JP6613288B2 - 積み付けパターン計算装置及びロボット制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、物品の積み付けパターンを計算する計算装置、及び該計算装置を含むロボット制御装置に関する。

いわゆるパレタイジングシステム等の、パレット等の集積手段又は収容手段に複数の物品を積載するシステムにおいて、該物品をどのような順序・パターンで積載（積み付け）すべきかをシミュレーション等により求める技術が知られている（例えば特許文献１、２参照）。

一方、容器内に複数の部材を配置するシミュレーションにおいて、振動又は衝撃、及び重力を発生させることによって部材の位置や姿勢の変化を計算する技術が知られている（例えば特許文献３参照）。

特開平０１−０９２１２７号公報 特開２００５−０８９０６７号公報 特開２０１１−１２８８９７号公報

従来のパレタイジングシステムでは、複数の物品の積み付けパターンを計算するアルゴリズムを使用する場合があるが、そのようなアルゴリズムは物理演算を使用して積み付けパターンを計算するものではない。従って従来は、ランダムに搬送されてくる複数の物品を適切なパターンで積み付けることが困難であった。

本開示の一態様は、複数の物品の積み付けパターンを計算する積み付けパターン計算装置であって、前記物品の種類ごとの寸法に基づいて前記物品の第１の物理モデルを作成し、前記複数の物品が積み付けされる収容領域の寸法に基づいて前記収容領域の第２の物理モデルを作成するモデル作成部と、前記第１の物理モデルを、前記物品の種類ごとに予め定めた優先度の高い順に、前記第２の物理モデル内に配置する配置部と、前記第１の物理モデルが前記第２の物理モデル内に配置される度に、前記第２の物理モデルに対して振動又は衝撃を与え、該振動又は衝撃に伴う前記第２の物理モデル内での前記第１の物理モデルの位置又は姿勢の変化を計算する物理演算部と、を備える積み付けパターン計算装置である。

本開示の他の態様は、複数個の前記積み付けパターン計算装置と、前記複数個の積み付けパターン計算装置によって計算された複数の積み付けパターンから、安定性の高い積み付けパターンを選択するパターン選択部と、前記パターン選択部によって選択された積み付けパターンに含まれる複数の物品の位置及び姿勢から、ロボットが物品を積み付ける動作プログラムを自動的に作成するプログラム作成部と、を備えるロボット制御装置である。

本開示によれば、収容領域の物理モデル内に物品の物理モデルを優先度の高い順に配置して、収容領域の物理モデルに振動や衝撃を与えることにより、物品を置く空きスペースを自動的に生成することができるので、計算のアルゴリズムを考慮せずとも、適切な積み付けパターンを求めることができる。

好適な実施形態に係る積み付けパターン計算装置の一構成例を示す図である。 図１の積み付けパターン計算装置が計算した積み付けパターンに基づいて物品の積み付けを行うパレタイジングシステムの一構成例を示す図である。 本実施形態における処理の流れを例示するフローチャートである。 物品の物理モデルを例示する図である。 収容領域の物理モデルを例示する図である。 物品の物理モデルの位置変化の一例を示す図である。 物品の物理モデルの位置変化の一例を示す図である。 物品の物理モデルの位置変化の一例を示す図である。 本実施形態における処理の応用例を示すフローチャートである。 物品及び収納領域の物理モデルを上方から見た図である。 積み付けた物品の安定度が低い例を示す図である。

図１は、本開示に係る積み付けパターン計算装置（以降、計算装置とも称する）１０の一構成例を示す機能ブロック図である。計算装置１０は、複数の物品（ワーク）の積み付けパターンを計算する装置であり、物品の種類ごとの寸法に基づいて物品の第１の物理モデルを作成し、複数の物品が積み付けされる収容領域の寸法に基づいて収容領域の第２の物理モデルを作成するモデル作成部１２と、第１の物理モデルを、物品の種類ごとに予め定めた積み付けの優先度の高い順に第２の物理モデル内に配置する配置部１４と、前記第１のモデルが前記第２の物理モデル内に配置される度に、第２の物理モデルに対して振動又は衝撃を与え、該振動又は衝撃に伴う前記第２の物理モデル内での前記第１の物理モデルの位置又は姿勢の変化を計算する物理演算部１６と、を備え、全ての物品の第１の物理モデルが第２の物理モデル内に配置されたら、そのときの第２の物理モデル内の第１の物理モデルの積み付けパターンを、収容領域内に積載する物品の積み付けパターンとして決定・記憶することができる。

計算装置１０は、物品の種類ごとの重量、寸法及び耐荷重のうちの少なくとも１つに基づき、物品の積み付けの優先度を自動的に決定する優先度決定部１８をさらに有してもよい。或いは優先度は、作業者が適当な入力手段を用いて計算装置１０に入力し、入力された優先度のデータをパーソナルコンピュータのメモリ等の記憶部２０に記憶してもよく、この場合は配置部１４が、記憶部２０から優先度に関するデータを読み出すことができる。また記憶部２０は、最終的に決定された積み付けパターンの記憶に用いてもよい。

また計算装置１０は、第２の物理モデルに与えられた振動又は衝撃によって第１の物理モデルが積み付けに適していない姿勢にならないように、該第１の物理モデルの重心位置を変更する重心位置変更部２２をさらに備えてもよく、配置部１４は、第１の物理モデルが積み付けに適していない姿勢となった場合に、積み付けに適していない姿勢の物品の配置をやり直すことができる。

さらに計算装置１０は、全ての第１の物理モデルが第２の物理モデル内に配置された後、第１の物理モデルの少なくとも１つの位置及び姿勢の一方又は双方を調節する位置姿勢調節部２４をさらに備えてもよい。

積み付けパターン計算装置１０は、例えばパーソナルコンピュータであり、上述の物理モデル作成部１２、配置部１４、物理演算部１６、優先度決定部１８、記憶部２０、重心位置変更部２２及び位置姿勢調節部２４は、パーソナルコンピュータが有するＣＰＵ、ＧＰＵ、メモリ等によって実現可能である。また該パーソナルコンピュータは、計算装置１０が計算した積み付けパターンに基づいてロボットの動作プログラムを自動的に作成し、該動作プログラムを後述するロボット制御装置に送信する機能を有してもよい。

図２は、積み付けパターン計算装置１０が計算した積み付けパターンに基づいて、実際にワークの積み付けを行うシステムの一例として、パレタイジングシステム３０の概略構成例を示す図である。パレタイジングシステム３０は、複数の物品（ワーク）３２を逐次的に運搬するコンベヤ３４と、コンベヤ３４上のワーク３２を保持し、所定の収容領域３６内に配置するロボット３８と、ロボット３８に接続され、ロボット３８の動作を制御するロボット制御装置４０とを有する。計算装置１０とロボット制御装置４０とは互いに通信可能に接続されており、ロボット制御装置４０は、計算装置１０から受信した積み付けパターンに基づいて、ロボット３８に積み付け動作を実行させることができる。或いは、計算装置１０（の機能）はロボット制御装置４０内に組み込むことも可能であり、すなわち積み付けパターン計算装置１０の各部の機能は、ロボット制御装置４０が有するＣＰＵ、ＧＰＵ、メモリ等によって実現することも可能である。

収容領域３６は、積載すべきワーク３２を全て包含する領域として予め定められるものであり、例えば、図２に示すようなパレット４２上に規定した、積載されたワーク３２が存在し得る空間でもよいし、箱状又は籠状の容器（図示せず）によって画定される内部空間でもよい。

図示例では、ロボット３８は可動部を有する多関節ロボットであり、基部４４と、基部４４に対して略鉛直方向軸線に沿って回転可能に取り付けられた旋回胴４６と、旋回胴４６に対して回転可能に取り付けられた上腕４８と、上腕４８に対して回転可能に取り付けられた前腕５０と、前腕５０に対して回転可能に取り付けられた手首軸５２と、手首軸５２に取り付けられたロボットハンド５４と、ロボット３８の可動部（例えばハンド５４）に取り付けられたカメラ５６とを有する。ロボットハンド５４としては、爪を備えた把持式ハンドや、電磁石又は吸引ノズルを備えた吸着式ハンド等、ワーク３２を保持できる種々の形態が可能である。

ロボット制御装置４０は、カメラ５６でコンベヤ３４上のワーク３２を撮像し、得られた画像の画像処理を行うことによって、ロボット３８に対するワーク３２の位置及び姿勢を検出することができ、さらに検出されたワーク３２の位置及び姿勢に基づいて、ワーク３２を保持し、後述する積み付けパターンに従って、保持したワークを収容領域３６内に配置する旨の指令をロボット３８に送信する。

次に、積み付けパターン計算装置を用いた処理の一例を、図３−図５ｃを参照しつつ説明する。なお後述する実施例では、互いに寸法が異なる３種類のワークを積み付けする場合（いわゆる混載）を説明するが、ワークの種類は３つに限られず、また寸法が同一であっても比重が異なるワークは「複数種類のワーク」として扱うことができるものとする。なお後述する処理は、計算装置１０又はロボット制御装置４０内で仮想的に行われるオフラインの処理（シミュレーション）であり、これらの処理の結果の少なくとも一部を、パーソナルコンピュータのディスプレイ５８（図２）等の適当な画面に表示することもできる。

先ずステップＳ１において、混載積み付け演算用の仮想物理モデルを作成する。具体的には、図４ａに示すように、ワークの種類ごとの重量、寸法及び個数から、第１の物理モデル６０を作成する。また図４ｂに示すように、ワークを積み付けする収容領域の寸法から、第２の物理モデル６２を作成する。ここではワークには互いに寸法が異なるＡ、Ｂ及びＣの３種類があり、ワークＡ及びＣはそれぞれ１つ、ワークＢは２つあるとする。また第２の物理モデル６２は、パレット４２上に規定した収容領域３６と同一か、いくらか大きい仮想空間であり、第１の物理モデルの全てを包含できる大きさを有するものとする。

次にステップＳ２において、ワークの種類ごとに積み付けの優先度を定める。この優先度は収容領域（第２の物理モデル）内にワーク（第１の物理モデル）を配置する順序を規定するものであり、例えば、計算装置１０のメモリやＣＰＵ（優先度決定部１８）を使用して、各ワークの単位面積当たりの重量、寸法、耐荷重に基づいて計算することができる。より具体的には、後述する接地面積当たりの重量が大きいワーク、寸法の大きいワーク、又は耐荷重が大きいワークの優先度を高くすることが考えられる。或いは、これらのファクターにそれぞれ所定の重み付けをした上で、総合的な優先度を各ワークについて計算してもよい。また或いは、各ワークについての優先度を、作業者がキーボードやタッチパネル等の適当な入力手段を用いて、計算装置に対して入力（指定）できるようにしてもよい。なお本実施例では、優先度はＣ→Ａ→Ｂであるとする。

次のステップＳ３では、ステップＳ２で定めた優先度の高いワークの第１の物理モデルを、第２の物理モデル内に配置する。但し、ここでの配置は厳密な位置決めを行う必要はなく、大まかなものでよい。ここでは先ず、第２の物理モデル６２内にワークＣが配置される。

次のステップＳ４では、収容領域を表す第２の物理モデル６２に、振動や衝撃が与えられる。そして次に、残ったワークＡ及びＢのうち、優先度の高いワークＡが第２の物理モデル６２内に配置され（ステップＳ５→Ｓ３）、その後第２の物理モデル６２に振動や衝撃が与えられ、ワークの位置関係の変化が計算される（ステップＳ４）。そして最後に、ワークＢが第２の物理モデル６２内に配置され（ステップＳ５→Ｓ３）、その後第２の物理モデル６２に振動や衝撃が与えられ、ワークの位置関係の変化が計算される（ステップＳ４）。

ここで第２の物理モデルに付与される振動又は衝撃は、少なくとも１つの第１の物理モデルの位置及び姿勢の一方又は双方を、第２の物理モデル内で変化させる程度の物理的な力を意味し、略水平方向（前後又は左右方向）に作用するものであることが好ましい。なお上下方向（略鉛直方向）成分を含む振動又は衝撃を与えてもよいが、その場合は収容領域内のワークの上下方向の位置関係が変化しないようにする（例えば、上下方向成分は一定値未満に制限する）ことが望ましい。またここでの振動には、比較的低周波で第２の物理モデルを大きく揺動させるようなものも含まれ、また衝撃には、第２の物理モデル全体を傾斜させるようなものも含まれる。

図５ａ−図５ｃは、ステップＳ３−Ｓ５を繰り返すことによる、第２の物理モデル６２内のワークの位置変化の一例を示す。例えばステップＳ３においてワークＡがワークＣの略中央に配置されても（図５ａ）、第２の物理モデル６２に振動又は衝撃を与えることによってワークＡがワークＣ上を移動して、次に配置されるワークＢのための空きスペースが自動的に生成され（図５ｂ）、ワークＢを好適に配置することができる（図５ｃ）。このような振動や衝撃と重力を考慮したシミュレーションにより、アルゴリズムを考慮せずとも、図４ｂに示したようなワーク間に隙間のない又は少ない積み付けパターンが自動的に計算・決定される。計算された積み付けパターンは、計算装置１０からロボット制御装置４０に送信され、ロボット制御装置４０は受信した積み付けパターンに基づいて、ロボット３８を制御してパレット４２上にワーク３２の積み付けを行うことができる。

このように本実施例では、収容領域の物理モデル内に物品の物理モデルを配置して、収容領域に振動や衝撃を与えてワーク間の位置関係を変化させることで、次の物品を配置すべき空きスペースを自動的に生成することができ、実際の積み付けに適した積み付けパターンを自動的に計算することができる。また物理演算を用いることから、物品や収容領域の形状が箱形状以外の場合でも、計算のアルゴリズムを考慮せずに、好適な積み付けパターンを計算することができる。

図６は、本実施形態における処理の応用例を示すフローチャートである。先ずステップＳ１１では、図３のステップＳ１と同様に、混載積み付け演算用の仮想物理モデル、すなわちワークの第１の物理モデル及び収容領域の第２の物理モデル６２を作成する。

次のステップＳ１２では、第１の物理モデルの各々において、その重心位置を移動させる。具体的には、各ワークについて積み付け時の正しい姿勢と、該正しい姿勢において底面となる面とを予め定めておき、該底面（接地面）上又はその近傍に重心位置を設定・変更する。例えば図４ａのワークＡについて、その１つの面６４を底面とすべき場合、面６４上に重心位置を移動させた上で後述するワークの配置（落下）計算を行えば、面６４が底面となってワークＣに当接した状態でワークＡが配置される可能性が大幅に上昇する。

次のステップＳ１３では、図３のステップＳ２と同様に、ワークの種類ごとに積み付けの優先度を定める。

次のステップＳ１４では、ステップＳ１３で定めた優先度の高いワークの第１の物理モデルを、第２の物理モデル内に配置する。ここでは配置の一形態として、第１の物理モデルを、第２の物理モデルの上方から該第２の物理モデル内に落下させてもよい。落下したワークの第１の物理モデルが他のワークの第１のモデルや第２の物理モデルと衝突することによって、落下したワークや該ワークに衝突されたワークの第１のモデルの位置や姿勢が変化し、第２のモデル内の空きスペースに自動的に配置されることが可能となる。

次のステップＳ１５では、図３のステップＳ４と同様に、収容領域を表す第２の物理モデル６２に振動や衝撃を与える。そして次のステップＳ１６では、配置（落下）したワークの物理モデルが、ステップＳ１２で述べた積み付けに正しい姿勢となっているかを判定する。具体的には、予め底面と設定したワークの面が、落下・静止後に底面となっていない場合は、正しい姿勢ではないと判断できる。

ワークが正しい姿勢となっていない場合は、ステップＳ１７に進み、該ワークの落下動作（計算）をやり直す。この処理は、ワークが正しい姿勢となるまで反復する。本実施例では、ステップＳ１２において第１の物理モデルの重心を変更しているので、そもそも積み付けに適していない姿勢（予め定めた底面が最下面となっていない）にはなりにくいのであるが、落下時の位置や姿勢、及び既に第２の物理モデル内にある他のワークの位置、姿勢によっては、ワークが積み付けに適していない姿勢となってしまう場合もあり得る。しかしそのような場合でも、物品の落下動作をやり直した上で第２の物理モデルに振動又は衝撃を与えることで、ワークを積み付けに適した姿勢にすることができる。なお落下動作をやり直す際、前回の落下とは他のワークの位置、姿勢が変化しているので、前回と同じ位置から同じ姿勢でワークを落下させても前回と同じ結果とはならないが、前回とは位置又は姿勢を変化させて落下動作をやり直す方が好ましい。

落下したワークの姿勢が正しい場合は、残ったワークのうち優先度の高いものを第２の物理モデル内に落下させ、姿勢の確認・修正を繰り返す（ステップＳ１４−Ｓ１８）。

ここで処理を終了してもよいが、さらにステップＳ１９において、第２の物理モデル内に配置された第１の物理モデルの位置及び姿勢の少なくとも一方を調節する処理を行うこともできる。例えば、第２の物理モデル６２を上方からみた図７に示すように、３つのワークを表す第１の物理モデル（ここではワークＤ）が整列配置されていない場合に、第２の物理モデル６２を左側に傾斜させると、参照符号７０で示すように３つのワークＤが第２の物理モデル内で左側に寄せられ、結果として３つのワークは整列配置される。或いは、３つのワークに対して前後左右方向に均等な力を加えることにより、参照符号７２で示すように、第２の物理モデル６２の略中央に３つのワークを整列配置させることができる。このように、物理演算を用いることで乱雑に配置されてしまった、配置済みの全てのワークの位置や姿勢を調節することにより、より整然とした積み付けパターンを計算することができる。

また調節された各ワークの、仮想３次元空間内での位置及び姿勢（Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｗ、Ｒ、Ｐ）を数値によって取得し、これをワークの寸法と比較して、数値の調節を行ってもよい。例えば幅６００ｍｍのワークがＸ方向について９０１．８９３ｍｍに位置している場合、１ｍｍ以下を切り捨てて９００ｍｍに変更してもよい。このようにすれば、計算された積み付けパターンの編集作業等が容易になる。

上述の実施例のように、同じ優先度（例えば同一種類）のワークが複数ある（ここではワークＢ）場合、それらのワークの物理モデルは同時に第２の物理モデル内に配置しても（落下させても）よいし、所定の時間間隔で逐次的に配置してもよい。後者の場合は、１つのワークを配置する度に第２の物理モデルに振動・衝撃を与えることが好ましい。

なお図３及び図６を参照して説明した処理のうち、優先度を作業者が指定（入力）する処理以外は、全て自動で行うことができる。従ってオペレータは、高度な知識やアルゴリズムを必要とせずに、最適な積み付けパターンを求めることができる。

上述のように本実施形態では、ワークの優先度をＣ→Ａ→Ｂとして積み付けパターンを計算するが、実際には例えばＢ→Ａ→Ｃの順でワークがコンベヤによって搬送される場合も考えられる。そのような場合は、図２に示すように、システム３０においてロボット３８の可動部が到達可能な領域にワーク３２の仮置き台６６を設け、ワークＣに先行して搬送されてきたワークＡ又はＢは、ワークＣがロボット３８によって保持されて収容領域３６内に配置されるまで、仮置き台６６上に仮置きすることができる。このような構成によれば、優先度が低い（積み付け順序が下位の）ワーク（ここではワークＡ又はＢ）は、優先度が高い（積み付け順序が上位の）ワーク（ここではワークＣ）の配置後の適時に、ロボット３８によって収容領域３６内に配置可能となる。

他の好適な実施形態として、計算装置１０を複数個用意して、積み付けパターンを同時に計算し、計算された複数の積み付けパターンのうち、（最も）安定性の高い積み付けパターンを選択（採用）することも可能である。例えば図８に示すように、あるワーク（ここではワークＢ）の底面のうち、下方の物体（ここではワークＣ）に当接している面積の割合が比較的小さい場合は、ワークＢの重心位置がワークＣの周縁６８の近傍にあると考えられるので、実際にこのように積み付けられたワークＢは崩れやすい。従ってこのような場合は、安定性が低いと判断できる。

より具体的には、各ワークの代表寸法に基づいてマージン（例えば代表寸法の１／１０）を定めておき、あるワークの重心位置からそのワークの下方のワークの周縁までの距離が該マージン以上であれば、そのワークは安定していると判定できる。また、全てのワークがこの判定によって安定しているとみなされる場合は、各ワークの底面の内、その下方の物体に当接している面積の割合を計算することにより、安定度を定量的に求めることもできる。

なお複数の計算装置を使用する場合、各計算装置における前提条件（ワークの形状や個数、及び収容領域の寸法）は同一であるが、計算条件（与える振動や衝撃の大きさや方向、第２の物理モデル内への第１の物理モデルの落下位置、等）は計算装置毎に変えるものとする。

このように、複数の混載積み付け計算装置を使用して同時に積み付けパターンの計算を行うことにより、短い時間で複数の混載積み付けパターンを計算し、計算した複数の混載積み付けパターンから最適な（安定度が最も高い）混載積み付けパターンを選択することができる。また、計算した積み付けパターンに含まれる複数のワークの位置及び姿勢から、ロボットが積み付けをするための動作プログラムを自動で作成することができる。このような複数の計算装置、選択機能及びプログラム作成機能は、パーソナルコンピュータ等の形態でプログラミング装置として用意することもできるし、ロボット制御装置に組み込むこともできる。

１０ 積み付けパターン計算装置
１２ モデル作成部
１４ 配置部
１６ 物理演算部
１８ 優先度決定部
２０ 記憶部
２２ 重心位置変更部
２４ 位置姿勢調節部
２６ 撮像制御部
３０ パレタイジングシステム
３２ ワーク
３４ コンベヤ
３６ 収容領域
３８ ロボット
４０ ロボット制御装置
４２ パレット
６０ 第１の物理モデル
６２ 第２の物理モデル
６６ 仮置き台

Claims (7)

1. 複数の物品の積み付けパターンを計算する積み付けパターン計算装置であって、
   前記物品の種類ごとの寸法に基づいて前記物品の第１の物理モデルを作成し、前記複数の物品が積み付けされる収容領域の寸法に基づいて前記収容領域の第２の物理モデルを作成するモデル作成部と、
   前記第１の物理モデルを、前記物品の種類ごとに予め定めた優先度の高い順に、前記第２の物理モデル内に配置する配置部と、
   前記第１の物理モデルが前記第２の物理モデル内に配置される度に、前記第２の物理モデルに対して振動又は衝撃を与え、該振動又は衝撃に伴う前記第２の物理モデル内での前記第１の物理モデルの位置又は姿勢の変化を計算する物理演算部と、
   を備える積み付けパターン計算装置。
2. 前記物品の種類ごとの重量、寸法及び耐荷重のうちの少なくとも１つに基づき、前記優先度を自動的に決定する優先度決定部をさらに有する、請求項１に記載の積み付けパターン計算装置。
3. 前記配置部は、前記第１の物理モデルを前記第２の物理モデル内に落下させることにより、前記第２の物理モデル内に前記第１の物理モデルを配置する、請求項１又は２に記載の積み付けパターン計算装置。
4. 前記第１の物理モデルの重心位置を、該第１の物理モデルについて予め定めた底面上に設定する重心位置変更部をさらに備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の積み付けパターン計算装置。
5. 前記配置部は、前記物理演算部によって前記第２の物理モデルに振動又は衝撃が与えられた後に、前記第１の物理モデルが積み付けに適していない姿勢となっている場合に、前記積み付けに適していない姿勢となっている物品の配置をやり直す、請求項１〜４のいずれか１項に記載の積み付けパターン計算装置。
6. 前記第１の物理モデルの全てを前記第２の物理モデル内に配置した後、第１の物理モデルの少なくとも１つの位置及び姿勢の少なくとも一方を調節する位置姿勢調節部をさらに備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載の積み付けパターン計算装置。
7. 複数個の、請求項１〜６のいずれか１項に記載の積み付けパターン計算装置と、
   前記複数個の積み付けパターン計算装置によって計算された複数の積み付けパターンから、安定性の高い積み付けパターンを選択するパターン選択部と、
   前記パターン選択部によって選択された積み付けパターンに含まれる複数の物品の位置及び姿勢から、ロボットが物品を積み付ける動作プログラムを自動的に作成するプログラム作成部と、を備えるロボット制御装置。

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