JP7447665B2 - ロボットアームの制御方法 - Google Patents

Description

本発明はロボットアームの制御方法に関する。

例えば、特許文献１に開示されているように、アーム（アーム部）とグリッパ（把持部）とを備えるロボットが知られている。

特開２０１６－２０３２７６号公報

発明者らは、ロボットアームの把持部が対象物を内包しているかごを把持して運搬する際に、かごに内包された対象物を安定して運搬することが困難であるという問題を見出した。

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、ロボットアームの把持部が対象物を内包するかごを把持して運搬する際に、かごに内包された対象物を安定して運搬可能なロボットアームの制御方法を提供するものである。

本発明に係るロボットアームの制御方法は、
アーム部に接続された把持部を備えるロボットアームの制御方法であって、
前記把持部が、載置面に載置された、底面が矩形状であって、対象物を内包しているかごを把持した状態で、前記かごの底面が備える四辺のうちの一辺を前記載置面に接触させつつ、他の三辺を前記載置面から離間する方向に前記かごを傾斜させるステップと、
前記載置面に接触した前記一辺と隣接する二辺のうちの一辺を、前記載置面からさらに離間する方向に前記かごを傾斜させるステップと、
前記かごが傾斜した状態で、前記かごの底面が備えるすべての辺が前記載置面から離間するように前記かごを持ち上げるステップと、を備える。

本発明に係るロボットアームの制御方法では、把持部が、載置面に載置された、底面が矩形状であって、対象物を内包しているかごを把持した状態で、かごの底面が備える四辺のうちの一辺を載置面に接触させつつ、他の三辺を載置面から離間する方向にかごを傾斜させるステップと、載置面に接触した一辺と隣接する二辺のうちの一辺を、載置面からさらに離間する方向にかごを傾斜させるステップと、かごが傾斜した状態で、かごの底面が備えるすべての辺が載置面から離間するようにかごを持ち上げるステップと、を備える。このように、かごを段階的に傾斜させることによって、かごに内包された対象物を、かごを持ち上げた際に安定する位置に移動させることができる。したがって、ロボットアームの把持部が対象物を内包するかごを把持して運搬する際に、かごに内包された対象物を安定して運搬することができる。

本発明により、ロボットアームの把持部が対象物を内包するかごを把持して運搬する際に、当該対象物を安定して運搬することができる。

実施の形態に係るロボットアームがかごの持ち手を把持した状態を示す側面図である。 実施の形態に係るロボットアームの制御構成を示すブロック図である。 実施の形態に係る把持部を制御し、かごを傾斜させた状態を示す斜視図である。 実施の形態に係る把持部を制御し、かごをさらに傾斜させた状態を示す斜視図である。 実施の形態に係る把持部を制御し、かごを持ち上げた状態を示す斜視図である。

以下、本発明の具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、図に示した右手系ｘｙｚ座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。特に言及のない限り、ｚ軸プラス向きが鉛直上向きである。また、ｘｙ平面が水平面であり、かごが載置された載置面である。

＜実施の形態＞
本実施の形態では、図１を参照し、ロボットアームの全体構成について説明する。続いて図２を参照し、ロボットアームの制御構成について説明する。さらに図３～図５を参照し、ロボットアームがかごを傾斜させつつ持ち上げる一連の制御のステップについて説明する。

図１は、実施の形態に係るロボットアーム１００がかごの持ち手を把持した状態を示す側面図である。本実施の形態に係るかご１１は、一例として、かご本体部１２と、持ち手１３とから構成されている。なお、以下では、持ち手１３を備えるかご１１を用いた場合を一例として説明するが、本発明は、持ち手を備えないかごを用いても実施することができる。例えば、持ち手を備えないかごを用いる場合、ロボットアーム１００はかご本体部を直接把持してもよい。その場合、例えばロボットアーム１００がかご本体部を把持する部分に対して、以下に説明するロボットアーム１００の把持部１４０が入るような落下防止用穴（不図示）を設けてもよい。

図１に示すように、かご本体部１２は、底面が平面視で矩形状であって、１つ又は複数の対象物を内包可能である。本実施の形態では、一例として、かご本体部１２が複数（３個）の対象物２１～２３を内包している例について説明する。かご１１の底面の形状の「矩形状」には、四角形、正方形および長方形を含む。かご本体部１２の形状は、上面が開口した直方体または立方体とすることができる。持ち手１３は、かご本体部１２に固定されている。なお、対象物２１～２３の飛び出し防止のため、かご本体部１２の上面に蓋を設けてもよい。図１に示すように、ロボットアーム１００は、かご１１の底面全体が載置面Ｓに載置された状態で、かご１１の持ち手１３を把持する。

図１に示すように、ロボットアーム１００は、アーム部１３０と、アーム部１３０に接続された把持部１４０とを備える。アーム部１３０と把持部１４０とは、関節部１３１を介して接続されている。関節部１３１は、アーム部１３０と把持部１４０とを回動可能に連結する。関節部１３１にはアクチュエータと減速機構が配設されている。関節部１３１のアクチュエータを駆動させることによって、アーム部１３０と把持部１４０は様々な姿勢を取り得る。

図１に示すように、把持部１４０は、上側（ｚ軸方向正側）に位置する上把持部１４０ａと、下側（ｚ軸方向負側）に位置する下把持部１４０ｂと、を備える。上把持部１４０ａ及び下把持部１４０ｂは、関節部１４０ｃを中心に回動可能に連結されている。下把持部１４０ｂは、把持するかご１１の重さと、かご１１に内包された対象物２１～２３の重さを検出可能な重量センサ１４４を備えることができる。

図１に示すように、把持部１４０がかご１１の持ち手１３を把持する際には、上把持部１４０ａの下面と、下把持部１４０ｂの上面とが互いに接近し、持ち手１３を挟持するように把持することができる。

把持部１４０は、さらにハンドカメラ１４１を備えることができる。ハンドカメラ１４１は、例えばＣＭＯＳイメージセンサである撮像素子と画像データ生成部を含む。ハンドカメラ１４１は、把持部１４０の上把持部１４０ａ及び下把持部１４０ｂ側の空間を撮像し、生成した画像データを出力する。

次に、図２を参照し、ロボットアームの制御構成について説明する。
図２は、実施の形態に係るロボットアーム１００の制御構成を示すブロック図である。制御装置２００は、例えばＣＰＵである。

図２に示すように、制御装置２００は、アーム制御部２０１及び把持制御部２０２を備える。アーム制御部２０１は、アーム部１３０の動作を制御する。アーム部１３０は、図１を用いて説明した構成の他に、アクチュエータ１３２、力センサ１３３及び回転センサ１３４を備える。アクチュエータ１３２は、関節部１３１を駆動する。アクチュエータ１３２は、例えばサーボモータなどである。力センサ１３３は、関節部１３１の操作力（トルク）と、かご１１の重さを検出可能である。力センサ１３３は、例えばトルクセンサなどである。回転センサ１３４は、各関節部１３１の回転情報を検出する。回転センサ１３４は、例えばエンコーダなどである。

図２に示すように、把持制御部２０２は、把持部１４０を制御する。把持制御部２０２に制御された把持部１４０は、かご１１の持ち手１３を把持し、かご１１を傾斜させつつ持ち上げる。把持部１４０を制御し、かご１１を傾斜させつつ持ち上げる一連の制御の流れの詳細については、図３～図５を参照しつつ後述する。

図２に示すように、把持部１４０は、ハンドカメラ１４１、アクチュエータ１４２、力センサ１４３、及び、下把持部１４０ｂに配設された重量センサ１４４を備える。ハンドカメラ１４１は、制御装置２００の撮像指示に従って撮像を実行する。ハンドカメラ１４１は、生成した画像データを制御装置２００へ引き渡す。アクチュエータ１４２は、把持制御部２０２の指示に従って上把持部１４０ａと下把持部１４０ｂとを駆動する。力センサ１４３は、把持制御部２０２の指示に従って把持部１４０の操作力（トルク）を検出する。重量センサ１４４は、把持制御部２０２の指示に従って対象物の重さを検出するセンサである。重量センサ１４４は、検出した重量データを制御装置２００へと引き渡す。

次に、図３～５を参照し、把持部１４０を制御してかご１１を傾斜させつつ持ち上げる一連の制御の流れについて説明する。一連の制御は、（１）かごを傾斜角度θ１で傾斜させるステップ、（２）かごを傾斜角度θ２にさらに傾斜させるステップ、（３）かごを傾斜角度θ２で傾斜させた状態で持ち上げるステップ、から構成される。図３～図５では、一例として、かご１１の底面が平面視すると長方形であって、四辺のうち、ｙ軸方向に沿って伸びる辺ＡＤ及び辺ＢＣの長さに比べ、ｘ軸方向に沿って伸びる辺ＡＢ及び辺ＣＤの長さがより長く構成されたかご１１を用いている。

（１）かごを傾斜角度θ１で傾斜させるステップ
図３は、実施の形態に係る把持部１４０を制御し、かご１１を傾斜させた状態を示す斜視図である。まず、把持部１４０がかご１１の持ち手１３を把持している初期状態（図１）から、かご１１を傾斜させる。把持部１４０が太い黒矢印の方向に沿って回転するように制御することによって、かご１１全体を傾斜させることができる。より具体的には、かご１１の底面が備える四辺のうち、ｘ軸方向に沿って伸びる辺であって、ｙ軸負側に配置された辺ＡＢを載置面Ｓに接触させつつ、他の三辺である辺ＢＣ、辺ＣＤ及び辺ＡＤが載置面Ｓから離間する方向に、かご１１を傾斜させる。傾斜角度は、∠ＣＢＳ（∠ＤＡＳ）＝θ１である。

図３に示すように、かご１１を傾斜角度θ１で傾斜させることによって、かご１１に内包された対象物２１～２３は白抜き矢印で示す方向、すなわち辺ＡＢ側に滑るように動き、辺ＡＢ側に集められる。かご１１の傾斜角度θ１は、かご１１の中の対象物２１～２３が、載置面Ｓに接触している辺ＡＢの方向へと滑るように動く角度であって（白抜き矢印で示す）、且つ、対象物２１～２３がかご１１の外へと飛び出さないような任意の角度に設定することができる。例えば、かご１１の傾斜角度θ１は、０°＜θ１＜９０°のうち、任意の角度を選択することができる。かご１１を傾斜角度θ１で傾斜させた状態で、次のステップへと進む。

（２）かごを傾斜角度θ２で傾斜させるステップ
図４は、実施の形態に係る把持部１４０を制御し、かご１１をさらに傾斜させた状態を示す斜視図である。図４に示すように、把持部１４０を制御することによって、載置面Ｓに接触した辺ＡＢと隣接する二辺である辺ＡＤ又は辺ＢＣのうちの一辺である辺ＡＤを、載置面Ｓからさらに離間する方向（黒矢印で示す）に、かご１１を傾斜させる。傾斜角度は、∠ＡＢＳ＝θ２である。なお、載置面Ｓから離間させる辺は、載置面Ｓに接触した辺ＡＢと隣接する二辺のうち、辺ＡＤ又は辺ＢＣのいずれかであればよく、辺ＡＤの代わりに辺ＢＣを載置面Ｓからさらに離間する方向へとかご１１を傾斜させるように、把持部１４０を制御してもよい。

図４に示すように、かご１１を傾斜角度θ２でさらに傾斜させることによって、辺ＡＢ側に集められた対象物２１～２３は白抜き矢印で示す方向、すなわち辺ＢＣ側に滑るように動き、辺ＡＢ側かつ辺ＢＣ側、換言すると角部１４へと集められる。傾斜角度θ２は、かご１１の中の対象物２１～２３が、辺ＢＣ側、すなわち角部１４の方向へと滑るように動く角度であって（白抜き矢印で示す）、且つ、対象物２１～２３がかご１１の外へと飛び出さないような任意の角度に設定することができる。例えば、かご１１の傾斜角度θ２は、０°＜θ２＜９０°のうち、任意の角度を選択することができる。かご１１を傾斜角度θ２の角度で傾斜させた状態で、さらに次のステップへと進む。

（３）かごを傾斜角度θ２で傾斜させた状態で持ち上げるステップ
図５は、実施の形態に係る把持部１４０を制御し、かご１１を持ち上げた状態を示す斜視図である。図５に示すように、把持部１４０を制御することによって、かご１１を傾斜角度θ２で傾斜させた状態で、かご１１が備えるすべての辺ＡＢ、辺ＢＣ、辺ＣＤ及び辺ＡＤが載置面Ｓから離間するように、かご１１を持ち上げる。
以上が、把持部１４０を制御し、かご１１を傾斜させつつ持ち上げる一連の制御の流れである。

本実施の形態に係るロボットアーム１００を備えるロボットは、このようにかご１１を持ち上げた時の状態を保ったまま、すなわち上述のようにかご１１を傾斜させたまま、かご１１を運搬することができる。上述のように、対象物２１～２３をかご１１の辺ＡＢ側かつ辺ＢＣ側、換言すると角部１４に集めることができるため、運搬時に対象物２１～２３を安定した状態で運搬することができる。

本実施の形態に係るロボットアーム１００を備えるロボットは、かご１１を持ち上げて対象物２１～２３を運搬した後、把持部１４０がかご１１を所定の場所に置く際には、上記ステップ（１）～（３）を逆の順番で行う。すなわち、傾斜角度θ２で傾斜した状態のかご１１の角部１４を載置面Ｓに接触させる。続いて、傾斜角度θ２が０°となるように傾斜角度を戻して辺ＡＢを載置面Ｓに接触させる。さらに傾斜角度θ１も０°となるように傾斜角度を戻して、辺ＡＢ以外の他の三辺、すなわち辺ＢＣ、辺ＣＤ及び辺ＡＤを載置面Ｓに接触させることによって、かご１１の底面を載置面Ｓに載置する。このようにロボットアーム１００の把持部１４０を制御することによって、かご１１の状態を初期状態（図１）へと戻す。

また、本実施の形態に係るロボットアーム１００を備えるロボットは、かご１１を持ち上げて対象物２１～２３を運搬した後、かご１１をユーザへ渡すこともできる。ユーザがロボットアーム１００のｘ軸正側にいることを想定した場合、かご１１の重心がユーザ側（ｘ軸正側）に傾いた状態で運搬すると、ユーザはかご１１を受け取りやすい。より具体的には、把持部１４０を制御し、対象物２１～２３を辺ＡＢ側かつ辺ＢＣ側の角部１４（ｙ軸負側の角部）、もしくは辺ＣＤ側かつ辺ＢＣ側の角部（ｙ軸正側の角部）に集めた状態で運搬すると、辺ＡＢ側かつ辺ＡＤ側の角部もしくは辺ＣＤ側かつ辺ＡＤ側の角部に集めた場合に比べ、ユーザはかご１１を受け取りやすい。

なお、上記の把持部１４０を制御し、かご１１を傾斜させつつ持ち上げる一連の制御の流れの説明では、一例として、かご１１の底面が平面視すると長方形であって、四辺のうち、ｙ軸方向に沿って伸びる辺ＡＤ及び辺ＢＣの長さに比べ、ｘ軸方向に沿って伸びる辺ＡＢ及び辺ＣＤの長さがより長く構成されたかご１１を用いて説明した。このように、四辺のうち、ｙ軸方向に沿って伸びる辺ＡＤ及び辺ＢＣの長さより、ｘ軸方向に沿って伸びる辺ＡＢ及び辺ＣＤの長さがより長く構成されたかご１１を用いる場合は、傾斜角度θ１で傾斜させる際に、まず長い辺である辺ＡＢ又は辺ＣＤのいずれかを載置面Ｓに接触させた状態で、他の三辺を載置面Ｓから離間する方向に傾斜させることが好ましい。続いて、辺ＡＢ及び辺ＣＤに隣接するいずれかの辺である辺ＡＤ又は辺ＢＣが、載置面Ｓからさらに離間する方向に、かご１１を傾斜角度θ２でさらに傾斜させることが好ましい。

上記の順番で傾斜させることによって、かご１１の中の対象物２１～２３を最初に傾斜させた際の、かご１１の内部における移動距離が短くなるため、より衝撃を和らげつつ、対象物２１～２３をかご１１の内部の、運搬時に安定する位置である角部に集めることが可能となる。なお、かご１１の底面が平面視すると正方形である場合は、いずれの辺から傾斜を開始してもよい。

また、かごに内包された対象物を安定して運搬するために、上述の傾斜角度θ１及びθ２を用いる制御方法とは別の、ロボットアーム１００の制御方法を用いることもできる。例えば、かごに内包された対象物の重さ、形状および位置等の情報をあらかじめ取得する。当該情報は、ロボットと連携して用いることができる運搬用台が計測したデータを用いてもよいし、ロボットが備える上述のカメラやセンサを用いて取得してもよい。当該取得したデータから、かごに内包された対象物が安定した重心位置となるような傾斜角度を決定することによって、当該傾斜角度に傾斜させるようにロボットアーム１００が備える把持部１４０を制御してもよい。

さらに、上述の傾斜角度θ１及びθ２を用いる制御方法の場合と、あらかじめ重心位置を計算して傾斜角度を決定する場合のいずれの場合も、かご１１を傾斜する速度や加速度を制御することができる。傾斜角度θ１及びθ２を用いるロボットアーム１００の制御方法の場合は、アーム部１３０が備える力センサ１３３又は把持部１４０が備える重量センサ１４４によって、かご１１が内包する対象物の重さを取得し、当該重さに応じてかご１１を傾斜する速度や加速度を制御することができる。また、あらかじめ重心位置を計算して傾斜角度を決定するロボットアーム１００の制御方法の場合は、取得した対象物の重さに応じて、かご１１を傾斜する速度や加速度を制御することができる。

発明者らは、ロボットアームの把持部が対象物を内包しているかごを把持して運搬する際に、かごに内包された対象物を安定して運搬することが困難であるという問題を見出した。

これに対し、本実施の形態に係るロボットアームの制御方法では、把持部が、載置面に載置された、底面が矩形状であって、対象物を内包しているかごを把持した状態で、かごの底面が備える四辺のうちの一辺を載置面に接触させつつ、他の三辺を載置面から離間する方向にかごを傾斜させるステップと、載置面に接触した一辺と隣接する二辺のうちの一辺を、載置面からさらに離間する方向にかごを傾斜させるステップと、かごが傾斜した状態で、かごの底面が備えるすべての辺が載置面から離間するようにかごを持ち上げるステップと、を備える。このように、かごを段階的に傾斜させることによって、かごに内包された対象物を、かごを持ち上げた際に安定する位置に移動させることができる。したがって、ロボットアームの把持部が対象物を内包するかごを把持して運搬する際に、かごに内包された対象物を安定して運搬することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１１ かご、１２ かご本体部、１３ 持ち手、１４角部
２１～２３ 対象物
１００ ロボットアーム
１３０ アーム部、１３１ 関節部、１３２ アクチュエータ、１３３ 力センサ、１３４ 回転センサ
１４０ 把持部、１４０ａ 上把持部、１４０ｂ 下把持部、１４０ｃ 関節部
１４１ ハンドカメラ １４２ アクチュエータ １４３ 力センサ １４４ 重量センサ
２００ 制御装置、２０１ アーム制御部、２０２ 把持制御部
Ｓ 載置面

Claims (1)

1. アーム部に接続された把持部を備えるロボットアームの制御方法であって、
   前記把持部が、載置面に載置された、底面が矩形状であって、対象物を内包しているかごを把持した状態で、前記かごの底面が備える四辺のうちの一辺を前記載置面に接触させつつ、他の三辺を前記載置面から離間する方向に前記かごを傾斜させるステップと、
   前記載置面に接触した前記一辺と当該一辺に隣接する二辺とにより形成される２つの角部うちの一方の角部を前記載置面に接触させつつ、他方の角部が前記載置面から離間する方向に前記かごを傾斜させるステップと、
   前記かごが傾斜した状態で、前記載置面に接触している前記一方の角部が前記載置面から離間するように前記かごを持ち上げるステップと、を備える、
   ロボットアームの制御方法。

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