作業輔助機器人系統的制作方法

專利名稱：作業輔助機器人系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種根據作業工序例如將所需的部件、工具類等傳送給操作員的作業 輔助機器人系統。
背景技術：
在汽車組裝線上很多作業仍然人工完成。這是因為很多部件難以利用機器人來進 行處理、以及需要靈活應對工序的頻繁重組等。在小零部件的組裝工序中，對輸送車體的移動單元配備有貨車轉向架。貨車轉向 架與車體的輸送同步地移動，在貨車轉向架的操作臺上載置有比較小的部件、工具。操作員 進行以下一系列作業。在第一作業中，操作員從操作臺取出部件，并移動到該部件的安裝位 置后將該部件安裝到車體，并返回到貨車轉向架的位置。在第二作業中，操作員從操作臺 取出其它部件和工具，并移動到其它部件的安裝位置后利用安裝工具將其它部件固定到車 體，并返回到貨車轉向架的位置。在第三作業中，操作員取出其它工具，并移動到進行加固 的位置后進行加固作業，并返回到貨車轉向架的位置。在第四作業中，通過手推將貨車轉向 架返回到作為初始位置的原位置。在進行這一系列作業的組裝線上，不設置部件貨架來減 少操作員的步行數。作為汽車組裝線的其它例，代替配置操作員而在規定位置處設定有機 器人，從而實現組裝線作業的自動化。研究開發著關于能夠與人相處的機器人(例如專利文獻1 5)。在專利文獻1中 公開的機器人臂的控制技術中，即使是多關節型的機器人臂，人與機器人臂也能夠安全地 接觸，能夠進行與人的動作相應的最佳接觸動作，不會使人受到接觸損傷。在專利文獻2中 公開的技術中，通過得到機器人完成規定作業時所需的最低限度的輸出并控制超過該限度 的輸出，由此實現機器人與人的相處、協作。在專利文獻3中公開的技術中，在任意的區域 內可靠且簡單地設定機器人的可動范圍與禁止操作員進入的區域，并且能夠隨時變更可動 范圍和禁止進入區域。在專利文獻4中公開的技術中，防止發生在與人協同作業的機器人 之間的協同作業中產生人為錯誤而進入到不可進入的區域的情況，并且不會無目的地限制 機器人的移動。在專利文獻5中公開的技術中，在具有有可能在動作過程中與人接觸的關 節部的與人相處的機器人中，設置接觸傳感器，當控制單元從該接觸傳感器接收到檢測信 號時控制驅動部以避免對人造成危害，以此進行危險回避動作。在這種技術狀況下，在專利文獻6中公開的移動機器人系統中，將機器人臂裝載 于無人輸送車，無人輸送車在設備之間移動而利用機器人臂來進行作業。專利文獻1 日本特開2008-302496號公報專利文獻2 日本特開2008-264899號公報專利文獻3 日本特開2007-283450號公報專利文獻4 日本特開2004-017256號公報專利文獻5 日本特開2002-066978號公報專利文獻6 日本特開2001-341086號公報
非專利文獻非專利文獻1 :P. J. Clark et al, Ecology, Vol. 35，No. 4，pp. 455-453，Oct. 1954

發明內容
發明要解決的問題然而，即使貨車轉向架與車體的移動同步地移動，在操作員的作業耽誤的情況下， 貨車轉向架成為待機狀態，另一方面，在操作員的作業較快進行的情況下，操作員成為待機 狀態。這樣，即使貨車轉向架與車體的移動連動，組裝線整體的效率也變差。另外，操作員 必須從貨車轉向架取出部件、工具以及為了取出部件、工具而在貨車轉向架與作業位置之 間來回移動，因此作業效率較差。另一方面，在專利文獻6中，僅說明了以下情況使移動機器人在沿著多個設備設 置的移動路徑中進行移動，在使移動機器人停止在設備前的規定作業位置處的狀態下利用 機器人臂來進行工件的傳送、組裝等各種作業。因此，本發明的目的在于提供一種作業輔助機器人系統，該作業輔助機器人系統 根據操作員的作業將所需物品、例如該作業所需的部件、工具等在要進行該作業的位置處 能夠正確且可靠地傳送給操作員。用于解決問題的方案為了達到上述目的，本發明中的作業輔助機器人系統的第一結構具備輸送機構， 其對操作員輸送工具、部件中的任一種或者兩種；測量部，其測量操作員的位置；作業進展 狀況估計部，其參照與作業過程有關的數據并根據從測量部輸入的數據來估計作業進展狀 況，在判斷為作業工序轉移到下一個工序時，選擇該下一個工序中所需的物品；以及運動計 劃部，其根據作業進展狀況估計部所估計的作業進展狀況以及所選擇的物品來計劃輸送機 構的運動并控制輸送機構。為了達到上述目的，本發明中的作業輔助機器人系統的第二結構具備機器人臂； 測量部，其測量操作員的位置；作業進展狀況估計部，其參照與作業過程有關的數據并根據 從測量部輸入的數據來估計作業進展狀況，在判斷為作業工序轉移到下一個工序時，選擇 該下一個工序中所需的物品；以及臂運動計劃部，其根據作業進展狀況估計部所估計的作 業進展狀況以及所選擇的物品來計劃機器人臂的軌道并控制機器人臂。為了達到上述目的，本發明中的作業輔助機器人系統的第三結構具備測量部，其 具有傳感器；作業狀況確定部，其根據從測量部輸入的數據來確定操作員的作業狀況；計 算處理兼數據庫部，其能夠算出并保持與作業相對于時間的執行率有關的概率分布，根據 從作業狀況確定部輸入的操作員的位置，求出作業相對于時間的執行率；以及供給定時決 定部，其根據由計算處理兼數據庫部求出的作業相對于上述時間的執行率來決定供給定 時。另外，本發明中的作業輔助機器人系統的第四結構具備測量部，其具有傳感器； 操作員位置確定部，其根據從測量部輸入的數據來確定操作員的位置；計算處理兼數據庫 部，其能夠算出并保持與操作員相對于位置的存在率有關的概率分布，根據從操作員位置 確定部輸入的操作員的位置，求出操作員相對于位置的存在率；以及供給位置決定部，其根 據由計算處理兼數據庫部求出的操作員相對于位置的存在率來決定供給位置；以及供給軌
5道計算部，其根據由供給位置決定部決定的供給位置對機器人臂的軌道進行計算。發明的效果根據本發明的第一結構，作業進展狀況估計部根據從測量部輸入的數據參照與作 業過程有關的數據并估計作業進展狀況，作業進展狀況估計部在判斷為作業工序轉移到下 一個工序的情況下，選擇該下一個工序中所需的物品，另一方面，運動計劃部根據作業進展 狀況估計部所估計的作業進展狀況以及所選擇的物品來計劃輸送機構的運動并控制輸送 機構。也就是說，根據作業的進展狀況來控制輸送機構，由此能夠使輸送機構搬運作業所需 的工具類、部件等。于是，起到提高作業效率、防止作業過程的錯誤等良好的效果。根據本發明的第二結構，作業進展狀況估計部根據從測量部輸入的數據參照與作 業過程有關的數據并估計作業進展狀況，作業進展狀況估計部在判斷為作業工序轉移到下 一個工序的情況下，選擇該下一個工序中所需的物品，另一方面，臂運動計劃部根據作業進 展狀況估計部所估計的作業進展狀況以及所選擇的物品來計劃機器人臂的軌道并控制機 器人臂。也就是說，根據作業的進展狀況來控制機器人臂，由此能夠使機器人臂搬運作業所 需的工具類、部件等。于是，起到提高作業效率、防止作業過程的錯誤等良好的效果。根據本發明的第三結構、第四結構，將從測量部中的傳感器獲取到的操作員的位 置與此時的作業內容之間的關系作為計算處理兼數據庫部而統計地描述并進行存儲更新， 根據計算處理兼數據庫部的輸出來生成作業輔助動作。于是，通過統計地分析操作員的位 置的時間序列數據來掌握作業實際所需的時間、操作員的移動路徑、操作員的習慣等，統計 地處理作業狀況，能夠按照操作員的動作來順利地供給部件、工具。由此，操作員不需要以 往那樣進行以下反復動作為了取部件而從作業位置返回到貨車轉向架來選擇部件，并且 返回到作業位置。本發明起到提高作業效率、防止作業過程的錯誤等良好的效果。


圖1是本發明的第一實施方式所涉及的作業輔助機器人系統的框結構圖。圖2是表示圖1示出的作業輔助機器人系統的一例的框結構圖。圖3是示意性地表示應用本發明的第一以及第二實施方式所涉及的作業輔助機 器人系統的場面的圖。圖4是表示圖3示出的測量部中的傳感器的設置狀況的圖。圖5是示意性地表示作業空間的一例的圖。圖6是用于說明作業進展狀況估計部確定操作員位置的功能的示意圖。圖7是本發明的第二實施方式所涉及的作業輔助機器人系統的框結構圖。圖8是圖7示出的作業輔助機器人系統的變形例的框結構圖。圖9是說明保存于第一計算處理部中的概率分布的計算的圖。圖10是說明供給位置決定部以及供給位置調整部中的功能的圖。圖11是說明供給定時決定部以及供給時刻調整部的功能的圖。圖12是示意性地描繪作業相對于位置的執行率的圖，(A) ⑴是表示各作業相 對于位置的執行率的圖。圖13是示意性地描繪圖12示出的作業相對于位置的執行率的圖，以車輛的坐標 系X。、Yc表示相對于位置的執行率最高的作業。
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附圖標記說明1 車體；2 操作員；10、10A、40、40A 作業輔助機器人系統；11 機器人臂；IlA 輸送單元；31 工作臺；11AU1BU1C 關節部；IlDUlE 臂；IlF 工具安裝用配件；IlG 托 盤；12 測量部；12A、12B 傳感器；13 作業進展狀況估計部；14 臂運動計劃部；15 補給 部；16,50 輸入部；17,51 安全保障部；18,53 上位動作計劃部；19,52 緊急動作控制部； 20,54 阻抗控制部；21 綜合控制部；22 作業過程數據存儲部；30 殼體；31 工作臺；32 排出口 ；33 工具設置用盒；34 工具；35 部件；41 機器人；42 測量部；43 操作員位置確 定部；44 作業進度估計部；45 計算處理兼數據庫部；45A 第一計算處理部；45B 第二計 算處理部；45C 第三計算處理部；46 供給位置決定部；47 供給定時決定部；48 供給軌道 計算部；49A 供給時刻實際時間修正部；49B 供給位置調整部；49C 供給時刻調整部；55 作業狀況確定部；56 操作員位置和作業狀況確定部。
具體實施例方式下面，參照附圖以作業輔助機器人系統被配置在汽車組裝線上的情況為前提來詳 細說明本發明的幾個實施方式。在對輸送機構、例如機器人臂或者遵照該機器人臂的機構 進行控制來輔助操作員的作業的各種情況下，也能夠在不變更本發明的宗旨的范圍內進行應用。[第一實施方式]圖1是本發明的第一實施方式所涉及的作業輔助機器人系統的框結構圖。圖2是 表示圖1示出的系統的一例的框結構圖。圖3是示意性地表示圖1以及圖2示出的作業輔 助機器人系統被配置在汽車組裝線上的場面的圖。在各圖中對相同或者實質上相同的部件 附加相同的附圖標記。[作業輔助機器人系統的整體結構]如圖1所示，本發明的第一實施方式所涉及的作業輔助機器人系統IOA具備輸 送機構11A，其輸送部件、工具等物品；測量部12，其測量操作員的位置；作業進展狀況估計 部13，其估計作業進展狀況并選擇部件、工具等物品；以及運動計劃部14A，其控制輸送機 構IlA0作業進展狀況估計部13參照與作業過程有關的數據并根據從測量部12輸入的數 據來估計作業進展狀況，在判斷為作業工序轉移到下一個工序時選擇該下一個工序所需的 部件、工具等物品。上述運動計劃部14A根據作業進展狀況估計部13所估計的作業進展狀 況以及所選擇的物品來計劃輸送機構IlA的運動并控制輸送機構IlA0圖2示出的作業輔助機器人系統10具備一個或者多個機器人臂11作為輸送機構 11A，具備臂運動計劃部14作為運動計劃部14A。臂運動計劃部14是以下單元根據作業 進展狀況估計部13所估計的作業進展狀況以及所選擇的物品來計劃機器人臂11的軌道并 控制機器人臂11。圖2示出的作業輔助機器人系統10具備一個或者多個機器人臂11 ；測量部12， 其測量操作員的位置；作業進展狀況估計部13，其參照與作業過程有關的數據并根據從測 量部12輸入的數據來估計作業進展狀況，在判斷為作業工序轉移到下一個工序時選擇該 下一個工序所需的作為物品的部件、工具等；以及臂運動計劃部14，其根據作業進展狀況 估計部13所估計的作業進展狀況以及所選擇的物品來計劃機器人臂11的軌道并控制機器人臂11。在以下說明中，特別是以圖2示出的作業輔助機器人系統10為前提。如圖2所示，作業輔助機器人系統10具備補給部15，其供給部件、工具；輸入部 16，其接收從操作員對機器人臂11輸入的命令；安全保障部17，其用于確保作業安全使得 機器人臂11不會與操作員接觸且機器人臂11不會與車體、設備碰撞；上位動作計劃部18， 其接收來自輸入部16的輸入并計劃機器人臂11的動作；緊急動作控制部19，其接收來自 安全保障部17的輸入并緊急控制機器人臂11 ；以及阻抗控制部20，其控制機器人臂11中 的阻抗。在此，補給部15將部件、工具提供給機器人臂11的托盤11G，因此也可以將補給部 15稱為供給部。在圖2示出的作業輔助機器人系統10中，作業進展狀況估計部13、上位動作計劃 部18、臂運動計劃部14、阻抗控制部20以及緊急動作控制部19如以下說明那樣有機地相 互關聯，由此構成綜合控制部21。來自作業進展狀況估計部13和上位動作計劃部18的各輸出信息被輸入到臂運動 計劃部14，臂運動計劃部14根據這些輸出信息來計劃機器人臂11的軌道。來自臂運動計 劃部14、阻抗控制部20以及緊急動作控制部19的各輸出信息被輸入到機器人臂11，而控 制機器人臂11。圖2示出的作業輔助機器人系統10具備作業過程數據存儲部22，在該作業過程數 據存儲部22中按照操作員的作業過程而存儲有各作業工序的內容，除此以外還存儲有后 述的作業過程數據。通過作業進展狀況估計部13和臂運動計劃部14來參照該作業過程數據。在以下說明中，說明具備作業過程數據存儲部22的情況，但是作業輔助機器人系 統10根據需要從外部通過區域內LAN等網絡對綜合控制部21將作業過程數據進行數據分 發的情況下也相同。對作業輔助機器人系統10被配置在汽車組裝線上的情況進行說明。圖3是示意性 地表示應用作業輔助機器人系統10的場面的圖。在汽車組裝線上，例如由未圖示的一對L 字形狀的臂部支承車體1，該車體1 一邊移動一邊被組裝。在附圖中雖僅示出一個殼體30， 但是沿著車體1所移動的組裝線隔著間隔配置有殼體30。殼體30具備工作臺31，該工作臺 31能夠載置操作員2所需的物品例如工具、部件，在工作臺31的上部設置有排出口 32，該 排出口 32排出所需的部件。在工作臺31的一端部以能夠驅動的方式安裝有機器人臂11。 在此，圖3示出一臺機器人臂11的情況，但是根據工序也可以具備多個機器人臂，通常也可 以具有一個機器人臂。多個關節以能夠驅動彼此的連桿的方式進行結合，由此構成機器人臂11。機器人 臂11例如為二自由度的水平多關節型的機器人臂，例如圖3所示，第一關節部IlA將工作 臺31與第一臂IlD進行連結，第二關節部IlB將第一臂IlD與第二臂IlE進行連結，第三 關節部IlC將第二臂IlE與工具安裝用配件IlF以及托盤IlG進行連結。第一至第三關節 部11A、11B、11C都具有沿著鉛垂方向平行地配置的轉動軸。在殼體30中，在能夠驅動地安 裝有機器人臂11的一側的相反側設置有多個工具設置用盒33。螺絲刀、轉矩扳手等手動或 者電動的各種工具34從上方被插入到各工具設置用盒33，以機器人臂11或者操作員能夠 取出的方式被容納于各工具設置用盒33中。在殼體30中除了容納機器人臂11中的驅動用電源、驅動部以外還容納螺絲、螺母
8等比較小的各種部件35，各種部件從排出口 32被排出到工作臺31。如果驅動機器人臂11 的各關節部11A、1 IBUlC來將托盤IlG移動到工作臺31上，則能夠在托盤IlG中放入部件 35，之后，如果驅動機器人臂11的各關節部11A、1 IB、1IC則能夠將部件35輸送到操作員附 近，還能夠取出各種工具34。[作業輔助機器人系統的各部的結構]詳細說明圖1以及圖2示出的作業輔助機器人系統10、10A的結構。作為輸送單 元Ila的機器人臂11是臂部通過關節部相連結而構成。既可以是如圖3示出的僅在同一 水平面上驅動多關節型機器人臂的機器人臂，也可以是在水平和垂直中的任一個平面上都 進行驅動的機器人臂。另外，根據工序，圖1示出的輸送機構IlA只要輸送工具、部件中的 任一種或者兩種即可，既可以是圖2示出的機器人臂11，而且也可以是不具有多個關節的、 一自由度的直動工作臺，另外，即使是其本身進行移動的轉向架，也只要對工具、部件中的 任一種或者兩種進行輸送即可。可以將機器人臂11如圖3所示那樣以能夠驅動的方式安 裝到殼體30，也可以安裝到組裝線上的固定設備，還可以安裝到如轉向架那樣的能夠移動 的設備。補給部15按照每個種類大小、標準不同的各種螺絲、螺母等部件進行分類，根據 來自外部的命令、例如來自臂運動計劃部14的命令將所需部件準時排出到規定的排出口。 補給部15被設置成能夠選擇作業所需的工具等用具。測量部12既可以構成為將IC標簽和接收器安裝到地面等上，也可以構成為將壓 力傳感器埋入到地面而能夠直接獲取操作員的位置，但是測量部12包括一個以上的各種 傳感器。方便起見，作為傳感器的種類，例如使用激光式測距傳感器、CCD照相機等光學傳 感器。激光式測距傳感器照射激光，對在設置物、移動中的操作員、車體等各種物品上反射 的反射激光進行檢測。該激光式測距傳感器也被稱為LRF(Laser Range Finder 激光測距 儀)，例如既可以安裝在圖3示出的殼體30上，也可以安裝在除此以外的組裝線上的設備。 例如，在鉛垂上下方向上隔著間隔設置兩個傳感器。圖4是表示測量部12中的傳感器的設 置狀況的圖。作為一側傳感器的第一傳感器12A為了對操作員的腰部位置進行檢測，而設 置于與地面相距操作員的標準腰部高度的位置附近。作為另一側傳感器的第二傳感器12B 為了對操作員的腳部、例如膝關節、腳踝的位置附近進行檢測，而設置于與地面相距操作員 的標準腳部高度的位置附近。在圖4中，X軸和Z軸是固定在地面上的固定坐標系。輸入部16接收從操作員對機器人臂11輸入的命令，具備聲音示教部與無聲音示 教部中的任一種或者兩種，其中，上述聲音示教部具有麥克風和聲音識別功能，上述無聲音 示教部具有操作按鈕和/或操作桿，檢測其操作狀況并轉換為信號。當機器人臂11與其它物、例如移動中的車體1、操作員2以及設備碰撞的可能性較 大時，安全保障部17將信號輸入到緊急動作控制部19。綜合控制部21接收來自測量部12、輸入部16以及安全保障部17的輸入，對機器 人臂11和補給部15進行控制。詳細地說，綜合控制部21具有作業進展狀況估計部13、上 位動作計劃部18、臂運動計劃部14、阻抗控制部20以及緊急動作控制部19。在圖1示出的 示例中，綜合控制部21與作業輔助機器人系統10內的作業過程數據存儲部22相連接，作 業輔助機器人系統10也可以與未圖示的控制中心相連接，從綜合地控制作業線的控制中 心將作業過程數據隨時輸入到綜合控制部21。
[綜合控制部的各部的結構]詳細說明綜合控制部21中的各部的結構。作業進展狀況估計部13從測量部12被輸入傳感器的輸出數據而估計操作員的作 業的進展狀況。詳細地說，作業進展狀況估計部13具有確定操作員的位置的功能和根據操 作員的位置來辨別操作員的行動的功能。將前者稱為操作員位置確定功能，將后者稱為操 作員行動辨別功能。操作員位置確定功能是對傳感器的輸出數據進行聚類分析(clustering)而確 定操作員的類來確定操作員的位置的功能。對傳感器的輸出數據、即反射點的集合進行 聚類分析，將某一特征空間上的點根據其分布狀態分類為幾個組。在聚類分析中使用 NN(Nearest Neighbor 最鄰近)法、K-NN(K Nearest Neighbor Algorithm :K最鄰近算法) 法以及K平均(K Mean Algorithm)法等公知的技術(非專利文獻1)。即使對來自傳感器 的輸出數據進行聚類分析，也難以分清如下數據對在操作員上反射的激光進行檢測而得 到的數據；對在操作員以外的物品例如設置在組裝線上的物品、車體1等上反射的激光進 行檢測而得到的數據。因此，例如在圖4中所說明的那樣，在操作員的腰部高度附近以及操作員的腳部 高度附近配置有在鉛垂方向上上下分離的第一傳感器12A和第二傳感器12B。并且，對來自 第一傳感器12A的輸出數據進行聚類分析來求出用于確定操作員的位置的數據，對來自第 二傳感器12B的輸出數據進行聚類分析來求出用于確定操作員的位置的數據。通過聚類分 析根據第一傳感器12A的輸出數據求出的結果稱為“腰類”，通過聚類分析根據第二傳感器 12B的輸出數據求出的結果稱為“腳類”。從操作員的腰部與兩腳之間的位置關系來看，當在 水平面上考慮時，在表示操作員的腰類周圍的固定距離內存在兩個腳類。因此，作業進展狀 況估計部13首先根據對從測量部12輸入的數據進行聚類分析而得到的結果，根據在從腰 類的中心起的規定半徑內是否存在兩個腳類，來判斷與操作員有關的數據。為了便于說明， 設將一個腰類與兩個腳類的組合稱為操作員類。這樣，作業進展狀況估計部13在每次從測 量部12輸入傳感器的輸出數據時，或者根據所輸入的次數，對與操作員有關的數據、即操 作員類進行規定的多個次數的判斷。與此不同，作業進展狀況估計部13在根據來自測量部 12的輸出數據來暫時確定操作員類之后，計算從傳感器測量的一個周期前的操作員類與當 前測量的各腰類之間的距離，將距離最短的腰類確定為操作員類。之后，也可以繼續更新操 作員類。在這種情況下，只要操作員沒有進行較大的移動，作業進展狀況估計部13就僅根 據腰類確定操作員類。作業進展狀況估計部13通過以上說明的過程來確定操作員類。另 外，根據包含在操作員類中的所有數據，將表示操作員的位置的作為代表的點決定為“操作 員代表點”，并作為操作員位置信息來使用于行動辨別。例如對包含在操作員類中的所有數 據(例如坐標)進行平均來算出操作員代表點。如圖5所例示的那樣，作業空間被劃分成多個區域。圖5示出的坐標系以沿著組 裝線移動的車體為基準決定為X。軸、Y。軸。相對于X。-Y。軸被劃分成區域Α、區域B、區域C、 區域D以及區域E這共計五個劃分區域。能夠按照工序來任意地決定劃分區域的大小、位 置、數量。對各區域以一對一的方式對應地決定要根據各作業進行的作業區域。圖6是用 于說明作業進展狀況估計部13中的操作員位置確定功能的示意圖。從圖6可知，在Χ。-Υ。 平面上求出腰類，在其中心決定作業代表點，操作員在作業代表點的Χ。-Υ。平面坐標中的區
10域A進行作業。作業進展狀況估計部13中的另一個功能、即操作員行動辨別功能是根據操作員 的位置辨別操作員的行動的功能，是根據利用上述操作員位置確定功能得到的操作員代表 點以及預先決定的作業過程數據來辨別操作員的行動的功能。下面，詳細說明操作員行動 辨別功能。根據某操作員進行作業的工序來決定作業過程。在作業過程數據中作為必要要 素而至少包含作業編號與作業空間，優選包含作業編號、作業空間以及作業時間作為必要 要素。作業空間表示操作員要進行作業的空間被劃分成多個區域而哪一個區域為該作業的 區域。此外，方便起見，設將各個被劃分的區域稱為劃分區域。圖5是示意性地表示作業空間的一例的圖。在圖5示出的示例中，以沿著組裝線 移動的車體為基準來決定坐標系，在附圖中表示為X。軸、Y。軸。相對于χ。-γ。軸被劃分成區 域Α、區域B、區域C、區域D以及區域E這共計五個劃分區域。對各區域以一對一的方式對 應地決定要根據各作業進行的作業區域。在作業空間A(i)與作業編號i相應地發生變化 的情況下，作為作業過程數據的要素至少包含作業編號i和作業空間A(i)即可，在雖然作 業編號i變化為下一個作業編號i+Ι、但是作業空間A(i+1)與作業空間A(i)相同的情況 下，作為作業過程數據的要素包含作業編號i、作業空間A(i)以及作業時間t(i)即可。在 此，i是1以上且作業工序數以下的自然數。作業過程數據具備這種數據結構，因此將作業工序的變化替換為作業區域的變 化，根據操作員代表點的位置來估計作業工序的進度。即，當從操作員代表點所存在的作業 區域變化為下一個作業區域時，作業工序的判斷結果也轉移到下一個作業。但是，在相同作 業區域內連續進行多個作業的情況下，僅根據操作員代表點的位置是無法識別作業工序的 變化的。因此，對各作業的作業時間與時間經過進行比較來判斷作業工序有無轉移。按照 作業編號順序來進行各作業，因此不會返回到前一作業。于是，當存在作業工序的轉移時， 即使存在操作員代表點進入到前一作業工序的作業區域的情況，只要作業工序編號不會重 新設定，作業工序就不會返回到之前的作業工序。如上所述，作業進展狀況估計部13根據來自測量部12的傳感器的輸出數據來確 定操作員的位置，估計操作員的作業進展狀況。當存在作業工序的轉移時，作業進展狀況估 計部13對臂運動計劃部14輸出作業工序已轉移的意思的信號。上位動作計劃部18將操作員通過輸入部16輸入的與機器人臂11有關的強制命 令轉換為針對臂運動計劃部14的信號，將其結果輸出到臂運動計劃部14。臂運動計劃部14參照存儲于作業過程數據存儲部22中的與作業過程有關的數 據，并且當從作業進展狀況估計部13接收到存在作業轉移的意思的信號的輸入時，計劃根 據下一個作業如何驅動機器人臂11。基本上，機器人臂11將下一個作業、即操作員當前進 行中的作業的下一個作業中所需的工具以及部件設置于托盤而能夠移動到下一個供給位 置。臂運動計劃部14當通過上位動作計劃部18接收到操作員所輸入的與機器人臂11有 關的命令時，只要作業進展狀況允許，就根據操作員的命令來驅動機器人臂11。在臂運動計 劃部14中例如保存有與機器人臂11的驅動有關的多個動作文件。臂運動計劃部14根據 從作業進展狀況估計部13和上位動作計劃部18輸入的結果來選擇一個動作文件并輸出到 機器人臂11。于是，臂運動計劃部14根據動作文件來驅動機器人臂11。在機器人臂11的各關節部安裝有馬達和編碼器。阻抗控制部20根據來自編碼器的反饋信號、來自輸入部16的操作力來算出阻抗移動量，平衡地控制機器人臂11。緊急動作控制部19當從安全保障部17被輸入信號時，強制性地控制機器人臂11 使得機器人臂11位于安全區域。通過該強制控制，來避免機器人臂11與例如移動中的車 體1、操作員2以及設備等之間碰撞。[作業輔助方法]以作業輔助機器人系統10被安裝于圖3示出的汽車組裝線上的情況為例詳細說 明作業輔助方法。操作員根據作業工序對沿著組裝線移動的車體1進行組裝作業。一個操作員被部 署在組裝線的規定位置上，例如依次進行作為第一工序的前縱梁(front side member)后 側的加固作業、作為第二工序的翼子板內襯板孔座(fender liner grommet)的安裝作業以 及作為第三工序的左側前閘軟管夾(front brake hose clip)的嵌入作業等。測量部12以規定的定時對水平地照射激光而反射過來的激光進行檢測，根據激 光的彈回時間、方向來對包括操作員的反射點的位置進行測量，將第一傳感器12A和第二 傳感器12B的各輸出數據輸入到作業進展狀況估計部13。當從第一傳感器12A和第二傳感器12B存在各輸出數據的初始的輸入時，作業進 展狀況估計部13如上述那樣對輸出數據進行聚類分析來求出腰類和腳類，抽出在從腰類 的中心起的規定的半徑內存在腳類的成對的腰類與腳類，由此求出操作員類。當從第一傳感器12A和第二傳感器12B存在各輸出數據的二次以后的輸入時，作 業進展狀況估計部13對輸出數據進行聚類分析，將上一次求出的腰類附近的類作為本次 的腰類來求出。作業進展狀況估計部13在每次從測量部12輸入數據時都根據這樣求出的腰類確 定操作員的位置，估計預先劃分的劃分區域中的哪一個區域中存在操作員。作業進展狀況 估計部13判斷滿足了以下任一個情況作業區域是否成為另一區域；或者雖然作業區域是 相同但是從開始一個作業起是否經過了在作業過程數據內規定的作業時間。作業進展狀況 估計部13在做出肯定的判斷的情況下，判斷為結束一個作業而變化為另一作業，將其判斷 結果輸出到臂運動計劃部14。于是，由于從作業進展狀況估計部13輸入了與作業轉移有關的信息，因此臂運動 計劃部14在每次接收該輸入時，參照作業過程數據存儲部22來判斷在下一個作業中是否 從補給部15中的排出口 32供給部件、是否存在需要的工具34。臂運動計劃部14在判斷為 應該從排出口 32供給部件的情況下，向補給部15通知要供給的部件的種類、數量等信息。 與此同時，臂運動計劃部14輸出用于驅動機器人臂11的命令使得將安裝于機器人臂11的 前端的托盤IlG在排出口 32的前面配置規定時間，從排出口 32接收部件35的補給。此時， 補給部15從臂運動計劃部14被輸入要供給的部件的種類、數量等信息，因此根據該信息從 排出口 32供給部件。臂運動計劃部14在輸出命令的同時在判斷為在下一個作業工序中需 要工具的情況下，發出命令使得例如選擇安裝于殼體30的工具34中的一個，將工具34掛 在工具安裝用配件IlF等來保持，并驅動機器人臂11來輸送到操作員附近。如上所述，當傳感器的輸出數據從測量部12被輸入到作業進展狀況估計部13時， 作業進展狀況估計部13確定操作員的位置，判斷是否轉移到下一個作業。當作業進展狀況 估計部13判斷為轉移到下一個作業時，與作業轉移有關的信息被輸入到臂運動計劃部14。
12由于對臂運動計劃部14輸入與作業轉移有關的信息，因此臂運動計劃部14根據作業過程 數據來計算機器人臂11的軌跡等而驅動機器人臂11，并且在作業過程數據中設定有下一 個作業中供給的部件的種類、數量的情況下，將該信息通知給補給部15。于是，即使作業工 序轉移，操作員只要預先移動到要進行作業的區域，就能夠猶如被傳送到手那樣接收所需 的部件、工具。也就是說，作業輔助機器人系統10反復進行以下一系列作業。即，當測量部12將 傳感器的輸出數據輸入到作業進展狀況估計部13時，作業進展狀況估計部13判斷作業工 序是否發生轉移。在發生了轉移的情況下，該信息被輸入到臂運動計劃部14，將下一個作 業中所需的部件輸送到機器人臂11。在該一系列反復進行作業途中，當操作員對輸入部16 進行了輸入時，其意思被輸入到上位動作計劃部18，因此臂運動計劃部14按照操作員的意 圖來強制性地控制機器人臂11。進而，在該一系列反復進行作業途中，當從安全保障部17 對緊急動作控制部19輸入了要回避機器人臂11的動作的信號時，中斷該一系列反復進行 的作業而進行機器人臂11的回避動作。由此，能夠更適當地進行作業輔助。在上述說明中，特別描述了圖1示出的輸送機構IlA特別是機器人臂11而運動計 劃部14A為臂運動計劃部14的情況。但是，輸送機構IlA只要是將工具、部件中的任一種或 者兩種的物品輸送給操作員的機構，則不僅可以是具有一個或者多個關節的臂，也可以是 一自由度的臂或者直動工作臺或者直接在地面上移動的移動轉向架。與此相對，運動計劃 部14A并不限定于臂運動計劃部14，只要能夠根據作業進展狀況估計部13所估計的作業進 展狀況以及所選擇的物品來計劃輸送機構IlA的運動而控制輸送機構就可以是任一部件。 其它結構以及由該結構起到的作用效果、作業輔助方法相同，因此省略說明。另外，在圖2的系統結構中，以如圖3以及圖4所示那樣測量部是上下分離配置的 多個激光測距傳感器為前提，但是只要能夠測量操作員的位置，就也可以是其它傳感器。作 為一例，將壓力傳感器無縫地埋入到地面。例如，在地面上設定坐標，以坐標的網格形狀埋 入多個壓力傳感器。由此，能夠根據多個壓力傳感器中的檢測到的傳感器的位置通過上述 方法進行聚類分析來確定操作員的位置。在作業區域內的地面上放置有某種物品的情況、 其他操作員進入的情況等下，如果通過進行聚類分析來確定操作員，則能夠更正確地掌握 操作員的位置。作為其它例，事先在作業現場的天棚上以網格形狀設置成對的激光照射部 與激光接收部。在從激光照射部對地面照射激光并由激光接收部接收到地面所反射的激光 的情況下，操作員不處于該成對的激光照射部與激光接收部的正下方，相反，在激光接收部 沒有接收到地面所反射的激光的情況下，操作員處于該成對的激光照射部與激光接收部的 正下方。于是，通過事先以網格形狀配置成對的激光照射部與激光接收部，來能夠確定操作 員的存在位置。在這種情況下也同樣地，在作業區域內放置有某種物品的情況、其它操作員 進入的情況等下，如果通過進行聚類分析來確定操作員，則能夠更正確地掌握操作員的位 置。在圖1以及圖2示出的系統結構中，根據操作員的位置來估計作業進度，因此如果 操作員不按照預先決定的作業過程進行動作則無法估計作業進度。另外，實際上每個操作 員都有自己的習慣，因此產生較小的定時偏差。因此，作為改進這一點的系統，說明第二實 施方式。[第二實施方式]
13
圖7是本發明的第二實施方式所涉及的作業輔助機器人系統40的結構圖。相對 于圖1示出的系統結構，如下變更作業過程數據存儲部22、作業進展狀況估計部13、臂運動 計劃部14以及與它們相關聯的各部。此外，在圖7中，也具備與圖1示出的輸入部16、安全 保障部17、上位動作計劃部18、緊急動作控制部19以及阻抗控制部20對應的輸入部50、安 全保障部51、上位動作計劃部53、緊急動作控制部52以及阻抗控制部54，由此，也可以設為 能夠對具備機器人臂和補給部的機器人41進行強制性控制。本發明的第二實施方式所涉及的作業輔助機器人系統40具備與圖1示出的機器 人臂11和補給部15對應的機器人41、相當于圖1以及圖2的測量部12的測量部42、操作 員位置確定部43、作業進度估計部44、算出并保存后述的各種概率的計算處理兼數據庫部 45、供給位置決定部46、供給定時決定部47、供給軌道計算部48、供給時刻實際時間修正部 49A、供給位置調整部49B以及供給時刻調整部49C。此外，第二實施方式并不限于圖7示出 的結構圖，而能夠進行各種變更。例如圖8示出的第二實施方式的變形例那樣，除了設置操 作員位置確定部43以外還可以設置作業狀況確定部55。在圖8示出的作業輔助機器人系 統40A中，操作員位置確定部43與作業狀況確定部55構成操作員位置以及作業狀況確定 部56。如上所述，機器人41具備機器人臂和補給部，其中，該補給部用于將部件供給到 安裝于機器人臂前端的托盤上。在此，代替機器人41而也可以是具備輸送機構和補給部的 機構，其中，該輸送機構輸送部件、工具等物品。測量部42為了確定操作員的位置而具有多個激光式測距傳感器。與圖1示出的 方式同樣地，縱向排列配置兩個傳感器、即LRF (Laser Range Finder)，利用LRF分別對操作 員的腰部和兩個腳部的高度進行測量。操作員位置確定部43對從測量部42輸入的數據進行聚類分析來確定操作員的位 置。與圖1、圖2示出的方式同樣地，應用Nearest Neighbor法等對由測量部42測量得到 的數據進行聚類分析，確定操作員類來求出操作員的位置(xw，yw)。計算處理兼數據庫部45根據從操作員位置確定部43輸入的操作員的位置(xw，yw) 來分別求出并存儲操作員相對于位置的存在率En,μ.、作業相對于時間的執行率In,t以及作 業相對于位置的執行率Rn, i,」，并不斷地更新這些信息，并且逐一輸出這些信息。將三個概 率分布的數據分別保存到第一、第二以及第三計算處理部45A、45B、45C。在第一計算處理部45A中算出并保存“操作員相對于位置的存在率”的概率分布 的數據。該概率分布的計算方法如下。如圖9所示，例如在以固定寬度的網格表示并且以車 輛(一般“操作對象物”)為基準而設定的坐標系中，按照每個單元格(cell)求出觀測到操 作員的次數，將該次數除以各作業中的數據的總數，由此求出各作業中操作員在該位置(i， j)中進行作業的比例、即作業η中的操作員相對于位置(i，j)的存在率En, u。也就是說， En, υ表示在賦予作業編號η時進行該作業的操作員處于哪一點的可能性高。從式(1)求 出 E11, i，j O[式1]
M
在此，Cm^j是在第m車輛中在(i，j)地址處測量得到的第η個作業數據點的數
權利要求
一種作業輔助機器人系統，具備輸送機構，其將工具和/或部件輸送給操作員；測量部，其測量操作員的位置；作業進展狀況估計部，其參照與作業過程有關的數據并根據從上述測量部輸入的數據對作業進展狀況進行估計，在判斷為作業工序轉移到下一個工序時，選擇該下一個工序中所需的物品；以及運動計劃部，其根據上述作業進展狀況估計部所估計的作業進展狀況以及所選擇的物品來計劃上述輸送機構的運動并控制上述輸送機構。
2.—種作業輔助機器人系統，具備機器人臂；測量部，其測量操作員的位置；作業進展狀況估計部，其參照與作業過程有關的數據并根據從上述測量部輸入的數據 對作業進展狀況進行估計，在判斷為作業工序轉移到下一個工序時，選擇該下一個工序中 所需的物品；以及臂運動計劃部，其根據上述作業進展狀況估計部所估計的作業進展狀況以及所選擇的 物品來計劃上述機器人臂的軌道并控制上述機器人臂。
3.根據權利要求1或者2所述的作業輔助機器人系統，其特征在于，要分配操作員的區域預先被劃分為劃分區域，在與上述作業過程有關的數據中包含關于按照作業工序類別在哪一個劃分區域進行 作業的信息，當從上述測量部輸入數據時，上述作業進展狀況估計部根據從上述測量部輸 入的數據來確定操作員的位置，并通過判斷操作員位于哪一個劃分區域來估計作業進展狀 況。
4.根據權利要求1或者2所述的作業輔助機器人系統，其特征在于，要分配操作員的區域預先被劃分為劃分區域，在與上述作業過程有關的數據中包含關于按照作業工序類別在哪一個劃分區域中進 行作業的與作業區域和作業時間有關的信息，當從上述測量部輸入數據時，上述作業進展 狀況估計部根據從上述測量部輸入數據來確定操作員的位置，根據包括在哪一個劃分區域 以及開始進行作業起的經過時間來估計作業進展狀況。
5.根據權利要求1或者2所述的作業輔助機器人系統，其特征在于，上述測量部包括上下分離地配置的多個測距傳感器，上述作業進展狀況估計部對從該 多個測距傳感器輸入的數據進行聚類分析，根據與操作員的腰部和腳部有關的類來確定操 作員的位置。
6.根據權利要求1或者2所述的作業輔助機器人系統，其特征在于，上述作業進展狀況估計部選擇工具和/或部件作為下一個工序所需的物品，在上述機器人臂的前端側安裝有托盤和配件，其中，該托盤輸送上述作業進展狀況估 計部所選擇的工具和/或部件，該配件能夠保持上述作業進展狀況估計部所選擇的工具。
7.—種作業輔助機器人系統，具備測量部，其具有傳感器；作業狀況確定部，其根據從上述測量部輸入的數據來確定操作員的作業狀況；計算處理兼數據庫部，其能夠算出并保持與作業相對于時間的執行率有關的概率分 布，根據從上述作業狀況確定部輸入的作業狀況，求出作業相對于時間的執行率；以及供給定時決定部，其根據由上述計算處理兼數據庫部求出的、作業相對于時間的執行 率來決定供給定時。
8.根據權利要求7所述的作業輔助機器人系統，其特征在于， 還具備操作員位置確定部，其根據從上述測量部輸入的數據來確定操作員的位置； 其它計算處理兼數據庫部，其算出并保持與作業相對于位置的執行率有關的概率分 布，根據從上述操作員位置確定部輸入的操作員的位置，求出作業相對于位置的執行率；作業進展估計部，其根據從上述其它計算處理兼數據庫部輸入的、作業相對于位置的 執行率以及從上述操作員位置確定部輸入的操作員的位置來估計作業進展并求出供給時 刻的修正量；以及供給時刻實際時間修正部，其根據由上述供給定時決定部求出的供給定時以及由上述 作業進展估計部求出的供給時刻的修正量來求出供給時刻。
9.根據權利要求8所述的作業輔助機器人系統，其特征在于，在上述供給定時決定部與上述供給時刻實際時間修正部之間具備供給時刻調整部，該 供給時刻調整部對根據從上述計算處理兼數據庫部輸出的、作業相對于時間的執行率來求 出的供給定時相加或減去相對于供給時刻的偏移量，并將結果輸出到上述供給時刻實際時 間修正部。
10.一種作業輔助機器人系統，具備 測量部，其具有傳感器；操作員位置確定部，其根據從上述測量部輸入的數據來確定操作員的位置； 計算處理兼數據庫部，其能夠算出并保持與操作員相對于位置的存在率有關的概率分 布，根據從上述操作員位置確定部輸入的操作員的位置，求出操作員相對于位置的存在率； 以及供給位置決定部，其根據由上述計算處理兼數據庫部求出的、操作員相對于位置的存 在率來決定供給位置；以及供給軌道計算部，其根據由上述供給位置決定部決定的供給位置對輸送單元的軌道進 行計算。
11.根據權利要求10所述的作業輔助機器人系統，其特征在于，在上述供給位置決定部與上述供給軌道計算部之間具備供給位置調整部，該供給位置 調整部對根據從上述計算處理兼數據庫部輸出的、操作員相對于位置的存在率求出的供給 位置相加或減去與供給位置有關的偏移量，并將結果輸出到上述供給軌道計算部。
全文摘要
本發明提供一種作業輔助機器人系統，具備機器人臂(11)；測量部(12)，其測量操作員的位置；作業進展狀況估計部(13)，其一邊參照與作業過程有關的數據一邊根據從測量部(12)輸入的數據來估計作業進展狀況，在判斷為作業工序轉移到下一個工序時，選擇該下一個工序中所需的物品；以及臂運動計劃部(14)，其根據作業進展狀況估計部(13)所估計的作業進展狀況以及所選擇的物品來計劃機器人臂(11)的軌道并控制機器人臂(11)。能夠根據操作員的作業來將所需的工具、部件等物品傳送給操作員。
文檔編號B25J13/00GK101970185SQ201080001237
公開日2011年2月9日 申請日期2010年5月21日 優先權日2009年5月22日
發明者伊藤昭芳, 小菅一弘, 川合雄太, 川邊慎二, 松井洋一, 菅原雄介, 衣川潤 申請人:關東自動車工業株式會社;國立大學法人東北大學