JPH11333780A - マニピュレータの制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 冗長自由度マニピュレータを使用し、把手の
位置と姿勢に対して各関節の経路を順次設定して、少な
い費用でマニピュレータが障害物を回避して動作するマ
ニピュレータの制御装置を得る。 【解決手段】 任意の座標に移動可能な把手を装備し、
座標の次元よりも大きい関節の自由度数を有する冗長自
由度マニピュレータが動作する空間内に障害物がある場
合、始点１１から終点１２へ把手を移動するときに、障
害物と干渉する状態での関節２，４，６それぞれの変位
を予め離散的に求める。そして、各関節の変位を避ける
ように各関節の離散的な動作間をマニピュレータの関節
補間又は単軸動作により制御する。これにより、ロボッ
トコントローラ１７の命令により経路生成部１６を介し
て制御し第一アーム３等が障害物と干渉せずに動作す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えばダンボー
ル箱などの物品を移載するマニピュレータの制御装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】図８〜図１２は、従来のマニピュレータ
の制御装置を説明する図で、図８はマニピュレータの正
面図、図９は図８のマニピュレータの平面図、図１０は
十自由度のマニピュレータの概念図、図１１は図８のマ
ニピュレータと障害物の状況を示す平面図、図１２は冗
長自由度マニピュレータと障害物の状況を示す平面図で
ある。

【０００３】図において、１は基体、２は基体１に設け
られた第一軸からなる第一関節、３は第一関節２によっ
て動作する第一アーム、４は第一アーム３の回動端に設
けられた第二軸からなる第二関節、５は第二関節４によ
って動作する第二アーム、６は第二アーム５の回動端に
設けられた第三軸からなる第三関節である。７は関節、
８はアーム、９は把手、１０は障害物、１１は搬送動作
の始点、１２は搬送動作の終点、１３は第三関節６によ
って動作する第三アームである。

【０００４】従来のマニピュレータの制御装置では、上
記のように構成されたマニピュレータについて次に述べ
るような制御を行う。すなわち、マニピュレータにより
ダンボール箱などの物品を移載する場合に、物品は常に
水平姿勢であればよいため把手の水平姿勢をマニピュレ
ータの構造によって保持できるようにする。そして、把
手の位置の自由度三と、垂直軸まわりの回動姿勢の自由
度一の計四自由度に対応して構成され、関節の四自由度
を有する構造のマニピュレータが製作されている。

【０００５】なお、マニピュレータの構造としては、周
知のように水平多関節型、垂直多関節型がある。また、
マニピュレータの位置と姿勢の自由度の和をｎとしたと
き、ｎ＋１以上の関節の自由度を有するマニピュレータ
を冗長自由度マニピュレータといい、図１０に十自由度
のマニピュレータの例を示す。そして、冗長自由度マニ
ピュレータにおいては把手９の位置と姿勢を決定して
も、各関節７の関節角は一意に定まることがない。この
ため、この性質を障害物を回避しながら動作する制御に
有効に利用することができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来のマ
ニピュレータにおいて、図１１に示すように障害物１０
がある場合に第一アーム３等が障害物１０に当たるの
で、始点１１から終点１２へ移動する動作ができないと
いう問題点があった。また、図１２に示すような冗長自
由度マニピュレータを使用すれば、第二アーム５等が障
害物１０に当たらないように始点１１から終点１２へ移
動することができる。しかし、把手９の位置と姿勢を決
定しても各関節７の関節角が一意に定められないという
問題点があった。

【０００７】この発明は、かかる問題点を解消するため
になされたものであり、冗長自由度マニピュレータを使
用し、把手の位置と姿勢に対して各関節の経路を順次設
定し、障害物を回避してマニピュレータを動作させるマ
ニピュレータの制御装置を得ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明に係るマニピュ
レータの制御装置においては、空間内の任意の座標に移
動可能な把手が装備されて、座標の次元よりも大きい関
節の自由度数を有する冗長自由度マニピュレータ、この
マニピュレータが動作する空間内に障害物がある場合
に、空間内の任意の始点から任意の終点へ把手を移動す
るときに、マニピュレータが障害物と干渉する状態にお
ける関節それぞれの変位を予め離散的に求め、求められ
た関節それぞれの変位を避けるように、関節それぞれの
離散的な変位動作間がマニピュレータの関節補間及び単
軸動作のいずれかによって制御される。

【０００９】また、この発明に係るマニピュレータの制
御装置においては、マニピュレータが動作する空間内に
障害物がある場合に、空間内の任意の始点から任意の終
点へ把手を移動するときに、マニピュレータが障害物と
干渉する状態における関節それぞれの変位を予め離散的
に求め、求められた関節それぞれの変位と一致しないよ
うに、動作の始点から関節それぞれの離散的な変位動作
間を、動作の終点により近い点及びこの近い点がなけれ
ば動作の始点からより遠い点のいずれかへ変位する制御
が行われる。

【００１０】

【発明の実施の形態】実施の形態１．図１〜図３は、こ
の発明の実施の形態の一例を示す図で、図１はマニピュ
レータ装置の構成を概念的に示す平面図、図２は図１の
マニピュレータと障害物の状況を示す平面図、図３は図
１のマニピュレータのアームの動作を説明する図であ
る。図において、１は基体、２は基体１に設けられた第
一軸からなる第一関節、３は第一関節２によって動作す
る第一アーム、４は第一アーム３の回動端に設けられた
第二軸からなる第二関節、５は第二関節４によって動作
する第二アームである。

【００１１】６は第二アーム５の回動端に設けられた第
三軸からなる第三関節、１０は障害物、１１は始点、１
２は終点、１３は第三関節６によって動作する第三アー
ム、１４は第三アーム１３の回動端に設けられた把手に
把持された物品、１５はマニピュレータに接続された制
御装置で、経路生成部１６及び従来の制御装置に装備さ
れていたものと同様のロボットコントローラ１７が設け
られている。

【００１２】上記のように構成されたマニピュレータ装
置において、マニピュレータは把手によって物品１４を
把持して始点１１から終点１２へ搬送する。この場合に
把手１４の位置の自由度が二であるのに対してマニピュ
レータの関節の自由度が三である。なお、動作の説明の
簡易化のために把手の姿勢については無視する。

【００１３】また、経路生成部１６には、始点１１、終
点１２などの点に対応する関節角の組と、マニピュレー
タが障害物１０に当たる場合の関節角の組とが予め離散
的に求められて収納されている。すなわち、マニピュレ
ータの関節の角度を５°おきなどで与えて関節角の組を
作る。次にその例を示す。ここに、第一アーム３の角度
をθ１、第二アーム５の角度をθ２、第三アーム１３の
角度をθ３とする。

【００１４】｛θ１，θ２，θ３｝＝｛−１８０，−１
８０，−１８０｝，｛−１８０，−１８０，−１７
５｝，｛−１８０，−１８０，−１７０｝，．．．，
｛−１８０，−１８０，１７０｝，｛−１８０，−１８
０，１７５｝，｛−１８０，−１７５，−１８０｝，
｛−１８０，−１７５，−１７５｝，．．．

【００１５】これらの角度は三次元のベクトルなので、
三次元空間内の点の座標であると考えることができる。
そして、前述の関節角の組からマニピュレータの動作範
囲外の組を除く。例えば第一アーム３の動作範囲が±１
６０°の場合、｛−１８０，０，０｝，｛−１７５，
０，０｝，｛−１６５，０，０｝，｛１６５，０，
０｝，｛１７０，０，０｝，｛１７５，０，０｝，．．
などの組は除く。

【００１６】次に空間内の障害物１０の座標を不等式で
表現する。例えば図２に示す障害物１０は以下のように
表される。 ｘ＞ｘｏ かつ ｙ＞ｙｏ また、図３に示すように第一アーム３等のアーム長さを
それぞれ適当な分割数で分割する。なお、図３ではアー
ム長さを四分割している。そして、分割したアームの各
点の座標を求める。すなわち、図３ではアーム上の各点
を五点とし座標を小円で表している。

【００１７】そして、それぞれの関節角として前述の手
法により求めた関節角の組を適用する。例えば、図３の
場合に各点の座標は次のようになる。すなわち、 ｉ＊１１／４＊｛ｃｏｓＯ，ｓｉｎＯ｝＋ｊ＊１２／４
＊｛ｃｏｓＯ，ｓｉｎＯ｝＋ｋ＊１３／４＊｛ｃｏｓ
Ｏ，ｓｉｎＯ｝，ｉ＊１１／４＊｛ｃｏｓ５，ｓｉｎ
５｝＋ｊ＊１２／４＊｛ｃｏｓＯ，ｓｉｎＯ｝＋ｋ＊１
３／４＊｛ｃｏｓＯ，ｓｉｎＯ｝，．．． ｉ，ｊ，ｋ＝０，１，２，３ ここで、１１は第一アーム３の長さ、１２は第二アーム
５の長さ、１３は第三アーム１３の長さである。

【００１８】そして、これらのアーム上の各点が障害物
１０と干渉するかどうかを判定する。すなわち、アーム
上の各点の座標が前述の手法によりにより求めた障害物
１０の不等式の範囲に含まれるかどうかを判定する。そ
して、アーム上の各点の座標が一つでも障害物１０の不
等式の範囲に含まれている関節角の組を除く。

【００１９】これにより、前述の手順で残った関節角の
組がマニピュレータが障害物１０と干渉せずに動作でき
る関節角となる。そして、これらの関節角の組を始点１
１から終点１２まで順次辿って移動することにより障害
物１０に干渉せずに動作することができる。

【００２０】なお、始点１１、終点１２などに対応する
関節角の組の決め方として、アームの角度をどれか一軸
だけ、例えば第一アーム３の角度を一定値、例えば０°
に決めておき、他のアームの角度はマニピュレータの逆
変換の手法を用いることも可能である。

【００２１】そして、ある関節角の組から他の関節角の
組に移動するには、ロボットコントローラ１７の単軸動
作命令又は関節補間命令をそのまま用いることができ
る。また、第一アーム３、第二アーム５及び第三アーム
１３の関節角のうち、一つだけを動かす場合は単軸動作
命令を用い、二つ以上を動かす場合は関節補間命令を用
いる。

【００２２】以上説明したように、ロボットコントロー
ラ１７の命令をそのまま用いて経路生成部１６を介して
制御してマニピュレータは障害物１０と干渉せずに動作
する。これによって、周囲にマニピュレータと干渉する
障害物１０がある環境においても、冗長自由度マニピュ
レータを使用し、把手の位置と姿勢に対して各関節の経
路を順次設定してマニピュレータが障害物１０を回避し
て正常に動作するようにマニピュレータを制御すること
ができる。

【００２３】また、ロボットコントローラ１７に経路生
成部１６を加えることによって、制御装置１５が構成さ
れているので、従来の形態のロボットコントローラ１７
を大幅に変更する必要がなく少ない費用で所要の作用を
得ることができる。なお、図１〜図３の実施の形態にお
けるマニピュレータの制御装置を、適宜な物品の移載作
業、ハンドリング作業、塗装作業、溶接作業等のマニピ
ュレータの制御に容易に適用することができ、図１〜図
３の実施の形態と同様の作用を得ることができる。

【００２４】実施の形態２．図４〜図７は、この発明の
他の実施の形態の一例を示す図で、図４はマニピュレー
タの制御装置の動作を説明するフローチャート、図５は
図４のマニピュレータの制御装置の経路生成部における
現在の点の周囲の点を説明する図、図６は図４のフロー
チャートにより辿った経路の例を説明する図、図７は図
４のマニピュレータの制御装置の経路生成部における現
在の点の他の周囲の点を説明する図である。

【００２５】なお、図４〜図７の他は前述の図１〜図３
の実施の形態と同様にマニピュレータ装置が形成されて
いる。そして、制御装置１５の経路生成部１６にはマニ
ピュレータが動作範囲内で障害物１０と干渉する場合の
関節角の組を、前述の図１〜図３の実施の形態で説明し
たように予め離散的に求めて収納してある。これによ
り、始点１１から終点１２までの経路を図４に示すフロ
ーチャートに従って順次生成する。

【００２６】すなわち、ステップ１０１により現在の点
ｐの周囲の点の候補をあげる。ただし以前に行った点は
除外する。そして、この候補は図５に示すように関節角
の組を点で表し、ここでの関節角の組は、例えば前述の
図１〜図３の実施の形態で求めた｛０，０，０｝，
｛０，０，５｝，｛０，０，１０｝，．．．などの座標
である。このようにして、現在の点ｐの周囲の点を図５
に示すように選ぶ。なお、以下説明を簡単にするために
次元を落として二次元平面内の図によって説明する。

【００２７】次いで、ステップ１０２へ進んで周囲の点
と終点１２との距離を求め、ステップ１０３へ進む。そ
して、周囲の点の候補のうちで現在の点ｐと終点１２と
の距離よりも近い点が存在すればステップ１０４へ進
み、また存在しなければステップ１０６へ進む。そし
て、ステップ１０４において終点１２との距離が最短の
点をｐｎとしステップ１０５へ進んで点ｐｎへ移動し、
ステップ１０８へ進む。

【００２８】なお、ある点から周囲の点へは単軸動作命
令一回で移動できる。また、ステップ１０６において終
点１２との距離が最遠の点をｐｆとしステップ１０７へ
進んで点ｐｆへ移動し、ステップ１０８へ進む。そし
て、ステップ１０８において終点１２に到達していなけ
ればステップ１０１へ戻る。

【００２９】以上説明したフローチャートによって辿っ
た経路の例を図６に示す。なお、前述のステップ１０４
又はステップ１０６において、最短の点ｐｎ又は最遠の
点ｐｆが複数存在した場合は、例えば第一アーム３の関
節角θ１が大きい方を選ぶなどと決めておく。

【００３０】以上説明したように、ロボットコントロー
ラ１７の命令をそのまま用いて制御してマニピュレータ
は障害物１０と干渉せずに動作する。したがって、詳細
な説明を省略するが図４〜図７の実施の形態においても
図１〜図３の実施の形態と同様な作用が得られる。な
お、現在の点ｐの周囲の点は、図７に示すように座標軸
方向以外のものを含めて候補としてあげることができ
る。このときは、ある点から周囲の点へは単軸動作命令
又は関節補間命令一回により移動することができる。

【００３１】

【発明の効果】この発明は以上説明したように、空間内
の任意の座標に移動可能な把手が装備されて座標の次元
よりも大きい関節の自由度数を有する冗長自由度マニピ
ュレータ、このマニピュレータが動作する空間内に障害
物がある場合に、空間内の任意の始点から任意の終点へ
把手を移動するときに、マニピュレータが障害物と干渉
する状態における関節それぞれの変位を予め離散的に求
め、求められた関節それぞれの変位を避けるように、関
節それぞれの離散的な変位動作間をマニピュレータの関
節補間及び単軸動作のいずれかにより制御するものであ
る。

【００３２】これによって、ロボットコントローラの命
令をそのまま用いて経路生成部を介して制御し、マニピ
ュレータが動作する空間内に障害物がある場合に、空間
内の任意の始点から任意の終点へ把手を移動するとき
に、マニピュレータが障害物と干渉する状態における関
節それぞれの変位を予め離散的に求め、求められた関節
それぞれの変位が回避される。これによって、マニピュ
レータが障害物と干渉せずに動作する。したがって、周
囲にマニピュレータと干渉する障害物がある環境におい
ても、冗長自由度マニピュレータを使用し、把手の位置
と姿勢に対して各関節の経路を順次設定して、障害物を
回避して正常動作させるようにする効果がある。また、
制御装置がロボットコントローラに経路生成部を加えた
構成であるので、従来の形態のロボットコントローラを
大幅に変更する必要がなく少ない費用で所要の作用を得
る効果がある。

【００３３】また、この発明は以上説明したように、マ
ニピュレータが動作する空間内に障害物がある場合に、
空間内の任意の始点から任意の終点へ把手を移動すると
きに、マニピュレータが障害物と干渉する状態における
関節それぞれの変位を予め離散的に求め、求められた関
節それぞれの変位と一致しないように、動作の始点から
関節それぞれの離散的な変位動作間を、動作の終点によ
り近い点及びこの近い点がなければ動作の始点からより
遠い点のいずれかへ変位する制御を行うものである。

【００３４】これによって、ロボットコントローラの命
令をそのまま用いて経路生成部を介して制御し、マニピ
ュレータが障害物と干渉する状態における関節それぞれ
の変位を予め離散的に求め、求められた関節それぞれの
変位と一致しないように、動作の始点から関節それぞれ
の離散的な変位動作間を、動作の終点により近い点及び
この近い点がなければ動作の始点からより遠い点のいず
れかへ変位する。これによって、マニピュレータが障害
物と干渉せずに動作する。したがって、周囲にマニピュ
レータと干渉する障害物がある環境においても、冗長自
由度マニピュレータを使用し、把手の位置と姿勢に対し
て各関節の経路を順次設定して、障害物を回避して正常
動作させるようにする効果がある。また、制御装置がロ
ボットコントローラに経路生成部を加えた構成である。
このため、従来の形態のロボットコントローラを大幅に
変更する必要がなく少ない費用で所要の作用を得る効果
がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１を示す図で、マニピ
ュレータ装置の構成を概念的に示す平面図。

【図２】 図１のマニピュレータと障害物の状況を示す
平面図。

【図３】 図１のマニピュレータのアームの動作を説明
する図。

【図４】 この発明の実施の形態２を示す図で、マニピ
ュレータの制御装置の動作を説明するフローチャート。

【図５】 図４に対応したマニピュレータの制御装置の
経路生成部における現在の点の周囲の点を説明する図。

【図６】 図４のフローチャートにより辿った経路の例
を説明する図。

【図７】 図４に対応したマニピュレータの制御装置の
経路生成部における現在の点の他の周囲の点を説明する
図。

【図８】 従来のマニピュレータの制御装置を説明する
図で、マニピュレータの正面図。

【図９】 図８のマニピュレータの平面図。

【図１０】 十自由度のマニピュレータの概念図。

【図１１】 図８のマニピュレータと障害物の状況を示
す平面図。

【図１２】 冗長自由度マニピュレータと障害物の状況
を示す平面図。

【符号の説明】

２ 第一関節、４ 第二関節、６ 第三関節、１０ 障
害物、１１ 始点、１２ 終点、ｐｎ 近い点、ｐｆ
遠い点。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空間内の任意の座標に移動可能な把手が
   装備されて上記座標の次元よりも大きい関節の自由度数
   を有する冗長自由度マニピュレータ、このマニピュレー
   タが動作する空間内に障害物がある場合に、上記空間内
   の任意の始点から任意の終点へ上記把手を移動するとき
   に、上記マニピュレータが上記障害物と干渉する状態に
   おける上記関節それぞれの変位を予め離散的に求め、求
   められた上記関節それぞれの変位を避けるように、上記
   関節それぞれの離散的な変位動作間を上記マニピュレー
   タの関節補間及び単軸動作のいずれかにより制御するマ
   ニピュレータの制御装置。
2. 【請求項２】 マニピュレータが作業する空間内に障害
   物がある場合に、上記空間内の任意の始点から任意の終
   点へ上記把手を移動するときに、上記マニピュレータが
   上記障害物と干渉する状態における上記関節それぞれの
   変位を予め離散的に求め、求められた上記関節それぞれ
   の変位と一致しないように、上記動作の始点から上記関
   節それぞれの離散的な変位動作間を、上記動作の終点に
   より近い点及びこの近い点がなければ上記動作の始点か
   らより遠い点のいずれかへ変位する制御を行うことを特
   徴とする請求項１記載のマニピュレータの制御装置。