JP6809245B2 - ロボット - Google Patents

Description

本発明は、ロボットに関するものである。

例えば、回動可能な関節部を有するロボットアームを備えるロボットでは、一般に、関節部の回転角度、回転位置、回転数、回転速度等の回転状態をエンコーダーにより検出し、その検出結果に基づいて関節部の駆動を制御する。

例えば、特許文献１に記載のエンコーダーは、グレイ符号等の数値パターンおよびストライプ状のパターンが形成されているコード板を撮像素子で読み取り、読み取った数値パターンおよびストライプ状のパターンから位置を検出する。

特開昭６３−１８７１１８号公報

ロボットアームの繰り返し位置精度等の繰り返し位置決め精度を高めるには、例えば、特許文献１に記載のエンコーダーを用いた場合、パターンと撮像素子との間に設けられる光学部品の倍率を大きくしたり、撮像素子の画素サイズを小さくしたりすることが必要である。しかし、従来では、ロボットアームの繰り返し位置決め精度を高めようとしたとき、必要以上に性能の高い高価な光学部品および撮像素子を用いてしまい、その結果、エンコーダーの高コスト化、ひいてはロボットの高コスト化を招くという問題があった。

本発明の目的は、要求されるロボットアームの繰り返し位置決め精度を満足しつつ、低コスト化を図ることができるロボットを提供することにある。

上記目的は、下記の本発明により達成される。
本発明のロボットは、基台と、
前記基台に対して回動軸まわりに回動可能に設けられているロボットアームと、
前記ロボットアームが前記回動することに伴って前記回動軸まわりに回動するマークと、前記マークを撮像する撮像素子と、を有し、前記撮像素子から出力される信号を用いて、前記ロボットアームの前記回動状態を検出するエンコーダーと、を備え、
前記エンコーダーは、前記撮像素子の撮像画像に対して基準画像を用いてサブピクセル推定法によりテンプレートマッチングすることで前記マークを検出し、その検出結果を用いて、前記回動状態を判断する判断部を有し、
前記撮像素子の１画素当たりの視野サイズをＢ［ｍ］とし、前記回動軸と前記マークの中心との間の距離をＲ［ｍ］とし、前記回動軸と前記ロボットアームの先端部との間の最大距離をＬ［ｍ］とし、前記先端部の繰り返し位置決め精度をＸ［ｍ］としたとき、
２Ｒ／Ｂ≦Ｌ／Ｘ≦１００Ｒ／Ｂなる関係を満たすことを特徴とする。

このようなロボットによれば、視野サイズＢ、最大距離Ｌ、距離Ｒおよび繰り返し位置決め精度Ｘの関係を最適化することで、要求されるロボットアームの位置決め精度（繰り返し位置決め精度）を満足するのに必要十分な仕様の撮像素子および光学部品を選定することができ、その結果、エンコーダーの低コスト化、ひいてはロボットの低コスト化を図ることができる。例えば、マークと撮像素子との間に設けられる光学部品の倍率を過度に大きくしたり、撮像素子の画素サイズを過度に小さくしたりしなくて済むため、比較的安価な光学部品および撮像素子を用いることができ、その結果、エンコーダーの低コスト化を図ることができる。

本発明のロボットは、第１アームと、前記第１アームに対して回動軸まわりに回動可能に設けられている第２アームと、を有するロボットアームと、
前記第２アームが前記回動することに伴って前記回動軸まわりに回動するマークと、前記マークを撮像する撮像素子と、を有し、前記撮像素子から出力される信号を用いて、前記第１アームに対する前記第２アームの前記回動状態を検出するエンコーダーと、を備え、
前記エンコーダーは、前記撮像素子の撮像画像に対して基準画像を用いてサブピクセル推定法によりテンプレートマッチングすることで前記マークを検出し、その検出結果を用いて、前記回動状態を判断する判断部を有し、
前記撮像素子の１画素当たりの視野サイズをＢ［ｍ］とし、前記回動軸と前記マークの中心との間の距離をＲ［ｍ］とし、前記回動軸と前記ロボットアームの先端部との間の最大距離をＬ［ｍ］とし、前記ロボットアームの先端部の繰り返し位置決め精度をＸ［ｍ］としたとき、
２Ｒ／Ｂ≦Ｌ／Ｘ≦１００Ｒ／Ｂなる関係を満たすことを特徴とする。

このようなロボットによれば、視野サイズＢ、最大距離Ｌ、距離Ｒおよび繰り返し位置決め精度Ｘの関係を最適化することで、要求されるロボットアームの位置決め精度（繰り返し位置決め精度）を満足するのに必要十分な仕様の撮像素子および光学部品を選定することができ、その結果、エンコーダーの低コスト化、ひいてはロボットの低コスト化を図ることができる。

本発明のロボットでは、前記第１アームを第１回動軸まわりに回動可能に支持している部材と、
前記第１アームが前記部材に対して回動することに伴って前記第１回動軸まわりに回動する第１マークと、前記第１マークを撮像する第１撮像素子と、を有し、前記第１撮像素子から出力される信号を用いて、前記部材に対する前記第１アームの回動状態を検出する第１エンコーダーと、
前記回動軸である第２回動軸まわりに回動する前記マークである第２マークと、前記撮像素子である第２撮像素子と、を有し、前記エンコーダーである第２エンコーダーと、を備え、
前記第２撮像素子の１画素当たりの視野サイズが前記第１撮像素子の１画素当たりの視野サイズに等しいこと、および、前記第２回動軸と前記第２マークの中心との間の距離が前記第１回動軸と前記第１マークの中心との間の距離に等しいことのうちの少なくとも一方を満足し、
前記第１エンコーダーおよび前記第２エンコーダーのそれぞれの１回転当たりの分解能が１４ビット以上であることが好ましい。

これにより、ロボットの軌跡精度を向上させることができる。また、これらのエンコーダーの低コスト化を図るとともに処理速度の低下を低減することができる。

本発明のロボットでは、前記エンコーダーは、前記回動軸まわりで周方向に沿って配置されている複数の前記マークを有しており、
前記撮像素子は、前記回動軸まわりの周方向に互いに隣り合う２つの前記マーク全体を包含させて撮像することが好ましい。

これにより、撮像素子が撮像した２つのマークのうちの一方のマークが汚れ等により正確に読み取ることができなくなっても、他方のマークを読み取って検出を行うことができる。

本発明のロボットでは、前記判断部は、前記撮像画像の一部の領域に探索領域を設定し、前記探索領域内で前記テンプレートマッチングを行うことが好ましい。

これにより、テンプレートマッチングに用いる探索領域の画素数を少なくし、テンプレートマッチングに関する演算時間を短縮することができる。そのため、マークの角速度が速い場合においても、高精度な検出を行うことができる。また、撮像素子とマークとの間に配置されているレンズの収差によって、撮像素子の撮像画像の外周部分の歪やボケが大きくなっても、そのような歪やボケの少ない領域を探索領域として用いることで、検出精度の低下を低減することができる。

本発明のロボットでは、前記判断部は、前記マークの前記回動軸まわりの角速度に関する情報に基づいて、前記撮像画像内における前記探索領域の第１方向での位置および長さのうちの少なくとも一方を変更可能であることが好ましい。

これにより、マークの回動状態（角速度）に応じた無駄の少ない探索領域を設定し、テンプレートマッチングに用いる探索領域の画素数をより少なくすることができる。

本発明のロボットでは、前記判断部は、過去２回以上の前記回動状態の判断結果に基づいて、前記角速度に関する情報を算出することが好ましい。

これにより、マークの回動状態（角速度）に応じた探索領域を比較的簡単に設定することができる。

本発明のロボットでは、前記判断部は、前記マークの前記回動軸まわりの角加速度に関する情報に基づいて、前記撮像画像内における前記探索領域の第１方向での位置および長さのうちの少なくとも一方を変更可能であることが好ましい。

これにより、マークの回動状態（角速度）の変化（角加速度）に応じたより無駄の少ない探索領域を設定することができる。

本発明のロボットでは、前記判断部は、過去３回以上の前記回動状態の判断結果に基づいて、前記角加速度に関する情報を算出することが好ましい。

これにより、マークの回動状態（角速度）の変化（角加速度）に応じた探索領域を比較的簡単に設定することができる。

本発明のロボットでは、前記判断部は、前記撮像画像内における前記探索領域の前記第１方向での位置に基づいて、前記撮像画像内における前記探索領域の前記第１方向に対して垂直な第２方向での位置および長さのうちの少なくとも一方を変更可能であることが好ましい。

これにより、マークの回動状態（回動角度）に応じた無駄の少ない探索領域を設定し、テンプレートマッチングに用いる探索領域の画素数をより少なくすることができる。

本発明のロボットでは、前記判断部は、前記マークの前記回動軸まわりの回動角度に関する情報に基づいて、前記基準画像の姿勢を変更可能であることが好ましい。

これにより、探索領域内でマークの画像の姿勢の変化が大きい場合においても、テンプレートマッチングの演算量を低減しつつ、テンプレートマッチングの精度を高めることができる。

本発明のロボットでは、前記判断部は、前記マークの前記回動軸まわりの回動角度が設定角度よりも大きいか否かを判断し、その判断結果に基づいて、前記基準画像の姿勢を変更することが好ましい。

これにより、テンプレートマッチングの高精度化を図りつつ、テンプレートマッチングの演算量をより低減することができる。

本発明のロボットでは、前記ロボットアームに設けられている慣性センサーを備えることが好ましい。

これにより、慣性センサーの検出結果（角速度、加速度等）に基づいてロボットアームを動作制御することで、ロボットアームの振動を低減することができる。そのため、ロボットアームの先端部の位置決めを高精度かつ高速に行うことができる。

本発明の第１実施形態に係るロボットを示す側面図である。 図１に示すロボットが備えるエンコーダー（第１エンコーダー）を説明するための断面図である。 図２に示すエンコーダーが備えるマークを説明するための図である。 図１に示すロボットが備えるエンコーダー（第２エンコーダー）を説明するための断面図である。 図２に示すエンコーダーが備える撮像素子の１画素当たりの視野サイズを説明するための図である。 撮像素子がＣＣＤである場合の１画素当たりの視野サイズを説明するための図である。 撮像素子がＣＭＯＳである場合の１画素当たりの視野サイズを説明するための図である。 撮像画像中のマークを説明するための図である。 図２に示すエンコーダーが備える撮像素子の撮像画像を説明するための図である。 図９に示す撮像画像内に設定される探索領域でのテンプレートマッチングを説明するための図である。 テンプレートマッチングの際に相関値が最大または最小となる状態から１画素分ずれた状態である。 テンプレートマッチングの際に相関値が最大または最小となる状態を示す図である。 テンプレートマッチングの際に相関値が最大または最小となる状態から図１１に示す状態とは反対側に１画素分ずれた状態を示す図である。 テンプレートマッチングの際に得られる基準画素のＸ位置（図５中Ｘ１方向での位置）と相関値との関係を示すグラフである。 本発明の第２実施形態に係るエンコーダーにおける探索領域（マークの角速度を考慮して設定した領域）を説明するための図である。 図１５に示す探索領域（マークの移動軌跡を考慮して設定した領域）を説明するための図である。 本発明の第３実施形態に係るエンコーダーにおける探索領域（マークの角速度および角加速度を考慮して設定した領域）を説明するための図である。 本発明の第４実施形態に係るエンコーダーにおける探索領域（マークの回動角度を考慮して設定した領域）を説明するための図である。 本発明の第５実施形態に係るエンコーダーにおける探索領域内での基準画像（テンプレート）を説明するための図である。 図１９に示す基準画像の姿勢を変化させた状態を示す図である。 本発明の第６実施形態に係るロボットが備えるエンコーダー（第２エンコーダー）を説明するための断面図である。 本発明の第７実施形態に係るロボットが備えるエンコーダー（第１エンコーダー）を説明するための断面図である。 本発明の第８実施形態に係るロボットを示す斜視図である。 図２３に示すロボットのロボットアームの先端が側方の最も遠い位置にある状態を示す側面図である。

以下、本発明のロボットを添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。
＜第１実施形態＞
（ロボット）
図１は、本発明の実施形態に係るロボットを示す側面図である。なお、以下では、説明の便宜上、図１中の上側を「上」、下側を「下」と言う。また、図１中の基台側を「基端側」、その反対側（エンドエフェクター側）を「先端側」と言う。また、図１の上下方向を「鉛直方向」とし、左右方向を「水平方向」とする。

図１に示すロボット１０は、いわゆる水平多関節ロボット（スカラロボット）であり、例えば、精密機器等を製造する製造工程等で用いられ、精密機器や部品等の把持や搬送等を行うことができる。

図１に示すように、ロボット１０は、基台１１０と、第１アーム１２０と、第２アーム１３０と、作業ヘッド１４０と、エンドエフェクター１５０と、配線引き回し部１６０と、慣性センサー１７０と、を有している。ここで、第１アーム１２０、第２アーム１３０および作業ヘッド１４０は、ロボットアーム１００を構成している。以下、ロボット１０の各部を順次簡単に説明する。

基台１１０は、例えば、図示しない床面にボルト等によって固定されている。基台１１０の上端部には、第１アーム１２０が連結されている。第１アーム１２０は、基台１１０に対して鉛直方向に沿う第１軸Ｊ１まわりに回動可能となっている。

基台１１０内には、第１アーム１２０を回動させる駆動力を発生させる第１モーター１１１と、第１モーター１１１の駆動力を減速する第１減速機１１２とが設置されている。第１減速機１１２の入力軸は、第１モーター１１１の回転軸に連結され、第１減速機１１２の出力軸は、第１アーム１２０に連結されている。そのため、第１モーター１１１が駆動し、その駆動力が第１減速機１１２を介して第１アーム１２０に伝達されると、第１アーム１２０が基台１１０に対して第１軸Ｊ１まわりに水平面内で回動する。また、基台１１０および第１アーム１２０には、基台１１０に対する第１アーム１２０の回動状態を検出する第１エンコーダーであるエンコーダー１が設けられている。

第１アーム１２０の先端部には、第２アーム１３０が連結している。第２アーム１３０は、第１アーム１２０に対して鉛直方向に沿う第２軸Ｊ２まわりに回動可能となっている。第２アーム１３０内には、第２アーム１３０を回動させる駆動力を発生させる第２モーター１３１と、第２モーター１３１の駆動力を減速する第２減速機１３２とが設置されている。そして、第２モーター１３１の駆動力が第２減速機１３２を介して第１アーム１２０に伝達されることにより、第２アーム１３０が第１アーム１２０に対して第２軸Ｊ２まわりに水平面内で回動する。また、第１アーム１２０および第２アーム１３０には、第１アーム１２０に対する第２アーム１３０の回動状態を検出する第２エンコーダーであるエンコーダー１Ａが設けられている。

また、第２アーム１３０には、慣性センサー１７０が設けられている。この慣性センサー１７０は、例えば、シリコンまたは水晶を用いて構成された振動素子を有する振動型の角速度センサー（ジャイロセンサー）である。本実施形態では、慣性センサー１７０は、ロボットアーム１００の第１軸Ｊ１および第２軸Ｊ２のうちの少なくとも一方の軸まわりの角速度を検出する機能を有する。このような慣性センサー１７０の検出結果は、図示しない制御装置に入力され、ロボットアーム１００の駆動制御に用いられる。これにより、ロボットアーム１００の振動を低減することができる。なお、慣性センサー１７０と同様の慣性センサーを第１アーム１２０に設け、当該慣性センサーの検出結果を用いてロボットアーム１００を駆動制御してもよい。

第２アーム１３０の先端部には、作業ヘッド１４０が配置されている。作業ヘッド１４０は、第２アーム１３０の先端部に同軸的に配置されたスプラインナットおよびボールネジナット（ともに図示せず）に挿通されたスプラインシャフト１４１を有している。スプラインシャフト１４１は、第２アーム１３０に対して、その軸まわりに回転可能であり、かつ、上下方向に移動（昇降）可能となっている。

図示しないが、第２アーム１３０内には、回転モーターおよび昇降モーターが配置されている。回転モーターの駆動力は、図示しない駆動力伝達機構によってスプラインナットに伝達され、スプラインナットが正逆回転すると、スプラインシャフト１４１が鉛直方向に沿う軸Ｊ３まわりに正逆回転する。また、図示しないが、回転モーターには、第２アーム１３０に対するスプラインシャフト１４１の回動状態を検出する第３エンコーダーが設けられている。

一方、昇降モーターの駆動力は、図示しない駆動力伝達機構によってボールネジナットに伝達され、ボールネジナットが正逆回転すると、スプラインシャフト１４１が上下に移動する。昇降モーターには、第２アーム１３０に対するスプラインシャフト１４１の移動量を検出する第４エンコーダーが設けられている。

スプラインシャフト１４１の先端部（下端部）には、エンドエフェクター１５０が連結されている。エンドエフェクター１５０としては、特に限定されず、例えば、被搬送物を把持するもの、被加工物を加工するもの等が挙げられる。

第２アーム１３０内に配置された各電子部品（例えば、第２モーター、回転モーター、昇降モーター、第１〜第４エンコーダー等）に接続される複数の配線は、第２アーム１３０と基台１１０とを連結する管状の配線引き回し部１６０内を通って基台１１０内まで引き回されている。さらに、かかる複数の配線は、基台１１０内でまとめられることによって、第１モーター１１１およびエンコーダー１に接続される配線とともに、基台１１０の外部に設置され、ロボット１０を統括制御する図示しない制御装置まで引き回される。

以上、ロボット１０の構成について簡単に説明した。このロボット１０は、前述したように、基台１１０に対する第１アーム１２０の回動状態を検出するエンコーダー１（第１エンコーダー）と、第１アーム１２０に対する第２アーム１３０の回動状態を検出するエンコーダー１Ａ（第２エンコーダー）と、を備える。以下、エンコーダー１、１Ａについて詳述する。

（エンコーダー）
−第１エンコーダー−
図２は、図１に示すロボットが備えるエンコーダー（第１エンコーダー）を説明するための断面図である。図３は、図２に示すエンコーダーが備えるマークを説明するための図である。

図２に示すように、前述したロボット１０の基台１１０は、第１モーター１１１と第１減速機１１２を支持する支持部材１１４を有し、第１モーター１１１および第１減速機１１２を収納している。このような基台１１０には、第１アーム１２０が第１軸Ｊ１まわりに回動可能に設けられている。

ここで、第１アーム１２０は、水平方向に沿って延びているアーム本体部１２１と、アーム本体部１２１から下方に向けて突出している軸部１２２と、を有し、これらが互いに接続されている。そして、軸部１２２は、軸受１１５を介して基台１１０に第１軸Ｊ１まわりに回動可能に支持されているとともに、第１減速機１１２の出力軸に接続されている。また、第１減速機１１２の入力軸は、第１モーター１１１の回転軸１１１１に接続されている。

このような相対的に回動する基台１１０および第１アーム１２０には、これらの回動状態を検出するエンコーダー１が設けられている。

エンコーダー１は、第１アーム１２０に設けられているマーク部２と、基台１１０に設けられ、マーク部２を検出するマーク検出部３と、マーク検出部３の検出結果に基づいて基台１１０および第１アーム１２０の相対的な回動状態を判断する判断部５と、判断部５に電気的に接続されている記憶部６と、を有する。

マーク部２は、アーム本体部１２１の基台１１０と対向する部分、すなわち、アーム本体部１２１の下面の軸部１２２を囲む部分に設けられている。このマーク部２は、図３に示すように、第１軸Ｊ１とは異なる位置で第１軸Ｊ１まわりに沿って配置されている複数のマーク２１を有する。ここで、マーク２１は、第１アーム１２０の表面に設けられている。これにより、マーク２１を設けるための部材を基台１１０および第１アーム１２０とは別途設ける必要がない。そのため、部品点数を少なくすることができる。

なお、マーク２１は、第１アーム１２０の表面に直接設けられている場合に限定されず、例えば、第１アーム１２０の表面に貼着されたシート状の部材に設けられていてもよいし、第１アーム１２０とともに回動するように設けられた板状の部材に設けられていてもよい。すなわち、マーク２１が設けられる部材は、第１アーム１２０とともに基台１１０に対して第１軸Ｊ１まわりに回動する部材であればよい。

本実施形態では、図３に示すように、複数のマーク２１は、第１軸Ｊ１まわりの同心円上の周方向に沿って等間隔（第１軸Ｊ１から等距離かつ等角度間隔）に並んで配置されている互いに異なる複数の位置識別マークである。図３に示す複数のマーク２１は、互いに異なるアルファベット（ローマ字）であり、図示では、ＡからＸまでの２４文字がアルファベット順に周方向に等間隔に並んで配置されている。このような各マーク２１の形成方法としては、例えば、レーザーマーキング、印刷、切削、エッチング等が挙げられる。

なお、マーク２１の数および大きさは、必要な分解能、後述する撮像素子３１の解像度等に応じて決められるものであり、図示の例に限定されず、任意である。また、複数のマーク２１同士の周方向での間隔は、等間隔でなくてもよい。また、各マーク２１は、図示のローマ字に限定されず、例えば、数字を用いてもよいし、アラビア文字、漢字等の他の文字を用いてもよいし、文字以外の記号、符号、しるし、標章、図案、文字等を用いてもよい。また、各マーク２１は、判断部５で識別可能なものであればよく、必ずしも人間が識別可能なものである必要はない。例えば、各マーク２１に代えて、１次元バーコードやＱＲコード（登録商標）のようなものを用いてもよい。

図２に示すマーク検出部３は、基台１１０内に設けられている撮像素子３１と、基台１１０が有する開口に設けられているレンズ３２と、を有し、撮像素子３１がレンズ３２を介してマーク部２の周方向での一部（図３に示す撮像領域ＲＩ）にあるマーク２１を撮像する。なお、必要に応じて、撮像素子３１の撮像領域ＲＩを照明する光源を設けてもよい。

撮像素子３１としては、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Devices）、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）等が挙げられる。このような撮像素子３１は、撮影された画像を画素ごとの電気信号に変換して出力する。撮像素子３１は、２次元撮像素子（エリアイメージセンサ）、あるいは１次元撮像素子（ラインイメージセンサ）のどちらでも適用可能である。１次元撮像素子は、画素の並びがアームの旋回円に接する方向に配置することが望ましい。２次元撮像素子を用いた場合は、情報量の多い２次元画像を取得でき、後述のテンプレートマッチングによるマーク２１の検出精度を高めやすい。その結果、第１アーム１２０の回動状態を高精度に検出することができる。１次元撮像素子を用いた場合は、画像取得周期いわゆるフレームレートが高いため、検出頻度を高めることが可能になり、高速動作時に有利である。

レンズ３２は、拡大光学系である。これにより、撮像素子３１の撮像領域（図３に示す撮像領域ＲＩ）における分解能を高めることができる。ここで、図３に示すように、撮像素子３１の撮像領域ＲＩは、第１アーム１２０の下面に、マーク部２の周方向での一部に重なるように設定されている。これにより、撮像素子３１は、撮像領域ＲＩ内にあるマーク２１を撮像することができる。したがって、撮像領域ＲＩに位置するマーク２１を読み取ることにより、第１アーム１２０の回動状態を知ることができる。

図２に示す判断部５は、マーク検出部３の検出結果に基づいて、基台１１０および第１アーム１２０の相対的な回動状態を判断する。この回動状態としては、例えば、回動角度、回動速度、回動方向等が挙げられる。

特に、判断部５は、撮像素子３１の撮像画像（撮像画像データ）に対して基準画像（基準画像データ）を用いてテンプレートマッチングすることでマーク２１を画像認識する画像認識回路５１を有し、この画像認識回路５１の認識結果を用いて、基台１１０および第１アーム１２０の相対的な回動状態を判断する。ここで、判断部５は、撮像素子３１の撮像画像内でのマーク２１の画像の位置に基づいて、基台１１０および第１アーム１２０の相対的な回動角度（以下、単に「第１アーム１２０の回動角度」ともいう）をより細かく判断することが可能に構成されている。また、判断部５は、マーク２１が検出される時間間隔に基づいて回動速度を求めたり、検出されるマーク２１の種類の順序に基づいて回動方向を判断したりすることも可能に構成されている。そして、判断部５は、前述した判断結果に応じた信号、すなわち、基台１１０および第１アーム１２０の回動状態に応じた信号を出力する。この信号は、例えば、図示しないコンピューター等の制御装置に入力され、ロボット１０の動作の制御に用いられる。なお、前述した判断部５の少なくとも一部は、当該制御装置にハードウエアまたはソフトウエアとして組み込まれていてもよい。

また、判断部５は、撮像素子３１の撮像画像の一部（マーク２１の画像を含む部分）を切り取って基準画像（テンプレート）を生成する機能をも有する。この基準画像の生成は、基台１１０および第１アーム１２０の相対的な回動状態を判断するのに先立って、あるいは、必要に応じて適時、各マーク２１ごとに行われる。そして、生成した基準画像は、各マーク２１に対応して記憶部６に記憶される。そして、判断部５は、記憶部６に記憶されている基準画像（テンプレート）を用いて、テンプレートマッチングを行う。なお、テンプレートマッチングおよびそれを用いた回動状態の判断については、後に詳述する。

ここで、記憶部６には、各マーク２１に対応して、前述した基準画像（基準画像データ）がそれに対応するマーク２１の種類に関する情報（識別情報）、撮像画像内での座標（後述する基準画素の座標）に関する情報、および、第１アーム１２０の回動角度に関する情報（角度情報）とともに記憶されている。このような記憶部６としては、不揮発性メモリ、揮発性メモリのいずれも用いることができるが、電力を供給しなくても情報を記憶した状態を保持することができ、省電力化を図ることができるという観点から、不揮発性メモリを用いるのが好ましい。

−第２エンコーダー−
図４は、図１に示すロボットが備えるエンコーダー（第２エンコーダー）を説明するための断面図である。

図４に示すように、前述したロボット１０の第２アーム１３０は、第２モーター１３１と第２減速機１３２を支持する支持部材１３４を有し、第２モーター１３１および第２減速機１３２を収納している。このような第２アーム１３０は、第１アーム１２０に対して第２軸Ｊ２まわりに回動可能に設けられている。

ここで、第１アーム１２０は、前述したアーム本体部１２１および軸部１２２の他に、水平方向に沿って延びているアーム本体部１２１の前述した軸部１２２とは長手方向での異なる位置から上方に向けて突出している軸部１２３を有している。そして、軸部１２３は、軸受１３５を介して第２アーム１３０を第２軸Ｊ２まわりに回動可能に支持しているとともに、第２減速機１３２の出力軸に接続されている。また、第２減速機１３２の入力軸は、第２モーター１３１の回転軸１３１１に接続されている。

このような相対的に回動する第１アーム１２０および第２アーム１３０には、これらの回動状態を検出するエンコーダー１Ａが設けられている。

エンコーダー１Ａは、前述したエンコーダー１と同様の構成を有する。すなわち、エンコーダー１Ａは、第１アーム１２０に設けられているマーク部２と、第２アーム１３０に設けられ、マーク部２を検出するマーク検出部３と、マーク検出部３の検出結果に基づいて第１アーム１２０および第２アーム１３０の相対的な回動状態を判断する判断部５と、判断部５に電気的に接続されている記憶部６と、を有する。

以上のように、ロボット１０は、基台１１０と、基台１１０に対して第１軸Ｊ１（回動軸）まわりに回動可能に設けられているロボットアーム１００と、基台１１０に対するロボットアーム１００の第１軸Ｊ１まわりの回動状態を検出するエンコーダー１と、を備える。ここで、エンコーダー１は、基台１１０に対するロボットアーム１００の第１軸Ｊ１まわりの回動に伴って回動するマーク２１と、マーク２１を撮像する撮像素子３１と、を有し、撮像素子３１から出力される信号を用いて、基台１１０に対するロボットアーム１００の第１軸Ｊ１まわりの回動状態を検出する。

特に、ロボット１０では、エンコーダー１の撮像素子３１の１画素当たりの視野サイズをＢ［ｍ］とし、第１軸Ｊ１（回動軸）とエンコーダー１のマーク２１の中心との間の距離をＲ［ｍ］とし、第１軸Ｊ１とロボットアーム１００の先端部ＣＰとの間の最大距離Ｌ１０をＬ［ｍ］とし、ロボットアーム１００の先端部ＣＰの繰り返し位置決め精度をＸ［ｍ］としたとき、２Ｒ／Ｂ≦Ｌ／Ｘ≦１００Ｒ／Ｂなる関係を満たす。

このように、視野サイズＢ、最大距離Ｌ（Ｌ１０）、距離Ｒおよび繰り返し位置決め精度Ｘの関係を最適化することで、要求されるロボットアーム１００の位置決め精度（繰り返し位置決め精度）を満足するのに必要十分な仕様（性能、特性等）の撮像素子３１およびレンズ３２（光学部品）を選定することができ、その結果、エンコーダー１の低コスト化、ひいてはロボット１０の低コスト化を図ることができる。例えば、マーク２１と撮像素子３１との間に設けられるレンズ３２の倍率を過度に大きくしたり、撮像素子３１の画素サイズを過度に小さくしたりしなくて済むため、比較的安価なレンズ３２および撮像素子３１を用いることができ、その結果、エンコーダー１の低コスト化を図ることができる。

特に、エンコーダー１は、ロボットアーム１００の最も基台１１０側の回動部分の回動状態を検出するため、エンコーダー１Ａよりも検出精度に関する要求が高い。そのため、エンコーダー１について、この関係を満足すると、前述したような効果が大きいと言える。

なお、「繰り返し位置決め精度Ｘ」は、ＪＩＳ Ｂ８４３２に準拠して測定される「位置行き過ぎ量」または「経路繰り返し精度」であり、ロボットの製品カタログにおいて「繰り返し精度」または「位置繰り返し精度」として記載されるものである。また、「第１軸Ｊ１とロボットアーム１００の先端部ＣＰとの間の最大距離Ｌ１０」は、第１軸Ｊ１（回動軸）に沿った方向から見たとき、ロボットアーム１００の先端部ＣＰが第１軸Ｊ１から最も遠くなる状態における第１軸Ｊ１と先端部ＣＰとの間の距離（第１軸Ｊ１と軸Ｊ３との軸間距離）である。また、ロボットアーム１００の先端部ＣＰは、スプラインシャフト１４１の先端面の中心（エンドエフェクター１５０の取り付け中心）またはエンドエフェクター１５０の中心（ＴＣＰ：ツールセンターポイント）のいずれかである。

ここで、エンコーダー１は、判断部５を有しており、この判断部５は、撮像素子３１の撮像画像に対して基準画像を用いてテンプレートマッチングすることでマーク２１を検出し、その検出結果を用いて、基台１１０に対する第１アーム１２０の回動状態を判断する。これにより、高精細なマーク２１を用いなくても、撮像素子３１の撮像画像内でのマーク２１の画像の位置に基づいて、マーク２１の回動状態を高精度に判断することができる。また、マーク２１が汚れ等によりかすれたとしても、撮像素子３１の撮像画像内でのマーク２１の画像の位置をテンプレートマッチングにより高精度に検出することができる。そのため、低コスト化を図りつつ検出精度を高めることができる。

特に、判断部５におけるテンプレートマッチングは、サブピクセル推定法を用いることが好ましい。これにより、繰り返し位置決め精度Ｘを優れたものとしつつ、比較的安価なレンズ３２および撮像素子３１を用いることができる。以下、この点について説明する。

図５は、図２に示すエンコーダーが備える撮像素子の１画素当たりの視野サイズを説明するための図である。図６は、撮像素子がＣＣＤである場合の１画素当たりの視野サイズを説明するための図である。図７は、撮像素子がＣＭＯＳである場合の１画素当たりの視野サイズを説明するための図である。図８は、撮像画像中のマークを説明するための図である。

撮像素子３１に撮像されるマーク２１は、図５に示すように、撮像素子３１の視野である撮像領域ＲＩ内にある。この撮像領域ＲＩが撮像素子３１の複数の画素に対応して互いに直交するＸ１軸方向およびＹ１軸方向に行列状に配置された複数の画素ＰＲＩで構成されていると捉えたとき、１つの画素ＰＲＩのＸ１軸方向での長さが「撮像素子３１の１画素当たりの視野サイズＢ」である。なお、Ｘ１軸方向は、マーク２１の移動方向に沿った方向である。

また、「マーク２１の中心」とは、特に、マーク２１の移動方向に対して垂直な方向（図５中のＹ１方向）での中央における幅方向（図５中のＸ１方向）での任意の点のことを言う。「１画素当たりの視野サイズＢ」とは、（撮像素子３１の解像度の逆数）×（光学倍率の逆数）から得られる量のことを言う。ここで、「撮像素子３１の解像度の逆数」とは、撮像素子３１の撮像面に沿った一方向（図５中Ｘ１方向での距離）における単位長さ当たりの画素の数の逆数であり、言い換えると、撮像素子３１の画素間ピッチ（図５中Ｘ１方向での距離）のことを言う。「光学倍率」とは、マーク２１の実際の寸法に対して、撮像素子３１で撮像されるマーク２１の寸法の比率のことを言い、具体的には、本実施形態では、マーク２１と撮像素子３１との間に配置されている光学系の総倍率（レンズ３２の倍率）のことを言う。

また、「１画素」とは、パターンマッチング（テンプレートマッチング）の際にテンプレートと撮像領域との輝度比較を行う最小単位のことを言う。

撮像素子３１がＣＣＤである場合、例えば、図６に示すように、撮像素子３１は、行列状に配置されている複数のフォトダイオード３１１と、複数のフォトダイオード３１１の列ごとに設けられている複数の垂直伝送路３１２と、複数の垂直伝送路３１２に電気的に接続されている水平伝送路３１３と、各フォトダイオード３１１と垂直伝送路３１２との間に設けられているゲート３１４と、水平伝送路３１３に電気的に接続されている増幅器３１５と、を有する。ここで、撮像素子３１が単色での撮像を行う場合、各フォトダイオード３１１ごとの領域ＰＸ１が撮像素子３１の１画素ＰＸを構成する。また、撮像素子３１がフルカラーでの撮像を行う場合、例えば、１つの赤色用、２つの緑色用および１つの青色用からなる４つのフォトダイオード３１１ごとの領域ＰＸ２が撮像素子３１の１画素ＰＸを構成する。

また、撮像素子３１がＣＭＯＳである場合も同様に１画素ＰＸを定義することができる。すなわち、この場合、例えば、図７に示すように、撮像素子３１は、行列状に配置されている複数のフォトダイオード３１１と、複数のフォトダイオード３１１の列ごとに設けられている複数の垂直信号線３１６と、水平信号線３１７と、各フォトダイオード３１１と垂直信号線３１６との間に設けられている増幅器３１８および画素選択スイッチ３１９と、各垂直信号線３１６と水平信号線３１７との間に設けられている列回路３２０および列選択スイッチ３２１と、を有する。ここで、撮像素子３１が単色での撮像を行う場合、各フォトダイオード３１１ごとの領域ＰＸ１が撮像素子３１の１画素ＰＸを構成する。また、撮像素子３１がフルカラーでの撮像を行う場合、例えば、１つの赤色用、２つの緑色用および１つの青色用からなる４つのフォトダイオード３１１ごとの領域ＰＸ２が撮像素子３１の１画素ＰＸを構成する。

なお、図６および図７に示すフォトダイオード３１１の配置および形状等は、一例であり、これに限定されない。また、１画素ＰＸは、撮像素子３１がフルカラーでの撮像を行う場合、実像の色情報を示すことが可能な最小範囲であり、例えば、１つの赤色用、１つの緑色用および１つの青色用からなる３つのフォトダイオード３１１ごとの領域としてもよい。

このような撮像素子３１で撮像したマーク２１は、例えば、図９に示すように、撮像素子３１の画素ＰＸごとの濃淡情報として捉えられる。

ロボットアーム１００の先端部ＣＰの繰り返し位置決め精度Ｘ［ｍ］がエンコーダー１の撮像素子３１によるマーク２１の検出精度のみで決まると仮定したとき、サブピクセル推定法を用いない場合、２πＬ／Ｘ＝２πＲ／Ｂなる関係式（以下、「関係式１」ともいう）を満たす。したがって、この場合、繰り返し位置決め精度Ｘを満足するためには、視野サイズＢをこの関係式１から求めた値よりも小さくする必要がある。このため、例えば、最大距離Ｌを０．６ｍ程度とし、繰り返し位置決め精度Ｘ［ｍ］を±０．００００１ｍ（±１０μｍ）程度とする場合、レンズ３２の倍率を極めて大きくしたり、撮像素子３１の画素サイズを極めて小さくしたりする必要があり、レンズ３２および撮像素子３１が高価となる。

これに対し、サブピクセル推定法を用いる場合、撮像素子３１の分解能を２倍以上１００倍以下程度まで仮想的に高めることができる。したがって、この場合、仮想的な視野サイズは、サブピクセル推定法を用いない場合の視野サイズＢの０．０１倍以上０．５倍以下程度となる。このような仮想的な視野サイズを、前述した関係式１に当てはめて考えると、
２πＲ／０．５Ｂ≦２πＬ／Ｘ≦２πＲ／０．０１Ｂなる関係が得られ、これにより、前述したように、２Ｒ／Ｂ≦Ｌ／Ｘ≦１００Ｒ／Ｂなる関係が得られる。なお、サブピクセル推定法による分解能の向上については、後述するテンプレートマッチングを用いた回動状態に判断の説明とともに詳述する。

以上のように、判断部５におけるテンプレートマッチングにサブピクセル推定法を用いることで、繰り返し位置決め精度Ｘを優れたものとしつつ、比較的安価なレンズ３２および撮像素子３１を用いることができる。判断部５におけるテンプレートマッチングに用いるサブピクセル推定法としては、特に限定されないが、例えば、ＳＳＤ（Sum of Squared Difference）法、ＳＡＤ（Sum of Absolute Difference）法、正規化相互相関（ＺＮＣＣ：Zero-mean Normalized Cross-Correlation）法、位相限定相関（ＰＯＣ：Phase Only Correlation）法等の相関法が挙げられる。

また、ロボット１０では、前述したように、ロボットアーム１００に設けられている慣性センサー１７０を備える。これにより、慣性センサー１７０の検出結果（角速度、加速度等）に基づいてロボットアーム１００を動作制御することで、ロボットアーム１００の振動を低減することができる。そのため、ロボットアーム１００の先端部ＣＰの位置決めを高精度かつ高速に行うことができる。

また、エンコーダー１Ａについてもエンコーダー１と同様に考えることができる。前述したように、ロボット１０は、ロボットアーム１００と、エンコーダー１Ａと、を備える。ここで、ロボットアーム１００は、第１アーム１２０と、第１アーム１２０に対して第２軸Ｊ２（回動軸）まわりに回動可能に設けられている第２アーム１３０と、を有する。また、エンコーダー１Ａは、第１アーム１２０に対する第２アーム１３０の第２軸Ｊ２まわりの回動に伴って回動するマーク２１と、マーク２１を撮像する撮像素子３１と、を有し、撮像素子３１から出力される信号を用いて、第１アーム１２０に対する第２アーム１３０の第２軸Ｊ２まわりの回動状態を検出する。

特に、ロボット１０では、前述したエンコーダー１と同様、エンコーダー１Ａの撮像素子３１の１画素当たりの視野サイズをＢ［ｍ］とし、第２軸Ｊ２（回動軸）とエンコーダー１Ａのマーク２１の中心との間の距離をＲ［ｍ］とし、第２軸Ｊ２とロボットアーム１００の先端部ＣＰとの間の最大距離Ｌ１１をＬ［ｍ］とし、ロボットアーム１００の先端部ＣＰの繰り返し位置決め精度をＸ［ｍ］としたとき、２Ｒ／Ｂ≦Ｌ／Ｘ≦１００Ｒ／Ｂなる関係を満たす。

このように、視野サイズＢ、最大距離Ｌ（Ｌ１１）、距離Ｒおよび繰り返し位置決め精度Ｘの関係を最適化することで、要求されるロボットアーム１００の繰り返し位置決め精度Ｘ（繰り返し位置精度）を満足するのに必要十分な仕様のエンコーダー１Ａの撮像素子３１およびレンズ３２を選定することができ、その結果、エンコーダー１Ａの低コスト化、ひいてはロボット１０の低コスト化を図ることができる。

また、最大距離Ｌ１１は、最大距離Ｌ１０よりも短いため、エンコーダー１Ａに用いる撮像素子３１の１画素当たりの視野サイズＢは、エンコーダー１に用いる撮像素子３１の１画素当たりの視野サイズＢよりも大きくすることができる。そのため、エンコーダー１Ａに用いる撮像素子３１の画素幅を、エンコーダー１に用いる撮像素子３１の画素幅よりも大きくしたり、エンコーダー１Ａに用いるレンズ３２の倍率を、エンコーダー１に用いるレンズ３２の倍率よりも小さくしたりすることができる。また、エンコーダー１Ａに用いるマーク２１の大きさ（面積）を、エンコーダー１に用いるマーク２１の大きさ（面積）よりも小さくすることもできる。

なお、「第２軸Ｊ２とロボットアーム１００の先端部ＣＰとの間の最大距離Ｌ１１」は、第２軸Ｊ２（回動軸）に沿った方向から見たとき、第２軸Ｊ２と先端部ＣＰとの間の距離（第２軸Ｊ２と軸Ｊ３との軸間距離）である。

このように、ロボット１０は、第１アーム１２０を第１軸Ｊ１（第１回動軸）まわりに回動可能に支持している「部材」である基台１１０と、基台１１０に対する第１アーム１２０の回動状態を検出する「第１エンコーダー」であるエンコーダー１と、第１アーム１２０に対する第２アーム１３０の回動状態を検出する「第２エンコーダー」であるエンコーダー１Ａと、を備える。

ここで、エンコーダー１（第１エンコーダー）が備えるマーク２１は、第１アーム１２０が基台１１０に対して回動することに伴って第１軸Ｊ１まわりに回動する「第１マーク」である。また、エンコーダー１が備える撮像素子３１は、マーク２１（第１マーク）を撮像する「第１撮像素子」である。また、エンコーダー１Ａ（第２エンコーダー）が備えるマーク２１は、第２軸Ｊ２（第２回動軸）まわりに回動する「第２マーク」である。また、エンコーダー１Ａが備える撮像素子３１は、「第２撮像素子」である。

そして、エンコーダー１Ａの撮像素子３１（第２撮像素子）の１画素当たりの視野サイズＢがエンコーダー１の撮像素子３１（第１撮像素子）の１画素当たりの視野サイズＢに等しいこと、および、第２軸Ｊ２とエンコーダー１Ａのマーク２１（第２マーク）の中心との間の距離Ｒが第１軸Ｊ１とエンコーダー１のマーク２１（第１マーク）の中心との間の距離Ｒに等しいことのうちの少なくとも一方を満足することが好ましい。これにより、、エンコーダー１、１Ａの低コスト化を図るとともに処理速度の低下を低減することができる。また、エンコーダー１およびエンコーダー１Ａのそれぞれの１回転当たりの分解能が１４ビット以上であることが好ましい。これにより、ロボット１０の軌跡精度を向上させることができる。

ここで、ロボット１０の視野サイズＢ、最大距離Ｌ、距離Ｒおよび繰り返し位置決め精度Ｘの具体的な値は、特に限定されないが、以下の通りである。

最大距離Ｌは、例えば、０．１０ｍ以上０．８５ｍ以下であることが好ましい。特に、第１軸Ｊ１とロボットアーム１００の先端部ＣＰとの間の最大距離Ｌ１０は、例えば、０．１７５ｍ以上０．８５ｍ以下であることが好ましい。また、第２軸Ｊ２とロボットアーム１００の先端部ＣＰとの間の最大距離Ｌ１１は、例えば、０．１ｍ以上０．４５ｍ以下であることが好ましい。

また、エンコーダー１の撮像素子３１の１画素当たりの視野サイズＢは、例えば、２×１０^−６ｍ以上１×１０^−５ｍ以下（１μｍ以上１０μｍ以下）であることが好ましく、４×１０^−６ｍ以上６×１０^−６ｍ以下（４μｍ以上６μｍ以下）であることがより好ましい。

また、第１軸Ｊ１（回動軸）とエンコーダー１のマーク２１の中心との間の距離Ｒは、例えば、０．０２ｍ以上０．２ｍ以下（２０ｍｍ以上２００ｍｍ以下）であることが好ましく、０．０３ｍ以上０．１ｍ以下（３０ｍｍ以上１００ｍｍ以下）であることがより好ましい。

また、ロボットアーム１００の先端部ＣＰの繰り返し位置決め精度Ｘは、例えば、５×１０^−６ｍ以上４×１０^−５ｍ以下（５μｍ以上４０μｍ以下）であることが好ましい。

（テンプレートマッチングおよびそれを用いた回動状態に判断）
以下、判断部５におけるテンプレートマッチングおよびそれを用いた回動状態の判断について詳述する。なお、以下では、回動状態として回動角度を判断する場合を代表的に説明する。また、以下では、エンコーダー１について代表的に説明するが、エンコーダー１Ａについてもエンコーダー１と同様である。

−基準画像の取得−
エンコーダー１では、テンプレートマッチングを用いて基台１１０に対する第１アーム１２０の回動状態を判断するのに先立って、当該テンプレートマッチングに用いる基準画像を取得する。この基準画像の取得は、最初のテンプレートマッチングの前に１回行うだけでよいが、その後必要に応じて適時行ってもよい。その場合、テンプレートマッチングに用いる基準画像を、新たに取得した基準画像に更新することができる。

基準画像を取得する際には、第１アーム１２０を基台１１０に対して第１軸Ｊ１まわりに適宜回動させ、撮像素子３１で複数のマーク２１を各マーク２１ごとに撮像する。そして、得られた各撮像画像をトリミングすることにより、各マーク２１ごとの基準画像を生成する。生成された基準画像は、その識別情報、画素座標情報および角度情報とともにこれらに対応付けられて記憶部６に記憶される。以下、図６に基づいて、この点を詳述する。

図９は、図２に示すエンコーダーが備える撮像素子の撮像画像を説明するための図である。

第１アーム１２０が基台１１０に対して第１軸Ｊ１まわりに回動すると、例えば、図９に示すように、撮像素子３１の撮像画像Ｇ内に映っている文字「Ａ」を示すマーク２１の画像であるマーク画像２１Ａは、撮像画像Ｇ内を円弧Ｃ１、Ｃ２に沿って移動する。ここで、円弧Ｃ１は、基台１１０に対する第１アーム１２０の回動に伴ってマーク画像２１Ａの図９中下端が描く軌跡であり、円弧Ｃ２は、基台１１０に対する第１アーム１２０の回動に伴ってマーク画像２１Ａの図９中上端が描く軌跡である。また、図９では、マーク画像２１Ａの他に、文字「Ｂ」を示すマーク２１の画像であるマーク画像２１Ｂ、および、文字「Ｘ」を示すマーク２１の画像であるマーク画像２１Ｘが撮像画像Ｇ内に映っている場合を図示している。

ここで、撮像素子３１が撮像することにより得られる撮像画像Ｇは、撮像領域ＲＩに対応した形状であって、Ｘ軸方向に沿って延びている２つの辺とＹ軸方向に沿って延びている２つの辺とを有する矩形をなしている。また、撮像画像ＧのＸ軸方向に沿って延びている２つの辺は、円弧Ｃ１、Ｃ２にできるだけ沿うように配置されている。また、撮像画像Ｇは、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に行列状に並んでいる複数の画素を有する。ここで、画素の位置は、Ｘ軸方向での画素の位置を示す「Ｘ」、および、Ｙ軸方向での画素の位置を示す「Ｙ」で表される画素座標系（Ｘ，Ｙ）で表される。また、撮像画像Ｇの外周部を除いた中央領域を有効視野領域ＲＵとし、有効視野領域ＲＵの図中左上端の画素が画像座標系（Ｘ，Ｙ）の原点画素（０，０）に設定されている。

例えば、文字「Ａ」を示すマーク２１を検出するための基準画像ＴＡを生成する場合、第１アーム１２０を基台１１０に対して適宜回動させ、マーク画像２１Ａを有効視野領域ＲＵ内の所定位置（図示ではＸ軸方向での中央に設定された中心線ＬＹ上）に位置させる。ここで、マーク画像２１Ａが当該所定位置に位置するときの、基台１１０に対する第１アーム１２０の回動角度θＡ０は、測定等により事前に取得されている。

このような撮像画像Ｇを、マーク画像２１Ａを包含する必要最小限の範囲となるような矩形の画素範囲でトリミングすることにより、基準画像ＴＡ（文字「Ａ」を示すマーク２１の検出用のテンプレート）を得る。得られた基準画像ＴＡは、記憶部６に記憶される。このとき、基準画像ＴＡは、その画像の種類（図示の場合、文字「Ａ」）に関する識別情報、前述した回動角度θＡ０に関する角度情報、および、基準画像ＴＡの画素範囲における基準画素（図示では左上端の画素）の画素座標である基準画素座標（ＸＡ０，ＹＡ０）に関する画素座標情報とともに、これらに対応付けられて記憶される。すなわち、基準画像ＴＡおよびそれに対応する識別情報、角度情報および画素座標情報がテンプレートマッチングに用いる１つのテンプレートセットとなる。

−テンプレートマッチングを用いた回動状態の判断−
次に、図１０ないし図１４に基づいて、前述したように生成した基準画像ＴＡを用いたテンプレートマッチングについて説明する。

図１０は、図９に示す撮像画像内に設定される探索領域でのテンプレートマッチングを説明するための図である。図１１は、テンプレートマッチングの際に相関値が最大または最小となる状態から１画素分ずれた状態である。図１２は、テンプレートマッチングの際に相関値が最大または最小となる状態を示す図である。図１３は、テンプレートマッチングの際に相関値が最大または最小となる状態から図１１に示す状態とは反対側に１画素分ずれた状態を示す図である。図１４は、テンプレートマッチングの際に得られる基準画素のＸ位置（図５中Ｘ１方向での位置）と相関値との関係を示すグラフである。

図１０に示すように、有効視野領域ＲＵ内にマーク画像２１Ａが存在しているとき、基準画像ＴＡを用いて有効視野領域ＲＵの画像に対してテンプレートマッチングを行う。本実施形態では、有効視野領域ＲＵ全域を探索領域ＲＳとし、探索領域ＲＳに基準画像ＴＡを重ね、探索領域ＲＳに対して基準画像ＴＡを一画素ずつずらしながら、探索領域ＲＳと基準画像ＴＡとの重なり部分の相関値を算出する。ここで、基準画像ＴＡは、その基準画素の画素座標を開始画素ＰＳ（原点画素Ｐ０）から終了画素ＰＥまで１画素ずつ移動され、探索領域ＲＳ全域の画素について、探索領域ＲＳと基準画像ＴＡとの重なり部分の相関値（相関値データ）が基準画像ＴＡの基準画素の画素座標ごとに算出される。そして、相関値は、撮像画像データと基準画像データとの相関値データとして、基準画像ＴＡの基準画素の画素座標に対応付けされて記憶部６に記憶される。

次に、記憶部６に記憶されている画素座標ごとの複数の相関値のうち、最大値となる相関値を選択し、その選択された相関値となる基準画像ＴＡの画素座標（ＸＡ１，ＹＡ１）をマーク画像２１Ａの画素座標として決定する。このようにして、撮像画像Ｇ内でのマーク画像２１Ａの位置を検出することができる。

特に、サブピクセル推定法を用いて、マーク画像２１Ａの画素座標を求める。相関値が最大となる近傍では、図１１ないし図１２に示すように、マーク２１に対して基準画像ＴＡが重なる。図１２に示す状態は、図１１、１３に示す状態（図１２に示す状態から１画素ずれた状態）よりも相関値が大きく、相関値が最も大きくなる。しかし、図１２に示す状態のように、マーク２１に対して基準画像ＴＡが完全に一致せずにずれて重なる場合、図１２に示す状態をマーク画像２１Ａの画素位置と判断すると、そのずれが誤差となる。このずれは、最大で視野サイズＢとなる。すなわち、サブピクセル推定法を用いない場合、視野サイズＢが最小の分解能（精度）となる。

これに対し、サブピクセル推定法を用いると、図１３に示すように、視野サイズＢごとの相関値を放物線等（等角直線でもよい）でフィッティングし、これらの相関値間（画素ピッチ間）を補完（近似）することができる。そのため、より高精度にマーク画像２１Ａの画素座標を求めることができる。なお、前述した説明では、相関値が最大となる画素座標がマーク画像２１Ａの画素位置となる場合を例に説明したが、相関値が最小となる画素座標がマーク画像２１Ａの画素位置となるようにテンプレートマッチングを行うことも可能である。図１３は、相関値が最小となる画素座標がマーク画像２１Ａの画素位置となるようにテンプレートマッチングを行う場合を示す。

このように、判断部５は、撮像画像Ｇの一部の領域である有効視野領域ＲＵに探索領域ＲＳを設定し、探索領域ＲＳ内でテンプレートマッチングを行う。これにより、テンプレートマッチングに用いる探索領域ＲＳの画素数を少なくし、テンプレートマッチングに関する演算時間を短縮することができる。そのため、第１アーム１２０の第１軸Ｊ１まわりの角速度（マーク２１の角速度）が速い場合においても、高精度な検出を行うことができる。また、撮像素子３１とマーク２１との間に配置されているレンズ３２の収差によって、撮像画像Ｇの外周部分の歪やボケが大きくなっても、そのような歪やボケの少ない領域を探索領域ＲＳとして用いることで、検出精度の低下を低減することができる。なお、撮像画像Ｇ全域を探索領域ＲＳとして用いて基準画像ＴＡの生成およびテンプレートマッチングを行ってもよく、この場合、必要に応じて、収差を考慮した補正を行うことが好ましい。

本実施形態では、撮像領域ＲＩと第１軸Ｊ１との間の距離が十分に長いため、撮像画像Ｇ内において、円弧Ｃ１、Ｃ２は、それぞれ、ほぼ直線に近似することができる。したがって、撮像画像Ｇ内において、マーク画像２１Ａの移動方向は、Ｘ軸方向に一致していると考えることができる。

そうすると、マーク画像２１Ａは、基準画素座標（ＸＡ０，ＹＡ０）にある基準画像ＴＡに対してＸ軸方向に画素数（ＸＡ１−ＸＡ０）分ずれた位置にあることとなる。したがって、撮像領域ＲＩの中心と第１軸Ｊ１との間の距離Ｒをｒとし、撮像素子３１の１画素に対応する撮像領域ＲＩ上の領域の幅（撮像素子３１の１画素あたりの視野サイズＢ）をＷとしたとき、基台１１０に対する第１アーム１２０の回動角度θは、下記式（１）を用いて求めることができる。

この式（１）において、（ＸＡ１−ＸＡ０）×Ｗは、基準画像ＴＡの基準画素座標（ＸＡ０，ＹＡ０）に対応する実位置と、前述した相関値が最大値となる基準画像ＴＡの画素座標（ＸＡ１，ＹＡ１）に対応する実位置との間の距離に相当する。また、２ｒπは、基台１１０に対して第１アーム１２０が３６０°回転したときのマーク２１の軌跡の長さ（円周の長さ）に相当する。

このように回動角度θを求めるに際しては、画素座標（ＸＡ１，ＹＡ１）に隣接する画素の相関値を放物線あるいは放物曲面でフィッティングして最大となる相関値の座標を決定する、いわゆるサブピクセル推定法を用いることもできる。これにより、画素単位よりも細かい分解能で撮像画像Ｇ内でのマーク画像２１Ａの位置を求めることができ、その結果、回動角度θの検出精度を高めることができる。

以上のようなテンプレートマッチングおよびそれを用いた回動角度θの算出を他（文字［Ａ］を示すマーク２１以外）のマーク２１についても同様に行う。ここで、任意の回動角度θにおいて、有効視野領域ＲＵ内に少なくとも１つのマーク２１が欠けなく写り、かつ、テンプレートマッチング可能なように各マーク２１に対応した基準画像が登録されている。これにより、テンプレートマッチングが不可能な角度範囲が生じることを防止することができる。

前述した図９では、任意の回動角度θにおいて、有効視野領域ＲＵ内に１つのマーク２１が欠けなく写るように、マーク２１および有効視野領域ＲＵが構成されているが、任意の回動角度θにおいて、有効視野領域ＲＵ内に複数のマーク２１が欠けなく写るように、マーク２１および有効視野領域ＲＵが構成されていることが好ましい。この場合、任意の回動角度θにおいて、有効視野領域ＲＵ内に写っている複数のマーク２１に対してテンプレートマッチングが可能となるように、互いに隣り合う２つ以上のマーク２１に対応する２つ以上の基準画像を用いてテンプレートマッチングを行う。このとき、当該２つ以上の基準画像が互いに部分的に重なっていてもよい。

すなわち、第１アーム１２０には、複数のマーク２１が配置されており、撮像素子３１は、第１軸Ｊ１（回動軸）まわりの周方向に互いに隣り合う２つのマーク２１全体を包含させて撮像することが好ましい。これにより、撮像素子３１が撮像した２つのマーク２１のうちの一方のマーク２１が汚れ等により正確に読み取ることができなくなっても、他方のマーク２１を読み取って検出を行うことができる。そのため、高精度な検出精度を担保しやすいという利点がある。

＜第２実施形態＞
図１５は、本発明の第２実施形態に係るエンコーダーにおける探索領域（マークの角速度を考慮して設定した領域）を説明するための図である。図１６は、図１５に示す探索領域（マークの移動軌跡を考慮して設定した領域）を説明するための図である。

以下、第２実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。

本実施形態は、探索領域の設定範囲が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。

前述した第１実施形態では、有効視野領域ＲＵの全域を探索領域ＲＳとして設定した。すなわち、前述した第１実施形態では、有効視野領域ＲＵの全域の画素についてテンプレートマッチングを行って相関値を算出した。ここで、テンプレートマッチングを用いた回動角度θの判断に要する演算時間は、探索領域ＲＳの画素数に比例する。また、回動角度θを求めるのに必要な画素座標は、相関値が最大となる画素座標（サブピクセル推定を用いる場合には、それに隣接する画素座標も必要となる）だけである。したがって、第１実施形態では、場合によっては、演算時間の大部分を無駄な演算に費やしていることとなる。

そこで、本実施形態では、過去の回動角度θの経時変化を利用して、次の撮像においてマーク２１が写る位置を予測し、その位置近傍の限られた画素領域だけを探索領域ＲＳに設定する。このように探索領域ＲＳを設定することにより、テンプレートマッチングに関する演算量を大幅に低減し、演算時間も大幅に短縮することができる。

具体的に説明すると、判断部５は、回動角度θに関する判断結果の情報を各マーク２１ごとに対応させて記憶部６に記憶させる。そして、判断部５は、記憶部６に記憶されている過去の判断結果（回動角度θ）に関する情報を用いて、探索領域ＲＳの位置および範囲を設定（更新）する。

詳述すると、撮像素子３１の撮像タイミングの時間間隔が一定である場合、前回にマーク２１（図示では、文字「Ａ」を示すマーク２１）を撮像して判断した回動角度θをθ１１とし、前々回に当該マーク２１を撮像して判断した回動角度θをθ１２とし、当該マーク２１を今回撮像して判断される回動角度θの予測回動角度をθ１４としたとき、基台１１０に対する第１アーム１２０の回転速度（角速度）が一定であれば、θ１１、θ１２およびθ１４は、下記式（２）で表される。

ここで、式（２）は、図１５に示すように、前回の撮像によるマーク画像２１Ａであるマーク画像２１Ａｎ−１と今回の撮像によるマーク画像２１Ａであるマーク画像２１Ａｎとの間の中心間距離が、前々回の撮像によるマーク画像２１Ａであるマーク画像２１Ａｎ−２と前回の撮像によるマーク画像２１Ａであるマーク画像２１Ａｎ−１との中心間距離ΔＸに等しくなることを意味する。しかし、実際は、基台１１０に対する第１アーム１２０の回転速度（角速度）が変動することが一般的であるため、その変動分をΔθとし、今回の実際の回動角度θをθ１３としたとき、下記式（３）で表される。

ここで、Δθの最大値が既知であれば、その最大値をΔθとすることで、θ１３の範囲を一義的に決定することができる。また、θ１４が決定すれば、有効視野領域ＲＵ内に存在する基準画像ＴＡの角度情報である回動角度θＡ０からのズレ（θ１４−θＡ０）を決定することもできる。そして、回動角度θＡ０は既知であるため、ズレ（θ１４−θＡ０）に基づいて、有効視野領域ＲＵ内のどの画素範囲に基準画像ＴＡに合致するマーク画像２１Ａがあるかを予測することができる。

θ１３は変動分Δθの幅を有するため、探索領域ＲＳのＸ軸方向での画素範囲Ｌ１は、θ１４を基準として基準画像ＴＡに対応する画素範囲に、少なくとも変動分Δθの幅に相当する画素分を加えた範囲となる。

また、探索領域ＲＳのＹ軸方向での画素範囲は、前述した第１実施形態のように有効視野領域ＲＵのＹ軸方向での全域であってもよいが、第１実施形態のようにマーク画像２１Ａが有効視野領域ＲＵ内を移動する軌跡（円弧Ｃ１、Ｃ２）を直線とみなせる場合、基準画像ＴＡのＹ軸方向での画素範囲またはそれよりも若干大きい範囲とする。また、有効視野領域ＲＵ内での円弧Ｃ１、Ｃ２を直線とみなさない場合、図１６に示すように、有効視野領域ＲＵ内における円弧Ｃ１、Ｃ２のＹ軸方向での画素範囲Ｌ０（最大範囲）に、探索領域ＲＳのＹ軸方向での画素範囲Ｌ２を設定する。

このように探索領域ＲＳを設定することで、有効視野領域ＲＵ内のマーク画像２１ＡのＹ軸方向での位置変化が大きくなっても、適切な探索領域ＲＳを設定することができる。また、探索領域ＲＳのＹ軸方向での画素範囲を有効視野領域ＲＵのＹ軸方向での一部とすることで、テンプレートマッチングの演算量を大幅に減らすことができる。ここで、比較的広範囲に二次元的に画像の探索を行う通常のテンプレートマッチングと異なり、探索領域ＲＳ内でのテンプレートマッチングを主にＸ軸方向に一次元的に行えばよいため、通常のテンプレートマッチング比べて半分以下の演算量で済む。

以上のようなことから、本実施形態では、判断部５は、第１アーム１２０またはマーク２１の第１軸Ｊ１（回動軸）まわりの角速度に関する情報に基づいて、撮像画像Ｇ内における探索領域ＲＳの「第１方向」であるＸ軸方向での位置および長さのうちの少なくとも一方を変更可能である。これにより、第１アーム１２０またはマーク２１の回動状態（角速度）に応じた無駄の少ない探索領域ＲＳを設定し、テンプレートマッチングに用いる探索領域ＲＳの画素数をより少なくすることができる。

ここで、判断部５は、過去２回以上の回動角度θ（回動状態）の判断結果に基づいて、基台１１０（基部）に対する第１アーム１２０またはマーク２１の第１軸Ｊ１まわりの角速度に関する情報を算出する。これにより、第１アーム１２０またはマーク２１の回動状態（角速度）に応じた探索領域ＲＳを比較的簡単に設定することができる。

以上説明したような第２実施形態によっても、低コスト化を図りつつ検出精度を高めることができる。

＜第３実施形態＞
図１７は、本発明の第３実施形態に係るエンコーダーにおける探索領域（マークの角速度および角加速度を考慮して設定した領域）を説明するための図である。

以下、第３実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。

本実施形態は、探索領域の設定範囲が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。

前述した第２実施形態では、探索領域ＲＳを設定する際、過去２回の回動角度θ（θ１１、１２）に関する情報から予測した直前の第１アーム１２０の角速度のみを用いるため、角速度の変動分Δθの最大値を考慮した大きさの探索領域ＲＳを設定する必要がある。

本実施形態では、探索領域ＲＳを設定する際、過去３回以上の回動角度θに関する情報を用いる。これにより、第１アーム１２０の角速度に加えて角加速度も簡単な計算で予測することができる。このように角加速度を用いれば、前述した式（３）のΔθが一義的に決まるため、θ１３も一つの値に決定することができる。なお、この決定したθ１３は、あくまで予測値であるため、テンプレートマッチングを行って実際の高精度な回動角度θを求める必要はある。

例えば、図１７に示すように、前回（ｎ−１回目）の撮像によるマーク画像２１Ａであるマーク画像２１Ａｎ−１と前々回（ｎ−２回目）の撮像によるマーク画像２１Ａであるマーク画像２１Ａｎ−２との中心間距離ΔＸが、前々回（ｎ−２回目）の撮像によるマーク画像２１Ａであるマーク画像２１Ａｎ−２と３回前（ｎ−３回目）の撮像によるマーク画像２１Ａであるマーク画像２１Ａｎ−３との中心間距離ΔＸ１よりも大きい場合、前回の撮像によるマーク画像２１Ａｎ−１と今回の撮像によるマーク画像２１Ａであるマーク画像２１Ａｎとの中心間距離ΔＸ２は、中心間距離ΔＸよりも大きくなる。

以上のようなことから、本実施形態では、判断部５は、第１アーム１２０またはマーク２１の第１軸Ｊ１（回動軸）まわりの角加速度に関する情報に基づいて、撮像画像Ｇ内における探索領域ＲＳの「第１方向」であるＸ軸方向での位置および長さのうちの少なくとも一方を変更可能である。これにより、第１アーム１２０またはマーク２１の回動状態（角速度）の変化（角加速度）に応じたより無駄の少ない探索領域ＲＳを設定することができる。

ここで、判断部５は、過去３回以上の回動角度θ（回動状態）の判断結果に基づいて、基台１１０（基部）に対する第１アーム１２０またはマーク２１の第１軸Ｊ１まわりの角加速度に関する情報を算出する。これにより、第１アーム１２０またはマーク２１の回動状態（角速度）の変化（角加速度）に応じた探索領域ＲＳを比較的簡単に設定することができる。

以上説明したような第３実施形態によっても、低コスト化を図りつつ検出精度を高めることができる。

＜第４実施形態＞
図１８は、本発明の第４実施形態に係るエンコーダーにおける探索領域（マークの回動角度を考慮して設定した領域）を説明するための図である。

以下、第４実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。

本実施形態は、探索領域の設定範囲が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。

前述した円弧Ｃ１、Ｃ２は、撮像領域ＲＩの中心と第１軸Ｊ１との間の距離ｒ（または距離Ｒ）を基に計算で求めることが可能であるし、また、距離ｒ（または距離Ｒ）が正確にわからなくても、第１アーム１２０を回動させながら撮像素子３１での撮像を行うことで予め知ることが可能である。事前に円弧Ｃ１またはＣ２がわかっていれば、前述した回動角度θ１３を求めた後、円弧Ｃ１またはＣ２上の回動角度θ１３に相当する画素座標をマーク画像２１Ａの予測画素座標（予測位置）として、基準画像ＴＡの画素サイズよりも所定範囲だけ大きい画素範囲を探索領域ＲＳとして設定することができる。この場合、探索領域ＲＳのＹ軸方向での画素範囲Ｌ２を最小限（例えば、基準画像ＴＡの画素サイズに対して上下１画素拡張する程度）にすることができる。これにより、探索領域ＲＳの画素数をさらに少なくして、演算量を削減することができる。

以上のようなことから、本実施形態では、判断部５は、撮像画像Ｇ内における探索領域ＲＳのＸ軸（第１方向）での位置に基づいて、撮像画像Ｇ内における探索領域ＲＳのＸ軸方向に対して垂直なＹ軸方向（第２方向）での位置および長さのうちの少なくとも一方を変更可能である。これにより、第１アーム１２０またはマーク２１の回動状態（回動角度）に応じた無駄の少ない探索領域ＲＳを設定し、テンプレートマッチングに用いる探索領域ＲＳの画素数をより少なくすることができる。

以上説明したような第４実施形態によっても、低コスト化を図りつつ検出精度を高めることができる。

＜第５実施形態＞
図１９は、本発明の第５実施形態に係るエンコーダーにおける探索領域内での基準画像（テンプレート）を説明するための図である。図２０は、図１９に示す基準画像の姿勢を変化させた状態を示す図である。

以下、第５実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。

本実施形態は、テンプレートマッチングにおける基準画像に角度補正を適宜行う以外は、前述した第１ないし第４実施形態と同様である。

前述したように、有効視野領域ＲＵ内のマーク２１の画像は、円弧Ｃ１、Ｃ２に沿って移動するため、当該画像の位置によっては、当該画像の姿勢がＸ軸またはＹ軸に対して傾く。また、基準画像ＴＡに対してマーク２１の画像の傾きが大きくなると、テンプレートマッチングの誤差が大きくなり（例えば、位置が一致していたとしても相関値が小さくなり）、回動角度の判断精度の低下を招く。このような回動角度の判断精度の低下を防止する方法として、前述したように探索領域ＲＳ内で１画素ずつ基準画像ＴＡをずらしながら基準画像ＴＡの画素位置ごとに相関値を求めた後、相関値が所定値以上となるいくつかの画素位置について、例えば基準画像ＴＡの姿勢（角度）を少しずつ変更しながら相関値を計算し直し、相関値が最大となる画素位置および角度を決定することが考えられる。しかし、この方法では、演算量が激増してしまう。

そこで、本実施形態では、有効視野領域ＲＵ内でのマーク２１の画像の傾きは、回動角度θに応じて変化することに着目し、例えば前述した第２実施形態または第３実施形態と同様にして求めた回動角度θ１３に基づいて、基準画像ＴＡの姿勢を変更（以下、「傾き補正」ともいう）する。回動角度θ１３がわかれば、基準画像ＴＡの補正すべき傾斜角度が一義的に決まり、基準画像ＴＡを一回傾き補正する演算を追加するだけで済む。この追加する演算による演算量のわずかな増加はあるが、回動角度θの判断精度を高めることができる。

ところで、前述した実施形態では、基準画像ＴＡの基準画素を左上端画素に設定した場合を説明したが、本実施形態のように基準画像ＴＡの傾き補正を行う場合においては、図１９に示すように、基準画像ＴＡのできるだけ中心ＰＣに近い画素を基準画素に設定し、その基準画素を基準（中心）として基準画像ＴＡを傾斜角度β回転させて傾き補正を行うことが好ましい。これにより、基準画像ＴＡの傾き補正に起因する基準画像ＴＡの位置ずれを低減することができる。なお、中心ＰＣを基準として基準画像ＴＡの拡大または縮小する補正を行ってもよい。

また、基準画像ＴＡの傾き補正を行うに際しては、基準画像ＴＡの外周に所定幅分の画素を追加して基準画像ＴＡの画素範囲を拡張した上で、その画素範囲を傾き補正に応じた角度（傾斜角度β）回転させ、その回転後の画素範囲を元の基準画像ＴＡの画素範囲の大きさでトリミングすることが好ましい。これにより、図２０に示すように、傾き補正後の基準画像ＴＡに画素欠陥が生じるのを低減することができる。なお、基準画像ＴＡに画素欠陥が生じたとしても、検出精度が低下するが、テンプレートマッチングが不可能となるわけではない。また、基準画像ＴＡを傾き補正しなくても、探索領域ＲＳを傾き補正することで、演算量の増加が大きくなるが、同様に判断精度を高めることができる。

また、このような基準画像ＴＡの傾き補正は、基準画像ＴＡの画素位置ごとに行ってもよいが、マーク２１の傾きが小さい場合、基準画像ＴＡの傾き補正を行わなくても、回動角度θの判断精度にほとんど影響がない。そこで、例えば、前述したようにθ１３を予測したとき、その予測したθ１３が所定角度以下か否かを判断し、所定角度よりも大きい場合に基準画像ＴＡの傾き補正を行い、一方、所定角度以下である場合に基準画像ＴＡの傾き補正を省略して演算時間を短縮する。

以上のようなことから、本実施形態では、判断部５は、基台１１０（基部）に対する第１アーム１２０またはマーク２１の回動角度θ１３（予測値）に関する情報に基づいて、撮像画像Ｇ内における基準画像ＴＡの姿勢を変更可能である。これにより、探索領域ＲＳ内でマーク２１の画像の姿勢の変化が大きい場合においても、テンプレートマッチングの演算量を低減しつつ、テンプレートマッチングの精度を高めることができる。

また、判断部５は、基台１１０（基部）に対する第１アーム１２０またはマーク２１の回動角度θ１３（予測値）が設定角度よりも大きいか否かを判断し、その判断結果に基づいて、撮像画像Ｇ内における基準画像ＴＡの姿勢を変更する。これにより、テンプレートマッチングの高精度化を図りつつ、テンプレートマッチングの演算量をより低減することができる。

＜第６実施形態＞
図２１は、本発明の第６実施形態に係るロボットが備えるエンコーダー（第２エンコーダー）を説明するための断面図である。

以下、第６実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。

本実施形態は、第１アームに対する第２アームの回動状態を検出するエンコーダーの構成が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。

図２１に示すロボット１０Ｂは、第１アーム１２０に対する第２アーム１３０の回動状態を検出するエンコーダー１Ｂを備える。

このエンコーダー１Ｂは、前述した第１実施形態のエンコーダー１Ａと基本的な構成要素が同様であるが、マーク部２およびマーク検出部３の配置がエンコーダー１Ａとは逆になっている。すなわち、エンコーダー１Ｂは、第２アーム１３０に設けられているマーク部２と、第１アーム１２０に設けられ、マーク部２を検出するマーク検出部３と、マーク検出部３の検出結果に基づいて第１アーム１２０および第２アーム１３０の相対的な回動状態を判断する判断部５と、判断部５に電気的に接続されている記憶部６と、を有する。

このようなエンコーダー１Ｂについても第１実施形態のエンコーダー１Ａと同様に考えることができる。したがって、エンコーダー１Ｂの撮像素子３１の１画素当たりの視野サイズをＢ［ｍ］とし、第２軸Ｊ２（回動軸）とエンコーダー１Ｂのマーク２１の中心との間の距離をＲ［ｍ］とし、第２軸Ｊ２とロボットアーム１００の先端部ＣＰとの間の最大距離Ｌ１１をＬ［ｍ］とし、ロボットアーム１００の先端部ＣＰの繰り返し位置決め精度をＸ［ｍ］としたとき、２Ｒ／Ｂ≦Ｌ／Ｘ≦１００Ｒ／Ｂなる関係を満たす。これにより、要求されるロボットアーム１００の繰り返し位置決め精度Ｘ（繰り返し位置精度）を満足しつつ、ロボット１０Ｂの低コスト化を図ることができる。

また、本実施形態では、電気配線等が必要となるマーク検出部３が第２アーム１３０よりも基台１１０に近い側の第１アーム１２０に設けられているため、第１アーム１２０と第２アーム１３０との関節部を経由させて当該電気配線等を設ける必要がなく、マーク検出部３を第１アーム１２０よりも先端側にある第２アーム１３０に設ける場合に比べて、当該電気配線等の引き回しを簡素化することができるという利点もある。

＜第７実施形態＞
図２２は、本発明の第７実施形態に係るロボットが備えるエンコーダー（第１エンコーダー）を説明するための断面図である。

以下、第７実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。

本実施形態は、エンコーダーが有するマークの設置位置およびそれに関する構成が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。

図２２に示すロボット１０Ｄは、基台１１０に対する第１アーム１２０の回動状態を検出するエンコーダー１Ｄを備える。このエンコーダー１Ｄは、第１アーム１２０の軸部１２２の周面に設けられているマーク部２Ｄと、基台１１０に設けられ、マーク部２Ｄが有するマーク（図示せず）を検出するマーク検出部３と、マーク検出部３の検出結果に基づいて基台１１０および第１アーム１２０の相対的な回動状態を判断する判断部５と、判断部５に電気的に接続されている記憶部６と、を有する。

マーク部２Ｄは、図示しないが、軸部１２２の外周面に周方向に沿って配置されている複数のマークを有する。この複数のマークは、例えば、前述した第１実施形態のマーク２１と同様のマークを用いることができる。すなわち、軸部１２２の周面（円筒面）には、文字、数字、記号等の識別し得る複数のマークが周方向に沿って並んで配置されている。なお、マーク部２Ｄが有するマークは、軸部１２２の表面に直接設けられていてもよいし、軸部１２２に取り付けられた円筒状の部材に設けられていてもよい。

本実施形態では、マーク検出部３が有する撮像素子３１およびレンズ３２は、マーク部２Ｄのマークを検出し得るように配置されている。すなわち、マーク部２Ｄのマークとマーク検出部３とが並ぶ方向が第１軸Ｊ１に交差する方向（本実施形態では直交する方向）である。これにより、マーク部２Ｄのマークおよびマーク検出部３を第１軸Ｊ１に近づけることができる。その結果、基台１１０の小型化や軽量化を図ることができる。

また、このようなエンコーダー１Ｄでは、軸部１２２の外周面に撮像素子３１の撮像領域が設定される。そして、前述した第１実施形態と同様にテンプレートマッチングを行う。その際、マーク部２Ｄのマークは、軸部１２２の外周面に設けられているため、軸部１２２の回動に伴って当該撮像領域内を一定の姿勢のまま直線的に移動する。そのため、テンプレートマッチングを行う際に、当該撮像領域内での当該マークの姿勢に応じて基準画像（テンプレート）の向きを変化させる必要がなく、基準画像を一方向に移動させるだけで済むため、テンプレートテンプレートマッチングの演算量を少なくすることができるという利点がある。

ただし、軸部１２２の外周面は湾曲しているため、レンズ３２が一般的な拡大光学系である場合、撮像素子３１の撮像領域内におけるマーク部２Ｄのマークの大きさが当該撮像領域内の位置に応じて変化してしまう。したがって、テンプレートマッチングに際しては、その精度を高める観点から、基準画像の拡大または縮小を行うことが好ましい。また、そのような基準画像の拡大または縮小を行わなくても、そのようなマーク部２Ｄのマークの大きさの変化がないとみなせる小さい範囲に探索領域を設定するか、または、撮像素子３１の探索領域内におけるマーク部２Ｄのマークの大きさが変化しないようにレンズ３２を設計することで、高精度なテンプレートマッチングを行うことが可能である。

以上説明したような第７実施形態によっても、視野サイズＢ、最大距離Ｌ、距離Ｒおよび繰り返し位置決め精度Ｘの関係を最適化することで、要求されるロボットアームの位置決め精度（繰り返し位置決め精度）を満足するのに必要十分な仕様の撮像素子３１およびレンズ３２を選定することができ、その結果、エンコーダー１Ｄの低コスト化、ひいてはロボット１０Ｄの低コスト化を図ることができる。

＜第８実施形態＞
図２３は、本発明の第８実施形態に係るロボットを示す斜視図である。図２４は、図２３に示すロボットのロボットアームの先端が側方の最も遠い位置にある状態を示す側面図である。なお、以下では、ロボット１０Ｃの基台２１０側を「基端側」、ハンド３００側を「先端側」という。

図２３に示すロボット１０Ｃは、垂直多関節（６軸）ロボットである。このロボット１０Ｃは、基台２１０と、ロボットアーム２００と、を有し、ロボットアーム２００が、第１アーム２２０、第２アーム２３０、第３アーム２４０、第４アーム２５０、第５アーム２６０および第６アーム２７０と、を備え、これらのアームが基端側から先端側に向かってこの順に連結されている。第６アーム２７０の先端部には、図２４に示すように、例えば、精密機器、部品等を把持するハンド３００等のエンドエフェクターを着脱可能に取り付けられる。また、図示しないが、ロボット１０Ｃは、ロボット１０Ｃの各部の作動を制御するパーソナルコンピューター（ＰＣ）等のロボット制御装置（制御部）を備えている。

ここで、基台２１０は、例えば、床、壁または天井等に対して固定されている。第１アーム２２０は、基台２１０に対して第１回動軸Ｏ１まわりに回動可能となっている。第２アーム２３０は、第１アーム２２０に対して第１回動軸Ｏ１に直交している第２回動軸Ｏ２まわりに回動可能となっている。第３アーム２４０は、第２アーム２３０に対して第２回動軸Ｏ２に平行な第３回動軸Ｏ３まわりに回動可能となっている。第４アーム２５０は、第３アーム２４０に対して第３回動軸Ｏ３と直交している第４回動軸Ｏ４まわりに回動可能となっている。第５アーム２６０は、第４アーム２５０に対して第４回動軸Ｏ４と直交している第５回動軸Ｏ５まわりに回動可能となっている。第６アーム２７０は、第５アーム２６０に対して第５回動軸Ｏ５と直交している第６回動軸Ｏ６まわりに回動可能となっている。なお、第１回動軸Ｏ１〜第６回動軸Ｏ６について、「直交」とは、２つの軸のなす角度が９０°から±５°の範囲内でずれている場合も含み、また、「平行」とは、２つの軸の一方が他方に対して±５°の範囲内で傾斜している場合も含む。

また、図示しないが、基台２１０および第１アーム２２０〜第６アーム２７０の各連結部（関節）には、モーターおよび減速機を有する駆動源が設けられている。ここで、基台２１０に対して第１アーム２２０を回動させる駆動源には、エンコーダー１が設けられている。このエンコーダー１の検出結果は、例えば、図示しないロボット制御装置に入力され、基台２１０に対して第１アーム２２０を回動させる駆動源の駆動制御に用いられる。また、図示しないが、他の関節部にもエンコーダーが設けられており、このエンコーダーとして、エンコーダー１を用いることができる。

このようなロボット１０Ｃが備えるエンコーダー１についても第１実施形態のエンコーダー１と同様に考えることができる。したがって、ロボット１０Ｃにおいて、エンコーダー１の撮像素子３１の１画素当たりの視野サイズをＢ［ｍ］とし、第１回動軸Ｏ１（回動軸）とエンコーダー１のマーク２１の中心との間の距離をＲ［ｍ］とし、第１回動軸Ｏ１とロボットアーム２００の先端部ＣＰ１との間の最大距離Ｌ２０をＬ［ｍ］とし、ロボットアーム２００の先端部ＣＰ１の繰り返し位置決め精度をＸ［ｍ］としたとき、２Ｒ／Ｂ≦Ｌ／Ｘ≦１００Ｒ／Ｂなる関係を満たす。

このように、視野サイズＢ、最大距離Ｌ（Ｌ２０）、距離Ｒおよび繰り返し位置決め精度Ｘの関係を最適化することで、要求されるロボットアーム２００の繰り返し位置決め精度Ｘ（繰り返し位置精度）を満足するのに必要十分な仕様のエンコーダー１の撮像素子３１およびレンズ３２を選定することができ、その結果、エンコーダー１の低コスト化、ひいてはロボット１０Ｃの低コスト化を図ることができる。

なお、ロボット１０Ｃにおいて、「第１回動軸Ｏ１とロボットアーム２００の先端部ＣＰ１との間の最大距離Ｌ２０」は、第１回動軸Ｏ１（回動軸）に沿った方向から見たとき、ロボットアーム２００の先端部ＣＰ１が第１回動軸Ｏ１から最も遠くなる状態における第１回動軸Ｏ１と先端部ＣＰ１との間の距離である。また、ロボットアーム２００の先端部ＣＰ１は、Ｐ点（第５回動軸Ｏ５と第６回動軸との交点）、第６アーム２７０の先端面の中心（エンドエフェクターの取り付け中心）またはハンド３００の中心（ＴＣＰ：ツールセンターポイント）のいずれかである。

以上では、エンコーダー１が基台２１０に対する第１アーム２２０の回動状態を検出する場合を説明したが、エンコーダー１が他のアームの回動状態を検出する場合も同様に、視野サイズＢ、最大距離Ｌ、距離Ｒおよび繰り返し位置決め精度Ｘの関係を最適化することができる。なお、この場合、エンコーダー１が回動状態を検出する２つのアームのうちの一方を「第１アーム」、他方を「第２アーム」と捉えればよい。

ここで、エンコーダー１が第１アーム２２０に対する第２アーム２３０の回動状態を検出する場合、第２回動軸Ｏ２とロボットアーム２００の先端部ＣＰ１との間の最大距離、すなわち、第２回動軸Ｏ２（回動軸）に沿った方向から見たとき、ロボットアーム２００の先端部ＣＰ１が第２回動軸Ｏ２から最も遠くなる状態における第２回動軸Ｏ２と先端部ＣＰ１との間の距離（最大距離Ｌ２０に等しい）を「最大距離Ｌ」とすればよい。ここで、距離２０は、特に限定されないが、例えば、０．１７５ｍ以上０．８５ｍ以下であることが好ましい。

また、エンコーダー１が第２アーム２３０に対する第３アーム２４０の回動状態を検出する場合、第３回動軸Ｏ３とロボットアーム２００の先端部ＣＰ１との間の最大距離、すなわち、第３回動軸Ｏ３（回動軸）に沿った方向から見たとき、ロボットアーム２００の先端部ＣＰ１が第３回動軸Ｏ３から最も遠くなる状態における第３回動軸Ｏ３と先端部ＣＰ１との間の距離Ｌ２１を「最大距離Ｌ」とすればよい。ここで、距離Ｌ２１は、特に限定されないが、例えば、０．１ｍ以上０．４５ｍ以下であることが好ましい。

また、エンコーダー１が第３アーム２４０に対する第４アーム２５０の回動状態を検出する場合、第４回動軸Ｏ４とロボットアーム２００の先端部ＣＰ１との間の最大距離、すなわち、第４回動軸Ｏ４（回動軸）に沿った方向から見たとき、ロボットアーム２００の先端部ＣＰ１が第４回動軸Ｏ４から最も遠くなる状態における第４回動軸Ｏ４と先端部ＣＰ１との間の距離Ｌ２２を「最大距離Ｌ」とすればよい。

また、エンコーダー１が第４アーム２５０に対する第５アーム２６０の回動状態を検出する場合、第５回動軸Ｏ５とロボットアーム２００の先端部ＣＰ１との間の最大距離、すなわち、第５回動軸Ｏ５（回動軸）に沿った方向から見たとき、ロボットアーム２００の先端部ＣＰ１が第５回動軸Ｏ５から最も遠くなる状態における第５回動軸Ｏ５と先端部ＣＰ１との間の距離Ｌ２３を「最大距離Ｌ」とすればよい。

また、エンコーダー１が第５アーム２６０に対する第６アーム２７０の回動状態を検出する場合、通常、第６回動軸Ｏ６（回動軸）に沿った方向から見たとき、ロボットアーム２００の先端部ＣＰ１が第６回動軸Ｏ６と一致するため、前述した関係式を当てはめることができないが、先端部ＣＰ１が第６回動軸Ｏ６からずれている場合（例えば、ハンド３００のＴＣＰを先端部ＣＰとしたときであって、そのＴＣＰが第６回動軸Ｏ６からずれている場合）、第６回動軸Ｏ６とロボットアーム２００の先端部ＣＰ１との間の距離を「最大距離Ｌ」とすればよい。

以上、本発明のロボットを図示の好適な実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、前述した２つ以上の実施形態の構成を組み合わせてもよい。

また、前述した第１実施形態のエンコーダー１では、マーク検出部３を基台１１０に設け、マーク部２を第１アーム１２０に設けたが、マーク部２を基台１１０に設け、マーク検出部３を第１アーム１２０に設けてもよい。

また、エンコーダーの設置箇所は、前述した実施形態のような関節部に限定されず、相対的に回動する任意の２つのアームの関節部であってもよい。

また、前述した実施形態では、ロボットアームの数は、前述した実施形態の数１つであったが、ロボットアームの数は、これに限定されず、例えば、２つ以上でもよい。すなわち、本発明のロボットは、例えば、双腕ロボット等の複数腕ロボットであってもよい。

また、前述した実施形態では、ロボットアームが有するアームの数は、前述した実施形態の数に限定されず、例えば、３つ以上５つ以下、または、７つ以上であってもよい。

また、本発明のロボットは、建物等の構造物に固定設置されるものに限定されず、例えば、脚部を有する脚式歩行（走行）ロボットであってもよい。

１…エンコーダー、１Ａ…エンコーダー、１Ｂ…エンコーダー、２…マーク部、３…マーク検出部、５…判断部、６…記憶部、１０…ロボット、１０Ｂ…ロボット、１０Ｃ…ロボット、２１…マーク、２１Ａ…マーク画像、２１Ａｎ…マーク画像、２１Ａｎ−１…マーク画像、２１Ａｎ−２…マーク画像、２１Ａｎ−３…マーク画像、２１Ｂ…マーク画像、２１Ｘ…マーク画像、３１…撮像素子、３２…レンズ、５１…画像認識回路、１００…ロボットアーム、１１０…基台、１１１…第１モーター、１１２…第１減速機、１１４…支持部材、１１５…軸受、１２０…第１アーム、１２１…アーム本体部、１２２…軸部、１２３…軸部、１３０…第２アーム、１３１…第２モーター、１３２…第２減速機、１３４…支持部材、１３５…軸受、１４０…作業ヘッド、１４１…スプラインシャフト、１５０…エンドエフェクター、１６０…配線引き回し部、１７０…慣性センサー、２００…ロボットアーム、２１０…基台、２２０…第１アーム、２３０…第２アーム、２４０…第３アーム、２５０…第４アーム、２６０…第５アーム、２７０…第６アーム、３００…ハンド、１１１１…回転軸、１３１１…回転軸、Ｂ…視野サイズ、Ｃ１…円弧、Ｃ２…円弧、ＣＰ…先端部、ＣＰ１…先端部、Ｇ…撮像画像、Ｊ１…第１軸（回動軸）、Ｊ２…第２軸（回動軸）、Ｊ３…軸、Ｌ…最大距離、Ｌ０…画素範囲、Ｌ１…画素範囲、Ｌ１０…最大距離、Ｌ１１…最大距離、Ｌ２…画素範囲、Ｌ２０…最大距離、Ｌ２１…距離、Ｌ２２…距離、Ｌ２３…距離、ＬＹ…中心線、Ｏ１…第１回動軸（回動軸）、Ｏ２…第２回動軸、Ｏ３…第３回動軸、Ｏ４…第４回動軸、Ｏ５…第５回動軸、Ｏ６…第６回動軸、Ｐ０…原点画素、ＰＣ…中心、ＰＥ…終了画素、ＰＲＩ…画素、ＰＳ…開始画素、Ｒ…距離、ＲＩ…撮像領域、ＲＳ…探索領域、ＲＵ…有効視野領域、ＴＡ…基準画像、ΔＸ…中心間距離、ΔＸ１…中心間距離、ΔＸ２…中心間距離、β…傾斜角度

Claims (13)

1. 基台と、
   前記基台に対して回動軸まわりに回動可能に設けられているロボットアームと、
   前記ロボットアームが前記回動することに伴って前記回動軸まわりに回動するマークと、前記マークを撮像する撮像素子と、を有し、前記撮像素子から出力される信号を用いて、前記ロボットアームの前記回動状態を検出するエンコーダーと、を備え、
   前記エンコーダーは、前記撮像素子の撮像画像に対して基準画像を用いてサブピクセル推定法によりテンプレートマッチングすることで前記マークを検出し、その検出結果を用いて、前記回動状態を判断する判断部を有し、
   前記撮像素子の１画素当たりの視野サイズをＢ［ｍ］とし、前記回動軸と前記マークの中心との間の距離をＲ［ｍ］とし、前記回動軸と前記ロボットアームの先端部との間の最大距離をＬ［ｍ］とし、前記先端部の繰り返し位置決め精度をＸ［ｍ］としたとき、
   ２Ｒ／Ｂ≦Ｌ／Ｘ≦１００Ｒ／Ｂなる関係を満たすことを特徴とするロボット。
2. 第１アームと、前記第１アームに対して回動軸まわりに回動可能に設けられている第２アームと、を有するロボットアームと、
   前記第２アームが前記回動することに伴って前記回動軸まわりに回動するマークと、前記マークを撮像する撮像素子と、を有し、前記撮像素子から出力される信号を用いて、前記第１アームに対する前記第２アームの前記回動状態を検出するエンコーダーと、を備え、
   前記エンコーダーは、前記撮像素子の撮像画像に対して基準画像を用いてサブピクセル推定法によりテンプレートマッチングすることで前記マークを検出し、その検出結果を用いて、前記回動状態を判断する判断部を有し、
   前記撮像素子の１画素当たりの視野サイズをＢ［ｍ］とし、前記回動軸と前記マークの中心との間の距離をＲ［ｍ］とし、前記回動軸と前記ロボットアームの先端部との間の最大距離をＬ［ｍ］とし、前記ロボットアームの先端部の繰り返し位置決め精度をＸ［ｍ］としたとき、
   ２Ｒ／Ｂ≦Ｌ／Ｘ≦１００Ｒ／Ｂなる関係を満たすことを特徴とするロボット。
3. 前記第１アームを第１回動軸まわりに回動可能に支持している部材と、
   前記第１アームが前記部材に対して回動することに伴って前記第１回動軸まわりに回動する第１マークと、前記第１マークを撮像する第１撮像素子と、を有し、前記第１撮像素子から出力される信号を用いて、前記部材に対する前記第１アームの回動状態を検出する第１エンコーダーと、
   前記回動軸である第２回動軸まわりに回動する前記マークである第２マークと、前記撮像素子である第２撮像素子と、を有し、前記エンコーダーである第２エンコーダーと、を備え、
   前記第２撮像素子の１画素当たりの視野サイズが前記第１撮像素子の１画素当たりの視野サイズに等しいこと、および、前記第２回動軸と前記第２マークの中心との間の距離が前記第１回動軸と前記第１マークの中心との間の距離に等しいことのうちの少なくとも一方を満足し、
   前記第１エンコーダーおよび前記第２エンコーダーのそれぞれの１回転当たりの分解能が１４ビット以上である請求項２に記載のロボット。
4. 前記エンコーダーは、前記回動軸まわりで周方向に沿って配置されている複数の前記マークを有しており、
   前記撮像素子は、前記回動軸まわりの周方向に互いに隣り合う２つの前記マーク全体を包含させて撮像する請求項２または３に記載のロボット。
5. 前記判断部は、前記撮像画像の一部の領域に探索領域を設定し、前記探索領域内で前記テンプレートマッチングを行う請求項２ないし４のいずれか１項に記載のロボット。
6. 前記判断部は、前記マークの前記回動軸まわりの角速度に関する情報に基づいて、前記撮像画像内における前記探索領域の第１方向での位置および長さのうちの少なくとも一方を変更可能である請求項５に記載のロボット。
7. 前記判断部は、過去２回以上の前記回動状態の判断結果に基づいて、前記角速度に関する情報を算出する請求項６に記載のロボット。
8. 前記判断部は、前記マークの前記回動軸まわりの角加速度に関する情報に基づいて、前記撮像画像内における前記探索領域の第１方向での位置および長さのうちの少なくとも一方を変更可能である請求項６または７に記載のロボット。
9. 前記判断部は、過去３回以上の前記回動状態の判断結果に基づいて、前記角加速度に関する情報を算出する請求項８に記載のロボット。
10. 前記判断部は、前記撮像画像内における前記探索領域の前記第１方向での位置に基づいて、前記撮像画像内における前記探索領域の前記第１方向に対して垂直な第２方向での位置および長さのうちの少なくとも一方を変更可能である請求項６ないし９のいずれか１項に記載のロボット。
11. 前記判断部は、前記マークの前記回動軸まわりの回動角度に関する情報に基づいて、前記基準画像の姿勢を変更可能である請求項６ないし１０のいずれか１項に記載のロボット。
12. 前記判断部は、前記マークの前記回動軸まわりの回動角度が設定角度よりも大きいか否かを判断し、その判断結果に基づいて、前記基準画像の姿勢を変更する請求項１１に記載のロボット。
13. 前記ロボットアームに設けられている慣性センサーを備える請求項１ないし１２のいずれか１項に記載のロボット。

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