JP2012196749A - ロボット装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度なエンコーダーを用いずに、可動部の位置制御を高精度に行うロボット装置を提供する。
【解決手段】基体１と、基体１に対して駆動可能な可動部２と、可動部２を駆動するアクチュエーター３と、可動部２とともに動く部分に取り付けられた慣性センサー４と、画像を撮影し画像により慣性センサー４の位置または角度を検出する絶対位置検出部として、画像センサー５及びマーカー６と、画像センサーにより検出された位置情報の間を、慣性センサー４の信号で補間する演算部９と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロボット装置に関する。

ロボット、ＩＣハンドラー、印刷機器等可動部を持つ装置において、可動部の移動に要求される品質は、素早く、精度良く、求められる位置に可動部を移動させることである。一般に、モーター等のアクチュエーターと一緒に、エンコーダーと呼ばれる分解能の高い角度センサーを使用することで位置精度を高めている。また、同時にエンコーダーの角度情報を基にモーターのトルクを制御することで、素早く安定した可動部の移動を実現している。

産業用ロボットに使用される角度センサーとしてロータリーエンコーダーがよく用いられるが、一般的に精度の高い物程精度と微細な加工を必要とするため入手し難い要素となっている。簡易に同等の機能を実現する方法として、画像処理による絶対位置の検出が考えられる。画像処理を利用してロボットの制御を行う場合、画像処理能力の制約等により画像のフレームレートが制御周期より低くなることが多いため、画像で得られた位置情報間を何らかの方法で補間して制御しなければならない。その方法として、特許文献１のように過去の位置・速度情報から数値演算により軌道を予測して補間する方法が開示されている。

しかし、ロボットが高速に運動していたり振動していたりした場合、軌道の予測精度は落ちる。予測精度を上げるためにはより現在に近い過去の位置及び速度情報が必要となり、結局高いフレームレートが要求され、演算部のデータ処理量が大幅に増えるという問題がある。

画像より少ないデータ量で高速な動きや振動を検知する方法として、慣性センサーを使用する方法がある。特許文献２や特許文献３では、加速度センサーやジャイロセンサー等の慣性センサーを用いて、可動部であるロボットアームの振動を抑制する方法が開示されている。しかしながら、慣性センサーは加速度や角速度から相対位置や相対角度を知ることはできるが、絶対位置や絶対角度を直接検出することはできない。

一方、角度センサーは、可動部を駆動するモーター等のアクチュエーターの回転角度の検出に使用することが一般的であり、アクチュエーターの回転角度の絶対値を知ることはできる。しかし、アームや把持物体の重さによるたわみや加速に伴うたわみ、モーター発熱による熱膨張、減速機の弾性等、様々な要因による変動分まで検知することはできない。

特開平１１−２４７１８号公報 特開平１−１７３１１６号公報 特開平７−９３７４号公報

つまり、精度の良い角度センサーは入手し難く、構成し難い。また、画像を撮影する方法では高い精度が実現できない。また、慣性センサーを用いるときは絶対位置や角度を検出し難い。そこで、簡易な構成で高精度な制御を行うことができるロボット装置が望まれていた。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例にかかるロボット装置は、基体と、前記基体に対して移動可能な可動部と、前記可動部を駆動するアクチュエーターと、前記可動部または前記可動部とともに動く部分に取り付けられた慣性センサーと、画像を撮影し前記画像により前記慣性センサーの位置または角度を検出する絶対位置検出部と、前記絶対位置検出部により検出された位置または角度の間を、前記慣性センサーの信号で補間する演算部と、を備えたことを特徴とする。

本適用例によれば、アクチュエーターが可動部を駆動することにより、基体に対して可動部が移動する。可動部には慣性センサーが取り付けられ、慣性センサーの角速度または加速度を検出して信号を出力する。絶対位置検出部は慣性センサーの位置または角度を画像により検出する。そして、演算部は絶対位置検出部により検出された位置または角度の間を、慣性センサーの信号で補間する。従って、画像から得られる第１位置情報を演算部が補間するため、画像は高いフレームレートでなくても精度良く位置または角度を検出することができる。その結果、角度センサーを使用するときに比べて簡便に、演算部の負荷を抑えつつ高い分解能で慣性センサーの位置または角度を検出できる。また、モーターの回転角度を検知する角度センサーでは得ることが出来ない可動部の第１位置情報を絶対位置検出部と慣性センサーとで検出することができる。従って、基体に対して駆動する可動部の制御を簡便な構成で高精度に行うことができる。尚、本適用例における画像とは、被写体の形状のみではなく、色や光の明暗等、広く光学センサーにより取得された情報のことを示す。

［適用例２］上記適用例に記載のロボット装置は、所定の条件で、前記画像による位置または角度の検出頻度を切り替えることを特徴とする。

本適用例によれば、処理として負荷が高い画像による慣性センサーの位置の検出を、ロボットの動作に適した頻度で行うことができる。従って、画像処理の負荷を減らすことで低消費電力化ができる。

［適用例３］上記適用例に記載のロボット装置では、前記所定の条件は、現在位置と目標位置までの距離であることを特徴とする。

本適用例によれば、可動部が停止する目標位置において高い位置精度が要求されるロボット装置の場合、可動部の現在位置と目標位置までの距離が近いほど高い絶対位置精度が必要である。本適用例によれば、現在位置と目標位置が近づいたときに画像を取得する頻度を上げることができる。従って、高精度な目標位置到達精度を安価に実現できる。

［適用例４］上記適用例に記載のロボット装置では、前記所定の条件は、特定の位置であることを特徴とする。

本適用例によれば、可動部がある頻度で特定の位置を通過、または特定の位置で停止するときに撮影する。従って、絶対位置検出部は特定を位置を撮影するようにできるため、絶対位置検出部は撮影する場所を移動させることがない。その結果、絶対位置検出部をより簡易にすることができる。

［適用例５］上記適用例に記載のロボット装置では、前記所定の条件は、前記可動部の速度であることを特徴とする。

本適用例によれば、可動部の速度の条件で位置または角度の検出頻度を切り替えている。画像により位置を検出する第１位置情報は、検出の対象とする可動部の動作が遅い方が、位置精度を高くすることができる。逆に、慣性センサーでは検知の対象とする可動部の動作が速い方が検出精度が高い。可動部の速度域が低速から高速まで幅広いロボット装置において、画像による位置の検出が容易な速度になってから画像を使用することで、高精度な制御を実現できる。

［適用例６］上記適用例に記載のロボット装置は、画像による位置または角度の検出頻度が一定であることを特徴とする。

本適用例によれば、ロボットの動作に関わらず、一定頻度で画像により位置を検出している。可動部の動作パターンが多岐にわたるロボット装置においも、演算部は一定の頻度で画像を撮影する指示を絶対位置検出部に出力すれば良いので演算部を簡略な構成にすることができる。

［適用例７］上記適用例に記載のロボット装置は、前記画像による位置の検出が失敗したと判断したときに、前記演算部は前記慣性センサーで位置または角度を補間し続けることを特徴とする。

本適用例によれば、画像による位置の検出が失敗した場合でも、ロボット装置の制御を継続できるため、ロボット装置としてロバスト性を高くすることができる。

［適用例８］上記適用例に記載のロボット装置は、前記画像で得られた位置情報から算出した速度の低周波側の情報と前記慣性センサーで得られた速度の高周波側の情報とを用いて制御されることを特徴とする。

本適用例によれば、画像で得られた位置情報から算出した速度の低周波側の情報と慣性センサーで得られた速度の高周波側の情報とを用いている。慣性センサーから得られた速度の高周波部分のみを利用するので、積分によるオフセット誤差が少なくできる為、精度良く制御することができる。

［適用例９］上記適用例に記載のロボット装置は、前記画像から位置または角度を検出するたびに、前記演算部は前記慣性センサーが検出する位置または角度を用いて算出した位置または角度の校正を行うことを特徴とする。

本適用例によれば、画像から位置または角度を検出するたびに慣性センサーが検出する位置または角度を用いて算出した位置または角度の校正を行っている。慣性センサーが出力する信号は、加速度や角速度の信号であるため、位置や角度を検出するためには積分処理が必要となる。温度や経年変化等の要因で慣性センサー信号にドリフト成分が生じると、位置や角度に誤差を生じる。しかも、可動部を何度も動作させることを繰り返すうちに誤差成分が蓄積されて、現在の位置や角度を見失う可能性がある。本適用例では画像から位置または角度を検出するたびに慣性センサーによる位置または角度の算出値を校正するため、演算部は精度良く位置または角度を算出することができる。

［適用例１０］上記適用例に記載のロボット装置は、前記慣性センサーが静止したときに、前記演算部は前記慣性センサーが検出する位置または角度を用いて算出した位置または角度の校正を行うことを特徴とする。

本適用例によれば、慣性センサーが静止したときに、演算部は慣性センサーが検出する位置または角度を用いて算出した位置または角度の校正を行っている。従って、慣性センサーが検出する速度及び加速度が０である為、検出する速度及び加速度が変動するときに比べて慣性センサーの校正を容易に行うことができる。

［適用例１１］上記適用例に記載のロボット装置では、前記慣性センサーは、角速度センサーであることを特徴とする。本適用例の慣性センサーは角速度センサーである為、可動部の動きが回転運動のときに精度よく回転角度を検出することができる。

［適用例１２］上記適用例に記載のロボット装置では、前記慣性センサーは、加速度センサーであることを特徴とする。本適用例の慣性センサーは加速度センサーである為、可動部の動きが直線運動のときに精度よく加速度を検出することができる。

［適用例１３］上記適用例に記載のロボット装置では、前記アクチュエーターは、ステッピングモーターであることを特徴とする。本適用例によれば、絶対位置検出部が取得する画像と慣性センサーによりステッピングモーターの脱調を検出することができる。

［適用例１４］上記適用例に記載のロボット装置では、前記絶対位置検出部は画像センサーを有し、前記画像を撮影する前記画像センサーは、前記可動部に取り付けられていることを特徴とする。

本適用例によれば、実質的に画像センサーと慣性センサーがほぼ同一の場所に取り付けられている。このため、可動部とは違うところに画像センサーを設置して慣性センサーの位置を検出するより、高精度に位置を検出できる。

実施形態１にかかるロボット装置の構成を示す模式正面図。 演算部の信号処理を示すブロック図。 画像により検出された位置情報を、慣性センサーより得られる位置情報で補間する方法の効果を説明するための図。 画像を用いて位置を検出するタイミングを説明するための図。 画像から位置情報を取得するタイミングを説明するためのグラフ。 画像を用いて位置を検出するタイミングを説明するための模式図。 変形例３にかかる演算部の構成を示すブロック図。 実施形態１にかかる慣性センサーを用いた位置情報校正処理のフローチャート。 実施形態２にかかるロボット装置の構成を示す模式正面図。 実施形態３にかかるロボット装置の構成を示す模式正面図。 実施形態４にかかるロボット装置の構成を示す模式平面図。 実施形態５にかかるロボット装置の構成を示す模式正面図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。尚、以下の各図においては、各層や各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各層や各部材の尺度を実際とは異ならせしめている。

（実施形態１）
図１は、実施形態１にかかるロボット装置の構成を示す模式正面図である。図１に示すように、本実施形態のロボット装置１０は、水平に回転可能な、いわゆるスカラロボットである。

ロボット装置１０は架台８を備え、架台８には基体１が固定されている。基体１に対して、可動部２は回転可能に設置されている。基体１にはアクチュエーター３が設置され、可動部２はアクチュエーター３により駆動可能となっている。可動部２の先端に慣性センサー４が取り付けられている。ロボット装置１０はアクチュエーター３を制御する演算部９を備え、慣性センサー４が出力する慣性センサー信号が演算部９に取り込まれる。可動部２のアクチュエーター３に対して反対の側には可動部２とともに動くロボットハンド７が設置され、ロボットハンド７には絶対位置検出部としての画像センサー５が取り付けられている。画像センサー５が出力する画像センサー信号は演算部９に取り込まれる。画像センサー信号が架台８に取り付けられたマーカー６を検知することで、慣性センサー４の位置または角度を検出する。

尚、可動部２の動きは回転運動であるため、慣性センサー４には角速度センサーが用いられている。また、アクチュエーター３にステッピングモーターを用いると、画像センサー５と慣性センサー４によりステッピングモーターの脱調を検出できる。よって、簡便な構成で小型軽量のステッピングモーターの欠点を補うことができる。

本実施形態の構成は、高精度なために入手が困難な角度センサーや高速度カメラを必ずしも必要とせず、簡便な構成であることが特徴である。ただし、本実施形態は角度センサーや高速度カメラとともに適用することを排除するものではない。

図２は、実施形態１における演算部の信号処理を示すブロック図である。図２に示すように、演算部９は慣性センサー４、画像センサー５、アクチュエーター３と接続されている。画像センサー５及び慣性センサー４から得られた情報をもとに、演算部９はアクチュエーター３を制御する制御信号を生成する。そして、演算部９により、従来の角度センサーや高速度カメラを使用したアクチュエーター制御と同等以上の制御が行うことができる。

図３は、画像により検出された位置情報を、慣性センサーより得られる位置情報で補間する方法の効果を説明するための図であり、直線補間する方法と比較して説明する。画像により検出された位置情報を第１位置情報とし、慣性センサーより得られる位置情報を第２位置情報とする。例えば、画像を３０ｆｐｓ（frame per second）で取得する。すなわち位置情報を３３（ミリ秒）間隔で取得する一方、アクチュエーターの制御周期が１２５（マイクロ秒）であったとすると、制御に必要な位置情報が不足するため何らかの方法で補間しなければならない。

本実施形態は、慣性センサー４で得られる速度情報や加速度情報を積分することで第２位置情報を算出し、第１位置情報に不足する位置情報を第２位置情報にて補間するものである。ただし、速度情報を積分し続けると誤差が蓄積し第２位置情報にオフセットが生じるため、長時間の使用には耐えられない。したがって、あるタイミングにおいて基準となる第１位置情報の取得が不可欠である。

図３において、横軸は時間の推移を示し、縦軸は可動部２の回転角度を示している。そして、センサー推移線１１は慣性センサー４が移動する推移を示している。そして、位置検出点１２は画像センサー５が撮影した画像を用いて第１位置情報を算出するタイミングを示している。補間線１３は位置検出点１２における第１位置情報を用いて慣性センサー４の回転角度の推移を直線補間して算出した線である。この図では分かりやすくするため極端な例を示しているが、直線補間した補間線１３が、慣性センサーが実際に推移したセンサー推移線１１とは大きく異なることが分かる。本実施形態では、位置検出点１２の間を第２位置情報にて補間することによりセンサー推移線１１により近い値を算出することが可能となっている。

図４は、画像を用いて位置を検出するタイミングを説明するための図である。図４（ａ）は、一定のタイミングで画像より第１位置情報を取得し、第１位置情報の合間を慣性センサーより取得した第２位置情報で補間することを説明するための図である。図４（ｂ）は、画像を用いた位置の検出が失敗したときに、慣性センサーの情報を使い続けることを説明するための図である。

図４（ａ）に示すように、一定の間隔に設定された位置検出点１２にて画像センサー５が画像を撮影する。つまり、検出頻度が一定となっている。そして、演算部９が第１位置情報を算出する。次に、位置検出点１２の間では慣性センサー４の出力を用いて演算部９が第２位置情報を算出する。演算部９は第１位置情報と第２位置情報とを用いて慣性センサー４の位置を精度良く検出することができる。そして、演算部９は一定の頻度で画像を撮影する指示を画像センサー５に出力すれば良いので演算部９を簡略な構成にすることができる。

図４（ｂ）に示すように、所定の間隔に設定された位置検出点１２にて画像センサー５が画像を撮影する。そして、演算部９が画像による位置の検出が失敗したと判断したときに、慣性センサー４の出力を用いて演算部９が第２位置情報で角度を補間し続ける。この方法によれば、画像による位置取得が失敗してもアクチュエーター３の制御が継続できる為、ロボット装置１０としてロバスト性を高くすることができる。

（変形例１）
図５は、画像から位置情報を取得するタイミングを説明するためのグラフである。図５（ａ）において、横軸は時間の推移を示し、画像センサー５を用いて第１位置情報を取得する期間と慣性センサー４を用いて第２位置情報を取得する期間とを示している。”慣＋画”の期間は慣性センサー４と画像センサー５との両方を用いて慣性センサー４の位置を検出する期間である。”慣のみ” の期間は慣性センサー４を用いて慣性センサー４の位置を検出する期間である。縦軸は可動部２の角速度を示す。

可動部２の速度によって”慣＋画”の期間と”慣のみ” の期間が設定されている。可動部の角速度が高い時は慣性センサー４のみで位置検出を行い、可動部２の角速度が判定値以下に減速すると画像センサーによる第１位置情報の取得を開始する。”慣＋画”の期間において、位置検出の精度が必要でないときには”慣のみ” の期間にしても良い。

マーカー６を撮像することにより絶対値情報を取得するためには、画像センサーの移動速度が低速の方が、被写体のぶれ量が少ないため好ましい。この方法によれば、被写体のぶれ量が所定値以下であることが期待できるようになってから撮像を開始するため、演算部における画像処理量を減らすことができる。

図５（ｂ）に示すように、可動部２の角速度で画像センサー５は撮影レートを切替えている。つまり、位置検出頻度を切替えている。可動部２が加速するときは慣性センサー４のみを用いて位置を検出する。可動部２の角速度が第１判定値以下のときは６０ｆｐｓで画像を撮影し、第１判定値以上第２判定値未満のときは５ｆｐｓで画像を撮影し、第２判定値以上のときは慣性センサー４のみを使って位置を検出する。このように可動部２の速度や加速度で画像センサー５が撮影するフレームレートを変化させても良い。ロボット装置１０がより高い精度が求められる作業を行う際は、一般的に可動部２は低速であり、その際に画像センサー５が撮影するフレームレートを上げることは制御の位置精度を高める上で有効である。

（変形例２）
図６は、画像を用いて位置を検出するタイミングを説明するための模式図である。図６に示すように、基体１を中心として可動部２が回転する。ロボットハンド７の軌道に目標位置１４が設定されている。ロボットハンドが、所定の距離以上目標位置に近付いたら画像による第１位置情報の取得を開始する。目標位置１４から所定の距離より離れているときは、慣性センサー４による第２位置情報のみでアクチュエーター３を制御する。

つまり、現在位置と目標位置までの距離で画像による角度の検出頻度を切り替えている。可動部２が停止する目標位置１４において高い位置精度が要求されるロボット装置１０の場合、可動部２の現在位置と目標位置１４までの距離が近いほど高い絶対位置精度が必要である。本変形例によれば、現在位置と目標位置１４が近づいたときに画像を取得する頻度を上げている。従って、高精度な目標位置到達精度を実現できる。さらに、この方法によれば、位置精度があまり要求されないロボットハンド７の位置決めまでの移動時に、演算部９の負荷を軽くすることができる。

尚、距離の測定方法については、赤外線センサーや超音波センサー等を用いた直接的な距離測定手法のほかに、角度センサーや慣性センサー４の情報を累積して、現在の位置と目標の位置を算出する方法がある。また、画像センサー５を２つ以上用いて視差情報から距離を推定する方法や、目標とする対象物を画像センサー５で検出し認識できるかどうかの判定を繰り返すことでタイミングを決める方法等がある。

（変形例３）
図７は、変形例３にかかる演算部の構成を示すブロック図である。図７に示すように、演算部２１は積分器１５を備え、積分器１５は慣性センサー４と接続されている。そして、積分器１５はハイパスフィルター１６（ＨＰＦ）と接続されている。さらに、演算部２１は位置変換器１７を備え、位置変換器１７は画像センサー５と接続されている。そして、位置変換器１７はローパスフィルター１８（ＬＰＦ）と接続されている。ハイパスフィルター１６とローパスフィルター１８とは合成器１９と接続され、合成器１９は制御計算器２０と接続されている。そして、制御計算器２０はアクチュエーター３と接続されている。

慣性センサー４が出力する角速度信号は積分器１５に入力され、積分器１５は角速度信号を積分して第２位置情報に変換する。そして、ハイパスフィルター１６は第２位置情報のうち高周波成分のみを合成器１９へ出力する。同様に、画像センサー５が出力する画像信号は位置変換器１７に入力され、位置変換器１７は画像信号から第１位置情報に変換する。そして、ローパスフィルター１８は第１位置情報のうち低周波成分のみを合成器１９へ出力する。

合成器１９は画像センサー５により検出された第１位置情報の低周波成分と、慣性センサー４の角速度信号を演算することにより得られる第２位置情報の高周波成分とを合成し位置情報を制御計算器２０に出力する。そして、制御計算器２０はアクチュエーター３の制御計算を行う。尚、慣性センサー４が加速度センサーならば２回の積分、角速度センサーならば１回の積分で第２位置情報を得られる。

この方法によれば、慣性センサー４から得られた速度の高周波部分のみを利用するので、積分によるオフセット誤差が少なくできる為、精度良く制御することができる。さらに、この方法によれば、慣性センサー４の信号はロボットハンド７の振動を抑える役割を果たす。

図８は、実施形態１にかかる慣性センサーを用いた位置情報校正処理のフローチャートである。ここでは、角速度センサーを慣性センサー４としている。

ステップＳ１にて、画像により取得した最新の第１位置情報θnewをもとに、次に第１位置情報が得られるまでの間、角速度センサーより得られた角速度ｗを用いて算出した角度で位置情報を補間する。ステップＳ２において、アクチュエーター３の制御で用いられない未校正の角度θを演算する。アクチュエーター３の制御周期をΔtとすると、位置情報の校正処理を行わない角度θは、式１で表される。
θ ＝ θ０ ＋ w × Δt （式１）
ここでθ０は、前回演算した角度θである。この演算を繰り返していくと、角速度センサー信号のドリフト成分が蓄積され、角度θに誤差が発生する。

ステップＳ３にて、この誤差を抽出し位置情報の校正を行った角度θcontを演算する。位置情報の校正を行った角度θcontは、式２で表される。
θcont ＝ θ１ ＋ （w − ｗ＿ｄｒｉｆｔ） × Δｔ （式２）
ステップＳ２とステップＳ３とは並行して行われ、次に、ステップＳ４に移行する。ステップＳ３の次にステップＳ１０にも移行する。

ステップＳ４にて、画像により第１位置情報を取得したかを判断する。取得したとき、ステップＳ５に移行する。ステップＳ５ではθnewとθとを比較し、慣性センサー４のドリフト成分を抽出する。
ここで、
ｗ＿ｄｒｉｆｔ＝ θdrift／（n × Δt） （式３）
θdrift ＝ θ − θnew （式４）
である。

ここで、ステップＳ３におけるθ１は、前回の制御で用いられた角度θ１である。ｎは、画像より得られた第１位置情報を角速度センサーより得られた角度情報で補間した回数である。この結果、位置情報の校正を行った角度θcontをアクチュエーター３の制御に用いることで、角度精度が必要程度に保証されるため、角度センサー等の精度を要する部材が不要となる。

ステップＳ５の後ステップＳ６に移行する。ステップＳ６にてカウントをリセットして、ステップＳ７に移行する。ステップＳ７では画像によるデータを用いて位置情報を更新し、ステップＳ４に移行する。ステップＳ４にて第１位置情報を取得しないときステップＳ８に移行する。ステップＳ８ではカウントアップしてステップＳ９に移行する。ステップＳ９では慣性センサー４の出力を用いて位置情報を更新し、ステップＳ１に移行する。ステップＳ１０ではθcontを用いたアクチュエーター３の制御演算を行い終了する。

以上述べたように、本実施形態にかかるロボット装置１０によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）本実施形態によれば、画像から得られる第１位置情報を演算部９が補間するため、画像は高いフレームレートでなくても精度良く位置または角度を検出することができる。その結果、角度センサーを使用するときに比べて簡便に、演算部９の負荷を抑えつつ高い分解能で慣性センサー４の角度を検出できる。また、可動部２の位置情報を画像センサー５と慣性センサー４とで検出することができる。従って、基体１に対して駆動する可動部２の制御を簡便な構成で高精度に行うことができる。

（２）本実施形態によれば、処理として負荷が高い画像による慣性センサー４の位置の検出を、可動部２の動作に適した頻度で行うことができる。従って、位置変換器１７の負荷を減らすことで低消費電力化ができる。

（３）本実施形態によれば、現在位置と目標位置が近づいたときに画像を取得する頻度を上げることができる。従って、高精度な目標位置到達精度を実現できる。

（４）本実施形態によれば、可動部２の速度の条件で位置または角度の検出頻度を切り替えている。可動部２の速度域が低速から高速まで幅広いロボット装置１０において、画像による位置の検出が容易な速度になってから画像を使用することで、高精度な制御を実現できる。

（５）本実施形態によれば、可動部２の動作に関わらず、一定頻度で画像により位置を検出している。可動部２の動作パターンが多岐にわたるロボット装置１０においも、演算部２１は一定の頻度で画像を撮影する指示を画像センサー５に出力すれば良いので演算部２１を簡略な構成にすることができる。

（６）本実施形態によれば、画像による位置の検出が失敗した場合でも、ロボット装置１０の制御を継続できるため、ロボット装置１０としてロバスト性を高くすることができる。

（７）本実施形態によれば、画像で得られた位置情報から算出した速度の低周波側の情報と慣性センサー４で得られた速度の高周波側の情報とを用いている。慣性センサー４から得られた速度の高周波部分のみを利用するので、積分によるオフセット誤差が少なくできる為、精度良く制御することができる。

（８）本実施形態によれば、画像から可動部２の回転角度を検出するたびに慣性センサー４が検出する回転角度を用いて算出した位置または角度の校正を行っている。従って、演算部２１は精度良く位置または角度を算出することができる。

（９）本実施形態によれば、慣性センサー４は、角速度センサーである為、可動部２の動きが回転運動のときに精度よく回転角度を検出することができる。

（１０）本実施形態によれば、アクチュエーター３は、ステッピングモーターである。画像センサー５が撮影する画像と慣性センサー４の出力によりステッピングモーターの脱調を検出することができる。

（１１）本実施形態によれば、画像センサー５は、可動部２に取り付けられている。従って、実質的に画像センサー５と慣性センサー４がほぼ同一の場所に取り付けられている。このため、可動部２とは違うところに画像センサー５を設置して慣性センサー４の位置を検出するより、容易に高精度な位置検出をすることができる。

（実施形態２）
次に、本発明の特徴的なロボット装置について図９に従って説明する。図９は、実施形態２にかかるロボット装置の構成を示す模式正面図である。本実施形態が実施形態１と異なる点は、ロボット装置が可動部を複数備えている点にある。本実施形態のロボット装置は、複数の関節を持つスカラロボットである。尚、実施形態１と同一の構成、部位、作用については、重複する説明は省略する。

図９に示すように、ロボット装置２３は架台８を備え、架台８上に基体１が固定されている。基体１に対して、可動部２はアクチュエーター３により駆動可能である。可動部２の先端に慣性センサー４が取り付けられ、慣性センサー４から第１慣性センサー信号が演算部２４に出力される。可動部２の一端には回転軸を備えるアクチュエーター９３が設置され、アクチュエーター９３の回転軸には可動部９２が設置されている。そして、可動部２に対して、可動部９２はアクチュエーター９３により駆動可能となっている。このとき、可動部９２にとって、可動部２は基体（固定部）とみなせる。可動部９２の一端にはロボットハンド７が設置され、ロボットハンド７には慣性センサー９４が取り付けられている。慣性センサー９４から第２慣性センサー信号が演算部２４に出力される。

絶対位置検出部としての画像センサー９６は架台８に固定され、画像センサー９６が撮影する画像の画像センサー信号が演算部２４に出力される。画像センサー９６は慣性センサー４と慣性センサー９４とが移動する範囲を撮影可能な場所に設置されている。そして、画像センサー９６が慣性センサー４と慣性センサー９４とを撮影し、演算部２４が慣性センサー４と慣性センサー９４の動きを検出する。そして、演算部２４は、第１慣性センサー信号と第２慣性センサー信号とを用いて、第１慣性センサー信号と第２慣性センサー信号の位置または角度を補間する。これにより、演算部２４は慣性センサー４及び慣性センサー９４の位置または角度を精度良く検出することができる。

以上述べたように、本実施形態にかかるロボット装置２３によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）本実施形態によれば、ロボット装置２３の関節が複数あるときにも、慣性センサー４及び慣性センサー９４の位置または角度を精度良く検出することができる。

（２）本実施形態によれば、画像センサー９６は慣性センサー４及び慣性センサー９４を撮影可能な場所に設置されている。従って、慣性センサーが複数あるときにも、画像センサーの数は１つで検出することができる。

（実施形態３）
次に、本発明の特徴的なロボット装置について図１０に従って説明する。図１０は、実施形態３にかかるロボット装置の構成を示す模式正面図である。本実施形態が実施形態２と異なる点は、ロボット装置が垂直多関節ロボットである点にある。つまり、本実施形態のロボット装置は、複数の関節を持つ垂直多関節ロボットである。尚、実施形態１または実施形態２と同一の構成、部位、作用については、重複する説明は省略する。

図１０に示すように、ロボット装置２５は架台８を備え、架台８上には基体１が設置されている。基体１には回転軸が回転するアクチュエーター３が設置されている。アクチュエーター３の回転軸には支持体２６が接続され、支持体２６はアクチュエーター３により回転するようになっている。支持体２６には回転軸を備えたアクチュエーター１０３が設置されている。

アクチュエーター１０３の回転軸はアクチュエーター３の回転軸と直交する方向に配置されている。そして、アクチュエーター１０３の回転軸は可動部２と接続されている。これにより、可動部２はアクチュエーター１０３により回転可能になっている。可動部２の一端には回転軸を備えたアクチュエーター１０４と慣性センサー４が設置されている。アクチュエーター１０４の回転軸とアクチュエーター１０３の回転軸とは平行に配置されている。

アクチュエーター１０４の回転軸は可動部２７と接続されている。これにより、可動部２７はアクチュエーター１０４により回転可能になっている。可動部２７には回転軸を備えたアクチュエーター１０５が設置されている。アクチュエーター１０５の回転軸とアクチュエーター１０４の回転軸とは直交する向きに配置されている。そして、アクチュエーター１０５の回転軸は可動部２８と接続されている。これにより、可動部２８はアクチュエーター１０５により回転可能になっている。

可動部２８の一端には回転軸を備えたアクチュエーター１０６と慣性センサー１０１が設置されている。アクチュエーター１０６の回転軸とアクチュエーター１０５の回転軸とは直交する向きに配置されている。そして、アクチュエーター１０６の回転軸はロボットハンド２９と接続されている。これにより、ロボットハンド２９はアクチュエーター１０６により回転可能になっている。

ロボットハンド２９は直動式のアクチュエーター１０７と一対の指部を備えている。そして、アクチュエーター１０７を駆動することにより指部の間隔を変えることが可能になっている。ロボットハンド２９には画像センサー５及び慣性センサー１０２が設置されている。ロボット装置２５は動作を制御する演算部３０を備えている。

慣性センサー４，１０１，１０２からそれぞれ出力される第１慣性センサー信号、第２慣性センサー信号、第３慣性センサー信号と画像センサー５から出力される画像センサー信号が演算部３０に入力される。演算部３０は画像センサー５が撮影する画像より慣性センサー１０２の位置及び角度を検出する。そして、演算部３０が第１慣性センサー信号、第２慣性センサー信号、第３慣性センサー信号を用いて、慣性センサー１０２の位置または角度を補間する。これにより、演算部３０は慣性センサー１０２の位置または角度を精度良く検出することができる。そして、演算部３０は、アクチュエーター３，１０３，１０４，１０５，１０６，１０７を、それぞれ第１制御信号，第２制御信号，第３制御信号，第４制御信号，第５制御信号，第６制御信号で制御する。尚、実施形態１では慣性センサー４の角度を検出したが、本実施形態では慣性センサー１０２の位置と角度とを検出している。

本実施形態によれば、ロボット装置２５が垂直多関節ロボットにおいても、画像センサー５と慣性センサー４，１０１，１０２とを用いることにより高精度な制御を実現できる。

（実施形態４）
次に、本発明の特徴的なロボット装置について図１１に従って説明する。図１１は、実施形態４にかかるロボット装置の構成を示す模式平面図である。本実施形態が実施形態２と異なる点は、ロボット装置が直交ロボットである点にある。つまり、本実施形態のロボット装置は、直交する２方向に移動する直交ロボットである。尚、実施形態１〜実施形態３と同一の構成、部位、作用については、重複する説明は省略する。

図１１に示すようにロボット装置３３は架台８を備え、架台８上には基体１が立設されている。そして、基体１には長尺のレール３４が架台８と平行に設置されている。レール３４に沿って可動部２が移動可能に設置され、レール３４にはマーカー６が設置されている。基体１には回転軸を備えたアクチュエーター３が設置され、回転軸にはベルト１１６が取り付けられている。そして、レール３４の一端にはプーリー３４ａが設置され、ベルト１１６はアクチュエーター３の回転軸とプーリー３４ａとの間で移動するようになっている。そして、ベルト１１６に可動部２が固定されている。これにより、アクチュエーター３はベルト１１６を介して可動部２を移動可能になっている。

可動部２には長尺のレール３５が設置されている。レール３５の長手方向とレール３４の長手方向とは直交する方向となっている。レール３５に沿って可動部１１４が移動可能に設置され、レール３５にはマーカー１１５が設置されている。可動部２には回転軸を備えたアクチュエーター１１１が設置され、回転軸にはベルト１１７が取り付けられている。そして、レール３５の一端にはプーリー３５ａが設置され、ベルト１１７はアクチュエーター１１１の回転軸とプーリー３５ａとの間で移動するようになっている。そして、ベルト１１７に可動部１１４が固定されている。これにより、アクチュエーター１１１はベルト１１７を介して可動部１１４を移動可能になっている。

可動部２には慣性センサー４及び画像センサー５が設置されている。画像センサー５はマーカー６を、絶対位置検出部としての画像センサー１１３はマーカー１１５を撮影して、演算部に出力する。可動部１１４には慣性センサー１１２及び画像センサー１１３が設置されている。尚、慣性センサー４，１１２は加速度センサーとなっている。そして、ロボット装置３３は動作を制御する演算部３６を備えている。

慣性センサー４，１１２からそれぞれ第１慣性センサー信号及び第２慣性センサー信号が出力される。そして、画像センサー５，１１３からは第１画像センサー信号及び第２画像センサー信号が出力される。第１慣性センサー信号及び第２慣性センサー信号と第１画像センサー信号及び第２画像センサー信号とが演算部３６に入力される。

演算部３６は第１慣性センサー信号及び第２慣性センサー信号を２回積分することにより位置信号に変換する。そして、第１画像センサー信号を用いて慣性センサー４の位置を検出し、第１慣性センサー信号を用いて慣性センサー４の位置を補間する。同様に、第２画像センサー信号を用いて慣性センサー１１２の位置を検出し、第２慣性センサー信号を用いて慣性センサー１１２の位置を補間する。

そして、演算部３６はアクチュエーター３，１１１にそれぞれ第１制御信号，第２制御信号を出力して制御する。アクチュエーター３はベルト１１６を介して可動部２を、アクチュエーター１１１はベルト１１７を介して可動部１１４を駆動する。本実施形態において、可動部２、可動部１１４の動きは直線運動であるため、慣性センサー４は加速度センサーが適している。

本実施例によれば、可動部がベルトを介して直線的に駆動するロボット装置においても、高精度な制御を安価に実現できる。

（実施形態５）
次に、本発明の特徴的なロボット装置について図１２に従って説明する。図１２は、実施形態５にかかるロボット装置の構成を示す模式正面図である。本実施形態が実施形態４と異なる点は、ロボット装置がプロッターである点にある。つまり、本実施形態のロボット装置は、１方向に移動する可動部を有するロボットである。尚、実施形態１〜実施形態４と同一の構成、部位、作用については、重複する説明は省略する。

図１２に示すように、ロボット装置としてのプロッター３９は架台８を備え、架台８上には一対の基体１が立設されている。そして、基体１を架橋するレール４０が設置され、レール４０に沿って可動部２が移動可能になっている。一方の基体１には回転軸を有するアクチュエーター３が設置され、他方の基体１にはプーリー４０ａが設置されている。そして、回転軸とプーリー４０ａとの間にベルト１２１が掛けられている。そして、ベルト１２１に可動部２が固定されている。アクチュエーター３が回転軸を回転させるとき、可動部２はレール４０に沿って移動する直動機構を形成している。

可動部２には慣性センサー４及び画像センサー５が設置され、基体１の一方にはマーカー６が設置されている。尚、慣性センサー４は加速度センサーとなっている。画像センサー５はマーカー６を撮影可能になっている。架台８上には回転軸を備えるアクチュエーター１２２が設置され、回転軸の軸方向はレール４０の長手方向と同じ向きになっている。そして、アクチュエーター１２２の回転軸には可動部１２３が接続され、アクチュエーター１２２は可動部１２３を回転させることが可能になっている。可動部１２３上には紙４１が設置され、可動部１２３が回転することにより、紙４１が移動する。つまり、可動部１２３は紙送り用ローラーとなっている。

プロッター３９は、動作を制御する演算部４２を備えている。慣性センサー４から出力される慣性センサー信号と画像センサー５から出力される画像センサー信号は演算部４２に入力される。演算部４２は慣性センサー信号を２回積分することにより位置信号に変換する。そして、画像センサー信号を用いて慣性センサー４の位置を検出し、慣性センサー信号を用いて慣性センサー４の位置を補間する。

演算部４２はアクチュエーター３に第１制御信号を出力して制御し、アクチュエーター１２２に第２制御信号を出力して制御する。画像センサー５は、マーカー６を撮影した画像の信号を演算部４２に送り、画像の信号は位置情報に変換される。尚、アクチュエーター３はベルト１２１を介して描画機能を有する可動部２を駆動する。また、演算部４２において算出された可動部２の位置情報をもとに、紙送り用ローラーである可動部１２３をアクチュエーター１２２が駆動する。マーカー６はＬＥＤ等の光源で、画像センサーはその光を検知する程度の受光素子でも良い。

本実施例によれば、演算部４２が精度良く算出した可動部２の位置情報を他の可動部１２３の制御に使うことで、より高精度なプロッターを実現できる。

尚、本発明本実施形態は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変更や改良を加えることも可能である。変形例を以下に述べる。
（変形例４）
前記第１の実施形態では、一定の間隔、速度、目標までの距離に応じて画像による検出頻度を切替えた。他にも、予め設定した、特定の位置にて画像による位置検出を行っても良い。可動部２がある頻度で特定の位置を通過、または特定の位置で停止するときに撮影する。従って、画像センサー５は特定の位置を撮影するようにできるため、画像センサー５は撮影する場所を移動させたり、撮影する向きを変える必要がない。その結果、画像センサー５を支持する構造を簡易にすることができる。この内容は実施形態２〜実施形態５にも適用できる。

（変形例５）
前記第１の実施形態では、慣性センサー４の校正を行う説明がなかった。慣性センサー４が停止しているときに、校正を行うのが好ましい。慣性センサー４が静止したときに、演算部９は慣性センサー４が検出する位置または角度を用いて算出した位置または角度の校正を行う。従って、慣性センサー４が検出する速度及び加速度が０である為、検出する速度及び加速度が変動するときに比べて慣性センサー４の校正を容易に行うことができる。この内容は実施形態２〜実施形態５にも適用できる。

１…基体、２，１１４，１２３…可動部、３，１０３，１０４，１０５，１０６，１０７，１１１，１２２…アクチュエーター、４，９４，１０１，１０２，１１２…慣性センサー、５，９６，１１３…絶対位置検出部としての画像センサー、９，３６…演算部、１０…ロボット装置。

Claims (14)

1. 基体と、
   前記基体に対して移動可能な可動部と、
   前記可動部を駆動するアクチュエーターと、
   前記可動部または前記可動部とともに動く部分に取り付けられた慣性センサーと、
   画像を撮影し前記画像により前記慣性センサーの位置または角度を検出する絶対位置検出部と、
   前記絶対位置検出部により検出された位置または角度の間を、前記慣性センサーの信号で補間する演算部と、を備えたことを特徴とするロボット装置。
2. 所定の条件で、前記画像による位置または角度の検出頻度を切り替えることを特徴とする請求項１のロボット装置。
3. 前記所定の条件は、現在位置と目標位置までの距離であることを特徴とする請求項２のロボット装置。
4. 前記所定の条件は、特定の位置であることを特徴とする請求項２のロボット装置。
5. 前記所定の条件は、前記可動部の速度であることを特徴とする請求項２のロボット装置。
6. 前記画像による位置または角度の検出頻度が一定であることを特徴とする請求項１のロボット装置。
7. 前記画像による位置の検出が失敗したと判断したときに、前記演算部は前記慣性センサーで位置または角度を補間し続けることを特徴とする請求項１のロボット装置。
8. 前記画像で得られた位置情報から算出した速度の低周波側の情報と前記慣性センサーで得られた速度の高周波側の情報とを用いて制御されることを特徴とする請求項１のロボット装置。
9. 前記画像から位置または角度を検出するたびに、前記演算部は前記慣性センサーが検出する位置または角度を用いて算出した位置または角度の校正を行うことを特徴とする請求項１のロボット装置。
10. 前記慣性センサーが静止したときに、前記演算部は前記慣性センサーが検出する位置または角度を用いて算出した位置または角度の校正を行うことを特徴とする請求項１のロボット装置。
11. 前記慣性センサーは、角速度センサーであることを特徴とする請求項１のロボット装置。
12. 前記慣性センサーは、加速度センサーであることを特徴とする請求項１のロボット装置。
13. 前記アクチュエーターは、ステッピングモーターであることを特徴とする請求項１のロボット装置。
14. 前記絶対位置検出部は画像センサーを有し、前記画像を撮影する前記画像センサーは、前記可動部に取り付けられていることを特徴とする請求項１のロボット装置。

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