制御盤自動配線装置のための部品位置検出機能 －ハーネス配線と結線機能への画像処理技術の応用－ 笠原竹博* 上田芳弘* 米沢裕司* 池 田 智 宏 ** 北 森 英 明 ** 東 出 賢 裕 ** 和 佐 田 進 ** 制御盤は多様な装置に使用されているが，その製造方法は人手によって行われているため，製造工程の 自動化が課題となっている。そこで，制御盤製造におけるハーネス結線と配線工程を自動化する制御盤自 動配線装置の開発を行った。画像処理技術を用いて，この開発において必要とされた電気部品の位置検出 機能を実装した。具体的には，主にエッジ抽出と，テンプレートマッチングを用いて，ハーネスを挿通す るダクト穴位置と，ハーネスを結線する電気部品のネジ位置を検出できるようにした。開発した各機能に ついて，機械的な要請から目標精度を設定し，それぞれの検出精度を評価した。 キーワード: エッジ抽出，テンプレートマッチング，位置検出，制御盤，配線装置 Development of the Function of Wiring Tools for Detecting the Locations of Electric Parts - Application of the Image Processing Technique to Harness WiringTakehiro KASAHARA, Yoshihiro UEDA, Yuji YONEZAWA, Tomohiro IKEDA, Hideaki KITAMORI, Masahiro HIGASHIDE and Susumu WASADA Control boards are used in various machines, however, because their manufacturing process depends on manual work, automation is needed. Therefore, an automatic wiring tool was developed for control board assembly, especially for harness wiring and the connecting process. The tool has the function of detecting the locations of electric parts according to an image processing technique. Detection of the locations of the duct hole and the screws is made possible by means of edge extraction and template matching respectively. An acceptable accuracy was set for each function based on the mechanical requirements of the component, and the accuracies of the functions were evaluated. Keywords : edge extraction, template matching, location detection, control board, wiring tool １．緒 言 スの結線および配線工程の自動化は達成されておらず， 工 作 機 械 や 医 療 機 器 な ど の 機 械 装 置 に は 図 1(a)の よ 人手作業で行われている。今後，制御盤は外国メーカ うな制御盤が使用されており，多種多様な機械装置の との価格競争が厳しくなるものと予想されるため，製 制 御 を 行 っ て い る 。 制 御 盤 内 部 は ， 図 1(b)の よ う な リ 造工程のさらなる自動化が急務となっている。そこで， レーやブレーカーなどの電気部品，電気部品を接続す (4)～ (6)の 工 程 で あ る ハ ー ネ ス 結 線 ， 配 線 ， 及 び 検 査 る ハ ー ネ ス ， お よ び 図 1(c)の よ う な 多 数 の ハ ー ネ ス を を自 動化する制御 盤自動配線装 置の開発を行 った 1) 。 収容するダクトなどが設置されている。このような制 こ の 装 置 開 発 に お い て ， 2種 の 部 品 位 置 検 出 機 能 が 御 盤 の 製 造 工 程 は ， (1)電 気 設 計 ， (2)電 気 部 品 と ダ ク 必要とされ，画像処理技術を用いてダクト穴位置検出 ト の 設 置 ， (3)ハ ー ネ ス 加 工 ， (4)ダ ク ト 内 へ の ハ ー ネ 機能とネジ位置検出機能の開発を行った。ダクト穴位 ス 配 線 お よ び ダ ク ト 穴 へ の ハ ー ネ ス 挿 通 (図 1(d))， (5) 置検出はエッジ抽出などを組み合せることで，またネ ネ ジ 締 め 等 に よ る 電 気 部 品 と ハ ー ネ ス の 結 線 (図 1(e)， ジ 位置 検出 はテ ンプ レー トマ ッチ ング (以 下 ， TM)を 用 (f))， (6)結 線 検 査 の 順 序 で 行 わ れ て い る 。 こ の う ち ， いて 実現し，それ ぞれの検出精 度を評価した 。 設計とハーネス加工の自動化は進んでいるが，ハーネ ２．制御盤自動配線装置 * 電 子情報 部 ** 開 発 し た 制 御 盤 自 動 配 線 装 置 (以 下 ， 装 置 )は ， 図 ライオ ンパワー (株 ) -1- ネジ締め用 ユニット 電気部品 ダクト (a)制御盤外観 X軸ステージ (b)制御盤内部 制御盤 (a)装置外観 ネジ締め用 ユニット ダクト Y軸ステージ X軸ステージ (c)配線用ダクト (d)ダクトへの挿通 Y軸ステージ 配線用 ユニット X軸ステージ (b)装置構成 (e)電気部品 (f)ハーネス結線 図1 制御盤の概要 2(a)， (b)の よ う に X軸 ステージ上 に Y軸 ステージを 取 り 付 け た XY軸 ス テ ー ジ と こ れ に 取 り 付 け た ネ ジ 締 め 用 (c)LED照明付きCCDカメラ ユ ニ ッ ト 2台 と 配 線 用 ユ ニ ッ ト 2台 か ら な る 。 ネ ジ 締 め 用ユニットの先端には，ドライバーとハーネス把持機 X軸ステージ ネジ締め用ユニット 構 ， な ら び に 図 2(c)の よ う に LED照 明 付 き CCDカ メ ラ を装 着した。 XY軸 ステージと 4台 の ユ ニ ッ ト の 位 置 を 制 御 す る こ と で ， 図 2(d)の よ う に ハ ー ネ ス を コ の 字 形 に し て ダ ク Y軸ステージ Y軸ステージ ト内に配線し，ダクト穴に挿通した後，電気部品にド ライバーでネジ締め結線を行う。なお，制御盤は電気 部 品 な ど が あ ら か じ め 取 り 付 け ら れ た 状 態 で ， XY軸 ステージよ り 低 い 位 置 に あ る 架 台 に 設 置 さ れ る 。 ま た ， 対 象 と し た 制 御 盤 の 全 体 サ イ ズ は 500×350mm～ 1800 X軸ステージ ハーネス 配線用ユニット (d)配線機能の概要 図2 制御盤自動配線装置の概要 × 900mm で ， ダ ク ト の 断 面 サ イ ズ は 幅 100mm ， 高 さ 100mmの タ イ プ を 使 用 し ， リ レ ー な ど 8種 110個 程 度 の あ る 。 そ の た め ， ネ ジ 締 め ユ ニ ッ ト 先 端 の CCDカ メ ラ 電気 部品を配置す るものとして 設計，試作し た。 によ り制御盤内を 撮像して位置 検出を行う。 このようなハーネスの自動配線のためには，あらか じめダクト穴と電気部品のネジ位置を検出する必要が -2- ３．位置検出機能 ３．１ ト穴ピッチと呼ぶ。ダクト穴位置検出では，本装置の ダクト穴位置検出 ハンドと電気部品の干渉を避けるために電気部品の最 図 1(b)， (c)の よ う に 配 線 さ れ た ハ ー ネ ス を 収 容 す る 大 高 さ を 考 慮 し て 図 3(b)に 示 す よ う に ダ ク ト 壁 に 対 し ダ ク ト に は ， 側 面 に 幅 20mmの ダ ク ト 穴 と 呼 ば れ る 開 て 45°の 角 度 か ら ， 200mmの 距 離 で ダ ク ト を 撮 像 す る 口部がある。ダクトの切断加工は配線長に合わせて手 こととした。このような条件で得られた画像からダク 作業で行うため，ダクト穴の横方向の位置は決まって ト穴 位置検出のた め，以下の手 法を考案した 。 おらず，配線前にハーネスを挿通するダクト穴位置を (1)エ ッジ抽出・ 収縮処理・粒子 解析 検出する必要がある。検出の目標精度は，穴通しの際 撮 像 し た 画 像 (図 3(c))に 対 し て エ ッ ジ 抽 出 を 行 い 2値 のハーネスとダクト穴端との接触によるハーネス損傷 化 し た 後 ， エ ッ ジ の 膨 張 処 理 を 行 う (図 3(d))。 ダ ク ト を防ぐため，ハーネス径や変形特性を考慮して± 穴と壁が映る中央を残して上下左右をマスクした画像 1.00mmと した。 の 非 エ ッ ジ 部 (白 色 領 域 )の 個 数 と 面 積 ， 重 心 位 置 を 算 こ こ で ， 図 3(a)の よ う に ダ ク ト 穴 に 対 し て 開 口 部 で ない樹脂面をダクト壁と呼び，ダクト穴の間隔をダク ダクト穴 ダクト壁 カメラ 出 し た 後 ， 微 小 面 積 粒 子 を 削 除 す る (図 3(e))。 こ こ で ， 残った粒子はダクト穴あるいはダクト壁であり，かつ ダク ト壁の粒子の 方が一般に面 積が大きい。 (2)ス コア計算 200mm 残 っ た n個 の 粒 子 の う ち ， i番 目 の 粒 子 の 面 積 を s i ， 45° 重 心 の x 座 標 を xi と す る 。 ま た ， ダ ク ト 穴 ピ ッ チ を Ppixelと す る 。 ダ ク ト 穴 と ダ ク ト 壁 は 周 期 的 に 存 在 す 穴ピッチ る た め ， 粒 子 の 中 で 大 き な 面 積 を 持 ち ， x i が Ppixel程 ダクト 度 の 間 隔 で 並 ん だ 粒 子 群 が 存 在 す る は ず で あ る 。こ の (a)ダクト穴とダクト壁 粒子 群を抽出 するため， j番目の 重心 x j が x i から Pの整数 (b)撮像条件 倍 の mPだ け 離 れ て い る と き は 1と な り ， そ こ か ら ず れ る と 正 規 分 布 で 低 下 す る 重み W im (x j )を 式 (1)で 与 え る 。 こ こ で ， σは Pの 1/8と し ， mは x i +mPが 画 像 の 左 右 を 超 え な い 範 囲 の 整 数 と す る 。 こ の 重 み W im (x j )を mが 取 り 得 る 範 囲 に お い て 全 て の 粒 子 面 積 sj に 掛 け た も の の 和 (c)入力画像 を スコア とし式 (2)により 算出 する。 このスコ アが最 大 (d)エッジ膨張処理 の 粒 子 を 含 む 粒 子 群 は Ppixelの 周 期 で 存 在 し ， か つ 面 積が大きい粒子群と推定できるので，ダクト壁に相当 する ものと考えら れる。 (e)マスク画像 (xi + mP − x j )2 Wim ( x j ) = exp − 2σ 2 (f)検出結果 図3 ダクト穴位置の検出手法 n Scorei = ∑ mMax ∑W j =1 m = mMin im (x j ) ⋅ s j (1) (2) 検出位置の 差分(mm) 1.2 (3)ダクト穴位置検出 1.0 算出したScoreiが最大となる粒子群のある重心xjを1つのダ クト壁の重心とする。また，そのダクト壁からPだけ左右に 0.8 0 10 20 30 試行回数(回) 40 50 60 ずれた位置もダクト壁の重心とする。最後に，近接する2つ のダクト壁の重心の中点をダクト穴の重心とする(図3(f))。 以上の手法により検出できたダクト穴位置の精度評価を 図4 ダクト位置の検出結果 行った。ステージ上(精度20µm)にダクトを固定し，1.00mm -3- て 位 置 精 度 が 低 下 す る 恐 れ が あ る 。 そ こ で ，波 長 域 が 赤 色 の LED照 明 と カ メ ラ レ ン ズ に 赤 色 パ ス フ ィ ル タ ー を用いることで外乱光の影響低減を図った。その効果 を 評 価 す る た め ， 白 色 光 を 外 乱 光 と し て 与 え て 100回 (b)ネジ (c)円形 フィルター の試行によるネジ位置の検出実験を行った。その結果， 図 6の よ う に 外 乱 光 照 度 を 上 げ る と 検 出 位 置 の ズ レ 量 検出位置 ズレ量 (μm) (a)部品画像 図5 テンプレートの作成 は 大 き く な る が ， 外 乱 光 照 度 が 168lxま で は 目 標 精 度 を 達 成 で き る こ と が わ か っ た 。 一 般 に 工 場 内 は 150lx 150 ～ 1500lxの 環 境 に あ る と 考 え ら れ る が ， 本 装 置 の 外 周 100 に赤色カットパネルを施すことで，赤色域の外乱光照 50 度 を 168lx以 下 に 低 減 で き る と 考 え ら れ る 。 以 上 の よ 0 -50 う に ネ ジ 位 置 検 出 の 精 度 を 評 価 し た 結 果 ， 168lx以 下 0 28 168 610 の 外 乱 光 に よ る 平 均 ズ レ 量 は 最 大 83µmで ， 検 出 精 度 外乱光照度 (lx) (3 σ)は ±10µmで あ り，目標精度 ±100µmを 達 成した。 図6 外乱光照度に対する検出位置ズレ量 な お ， ネ ジ 位 置 検 出 の た め に 上 述 の よ う に TMを 用 い た が ， 多 種 多 様 な ネ ジ に 対 応 す る た め に ，テ ン プ レ のステージ移動量に対するダクト穴位置検出の差分の測定 ー ト を 必 要 と せ ず ， 一 般 物 体 認 識 が 可 能 な を60回試行した。その結果を図4に示す。なお検出位置の差 HOG(Histogram of Oriented Gradient)を用いた 実装も検 分とは，ステージ移動量に対する検出位置の差のことをい 討 し た 2) 。 こ の HOGに よ る 位 置 検 出 精 度 は ， 現 在 の と う。評価結果として，±0.14mm(3σ)を得ることができ，目 ころ目標精度に達することができなかったので，今後 標精度±1.00mmを達成した。 その 向上を行う。 ３．２ ネジ位置検出 ４．結 電気部品は，制御盤内に固定されたレール上に人手 言 制御盤自動配線装置に必要なダクト穴位置検出機能 によって設置されるため，特にレール長手方向の位置 と，電気部品のネジ位置検出機能の開発を行った結果， が事前にわからない。よって，自動でネジ締めを行う 以下 が実現できた 。 ためにはネジ位置を正確に検出しなければならない。 (1) エ ッ ジ 抽 出 を 用 い て ダ ク ト 穴 位 置 検 出 機 能 を 実 現 そ こ で ， TMを 用 い て ネ ジ 位 置 を 検 出 し た 。 な お ， 撮 し ， 目 標 精 度 ± 1.00mmに 対 し て ± 0.14mmを 達 成 像 条 件 は ， 図 3(b)と 同 様 に CCDカ メ ラ と 電 気 部 品 の 距 した 。 離は 200mmで あるが， 方向は真 上 90°と した。 (2) テ ン プ レ ー ト マ ッ チ ン グ を 用 い て ネ ジ 位 置 検 出 機 ネジ穴にドライバー先端を挿入するときの位置ズレ 能 を 実 現 し ， 目 標 精 度 ±100µmに 対 し て 外 乱 光 が の許容範囲を検討するために，ネジとドライバーの 168lx以 下 の 環 境 に お い て 83µm± 10µmの 精 度 を 達 JIS規 格 を 調 査 し ， 規 格 化 さ れ て い な い ネ ジ 穴 の 外 形 成し た。 は 非 接 触 3 次 元 測 定 機 (( 株 ) ニ コ ン 製 NEXIV VMH300N)を 用 い て 実 測 し た 。 そ の 結 果 ， 許 容 誤 差 は 参考文献 ± 0.39mmで あ る こ と が わ か り ， 本 装 置 の 位 置 決 め 精 1) 笠原竹博, 上田芳弘, 米沢裕司, 南川俊治, 北森英明, 山 度を考慮して，画像処理によるネジ位置の検出目標精 戸博一. “制御盤ハーネス自動配線装置における位置検出 度を ±100µmと した 。 システムの開発”. 2009総合大会講演論文集. 愛媛県, ネジ位置の検出は，テンプレートと入力画像をマッ チ ン グ す る こ と で 行 っ た 。 図 5の よ う に 部 品 画 像 か ら 2009-03-17/20, 電子情報通信学会. 2009, D-11-47. 2) 笠原竹博，三吉建尊，上田芳弘，米沢裕司，越野亮. “制 ネジ部分の画像を取り出し，円形フィルターを適用し 御盤配線ロボットのための位置検出と検査機能”. 第14回 た画 像をテンプレ ートとした。 画像の認識・理解シンポジウム論文集. 石川県, 2011-7- ネジ表面は金属製であるため，外乱光の反射によっ -4- 20/22, 情報処理学会CVIM研究会. 2011, p. 218-221
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