JP2005014108A - 多関節ロボットの干渉回避方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】７軸以上の関節を備え、姿勢の冗長性を有する多関節ロボットと、ワークとの干渉を効率的に回避する。
【解決手段】軸Ｊ１〜Ｊ７の７つの関節を備える多関節ロボット１４の先端部３６の位置及び姿勢を決定する。決定した先端部の位置及び姿勢を維持したまま、ワークＷの縦方向軸２４上に設けた所定の比較基準点Ｐ１から、多関節ロボット１４の軸Ｊ４に設けた比較対象点Ｑ１までの距離Ｍが最大となるように多関節ロボット１４の軸Ｊ１〜Ｊ７の姿勢を決定する。
【選択図】図１
【解決手段】軸Ｊ１〜Ｊ７の７つの関節を備える多関節ロボット１４の先端部３６の位置及び姿勢を決定する。決定した先端部の位置及び姿勢を維持したまま、ワークＷの縦方向軸２４上に設けた所定の比較基準点Ｐ１から、多関節ロボット１４の軸Ｊ４に設けた比較対象点Ｑ１までの距離Ｍが最大となるように多関節ロボット１４の軸Ｊ１〜Ｊ７の姿勢を決定する。
【選択図】図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、７軸以上の関節を備え、姿勢の冗長性を有する多関節ロボットの干渉回避方法に関し、特に、先端部をワークに対して適切な位置及び姿勢に保持したまま、肘関節等がワークに干渉することを防止する多関節ロボットの干渉回避方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
先端に専用のエンドエフェクタを設けた多関節ロボットは、溶接作業、塗装作業等に広範に用いられている。多関節ロボットの姿勢は、先ずエンドエフェクタのワークに対する位置及び姿勢を決定した後に、この位置及び姿勢を維持したまま、他の関節の動きを求めることがある。
【０００３】
エンドエフェクタをワークに対して自由な位置及び姿勢に設定するためには、いわゆる６自由度の動作が必要であり、これを実現するために多関節ロボットは６軸の関節が必要である。エンドエフェクタの位置及び姿勢を実現するために、６軸の多関節ロボットは有限個の姿勢をとり得ることから、このうち任意の姿勢を選択すればよい。しかしながら、６軸の多関節ロボットでは、エンドエフェクタの位置及び姿勢の条件以外に他の条件（例えば、干渉回避）を考慮すると適当な姿勢がない場合があり、姿勢の設定上の汎用性、融通性が劣るため、エンドエフェクタの位置及び姿勢を決定した状態で、多関節ロボットの姿勢を自由に設定する性能である冗長性を備えるために、７軸の多関節ロボットを用いることになる。
【０００４】
ところが、７軸の多関節ロボットは、冗長性を備える一方、制御する方法はやや複雑になる。７軸の多関節ロボットを制御する方法として、マスタ・スレーブ構造を用い、マスタの肘関節にセンサを設けて制御する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−３００８７１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
７軸の多関節ロボットでは、冗長性を利用することにより、特異姿勢回避、障害物回避、機構的な制限の回避等の種々の動作が可能であるが、制御アルゴリズムが複雑になり、状況に応じてどのような姿勢を設定すればよいかが問題となる。
【０００７】
特に、動作が予め決められてなく、ワークの形状等に応じてリアルタイムに姿勢を決定する必要がある場合において、ワークや障害物に対して効率的に干渉を回避する方法がない。
【０００８】
前記特許文献１の技術は、マスタ・スレーブ構造であって、オペレータが介在する必要があることから半自動である。従って、スレーブである多関節ロボットを自動的に動作させることはできない。
【０００９】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、多関節ロボットの先端位置及び姿勢を維持したまま、ワークに対して効率的に干渉を回避することを可能にする多関節ロボットの干渉回避方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る多関節ロボットの干渉回避方法は、７軸以上の関節を備え、姿勢の冗長性を有する多関節ロボットの先端位置及び姿勢を決定する第１ステップと、前記第１ステップで決定した先端位置及び姿勢を維持したまま、ワークに設けた所定の比較基準点から前記多関節ロボットの比較対象点までの距離が最大となるように前記多関節ロボットの姿勢を決定する第２ステップと、を実行することを特徴とする。ここで、ワークとは、多関節ロボットの作業対象物に限らず、その周辺障害物を含む。
【００１１】
このように、多関節ロボットの先端位置及び姿勢を維持したまま、比較基準点と比較対象点との距離が最大となるように多関節ロボットの姿勢を決定することにより、多関節ロボットとワークとの干渉を効率的に回避することができる。
【００１２】
この場合、前記比較対象点は、前記多関節ロボットの所定関節の中心に設定されていると、より効率的に干渉を回避することができる。
【００１３】
また、前記比較対象点は、前記多関節ロボットの２つの関節を接続するアームの中点に設定されていると、２つの関節をそれぞれワークから離間させることができる。
【００１４】
さらに、本発明に係る多関節ロボットの干渉回避方法は、７軸以上の関節を備え、姿勢の冗長性を有する多関節ロボットの先端位置及び姿勢を決定する第１ステップと、前記第１ステップで決定した先端位置及び姿勢を維持したまま、ワークに設けた複数の比較基準点から前記多関節ロボットの比較対象点までの各距離を求め、それぞれに重み付けをする第２ステップと、重み付けをした前記距離の和が最大となるように前記多関節ロボットの姿勢を決定する第３ステップと、を実行することを特徴とする。
【００１５】
さらにまた、本発明に係る多関節ロボットの干渉回避方法は、７軸以上の関節を備え、姿勢の冗長性を有する多関節ロボットの先端位置及び姿勢を決定する第１ステップと、前記第１ステップで決定した先端位置及び姿勢を維持したまま、ワークに設けた所定の比較基準点から前記多関節ロボットの複数の比較対象点までの各距離を求め、それぞれに重み付けをする第２ステップと、重み付けをした前記距離の和が最大となるように前記多関節ロボットの姿勢を決定する第３ステップと、を実行することを特徴とする。
【００１６】
このように、比較基準点又は比較対象点を複数設定し、比較基準点と比較対象点とのそれぞれの距離に重み付けをして加算した変数が最大となるように多関節ロボットの姿勢を決定することにより、ワークＷが複雑な形状である場合や、多関節ロボットが多数の関節を備える場合に、干渉するおそれのある箇所同士をそれぞれバランスよく離間させることができる。
【００１７】
前記多関節ロボットの先端部を前記ワークに倣わせて移動させながら、リアルタイムで前記多関節ロボットの姿勢を決定するようにしてもよい。
【００１８】
前記多関節ロボットはベース部が移動可能であり、前記比較基準点は、前記多関節ロボットの移動に伴い、該多関節ロボットとの相対的な位置を保持するように移動設定してもよい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る多関節ロボットの干渉回避方法について好適な実施の形態を挙げ、添付の図１〜図１０を参照しながら説明する。
【００２０】
図１に示すように、本実施の形態に係る多関節ロボットの干渉回避方法が適用される３次元形状測定システム１０は、車両の形状をしたワークＷの３次元形状を測定するシステムであって、ワークＷの面形状を測定するレーザスキャナ１２をエンドエフェクタとして備えた多関節ロボット１４と、レーザスキャナ１２の位置を検出する位置検出装置１６と、多関節ロボット１４及び位置検出装置１６から供給されるデータを処理するデータ処理部１８とを有する。多関節ロボット１４は、移動台車２２上に載置されており、該移動台車２２の内部には、多関節ロボット１４を制御する制御部１９が設けられている。ワークＷは形状がデータ化されていないクレーモデルであって、制御部１９において形状が認識されていない。
【００２１】
多関節ロボット１４は７軸の関節を備え、姿勢の冗長性を有する。すなわち、多関節ロボット１４は、レーザスキャナ１２の位置及び姿勢を保持したまま様々な姿勢（理論上、無限大個の姿勢）をとり得る。図２に示すように、多関節ロボット１４の先端部３６には、支持部２０ａを介してワークＷ（図３参照）までの距離を測定するレーザ変位計２０が設けられている。
【００２２】
多関節ロボット１４は、図１に示すように、矢印Ａで示される基本のティーチングデータに基づきワークＷの面に沿ってレーザスキャナ１２を移動させる。このとき、レーザ変位計２０のデータを参照しながら、レーザスキャナ１２をワークＷの表面から所定の距離であるＬ±εとなるように維持しながら移動させる。
【００２３】
また、多関節ロボット１４が載置される移動台車２２上は自走可能であり、ワークＷの縦方向軸２４と平行に延在するレール２６に沿って移動することができる。多関節ロボット１４は移動可能であることから、ワークＷの所定区域毎の測定を行った後に多関節ロボット１４を移動させて次の区域の測定を行うことができる。縦方向軸２４はワークＷの位置を示すためにワークＷの中心に設定される仮想の軸であり、該縦方向軸２４における多関節ロボット１４の略正面には比較基準点Ｐ１が設けられている。
【００２４】
図２に示すように、多関節ロボット１４は、ベース部３０と、該ベース部３０を基準にして、順に第１アーム３２、第２アーム３４を有し、第２アーム３４の先の先端部３６に前記レーザスキャナ１２が設けられている。第１アーム３２はベース部３０に対して水平及び垂直に回動可能な軸Ｊ１、Ｊ２によって接続されている。また、第１アーム３２は途中の軸Ｊ３によって捻り回転が可能である。
【００２５】
第２アーム３４は第１アーム３２と軸Ｊ４で回動可能に連結されている。第２アーム３４は途中の軸Ｊ５によって捻り回転が可能である。
【００２６】
先端部３６は第２アーム３４と軸Ｊ６で回動可能に連結されており、軸Ｊ７により捻り回転が可能である。
【００２７】
このように多関節ロボット１４は７軸の関節を有することから、前記のとおり姿勢の冗長性を有し、人間の腕のように自由な動作が可能である。また、軸Ｊ４は、人間の腕における肘部とみなすことができ、上下左右に突出しやすい。従って、軸Ｊ４はワークＷに対しても干渉を起こしやすいが、本実施の形態に係る多関節ロボット１４の干渉回避方法を行うことにより、この干渉を効率的に回避することができる。軸Ｊ４の中心部には、比較基準点Ｐ１（図１参照）に対する仮想的な対象点である比較対象点Ｑ１が設定されている。
【００２８】
多関節ロボット１４の軸Ｊ１〜Ｊ７は、全てが回転動作を行う軸である必要はなく、姿勢の冗長性を有する構成であれば、伸縮動作、平行リンク動作等の動作部を有するものであってもよい。関節の構成は８軸以上であってもよい。
【００２９】
図３に示すように、レーザスキャナ１２は、３つの突起部にそれぞれ赤外線ＬＥＤ４０を備えている。位置検出装置１６（図１参照）は、１次元ＣＣＤからなる３つの検出部４２により赤外線ＬＥＤ４０が発光する赤外線を検出して３次元空間上におけるレーザスキャナ１２の位置を正確に検出することができる。検出部４２は、２個以上の２次元ＣＣＤでもよい。
【００３０】
具体的には、３つの赤外線ＬＥＤ４０からのエネルギーを検出部４２によってそれぞれ検出し、各検出部４２から赤外線ＬＥＤ４０の方向を認識する。これにより、レーザスキャナ１２の空間的位置及び姿勢を求めることができる。この処理はリアルタイムで行われる。
【００３１】
レーザスキャナ１２は、投光部５０からレーザを矢印Ｂ方向に走査しながらワークＷに照射して幅Ｄの区間の形状を測定することができる。また、レーザスキャナ１２は、ワークＷの表面から投光部５０までの距離がＬ±εの範囲に設定されている必要があり、レーザ変位計２０によってこの距離を測定している。該レーザ変位計２０による測定データは、制御部１９に供給されて処理され、レーザスキャナ１２が適切な位置となるように多関節ロボット１４の姿勢を制御する。
【００３２】
図４に示すように、制御部１９はサーボドライバ５２を介して多関節ロボット１４を動作させる運動制御ボード５４と、入出力インターフェース５６と、コンピュータ５８とを有する。コンピュータ５８は、運動制御ボード５４及び入出力インターフェース５６と接続されており、制御部１９全体の制御を行う。
【００３３】
制御部１９は、レーザスキャナインターフェース６０を介してレーザスキャナ１２の計測データを取得することができる。また、制御部１９は、アンプ６２を介して走行軸モータ６４を動作させ、移動台車２２を自走させることができる。さらに、制御部１９は、矢印Ａ（図１参照）で示される基本のティーチングデータを設定するためのティーチングボックス６６及び操作ボックス６８と接続されており、相互にデータ通信が可能である。移動台車２２には無停電電源を搭載し、該無停電電源を介して制御部１９等に電源を供給するようにすると、動作信頼性が向上する。
【００３４】
次に、このように構成される３次元形状測定システム１０を用いて、多関節ロボット１４のワークＷに対する干渉を回避する方法について図５に示すフローチャートを参照しながら説明する。
【００３５】
先ず、ステップＳ１において、ティーチングボックス６６（図４参照）を用いて、矢印Ａ（図１参照）で示される基本のティーチングデータを設定する。このティーチングデータは、ワークＷから適当な距離だけ離間したおおよその経路を示すものであればよく、ワークＷの形状が正確に把握されていない状況でも設定可能である。
【００３６】
次に、ティーチングデータに基づいて多関節ロボット１４を動作させるとともに、位置検出装置１６でレーザスキャナ１２の位置を検出しながら該レーザスキャナ１２によってワークＷの形状を測定し、測定したデータをデータ処理部１８に供給する。
【００３７】
具体的には、先ず、ステップＳ２において、ティーチングデータで示される位置にレーザスキャナ１２を配置させ、レーザ変位計２０によりレーザスキャナ１２とワークＷの表面との距離を測定する。この距離がＬ±εの範囲内に入っていないときには、レーザスキャナ１２をワークＷに対して進退させてＬ±εとなるように設定する。
【００３８】
このようにして先端部３６及びレーザスキャナ１２の位置及び姿勢が決定される。なお、このステップＳ２の処理は、先端部３６及びレーザスキャナ１２の位置及び姿勢が計算上で決定されればよく、この時点で多関節ロボット１４を実際に動作させる必要はない。
【００３９】
次に、ステップＳ３において、前記ステップＳ２（又はステップＳ５）で決定した先端部３６の位置及び姿勢を維持したまま、多関節ロボット１４の軸Ｊ１〜Ｊ７の姿勢を決定する。この際、多関節ロボット１４は、７軸の関節を備え姿勢の冗長性を有することから、とり得る姿勢は理論上無限通り存在する。
【００４０】
ところで、ワークＷと多関節ロボット１４との干渉は回避しなければならないが、ワークＷはクレーモデルであって、正確な形状は制御部１９で認識されていない。実際上、ワークＷに対して干渉する可能性が大きい箇所は、人間の腕でいう肘部に相当する軸Ｊ４であることは明らかである。そこで、本実施の形態に係る多関節ロボット１４の干渉回避方法では、ワークＷの中心部に設けた比較基準点Ｐ１から、多関節ロボット１４の軸Ｊ４に設けたの比較対象点Ｑ１までの距離Ｍ（図６参照）が最大となるように多関節ロボット１４の軸Ｊ１〜Ｊ７の姿勢を決定する。
【００４１】
つまり、多関節ロボット１４の姿勢を決定する条件は２つあり、１つは、ステップＳ２で求めた先端部３６及びレーザスキャナ１２の位置及び姿勢であり、もう１つは、比較基準点Ｐ１から比較対象点Ｑ１までの距離Ｍが最大となることである。このステップＳ３の詳細な処理については後述する。
【００４２】
次に、ステップＳ４において、前記ステップＳ３で求めた結果に基づいて多関節ロボット１４を実際に動作させる。これにより、レーザスキャナ１２はワークＷに対してＬ±εの範囲となってワークＷの形状を測定することができる。測定したデータは、レーザスキャナインターフェース６０及び制御部１９を介してデータ処理部１８に供給される。該データ処理部１８には、位置検出装置１６からレーザスキャナ１２の位置及び姿勢に関するデータが供給されることから、結果としてデータ処理部１８においてワークＷの表面形状を正確に測定することができる。
【００４３】
次に、ステップＳ５において、先端部３６及びレーザスキャナ１２を移動させる位置を求める。この移動は、現在の先端部３６及びレーザスキャナ１２の位置及び姿勢に基づいて、矢印Ａで示される方向と略同じ方向に設定すればよい。また、レーザ変位計２０のデータを考慮し、レーザスキャナ１２がワークＷの表面に対してＬ±εの範囲を逸脱しないように適当な補正をかけて移動方向を決定すればよい。例えば、レーザスキャナ１２とワークＷとの距離がＬ＋εに近い値であるときには先端部３６及びレーザスキャナ１２をワークＷに接近させる方向に補正し、レーザスキャナ１２とワークＷとの距離がＬ−εに近い値であるときには先端部３６及びレーザスキャナ１２をワークＷから離間させる方向に補正すればよい。
【００４４】
なお、この移動方向は、現在の先端部３６及びレーザスキャナ１２の位置及び姿勢に基づいて決定すればよく、先端部３６及びレーザスキャナ１２を、矢印Ａで示されるティーチングデータの位置まで戻す必要はない。これにより、レーザスキャナ１２をワークＷの表面に対してＬ±εの距離に保ったまま測定を連続的に続行することができる。
【００４５】
この後、前記ステップＳ３に戻り、ステップＳ５で決定した先端部３６の位置及び姿勢を維持したまま、多関節ロボット１４の軸Ｊ１〜Ｊ７の姿勢を決定し、測定を続行する。このようにステップＳ３〜Ｓ５を連続的に実行することにより、レーザスキャナ１２がワークＷに対して距離Ｌ±εに保たれたまま倣い動作を行うことができ、リアルタイムにワークＷの形状を測定することができる。
【００４６】
換言すると、多関節ロボット１４の先端部３６をワークＷに倣わせて移動させながらリアルタイムで多関節ロボット１４の姿勢を決定することにより、正確な形状が不明である種々のワークＷに対して、干渉を回避させながら形状の計測を行うことができる。
【００４７】
矢印Ａで示されるティーチングデータに基づいてワークＷの測定を行った後、別のティーチングデータ（例えば、矢印Ａに対して隣接し、略平行で反対方向のティーチングデータ）に基づいて同様の測定を行う。
【００４８】
さらにまた、所定本数のティーチングデータに基づいて、ワークＷの所定区域の測定が終了した後、走行軸モータ６４（図４参照）を駆動させて移動台車２２をレール２６（図１参照）に沿って移動させ、隣接する区域について同様の測定を行う。この場合、移動台車２２の移動量Ｙ１に応じて、比較基準点Ｐ１も同方向に移動量Ｙ１だけ距離を移動させるとよい。このようにすると、比較基準点Ｐ１は、多関節ロボット１４の略正面の位置に保たれ、ワークＷと多関節ロボット１４との干渉を回避しやすい。
【００４９】
また、移動台車２２の移動に無関係に固定された比較基準点Ｐ１０を比較基準点Ｐ１の代わりとして用いてもよい。特に、ワークＷの形状が比較的単純である場合に、比較基準点Ｐ１０をワークＷの中心部に設けるとよい。実際上、車両の形状のワークＷに対しては固定された比較基準点Ｐ１０が有効である。比較基準点Ｐ１０は、移動台車２２の位置に応じて移動させる必要がないことから、制御手順が簡素化される。この固定された比較基準点Ｐ１０を用いることにより、多関節ロボット１４を任意の配置に設定可能であり、例えば、多関節ロボット１４をワークＷの正面に配置して、フロントウィンド及びボンネットの形状を測定することができる。
【００５０】
次に、前記ステップＳ３の詳細な処理について図６を参照しながら説明する。
【００５１】
７自由度を有する多関節ロボット１４は、その第ｉ関節（ｉ＝１、２、…７）の関節変数をｑｉとしたとき、アームの姿勢を示すベクトルｑは、ｑ＝［ｑ１、ｑ２、…ｑ７］Ｔと表される。レーザスキャナ１２の絶対位置を（ｘ、ｙ、ｚ）、姿勢を（φ、θ、ψ）と表したとき、作業変数ｙはｙ＝［ｘ、ｙ、ｚ、φ、θ、ψ］Ｔと表される。このとき、多関節ロボット１４の目標軌道ｙｄ（ｔ）が与えられたときの目標関節角度ｑｄの時間微分値である目標関節速度ｑｄ’（＝ｄｑｄ／ｄｔ）に関する一般解は（１）式で与えられる。
ｑｄ’＝Ｊ＋ｙｄ’＋（Ｉ−Ｊ＋Ｊ）ｋ …（１）
【００５２】
ここでＪはｙのｑに関するヤコビ行列Ｊ（ｑ）＝ｄｙ／ｄｑＴ、Ｉは適当なサイズの単位行列、Ｊ＋はＪに関する一般化逆行列、ｋは７次元任意定数ベクトル、ｙｄ’は目標軌跡ｙｄの時間微分値である。（１）式の第１項はｙｄを実現するための１つの関節速度で、第２項は解の冗長性を表すことになる。
【００５３】
目標軌跡ｙｄを実現し、その際に残った冗長性を利用するための評価関数ｐを（２）式で表す。
ｐ＝Ｖ（ｑ） …（２）
【００５４】
このような評価関数ｐをできるだけ大きくするような解の１つは、（１）式のｋを次の（３）式、（４）式及び（５）式により求めればよい。
ｋ＝ξｋｐ …（３）
ξ＝［ξ１、ξ２、…、ξ７］Ｔ …（４）
ξｌ＝∂Ｖ（ｑ）／∂ｑｌ …（５）
【００５５】
ここでｋｐは適当な正の定数である。
【００５６】
つまり、評価関数ｐ＝Ｖ（ｑ）を比較基準点Ｐ１と比較対象点Ｑ１の距離Ｍとして記述して解けば多関節ロボット１４の姿勢を求めることができる。
【００５７】
具体的には、多関節ロボット１４が図６のようにモデル化して表される場合、比較基準点Ｐ１と比較対象点Ｑ１との距離Ｍの二乗Ｍ２は、
として表される。ここで、Ｘ、Ｙ、Ｚはそれぞれ比較基準点Ｐ１の絶対座標、ｌ１、ｌ２はベース部３０及び第１アーム３２の長さ、ｑ１、ｑ２は軸Ｊ１、Ｊ２の回動角度である。このようにして求められる距離Ｍの二乗Ｍ２を評価関数ｐ＝Ｖ（ｑ）に適用して多関節ロボット１４の姿勢を求めればよい。
【００５８】
また、ステップＳ３の処理をブロック図として表わす場合、図７に示すように、フィードフォワードの作用を持つ干渉回避計算モジュール８２と、該干渉回避計算モジュール８２の出力値を積分する積分器８４等で表される。これらの干渉回避計算モジュール８２及び積分器８４等は、多関節ロボット１４からのフィードバック信号であるｑ（ｔ）及びその時間微分値であるｑ’（ｔ）（＝ｄｑ（ｔ）／ｄｔ）に基づいて出力信号を算出することができる。
【００５９】
次に、本実施の形態に係る多関節ロボット１４の干渉回避方法の第１〜３の変形例について説明する。
【００６０】
図８に示すように、第１の変形例では、比較対象点Ｑ１を軸Ｊ４と軸Ｊ６を接続する第２アーム３４の中点に設定する。つまり、第２アーム３４の長さｌ３に対して、軸Ｊ４及び軸Ｊ６からの距離がそれぞれｌ３／２となる位置に比較対象点Ｑ１を設定し、その他の処理は、上記の実施の形態と同様に行う。
【００６１】
この第１の変形例では、軸Ｊ６よりも先の部分である先端部３６が長く、軸Ｊ４に加えて軸Ｊ６も肘部の１つとみなされ、ワークＷに対して軸Ｊ４及び軸Ｊ６のいずれか一方の干渉を回避させても他方が干渉するおそれがあるような場合に有効である。つまり、干渉のおそれのある軸Ｊ４と軸Ｊ６の中点を比較対象点Ｑ１とすることにより、軸Ｊ４及び軸Ｊ６の双方をワークＷに対して干渉を回避させることができる。
【００６２】
また、例えば、統計的手法等により、多関節ロボット１４におけるワークＷに対して干渉する確率の高い箇所が求められる場合には、その箇所に比較対象点Ｑ１を設定してもよい。
【００６３】
図９に示すように、第２の変形例では、ワークＷにおいて、比較基準点Ｐ１に加えて別の箇所に比較基準点Ｐ２を設定し、比較基準点Ｐ１と比較対象点Ｑ１との距離Ｍ１、及び比較基準点Ｐ１と比較対象点Ｑ１との距離Ｍ２を求める。
【００６４】
次に、上記の実施の形態における距離Ｍに相当する変数Ｎの二乗Ｎ２を、Ｎ２＝α１・Ｍ１２＋α２・Ｍ２２として求め、前記（２）式の評価関数に対して適用すればよい。ここで、α１及びα２は、適当な重み付け係数である。α１及びα２はそれぞれ同値であってもよい。
【００６５】
このように、比較基準点Ｐ１の他に比較基準点Ｐ２を設ける方法は、ワークＷが複雑な形状である場合に有効である。例えば、比較基準点Ｐ２をバックミラー８０のような突起部に設定することにより、このバックミラー８０に対して軸Ｊ４を離間させることができる。
【００６６】
また、ワークＷの概略表面形状が既知である場合には、その表面形状に沿って比較基準点を３以上設定してもよい。この場合、各比較基準点から比較対象点Ｑ１までの距離を求め、重み付けをして加算し（２）式の評価関数に適用すればよい。さらに、比較基準点Ｐ２は、ワークＷ以外の周辺の障害物に設定してもよい。
【００６７】
図１０に示すように、第３の変形例では、９つの軸Ｊ１〜Ｊ９を備える多関節ロボット１４ａとワークＷとの干渉を回避させる。多関節ロボット１４ａは、９つの軸Ｊ１〜Ｊ９を備え、肘に相当する箇所が軸Ｊ４、Ｊ６及びＪ８の３箇所存在する。これらの各軸Ｊ４、Ｊ６及びＪ８にそれぞれ比較対象点Ｑ１、Ｑ２及びＱ３を設定し、比較基準点Ｐ１と比較対象点Ｑ１との距離Ｍ１、及び比較基準点Ｐ１と比較対象点Ｑ１との距離Ｍ２、及び、比較基準点Ｐ１と比較対象点Ｑ３との距離Ｍ３を求める。
【００６８】
次に、上記の実施の形態における距離Ｍに相当する変数Ｎの二乗Ｎ２を、Ｎ２＝α１・Ｍ１２＋α２・Ｍ２２＋α３・Ｍ３２として求め、前記（２）式の評価関数に対して適用すればよい。ここで、α１、α２及びα３は、適当な重み付け係数である。α１、α２及びα３はそれぞれ同値であってもよい。
【００６９】
このように、多数の関節を備え、ワークＷに干渉するおそれのある箇所が複数存在する多関節ロボット１４ａに対しては、干渉するおそれのある箇所それぞれに比較対象点Ｑ１、Ｑ２及びＱ３を設けるとよい。これにより、比較対象点Ｑ１〜Ｑ３をバランスよくワークＷから離間させることができ、干渉を回避させることができる。
【００７０】
なお、本実施の形態に係る多関節ロボットの干渉回避方法は、３次元形状測定システム１０に適用し、比較基準点Ｐ１をワークＷに設定したが、該比較基準点Ｐ１は、ワークＷ以外の周辺の障害物に設定してもよい。
【００７１】
本発明に係る多関節ロボットの干渉回避方法は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成乃至手順を採り得ることはもちろんである。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る多関節ロボットの干渉回避方法では、７軸以上の関節を備え、姿勢の冗長性を有する多関節ロボットの先端位置及び姿勢を維持したまま、ワークの比較基準点と多関節ロボットの比較対象点との距離が最大となるように多関節ロボットの姿勢を決定する。従って、多関節ロボットとワークとの干渉を効率的に回避することができる。
【００７３】
また、比較基準点又は比較対象点を複数設定し、比較基準点と比較対象点とのそれぞれの距離に重み付けをして加算した変数が最大となるように多関節ロボットの姿勢を決定してもよい。これにより、ワークＷが複雑な形状である場合や、多関節ロボットが多数の関節を備える場合に、干渉するおそれのある箇所同士をそれぞれバランスよく離間させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る多関節ロボットの干渉回避方法が適用される３次元形状測定システムの概略斜視図である。
【図２】レーザスキャナを備える多関節ロボット及び該多関節ロボットが載置される移動台車を示す斜視図である。
【図３】レーザスキャナ及びレーザ変位計を用いてワークの形状を測定する様子を示す概略斜視図である。
【図４】本実施の形態に係る多関節ロボットの干渉回避方法が適用される３次元形状測定システムの概略ブロック図である。
【図５】本実施の形態に係る多関節ロボットの干渉回避方法の手順を示すフローチャートである。
【図６】ワークの比較基準点と多関節ロボットの肘部に設定された比較対象点との距離を示すモデル図である。
【図７】コンピュータの内部における多関節ロボットの姿勢を決定する部分の作用を示すブロック図である。
【図８】ワークの比較基準点と多関節ロボットのアームの中点に設定された比較対象点との距離を示すモデル図である。
【図９】ワークの複数の比較基準点と多関節ロボットの肘部に設定された比較対象点との各距離を示すモデル図である。
【図１０】ワークの比較基準点と多関節ロボットの複数の比較対象点との各距離を示すモデル図である。
【符号の説明】
１０…３次元形状測定システム １２…レーザスキャナ
１４、１４ａ…多関節ロボット １６…位置検出装置
１８…データ処理部 １９…制御部
２０…レーザ変位計 ２２…移動台車
２４…縦方向軸 ３２…第１アーム
３４…第２アーム ３６…先端部
４０…赤外線ＬＥＤ ４２…検出部
Ｊ１〜Ｊ７…軸 Ｍ、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３…距離
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ１０…比較基準点 Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３…比較対象点
Ｗ…ワーク
【発明の属する技術分野】
本発明は、７軸以上の関節を備え、姿勢の冗長性を有する多関節ロボットの干渉回避方法に関し、特に、先端部をワークに対して適切な位置及び姿勢に保持したまま、肘関節等がワークに干渉することを防止する多関節ロボットの干渉回避方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
先端に専用のエンドエフェクタを設けた多関節ロボットは、溶接作業、塗装作業等に広範に用いられている。多関節ロボットの姿勢は、先ずエンドエフェクタのワークに対する位置及び姿勢を決定した後に、この位置及び姿勢を維持したまま、他の関節の動きを求めることがある。
【０００３】
エンドエフェクタをワークに対して自由な位置及び姿勢に設定するためには、いわゆる６自由度の動作が必要であり、これを実現するために多関節ロボットは６軸の関節が必要である。エンドエフェクタの位置及び姿勢を実現するために、６軸の多関節ロボットは有限個の姿勢をとり得ることから、このうち任意の姿勢を選択すればよい。しかしながら、６軸の多関節ロボットでは、エンドエフェクタの位置及び姿勢の条件以外に他の条件（例えば、干渉回避）を考慮すると適当な姿勢がない場合があり、姿勢の設定上の汎用性、融通性が劣るため、エンドエフェクタの位置及び姿勢を決定した状態で、多関節ロボットの姿勢を自由に設定する性能である冗長性を備えるために、７軸の多関節ロボットを用いることになる。
【０００４】
ところが、７軸の多関節ロボットは、冗長性を備える一方、制御する方法はやや複雑になる。７軸の多関節ロボットを制御する方法として、マスタ・スレーブ構造を用い、マスタの肘関節にセンサを設けて制御する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−３００８７１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
７軸の多関節ロボットでは、冗長性を利用することにより、特異姿勢回避、障害物回避、機構的な制限の回避等の種々の動作が可能であるが、制御アルゴリズムが複雑になり、状況に応じてどのような姿勢を設定すればよいかが問題となる。
【０００７】
特に、動作が予め決められてなく、ワークの形状等に応じてリアルタイムに姿勢を決定する必要がある場合において、ワークや障害物に対して効率的に干渉を回避する方法がない。
【０００８】
前記特許文献１の技術は、マスタ・スレーブ構造であって、オペレータが介在する必要があることから半自動である。従って、スレーブである多関節ロボットを自動的に動作させることはできない。
【０００９】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、多関節ロボットの先端位置及び姿勢を維持したまま、ワークに対して効率的に干渉を回避することを可能にする多関節ロボットの干渉回避方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る多関節ロボットの干渉回避方法は、７軸以上の関節を備え、姿勢の冗長性を有する多関節ロボットの先端位置及び姿勢を決定する第１ステップと、前記第１ステップで決定した先端位置及び姿勢を維持したまま、ワークに設けた所定の比較基準点から前記多関節ロボットの比較対象点までの距離が最大となるように前記多関節ロボットの姿勢を決定する第２ステップと、を実行することを特徴とする。ここで、ワークとは、多関節ロボットの作業対象物に限らず、その周辺障害物を含む。
【００１１】
このように、多関節ロボットの先端位置及び姿勢を維持したまま、比較基準点と比較対象点との距離が最大となるように多関節ロボットの姿勢を決定することにより、多関節ロボットとワークとの干渉を効率的に回避することができる。
【００１２】
この場合、前記比較対象点は、前記多関節ロボットの所定関節の中心に設定されていると、より効率的に干渉を回避することができる。
【００１３】
また、前記比較対象点は、前記多関節ロボットの２つの関節を接続するアームの中点に設定されていると、２つの関節をそれぞれワークから離間させることができる。
【００１４】
さらに、本発明に係る多関節ロボットの干渉回避方法は、７軸以上の関節を備え、姿勢の冗長性を有する多関節ロボットの先端位置及び姿勢を決定する第１ステップと、前記第１ステップで決定した先端位置及び姿勢を維持したまま、ワークに設けた複数の比較基準点から前記多関節ロボットの比較対象点までの各距離を求め、それぞれに重み付けをする第２ステップと、重み付けをした前記距離の和が最大となるように前記多関節ロボットの姿勢を決定する第３ステップと、を実行することを特徴とする。
【００１５】
さらにまた、本発明に係る多関節ロボットの干渉回避方法は、７軸以上の関節を備え、姿勢の冗長性を有する多関節ロボットの先端位置及び姿勢を決定する第１ステップと、前記第１ステップで決定した先端位置及び姿勢を維持したまま、ワークに設けた所定の比較基準点から前記多関節ロボットの複数の比較対象点までの各距離を求め、それぞれに重み付けをする第２ステップと、重み付けをした前記距離の和が最大となるように前記多関節ロボットの姿勢を決定する第３ステップと、を実行することを特徴とする。
【００１６】
このように、比較基準点又は比較対象点を複数設定し、比較基準点と比較対象点とのそれぞれの距離に重み付けをして加算した変数が最大となるように多関節ロボットの姿勢を決定することにより、ワークＷが複雑な形状である場合や、多関節ロボットが多数の関節を備える場合に、干渉するおそれのある箇所同士をそれぞれバランスよく離間させることができる。
【００１７】
前記多関節ロボットの先端部を前記ワークに倣わせて移動させながら、リアルタイムで前記多関節ロボットの姿勢を決定するようにしてもよい。
【００１８】
前記多関節ロボットはベース部が移動可能であり、前記比較基準点は、前記多関節ロボットの移動に伴い、該多関節ロボットとの相対的な位置を保持するように移動設定してもよい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る多関節ロボットの干渉回避方法について好適な実施の形態を挙げ、添付の図１〜図１０を参照しながら説明する。
【００２０】
図１に示すように、本実施の形態に係る多関節ロボットの干渉回避方法が適用される３次元形状測定システム１０は、車両の形状をしたワークＷの３次元形状を測定するシステムであって、ワークＷの面形状を測定するレーザスキャナ１２をエンドエフェクタとして備えた多関節ロボット１４と、レーザスキャナ１２の位置を検出する位置検出装置１６と、多関節ロボット１４及び位置検出装置１６から供給されるデータを処理するデータ処理部１８とを有する。多関節ロボット１４は、移動台車２２上に載置されており、該移動台車２２の内部には、多関節ロボット１４を制御する制御部１９が設けられている。ワークＷは形状がデータ化されていないクレーモデルであって、制御部１９において形状が認識されていない。
【００２１】
多関節ロボット１４は７軸の関節を備え、姿勢の冗長性を有する。すなわち、多関節ロボット１４は、レーザスキャナ１２の位置及び姿勢を保持したまま様々な姿勢（理論上、無限大個の姿勢）をとり得る。図２に示すように、多関節ロボット１４の先端部３６には、支持部２０ａを介してワークＷ（図３参照）までの距離を測定するレーザ変位計２０が設けられている。
【００２２】
多関節ロボット１４は、図１に示すように、矢印Ａで示される基本のティーチングデータに基づきワークＷの面に沿ってレーザスキャナ１２を移動させる。このとき、レーザ変位計２０のデータを参照しながら、レーザスキャナ１２をワークＷの表面から所定の距離であるＬ±εとなるように維持しながら移動させる。
【００２３】
また、多関節ロボット１４が載置される移動台車２２上は自走可能であり、ワークＷの縦方向軸２４と平行に延在するレール２６に沿って移動することができる。多関節ロボット１４は移動可能であることから、ワークＷの所定区域毎の測定を行った後に多関節ロボット１４を移動させて次の区域の測定を行うことができる。縦方向軸２４はワークＷの位置を示すためにワークＷの中心に設定される仮想の軸であり、該縦方向軸２４における多関節ロボット１４の略正面には比較基準点Ｐ１が設けられている。
【００２４】
図２に示すように、多関節ロボット１４は、ベース部３０と、該ベース部３０を基準にして、順に第１アーム３２、第２アーム３４を有し、第２アーム３４の先の先端部３６に前記レーザスキャナ１２が設けられている。第１アーム３２はベース部３０に対して水平及び垂直に回動可能な軸Ｊ１、Ｊ２によって接続されている。また、第１アーム３２は途中の軸Ｊ３によって捻り回転が可能である。
【００２５】
第２アーム３４は第１アーム３２と軸Ｊ４で回動可能に連結されている。第２アーム３４は途中の軸Ｊ５によって捻り回転が可能である。
【００２６】
先端部３６は第２アーム３４と軸Ｊ６で回動可能に連結されており、軸Ｊ７により捻り回転が可能である。
【００２７】
このように多関節ロボット１４は７軸の関節を有することから、前記のとおり姿勢の冗長性を有し、人間の腕のように自由な動作が可能である。また、軸Ｊ４は、人間の腕における肘部とみなすことができ、上下左右に突出しやすい。従って、軸Ｊ４はワークＷに対しても干渉を起こしやすいが、本実施の形態に係る多関節ロボット１４の干渉回避方法を行うことにより、この干渉を効率的に回避することができる。軸Ｊ４の中心部には、比較基準点Ｐ１（図１参照）に対する仮想的な対象点である比較対象点Ｑ１が設定されている。
【００２８】
多関節ロボット１４の軸Ｊ１〜Ｊ７は、全てが回転動作を行う軸である必要はなく、姿勢の冗長性を有する構成であれば、伸縮動作、平行リンク動作等の動作部を有するものであってもよい。関節の構成は８軸以上であってもよい。
【００２９】
図３に示すように、レーザスキャナ１２は、３つの突起部にそれぞれ赤外線ＬＥＤ４０を備えている。位置検出装置１６（図１参照）は、１次元ＣＣＤからなる３つの検出部４２により赤外線ＬＥＤ４０が発光する赤外線を検出して３次元空間上におけるレーザスキャナ１２の位置を正確に検出することができる。検出部４２は、２個以上の２次元ＣＣＤでもよい。
【００３０】
具体的には、３つの赤外線ＬＥＤ４０からのエネルギーを検出部４２によってそれぞれ検出し、各検出部４２から赤外線ＬＥＤ４０の方向を認識する。これにより、レーザスキャナ１２の空間的位置及び姿勢を求めることができる。この処理はリアルタイムで行われる。
【００３１】
レーザスキャナ１２は、投光部５０からレーザを矢印Ｂ方向に走査しながらワークＷに照射して幅Ｄの区間の形状を測定することができる。また、レーザスキャナ１２は、ワークＷの表面から投光部５０までの距離がＬ±εの範囲に設定されている必要があり、レーザ変位計２０によってこの距離を測定している。該レーザ変位計２０による測定データは、制御部１９に供給されて処理され、レーザスキャナ１２が適切な位置となるように多関節ロボット１４の姿勢を制御する。
【００３２】
図４に示すように、制御部１９はサーボドライバ５２を介して多関節ロボット１４を動作させる運動制御ボード５４と、入出力インターフェース５６と、コンピュータ５８とを有する。コンピュータ５８は、運動制御ボード５４及び入出力インターフェース５６と接続されており、制御部１９全体の制御を行う。
【００３３】
制御部１９は、レーザスキャナインターフェース６０を介してレーザスキャナ１２の計測データを取得することができる。また、制御部１９は、アンプ６２を介して走行軸モータ６４を動作させ、移動台車２２を自走させることができる。さらに、制御部１９は、矢印Ａ（図１参照）で示される基本のティーチングデータを設定するためのティーチングボックス６６及び操作ボックス６８と接続されており、相互にデータ通信が可能である。移動台車２２には無停電電源を搭載し、該無停電電源を介して制御部１９等に電源を供給するようにすると、動作信頼性が向上する。
【００３４】
次に、このように構成される３次元形状測定システム１０を用いて、多関節ロボット１４のワークＷに対する干渉を回避する方法について図５に示すフローチャートを参照しながら説明する。
【００３５】
先ず、ステップＳ１において、ティーチングボックス６６（図４参照）を用いて、矢印Ａ（図１参照）で示される基本のティーチングデータを設定する。このティーチングデータは、ワークＷから適当な距離だけ離間したおおよその経路を示すものであればよく、ワークＷの形状が正確に把握されていない状況でも設定可能である。
【００３６】
次に、ティーチングデータに基づいて多関節ロボット１４を動作させるとともに、位置検出装置１６でレーザスキャナ１２の位置を検出しながら該レーザスキャナ１２によってワークＷの形状を測定し、測定したデータをデータ処理部１８に供給する。
【００３７】
具体的には、先ず、ステップＳ２において、ティーチングデータで示される位置にレーザスキャナ１２を配置させ、レーザ変位計２０によりレーザスキャナ１２とワークＷの表面との距離を測定する。この距離がＬ±εの範囲内に入っていないときには、レーザスキャナ１２をワークＷに対して進退させてＬ±εとなるように設定する。
【００３８】
このようにして先端部３６及びレーザスキャナ１２の位置及び姿勢が決定される。なお、このステップＳ２の処理は、先端部３６及びレーザスキャナ１２の位置及び姿勢が計算上で決定されればよく、この時点で多関節ロボット１４を実際に動作させる必要はない。
【００３９】
次に、ステップＳ３において、前記ステップＳ２（又はステップＳ５）で決定した先端部３６の位置及び姿勢を維持したまま、多関節ロボット１４の軸Ｊ１〜Ｊ７の姿勢を決定する。この際、多関節ロボット１４は、７軸の関節を備え姿勢の冗長性を有することから、とり得る姿勢は理論上無限通り存在する。
【００４０】
ところで、ワークＷと多関節ロボット１４との干渉は回避しなければならないが、ワークＷはクレーモデルであって、正確な形状は制御部１９で認識されていない。実際上、ワークＷに対して干渉する可能性が大きい箇所は、人間の腕でいう肘部に相当する軸Ｊ４であることは明らかである。そこで、本実施の形態に係る多関節ロボット１４の干渉回避方法では、ワークＷの中心部に設けた比較基準点Ｐ１から、多関節ロボット１４の軸Ｊ４に設けたの比較対象点Ｑ１までの距離Ｍ（図６参照）が最大となるように多関節ロボット１４の軸Ｊ１〜Ｊ７の姿勢を決定する。
【００４１】
つまり、多関節ロボット１４の姿勢を決定する条件は２つあり、１つは、ステップＳ２で求めた先端部３６及びレーザスキャナ１２の位置及び姿勢であり、もう１つは、比較基準点Ｐ１から比較対象点Ｑ１までの距離Ｍが最大となることである。このステップＳ３の詳細な処理については後述する。
【００４２】
次に、ステップＳ４において、前記ステップＳ３で求めた結果に基づいて多関節ロボット１４を実際に動作させる。これにより、レーザスキャナ１２はワークＷに対してＬ±εの範囲となってワークＷの形状を測定することができる。測定したデータは、レーザスキャナインターフェース６０及び制御部１９を介してデータ処理部１８に供給される。該データ処理部１８には、位置検出装置１６からレーザスキャナ１２の位置及び姿勢に関するデータが供給されることから、結果としてデータ処理部１８においてワークＷの表面形状を正確に測定することができる。
【００４３】
次に、ステップＳ５において、先端部３６及びレーザスキャナ１２を移動させる位置を求める。この移動は、現在の先端部３６及びレーザスキャナ１２の位置及び姿勢に基づいて、矢印Ａで示される方向と略同じ方向に設定すればよい。また、レーザ変位計２０のデータを考慮し、レーザスキャナ１２がワークＷの表面に対してＬ±εの範囲を逸脱しないように適当な補正をかけて移動方向を決定すればよい。例えば、レーザスキャナ１２とワークＷとの距離がＬ＋εに近い値であるときには先端部３６及びレーザスキャナ１２をワークＷに接近させる方向に補正し、レーザスキャナ１２とワークＷとの距離がＬ−εに近い値であるときには先端部３６及びレーザスキャナ１２をワークＷから離間させる方向に補正すればよい。
【００４４】
なお、この移動方向は、現在の先端部３６及びレーザスキャナ１２の位置及び姿勢に基づいて決定すればよく、先端部３６及びレーザスキャナ１２を、矢印Ａで示されるティーチングデータの位置まで戻す必要はない。これにより、レーザスキャナ１２をワークＷの表面に対してＬ±εの距離に保ったまま測定を連続的に続行することができる。
【００４５】
この後、前記ステップＳ３に戻り、ステップＳ５で決定した先端部３６の位置及び姿勢を維持したまま、多関節ロボット１４の軸Ｊ１〜Ｊ７の姿勢を決定し、測定を続行する。このようにステップＳ３〜Ｓ５を連続的に実行することにより、レーザスキャナ１２がワークＷに対して距離Ｌ±εに保たれたまま倣い動作を行うことができ、リアルタイムにワークＷの形状を測定することができる。
【００４６】
換言すると、多関節ロボット１４の先端部３６をワークＷに倣わせて移動させながらリアルタイムで多関節ロボット１４の姿勢を決定することにより、正確な形状が不明である種々のワークＷに対して、干渉を回避させながら形状の計測を行うことができる。
【００４７】
矢印Ａで示されるティーチングデータに基づいてワークＷの測定を行った後、別のティーチングデータ（例えば、矢印Ａに対して隣接し、略平行で反対方向のティーチングデータ）に基づいて同様の測定を行う。
【００４８】
さらにまた、所定本数のティーチングデータに基づいて、ワークＷの所定区域の測定が終了した後、走行軸モータ６４（図４参照）を駆動させて移動台車２２をレール２６（図１参照）に沿って移動させ、隣接する区域について同様の測定を行う。この場合、移動台車２２の移動量Ｙ１に応じて、比較基準点Ｐ１も同方向に移動量Ｙ１だけ距離を移動させるとよい。このようにすると、比較基準点Ｐ１は、多関節ロボット１４の略正面の位置に保たれ、ワークＷと多関節ロボット１４との干渉を回避しやすい。
【００４９】
また、移動台車２２の移動に無関係に固定された比較基準点Ｐ１０を比較基準点Ｐ１の代わりとして用いてもよい。特に、ワークＷの形状が比較的単純である場合に、比較基準点Ｐ１０をワークＷの中心部に設けるとよい。実際上、車両の形状のワークＷに対しては固定された比較基準点Ｐ１０が有効である。比較基準点Ｐ１０は、移動台車２２の位置に応じて移動させる必要がないことから、制御手順が簡素化される。この固定された比較基準点Ｐ１０を用いることにより、多関節ロボット１４を任意の配置に設定可能であり、例えば、多関節ロボット１４をワークＷの正面に配置して、フロントウィンド及びボンネットの形状を測定することができる。
【００５０】
次に、前記ステップＳ３の詳細な処理について図６を参照しながら説明する。
【００５１】
７自由度を有する多関節ロボット１４は、その第ｉ関節（ｉ＝１、２、…７）の関節変数をｑｉとしたとき、アームの姿勢を示すベクトルｑは、ｑ＝［ｑ１、ｑ２、…ｑ７］Ｔと表される。レーザスキャナ１２の絶対位置を（ｘ、ｙ、ｚ）、姿勢を（φ、θ、ψ）と表したとき、作業変数ｙはｙ＝［ｘ、ｙ、ｚ、φ、θ、ψ］Ｔと表される。このとき、多関節ロボット１４の目標軌道ｙｄ（ｔ）が与えられたときの目標関節角度ｑｄの時間微分値である目標関節速度ｑｄ’（＝ｄｑｄ／ｄｔ）に関する一般解は（１）式で与えられる。
ｑｄ’＝Ｊ＋ｙｄ’＋（Ｉ−Ｊ＋Ｊ）ｋ …（１）
【００５２】
ここでＪはｙのｑに関するヤコビ行列Ｊ（ｑ）＝ｄｙ／ｄｑＴ、Ｉは適当なサイズの単位行列、Ｊ＋はＪに関する一般化逆行列、ｋは７次元任意定数ベクトル、ｙｄ’は目標軌跡ｙｄの時間微分値である。（１）式の第１項はｙｄを実現するための１つの関節速度で、第２項は解の冗長性を表すことになる。
【００５３】
目標軌跡ｙｄを実現し、その際に残った冗長性を利用するための評価関数ｐを（２）式で表す。
ｐ＝Ｖ（ｑ） …（２）
【００５４】
このような評価関数ｐをできるだけ大きくするような解の１つは、（１）式のｋを次の（３）式、（４）式及び（５）式により求めればよい。
ｋ＝ξｋｐ …（３）
ξ＝［ξ１、ξ２、…、ξ７］Ｔ …（４）
ξｌ＝∂Ｖ（ｑ）／∂ｑｌ …（５）
【００５５】
ここでｋｐは適当な正の定数である。
【００５６】
つまり、評価関数ｐ＝Ｖ（ｑ）を比較基準点Ｐ１と比較対象点Ｑ１の距離Ｍとして記述して解けば多関節ロボット１４の姿勢を求めることができる。
【００５７】
具体的には、多関節ロボット１４が図６のようにモデル化して表される場合、比較基準点Ｐ１と比較対象点Ｑ１との距離Ｍの二乗Ｍ２は、
【００５８】
また、ステップＳ３の処理をブロック図として表わす場合、図７に示すように、フィードフォワードの作用を持つ干渉回避計算モジュール８２と、該干渉回避計算モジュール８２の出力値を積分する積分器８４等で表される。これらの干渉回避計算モジュール８２及び積分器８４等は、多関節ロボット１４からのフィードバック信号であるｑ（ｔ）及びその時間微分値であるｑ’（ｔ）（＝ｄｑ（ｔ）／ｄｔ）に基づいて出力信号を算出することができる。
【００５９】
次に、本実施の形態に係る多関節ロボット１４の干渉回避方法の第１〜３の変形例について説明する。
【００６０】
図８に示すように、第１の変形例では、比較対象点Ｑ１を軸Ｊ４と軸Ｊ６を接続する第２アーム３４の中点に設定する。つまり、第２アーム３４の長さｌ３に対して、軸Ｊ４及び軸Ｊ６からの距離がそれぞれｌ３／２となる位置に比較対象点Ｑ１を設定し、その他の処理は、上記の実施の形態と同様に行う。
【００６１】
この第１の変形例では、軸Ｊ６よりも先の部分である先端部３６が長く、軸Ｊ４に加えて軸Ｊ６も肘部の１つとみなされ、ワークＷに対して軸Ｊ４及び軸Ｊ６のいずれか一方の干渉を回避させても他方が干渉するおそれがあるような場合に有効である。つまり、干渉のおそれのある軸Ｊ４と軸Ｊ６の中点を比較対象点Ｑ１とすることにより、軸Ｊ４及び軸Ｊ６の双方をワークＷに対して干渉を回避させることができる。
【００６２】
また、例えば、統計的手法等により、多関節ロボット１４におけるワークＷに対して干渉する確率の高い箇所が求められる場合には、その箇所に比較対象点Ｑ１を設定してもよい。
【００６３】
図９に示すように、第２の変形例では、ワークＷにおいて、比較基準点Ｐ１に加えて別の箇所に比較基準点Ｐ２を設定し、比較基準点Ｐ１と比較対象点Ｑ１との距離Ｍ１、及び比較基準点Ｐ１と比較対象点Ｑ１との距離Ｍ２を求める。
【００６４】
次に、上記の実施の形態における距離Ｍに相当する変数Ｎの二乗Ｎ２を、Ｎ２＝α１・Ｍ１２＋α２・Ｍ２２として求め、前記（２）式の評価関数に対して適用すればよい。ここで、α１及びα２は、適当な重み付け係数である。α１及びα２はそれぞれ同値であってもよい。
【００６５】
このように、比較基準点Ｐ１の他に比較基準点Ｐ２を設ける方法は、ワークＷが複雑な形状である場合に有効である。例えば、比較基準点Ｐ２をバックミラー８０のような突起部に設定することにより、このバックミラー８０に対して軸Ｊ４を離間させることができる。
【００６６】
また、ワークＷの概略表面形状が既知である場合には、その表面形状に沿って比較基準点を３以上設定してもよい。この場合、各比較基準点から比較対象点Ｑ１までの距離を求め、重み付けをして加算し（２）式の評価関数に適用すればよい。さらに、比較基準点Ｐ２は、ワークＷ以外の周辺の障害物に設定してもよい。
【００６７】
図１０に示すように、第３の変形例では、９つの軸Ｊ１〜Ｊ９を備える多関節ロボット１４ａとワークＷとの干渉を回避させる。多関節ロボット１４ａは、９つの軸Ｊ１〜Ｊ９を備え、肘に相当する箇所が軸Ｊ４、Ｊ６及びＪ８の３箇所存在する。これらの各軸Ｊ４、Ｊ６及びＪ８にそれぞれ比較対象点Ｑ１、Ｑ２及びＱ３を設定し、比較基準点Ｐ１と比較対象点Ｑ１との距離Ｍ１、及び比較基準点Ｐ１と比較対象点Ｑ１との距離Ｍ２、及び、比較基準点Ｐ１と比較対象点Ｑ３との距離Ｍ３を求める。
【００６８】
次に、上記の実施の形態における距離Ｍに相当する変数Ｎの二乗Ｎ２を、Ｎ２＝α１・Ｍ１２＋α２・Ｍ２２＋α３・Ｍ３２として求め、前記（２）式の評価関数に対して適用すればよい。ここで、α１、α２及びα３は、適当な重み付け係数である。α１、α２及びα３はそれぞれ同値であってもよい。
【００６９】
このように、多数の関節を備え、ワークＷに干渉するおそれのある箇所が複数存在する多関節ロボット１４ａに対しては、干渉するおそれのある箇所それぞれに比較対象点Ｑ１、Ｑ２及びＱ３を設けるとよい。これにより、比較対象点Ｑ１〜Ｑ３をバランスよくワークＷから離間させることができ、干渉を回避させることができる。
【００７０】
なお、本実施の形態に係る多関節ロボットの干渉回避方法は、３次元形状測定システム１０に適用し、比較基準点Ｐ１をワークＷに設定したが、該比較基準点Ｐ１は、ワークＷ以外の周辺の障害物に設定してもよい。
【００７１】
本発明に係る多関節ロボットの干渉回避方法は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成乃至手順を採り得ることはもちろんである。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る多関節ロボットの干渉回避方法では、７軸以上の関節を備え、姿勢の冗長性を有する多関節ロボットの先端位置及び姿勢を維持したまま、ワークの比較基準点と多関節ロボットの比較対象点との距離が最大となるように多関節ロボットの姿勢を決定する。従って、多関節ロボットとワークとの干渉を効率的に回避することができる。
【００７３】
また、比較基準点又は比較対象点を複数設定し、比較基準点と比較対象点とのそれぞれの距離に重み付けをして加算した変数が最大となるように多関節ロボットの姿勢を決定してもよい。これにより、ワークＷが複雑な形状である場合や、多関節ロボットが多数の関節を備える場合に、干渉するおそれのある箇所同士をそれぞれバランスよく離間させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る多関節ロボットの干渉回避方法が適用される３次元形状測定システムの概略斜視図である。
【図２】レーザスキャナを備える多関節ロボット及び該多関節ロボットが載置される移動台車を示す斜視図である。
【図３】レーザスキャナ及びレーザ変位計を用いてワークの形状を測定する様子を示す概略斜視図である。
【図４】本実施の形態に係る多関節ロボットの干渉回避方法が適用される３次元形状測定システムの概略ブロック図である。
【図５】本実施の形態に係る多関節ロボットの干渉回避方法の手順を示すフローチャートである。
【図６】ワークの比較基準点と多関節ロボットの肘部に設定された比較対象点との距離を示すモデル図である。
【図７】コンピュータの内部における多関節ロボットの姿勢を決定する部分の作用を示すブロック図である。
【図８】ワークの比較基準点と多関節ロボットのアームの中点に設定された比較対象点との距離を示すモデル図である。
【図９】ワークの複数の比較基準点と多関節ロボットの肘部に設定された比較対象点との各距離を示すモデル図である。
【図１０】ワークの比較基準点と多関節ロボットの複数の比較対象点との各距離を示すモデル図である。
【符号の説明】
１０…３次元形状測定システム １２…レーザスキャナ
１４、１４ａ…多関節ロボット １６…位置検出装置
１８…データ処理部 １９…制御部
２０…レーザ変位計 ２２…移動台車
２４…縦方向軸 ３２…第１アーム
３４…第２アーム ３６…先端部
４０…赤外線ＬＥＤ ４２…検出部
Ｊ１〜Ｊ７…軸 Ｍ、Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３…距離
Ｐ１、Ｐ２、Ｐ１０…比較基準点 Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３…比較対象点
Ｗ…ワーク
Claims (7)
- ７軸以上の関節を備え、姿勢の冗長性を有する多関節ロボットの先端位置及び姿勢を決定する第１ステップと、
前記第１ステップで決定した先端位置及び姿勢を維持したまま、ワークに設けた所定の比較基準点から前記多関節ロボットの比較対象点までの距離が最大となるように前記多関節ロボットの姿勢を決定する第２ステップと、
を実行することを特徴とする多関節ロボットの干渉回避方法。 - 請求項１記載の多関節ロボットの干渉回避方法において、
前記比較対象点は、前記多関節ロボットの所定関節の中心に設定されていることを特徴とする多関節ロボットの干渉回避方法。 - 請求項１記載の多関節ロボットの干渉回避方法において、
前記比較対象点は、前記多関節ロボットの２つの関節を接続するアームの中点に設定されていることを特徴とする多関節ロボットの干渉回避方法。 - ７軸以上の関節を備え、姿勢の冗長性を有する多関節ロボットの先端位置及び姿勢を決定する第１ステップと、
前記第１ステップで決定した先端位置及び姿勢を維持したまま、ワークに設けた複数の比較基準点から前記多関節ロボットの比較対象点までの各距離を求め、それぞれに重み付けをする第２ステップと、
重み付けをした前記距離の和が最大となるように前記多関節ロボットの姿勢を決定する第３ステップと、
を実行することを特徴とする多関節ロボットの干渉回避方法。 - ７軸以上の関節を備え、姿勢の冗長性を有する多関節ロボットの先端位置及び姿勢を決定する第１ステップと、
前記第１ステップで決定した先端位置及び姿勢を維持したまま、ワークに設けた所定の比較基準点から前記多関節ロボットの複数の比較対象点までの各距離を求め、それぞれに重み付けをする第２ステップと、
重み付けをした前記距離の和が最大となるように前記多関節ロボットの姿勢を決定する第３ステップと、
を実行することを特徴とする多関節ロボットの干渉回避方法。 - 請求項１〜５のいずれか１項に記載の多関節ロボットの干渉回避方法において、
前記多関節ロボットの先端部を前記ワークに倣わせて移動させながら、リアルタイムで前記多関節ロボットの姿勢を決定することを特徴とする多関節ロボットの干渉回避方法。 - 請求項１〜６のいずれか１項に記載の多関節ロボットの干渉回避方法において、
前記多関節ロボットはベース部が移動可能であり、前記比較基準点は、前記多関節ロボットの移動に伴い、該多関節ロボットとの相対的な位置を保持するように移動設定されることを特徴とする多関節ロボットの干渉回避方法。
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