JP3220706B2

JP3220706B2 - マニプレータ操縦の視覚支援装置

Info

Publication number: JP3220706B2
Application number: JP6930896A
Authority: JP
Inventors: 憲二原; 硬三伊藤
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Priority date: 1996-02-29
Filing date: 1996-02-29
Publication date: 2001-10-22
Anticipated expiration: 2016-02-29
Also published as: JPH09234685A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、配電作業、原子力
発電所等などで使用される操縦型マニプレータを監視カ
メラを用いて遠隔操縦を行うシステムにおいて、マニプ
レータに取り付けた作業工具と作業対象物との位置決め
を正確に行うための視覚支援装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】配電作業や原子力発電所等などでは、高
所で行われるものや放射線物質等が存在する環境下で作
業を行わなければならないものが数多く存在している。
そこで上述したような悪環境で作業を行う際には、作業
員の安全を確保するため、遠隔操縦を行うマニプレータ
が用いられている。

【０００３】図１１は、マニプレータを用いてナットの
締め付けを行う場合の要部構成を示したものである。同
図に示すように、マニプレータ１の先端には、工具とな
るナット２の締め付け用のレンチ工具３が備え付けてあ
る。またマニプレータ１の周囲には、マニプレータ１先
端のレンチ工具３とナット２とが監視できるよう、第１
監視カメラ４、第２監視カメラ５が配置されている。こ
こで２つの監視カメラの配置場所については、レンチ工
具３がナット２へ装着するまでの間、同時に障害物等で
レンチ工具３とナット２とが捕らえられないことがない
よう設定するのである。そして第１監視カメラ４と第２
監視カメラ５の画像は、マニプレータ１等の設置してあ
る悪環境の場所とは隔離され、作業者７の安全が確保さ
れた操縦室８のスクリーン６へと表示されるようなって
いる。

【０００４】操縦室８には、マニプレータ１を動作させ
るためのジョイスティックタイプの操縦装置９が備え付
けてあり、作業者７はスクリーン６の画像を見ながら操
縦装置９を動かしマニプレータ１を操り、レンチ工具３
を用いてナット２の締め付けを行うのである。

【０００５】このように構成された装置では操縦を行う
座標系を適当に決めていたのでは、マニプレータ１を動
かす前に、作業者はスクリーン６の画像情報より操縦装
置９の操縦方向を考え直さなければならず、作業効率の
向上は望めなかった。この作業効率向上のため操縦装置
９の操縦を行う座標系には、マニプレータ１の先端をス
クリーン６に映った左右、前後、奥行き方向に一致して
操縦が可能なカメラ座標系によるものがある。またマニ
プレータ１先端に座標原点を設定し、当該座標原点を基
準に設定した座標系と操縦方向を一致させた作業座標系
などが考案されているのである。

【０００６】カメラ座標系を用いたものでは、マニプレ
ータ１の先端をスクリーン６に映った左右、前後、奥行
き方向に一致させ動作させるため、作業者７はスクリー
ン６の画像から直感的に操縦方向を決定することができ
るのである。また作業座標系を用いたものでは、マニプ
レータ１先端の座標系と操縦装置の操縦方向とが一致し
ていることから、マニプレータ１の先端の任意の方向へ
と移動させる場合などでは、効率的な動作が行えるので
ある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】一般に、３次元座標空
間において、工具を作業対象物に位置決めするために
は、図１２の位置および姿勢合わせ説明図に示されるよ
うに、３次元空間での位置決め要素である６変数（Ｘ、
Ｙ、Ｚ、θ_x、θ_y、θ_z）が監視できるとともに、それ
ぞれの方向に操縦ができることが必要である。

【０００８】しかしながら監視カメラからの映像を見な
がら,ジョイスティックを用いて操縦を行う場合では、
複数台の監視カメラをどこに設置するかによって視野範
囲や作業感覚に違いが出てしまい、その結果作業能率が
大きく異なるのである。

【０００９】たとえば、図１１に示すように、レンチ工
具３でナット２を締め付ける場合、第１監視カメラ４と
第２監視カメラ５との映像をスクリーン６で見ながら、
マニプレータ１を操縦するのであるが、スクリーン６の
映像は２次元画像であるため、奥行き方向の情報を把握
することが難しかった。そのためレンチ工具３のレンチ
穴軸芯が正確にナット２の軸芯に一致しているのかどう
かが解りにくく作業の効率を低減させる要因になってい
た。

【００１０】また操縦を行う場合においてもスクリーン
６上のマニプレータ１の方向と、操縦装置９の操縦方向
とが必ずしも一致しないことから、作業者７が直感的に
操縦することができず、操縦性が著しく劣るという問題
があった。

【００１１】すなわちマニプレータ１の先端をスクリー
ン６に映った左右、前後、奥行き方向に一致して操縦が
可能なカメラ座標系による操縦方法では、相当する作業
に適した作業座標系とカメラ座標系とが一致しないこと
から、作業がしにくいという問題点があった。

【００１２】またマニプレータ１の先端の座標系と一致
させた作業座標系で操縦を行おうとすると、スクリーン
６上で観察するには、解りにくい動作軌跡となるので作
業がしにくいという問題があった。

【００１３】さらに、監視カメラの映像は平面画像であ
ることから、複数台の監視カメラの映像を同時に観測し
ながらマニプレータ１を操縦しなければならず、その操
縦性は効率的ではなかった。

【００１４】このように、従来の装置では、一般に作業
ポイントを複数方向から監視カメラを用いて観測しなが
ら行っているが、監視カメラの画像は平面画像であり、
奥行きが解りにくいので、従来よりも工具の位置と姿勢
合わせをより正確に、また効率よく実施できる方法が求
められているのである。

【００１５】本発明は、上述の課題に着目してなされた
もので、工具の移動軸とカメラ光軸とを一致させ、作業
効率の向上を図る手段を備えたマニプレータ操縦の視覚
支援装置を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記問題点を達成するた
めに、本発明に係るマニプレータの視覚支援装置は、工
具を取り付けたマニプレータで、作業対象物に作業を行
う際、前記工具と前記作業対象物とを監視カメラで監視
し、前記監視カメラの撮像を提供するマニプレータ操縦
の視覚支援装置であって、第１監視カメラの光軸を前記
作業対象物に最終接近する前記工具移動軸と同軸または
平行に設置するとともに、第２監視カメラの光軸を前記
第１監視カメラの光軸と交差させ、前記工具と前記作業
対象物との距離を監視可能にするよう構成した。

【００１７】またレンチ工具を取り付けたマニプレータ
で、レンチ工具を取り付けたマニプレータで、ナットの
着脱作業を行う際、前記レンチ工具とナットとを監視カ
メラで監視し、前記監視カメラの撮像を提供するマニプ
レータ操縦の視覚支援装置であって、第１監視カメラの
光軸を前記ナットに最終接近する前記レンチ工具移動軸
と同軸に設置するとともに、第２監視カメラの光軸を前
記第１監視カメラの光軸と交差させ、前記レンチ工具と
前記ナットとの距離を監視可能にするよう構成した。

【００１８】また工具を取り付けたマニプレータで、作
業対象物に作業を行う際、前記工具と前記作業対象物と
を監視カメラで監視し、前記監視カメラの撮像を提供す
るマニプレータ操縦の視覚支援装置であって、第１監視
カメラの前方に配置した視野切替器を介して、前記第１
監視カメラの光軸を前記作業対象物に最終接近する前記
工具移動軸と同軸または平行に設置するとともに、第２
監視カメラの光軸を前記第１監視カメラの光軸と交差さ
せ、前記工具と前記作業対象物との距離を監視可能にす
るよう構成した。

【００１９】さらにグリッパ工具を取り付けたマニプレ
ータで、作業対象物に作業を行う際、前記グリッパ工具
と前記作業対象物とを監視カメラで監視し、前記監視カ
メラの撮像を提供するマニプレータ操縦の視覚支援装置
であって、第１監視カメラの前方に配置した視野切替器
を介して、前記第１監視カメラの光軸を前記作業対象物
に最終接近する前記グリッパ工具移動軸と同軸または平
行に設置するとともに、第２監視カメラの光軸を前記第
１監視カメラの光軸と交差させ、前記グリッパ工具と前
記作業対象物との距離を監視可能にするよう構成した。

【００２０】ここで前記視野切替器は、前記第１監視カ
メラの光軸に対し斜面状に配置される鏡によって形成さ
れ、前記鏡を移動させることにより、前記第１監視カメ
ラの光軸方向を前記移動軸方向に反射させるように構成
した。

【００２１】そして上述したマニプレータの視覚支援装
置において第１監視カメラの光軸を工具が作業対象物に
最終接近する移動軸と同軸または平行に設置するととも
に、前記第１監視カメラの座標系の前記光軸以外の残り
の２軸を前記工具の移動軸以外の座標軸と同軸または平
行に設置するように構成した。また前記第１監視カメラ
の座標系と前記工具の座標軸との相対位置は固定である
ように構成した。

【００２２】

【作用】上記構成によれば、第１監視カメラの光軸を工
具が作業対象物に最終接近する工具移動軸と同軸または
平行になるように配置する。このように第１監視カメラ
の光軸を配置すれば、第１監視カメラにて、３次元座標
空間で工具の位置と姿勢合わせを決定する６変数（Ｘ、
Ｙ、Ｚ、θ_x、θ_y、θ_z）のうち５変数（Ｘ、Ｙ、θ_x、
θ_y、θ_z）の状況が把握できるので、第１監視カメラか
らの映像にて殆どの操縦を行うことができる。また第２
監視カメラを工具と作業対象物との距離を監視できる前
記工具移動軸の側方に配置すれば、工具と作業対象物と
の距離を表す１変数（Ｚ）の状況が把握できる。このた
め作業者は、まず第１監視カメラの映像から、１変数
（Ｚ）を除く工具の位置と姿勢合わせを行うのである。
その後は、第２監視カメラの映像から、残りの１変数
（Ｚ）である工具と作業対象物との距離を狭めていき、
作業対象物へ工具を装着した後に所定の作業を行うので
ある。このように第１監視カメラからの映像にて殆どの
操縦が行えるので、作業効率の向上を図ることができる
のである。

【００２３】また第１監視カメラの光軸をレンチ工具が
ナットに最終接近するレンチ工具移動軸と同軸になるよ
うに配置する。このように第１監視カメラの光軸を配置
すれば、第１監視カメラにて、３次元座標空間でレンチ
工具の位置と姿勢合わせを決定する６変数（Ｘ、Ｙ、
Ｚ、θ_x、θ_y、θ_z）のうち５変数（Ｘ、Ｙ、θ_x、
θ_y、θ_z）の状況が把握できるので、第１監視カメラか
らの映像にて殆どの操縦を行うことができる。また第２
監視カメラをレンチ工具とナットとの距離を監視可能な
前記レンチ工具移動軸の側方に配置すれば、レンチ工具
とナットとの距離を表す１変数（Ｚ）の状況が把握でき
る。このため作業者は、まず第１監視カメラの映像か
ら、１変数（Ｚ）を除くレンチ工具の位置と姿勢合わせ
を行うのである。その後は、第２監視カメラの映像か
ら、残りの１変数（Ｚ）であるレンチ工具とナットとの
距離を狭めていき、ナットへレンチ工具を装着した後に
所定の作業を行うのである。このように第１監視カメラ
からの映像にて殆どの操縦が行えるので、作業効率の向
上を図ることができるのである。

【００２４】また第１監視カメラの前方に視野切替器を
設置する。ここで第１監視カメラの光軸を視野切替器を
介して、工具が作業対象物に最終接近する工具移動軸と
同軸または平行になるように配置する。このように第１
監視カメラの光軸を配置すれば、第１監視カメラにて、
３次元座標空間で工具の位置と姿勢合わせを決定する６
変数（Ｘ、Ｙ、Ｚ、θ_x、θ_y、θ_z）のうち５変数
（Ｘ、Ｙ、θ_x、θ_y、θ_z）の状況が把握できるので、
第１監視カメラからの映像にて殆どの操縦を行うことが
できる。また第２監視カメラを工具と作業対象物との距
離を監視可能な前記工具移動軸の側方に配置すれば、工
具と作業対象物との距離を表す１変数（Ｚ）の状況が把
握できる。このため作業者は、まず第１監視カメラの映
像から、１変数（Ｚ）を除く工具の位置と姿勢合わせを
行うのである。その後は、第２監視カメラの映像から、
残りの１変数（Ｚ）である工具と作業対象物との距離を
狭めていき、作業対象物へ工具を装着した後に所定の作
業を行うのである。このように第１監視カメラからの映
像にて殆どの操縦が行えるので、作業効率の向上を図る
ことができるのである。

【００２５】また第１監視カメラの前方に視野切替器を
設置する。ここで第１監視カメラの光軸を視野切替器を
介して、グリッパ工具が作業対象物に最終接近するグリ
ッパ工具移動軸と同軸または平行になるように配置す
る。このように第１監視カメラの光軸を配置すれば、第
１監視カメラにて、３次元座標空間でグリッパ工具の位
置と姿勢合わせを決定する６変数（Ｘ、Ｙ、Ｚ、θ_x、
θ_y、θ_z）のうち５変数（Ｘ、Ｙ、θ_x、θ_y、θ_z）の
状況が把握できるので、第１監視カメラからの映像にて
殆どの操縦を行うことができる。また第２監視カメラを
グリッパ工具と作業対象物との距離を監視可能な前記グ
リッパ工具移動軸の側方に配置すれば、グリッパ工具と
作業対象物との距離を表す１変数（Ｚ）の状況が把握で
きる。このため作業者は、まず第１監視カメラの映像か
ら、１変数（Ｚ）を除くグリッパ工具の位置と姿勢合わ
せを行うのである。その後は、第２監視カメラの映像か
ら、残りの１変数（Ｚ）であるグリッパ工具と作業対象
物との距離を狭めていき、作業対象物へグリッパ工具を
装着した後に所定の作業を行うのである。このように第
１監視カメラからの映像にて殆どの操縦が行えるので、
作業効率の向上を図ることができるのである。

【００２６】ここで視野切替器は、第１監視カメラの光
軸方向に対し、斜面状に配置される鏡によって形成さ
れ、当該鏡を第１監視カメラの前方で移動可能としてい
る。このためグリッパ工具等のもつ複数の工具移動軸に
対応して、複数の鏡を切り替えれば、工具の様々な利用
方法が可能になる。

【００２７】そして上述したマニプレータの視覚支援装
置において、第１監視カメラの座標系における光軸以外
の２軸を、工具の座標系における工具移動軸以外の２軸
と同軸または平行に配置すれば、第１監視カメラの映像
から工具の操縦方向が直感的に解るのである。このこと
より工具操縦性が向上し、作業効率を高めることができ
るのである。また第１監視カメラの座標系と工具の座標
軸との相対位置を固定すれば、第１監視カメラからの映
像は、常に工具に対して決められた位置からの映像とな
る。この第１監視カメラからの映像により、工具と作業
対象物との相対位置を把握しやすくなるので、作業性を
向上させることができるのである。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下に、本発明に係るマニプレー
タ操縦の視覚支援装置の具体的実施例を図面を参照して
詳細に説明する。

【００２９】図１は第１実施例を示し、本発明に係る視
覚支援装置をナットの着脱作業に適用した場合の構造説
明図である。ここで同図には、マニプレータ２０の先端
部だけが描写され、根元側は図示されていないが、マニ
プレータ２０の要部は、複数のアームとアーム同士の端
部を接続する関節部とから構成されている。そしてこの
関節部には、モータ等の駆動機器が組み込まれており、
この駆動機器を操作することにより、アームは隣合うア
ームの動きに左右されずに独自の動作ができるようにな
っている。このためマニプレータ２０先端の位置、姿勢
を表す作業座標系を設定し、当該作業座標系の値を基に
マニプレータ２０の根元側から順に関節部の動きを組み
合わせて行けば、個々のアームの累積移動量によって、
マニプレータ２０の先端の位置を目的の場所へ移動さ
せ、さらに任意の姿勢をとらせることができるのであ
る。

【００３０】マニプレータ２０の先端から先には、工具
となるレンチ工具２２が備え付けられており、その取り
付け方向は、締付部２３におけるレンチ穴軸芯２４が、
マニプレータ先端の軸芯方向と直交する向きとなってい
る。またマニプレータ２０の先端には、工具動力用モー
タ２６が内蔵されており、当該工具動力用モータ２６と
締付部２３とは、レンチ工具２２内部の減速機２８を介
して接続されている。例えばここで工具動力用モータ２
６を正回転させると、減速機２８を介して締付部２３は
ナットの締め付けを行い、また反対に工具動力用モータ
２６を逆回転させれば、締付部２３はナットを緩める動
作を行う。よって工具動力用モータ２６の回転方向を切
り替えることにより、締付部２３を、レンチ工具として
作業させることができるのである。

【００３１】またレンチ工具２２の背面側には、マニプ
レータ２０の操縦監視用となる第１監視カメラ３０が備
え付けられている。そしてこの第１監視カメラ３０は、
光軸方向をレンチ穴軸芯２４に一致させるとともに、後
述するレンチ工具２２の作業座標系とも合わせるように
配置されているのである。

【００３２】図２は、工具および監視カメラの座標系の
関係を示す座標系関係図である。ここで工具３１を取り
付けたマニプレータ２０の位置、姿勢を表す作業座標系
を定義する。まず工具３１において、工具３１が作業対
象物との位置合わせのために軸芯を一致させ、最終的に
接近移動するための工具移動軸をアクセス軸３２（Ｚ軸
またはＸ軸、Ｙ軸）とする。そしてこのアクセス軸３２
を基準に工具３１の作業座標系３４を設定し、ジョイス
ティックタイプなどの操縦装置で操縦を行う場合には、
この作業座標系３４を基準として平行移動、回転移動な
どの動作を行うのである。さらに工具３１の近傍に配置
した第１監視カメラ３０におけるカメラ座標系のＺ軸を
第１監視カメラ３０の光軸方向とし、当該Ｚ軸を作業座
標系のアクセス軸３２に同軸または平行になるよう配置
する。ここでカメラ座標系の残りの２軸（Ｘ軸、Ｙ軸）
も作業座標系と同軸または平行になるよう設定すれば、
作業座標系とカメラ座標系が一致または平行になるの
で、効率的な動作をさせることが可能となる。すなわち
図１においては、レンチ穴軸芯２４に一致するよう、ア
クセス軸３６を定義し、作業座標系３７を設定する。そ
してレンチ工具２２の背面側に設置された第１監視カメ
ラ３０の光軸方向をＺ軸とし、アクセス軸３６に重ねる
とともに、カメラ座標系の残りの２軸（Ｘ軸、Ｙ軸）も
作業座標系３７に合わせるよう、第１監視カメラ３０を
設置するのである。この設置により第１監視カメラの映
像で、レンチ工具２２の姿勢を表す６変数（Ｘ、Ｙ、
Ｚ、θx、θ_y、θ_z）のうち５変数（Ｘ、Ｙ、θ_x、
θ_y、θ_z）の位置、姿勢合わせのずれが把握できるの
で、第１監視カメラ３０の映像だけで殆どの作業が行え
るのである。

【００３３】上記のように設定されたマニプレータ２０
を、作業対象となるナット３８の近傍に移動させる。そ
してこのときナット３８とレンチ工具２２との距離を監
視可能なアクセス軸３６の側方には、第２監視カメラ４
０が設けられている。そして当該第２監視カメラ４０の
設置方向は、第２監視カメラ４０における光軸が、第１
監視カメラ３０の光軸に対し垂直となるような向きとな
っているのである。このように配置した第２監視カメラ
４０からの映像によって、レンチ工具２２とナット３８
との距離を認識することができるのである。本実施の形
態では、第１監視カメラ３０の光軸と第２監視カメラ４
０の光軸とが直交するように、第２監視カメラ４０を設
置し、レンチ工具２２とナットとの距離を判断しやすい
ようにしたが、レンチ工具２２とナットとの距離が判断
できれば、とくに第２監視カメラ４０の光軸が第１監視
カメラ３０の光軸に直交していなくてもよい。

【００３４】また図示しないが、マニプレータ２０が作
業をおこなう場所とは隔離され、作業者の安全が確保で
きるところにはマニプレータ２０の操縦室が設けられて
いる。この操縦室には、第１監視カメラ３０と第２監視
カメラ４０の映像が映し出されるスクリーンとマニプレ
ータ２０を操縦するジョイスティックタイプの操縦装置
が備え付けられているのである。そして作業者は、この
スクリーンの映像を見ながら操縦装置を動かし、マニプ
レータ２０を動作させるのである。

【００３５】このように構成されたマニプレータ操縦の
視覚支援装置を用いて作業対象物であるナット３８を締
め付ける手順を説明すると、レンチ工具２２の締付部２
３をナット３８に装着させるためには、締付部２３の軸
芯とナット３８の軸芯とを合わせる作業、次いで両者の
六角面が一致するように山谷を合わせるアクセス軸３６
まわりの姿勢合わせ作業、そしてレンチ工具２２をアク
セス軸３６に沿って移動させナット３８に装着させる移
動作業が必要となる。

【００３６】図３は第１監視カメラ３０のスクリーン映
像を示したものである。前述した作業を行うため、作業
者はスクリーン映像を見つつマニプレータ２０を操縦す
るが、締付部２３の軸芯とナット３８の軸芯とを合わせ
る作業と、六角面が一致するように山谷を合わせる姿勢
合わせ作業とは、第１監視カメラ３０のスクリーン映像
を見るだけで行うことが可能である。すなわち締付部２
３の軸芯とナット３８の軸芯とを合わせる作業では、Ｘ
軸、Ｙ軸移動を用い左右、上下の位置調整を行い、その
後は２自由度であるθ_x、θ_y移動を用い、軸芯を一致さ
せる。また六角面が一致するように山谷を合わせる作業
では、アクセス軸３６まわりの１自由度であるθ_zを用
いるのである。このようにして締付部２３の軸芯とナッ
ト３８の軸芯とが一致し、さらに両者の六角面を一致さ
せた後は、作業者は第２監視カメラ４０にて、締付部２
３とナット３８との距離を監視しつつ、締付部２３をナ
ット３８に装着させる。そして締付部２３の装着後は、
工具動力用モータ２６を回転させ、ナット３８の締め付
けを行うのである。

【００３７】このように工具３１のアクセス軸３２と第
１監視カメラ３０の光軸方向とを平行に配置するととも
に、カメラ座標の残りの２軸も作業座標系と平行になる
よう設定すれば、第１監視カメラ３０からの映像で殆ど
の作業が可能となるので、作業効率を向上させることが
できる。

【００３８】さらに操縦装置として、特願平０２−２４
９７９２号や特願平０３−３３４３１４号にて示される
ような、作業座標系３４での指令を直交座標系で生成で
きる操縦装置を用いる。この操縦装置の操縦説明図を図
４に示す。同図に示すように前記操縦装置の腕の左右、
上下、前後、さらにそれぞれの軸まわりの回転による指
令を、それぞれ作業座標系３４の６変数（Ｘ、Ｙ、Ｚ、
θ_x、θ_y、θ_z）に一致させると、スクリーン上で、操
作腕の方向と、工具３１の位置決め対象に対する移動方
向が一致するので直感的な操作が可能となる。

【００３９】図５は第２実施例を示し、本発明に係る視
覚支援装置をグリッパ工具に適用した場合の構造説明図
である。同図に示すように図示しないマニプレータの先
端には、グリッパ工具４２が備え付けられており、さら
にグリッパ工具４２の先端には、平行グリッパ４４が設
けられている。そしてマニプレータの先端から、油圧ま
たは空気圧を供給口４５に供給することによって平行グ
リッパ４４を動かし、作業対象物体等を掴む動作や、離
す動作を行うことができるようになっている。このよう
な動作からグリッパ工具４２とは、作業対象物を掴んで
他の物体に組み付けたりと、作業用途は種々考えられ、
専用工具に対してより汎用的なものとなっているのであ
る。

【００４０】図６はグリッパ工具４２の作業座標系を表
した表示図である。グリッパ工具４２は、その汎用的な
性格から作業座標系を特定することは難しいが、使用用
途から３つのアクセス軸に沿った動作が多用されると考
えられる。すなわち第１としては同図のＺ軸正方向をア
クセス軸とし、作業対象物を掴んだり、挿入したりする
場合。第２としては、同図のＸ軸正方向をアクセス軸と
し作業対象物を掴んだり、挿入したりする場合。そして
第３としては、同図のＸ軸負方向をアクセス軸とし作業
対象物を掴んだり、挿入したりする場合が挙げられる。

【００４１】このような作業を行うグリッパ工具４２に
おいては、平行グリッパ４４の根元に第１監視カメラ４
６を備え付ける。そして第１監視カメラ４６の光軸方向
は、グリッパ工具４２のＺ方向アクセス軸と同軸となる
よう配置するのである。さらにカメラ座標系における他
の２軸（Ｘ軸、Ｙ軸）も、グリッパ工具４２の作業座標
系の２軸（Ｘ軸、Ｙ軸）と同軸となるよう配置する。

【００４２】また第１監視カメラ４６の前方には、視野
切替器４８が設けられている。図７は視野切替器４８の
構造説明図である。同図に示すように視野切替器４８と
は、第１監視カメラ４６の光軸方向に対し斜面状に配置
した２枚の鏡５０、５２と、当該鏡５０、５２を第１監
視カメラ４６前方で移動させる図示しないスライド機構
によって構成されているのである。そして鏡５０、５２
の傾斜角度は、第１監視カメラ４６の光軸方向に対し、
±４５度に設定されているのである。ここで（２）に示
すように第１監視カメラ４６の光軸方向が作業座標系の
Ｚ軸方向と一致している状態から、視野切替器４８を動
かし（３）に示すような第１監視カメラ４６の前方へと
鏡５０を移動させる。当該鏡５０の移動により、第１監
視カメラ４６の光軸は鏡５０に反射し、Ｘ軸正方向と平
行となるのである。またスライド機構を動作させる手段
は、手動で行ってもよく、また手動が不可能な場合で
は、ソレノイドやモータ等の駆動装置を用い遠隔操作と
してもよい。

【００４３】また上述した構成を用いて作業を行う場合
には、作業対象物とグリッパ工具２２との距離が監視可
能な前記アクセス軸の側方に第２監視カメラ５３を配置
し、グリッパ工具４２と作業対象物との距離が把握でき
るようになっている。さらに作業場所とは隔離されたと
ころに操縦室が設けられ、作業者がスクリーンを見なが
ら操縦装置を操ることは、前述の第１実施例と同様であ
る。

【００４４】このように構成されたマニプレータ操縦の
視覚支援装置をグリッパ工具に適用し、作業対象物であ
るパイプ５４を掴みとる手順を説明する。図８はグリッ
パ工具４２のアクセス軸をＺ方向としたときの作業説明
図である。ここで（１）は要部構成を示し、（２）は第
１監視カメラ４６からの画像を示す。この場合には、第
１監視カメラ４６の前方に鏡５０、５２を配置せず、第
１監視カメラ４６の光軸方向をグリッパ工具４２のアク
セス軸となるＺ軸に合わせるようにする。そして視野切
替器４８を前述のように設定し、第１監視カメラ４６の
映像をもとに５変数（Ｘ、Ｙ、θ_x、θ_y、θ_z）を合わ
せ、その後は、第２監視カメラ５３の映像を監視しつつ
パイプ５４へグリッパ工具４２を接近させる。パイプ５
４へグリッパ工具４２を十分接近させた後は、平行グリ
ッパ４４を動作させパイプ５４を掴みとるのである。ま
たＺ軸をアクセス軸としたときには、前述した第１実施
例のように作業座標系とカメラ座標系とが一致している
ためより直感的な動作が行えるのである。

【００４５】図９は、グリッパ工具４２のアクセス軸を
Ｘ軸正方向とし、ケーブル５６にスリーブ５８を挿入す
る際の作業説明図である。ここで（１）は要部構成を示
し、（２）は、作業時の視野切替器４８の状態を示す。
この場合には、視野切替器４８の鏡５０を第１監視カメ
ラ４６の前方に移動させる。すると第１監視カメラ４６
の光軸方向は、鏡５０によりＸ軸正方向と平行になる。
またカメラ座標系も視野切替器４８によって回転し、残
りの２軸も視野切替器４８を介して作業座標系の残りの
２軸にそれぞれ平行になる。図１０は視野切替器を介し
た第１監視カメラ４６の映像である。第１監視カメラ４
６は、平行グリッパ４４の根元に備え付けられているた
め、映像はアクセス軸と一致したものとはならず、同図
に示すようになる。また作業座標系とカメラ座標系も一
致しなくなる。しかしこの場合においても第１監視カメ
ラ４６の映像からは、５変数のうち４変数（Ｘ、Ｙ、θ
_x、θ_z）が認識でき、また残りの１変数（θ_y）もおお
よそ認識できる。このため第１監視カメラ４６でケーブ
ル５６とスリーブ５８との姿勢合わせを行った後に、ケ
ーブル５６とグリッパ工具４２との距離を監視可能なア
クセス軸の側方に配置した第２監視カメラ５３からの映
像を監視しつつ、ケーブル５６にスリーブ５８を挿入さ
せるのである。

【００４６】また前述した実施の形態では、第１監視カ
メラ４６の光軸方向を視野切替器４８にてＸ軸正方向に
反射させた場合を説明したが、第１監視カメラ４６の光
軸方向を視野切替器４８にてＸ軸負方向に反射させても
同様の効果が得られる。

【００４７】このように視野切替器４８を介して第１監
視カメラ４６の光軸方向をグリッパ工具４２のアクセス
軸と平行にするとともに、カメラ座標系を視野切替器４
８により回転させれば、操縦の方向が異なったり、また
完全な位置、姿勢合わせの状況は把握できないものの、
第１監視カメラ４６から５変数（Ｘ、Ｙ、θ_x、θ_y、θ
_z）の状況が把握できるため、作業効率の向上には十分
寄与することができるのである。

【００４８】なお前述した第１実施例と第２実施例につ
いては、２つの監視カメラを用いた場合を説明したが、
第２監視カメラの視界が障害物等により不明瞭になると
きは、複数の監視カメラを第１監視カメラの光軸方向の
側方の配置すればよい。そして複数の場所から工具と作
業対象物との距離を監視すれば、明確な値を把握するこ
とが可能となり、作業効率を向上させることができるの
である。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、工
具を取り付けたマニプレータで、作業対象物に作業を行
う際、前記工具と前記作業対象物とを監視カメラで監視
し、前記監視カメラの撮像を提供するマニプレータ操縦
の視覚支援装置であって、第１監視カメラの光軸を前記
作業対象物に最終接近する前記工具移動軸と同軸または
平行に設置するとともに、第２監視カメラの光軸を前記
第１監視カメラの光軸と交差させ、前記工具と前記作業
対象物との距離を監視可能にしたことから、第１監視カ
メラからの映像にて前記工具の位置、姿勢合わせを示す
６変数（Ｘ、Ｙ、Ｚ、θx、θy、θz）のうち、５変数
（Ｘ、Ｙ、θx、θy、θz）の状況が把握できる。そし
て前記第１監視カメラにて位置、姿勢合わせを行った後
は、前記第２監視カメラで残りの１変数（Ｚ）を監視
し、前記作業対象物に前記工具を接近させる。このよう
な構成にすれば、前記第１監視カメラからの映像で殆ど
の操縦が行えるので、作業効率の向上を図ることができ
るのである。

【００５０】また前記工具をレンチ工具やグリッパ工具
とすれば、ナットの締め付けや作業対象物の掴み動作、
あるいは作業対象物に部材等を挿入するなどの挿入動作
が可能となる。さらにグリッパ工具については、視野切
替器を前記第１監視カメラ前方に配置すれば、前記第１
監視カメラの光軸方向はグリッパ工具移動軸方向と同軸
または平行に配置される。このことからグリッパ工具の
もつ複数のグリッパ工具移動軸に対応することが可能に
なり、グリッパ工具の汎用性に対応させることができる
のである。

【００５１】そして上述したマニプレータの視覚支援装
置において、第１監視カメラの座標系における光軸以外
の２軸を、工具の座標系における工具移動軸以外の２軸
と同軸または平行に配置すれば、第１監視カメラの映像
から工具の操縦方向が直感的に解るのである。このこと
より工具操縦性が向上し、作業効率を高めることができ
るのである。また第１監視カメラの座標系と工具の座標
軸との相対位置を固定すれば、第１監視カメラからの映
像は、常に工具に対して決められた位置からの映像とな
る。この第１監視カメラからの映像により、工具と作業
対象物との相対位置を把握しやすくなるので、作業性を
向上させることができるのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る視覚支援装置をナットの着脱作用
に適用した場合の構造説明図である。

【図２】工具および監視カメラの座標系の関係を示す座
標系関係図である。

【図３】第１監視カメラのスクリーン映像を示したもの
である。

【図４】作業座標系での指令を直交座標系で生成できる
操縦装置の操縦説明図である。

【図５】本発明に係る視覚支援装置をグリッパ工具に適
用した場合の構造説明図である。

【図６】グリッパ工具の作業座標系を表した表示図であ
る。

【図７】視野切替器の構造説明図である。

【図８】グリッパ工具のアクセス軸をＺ方向としたとき
の作業説明図である。

【図９】グリッパ工具のアクセス軸をＸ軸正方向とし、
ケーブルにスリーブを挿入する際の作業説明図である。

【図１０】視野切替器を介した第１監視カメラの映像で
ある。

【図１１】従来技術において、マニプレータを用いてナ
ットの締め付けを行う場合の要部構成図である。

【図１２】位置決めのための位置および姿勢合わせ説明
図である。

【符号の説明】

１マニプレータ２ナット３レンチ工具４第１監視カメラ５第２監視カメラ６スクリーン７作業者８操縦室９操縦装置２０マニプレータ２２レンチ工具２３締付部２４レンチ穴軸芯２６工具動力用モータ２８減速機３０第１監視カメラ３１工具３２アクセス軸３４作業座標系３６アクセス軸３７作業座標系３８ナット４０第２監視カメラ４２グリッパ工具４４平行グリッパ４６第１監視カメラ４８視野切替器５０鏡５２鏡５３第２監視カメラ５４パイプ５６ケーブル５８スリーブ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平８−322120（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−56884（ＪＰ，Ａ) 特開平１−138690（ＪＰ，Ａ) 特開平８−47881（ＪＰ，Ａ) 特開平７−328971（ＪＰ，Ａ) 特開平２−180581（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B25J 3/00 - 3/10 B25J 9/10 - 9/22 B25J 13/00 - 13/08 B25J 19/02 - 19/06 H01G 1/02 B23P 19/00 - 21/00 G05B 19/18 - 19/46

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】工具を取り付けたマニプレータで、作業
対象物に作業を行う際、前記工具と前記作業対象物とを
監視カメラで監視し、前記監視カメラの撮像を提供する
マニプレータ操縦の視覚支援装置であって、第１監視カ
メラの光軸を前記作業対象物に最終接近する前記工具移
動軸と同軸または平行に設置するとともに、第２監視カ
メラの光軸を前記第１監視カメラの光軸と交差させ、前
記工具と前記作業対象物との距離を監視可能にしたこと
を特徴とするマニプレータ操縦の視覚支援装置。
【請求項２】レンチ工具を取り付けたマニプレータ
で、ナットの着脱作業を行う際、前記レンチ工具とナッ
トとを監視カメラで監視し、前記監視カメラの撮像を提
供するマニプレータ操縦の視覚支援装置であって、第１
監視カメラの光軸を前記ナットに最終接近する前記レン
チ工具移動軸と同軸に設置するとともに、第２監視カメ
ラの光軸を前記第１監視カメラの光軸と交差させ、前記
レンチ工具と前記ナットとの距離を監視可能にしたこと
を特徴とするマニプレータ操縦の視覚支援装置。
【請求項３】工具を取り付けたマニプレータで、作業
対象物に作業を行う際、前記工具と前記作業対象物とを
監視カメラで監視し、前記監視カメラの撮像を提供する
マニプレータ操縦の視覚支援装置であって、第１監視カ
メラの前方に配置した視野切替器を介して、前記第１監
視カメラの光軸を前記作業対象物に最終接近する前記工
具移動軸と同軸または平行に設置するとともに、第２監
視カメラの光軸を前記第１監視カメラの光軸と交差さ
せ、前記工具と前記作業対象物との距離を監視可能にし
たことを特徴とするマニプレータ操縦の視覚支援装置。
【請求項４】グリッパ工具を取り付けたマニプレータ
で、作業対象物に作業を行う際、前記グリッパ工具と前
記作業対象物とを監視カメラで監視し、前記監視カメラ
の撮像を提供するマニプレータ操縦の視覚支援装置であ
って、第１監視カメラの前方に配置した視野切替器を介
して、前記第１監視カメラの光軸を前記作業対象物に最
終接近する前記グリッパ工具移動軸と同軸または平行に
設置するとともに、第２監視カメラの光軸を前記第１監
視カメラの光軸と交差させ、前記グリッパ工具と前記作
業対象物との距離を監視可能にしたことを特徴とするマ
ニプレータ操縦の視覚支援装置。
【請求項５】前記視野切替器は、前記第１監視カメラ
の光軸に対し斜面状に配置される鏡によって形成され、
前記鏡を移動させることにより、前記第１監視カメラの
光軸方向を前記移動軸方向に反射させることを特徴とす
る請求項３または請求項４に記載のマニプレータ操縦の
視覚支援装置。