次世代生産ロボットのための線状柔軟物の認識・把持技術

博 士 （ 情 報 科 学 ）    木 村 優 太

学 位 論 文 題 名

次世代生産ロボットのための線状柔軟物の認識・把持技術      に関する研究

学位論文内容の要旨

  近 年 ， 日本 国 内 に お け る少 子 高 齢 化 に伴 う 労 働 カ の減 少 ， 近 隣 アジ ア 諸 国 の 人的 資源を 背景と し た国 際 競 争 に 打ち 勝 っ て い くた め に は 口 ボッ ト シ ス テ ム によ る 生 産 自 動化 を 進 め る動き がある ．加 工・ 組 立 ・ 搬 送な ど の 産 業 分野 に お いて 従来の 自動化 ライ ンにお ける手 法を産 業用 ロボ｀ ソトに 移植 し， 自 動 化 が 進め ら れ て き た． 口 ボ ット による 柔軟物 操作 は徐々 に明ら かにさ れて きてお り，例 えば 紙 を め く る 作 業 は人 間 と 同 じ よう に2つ の ハン ド を 紙 の 両 端に 近 づ け て 曲げ 変 形 を さ せて 隙 間 を 作 り， そ の 隙 間 にハ ン ド を 差 し込 む こ とに よって めくる 作業 を遂行 するこ とがで きる ように なる． この よう に 口 ポ ッ トに よ る 自 動 化の た め に は ，本 来 人 間 作 業 者の た め に 構 成さ れ て い た作業 環境の 明示 化・ モ デ ル 化 が必 要 と な っ てい る ， 特に 作業対 象物の モデ ル化に ついて 考える とき ．形状 変化が 把握 し 易 い ， 例 え ばCAD/CAMシ ス テ ム 内 に お い て 扱 う こ と の 容 易で あ る 剛 体 部 品が 主 を 対 象 とな っ て おり ， ケ ー ブ ルや ワ イ ヤ ー ハー ネ ス 部品 あるい は付属 する コネク タ部品 をどは 対象 外であ った， した がって ，生産 工程に おける ケー ブルの 扱い（ 回避， 把持 ，移動 ，コネ クタ挿 入）を 口ポ ットに より自律 的に 行 う こ と を支 援 す る た めに ， ど のよ うな特 徴を取 り上 げるの か，ど の程度 詳述 すれば よいの か，

どの く ら い の 精度 で 記 述 す るの か な ど の いわ ゆ る 記 述 仕 様に つ い て ． 記述 の 効 率 性も含 めて考 える 必要 が あ る ． こう し た 背 景 に基 づ き ，線 状柔軟 物であ るケ ーブル を口ボ ットで 扱う ための 形状認 識技 術にお いて関 連する 従来の 技術 につい て述べ る．

  関 連 技 術 と して は ， ま ず3次 元 形 状 認 識手 法 に つ い て述 ベ ， 次 に 柔軟 物 に つ い て 述べ る13次元 物 体認 識 の 手 法 とし て は ， 代 表的 を も のと してモ デルベ ース の手法 も多く ，例え ば対 象物体 のモデ ルと 入力 画 像 と の 照合 に お い て ノイ ズ に 強 い エッ ジ 部 分 を モ デル に あ て は める モ デ ル ベース の手法 があ る． 線 状 物 体 の形 状 に つ い て考 察 す る手 法も提 案され てお り，従 来のCGの 分野 では，mass―springモ デル な ど を 用 いて 柔 軟 物 体 の形 状 変 化 を モデ ル 化 す る こ とが 行 わ れ て きた ． 例 え ば布の モデル 化で は， 布 の 伸 び ，曲 げ ， せ ん 断な ど の 特性 を，正 方格子 や三 角形格 子の構 造を持 つ2次元のmass‑spring モデル をJ｜1い て表 現し， そのシ ミュレ ーショ ンす る手法 が提案 されて いる ．しか し，こ れらのモデル のパ ラ メ タ は 手作 業 に よ る 入カ が 多 か っ たた め ， パ ラ メ タの 自 動 設 定 する 手 法 も 提案さ れてい る．

コー ド や ケ ー ブル を ど の 線 状物 体 の モデ ル化手 法とし て， 特徴的 な形状 である 結び ，絡み をどの 自己 接触 を 伴 う 変 形を 表 現 し た 手法 が 提 案 さ れて い る ， ロ ポ ット シ ス テ ム でケ ー ブ ル を扱う ために モー シ ョ ン ス テ レ オ 法に よ る3次 元認 識 を 使 い ，曲 線 補 間 を 行 って ケ ー ブ ル を記 述 す る 手 法も 提 案 さ れ ている ．線状物体の変形形状をイ・J・限嬰素法を使ってケーブルの変形を記述し，ケーブルの紺iび変形を シミ ュ レ ー シ ョン し た 手 法 も提 案 さ れ て いる ， ま た ， ロ ボッ ト シ ス テ ムに よ る 剛 体の対 象物体 のマ ニピ ュ レ ー シ ョン に つ い て ，特 に 口 ボ ッ トの ピ ッ キ ン グ 技術 で あ る ビ ンピ ッ キ ン グにつ いて考 える 時 ，CADモ デ ル を 利 用 し た ビ ン ピ ッ キ ング 手 法 や 情 報量 の 増 大 を 招い て い る3次元 認 識 を 行 わず ， ま ず 最 も 高 く な っ て い る 位 置 を1回 の 光 切断 法 に よ る 探索 し ， そ の 位 置近 傍 に お け る2次 元 認 識 を

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行 う 手 法 が 提 案 さ れ て い る.CADモ デ ル を 使用 し ， 物 体 の変 形 の マ ッ チン グ を 行 い って 物 体 の 状 態 にJふ づ く説可1木 を作成 するこ とで ，ばら 積み状 態の物 体の Ja｜ 齬い物 体を認 識する 手法も 提案 され て い る ， 同 様 にCADモ デ ル を 利 用 し て ね じ やCPUフ ア ン の よ う なPC部 品 を ば ら 積 み 状 態 か ら ビ ンピ ッ キ ン グ する 手 法 も 提 案さ れ て い る ． ビン ピ ッ キ ン グシ ス テ ム を 要素 技術 の組み 合わせ で構築 する の で は な く， 動 作 計 画 に有 用 と な る 未 検出 物 体 が 取 り得 る 位 置 姿 勢の パラ メタを 伝達情 報に加 え る こ と に よ り 、 要 素 技 術 間 の 伝 達 情 報 の 整 合 を 馭 ろ う と す る 手 法 も 提 案 さ れ て い る ．   亠 方 ． 口 ボッ ト シ ス テ ムに よ る 綜 状 柔恢 物 の マ ニ ピュ レ ー シ ョ ン につ い て考え る時， 静力学 的に 線状 柔 軟 物 の どこ が 把 持 し 易い か ， 把 持 が 安定 す る か に つい て シ ミ ュ レー ショ ンして 考察す る研究 が提 案 さ れ て いる ． 他 に も 口ボ ットに よる線 状柔軟 物の 位置変 化に基 づく物 体の 把持， 挿入， 移動と いっ た 生 産 ラ イン の 仕 事 に つい て シ ミ ュ レ ーシ ョ ン す る 手法 ， ロ ボ ッ トに よる ひも結 び作業 をする ため に ． ひ も の結 び 目 の 状 態を3次 元 空 間内 の 太 さ のを い開曲 線と定 義して ひも の状態 を表現 し，ひ も繰 り を 行 う 手法 も 提 案 さ れて い る ，

  以 上 に 述 べた よ う に ， 線状 柔 軟 物 を 口ボ ッ ト シ ス テム で 扱 う こ と を目 的 とした 多くの 研究が なさ れて き た ． し かし 。 本 研 究 の対 象とし ている コンパ ウン ドケー ブルの ような 複雑 な形状 を持っ ケーブ ルの モ デ ル は 例が を く ， 形 状記 述 す る 技 術 が必 要 不 可 欠 であ る ．

  そ こ で 本 論 文 で は 第2章 に て ， コ ン パ ウ ン ド ケ ー ブ ル を 対 象 と し た提 案 手 法 で あ る外 緑FCMク ラス タ リ ン グ を用 い た 詳 細 な形 状記述 のため の手法 とそ の結果 につい て説明 する ，この 手法は ，ケー ブル 全 体 を 均 等に 幾 っ か の 部分 に 分 け ， そ の部 分 内 に お いて ケ ー ブ ル の厚 さや 長さの 情報を 認識し なが ら ， 幅 の 情報 を 高 す ぎ ない 分 解 能 で 認 識す る た め に 中心 お よ び 外 縁部 分を 選択的 にある 程度詳 細に 記 述 す る もの で あ る ． この 際にケ ーブル のよう 教任 意形状 をクラ スタリ ング する手 法とし て，自 己 組 織 化 特 徴 マ ッ プ(self‑ogranizing map:SOM)やFuzzy c‑means法 とい っ た 手 法 が提 案 さ れ て い るが ． 外 縁 部 分を 求 め る と いう こ と に は 適 さな い た め ， 外縁 部 分 を 求 める こ と に 特 化し た 外 縁FCM クラ ス タ リ ン グを 提 案 す る ，最 後にこ のクラ スタリ ング の最適 パラメ ータ実 験， 他手法 との比 較した ケー プ ル の 形 状記 述 実 験 に つい て 述 べ ， 提 案手 法 の 有 効 性を 示 す ．

  第3章 で は ， 第2章 で 紹 介す る 形 状 記 述 手法 の 高 速 化 をす る た め の ケー ブ ル モ デ ルを 提 案 し ， 産 業応 用 の た め に口 ボ ｀ ソ ト シス テムヘ 実装し ，ケー ブル モデル を利用 した把 持実 験の結 果につ いて説 明す る ． こ の 手法 は ， ま ず 微細 複雑を 形状変 動に鈍 感を 姿勢計 測処理 の実現 とセ グメン ト毎の 大まか なケ ー プ ル の 厚み を 認 識 す るた め ， 主 成 分 分析 を 導 入 し ，ケ ー ブ ル 状 態を 判定 する要 素にな るケー ブル の 長 さ や 幅と い っ た 情 報を 認 識 す る た めに ， セ グ メ ント 毎 に な か ば独 立し た中心 部分と 外縁部 分のI虹 線 か らな る ケ ー ブ ルモ デ ル を 提 案す る も の であ る．さ らにこ のケー ブル モデル を利川 したロ ボッ 卜 シ ス テ ムに お け る 最 適な ケ ー ブ ル 部 分の 把 持 位 置 を推 定 す る 最 適把 持位 置推定 を提案 する，

最後 に ， ケ ー ブル モ デ ル を 利用 したケ ーブル 形状記 述実 験，ケ ーブル の位置 ・姿 勢認識 実験， 最適把 持 位 置 推 定 に よ る ケ ー ブ ル の 把 持 実 験 を 行 い ， 提 案 手 法 の 有 効 性 を 示 す ．   第4章 では ， 結 論 と し て本 研 究 に お いて 得 ら れ た 成果 を ま と め る，

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学位論文審査の要旨 主 査    教 授    金 子 俊 一 副 査    教 授    金 井    理 副査   准教授   田中孝之

学 位 論 文 題 名

次世代生産ロボットのための線状柔軟物の認識・把持技術      に関する研究

  加 工 ・組 立 ・ 搬 送 をど の 産 業 分 野に お い て 従 来の 自 動 化 ラ イ ンに お け る 手法を 産業 用ロ ボ ッ ト に 移植 し ， 自 動 化が 進 め られて きて いる． 口ボ｀ ソトに よる 柔軟物 操作は 徐々に 明ら か に さ れ てき て お り ， 例え ば 紙 を め くる 作 業 は 人 間と 同 じ よ う に2つ の ハ ン ド を紙 の 両 端 に 近 づ け て曲 げ 変 形 を させ て 隙 間 を 作 り， そ の 隙 間 にハ ン ド を 差 し込 む こ とに よって めく る 作 業 を 遂行 す る こ と がで き る よ う に なる ， こ の よ うに ロ ポ ｀ ソ 卜に よ る 自動 化のた めに は ． 本 来 人間 作 業 者 の ため に 構 成 さ れ てい た 作 業 環 境の 明 示 化 ・ モデ ル 化 が必 要とな って い る ． 特 に 作 業 対 象 物 の モ デ ル 化 につ い て 考 え ると き ， 形 状 変化 が 把 握 し 易 い， 例 え ば CAD/CAMシ ス テ ム 内 に お い て 扱 う こ と の 容 易 で あ る 剛 体 部 品 が 主 な対 象 と な っ てお り ， ケ ― ブ ル やワ イ ヤ ー ハ ーネ ス 部 品 あ る いは 付 属 す る コネ ク タ 部 品 など は 対 象外 であっ た．

生 産 工 程 にお け る ケ ー ブル の 扱 い （ 回 避， 把 持 ， 移 動， コ ネ ク タ 挿入 ） を 口ボ ッ卜に より 自 律 的 に 行う こ と を 支 援す る た め に ， どの よ う な 特 徴を 取 り 上 げ るの か ， どの 程度詳 述す れ ぱ よ い のか ． ど の く らい の 精 度 で 記 述す る の か を どの い わ ゆ る 記述 仕 様 につ いて， 記述 の 効 率 性 も含 め て 考 え る必 要 が あ る ， こう し た 背 景 に基 づ き ， 本 論文 で は 線状 柔軟物 であ る ケ ー ブ ル を ロ ポ ッ ト で 扱 う た め の 形 状 認 識 お よ び 把 持 技 術 に つ い て 論 じ て い る ，   ま ず ， 本 論 文 で は コ ン パ ウ ン ド ケ ー ブ ル を 対 象 と し た 提 案手 法 で あ る 外縁FCMク ラス タ リ ン グ を用 い た 詳 細 な形 状 記 述 の た めに ， ケ ー ブ ル全 体 を 均 等 に幾 っ か の部 分に分 け，

そ の 部 分 内に お い て ケ ーブ ル の 厚 さ や 長さ の 情 報 を 認識 し な が ら ，幅 の 情 報を 高すぎ ない 分 解 能 で 認識 す る た め に中 心 お よ び 外 緑部 分 を 選 択 的に あ る 程 度 詳細 に 記 述す るアプ ロ―

チ を 取 っ てい る ， こ の 際に ケ ― ブ ル の よう な 任 意 形 状を ク ラ ス タ リン グ す る手 法とし て，

Fuzzy c‑means法(FCM)やFuzzy c‑Varieties法(FCV)と い っ た 手 法 が提 案 さ れ て いる が ， 外 縁 部 分 を 求 め る と い う こ と に は 適さ を い た め ，外 縁 部 分 を 求め る こ と に 持 化し た 外 縁 FCMク ラ ス タ リ ン グを 提 案 し て いる ． 最 後 に こ のク ラ ス タ リ ング の 最 適 パ ラメ ー タ 実 験 ， 他 手 法 と の 比 較 し た ケ ー ブ ル の 形 状記 述 実 験 に より 提 案 手 法 の有 効 性 を 確 認 して い る ．   次 に 本論 文 で は ， 高速 な ケ ー ブ ルの 形 状 記 述 手法 と し て 多 品 種に 対 応 可 能をケ ーブ ルモ デ ル を 提 案し て い る ， 微細 複 雑 な 形 状 変動 に 鈍 感 な 姿勢 計 測 処 理 の実 現 と セグ メント 毎の 大 まかを ケーブ ルのJ メ みを． i識す るため ，主成 分分 析を導入し，ケーブル状態を判定する 要 素 に を るケ ー ブ ル の 長さ や 幅 と い っ た情 報 を 認 識 する た め に ， セグ メ ン ト毎 になか ば独

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立 し た 中 心 部 分 と 外 縁 部 分 の 直 線 か ら な る ケ ー ブル モ デル によ ル ケー ブル の 形状 記述 が でき ることを確I認している．さ らにこのケーブル モデルを1:11111した口ボッ 卜システムにお ける 最適 な ケー ブル 部 分の 把持 位 置を 推定 す る最 適把 持 位置 推定 を 提案 し、 ケ ーブ ルの 形 状記 述実 験 ，ロ ボッ ト アー ムを 用 いた 最適 把 持位 置推 定 によ るケ ー ブル の把 持 実験 を行 う こと で， 提 案手 法の 有 効性 を確 認 して いる ．

  こ れを 要 する に， 著 者は ，ロ ボ ット ビジ ョ ン分 野に お いて コン パ ウン ドケ ー ブル を含 め たケ ーブ ル を対 象と し た形 状認 織 およ び把 持 に測 する 手 法を 提案 し ，欠験的にそのイr効性 を明 らか に して いる ． これ らの 手 法は 従来 に ない 新規 性 の高 い手 法 であ り、 本 研究 の成 果 はケ ーブ ル を扱 う産 業 用ロ ボッ ト の生 産技 術 の発 展に 寄 与す ると こ ろが 大き い ．よ って 著 者 は ， 北 海 道 大 学 博 士 （ 情 報 科 学 ） の 学 位 を 授 与 さ れ る 資 格 あ る も の と 認 め る ．

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