(57)【要約】多関節アームの基端部である第１リンク（２０ａ）に撮像素子（４０）を設け、レンズユニット（３０）と撮像素子（４０）とをイメージファイバが束ねられたファイバケーブル（５０）を介して連結する。これにより、多関節アームの先端部に撮像素子を設ける必要がなく、先端部の軽量化を図ることができる。さらに、レンズユニット（３０）として液体レンズを用いるとともに、液体レンズの焦点距離を調整するための電源線をイメージファイバと並列に設けることが好ましい。この場合、電源線を介して液体レンズに電圧を印加することで、液体レンズの焦点距離を調整することが可能となる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物の画像を取得する画像取得装置であって、
先端部を移動可能なロボットと、
前記ロボットの先端部に設けられたレンズと、
前記ロボットの先端部とは異なる位置に設けられた撮像素子と、
前記レンズに一端を配置すると共に前記撮像素子に他端を配置し、前記一端から入射した画像を前記他端へ送るイメージファイバと、
を備えることを特徴とする画像取得装置。
【請求項２】
請求項１記載の画像取得装置であって、
前記レンズは、電極に電圧を印加することにより焦点距離を調整可能な液体レンズであり、
前記イメージファイバと並列に配置され、前記液体レンズに電圧を印加するための電源線を備えることを特徴とする画像取得装置。
【請求項３】
請求項２記載の画像取得装置であって、
前記対象物の位置情報を予め取得する対象物位置情報取得手段と、
前記ロボットの先端部の位置を検知する先端部位置検知手段と、
前記取得された対象物の位置情報と前記検知された先端部の位置とに基づいて焦点距離が調整されるよう前記液体レンズに印加する電圧を制御する焦点距離調整手段と、
を備えることを特徴とする画像取得装置。
【請求項４】
請求項１ないし３いずれか１項に記載の画像取得装置であって、
前記イメージファイバに併設されたライトガイドと、
前記ライトガイドに光を照射可能な光源と、
を備えることを特徴とする画像取得装置。
【請求項５】
請求項１ないし４いずれか１項に記載の画像取得装置であって、
前記ロボットは、多関節のアームを備え、
前記液体レンズは、前記アームの先端部に設けられ、
前記撮像素子は、前記アームの先端部とは異なる位置に設けられ、
前記イメージファイバは、前記アームに沿って配置されている
ことを特徴とする画像取得装置。
【請求項６】
先端部を移動可能なロボットを用いて対象物に対して所定の作業を行うロボット装置であって、
前記ロボットの先端部に設けられたレンズと、前記ロボットの先端部とは異なる位置に設けられた撮像素子と、前記レンズに一端を配置すると共に前記撮像素子に他端を配置し前記一端から入射した画像を前記他端へ送るイメージファイバと、を有する画像取得装置と、
前記所定の作業に先立って、前記画像取得装置の撮像範囲内に前記対象物が含まれるよう前記ロボットを制御し、前記対象物の画像が取得されるよう前記画像取得装置を制御する撮像制御手段と、
前記対象物または前記先端部の目標位置情報を予め取得する位置情報取得手段と、
前記画像取得装置により取得された対象物の画像に基づいて前記取得した目標位置情報を補正し、該補正した目標位置情報に基づいて前記所定の作業が行われるよう前記ロボットを制御する作業制御手段と、
を備えることを特徴とするロボット装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物の画像を取得する画像取得装置および先端部を移動可能なロボットを用いて対象物に対して所定の作業を行うロボット装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、レンズとファイバ束とを備えるファイバスコープが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１記載のファイバスコープは、レンズとして流体レンズを備え、流体レンズを調節して焦点距離を調整することで、オブジェクトに対して焦点が合うようにする。また、ファイバスコープで得られたオブジェクトの像は、ＣＣＤカメラによって撮像される。
【特許文献１】特表２０１３−５４５５５８号公報
【発明の開示】
【０００３】
しかしながら、特許文献１には、ファイバスコープを外科手術中に器官を通り抜けるときに用いて内視鏡像を得ることについては記載されているものの、ロボットを用いて対象物に対して所定の作業を行う際に対象物の画像を得ることについては言及されていない。ロボットの先端部に撮像装置を搭載して対象物を撮像する場合、撮像装置によってはロボットの先端部の重みが増し、ロボットが大型化したり、先端部の位置精度が悪化する。
【０００４】
本発明は、ロボットに搭載する画像取得装置の小型化または軽量化を図ることを主目的とする。
【０００５】
本発明は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。
【０００６】
本発明の画像取得装置は、
対象物の画像を取得する画像取得装置であって、
先端部を移動可能なロボットと、
前記ロボットの先端部に設けられたレンズと、
前記ロボットの先端部とは異なる位置に設けられた撮像素子と、
前記レンズに一端を配置すると共に前記撮像素子に他端を配置し、前記一端から入射した画像を前記他端へ送るイメージファイバと、
を備えることを要旨とする。
【０００７】
この本発明の画像取得装置は、レンズを、ロボットの先端部に設け、撮像素子を、ロボットの先端部とは異なる位置に設け、イメージファイバの一端をレンズに配置すると共にイメージファイバの他端を撮像素子に配置する。これにより、撮像素子をロボットの先端部に設ける必要がなく、ロボットの先端部の小型化や軽量化を図ることができる。この結果、こうしたロボットの先端部を用いて作業を行うことで、ロボットによる作業精度を向上させることができる。
【０００８】
こうした本発明の画像取得装置において、前記レンズは、電圧を印加することにより焦点距離を調整可能な液体レンズであり、前記イメージファイバに併設され、前記液体レンズに電圧を印加するための電源線を備えるものとすることもできる。こうすれば、ロボットの先端部の小型化や軽量化を図りつつ、対象物との焦点距離を調整することができる。
【０００９】
この態様の本発明の画像取得装置において、前記対象物の位置情報を予め取得する対象物位置情報取得手段と、前記ロボットの先端部の位置を検知する先端部位置検知手段と、前記取得された対象物の位置情報と前記検知された先端部の位置とに基づいて焦点距離が調整されるよう前記液体レンズに印加する電圧を制御する焦点距離調整手段と、を備えるものとすることもできる。
【００１０】
また、本発明の画像取得装置において、前記イメージファイバに併設されたライトガイドと、前記ライトガイドに光を照射可能な光源と、を備えるものとすることもできる。こうすれば、ロボットの先端部の小型化や軽量化を図りつつ対象物の撮像に必要な光を照射することができる。
【００１１】
また、本発明の画像取得装置において、前記ロボットは、多関節のアームを備え、前記液体レンズは、前記アームの先端部に設けられ、前記撮像素子は、前記アームの先端部とは異なる位置に設けられ、前記イメージファイバは、前記アームに沿って配置されているものとすることもできる。多関節のアームは先端部の作業精度が高く求められるため、先端部の小型化や軽量化を図る意義がより大きい。なお、「アームの先端部とは異なる位置」は、アームの基端部を例示することができる。
【００１２】
本発明のロボット装置は、
先端部を移動可能なロボットを用いて対象物に対して所定の作業を行うロボット装置であって、
前記ロボットの先端部に設けられたレンズと、前記ロボットの先端部とは異なる位置に設けられた撮像素子と、前記レンズに一端を配置すると共に前記撮像素子に他端を配置し前記一端から入射した画像を前記他端へ送るイメージファイバと、を有する画像取得装置と、
前記所定の作業に先立って、前記画像取得装置の撮像範囲内に前記対象物が含まれるよう前記ロボットを制御し、前記対象物の画像が取得されるよう前記画像取得装置を制御する撮像制御手段と、
前記対象物または前記先端部の目標位置情報を予め取得する位置情報取得手段と、
前記画像取得装置により取得された対象物の画像に基づいて前記取得した目標位置情報を補正し、該補正した目標位置情報に基づいて前記所定の作業が行われるよう前記ロボットを制御する作業制御手段と、
を備えることを要旨とする。
【００１３】
この本発明のロボット装置によれば、上述した発明の画像取得装置を備えるため、ロボットの先端部の小型化や軽量化を図ることができる。また、本発明の画像取得装置によって取得された画像に基づいて対象物またはロボット先端部の目標位置情報を補正し、補正した目標位置情報に基づいて所定の作業が行われるようロボットを制御するから、ロボットの小型化や軽量化による制御性の向上と相まって、作業精度をより高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施例としてのロボット装置１０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】レンズユニット３０とファイバケーブル５０の構成の概略を示す構成図である。
【図３】ロボット装置１０の制御装置６０のブロック図である。
【図４】制御装置６０により実行される作業処理の一例を示すフローチャートである。
【図５】制御装置６０により実行される撮像処理の一例を示すフローチャートである。
【図６】液体レンズ３２を撮像位置へ移動させて焦点距離を調整する様子を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
次に、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明する。
【００１６】
図１は、本発明の一実施例としてのロボット装置１０の構成の概略を示す構成図であり、図２は、レンズユニット３０とファイバケーブル５０の構成の概略を示す構成図であり、図３は、ロボット装置１０の制御装置６０の電気的な接続関係を示すブロック図である。
【００１７】
実施例のロボット装置１０は、図１に示すように、垂直多関節ロボットとして構成されており、床面に設置されるベース１１と、第１〜第５リンク２０ａ〜２０ｅと、ベース１１および第１〜第５リンク２０ａ〜２０ｅを直列に連結する第１〜第５関節２２ａ〜２２ｅと、第１〜第５関節２２ａ〜２２ｅをそれぞれ駆動する第１〜第５駆動モータ２４ａ〜２４ｅ（図３参照）と、装置全体をコントロールする制御装置６０（図３参照）とを備える。第１〜第５リンク２０ａ〜２０ｅと第１〜第５関節２２ａ〜２２ｅは、５軸の多関節アームを構成する。本実施例では、第１関節２２ａと第５関節２２ｅは回転関節であり、第２〜第４関節２２ｂ〜２２ｄは旋回関節である。
【００１８】
多関節アームの先端部をなす第５リンク２０ｅには、図１に示すように、ワークを把持可能なチャック等のツール１２が取り付けられている。また、第５リンク２０ｅには、図１に示すように、光軸が第５リンク２０ｅの軸と略平行となるようにレンズユニット３０が取り付けられている。レンズユニット３０は、図２に示すように、マウント部３１と、対物レンズとしてマウント部３１に搭載される液体レンズ３２とを備える。なお、液体レンズ３２は、円筒内に伝導体の水溶液と不導体の油を充填し、水溶液に電圧を印加することで、液体間の境界面を変化させて焦点距離を調整することができる。
【００１９】
多関節アームの基端部をなす第１リンク２０ａには、図１に示すように、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子４０が取り付けられている。レンズユニット３０と撮像素子４０とは、ファイバケーブル５０によって連結されている。ファイバケーブル５０は、図２に示すように、ライトガイド５４の長手方向に形成された連通穴にイメージファイバ５２を挿入し、イメージファイバ５２の一端にレンズユニット３０（液体レンズ３２）を接着したものである。また、ファイバケーブル５０は、図１に示すように、ライトガイド５４の途中でイメージファイバ５２が分岐しており、イメージファイバ５２の他端には撮像素子４０が接眼され、ライトガイド５４の他端には光源４４が配置されている。また、ライトガイド５４の連通穴には、図２に示すように、電源線５６がイメージファイバ５２に併設されており、液体レンズ駆動回路３４（図３参照）から電源線５６を介して液体レンズ３２に電圧を印加できるようになっている。
【００２０】
制御装置６０は、図３に示すように、ＣＰＵ６１を中心としたマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ６１の他に、ＲＯＭ６２と、ＨＤＤ６３と、ＲＡＭ６４と、入出力インタフェース６５とを備える。これらは、バス６６を介して電気的に接続されている。制御装置６０には、第１〜第５駆動モータ２４ａ〜２４ｅ（第１〜第５関節２２ａ〜２２ｅ）の回転角を検知するエンコーダ２８ａ〜２８ｅからの回転角信号や、ツール１２を駆動（チャックを開閉）するツールモータ１４の回転角を検知するエンコーダ１８からの回転角信号などが入出力インタフェース６５を介して入力されている。また、制御装置６０からは、第１〜第５駆動モータ２４ａ〜２４ｅをそれぞれ駆動するモータ駆動回路２６ａ〜２６ｅへの制御信号や、ツールモータ１４を駆動するモータ駆動回路１６への制御信号、液体レンズ駆動回路３４への制御信号、撮像素子４０を駆動するための撮像素子駆動回路４２への制御信号、光源４４を発光させるための光源駆動回路４６への制御信号などが入出力インタフェース６５を介して出力されている。
【００２１】
次に、こうして構成されたロボット装置１０の動作について説明する。図４は、制御装置６０のＣＰＵ６１により実行される作業処理の一例を示すフローチャートである。
【００２２】
作業処理が実行されると、制御装置６０のＣＰＵ６１は、まず、例えばオペレータが予め入力したツール１２の目標位置を読み出す（Ｓ１００）。なお、Ｓ１００の処理は、ツール１２の目標位置に代えて、作業対象物の位置を読み出すものとしてもよい。続いて、ＣＰＵ６１は、液体レンズ３２と撮像素子４０とを用いて作業対象物を撮像する撮像処理を行い（Ｓ１１０）、撮像によって得られた画像により特定される作業対象物の位置に基づいて目標位置を補正する（Ｓ１２０）。そして、ＣＰＵ６１は、補正した目標位置へツール１２が移動するよう第１〜第５駆動モータ２４ａ〜２４ｅ（モータ駆動回路２６ａ〜２６ｅ）を制御し（Ｓ１３０）、ツール１２を駆動させて作業対象物に対して所定の作業が実行されるようツールモータ１４を制御して（Ｓ１４０）、作業処理を終了する。なお、ツール１２で行う作業としては、ツール１２としてチャックを用いるものとし、チャックで部品を把持して所定の位置に組み立てる組立作業を例示することができる。
【００２３】
前述したように、撮像素子４０は、多関節アームの基端部である第１リンク２０ａに設けられ、多関節アームの先端部である第５リンク２０ｅに設けられた液体レンズ３２とファイバケーブル５０を介して連結されている。これにより、実施例のロボット装置１０は、多関節アームの先端部（第５リンク２０ｅ）を小型化および軽量化することができるため、多関節アームを移動させる際に、第５リンク２０ｅに固定されたツール１２の振動を抑制することができる。したがって、ツール１２を目標位置へ移動させる際の位置精度を高めることができ、作業精度を向上させることができる。
【００２４】
次に、Ｓ１１０の撮像処理の詳細について説明する。図５は、制御装置６０のＣＰＵ６１により実行される撮像処理の一例を示すフローチャートである。撮像処理が実行されると、ＣＰＵ６１は、作業処理のＳ１００で読み出したツール１２の目標位置に基づいて作業対象物（撮像対象物）の位置を特定し、特定した撮像対象物の位置に基づいて液体レンズ３２が撮像位置まで移動するよう第１〜第５駆動モータ２４ａ〜２４ｅを制御する（Ｓ２００）。なお、本実施例では、ツール１２の目標位置から撮像対象物の位置を特定するものとしたが、撮像対象物の位置を直接取得するものとしてもよい。続いて、ＣＰＵ６１は、各エンコーダ２８ａ〜２８ｅからの回転角に基づいて液体レンズ３２の現在位置を順運動学によって算出し（Ｓ２１０）、液体レンズ３２から作業対象物（撮像対象物）までの焦点距離Ｘを算出し（Ｓ２２０）、算出した焦点距離Ｘとなる電圧を液体レンズ３２に印加するよう液体レンズ駆動回路３４を制御する（Ｓ２３０）。図６は、液体レンズ３２を撮像位置へ移動させて焦点距離を調整する様子を示す説明図である。焦点距離の調整は、図示するように、多関節アームによって液体レンズ３２が撮像対象物に向き合うように液体レンズ３２を移動させた後、液体レンズ３２と撮像対象物との距離Ｘ（焦点距離）に応じた電圧を液体レンズ３２に印加することにより行われる。そして、ＣＰＵ６１は、光源４４から光が照射されるよう光源駆動回路４６を制御すると共に撮像素子４０が駆動されるよう撮像素子駆動回路４２を制御することにより、撮像対象物を撮像して（Ｓ２４０）、撮像処理を終了する。
【００２５】
以上説明した実施例のロボット装置１０は、多関節アームの先端部である第５リンク２０ｅに対物レンズ（液体レンズ３２）を設けると共に、多関節アームの基端部である第１リンク２０ａに撮像素子４０を設け、液体レンズ３２と撮像素子４０とをイメージファイバ５２（ファイバケーブル５０）を介して連結する。これにより、多関節アームの先端部をより小型化および軽量化することができるため、多関節アームを移動させる際にアーム先端部に振動が生じるのを抑制することができる。この結果、多関節アームを用いて作業を行う際の位置精度を高め、作業精度を向上させることができる。しかも、対物レンズとして液体レンズ３２を用いると共に、イメージファイバ５２と並列に電源線５６を設け、電源線５６を介して液体レンズ３２に電圧を印加するため、多関節アームの先端部を軽量化しつつ、液体レンズ３２の焦点距離を調整することができる。さらに、イメージファイバ５２にライトガイド５４を並列に設け、ライトガイド５４の他端に光源４４を配置するから、撮像対象物の撮像に必要な量の光を照射することができる。
【００２６】
実施例のロボット装置１０では、多関節アームの基端部（第１リンク２０ａ）に撮像素子４０や光源４４を設けるものとしたが、これに限定されるものではなく、撮像素子４０や光源４４をベース１１に設ける等、ファイバケーブル５０との干渉が生じない位置であれば、撮像素子４０や光源４４を如何なる位置に設けるものとしてもよい。
【００２７】
実施例のロボット装置１０では、対物レンズとして液体レンズ３２を用いるものとしたが、これに限定されるものではなく、モータ等のアクチュエータによって焦点距離を調整可能な他のズームレンズを用いるものとしてもよい。また、対物レンズとして焦点距離が固定された単焦点レンズを用いるものとしても構わない。
【００２８】
実施例のロボット装置１０では、イメージファイバ５２にライトガイド５４を併設して光源４４の光を撮像対象物に照射するものとしたが、これに限定されるものではなく、別途照明装置を設けるものとしてもよい。
【００２９】
実施例のロボット装置１０では、イメージファイバ５２と電源線５６とを纏めて一本のファイバケーブル５０としたが、これに限定されるものではなく、それぞれ別々のケーブルを使用するものとしてもよい。
【００３０】
ここで、本実施例の主要な要素と発明の開示の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。即ち、リンク２０ａ〜２０ｅと関節２２ａ〜２２ｅとからなる多関節アームが「ロボット」に相当し、液体レンズ３２が「レンズ」に相当し、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子４０が「撮像素子」に相当し、イメージファイバ５２が「イメージファイバ」に相当する。また、電源線５６が「電源線」に相当する。また、図４の作業処理のＳ１００の処理を実行する制御装置６０のＣＰＵ６１が「位置情報取得手段」に相当する。エンコーダ２８ａ〜２８ｅと図５の撮像処理のＳ２１０の処理を実行する制御装置６０のＣＰＵ６１とが「先端部位置検知手段」に相当し、撮像処理のＳ２３０の処理を実行する制御装置６０のＣＰＵ６１とレンズ駆動回路３４とが「焦点距離調整手段」に相当する。また、ライトガイド５４が「ライトガイド」に相当し、光源４４が「光源」に相当する。また、作業処理のＳ１１０の処理（撮像処理）を実行する制御装置６０のＣＰＵ６１が「撮像制御手段」に相当し、Ｓ１２０〜Ｓ１４０の処理を実行する制御装置６０のＣＰＵ６１が「作業制御手段」に相当する。
【００３１】
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、ロボット装置の製造産業などに利用可能である。
【符号の説明】
【００３３】
１０  ロボット装置、１１  ベース、１２  ツール、１４  ツールモータ、１６  モータ駆動回路、１８  エンコーダ、２０ａ〜２０ｅ  第１〜第５リンク、２２ａ〜２２ｅ  第１〜第５関節、２４ａ〜２４ｅ  第１〜第５駆動モータ、２６ａ〜２６ｅ  モータ駆動回路、２８ａ〜２８ｅ  エンコーダ、３０  レンズユニット、３１  マウント部、３２  液体レンズ、３４  液体レンズ駆動回路、４０  撮像素子、４２  撮像素子駆動回路、４４  光源、４６  光源駆動回路、５０  ファイバケーブル、５２  イメージファイバ、５４  ライトガイド、５６  電源線、６０  制御装置、６１  ＣＰＵ、６２  ＲＯＭ、６３  ＨＤＤ、６４  ＲＡＭ、６５  入出力インタフェース、６６  バス。
【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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【国際調査報告】
2016056087.tif 000009
2016056087.tif 000010
2016056087.tif 000011
2016056087.tif 000012
2016056087.tif 000013
2016056087.tif 000014