CN101659056A - 机器人的干涉回避方法以及机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种机器人的干涉回避方法以及机器人系统，能够可靠地回避机器人和障碍物之间的干涉，同时可靠地进行规定的作业。该干涉回避方法反复执行如下步骤：进行在开始位置的干涉校验的步骤；若存在干涉则确定机器人(2)应该存在的区域的步骤；校验代表机器人(2)的各部位的对象点是否处于机器人(2)的应该存在的区域内的步骤；对于位于区域的内侧的部分赋予远离区域的边界且越接近边界越大的移动矢量，对于位于区域的外侧的部分赋予朝向区域内且比位于区域内时更大的移动矢量的步骤；使用合成了移动矢量的合成矢量求出机器人(2)的回避位置和姿态的步骤，由此设定不干涉的路径。

Description

机器人的干涉回避方法以及机器人系统

技术领域

本发明涉及工业机器人的干涉回避方法以及能够采用该干涉回避方法的机器人系统。

背景技术

目前以来，机器人的干涉回避技术经过各种研究开发而成，这些干涉回避技术大多用于机器人的移动路径探索中。

所谓机器人的路径探索，是一种在初期位置和目标位置之间的路径中，在机器人和工件等存在干涉的情况下，探索干涉回避位置和姿态从而生成不干涉的路径的方法。

例如，日本特开平5-250023号(专利文献1)公开了一种方法，该方法使用构形空间法，在机器人的接头坐标空间上求出不与障碍物干涉且能够移动的自由空间，然后在该空间上探索移动成本降低的光滑路径。

另外，日本专利2740277号(专利文献2)公开了一种方法，该方法在关节角空间上假定直线路径而不考虑障碍物，对该路径与障碍物干涉的部分进行修正路径，由此自动生成机器人的路径。进而，公开了如下所述的方法，该方法在世界空间上设定将初期位置和目标位置连结的假定路径而不考虑障碍物，生成朝向目标位置的引力矢量和由来自障碍物的反力矢量以及接头角的限制所确定的反力矢量的合成矢量，并沿该合成矢量的方向依次生成移动路径。

[专利文献1]：日本特开平5-250023号公报

[专利文献2]：日本特许2740277号公报

然而，在专利文献1、专利文献2中公开的探索方法中，任意一种都是在机器人经过的路径上修正存在干涉的区间而生成不干涉的路径的方法。即，在这些方法中使用的干涉回避方法，由于任意一种都是从不干涉的位置修正不干涉位置的区间而生成，所以以在初期位置以及目标位置上不发生干涉为前提。

在将机器人离障碍物远的位置设定为初期位置或目标位置的情况下，在各位置上发生干涉的可能性小。然而，在进行焊接机器人等实际作业的机器人中，优选不考虑障碍物等的周围环境单纯地附加动作模式而生成初期位置以及目标位置，在这种情况下，有时在初期位置以及目标位置上发生干涉，导致无法由上述的路径探索法生成路径。

发明内容

因此，本发明就是鉴于所述问题，其目的在于提供一种即使在对机器人赋予任意的位置和姿态且在该位置和姿态存在干涉的情况下，也能生成回避该干涉状态的位置和姿态的机器人的干涉回避方法以及能够采用该干涉回避方法的机器人系统。

为了实现上述目的，在本发明中采用以下的技术方法。

本发明的机器人的干涉回避方法是回避位于规定位置的机器人和障碍物之间的干涉的干涉回避方法，其特征在于，包括：区域设定步骤，设定作为所述机器人应该存在的区域的存在区域；矢量设定步骤，其在所述机器人上设定对象点，对于位于所述存在区域内的对象点，设定朝向离开存在区域的边界的方向且具有越接近存在区域的边界越大的标量的移动矢量，对于位于所述存在区域外的对象点，设定呈朝向存在区域内的方向且具有比所述对象点位于存在区域内时更大的标量的移动矢量；干涉回避步骤，以所设定的移动矢量为基础，回避所述机器人发生干涉状态。

通过执行这些步骤，例如在规定的位置即初期位置或目标位置上，即使机器人和障碍物发生了干涉，设定于机器人的各部位(对象点)也能够进行按照欲向存在区域内返回的移动矢量的回避姿态动作，从干涉位置和姿态生成非干涉的位置和姿态。

优选的是，在将所述存在区域设为配备在机器人的前端的工具应该存在的区域时，在所述区域设定步骤中，将以障碍物的与所述工具的前端点相对向的面为边界的空间设定为所述存在区域，在所述矢量设定步骤中，在所述工具上设定对象点。

由此，能够可靠地设定作为工具本来应该位于的空间的存在区域，从而能够可靠地回避实际进行作业的工具和障碍物发生干涉。

优选的是，在所述干涉回避步骤中，以所述移动矢量的合成矢量为基础，回避所述机器人发生干涉状态。

更优选的是，依次反复执行所述机器人的干涉回避方法所包括的各个步骤，从而求出机器人不会发生干涉的位置和姿态。

本发明的机器人系统是具有机器人和控制该机器人的控制装置的机器人系统，其特征在于，所述控制装置具有回避位于规定位置的机器人和障碍物之间的干涉的干涉回避装置，所述干涉回避装置具有：区域设定部，其设定作为所述机器人应该存在的区域的存在区域；矢量设定部，其在所述机器人上设定对象点，对于位于所述存在区域内的对象点，设定朝向离开存在区域的边界的方向且具有越接近存在区域的边界越大的标量的移动矢量，对于位于所述存在区域外的对象点，设定呈朝向存在区域内的方向且具有比所述对象点位于存在区域内时更大的标量的移动矢量；干涉回避部，其以所设定的移动矢量为基础，回避所述机器人发生干涉状态。

根据该机器人系统，能够可靠地回避位于规定位置的机器人和障碍物之间的干涉，同时可靠地进行规定的作业。

根据本发明的机器人的干涉回避方法，即使位于规定位置的机器人和障碍物发生了干涉，在机器人上设定的各部位(对象点)也能够按照向存在区域内返回的移动矢量进行回避姿态动作，从干涉位置和姿态生成非干涉的位置和姿态。

另外，根据本发明的机器人系统，能够可靠地回避位于规定位置的机器人和障碍物之间的干涉，同时可靠地进行规定的作业。

附图说明

图1是本发明的实施方式的机器人系统的整体结构图。

图2是机器人的骨架图。

图3是干涉回避装置的控制框图。

图4是由干涉回避装置执行的处理的流程图。

图5是表示处于干涉状态的机器人的位置及姿态的图。

图6是关于由区域设定部设定的存在区域的图(其一)。

图7是关于由区域设定部设定的存在区域的图(其二)。

图8是关于由区域设定部设定的存在区域的图(其三)。

图9是表示对象点的图。

图10表示由矢量设定部设定的移动矢量的图。

图11表示回避干涉状态的状况的图。

符号说明：1-机器人系统，2-机器人，3-滑轨，212-第1轴，210-第2轴，208-第3轴，206-第4轴，204-第5轴，202-第6轴，211-第1连杆，209-第2连杆，207-第3连杆，205-第4连杆，203-第5连杆，201-第6连杆，300-工件，400-干涉回避装置，410-区域设定部，420-矢量设定部，430-干涉回避部。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

需要说明的是，在以下的说明中，对相同的部件标注相同的符号。它们的名称以及功能也相同。因此，不重复进行对它们的详细说明。进而，虽然以下对垂直多关节型的6轴机器人进行了说明，但是本发明并不局限适用于这样的类型或轴数的机器人。

参照图1以及图2，对本发明的机器人系统的整体结构进行说明。图1是该机器人系统1的立体图，图2是机器人2的骨架图。

如图1所示，该机器人系统1包括具有垂直多关节型的6轴的机器人2和使机器人2自身移动的滑轨3。

如图1以及图2所示，该机器人2具有旋转轴，该旋转轴从靠近安装底座的第1轴212起依次为第2轴210、第3轴208、第4轴206、第5轴204及第6轴202。往往也将靠近安装底座的第1轴212称为机器人原点。另外，该机器人2从靠近安装底座的第1连杆211起依次具有第2连杆209、第3连杆207、第4连杆205、第5连杆203以及第6连杆201。各连杆由刚性部件构成。

作为机器人系统1的作业对象的工件300，是例如如图2所示的中空的四棱柱，至少第6连杆201进入其内部。工件300在第6连杆201的相反侧具有底部。机器人2通过设置在第6连杆201的前端的焊矩(工具214)，将例如四棱柱的内部的角部焊接。

在该机器人系统1中连接有控制机器人2的控制部，并且机器人2具备生成脱机示教数据的生成装置。在本实施方式的情况下，在该生成装置内具备生成回避机器人2的干涉状态的示教数据的干涉回避装置400。该干涉回避装置400具有回避位于规定位置的机器人2和障碍物的干涉的功能，若在机器人2即工具214的初期位置、目标位置或焊接动作中机器人2和工件300发生干涉，则生成可靠地回避该干涉的脱机示教数据。

图3记载了干涉回避装置400的结构框。

如图3所示，干涉回避装置400具有设定作为机器人2应该存在的区域的存在区域的区域设定部410。进而，干涉回避装置400还具有矢量设定部420，其在机器人2和障碍物(工件300)发生干涉时，对于机器人2的各部位(对象点)，在位于存在区域的部位上，设定朝向离开存在区域的边界的方向且具有越接近存在区域的边界越大的标量的移动矢量，在位于存在区域外的部位上，设定呈朝向存在区域内的方向且具有比机器人2的部位位于存在区域内时更大的标量的移动矢量。除此之外，干涉回避装置400还具有以移动矢量的合成矢量为基础，生成回避机器人2的干涉状态的示教数据的干涉回避部430。

这些区域设定部410、矢量设定部420、干涉回避部430通过在计算机中执行的程序而实现。以下，对各部的运行和由各部执行的处理顺序进行说明。

图4表示由干涉回避装置执行的处理的流程图。在机器人和障碍物(这里指工件300)发生干涉的情况下，如下进行处理。

首先，在步骤1(以下，将步骤记为S)中，对于给定任意位置上的机器人2的位置和姿态而言，在此情况下，设定机器人2的初期位置和姿态(开始位置和姿态)。

接着，在S2中，在开始位置进行干涉校验。若存在干涉则进入S3。在不存在干涉的情况下，结束该干涉回避处理。

在S3中，确定机器人2的存在区域。该处理由区域设定部410进行。

在S4中，校验机器人2的各部是否处于存在区域内。

在S5中，对位于存在区域的内侧的部分赋予远离存在区域的边界且越接近边界越大的移动矢量(朝向回避方向的矢量)，对位于外侧的部分赋予朝向存在区域内且比位于存在区域内时更大的移动矢量。S4的处理及S5的处理由矢量设定部420进行。

在S6中，利用由S5求出的移动矢量求出机器人的回避位置和姿态的变化量，调整变化量以使存在区域内的部分不向存在区域外超出，求出运动了该变化量部分的机器人的位置和姿态作为回避位置和姿态。

在S7中，将由S6求出的位置作为开始位置和姿态，返回S2。S6的处理由干涉回避部430进行。

即，在赋予任意位置时，首先进行S1，由S2进行位置和姿态生成的结束判断，在未结束的情况下进行S3～S7后，返回S2再次进行结束判断，之后，反复进行S2～S7直到结束判断视为结束为止。

接下来，对各步骤详细进行说明。

首先，在S1中，将给定的任意的机器人2的位置和姿态设定为开始该干涉回避处理的开始位置和姿态。在本实施方式中，赋予如图5所示的机器人2的位置和姿态，并将其设定为开始位置和姿态。还有，如图5(A)以及图5(B)所示，该机器人2的第5连杆203、第6连杆201与工件300发生干涉。

接着，在S2中，在由S1设定的开始位置和姿态中，校验机器人2是否与工件300发生干涉。在该S2中判断为存在干涉的情况下，将处理转移到S3。在本实施方式中，在图5所示的位置上，如上所述，由于第5连杆203及第6连杆201和工件300(障碍物)发生干涉，因此，将处理向S3转移。

在S3中，确定机器人2应该存在的区域(存在区域)。该存在区域是操作员可以适当设定的区域，考虑作业的效率和向下一作业过渡的方便性等，可以任意地设定。然而，在本实施方式中，将存在区域作为在机器人2的前端安装的工具214应该存在的区域，将以与工具214的前端点对置的障碍物(工件300)的面为边界的空间作为存在区域。

作为存在区域的设定方法的其中之一，例如，当位于如图6(A)所示的机器人2的位置和姿态时，如图6(B)所示，从前端点全方位地(扩展到三维空间)生成探查矢量，在各方向上从前端点沿该方向探查，将以该探查矢量最先接触的面(工件300的内表面)为边界的区域(由纸面的上下面、右侧面、纸面的表背面这五个面包围的空间)作为机器人2的存在区域。

还有，存在区域的机器人2侧设定为到工件300的开口部300A为止。其原因在于，为了通过安装在机器人2的前端的工具214进行作业，存在区域是机器人2所应该存在的空间，因此，不需要将远离工件300(比开口部300A靠外侧的空间)规定为存在区域。

进而，在如图6所示的工件300不为仅一面开口的中空四棱柱，作为障碍物的工作310为如图7所示的两底面开口的情况下，如下所述，设定机器人2应该存在的区域。

当处于如图7(A)所示的机器人2的位置和姿态时，如图7(B)所示，从前端点全方位地(扩展到三维空间)生成探查矢量，在各方向上从前端点沿该方向探查时，将以该探查矢量最先接触的面(工件310的内表面)为边界的区域(由纸面的上下面、纸面的表背面这四个面包围的空间)作为机器人2的存在区域。还有，存在区域的机器人2侧及机器人2的相反侧设定为到开口部310A为止。其原因也在于，为了通过工具214进行作业，存在区域是机器人2所应该存在的空间，因此，不需要将远离工件310(开口部310A的外侧的空间)规定为存在区域。

另外，在工件为由局部的支柱支承的平行的上下两片平板的情况下，也可以同样地进行研究。

上述内容说明了工具214被作为障碍物的工件300包围的情况，但在以下内容中，对工具214没有被作为障碍物的工件300包围的情况下的存在区域的规定方法进行说明。

即使在这种情况下，基本而言，存在区域也是操作员可以适当设定的区域，考虑作业的效率和向下一作业过渡的方便性等，可以任意地设定。然而，在本实施方式中，采用以下的方法设定存在区域。

例如，当处于如图8(A)所示的机器人2的位置和姿态时(机器人2从工件320的外表面干涉时)，如图8(B)所示，从未干涉的前端点全方位地(扩展到三维空间)生成探查矢量，在各方向上从前端点沿该方向探查时，以将该探查矢量接触的面(工件320的外表面)作为边界并且在当前时刻内含工具214的方式来设定空间，并将其作为存在区域330(图8(B)的实线)。

接着，在S4中，判断设定于机器人2的各部位的对象点是否处于由S3设定的存在区域的内外的任一侧。

即，如图9所示，在第5连杆203、第6连杆201及工具214上设定多个对象点，逐个判断该对象点是否处于存在区域的内外。在图9中，设定了对象点501到对象点508这8个对象点。还有，在从上面观察的情况下，对象点503、对象点504以及对象点505、对象点506由于在纸面左右方向上接近，所以重叠绘制。

这里，对该对象点的选择方法进行说明。

在本实施方式中，如图9所示，第5连杆203及第6连杆201与工件300干涉。由此，在第5连杆203的干涉部位设定对象点508，在第6连杆201的干涉部位设定对象点505。除此之外，工具214具有尖的前端点，在此设定对象点501。另外，在第6连杆201的下部的尖的部位设定对象点506。为了插补这些对象点501、505、506、508，设定对象点502、503、504、507，总共设定8个对象点。还有，对象点的设定方法，并不局限于上述的方法，例如也可以由操作员适当地设定。

在本实施方式中，由于发生干涉的仅为第5连杆203及第6连杆201，因此，对第5连杆203、第6连杆201、工具214是否处于存在区域进行判断。不过，即使将其它连杆添加为判断对象，本实施方式的干涉回避方法也能够适用。另外，实际上，对象点的个数在机器人2的各部位进行干涉回避计算时，可以选取适当范围的个数。

在S5中，在多个对象点位于存在区域内的情况下，赋予具备远离存在区域的边界的方向同时具备越接近该边界越大的标量的移动矢量，在位于存在区域外的情况下，赋予具备朝向存在区域内侧的方向且具备比位于存在区域内的情况更大的标量的移动矢量。这样，构成回避干涉的方向的矢量，通过赋予上述的标量，能够优先使存在区域外的部分进入存在区域内，且使靠近障碍物的部分远离障碍物。

作为与移动矢量的赋予方式相关的一种方法，有这样的手段：例如在位于存在区域内的情况下，将使作为障碍物的工件300的内侧带+电荷，使对象点也带+电荷时产生的反力矢量作为移动矢量赋予。反力矢量由于彼此为+电荷故其方向在相互排斥的方向上赋予，其标量与距离的平方成反比。另外，位于存在区域外的情况下的移动矢量的方向，与使作为障碍物的工件300的内侧带+电荷，使对象点带-电荷时产生的引力矢量的方向一致。此时，移动矢量的标量设为比位于存在区域内时更大的标量(至少是比在存在区域内的移动矢量的最大标量大的值)。

作为其他的手段，也有使构成作为障碍物的工件300的面的法线矢量与移动矢量的方向一致的方法。

图10示出了通过S5的处理设定了移动矢量的情况。

接着，在S6中，生成合成了S5的对象点的移动矢量的合成矢量，利用该合成矢量，求出机器人2自身的回避位置和姿态的变化量。此时，优选调整变化量以使位于存在区域内的对象点不向存在区域外超出。将由该变化量求出的位置和姿态作为回避位置和姿态。利用该回避位置和姿态进行机器人2的坐标逆变换，从而计算出各轴的旋转角度。

在S7中，将由S6求出的回避位置和姿态作为新的开始位置和姿态。之后，处理向S2返回。以后，反复进行S2到S7直到不为干涉位置和姿态为止。

在上述的说明中，对机器人2的初期位置和姿态进行了说明，但目标位置和姿态也可以进行相同的处理。

图11示出了进行如上所述的干涉回避处理的结果。

图11(A)示出了用于回避如图10所示的干涉状况的合成矢量(具体而言，由合成矢量确定的平行移动方向和旋转方向)。根据该合成矢量，使机器人2的前端移动的结果如图11(B)所示，这就是回避位置和姿态。

这样，通过使用本实施方式的干涉回避方法，能够优先使存在区域外的部分进入存在区域内，且使靠近障碍物的部分远离障碍物，从而可靠地回避机器人2和障碍物的干涉。

在上述的实施方式中，固定开始位置仅改变开始姿态，或者固定开始姿态仅改变开始位置，生成回避位置或回避姿态等，根据目的不同，也可以改变S6的变化量。这样，能够实现所期望的干涉回避位置或干涉回避姿态。即，比起在机器人的构形空间上探索不干涉的位置和姿态，能够直接操作向实际空间的变化量，从而直接获得所期望的姿态(位置)。

进而，干涉的定义并不只是指实际上机器人2与工件300接触的情况，也可以将处于接触面前(例如，离障碍物10mm的面前)的情况近似地定义为干涉，由此，还能够回避机器人2的异常接近。

另外，通过在脱机下使用上述的机器人的干涉回避方法，也能够实时进行非干涉的机器人控制。

应该认识到本次公开的实施方式中全部方面均是例示的，因此并不局限于此。本发明的范围并不局限于上述说明而是根据权利要求的范围表示，这意味着与权利要求的范围相同的意思以及在范围内的全部变化都包含在内。

Claims (5)

1.一种机器人的干涉回避方法，该方法是回避位于规定位置的机器人和障碍物之间的干涉的干涉回避方法，

所述机器人的干涉回避方法的特征在于，包括：

区域设定步骤，设定作为所述机器人应该存在的区域的存在区域；

矢量设定步骤，在所述机器人上设定对象点，对于位于所述存在区域内的对象点，设定朝向离开存在区域的边界的方向且具有越接近存在区域的边界越大的标量的移动矢量，对于位于所述存在区域外的对象点，设定呈朝向存在区域内的方向且具有比所述对象点位于存在区域内时更大的标量的移动矢量；

干涉回避步骤，以所设定的移动矢量为基础，回避所述机器人发生干涉状态。

2.根据权利要求1所述的机器人的干涉回避方法，其特征在于，

在将所述存在区域设为配备在机器人的前端的工具应该存在的区域时，

在所述区域设定步骤中，将以障碍物的与所述工具的前端点相对向的面为边界的空间设定为所述存在区域，

在所述矢量设定步骤中，在所述工具上设定对象点。

3.根据权利要求1所述的机器人的干涉回避方法，其特征在于，

在所述干涉回避步骤中，以所述移动矢量的合成矢量为基础，回避所述机器人发生干涉状态。

4.一种机器人的干涉回避方法，其特征在于，

依次反复执行权利要求1～3中任一项所述的机器人的干涉回避方法所包括的各个步骤，从而求出机器人不会发生干涉的位置和姿态。

5.一种机器人系统，该系统是具有机器人和控制该机器人的控制装置的机器人系统，

所述机器人系统的特征在于，

所述控制装置具有回避位于规定位置的机器人和障碍物之间的干涉的干涉回避装置，

所述干涉回避装置具有：区域设定部，其设定作为所述机器人应该存在的区域的存在区域；矢量设定部，其在所述机器人上设定对象点，对于位于所述存在区域内的对象点，设定朝向离开存在区域的边界的方向且具有越接近存在区域的边界越大的标量的移动矢量，对于位于所述存在区域外的对象点，设定呈朝向存在区域内的方向且具有比所述对象点位于存在区域内时更大的标量的移动矢量；干涉回避部，其以所设定的移动矢量为基础，回避所述机器人发生干涉状态。

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