JP6677461B2 - ロボット装置 - Google Patents
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Description
図1は、本実施形態に係るロボット装置1の外観斜視図である。コンベア装置5は、直線に沿って複数の第1、第3ワーク300、500を連続的に搬送するための直線的な搬送ラインを備える。搬送ラインは、搬送ライン上に載置された第1、第3ワーク300、500を、予め操作者等により設定された搬送速度で搬送する。ストックテーブル6は、ロボット装置1の近傍に配置される。ストックテーブル6は、複数の第2ワーク400を収納する。
搬出シュータ60は例えば断面L字の溝形に形成されている。搬出シュータ60は、搬送ラインから外側に向かって下傾するよう配置される。ロボット装置1でピッキングされた第1ワーク(チューブ容器)300は搬出シュータ60にリリースされる。第1ワーク300は搬出シュータ60を滑り落ちて、作業者の手元の搬出位置まで移動する。搬出シュータ60の搬出位置には孔が開けられている。第1ワーク300が搬出シュータ60の搬出位置に存在するとき、孔が第1ワーク300で塞がれる。この孔に光軸が整合するよう搬出シュータ60に光電センサ95が取り付けられている。光電センサ95は搬出シュータ60の搬出位置に第1ワーク300が存在するか否かを検知する。
ロボット装置1は、複数の関節部を有する多関節アーム機構200を備える。この多関節アーム機構200は、複数の関節部のうち一が直動伸縮関節で構成されている。以下、多関節アーム機構200について説明する。
以下、直動伸縮関節部J3の機構について説明する。
直動伸縮機構はアーム部2を有する。アーム部2は第1連結コマ列21と第2連結コマ列22とを有する。第1連結コマ列21は複数の第1連結コマ23からなる。第1連結コマ23は略平板に構成される。前後の第1連結コマ23は、互いの端部箇所においてピンにより屈曲自在に列状に連結される。これにより第1連結コマ列21は内側と外側とに屈曲可能な性質を備える。第2連結コマ列22は複数の第2連結コマ24からなる。第2連結コマ24は断面コ字形状の短溝状体に構成される。前後の第2連結コマ24は、互いの底面端部箇所においてピンにより屈曲自在に列状に連結される。第2連結コマ24の断面形状及びピンによる連結位置により第2連結コマ列22は内側に屈曲可能であるが、外側に屈曲不可な性質を備える。
アーム部2が伸長するときには、結合コマ27が始端となって、第1、第2連結コマ列21,22が第3支持部13の開口から外に向かって送り出される。第1、第2連結コマ列21、22は、第3支持部13の開口付近で互いに接合される。第1、第2連結コマ列21、22の後部が第3支持部13の内部で堅持されることにより、第1、第2連結コマ列21,22の接合状態が保持される。第1、第2連結コマ列21、22の接合状態が保持されたとき、第1連結コマ列21と第2連結コマ列22の屈曲は拘束される。接合し、それぞれの屈曲が拘束された第1、第2連結コマ列21、22により一定の剛性を備えた柱状体が構成される。柱状体とは、第2連結コマ列22に第1連結コマ列21が接合されてなる柱状の棒体を言う。
ロボットハンド3は、第1ワーク(チューブ容器)300を把持によりピッキングするための把持機構と第2ワーク(紙箱)400と第3ワーク(完成品)500を吸着によりピッキングするための吸着機構とを備える。
図3は、図1の多関節アーム機構200を図記号表現により示す図である。多関節アーム機構200において、根元3軸を構成する第1関節部J1と第2関節部J2と第3関節部J3とにより3つの位置自由度が実現される。また、手首3軸を構成する第4関節部J4と第5関節部J5と第6関節部J6とにより3つの姿勢自由度が実現される。
第5関節部J5は回転軸RA5を中心とした曲げ関節として構成される。第5関節部J5の回転軸RA5は第3関節部J3の移動軸RA3及び第4関節部J4の回転軸RA4に略直交するよう配置される。
第6関節部J6は回転軸RA6を中心としたねじり関節として構成される。第6関節部J6の回転軸RA6は第4関節部J4の回転軸RA4及び第5関節部J5の回転軸RA5に略直交するよう配置される。第6関節部J6は手先効果器としてのハンド装置3を左右に旋回するために設けられている。なお、第6関節部J6は、その回転軸RA6が第4関節部J4の回転軸RA4及び第5関節部J5の回転軸RA5に略直交する曲げ関節として構成されてもよい。
図4は、図1のロボット装置1の構成を示すブロック図である。ロボット装置1は、多関節アーム機構200を備える。多関節アーム機構200の関節部J1,J2,J3,J4,J5、J6には、アクチュエータとして、それぞれステッピングモータが設けられている。ステッピングモータはドライバユニット201に駆動される。ドライバユニット201は、動作制御装置100からの制御信号に従って、ステッピングモータを駆動する。動作制御装置100からの制御信号は、具体的には、ステッピングモータ各々の位置(関節変数)又は速度を指令する位置指令と、ステッピングモータ各々の発生トルクを指令するトルク指令とからなる。位置指令及びトルク指令は制御装置100から一定周期(制御周期△t)で繰り返し供給される。ステッピングモータ各々のドライブシャフトには、一定の回転角ごとにパルスを出力するロータリエンコーダ202が接続されている。ロータリエンコーダ202からの出力パルスは、カウンタで加減算される。カウンタにより計数された累積パルスにステップ角を乗算することにより関節変数が計算される。
動作制御装置100には、通過検知センサI/F102を介して通過検知センサ91が接続されている。通過検知センサ91には、投光部と、投光部から投光されワークで反射された光を受光する受光部とが一体となった光電センサが適用される。通過検知センサ91は、投光部から投光した光が遮られたとき、つまり、第1ワーク300が通過したとき、通過検知を表す電気信号(通過検知信号)を動作制御装置100に対して送信する。
動作制御装置100には、ドライバユニットI/F109を介してドライバユニット201が接続されている。
タスクプログラム記憶部110は、複数のタスクプログラムのデータファイルを記憶する。複数のタスクプログラム各々には、習熟度を表すコードが関連付けられている。タスクプログラムは、事前のティーチングにより提供される。タスクプログラムは、ロボット装置1にタスクを実行させるための手順が時間スケールとともに記述されているシーケンスプログラムである。タスクプログラムには、手先基準点又は手首基準点(以下、手先基準点とする)の移動軌道、移動軌道上の作業点、作業点での作業内容、作業時間、作業点の間の移動時間等が記述されている。作業点は、ロボットハンド3の手先基準点の位置とロボットハンド3の手先姿勢とで与えられる。これらは、ロボット座標系で与えられる。また、作業点は、関節変数ベクトルで与えられてもよい。関節変数ベクトルとは関節部J1−J6の6つの関節変数、つまり回転関節部J1、J2、J4−J6の回転角と直動伸縮関節部J3のアーム伸縮距離との6変数をいう。
図5は、図4のタスクプログラム記憶部110に記憶される3種類のタスクプログラムの概要を示す図である。タスクプログラム記憶部110には、複数、ここでは3つのタスクプログラムのデータが記憶されている。複数のタスクプログラム各々には、1又は2以上の部分タスクを実行するための手順が記述され、複数のタスクプログラム各々に記述されている部分タスクは互いに相違する。作業者の作業習熟度が高いときほどロボット装置1が担当するタスクを減少させるようタスクプログラムが選択される。
図6は、本実施形態に係るロボット装置1の手先軌道を示す平面図である。図6は、図5の第1タスクプログラムで記述されている軌道、軌道上の作業点を示す平面図である。第1タスクプログラムは習熟度「低位」に関連付けされ、作業者の単位作業の習熟度が低い場合にロードされるタスクプログラムである。第1タスクプログラムでは、タスクの開始点(終了点)をP0、作業点をP1、P2、P3、P4、P5、P6,P7と表記する。これらの点は例えばロボット装置1のロボット座標系で記述されている。作業点P1、P2は、ライン中心線の上方に設定されている。作業点P2は、作業点P1よりも搬送ラインの下流に設定されている。作業点P3は、搬出シュータ60上に設定されている。作業点P4は、ストックテーブル6上に設定されている。作業点P5は、作業者の手の届く範囲(作業範囲内)に設定されている。作業点P6は、搬入シュータ70上の搬入位置の上方に設定されている。作業点P7は、作業点P2よりも搬送ラインの下流に設定されている。
図7は、図4の習熟指標処理部111による習熟指標の計算処理手順を示すフローチャートである。作業者とロボット装置1とにより協働して全体タスク(搬送ラインからチューブ300をとり空箱に詰めて、その箱を搬送ラインに戻す全体作業)が繰り返し行われている。
光電センサ95の出力に基づいて、開始時刻Tc1が計測される。具体的には、光電センサ95から出力される電圧信号に対応付けされているコードが「1」から「0」に変化した時刻Tc1が計測される。この時刻Tc1は、作業者がシュータ60の搬出位置に置かれていた第1ワーク300を手に取った時刻である。作業者は、第1ワーク300を手に取った後、単位作業を開始する。つまり、時刻Tc1は、作業者が単位作業を開始した開始時刻に略等価である。この単位作業としては、シュータ60からチューブ300を取り、空箱に詰めて、その箱をシュータ70に置くまでの一連の作業単位である。
光電センサ97の出力に基づいて、終了時刻Tc2が計測される。具体的には、光電センサ97から出力される電圧信号に対応付けされているコードが「0」から「1」に変化した時刻Tc2が計測される。この時刻Tc2は、作業者により搬入シュータ70の任意の位置に置いた第3ワーク500が搬入位置に搬送された時刻である。作業者は、第1ワーク300を手に取った後、その第1ワーク300を第2ワーク400に箱詰めし、箱詰めが完了した第3ワーク500を搬入シュータ70の任意の位置に置き、単位作業を終了する。つまり、時刻Tc2は、作業者が単位作業を終了した終了時刻に略等価である。
光電センサ95,97の出力に基づいて単位作業時間Ttaxが計算される。具体的には、工程S11で計測した開始時刻Tc1から工程S12で計測した終了時刻Tc2までの時間長を計算することにより、開始時刻Tc1から終了時刻Tc2までの経過時間Ttaxを計算する。この経過時間Ttaxは、単位作業が開始されてから終了されるまでの単位作業時間に略等価である。
工程S13で計算された単位作業時間Ttaxのデータが習熟指標処理部111のRAM等の一時記憶部に記憶される。この単位作業時間Ttaxのデータは、計測日時、収集回数、ロボット識別番号、作業者識別番号を属性情報として付加されて、図示しない主記憶装置に保存される。
収集条件を満たすまで、工程S11から工程S14までの処理が繰り返し行われる。収集条件を満たした段階で、次の工程S16に処理が進む。例えば、収集条件は、収集回数又は収集期間で規定される。収集回数は例えば10回、収集期間は例えば作業員の一日分の労働時間(8時間)に5日を乗算した作業累計時間に事前に設定される。ここでは、収集条件が、収集回数が10回に達したときに終了するものとして説明する。工程S11から工程S14までの処理が10回繰り返され、つまり、作業者により単位作業が10回行われ、10回分の単位作業時間(Ttax1,Ttax2,・・・、Ttax9、Ttax10)が収集される。1回目に収集された単位作業時間をTtax1と表記する。単位作業時間Ttax1は、作業者が作業開始して1回目に行った単位作業の作業時間を表す。
工程S11から工程S15までの処理で収集された単位作業時間(Ttax1,Ttax2,・・・、Ttax9、Ttax10)に基づいて、習熟指標が計算される。習熟指標として、平均作業時間Tave、最長作業時間Tlong、最短作業時間Tshort、習熟指標の標準偏差Tσ等が挙げられる。習熟指標として、これらの中の1つが計算されてもよいし、これらの中のいくつかが計算されてもよい。ここでは、習熟指標として平均作業時間Tave、最長作業時間Tlong、最短作業時間Tshortが計算される。
図8は、図4のシステム制御部101によるタスクプログラムの変更処理手順を示すフローチャートである。ここでは、タスクコントローラ112に、第2タスクプログラム(中位)がロードされている。また、習熟指標処理部111により習熟指標として平均作業時間、最長作業時間、最短作業時間が計算されている。
実際に作業期間中に、操作部82を介して操作者により入力された習熟確認処理指示に呼応して習熟指標確認画面が表示部80に表示される。図9は、図8の工程S21において表示部80に表示される表示画面例を示す図である。表示部80には、習熟指標として平均作業時間と最長作業時間と最短作業時間とが、現在稼動しているタスクプログラムを特定する情報、さらに操作者により選択可能な複数、ここでは3種類のタスクプログラムリストがそれぞれの属性情報とともに表示されている。属性情報とはそれぞれのタスクプログラムが対応している習熟度(高位、中位、低位)である。他の属性情報、例えばそれぞれのタスクプログラムが対応している部分タスクのリスト、さらにそれぞれのタスクプログラムに記述されている軌道、手順、作業内容等の具体的タスク内容を表示するようにしても良い。
操作部82を介して、その作業員の習熟指標としての平均作業時間と最長作業時間と最短作業時間を参照した操作者により3段階の習熟度(高位、中位、低位)が選択される。
選択された習熟度が、現在稼動中のタスクプログラムの習熟度に比較される。選択された習熟度が、現在稼動中のタスクプログラムの習熟度と相違しないとき、つまり作業員の習熟度が変更されず維持されるとき、システム制御部101によるタスクプログラムの変更処理が終了される。選択された習熟度が、現在稼動中のタスクプログラムの習熟度と相違するとき、つまり当該作業員の習熟度が変更されたとき、次の工程S24が実行される。
システム制御部101は、タスクプログラムを変更するに際しては安全のために、作業(タスク)を中断させる。システム制御部101からタスクコントローラ112に対して、中断指示を表す制御信号が出力される。
システム制御部101の制御のもと、工程S22で選択された習熟度に対応するタスクプログラムが、タスクプログラム記憶部110からタスクコントローラ112にロードされる。
システム制御部101は作業員に対してタスクプログラムが変更されること、つまり、当該作業員が作業する作業範囲が変更することを事前に告知させるために、タスク変更案内を表示部80に表示させる。
システム制御部101は、作業範囲が変更することを当該作業員が認識するために用意された告知期間を含めた所定時間がS24の作業(タスク)の中断時刻から経過するまで、又は操作部82を介して操作者による作業再開コマンドが入力指示されるまでロボット装置1を待機状態にさせる。
作業(タスク)の中断から所定時間経過したのを契機に、又は操作部82を介して操作者による再開指示が入力されたのを契機に、システム制御部101からタスクコントローラ112に対して新たにロードされたタスクプログラムに従ってタスクを再開させるための制御信号が出力され、作業(タスク)が再開される。
図10は、図4のシステム制御部101によるタスクプログラム上のタスクタイムを動的に変更する処理手順を示すフローチャートである。この処理も実際の作業期間中に実行される。
まず、作業(タスク)が開始される。このタスクは習熟度(中位)のタスクプログラムでロボット装置1が動作していると仮定して説明する。
習熟指標処理部111により、タスクタイム変更の基礎データとして事前に習熟指標の中から選択されている典型的には平均作業時間Taveが計算される。
例えば習熟度が中位にあることを表す作業時間の下限と上限とが予め設定されており、この下限から上限までの範囲(標準範囲という)に対して、システム制御部101によりS32で計算された平均作業時間Taveが比較される。平均作業時間Taveが標準範囲内にあるとき、工程S36を介して工程S32に戻り次周期の平均作業時間Taveの計算完了を待機する。
平均作業時間Taveが標準範囲の上限よりも長い場合、作業者が単位作業にかけている作業時間が、習熟度が中位の作業者に比べて平均的に長いことを意味する。したがって、ロードされている習熟度(中位)のタスクプログラムを修正し、ロボット装置1が支援する部分タスクのうち、第1部分タスクのタスクタイムTTstanを、それよりも短いタスクタイムTTshortに変更する。ロボットアーム機構2のハンド3の例えば手先基準点を開始点P0から作業点P1、P2を経由してP3までの移動に要する時間をTTstanからTTshortに短縮する。
平均作業時間Taveが標準範囲の下限よりも短い場合、作業者が単位作業にかけている作業時間が、習熟度が中位の作業者に比べて平均的に短いことを意味する。したがって、ロードされている習熟度(中位)のタスクプログラムを修正し、ロボット装置1が支援する部分タスクのうち、第1部分タスクのタスクタイムTTstanを、それよりも長いタスクタイムTTlongに変更する。ロボットアーム機構2のハンド3の例えば手先基準点を開始点P0から作業点P1、P2を経由してP3までの移動に要する時間をTTstanからTTlongに延長する。
上記工程S32−S34,S35の処理は作業終了までの間繰り返される。作業期間中、ロボット装置のタスクタイムが作業者の作業速度の変動に応じて動的に変更される。作業者は作業期間中、一定の速度で定常的に作業を継続することはできないものであり、その場合であってもロボット装置のタスクタイムを動的に変更して作業者に与える作業時間を変動させることができ、それにより全体のタスクタイムの変動を抑制することができるようになる。それは搬送ラインに、習熟度等が異なる複数の作業者が並んで作業を繰り返すとき、複数の作業者全体の作業効率を習熟度等が比較的高い作業者に合わせて向上させることができることを意味する。
Claims (2)
- 複数の部分タスクからなる全体タスクを作業者とで分担するロボット装置において、
多関節アーム機構と、
前記複数の部分タスクのうち前記ロボット装置が担当する部分タスクの数が異なる複数のタスクプログラムを作業者習熟度とそれぞれ関連付けて記憶する記憶部と、
前記記憶部から読み出された前記複数のタスクプログラムの一に従って前記多関節アーム機構の動作を制御するタスクコントローラと、
前記複数の部分タスクのうち、前記複数のタスクプログラムの一に従って動作する前記多関節アーム機構により担当される部分タスクを除く残りの部分タスクを前記作業者が作業するのに要する作業時間を計測する計測部と、
前記計測された作業時間から導出される平均作業時間、最長作業時間及び最短作業時間を前記複数のタスクプログラムの一に関連付けられている作業者習熟度及び前記複数のタスクプログラムに関連付けられている複数の作業者習熟度とともに表示する表示部と、
前記表示された複数の作業者習熟度のいずれかを選択する操作者指示に従って前記選択された作業者習熟度に関連付けられている前記複数のタスクプログラムのいずれかを前記記憶部から前記タスクコントローラに読み出させる制御部とを具備することを特徴とするロボット装置。 - 前記多関節アーム機構は、基部と、前記基部の略中心線に係る第1軸回りのねじり回転のための関節部と前記第1軸に直交する第2軸回りの曲げ回転のための関節部と前記第2軸に直交する第3軸に沿った直動伸縮のための関節部とを有することを特徴とする請求項1記載のロボット装置。
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