JP2009056513A - Gripping position and attitude determination system and method of determining gripping position gripping attitude - Google Patents

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月 理 絵 香
Taku Yoshimi
見 卓 吉
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To maximally prevent a gripping position and a gripping attitude from coming out of the movable ranges of an arm and a hand. <P>SOLUTION: This method of determining a gripping position and a gripping attitude comprises the steps of: determining whether the gripping position and the gripping attitude of an object to be gripped come out of the movable range of the arm having at least two joints and a gripping mechanism attached to the end of the arm according to the position and the attitude of the object to be gripped, measured by a position and attitude measuring sensor, and to object shape information stored in a database; calculating whether there is a gripping position and a gripping attitude corrected within the movable ranges of the arm and the gripping mechanism by correcting the gripping position and the gripping attitude when the gripping position and the gripping attitude come out of the movable ranges of the arm and the gripping mechanism; and controlling the arm and the gripping mechanism so that the gripping position and the gripping attitude are brought into the corrected gripping position and the gripping attitude when there is the corrected gripping position and corrected gripping attitude. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、把持位置姿勢決定システムおよび把持位置姿勢決定方法に関する。   The present invention relates to a gripping position / posture determination system and a gripping position / posture determination method.

従来、任意の位置姿勢に配置された様々な形状の把持対象物をロボットが把持し搬送する作業が行われている。様々な形状を持つ把持対象物の把持位置姿勢を簡単に計算する方法の一つに、把持対象物を基本立体に当てはめ、各基本立体について定義された把持位置姿勢をその把持対象物に適用する方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。この特許文献1に記載の技術は、把持対象物とロボットのハンドとの相対位置姿勢は基本立体の大きさ等を用いて計算され、この相対位置姿勢を実現するためのロボットのアームの関節角度がハンドと把持対象物との相対位置姿勢を用いて計算される。もし、ある把持位置姿勢を実現する関節角度がアームの可動範囲外だった場合は、数種類の計算された、把持対象物とハンドとの相対位置姿勢の中から可動範囲内のものを選択する。数種類の相対位置姿勢は、初めに算出された相対把持位置姿勢を基本立体の対称軸まわりに回転させることによって得ていた。
特開2005−169564号公報
2. Description of the Related Art Conventionally, an operation has been performed in which a robot grips and transports gripping objects of various shapes arranged at arbitrary positions and orientations. One method for easily calculating the gripping position and orientation of a gripping object having various shapes is to apply the gripping position and orientation defined for each basic solid to the gripping object by applying the gripping object to the basic solid. A method is known (see, for example, Patent Document 1). In the technique described in Patent Document 1, the relative position and orientation between the grasped object and the robot hand are calculated using the size of the basic solid, and the joint angle of the robot arm for realizing the relative position and orientation. Is calculated using the relative position and orientation of the hand and the object to be grasped. If the joint angle that realizes a certain gripping position / posture is outside the movable range of the arm, one within the movable range is selected from several calculated relative positions / postures of the gripping object and the hand. Several types of relative position and orientation were obtained by rotating the initially calculated relative gripping position and orientation around the symmetry axis of the basic solid.
JP 2005-169564 A

しかし、特許文献1には、算出された数種類の把持位置姿勢すべてがアームおよびハンドの可動範囲外だった場合の対処が記されていない。   However, Patent Document 1 does not describe a countermeasure when all of the calculated several types of gripping position / postures are outside the movable range of the arm and the hand.

本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、把持位置姿勢がアームおよびハンドの可動範囲外となるのを可及的に避けることのできる把持位置姿勢決定システムおよび把持位置姿勢決定方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in consideration of the above circumstances, and a gripping position / posture determination system and a gripping position / posture determination that can avoid the gripping position / posture from being outside the movable range of the arm and the hand as much as possible. It aims to provide a method.

本発明の1態様による把持位置姿勢決定システムは、少なくとも2つの関節を有するアームと、前記アームの先端に設けられ把持対象物を把持するための把持機構と、前記把持対象物の位置姿勢を計測する位置姿勢計測センサと、前記把持対象物の形状情報が格納されたデータベースと、前記位置姿勢計測センサの出力および前記データベースに格納された形状情報に基づいて、前記把持対象物に関する把持位置姿勢が前記アームおよび前記把持機構の可動範囲外である否かを判定し、前記アームおよび前記把持機構の可動範囲外である場合に、前記把持位置姿勢を修正することにより前記アームおよび前記把持機構の可動範囲内に修正された把持位置姿勢が存在するか否かを演算し、存在する場合に前記修正された把持位置姿勢となるように前記アームおよび前記把持機構を制御する演算制御装置と、を備えたことを特徴とする。   A gripping position / posture determination system according to an aspect of the present invention measures an arm having at least two joints, a gripping mechanism provided at a tip of the arm for gripping a gripping target, and the position / posture of the gripping target A position and orientation measurement sensor to be detected, a database in which shape information of the gripping object is stored, an output of the position and orientation measurement sensor and shape information stored in the database, It is determined whether or not the arm and the gripping mechanism are out of the movable range, and when the arm and the gripping mechanism are out of the movable range, the arm and the gripping mechanism are movable by correcting the gripping position and posture. It is calculated whether or not there is a corrected gripping position / orientation within the range, and if it exists, the corrected gripping position / orientation is obtained. Characterized in that and a calculation control unit for controlling the arm and the gripping mechanism.

また、本発明の他の1態様による把持位置姿勢決定方法は、位置姿勢計測センサによって計測された把持対象物の位置姿勢およびデータベースに格納された前記把持対象物の形状情報に基づいて、前記把持対象物に関する把持位置姿勢が、少なくとも2つの関節を有するアームおよび前記アームの先端に設けられた把持機構の可動範囲外である否かを判定するステップと、前記アームおよび前記把持機構の可動範囲外である場合に、前記把持位置姿勢を修正することにより前記アームおよび前記把持機構の可動範囲内に修正された把持位置姿勢が存在するか否かを演算するステップと、存在する場合に前記修正された把持位置姿勢となるように前記アームおよび前記把持機構を制御するステップと、を備えたことを特徴とする。   The gripping position / orientation determination method according to another aspect of the present invention is based on the position / orientation of the gripping object measured by the position / orientation measurement sensor and the shape information of the gripping object stored in the database. Determining whether or not the gripping position / posture of the object is outside the movable range of the arm having at least two joints and the gripping mechanism provided at the tip of the arm; and out of the movable range of the arm and the gripping mechanism If the gripping position / orientation is corrected, the step of calculating whether there is a corrected gripping position / orientation within the movable range of the arm and the gripping mechanism by correcting the gripping position / orientation is corrected. And a step of controlling the arm and the gripping mechanism so as to be in a gripping position and posture.

本発明によれば、把持位置姿勢がアームおよびハンドの可動範囲外となるのを可及的に避けることができる。   According to the present invention, it is possible to avoid the gripping position / posture from being outside the movable range of the arm and the hand as much as possible.

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を詳細に説明する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

本発明の一実施形態の把持対象物の把持位置姿勢決定システムは、図2に示す、ロボットに適用される。このロボット100は、本体110と、本体110に一端が取り付けられたアーム1と、このアーム1の他端に設けられたハンド2と、位置姿勢計測センサ3と、力覚センサ4と、データベース5と、演算制御装置6とを備えている。アーム1には少なくとも2つの関節が設けられており、把持対象物の位置姿勢へハンド2を移動できる機構を有している。この機構は6以上の自由度を有している。ハンド2は、アーム1に接続されるフランジ2aと、このフランジ2aに設けられた少なくとも2本の指2bを有している。この少なくとも2本の指2bは、把持対象物を挟むまたは包み込む機構を有している。この機構には、例えば、周知の平行二指ハンドや多関節ハンドが該当する。   A gripping position / posture determination system for a gripping object according to an embodiment of the present invention is applied to a robot shown in FIG. The robot 100 includes a main body 110, an arm 1 having one end attached to the main body 110, a hand 2 provided at the other end of the arm 1, a position / orientation measurement sensor 3, a force sensor 4, and a database 5. And an arithmetic control device 6. The arm 1 is provided with at least two joints and has a mechanism capable of moving the hand 2 to the position and orientation of the grasped object. This mechanism has 6 or more degrees of freedom. The hand 2 has a flange 2a connected to the arm 1 and at least two fingers 2b provided on the flange 2a. The at least two fingers 2b have a mechanism for sandwiching or wrapping the object to be grasped. This mechanism corresponds to, for example, a well-known parallel two-fingered hand or an articulated hand.

また、位置姿勢計測センサ3は把持対象物の三次元の位置姿勢を計測することができるセンサで、例えば、ステレオカメラやレーザレンジセンサなどを指す。力覚センサ4は、把持力を計測するために用いる。力覚センサ4の装着部位はハンド2の各指2bの腹のような、把持力を検知できる部位に設けられる。力覚センサ4としては、例えばシート型の圧力センサ等が用いられる。データベース5には、把持対象物の形状情報が格納されている。格納された情報については後述する。演算制御装置6は、アーム1、ハンド2、位置姿勢計測センサ3、力覚センサ4、およびデータベース5との間で通信し、アーム1およびハンド2を制御する。   The position / orientation measurement sensor 3 is a sensor that can measure the three-dimensional position / orientation of the object to be grasped, and refers to, for example, a stereo camera or a laser range sensor. The force sensor 4 is used for measuring a gripping force. The site where the force sensor 4 is mounted is provided at a site where the gripping force can be detected, such as the belly of each finger 2 b of the hand 2. As the force sensor 4, for example, a sheet-type pressure sensor or the like is used. The database 5 stores shape information of the gripping object. The stored information will be described later. The arithmetic control device 6 communicates with the arm 1, the hand 2, the position / orientation measurement sensor 3, the force sensor 4, and the database 5 to control the arm 1 and the hand 2.

このようなロボット100において、図3に示す直方体60を、従来の方法(例えば特許文献1に記載された方法)を用いて把持を行う場合には、ハンド2の把持面と直方体60の所定の面およびその対向面とが平行な把持位置姿勢となるようにハンド2を移動させ把持する。そして、直方体60のある側面側からの把持位置姿勢P1では、手首関節が可動範囲外であると、その把持位置姿勢から90度回転させた把持位置姿勢P2で把持しようと試みる。そしてこの場合も手首関節が可動範囲外であると、その把持位置姿勢P2から90度回転させた把持位置姿勢P3で把持しようと試みる。そしてこの場合も手首関節が可動範囲外であると、その把持位置姿勢P3から90度回転させた把持位置姿勢P4で把持しようと試みる。   In such a robot 100, when the rectangular parallelepiped 60 shown in FIG. 3 is gripped by using a conventional method (for example, the method described in Patent Document 1), the holding surface of the hand 2 and the predetermined rectangular parallelepiped 60 are fixed. The hand 2 is moved and gripped so that the surface and the opposing surface are in a parallel gripping position / posture. When the wrist joint is out of the movable range in the gripping position / posture P1 from the side of the rectangular parallelepiped 60, the gripping position / posture P2 rotated 90 degrees from the gripping position / posture is attempted. In this case as well, if the wrist joint is out of the movable range, an attempt is made to grip with the gripping position / posture P3 rotated 90 degrees from the gripping position / posture P2. In this case as well, if the wrist joint is out of the movable range, an attempt is made to grip with the gripping position / posture P4 rotated 90 degrees from the gripping position / posture P3.

しかし、この従来の方法を用いる場合には、図4(a)、4(b)に示すように、把持位置姿勢P1、P2では手首関節が可動範囲外となり、把持位置姿勢P3、P4ではそこへ手先が全く届かない場合がある。このようにすべての把持位置姿勢がアーム1およびハンド2の可動範囲外となる場合が生じる。以下、アーム1およびハンド2をマニピュレータとも云う。   However, when this conventional method is used, as shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b), the wrist joint is out of the movable range in the gripping position / posture P1, P2, and in the gripping position / posture P3, P4 You may not be able to reach your hands at all. As described above, there are cases where all the gripping positions and postures are out of the movable range of the arm 1 and the hand 2. Hereinafter, the arm 1 and the hand 2 are also referred to as a manipulator.

そこで本発明者達は、例えば、図5に示すように、直方体60の所定の面およびその対向面に平行な把持位置姿勢から、ハンド2の把持位置姿勢を直方体60の所定の面およびその対向面に対して傾けるようにシフトさせれば、可動範囲内に入ることに気づいた。すなわち、本実施形態においては、事前に教示または算出された把持位置姿勢がアーム1およびハンド2の可動範囲外であった場合に、把持位置姿勢をシフト(修正)することにより可動範囲内の把持位置姿勢が存在するか否か演算し、アーム1およびハンド2を制御する演算制御装置6を設けた構成となっている。   Therefore, for example, as shown in FIG. 5, the present inventors change the gripping position / posture of the hand 2 from the predetermined surface of the rectangular parallelepiped 60 and the opposing surface thereof from the holding position / posture parallel to the predetermined surface of the rectangular parallelepiped 60. I noticed that if I shifted it to the surface, it would fall within the range of motion. That is, in this embodiment, when the grip position / posture taught or calculated in advance is outside the movable range of the arm 1 and the hand 2, the grip position / posture is shifted (corrected) to hold the grip within the movable range. An arithmetic control device 6 that calculates whether or not a position and orientation exist and controls the arm 1 and the hand 2 is provided.

次に、図6を参照して座標系の定義を述べる。本実施形態の把持位置姿勢決定システムが適用されるロボット100には、アーム1に関するアーム座標系Σと、ハンド座標系Σとがある。アーム座標系Σは、その原点をアーム1の台座に指定する。座標軸の向きは任意とする。ハンド座標系Σは、原点を、ハンド2の各指と把持対象物との接触面から法線を引き、法線の交点を原点に取るまた平行二指ハンドの場合は、各指と把持対象物の接触点との中点を原点に取る。座標軸の向きは、ハンド2のフランジ面2aからハンド座標系Σの原点へ向かうベクトルをz軸、原点から降ろした指2bへの垂直ベクトルをx軸とし、z軸およびx軸と右手系をなすようなベクトルをy軸とする。本明細書においては、把持位置姿勢とは、アーム座標系Σから見たハンド座標系Σの位置姿勢を指す。 Next, the definition of the coordinate system will be described with reference to FIG. The robot 100 grasping position and orientation determining system of the present embodiment is applied, the arm coordinate system sigma a related arm 1, there is a hand coordinate system sigma h. Arm coordinate system sigma a specifies the origin to the pedestal of the arm 1. The direction of the coordinate axes is arbitrary. The hand coordinate system Σ h draws a normal line from the contact surface between each finger of the hand 2 and the object to be grasped, and takes the intersection of the normal lines as the origin point. Take the midpoint of the contact point of the object as the origin. Axes orientation, the z-axis the vector directed from the flange surface 2a of the hand 2 to the origin of the hand coordinate system sigma h, the vertical vector to the finger 2b drawn from the origin and the x-axis, the z-axis and x-axis and right-handed Let the vector that is formed be the y-axis. In the present specification, the gripping position and orientation refers to the position and orientation of the hand coordinate system sigma h as viewed from the arm coordinate system sigma a.

次に、本実施形態に係る演算制御装置6の構成を図7に示す。この演算制御装置6は、位置姿勢処理部61と、把持位置姿勢計算部62と、アーム制御部63と、ハンド制御部64とを備えている。位置姿勢処理部61は、位置姿勢計測センサ3からの送られてくる画像データや位置姿勢データを処理する。把持位置姿勢計算部62は、位置姿勢処理部61によって処理されたデータおよびデータベース5に格納されている把持対象物の形状情報に基づいて、把持位置姿勢を計算する。アーム制御部63は、把持位置姿勢計算部62によって計算された把持位置姿勢に基づいてアーム1のモータドライバ11を介してモータ12を制御する。ハンド制御部64は把持位置姿勢計算部62によって計算された把持位置姿勢に基づいてハンド2のモータドライバ21を介してモータ22を制御する。   Next, the configuration of the arithmetic and control unit 6 according to the present embodiment is shown in FIG. The arithmetic control device 6 includes a position / orientation processing unit 61, a gripping position / orientation calculation unit 62, an arm control unit 63, and a hand control unit 64. The position / orientation processing unit 61 processes image data and position / orientation data sent from the position / orientation measurement sensor 3. The gripping position / posture calculation unit 62 calculates the gripping position / posture based on the data processed by the position / posture processing unit 61 and the shape information of the gripping object stored in the database 5. The arm control unit 63 controls the motor 12 via the motor driver 11 of the arm 1 based on the grip position / posture calculated by the grip position / posture calculation unit 62. The hand controller 64 controls the motor 22 via the motor driver 21 of the hand 2 based on the grip position / posture calculated by the grip position / posture calculator 62.

次に、把持位置姿勢計算部62の入出力を、図8を参照して説明する。把持位置姿勢計算部62の入力は、センサ情報D1、把持位置姿勢計算部62が持つ事前知識D2、作業前に人間がデータベース5へ格納する知識D3、の三種類を有する。センサ情報D1は、把持対象物の位置姿勢D11を有する。これは、アーム座標系Σからみた把持対象物の三次元の位置姿勢を指す。この位置姿勢は位置姿勢処理部61が生成する。 Next, input / output of the gripping position / orientation calculation unit 62 will be described with reference to FIG. The input of the gripping position / orientation calculation unit 62 has three types: sensor information D1, prior knowledge D2 held by the gripping position / orientation calculation unit 62, and knowledge D3 stored in the database 5 by a human before work. The sensor information D1 has a position / orientation D11 of the grasped object. This refers to the three-dimensional position and orientation of the arm coordinate system sigma a seen from the grasped object. The position and orientation processing unit 61 generates this position and orientation.

把持位置姿勢計算部62が持つ事前知識D2は、基本立体(後述する)の表現D21、基本立体の把持位置姿勢計算方法D22、アーム1の可動範囲D23、ハンド2の形状D24、およびハンド2の可動範囲D25を有する。   Prior knowledge D2 possessed by the gripping position / orientation calculation unit 62 includes basic solid (to be described later) representation D21, basic solid gripping position / orientation calculation method D22, movable range D23 of arm 1, shape D24 of hand 2, and hand 2 It has a movable range D25.

データベース5へ格納する知識D3は、把持対象物が属する基本立体D31、基本立体(D31)の概寸D32、基本立体(D31)の把持位置姿勢D33、を有する。   The knowledge D3 stored in the database 5 includes a basic solid D31 to which the gripping target object belongs, an approximate size D32 of the basic solid (D31), and a gripping position / posture D33 of the basic solid (D31).

次に、把持位置姿勢計算部62が持つ事前知識D2について詳しく述べる。   Next, the prior knowledge D2 possessed by the gripping position / orientation calculation unit 62 will be described in detail.

基本立体の表現D21には、基本立体の種類、基本立体のパラメータの定義、基本立体の対称軸/面/点が含まれる。   The basic solid representation D21 includes the type of basic solid, the definition of parameters of the basic solid, and the symmetry axis / plane / point of the basic solid.

基本立体の種類
本実施形態においては、基本立体は、図9に示すように、柱、錐、球、回転体、押出し立体の5種類と定義する。柱には、円柱と、楕円柱と、三角柱と、四角柱と、五角柱と、六角柱と、七角柱と、八角柱とがある。なお、九角柱以上は円柱として扱う。錘には、円錐と、楕円錘と、三角錘と、四角錘と、五角錘と、六角錘と、七角錘と、八角錘とがある。なお、九角錘以上は円錐として扱う。球には、真球(主軸の値がすべておなじ値)と、楕円球(3つの主軸の値のうち少なくとも1つの値が異なる)とがある。回転体には、図10に示すように、360度回転させることにより形成される円回転体と、n(0<n<360)度回転体とがある。押出し形状には、図11に示すように、垂直押出し、軌道押出しがある。
Types of Basic Solids In this embodiment, basic solids are defined as five types: pillars, cones, spheres, rotating bodies, and extruded solids, as shown in FIG. The columns include a cylinder, an elliptical column, a triangular column, a quadrangular column, a pentagonal column, a hexagonal column, a heptagonal column, and an octagonal column. In addition, a nine-pole prism or more is treated as a cylinder. The weight includes a cone, an elliptical weight, a triangular weight, a quadrangular weight, a pentagonal weight, a hexagonal weight, a heptagonal weight, and an octagonal weight. In addition, a nine-sided pyramid or more is treated as a cone. The sphere includes a true sphere (all the values of the main axes are the same value) and an elliptic sphere (at least one of the three main axis values is different). As shown in FIG. 10, the rotating body includes a circular rotating body formed by rotating 360 degrees and a rotating body of n (0 <n <360) degrees. As shown in FIG. 11, the extruded shape includes vertical extrusion and orbital extrusion.

柱、錐、回転体は、更に、凸立体、凹立体、中空立体に分けられる(図9参照)。例えば、図12に示すように、円柱は、凸円柱、凹円柱(例えばコップなどを表す)、中空円柱(例えばパイプなどを表す)に分けられ、図13に示すように、円錐は、凸円錐、凹円錐、中空円錐に分けられる。なお、本実施形態においては、凸円錐には、円錐の頂部がカットされた立体も含む。上記の例からわかるように、本実施形態においては、凹立体とは、ある一定の厚みを持つようにくりぬかれた立体を指す。厚みが異なるようにくりぬかれた立体はくりぬき部を無視して凸立体とみなす。凸立体、凹立体、中空立体は把持位置姿勢をシフトさせる方向の決定(詳細は後述する)に必要となる。押出し立体でも凹立体や中空立体が存在するが、図1のステップS6で後述するように、位置姿勢成分を三成分に分けることが難しい、すなわち断面形状によって接触面積が大きくなる方向が変わるが、その接触面積の計算が手計算では難しいので、本実施形態では扱わないことにする。ちなみに多面体は、柱(六面体)、錐(四面体)、球(八面体以上)に近似する。   Columns, cones, and rotating bodies are further divided into convex solids, concave solids, and hollow solids (see FIG. 9). For example, as shown in FIG. 12, the cylinder is divided into a convex cylinder, a concave cylinder (for example, a cup or the like), and a hollow cylinder (for example, a pipe or the like). As shown in FIG. 13, the cone is a convex cone. It is divided into a concave cone and a hollow cone. In the present embodiment, the convex cone includes a solid in which the top of the cone is cut. As can be seen from the above example, in the present embodiment, the concave solid refers to a solid hollowed out to have a certain thickness. Solids that are hollowed out so as to have different thicknesses are considered convex solids, ignoring the hollowed-out parts. The convex solid, the concave solid, and the hollow solid are necessary for determining the direction to shift the gripping position and posture (details will be described later). Although there are concave solid and hollow solid even in the extruded solid, as will be described later in step S6 of FIG. Since the calculation of the contact area is difficult by manual calculation, it will not be handled in this embodiment. Incidentally, a polyhedron approximates a pillar (hexahedron), a cone (tetrahedron), and a sphere (octahedron or more).

基本立体の単体またはその組み合わせで多くの物体の形状を表現できる。図14に示すように食器を例にとると、例えばボウルは凹回転体、マグカップは円柱と軌道押出しの組み合わせで表され、角皿は凹90度回転体と凹四角柱の組み合わせで表され、フォークは直方体二つの組み合わせで表される。   The shape of many objects can be expressed by a simple solid or a combination thereof. Taking tableware as an example as shown in FIG. 14, for example, the bowl is represented by a combination of a concave rotating body, the mug is represented by a combination of a cylinder and an orbital extrusion, and the square dish is represented by a combination of a concave 90 degree rotating body and a concave quadrangular prism, A fork is represented by a combination of two rectangular parallelepipeds.

基本立体のパラメータ
図15にいくつかの基本立体のパラメータを示す。例えば、凸四角柱は、幅、奥行き、高さがパラメータとなり、凹五角錘は底面の辺長、厚さ、高さがパラメータとなり、真球は直径がパラメータとなる。中空円柱と凹円柱の組み合わせは、それぞれの高さおよび直径がパラメータとなる。押出し体は軌道と断面形状がパラメータとなる。押出し体の軌道の指定方法は、軌道の軌跡の点列、曲線/直線の式、等が考えられる。また押出し体の断面形状のパラメータ表現が可能な場合は、断面形状も記述する。パラメータは、把持対象物の形状の近似の精度に合わせて変化させてよい。図16に示すように、形状を高い精度で近似すれば算出される把持位置姿勢も形状により沿ったものとなり、形状を低い精度で近似すれば算出される把持位置姿勢は簡易的なものとなる。
Basic Solid Parameters FIG. 15 shows some basic solid parameters. For example, a convex quadrangular prism has parameters such as width, depth, and height, a concave pentagonal prism has side length, thickness, and height as parameters, and a true sphere has a parameter as a diameter. For the combination of the hollow cylinder and the concave cylinder, the respective height and diameter are parameters. The extruded body has parameters of track and cross-sectional shape. As the method for specifying the trajectory of the extruded body, a point sequence of the trajectory of the trajectory, a curve / straight line equation, or the like can be considered. If the cross-sectional shape of the extruded body can be expressed as a parameter, the cross-sectional shape is also described. The parameter may be changed in accordance with the accuracy of approximation of the shape of the grasped object. As shown in FIG. 16, if the shape is approximated with high accuracy, the calculated grip position / posture also follows the shape, and if the shape is approximated with low accuracy, the calculated grip position / posture becomes simple. .

また、図15に基本立体座標系Σb0の定義も示す。基本立体座標系Σb0は、z軸の+方向に重心が重なり、かつ円柱など対称軸をもつ物体は対称軸とz軸とが重なるようにする。基本立体座標系Σb0のx、y軸は、底面がある基本立体の場合は物体の底面を含むように定義する。さらに凹物体の場合、凹部分がz軸方向に存在するものと定義する。また、物体を複数の基本立体で表現する場合は、物体座標系を定義し、物体座標系から見た基本立体座標系Σb0の位置姿勢も定義する。 FIG. 15 also shows the definition of the basic solid coordinate system Σb0 . In the basic three-dimensional coordinate system Σ b0 , the center of gravity overlaps in the + direction of the z axis, and an object having a symmetric axis such as a cylinder overlaps the symmetric axis and the z axis. The x and y axes of the basic solid coordinate system Σb0 are defined so as to include the bottom surface of the object in the case of a basic solid with a bottom surface. Further, in the case of a concave object, it is defined that the concave portion exists in the z-axis direction. Also, when expressing an object in a plurality of primitive defines the object coordinate system, the position and orientation of the primitive coordinate system sigma b0 viewed from the object coordinate system is defined.

基本立体の対称軸/対称面/対称点
図17に基本立体の対称軸/対称面/対称点の例を数点示す。角柱、角錐、n度回転体の場合は、対称軸まわりn度ごと(6角柱の場合は60度ごと)に対称とする。例えば、凹円回転体の場合は回転軸が対称軸となる。凸四角柱には3つの対称面が存在し、凹四角柱には2つの対称面が存在し、真球は中心が対称点となる。押出し体は押出し面の形状や軌道によって対称軸/面/点が異なるので、各押出し体に特有な対称軸/面/点を指定する。
Symmetry axis / symmetry plane / symmetry point of basic solid FIG. 17 shows several examples of symmetry axis / symmetry plane / symmetry point of basic solid. In the case of a prism, a pyramid, and an n-degree rotating body, the symmetry is made every n degrees around the symmetry axis (in the case of a hexagonal cylinder, every 60 degrees). For example, in the case of a concave rotating body, the rotation axis is the axis of symmetry. The convex quadrangular column has three symmetry planes, the concave quadrangular column has two symmetry planes, and the center of the true sphere is a symmetric point. Since the extruded body has different symmetry axes / surfaces / points depending on the shape and trajectory of the extruded surface, a specific symmetry axis / surface / point is designated for each extruded body.

図8に示す把持位置姿勢計算方法D22は、任意の方法でよい。本実施形態の把持位置姿勢決定システムは基本立体の情報を用いるので、把持位置姿勢計算方法も基本立体の幾何的特徴を用いた方法が本実施形態の把持位置姿勢決定システムに適している。また、マニピュレータの可動範囲D23は、各関節軸について最小角度、最大角度を指定する。ハンド2の形状D24は、ハンド2と把持対象物との干渉を計算するために用いる。ハンド2の可動範囲D25は、把持位置姿勢をシフトできる範囲を計算するために用いる。平行二指ハンドであれば最大、最小把持幅を指定する。   The gripping position / orientation calculation method D22 shown in FIG. 8 may be any method. Since the gripping position / orientation determination system according to the present embodiment uses basic solid information, a method using the geometric characteristics of the basic solid is also suitable for the gripping position / orientation determination system according to the present embodiment. The manipulator movable range D23 specifies a minimum angle and a maximum angle for each joint axis. The shape D24 of the hand 2 is used to calculate the interference between the hand 2 and the grasped object. The movable range D25 of the hand 2 is used to calculate a range in which the gripping position / posture can be shifted. For parallel two-fingered hands, specify the maximum and minimum grip width.

把持対象物が属する基本立体の選定は、情報作成者が任意に選択できる。また、一つまたは複数の基本立体を指定できるが、そのときに本実施形態においては、一つの基本立体を把持することに留意する。例えばフォークの柄と先(三又に分かれている部分)の間を把持させたければ柄と先を一つの基本立体と定義する。また、フォークの先全部を把持させたければ、フォークの先三つを一つの直方体と定義する。把持対象物の概寸には、各基本立体のパラメータの数値を入力する。把持位置姿勢は、前述の把持位置姿勢計算方法がインストールされていない場合に用いる。   The information creator can arbitrarily select the basic solid to which the gripping object belongs. One or a plurality of basic solids can be designated, but it is noted that in this embodiment, one basic solid is gripped at that time. For example, if it is desired to grip between the handle of the fork and the tip (part divided into three parts), the handle and the tip are defined as one basic solid. Also, if you want to grip all the tips of the fork, define the three tips of the fork as one rectangular parallelepiped. The numerical value of the parameter of each basic solid is input to the approximate size of the grasped object. The gripping position / posture is used when the above-described gripping position / posture calculation method is not installed.

次に、本実施形態の把持位置姿勢決定システムの決定処理を、図1を参照して説明する。   Next, the determination process of the gripping position / orientation determination system of this embodiment will be described with reference to FIG.

初めに、把持対象物の基本立体への当てはめを行う(ステップS1)。当てはめは、位置姿勢計測センサ3から得た把持対象物の位置姿勢を位置姿勢処理部61が処理して行う。続いて、把持位置姿勢の計算を把持位置姿勢計算部62によって行う(ステップS2)。その後、ステップS2で算出された把持位置姿勢を実現するアーム1の関節角度が可動範囲内か可動範囲外かを判定する(ステップS3)。この判定は把持位置姿勢計算部62によって行う。可動範囲内と判定された場合はステップS4へ進み、可動範囲外と判定された場合はスッテプS6へ進む。   First, the gripping object is applied to the basic solid (step S1). The fitting is performed by the position / posture processing unit 61 processing the position / posture of the grasped object obtained from the position / posture measurement sensor 3. Subsequently, the gripping position / posture calculation is performed by the gripping position / posture calculation unit 62 (step S2). Thereafter, it is determined whether the joint angle of the arm 1 that realizes the gripping position and orientation calculated in step S2 is within the movable range or out of the movable range (step S3). This determination is performed by the gripping position / orientation calculation unit 62. When it is determined that it is within the movable range, the process proceeds to step S4, and when it is determined that it is outside the movable range, the process proceeds to step S6.

可動範囲内と判定された場合、可動範囲内の把持位置姿勢となるように、アーム制御部63を介してへアーム1を制御する(ステップS4)。その後、ステップS5に進み、把持位置姿勢計算部62が算出した把持幅となるように、ハンド制御部64を介してハンド2を制御する。このとき、すべての指を同時に動かし始めることとする。上記把持幅となるように移動後、把持位置姿勢が誤差0の位置姿勢からずれていたり、把持幅が誤差0の幅とずれていたりした場合に対応するため、力覚センサ4を用いて把持幅の微調整を行う。このようにして把持対象物を把持する。   If it is determined to be within the movable range, the arm 1 is controlled via the arm control unit 63 so that the gripping position / posture is within the movable range (step S4). Thereafter, the process proceeds to step S5, and the hand 2 is controlled via the hand control unit 64 so that the grip width calculated by the grip position / orientation calculation unit 62 is obtained. At this time, all the fingers start to move simultaneously. In order to cope with the case where the gripping position / posture is deviated from the position / posture with zero error or the gripping width is deviated from the zero-error width after moving to the gripping width, the force sensor 4 is used for gripping. Make fine adjustments to the width. In this way, the object to be grasped is grasped.

可動範囲外と判定された場合、スッテプS6以降のステップが行われる。これらのステップでは、スッテプS2で算出された把持位置姿勢をシフトさせて可動範囲内の位置姿勢を算出する。把持位置姿勢をシフトさせるとは、現在の把持位置姿勢を基準としてシフト量(x、y、z、rx、ry、rz)となるように把持位置姿勢を変化させることを指す。ここで、x、y、zは、それぞれ基準座標系のx軸方向、y軸方向、z軸方向へのシフト量を示し、rx、ry、rzは、基準座標系のx軸周りの回転、基準座標系のy軸周りの回転、基準座標系のz軸周りの回転を指す。ここで、基準座標系とは回転させる前の座標系を意味し、周知のロール、ピッチ、ヨー回転のような回転後の座標系ではない。   When it is determined that it is out of the movable range, the steps after step S6 are performed. In these steps, the position and orientation within the movable range are calculated by shifting the gripping position and orientation calculated in step S2. Shifting the gripping position / posture refers to changing the gripping position / posture so that the shift amount (x, y, z, rx, ry, rz) is based on the current gripping position / posture. Here, x, y, and z indicate shift amounts of the reference coordinate system in the x-axis direction, y-axis direction, and z-axis direction, respectively. Rx, ry, and rz are rotations around the x-axis of the reference coordinate system, This refers to rotation around the y-axis of the reference coordinate system and rotation around the z-axis of the reference coordinate system. Here, the reference coordinate system means a coordinate system before rotation, and is not a coordinate system after rotation such as a known roll, pitch, and yaw rotation.

シフト量の自由度が六種類(六成分)あるため、シフトされた把持位置姿勢の種類が膨大となる。この把持位置姿勢の膨大な探索空間を、本実施形態では分割して探索する。このため、本実施形態においては探索の計算量を削減できる。本実施形態では、六成分すべてを一度にシフトさせるのではなく、いくつかの成分ずつシフトさせて探索する。本実施形態のステップS6では、六成分を三成分ずつの2組に分ける。分ける方法は後述する。続いて、六成分中の分けられた2組のうちの一組の三成分だけをシフトする(ステップS7)。その後、ステップS8で、シフトされた把持位置姿勢が新規の把持位置姿勢か否かが判定される。新規の把持位置姿勢と判定された場合は、後述するステップS10に進む。新規の把持位置姿勢と判定された場合は、ステップS9に進み、マニピュレータの可動範囲内か可動範囲外かを判定する。   Since there are six types (six components) of freedom of shift amount, the types of shifted gripping position / posture become enormous. In this embodiment, the search space with a large gripping position / posture is divided and searched. For this reason, in this embodiment, the calculation amount of search can be reduced. In this embodiment, instead of shifting all six components at once, the search is performed by shifting several components. In step S6 of the present embodiment, the six components are divided into two sets of three components. The method of dividing will be described later. Subsequently, only one set of three components out of the two divided sets of the six components is shifted (step S7). Thereafter, in step S8, it is determined whether or not the shifted gripping position / posture is a new gripping position / posture. If it is determined as a new gripping position / posture, the process proceeds to step S10 described later. If it is determined as a new gripping position / posture, the process proceeds to step S9, and it is determined whether the manipulator is within the movable range or out of the movable range.

ステップS9において、可動範囲と判定された場合は、ステップS4に進み、前述した処理が行われる。マニピュレータの可動範囲内での把持位置姿勢が発見できない場合は、ステップS10に進む。ステップS10では、残りの組の三成分をシフトする。このシフトされた把持位置姿勢が新規の把持位置姿勢か否かの判定がステップS11において、判定される。ステップS11において、新規の把持位置姿勢と判定された場合は、ステップS12に進む。ステップS12において、上記シフトされた把持位置姿勢がマニピュレータの可動範囲内か否かが判定される。ステップS12において、可動範囲内と判定された場合は、ステップS4に進み、前述した処理が行われる。ステップS12において、可動範囲外と判定された場合は、ステップS10に戻り、前述した処理が行われる。なお、ステップS11において、新規の把持位置姿勢でないと判定された場合は、ステップS13に進み、把持対象物が把持不能であるとして把持位置姿勢決定処理を終了する。   If it is determined in step S9 that it is the movable range, the process proceeds to step S4 and the above-described processing is performed. If the grip position / posture within the movable range of the manipulator cannot be found, the process proceeds to step S10. In step S10, the remaining three components are shifted. In step S11, it is determined whether or not the shifted gripping position / posture is a new gripping position / posture. If it is determined in step S11 that the gripping position / orientation is a new gripping position, the process proceeds to step S12. In step S12, it is determined whether or not the shifted gripping position / orientation is within the movable range of the manipulator. If it is determined in step S12 that it is within the movable range, the process proceeds to step S4, and the processing described above is performed. If it is determined in step S12 that it is out of the movable range, the process returns to step S10 and the above-described processing is performed. If it is determined in step S11 that the gripping position / posture is not a new gripping position / posture, the process proceeds to step S13, and the gripping position / posture determination process is terminated because the gripping target object cannot be gripped.

次に、図1に示す各ステップの処理について具体的に説明する。   Next, the process of each step shown in FIG. 1 will be specifically described.

把持位置姿勢の計算(ステップS2)
任意の方法で、把持位置姿勢を算出する。算出された把持位置姿勢をアーム1が実現するときの関節角度が、アーム1の可動範囲外だった場合は、ハンド2と把持対象物とが接触している部位が属する基本立体の対称軸/対称面/対称点まわりに把持位置姿勢を移動させ、可動範囲内かチェックする。もし、すべての把持位置姿勢が可動範囲外だった場合は、可動限界時の関節角度と把持位置姿勢を実現する関節角度との差の和θoverが最少の把持位置姿勢を選択する。この和θoverは、以下の式で表される。

Figure 2009056513
ここで、Rは可動範囲外の関節の集合とする。 Calculation of gripping position and orientation (step S2)
The gripping position / orientation is calculated by an arbitrary method. If the joint angle when the arm 1 realizes the calculated gripping position and orientation is outside the movable range of the arm 1, the symmetry axis / axis of the basic solid to which the part where the hand 2 and the gripping object are in contact belongs. Move the gripping position / posture around the symmetry plane / symmetry point and check if it is within the movable range. If all the gripping position / postures are out of the movable range, the gripping position / posture with the smallest sum θ over the difference between the joint angle at the movable limit and the joint angle realizing the gripping position / posture is selected. This sum θ over is expressed by the following equation.
Figure 2009056513
Here, R is a set of joints outside the movable range.

位置姿勢成分6つを2組に分割(ステップS6)
分割に用いる指標として、ハンド2と把持対象物との接触面積を用いる。本実施例ではハンド2と把持対象物との接触面積が高いほど安定に(把持時に物体を倒さないで、搬送中に物体を落とさないで)把持できると定義する。接触面積の定義は、把持位置姿勢計算部62が算出した把持幅へハンド2を閉じるときに、ハンド2と把持対象物とが接触し始めた時の接触面積とする。接触面積の例を図18(a)乃至18(c)に示す。図18(a)乃至図18(c)においては、把持動作前のハンド2の指2bを斜線で表示している。図18(a)では、理想状態の把持動作時のハンド2の2本の指2bの接触面との位置ずれが0なので、把持動作時にハンド2と把持対象物が面で接触する。よって、接触面積は後述する図18(b)、18(c)と比べて大きい。一方、図18(b)ではハンド2が図18(a)の場合に比べて傾いているので、把持動作時にハンド2の指2bと把持対象物とが点または線で接触する。よって、接触面積は図18(a)の場合と比べて小さい。図18(c)ではハンド2の位置がずれているので、把持動作時にハンド2の片方の指2bと把持対象物とが接触する。よって、接触面積は図18(a)の場合と比べて小さい。
Divide 6 position and orientation components into 2 sets (step S6)
As an index used for division, a contact area between the hand 2 and the grasped object is used. In the present embodiment, it is defined that the higher the contact area between the hand 2 and the object to be grasped, the more stable it can be grasped (without tilting the object during grasping and without dropping the object during conveyance). The definition of the contact area is defined as the contact area when the hand 2 and the object to be gripped start to contact when the hand 2 is closed to the grip width calculated by the grip position / posture calculator 62. Examples of contact areas are shown in FIGS. 18 (a) to 18 (c). In FIG. 18 (a) to FIG. 18 (c), the finger 2b of the hand 2 before the gripping operation is indicated by hatching. In FIG. 18A, since the positional deviation between the contact surface of the two fingers 2b of the hand 2 during the grip operation in the ideal state is zero, the hand 2 and the object to be gripped contact each other during the grip operation. Therefore, the contact area is larger than those shown in FIGS. 18B and 18C described later. On the other hand, in FIG. 18B, the hand 2 is inclined as compared with the case of FIG. Therefore, the contact area is small compared to the case of FIG. In FIG. 18C, since the position of the hand 2 is shifted, one finger 2b of the hand 2 and the grasped object come into contact with each other during the grasping operation. Therefore, the contact area is small compared to the case of FIG.

図1に示すステップS2で算出された把持位置姿勢が最も接触面積が大きく、かつハンド座標系Σの原点が基本立体座標系Σb0の原点となるべく一致すると仮定して、以下の通り説明する。 FIG most contact area is large gripping position and orientation calculated 1 in step S2 shown in, and the origin of the hand coordinate system sigma h Assuming the possible matches with the origin of the primitive coordinate system sigma b0, be described as follows .

シフト量の六成分を二つに分割するときの手順は、以下の三つのステップを有する。
1.ステップS2で算出された把持位置姿勢を基準としてハンド2の位置姿勢をある成分の±方向にシフトさせる。
2.シフト前後におけるハンド2と把持対象物との接触面積の変化をチェックする。
3.接触面積の減少が少ない成分から三成分ずつに分割する。
The procedure for dividing the six components of the shift amount into two has the following three steps.
1. The position and orientation of the hand 2 are shifted in the ± direction of a certain component with reference to the gripping position and orientation calculated in step S2.
2. A change in the contact area between the hand 2 and the object to be grasped before and after the shift is checked.
3. Divide into three components from components with little reduction in contact area.

次に、分割の詳細な手順を、図19乃至図29を参照して説明する。   Next, a detailed procedure of division will be described with reference to FIGS.

シフトさせる方向を決定するために、図19に示すステップS601では新たな座標系Σsftを設定する。座標系Σsftの設定方法の一例を図20に示す。まず、ハンド座標系Σおよび基本立体座標系Σboを定義する(図20(a))。続いて、新たな座標系Σsftの原点を、現在の把持位置に設定する(図20(b))。新たな座標系Σsftの各軸の向きを、基本立体座標系Σboかハンド座標系Σに合わせる(図20(b))。その後、ハンド座標系Σの±z方向にハンド2をシフトさせた場合(図20(c))と、基本立体座標系Σboの±z方向にハンド2をシフトさせた場合(図20(d))との二タイプについて接触面積の変化を調べ、減少量が少ない座標系のz軸を新たな座標系Σsftのz軸に採用する。シフトさせる範囲はハンド2の腹と基本立体が接触しつつ、腹以外の面が基本立体と接触していない範囲とする。 In order to determine the direction to shift, a new coordinate system Σ sft is set in step S601 shown in FIG. An example of a method for setting the coordinate system Σ sft is shown in FIG. First, define the hand coordinate system sigma h and primitive coordinate system sigma bo (Fig 20 (a)). Subsequently, the origin of the new coordinate system Σ sft is set to the current gripping position (FIG. 20B). The direction of each axis of the new coordinate system Σ sft is matched with the basic solid coordinate system Σ bo or the hand coordinate system Σ h (FIG. 20B). Thereafter, when shifting the hand 2 in the ± z-direction of the hand coordinate system sigma h (FIG. 20 (c)) and, when shifting the hand 2 in the ± z direction of the primitive coordinate system sigma bo (FIG. 20 ( The change in the contact area is examined for the two types d)), and the z-axis of the coordinate system with a small decrease is adopted as the z-axis of the new coordinate system Σ sft . The range to be shifted is a range in which the antinode of the hand 2 and the basic solid are in contact with each other and the surface other than the antinode is not in contact with the basic solid.

本実施形態においては、把持の種類を、図21に示すように、(1)凸部分の対向する平面(回転体の側面同士、柱や錐の上面と底面など)を把持する場合、(2)凹部分を把持する場合、(3)凸部分の対向しない平面を把持する場合の三種類に大別する。さらに(1)の場合を、(1−1)側面同士を把持する場合と、(1−2)底面と上面を把持する場合の二つに別ける。ちなみに、回転体の側面や錐の上面など平面が存在しない場合は把持(1−1)に示すように側面同士を把持する。上面と底面が存在する場合は把持(1−2)に示すように、上面と底面を把持してもよい。   In this embodiment, as shown in FIG. 21, the gripping type is (1) when gripping the opposing planes of the convex part (side surfaces of the rotator, top and bottom surfaces of pillars and cones, etc.) (2 ) When gripping the concave portion, it is roughly divided into three types: (3) gripping a plane where the convex portion does not face. Further, the case (1) is divided into two cases: (1-1) gripping the side surfaces and (1-2) gripping the bottom and top surfaces. Incidentally, when there is no plane such as the side surface of the rotating body or the top surface of the cone, the side surfaces are gripped as shown in grip (1-1). When the upper surface and the bottom surface exist, the upper surface and the bottom surface may be gripped as shown in grip (1-2).

本実施形態においては、上面と底面接触面積の変化をおおまかに把握するため、変化を下記の四段階に分類する。(A)プラス方向、マイナス方向へ変化させると接触面積が増える。(B)接触面積が全く変わらない。(C)接触面積が所定値以上増えたり減ったりする。(D)接触面積が減る。(C)は接触面積の増減の総和が所定値以下になった場合は、(B)と同じとみなすことができる。よって、接触面積の減少量が少ない順番は、1番目が(A)、2番目が(B)と(C)、3番目が(D)となる。   In the present embodiment, the change is classified into the following four stages in order to roughly grasp the change in the contact area between the top surface and the bottom surface. (A) The contact area increases when the direction is changed in the plus direction and the minus direction. (B) The contact area does not change at all. (C) The contact area increases or decreases by a predetermined value or more. (D) The contact area is reduced. (C) can be regarded as the same as (B) when the total increase or decrease of the contact area is less than or equal to a predetermined value. Therefore, in order of decreasing contact area decrease, the first is (A), the second is (B) and (C), and the third is (D).

次に、柱を把持する場合の接触面積の変化を調べた。図22に示すように、把持(1−1)のとき、ハンド座標系の場合は(B:円柱)又は(C:角柱)となり、基本立体座標系の場合は(B)となり、接触面積の減少量はどちらの座標系でも同じになる。把持(1−2)のとき、ハンド座標系の場合は(C)となり、物体座標系の場合は(D)となり、ハンド座標系の接触面積の減少量の方が少ない。把持(2)のとき、ハンド座標系の場合は(B)、物体座標系の場合は(B)となり、接触面積の減少量はどちらの座標系でも同じになる。把持(3)のとき、ハンド座標系の場合は(B)、物体座標系の場合は(D)となり、ハンド座標系の接触面積の減少量の方が少ない。   Next, the change in the contact area when the column was gripped was examined. As shown in FIG. 22, when gripping (1-1), the hand coordinate system is (B: cylinder) or (C: prism), and the basic solid coordinate system is (B). The amount of reduction is the same for both coordinate systems. When gripping (1-2), the hand coordinate system is (C) and the object coordinate system is (D), and the amount of decrease in the contact area of the hand coordinate system is smaller. When gripping (2), the hand coordinate system is (B) and the object coordinate system is (B), and the contact area reduction amount is the same in both coordinate systems. When gripping (3), the hand coordinate system is (B) and the object coordinate system is (D), and the amount of decrease in the contact area of the hand coordinate system is smaller.

よって、把持(1−2)または把持(3)の場合はハンド座標系のz軸を新たな座標系のz軸とする。把持(1−1)または把持(2)のようにどちらの座標系も減少量が同じ場合は、基本立体の種類にかかわらず、基本立体座標系のz軸を新たな座標系のz軸とする。理由は、基本立体座標系を採用したほうが、搬送時のハンド2と把持対象物とのバランスをより安定に保てるからである。   Therefore, in the case of gripping (1-2) or gripping (3), the z axis of the hand coordinate system is set as the z axis of the new coordinate system. When both the coordinate systems have the same amount of decrease, such as grip (1-1) or grip (2), the z-axis of the basic solid coordinate system is replaced with the z-axis of the new coordinate system regardless of the type of the basic solid. To do. The reason is that if the basic three-dimensional coordinate system is adopted, the balance between the hand 2 and the object to be grasped during transportation can be kept more stable.

次に、図23(a)乃至23(c)を参照して、座標系と重心のずれ量との関係を説明する。ハンド2と把持対象物との接触面積が大きいという理由で図1に示すステップS2において、図23(a)に示すような把持位置姿勢を算出した場合を考える。このとき、ハンド座標系Σのz軸に新たな座標系Σsftのz軸の向きを合わせた座標系を設定した場合は、図23(b)に示すように、ハンド座標系Σのある軸(例えばz軸)方向にハンド2をシフトさせたとき、シフト前とシフト後の重心のずれ量がどの並進方向(x、y方向)も大きくなる。よって、どのような姿勢で把持対象物を搬送しても、ハンド2と把持対象物とのバランスが崩れる。 Next, the relationship between the coordinate system and the shift amount of the center of gravity will be described with reference to FIGS. Consider a case where a gripping position and orientation as shown in FIG. 23A is calculated in step S2 shown in FIG. 1 because the contact area between the hand 2 and the gripping object is large. At this time, if you set the coordinate system orient the z-axis of the new coordinate system sigma sft the z-axis of the hand coordinate system sigma h, as shown in FIG. 23 (b), the hand coordinate system sigma h When the hand 2 is shifted in the direction of a certain axis (for example, the z-axis), the amount of shift of the center of gravity before and after the shift increases in any translation direction (x, y direction). Therefore, no matter what posture the gripping object is conveyed, the balance between the hand 2 and the gripping object is lost.

一方、図23(c)に示すように、基本立体座標系Σboのz軸に新たな座標系Σsftのz軸の向きを合わせた場合は、例えば新たな座標系のΣsftのz軸方向にハンド2をシフトさせたとき、シフト前とシフト後の重心のずれ量がシフトさせていない並進方向(x、y方向)は0になる。よって、把持対象物を図23(a)に示す姿勢を保ったまま移動させるとき、図23(c)に示すように、搬送時にハンド2と把持対象物とのバランスが崩れない場合がある。 On the other hand, as shown in FIG. 23C , when the z axis of the new coordinate system Σ sft is aligned with the z axis of the basic solid coordinate system Σ bo , for example, the z axis of Σ sft of the new coordinate system When the hand 2 is shifted in the direction, the translational direction (x, y direction) in which the shift amount of the center of gravity before and after the shift is not shifted becomes zero. Therefore, when the gripping object is moved while maintaining the posture shown in FIG. 23 (a), the balance between the hand 2 and the gripping object may not be lost during transport, as shown in FIG. 23 (c).

錐、回転体を把持する場合の接触面積の変化
図24に示すように、把持(1−1)のとき、ハンド座標系Σの場合は(B:円錐、円回転体)又は(C:角錐、n角回転体)となり、基本立体座標系Σboの場合(B)となり、接触面積の減少量はどちらの座標系でも同じになる。把持(1−2)のとき、ハンド座標系Σの場合は(C)となり、基本立体座標系Σboの場合は(D)となり、ハンド座標系の接触面積の減少量の方が少ない。把持(2)のとき、ハンド座標系Σの場合は(B)となり、基本立体座標系Σboの場合は(D)となり、ハンド座標系の接触面積の減少量の方が少ない。把持(3)のとき、ハンド座標系Σの場合は(B)となり、基本立体座標系Σboの場合は(D)となり、ハンド座標系の接触面積の減少量の方が少ない。
Cone, as shown in variation diagram 24 of the contact area in the case of gripping the rotating body, when the gripping of (1-1), in the case of the hand coordinate system sigma h (B: conical, circular rotor) or (C: In the case of the basic solid coordinate system Σ bo (B), the reduction amount of the contact area is the same in both coordinate systems. When gripping (1-2), in the case of the hand coordinate system sigma h (C), and the case of the primitive coordinate system sigma bo (D) becomes, the lesser the reduction in the contact area of the hand coordinate system. When gripping of (2), in the case of the hand coordinate system sigma h (B), and the case of the primitive coordinate system sigma bo (D) becomes, the lesser the reduction in the contact area of the hand coordinate system. When gripping (3), in the case of the hand coordinate system sigma h (B), and the case of the primitive coordinate system sigma bo (D) becomes, the lesser the reduction in the contact area of the hand coordinate system.

よって、錐、回転体を把持するとき、把持(1−2)、(2)、(3)の場合はハンド座標系のz軸を新たな座標系のz軸とする。把持(1−1)のようにどちらの座標系も減少量が同じ場合は、基本立体座標系のz軸を新たな座標系のz軸とする。   Therefore, when gripping a cone or a rotating body, in the case of gripping (1-2), (2), and (3), the z axis of the hand coordinate system is set as the new coordinate system z axis. When both the coordinate systems have the same amount of decrease as in gripping (1-1), the z-axis of the basic three-dimensional coordinate system is set as the z-axis of the new coordinate system.

球を把持する場合の接触面積の変化
図25に示すように、把持(1−1)のとき、ハンド座標系Σの場合は(B)となり、基本立体座標系Σboの場合も(B)となり、接触面積の減少量はどちらの座標系でも同じになる。把持(1−2)のとき、ハンド座標系Σの場合は(C)となり、基本立体座標系Σboの場合は(D)となり、ハンド座標系の接触面積の減少量の方が少ない。把持(2)は、球の凹立体を想定していないので考慮しない。把持(3)のとき、ハンド座標系Σの場合は(B)となり、基本立体座標系Σboの場合は(D)となり、ハンド座標系の接触面積の減少量の方が少ない。
As shown in variation diagram 25 of the contact area in the case of gripping the ball, when the gripping of (1-1), in the case of the hand coordinate system sigma h (B), and the case of the primitive coordinate system sigma bo (B ), And the contact area reduction amount is the same in both coordinate systems. When gripping (1-2), in the case of the hand coordinate system sigma h (C), and the case of the primitive coordinate system sigma bo (D) becomes, the lesser the reduction in the contact area of the hand coordinate system. The grip (2) is not considered because it does not assume a concave solid body of a sphere. When gripping (3), in the case of the hand coordinate system sigma h (B), and the case of the primitive coordinate system sigma bo (D) becomes, the lesser the reduction in the contact area of the hand coordinate system.

よって、球を把持するとき、把持(1−2)または把持(3)の場合はハンド座標系のz軸を新たな座標系のz軸とする。把持(1−1)のようにどちらの座標系も減少量が同じ場合は、柱または錘等のときは、基本立体座標系のz軸を新たな座標系のz軸としていた。しかし球の場合、基本立体座標系のz軸方向のシフト範囲がハンド座標系のシフト範囲より著しく小さい。これは、基本立体座標系のz軸方向へシフトさせた場合、シフトしてすぐハンド2の腹面と上面または底面とのエッジで把持するようになる。エッジのみの接触はシフト範囲に含めない。このため、特例としてハンド座標系を新たな座標系のz軸とする。ちなみに、ハンド2の形状は指の長さの方が指の幅より長いことを前提している。   Therefore, when gripping the sphere, in the case of gripping (1-2) or gripping (3), the z-axis of the hand coordinate system is set as the z-axis of the new coordinate system. When both coordinate systems have the same amount of decrease as in gripping (1-1), the z-axis of the basic three-dimensional coordinate system is used as the z-axis of the new coordinate system in the case of a column or weight. However, in the case of a sphere, the shift range in the z-axis direction of the basic solid coordinate system is significantly smaller than the shift range of the hand coordinate system. When this is shifted in the z-axis direction of the basic three-dimensional coordinate system, the hand 2 is gripped by the edge of the abdominal surface and the upper surface or the bottom surface immediately after the shift. Edge-only contact is not included in the shift range. For this reason, as a special case, the hand coordinate system is the z-axis of a new coordinate system. Incidentally, the shape of the hand 2 assumes that the finger length is longer than the finger width.

押出し立体を把持する場合の接触面積の変化
(a)垂直押出し立体の場合
図1のステップS2で算出された把持位置姿勢のうち、把持位置姿勢をシフトできる位置姿勢を、図26に示すように、(i)垂直押出し立体の側面からハンド2がアプローチする把持位置姿勢、(ii)上面と底面を持つ把持位置姿勢、の二種類に限定する。理由は、垂直押出し立体の上面からアプローチする把持位置姿勢の場合は断面の形状によって接触面積が異なるからである。詳しく説明すると、垂直押出し物体の断面の形状が複雑である(単純な断面を持つ押出し立体は、柱とみなされる)ため、側面の形状が複雑になり、上面からアプローチすると側面のどの部分を持つかで接触面積が異なってしまい、三成分ずつに分けることが難しくなるからである。また、押出し立体では凹立体を考えないため、ハンド2と把持対象物との接触関係が(2)となる把持は考慮しない。よってハンド2と把持対象物との接触関係は把持(1−1)、把持(1−2)、および把持(3)だけを考慮する。断面の形状が指定されておらず、把持(1−1)か把持(3)かわからない場合は、把持(3)とみなす。
Change in contact area when holding an extruded solid
(A) In the case of a vertically extruded solid As shown in FIG. 26, the positions and postures in which the gripping position and posture can be shifted among the gripping positions and postures calculated in step S2 of FIG. It is limited to two types: a gripping position / posture approached by 2 and (ii) a gripping position / posture having a top surface and a bottom surface. The reason is that the contact area varies depending on the cross-sectional shape in the case of the gripping position and posture approached from the upper surface of the vertical extrusion solid. In detail, the shape of the cross section of a vertically extruded object is complicated (an extruded solid with a simple cross section is regarded as a column), so the shape of the side surface becomes complicated, and when it is approached from the top surface, it has which part of the side surface This is because the contact areas are different and it is difficult to separate the three components. In addition, since the extruded solid does not consider a concave solid, gripping in which the contact relationship between the hand 2 and the gripping object is (2) is not considered. Therefore, only the grip (1-1), the grip (1-2), and the grip (3) are considered in the contact relationship between the hand 2 and the gripping object. When the shape of the cross section is not specified and the grip (1-1) or the grip (3) is not known, it is regarded as the grip (3).

次に、ハンド座標系のz軸方向、垂直押出し立体座標系のz軸方向にハンド2をシフトさせた場合の垂直押出し立体とハンド2の腹との接触面積の変化を、図27を参照して説明する。把持(1−1)、すなわち、把持(i)のとき、接触面積の増減はハンド座標系のz軸方向にシフトさせた場合は(C)となり、垂直押出し立体座標系のz軸方向にシフトさせた場合は(B)になる。接触面積の減少量はハンド座標系のz軸方向と垂直押し出し立体座標系のz軸方向とで同じなので、柱や錐の場合と同様に、垂直押出し立体座標系のz軸を新しい座標系のz軸とする。   Next, the change in the contact area between the vertically extruded solid and the hand 2 when the hand 2 is shifted in the z-axis direction of the hand coordinate system and the z-axis direction of the vertical extruded solid coordinate system will be described with reference to FIG. I will explain. When gripping (1-1), that is, gripping (i), the increase / decrease of the contact area is (C) when shifted in the z-axis direction of the hand coordinate system, and shifted in the z-axis direction of the vertical extrusion solid coordinate system When it is made, it becomes (B). Since the amount of contact area reduction is the same in the z-axis direction of the hand coordinate system and the z-axis direction of the vertical extrusion solid coordinate system, the z-axis of the vertical extrusion solid coordinate system is changed to The z axis is assumed.

把持(1−2)すなわち把持(ii)のとき、接触面積の増減は、ハンド座標系のz軸方向にシフトさせた場合は(C)となり、垂直押出し立体座標系のz軸方向にシフトさせた場合は(D)になる。接触面積の減少量はハンド座標系の±z軸方向にシフトさせたほうが少ないので、ハンド座標系のz軸を新しい座標系のz軸とする。   When gripping (1-2), that is, gripping (ii), the increase or decrease of the contact area is (C) when shifted in the z-axis direction of the hand coordinate system, and shifted in the z-axis direction of the vertical extrusion three-dimensional coordinate system. (D) when Since the reduction amount of the contact area is smaller when shifted in the ± z-axis direction of the hand coordinate system, the z-axis of the hand coordinate system is set as the z-axis of the new coordinate system.

把持(3)すなわち把持(i)のとき、接触面積の減少量は、ハンド座標系のz軸方向にシフトさせた場合は(B)となり、垂直押出し立体座標系のz軸方向にシフトさせた場合は(B)になる。接触面積の減少量はハンド座標系と垂直押し出し立体座標系とで同じなので、垂直押出し立体座標系のz軸を新しい座標系のz軸とする。   When gripping (3), that is, gripping (i), the amount of decrease in contact area is (B) when shifted in the z-axis direction of the hand coordinate system, and shifted in the z-axis direction of the vertical extrusion three-dimensional coordinate system. In case, it becomes (B). Since the reduction amount of the contact area is the same in the hand coordinate system and the vertical extrusion solid coordinate system, the z axis of the vertical extrusion solid coordinate system is taken as the z axis of the new coordinate system.

(b)軌道押出し立体の場合
まず、本実施形態においては、軌道押出し立体を微小な垂直押出し立体の集合と定義する。次に、図1に示すステップS2で算出された把持位置姿勢のうち、把持位置姿勢をシフトできる位置姿勢を、上記垂直押出し立体の側面とハンド2の腹とが接触する把持位置姿勢に限定する。図28に示すように、かさの柄の左端と右端を持つ場合のような複数の垂直押出し立体とハンド2が接触する把持位置姿勢はシフトの対象としない。
(B) In the case of an orbital extrusion solid In the present embodiment, the orbital extrusion solid is defined as a set of minute vertical extrusion solids. Next, among the gripping positions and postures calculated in step S2 shown in FIG. . As shown in FIG. 28, the gripping position / posture at which the hand 2 comes into contact with a plurality of vertical extrusion solids as in the case of having the left end and the right end of the handle of the umbrella is not a shift target.

微小押出し物体の上面と底面を把持することができないので、ハンド2と把持対象物との接触関係を示す把持(1−2)は考慮しない。また、押出し立体では凹立体を考えないため、把持(2)も考慮しない。よってハンド2と把持対象物との接触関係は把持(1−1)および把持(3)だけを考慮する。断面の形状が指定されておらず、把持(1−1)か把持(3)かがわからない場合は、把持(3)とみなす。そして、ハンド座標系のz軸方向、垂直押出し立体座標系のz軸方向にハンド2をシフトさせた場合の上記垂直押出し立体とハンド2の腹との接触面積の変化を調べる。   Since the top and bottom surfaces of the micro-extruded object cannot be gripped, the grip (1-2) indicating the contact relationship between the hand 2 and the gripping object is not considered. In addition, since the extruded solid does not consider a concave solid, gripping (2) is not considered. Therefore, only the grip (1-1) and the grip (3) are considered in the contact relationship between the hand 2 and the gripping object. If the shape of the cross section is not specified and gripping (1-1) or gripping (3) is unknown, it is regarded as gripping (3). Then, the change in the contact area between the vertical extruded solid and the belly of the hand 2 when the hand 2 is shifted in the z-axis direction of the hand coordinate system and the z-axis direction of the vertical extruded solid coordinate system is examined.

把持(1−1)のとき、接触面積の変化は、垂直押出し体の把持(1−1)と同様になる。よって垂直押出し立体座標系のz軸を新しい座標系のz軸とする。   When gripping (1-1), the change in the contact area is the same as that of gripping (1-1) of the vertical extruded body. Therefore, the z axis of the vertical extrusion solid coordinate system is set as the z axis of the new coordinate system.

把持(3)のとき、接触面積の変化も垂直押出し体の(3)と同様になる。よって垂直押出し立体座標系のz軸を新しい座標系のz軸とする。   When gripping (3), the change in contact area is the same as in (3) of the vertical extruded body. Therefore, the z axis of the vertical extrusion solid coordinate system is set as the z axis of the new coordinate system.

次に、新しい座標系のx、y軸の向きの設定を、図29(a)乃至図29(c)を参照して説明する。まず、図29(a)に示すように、ハンド座標系Σと、基本立体座標系Σb0を定義する。図29(b)に示すように、新しい座標系Σsftのz軸をハンド座標系Σのz軸に合わせた場合は、新しい座標系Σsftのx軸、y軸の向きはハンド座標系Σのx軸、y軸の向きと同じとする。図29(c)に示すように、新しい座標系Σsftのz軸を基準立体座標系Σb0のz軸に合わせた場合は、新しい座標系Σsftのx軸の向きを、ハンド座標系Σのx軸を基準立体座標系のxy平面へ投影したベクトルの向きとあわせる。y軸は新しい座標系が右手系をなすように設定する。 Next, the setting of the x and y axis directions of the new coordinate system will be described with reference to FIGS. 29 (a) to 29 (c). First, as shown in FIG. 29 (a), defined a hand coordinate system sigma h, the primitive coordinate system sigma b0. As shown in FIG. 29 (b), if the combined z-axis of the new coordinate system sigma sft the z-axis of the hand coordinate system sigma h, x-axis in the new coordinate system sigma sft, y-axis direction is a hand coordinate system x-axis of Σ h, the same as the direction of the y-axis. As shown in FIG. 29 (c), if the combined z-axis of the new coordinate system sigma sft the z-axis of the reference three-dimensional coordinate system sigma b0, the direction of the x-axis of the new coordinate system sigma sft, hand coordinate system sigma The x-axis of h is matched with the direction of the vector projected onto the xy plane of the reference solid coordinate system. The y-axis is set so that the new coordinate system is a right-handed system.

以上説明したようにして、図19に示すステップS601の座標系の設定がおこなわれる。   As described above, the coordinate system is set in step S601 shown in FIG.

次に、設定した座標系を用いて図1のステップS2で算出された把持位置姿勢の六成分を、三成分ずつ2組に分割する。分割時には、先述した(把持対象物とハンド2との)接触面積をチェックする。チェックの方法を以下に示す。新しい座標系Σsftの六成分(x、y、z、rx、ry、rz)のうち一成分をプラス方向、マイナス方向へ変化させたときの接触面積が、シフト前の把持位置姿勢における接触面積より増えたか減ったかを比較する。シフトさせる範囲はハンド2の腹と基本立体が接触しつつ、腹以外の面が基本立体と接触していない範囲とする。プラス方向、マイナス方向へ変化させたときの接触面積の増減を、以下の四段階に分類する。(A)接触面積が増える。(B)接触面積が所定値以上変わらない。(C)接触面積が所定値以上増えたり減ったりする。(D)接触面積が減る。この比較を、(a)x成分を変化させた場合、(b)y成分を…、(c)z…、(d)rx…、(e)ry…、(f)rz成分を変化させた場合の六回行う(図19のステップS602、S603、S604、S605、S606)。 Next, using the set coordinate system, the six components of the gripping position and orientation calculated in step S2 in FIG. 1 are divided into two sets of three components. At the time of division, the above-mentioned contact area (between the gripping object and the hand 2) is checked. The check method is shown below. The contact area when one component of the six components (x, y, z, rx, ry, rz) of the new coordinate system Σ sft is changed in the plus direction and the minus direction is the contact area in the gripping position / posture before the shift. Compare whether it has increased or decreased. The range to be shifted is a range in which the antinode of the hand 2 and the basic solid are in contact with each other and the surface other than the antinode is not in contact with the basic solid. Increase / decrease in contact area when changing in the positive and negative directions is classified into the following four stages. (A) The contact area increases. (B) The contact area does not change by a predetermined value or more. (C) The contact area increases or decreases by a predetermined value or more. (D) The contact area is reduced. In this comparison, when (a) x component is changed, (b) y component is changed, (c) z ..., (d) rx, (e) ry ..., (f) rz component is changed. This is performed six times (steps S602, S603, S604, S605, and S606 in FIG. 19).

この比較結果に基づいて、(a)から(f)の場合を、(A)、(B)、(C)、(D)の順、すなわち接触面積の減少が少ない順に並び換える(図19のステップS607)。その後、上位三成分を第一グループ、下位三成分を第二グループとする(図19のステップS608)。同順位のものがあり三成分ずつに分けられない場合は、四成分以上ある方の同順位のものの中から適当に選択して三成分ずつとする。また、二成分×3個等の別の分割にしてもよい。   Based on this comparison result, the cases (a) to (f) are rearranged in the order of (A), (B), (C), (D), that is, in the order of decreasing contact area (in FIG. 19). Step S607). Thereafter, the upper three components are set as the first group, and the lower three components are set as the second group (step S608 in FIG. 19). If there are things of the same order and they cannot be divided into three components, the three components are appropriately selected from those of the same order of four or more components. Moreover, you may make another division | segmentation of 2 components x3.

上記の分割方法を適用することで、ハンド2と把持対象物との接触面積が大きい(言い換えると、把持の安定度が高く、安定に把持できる)シフト方向と、接触面積が少ない(言い換えると安定に把持できない)シフト方向に分けることができる。このように、本実施形態においては、接触面積が大きい方向の三成分をシフトさせて解を探索することにより、次のステップで安定に把持できる把持位置姿勢から優先して探索できることになる。すなわち、本実施形態においては、まず、一番目の三成分をシフトし、可動範囲内の把持位置姿勢を発見する(ステップS7〜ステップS9)。   By applying the above dividing method, the contact area between the hand 2 and the object to be gripped is large (in other words, the gripping stability is high and can be gripped stably), and the contact area is small (in other words, stable). In the shift direction). As described above, in this embodiment, by searching for a solution by shifting the three components in the direction in which the contact area is large, the search can be performed with priority from the gripping position and posture that can be stably gripped in the next step. That is, in the present embodiment, first, the first three components are shifted to find the grip position / posture within the movable range (steps S7 to S9).

三成分をシフトして可動範囲内の把持位置姿勢を探索する様子を図30に示す。   FIG. 30 shows a state where the three components are shifted to search for the gripping position and posture within the movable range.

ステップS2で算出された和θoverが最小な把持位置姿勢を始点にして、把持位置姿勢をシフトする。シフト方向は、ステップS6(位置姿勢成分6つを2分割するステップ)で決定された座標系の方向とする。シフトさせる範囲はハンド2の腹と基本立体が接触しつつ、腹以外の面が基本立体と接触していない範囲とする。把持対象物が複数の基本立体から構成されている場合は、現在接触している基本立体以外の基本立体との接触もチェックし、それをシフトさせる範囲に反映させることが望ましい。 The gripping position / posture is shifted starting from the gripping position / posture with the smallest sum θ over calculated in step S2. The shift direction is the direction of the coordinate system determined in step S6 (step of dividing the six position / orientation components into two). The range to be shifted is a range in which the antinode of the hand 2 and the basic solid are in contact with each other and the surface other than the antinode is not in contact with the basic solid. In the case where the object to be grasped is composed of a plurality of basic solids, it is desirable to check the contact with a basic solid other than the currently touching basic solid and reflect it in the shift range.

探索方法には、コストを考慮した深さ優先探索(縦型探索)を採用する。この方法は、コストが少ない方向(本実施形態においては、可動範囲内へ近くなる方向)を選んで探索を進めていき、行き止まりになったら探索点を一つ後退させる方法である。この探索方法の探索手順を、図31を参照して説明する。   As a search method, a depth-first search (vertical search) considering cost is adopted. This method is a method of selecting a direction with low cost (in this embodiment, a direction closer to the movable range) to advance the search, and retreating one search point when the dead end is reached. The search procedure of this search method will be described with reference to FIG.

図31のステップS7101〜S7105は現探索点が可動範囲内かチェックするフェーズ、ステップS7201〜S7406は次の探索点を決定する(言い換えると、探索方向を決定する)フェーズになる。ステップS7201〜S7209は現探索点に隣接するセルをチェックする。探索が行き止まりになった場合に実行されるステップS7301〜S7305は、探索点を後退させる。探索点を後退させても未探索セルが存在しない場合に実行されるステップS7401〜S7406は、探索点を隣接しない未探索の点へジャンプさせる。   Steps S7101 to S7105 in FIG. 31 are phases for checking whether the current search point is within the movable range, and steps S7201 to S7406 are phases for determining the next search point (in other words, determining the search direction). Steps S7201 to S7209 check a cell adjacent to the current search point. Steps S7301 to S7305, which are executed when the search has reached a dead end, move the search point backward. Steps S7401 to S7406 executed when the search point is moved backward when no unsearched cell exists causes the search point to jump to an unsearched point that is not adjacent.

まず、探索点をspiとする。探索スタート時は探索点の変数spiに探索始点spを代入する(ステップS7101)。次に、現在の探索点spiにおける、可動限界時の関節角度と把持位置姿勢を実現する関節角度と差の絶対値の和θover(θover_iとする)を計算する(ステップS7103)。和θover_iの計算には、現在の探索点spiが指す把持位置姿勢を実現するアーム1の関節角度を用いる。和θover_iが0(すべての関節角が可動範囲内)ならば、探索点spiが示す把持位置姿勢を解とし、探索を終了する(ステップS7104〜S7105)。 First, let the search point be sp i . At the start of the search, the search start point sp 0 is substituted into the search point variable sp i (step S7101). Next, the sum θ over (referred to as θ over_i ) of the absolute value of the joint angle at the current search point sp i and the joint angle at the limit of movement and the joint angle that realizes the gripping position and posture is calculated (step S7103). For the calculation of the sum θ over_i , the joint angle of the arm 1 that realizes the gripping position and orientation indicated by the current search point sp i is used. If the sum θ over — i is 0 (all joint angles are within the movable range), the gripping position / orientation indicated by the search point sp i is taken as a solution, and the search is terminated (steps S7104 to S7105).

ステップS7104において、和θover_iが0でないならば、探索点spiに隣接する探索点spij(最大6点)を定義する(ステップS7201)。そして、隣接する探索点spijのうち未探索のものをspijyとする(ステップS7202)。もし、未探索点spijyの要素数が0でないならば、この未探索点spijyにおける和θover(θover_ijy)を計算する(ステップS7204)。要素数が0ならば、探索点を一つ後退させる(ステップS7301)。そして、未探索点spijyにおける和θover_ijyの最小値をθover_ijy_minとする(ステップS7205)。もし、和の最小値θover_ijy_minが現在の探索点spiにおける和θover_iより小さければ(ステップS7206)、和の最小値θover_ijy_minに対応する未探索点spijyが現在の探索点spiより解(可動範囲内の把持位置姿勢)に近づくと判断する。次の探索点を、和の最小値θover_ijy_minに対応する未探索点spijyとし(ステップS7208、S7209)、ステップS7102へ戻る。 If the sum θ over — i is not 0 in step S 7104, search points sp ij (up to 6 points) adjacent to the search point sp i are defined (step S 7201). Then, an unsearched one of the adjacent search points sp ij is set as sp ijy (step S7202). If the number of elements of the unsearched point sp ijy is not 0, the sum θ overover_ijy ) at the unsearched point sp ijy is calculated (step S7204). If the number of elements is 0, the search point is moved backward by one (step S7301). Then, the minimum value of the sum θ over_ijy at the unsearched point sp ijy is set as θ over_ijy_min (step S7205). If less than the sum theta Over_i at the minimum value theta Over_ijy_min is currently search point sp i of the sum (step S7206), unsearched point sp Ijy corresponding to the minimum value theta Over_ijy_min the sum solutions than the current search point sp i It is determined that the position is close to (gripping position / posture within the movable range). The next search point is set as an unsearched point sp ijy corresponding to the sum minimum value θ over_ijy_min (steps S7208 and S7209), and the process returns to step S7102.

もし、和の最小値θover_ijy_minがθover_iより大きいか、または等しければ、現在の探索点spiに隣接するすべての探索点が解から遠ざかるか、または変わらないと判断する。未探索点spijyを探索済とし(ステップS7207)、探索点を一つ後退させる(ステップS7301)。探索点を後退させた結果、ステップS7303でi<0になった場合は、現在の探索点spiから探索始点spに隣接するすべての探索点が探索済になっている。そこで、これらの探索点と隣接していない点へ探索点をジャンプする。ジャンプの方法を以下に示す。 If the minimum value theta Over_ijy_min is theta Over_i greater than the sum, or equal, it is determined that all of the search points adjacent to the current search point sp i Do away from the solution, or unchanged. The unsearched point sp ijy has been searched (step S7207), and the search point is moved backward by one (step S7301). A result of the retraction of the search point, if it becomes i <0 in step S7303, all of the search points adjacent to the search starting point sp 0 from the current search point sp i is in the search already. Therefore, the search point jumps to a point that is not adjacent to these search points. The jump method is shown below.

まず、探索始点spからの距離(グリッド距離)が最も近い未探索点spminを選択する(ステップS7401)。未探索点spminの要素数が1つの場合は、未探索点spminを新たな探索点とする(ステップS7403、S7404)。未探索点spminの要素数が2つ以上ある場合は(ステップS7402)、和θover_iが最少になる未探索点spminを採用する(ステップS7405、7406)。 First, an unsearched point sp min having the closest distance (grid distance) from the search start point sp 0 is selected (step S7401). When the number of elements of the unsearched point sp min is one, the unsearched point sp min is set as a new search point (steps S7403 and S7404). If there are two or more elements of the unsearched point sp min (step S7402), the unsearched point sp min that minimizes the sum θ over_i is adopted (steps S7405 and 7406).

探索空間のすべての探索点を探索してもθover=0となる探索点が見つからなかった場合は、解なしとし(ステップS7305)、探索を終了する。 If no search point with θ over = 0 is found even after searching all search points in the search space, no solution is set (step S7305), and the search is terminated.

上記の探索手順を踏むと可動範囲に近い探索点を重点的に探索できるので、可動範囲内の把持位置姿勢を少ない探索コストで発見することができる。   If the search procedure described above is followed, search points close to the movable range can be intensively searched, so that the gripping position and posture within the movable range can be found with low search costs.

rx方向へシフト(Σsftのx軸周りに回転)させると、並進成分が0でない場合は、図32に示すように、並進成分がずれてしまう。これを防止するために、回転成分(rx、ry、rz)をシフトさせるときは一時的に設定した座標系Σsftを把持中心へ移動させ、その座標系周りに回転させる。 When shifting in the rx direction (rotating around the x axis of Σ sft ), if the translation component is not 0, the translation component is shifted as shown in FIG. In order to prevent this, when the rotation components (rx, ry, rz) are shifted, the temporarily set coordinate system Σ sft is moved to the gripping center and rotated around the coordinate system.

上記探索方法で、一番目の三成分をシフトさせても、可動範囲内に把持位置姿勢を見出すことができなかった場合は、図1のステップS10に進み、二番目の三成分をシフトし、可動範囲内の把持位置姿勢を発見する(ステップS10〜S12)。この時の探索の開始点を、一番目の三成分をシフトさせて探索したときの(ステップS7〜S9)で発見された、可動範囲に最も近い把持位置姿勢P1 *とする。例えば一番目の三成分がrx方向、z方向、y方向の場合、可動範囲に最も近い位置姿勢はP1 *=(0,y*,z*,rx,0,0)になる。一番目の三成分の探索と同様に二番目の三成分を探索する。もしθover=0となる探索点が見つかったらそれを解とし探索を終了する。 If the gripping position / posture cannot be found within the movable range even if the first three components are shifted by the above search method, the process proceeds to step S10 in FIG. 1, the second three components are shifted, A grip position / posture within the movable range is found (steps S10 to S12). The starting point of the search at this time is set to the gripping position / posture P 1 * closest to the movable range, which is found in the search by shifting the first three components (steps S7 to S9). For example, when the first three components are the rx direction, the z direction, and the y direction, the position and orientation closest to the movable range is P 1 * = (0, y * , z * , rx, 0, 0). Similar to the search for the first three components, the second three components are searched. If a search point with θ over = 0 is found, it is determined as a solution and the search is terminated.

探索点すべてを探索してもθover=0となる探索点が見つからなかった場合は、探索の開始点を変更する。変更点は、一番目の三成分の探索で、可動範囲に二番目に近い把持位置姿勢p2 *とする。変更後、再探索する。把持位置姿勢P2 *を開始点にしてもθover=0の探索点が見つからない場合は、把持位置姿勢P3 *、P4 *、・・・と開始点を変更して探索を繰り返す。すべての把持位置姿勢P *を(i=1,2,・・・)を開始点にしてもθover=0となる探索点が見つからない場合は、解なしとし、探索を終了する。 If no search point with θ over = 0 is found even after searching all the search points, the search start point is changed. The change point is the search for the first three components, and the grip position / posture p 2 * closest to the movable range is set. Search again after changing. If a search point with θ over = 0 is not found even when the gripping position / posture P 2 * is the starting point, the starting point is changed to gripping position / posture P 3 * , P 4 * ,. If no search point with θ over = 0 is found even when all gripping position / postures P i * are set to start points (i = 1, 2,...), No solution is found and the search is terminated.

以上説明したように、本実施形態によれば、算出された把持位置姿勢がマニピュレータの可動範囲外でも、代替の把持位置姿勢が決定できる可能性が高い。このため、把持位置姿勢がアームおよびハンドの可動範囲外となるのを可及的に避けることができる。特に、固定マニピュレータの場合は移動マニピュレータと比べて可動範囲が狭いため、代替の把持位置姿勢が算出できることのメリットは大きい。   As described above, according to the present embodiment, there is a high possibility that an alternative gripping position / posture can be determined even when the calculated gripping position / posture is outside the movable range of the manipulator. For this reason, it is possible to avoid the gripping position / posture from being outside the movable range of the arm and the hand as much as possible. In particular, in the case of a fixed manipulator, since the movable range is narrower than that of a moving manipulator, the advantage of being able to calculate an alternative gripping position and orientation is great.

また、多くの移動マニピュレータの場合、マニピュレータの可動範囲外の場合は台車を動かして算出された把持位置姿勢を実現しようとする。ただし台車を移動させた場合のほとんどは移動誤差が含まれるので、物体とハンド間の相対位置姿勢を計測しなおす必要が生じる。ここで本実施形態を用いると台車移動や位置姿勢の再計測が可及的に避けることができるので、これらに必要な時間を節約できる。   In the case of many moving manipulators, when the manipulator is out of the movable range, the grip position / posture calculated by moving the carriage is attempted. However, since most of the cases where the carriage is moved include a movement error, it is necessary to remeasure the relative position and orientation between the object and the hand. Here, if this embodiment is used, the movement of the carriage and the re-measurement of the position and orientation can be avoided as much as possible, so that the time required for these can be saved.

さらに、ロボットが家庭やオフィス環境で机上の片付けなどのハンドリング作業を行う場合、そのロボットの使用者はロボットの専門家でない。ロボットの専門家でない人の多くは人間と同等の合理的な動きをロボットに期待するので、家庭やオフィスで働くロボットの合理的な動きは重要である。一方、人間が把持対象物を把持するときに最適な把持位置姿勢をとれないときは足を動かさずにその近辺の準最適な把持位置姿勢へ腕を動かすことが多いが、これまでのロボットの多くは最適な把持位置姿勢のみを実現しようとして台車移動等を行ってしまう。ここで本実施形態を用いると人間の動きと似た動きをロボットに実行させることができるため、本実施形態の把持位置姿勢決定システムは家庭やオフィスで働くロボットに有用である。   Furthermore, when a robot performs a handling operation such as cleaning up a desk in a home or office environment, the user of the robot is not a robot expert. Many people who are not robot specialists expect robots to make rational movements equivalent to humans, so rational movements of robots working at home or office are important. On the other hand, when a human is not able to take an optimal gripping position and posture when gripping an object to be gripped, the arm is often moved to a sub-optimal gripping position and posture without moving the foot. In many cases, the carriage is moved to achieve only the optimum gripping position and posture. Here, when this embodiment is used, the robot can execute a movement similar to a human movement. Therefore, the gripping position / posture determination system according to this embodiment is useful for a robot working in a home or office.

本発明の一実施形態による把持位置姿勢決定システムの決定処理を示すフローチャート。The flowchart which shows the determination process of the holding | grip position / posture determination system by one Embodiment of this invention. 一実施形態の把持位置姿勢決定システムが適用されるロボットを示す模式図。1 is a schematic diagram showing a robot to which a gripping position / posture determination system according to an embodiment is applied. FIG. 従来技術の把持方法を説明する図。The figure explaining the holding method of a prior art. 従来技術の問題点を説明する図。The figure explaining the problem of a prior art. 一実施形態の把持位置姿勢決定システムの把持位置姿勢のシフトを説明する図。The figure explaining the shift of the grip position posture of the grip position posture determination system of one embodiment. アームとハンドの座標系を説明する図。The figure explaining the coordinate system of an arm and a hand. 一実施形態の把持位置姿勢の決定に用いる制御系を示すブロック図。The block diagram which shows the control system used for the determination of the holding position attitude | position of one Embodiment. 一実施形態に係る把持位置姿勢計算部への入出力を説明する図。The figure explaining the input-output to the holding | grip position and orientation calculation part which concerns on one Embodiment. 一実施形態に用いられる基本立体の例を示す図。The figure which shows the example of the basic solid used for one Embodiment. 回転体の例を説明する図。The figure explaining the example of a rotary body. 押出し体の一例を示す図。The figure which shows an example of an extrusion body. 凸円柱、凹円柱、中空円柱の例を示す図。The figure which shows the example of a convex cylinder, a concave cylinder, and a hollow cylinder. 凸円錐、凹円錐、中空円錐の例を示す図。The figure which shows the example of a convex cone, a concave cone, and a hollow cone. 基本立体を用いた食器の表現の一例を示す図。The figure which shows an example of the expression of the tableware using a basic solid. 基本立体のパラメータの例を示す図。The figure which shows the example of the parameter of a basic solid. 基本立体のパラメータのバリエーションを説明する図。The figure explaining the variation of the parameter of a basic solid. 基本立体の対称軸/対称面/対称点の例を説明する図。The figure explaining the example of the symmetry axis / symmetry surface / symmetry point of a basic solid. ハンドと把持対象物との位置関係(把持状態)による接触面積の違いを説明する図。The figure explaining the difference in the contact area by the positional relationship (gripping state) of a hand and a holding | grip target object. 位置姿勢成分6つを2分割する手順を示すフローチャート。The flowchart which shows the procedure which divides six position and orientation components into two. 新たな座標系Σsftの設定方法を説明する図。The figure explaining the setting method of new coordinate system (SIGMA) sft . 把持の種類を説明する図。The figure explaining the kind of holding | grip. 把持の違いによる直方体の接触面積の変化を説明する図。The figure explaining the change of the contact area of a rectangular parallelepiped by the difference in holding | grip. 新たな座標系の定義と重心のずれ量との関係を説明する図。The figure explaining the relationship between the definition of a new coordinate system, and the deviation | shift amount of a gravity center. 把持の違いによる回転体の接触面積の変化を説明する図。The figure explaining the change of the contact area of the rotary body by the difference in holding | grip. 把持の違いによる球の接触面積の変化を説明する図。The figure explaining the change of the contact area of the ball | bowl by the difference in a holding | grip. 垂直押出し物体で扱う把持位置姿勢を説明する図。The figure explaining the holding position attitude | position handled with a vertical extrusion object. 把持の違いによる垂直押出し物体の接触面積の変化を説明する図。The figure explaining the change of the contact area of the vertical extrusion object by the difference in a holding | grip. 軌道押出し物体で扱う把持位置姿勢を説明する図。The figure explaining the gripping position attitude | position handled with a track | orbit extrusion object. 新しい座標系の軸の向きの定義を説明する図。The figure explaining the definition of the direction of the axis of a new coordinate system. シフトの概要を説明する図。The figure explaining the outline | summary of a shift. 把持位置姿勢の探索手順を示すフローチャート。The flowchart which shows the search procedure of a holding | grip position / posture. 新しい座標系Σsftの一時移動する必要性を説明する図。The figure explaining the necessity to move temporarily of new coordinate system (SIGMA) sft .

符号の説明Explanation of symbols

1 アーム
2 ハンド
2a フランジ
2b 指
3 位置姿勢計測センサ
5 データベース
6 演算制御装置
100 ロボット
110 本体
1 Arm 2 Hand 2a Flange 2b Finger 3 Position / Orientation Measurement Sensor 5 Database 6 Arithmetic Control Device 100 Robot 110 Main Body

Claims (7)

少なくとも2つの関節を有するアームと、
前記アームの先端に設けられ把持対象物を把持するための把持機構と、
前記把持対象物の位置姿勢を計測する位置姿勢計測センサと、
前記把持対象物の形状情報が格納されたデータベースと、
前記位置姿勢計測センサの出力および前記データベースに格納された形状情報に基づいて、前記把持対象物に関する把持位置姿勢が前記アームおよび前記把持機構の可動範囲外である否かを判定し、前記アームおよび前記把持機構の可動範囲外である場合に、前記把持位置姿勢を修正することにより前記アームおよび前記把持機構の可動範囲内に修正された把持位置姿勢が存在するか否かを演算し、存在する場合に前記修正された把持位置姿勢となるように前記アームおよび前記把持機構を制御する演算制御装置と、
を備えたことを特徴とする把持位置姿勢決定システム。
An arm having at least two joints;
A gripping mechanism provided at the tip of the arm for gripping a gripping object;
A position and orientation measurement sensor for measuring the position and orientation of the gripping object;
A database storing shape information of the gripping object;
Based on the output of the position and orientation measurement sensor and the shape information stored in the database, it is determined whether or not the grip position / posture regarding the grip target is outside the movable range of the arm and the grip mechanism, If it is outside the movable range of the gripping mechanism, it is calculated by correcting the gripping position / posture to calculate whether there is a corrected gripping position / posture within the movable range of the arm and the gripping mechanism. An arithmetic and control unit for controlling the arm and the gripping mechanism so that the corrected gripping position and posture are
A gripping position / posture determination system comprising:
前記データベースには、複数種類の基本立体と、前記基本立体の対称面/対称軸/対称点と、前記アームの可動範囲と、前記把持機構の形状および可動範囲とが格納されており、
前記演算制御装置は、前記位置姿勢計測センサの出力に基づいて、前記把持対象物を複数の前記基本立体から選択された単一の基本立体または複数の基本立体を組み合わせた仮想立体と見なし、前記基本立体または前記仮想立体に基づいて前記修正された把持位置姿勢を演算することを特徴とする請求項1記載の把持位置姿勢決定システム。
The database stores a plurality of types of basic solids, a symmetry plane / symmetric axis / symmetry point of the basic solids, a movable range of the arm, a shape and a movable range of the gripping mechanism,
The arithmetic and control unit regards the grasped object as a single basic solid selected from a plurality of the basic solids or a virtual solid combining a plurality of basic solids based on the output of the position and orientation measurement sensor, The gripping position / posture determination system according to claim 1, wherein the corrected gripping position / posture is calculated based on a basic solid or the virtual solid.
前記把持位置姿勢の修正は、前記把持機構と前記把持対象物との接触面積の大きさに基づいて行うことを特徴とする請求項1または2記載の把持位置姿勢決定システム。   The gripping position / posture determination system according to claim 1 or 2, wherein the correction of the gripping position / posture is performed based on a size of a contact area between the gripping mechanism and the gripping object. 前記演算制御装置は、前記把持機構が前記把持対象物を把持したときの把持点を原点とする新たな座標系を設定し、前記新たな座標系における前記把持位置姿勢の3つの位置成分と3つの姿勢成分を修正したときの把持位置姿勢を、前記把持機構と前記把持対象物との接触面積が大きい順に順位づけし、前記順位に従って前記把持位置姿勢の3つの位置成分と3つの姿勢成分を修正し、修正した把持位置姿勢が可動範囲内にあるか否か判定することを特徴とする請求項3記載の把持位置姿勢決定システム。   The arithmetic and control unit sets a new coordinate system whose origin is a gripping point when the gripping mechanism grips the gripping object, and the three position components of the gripping position and orientation in the new coordinate system and 3 The gripping position / posture when the two posture components are corrected are ranked in descending order of the contact area between the gripping mechanism and the gripping target, and the three position components and the three posture components of the gripping position / posture are classified according to the ranking. 4. The gripping position / posture determination system according to claim 3, wherein the system determines whether the corrected gripping position / posture is within a movable range. 前記演算制御装置は、前記把持位置姿勢の3つの位置成分と3つの姿勢成分を一度に修正するのではなく、前記接触面積の大きさに応じて数成分に分けて修正することを特徴とする請求項4記載の把持位置姿勢決定システム。   The arithmetic and control unit does not correct the three position components and the three posture components of the gripping position and posture at the same time, but divides them into several components according to the size of the contact area. The gripping position / posture determination system according to claim 4. 前記把持位置姿勢の修正は、前記アームの関節の可動限界時における関節角度と、前記修正したときの把持位置姿勢を実現する、前記アームの関節角度との差の絶対値の、前記関節に対する和が最小となるように行うことを特徴とする請求項4または5記載の把持位置姿勢決定システム。   The correction of the grip position / posture is the sum of the absolute value of the difference between the joint angle at the limit of movement of the joint of the arm and the joint angle of the arm that realizes the grip position / posture at the time of correction with respect to the joint. The gripping position / posture determination system according to claim 4, wherein the gripping position / posture determination system is performed in such a manner as to minimize. 位置姿勢計測センサによって計測された把持対象物の位置姿勢およびデータベースに格納された前記把持対象物の形状情報に基づいて、前記把持対象物に関する把持位置姿勢が、少なくとも2つの関節を有するアームおよび前記アームの先端に設けられた把持機構の可動範囲外である否かを判定するステップと、
前記アームおよび前記把持機構の可動範囲外である場合に、前記把持位置姿勢を修正することにより前記アームおよび前記把持機構の可動範囲内に修正された把持位置姿勢が存在するか否かを演算するステップと、
存在する場合に前記修正された把持位置姿勢となるように前記アームおよび前記把持機構を制御するステップと、
を備えたことを特徴とする把持位置姿勢決定方法。
Based on the position and orientation of the gripping object measured by the position and orientation measurement sensor and the shape information of the gripping object stored in the database, the gripping position and orientation related to the gripping object has at least two joints and the arm Determining whether it is outside the movable range of the gripping mechanism provided at the tip of the arm;
When the arm and the gripping mechanism are out of the movable range, the gripping position and posture are corrected to calculate whether or not the corrected gripping position and posture exist within the movable range of the arm and the gripping mechanism. Steps,
Controlling the arm and the gripping mechanism to be in the corrected gripping position and posture when present;
A gripping position / posture determination method characterized by comprising:
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