(57)【要約】【課題】高放射線環境下においても、ロボットの位置決め制御を可能とする。【解決手段】実施形態によるロボット制御装置１００は、目標値を座標変換する第１座標変換部１１１と、減算部１１２と、減算部１１２の出力に基づいてロボット１０への関節角度の制御指令を計算する逆運動学計算部１１３と、ロボット１０からの関節角度信号に基づき手先の位置・姿勢を計算する順運動学計算部１２１と、座標変換式導出部１６２と、逆運動学・順運動学計算式導出部１５２と、カメラ画像を処理するカメラ画像処理部１３１と、カメラ画像から手先の位置・姿勢を推定する位置・姿勢推定部１３２と、位置・姿勢を座標変換する第２座標変換部１３３と、順運動学計算部１２１の出力と第２座標変換部１３３の出力に基づいてフィードバック情報を作成するフィードバック情報生成部１２２とを有する。【選択図】図１
2017030106.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの関節を有するロボットの手先の位置・姿勢を制御するロボット制御装置において、
全体座標での前記手先の位置・姿勢の目標値を受けてロボット座標空間における前記手先の位置・姿勢の目標値である変換目標値に変換する第１座標変換部と、
前記第１座標変換部の出力と、フィードバック情報との差を算出する減算部と、
前記減算部の出力に基づいて前記ロボットへの関節角度の制御指令を計算する逆運動学計算部と、
前記ロボットからの関節角度信号に基づきロボット座標空間における前記手先の位置・姿勢を計算する順運動学計算部と、
前記手先の位置・姿勢に基づいて、全体座標での前記手先の位置・姿勢に変換するための座標変換式を導出する座標変換式導出部と、
逆運動学計算および順運動学計算の計算式をロボット構造データに基づき導出する逆運動学・順運動学計算式導出部と、
前記ロボットに取り付けられたカメラで撮影した前記ロボットの周辺のカメラ画像に基づき前記カメラ画像をディジタル演算可能に処理するカメラ画像処理部と、
前記カメラ画像処理部から出力されるカメラ画像に基づいて、前記手先の位置・姿勢を推定する位置・姿勢推定部と、
前記位置・姿勢推定部で推定された前記手先の位置・姿勢をロボット座標に変換する第２座標変換部と、
前記順運動学計算部の出力と前記第２座標変換部の出力に基づいて、前記フィードバック情報を作成するフィードバック情報生成部と、
を備えることを特徴とするロボット制御装置。
【請求項２】
前記フィードバック情報生成部は、前記順運動学計算部の出力と前記第２座標変換部の出力を入力として、これらの一方のみを出力する切り替え部を有することを特徴とする請求項１に記載のロボット制御装置。
【請求項３】
前記フィードバック情報生成部は、前記第２座標変換部、前記順運動学計算部、前記座標変換式導出部、および逆運動学・順運動学計算式導出部のそれぞれからの出力を受けて、逆運動学・順運動学計算式導出部での計算で用いられるパラメータを調整する計算式調整部を有することを特徴とする請求項１に記載のロボット制御装置。
【請求項４】
前記位置・姿勢推定部における前記手先の位置・姿勢の算出のために、エリア内の各位置における前記ロボットから見た前記エリア内の複数の基準画像を提供する基準画像供給部をさらに備え、
前記位置・姿勢推定部は、前記カメラ画像処理部からのカメラ画像と、前記複数の基準画像とを比較して、前記手先の位置・姿勢を推定する、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のロボット制御装置。
【請求項５】
前記基準画像供給部は、
前記エリア内に存在する物の３次元形状に関する情報を記憶する建屋・機器ＣＡＤデータベースと、
前記３次元形状に関する情報から特徴情報を抽出する画像特徴データ抽出部と、
前記画像特徴データ抽出部で抽出された画像特徴情報を記憶する全位置画像特徴データベースと、
を有することを特徴とする請求項４に記載のロボット制御装置。
【請求項６】
前記基準画像供給部は、
あらかじめ取得された前記エリア内に存在する物の画像を収納する全位置画像データベースと、
前記全位置画像データベースに収納された画像データから特徴情報を抽出する画像特徴データ抽出部と、
前記画像特徴データ抽出部で抽出された画像特徴情報を記憶する全位置画像特徴データベースと、
を有することを特徴とする請求項４に記載のロボット制御装置。
【請求項７】
前記ロボットは、高放射線環境下のエリアにおいて動作し、前記カメラは、耐放射線カメラであることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載のロボット制御装置。
【請求項８】
少なくとも一つの関節を有するロボットと、
手先の位置・姿勢を制御するロボット制御装置と、
を具備するロボットシステムにおいて、
前記ロボット制御装置は、
全体座標での手先の位置・姿勢の目標値を受けてロボット座標空間における前記ロボットの前記手先の位置・姿勢の目標値である変換目標値に変換する第１座標変換部と、
前記第１座標変換部の出力と、フィードバック情報との差を算出する減算部と、
前記変換目標値に基づいて前記ロボットへの関節角度の制御指令を計算する逆運動学計算部と、
前記ロボットの関節角度信号に基づきロボット座標空間における前記手先の位置・姿勢を計算する順運動学計算部と、
前記手先の位置・姿勢に基づいて、全体座標での前記手先の位置・姿勢に変換するための座標変換式を導出する座標変換式導出部と、
逆運動学計算および順運動学計算の計算式をロボット構造データに基づき導出する逆運動学・順運動学計算式導出部と、
前記ロボットに取り付けられたカメラで撮影した前記ロボットの周辺のカメラ画像に基づき前記カメラ画像をディジタル演算可能に処理するカメラ画像処理部と、
前記カメラ画像処理部から出力されるカメラ画像に基づいて、前記手先の位置・姿勢を推定する位置・姿勢推定部と、
前記位置・姿勢推定部で推定された前記手先の位置・姿勢の座標をロボット座標に変換する第２座標変換部と、
前記順運動学計算部の出力と前記第２座標変換部の出力に基づいて、前記フィードバック情報を作成するフィードバック情報生成部と、
を備えることを特徴とするロボットシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、ロボット制御装置およびこれを有するロボットシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
原子力発電所の原子炉内およびその周辺、あるいは放射線治療施設など、きわめて高い放射線量の環境においては、人間による保守作業、様々な物の運搬や操作等のハンドリングが不可能であるため、これらの作業はロボットを用いるなどする必要がある。以下にその応用の一例として、原子力施設における保守作業について示す。原子力施設においては、外部からロボットを施設内に進入させて、これをロボット制御装置により制御し、原子力施設内の多様な場所に設置されている保守対象機器に接近してこれを把持して取り出す等の保守作業を行う。
【０００３】
このようなロボットは、関節機構であり、制御装置により制御される。制御は、ロボットの手先の位置・姿勢をフィードバックしながら行われる。ただし、これには、ロボットの設置位置（ロボット座標原点）が一意に決まっていること、ロボットの関節およびギアの遊びが無いこと、各関節の角度センサの精度が十分に高いこと、およびロボットのリンク等構造物が変形しないことが必要である。
【０００４】
しかしながら、原子力設備内の特に高い放射線環境での保守作業の観点では、設置が望ましい場合でも、運転時に運転に必要でないもの以外を設置できない場合が多くある。このため、ロボットを正確に同じ位置に設置できるとは限らず、また製造の精度に限界があり関節やギアに遊びが必ず存在し、センサの精度にも限界があり、さらに保守対象を把持することによる重力の影響、あるいは衝突や経年変化等リンク・構造が変形することがありうる。したがって、必ずしも精度よく計算で手先の位置・姿勢の現在値をえられるとは限らない。
【０００５】
そのため、マーカなどをあらかじめ目標位置に設置しそれらの情報をもとに自身の位置を同定する方法、あるいはさまざまなセンサを取り付けて、周囲を計測して自身の位置を同定する技術が知られている。また、特定の目標位置にマーカを設置しそれをカメラで捉えることでその目標位置へ向かう技術が知られている。
【０００６】
しかし、原子力設備内の特に高い放射線環境での保守作業においては、原子力設備内には通常運転時に運転に必要でないもの以外を設置することができない場合が多くあり、そのためあらかじめ目標位置にマーカを設置することができないという制約があり、また、保守対象機器が設備内の様々な場所に設置されていて、あらゆる場所に位置決めできる必要がある、などの条件がある。
【０００７】
そのような条件下では、あらかじめマーカを設置しておく方法は、運転に必要でない機器であるためあらかじめすべての保守対象機器にマーカをつけることが不可能であったり、保守対象機器が多数でありすべてにマーカをつけることが困難である。また、自身の位置をセンサで同定する方法は、これらに一般的に使われる計測センサは高い放射線環境下では放射線の影響に耐えられないという問題点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−３４４５号公報
【特許文献２】特開平７−２８１７５３号公報
【特許文献３】特開２００４−３０３１３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来のロボットの位置決め制御装置は、まず、計算機にて全体座標上の手先の位置・姿勢の目標値に対して、あらかじめ得られるロボットの設置位置データをもとに、座標変換式を用いて座標変換によって、ロボット座標原点から手先の位置・姿勢目標値を算出する。その値をもとに、ロボットの各関節に対してあらかじめ得られるロボットのリンク・構造データをもとに逆運動学計算式に基づいて逆運動学計算を行い、各関節の指令値を算出し、各関節にこの指令値を出力して制御する。
【００１０】
ロボットは、各関節にモータを持っており、その指令値に合わせて各関節モータを制御し、関節の角度を変えて手先の位置・姿勢を変更する。この各関節の角度はモータ内蔵あるいは関節にリンクしたエンコーダやレゾルバにより検出し、それを計算機に取り込む。計算機では、ロボットのリンク・構造データをもとに、順運動学計算式に基づいて順運動学計算を行い、ロボットの原点から手先の位置・姿勢の現在位置を算出し、目標位置との偏差を算出し、その偏差に基づくフィードバック制御により手先の位置を目標値に接近させる制御を行う。
【００１１】
上記のあらかじめ得られるロボットの設置位置データ、およびあらかじめ得られるロボットのリンク・構造データは、ロボットの設置位置が一定であることや、ロボットのリンクのたわみや重量のある保守対象を把持するなどによりたわみが発生し変形することがない、などと言った条件が必要になる。
【００１２】
しかしながら、たとえば、原子力の高放射線環境での様々な保守作業においては、これらが必ずしも達成されず、あらかじめ得たデータからロボットの手先の位置・姿勢を算出した結果と、実際のロボットの手先の位置・姿勢が一致しない場合が考えられる。また、この手先の位置・姿勢を検出する方法については、高放射線環境に耐えることができるセンサがないことが、この手先の位置・姿勢を検出することの阻害要因となっている。
【００１３】
そこで、本発明の実施形態は、高放射線環境下においても、ロボットの位置決め制御を可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述の目的を達成するため、本実施形態は、少なくとも一つの関節を有するロボットの手先の位置・姿勢を制御するロボット制御装置において、全体座標での前記手先の位置・姿勢の目標値を受けてロボット座標空間における前記手先の位置・姿勢の目標値である変換目標値に変換する第１座標変換部と、前記第１座標変換部の出力と、フィードバック情報との差を算出する減算部と、前記減算部の出力に基づいて前記ロボットへの関節角度の制御指令を計算する逆運動学計算部と、前記ロボットからの関節角度信号に基づきロボット座標空間における前記手先の位置・姿勢を計算する順運動学計算部と、前記手先の位置・姿勢に基づいて、全体座標での前記手先の位置・姿勢に変換するための座標変換式を導出する座標変換式導出部と、逆運動学計算および順運動学計算の計算式をロボット構造データに基づき導出する逆運動学・順運動学計算式導出部と、前記ロボットに取り付けられたカメラで撮影した前記ロボットの周辺のカメラ画像に基づき前記カメラ画像をディジタル演算可能に処理するカメラ画像処理部と、前記カメラ画像処理部から出力されるカメラ画像に基づいて、前記手先の位置・姿勢を推定する位置・姿勢推定部と、前記位置・姿勢推定部で推定された前記手先の位置・姿勢をロボット座標に変換する第２座標変換部と、前記順運動学計算部の出力と前記第２座標変換部の出力に基づいて、前記フィードバック情報を作成するフィードバック情報生成部と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
また、本実施形態は、少なくとも一つの関節を有するロボットと、手先の位置・姿勢を制御するロボット制御装置と、を具備するロボットシステムにおいて、前記ロボット制御装置は、全体座標での手先の位置・姿勢の目標値を受けてロボット座標空間における前記ロボットの前記手先の位置・姿勢の目標値である変換目標値に変換する第１座標変換部と、前記第１座標変換部の出力と、フィードバック情報との差を算出する減算部と、前記変換目標値に基づいて前記ロボットへの関節角度の制御指令を計算する逆運動学計算部と、前記ロボットの関節角度信号に基づきロボット座標空間における前記手先の位置・姿勢を計算する順運動学計算部と、前記手先の位置・姿勢に基づいて、全体座標での前記手先の位置・姿勢に変換するための座標変換式を導出する座標変換式導出部と、逆運動学計算および順運動学計算の計算式をロボット構造データに基づき導出する逆運動学・順運動学計算式導出部と、前記ロボットに取り付けられたカメラで撮影した前記ロボットの周辺のカメラ画像に基づき前記カメラ画像をディジタル演算可能に処理するカメラ画像処理部と、前記カメラ画像処理部から出力されるカメラ画像に基づいて、前記手先の位置・姿勢を推定する位置・姿勢推定部と、前記位置・姿勢推定部で推定された前記手先の位置・姿勢の座標をロボット座標に変換する第２座標変換部と、前記順運動学計算部の出力と前記第２座標変換部の出力に基づいて、前記フィードバック情報を作成するフィードバック情報生成部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の実施形態によれば、高放射線環境下においても、ロボットの位置決め制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１の実施形態に係るロボットシステムの構成を示すブロック図である。
【図２】第１の実施形態に係るロボット制御装置とロボットとの取り合いを示すブロック図である。
【図３】座標変換を説明するための２つの座標系の関係図である。
【図４】順運動学を説明するためのリンク機構の概念的状態図である。
【図５】逆運動学を説明するためのリンク機構の概念的状態図である。
【図６】第２の実施形態に係るロボットシステムの構成を示すブロック図である。
【図７】第３の実施形態に係るロボットシステムの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るロボット制御装置およびロボットシステムについて説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。
【００１９】
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係るロボットシステムの構成を示すブロック図である。ロボットシステム５００は、ロボット１０およびロボット制御装置１００を有する。
【００２０】
ロボット１０は、保守対象１（図３）を取り扱うように、自走式で、手先１１がアーム機構１３によって、移動可能となっている。アーム機構１３は、アーム１３ａ、１３ｂ、１３ｃを有する。手先１１とアーム１３ａ間は関節１２ａにより、アーム１３ａとアーム１３ｂ間は関節１２ｂにより、また、アーム１３ｂとアーム１３ｃ間は関節１２ｃにより、少なくとも１つの自由度を以て結合している。
【００２１】
アーム機構１３が３つのアームを有する場合を示したが、これには限定されない。たとえば、走行台車（図示せず）に、先端に手先を有するアームが取り付けられ、アームと走行台車間は関節により結合しているように関節が１つの場合でもよい。あるいは、これ以上の数のアームと関節を有する場合でもよい。あるいは、手先は複数ある場合でもよいし、途中でアームが分岐している場合でもよい。
【００２２】
また、ロボット１０は、手先１１に固定されたカメラ１８を有する。カメラ１８は、高放射線環境下のエリアにおいて使用することから、半導体等を使用しない耐放射線カメラである。なお、カメラ自体が耐放射線性を有する場合に限定されない。たとえば、外側を遮へい体で覆われ、撮影時のみ開閉するような機構を有する物であってもよい。
【００２３】
図２は、第１の実施形態に係るロボット制御装置とロボットとの取り合いを示すブロック図である。各関節１２は、サーボ機構となっており、電動機１４ａ、角度センサ１４ｂ、およびサーボアンプ１５を有する。電動機１４ａは、関節１２を構成するたとえば２つのアーム１３間の角度を増減するための駆動を行う。角度センサ１４ｂは、たとえばレゾルバあるいはエンコーダであり、電動機の軸回りの角度を検出し角度信号を出力する。
【００２４】
サーボアンプ１５は、ロボット制御装置１００から受け入れた制御指令値と角度センサ１４ｂからのフィードバック信号である角度センサ値との差の値に基づいて、電動機１４ａに対する電動機駆動電流を出力する。また、サーボアンプ１５は、各関節１２の関節角度をロボット制御装置１００に出力する。
【００２５】
以上、関節１２の角度を電動機１４ａによって変化させる場合を説明したが、これには限定されない。たとえば、油圧式あるいは空気などの気体を用いる方式でもよい。
【００２６】
ロボット制御装置１００は、全体座標上の手先の位置・姿勢の目標値を受けて、ロボット１０の手先１１の位置およびロボット１０の手先の位置・姿勢が目標値となるように制御する。ここで、全体座標とは、エリア全体に共通の固定された座標系である。これに対して、移動するロボット１０を基準とした座標系をロボット座標系と呼ぶこととする。たとえば、手先１１から最も離れている関節１２を原点にすることでもよい。また、ロボット１０の手先１１の位置・姿勢は、ロボット１０の手先１１の全体座標系における３次元的な位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）および３軸回りの回転角（Ω，Θ，Φ）、あるいはロボット座標系における３次元的な位置（ｘ，ｙ，ｚ）および３軸回りの回転角（ω，θ，φ）として規定されるものとする。
【００２７】
ロボット制御装置１００は、図１に示すように、第１座標変換部１１１、減算部１１２、逆運動学計算部１１３、順運動学計算部１２１、フィードバック情報生成部１７０としての切り替え部１２２、カメラ画像処理部１３１、位置・姿勢推定部１３２、第２座標変換部１３３、基準画像供給部１４０、ロボット構造データベース１５１、逆運動学・順運動学計算式導出部１５２、ロボット設置位置データベース１６１、および座標変換式導出部１６２を有する。
【００２８】
第１座標変換部１１１は、外部からのロボット１０の手先１１の位置・姿勢の目標位置の指令信号を受け入れる。目標位置は、全体座標系により規定されている。このため、ロボット座標系に変換する必要があり、第１座標変換部１１１はこの変換を行い、ロボット座標系における手先１１の目標位置である変換目標値を出力する。
【００２９】
図３は、座標変換を説明するための２つの座標系の関係図である。説明を簡便にするために２次元の場合を示している。いま、全体座標系における座標を（Ｘ，Ｙ）、ロボット座標系における座標を（ｘ，ｙ）とする。
【００３０】
座標変換の要因のうち、全体座標系の平行移動については、次の、式（１）、（２）により与えられる。ただし、（Ｘ０，Ｙ０）は、ロボット座標系の原点の全体座標系における座標である。
Ｘ＝ｘ＋Ｘ０                          …（１）
Ｙ＝ｙ＋Ｙ０                          …（２）
【００３１】
また、座標変換の要因のうち、全体座標系の回転については、次の、式（３）、（４）により与えられる。ただし、Φは、ロボット座標系の全体座標系からみた回転角度である。
Ｘ＝ｘｃｏｓΦ−ｙｓｉｎΦ            …（３）
Ｙ＝ｘｓｉｎΦ＋ｙｃｏｓΦ            …（４）
【００３２】
以上に示した式（１）ないし（４）によって、ロボット座標系における座標（ｘ，ｙ）から全体座標系における座標（Ｘ，Ｙ）への変換を行うことができる。
【００３３】
また、全体座標系における座標（Ｘ，Ｙ）からロボット座標系における座標（ｘ，ｙ）への変換は、式（１）ないし（４）に基づいた逆算式を座標変換式として用いることにより行うことができる。
【００３４】
あらかじめ得られるロボット１０の設置位置データを収納するロボット設置位置データベース１６１をもとに座標変換式導出部１６２が、上記の座標変換式を導出し、第１座標変換部１１１は、この座標変換式を用いる。
【００３５】
減算部１１２は、第１座標変換部１１１からの変換目標値から、ロボット１０の手先１１の位置・姿勢に関する切り替え部１２２からのフィードバック情報の値を減じた値、すなわち、位置・姿勢の偏差信号を出力する。
【００３６】
次に、逆運動学計算部１１３、順運動学計算部１２１を説明する。順運動学とは、関節変位（回転、直動）に基づいて手先１１の位置・姿勢を求めるものである。また、逆運動学とは、手先の位置・姿勢にもとづいて関節変位（回転、直動）を求めるものである。すなわち、数学的には、手先の位置・姿勢を表すベクトルｒと関節変位を表すベクトルｑが次の式（５）の関数群で表される場合に、順運動学は関数Ｆを求めることであり、逆運動学は式（６）のように、関数Ｆの逆関数Ｆ−１を求めるものである。
ｒ＝Ｆ（ｑ）                  …（５）
ｑ＝Ｆ−１（ｒ）              …（６）
【００３７】
逆運動学・順運動学計算式導出部１５２は、ロボット構造データベース１５１内のデータを用いて、逆運動学の計算式および順運動学の計算式をそれぞれ導出する。逆運動学計算部１１３および順運動学計算部１２１は、この計算式を使用する。
【００３８】
図４は、順運動学を説明するためのリンク機構の概念的状態図である。図４は、説明を簡便にするために、２つのアームからなるリンク機構の場合を示している。順運動学は、前述のように、リンク機構の状態すなわち関節変位から、手先の位置・姿勢を求めるものである。
【００３９】
リンク機構が、図４に示すような長さＬ１の第１のアームがｘ軸を基準に角度θ１、これに結合した長さＬ２の第２のアームが第１のアームを基準に角度θ２の状態、すなわちｑ＝（θ１，θ２）の場合、先端部Ｐの座標ｒ（ｘ０，ｙ０）は、順運動学的に次の式（７）および（８）により求められる。
ｘ０＝Ｌ１ｃｏｓθ１＋Ｌ２ｃｏｓ（θ１＋θ２）          …（７）
ｙ０＝Ｌ１ｓｉｎθ１＋Ｌ２ｓｉｎ（θ１＋θ２）          …（８）
【００４０】
図５は、逆運動学を説明するためのリンク機構の概念的状態図である。手先の位置の座標（ｘ０，ｙ０）が与えられたときに、ｑ＝（θ１，θ２）を、式（７）および（８）の逆関数により求める。ここで、アームが１つの場合は、手先の位置の座標に対して、ｑは一通りに決まるが、アームが２つ以上の場合は、複数のｑが算出される。図５に示すような自由度が２の場合は、２通りの解が導かれる。
【００４１】
逆運動学計算部１１３は、手先１１を所定の位置にするための、各関節１２の角度、すなわちｑ＝（θ１，θ２）を算出し、制御指令値としてロボット１０の各関節１２に出力する。ロボット１０の各関節１２は、この制御指令値に合わせて各電動機１４ａを制御し、関節１２の角度を変えてロボット１０の手先の位置・姿勢を変更する。
【００４２】
順運動学計算部１２１は、ロボット１０の各関節１２からのフィードバック信号としての各関節角度信号を受けて、ロボット１０の手先の位置・姿勢に関する情報に変換する。なお、ロボット構造データベース１５１は、あらかじめ得られるロボット１０の各アーム１３のたとえば長さ、各関節１２のたとえば屈伸可能方向、屈伸可動域等あるいは図示しない走行部に関する情報等を含むロボット１０の構造に関する情報を収納する。
【００４３】
カメラ画像処理部１３１は、カメラ１８からの画像データを受けて、ロボット制御装置１００における演算処理に対応するデータ形式に変換し、ディジタル演算可能に処理する。位置・姿勢推定部１３２は、カメラ画像処理部１３１および基準画像供給部１４０からの出力を受け入れて、ロボット１０の手先１１の現在の位置・姿勢を推定する。
【００４４】
基準画像供給部１４０は、位置・姿勢推定部１３２が、カメラ画像処理部１３１からの画像データによりロボット１０の手先１１の位置・姿勢を推定する上で、その推定の根拠となるロボット１０からロボット１０の周囲のエリアを見た場合に取得されるはずの画像データを供給する。
【００４５】
基準画像供給部１４０は、建屋・機器ＣＡＤデータベース１４１、画像特徴データ抽出部１４２、および全位置画像特徴データベース１４３を有する。建屋・機器ＣＡＤデータベース１４１は、あらかじめ得られる建屋データあるいは機器のＣＡＤデータ等、ロボット１０が進入するエリア内の外観を形成する元となるデータを収納する。
【００４６】
画像特徴データ抽出部１４２は、エリア内の各機器、あるいは建屋の柱、梁等のそれぞれについて、外観上の特徴部を画像特徴部として抽出する。なお、画像データとしては、少なくとも保守対象となる主要な機器については、ロボット１０が保守作業を行う位置で、カメラ１８から見えるはずの画像を収納しておく。
【００４７】
ここで、画像特徴部とは、たとえば、面と面の接合部すなわち辺、あるいは頂点、機器等の表面を配管等が貫通する部分などのように、外観上の目印として活用できる部分を言う。全位置画像特徴データベース１４３は、各撮影位置および方角と、その位置および方角から見た画像特徴部の画像データとの組み合わせデータを集積して収納する。
【００４８】
位置・姿勢推定部１３２は、まず、カメラ画像処理部１３１からのロボット１０の位置から撮影した現在の画像に基づいて、画像特徴を抽出する。次に、位置・姿勢推定部１３２は、全位置画像特徴データベース１４３内の画像特徴部の画像データと比較する。この結果、現在の画像に隣接する複数の画像データを抽出し、隣接する複数の画像データのそれぞれの位置および方角データからのずれによって、ロボット１０の手先１１の現在位置および方向を推定する。
【００４９】
第２座標変換部１３３は、推定されたロボット１０の手先１１の現在位置および方向に基づいて、逆運動学計算部１１３が計算する座標系に合わせた座標変換を行う。すなわち、位置・姿勢推定部１３２における画像データの解析は、全体座標系に基づいてなされるので、この結果を、ロボット座標系に変換する。
【００５０】
切り替え部１２２は、フィードバック情報を生成するフィードバック情報生成部１７０として、順運動学計算部１２１の出力と第２座標変換部１３３の出力に基づいて、フィードバック情報を作成し、減算部１１２にフィードバック信号として出力する。具体的には、順運動学計算部１２１の出力と第２座標変換部１３３の出力とを入力として、これらの一方のみを出力する。すなわち、順運動学計算部１２１の出力と第２座標変換部１３３との切り替えを行う。
【００５１】
次に、本実施形態に係るロボットシステム５００の作用を説明する。ロボット１０は、図示しない駆動装置により、高放射線環境エリアに進入して、目的とする保守対象機器を取扱い可能な位置まで移動する。なお、この制御に係る部分は、図１のロボット制御装置１００の構成においては、図示を省略している。一方、ロボット制御装置１００は、高放射線環境エリアの外側におかれる。ロボット制御装置１００とロボット１０との間は、耐放射線性の動力用および計装用のケーブルで接続される。
【００５２】
座標変換式導出部１６２は、保守対象機器を取り扱い可能な位置に移動したロボット１０の位置および方向と、ロボット設置位置データベース１６１に基づいて、全体座標系からロボット座標系への座標変換式を導出する。導出された座標変換式は、第１座標変換部１１１および第２座標変換部１３３に出力される。
【００５３】
第１座標変換部１１１は、外部からの手先１１の位置・姿勢の目標値（目標位置・姿勢）を受け入れる。目標位置・姿勢は、全体座標系により規定されている。このため、ロボット座標系に変換する必要がある。座標変換式導出部１６２で導出された座標変換式を用いて、目標位置・姿勢の値を、全体座標系の座標から、ロボット座標系の座標に変換する。
【００５４】
減算部１１２は、ロボット座標系の座標に変換された目標位置・姿勢の値から、後述するフィードバック信号としてのロボット１０の手先１１の位置・姿勢の現在値を減じて、その結果である偏差信号を逆運動学計算部１１３に出力する。
【００５５】
逆運動学計算部１１３は、偏差信号を受け入れて、逆運動学・順運動学計算式導出部１５２において導出された逆運動学計算式を用いて、この偏差信号を指令信号に変換する。すなわち、偏差信号は、手先１１の位置・姿勢の値の目標値からのずれであるので、この偏差に基づいて、この偏差を減少させるための各アームの角度の変更内容を算出して、指令信号としてロボット１０の各関節１２に出力する。
【００５６】
ロボット１０の各関節１２はサーボ機構であり、ロボット制御装置１００の逆運動学計算部１１３からの制御指令値に追従して角度を変化させる。この各関節１２の関節角度は、フィードバック信号としてロボット制御装置１００の順運動学計算部１２１に出力される。
【００５７】
順運動学計算部１２１は、フィードバック信号としての各関節１２の関節角度を受け入れて、逆運動学・順運動学計算式導出部１５２において導出された運動学計算式を用いて、この関節角度を、ロボット１０の手先１１の位置・姿勢の情報に変換する。フィードバック情報生成部１７０としての切り替え部１２２は、当初は順運動学計算部１２１からの出力を減算部１１２にフィードバック信号として出力する。
【００５８】
ロボットの手先１１が、目標とする位置に近接して、減算部１１２の出力、すなわち制御偏差が所定の値より小さくなった場合には、切り替え部１２２は、その出力を第２座標変換部１３３からの出力とする側に切り換える。
【００５９】
ロボット１０の手先１１に取り付けたカメラ１８は、目標位置に接近した時の手先１１からみた画像を取得し、カメラ画像処理部１３１に出力する。
【００６０】
位置・姿勢推定部１３２は、現在画像の画像特徴と、全位置画像特徴データベース１４３に記憶された画像特徴とを比較し、そのずれ量により手先１１の位置・姿勢を算出する。第２座標変換部１３３は、この算出、推定された位置・姿勢をもとに、ロボット座標系での位置・姿勢の現在位置を算出して、切り替え部１２２を経由して、減算部１１２にフィードバック信号として出力する。減算部１１２以降は、切り替え前と同様に、逆運動学計算部１１３からロボット１０に制御指令信号が出力される。
【００６１】
このように、目標位置に接近するまでは、関節１２の角度信号に基づくフィードバック制御により接近を行い、目標位置に接近した後は、画像での位置・姿勢計測により実際のロボット１０および保守対象の位置や状況に合わせた位置決め制御を行うことができる。
【００６２】
以上のように構成された本第１の実施形態に係るロボットシステム５００は、ロボット１０の手先１１に取り付けられたカメラ１８による画像をもとにロボット１０の手先１１の位置・姿勢を、フィードバック制御に使用する。これにより、あらかじめ定められたロボット１０の設置位置からのずれやロボット１０のリンク・構造のたわみ等に影響されることなく、確実に目標位置へ位置決めすることができる。
【００６３】
このように、高放射線環境下においても、ロボットの位置決め制御が可能である。
【００６４】
［第２の実施形態］
図６は、第２の実施形態に係るロボットシステムの構成を示すブロック図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。
【００６５】
本第２の実施形態における基準画像供給部１４０は、全位置画像データベース１４４を有する。全位置画像データベース１４４は、対象とする施設のエリアが高い放射線レベルの環境になる前、例えば原子力設備の運転開始前などの時期で、放射線の影響を受けない環境下において、あらかじめ画像データを取得し収納するものである。すなわち、手先の位置・姿勢を計測するセンサを用いて、ロボット１０を、全保守対象機器の必要な場所に位置決めし、その状態でカメラ画像を記録する。
【００６６】
このような本第２の実施形態によれば、手先の位置の算出に使用するデータを、実際の画像データに基づくものとすることができ、実際の建屋および保守対象機器が設計時から製作誤差や設置誤差などにより相違していた場合においても、正しく位置が検出できるため、より精度よくロボットの手先の位置・姿勢の位置算出をすることができる。
【００６７】
［第３の実施形態］
図７は、第３の実施形態に係るロボットシステムの構成を示すブロック図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。本第３の実施形態におけるロボット制御装置１００においては、フィードバック情報生成部１７０として、計算式調整部１２３が設けられている。
【００６８】
フィードバック情報生成部１７０としての計算式調整部１２３は、位置・姿勢推定部１３２にて得られた全体座標上の手先１１の位置・姿勢の現在値に基づいて、逆運動学・順運動学計算式導出部１５２および座標変換式導出部１６２のそれぞれの導出内容を調整する。すなわち、前記第２座標変換部１３３、前記順運動学計算部１２１、前記座標変換式導出部１６２、および逆運動学・順運動学計算式導出部１５２のそれぞれからの出力を受けて、逆運動学・順運動学計算式導出部１５２で導出される逆運動学計算式、順運動学計算式、および座標変換式導出部１６２で導出される座標変換式をチューニングし、計算式導出の精度を向上させるものである。
【００６９】
この精度の高い計算式を基に座標変換および逆運動学計算・順運動学計算を行うことで、精度よくロボット１０の手先の位置・姿勢を目標位置へ位置決めする事を可能とする。なお、逆運動学計算式、順運動学計算式および座標変換式のチューニングはすべてを同時にチューニングすることは困難であり収束性を高めるために、座標変換式のチューニングを行った後に逆運動学計算・順運動学計算を行うものとする。
【００７０】
画像データに基づき現在の手先の位置・姿勢が計測されても、座標変換式および逆運動学計算式・順運動学計算式の精度が高くない場合には、保守対象機器へアクセスするためのロボットの手先の位置・姿勢が計算通りとならないことがあるが、本実施形態における構成に基づき、座標変換式および逆運動学計算式・順運動学計算式の精度を高めることにより、正確な位置・姿勢を計算することが可能となる。
【００７１】
［その他の実施形態］
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。
【００７２】
また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。さらに、これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００７３】
１…保守対象、１０…ロボット、１１…手先、１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ…関節、１３…アーム機構、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ…アーム、１４ａ…電動機、１４ｂ…角度センサ、１５…サーボアンプ、１８…カメラ、１００…ロボット制御装置、１１１…第１座標変換部、１１２…減算部、１１３…逆運動学計算部、１２１…順運動学計算部、１２２…切り替え部（フィードバック情報生成部）、１２３…計算式調整部（フィードバック情報生成部）、１３１…カメラ画像処理部、１３２…位置・姿勢推定部、１３３…第２座標変換部、１４０…基準画像供給部、１４１…建屋・機器ＣＡＤデータベース、１４２…画像特徴データ抽出部、１４３…全位置画像特徴データベース、１４４…全位置画像データベース、１５１…ロボット構造データベース、１５２…逆運動学・順運動学計算式導出部、１６１…ロボット設置位置データベース、１６２…座標変換式導出部、１７０…フィードバック情報生成部、５００…ロボットシステム
【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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