次世代ロボットセル生産
(Study on 3‑D Sensing for Next Generation Robotic Cell Production Systems)
学 位 論 文 内 容 の 要 旨
近 年の も のづ くり は 多品 種大 量 生産 から 変 種変 量生 産 へ移 行し て おり 生産 現場では変 種変量に適 した セル 生 産方 式が 台 頭し 始め て いる 。セ ル 生産 は狭 い スベ ース （ セル ）の 中でーつの 製品を一人 の人 間が 組 み立 て完 遂 する 方式 で ある 。製 品 の生 産量 や 切り 替え タ イミ ング が一定でを くても，一 つー つの セ ルの 作業 を 適宜 調整 す るこ とで 柔 軟に 変動 に 対応 でき る 。課 題は 自動化であ る。一人一 人の 作業 が 複雑 で多 岐 に渡 るた め ，作 業者 の 熟練 度に 応 じて 品質 の ムラ が大 きく教りや すい。一方 で変 動に 対 応す るた め には 未熟 を 短期 作業 者 を多 く雇 う 必要 があ る 。近 年の 日本の少子 化問題も絡 み， 生産 現 場で はセ ル 生産 方式 の 自動 化が 必 須の 様相 を 呈し てい る 。セ ル生 産方式の自 動化を阻害 する 要因 は ，多 品種 の バラ 積み 供 給部品の整列や， 配線作業をど，従来 自動機の範疇で扱 われをかっ た複 雑を 作 業が 混在 し てい るこ と にあ る。 ま た機 種切 り 替え に迅 速 に対 応す るためには システムの 立ち 上げ 作 業は 簡単 に でき をく て はを らを い 。さ らに 作 業は 狭い セ ル環 境ス ベース内で 実現しなく ては をら を ぃ。 した が って 高難 度 作業 （多 品 種ば ら積 み 部品 の整 列 、配 線） を狭いスペ ースで容易 を立 ち上 げ で自 動化 す るこ とが 目 標と をる 。 高難 度作 業 にお ける 物 体は 状態 が未知であ る。これを 操 作 す る た め に は3次 元 セ ン サ に よ る 奥 行 き を 含 む3次 元 情 報 か ら 物 体 の位 置 姿勢 を認 識 する こ とが 有 効で ある 。 セル 生産 ロ ボッ ト向 け の3次 元セ ンシ ン グシ ステ ム の構 築を 目 指す 。こ の シス テ ムの機能を計測（3次元デー タの取得），認識 （取得データから位 置姿勢の計算），動作（計算結果をロ ボットの動きに変 換1の3つに分類しそ れぞれの技術課題 を検討する。
第2章で は 計測 にお け る問 題と 解 決策 を扱 う 。生 産現 場 向け の計 測 では 精度 が 重視 され る 。さ ら に 多 品 種 に 対 応 す る た め に 部品 性 状に よら ず 安定 した 計 測方 式が 望 まれ る。 空 間コ ード 化 法は 数 mmサ イ ズ の 部 品 を 操 作 す る のに 一 般的 に使 わ れる 方法 で ある 。視 野 が狭 いと い う課 題が あ る。 そ こで ロボ ッ トの 動き を 使っ た計 測 方法 にお い て安 定し て 精度 が出 や すい モー ションステ レオを，空 間コ ード 化 法に 使う カ メラ を口 ボ ット に搭 載 する こと で 実現 する 。 この とき ロポットの 非同期を運 動の 中で 安 定し て高 精 度を 距離 復 元が でき を くて はを ら をい 。こ の 計測 にお ける問題の 解決策とし て， 同 期取 得し た2枚 の 撮影 の間 を 移動 する 際 に得 られ る 多数 の非 同 期連 続画 像 よル モー シ ョン ス テレオの計測性能 を改善する方法を提 案する。
第3章で は 認識 にお け る問 題と 解 決策 を扱 う 。物 体の 位 置姿 勢を 認 識す る技 術 はコ ンピ ュ ータ ビ ジョ ンに お いて 長年 研 究開 発が 進 めら れて き た。 精度 が 必要 を生 産 現場 では 物体のモデ ルをセンサ デー タに マ ッチ ング す るモ デル ベ ース の物 体 認識 が発 展 した 。処 理 を高 精度 ・高速に実 現するため 物体 のモ デ ルを どの よ うに 持っ か （例 えば3次元CADモ デ ル， アピ ア ラン ス， 単一か複数 か，情報量 削減 のた め にデ ータ 群 の基 底の み を抽出して保存し ておくをど），物体 のモデルとセンサ データをど の よ う に マ ッ チ ン グ す る かf例え ばア ピ アラ ンス で 絞り 込ん で2次 元 画像 照合 を 行う ，点 群 デー タ どうし間の誤差が 最小にをる位置姿
勢の 最適 化 をお こを う をど ）と い った 観点 か ら研 究事 例 が報 告さ れ てい る。 セル生産に おける多品 ー360−
種対 応 を迅 速に 実 現す るに は ，こ のモ デ ルを いか に 簡単 に用 意 でき るか が 問題にをる。 この問題に 対し て 物体 のモ デ ルレ スで 物 体の 把持 位 置を 計算 で き， 多品 種 に強 い高 速 ビンピッキン グ手法を提 案 す る 。 ま た セ ル 生 産 では 配線 自 動化 のた め の柔 軟物 の 位置 姿勢 認 識も 重要 を 問題 であ る 。対 象 が姿 勢 の定 まり づ らい ケ― ブ ルを どの 場 合， いか に モデ ルを シ ンプ ルに し て実時間計算 できるもの にす る か（ 例え ば 精度 を重 視 せず ，荒いべクトルの 集合体としてケープ ルをモデル化する ）が問題と して扱われて いる。我々はコネク タ付ケーブルを対 象とし，剛体部（ コネクタ）と柔軟部 （ケーブル）
の 認 識 に 問 題 を 分 類 し た。 柔軟 部 の粗 い姿 勢 推定 のた め の特 徴点 抽 出と 曲線 補 間に よる モ デル 化 と， 剛 体部 を簡 単 で高 精度 を 姿勢 推定 の ため の立 方 体組 み合 わ せに よる モ デルベース姿 勢推定方式 を提案する。
第4章 で は 動 作 に お ける 問 題と 解決 策 を扱 う。 認 識結 果を 動 作に 変換 す るた めに は ，3次 元セ ン サと ロ ポッ ト間 （ ハン ドア イ ）の キャ リ ブレ ーシ ョ ンが とれ て いを くて は をらをい。こ れには位置 関係 が 既知 の複 数 特徴 を持 っ ポー ドを 使 う手 法や ， 動き をが ら 未知 環境 を 計測する方法 が提案され てい る 。生 産現 場 では 用意 し やす い単 一 マー ク， す くを ぃ観 測 数に よる 教 示時間の削減 が求められ る。 ま た多 くの 提 案が 非線 形 最適 化問 題 の解 決に 帰 着し てい る が局 所解 に 陥りやすい方 法，その原 因が 分 かり にく い 方法 は生 産 現場 でト ラ ブル が発 生 した とき に 対処 しづ ら い。そこで単 一マークの 複数 回 観測 を線 形 問題 とし て 解け る最 小 の観 測数 で 実現 する ハ ンド アイ キ ャリブレーシ ョンの方法 を提案する。
第5章 で は 提 案 技 術 を 統 合 す る3次 元 セ ン シ ン グ シ ス テ ム の 概 要 を 説 明す る 。コ ネク タ 付ケ ー ブル を 含む 製品 （ 産業 用ブ レ ーカ ）を自動組み立て するセル生産ロポッ トシステムを，空 間コード化 方式 ， モー ショ ン ステ レオ 方 式， 高速ビンピッキン グ，コネクタ付ケー ブル認識，ハンド アイキャリ プレーション を含む3次 元センシングシス テムで実現した。
第6章で は 計測 ・認 識 ・動 作の 各 要素 技術 提 案の 基本 性 能を 評価 実 験と ，全 体 の実 証シ ス テム に よる 製 品組 み立 て 性能 評価 実 験を おこ を った 結果 を 示す 。製 品 組み 立て 実 験において， 配線作業を 含 む 製 品 組 み 立 て を 人 と 同 等 速 度 ， 作 業 成 功 率94.3パ ー セ ン ト で 実 現 す る こ と を 確 認 し た 。 第7章で は 各要 素の 基 本性 能評 価 によ り得 ら れた 知見 か ら今 後の 研 究開 発に 繋 がる 有益 を もの を まとめた。
第8章ではまとめと今 後の課題を示す。
本 論 文の 貢献 を まと める 。1） 非 同期 連続 画 像応 用手 法 を提 案し 一 般的 をモ ー ショ ンス テ レオ の 計測 性 能を 大幅 に 高め た（ 従 来手 法と の 比較 で94パ ーセント のノイズ除去）。2）物体モ デルレスで 物体 を 掴む 独創 的 顔認 識ア ル ゴリ ズム を 提案 ，13種 類の 対象 物 をパ ラメ タ 変更無しの平 均成功率91 パー セ ント で把 持 した 。3】 コネ ク タ付 ケー プ ルの 高速 認識手法を提案 。0.45 secの認識 処理時間で ケ ー ブ ル を 把 持 し た 。4） 単 一マ ーク を5回 観 測す れば ハ ンド アイ キ ャリ ブレ ー ショ ンが 実 現す る 方 式 を 提 案 し ハ ン ド ア イの キャ リ プレ ーシ ョ ンに 作業 者 が使 う時 間 をお よそ30パー セン ト 短縮 し た。5）要 素 技術 を統 合 する セル 生 産ロ ボッ ト シス テム を構築し，配線 作業を含む製品組 み立てを人 と同 等 速度 ，作 業 成功 率94.3パ― セン ト で実 現し た 。6）以上の要素技 術と統合システム の構築によ り ， 従 来 人 で し か を し え を か っ た 作 業 を 含 む セ ル 生 産 の ロ ボ ッ ト 化 を 実 現 し た 。
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学 位 論 文 審 査 の 要 旨
主 査 副 査 副 査
教授 教授 准教授
金子 小野里 田中
学 位 論 文 題 名
俊 一 雅 彦 孝 之
次世代ロボットセル生産のための3 次元センシングに関する研究
(Study on 3‑D Sensing for Next Generation Robotic Cell Production Systems)
本 論 文 に お い て は ， 第1章 の 研 究 背景 ・ 目 的 に 続い て ， 第2章で は 計 測 に お ける 問 題 と 解 決策 を 扱 っ て い る 。 ロ ボ ッ ト の 既 定の 動 き を 使 った 計 測 方 法 にお い て 安 定 して 精 度 が 出 や すい モ ー シ ョ ン ス テレ オ を ， 空 間コ ー ド化 法に 使うカ メラを ロボッ トに搭 載す ること を提案 した。 さら に，同 期取 得 し た2枚 の 撮 影 の間 を 移 動 す る際 に 得 ら れ る多 数 の 非 同 期連 続 画 像 よ ル モー シ ョ ン ス テレ オ の計 測 性 能 を 改 善 す る 方 法 を 提 案 し た 。 第3章 で は 多 品 種 への 対 応 間 題 に対 し て 物 体 の モデ ル を し で 物 体 の把 持 位 置 を 計算 で き ， 多 品種 に 強 い 高 速ビ ン ピ ッ キ ン グ手 法 を 提案し ている 。対 象が姿 勢の 定 ま りづ ら い ケ ー ブル を ど の 場 合， い か に モ デル を シ ン プ ル にし て 実 時間計 算でき るも のにす るか
（ 例 えば 精 度 を 重 視せ ず ，荒 いべ クトル の集合 体とし てケー ブル をモデ ル化す る）が 問題 として 扱わ れ て いる 。 コ ネ ク タ付 ケ ーブ ルを 対象と し，剛 体部（ コネク タ） と柔軟 部（ケ ーブル ）の 認識に 問題 を 分 類し て い る 。 柔軟 部 の 粗 い 姿勢 推 定 の た めの 特 徴 点 抽 出 と曲 線 補 間によ るモデ ル化 と，剛 体部 を 簡 単 で 高 精 度 を 姿 勢 推 定 のた め の 立 方 体組 み 合 わ せ によ る モ デ ル ベー ス 姿 勢 推 定 方式 を 提 案 し た 。 第4章 で は 単 一 マ ー ク の 複 数 回 観 測 を 線 形 問 題 と して 解 け る 最 小の 観 測 数 で 実 現す る ハ ン ド ア イ キャ リ プ レ ー ショ ン の 方 法 を提 案 し た 。 第5章 で は 空 間コ ー ド 化 方 式 ，モ ー シ ョ ン ステ レ オ方 式 ， 高速 ビ ン ピ ッ キン グ ， コ ネ クタ 付 ケ ー ブ ル認 識， ハンド アイキ ャリブ レー ション を含む3次 元セ ン シ ング シ ス テ ム につ い て 述 ベ ，第6章 で 実 実験 に よ る 検 証を 行 っ て い る 。本 論 文 の 技 術貢 献 をま と め ると ，1） 非 同期 連 続 画 像 応用 手 法 を 提 案し 一般 的をモ ーシ ョンス テレオ の計測 性能 を大幅 に高 め た （従 来 手 法 と の比 較 で94パー セ ン ト の ノイ ズ 除去） 。2）物体 モデル レスで 物体 を掴む 独創的 を 認 識 ア ル ゴ リ ズ ム を 提 案 ，13種 類 の 対象 物 を パ ラ メ タ変 更 無 し の 平均 成 功 率91パ ー セ ン ト で把 持 し た 。3） コ ネ ク タ付 ケ ー ブ ル の高 速 認 識 手 法を 提 案 。0.45secの 認 識 処理時 間でケ ーブ ルを把 持し た 。4） 単 一 マ ー ク を5回観 測 す れ ば ハン ド ア イ キ ャ リブ レ ー シ ョ ンが 実 現 す る 方式 を 提 案 し ハン ド ア イの キ ャ リ プ レー シ ョ ン に 作業 者 が 使 う 時間 を お よ そ30パ ー セ ン ト短 縮 し た 。5） 要 素 技術 を 統 合 する セ ル 生 産 ロボ ッ トシ ステ ムを構 築し， 配線作 業を含 む製 品組み 立てを 人と同 等速 度，作 業成 功 率94.3パ ーセ ン ト で 実 現し た こ と が 挙げ ら れ る 。
以 上 ， 堂 前 幸康 氏 提 出 の学 位論文 に述べ られて いる 主要技 術は， 次世代 ロボッ ト生 産セル を実現 す る た めの 基 本 的 要 請の ー つ で あ る柔 軟 物 体 を 対象 と し て ， モ ーシ ョ ン ステレ オに基 づく 高精度 ・安 定 を 計測 手 法 の 構 築に 関 す る も ので あ る 。 論 文中 に お い て は ，十 分 教 研究調 査・考 察に 基づく 論理 的 検 討に よ っ て ， 有効 性 の 高 い 手法 を 提 案 し てい る 。 論 文 審 査委 員 会 はこの 学位請 求内 容が技 術的 価 値 を有 し 学 術 的 価値 に つい ても 学位付 与に十 分であ ると判 断し ，同氏 が博士 （情報 科学 ）の授 与に 値 す るも の で あ る こと を 認 め る 。
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