JP7811524B2 - A system that outputs control information to control a robot hand that can change the insertion depth into a collection area for small, irregularly shaped ingredients. - Google Patents
A system that outputs control information to control a robot hand that can change the insertion depth into a collection area for small, irregularly shaped ingredients.Info
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Description
本発明は、不定形の小型食材の集積場所への挿入深さを変えられるロボットハンドを制御するための制御情報を出力するシステムに関する。 The present invention relates to a system that outputs control information for controlling a robotic hand that can change the insertion depth into a collection area for small, irregularly shaped ingredients.
従来、例えば、ねぎ等の不定形の小型食材を弁当等に盛付する作業は、人が、不定形の小型食材を、番重等の小型食材の集積場所から手指により把持することによって取り出して、弁当等の適切な位置に配置することにより行われていた。 Conventionally, the task of placing small, irregularly shaped ingredients, such as green onions, into lunch boxes and other such items has been carried out by a person manually removing the small, irregularly shaped ingredients from a storage area for small ingredients, such as a food tray, by grasping them with their fingers and placing them in the appropriate position in the lunch box or other such item.
ところが、近い将来、人手不足の深刻化が見込まれている。このため、ロボット導入による各工程の自動化が検討されている。食材盛付作業の自動化も、その一環として検討されている。 However, labor shortages are expected to become more serious in the near future. For this reason, the introduction of robots to automate each process is being considered. Automation of food plating is also being considered as part of this effort.
例えば、特許文献1に示すように、食材盛付作業の自動化のため、食材を把持するロボットハンド(ソフトグリッパー)が開発されている。 For example, as shown in Patent Document 1, a robotic hand (soft gripper) that grasps ingredients has been developed to automate the process of plating ingredients.
しかしながら、特許文献1に示すようなロボットハンド(ソフトグリッパー)を用いて不定形の小型食材を把持して取り出そうとする場合、集積場所に積まれている不定形の小型食材の積載状態が一定で無く(例えば表面の凸凹状態も様々である)、取り出しの度に当該積層状態が変化するため、常に高精度に所望量の小型食材を取り出すことが困難であった。 However, when attempting to grasp and remove small, irregularly shaped ingredients using a robotic hand (soft gripper) such as that shown in Patent Document 1, the stacking condition of the small, irregularly shaped ingredients piled up in the collection area is not constant (for example, the surface irregularities vary), and the stacking condition changes each time ingredients are removed, making it difficult to consistently remove the desired amount of small ingredients with high precision.
本件発明者は、不定形の小型食材の集積場所の画像を分析して、当該画像に基づいて小型食材の積載状態を推測することによって、常に高精度に所望量の小型食材を取り出すことができないか、鋭意検討を進めてきた。 The inventors of this invention have been working diligently to determine whether it is possible to consistently dispense the desired amount of small ingredients with high accuracy by analyzing images of the accumulation area of small, irregularly shaped ingredients and estimating the loading status of the small ingredients based on those images.
そして、当該検討を進める中で、フレキシビリティの高いロボットハンドシステムを実現するためには、(1)不定形の小型食材の集積場所への「挿入深さ」を変えられるロボットハンドを用いること、及び、(2)そのようなロボットハンドを制御するための制御情報を出力するシステムが、ロボットハンドの小型食材への挿入深さと、ロボットハンドにより把持して取り出せる小型食材の重量と、の関係を示す一次関数の傾きと切片とを決定すること、が効果的であることを知見した。 In the course of this research, we discovered that in order to realize a highly flexible robotic hand system, it would be effective to (1) use a robotic hand that can change its "insertion depth" into the collection area for small, irregularly shaped ingredients, and (2) have a system that outputs control information for controlling such a robotic hand determine the slope and intercept of a linear function that shows the relationship between the insertion depth of the robotic hand into small ingredients and the weight of the small ingredients that the robotic hand can grasp and remove.
これによれば、例えば多品種の弁当を少量ずつ生産する場合等、取り出したい小型食材の重量が比較的頻繁に変更される際においても、ロボットハンドの「挿入深さ」が可変であることを利用して、よりフレキシビリティの高い食材取り出し制御を実現できる。 This means that even when the weight of the small ingredients to be removed changes relatively frequently, such as when producing a variety of bento boxes in small quantities, the variable "insertion depth" of the robot hand can be used to achieve more flexible ingredient removal control.
本発明は、以上の知見に基づいてなされたものである。本発明の目的は、不定形の小型食材の集積場所への挿入深さを変えられるロボットハンドを制御するための制御情報を出力するシステムであって、より高精度な所望量の小型食材の取り出しを実現することができるようなシステムを提供することである。 The present invention was developed based on the above findings. The object of the present invention is to provide a system that outputs control information for controlling a robotic hand that can change the insertion depth into a collection location for small, irregularly shaped ingredients, thereby enabling the removal of a desired amount of small ingredients with greater precision.
本発明は、不定形の小型食材の集積場所への挿入深さを変えられるロボットハンドを制御するための制御情報を出力するシステムであって、前記小型食材の集積場所の画像を取得し、見本局所領域との類似性を評価して当該画像から少なくとも1つの候補局所領域を決定すると共に、前記見本局所領域に紐付けされている、前記ロボットハンドの前記小型食材への挿入深さと前記ロボットハンドにより把持して取り出せる前記小型食材の重量との情報に基づいて、各候補局所領域に紐づけされる、前記ロボットハンドの前記小型食材への挿入深さと前記ロボットハンドにより把持して取り出せる前記小型食材の重量との関係を示す一次関数の傾きと切片とを決定し、各候補局所領域に紐づけされた一次関数の傾きと切片とを、各候補局所領域の座標データと紐付けて制御情報として出力することを特徴とするシステムである。 The present invention is a system that outputs control information for controlling a robotic hand that can change its insertion depth into a collection area for small, irregularly shaped ingredients. The system acquires an image of the collection area for small ingredients, evaluates the similarity with a sample local area, and determines at least one candidate local area from the image. Based on information associated with the sample local area regarding the insertion depth of the robotic hand into the small ingredient and the weight of the small ingredient that can be grasped and removed by the robotic hand, the system determines the slope and intercept of a linear function associated with each candidate local area that indicates the relationship between the insertion depth of the robotic hand into the small ingredient and the weight of the small ingredient that can be grasped and removed by the robotic hand. The system then links the slope and intercept of the linear function associated with each candidate local area to the coordinate data of each candidate local area and outputs them as control information.
本発明のシステムによれば、小型食材の集積場所の画像から、ロボットハンドの小型食材への挿入深さと取り出せる小型食材の重量との一次関数を決定することができる。これにより、取り出したい小型食材の重量の変更に、より容易に対応することができる。 The system of the present invention can determine a linear function between the depth of insertion of the robot hand into the small food item and the weight of the small food item that can be removed from an image of the collection location of the small food items. This makes it easier to respond to changes in the weight of the small food item to be removed.
本発明において、「見本局所領域」の数は、1つであってもよいし、複数であってもよい。「見本局所領域との類似性を評価して」というのは、画像処理プログラム等によって何らかのパラメータを抽出して当該パラメータ同士を比較することで類似性を評価してもよいし、AIを用いた学習プログラム等によって両画像の類似性(相関性)を直接的に評価してもよい。 In the present invention, the number of "sample local regions" may be one or more. "Evaluating the similarity with the sample local region" may mean evaluating the similarity by extracting certain parameters using an image processing program or the like and comparing those parameters, or may directly evaluate the similarity (correlation) between the two images using an AI-based learning program or the like.
また、本発明において、「前記見本局所領域に紐付けされている、前記ロボットハンドの前記小型食材への挿入深さと前記ロボットハンドにより把持して取り出せる前記小型食材の重量との情報」というのは、見本局所領域に対応して予め「前記ロボットハンドの前記小型食材への挿入深さと前記ロボットハンドにより把持して取り出せる前記小型食材の重量との関係を示す一次関数の傾きと切片」が提供されている場合、当該「一次関数の傾きと切片」であり得る。例えば、何らかの共通の特徴を有すると判断できる「見本局所領域」が複数の場合には、それらの各々について実測されたロボットハンドの「挿入深さ」と「把持重量」とに基づいて、最小二乗法によって「一次関数の傾きと切片」を得ておくことが可能である。 In addition, in the present invention, "information associated with the sample local area relating to the insertion depth of the robot hand into the small food ingredient and the weight of the small food ingredient that can be grasped and removed by the robot hand" may refer to the "slope and intercept of a linear function that shows the relationship between the insertion depth of the robot hand into the small food ingredient and the weight of the small food ingredient that can be grasped and removed by the robot hand" if such information is provided in advance for the sample local area. For example, if there are multiple "sample local areas" that can be determined to have some common characteristics, it is possible to obtain the "slope and intercept of the linear function" using the least squares method based on the "insertion depth" and "grasping weight" of the robot hand that are actually measured for each of them.
また、本発明において、「前記見本局所領域に紐付けされている、前記ロボットハンドの前記小型食材への挿入深さと前記ロボットハンドにより把持して取り出せる前記小型食材の重量との情報に基づいて、各候補局所領域に紐づけされる、前記ロボットハンドの前記小型食材への挿入深さと前記ロボットハンドにより把持して取り出せる前記小型食材の重量との関係を示す一次関数の傾きと切片とを決定し」というのは、「前記見本局所領域に紐付けされている、前記ロボットハンドの前記小型食材への挿入深さと前記ロボットハンドにより把持して取り出せる前記小型食材の重量との情報」が「一次関数の傾きと切片」である場合には、当該「一次関数の傾きと切片」をそのまま「各候補局所領域」に対応する(紐付けされる)「一次関数の傾きと切片」として決定することを含み、あるいは、当該「一次関数の傾きと切片」に対して「見本局所領域」と「各候補局所領域」との類似度(相関度)に基づく補正処理を行ったものを「各候補局所領域」に対応する(紐付けされる)「一次関数の傾きと切片」として決定することを含む。 In addition, in the present invention, "based on information on the insertion depth of the robot hand into the small food ingredient and the weight of the small food ingredient that can be grasped and removed by the robot hand, which is linked to the sample local area, determine the slope and intercept of a linear function that indicates the relationship between the insertion depth of the robot hand into the small food ingredient and the weight of the small food ingredient that can be grasped and removed by the robot hand, which is linked to each candidate local area" means "based on information on the insertion depth of the robot hand into the small food ingredient and the weight of the small food ingredient that can be grasped and removed by the robot hand, which is linked to the sample local area." If the "information on the weight of the small food ingredient that can be grasped and removed by the robot hand" is the "slope and intercept of a linear function," this includes determining the "slope and intercept of the linear function" as the "slope and intercept of the linear function" that corresponds to (is linked to) each "candidate local region," or determining the "slope and intercept of the linear function" after performing a correction process based on the similarity (degree of correlation) between the "sample local region" and each "candidate local region" as the "slope and intercept of the linear function" that corresponds to (is linked to) each "candidate local region."
あるいは、本発明において、「前記見本局所領域に紐付けされている、前記ロボットハンドの前記小型食材への挿入深さと前記ロボットハンドにより把持して取り出せる前記小型食材の重量との情報に基づいて、各候補局所領域に紐づけされる、前記ロボットハンドの前記小型食材への挿入深さと前記ロボットハンドにより把持して取り出せる前記小型食材の重量との関係を示す一次関数の傾きと切片とを決定し」というのは、「前記見本局所領域に紐付けされている、前記ロボットハンドの前記小型食材への挿入深さと前記ロボットハンドにより把持して取り出せる前記小型食材の重量との情報」が「一次関数の傾きと切片」としては提供されておらず、例えば複数の見本局所領域の各々について実測されたロボットハンドの「挿入深さ」と「把持重量」の対(組)として提供されている場合には、例えばそれらの複数の対(組)を教師データとすることで構築した機械学習モデルデータ(及びAIプログラム)によって、直接的に「各候補局所領域」に対応する(紐付けされる)「一次関数の傾きと切片」を演算することを含む。 Alternatively, in the present invention, "determining the slope and intercept of a linear function associated with each candidate local region that indicates the relationship between the insertion depth of the robot hand into the small food ingredient and the weight of the small food ingredient that can be grasped and removed by the robot hand, based on information associated with the sample local region regarding the insertion depth of the robot hand into the small food ingredient and the weight of the small food ingredient that can be grasped and removed by the robot hand" includes, in cases where "information associated with the sample local region regarding the insertion depth of the robot hand into the small food ingredient and the weight of the small food ingredient that can be grasped and removed by the robot hand" is not provided as "the slope and intercept of a linear function," but is provided, for example, as pairs (sets) of the "insertion depth" and "grasping weight" of the robot hand that are actually measured for each of multiple sample local regions, directly calculating the "slope and intercept of a linear function" that corresponds to (is associated with) "each candidate local region" using, for example, machine learning model data (and an AI program) constructed using these multiple pairs (sets) as training data.
また、本発明において、画像とは、D画像(距離画像、深度画像)であり得るし、RGB画像であり得るし、これら両者の特徴を併せもつRGBD画像であり得る。 In addition, in this invention, an image may be a D image (distance image, depth image), an RGB image, or an RGBD image that combines the characteristics of both.
また、本発明において、「各候補局所領域」に対応する(紐付けされる)「一次関数の傾きと切片」を決定ないし演算する際に、それらの決定ないし演算の「確からしさ」をも評価することが好ましい。 Furthermore, in the present invention, when determining or calculating the "slope and intercept of a linear function" corresponding to (associated with) each "candidate local region," it is preferable to also evaluate the "likelihood" of such determination or calculation.
当該「確からしさ」は、「見本局所領域」と「各候補局所領域」との類似度(相関度)に基づいて演算ないし評価されてもよいし、前記AI学習プログラムによって直接的に評価されてもよい。 This "likelihood" may be calculated or evaluated based on the similarity (degree of correlation) between the "sample local region" and each "candidate local region," or may be evaluated directly by the AI learning program.
このような場合、本発明は、以下のように規定できる。すなわち、本発明の一態様は、不定形の小型食材の集積場所への挿入深さを変えられるロボットハンドを制御するための制御情報を出力するシステムであって、前記小型食材の集積場所の画像を取得し、見本局所領域との類似性を評価して当該画像から少なくとも1つの候補局所領域を決定すると共に、前記見本局所領域に紐付けされている、前記ロボットハンドの前記小型食材への挿入深さと前記ロボットハンドにより把持して取り出せる前記小型食材の重量との情報に基づいて、各候補局所領域に紐づけされる、前記ロボットハンドの前記小型食材への挿入深さと前記ロボットハンドにより把持して取り出せる前記小型食材の重量との関係を示す一次関数の傾きと切片とそれらの確からしさとを決定し、各候補局所領域に紐づけされた一次関数の傾きと切片とそれらの確からしさとを、各候補局所領域の座標データと紐付けて制御情報として出力することを特徴とするシステムである。 In such cases, the present invention can be defined as follows. That is, one aspect of the present invention is a system that outputs control information for controlling a robotic hand that can change its insertion depth into a collection area for small, irregularly shaped ingredients. The system acquires an image of the collection area for small ingredients, evaluates similarity with a sample local area to determine at least one candidate local area from the image, and determines the slope, intercept, and likelihood of a linear function associated with each candidate local area that indicates the relationship between the insertion depth of the robotic hand into the small ingredient and the weight of the small ingredient that can be grasped and removed by the robotic hand based on information associated with the sample local area regarding the insertion depth of the robotic hand into the small ingredient and the weight of the small ingredient that can be grasped and removed by the robotic hand. The system outputs the slope, intercept, and likelihood of the linear function associated with each candidate local area as control information, linking them to the coordinate data of each candidate local area.
当該態様において、前記候補局所領域が複数である場合には、前記確からしさが最も高い候補局所領域を最終候補局所領域として決定し、当該最終候補局所領域に紐づけされた一次関数の傾きと切片とを、当該最終候補局所領域の座標データと紐付けて制御情報として出力することが更に好ましい。 In this aspect, if there are multiple candidate local regions, it is more preferable to determine the candidate local region with the highest likelihood as the final candidate local region, and to link the slope and intercept of the linear function associated with the final candidate local region to the coordinate data of the final candidate local region and output them as control information.
また、本発明は、方法のカテゴリーでも規定され得る。すなわち、当該方法発明は、不定形の小型食材の集積場所への挿入深さを変えられるロボットハンドを制御するための制御情報を出力する方法であって、前記小型食材の集積場所の画像を取得する工程と、見本局所領域との類似性を評価して当該画像から少なくとも1つの候補局所領域を決定すると共に、前記見本局所領域に紐付けされている、前記ロボットハンドの前記小型食材への挿入深さと前記ロボットハンドにより把持して取り出せる前記小型食材の重量との情報に基づいて、各候補局所領域に紐づけされる、前記ロボットハンドの前記小型食材への挿入深さと前記ロボットハンドにより把持して取り出せる前記小型食材の重量との関係を示す一次関数の傾きと切片とを決定する工程と、各候補局所領域に紐づけされた一次関数の傾きと切片とを、各候補局所領域の座標データと紐付けて制御情報として出力する工程と、を備えたことを特徴とする方法である。 The present invention can also be defined as a method. Specifically, this method invention is a method for outputting control information for controlling a robotic hand capable of changing the insertion depth into a collection location for small, irregularly shaped ingredients, comprising the steps of: acquiring an image of the collection location for small ingredients; determining at least one candidate local region from the image by evaluating the similarity with a sample local region; and determining the slope and intercept of a linear function associated with each candidate local region that indicates the relationship between the insertion depth of the robotic hand into the small ingredient and the weight of the small ingredient that can be grasped and removed by the robotic hand, based on information associated with the sample local region regarding the insertion depth of the robotic hand into the small ingredient and the weight of the small ingredient that can be grasped and removed by the robotic hand; and linking the slope and intercept of the linear function associated with each candidate local region to the coordinate data of each candidate local region and outputting them as control information.
「確からしさ」をも評価する場合、当該方法発明は、不定形の小型食材の集積場所への挿入深さを変えられるロボットハンドを制御するための制御情報を出力する方法であって、前記小型食材の集積場所の画像を取得する工程と、見本局所領域との類似性を評価して当該画像から少なくとも1つの候補局所領域を決定すると共に、前記見本局所領域に紐付けされている、前記ロボットハンドの前記小型食材への挿入深さと前記ロボットハンドにより把持して取り出せる前記小型食材の重量との情報に基づいて、各候補局所領域に紐づけされる、前記ロボットハンドの前記小型食材への挿入深さと前記ロボットハンドにより把持して取り出せる前記小型食材の重量との関係を示す一次関数の傾きと切片とそれらの確からしさとを決定する工程と、各候補局所領域に紐づけされた一次関数の傾きと切片とそれらの確からしさとを、各候補局所領域の座標データと紐付けて制御情報として出力する工程と、を備えたことを特徴とする方法である。 When "likelihood" is also evaluated, the method invention is a method for outputting control information for controlling a robotic hand that can change its insertion depth into a collection location for small, irregularly shaped ingredients, comprising the steps of: acquiring an image of the collection location for small ingredients; determining at least one candidate local area from the image by evaluating the similarity with a sample local area; and determining the slope, intercept, and likelihood of a linear function associated with each candidate local area that indicates the relationship between the insertion depth of the robotic hand into the small ingredient and the weight of the small ingredient that can be grasped and removed by the robotic hand, based on information associated with the sample local area regarding the insertion depth of the robotic hand into the small ingredient and the weight of the small ingredient that can be grasped and removed by the robotic hand; and linking the slope, intercept, and likelihood of the linear function associated with each candidate local area to the coordinate data of each candidate local area and outputting them as control information.
また、本発明は、不定形の小型食材の集積場所への挿入深さを変えられるロボットハンドを制御するための制御情報を出力するためのプログラムであって、当該プログラムがコンピュータによって実行されることにより前述の方法を実施可能であることを特徴とするプログラム、としても規定され得る(このようなプログラムも本願の保護対象である)。 The present invention can also be defined as a program for outputting control information for controlling a robotic hand that can change the depth of insertion into a collection location for small, irregularly shaped ingredients, characterized in that the program, when executed by a computer, can carry out the aforementioned method (such programs are also protected by this application).
本発明によれば、小型食材の集積場所の画像から、ロボットハンドの小型食材への挿入深さと取り出せる小型食材の重量との一次関数を決定することができる。これにより、取り出したい小型食材の重量の変更に、より容易に対応することができる。 According to the present invention, a linear function can be determined between the depth of insertion of the robot hand into the small food ingredient and the weight of the small food ingredient that can be removed from an image of the accumulation location of the small food ingredients. This makes it easier to respond to changes in the weight of the small food ingredient to be removed.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。 The following describes an embodiment of the present invention with reference to the drawings.
(全体構成)
図1は、本発明の第1実施形態に係るシステム1を含む、ロボットハンドシステム2の概略斜視図である。
(Overall structure)
FIG. 1 is a schematic perspective view of a robot hand system 2 including a system 1 according to a first embodiment of the present invention.
システム1は、ロボットハンド8を制御するための制御情報を出力するシステムである。ロボットハンド8は、不定形の小型食材4の集積場所6への挿入深さを変えられるようになっている(図10参照)。システム1の詳細については後述する。 System 1 is a system that outputs control information for controlling the robot hand 8. The robot hand 8 is capable of changing the depth to which irregularly shaped small ingredients 4 are inserted into the accumulation area 6 (see Figure 10). Details of System 1 will be described later.
ロボットハンドシステム2は、不定形の小型食材4を、当該小型食材4の集積場所6から把持することにより取り出すロボットハンドシステムである。例えば、トッピング装置等と称されることもある。ロボットハンドシステム2は、小型食材4の集積場所6の画像を撮像してシステム1に送信するカメラ10と、システム1から出力される制御情報に基づいて制御されるロボットハンド8と、を備えている。 The robotic hand system 2 is a robotic hand system that grasps and removes small, irregularly shaped ingredients 4 from a collection area 6 for the small ingredients 4. For example, it may also be called a topping device. The robotic hand system 2 includes a camera 10 that captures an image of the collection area 6 for the small ingredients 4 and transmits it to the system 1, and a robotic hand 8 that is controlled based on control information output from the system 1.
不定形の小型食材4は、例えば、小口切りされたねぎ、コーン等であり、集積場所6は、例えば、番重等である。 The irregularly shaped small food ingredients 4 are, for example, finely chopped green onions or corn, and the collection location 6 is, for example, a food container.
ロボットハンド8は、ロボットアーム12(例えば川崎重工業株式会社製のduAro)に取り付けられている。ロボットハンド8は、小型食材4をソフトに把持することができるソフトグリッパー14(図4参照)を備えている。ソフトグリッパー14は、小口切りされたねぎやコーン等の細かい食材をソフトに(傷つけることなく)把持するソフトグリッパー14であって、把持対象物の上方に位置決めされるベース部材16を備えている(特許文献1参照)。 The robot hand 8 is attached to a robot arm 12 (e.g., a duAro manufactured by Kawasaki Heavy Industries, Ltd.). The robot hand 8 is equipped with a soft gripper 14 (see Figure 4) that can gently grasp small ingredients 4. The soft gripper 14 is designed to gently (without damaging) finely chopped ingredients such as green onions or corn, and is equipped with a base member 16 that is positioned above the object to be grasped (see Patent Document 1).
ベース部材16は、略十字状部材16aと、当該略十字状部材16aの下面側に固定された4つの四分割円弧板16bと、を有している。略十字状部材16aの上面側には、4本の支柱17を介して、円環状のロボットアーム取付部13が設けられている。 The base member 16 has a generally cross-shaped member 16a and four quadrant arc plates 16b fixed to the underside of the generally cross-shaped member 16a. A circular robot arm mounting portion 13 is attached to the upper surface of the generally cross-shaped member 16a via four support posts 17.
ベース部材16の四分割円弧板16bの各々の下面から鉛直方向下向きに、柔軟なシリコン製のスコップ要素20が垂下されている。4個のスコップ要素20は、平面視で周方向に隣り合うように配置されている。各スコップ要素20の形状は、2段階のテーパ形状となっている。 A flexible silicone scoop element 20 hangs vertically downward from the underside of each of the quadrant arc plates 16b of the base member 16. The four scoop elements 20 are arranged adjacent to each other in the circumferential direction in a plan view. Each scoop element 20 has a two-stage tapered shape.
図4乃至図6に示すように、スコップ要素20の各々の外面上には、内部に空気室41~49を有する9個の突出要素31~39が左右対称に立設されている。より具体的には、9個の突出要素31~39が立設されたスコップ要素外側部20aが、スコップ要素内側部20bと接着されることで、スコップ要素20が構成されている。 As shown in Figures 4 to 6, nine protruding elements 31 to 39, each with an internal air chamber 41 to 49, are symmetrically erected on the outer surface of each scoop element 20. More specifically, the scoop element 20 is constructed by adhering the scoop element outer portion 20a, on which the nine protruding elements 31 to 39 are erected, to the scoop element inner portion 20b.
空気室41~49は、いずれもスコップ要素外側部20aを貫いて、各突出要素31~39の内部に広がっている。スコップ要素外側部20aが接着されるスコップ要素外側部20bの上面は、平坦である。 The air chambers 41-49 all extend through the scoop element outer portion 20a and into the interior of each protrusion element 31-39. The upper surface of the scoop element outer portion 20b, to which the scoop element outer portion 20a is adhered, is flat.
突出要素31~34(及びスコップ要素外側部20a)によって形成される空気室41~44は、周方向(横方向)に互いに平行に延びる横空気室となっており、突出要素35~39(及びスコップ要素外側部20a)によって形成される空気室45~49は、横空気室41~44よりも上方の領域において上下方向に互いに平行に延びる縦空気室となっている。全ての空気室41~49は、スコップ要素外側部20aに形成された縦圧縮空気供給路20c及び横圧縮空気供給路20dによって、共通に連通されている。 Air chambers 41-44 formed by protruding elements 31-34 (and scoop element outer portion 20a) are horizontal air chambers that extend parallel to one another in the circumferential direction (horizontal direction), while air chambers 45-49 formed by protruding elements 35-39 (and scoop element outer portion 20a) are vertical air chambers that extend parallel to one another in the vertical direction in the region above the horizontal air chambers 41-44. All air chambers 41-49 are commonly connected by vertical compressed air supply passage 20c and horizontal compressed air supply passage 20d formed in the scoop element outer portion 20a.
カメラ10は、下方を撮影するようにロボットアーム12に取り付けられている。従って、例えばロボットアーム12の制御によって、撮影時にカメラ10が集積場所6の中心の真上に位置決めされる。 The camera 10 is attached to the robot arm 12 so that it can take pictures downward. Therefore, for example, by controlling the robot arm 12, the camera 10 is positioned directly above the center of the collection area 6 when taking pictures.
カメラ10は、集積場所6の上方から下方に向けて集積場所6の小型食材4の積載状態(集積状態)を撮影する。本実施形態においては、カメラ10は、集積場所6の上方から鉛直方向下方に向けて撮影するが、例えばカメラ10は、集積場所6の上方から斜め下方に向けて小型食材4の積載状態の撮影を行ってもよい。本実施形態のカメラ10は、RGBDカメラであり、画像内各画素に対応するRGB画像と、画像内各画素に対応する小型食材までの距離画像(深度画像)と、を取得する。 The camera 10 photographs the stacked state (stacked state) of the small ingredients 4 in the collection area 6 from above to below. In this embodiment, the camera 10 photographs the stacked state (stacked state) of the small ingredients 4 in the collection area 6 from above to below. In this embodiment, the camera 10 photographs the stacked state of the small ingredients 4 from above to diagonally below the collection area 6. The camera 10 in this embodiment is an RGBD camera, and acquires an RGB image corresponding to each pixel in the image, and a distance image (depth image) to the small ingredients corresponding to each pixel in the image.
(第1実施形態のシステム1の構成)
次に、図7を参照して、システム1をより詳細に説明する。
(Configuration of System 1 of First Embodiment)
The system 1 will now be described in more detail with reference to FIG.
システム1は、いわゆるAIによる機械学習を実現するように構成され、図7に示すように、ロボット制御部54と、認識部56と、学習部58と、を有している。ロボット制御部54と、認識部56と、学習部58とは、インターネット等の無線通信ネットワークを介して互いに接続されている(もっとも、それらは、有線接続されていてもよいし、共通の1つのサーバ上に構築されていてもよい)。 System 1 is configured to realize so-called AI-based machine learning, and as shown in FIG. 7, has a robot control unit 54, a recognition unit 56, and a learning unit 58. The robot control unit 54, recognition unit 56, and learning unit 58 are connected to each other via a wireless communication network such as the Internet (although they may also be connected via a wired connection or built on a single shared server).
図7では、ロボット制御部54と、認識部56と、学習部58と、が区別されて図示されているが、これらの一部又は全部が共通の機能部(制御部)を形成していてもよい。 In Figure 7, the robot control unit 54, recognition unit 56, and learning unit 58 are shown separately, but some or all of these may form a common functional unit (control unit).
ロボット制御部54は、例えば、システム全体を制御する全体制御ノード60と、全体制御ノード60からデータを記録する指示を受ける情報記録ノード62と、全体制御ノード60からロボットハンド8の制御指令を受けるロボットハンド制御ノード64と、全体制御ノード60からロボットアーム12の制御指令を受けるロボットアーム制御ノード66と、全体制御ノード60から小型食材の目標重量の指令を受ける画像認識部管理ノード68と、カメラ10を制御するRGBDカメラ制御ノード70と、を有する。 The robot control unit 54 includes, for example, an overall control node 60 that controls the entire system, an information recording node 62 that receives instructions to record data from the overall control node 60, a robot hand control node 64 that receives control instructions for the robot hand 8 from the overall control node 60, a robot arm control node 66 that receives control instructions for the robot arm 12 from the overall control node 60, an image recognition unit management node 68 that receives instructions for the target weight of small ingredients from the overall control node 60, and an RGBD camera control node 70 that controls the camera 10.
全体制御ノード60は、入力部(図示せず)と接続され、当該入力部から目標重量等の指令を受けるようになっている。また、全体制御ノード60は、出力部(図示せず)と接続され、全体制御ノード60の制御情報を外部に出力(例えば表示)できるようになっている。 The overall control node 60 is connected to an input unit (not shown) and receives commands such as target weight from the input unit. The overall control node 60 is also connected to an output unit (not shown) and is capable of outputting (e.g., displaying) the control information of the overall control node 60 to the outside.
ロボットハンド制御ノード64は、ロボットハンド8やソフトグリッパー14を制御すると共に、これらの制御状態や制御位置等の情報を取得するようになっている。 The robot hand control node 64 controls the robot hand 8 and soft gripper 14, and also acquires information on their control status, control position, etc.
ロボットアーム制御ノード66は、ロボットアーム12を制御すると共にこの制御状態や制御位置等の情報を取得するようになっている。 The robot arm control node 66 controls the robot arm 12 and acquires information such as its control status and control position.
RGBDカメラ制御ノード70は、全体制御ノード60からカメラ10(RGBDカメラ)の制御指令を受けるようになっている。また、RGBDカメラ制御ノード70は、カメラ10を制御すると共に当該カメラ10により撮影した画像等の情報を取得するようになっている。 The RGBD camera control node 70 receives control commands for the camera 10 (RGBD camera) from the overall control node 60. The RGBD camera control node 70 also controls the camera 10 and acquires information such as images captured by the camera 10.
画像認識部管理ノード68は、RGBDカメラ制御ノード70からRGBD画像(例えば100cm×55cm、画素数では1280pixel×720pixel)を受けるようになっている。また、画像認識部管理ノード68は、例えば、後述する画像認識ノード72において画像処理を行うための画像データの準備処理や、画像座標の変換処理等を行う機能を有する。画像認識部管理ノード68は、全体制御ノード60とデータを同期するように設けられている。 The image recognition unit management node 68 is configured to receive RGBD images (e.g., 100 cm x 55 cm, 1280 pixels x 720 pixels) from the RGBD camera control node 70. The image recognition unit management node 68 also has functions such as preparing image data for image processing in the image recognition node 72 (described below) and converting image coordinates. The image recognition unit management node 68 is configured to synchronize data with the overall control node 60.
認識部56は、例えば、主に画像処理を行う画像認識ノード72を有する。 The recognition unit 56 has, for example, an image recognition node 72 that mainly performs image processing.
画像認識ノード72は、例えば、画像認識部管理ノード68からRGBD画像や目標重量を受信するようになっている。 The image recognition node 72 is configured to receive, for example, an RGBD image and target weight from the image recognition unit management node 68.
そして、画像認識ノード72は、画像認識部管理ノード68から受信した画像を、予め選択ないし設定された見本局所領域との類似性を評価して、当該画像から少なくとも1つの候補局所領域(例えば5cm×5cm、画素数では90pixel×90pixel、互いに画素単位でずれている領域であり、すなわち、互いに部分的には重複していてよい)を決定すると共に、見本局所領域に紐付けされている情報であってロボットハンド8の小型食材への挿入深さとロボットハンド8により把持して取り出せる小型食材の重量との情報に基づいて、少なくとも1つの候補局所領域に紐づけされる一次関数の傾きと切片であって、ロボットハンド8の小型食材への挿入深さとロボットハンド8により把持して取り出せる小型食材の重量との関係を示す一次関数の傾きと切片とを決定するようになっている。 The image recognition node 72 then evaluates the similarity of the image received from the image recognition unit management node 68 with a pre-selected or set sample local region, and determines at least one candidate local region from the image (for example, 5 cm x 5 cm, or 90 pixels x 90 pixels, regions that are offset from each other in pixel units, i.e., may partially overlap each other). The image recognition node 72 also determines the slope and intercept of a linear function associated with the at least one candidate local region based on information associated with the sample local region, namely, information relating to the insertion depth of the robot hand 8 into a small food ingredient and the weight of a small food ingredient that can be grasped and removed by the robot hand 8. The slope and intercept of the linear function represent the relationship between the insertion depth of the robot hand 8 into a small food ingredient and the weight of a small food ingredient that can be grasped and removed by the robot hand 8.
画像認識ノード72は、画像認識部管理ノード68とデータを同期するように設けられている。 The image recognition node 72 is configured to synchronize data with the image recognition unit management node 68.
画像認識ノード72は、本実施形態では、各候補局所領域に対応する一次関数の傾きと切片とを決定する際に、それらの確からしさを評価するようになっている(本実施形態では、AI学習プログラムによって直接的に評価される)。 In this embodiment, the image recognition node 72 evaluates the likelihood of the slope and intercept of the linear function corresponding to each candidate local region when determining them (in this embodiment, this is evaluated directly by the AI learning program).
また、画像認識ノード72は、本実施形態では、複数の候補局所領域毎に、その座標と、その決定した一次関数の傾き及び切片から演算される目標重量に対する挿入深さと、その確からしさと、を画像認識部管理ノード68に送信するようになっている。 In addition, in this embodiment, the image recognition node 72 transmits to the image recognition unit management node 68, for each of the multiple candidate local regions, its coordinates, the insertion depth relative to the target weight calculated from the slope and intercept of the determined linear function, and its likelihood.
そして、画像認識部管理ノード68が、受信した候補局所領域のうち、確からしさが最も高いものを選択して、その座標と、対応する挿入深さと、を全体制御ノード60に送信するようになっている。 The image recognition unit management node 68 then selects the most likely candidate local region from the received candidate local regions and transmits its coordinates and the corresponding insertion depth to the overall control node 60.
学習部58は、例えば、機械学習を行う機械学習ノード74を有する。 The learning unit 58 has, for example, a machine learning node 74 that performs machine learning.
機械学習ノード74は、画像認識部管理ノード68が有している画像データ、画像座標、挿入深さ等の情報の全部又は一部を学習用データとして取得できるようになっている。 The machine learning node 74 is capable of acquiring all or part of the information held by the image recognition unit management node 68, such as image data, image coordinates, and insertion depth, as learning data.
また、機械学習ノード74は、全体制御ノード60が有しているロボットハンド8の座標、目標重要、挿入深さ等の情報の全部又は一部を更新用の学習用データ(訓練用データ)として取得できるようになっている。 In addition, the machine learning node 74 is capable of acquiring all or part of the information held by the overall control node 60, such as the coordinates, target weight, and insertion depth of the robot hand 8, as learning data (training data) for updating.
また、機械学習ノード74は、機械学習モデルデータ(更新がある場合には更新された機械学習モデルデータ)を画像認識ノード72に送信し、画像認識ノード72における画像処理に利用させることができる。 In addition, the machine learning node 74 can send the machine learning model data (or the updated machine learning model data if there is an update) to the image recognition node 72, allowing it to be used for image processing in the image recognition node 72.
機械学習ノード74は、画像認識部管理ノード68、画像認識ノード72、情報記録ノード62の各々と、非同期でデータを送受信するように設けられている。 The machine learning node 74 is configured to send and receive data asynchronously with each of the image recognition unit management node 68, image recognition node 72, and information recording node 62.
(システム1の制御動作)
次に、本実施形態におけるシステム1の制御動作を説明する。
(Control operation of system 1)
Next, the control operation of the system 1 in this embodiment will be described.
ロボットハンドシステム2が、カメラ10により小型食材(ねぎ)の集積場所(番重)のRGBD画像を取得する。 The robot hand system 2 uses the camera 10 to acquire an RGBD image of the location (box) where the small ingredients (green onions) are collected.
画像認識ノード72が、RGBDカメラ制御ノード70から、画像認識部管理ノード68を介して、RGBD画像を取得する。 The image recognition node 72 acquires the RGBD image from the RGBD camera control node 70 via the image recognition unit management node 68.
次に、本実施形態の画像認識ノード72は、機械学習ノード74から機械学習モデルデータを受領し、予め設定(記憶)された複数の見本局所領域(見本となる局所領域(教師データ))の画像との類似性(相関性)を評価して、当該画像から少なくとも1つの候補局所領域を決定すると共に、複数の見本局所領域の各々について実測されたロボットハンドの「挿入深さ」と「把持重量」の対(組)を教師データとすることで構築された機械学習モデルデータ(及びAIプログラム)によって、直接的に「各候補局所領域」に対応する(紐付けされる)「一次関数の傾きと切片」を演算すると共に、その確からしさも演算する。(「複数の見本局所領域」自体、訓練データを用いて機械学習(深層学習)により構築されたNN(ニューラルネットワーク)モデルに基づいて設定され得る。機械学習ノード74は、複数の見本局所領域の各々について実測されたロボットハンドの「挿入深さ」と「把持重量」の対(組)の生データ(教師データ)を記憶していてもよいが、当該教師データから構築された機械学習モデルデータのみを記憶していれば足りる。) Next, the image recognition node 72 of this embodiment receives machine learning model data from the machine learning node 74, evaluates the similarity (correlation) with images of multiple sample local areas (sample local areas (teaching data)) that have been set (stored) in advance, and determines at least one candidate local area from the image. It also calculates the "slope and intercept of a linear function" that directly corresponds to (is linked to) each candidate local area using the machine learning model data (and AI program) constructed by using pairs of the "insertion depth" and "grasping weight" of the robot hand that are actually measured for each of the multiple sample local areas as teaching data, and also calculates the likelihood of the "slope and intercept of a linear function" that corresponds to (is linked to) each candidate local area. (The "multiple sample local regions" themselves can be set based on a neural network (NN) model constructed through machine learning (deep learning) using training data. The machine learning node 74 may store raw data (trainer data) of pairs of the robot hand's "insertion depth" and "grasp weight" measured for each of the multiple sample local regions, but it is sufficient to store only the machine learning model data constructed from the trainer data.)
次に、画像認識ノード72は、複数の候補局所領域毎に、その座標と、その決定した一次関数の傾き及び切片から演算される目標重量に対する挿入深さと、その確からしさと、を画像認識部管理ノード68に送信する。 Next, for each of the multiple candidate local regions, the image recognition node 72 transmits to the image recognition unit management node 68 its coordinates, the insertion depth relative to the target weight calculated from the slope and intercept of the determined linear function, and its likelihood.
次に、画像認識部管理ノード68が、受信した候補局所領域のうち、確からしさが最も高いものを選択して、その座標と、対応する挿入深さと、を全体制御ノード60に送信する。 The image recognition unit management node 68 then selects the most likely candidate local region from the received candidate local regions and transmits its coordinates and the corresponding insertion depth to the overall control node 60.
画像認識ノード72から出力される制御情報(例えば、決定された候補局所領域の座標や、対応する一次関数の情報等)は、全体制御ノード60を介して、または介さずに、モニタ等の出力部に出力されてもよい。 The control information output from the image recognition node 72 (e.g., coordinates of determined candidate local regions, information on corresponding linear functions, etc.) may be output to an output unit such as a monitor, either via or without the overall control node 60.
次に、全体制御ノード60は、ロボットハンド8のソフトグリッパー14を下降させ、ねぎ(不定形の小型食材)を把持する動作を実行させる。 Next, the overall control node 60 lowers the soft gripper 14 of the robot hand 8 and causes it to grasp a green onion (a small, irregularly shaped food ingredient).
ねぎを把持する動作の際、ロボットハンド8のソフトグリッパー14の各スコップ要素20の先端部20tが、所定の挿入深さD(図10参照)まで挿入される。挿入深さDは、例えば、候補局所領域のねぎの表面(平均高さ表面)からの挿入深さである。 When gripping the green onion, the tip 20t of each scoop element 20 of the soft gripper 14 of the robot hand 8 is inserted to a predetermined insertion depth D (see Figure 10). Insertion depth D is, for example, the insertion depth from the surface (average height surface) of the green onion in the candidate local region.
ソフトグリッパー14の先端部20tがねぎに挿入された後、圧縮空気供給装置(図示せず)によって、各スコップ要素20の圧縮空気導入部51の空気供給路52に圧縮空気が供給される。これにより、各空気室41~49が当該圧縮空気によって膨張変形され、特に横空気室41~44の膨張によって各スコップ要素20が湾曲変形され、各スコップ要素20の先端部20t同士が互いに近接する。これにより、ねぎ等の不定形の細かい食材であっても、把持した後(掬い上げた後)にこぼすことなく、所望の容器(または所望の他の搬送先)まで搬送することができる。 After the tip 20t of the soft gripper 14 is inserted into the green onion, a compressed air supply device (not shown) supplies compressed air to the air supply path 52 of the compressed air inlet 51 of each scoop element 20. This causes each air chamber 41-49 to expand and deform with the compressed air, and in particular the expansion of the lateral air chambers 41-44 causes each scoop element 20 to bend and deform, bringing the tip ends 20t of each scoop element 20 closer to each other. This allows even small, irregularly shaped ingredients such as green onions to be gripped (scooped up) without spilling and transported to the desired container (or other desired destination).
(機械学習)
次に、システム1の画像認識ノード72におけるAIの機械学習を用いた候補局所領域の決定(提案)方法について、より具体的に説明する。
(Machine Learning)
Next, a method for determining (proposing) candidate local regions using AI machine learning in the image recognition node 72 of the system 1 will be described in more detail.
(機械学習:把持動作と把持重量の関係式)
先ず、把持動作と把持重量の関係式について説明する。
(Machine learning: Relational equation between grasping motion and grasping weight)
First, the relational expression between the gripping action and the gripped weight will be explained.
ロボットハンドで小型食材の把持を行う際のロボットハンドの動作を表すパラメータをaとして表し、その動作の結果把持される把持重量をwとして表すとする。 Let a be the parameter representing the movement of the robot hand when grasping a small food ingredient, and let w be the weight grasped as a result of that movement.
そして、把持対象である小型食材の局所的な状況が同一ないし類似であれば、それらの把持動作にも同一ないし類似の関係(少なくとも何らかの相関関係)があると考えられるため、aとwとの関係は、以下のように表すことができる。
式(1)
Furthermore, if the local conditions of the small food ingredients to be grasped are the same or similar, it is assumed that the grasping actions also have the same or similar relationship (at least some correlation), and therefore the relationship between a and w can be expressed as follows:
Formula (1)
ここで、Ilocalは、RGBD画像から得られる小型食材の局所的な状況を表す変数であり、θ(Ilocal)は、当該局所的な状況に基づいて定まる関数値(パラメータ)であり、fは、当該関数値を入力の1つとする関数である。 Here, I local is a variable representing the local condition of a small food ingredient obtained from an RGBD image, θ(I local ) is a function value (parameter) determined based on the local condition, and f is a function that takes the function value as one of its inputs.
実際の把持動作においては、ロボットハンドの微妙な変形や、ロボットハンドの動作自体に含まれる誤差や、食材の内部状況等、Ilocalないしaとして表されない要因も把持重量wに影響すると考えられるので、これらをまとめて確率変数∈として表している。 In an actual grasping operation, factors that are not expressed as I local or a, such as subtle deformations of the robot hand, errors contained in the robot hand's operation itself, and the internal conditions of the food ingredient, are also thought to affect the grasping weight w, so these are collectively expressed as a random variable ∈ .
集積場所の番重全体を撮影したRGBD画像から、局所領域毎のθ(Ilocal)を計算することができれば、前記式(1)に基づいて、その局所領域を対象とした把持動作aと把持重量wとの関係を求めることができ、その局所領域において例えば目標重量wを実現するためのロボットハンドの動作a(例えばロボットハンドの挿入深さ)を逆算することができる。 If it is possible to calculate θ (I local ) for each local region from an RGBD image of the entire container stack at the collection location, then the relationship between the gripping action a targeted at that local region and the gripping weight w can be determined based on the above equation (1), and the robot hand action a (e.g., the insertion depth of the robot hand) required to achieve, for example, a target weight w in that local region can be calculated in reverse.
これを利用して、本実施形態では、機械学習を用いてRGBD画像から局所領域毎のθ(Ilocal)を推定している。 Taking advantage of this, in this embodiment, θ(I local ) for each local region is estimated from the RGBD image using machine learning.
機械学習によって推定されるθ(Ilocal)は、実際の把持動作aと把持重量wとの組に整合していることが望ましい。そこで、式(1)の∈が、ある確率分布p(∈|Ilocal)に従うと仮定して、以下の式(2)のような尤度を考える。
式(2)
It is desirable that θ(I local ) estimated by machine learning is consistent with the pair of the actual grasping motion a and grasping weight w. Therefore, assuming that ∈ in equation (1) follows a certain probability distribution p( ∈ |I local ), consider the likelihood as shown in the following equation (2).
Formula (2)
そして、最尤推定の考え方に基づいて、この尤度を最大化するようなパラメータθ(Ilocal)を出力できるように、機械学習モデルデータを訓練する。 Then, based on the concept of maximum likelihood estimation, machine learning model data is trained so that a parameter θ(I local ) that maximizes this likelihood can be output.
(機械学習:局所領域の損失関数)
次に、局所領域の損失関数について説明する。
(Machine learning: local loss function)
Next, the loss function for the local region will be described.
本実施形態の学習モデルにおいては、ロボットハンドによるねぎの把持を対象とし、ある局所領域でねぎの把持を行う際のロボットハンドの動作パラメータは、ロボットハンドの挿入深さのみとする。 In the learning model of this embodiment, the focus is on grasping a leek with a robotic hand, and the only operational parameter of the robotic hand when grasping the leek in a local area is the insertion depth of the robotic hand.
挿入深さと把持重量との間の相関関係について、挿入深さが深いほど把持重量が大きいという傾向は認められるので、本発明においては、一次関数の関係で近似している(本発明の主たる特徴の1つである)。 Regarding the correlation between insertion depth and grip weight, there is a tendency for the deeper the insertion depth, the greater the grip weight, so in this invention, the relationship is approximated by a linear function (one of the main features of the present invention).
この近似を踏まえると、2つのパラメータθ0(Ilocal)、θ1(Ilocal)を用いることで、前記の式(1)は、以下の式(3)として表される。このような一次関数式の傾き(θ1(Ilocal))と切片(θ0(Ilocal)+∈)とが特定されれば、式(3)が特定されることになる。
式(3)
Based on this approximation, by using two parameters θ 0 (I local ) and θ 1 (I local ), the above formula (1) can be expressed as the following formula (3): If the slope (θ 1 (I local )) and intercept (θ 0 (I local )+ ε ) of such a linear function formula are identified, then formula (3) can be identified.
Formula (3)
一方、式(2)の尤度の計算において、∈の具体的な分布も必要である。本実施形態においては、平均は0であるが標準偏差は局所領域毎に異なるσ(Ilocal)であるようなGauss分布を仮定する。これによれば、式(2)は、以下の式(4)となる。
式(4)
On the other hand, in calculating the likelihood of Equation (2), a specific distribution of ∈ is also required. In this embodiment, a Gaussian distribution is assumed in which the mean is 0 but the standard deviation is σ(I local ) which varies for each local region. According to this, Equation (2) becomes the following Equation (4).
Formula (4)
式(4)によって求められる尤度を最大化するため,機械学習モデルの訓練においては、負の対数尤度を取ったものを損失関数とし、これを最小化する。すなわち、損失関数は、以下の式(5)として表される。
式(5)
To maximize the likelihood calculated by Equation (4), the loss function is the negative log-likelihood, which is then minimized during training of the machine learning model. That is, the loss function is expressed as Equation (5) below.
Formula (5)
以上から、本実施形態の機械学習モデルは、局所領域毎に、θ0(Ilocal)、θ1(Ilocal)、σ(Ilocal)、を推定する(出力する)構成としている。そして、実際の把持重量wと把持動作パラメータa(=挿入深さD)の対(組)が与えられたとき、各対(組)について式(5)で求められる損失関数の総和が最小化されるように推定値を得ることができれば、尤度最大となり、実際の把持重量wと把持動作パラメータa(=挿入深さD)との関係をよく表すモデルが得られることになる。また、θ0(Ilocal)、θ1(Ilocal)だけでなく、σ(Ilocal)も推定することで、その推定の確からしさの指標をも得ることができる。 From the above, the machine learning model of this embodiment is configured to estimate (output) θ 0 (I local ), θ 1 (I local ), and σ (I local ) for each local region. When a pair (set) of actual grip weight w and grip operation parameter a (=insertion depth D) is given, if an estimate can be obtained such that the sum of the loss function calculated by equation (5) for each pair (set) is minimized, the likelihood will be maximized, and a model that well represents the relationship between the actual grip weight w and the grip operation parameter a (=insertion depth D) will be obtained. Furthermore, by estimating not only θ 0 (I local ) and θ 1 (I local ), but also σ (I local ), an index of the reliability of the estimation can be obtained.
(機械学習:モデルの構成)
次に、モデルの構成について説明する。
(Machine learning: model construction)
Next, the configuration of the model will be described.
ねぎが積層された番重の内部であれば、どの局所領域でも把持動作を行うことは可能であるが、1台のロボットハンドの各回の動作において実際に把持を行う場所は1箇所であるため、全領域について推定を行う必要はない。 It is possible to perform a grasping operation in any local area inside the stacked box of green onions, but since a single robot hand only actually grasps one location in each operation, there is no need to estimate the entire area.
そこで、本実施形態においては、一般物体認識などで用いられる領域提案型のモデルが使われている。具体的には、Ren らの提案したFaster R-CNN(非特許文献2)の構成が用いられている。 For this reason, this embodiment uses a region proposal model that is used in general object recognition, etc. Specifically, the configuration of Faster R-CNN proposed by Ren et al. (Non-Patent Document 2) is used.
Faster R-CNN(Faster Region-based convolutional neural networks)は、深層学習アプローチの1つであるR-CNN(Region-based convolutional neural networks)と同様に、領域提案を生成する。 Faster R-CNN (Faster Region-based convolutional neural networks) generates region proposals similar to R-CNN (Region-based convolutional neural networks), a deep learning approach.
Faster R-CNN は、RGB画像に写っている物体のそれぞれを囲う矩形と、その矩形についての物体種別ラベルと、を出力できるモデルである。すなわち、当該モデルは、大きく分けて、物体を囲う矩形を提案する領域提案部と、提案された領域内の物体を識別する物体識別部と、に分解できる。 Faster R-CNN is a model that can output a rectangle enclosing each object in an RGB image, along with an object type label for that rectangle. In other words, the model can be broadly divided into a region proposal unit that proposes a rectangle enclosing an object, and an object identification unit that identifies the object within the proposed region.
本実施形態の提案方法においては、カメラからの距離情報も加えたRGBD画像を入力できるよう、第1層の入力チャンネル数を3から4に変更している。 In the method proposed in this embodiment, the number of input channels in the first layer is changed from 3 to 4 so that RGBD images that also include distance information from the camera can be input.
領域提案部の構成については、概ねそのまま採用した上で、各領域について物体種別ラベルの代わりに、「局所領域の損失関数」で説明した3つのパラメータθ0(Ilocal)、θ1(Ilocal)、σ(Ilocal) を出力するように改変して、矩形で表された各領域毎(各局所領域毎)に式(3)の関係式を出力するモデルとした。 The configuration of the region proposal unit was adopted largely as is, but was modified to output the three parameters θ 0 (I local ), θ 1 (I local ), and σ (I local ) described in “Loss function for local regions” instead of the object type label for each region, resulting in a model that outputs the relational expression of Equation (3) for each region represented by a rectangle (each local region).
当該モデルを採用することによって、画像認識ノード72において、複数の候補局所領域を決定(提案)すると共に、各候補局所領域における一次関数の式、及び、確からしさ、をも決定(出力)することが可能である。 By adopting this model, the image recognition node 72 can determine (propose) multiple candidate local regions and also determine (output) the formula and likelihood of the linear function for each candidate local region.
ここで、図8を参照して、本実施形態の画像認識ノード72におけるニューラルネットワークの概略について説明する。 Here, we will explain the outline of the neural network in the image recognition node 72 of this embodiment, with reference to Figure 8.
図8において、CNN(Convolutional Neural Networks)76は、畳み込みニューラルネットワークを示し、RPN(Region Proposal Network)78は、入力画像中から物体が存在し得る画像領域の候補を抽出するためのネットワークを示し、Rol Pooling80は、部分領域を抽出する機能を示し、FC layer(Fully connected layer)82、84、86、88は、全結合層を示している。 In Figure 8, CNN (Convolutional Neural Networks) 76 indicates a convolutional neural network, RPN (Region Proposal Network) 78 indicates a network for extracting candidate image regions where objects may exist from the input image, Roll Pooling 80 indicates a function for extracting partial regions, and FC layers (Fully Connected Layers) 82, 84, 86, and 88 indicate fully connected layers.
これらのニューラルネットワークの出力として、画像認識ノード72において、複数の候補局所領域が決定(提案)されると共に、各候補局所領域における一次関数の式、及び、確からしさ、が決定(出力)される。 As the output of these neural networks, the image recognition node 72 determines (proposes) multiple candidate local regions, and determines (outputs) the equation of the linear function and its likelihood for each candidate local region.
本実施形態が採用するFaster R-CNNに基づく物体識別部は、非特許文献1に示される「Fast R-CNN」で提案された構造を用いており、損失関数は、以下の式(6)のようになっている(非特許文献1中の式(1))。
式(6)
The object identification unit based on Faster R-CNN adopted in this embodiment uses the structure proposed in "Fast R-CNN" shown in Non-Patent Document 1, and the loss function is as shown in the following equation (6) (equation (1) in Non-Patent Document 1).
Formula (6)
式(6)は、ある注目領域(Region of Interest, RoI)についての損失関数であり、pは、その領域における各物体クラスの確率分布の推定値であり、uは、真の物体クラス番号であり、tuは、物体を囲う矩形(bounding box, bbox)の座標の推定値であり、vは、真のbboxの座標を表している。 Equation (6) is a loss function for a region of interest (RoI), where p is an estimate of the probability distribution of each object class in the region, u is the true object class number, t u is an estimate of the coordinates of a bounding box (bbox) that surrounds the object, and v represents the coordinates of the true bbox.
あるRoIについての式(6)は、その第1項が、推定した物体クラスの確率分布についての損失関数を意味し、その第2項が、推定したbboxについての損失関数を意味している。 In equation (6) for a given RoI, the first term represents the loss function for the probability distribution of the estimated object class, and the second term represents the loss function for the estimated bbox.
Fast R-CNNでは、第1項のLclsを、真の物体クラスuについての推定確率値puを用いて、以下のように定義している。
式(7)
In Fast R-CNN, the first term L cls is defined as follows using an estimated probability value p u for the true object class u:
Formula (7)
これらを参考にして、本実施形態では、式(7)で用いられる物体クラスの確率分布を表すベクトルpの代わりに、3つのパラメータθ0(Ilocal)、θ1(Ilocal)、σ(Ilocal) を出力するよう、Faster R-CNNの物体認識部を改変している。 With reference to these, in this embodiment, the object recognition unit of Faster R-CNN is modified so as to output three parameters θ 0 (I local ), θ 1 (I local ), and σ(I local ) instead of the vector p representing the probability distribution of the object class used in equation (7).
更に、その損失関数として、式(7)の代わりに、「局所領域の損失関数」で説明した式(5)を用いている。 Furthermore, instead of equation (7), equation (5) explained in "Local region loss function" is used as the loss function.
なお、Faster R-CNNでは、領域提案部の損失関数として、あるbboxが検出するべき物体領域(前景領域)であるか検出対象の物体を含まない背景領域であるか、に関する項を持っていて、この項によって検出対象物体を含む領域を提案するように訓練している。 In Faster R-CNN, the loss function for the region proposal section includes a term related to whether a certain bbox is an object region to be detected (foreground region) or a background region that does not contain the object to be detected, and it is trained to propose regions containing the object to be detected using this term.
これに対して、ねぎの把持重量とロボットハンドの挿入深さDとの間の関係(式(3))を推定する本実施形態においては、ねぎが積層されている番重の内側であればどの領域であっても把持動作は実行可能であるため、「背景領域」は存在しないと言える。 In contrast, in this embodiment, which estimates the relationship (Equation (3)) between the gripping weight of the green onion and the insertion depth D of the robot hand, the gripping operation can be performed in any area inside the stacked box of onions, so it can be said that there is no "background area."
しかしながら、式(3)のパラメータを評価する損失関数(式(5))を計算するためには、その場所で実際に把持を行った時の挿入深さDと把持重量との情報(実測値)が必要である。このため、これらに関する教師データが不明である領域については、損失関数の計算ができないことになる。 However, to calculate the loss function (equation (5)) that evaluates the parameters of equation (3), information (measured values) on the insertion depth D and grip weight when actually gripping at that location is required. Therefore, for areas where training data on these is unknown, it is not possible to calculate the loss function.
そこで、本実施形態の学習プログラムにおいては、そのような教師データが不明な領域については、把持動作は行えるものの結果が予想できないという意味で背景領域扱いとし、教師データが既知の領域についてのみ、式(5)の損失関数を評価することにした。 Therefore, in the learning program of this embodiment, such areas where the training data is unknown are treated as background areas, in the sense that although grasping operations are possible, the results are unpredictable, and the loss function of equation (5) is evaluated only for areas where the training data is known.
より具体的には、実際に把持を行った局所領域であって挿入深さと把持重量の教師データが存在する領域を「教師前景領域」として、当該領域と重なっていることを示す指標であるIoU(Intersection over Union)が0.7以上である局所領域を、前景領域として損失関数を計算している(その他の領域は背景領域としている)。 More specifically, the local area where actual grasping was performed and where training data for insertion depth and grip weight exists is defined as the "training foreground area," and the loss function is calculated for local areas where the IoU (Intersection over Union), an index showing overlap with the training area, is 0.7 or greater (other areas are considered background areas).
教師データが十分に得られない場合には、学習モデルの訓練時に、前述したような前景領域として扱える領域を増やすために、図9に示すように、把持動作は可能であるが教師データが不明な領域に対して(例えばそれらの領域のうちの25%程度に対して)、例えば図10に示すような訓練用データにおける全ての(a,w)の組の集合のうちの1つを等確率で選択すること等によって、擬似的な教師データを割り当ててもよい。 If sufficient training data is not available, in order to increase the areas that can be treated as foreground regions as described above when training a learning model, pseudo training data can be assigned to areas where grasping motions are possible but training data is unknown (e.g., approximately 25% of these areas) by selecting, with equal probability, one of the sets of all (a, w) pairs in the training data as shown in Figure 10, as shown in Figure 9.
(機械学習:教師データ)
次に、教師データについて説明する。
(Machine learning: training data)
Next, the teacher data will be described.
本実施形態では、教師データは、実際に把持動作を実施した領域(これが見本局所領域となる)の各々について実測されたロボットハンドの「挿入深さ」と「把持重量」の対(組)である。 In this embodiment, the training data is a pair (set) of the "insertion depth" and "grasping weight" of the robot hand measured for each area where an actual grasping operation was performed (this becomes the sample local area).
具体的には、システム1とカメラ10とロボットハンド8(ソフトグリッパー14)とを用いて、「番重のRGBD画像から対象である局所領域のRGBD画像を分割し、当該局所領域にある挿入深さDでロボットハンド8(ソフトグリッパー14)を挿入してねぎを把持して取り出し、把持して取り出したねぎの重量を測定する」という一連の動作を、予め設定した57箇所の局所領域について実施した。 Specifically, using the system 1, camera 10, and robot hand 8 (soft gripper 14), the following series of operations were performed for 57 pre-set local regions: "divide the RGBD image of the target local region from the RGBD image of the food container, insert the robot hand 8 (soft gripper 14) to an insertion depth D in that local region, grasp and remove the onion, and measure the weight of the grasped and removed onion."
その後、ねぎを番重に再充填して、同様の手順を繰り返した。 Then, the onions were refilled into the box and the same procedure was repeated.
以上の手順により、「把持前のある局所領域のRGBD画像」、「当該局所領域の座標」、「当該局所領域において挿入されたロボットハンドの挿入深さ」、「当該局所領域において把持されて取り出されたねぎの重量」、の4つの情報の組が、105組得られた。 Through the above procedure, 105 sets of four pieces of information were obtained: "RGBD image of a local area before grasping," "coordinates of the local area," "insertion depth of the robot hand inserted in the local area," and "weight of the leek grasped and removed from the local area."
図11Aは、集積場所のねぎをカメラ10により撮影することで得られたRGB画像の一例を示している。また、図11Bは、集積場所のねぎをカメラ10により撮影することで得られたD画像(距離画像、深度画像)(解析において深度を分かりやすく示すため着色されている)の一例を示している。図11Bにおいて、深度値は、深度を分かりやすく示すため着色されて表示されており、薄いグレー色ほどカメラに近く、黒色により近い濃いグレー色ほど遠いことを示している。 Figure 11A shows an example of an RGB image obtained by photographing the onions at the collection site with camera 10. Figure 11B shows an example of a D image (distance image, depth image) (colored to clearly indicate depth in analysis) obtained by photographing the onions at the collection site with camera 10. In Figure 11B, the depth values are displayed in color to clearly indicate depth, with lighter grays indicating closer to the camera and darker grays closer to black indicating further away.
更に、取得されたRGBD画像に対し、平行移動による画像の調整や、RGB画像の輝度彩度の変更等を適用することにより、訓練用データとして使用できるRGBD画像データの点数を増やす作業が行われてもよい。例えば、105組得られたRGBD画像等の情報の例を教師データ用の84例と評価データ用の21例に分けた(80:20の比率)。その後、縦横方向それぞれプラスマイナス10pixelの範囲でのランダムな平行移動と、プラスマイナス20%の範囲でのランダムな輝度変化(但し50%の確率で輝度変化なし)を実測データ(RGBD画像等の情報)の1組(例)ごとに30パターン作成した。従って、84×30=2520例(2520組)の教師データ、及び、21×30=630例(630組)の教師データが得られた。 Furthermore, the acquired RGBD images may be adjusted by translation, or the brightness and saturation of the RGB images may be changed, thereby increasing the number of RGBD image data points that can be used as training data. For example, 105 sets of acquired RGBD image information examples were divided into 84 examples for training data and 21 examples for evaluation data (a ratio of 80:20). Then, 30 patterns were created for each set (example) of measured data (RGBD image information) using random translation within a range of ±10 pixels in both the vertical and horizontal directions and random brightness changes within a range of ±20% (however, there is a 50% probability of no brightness change). Therefore, 84 x 30 = 2520 examples (2520 sets) of training data and 21 x 30 = 630 examples (630 sets) of training data were obtained.
このようにして、本実施形態では、最終的に、訓練用データとしての教師データを2520組、評価用のデータとして630組、のデータが用意された。 In this way, in this embodiment, 2,520 sets of teacher data were ultimately prepared as training data, and 630 sets of evaluation data were prepared.
(機械学習:検証)
前述の教師データのセットを用いて、「モデルの構成」で前述したニューラルネットワークモデルの訓練が行われた。損失関数の最小化には、学習率を1.0×10-6とした確率的勾配降下法(SGD)が用いられた。訓練の各段階で、評価用のデータセットについての損失関数の値が計算され、それが最小となった39 epoch 目で訓練が終了された。そして、この時点のモデルを用いて、以下の検証が行われた。
(Machine Learning: Verification)
The neural network model described in "Model Construction" was trained using the training data set. Stochastic gradient descent (SGD) with a learning rate of 1.0 × 10 was used to minimize the loss function. At each stage of training, the value of the loss function for the evaluation dataset was calculated, and training was terminated at the 39th epoch when it was minimized. The following verification was then performed using the model at this point.
当該モデルを用いて、評価用データに含まれるRGBD画像についての推定を行って、複数の候補局所領域と当該候補局所領域の各々についてのパラメータθ0(Ilocal)、θ1(Ilocal)、σ(Ilocal)が得られた。 Using this model, estimation was performed on the RGBD image included in the evaluation data, and multiple candidate local regions and parameters θ 0 (I local ), θ 1 (I local ), and σ(I local ) for each of the candidate local regions were obtained.
図12は、評価用データについて提案された候補局所領域の例である。ねぎの画像上に、仮想的な四角の枠線(四角状の領域)が、提案領域として複数表示されている。 Figure 12 shows an example of candidate local regions proposed for the evaluation data. Multiple virtual square borders (rectangular regions) are displayed as proposed regions on the image of a green onion.
これらの候補局所領域のうち、実際の挿入深さと把持重量とが既に知られている領域に重なっている領域に対し、両者のIoUが0.7以上であるものについて評価を行った結果を、図13に示す。 Of these candidate local regions, those that overlap with regions where the actual insertion depth and grip weight are already known were evaluated for which the IoU for both was 0.7 or greater. The results are shown in Figure 13.
図13において、横軸は、実際の把持重量であり、縦軸は、式(3)に実際の挿入深さと推定したθ0(Ilocal)、θ1(Ilocal)、σ(Ilocal)とを代入することで求めた推定把持重量である。 In Figure 13, the horizontal axis represents the actual grip weight, and the vertical axis represents the estimated grip weight obtained by substituting the actual insertion depth and estimated θ0 ( Ilocal ), θ1 ( Ilocal ), and σ( Ilocal ) into equation (3).
図13において、機械学習の訓練に用いられた教師データ(訓練用データ)だけでなく、機械学習の訓練に用いられていない評価用データについても、実際の測定値に近い推定値が得られていることが分かる。 Figure 13 shows that estimates close to the actual measured values are obtained not only for the training data (training data) used in machine learning training, but also for the evaluation data not used in machine learning training.
また、訓練用データの各々の測定値と推定値との乖離についての二乗平均平方根誤差(RMSE)は0.84[g]であり、評価用データの各々の測定値と推定値との乖離についての二乗平均平方根誤差は1.38[g]であった。一方、訓練用データの全データ(図10参照)について一括に把持重量と挿入深さとの一次関数式で最小二乗近似したモデルで推定した場合、各データについての測定値と推定値との乖離についての二乗平均平方根誤差(RMSE)は2.02[g]であった。これにより、本実施形態の学習モデルによって推定精度が改善していることが検証された。 Furthermore, the root mean square error (RMSE) for the deviation between each measured value and the estimated value for the training data was 0.84 [g], and the root mean square error for the deviation between each measured value and the estimated value for the evaluation data was 1.38 [g]. On the other hand, when all of the training data (see Figure 10) was estimated collectively using a least-squares approximation model with a linear function of grip weight and insertion depth, the root mean square error (RMSE) for the deviation between the measured value and the estimated value for each data was 2.02 [g]. This verified that the learning model of this embodiment improves estimation accuracy.
(第1実施形態の作用効果)
本実施形態のシステム1によれば、ねぎ(小型食材)の集積場所である番重の画像から、候補局所領域を決定すると共に、当該候補局所領域におけるロボットハンド8の挿入深さとねぎの把持重量との間の一次関数式(近似式)をより高精度に推定(決定)することができる。これにより、取り出したいねぎの重量の変更に、より容易に対応することができる。
(Operation and effect of the first embodiment)
According to the system 1 of this embodiment, a candidate local area can be determined from an image of the food container in which the green onions (small ingredients) are collected, and a linear function (approximation) between the insertion depth of the robot hand 8 in the candidate local area and the weight of the green onions being grasped can be estimated (determined) with high accuracy. This makes it easier to respond to changes in the weight of the green onions to be removed.
特に、本実施形態のシステム1によれば、画像認識ノード72が、機械学習ノード74から機械学習モデルデータを受領し、予め設定(記憶)された複数の見本局所領域との類似性(相関性)を評価して、全局所領域から少なくとも1つの候補局所領域を決定すると共に、複数の見本局所領域の各々について実測されたロボットハンドの「挿入深さ」と「把持重量」の対(組)を教師データとすることで構築された機械学習モデルデータ(及びAIプログラム)によって、直接的に「各候補局所領域」に対応する(紐付けされる)「一次関数の傾きと切片」を演算すると共に、その確からしさも演算する。これにより、システム利用者は、見本局所領域と候補局所領域との間の類似性(相関性)の具体的内容について意識乃至検討する必要が無い。 In particular, according to system 1 of this embodiment, the image recognition node 72 receives machine learning model data from the machine learning node 74, evaluates the similarity (correlation) with multiple sample local regions set (stored) in advance, and determines at least one candidate local region from all local regions. Furthermore, using the machine learning model data (and AI program) constructed by using pairs (combinations) of the "insertion depth" and "grasp weight" of the robot hand measured for each of the multiple sample local regions as training data, the system directly calculates the "slope and intercept of a linear function" corresponding to (linked to) each candidate local region, and also calculates its likelihood. This eliminates the need for system users to be aware of or consider the specifics of the similarity (correlation) between the sample local region and the candidate local region.
更に、本実施形態のシステム1によれば、把持動作(挿入深さ)と把持重量との間の関係に基づく損失関数を用いて、局所領域への依存性を深層学習の枠組みによって学習することで、候補局所領域を決定すると共に、各候補局所領域に対応する「一次関数の傾きと切片」を出力(推定)することができるため、推定精度がより高精度である。 Furthermore, according to system 1 of this embodiment, by using a loss function based on the relationship between the gripping motion (insertion depth) and gripping weight to learn the dependency on local regions within a deep learning framework, it is possible to determine candidate local regions and output (estimate) the "slope and intercept of a linear function" corresponding to each candidate local region, resulting in higher estimation accuracy.
更に、本実施形態のシステム1によれば、複数の候補局所領域のうち「確からしさ」が最も高いものを選択して利用することができるため、ねぎの取り出し重量をより高精度に制御することができる。 Furthermore, according to the system 1 of this embodiment, it is possible to select and use the candidate local region with the highest "likelihood" from among multiple candidate local regions, thereby enabling more accurate control of the weight of the green onions removed.
(第2実施形態の構成)
次に、図14は、本発明の第2実施形態に係るシステム101を含む、ロボットハンドシステム102の概略斜視図である。
(Configuration of the second embodiment)
Next, FIG. 14 is a schematic perspective view of a robot hand system 102 including a system 101 according to a second embodiment of the present invention.
第2実施形態のシステム101は、AIによる機械学習によらず、従来の画像の比較に関する画像処理技術によって画像同士の類似性を判断するように構成されている。 The system 101 of the second embodiment is configured to determine the similarity between images using conventional image processing techniques for comparing images, rather than relying on AI machine learning.
その他の点においては、ロボットハンドシステム102の構成は、ロボットハンドシステム2の構成と概ね同様である。従って、第2実施形態については、第1実施形態と異なる点のみを説明し、同様の部分については同様の参照符号を付して説明を省略する。 In other respects, the configuration of the robot hand system 102 is generally similar to the configuration of the robot hand system 2. Therefore, for the second embodiment, only the differences from the first embodiment will be described, and similar parts will be assigned the same reference numerals and will not be described again.
第2実施形態のシステム101は、例えば、システム全体を制御する全体制御ノード160と、画像の分析等の処理を行う画像処理ノード190と、を備える。 The system 101 of the second embodiment includes, for example, an overall control node 160 that controls the entire system, and an image processing node 190 that performs processing such as image analysis.
画像処理ノード190は、全体制御ノード160と共に、システム101の制御部内に設けられている。画像処理ノード190は、RGBDカメラ制御ノード70からRGBD画像(RGB画像またはD画像でもよい)(例えば100cm×55cm、画素数では1280pixel×720pixel)を取得するようになっている。 The image processing node 190, together with the overall control node 160, is provided within the control unit of the system 101. The image processing node 190 acquires an RGBD image (which may be an RGB image or a D image) (for example, 100 cm x 55 cm, 1280 pixels x 720 pixels) from the RGBD camera control node 70.
画像処理ノード190は、RGBDカメラ制御ノード70から取得した画像のうち局所領域(例えば5cm×5cm、画素数では90pixel×90pixel)について(互いに画素単位でずれている領域であり、すなわち、互いに部分的には重複していてよい)、予め記憶している所定の局所領域画像と比較し、当該比較の結果として最も類似性が高いと判断できる局所領域画像同士の組を選択し、当該選択された画像組のうちRGBDカメラ制御ノード70からの取得画像の一部である局所領域画像を候補局所領域として決定すると共に、当該選択された画像組のうち予め記憶されていた局所領域画像に予め紐づけされていたロボットハンド8の小型食材への挿入深さDとロボットハンド8により把持して取り出せる小型食材の重量との関係を示す一次関数の傾きと切片との情報を当該候補局所領域に対応する一次関数の傾きと切片として決定し、それら決定されたデータを全体制御ノード160に送信(出力)するようになっている。 The image processing node 190 compares local regions (e.g., 5 cm x 5 cm, or 90 pixels x 90 pixels) of images acquired from the RGBD camera control node 70 (regions that are offset by a pixel, i.e., may partially overlap) with pre-stored local region images, selects a pair of local region images that are determined to have the highest similarity as a result of the comparison, and determines, from the selected image pair, a local region image that is part of the image acquired from the RGBD camera control node 70 as a candidate local region. It also determines, as the slope and intercept of the linear function corresponding to the candidate local region, information on the slope and intercept of a linear function that indicates the relationship between the insertion depth D of the robot hand 8 into a small food ingredient and the weight of the small food ingredient that can be grasped and removed by the robot hand 8, which information has been linked to a pre-stored local region image from the selected image pair, and sends (outputs) this determined data to the overall control node 160.
画像処理ノード190は、必ずしも全体制御ノード160と分かれて実装される必要はなく、全体制御ノード160と一体の制御部(例えばロボットに内蔵される一体の制御部)として構成されてもよい。また、画像処理ノード190は、クラウド上に設けられ得るし、インターネット回線を介して全体制御ノード160と接続され得る。 The image processing node 190 does not necessarily have to be implemented separately from the overall control node 160, but may be configured as a control unit integrated with the overall control node 160 (for example, an integrated control unit built into a robot). Furthermore, the image processing node 190 can be provided on the cloud, or can be connected to the overall control node 160 via an internet line.
画像処理ノード190は、事前準備として、多数の比較用画像データ(予め記憶している所定の局所領域画像)を記憶している。比較用画像データは、不定形の小型食材(例えばねぎ)の集積場所(例えば番重)の画像を局所領域毎に分解したものであり、その位置情報を示す座標データを伴っている。 As a preliminary step, the image processing node 190 stores a large number of comparison image data (pre-stored images of specific local areas). The comparison image data is an image of a collection location (e.g., a food container) for small, irregularly shaped ingredients (e.g., green onions) broken down into local areas, and is accompanied by coordinate data indicating their location information.
そして、これらの比較用画像データの各々を撮影した状況下で、ロボットハンド8(ソフトグリッパー14)を用いて、対応する局所領域に対しての小型食材を把持する把持実験を行って、挿入深さと、把持重量と、の実測値が予め取得される。このような把持実験を多数繰り返すことにより、比較用画像データ、当該比較用画像データに対応する座標データ、挿入深さデータ、把持重量データ、からなるデータ組(セット)が、多数得られる。 Then, under the conditions under which each of these comparative image data was captured, a grasping experiment was conducted using the robot hand 8 (soft gripper 14) to grasp a small food ingredient in the corresponding local area, and actual measurements of insertion depth and grasping weight were obtained in advance. By repeating such grasping experiments many times, many data sets (sets) consisting of comparative image data, coordinate data corresponding to the comparative image data, insertion depth data, and grasping weight data are obtained.
多数の比較用画像データは、例えば、小型食材の表面の凸凹の程度(D画像における深度のばらつきの大小)等により、複数の画像群(例えば10種類の画像群)に分類され得る。画像処理ノード190は、例えば、当該画像群の分類に従って、前記データ組を同様に分類した上で、例えば最小二乗法を用いる等して、各画像群毎に、ロボットハンド8の小型食材への挿入深さDとロボットハンド8により把持して取り出せる小型食材の重量との関係を示す一次関数の傾きと切片とを演算して、当該画像群に紐付けておく。 The large number of comparison image data can be classified into multiple image groups (e.g., 10 types of image groups) based on, for example, the degree of surface irregularity of the small ingredients (the degree of depth variation in the D images). The image processing node 190 similarly classifies the data sets according to the classification of the image groups, and then, for each image group, calculates, for example, using the least squares method, the slope and intercept of a linear function that indicates the relationship between the insertion depth D of the robot hand 8 into the small ingredient and the weight of the small ingredient that can be grasped and removed by the robot hand 8, and associates this with the image group.
(第2実施形態の作用効果)
第1実施形態と略同様に、ロボットハンドシステム2が、カメラ10により小型食材(ねぎ)の集積場所(番重)のRGBD画像を取得する。
(Operation and effect of the second embodiment)
In substantially the same manner as in the first embodiment, the robot hand system 2 acquires an RGBD image of the accumulation location (food container) of the small ingredients (green onions) using the camera 10.
画像処理ノード190が、RGBDカメラ制御ノード70から、RGBD画像を取得する。画像処理ノード190は、RGBD画像を局所領域毎に分解する。 The image processing node 190 acquires an RGBD image from the RGBD camera control node 70. The image processing node 190 decomposes the RGBD image into local regions.
次に、本実施形態の画像処理ノード190は、RGBD画像の一部の画像である局所領域画像の各々を、比較用画像データ(予め記憶している所定の局所領域画像)の各々と比較し、当該比較の結果として最も類似性(例えばD画像における深度のばらつきの分布における類似性、等々)が高いと判断できる局所領域画像同士の組を選択する。 Next, the image processing node 190 of this embodiment compares each of the local region images, which are part of the RGBD image, with each of the comparison image data (predetermined local region images stored in advance), and selects the pair of local region images that can be determined to have the highest similarity (for example, similarity in the distribution of depth variations in the D image, etc.) as a result of the comparison.
次に、本実施形態の画像処理ノード190は、選択された画像組のうちRGBDカメラノード70からの取得画像の一部である局所領域画像を候補局所領域として決定すると共に、選択された画像組のうち比較用画像データ(予め記憶されていた局所領域画像)に予め紐づけされていた一次関数の傾きと切片との情報を当該候補局所領域に対応する一次関数の傾きと切片として決定し、それら決定されたデータを全体制御ノード160に送信(出力)する。 Next, the image processing node 190 of this embodiment determines, as a candidate local region, a local region image that is part of the image acquired from the RGBD camera node 70 from the selected image set, and determines the information on the slope and intercept of a linear function that has been pre-associated with comparison image data (pre-stored local region images) from the selected image set as the slope and intercept of the linear function corresponding to the candidate local region, and transmits (outputs) this determined data to the overall control node 160.
画像処理ノード190から出力される制御情報(例えば、決定された候補局所領域の座標や、対応する一次関数の情報等)は、全体制御ノード160を介して、または介さずに、モニタ等の出力部に出力されてもよい。 The control information output from the image processing node 190 (e.g., coordinates of determined candidate local regions, information on corresponding linear functions, etc.) may be output to an output unit such as a monitor, either via or without the overall control node 160.
その後、例えば全体制御ノード160が、前記一次関数と目標重量とに基づいて、ロボットハンド8の挿入深さを決定する。そして、全体制御ノード160は、決定された挿入深さまでロボットハンド8のソフトグリッパー14を下降させ、ねぎを把持する動作を実行させる。 Then, for example, the overall control node 160 determines the insertion depth of the robot hand 8 based on the linear function and the target weight. The overall control node 160 then lowers the soft gripper 14 of the robot hand 8 to the determined insertion depth, and performs the operation of grasping the green onion.
(その他の変形例)
更なる変形例として、認識部56は、ロボット制御部とは別の端末や比較的近い距離に設けられたサーバ等に、エッジコンピューティングデバイスとして設けられてもよい。
(Other Modifications)
As a further modification, the recognition unit 56 may be provided as an edge computing device on a terminal separate from the robot control unit or on a server provided in a relatively close proximity.
更なる他の変形例として、認識部56は、クラウド上に設けられてもよい。この場合、認識部56は、複数のロボット制御部とインターネット回線を介して接続され、共通の認識部が複数のロボット制御部に画像認識機能を提供してもよい。 As yet another variation, the recognition unit 56 may be provided on the cloud. In this case, the recognition unit 56 may be connected to multiple robot control units via an internet line, and a common recognition unit may provide image recognition functions to multiple robot control units.
更なる変形例として、学習部58は、クラウド上に設けられ、インターネット回線を介してロボット制御部54及び認識部56と接続されていてもよい。 As a further modification, the learning unit 58 may be provided on the cloud and connected to the robot control unit 54 and recognition unit 56 via an internet connection.
1 システム
2 ロボットハンドシステム
4 小型食材
6 集積場所
8 ロボットハンド
10 カメラ
12 ロボットアーム
13 ロボットアーム取付部
14 ソフトグリッパー
16 ベース部材
16a 十字状部材
16b 四分割円弧板
17 支柱
20 スコップ要素
20a スコップ要素外側部
20b スコップ要素内側部
20c 縦圧縮空気供給路
20d 横圧縮空気供給路
20t 先端部
31~39 突出要素
41~44 横空気室
45~49 空気室
51 圧縮空気導入部
52 空気供給路
54 ロボット制御部
56 認識部
58 学習部
60 全体制御ノード
62 情報記録ノード
64 ロボットハンド制御ノード
66 ロボットアーム制御ノード
68 画像認識部管理ノード
70 RGBDカメラ制御ノード
72 画像認識ノード
74 機械学習ノード
101 システム
102 ロボットハンドシステム
105 実測値
160 全体制御ノード
190 画像処理ノード
1 System 2 Robot hand system 4 Small food ingredient 6 Collection location 8 Robot hand 10 Camera 12 Robot arm 13 Robot arm mounting portion 14 Soft gripper 16 Base member 16a Cross-shaped member 16b Quadrant arc plate 17 Support 20 Scoop element 20a Scoop element outer portion 20b Scoop element inner portion 20c Vertical compressed air supply path 20d Horizontal compressed air supply path 20t Tip portion 31 to 39 Protruding element 41 to 44 Horizontal air chamber 45 to 49 Air chamber 51 Compressed air introduction portion 52 Air supply path 54 Robot control unit 56 Recognition unit 58 Learning unit 60 Overall control node 62 Information recording node 64 Robot hand control node 66 Robot arm control node 68 Image recognition unit management node 70 RGBD camera control node 72 Image recognition node 74 Machine learning node 101 System 102 Robot hand system 105 Actual measurement value 160 Overall control node 190 Image processing node
Claims (15)
前記小型食材の集積場所の画像を取得し、
見本局所領域との類似性を評価して当該画像から少なくとも1つの候補局所領域を決定すると共に、前記見本局所領域に紐付けされている、前記ロボットハンドの前記小型食材への挿入深さと前記ロボットハンドにより把持して取り出せる前記小型食材の重量との情報に基づいて、各候補局所領域に紐づけされる、前記ロボットハンドの前記小型食材への挿入深さと前記ロボットハンドにより把持して取り出せる前記小型食材の重量との関係を示す一次関数の傾きと切片とを決定し、
各候補局所領域に紐づけされた一次関数の傾きと切片とを、各候補局所領域の座標データと紐付けて制御情報として出力する
ことを特徴とするシステム。 A system that outputs control information for controlling a robot hand that can change the insertion depth into a collection location for small, irregularly shaped ingredients,
Acquire an image of the accumulation location of the small food ingredients;
determining at least one candidate local region from the image by evaluating the similarity with a sample local region, and determining the slope and intercept of a linear function associated with each candidate local region that indicates the relationship between the insertion depth of the robot hand into the small food ingredient and the weight of the small food ingredient that can be grasped and removed by the robot hand, based on information associated with the sample local region that indicates the insertion depth of the robot hand into the small food ingredient and the weight of the small food ingredient that can be grasped and removed by the robot hand;
A system that links the slope and intercept of a linear function associated with each candidate local region to coordinate data of the candidate local region and outputs the result as control information.
ことを特徴とする請求項1に記載のシステム。 The system of claim 1 , wherein the image is a D image.
ことを特徴とする請求項1に記載のシステム。 The system of claim 1 , wherein the image is an RGB image.
ことを特徴とする請求項1に記載のシステム。 The system of claim 1 , wherein the image is an RGBD image.
ことを特徴とする請求項1に記載のシステム。 The system according to claim 1, wherein the determination of the at least one candidate local region and the determination of the slope and intercept of the linear function associated with each candidate local region are performed using a model constructed by machine learning using AI.
ことを特徴とする請求項5に記載のシステム。 The system described in claim 5, characterized in that the model is constructed in the machine learning by using multiple pairs of actual measured values of the insertion depth of the robot hand into the small food ingredient and the actual measured values of the weight of the small food ingredient grasped and removed by the robot hand at that time as training data.
前記小型食材の集積場所の画像を取得し、
見本局所領域との類似性を評価して当該画像から少なくとも1つの候補局所領域を決定すると共に、前記見本局所領域に紐付けされている、前記ロボットハンドの前記小型食材への挿入深さと前記ロボットハンドにより把持して取り出せる前記小型食材の重量との情報に基づいて、各候補局所領域に紐づけされる、前記ロボットハンドの前記小型食材への挿入深さと前記ロボットハンドにより把持して取り出せる前記小型食材の重量との関係を示す一次関数の傾きと切片とそれらの確からしさとを決定し、
各候補局所領域に紐づけされた一次関数の傾きと切片とそれらの確からしさとを、各候補局所領域の座標データと紐付けて制御情報として出力する
ことを特徴とするシステム。 A system that outputs control information for controlling a robot hand that can change the insertion depth into a collection location for small, irregularly shaped ingredients,
Acquire an image of the accumulation location of the small food ingredients;
determining at least one candidate local region from the image by evaluating the similarity with a sample local region, and determining the slope and intercept of a linear function associated with each candidate local region that indicates the relationship between the insertion depth of the robot hand into the small food ingredient and the weight of the small food ingredient that can be grasped and taken out by the robot hand, and their likelihoods, based on information associated with the sample local region regarding the insertion depth of the robot hand into the small food ingredient and the weight of the small food ingredient that can be grasped and taken out by the robot hand;
A system characterized in that the slope and intercept of a linear function associated with each candidate local region and their likelihood are linked to the coordinate data of each candidate local region and output as control information.
当該最終候補局所領域に紐づけされた一次関数の傾きと切片とを、当該最終候補局所領域の座標データと紐付けて制御情報として出力する
ことを特徴とする請求項7に記載のシステム。 When there are a plurality of candidate local regions, the candidate local region with the highest likelihood is determined as the final candidate local region;
The system according to claim 7, wherein the slope and intercept of the linear function associated with the final candidate local region are associated with coordinate data of the final candidate local region and output as control information.
ことを特徴とする請求項7に記載のシステム。 The system of claim 7, wherein the image is a D image.
ことを特徴とする請求項7に記載のシステム。 The system of claim 7, wherein the image is an RGB image.
ことを特徴とする請求項7に記載のシステム。 The system of claim 7, wherein the image is an RGBD image.
請求項1乃至11のいずれかに記載のシステムと、
前記小型食材の集積場所の画像を撮像して前記システムに送信するカメラと、
前記システムから出力される前記制御情報に基づいて制御されるロボットハンドと、
を備えたことを特徴とするロボットハンドシステム。 A robot hand system that takes out small ingredients of irregular shape by grasping them from a collection location of the small ingredients,
A system according to any one of claims 1 to 11;
a camera that captures an image of the collection location of the small food ingredients and transmits the image to the system;
a robot hand that is controlled based on the control information output from the system; and
A robot hand system comprising:
前記小型食材の集積場所の画像を取得する工程と、
見本局所領域との類似性を評価して当該画像から少なくとも1つの候補局所領域を決定すると共に、前記見本局所領域に紐付けされている、前記ロボットハンドの前記小型食材への挿入深さと前記ロボットハンドにより把持して取り出せる前記小型食材の重量との情報に基づいて、各候補局所領域に紐づけされる、前記ロボットハンドの前記小型食材への挿入深さと前記ロボットハンドにより把持して取り出せる前記小型食材の重量との関係を示す一次関数の傾きと切片とを決定する工程と、
各候補局所領域に紐づけされた一次関数の傾きと切片とを、各候補局所領域の座標データと紐付けて制御情報として出力する工程と、
を備えたことを特徴とする方法。 A method for outputting control information for controlling a robot hand capable of changing the insertion depth of small ingredients of irregular shape into a collection location, comprising:
acquiring an image of the accumulation location of the small food ingredients;
determining at least one candidate local region from the image by evaluating the similarity with a sample local region, and determining the slope and intercept of a linear function associated with each candidate local region that indicates the relationship between the insertion depth of the robot hand into the small food ingredient and the weight of the small food ingredient that can be grasped and taken out by the robot hand, based on information associated with the sample local region regarding the insertion depth of the robot hand into the small food ingredient and the weight of the small food ingredient that can be grasped and taken out by the robot hand;
a step of linking the slope and intercept of the linear function associated with each candidate local region to coordinate data of each candidate local region and outputting the result as control information;
A method comprising:
前記小型食材の集積場所の画像を取得する工程と、
見本局所領域との類似性を評価して当該画像から少なくとも1つの候補局所領域を決定すると共に、前記見本局所領域に紐付けされている、前記ロボットハンドの前記小型食材への挿入深さと前記ロボットハンドにより把持して取り出せる前記小型食材の重量との情報に基づいて、各候補局所領域に紐づけされる、前記ロボットハンドの前記小型食材への挿入深さと前記ロボットハンドにより把持して取り出せる前記小型食材の重量との関係を示す一次関数の傾きと切片とそれらの確からしさとを決定する工程と、
各候補局所領域に紐づけされた一次関数の傾きと切片とそれらの確からしさとを、各候補局所領域の座標データと紐付けて制御情報として出力する工程と、
を備えたことを特徴とする方法。 A method for outputting control information for controlling a robot hand capable of changing the insertion depth of small ingredients of irregular shape into a collection location, comprising:
acquiring an image of the accumulation location of the small food ingredients;
determining at least one candidate local region from the image by evaluating the similarity with a sample local region, and determining the slope and intercept of a linear function associated with each candidate local region that indicates the relationship between the insertion depth of the robot hand into the small food ingredient and the weight of the small food ingredient that can be grasped and taken out by the robot hand, and the likelihood of these, based on information associated with the sample local region regarding the insertion depth of the robot hand into the small food ingredient and the weight of the small food ingredient that can be grasped and taken out by the robot hand;
a step of linking the slope and intercept of the linear function associated with each candidate local region and their likelihoods to the coordinate data of each candidate local region and outputting them as control information;
A method comprising:
当該プログラムがコンピュータによって実行されることにより、請求項13または14に記載の方法を実施可能である
ことを特徴とするプログラム。 A program for outputting control information for controlling a robot hand that can change the insertion depth into a collection location for small ingredients of irregular shape,
A program that can implement the method according to claim 13 or 14 when the program is executed by a computer.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2022105871A JP7811524B2 (en) | 2022-06-30 | 2022-06-30 | A system that outputs control information to control a robot hand that can change the insertion depth into a collection area for small, irregularly shaped ingredients. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2022105871A JP7811524B2 (en) | 2022-06-30 | 2022-06-30 | A system that outputs control information to control a robot hand that can change the insertion depth into a collection area for small, irregularly shaped ingredients. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2024005611A JP2024005611A (en) | 2024-01-17 |
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ID=89540108
Family Applications (1)
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| JP2020168691A (en) | 2019-04-04 | 2020-10-15 | 学校法人立命館 | Soft gripper |
| WO2020261601A1 (en) | 2019-06-28 | 2020-12-30 | 株式会社DeepX | Control device |
| WO2021256996A1 (en) | 2020-06-17 | 2021-12-23 | National University Of Singapore | Robotic gripper |
-
2022
- 2022-06-30 JP JP2022105871A patent/JP7811524B2/en active Active
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| WO2020261601A1 (en) | 2019-06-28 | 2020-12-30 | 株式会社DeepX | Control device |
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