JPS61182786A - 平行グリツパによる物体自動把持方式 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、平行グリッパを具備するマニプレータによる
物体把持自動制御方式に係り、特に実質的に平行な面を
有する不特定形の物体を安定に把持するのに好適な物体
把持自動制御方式に関する。

〔発明の背景〕

第２図に示す如く、一般に平行グリッツ４１は、不図示
のマニプレータの腕の先に取付けられた支持ヘッド２か
ら１対の平行す／り機構３等を介して１対の平行グリフ
、４　ｆｌ　４　ｔ−その相対向する把持面が常に平行
であるように駆動して、該把持面間に把持対象物体を把
持するものでちる。マニア’レ−タに取付けられたこの
ような平行グリッパは、円柱や立方体などの予め定めら
れた特定の形状の物体の予め定められた特定の面にてこ
れを把持するよう制御することは、それ程困難なことで
はなく、従来行われていた。

把持の確認の信頼度を高め、把持対象物の形状や種類に
応じて把持力や接触圧を調整するべく、把持力を検出し
、これを基準値と比較して制御１４Ｉを行うようにした
発明は特開昭４８−４９１５６号に記載されている。

しかしながら、例えば原子力ブラント等特殊な環境で使
用されるような、平行グリフ・母を具備したマニプレー
タを操作する点検保守用ロデット等では、不特定な形状
の把持対象物に’ｔ−扱うことが必要となる。しかるに
、一般に平行グリッツやでは、不特定形状の物体音、そ
の形状に応じ、常に自動的に安定な状態で把持すること
は従来困難であり、この困難性の低減策に関する従来例
は見当らなかったＯ 〔発明の目的〕 本発明の目的は、不特定形状の物体を平行グリフ・９付
のマニプレータにより自動的かつ安定に把持する方式を
提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、マニプレータに取付けられた位置および姿勢
の可変な平行グリッパにおいて、平行グリッノヤ中心線
上に配置された二次元視覚センサによってとらえた物体
の画像の輪郭線抽出により物体の各面を検出してこれに
ラベリングし、平行グリッパに設けられた、距離測定用
プローブで測定した物体までの距離を一定に床ちつつ平
行グリッツ量の位置を変化させて該ラベリングされた各
面の二次元視覚センサでとらえた面積が最大となるよう
な平行グリッパ位置を検知することにより物体の各面の
法線方向を検出し、距離測定用プローブで測定した物体
までの距離および二次元視覚センサでとらえた上記法線
方向から見た各面の形状・面積から各面の重心を通る法
線の周シの慣性モーメントラ算出してその慣性モーメン
トの最小な平行二面を決定し、平行グリッツ量の把持方
向が該慣性モーメントの最小な平行二面の法線方向と合
致するように平行グリフ・９の姿勢を保ちつつ平行グリ
フ／４ｔ−物本に接近させて該慣性モーメントの最小な
平行二面で物体を把持することを特徴とする物体自動把
持方式である。

平行グリッパで物＃−を把持しようとする場合、物体の
有する平行な二面を把持するのがよいことは勿論である
が、物体が平行な面を二対以上有するときは、そのうち
、面の法線方向から見た物体の慣性モーメントが最小で
あるような面の法線方向から把持するのが安定な把持に
最も適切である。

すなわち、第２図でいえば、平行グリフ／９体４が把持
のため互に相近づく方向Ｘ−Ｘ（把持方向）が上記の如
き法線方向になるようにグリッパの姿勢を制御して物体
を把持するのが適切である。何故なら、平行グリフ・臂
で物体を把持して持ち上げる操作を考えた場合、把持方
向Ｘ−Ｘの周シに物体がグリフ／４に対して回転し勝ち
であるが、このような回転を少しでも起りにくくするた
めには、該方向Ｘ−Ｘの周シの物体の慣性モーメントが
なるべく小さいことが良いからである。これは、物体そ
のものの運動を考えた場合には慣性モーメントのよシ大
きい方向が安定である、すなわち回りにくい、と云える
が、物体を平行グリッツ４で把持して持ち上げ、向きを
変える操作をするような場合には、グリッパに対する物
体の前述の如き回転を起りにくくするためには、前記把
持方向Ｘ−Ｘの周りの物体の慣性モーメントがなるべく
小さい方がよいからである。

本発明は、このような考え方に立脚したもので、今、第
１図に示すような直方体を把持する場合を例にとって本
発明の詳細な説明する。

まず、把持対象物体をグリッパに備えられた２次元視覚
センサ（第２図の５）で画像としてとらえ、把持できる
可能性のある方向を見い出すため、輪郭抽出などによっ
て面の検出を実行する。第１図（、）のｌＯが輪郭線を
表わしている。つぎに、輪郭線１０によって囲まれた領
域を１つの面とみなし、それぞれに番号付け（以後ラベ
リングと記す）を行なう処理をする。第１図（−）の２
０がラベリングした番号を示している。次にこれらラベ
リングした各面を眺めるグリフ・中の位置および向きを
変えて、２次元視覚センサによって検出される核面の面
積が最大になるグリッツ’ｌｌの位置を求め、これから
各面の法線方向（第１図（ａ）におけるＡ、Ｂ。

Ｃの各方向）を求める。第１図に示すような直方体の場
合、把持できる可能性のある方向は、上記のＡ、Ｂ、Ｃ
の３方向である。ただし、この場合直方体は水平な面に
置かれた状態を前提とする。

上記の各面１．２．３の法線方向Ａ、Ｂ、Ｃから見た物
体の面を示したものが、第１図の（ｂ）　、　（ｃ）　
。

（ｄ）である。直方体の３辺の長さがａ、ｂ、ｃであり
、その大小関係がＣ＞−＞ｂであるとすると、慣性モー
メントが最小な面（すなわち、この場合面間隔の最大な
面）は第１図（ｃ）に示す面２となる。

よって、第１図（ａ）においてラベリング番号２０面の
法線方向に把持方向Ｘ−Ｘ　（第２図参照）を合致させ
るようにしてグリッツ４ｆｃ’ｆｌｌＪ本に接近させて
把持すれば、把持中心周りの回転モーメントが最も小さ
いことになり、安定に直方体を把持することが可能とな
る。

〔発明の実施例〕

本発明の一実施例金弟２図から第８図により説明する。

第３図に示すように、公知のマニグレータの腕の先端部
に第２図に示す如き、グリフ・ぞ支持部２、グリッツ！
体４、グリッパ中心線上に設けた二次元視覚センサ（テ
レビカメラ）５、グリノ・量中心線に対し対称配置され
た距離計測用の超音波送信器６１及び超音波受信器６２
（但し、超音波でなくて光による距離計測手段でもよい
）を備えたグリッパ１が取付けられており、グリッツぐ
１は上記構成により公知の如く空間において任意の位置
、任意の姿勢をとり得るように駆動されることができる
ようになっている。以下第１図の如き直方体状の物体の
場合を主に例にとって、把持に至るまでの過程を説明す
る。この過程は第４図のフローチャートに示されている
。

先ず、テレビカメラｌでとらえた把持対象物本の二次元
画像の輪郭線を抽出する。これにｔｉ微分処理等の手法
があシ、画像の濃淡の差の著しい箇所の抽出で輪郭線を
抽出し得る。すなわち、濃淡画像として取込んだ把持対
象物体の画像から輪郭を抽出するには、濃淡画像に対し
て微分操作を施すことにより得られる（第４図の処理ブ
ロック１００）。微分操作の方法としては、次のように
画像の直交１．ｊ方向の微係数の２乗和の平方根、すな
わち式（１） ％式％）） （ここで”　ｉｔｊは点ｔｔｊにおける濃度）による、
７”（ｉ、ｊ）　ｔ−新しい画像濃度とする方法である
。

このようにして得られた輪郭線によって構成される画像
の例を第５図に示す。この輪郭画像において、完全に閉
領域を形成する箇所、あるいは一部に線の欠落はあるが
閉領域とみな逼れる箇所に対してラベリングをする（処
理ブロック１１０）。

これが、第５図における２０はこのラベリングを示す。

上記の微分処理および輪郭抽出手段は尾崎弘、谷口慶治
、小川秀夫著、共立出版発行「画像処理」第１５１〜１
５４頁に、また面のラベリング手段は同第１８９〜１９
０頁に示されているものと同様でよく、ここでは詳述し
ない。

次の段階として、う（リングした各面の法線方向を求め
るため、カメラの焦点距離を固定し、把持対象物体から
カメラまでの距離を一定に維持しながら物体を眺めるカ
メラ付グリッパの位置および向きを動かす（処理ブロッ
ク１２０．１３０）。

この場合ラベリング２０全付けた面のうち、指定した番
号の面のみに注目し、カメラの移動に伴なう該指定した
面のカメラ画像の面積を求め、その面積が増加している
か、減少しているか、あるいは全く変化しないかｆｔ調
べる（処理ブロック１４０）。

面積が増加している場合には、前の移動の方向に再び移
動して面積の変化ｔ−調べ、減少あるいは変化がない場
合には、指定した面についてこれ以上面積が増加する移
動方向があるかどうかを調べ（処理ブロック１５０）、
面積の増加する方向が残されていれば、前の移動方向と
反対あるいは直丈方向に変える（処理ブロック１６０）
。かくて、眺める核間の面積が最大と彦るようなグリッ
ツ４位置が決まったら、超音波距離計により当該指定さ
れた面までの距離を計測する（処理ブロック１７０）。

この段階では、当該指定面が例えばラベリング番号ｌで
あったとすると、第６図に示すように、面１の法線方向
延長上にカメラが位置していて面１のみがカメラ画像上
に残り、他の面は消えることになる。

なお上記では、把持対象物本として直方体の場合につい
て述べたが、第７図に示すように、直方体の上に円筒が
立っているような物体の場合には、円筒の上端の円の部
分が面１としてラベリングされる。よって、距離計測も
、面３についてではなく、面１″！での距離が求められ
る。

つぎに、指定面までの距離が計測されれば、これと、該
指定した面の画像の形状・面積とから核間の実際の面積
・形状も求まるので、これから指定した面の重心Ｇを求
めると同時に、重心まわシの慣性モーメントを計算する
（処理ブロック１８０）。

さらに、この時点でのカメラ付グリッ・臂の３次元位置
座標およびそのカメラの光軸の向きを記憶させる（処理
ブロック１９０）。これらの各処理をラベリングした面
（１，２，３）について全て実行する（処理ブロック２
００）。

上記の重心および慣性モーメントの算出手段は前出の共
立出版発行の文献の第１９３〜１９４頁記載のものと同
様でよく、ここには詳述しない。

以上の処理によって全ての面に対して求めた慣性モーメ
ントのうち、最小の値を与える面を決定し、その面６ｓ
とする（処理ブロック２１０）。

グリフ・量の位置を上記既に記憶されたデータに基づき
面Ｓの法線上の座標位置に設定し直すと共にカメラ光軸
を該法線方向に向けて、カメラがとらえる面Ｓの重心の
位置が予め指定された画像上の中心点（かならずしも中
心である必要はなく、カメラとグリフ・９部の位置関係
で決まる画面上の予め指定された点とすることもできる
）に一致するようにグリッパを位置決めし、面Ｓの重心
が画面の中心からはずれないようにしながらグリッツ４
を把持対象面に接近させる（処理ブロック２２０〜２４
０）。このグリッパの面Ｓへの接近時のカメラ視野３０
内の物体の画像４０の変化鳴子を示したのが、第８図■
〜■である。

グリッパが把持面Ｓに所定の距離まで接近した時点で一
旦接近を停止し、面Ｓに対してどの方向から把持するか
を判断するが、この場合、発明の概要のところで述べた
ように、平行グリッパで把持する平行面□の法線方向の
周りの物体の慣性モーメントがなるべく小さいような平
行面（すなわちこの例で平行面間の間隔がなるべく大き
いような平行面）の法線方向にグリッパの把持方向Ｘ−
Ｘを合致させて該、平行面を把持するのが、物体を持上
げてグリフＩ？の向きを回転させたときに生じ勝ちなグ
リッツ々に対する物体の回転を可及的に防ぐことができ
、平行グリフ・母に対する無理な力の発生を抑えること
ができる。よって、前記した所によって求めた慣性モー
メントの最小な平行面（相互の間隔が最も長い平行面）
の法線方向に把持方向Ｘ−Ｘを合せるようにグリフ・９
の向きを変え、そのまま把持対象物体にきらに接近して
把持する（処理ブロック２５０，２６０）。

以上の一連の処理により、把持対象物体をグリッツ４に
対して最も安定に把持することができる。

把持対象物体がたとえば、球体のような場合には、ラベ
リング面は１つしか存在せず、眺める方向によってその
面の画像の面積は変らないので、前述した面の法線方向
を探す段階で、所定量以上グリッツ４を移動しても面の
画像の面積に変化がない場合には、所定量移動した時点
の３次元座標を記憶し、その方向から球体を把持する動
作に移行する処理フローとすればよい。円筒の側面につ
いても同様で、円周方向にいくらカメラの位置を変えて
みても、面積の変化が生じないときは、カメラ上の画像
の面の形は長方形でも円筒側面と判断するプログラムを
導入するのがよい。

把持対象物体が、第９図（−）及び（ｂ）に示す円錐又
は３角錐のような平行な面が存在しないものの場合には
（ただし球や円筒の場合は例外である）、把持不可能と
判断するようなプログラムを付加し、確実に把持できる
もののみを自動的に把持する方式とすることも可能であ
る。第１０図に示すような多面体の場合も同様で、ラベ
リングし丸面の法線方向から見た把持物体の輪郭線画像
において、法線方向から見ている面の輪郭が他のラベリ
ング面の輪郭と連結しているような場合にはその面に接
近して把持することは困難と判断される。このような状
況の場合は、最も外側の輪郭線に着目し、その実際の大
きさがグリッツ々の把持できる最大の大きさ以下であれ
ば、平行な輪郭線を見つけ出し、その間隔が最も大きい
面を選定する。第９図の場合、ラベリング面１と７．５
と６及び２と８かはぼ平行な輪郭線をなしているが、こ
の中で１と７のラベリング面によって構成される輪郭線
の間の間隔が最も大きいので、１と７のラベリング面に
接するような方向を把持方向として決定することになる
。

〔発明の効果〕

本発明によれば、予め特定しない形の物体であっても、
平行グリッノクでこれを把持し持ち上げたとき、平行グ
リッパに対して物体が回転しにくい方向から、これを把
持てきるので、グリッパに無理な力がかからずに安定な
把持てきる。

【図面の簡単な説明】

第１図（、）、（ｂ）、（吐（ｄ）は把持対象物体が直
方体である場合の本発明の概要説明図、第２図はテレビ
カメラ及び超音波送受信器を備えた平行グリッパの例示
図、第３図は平行グリッツ４を先端に有するマニプレー
タの本発明による実施態様を示す概要図、第４図は本発
明の実施例のフローチャート、第５図は実施例に用いた
把持対象物体の輪郭線図、第６図はラベリング面１０法
線方向探索時の画像を示す図、第７図は直方体と円筒が
組合わされた細体の例示図、第１０図は把持物体が多面
体の例を示す図である。 １・・・グリッパ、　　　　２・・・支持ヘッド、４・
・・グリッツ４体、　　　５・・・テレビカメラ、６１
＊Ｆ・・・超音波距離計測器、 １０・・・輪郭線、　　　　　２０・・・ラベリング番
号、３０・・・テレビカメラ視野、 ４０・・・把持対象面の画像。 一−Ｊ 覧２図 児３図 慨５図 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 平行グリッパから物体までの距離測定用プローブおよび
   平行グリッパ中心線上に配置された二次元視覚センサを
   備え、マニプレータに取付けられていて該マニプレータ
   の操作により空間での位置および姿勢が任意に可変であ
   る平行グリッパによる物体の自動把持方式であって、二
   次元視覚センサによってとらえた物体の画像の輪郭線抽
   出により物体の各面を検出してこれにラベリングし、距
   離測定用プローブで測定した物体までの距離を一定に保
   ちつつ平行グリッパの位置を変化させて該ラベリングさ
   れた各面の二次元視覚センサでとらえた面積が最大とな
   るような平行グリッパ装置を検知することにより物体の
   各面の法線方向を検出し、距離測定用プローブで測定し
   た物体までの距離および二次元視覚センサでとらえた上
   記法線方向から見た各面の形状・面積から各面の重心を
   通る法線の周りの慣性モーメントを算出してその慣性モ
   ーメントの最小な平行二面を決定し、平行グリッパの把
   持方向が該慣性モーメントの最小な平行二面の法線方向
   と合致するように平行グリッパの姿勢を保ちつつ平行グ
   リッパを物体に接近させて該慣性モーメントの最小な平
   行二面で物体を把持することを特徴とする物体自動把持
   方式。