JPH06348330A - ロボットの経路生成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 プレイバック方式のロボットに操作員が指示
経路を教示する際に作業対象物の複数の特徴形状が参照
されて、指示経路が生成されるようにする。 【構成】 作業対象物２上の注目点までの距離を非接触
で計測する測距手段９を、予め上記ロボットの手首１ｄ
に備え、上記測距手段９で計測される距離から得られる
距離データを、視覚的イメージの指示経路に変換して画
面上で表示するセンサデータ表示部６４と、上記センサ
データ表示部６４の表示画面における、操作員が指示す
る所望の位置を位置データに変換して指示する参照経路
特徴指示部６６と、上記参照経路特徴指示部６６で指示
する上記位置データに基づいて、上記距離データから所
望の上記指示経路を獲得する経路位置演算部６８とをこ
の順に有して構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、作業用ロボットに作業
を教示する際の参照経路を生成する経路生成装置に関
し、特に作業対象物の局所的な形状を非接触で計測しな
がら、作業用ロボットをその形状に沿って精確に作動さ
せることができる経路生成装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】プレイバック型の作業用ロボット（以
下、ロボットという。）にマニピュレータを作動する指
示経路を教示する際には、作業対象物（以下、ワークと
いう。）の実際の形状に合わせて、この指示経路を教示
することが重要であり、この為の経路生成方法が種々提
案されている。

【０００３】図５は、一般的なプレイバック型ロボット
の一例を示すもので、このロボットのマニピュレータ１
は、基台１ａ上に設けた複数の、例えば、下側、及び上
側アーム１ｂ，１ｃと、上側アーム１ｃの最先端に位置
する手首部（以下、リスト部という。）１ｄに取りつけ
る図示せぬハンドとから構成されている多関節タイプの
ものであり、基台１ａ、及び前記した複数のアーム１
ｂ，１ｃ間の各関節を動かすことにより、前記したハン
ドを所望の位置に移動し、作業対象物（以下、ワークと
いう。）２に対して作業ができるようになっている。

【０００４】マニピュレータ１を制御する制御装置３ａ
は、前記した各関節を動かす回転角を作業手順に基づい
て予め記憶し、これらの回転角を作業の各段階において
マニピュレータ１に指令して自由に作動させると共に、
前記の各アーム１ｂ，１ｃの長さは一般に固定されてい
るので、これら既知である各関節の回転角から、前記し
たリスト部１ｄに関して、作業空間での位置及び姿勢で
ある空間的な作動状態を容易に知ることができる。ま
た、ロボットを遠隔操作するテイーチング・ペンダント
３ｂに設けたテンキーなどを使用し、前記した制御装置
３ａに各種の指令を与えることができる。

【０００５】次に、前記したロボットに作業を教示する
際、前記した指示経路を生成する従来の方法について簡
単に述べる。この方法には、テイーチング・ペンダント
によるオフラインでのものや、対話型の装置によるオン
ラインでのものなどがある。先ず、テイーチング・ペン
ダントによる方法では、前記のハンドの代わりに、ワー
ク２上の位置を指示する効果器４を前記のリスト部１ｄ
に取りつけておく。ロボットの操作員は、テイーチング
・ペンダント３ｂを操作し、マニピュレータ１が作動す
べき手順に基づく所望の経路に沿って、ワーク２との位
置関係における主要なポイントである複数の経路ポイン
トに前記した効果器４を位置付け、それらの経路ポイン
トでのマニピュレータ１の位置や姿勢を前記した制御装
置３ａなどに記憶させる。このように位置付けして記憶
させる操作を、必要な経路ポイントの全てに対して繰り
返し行う様になっている。

【０００６】一方、対話型の装置による方法は、前記の
ハンドの代わりに、ワーク２までの距離を測定する測距
装置（以下、レンジ・センサという。）５を前記のリス
ト部１ｄに取り付けておき、このレンジ・センサ５から
得られた距離に関するデータを使用して、パソコンなど
の図示しない対話型の装置により観察しつつ、予め指示
しておいた特徴的な形状をワーク２の実際の形状から識
別して、所望の経路ポイントを逐次的に獲得する様にな
っている。

【０００７】ここで、この特徴的な形状の一つである、
曲線における曲率最大の位置を識別する従来の方法につ
いて説明する。図６は、エッジを検出する従来の方法を
説明する図である（参考文献：「画像認識論」、長尾
真著、コロナ社）。図６において、ある曲線を形成する
複数の点から任意の点Ｐｉを選択し、この点Ｐｉから左
右にｋ個ずつ離れた２点Ｐｉ−ｋ，Ｐｉ＋ｋを結ぶ弦を
引き、この弦から前記した点Ｐｉまでの距離Ｌを計算す
る。この距 離Ｌが、前記の点Ｐｉを順次に隣の点Ｐｉ
＋１へ移行していったとき、極大値Ｌｍとなるような点
Ｐｍを見つける。そして、この点Ｐｍでの前記した極大
値Ｌｍが所定の閾値Ｌｔｈより大きい場合に初めて、点
Ｐｍはこの曲線でのエッジであると判定する。また、前
記した弦の長さを、この弦に対する円弧の長さと比較し
て１に近ければ近いほど、この円弧は直線に近く、小さ
ければ小さいほどエッジに近いとする方法もある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述のテイー
チング・ペンダントによる方法を用いて指示経路を生成
する際、次に述べるような問題点があった。 １．複数の経路ポイントを１点１点読み込んで記憶する
ため、複雑な形状をしたワークに対しては経路ポイント
の個数が膨大となり、それぞれの経路ポイントで位置と
姿勢の教示を行なわなければならないので、多大な時間
と労力を必要とする。 ２．また、所望の経路ポイントに効果器を移動させ、精
度良く所望の位置や姿勢での位置付けを行なうために
は、操作員にとってかなりの熟練度が必要となる。 ３．さらに、前述の対話型の装置による方法は、左右に
離れる点の個数ｋ、および前記したエッジを判定するた
めの閾値Ｌｔｈをどう決定するのかが重要な問題とな
る。これら個数ｋ、および閾値Ｌｔｈが大き過ぎれば小
さいエッジは検出できず、また小さ過ぎればノイズの影
響を受けやすくなり、安定した結果を得ることができな
い。つまり、ワークが複雑で複数の特徴形状が存在する
場合や、所望する指示経路が際立った特徴形状ではない
場合などには指示経路が生成できない。本発明は前述の
問題点に鑑み、指示経路を短時間で、かつ複雑なワーク
でも容易に生成でき、効率的に教示することのできる、
ロボットの経路生成装置を提供することを課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】発明のロボットの経路生
成装置は、プレイバック方式のロボットに操作員が教示
する参照経路を生成する経路生成装置において、作業対
象物上の特徴形状を有する注目点までの距離を非接触で
計測する測距手段を、予め上記ロボットにおけるマニピ
ュレータの手首に備え、上記測距手段で計測される上記
距離から得られる距離データを、視覚的イメージである
参照経路に変換してモニタの表示画面上で表示するセン
サデータ表示部と、上記センサデータ表示部の上記表示
画面における、上記操作員が指示する所望の位置を位置
データに変換して指示する参照経路特徴指示部と、上記
参照経路特徴指示部で指示する上記位置データに基づい
て、上記距離データから所望の上記参照経路を獲得する
経路位置演算部とをこの順に少なくとも含んで構成して
おり、上記表示画面において、上記作業対象物の複数の
特徴形状を上記参照経路と比較して、上記参照経路を生
成することができる様になっている。

【００１０】

【作用】ワークまでの距離が非接触で計測され、計測さ
れた距離データと指示された特徴形状から経路生成が行
われるので、テイーチング・ペンダントにより１点（開
始点）、ないし２点（開始点、及び終了点）が教示され
るだけで、効率的な経路生成が可能となる。また、指示
された特徴形状が内部の演算で自動的に得られるばかり
か、複雑なワークでも、複数の特徴形状や、これら特徴
形状からの相対位置により経路位置を指定できる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。尚、図中の符号については、従来の技術を説明し
た際の各部と同じ部分に同じ符号を付して示し、説明を
省略する。図１は本発明の一実施例を示すもので、この
実施例の主要部は、前記した作業空間での位置及び姿勢
と前記した距離に関するデータとから所望の経路を演算
し、対話形式で前記した指示経路である参照経路を生成
する経路生成部６であり、マニピュレータ１を自由に操
作する制御部７と共に、本発明による経路生成装置（以
下、コントローラという。）８ａを形成する様になって
いる。

【００１２】本発明で使用するレンジ・センサ９は、例
えば、電磁波の反射時間により到達距離を継続的に計測
するレンジ・ファインダなどであり、ワーク２までの距
離を被接触で測定し、このレンジ・センサ９における座
標系を基準としてワーク２を構成する各点の座標を前記
した経路生成部６において記述し、ワーク２の立体的な
形状を求めることができる様になっている。また、テイ
ーチング・ペンダント８ｂは、少なくとも従来のものと
同様の機能を含む様になっている。

【００１３】図１において、制御部７は、前記のリスト
部１ｄに関する、前記した空間的な作動状態を検出する
位置検出部７１と、前記したテイーチング・ペンダント
８ｂ、及び前記した位置検出部７１から得られた前記の
作動状態にしたがい、このリスト部１ｄを作動させるサ
ーボ指令値を演算するサーボ指令値演算部７２と、この
サーボ指令値演算部７２での演算結果に従い、そのサー
ボ指令値を実際にマニピュレータ１に送出するサーボ・
アンプ７３とからなっている。

【００１４】経路生成部６は、先ず、前記した制御部７
との同期を確立するための同期信号発生部６１と、この
同期信号に基づいて、前記したレンジセンサ９からの距
離に関する生データを導入し、雑音除去などの前処理を
実施して距離データを形成するセンサデータ処理部６２
を介して、後記して述べる注目すべき特徴的な形状など
を含む特徴形状データを抽出すると共に、前記した距離
データ自体をも保持して、これら特徴形状、及び距離デ
ータを一時的に記憶するセンサデータ判別部６３とを設
けている。

【００１５】続いて、このセンサデータ判別部６３での
特徴形状、及び距離データを、画像に変換した特徴画像
を表示するセンサデータ表示部６４と、前記の位置検出
部７１での作動状態を記憶する位置記憶部６５と、前記
のセンサデータ表示部６４での前記した特徴画像におい
て任意、且つ複数の位置を選択して指示し、これら複数
の位置を相互に連結した参照経路を形成する参照経路特
徴指示部６６と、この参照経路特徴指示部６６で指示さ
れた前記した複数の位置を記憶する参照経路記憶部６７
と、前記したセンサデータ判別部６３での特徴形状、及
び距離データの内から、この参照経路記憶部６７に記憶
された前記の複数の位置と同じ位置を求める経路位置演
算部６８とを設けて構成されている。

【００１６】次に、本実施例の教示要領、及び作動につ
いて図面を参照して説明する。図２において、先ず、ロ
ボットの操作員は、テイーチングボックス８ｂを用いて
マニピュレータ１を、ワーク２における作業の開始点２
ａまで移動させ、レンジ・センサ９を作動させて距離を
測定し、この開始点２ａをコントローラ８ａに教示す
る。図１において、コントローラ８ａでは、レンジセン
サ９からの信号がセンサデータ処理部６２に取り込ま
れ、雑音除去や平滑化などの前処理が行われてからセン
サデータ判別部６３に転送されており、レンジセンサの
測定基準点Ｒｏからワーク２までの離隔距離に関する情
報を含むワーク２の形状データが獲得され、この場合、
開始点２ａの形状データがセンサデータ判別部６３に初
期設定されると共に、センサデータ表示部６４にも表示
される。表示される形状データは、図２に示すように、
センサデータ処理部６２で得られる道程距離ＤＤ、及び
センサデータ判別部６３で得られるワーク２の特徴形状
ＰＰである。

【００１７】センサデータ判別部６３では、前記した左
右に離れる点の個数ｋに様々な値を仮定して、前記した
距離Ｌを計算して、この特徴形状での曲率を推定する。
図４は、横軸が前記した特徴形状に表示された画素の位
置を、縦軸がこの画素の位置で推定された曲率を現して
おり、図４（ａ）は前記の点の個数ｋが大き過ぎた例
で、図４（ｂ）は適切な例で、図４（ｃ）は小さ過ぎた
例である。ここで、前記した様々なｋの値による各曲率
分布において、それぞれの分散を求めて相互に比較する
ことで、最適なｋの値でのエッジ位置を求めることがで
きる。つまり、分散が小さ過ぎれば前記の特徴形状での
分解能が低下し、大きすぎれば検出誤りが誘発されるの
で、図４（ｂ）が最適な分布として選択される。

【００１８】また、曲率平均値に到達する前記した画素
の位置を、前記の特徴形状として用いるので、目視にて
は識別し難いエッジであっても、このエッジをサブピク
セルのオーダーで精密に抽出できる。さらに、前記した
閾値Ｌｔｈを前記した最適な曲率分布における最大値の
半値に設定することで、ノイズに強く、且つ十分精確に
エッジ検出ができる。以上の処理を前記の特徴形状にお
ける各エッジ毎に繰り返し、それらのエッジを抽出する
のに最適な抽出間隔である前記の点の個数ｋ及び前記の
閾値Ｌｔｈを求めて、様々な大きさのエッジに対しても
最適な分解能により安定なエッジ抽出を行うことができ
る。前記した形状データにおける一個の特徴形状の情報
としては、この特徴形状が凹か凸か、その角度、センサ
から見た相対距離・位置・前記した点の個数ｋ、前記の
閾値Ｌｔｈ、及び各特徴形状の隣接関係などがリスト構
造的に得られる。

【００１９】他方、同期信号発生部６１からの同期信号
に基づいて、前記した測定基準点Ｒｏの位置と姿勢が位
置検出部７１で検出されて位置記憶部６５に初期設定さ
れており、前記した開始点２ａの形状データと組み合わ
せて処理すれば、この開始点２ａのワーク２における空
間的な位置と姿勢が獲得できる様になっている。こうし
て、テイーチング・ペンダント８ｂを用いて、１点（開
始点）、ないし２点（開始点、及び終了点）がコントロ
ーラ８ａに教示される。

【００２０】続いて、本発明の経路生成部による、主要
な課題である具体的な参照経路の生成について図１、及
び図３により説明する。図３は、実際の経路生成装置の
一部をより具体的に説明したものであり、前記した形状
データを画面に表示して、操作員が参照できる様になっ
ている。図３において、前記したセンサデータ処理部６
２、センサデータ判別部６３、経路位置演算部６８、位
置記憶部６５、参照経路記憶部６７、及び参照経路特徴
指示部６６は、計算機６４ｂのソフトウェアとしてそれ
ぞれに実現しており、この計算機６４ｂにはスクリーン
などを有する出力装置６４ａが、また、参照経路特徴指
示部６６には、マウスなどの指示装置６４ｃ、及びキー
ボードなどの入力装置６４ｄが接続される様になってい
る。

【００２１】先ず、図３において、操作員が前記した指
示装置６４ｃなどを使用して、前記した出力装置６４ａ
に表示された形状データにおける複数の特徴形状Ｐ１，
Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４の内からいずれかを選択して、前記の
開始点と結ぶべき任意の接続点を前記した参照経路指示
部に指示し、これら開始点、及び接続点の位置を、前記
した道程距離、及び特徴形状と共に参照経路記憶部６７
に記憶しており、この接続点と前記の開始点とを連結し
て延長し、さらに、必要に応じて新たに指示された接続
点を通過して順次延長し、参照経路を形成できる様にな
っている。参照経路特徴指示部６６は、図３において例
えば画面上の点Ｑ１を、操作員が指示装置６４ｃを使用
して指示した場合、この指示された点Ｑ１から画面上で
最も距離的に近い前記した特徴形状Ｐ２を自動的に前記
の接続点として選択する様になっている。

【００２２】また、参照経路を形成すべき画面上の位置
に前記の特徴形状が無い際には、特徴形状自体の代わり
に、近傍の特徴形状、あるいは前記の開始点からの相対
位置を指示するか、複数の特徴形状を指示し、その幾何
学的な位置を計算して前記の接続点を指示することもで
きる様になっている。参照経路特徴指示部６６は、図３
において例えば画面上の２箇所の特徴形状Ｐ２，Ｐ３
を、操作員が指示装置６４ｃを使用して指示した場合、
自動的にこれらの指示された特徴形状Ｐ２，Ｐ３の中間
点Ｑ２を接続点とする参照経路を選択する様になってい
る。

【００２３】前記した相対位置は、前記した中間点だけ
ではなく、Ｘ：Ｙに内分する点、あるいは、ある特徴形
状から右に１cm離隔する点、というふうに指示して前記
の参照経路を選択することも可能になっている。参照経
路特徴指示部６６は、図３において例えば画面上の特徴
形状Ｐ３から右に１cmの接続点Ｑ３が指定されると、先
ず、この特徴形状Ｐ３より開始点側で既設の接続点列
を、画像内の大局的な情報を利用して線分を形成するＨ
ough変換などにより直線近似する。その後、前記した特
徴形状Ｐ３の座標は既に記憶されているので、この特徴
形状Ｐ３から右に１cm離れた座標位置を算出する。

【００２４】また、雑音として除去されたり、障害物な
どに覆われたりしたために参照経路を形成すべき特徴形
状が画面上に抽出されていない場合、この特徴形状の近
傍に位置する別の特徴形状により相対位置を指定し、こ
の位置に新たな特徴形状を抽出して前記した参照経路を
求めることができる。参照経路特徴指示部６６は、図３
において例えば画面上の特徴形状Ｐ２を参照経路とした
いが、この特徴形状Ｐ２自体が未だ抽出されていない場
合に、既に抽出されている別の特徴形状Ｐ１、Ｐ３が前
記した特徴形状Ｐ２の近傍にあることが分かっているの
で、前記したリスト構造的に得られているこれら別の特
徴形状Ｐ１、Ｐ３のデータを参照して、このデータでの
前記の点の個数ｋ、及び閾値Ｌｔｈを別な値に置換して
前記したエッジ抽出を行うこともできる。

【００２５】以上の様々な経路指示手法により、特徴形
状が複雑で、エッジなどが複数存在するワークに対して
も経路を選択することが可能であり、また特徴形状では
ない点を経路として選択することができる。参照経路記
憶部６７には、前記処理で指示した経路位置以外に、セ
ンサの距離データＤ、センサデータ判別部６３で抽出さ
れた各特徴点の情報などが格納される。

【００２６】最後に、以上のように作業を教示する前処
理を行った後に、実際の作業における本発明を使用した
ロボットの作動について図面を参照して説明する。図２
において、前記した前処理に続いて、ロボットは作動開
始の指令を受けるとまず、前記位置記憶部６５に記憶さ
れた開始点まで作動する。次に予め決められている方
向、速度などに従って経路を探索しながら作動をする。
以下に、経路を探索する処理について説明する。図１に
おいて、ロボットは前記同期信号に基づき、現在の位置
姿勢を取り込み、またレンジセンサ９を起動し、ワーク
２を計測する。計測されたデータは、センサデータ処理
部６２で前処理を行い、センサデータ判別部６３で特徴
形状を抽出する。以上の処理は、参照経路を指示する際
に行ったものと同様のものである。

【００２７】次に経路位置演算部６８において、参照経
路記憶部６７に記憶させておいた経路特徴と上記特徴と
を比較し、経路位置を決定する。ここで、経路位置演算
部６８について説明する。図３において、センサデータ
判別部６３において抽出された特徴が、参照経路特徴と
特徴点の位置関係の意味で同様である場合（図３におい
ては特徴点は凸−凹−凹−凸という関係がある）は、指
示した特徴点、あるいは相対位置関係で経路とする位置
をパターンマッチングすることにより、容易に判断する
ことができる。また仮に雑音や傷害物などのためデータ
の一部が獲得できない場合にも距離データ全体のパター
ンマッチングや抽出された他の特徴点からの相対位置関
係を使うことにより、経路を決定することができる。こ
こで得られた経路は制御部７に送られ、ロボットの制御
を行う。以上の作動を繰り返すことにより、ロボットは
対象ワーク２の形状に沿って作動することができる。作
動は、終了点を開始点と同様に記憶させておくか、また
は経路長を設定すること、あるいは特徴形状が無くなっ
た時点を終了条件とすることで終了する。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、作業対象
までの距離を非接触で計測する手段と、計測データを視
覚的イメージに変換してモニタ上に表示する手段と、計
測された距離データと参照経路特徴から経路生成を行う
手段とを有しているので、テイーチングボックスを用い
て開始点を教示するだけで経路生成が可能となり、経路
生成作業の効率が向上する。また、上記教示点において
指定される参照経路の特徴形状は、１箇所の特徴形状の
みでなく、特徴形状からの相対位置や複数の特徴形状か
ら計算で得られる経路位置を指定でき、またセンサデー
タ判別部では、最適なパラメータを自動的に抽出し、サ
ブピクセルのオーダーで特徴形状を抽出するので、雑音
に強く安定した特徴形状の抽出を行うことができ、複雑
な作業対象物についても精度の良い経路が容易に獲得で
きるようになるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるロボットの経路生成装置を使用す
るロボットの一実施例を説明する図である。

【図２】図１におけるロボットの経路生成装置の作動を
説明する図である。

【図３】図１における実施例を具体的に説明する図であ
る。

【図４】図１におけるセンサデータ判別部の作動を説明
する図である。

【図５】従来のロボットを説明する図である。

【図６】図５における特徴形状を説明する図である。

【符号の説明】

１ マニピュレータ １ｄ リスト部 ２ ワーク ８ａ コントローラ ８ｂ テイーチングボックス ９ レンジセンサ ６ 経路生成部 ７ 制御部 ６１ 同期信号発生部 ６２ センサデータ処理部 ６３ センサデータ判別部 ６４ センサデータ表示部 ６５ 位置記憶部 ６６ 参照経路特徴指示部 ６７ 参照経路記憶部 ６８ 経路位置演算部 ７１ 位置検出部 ７２ サーボ指令値演算部 ７３ サーボアンプ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プレイバック方式のロボットに操作員が
   教示する参照経路を生成する経路生成装置において、 作業対象物上の特徴形状を有する注目点までの距離を非
   接触で計測する測距手段を、予め上記ロボットにおける
   マニピュレータの手首に備え、 上記測距手段で計測される上記距離から得られる距離デ
   ータを、視覚的イメージである参照経路に変換してモニ
   タの表示画面上で表示するセンサデータ表示部と、 上記センサデータ表示部の上記表示画面における、上記
   操作員が指示する所望の位置を位置データに変換して指
   示する参照経路特徴指示部と、 上記参照経路特徴指示部で指示する上記位置データに基
   づいて、上記距離データから所望の上記参照経路を獲得
   する経路位置演算部とをこの順に少なくとも含んで構成
   しており、 上記表示画面において、上記作業対象物の複数の特徴形
   状を上記参照経路と比較して、上記参照経路を生成する
   ことができる様になっていることを特徴とするロボット
   の経路生成装置。