JP2011131326A - ロボットアームの干渉回避方法 - Google Patents

Abstract

【課題】冗長性を有する多関節のロボットアームを各関節に干渉の起こらないような関節位置をとりうる全関節位置から算出し教示することなく、ロボットアームの干渉回避を行うことができるロボットアームの干渉回避方法を提供する。
【解決手段】ロボットアームを現在の姿勢から別の姿勢に移行させる際に、制御装置により予め冗長関節１２，１４，１６の必要回転角度を演算し、この必要回転角度による各関節、各アーム及びハンドの移動予測点が進入禁止領域２０に入らない場合には、前記必要回転角度を各関節の指示値として、別の姿勢にロボットアームを移行させ、移動予測点が進入禁止領域２０に入る場合には、あらかじめ設定された回避動作を実行する。
【選択図】図３

Description

本発明は、ロボットアームの干渉回避方法に関する。

冗長性を有する多関節のロボットアームの干渉回避手段として、特許文献１が既に開示されている。

図１は、特許文献１に例示された多関節のロボットアームの構成図である。この多関節のロボットアームは、障害物を回避し、先端に取り付けられたハンドにより、対象物を把持する場合の姿勢を決定する機能を有する。

ロボットアームＲＡは、アーム取付台９に取り付けられ、関節を介して順次連結される可動部として、ハンド８、ハンド８に手首関節Ｊ５〜Ｊ７を介して連結した前腕５、および前腕５の肘部４に肘関節Ｊ３，Ｊ４を介して連結した上腕３を有する。上腕３は肩関節Ｊ１，Ｊ２を介してアーム取付台９に取り付けられている。

手首関節Ｊ５〜Ｊ７は３自由度を有する関節である。第２手首７は、凹形状に形成されたブラケット７ａを備え、このブラケット７ａの底部７ａａからハンド８が突出するようにブラケット７ａに一体に設けられている。このハンド８により対象物Ｗを把持可能に構成されている。

肘関節Ｊ３，Ｊ４は、直交２軸方向にそれぞれ傾斜角度変更可能な２自由度を有する関節である。肩関節Ｊ１，Ｊ２は、アーム取付台１２に対して上腕３を直交２軸方向にそれぞれ傾斜角度変更可能とする関節である。また、多関節のロボットアームＲＡは、上記各部を動作させる図示外のモータ、および各部の動作を制御する姿勢教示装置（図示せず）を有する。

上述した特許文献１は、操作者による教示の手間と時間を低減し、ロボットアームの動作角度が不所望に大きくなることを防止すると共に、ロボットアームの姿勢の位置エネルギ等の低減を図り必要動力を小さくすることができるロボットアームの姿勢教示方法および姿勢教示装置を目的とする。

この目的を達成するために、特許文献１の手段は、ハンド８を仮位置決めした後、座標原点Ｏ_７を算出して干渉有無を判断し、干渉しない場合に関節Ｊ１，Ｊ２角度を規定し、肘部４の座標原点Ｏ_４を算出する。さらに、座標原点Ｏ_４等に基づき干渉有無を判断して手首角度等を算出する。

図２は、特許文献１の姿勢教示方法の流れ図である。この姿勢教示方法は、多関節のロボットアームＲＡに対し、障害物ＯＢとの干渉を回避する条件下で、ハンド８が対象物Ｗを把持するときの各関節Ｊ１〜Ｊ７の姿勢を決定するロボットアームＲＡの姿勢教示方法である。
この姿勢教示方法は、主に、姿勢変更・干渉判断過程（ステップａ１）と、評価値計算過程（ステップａ２）と、評価値比較・教示姿勢決定過程（ステップａ３）とを有する。

姿勢変更・干渉判断過程（ステップａ１）は、仮位置決め過程（ステップａ１１）と、仮位置決め内姿勢変更・干渉判断過程（ステップａ１２）と、繰り返し過程（ステップａ１３）とを含む。
仮位置決め過程（ステップａ１１）では、ハンド８を対象物Ｗに対して把持状態の姿勢に仮位置決めする。次に、仮位置決め内姿勢変更・干渉判断過程（ステップａ１２）では、各関節の姿勢を、取り得る範囲で計算によって種々変更した場合のロボットアームＲＡと障害物ＯＢとの干渉を判断する。次に、繰り返し過程（ステップａ１３）では、ハンド８の姿勢を変更して仮位置決め過程（ステップａ１１）および仮位置決め内姿勢変更・干渉判断過程（ステップａ１２）を、ハンド８の把持可能な全ての姿勢の範囲で繰り返す。

次に、評価値計算過程（ステップａ２）では、姿勢変更・干渉判断過程（ステップａ１）で干渉が生じないとされるハンド８および各関節の姿勢を取った場合における所定の評価値を計算する。その後、評価値比較・教示姿勢決定過程（ステップａ３）では、評価値を比較して評価値が最小となる各関節の姿勢に、各関節の姿勢を教示する。その後本処理を終了する。

特開２００９−４５７１４号公報、「ロボットアームの姿勢教示方法および姿勢教示装置」

上述したように、特許文献１の姿勢教示方法では、各関節の位置を仮決めし、その仮位置と障害物との干渉を判断する。各関節のとりうる全ての姿勢において障害物との干渉判断を行い、その中から、回避可能な姿勢を決定する。

しかし、特許文献１の手段で、教示した動作をロボットアームに実行させる場合、ロボットアームの干渉回避のため、各関節に干渉の起こらないような関節位置をとりうる全関節位置から算出し、ロボットアームに教示する必要がある。
そのため、ロボットアームの干渉回避のための関節位置の計算量が膨大となり、姿勢教示装置による演算処理時間が長くなる問題点があった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、冗長性を有する多関節のロボットアームを各関節に干渉の起こらないような関節位置をとりうる全関節位置から算出し教示することなく、ロボットアームの干渉回避を行うことができるロボットアームの干渉回避方法を提供することにある。

本発明によれば、互いに平行な軸を中心に回転可能な複数の冗長関節と、
本体に前記冗長関節を介して順次連結された複数のアームと、
前記最終端のアームに取り付けられたハンドとを有する多関節のロボットアームの干渉回避方法であって、
前記ロボットアームの作動領域内に進入禁止領域を予め設定し、
（Ａ） 前記ロボットアームを現在の姿勢から別の姿勢に移行させる際に、制御装置により予め前記冗長関節の必要回転角度を演算し、
（Ｂ） 前記必要回転角度による各関節、各アーム及びハンドの移動予測点が前記進入禁止領域に入らない場合には、前記必要回転角度を各関節の指示値として、前記別の姿勢に前記ロボットアームを移行させ、
（Ｃ） 前記移動予測点が前記進入禁止領域に入る場合には、あらかじめ設定された回避動作を実行する、ことを特徴とするロボットアームの干渉回避方法が提供される。

本発明の実施形態によれば、前記回避動作において、
前記アーム先端の姿勢のみを維持したまま、前記冗長関節間のアームが進入禁止領域から離れる方向に冗長関節の修正回転角度を再演算し、
前記修正回転角度による各関節、各アーム及びハンドの移動予測点が前記進入禁止領域に入らない場合には、前記修正回転角度を各関節の指示値として、前記別の姿勢に前記ロボットアームを移行させる。

上記方法によれば、互いに平行な軸を中心に回転可能な複数の冗長関節を有するので、ロボットアームを現在の姿勢から別の姿勢に移行させる際に、ハンドの姿勢を維持したまま、各冗長関節の回転角度を変化させることができる。
従って、移動予測点が進入禁止領域に入る場合には、あらかじめ設定された回避動作を実行し、例えば冗長関節の必要回転角度の総和を維持したまま、冗長関節間のアームが進入禁止領域から離れる方向に冗長関節の回転角度を修正する。
これにより、教示した動作をロボットアームに実行させる場合、各関節に干渉が起こらないような関節位置を算出し教示すること無く、ロボットアームの干渉回避を行える。

特許文献１に例示された多関節のロボットアームの構成図である。 特許文献１の姿勢教示方法の流れ図である。 本発明による干渉回避方法のフロー図である。 本発明の干渉回避方法を適用する多関節のロボットアームの全体構成図である。 任意の姿勢から、基準姿勢へ移行する場合の説明図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。

図３は、本発明による干渉回避方法のフロー図であり、図４は、本発明の干渉回避方法を適用する多関節のロボットアームの全体構成図である。

また、図５は、上述した多関節のロボットアームが、任意の姿勢から、基準姿勢へ移行する場合の説明図である。
このうち図５（Ａ）は、図３に示す任意の姿勢から基準姿勢へ移行する中間ステップを示し、図５（Ｂ）は、図４のステップにおいて、アーム先端（この場合、ハンド１８の一部）の移動予測点が進入禁止領域に入った場合を示し、図５（Ｃ）は図５（Ａ）のステップにおいて、アーム先端（ハンド１８）の移動予測点が進入禁止領域から退避した状態を示している。

図４に示すように、本発明の干渉回避方法を適用する多関節のロボットアームは、複数の冗長関節１２，１４，１６、複数のアーム１１，１３，１５，１７、及びハンド１８を備える。
複数（この例で３つ）の冗長関節１２，１４，１６は、互いに平行な軸Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４を中心に回転可能に構成されている。
複数（この例で４本）のアーム１１，１３，１５，１７は、本体１０に冗長関節１２，１４，１６を介して順次連結されている。
ハンド１８は、最終端のアーム１７に取り付けられている。

すなわち図４の例において、ロボットアームは、３つの冗長関節１２，１４，１６と、これらの冗長関節１２，１４，１６により順次連結された４つのアーム１１，１３，１５，１７を有する。

本体１０は、例えば、移動ロボットの場合はロボット本体であり、固定ロボットの場合はアーム取付台等である。
また、第１アーム１１は、本体１０上に原点Ｏを有する３次元座標軸（Ｘ−Ｙ−Ｚ軸）において、末端が原点Ｏの固定され、Ｚ軸方向に伸び、Ｚ軸を中心に回転可能な第１軸Ｊ１を有する。

第１冗長関節１２は、第１アーム１１のＺ方向延長上に位置し、第１アーム１１の先端と第２アーム１３の末端を連結し、第２アーム１３をＸ−Ｙ平面に平行な第２軸Ｊ２を中心に回転可能に構成されている。
第２アーム１３は、第１冗長関節１２から外方に伸びる。第２冗長関節１４は、第２アーム１３の先端と第３アーム１５の末端を連結し、第３アーム１５を第２軸Ｊ２に平行な第３軸Ｊ３を中心に回転可能に構成されている。
第３アーム１５は、第２冗長関節１４から外方に伸びる。第３冗長関節１６は、第３アーム１５の先端と第４アーム１７の末端を連結し、第４アーム１７を第３軸Ｊ３に平行な第４軸Ｊ４を中心に回転可能に構成されている。
第４アーム１７は、第３冗長関節１６から外方に伸びる。第４アーム１７の先端には、ハンド１８が取り付けられている。ハンド１８は第４アーム１７の軸線（第５軸Ｊ５）を中心に回転可能に構成されている。

上述した多関節のロボットアームは、図示しない制御装置により、第１軸Ｊ１から第５軸Ｊ５までの５軸を数値制御し、ハンド１８の位置及び姿勢を制御するようになっている。
また、この図において、破線は進入禁止領域２０であり、ロボットアームを構成する冗長関節１２，１４，１６、アーム１１，１３，１５，１７、及びハンド１８が進入することを禁止されている領域である。この進入禁止領域２０は、予め設定され、制御装置の記憶装置（図示せず）に記憶されている。
なお、禁止領域は図４のように本体を含有するものに限らず、本体と離れた場所に存在してもよいし、分散して存在してもよい。

図３のフロー図に示すように本発明の干渉回避方法は、Ｓ１〜Ｓ７の各ステップ（行程）からなる。

以下、図３〜図５を参照して本発明の方法を説明する。

ステップＳ１において、ロボットアームの作動領域内に図４の進入禁止領域２０を予め設定する。
ステップＳ２において、ロボットアームを現在の姿勢から別の姿勢に移行させる際に、制御装置により予め冗長関節１２，１４，１６の必要回転角度を演算する。
ステップＳ３において、演算した必要回転角度による各関節、各アーム及びハンドの移動予測点を予測する。この関節には、冗長関節１２，１４，１６とそれ以外の関節を含む。それ以外の関節は、必須ではない。
ステップＳ４において、移動予測点が進入禁止領域２０に入るか否か、すなわち、進入禁止領域２０との干渉をチェックする。

ステップＳ４において、移動予測点が進入禁止領域２０に入らない場合には、ステップＳ５において、必要回転角度を各冗長関節１２，１４，１６の指示値として設定し、ステップＳ６において、図５（Ａ）に示すように、前記別の姿勢にロボットアームを移行させる。

図５（Ａ）は、図４に示す任意の姿勢から基準姿勢へ移行する中間ステップを示している。この場合、任意姿勢における第１〜第５軸Ｊ１〜Ｊ５の各角度から、基準姿勢における第１〜第５軸Ｊ１〜Ｊ５の各角度へ移行する。すなわち、第１〜第５軸Ｊ１〜Ｊ５の各軸は、現姿勢角度と基準姿勢の角度の差に応じた指令（通常制御）により、制御される。

ステップＳ４において、図５（Ｂ）に示すように、移動予測点が進入禁止領域２０に入る場合には、ステップＳ７において、あらかじめ設定された回避動作を実行する。

図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のステップにおいて、アーム先端（この場合、ハンド１８の一部）の移動予測点が進入禁止領域に入った場合を示している。
この場合、基準姿勢へ移行中の通常制御による各軸の制御を中止し、進入禁止領域の回避ステップを行う。
この回避ステップは、図５（Ｂ）に示すように第２軸Ｊ２、第３軸Ｊ３、第４軸Ｊ４を図の矢印方向（通常制御に対しＪ３，Ｊ４は逆方向）に回転指令を与え、アーム先端（ハンド１８）の移動予測点を進入禁止領域から退避させる。
このとき、この回避制御より第２軸Ｊ２、第３軸Ｊ３、第４軸Ｊ４が冗長であるため、一部の軸が基準姿勢の目標角度に近づく。

例えば、回避動作は、ステップＳ７において、アーム先端の姿勢のみを維持したまま、冗長関節１２，１４，１６の間のアーム１３，１５が進入禁止領域２０から離れる方向に冗長関節Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４の修正回転角度を再演算する。
アーム先端の姿勢の維持は、例えば、冗長関節１２，１４，１６の必要回転角度の総和を維持することで達成できる。

次いで、再演算した修正回転角度による各関節、各アーム及びハンドの移動予測点をステップＳ３において予測し、ステップＳ４において干渉をチェックし、移動予測点が進入禁止領域２０に入らない場合には、ステップＳ５において、前記修正回転角度を各関節の指示値として設定し、ステップＳ６において、図５（Ｃ）に示すように、前記別の姿勢にロボットアームを移行させる。

図５（Ｃ）は、図５（Ｂ）のステップにおいて、アーム先端（ハンド１８）の移動予測点が進入禁止領域から退避した状態を示している。
進入禁止領域から退避した状態において、基準姿勢に移行するため通常制御を再開する。
再開した通常制御では、再度アーム先端の移動予測点が進入禁止領域に進入する場合があるが、回避制御によって一部の軸は基準姿勢に近づいているため、以前進入禁止領域に入ったときと比較してアームの基準姿勢への移行は進んでいる。
以上より、通常制御、進入禁止領域からの回避制御を繰返しながら基準姿勢へ移行する。

また、ステップＳ４において、移動予測点が進入禁止領域２０に入る場合には、ステップＳ７，Ｓ３，Ｓ４を繰り返す。

上述した方法によれば、互いに平行な軸Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４を中心に回転可能な複数の冗長関節１２，１４，１６を有するので、ロボットアームを現在の姿勢から別の姿勢に移行させる際に、ハンドの位置及び姿勢を維持したまま、各冗長関節１２，１４，１６の回転角度を変化させることができる。
従って、移動予測点が進入禁止領域２０に入る場合には、あらかじめ設定された回避動作を実行し、例えば冗長関節１２，１４，１６の必要回転角度の総和を維持したまま、冗長関節１２，１４，１６の間のアームが進入禁止領域２０から離れる方向に冗長関節１２，１４，１６の回転角度を修正する。
これにより、教示した動作をロボットアームに実行させる場合、各関節に干渉が起こらないような関節位置を算出し教示すること無く、ロボットアームの干渉回避を行える。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。

１０ 本体、
１１，１３，１５，１７ アーム、
１２，１４，１６ 冗長関節、
１８ ハンド、
２０ 進入禁止領域

Claims (2)

1. 互いに平行な軸を中心に回転可能な複数の冗長関節と、
   本体に前記冗長関節を介して順次連結された複数のアームと、
   前記最終端のアームに取り付けられたハンドとを有する多関節のロボットアームの干渉回避方法であって、
   前記ロボットアームの作動領域内に進入禁止領域を予め設定し、
   （Ａ） 前記ロボットアームを現在の姿勢から別の姿勢に移行させる際に、制御装置により予め前記冗長関節の必要回転角度を演算し、
   （Ｂ） 前記必要回転角度による各関節、各アーム及びハンドの移動予測点が前記進入禁止領域に入らない場合には、前記必要回転角度を各関節の指示値として、前記別の姿勢に前記ロボットアームを移行させ、
   （Ｃ） 前記移動予測点が前記進入禁止領域に入る場合には、あらかじめ設定された回避動作を実行する、ことを特徴とするロボットアームの干渉回避方法。
2. 前記回避動作において、
   前記アーム先端の姿勢のみを維持したまま、前記冗長関節間のアームが進入禁止領域から離れる方向に冗長関節の修正回転角度を再演算し、
   前記修正回転角度による各関節、各アーム及びハンドの移動予測点が前記進入禁止領域に入らない場合には、前記修正回転角度を各関節の指示値として、前記別の姿勢に前記ロボットアームを移行させる、ことを特徴とする請求項１に記載のロボットアームの干渉回避方法。