JPH0679672A - マニピュレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 対象部の位置及び距離を短時間のうちに求め
ることができるようにしたマニピュレータを提供する。 【構成】 グリッパ１８を有するアーム１３ａに距離セ
ンサ１９を設け、これを対象部である直方体２４上でス
キャン動作させることにより、グリッパ１８の直方体２
４に対する位置及び距離を算出するようなっているの
で、スキャン方向に沿って直方体２４との対向距離が距
離センサ１９によって連続して得られ、得られた距離が
どの位置に対応するものであるかも、スキャン動作させ
る距離センサ１９の移動制御信号から容易かつ短時間の
内に判明し、判明結果に基づきグリッパ１８に把持され
た円柱体２６を、直方体２４に穿設された円孔２５ａに
正確に挿入することができ、また距離センサ１９はアー
ム１３ａに設けられ直方体２４に常に対向しているた
め、対象部に対し死角領域を発生することがない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、所定の組立作業や保守
作業などを行わせるためのマニピュレータに関する。

【０００２】

【従来の技術】周知の通り、マニピュレータにそのアー
ム先端部のグリッパ等によって所定の組立作業や保守作
業などを行わせるため、グリッパ等を作業領域内に移動
し、作業を行おうとする対象との相対的な位置関係や、
その形状を確認してから所定の作業を行う場合がある。

【０００３】このような場合、マニピュレータ、特にグ
リッパ等と対象とするものとの相対的な位置関係や、対
象とするものの形状などの情報は視覚センサから得られ
る画像信号を処理することによって行われている。

【０００４】以下、従来の技術について図８を参照して
説明する。図８は視覚センサ部の斜視図である。

【０００５】図８において、１は視覚センサ部で基台２
上に光源３が配置されている。４は光源３の放射光から
スリット光を形成するスリットであり、５は揺動可能に
設けられた鏡で、この揺動する鏡５で反射されたスリッ
ト光が、例えば対象物の直方体６の対象部である円孔７
ａ，７ｂに投射される。また直方体６で反射された光が
イメージセンサ８に入射し、反射光が入射して得られた
イメージセンサ８からの投光パターンの画像信号が図示
しない信号処理部で処理され、直方体６の円孔７ａまで
の距離や形状の認識がなされるようになっていた。

【０００６】そして直方体６の円孔７ａが所定のもので
あると判断された場合、得られた画像信号からの位置デ
ータや距離データ等をもとに、円孔７ａに対する所定作
業が図示しないマニピュレータによって行われる。

【０００７】しかしながら、所定作業の対象部である円
孔７ａの形状や位置及び距離等のデータを得るには、揺
動する鏡５で反射されたスリット光による対象物の直方
体６全体を走査しての投光パターンが必要である。そし
て投光パターンの画像信号を信号処理部で処理し、直方
体６の円孔７ａの形状や位置及び距離等を求めるのは、
複雑な画像信号の処理であるため非常に時間を要するも
のであった。

【０００８】また、同じ対象物の直方体６の対象部であ
る円孔７ｂについては、直方体６と鏡５及びイメージセ
ンサ８の位置関係から死角領域が発生し、その死角領域
に入っているためにスリット光が投射されずイメージセ
ンサ８で捉えることができない。

【０００９】このため、スリット光が円孔７ｂに投射さ
れ、その反射光がイメージセンサ８で捉えることができ
る位置関係となるように視覚センサ部１をマニピュレー
タの動作とは別に制御して移動させる、あるいは別の視
覚センサ部を用いることによって、マニピュレータによ
る円孔７ａにおけると同様の所定作業が円孔７ｂに対し
ても行われる。

【００１０】このような状況から、死角領域の発生に対
応して視覚センサ部１にマニピュレータとは別の駆動部
を設けて移動させたり、視覚センサ部を複数設ける等す
ることの必要もなく、また複雑な画像信号等の処理を要
さず、簡単に対象部である円孔７ａ，７ｂの形状や位置
及び距離等のデータを得て短時間に制御操作して、マニ
ピュレータによる所定作業が実行されるようにすること
が要求されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上記のように従来の視
覚センサ部を用いたものでは死角領域の発生に対する対
応を要すると共に、投光パターンの画像信号を処理して
対象とするものの位置及び距離等を求めるので処理に時
間を要する。このような状況に鑑みて本発明はなされた
もので、その目的とするところは対象部の位置及び距離
を求めるのに際し死角領域が発生することもなく、短時
間のうちに求めることができるようにしたマニピュレー
タを提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明のマニピュレータ
は、複数の自由度を有するアームの作業端部によって所
定の対象部に対する作業を行うようにしたマニピュレー
タにおいて、作業端部に距離センサを設け、該距離セン
サを対象部に対し少なくとも１方向のスキャン動作を行
わせることによって作業端部の対象部に対する位置及び
距離を算出するようにしたことを特徴とするものであ
る。

【００１３】

【作用】上記のように構成されたマニピュレータは、作
業端部に距離センサを設け、該距離センサを対象部に対
し少なくとも１方向のスキャン動作を行わせることによ
って作業端部の対象部に対する位置及び距離を算出する
ようなっているので、スキャン動作を行うことによって
スキャン方向に沿って、作業端部と対向する対象部との
距離が距離センサによって連続して得られ、また得られ
た距離がどの位置に対応するものであるかは、スキャン
動作による距離センサの移動量を知ることによって短時
間の内に判明する。この判明した位置及び距離の情報に
基づき所定の対象部であるか否かが判断されて、作業端
部による作業が実行される。このとき距離センサは作業
端部に設けられ対象部に常に対向しているため、対象部
の位置及び距離を求めるのに際し死角領域が発生するこ
ともなく、また距離センサからの信号および距離センサ
の移動量から算出するものであるから、複雑な信号処理
を伴わず短時間のうちに位置及び距離が求められ、作業
を行うことができる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の一実施例を、図１乃至図７を
参照して説明する。図１はマニピュレータの斜視図であ
り、図２は制御装置のブロック図であり、図３は制御装
置における制御動作のシーケンスであり、図４はスキャ
ン動作を説明するための図であり、図５はｘ方向スキャ
ン動作時のｘ方向位置−距離情報出力図であり、図６は
ｙ方向スキャン動作時のｙ方向位置−距離情報出力図で
あり、図７は軸合わせ動作を説明するための図である。

【００１５】図１及び図２において、マニピュレータ１
１は支持ベース１２上に６自由度を有するようにアーム
部１３と関節部１４を備えて構成されている。アーム部
１３の各アーム１３ａ，１３ｂ，…，１３ｆは、制御装
置１５の駆動制御部１６に制御された駆動装置１７によ
り、関節部１４の各関節１４ａ，１４ｂ，…，１４ｆを
図中に一点鎖線で示すそれぞれの回動軸を中心に回動さ
せることで位置姿勢が変えられるようになっている。こ
れにより最先端部のアーム１３ａが所要の位置姿勢を取
ることができる。

【００１６】また、最先端部のアーム１３ａには所定の
作業を行うことができるようにグリッパ１８が設けら
れ、さらに最先端部のアーム１３ａには距離センサ１９
と力覚センサ２０が取り付けられている。そして距離セ
ンサ１９は対向しているものとの間隔に対応した距離信
号を制御装置１５の入力信号として出力するようになっ
ている。

【００１７】制御装置１５では、設定部２１に設定され
た条件に応じて駆動制御部１６から制御信号が出され、
これにより駆動装置１７が作動し各アーム１３ａ，１３
ｂ，…，１３ｆが所定の動きをする。この所定回動した
各アーム１３ａ，１３ｂ，…，１３ｆの制御信号から得
られる最先端部のアーム１３ａ、すなわち距離センサ１
９の移動方向及び移動距離の移動信号と、距離センサ１
９からの対向しているものとの間の距離に対応した距離
信号とが演算部２２に入力されて、グリッパ１８あるい
はこれに保持されたものの位置及びそれと対向している
ものとの距離が算出されるようになっている。

【００１８】そして、演算部２２での演算結果について
も、設定されている条件にしたがって駆動制御部１６に
入力されるようになっていて、演算結果に対応した駆動
装置１７の動きの制御が行えるようになっている。なお
距離センサ１９が対向しているものの認識を精度よく行
わなければならない等、必要に応じ測定部分・方向を変
え、複数箇所での位置及び距離が算出される。

【００１９】さらに、演算部２２での演算結果は比較・
判断部２３にも入力されるようになっていて、設定部２
１に設定された値との比較および一致状況等、及び対向
しているものが所定の対象であるか否かの判断もなされ
る。

【００２０】一方、力覚センサ２０からの荷重信号も演
算部２２に入力するようになっていて、力覚センサ２０
に働く荷重が設定された条件を満足するよう、例えば荷
重が小さくなるように駆動制御部１６によって駆動装置
１７が制御されるようになっている。

【００２１】次に、上記のように構成されたものの動作
について図３乃至図７により説明する。ここでは所定の
作業として、例えば対象物である直方体２４に穿設され
た対象部の円孔２５ａ，２５ｂに円柱体２６を挿入する
作業を取り上げて説明する。

【００２２】先ず、グリッパ１８にはマニピュレータ１
１に実行させる作業内容に応じて円柱体２６が把持され
る。そして最先端部のアーム１３ａが、対象部の円孔２
５ａを距離センサ１９で感知できる予め定められた作業
領域内に位置するよう移動する。

【００２３】そして、図３に示すステップＳ１で、グリ
ッパ１８と距離センサ１９とがオフセットされているの
を考慮して設定されたアーム先端の座標系Ｈ（図１に示
す）が、そのｘ_H 方向に対象部の円孔２５ａを含むよう
に最先端部のアーム１３ａを位置させ、この最先端部の
アーム１３ａを座標系Ｈのｘ_H 方向に移動させる。

【００２４】ステップＳ２で、距離センサ１９の検出軸
で対象部の円孔２５ａを捉えるようにしながら直方体２
４との距離を測定し、このマニピュレータ１１の手首姿
勢一定とするｘ_H 方向の測定動作により、駆動制御部１
６及び距離センサ１９からの各信号に基づいて演算部２
２の演算結果として、図５に示すような距離センサ１９
での距離情報が検出される。

【００２５】そして出力結果より、距離情報の増大する
点Ａと減少する点Ｂが同定される。これらの点Ａ，Ｂ
は、直方体２４に穿設された対象部の円孔２５ａのｘ_H
方向のエッジに対応するものである。

【００２６】さらにステップＳ３で、演算部２２によっ
て点Ａ，Ｂの中点Ｃが算出される。

【００２７】ステップＳ４で、算出結果に基づき駆動制
御部１６によって駆動装置１７を駆動してアーム１３ａ
を移動させ、距離センサ１９の検出軸が中点Ｃを通るよ
うに位置させる。

【００２８】そしてステップＳ５で、距離センサ１９の
検出軸が中点Ｃを含んだ座標系Ｈのｙ_H 方向を移動する
ようにアーム１３ａを移動させる。

【００２９】次にステップＳ６で、直方体２４との距離
を測定し、このマニピュレータ１１の手首姿勢一定とす
るｙ_H 方向の測定動作により、駆動制御部１６及び距離
センサ１９からの各信号に基づいて演算部２２の演算結
果として、図６に示すような距離センサ１９での距離情
報が検出される。そして出力結果より、距離情報の増大
する点Ｄと減少する点Ｅが同定される。これらの点Ｄ，
Ｅは、対象部の円孔２５ａのｙ_H 方向のエッジに対応す
るものである。

【００３０】さらにステップＳ７で、演算部２２によっ
て点Ｄ，Ｅの中点Ｆが算出される。

【００３１】またステップＳ８で、算出結果に基づき駆
動制御部１６によって駆動装置１７を駆動してアーム１
３ａを移動させ、距離センサ１９の検出軸が中点Ｆを通
るように位置させる。

【００３２】ステップＳ９で、このときのアーム先端位
置を点Ｐとし、点Ｐに座標系Ｉを設定する。そして演算
部２２で座標系Ｉを基準にして、座標系Ｈでのｘ_H 方向
及びｙ_H 方向のスキャン動作時の距離情報を用い、円孔
２５ａが穿設されている直方体２４のｘ_I ，ｙ_I ，ｚ_I
による上面Ｇの方程式を算出する。なお、それぞれ１回
のスキャン動作で得られたｘ_H 方向及びｙ_H 方向の距離
情報や、算出された直方体２４の上面Ｇの方程式から円
孔２５ａが特定されない場合には、さらにスキャン動作
を測定部分・方向を変えて実施し、比較・判断部２３で
設定されたものとの比較および一致状況等が判断され
る。

【００３３】続いて、ステップＳ１０で、上面Ｇを基準
に、点Ｆを通り円孔２５ａが穿設された方向、すなわち
上面Ｇに垂直な線上で距離Ｌの点Ｑを算出する。そして
点Ｑにｚ_J 軸が点Ｆを通り上面Ｇに垂直な線に一致する
ように座標系Ｊを設定する。

【００３４】次に、ステップＳ１１で、点Ｐから点Ｑに
移動するように、最先端のアーム１３ａの手首姿勢を考
慮するように駆動制御部１６で制御しながら駆動装置１
７を動作させ、アーム先端の座標系Ｈが座標系Ｊに一致
するようにする。これによってグリッパ１８に把持され
た円柱体２６の中心軸と座標系Ｊのｚ_J 軸が一致する。

【００３５】このようにした後、ステップＳ１２で、ｚ
_J 軸の負の方向、すなわち直方体２４の上面Ｇに近付く
方向にアーム１３ａを駆動し、円柱体２６の円孔２５ａ
への挿入を開始する。挿入の際、円柱体２６と円孔２５
ａとの間に作用するｘ_J 方向及びｙ_J 方向の荷重Ｆ_X ，
Ｆ_Y を、力覚センサ２０で検出し、この検出値を演算部
２２に入力する。

【００３６】そして、予め設定したｘ_J 方向及びｙ_J 方
向の設定力Ｆａ_X ，Ｆａ_Y と粘性減衰係数Ｃ_X ，Ｃ_Y を
用いて、アーム１３ａの先端速度Ｖ_ｉを、 Ｆ_ｉ＞Ｆａ_ｉの時には、 Ｖ_ｉ＝Ｃ_ｉ（Ｆ_ｉ−Ｆａ_ｉ） Ｆ_ｉ≦Ｆａ_ｉの時には、 Ｖ_ｉ＝０ により求める。ここで、ｉはｘまたはｙである。

【００３７】この値を用いて各関節１４ａ，１４ｂ，
…，１４ｆの動作速度を演算部２２で算出し、算出結果
をもとに駆動制御部１６で駆動装置１７を制御してアー
ム１３ａのグリッパ１８に把持された円柱体２６の円孔
２５ａへの挿入を行う。

【００３８】一方、対象物である直方体２４に穿設され
た対象部の円孔２５ｂに円柱体２６を挿入する作業につ
いては、対象物である直方体２４及びマニピュレータ１
１の支持ベース１２の位置はそのままに、マニピュレー
タ１１の各アーム１３ａ，１３ｂ，…，１３ｆの位置を
変えるように駆動し、先端部のアーム１３ａに設けられ
た距離センサ１９により対象部の円孔２５ｂを捉えるよ
うにして、円孔２５ａに対すると同様の操作を行えばよ
い。

【００３９】このように本実施例では、マニピュレータ
１１の先端部のアーム１３ａに作業を行うグリッパ１８
と共に、作業の対象部までの距離を測定する距離センサ
１９を設けており、マニピュレータ１１をアーム先端に
設定された座標系Ｈでスキャン動作させることで、距離
センサ１９により得られる値の変化から対象部の円孔２
５ａの位置を知ることができ、また円孔２５ａの中心軸
とグリッパ１８に把持された円柱体２６の中心軸との傾
きのずれを知ることができる。

【００４０】そして、これら明らかになった位置やずれ
等をもとにして円孔２５ａに対する円柱体２６の位置を
修正することで、円柱体２６を円孔２５ａへ挿入する作
業が円滑に行える。また挿入作業時に行われる円柱体２
６と円孔２５ａの相対的な位置の確認やずれの確認が、
画像信号の処理のように複雑な処理を要さないので、簡
単かつ短時間に処理を実行することができる。

【００４１】また、円孔２５ａとは穿設された面が異な
る円孔２５ｂについては、アーム１３ａに設けられた作
業を実行するグリッパ１８を円孔２５ｂの近傍に配置す
ることで、自ずと距離センサ１９もその近傍に配置され
ることになり、死角領域が発生することもなく円孔２５
ａの場合と同様に短時間の位置確認等の後、円滑に円柱
体２６の挿入作業が実行できる。

【００４２】尚、上記の実施例においては、スキャン動
作をマニピュレータ１１の手首姿勢一定状態で行ったが
変化させるようにして行ってもよく、また対象部の円孔
２５ａに円柱体２６を挿入するという単純形状のものを
例にして説明したが、より複雑な形状を対象とする作業
に適用してもよく、さらに先端部のアーム１３ａに複数
の距離センサ１９を設けることでスキャン動作回数を減
らすようにしてもよい等、要旨を逸脱しない範囲内で適
宜変更して実施し得るものである。

【００４３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
は、作業端部に距離センサを設け、該距離センサを対象
部に対し少なくとも１方向のスキャン動作を行わせるこ
とによって作業端部の対象部に対する位置及び距離を算
出するような構成としたことにより、対象部の位置及び
距離を求めるのに際し死角領域が発生することもなく、
複雑な信号処理を伴わず短時間のうちに求められ、作業
を行うことができる効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のマニピュレータを示す斜視
図である。

【図２】上記における制御装置のブロック図である。

【図３】上記における制御装置における制御動作のシー
ケンスである。

【図４】上記におけるスキャン動作を説明するための図
である。

【図５】上記におけるｘ方向スキャン動作時のｘ方向位
置−距離情報出力図である。

【図６】上記におけるｙ方向スキャン動作時のｙ方向位
置−距離情報出力図である。

【図７】上記における軸合わせ動作を説明するための図
である。

【図８】従来技術における視覚センサ部の斜視図であ
る。

【符号の説明】

１３…アーム部 １３ａ…アーム １４…関節部 １５…制御装置 １８…グリッパ １９…距離センサ ２４…直方体 ２５ａ，２５ｂ…円孔 ２６…円柱体

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の自由度を有するアームの作業端部
   によって所定の対象部に対する作業を行うようにしたマ
   ニピュレータにおいて、前記作業端部に距離センサを設
   け、該距離センサを前記対象部に対し少なくとも１方向
   のスキャン動作を行わせることによって前記作業端部の
   前記対象部に対する位置及び距離を算出するようにした
   ことを特徴とするマニピュレータ。