JPS62195513A - 物体形状検知方法 - 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〉 本発明は物体形状検知方法に関し、特に、マニピュレー
タ作業において作業対象現場が海底や不透明環境下にお
る場合などマニピュレータ操作者が作業対象物体に容易
に近づけなかったり、作業対象物体を目視し難い場合に
適用して有用である。

〈従来の技術〉 マニピュレータ作業では一般に、対象物体の位置、形状
を操作者が直接教示する方法が採用されている。しかし
、マニピュレータを屋外で用いる場合は、人間が直接作
業対象現場に行き難いことが多く、操作者によるマニピ
ュレータの直接教示が実施できないことがある。

そのような場合、マニピュレータに対象物体を認識させ
る方法を採らざるを得ない。

その方法としては、下記（Ａ＞、（Ｂ）がある。

（Ａ＞光学式計測を用いる方法： ＩＴＶカメラ等の視覚センサをマニピュレータに取付け
、視覚センサによる画像を処理することによって、対象
物体の形状、位置を認識する。

（Ｂ）接触センサを用いる方法： マニピュレータに手先効果器として接触センサを取付け
、接触センサを対象物体に接触させ、接触センサの位置
から対象物体の形状、位置を認識する。

〈発明が解決しようとする問題点〉 しかし、上記（Ａ＞の光学式計測を用いる方法では、必
要とされるＩＴＶカメラ等の視覚センサ並びに画＠処理
装置等のシステムが極めて大掛かりで高価なものとなる
という欠点があった。また、作業現場か海底等で採光が
不十分な場所では、強力な光源を必要とする欠点があっ
た。更に、塵埃や煤煙等の不透明な物質が浮遊する環境
下では、視覚センサの使用ができず、またレーザービー
ム等による光学的計測も不可能であるという欠点があっ
た。

一方、上記（Ｂ）の接触センサを用いる方法では、測定
範囲がマニピュレータの手先部分に限定されるため、手
先が対象物体の表面上をまさになぞるようにマニピュレ
ータを制御せねばならないという欠点があった。このよ
うな制御はマニピュレータの精密な位置決めを必要とす
るので、容易ではない。また対象物体の位置、形状を正
確に検出するにはマニピュレータの手先に微小な接触セ
ンサを複数個配置する必要があった。

本発明は上述した従来技術に鑑み、光学式計測の不可能
な場所でもマニピュレータ作業の対象物体の形状を検知
でき、また接触センサを用いる場合のようなマニピュレ
ータの高精度な位置決めを必要とすることなく対象物体
の形状を検知できる方法を提供することを目的とする。

く問題点を解決するための手段〉 上記目的を達成する本発明による物体形状検知方法は、
位置制御可能なマニピュレータと、このマニピュレータ
の先端に備えられた力センサと、この力センサに接続さ
れた力伝達可能な接触子と、マニピュレータの位置制御
用計算機とを用い、マニピュレータを動作させて力セン
サに接続した接触子によって対象物体の表面を走査し、
走査時に力センサが検出する力情報に基づき、力センサ
の検出した力のベクトルｒと、力センサの検出したモー
メントのベクトルＭと、力のベクトルＦのノルムＩＩ　
Ｆ　ＩＩとを求めると共に接触子の幾何学的形状によっ
て定まるスカラー定数Ｃを求め、力のベクトル■、モー
メントのベクトル■、力のベクトルのノルムＩＩ　Ｆ　
ＩＩ及びスカラー定数Ｃを用いて ＩＩ　Ｆ　ＩＩ なる式で与えられる力センサから接触子の力の作用点ま
での位置ベクトルｌを計算し、この位置ベクトルｌとマ
ニピュレータの手先位置から対象物体表面の位置を求め
る方法である。

く作用〉 接触子の任意位置が対象物体の表面に接触するとその反
力が接触子に加わる。この力は力センサに伝達されて力
のベクトルｒとモーメントのベクトルＭが測定される。

これらのベクトル■、Ｍが判ると、接触子の幾何学的形
状は既知であることから、力センサから接触子の力の作
用点即ち対象物体表面上の接触子との接触位置までの位
置ベクトルｌが計算によって求まる。この位置ベクトル
ｌが判ると、力センサはマニピュレータの先端に存在す
るので、位置ベクトルｌとマニピュレータ手先位置とか
ら対象物体表面の位置が判る。従ってマニピュレータを
動作させて接触子によって対象物体の表面を走査するこ
とにより、対象物体の形状が判る。

〈実施例〉 以下、図面により本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明を実現する装置の第１の実施例を示す模
式図でおり、１は６自由度のマニピュレータでおり、そ
の先端に力センサ２が備えられている。この力センサ２
には、力センサ２に力を伝達する直線形状を持つ接触子
３が接続されている。

４は計算機であり、マニピュレータ１の位置制御を行う
と共に、形状検知の所要の計算を行う。５は形状検知の
対象物体である。形状を検知するには、マニピュレータ
１を動作させて接触子３を対象物体５に接触させる。

接触子３の任意位置に対象物体５と接触してその反力（
接触力）了が加わると、この力了は接触子３を介して力
センサ２に伝達される。力センサ２は３次元座標上の直
交する３個の力成分、及び３個のモーメント成分を測定
する。これら合計６個の力情報と接触子３の形状特性に
基づき、力センサ２から接触力ｆの作用点までの位置ベ
クトルλを推定することができる。一方、力センサ２自
体の位置は、マニピュレータ１のアーム長と関節回転角
から計算で求まる。

以上のことから、マニピュレータ１を％ｐＬにした対象
物体５の位置Ｏｂ」は次式（１）で与えられる。

０ｂｊ−Ｔ１（θ１）［Ｔ２（θ２　）［Ｔ３（θｓ　
）［Ｔａ（θ４）［Ｔ５（θ５）［Ｔ６（θ６）・・・
式（１） ただ′し、Ｔ＋　　（＋−１，２・・・６）は回転を表
わす変換マトリクス、 θ＋　　ｕ＝’＋、２・・・６）は関節回転角、Ｌｌ　
（＋−０，ｉ・・６）はマニピュレータアームを表わす
ベクトル、 とする。接触子３によって対象物体５の表面を走査すれ
ば、その都度得られる位置Ｏｂ」から形状が判る。

第２図は、力情報から接触力了の作用点Ｐを推定する方
法を説明する図でおる。力センサ２固有の３次元座標（
ｘ、ｙ、ｚ）においてｌなる位置ベクトルで表わされる
作用点Ｐに力下が働く場合、力センサ２の力測定値７’
　（Ｆｘ　、　Ｆｙ　、　Ｆｚ　）”とモーメント測定
値ＦＡ　（Ｍｘ　、　Ｍｙ　、　Ｍｚ　）”　　はそれ
ぞれ次式（２）、（３）を満足する。

ｒ＝了　　　　　　　　・・・式（２）Ｍ＝７×了　　
　　　　・・・式（３）ただし、Ｆｉ　　（ｉ＝ｘ、ｙ
、ｚ）は各軸方向の力、Ｍｉ　　（ｉ＝ｘ、ｙ、ｚ）は
各軸に関するモーメント、・Ｘ・はベクトルの外積を表
わすものとする。

そこで式（２）、（３）をｌについて解くと、作用点Ｐ
の位置ベクトルｌが次式（４）のように求まる。

ＩＩ　Ｆ　ＩＩ ただし、１１・１１はベクトルのノルム、Ｃは接触子３
の形状、つまり幾何学的条件から決まるスカラー定数で
ある。この未定定数Ｃの値は、例えば接触子３が平面（
ａｌ　ｘ　＋ａ２　Ｙ　＋ａ３　ｚ±ａ４＝Ｏ）内に存
在する場合には、次式（５）％式％ ・・・式（５） また、接触子３と対象物体５との間に摩擦が発生しない
場合には、対象物体５の表面の法線はＦで与えられる。

形状検知を行う場合、計算機４はマニピュレータ１を動
作させ、その自由度を利用して力センサ２から伸びた接
触子３によって対象物体５の表面を走査する。この位置
制御の他、計算機４は、（ａ）力センサ２が検出した力
のベクトルＦを求める手段と、 （ｂ）力センサ２が検出したモーメントのベクトルＭを
求める手段と、 （Ｃ）力のベクトルでのノルム１１自を求める手段と、 （ｄ）接触子３の幾何学的形状によって定まるスカラー
定数Ｃを前式（５）等により求める手段と、（ｅ）前式
（４）で与えられる力センサ２から対象物体５表面まで
の位置ベクトル！を求める手段と、 （ｆ）この位置ベクトルｌとマニピュレータ１の手先位
置の計算から、前式（１）で与えられる対を有する。

計算機４は接触子３によって対象物体５表面を走査した
時、力センサ２が検出した力情報から、上述した（ａ）
〜（ｆ）の手段によって対象物体５表面の位置を求める
。つまり形状が検知される。

この場合、対象物体５に接触子３のどの部位が接触して
も物体の位置を検出することができるから、マニピュレ
ータ１の位置決め精度が高くなくても、対象物体５の形
状を精度良く検知できる。

ここで、第２図で説明した力センサ２から力の作用点ま
での位置を推定する方法の実験結果を、第３図、第４図
、第５図に示す。なおこれらの図に示す実験では、Ｚ軸
上の作用点に外力を加えている。また、接触子３として
は、長さ１１０ｍのアルミニウム丸棒を使用した。また
力センサ２とては、精度的±１Ｎのものを使用した。

第３図は、外力を了＝　（０，１ＯＮ、Ｏ）”　　と一
定にした場合における、真の作用点の位置！ｚと力情報
からの推定値１ｚとの関係を示す。この実験から、平均
誤差０．９％の精度で作用点の位置を推定できることを
確認した。

第４図は、作用点の位置を１＝　（０，０゜１００ｍ）
”　　と固定し、力の方向ａｒｇ　　（了）を変えた場
合の力情報からの推定値１ｚを示す。この実験から、力
の方向ａｒａ　　（Ｆ’）によらず標準偏差４．２％の
精度で作用点の位置を推定できることを確認した。

第５図は、作用点の位置を１＝　（０，０゜１００ｍ）
”　　と固定し、今度は力の大きざを変えた場合の力情
報からの推定値１ｚを示す。この実験から、力の大きざ
によらず標準偏差３．３％以下の精度で作用点の位置を
推定できることを確認した。

次に第６図、第７図により、電話機送受話器６を形状検
知のモデルとした実験を説明する。第１図に示した物体
形状検知装置を用いて第６図の送受話器６中破線で示す
部分７をトレースし、その輪郭形状を検出した。第７図
に四角中でプロットしたものが検出結果８である。

第８図は本発明の第２の実施例を示し、ここでは力セン
サ２に、半球状の表面を持つ接触子９が接続されている
。マニピュレータ１、力センサ２、計算機４、対象物体
５は第１図における同符号のものと同じである。但し、
計算機４が求める接触子９の形状に依存する定数Ｃは前
式（５）の代りに、 を満足する定数でおる。なお、ｒは接触子９の半球の半
径とする。ここで、 （ＦＸＭ）　／　ＩＩＦＩＩ　＝　（Ｌｘ　、　Ｌｙ　
、　Ｌｚ　）”　　、Ｆ＝　（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ）”　
　とおくと、定数ＣはＣ＝（−ｂ２±　ｂ２−１　・　
３）／ｂ１・・・式（７） で与えられる。ただし、 ｂ１＝Ｆ　　＋Ｆ　　＋Ｆｚ ｂ２−Ｌｘ　Ｆｘ　＋Ｌｙ　Ｆｙ　＋Ｌｚ　Ｆｚｂａ　
＝Ｌｘ＋Ｌｙ＋Ｌ２ｚ−ｒ２ とする。

第８図の実施例の場合も、計算機４がマニピュレータ１
を位置制御して力センサ２に接続した接触子９によって
対象物体５の表面を走査し、力センサ２が検出する力情
報から、対象物体５表面の位置を求める。つまり、計算
機４は力センサ２の検出した力のベクトルＦとモーメン
トのベクトルＭを求め、更にベクトルＦのノルムＩＩ　
Ｆ　Ｉ＋を求め、更に前式（６）または（７）により接
触子９の幾何学的形状で定まるスカラー定数Ｃを求め、
前式（４）で与えられる作用点の位置ベクトルｌを求め
、この位置ベクトル！とマニピュレータ１の手先位置の
計算から前式（１）で与えられる対象物体５表面の位置
Ｏｂｊを求める。

第８図の実施例では接触子９が面の接触部分を持つため
、検出有効範囲が広いという利点が有る。

〈発明の効果〉 本発明によれば、力センサと接触子を用いて物体の形状
を検知するので、海底作業等光学式計測が行えないよう
な環境でも物体の形状を検知することができる。

また本発明によれば、物体に接触子のどの部位が接触し
ても、即ち接触子の測定範囲内に物体が存在しさえすれ
ば力センサに接触力が伝達されて物体の位置を検出でき
るから、従来の接触センサを手先効果器として用いる場
合のようにマニピュレータを高精度で位置制御すること
なく、物体形状を検知することができる。

また本発明をマニピュレータ作業に応用する場合は、リ
アルタイムで対象物体の形状情報をフィードバックして
高精度な制御を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第８図は本発明に関し、第１図は本発明の第１
の実施例でおる物体形状検知装置の模式図、第２図は力
情報から接触力了の作用点Ｐを推定する方法の説明図、
第３図は力の作用点の位置とその位置の推定値との関係
を示す図、第４図は力の方向と力の作用点の推定値との
関係を示す図、第５図は力の大きざと力の作用点の推定
値との関係を示す図、第６図は形状検知対象物体の一例
を示す図、第７図は第１図の装置を用いて第６図の物体
の形状を検知した結果を示す図、第８図は第２の実施例
装置を示す模式図である。 図面中、１はマニピュレータ、２はカセン丈、３は直線
形状の接触子、４は計算機、５は対象物体、６は形状検
知対象例の電話機送受話器、７はトレース軌道、８は形
状検知結果、９は球形状の接触子でおる。 特許出願人　　　　日本電信電話株式会社代理人　弁理
士　　　　光行　土部　（他１名）第２図 第３図 真値↑ｚ（ｍｍ） 第４図 力の方向ａｒｇ（ｆ）　（ｃｌｅｇｒｅｅ）ｇＰＪ５図 ２００［ 力の太き２ｆｙ（Ｎ） 第６図 Ｍ７図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 位置制御可能なマニピュレータと、このマニピュレータ
   の先端に備えられた力センサと、この力センサに接続さ
   れた力伝達可能な接触子と、マニピュレータの位置制御
   用計算機とを用い、 マニピュレータを動作させて力センサに接続した接触子
   によって対象物体の表面を走査し、走査時に力センサが
   検出する力情報に基づき、力センサの検出した力のベク
   トル■と、力センサの検出したモーメントのベクトル■
   と、力のベクトル■のノルム‖■‖とを求めると共に接
   触子の幾何学的形状によって定まるスカラー定数Ｃを求
   め、力のベクトル■、モーメントのベクトル■、力のベ
   クトルのノルム‖■‖及びスカラー定数Ｃを用い■＝（
   ■×■／‖■‖）＋Ｃ・■ なる式で与えられる力センサから接触子の力の作用点ま
   での位置ベクトル■を計算し、この位置ベクトル■とマ
   ニピュレータの手先位置から対象物体表面の位置を求め
   ることを特徴とする物体形状検知方法。