JPH1097316A - 多数の移動物体を伴うシステムの移動計画及び制御方法 - Google Patents

多数の移動物体を伴うシステムの移動計画及び制御方法

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JPH1097316A
JPH1097316A JP9243300A JP24330097A JPH1097316A JP H1097316 A JPH1097316 A JP H1097316A JP 9243300 A JP9243300 A JP 9243300A JP 24330097 A JP24330097 A JP 24330097A JP H1097316 A JPH1097316 A JP H1097316A
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 多数の移動物体が互いに、かつ他の障害物と
衝突しないように制御する方法と装置を提供する。 【解決手段】 ロボットマニピュレータなど各物体の移
動にｎ個の自由度がある場合に、ｎ次元空間の配列空間
でおおまかな経路を定義し、補間されて、物体の移動の
主制御信号を発生すると共に物体の相互接近度で反発力
を発生する人為的力フィールドモデルから衝突回避制御
信号を導出する。経路計画１２は、ｎ次元空間のどのセ
ルが潜在的な衝突を受けるかを決定し、多数の試行経路
セグメントを選択してセル周りに経路を見出す。おおま
かなスケールの経路パラメータは補間により微細なスケ
ールへと拡張され、作用空間での物体の分離に必要な反
発力に対応する制御信号が上記力フィールドモデルによ
り発生される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般に、多数の移
動物体が互いにそして他の障害物と衝突するのを回避す
るようにそれらの移動物体を制御することに係る。より
詳細には、本発明は、多数のロボットマニピュレータの
移動計画及び制御に係る。ロボットマニピュレータは、
部品の組立、分解、加工、修理、保守及び検査のような
作業を遂行するために種々の工業及び商業用途に使用さ
れている。これらの用途は、これらの機能の逐次の組合
せ又は同時の組合せを含んでもよく、そして多数のマニ
ピュレータの整合した運動を伴ってもよい。基本的に、
ロボットマニピュレータは、継手により互いに接続され
た多数の機械的なリンクによって三次元空間内の所望の
点へ移動できるツールを備えている。「エンド・エフェ
クタ」とも称するツールは、把持機構、溶接トーチ、切
削装置、電磁石又は他の装置である。
【０００２】
【従来の技術】マニピュレータは、その最も一般的な形
態においては、ツールが一連の堅固な機械的なリンクを
経てベース又はフレームに接続され、これらのリンク
が、回転継手とも称する簡単なピボット継手である継手
又はジンバルを経て１つのリンクから次のリンクへ接続
されるものを思い浮かべることができる。又、マニピュ
レータは、スライド及び回転変位の組合せを伴う他の形
式の継手を含んでもよい。リンクの位置は、多数の継手
角度又はジンバル角度によって定義される。所与の１組
のジンバル角度がツールの特定の位置を定義する。１組
のジンバル角度からツールの位置を導出することは、簡
単な問題であり、通常は、順方向運動を伴うと称され
る。反対即ち逆方向運動を伴う非常に困難な問題は、多
数の組のジンバル角度によって定められる所与のツール
位置から適当なジンバル角度を決定することである。
【０００３】本発明は、ロボット経路を計画すること、
即ちロボットマニピュレータツールを三次元空間におい
てある点から別の点へと移動することに関する。ツール
の各位置は、一般に、多数の組のジンバル角度のいずれ
かによって定義されるので、ある位置から別の位置への
ツールの移動は、多数の経路のいずれかを経て行うこと
ができる。ロボット機構の経路計画のための１つの技術
は、カルテシアン空間ではなく、継手空間とも称される
配列空間を使用して、ツールの位置を定めるものであ
る。ここでは、配列空間（即ちｃ空間）という用語が使
用される。ｃ空間におけるツールの位置は、ジンバル即
ち継手角度によって定義される。ｎ個のジンバルがある
場合には、ｃ空間は、ｎ次元をもつことになる。ｃ空間
における経路計画は、多数のマニピュレータを使用する
場合に生じる多数の問題に対する解決策として提案され
ている。例えば、ロザノ−ペレツ著の「空間計画：配列
空間解決策（Ｓｐａｔｉａｌ Ｐｌａｎｎｉｎｇ： Ａ
Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ Ｓｐａｃｅ Ａｐｐｒ
ｏａｃｈ）」、ＩＥＥＥトランザクションズ・オン・コ
ンピュータズ、第３２巻、第２号、第１０８−１２０ペ
ージ、１９８３年２月を参照されたい。固定の障害物を
ｃ空間に「マップ」させ、理論的に、それらを回避する
と共に、マニピュレータの部品間の衝突を回避するよう
に経路を計画することができる。
【０００４】ロボット経路の計画は、次のような多数の
理由で本来的に困難な問題である。 １）全体的な計画を遂行し、即ち開始から終了までの完
全な移動又は移動シーケンスを計画する必要がある。よ
り局部的な計画は、しばしば、正しい経路に対する「ハ
ンチング」、デッド端経路、及び異なる経路を計画する
ための後方追跡を必要とする競合といった問題を招く。 ２）マニピュレータ、ツールが作用する被加工片、及び
作業環境の間で偶発的な衝突を回避する必要がある。衝
突は、マニピュレータ、被加工片及び作業環境にダメー
ジを及ぼし、経済的な損失又は受け入れられない危険性
を招く。 ３）各ジンバルは、限定された角度運動範囲しか与えな
いストッパを有するので、各マニピュレータの各軸に対
して限定された移動範囲内で機能する必要がある。ジン
バルのストッパに当たると、現在の作業が停止するだけ
でなく、物理的なダメージを招くことがある。作業を再
開するには、手動操作の介在が必要とされる。 ４）所望のツール位置及び方向を得るためにマニピュレ
ータのジンバル角度を特定する際に固有のあいまいさ、
即ち逆運動問題を解消する必要がある。 ５）動的な運動限界、例えば、割合、加速度及び急な動
きの限界内で機能する必要がある。動的な限界は、安全
性の問題及びハードウェア部品の制約の両方から生じ
る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】原理的に、ｃ空間技術
の使用は、これらの問題の最初の４つに対して一応の解
決策を与える。しかしながら、実際には、ｃ空間解決策
を直接適用すると、過剰な計算負担を生じる。これにつ
いては、キャニー、ジョーンＣ著の「ロボット運動計画
の複雑さ（Ｔｈｅ Ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ ｏｆ Ｒｏ
ｂｏｔ Ｍｏｔｉｏｎ Ｐｌａｎｎｉｎｇ）」、Ｐｈ．
Ｄ．論文、デパートメント・オブ・エレクトリカル・エ
ンジニアリング・アンド・コンピュータサイエンス、Ｍ
ＩＴ、マサチューセッツ州、ケンブリッジ、１９８７年
５月（本としても出版されている）に説明されている。
例えば、３つの３軸マニピュレータのシステムに対し純
粋なｃ空間セル解決策を使用する場合に、各軸が３６０
Ｅ範囲を有しそして適度な分解能が０．１Ｅと仮定する
と、（３６０／０．１）３＋３＋３＝３６００９即ち約
１０３２のセルの計算及び記憶が必要となる。このよう
な規模の計算を実行する技術は現在存在せず、又計画も
されていない。
【０００６】ロボットマニピュレータにおいて衝突を回
避する別の解決策は、人為的なポテンシャル又は力フィ
ールドの類推を使用して、マニピュレータの部品を衝突
から守ることである。簡単に述べると、この解決策は、
マニピュレータの相対的な接近度に基づいてマニピュレ
ータの「反発」力を発生する。２つのマニピュレータが
互いに接近するほど、反発力が大きくなる。基本的に、
各マニピュレータは、一次経路に沿ってその意図された
方向に移動するように制御されるが、その経路がマニピ
ュレータを別のマニピュレータに接近させ過ぎるか又は
固定の障害物に接近させ過ぎるときには、発生される反
発力によりその経路からそらされる。
【０００７】人為的なポテンシャルフィールドの使用
は、従来のｃ空間解決策の計算上の複雑さを回避する
が、他の問題を引き起こす。特に、一般のマニピュレー
タシステムに対するポテンシャルフィールドは、局部的
な最小値が、非周期的振動及び無秩序な運動を含むハン
チング、デッドエンド、所望の目標位置以外の平衡位置
での停止、及びシステムが目標位置に到達せずに限界サ
イクルへと安定化するような競合状態を招くことがあ
る。
【０００８】以上のことから、衝突を回避するよう多数
のマニピュレータの経路を計画し、しかも、ｃ空間経路
計画及び人為的ポテンシャル衝突回避に関連した問題を
最小限に抑えるような技術が依然として要望されている
ことが明らかである。本発明は、この要望を満足するも
のである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、共通の作用空
間において多数の移動物体の経路を計画しそして移動を
実行する装置及びそれに対応する方法であって、各物体
の位置が、その物体のｎ個の自由度に対応する複数ｎの
配列設定により定義される複数の相互接続されたリンク
の配列に依存するような装置及び方法に係る。簡単にそ
して一般的に述べると、本発明の装置は、経路計画手段
と、経路実行モジュールとを含む。経路計画手段は、各
移動物体の一連の移動を前もって計画し、比較的おおま
かなスケールの移動計画を与えるように働く。経路計画
手段は、三次元空間内の各物体の位置を定義するｎ個の
配列設定に対応するｎ個の直交軸によって定義された配
列空間において経路を決定する。経路実行モジュール
は、経路計画手段により与えられた比較的おおまかなス
ケールの計画に基づいて物体を移動するよう動作し、そ
して細かいスケールの人為的力フィールド衝突回避サブ
システムを備え、これは、一部分は経路計画手段により
そして一部分は衝突回避サブシステムにより決定された
経路に沿って移動物体が移動されるよう移動物体に制御
信号を与える。従って、物体は、互いに又は固定の障害
物と衝突せずに、スタート点から所望の終了点まで移動
される。
【００１０】より詳細には、経路計画手段は、作用空間
を多数のｎ次元セルとして定義する配列空間データベー
スと；該配列空間データベースの各セルに対して衝突状
態を決定するためのデータベース発生ロジックであっ
て、衝突状態は、セル内の配列設定の全ての組合せに対
して衝突の可能性があることを指示する「フル」である
か、又はセル内に衝突の可能性がないことを指示する
「フリー」であるか、又はセル内の配列設定のある組合
せに対して衝突の可能性があることを指示する「ミック
ス」であるようなデータベース発生ロジックと；配列空
間データベースの各セルに関する情報を使用して、衝突
が回避されるように配列空間のある点から別の点への経
路を計画するための経路計画実行モジュールとを備えて
いる。更に、経路計画手段は、第１の試行経路を選択
し、そしてその経路がフル又はミックスセルを通るかど
うか決定するための手段と；以前に選択された試行経路
が衝突を受ける場合には第２の他の試行経路を系統的に
選択し、最終的に衝突のない経路が選択されるようにす
る手段とを備えている。第２の他の試行経路を系統的に
選択する上記手段は、好ましくは、フル又はミックスセ
ルの衝突領域を通過する試行経路の部分の中点を検出す
る手段と；上記中点を通る線上において上記中点を通過
する試行経路に直交するよう配置された試行中間点を選
択する手段とを備えている。この試行中間点は、そてが
衝突領域にない場合には、計画された経路上にあるもの
として選択される。試行中間点が衝突領域にある場合に
は、別のものが選択され、というようにして、最終的に
衝突のない経路が計画される。
【００１１】経路実行モジュールは、更に特定に述べる
と、経路計画手段により与えられる経路データから微細
分解能経路を発生するための中間点補間手段と；配列空
間を通る微細分解能経路と、物体の予想される配列設定
とに基づいて制御信号を発生するための制御法則モジュ
ールと；作用空間における物体の相互の接近度に基づい
て衝突回避制御信号を発生するための衝突回避力モデル
と；この衝突回避制御信号と、上記制御法則モジュール
からの制御信号とを合成するための手段であって、配列
空間を通して計画された経路を修正することによって微
細なスケールで衝突回避を達成する手段とを備えてい
る。経路実行モジュールは、更に、制御法則モジュール
及び衝突回避力モデルにより使用するための物体配列設
定の推定値を与える物体動的モデルを備えている。
【００１２】新規な方法については、本発明は、経路を
計画し、経路の実行を制御し、そして移動物体に制御信
号を付与するという段階を備えている。計画段階は、各
移動物体の一連の移動を含む経路を前もって計画し、比
較的おおまかなスケールの移動計画を形成する段階を含
む。計画段階は、三次元空間における各物体の位置を定
義するｎ個の配列設定に対応するｎ個の直交軸により定
義された配列空間において経路を決定する。制御段階に
おいては、計画された経路の実行は、主として計画段階
によって形成された比較的おおまかなスケールの計画に
基づいて物体を移動するように制御され、そして人為的
なカフィールドモデルに基づいて衝突回避物体制御信号
を発生する付加的な段階を含む。移動物体に制御信号を
付与する段階は、一部分は経路計画段階によりそして一
部分は経路の実行を制御する段階により決定された経路
セグメントに沿って物体を移動する。それ故、物体は、
互いに又は固定の障害物と衝突することなく開始点から
所望の終了点へと移動される。
【００１３】より詳細には、経路計画段階は、作用空間
を多数のｎ次元セルとして定義する配列空間データベー
スを設定し；該配列空間データベースの各セルに対して
衝突状態を決定し、衝突状態は、セル内の配列設定の全
ての組合せに対して衝突の可能性があることを指示する
「フル」であるか、又はセル内に衝突の可能性がないこ
とを指示する「フリー」であるか、又はセル内の配列設
定のある組合せに対して衝突の可能性があることを指示
する「ミックス」であり；そして配列空間データベース
の各セルに関する情報を使用して、おおまかな経路計画
を発生し、衝突が回避されるように配列空間のある点か
ら別の点への経路において移動を与えることを含む。
【００１４】おおまかな経路計画を発生する上記段階
は、更に、第１の試行経路を選択し、そしてその経路が
フル又はミックスセルを通るかどうかを決定し；そして
以前に選択された試行経路が衝突を受ける場合には第２
の他の試行経路を系統的に選択し、最終的に衝突のない
経路が選択されるようにすることを含む。第２の他の試
行経路を系統的に選択する上記段階は、フル又はミック
スセルの衝突領域を通過ずる試行経路の部分の中点を検
出し；そして上記中点を通る線上において上記中点を通
過する試行経路に直交するよう配置された試行中間点を
選択し、この試行中間点は、それが衝突領域にない場合
には、計画された経路上にあるものとして選択される。
【００１５】本発明の好ましい実施形態においては、経
路実行移動を制御する上記段階は、おおまかな経路計画
の中間点間を補間して、微細分解能計画経路を発生し；
配列空間を通る微細分解能経路と、物体の予想される配
列設定とに基づいて制御信号を発生し；作用空間におけ
る物体の相互の接近度に基づいて衝突回避制御信号を発
生し；そしてこの衝突回避制御信号と、上記微細分解能
計画経路に基づく制御信号とを合成することを含む。衝
突回避は、配列空間を通して計画された経路を修正する
ことにより達成される。経路の実行を制御する上記段階
は、物体の移動を動的にモデリングすることを更に備
え、微細分解能経路に基づいて制御信号を発生する上記
段階及び衝突回避制御信号を発生する上記段階に使用す
るための物体配列設定の推定値を与える。
【００１６】本発明の好ましい実施形態においては、移
動物体は、共通の作用空間において動作するロボットマ
ニピュレータである。配列設定は、マニピュレータの位
置を集合的に定義するマニピュレータ継手角度及び位置
である。
【００１７】以上の説明から明らかなように、本発明
は、共通の作用空間で動作する多数の移動装置、例えば
ロボットマニピュレータに対する経路計画の分野に著し
い進歩をもたらす。本発明以前の経路計画は、配列が簡
単であることを除くと計算が甚だしいものであり、そし
て衝突回避のための力フィールドモデリングは常に満足
な解決策を与えるものではない。本発明は、比較的おお
まかなスケールの配列空間経路計画を移動実行段階中に
微細なスケールの衝突回避と結合して、多数のマニピュ
レータの問題に対して便利で且つ実用的な解決策をもた
らす。本発明の他の特徴及び効果は、添付図面を参照し
た以下の詳細な説明から明らかとなろう。
【００１８】
【発明の実施の形態】説明の目的で添付図面に示された
ように、本発明は、共通の作用空間を共用するロボット
マニピュレータのような多数の移動物体の衝突のない運
動を計画しそして実行するシステムに関する。この一般
的な目的のために他のシステムも提案されているが、完
全に満足なものは皆無である。
【００１９】本発明によれば、衝突回避は、おおまかな
スケールでの全体的な経路計画と、ロボットマニピュレ
ータ運動の細かいスケールでの実行の組合せで達成され
る。ｃ空間と称する配列空間におけるロボット運動の全
体的な経路計画は、現在ロボット位置と所望のロボット
位置との間の公称運動軌道を与える。ｃ空間とは、単
に、ロボットマニピュレータの各自由度ごとに１つづつ
の１組のカルテシアン軸により定められた空間に過ぎな
い。各軸のスケールは、ロボットマニピュレータの１つ
の継手のジンバル角度又は継手位置を測定する。例え
ば、第１のアームがベースにヒンジ固定されそして第２
のアームが別のヒンジ継手によって第１のアームに接続
されたマニピュレータは、２つの自由度を有し、ｃ空間
は、二次元となる。ｃ空間内の各点は、マニピュレータ
の特定の位置を定義し、そしてｃ空間の軸に対する点の
座標は、マニピュレータのその位置に対応するジンバル
角度を測定する。障害物がｃ空間へと「マップ」され、
従って、マニピュレータの所望の運動は、障害物を考慮
して、ある位置から所望の位置へマニピュレータを移動
する一連の段階を形成するように計画することができ
る。一般に、ある位置から別の位置へ移動する最も速い
方法は、ｃ空間内の直線により表されるが、固定の又は
動的な障害物が存在するためにこの経路は常に可能では
ない。
【００２０】しかしながら、不都合なことに、ｃ空間技
術のみに基づく経路計画は、計算が甚だしく、多数のマ
ニピュレータのほとんどのシステムにとって実現不可能
な解決策である。本発明は、比較的おおまかなスケール
での経路計画のためのｃ空間技術と、細かいスケールで
の力フィールド衝突回避モデルとを組み合わせるもので
ある。それにより形成されるシステムは、これら技術の
各々を個々に用いたときの欠点を解消し、そしてロボッ
トマニピュレータのような多数の移動物体の運動を計画
しそして制御するための実際的なシステムを提供する。
【００２１】システムの概要：図１に示すように、本発
明のシステムは、４つの主たる要素、即ちスーパーバイ
ザー１０と、おおまかなスケールの経路計画モジュール
１２と、細かいスケールの経路実行モジュール１４と、
ロボットマニピュレータシステム１６とを備えている。
おおまかなスケールの経路計画モジュール１２及び細か
いスケールの経路実行モジュール１４は、一緒に、経路
計画及び実行システム１８と称する。
【００２２】スーパーバイザー１０は、有用な作業を実
施する一連のマニピュレータ移動を特定する。スーパー
バイザー１０は、ライン２０で示された移動要求を経路
計画モジュール１２に送り、マニピュレータ位置及び方
向の次に要求される組合せを特定する。又、スーパーバ
イザー１０は、マニピュレータシステム１６からのライ
ン２２で示すように、マニピュレータのジンバル角度及
び他のパラメータ全部の初期及び現在状態を受け取る。
既に述べたように、マニピュレータシステム１６は、継
手によって互いに接続された堅固なリンクで構成され、
継手の多くは、１つの自由度を有する簡単なヒンジのよ
うな回転継手である。他の形式の継手としては、スライ
ド運動はできるが回転できないプリズム型継手、三次元
において角度運動を行える球状継手、回転及びスライド
運動の両方を行える円筒状継手、及び回転によりリンク
を延長できるスクリュー型継手が含まれる。マニピュレ
ータシステム１６における継手の形式の組合せに関わり
なく、いかなる瞬間におけるその配列も、１組の継手角
度及び位置によって完全に定義される。
【００２３】経路計画モジュール１２は、スーパーバイ
ザー１０から移動要求を受け取り、そして時間タグ付き
のｃ空間「中間点」のリストを形成し、これは、ライン
２４で示すように、経路実行モジュール１４へ送られ
る。この中間点リストは、特定の時間における継手の角
度／位置の１組の組合せである。
【００２４】経路実行モジュール１４は、経路計画モジ
ュール１２から中間点リストを受け取り、この中間点リ
ストを処理して、この中間点リストにより特定されたお
おまかなスケールでの移動をたどりながら、微細なスケ
ールで衝突を回避するに必要なマニピュレータの移動
（角度／位置及び時間の両方の）を決定し、そして時間
サンプルされる継手コマンドをマニピュレータシステム
１６に送る。又、経路実行モジュール１４は、継手軸の
全ての角度及び位置を含むマニピュレータ１６の初期及
び更新状態をライン２２を経て受け取る。
【００２５】ロボットマニピュレータシステム１６は、
経路実行モジュール１６からライン２６を経てマニピュ
レータ継手コマンドを受け取り、そしてマニピュレータ
継手コントローラ及びセンサのような従来型のロボット
マニピュレータ部品（図示せず）を用いてこれらのコマ
ンドを実行し、現在継手角度又は位置を決定する。マニ
ピュレータシステム１６は、又、部品挿入、切削、研磨
等の精密な作業のために位置及び力の複合制御を実行す
る能力を組み込むこともできる。従来のロボットシステ
ムは、スーパーバイザー１０及びマニピュレータシステ
ム１６を備えており、従って、これらの要素について
は、ここでは詳細に説明しない。
【００２６】経路計画モジュール１２：おおまかなスケ
ールの経路計画を形成するための経路計画モジュール１
２が図２に詳細に示されている。このモジュールは、５
つの基本的な要素、即ち経路計画実行部３０と、ｃ空間
データベース３２と、ｃ空間データベース発生モジュー
ル３４と、経路セグメントタイミングモジュール３６
と、マニピュレータシステムモデル３８とを備えてい
る。
【００２７】経路計画実行部３０は、ライン２０を経て
移動要求を受け取り、そしてｃ空間データベース３２の
比較的おおまかな分解能内で衝突を回避する一連のｃ空
間経路セグメントを決定する。各経路セグメントは、ｃ
空間内の直線である。又、実行部３０は、経路セグメン
トタイミングモジュール３６に問い合わせすることによ
り各経路セグメントのタイミングを決定し、そして最終
的に、経路セグメントの終了点と経路セグメントのタイ
ミングとを結合して、時間タグ付けされた中間点のリス
トをライン２４に出力する。
【００２８】ｃ空間データベース３２は、実行部３０が
ｃ空間内の各セルのセル形式を決定できるようにする。
セルとは、一般的に述べると、継手変数の個々の値によ
って各継手軸において境界定めされたｃ空間内の平行六
面体である。ｃ空間は、マニピュレータシステム１６
（図１）の自由度と同程度の次元を有することを想起さ
れたい。例えば、自由度が２つしかない場合には、ｃ空
間は二次元であり、各セルは、個別の継手角度により境
界定めされるこの二次元空間の長方形要素に過ぎない。
２つの自由度が回転継手に対応する場合は、セルは、例
えば、１度（角度測定値）ｘ１度であってもよいし、又
は他の選択された分解能であってもよい。ｃ空間データ
ベースの重要な特徴は、セルが「フリー」であるか、
「フル」であるか、又は「ミックス」であるかについて
の各セルの指示を含むことである。フリーのセルは、そ
の体積内のどこの継手変数のいかなる組合せについても
衝突がない。即ち、ロボットマニピュレータシステム１
６は、ｃ空間の同じセルを占有する固定又は動的な障害
物に衝突することなくセル内のいかなる点へも移動する
ことができる。フルのセルは、その体積内の継手変数の
全ての組合せに対し潜在的な衝突を指示する。ミックス
のセルは、フリーでもフルでもないセルである。又、デ
ータベース３２は、マニピュレータ継手の各々に対して
継手限界を組み込んでいる。各継手は、通常、角度又は
並進移動の制限範囲を有する。指定の限界を越える継手
変数を含むセルは、データベース３２において「フル」
とタグ付けされる。
【００２９】ｃ空間データベース発生モジュール３４
は、継手変数分解能の指定のレベルに対し各ｃ空間セル
のセル形式を決定するのに必要なロジックを含んでい
る。このモジュールは、オフライン計算を含んでもよい
し、オンライン計算を含んでもよいし、又はその両方の
組合せを含んでもよい。特に、オンライン計算は、おお
まかな分解能レベルにおいてミックス形式であると決定
されたセルのサブ領域のセル形式を決定するのに使用で
きる。このプロセスは、「セルのエクスプロージョン
（ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ）」と称する。
【００３０】マニピュレータシステムモデル３８は、マ
ニピュレータシステム１６の物理的な構造、このシステ
ムが作用する被加工片、及び作業環境の数学的記述を含
んでいる。このモデルは、データベースのサイズを減少
するか、又は潜在的な衝突から部品を保護するための安
全余裕を与えるために、マニピュレータシステムの選択
された部品の物理的な寸法に対する幾つかの近似値を組
み込んでもよい。モデル３８は、ｃ空間データベース発
生モジュール３４により、ｃ空間データベース３２を発
生及び更新するのに使用される。
【００３１】経路セグメントタイミングモジュール３６
は、継手変数の動的な制約を組み込む１群のパラメータ
方程式に基づいて経路セグメントのタイミングどりを実
行する。上記制約は、割合、加速度、急な動き、又は継
手変数の高次の時間導関数の組合せである。モジュール
３６は、動的な制約のもとでマニピュレータ継手変数を
指定の量だけ変更するために必要とされる時間に関連し
た１組の数学方程式を組み込んでもよいし、又は等価デ
ータを含むルックアップテーブルを組み込んでもよい。
このモジュール３６は、経路計画実行部３０により問合
せを受け、そして経路セグメントの時間データを実行部
に返送する。
【００３２】経路実行モジュール１４：経路実行モジュ
ール１４が図３に詳細に示されている。このモジュール
は、次の要素、即ち中間点補間手段４０と、制御法則モ
ジュール４２と、マニピュレータ動的モデル４４と、衝
突回避力モデル４６と、マニピュレータシステムモデル
４８と、サンプリング手段５０とを備えている。
【００３３】中間点補間手段４０は、時間タグ付けされ
た中間点リストを経路計画モジュール１２からライン２
４を経て受け取り、そして経路セグメントタイミングモ
ジュール３６において経路セグメントのタイミングを決
定するのに使用した同じ１組のパラメータ方程式を用い
て、中間点リストよりも微細な時間分解能で継手角度／
位置、割合又は加速度（又は高次の時間導関数）の必要
な組合せを決定する。補間手段４０と経路セグメントタ
イミングモジュール３６との整合は、公称マニピュレー
タ移動において動的な制約を実施する能力を与える。補
間手段４０は、ライン５２で示されたように、制御法則
モジュール４２に補間された中間点を与える。
【００３４】制御法則モジュール４２は、補間手段４０
から補間された中間点を受け取ると共に、マニピュレー
タ動的モデル４４からライン５３を経てマニピュレータ
動的モデル状態データも受け取る。制御法則モジュール
４２は、２組の入力データを数学方程式により処理し、
ライン５４を経て動的モデル４４へ制御トルクコマンド
を発生する。制御法則モジュール４２は、フィードバッ
ク及びフィードフォワードの両方の制御項を組み込むこ
とができる。フィードバック制御項は、マニピュレータ
動的モデル状態、又は補間された中間点とマニピュレー
タの動的モデル状態との間の差に基づく。フィードフォ
ワード制御項は、補間された中間点のみに基づく。制御
法則におけるフィードバック制御項の目的は、マニピュ
レータ動的モデル４４及び衝突回避力モデル４６の組合
せの動的な振る舞いを安定化しそして変更することであ
る。制御法則におけるフィードバック項は、比例、割
合、遅れ、積分又は他の形態の制御補償を含む。制御法
則におけるフィードフォワード項の目的は、衝突回避モ
デル４６が存在しない場合に、補間された中間点により
暗示される軌道に沿ってマニピュレータシステムを移動
する公称制御トルクを与えることである。制御法則は、
非直線項又はモード切り換えを含んでもよく、例えば、
制御エラーが小さいときに積分項を追加してもよい。
【００３５】マニピュレータ動的モデル４４は、制御法
則モジュール４２からライン５４を経て受け取った制御
トルクと、衝突回避モデル４６からライン５６を経て受
け取った力モデルトルクとの合成作用のもとで、マニピ
ュレータシステムの移動の実時間解を生じる１組の数学
方程式を備えている。実際のマニピュレータシステム１
６（図１）からの測定されたマニピュレータ継手角度／
位置は、マニピュレータ動的モデル４４の状態を初期化
又は更新するのに使用される。継手変数（角度及び位
置）の範囲は、数学方程式に含まれる。動的モデル４４
は、継手角度／位置、割合及び加速度のようなマニピュ
レータの動的モデル状態をライン５３に出力する。モデ
ル４４に使用される動的な方程式の忠実度のレベルは、
必要とされる精度に基づいて、完全な非直線的結合方程
式から簡単化及び理想化された方程式までの範囲であ
る。
【００３６】衝突回避力モデル４６は、動的モデル４４
からのマニピュレータ動的モデル継手変数状態を作用空
間におけるマニピュレータ部品の相対的な位置に関連付
ける順方向運動方程式を組み込んでいる。又、モデル４
６は、作用空間におけるマニピュレータ部品の相対的な
位置をそれら部品間の推定反発力に関連付ける数学方程
式と、それら部品間の推定反発力をマニピュレータシス
テムの合成力及びモーメントに関連付ける数学方程式も
組み込んでいて、ライン５６を経て動的モデル４４へ返
送する。これらの数学方程式は、マニピュレータシステ
ムモデル４８を組み込んでいる。
【００３７】推定反発力方程式は、有限の素子近似を組
み込むことができる。推定反発力方程式は、距離と共に
指数関数的に減衰するか、距離と共にガウス減衰するか
又は相対的な距離の単調に減衰する関数である項「１／
ｒ２」（ｒは、潜在的に衝突する部品間の距離である）
を含む。推定反発力方程式は、選択されたマニピュレー
タ部品の反発力を一方的なものとして、衝突回避のため
に選択されたマニピュレータの経路を偏らせる優先順位
を与えるためのオプションを組み込むことができる。従
って、低い優先順位のマニピュレータは、高い優先順位
のマニピュレータに「譲歩」し、衝突を回避する。
【００３８】マニピュレータシステムモデル４８は、そ
の内容及び範囲がシステムモデル３８（図２）に類似し
ている。しかしながら、このモデル４８は、微細なスケ
ールの運動計画をサポートするので、少なくともモデル
３８と同程度に正確且つ詳細でなければならない。
【００３９】ハードウェア実施：図４は、本発明のハー
ドウェア実施を例示するものである。計算ハードウェア
６０は、スーパーバイザー１０と、経路計画モジュール
１２と、経路実行モジュール１４とを備えている。又、
計算ハードウェアは、関連するデータ入力装置６２及び
他の従来型の計算要素（図示せず）も備えている。ここ
に示すロボットマニピュレータシステム１６は、第１の
マニピュレータ６４と、第２のマニピュレータ６６とを
備え、その各々は、塗りつぶした円で示された３つの継
手と、太い直線で示された３つのリンクとを有する。マ
ニピュレータ６２及び６６は、ベース６８及び７０に各
々取り付けられ、そしてロボットマニピュレータシステ
ムにより組み立て中であるユニット７６に合体されるべ
き被加工片７２及び７４を保持するものとして示されて
いる。計算ハードウェア６０は、ライン２６を経て１組
の継手コントローラ７８へマニピュレータコマンドを与
え、次いで、このコントローラは、ライン８０を経てマ
ニピュレータ６４及び６６へ制御信号を供給する。
【００４０】経路計画実行部３０の詳細：ｃ空間方法を
用いる移動計画は、反復解決策を使用する。各反復にお
いて、図５に示すように、経路が現在中間点９０から次
の中間点９２へと走査され、そしてｃ空間においてこの
直接経路をたどることにより横断される各セルのセル形
式（即ち、フリーか、フルか又はミックスか）が決定さ
れる。陰影付けされた領域９４は、フル又はミックスセ
ルの領域を表し、直接経路によって横断されると、衝突
を生じるおそれがあるものである。この状態が検出され
ると、衝突を回避するために、１つ以上の付加的な中間
点を見つけなければならない。この手順の重要な段階
は、経路計画プロセスの次の反復に対し、候補即ち試行
中間点を発生することである。９６で示された試行中間
点＃１は、領域９４の外部を通るので、衝突を回避す
る。９８で示された試行中間点＃２は、このようになら
ない。衝突のない経路を効果的に見つける確率は、元の
経路に直交し且つ種々の方向にある試行中間点を発生す
る方法に基づく。
【００４１】本発明以前には、幾何学的な論理付けが充
分である二次元又は三次元のｃ空間のみに対して試行中
間点発生アルゴリズムが存在した。ほとんどの潜在的な
用途は、それより高い次元のｃ空間、通常は、５ないし
１４次元において経路計画を必要とするので、更に一般
的な方法が必要とされる。このような方法が図６に示さ
れている。
【００４２】この方法は、元の経路セグメントに直交し
且つ全ての使用可能な方向に及ぶ試 ベクトルである。領域９４の縁に対する直接経路セグメ
ントの中点は、これもｊ 方法への入力であるこれら３つのベクトル量の定義を示
す。
【００４３】ブロック１０２に示すように、次のステッ
プは、経路セグメントを定義するベ 次の２つのケースが考えられる。
【００４４】 て選択することができる。実際に、最も簡単な選択は、
自然ベースであり、即ちｂ１＝ｎ１＝（１、０、０・・
・）、ｂ２＝ｎ２＝（０、１、０・・・）、及びｂｊ＝
ｎｊ＝（０、０、１・・・）と設定することによるもの
である。上記第２のケースでは、自然ベースベクトルの
１つが冗長であり、先へ進む前に削除されねばならな
い。直交補数ベースベクトルを発生する手順が図７に示
されており、図８及び９には更に詳細に示されている。
【００４５】試行中間点を決定するプロセスの次のステ
ップは、ブロック１０６及び１０８に各々示すように、
カウンタｋを初期化及び増加することである。次いで、
ブロック１１０に示すように、データベースをアクセス
し、各試行中間点ｋに対する重みｗｉｋが得られる。重
みは、種々の方法で選択することができる。例えば、考
えられる全ての２ｊ−１の組合せにおいてｗｉ＝−１又
は＋１とすると、超立 ｗｉを選択すると、現在経路セグメントに直交するサブ
空間において超球体の表面に試行中間点をもつことにな
る。この場合に、重みは、試行中間点への方向の多様性
を確保するために決定論的に又はランダムに選択するこ
とができる。
【００４６】次いで、ブロック１１２に示すように、各
試行中間点は、次の式から計算される。 に、ブロック１１４において、ｋカウンタをチェックし
て、全ての試行中間点が計算されたかどうか決定し、そ
の後、この処理モジュールから退出する。
【００４７】 ら計算し、次いで、ブロック１２６及び更に図８に示す
ように、冗長の自然ベースベクトルを削除し、次いで、
ブロック１２８及び更に図９に示すように、直交補数に
対してｊ−１個のベースベクトルを計算することであ
る。最後に、ブロック１３０に示すように、次元数ｎｄ
ｉｍは、ブロック１２６における１ベクトルの削除を考
慮してｊ−１にセットされる。ｊ個の自然ベースが全て
使用される場合には、ブロック１３２に示すように、ｎ
ｄｉｍがｊにセットされる。
【００４８】図８は、図７のブロック１２６を説明する
ものである。冗長な自然ベースベクトルを削除する第１
のステップは、ブロック１３４に示すように、１組のベ
クト 計算することである。次のステップは、ブロック１３６
において、手前のブロックで計算された最も大きなドッ
ト積のインデックスを決定することである。ブロック１
３６内のフローチャートに詳細に示されたように、これ
は、単に、ドット積の次々の値を、ｄｉに初期化された
現在最大値と比較するだけである。ドット積が現在最大
値より大きいと分かった場合には、新たな最大値が宣言
される。ｊ個のドット積が全てこのように比較されたと
きに、現在最大値が全てのドット積の最大値となり、そ
の最大値に関連したインデックスｉｍａｘが分かる。最
後に、インデックスｉｍａｘをもつ自然ベースベクトル
を除いて、ｊ−１個の自然ベースベクトルが選択され
る。便宜上、ブロック１３８に示すように、ｊ−１個の
ベクトルの組がテーブルから選択される。
【００４９】図９は、ｊ−１個のベースベクトルが直交
補数として計算された図７のブロック１２８を説明する
ものである。このプロセスへの入力は、ｊ−１個の自然
ベー ブロック１４０に示すように、ゼロベースベクトルは、
経路セグメントベクトル ットされ、そしてブロック１４４において１だけ増加さ
れる。ｉの各値に対し、ブロック１４６において中間ベ
クトルｚが次のように計算される。 ベースベクトルは、ブロック１４８に示すように、次の
式を用いて、ｚベクトルの長さを１に対して正規化する
ことにより得られる。 ブロック１５０において、ｉの値がチェックされ、ｊ−
１個の全てのベースベクトルが得られたかどうか決定さ
れる。もしそうであれば、ｉ＝１、２・・・ｊ−
【００５０】部分的に決定される移動への拡張：ある次
元において既に計画された移動を変更せずに中間点を挿
入することが望まれる場合には、ここに述べるように方
法を変更することができる。図６における試行中間点ｋ
の定義から、所定の動きをたどるように制限される各素
子ｍに対して必要とされる制限式は、次のようになる。
【００５１】 る。この条件は、所定の動きをたどるように制限される
軸に対応する各値ｍに対してｗｍｋ＝０に設定するだけ
で満足することができる。残りの重みは、前記のように
選択することができる。
【００５２】 に基づく更に一般的な解決策が必要とされる。例えば、
６次元のｃ空間であって 運動を中間点により変更すべきでない場合について考え
る。この場合、 ｊ＝６ ｎｄｉｍ＝５ ｍ１＝１、ｍ２＝２、ｍ３＝３ である。マトリクス形態では、３つの制限式が次のよう
に変換される。 但し、ｂｉｊはベースベクトルｉの素子ｊである。これ
は、５つの未知数（ｗｉｋ、但し、ｉ＝１、２、３、
４、５）において３つの式（各行）を有する式のアンダ
ーデターミンド（ｕｎｄｅｒ−ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ）
システムであり、分割、移項及び逆転によりｗｉｋの３
つに対して他の２つで解くことができる。これにより得
られる解は、２つの独立した重みについて３つの従属す
る重みを与える。
【００５３】特に、１つの考えられる解は、次の通りで
ある。 ここで、Ｗ４５ｋ（ｗ４ｋ及びｗ５ｋ）の素子は、独立
した重み（フリーパラメータ）であり、そしてＷ
１２３Ｋ（ｗ１ｋ，ｗ２ｋ及びｗ３ｋ）の素子は、ｗ
４ｋ及びｗ５ｋについて定められる。ｇｉｊは、従属重
みｗｉｋを独立重みｗｊｋに関連付けるファクタであり
そして上記式の指示されたマトリクス演算により定めら
れる。もちろん、３ｘ３マトリクスＢ１２３は、可逆で
なければならず、さもなくば、独立変数の別の選択を試
みなければならない。ベースベクトルは、直線的に独立
しているので、独立重みの１０個の考えられる選択肢
（以下の表に示す）の少なくとも１つが可逆のマトリク
スを生じる。３ｘ３マトリクスの最大行列式を与える選
択は、最良の数値的振る舞いを有する。 その結果、経路セグメントに直交しそして１、２又は３
軸のｃ空間に沿った所定の経路に対してずれを伴わない
ような試行中間点の２つのパラメータ群が得られる。拡
張形態で書き表すと、試行中間点ｋは、次のようにな
る。 ｗ４及びｗ５を変えることにより、経路ベクトルに垂直
で、且つｃ空間の１、２又は３軸に沿った所定の経路に
対してずれを伴わないような平面内のどこかに試行中間
点を発生することができる。
【００５４】結論：以上の説明から、本発明は、多数の
ロボット機構の制御に著しい進歩をもたらし、そして本
発明の原理は、衝突を回避するように移動物体の経路を
制御しなければならない他の分野にも適用できることが
明らかであろう。特に、本発明は、各物体の経路をおお
まかに計画するｃ空間経路計画と、微細な分解能レベル
での人為的な力フィールド実行との新規な組合せを提供
する。この組合せは、本発明以前にこれら解決策の各々
がもたらした問題を解消する。本発明の他の特徴は、ｃ
空間経路計画の改良に係り、より詳細には、中程度の計
算要求のみで作用空間を通る経路を計画するための反復
ｃ空間技術に係る。又、本発明の特定の実施形態を以上
に説明したが、本発明の精神及び範囲から逸脱せずに、
種々の変更がなされ得ることも明らかであろう。従っ
て、本発明は、特許請求の範囲のみによって限定される
ものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のトップレベルのシステム構成ブロック
図である。
【図２】本発明においておおまかな経路計画に使用され
る経路計画手段のブロック図である。
【図３】微細なスケールを用いた経路実行を示すブロッ
ク図である。
【図４】例示的なロボットマニピュレータシステムに対
する本発明のハードウェア実施を示すブロック図であ
る。
【図５】二次元の配列空間における経路探索の反復を示
す図である。
【図６】本発明の１つの特徴により任意に次元の配列空
間に試行通路点を発生する方法を示すフローチャートで
ある。
【図７】図６のフローチャートの１つのブロック１０４
を具現化するための方法を示すフローチャートである。
【図８】図７のフローチャートの１つのブロック１２６
を具現化するための方法を示すフローチャートである。
【図９】図７の別のブロック１２８を具現化するための
方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０ スーパーバイザー １２ 経路計画モジュール １４ 経路実行モジュール １６ ロボットマニピュレータシステム ３０ 経路計画実行部 ３２ ｃ空間データベース ３４ ｃ空間データベース発生モジュール ３６ 経路セグメントタイミングモジュール ３８ マニピュレータシステムモデル ４０ 中間点補間手段 ４２ 制御法則モジュール ４４ マニピュレータ動的モデル ４６ 衝突回避力モデル ４８ マニピュレータシステムモデル ５０ サンプリング手段

Claims (22)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 作用空間を通る多数の移動物体の移動を
    制御するシステムであって、各物体の位置が、その物体
    のｎ個の自由度に対応する複数ｎの配列設定により定義
    される複数の相互接続されたリンクの配列に依存するよ
    うなシステムにおいて、 比較的おおまかなスケールの移動計画を与えるように各
    移動物体の一連の移動を前もって計画する経路計画手段
    であって、三次元空間内の各物体の位置を定義するｎ個
    の配列設定に対応するｎ個の直交軸により定義された配
    列空間において経路を決定する経路計画手段と、 上記経路計画手段により与えられた比較的おおまかなス
    ケールの計画に基づいて物体を移動するよう動作する経
    路実行モジュールであって、細かいスケールの人為的力
    フィールド衝突回避サブシステムを含んでいて、一部分
    は経路計画手段によりそして一部分は衝突回避サブシス
    テムにより決定された経路に沿って移動物体が移動され
    るように移動物体に制御信号を与え、これにより、物体
    が、互いに又は固定の障害物と衝突せずに、スタート点
    から所望の終了点まで移動されるようにする経路実行モ
    ジュールとを備えたことを特徴とするシステム。
  2. 【請求項２】 上記経路計画手段は、 作用空間を多数のｎ次元セルとして定義する配列空間デ
    ータベースと、 上記配列空間データベースの各セルに対して衝突状態を
    決定するためのデータベース発生ロジックであって、衝
    突状態は、セル内の配列設定の全ての組合せに対して衝
    突の可能性があることを指示する「フル」であるか、又
    はセル内に衝突の可能性がないことを指示する「フリ
    ー」であるか、又はセル内の配列設定のある組合せに対
    して衝突の可能性があることを指示する「ミックス」で
    あるようなデータベース発生ロジックと、 配列空間データベースの各セルに関する情報を使用し
    て、衝突を回避するように配列空間のある点から別の点
    への経路を計画するための経路計画実行モジュールとを
    備えた請求項１に記載のシステム。
  3. 【請求項３】 上記経路計画手段は、更に、 継手変数に適用されるべき所与の動的制限に基づいて上
    記経路計画実行モジュールのためのタイミングデータを
    発生する経路セグメントタイミングモジュールを備えた
    請求項２に記載のシステム。
  4. 【請求項４】 上記経路実行モジュールは、 上記経路計画手段により与えられた経路データから微細
    分解能経路を発生するための中間点補間手段と、 上記配列空間を通る微細分解能経路と、物体の予想され
    る配列設定とに基づいて制御信号を発生するための制御
    法則モジュールと、 上記作用空間における物体の相互の接近度に基づいて衝
    突回避制御信号を発生するための衝突回避力モデルと、 上記配列空間を経て計画された経路を修正することによ
    り衝突回避が微細なスケールで達成されるように上記衝
    突回避制御信号と上記制御法則モジュールからの制御信
    号とを合成する手段とを備え、 上記中間点補間手段は、継手変数に適用されるべき所与
    の動的な制限に基づいて、補間された経路を計画するの
    に使用されるべきタイミングデータを発生するための経
    路セグメントタイミングモジュールを備えている請求項
    ３に記載のシステム。
  5. 【請求項５】 上記経路計画実行モジュールは、更に、 第１の試行経路を選択し、そしてその経路がフル又はミ
    ックスセルを通るかどうか決定するための手段と、 以前に選択された試行経路が衝突を受ける場合には第２
    の他の試行経路を系統的に選択し、最終的に衝突のない
    経路が選択されるようにする手段とを備えた請求項２に
    記載のシステム。
  6. 【請求項６】 第２の他の試行経路を系統的に選択する
    上記手段は、 フル又はミックスセルの衝突領域を通過する試行経路の
    部分の中点を検出する手段と、 上記中点を通る線上において上記中点を通過する試行経
    路に直交するよう配置された試行中間点を選択する手段
    とを備え、上記試行中間点は、それが衝突領域にない場
    合には、計画された経路上にあるものとして選択される
    請求項５に記載のシステム。
  7. 【請求項７】 上記経路実行モジュールは、 上記経路計画手段により与えられた経路データから微細
    分解能経路を発生するための中間点補間手段と、 上記配列空間を通る微細分解能経路と、物体の予想され
    る配列設定とに基づいて制御信号を発生するための制御
    法則モジュールと、 上記作用空間における物体の相互の接近度に基づいて衝
    突回避制御信号を発生するための衝突回避力モデルと、 上記配列空間を経て計画された経路を修正することによ
    り衝突回避が微細なスケールで達成されるように上記衝
    突回避制御信号と上記制御法則モジュールからの制御信
    号とを合成する手段とを備えた請求項１に記載のシステ
    ム。
  8. 【請求項８】 上記経路実行モジュールは、更に、 上記制御法則モジュール及び衝突回避力モデルにより使
    用するための物体配列設定の推定値を与える物体動的モ
    デルを備えている請求項７に記載のシステム。
  9. 【請求項９】 作用空間を通る多数のロボットマニピュ
    レータの移動を制御するシステムであって、各マニピュ
    レータの位置が、そのマニピュレータのｎ個の自由度に
    対応する複数ｎの配列継手設定により定義される複数の
    相互接続されたリンクの配列に依存するようなシステム
    において、 比較的おおまかなスケールの移動計画を与えるように複
    数のロボットマニピュレータの各々の一連の移動を前も
    って計画する経路計画手段であって、三次元空間内の各
    マニピュレータの位置を定義するｎ個の配列継手設定に
    対応するｎ個の直交軸により定義された配列空間におい
    て経路を決定する経路計画手段と、 上記経路計画手段により与えられた比較的おおまかなス
    ケールの計画に基づいてマニピュレータを移動するよう
    動作する経路実行モジュールであって、細かいスケール
    の人為的力フィールド衝突回避サブシステムを含んでい
    て、一部分は経路計画手段によりそして一部分は衝突回
    避サブシステムにより決定された経路に沿ってマニピュ
    レータが移動されるようにマニピュレータに制御信号を
    与え、これにより、マニピュレータが、互いに又は固定
    の障害物と衝突せずに、スタート点から所望の終了点ま
    で移動されるようにする経路実行モジュールとを備えた
    ことを特徴とするシステム。
  10. 【請求項１０】 上記経路計画手段は、 作用空間を多数のｎ次元セルとして定義する配列空間デ
    ータベースと、 上記配列空間データベースの各セルに対して衝突状態を
    決定するためのデータベース発生ロジックであって、衝
    突状態は、セル内の配列継手設定の全ての組合せに対し
    て衝突の可能性があることを指示する「フル」である
    か、又はセル内に衝突の可能性がないことを指示する
    「フリー」であるか、又はセル内の配列継手設定のある
    組合せに対して衝突の可能性があることを指示する「ミ
    ックス」であるようなデータベース発生ロジックと、 配列空間データベースの各セルに関する情報を使用し
    て、衝突を回避するように配列空間のある点から別の点
    への経路を計画するための経路計画実行モジュールとを
    備えた請求項９に記載のシステム。
  11. 【請求項１１】 上記経路計画手段は、更に、 継手変数に適用されるべき所与の動的制限に基づいて上
    記経路計画実行モジュールのためのタイミングデータを
    発生する経路セグメントタイミングモジュールを備えた
    請求項１０に記載のシステム。
  12. 【請求項１２】 上記経路実行モジュールは、 上記経路計画手段により与えられた経路データから微細
    分解能経路を発生するための中間点補間手段と、 上記配列空間を通る微細分解能経路と、マニピュレータ
    の予想される状態とに基づいて制御信号を発生するため
    の制御法則モジュールと、 上記作用空間におけるマニピュレータ及び他の物体の相
    互の接近度に基づいて衝突回避制御信号を発生するため
    の衝突回避力モデルと、 上記配列空間を経て計画された経路を修正することによ
    り衝突回避が微細なスケールで達成されるように上記衝
    突回避制御信号と上記制御法則モジュールからの制御信
    号とを合成する手段とを備え、 上記中間点補間手段は、継手変数に適用されるべき所与
    の動的な制限に基づいて、補間された経路を計画するの
    に使用されるべきタイミングデータを発生するための経
    路セグメントタイミングモジュールを備えている請求項
    １１に記載のシステム。
  13. 【請求項１３】 上記経路計画実行モジュールは、更
    に、 第１の試行経路を選択し、そしてその経路がフル又はミ
    ックスセルを通るかどうか決定するための手段と、 以前に選択された試行経路が衝突を受ける場合には第２
    の他の試行経路を系統的に選択し、最終的に衝突のない
    経路が選択されるようにする手段とを備えた請求項１０
    に記載のシステム。
  14. 【請求項１４】 第２の他の試行経路を系統的に選択す
    る上記手段は、 フル又はミックスセルの衝突領域を通過する試行経路の
    部分の中点を検出する手段と、 上記中点を通る線上において上記中点を通過する試行経
    路に直交するよう配置された試行中間点を選択する手段
    とを備え、上記試行中間点は、それが衝突領域にない場
    合には、計画された経路上にあるものとして選択される
    請求項１３に記載のシステム。
  15. 【請求項１５】 上記経路実行モジュールは、 上記経路計画手段により与えられた経路データから微細
    分解能経路を発生するための中間点補間手段と、 上記配列空間を通る微細分解能経路と、マニピュレータ
    の予想される状態とに基づいて制御信号を発生するため
    の制御法則モジュールと、 上記作用空間におけるマニピュレータ及び他の物体の相
    互の接近度に基づいて衝突回避制御信号を発生するため
    の衝突回避力モデルと、 上記配列空間を経て計画された経路を修正することによ
    り衝突回避が達成されるように上記衝突回避制御信号と
    上記制御法則モジュールからの制御信号とを合成する手
    段とを備えた請求項９に記載のシステム。
  16. 【請求項１６】 上記経路実行モジュールは、更に、 上記制御法則モジュール及び衝突回避力モデルにより使
    用するためのマニピュレータ配列継手設定の推定値を与
    えるマニピュレータ動的モデルを備えている請求項１５
    に記載のシステム。
  17. 【請求項１７】 作用空間を通る多数の移動物体の移動
    を計画しそして実行する方法であって、各物体の位置
    が、その物体のｎ個の自由度に対応する複数ｎの配列設
    定により定義される複数の相互接続されたリンクの配列
    に依存するような方法において、 比較的おおまかなスケールの移動計画を与えるように各
    移動物体の一連の移動をもつ経路を前もって計画する段
    階を備え、この計画段階は、三次元空間内の各物体の位
    置を定義するｎ個の配列設定に対応するｎ個の直交軸に
    より定義された配列空間において経路を決定し、 主として上記計画段階により与えられた比較的おおまか
    なスケールの計画に基づいて物体を移動するように経路
    実行を制御する段階を備え、この段階は、人為的な力フ
    ィールドモデルに基づいて衝突回避物体制御信号を発生
    する付加的な段階を含み、そして一部分は上記経路計画
    段階によりそして一部分は上記経路実行を制御する段階
    により決定された経路に沿って移動物体が移動されるよ
    うに移動物体に制御信号を与え、これにより、物体が、
    互いに又は固定の障害物と衝突せずに、スタート点から
    所望の終了点まで移動されるようにすることを特徴とす
    る方法。
  18. 【請求項１８】 上記経路計画段階は、 作用空間を多数のｎ次元セルとして定義する配列空間デ
    ータベースを設定し、上記配列空間データベースの各セ
    ルに対して衝突状態を決定し、衝突状態は、セル内の配
    列設定の全ての組合せに対し衝突の可能性があることを
    指示する「フル」であるか、又はセル内に衝突の可能性
    がないことを指示する「フリー」であるか、又はセル内
    の配列設定のある組合せに対し衝突の可能性があること
    を指示する「ミックス」であり、 配列空間データベースの各セルに関する情報を使用して
    おおまかな経路計画を発生し、衝突が回避されるように
    配列空間のある点から別の点への経路において移動を与
    える、という段階を備えた請求項１７に記載の方法。
  19. 【請求項１９】 上記おおまかな経路を発生する上記段
    階は、 継手変数に適用されるべき所与の動的制限に基づいて上
    記おおまかな経路の多数のセグメントのタイミングデー
    タを発生する請求項１８に記載の方法。
  20. 【請求項２０】 上記経路実行移動を制御する段階は、 微細分解能の計画された経路を発生するためにおおまか
    な経路計画の中間点間の補間を行い、 上記配列空間を通る微細分解能経路と、物体の予想され
    る配列設定とに基づいて制御信号を発生し、 上記作用空間における物体の相互の接近度に基づいて衝
    突回避制御信号を発生し、 上記配列空間を経て計画された経路を修正することによ
    り衝突回避が達成されるように上記衝突回避制御信号と
    上記微細分解能計画経路に基づく制御信号とを合成し、
    そして上記補間段階は、継手変数に適用されるべき動的
    な制限に基づいて、補間された経路を計画するのに使用
    されるべきタイミングデータを発生することを含む請求
    項１９に記載の方法。
  21. 【請求項２１】 おおまかな経路計画を発生する上記段
    階は、 第１の試行経路を選択し、そしてその経路がフル又はミ
    ックスセルを通るかどうか決定し、そして以前に選択さ
    れた試行経路が衝突を受ける場合には第２の他の試行経
    路を系統的に選択し、最終的に衝突のない経路が選択さ
    れるようにする、ことを含む請求項１８に記載の方法。
  22. 【請求項２２】 第２の他の試行経路を系統的に選択す
    る上記段階は、 フル又はミックスセルの衝突領域を通過する試行経路の
    部分の中点を検出し、 上記中点を通る線上において上記中点を通過する試行経
    路に直交するよう配置された試行中間点を選択し、上記
    試行中間点は、それが衝突領域にない場合に、計画され
    た経路上にあるものとして選択される、ことを含む請求
    項２１に記載の方法。
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