用機器人取出散裝物品的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種使用具有把持部的機器人取出散裝在三維空間中的物品的物品 取出裝置和物品取出方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 作為這種裝置，目前已知以下的裝置，即針對用三維測定機測定散裝的物品所得 到的三維點集合，使用三維匹配處理識別物品的位置。例如在日本特開2011-179909號 公報（JP2011-179909A)中記載了該裝置。另外，還已知以下的裝置，即用三維測定機測 定散裝的物品，抽出通過把持部能夠把持的區(qū)域。例如在日本特開2011-093058號公報 (JP 2〇ll-〇93〇58A)中記載了該裝置。
[0003] 在日本JP2011-179909A記載的裝置中，事先根據(jù)CAD模型等取得物品的三維模 型圖案，另一方面用三維測定機測定三維空間中的物品的表面，取得三維點集合（距離圖 像），將三維點集合分割為由從三維點集合抽出的邊沿包圍住的部分區(qū)域。另外，首先將部 分區(qū)域的一個設(shè)定為物品區(qū)域，重復(fù)進行對該物品區(qū)域的三維模型圖案的匹配處理、向物 品區(qū)域追加其他部分區(qū)域的更新處理的2個處理，由此測量物品的位置和姿勢。
[0004] 在日本JP2011-093058A記載的裝置中，預(yù)先存儲由通過把持機構(gòu)確定的把持機 構(gòu)區(qū)域、根據(jù)把持機構(gòu)所把持的對象物的把持部分來確定的把持部分區(qū)域而構(gòu)成的把持區(qū) 域，在大小與把持區(qū)域相等的區(qū)域、即大小與把持部分區(qū)域相等的區(qū)域整體中存在物體，但 抽出在大小與把持機構(gòu)區(qū)域相等的區(qū)域中不存在物體的區(qū)域作為可把持區(qū)域。
[0005] 但是，JP2011-179909A記載的裝置需要預(yù)先對物品的每一個品種生成三維模型圖 案，要花費時間。特別在物品有多個品種的情況下，需要生成品種數(shù)量的模型圖案，需要很 大的時間。另外，在不定形的物品的情況下，起初就無法生成模型圖案而無法應(yīng)用。進而，在 將把持部移動到根據(jù)物品的位置姿勢確定的取出位置時，把持部有可能與其他物品沖撞。
[0006] 另外，日本JP2011-093058A記載的裝置需要預(yù)先設(shè)定物品的把持部分區(qū)域。進 而，根據(jù)物品的形狀和姿勢，有時不會把持部分區(qū)域在三維測定機側(cè)露出，在該情況下，難 以取出物品。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 作為本發(fā)明的一個形式的物品取出裝置具備：機器人，其具有能夠開閉的把持部； 三維測定機，其測定散裝在三維空間中的多個物品的表面位置，取得多個三維點的位置信 息；把持部模型設(shè)定部，其設(shè)定包含處于開放狀態(tài)的把持部的實體部分的區(qū)域即實體區(qū)域、 實體區(qū)域的內(nèi)側(cè)的把持區(qū)域的把持部模型；位置姿勢候選設(shè)定部，其設(shè)定1個以上的位置 姿勢候選作為把持部的位置和姿勢的候選；把持可能性計算部，其根據(jù)通過三維測定機取 得的位置信息和在把持部模型設(shè)定部中設(shè)定的把持部模型，假設(shè)將把持部配置為通過位置 姿勢候選設(shè)定部設(shè)定的各個位置姿勢候選而通過各位置姿勢候選計算把持部對物品的把 持成功可能性；位置姿勢設(shè)定部，其根據(jù)通過把持可能性計算部計算出的把持成功可能性， 從通過位置姿勢候選設(shè)定部設(shè)定的位置姿勢候選中選擇1個以上的位置姿勢候選，設(shè)定為 把持部位置姿勢；機器人控制部，其控制機器人使得把持部向通過位置姿勢設(shè)定部設(shè)定的 把持部位置姿勢移動而取出物品。
[0008] 另外，本發(fā)明的另一個形式是，一種使用具有可開閉的把持部的機器人取出散裝 在三維空間中的物品的物品取出方法，其特征在于，用三維測定機測定多個物品的表面位 置，取得多個三維點的位置信息，設(shè)定包含位于開放狀態(tài)的把持部的實體部分的區(qū)域即實 體區(qū)域、實體區(qū)域的內(nèi)側(cè)的把持區(qū)域的把持部模型，設(shè)定1個以上的位置姿勢候選作為把 持部的位置和姿勢的候選，根據(jù)通過三維測定機取得的位置信息和把持部模型，假設(shè)將上 述把持部配置為各個上述位置姿勢候選而通過各位置姿勢候選計算上述把持部對物品的 把持成功可能性，根據(jù)把持成功可能性，從位置姿勢候選中選擇1個以上的位置姿勢候選， 設(shè)定為把持部位置姿勢，控制機器人使得把持部向所設(shè)定的把持部位置姿勢移動而取出物 品。
【附圖說明】
[0009] 根據(jù)與附圖關(guān)聯(lián)的以下的實施方式的說明來進一步了解本發(fā)明的目的、特征以及 優(yōu)點。
[0010] 圖1是表示本發(fā)明的一個實施方式的物品取出裝置的概要結(jié)構(gòu)的圖。
[0011] 圖2是表示圖1的抓取器的概要結(jié)構(gòu)的立體圖。
[0012] 圖3A是示意地表示圖1的抓取器的動作的圖。
[0013] 圖3B是示意地表示圖3A中的動作的后續(xù)動作的圖。
[0014] 圖4是表示通過圖1的機器人控制裝置執(zhí)行的處理的一個例子的流程圖。
[0015] 圖5是表示通過圖1的三維測定機取得的三維點集合的一個例子的圖。
[0016] 圖6是說明把持成功可能性的計算公式的圖。
[0017] 圖7A是表示配置在抓取器模型的把持區(qū)域中的物品的一個姿勢的圖。
[0018] 圖7B是表示配置在抓取器模型的把持區(qū)域中的物品的另一個姿勢的圖。
[0019] 圖8是對圖1的容器進行模型化所得的圖。
[0020] 圖9是表示抓取器位置姿勢的一個例子的圖。
[0021] 圖10是表示本發(fā)明的實施方式的物品取出裝置的動作的一個例子的圖。
[0022] 圖11是表示圖10中的動作的后續(xù)動作的一個例子的圖。
[0023] 圖12是表示圖11中的動作的后續(xù)動作的一個例子的圖。
[0024] 圖13是表示圖4的步驟S2和步驟S3的變形例子的流程圖。
[0025] 圖14是表示在預(yù)定方向上對通過三維測定機取得的三維點進行正映射所得的正 映射圖像的一個例子的圖。
[0026] 圖15是表示將抓取器模型投影到正映射圖像上所得的過濾圖像的一個例子的 圖。
[0027] 圖16是表示容器內(nèi)的物品的各種姿勢和抓取器位置姿勢的圖。
[0028] 圖17是表示圖1的機器人控制裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的框圖。
[0029] 圖18是表示連結(jié)集合的一個例子的圖。
【具體實施方式】
[0030] 以下，參照圖1?圖18說明本發(fā)明的實施方式的物品取出裝置。圖1是表示本發(fā) 明的一個實施方式的物品取出裝置10的概要結(jié)構(gòu)的圖。物品取出裝置10具備三維測定機 11、機器人12、與三維測定機11和機器人12連接而控制三維測定機11和機器人12的機器 人控制裝置13。機器人12具備安裝在搖臂12a的前端部的抓取器14。容器16配置在機 器人12的側(cè)方。此夕卜，在圖1中，同時表不出XYZ的正交三軸坐標(biāo)系。Z方向是垂直方向， X方向和Y方向是水平方向，在XZ平面上表示容器16。
[0031] 在上方開放的容器16內(nèi)散裝有多個物品17。本實施方式的物品取出裝置10決 定能夠把持物品17的抓取器14的位置和姿勢（位置姿勢），控制機器人12使得抓取器14 移動到所決定的位置姿勢。進而，在該位置姿勢下通過抓取器14把持物品17,通過機器人 12的動作從容器16內(nèi)取出物品17,輸送到容器16外的預(yù)定位置。在圖1中將多個物品17 表示為相互相同的形狀，但也可以是包含不定形和多個品種的情況。
[0032] 三維測定機11被配置在容器16的中央部上方，測定散裝在容器16內(nèi)的物品17 中的露出的物品17的表面，取得多個三維點的位置信息（三維信息）。三維測定機11的測 定范圍必須包含容器16,但如果測定范圍過大，則導(dǎo)致測定分辨率的降低。因此，理想的是 測定范圍與容器16的占有范圍等同，例如與容器16的占有范圍一致。此外，在圖1中，將 三維測定機11固定在專用的架臺15上，但也可以將三維測定機11安裝在機器人12的前 端部。三維測定機11和機器人控制裝置13通過通信電纜等通信單元相互連接，使得能夠 相互進行通信。
[0033] 作為三維測定機11，可以利用各種非接觸方式的三維測定機。例如，可以列舉2臺 照相機的立體方式、掃描激光狹縫光的方式、掃描激光點光的方式、使用投影儀等裝置將圖 案光投影到物品上的方式、利用從光從投光器出射后到在物品表面反射而入射到受光器為 止的飛行時間的方式等。
[0034] 三維測定機11通過距離圖像或三維圖表這樣的形式表現(xiàn)所取得的三維信息。距 離圖像是指以圖像形式表現(xiàn)三維信息的圖像，通過圖像的各像素的亮度、顏色來表示該圖 像上的位置的高度或相對于三維測定機11的距離。另一方面，三維圖表是指將三維信息表 現(xiàn)為測定出的三維坐標(biāo)值（x，y，z)的集合的圖表。在本實施方式中，將距離圖像中的各像 素、三維圖表中的具有三維坐標(biāo)值的點稱為三維點，將由多個三維點構(gòu)成的集合稱為三維 點集合。三維點集合是通過三維測定機11進行測定的三維點全體的集合，能夠通過三維測 定機11取得。
[0035] 圖2是表示抓取器14的概要結(jié)構(gòu)的立體圖。抓取器14具有固定在機器人臂12a 的前端部的軸部141、設(shè)置在軸部141的下端部的板部142、設(shè)置在板部142的兩端部的一 對把持爪143。軸部141沿著通過其中心的軸線Ll延伸，板部142沿著與軸線Ll垂直的軸 線L2延伸。一對把持爪143分別具有與軸線Ll平行的長度L、與軸線L2平行的厚度T、和 分別與軸線Ll和軸線L2垂直的軸線L3平行的寬度W，呈現(xiàn)相對于軸線Ll相互對稱的形 狀。把持爪143能夠沿著板部142的下面與軸線L2平行地移動，由此把持爪143、143之間 的距離D發(fā)生變化。將一對把持爪143把持物品17時所需要的相對于把持爪143的前端 的長度、即與軸線Ll平行的長度設(shè)為把持深度La。
[0036] 在圖中，如果將相對于軸線LI、L2、L3交叉的點位于預(yù)定距離的下方的點、例如軸 線LI和把持爪143的底面交叉的點PO作為抓取器14的基準(zhǔn)點，則根據(jù)基準(zhǔn)點PO的位置坐 標(biāo)（X，y，z)決定抓取器14的位置。如果將軸線Ll和Z軸、L2和X軸、以及L3和Y軸（圖 1)分別平行的姿勢作為抓取器14的基準(zhǔn)姿勢，則抓取器14能夠以軸線Ll為中心從基準(zhǔn)姿 勢旋轉(zhuǎn)預(yù)定角度Ψ (例如-90° <90° )，能夠以軸線L2為中心旋轉(zhuǎn)預(yù)定角度Φ (例 如-30° < Φ <30° )，能夠以軸線L3為中心旋轉(zhuǎn)預(yù)定角度Θ (例如-30° < Θ <30° )。 因此，根據(jù)角度Φ、Θ、Ψ決定抓取器14的姿勢。即，根據(jù)由并進3個方向（x，y，z)以及 旋轉(zhuǎn)3個方向（Φ、θ、Ψ)構(gòu)成的6個方向（x、y、z、Φ、θ、Ψ)的6個自由度決定三維空 間中的抓取器14的位置姿勢。
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