JPH0347682B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、産業用ロボツトの視覚センサとして
好適な集合体の配置形態認識装置に関するもので
ある。

（従来の技術） 従来、種々の用途を具えた産業用ロボツトが実
用化されている。この産業用ロボツトを駆動する
には環境を認識する入力機能が必要であり、例え
ば被制御対象物の形状を正確に認識できる形状認
識装置を具える必要がある。特に、パレツト上に
積載した袋物をロボツトにより荷役運搬する場
合、ロボツトに装着した形状認識装置により積載
した袋物の荷姿を正確に検出し、検出した荷姿に
基いてハンドリング開始位置を定め順次運搬する
ように構成されているため、被制御対象物の形状
を正確に検出できる形状認識装置の開発は重要な
課題となつている。

従来の形状認識方法としては、レーザ光や超音
波を被制御対象に向けて投射しその反射光に基い
て形状認識する方法が既知である。例えば「日本
シユミレーシヨン学会第４回、シユミレーシヨン
テクノロジーコンフアレンス」にはスリツト光や
普通光を物体に投射しテレビカメラにその画像を
入力し、エツジ強調などの処理を行ない計算によ
つて各面の法線方向を求め、濃淡画像と組合せて
３次元物体を認識する方法が提案されている。ま
た、２台のテレビカメラを用いて３角測量の原理
に基いて基準点から物体までの距離を求め形状認
識する方法も提案されている。更に、超音波を用
いて形状認識する方法として、例えば「日本ロボ
ツト学会講演予稿集1984年11月」には、強い指向
性を有する超音波距離センサを用い、この指向性
超音波で対象物表面を走査し、各基準点から物体
表面までの距離を計測して形状を認識する方法が
提案されている。

（発明が解決しようとする問題点） 上述した従来の形状認識方法は、不特定の任意
形状の物体の形状認識を目的としているため、動
物の目のように多くの情報が必要であり、従つて
物体からの情報信号を解析して画像信号に変換し
更に画像信号に基いて複雑な図形処理を行なうた
め解析処理に長時間かかるばかりでなく、処理装
置が大型化する欠点があつた。特に図形処理を行
なうには複雑な解析処理を伴なうため図形処理装
置が大型化するばかりでなく図形処理に長時間か
かる欠点があつた。また、光学的形状認識方法及
び指向性超音波で走査する方法ではセンサから投
射した光束及び超音波が物体表面上で幾何光学的
に反射するため物体からの反射光及び反射波が複
雑になり不規則な反射光や反射波が多すぎてしま
い画像解析が極めて困難であり、画像処理装置が
大型化し装置が高価になると共に形状認識に長時
間かかる欠点があつた。従つて、従来の形状認識
装置を産業用ロボツトの視覚センサに適用するに
は処理時間、価格及び装置の大型化の点より極め
て困難であつた。

一方、産業用ロボツトの制御対象物には形状が
予め定まつている物が多く、一定の形状の物を規
則的に積載、配列、連結等した場合の集合状態を
認識できれば十分目的を達成できる場合が多い。

従つて、産業用ロボツトの視覚センサに用いる
形状認識装置としては、一定形状の物の集合状態
を正確且つ簡易に検出することが要求されてい
る。

（問題点を解決するための手段） 本発明の目的は上述した欠点を解消し、簡易に
画像解析できコストを低減できると共に短時間で
形状認識でき、産業用ロボツトの視覚センサに好
適な集合体の配置形態認識装置を提供するもので
ある。

本発明による形状認識装置は、規則的に載置さ
れている１個又はそれ以上の同一物体から成る集
合体における構成物体の配置形態を認識する形態
認識装置であつて、 認識すべき集合体に向けて超音波を投射する手
段と、集合体からの反射波を受波する手段と、受
波した反射波の複数個の周波数域の信号成分の振
幅値を抽出し、抽出した振幅値に基いて認識パタ
ーンを形成する手段と、認識すべき集合体の配置
形態毎の認識パターンを基準パターンとして予め
記憶する手段と、認識すべき集合体から得られる
認識パターンと基準パターンとに基いて集合体の
配置形態を特定する手段とを具えることを特徴と
するものである。

（作用） 本発明による形状認識装置は、一定形状の物体
が複数個規則的に配置された集合体に向けて超音
波を投射し、集合体からの反射波を検出し、この
反射波の受信信号に基いて所定個数毎の基準認識
パターンを作り、予めメモリに記憶する。そし
て、認識すべき任意個数の集合体からの反射波の
受信信号から認識パターンを作り、このパターン
を基準認識パターンと比較して物体の集合状態、
集合体としての形状、個数等を認識する。この結
果、基準パターンとの比較だけで形状を認識する
ことができ、複雑な図形処理が全く不要になる。

（実施例） 第１図は本発明による形状認識装置を用いて形
状認識する状態を示す斜視図である。形状認識す
べき集合体１は、ほぼ同一形状の６個の袋物２が
２段に積載されパレツト３上に載置されている。
ロボツト４の回動アーム４ａの先端部に超音波発
振装置５と受信装置６とから成る超音波センサ７
を回動自在に装着する。

この超音波センサ７は水平及び垂直方向に自在
に駆動できるものとし、超音波発振装置５から所
定の方向で集合体１に向けて超音波を投射する。
投射された超音波は放射状に進行し、集合体１の
超音波センサ７と対面するほぼ全面に到達し集合
体１表面で反射し、集合体１の各部で反射した反
射光が受信装置６に入射する。そして、受信信号
に基いて集光体１の形状すなわち袋物２の荷姿を
認識し、認識した荷姿に基いてロボツト４の駆動
アーム（図示せず）のハンドリング開始位置を定
め、駆動アームにより、パレツト３上に載置した
袋物２を順次運搬する。尚、超音波センサ７は超
音波発振装置５と受信装置６とを一体構造とした
ものも使用できる。

第２図は超音波発振装置５から超音波パルスを
投射したとき受信装置で受信される受信信号の一
例を示すグラフである。横軸は時間を示し縦軸は
出力値を示す。受信信号には、まず放射された超
音波が直接受信装置６に入力するバイパス成分が
観測され、その後反射波成分だけが明瞭に観測さ
れる。この受信信号中の反射波の出力波形は超音
波センサ７の集合体１に対する角度及び集合体１
の形状によつて大きく変化する。しかし、発明者
が種々の実験解析を行なつた結果、一定の方向か
ら集合体１に向けて超音波を投射した場合、反射
波の出力波形は袋物２の荷姿、すなわち袋物の積
載個数及び積載方法に従つて変化し、集合体１
（袋物２の荷姿）毎の出力波形の差異を明瞭に観
測できることが判明した。すなわち、集合体１に
向けて投射された超音波は、集合体１の表面で変
調され表面形状に応じた受信信号を得ることがで
き、受信信号の出力波形は被測定物の形状毎に特
徴付けられた出力波形として観測される。従つ
て、受信信号の出力波形を被測定物毎に特徴付け
られたパターンとして位置付けることができ、受
信信号から各周波数域の信号成分を抽出してパタ
ーン化することもできる。よつて、予め形状が特
定されている物体の受信信号に基いて認識パター
ンを形成し、この認識パターンを基準パターンと
して記憶しておき、形状が未知の被測定物のパタ
ーンと比較すれば複雑な図形処理を行なうことな
く容易に集合体１の形状を特定することができ
る。一方、認識すべき集合体１を構成する袋物２
の形状を予め特定しておけば、集合体１の全体形
状は袋物２の個数及び積載方法で定まるから、集
合体１が有限個の袋物２から成る場合には有限個
のパターンを記憶しておけば認識でき、少ない記
憶容量の処理装置で容易に集合体１の形状を特定
することができる。

第３図は本発明による形状認識装置の信号処理
回路の一例の構成を示すブロツク図である。

本発明では実際に形状認識する前に集合体１を
構成する袋物２の各個数及び積載方法毎に基準パ
ターンを作り、この基準パターンをメモリに記憶
する。その後任意の個数の集合体の形状認識を行
なうものとする。走査者が認識指令を行なうと
CPU１０からＩ／Ｏエクスパンダ１１を経て高
周波発生器１２に制御パルスが供給され、高周波
発生器１２から超音波発振装置５にバースト状パ
ルス信号を供給し、超音波発振装置５から集合体
１に向けて超音波を投射する。集合体１の表面で
反射した反射波は、超音波音響レンズ、圧電トラ
ンスジユーサを具える超音波受信装置６で受信さ
れ電気信号に変換され増巾器１３を経て帯域フイ
ルタ１４に入力する。この帯域フイルタ１４では
反射波の各周波数の信号成分を抽出して各信号成
分をＡ／Ｄ変換器１５を経てCPU１０に供給す
る。CPU１０では各周波数域の信号成分に基い
て受信信号の周波数スペクトラムを形成する。そ
して、集合体を構成する袋物２の各個数及び積載
方法により特定される形状毎に周波数スペクトラ
ムを求め、各周波数スペクトラムを基準パターン
としてメモリ１６に入力する。全ての個数の基準
パターンをメモリ１６に入力した後、任意個数の
袋物から成る集合体１の形状認識を行なう。操作
者が認識指令を行なうと任意個数集合体１に超音
波が投射され、集合体１からの反射波が受信され
CPU１０で反射波の周波数スペクトラムを検出
する。そして、検出した周波数スペクトラムを認
識パターンとし、この認識パターンを基準パター
ンと比較し、一番近似している基準パターンを求
め、求めた基準パターンから集合体１の形状を特
定する。次に、特定した集合体１の形状に基き
CPU１０からＩ／Ｏエクスパンダ１７を経て制
御回路１８に制御信号を供給し、制御回路１８か
らロボツト４に駆動信号を供給する。第４図〜第
６図は３種類の形状の集合体の受信信号出力及び
周波数スペクトラムの測定結果を示すものであ
り、第４図Ａ〜第６図Ａは集合体の形状を示す斜
視図、第４図Ｂ〜第６図Ｂは受信信号の出力波
形、第４図Ｃ〜第６図Ｃは周波数スペクトラムを
示すグラフである。第４図〜第６図において、同
一形状の直方体を２段に積載し、左右の段の積載
個数を変えて集合体としての形状を変えている。
第４図〜第６図に示すように集合体の形状に応じ
て受信信号出力波形及び周波数スペクトラムが共
に変化していることが理解できる。特に、周波数
スペクトラムは、各形状に応じて顕著な差異が観
測できた。従つて、観測した任意形状の集合体の
スペクトラムパターンを基準パターンと比較すれ
ば、容易に集合体の形状を特定できる。

本発明は上述した実施例だけに限定されるもの
ではなく、幾多の変更や変形が可能である。例え
ば、上述した実施例では袋物を積載した集合体の
形状認識について説明したが、ビンやダンボール
箱等予め形状が特定されている一種又は二種以上
の物体を規則性をもつて配列、積載、連結した集
合体の形状認識についても適用できる。

また、認識パターンは各形状において差異が観
測できるものであればよく、反射波の受信信号の
出力波形を認識パターンとしてもよく、周波数ス
ペクトラムを認識パターンとしてもよく、更に、
帯域フイルタの出力信号中の特定の周波数域の出
力波形に基いて認識パターンを作ることもでき
る。

更に、上述した実施例では被測定物に向けて一
方向から超音波を投射する構成としたが、センサ
の角度を変えて複数方向から超音波を投射し、各
反射波を各別に受信し、各方向からの反射波に基
いて認識パターンを作るように構成することもで
きる。また、複数個の超音波受信装置を配置し、
複数方向からの反射波を各別に受信して認識パタ
ーンを作るようにしてもよい。このように複数方
向から超音波を投射し、また複数方向からの反射
波を各別に受信する構成とすれば、より多くの情
報量を利用でき、認識精度を向上させることがで
きる。

更に、上述した実施例では帯域フイルタを設け
受信信号の周波数スペクトラムを求める構成とし
たが、帯域フイルタを設けずCPUでフーリエ変
換を行ない周波数スペクトラムを求めるように構
成してもよい。

更に、CPUに入力装置を設け、既に別に形成
した基準パターンを入力し、この基準パターンと
検出した認識パターンとに基いて形状認するよう
にしてもよい。

（発明の効果） 以上説明したように本発明によれば、予め形状
が特定されている物体の集合体からの反射波の複
数の波長域の信号成分の振幅値を抽出し、抽出し
た振幅値に基いて認識パターンを求め、各個数毎
のパターンを基準パターンとして記憶し、任意形
状の集合体のパターンと基準パターンとに基いて
形状認識するように構成しているから、複雑な図
形処理が不要になり記憶容量の小さい簡単な処理
装置を用いて短時間で形状認識することができ
る。

また、被測定物に向けて超音波を投射し、その
反射波の受信信号から認識パターンを作る構成と
しているから、レーザ光や指向性超音波を用いて
被測定物を走査する方法に比べ、極めて簡単な処
理で認識パターンを作ることができ、複雑な解析
処理装置が不要になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による形状認識装置の一例の構
成を示す線図、第２図は受信信号の一例を示すグ
ラフ、第３図は本発明による形状装置の処理回路
の一例を示すブロツク図、第４図〜第６図は集合
体の形状と受信信号及び周波数スペクトラムとの
関係を示すグラフである。 １…集合体、２…袋物、３…パレツト、４…ロ
ボツト、５…超音波発振装置、６…超音波受信装
置、７…超音波センサ、１０…CPU、１１，１
７…Ｉ／Ｏエクスパンダ、１２…高周波発生器、
１３…増巾器、１４…帯域フイルタ、１５…Ａ／
Ｄ変換器、１６…メモリ、１８…制御回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 規則的に載置されている１個又はそれ以上の
   同一物体から成る集合体における構成物体の配置
   形態を認識する形態認識装置であつて、 認識すべき集合体に向けて超音波を投射する手
   段と、集合体からの反射波を受波する手段と、受
   波した反射波の複数個の周波数域の信号成分の振
   幅値を抽出し、抽出した振幅値に基いて認識パタ
   ーンを形成する手段と、認識すべき集合体の配置
   形態毎の認識パターンを基準パターンとして予め
   記憶する手段と、認識すべき集合体から得られる
   認識パターンと基準パターンとに基いて集合体の
   配置形態を特定する手段とを具えることを特徴と
   する集合体の配置形態認識装置。