JPH05126521A - 遠隔操作マニピユレータ用位置測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 遠隔操作マニピュレ−タに用いることがで
き、作業対象物の位置を高精度で測定することのできる
小型の遠隔操作マニピュレ−タ用位置測定装置を提供す
る。 【構成】 遠隔操作マニピュレ−タ用位置測定装置は、
一端に作業対象物に作業する手先（４）が取り付けられ
他端が本体（２）に取り付けられたア−ム（３）を有す
る。さらに、遠隔操作マニピュレ−タ（１）の本体
（２）に取り付けられ作業対象物にスポット光を照射す
る光ビ−ム源（８）と、本体（２）に取り付けられ作業
対象物上のスポット光を検出する本体カメラ（６）と、
ア−ム（３）の手先（４）の近傍に取り付けられ作業対
象物上のスポット光を検出する手先カメラ（９）と、光
ビ−ム源（６）の位置と本体カメラ（６）の位置とから
作業対象物上のスポット光の大まかな位置を三角測量に
より演算するとともに、光ビ−ム源（８）の位置と手先
カメラ（９）の位置とから作業対象物上のスポット光の
大まかな位置よりもより正確な位置を三角測量により演
算する演算装置（１０）とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、遠隔操作マニピュレー
タに用いる位置測定装置に係り、特に、三角測量により
作業対象物上のスポット光の位置を検出する遠隔操作マ
ニピュレータ用位置測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば宇宙における高真空下や原子力施
設内の高放射能下等のように人間が直接立ち入って作業
できないような環境下において、機器の組立て、分解、
点検あるいは補修等の作業を行う必要性が近年益々増え
ている。

【０００３】このような環境下では、マスタスレーブマ
ニピュレータがよく用いられている。マスタスレーブマ
ニピュレータを用いる場合は、マスタマニピュレータを
安全な環境下に置いて操作者が直接操作し、この操作に
よって悪環境下に置かれたスレーブマニピュレータを遠
隔操作しスレーブマニピュレータに所定の作業を行なわ
せる。

【０００４】しかしマスタスレーブマニピュレータを用
いる場合、操作者が作業用のスレーブマニピュレータの
全ての動作を逐一指示しなければならないということ
は、操作者の精神的および肉体的負担を大きくする。こ
のため、マスタスレーブマニピュレータの操作性および
作業性がよくなかった。

【０００５】そこで最近、作業用のスレーブマニピュレ
ータをはじめとする遠隔操作マニピュレータにおいて、
これらの動作の全てを操作者が指示するのではなく、操
作者の細かい動作指示が無くともマニピュレータの作業
に必要な動作の一部を自動的に動作できるようにするマ
ニピュレータシステム（以後、半自動作業マニピュレー
タと記す）が注目されるようになってきた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このような半自動作業
マニピュレータによって作業させる場合、遠隔操作マニ
ピュレータが対象とする作業対象物の位置を測定するこ
とが不可欠である。そして、この測定される位置精度が
高ければ高いほど、半自動作業マニピュレータに自動化
作業させることのできる適用範囲が広くなり、これによ
って作業時間を短縮することができる。

【０００７】しかしながら、従来のこの種の位置測定装
置は測定精度を高めるために大型であったり、作業対象
物の形状認識まで行ったりするため処理時間を膨大に要
したりし、このような遠隔操作マニピュレータに用いる
ことのできる適当な位置測定装置がなかった。

【０００８】そこで本発明の目的は、上記従来技術の有
する問題を解消し、遠隔操作マニピュレータに用いるこ
とができ、作業対象物の位置を高精度で測定することの
できる小型の遠隔操作マニピュレータ用位置測定装置を
提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、一端に作業対象物に作業する手先が取り
付けられ他端が本体に取り付けられたアームを有する遠
隔操作マニピュレータに用いられる位置測定装置であっ
て、遠隔操作マニピュレータの前記本体に取り付けられ
作業対象物にスポット光を照射する光ビーム源と、前記
本体に取り付けられ作業対象物上の前記スポット光を検
出する本体カメラと、前記アームの手先の近傍に取り付
けられ作業対象物上の前記スポット光を検出する手先カ
メラと、前記光ビーム源の位置と前記本体カメラの位置
とから作業対象物上のスポット光の位置を三角測量によ
り演算し、つづいて前記光ビーム源の位置と前記手先カ
メラの位置とから作業対象物上のスポット光の正確な位
置を三角測量により演算することが可能な演算装置とを
備えることを特徴とする。

【００１０】

【作用】マニピュレータの本体に取り付けられた光ビー
ム源によって照射された作業対象物上のスポット光を本
体カメラで検出し、光ビーム源の位置と本体カメラの位
置と作業対象物上のスポット光の位置とで形成する三角
形に三角測量を適用して、作業対象物上のスポット光の
位置をまず大まかに求める。この大まかに求めた結果に
基づき必要に応じて、マニピュレータの本体または手先
を動作させて作業対象物との位置関係を調整する。そし
て、光ビーム源の位置と手先カメラの位置と作業対象物
上のスポット光の位置とで形成する三角形に三角測量を
適用する。この場合、手先カメラは手先の近傍にあるの
で、手先カメラと作業対象物上のスポット光との距離は
本体カメラと作業対象物上のスポット光の位置との距離
よりも短くなるとともに、手先カメラと光ビーム源との
距離はより長くなる。このため、光ビーム源の位置と本
体カメラの位置と作業対象物上のスポット光の位置とで
形成する三角形に三角測量を適用した場合に比べて、作
業対象物上のスポット光の位置をより正確に求めること
ができる。

【００１１】また、アームの手先の近傍に取り付けられ
作業対象物上にスポット光を照射する第２光ビーム源を
さらに設けた場合は、第２光ビーム源の位置と手先カメ
ラの位置と作業対象物の第２光ビーム源のスポット光の
位置とで形成する三角形に三角測量を適用する。これに
より、本体とアームの手先との間に生じ得る位置誤差の
影響を除去できる。

【００１２】

【実施例】以下に本発明による遠隔操作マニピュレータ
用位置測定装置の実施例を図１乃至図４を参照して説明
する。

【００１３】まず図３を参照して三角測量法を用いた位
置測定の一般的な説明をする。図３に示すｘｙｚの座標
系において、光ビーム源の位置Ｐａ、カメラの位置Ｐ
ｂ、および作業対象物上のスポット光の位置Ｐｔを図に
示すように設ける。位置Ｐａと位置Ｐｂとの間の距離ｌ
は既知である。また、位置Ｐａから光ビーム源が作業対
象物上のスポット光を眺める角度θ_ａ、φ_ａは各々、光
ビーム源からの光ビームの照射方向の基準軸ｘ軸からの
回転角度、および基準面ｘｙからの回転角度として求め
ることができる。一方、位置Ｐｂからカメラが作業対象
物上のスポット光を眺める角度θ_ｂ、φ_ｂは、カメラの
撮像面に設置された２次元位置検出素子を用いて求める
ことができる。

【００１４】位置Ｐｔからｘｙ面に下した垂線の足をＨ
とする。まず、ｌ、θ_ａおよびθ_ｂが既知であるから、
三角形ＨＰａＰｂの３辺の長さを求めることができる。
したがって、角φ_ａおよび辺ＨＰａが既知となるから直
角三角形ＰｔＨＰａの形状が定まる。同様にして、角度
φ_ｂおよび辺ＨＰｂが既知となるから直角三角形ＰｔＨ
Ｐｂの形状が定まる。この結果、三角形ＰｔＰａＰｂの
形状が定まり、作業対象物上のスポット光の位置座標Ｐ
ｔ（ｘ、ｙ、ｚ）を求めることができる。

【００１５】すなわち、作業対象物上のスポット光の位
置座標Ｐｔ（ｘ、ｙ、ｚ）は式（１）のように与えられ
る。

【００１６】 ｘ＝ｌ・ｃｏｓθ_ａ・ｓｉｎθ_ｂ／ｓｉｎ（θ_ａ＋θ_ｂ） ｙ＝ｌ・ｓｉｎθ_ａ・ｓｉｎθ_ｂ／ｓｉｎ（θ_ａ＋θ_ｂ） ｚ＝ｙ・ｔａｎφ_ａ／ｓｉｎθ_ａ＝ｙ・ｔａｎφ_ｂ／ｓｉｎθ_ｂ （１） 次に図１および図２を参照して本発明の第１実施例を説
明する。

【００１７】図１において、符号１は遠隔操作マニピュ
レータを示し、遠隔操作マニピュレータ１の本体２には
アーム３の一端が揺動自在に取り付けられており、アー
ム３の他端には図示しない作業対象物に作業する手先４
が取り付けられている。本体２に対するアーム３の動作
は関節３ａ、３ｂ、３ｃ等に設置されているロータリエ
ンコダー等によって測定できるようになっている。

【００１８】また本体２の頂部には本体カメラとしての
立体カメラ６が取り付けられており、立体カメラ６の上
には作業対象物にスポット光を照射するレーザ光源であ
る光ビーム源８が取り付けられている。立体テレビカメ
ラ６は右カメラ６ａと左カメラ６ｂを有し、作業対象物
と手先４との位置関係を立体的に撮影できるようになっ
ている。また、立体カメラ６は光ビーム源８によって照
射された作業対象物上のスポット光の位置を検出する。
この作業対象物上のスポット光の位置の検出は、右カメ
ラ６ａと左カメラ６ｂのいずれか一方を用いて行われ
る。なお、立体テレビカメラ６は色彩も含めて撮影する
ことができる。

【００１９】また、手先４の近傍には、光ビーム源８に
よって照射された作業対象物上のスポット光の位置を検
出する手先カメラ９が取り付けられている。

【００２０】また、立体テレビカメラ６や手先カメラ９
の出力信号を受け演算処理する位置計測処理器１０が設
けられている。位置計測処理器１０においては、光ビー
ム源８の位置と立体テレビカメラ６の左右のカメラの一
方のカメラの位置とから作業対象物上のスポット光の大
まかな位置を三角測量により演算するとともに、光ビー
ム源８の位置と手先カメラ９の位置とから作業対象物上
のスポット光の位置を立体テレビカメラ６を用いた場合
よりも精密に三角測量して演算する。

【００２１】位置計測処理器１０には、立体テレビカメ
ラ６によって撮影されたアーム３と手先４との位置関係
を監視するモニターテレビ１１と、光ビーム源８のビー
ム方向制御器１２が接続されている。操作者１３はモニ
ターテレビ１１によって作業対象物と手先４との位置関
係を観察しながら図示しないマニピュレータ制御器を操
作してマニピュレータ１の本体２を移動させたりアーム
３を移動させて手先４と作業対象物との位置関係を調節
する。また操作者１３はモニターテレビ１１を見ながら
ビーム方向制御器１２のハンドル１２ａを操作して、光
ビーム源８から作業対象物に出射されるスポット光が目
的位置に向くようにビーム方向を制御する。

【００２２】図２に図１に示した各要素のブロック図を
示す。

【００２３】図２において、光ビーム源８から作業対象
物に照射されたスポット光は立体テレビカメラ６および
近接カメラ９によって検出され、図３における角度
θ_ｂ、φ_ｂに相当する出力信号が位置計測処理器１０に
送られる。また操作者１３によってビーム方向制御器１
２が操作され、光ビーム源８のビーム方向が制御され図
３における角度θ_ａ、φ_ａに相当する出力信号が位置計
測処理器１０に送られる。そして、これらの信号より位
置計測処理器１０において三角測量に関する演算が行わ
れる。

【００２４】また位置計測処理器１０に接続されたモニ
ターテレビ１１では、立体テレビカメラ６によって撮影
された作業対象物と手先４との位置関係を観察する他
に、作業対象物上のスポット光の画像処理が行われる。
すなわち、モニターテレビ１１への信号を手先カメラ９
による作業対象物上のスポット光の信号に切り替え、次
のように画像処理する。光ビーム源８はレーザ光源で単
色光であり手先カメラ９は色彩検出可能のカメラである
ので、まずスポット光を作業対象物上の他の背景色より
色で識別する。次に、識別されたスポット光の画像の濃
淡の情報よりスポット光の重心位置を求め、この位置を
作業対象物上のスポット光の位置とする。

【００２５】なお、光ビーム源８の位置と立体テレビカ
メラ６の位置と作業対象物上のスポット光の位置の３点
で三角測量してスポット光の位置をまず大まかに求める
ことに比べて、光ビーム源８の位置と手先カメラ９の位
置と作業対象物上のスポット光の位置の３点で三角測量
してスポット光の位置をより正確に求めることができる
のは次のような理由による。立体テレビカメラ６と手先
カメラ９のいずれのカメラも、ある一点をある半径の円
としてしか検出することができない。すなわち撮像分解
能を有する。立体テレビカメラ６と手先カメラ９の撮像
分解能が同じとした場合、撮像分解能に起因する三角測
量の測定誤差は一般に、図３における距離ｌに反比例す
る一方、スポット光の位置Ｐｔ（ｘ、ｙ、ｚ）のｘ軸へ
の距離ｙの２乗に比例する。ここで立体テレビカメラ６
を含む三角形と手先カメラ９を含む三角形を比較した場
合、手先カメラ９を含む三角形の方が距離ｌがより長
く、かつ距離ｙがより短い。このため、光ビーム源８か
らより離れ、かつ位置作業対象物により近接した位置に
ある手先カメラを含む三角形で三角測量を適用する方が
より正確に位置検出することができるのである。

【００２６】次に本実施例の作用について説明する。

【００２７】操作者１３はモニターテレビ１１で立体テ
レビカメラ６による撮影像を観察しながら、ビーム方向
制御器１２を制御し光ビーム源８からのスポット光が作
業対象物の目標とする位置へ照射するようにする。モニ
ターテレビ１１に作業対象物上のスポット光を観察でき
るようにしたうえで、さらに作業条件を上げるために必
要に応じて、モニターテレビを観察しながら図示しない
マニピュレータ制御器を操作して、マニピュレータ１お
よびアーム３を作業対象物に接近させ、手先４と作業対
象物との位置関係を調整する。この段階で、光ビーム源
８の位置と立体テレビカメラ６の位置と作業対象物上の
スポット光の位置の３点で三角測量して作業対象物上の
スポット光の位置をまず大まかに求める。次に必要に応
じて、大まかに求めた作業対象物上のスポット光の位置
を手掛かりにしてさらにマニピュレータ制御器を操作し
本体２またはアーム３を動作させ、手先４と作業対象物
とを作業に適した位置関係になるように調整する。この
段階で、光ビーム源８の位置と手先カメラ９の位置と作
業対象物上のスポット光の位置の３点で三角測量してス
ポット光の位置をより正確に求める。この測定結果はよ
り正確であるのでこの測定結果に基づいて、以後、手先
４は作業対象物に対して所定の作業を自動的に行うこと
ができる。これにより、マニピュレータ１の作業に必要
な動作の一部を自動的に動作できるようにする半自動作
業マニピュレータを実現することができる。

【００２８】本実施例の構成によれば、遠隔操作マニピ
ュレータ１と作業対象物の位置関係が当初不明確の場合
でも、ビーム方向制御器１２により光ビーム源８からの
スポット光が作業対象物に照射されるように制御し、ス
ポット光が作業対象物に照射されたことを立体テレビカ
メラ６によって観察できる。そして、光ビーム源８の位
置と立体テレビカメラ６の位置と作業対象物上のスポッ
ト光の位置の３点で三角測量して作業対象物上のスポッ
ト光の位置をまず大まかに求めることができ、必要に応
じて遠隔操作マニピュレータ１と作業対象物との位置関
係を調整することができる。

【００２９】また、遠隔操作マニピュレータ１と作業対
象物との位置関係を調整した後、光ビーム源８の位置と
手先カメラ９の位置と作業対象物上のスポット光の位置
の３点で三角測量してスポット光の位置をより正確に求
めることができる。この結果、手先４と作業対象物との
位置関係が明確になるので、手先４は作業対象物に対し
て以後所定の作業を自動的に行うことができる。

【００３０】また、立体テレビカメラ６は作業対象物と
手先４の位置関係を立体的にモニターすることができる
ので、操作者はスポット光が作業対象物に照射されたこ
とを容易に検出することができる。

【００３１】また、立体テレビカメラ６および手先カメ
ラ９はカラーカメラであるので、作業対象物上のスポッ
ト光の色成分を作業対象物の背景の色成分から容易に識
別することができる。この結果、モニターテレビ１１上
において作業対象物上のスポット光の画像を、画像処理
のノイズ源となる作業対象物の背景の画像から分離する
ことができ、画像処理によるより正確な位置測定を可能
にする。

【００３２】次の本発明の第２実施例を図４を参照して
説明する。

【００３３】図４において、第２実施例は手先４の近傍
に第２光ビーム源２０をさらに設けたことを除けば第１
実施例と同様の構成を有する。

【００３４】マニピュレータ１のアーム３の先端部の手
先４の本体２に対する位置は、機構的原因や位置検出セ
ンサの検出誤差の原因等のため一般に正確に特定しにく
く、位置誤差を含みやすい。

【００３５】そこで、手先４の近傍に第２光ビーム源２
０を設けることにより、本体２に取り付けられた光ビー
ム源８とアーム３の先端の手先４の近傍に取り付けられ
た手先カメラ９との間の不正確になりやすい距離に依存
しないで、第２光ビーム源２０の位置と手先カメラ９の
位置と作業対象物上のスポット光の位置とで三角測量を
適用できるようにした。

【００３６】本実施例によれば、手先４の近傍に第２光
ビーム源２０を設けることにより、第２光ビーム源２０
の位置と手先カメラ９の位置と作業対象物上のスポット
光の位置とで三角測量を行うことができるので、手先４
に対する作業対象物上のスポット光の位置をより正確に
求めることができる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
本体カメラの他に手先カメラを備えているので、作業対
象物上のスポット光の位置を大まかに求めた後、さらに
より正確に作業対象物上のスポット光の位置を求めるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による遠隔操作マニピュレータ用位置測
定装置の第１実施例の構成を示す構成説明図。

【図２】第１実施例のブロック図。

【図３】三角測量の原理を説明する図。

【図４】本発明による遠隔操作マニピュレータ用位置測
定装置の第２実施例の構成を示す構成説明図。

【符号の説明】

１ 遠隔操作マニピュレータ ２ 本体 ３ アーム ３ａ 関節 ３ｂ 関節 ３ｃ 関節 ４ 手先 ６ 立体テレビカメラ（本体カメラ） ９ 近接カメラ １０ 位置計測処理器（演算装置） １１ モニターテレビ １２ ビーム方向制御器 １３ 操作者 ２０ 第２光ビーム源

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一端に作業対象物に作業する手先が取り付
   けられ他端が本体に取り付けられたアームを有する遠隔
   操作マニピュレータに用いられる位置測定装置であっ
   て、遠隔操作マニピュレータの前記本体に取り付けられ
   作業対象物にスポット光を照射する光ビーム源と、前記
   本体に取り付けられ作業対象物上の前記スポット光を検
   出する本体カメラと、前記アームの手先の近傍に取り付
   けられ作業対象物上の前記スポット光を検出する手先カ
   メラと、前記光ビーム源の位置と前記本体カメラの位置
   とから作業対象物上のスポット光の位置を三角測量によ
   り演算し、つづいて．記光ビーム源の位置と前記手先カ
   メラの位置とから作業対象物上のスポット光の位置を三
   角測量により演算することが可能な演算装置とを備える
   ことを特徴とする遠隔操作マニピュレータ用位置測定装
   置。