広島工業大学紀要研究編
第 43 巻（2009）pp.65-73

論文

スカラロボットによるカップ容器のハンドリングに関する研究〜カップ容器ポイントシール装置への適用〜

西本澄＊，石田秀彦＊＊（平成 20 年 10 月 31 日受理）

Studies on Handling Cups by a SCARA Robot― Application for Loading and Unloading Cups to and/or from a Point Sealing Machine ―Kiyoshi NISHIMOTO and Hidehiko ISHIDA（Received Oct. 31, 2008）

Abstract
A SCARA robot has been developed to pick up a plastic cup with dry fruits andload it to a point sealing machine. If any new cup is introduced on a conveyor, an
infrared range sensor will sense it and measure the distance from that sensor. Inaddition, force sensors are used to determine when the robot hand is in contact witha cup and grasp a cup of different size, applying the appropriate level of force.
These sensors are inexpensive each.
In this paper we describe how the center and radius of a circle passing throughthese measured points can be estimated. The effects on the measurement errors
and deviations due to the surface optical characteristics of cups will be examined
and the Hough transform method will be used to derive the location of a circle.

Keywords; SCARA ,infraredrangesensor,forcesensor,H oughtransform ,circle

本研究の目的はスカラロボットのハンドでカップ容器を1．緒言確実に把持できるようカップ容器の正確な位置計測を実現

プラスティック製のカップ容器のポイントシール機は現することであり，この計測を低価格の赤外線距離センサを在ハンディタイプのものしか商品化されておらず，株式会用いて行った。カメラを用いた画像計測では環境光の影響社イシカワは広島市の新技術・産学官研究開発助成金を受の除去など，システムが高価になること，ソフトウェアがけて高品質のポイントシールが実現できる装置を開発し複雑になることから空間的にも場所をとらない低価格の赤た。さらにこのポイントシール装置にカップ容器を供給し，外線距離センサを計測に使用した。すなわち，赤外線距離さらに取出す機能を加えることとし，この方法について検センサによりコンベア上を移動するカップ容器を検出し，討した。その結果，ベルトコンベア上のカップ容器を 3 自コンベアを停止させると同時にカップ容器の中心位置を正由度の水平多関節ロボットに取りつけたハンドで把持し，確に計測する。また，本研究では，開閉するはさみ機構をポイントシール装置へ供給する方法を採用した。

もつ回転型ハンドによりカップの把持を行い，把持の確認* 広島工業大学工学部知能機械工学科** 株式会社イシカワ

―65―

西本

を感圧抵抗素子により行う。そこでカップに対するハンドの位置決めが不十分な場合にカップを把持するときのハン

澄・石田秀彦3．スカラロボット
カップを把持するためのはさみ機構のハンドを備えた 3

ドの左右のはさみ（指）のそれぞれの把持力について調べ自由度のスカラロボットを設計した。ロボットハンドは鉛た。
赤外線距離センサによる計測では，カップ容器が透明で直方向に上下し，コンベア上のカップ容器を把持し，ポイあることの影響について静止状態にある容器，コンベア上ントシール装置へカップを供給し，さらにシールされたカを一定速度で移動する容器に対して距離計測および形状計

ップ容器を取り出し，再び搬出用のコンベア上に置く。ス

測実験を行い，最適なカップの停止位置をふくめて多くのカラロボットはこれらの動作を繰り返して行う。
スカラロボットの 2 軸リンクの駆動にはステッピングモ知見を得ることができた。
本論文ではポイントシール装置およびスカラロボットのータを使用し，いずれもハーモニックドライブ減速機を用概要について説明し，赤外線距離センサによる距離・形状いてオープンループ制御とした。そのために繰り返し動作の計測結果と感圧抵抗素子によるハンドの把持力の計測結のなかで 2 軸リンクの各リンクの基準位置を磁気抵抗素子果について報告する。

を用いて毎回検出し，位置決め誤差が累積しないようにした。図 2 にポイントシール装置とスカラロボットの外観を2．ポイントシール装置示す。

ポイントシール装置はプラスティックカップ容器の蓋とスカラロボットのハンドの開閉，カップの供給および搬本体に 3 箇所のスポット溶着シールを行う装置である。す出用ベルトコンベア（幅 300mm）の駆動には，すべてスなわち，インデックステーブルの 4 箇所に容器装着口を設

テッピングモータを使用し，一定のパルスレートで駆動しけ，テーブルを水平面内で 90 度ずつ回転させ，各セクシている。ハンドの鉛直方向の制御は空気圧シリンダを電磁ョンで，カップ容器の挿入，蓋のおさえと固定，スポット弁で ON/OFF して行っている。

溶着，コンベアへの容器取り出しを繰り返して行うカップカップ容器の位置計測には三角測量を原理とし，測定対容器のポイントシールを高速に行う自動化装置である。イ

象物の表面特性の影響を受けにくい赤外線距離センサを，ンデックステーブルの駆動は近接スイッチによる原点検出

各リンクの基準位置の検出には磁気抵抗素子，ハンドの把を 1 回転ごとに行い，ハーモニックドライブ減速機仕様の持力の計測には感圧抵抗素子を用いた。さらにハンドの位ステッピングモータを用いることにより位置分解能および置決め後に直下にあるカップ容器の存在を検出するために位置決め誤差を小さくしている。ポイントシール装置の計

左右のハンドに 2 値（1/0）出力する赤外線センサを取り測・制御は PLC により行っている.

付けている。ポイントシール装置との通信，およびこれらポイントシール装置のヒートシール金具形状についてはの計測・制御は H8 − 3048F マイコンで行っている。図 31）

すでに特許を取得しており ，取り扱える容器の大きさににスカラロボットの計測・制御装置とポイントシール装置制限があるが，高さや形状（円筒，多角形など）の異なるとのインタフェースの構成を示す。また付録 B に H3048，容器のポイントシールに柔軟に対応できる特長をもつ。ポ赤外線距離センサ，磁気抵抗素子の外観を示す。

イントシールおよびポイントシール装置の詳細については付録 A に示す。

図1

ポイントシール装置のヒートシール金具

図2

―66―

ポイントシール装置とスカラロボットの外観

スカラロボットによるカップ容器のハンドリングに関する研究

トシール装置はこの信号を受けてインデックステーブルを90 度回転する。
さらに 2 軸リンクはシールされたカップ容器を取り出し部でハンドにより把持，搬送用コンベアに置く。この直後，搬出コンベアを一定時間駆動し，ロボットは関節 J1 を関
節角 0 度，関節 J2 を関節角 0 度として待機状態に入る。
赤外線距離センサによりカップの存在が検出されるまでの間，搬入用のコンベアは一定速度で稼動し続ける。
ロボットの 2 軸リンクの駆動にハーモニック減速機仕様の高分解能のステッピングモータを使用しているが，1 回の動作ごとに関節 J1 は関節角 0 度の位置に設置した磁気抵抗素子により，さらに関節 J2 については取り出したカップをコンベアに置くとき，すなわち回転角− 90 度の位置に設置した磁気抵抗素子で位置決め補正を毎回行い，角度誤差の累積を防止している。図 4 にポイントシール装置のインデックステーブルと供給用コンベア，搬出用コンベ
ア，スカラロボット，および赤外線距離センサの幾何学的な配置を示し，スカラロボットが待機状態からカップを把持し，シールされたカップを搬出用のコンベアに置くまでのスカラロボットの基本姿勢を示す。
図3

H8 マイコンによる計測・制御装置の構成

4.2

メカニカルハンドによるカップの把持

ハンドは大きさ，高さの異なるカップ容器を把持するために 2 指が開閉するはさみ機構とした。指部は 180 度まで

4．スカラロボットの位置決め制御
4.1

開口し，開閉はステッピングモータによりボールねじを駆スカラロボットの計測・制御動して行う。カップ容器との接触検出と適切な力でカップスカラロボットは搬入用コンベア上のカップ容器をポイントシール装置に供給し，シールされた容器を搬出用のコ保持するために指部の内側に感圧抵抗素子を取り付けた。
図 5 にメカニカルハンドの外観を示す。

ンベアに取り出す。ポイントシール装置のインデックステーブルはカップの供給，蓋おさえ，シーリング，カップ取り出し用のそれぞれ 4 つのカップ容器が収納できる直径80mm の円孔をもち，シーケンス制御により 90 度ずつ回転する。
スカラロボットは赤外線距離センサによりカップ容器を検出してコンベアを停止させ，得られた距離情報からカップ容器の位置を求め，2 軸リンクの先端に取り付けたハンドの位置決めを行う。すなわち，位置決めされたロボット
ハンドのツールポイントとカップ容器の位置を一致させることが本研究の目的である。そしてロボットハンドを降下させ，カップを把持する。このとき，はさみ機構によるハンドの内側に感圧抵抗素子を装着し，カップの把持力を計測してカップを確実に把持する。再びハンドを上昇させ，ポイントシール装置上のカップ供給部にカップを供給する。カップを供給し，ハンドを上昇させた後，これを知らせるストローブ信号をポイントシール装置に送り，ポイン
―67―

図4

スカラロボット，コンベア，インデックステーブルの幾何学的構成西本澄・石田秀彦の異なるものについても対応していく必要がある。

図5

4.3

メカニカルハンドの構造

図7

赤外線距離センサによるハンドの位置決め

一定速度のベルトコンベア上にカップ容器は投入され，
図 6 に示す位置に距離計測範囲が 100mm から 800mm のプラスティック製カップ容器と紙コップ

赤外線距離センサからの出力信号は 20ms ごとに 10 ビットの AD 変換器で処理される。H8 マイコンで高速処理するため，次に示す近似式で距離 y mm を算出する。

シャープ製の赤外距離センサ GP2D12 を設置する。センy = 65000 - 35d

サはカップ容器を検出してベルトコンベアを停止させ，セ（1）ンサからのカップまでの距離を計測してスカラロボットハ

ここで d は出力データの値である。図 8 に GP2D12 のンドの位置決めを行う。容器の停止位置として図 4 に示す

AD 変換データ d と距離 yとの関係を示す。実線が近似式

ようにカップの停止位置として，（A）カップを検出したらを示す。

すぐに停止させる，（B）センサ正面，すなわち，カップとセンサとの距離が最も近づくときに停止させる，（C）セン
サでカップが検出できなくなるカップが通り過ぎた位置で停止させる，3 通りが考えられる。

図8

図6

赤外線距離センサによるハンドの位置決め

4.3.1

赤外線距離センサの性能曲線

カップ容器の半径の計測

カップ供給用のコンベア速度は H8 マイコンで一定速度
ここで図 7 に本研究で扱うプラスティック製のカップ容制御を行っており，既知であり，センサ座標系を図 6 のよ器の外観を示す。カップ容器は透明でラベルシールが側面

うにとると赤外線距離センサで検出されるカップ容器の表の一部にはられ，なかにはドライフルーツが詰められてい面までの距離情報からカップ表面の計測点の座標値（ X ，る。今回対象とするカップ容器の直径は約 60mm である。

Y ）が得られ，カップ容器の半径 r mm を求めることがで

但し，コンベアから供給されるカップにはドライフルーツきる。すなわち，カップ表面の 4 分の 1 円，あるいは半円が充填されているが，ラベルは貼付されていない。また，の座標値から円の中心座標および半径を求めることができ対象とするカップについて直径が異なるもの，さらに形状る。例えば，図 6（C）の場合，コンベア速度を V mm/s と―68―

スカラロボットによるカップ容器のハンドリングに関する研究

し，カップ容器を赤外線距離センサが検出する時間をT s，赤外線距離センサから得られる距離の最小値を y min とするとき，停止したカップの中心座標値(p,q)および半径 rは次式で与えられる。

(p,q) = (VT /2,ym in + VT /2 - D d)r = VT /2 - D d

4（2）
図9

ここで，センサが容器を検出するのは X = 0より負の方ハンドのツールポイントとカップ停止位置向 D dの位置からであり，さらに検出できなくなる位置も4.5

X = 0から正方向 D dの位置となることを考慮している。

感圧抵抗素子によるカップ容器の把持

いっぽう，円周上の 3 点が既知の場合，円の方程式を求

本論文ではカップ容器の停止位置とハンド開口部の中めることができ，次々に計測されるカップ表面の距離情報心，ツールポイントが一致することを目標とする。そこでから円の中心座標(p,q)および半径 rを次の（3）式から求め停止位置が開口部の中心位置からずれた場合に，カップをることができる。

把持するときにハンドの指の内側に装着した感圧抵抗素子(x - p)2 + (y - q)2 = r2

（3）

出力がどのように変化するかを調べた。
把持力の計測に用いる感圧抵抗素子はインターリンク社

また，4 分の 1 円，あるいは半円の計測座標値からハフ製の FSR400（直径 7.6mm，厚さ 0.3mm）で荷重の小さ変換により円の中心座標および半径を求めることができい範囲では図 10 に示す性能をもつ。この範囲では力 fgにる。距離センサから得られた計測座標値 (x, y)に対して対する AD 変換データは直線近似できる。

(p, q, r)の 3 次元空間を探索し，次の（4）式を満足する(p, q, r)で投票数が最大のものを解とする。
(x - p)2 + (y - q)2 - r2 < f（4）f はどの程度の分解能で (p, q, r)を求めるかに依存し，本論文では p, q, rの分解能を 5mm， f = 200とした。
以上，本論文ではカップを把持するためのハンドの位置決めはカップ容器の停止位置の精度に依存するので，今回用いる赤外線距離センサにより得られる情報から正確な停止位置の計測が可能かどうかを評価する。

4.4

カップ容器の位置決めのずれの検出
図 10

カップ容器の停止位置に対してハンドの位置決めで問題

感圧抵抗素子の荷重と AD 変換データとの関係となるのは，ハンドを下降させるときにハンド自身でカップを押しつぶすことである。はさみ機構を利用したハンドにおいて開口部の開きを大きくすれば押しつぶす危険性は小さくなるが，カップの短時間での把持が困難になる。そ5．実験結果5.1

カップ容器の把持力の計測結果

こでハンドのはさみ機構の左右の指の下部に赤外線障害物

ドライフルーツが充填されているカップ容器の重さはセンサを取り付け，ハンドの位置決めを行った後，それぞ180g 程度であり，カップ保持のためには数 100g 前後の把れの指の直下にカップ容器が存在するかどうかを検知し，持力が必要である。カップの停止位置とハンドのツールポ

関節 J2 の制御を行う。例えば，左側のはさみ部のセンサイントが一致する場合とハンドの位置決めにずれがある場

がカップ容器を検出した場合には関節 J2 を左側（反時計合の左右（L と R）の指に取り付けた感圧抵抗素子出力の回り）にカップを検出しなくなるまで回転させる。図 9 に時間変化を図 11（a），（b）に示す。カップの停止位置がツハンドとカップの位置について 3 つの例を示し，それぞれールポイントと一致する場合にはほぼ同時にハンドのはさの場合の関節 J2 の制御方向を示す。

み部がカップ容器を検出していることがわかる。
いっぽう，位置決めにずれがある場合，図 11（b）に示す―69―西本澄・石田秀彦

ように左側のハンドでカップ容器をコンベア上で押す動作が 1 秒間継続したのち，両方のハンドでカップを把持することがセンサ出力からわかる。

図 12

カップの表面状態の距離計測への影響

カップ容器のラベル面を検出している場合（c）と白色の紙コップの場合（d）はカップ表面の円弧を検出しているが，容器が透明である場合（a）は距離計測誤差，計測値のばらつきが大きくなり，容器内のドライフルーツがみえている
場合（b）でもその充填状況により，カップの円弧部を正確に検出できないことがわかった。さらに内容物が大きい果肉片の場合には（a）の計測結果に近くなることがわかった。
したがって容器をセンサ正面で確実に停止させることは困難であり，図 13 に示すようにカップ容器がセンサ正面を通過した位置，すなわち（2）式で表される位置で停止させるのが最善の方法と考えられる。
この場合，カップ容器を検知してから検知しなくなるま
図 11

位置決めのずれによる左右グリッパの把持力変化での移動距離からハンドの位置決めを行うことができる。
すなわち，センサで容器が検出される範囲は A の位置か

5.2

赤外線センサによる距離計測結果

ら C の位置であり，センサ座標系 O - XY において容器の赤外線距離センサを用いて静止した状態にあるカップ容停止位置（ p， q）は図のように表される。停止位置の座器までの距離を計測した。カップの内容物，表面状態の違

標値 qの値は，赤外線距離センサから得られる y min の値

いにより，（a）空の状態の透明容器，（b）ドライフルーツとセンサの視野に依存する D dに依存する。実験結果によが詰められている商品，（c）同一商品でラベルが貼付され，れば， ymin の計測値のばらつきは数 mm，使用した赤外センサにラベル面が向いている場合，（d）白色の紙コップ

線 距 離 セ ン サ の Dd は 1 0 m m で あ り ， p= 3 8 m m ， q=について，センサとカップまでの距離 yを 190mm として218mm， r=28mm が得られた。

計測を行った。
250 回の計測値 yの平均値は，（a）239mm，（b）200mm，（c）188mm，（d）194mm，標準偏差はそれぞれ（a）15mm，（b）3.5mm，（c）3.2mm，（d）3.0mm であり，透明な部分を計測対象とする場合にはセンサから容器までの距離が実際の値よりもかなり大きくなり，計測値のばらつきも大きいことがわかった。
さらに上記と同様の容器についてコンベア上を一定速度V =50mm/s で移動する場合の距離計測を行った。図 12にカップの内容物，表面状態の違いによる赤外線センサによる距離情報の時間変化を示す。なお，本実験における真値は p =40mm， q=220mm， r=30mm である。
図 13

最適なカップの停止位置

いっぽう，概ね円弧情報が得られている（c）の場合と（d）―70―

スカラロボットによるカップ容器のハンドリングに関する研究の場合について，カップ容器表面の連続する 3 点の距離情で，分解能 5mm でそれぞれ 100mm の範囲を探索した。

報から円の半径 rと中心座標（ p， q）を求めた結果を図 14

不等式（4）が成り立つかどうかを計算する回数はこの例でに示す。センサによる計測値のばらつきにより，近接するは円弧情報をもつ計測点数が 74 となり， 20 # 20 # 20 # 74

3 点では，ほとんどの場合，半径 rは 10mm 以下の小さな= 59200となる。図 16 は p = 36m m を断面とする（ p， q）値となり，円の中心の y座標の誤差は 20mm 以上となった。の投票結果を示すものであり，多数のピークが存在し，解の候補が多数存在することがわかる。

図 14近接する 3 点から求めた円の中心座標そこで（c）および（d）で得られる座標値に対してハフ変換を適用した。（4）式における fの値の選び方がむずかし
いが，図 15 に示すようにほぼ正確に円の中心(p,q)と円の半径 rを求めることができた。ラベル面を計測した結果，白色の紙コップを計測した結果から，赤外線距離センサにより観測されるカップ容器の表面の光学特性を考慮したラベルで覆うことによりカップ容器の形状の計測をかなり正
図 16 (r, q)によるハフ変換の投票結果（ p = 36m m ）確に行うことができることがわかった。

6．結言
スカラロボットによるハンドの位置決めについては高分解能のステッピングモータと基準となる位置決めセンサの導入により高精度・高分解能動作を実現できた。
また低価格の赤外線距離センサを用いてベルトコンベア上を移動するドライフルーツ入りのプラスティック製透明
図 15

ハフ変換による容器の中心座標の計測値

容器を観測した結果，容器の透明度，フルーツの充填状況
によりセンサから容器までの距離計測結果が大きく左右さ

ハフ変換は計算コストを要する計算法であり，探索空間れ，カップ容器全体がセンサ正面を通過した時点でコンベを絞り込むための工夫が必要である。例えば，図 16 は（c）

アを停止させるのが最善の方法であることがわかった。まの距離情報から得られたカップ表面の座標値についてた，赤外線距離センサから観測されるカップ容器部にラベ(p, q, r)の 3 次元空間を探索した結果である。探索範囲はルを貼付することにより，容器の形状測定が可能となり，

p > 0m m
q > 189m m
r $ 20m m

カップの中心位置の計測精度を改善することができること（5）―71―が示された。

西本

文澄・石田秀彦

献1）石田秀彦，容器ヒートシール装置，特許第 4072566 号．
JP 4072566，B1（2008)2）西本澄，石田秀彦，スカラロボットによるカップ容器の供給・取出しの自動化に関する研究，精密工学会
中国四国支部学術講演会，114，（2008）

付録 A

ポイントシール装置の概要

液晶表示によるポイントシール装置の操作盤

付録 B H3048 によるマイコン計測・制御

3 点ポイントシールの概観

スカラロボットの計測・制御の心臓部（H8-3048 マイクロプロセッサ）

ポイントシール装置のヒートシール部

カップ容器までの距離を計測する赤外線距離センサ GP2D12

カップ容器の蓋押さえ部―72―

スカラロボットによるカップ容器のハンドリングに関する研究

磁気抵抗素子によるリンク 2 の位置決め―73―