(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元位置を異にして複数配置された信号供給源と、
前記信号供給源から供給された信号に基づき該信号供給源との距離または該信号供給源の方向を算出することで自体の３次元位置を導出し、該自体の３次元位置またはそれに相当する物理量を示す位置情報を無線通信によって発信する複数の位置センサと、
前記複数の位置センサを包容する包容体と、
前記複数の位置センサが発信した位置情報を受信するセンサ情報集約部と、
前記包容体の３次元形状を、該複数の位置センサの位置情報に基づいて導出する３次元形状導出部と、
を備えることを特徴とする３次元形状導出装置。
【請求項２】
自体の３次元位置またはそれに相当する物理量を示す位置情報を発信する複数の位置センサと、
前記複数の位置センサを包容するとともに変形機構が施された包容体と、
前記複数の位置センサが発信した位置情報を受信するセンサ情報集約部と、
前記包容体の３次元形状を、該複数の位置センサの位置情報に基づいて導出する３次元形状導出部と、
を備えることを特徴とする３次元形状導出装置。
【請求項３】
前記包容体は、任意の対象物を把持することを特徴とする請求項２に記載の３次元形状導出装置。
【請求項４】
前記位置センサは、さらに、該位置センサに加わる圧力を測定することを特徴とする請求項３に記載の３次元形状導出装置。
【請求項５】
自体の３次元位置またはそれに相当する物理量を示す位置情報を発信する複数の位置センサと、
前記複数の位置センサを包容する包容体と、
前記複数の位置センサが発信した位置情報を受信するセンサ情報集約部と、
前記包容体の３次元形状を、該複数の位置センサの位置情報に基づいて導出する３次元形状導出部と、
を備え、
前記位置センサは、自体が、所定空間範囲内で唯一の代表位置センサとなった場合にのみ位置情報を発信することを特徴とする３次元形状導出装置。
【請求項６】
自体の３次元位置またはそれに相当する物理量を示す位置情報を発信する複数の位置センサと、
前記複数の位置センサを包容する包容体と、
前記複数の位置センサが発信した位置情報を受信するセンサ情報集約部と、
前記包容体の３次元形状を、該複数の位置センサの位置情報に基づいて導出する３次元形状導出部と、
を備え、
前記位置センサは、近傍に存在する他の複数の位置センサの３次元位置に基づいて、自体が前記包容体の境界に位置するか否かを判定し、該包容体の境界に位置する場合にのみ位置情報を発信することを特徴とする３次元形状導出装置。
【請求項７】
前記位置センサは、所定範囲内に存在する他の位置センサの個数が、該位置センサの密度に基づく所定閾値以下であれば、自体が前記包容体の境界に位置すると判定することを特徴とする請求項６に記載の３次元形状導出装置。
【請求項８】
前記位置センサは、前記位置センサを対称点とした他の複数の位置センサの重心位置の点対称と前記位置センサとを結ぶ結線を中心軸とした所定ステラジアン内かつ所定範囲内に他の位置センサがないとき、自体が前記包容体の境界に位置すると判定することを特徴とする請求項６に記載の３次元形状導出装置。
【請求項９】
複数の位置センサと、該複数の位置センサを包容するとともに変形機構が施された包容体と、該複数の位置センサと通信可能なセンサ情報集約部とを備える３次元形状導出装置を用いて該包容体の３次元形状を導出する３次元形状導出方法であって、
前記複数の位置センサは、自体の３次元位置またはそれに相当する物理量を示す位置情報を発信し、
前記センサ情報集約部は、前記複数の位置センサが発信した位置情報を受信し、
前記包容体の３次元形状を、該複数の位置センサの位置情報に基づいて導出することを特徴とする３次元形状導出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサネットワークを通じて３次元形状を導出する３次元形状導出装置および３次元形状導出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今、軽量小型で無線通信可能なセンサを用いて、任意の対象物の位置を特定する技術が普及している。例えば、電波強度や電磁誘導態様等が異なる通信手段を用い、特定の範囲でのみセンサとの通信が成立するように制限することで、センサの通信が成立しているか否かによってセンサが付された装置の大凡の位置を検出する技術が開示されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
また、監視対象に、識別信号を発信可能なセンサを付け、アドホック等のセンサネットワークを通じてセンサの位置を特定することで、監視対象の位置を特定する技術が公開されている（例えば、特許文献２）。さらに、センサネットワークにおいて、位置が既知な２つのセンサを利用し、任意のセンサとその位置が既知な２つのセンサとの距離に基づいて任意のセンサの位置を順次導出する技術も開示されている（例えば、特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−  ５９０８７号公報
【特許文献２】特開２００７−２７９８９５号公報
【特許文献３】特開２００９−２５０６２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、様々な対象物の３次元空間での位置や形状を測定する技術が求められている。このような測定によって得られる３次元空間での位置や形状は、例えば、規則的に載置された複数の対象物を自律的に認識し、産業用のロボットのハンドにその認識した対象物を１つずつ把持させるピッキング処理等、様々な用途に用いることができる。しかし、上述した特許文献１〜３に記載された技術では、対象物の位置を特定することはできても、センサが対象物に固定されているので対象物の形状を特定することはできない。
【０００６】
ピッキング処理に用いるハンドは、その形状が多種多様になってきており、関節角度しか自由度を持たない単純なものだけでなく、完全なフリーフォーム式のユニバーサルハンドも考案されている。このようなフリーフォーム式のハンドでは、形状の自由度が非常に大きく、同一の対象物を把持したとしてもハンドの形状が同一になるとは限らず、そのハンドの形状を把握する必要がある。このような３次元空間での形状を測定するためには、複数台のカメラやレーザセンサ等の大掛かりな装置が必要であった。しかし、ピッキング処理においては、把持している対象物によって死角ができたり、レーザ光の影になる部分が生じたりして、このような大掛かりな装置をもってしても、ハンドの形状を正確に測定することはできなかった。また、そもそも握っているハンドの内側（手のひら側）を測定するのは不可能である。
【０００７】
また、従来の技術では、ハンドにおける対象物と接している面の形状や圧力を把握できなかったので、対象物をどの程度しっかり把持しているかを知る術がなかった。
【０００８】
本発明は、このような課題に鑑み、センサネットワークを用い、カメラやレーザでは測定困難な部位の形状までも導出可能な３次元形状導出装置および３次元形状導出方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の３次元形状導出装置は、３次元位置を異にして複数配置された信号供給源と、信号供給源から供給された信号に基づき信号供給源との距離または信号供給源の方向を算出することで自体の３次元位置を導出し、自体の３次元位置またはそれに相当する物理量を示す位置情報を無線通信によって発信する複数の位置センサと、複数の位置センサを包容する包容体と、複数の位置センサが発信した位置情報を受信するセンサ情報集約部と、包容体の３次元形状を、複数の位置センサの位置情報に基づいて導出する３次元形状導出部とを備えることを特徴とする。
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明の他の３次元形状導出装置は、自体の３次元位置またはそれに相当する物理量を示す位置情報を発信する複数の位置センサと、複数の位置センサを包容するとともに変形機構が施された包容体と、複数の位置センサが発信した位置情報を受信するセンサ情報集約部と、包容体の３次元形状を、複数の位置センサの位置情報に基づいて導出する３次元形状導出部と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
包容体は、任意の対象物を把持するとしてもよい。
【００１３】
位置センサは、さらに、位置センサに加わる圧力を測定してもよい。
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明の他の３次元形状導出装置は、自体の３次元位置またはそれに相当する物理量を示す位置情報を発信する複数の位置センサと、複数の位置センサを包容する包容体と、複数の位置センサが発信した位置情報を受信するセンサ情報集約部と、包容体の３次元形状を、複数の位置センサの位置情報に基づいて導出する３次元形状導出部と、を備え、位置センサは、自体が、所定空間範囲内で唯一の代表位置センサとなった場合にのみ位置情報を発信することを特徴とする。
【００１６】
上記課題を解決するために、本発明の他の３次元形状導出装置は、自体の３次元位置またはそれに相当する物理量を示す位置情報を発信する複数の位置センサと、複数の位置センサを包容する包容体と、複数の位置センサが発信した位置情報を受信するセンサ情報集約部と、包容体の３次元形状を、複数の位置センサの位置情報に基づいて導出する３次元形状導出部と、を備え、位置センサは、近傍に存在する他の複数の位置センサの３次元位置に基づいて、自体が包容体の境界に位置するか否かを判定し、包容体の境界に位置する場合にのみ位置情報を発信することを特徴とする。
【００１７】
位置センサは、所定範囲内に存在する他の位置センサの個数が、位置センサの密度に基づく所定閾値以下であれば、自体が包容体の境界に位置すると判定してもよい。
【００１８】
位置センサは、位置センサを対称点とした他の複数の位置センサの重心位置の点対称と位置センサとを結ぶ結線を中心軸とした所定ステラジアン内かつ所定範囲内に他の位置センサがないとき、自体が包容体の境界に位置すると判定してもよい。
【００１９】
上記課題を解決するために、複数の位置センサと、複数の位置センサを包容するとともに変形機構が施された包容体と、複数の位置センサと通信可能なセンサ情報集約部とを備える３次元形状導出装置を用いて包容体の３次元形状を導出する本発明の３次元形状導出方法では、複数の位置センサは、自体の３次元位置またはそれに相当する物理量を示す位置情報を発信し、センサ情報集約部は、複数の位置センサが発信した位置情報を受信し、包容体の３次元形状を、複数の位置センサの位置情報に基づいて導出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、センサネットワークを用いることで、カメラやレーザでは測定困難な部位の形状までも導出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】ピッキングシステムの概略的な接続関係を示した説明図である。
【図２】３次元形状導出装置の概略的な構成を示した機能ブロック図である。
【図３】センサの概略的な構成を示した機能ブロック図である。
【図４】複数のセンサによって構築されるセンサネットワークを説明するための説明図である。
【図５】位置情報を発信する所定の条件を説明するための説明図である。
【図６】センサによる境界判定を説明するための説明図である。
【図７】センサによる境界判定を説明するための説明図である。
【図８】センサによる境界判定を説明するための説明図である。
【図９】３次元形状導出方法の処理の流れを示したフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００２３】
（ピッキングシステム１０）
図１は、ピッキングシステム１０の概略的な接続関係を示した説明図である。ピッキングシステム１０は、対象物測定装置６０と、対象物認識装置７０と、ロボット制御装置８０と、ロボット９０と、３次元形状導出装置１００とを含んで構成される。
【００２４】
対象物測定装置６０は、例えば、レーザースキャナ方式の３次元距離センサで構成され、不規則に積み上げられ乱雑に重なっている複数の対象物（ワーク）６２の測定面（表面）における複数の検出点の３次元座標を検出する。具体的に、対象物測定装置６０は、３次元距離センサを通じ、測定面上の複数の検出点の、対象物測定装置６０からの距離を示すＺ軸座標と、検出方向に垂直な面（ＸＹ平面）上におけるＸ、Ｙ軸座標とを合わせて３次元座標とし、その３次元座標を示す情報を対象物認識装置７０に送信する。
【００２５】
対象物認識装置７０は、対象物測定装置６０から受信した情報に示される３次元座標に基づいて１の対象物６２を選択し、パターンマッチング等により、その対象物６２が予め準備された３次元モデルで示される所望する対象物６２であるか否か判定し、その対象物６２の位置や姿勢を特定する。また、対象物認識装置７０は、認識した１の対象物６２の位置や姿勢を示す情報をロボット制御装置８０に送信し、ロボット制御装置８０に対象物６２をピッキングさせる。
【００２６】
ロボット制御装置８０は、対象物認識装置７０から対象物６２の位置や姿勢を示す情報を受信して、ロボット９０に対象物６２をピッキングさせる制御指令を発する。ロボット９０は、その制御指令を受けて、指示された１の対象物６２を、ハンド（包容体）９２を通じてピッキングする。
【００２７】
３次元形状導出装置１００は、対象物６２を把持するハンド９２が、どのように対象物６２を把持しているか、即ち、対象物６２を把持した状態におけるハンド９２の３次元形状や、把持により得られる圧力等を導出し、その３次元形状等を示す情報をロボット制御装置８０に送信する。ロボット制御装置８０は、３次元形状導出装置１００から受信した情報で示されるハンド９２の３次元形状等を用いて、対象物６２を適切に把持するよう制御する。また、ハンド９２を対象物６２の一つにアプローチさせる際は、ハンド９２が周辺構造物や、他の対象物６２と衝突しないように、形状を測定し、干渉をさける適切なアプローチパスを算出する必要がある。このようなピッキングシステム１０によって、例えば、不規則に積み上げられた対象物６２を所定の位置に整列させる作業を自動化することができる。以下、本実施形態で特徴的な３次元形状導出装置１００について詳述する。
【００２８】
（３次元形状導出装置１００）
図２は、３次元形状導出装置１００の概略的な構成を示した機能ブロック図であり、図３は、位置センサ１１２の概略的な構成を示した機能ブロック図である。３次元形状導出装置１００は、複数の信号供給源１１０と、複数の位置センサ１１２と、ハンド９２と、センサ情報集約部１１４と、保持部１１６と、中央制御部１１８とを含んで構成され、３次元形状導出装置１００の包容体に相当するハンド９２の３次元形状等を導出する。
【００２９】
信号供給源１１０は、３次元位置を異にして配置され、複数の位置センサ１１２に電場や磁場、あるいは電磁波に基づく信号を供給する。信号供給源１１０は、位置センサ１１２への位置計算用信号の送信源と電力供給源との２つの役割を担うが、この機能を分離して、それぞれを別固体として配置してもよい。
【００３０】
位置センサ（マイクロセンサ）１１２は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）等の微細加工技術や半導体プロセスの微細化により、粒子状（軽量、小型）かつ流動自在に形成され、信号供給源１１０から供給された信号に基づいて信号供給源１１０との距離または信号供給源１１０の方向を算出することで自体の３次元位置を自己完結的に導出し、３次元位置を示す位置情報を発信する。ここでいう位置情報とは、３次元位置座標（ｘ，ｙ，ｚ座標）のみに限定されず、信号の強度や位相等、３次元位置に相当する、測定された物理量から最終的に位置情報に変換することができる情報であってもよい。また、ここでは、位置センサ１１２が流動自在に形成される例を挙げているが、かかる場合に限られず、例えば、位置センサ１１２がプラスチック等の樹脂に練り込まれて流動性が低下または失われている場合も本実施形態の技術的範囲に含まれる。ここで、位置センサ１１２は、他の位置センサ１１２との摩擦を考慮して球状かつコーティングが施されたものを用いるとするが、かかる形状に限らず、扱いやすい任意の形状とすることができる。また、図３に示すように、位置センサ１１２は、アンテナ１１２ａと、電源部１１２ｂと、通信部１１２ｃと、マイクロコンピュータ１１２ｄとを含んで成る。
【００３１】
アンテナ１１２ａは、あらゆる方向の電磁波を受信し、また、位置センサ１１２内で生成された信号を電磁波として発信する。位置センサ１１２における通信方式として、例えば消費電力の少ない近距離通信（ＮＦＣ）が採用されている。電源部１１２ｂは、受信した電磁波から誘導起電力を得て、その電力により位置センサ１１２を動作させる（電力レスセンサ）。電源部１１２ｂは、ほとんど電力を消費しないため、自体に小型の電池を有すこともできる。通信部１１２ｃは、アンテナ１１２ａを通じて近傍の他の位置センサ１１２やセンサ情報集約部１１４とデータ通信を行う。マイクロコンピュータ１１２ｄは、信号供給源１１０の信号に基づいて自己の３次元位置を導出する３次元位置導出部１１２ｅと、自己がハンド９２の境界に位置していることを判定する境界判定部１１２ｆとして機能する。また、位置センサ１１２は、位置センサ１１２に加わる圧力、位置センサ１１２近傍の温度、アンテナ１１２ａで受信する電磁波の電波強度や位相等、他の環境パラメータを測定することもできる。
【００３２】
ハンド９２は、変形機構（図示せず）を有しており、変形機構は、ロボット制御装置８０の制御指令を受けて、対象物６２を把持できる位置および姿勢にハンド９２を変形する。かかる変形機構は、ハンド９２内外いずれに設けられていてもよい。また、ハンド９２は、ユニバーサルハンドとも称され、複数の球状の粒子（本実施形態では、複数の位置センサ１１２）を流動可能に包容し、自体も弾性部材等、変形自由度が高い部材で形成されている。また、プラスチック等の樹脂の如く、変形自由度に乏しいまたは変形自由度がないものも本実施形態の技術的範囲に含まれる。ハンド９２に包容される各位置センサ１１２は、近傍の他の位置センサ１１２との結合が弱く、ハンド９２内で自由に配置換えを行うことができ、移動自由度が高い。ハンド９２は、対象物６２を把持できる位置および姿勢に変形された後、ハンド９２内の空気が抜かれることで、ハンド９２内の粒子（位置センサ１１２）の位置が固定され、対象物６２を把持することが可能となる。
【００３３】
このとき、ハンド９２内の複数の位置センサ１１２は、３次元位置と共に、位置センサ１１２に加わる圧力も測定し、合わせて位置情報として発信する。こうして、３次元形状導出装置１００は、ハンド９２が対象物６２を正しく把持しているか否かを把握することができる。また、ハンド９２が対象物６２に与える圧力も調整することが可能となるので、対象物６２が脆かったり、形状が変形し易い場合においても、対象物６２を適切に把持することができる。また、さらに位置センサ１１２近傍の温度も測定することで、ハンド９２内の温度ＭＡＰも生成することが可能となる。
【００３４】
センサ情報集約部１１４は、位置センサ１１２が発信した位置情報を受信する。また、センサ情報集約部１１４から電場や電磁波を位置センサ１１２に供給して、信号供給源１１０の機能を担うとしてもよい。保持部１１６は、ＲＯＭ、不揮発性ＲＡＭ、フラッシュメモリ、ＨＤＤ(Hard Disk Drive)等で構成され、センサ情報集約部１１４で受信された位置情報等を一時的に保持する。中央制御部１１８は、中央処理装置（ＣＰＵ）や信号処理装置（ＤＳＰ：Digital Signal Processor）、プログラム等が格納されたＲＯＭやメモリ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含む半導体集積回路により、３次元形状導出装置１００全体を管理および制御する。また、本実施形態において、中央制御部１１８は、ハンド９２内における複数の位置センサ１１２が存在する部分の３次元形状を、複数の位置センサ１１２の位置情報に基づいて導出する３次元形状導出部１３０としても機能する。以下、このような３次元形状導出装置１００の具体的な処理を説明する。
【００３５】
（位置センサ１１２における３次元位置の導出処理）
例えば、信号供給源１１０が電磁波に基づく信号を位置センサ１１２に供給している場合、位置センサ１１２の３次元位置導出部１１２ｅは、その電磁波の電波強度を通じて信号供給源１１０との距離を把握することができる。また、他の信号供給源１１０との位相差を用いることで、相対的な距離差を計算することもできる。さらに、位置センサ１１２のアンテナ１１２ａが指向性のマイクロアレイアンテナ等であれば、信号供給源１１０の方向を把握することも可能である。
【００３６】
したがって、位置センサ１１２の３次元位置導出部１１２ｅが自己の３次元位置を導出するためには、位置センサ１１２が信号供給源１１０の距離と方向を把握できる場合、信号供給源１１０は１つあれば足り、位置センサ１１２が信号供給源１１０の方向のみ把握できる場合、信号供給源１１０が２つあれば足り、位置センサ１１２が信号供給源１１０との距離のみを把握できる場合、信号供給源１１０が３つあれば足りる。
【００３７】
また、ハンド９２内における位置センサ１１２の空間自由度が限定的な場合、位置センサ１１２は、さらに少ない信号供給源１１０で自己の３次元位置を導出できる。また、位置センサ１１２がＧＰＳ（Global Positioning System）等、既存のシステムを利用可能な場合、３次元位置導出部１１２ｅは、そのＧＰＳによって３次元位置を導出することも可能である。
【００３８】
また、信号供給源１１０が磁場に基づく信号を位置センサ１１２に供給している場合、複数の信号供給源１１０は、それぞれ排他的に磁場をオン／オフし、その際にいずれの信号供給源１１０をオンしたかを位置センサ１１２に知らせるべく、信号供給源１１０を特定する識別子を送信する。位置センサ１１２の３次元位置導出部１１２ｅは、その識別子と磁場の磁界強度を通じて個々の信号供給源１１０との距離を把握することができる。こうして、位置センサ１１２の３次元位置導出部１１２ｅは、複数の信号供給源１１０との距離に基づく３点測位法により、自己の３次元位置を導出することが可能となる。
【００３９】
（センサネットワーク）
図４は、複数の位置センサ１１２によって構築されるセンサネットワークを説明するための説明図である。上述したように信号供給源１１０の信号を受けて自己の３次元位置を導出した位置センサ１１２は、その３次元位置を示す位置情報をセンサ情報集約部１１４に伝達する。この際、近傍にある（隣り合う）複数の位置センサ１１２同士は、互いに無線通信し合うことで情報交換を行う、自律分散型のセンサネットワークを形成し、図４に示すように、各位置センサ１１２は、他の位置センサ１１２を複数経由する（ホップする）ことで最終的にセンサ情報集約部１１４に位置情報を伝達することができる。したがって、センサ情報集約部１１４は、複数の位置センサ１１２全てから個々に位置情報を受信しなくとも、センサ情報集約部１１４に近い位置センサ１１２群１３８に局所的に集められた位置情報を受信することで複数の位置センサ１１２全ての位置情報を取得することが可能となる。
【００４０】
本実施形態では、ＩＥＥＥ８０２．１５．４として規格化されたＺｉｇｂｅｅ（登録商標）等にも代表されるセンサネットワークを採用し、既存のアドホック機能やルーティン機能を用いて各位置センサ１１２の位置情報の取得経路を構築する。かかるアドホック機能やルーティン機能は、既存の様々な技術を適用できるので、ここではその詳細な説明を省略する。ただし、本実施形態においては、各位置センサ１１２が信号供給源１１０からの距離や自体の３次元位置を把握できるため、その３次元位置情報やスパニングツリープロトコルを用いて、センサ情報集約部１１４により遠い位置センサ１１２から、より近い位置センサ１１２に情報を経由する経路を構築できる（図４参照）。ハンド９２内では位置センサ１１２が流動しているため、情報伝達経路をリアルタイムに再構築するのが望ましいが、ハンド９２が対象物６２を把持した後、即ち、ハンド９２内の空気が抜かれ位置センサ１１２の配置が固定された後は、構築した情報伝達経路を維持（ネットワーク固定）することができる。
【００４１】
（位置情報を発信する所定の条件について）
上記の複数の位置センサ１１２は、それぞれが位置情報を発信する能力を有しているが、本実施形態では、全ての位置センサ１１２に位置情報を発信させず、所定の条件を満たした場合にのみ位置情報を発信することとする。
【００４２】
位置センサ１１２は、ハンド９２の大きさや形状に応じて、数百、数千、またはそれ以上になる場合がある。しかし、その数百、数千の位置センサ１１２の３次元位置を全て厳密に取得するとした場合、センサネットワーク内の情報伝達負荷や中央制御部１１８における計算負荷が膨大になってしまい、所望する結果を得られないこともある。ここでは、所定の条件を満たした位置センサ１１２のみが位置情報を発信することで、位置情報元となる位置センサ１１２数を間引き、センサネットワーク内の情報伝達負荷や中央制御部１１８における計算負荷の軽減を図っている。ただし、位置センサ１１２に所定の条件を課すことでセンサ情報集約部１１４への情報伝達負荷は軽減されるが、近傍の他の位置センサ１１２との通信は継続的に実行される。したがって、近傍の他の位置センサ１１２との通信とセンサ情報集約部１１４に位置情報を伝達する通信とで、例えば、識別子の異なるヘッダやホップ数を示すヘッダを用いる等、別々のプロトコルを用いている。
【００４３】
以下、図５を用い、上述した所定の条件として、（１）適当に代表位置センサを導出する処理、（２）所定空間範囲内で代表位置センサを導出する処理、（３）境界に位置する位置センサを導出する処理、を例示する。ただし、所定の条件は、かかる場合に限られず、圧力や温度といった他のパラメータが所定閾値以上または所定閾値以下となった場合等、様々な条件を設定することができる。
【００４４】
（（１）適当に代表位置センサを導出する処理）
図５（ａ）に示すように、ハンド９２内の任意の位置センサ１１２ｇは、その近傍（例えば２ホップ内や所定遅延量内）にある複数の（例えば、数十、数百の）他のセンサ１１２を１つのグループ１４０とみなし（クラスタ化）、自体の位置情報をそのグループ１４０の代表値としてセンサ情報集約部１１４に送信する。このとき、３次元位置を収集した任意の位置センサ１１２がそのグループ１４０内に位置する他の位置センサ１１２の代表位置センサとなるので、３次元位置が参照されたグループ１４０内の他の位置センサ１１２は、３次元位置をセンサ情報集約部１１４に伝達しなくてよいとすることができる。ここで、近傍の範囲の基準となるホップ数や所定遅延量、３次元位置の平均化対象となるセンサ数は、３次元形状導出装置１００に要求される精度や分解能に応じて適宜決定される。
【００４５】
（（２）所定空間範囲内で代表位置センサを導出する処理）
他の例として、所定空間範囲内で代表位置センサ１１２を導出することが考えられる。これは代表位置センサ１１２を導出する点で上述した（１）適当に代表位置センサを導出する処理と似ているが、予め定められた範囲内に唯一の代表位置センサを導出する点で異なる。
【００４６】
ここでは、図５（ｂ）に示すように、３次元空間がマトリクス状に複数の所定空間範囲１４２に分割されている（所定空間範囲１４２は、ｘ、ｙ、ｚ座標それぞれの長さで表すことができる。）。そして、ハンド９２内の任意の位置センサ１１２ｇは、所定空間範囲１４２にある複数の（例えば、数十、数百の）他のセンサ１１２を１つのグループとみなし、自体の位置情報をその所定空間範囲１４２の代表値としてセンサ情報集約部１１４に送信する。このとき、３次元位置を収集した任意の位置センサ１１２がその所定空間範囲１４２内に位置する他の位置センサ１１２の代表位置センサとなるので、３次元位置が参照された所定空間範囲１４２内の他の位置センサ１１２は、３次元位置をセンサ情報集約部１１４に伝達しなくてよいとすることができる。
【００４７】
また、３次元形状導出装置１００では、かかる所定空間範囲１４２を特定する手段として、例えば、ブロードキャストによる手段やＭＡＰによる手段を用いている。ブロードキャストによる手段では、センサ情報集約部１１４が、各所定空間範囲１４２に対し、所定空間範囲１４２内に位置センサ１１２が存在するか否かを問う情報を発信し、位置センサ１１２は、指定された所定空間範囲１４２内に自体が存在していれば、その旨、センサ情報集約部１１４に伝達する。３次元形状導出部１３０は、１の所定空間範囲１４２内に、所定の数以上の位置センサ１１２が存在していれば、その所定空間範囲１４２をハンド９２が占有していると判定する。各位置センサ１１２の位置測定精度が高い場合には、所定の数として１を含めることができる。３次元形状導出部１３０は、位置センサ１１２が所定の数以上存在する所定空間範囲１４２の外周部（輪郭部分）をハンド９２の外形であると判断する。
【００４８】
また、ＭＡＰによる手段では、各位置センサ１１２が複数の所定空間範囲１４２を特定可能なＭＡＰを有しており、自体が位置する所定空間範囲１４２にフラグが設定されているか否か判定し、フラグが設定されていなかったらフラグを設定して、その所定空間範囲１４２に自体が存在することを示す。そして、位置センサ１１２は、フラグの判定処理を終えたＭＡＰを近傍の位置センサ１１２に伝達する。伝達された位置センサ１１２は、そのＭＡＰを更新する。こうして、複数の位置センサ１１２を経由したＭＡＰの各所定空間範囲１４２には、フラグが設定されているところと、フラグが設定されていないところが生じる。３次元形状導出部１３０は、かかるＭＡＰを参照し、フラグが設定されていれば、その所定空間範囲１４２をハンド９２が占有していると判定し、フラグが設定されていなければ、その所定空間範囲１４２は、ハンド９２外の空間であると判定する。３次元形状導出部１３０は、フラグが設定されている所定空間範囲１４２の外周部（輪郭部分）をハンド９２の外形であると判断する。
【００４９】
（（３）境界に位置する位置センサを導出する処理）
また、図５（ｃ）に示すように、複数の位置センサ１１２ｇは、近傍に存在する他の複数の位置センサ１１２の３次元位置に基づいて、自体がハンド９２の包容壁１４４の境界に位置するか否かを判定し、ハンド９２の包容壁１４４の境界に位置する場合にのみ位置情報を発信することもできる。以下、位置センサ１１２の境界判定について詳述する。
【００５０】
（境界であることの判定処理）
図６、図７、図８は、位置センサ１１２による境界判定を説明するための説明図である。上述したように、位置センサ１１２は、粒子状に形成され、ハンド９２内に詰め込まれた状態で流動自在に移動する。位置センサ１１２の大きさは任意であるが、小さければ小さいほど測定精度を高めることができる。ここでは大きさが数ミリ程度の位置センサ１１２を想定している。また、このとき、ハンド９２内に位置センサ１１２のみを詰め込まず、砂等の流動体を並設（混合）してもよい。位置センサ１１２は、図６（ａ）に示すハンド９２の包容壁１４４内に入り込むことはないが、その他の空隙１５４には均等に充填されることとなる。
【００５１】
ハンド９２内の位置センサ１１２のみに着目すると、図６（ｂ）に示すように、包容壁１４４に相当する部分だけ位置センサ１１２が存在しないことになるので、ハンド９２内の包容壁１４４に当接している位置センサ１１２は、包容壁１４４の方向に他の位置センサ１１２の存在を検知できないこととなる。本実施形態では、この事象を利用して、位置センサ１１２が境界に位置するか否か判定する。
【００５２】
境界の判定処理として、計算負荷の小さいものでは、所定範囲近傍（例えば２ホップ内）の位置センサ１１２の個数を計算する方法がある。例えば、図７（ａ）のように、位置センサ１１２がハンド９２内で均等に配されている場合、空隙１５４に位置する位置センサ１１２ｈは近傍範囲１６０内に、例えば２０個の他の位置センサ１１２を検知することができる。しかし、図７（ｂ）のように、包容壁１４４の境界に位置した位置センサ１１２ｉは検知できる位置センサ１１２が半減し、近傍範囲１６０内に、例えば１２個の他の位置センサ１１２しか検知できないこととなる。このように、検知可能な他の位置センサ１１２の個数によって、位置センサ１１２の個数が、位置センサ１１２の密度に基づく所定閾値以下であれば、位置センサ１１２自体がハンド９２の包容壁１４４の境界に位置していることを簡易的に把握することが可能となる。
【００５３】
境界の他の判定処理として、図８に示すように、位置センサ１１２ｉは、位置センサ１１２ｉを対称点１７０とした所定範囲１６０内の他の複数の位置センサ１１２の重心位置１７２の点対称１７４と、位置センサ１１２とを結ぶ結線１７６を中心軸とした所定ステラジアン、例えば、（２−√２）πステラジアン内かつ所定範囲１６０内に他の位置センサ１１２がないとき、自体がハンド９２の包容壁１４４の境界に位置すると判定する。
【００５４】
これは、位置センサ１１２がハンド９２の包容壁１４４の境界に位置している場合、位置センサ１１２が集中しているところと位置センサ１１２が無いところとが正対していることを利用したもので、位置センサ１１２が集中しているところの重心位置１７２の点対称１７４に位置センサ１１２が無いことをもって、その位置センサ１１２が境界に位置していると判定するものである。ここで、（２−√２）πステラジアンは、頂角９０度の円錐の立体角を示す。また、頂角９０度に限らず、ハンド９２内の障害物１５０の形状に応じて適宜角度を変更することができる。
【００５５】
また、上述したように、所定の条件を満たした位置センサ１１２のみが位置情報を発信する場合において、ここでは、所定の条件をハンド９２の包容壁１４４の境界に位置することとすることができ、位置センサ１１２は、近傍に存在する他の複数の位置センサ１１２の３次元位置に基づいて、自体がハンド９２の包容壁１４４の境界に位置するか否かを判定し、ハンド９２の包容壁１４４の境界に位置する場合にのみ位置情報を発信することとする。
【００５６】
かかる構成により、図６（ｃ）の如く、ハンド９２の包容壁１４４の境界に位置する、図６（ｃ）中黒の塗り潰しで表した位置センサ１１２のみが位置情報をセンサ情報集約部１１４に伝達することとなるので、３次元形状導出装置１００は、全ての位置センサ１１２の位置情報を抽出しないことで計算負荷の軽減を図ることができ、境界に位置する位置センサ１１２の位置情報のみによって、ハンド９２の包容壁１４４の形状を正確に導出することが可能となる。
【００５７】
（位置情報の平均化処理）
ところで、電場や電磁波に基づくとしても、磁場に基づくとしても、各センサ１１２で導出された３次元位置が十分な精度を有さない場合がある。そこで、本実施形態におけるセンサ１１２は、センサネットワーク中の他のセンサ１１２の３次元位置も利用して３次元位置の高精度化を図ることができる。例えば、図５（ａ）を用いて説明した（１）適当に代表位置センサを導出する場合において、任意のセンサ１１２が、グループ１４０とみなした近傍）にある複数の他のセンサ１１２から３次元位置を取得し、取得した全てのセンサ１１２の３次元位置と自己が導出した３次元位置の平均値を求めて自己の３次元位置とする。このような平均化処理は、（２）所定空間範囲内で代表位置センサを導出する場合や、（３）境界に位置する位置センサを導出する場合にも適用できるのは言うまでもない。
【００５８】
例えば、位置センサ１１２の直径が０．１ｍｍであり、各位置センサ１１２の位置測定精度が１ｃｍであったとする。すると、ハンド９２内における１ｍｍ×１ｍｍ×１ｍｍの立方空間の中には１０００個の位置センサ１１２が入っていることとなり、位置センサ１１２の位置測定値の平均値をとると、測定精度が１ｍｍ近く（２ｍｍ以下）まで高まる。
【００５９】
また、３次元位置の高精度化手法は、かかる場合に限られず、例えば、位置センサ１１２毎に３次元位置の導出を繰り返し実行させ、複数回分の導出結果を平均化させてそれを位置センサ１１２の３次元位置とさせることでも３次元位置の高精度化を図ることができる。
【００６０】
（３次元形状導出方法）
次に、図９のフローチャートに基づいて、３次元形状の導出方法を述べる。ここでは、ハンド９２に複数の位置センサ１１２が流動可能に詰め込まれている。まず、ハンド９２に詰め込まれた全ての位置センサ１１２は、信号供給源１１０から供給された信号に基づいて自体の３次元位置を導出する（Ｓ２００）。そして、各位置センサ１１２の３次元位置導出部１１２ｅは、近傍の他の位置センサ１１２の３次元位置を取得し、その３次元位置を平均化し、他の位置センサ１１２の重心位置１７２を求める（Ｓ２０２）。
【００６１】
そして、３次元位置導出部１１２ｅは、かかる重心位置１７２の、位置センサ１１２を対称点１７０とした点対称１７４と位置センサ１１２とを結ぶ結線１７６を求め、その結線１７６を中心軸とした（２−√２）πステラジアン内に他の位置センサ１１２が含まれるか否か判定する（Ｓ２０４）。他の位置センサ１１２が含まれている場合（Ｓ２０４におけるＹＥＳ）、３次元位置導出部１１２ｅは、自体（位置センサ１１２）がハンド９２内の空隙１５４に位置すると判定し、位置センサ１１２における処理を終了する。また、他の位置センサ１１２が含まれていない場合（Ｓ２０４におけるＮＯ）、自体がハンド９２の包容壁１４４の境界に位置すると判定する。
【００６２】
さらに、自体がハンド９２の包容壁１４４の境界に位置すると判定した３次元位置導出部１１２ｅは、その近傍（例えば２ホップ内）にある、ハンド９２の包容壁１４４の境界に位置すると判定した位置センサ１１２から３次元位置を取得し（Ｓ２０６）、近傍にある全ての位置センサ１１２の３次元位置の平均値を求めて自己の３次元位置とする（Ｓ２０８）。このとき、位置センサ１１２は、その近傍のハンド９２の境界に位置する位置センサ１１２群の代表位置センサとなり、３次元位置が参照された２ホップ内の位置センサ１１２は、３次元位置をセンサ情報集約部１１４に伝達しなくてよい。こうすることで、センサネットワーク内の情報伝達負荷や中央制御部１１８における計算負荷を軽減することが可能となる。
【００６３】
このようにして代表位置センサとなったハンド９２の境界に位置する位置センサ１１２の通信部１１２ｃは、自体の３次元位置を示す位置情報を発信し（Ｓ２１０）、センサ情報集約部１１４は、位置センサ１１２が発信した位置情報を受信し（Ｓ２１２）、３次元形状導出部１３０は、ハンド９２における複数の位置センサ１１２が存在する部分の３次元形状を、複数の位置センサ１１２の位置情報に基づいて導出する（Ｓ２１４）。複数の位置センサ１１２の３次元位置から３次元形状を導出するアルゴリズムは既存の様々な技術を利用することができるので、ここでは、その詳細な説明を省略する。
【００６４】
以上、説明した３次元形状導出装置１００によって、複数台のカメラやレーザセンサ等の大掛かりな装置をもってしても測定困難であった外部から確認できないハンド９２の複雑な形状も、センサネットワークを用いて導出することが可能となる。また、３次元形状導出装置１００では視覚センサを用いる必要がないので、ハンド９２が投光されていなくても、また、他の光源により、レーザ計測が機能しないような状況下においても、把持によりハンド９２に空洞が生じていること等、確実に３次元形状を導出することができる。したがって、ロボットによるピッキング処理等、様々な用途において、正確に３次元形状を把握することが可能となる。
【００６５】
また、位置センサ１１２が、所定の条件を満たした場合にのみ、例えば、近傍に存在する他の複数の位置センサ１１２の３次元位置に基づいて、自体がハンド９２の包容壁１４４の境界に位置するか否かを判定し、ハンド９２の包容壁１４４の境界に位置する場合にのみ位置情報を発信することで、センサネットワーク内の情報伝達負荷や中央制御部１１８における計算負荷を軽減することが可能となる。
【００６６】
さらに、３次元形状導出装置１００では、多数の位置センサ１１２を用いているので測定点数が多く、位置センサ１１２の幾つかが機能しなくなったとしても測定結果に支障を来すことがなく、ロバスト性を担保することができる。また、多数の位置センサ１１２を平均化することで高精度化を図ることが可能となる。
【００６７】
また、コンピュータによって３次元形状導出装置１００として機能するプログラムや、当該プログラムを記憶した記憶媒体も提供される。さらに、当該プログラムは、記憶媒体から読み取られてコンピュータに取り込まれてもよいし、通信ネットワークを介して伝送されてコンピュータに取り込まれてもよい。
【００６８】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００６９】
例えば、上述した実施形態では、位置センサ１１２をそのままの状態でハンド９２に詰め込む例を挙げているが、位置センサ１１２は空気中にある必要はなく、液体中や固体中でも動作可能である。したがって、ハンド９２の中に、位置センサ１１２を混ぜた液体を流し込んで測定する方法もありうる。また、プラスチックなどの形成時に位置センサ１１２を混ぜ込んでおくことで、自体の形状を測定できる材料を作ることもできる。
【００７０】
また、上述した実施形態では、３次元位置を位置センサ１１２内で導出する構成を説明したが、位置センサ１１２が取得した信号供給源１１０から供給された信号をそのままセンサ情報集約部１１４に送信して、中央制御部１１８等、他の計算機で３次元位置を導出することもできる。
【００７１】
また、ハンド９２の包容壁１４４として人工皮膚を形成し、位置センサ１１２をその人工皮膚に付着させることで、より少ない位置センサ１１２（付着した位置センサ１１２）のみで本実施形態を遂行することが可能となる。
【００７２】
また、高い測定精度を要さない場合、信号供給源１１０を省略して、位置センサ１１２同士の相対関係から３次元位置を導出することも可能である。
【００７３】
なお、本明細書の３次元形状導出方法における各工程は、必ずしもフローチャートとして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はなく、並列的あるいはサブルーチンによる処理を含んでもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
本発明は、センサネットワークを通じて３次元形状を導出する３次元形状導出装置および３次元形状導出方法に利用することができる。
【符号の説明】
【００７５】
９２   …ハンド（包容体）
１００  …３次元形状導出装置
１１０  …信号供給源
１１２  …位置センサ
１１４  …センサ情報集約部
１３０  …３次元形状導出部
１４２  …所定空間範囲
１７０  …対称点
１７２  …重心位置
１７４  …点対称
１７６  …結線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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