JP2004230539A

JP2004230539A - ロボットによる物体の位置と姿勢検出方法及び検出装置

Info

Publication number: JP2004230539A
Application number: JP2003025343A
Authority: JP
Inventors: Rakuei Cho; 洛榮丁; Hiroshi Motomiya; 弘本宮; Kazuo Tanie; 和雄谷江
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2003-02-03
Filing date: 2003-02-03
Publication date: 2004-08-19

Abstract

【課題】ＲＦＩＤタグの情報をロボットマニピュレータに設けた電磁波受信装置で受信する際、物体の基準位置と姿勢を正確且つ容易に検出する。
【解決手段】メモリに記録した物体の情報をアンテナから発信するＲＦＩＤタグをその物体上に設け、コンピュータによって操作されるロボットマニピュレータに取り付けた電磁波受信装置によってタグからの信号を受信して受信強度を、少なくとも１直線上にない３箇所で行う。この受信強度をタグと電磁波受信装置間の距離に変換し、３箇所のタグと電磁波受信装置間の距離によりタグの基準位置を検出する。次いでロボットマニピュレータをこの基準位置を中心とした球面に沿って移動させ、複数箇所でタグからの信号を受信して受信強度を測定し、受信強度が最も高い位置を演算する。この受信強度が最も高い位置をタグの正面としてタグの姿勢、即ち物体の姿勢が検出できる。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロボットのマニピュレータにより物体のハンドリングを行う際、その物体の位置と姿勢を容易に、且つ正確に特定することができるようにしたロボットによる物体の位置と姿勢検出方法及び検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ロボットによる物体の操作は、その物体の識別と位置検出を必要とする。このような物体の識別や位置検出に際して従来は、カメラによる撮影画像を利用する視覚センサシステムを用いることが広く行われている。
【０００３】
例えば特開２００２−１２７０５７号公報（特許文献１）には、ロボットの動作軌跡上の位置を教示点として位置姿勢情報と、前記教示点ごとにロボットの経路情報とを制御部に設定し、位置姿勢情報および経路情報に基づいて動作するロボットの動作状態を表示装置に表示可能としたロボットの教示装置であって、前記ロボットの経路情報を設定する設定手段と、前記設定手段を前記表示装置上に表示する表示部と、表示された設定手段のうち所望の経路情報を選択する選択手段と、ロボットの現在の位置が教示点上にあるか否かを判別する判別手段とを備え、前記判別手段でロボットが教示点上にあると判別すると、前記制御部が前記表示部に表示された前記設定手段の表示を変えるロボットの教示装置が記載されている。
【０００４】
また、特開２００１−２２４０１４号公報（特許文献２）に示されるように、検出すべき登録物体の２次元画像から物体認識に必要となる特徴量を抽出して辞書データを作成する物体学習装置を備え、この物体学習装置により得られた辞書データにより、実際に入力画像中のどの程度の大きさの物体まで検出できるかを測定し、その結果をもとに撮影回数を最小にするパン・チルト・ズームパラメータを検定し、そのパラメータでカメラを制御して撮影し、物体学習装置より得られた辞書データをもとに、撮影画像中に含まれる物体を対象に、その物体の位置と大きさを検出するようにした技術が記載されている。
【０００５】
このような視覚センサシステムには照明の影響を解決しなければならず、また、識別時間が増加するという問題もある。更に、カメラの撮影に際して隠れている部分の識別ができず、その対策を必要とするなど様々な問題点がある。
【０００６】
また、上記のような視覚センサシステムの問題点を解決するため、生活空間内の各種物体に超音波送信器を取り付け、天井や壁に取り付けた多数の超音波受信器で発信器の出したパルスを受信し、物体と送信機の距離を計測し、物体の３次元位置を求める方法も提案されている。しかしこの技術のみでは特に物体の姿勢を正確に検出することができない。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−１２７０５７号公報
【特許文献２】
特開２００１−２２４０１４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
一方、ＲＦＩＤ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）システムはタグの持つ情報をリーダ・ライタからの電子誘導により非接触で読み書きするシステムであり、このシステムでは、物体にその物体の様々な情報が入っているタグを貼り付け、その情報を利用して物体を識別や管理することが可能になるため、ロボットによる物体の操作に際してもこれを利用することを本発明者等によって提案している（特願２００２ー２５０６１４号）。このＲＦＩＤシステムは認識に関しては視覚センサシステムなどと比較して安定して作動する特徴を備えている。
【０００９】
しかしながら、先に提案したＲＦＩＤシステムは上記のような特徴を備えているが、電磁波を発信するタグの位置と姿勢を特定することに関しては充分な精度をもっていないという問題があった。
【００１０】
したがって本発明は、ロボットで各種物体を取り扱うに際して、複雑な環境にある様々な物体の情報をＲＦＩＤシステムを用いて読み出すとき、情報を発信するタグの３次元の位置と姿勢を容易に且つ正確に検出することができるようにしたロボットによる物体の位置と姿勢検出方法及び検出装置を提供することを主たる目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ロボットによって操作を行う物体にＲＦＩＤタグを貼り付け、そのタグには物体の形状情報、操作を行う部位の位置座標、操作方法等を内蔵するメモリに書き込んでアンテナから発信可能とし、ロボットマニピュレータに取り付けた電磁波受信装置によってその情報を読み出して物体の操作を行い、その際タグが発信する電磁波の強度を少なくとも３点で計測し、三角測量法によってタグの基準位置を求め、ロボットマニピュレータの電磁波受信装置をこのようにして得られた基準位置を中心とした球面上を移動させて電磁波の強度を複数測定し、電磁波の最も強度の高い位置を演算してその位置をタグの正面として求めることによりＲＦＩＤタグの位置と姿勢を検出するようにしたものである。
【００１２】
即ち、本発明によるロボットによる物体の位置と姿勢検出方法は、メモリに記録した物体の情報をアンテナから発信するタグを当該物体上に設け、コンピュータによって操作されるロボットマニピュレータに取り付けた電磁波受信装置によって前記タグからの信号を受信して受信強度を測定する作動を、少なくとも１直線上にない３箇所で行い、前記３箇所で受信した受信強度を各々タグと電磁波受信装置間の距離に変換し、前記３箇所のタグと電磁波受信装置間の距離によりタグの基準位置を検出し、前記ロボットマニピュレータを前記タグの基準位置を中心とした球面に沿って移動させ、複数箇所でタグからの信号を受信して受信強度を測定し、前記複数箇所の受信強度により受信強度が最も高い位置を求め、前記受信強度が最も高い位置をタグの正面としてタグの姿勢を検出するようにしたものである。
【００１３】
また、本発明の他のロボットによる物体の位置と姿勢検出方法は、前記ロボットによる物体の位置と姿勢検出方法において、前記電磁波受信手段で受信したタグからの受信信号を復号してタグが保有している情報を読み出すとともに、同期信号を得て前記信号強度測定手段に出力するようにしたものである。
【００１４】
また、本発明によるロボットによる物体の位置と姿勢検出装置は、物体の情報を記録したメモリと情報送信用のアンテナを備えたタグから発信する信号を受信する電磁波受信手段と、前記電磁波受信手段を備え、コンピュータによって操作されるロボットマニピュレータと、ロボットマニピュレータの移動により、少なくとも直線上にない３箇所で前記タグからの受信信号の強度を測定する信号強度測定手段と、前記信号強度測定手段で測定した受信強度を３箇所のタグと電磁波受信手段との間の距離に変換し、該３箇所の距離によりタグの基準位置を検出するタグ発信位置検出手段と、ロボットマニピュレータを前記基準位置を中心とした球面に沿って移動し、複数箇所で受信したタグからの信号の受信強度により受信強度が最も高い位置を求め、該位置をタグ正面としてタグの姿勢を検出するタグ発信姿勢検出手段とを備えるものである。
【００１５】
また、本発明による他のロボットによる物体の位置と姿勢検出装置は、前記ロボットによる物体の位置と姿勢検出装置において、電磁波受信手段で受信したタグからの受信信号を復号してタグが保有している情報を読み出す信号復号手段を備え、前記信号強度測定手段は前記信号復号手段で得られた同期信号を入力するようにしたものである
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１は、本発明が適用されるロボットマニピュレータと物体との関係の基本的構成を示す図である。図１において、ロボット本体１は、ロボットマニピュレータ２を備え、ロボットマニピュレータ２はハンド３および電磁波受信装置４を備える。また、ロボット本体１は、後述するように、コンピュータを主体とした制御装置を含み、この制御装置からの指令によってロボットマニピュレータ２はＸ、Ｙ、Ｚ軸の任意方向に、そして回転方向に動作することができる。
【００１７】
図１に示す例においては、ロボット本体１は建物、床、その他に固定する方式としているが、移動式でも同様である。物体５はその表面上にロボットマニピュレータ２によって把持される把持部Ｐ_１、Ｐ_２を備え、他の面にはＲＩＦＤのタグ６が貼付されている。このＲＦＩＤタグには、物体の局所座標系における各部の位置が記録され、把持位置Ｐ_１、Ｐ_２等も記録されている。タグ６は、物体５の表面に貼付されてもよいし、物体５の製作時に同時に埋め込まれてもよい。
【００１８】
ロボットマニピュレータ２は、制御装置からの作業命令に従って物体５を探す。そのとき、ロボットマニピュレータ２に搭載された電磁波受信装置４と物体５につけたタグ６との間の無線通信による情報交換で探す物体５を識別する。その後、命じられた作業として、例えば把持を行う場合、電磁波受信装置４から読み出されたタグ６の情報から物体５の把持位置座標を把握することとなるが、その際には物体の正確な位置と姿勢を知る必要がある。尚、電磁波受信装置４の一部をロボット本体１内に設けるようにすることも可能である。ここで、ロボットマニピュレータ２を移動させつつそれぞれの位置で同様に電磁波信号を受信する。この受信位置は各々測定位置１〜Ｎとする。
【００１９】
タグが発信する電磁波を受信する電磁波受信装置４において、電磁波受信装置４で受信した電磁波の強度は両者の距離の２乗に反比例する。したがって各位置での電磁波の強度を検出することにより各位置とタグの距離を検出することができる。
【００２０】
図２には本発明による物***置姿勢検出装置による各機能を示す機能ブロック図であり、上記のようにロボットマニピュレータ２の先端を物体５の周囲で移動させ、測定位置１〜測定位置Ｎで物体５に固定したタグ６からの電磁波信号を検出し電磁波受信部１１に入力する。
【００２１】
その信号は信号強度測定部１２に出力し、この信号強度測定部１２においてその信号の強度を測定する。また、電磁波受信部１１で受信した信号を信号復号部１３に出力し、この信号復調部１３で各測定位置１〜Ｎから順に入る信号の同期信号を得て信号強度測定部１２に出力する。信号強度測定部１２ではこの同期信号によって前記電磁波受信部１から順に入力した各測定位置からの信号強度を、各測定位置に対応させて測定する。
【００２２】
その信号は発信位置／姿勢算出部１４に出力し、発信位置／姿勢算出部１４では別途、ロボットマニピュレータが常に検出しているその先端位置座表信号により各測定位置１〜Ｎの位置座標を入力し、それにより各測定位置からタグ間の距離を求めることができ、三角測量の原理により電磁波の発信位置であるタグの、ロボットマニピュレータ座標系における位置を特定することができる。
【００２３】
即ち、信号タグの３次元位置はｉ番目の受信位置（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ，ｚ_ｉ）から測定した距離データをｌ_ｉとすると、送信タグの位置（ｘ，ｙ，ｚ）は以下の関係が成立つ。
（ｘ_ｉ−ｘ）^２＋（ｙ_ｉ−ｙ）^２＋（ｚ_ｉ−ｚ）^２＝ｌ_ｉ ^２（０＜ｉ＜ｎ）したがって、同一線上にない三つの受信位置の距離情報から連立方程式を立てることができ、それを解くことによって３次元位置（ｘ，ｙ，ｚ）を得ることができる。
【００２４】
但し、受信した信号の強度は同じ距離にあるタグから送信された信号でも電磁波受信部のアンテナとタグのアンテナの傾きによって変わる。例えば、電磁波を送信するタグとこれを受信する電磁波受信部のアンテナによっては、真正面になると信号の強度がピークになることが観測できる。したがって、ロボットマニピュレータの手先の受信部を、前記のように三角測量法で特定できた位置を中心として一定の距離を保つ仮想の球面上を動かし、信号の強度を測定することで、ロボットマニピュレータの手先とタグの相対姿勢がわかる。そこで、感度のピークに当たる手先の姿勢を発信姿勢算出部１４に入力すればタグの姿勢が特定できる。
【００２５】
即ち、タグ信号の強度は受信装置までの距離だけではなく、受信装置の相対姿勢によって変わるため、前記のように一旦タグの位置の特定ができたあとは、その位置を中心とした一定の距離を維持して測定を行わないと、位置の変化による強度の変化を生じるため正確な姿勢の特定は困難になる。したがって、一定の位置にあるタグを中心として受信装置の姿勢を少しずつ変え、仮想の球面上を探ることで、その距離で一番強い信号を受信した姿勢を探す。その強度はタグと受信装置のアンテナの配置によって変わるが、例えば、タグと受信装置が真正面になると信号の強度がピークになる。よって、マニピュレータに対する物体の姿勢が分かる。
【００２６】
受信信号がピークになった瞬間のマニピュレータの手先の姿勢が分かれば、手先座標はロボット内部的に常に分かっているため、受信装置のアンテナの姿勢が分かり、マニピュレータに対するタグの相対姿勢を算出することができる。上記のような算出を図２の発信位置／姿勢算出部１４で行っており、したがって前記仮想の球面上を受信装置を移動することにより、常時測定されているロボットマニピュレータの手先姿勢を、図２の姿勢１〜Ｎの測定姿勢として入力し、一方、各姿勢における信号が電磁波受信部１１を介して発信位置／姿勢算出部１４に入力され、これらの信号により、前記手法によってタグの姿勢を正確に特定することができる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明は上記のように構成することにより、ロボットマニピュレータで操作する物体の位置と姿勢をＲＦＩＤタグを用いて正確に検出することができるようになる。そのため、このロボットを例えば家庭やオフィスなどで用いる場合のように周囲に様々な物体が種々の姿勢で存在するときでも、本発明によりそれらの物体の情報を受信しつつその物体の位置と姿勢を正確に検出することができ、それらの物体を確実に取り扱うことができるようになる。その際従来提案されている視覚センサを用いるもののように照明を考慮することなく、また大量のデータを扱うことによる識別時間の増加を生じることなく、更に、カメラの撮影に際して隠れている部分の識別ができないという問題も解決することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のロボットによる物体の位置と姿勢の検出装置を適用する基本構成を示す図である。
【図２】本発明の実施例を作動する機能ブロック図である。
【符号の説明】
１ロボット本体
２ロボットマニピュレータ
３ハンド
４電磁波受信装置
５物体
６タグ
１１電磁波受信部
１２信号強度測定部
１３信号復号部
１４発信位置／姿勢算出部

Claims

メモリに記録した物体の情報をアンテナから発信するタグを当該物体上に設け、
コンピュータによって操作されるロボットマニピュレータに取り付けた電磁波受信装置によって前記タグからの信号を受信して受信強度を測定する作動を、少なくとも１直線上にない３箇所で行い、
前記３箇所で受信した受信強度を各々タグと電磁波受信装置間の距離に変換し、
前記３箇所のタグと電磁波受信装置間の距離によりタグの基準位置を検出し、
前記ロボットマニピュレータを前記タグの基準位置を中心とした球面に沿って移動させ、複数箇所でタグからの信号を受信して受信強度を測定し、
前記複数箇所の受信強度により受信強度が最も高い位置を求め、
前記受信強度が最も高い位置をタグの正面としてタグの姿勢を検出することを特徴とするロボットによる物体の位置と姿勢検出方法。
前記電磁波受信手段で受信したタグからの受信信号を復号してタグが保有している情報を読み出すとともに、同期信号を得て前記信号強度測定手段に出力することを特徴とする請求項１記載のロボットによる物体の位置姿勢検出方法。
物体の情報を記録したメモリと情報送信用のアンテナを備えたタグから発信する信号を受信する電磁波受信手段と、
前記電磁波受信手段を備え、コンピュータによって操作されるロボットマニピュレータと、
ロボットマニピュレータの移動により、少なくとも直線上にない３箇所で前記タグからの受信信号の強度を測定する信号強度測定手段と、
前記信号強度測定手段で測定した受信強度を３箇所のタグと電磁波受信手段との間の距離に変換し、該３箇所の距離によりタグの基準位置を検出するタグ発信位置検出手段と、
ロボットマニピュレータを前記基準位置を中心とした球面に沿って移動し、複数箇所で受信したタグからの信号の受信強度により受信強度が最も高い位置を求め、該位置をタグ正面としてタグの姿勢を検出するタグ発信姿勢検出手段とを備えることを特徴とするロボットによる物体の位置と姿勢検出装置。
前記電磁波受信手段で受信したタグからの受信信号を復号してタグが保有している情報を読み出す信号復号手段とを備え、
前記信号強度測定手段は前記信号復号手段で得られた同期信号を入力することを特徴とする請求項３記載のロボットによる物体の位置姿勢検出装置。