机械手控制装置、机械手控制方法及机械手控制程序与流程

[0001]
本发明涉及机械手控制装置、机械手控制方法及机械手控制程序。


背景技术：

[0002]
当使在便利店等中将商品载置于陈列货架的作业自动化的情况下，可以考虑使用机械手设置于移动式机器人的移动式机械手进行商品的拾取和放置。在这种情况下，在地面自身具有倾斜、移动式机器人攀爬较低的台阶时，移动式机械手产生倾斜。在这种状态下，如果不考虑倾斜就使机械手移动到目标位置，则目标位置因倾斜而偏离，所以不能正确进行作业。例如，在将陈列货架等障碍物的位置设为预先设定的位置的状态下，不考虑倾斜就使机械手动作到目标位置的情况下，有可能产生机械手撞上陈列货架等作业失误。
[0003]
以往曾提出了这样的技术，使用二维的激光测距仪一面测量周围环境一面测量进行动作的移动式机器人的倾斜角，并考虑所测量的移动式机器人的倾斜角地进行地图的生成及自身位置姿态的估计(例如，参照专利文献1)。
[0004]
另外，还提出了这样的技术，测量移动式机器人的倾斜角并进行控制，使得在移动式机器人设置的基体的倾斜角减小，由此进行控制使得在基体设置的握持部成为水平状态(例如，参照专利文献2)。
[0005]
专利文献1：日本特开2018-5709号公报
[0006]
专利文献2：日本特开2013-101593号公报
[0007]
但是，专利文献1所记述的技术是把所测量的移动式机器人的倾斜角用于地图的生成及移动体的自身位置姿态的估计的技术，并非根据倾斜角校正机械手的动作的技术，所以难以适用于诸如拾取和放置商品那样的装置。
[0008]
另外，专利文献2所记述的技术用于维持基体的水平的机构体积大，所以存在装置大型化，并且成本提高的问题。


技术实现要素：

[0009]
本发明正是鉴于上述情况而完成的，其目的在于，提供一种机械手控制装置、机械手控制方法及机械手控制程序，即使是在设置有机械手的基体相对于基准面倾斜的情况下，也能够抑制作业失误。
[0010]
本发明所涉及的机械手控制装置具备：倾斜角获取部，获取设置有机械手的基体相对于基准面的倾斜角；目标位置获取部，获取所述基体相对于所述基准面未倾斜的状态下的所述机械手的目标位置；校正部，根据所述倾斜角获取部测定的倾斜角及所述目标位置获取部获取的目标位置，将所述目标位置校正为与所述倾斜角相应的校正目标位置；以及控制部，根据所述校正目标位置控制所述机械手的动作。
[0011]
另外，也可以是，所述机械手控制装置具备障碍物信息获取部，所述障碍物信息获取部获取与障碍物的形状及位置相关的预先设定的障碍物信息，所述校正部将所述障碍物的位置校正为与所述倾斜角相应的校正障碍物位置，所述控制部根据所述校正目标位置及
所述校正障碍物位置控制所述机械手的动作。
[0012]
另外，也可以是，所述机械手控制装置具备检测传感器，所述检测传感器设置于所述基体，用于检测与障碍物的形状及位置相关的障碍物信息，所述控制部根据所述校正目标位置及所述障碍物信息控制所述机械手的动作。
[0013]
另外，也可以是，所述控制部进行在所述倾斜角为规定值以上的情况下予以通知的控制。
[0014]
本发明所涉及的机械手控制方法由计算机执行包括以下工序的处理：倾斜角获取工序，获取设置有机械手的基体相对于基准面的倾斜角；目标位置获取工序，获取所述机械手相对于所述基准面未倾斜的状态下的所述机械手的目标位置；校正工序，根据在所述倾斜角获取工序中测定的倾斜角及在所述目标位置获取工序中获取的目标位置，将所述目标位置校正为与所述倾斜角相应的校正目标位置；以及控制工序，根据所述校正目标位置控制所述机械手的动作。
[0015]
本发明所涉及的机械手控制程序是使计算机作为以下部分发挥作用的控制程序：倾斜角获取部，获取设置有机械手的基体相对于基准面的倾斜角；目标位置获取部，获取所述机械手相对于所述基准面未倾斜的状态下的所述机械手的目标位置；校正部，根据所述倾斜角获取部测定的倾斜角及所述目标位置获取部获取的目标位置，将所述目标位置校正为与所述倾斜角相应的校正目标位置；以及控制部，根据所述校正目标位置控制所述机械手的动作。
[0016]
发明效果
[0017]
根据本发明，即使是在设置有机械手的基体相对于基准面倾斜的情况下，也能够抑制作业失误。
附图说明
[0018]
图1是拾取和放置装置的概略结构图。
[0019]
图2是表示垂直多关节机器人的一例的立体图。
[0020]
图3是表示机械手控制装置的硬件结构的一例的结构图。
[0021]
图4是表示机械手控制装置的功能结构的一例的框图。
[0022]
图5是用于说明俯仰倾斜角的图。
[0023]
图6是用于说明横滚倾斜角的图。
[0024]
图7是用于说明俯仰轴及横滚轴的图。
[0025]
图8是机械手控制处理的流程图。
[0026]
图9是用于说明目标位置及障碍物位置的校正的图。
[0027]
图10是用于说明目标位置及障碍物位置的校正的图。
具体实施方式
[0028]
下面，参照附图来说明本发明的实施方式的一例。另外，在各附图中，对相同或者等价的构成要素及部分标注相同的参照附图标记。并且，附图的尺寸比例存在为了说明的方便而被夸大的情况，存在与实际的比例不同的情况。
[0029]
图1是本实施方式所涉及的拾取和放置装置1的结构图。如图1所示，拾取和放置装
置1具备移动式机械手mp、图像传感器s及机械手控制装置10。
[0030]
移动式机械手mp是在作为基体的一例的移动体m安装有作为机械手的一例的机器人rb的结构。移动体m具备借助未图示的电机的驱动力进行旋转的四个车轮r，并根据机械手控制装置10的指示在楼层内移动。
[0031]
机器人rb保持收纳在设置于平台20上的箱子22中的未图示的物品，输送到货架24并载置于货架24上。
[0032]
在本实施方式中，作为一例，在机器人rb的机器人臂的前端安装有作为末端执行器的机器人手h，通过用机器人手h握持箱子22内的物品，而处于保持了物品的状态。并且，在保持了物品的状态下输送到货架24，解除对物品的保持并载置物品。另外，保持物品的部件不限于机器人手h，还可以是吸附物品的吸盘。
[0033]
图像传感器s设置在箱子22的上方。图像传感器s拍摄被收纳在箱子22内的物品的集合即物品集合作为静态图像。
[0034]
机械手控制装置10生成机器人rb的由任意的初始姿态到目标姿态的路径。其中，所谓路径是指使机器人rb由初始姿态进行动作成目标姿态时的姿态的列表。具体地，机械手控制装置10对由图像传感器s获取的摄影图像进行图像处理，根据图像处理的结果识别应保持的物品的位置及姿态。并且，机械手控制装置10生成如下路径：第一路径，为了拍摄箱子22内的物品，而把机器人rb退避到图像传感器s的视野范围外的退避位置的退避姿态作为初始姿态，并把机器人rb保持箱子22内的物品的保持姿态作为目标姿态；第二路径，把机器人rb保持箱子22内的物品的保持姿态作为初始姿态，并把机器人rb将物品载置在货架24上的载置姿态作为目标姿态；以及第三路径，把机器人rb将物品载置在货架24上的载置姿态作为初始姿态，并为了拍摄箱子22内的物品，而把机器人rb退避到图像传感器s的视野范围外的退避位置的退避姿态作为目标姿态。另外，也可以是，作为具备拍摄货架24的图像传感器的结构，并根据在图像传感器所拍摄的摄影图像来识别应载置物品的位置。并且，机械手控制装置10向机器人rb输出动作指令值，使得机器人rb按照所生成的路径进行动作。
[0035]
下面，对机器人rb进行说明。在本实施方式中，作为一例，对机器人rb是垂直多关节机器人的情况进行说明，但也能够将本发明适用于水平多关节机器人(标量机器人)及并联连杆机器人等。
[0036]
图2是表示作为垂直多关节机器人的机器人rb的结构的图。如图2所示，机器人rb是具备基座连杆bl、连杆l1～l6、接头j1～j6的六自由度的六轴机器人。另外，所谓接头是指连接连杆彼此间的关节。此外，下面包括连杆l1～l6及与连杆l6连接的机器人手h在内，统称为机器人臂。
[0037]
基座连杆bl与连杆l1在图2中经由以铅垂轴s1为中心沿箭头c1方向旋转的接头j1相连接。因此，连杆l1以基座连杆bl为支点沿箭头c1方向旋转。
[0038]
连杆l1与连杆l2在图2中经由以水平轴s2为中心沿箭头c2方向旋转的接头j2相连接。因此，连杆l2以连杆l1为支点沿箭头c2方向旋转。
[0039]
连杆l2与连杆l3在图2中经由以轴s3为中心沿箭头c3方向旋转的接头j3相连接。因此，连杆l3以连杆l2为支点沿箭头c3方向旋转。
[0040]
连杆l3与连杆l4在图2中经由以轴s4为中心沿箭头c4方向旋转的接头j4相连接。因此，连杆l4以连杆l3为支点沿箭头c4方向旋转。
[0041]
连杆l4与连杆l5在图2中经由以轴s5为中心沿箭头c5方向旋转的接头j5相连接。因此，连杆l5以连杆l4为支点沿箭头c5方向旋转。
[0042]
连杆l5与连杆l6在图2中经由以轴s6为中心沿箭头c6方向旋转的接头j6相连接。因此，连杆l6以连杆l5为支点沿箭头c6方向旋转。另外，在图2中省略了图示，机器人手h被安装于连杆l6。
[0043]
接头j1～j6分别被设定了预先规定的旋转角度的范围作为可动区域。
[0044]
机器人rb的姿态是根据接头j1～j6各自的旋转角度规定的。因此，用于使机器人rb进行动作的动作指令值是指与机器人rb应采取的姿态对应的接头j1～j6各自的旋转角度。
[0045]
图3是表示本实施方式所涉及的机械手控制装置10的硬件结构的框图。
[0046]
如图3所示，机械手控制装置10具有cpu(central processing unit，中央处理单元)11、rom(read only memory，只读存储器)12、ram(random access memory，随机存取存储器)13、存储器14、输入部15、监视器16、光盘驱动装置17及通信接口18。各构成部分通过总线19能够相互通信地进行连接。
[0047]
在本实施方式中，在rom12或者存储器14存储有执行机械手控制处理的机械手控制程序。cpu11是中央运算处理单元，执行各种程序或者控制各构成部分。即，cpu11从rom12或者存储器14读出程序，并将ram13作为作业区域来执行程序。cpu11按照在rom12或者存储器14记录的程序，进行上述各构成部分的控制及各种运算处理。
[0048]
rom12存储各种程序及各种数据。ram13作为作业区域临时存储程序或者数据。存储器14由hdd(hard disk drive，硬盘驱动器)或者ssd(solid state drive，固态驱动器)构成，存储包括操作系统的各种程序及各种数据。
[0049]
输入部15包括键盘151及鼠标152等指向装置，用于进行各种输入。监视器16例如是液晶显示器，显示各种信息。监视器16还可以采用触摸面板方式，并作为输入部15发挥作用。光盘驱动装置17进行在各种记录介质(cd-rom或者蓝光光盘等)存储的数据的读取、针对记录介质的数据的写入等。
[0050]
通信接口18是用于与机器人rb及图像传感器s等其他设备进行通信的接口，例如采用以太网(注册商标)、fddi、wi-fi(注册商标)、usb(universal serial bus，通用串行总线)及ieee1394等标准。
[0051]
下面，对机械手控制装置10的功能结构进行说明。
[0052]
图4是表示机械手控制装置10的功能结构的一例的框图。如图4所示，机械手控制装置10具有作为功能结构的倾斜角获取部30、目标位置获取部32、障碍物信息获取部30、校正部36、控制部38及存储部40。各功能结构通过由cpu11读出在rom12或者存储器14存储的机械手控制程序，并展开到ram13中执行程序而实现。
[0053]
倾斜角获取部30获取设置有机器人rb的移动体m相对于基准面的倾斜角。另外，基准面在本实施方式中，作为一例是水平面。
[0054]
如图5、图6所示，在移动体m的搭载有机器人rb的面上设置有倾斜传感器k1、k2。
[0055]
如图5所示，倾斜传感器k1检测设置有机器人rb的移动体m相对于水平面hr的俯仰倾斜角θ1。
[0056]
如图7所示，在设x轴为俯仰轴、设与x轴正交的y轴为横滚轴的情况下，俯仰倾斜角
θ1是指在以俯仰轴为中心的旋转方向上相对于水平面的倾斜角。
[0057]
如图6所示，倾斜传感器k2检测设置有机器人rb的移动体m相对于水平面hr的横滚倾斜角θ2。
[0058]
如图7所示，在设x轴为俯仰轴、设与x轴正交的y轴为横滚轴的情况下，俯仰倾斜角θ1是指在以横滚轴为中心的旋转方向上相对于水平面的倾斜角。
[0059]
倾斜角获取部30从倾斜传感器k1获取俯仰倾斜角θ1，从倾斜传感器k2获取横滚倾斜角θ2。
[0060]
目标位置获取部32获取移动体m相对于水平面hr未倾斜的状态下的机器人rb的目标位置。
[0061]
障碍物信息获取部34获取预先设定的与障碍物的形状及位置相关的障碍物信息。
[0062]
校正部36根据在倾斜角获取部30测定的俯仰倾斜角θ1及横滚倾斜角θ2、在目标位置获取部32获取的目标位置、以及在障碍物信息获取部34获取的障碍物信息，将目标位置校正为与俯仰倾斜角θ1及横滚倾斜角θ2相应的校正目标位置。
[0063]
控制部38根据机器人rb的当前位置及校正目标位置，并根据在校正部36被校正后的校正目标姿态，控制机器人rb的动作。
[0064]
存储部40存储机械手控制程序及障碍物信息等各种信息。
[0065]
障碍物信息是与障碍物的形状及位置相关的信息。障碍物在本实施方式中是指平台20、箱子22及货架24等。
[0066]
下面，对机械手控制装置10的作用进行说明。另外，下面为了简化说明，假设移动体m不移动而停留在同一场所进行说明。
[0067]
图8是表示通过机械手控制装置10的cpu11执行的机械手控制处理的流程的流程图。通过在由操作者指示机械手控制处理的执行时，cpu11从rom12或者存储器14读出机械手控制程序并展开到ram13中进行执行，由此执行机械手控制处理。
[0068]
cpu11作为障碍物信息获取部34从存储部40读出障碍物信息来获取信息(步骤s100)。
[0069]
cpu11作为倾斜角获取部30从倾斜传感器k1获取俯仰倾斜角θ1，从倾斜传感器k2获取横滚倾斜角θ2(步骤s102)。
[0070]
cpu11作为控制部38判定俯仰倾斜角θ1及横滚倾斜角θ2中的至少一方是否为预先设定的阈值以上(步骤s104)。其中，阈值被设定为移动式机械手mp有可能倾倒的值。
[0071]
并且，在俯仰倾斜角θ1及横滚倾斜角θ2中的至少一方为预先设定的阈值以上的情况下(步骤s104：是)，即在移动式机械手mp有可能倾倒的情况下，进入步骤s105。
[0072]
在步骤s105中，cpu11作为控制部38进行通知移动式机械手mp有可能倾倒的控制。例如，cpu11使监视器16显示用于表示移动式机械手mp有可能倾倒的警报消息。另外，也可以是，将未图示的蜂鸣器与机械手控制装置10连接，使蜂鸣器鸣叫，由此通知移动式机械手mp有可能倾倒的情况。此外，还可以是，将未图示的警报灯与机械手控制装置10连接，使警报灯点亮，由此通知移动式机械手mp有可能倾倒的情况。
[0073]
另一方面，在俯仰倾斜角θ1及横滚倾斜角θ2双方都小于预先设定的阈值的情况下(步骤s104：否)，即在移动式机械手mp不会倾倒的情况下，进入步骤s106。
[0074]
cpu11作为控制部38指示图像传感器s进行拍摄，并获取图像传感器s所拍摄的摄
影图像(步骤s106)。
[0075]
cpu11作为目标位置获取部32，根据摄影图像来选择保持的物品的位置，并获取所选择的位置作为移动体m相对于水平面未倾斜的状态下的机器人rb的目标位置(步骤s108)。
[0076]
作为保持的物品的选择基准，例如可以举出选择物品集合中位于最上部的物品、选择位于物品集合的中央的物品、选择不与其他物品重叠的物品等，但不限于这些。
[0077]
cpu11作为校正部36，根据在步骤s102中获取到的俯仰倾斜角θ1及横滚倾斜角θ2和在步骤s108中获取到的目标位置，将目标位置校正为与俯仰倾斜角θ1及横滚倾斜角θ2相应的校正目标位置(步骤s110)。
[0078]
具体地，当设在步骤s108中获取到的目标位置为(xg、yg、zg)、设校正目标位置为(x
’
g、y
’
g、z
’
g)的情况下，根据下式计算校正目标位置。
[0079]
【数式1】
[0080][0081]
其中，r表示如下所示的以俯仰倾斜角θ1及横滚倾斜角θ2为参数的三维旋转矩阵。
[0082]
【数式2】
[0083][0084]
cpu11作为校正部36，根据在步骤s100中获取到的障碍物信息，将障碍物的位置校正为与俯仰倾斜角θ1及横滚倾斜角θ2相应的校正障碍物位置(步骤s112)。
[0085]
具体地，当设在步骤s100中获取到的作为障碍物的箱子22的位置为(xt、yt、zt)、设校正目标位置为(x
’
t、y
’
t、z
’
t)的情况下，根据下式计算校正障碍物位置。
[0086]
【数式3】
[0087][0088]
cpu11作为控制部38，根据在步骤s110中计算的校正目标位置及在步骤s112中计算的校正障碍物位置，生成将机器人rb退避在退避位置的退避姿态设为初始姿态、将机器人rb保持箱子22内的物品的保持姿态设为目标姿态的第一路径(步骤s114)。第一路径的生成能够使用公知的路径计划方法。对于后述的第二路径及第三路径也一样。
[0089]
cpu11作为目标位置获取部32，选择将所保持的物品载置于货架24时的载置位置，将所选择的载置位置作为移动体m相对于水平面未倾斜的状态下的机器人rb的目标位置(步骤s116)。
[0090]
关于机器人rb将物品载置于货架24的载置位置，能够按照下面所述进行获取。例如，预先示教在货架24设置的多个载置地方，将在所示教的多个载置地方的位置信息及在多个载置地方载置物品的载置顺序存储在存储部40中。并且，将按照载置顺序决定的载置
位置作为机器人rb的目标位置。另外，也可以与选择要保持的物品时一样地，设置拍摄货架24的图像传感器，并根据拍摄货架24而得的摄影图像选择载置物品的载置位置。
[0091]
cpu11与步骤s110一样地作为校正部36，根据在步骤s102中获取到的俯仰倾斜角θ1及横滚倾斜角θ2、和在步骤s116中获取到的目标位置，将目标位置校正为与俯仰倾斜角θ1及横滚倾斜角θ2相应的校正目标位置(步骤s118)。
[0092]
cpu11与步骤s112一样地作为校正部36，根据在步骤s100中获取到的障碍物信息，将作为障碍物的货架24的位置校正为与俯仰倾斜角θ1及横滚倾斜角θ2相应的校正障碍物位置(步骤s120)。
[0093]
cpu11作为控制部38，根据在步骤s118中计算的校正目标位置及在步骤s120中计算的校正障碍物位置，生成由机器人rb保持箱子22内的物品的保持姿态即初始姿态到在步骤s118中校正的校正目标位置中的目标姿态即载置姿态为止的第二路径(步骤s122)。
[0094]
cpu11作为控制部38，生成由机器人rb将物品载置于货架24的载置姿态即校正目标姿态到退避姿态为止的第三路径(步骤s124)。
[0095]
cpu11作为控制部38，根据机器人rb的第一～第三路径生成机器人rb的动作指令值，并发送给机器人rb(步骤s126)。由此，机器人rb按照所生成的第一～第三路径进行移动。即，机器人rb进行如下动作：从退避位置起进行移动并保持箱子22中的物品，在载置到货架24的规定位置后返回到退避位置。
[0096]
cpu11作为控制部38，判定是否已从箱子22内将所有的物品输送到货架24(步骤s128)。具体地，例如获取拍摄箱子22内部的摄影图像，执行图案识别处理等公知的图像处理，并判定在摄影图像中是否存在物品。并且，在预先得知最初被载置在箱子22内的物品的数量的情况下，还可以判定输送物品的次数是否达到最初被收纳在箱子22内的物品的数量。并且，在输送了所有的物品的情况下(步骤s128：是)，结束本流程。另一方面，在尚未输送所有的物品的情况下(步骤s128：否)，进入步骤s102，反复进行步骤s102～s120的处理，一直到输送所有的物品为止。
[0097]
这样，在本实施方式中，校正机器人rb的目标位置及障碍物的位置，控制机器人rb的动作。因此，即使是移动体m相对于水平面倾斜的情况下，也能够抑制作业失误。例如，如图9所示，在将物品载置于货架24的情况下，设移动体m相对于水平面未倾斜的状态下的机器人rb的目标位置为(xg、yg、zg)，设作为障碍物的货架24的原点位置为障碍物位置(xt、yt、zt)。在这种情况下，通过步骤s118的处理来校正目标位置，并且通过步骤s120的处理来校正作为障碍物的货架24的位置，由此如图10所示，校正目标位置(x
’
g、y
’
g、z
’
g)和校正障碍物位置(x
’
t、y
’
t、z
’
t)的相对位置关系，与校正前的目标位置(xg、yg、zg)和障碍物位置(xt、yt、zt)的相对位置关系相同。因此，抑制将物品载置于货架24时机器人rb的机器人臂撞击货架24等的作业失误。
[0098]
机械手控制装置10不限于上述的实施方式，能够进行各种各样的变形。例如，作为检测障碍物信息的检测传感器，例如设为在移动体m设置相机的结构，并替代图8的步骤s100的处理，而执行根据由相机拍摄的摄影图像检测障碍物的形状及位置的处理。在这种情况下，在移动体m相对于水平面倾斜的情况下，摄影图像中的障碍物也成为倾斜的状态，所以不需要障碍物位置的校正。即，能够省略图8的步骤s112、s120的处理。
[0099]
另外，在不需要考虑障碍物的情况下，还可以省略图8的步骤s100、s112、s120的处
理。
[0100]
另外，在本实施方式中说明了机器人rb被设置于移动体m的情况，但本发明还能够适用于机器人rb被设置于不移动的基体上的情况。
[0101]
此外，在上述各实施方式中，cpu读取并执行软件(程序)的路径计划还可以由cpu以外的各种处理器来执行。作为这种情况时的处理器，可以示例fpga(field programmable gate array，现场可编程门阵列)等在制作后能够变更电路结构的pld(programmable logic device，可编程逻辑装置)、以及asic(application specific integrated circuit，专用集成电路)等为了执行特定的处理而具有专门设计的电路结构的处理器即专用电气电路等。另外，路径计划可以通过这些各种处理器中的一个处理器来执行，还可以通过相同种类或者不同种类的两个以上的处理器的组合(例如，多个fpga及cpu与fpga的组合等)来执行。此外，这些各种处理器的硬件构造更具体地是组合半导体元件等电路元件形成的电气电路。
[0102]
另外，在上述各实施方式中说明了机械手控制程序被预先存储(安装)在存储器14或者rom12中的方式，但不限于此。也可以是，程序以被记录在记录介质中的方式来提供，所述记录介质有cd-rom(compact disc read only memory，只读光盘)、dvd-rom(digital versatile disc read only memory，数字通用光盘)、及usb(universal serial bus，通用串行总线)存储器等。另外，程序还可以是经由网络从外部装置下载的方式。
[0103]
附图标记说明
[0104]1…
拾取和放置装置；10
…
机械手控制装置；22
…
箱子；24
…
货架；30
…
倾斜角获取部；32
…
目标位置获取部；34
…
障碍物信息获取部；36
…
校正部；38
…
控制部；40
…
存储部。