JPH07200030A - ロボット動作計画装置、コントローラ、および、最適軌道生成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ロボット動作計画装置において、高速にロボ
ットアームの最適軌道を求める。 【構成】 入出力手段１と、入出力手段１からの入力に
従いロボットコマンドを生成するロボットコマンド生成
手段２と、ロボットコマンドからロボットアームの軌道
の始点、終点と可動作範囲を生成するロボットコマンド
解釈手段３と、ロボットアームの物理パラメータを記憶
する物理パラメータ記憶手段９と、軌道生成手段４で計
算するデータをオフラインで計算しテーブル化するオフ
ラインテーブルデータ生成手段７と、前記テーブルデー
タを記憶するテーブルデータ記憶手段８と、テーブルデ
ータ記憶手段８のテーブルデータを参照し、最適軌道を
求める軌道生成手段６により構成される。 【効果】 ロボット動作計画装置において、高速にロボ
ットアームの最適軌道を求めることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ロボットアームの動作
を計画するロボット動作計画装置と、該ロボット動作計
画装置に接続されロボットを制御するロボットコントロ
ーラと、ロボットアームの最適軌道を生成する方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】ロボット作業の効率化を図る方法とし
て、ロボットアームの軌道の最適化がある。第１の従来
例として、ロボットアームの動力学を考慮しロボットア
ームの最短時間軌道を計画する方法が、1987年計測制御
学会論文集 Vol．23，No．11の「Ｂスプラインを用いた
マニピュレータ近似最短時間軌道の計画」（尾崎弘明他
２名著）に提案されている。これはＢスプラインの局所
制御性により、効率よく最適軌道を探索する方法であ
る。

【０００３】また、第２の従来例として、ロボットアー
ムの軌道の最適化問題を解く一般的な方法が、「Adapti
ve Control Processes ： a guided Tour」（1961年Pri
nc−eton University Press出版のRichard Bellman著）
に説明されている。これは、動的計画法として知られて
いる。

【０００４】また、第３の従来例として、人工衛星に搭
載されたロボットアームの軌跡を求める方法が、1992年
計測自動制御学会論文集 Vol．28，No．3の「宇宙ロボ
ットのハンドの運動軌道と本体の姿勢変動について」
（山田克彦他１名著）に説明されている。これは、アー
ムの質量を無視し、単純に人工衛星本体とペイロードの
質量のみを考慮したモデルを用い、人工衛星本体の姿勢
変動と、ロボットアームの先端移動距離の重み付き線形
和を最小にする軌跡を求める方法である。

【０００５】また、第４の従来例として、人工衛星に搭
載されたロボットアームの軌道を求める例が、特開平5-
158540号公報に記載されている。これは、軌跡として
は、直交座標、あるいは、関節座標において直線軌跡に
制限し、速度パターンとしては、加速時、減速時におけ
るそれぞれの加速度が２次曲線になるように制限し、そ
の制限のもとで、人工衛星本体に対する影響が最小にな
るような加速時間と減速時間を求める方法である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記した第１、あるい
は、第２の従来例をロボットアームに単純に適応させた
としたら、軌道計画時に数千回の四則演算を必要とし、
その運動方程式を用いて評価関数を繰返し計算するた
め、コンピュータを用いても、最適な軌道を求めるには
膨大な計算時間がかかる。

【０００７】また、第３の従来例では、解析的に求めて
いるため高速にロボットアームの軌跡を求めることはで
きるが、モデルを単純化しているため、ペイロードを持
たない場合の軌跡を求めることができない欠点と、前記
評価関数を最小にする軌跡しか求められず、一般的な評
価関数に対しては適応が困難であるという欠点がある。
また、第４の従来例では、軌跡および速度パターンに制
限があり、一般的ではない。

【０００８】本発明の目的は、オフライン計算データを
用いてロボットアームの最適軌道を高速に求めることに
ある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の上記の目的は、
第１の手段として、入出力手段と、該入出力手段に接続
されロボットへの作業命令を生成するロボットコマンド
生成手段と、該ロボットコマンド生成手段に接続され前
記作業命令を解釈しロボットアームの軌道の始点と終点
及び可動作領域を生成するロボットコマンド解釈手段
と、該ロボットコマンド解釈手段に接続されロボットア
ームの軌道を生成する軌道生成手段と、前記ロボットア
ームの各リンクの物理パラメータを記憶する物理パラメ
ータ記憶手段と、を含んでなるロボット動作計画装置に
おいて、前記物理パラメータ記憶手段に接続され前記軌
道生成手段で必要とする前記ロボットアームの動作コス
トの計算データもしくは該計算データの中間計算値をオ
フラインで予め計算しテーブルデータとするオフライン
テーブルデータ生成手段と、該オフラインテーブルデー
タ生成手段に接続され前記テーブルデータを記憶し前記
軌道生成手段に送達するテーブルデータ記憶手段とを含
んで構成され、前記軌道生成手段を前記テーブルデータ
を用いて最適軌道を生成するものとすることで達成され
る。

【００１０】さらに、第２の手段として、作業命令を受
信する通信手段と、ロボットへの作業命令を解釈しロボ
ットアームの軌道の始点と終点及び可動作領域を生成す
るロボットコマンド解釈手段と、該ロボットコマンド生
成手段に接続され前記ロボットアームの軌道を生成する
軌道生成手段と、前記ロボットアームの各リンクの物理
パラメータを記憶する物理パラメータ記憶手段と、を含
んでなるロボットコントローラにおいて、前記軌道生成
手段で必要とする前記ロボットアームの動作コストの計
算データをオフラインで予め計算したテーブルデータを
記憶し前記軌道生成手段に送達するテーブルデータ記憶
手段とを含んで構成され、前記軌道生成手段を前記テー
ブルデータを用いて最適軌道を生成するものとすること
で達成される。

【００１１】さらに、第３の手段として、ロボットアー
ムの軌道を生成する最適軌道生成方法において、該最適
軌道生成方法が、前記ロボットアームの動作範囲をメッ
シュ表で区切り、前記ロボットアームから前記メッシュ
表の各格子点に向けて設定された放射状の単位軌道と格
子点によりテーブル化された前記ロボットアームの動作
コストを計算するのに必要なテーブルデータを予めオフ
ラインで計算しテーブルデータ記憶手段に記憶させる方
法と、前記ロボットアームの軌道の始点と終点及び可動
作範囲から前記テーブルデータを利用し軌道生成手段に
より前記ロボットアームの最適軌道を計算する方法によ
り達成される。

【００１２】

【作用】第１及び第３の手段によれば、オフラインテー
ブルデータ生成手段では、物理パラメータ記憶手段に記
憶されたロボットアームの各リンクの物理パラメータを
参照し、軌道生成手段で計算するデータの中間計算値を
予めオフラインで計算した後、テーブル化し、テーブル
データ記憶手段に記憶しておく。ロボットコマンド生成
手段では、入出力手段からの入力に従い作業命令を生成
する。ロボットコマンド解釈手段では、作業命令からロ
ボットアームの軌道の始点と終点及び可動作領域を生成
する。軌道生成手段では、テーブルデータ記憶手段のテ
ーブルデータと、物理パラメータ記憶手段に記憶された
ロボットアームの各リンクの物理パラメータを参照し、
最適軌道を高速で求めることができる。

【００１３】さらに、第２の手段によれば、ロボット動
作計画装置とロボットコントローラに、通信手段をもう
けているので、ロボット動作計画装置からの作業命令を
受けるのみで、ロボットコントローラはロボット動作計
画装置がもつテーブルデータと同じデータを保持してい
るので、ロボットコントローラは最適軌道を高速で求め
ることができる。また、テーブルデータは一旦ロボット
コントローラに送信しておけば、その後は、作業命令の
みを送信するだけでよいので、通信量を減らすことがで
きる。

【００１４】

【実施例】本発明の第１の実施例を図１に示す。本実施
例のロボット動作計画装置１４は、ロボットが人とデー
タを授受するために設けられた入出力手段１と、該入出
力手段１に接続されロボットの作業を記述した作業命令
であるロボットコマンド１６を生成するロボットコマン
ド生成手段２と、該ロボットコマンド生成手段２に接続
され前記ロボットコマンド１６を解釈し図示しないロボ
ットアームの軌道の始点と終点及び可動作領域１７を生
成するロボットコマンド解釈手段３と、ロボットアーム
の各リンクの大きさ、質量、慣性モーメント、重心位置
等の物理パラメータを記憶させている物理パラメータ記
憶手段９と、該物理パラメータ記憶手段９に接続されロ
ボットアームの軌道を生成する時に必要なテーブルデー
タ２０を予めオフラインで計算させるオフラインテーブ
ルデータ生成手段７と、該オフラインテーブルデータ生
成手段７に接続され前記テーブルデータ２０を記憶させ
ているテーブルデータ記憶手段８と、該テーブルデータ
記憶手段８と前記ロボットコマンド解釈手段３と物理パ
ラメータ記憶手段９とに接続され前記ロボットアームの
軌道の始点と終点および可動作領域１７に従い前記テー
ブルデータ２０と前記物理パラメータを参照し動的計画
法によりロボットアームの最適軌道１８を計算する軌道
生成手段４と、該軌道生成手段４と前記物理パラメータ
記憶手段９とに接続され前記物理パラメータと最適軌道
１８により図示しない人工衛星に内装されたリアクショ
ンホイール（以下、ＲＷという）にＲＷ指令値１９を出
すＲＷ指令値生成手段５と、該ＲＷ指令値生成手段５と
前記軌道生成手段４と前記物理パラメータ記憶手段９と
に接続され実際にロボットアームを動作させる前に動作
の確認を行うためのシミュレーション計算を行なうシミ
ュレータ６と、を含んで構成されている。

【００１５】オフラインテーブルデータ生成手段７で
は、ロボットアームの軌道を生成する時に必要なテーブ
ルデータ２０が予めオフラインで計算されている。テー
ブルデータ記憶手段８では、前記テーブルデータ２０が
記憶されており、軌道生成時には、前記テーブルデータ
２０が軌道生成手段４に送達される。このテーブルデー
タ記憶手段８に記憶されたテーブルデータ２０により高
速な軌道生成を可能にしている。ロボットアームの最適
軌道１８を生成する時には、ロボットアームの角運動
量、あるいは、それを軌道に沿って積分したものが必要
である。そこで、オフラインテーブルデータ生成手段７
は、物理パラメータ記憶手段９に記憶されたロボットア
ームの各リンクの大きさ、質量、慣性モーメント等の物
理パラメータを参照して、角運動量の中間計算値を軌道
に沿って積分した後、テーブルデータ２０としてテーブ
ルデータ記憶手段８に送達する。

【００１６】ここで、中間計算値とした理由は、ロボッ
トアームがペイロードを持つことと、人工衛星本体が他
の人工衛星等とドッキングした場合、物理パラメータが
変化し、計算できない部分が存在するためである。計算
方法の詳細については後述する。

【００１７】入出力手段１は、人と情報を授受する部分
であり、ディスプレイ、キーボード、マウス等の装置で
ある。ロボットコマンド生成手段２では、ロボットの作
業を記述したロボットコマンド１６を生成する。ロボッ
トコマンド解釈手段３では、前記ロボットコマンド１６
を解釈し、ロボットアームの軌道の始点と終点及び可動
作領域１７を生成する。

【００１８】軌道生成手段４では、ロボットアームの軌
道の始点と終点及び可動作領域１７に従い、前記中間計
算値のテーブルデータ２０と、前記人工衛星本体とロボ
ットアームの物理パラメータを参照し、前記ロボットア
ームを動かす経路のうち最適な経路である動作コストを
計算し動的計画法によりロボットアームの最適軌道１８
を計画する。前記動作コストについては後述する。

【００１９】前述したように、オフラインテーブルデー
タ生成手段７において、予め計算可能な部分が計算され
ており、テーブルデータ２０としてテーブルデータ記憶
手段８に記憶されているため、そのテーブルデータ２０
を参照することにより高速に最適軌道１８を計算でき
る。計算方法の詳細については後述する。

【００２０】ＲＷ指令値生成手段５では、前記最適軌道
１８に沿ってロボットアームを動作させたときのＲＷ１
２の角速度指令値１９を生成する。ここでは、ロボット
アームの角運動量を補償し人工衛星本体の姿勢が一定に
保たれるようなＲＷ１２の角速度指令値１９を生成す
る。

【００２１】シミュレータ６では、実際にロボットアー
ムを動作させる前に動作の確認を行うためのシミュレー
ション計算を行なう。シミュレータ６は、ロボットアー
ムを備えた人工衛星の動力学モデルを持ち、前記ロボッ
トアーム最適軌道１８と前記ＲＷ指令値１９からロボッ
トアームを備えた人工衛星の動作を計算する。

【００２２】本発明の第２の実施例を図２に示す。本実
施例は第１の実施例のロボット動作計画装置１４に通信
手段１３を追加して人工衛星用ロボット動作計画装置２
１に応用したものである。

【００２３】本実施例の人工衛星用ロボット動作計画装
置２１は、前記ロボットコマンド生成手段２に接続され
ロボットコマンド１６を前記人工衛星に伝える通信手段
１３を含んでなる第１の実施例のロボット動作計画装置
１４と、ＲＷ１２が内装された人工衛星本体１０と、該
人工衛星本体１０に搭載されたロボットアーム１１と、
該ロボットアーム１１と前記人工衛星本体１０に接続さ
れたロボットコントローラ１５とを含んで構成されてい
る。

【００２４】該ロボットコントローラ１５は、第１の実
施例のロボット動作計画装置１４に配置された通信手段
１３と通信する通信手段１３Ａと、該通信手段１３Ａに
接続されロボットコマンド１６Ａを解釈するロボットコ
マンド解釈手段３Ａと、該ロボットコマンド解釈手段３
Ａとテーブルデータ記憶手段８Ａと物理パラメータ記憶
手段９Ａとに接続されロボットアーム１１に最適軌道１
８Ａを生成する軌道生成手段４Ａと、該軌道生成手段４
Ａと物理パラメータ記憶手段９Ａとに接続されＲＷ１２
にＲＷ指令値１９Ａを出すＲＷ指令値生成手段５Ａとを
含んでなる。

【００２５】ロボットアーム１１を搭載している人工衛
星本体１０は、ロボットアーム１１を動作させると、ロ
ボットアーム１１の反作用により姿勢変動を起こす。そ
のため、姿勢制御手段で人工衛星本体１０の姿勢が一定
に保たれるように姿勢制御をおこなう。本実施例の人工
衛星本体１０は、姿勢制御手段として、ＲＷ１２を備え
ている。ロボット動作計画装置１４は、ロボットコント
ローラ１５と通信を行なう通信手段１３が付加されてい
る。ロボットコントローラ１５は人工衛星に搭載されて
おり、ロボット動作計画装置１４から送られたロボット
コマンド１６Ａに従い、ロボットアーム１１、および、
リアクションホイール１２を制御する。

【００２６】ロボットコントローラ１５はロボット動作
計画装置１４と同じデータが記憶され、同じ動作をする
ロボットコマンド解釈手段３Ａ、軌道生成手段４Ａ、物
理パラメータ記憶手段９Ａ、および、テーブルデータ記
憶手段８Ａを備えているため、ロボット動作計画装置１
４からロボットコマンド１６を送ることによりロボット
アーム１１、および、ＲＷ１２を動作させることができ
る。

【００２７】本発明の第３の実施例である最適軌道の具
体的な生成方法を説明する。前述したように、ロボット
アーム１１を搭載した人工衛星本体１０の場合、ロボッ
トアーム１１の動作により人工衛星本体１０が姿勢変動
を起こす。人工衛星本体１０の姿勢変動は、角運動量保
存則を用い式１のように計算することができる。

【００２８】

【数１】

【００２９】人工衛星本体１０の姿勢を一定に保ちなが
らロボットアーム１１を動かす場合は、ＲＷ１２はロボ
ットアーム１１と符号が逆で同じ大きさの角運動量を出
力するように制御する必要がある。しかしながら、ＲＷ
１２で出力できる角速度には制限があるので、ロボット
アーム１１はＲＷ１２で出力できる範囲内の角運動量で
動作させなければならない。ロボットアーム１１の角運
動量は動作させる軌道によって変わってくるので、人工
衛星本体１０の姿勢制御を行ないながらロボットアーム
１１を動作させる場合、軌道の始点と終点を直線で結ん
だ直線軌道が動作時間の最も短い軌道とはならない。

【００３０】ここでは、姿勢制御が可能であり、かつ、
動作時間の最も短い最適軌道を求める方法を一例として
述べる。

【００３１】

【数２】

【００３２】この評価関数Ｊは、ＲＷ１２によりロボッ
トアーム１１の角運動量を補償できるときはロボットア
ーム１１を最大速度で動作させ、ロボットアーム１１を
最大速度で動作させたのではＲＷ１２でその角運動量を
補償できないときはＲＷ１２で補償できる程度の速度で
ロボットアーム１１を動作させた場合のロボットアーム
１１の動作時間を表している。また、１以下の係数を掛
けることにより、つぎのようにしてもよい。

【００３３】

【数３】

【００３４】ここでは、最大加速度については考慮して
いない。最大加速度も考慮し、空間経路と速度パターン
を同時に生成しなければ、動作時間を最小にする最適軌
道は求まらないが、最大加速度も考慮し、速度パターン
も同時に生成すると計算量が多くなる。ここでは、ま
ず、式３を最小とする空間経路を生成し、つぎに、その
空間経路に沿って動作させたときの最適な速度パターン
を生成する近似的な最適軌道の生成方法を採る。ロボッ
トアームが最大速度に達するまで、軌道が十分長い場
合、動作時間を考慮すればよい。また、空間経路と速度
パターンを同時に生成する方法もあとで述べる。

【００３５】ロボットアームの角運動量の計算式は非線
形であるため、前述した評価関数を最小とする空間経路
を解析的に求めることは困難である。そこで、図３、４
のように、ロボットアームの動作範囲をメッシュ表４０
１で区切り、メッシュ４０１表の各格子点において放射
状に単位軌道４０２を設定し、動的計画法を用い数値的
に空間経路を探索する。

【００３６】図６と図７を用い軌道を求める手順を説明
する。まず、図６に示したオフラインテーブルデータ生
成手段７での動作を説明する。図６のフローチャートの
ステップ番号６００において｛以下、単に（６００）の
ようにステップの末尾に数字のみを表示する）｝、変数
ｘ、θ、ｚにそれぞれのメッシュの最小座標を入れ、単
位軌道番号ｎに１を入れる。

【００３７】次に、始点の座標が［ｘ、θ、ｚ］であ
り、単位軌道番号がｎである単位軌道のマトリクスＣを
式４により計算し、単位軌道に関するテーブルデータと
してテーブルデータ記憶手段８に記憶する（６０１）。

【００３８】

【数４】

【００３９】ここで、マトリクスＣは、角運動量の中間
計算値マトリクスＤを単位軌道に沿って積分したもので
ある。

【００４０】次に、単位軌道番号ｎと単位軌道の数を表
すｎ１と比較し（６０３）、単位軌道番号ｎがｎ１と等
しくなければ、ｎに１加え（６０２）、前記操作（６０
１）に戻り、等しければ、次の操作（６０４）に移る。

【００４１】次に、アーム先端の座標［ｘ、θ、ｚ］に
対応するアームの関節角度を、格子点に関するテーブル
データとしてテーブルデータ記憶手段８に記憶する（６
０４）。ここで、アーム先端の座標［ｘ、θ、ｚ］に対
応するアームの関節角度は前記操作（６０１）の途中で
生成される。

【００４２】次に、単位軌道番号ｎを１に戻す（６０
５）。次に、変数ｘとメッシュの最大ｘ座標値を比較し
（６０７）、変数ｘがメッシュの最大ｘ座標値と等しく
なければ、変数ｘにｘ方向の刻み幅を加え（６０６）、
前記操作（６０１）に戻り、等しければ、変数ｘをメッ
シュの最小ｘ座標値に戻し（６０８）、次の操作（６１
０）に移る。次に、変数θとメッシュの最大θ座標値を
比較し（６１０）、変数θがメッシュの最大θ座標値と
等しくなければ、変数θにθ方向の刻み幅を加え（６０
９）、前記操作（６０１）に戻り、等しければ、変数θ
をメッシュの最小θ座標値に戻し（６１１）、次の操作
（６１０）に移る。次に、変数ｚとメッシュの最大ｚ座
標値を比較し（６１３）、変数ｚがメッシュの最大ｚ座
標値と等しくなければ、変数ｚにｚ方向の刻み幅を加え
（６１２）、前記操作（６０１）に戻り、等しければ終
了する。

【００４３】つまり、メッシュ４０１の全ての格子点の
全ての単位軌道４０２について、式４により、角運動量
の中間計算値マトリクスＤを単位軌道に沿って積分した
ものであるマトリクスＣを計算し、単位軌道に関するマ
トリクスＣのテーブルデータと、格子点に関するアーム
関節角度のテーブルデータを生成する。この計算結果
は、テーブルデータ記憶手段８に記憶し、軌道生成手段
４でテーブルデータとして参照する。メッシュの格子点
とメッシュの各格子点に設定した単位軌道に関してテー
ブルデータを生成することにより、精度良く、また、効
率的にテーブルデータを構築することができる。

【００４４】図７に示した軌道生成手段４では、次の手
順により最適軌道を求める。 Ｓｔｅｐ１ 式５に従って人工衛星本体１０とリンクの物理パラメー
タに依存するベクトルｓを計算する。（６１４）

【００４５】

【数５】

【００４６】Ｓｔｅｐ２ Ｓｔｅｐ２では、図５に示した評価関数表５００を作成
する。評価関数表５００にはすべての格子点［ｘ，θ，
ｚ］について、軌道の終点［ｘ（Ｔ），θ（Ｔ），ｚ
（Ｔ）］からその格子点までの最適軌道の動作コストｆ
（ｘ）、および、その格子点で選ばれた最適な単位軌道
が記入される。この評価関数表のすべての欄を埋める。
その手順は、まず、評価関数表のすべての欄の動作コス
トｆ（ｘ）の値を無限大の値で埋め、初期化する（６１
５）。次に、軌道の終点位置の欄の動作コストｆ（ｘ）
の値を０で埋める（６１６）。次に、変数ｘに終点のｘ
座標からｘ方向の刻み幅を引いた値を、変数θ、ｚにメ
ッシュの最小座標値を入れる（６１７）。

【００４７】次に、テーブルデータ記憶手段８に記憶さ
れたマトリクスＣ、および、Ｓｔｅｐ１で計算したベク
トルｓを用い、角運動量を単位軌道に沿って積分したも
のを式６により計算する。この角運動量を単位軌道に沿
って積分したものとテーブルデータ記憶手段８に記憶さ
れた関節角度を用い、式７により軌道の終点からその格
子点［ｘ，θ，ｚ］までの最適軌道の動作コストの値を
求め、その動作コストの値とその時に選ばれた最適な単
位軌道を、図５に示した評価関数表に埋める（６１
８）。

【００４８】

【数６】

【００４９】

【数７】

【００５０】次に、変数ｚとメッシュの最大ｚ座標値を
比較し（６２０）、変数ｚがメッシュの最大ｚ座標値と
等しくなければ、変数ｚにｚ方向の刻み幅を加え（６２
１）、前記操作（６１８）に戻り、等しければ、変数ｚ
をメッシュの最小ｚ座標値に戻し（６１９）、次の操作
（６２３）に移る。次に、変数θとメッシュの最大θ座
標値を比較し（６２３）、変数θがメッシュの最大θ座
標値と等しくなければ、変数θにθ方向の刻み幅を加え
（６２４）、前記操作（６１８）に戻り、等しければ、
変数θをメッシュの最小θ座標値に戻し（６２２）、次
の操作（６２５）に移る。次に、変数ｘと軌道の始点の
ｘ座標値を比較し（６２５）、変数ｘが軌道の始点のｘ
座標値と等しくなければ、変数ｘからｘ方向の刻み幅を
減らし（６２６）、前記操作（６１８）に戻り、等しけ
れば、次の操作（６２７）に移る。

【００５１】つまり、テーブルデータ記憶手段８に記憶
されたマトリクスＣとＳｔｅｐ１で計算したベクトルｓ
を用い、式７および式８を繰返し計算し、図５に示した
評価関数表５００を全て埋める。評価関数表５００を埋
める方向５０１の順番は、矢印方向、つまり、ｘ＝ｘ
（Ｔ）からｘ＝ｘ（０）の方向に向かって埋めていく。

【００５２】Ｓｔｅｐ３ Ｓｔｅｐ３では、評価関数表５００を参照し、ロボット
アームの最適な空間経路を生成する。まず、空間経路の
点列の初期値として軌道の始点の座標値Ｎに０を入れる
（６２７）。次に、評価関数表における、軌道の点列の
Ｎ番目の要素の座標値に対応する欄の最適な単位軌道を
参照し、式８により空間経路の点列のＮ＋１番目の要素
をもとめる（６２８）。

【００５３】

【数８】

【００５４】次に、Ｎに１を加える（６２９）。軌道の
点列のＮ番目の要素と軌道の終点の座標値を比較し、軌
道の点列のＮ番目の要素の座標値が軌道の終点の座標値
と等しくなければ、前記（６２８）の操作に戻り、等し
ければ終了する。

【００５５】つまり、評価関数表を参照し、軌道の始点
より式８を繰返し計算することにより空間経路を求め
る。ここで、Ｓｔｅｐ２、Ｓｔｅｐ３でメッシュの格子
点間の値が必要な場合が生じるが、メッシュの格子点間
の値については線形補完により生成する。

【００５６】以上の操作で最適な空間経路が求まった
が、次に速度パターンの生成方法を述べる。まず、始点
より、図７の方法によって求まった最適な空間経路に沿
って、最大加速度で加速し、最大速度に達したら最大速
度で動作する軌道を生成する。ただし、ここではＲＷの
最大角速度、最大角加速度も考慮する必要があり、ここ
で述べている最大速度、最大加速度はロボットアームの
すべての関節とＲＷのすべての軸の最大角速度、最大角
加速度を考慮し、それらを越えないロボットアーム先端
の最大速度、最大加速度である。同様に終点より、図７
の方法によって求まった最適な空間経路に沿って、最大
加速度で加速し、最大速度に達したら最大速度で動作す
る軌道を生成する。次に、速度が等しくなる点で二つの
軌道を結ぶ。以上により最適軌道を求めることができ
る。

【００５７】本発明の第４の実施例である最適軌道の具
体的な生成方法を図８及び図９を用いて説明する。図６
及び図７に示した方法と同様に、動作範囲を図３、４の
ようにメッシュ４０１で区切り、空間を離散化し、メッ
シュの各格子点に放射状の単位軌道を設定する。さらに
加速度を考慮するため、アームの動作速度の大きさＶを
表す軸を設け、離散化する。軌道の探索はこのｘ−θ−
ｚ−Ｖ空間で行なう。

【００５８】Ｓｔｅｐ１Ａ オフラインテーブルデータ生成手段７の動作、および、
軌道生成手段のＳｔｅｐ１Ａの動作は図８に示すように
図６に示した方法である第３の実施例と同じである。

【００５９】前述した第３の実施例の軌道生成手段４の
Ｓｔｅｐ２，３の動作に対応するＳｔｅｐ２Ａ，３Ａの
動作について説明する。 Ｓｔｅｐ２Ａ Ｓｔｅｐ２Ａでは、評価関数表５００を作成する。評価
関数表５００にはすべての格子点［ｘ，θ，ｚ，Ｖ］に
ついて、軌道の終点［ｘ（Ｔ），θ（Ｔ），ｚ（Ｔ），
０］からその格子点までの最適軌道の動作コストｆ
（ｘ）、および、その格子点で選ばれた最適な単位軌
道、最適な速度変化が記入される。この評価関数表５０
０を埋める手順は次の通りである。

【００６０】まず、評価関数表５００のすべての欄の動
作コストの値を無限大の値で埋め、初期化する（７０
０）。次に、軌道の終点［ｘ（Ｔ），θ（Ｔ），ｚ
（Ｔ），０］の欄の動作コストの値を０で埋める（７０
１）。次に、変数ｘに終点のｘ座標からｘ方向の刻み幅
を引いた値を変数θ、ｚにメッシュの最小座標値に入
れ、変数Ｖには０を入れる（７０２）。

【００６１】次に、式９により、軌道の終点からその格
子点［ｘ，θ，ｚ、Ｖ］までの最適軌道の動作コストの
値と、最適な単位軌道、最適な速度変化を求め評価関数
表を埋める。ただし、ロボットアームの関節、および、
ＲＷの軸のうち一つでも、その角速度、角加速度が最大
値を越えている場合は、動作コストの値を無限大にす
る。ここで、ロボットアームの関節、および、ＲＷの軸
の角速度、角加速度は、式１０，１１により求める。こ
の計算の途中で、テーブルデータ記憶手段８に記憶され
たマトリクスＤとロボットアームの関節角度のデータを
利用している。（７０３）

【００６２】

【数９】

【００６３】

【数１０】

【００６４】

【数１１】

【００６５】次に、変数Ｖとアーム先端の最大速度を比
較し（７０５）、変数Ｖがアーム先端の最大速度と等し
くなければ、変数Ｖに速度の刻み幅を加え（７０６）、
前記操作（７０３）に戻り、等しければ、変数Ｖを０に
戻し（７０４）、次の操作（７０８）に移る。次に、変
数ｚとメッシュの最大ｚ座標値を比較し（７０８）、変
数ｚがメッシュの最大ｚ座標値と等しくなければ、変数
ｚにｚ方向の刻み幅を加え（７０９）、前記操作（７０
３）に戻り、等しければ、変数ｚをメッシュの最小ｚ座
標値に戻し（７０７）、次の操作（７１１）に移る。次
に、変数θとメッシュの最大θ座標値を比較し（７１
１）、変数θがメッシュの最大θ座標値と等しくなけれ
ば、変数θにθ方向の刻み幅を加え（７１２）、前記操
作（７０３）に戻り、等しければ、変数θをメッシュの
最小θ座標値に戻し（７１０）、次の操作（７１３）に
移る。次に、変数ｘと軌道の始点のｘ座標値を比較し
（７１３）、変数ｘが軌道の始点のｘ座標値と等しくな
ければ、変数ｘからｘ方向の刻み幅を減らし（７１
４）、前記操作（７０３）に戻り、等しければ、次の操
作（７１５）に移る。

【００６６】Ｓｔｅｐ３Ａ ここでは、評価関数表５００を参照し、軌道の始点より
式１２を用い軌道を求める。まず、軌道の点列の初期値
として軌道の始点の座標値を入れ、その時の速度の大き
さに０を入れ、Ｎに０を入れる（７１５）。次に、評価
関数表における、軌道の点列のＮ番目の要素に対応する
欄の最適な単位軌道と最適な速度変化を参照し、式１２
により軌道の点列のＮ＋１番目の要素を求める（７１
６）。次に、Ｎに１加える（７１７）。軌道の点列のＮ
番目の要素と軌道の終点の座標値を比較し、軌道の点列
のＮ番目の要素の座標値が軌道の終点の座標値と等しく
なければ、前記（７１６）の操作に戻り、等しければ終
了する。

【００６７】

【数１２】

【００６８】ここで、Ｓｔｅｐ２Ａ、Ｓｔｅｐ３Ａでメ
ッシュの格子点間が必要な場合が生じるが、メッシュの
格子点間の値については線形補完により生成する。

【００６９】本発明の第５の実施例である最適軌道を設
定する操作方法を説明する。図１０は軌道の最適化を行
なうグラフィクス画面の一例である。８００はロボット
の動作を表示するロボット動作表示ウインドウである。
８１０は操作者が教示したロボットコマンドを表示する
ロボットコマンド表示ウインドウである。８２０は操作
者が指示できるコマンドを表示したコマンドウインドウ
である。８３０は操作者に対して教示方法の説明等を表
示する操作指示ウインドウである。８４０はカーソルで
あり、マウスでこのカーソルを動かす。

【００７０】８０１はロボットが操作する物体Ａ、８０
２、８０３はそれぞれ物体Ａを接続できるポートＢ、ポ
ートＣである。

【００７１】８１１，８１２は操作者が教示した作業を
示すロボットコマンドである。grasp（Ａ）は物体Ａを
つかむ作業、attach（Ｂ）はポートＢに物体を接続する
作業を示すロボットコマンドである。ロボットコマンド
間を結んだ線は作業が終わったときの状態を表す。８１
３は作業を始める前の初期状態、８１４はgrasp（Ａ）
という作業が終わったときの状態を表し、８１５はatta
ch（Ｂ）という作業が終わったときの状態をあらわす。
８１６、８１７は画面をスクロールさせるためのアイコ
ンである。

【００７２】８２１は最適化を行なうときに指定するコ
マンドである。８２２は軌道の通過点を教示するときに
指定するコマンドである。８２３はシミュレーションを
行なうときに指定するコマンドである。８２４は前の段
階のコマンドに戻るときに指定するコマンドである。

【００７３】軌道の最適化を行なう場合の操作を説明す
る。 １．最適化コマンド８２１のところにカーソルを移動さ
せマウスのボタンをクリックする。

【００７４】２．操作指示コマンド８３０に「どの作業
のアーム軌道を最適化しますか。」というメッセージが
表示されるので、ロボットコマンド表示ウインドウ８２
０でどのロボットコマンドで表される作業の軌道を最適
化するかを指示する。例えば、grasp（Ａ）のアーム軌
道を最適化するときは８１３のところにカーソルを移動
させクリックする。

【００７５】３．操作指示コマンド８３０に「アームの
可動作範囲を指示してください。」というメッセージが
表示されるので、マウスでロボットアーム１１を動か
し、すべての辺が座標軸に並行な直方体を数回指定し可
動作範囲を増やしたり減らしたりすることにより可動作
範囲を指定していく。すべての辺が座標軸に並行な直方
体は図に示すように対角の２点、を指定することによっ
て特定することができるので、この２点を指定すること
により直方体を指定する。例えば、点８０５、８０６を
指定することにより直方体８０４を指定する。

【００７６】この際、座標軸に並行にロボットアーム１
１が動くようにしておくと干渉する範囲が判り易く便利
である。このような操作が必要なのは、ロボットアーム
１１の最適軌道を求める際、物体間の干渉チェックを行
なうと計算時間が長くなるからである。また、指定され
た作業において、ロボットアーム１１が物体をつかんで
いる場合は、その物体をつかんだ状態で可動作範囲を指
定する。

【００７７】また、動作の確認を行なうシミュレーショ
ンの場合は、シミュレーションコマンド８２３を選択
し、どの作業からどの作業までをシミュレーションする
かをロボットコマンド表示ウインドウで指定する。その
際、アームの角運動量等のグラグを表示するウインドウ
を開いて表示することもできる。また、８１４、８１５
などのロボットコマンド間を結んだ線を指定するとその
ときの状態を表示することができる。

【００７８】また、通過点指示コマンド８２２を選択し
た場合は、ロボット動作表示ウインドウ８００のロボッ
トアーム１１を動かしながら通過点を教示できる。ま
た、最適軌道をもとに軌道を修正してもよい。

【００７９】

【発明の効果】本発明によれば、ロボット動作計画装置
及びその方法において、高速にロボットアームの最適軌
道を求めることができる。また、ロボット動作計画装置
とロボットコントローラの間の通信量を減らすこともで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例のロボット動作計画装置
のブロック図である。

【図２】本発明の第２の実施例のロボット動作計画装置
とコントローラのブロック図である。

【図３】本発明の第３の実施例のロボット動作計画装置
のロボットアームの動作範囲をメッシュ化する方法を示
す平面図である。

【図４】本発明の第３の実施例のロボット動作計画装置
のロボットアームの動作範囲をメッシュ化する方法を示
す正面図である。

【図５】本発明の第３の実施例のロボット動作計画装置
の評価関数表を示す図である。

【図６】本発明の第３の実施例のロボット動作計画装置
のオフライン型動的計画法による最適軌道生成方法を示
すフローチャートである。

【図７】本発明の第３の実施例のロボット動作計画装置
のオフライン型動的計画法による最適軌道生成方法を示
す図６の続きのフローチャートである。

【図８】本発明の第４の実施例のロボット動作計画装置
の他のオフライン型動的計画法による最適軌道生成方法
を示すフローチャートである。

【図９】本発明の第４の実施例のロボット動作計画装置
の他のオフライン型動的計画法による最適軌道生成方法
を示す図８の続きのフローチャートである。

【図１０】本発明の第５の実施例のロボット動作計画装
置の入出力装置に表示される最適化指定画面を示すブロ
ック図である。

【符号の説明】

１ 入出力手段 ２ ロボットコマンド生成手段 ３，３Ａ ロボットコマンド解釈手段 ４，４Ａ 軌道生成手段 ５，５Ａ ＲＷ指令値生成手段 ６ シミュレータ ７ オフラインテーブルデータ生成手段 ８，８Ａ テーブルデータ記憶手段 ９，９Ａ 物理パラメータ記憶手段 １０ 人工衛星本体 １１ ロボットアーム １２ リアクションホイール １３，１３Ａ 通信手段 １４，１４Ａ ロボット動作計画装置 １５ ロボットコントローラ。 １６，１６Ａ ロボットコマンド １７，１７Ａ 軌道の始点、終点と可動作領域 １８，１８Ａ 最適軌道 １９，１９Ａ ＲＷ指令値 ２０，２０Ａ テーブルデータ ２１ 人工衛星用ロボット動作計画装置 ４０１ メッシュ ４０２ 単位軌道 ５００ 評価関数表 ５０１ 評価関数表を埋める方向 ８００ ロボット動作表示ウインドウ ８０１ 物体Ａ ８０２ ポートＢ ８０３ ポートＣ ８０４ 直方体 ８０５ 点 ８０６ 点 ８１０ ロボットコマンド表示ウインドウ ８１１ ロボットコマンド ８１２ ロボットコマンド ８１３ 初期状態 ８１４ 作業終了状態 ８１５ 作業終了状態 ８１６ アイコン ８１７ アイコン ８２０ コマンド表示ウインドウ ８２１ 最適化コマンド ８２２ 通過点コマンド ８２３ シミュレーションコマンド ８２４ 前のコマンド ８３０ 操作指示ウインドウ ８４０ カーソル

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入出力手段と、該入出力手段に接続され
   ロボットへの作業命令を生成するロボットコマンド生成
   手段と、該ロボットコマンド生成手段に接続され前記作
   業命令を解釈しロボットアームの軌道の始点と終点及び
   可動作領域を生成するロボットコマンド解釈手段と、該
   ロボットコマンド解釈手段に接続されロボットアームの
   軌道を生成する軌道生成手段と、前記ロボットアームの
   各リンクの物理パラメータを記憶する物理パラメータ記
   憶手段と、を含んでなるロボット動作計画装置におい
   て、前記物理パラメータ記憶手段に接続され前記軌道生
   成手段で必要とする前記ロボットアームの動作コストの
   計算データもしくは該計算データの中間計算値をオフラ
   インで予め計算しテーブルデータとするオフラインテー
   ブルデータ生成手段と、該オフラインテーブルデータ生
   成手段に接続され前記テーブルデータを記憶し前記軌道
   生成手段に送達するテーブルデータ記憶手段とを含んで
   構成され、前記軌道生成手段が前記テーブルデータを用
   いて最適軌道を生成するものであることを特徴とするロ
   ボット動作計画装置。
2. 【請求項２】 前記テーブルデータが、前記ロボットア
   ームの動作範囲をメッシュ表を用いて区切り、前記ロボ
   ットアームから前記メッシュ表の各格子点に向けて設定
   された放射状の単位軌道と格子点によりテーブル化され
   たデータであることを特徴とする請求項１に記載のロボ
   ット動作計画装置。
3. 【請求項３】 前記テーブルデータが、前記ロボットア
   ームの角運動量を単位軌道に沿って積分したデータ、も
   しくは、前記ロボットアームの角運動量の中間計算値を
   前記単位軌道に沿って積分したデータであることを特徴
   とする請求項２に記載のロボット動作計画装置。
4. 【請求項４】 前記テーブルデータが、前記ロボットア
   ームの関節角度を含んだデータであることを特徴とする
   請求項２または３のうち、いずれか１項に記載のロボッ
   ト動作計画装置。
5. 【請求項５】 前記軌道生成手段が、人工衛星本体に内
   装され該人工衛星本体の姿勢制御を行うリアクションホ
   イールを制御する手段であり、かつ、前記ロボットアー
   ムの動作時間の最も短い軌道を生成する手段であること
   を特徴とする請求項１から４のうち、いずれか１項に記
   載のロボット動作計画装置。
6. 【請求項６】 前記物理パラメータ記憶手段と前記軌道
   生成手段と前記リアクションホイール指令値生成手段に
   接続されており、それぞれの手段からのデータによりロ
   ボットの動作を事前に確認できるシミュレータを有して
   いることを特徴とする請求項１に記載のロボット動作計
   画装置。
7. 【請求項７】 前記入出力手段が、前記ロボットアーム
   と該ロボットアームの周辺環境をグラフィクス表示する
   ロボットコマンド表示手段を有していることを特徴とす
   る請求項１に記載のロボット動作計画装置。
8. 【請求項８】 作業命令を受信する通信手段と、ロボッ
   トへの作業命令を解釈しロボットアームの軌道の始点と
   終点及び可動作領域を生成するロボットコマンド解釈手
   段と、該ロボットコマンド生成手段に接続され前記ロボ
   ットアームの軌道を生成する軌道生成手段と、前記ロボ
   ットアームの各リンクの物理パラメータを記憶する物理
   パラメータ記憶手段と、を含んでなるロボットコントロ
   ーラにおいて、前記軌道生成手段で必要とする前記ロボ
   ットアームの動作コストの計算データもしくは該計算デ
   ータの中間計算値をオフラインで予め計算したテーブル
   データを記憶し前記軌道生成手段に送達するテーブルデ
   ータ記憶手段とを含んで構成され、前記軌道生成手段が
   前記テーブルデータを用いて最適軌道を生成するもので
   あることを特徴とするロボットコントローラ。
9. 【請求項９】 ロボットアームを有すロボットと、姿勢
   制御用のリアクションホイールと、前記ロボットアーム
   の動作計画に用いるロボット動作計画装置と、を含んで
   なる人工衛星において、前記ロボット動作計画装置が、
   請求項１から５のうち、いずれか１項に記載のロボット
   動作計画装置であることを特徴とする人工衛星。
10. 【請求項１０】 ロボットアームの軌道を生成する最適
    軌道生成方法において、該最適軌道生成方法が、前記ロ
    ボットアームの動作範囲をメッシュ表で区切り、前記ロ
    ボットアームから前記メッシュ表の各格子点に向けて設
    定された放射状の単位軌道と格子点によりテーブル化さ
    れた前記ロボットアームの動作コストを計算するのに必
    要なデータもしくは該計算データの中間計算値を予めオ
    フラインで計算しテーブルデータ記憶手段に記憶させる
    方法と、前記ロボットアームの軌道の始点と終点及び可
    動作領域から前記テーブルデータを利用し軌道生成手段
    により前記ロボットアームの最適軌道を計算する方法と
    であることを特徴とする最適軌道生成方法。
11. 【請求項１１】 最適軌道生成方法が、前記人工衛星本
    体の姿勢を制御でき、かつ、人工衛星本体に搭載された
    ロボットアームの動作時間の最も短い最適軌道生成に用
    いられていることを特徴とする請求項１０に記載の最適
    軌道生成方法。
12. 【請求項１２】 前記テーブルデータが、前記ロボット
    アームの角運動量もしくは該角運動量の中間計算値を単
    位軌道に沿って積分する方法で求められていることを特
    徴とする請求項１０または１１のうち、いずれか１項に
    記載の最適軌道生成方法。
13. 【請求項１３】 前記テーブルデータが、前記ロボット
    アームの関節角度をメッシュ表の格子点によりテーブル
    化する方法で求められていることを特徴とする請求項１
    ０または１１のうち、いずれか１項に記載の最適軌道生
    成方法。
14. 【請求項１４】 ロボットアームと該ロボットアームの
    周辺環境をグラフィクス表示するロボットコマンド表示
    手段を用いて、前記ロボットアームの可動作領域を前記
    ロボットコマンド表示手段の画面上で前記ロボットアー
    ムを動かすことができ、かつ、前記軌道生成手段で生成
    された軌道を修正することができることを特徴とする請
    求項１０または１１のうち、いずれか１項に記載の最適
    軌道生成方法。