JPH02277101A

JPH02277101A - マニピュレータの軌道生成方法

Info

Publication number: JPH02277101A
Application number: JP9750689A
Authority: JP
Inventors: Michihiro Uenohara; 植之原　道宏
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-04-19
Filing date: 1989-04-19
Publication date: 1990-11-13

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、マニピュレータが障害物と干渉せずに空間内
を駆動するためのマニピュレータの軌道生成方法に関す
る。

（従来の技術）ロボットおよびロボットのなかでも腕のみの場合を示す
マニピュレータは、それまでの単調な作業のみを行なう
機械と違って、複雑なさまざまな作業を行なうことがで
きる。しかしロボットに行なわせる作業の教示は、その
大部分がいまだにティーチングプレイバック方式である
。ティーチングプレイバック方式では、人間がロボット
を実際に動かしてみて、そのときの動きをセンサ情報と
して記憶、再現するわけであり、新たな作業をロボット
に行なわせるためには、−度ロボットの作業を止めて、
人間が教えてやらねばならない。

今までのように、工場内で同じ作業を何回も繰り返す場
合はそれでも良かったが、これからロボットがより多品
種少量生産を要求され、また工場の外にでて非定常作業
を行なうようになると、いちいち人間が動作を実際に教
えてやることが難しく、そして不可能になってゆく。

そこで、ロボットの回りの環境を計算機内部にモデルと
して形成して、そのモデルをもとに障害物等に衝突せず
に目標位置まで荷物を運搬することのできるマニピュレ
ータの軌道を計算機により自動的に生成させようという
研究が現在さかんにおこなわれている。例えば計測自動
制御学会論文集ＶｏＮ　、２２．Ｎｏ、８に記載の「自
由空間分類表現法によるマニピュレータの衝突回避動作
の計画」では、マニピュレータをアームの部分とハンド
の部分に分けて考えることにより、アームの自由空間を
ハンドがどのような姿勢をとっても物体と衝突しない完
全自由空間、およびそれ以外の部分自由空間に分類し、
部分自由空間ではハンドの姿勢を維持しながら移動し、
完全自由空間で姿勢を変えることにより、６自由度多関
節マニピュレータの障害物回避問題を３次元空間で探索
することを可能にしている。従って、求まった軌道が遠
回りなものになることがあるものの、かなり大幅な計算
量の短縮が実現できている。しかし、この方法では探索
を行う空間（コンフィギユレーション空間）の全てにつ
いてあらかじめ自由空間を求めておかねばならないので
、障害物が移動すると自由空間を全て求め直す必要があ
る。従ってマニピュレータによって物体を移動させる作
業を行う場合は毎回自由空間を求め直さねばならず、結
局計算量が増大するなどの問題があった。

（発明が解決しようとする課題）以上のように従来は、マニピュレータが障害物を避けて
目標位置まで移動する軌道を確実に生成するためには、
一般に非常に多くの計算量を必要としていた。本発明は
上記の点に鑑み、実用的な計算量で目標位置まで移動す
ることを可能とするマニピュレータの軌道生成方法の提
供を目的とする。

［発明の構成〕（課題を解決するための手段）上記の目的を達成するために本発明においては、少なく
とも６関節軸を有し先端側の３関節軸にて姿勢が決定さ
れるマニピュレータを用い、マニピュレータがいかなる
姿勢であってもマニピュレータが障害物と干渉しない空
間を求めてこの空間内にてマニピュレータの姿勢を変化
させるようにマニピュレータを駆動するマニピュレータ
の軌道生成方法において、前記空間は、マニピュレータによって移動される物体の
移動開始前と移動終了後の位置によっても変化しないよ
うに設定するものとした。

（作　　用）以上のようなマニピュレータの軌道生成方法とすれば、
マニピュレータがいかなる姿勢であっても障害物と干渉
しない空間の大きさは従来よりも小さくなるが、マニピ
ュレータが物体を移動させるような場合においてもこの
物体が障害物となることがない。従って、障害物が移動
する度に前記空間を求め直す必要がなくなるので計算量
が大幅に減少し、しかも目標位置までのマニピュレータ
の軌道を確実に生成することができる。

（実施例）以下、図面を用いて本発明を説明する。第１図は本発明
のマニピュレータ軌道生成方法を宇宙用の大型マニピュ
レータに使用した実施例（シミュレーション）を示すも
のである。ここでマニピュレータ１は６自由度を有する
ものであり、アム部２とハンド部３とに大別される。ア
ーム部２は３０由度を有し、各関節間の距離が長いため
その作動領域が広いことを特徴としている。ハンド部３
は同じく３自由度を有するが各関節間の距離はアーム部
２に比べて小さく、その作動領域が狭いことを特徴とし
ている。また、ハンド部３ではペイロードの保持が可能
であり、アーム部２の関節の向きの変化つまりハンド部
１の姿勢の変化により全方向の様々な作業が行われる。

こういった構成からなるマニピュレータ１は基体４に固
定され、基体４内部での制御によりマニピュレータ１が
自動的に駆動される。尚、マニピュレータ１の６つの関
節は、基体４との接続部から順に第！軸〜第６軸と呼ぶ
ものとする。

次に安全領域の設定について述べる。安全領域の設定は
、予め障害物などの位置を入力して作成しておいた環境
モデルから行うことができる。ここでいう安全領域とは
、第４軸がその領域内にあるときに第４軸から第６軸ま
で（つまりハンド部３）がどのような姿勢をとっても障
害物（ここでは基体４や構造体５）と干渉しないことが
保証される３次元実空間での領域のことであり、例えば
第１図に斜線で示す領域６の、ように、障害物からある
程度距離をおいた空間を安全領域６と呼ぶものとする。

このような安全領域６とすると、前記環境モデルから極
めて容易に設定することができる。尚、第１図では図中
の座標系でＺ＞３５００鰭、Ｘ＞３５００ｍｍと設定し
た。安全領域６の設定は同図に示すように、容易に指定
できる一部の領域の設定とすればよい。

また、安全領域６を設定する際には、ハンド部３によっ
て移動が行われるペイロード７の移動開始前と移動終了
後の位置を求めておく必要がある。

これは、ペイロード７の移動開始前、及び移動終了後の
それぞれの環境モデルから求めることができ、ペイロー
ド７との干渉が起きないように十分余裕を持って設定す
ればよい。また、ペイロード７が一度別の場所に移され
てから再び移動するような場合も考慮し、ペイロード７
の移動が行われる全ての状況について環境モデルを作成
することが望ましい。

また、安全領域６は、マニピュレータ１が障害物と干渉
しないことが目測で十分保証できる程簡単な作業環境で
あれば、作業者がモニター等を介して直接設定してもよ
い。

このように安全領域６を設定した後は、以下の手順に従
ってマニピュレータ１が駆動するように軌道を求める。

Ｉ：マニピュレータ１の初期位置ａから安全領域６まで
の軌道を求める。

■：マニピュレータ１の目標位置すから安全領域６まで
の軌道を求める。

尚、ｌではマニピュレータ１がその初期位置ａから安全
領域６のどの点へ移動するような軌道であってもよい。

同様に■では、マニピュレータ１が安全領域６のどの点
から目標位置すへ移動する軌道であってもよい。また、
Ｉ、ｎではマニピュレータ１のハンド部３の姿勢を一定
に保つことを条件とし、第１軸から第３軸までの軌道を
求めるものとする。軌道はコンフィギユレーション空間
内で探索する。

ｎｌ：Ｉ、ＩＩにて用いた安全領域６内のそれぞれの点
を結ぶ軌道を作成する。

■では軌道は安全領域６内にあるので、ハンド部３をど
のように姿勢変化させてもよいが、軌道を直線状として
ハンド部３の姿勢に係る第４軸から第６軸の各軸の関節
角度の変化量を直線捕間する軌道とした。

尚、上記の軌道生成の手順を第４図に示す。

第２図、第３図は、第１図に示したモデルにおいて、マ
ニピュレータ１の初期位置から目標位置まで移動する軌
道を、本発明の方法（第２図）及び従来の方法（第３図
）により求めたシミュレーション結果を示すものである
。尚、ここで従来の方法とは、マニピュレータ１の６関
節軸を座標軸とするコンフィギユレーション空間にて探
索する方法を用いた。以下、第１表に関節角の変化量を
示す。

第　　１　　表また、第２表は、本発明と従来例のそれぞれの場合にお
いて、マニピュレータ１と障害物との干渉チエツクを行
った空間セルの総数を示したものである。ここで各空間
セルは５″を量子化単位として格子状に分割したものを
用いた。

第　　２　　表このように、マニピュレータ１の軌道は多少遠回りにな
るものの、計算量は大幅に減少するので、結果的にはマ
ニピュレーターによる作業時間は大幅に短縮されること
になる。

また、１．■のように探索する際にはコンフィギユレー
ション空間の全てを探索するのではなく、ヒユーリステ
ィック（ｈｅｕｒｌｓｔｉｅ）関数を用いてその値が最
も小さいセルから優先的に自由空間かどうかチエツクし
探索を行うことにより探索範囲を限定する。ここでヒユ
ーリスティック関数ｈ　（ｃ）は以下のように表現され
る。

ｆ　（ｅ）　＝ｇ（ｃ）　＋ｈ（ｃ）但し、ｇ：出発点から現在の姿勢（θ　〜θ３）までの
コンフィギユレーション空間での移動距離ｘ　［ｄｅｇｌｈ：　（現在の第４軸の位置から安全領域までの距！ｙ
）ｘ３　　［ｍ履］評価関数ｆ　（ｃ）の値が小さくなることは目標位置す
までの距離が短くなることを意味しており、マニピュレ
ーターによる軌道の探索が目標位置に少しでも近づく方
向に進んでゆくようにしたものである。上記りに「３」
が乗算されているのはｇよりもｈを優先するように重み
づけしたものであり、例えばＸが３増えｙが２減った（
−２増えた）とするとｆ−−３となるが、Ｘが２減り（
−２増え）ｙ３が増えたとするとｆ−７となり、結局目
標位置すに近づく方が評価関数の値は十分小さくなる。

尚、ｇとｈは単位が異なるが、前記乗数「３」はここで
はこれらの単位を調整することができる適当な値として
利用することができる。もちろん他の乗数を利用しても
よい。

［発明の効果］以上のように本発明によれば、計算量が大幅に減少し、
しかも目標位置までのマニピュレータの軌道を確実に生
成することのできるマニピュレータの軌道生成方法が実
現する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明で利用する安全領域の一例を示す図、第
２図、第３図は本発明の方法及び従来の方法によるマニ
ピュレータの軌道の一例を示す図、第４図は本発明の方
法を示すフローチャートである。１・・・マニピュレータ、４・・・基体（障害物）、５
・・・構造体（障害物）、６・・・安全領域、７・・・
ペイロード（障害物）

Claims

【特許請求の範囲】少なくとも６関節軸を有し、先端側の３関節軸にて姿勢
が決定されるマニピュレータを用い、前記マニピュレー
タがいかなる姿勢であっても前記マニピュレータが障害
物と干渉しない空間を求めてこの空間内にて前記マニピ
ュレータの姿勢を変化させるように前記マニピュレータ
を駆動するマニピュレータの軌道生成方法において、前記空間は、前記マニピュレータによって移動される物
体の移動開始前と移動終了後の位置によっても変化しな
いように設定することを特徴とするマニピュレータの軌
道生成方法。