小型・軽量・高精度で低価格を実現 画期的な3Dビジョンセンサー開発

超小型化―搭載式の開発へ

NEDOプロジェクトでは、汎用ロボットビジョンシステムのプラットフォーム化技術の開発を目指しました。YOODSの目指す産業用ロボットのプラットフォーム化技術とは、視覚情報などのセンシング機能、ワーク認識ロジック部、そしてロボットへの行動指示であるアウトプットを、一連の流れにできるようにし、かつ先進機能を簡単に追加できるようにする技術です（図2）。具体的には、①ロボットの視覚機能として動作し、ロボット自体に搭載可能な小型で低価格な3Dカメラ、②カメラからの情報を高速に処理し、将来的には AI 機能も搭載可能な組込型ビジョンコントローラ、の開発を目指しました。原田さんは「NEDOプロジェクトでは、3Dカメラの超小型化が大きな目標でした。超小型カメラでも、ロボットに搭載することで対象ワークに近づいて撮影すれば、少ないデータ量で高精度なデータを得ることが出来るのではないか、と考えたんです」と振り返ります。

図2　ロボット技術のプラットフォーム化

原田さんは、ロボットへのビジョンシステムの搭載が標準化されれば、ロボットシステムの初期導入コストが2割以上削減できると考えていました。そして、これまで導入が進んでこなかった中小企業でのロボット導入が促進でき、人がやらざるを得なかった作業の代替や、人ではできなかった高精度な組立作業等で広く活用できることも期待していました。
「競合企業はカメラの据え置き型が多く、カメラを固定している矢倉やロボットの土台が動いてしまうと、ロボットは作業ができなくなってしまいます。しかしロボットへの搭載型にすることで、ロボットが動いてもロボットの作業への影響はなくなります。またロボットにカメラを搭載することで、キッティング作業等、ロボットが無人搬送車（AGV）で使えるようなアプリケーションになることも目指していました」（原田さん）

高精度を追求しステレオ位相シフト方式へ

まず、超小型カメラに搭載するハイパワープロジェクターの開発に取り組みました。そのために、超小型ながら高精度な3Dデータを得る事ができる「ステレオ位相シフト方式」の開発を目指しました。ステレオ位相シフト方式とは、プロジェクターを用いた3D計測方法の一つで、位相をずらしながらパターン光を投影することで得られた点群画像から、ステレオカメラの視差を求め、対応点の3Dの位置を計測する手法です。それにより、従来の方法よりも点群計測の精度が高いため、高精度な結果が得られます（写真2）。
「ステレオ位相シフト方式は、縞模様から得られる位相値を使って左右のカメラの視差を求めるので、1ピクセル単位の右目と左目の視差から点群データを得ることができます」（原田さん）
ステレオ位相シフト方式を採用した3Dカメラをロボットアームに搭載して対象物に近づいて撮影することで、検出対象物の位置・姿勢を±1 mm以内の精度で認識することが可能になりました。

写真2　外部の視覚情報を３次元の立体で点群データに起こし、モニター上で表現

独自のFAプロジェクターの必要性

このシステムに独自のファクトリーオートメーション（FA）用プロジェクターが必要な理由は、プロジェクターの寿命と供給保障の観点にあります。それはオフィスオートメーション（OA）機器のプロジェクターにおけるLEDの寿命の問題でした。ステレオ位相シフト方式を行うためには、位置情報の取得を行うために光を何度も照射することが必要です。プロジェクターとしてはそれまで一般的には、OA機器用のものが使用されていましたが、OA機器用のプロジェクターは常に発光しており、寿命が長いと言われているLEDでも直ぐに寿命が来てしまい、工場などで使用することは現実的ではありませんでした。 「OA機器用は光源が常に点いているので発熱性や消費エネルギーの点で問題があり、FAの現場での利用は現実的ではありませんでした。工場は24時間稼働が基本なので、一年程度でLEDがだめになってしまっては、交換頻度が増してしまいます。さらにそれに伴い、ファンが劣化する問題もありました」（原田さん）
そこで、センシングを行う際にだけ発光するプロジェクターを開発しました。このプロジェクターでは、１回の撮影で発光する時間を0.1～0.2秒に抑えることができるため、24時間稼働が基本の工場でもFA用のプロジェクターとして半永久的に使えるようになりました。

基本図面から試行錯誤の日々

3Dビジョンセンサーの用途は大きく分けて「寸法計測」と「ロボットピッキング」の2つがあります。特にロボットピッキング技術は、出生率の低下から働き手の減少が続くと予想される日本に必要とされる技術です。そんな3Dビジョンセンサーですが、基本図面の作成から試行錯誤を行う日々が続き、完成までの道のりは決して平たんなものではありませんでした。
「これまでは全て私自身で設計していたのですが、『YCAM3D』では枠組みの基本図面の作成は専門家に頼みました。いかに簡単に組み立てられるか、十分な強度・耐久性が発揮できるか、という点を特にお願いしました。またカメラの基板は自らで作成できるだろうと思っていましたが、実際に開発すると安定して起動させるまでに時間がかかりました。どこが悪いのかもわからないまま停止する。そんな日々が続きました」（原田さん）（写真3）

他の部品との兼ね合いで発生するノイズ、筐体の熱抵抗など問題は山積みでした。安定して動かすまでに要した時間は半年。その後も苦労は続きました。原田さんは当時の日々について、「ソフトウェアとの連動にも苦労しました。10万回動かしても問題が起こらないほどにまで精度をあげていきました」と振り返ります。

多くの時間と努力を重ねた結果、2019年。ついに3Dビジョンセンサー「YCAM3D」は完成します。「YCAM3D」は、独自の小型高精度プロジェクターの搭載とステレオ位相シフト方式の採用で、同方式の3Dビジョンセンサーとしては世界最小・最軽量を実現しました。

写真3　枠組みを専門業者に依頼して品質を高めた「YCAM3D」

「YCAM3D」の大きな特長は、ロボットアームに直接取り付けられることで、カメラとロボット間の座標変換のキャリブレーション（補正）が簡単になり、部品の位置と姿勢を高精度に認識してピッキングすることを可能としたことです。また、世界最小・最軽量のため、ロボットアームと一体化したビジョンシステムを設計することも可能にしました（写真4）。

写真4　世界最小・最軽量のため、ロボットアームと一体化できるビジョンシステム（左）機体が搭載されたアーム（右）(写真提供：YOODS)

NEDOの支援と開発の向上

「NEDOプロジェクトだったからこそ得られた大きな力がありました」と原田さんは語ります。「資金的なサポートはもちろんですが、NEDOプロジェクトで大学のソフトウェアの研究者などと知り合うことができ、その方々からアドバイスを頂けたことが大きかったです。また、柏の葉（千葉県柏市）にNEDOプロジェクトに参画している他の機関が集まり、情報交換の場を設けていただいたことで、普段では得られない情報をいただけたことも非常に有難かったです」（原田さん）
さらに、NEDOプロジェクトの参画当初には想定していなかった成果もありました。「広告宣伝という意味では、『World Robot Summit2018』に出展させていただけたこともよかったです。自社であんなに大きなブースは出せず、単独であれだけの宣伝はできませんでした。そこでの出会いは今でも大切な財産です（※２）」（原田さん）

※2　経済産業省とNEDOが主催した「World Robot Summit2018」

NEDOプロジェクトでは、3Dビジョンセンサーの活用によりロボットが利用できる分野を広げるため、Robot Operating System（ROS）をベースとしたビジョンシステム開発ツール及びロボットビジョンプラットフォーム「RoVI」をWebで公開しています（※3）。「RoVI」と「YCAM3D」を組み合わせることで、ロボットシステムインテグレーターは、今後公開されるサンプルコードをベースにして、自由に短時間でアプリケーションを開発することができます。

※３　Webで公開している「RoVI」

ロボット用の代表的なソフトウェアであるROSに関しては、これまで開発ノウハウが一般化せず、技術的なブレイクスルーが生まれないことやコストの課題などが残されていました。しかし最近では、全世界に公開されるようになったため、ロボットシステムの開発や進歩速度は加速しています。YOODS取締役の平泉一城さんはこう語ります。「ROSは共通のオープンソースで誰もが同じように使うことができます。携帯電話でいえばオペレーティングシステム（OS）がアンドロイドに統合されたようなものです。NEDOプロジェクトに参画したことでROSを利用するという視点を得ることができました。これにより、ユーザーが何を求めているのか、という視点に立てたのはとても大きかったです。これは地元の山口県では出来なかったことかもしれません」

中小・ベンチャー企業の面白さを伝えたい

山口県で活動することで地元への貢献なども大切にしてきたYOODSでは、現在、インターンシップとして学生を採用し、戦力にしています。インターンシップであれば、中小・ベンチャー企業でも優秀な学生を確保しやすく、学生にとっても実践的な就業体験になります。
「学生さんにはどうしても大手志向があるので、会社を知れば中小・ベンチャー企業の面白さにも気づいてもらえると思ってインターンシップを始めました。今の大手企業では、自由に開発を行うことはなかなか難しいですが、YOODSでは自由に開発を行ってもらっています。そのため、ここでの経験は将来に役立つと考えています。少しでも若い人達に面白い仕事を知ってもらいたいです。そしてできれば一人でも多くの学生さんに、山口県で働いてもらえたらと考えています」（原田さん）
一方、インターンシップで採用された学生は、インターンシップに応募した理由や、YOODSでの仕事を通じて得た気づきについて 「インターンシップに応募したきっかけは、実務経験を積むことと、開発の上流を経験することで強みになると思ったからです。実際に仕事にたずさわってみて、ロボットに一つの動作をさせるだけでも大変だということがわかりました。私は、コンピュータでシミュレーションをするのが専門ですが、ロボットは一筋縄ではいきません。プログラムの誤りを見つけ、手直しをすることよりも難しいところがあります。また、単体としてのハードウェアとソフトウェア、そしてその連動性も考えなければならず、問題の特定範囲が難しいです。インターンシップで得た経験のおかげで、将来、見やすい設計書をつくることが大事だということにも気づくことができました」と語ります（写真6）。

写真6　ソフトウェア部分の指示とハードウェアの連動性を確認およびテストするインターンシップの学生