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図 22 典 型 的 な シ ム 断 面 の 観 測 デ ー タ

使 用 し た レ ン ジ セ ン サ は 溶 接 に も 使 用 可 能 な も の [3‑6Jで，断面 の 測 距 方 式 は 図 21に 示 す よ う に 三 角 測 量 方 式 で あ る . 図 19に 図 示 し た シ ム の 典 型 的 な 断 面 パ タ ー ン の 観 測 デ ー タ 伊jを 図 22 に 示 す . こ の 断 面 計 測 デ ー タ は 256点 の 距 離 を 測 定 し た 座 標 点 列 か ら な る . 三 角 測 量 方 式 で は 放 射 し た 光 軸 と 対 象 物 の 法 線 方 向 の な す 角 度 が 90。 に 近 づ く と 十 分 な 強 度 の 反 射 光 が 戻 っ て こ な く な り ， そ の 点 の 距 離 が 測 れ な く な る . 母 材 面 に 対 し て 面 直 な ( た だ し ， 図 22(b)で 示 す 突 き 合 わ せ パ タ ー ン の 場 合 は ， 45⁰  ) 方 向 か ら 塗 布 を お こ な う こ と が 基 本 姿 勢 で あ る が ， こ の 場 合 ， 反 射 光 量 が 十 分 で な い 距 離 測 定 点 を 除 く と ， 断 面 デ ー タ で は シ ム の 部 分 に 途 切 れ が 生 じ る こ と に な る .

CompUle lhe threshold for detecting  jumps from the range data 

Cumparing the distances between  pairs of adjacent points with the  threshold 10 detect jumps 

図 23 作 業 目 標 点 検 出 ア ル ゴ リ ズ ム の フ ロ ー

ま た 図 20に 示 さ れ て い る よ う な 先 読 み 距 離 dで ガ ン 揺 動 を 制 御 す る た め に は ， ロ ボ ッ ト の 線 速 度 をvと し た 場 合 に ， 観 測

し た シ ム 上 の 作 業 目 標 点 通 過 時 点 ま でtニ dん の 時 間 し か 許 さ れ な い . 想 定 す る シ ス テ ム で は d= 32mmで あ り ， 例 え ば

，

v =  400mm/ sで ロ ボ ッ ト を 制 御 す る と ， セ ン シ ン グ か ら 作 業 目 標 点 検 出 ， ガ ン 揺 勤 ま で 80msで お こ な わ ね ば な ら な い . ガ ン の 動 作 性 能 を 考 え る と ， 作 業 目 標 点 出 力 ま で に 30ms以 下 の 処 理 時 間 し か 許 さ れ な い . レ ン ジ セ ン サ は 16ms周 期 で 断 面 デ ー タ を 走 査 観 測 す る が ， セ ン サ コ ン ト ロ ー ラ 内 部 の DSP (TI社 製 TMS320C30) で 作 業 目 標 点 を 8ms以 下 で 算 出 で き た 場 合 に は ， 24ms遅 れ で そ の 観 測 結 果 を 出 力 す る こ と が で き る . す な わ ち ， 作 業 目 標 点 検 出 に 8msし か 許 さ れ な い た め ， 高 速 性 を 満 足 す る 簡 便 な 処 理 ア ル ゴ リ ズ ム が 要 求 さ れ る .

Laser rays 

Profile of a workpiece 

図 24 平 行 に 投 射 さ れ る レ ー ザ 光 に よ る シ ム 断 面 近 傍 の 観 測

3.4  作 業 目 標 点 検 出 ア ル ゴ リ ズ ム

シ ー リ ン グ ガ ン が 向 く べ き 作 業 目 標 点 は ， 前 節 で 述 べ た よ う に ， シ ム 断 面 を セ ン シ ン グ し た 場 合 の 断 面 デ ー タ の 途 切 れ と し て 観 測 さ れ る 特 徴 の 位 置 か ら 算 出 で き る . そ の ア ル ゴ リ ズ ム の フ ロ ー を 図 23に 示 す . ア ル ゴ リ ズ ム の 特 色 と な る 点 は 以 下 の と お り で あ る .

・ 特 徴 点 を 利 用 し た 適 応 的 途 切 れ 検 出

・ 検 出 し た 途 切 れ の 数 に よ る 適 応 的 作 業 目 標 点 位 置 算 出

・ 近 傍 障 害 に 引 き 付 け ら れ な い 方 策 と し て の 前 時 点 の 作 業 目 標 位 置 と の 比 較 と 視 野 制 御

以 下 ， フ ロ ー の 順 に 従 い 各 処 理 の 詳 細 を 説 明 す る .

3.4.1 途 切 れ 位 置 の 決 定 と 途 切 れ 検 出

レ ン ジ セ ン サ で 観 測 さ れ た シ ム 近 傍 の 断 面 デ ー タ は (Xi'Zi)と い う 座 標 点 列 で 表 現 ざ れ て い る . こ こ でi(=0，…Fη)は レ ー ザ の 走 査IJ慎 に 番 号 付 け さ れ た イ ン デ ッ ク ス で あ る . 断 面 デ ー タ 中 の 途 切れは，

d三

‑ J

(Xi ‑ Xi̲l)2 

+ 

^{(Zi ‑ Zi̲l)2} 

> 

dth  (25) 

と し て 定 義 で き る . こ こ で

，

dthは 途 切 れ 検 出 関 値 で あ る . こ の 関 値 は 対 象 と す る シ ム 断 面 の 形 状 ， セ ン サ の ば ら つ き 精 度 な ど に よ り 適 応 的 に 決 め る 必 要 が あ る . そ こ で ま ず 対 象 と す る シ ム の 近 傍 の 母 材 面 は 平 面 と し ， 各 断 面 デ ー タ の 座 標 点 を 計 測 す る レ ー ザ 光 は 平 行 に 照 射 さ れ る と 仮 定 す る ( 図 24参 照 ). そ の 場 合 に 平 均 0の 等 方 性 の 正 規 分 布 に 従 う 雑 音 が 計 測 デ ー タ に 重 畳 し て い る と す る と ， シ ム を 含 ま な い 平 面 の 断 面 デ ー タ の 各 隣 接 座 標 点 ぺ ア の 間 隔diは，

d

i 

=  p j c o s   e  +

δ 

と 表 さ れ る . こ こ で ， θは 平 面 と x軸 方 向 が な す 角 度 で あ り ，

δ ~N(O， (}2)で あ る . し た が っ て ， 断 面 デ ー タ の 点 数 の 1%程 度 の 途 切 れ 数 を 上 限 と し て 検 出 す る に は ， 正 規 分 布 の 確 率 密 度 分 布 よ

り 次 式 のkを 2.3程 度 に し て dthを 決 定 で き る .

d

_th 

=  P  j 

cos 

e  +  k

σ ( 2 6 )   実 際 に は 対 象 物 の 母 材 面 は 平 面 と は 限 ら な い ( た だ し ， レ ン ジ

セ ン サ の 視 野 範 囲 で あ る 士10mm程 度 で は 近 似 的 に 仮 定 で き る ) し ， レ ン ジ セ ン サ の レ ー ザ 光 も 厳 密 に は 平 行 に 照 射 さ れ て い な い ( た だ し ， 隣 り 合 う ビ ー ム の な す 角 度 は 8/2S6degであり，

並 行 と 見 な せ る ). そ こ で ， 式 (26)のp/cos

e

お よ びσの 統 計 推 定 量 と し て

，

diの 平 均 兵 お よ び 標 準 偏 差3を 次 式 に よ り 求 め て 代 用 す る.

^  Iidi 

μ =^{ー )}

η 

一 一

︿

σ

ま た ， 断 面 デ ー タ に 重 畳 す る の は 電 気 的 な 雑 音 だ け で は な い の で ， 正 規 分 布 の 仮 定 も 現 実 的 に は 厳 し す ぎ る . し か し な が ら ， 観 測 し た 座 標 点 列 の 間 隔pjcos

e  (

使 用 し た レ ン ジ セ ン サ で は 母 材 面 に 対 す る 観 測 角 度 を 高 々 4Sdegと し て も O.14mm程 度 ) に 比 し て 途 切 れ の 幅 A (O.6mm以 上 ) が 十 分 に 大 き い と み な せ る

Laser rays 

図 25 部 材 端 面 を 観 測 し た 場 合 の シ ム 検 出

た め

，

kを 3に 比 べ て 十 分 に 大 き い 数 ( 例 え ば 7) に す る こ と に よ り ， 安 定 し て 途 切 れ を 検 出 で き る .

3.4.2 途 切 れ か ら の 作 業 目 標 点 検 出

図 19に 示 し た 典 型 的 な シ ム 断 面 を 考 え る と ， 作 業 目 標 点 ， す な わ ち シ ー リ ン グ 材 を 塗 布 す る 中 心 点 は ， 3枚 合 わ せ を 除 き 途 切 れ の 中 点 と 考 え る こ と が で き る . 3枚 合 わ せ に お い て は ， 2  つ の 近 接 し 並 行 す る 2枚 合 わ せ 同 時 に 塗 布 す る こ と を 想 定 す る

と， 2つ の 途 切 れ が 検 出 さ れ た と き に ， そ れ ぞ れ の 途 切 れ の 中 点 の そ の ま た 中 点 を 作 業 目 標 点 と す る こ と が で き る .

基 本 的 に は シ ー リ ン グ ガ ン の 姿 勢 は シ ム を 含 む 母 材 面 の 法 線 方 向 か ら 塗 布 す る こ と に な っ て い る が ， 実 際 に は 狭 あ い 部 な ど で の 作 業 に よ り 姿 勢 が と れ な い 場 合 が あ り ， そ の 場 合 は 図 25 に 示 し た 状 況 下 で の 観 測 に よ り シ ム 部 の 途 切 れ が 検 出 で き な い と き が あ る . そ こ で ， 途 切 れ が 1つ も 検 出 で き な い 場 合 に は ， 断 面 デ ー タ 内 で の 屈 曲 点 検 出 を お こ な い ， 観 測 方 向 か ら 見 て 凹 の 直 角 に 最 も 近 い 屈 曲 点 を 作 業 目 標 点 と す る . 処 理 の 簡 便 性 か ら ， 注 目 し て い る 座 標 点 iか ら そ の b 点 前 ， お よ び 後 の 点 i ‑b

， 

i 

+ 

bに ベ ク ト ルVi‑b' Vi+bを 張 り ， そ れ が な す 角 度

ψ E ‑ 1 Vi‑b"Vi十b i 

= 

^COS 

ι IVi‑b Ilvi+b I 

を 屈 曲 度 と し て 屈 曲 点 を 探 す .

ま と め る と 作 業 目 標 点 の 検 出 は 以 下 の ス テ ッ プ で 進 め ら れ る . i.  途 切 れ 闘 値 d_thと 隣 接 座 標 点 ぺ ア 間 距 離 d_iをi

= 

2/ηか ら 順

に 視 野 の 縁 に 向 か つ て 比 較 し て い き ， 式 (25)の 条 件 を 満 た す 途 切 れ を 探 す . 途 切 れ を 2つ 見 付 け る か ， 最 縁 点 ま で の 比 較 が 終 わ っ た ら 次 ス テ ッ プ ヘ 進 む .

ll.  途 切 れ が 1つ の み 見 付 か っ た 場 合 は ， そ の 中 点 を 作 業 目 標 点 と し て 出 力 し て ， 処 理 を 終 了 す る .

III・ 途 切 れ が 2つ 見 付 か っ た 場 合 は ， 各 途 切 れ の 中 点 の そ の ま た 中 点 作 業 目 標 点 と し て 出 力 し て ， 処 理 を 終 了 す る . iv.  途 切 れ が 見 付 か ら な い 場 合 は ， 屈 曲 点 検 出 処 理 を 全 断 面

デ ー タ に 対 し て お こ な い ， 最 も 凹 の 直 角 に 近 い 屈 曲 点 を 作 業 目 標 点 と し て 出 力 し て ， 処 理 を 終 了 す る .

3.4.3 誤 検 出 目 標 点 の 除 去

作 業 目 標 点 近 傍 に お い て は ， シ ム の 分 岐 が 存 在 し ， し か も 近 傍 に シ ム と 誤 判 断 し や す い 障 害 と し て パ リ や ス ポ ッ ト 溶 接 打 痕 等 も 多 く 存 在 す る . 前 節 ま で に 述 べ た 方 法 に よ り 基 本 的 に は 作 業 目 標 点 を 検 出 す る こ と が で き る が ， 作 業 目 標 点 検 出 を 高 信 頼 度 に す る た め ， 次 節 に 述 べ る 視 野 制 御 と 合 わ せ ， 以 下 の よ う な 条 件 に よ り 誤 検 出 目 標 点 と 疑 わ れ る 出 力 を 抑 制 し て い る .

・ 近 傍 の 障 害 に 途 切 れ を 検 出 し た 場 合 に ， 3枚 合 わ せ と 誤 る 可 能 性 が あ る . そ こ で ， 二 つ の 途 切 れ の 中 点 間 距 離 が 関 値fthlよ

り 大 き い 場 合 は ， 前 節 で 説 明 し た iii.のステップで出力をお こ な わ な い . こ れ は シ ム が 分 岐 し て い く と き に も ， こ の 条 件 に よ る 抑 制 が お こ な わ れ る .

・ セ ン サ の 観 測 デ ー タ に 雑 音 が 重 畳 し ， 屈 曲 点 と し て 誤 っ た 点 を 作 業 目 標 点 と し て し ま う 場 合 が あ る . そ こ で 前 節 の ス テ ッ

プ 1V.で ， 最 終 的 に 選 択 さ れ た 屈 曲 点 の な す 角 が 90⁰ か ら 闘 値αth以 上 離 れ て い る 場 合 は 出 力 を お こ な わ な い .

・ シ ム は 連 続 的 な 曲 線 で あ る 場 合 が 多 く ， ロ ボ ッ ト も 滑 ら か に 倣 い な が ら 動 作 し て い る の で ， 一 時 点 前 の 観 測 に よ る 作 業 目 標 点 と 現 時 点 の 作 業 目 標 点 の セ ン サ 観 測 座 標 系 に お け る 距 離 が 極 端 に 大 き く な る こ と は な い . そ こ で ， 前 節 の 1."""'lV.

で 出 力 が 得 ら れ た 時 ， 前 時 点 と の 出 力 と の 距 離 と 閲 植fth2を 比 較 し ， 関 値 よ り 大 き い 場 合 に は 出 力 を お こ な わ な い . な お ， 上 記 の 条 件 に 合 ま れ る パ ラ メ ー タ と し て ， 同 一 観 測 時 途 切 れ 中 点 問 距 離 関 値fthl' 屈 曲 点 角 度 閲 値αth' 連 続 観 測 に よ る 作 業 目 標 点 間 距 離 閲 値

f

山 が あ る が ， こ れ ら は シ ム の 形 状 や 作 業 で あ る シ ー リ ン グ の 塗 布 幅 な ど に 依 存 す る の で ， 実 際 の 作 業 対 象 に お け る 実 験 か ら 決 定 さ れ る も の で あ る . こ れ ら の 植 は そ れ ぞ れfthl= 3.0mm，αth = 15d e g， fth2 = 5.0mmと 定 め た .

3.4.4 次 観 測 の 視 野 範 囲 の 決 定

前 節 で の 誤 検 出 抑 制 条 件 で も 仮 定 し て い る が ， シ ム の 測 定 断 面 に 垂 直 な 方 向 の シ ム 形 状 に は ， 近 傍 に お い て 連 続 性 が 保 証 で き る . そ こ で ， あ る 時 点 ま で に 連 続 し 安 定 し て 特 徴 点 を 検 出 で き た と き ， 次 の 時 点 の 特 徴 点 の 存 在 位 置 を 断 面 内 の 特 定 の 位 置 に 限 定 す る こ と が で き る . こ れ を 以 下 の よ う な 断 面 デ ー タ 観 測 の 視 野 制 御 に よ っ て 実 現 し た . な お ， こ の 制 御 は レ ー ザ の 走 査 方 向 (X座 標 ) に の み 適 用 し て い る .

ま ず ， シ ム 特 徴 点 位 置 の 連 続 検 出 成 功 回 数 な る パ ラ メ ー タ Cを 0に リ セ ッ ト す る . ま た ， 同 時 に 直 前 に 算 出 さ れ た 作 業 目 標 点 のx座 標 値 を 示 すX_preを 0に リ セ ッ ト す る .X方 向 の 視 野 範 囲

(XS1 X_e)を 以 下 の よ う に 算 出 す る .

χs‑χpre一 (γi汎i一 γmin)αCー γmin χe ‑χpre十 (γi乱iー γmin)αC十 γmin

こ こ で

，

^Yiniは 初 期 視 野 範 囲 の 半 値 で あ り ， αは 視 野 縮 小 係 数

表 4 3種 の シ ム 断 面 パ タ ー ン の シ ム 検 出 結 果

Single platetype: 

Thickness  Detection  Mean  Standard  rate  posltlon  deviation  A[mm]  [%]  x[mm]  z[mm]  σx[mm]  σz[mm] 

0β  100.0  0.031  ‑0.980  0.000  ^。掴018 0.8  100.0  ‑0.063  ー0.972 0.000  0.026  1.0  100.0  0.031  ‑0^圃990 0.000  0.022  2.0  100.0  ^。開031 ‑0司907 0.000  0.043  3.2  100.0  0.031  ‑0.896  0.000  0.015  Ogami type: 

Curvature  Detection  Mean  Standard  radius  rate  position  deviation  R[mm]  [弘] ^{x[mm]  z[mm]  σx[mm]  σz[mm]} 

3.0  100.0  ‑0.093  一0.942 ^。司004 0.025  5.0  100.0  0.031  ‑1.000  0.002  0.010  8^圃O 100.0  0.009  ‑0.941  ^。凪041 0.112  10.0  100.0  ‑0.038  一0.837 0.061  0.215  15開。 100.0  0.212  ‑1.402  0.028  0.105  Tsuki type: 

Curvature  Detection  Mean  Standard  radius  rate  position  deviation  R[mm]  [弘] ^{x[mm]  z[mm]  σx[mm]  σz[mm]} 

3.0  100.0  0.056  ‑0^開361 ^。.048 0.079  5.0  100.0  0.894  ‑0.056  0.030  0.049  8.0  100β  0.156  ‑1.031  0.003  0.024  10.0  100.0  0.094  一0.971 0.000  0.015  15.0  100.0  0.938  ‑0.064  0.005  0.012 

(0 <α< 1)， rmiηは 最 小 視 野 範 囲 の 半 値 で あ る . こ れ ら の 値 は ， 設 定 す べ き パ ラ メ ー タ で あ る . 初 期 視 野 範 囲2xγLnLは セ ン サ の

( 最 大 ) 観 測 視 野 に 合 わ せ て 決 定 さ れ ， 最 小 視 野 範 囲2xγminは 統 計 量 か ら 途 切 れ 閲 値 を 算 出 し て い る た め ， サ ン プ ル 数 と し て 断 面 デ ー タ の 座 標 点 数 が 十 分 と さ れ る 幅 に 定 め ら れ る . ま た ， 視 野 縮 小 係 数αは シ ム の 形 状 に 依 在 す る の で ， 実 際 の 作 業 対 象 に お け る 実 験 か ら 決 定 さ れ る べ き パ ラ メ ー タ で あ る . こ れ ら の 値 は そ れ ぞ れη川 =12.5mm，γmiη =  4.2mm，α =  0.63と 定 め ， 次 節 の 実 験 で は

，

k

， 

fthl'  fth2' αthと と も に 対 象 ご と の 調 整 は せ ず ， 固 定 値 と し て 使 用 し た .

ドキュメント内 距 離 デ ー タ を 用 い た 知 能 ロ ボ ッ ト の 視 覚 機 能 に 関 す る 研 究 (ページ 48-63)