JPH09314487A - 冗長軸を有するマニピュレータの制御方法 - Google Patents

冗長軸を有するマニピュレータの制御方法

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JPH09314487A
JPH09314487A JP13797496A JP13797496A JPH09314487A JP H09314487 A JPH09314487 A JP H09314487A JP 13797496 A JP13797496 A JP 13797496A JP 13797496 A JP13797496 A JP 13797496A JP H09314487 A JPH09314487 A JP H09314487A
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JP
Japan
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axis
manipulator
shaft
obstacle
angle
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JP13797496A
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Noriko Endo
紀子 遠藤
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 冗長軸を有するマニピュレータの障害物回避
の制御の汎用化を図る。 【解決手段】 マニピュレータ1に対する障害物10の
方向を検出し、その方向に対し干渉を避けるための冗長
軸(E1軸)5の傾斜角度を算出し、この傾斜角度を実
現するため、冗長軸5の姿勢を決定する軸(S3軸)4
の回転角度を求め、この回転角度となるように当該軸4
を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、冗長軸を有する7
軸以上のマニピュレータの障害物等の回避に適用される
マニピュレータの制御方法に関する。
【0002】
【背景技術】通常、マニピュレータの手先を、3次元空
間内のある位置に、ある姿勢で移動するには、マニピュ
レータとしては6軸の関節があれば十分である。しか
し、最近では、ある決まった位置に移動するだけでな
く、移動空間に存在するさまざまな障害物を巧みに回避
しながら複雑な作業を行えることがマニピュレータに要
求されている。そのためには6軸では不十分で、7軸以
上の関節が必要となる。
【0003】7軸マニピュレータにおいては一つの冗長
軸、8軸マニピュレータにおいては二つの冗長軸を有す
るという具合に、関節が増えるごとに冗長性が増す。例
えば、7軸マニピュレータでは、冗長性は肘の軌跡とな
って現れる。つまり、7軸マニピュレータにおいて、同
じ手先位置姿勢を保ちながら無限個の肘姿勢をとること
ができるのである。この無限個の肘姿勢から障害物を回
避するものを選べばよい。
【0004】図8には1軸が冗長軸である7軸マニピュ
レータを示す。このマニピュレータ1は、回転関節であ
るS1軸2、旋回関節であるS2軸3、回転関節である
S3軸4、旋回関節であり肘に相当するE1軸5、回転
関節であるE2軸6、旋回関節であるW1軸7、回転関
節であるW2軸8からなっている。このマニピュレータ
1では、肘であるE1軸5が冗長軸であり、手先位置姿
勢を固定した状態で無限個の姿勢をとり得る。
【0005】従来、このような7軸マニピュレータ1
で、姿勢を一定に保ったまま手先を図8中のA点からB
点まで移動するとき、周囲に障害物10がある場合の回
避制御は図7に示すようにして行っていた。即ち、マニ
ピュレータ1の移動経路空間内にある障害物10の情報
を細かく獲得した上で(ステップ(1))、すべての障害物
10の面とマニピュレータ1のすべての軸の位置との関
係を計算し、かなりの時間をかけて最適肘姿勢をなす7
軸分の関節角度を求め(ステップ(2))、その結果に基づ
きシュミレーションあるいはCAD上でドライランを行
って回避できるかどうか確認し(ステップ(3))、回避で
きると確認できた場合に、角度指令部より各関節に角度
を指令し(ステップ(4))、各関節を制御していたのであ
る。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来のマニピュレータ障害物回避方法では、障害物の情
報を得る画像処理に時間がかかり、しかもシュミレーシ
ョン等を行わなければならないことから、実際にマニピ
ュレータが動くまでに相当の時間がかかり、汎用性のあ
る方法とは言えなかった。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するもので、その構成は、冗長軸を有するマニピュレ
ータの制御方法であって、マニピュレータに対する障害
物の方向を検出し、その方向に対し干渉を避けるための
冗長軸の傾斜角度を算出し、この傾斜角度を実現するた
め、冗長軸の姿勢を決定する軸の回転角度を求め、この
回転角度となるように当該軸を制御することを特徴とす
るものである。
【0008】
【発明の実施の形態】次に、本発明に係るマニピュレー
タの制御方法の実施の一形態について説明する。ここで
は、図2に示す7軸のマニピュレータを制御対象例とす
る。
【0009】図2に示すマニピュレータ1は、図7で挙
げたものと同じである。即ち、回転関節であるS1軸
2、旋回関節であるS2軸3、回転関節であるS3軸
4、旋回関節であり肘に相当するE1軸5、回転関節で
あるE2軸6、旋回関節であるW1軸7、回転関節であ
るW2軸8からなっており、肘であるE1軸5が冗長軸
であり、手先位置姿勢を固定した状態で無限個の姿勢を
とり得るものである。
【0010】上記のような7軸マニピュレータ1の手先
姿勢を保ったままの移動制御を、図3に示すようにA点
からB点に直線移動させることを想定して説明する。図
5に示すように、B点のまわりには障害物10が存在
し、マニピュレータ1の肘である関節E1軸5が障害物
10に干渉する可能性があるとする。
【0011】A点からB点に直線移動する際に必要とな
る情報は、障害物10とマニピュレータ1との位置関係
である。この情報とは、マニピュレータ1が障害物10
を回避する上で必要不可欠、かつ最小限の情報であり、
具体的には、A点とB点とを直線で結んだとき、存在す
る障害物の面がマニピュレータ1の基準座標系(図5に
おいて、XYZが座標軸である)においてどの方向に存
在するのかしないのかのみの情報とする。A点からB点
に移動する際に、干渉するおそれがある障害物10の面
の定義は、図4、図6に示すように、直線Lから障害物
10の面までの最短距離が、S3軸4を回転させること
によって求まるE1軸5のなす円軌道の円の半径r1
り小さい(r1 >r2 )という条件を満たすことであ
る。尚、図6において、LはS2軸3と先端位置Aとを
結ぶ直線、r1 はE1軸5の中心から直線Lに下ろした
垂線の距離、r2 は障害物10から直線Lに下ろした垂
線の最短値である。
【0012】上記条件を満たせば干渉のおそれがある面
があるということであり、その面が見つかれば、マニピ
ュレータ1の先端位置を示すポイント(教示データ)
に、干渉面の方向と干渉ありの情報を追加する。この情
報が最小限の障害物情報となる。
【0013】尚、障害物10の存在を検出ためには、例
えば、マニピュレータの関節に、離れた物体を検出する
ことのできるセンサを取り付け、そのセンサの情報をも
とに、障害物の存在とその方向を認識する手段などがと
られる。障害物の情報はなるべく少なくしたいので、そ
れに合わせてセンサの選定や情報の最適化が考慮され
る。
【0014】ここで、E1軸5のなす円軌道について説
明する。前述したように、7軸マニピュレータには、一
つの冗長軸が存在し、マニピュレータ1の手先位置姿勢
を保ったまま、無限個の肘姿勢(関節角度のさまざまな
組み合わせ)が可能となる。図2に示したマニピュレー
タ1では、前述したようにS3軸4が肘姿勢を決定する
軸である。
【0015】図4に示したように、同じ手先位置姿勢を
保ちながら、S3軸4の関節角度をプラス方向、マイナ
ス方向に回転させることによって、E1軸5は、マニピ
ュレータ1の基準座標における原点とマニピュレータ1
の手先位置を結んだ直線上にE1軸5から垂直に下ろし
た線との交点Cを中心に、垂線の長さr1 を半径とした
円軌道を描きながら、肘姿勢を変化することができる。
【0016】円軌道の半径r2 は、マニピュレータ1の
リンク長、リンク構成、マニピュレータ1の手先位置に
よって異なる。又、E1軸5は描いた円軌跡の全周を移
動できるわけではなく、ハードウェア的な(構造上の)
関節リミット角度によって円軌道が円弧軌道に変わる。
【0017】本実施の形態では、干渉するおそれのある
障害物10の面の方向からE1軸5を傾ける方向を求
め、それを実現するためS3軸4の回転角度を求める。
求めたS3軸4の回転角度とA点におけるS3軸4の関
節角度との和が、B点におけるS3軸4の関節角度を拘
束する。
【0018】次に、前記情報を用いた肘制御を図1に基
づいて説明する。先ず、障害物回避に必要な情報を獲得
する(ステップ(1)) 。つまり、前述したように、直線
ABから障害物10の面までの最短距離r2 が、図4で
示すようにS3軸4を回転させることによって求まるE
1軸5のなす円軌道の円の半径r 1 より小さいかどうか
という情報をとる。上記条件を満たせば干渉のおそれが
ある面があるということであり、その面が見つかれば、
マニピュレータ1の先端位置を示すポイント(教示デー
タ)に、干渉面の方向と干渉ありの情報を追加する。
【0019】次に、マニピュレータ1 の周囲に干渉する
おそれのある面があり、その方向がわかったら、E1軸
5をどれくらいC点を中心に回転すればよいかが求めら
れ(ステップ(2))、E1軸5を回転するためのS3軸4
の回転角度(関節拘束角度)が求められる(ステップ
(3)) 。S3軸4の回転は、r1 とr2 の差があるしき
い値に達したときのE1軸5を基準とする。
【0020】求められたS3軸4の関節拘束角度を用い
て、冗長性を決定する評価関数を求める(ステップ
(4))。評価関数は、7×1のベクトルで、各関節の移動
方向、移動速度を変化することができ、同じ手先位置姿
勢で存在する無限個の関節角度の組み合わせを変化させ
て決定する値である。
【0021】この実施の形態における評価関数は、S3
軸4に対する値に、S3軸関数拘束角度を用い、それ以
外の6つの値は0にする。そうすることにより、S3軸
4を特に拘束し、求めたS3軸関節拘束角度が最優先に
効果を表す(ステップ(5))。各軸角速度算出部で求めら
れた角速度を各モータに指令し、各軸を制御する。よっ
て、E1軸5を要求通り回転することができ、干渉の恐
れのある面を、図5のように回避することができる。
【0022】尚、上記各演算は、マニピュレータに備っ
ているコンピュータによりなされる。
【0023】本発明を適用できる具体的な作業として
は、原子力発電所の管理区域内に持ち込んだ物品を管理
区域外に持ち出す際に、マニピュレータの先端に汚染計
測装置を取り付け、複雑な物品形状をならいながら検査
するならい作業、障害物の多い対象物を、障害物を回避
しながら高速で行う塗装作業、障害物を回避しながら低
速で行う溶接作業などが挙げられる。
【0024】
【発明の効果】本発明に係るマニピュレータの移動制御
方法によれば、マニピュレータの移動空間内に存在す
る、マニピュレータの関節と干渉する恐れのある障害物
の面に関する情報だけで、マニピュレータの冗長性を有
効に利用することによって干渉を回避しながら移動する
ことができる。つまり、移動先の手先位置姿勢と干渉の
恐れのある障害物の方向のみの情報で、干渉回避できる
評価関数、各軸角速度を現在の制御周期内に計算するこ
とが可能となり、リアルタイムに、自律的に干渉を回避
することができるのである。
【0025】従って、今までロボットが作業できなかっ
たような狭い空間や障害物が多い空間において、基本と
なるポイントを教えるだけで自律的に干渉、衝突を回避
しながら複雑な作業を行うことができ、さまざまな環境
に対応でき、汎用性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るマニピュレータの制御方法の制御
内容を示すフローチャートである。
【図2】本発明の適用対象の一例である、一の冗長軸を
有する7軸マニピュレータの概略ずである。
【図3】本発明に係るマニピュレータの制御方法を適用
しない場合のマニピュレータの移動を示す概略図であ
る。
【図4】本発明に係るマニピュレータの制御方法を適用
しない場合のE1軸の円軌道を示す概略図である。
【図5】本発明に係るマニピュレータの制御方法を適用
した場合のマニピュレータの、障害物を回避しての移動
を示す概略図である。
【図6】障害物との干渉のおそれの説明図である。
【図7】冗長軸を有する従来のマニピュレータの制御を
示すフローチャートである。
【図8】障害物を回避できていないマニピュレータの移
動を示す説明図である。
【符号の説明】
1 マニピュレータ 2 S1軸 3 S2軸 4 S3軸 5 E1軸 6 E2軸 7 W1軸 8 W2軸 10 障害物

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 冗長軸を有するマニピュレータの制御方
    法であって、マニピュレータに対する障害物の方向を検
    出し、その方向に対し干渉を避けるための冗長軸の傾斜
    角度を算出し、この傾斜角度を実現するため、冗長軸の
    姿勢を決定する軸の回転角度を求め、この回転角度とな
    るように当該軸を制御することを特徴とする冗長軸を有
    するマニピュレータの制御方法。
JP13797496A 1996-05-31 1996-05-31 冗長軸を有するマニピュレータの制御方法 Withdrawn JPH09314487A (ja)

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