JP7235596B2 - 協働ロボットシステム - Google Patents

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Description

本開示は、協働ロボットシステムに関するものである。
ロボットと作業者とが分担して作業を行う場合に、作業者の作業効率が低下したとき、作業者が行うべき作業の一部をロボットが代わりに行うロボットシステムが知られている(例えば、特許文献1参照。)。作業者が所定の作業に要した時間が規定以上に長くなると、作業者が行うべき作業の一部をロボットが代わりに行うことにより生産効率の低下を抑えている。
特開2011-227773号公報
作業者が行う作業においては、実際の作業の難易度、日々変わる作業者のスキル、同一作業者でも疲労度等から、作業効率が時々刻々と変わる。したがって、予め定められた規定時間によって作業者とロボットとの作業分担を変更するのではなく、時々刻々と変化する作業効率を反映させて、協働ロボットシステム全体としてサイクルタイムにばらつきを生じさせないことが望まれている。
本開示の一態様は、ロボットと作業者とが、複数箇所の作業を分担して、複数サイクル繰り返して実施する協働ロボットシステムであって、前記作業者の担当箇所全体の作業時間および前記ロボットの担当箇所全体の作業時間をサイクルごとにそれぞれ計測する作業時間計測部と、前記作業者の担当箇所数を増減させたときの、該作業者および前記ロボットの前記作業時間の差分を予測する増減時差分予測部と、該増減時差分予測部により予測された差分予測値よりも、前記作業者の担当箇所数を維持した場合の前記作業時間計測部により計測された前記作業者および前記ロボットの前記作業時間に基づく差分予測値が大きい場合に、前記作業時間の差分が小さくなる方向に前記作業者および前記ロボットの担当箇所数を増減させる担当箇所調整部と、該担当箇所調整部により担当箇所数が増減させられた後の前記作業者の担当箇所を前記作業者に指示する担当箇所指示部とを備える協働ロボットシステムである。
本開示の一実施形態に係る協働ロボットシステムを示す全体構成図である。 図1の協働ロボットシステムにおけるワーク例および担当箇所の表示例を示す斜視図である。 図1の協働ロボットシステムの制御装置を示すブロック図である。 図3の制御装置の記憶部に記憶されている作業者の作業時間増減テーブルの一例を示す図である。 図4の作業時間増減テーブルの一部を拡大して示す図である。 図5と同様のロボット用の作業時間増減テーブルの一部を拡大して示す図である。 図1の協働ロボットシステムの動作を説明するフローチャートである。 図7のフローチャートに続くフローチャートである。
本開示の一実施形態に係る協働ロボットシステム1について、図面を参照して以下に説明する。
本実施形態に係る協働ロボットシステム1は、図1に示されるように、例えば、コンベア2によって搬送されてくるワークWに対して複数箇所のネジ孔W1にボルトを締結する作業を、ロボット3と作業者Pとで分担して行うシステムである。
協働ロボットシステム1は、ロボット3と、ロボット3を制御する制御装置4とを備えている。ロボット3は、例えば、垂直6軸多関節型ロボットであり、手首5の先端にボルト締結用のツールSを備えている。
ワークWにおける作業箇所であるネジ孔W1は、例えば、図2に示されるように、ワークWの側面に4箇所、ワークWの上面に12か所、合計16箇所に設けられている。
制御装置4は、図3に示されるように、作業者Pにより押される押しボタン6と、時間を計測するタイマー(作業時間計測部)7と、ロボット3を制御するロボット制御部8とを備えている。また、制御装置4は、作業者Pによる担当箇所数を遷移させたときの作業者Pおよびロボット3の作業時間の差分を予測する遷移時差分予測部(増減時差分予測部)9と、予測された差分値に基づいて担当箇所を調整する担当箇所調整部10と、表示部(担当箇所指示部)11とを備えている。
押しボタン6は、ワークWが作業範囲内に搬送されてきたときに作業者Pによって押されることにより、作業開始信号を発生させる。また、押しボタン6は、作業者Pが作業者Pの担当箇所の全てのネジ孔W1にボルトを締結し終えた時点で作業者Pによって押されることにより、作業者Pの作業終了信号を発生させる。
タイマー7は、押しボタン6の押下によって発生した作業開始信号によって作業者Pの作業時間およびロボット3の作業時間の計測を開始する。また、タイマー7は、押しボタン6の押下によって発生した作業終了信号によって作業者Pの作業時間の計測を終了する。また、タイマー7は、ロボット制御部8から発せられるロボット3によるロボット3の担当箇所の作業が終了したことを示す信号によってロボット3の作業時間の計測を終了する。
ロボット制御部8は、予め教示されたプログラムに従ってロボット3を動作させることにより、指定された担当箇所のネジ孔W1にボルトを締結する作業を実施させる。指定された担当箇所については後述する。これとともに、担当箇所の全てのネジ孔W1にボルトを締結する作業を終了した時点で、タイマー7に対して作業を終了したことを示す信号を送信する。ロボット制御部8、遷移時差分予測部9および担当箇所調整部10は、プロセッサあるいはプロセッサおよびメモリにより構成されている。
遷移時差分予測部9は、作業時間増減テーブルを記憶する記憶部12と、差分予測値算出部13と、テーブル更新部14とを備えている。
記憶部12には、作業者Pの担当箇所数を基準として作業者P用とロボット3用の2つの作業時間増減テーブルが記憶されている。また、タイマー7により計測された作業者Pの作業時間およびロボット3の作業時間も記憶部12に記憶される。
作業者P用の作業時間増減テーブルは、図4に示されるように、縦軸を遷移前の作業者Pの担当箇所数、横軸を遷移後の作業者Pの担当箇所数として、作業者Pの担当箇所数が遷移したときの作業者Pの作業時間の増減予測値を示している。ここで、遷移とは、担当箇所数から1つ増加、1つ減少または維持されることをそれぞれ意味している。
また、図示しないロボット3用の作業時間増減テーブルも、図4と同様に、縦軸を遷移前の作業者Pの担当箇所数、横軸を遷移後の作業者Pの担当箇所数として、作業者Pの担当箇所数が遷移したときのロボット3の作業時間の増減予測値を記憶している。
ここで、図4の一部を抜き出した図5を参照する。
図5によれば、作業者P用の作業時間増減テーブルにおいては、例えば、遷移前の作業者Pの担当箇所数がn、遷移後の作業者Pの担当箇所数がn-1である場合には、作業者Pの作業時間の増減予測値はDp(n,n-1)=-2.5秒である。
遷移後の作業者Pの担当箇所数がn+1である場合には、作業者Pの作業時間の増減予測値はDp(n,n+1)=+2.6秒である。また、遷移前後において作業者Pの担当箇所数がn個に維持される場合においても、作業者Pの疲労等により、作業者Pの作業時間の増減予測値は、Dp(n,n-1)=+0.1秒である。
また、図6に示されるロボット3用の作業時間増減テーブルにおいては、例えば、遷移前の作業者Pの担当箇所数がn、遷移後の作業者Pの担当箇所数がn-1である場合には、ロボット3の作業時間の増減予測値はDr(n,n-1)=+4.0秒である。遷移後の作業者Pの担当箇所数がn+1である場合には、ロボット3の作業時間の増減予測値はDr(n,n+1)=-4.1秒である。なお、遷移前後において作業者Pの担当箇所数がn個に維持される場合においては、ロボット3の作業時間の増減予測値はDr(n,n)=0秒である。
初期状態においては、作業時間増減テーブルは適当な時間が設定されており、作業者Pの担当する作業箇所は、例えば、図2に斜線で示されるように、作業者PがワークWの側面の4箇所と上面の6箇所に設定されている。また、ロボット3の担当する作業箇所は、図2に鎖線で囲まれた上面の6箇所に設定されている。したがって、この場合には、作業者Pの担当箇所数は、n=4+6=10である。
差分予測値算出部13は、タイマー7によって計測された作業者Pおよびロボット3の作業時間と、作業時間増減テーブルに記憶されている作業時間の増減予測値とを受け取る。そして、差分予測値算出部13は、作業者Pの担当箇所数が1つ増加した場合の増加時差分予測値と、作業者Pの担当箇所数が1つ減少した場合の減少時差分予測値とを次式により算出し、いずれか小さい方を第1の差分予測値として出力する。
α=|(Tr+Dr(n,n+1))―(Tp+Dp(n,n+1))|+γ
β=|(Tr+Dr(n,n-1))―(Tp+Dp(n,n-1))|
Td1=min(α,β)
ここで、
α:増加時差分予測値、
β:減少時差分予測値、
Tr:ロボット3の作業時間、
Tp:作業者Pの作業時間、
Td1:第1の差分予測値、
γ:補正量
である。
補正量γは、作業の難易度に基づいて設定される値であり、作業時間の長さが長いほど、作業時間のばらつきが大きいほど、作業時の失敗回数が多いほど、または、リトライ回数が多いほど大きくなる。補正量γは、例えば、0<γ≦3秒の範囲で設定される。
作業時間のばらつきについては、同一作業者Pにおける作業時間のばらつきと、異なる作業者P間での作業時間のばらつきのいずれを考慮してもよい。
また、差分予測値算出部13は、実測されたロボット3の作業時間Tr、作業者Pの作業時間Tpおよび担当箇所数を維持した場合の作業者Pの作業時間の増減予測値Dp(n,n)とから、次式により、第2の差分予測値Td2を算出する。
Td2=Tr-(Tp+Dp(n,n))
そして、担当箇所調整部10は、差分予測値算出部13により算出された第1の差分予測値Td1と、第2の差分予測値Td2の絶対値とを比較する。担当箇所調整部10は、比較の結果、第2の差分予測値Td2の絶対値が第1の差分予測値Td1よりも大きい場合には、ロボット3の作業時間と作業者Pの作業時間との差分が小さくなる方向に、担当箇所数を調整し、新たな担当箇所を決定する。新たに増減する担当箇所の決定方法は予め定めたルールによればよい。
そして、担当箇所調整部10により担当箇所数が調整された場合には、作業者Pによる作業担当箇所を指示する表示が表示部11に行われる。表示部11は、例えば、モニタである。表示部11には、例えば、図2に示されるように、ワークWが表示されるとともに、作業者Pによる作業担当箇所が、ロボット3による作業担当箇所から色分けされて表示される。
そして、担当箇所調整部10により、作業者Pの担当箇所数が増加、減少または維持されたいずれの場合にも、テーブル更新部14は、該当する増減予測値を過去の複数回のサイクルにおける平均値に更新する。
テーブル更新部14においては、過去の複数回のサイクルの平均値は、例えば、以下の通りに算出される。すなわち、今回の遷移において作業者Pの担当箇所数がi個からj個に遷移した場合に、前回のサイクルにおいて計測された作業者Pの作業時間Tp(i)と今回のサイクルにおいて計測された作業者Pの作業時間Tp(j)とを用いる。また、過去の同じ担当箇所数iから担当箇所数jへの遷移の際の増減予測値として、作業時間増減テーブルに記憶されている増減予測値Dp(i,j)を用いて、以下の式により近似的に算出する。
Dp(i,j)
=((Tp(i)-Tp(j))+(k-1)Dp(i,j))/k
また、ロボット3の場合も同様にして、前回のサイクルにおいて計測されたロボット3の作業時間Tr(i)と今回のサイクルにおいて計測されたロボット3の作業時間Tr(j)とを用いる。また、過去の同じ担当箇所数iから担当箇所数jへの遷移の際の増減予測値として、作業時間増減テーブルに記憶されている増減予測値Dr(i,j)を用いて、以下の式により近似的に算出する。
Dr(i,j)
=((Tr(i)-Tr(j))+(k-1)Dr(i,j))/k
ただし、ロボット3の場合には、i=jの際には更新を行わない。
このように、本実施形態に係る協働ロボットシステム1によれば、図7に示されるように、作業者Pが押しボタン6を押下することにより(ステップS1)、作業者Pの作業時間およびロボット3の作業時間のタイマー7による計測が開始される(ステップS2)。また、ロボット制御部8は押しボタン6の押下によってロボット3による作業を開始させる(ステップS3)。そして、ロボット3による作業が終了したか否かを逐次判定し(ステップS4)、終了した時点でタイマー7にその旨を出力し、ロボット3の作業時間Trが記憶部12に記憶される(ステップS5)。ロボット3の作業時間Trが記憶されると処理を終了する。
また、ステップS3からステップS5までの処理と並行して、作業者Pが、担当箇所全体の作業を終了した時点で、押しボタン6を再度押下することにより(ステップS6)、作業者Pの作業時間Tpが記憶部12に記憶される(ステップS7)。2度目の押しボタン6が押されていない状態において、ロボット制御部8は、ロボット3の作業時間Trが記憶部12に記憶済であるか否かを判定する(ステップS8)。
ロボット3の作業時間Trが記憶済である場合には、差分予測値算出部13は、タイマー7によって計測された作業者Pおよびロボット3の作業時間と、作業時間増減テーブルに記憶されている作業時間の増減予測値とを受け取る。
そして、差分予測値算出部13は、作業者Pの担当箇所数が1つ増加した場合の増加時差分予測値αと、作業者Pの担当箇所数が1つ減少した場合の減少時差分予測値βとを算出し(ステップS9)、いずれか小さい方を第1の差分予測値Td1として算出する(ステップS10)。
さらに、差分予測値算出部13は、タイマー7により計測された作業者Pおよびロボット3の作業時間および作業時間増減テーブルに記憶されている作業時間の増減予測値を受け取る。そして、作業者Pの担当箇所数を維持した場合の作業者Pおよびロボット3の作業時間の第2の差分予測値Td2を算出する(ステップS11)。
差分予測値算出部13において算出された第1の差分予測値Td1および第2の差分予測値Td2は担当箇所調整部10に送られる。担当箇所調整部10においては、図8に示されるように、第1の差分予測値Td1と第2の差分予測値Td2の絶対値とが比較され(ステップS12)、第1の差分予測値Td1の方が第2の差分予測値Td2の絶対値よりも小さい場合に担当箇所数が調整される。
担当箇所数の調整は、増加時差分予測値αと減少時差分予測値βとの大小関係を確認し(ステップS13)、増加時差分予測値αが減少時差分予測値βよりも小さい場合には、作業者Pの担当箇所数nを1つ増加させる(ステップS14)。一方、増加時差分予測値αが減少時差分予測値β以上である場合には、作業者Pの担当箇所数nを1つ減少させる(ステップS15)。
ステップS12において、第1の差分予測値Td1が第2の差分予測値Td2の絶対値以上である場合には、担当箇所数は変更されることなく維持される。
担当箇所調整部10は、作業者Pの担当箇所を増減させる場合に、どの作業箇所を増加または減少させるのかを決定し、表示部11に出力する(ステップS16)。表示部11は、担当箇所調整部10において指定された作業者Pによる担当箇所をロボット3による担当箇所とは色分けして表示する。
また、担当箇所調整部10は、担当箇所数の遷移をテーブル更新部14に送る。テーブル更新部14は、過去の複数回のサイクルにおける同一の担当箇所数の遷移における近似的な増減予測値を算出し、記憶部12に記憶されている作業時間増減テーブルを更新する(ステップS17)。
作業者Pは、表示部11に表示された作業者Pによる作業担当箇所に従って、ワークWに対して作業を行う。これにより、作業者Pによる作業時間とロボット3による作業時間との差分を最も小さくすることができる。その結果、作業者Pとロボット3とがほぼ同時に作業担当箇所全体の作業を終えるようにして、作業の効率化を図ることができる。そして、予め定められた規定時間によって作業者Pとロボット3との作業分担を変更するのではなく、時々刻々と変化する作業効率を反映させて、協働ロボットシステム1全体としてサイクルタイムにばらつきが生ずることを防止できるという利点がある。
また、作業者Pの担当箇所数を増減させたときの作業者Pおよびロボット3の作業時間の増減予測値を作業時間増減テーブルに記憶し、記憶されている増減予測値に基づいて作業時間の差分予測値を簡易に算出することができるという利点がある。
さらに、作業時間増減テーブルが、作業者Pの担当箇所数を維持したときの作業者Pの作業時間の増減予測値を記憶しているので、作業者Pの疲労度等によって作業効率が変化しても、協働ロボットシステム1全体として作業効率の低下を防止することができる。
また、タイマー7により計測された作業者Pおよびロボット3の作業時間に基づいてテーブル更新部14が作業時間増減テーブルを更新するので、作業者Pの個人差、作業の種類に適応した作業担当数の割り振りを行うことができるという利点がある。
また、テーブル更新部14が、連続する2つのサイクルにおいて計測された作業時間に基づいて作業時間の増減値を算出し、算出された複数の増減値の平均値を新たな増減予測値として更新する。これにより、1つのサイクルにおける突発的な変化に影響され難い増減予測値に更新することができるという利点がある。
また、遷移時差分予測部9が、作業者Pの担当箇所数を増加させるときの増加時差分予測値と、作業者Pの担当箇所数を減少させるときの減少時差分予測値のいずれか小さい方を第1の差分予測値Td1とする。これにより、作業者Pとロボット3との作業時間の差分を最も小さくするには作業者Pの作業担当数を増やした方がよいか否かを簡易に予測することができる。
また、増加時差分予測値の算出に当たり、作業の難易度に基づいて補正値γを設定している。これにより、作業時間の長さが長いほど、作業時間のばらつきが大きいほど、作業時の失敗回数が多いほど、または、リトライ回数が多いほど、作業者Pの作業時間が増大することを考慮して、実態に即した差分予測値を算出することができるという利点がある。
なお、本実施形態においては、コンベア2によって搬送されてくるワークWに対して複数箇所のネジ孔W1にボルトを締結する作業を、ロボット3と作業者Pとで分担して行う協働ロボットシステム1を例示したが、これに限定されるものではない。
また、ロボット3として、垂直6軸多関節型ロボットを例示したが、ロボット3の形式および軸数等の構造はこれに限定されるものではない。
また、本実施形態においては、新たな増減予測値として、過去複数回の増減予測値の平均値を採用した。これに代えて、前回サイクルと今回サイクルにおける作業者Pおよびロボット3の作業時間の変化量(差分値)と、既に作業時間増減テーブルに記憶されている増減予測値とを比較して、大きい方すなわち最大値を新たな増減予測値として更新してもよい。
また、本実施形態においては、表示部11としてモニタを例示したが、これに代えて、プロジェクションマッピングにより実際のワークW上に作業者Pによる担当箇所を投影表示してもよい。また、表示部11であるモニタに図2のようなワークWそのものを表示する場合の他、模式化した担当箇所あるいは担当箇所を示す数字あるいは記号等を表示してもよい。
また、本実施形態においては、作業者Pの担当箇所数と作業時間の増減予測値との関係を示す作業時間増減テーブルを記憶部12に記憶することとしたが、これに限定されるものではない。例えば、遷移時差分予測部9が、機械学習により作業者Pおよびロボット3の作業時間の差分を予測することにしてもよい。
機械学習において使用される学習パラメータとしては、
1.実績(作業時間、作業時の失敗回数およびリトライ回数)、
2.生体情報(虹彩の空き具合あるいは体温等)、
3.環境情報(室温、湿度、連続作業している時間等)、
4.属性情報(年齢、性別、作業経験年数、居住地および通勤時間等)
を挙げることができる。
これらの1以上の学習パラメータを検出あるいは入力することにより、作業者Pおよびロボット3の作業時間の差分を最も小さくする作業担当数を精度よく予測することができる。
また、この場合に、作業者Pとロボット3とが、それぞれ作業を分担して行う複数の作業ステーションと、各作業ステーションを接続するネットワークと、ネットワークに接続された管理部とを備えていてもよい。この場合には、管理部に遷移時差分予測部9が備えられ、遷移時差分予測部9が、ネットワークを経由して各作業ステーションから吸い上げた情報に基づいて機械学習を行うことにしてもよい。
1 協働ロボットシステム
3 ロボット
7 タイマー(作業時間計測部)
9 遷移時差分予測部(増減時差分予測部)
10 担当箇所調整部
11 表示部(担当箇所指示部)
13 差分予測値算出部
14 テーブル更新部
α 増加時差分予測値
β 減少時差分予測値
P 作業者

Claims (10)

  1. ロボットと作業者とが、複数箇所の作業を分担して、複数サイクル繰り返して実施する協働ロボットシステムであって、
    前記作業者の担当箇所全体の作業時間および前記ロボットの担当箇所全体の作業時間をサイクルごとにそれぞれ計測する作業時間計測部と、
    前記作業者の担当箇所数を増減させたときの、該作業者および前記ロボットの前記作業時間の差分を予測する増減時差分予測部と、
    該増減時差分予測部により予測された差分予測値よりも、前記作業者の担当箇所数を維持した場合の前記作業時間計測部により計測された前記作業者および前記ロボットの前記作業時間に基づく差分予測値が大きい場合に、前記作業時間の差分が小さくなる方向に前記作業者および前記ロボットの担当箇所数を増減させる担当箇所調整部と、
    該担当箇所調整部により担当箇所数が増減させられた後の前記作業者の担当箇所を前記作業者に指示する担当箇所指示部とを備える協働ロボットシステム。
  2. 前記増減時差分予測部が、前記作業者の担当箇所数を増減させたときの前記作業者および前記ロボットの前記作業時間の増減予測値を記憶する作業時間増減テーブルと、該作業時間増減テーブルに記憶されている前記増減予測値に基づいて前記作業時間の差分予測値を算出する差分予測値算出部とを備える請求項1に記載の協働ロボットシステム。
  3. 前記作業時間増減テーブルが、前記作業者の担当箇所数を維持したときの前記作業者の前記作業時間の前記増減予測値を記憶する請求項2に記載の協働ロボットシステム。
  4. 前記作業時間計測部により計測された前記作業者および前記ロボットの前記作業時間に基づいて前記作業時間増減テーブルを更新するテーブル更新部を備える請求項2または請求項3に記載の協働ロボットシステム。
  5. 前記テーブル更新部が、連続する2つのサイクルにおいて前記作業時間計測部により計測された前記作業時間に基づいて前記作業時間の増減値を算出し、算出された複数の前記増減値の平均値を新たな増減予測値として更新する請求項4に記載の協働ロボットシステム。
  6. 前記テーブル更新部が、連続する2つのサイクルにおいて前記作業時間計測部により計測された前記作業時間に基づいて前記作業時間の増減値を算出し、算出された複数の前記増減値の最大値を新たな増減予測値として更新する請求項4に記載の協働ロボットシステム。
  7. 前記増減時差分予測部が、前記作業者の担当箇所数を増加させるときの増加時差分予測値と、前記作業者の担当箇所数を減少させるときの減少時差分予測値のいずれか小さい方を前記差分予測値とする請求項1から請求項6のいずれかに記載の協働ロボットシステム。
  8. 前記増減時差分予測部が、作業難易度に応じて前記増加時差分予測値を補正する請求項7に記載の協働ロボットシステム。
  9. 前記増減時差分予測部が、機械学習により前記作業者および前記ロボットの前記作業時間の差分を予測する請求項1に記載の協働ロボットシステム。
  10. 前記ロボットと前記作業者とが、それぞれ作業を分担して行う複数の作業ステーションと、
    各該作業ステーションを接続するネットワークと、
    該ネットワークに接続された管理部とを備え、
    該管理部に前記増減時差分予測部が備えられ、
    該増減時差分予測部が、前記ネットワークを経由して各前記作業ステーションから吸い上げた情報に基づいて機械学習を行う請求項9に記載の協働ロボットシステム。
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