(57)【要約】【課題】  精度良く物体を選別し、物体を把持することを提供することにある。【解決手段】  支持部４０と、支持部４０に設けられ、物体１００を把持するための対向する第１及び第２の把持部１１０と、第１及び第２の把持部１１０にそれぞれ設けられ、物体１００に光を照射するための対向する第１及び第２の光源９０と、支持部４０に設けられ、且つ、第１及び第２の把持部１１０を含む平面によって挟まれた領域に設けられ、且つ、光によって照射された物体１００を撮像して物体１００の画像を取得する撮像装置５０と、撮像装置５０に接続され、且つ、撮像装置５０で取得した画像を処理する画像処理装置とを備えたことを特徴とするロボットハンド。【選択図】  図１（ａ）
2010162638.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持部と、
前記支持部に設けられ、物体を把持するための対向する第１及び第２の把持部と、
前記第１及び前記第２の把持部にそれぞれ設けられ、前記物体に光を照射するための対向する第１及び第２の光源と、
前記支持部に設けられ、且つ、前記光によって照射された前記物体を撮像して前記物体の画像を取得する撮像装置と、
前記撮像装置に接続され、且つ、前記撮像装置で取得した前記画像を処理する画像処理装置とを備えたことを特徴とするロボットハンド。
【請求項２】
回転可能な支持部と、
前記支持部に設けられ、物体を把持するための対向する第１及び第２の把持部と、
前記第１及び前記第２の把持部の対向する面内の少なくとも一方に設けられ、且つ、前記支持部が回転した複数の位置で、前記物体に光を照射するための光源と、
前記支持部に設けられ、且つ、前記光によって照射された前記物体を撮像して前記物体の画像を取得する撮像装置と、
前記撮像装置に接続され、且つ、前記撮像装置で取得した前記画像を処理する画像処理装置とを備えたことを特徴とするロボットハンド。
【請求項３】
前記第１及び前記第２の把持部が透明な導光部で構成され、前記導光部の先端が前記第１及び前記第２の光源から出射した光を全反射する角度で加工されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のロボットハンド。
【請求項４】
前記第１及び前記第２の把持部が前記第１及び前記第２の把持部の対向する内面に接触センサを備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のロボットハンド。
【請求項５】
前記支持部が前記第１及び前記第２の把持部を含む平面によって挟まれた領域にハンドを備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のロボットハンド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットハンドに係り、特に散積みの中から精度良く物体を選別し、物体を把持することができるロボットハンドに関する。
【背景技術】
【０００２】
オートメーション化が進展した現在、産業用ロボットを用いた合理的な作業が必要不可欠となっている。その中でも、散積みにされた、例えば箱状の物体をロボットハンドによって把持する技術が、盛んに研究されるようになってきた。
【０００３】
従来のロボットハンドでは、指部に光学式の摺動検出器を設けて、その摺動検出器によって指部の把持力を自動的に決定する制御方法及び装置が発明されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１５３１１４公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に記載のロボットハンドでは物体を把持することは可能であっても、散積みの中から適切に物体を選別することが困難であるという問題があった。
【０００６】
本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、精度よく物体を選別し、物体を把持することができるロボットハンドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明のロボットハンドは支持部と、前記支持部に設けられ、物体を把持するための対向する第１及び第２の把持部と、前記第１及び前記第２の把持部にそれぞれ設けられ、前記物体に光を照射するための対向する第１及び第２の光源と、
前記支持部に設けられ、且つ、前記第１及び前記第２の把持部を含む平面によって挟まれた領域に設けられ、且つ、前記光によって照射された前記物体を撮像して前記物体の画像を取得する撮像装置と、前記撮像装置に接続され、且つ、前記撮像装置で取得した前記画像を処理する画像処理装置とを備えたロボットハンドであることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、散積みの中から精度良く物体を選別し、物体を把持することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１（ａ）】本発明に係わるロボットハンドの第１の実施形態を示す図。
【図１（ｂ）】第１の実施形態に係わるロボットハンドの図。
【図２】第１の実施形態に係わる関節部の駆動機構を示す図。
【図３】リング照明によって光を物体に照射したときの図。
【図４】第１の実施形態に係わる物体の左横に光源を設置して、物体の上方に撮像装置を設置したときの構成図。
【図５】第１の実施形態に係わる物体の右横に光源を設置して、物体の上方に撮像装置を設置したときの構成図。
【図６（ａ）】図４と図５の撮像で得たエッジ画像の重畳図。
【図６（ｂ）】第１の実施形態に係わる物体を撮像方法を説明する図。
【図７】第２の実施形態に係わるロボットハンドの図。
【図８】第２の実施形態に係わるロボットハンドの図。
【図９】第２の実施形態に係わるロボットハンドの図。
【図１０】第２の実施形態に係わるロボットハンドの回転・照射・撮像のフローチャート図。
【図１１】第２の実施形態に係わる画像の微分処理を説明する図。
【図１２】第２の実施形態に係わる画像の微分処理を説明する図。
【図１３】第２の実施形態に係わる画像の微分処理を説明する図。
【図１４】第２の実施形態に係わる画像の微分処理を説明する図。
【図１５】第２の実施形態に係わる球体の認識時のフォトメトリックについての説明図。
【図１６】第２の実施形態に係わる球体の認識時のフォトメトリックについての説明図。
【図１７】物体の投影角を示す図。
【図１８】本発明を適用したロボットハンドの第３の実施形態を示す図。
【図１９】第３の実施形態の第１の変形例を示す図。
【図２０】第３の実施形態の第２の変形例を示す図。
【図２１】本発明に係わるロボットハンドの第４の実施形態を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
【００１１】
また、以下説明する図面において、符号が一致するものは、同じものを示しており、重複した説明は省略する。
【００１２】
（第１の実施形態）
図１（ａ）は、本発明に係わるロボットハンドの第１の実施形態を示す図である。
【００１３】
本実施形態で示すロボットハンドは、関節部２０を介してアーム部１０と手首部３０が接続されており、手首部３０に棒状の支持部４０が設けられている。
【００１４】
支持部４０には、２つの把持部１１０が設けられており、２つの把持部１１０はそれぞれが対向した位置関係に設けられている。また、支持部４０には、物体１００を検出するための撮像装置５０が設けられている。アーム部１０と手首部３０は、関節部２０によって把持部１１０をあらゆる方向に位置決めすることが可能なように、柔軟な動きをすることができる。
【００１５】
更に、把持部１１０は、スライドガイド６０、バネ７０、棒状の指部８０から構成されており、その先端部に物体１００を照射するための光源９０が設けられている。
【００１６】
また、把持部１１０は複数であってもよく、例えば、図１（ｂ）のように把持部１１０を４つの構成にしても良い。図１（ｂ）は、ロボットハンドを上方向から眺めた図を示しており、簡単のために、支持部４０、光源９０、把持部１１０以外は省略している。つまり、一方の把持部１１０に設けられた光源９０の反対側に、他方の把持部１１０に設けられた光源９０が設けられており、それぞれの光源９０から物体１００に向けて光を照射することができれば良い。
【００１７】
図２は、関節部２０の駆動機構の一例を示す図である。図２に示すように、アーム部１０に設けられたモータ１１の駆動力を減速機１２により減速し、その駆動力を関節部２０に設けられた傘歯歯車２１に伝えて回転させることにより、手首部３０を動かすことができる。
【００１８】
図１（ａ）の支持部４０は、手首部３０に固定されており、物体１００を把持するための２つの把持部１１０を備えている。把持部１１０を開閉する機構（水平方向に移動する機構）は、例えば、支持部４０中に横送りボールネジとステッピングモータを備えて、ステッピングモータの駆動により開閉操作を行えばよい。
【００１９】
更に、支持部４０には、２つの対向する把持部１１０を含む平面によって挟まれた領域に、撮像装置５０が取り付けられている。撮像装置５０は、例えば、２つの把持部１１０の間であって、支持部４０の中央に設けられることが望ましいが、物体１００を撮像することが可能であれば支持部４０のどこに設けて良い。また、各把持部１１０は、物体１００を把持するために、スライドガイド６０、バネ７０、指部８０等から構成されている。スライドガイド６０は、支持部４０に取り付けられており、内部にバネ７０、指部８０の一部を収納する。そして、指部８０を摺動するときの移動方向（垂直方向）の案内ガイドの働きをする。また、物体１００を把持する際には、指部８０を用いて物体１００を把持する動作を行う。
【００２０】
バネ７０は、スライドガイド６０内の支持部４０と指部８０の間に設けられている。そして、指部８０が物体１００に接触したときの衝撃を吸収する働きをする。
【００２１】
また、指部８０の変位量を把握するために、このバネ７０と並列に変位センサを備え付けて指部８０の位置を制御してもよい。他にも、ＯＮ／ＯＦＦスイッチによってアーム部１０の関節部２０の角度から、手首部３０の高さを求めるようにして、このＯＮ／ＯＦＦスイッチをモニタリングすることにより、指部８０を制御してもよい。
【００２２】
更に、各指部８０の先端部には、物体１００を照らすための光源９０を備えている。なお、光源９０は物体１００を照らすことが可能であれば、支持部４０が自由に動き、様々な方向から物体１００を照射することができるために、各指部８０に少なくとも１つ設けられていればよい。光源９０としては、例えば、発光ダイオードなどが挙げられる。
【００２３】
次に、ロボットハンドの動作原理について説明する。
【００２４】
本実施形態のロボットハンドは図１（ａ）に示すように、物体１００を認識するために、各指部８０に設けられた光源９０によって物体１００を照らし、ロボットハンドの支持部４０に設けられた撮像装置５０によって物体１００を撮像して画像を記憶するものである。
【００２５】
このとき、一般的に物体１００に光を当てる構造としては、図３に示すように、物体１００の上方から例えばリング照明１２０を用いて、全体的に影を作らないように物体１００を照らすものであった。
【００２６】
しかしながら、この手法では、図３の右側の図に示すように、撮像装置５０によって得られた画像には、物体１００の輪郭エッジは鮮明な画像であるが、均等に上から物体１００に対して光が照射されているために、内部エッジは不鮮明な画像となり、物体１００の識別することができなくなることがあった。つまり、この手法では、全体的に影を作らないようにしているため、物体１００の内部エッジ部の全てを抽出するには不向きである。
【００２７】
本実施形態では、２つのステップから物体を照射する方式とした。即ち、第１のステップでは、図４に示すように、物体１００の例えば左側に設置した光源９０から物体１００に光を照射し、物体１００の上方に設置した撮像装置５０によって物体１００を撮像する。これにより得られた画像は、図４の右側の図に示すように、光源９０に近い側の内部エッジ１００ａは不鮮明な画像になり、光源９０から離れた側の内部エッジ１００ｂは鮮明な画像になる。これは、物体１００の右側（光源９０から遠い側）には光が当たりにくく、物体１００の上面部と右側面部との明暗差がつくからである。一般的に画像処理において、エッジ抽出は輝度の微分によって行われ、明暗差が鮮明な場所のエッジは抽出し易い。
【００２８】
次に第２のステップでは、物体１００の右側に設置した光源９０から物体１００に光を照射し、物体１００の上方に設置した撮像装置５０によって物体１００を撮像する。この場合には、図５の右側の図に示すように、左側の内部エッジ１００ｃは鮮明な画像が得られるが、右側の内部エッジ１００ｄは不鮮明な画像が得られることになる。
【００２９】
そして、図６（ａ）に示すように、図４の第１のステップで得られた画像と、図５の第２のステップで得られた画像とを重畳することによって、内部エッジや輪郭エッジが鮮明な画像を得ることができることになる。
【００３０】
つまり、物体１００に対して出射した光源９０からの光の出射方向に対して上方から撮像装置５０を用いて、物体１００の画像を複数枚撮像して、それらの画像のエッジ画を抽出し、エッジ画像を合成する処理を実行すればよい。なお、撮像装置５０は物体１００に対して出射した光源９０からの光の出射方向に対して上方から物体１００を撮像すれば、鮮明な画像を得ることが可能である。しかしながら、この場合、より鮮明な画像を得るには、物体１００に対して出射した光源９０からの光の出射方向に対してその光の出射方向から、仰角及び俯角が４５°程度以上の位置に撮像装置を設ければ、鮮明な画像を抽出することが可能である。この様子を図６（ｂ）に示す。図６（ｂ）は、光源９０からの光の出射方向１１１（図６（ｂ）で示した矢印）に対して鮮明な画像を抽出できる領域１１２(
出射方向１１１に対する仰角及び俯角が４５°以上の領域）を示している。この領域１１２に撮像装置５０を設ければ鮮明な画像を抽出することができる。
【００３１】
（第２の実施形態）
図７〜図９には、アーム部１０の支持部４０を回転しながら、支持部４０に設けられた２つの把持部１１０の各光源９０から出射した光を物体１００に照射し、上方の支持部４０に設けられた撮像装置５０により、各光源９０から出射した光の方向に対して上方から画像を撮像する様子を示す。簡単のため、アーム部１０から手首部３０まで及び把持部１１０の細部については省略してある。
【００３２】
また、図８は図７の位置から支持部４０を４５°回転させた図を示し、図９は図７の位置から支持部４０を９０°回転させた図を示している。なお、図７〜図９の右側の図に上方向から眺めた図を示している。
【００３３】
図１０は、本実施形態による物体１００の撮像工程と、画像を取得するフローチャートを示す。
【００３４】
まず、図７に示すように、撮像装置５０を用いて画像を取得する際には、ロボットハンドのアーム部１０が対象物体１００に接近する（図１０のステップＳ１００）。次に、アーム部１０の把持部１１０に設けられた光源９０により物体１００の第１の横方向から光を照射し、物体１００の撮像画像を撮像装置５０により取得する。その取得した画像に対して画像処理装置（図示せず）により、画像の微分処理を行うことによって、エッジを抽出する（図１０のステップＳ１１０）。このエッジ画像をＡとする。
【００３５】
なお、画像処理装置は撮像装置５０内に内蔵してもよいし、ロボットハンドに外部接続するものであってもよい。また、撮像装置５０は、支持部４０における２つの把持部１１０の対向する面内であって、中央付近に備えられていれば、撮像した画像の座標変換処理を行う工程を省くことができるので好ましい。しかしながら、それ以外の位置、例えば、２つの把持部１１０を含む平面に対向した面内領域、若しくはそれ以外の位置に備えられていても、撮像装置５０を座標変換処理によって軸合わせをすればよい。
【００３６】
画像の微分処理は、例えば、図１１に示すように、灰色背景２００の中央に白ウィンドウ３００が表示されている場合、線分Ｉ―Ｉ’上の輝度をｚ軸（紙面に対して垂直方向）とし、画面横方向の座標をｘとして、グラフを書くと図１２のようになる。これをｚ＝ｆ（ｘ）という関数とみなす。関数ｆは絵柄によって任意に変化する。
【００３７】
そして、この関数ｚ＝ｆ（ｘ）をｘに関して微分を行ったｚ’＝ｆ’（ｘ）を描くと図１３のようになり、画面としては図１４のような映像が得られる。この微分処理により、画像のエッジ部を抽出することができる。
【００３８】
画像を微分してエッジを抽出する方法以外にも、フォトメトリック法を用いて物体の形状を把握することも可能である。
【００３９】
例えば、図１５のような球体１２０を認識する場合、固定された光源、固定された撮像装置だけでは、球体１２０の形状が不鮮明になる。そこで、図１５の光源９０の位置状態から、図１６の位置に光源９０を移動させることにより、球体１２０のテカリ位置（反射光の強い位置）が変化し、球体であることを容易に認識することができる。この手法は球体だけには限られず、楕円体、ひょうたん型等、任意の形状にも適用することができる。即ち、この方法は、暗闇の状態で物体に光を様々な方向から当てることにより、物体の形状を認識できるという技術に基づいている。
【００４０】
次に、図８に示すように、把持部１１０を図７の状態から４５°回転させて、上記した方法と同様に第２の横方向から光を照射して、上方の撮像装置５０から物体１００の画像を取得する（図１０のステップＳ１２０）。このエッジ画像をＢとする。
【００４１】
さらに、図９に示すように、把持部１１０を図７の状態から９０°回転させて、上記した方法と同様に第３の横方向から光を照射して、上方の撮像装置５０から物体１００の画像を取得する（図１０のステップＳ１３０）。この画像をＣとする。更に、第４の角度に把持部１１０を回転したときの画像も上記した方法と同様の方法で取得して（図１０のステップＳ１４０）、その画像をＤとする。
【００４２】
そして、これらの４つの画像Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを重畳させて、可能な限り多くの物体１００のエッジを捉えた画像を形成する（図１０のステップＳ１５０）。撮像する画像の枚数としては、撮像する物体の形状によるが、例えば、９０°刻みで最低２枚あればよい。
【００４３】
次に、あらかじめ撮像した物体１００のモデル画像と実際に取得した画像とをマッチングさせ（図１０のステップＳ１６０）、物体１００を認識させることにより、物体１００の位置・形状を算出する（図１０のステップＳ１７０）。
【００４４】
マッチングの具体的方法は、例えば、図１７のように、物体のある頂点の画面への投影角α、β、γがわかれば、物体とカメラの距離に依存せずに物体の三次元形状を算出することができる。これは、角度が距離に対して不変であるからである。形状が求まれば、物体の辺の長さを物体モデルと比較し、物体と撮像装置の距離を計算することができる。
【００４５】
このようにして、様々な角度から物体１００に光を照射し、光源９０から出射した光の出射方向に対して上方から撮像装置５０を用いて物体１００を撮像することにより画像を取得し、それらの画像を重畳することにより、物体１００の形状を精度よく認識することができる。
【００４６】
（第３の実施形態）
図１８には、本発明の物体検出方法が適用されるロボットハンドの第３の実施形態を示す。
【００４７】
第１の実施形態と異なる点は、第１の実施形態のロボットハンドで用いられていた指部８０が導光部１３０になっている点が異なる。
【００４８】
導光部１３０は透明材料からなり、その先端は光源９０から出射した光が導光部１３０の先端で全反射して、物体１００に照射するように加工されている。透明材料としては、例えば、アクリル、ガラス等の材料を用いることができ、その材料に応じて導光部１３０の先端部を加工する必要がある。例えば、アクリルを用いた場合、その屈折率は１．４９で、スネルの法則により全反射角は４２．１°となり、導光部１３０の先端を最低４２．１°以上でカットすればよい。また、上記の透明材料を用いた場合、加工が容易であるめ、導光部１３０を細長く加工することが可能である。導光部１３０を細長く加工することによって、手先が軽くなるので、ロボットアームのモータを小型化でき、機敏な動きと狭い空間での作業効率の向上が望める。
【００４９】
図１（ａ）の指部８０を導光部１３０とすることで、導光部１３０が透明なことにより、撮像装置５０の視界を妨げないことにより、物体１００をさらに精度よく選別することができるという特徴がある。なお、このとき、光源９０は、導光部１３０が物体１００を把持することによる衝撃が光源９０に伝わらない位置に備え付けておけばよい。
【００５０】
また、本実施形態の第１の変形例として、図１９に示すように導光部１３０の外周部を被覆部１４０によって覆った構成とするものである。これにより、導光部１３０を傷つけずに保護することができる。被覆部１４０としては、例えば、金属ケースや金属コートが挙げられる。このとき、導光部１３０の先端を覆っている被覆部１４０の光が出射する部分は開口しておく必要がある。
【００５１】
さらに、本実施形態の第３の変形例として、図２０に示すように、導光部１３０の先端に透明の接触センサ１５０を設けてもよい。接触センサ１５０としては、例えば、抵抗型接触センサ、静電容量型接触センサ、又は圧電素子等を用いればよい。これにより、光の透過を遮らずに、物体１００との接触を確認することができる。
【００５２】
（第４の実施形態）
図２１に本発明が適用されるロボットハンドの第４の実施形態を示す。
【００５３】
本実施形態のロボットハンドは、支持部４０に設置されている２つの把持部１１０を含む複数の平面によって挟まれた領域に、物体１００を把持するためのハンド１６０を設けている。ハンド１６０は、支持部４０に取り付けられている。
【００５４】
本実施形態も上記した方法で物体１００を検出する。この場合、把持部１１０は支持部４０に固定されており、物体１００を精度よく選別する。例えば、物体１００が複数個あるとき、把持部１００により、物体を選別し、選別した物体１００をハンド１６０によって物体１００を把持する。
【００５５】
また、把持部１１０は支持部４０に固定される必要はなく、状況に応じて、把持部１１０又はハンド１６０で物体１００を把持する。例えば、物体１００が複数個あるときで、把持部１１０で把持することのできない小さな物体１００がある場合、把持部１１０である程度物体１００をかき集め、その中からハンド１６０を用いて複数ある物体１００の中から所望の物体１００を把持する。また、ハンド１６０は、複数備えてもよい。なお、このハンド１６０は本発明に用いられるロボットハンドであってもよい。
【００５６】
本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、発明の要旨を逸脱しない範囲において、適宜設計変更することができ、また上述した第１の実施形態乃至第４の実施形態およびその変形例を適宜組み合わせても良い。
【符号の説明】
【００５７】
１０  …  アーム部
１１  …  モータ
１２  …  減速機
２０  …  関節部
２１  …  傘歯歯車
３０  …  手首部
４０  …  支持部
５０  …  撮像装置
６０  …  スライドガイド
７０  …  バネ
８０  …  指部
９０  …  光源
１００  …  物体
１００ａ  …  内部エッジ
１００ｂ  …  内部エッジ
１００ｃ  …  内部エッジ
１００ｄ  …  内部エッジ
１１０  …  把持部
１１１  …  出射方向
１１２  …  領域
１２０  …  球体
１３０  …  導光部
１４０  …  被服部
１５０  …  接触センサ
１６０  …  ハンド
【図１（ａ）】
2010162638.tif 000003
【図１（ｂ）】
2010162638.tif 000004
【図２】
2010162638.tif 000005
【図３】
2010162638.tif 000006
【図４】
2010162638.tif 000007
【図５】
2010162638.tif 000008
【図６（ａ）】
2010162638.tif 000009
【図６（ｂ）】
2010162638.tif 000010
【図７】
2010162638.tif 000011
【図８】
2010162638.tif 000012
【図９】
2010162638.tif 000013
【図１０】
2010162638.tif 000014
【図１１】
2010162638.tif 000015
【図１２】
2010162638.tif 000016
【図１３】
2010162638.tif 000017
【図１４】
2010162638.tif 000018
【図１５】
2010162638.tif 000019
【図１６】
2010162638.tif 000020
【図１７】
2010162638.tif 000021
【図１８】
2010162638.tif 000022
【図１９】
2010162638.tif 000023
【図２０】
2010162638.tif 000024
【図２１】
2010162638.tif 000025