JPH0829517B2 - ロボツトの衝突回避制御方法 - Google Patents

ロボツトの衝突回避制御方法

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JPH0829517B2
JPH0829517B2 JP59207056A JP20705684A JPH0829517B2 JP H0829517 B2 JPH0829517 B2 JP H0829517B2 JP 59207056 A JP59207056 A JP 59207056A JP 20705684 A JP20705684 A JP 20705684A JP H0829517 B2 JPH0829517 B2 JP H0829517B2
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force
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久明 平林
浩一 杉本
信一 荒井
志之 坂上
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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、ロボツトを作動せしめる際に障害物と衝突
しないように回避させる為の制御方法に関するものであ
る。
〔発明の背景〕 ロボツトが障害物と衝突しないように制御する方法と
しては、オーストラリアン・コンピユータ・ジャーナル
1983年8月、第3巻15号(Vol.15.No.3)に掲載され
ている衝突防止経路計画のための増大する多面障害物体
(Growing Polyhedral Obstacles for Planning Collis
ion−Free Paths)が公知である。この方法は、障害物
の位置およびロボツトの軌跡が既知であるとき、軌道が
障害物と重なつているか否かを判定して、障害物と重な
らない軌跡を新たに算出する方法である。この方法は、
ロボツトの軌跡が既知でないと適用できないという不便
が有る。
ロボツトの衝突防止のために力フイードバツク制御方
法も公知である。第10図は上記の力フイードバツク制御
の公知例の説明図である。この方法による制御は、ロボ
ツトアーム1とロボツトハンド2との間に装着された力
センサ3及び力センサからの処理を含む制御アルゴリズ
ムを用いて、操作者4が、ロボツトのハンドに力(並進
力及び回転力)を加えると、ハンドがそれに応じて並
進,回転をするものである。
この制御方法によつて、ロボツトのハンドに操作者
が、力を加えると、その力に応じた速度でロボツトを動
かすことができ、ロボツトハンドに任意の位置,姿勢を
取らせる為の一手法として有用である。しかし、この方
法によつてはロボツトと障害物との衝突を自動的に回避
させることはできない。この方法を適用することによつ
て、衝突した際、瞬間的に方向を変えるように自動制御
することは可能であるが、衝突の衝撃荷重をロボツトハ
ンドに受けるので、安全性も好ましくない。
第11図は上記と異なる従来の衝突回避制御の1例を示
す説明図である。
ロボツトの取るべき軌道は、事前にプレイバツク、オ
フライン等で始点と終点が与えられ、その中間は、計算
によつて算出されるのが一般的である。
このため、軌道上に障害物が無い場合は、問題は無い
が、もし障害物が有る場合は、始点,終点以外は、障害
物に衝突するか否かを事前にチエツクできないのが現状
である。
一部には、ロボツトに、オン=オフセンサ,力センサ
等を装着し、障害物に衝突したことを検出し、急停止を
する方式が提案されているが、衝撃荷重や急停止が与え
る影響を考慮すると、望ましい方法でなく、実用上問題
がある。
〔発明の目的〕
本発明は上述の事情に鑑みて為されたもので、その目
的とするところは、ロボツトの軌道上に障害物があると
き、急停止や大幅な軌道変化等の急激な変化を行うこと
なしに、円滑に、障害物を回避し、十分回避した後、再
び元の軌道に戻るようなロボツトの制御方法を提供する
ことにあり、障害物の位置が既知である場合に適用さ
れ、ロボツトハンドの軌跡を予め特定する必要なく自動
的に回避制御を行い得るものである。なお、本発明は第
10図に示した力フイードバツク制御機能を備えたロボツ
トにも適用することができる。
〔発明の概要〕
上記目的を達成するため、本発明の制御方法は、障害
物の位置が既知であるとき、その障害物の外側に、障害
物を包むような、ある領域を設ける。ロボツトがこの領
域に入つた場合は、予め定められている反発速度指令
と、該ロボットが与えられている速度指令とのベクトル
和である衝突回避速度指令を算出し、この衝突回避速度
指令に基づいて当該ロボットを作動せしめる。このよう
に、ソフトウエアによつて、ロボツトを障害物から回避
せしめる。
〔発明の実施例〕
次に、本発明方法の実施例について説明する。第2図
は本実施例に用いたロボツト装置の斜視図である。この
ロボツトは6自由度関節形で、ロボツトの台座に固定な
ベース座標系(B系)とロボツトのハンドに固定なハン
ド座標系(H系)とを定める。
次に、H系に固定の補助座標系(A系)を定める。ま
たH系の平衝位置,姿勢(バネ要素)を表わすRH系と、
A系のそれを表すRA系を定める。
第1図は本実施例の適用対象である障害物5付近を描
いた説明図である。該障害物5の周囲に、ある厚さを持
ち、その障害物を包み込むように、領域6を設ける。
従来では、直線軌道7が、障害物と重なるときは、そ
のままではロボツトが障害物に衝突していた。ところ
が、本発明では、領域6にロボツトが入ると衝突を避け
る方向への速度が加わり、軌道8のように結果的に、衝
突を避けることができるよう、次記の如く制御する。
上記の障害物5が第3図のような直方体であるとき
は、第4図に示す如く、その周囲に厚さ2aの領域6を設
定する。
矢印7は衝突回避制御前のロボツト経路を示し、この
矢印7に沿つたロボツトの動き(本来定められた指定速
度)を▲▼で表わす(サフイツクスのtrはtrajec
toryの略である)。
矢印7に沿つて速度▲▼で進行してきたロボツ
トハンドは、前記の領域6に入つたとき、後に詳述する
速度▲▼が加算されて、その合力が となり、軌道8の如く緩やかなカーブを描いて障害物5
を回避する。(サフイツクスのrepはrepulsionの略であ
る)。
第5図は、前記の速度▲▼(ロボツトが領域
6内に進入したとき、これを押し戻す方向に加える反発
力)の設定方法の説明図である。
速度▲▼の方向は、本第5図に示した多数の
矢印v1〜v12の如く、障害物5から離間する方向であ
る。
まず、ロボツトハンド上の1点を定める。この点を今
後ロボツトの位置する点と呼び、この点が障害物と重な
らないように以後制御する。この点をA系の原点とす
る。次に、この点を通る上記の矢印v1〜v12が、領域6
の外囲面と交差する点をRA系の原点とする。RA系の姿勢
はA系のそれと同一とする。
▲▼の大きさは、A系とRA系の原点間の距離
Δxに比例するものとする。
このように定められた▲▼は、第4図に示し
たように▲▼に加えられ、新たな指令速度が各
サンプリング時間毎に計算される。これによつて、第6
図に示すように、軌道8をA系原点が進行するように
(即ち、障害物を回避するように)ロボツトは動く。
また、 によつて、軌道8のようにロボツトが動いたときRA系の
原点は本第6図に示したように移動する。
次に、上記と異なる実施例について、本第6図を参照
しつつ説明する。
前例においてはA系原点をロボツトハンド上の1点に
定めたが、必要に応じてロボツトハンド外の点にA系原
点を定めることもできる。この場合、A系原点は当該ロ
ボツトのハンド以外の個所の任意の点であつてもよく、
中空の点であつても良い。ただし、中空の点であつて
も、ロボツトハンドに対して一定の関係にある点とす
る。また1点にする必要もなく状況に応じて複数の点を
Aに、この時はA1系原点,A2系原点,………,An系原点
と定めてもよい。
この場合は、従つて、第5図の軌道7,8も軌道7の1
と8の1及び軌道7の2と8の2,………,軌道7のnと
8のnとなる。
また前記の実施例では、RA系とA系の姿勢を同一とし
たが、これは、領域6に侵入した時の姿勢をそのまま維
持する場合であるが、もしそうでない場合は、RA系とA
系との姿勢を違えてもよい。第5図に於て、▲
▼の方向を定める矢印v1〜v12は障害物の左側側面の左
では、左方向を、下側側面の下では、下方向を、左下部
では、左下コーナを向く向を取つている。しかし、本図
のように本来の軌道矢印7がほぼ右方に向いているとき
は、▲▼の方向を決める矢印の全部を左向きに
設定することもできる。要するにこれらの矢印(▲
▼の方向)は、本来の与えられた軌道矢印7とほぼ
反対方向であつて、かつ障害物5から離間する方向に設
定すると良好な結果が得られる。
第7図に示したように、障害物5が立体的形状である
場合は、前述の▲▼の方向を、同図に示した矢
印v101,v102,v103……vnのように定めることもでき
る。
また障害物を直方体以外に、球体として表わせば、▲
▼の方向は、球の中心から外側を向く方向に定
めてもよい。
さらに、障害物を直方体や球体の組合せで示せば、よ
り多様な障害物に対応でき、一方ではより計算が煩雑に
なるが、この時の▲▼の方向は、上記の直方体
や球体時に定めたやた方を応用すれば良い。
第5図に示した矢印v1,v2〜v12の方向の定め方につ
いて、第8図を参照しつつ更に詳述する。
図示の如く、紙面上の区域をブロツク,,,
に区分し、A系の原点(xa,ya,za)がこれらの各ブロ
ック中の何れに位置するかに基づいて▲▼の方
向をそれぞれ次のように定める。
ブロツク(xaa,かつyaa)のとき、 ロボツトハンドが障害物内に位置することは有り得ない
ので、ブロツクは考慮から除外する。
ブロツク(−axa<a,かつyaa)のとき、 ▲▼の方向を示す直線の方程式は、 ブロツク(xaa,かつ−aya<a)のとき、 ▲▼の方向を示す直線の方程式は、 ブロツク(|xa|a,かつ|ya|a、ただし(xa
aかつya=a)は除)のとき、 ▲▼の方向を示す直線の方程式は、 (第2図参照)ロボツトのエンコーダの信号から、各関
節の角度が測定され、この値とロボツト各部の長さ
からH系(ロボツトのハンド)の位置,姿勢,,
(,,)が求まる。
H系とA系の関係を表す よりA系が求まる。
また本発明では第5図,第6図等からRA系が定まるa
で、A系とRA系の位置・姿勢偏差 が求まる。
本実施例においては、姿勢偏差を考えていない(即
ち、RA系の姿勢をA系と同一に取つている)ため、θ
=0となる。
従つて、A系におけるΔ(A系とR系との位置・姿
勢の偏差)は、 また、前記の実施例は、▲▼がA系とRA系と
の偏差▲▼のみによつて定まる場合について述べた
が、必要に応じて力センサを付加し、ロボツトハンドに
加えられた力(操作者が加えた手の力、および、障害物
に衝突して受けた力を含む)も▲▼の決定要素
に加えて制御することも可能である。
この場合は力センサに加えられた力が力算出部▲
▼として検出され、ハンド系における▲▼に変換さ
れる。
自重分を補正した後の値を▲▼に変換する。
このようにして得られたΔx,▲▼を用いて、A系に
おける指令速度▲▼を算出する。
本実施例においては▲▼=0である。
〔発明の効果〕
以上詳述したように、本発明の制御方法によれば、多
自由度ロボツトの作動範囲内に存在する障害物につい
て、該障害物を包む領域を設定し、前記のロボツトがこ
の設定領域に入つたとき、障害物との衝突を回避せしめ
る衝突回避速度指令を発する手段を設けるとともに、上
記の衝突回避速度指令に基づいてロボツトを作動せしめ
て、ロボツトに急激な速度変化を与えることなく障害物
との衝突を回避させることにより、ロボツトハンドの軌
跡を予め特定する必要なく自動的に衝突回避制御を行う
ことができ、しかも、急激な速度変化を生じることなく
円滑に回避作動が行われるという優れた実用的効果を奏
する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の1例の制御の概要を示す説明図、第2
図は本発明方法の1実施例に用いたロボツトの斜視図、
第3図乃至第8図はそれぞれ本発明の衝突回避制御方法
の実施例の説明図、第9図は制御のブロツク図、第10図
は従来の力センサを用いた制御方法の説明図、第11図は
障害物と軌道との関係の説明図である。 1……ロボツトのアーム、2……ロボツトのハンド、3
……力センサ、5……障害物、6……衝突を回避するた
めに設定した領域、7……ロボツトに本来与えられてい
る軌道、8……衝突回避制御された軌道。
フロントページの続き (72)発明者 坂上 志之 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所生産技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭58−158712(JP,A) 特開 昭53−11291(JP,A) 特公 昭58−54956(JP,B2)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】多自由度ロボットの作動範囲内に存在する
    障害物について、該障害物を包む領域を設定するととも
    に、 予め、上記ロボットが上記設定領域内に進入した場合を
    想定して該領域内の各点に、障害物と近いほど大きく、
    かつ、障害物から離れる方向の反発速度指令を設定して
    おき、 前記のロボットが現実に前記設定領域内に進入したと
    き、該ロボットに与えられている速度指令と、前記反発
    速度指令とのベクトル和である衝突回避速度指令を算出
    し、 上記衝突回避速度指令によって前記設定領域内のロボッ
    トを作動せしめて、該ロボットに急激な速度変化を与え
    ることなく障害物との衝突を回避させることを特徴とす
    るロボットの衝突回避制御方法。
  2. 【請求項2】前記のロボットは、該ロボットに対して力
    が加えられた場合、上記の力を受けた時点に該ロボット
    が位置していた点を、バネの復元点として拘束されつ
    つ、加えられた力の大きさと方向とに応じて動くもので
    あり、かつ、上記ロボットに加えられていた力が消滅し
    たとき、バネの復元点に戻るような速度指令を与えるこ
    とを特徴とする、特許請求の範囲第1項に記載のロボッ
    トの衝突回避制御方法。
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