特開 2022-187414 計測装置、ロボットシステム、ロボット制御方法、及び物品の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022187414

(43)【公開日】2022-12-19

(54)【発明の名称】計測装置、ロボットシステム、ロボット制御方法、及び物品の製造方法

(51)【国際特許分類】

   B25J 19/04 20060101AFI20221212BHJP

【ＦＩ】

B25J19/04

【審査請求】未請求

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021095443

(22)【出願日】2021-06-07

(71)【出願人】

【識別番号】000001007

【氏名又は名称】キヤノン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100114775

【弁理士】

【氏名又は名称】高岡 亮一

(74)【代理人】

【識別番号】100121511

【弁理士】

【氏名又は名称】小田 直

(74)【代理人】

【識別番号】100208580

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 玲奈

(72)【発明者】

【氏名】氣駕 昇

(72)【発明者】

【氏名】奥田 洋志

【テーマコード（参考）】

3C707

【Ｆターム（参考）】

3C707AS06

3C707AS14

3C707BS09

3C707CY29

3C707CY32

3C707CY37

3C707DS01

3C707KT01

3C707KT02

3C707KT05

3C707MS05

3C707MS11

(57)【要約】

【課題】
衝突時にカメラの破損や軸ズレの発生が起きにくい計測装置を提供する。
【解決手段】
ロボットに搭載可能な計測装置において、前記計測装置は、ボディと、カメラと、前記カメラを保護するためのカメラカバーとを有し、前記ボディは、前記ロボットとの締結面又はエンドエフェクタとの締結面と、前記カメラを支持するための支持部材と、を含み、前記カメラカバーは、前記ボディの前記締結面より外側の位置で前記ボディと接続部を介して接続され、前記ボディと前記カメラ間の前記支持部材の剛性に比べて、前記ボディと前記カメラカバー間の前記接続部の剛性が低いことを特徴とする。
【選択図】 図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ロボットに搭載可能な計測装置において、
前記計測装置は、ボディと、カメラと、前記カメラを保護するためのカメラカバーとを有し、
前記ボディは、前記ロボットに締結するための締結面又はエンドエフェクタに締結するための締結面と、前記カメラを支持するための支持部材と、を含み、
前記カメラカバーは、前記ボディの前記締結面の中心から径方向において前記ボディの前記締結面より外側の位置で前記ボディと接続部を介して接続され、
前記ボディと前記カメラ間の前記支持部材の剛性に比べて、前記ボディと前記カメラカバー間の前記接続部の剛性が低いことを特徴とする計測装置。

【請求項2】

前記ロボットは複数の関節を有することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。

【請求項3】

前記接続部は、前記カメラカバーと前記ボディとを弾性的に接続することを特徴とする請求項１又は２に記載の計測装置。

【請求項4】

前記カメラと前記カメラカバーは直接接触しないことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の計測装置。

【請求項5】

前記カメラカバーは前記ボディよりも剛性が低い材料からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の計測装置。

【請求項6】

前記計測装置は、前記カメラで撮像する計測対象物を照射する照明部を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の計測装置。

【請求項7】

衝突検知センサを有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の計測装置。

【請求項8】

前記ボディは、前記ロボットと前記エンドエフェクタの間に配置されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか７項に記載の計測装置。

【請求項9】

前記接続部による前記カメラカバーと前記ボディの接続位置は、
前記ボディと前記ロボットとの前記締結面又は前記ボディと前記エンドエフェクタとの前記締結面よりも、外側であることを特徴とする請求項８に記載の計測装置。

【請求項10】

前記計測装置は、
前記ロボットの回転軸又は前記エンドエフェクタの回転軸から最も離れた位置に前記カメラカバーが配置されることを特徴とする請求項９に記載の計測装置。

【請求項11】

前記カメラと前記カメラカバーが最も接近している位置の近傍に前記カメラカバーの角部が設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の計測装置。

【請求項12】

前記ボディは、前記カメラで取得した画像に基づき計測対象物の位置又は形状に関する情報を演算する演算部を内蔵することを特徴とする請求項８に記載の計測装置。

【請求項13】

請求項１乃至１２いずれか１項に記載の計測装置と、
前記計測装置により計測された計測対象物に関する計測データを取得する制御部と、
前記計測データに基づき前記計測対象物に力を作用させる前記エンドエフェクタと、を有することを特徴とするロボットシステム。

【請求項14】

請求項１～１２いずれか１項に記載の前記計測装置により計測された計測対象物に関する計測データを取得する取得工程と、
前記取得工程により取得された前記計測データに基づき前記エンドエフェクタを用いて前記計測対象物に力を作用させる作用工程と、を有することを特徴とするロボット制御方法。

【請求項15】

請求項１～１２のいずれか１項に記載の前記計測装置により計測された計測対象物に関する計測データを取得する取得工程と、
前記取得工程により取得された前記計測データに基づき前記エンドエフェクタを用いて前記計測対象物に力を作用させる作用工程と、
前記作用工程により前記力が作用された前記計測対象物を用いて物品を製造する製造工程と、を有することを特徴とする物品の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、計測装置、ロボットシステム、ロボット制御方法、及び物品の製造方法等に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、工場の生産ラインでは、カメラを含む計測装置を搭載したロボットを用いて、製造物の組み立てや検査が行われてきた。従来のロボット搭載型の計測装置として、特許文献１に示す計測装置がある。特許文献１では、ロボットのアーム上に搭載されたカメラユニットを用いて対象物であるＲＦコネクタの位置を計測し、ロボットハンドを用いてＲＦコネクタの挿抜処理を行っている。

【0003】

ロボットアーム先端の締結部周辺の構造体とカメラを含む構造体が別体で構成されており、各々の部品が締結されている。又、別のロボット搭載型の計測装置として、特許文献２に示す計測装置がある。特許文献２では、メインボディと呼ばれる構造体が、ロボットとハンドに挟まれた位置に配置される。構造体内部にカメラが配置されており、一体構造となっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１１－１４００９９号公報

【特許文献2】米国特許出願公開２０１８／３６１５８号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、従来の計測装置はカメラへの衝突が弱いという課題があった。例えば、特許文献１では、別体のため大きくなり、ぶつかりやすくなるだけでなく、カメラが剥き出しとなっているため、衝突時の衝撃がカメラ光学系に直接伝わることで、カメラの破損リスクや軸ズレのリスクが高まる。又カメラなどの構成物同士の締結部にも力が加わることで、構造物間の位置関係がずれる可能性もある。

【0006】

又特許文献２では、カメラをメインボディに配置し一体化することで、小型にすることはできるが、ボディへの衝撃が直接カメラ光学系に伝わり、カメラの軸ズレが発生するリスクがある。このような破損や軸ズレは、生産ラインを止めるだけなく、カメラのキャリブレーションのやり直しが必要になるなど、生産ライン復旧に大きな影響をもたらす。

【0007】

特に近年では、人と同じ空間で一緒に作業を行う協働ロボットを用いたケースが増えてきている。協働ロボットは、ロボットは衝突する前提で設計されているため、カメラを含む計測装置に対する堅牢性がより求められてきている。
そこで本発明では、衝突時にカメラの破損や軸ズレの発生が起きにくい計測装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記の目的を達成するために、本発明の１つの側面は、ロボットに搭載可能な計測装置において、
前記計測装置は、ボディと、カメラと、前記カメラを保護するためのカメラカバーとを有し、
前記ボディは、前記ロボットとの締結面又はエンドエフェクタとの締結面と、前記カメラを支持するための支持部材と、を含み、
前記カメラカバーは、前記ボディの前記締結面より外側の位置で前記ボディと接続部を介して接続され、
前記ボディと前記カメラ間の前記支持部材の剛性に比べて、前記ボディと前記カメラカバー間の前記接続部の剛性が低いことを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、衝突時にカメラの破損や軸ズレの発生が起きにくい計測装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の実施形態の計測装置を用いたロボットシステムを示す構成図である。

【図2】実施例１における計測装置を示した構成図である。

【図3】カメラ１０１とカメラカバー１１０の側面を平行にした例を示す概略図である。

【図4】実施例２における計測装置を示した図である。

【図5】実施例３における計測装置を示した図である。

【図6】実施例４における計測装置を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について実施例を用いて説明する。尚、各図において、同一の部材ないし要素については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略ないし簡略化する。

【0012】

図１は本発明の実施形態の計測装置を用いたロボットシステムを示す構成図であり、本実施形態の計測装置１は、多関節ロボット２に搭載可能になっている。詳細は後述するが、本実施形態の計測装置１は、多関節ロボット２のアーム１３０と、エンドエフェクタであるハンド１４０の間に配置され締結されている。尚、ハンド１４０は、計測対象物４を把持したり、押したり、引いたり、エアを吹き付けたり、吸引したり、電磁力を作用させたりすることによって計測対象物に力を作用させる機能を有する。又、力を作用させる機能は上に例示したものの組み合わせでも良いし、或いは他の方法で力を作用させるものであっても良い。

【0013】

計測装置１は少なくとも1つのカメラを含み、カメラは計測対象物４を撮像する。計測対象物４を撮像した結果、又は、撮像した結果に対して計測装置１内で画像処理や物体認識処理等を実施して計測対象物４の位置や形状や検査結果等を演算した結果は、不図示の外部配線ケーブルを用いて、ロボットコントローラ３に送られる。

【0014】

尚、上記の外部配線ケーブルはロボットコントローラ３に接続されている。
ロボットコントローラ３では、送られてきた結果をもとに次のロボット動作指示を多関節ロボット２へ送信する。ロボットコントローラ３はコンピュータとしてのＣＰＵを内蔵しており、記憶媒体としてのメモリに記憶されたコンピュータプログラムに基づき装置全体の各部の動作を制御する制御部として機能している。

【0015】

次に、計測装置の構造概要について述べる。詳細は実施例の中で述べるが、計測装置１は、図１内の縦縞で示されるボディ１００と、横縞で示されるカメラカバー１１０を有し、カメラカバー１１０の内部にカメラが配置されている。カメラカバー１１０はカメラへの衝撃を緩和することでカメラを保護するためのものであり、カメラカバー１１０はボディ１００よりも剛性が低い材料から成る。

【0016】

尚、後述するように、カメラはカメラカバーに直接接続されておらず、ボディ１００とカメラは高剛性の支持部を介して支持されている。一方、ボディ１００とカメラカバー１１０とは低剛性の接続部を介して締結されている。即ち、ボディとカメラ間の支持部材の剛性に比べて、ボディとカメラカバー間の接続部の剛性が低いように構成されている。このような構成によって、衝突によるカメラの破損や軸ズレを効率的に防止することができる。

【0017】

次に、各実施例の概要について述べる。まず実施例１で２Ｄ（２次元）画像を取得する計測装置の構成例を説明する。その後、３Ｄ（３次元）画像を取得して解析する例を、実施例２（複眼カメラ）及び実施例３（単眼カメラ）で説明する。更に、実施例４でボディとカメラカバーの接続変形例を説明する。

【実施例0018】

図２は実施例１における計測装置を示した構成図であり、実施例１について図２を用いて説明する。ここではまず、本実施例の概要、構成要素の説明、衝突に対するメカニカルな特徴と効果の３点について述べる。
まず本実施例の概要であるが、実施例１は、２Ｄ画像を取得し、ロボットコントローラ３に不図示の外部配線ケーブルを介して結果を送信する。繰り返しになるが、本実施例では、多関節ロボットのアーム１３０と、エンドエフェクタであるハンド１４０の間に、計測装置１が締結されている。

【0019】

計測装置１は、ボディ１００（図２の斜線部）と、カメラカバー１１０（図２のドット部）とを有し、ボディ１００には、支持部材１０７を介してカメラ１０１が締結され支持されている。カメラ１０１には２Ｄ情報を取得可能なＲＧＢモザイクフィルタを配置したイメージセンサもしくはモノクロのイメージセンサが搭載されている。イメージセンサは例えばＣＭＯＳやＣＣＤタイプのイメージセンサであれば良い。カメラ１０１で撮像されたデータは、不図示の外部配線ケーブルを用いて、多関節ロボット２の動作を制御するためのロボットコントローラ３へと送信され、検査や部品位置や形状の抽出処理のための画像処理が施される。尚、後述のように上記画像処理はボディ１００内の演算部１０５で行っても良い。

【0020】

次に、本実施例の構成要素の説明をする。ボディ１００は高剛性の支持部材１０７を介してカメラ１０１に締結されている。又、ボディ１００とアーム１３０とは、ボディとアームを締結するための締結面１０２で締結されている。同様に、ボディ１００とハンド１４０とは、ボディ１００とハンド１４０を締結するための締結面１０３で締結されている。又、ボディ１００とカメラカバー１１０は、接続部としての弾性構造１２０で接続されている。尚、ボディ１００とアーム１３０の間又は、ボディ１００とハンド１４０の間にアダプタなどを配置しても良い。

【0021】

弾性構造１２０は、図２に示すような切り欠き構造を有している。本実施例では、カメラカバー１１０の一部の厚みを切欠き構造によって減らし、周囲の構造に比して剛性を低くすることで、弾性構造１２０を形成している。即ち、カメラカバー１１０と接続部としての弾性構造１２０は同じ材質からなり、接続部は、カメラカバー１１０とボディ１００とを弾性的に接続する。

【0022】

ここで、衝突に対するメカニカルな特徴と効果について図２を参照して述べる。弾性構造１２０が切り欠き構造になっていることで、カメラカバー１１０に衝突が発生した場合、弾性構造１２０が変形するので、ボディ１００への影響を減らすことができる。従って、ボディ１００に締結されているカメラ１０１への影響を少なくすることができる。又、ボディ１００とカメラカバー１１０の接続部としての弾性構造１２０は、図２に示すように、ボディとアームの締結面１０２及びボディとハンドの締結面１０３の外周面よりも外側に位置するように構成されている。つまり、弾性構造１２０は、ボディの締結面の中心から径方向において締結面の外側に位置している。

【0023】

即ち、接続部によるカメラカバー１１０とボディ１００の接続位置は、ボディ１００と多関節ロボット２との締結面又はボディとエンドエフェクタとの締結面よりも、外側に構成されている。即ち、カメラカバーは、前記ボディの前記締結面の中心から径方向において前記ボディの前記締結面より外側の位置で前記ボディと接続部を介して接続されている。
これは、カメラカバー１１０への衝撃を接続部としての弾性構造１２０により吸収しやすくするためである。仮にボディ１００とカメラカバー１１０の接続位置が、締結面１０２や締結面１０３の外周面よりも内側に位置していると、カメラカバー１１０へ衝撃が加わった場合に、カメラカバー１１０がボディ１００に直接当たり、衝撃が直接伝わる可能性が高くなる。

【0024】

尚、本実施例の計測装置１はロボットのアーム１３０又はエンドエフェクタであるハンド１４０の外側に例えば巻き付けるように締結させる締結部を有するものであっても良い。その場合であっても接続部としての弾性構造１２０は、そのような締結部の外側の位置でボディと接続されていることが望ましい。

【0025】

更に、図２に示すように、アーム１３０の回転軸であるロボット軸２０１（図内一点鎖線）から見て、計測装置１の筐体全体の最遠部１７０にカメラカバー１１０を配置している。従って、最もぶつかりやすい位置を衝撃から守ることができる。即ち、図２のように、ロボットの回転軸又はエンドエフェクタの回転軸から最も離れた位置にカメラカバーが配置されるように構成することで、衝撃を一番受けやすい部分を保護することができる。
加えて、図２の点線楕円で描かれたカメラカバー１１０の角部１５０と、カメラ１０１の角を近接配置し、カメラカバー１１０の角部１５０の角度をカメラ１０１の角度よりも大きくすることで、衝突時のカメラへの影響を少なくしている。これにつき図３を用いて説明する。

【0026】

図３は、カメラ１０１とカメラカバー１１０の側面を平行にした例を示す概略図である。点線楕円で描かれた部位１６０に示すように、カメラ１０１の外側面とカメラカバー１１０の内側面が略平行になっていると、衝突が発生した場合に、カメラカバー１１０の内側面たわんで、カメラ１０１に衝撃が伝わり易くなる。これに対して、図２のようにカメラカバー１１０の角部１５０と、カメラ１０１の角を近接配置し、カメラカバー１１０の角部１５０の角度をカメラ１０１の角度よりも大きくしている。

【0027】

即ち、カメラ１０１とカメラカバー１１０が最も接近している位置の近傍にカメラカバー１１０の角部が設けられている。このように構成することで、カメラカバー１１０が撓んだ場合でもカメラへの影響が減るようにしている。

【実施例0028】

図４は実施例２における計測装置を示した図であり、図４を用いて、実施例２の説明をする。
実施例２では複眼のカメラで計測対象物４を撮像し、そのデータを用いてボディ内の演算部１０５でステレオマッチング演算を行うことで、画素毎の測長データ（＝３Ｄ距離データ）を取得し、測長データをロボットコントローラ３へと送信する。

【0029】

即ち、実施例２では、ボディ１００は、カメラ１０１で取得した画像に基づき計測対象物の位置又は形状に関する情報を演算する演算部１０５を内蔵する。
更に、本実施例では衝突検知センサを測定装置内に有することにより、衝撃があった場合にその情報をロボットコントローラ３に送信し、ロボットコントローラからの指示でロボットを停止させるように構成している。

【0030】

即ち、実施例２においては、ボディ１００に対して高剛性の支持部材１０７を介して複眼カメラを構成するカメラ１０１ａ、カメラ１０１ｂ及び照明部１０４が支持されていると共に、ボディ１００に演算部１０５が設置されている。照明部１０４はカメラで撮像する計測対象物を照射するためのものである。
又、カメラカバー１１０に、衝突検知センサ１０６、透明な保護板を有する光学窓１１１が設けられている。

【0031】

尚、ステレオマッチング演算においては、カメラ１０１ａとカメラ１０１ｂとで撮像した画像を用いて、視差（同じ物点の右目カメラと左目カメラの画素の位置差）を算出する。そして、カメラの焦点距離と基線長（右目カメラと左目カメラの物理的な距離）との比例関係を用いて測長を行う演算である。

【0032】

ステレオマッチング演算では、基線長情報を用いるため、カメラ１０１ａとカメラ１０１ｂの位置精度が重要であり、衝突によって位置ズレが発生してしまうと位置関係の再算出（一般的にはカメラキャリブレーションと呼ばれる）を実施する必要がある。一方、本実施例によるカメラの構成によればカメラに加わる衝撃を大幅に緩和できるので、例えば生産ラインをすぐに復旧することができるという効果を持つ。

【0033】

さて、ステレオマッチング演算はボディ１００内に配置した演算部１０５で実施され、演算部１０５は、ＳｏＭ（Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｍｏｄｕｌｅ）と呼ばれるコンピュータの基本機能を凝縮したモジュールを用いる。これにより、計測装置１内で必要な画像処理を全て完了することができる。

【0034】

尚、本実施例では演算部１０５で測長のための演算を行っているが、物体認識や検査用の画像処理を演算部１０５で行ってもよく、演算部１０５をロボットのアーム側に組み込んでも良い。演算部１０５における演算結果は、不図示のケーブルを介してロボットコントローラ３へ送信され、ロボットコントローラ３は、上記の演算結果を受信することで計測対象物４の位置や形状等を取得する。そして、計測対象物４の把持や移動等を多関節ロボット２に行わせる。

【0035】

又、３Ｄ画像データを取得する際に照明部１０４を点灯するアクティブステレオモードと点灯しないパッシブステレオモードを有し、点灯するモードでは対象物に対してランダムなドットパターンを照射する。尚、これらの手法は一般的であるため説明は省略する。

【0036】

本実施例では、衝突が発生すると、例えば加速度センサを含む衝突検知センサ１０６が衝突を検知する。衝突検知センサ１０６は、不図示の外部配線ケーブルを介して、制御部としてのロボットコントローラ３へ衝突検知の信号を送信する。これを受信して、ロボットコントローラ３は、多関節ロボット２に対して緊急停止命令を発行する。

【0037】

本実施例では、計測装置１の内部に設けた衝突検知センサ１０６を用いて所定の大きさよりも大きな衝撃を検出し、緊急停止をさせているが、協働ロボットのようにロボット側に配置されている衝突検知センサ等で衝撃を検知し緊急停止させても良い。即ち、衝突検知センサは少なくともロボットシステム内にあれば良い。