JP2015085475A - 情報処理装置、情報処理方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本実施形態では、回転対称となる形状(回転対称形状)を有する物体(ワーク)を把持部に把持させるべく、該把持部の位置姿勢を算出することを目的とする。ここで、回転対称形状には、ある軸回りに回転させたときに見えが全く変化しない「回転体」と、360/N度(Nは2以上の整数)回転させると自らと重なる「N回対称」とがある。このことを踏まえ、まず回転対称形状を以下の5つに分類する。
(a) 1軸に対するN回対称:角錐など
(b) 1軸に対する回転体 :円錐など
(c) 直交する2軸のうち1軸(一方の軸)に対して2回対称、かつもう1軸(他方の軸)に対して回転体:円柱など
(d) 直交する2軸のうち1軸に対して2回対称、かつもう1軸に対してN回対称:角柱など
(e) 直交する2軸に対する回転体:球
本実施形態では、上記の(a)〜(e)のうち(a)、すなわち、1軸に対するN回対称性を有するワークを把持部で把持するために適切な把持位置姿勢を算出する方法について説明する。具体的には、ワークの3次元位置姿勢を認識後、ワークのN回対称性に基づいてワークを軸回りに回転させた対称姿勢の各ワークに対し、教示された位置姿勢に基づいて把持部の位置姿勢をそれぞれ算出する。そして、算出したそれぞれの位置姿勢のうち、あらかじめ設定(指定)しておいた基準姿勢にもっとも近いものを、最終的な把持部の位置姿勢として選択する。
回転情報入力部11は、上記のような回転情報を取得する。以下では具体例を挙げて説明するために、回転情報入力部11は、図2(a)に示したワークについて図2(a)に示したGUIを用いて設定した回転情報を取得したものとする。この場合、回転情報は上記の如く、{xRot、yRot、zRot}={1,1,6}となる。また、回転情報入力部11は、回転情報中の各軸に対するパラメータ値のうち1以外の値を回転対称数として、変数Nに設定する。ここでは、回転情報中の各軸に対するパラメータ値のうち1以外の値は「6」であるので、変数Nに値「6」を設定する。
教示位置姿勢入力部12は、ワークとハンドとの間の相対位置姿勢を表す6自由度パラメータを教示位置姿勢として入力する。図4に、ハンドでワークを把持する際の位置姿勢の教示の例を示す。図4は、ビジョンシステムにより、ロボット座標系におけるワークの三次元位置姿勢を算出後、ロボットアーム先端に取り付けられたハンドによりワークを把持できる位置姿勢までロボットを移動させて停止した状態である。このときのロボット座標系におけるハンドの位置姿勢およびワークの位置姿勢から、両者の相対位置姿勢を教示位置姿勢として予め算出し、本装置内のメモリ若しくは本装置外のメモリに格納しておく。そしてステップS202では、教示位置姿勢入力部12は、このメモリから教示位置姿勢を取得する。
ここで、XW'、XH'、TWHは以下のとおりである。
基準姿勢入力部13は、上記の基準姿勢を取得する。一般的に、ワークを把持するハンドの位置姿勢を教示する際には、ロボットアームが無理なく動作可能な位置姿勢にワークを設置して把持位置姿勢の教示を実施することが多い。そのため、本実施形態では、ステップS202の図4の状態でのロボット座標系におけるハンドの姿勢を基準姿勢として予め上記メモリ内に格納しておき、基準姿勢入力部13はこのメモリに格納されている基準姿勢を取得する。ここで、ロボット座標系からハンド座標系への姿勢変換を表す3×3の回転行列をRRH’とし、このRRH’を基準姿勢として取得する。
ワーク認識部14により、山積みされた多数のワークの中から把持対象となる一個体のワーク(把持対象ワーク)の検出を行い、ロボット座標系における把持対象ワークの位置姿勢を表す6つのパラメータを算出する。ここで算出した6つのパラメータに基づくロボット座標系からワーク座標系への座標変換において、姿勢を表す3つのパラメータで表現される3×3の回転行列をRRW、位置を表す3つのパラメータで表現される3列の並進ベクトルをtRWとする。このとき、ロボット座標系XR=[XR, YR, ZR]Tからワーク座標系XW=[XW, YW, ZW]Tへの変換は、4×4行列TRWを用いて以下のように表すことができる。
ここで、XW'、XR'は以下の通りである。
把持位置姿勢決定部15は、把持対象ワークを把持するためのハンドの位置姿勢を決定するための初期位置姿勢を算出(導出)する。ここで求める初期位置姿勢を表す4×4行列をTRHとすると、TRHは以下により算出することができる。
ここで、3×3の回転行列をRRH、3列の並進ベクトルをtRHとしてTRHは以下のように表現される。
基準姿勢入力部13が取得した基準姿勢と、ステップS205で求めたハンドの初期姿勢と、で姿勢の差分量(差分値)が大きい場合、ステップS211以降で基準姿勢と、後述する参照姿勢と、の比較を行う際の一致度の大小関係が反転する。このような場合、基準姿勢の再設定を行う必要がある。本ステップでは、把持位置姿勢決定部15は、基準姿勢と初期姿勢との姿勢の差分量を求め、この差分量に基づいて、基準姿勢の再設定が必要か否かを判定する。具体的には、基準姿勢から初期姿勢へと変換を行うための3×3の回転行列Dを求める。さらに、両者の姿勢変換を回転軸と回転角とで表現したときの角度θを、回転行列Dから算出する。回転行列Dおよび回転角θは以下の式を計算することで算出することができる。
θ=arccos((Trace(D)‐1) / 2 )
そして把持位置姿勢決定部15は、θ<90度であるか否かの判定を行う。この判定の結果、θ<90度であれば、基準姿勢の再設定は必要無しと判断し、処理はステップS208に進む。一方、θ≧90度(規定値以上)であれば、基準姿勢の再設定は必要と判断し、処理はステップS207に進む。
把持位置姿勢決定部15は、基準姿勢の再設定を行う。具体的には、基準姿勢のハンドが、そのハンドに対する教示位置姿勢にあるワークの回転軸に対して対称となるような姿勢を求め、該求めた姿勢をハンドの基準姿勢として更新する。この処理を行うため、まず、教示位置姿勢の関係にあるハンドとワークとにおいて、ハンドの中心軸およびワークの回転軸(本実施形態ではz軸)に互いに直交する軸を変換軸として求める。ここでは、ハンドの中心軸はz軸とする。また、ワークの回転軸には、回転情報{xRot、yRot、zRot}={1,1,6}中の各軸に対するパラメータ値のうち1以外の値に対応する軸、すなわちz軸を利用する。そして、基準姿勢におけるハンドを、求めた変換軸回りに180度回転させた姿勢を算出し、該算出した姿勢により基準姿勢RRH'を更新する。
ここで、Rrevは変換軸回りに180度の回転を行う3×3の回転行列である。
把持位置姿勢決定部15は、ハンドの基準姿勢との一致度が高い把持姿勢を決定するための初期化を行う。まず、姿勢の最大一致度を表す値をVmaxとし、小さな値で初期化する(たとえばVmax=−100000)。次に、一致度が最大となる姿勢を最大一致姿勢とし、この姿勢を表す3×3の回転行列をRmaxとして、ハンドの初期姿勢で初期化する(Rmax=RRH)。また、このときのワークの姿勢を表す3×3の回転行列をRmax_wとし、ワークの認識姿勢で初期化する(Rmax_w=RRW)。さらに、回転軸回りにワークを回転させた回数をカウントするためのカウンタをiとし、i=0として初期化する。
把持位置姿勢決定部15は先ず、回転情報{xRot、yRot、zRot}={1,1,6}中の各軸に対するパラメータ値のうち1以外の値に対応する軸、即ちz軸を回転軸とする。そして、認識姿勢RRWを回転軸周りに(360/N×i)度だけ回転させた姿勢(回転姿勢)を求め、該求めた姿勢に対して教示姿勢の関係にあるハンドの姿勢(参照姿勢)RRH_iを、該求めた姿勢を有する把持対象ワークを把持するための把持姿勢として求める。参照姿勢RRH_iは以下の式を計算することで算出することができる。
ここで、Riは、ワークの回転軸回りに(360/N×i)度回転を行う3×3の回転行列である。
把持位置姿勢決定部15は、ステップS209で算出した参照姿勢RRH_iと基準姿勢RRH'との姿勢の一致度をViとして算出する。具体的には、両者の姿勢変換を行う回転行列Eから、姿勢変換を回転軸と回転角とで表現したときの角度φを求め、Vi=cosθとして一致度を算出する。なお、回転行列Eおよび回転角φは以下の式を計算することで算出することができる。
φ=arccos((Trace(E)‐1) / 2 )
(ステップS211における処理について)
把持位置姿勢決定部15は、ステップS210で算出した一致度ViとVmaxとの大小比較を行う。この大小比較の結果、Vmax<Viであれば、処理はステップS212に進み、Vmax≧Viであれば、処理はステップS213に進む。
把持位置姿勢決定部15は、姿勢の最大一致度Vmaxの値をViで更新する。また、最大一致姿勢Rmaxを参照姿勢RRH_iで更新する。さらに、Rmax_wをRRW Riで更新する。
把持位置姿勢決定部15は、i<Nであるか否かを判断する。この判断結果、i<Nであれば、カウンタiの値に1を加算してカウンタiの値を更新し(i←i+1)、処理はステップS209に戻る。一方、i≧Nであれば、N回対称の全対称姿勢の中でもっとも一致度の高かった姿勢Rmax、初期位置tRHを用いて、把持対象ワークを把持するためのハンドの最終的な把持位置姿勢TRH_maxを、以下の式から算出する。
本実施形態では、上記の5種類の回転対称形状(a)〜(e)のうち、(b)、すなわち、1軸に対する回転体であるような形状のワークに対してハンドの適切な把持位置姿勢を算出する方法について述べる。具体的には、ワークの三次元位置姿勢を認識後、ワーク形状の回転体を規定する回転軸と教示された位置姿勢とに基づき、あらかじめ設定しておいた基準姿勢にもっとも近くなるような把持位置姿勢を直接算出する。
回転情報入力部11は、上記のような回転情報を取得する。本実施形態では、回転情報入力部11は、図2(b)に示したワークについて図2(b)に示したGUIを用いて設定した回転情報を取得したものとする。この場合、回転情報は、{xRot、yRot、zRot}={1,1,0}となる。
ステップS602〜ステップS607の各ステップにおける処理は、それぞれ、ステップS202〜ステップS207における処理と同様であるので、ステップS602〜ステップS607の各ステップにおける処理の説明は省略する。
把持位置姿勢決定部15は、基準姿勢に最も近いハンドの位置姿勢を把持位置姿勢として算出する。本処理を、図7を用いて説明する。まず、基準姿勢RRH'と教示姿勢RWHとを用いて、基準姿勢におけるハンドにより把持可能な仮想のワーク(図7(a)の破線で示したワーク)の姿勢を基準ワーク姿勢RRW'として、以下の式を計算することで算出する。
次に、基準ワーク姿勢RRW' とワークの認識姿勢RRWとの間の姿勢変換を回転軸と回転角とで表現したときの角度Ψを、回転行列Fから算出する。回転行列Fおよび回転角Ψは、以下の式を計算することで算出することができる。
Ψ=arccos((Trace(F)‐1) / 2 )
ここで、ステップS601で入力した回転情報{xRot、yRot、zRot}={1,1,0}中の各軸に対するパラメータ値のうち値「0」に対応する軸、すなわちz軸を回転軸とする。このとき、基準ワーク姿勢におけるワークの回転軸を表すベクトルをVa,、ワークの認識姿勢におけるワークの回転軸を表すベクトルをVbとし、これらの外積ベクトルV=Va×Vbを算出する。ベクトルVで表現される軸回りにΨだけ回転を行う3×3の回転行列をRrotとすると、認識したワークを把持するハンドの姿勢Rmaxは、以下の式を計算することで算出される。
そして把持位置姿勢決定部15は、把持対象ワークを把持するためのハンドの最終的な把持位置姿勢TRH_maxを、以下の式から算出する。
本実施形態では、上記の5種類の回転対称形状(a)〜(e)のうち、(c)、すなわち、直交する2軸のうち1軸に対して2回対称、かつもう1軸に対して回転体であるような形状のワークに対してハンドの適切な把持位置姿勢を算出する方法について述べる。具体的には、ワークを認識後、まず2回対称を規定する回転軸に対して第1の実施形態と同様に基準姿勢に最も近い把持姿勢を選択する。そして、選択された姿勢を初期姿勢として、回転体を規定する回転軸に対して第2の実施形態と同様に基準姿勢に最も近い把持位置姿勢を直接算出する。
回転情報入力部11は、上記のような回転情報を取得する。本実施形態では、回転情報入力部11は、図2(c)に示したワークについて図2(c)に示したGUIを用いて設定した回転情報を取得したものとする。この場合、回転情報は、{xRot、yRot、zRot}={2,1,0}となる。また回転情報入力部11は、回転情報中の各軸に対するパラメータ値のうち1以外の正の整数値に対応する軸、即ちこの場合はx軸を回転軸αとし、回転情報中の各軸に対するパラメータ値のうち値「0」に対応する軸、即ちこの場合はz軸を回転軸βとする。
ステップS802〜ステップS805の各ステップにおける処理は、それぞれ、ステップS202〜ステップS205における処理と同様であるので、ステップS802〜ステップS805の各ステップにおける処理の説明は省略する。
ステップS806では、回転軸αについて、上記のステップS206〜S213と同様の処理を行う。
ハンドが最大一致姿勢TRH_maxをとるときのワークの姿勢Rmax_wを新たに認識姿勢RRWとし、回転軸βに関して、上記のステップS608と同様の処理を行うことで、最終的な把持位置姿勢を算出する。
本実施形態では上記の5種類の回転対称形状(a)〜(e)のうち、(d)、すなわち、直交する2軸のうち1軸に対して2回対称、かつもう1軸に対してN回対称であるような形状のワークに対してハンドの適切な把持位置姿勢を算出する方法について述べる。具体的には、ワークを認識後、直交する2つのN回対称軸に対してワークをそれぞれ回転させた全対称姿勢の各ワークに対して教示された位置姿勢に基づいてハンドの位置姿勢をそれぞれ算出し、あらかじめ設定しておいた基準姿勢にもっとも近いものを、最終的なハンドの位置姿勢として選択する。
回転情報入力部11は、上記のような回転情報を取得する。本実施形態では、回転情報入力部11は、図2(d)に示したワークについて図2(d)に示したGUIを用いて設定した回転情報を取得したものとする。この場合、回転情報は、{xRot、yRot、zRot}={2,1,6}となる。また回転情報入力部11は、回転情報中の各軸に対するパラメータ値のうち1以外の正の整数値に対応する軸、即ちこの場合はx軸及びz軸を、それぞれ回転軸α、回転軸βとする。また、回転情報入力部11は、x軸に対応するパラメータ値「2」を回転対称数として変数Nに設定すると共に、z軸に対応するパラメータ値「6」を回転対称数として変数Mに設定する。
把持位置姿勢決定部15は、ハンドの基準姿勢との一致度が高い把持姿勢を決定するための初期化を行う。まず、姿勢の最大一致度を表す値をVmaxとし、小さな値で初期化する(たとえばVmax=−100000)。次に、一致度が最大となる姿勢を最大一致姿勢とし、この姿勢を表す3×3の回転行列をRmaxとして、ハンドの初期姿勢で初期化する(Rmax=RRH)。また、このときのワークの姿勢を表す3×3の回転行列をRmax_wとし、ワークの認識姿勢で初期化する(Rmax_w=RRW)。さらに、回転軸回りにワークを回転させた回数をカウントするためのカウンタをiとし、i=0として初期化する。更に、回転軸α回りにワークを回転させた回数をカウントするためのカウンタ、回転軸β回りにワークを回転させた回数をカウントするためのカウンタ、のそれぞれをj、kとし、j=k=0と初期化する。
把持位置姿勢決定部15は、認識姿勢RRWを回転軸α周りに(360/N×j)度だけ回転させ且つ回転軸β周りに(360/M×k)度だけ回転させた姿勢を求める。そして把持位置姿勢決定部15は、該求めた姿勢に対して教示姿勢の関係にある姿勢(参照姿勢)RRH_iを、該求めた姿勢を有する把持対象ワークを把持するための把持姿勢として求める。参照姿勢RRH_iは以下の式を計算することで算出することができる。
ここで、Rjは、ワークの回転軸α回りに(360/N×j)度回転を行う3×3の回転行列であり、Rkは、ワークの回転軸β回りに(360/M×k)度回転を行う3×3の回転行列である。
把持位置姿勢決定部15は、i<N×Mであるか否かを判断する。この判断結果、i<N×Mであれば、カウンタiの値に1を加算してカウンタiの値を更新する(i←i+1)。さらに、k<Mであれば、カウンタjの値については更新せずに、カウンタkの値に1を加算してカウンタkの値を更新し(k←k+1)、処理はステップS209に戻る。一方、k≧Mであれば、カウンタjの値に1を加算してカウンタjの値を更新する(j←j+1)と共に、カウンタkの値を0に初期化し、処理はステップS209に戻る。
図1に示した把持位置姿勢算出装置1を構成する各機能部は何れもハードウェアで構成しても良いが、ソフトウェア(コンピュータプログラム)で構成しても良い。この場合、このコンピュータプログラムを実行可能な装置は、図1の把持位置姿勢算出装置1に適用することができる。このようなコンピュータプログラムを実行可能な、把持位置姿勢算出装置1に適用可能な装置のハードウェア構成例について、図9のブロック図を用いて説明する。
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア(プログラム)を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ(またはCPUやMPU等)がプログラムを読み出して実行する処理である。
Claims (13)
- 少なくとも1つの軸に対して回転対称となる形状を有する物体を把持するために把持部がとる姿勢として予め指定された姿勢を基準姿勢として取得する手段と、
前記把持部が前記物体を把持するときの前記把持部と前記物体との相対的な位置姿勢を教示位置姿勢として取得する取得手段と、
前記物体が含まれる画像から前記物体の位置姿勢を認識し、該認識された位置姿勢と前記教示位置姿勢とに基づいて、前記把持部が前記認識した物体を把持するための初期位置と初期姿勢とを導出する導出手段と、
前記導出された初期姿勢と前記基準姿勢とに基づいて、前記物体を把持する把持姿勢を決定し、該決定された把持姿勢と前記初期位置とに基づいて、前記把持部が前記物体を把持する把持位置姿勢を決定する決定手段と
を備えることを特徴とする情報処理装置。 - 前記決定手段は、前記認識された物体を前記軸周りに回転させて得られる回転姿勢を有する該物体を前記把持部が把持する際の姿勢を第2の把持姿勢として導出する第2の導出手段を備え、
前記初期姿勢及び前記第2の把持姿勢のそれぞれと、前記基準姿勢と、の差分値に基づいて、前記把持姿勢を決定することを特徴とする請求項1に記載の情報処理装置。 - 前記決定手段は、前記初期姿勢及び前記第2の把持姿勢のうち、最も小さい差分値に対応する姿勢を前記把持姿勢として決定することを特徴とする請求項2に記載の情報処理装置。
- 前記物体が、1軸に対してのみ回転対称となる回転体である場合、
前記決定手段は、前記初期姿勢と前記基準姿勢との差分値が規定の値よりも大きい場合に、前記基準姿勢において把持可能な物体の姿勢を把持可能な姿勢として取得し、該把持可能な姿勢と前記認識した物体の姿勢とに基づいて、前記物体を把持する把持姿勢を決定することを特徴とする請求項2に記載の情報処理装置。 - 前記物体が、前記軸回りに360/N度(Nは2以上の整数)回転させると自らと重なる物体である場合、
前記決定手段は、
前記物体の認識された姿勢を前記軸周りに360/N度ごとに回転させた回転姿勢を求め、該求めたそれぞれの回転姿勢について、該回転姿勢を有する前記物体を把持するための前記把持部の姿勢を前記教示位置姿勢を用いて求め、該求めた前記把持部のそれぞれの姿勢のうち前記基準姿勢に最も近い姿勢を、前記把持姿勢として決定する
ことを特徴とする請求項1に記載の情報処理装置。 - 前記軸が、一方の軸と、該一方の軸と直交する他方の軸と、から成る場合、
前記決定手段は、前記一方の軸及び前記他方の軸のそれぞれについて前記回転姿勢を求め、該求めたそれぞれの回転姿勢について、該回転姿勢を有する前記物体を把持するための前記把持部の姿勢を前記教示位置姿勢を用いて求め、該求めた前記把持部のそれぞれの姿勢のうち前記基準姿勢に最も近い姿勢を、前記把持姿勢として決定する
ことを特徴とする請求項5に記載の情報処理装置。 - 前記物体が、前記軸回りに360/N度(Nは2以上の整数)回転させると自らと重り且つ前記軸に直交する他方の軸回りに回転させたときに見えが変化しない物体である場合、
前記決定手段は、
前記物体の認識された姿勢を前記形状に応じて決まる回転角ごとに回転させた回転姿勢を求め、前記把持姿勢の前記把持部が把持可能な物体の姿勢を、該姿勢と該把持姿勢に対応する前記回転姿勢との差分量を用いて変換し、該変換した姿勢の前記物体を把持可能な前記把持部の姿勢を、前記把持姿勢とする
ことを特徴とする請求項1に記載の情報処理装置。 - 前記決定手段は、前記初期姿勢と前記基準姿勢との差分値を導出し、該差分値が規定値よりも大きい場合に、前記基準姿勢を更新することを特徴とする請求項1に記載の情報処理装置。
- 前記物体の回転対称に関する情報が操作部を介してユーザにより入力されることを特徴とする請求項1乃至8の何れか1項に記載の情報処理装置。
- 更に、
前記決定手段によって決定された把持位置姿勢を出力する出力手段を備えることを特徴とする請求項1乃至9の何れか1項に記載の情報処理装置。 - 更に、
前記出力手段が出力した把持位置姿勢に前記把持部を移動させる手段を備えることを特徴とする請求項10に記載の情報処理装置。 - 情報処理装置が行う情報処理方法であって、
前記情報処理装置の基準姿勢を取得する手段が、少なくとも1つの軸に対して回転対称となる形状を有する物体を把持するために把持部がとる姿勢として予め指定された姿勢を基準姿勢として取得する工程と、
前記情報処理装置の取得手段が、前記把持部が前記物体を把持するときの前記把持部と前記物体との相対的な位置姿勢を教示位置姿勢として取得する取得工程と、
前記情報処理装置の導出手段が、前記物体が含まれる画像から前記物体の位置姿勢を認識し、該認識された位置姿勢と前記教示位置姿勢とに基づいて、前記把持部が前記認識した物体を把持するための初期位置と初期姿勢とを導出する導出工程と、
前記情報処理装置の決定手段が、前記導出された初期姿勢と前記基準姿勢とに基づいて、前記物体を把持する把持姿勢を決定し、該決定された把持姿勢と前記初期位置とに基づいて、前記把持部が前記物体を把持する把持位置姿勢を決定する決定工程と
を備えることを特徴とする情報処理方法。 - コンピュータを、請求項1乃至11の何れか1項に記載の情報処理装置の各手段として機能させるためのコンピュータプログラム。
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