パナソニック コネクトと中央大学、 つかんだものを落とさずに回し続けられるロボットハンド制御技術を開発

対象物の姿勢を変える動作を含む作業への応用ができるので、これまで人が行ってきた様々な現場において無人化による効率的な作業を実現します。

インハンドマニピュレーションをスムーズに行うために、表面にコンベアベルトを巻いた複数のフィンガで構成されるロボットハンドでの研究が進んでいます。フィンガ同士で対象物を把持し、その状態でベルトを動かすことで、対象物の並進と回転が可能となり、これを使用することで対象物の位置姿勢変更が可能な範囲の拡大を図ることができます。しかし、特に姿勢変更のために対象物をハンド内で回転させる際、対象物の形状や姿勢によっては、掴み続けることができずにハンドから落下してしまうという課題がありました。

対象物を落とさずに把持するためには、対象物の表面とロボットハンドとが接触しつづける必要があり、接触を維持するためには、対象物の形状や回転中の姿勢に合わせてフィンガ同士の幅の調節が必要となります。

パナソニック コネクトでは、ロボットビジョン技術(※3)を活かし、対象物の形状や姿勢に応じてフィンガとベルトを制御するシステムを開発しました。
対象物を落とさずに把持するためには、対象物の表面とロボットハンドとが接触しつづける必要があり、接触を維持するためには、対象物の形状や回転中の姿勢に合わせてフィンガ同士の幅を調節する必要があります。しかし、フィンガが必要な幅の分だけ開閉しない状況もあり、その場合に対象物を掴み続けられなくなります。そこで、この状況を引き起こす2つの原因に対してアプローチする技術を開発しました。

※3: ロボットを制御するための視覚機能

「カメラ画像を基に接触点がいつ切り替わるのかを予測し、その前後において対象物の回転速度が最も遅くなるようにベルトを制御することで、幅変化を抑える」

ステレオカメラから取得した画像中から対象物の領域を抽出し、その領域を囲う輪郭を取得します。この輪郭に対して多角形近似および凸包算出を行います。凸包の頂点のうち、最も左および右に位置する点を対象物とハンドとの現在の接触点とします。さらに、残りの頂点の中から、対象物が回転し続ける場合に次にハンドと接触する点を予想し、次の接触点と定義します。そして、現在の接触点と次の接触点を結んだ線分が鉛直軸となす角を算出します。これは、算出した角度の分だけ対象物が回転すると、接触点が切り替わることを示します。この角度が小さい場合は、接触点の切り替わりが近いことを表し、その際には必要なフィンガ幅の変化が大きくなると考えられます。このとき、対象物の回転量が小さければ、落下を防ぐことができます。そこで、算出した角度に正比例するように対象物の目標回転量を定め、それに合わせてベルトを制御します。この制御手法により、接触点の切り替わりが近いときには、ベルトが遅く動き、対象物の回転量も小さくなります。これにより、フィンガ幅の変化を小さく抑えることができます。

画像からの接触点の予測フロー

1つ目の処理の中で取得した輪郭と対象物の目標回転量を用います。現在の輪郭に対して、目標分だけ回転した輪郭を算出し、次の時刻での輪郭を推定。この輪郭のうち、最も左および右に位置する点を検出します。この点を次の時刻での接触点推定位置とし、この点に合わせてフィンガを制御します。この制御により、現在の観測値ではなく、次の時刻の推定値に合わせてフィンガが動くため、遅延の影響を減らすことができます。

例えば、製造の現場では、部品組立作業において部品をピックし、組立可能な姿勢に変更した後に、相手側の部品にプレースする作業が可能です。また、物流の現場では、倉庫や青果場などで様々な形状のモノを整列させて箱内に配置することで高密度な箱詰めが可能となります。現状は人手でパック詰めされているモノも、ロボットにより整列配置することができ、集荷場等での自動化に貢献することが期待されます。形状に個体差がある青果等についても、各個体に合わせた制御を行うことができます。さらに、小売店舗等の流通現場においても、商品陳列等のモノを決まった姿勢で並べる作業への応用が見込まれます。