JP2011011264A - ロボット遠隔操縦システムとこれに用いる作業ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】遠隔操縦による作業に必要な画像を自律して取得しつつ、一台の作業ロボットのみで作業を行うことができるようにする。
【解決手段】本発明は、作業対象物の測距データを取得するための測距部、作業対象物に対する作業を行う作業用アーム、作業対象物の画像を取得するための撮像部を配設した画像取得用アーム及びそれら各アームを駆動するためのアーム駆動部を設けた作業ロボットＢと、作業ロボットＢと通信回線を介して接続されるとともに、作業対象物の画像を表示するための表示部、作業ロボットＢを遠隔操縦するための操縦情報を生成して当該作業ロボットＢに向けて送信する遠隔操縦装置Ｃとを有するものであり、測距部によって取得した測距データに基づき、作業対象物を撮像部によって撮像できるようにアーム画像取得用アームをアーム駆動部によって自律的に移動させるアーム自律移動手段３０ａを作業ロボットＢに設けている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば深海や宇宙空間等のように人間が直接作業することが困難な環境や爆発物の処理等の繊細な作業を必要とする場合若しくは老人の介護等を行うロボット遠隔操縦システムとこれに用いる作業ロボットに関する。

従来、この種のロボット遠隔操縦システムとして、「ロボット制御方法」とした名称で特許文献１に記載された構成のものがある。
特許文献１に記載されたロボット制御方法は、制御装置を用いて第１のロボットを制御する構成のものであり、前記第１のロボットが、作業状況を示す作業画像を取得して前記第１の制御装置に送信する工程と、第２のロボットが、前記第１のロボットを監視するための監視画像を取得して前記第１の制御装置に送信する工程と、前記制御装置が、前記第１のロボットから送信された前記作業画像及び前記第２のロボットから送信された前記監視画像を表示する工程とを有することを特徴としたものである。

特開２００４−２９１１８６号公報

しかしながら、特許文献１に記載のロボット制御方法は、複数台のロボットから構成されているためにコスト高となり、また、それら各ロボットをそれぞれ操縦するための操縦者が必要となる一方、複数のロボットを一人の操縦者で操縦しようとすると、それらの操縦が煩雑となる。
また、第２のロボットの大きさによっては、必要な作業状況の画像を得るための位置取りを行うことができない虞がある。

そこで本発明は、遠隔操縦による作業に必要な画像を自律して取得しつつ、一台の作業ロボットのみで作業を行うことができるロボット遠隔操縦システムとこれに用いる作業ロボットの提供を目的としている。

上記目的を達成するための本発明に係るロボット遠隔操縦システムは、作業対象物の測距データを取得するための測距部、その作業対象物に対する作業を行う一又は二以上の作業用アーム、上記作業対象物の画像を取得するための撮像部を配設した一又は二以上の画像取得用アーム及びそれら各アームを駆動するためのアーム駆動部を設けた作業ロボットと、上記作業ロボットと通信回線を介して接続されるとともに、作業対象物の画像を表示するための表示部、その作業ロボットを遠隔操縦するための操縦情報を生成して当該作業ロボットに向けて送信する遠隔操縦装置とを有する構成のものであり、上記測距部によって取得した測距データに基づき、作業対象物を撮像部によって撮像できるようにアーム画像取得用アームをアーム駆動部によって自律的に移動させるアーム自律移動手段を作業ロボットに設けたことを特徴としている。

同上の目的を達成するための本発明に係るロボット遠隔操縦システムに用いる作業ロボットは、通信回線を介して遠隔操縦装置に接続され、その遠隔操縦装置で生成送信される操縦情報によって遠隔操縦されるものであり、作業対象物の測距データを取得するための測距部、その作業対象物に対する作業を行う一又は二以上の作業用アーム、上記作業対象物の画像を取得するための撮像部を取り付けた一又は二以上の画像取得用アーム及びをそれら各アームを駆動するためのアーム駆動部を設けているとともに、上記測距部によって取得した測距データに基づき、作業対象物を撮像部によって撮像できるようにアーム画像取得用アームをアーム駆動部によって自律的に移動させるアーム自律移動手段を有することを特徴としている。

本発明によれば、遠隔操縦による作業に必要な画像を自律して取得しつつ、一台の作業ロボットのみで所要の作業を行うことができる。

本発明の一実施形態に係るロボット遠隔操縦システムの全体構成を示す説明図である。 同上のロボット遠隔操縦システムの一部をなす一実施形態に係る作業ロボットの外観構成を示す説明図である。 同上のロボット遠隔操縦システムの制御フローチャートである。

以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るロボット遠隔操縦システムの全体構成を示す説明図、図２は、本発明の一実施形態に係るロボット遠隔操縦システムの一部をなす一実施形態に係る作業ロボットの外観構成を示す説明図である。

本発明の一実施形態に係るロボット遠隔操縦システムＡは、作業用ロボットＢと、遠隔操縦装置Ｃとを通信回線を介して接続した構成のものである。
「通信回線」は、本実施形態においては無線によるものであるが、有線であってもよい。

一実施形態に係る作業ロボットＢは、図１，２に示すように、ロボット本体１０の上面に突設したアーム支持部１１に、作業用アーム１２と画像取得用アーム１３，１４の各基端部１２ｂ´、１３ｂ´，１４ｂ´をそれぞれ回動自在に連結支持しているとともに、ロボット本体１０の上面であって前部近傍に測距部２０を偏移させて配設した外観構成になっている。
なお、本実施形態においては、作業用アーム１２と画像取得用アーム１３，１４の各基端部１２ｂ´、１３ｂ´，１４ｂ´を共通のアーム支持部１１に連結支持した構成のものを例示しているが、それら各アームを個別のアーム支持部に連結支持した構成にしてもよい。

ロボット本体１０には、これの両側に一対のクローラ１５，１５（一方は図示しない）が配設されており、詳細を後述する遠隔操縦装置Ｃから送信される操縦情報に従って走行機構部１６により駆動されるようになっている。なお、クローラに代えて車輪等を採用することもできる。

本実施形態において示す作業用アーム１２は、開放端部側アーム部１２ａと基端部側アーム部１２ｂとの間に関節部１２ｃが設けられた一軸構造になっており、その関節部１２ｃにはサーボモータＭが配設されている。

開放端部側アーム部１２ａの開放端部には、作業対象物Ｔに応じた各種のエフェクタ１７が交換可能に配設されている。
なお、本実施形態においては、説明を簡略化するために作業用アーム１２を単軸構造にしたものを示しているが、必要に応じて２軸以上のものを採用できることは勿論であり、図１には、３軸構造としたときのサーボモータＭ…と、サーボドライバＳＤを示している。
また、作業対象物Ｔに対する作業を行う一又は二以上の作業用アーム１２を駆動するためのアーム駆動部１２ｄをサーボモータＭ…とサーボドライバＳＤとにより構成している。

本実施形態において示す画像取得用アーム１３（１４）は、作業対象物Ｔの画像を取得するためのものであり、開放端部側アーム部１３ａ（１４ａ）と基端部側アーム部１３ｂ（１４ｂ）との間に関節部１３ｃ（１４ｃ）が設けられた一軸構造になっており、その関節部１３ｃ（１４ｃ）にサーボモータＭを配設している。

開放端部側アーム部１３ａ（１４ａ）の開放端部には、作業対象物Ｔを撮像するための撮像部としてのカメラ１８が配設されている。
カメラ１８は、エフェクタ１７と作業対象物Ｔとの距離に応じ、自動的にズームイン、ズームアウトができる機能を有するものである。

なお、本実施形態においては、説明を簡略化するために画像取得用アーム１３（１４）を単軸構造にしたものを示しているが、必要に応じて２軸以上のものを採用できることは勿論であり、図１には、３軸構造としたときのサーボモータＭ…と、サーボドライバＳＤを示している。

また、作業対象物Ｔの画像を取得する一又は二以上の画像取得用アーム１３（１４）を駆動するためのアーム駆動部１３ｄ（１４ｄ）を、サーボモータＭ…とサーボドライバＳＤとにより構成している。
なお、本実施形態においては、画像取得用アーム１３，１４を配設したものを例として説明しているが、必要に応じて一又は三以上配設してもよい。

測距部２０は、作業対象物Ｔの測距データを取得するためのレーザーレンジファインダ２１と、その作業対象物Ｔを撮影するためのカメラ２２とを有して構成されており、転向部２３（図２参照）に載置されている。
「測距データ」には、下記の測距部２０の向きデータと作業対象物Ｔまでの距離データとが含まれている。
測距部２０は、対象物までの距離を必要な精度で計測できるものであれば、レーザーレンジファインダでなくともよい。

転向部２３は、サーボモータＭ，Ｍと、これを駆動するためのサーボドライバＳＤ，ＳＤとを有して構成されており、作業対象物Ｔに対する測距部２０の向きを、後述する遠隔操縦装置Ｃから送信される転向指示コマンドによって変えられるようにしている。

上述した各サーボドライバＳＤ、転向部２３及び走行機構部１６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やインターフェース回路等からなる制御部３０の出力ポートに接続され、また、測距部２０とカメラ１８，１８とは、当該入力ポートに接続されている。
また、制御部３０には、通信ポートを介して、遠隔操縦装置Ｃとの間で各種情報の送受を行うための通信機３１が接続されている。

制御部３０は、所要のプログラムの実行により次の各機能を発揮する。
上記測距部２０によって取得した測距データに基づき、カメラ１８によって作業対象物Ｔを撮像できるように画像取得用アーム１３，１４をアーム駆動部１３ｄ，１４ｄによって自律的に移動させる機能。この機能を「アーム自律移動手段３０ａ」という。

具体的には、作業対象物Ｔの方向と及び距離の指示より、画像取得用アーム１３，１４の各関節部が取るべき角度を演算する。具体的には、次のとおりである。
・撮像方向の指示により、カメラ１８の取るべき向き（角度）と位置が決まる。
・カメラ１８の取るべき向きと位置は、画像取得用アーム１３，１４の先端部の向きと位置に等しい。
・画像取得用アーム１３，１４の先端部の向きと位置を入力として、逆運動学問題を解くことにより、画像取得用アーム１３，１４の各関節部の取るべき角度が決まる。
例えば、画像取得用アーム１３，１４が６軸アームである場合、６軸アームの逆運動学の解法は一般的に知られている。

これを用いて、画像取得用アーム１３，１４の先端部の位置と姿勢を指定することにより、６軸各々全ての取るべき角度を算出することができる。
なお、本実施形態においては、作業ロボットの走行時には、アーム自律移動手段は、カメラ１８，１８を走行方向に指向させるように、画像取得用アーム１３，１４を移動させている。これにより、カメラ１８，１８で撮像した画像を参照しながらの走行を行うことができるので、走行のためのカメラ等を設ける必要がない。

遠隔操縦装置Ｃは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やインターフェース回路等からなる制御部４０と、作業ロボットＢとの間で各種情報の送受信を行うための通信機４１とを有している。

制御部４０は、上述した構成からなる作業ロボットＢから送信される作業対象物Ｔの画像を表示するための表示部と、その作業ロボットＢに対する操縦情報を生成するための操縦部（いずれも図示しない）とを有している。

「操縦情報」は、走行機構部１６に対する走行指示コマンド、転向部２３に対する転向指示コマンド、各アームのサーボドライバＳＤに対する駆動指示コマンド等を含んでいる。

次に、図３を参照して、制御フローチャートについて説明する。図３は、ロボット遠隔操縦システムの制御フローチャートである。なお、図３において、左側が遠隔操縦装置、また、右側が作業ロボットにおける処理をそれぞれ示している。

＜遠隔操縦装置Ｃ側における処理＞
ステップ１（図中、「Ｓａ１」と略記する。以下、同様。）：測距部２０のカメラ２２で撮像した作業対象物Ｔが表示部に表示されている画像の中心に位置するように、測距部２０に対して転向指示コマンドを送出する。

ステップ２：作業対象物Ｔが表示部に表示されている画像の中心に位置しているか否かを目視において判定し、当該中心に位置していると判定すれば、対象物照準完了通知を作業ロボットＢに向けて送出する。

ステップ３：撮像方向を指示する。例えば、作業対象物Ｔの上方からであるとか、側方からであることの指示を行う。
ステップ４：表示部に表示されている作業対象物Ｔの画像を参照して、作業用アーム１２に対する操縦コマンドを、作業ロボットＢに向けて送出する。

＜作業ロボットＢ側における処理＞
ステップ１（図中、「Ｓｂ１」と略記する。以下、同様。）：測距部２０で取得した画像を、遠隔操縦装置Ｃに向けて送信する。

ステップ２：遠隔操縦装置Ｃから送信された転向指示コマンドに対応する、測距部２０のサーボドライバＳＤの駆動情報を出力して、測距部２０の向き（姿勢）を変える。
ステップ３：測距部２０のカメラ２２の向きにより、作業対象物Ｔの方向を取得するとともに、レーザーレンジファインダ２１により、その作業対象物Ｔまでの距離を測距する。

ステップ４：作業対象物Ｔの方向，距離及び撮像方向を指示することより、画像取得用センサ用アーム１３，１４の各関節部が取るべき角度を上述したような演算によって算出する。
また、画像取得用アーム１３，１４の各関節部が所望の角度となるように、各アームのサーボドライバＳＤに対して駆動信号を出力する。
また、作業用アーム１２の各関節部の角度よりエフェクタ１７の位置を演算するとともに、そのエフェクタ１７と作業対象物Ｔの距離に応じて、カメラ１８のズーム率を制御（距離が近い場合にズーム）する。
すなわち、カメラ画像をズームすることにより、エフェクタ１７に対する操作をより行い易いようにしている。

ステップ５：取得した画像を遠隔操縦装置Ｃに向けて送信する。
ステップ６：遠隔操縦装置Ｃから送信される、作業用アーム１２に対する操縦コマンドに応じて、その作業用アーム１２のサーボドライバＳＤに駆動情報を出力する。

上述した本発明の一実施形態によれば、次の効果を得ることができる。
・画像取得用アームを自律的に作業対象物を撮像できる位置に移動できるので、当該アーム自体の操縦を省略でき、また、作業時間を短縮できる。
・撮像部をカメラとした場合、作業対象物とエフェクタの距離に応じて、自動的にズームイン，ズームアウトすることにより、操縦を行うことなくより良好な画像を得ることができる。
・必要な作業ロボットは１台のみであるため、低コストかつ操縦が容易である。
・画像取得用アームは小さくできるため、任意の方向から作業対象物の画像の取得が容易である。
・撮像部は、作業ロボットが作業に入る前の現場までの移動時には、走行を支援するためのセンサとして併用可能であり、効率的である。

なお、本発明は上述した実施形態に限るものではなく、次のような変形実施が可能である。
・上記した実施形態においては、測距部をロボット本体の上面に配設したものを例として説明したが、これに限るものではなく、測距部によって作業対象物の相対位置がわかればよいので、例えば別のアーム（測距用アーム）を設け、これに測距部を配設するようにしてもよい。

１２ 作業用アーム
１３，１４ 画像取得用アーム
１３ｄ，１４ｄ アーム駆動部
１６ 走行機構部
１８ 撮像部（カメラ）
２０ 測距部
２１ レーザーレンジファインダ
２３ 転向部
３０ａ アーム自律移動手段
Ｂ 作業ロボット
Ｃ 遠隔操縦装置
Ｔ 作業対象物

Claims (7)

1. 作業対象物の測距データを取得するための測距部、その作業対象物に対する作業を行う一又は二以上の作業用アーム、上記作業対象物の画像を取得するための撮像部を配設した一又は二以上の画像取得用アーム及びそれら各アームを駆動するためのアーム駆動部を設けた作業ロボットと、
   上記作業ロボットと通信回線を介して接続されるとともに、作業対象物の画像を表示するための表示部、その作業ロボットを遠隔操縦するための操縦情報を生成して当該作業ロボットに向けて送信する遠隔操縦装置とを有するロボット遠隔操縦システムであって、
   上記測距部によって取得した測距データに基づき、作業対象物を撮像部によって撮像できるようにアーム画像取得用アームをアーム駆動部によって自律的に移動させるアーム自律移動手段を作業ロボットに設けたことを特徴とするロボット遠隔操縦システム。
2. 測距部の方向を変えるための転向部が設けられており、
   測距データには、測距部の方向データと作業対象物までの距離データとが含まれていることを特徴とする請求項１に記載のロボット遠隔操縦システム。
3. 測距部は、作業対象物の画像を取得するためのカメラと、レーザーレンジファインダとを有することを特徴とする請求項１又は２に記載のロボット遠隔操縦システム。
4. 作業用アームの開放端部には、作業対象物に応じたエフェクタが交換可能に配設されており、
   カメラは、エフェクタと作業対象物との距離に応じ、自動的にズームイン及びズームアウトができる機能を有することを特徴とする請求項３に記載のロボット遠隔操縦システム。
5. 作業ロボットには、走行するための走行機構部が配設されており、
   遠隔操縦装置から作業ロボットに送信される操縦情報には、走行機構部に対する走行指示コマンドを含んでいることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のロボット遠隔操縦システム。
6. 作業ロボットの走行時には、アーム自律移動手段は、撮像部を走行方向に指向させるように画像取得用アームを移動させることを特徴とする請求項５に記載のロボット遠隔操縦システム。
7. 通信回線を介して遠隔操縦装置に接続され、その遠隔操縦装置で生成送信される操縦情報によって遠隔操縦されるロボット遠隔操縦システムに用いる作業ロボットであって、
   作業対象物の測距データを取得するための測距部、その作業対象物に対する作業を行う一又は二以上の作業用アーム、上記作業対象物の画像を取得するための撮像部を取り付けた一又は二以上の画像取得用アーム及びをそれら各アームを駆動するためのアーム駆動部を設けているとともに、
   上記測距部によって取得した測距データに基づき、作業対象物を撮像部によって撮像できるようにアーム画像取得用アームをアーム駆動部によって自律的に移動させるアーム自律移動手段を有することを特徴とするロボット遠隔操縦システムに用いる作業ロボット。

Images