JP2000020117A - Method and device for planning operation route of robot - Google Patents

Method and device for planning operation route of robot

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JP2000020117A
JP2000020117A JP10182560A JP18256098A JP2000020117A JP 2000020117 A JP2000020117 A JP 2000020117A JP 10182560 A JP10182560 A JP 10182560A JP 18256098 A JP18256098 A JP 18256098A JP 2000020117 A JP2000020117 A JP 2000020117A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a route planning method, where a route is quickly obtained, even for an articulated manipulator which has a large degrees of freedom in a three-dimensional work space. SOLUTION: This device is provided with a start and goal arrangement input means 101, a robot environment model input means 102 which inputs geometrical information or the like of an environment, a storage means 104, an interference check means 105, an inter-subgoal distance evaluation means 107, a subgoal oriented graph generation means 103 which generates a subgoal oriented graph based on evaluation of the interference check means and the inter-subgoal distance evaluation means, a subgoal sequence generation and sort means 106, a subgoal sequence selection means 108, an adjacent subgoal selection means 109, an arrangement space localizing means 110 which sets a local discrete C space, a local arrangement space internal route search means 111 which searches routes of a minimum gap in the local arrangement space made discrete, a route existence discrimination means 112, a route storage means 113, and a route output means 114.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、ロボットと作業環
境の幾何学的形状およびそれらの配置を記述した計算機
上の幾何モデル手段と、モデル同士の干渉を検査する計
算機上の干渉検査手段を利用し、ロボットのスタートお
よびゴール配置が与えられたとき、ロボットと作業環境
内の障害物とが干渉しないロボットの動作経路を計画す
る方法およびその装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention utilizes geometric model means on a computer which describes the geometrical shapes of a robot and a work environment and their arrangement, and interference inspection means on a computer for inspecting interference between models. Also, the present invention relates to a method and an apparatus for planning an operation path of a robot in which, when a start and a goal arrangement of the robot are given, the robot does not interfere with an obstacle in a work environment.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、ロボットの障害物回避の経路
計画問題は、配置空間(Configuration space 、以後
「C空間」と言う)における点の移動経路計画問題とい
う形式に一般化することができる。C空間はロボットの
配置を一意に決定するパラメータ空間であり、多関節マ
ニピュレータの場合は関節空間に一致する。また、2次
元作業空間内における移動ロボットの場合は、作業空間
座標系を基準にしたロボット座標原点の位置(X, Y)
と、ロボットの向きθの3自由度空間(X, Y, θ)と
なる。C空間では全てのロボットの任意の配置が点で表
される。C空間において、障害物と干渉しない経路を求
めるためには、通常、C空間の空間記述が必要になる。
すなわち、作業空間におけるロボットと障害物の幾何学
的形状およびその位置関係を用いてC空間における障害
物(以後「C障害物」と言う)を記述し、C空間内の自
由(すなわち非干渉)空間(以後「C自由空間」と言
う)を求める必要がある。C空間記述に基づくロボット
の経路計画方式は、 ロードマップ法、 セル分解法、 C空間離散化法、 ポテンシャルフィールド法、に大別される。 ロードマップ法、セル分解法、C空間離散化法の
相違点は、C空間の記述法とその記述に基づく探索手法
とにある。ロードマップ法やセル分解法では、通
常、C空間の「陽な記述」が必要になる。2次元作業空
間における2自由度移動ロボットの場合はC自由空間を
陽に記述することができる。すなわち、C障害物の境界
を陽に求めることができる。多関節マニピュレータの場
合は、C障害物を解析的に求める一般的手法は存在せ
ず、 Slice Projection(Needle)法、 Swept Volume法、 Point Evaluation法などのC空間の離散化に基づく
近似手法によりC空間記述を求めるのが一般的である。
その意味から、ロードマップ法やセル分解法は2次
元作業空間における移動ロボットの経路計画問題に適し
ており、C空間離散化法は多関節マニピュレータの経
路計画問題に適している。これら従来方式は、文献「Y.
K.Hwang and N.Ahuja : Gross Motion Planning-- A Su
rvey, ACM Computing Surveys, Vol.24, No.3, pp.219-
291, 1992」に詳しくまとめられている。経路計画問題
は、計算の複雑性理論(Computational Complexity Tho
ery )によれば、NP(Nondeterministic Polymonial )
--hardと呼ばれる解の導出が非常に困難な問題に属す
る。ロボットの自由度、障害物の数、障害物の面の数な
どが大きくなるに従い、現実的な時間内では障害物回避
経路を求めることができなくなる。上記従来法を現状の
100MIPS 程度の計算機を用いて数分以内に経路が求まる
という基準で評価すると、ロードマップ法やセル分
解法は2次元作業空間内における移動ロボット、C空
間離散化法(局所探索)やポテンシャルフィールド法
は3次元作業空間内における6自由度マニピュレータと
いう具合いに、適用可能範囲が限られて来る。
2. Description of the Related Art Conventionally, a path planning problem for avoiding an obstacle by a robot can be generalized into a form of a moving path planning problem for points in a configuration space (hereinafter, referred to as a "C space"). The C space is a parameter space that uniquely determines the arrangement of the robot, and in the case of an articulated manipulator, matches the joint space. In the case of a mobile robot in a two-dimensional work space, the position (X, Y) of the robot coordinate origin relative to the work space coordinate system
And a three-degree-of-freedom space (X, Y, θ) in the direction θ of the robot. In the C space, an arbitrary arrangement of all the robots is represented by dots. In order to find a path that does not interfere with an obstacle in the C space, a space description of the C space is usually required.
That is, an obstacle in the C space (hereinafter referred to as “C obstacle”) is described using the geometrical shapes of the robot and the obstacle in the work space and their positional relationship, and the freedom (ie, non-interference) in the C space is described. It is necessary to find a space (hereinafter referred to as "C free space"). Robot path planning methods based on C-space descriptions are broadly classified into roadmap methods, cell decomposition methods, C-space discretization methods, and potential field methods. The difference between the roadmap method, the cell decomposition method, and the C space discretization method lies in the description method of the C space and the search method based on the description. The roadmap method and the cell decomposition method usually require an "explicit description" of the C space. In the case of a two-degree-of-freedom mobile robot in a two-dimensional work space, the C free space can be explicitly described. That is, the boundary of the C obstacle can be explicitly obtained. In the case of an articulated manipulator, there is no general method for analytically obtaining a C obstacle, and an approximate method based on discretization of C space such as a Slice Projection (Needle) method, a Swept Volume method, and a Point Evaluation method is used. It is common to find a spatial description.
In this sense, the roadmap method and the cell decomposition method are suitable for a path planning problem of a mobile robot in a two-dimensional working space, and the C-space discretization method is suitable for a path planning problem of an articulated manipulator. These conventional methods are described in the literature `` Y.
K.Hwang and N.Ahuja: Gross Motion Planning-- A Su
rvey, ACM Computing Surveys, Vol.24, No.3, pp.219-
291, 1992 ". The path planning problem is based on Computational Complexity Tho
ery) according to NP (Nondeterministic Polymonial)
It belongs to a very hard problem called --hard. As the degree of freedom of the robot, the number of obstacles, the number of surfaces of obstacles, and the like increase, it becomes impossible to obtain an obstacle avoidance route within a realistic time. The above conventional method
The roadmap method and the cell decomposition method are based on a mobile robot in a two-dimensional work space, a C-space discretization method (local search), a potential field method, and the like. The range of application is limited due to the condition of a 6-DOF manipulator in a three-dimensional workspace.

【0003】C空間の離散化記述は、微少間隔で離散化
された各C空間領域(以後、「セル」と言う)をノード
とし、それらセルの隣接関係をアークとする連結度グラ
フで表される。各ノードは自由空間か干渉空間かという
情報を持つ。例えば、Point Evaluation法では、各離
散化セルの代表点(通常、幾何学的重心)においてロボ
ットと作業環境との干渉を幾何モデラと干渉チェッカを
用いて検査し、代表点で干渉が検出されなければそのセ
ルを自由空間とし、干渉が検出されればそのセルを障害
物空間とする。この連結度グラフ上のスタート配置ノー
ドからゴール配置ノードへ至る経路を、縦型・横型・山
登り・A*探索などのグラフ探索手法を用いて求めるの
が、のC空間離散化法の基本的なアプローチである。
のC空間離散化法には、(i) 予めC空間全域の離散化
記述を求めておく方式と、(ii)予め離散化記述を求め
ず、探索の過程で逐次離散化セルにおける干渉を検査す
る方式とがある。のポテンシャルフィールド法は、ゴ
ール配置からロボットに作用する引力、障害物からロボ
ットに作用する斥力、ロボットを動作範囲内に留める斥
力の和からなる人工ポテンシャル関数を定義し、ポテン
シャル関数のC空間における最急勾配方向に経路を探索
する方法である。多関節マニピュレータの場合はC障害
物を陽に記述するのは困難なため、リンクにいくつかの
代表点を設け、各代表点から一定距離内にある障害物か
らそれぞれの代表点に作用する斥力を作業空間で定義す
る。
A discretization description of the C space is represented by a connectivity graph in which each C space region (hereinafter, referred to as a "cell") discretized at minute intervals is a node, and the adjacency of the cells is an arc. You. Each node has information on whether it is a free space or an interference space. For example, in the Point Evaluation method, the interference between the robot and the work environment at a representative point (normally, the geometric center of gravity) of each discretized cell is inspected using a geometric modeler and an interference checker, and the interference must be detected at the representative point. For example, the cell is set as a free space, and if interference is detected, the cell is set as an obstacle space. The basic route of the C-space discretization method is to find the path from the start placement node to the goal placement node on this connectivity graph using a graph search method such as vertical, horizontal, hill climbing, and A * search. Approach.
In the C-space discretization method, (i) a method in which a discretization description of the entire C space is obtained in advance, and (ii) a method in which the discretization description is not obtained in advance and the interference in the successive discretization cell is inspected in the search process There is a method to do. Defines the artificial potential function consisting of the sum of the attractive force acting on the robot from the goal arrangement, the repulsive force acting on the robot from obstacles, and the repulsive force that keeps the robot within its motion range. This is a method of searching for a route in a steep gradient direction. In the case of an articulated manipulator, it is difficult to explicitly describe the C obstacle, so several representative points are provided on the link, and the repulsive force acting on each representative point from the obstacle within a certain distance from each representative point Is defined in the workspace.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例においては、のC空間離散化法の場合は、ロボッ
トの自由度、障害物の面の総数などに対して、計算量、
記憶領域が指数関数的に増加してしまう。そのため、6
自由度以上のマニピュレータに対して、C空間離散化法
の基本アプローチをそのまま適用するのは現実的でな
く、探索空間を制限したり(局所探索)、探索効率を高
めるための工夫が必要となる。様々なヒューリスティッ
クス(発見的手法:Heuristics )を用いて探索空間削
減、探索効率化をする方式が種々提案されているが、未
だ、経路が高速で求まる実用的な方式が少ないという問
題がある。依って、本発明は、上記技術的問題を解決
し、3次元作業空間内における自由度の大きな多関節マ
ニピュレータに対しても、経路が高速で求まる実用的な
ロボットの動作経路計画方法およびその装置を提供する
ことを目的としている。
However, in the above-mentioned conventional example, in the case of the C-space discretization method, the amount of calculation is reduced with respect to the degree of freedom of the robot, the total number of obstacle surfaces, and the like.
The storage area increases exponentially. Therefore, 6
It is not realistic to apply the basic approach of the C-space discretization method to manipulators with more degrees of freedom as it is, and it is necessary to limit the search space (local search) and to devise ways to improve search efficiency. . Various schemes for reducing the search space and improving the search efficiency using various heuristics (heuristics) have been proposed. However, there is still a problem that there are few practical schemes for obtaining a route at high speed. Therefore, the present invention solves the above-mentioned technical problems, and provides a practical robot motion path planning method and a practical robot motion path planning method in which a path can be obtained at high speed even for an articulated manipulator having a large degree of freedom in a three-dimensional work space. It is intended to provide.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は、ロボットと作業環境の幾何学的形状およ
びそれらの配置を記述した計算機上の幾何モデル手段
と、モデル同士の干渉を検査する計算機上の干渉検査手
段を利用し、ロボットのスタートおよびゴール配置が与
えられたとき、ロボットと作業環境内の障害物とが干渉
を起こさずにスタート配置からゴール配置へ至るロボッ
トの動作経路を計画する方法において、スタート配置を
始端サブゴール、ゴール配置を終端サブゴールとし、ロ
ボットの始端サブゴールと終端サブゴールを結ぶ作業空
間あるいは配置空間における直線経路を2分割する点を
最初のサブゴール候補とし、隣接するサブゴールをサブ
ゴールa、bと表し、該サブゴールa、b間を結ぶ作業
空間あるいは配置空間における直線経路を2分割する点
をサブゴールの候補1と表して新たなサブゴール候補と
し、前記サブゴール候補1においてロボットと障害物と
の干渉を前記幾何モデル手段と干渉検査手段を用いて検
査し、前記サブゴール候補1ににおいて干渉が検出され
なかった場合、サブゴール候補1を新たなサブゴールc
として、a→c→bで表されるサブゴールの接続関係を
記述する有向グラフを生成し、前記サブゴール候補1に
おいて干渉が検出された場合、前記サブゴール候補1か
ら、予め定めた複数のロボット回避動作方向それぞれに
適当な距離間隔でロボットを移動させた複数の点におい
て干渉検査を行い、それぞれの前記回避動作方向あるい
はその内の幾つかに対して干渉が検出されない点の中か
ら、新たなサブゴールd1 、d2 、d3 、・・・を1つ
づつ選び、a→d1 →b、a→d2 →b、a→d3 →
b、・・・で表されるサブゴールの有向グラフを生成す
る手続を、各サブゴール間の距離が予め定めた値以下に
なるまで再帰的に繰り返し、前記サブゴールの有向グラ
フを用いて始端サブゴールから終端サブゴールへ至るサ
ブゴール経路、すなわちサブゴール系列を複数組計画す
ることを特徴としている。また、作業内容、作業環境や
ロボットの構造に応じたヒューリスティックスを用いて
ロボットの前記回避動作方向の候補を設定することを特
徴としている。また、前記サブゴール系列内の各サブゴ
ールあるいは各サブゴール近傍を通過する経路を、離散
化された配置空間におけるグラフ探索手法を用いて、よ
り微少間隔で求めることを特徴としている。また、前記
サブゴール系列内の連続するサブゴールをsbn-1 、s
bn 、sbn+1 と表したとき、サブゴールsbn-1 近傍
から、サブゴールsbn 近傍への微少間隔経路を探索す
る際、sbn-1 、sbn を包含する離散化された局所配
置空間、およびsbn を中心とした近傍領域を設定し、
探索される離散化セルをcp、点x、y間の距離をd
(x、y)、任意の実正数をa、b、cと表したとき、
a×d(sbn-1,cp)+b×d(cp, sbn )+c
×d(cp, sbn+1)を評価関数として、前記評価関
数値が小さな離散化セルを前記離散化局所配置空間内で
優先的に探索し、離散化セルの探索経路がサブゴールs
bn の前記近傍領域に侵入した時点で、sbn およびs
bn+1 を包含する離散化局所配置空間、およびsbn+1
を中心とする近傍領域を新たに設定し、sbn+1 近傍へ
の経路を前記評価関数に基づいて同様に探索することを
特徴としている。また、前記サブゴール系列内の各サブ
ゴール、あるいは各サブゴール近傍を通過する経路を、
つぎのサブゴールからロボットに作用する引力、現在の
サブゴール近傍に存在する障害物からロボットに作用す
る斥力、ロボットを動作範囲内に留めるための斥力の和
で表される人工ポテンシャル関数に基づく局所ポテンシ
ャルフィールド法を用いて、より微少間隔で求めること
を特徴としている。また、前記ロボットのスタート配置
からゴール配置へ至る複数組のサブゴール系列に含まれ
る各サブゴール間距離の和を評価関数として、前記評価
関数値の小さなサブゴール系列から順に優先順位を高く
設定し、優先順位の高いサブゴール系列から順に1つサ
ブゴール系列を選択し、選択されたサブゴール系列内の
各サブゴール、あるいは各サブゴール近傍を通過する微
少間隔経路を求め、その際、あるサブゴール近傍からつ
ぎのサブゴール近傍へ至る経路が該2つのサブゴールを
包含する局所配置空間内では存在しないと判明した場
合、または一定時間内に前記経路が見つからない場合に
は、つぎに前記優先順位が高く、隣接する前記2つのサ
ブゴールを含まないサブゴール系列を選出し、そのサブ
ゴール系列に対して、微少間隔経路を同様に求める手続
を、スタート配置からゴール配置へ至る微少間隔経路が
見つかるまで、または一定時間繰り返すことを特徴とし
ている。まは、手首、ハンドを持つ多関節ロボットマニ
ピュレータに対して、サブゴール系列内の各サブゴー
ル、あるいは各サブゴール近傍を通過する微少間隔経路
を、手首点位置に関しては、離散化された配置空間にお
けるグラフ探索手法を用いて、手首点に固定された座標
系を基準にしたハンド姿勢に関しては、局所ポテンシャ
ル法を用いて求めることを特徴としている。また、前記
サブゴール候補は、2つのサブゴールを結ぶ任意曲線を
適宜2分割する点とすることを特徴としている。また、
前記干渉が検出された場合のサブゴール候補は、それぞ
れのロボット回避方向について連続した非干渉サブゴー
ル候補の個数が大きな回避方向から順に適当な数サブゴ
ールを設定することを特徴としている。また、ロボット
および作業環境の幾何モデルを入力する手段と、前記幾
何モデルを記憶する手段と、ロボットのスタートおよび
ゴール配置を入力する手段と、前記幾何モデル記憶手段
を利用したロボットと環境との干渉検査手段と、前記幾
何モデル記憶手段および前記干渉検査手段を利用したサ
ブゴールの有向グラフ生成手段と、サブゴール間距離を
評価するサブゴール間距離評価手段と、前記サブゴール
の有向グラフ生成手段によって生成されたサブゴール有
向グラフと前記サブゴール間距離評価手段を用いてスタ
ート配置からゴール配置へ至るサブゴール系列を複数組
生成しそれらをソートするサブゴール系列生成・ソート
手段と、前記サブゴール系列生成・ソート手段によって
得られた複数組のサブゴール系列から1つのサブゴール
系列を選択するサブゴール系列選択手段と、前記サブゴ
ール系列選択手段から得られるサブゴール系列から隣接
する2つのサブゴールを選択する隣接サブゴール選択手
段と、前記隣接サブゴール選択手段から得られる2つの
隣接サブゴールを包含する局所配置空間を生成する配置
空間局所化手段と、前記局所配置空間内において、前記
隣接サブゴールまたはサブゴール近傍を通過する微少間
隔経路を探索する局所配置空間内経路探索手段と、前記
局所配置空間内で隣接サブゴールまたはサブゴール近傍
を通過する経路の有無を判定する経路存在判定手段と、
探索された微少間隔経路を記憶する経路記憶手段と、記
憶された微少間隔経路を出力する経路出力手段とを備え
ている。
SUMMARY OF THE INVENTION In order to solve the above-mentioned problems, the present invention examines a geometric model of a robot and a work environment and a geometric model means on a computer which describes the arrangement of the robot and an interference between the models. When the start and goal positions of the robot are given, the robot and the obstacles in the work environment do not interfere with each other, and the robot's motion path from the start position to the goal position is determined. In the planning method, a start arrangement is defined as a start subgoal, a goal arrangement is defined as an end subgoal, and a point that divides a straight line path in a work space or an arrangement space connecting the start subgoal and the end subgoal of the robot into two is defined as a first subgoal candidate. Are represented as subgoals a and b, and a work space or an arrangement space connecting the subgoals a and b. The point at which the straight line path is divided into two is represented as a candidate for subgoal 1 as a new candidate for subgoal, and the interference between the robot and the obstacle in the candidate for subgoal 1 is inspected using the geometric model unit and the interference inspection unit. If no interference is detected in subgoal candidate 1, subgoal candidate 1 is replaced with new subgoal c.
As a result, a directed graph describing the connection relation of the subgoals represented by a → c → b is generated, and when an interference is detected in the subgoal candidate 1, a plurality of predetermined robot avoiding operation directions are determined from the subgoal candidate 1. Interference inspection is performed at a plurality of points where the robot is moved at appropriate distance intervals, and from the points where no interference is detected in each of the avoiding operation directions or some of them, a new subgoal d1, d2, d3,... are selected one by one, and a → d1 → b, a → d2 → b, a → d3 →
b,... recursively repeat the procedure for generating the directed graph of the subgoals represented by b,... until the distance between the subgoals becomes equal to or less than a predetermined value, and from the starting subgoal to the ending subgoal using the directed graph of the subgoals. It is characterized in that a plurality of subgoal paths to be reached, that is, a plurality of subgoal sequences are planned. Further, the present invention is characterized in that candidates for the avoiding operation direction of the robot are set using heuristics according to the work content, the work environment, and the structure of the robot. In addition, a path that passes through each subgoal or in the vicinity of each subgoal in the subgoal sequence is obtained at smaller intervals by using a graph search method in a discretized arrangement space. Further, continuous subgoals in the subgoal sequence are defined as sbn-1 and sbn-1.
bn, sbn + 1, when searching for a minutely spaced path from the vicinity of the subgoal sbn-1 to the vicinity of the subgoal sbn, the discretized local arrangement space including sbn-1 and sbn, and the center of sbn Set the neighborhood area as
The discretized cell to be searched is cp, and the distance between points x and y is d.
(X, y), when arbitrary real positive numbers are represented as a, b, and c,
a × d (sbn-1, cp) + b × d (cp, sbn) + c
× d (cp, sbn + 1) as an evaluation function, the discretized cell having the smaller evaluation function value is preferentially searched in the discretized local allocation space, and the search path of the discretized cell is the subgoal s
sbn and sn
discretized local configuration space containing bn + 1, and sbn + 1
Is newly set, and a route to the vicinity of sbn + 1 is similarly searched based on the evaluation function. Further, a route passing through each subgoal in the subgoal series or near each subgoal is
A local potential field based on the artificial potential function expressed as the sum of the attractive force acting on the robot from the next subgoal, the repulsive force acting on the robot from obstacles near the current subgoal, and the repulsive force for keeping the robot within its motion range It is characterized in that it is obtained at smaller intervals using the method. Further, the sum of the distances between the subgoals included in a plurality of sets of subgoals from the start arrangement to the goal arrangement of the robot is used as an evaluation function. One subgoal sequence is selected in order from the highest subgoal sequence, and a small interval path passing through each subgoal or in the vicinity of each subgoal in the selected subgoal sequence is obtained. If it is determined that the route does not exist in the local configuration space including the two subgoals, or if the route is not found within a certain period of time, the next higher priority is given to the two adjacent subgoals. A subgoal sequence that does not include the subgoal sequence is selected. The procedure for obtaining the is characterized by repeating from the start arranged to find a very small distance path to the goal arrangement, or a certain time. Or, for an articulated robot manipulator with a wrist and a hand, search for each subgoal in the subgoal sequence or a minute interval path passing near each subgoal, and for the position of the wrist point, search for a graph in the discretized placement space The method is characterized in that a hand posture based on a coordinate system fixed to a wrist point using a method is obtained by using a local potential method. Further, the subgoal candidate is characterized in that an arbitrary curve connecting the two subgoals is divided into two points as appropriate. Also,
As for the subgoal candidates when the interference is detected, an appropriate number of subgoals are set in order of the avoidance direction in which the number of consecutive non-interference subgoal candidates in each robot avoidance direction is large. Means for inputting a geometric model of the robot and the work environment; means for storing the geometric model; means for inputting the start and goal arrangement of the robot; and interference between the robot and the environment using the geometric model storage means. An inspection unit, a subgoal directed graph generation unit using the geometric model storage unit and the interference inspection unit, an inter-subgoal distance evaluation unit that evaluates a distance between subgoals, and a subgoal directed graph generated by the subgoal directed graph generation unit. A plurality of subgoal sequence generation / sorting means for generating and sorting a plurality of subgoal sequences from a start arrangement to a goal arrangement using the inter-subgoal distance evaluation means, and a plurality of subgoal series obtained by the subgoal sequence generation / sorting means One subgoal system from the series Subgoal sequence selecting means for selecting a subgoal sequence, an adjacent subgoal selecting means for selecting two adjacent subgoals from the subgoal sequence obtained from the subgoal sequence selecting means, and a local area including two adjacent subgoals obtained from the adjacent subgoal selecting means. An arrangement space localizing means for generating an arrangement space; a path search means in the local arrangement space for searching for a minutely spaced path passing through the adjacent subgoal or the vicinity of the subgoal in the local arrangement space; Route existence determining means for determining whether there is a route passing through the subgoal or near the subgoal,
A route storage means for storing the searched minutely-spaced path and a path output means for outputting the stored minutely-spaced path are provided.

【0006】上記構成によれば、隣接するサブゴール
a、bの直線経路を2分割するサブゴール候補1を、干
渉が検出されない場合は新たなサブゴールcとしてa→
c→bのサブゴール有向グラフを作成し、干渉が検出さ
れた場合は予め定められた複数のロボット回避方向にお
ける複数点で干渉検査を行い、干渉が検出されない点の
中から新たなサブゴールd1 、d2 、d3 ・・・を1つ
づつ選んで、a→d1 →b、a→d2 →b、a→d3 →
b、・・・というサブゴール有向グラフを作成して、始
端サブゴールから終端サブゴールへ至るサブゴール系列
を複数組計画する。これら複数のサブゴール系列の中か
ら、最も小さい距離和等から選ばれたサブゴール系列に
おけるサブゴールあるいは各サブゴール近傍を通過する
経路を、離散化された位置空間におけるグラフ探索手法
により、離散化セル単位の、より微小間隔で詳細に求め
ることによって、終端サブゴールまでの経路を高速、実
用的に求めることが可能になる。あるいは、このように
離散化された位置空間内の離散化セル単位の微小間隔経
路の求め方についても、単に各サブゴールを経由する微
小間隔経路を求めるのではなく、今、サブゴール系列内
の連続するサブゴールを、sbn-1 、sbn 、sbn+1
とした場合に、サブゴールsbn-1 近傍から、サブゴー
ルsbn 近傍へ微小間隔経路を探索する際に、sbn-1
、sbn を含む離散化された局所配置空間とsbn を
中心とした近傍領域を設定し、探索される離散化セルを
cp、点x−yの距離d、任意の実数をa、b、cとし
て、 a×d(sbn-1 、cp)+b×d(cp、sbn )+
c×d(cp、sbn+1 ) を評価関数として、この評価関数が小さな離散化セルを
優先的に探索することによって、終端サブゴールまでの
距離和がより小さく、滑らかな経路を得ることができ
る。あるいは、このようなサブゴール系列内の微小間隔
経路を、これまでのC空間離散化法ではなく、局所ポテ
ンシャル法により求めることも可能であり、この場合は
C空間離散化法と同様に比較的距離の短い2つのサブゴ
ールを包含する局所C空間に探索範囲を限定することに
よって、より精細な経路探索を行うことができる。ある
いは、経路が見つからない場合の判定と経路変更につい
ては、優先順位の高いサブゴール系列から順に1つサブ
ゴール系列を選択し、選択されたサブゴール系列内の各
サブゴール、若しくは各サブゴール近傍を通過する微小
間隔経路を求めるような場合に、あるサブゴール近傍か
ら次のサブゴール近傍へ至る経路が、その2つのサブゴ
ールを包含する局所配置空間内では存在しないと判明し
た場合、又は一定時間内に経路が見つからない場合は、
次に優先順位が高いサブゴール系列を選出して微小間隔
経路を求める手続きを繰り返すので、無駄な探索を省い
て効率的で高速な経路探索を実現できる。あるいは、3
次元作業空間における多関節マニピュレータの回避動作
方向を設定するような場合にも、水平面内の4方向と鉛
直方向の5つの方向等に、ハンド先端位置あるいは手首
点位置が沿うように、C空間において経路探索法を適用
することによって、有効に経路の探索空間を削減し、高
速に回避動作経路を求めることが可能である。
According to the above configuration, the subgoal candidate 1 that divides the straight path of the adjacent subgoals a and b into two is set as a new subgoal c if no interference is detected.
A subgoal directed graph of c → b is created, and when interference is detected, an interference test is performed at a plurality of points in a plurality of predetermined robot avoidance directions, and new subgoals d1, d2,. d3 ... one by one, a → d1 → b, a → d2 → b, a → d3 →
A subgoal directed graph b,... is created, and a plurality of sets of subgoal sequences from the start subgoal to the end subgoal are planned. From the plurality of subgoal sequences, the path that passes through the subgoal or the vicinity of each subgoal in the subgoal sequence selected from the smallest sum of distances is calculated by a graph search method in the discretized position space, by discretized cell unit, By obtaining the details in smaller intervals, the route to the terminal subgoal can be obtained at high speed and practically. Alternatively, a method of obtaining a minutely spaced path in units of discretized cells in the position space discretized in this manner is not simply a method of finding a minutely spaced path passing through each subgoal. The subgoals are sbn-1, sbn, sbn + 1
When searching for a minutely spaced route from the vicinity of the subgoal sbn-1 to the vicinity of the subgoal sbn, sbn-1
, Sbn and a nearby area centered on sbn are set, and the discretized cell to be searched is cp, the distance d between points xy, and any real numbers are a, b, and c. , A × d (sbn−1, cp) + b × d (cp, sbn) +
By using c × d (cp, sbn + 1) as an evaluation function, this evaluation function preferentially searches for a small discretized cell, whereby a sum of distances to the terminal subgoals is smaller and a smooth path can be obtained. . Alternatively, the minute interval path in such a subgoal sequence can be obtained by the local potential method instead of the conventional C-space discretization method. By limiting the search range to a local C space that includes two subgoals of short, a more precise route search can be performed. Alternatively, for determination when a route is not found and route change, one subgoal sequence is selected in order from the subgoal sequence having the highest priority, and a minute interval passing through each subgoal in the selected subgoal sequence or near each subgoal is selected. When finding a route, if it is determined that the route from the vicinity of one subgoal to the vicinity of the next subgoal does not exist in the local layout space including the two subgoals, or if the route is not found within a certain time Is
Since the procedure for selecting a subgoal sequence having the next highest priority and obtaining a minutely-interval route is repeated, an efficient and high-speed route search can be realized without useless search. Or 3
Even when setting the avoiding operation direction of the articulated manipulator in the three-dimensional work space, in the C space, the hand tip position or the wrist point position is along the four directions in the horizontal plane and the five directions such as the vertical direction. By applying the route search method, it is possible to effectively reduce the search space of the route and quickly obtain the avoidance operation route.

【0007】[0007]

【発明の実施の形態】(第1の実施の形態)以下、本発
明の第1の実施の形態について図を参照して説明する。
図1は本発明の第1の実施の形態に係るロボットの動作
経路計画装置のブロック図である。図2は図1に示すサ
ブゴール有向グラフ生成手続きのフローチャートであ
る。図3は図1に示すサブゴール有向グラフ生成過程の
説明図である。図4は図1に示すサブゴール有向グラフ
生成手段により生成されたサブゴール有向グラフを示す
図である。図5は図1に示す局所配置空間内経路探索に
より求める微小間隔経路の説明図である。図6は図1に
示すロボットが2自由ロボットの場合のC空間を示す図
である。先ず、本実施の形態の基本構成について、図6
を用いて説明する。図6(a)は2次元作業空間内の2
自由度マニピュレータ、図6(b)は2次元作業空間内
の2自由度移動ロボットを表している。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS (First Embodiment) A first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram of a robot motion path planning device according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a flowchart of the subgoal directed graph generation procedure shown in FIG. FIG. 3 is an explanatory diagram of the subgoal directed graph generation process shown in FIG. FIG. 4 is a diagram showing a subgoal directed graph generated by the subgoal directed graph generation means shown in FIG. FIG. 5 is an explanatory diagram of the minute interval route obtained by the route search in the local arrangement space shown in FIG. FIG. 6 is a diagram showing C space when the robot shown in FIG. 1 is a two-robot robot. First, the basic configuration of the present embodiment will be described with reference to FIG.
This will be described with reference to FIG. FIG. 6 (a) shows two-dimensional work space.
FIG. 6B illustrates a two-degree-of-freedom mobile robot in a two-dimensional work space.

【0008】図6(a)および(b)において、701
は2自由度マニピュレータ、702はそのエンドエフェ
クタ、703は2自由度移動ロボットを示している。7
04は作業空間における障害物である。2自由度ロボッ
トエンドエフェクタ702の位置、移動ロボット703
の位置をp(x, y)と表す。また、マニピュレータ7
01の第1、2関節角度をそれぞれq1,q2 と表す。図
6(c)の705は2自由度マニピュレータ701の関
節空間、すなわちC空間を表している。また、移動ロボ
ット703のC空間は(x, y)であるが、どちらも同
じ2次元C空間であり、図6(c)はマニピュレータ、
移動ロボットの区別なく任意の2自由度ロボットのC空
間を表すものとする。図6(c)において、706、7
07はそれぞれロボットのスタート配置S、ゴール配置
Gを表している。以下、本実施の形態は、一般的に図6
(a)および(b)のようなロボットと作業環境の幾何
学情報、スタート配置S、ゴール配置Gが与えられたと
き、SからGへ至る非干渉経路を計画する方法およびそ
の装置を扱うものである。
In FIGS. 6A and 6B, 701
Denotes a two-degree-of-freedom manipulator, 702 denotes its end effector, and 703 denotes a two-degree-of-freedom mobile robot. 7
04 is an obstacle in the work space. Position of 2-DOF robot end effector 702, mobile robot 703
Is represented as p (x, y). In addition, the manipulator 7
The first and second joint angles of 01 are represented by q1 and q2, respectively. Reference numeral 705 in FIG. 6C represents a joint space of the two-degree-of-freedom manipulator 701, that is, a C space. The C space of the mobile robot 703 is (x, y), but both are the same two-dimensional C space, and FIG. 6C shows a manipulator,
It represents the C space of an arbitrary two-degree-of-freedom robot without distinction between mobile robots. In FIG. 6C, 706, 7
Reference numeral 07 denotes a start arrangement S and a goal arrangement G of the robot. Hereinafter, this embodiment is generally described with reference to FIG.
(1) A method and apparatus for planning a non-interference path from S to G when given geometric information of a robot and a work environment, a start arrangement S, and a goal arrangement G as shown in (a) and (b). It is.

【0009】図1において、101はスタート、ゴール
配置入力手段であり、図6に示したようなスタート配置
S、ゴール配置G等を入力する手段である。以下、ここ
に述べる各手段は計算機上に設定される機能である。1
02はロボット、環境モデル入力手段で、図6に示すよ
うにロボットと作業環境の幾何学情報等を入力する手段
である。104はロボットと作業環境の幾何学形状を記
述した幾何モデルを記憶する記憶手段、105は干渉検
査手段であって、記憶手段104の幾何モデラを参照し
てモデル同士の干渉の有無を判定する計算機上の判定手
段である。107はサブゴール間の距離を判定するサブ
ゴール間距離評価手段であり、103は干渉検査手段1
05とサブゴール間距離評価手段107の評価を基に始
端サブゴールSから終端サブゴールGまでのサブゴール
有向グラフを生成するサブゴール有向グラフ生成手段で
ある。106はサブゴール系列生成・ソート手段であっ
て、サブゴール有向グラフ生成手段103によって生成
されたサブゴール有向グラフより、幾つかのサブゴール
系列を計算機上に実現して、始端サブゴールS〜終端サ
ブゴールGまでの距離和の小さい順にソートを行う。1
08はサブゴール系列選択手段で、例えば、ソート順に
サブゴール系列を選択し取り出す。109は隣接サブゴ
ール選択手段であって、サブゴール系列選択手段108
で選択されたサブゴール系列内の隣接する2つのサブゴ
ールをスタート配置から順に選択する。110は配置空
間局所化手段であって、C空間離散化法による微小間隔
経路探索のための局所離散化C空間を設定する。111
は局所配置空間内経路探索手段であり、局所離散化C空
間内において微小間隔経路探索を行う。112は経路存
在判定手段で、微小間隔経路探索の結果、微小間隔経路
が存在するかなどを判定する。113は経路記憶手段
で、得られた探索経路を記憶している。114は経路出
力手段であり、記憶手段113に保持する経路を要求に
応じて出力する。
In FIG. 1, reference numeral 101 denotes a start / goal arrangement input means for inputting a start arrangement S, a goal arrangement G and the like as shown in FIG. Hereinafter, each means described here is a function set on the computer. 1
Numeral 02 denotes a robot / environment model input means for inputting geometric information of the robot and the working environment as shown in FIG. Numeral 104 denotes a storage unit for storing a geometric model describing the geometrical shapes of the robot and the work environment. Numeral 105 denotes an interference inspection unit, which refers to a geometric modeler of the storage unit 104 and determines whether or not there is interference between the models. The above determination means. 107 is an inter-subgoal distance evaluation means for determining the distance between the sub-goals, and 103 is an interference inspection means 1
Subgoal directed graph generation means for generating a subgoal directed graph from the start subgoal S to the end subgoal G based on the evaluation by the subgoal distance evaluation means 107 and the subgoal distance evaluation means 107. Reference numeral 106 denotes a subgoal sequence generating / sorting unit. The subgoal directed graph generated by the subgoal directed graph generating unit 103 realizes some subgoal sequences on a computer, and calculates the sum of distances from the starting subgoal S to the ending subgoal G. Sort in ascending order. 1
08 is a subgoal sequence selecting means, for example, selecting and extracting subgoal sequences in the sort order. 109 is an adjacent subgoal selecting means, which is a subgoal sequence selecting means 108.
The two adjacent subgoals in the subgoal sequence selected in are selected in order from the start arrangement. Reference numeral 110 denotes an arrangement space localizing means for setting a local discretized C space for searching a minutely spaced path by the C space discretization method. 111
Is a route search means in the local arrangement space, and performs a minute interval route search in the local discretized C space. Reference numeral 112 denotes a route existence determination unit that determines whether a minute interval route exists as a result of the minute interval route search. A route storage unit 113 stores the obtained search route. Reference numeral 114 denotes a route output unit which outputs a route held in the storage unit 113 in response to a request.

【0010】つぎに動作について説明する。図3は本発
明による(障害物回避)動作経路計画方法におけるサブ
ゴール有向グラフの生成過程を説明している図である。
図3において、301は2次元C空間、302、303
はそれぞれロボットのスタート配置S、ゴール配置Gを
示している。スタート配置S、ゴール配置Gをそれぞれ
始端サブゴールS、終端サブゴールGと表現し、以降、
便宜上サブゴールとして扱う。先ず、図3(a)におい
て、始端サブゴールS、終端サブゴールGを結ぶ直線の
中点をサブゴール候補304とし、ロボットと作業環境
の幾何学的形状を記述した計算機上の幾何モデル記憶手
段104と、モデル同士の干渉を判定する計算機上の干
渉検査手段105を用いて、サブゴール候補304にお
けるロボットと作業環境との干渉を検査する。サブゴー
ル有向グラフ生成手段103は、サブゴール候補304
において干渉が検出されなかった場合は、図3(b)に
示すように、サブゴール候補304をサブゴール305
(以降、a0 と表す)とし、サブゴールの有向グラフS
→a0→Gを生成する。サブゴール候補304におい
て、干渉が検出された場合、その点から複数のロボット
回避動作方向に沿って新たなサブゴール候補を複数設定
する。図3(c)において306は干渉が検出されたサ
ブゴール候補、307、308はロボットの回避動作方
向を示している。307a、307b、307cはロボ
ット回避動作方向307に沿ったサブゴール候補を、3
08a、308b、308cはロボット回避動作方向3
08に沿ったサブゴール候補を示している。そして、サ
ブゴール候補307a、307b、307c、および3
08a、308b、308cにおける干渉を検査し、干
渉が検出されなかったサブゴール候補の中から、それぞ
れのロボット回避動作方向に対して、新たなサブゴール
を1つ設定する。図3(d)において、309はロボッ
ト動作回避方向307に沿った新たなサブゴールb0
を、310はロボット動作回避方向308に沿った新た
なサブゴールc0 を示している。新たなサブゴールb0,
c0 に対して、サブゴールの有向グラフS→b0 →Gお
よびS→c0 →Gを生成する。以上の手続を任意の隣接
する2つのサブゴールに対して、各サブゴール間の距離
が一定値以下になるまで、再帰的に繰り返す。図4に
は、以上の手続の再帰的繰り返しによって得られたサブ
ゴールの有向グラフを表している。図4において、40
1、402、403はそれぞれ2次元C空間、始端サブ
ゴールS、終端サブゴールGである。404は各サブゴ
ールである。図4では、特に符合をつけていないが、4
04と同様の記号は全てサブゴールを表している。サブ
ゴール有向グラフはサブゴール有向グラフ生成手段10
3により、連結リストや配列などのデータ構造により計
算機上に実現することができる。また、図3および図4
では、2つのサブゴールを結ぶC空間での直線の中点を
サブゴール候補としているが、作業空間における直線の
中点をサブゴール候補としてもよい。更には、2つのサ
ブゴールを結ぶ任意曲線を適当に2分割する点をサブゴ
ール候補としてもよい。図3(c)では、ロボット回避
動作方向307、308に沿ったサブゴール候補を等間
隔で設定しているが、適当な間隔でサブゴール候補を設
定してもよい。また、必ずしも複数のロボット回避動作
方向全てに対して、サブゴールを設定しなくてもよい。
例えば、それぞれのロボット動作回避方向に沿ったサブ
ゴール候補について干渉検査を行う際、それぞれの回避
方向について、干渉の検出されなかったサブゴール候補
が連続していくつあるかを調べ、連続した非干渉サブゴ
ール候補の個数が大きな回避方向から順に、適当な数、
サブゴールを設定するようしてもよい。また、図3およ
び図4ではサブゴール間を結ぶC空間での直線に対して
垂直な方向に2つロボット回避動作方向を設定している
が、他の適当な基準やアルゴリズムに基づいて、任意個
数、任意方向に回避動作を決定してもよい。
Next, the operation will be described. FIG. 3 is a view for explaining a process of generating a subgoal directed graph in the (obstruction avoidance) motion path planning method according to the present invention.
In FIG. 3, reference numeral 301 denotes a two-dimensional C space;
Indicates a start arrangement S and a goal arrangement G of the robot, respectively. The start arrangement S and the goal arrangement G are expressed as a start subgoal S and an end subgoal G, respectively.
Treated as a subgoal for convenience. First, in FIG. 3A, the middle point of a straight line connecting the start subgoal S and the end subgoal G is set as a subgoal candidate 304, and a geometric model storage unit 104 on a computer that describes the geometrical shapes of the robot and the work environment. The interference between the robot and the work environment in the subgoal candidate 304 is inspected by using the interference inspection means 105 on the computer that determines the interference between the models. The subgoal digraph generation means 103 generates a subgoal candidate 304
If no interference is detected in the subgoal candidate 304, as shown in FIG.
(Hereinafter referred to as a0) and the directed graph S of the subgoal
→ a0 → G is generated. When interference is detected in the subgoal candidate 304, a plurality of new subgoal candidates are set from that point along a plurality of robot avoiding operation directions. In FIG. 3C, reference numeral 306 denotes a candidate for a subgoal in which interference has been detected, and reference numerals 307 and 308 denote directions of the robot's avoidance operation. 307a, 307b, and 307c indicate subgoal candidates along the robot avoiding motion direction 307 as 3
08a, 308b, 308c are robot avoiding motion directions 3
Subgoal candidates along 08 are shown. Then, the subgoal candidates 307a, 307b, 307c, and 3
The interference at 08a, 308b, and 308c is inspected, and one new subgoal is set for each robot avoiding operation direction from the subgoal candidates for which no interference was detected. In FIG. 3D, reference numeral 309 denotes a new subgoal b0 along the robot operation avoiding direction 307.
310 indicates a new subgoal c0 along the robot operation avoiding direction 308. New subgoal b0,
For c0, a directed graph S → b0 → G and S → c0 → G of the subgoal are generated. The above procedure is recursively repeated for any two adjacent subgoals until the distance between the subgoals becomes equal to or smaller than a certain value. FIG. 4 shows a directed graph of subgoals obtained by recursive repetition of the above procedure. In FIG.
1, 402, and 403 are a two-dimensional C space, a starting subgoal S, and an end subgoal G, respectively. 404 is each subgoal. In FIG. 4, no particular reference is given,
All symbols similar to 04 represent subgoals. The subgoal directed graph is a subgoal directed graph generator 10.
According to 3, it can be realized on a computer by a data structure such as a linked list or an array. 3 and 4
Although the midpoint of the straight line in the C space connecting the two subgoals is set as the subgoal candidate, the midpoint of the straight line in the work space may be set as the subgoal candidate. Further, a point that arbitrarily divides an arbitrary curve connecting two subgoals into two may be used as a subgoal candidate. In FIG. 3C, the subgoal candidates along the robot avoiding operation directions 307 and 308 are set at equal intervals, but the subgoal candidates may be set at appropriate intervals. Also, it is not always necessary to set subgoals for all of the plurality of robot avoiding motion directions.
For example, when performing an interference test on subgoal candidates along each robot movement avoiding direction, for each avoiding direction, check how many consecutive subgoal candidates for which no interference was detected are found, and then select a continuous non-interfering subgoal candidate. The appropriate number,
A subgoal may be set. Also, in FIGS. 3 and 4, two robot avoiding motion directions are set in a direction perpendicular to a straight line in the C space connecting the subgoals, but any number of robot avoiding motion directions may be set based on other appropriate criteria or algorithms. Alternatively, the avoidance operation may be determined in any direction.

【0011】図2は以上のサブゴール有向グラフ生成手
続のフローチャートを示す。図2において、以上のサブ
ゴール有向グラフ生成手続きを反芻すると、スタート配
置S・ゴール配置Gを入力して(S200)、サブゴー
ル有向グラフ生成手段103によるサブゴール有向グラ
フの作成を開始する(S201)。サブゴール間距離評
価手段107の間隔評価に基づき各サブゴールの間隔を
確認し(S202〜S204)。一定距離以上間隔があ
れば新たにサブゴール候補を作成して(S205)、干
渉検査手段105による干渉チェックを行い(S20
6)、非干渉が確認されたら新サブゴールとして追加し
(S209)、サブゴール有向グラフを作成して(S2
01)、サブゴール間の間隔を確認し(S202〜20
4)、一定距離以下になったら終了する(S210)。
一方、S206の干渉チェックで干渉が確認されたら、
回避方向のサブゴール候補を作成して(S207)、改
めて干渉チェックとサブゴール選択を行う(S20
8)。次に、以上の手続によって得られたサブゴール有
向グラフを用いて、始端サブゴールSから終端サブゴー
ルGへ至るサブゴール経路(サブゴール系列)を求め
る。図4の例では、サブゴール系列は以下の5つある。
サブゴール系列は、各サブゴールの関節角を要素に持つ
連結リストによって計算機上に実現できる。 (1)S→・・・→d1 →・・・→b0 →・・・→f1 →h1 →G (2)S→・・・→d1 →・・・→b0 →・・・→f1 →i1 →G (3)S→・・・→e1 →・・・→b0 →・・・→f1 →h1 →G (4)S→・・・→e1 →・・・→b0 →・・・→f1 →i1 →G (5)S→・・・→c0 →j1 →g1 →・・・ →G 上の式(1)〜(5)に示したようなサブゴール系列連
結リストを求める際、サブゴール系列生成・ソート手段
106により、サブゴール間の距離和を計算する。各サ
ブゴール系列の距離和とそれぞれのサブゴール系列連結
リストの先頭要素へのポインタを要素として持つヘッダ
ー連結リストを別に作成する。その距離和が小さい順に
ヘッダー連結リストをソートすることにより、距離和が
小さいサブゴール系列から順にデータを取り出すことが
できる。次に、サブゴール間距離和の最も小さなサブゴ
ール系列に対して、配置空間局所化手段110と局所配
置空間内経路探索手段111により、図5に示すような
各サブゴール間を結ぶ微少間隔経路をC空間離散化法に
基づいて求める。図5において、602はスタート配
置、すなわち始端サブゴールである。603a、603
b、603cはそれぞれ連続するサブゴールsb1 、s
b2 、sb3 である。601はsb1 、sb2 を包含す
る離散化された局所C空間である。601における微少
な正方形それぞれが離散化セルである。あるサブゴール
(sb1 )から次のサブゴール(sb2 )への経路を、
局所離散化C空間601内の各離散化セルにおいて、逐
次、ロボットと作業環境の干渉を検査しながらA*など
のグラフ探索手法を用いて探索する。604は探索され
た経路を示している。経路がサブゴールsb2 に到達し
た時点で、サブゴールsb2 とつぎのサブゴールsb3
を包含する局所離散化C空間を新たに設定し直し、サブ
ゴールsb3へ至る微少間隔経路を同様にして探索す
る。局所離散化C空間内601の全てのセルを探索して
も、または、一定時間探索しても、その局所離散化C空
間内のサブゴールsb1 から次のサブゴールsb2 への
経路が見つからない場合、その2つのサブゴール系列を
含まず、前述した距離和が、つぎに小さなサブゴール系
列をサブゴール系列連結リストから選びだし、同様に微
少間隔経路を求めていく。この手続をスタート配置Sか
らゴール配置Gへ至る微少間隔経路が求まるまで、ある
いは一定時間繰り返す。このようにして、一定時間バッ
クトラッキングを繰り返しても、スタート配置Sからゴ
ール配置Gへ至る微少間隔経路が見つからない場合、ま
たは、全てのサブゴール系列に対して、微少間隔経路探
索に失敗した場合は、経路存在判定手段113は経路が
存在しないものと判断する。
FIG. 2 shows a flowchart of the above-described subgoal directed graph generation procedure. In FIG. 2, when the above-described subgoal directed graph generation procedure is disregarded, the start arrangement S and the goal arrangement G are input (S200), and the creation of the subgoal directed graph by the subgoal directed graph generation means 103 is started (S201). The interval between each subgoal is confirmed based on the interval evaluation by the inter-subgoal distance evaluation means 107 (S202 to S204). If there is an interval equal to or more than a predetermined distance, a new subgoal candidate is created (S205), and interference check is performed by the interference inspection means 105 (S20).
6) If non-interference is confirmed, it is added as a new subgoal (S209), and a subgoal directed graph is created (S2).
01), and confirm the interval between the subgoals (S202-20)
4), when the distance becomes equal to or less than the certain distance, the process is terminated (S210).
On the other hand, if interference is confirmed in the interference check in S206,
A subgoal candidate in the avoiding direction is created (S207), and interference check and subgoal selection are performed again (S20).
8). Next, a subgoal path (subgoal sequence) from the starting subgoal S to the ending subgoal G is obtained using the subgoal directed graph obtained by the above procedure. In the example of FIG. 4, there are the following five subgoal sequences.
The subgoal sequence can be realized on a computer by a linked list having the joint angle of each subgoal as an element. (1) S → ・ ・ ・ → d1 → ・ ・ ・ → b0 → ・ ・ ・ → f1 → h1 → G (2) S → ・ ・ ・ → d1 → ・ ・ ・ → b0 → ・ ・ ・ → f1 → i1 → G (3) S → ・ ・ ・ → e1 → ・ ・ ・ → b0 → ・ ・ ・ → f1 → h1 → G (4) S → ・ ・ ・ → e1 → ・ ・ ・ → b0 → ・ ・ ・ → f1 → i1 → G (5) S → ... → c0 → j1 → g1 → ... → G When obtaining a subgoal sequence linked list as shown in the above equations (1) to (5), a subgoal sequence is generated. The sum of distances between subgoals is calculated by the sorting means 106. A header linked list having, as elements, a distance sum of each subgoal series and a pointer to the head element of each subgoal series linked list is created. By sorting the header linked list in ascending order of the distance sum, data can be taken out in order from the subgoal sequence having the smallest distance sum. Next, for the subgoal sequence having the smallest sum of the distances between subgoals, the arrangement space localization means 110 and the path search means 111 in the local arrangement space form a small interval path connecting the subgoals as shown in FIG. Determined based on the discretization method. In FIG. 5, reference numeral 602 denotes a start arrangement, that is, a starting subgoal. 603a, 603
b and 603c are continuous subgoals sb1 and sb, respectively.
b2 and sb3. Reference numeral 601 denotes a discretized local C space including sb1 and sb2. Each of the minute squares in 601 is a discretized cell. The route from one subgoal (sb1) to the next subgoal (sb2)
In each discretized cell in the local discretized C space 601, a search is performed sequentially using a graph search method such as A * while checking interference between the robot and the work environment. 604 indicates the searched route. When the route reaches the subgoal sb2, the subgoal sb2 and the next subgoal sb3
Is newly set again, and the minute interval path to the subgoal sb3 is searched in the same manner. Even if all the cells in the local discretized C space 601 are searched or a search is performed for a fixed time, if a path from the subgoal sb1 to the next subgoal sb2 in the local discretized C space cannot be found, The subgoal sequence that does not include the two subgoal sequences and has the next smaller sum of distances is selected from the subgoal sequence linked list, and the minute interval path is similarly obtained. This procedure is repeated until a very small interval path from the start arrangement S to the goal arrangement G is determined or for a predetermined time. In this way, even if the backtracking is repeated for a certain period of time, if the minute interval path from the start arrangement S to the goal arrangement G is not found, or if the minute interval path search fails for all subgoal sequences, The route existence determining means 113 determines that the route does not exist.

【0012】(第2の実施の形態)次に、本発明の第2
の実施の形態について図を参照して説明する。図7は本
発明の第2の実施の形態に係るC空間離散化法による微
小間隔経路の探索過程を示す図である。前実施の形態に
示したようなサブゴール系列は、各サブゴール付近の方
向を辿っていけば、ゴール配置に効率的に到達できる可
能性が高いということを示しているだけであるから、各
サブゴールを経由する微少間隔経路を求める必然性はあ
まりない。また、経路が滑らかにならない場合が多くな
る。そこで、第2の実施の形態では、図7に示すよう
に、局所離散化C空間内のサブゴールsb1 、sb2 そ
れぞれを中心とする近傍領域605a、605bを設定
し、各サブゴール近傍領域を通過する微少間隔経路を探
索するように構成している。今、サブゴールsbn-1 近
傍から、サブゴールsbn 近傍への微少間隔経路を探索
する際、オープンされる離散化セルをcpとすると、 f(cp)=d(sbn-1,cp)+2×d(cp, sbn ) +d(cp, sbn+1 ) ・・・・(6) を評価関数として、上記評価関数値が小さな離散化セル
を優先的に探索する。ここで、d(x, y)は点xから
点yまでの距離を表す。離散化セルの探索経路がサブゴ
ールsbn の近傍領域に侵入した時点で、sbn および
sbn+1 を包含する局所離散化C空間を新たに設定し直
し、sbn+1 近傍への経路を式(6)の評価関数に基づ
いて同様に探索する。ただし、終端Gについては近傍領
域を設定しない。このようにして、終端サブゴールまで
の距離和が改善され、より滑らかな経路が得られる。
(Second Embodiment) Next, a second embodiment of the present invention will be described.
The embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 7 is a diagram showing a process of searching for a minute interval path by the C space discretization method according to the second embodiment of the present invention. The subgoal series as shown in the previous embodiment merely indicates that if the direction near each subgoal is traced, it is highly likely that the goal arrangement can be efficiently reached. There is not much need to find a micro-interval route through. In addition, there are many cases where the route is not smooth. Therefore, in the second embodiment, as shown in FIG. 7, neighboring areas 605a and 605b centered on each of the subgoals sb1 and sb2 in the locally discretized C space are set, and minute areas passing through the respective subgoal neighboring areas are set. It is configured to search for an interval route. Now, when searching for a micro-interval route from the vicinity of the subgoal sbn-1 to the vicinity of the subgoal sbn, assuming that the discretized cell to be opened is cp, f (cp) = d (sbn-1, cp) + 2 × d ( cp, sbn) + d (cp, sbn + 1)... (6) is used as an evaluation function, and a discretized cell having a small evaluation function value is preferentially searched. Here, d (x, y) represents the distance from point x to point y. When the search path of the discretized cell enters the area near the subgoal sbn, the local discretized C space including sbn and sbn + 1 is newly set, and the path to the vicinity of sbn + 1 is expressed by Equation (6). Is similarly searched based on the evaluation function of. However, no neighborhood area is set for the terminal G. In this way, the sum of distances to the terminal subgoal is improved, and a smoother path is obtained.

【0013】(第3の実施の形態)次に、本発明の第3
の実施の形態について説明する。第3の実施の形態は、
前実施の形態がC空間離散化法を用いて探索したのに対
し、局所ポテンシャル法により求めるものである。始端
サブゴールから終端サブゴールへ至るサブゴール系列内
の各サブゴール、または各サブゴール近傍領域を通過す
る微少間隔経路を局所ポテンシャル法により求めるに
は、C空間離散化法ベースの上記方法と同様に、2つの
サブゴールを包含する局所C空間を設定し、そのなかで
の経路をより精細に探索する。ポテンシャルフィールド
法は、目標配置以外のポテンシャル極小点に経路が落ち
込む問題が指摘されているが、本発明による方式では、
この問題をうまく回避できる場合がある。つまり、比較
的距離の短い2つのサブゴールを包含する局所C空間に
探索範囲を限定することによって、局所ポテンシャル関
数の極小値が発生する可能性が低くなる。しかも、各サ
ブゴール近傍を通過する経路を探索することにより、た
とえ、ポテンシャル極小値が存在しても、その極小値が
目標のサブゴール近傍領域内にあれば、その極小値は問
題にならない。なぜなら、目標のサブゴール近傍領域に
到達した時点で、そのつぎのサブゴールを新たな目標と
して、ポテンシャル関数を再定義して経路を探索するか
らである。このようにして局所ポテンシャル法を有効に
導入できる。
(Third Embodiment) Next, a third embodiment of the present invention will be described.
An embodiment will be described. In the third embodiment,
In contrast to the search performed in the previous embodiment using the C-space discretization method, the search is performed using the local potential method. In order to find the sub-goals in the subgoal sequence from the starting subgoal to the ending subgoal, or the minutely spaced paths passing through each subgoal neighboring area by the local potential method, two subgoals are used in the same manner as the above method based on the C space discretization method. Is set, and a path in the local C space is searched more finely. In the potential field method, a problem has been pointed out that the path drops to a potential minimum point other than the target arrangement, but in the method according to the present invention,
Sometimes this problem can be avoided. In other words, by limiting the search range to a local C space that includes two subgoals that are relatively short in distance, the possibility that a local minimum value of the local potential function occurs is reduced. In addition, by searching for a route passing near each subgoal, even if a potential minimum exists, if the minimum is in the area near the target subgoal, the minimum does not matter. This is because, when the target sub-goal is reached, the next subgoal is used as a new target, and the potential function is redefined to search for a route. In this way, the local potential method can be effectively introduced.

【0014】(第4の実施の形態)次に、本発明の第4
の実施の形態について図を参照して説明する。図8は本
発明の第4の実施の形態に係る6自由度マニピュレータ
の作業環境を示す図である。第1の実施の形態における
図3、4では、簡便さのため、2自由度ロボットを例に
とって説明したが、2自由度以上の多自由度ロボットに
ついて、同様にしてサブゴールの有向グラフを求めるこ
とができる。図8(a)は3次元作業空間における多関
節マニピュレータを示している。図8(a) におい
て、501a、501b、501c、501d、501
e、501fはそれぞれ、多関節マニピュレータの肩、
上腕、肘、前腕、手首、ハンドを示している。また、5
02は作業台、503は作業台502上の障害物であ
る。図5(b)において、510は多関節マニピュレー
タのベース座標系、511は手首点501eをxy平面
内に投射した点Wpを示している。ベース座標510の
Z正方向は鉛直上方向に一致している。つまりxy平面
は水平面である。 ピックアンドプレース作業などハン
ドリング作業の多くは、図8( a) に示すように作業
台は水平に設置され、マニピュレータは鉛直に設置され
ている。そして、障害物も鉛直に設定されている場合が
多い。このような場合におけるマニピュレータの回避動
作は、矢印504に示す鉛直上方向回り、505に示す
マニピュレータベースに対する内回り(水平面内)、5
06に示す同外回りの3つのパターン、および水平面内
における時計回り、反時計回りに限定しても、実用上問
題ない場合が多い。そこで、上記パターン分類に基づい
てロボット回避動作方向を設定する。図8(b)におい
て、507はZ軸正方向、508aはベクトルWpO方
向、508bはベクトルOWp方向である。509a、
509bは水平面内における直線OWpに対して垂直な
2方向である。この水平面内の4方向と鉛直上向の5つ
の方向に、ハンド先端位置あるいは手首点位置が沿うよ
うに、C空間においてロボット回避動作方向を設定す
る。このように、作業内容や作業環境およびロボットの
構造を利用したヒューリスティックス(すなわち、経験
によって得られる、状況に応じた知識)に基づき、ロボ
ットの回避動作方向を予め定めておくことにより、経路
の探索空間を大幅に削減し、高速に経路を求めることが
可能となる。
(Fourth Embodiment) Next, a fourth embodiment of the present invention will be described.
The embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 8 is a diagram showing a working environment of a 6-DOF manipulator according to the fourth embodiment of the present invention. In FIGS. 3 and 4 of the first embodiment, a two-degree-of-freedom robot has been described as an example for simplicity. However, for a multi-degree-of-freedom robot having two or more degrees of freedom, a subgoal directed graph can be similarly obtained. it can. FIG. 8A shows an articulated manipulator in a three-dimensional working space. In FIG. 8A, 501a, 501b, 501c, 501d, 501
e and 501f are the shoulders of the articulated manipulator,
The upper arm, elbow, forearm, wrist, and hand are shown. Also, 5
02 is a work table, and 503 is an obstacle on the work table 502. In FIG. 5B, reference numeral 510 denotes a base coordinate system of the articulated manipulator, and 511 denotes a point Wp at which the wrist point 501e is projected on the xy plane. The positive Z direction of the base coordinates 510 coincides with the vertically upward direction. That is, the xy plane is a horizontal plane. In many handling operations such as pick-and-place operations, as shown in FIG. 8A, the work table is installed horizontally, and the manipulator is installed vertically. In many cases, obstacles are also set vertically. In such a case, the avoiding operation of the manipulator is performed in the vertical upward direction indicated by an arrow 504, the inner rotation (within a horizontal plane) with respect to the manipulator base indicated by an arrow 505, 5.
Even if it is limited to the three outer circumferential patterns shown in FIG. 06 and clockwise and counterclockwise in the horizontal plane, there is often no practical problem. Therefore, the robot avoiding operation direction is set based on the pattern classification. In FIG. 8B, reference numeral 507 denotes a positive Z-axis direction, reference numeral 508a denotes a vector WpO direction, and reference numeral 508b denotes a vector OWp direction. 509a,
509b are two directions perpendicular to the straight line OWp in the horizontal plane. The robot avoiding operation direction is set in the space C such that the hand tip position or the wrist point position is along the four directions in the horizontal plane and the five directions vertically upward. As described above, the route search is performed by preliminarily determining the avoiding operation direction of the robot based on heuristics (that is, knowledge according to the situation obtained through experience) using the work content, the work environment, and the structure of the robot. The space can be greatly reduced, and a route can be obtained at high speed.

【0015】(第5の実施の形態)次に、本発明の第5
の実施の形態について図を参照して説明する。図8に示
したような6自由度マニピュレータの場合、以上説明し
たように、まず、サブゴール系列を求め、各サブゴー
ル、あるいは各サブゴール近傍を経由する微少間隔経路
を、手首点位置経路に対してはC空間離散化法で、マニ
ピュレータの手首点座標系を基準にしたハンド姿勢経路
に対しては局所ポテンシャル法で求めるようにして、2
方式併用により相乗効果が期待できる。
(Fifth Embodiment) Next, a fifth embodiment of the present invention will be described.
The embodiment will be described with reference to the drawings. In the case of the six-degree-of-freedom manipulator as shown in FIG. 8, as described above, first, a subgoal sequence is obtained, and a minute interval path passing through each subgoal or the vicinity of each subgoal is determined for the wrist point position path. In the C space discretization method, the hand posture path based on the wrist point coordinate system of the manipulator is obtained by the local potential method so that 2
A synergistic effect can be expected by combining the methods.

【0016】[0016]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
スタート配置を始端サブゴール、ゴール配置を終端サブ
ゴールとし、ロボットの始端サブゴールと終端サブゴー
ルを結ぶ作業空間あるいは配置空間における直線経路を
2分割する点を最初のサブゴール候補とし、隣接するサ
ブゴールをサブゴールa、bと表し、その間を結ぶ作業
空間あるいは配置空間における直線経路を2分割する点
をサブゴール候補1と表して新たなサブゴールの候補と
し、サブゴール候補1においてロボットと障害物との干
渉を幾何モデル手段と干渉検査手段を用いて検査し、サ
ブゴール候補1ににおいて干渉が検出されなかった場
合、サブゴール候補1を新たなサブゴールcとして、a
→c→bで表されるサブゴールの接続関係を記述する有
向グラフを生成し、サブゴール候補1において干渉が検
出された場合はサブゴール候補1から、予め定めた複数
のロボット回避動作方向それぞれに適当な距離間隔でロ
ボットを移動させた複数の点において干渉検査を行い、
それぞれの回避動作方向、あるいはその内の幾つかに対
して、干渉が検出されない点の中から新たなサブゴール
d1 、d2 、d3 、・・・を1つづつ選び、a→d1 →
b、a→d2 →b、a→d3 →b、・・・で表されるサ
ブゴールの有向グラフを生成する手続を、各サブゴール
間の距離が予め定めた値以下になるまで、再帰的に繰り
返し、サブゴールの有向グラフを用いて、始端サブゴー
ルから終端サブゴールへ至るサブゴール経路、すなわち
サブゴール系列を複数組計画するように構成し、更に各
サブゴール間を結ぶ経路、あるいは各サブゴール近傍を
通過する経路を、C空間離散化法を用いて、より微少間
隔で求めるように構成しているため、探索空間が大幅に
抑制され、探索効率が向上し、3次元作業空間における
自由度の大きな多関節マニピュレータに対しても高速で
実用的な経路計画が実現できるという効果がある。
As described above, according to the present invention,
The start arrangement is defined as the start subgoal, the goal arrangement is defined as the end subgoal, a point that divides a straight path in the work space or the arrangement space connecting the start and end subgoals of the robot into two is defined as the first subgoal candidate, and the adjacent subgoals are defined as subgoals a and b. A point that divides a straight path in the work space or the placement space connecting the two into two is represented as a subgoal candidate 1 and is set as a new subgoal candidate, and the interference between the robot and the obstacle in the subgoal candidate 1 interferes with the geometric model means. Inspection is performed using the inspection means, and if no interference is detected in subgoal candidate 1, subgoal candidate 1 is set as a new subgoal c and a
A directed graph describing the connection relation of the subgoals represented by → c → b is generated, and if interference is detected in the subgoal candidate 1, an appropriate distance from the subgoal candidate 1 in each of a plurality of predetermined robot avoiding motion directions is set. Interference inspection is performed at multiple points where the robot is moved at intervals,
For each of the avoiding motion directions or some of them, new subgoals d1, d2, d3,... Are selected one by one from points at which no interference is detected, and a → d1 →
b, a → d2 → b, a → d3 → b,... recursively repeat a procedure for generating a directed graph of subgoals until the distance between the subgoals becomes equal to or less than a predetermined value. By using a directed graph of subgoals, a subgoal path from a starting subgoal to an end subgoal, that is, a plurality of sets of subgoal sequences is planned, and a path connecting between subgoals or a path passing in the vicinity of each subgoal is defined in C space. The search space is greatly suppressed, the search efficiency is improved, and the articulated manipulator with a large degree of freedom in the three-dimensional work space is configured because the search space is calculated at a finer interval using the discretization method. There is an effect that a high-speed and practical route plan can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施の形態に係るロボットの動
作経路計画装置のブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram of a motion path planning device for a robot according to a first embodiment of the present invention.

【図2】図1に示すサブゴール有向グラフ生成手続きの
フローチャートである。
FIG. 2 is a flowchart of a subgoal directed graph generation procedure shown in FIG. 1;

【図3】図1に示すサブゴール有向グラフ生成過程の説
明図である。
FIG. 3 is an explanatory diagram of a subgoal directed graph generation process shown in FIG. 1;

【図4】図1に示すサブゴール有向グラフ生成手段によ
り生成されたサブゴール有向グラフを示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing a subgoal directed graph generated by the subgoal directed graph generation means shown in FIG. 1;

【図5】図1に示す局所配置空間内経路探索により求め
る微小間隔経路の説明図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram of a minute interval route obtained by searching for a route in the local arrangement space shown in FIG. 1;

【図6】図1に示すロボットが2自由度ロボットの場合
のC空間を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing a C space when the robot shown in FIG. 1 is a two-degree-of-freedom robot.

【図7】本発明の第2の実施の形態に係るC空間離散化
法による微小間隔経路の探索過程を示す図である。
FIG. 7 is a diagram showing a process of searching for a minute interval path by a C-space discretization method according to the second embodiment of the present invention.

【図8】本発明の第4の実施の形態に係る6自由度マニ
ピュレータの作業環境を示す図である。
FIG. 8 is a diagram illustrating a working environment of a six-degree-of-freedom manipulator according to a fourth embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101 スタート・ゴール配置入力手段 102 ロボット・作業環境の幾何モデル入力手段 103 サブゴール有向グラフ生成手段 104 幾何モデル記憶手段 105 干渉検査手段 106 サブゴール系列生成・ソート手段 107 サブゴール間距離評価手段 108 サブゴール系列選択手段 109 隣接サブゴール選択手段 110 配置空間局所化手段 111 局所配置空間内経路探索手段 112 経路存在判定手段 113 経路記憶手段 114 経路出力手段 301 C空間 302 スタート配置 303 ゴール配置 304 302と303を結ぶ直線経路を2分割するサ
ブゴール候補 305 302と303を結ぶ直線経路を2分割するサ
ブゴール 306 干渉が検出されたサブゴール候補 307 ロボット回避動作方向 307a、b、c ロボット回避動作方向307に沿っ
たサブゴール候補 308 ロボット回避動作方向 308a、b、c ロボット回避動作方向308に沿っ
たサブゴール候補 309 ロボット回避動作方向307から選択されたサ
ブゴール 310 ロボット回避動作方向308から選択されたサ
ブゴール 401 C空間 402 スタート配置 403 ゴール配置 404 サブゴール 501a マニピュレータの肩 501b マニピュレータの上腕 501c マニピュレータの肘 501d マニピュレータの前腕 501e マニピュレータの手首 501f マニピュレータのハンド 502 作業台 503 障害物 504 鉛直上回りの障害物回避経路 505 マニピュレータに対して内回りの水平面内障害
物回避経路 506 マニピュレータに対して外回りの水平面内障害
物回避経路 507 鉛直上方向のマニピュレータ回避動作方向 508a WpO方向のマニピュレータ回避動作方向 508b OWp方向のマニピュレータ回避動作方向 509a、b WpOに対して垂直かつ水平平面内のマ
ニピュレータ回避動作方向 510 マニピュレータのベース座標系 511 マニピュレータ手首点を水平面(XY平面)に
投影した点Wp 601 局所離散化C空間 602 スタート配置 603a、b、c サブゴールsb1 、sb2 、sb3 604 探索された離散化経路 605a、b サブゴール603a、bの近傍領域 701 2次元作業空間における2自由度マニピュレー
タ 702 2次元作業空間における2自由度マニピュレー
タのエンドエフェクタ 703 2次元作業空間における2自由度移動ロボット 704 障害物 705 C空間 706 スタート配置 707 ゴール配置
101 Start / Goal Arrangement Input Means 102 Robot / Work Environment Geometric Model Input Means 103 Subgoal Directed Graph Generation Means 104 Geometric Model Storage Means 105 Interference Inspection Means 106 Subgoal Sequence Generation / Sorting Means 107 Subgoal Distance Evaluation Means 108 Subgoal Sequence Selection Means 109 Adjacent subgoal selection means 110 Layout space localization means 111 Local layout space route search means 112 Route existence determination means 113 Route storage means 114 Route output means 301 C space 302 Start layout 303 Goal layout 304 A straight route connecting 302 and 303 is defined as 2 Subgoal candidate to be divided 305 Subgoal to divide the straight path connecting 302 and 303 into two 306 Subgoal candidate in which interference is detected 307 Robot avoiding operation direction 307a, b, c Robot Subgoal candidate along the avoiding motion direction 307 Robot avoiding motion direction 308 a, b, c Subgoal candidate along the robot avoiding motion direction 309 Subgoal selected from the robot avoiding motion direction 307 Selected from the robot avoiding motion direction 308 Subgoal 401 C space 402 Start arrangement 403 Goal arrangement 404 Subgoal 501a Manipulator shoulder 501b Manipulator upper arm 501c Manipulator elbow 501d Manipulator forearm 501e Manipulator wrist 501f Manipulator hand 502 Work table 503 Obstacle path 504 Obstacle obstacle 504 505 Obstacle avoidance route in horizontal plane inward for manipulator 506 Obstacle avoidance route in horizontal plane outward for manipulator 507 Manipulator avoiding operation direction in the vertical upward direction 508a Manipulator avoiding operation direction in the WpO direction 508b Manipulator avoiding operation direction in the OWp direction 509a, b Manipulator avoiding operation direction in a horizontal plane perpendicular to WpO 510 Base coordinate system of manipulator 511 manipulator Point Wp 601 at which the wrist point is projected on the horizontal plane (XY plane) Localized discretized C space 602 Start arrangement 603a, b, c Subgoals sb1, sb2, sb3 604 Searched discretized paths 605a, b Neighboring areas of subgoals 603a, b 701 Two-degree-of-freedom manipulator in two-dimensional workspace 702 End-effector of two-degree-of-freedom manipulator in two-dimensional workspace 703 Two-degree-of-freedom mobile robot in two-dimensional workspace 704 Obstacle 705 Space 706 start arrangement 707 goals arrangement

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5H004 GA29 GB16 HA07 HB07 JA03 KA71 KD70 LA18 MA36 5H269 AB33 BB05 BB13 BB14 CC09 DD05 NN16 NN17  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 5H004 GA29 GB16 HA07 HB07 JA03 KA71 KD70 LA18 MA36 5H269 AB33 BB05 BB13 BB14 CC09 DD05 NN16 NN17

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ロボットと作業環境の幾何学的形状およ
びそれらの配置を記述した計算機上の幾何モデル手段
と、モデル同士の干渉を検査する計算機上の干渉検査手
段と、を利用し、ロボットのスタートおよびゴール配置
が与えられたときロボットと作業環境内の障害物とが干
渉を起こさずにスタート配置からゴール配置へ至るロボ
ットの動作経路を計画する動作経路計画方法において、 スタート配置を始端サブゴール、ゴール配置を終端
サブゴールとし、ロボットの始端サブゴールと終端サブ
ゴールを結ぶ作業空間あるいは配置空間における直線経
路を2分割する点を最初のサブゴール候補とし、 隣接するサブゴールをサブゴールa、bと表し、該
サブゴールa、b間を結ぶ作業空間あるいは配置空間に
おける直線経路を2分割する点をサブゴール候補1と表
して新たなサブゴールの候補とし、前記サブゴール候補
1においてロボットと障害物との干渉を前記幾何モデル
手段と干渉検査手段とを用いて検査し、 (i) 前記サブゴール候補1において干渉が検出され
なかったときは、サブゴール候補1を新たなサブゴール
cとして、a→c→bで表されるサブゴールの接続関係
を記述する有向グラフを生成し、 (ii)前記サブゴール候補1において干渉が検出されたと
きは、前記サブゴール候補1から、予め定めた複数のロ
ボット回避動作方向それぞれに適当な距離間隔でロボッ
トを移動させた複数の点において干渉検査を行い、それ
ぞれの前記回避動作方向あるいはその内の幾つかに対し
て、干渉が検出されない点の中から新たなサブゴールd
1 、d2 、d3 、・・・を1つづつ選び、a→d1 →
b、a→d2 →b、a→d3 →b、・・・で表されるサ
ブゴールの有向グラフを生成する手続を、各サブゴール
間の距離が予め定めた値以下になるまで、再帰的に繰り
返し、 前記サブゴールの有向グラフを用いて始端サブゴー
ルから終端サブゴールへ至るサブゴール経路、すなわち
サブゴール系列を複数組計画することを特徴とするロボ
ットの動作経路計画方法。
The present invention utilizes a geometric model on a computer which describes the geometrical shapes of a robot and a work environment and their arrangement, and an interference inspection unit on a computer for inspecting interference between the models. A motion path planning method for planning a motion path of a robot from a start position to a goal position without causing interference between a robot and an obstacle in a work environment when a start position and a goal position are given. The goal arrangement is defined as an end subgoal, a point that divides a straight line path in a work space or an arrangement space connecting a start end subgoal and an end subgoal of a robot into two is defined as an initial subgoal candidate, and adjacent subgoals are expressed as subgoals a and b. Points that divide the straight line path into two in the work space or layout space connecting A candidate for a new subgoal is represented as a goal candidate 1, and the interference between the robot and the obstacle is inspected in the subgoal candidate 1 by using the geometric model means and the interference inspection means. Is not detected, a directed graph describing the connection relation of the subgoals represented by a → c → b is generated using the subgoal candidate 1 as a new subgoal c, and (ii) interference is detected in the subgoal candidate 1 When the sub-goal candidate 1 is checked, an interference test is performed at a plurality of points at which the robot has been moved at appropriate distance intervals in each of the plurality of predetermined robot avoiding operation directions, and each of the avoiding operation directions or the For some of the cases, a new subgoal d
1, d2, d3, ... one by one, a → d1 →
b, a → d2 → b, a → d3 → b,... recursively repeat a procedure for generating a directed graph of subgoals until the distance between the subgoals becomes equal to or less than a predetermined value. A motion path planning method for a robot, comprising planning a plurality of subgoal paths from a starting subgoal to an end subgoal, that is, a plurality of subgoal sequences, using the directed graph of the subgoals.
【請求項2】 請求項1記載のロボットの動作経路計画
方法において、作業内容、作業環境やロボットの構造に
応じたヒューリスティックスを用いて、ロボットの回避
動作方向の候補を設定することを特徴とするロボットの
動作経路計画方法。
2. The robot motion path planning method according to claim 1, wherein a candidate for the avoiding motion direction of the robot is set using heuristics according to the work content, the work environment, and the structure of the robot. Robot path planning method.
【請求項3】 請求項1又は2記載のロボットの動作経
路計画方法において、前記サブゴール系列内の各サブゴ
ールあるいは各サブゴール近傍を通過する経路を、離散
化された配置空間におけるグラフ探索手法を用いて、よ
り微少間隔で求めることを特徴とするロボットの動作経
路計画方法。
3. The robot motion path planning method according to claim 1, wherein a path passing through each subgoal or each subgoal in the subgoal sequence is graph-searched in a discretized arrangement space. A motion path planning method for a robot, wherein the motion path is determined at smaller intervals.
【請求項4】 請求項3記載のロボットの動作経路計画
方法において、 前記サブゴール系列内の連続するサブゴールをsb
n-1 、sbn 、sbn+1 と表したとき、サブゴールsb
n-1 近傍からサブゴールsbn 近傍への微少間隔経路を
探索する際、sbn-1 、sbn を包含する離散化された
局所配置空間、およびsbn を中心とした近傍領域を設
定し、 探索される離散化セルをcp、点x、y間の距離を
d(x、y)、任意の実正数をa、b、cと表したと
き、 {a×d(sbn-1,cp)+b×d(cp, sbn )+
c×d(cp, sbn+1 )}を評価関数とし、 前記評価関数値が小さな離散化セルを前記離散化
局所配置空間内で優先的に探索し、 離散化セルの探索経路がサブゴールsbn の前記近
傍領域に侵入した時点でsbn およびsbn+1 を包含す
る離散化局所配置空間、およびsbn+1 を中心とする近
傍領域を新たに設定し、 sbn+1 近傍への経路を前記評価関数に基づいて同
様に探索することを特徴とするロボットの動作経路計画
方法。
4. The robot motion path planning method according to claim 3, wherein successive subgoals in the subgoal sequence are represented by sb.
When expressed as n-1, sbn, sbn + 1, the subgoal sb
When searching for a minutely spaced route from the neighborhood of n-1 to the neighborhood of the subgoal sbn, a discretized local arrangement space including sbn-1 and sbn, and a neighborhood area centered on sbn are set. A × d (sbn−1, cp) + b × d, where cp is a transformed cell, d (x, y) is the distance between points x and y, and a, b, and c are any real positive numbers. (Cp, sbn) +
c × d (cp, sbn + 1)} is used as an evaluation function, and a discretized cell having a small evaluation function value is preferentially searched in the discretized local allocation space, and a search path of the discretized cell is a subgoal sbn At the time of entering the neighborhood, a discretized local arrangement space including sbn and sbn + 1, and a neighborhood near the sbn + 1 are newly set, and a path to the neighborhood of sbn + 1 is set to the evaluation function. A motion path planning method for a robot, wherein a similar search is performed based on the same.
【請求項5】 請求項1又は2記載のロボットの動作経
路計画方法において、 前記サブゴール系列内の各サブゴール、あるいは各サブ
ゴール近傍を通過する経路を、つぎのサブゴールからロ
ボットに作用する引力、現在のサブゴール近傍に存在す
る障害物からロボットに作用する斥力、ロボットを動作
範囲内に留めるための斥力の和で表される人工ポテンシ
ャル関数に基づく局所ポテンシャルフィールド法を用い
て、より微少間隔で求めることを特徴とするロボットの
動作経路計画方法。
5. The robot motion path planning method according to claim 1, wherein each of the subgoals in the subgoal sequence or a path passing near each subgoal is drawn from the next subgoal to an attractive force acting on the robot. Using the local potential field method based on the artificial potential function represented by the sum of the repulsive force acting on the robot from obstacles near the subgoal and the repulsive force to keep the robot within the motion range, it is necessary to find it at smaller intervals. Characteristic robot motion path planning method.
【請求項6】 請求項1〜5のいずれか1項記載のロボ
ットの動作経路計画方法において、 前記ロボットのスタート配置からゴール配置へ至る
複数組のサブゴール系列に含まれる各サブゴール間距離
の和を評価関数として、前記評価関数値の小さなサブゴ
ール系列から順に優先順位を高く設定し、 優先順位の高いサブゴール系列から順に1つサブゴ
ール系列を選択し、 選択されたサブゴール系列内の各サブゴール、ある
いは各サブゴール近傍を通過する微少間隔経路を求め、 その際、あるサブゴール近傍からつぎのサブゴール
近傍へ至る経路が該2つのサブゴールを包含する局所配
置空間内では存在しないと判明した場合、または一定時
間内に前記経路が見つからない場合には、つぎに前記優
先順位が高く、隣接する前記2つのサブゴールを含まな
いサブゴール系列を選出し、 そのサブゴール系列に対して微少間隔経路を同様に
求める手続を、スタート配置からゴール配置へ至る微少
間隔経路が見つかるまで、または一定時間繰り返すこ
と、 を特徴とするロボットの動作経路計画方法。
6. The robot motion path planning method according to claim 1, wherein a sum of distances between subgoals included in a plurality of sets of subgoal sequences from a start arrangement to a goal arrangement of the robot is calculated. As the evaluation function, a higher priority is set in order from the subgoal sequence having the smaller evaluation function value, one subgoal sequence is selected in order from the subgoal sequence having the higher priority, and each subgoal in the selected subgoal sequence or each subgoal is selected. A micro-interval route that passes through the neighborhood is obtained, and at this time, when it is determined that a route from the vicinity of one subgoal to the vicinity of the next subgoal does not exist in the local layout space including the two subgoals, or within a predetermined time, If no route is found, then the priority is higher and the two adjacent subgoals are A procedure for selecting a subgoal sequence not included and repeating the procedure for obtaining a minutely spaced route for the subgoal sequence in the same manner until a minutely spaced route from the start arrangement to the goal arrangement is found or for a certain period of time. Motion path planning method.
【請求項7】 請求項6記載のロボットの動作経路計画
方法において、手首とハンドを持つ多関節ロボットマニ
ピュレータに対して、サブゴール系列内の各サブゴール
あるいは各サブゴール近傍を通過する微少間隔経路を、 手首点位置に関しては、離散化された配置空間にお
けるグラフ探索手法を用いて求め、 手首点に固定された座標系を基準にしたハンド姿勢
に関しては、局所ポテンシャル法を用いて求めること、 を特徴とするロボットの動作経路計画方法。
7. The robot motion path planning method according to claim 6, wherein the articulated robot manipulator having a wrist and a hand is provided with a wrist and a small interval path passing through each subgoal in the subgoal sequence or near each subgoal. The point position is obtained using a graph search method in a discretized arrangement space, and the hand posture based on a coordinate system fixed to a wrist point is obtained using a local potential method. Robot path planning method.
【請求項8】 前記サブゴール候補は、2つのサブゴー
ルを結ぶ任意曲線を2分割する点とすることを特徴とす
る請求項1記載のロボットの動作経路計画方法。
8. The robot motion path planning method according to claim 1, wherein the subgoal candidate is a point obtained by dividing an arbitrary curve connecting the two subgoals into two.
【請求項9】 前記干渉が検出された場合のサブゴール
候補は、それぞれのロボット回避方向について連続した
非干渉サブゴール候補の個数が大きな回避方向から順に
適当な数サブゴールを設定することを特徴とする請求項
1又は2記載のロボットの動作経路計画方法。
9. The subgoal candidate when the interference is detected, sets an appropriate number of subgoals in order from the avoidance direction in which the number of consecutive non-interference subgoal candidates in each robot avoidance direction is large. Item 3. The method for planning a motion path of a robot according to item 1 or 2.
【請求項10】 ロボットおよび作業環境の幾何モデル
を入力する手段と、前記幾何モデルを記憶する手段と、
ロボットのスタートおよびゴール配置を入力する手段
と、前記幾何モデル記憶手段を利用したロボットと環境
との干渉検査手段と、前記幾何モデル記憶手段および前
記干渉検査手段を利用したサブゴールの有向グラフ生成
手段と、サブゴール間距離を評価するサブゴール間距離
評価手段と、前記サブゴールの有向グラフ生成手段によ
って生成されたサブゴール有向グラフと前記サブゴール
間距離評価手段を用いてスタート配置からゴール配置へ
至るサブゴール系列を複数組生成しそれらをソートする
サブゴール系列生成・ソート手段と、前記サブゴール系
列生成・ソート手段によって得られた複数組のサブゴー
ル系列から1つのサブゴール系列を選択するサブゴール
系列選択手段と、前記サブゴール系列選択手段から得ら
れるサブゴール系列から隣接する2つのサブゴールを選
択する隣接サブゴール選択手段と、前記隣接サブゴール
選択手段から得られる2つの隣接サブゴールを包含する
局所配置空間を生成する配置空間局所化手段と、前記局
所配置空間内において前記隣接サブゴールまたはサブゴ
ール近傍を通過する微少間隔経路を探索する局所配置空
間内経路探索手段と、前記局所配置空間内で隣接サブゴ
ールまたはサブゴール近傍を通過する経路の有無を判定
する経路存在判定手段と、探索された微少間隔経路を記
憶する経路記憶手段と、記憶された微少間隔経路を出力
する経路出力手段とを備えたことを特徴とするロボット
の動作経路計画装置。
10. A means for inputting a geometric model of a robot and a work environment; a means for storing the geometric model;
Means for inputting the start and goal arrangement of the robot, means for inspecting interference between the robot and the environment using the geometric model storage means, and means for generating a directed graph for subgoals using the geometric model storage means and the interference inspection means; A sub-goal distance estimating means for evaluating a distance between sub-goals; a plurality of sets of subgoal sequences from a start arrangement to a goal arrangement using a subgoal directed graph generated by the directed subgoal directed graph generation means and the subgoal distance evaluation means; Subgoal sequence generating / sorting means for sorting the subgoal sequence, subgoal sequence selecting means for selecting one subgoal sequence from a plurality of sets of subgoal sequences obtained by the subgoal sequence generating / sorting means, and subgoal obtained from the subgoal sequence selecting means series Subgoal selecting means for selecting two adjacent subgoals from the subgoal, layout space localizing means for generating a local layout space including two adjacent subgoals obtained from the adjacent subgoal selecting means, and A route search means in a local placement space for searching for a minutely spaced route passing through an adjacent subgoal or a vicinity of a subgoal; a route existence determining means for determining the presence or absence of a route passing in the local placement space in the vicinity of an adjacent subgoal or a subgoal; An operation path planning device for a robot, comprising: a path storage means for storing the stored micro-interval path; and a path output means for outputting the stored micro-interval path.
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