JPH01216789A - 空間内目標物を検知し制御するための方法及びこの方法を実施するための遠隔操作装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、直接視認できない空間内にある目標物を検知
し制御する（　Ａｎｓｔｅｕｅｒｎ　）ための方法及び
この方法を実施するための遠隔操作装置であって、遠隔
操作装置のアームの先端に取付けられた回転可能なカメ
ラがアームの周囲を観察し、その画像を遠隔制御位置に
設けたモニターへ送るようにした方法及びこの方法を実
施するための遠隔操作装置に関するものである。

〔従来の技術と間層点〕

遠隔操作装置とは操作を目的として手動により遠隔制御
される移動装置であり、操作の目的が例えば稼働してい
る核反応機の圧力容器内のように人間には視認できない
空間または通行できない空間内にある時にしばしば使用
される。なお本発明では１間欠的に手動制御される工業
用ロボット（ＶＤＩ要網　２８６０．１９８２年立案、
第１頁、第５．１゜１節）をも遠隔操作装置と理解され
るものとする。

工業用ロボットのアームの先端に取付けたカメラの画像
により遠隔操作装置を制御することは知られている（“
Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｒｏｂｏｔ”、　Ｐｅｒｇａｍ
ｏｎＰｒｅｓｓｅ　０ｘｆｏｒｄ、　ＵＫ　を第９０頁
、５ｈｏ−５２，９１２６５に対応）、シかしこの種の
カメラ移動及び遠隔操作装置の軸の制御方法に関しては
開示されていない。

雑誌“５ｅｎｓｏｒ　Ｒｅｖｉｅｗ”（１９８３年１月
、第２３−２６頁）からも人間の姿に似せたタイプのロ
ボットが知られており、このロボットは工具担持体にグ
リッパ−に平行に配置したカメラを具備している。

しかし手動による遠隔制御のための画像を送るようには
なっておらず、パララックスが生じないようにサンプル
を検知すｉことを可能にしたものである。

英国特許第２０８７１０７号公報では、シリンダタイプ
の遠隔操作装置が開示されている−１この遠隔操作装置
は工具担持体に取付けたカメラを有し、空間溶接継目を
生じさせるという目的をティーチイン（Ｔｅａｃｈ−ｉ
ｎ　）方式にしたがってカメラにより読み取り、カメラ
によって制御するようになっている。しかしこの特許め
対象は空間内目標物を直接制御することではない。

米国特許第４２５８４２５号公報からは１手動で軌道案
内することができる、或いはプレイバック方法で遠隔制
御できる平行座標タイプの工業用ロボットが知られてい
る。平行座標は画面上に表示される。しかしカメラガイ
ドまたは点・目標物制御装置は設けられていない。

無線により遠隔制御され、道のない原野でも走行できる
マニピュレータカーでは（雑誌“核技術”１９７５、第
１２巻、第５２７−５３２頁）、光学的な制御のために
マニピュレータカーの旋回傾斜ヘッドにモノテレビカメ
ラとステレオテレビカメラとが配置されている。しかし
マニピュレータのアームまたは車輪装置がグリッパ−の
作業位置を蔽い隠すことがあるので、工具担持体を正確
且つ目標物に向けて案内するうえでカメラの位置は最適
でない、またグリッパ−の複数の軸の組合せ制御に関し
ては開示されていない。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の課題は、直接視認できない任意の空間内にある
点状の目標物を、遠隔操作装置または工業用ロボットの
最大到達範囲内でカメラを用いて検知して直線的に指向
制御する方法及びこの方法を実施するための遠隔操作装
置において、その都度のロボットのタイプに関係なく手
動及び／または自動的に目標物を工具に指向させること
ができるようにすることである。

この場合カメラが目標物に接近する際のカメラの光軸と
論理的に同じ方向に制御スイッチを前後。

上下、左右に案内することができるようにするべきであ
る。

〔課題を解決するための手段及び効果〕本発明は、上記
課題を解決するため、方法においては、 一カメラを少なくとも４つの自由度を有する工業用ロボ
ットの工具担持体に位置付けし、−まず、レンズを具備
し第１の軸の周りに３６０°回転可能で且つ該第１の軸
に垂直な第２の軸の周りに１８０°旋回可能なカメラを
、目標物が所定のモニター位置で見えるまで完全円の軸
の周りに回転させ、且つ第２の軸の周りに旋回させ。

一次に、カメラの位置をその光軸に関して維持し、 −このカメラの位置と光軸の方向を距離測定及び角度測
定によって検知し１次に目標物を手動操作によって直線
的に移動させ、その際工業用ロボットを最大で３つの軸
で同時に制御し、−残りの軸を制御された軸に同期させ
て操作する ことを特徴とし、この方法を実施するための遠隔操作装
置においては、 遠隔操作装置のアームがカメラ担持体を具備し。

該カメラ担持体が工具主軸の周りに回転可能に支持され
、且つ円弧状のカメラガイドを有し、該カメラガイドの
曲率中心が工具主軸上にあることを特徴とするものであ
る。

本発明による方法により、任意の空間内目標物を直接制
御し、制御過程をモニターで追認することができる。従
来、空間内目標物を遠隔操作装置を用いて視覚的に制御
するためには操作者のかなりの集中力を要していた。と
いうのも１通常のカメラシステムでは空間的な方向制御
′を行なうことができないからである。このことは特に
、３つまたは４つの軸でロボットシステムを移動させる
ことによって目標物を閉じた空間内で制御しなければな
らないような工業用ロボットに言えることである。工業
用ロボットには次のようなタイプがある。

タイプＡ　　３つの直進軸を備えた平行座標タイプ タイプＢ　　回転自由度だけを備えた人間の姿に似せた
タイプのロボット タイプＣ平行座標型ロボットと筒型ロボットの混合型（
例えばドイツ特許公開第３ １４２５００号公報） タイプＤ　人間の姿に似せたロボットと筒型ロボットと
の混合型 これらのタイプのロボットの一部は遠隔操作装置の３つ
以上の軸を制御しなければならず、通常は操作者がその
制御を行なうようになっているが、いずれも各空間内目
標物に直線的に接近して各空間内目標物を遠隔制御によ
り操作することができる。

このことは特に、制御されるべき軸のいくつかを他の制
御される軸と同期して切り換えられる場合に可能である
。ここで同期とは、制御されない他の自由度の軸が静止
し、或いは同じ角速度で同方向または逆方向に移動する
ことである。

本発明による方法は、空間内目標物がロボット本体によ
って光学的に蔽い隠されないかぎりは正反対のタイプの
ロボット、即ち筒型タイプのロボットにも適している。

直接視認できるという条件は当然の前提である。

実験によれば、空間内目標物を例えばモニターの中心部
で検知するまで空間を完全に走査し１次にカメラの光軸
方向に応じて直線的に方向制御することができるように
するためには、１つのカメラを２つの軸で回転または旋
回させればよいことが判明した。

ロボットシステムのすべての軸のゼロ位置が既知なので
、方向と移動は角度測定と距離測定とによって正確に検
知し決定することができ、その結果その都度の座標を時
間的に正確にコンピュータに記憶させることができるの
で、第１にはこの基準位置から目標点を算出することが
でき、第２には反復過程のために運動経過を記憶させて
場合によっては運動を自動的に終了させることができる
。

目標物の方向に既知の対象物または未知の対象物があっ
て走行経路を塞いでいる場合には、操作者は障害物を迂
回するため遠隔操作装置を手動で制御することができる
。このため、カメラと工具を配置した工具担持体のその
都度の座標と運動の方向がモニターに表示される。

本発明によれば１例えば種々の工具を用いて空間内目標
物を反復して制御する場合にも操作者は工具の経路を追
認することができる。このためには最初の制御の際に撮
影したカメラフィルムが用いられる。

工具を用いた作業に完全に集中することができるように
、本発明によれば、空間内目標物への最初の接近をコン
ピュータに記憶させ、工具を伴うこの空間内目標物への
次の接近を自動的に行なうことができるので、操作者は
スタート操作だけを手動で行なえばよい。

視認できない空間内での操作にとって特に重要なことは
、３つの空間軸のすべてにおいて常に操作者が方位確認
（Ｏｒｉｅｎｔｉｅｒｕｎｇ　）することである。これ
は、遠隔操作装置が突然に誤作動して手動操作に影響を
及ぼす場合とか、空間内目標物を制御している間に思わ
ぬ障害物が走行経路内に現われて工具を迂回させねばな
らないような場合に特に重要である。このため本発明に
よれば、可動のロボット軸の各駆動が手動の操作スイッ
チと次のように関連づけられ、即ち切換え運動が論理的
に正確な順番で行なわれるように、つまりスイッチの操
作と時間的に同時に且つ平行して行なわれるように関係
づけられている。

空間内目標物で作業を行なう場合、工具の先端と空間内
目標物との空間的な距離をカメラから確実に検知するこ
とができないので、工具の主軸と同じ軸にない別の場所
からカメラで空間内目標物における操作を追認すること
が必要な場合がしばしばある。このため本発明によれば
、カメラは遠隔制御位置からもモニターを介してコント
ロールされる。

また工具担持体に旋回または回転可能な、或いは並進運
動可能なカメラを配置することもできる。

このカメラが本発明にしたがってモニターから制御され
、光軸と工具の主軸との間に生じるパララックス誤差を
も数値的に修正されるならば、カメラは工具軸線の外側
に配置される。パララックス誤差を数値的に修正するこ
とができるのは、工具のすべての運動が本発明にしたが
って記憶され。

空間内目標物の方向が既知であるので可能である。

このパララックス誤差の修正は、カメラの光軸と工具の
軸線が空間内目標物で交わるようにカメラが本発明にし
たがって例えば回転または旋回によって工具担持体とは
別に制御されることができるならば、不必要である。

パララックス誤差の修正は、光軸にも基準線としての工
具主軸にも関係させることができる１例えば把持工具に
対しては、把持されるべき対象物が直接に正確に制御さ
れ、またはグリッパ−が制御後目標点で対象物に対して
方向づけられるようにするため、カメラの光軸を修正す
るか、或いはグリッパ−の位置を鹸化させることができ
る。

制御時のパララックス誤差の修正を簡単にするためには
１本発明によれば、自動制御に手動による切換えが重ね
られ、または遠隔操作装置の手動制御に対して自動的な
制御が間欠的に与えられることによって可能になる。

いくつかの理由から、工具またはカメラ（一般には工具
担持体）が他の構成要素と衝突することを防止するよう
に本発明による方法を精密化するのが有利である。目標
物に接近する際、対象物から所定の間隔で自動的な方向
制御を与えることができる。一方同じ方法で例えば予め
決定される穴の深さを穿孔工具に対して維持させること
ができる。

他の理由は、ロボットの構成要素または作業空間内の他
の衝突体との自己衝突を阻止することである。

本発明による方法の利点は次の点にもある。

一方で操作者が工具担持体の先端にいるかのように光学
的情報を得、他方で操作者によって指図された工具担持
体のすべての運動を論理的に正確な順番で、即ち操作者
のスイッチ操作と同様に経過させることによって、操作
者は遠隔操作装置が作業をしている空間内で常時方位の
確認をすることができる。

平行座標型の工業用ロボットを用いて直方体状の空間内
の目標物を探査しこれに接近するための最も簡単な例を
表Ｉに示す、ここでは６つの軸が定義され、３つの空間
軸ｘ、ｙ、ｚと第４の軸としてのカメラ（工具担持体）
のための完全円軸とはＸ−Ｙ面内にあり、第５の軸とし
てのカメラ（工具担持体）のための旋回軸はｘ−２面内
にある。直方体状空間内での目標物探査のためには。

カメラの光軸が目標物をキャッチするまでカメラを第４
の軸と第５の軸の周りに運動させるだけでよい、目標物
に接近するためには、空間内目標物の位置に応じて３つ
の軸、即ちロボットのＸ軸及び／またはＹ軸及び／また
はＺ軸を移動させる必要がある。この接近はカメラが目
標物を見失わないように行なわねばならない、工具のた
めの第６の軸は作動しない。

へ　　　へ　　　　　　　へ　　　へ 八　　　八　　　　　　　八　　　へ コ　　　コ　　　　　　　コ　　　コ ＬＱ　　　　　　　　　　　　　　＜　　賦へｈ　　　
　　　　　　　　　　）−Ｉ　　　Ｈ要！ 口処　屡−へ　　の　　リ　　哨　　ロ　　トタ、イブ
Ｃの工業用ロボットでの制御課題はかなり複雑であり、
これに関してわかりやすいように略図を用いて詳細に説
明する。

〔実施例〕

タイプＣの遠隔操作装置は、核反応容器の取外しのため
に原子力発電所内に設置される。

第１図は、同−示していない遠隔制御位置から構成され
る装置を示す１図面を簡潔にするため１個々の駆動装置
及び伝動要素は図示していない。

直径が３４６０−のリング１は、水平面内を３６０°回
転可能に軸受２を介してフレーム３内で支持され、歯部
４を介して駆動可能である。リング１の目切片状の拡大
部分には、円の弦のごときガイド５が設けられている。

ガイド５内には、水平方向に横に移動可能なスライダ６
が支持されている。このスリット６は滑り軸受７を介し
て１５０００−長さの柱体１５を担持している。柱体１
５はその鉛直軸線の周りに３６０°回転することができ
る。柱体１５には鉛直ガイド１３が固定され、該鉛直ガ
イド１３を鉛直支持部１６が上下に滑動する。

回転装置１７は、鉛直支持部１６上に配置されている工
具担持体１４を遠隔操作装置の鉛直軸線の周りに回転さ
せ、一方旋回装置８は工具担持体１４を遠隔操作装置の
鉛直軸線に対して傾動運動させる。

工具担持体１４の先端の工具受容部には１画像を遠隔制
御位置のモニターに送るためのカメラ２０が設けられて
いる。カメラ２０は例えば穿孔機械等の工具と交換する
ことができる。

第２図から第４図までは本発明による方法のステップを
示し１表■はこのステップを定性的に示したもので、表
■は定量的に示したものである。

目標物の走行と事前の探査に対してはカメラ２０（第１
図）だけが使用されるので、第７の軸（工具を回転させ
る）は常に静止位置にある。符号又はこの第７の軸が制
御されることを意味し。

符号−はこの第７の軸が同期制御されることを意味して
いる。

表　　■ 軸の運動 表■ 軸の位置 目標点Ｚ３にある空間内目標物は、スタート点Ｚｌ（第
２図）から探査されるものとする。目標物の探査のため
には（表■）、目標点ｚ３がスタート点Ｚ１からカメラ
２０（第１図）によって検出されるまで第５の軸（工具
担持体を最大で３６０°回転させる）と第６の軸（工具
担持体を最大で１８０＠旋回させる）だけを移動させれ
ばよい。

Ｚｌから２２へ向かう経路上（例えばｚｌとＺ３を結ぶ
直線の中間点上）で１表■にしたがって遠隔操作装置の
第２の軸と第３の軸と第４の軸だけが制御され、一方第
５の軸はコンピュータによって同期制御される（ここで
の定義に従えば、第４の軸とは逆方向に、且つ第４の軸
と同じ角速度で制御される）、この場合カメラ２０の光
軸は目標点ｚ３に向けられたままである。さらに目標物
が２２から２３へ移動すると、Ｚ２で第２の軸が静止し
、第１の軸は第３の軸及び第４の軸と共に移動する。こ
の場合第５の軸は、目標物に直線的に近づくようにある
時には第１の軸に同期して、またある時には第４の軸に
同期して制御される。

第２図は遠隔操作装置の瞬間のスタート点Ｚ１を示すも
のである。添付の図面ではすべて鉛直運動（第３の軸）
の図示は省略した。遠隔操作装置がゼロ位置にあるとき
にはカメラ２０（第１図）、例えばビデオカメラは、自
動工具交換装置（図示せず）により工具担持体によって
担持され、スタート点Ｚ１へ向けて移動せしめられる。

リング１はＲ１で示したゼロ位置（表ｍ）にある。

直進のゼロ位ＩＥＭＩをもった柱体中心点１５′の移動
線５′　（スリット６の経路に対応）はガイド５に平行
に延びている。この場合柱体はその回　−転のゼロ位置
に対し１７８．５°だけ回転されている。Ｍ１／Ｚｌの
間隔（Ｍ−Ｚ）は構造的に決まる定数である。

鉛直位置（第３の軸）はリング頂点の下方２０００−膳
の位置にある。

直進軸運動は距離測定器により制御され１回転軸運動は
角度測定器により制御される。スタート点Ｚ１からは工
具担持体の回転及び旋回により目標点Ｚ３が検知され、
最後に３６．５’の回転角（第５の軸）と４９．７°の
旋回角（第６の軸）で照準が合わせられる。カメラの光
軸のこの方向は目標物に接近する間維持され、即ち他の
軸の次の運動に同期して制御される。

空間内目標物への経路上では（第３図）、柱体を９０”
まで後方へ回転させ、鉛直支持部１６を一５８２６ｍ園
の位置まで移動させ、スライダ６をＭｌから転回点ＭＵ
を経てＭ２＝８２５ｍｍの位置まで水平に移動させるこ
とによってカメラ２０は中間点Ｚ２に達する。

ここでは第２の軸（スライダ６）が静止し、リング１は
静ヰ位置Ｒ１から目標点Ｚ３まで回転してリング位置Ｒ
３＝１３３＠　（第４図）に達する。

同時に鉛直支持部１６が−９０００−扉の位置へ回転し
、柱体が連続的に前方へ位１ｉ１２３’″へ回転せしめ
られる。

この場合、最初は第４の軸に同期して、後では第１の軸
に対しても同期して制御される工具担持体１４の回転装
置１４（第１図）は、Ｚ１＝３６゜５″から２２＝１２
５”　を経てＺ３＝２０１”まで回転せしめられ、−右
旋回装置８は位置４９゜７＠にとどまる。

第５図は遠隔操作装置のための本発明による装置の実施
例で、この装置により工具担持体の旋回運動が前述した
ように補われる。さらにこの装置により工具担持体の回
転運動を補うことができる。

この装置は特に工具のほかに例えば穿孔機械１２゜目標
点Ｚ４での作業を観察するための画像装置２１（例えば
カメラ）が設けられている場合に使用することができる
。

工具担持体１４（第１図）の軸２２は１画像装置！２１
のための円弧状ガイド１９が固定されている直角に曲げ
られた保持体１８を担持している。

鉛直方向に移動可能な駆動軸１１とドリル９を受容する
ためのドリルヘッド１０とを備え軸２２に装着されてい
る穿孔機械１２を用いて目標点ｚ４に穴をあけることが
できる。

ドリル９から目標点Ｚ４までの間隔は図示していない測
定器を介して制御することができる。この測定器は目標
点ｚ４へ接近する際には衝突警告器としても機能する。

目標物を探査するために必要な画像装置２１の回転運動
は、固定された保持体１８或いはこの保持体１８に設け
られる回転駆動装置を備えた軸２２によって行なうこと
ができる０画像装置１２１は図示していない駆動装置に
より円弧状ガイド１９に沿って旋回運動を行なう１円弧
状ガイド１９は、画像袋！２１の光軸が常にドリル９の
軸と常に作業点（ここでは目標点Ｚ４）で交わるように
構成されている６画像装置Ｆ２１の整向は第２図を用い
て説明したようにして行なうが、工具担持体１４による
旋回運動は生じない。

必要な場合には、保持体１８の回転を遠隔制御すること
によって１画像装置２１の照準をドリル９の対向する側
からも目標点Ｚ４に定めることができる。この構成の利
点は、目標物の探査と、目標物の移動の光学的監視と、
同じ画像袋！２１を用いた目標点Ｚ４での作業とを観察
することができることにある。

次に、本発明の実施態様を列記しておく。

（１）工具担持体（１４）の座標及び運動方向の少なく
とも一方を遠隔制御位置にて表示することを特徴とする
請求項１に記載の方法。

（２）工具担持体（１４）とロボットの軸の経路をコン
ピュータに記憶させることを特徴とする請求項ｌまたは
上記第１項に記載の方法。

（３）手動による切換えを遠隔操作装置の駆動のスター
トに制限し、以後の空間内目標物（Ｚ３、Ｚ４）の制御
をコンピュータによって行なうことを特徴とする請求項
ｌ、上記第１項または第２項に記載の方法。

（４）制御過程と空間内目標物（Ｚ３．Ｚ４）を、整向
可能な光軸を一定の場所に固定したカメラ（２０，２１
）の画像によりモニターを介して遠隔制御位置からコン
トロールすることを特徴とする請求項工ないし３または
上記第１項から第３項までのいずれか１つに記載の方法
。

（５）カメラ（２０，２１）の光軸と工具の主軸が空間
内目標物（Ｚ３．Ｚ４）で交わるようにカメラ（２０，
２１）を回転させ、カメラ（２０，２１）のこの整向を
制御過程に対しても空間内目標物（Ｚ３．Ｚ４）での作
業に対しても一定に保持することを特徴とする請求項工
ないし４または上記第１項から第４項までのいずれか１
つに記載の方法。

（６）モニターを介して監視されコンピュータによって
案内される制御過程を手動により修正することを特徴と
する請求項工ないし４または上記第１項から第５項まで
のいずれか１つに記載の方法。

（７）照準体に対する最小間隔を超えたときに制御過程
及び空間内目標物（Ｚ３．Ｚ４）での作業の少なくとも
一方を中断することを特徴とする請求項１ないし４また
は上記第１項から第６項までのいずれか１つに記載の方
法。

【図面の簡単な説明】

第１図はタイプＣの工業用ロボットの図、第２図から第
４図までは本発明による制御方法を異なる時点でのスナ
ップショットとして示した図、第５図は本発明による遠
隔操作装置の図である。 １４・・・・・・工具担持体 ２０．２１・・・カメラ Ｚ３．Ｚ４・・・目標物 Ｆｉｇ、　１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）直接視認できない空間内にある目標物を検知し制
   御するための方法であって、遠隔操作装置のアームの先
   端に取付けられた回転可能なカメラがアームの周囲を観
   察し、その画像を遠隔制御位置に設けたモニターへ送る
   ようにした方法において、 −カメラ（２０、２１）を少なくとも４つの自由度を有
   する工業用ロボットの工具担持体（１４）に位置付けし
   、 −まず、レンズを具備し第１の軸の周りに ３６０゜回転可能で且つ該第１の軸に垂直な第２の軸の
   周りに１８０゜旋回可能なカメラ（２０、２１）を、目
   標物（Ｚ３、Ｚ４）が所定のモニター位置で見えるまで
   完全円の軸の周りに回転させ、且つ第２の軸の周りに旋
   回させ、 −次に、カメラの位置をその光軸に関して維持し、 −このカメラの位置と光軸の方向を距離測定及び角度測
   定によって検知し、次に目標物 （Ｚ３、Ｚ４）を手動操作によって直線的に移動させ、
   その際工業用ロボットを最大で３つの軸で同時に制御し
   、 −残りの軸を制御された軸に同期させて操作する ことを特徴とする方法。 （２）既知の空間内目標物（Ｚ３、Ｚ４）を反復して制
   御する場合、最初の制御時にカメラ （２０、２１）によって撮影した画像を工具担持体の運
   動に忠実にモニターに表示することを特徴とする、請求
   項１に記載の方法。 （３）工具担持体（１４）の運動方向を、遠隔制御位置
   に設けた命令回路の運動方向に対して時間的に同時に且
   つ平行に関連づけることを特徴とする、請求項１または
   ２に記載の方法。 （４）工具担持体（１４）に取付けた工具（９）に加え
   て工具担持体の軸線の外側に配置され２つの軸を介して
   運動可能なカメラ（２０、２１）により空間内目標物（
   Ｚ３、Ｚ４）を制御し、工具（９）を制御するためのパ
   ララックス誤差を数値修正することを特徴とする、請求
   項１から３までのいずれか１つに記載の方法。 （５）請求項１から４までのいずれか１つに記載の方法
   を実施するための遠隔操作装置において、遠隔操作装置
   のアームがカメラ担持体 （１８）を具備し、該カメラ担持体（１８）が工具主軸
   の周りに回転可能に支持され、且つ円弧状のカメラガイ
   ド（１９）を有し、該カメラガイド（１９）の曲率中心
   （Ｚ４）が工具主軸上にあることを特徴とする遠隔操作
   装置。