ１０１）。例えば、ロボット３が２４時間以上稼働していない場合に、較正部２４に較正を行わせると判断してよい。これにより、ロボット３を長時間稼働させていなかった場合に自動的に較正を行わせて、作業精度の低下を防止できる。

また、本実施形態に係る時間・回数判断部２６ｂは、ロボット３による処理対象に対する処理の積算した回数が、所定の値以上となった場合に、較正部２４に較正を行わせる（ＳＴ１０２）。例えば、較正部２４による較正が一度も行なわれずに、ロボット３が１０００回以上の処理を行った場合、較正部２４に較正を行わせると判断してよい。これにより、ロボット３が長時間稼働し続けた場合（積算した処理の回数が所定の値以上となった場合）に自動的に較正を行わせて、作業精度の低下を防止できる。

判断部２６の待機判断部２６ｃは、処理対象に対する処理を行う前の待機時間に応じて、較正部２４に較正を行わせるか否かを判断する。本実施形態に係る待機判断部２６ｃは、処理対象に対する処理を行う前の待機時間が５分以上ある場合に、較正部２４に較正を行わせると判断する（ＳＴ１０３）。閾値となる待機時間は、ユーザにより任意に設定されてよいことは言うまでもない。これにより、ロボット３の待機時間に較正を行わせることができ、待機時間を有効に活用して作業精度を向上させることができる。

判断部２６のエラー判断部２６ｄは、エラーによりロボット３が停止した場合に、較正部２４に較正を行わせると判断する。本実施形態に係るエラー判断部２６ｄは、天災や事故等の発生によりロボット３が緊急停止された場合や、ユーザによってロボット３が緊急停止された場合に、較正部２４による較正を行うと判断する（ＳＴ１０４）。これにより、天災等、不足の事態が発生した場合に自動的に較正が行われ、ユーザが処理システム２００を常に監視していない場合であっても、予期し得ない事態により作業の精度が低下してしまうことが防止される。

判断部２６のメンテナンス判断部２６ｅは、ロボット３及び機器の少なくともいずれかについてメンテナンスが行われた場合に、較正部２４に較正を行わせると判断する。本実施形態に係る処理システム２００において、ロボット３及び機器は、外部と隔離されたブースに配置される。本実施形態に係るメンテナンス判断部２６ｅは、ロボット３及び機器が配置されるブースが開閉された場合に、ロボット３及び機器の少なくともいずれかについてメンテナンスが行われたと判断して、較正部２４に較正を行わせると判断する（ＳＴ１０５）。メンテナンス判断部２６ｅは、ロボット３や機器に備えられたセンサによってメンテナンスの有無を検出して、較正部２４に較正を行わせると判断してもよい。これにより、ロボット３のアームの状態が変化したり、機器の固定位置が変化したりする可能性があるメンテナンス後に、自動的に較正が行われ、作業精度の低下が防止される。

以上のように、判断部２６によって較正部２４に較正を行わせると判断される場合、挿入部２５は、較正部２４による較正を、処理対象に対する処理を行わせる前に挿入する（ＳＴ１０６）。較正部２４は、機器における処理対象の位置と、アームの位置との関係を較正する。すなわち、較正部２４は、位置測定部２３による測定に基づいて構成された機器座標系Ｓ_Ｄを取得して、機器座標系Ｓ_Ｄとロボット座標系Ｓ_Ｒとの間の変換行列Ａを較正する。これにより、機器座標系Ｓ_Ｄで表された処理対象又は機器の位置を、ロボット３のアームの姿勢（各関節の角度）に正確に読み替えることができ、アームによる精密な作業が可能となる。また、ユーザ明示的に命令しなくても、処理対象を収容する機器の位置がずれる可能性がある場合に、処理に先立って自動的に較正が行われ、機器を用いた処理において、アームの位置合わせにずれが生じることが防止される。

以上説明した判断部２６による判断の順序は一例であって、処理種類判断部２６ａ、時間・回数判断部２６ｂ、待機判断部２６ｃ、エラー判断部２６ｄ及びメンテナンス判断部２６ｅによる判断の優先順位は、ユーザによって設定されてよい。

図９は、本発明の実施形態に係るロボットの制御方法についてのフローチャートである。本実施形態に係るロボットの制御方法では、はじめに、ロボット３が有する１又は複数のアームに備えられた位置測定センサ２により、ロボット３が処理対象に処理を行う際に使用される機器の位置を測定する（ＳＴ２００）。その後、測定された機器の位置を基準としてアームを移動させ、移動されるアームの姿勢と、機器の位置の測定におけるアームの姿勢との差が小さくなるようにアームを制御して、ロボット３により処理対象に対する処理をする（ＳＴ２０１）。

本実施形態に係るロボットの制御方法によれば、処理時と測定時のアームの姿勢の差が小さくなるように制御されることで、機器座標系Ｓ_Ｄの原点におけるアームの姿勢と、処理時におけるアームの姿勢との差が小さくなり、各関節のバックラッシやたわみ等の影響を折り込んだ形でアームの原点合わせが行われる。そのため、アームのアプローチする点が所望の点からずれることが防止され、アームを正確に位置合わせすることができ、アームにより精密な作業を行うことができる。また、機器の位置が変化した場合であっても、機器の位置が正確に測定され、アームを機器に対して正確に位置合わせすることができる。

以上説明した実施形態の構成は具体例として示したものであり、本明細書にて開示される発明をこれら具体例の構成そのものに限定することは意図されていない。当業者はこれら開示された実施形態に種々の変形、例えば、機能や操作方法の変更や追加等を加えてもよく、また、フローチャートに示した制御は、同等の機能を奏する他の制御に置き換えてもよい。本明細書にて開示される発明の技術的範囲は、そのようになされた変形をも含むものと理解すべきである。

Claims (13)

1. 複数の関節を有するアームで処理対象に対する処理を行うロボットと、
   前記アームに備えられた位置測定センサと、
   少なくとも前記ロボットを制御するロボット制御装置と、を有する処理システムであって、
   前記ロボット制御装置は、
   前記位置測定センサにより、前記ロボットが前記処理対象に処理を行う際に使用される機器の位置を測定させる位置測定部と、
   測定された前記機器の位置を基準として前記アームを移動させ、前記処理対象に対する処理をさせる処理部と、を有し、
   前記機器の位置を測定する際の前記アームの姿勢、及び前記処理対象に対する処理を行う際の前記アームの姿勢には一意に定まらず冗長性があり、
   前記複数の関節の前記処理対象に対する処理における角度を要素とする第１のベクトルと、前記複数の関節の前記位置測定部による前記機器の位置の測定における角度を要素とする第２のベクトルと、の関数である、前記処理対象に対する処理における前記アームの姿勢と、前記位置測定部による前記機器の位置の測定における前記アームの姿勢との差を評価するための評価関数の値が、該評価関数が取り得る値のうち所定範囲内に収まる、
   処理システム。
2. 前記ロボット制御装置は、
   前記機器における前記処理対象の位置と、前記アームの位置との関係を較正する較正部をさらに有する、
   請求項１に記載の処理システム。
3. 前記ロボット制御装置は、
   前記較正部に較正を行わせるか否かを判断する判断部と、
   前記判断部により、較正を行わせると判断される場合に、前記較正部による較正を、前記処理対象に対する処理を行わせる前に挿入する挿入部と、
   をさらに有する請求項２に記載の処理システム。
4. 前記判断部は、前記処理対象に対する処理の種類に応じて、前記較正部に較正を行わせるか否かを判断する、
   請求項３に記載の処理システム。
5. 前記判断部は、時間の経過及び処理の回数のうち少なくとも一方に応じて、前記較正部に較正を行わせるか否かを判断する、
   請求項３又は４に記載の処理システム。
6. 前記判断部は、前記処理対象に対する処理を行う前の待機時間に応じて、前記較正部に較正を行わせるか否かを判断する、
   請求項３〜５のいずれか１項に記載の処理システム。
7. 前記判断部は、エラーにより前記ロボットが停止した場合に、前記較正部に較正を行わせると判断する、
   請求項３〜６のいずれか１項に記載の処理システム。
8. 前記判断部は、前記ロボット及び前記機器の少なくともいずれかについてメンテナンスが行われた場合に、前記較正部に較正を行わせると判断する、
   請求項３〜７のいずれか１項に記載の処理システム。
9. 前記機器は、平面視において互いに交わる方向に２辺を有し、
   前記位置測定部は、前記位置測定センサにより、前記機器の前記２辺それぞれについて、複数箇所で縁の位置を測定させる、
   請求項１〜８のいずれか１項に記載の処理システム。
10. 前記ロボット制御装置は、
    前記位置測定部により測定された複数箇所の縁の位置に基づいて、前記機器における前記処理対象の位置を表す座標を構成する座標構成部をさらに有する、
    請求項９に記載の処理システム。
11. 前記位置測定部は、前記処理対象に対する処理が行われる処理位置よりも上方に位置する前記機器の部分について、前記位置測定センサによる位置の測定を行わせる、
    請求項１〜１０のいずれか１項に記載の処理システム。
12. 前記機器を固定し、上方に向かって延伸した延伸部が設けられた固定具をさらに有し、
    前記位置測定部は、前記固定具の前記延伸部の上面について、前記位置測定センサによる位置の測定を行わせる、
    請求項１〜１１のいずれか１項に記載の処理システム。
13. ロボットが有する、複数の関節を有するアームに備えられた位置測定センサにより、前記ロボットが処理対象に処理を行う際に使用される機器の位置を測定し、
    測定された前記機器の位置を基準として前記アームを移動させ、前記ロボットにより前記処理対象に対する処理する、ロボットの制御方法において、
    前記機器の位置を測定する際の前記アームの姿勢、及び前記処理対象に対する処理を行う際の前記アームの姿勢は一意に定まらず冗長性があり、
    前記複数の関節の前記処理対象に対する処理における角度を要素とする第１のベクトルと、前記複数の関節の前記機器の位置の測定における角度を要素とする第２のベクトルと、の関数である、前記処理対象に対する処理における前記アームの姿勢と、前記機器の位置の測定における前記アームの姿勢との差を評価するための評価関数の値が、該評価関数が取り得る値のうち所定範囲内に収まる、
    ロボットの制御方法。
    

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