JP2001060108A

JP2001060108A - ロボット動作教示装置および動作教示方法

Info

Publication number: JP2001060108A
Application number: JP2000024498A
Authority: JP
Inventors: Fumitomo Saito; 史倫齋藤
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1999-06-18
Filing date: 2000-02-01
Publication date: 2001-03-06
Anticipated expiration: 2020-02-01
Also published as: JP3343682B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ロボットから離れた場所で安全かつ容易に目的
作業のための軌道をロボットに教示すること。【解決手段】三次元画像計測装置から得られたカメラ画
像が表示される表示装置を見ながら、作業者が入力装置
によって三次元計測情報に基づく簡単な幾何要素を作成
していくことで、作業用ロボットの作業軌道の定義に必
要な座標系を定義し、それらを用いて軌道（位置・姿勢
の時間的変化）を決定することで、ロボットの動作を教
示する。また、三次元画像計測装置の位置・姿勢を変化
させるロボットアームなどの計測装置駆動装置を併用し
て、作業空間の全域に亘り精度の良い教示軌道を与え
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ロボットが何らか
の作業をする際の動作軌道、すなわち位置・姿勢の時間
的変化を容易に教示できるようにしたロボット動作教示
装置と動作教示方法とに関する。

【０００２】

【従来の技術】物体の組み立てや加工などを行なうロボ
ットアームに動作軌道を与える方法として、(i) ティー
チングボックスなどを使用してロボットの通過位置を記
録していき、その順にロボットを動作させるダイレクト
教示法と、(ii) 作業空間における位置・姿勢のデータ
を数値や数式で入力してプログラムする方法とがある。

【０００３】ダイレクト教示には以下のような問題があ
る。 (1) ティーチングボックスを使って精度の高い位置・姿
勢を教示することは困難である。 (2) 遠隔作業の場合、カメラ画像のみでは奥行き情報が
欠落しているため、ロボットの空間的な位置・姿勢を遠
隔から教示することは困難である。 (3) 記録される個々の位置・姿勢は独立して与えられる
ため、一定の空間的な関係（たとえばツールがいつも傾
いた同一平面上にあるという拘束）を満足させることは
困難である。

【０００４】プログラムによる教示には以下のような問
題がある。 (4) 作業空間座標系における対象物や障害物の位置や形
状などがあらかじめ分かっている必要がある。 (5) 数値や数式による教示は作業者が直感的に理解でき
ない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題点
を解決するために、ロボットの教示作業者がカメラによ
って映されている作業空間の画像情報から、実空間と直
接的または間接的に対応する簡単な三次元幾何要素を作
成していくことで、ロボットから離れた場所で安全かつ
容易に目的作業のためのツールの軌道（位置・姿勢の時
間的変化）を教示する方法を提供することを目的とす
る。

【０００６】そして、本発明は生産現場でのロボットの
動作教示のみならず、環境があらかじめ特定されていな
いような災害現場や宇宙、海底、原子力プラント内など
の人が立ち入れない場所で作業をするロボットの遠隔操
作、あるいはホームロボットや介助ロボットによって離
れた場所の物体を操作したり持ってこさせるような作業
の教示を簡単なヒューマンインターフェイスで実現する
ことを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明のロボット動作教
示装置は、ステレオカメラ装置あるいはレンジファイン
ダなどの三次元画像計測装置と、該装置から得られる二
次元カメラ画像および作業者が作成した幾何要素の表示
画像とを重ね合わせて表示する表示装置、キーボード、
マウスなどの作業者の指示を入力する入力装置、および
データ処理装置から構成される。作業者は作業空間と直
接対応する幾何要素とそれらから間接的に導かれる幾何
要素とを作成することで、軌道の作成に必要な座標系を
作成し、それに基づいた軌道を作成する。作成した教示
軌道データは各ロボット固有の制御コマンドに変換され
て作業用ロボットへ送られ、目的の作業が実現される。
また、より広い空間で精度良く教示を行なうために三次
元画像計測装置の位置・姿勢を変化させるロボットアー
ムなどの計測装置駆動装置を併用することもできる。

【０００８】作業用ロボットに取りつけられたツールを
動作させるためには、一般的にツールの位置・姿勢の時
間的変化を教示する必要があるが、本発明ではこれをツ
ールに固定されたツール座標系を時間と共にどのように
変化させていくかによって記述し、この座標系の変化の
させ方、すなわち軌道を教示データとして作成する。作
業者がティーチングボックスを用いて動作点を教示した
り教示データをプログラミングしたりしなくても、作業
環境を映すカメラ画像のみを見ながら簡単な三次元的な
作図を行なうことで直感的に任意の作業のためのロボッ
トの動作軌道を生成するものである。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明について図面及び実施例を
参照して説明する。図１は本発明のロボット動作教示装
置のシステム全体の構成図、図２は本発明のシステム構
築例である。図１、図２において、１は教示装置、２は
三次元画像計測装置、３は計測装置駆動装置、４はデー
タ処理装置、５は表示装置、６は入力装置、７は作業
者、８は作業用ロボットである。

【００１０】本発明の構成要素について簡単に説明す
る。Ａ．三次元画像計測装置２三次元画像計測装置２は計測対象を撮影するカメラを有
し、該装置固有の座標系において計測対象点の空間位置
を計測するための装置である。装置の構成によって、撮
影した画像情報をデータ処理装置４へ送った後にデータ
処理装置４で計測のための演算を行う場合と、三次元画
像処理装置２自体で計測までを行い、計測結果は数値デ
ータとしてデータ処理装置４に送る場合とがある。この
ような装置として、カメラで複数の異なる視点から対象
を観察する立体視手法（「ステレオの仕掛けを解き明か
す」、情報処理、Vol.37、No.7、 pp．662〜670、 199
6）を利用したステレオカメラ装置あるいはレーザ光線
を利用したレンジファインダ装置（井口征士・佐藤宏介
共著、『三次元画像計測』、昭晃堂、1990）などが知ら
れている。

【００１１】(1) ステレオカメラ装置を使用する場合の
装置例２台以上のカメラによってあるいは１台のカメラを移動
させることにより計測対象を異なる視点から撮影し、デ
ータ処理装置４へそれらの画像情報を送る。カメラの空
間的配置に関わるパラメータおよびカメラの結像系に関
わるパラメータとに応じて、空間中の点は画像上の決ま
った位置へ投影されるため、これらのパラメータをあら
かじめ較正しておくことにより複数の二次元画像から三
次元情報が得られる。

【００１２】(2) レンジファインダ装置を使用する場合
の装置例レンジファインダ装置はレーザ光照射装置とカメラとか
らなり、レーザ光照射装置により計測対象に向かって照
射したレーザ光の反射する様子をカメラで撮影し、デー
タ処理装置４にその画像情報を送る。市販のレンジファ
インダ装置の中には位置計測の計算までを行ない、画像
上の各画素に対応する空間中の点の位置情報が得られる
ものもあり、その場合にはデータ処理装置側で画像計測
アルゴリズムの計算をする必要はない。

【００１３】Ｂ．計測装置駆動装置３計測装置駆動装置３はデータ処理装置４から送られる動
作コマンドに従って三次元画像計測装置２の位置・姿勢
を変化させる装置である。これによって計測対象を観察
する視点を変えたり、計測可能な空間を広げることがで
きる。現在の視点から見えない計測対象物の裏側の面を
観察したり、他の物体で隠れている物体を計測装置で観
察できるようにすることで、固定された視点からは見え
ない作業空間中の部位に対応した画像計測情報を得るこ
とができる。これには一般的なロボットアームを利用可
能である。図２のシステム構築例では三次元画像計測装
置２を先端に取りつけた計測装置駆動装置３としてロボ
ットアームを使用している。このロボットアームの位置
・姿勢について作業者７が入力装置６を介して指示する
ことで、教示を行ないやすいように計測対象を観察する
視線を変更することができる。

【００１４】Ｃ．表示装置５表示装置５は三次元画像計測装置２から得られる二次元
カメラ画像（実画像）と、作業者７が作成した幾何要素
の表示画像（仮想画像）を重ね合わせて表示して作業者
７に提示する装置である。またデータ処理装置４からの
種々の情報（例えば作業者の選択可能なコマンドや作業
者が表示画面上の位置を指定するためのマウスポインタ
など）を表示する。表示装置５としては一般の計算機デ
ィスプレイの他、作業者が装着するタイプのヘッドマウ
ントディスプレイなどが利用できる。

【００１５】計測装置駆動装置３によって三次元画像計
測装置２のカメラ視線が変更されてもそれに伴って座標
変換により幾何要素の表示データをデータ処理装置４で
変化させながら仮想画像を実画像に重ね合わせること
で、あたかも実際の三次元空間に点や線などの幾何要素
が描かれているかのように作業者７に提示することがで
きる。

【００１６】Ｄ．入力装置６入力装置６は、作業者７が幾何要素を作成するための入
力や、計測装置駆動装置３への動作コマンドの入力を受
け付けたり、作業用ロボット８の動作開始の指示入力を
受け付け、それらをデータ処理装置４へ伝える装置であ
る。入力装置６として一般のキーボードやマウス、タッ
チパネル、ジョイスティックなどが利用できる。作業者
７は入力装置６を介して、表示装置５に表示される画像
上の位置を指定し、コマンドを選択し、あるいは数値を
入力する。

【００１７】Ｅ．データ処理装置４データ処理装置４は主として、１．三次元画像計測装置２から得られた画像を元に三次
元位置を計測する画像計測アルゴリズムの計算、２．点、直線、曲線、平面、直方体、円柱、座標系、軌
道などの三次元幾何要素の定義、３．幾何要素に関わる物理量の計算、４．幾何要素の表示データの作成、５．作業用ロボットへの教示データの出力６．計測装置駆動装置への動作コマンドの出力を行な
う。

【００１８】先ず、これらの機能について説明する。１．画像計測アルゴリズムの計算データ処理装置４は、三次元画像計測装置２から得られ
た二次元画像を基に作業空間中の三次元位置を計測する
アルゴリズムを計算する。 (1) ステレオカメラ装置を用いる場合の例複数の視点からカメラで撮られた画像上で対応する点を
見つけ、それらの画像上の位置とカメラ結像系およびカ
メラ間の位置と姿勢の関係とから、三角測量の原理によ
ってその点の実際の空間位置を計算する。（「ステレオ
の仕掛けを解き明かす」、情報処理、Vol.37、No.7、p
p.662〜670、1996）ここで対応点を自動的に見つける
ことが困難な場合は、作業者７が直接、対応する点をそ
れぞれの画像上で明示的に指示してもよい。 (2) レンジファインダを用いる場合の例撮影されたレーザ光の画像上の位置と、カメラの位置と
姿勢およびレーザ光照射装置の位置と姿勢との関係か
ら、三角測量の原理によってレーザ光投影点の実際の空
間中の位置を計算する。（井口征士・佐藤宏介共著、
『三次元画像計測』、昭晃堂、1990）

【００１９】２．幾何要素の作成データ処理装置４は、入力装置６を介した作業者７の指
示に従って、点、直線、曲線、平面、直方体、円柱、ベ
クトル、座標系、軌道などの三次元幾何要素を作成す
る。これらの幾何要素は三次元画像計測装置２の情報を
元に作成されるため実空間に対応したものとなる。座標
変換を施すことによって三次元画像計測装置固有の座標
系からあらかじめ設定しておいた作業空間座標系への変
換を行ない、幾何要素をこの作業空間座標系で記述す
る。

【００２０】図３で座標系の変換を説明する。座標系を
表わすのに < > を以下使用する。座標変換は次のよう
に同次変換行列（John J. Craig 著、三浦宏文・下山
勲訳、『ロボティクス』、２章、共立出版、1991）に
よって行なうことができる。まず同次変換行列について
説明する。図３のように座標系<Ａ> に基づく点Ｐの位
置ベクトルの記述^BＰを、別の座標系<Ａ> に基づいた記
述^AＰに直したいとする。このとき座標系<Ｂ> の原点Ｏ
_Bの位置を座標系 <Ａ> で記述したベクトルを^AＯ_Bと
し、また座標系<Ｂ> の３つの主軸方向を定義する単位
ベクトルを座標系 <Ａ> で記述したものをそれぞれ
^AＸ_B、^AＹ_B、^AＺ_Bとすると、ベクトル^AＰと^BＰとには次
の（１）式のような関係が成立する。（１）式以下の各
ベクトルは３行１列の縦行列として記述することにす
る。これを次の（２）式のように表わしたとき、４×４
行列^A/BＴを同次変換行列と呼ぶ。

【００２１】

【数１】

【００２２】

【数２】

【００２３】さて、図２の実施例のように、幾何要素を
記述したい作業空間座標系を <Ａ>、計測装置駆動装置
３の基部に固定した座標系を <Ｂ> 、三次元画像計測装
置２に固定した座標系を<Ｃ> とする。このとき三次元
画像計測装置２から見て計測された空間中のある対象点
Ｐへのベクトル^CＰを作業空間座標系 <Ａ>での記述^AＰ
に変換したいとする。これは次のように作業空間座標系
<Ａ> と計測装置駆動装置３との関係を示す（３）式、
および計測装置駆動装置３と三次元画像計測装置２との
関係を示す（４）式とから導かれる（５）式のような同
次変換行列の積によって求められる。

【００２４】

【数３】

【００２５】

【数４】

【００２６】

【数５】

【００２７】^A/BＴは計測装置駆動装置３の作業空間中
の位置配置をあらかじめ実測しておくことで得られ、ま
た^B/CＴは該駆動装置のリンク構造に関わるパラメータ
と関節角センサの検出値とから計算される。従って三次
元画像計測装置２に固有の座標空間 <Ｃ> で測定した位
置情報を任意に設定した作業空間座標系 <Ａ> の記述に
変換することができる。

【００２８】一方、作業用ロボット８で実際に作業をす
るためには、そのツールに固定された座標系と作業空間
座標系 <Ａ> との関係を明らかにする必要がある。作業
用ロボット８の基部に固定された座標系を <Ｄ> 、作業
用ロボット８のツールに固定されたツール座標系を<Ｅ>
とするとき、前記の三次元画像計測時の座標変換の場
合と同様にして次の（６）式の同次変換によってツール
座標系 <Ｅ> から見た点Ｐへのベクトル^EＰを作業空間
座標系<Ａ> での記述^AＰに改めることができる。

【００２９】

【数６】

【００３０】ここでも^A/DＴは作業空間中の作業用ロボ
ット８の位置配置をあらかじめ実測しておくことで得ら
れ、また^D/EＴはロボットのリンク構造パラメータと関
節角センサの検出値とから計算することができる。

【００３１】以上のような座標変換から、三次元画像計
測したデータの座標も作業用ロボットのツール制御のた
めのツール座標も一つの中立的な作業空間座標系 <Ａ>
での記述に変換できる。したがってこの座標系 <Ａ> で
三次元画像計測の結果を表現し、それらを基に動作教示
軌道を作成し、記述できれば、後はこの軌道データを制
御コマンドに変換し、作業用ロボットに送ることで作業
用ロボットの動作制御をすることができる。

【００３２】次に教示軌道を定義する方法を図４のフロ
ー図で説明する。表示装置には三次元画像計測装置から
見た作業環境の実画像が表示されている。教示軌道を定
義するには、まずその定義に必要な幾何要素を実画像や
既に定義された幾何要素を基に定義していき（ステップ
S2、S3）、それらの幾何要素を用いて目的の軌道を定義
することで行なう（ステップS4）。

【００３３】ここで座標系と軌道の記述法について次の
ように決める。（座標系の記述）あらゆる座標系は基準となる作業空間
座標系 <Ａ> での記述に変換するための同次変換行列に
よって表現する。すなわち任意の座標系 <Ｇ> は、これ
を座標系<Ａ> に変換する同次変換行列^A/GＴによって <
Ｇ> ＝^A/GＴというように記述する。

【００３４】（軌道の記述）軌道とはここでは座標系が
時間と共に変化するものをさす。ある座標系 <Ｇ>が時
間とともに変化して軌道をなすとき、これは座標系 <Ｇ
> を基準座標系 <Ａ> へ変換する同次変換行列^A/GＴの
時間関数^A/GＴ(ｔ)によって <Ｇ>(ｔ) ＝^A/GＴ(ｔ) と
いうように記述する。

【００３５】以下の具体例では幾何要素として点、直
線、線分、曲線、曲線区間、平面、平面領域、曲面、曲
面領域、直方体、円柱、ベクトル、座標系、軌道を考え
る。このうち直線、線分、曲線、曲線区間をまとめて線
要素、平面、平面領域、曲面、曲面領域をまとめて面要
素、直方体、円柱をまとめて素形状要素と呼ぶことにす
る。ただし幾何要素はこれに限るわけではなく、目的の
教示に都合の良い別な要素を導入しても本発明の本質的
内容は変わらない。

【００３６】幾何要素の作成方法には、三次元画像計測
装置２から得られる位置情報を用いる直接定義法と、既
に定義された幾何要素の組合せから新たな幾何要素を定
義する間接定義法とがある。間接定義法には一般的な幾
何学的手法やＣＡＤ手法を用いることができる。次に、
幾何要素の作成法を具体例で示す。

【００３７】（直接定義法）三次元画像計測装置２を用
いて対象を直接計測しながら幾何要素を定義する方法に
ついて以下に示す。 (a) 点の定義表示装置５に表示された二次元のカメラ画像中で作業者
７が指定した点から、その点の位置に対応する作業空間
中の三次元位置を三次元画像計測により求め、それを点
要素として定義する。 (b) 直線の定義表示装置５に表示された二次元のカメラ画像中で作業者
７がなぞった直線状画像エッジから、なぞられた画像エ
ッジ上の複数の点の三次元位置を三次元画像計測によっ
て求め、それらを最小二乗近似することによって空間中
の直線を求め、直線要素として定義する。

【００３８】(c) 平面の定義表示装置５に表示された二次元のカメラ画像中で作業者
７が指定した領域から、その領域に含まれる複数の点の
三次元位置を三次元画像計測によって求め、それらを最
小二乗近似することによって空間中の平面を求め、それ
を平面要素として定義する。 (d) 曲面の定義平面の定義と同様に作業者７が指定した領域中の複数点
の三次元位置を通過する近似曲面を求め、それを曲面要
素として定義する。

【００３９】（間接定義法）既に定義された幾何要素を
利用して別の幾何要素を定義する方法について以下に示
す。ただし下記以外にも、幾何要素に平行移動や回転、
拡大縮小などの変換を施して別の幾何要素を作成するの
も一般的な間接定義法の手法である。

【００４０】(a) 点の定義ア．作業者７が指定した既に定義されている面要素と線
要素とから、それらの交点として点を定義する。イ．作業者７が指定した既に定義されている同一平面上
の２直線から、それらの交点として点を定義する。（２
直線が完全には同一平面上にない場合は、２直線の最短
点を結ぶ線分の中点により交点を近似するものとす
る。）ウ．作業者７が指定した既に定義されている面要素と、
同じく作業者が指定した二次元のカメラ画像上での点の
位置から、その面要素上でかつカメラ画像上ではその点
の位置に対応する空間中の点を定義する。（二次元のカ
メラ画像上で点を指定することは空間ではその点位置に
投影されうる点の集合、すなわち直線を指定することと
なるため、これは面要素と直線との交点を求める特殊な
場合に相当する。）エ．作業者７が、既に定義されている線要素と、その線
要素の二次元表示画像における線上の点とを指定するこ
とで、その点を投影した実際の線要素上の点を定義す
る。

【００４１】(b) 直線の定義ア．作業者７が指定した既に定義されている２点から、
それらを通る直線を定義する。イ．作業者７が指定した既に定義されている２平面か
ら、それらの交線として直線を定義する。ウ．ステレオカメラ装置を用いる場合、表示装置５に示
された異なる２つの二次元カメラ画像上で作業者７がそ
れぞれ直線を１つずつ描くことで、それらがそれぞれの
画像上での投影直線となるような空間中の直線を定義す
る。（二次元のカメラ画像上で直線を描くことは空間中
では平面の拘束を与えたこととなるので、これは２つの
平面の交線を求める特殊な場合に相当する。）

【００４２】(c) 線分の定義ア．作業者７が指定した既に定義されている２点から、
それらを端点とする線分を定義する。イ．作業者７が指定した既に定義されている直線とその
直線の二次元表示画像上での２点を指定することで、そ
の直線上の区間として線分を定義する。

【００４３】(d) 曲線の定義ア．作業者７が指定した既に定義されている複数の点を
用いてスプライン曲線などの曲線補間法を適用して曲線
を定義する。イ．作業者７が指定した既に定義されている平面または
平面領域に対し、作業者が任意に作図した二次元曲線を
その面の法線方向から投影することで空間中の曲線を定
義する。ウ．作業者７が指定した既に定義されている曲面または
曲面領域に対し、作業者が任意に作図した二次元曲線を
作業者の指定するベクトル方向から投影することで空間
中の曲線を定義する。 (e)曲線区間の定義ア．作業者７が既に定義されている曲線とその曲線の二
次元表示画像上での２点を指定することで、その２点に
対応する空間中の点にはさまれたその曲線の区間として
曲線区間を定義する。

【００４４】(f) 平面の定義ア．作業者７が指定した既に定義されている３点から、
それらを含む平面を定義する。イ．作業者７が指定した既に定義されている交わる２直
線から、それらを含む平面を定義する。ウ．作業者７が指定した既に定義されている直線と点か
ら、それらを含む平面を定義する。 (g）平面領域の定義ア．作業者７が既に定義されている平面と、その平面の
二次元表示画像上での閉じた領域を指定することで、そ
の領域をその平面上に投影した部分として平面領域を定
義する。イ．作業者７が、１点を端点として共有する２つの線分
を指定することで、その２つの線分を２辺とする空間中
の平行四辺形領域を平面領域として定義する。

【００４５】(h) 曲面の定義ア．作業者７が指定した既に定義されている３つ以上の
複数の点から、それらを通る近似曲面を補間法を適用し
て定義する。イ．作業者７が指定した既に定義されている２つの曲線
から、一方の曲線をもう一方の曲線に沿って平行移動さ
せたときの軌跡として曲面を定義する。 (i) 曲面領域の定義ア．作業者７が既に定義されている曲面と、その曲面の
二次元表示画像上での閉じた領域を指定することで、そ
の領域をその曲面上に投影した部分として曲面領域を定
義する。

【００４６】(j) 直方体の定義ア．作業者７が指定した既に定義されている線分を１つ
の辺とし、あらかじめ与えられた3辺比を有する直方体
が、その指定線分周りにあらかじめ与えられた回転角を
なして実画像と重ね合わせて表示される二次元表示画像
を見ながら、作業者７があらかじめ与えられた２つの辺
の長さと指定線分周りの回転角を適切に変更することで
直方体を定義する。イ．作業者７が指定した既に定義されている平面矩形領
域を１つの面とし、あらかじめ与えられた高さを有する
直方体が実画像と重ね合わせて表示される二次元表示画
像を見ながら、作業者７があらかじめ与えられた高さを
適切に変更することで直方体を定義する。ウ．作業者７が指定した既に定義されている座標系の原
点を１つの頂点とし３つの軸方向を直方体の辺の方向と
するあらかじめ与えられた３辺長を有する直方体が実画
像と重ね合わせて表示される二次元表示画像を見なが
ら、作業者７があらかじめ与えられた3辺長を適切に変
更することで直方体を定義する。

【００４７】(k) 円柱の定義ア．作業者７が指定した既に定義されている線分を中心
軸とし、その両端点が円柱の端面の中心となるあらかじ
め与えられた直径を有する円柱が実画像と重ね合わせて
表示される二次元表示画像を見ながら、作業者７があら
かじめ与えられたその直径を適切に変更することで円柱
を定義する。イ．作業者７が指定した既に定義されている平面とその
平面上の点とから、その平面を端面としその点をその端
面の中心とするようなあらかじめ与えられた直径と高さ
とを有する円筒が実画像と重ね合わせて表示される二次
元表示画像を見ながら、作業者７があらかじめ与えられ
た直径と高さを適切に変更することで円柱を定義する。ウ．ステレオカメラ装置を用いる場合、作業者７が定義
したい円柱の両側面のエッジに相当する２本の二次元直
線を２つのカメラ画像上でそれぞれ作図することで、そ
れらが側面の投影エッジとなるような幾何学的条件から
円柱面を近似計算により定義し、作業者７がその円柱面
の中心軸の二次元表示画像上で円柱の両端面の中心とな
る２点の位置を指定することで円柱を定義する。

【００４８】(l) ベクトルの定義ア．作業者７が指定した既に定義されている２つの点と
その順序から、それらを結ぶベクトルを定義する。イ．作業者７が指定した既に定義されている直線または
線分から、その直線または線分に沿い作業者の指定する
長さおよび向きのベクトルを定義する。ウ．作業者７が指定した既に定義されている平面または
平面領域から、その法線方向で作業者の指定する長さお
よび向きのベクトルを定義する。エ．作業者７が指定した既に定義されている曲面（また
は曲面領域、以下同じ）およびその曲面上の点とから、
その曲面のその点位置における法線方向で、作業者の指
定する長さおよび向きのベクトルを定義する。オ．作業者７が指定した既に定義されている一つまたは
複数のベクトルから、定数倍、内積、外積などの作業者
の指定する演算によって新たなベクトルを定義する。

【００４９】(m) 座標系の定義ア．作業者７が指定した既に定義されている点および互
いに直交する２つのベクトルから、その点を原点としそ
れら２つのベクトル方向およびそれらの２つのベクトル
の外積で得られるベクトル方向とを主軸方向とする作業
者が指定する向きの座標系を定義する。イ．作業者７が指定した点と平面（または平面領域、以
下同じ）およびその平面に含まれる直線から、その点を
原点とし、その直線方向と、その平面内でその直線に直
交する方向と、その平面の法線方向とを３つの主軸方向
とするような、作業者が指定する向きの座標系を定義す
る。

【００５０】(n) 軌道（座標系の時間的変化）の定義ア．作業者７が指定した既に定義されている複数の座標
系とそれらの座標系を通過すべき時刻とから、任意の時
刻における座標系を補間によって求めることで軌道を定
義する。イ．作業者７が指定した既に定義されている座標系と曲
線および線速度から、その座標系をその原点がその曲線
上をその線速度で移動するように平行移動させることで
軌道を定義する。

【００５１】ここで、特に上記アの補間法について図５
により説明する。図５は時刻ｔ＝ｔ ₀、ｔ₁、ｔ₂、・・
・においてそれぞれの座標系 <Ｇ₀>、 <Ｇ₁> 、 <Ｇ₂>
、・・・を通過するという条件から、補間によって
任意の時刻ｔ＝ｔにおける座標系<Ｇ> を求める様子を
示しており、このように任意の時刻の座標系が求められ
れば軌道 <Ｇ>(ｔ) を定義したことになる。

【００５２】以下に具体的方法について補足する。
（１）式と同様にして <Ｇ> は次の（７）式のようにな
る。（７）式では座標系を表すのに１２のパラメータを
用いているがこれらすべてが独立であるわけではなく、
単純に座標系<Ｇ₀> 、 <Ｇ₁> 、<Ｇ₂> 、・・・の各成
分毎の補間から<Ｇ> を求めることはできない。そこで
まず座標系を独立なパラメータで表現する必要がある。

【００５３】

【数７】

【００５４】ここで３×３行列^A/GＲを次の（８）式の
ように定義すると、<Ｇ> は次の（９）式のように記述
できる。^A/GＲは座標系の回転を表し、ベクトル^AＯ_Gは
座標系の並進を表していることが一般的に知られてお
り、それぞれ３自由度ずつの計６つの自由度が座標系に
はある。回転行列^A/GＲの成分が９つであるのに対して
自由度が３である点が冗長なので、この回転行列を３つ
の独立なパラメータで表現しなくてはならない。

【００５５】

【数８】

【００５６】

【数９】

【００５７】これには様々な方法があるが、例として基
準座標系 <Ａ> のx、y、z軸まわりにその順に角度α
（ロール角）、β（ピッチ角）、γ（ヨー角）の３つの
回転を施すものとして回転行列をとらえると、^A/GＲは
次の（１０）式のようになる（JohnJ. Craig 著、三浦
宏文・下山勲訳、『ロボティクス』、２章、共立出
版、1991）。ここで（(10)式の右辺）＝（(8)式の右
辺）としてα、β、γについて連立方程式を解くことに
より回転行列の３つの独立なパラメータが求まる。

【００５８】

【数１０】

【００５９】これら３つのパラメータおよび並進ベクト
ル^AＯ_Gの３つの成分の、計６つのパラメータによって座
標系 <Ｇ₀> 、 <Ｇ₁> 、 <Ｇ₂>、．．．を表し、各パラ
メータについて３次スプライン補間などの補間法を適用
することで任意の時刻における座標系 <Ｇ> の独立なパ
ラメータの補間値が得られる。得られたパラメータの補
間値と（９）式および（１０）式とから任意の時刻にお
ける補間した座標系<Ｇ> を求めることができる。

【００６０】３．幾何要素に関わる物理量の計算データ処理装置４は、作成された幾何要素に関わるさま
ざまな物理量の計算を行う。例えば点や直線、平面など
の間の距離、線分の長さ、面と面との角度などを計算す
ることができる。

【００６１】４．幾何要素表示データの作成データ処理装置４は、作成された三次元幾何要素が三次
元画像計測装置２から見た二次元のカメラ画像上に重な
るように幾何要素の表示データを生成して表示装置５へ
送る。そのために幾何要素を三次元画像計測装置２の位
置姿勢に応じて座標変換し、また三次元画像計測装置２
の結像系パラメータに応じて投影変換を施す。これをカ
メラ画像や幾何要素が変化するごとに繰り返し行ない、
実画像と幾何要素表示との対応を維持する。

【００６２】５．作業用ロボットへの教示データの出力前記の定義方法によって、作業者７が動作軌道を定義し
て、作業開始を指示すると、データ処理装置４は、作業
用ロボット８のツールが指定された軌道上を移動するよ
うに座標変換処理を行ないながら制御コマンドをロボッ
ト８に出力する。

【００６３】６．計測装置駆動装置への動作コマンドの
出力データ処理装置４は、計測装置駆動装置３に取り付けら
れた三次元画像計測装置２の位置・姿勢についての作業
者７の指示を入力装置６を介して受け取り、適切な動作
コマンドに変換して計測装置駆動装置３に出力する。

【００６４】以下、本発明を適用した作業例を図６〜図
１２を参照して説明する。（作業例１）ロボットハンドによる箱状物体把持作業の教示（図６、
図７）図６(a)に示すように、テーブル１０上に置かれた箱状
物体１１を平行二指ロボットハンド（以下ハンド）１２
によって把持させるために、ハンド１２に設定したツー
ル座標系<Ｅ> の従うべき軌道 <Ｅ>(ｔ) を教示する場
合について説明する。図６(b)〜図６(j)は軌道を定義す
るために必要な幾何要素を作業者７が定義していく過程
における表示装置５の表示画面を示しており、三次元画
像計測装置２のカメラ画像と作成した幾何要素の表示画
像とを重ね合わせたものである。以下、図７〜図１２の
他の作業例も同様な表示画面を表わしている。作業者７
は適宜、幾何要素を定義しやすいように計測装置駆動装
置３により三次元画像計測装置２の位置・姿勢を変更し
たり、三次元画像計測装置２のレンズパラメータを変え
るなどして適切な視野を得ているものとする。

【００６５】この作業例では、ハンド１２の指１３を閉
じる時点でハンドが移動しているべき座標系（把持目標
座標系）が指定できれば、ハンドに固定された座標系 <
Ｅ>を現在の座標系 <Ｅ₀> の状態からその把持目標座標
系 <Ｅ₁>に移動させ、ハンドを閉じることで把持を実現
できる。ここでもし現在のハンド座標系と把持目標座標
系との間に障害物があったりする場合には経由する座標
系を設定して補間により障害物を回避した軌道を定義す
ることで把持作業が可能となる。

【００６６】[素形状要素を用いない方法の例]初期状態
と目標把持状態とを直線的に結ぶ教示軌道は、例えば以
下の手順で与えることができる。１．１つの把持側面に対応する平面領域の定義 1-1．対象物である箱状物体１１の把持側面上の１つの
画像エッジから直線１４を定義する（幾何要素作成の直
接定義法(b)を使用する。図６(b)参照）。 1-2．定義した直線１４の二次元表示画像上でエッジの
端点に相当する２点１５、１６を指定して線分１７を定
義する（同間接定義法(c)イ使用、図６(c)参照）。 1-3．同様にして線分１７と交わる線分１８を定義する
（図６(d)参照）。 1-4．線分１７と線分１８とを２辺とする平行四辺形領
域として平面領域１９を定義する（同間接定義法(g)イ
使用、図６(e)参照）。

【００６７】２．１つの目標把持点の定義 2-1．平面領域１９を映す二次元表示画像中で平面領域
１９のおよその中心位置を指定することで空間中の点２
０を定義する（同間接定義法(a)ウ使用、図６(f)参
照）。

【００６８】３．把持目標座標系の定義 3-1．線分１７と平行な図６(g)の向きの単位ベクトルを
V1、線分１８と平行で図６(g)の向きの単位ベクトルをV
2、V1とV2とに直交する図６(g)の向きの単位ベクトルを
V3として定義する（同間接定義法(l)イおよびオを使
用、図６(g)参照）。 3-2．点２０を原点とし、単位ベクトルV1、V3をそれぞ
れy軸、x軸とする座標系<Ｇ₁> を定義する（同間接定義
法(m)ア使用、図６(h)参照）。 3-3．1-1、1-2 と同様にして線分１７と向かい合う線分
２１を定義する（図６(i)参照）。 3-4．線分１７と線分２１との距離dを計算から求め（デ
ータ処理装置４の機能３・幾何要素に関わる物理量の計
算を使用）、座標系<Ｇ₁> をx軸方向にd/2移動させた座
標系 <Ｅ₁> を定義する（幾何要素作成の一般的な間接
定義法として平行移動を使用）。

【００６９】４．把持軌道の定義 4-1．現在のハンドの座標系<Ｅ₀> と座標系 <Ｅ₁> とを
時間ｔ₁で移動する軌道<Ｅ>(ｔ)を定義する（同間接定
義法(n)ア使用）。これが求める作業軌道である。

【００７０】[素形状要素を用いた方法の例]素形状要素
として直方体を用いて軌道を教示する場合の例について
説明する。初期状態と目標状態とを直線的に結ぶ教示軌
道は、例えば以下の手順で与えることができる。

【００７１】１．直方体の定義 1-1．対象物である箱状物体１０１の１つの辺の画像エ
ッジから直線１０４を定義する（幾何要素作成の直接定
義法(b)を使用する。図７(b)参照）。 1-2．定義した直線１０４の二次元表示画像上でエッジ
の端点に相当する2点１０５、１０６を指定して線分１
０７を定義する（同間接定義法(c)イを使用、図７(c)参
照）。 1-3．定義した線分１０７を１つの辺として指定するこ
とで、表示される直方体１０８が対象物１０１の形状と
重なるように線分１０７の周りの回転角および線分１０
７以外の２辺の長さを変更することで直方体１０９を定
義する（同間接定義法(j)ア使用、図７(d)(e)参照）。

【００７２】２．把持目標座標系の定義 2-1．定義した直方体１０９の重心に点１１０を定義す
る（データ処理装置４の機能３・幾何要素に関わる物理
量の計算を使用、図７(f)参照）。 2-2．直方体１０９の互いに直交する２つの辺１１１、
１１２を指定し、そのそれぞれに平行な図７(g)のよう
な向きの単位ベクトルV21、V22を定義する（幾何要素作
成の間接定義法(l)イ使用、図７(f)(g)参照）。 2-3．点１１０を原点としベクトルV21、V22をそれぞれ x 軸、y 軸とする座標系 <Ｅ₁> を定義する（同間接定
義法(m)ア使用、図７(h)参照）。

【００７３】３．把持軌道の定義 3-1．現在のハンド座標系 <Ｅ₀> と座標系 <Ｅ₁> とを時間ｔ₁で移動する軌道 <Ｅ
>(ｔ)を定義する（同間接定義法(n)ア使用）。これが求
める作業軌道である。この例では重心位置に座標系を定
義するステップも含めて考えたが、あらかじめ直方体の
重心に座標系を設定しておけば直方体の定義から間接的
に重心位置に座標系を定義することができ、あとは向き
の適切な変更のみで把持目標座標系が定義できるため手
順をより簡単にできる。

【００７４】（作業例２）バルブ回しのための把持軌道の教示（図８、図９）図８(a)に示すバルブハンドル２２をロボットハンド２
３で回転させる作業のように対象物を特定の軸に沿って
回転させるような作業は、把持する際に対象物の回転軸
とロボットハンドの回転軸とを一致させると作業が容易
である。このための把持軌道は次のように与えることが
できる。ただし、ハンドに固定された座標系<Ｅ> はz軸
とハンドの回転軸とが一致するように設定されているも
のとする。

【００７５】[素形状要素を用いない方法の例] １．バルブ把持目標座標系の定義 1-1．バルブハンドル２２の中心位置に点２４を定義す
る（幾何要素作成の直接定義法(a)を使用。図８(b)参
照）。 1-2．バルブ軸２５の画像エッジから直線２６を定義す
る（同直接定義法(b)を使用、図８(c)参照）。 1-3．直線２６に平行で図８(d)の向きの単位ベクトルV4
を定義する（同間接定義法(l)イを使用、図８(d)参
照）。 1-4．単位ベクトルV4と直交する任意方向の単位ベクト
ルの１つとして、V4と直交しかつ水平な図８(d)の向き
の単位ベクトルV5を定義する（同間接定義法(l)オを使
用、図８(d)参照）。 1-5．点２４を原点とし単位ベクトルV4、V5をそれぞれz
軸、y軸方向とする座標系<Ｅ₁> を定義する（同間接定
義法(m)アを使用、図８(e)参照）。

【００７６】２．把持軌道の定義 2-1．現在のハンド座標系<Ｅ₀> とバルブ把持目標座標
系 <Ｅ₁> とを線形補間し、それらの座標系間を時間ｔ₁
で移動するものとしてハンドの移動軌道を定義する（同
間接定義法(n)アを使用）。これが求めたい把持軌道で
ある。把持軌道に従ってハンド２３を移動させた後は、
ハンドを閉じてバルブハンドル２２を把持し、ハンドを
ハンド軸（z軸）回りに回転動作させることでバルブハ
ンドル２２を回すことができる。

【００７７】[素形状要素を用いた方法の例]三次元画像
計測装置としてステレオカメラ装置を用い、素形状要素
として円柱を用いて軌道を教示する場合の例について説
明する。初期状態と目標状態とを直線的に結ぶ教示軌道
は、例えば以下の手順で与えることができる。

【００７８】１．バルブ把持目標座標系の定義 1-1．図９(b)の１２６、１２７、１２８、１２９のよう
にバルブ軸１２５の側面の画像エッジに重なる二次元直
線を２つのカメラ画像上でそれぞれ２つずつ作図するこ
とで、図９(c)のようにそれらが側面の投影エッジとな
るような円柱面１３０を定義し、その中心軸１３１の二
次元表示画像上で円柱の両端面に相当する位置１３２、
１３３を指定することでバルブ軸１２５に対応する円柱
１３４を定義する（幾何要素作成の間接定義法(k)ウを
使用、図９(b)(c)(d)参照）。 1-2．定義した円柱１３４の中心軸１３５と平行な図９
(e)の向きの単位ベクトルV31を定義する（同間接定義法
(l)イを使用、図９(e)参照）。 1-3．定義したベクトルV31と直交し水平な図９(e)の向
きの単位ベクトルV32を定義する（同間接定義法(l)オを
使用、図９(e)参照）。 1-4．円柱１３４の端面の中心１３２を原点とし、ベク
トルV31、V32をそれぞれz軸、y軸方向とする座標系<Ｅ₁
> を定義する（同間接定義法(m)アを使用、図９(f)参
照）。

【００７９】２．把持軌道の定義 2-1．現在のハンド座標系<Ｅ₀> とバルブ把持目標座標
系 <Ｅ₁> とを線形補間し、それらの座標系間を時間ｔ₁
で移動するものとしてハンドの移動軌道を定義する（同
間接定義法(n)アを使用）。これが求めたい把持軌道で
ある。把持軌道に従ってハンド１２３を移動させた後
は、ハンドを閉じてバルブハンドル１２２を把持し、ハ
ンドをハンド軸（z軸）回りに回転動作させることでバ
ルブハンドル１２２を回すことができる。この例では円
柱の端面における座標系を定義するステップも含めて考
えたが、あらかじめ円柱の端面に座標系を設定しておけ
ば円柱の定義から間接的にその端面に座標系を定義する
ことができ、あとは向きの適切な変更のみで把持目標座
標系が定義できるため手順をより簡単にできる。

【００８０】（作業例３）物体挿入作業の教示（図１０）フロッピディスクやビデオテープカセット、テレホンカ
ード、あるいは各種のコネクタ等の物体をそれと対にな
る凹部へ挿入する物体挿入作業の例として、ビデオテー
プカセットをデッキに挿入する作業の教示について説明
する。図１０(a)のようにロボットハンド２７は（作業
例１）に準じた方法により、既にビデオテープカセット
（以下テープ）２８を把持しているものとする。この状
態からデッキ２９の挿入口３０までテープを移動させる
作業軌道は次のようにして与えることができる。

【００８１】１．テープの角における座標系の定義 1-1．テープ２８の１つの画像エッジから直線３１を定
義する（幾何要素作成の直接定義法(b)を使用する。図
１０(b)参照）。 1-2．同様にして同じ面上にある画像エッジから直線３
２を定義する（図１０(c)参照）。 1-3．直線３１と直線３２との交点として、点３３を求
める（同間接定義法(a)イを使用、図１０(d)参照） 1-4．直線３１と平行な図１０(e)の向きの単位ベクト
ルV6を定義する（同間接定義法(l)イを使用、図１０(e)
参照）。 1-5．同様に直線３２と平行な図１０(e)の向きの単位
ベクトルV7を定義する（図１０(e)参照）。 1-6．V6とV7とに直交する図１０(e)の向きの単位ベクト
ルV8を定義する（同間接定義法(l)オを使用、図１０(e)
参照）。 1-7．点３３を原点とし、単位ベクトルV6、V8をそれぞ
れx軸、y軸方向とする座標系<Ｇ₀> を定義する（同間接
定義法(m)アを使用、図１０(f)参照）。

【００８２】２．挿入口の角における座標系の定義 2-1．テープ挿入口３０の画像エッジから直線３４を定
義する（同直接定義法(b)を使用、図１０(g)参照）。 2-2．2-1 と同様にして図１０(g)のように挿入口３０の
画像エッジから直線３５を定義する（図１０(g)参
照）。 2-3．直線３４と直線３５との交点として点３６を定義
する（同間接定義法(a)イを使用、図１０(g)参照）。 2-4．直線３４に平行で図１０(h)の向きの単位ベクトル
V9を定義する（同間接定義法(l)イを使用、図１０(h)参
照）。 2-5．直線３５に平行で図１０(h)の向きの単位ベクトル
V10を定義する（同間接定義法(l)イを使用、図１０(h)
参照）。 2-6．単位ベクトルV9とV10とに直交する単位ベクトルV1
1を図１０(h)の向きに定義する（同間接定義法(l)オを
使用、図１０(h)参照））。 2-7．点３６を原点とし、単位ベクトルV9、V11をそれぞ
れx軸、z軸方向とする座標系<Ｇ₁> を定義する（同間接
定義法(m)アを使用、図１０(i)参照）。

【００８３】３．挿入軌道の定義 3-1．座標系 <Ｇ₀>と座標系 <Ｇ₁> とを時間ｔ₁で補間
することにより、テープの角の座標系（これを一般に <
Ｇ>と表す）の軌道 <Ｇ>(ｔ) を定義する（同間接定義
法(n)アを使用）。 3-2．実際にロボットの制御を行なう際には、ロボット
ハンドの座標系（これを一般に<Ｅ> と表す）の従う軌
道 <Ｅ>(ｔ) が必要となる。これは初期状態のテープの
角位置を示す座標系 <Ｇ₀>と初期状態の把持位置を示す
ハンド座標系 <Ｅ ₀> とからそれらの関係を表す同次座
標変換行列^E0/G0Ｔを求め、この変換をテープの角の従
うべき軌道<Ｇ>(ｔ) 全体に施すことで得られる。すな
わち <Ｅ>(ｔ)＝^E0/G0Ｔ <Ｇ>(ｔ) がハンド座標系の従
うべき目標軌道である。この <Ｅ>(ｔ)によるテープの
移動後は <Ｅ>(ｔ) の終端 <Ｅ>(ｔ₁) における座標系
のz軸方向にハンド２７を適切な距離移動させてテープ
を挿入口３０に押し込んでから解放することでテープ２
８の挿入が完了する。

【００８４】（作業例４）ペンキの吹き付けロボットのノズル軌道の教示（図１
１、図１２）ペンキ吹き付けノズルを備えたロボットによって対象面
にペンキの吹き付けを行なう作業において、ノズルの先
端に設定した座標系 <Ｅ> を移動させるための軌道を教
示したいとする。以下に対象面が平面である場合と曲面
である場合の教示例を示す。

【００８５】［対象面が平面である場合の例］図１１
(a)に示すように、ロボットアーム３７によって作業空
間中で傾いている矩形平面３９にペンキを吹き付けるた
めのノズル３８の軌道は以下のように教示できる。１．吹き付け面に対応する平面領域の定義 1-1．吹き付けたい対象物の平面領域の１つの辺に対応
する直線状画像エッジから直線４０を定義する（幾何要
素作成の直接定義法(b)を使用する。図１１(b)参照）。
そしてその直線状エッジの端点に相当する２点４１、４
２を指定して区間を与え、線分４３を定義する（同間接
定義法(c)イを使用、図１１(b)参照）。 1-2．1-1 と同様にして吹き付けたい平面領域の画像エ
ッジのうちで線分４３と交わる１つの辺に対応する画像
エッジから線分４４を定義する（図１１(c)参照）。 1-3．２つの線分４３、４４から吹き付け対象面に対応
する平面領域４５を定義する（同間接定義法(g)イを使
用、図１１(d)参照）。

【００８６】２．吹き付け面上での曲線要素の定義 2-1．平面領域４５をその法線方向から見たときの形状
４６を表示装置上に表示させ、ノズル３８を移動させた
い二次元曲線の経路４７を表示装置上で作図する（図１
１(e)参照）。 2-2．作図した二次元曲線の経路４７を平面領域４５に
投影することにより曲線４８を定義する（同間接定義法
(d)イを使用、図１１(f)参照）。

【００８７】３．吹き付け開始基準座標系の定義 3-1．曲線４８の１つの端点を指定して点４９を定義す
る（同間接定義法(a)ウを使用、図１１(g)参照）。 3-2．平面領域４５の法線ベクトルで図１１(g)の向きの
単位ベクトルV12を定義する（同間接定義法(l)ウを使
用、図１１(g)参照）。 3-3．線分４３と平行で図１１(g)の向きの単位ベクトル
V13を定義する（同間接定義法(l)イを使用、図１１(g)
参照）。 3-4．点４９を原点として単位ベクトルV12、V13をそれ
ぞれz軸、x軸とする座標系<Ｇ₀> を定義する（同間接定
義法(m)アを使用、図１１(h)参照）。

【００８８】４．吹き付け軌道の定義 4-1．ｔ＝ｔ₀で<Ｇ₀> にある座標系が曲線４８上をある
線速度vで姿勢を一定に保ちながら平行移動するものと
して軌道 <Ｇ>(ｔ)を定義する（同間接定義法(n)イを使
用）。 4-2．ノズル３８の先端が実際に移動する位置を指定す
るため<Ｇ>(ｔ) を座標系<Ｇ₀> の−z方向にある適当な
距離d離した軌道 <Ｅ>(ｔ) を定義する（幾何要素作成
の一般的な間接定義法として平行移動を使用）。これが
求めたいペンキ吹き付け時のノズルの目標軌道である。

【００８９】［対象面が曲面である場合の例］曲面に対
してペンキを吹き付けるため、ノズルを曲面の法線方向
に向けながら、かつ面から一定の距離を保つようにして
ノズルを移動させる軌道を教示する場合について説明す
る。例として、図１２(a)のような、かまぼこ形対象面
５２へのペンキ吹き付けにおけるロボットアーム５０に
取り付けられたノズル５１の作業軌道は次のように教示
することができる。

【００９０】１．吹き付け面に対応する曲面領域の定義 1-1．ペンキ吹き付け対象曲面全体を映した二次元画像
上で曲面の画像エッジに対応する輪郭線５３を作図して
領域を指定することで曲面を定義し、その輪郭線内の領
域を曲面領域５４として定義する（幾何要素作成の直接
定義法(d)および同間接定義法(i)アを使用する。図１２
(b)参照）。

【００９１】２．吹き付け面上での曲線の定義 2-1．吹き付け面の一辺の画像エッジから直線５５を定
義し（同直接定義法(b)を使用、図１２(c)参照）、エッ
ジの両端点を指定して区間を与えることで線分５６を定
義する（同間接定義法(c)イ使用、図１２(c)参照）。 2-2．2-1 と同様にして線分５７を定義する（図１２(d)
参照）。 2-3．線分５６と線分５７とから平面領域５８を定義す
る（同間接定義法(g)イ使用、図１２(e)参照）。 2-4．平面領域５８をその法線方向から見た形状５９を
表示させた表示装置上の画面で、ペンキ吹き付け点を移
動させたい経路６０を作図する（図１２(f)参照）。 2-5．作図した経路６０を平面領域５８上へ投影し、曲
線６１を定義する（同間接定義法(d)イを使用、図１２
(g)参照）。 2-6．曲線６１をさらに曲面領域５４に対して平面領域
５８の法線方向から投影することで曲線６２を定義する
（同間接定義法(d)ウを使用、図１２(h)参照）。

【００９２】３．吹き付け開始基準座標系の定義 3-1．曲線６２上の一つの端点として点６３を定義する
（同間接定義法(a)エを使用、図１２(i)参照）。 3-2．点６３において曲面領域５４の法線方向で図１２
(i)の向きの単位ベクトルV14を定義する（同間接定義法
(l)エを使用、図１２(i)参照）。 3-3．線分５６と平行な図１２(i)の向きの単位ベクトル
V15を定義する（同間接定義法(l)イを使用）。 3-4．V14とV15とに直交する図１２(i)の向きの単位ベク
トルV16を定義する（同間接定義法(l)オを使用）。 3-5．点６３を原点とし、単位ベクトルV14、V16をそれ
ぞれz軸、x軸方向のベクトルとする座標系<Ｇ₀> を定義
し（同間接定義法(m)アを使用）、これを−z方向に適当
な距離dだけ離した座標系 <Ｅ₀>を定義する（幾何要素
の一般的な間接定義法として平行移動を使用、図１２
(j)参照）。

【００９３】４．通過座標系の定義 4-1． 3-1 から 3-5と同様にして適切な間隔で曲線６２
上に決めた点上に座標系<Ｇ_i> 、ｉ＝１、２、・・・を
決めていき、さらにそれらの座標系ごとに−z方向にd移
動した座標系<Ｅ_i> 、ｉ＝１、２、・・・を定義してい
く。

【００９４】５．吹き付け軌道の定義 5-1．定義した座標系<Ｅ₀> 、 <Ｅ₁> 、 <Ｅ₂> 、・・
・にそれらを通過する時刻を与えて、補間法を適用す
ることで軌道<Ｅ>(ｔ) を定義する（同間接定義法(n)ア
を使用）。これが求めたいペンキ吹き付け時のノズルの
目標軌道である。

【００９５】

【発明の効果】本発明によれば、教示作業者は二次元の
カメラ画像を見ながら、実際の作業空間に対応した簡単
な三次元的幾何要素の作成を行うことで、任意の作業の
ためのロボットの三次元動作を精度良く遠隔で教示する
ことが可能となる。画像計測を利用しながら教示するた
め対象物の位置情報が既知である必要はなく、不特定な
未知環境での教示が可能となる。また、幾何要素を利用
することでロボットの動作すべき位置・姿勢にさまざま
な空間的な拘束を容易に付加することができるようにな
る。これらの幾何要素は教示に必要なだけ作成すれば良
く、作業空間全体をモデル化する必要はない。また幾何
要素は実画像に重ね合わせて表示されるので作業者は直
感的に教示データを作成していくことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のシステム全体の構成を説明する図であ
る。

【図２】本発明のシステム構築例である。

【図３】座標変換例を説明する図である。

【図４】本発明の動作教示時の作業者のフロー図例であ
る。

【図５】座標系の補間による軌道作成を説明する図であ
る。

【図６】箱状物体の把持作業例１を説明する図である。

【図７】箱状物体の把持作業例２を説明する図である。

【図８】バルブ回し作業例１を説明する図である。

【図９】バルブ回し作業例２を説明する図である。

【図１０】物体挿入作業例を説明する図である。

【図１１】吹き付け作業例１を説明する図である。

【図１２】吹き付け作業例２を説明する図である。

【符号の説明】

１教示装置２三次元画像計測装置３計測装置駆動装置４データ処理装置５表示装置６入力装置７作業者８作業用ロボット９作業対象物 <Ｅ>ツール座標系

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 3F059 BA02 BB04 FA03 FA05 5H269 AB33 BB09 CC09 JJ09 JJ20 QC01 QC03 QE10 SA08 SA10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】実空間中の位置を計測する三次元画像計測
装置と、三次元画像計測装置から得られる画像に幾何要
素を重ね合わせて映しながら作業空間を表示する表示装
置と、入力装置と、データ処理装置とを具備し、教示作
業者が表示装置に表示された作業空間に関する画像情報
を利用して、作業空間と直接対応する幾何要素とそれら
から間接的に導かれる幾何要素とを作成することで、軌
道の作成に必要な座標系を作成し、それに基づいた軌道
を作成することで、任意の作業軌道をロボットに教示可
能とすることを特徴とするロボット動作教示装置。
【請求項２】請求項１の三次元画像計測装置は教示可能
な空間を拡大するために計測装置の位置姿勢を変化させ
る計測装置駆動装置を併用したことを特徴とする請求項
１のロボット動作教示装置。
【請求項３】請求項１又は２に記載のロボット動作教示
装置において、教示作業者が表示装置に表示された作業
空間に関する画像情報を利用して、作業空間と直接対応
する幾何要素とそれらから間接的に導かれる幾何要素と
を作成することで、軌道の作成に必要な座標系を作成
し、それに基づいた軌道を作成することで、任意の作業
軌道をロボットに教示可能とする動作教示方法。