JP6857145B2 - 軌道計画装置、軌道計画方法、及び生産システム - Google Patents
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Description
本発明は、軌道計画装置、軌道計画方法、及び生産システムに関する。
多軸ロボットのアームを第1教示点から第2教示点に移動させるときの軌道(経路)を計画する方法として、例えば特許文献1には「始点及び終点を、ロボットの各関節J1,J2,J3,J4,J5,J6のパラメータ値で求め、ロボットの関節を2つのグループにグループ分けしたうちの一方のグループに属する関節J4,J5,J6について、始点と終点との間で動作する関節の経路を拘束する関節補間経路(複数の拘束点)を求め、2つのグループのうち他方のグループに属する関節J1,J2,J3の位置を座標軸とするコンフィギュレーション空間を構築し、コンフィギュレーション空間における注目点と複数の拘束点とを組み合わせた点について、ロボットが障害物に干渉するか否かの干渉判定を行い、ロボットが障害物に干渉するのを回避する経路を探索する」方法が記載されている。
特許文献1に記載の方法では、2つのグループの一方に属する関節の経路の一部(複数の拘束点)を予め決定するため、ロボットの取り得る姿勢が制限されてしまう。
例えば、関節J1〜J6を備える6軸ロボットにおいて、関節J1〜J3をコンフィギュレーション空間の探索で求め、関節J4〜J6を関節の経路を拘束する関節補間経路で求め、ロボットアーム先端部が取り得る向きに制約がある場合を考える。この場合、関節J4〜J6の値は、関節J1〜J3の角度を参照せずに求めるため、ロボットアーム先端部の向きを想定できず、ロボットアーム先端部の向きに関する制約の達成に寄与できない。
また、関節J1〜J3のみの探索では、ロボットアーム先端部の向きに関する制限を満たしつつ、干渉(物体との接触等)を回避し、第1教示点から第2教示点への軌道を計画できないことがある。
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、例えば、ロボットアーム先端部の向きに関する制約等の各種の制約を満たしながら、第1教示点から第2教示点への軌道を計画できるようにすることを目的とする。
本願は、上記課題の少なくとも一部を解決する手段を複数含んでいるが、その例を挙げるならば、以下のとおりである。上記課題を解決すべく、本発明の一態様に係る軌道計画装置は、ロボットが備える複数の関節軸を、経路探索軸グループを少なくとも含む異なる複数の軸グループに分類するための関節軸分類情報に従い、前記異なる複数の軸グループに分類する関節軸分類部と、計画する軌道の開始点における前記ロボットの姿勢を表す軌道開始点情報と、前記計画する軌道の終了点における前記ロボットの姿勢を表す軌道終了点情報とに基づき、前記計画する軌道を評価するための評価関数を最小化する、前記経路探索軸グループに分類された前記関節軸の角度の経路を探索する経路探索部と、前記経路探索部による前記経路の探索中に前記経路探索軸グループ以外の各軸グループに分類された前記関節軸の角度を計算する軸グループ角度計算部と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、例えば、ロボットアーム先端部の向きに関する制約等の各種の制約を満たしながら、第1教示点から第2教示点への軌道を計画することが可能となる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
以下、本発明に係る複数の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合及び原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、「Aからなる」、「Aよりなる」、「Aを有する」、「Aを含む」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除するものでないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合及び原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。
<本発明に係る第1の実施の形態である軌道計画装置の構成例>
図1は、本発明に係る第1の実施の形態である軌道計画装置の構成例を示している。
図1は、本発明に係る第1の実施の形態である軌道計画装置の構成例を示している。
該軌道計画装置10は、記憶部100、入出力部110、及び処理部120を有する。
記憶部100は、ロボット構成情報101、干渉物構成情報102、関節軸分類情報103、評価関数情報104、向き拘束情報105、軌道開始点情報106、及び軌道終了点情報107を記憶する。
ロボット構成情報101は、予めユーザによって入力されており、例えばロボットに備わる各関節軸の位置を表す関節位置情報、各関節軸の初期角度情報、各関節軸の可動範囲情報、関節軸の種類情報、ロボットの形状を現すロボット3次元モデルデータ情報等を含む。ロボット構成情報101は、ロボットの動作シミュレーションにおけるロボットモデルの構築に用いられる。
干渉物構成情報102は、予めユーザによって入力されており、例えば、ロボットアームが移動する際に接触し得る干渉物の設置座標情報、干渉物の形状を現す干渉物3次元モデルデータ情報を含む。干渉物構成情報102は、ロボットの動作シミュレーションにおける干渉物モデルの構築に用いられる。
関節軸分類情報103は、ロボットが備える複数の関節軸を複数の軸グループのいずれに分類するのかを表す情報である。なお、関節軸分類情報103は、予めユーザが入力できる。ユーザが入力しない場合、処理部120の関節軸分類部124が、ロボットが備える複数の関節軸を複数の軸グループに分類し、その分類結果に基づいて関節軸分類情報103を生成する。
図2は、関節軸分類情報103の一例を示している。本実施の形態では、ロボットが備える6個の関節軸J1〜J6を、4種類の軸グループ(経路探索軸、向き調整軸、停止軸、及び線形補間軸)のいずれかに分類することができる。同図の場合、関節軸J1〜J3が経路探索軸に分類され、関節軸J4〜J6が向き調整軸に分類されることを表している。なお、ロボットが備える関節軸の数は6に限られない。また、関節軸を分類する軸グループの数は、経路探索軸を含めて2以上であればよく、上述した例に限定されない。
図1に戻る。評価関数情報104は、軌道計画の評価指標として、複数の評価関数のうちのどれが選択されているかを表す情報であり、予めユーザが入力できる。
図3は、評価関数情報104の一例を示している。同図の場合、5種類の評価関数が予め用意されており、1番目の評価関数「関節の変化量コストの最小化」がユーザによって選択された状態を表している。
例えば、同図に示されるように1番目の評価関数「関節の変化量コストの最小化」が選択された場合、複数の関節軸の合計変化量が最小となる軌道が計画される。また例えば、2番目の評価関数「アーム先端部の移動距離コストの最小化」が選択された場合、ロボットアーム先端部の合計移動距離が最小となる軌道が計画される。また例えば、3番目の評価関数「動作時間コストの最小化」が選択された場合、ロボットの動作時間が最短となる軌道が計画される。また例えば、4番目の評価関数「アーム先端部にかかる加速度コスト+動作コストの最小化」が選択された場合、ロボットアーム先端部に加わる加速度と動作時間とを加味した最適値をとる軌道が計画される。さらに例えば、5番目の評価関数「干渉物とロボットの距離コストの逆数+間接の変化量コストの最小化」が選択された場合、干渉物とロボットの距離を遠ざけつつ、関節の合計変化量を小さくすることを加味した最適値をとる軌道が計画される。
なお、ユーザは複数の評価関数を同時に選択することが可能であり、その場合、選択した複数の評価関数の重み付け和を最小にする軌道が計画される。また、この場合、ユーザが複数の評価関数それぞれの重み付け係数を設定できるようにしてもよい。また、評価関数は、図3に示された例に限られず、他のものを採用してもよい。
図1に戻る。向き拘束情報105は、ロボットアームの軌道におけるアームの先端部の向きを拘束する情報であり、予めユーザによって入力されている。
図4は、向き拘束情報105の一例を示している。向き拘束情報105は、拘束方法選択情報1051、及び任意拘束の指定情報1052を含む。
拘束方法選択情報1051は、ロボットアーム先端部の向きの拘束方法を表す情報であり、予めユーザが入力することができる。なお、向き拘束情報105は、入力されていなくてもよい。
拘束方法選択情報1051では、「始点終点の線形補間」、または「任意の拘束」の一方を選択できる。任意拘束の指定情報1052は、拘束方法選択情報1051にて「任意の拘束」が選択されている場合に向き拘束情報に105に追加される情報であって、ロボットアーム先端部の向きに対して任意の拘束条件を時系列順に設定することができる。
なお、向き拘束情報105が入力されている場合、後述する関節軸分類部124によって少なくとも1つの関節軸が向き調整軸グループに分類されることになる。また、向き拘束情報105が入力されている場合、後述する軸グループ角度計算部127が、向き拘束情報105を満たす向き調整軸に分類された関節軸の関節角度を決定する。さらに、向き拘束情報105の拘束方法選択情報1051にて、「始点終点の線形補間」が選択された場合、軸グループ角度計算部127が、軌道開始点における向きと軌道終了点における向きを線形補間するように、軌道計画中に向き調整軸に分類された関節軸の関節角度を決定する。
図1に戻る。軌道開始点情報106は、軌道の開始点におけるロボットの姿勢を指定する情報であり、予めユーザによって入力されている。ロボットの姿勢を指定する情報としては、例えばロボットの各関節の角度や、ロボットアーム先端部の位置座標と、ロボットアーム先端部の向きベクトル情報(roll,pitch,yawやオイラー角等)が用いられる。
軌道終了点情報107は、軌道の終了点におけるロボットの姿勢を指定する情報であり、予めユーザによって入力されている。ロボットの姿勢を指定する情報としては、軌道開始点情報106と同様、例えばロボットの各関節の角度や、ロボットアーム先端部の位置座標と、ロボットアーム先端部の向きベクトル情報が用いられる。
入出力部110(本発明の出力部に相当する)は、ユーザからの入力を受け付ける入力デバイスと接続したり、計画された軌道を現す軌道情報701(図5)を外部装置等に出力したりする入出力インターフェースから成る。
処理部120は、モデル構築部121、インバースキネマティクス部122、軌道計画部123を有する。
モデル構築部121は、記憶部100のロボット構成情報101に基づいてロボットモデルを構築する。また、モデル構築部121は、記憶部100の干渉物構成情報102に基づいて干渉物モデルを構築し、インバースキネマティクス部122に出力する。
モデル構築部121にて構築されるロボットモデルは、例えばロボットの形状、関節角度、関節の種類、ロボットアーム先端部の位置及び向き等の情報を含み、ロボット構成情報101の変更に応じて、ロボットの形状、ロボットアーム先端部の位置及び向き等が変更される。
モデル構築部121にて構築される干渉物モデルは、例えば干渉物の位置や形状等、ロボットモデルと干渉物モデルの干渉を計算するために必要な情報を含む。
インバースキネマティクス部122は、モデル構築部121にて構築されたロボットモデル及び干渉物モデル、並びに、記憶部100の軌道開始点情報106及び軌道終了点情報107を入力とし、軌道開始点情報106及び軌道終了点情報107のデータ形式を、軌道計画部123が処理可能なデータ形式に変換して軌道計画部123に出力する。
具体的には、インバースキネマティクス部122は、軌道開始点情報106及び軌道終了点情報107としてのロボットアーム先端部の位置及び向きを、各関節軸の角度に変換する。なお、記憶部100の軌道開始点情報106及び軌道終了点情報107のデータ形式が各関節軸の角度である場合、インバースキネマティクス部122は、変換を省略してそのまま軌道計画部123に出力する。
インバースキネマティクス部122が設けられていることにより、ユーザは、軌道開始点情報106及び軌道終了点情報107として、各関節軸の角度に比べて入力し易い、ロボットアーム先端部の位置及び向きを入力することができる。
軌道計画部123は、データ形式変換後の軌道開始点情報106及び軌道終了点情報107を入力とし、軌道の開始点と終了点をつなぐ軌道を生成し、軌道情報701として入出力部110に出力する。
軌道計画部123は、関節軸分類部124、経路探索部125、干渉判定部126、及び軸グループ角度計算部127を有する。
関節軸分類部124は、記憶部100に関節軸分類情報103が存在する場合(関節軸分類情報103がユーザによって予め入力されている場合)、関節軸分類情報103に従って、ロボットが備える複数の関節軸を異なる複数の軸グループに分類する。
また、関節軸分類部124は、記憶部100に関節軸分類情報103が存在しない場合(関節軸分類情報103がユーザによって予め入力されていない場合)、評価関数情報104にて選択されている評価関数が最小となる軌道を計画できるように関節軸を分割する。具体的には、関節軸分類部124が、評価関数と複数の関節軸の分類パターンとを対応付けたテーブルを予め保持するようにし、該テーブルを参照して、評価関数情報104にて選択された評価関数に対応する分類パターンを採用し、ロボットが備える複数の関節軸を異なる複数の軸グループに分類するようにする。
経路探索部125は、経路探索軸グループに分類された各関節軸(以下、単に経路探索軸と称する)の関節角度を軸とするコンフィギュレーション空間を用い、選択されている評価関数に対応するコストが最小となる経路を探索する。
干渉判定部126は、経路探索部125によって探索されている経路におけるロボットモデルと干渉物モデルの干渉(接触)を判定する。
軸グループ角度計算部127は、各軸グループに分類された各関節軸の角度を決定する。例えば、軸グループ角度計算部127は、停止軸グループに分類された関節軸の角度を動作開始点における角度として決定し、線形補間軸グループに分類された関節軸の角度を動作開始点の角度と動作終了点の角度の線形補間によって決定する。
<軌道計画装置10による処理の流れと情報の入出力の一例>
次に、図5は、軌道計画装置10による処理の流れと情報の入出力の一例を示している。
次に、図5は、軌道計画装置10による処理の流れと情報の入出力の一例を示している。
モデル構築部121は、ロボット構成情報101及び干渉物構成情報102を入力として、ロボットモデル及び干渉物モデルを構築し、インバースキネマティクス部122に出力する。インバースキネマティクス部122は、ロボットモデル、干渉物モデル、軌道開始点情報106、及び軌道終了点情報107を入力とし、軌道開始点情報106及び軌道終了点情報107のデータ形式を各関節の角度に変換して、関節軸分類部124に出力する。
軌道計画部123は、データ形式変換後の軌道開始点情報106及び軌道終了点情報107を入力とし、軌道開始点から起動終了点へのロボットアーム先端部の軌道を生成し、軌道情報701として出力する。なお、軌道計画部123による処理の詳細については図8及び図9を参照して後述する。
図6は、軌道情報701の一例を示している。軌道情報701は、動作軌道のプロセス番号情報に対応付けてロボットの動作軌道を表すロボット姿勢の配列情報が記録されている。動作軌道のプロセス番号情報は、例えば、ロボットの姿勢の時系列順序を表している。なお、プロセス番号情報は省略してもよい。ロボット姿勢の配列情報は、例えば、各姿勢に到達するまでの時刻と各関節軸の関節角度から成る。
図7は、軌道情報701に基づく軌道表示画面140の表示例を示している。
例えば、軌道情報701は、入出力部110から外部装置に出力される。外部装置は、軌道表示画面140において、軌道情報701に基づいて生成されたロボットの動きを表すアニメーションを表示することができる。ユーザは、軌道表示画面140を見ることにより、自身が設定した制約を満たして軌道が計画されていることを確認できる。また、軌道表示画面140には、ロボットアーム先端部の姿勢変化量を表示することができる。これにより、ユーザは、ロボットアーム先端部が必要以上に動いていないことを確認することができる。
<軌道計画部123による軌道計画処理>
次に、図8及び図9は、軌道計画部123による軌道計画処理の一例を説明するフローチャートである。
次に、図8及び図9は、軌道計画部123による軌道計画処理の一例を説明するフローチャートである。
該軌道計画処理は、例えば、ユーザから入力される開始コマンドに応じて開始される。
はじめに、軌道計画部123が、記憶部100から評価関数情報104を取得する(ステップS1)。なお、記憶部100から評価関数情報104を取得する代わりに、入出力部110を介してユーザから入力される評価関数情報104を取得するようにしてもよい。
次に、軌道計画部123の関節軸分類部124が、記憶部100に関節軸分類情報103があるか否かを判定する(ステップS2)。ここで、関節軸分類情報103がないと判定した場合(ステップS2でNO)、関節軸分類部124が、ステップS1で取得している評価関数情報104に基づいて、ロボットが備える複数の関節軸を異なる複数の軸グループに分類し、その分類結果を表す関節軸分類情報103を生成して、記憶部100に記憶させる(ステップS3)。
反対に、関節軸分類部124が、関節軸分類情報103があると判定した場合(ステップS2でYES)、ステップS3はスキップされ、処理はステップS4に進められる。この場合、関節軸分類部124が、関節軸分類情報103に従ってロボットが備える複数の関節軸を異なる複数の軸グループに分類する。また、この場合、ユーザが予め入力していた関節軸分類情報103が採用されるので、後段において任意の機能及び制約を満たす軌道を計画することができる。
次に、関節軸分類部124が、関節軸分類情報103を参照し、向き調整軸グループに分類された関節軸(以下、向き調整軸と称する)があるか否かを判定する(ステップS4)。ここで、向き調整軸があると判定した場合(ステップS4でYES)、関節軸分類部124が、記憶部100から向き拘束情報105を取得する(ステップS5)。なお、記憶部100から向き拘束情報105を取得する代わりに、入出力部110を介してユーザから入力される向き拘束情報105を取得するようにしてもよい。反対に、関節軸分類部124が、向き調整軸がないと判定した場合(ステップS4でNO)、ステップS5はスキップされて処理はステップS6に進められる。
次に、関節軸分類部124が、インバースキネマティクス部122から入力される、データ形式変換後の軌道開始点情報106及び軌道終了点情報107を取得する(ステップS6)。
次に、経路探索部125が、記憶部100の関節軸分類情報103を参照し、経路探索軸の、各関節角度を軸とするコンフィギュレーション空間において、各経路探索軸の角度をノードとし、隣接する経路探索軸の角度をつなぐエッジを持ち得る、関節角度グラフを生成する。さらに、経路探索部125が、生成した節角度グラフの全ノードを未確定ノードに設定する(ステップS7)。
次に、経路探索部125が、ステップS6で取得した軌道開始点情報106を用いて、ステップS7で生成した関節角度グラフ上に、軌道開始点の経路探索軸の関節角度値からなるノードsを生成し、ノードsと隣接する1以上のノードとをそれぞれエッジで接続する。さらに、経路探索部125が、ノードsを確定ノードとみなす(ステップS8)。
次に、経路探索部125が、ステップS6で取得した軌道終了点情報107を用いて、ステップS7で生成した関節角度グラフ上に、軌道終了点の経路探索軸の関節角度値からなるノードeを生成し、ノードeと隣接する1以上のノードとをそれぞれエッジで接続する。ノードeを未確定ノードとみなす(ステップS9)。
次に、図9に進み、経路探索部125が、ノードpにノードsを割り当てる(ステップS10)。次に、経路探索部125が、ノードpに隣接するノードの集合をQとして、集合Qのうちの1つをノードqに指定する(ステップS11)。
次に、軸グループ角度計算部127が、各軸グループに対して予め設定されている所定の計算規則に則り、ノードqにおける経路探索軸及び向き調整軸以外の軸グループに分類された各関節軸の角度を決定する(ステップS12)。例えば、軸グループ角度計算部127は、停止軸グループに分類された関節軸の角度を、動作開始点における角度に決定する。また、例えば、軸グループ角度計算部127は、線形補間軸グループに分類された関節軸の角度を、動作開始点の角度と動作終了点の角度の線形補間する値に決定する。
次に、軸グループ角度計算部127が、ステップS4における関節軸分類部124の処理と同様に、関節軸分類情報103を参照し、向き調整軸があるか否かを判定する(ステップS13)。ここで、向き調整軸があると判定した場合(ステップS13でYES)、軸グループ角度計算部127が、向き拘束情報105に従い、ノードqにおける向き調整軸の関節角度を決定する(ステップS14)。
例えば、向き拘束情報105が「始点と終点の線形補間」である場合、軸グループ角度計算部127は、動作開始点における経路探索軸の関節角度値及びノードqにおける経路探索軸の関節角度値に対する、動作終了点における経路探索軸の関節角度値及びノードqにおける経路探索軸の関節角度値との比率と、動作開始点におけるロボットアーム先端部の向き及びノードqにおけるロボットアーム先端部の向きに対する、動作終了点におけるロボット先端部の向き及びノードqにおけるロボットアーム先端部の向きとの比率を求める。さらに、軸グループ角度計算部127は、これらの比率が一致するように、ノードqにおけるロボットアーム先端部の向きを定め、ノードqにおけるロボットアーム先端部の向きから、逆運動学を用いてノードqにおける向き調整軸の関節角度を決定する。
反対に、軸グループ角度計算部127が、向き調整軸がないと判定した場合(ステップS13でNO)、ステップS14はスキップされ、処理はステップS15に進められる。
次に、干渉判定部126が、ノードqに割り当てられている各経路探索軸の関節角度と、ステップS12及びステップS14において決定された経路探索軸以外の軸グループの各関節角度とに基づいてロボットの姿勢を計算する。さらに、干渉判定部126が、計算したロボット姿勢において、ロボットモデルと干渉物モデルとが干渉しているか否かを判断する(ステップS15)。ここで、干渉判定部126が、干渉していないと判断した場合(ステップS15でNO)、経路探索部125が、ステップS1で取得した評価関数を用いて、ノードpからノードqへの移動コストを計算する。なお、ステップS1で評価関数が取得されなかった場合(記憶部100が予め記憶しておらず、且つ、ユーザからの直接入力が無い場合)、「関節の変化量コストの最小化」を評価関数として移動コストを計算する。さらに、経路探索部125が、計算した移動コストを、ノードpとノードqを接続するエッジに割り当てる(ステップS16)。
反対に、干渉判定部126が、ロボットモデルと干渉物モデルとが干渉していると判断した場合(ステップS15でYES)、経路探索部125がノードqを関節角度グラフから除いた後、処理をステップS17に進める。
次に、経路探索部125が、集合Qに含まれる全てのノードを、ノードqに指定したか否かを判断する(ステップS17)。ここで、全てのノードをノードqに指定していないと判断した場合(ステップS17でNO)、経路探索部125が、集合Qに含まれる全てのノードのうち、未だノードqとしていないものをノードqに指定する(ステップS18)。この後、処理はステップS13に戻されて、ステップS13〜S17が繰り返される。
その後、経路探索部125が、全てのノードをノードqに指定したと判断した場合(ステップS17でYES)、経路探索部125が、全ての未確定ノードのうち、ダイクストラ法等の経路探索アルゴリズムによる探索コストが最小のノードを確定ノードとみなし、ノードpに設定する(ステップS19)。
次に、経路探索部125が、ノードpがノードeであるか否かを判断する(ステップS20)。ここで、ノードpがノードeではないと判断した場合(ステップS20でNO)、経路探索部125が、処理をステップS11に戻して、ステップS11〜S20を繰り返し実行する。
その後、ノードpがノードeであると判断した場合(ステップS20でYES)、経路探索部125が、ダイクストラ法等により、ノードsからノードeへのコスト最小経路を探索し、各ノードに割り当てられた各経路探索軸の関節角度と、ステップS12において決定された、各ノードにおける経路探索軸以外の軸グループの各関節軸の角度から、軌道情報701を生成して入出力部110に出力する。以上で、軌道計画部123による軌道計画処理は終了される。
以上説明した軌道計画処理によれば、複数の関節軸を2つ以上の軸グループに分類し、経路探索中に全ての軸グループで角度の算出計算を行うようにしたので、例えば向き拘束条件等の制約を満たしながら、例えば0.1〜1.0秒程度の計算時間でリアルタイムに、干渉を回避しつつ、第1教示点から第2教示点への軌道を計画することが可能となる。
<本発明に係る第2の実施の形態である生産システムの構成例>
次に、図10は、本発明に係る第2の実施の形態である生産システムの構成例を示している。
次に、図10は、本発明に係る第2の実施の形態である生産システムの構成例を示している。
該生産システム1200は、上述した軌道計画装置10の他、制御装置1210、組立順序・ライン構成計画装置1220、及び作業時間計算装置1230を備える。
制御装置1210は、生産システム1200の全体を制御するとともに、ユーザから入力される製品設計情報1211、及びロボット生産能力情報1212を記憶する。製品設計情報1211は、例えば、製品に含まれる部品のCAD(Computer-Aided Design)データ情報、各部品の接続情報、各部品の拘束情報等の製品の組立に必要な部品の組み付け情報を含む。ロボット生産能力情報1212は、例えば、ロボットの可搬重量情報、ロボットが各部品の組み付け作業に要する作業時間情報等のロボットが作業を行う際の制約情報や能力値情報を含む。
組立順序・ライン構成計画装置1220は、製品設計情報1211、及びロボット生産能力情報1212を参照し、1台以上のロボットを用いる、製品の組立順序及びライン構成計画を立案することにより、軌道開始点情報106、軌道終了点情報107、及び作業内容情報1221を生成する。
ここで、組立順序とは、複数のパーツから成る製品の組み立てる際の各パーツの組立ての順序を表す情報を含む。ライン構成計画とは、どの組立てラインでどのロボットがどのような作業を行うのか等を表す作業割り当て情報を含む。
また、組立順序・ライン構成計画装置1220は、軌道開始点情報106、及び軌道終了点情報107を軌道計画装置10に出力し、作業内容情報1221を作業時間計算装置1230に出力する。
作業時間計算装置1230は、組立順序・ライン構成計画装置1220が出力する作業内容情報1221と、軌道計画装置10が出力する軌道情報701とを入力とし、作業内容情報1221が含むロボットの各動作のプロセス番号情報と、軌道情報701が含む動作軌道のプロセス番号情報とを対応付けることにより、作業内容情報1221が含むロボットの作業内容を表す情報と、ロボット動作軌道の対応付けを行い、軌道情報701が含む時刻情報を用いて各作業に要する時間を記録した作業時間情報1231を生成する。
なお、作業時間計算装置1230は、生成した作業時間情報1231をユーザに提示することができる。図11は、作業時間情報1231をユーザに提示するための作業時間表示画面の一例を示している。該作業時間表示画面150には、各プロセスの作業時間情報が棒グラフにより、作業時間の長短が視覚的に分かり易く表示される。
次に、図12は、作業内容情報1221の一例を示している。作業内容情報1221は、ロボットが行う一連の作業を表すものであり、ロボットが行う一連の各動作に対して付与されたプロセス番号に、作業内容が対応付けて記録されている。
<生産システム1200によるフィードバック制御処理の一例>
次に、図13は、生産システム1200によるフィードバック制御処理の一例を説明するフローチャートである。
次に、図13は、生産システム1200によるフィードバック制御処理の一例を説明するフローチャートである。
該フィードバック制御処理は、例えば、ユーザから入力される開始コマンドに応じて開始される。
はじめに、制御装置1210が、ユーザから入力される製品設計情報1211、及びロボット生産能力情報1212を受け付けて記憶する(ステップS31)。
次に、組立順序・ライン構成計画装置1220が、制御装置1210から製品設計情報1211、及びロボット生産能力情報1212を取得して製品の組立順序とライン構成計画とを立案し、1台以上のロボットにより実行される作業工程の各ロボットの軌道開始点情報106、軌道終了点情報107、及び作業内容情報1221を生成し、軌道開始点情報106、及び軌道終了点情報107を軌道計画装置10に出力し、作業内容情報1221を作業時間計算装置1230に出力する(ステップS32)。
次に、軌道計画装置10が、ユーザから入力されるロボット構成情報101、及び干渉物構成情報102を受け付ける(ステップS33)。次に、軌道計画装置10が、軌道開始点情報106、軌道終了点情報107、ロボット構成情報101、及び干渉物構成情報102に基づき、ロボットアームの軌道を計画し、その結果得られる軌道情報701を作業時間計算装置1230に出力する(ステップS34)。
次に、作業時間計算装置1230が、各ロボットについて、作業内容情報1221に含まれるロボットの各動作のプロセス番号情報と、軌道情報701に含まれる動作軌道のプロセス番号情報とを対応付けることにより、作業内容情報1221に含まれるロボットの作業内容を表す情報と、ロボット動作軌道とを対応付け、軌道情報701に含まれる時刻情報を用いて各作業に要する時間を記録した作業時間情報1231を生成して、制御装置1210に出力する(ステップS35)。制御装置1210は、該作業時間情報1231を用いて、ロボット生産能力情報1212に含まれる作業時間情報を更新する。
次に、組立順序・ライン構成計画装置1220が、制御装置1210から製品設計情報1211、及び更新後のロボット生産能力情報1212を取得し、ステップS32の処理と同様に、製品の組立順序とライン構成計画とを立案し、1台以上のロボットにより実行される作業工程の各ロボットにおける、複数の軌道開始点情報106、軌道終了点情報107、及び作業内容情報1221を生成し、軌道開始点情報106、及び軌道終了点情報107を軌道計画装置10に出力し、作業内容情報1221を作業時間計算装置1230に出力する(ステップS36)。
次に、制御装置1210が、直前のステップS36で生成されたライン構成計画が、ステップS32または1サイクル前のステップS36で立案されたライン構成計画からアップデート(更新)があるか否かを判断する(ステップS37)。制御装置1210が、ライン構成計画のアップデートがあると判断した場合(ステップS37でYES)、処理をステップS34に戻して、ステップS34〜S37の処理を繰り返すように制御する。これにより、軌道情報701と作業時間情報1231のフィードバックが繰り返されて、その都度、ライン構成計画が立案される。
その後、制御装置1210が、ライン構成計画のアップデートがないと判断した場合(ステップS37でNO)、制御装置1210が、ステップS34〜S37の繰り返しの間に計画された複数のライン構成計画とロボット軌道のうち、例えば、使用するロボットの台数が少ない順に複数(例えば、3)のライン構成計画とロボット軌道を計画案として出力する(ステップS38)。以上で、生産システム1200によるフィードバック制御処理は終了される。
図14は、フィードバック制御処理においてステップS34〜S37の処理が繰り返され、ライン構成計画に含まれるロボットの台数の変化を示す画面160の表示例を示している。同図に示すように、フィードバックが繰り返されることにより、製品の製造に要するロボットの台数が徐々に減少してゆくことが確認できる。なお、該画面160は、フィードバックが行われる毎に更新してユーザに対して提示するようにしてもよい。
以上説明したフィードバック制御処理によれば、計算された作業時間をフィードバックして繰り返し軌道計画等を行うので、高精度なライン構成計画が可能となり、組立順序・ライン構成計画装置1220の誤差に起因する生産コストの無駄を削減することができる。具体的には、例えばロボットの動作時間が短くなったり、ロボットの設備台数が削減できたり、設備投資費用が低減できたりする効果を期待できる。
また、フィードバック制御処理によれば、生産システム1200に軌道計画装置10を用いているので、既存の軌道計画装置では解が見つからないため人手による軌道の修正が必要であったり、自動でフィードバックを繰り返すことができなかったりしたことを要因とする軌道計画に要する時間の長期化を抑止できる。
さらに、フィードバック制御処理によれば、ユーザは、出力される複数の計画案のいずれかを選択して採用することにより、ロボットを用いて製品を効率的に生産することが可能となる。
ところで、上述した軌道計画装置10、制御装置1210、組立順序・ライン構成計画装置1220、及び作業時間計算装置1230については、ハードウェアにより構成することもできるし、ソフトウェアにより実現することもできる。軌道計画装置10等をソフトウェアにより実現する場合には、そのソフトウェアを構成するプログラムが、コンピュータにインストールされる。ここで、コンピュータには、専用のハードウェアに組み込まれているコンピュータや、各種のプログラムをインストールすることで、各種の機能を実行することが可能な、例えば汎用のパーソナルコンピュータ等が含まれる。
図15は、軌道計画装置10等をプログラムにより実現するコンピュータのハードウェアの構成例を示すブロック図である。
該コンピュータ3000において、CPU(Central Processing Unit)3001,ROM(Read Only Memory)3002,RAM(Random Access Memory)3003は、バス3004により相互に接続されている。
バス3004には、さらに、入出力インターフェース3005が接続されている。入出力インターフェース3005には、入力部3006、出力部3007、記憶部3008、通信部3009、及びドライブ3010が接続されている。
入力部3006は、キーボード、マウス、マイクロフォン等より成る。出力部3007は、ディスプレイやスピーカ等より成る。入力部3006及び出力部3007は、軌道計画装置10における入出力部110に相当する。記憶部3008は、HDD(Hard Disc Drive),SSD(Solid State Drive)等から成り、各種の情報を記憶する。記憶部3008は、軌道計画装置10における記憶部100に相当する。通信部3009は、LANインターフェース等から成り、ネットワークを介して他の装置と通信を行う。ドライブ3010は、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、又は半導体メモリ等のリムーバブルメディア3011を駆動する。
以上のように構成されるコンピュータ3000では、CPU3001が、例えば、記憶部3008に記憶されているプログラムを、入出力インターフェース3005及びバス3004を介して、RAM3003にロードして実行することにより、軌道計画装置10等が実現される。
コンピュータ3000(CPU3001)が実行するプログラムは、例えば、パッケージメディア等としてのリムーバブルメディア3011に記録して提供することができる。また、プログラムは、ローカルエリアネットワーク、通信ネットワーク、デジタル衛星放送といった、有線または無線の伝送媒体を介して提供することができる。
コンピュータ3000では、プログラムは、リムーバブルメディア3011をドライブ3010に装着することにより、入出力インターフェース3005を介して、記憶部3008にインストールすることができる。また、プログラムは、有線または無線の伝送媒体を介して、通信部3009で受信し、記憶部3008にインストールすることができる。その他、プログラムは、ROM3002や記憶部3008に、あらかじめインストールしておくことができる。
なお、コンピュータ3000が実行するプログラムは、本明細書で説明する順序に沿って時系列に処理が行われるプログラムであってもよいし、並列に、あるいは呼び出しが行われたとき等の必要なタイミングで処理が行われるプログラムであってもよい。
本明細書に記載された効果はあくまで例示であって限定されるものではなく、他の効果があってもよい。
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した各実施形態は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、本発明が、必ずしも説明した全ての構成要素を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を、他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に、他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部または全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現されてもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、SSD等の記憶装置、または、ICカード、SDカード、DVD等の記録媒体に置くことができる。また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
本発明は、軌道計画装置、軌道計画方法、及び生産システムだけでなく、コンピュータ読み取り可能なプログラム等の様々な態様で提供することができる。
10・・・軌道計画装置、100・・・記憶部、101・・・ロボット構成情報、102・・・干渉物構成情報、103・・・関節軸分類情報、104・・・評価関数情報、105・・・向き拘束情報、106・・・軌道開始点情報、107・・・軌道終了点情報、110・・・入出力部、120・・・処理部、121・・・モデル構築部、122・・・インバースキネマティクス部、123・・・軌道計画部、124・・・関節軸分類部、125・・・経路探索部、126・・・干渉判定部、127・・・軸グループ角度計算部、701・・・軌道情報、1051・・・拘束方法選択情報、1052・・・任意拘束の指定情報、1200・・・生産システム、1210・・・制御装置、1211・・・製品設計情報、1212・・・ロボット生産能力情報、1220・・・組立順序・ライン構成計画装置、1221・・・作業内容情報、1230・・・作業時間計算装置、1231・・・作業時間情報、3000・・・コンピュータ、3001・・・CPU、3002・・・ROM、3003・・・RAM、3004・・・バス、3005・・・入出力インターフェース、3006・・・入力部、3007・・・出力部、3008・・・記憶部、3009・・・通信部、3010・・・ドライブ、3011・・・リムーバブルメディア
Claims (12)
- ロボットが備える複数の関節軸を、経路探索軸グループを少なくとも含む異なる複数の軸グループに分類するための関節軸分類情報に従い、前記異なる複数の軸グループに分類する関節軸分類部と、
計画する軌道の開始点における前記ロボットの姿勢を表す軌道開始点情報と、前記計画する軌道の終了点における前記ロボットの姿勢を表す軌道終了点情報とに基づき、前記計画する軌道を評価するための評価関数を最小化する、前記経路探索軸グループに分類された前記関節軸の角度の経路を探索する経路探索部と、
前記経路探索部による前記経路の探索中に前記経路探索軸グループ以外の各軸グループに分類された前記関節軸の角度を計算する軸グループ角度計算部と、
を備えることを特徴とする軌道計画装置。 - 請求項1に記載の軌道計画装置であって、
前記軸グループ角度計算部は、ロボットアーム先端部についての向き拘束情報に基づいて、向き調整軸グループに分類された前記関節軸の角度を計算する
ことを特徴とする軌道計画装置。 - 請求項2に記載の軌道計画装置であって、
前記軸グループ角度計算部は、前記向き拘束情報に基づき、逆運動学を用いて前記向き調整軸グループに分類された前記関節軸の角度を計算する
ことを特徴とする軌道計画装置。 - 請求項1に記載の軌道計画装置であって、
前記ロボットが備える前記関節軸に関する情報、及び前記ロボットの形状を表す3次元モデルデータを少なくとも含むロボット構成情報に基づいてロボットモデルを構築するとともに、干渉物の3次元モデルデータ、及び前記干渉物の設置位置を表す情報を含む干渉物構成情報に基づいて干渉物モデルを構築するモデル構築部と、
前記ロボットモデルと前記干渉物モデルとの干渉を判定する干渉判定部と、
を備え、
前記経路探索部は、前記ロボットモデルと前記干渉物モデルとが干渉しない前記経路を探索する
ことを特徴とする軌道計画装置。 - 請求項1に記載の軌道計画装置であって、
前記関節軸分類部は、前記関節軸分類情報が存在しない場合、前記評価関数に基づいて前記複数の関節軸を前記異なる複数の軸グループに分類する
ことを特徴とする軌道計画装置。 - 請求項5に記載の軌道計画装置であって、
前記関節軸分類部は、前記関節軸分類情報が存在しない場合、前記評価関数と前記関節軸の分類パターンが対応付けられたテーブルを参照し、前記評価関数に基づいて前記複数の関節軸を前記異なる複数の軸グループに分類する
ことを特徴とする軌道計画装置。 - 請求項1に記載の軌道計画装置であって、
前記軌道開始点情報及び軌道終了点情報に含まれるロボットアーム先端部の位置及び向きを、前記ロボットが備える前記関節軸の角度に変換するインバースキネマティクス部を、
備えることを特徴とする軌道計画装置。 - 請求項1に記載の軌道計画装置であって、
前記評価関数は、前記ロボットが備える全ての前記関節軸の総変化量、ロボットアーム先端部の移動量、前記ロボットの動作時間、前記ロボットアーム先端部にかかる加速度、及び前記ロボットと干渉物との距離の逆数のうちの少なくとも1つの値を出力する
ことを特徴とする軌道計画装置。 - 請求項8に記載の軌道計画装置であって、
ユーザによって選択された前記評価関数を表す評価関数情報を記憶する記憶部を、
備え、
前記経路探索部は、前記評価関数情報が表す前記評価関数を最小化する前記経路を探索する
ことを特徴とする軌道計画装置。 - 請求項9に記載の軌道計画装置であって、
前記経路探索部は、ユーザによって複数の前記評価関数が選択されている場合、選択された複数の前記評価関数の重み付け和を最小化する前記経路を探索する
ことを特徴とする軌道計画装置。 - 軌道計画装置による軌道計画方法であって、
ロボットが備える複数の関節軸を、経路探索軸グループを少なくとも含む異なる複数の軸グループに分類するための関節軸分類情報に従い、前記異なる複数の軸グループに分類する関節軸分類ステップと、
計画する軌道の開始点における前記ロボットの姿勢を表す軌道開始点情報と、前記計画する軌道の終了点における前記ロボットの姿勢を表す軌道終了点情報とに基づき、前記計画する軌道を評価するための評価関数を最小化する、前記経路探索軸グループに分類された前記関節軸の角度の経路を探索する経路探索ステップと、
前記経路探索ステップの処理による前記経路の探索中に前記経路探索軸グループ以外の各軸グループに分類された前記関節軸の角度を計算する軸グループ角度計算ステップと、
を含むことを特徴とする軌道計画方法。 - 組立順序・ライン構成計画装置と、
軌道計画装置と、
作業時間計算装置と、
を備える生産システムであって、
前記組立順序・ライン構成計画装置は、
製品の設計データから成る製品設計情報と、ロボットの生産能力を表すロボット生産能力情報とに基づき、前記ロボットを用いる前記製品の組立順序とライン構成計画を立案することにより、軌道開始点情報、軌道終了点情報、及び作業内容情報を生成し、
前記軌道計画装置は、
前記ロボットが備える複数の関節軸を、経路探索軸グループを少なくとも含む異なる複数の軸グループに分類するための関節軸分類情報に従い、前記異なる複数の軸グループに分類する関節軸分類部と、
計画する軌道の開始点における前記ロボットの姿勢を表す前記軌道開始点情報と、前記計画する軌道の終了点における前記ロボットの姿勢を表す前記軌道終了点情報とに基づき、前記計画する軌道を評価するための評価関数を最小化する、前記経路探索軸グループに分類された前記関節軸の角度の経路を探索する経路探索部と、
前記経路探索部による前記経路の探索中に前記経路探索軸グループ以外の各軸グループに分類された前記関節軸の角度を計算する軸グループ角度計算部と、
前記ロボットが備える各関節軸の時系列の角度からなり、前記軌道開始点情報が表す開始点と、前記軌道終了点情報が表す終了点をつなぐ軌道を表す軌道情報を前記作業時間計算装置に出力する出力部と、
を備え、
前記作業時間計算装置は、前記作業内容情報、及び前記軌道情報に基づいて前記ロボットの作業時間を計算し、
前記作業時間計算装置によって計算された前記ロボットの前記作業時間は、前記ロボット生産能力情報として前記組立順序・ライン構成計画装置にフィードバックされる
ことを特徴とする生産システム。
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