JPH0421105A - マニピユレータの立体教示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はマニピュレータの教示装置に係り、特に、視覚
を用いた教示装置に関する。

〔従来の技術〕

ロボットに作業を行わせるには作業対象物の位置や腕の
先端の運動軌跡を何らかの方法で教示することが必要で
ある。従来、このティーチング作業は実際にロボットを
インチング操縦により目標点に誘導し、その位置での各
関節の角度あるいは位置を覚えるという方法をとるのが
一般的で、産業用ロボットに広く用いられている。

ロボットを用いて、直接、教示する上記の方法ではロボ
ットが生産活動を行っている間は教示が行えず、また教
示を行っている間は生産活動を停止しなければならない
ため、生産の能率が低下する。このため、ロボットを用
いず教示を行うオフラインティーチングが行われる。こ
の場合には計算機の中に作業対象物やロボットのモデル
を持ち、二数をＣＲＴ画面上に表示して教示を行う。こ
のようなオフラインティーチングは日本ロボット学会誌
第３巻２号の第５９頁から第７３頁において論じられて
いる。しかし、この場合には計算機の中のモデルとロボ
ットの位置関係と、実際の作業対象物とロボットの位置
関係に微妙な差があり、作業実行前に位置誤差を修正す
るための調整を行う必要がある。

一方、特殊な環境の作業を遠隔操作で行うために用いる
マスタ・スレーブマニピュレータは人間が操縦して動か
すので、教示は必要なかったが、最近、このようなマニ
ピュレータでは操縦の負担が大きいため、これに計算機
制御を導入して知能化し、自律的に作業を行わせる知能
型マニピュレータが開発されている。このようなものの
−例が、計測自動制御学会論文集、第２０巻第１号、第
７８頁から第８５頁に論じられている。このようなマニ
ピュレータでは、一般に、作業場所には人が立入ること
ができない場合が多く、マニピュレータを用いて、直接
、教示することは困難である。

また、マニピュレータは未知の環境に持込まれ、その場
で作業を行うことが要求される。このため、作業場所の
情景を写し比すテレビ映像を見ながら、その場で環境や
作業対象物のモデルを作成し、自律作業を行わせるため
のマニピュレータの動作を教示することが必要になる。

この場合、平面のテレビ画面を用いた場合は、奥行き情
報が無いため、三次元の位置を同定することは容易では
無い。従来の方法は、すでに計算機の中に保有している
モデルを用いて、これを実際の環境と合わせる調整を行
う方法は示されているが、この方法は未知の環境で使わ
れる場合は適用できない。また、レーザレンジファイン
ダを用いる方法や、レーザスポットの位置をテレビカメ
ラで見る方法がある。

一方、−台のモニタで奥行感覚が得られる立体視システ
ムが開発されている。これは、第２図に示すように、映
像信号が同期した二台のテレビカメラ１，２を用い、こ
の映像信号をフレーム毎、または、フィールド毎に交互
にはめ込んだ合成映像を立体視コントローラ３により作
成して一台のモニタ４に表示すると、モニタ４には二台
のテレビカメラの映像が交互に映るが、これと同期して
電子シャッタ眼鏡５の電子シャッタを交互に切換えれば
、観察者の眼には二台のテレビカメラ１゜２の映像が右
眼と左眼に分離して見える。従って、二台のテレビカメ
ラ１，２を並列に配置すると、視差のある映像を観察す
ることができ、視差に基づく立体感覚を得ることができ
る。また、コンピュータグラフィクス装Ｗ６によりアニ
メーション画像をリアルタイムで作成し、ビデオフレー
ムメモリを用いてテレビカメラでとらえた実画像とコン
ピュータで作成したアニメーションを合成してモニタに
立体視表示することもできる。立体視技術についてはＳ
、１．Ｄ、の会議録、第１９巻２号（１９７８）の第１
頁から第５頁（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ　ｏｆｔｈｅ　Ｓ
、　Ｉ　、Ｄ、、　Ｖｏｆ２１９／　２　５ｅｃｏｎｄ
　Ｑｕａｒｔｅｒ（１９７８）ｐｐ、１−５に記載され
ている。この立体視システムをマニピュレータの教示に
用いたものは無かった。

三次元立体位置を非接触で検出するセンサとして、人工
磁場と検出コイルを組合せたものが開発されている。こ
れは第３図に示すように、人工磁場９を発生させるソー
ス７と磁気を検出するセンサ８とソースのドライズ回路
１０とセンサの検出回路１１と、コンピュータ１２で構
成され、ソースを励磁することによってセンサが磁気を
検出するもので、磁力の強さと方向によりセンサの空間
位置を計算で求めることができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術のうち、ロボットを用いて、直接、教示を
行う方法は、ロボットの動作領域に人が立入ることにな
るので、安全上望ましくない。一方、平面のテレビ映像
を用いて教示を行う方法では、画像が平面であるため、
立体位置を検出することは困難である。

レーザレンジファインダを用いる方法や、レーザスポッ
トの位置をテレビカメラで見る方法の場合は環境の全体
をスキャンする必要があり、データ量が増えて処理時間
がかかる他、作業の対象物を背景と分離して特定するこ
とが困難である。

マニピュレータの作業では教示の手続きが複雑であった
り、処理時間が長くかかる場合は自律化する利点が損わ
れ、マスタスレーブ方式で、逐一作業を行った方が能率
が良いことになる。従って、未知の環境に置かれた状態
でいかにすばやく、簡単、かつ、容易に教示が行えるか
がマニピュレータを自律化する利点が生じるか否かの分
れ目となる。

本発明は視覚システムを用いて短時間に教示が行える教
示方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、コンピュータグラフィクス
による立体視アニメーションと二台のテレビカメラでと
らえた立体視実画像を合成表示する視覚表示システムと
、空間位置を検出する空間位置センサと、マニピュレー
タ、及び、マニピュレータ制御システムで構成され、空
間位置センサの出力情報が立体視アニメーション作成用
コンピュータ及びマニピュレータ制御装置に伝達される
ように構成したものである。

〔作用〕

アニメーション作成用コンピュータは空間位置を表現す
るため視差をもつ二枚の空間ポインタ用映像を作成し、
これを立体視表示システムにより観察者に提示する。一
方、観察者は空間位置センサを持ち、これを動かすと、
その位置変化に対応した空間位置情報の変化を示す圧力
信号が得られる。この信号はアニメーション作画用コン
ピュータに送られる。コンピュータはこの空間位置情報
に基づき空間ポインタの立体像の位置が変化するように
アニメーションを変化させる。従って、観察者は上記の
空間位置センサを用いて空間ポインタの位置を任意に変
えることができる。また、マニピュレータ制御装置も同
じく空間位置情報を受けとり、教示点として記憶する。

従って、Ｉ！察者は空間位置センサを用いてマニピュレ
ータの教示を行うことができる。キャリブレーション等
によって立体像の上の空間位置と実際の作業空間での空
間位置が正しく対応するように各要素が調整されていれ
ば、観察者は立体視映像上の対象物を見ながら立体ポイ
ンタを対象物の特徴を表す点に一致させ、そのときの空
間位置データを用いて対象物のモデルをマニピュレータ
制御装置に教示することができ、また、作業場所に至る
空間経路を空間ポインタを用いて教示することもできる
。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例の構成と動作の説明を第１図に
示す。作業場所には二台のテレビカメラ１．２が略平行
に配置されており、立体コントローラ３を介して立体モ
ニタ４に立体視映像が表示される。観察者は電子シャッ
タ眼［５を装着してこの立体像を観察する。立体コント
ローラ３には高速作画装置６が結合されており、この高
速作画装置６が作成した立体視用アニメーションは立体
視コントローラ３の内部でテレビカメラ１，２で撮影し
た映像と合成され、立体モニタ４に表示される。さらに
、高速作画装置６には磁気センサを用いた空間位置測定
システムが接続されている。

この位置測定システムは、第３図に示すように、人工磁
場をつくるソース７と磁気検出コイル８とソースインタ
フェース装置１０と磁気検出コイルインタフェース装置
１１と計算機１２で構成され、計算機１２は磁気検出コ
イル８の信号より磁気検出コイルの立体位置と方向を求
め、第１図に示すようにその情報を高速作画装置６に送
る。高速作画装置はこの立体位置情報を基に、後述の立
体ポインタの立体視映像を作画し、立体視コントローラ
３を介して立体モニタ４に表示する。Ｉ！察者が磁気検
出コイル８を持ち、これを動かすと、その位置の変化に
応じて立体モニタ４に表示されている立体ポインタの立
体像の位置が変化する。従って、磁気検出コイル４を用
いて立体ポインタの位置と方向を任意に変えることがで
きる。また、この磁気検出コイル４の位置情報、または
、立体ポインタの空間位置情報は計算機１２．または、
高速作画装置６よりマニピュレータコントローラ１３に
送られ、マニピュレータ１３はこの情報を基に設定され
た軌道に沿って動かされる。

第４図は立体モニタ４の表示例を示す。画面上には作業
の対象物１５と、作業には、直接、関係のない背景物体
１６が映っている。ただし、本図では立体視の表現が不
可能なので１通常の平面像として描かれているが、立体
モニタ上の図は全て立体視表現されているものとする。

ここで、作業対象物１５に取付けられているボルト１７
を緩める作業をマニピュレータが自動的に行うように教
示するものと仮定する。観察者は磁気検出コイルを持ち
、立体ポインタ１８を動かす。ここでは立体ポインタ１
８は傘の形をしており、その先端で空間位置を、柄の向
きで方向を表すものとする。

ａｍ者は磁気検出コイルを把持し、立体ポインタ１８を
動かして作業対象物の教示しようとする場所に立体ポイ
ンタ１８の先端を合せ、高速作画装置６に付属のキーボ
ード等から教示信号を送ると、立体ポインタ１８の先端
の位置に立体教示点１９がマークされる。教示点の間は
直線や円弧やスプライン曲線等の接続線２０で連結する
。このようにして、作業に必要な部分のみ環境モデルを
作成していく。次に、マニピュレータ１４の先端の運動
軌跡を教示する。目標とするボルト１７に至るまでの通
過点２１を立体ポインタ１８を用いて教示し、その間を
線２２で結ぶ。これにより、マニピュレータの先端の運
動軌跡を立体的に教示することができる。

第５図に教示の手順を示す、まず、教示しようと思う教
示点に立体ポインタを合せ、キーボードより教示を示す
キーを入力する。アニメーション作画用コンピュータは
立体ポインタの先端の位置に教示点マーク（第４図では
黒丸）を立体視表示する。作業対象物、及び、マニピュ
レータ先端の運動軌跡に対して必要な教示点を教示した
後、直線補間の場合は二点、曲線補間の場合は三点の教
示点を立体ポインタで指定し、その間を直線又は曲線で
結んで立体視表示する。教示すべき点がまだ残されてい
る間、この作業を繰返し、教示終了後、教示及び補間デ
ータをマニピュレータコントローラへ転送する。マニピ
ュレータコントローラはこの教示データを基に自律作業
を行う。全ての作業が完了するまで、この手順を繰返す
。ここで、教示データの転送はまとめて行わず、各点を
教示する度に教示データをマニピュレータコントローラ
へ転送しても良い。また、教示点を結ぶ線は教示点の教
示を行った直後に緩和曲線等で前の教示点と結んでも良
い。

第６図には他の実施例を示す。この実施例では、空間位
置を検出し、立体ポインタ１８の位置を移動する手段と
して、磁気センサではなく、操縦アーム２３を用いる。

この操縦アーム２３はマニピュレータ１４の操縦に兼用
しても良い。操縦アームの各関節には関節角を検出する
角度センサ２４が備えられており、操縦アームコントロ
ーラ２５は各関節の角度を、随時、読み取ることができ
る。

操縦アームコントローラ２５は演算処理機能を備えてお
り、産業用ロボットで行われているように、操縦アーム
２３を構成している各リンクの寸法と関節角からアーム
先端部の位置と姿勢を計算し、これを立体ポインタ１８
の位置と姿勢を決めるデータとして高速作画袋Ｗ６、お
よび、マニピュレータコントローラ１３に送る。他は第
１図に示す実施例と同様である。この場合は操縦アーム
２３を立体ポインタ１８とマニピュレータ１４の操縦に
共用できる利点がある他、操縦アームが各関節にモータ
をもち、力を発生できるものであれば作業対象物との接
触を反力として提示できる利点がある。例えば、作業対
象物の輪郭を教示した後、その輪郭の内部を立体ポイン
タ１８の侵入禁止領域とする。立体ポインタ１８がこの
禁止領域に入っていないことを常に確認しておき、禁止
領域への侵入が発生したら、侵入直前の位置に戻るよう
に操縦アームの位置を制御する。従って、操縦者が操縦
アームに力を加えても反力が発生し、立体ポインタ１８
はこの輪郭で囲まれた領域より内側へは侵入できない。

このため、作業教示はより容易になる。

第７図は立体ポインタの表示例である。立体ポインタ２
６は矢印を立体化したもので、先端で位置を示し、矢の
方向で向きを示す。立体ポインタ２７は円の中の十字線
の交点で位置を示し、円の形と十字線の方向で向きを示
す。立体ポインタ２８はハンドを模式図として表したも
のである。

〔発明の効果〕

本発明によれば、未知の環境でも直感的に、かつ、迅速
に計算機内に環境または作業対象物の環境モデルをつく
ることができ、かつ、マニピュレ−タの移動軌跡を教示
することができるので、マニピュレータに自律的に作業
を行わせることが可能になる。また、教示を直感的に行
えるので、教示作業による疲労を軽減することができ、
また、教示に要する時間が短いので、逐一、操縦する場
合に対し大幅に作業時間が増加することは無く、自律化
の有用性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図、第２図は
従来の立体視システムのブロック図、第３図は従来の磁
気センサを示すブロック図、第４図は本発明の立体視表
示例を示す正面図、第５図は本発明の手順を示す作業フ
ローチャート、第６図は本発明の他の実施例を示すブロ
ック図、第７図は本発明の立体ポインタの表示例を示す
説明図である。 １．２・・・テレビカメラ、３・・・立体コントローラ
、４・・・モニタ、５・・・シャッタ眼鏡、６・・・高
速作画装置、８・・・磁気センサ、１２・・・計算機、
１３・・・マニピュレータコントローラ、１４・・・マ
ニピュレータ。 １８・・・立体ポインタ、１９・・・立体教示点、２０
・・接続線、２１・・・通過線、２３・・・操縦アーム
、２４・・・角センサ、２５・・・操縦アームコントロ
ーラ、第 区 華 第 凶 拓 カ ３１Ｊ 羊 図 箔 乙 菌

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、マニピュレータと、マニピュレータ制御システムと
   、前記マニピュレータの作業状況を映し出す立体視映像
   表示システムと、コンピュータアニメーションを作成し
   立体視映像に重ねて表示する高速作画システムと、三次
   元位置を検出するセンサシステムを備え、センサシステ
   ムの検出データに基づいて立体位置を表示する立体ポイ
   ンタを前記高速作画システムで作画し、前記立体視映像
   システムにより表示し、また、前記センサシステムの検
   出データに基づき前記マニピュレータの運動および作業
   対象物の位置や形状を教示することを特徴とするマニピ
   ュレータの立体教示装置。