JP2000267719A - 実環境適応型ロボットの教示プログラム作成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 作成が容易で、ロボットの実環境の変化に対
しても適応できる教示プログラムを自動作成すること。 【解決手段】 接触による組立作業を仮想空間内でデモ
ンストレーションする。その教示情報に基づき、組立部
品と被組立部品との接触遷移情報を抽出し、組立部品と
被組立部品との接触状態をノードとし、両者の接触状態
間の遷移を中間表現と引数で表し、実環境のデータを計
測して中間プログラムの引数を計測データに基づく数値
に置き換えて、組み合わせることにより、実環境適応型
ロボット動作の教示プログラムを自動作成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、実環境適応型知能
ロボットの教示方法に関し、仮想空間における仮想作業
のデモンストレーションによる教示情報に基づいて、教
示プログラムを自動的に作成する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】組立作業用のロボットは人間の腕に相当
するマニピュプレータであり、機構も複雑な上に、その
位置、速度、力等のデータを正確に制御する必要があ
る。さらに、ネジ等の機械部分を組み付けるときには部
品と部品の接触状態を順を追って精密に変化させていか
なければならない。このため、人間が行えば容易にでき
るような組立作業でも、これを作業プログラムによりロ
ボットに行わせるようにすると大きな困難があった。

【０００３】人間が直接マニピュレータをマニュアルガ
イドでガイドして運動軌跡を教示し、さらに、専門のプ
ログラマが特定の作業毎に起こりうる全ての状況を想定
しながらプログラムを作成する必要があった。プログラ
ムで想定した状況と実際の状況が少しでも異なると、部
品同士の食いつき等の重大なエラーが起こり、作業の失
敗へとつながる。そのため、マニピュレータの動作環境
の徹底的な整備、現場における長時間にわたる調整作業
が不可能であった。これに対しプラント等での保守作業
は、工場でのような十分な環境設備が許されない未整備
環境下であり、短時間での作業の完了が求められる。ま
た、保守要員に対してこれらの高度なプログラミング技
術を習得することは困難である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の困難
性を克服することを目的としており、仮想空間内におい
て接触状態をもとにした仮想作業の教示をおこない、仮
想空間での教示情報をもとに実環境に適応可能な作業プ
ログラムに変換できるプログラムを自動生成し、計量
的、プログラム的、実環境適応性の困難性を克服した実
環境適応型ロボット教示のプログラム作成方法を提供す
るものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を解決するため
に、本発明は、接触状態の遷移による組立作業を仮想空
間内での仮想作業でその状態情報を教示し、教示された
状態情報をコンピュータに記録し解析することにより、
組立部品と被組立部品との接触情報を抽出し、組立部品
と被組立部品の接触情報の遷移を抽出し、引数による中
間表現で表し、状態遷移に相当する作業単位機能プログ
ラムを記憶装置より読み出して、組み合わせて、ロボッ
ト動作の教示プログラムを自動的に作成するものであ
る。

【０００６】組立作業の接触状態遷移による組立作業
は、組立部品の頂点と被組立部品の面との接触状態と、
組立部品の辺と被組立部品の面との接触状態と、組立部
品の面と被組立部品の面との接触状態と、組立部品の辺
と被組立部品の辺との接触状態と、組立部品の面と被組
立部品の頂点との接触状態と、組立部品の面と被組立部
品の辺との接触状態とを含み、これらの接触状態遷移の
組み合わせにもとづいて行うものである。上記中間表現
は、組立部品と被組立部品との接触状態をノードとし、
両者の接触状態間の遷移をアークとしたシーケンスとす
るものである。

【０００７】さらに、作業単位機能プログラムは、接触
状態遷移にあわせて突き当て（頂点−面、面−頂点、辺
−辺）、辺合わせ（辺−面、面−辺）、面合わせ（面−
面）の接触遷移の作業単位を実現するプログラムである

【０００８】

【発明の実施の態様】本発明の実施例を図面により説明
する。図１は本発明の方法を実施する装置例である。図
２は本発明のフロー例図である。１はマスターマニピュ
レータを操作するオペレータの手、２はオペレータの手
により仮想空間で組み立てデモンストレーション入力す
るためのマスターマニュプレータ等の操作入力装置、３
は環境幾何モデルおよび仮想空間での組立作業を表示す
る表示装置、４はキーボード、５はマウスで、入力装置
を構成する。

【０００９】６はコンピュータ、７ａは環境幾何モデル
データ記憶部、７ｂは組立物品の教示時刻、教示状態情
報を記憶する状態記憶部、７ｃは接触状態検出持の接触
状態を記憶する接触状態データ記憶部、７ｄは各時刻の
静止物体から見た相対的な位置、姿勢、接触関係にある
頂点、辺、面を記憶するパラメータデータ記憶部であ
る。７ｅは遷移接触作業の中間表現（引数）を記憶する
中間表現記憶部である。８はＣＡＤデータ記憶部、９は
単位機能プログラム記憶部、１０は実行プログラム記憶
部である。

【００１０】１１はプラント内の動作ロボット、１２は
スレーブマニピュレータ、１３はロボット１１のスレー
ブマニピュレータ１２およびロボットを駆動するための
駆動制御装置、１４はロボットの上部に設置環境モデリ
ング装置（例えば、レンジファインダー）である。２１
はプラント設備である組立部品、２２は被組立部品であ
る。１０は環境モデリング装置１４の環境幾何情報をコ
ンピュータ６に伝送し、ロボットの駆動制御装置１３に
ロボットの移動命令、スレーブマニピュレータ１２に駆
動情報を伝送する伝送線である。

【００１１】先ず、仮想教示作業を行う環境幾何モデ
ル、仮想空間の作成について説明する。（図２，ステッ
プＳ１） プラント内の保守作業を対象にする場合、保守対象の機
器に関してはＣＡＤデータ等から機器幾何モデルを作成
しておく。三角測量の原理を使用したレンジファインダ
によって、実環境の物体の面の三次元位置を測定して、
３次元スリット像（図３（ａ））を得る。この三次元ス
リット像に対応するＣＡＤ幾何モデルの位置・姿勢を同
定し、仮想空間を作成する（図３（ｂ））。

【００１２】機器の幾何モデルは各物体についてその見
える面によって見え方（アスペクト）で分類され、それ
ぞれのアスペクトについて位置と姿勢の同定に必要な面
の組み合わせが位置姿勢を精度良く決定できる順に、ツ
リー表現で記録されている。得られたレンジデータに対
応するアスペクトの面の組合わせをこのツリー表現から
選択し指定すると、レンジデータから幾何モデルの位置
姿勢が同定され、物体及び環境が仮想空間内に作成され
る。

【００１３】例えば、図３（ａ）のレンジデータでは物
体は図３（ｃ）の１番目のアスペクトに相当する見え方
をしており、他の物体等に隠さずに見えている面の組合
わせから、最も位置姿勢を制度良く決定できるツリー分
類の組合わせ（Ｒ１，Ｒ３）を選ぶことによって、物体
モデルの位置姿勢がレンジデータから決定される。位置
姿勢を同定したい物体の面が何か他の物体で隠れて見え
ない場合でも、見える面の組合わせの中から最も位置姿
勢を制度良く決定できる組合わせを選ぶことによって対
応できる。これらは環境幾何モデルデータ記憶部７ａに
記憶される。

【００１４】仮想空間における仮想作業教示によるプロ
グラム作成について説明する。図４は組立部品Ａを被組
立備品Ｂに組み立てる仮想組立作業による教示例を模式
的の表したものである。図４では、説明の都合上接触状
態の変化した場合だけを取り出してきて示してあるが、
実際の仮想作業中にはこれらをつなぐ一連の動作も表示
されている。

【００１５】表示装置３には、３画面と鳥瞰図によって
常に仮想作業中の組立部品Ａと被組立部品Ｂが、オペレ
ータの操作に応じて動くアニメーションとして表示され
ている。オペレータはそれを見ながら操作入力装置２
（マスターマニピュレータ）の先端を並進、回転しなが
ら操作し、仮想空間内の組立部品Ａの中心においた座標
系の位置姿勢を変化させる。これにより、組立部品Ａの
中心においた座標系の位置姿勢がコンピュータ６経由で
状態データ記憶部７ｂに記憶される。

【００１６】図４の例では、部品Ａは入力装置により図
４の１から一連の動作を経て、図４の６の最終状態に達
する。図４の２では、組立部品Ａの一つの頂点は被組立
部品Ｂの一つの面と（頂点−面）接触の接触状態（接触
変化）をなしている。コンピュータ６は仮想空間におけ
る部品の位置姿勢を計算機内の時刻ｔ０１，ｔ０２，ｔ
０３・・・・で状態データ記憶部７ｂに記録する（ステ
ップＳ３）。仮想空間内での組立部品Ａと被組立部品Ｂ
との接触は幾何的な演算をコンピュータ６で行うことに
より検出される（ステップＳ４）。

【００１７】この際、実世界と同じように組立部品Ａ
は、被組立部品Ｂに接触するとめり込まずにめり込む方
向には移動を停止し，オペレータのそのときの操作に応
じてそれに対応した動ける方向に滑動するようにシュミ
レータは作成されている。マスターマニピュレータ２の
オペレータの手１には被組立部品Ｂの反力が加わり視覚
とともに力感覚でもオペレータに接触状態を知らせる。

【００１８】接触状態の変化が仮想作業から検出される
と状態データ記憶部７ｂの状態検出時刻のリストには接
触状態のフラグが付される。次にその時刻の接触状態デ
ータ（例えば、図４の１から図４の２への接触状態遷移
の場合、組立部品Ａの接触頂点ｖ１，被組立部品Ｂの接
触面Ｆ１）がその時刻の組立部品Ａと被組立部品Ｂの幾
何モデルを用いた幾何計算より導出され、接触状態状態
データ記憶部７ｃに接触時刻ｔ１とともに記録される。
同時にそのときの被組立部品Ｂに対する組立部品Ａの相
対的な位置姿勢と幾何モデルのデータからスキルプリミ
ティブを与える各引数を計算する式をパラメータデータ
記憶部７ｄに記録する（ステップＳ５）。

【００１９】作業単位機能プログラム記憶部の読み出し
について説明するスキルプリミティブ対応表９ａは、接
触データ記憶部７ｃ、パラメータデータ記憶部７ｄに記
憶された頂点、辺、面等のすべてのデータを経時的を解
析し、特定の接触遷移とそれてを実現するスキルプリミ
ティブ（プログラム）とその引数とを組み合わせてたも
のとの対応表で、接触遷移を全て実現するためのスキル
プリミティブに対応している。接触状態遷移が検出され
ると、それに対応する各スキルプリミティブとその引数
（例えば，ｆ１）が選択され、中間表現記憶部７ｅに記
録される。その際、各スキルプリミティブの引数ｆ１の
関数（例えばｘ＋ｙ）が、同じ時刻のパラメータデータ
記憶部７ｄに記録される。状態データ記憶部７ｂに記憶
された同じ時刻のデータが引数の数値（例えばｘ（ｔ
１）、ｙ（ｔ１））に対応している。

【００２０】図４の例で、図４の２の次に接触遷移が起
こるのは図４の３である。表示装置３を見ながら、入力
装置２により組立部品Ａを接触頂点ｖ１を中心に回転さ
せて、時刻ｔ２で組立部品Ａの辺ｅｌ（頂点ｖ１，ｖ２
で表現）を被組立部品Ｂの面Ｆ１に（辺−面）接触させ
る。この際の仮想空間内での組立部品Ａと被組立部品Ｂ
との接触状態の遷移は幾何的な演算をコンピュータ６で
行うことにより検出される（ステップ４）。接触状態の
変化が仮想作業から検出されると、状態データ記憶部７
ｂの状態検出時刻のリストには接触状態変化のフラグが
付される。この時刻ｔ２の接触データ（組立部品Ａの辺
ｅ１と被組立部品の接触面Ｆ１との辺面接触）が、その
時刻の組立部品Ａと被組立部品Ｂの幾何モデルを用いた
幾何計算より導出され、接触状態データ記憶部７ｃに接
触時刻ｔ２とともに記憶される。同時にそのときの被組
立部品Ｂに対する組立部品Ａの相対的な位置姿勢と幾何
モデルのデータからスキルプリミティブに与える引数を
計算する式をパラメータデータ記憶部７ｄに記憶する
（ステップＳ５）。

【００２１】図４の例で、図４の３の次に接触状態遷移
が起こるのは、図４の４で、組立部品Ａの面ｆ１（頂点
ｖ１，ｖ２，ｖ３，ｖ４で表現）と被組立部品Ｂの面Ｆ
１とを（面−面）接触させる。次に接触遷移が起こるの
は図４の５で、組立部品Ａの面ｆ１（頂点ｖ１，ｖ２，
ｖ３，ｖ４で表現）と被組立部品Ｂの面Ｆ１の（面−
面）接触を維持しながら、組立部品Ａの辺ｅ２（頂点ｖ
１，ｖ５で表現）と被組立部品Ｂの面Ｆ２とを（辺−
面）接触させる。

【００２２】最後に、接触遷移が起こるのは、図４の６
で、組立部品Ａの面ｆ１（頂点ｖ１，ｖ２，ｖ３，ｖ４
で表現）と被組立部品Ｂの面Ｆ１の（面−面）接触を維
持しながら、組立部品Ａの面ｆ２（頂点ｖ１，ｖ５，ｖ
８，ｖ４で表現）と被組立部品Ｂの面Ｆ２とを（面−
面）接触させる。これらの全ての場合についても、仮想
空間内での組立部品Ａと被組立部品Ｂとの接触状態の遷
移は幾何的な演算をコンピュータ６で行うことにより検
出される（ステップＳ４）。接触状態の変化が仮想作業
から検出されると、状態データ記憶部７ｂの状態検出時
刻のリストには接触状態変化のフラグが付される。この
時刻の組立部品Ａと被組立部品Ｂの幾何モデルを用いた
幾何計算より導出され、接触状態データ記憶部７ｃにそ
の接触時刻とともに記録される。同時にそのときの被組
立部品Ｂに対する組立部品Ａの相対的な位置姿勢と幾何
モデルのデータからスキルプリティブに与える各引数を
計算する式をパラメータデータ記憶部７ｄに記録する。
（ステップＳ５）

【００２３】図５は図４の作業において接触状態検出時
刻ｔ１，ｔ２，ｔ３、ｔ４，ｔ５の時系列で接触状態デ
ータ記憶部７ｃに記憶された相対的な位置及び、姿勢の
接触状態リスト例である。

【００２４】図５の接触状態リストから図６の中間表現
を得る方法は次のとおりである。例えば、図５のはじめ
の接触遷移、（頂点−面）接触から（辺−面）接触に遷
移する場合、接触状態リストの内容同士、すなわち、
（（ｖ１［ｔ１］、Ｆ１［ｔ１］））との（（ｖ１［ｔ
２］，Ｆ１［ｔ２］）（ｖ２［ｔ２］，Ｆ１［ｔ２］）
（ｅ１［ｔ２］，Ｆ１［ｔ２］））との包含関係をチェ
ックする。図５には頂点に関するリストのみが書かれて
いるが、詳しくは上記のようになる。さて、集合演算に
より新たに加わった局所的な接触、維持された接触、失
われた接触が計算されて求まる。この場合は、集合演算
により、（（ｖ２［ｔ２］，Ｆ１［ｔ２］）（ｅ１［ｔ
２］，Ｆ１［ｔ２］））が新たに加わった局所的な接触
であることがわかる。これは、表１の12 3の遷移に対応
し、表２により、ir-rotate-to-level-4というスキルプ
リミティブが選択される。さらに（（ｖ１［ｔ１］，Ｆ
１［ｔ１］））が維持された局所的な接触である。これ
は、表１の11 3の遷移に対応し、表２により、ir-move&
press-6というスキルプリミティブが選択される。これ
らのスキルプリミティブが同時に適用されたものが、図
６の２番めのir-rotate-to-levelに対応している。

【００２５】

【表１】

【００２６】次に、（辺−面）接触から（面−面）接触
に遷移する場合、（（ｖ１［ｔ２］，Ｆ１［ｔ２］）
（ｖ２［ｔ２］，Ｆ１［ｔ２］）と（（ｖ１［ｔ３］，
Ｆ１［ｔ３］）（ｖ２［ｔ３］，Ｆ１［ｔ３］）（ｖ３
［ｔ３］，Ｆ１［ｔ３］）（ｖ４［ｔ３］，Ｆ１［ｔ
３］）（ｅ１［ｔ３］，Ｆ１［ｔ３］）（ｅ２［ｔ
３］，Ｆ１［ｔ３］）（ｅ３［ｔ３］，Ｆ１［ｔ３］）
（ｅ４［ｔ３］，Ｆ１［ｔ３］）（ｆ１［ｔ３］，Ｆ１
［ｔ３］））との包含関係をチェックする。この場合
は、集合演算により、（（ｖ３［ｔ３］，Ｆ１［ｔ
３］）（ｖ４［ｔ３］，Ｆ１［ｔ３］）（ｅ２［ｔ
３］，Ｆ１［ｔ３］）（ｅ３［ｔ３］，Ｆ１［ｔ３］）
（ｅ４［ｔ３］，Ｆ１［ｔ３］）（ｆ１［ｔ３］，Ｆ１
［ｔ３］））が新たに加わった局所的な接触であること
がわかる。これは、表１の23 2の遷移に対応し、表２に
より、ir-rotate-to-level-5というスキルプリミティブ
が選択される。

【００２７】

【表２】

【００２８】さらに（（ｖ１［ｔ２］，Ｆ１［ｔ２］）
（ｖ２［ｔ２］，Ｆ１［ｔ２］）（ｅ１［ｔ３］，Ｆ１
［ｔ３］））が維持された局所的な接触である。これ
は、表１の2 33の遷移に対応し、表２により、ir-move&
press-4というスキルプリミティブが選択される。この
スキルプリミティブは、図６の３番めのir-rotate-to-l
evelに対応している。次に、（面−面）接触から（面−
面）接触＆（辺−面）接触に遷移する場合、（（ｖ１
［ｔ３］，Ｆ１［ｔ３］）（ｖ２［ｔ３］，Ｆ１［ｔ
３］）（ｖ３［ｔ３］，Ｆ１［ｔ３］）（ｖ４［ｔ
３］，Ｆ１［ｔ３］）（ｅ１［ｔ３］，Ｆ１［ｔ３］）
（ｅ２［ｔ３］，Ｆ１［ｔ３］）（ｅ３［ｔ３］，Ｆ１
［ｔ３］）（ｅ４［ｔ３］，Ｆ１［ｔ３］）（ｆ１［ｔ
３］，Ｆ１［ｔ３］））と（（ｖ１［ｔ４］，Ｆ１［ｔ
４］）（ｖ２［ｔ４］，Ｆ１［ｔ４］）（ｖ３［ｔ
４］，Ｆ１［ｔ４］）（ｖ４［ｔ４］，Ｆ１［ｔ４］）
（ｖ１［ｔ４］、Ｆ２［ｔ４］）（ｖ５［ｔ４］、Ｆ２
［ｔ４］）（ｅ１［ｔ４］，Ｆ１［ｔ４］）（ｅ２［ｔ
４］，Ｆ１［ｔ４］）（ｅ３［ｔ４］，Ｆ１［ｔ４］）
（ｅ４［ｔ４］，Ｆ１［ｔ４］）（ｅ５［ｔ４］，Ｆ２
［ｔ４］）（ｆ１［ｔ４］，Ｆ１［ｔ４］））の包含関
係をチェックする。この場合は、集合演算により、
（（ｖ１［ｔ４］、Ｆ２［ｔ４］）（ｖ５［ｔ４］，Ｆ
２［ｔ４］）（ｅ５［ｔ４］，Ｆ２［ｔ４］））が新た
に加わった局所的な接触であることがわかる。これは、
表１にない2 03の遷移に対応し、表１の2 02により代用
される。これは維持する接触状態が存在するため、2 02
によって2 03の遷移を起こすことが可能なためである。
そして表２により、ir-touch-3というスキルプリミティ
ブが選択される。さらに（（ｖ１［ｔ３］，Ｆ１［ｔ
３］）（ｖ２［ｔ３］，Ｆ１［ｔ３］）（ｖ３［ｔ
３］，Ｆ１［ｔ３］）（ｖ４［ｔ３］，Ｆ１［ｔ３］）
（ｅ１［ｔ３］，Ｆ１［ｔ３］）（ｅ２［ｔ３］，Ｆ１
［ｔ３］）（ｅ３［ｔ３］，Ｆ１［ｔ３］）（ｅ４［ｔ
３］，Ｆ１［ｔ３］）（ｆ１［ｔ３］，Ｆ１［ｔ
３］））が維持された局所的な接触である。すなわち、
（面−面）接触が局所的に維持されている。したがっ
て、表１の3 33の遷移に対応し、表２よりir-move&pres
s-5が選択される。これらのスキルプリミティブが同時
に適用されたものが、図６の４番めのir-touch-pressに
対応している。

【００２９】最後に、（面−面）接触＆（辺−面）接触
から（面−面）接触＆（面−面）接触に遷移する場合、
（（ｖ１［ｔ４］，Ｆ１［ｔ４］）（ｖ２［ｔ４］，Ｆ
１［ｔ４］）（ｖ３［ｔ４］，Ｆ１［ｔ４］）（ｖ４
［ｔ４］，Ｆ１［ｔ４］）（ｖ１［ｔ４］、Ｆ２［ｔ
４］）（ｖ５［ｔ４］、Ｆ２［ｔ４］）（ｅ１［ｔ
４］，Ｆ１［ｔ４］）（ｅ２［ｔ４］，Ｆ１［ｔ４］）
（ｅ３［ｔ４］，Ｆ１［ｔ４］）（ｅ４［ｔ４］，Ｆ１
［ｔ４］）（ｅ５［ｔ４］，Ｆ２［ｔ４］）（ｆ１［ｔ
４］，Ｆ１［ｔ４］））と（（ｖ１［ｔ５］，Ｆ１［ｔ
５］）（ｖ２［ｔ５］，Ｆ１［ｔ５］）（ｖ３［ｔ
５］，Ｆ１［ｔ５］）（ｖ４［ｔ５］，Ｆ１［ｔ５］）
（ｖ１［ｔ５］、Ｆ２［ｔ５］）（ｖ５［ｔ５］、Ｆ２
［ｔ５］）（ｖ４［ｔ５］、Ｆ２［ｔ５］）（ｖ８［ｔ
５］、Ｆ２［ｔ５］）（ｅ１［ｔ５］，Ｆ１［ｔ５］）
（ｅ２［ｔ５］，Ｆ１［ｔ５］）（ｅ３［ｔ５］，Ｆ１
［ｔ５］）（ｅ４［ｔ５］，Ｆ１［ｔ５］）（ｅ５［ｔ
５］，Ｆ２［ｔ５］）（ｅ６［ｔ５］，Ｆ２［ｔ５］）
（ｅ７［ｔ５］，Ｆ２［ｔ５］）（ｅ１［ｔ５］，Ｆ２
［ｔ５］）（ｆ１［ｔ５］，Ｆ１［ｔ５］）（ｆ２［ｔ
５］，Ｆ２［ｔ５］））との包含関係をチェックする。

【００３０】この場合は、集合演算により、（（ｖ４
［ｔ５］、Ｆ２［ｔ５］）（ｖ８［ｔ５］、Ｆ２［ｔ
５］）（ｅ６［ｔ５］，Ｆ２［ｔ５］）（ｅ７［ｔ
５］，Ｆ２［ｔ５］）（ｅ１［ｔ５］，Ｆ２［ｔ５］）
（ｆ２［ｔ５］，Ｆ２［ｔ５］））が新たに加わった局
所的な接触であることがわかる。これは、表１のの23 3
遷移に対応し、表２により、ir-touch-3というスキルプ
リミティブが選択される。さらに（（ｖ１［ｔ４］，Ｆ
１［ｔ４］）（ｖ２［ｔ４］，Ｆ１［ｔ４］）（ｖ３
［ｔ４］，Ｆ１［ｔ４］）（ｖ４［ｔ４］，Ｆ１［ｔ
４］）（ｖ１［ｔ４］、Ｆ２［ｔ４］）（ｖ５［ｔ
４］、Ｆ２［ｔ４］）（ｅ１［ｔ４］，Ｆ１［ｔ４］）
（ｅ２［ｔ４］，Ｆ１［ｔ４］）（ｅ３［ｔ４］，Ｆ１
［ｔ４］）（ｅ４［ｔ４］，Ｆ１［ｔ４］）（ｅ５［ｔ
４］，Ｆ２［ｔ４］）（ｆ１［ｔ４］，Ｆ１［ｔ
４］））が維持された局所的な接触である。これを書き
直すと、（（ｖ１［ｔ４］，Ｆ１［ｔ４］）（ｖ２［ｔ
４］，Ｆ１［ｔ４］）（ｖ３［ｔ４］，Ｆ１［ｔ４］）
（ｖ４［ｔ４］，Ｆ１［ｔ４］）（ｅ１［ｔ４］，Ｆ１
［ｔ４］）（ｅ２［ｔ４］，Ｆ１［ｔ４］）（ｅ３［ｔ
４］，Ｆ１［ｔ４］）（ｅ４［ｔ４］，Ｆ１［ｔ４］）
（ｆ１［ｔ４］，Ｆ１［ｔ４］）（ｖ１［ｔ４］、Ｆ２
［ｔ４］）（ｖ５［ｔ４］、Ｆ２［ｔ４］）（ｅ５［ｔ
４］，Ｆ２［ｔ４］））

【００３１】Ｆ１に関しては、表１の3 33の遷移に対応
し、表２よりir-move&press-5が選択される。Ｆ２に関
しては、表１の2 33の遷移に対応し、表２よりir-move&
press-4が選択される。これらのスキルプリミティブが
同時に適用されたものが、図６の４番めのir-touch-pre
ssに対応している。 図６は図５の接触状態検出時の時
系列ｔ１〜ｔ５の接触状態およびそのときの状態変化を
解析して、接触状態の遷移を起こさせる単位作業作業機
能プログラム（スキルプリミティブ）とその引数をスキ
ルプリティブ対応表により求め、中間表現（引数）の遷
移接触作業の表現プログラムである。

【００３２】ロボット１１の環境モデリング装置１４の
レンジファインダーによって物体とレンジファインダー
間の三角測量し、得られたレンジデータをコンピュータ
６に取り込み、対応する物体の曲面（もしくは平面）を
とマッチングすることにより、物体の位置姿勢を決定す
る。この物体の位置姿勢を、環境幾何モデルデータ記憶
部７ａに記録する（ステップＳ１０）。コンピュータ６
は、中間表現記憶部７ｅから単位作業機能プログラム
（スキルプリミティブ）を読み出し、状態データ記憶部
７ｂから読み出したスキルプリミティブに与える引数を
計算する式を読み出し、この引数を計算する式に実環境
における座標系および距離の数値を代入して計算した引
数をスキルプリミティブに与え、実行プログラムを作成
し（ステップＳ１１）、実行プログラム記憶部９に記録
する（ステップＳ１２）。図７は図６の中間表現の引数
に実環境測定による数値を置き換えた実行プログラム例
である。

【００３３】完成した実行プログラムはコンピュータ６
により駆動信号に変換され伝送線１０によりロボット１
１の駆動制御装置１３に伝送され、ロボットのマニピュ
レータ１２によりプラント内において組立部品２１は被
組立部品２２に組み立てられる。

【００３４】接触状態の遷移状態の遷移に相当する作業
単位機能プログラムは、以下の３個の動作プログラムを
含む。 突き当て：（頂点−面、面−頂点、辺−辺）接触を作る
動作（図６のir-touch） 指令値と実際の速度の差を利用して接触を検出し、接触
するまで移動する。 辺合わせ：（辺−面、面−辺）接触を作る動作（図６の
ir-rotate-to-level）辺ベクトルと面ベクトルとの角度
だけ回転させる。 面合わせ：（面−面）接触を作る動作（上記のir-rotat
e-to-levelを直交する方向に２回作用させる。ir-rotat
e-to-level２と一つに書くことがある。）

【００３５】本発明の作業プログラムは図５に示されて
いるように接触状態を部品間の接触ポイントの数を変化
させる状態遷移動作プログラムを結合したプログラムを
作成し、プログラム入力を確実にするものである。組立
部品と被組立部品との接触状態をノードとし、中間表現
の組み合わせはは接触状態をノードとし接触状態間の遷
移をアークとするシーケンスとなる。

【００３６】図８は接触状態を表示する。右側のウィン
ドウに接触状態の変化時のノードを接触状態で表示して
いる。新しい接触状態が生じる際に、その新しい接触状
態の変化を表す新しいノードが生成され付け加えられ
る。オペレータはこれによって組立動作の際の接触状態
の監視をすることができる。オペレータがこのノードを
選択しクリックすると、新しいウインドウが生成され、
その接触状態に関する詳細な情報が表示される。作業時
の手の震え等で入力されてしまった意味のない接触変化
の動作記録は削除できる。これにより不必要な中間表現
のプログラムは削除され、実行プログラムも生成されな
い。

【００３７】本発明のプログラムは、接触移動作業によ
る組立部品の移動経路の被組立部品に対する相対的位
置、姿勢軌跡の自動プログラミングであるが、実環境測
定による実世界座標の測定により把持点位置、姿勢軌跡
を求めることができる。さらに、組立部品の探索、移
動、ピック、解放、ホームポジションへの移動等のプロ
グラムと組み合わせて部品組立プロセスを完成できる。

【００３８】実環境適応型ロボットは、少々作業環境が
異なってもセンサや知能を駆使し（例えば、力制御フィ
ードバックによる接触状態の検出、力センサによる疑似
接触点検知による寸法、位置の計測）利用てその作業単
位を実環境に適応させて組立作業を遂行することができ
る。

【００３９】

【発明の効果】本発明は、上記のように仮想空間のもと
で接触状態をもとにした仮想作業を行うだけで実環境に
適応可能なロボット教示プログラムが自動作成できるよ
うに構成しているので、計量的、プログラム的、実環境
適応性の困難が克服でき、高度のプログラミング技術を
習熟していない保守要員でも容易に教示プログラムを作
成できる効果を有する。

【００４０】又、作成された教示プログラムに基づいて
現実の作業環境との誤差は実際の作業時にマニピュプレ
ータの持つ技能によって完全に補償される。産業用ロボ
ットばかりでなくプラント内での保守作業等、十分な環
境整備が許されない未整備環境下の作業や長時間の作業
が困難である場合への応用でき、産業、社会上の波及効
果は非常に大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法を実施する装置例を示す図であ
る。

【図２】本発明のフロー図例を示す図である。

【図３】環境幾何モデルの作成を説明する図である。

【図４】本発明の作業教示方法を説明する図である。

【図５】接触状態検出時に記憶される相対的な位置と姿
勢データを示す図である。

【図６】中間表現の間プログラム例を示す図である。

【図７】実行プログラム例を示す図である。

【図８】中間表現によるプログラムの修正を説明する図
である。

【符号の説明】

１ オペレータの手 ２ 操作入力装置 ３ 表示装置 ６ コンピュータ ７ａ 環境幾何モデルデータ記憶部 ７ｂ 接触状態データ記憶部 ７ｃ 遷移接触データ記憶部 ７ｄ パラメータデータ記憶部 ７ｅ 遷移接触作業の中間表現 ８ ＣＡＤデータ記憶部 ９ 作業単位機能プログラム記憶部 ９ａ スキルプリミティブ対応表記憶部 １０ 実行プログラム記憶部 １１ ロボット １２ スレーブマニピュレータ １４ 環境モデリング装置 ２１、２２ 組立物品

【手続補正書】

【提出日】平成１１年４月５日（１９９９．４．５）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図６

【補正方法】変更

【補正内容】

【図６】中間表現のプログラム例を示す図である。

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

【図５】

【図８】

【図６】

【図７】

【手続補正書】

【提出日】平成１２年１月３１日（２０００．１．３
１）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項１

【補正方法】変更

【補正内容】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００５

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を解決するため
に、本発明は、接触状態の遷移による組立作業を表示装
置に表示された仮想空間内での入力装置操作による組立
部品幾何モデルの仮想作業でその状態情報を教示し、コ
ンピュータ（ＣＰＵ）は、教示された状態情報を記録し
解析することにより、組立部品幾何モデルと被組立部品
幾何モデルとの接触情報を抽出し、さらにそれらの接触
情報の遷移に対応する作業を抽出し、この遷移を引数に
よる中間表現で表し、状態遷移に相当する作業単位機能
プログラムを記憶装置より読み出して、環境モデリング
装置が作成した作業を実際に行う実環境モデルと上記幾
何モデルとの比較により上記引数を数値データに変換し
て、組み合わせて、ロボット動作の教示プログラムを自
動的に作成するものである。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１０】１１はプラント内の動作ロボット、１２は
スレーブマニピュレータ、１３はロボット１１のスレー
ブマニピュレータ１２およびロボットを駆動するための
駆動制御装置、１４はロボットの上部に設置された環境
モデリング装置（例えば、レンジファインダー）であ
る。１５は環境モデリング装置１４の環境幾何情報をコ
ンピュータ６に伝送し、ロボットの駆動制御装置１３に
ロボットの移動命令、スレーブマニピュレータ１２に駆
動情報を伝送する伝送線である。２１はプラント設備で
ある組立部品、２２は被組立部品である。

【手続補正４】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】 ─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１２年４月１１日（２０００．４．１
１）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項１

【補正方法】変更

【補正内容】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００５

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を解決するため
に、本発明は、接触状態の遷移による組立作業を表示装
置に表示された仮想空間内での入力装置操作による組立
部品幾何モデルの仮想作業でその状態情報を教示し、コ
ンピュータ（ＣＰＵ）は、教示された状態情報を記録し
解析することにより、組立部品幾何モデルと被組立部品
幾何モデルとの接触情報を抽出し、さらにそれらの接触
情報の遷移に対応する作業を抽出し、この遷移を引数に
よる中間表現で表し、状態遷移に相当する作業単位機能
プログラム及び引数を記憶装置より読み出して、環境モ
デリング装置が作成した作業を実際に行う実環境モデル
と上記幾何モデルとの比較により上記引数を数値データ
に変換して、組み合わせて、ロボット動作の教示プログ
ラムを自動的に作成するものである。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００９

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００９】６はコンピュータ、７ａは環境幾何モデル
データ記憶部、７ｂは組立物品の教示時刻、教示状態情
報を記憶する状態記憶部、７ｃは接触状態検出持の接触
状態を記憶する接触状態データ記憶部、７ｄは各時刻の
静止物体から見た相対的な位置、姿勢、接触関係にある
頂点、辺、面を記憶するパラメータデータ記憶部であ
る。７ｅは接触遷移作業の引数を含む中間表現プログラ
ムを記憶する中間表現記憶部である。８はＣＡＤデータ
記憶部、９は単位機能プログラム記憶部、１０は実行プ
ログラム記憶部である。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１９】作業単位機能プログラム記憶部の読み出し
について説明する。スキルプリミティブ対応表９ａは、
接触データ記憶部７ｃ、パラメータデータ記憶部７ｄに
記憶された頂点、辺、面等のすべてのデータを経時的に
解析し、特定の接触遷移とそれを実現するスキルプリミ
ティブ（プログラム）とその引数（関数）とを対応させ
る対応表で、接触遷移を全て実現するためのスキルプリ
ミティブに対応している。接触状態遷移が検出される
と、それに対応する各スキルプリミティブとその引数
（例えば，ｆ１という関数）が選択され、中間表現記憶
部７ｅに記録される。その際、各スキルプリミティブの
引数の関数が、同じ時刻のパラメータデータ記憶部７ｄ
に記録される。状態データ記憶部７ｂに記憶された同じ
時刻のデータが引数の数値（例えばｘ（ｔ１）、ｙ（ｔ
１））に対応している。なお、図１の中間表現記憶部７
ｅブロック内の中間表現（引数）の意味は引数を含む中
間表現プログラムを表している。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２４】図５の接触状態リストから図６の中間表現
を得る方法は次のとおりである。例えば、図５のはじめ
の接触遷移、（頂点−面）接触から（辺−面）接触に遷
移する場合、接触状態リストの内容同士、すなわち、
（（ｖ１［ｔ１］、Ｆ１［ｔ１］））と（（ｖ１［ｔ
２］，Ｆ１［ｔ２］）（ｖ２［ｔ２］，Ｆ１［ｔ２］）
（ｅ１［ｔ２］，Ｆ１［ｔ２］））との包含関係をチェ
ックする。図５には頂点に関するリストのみが書かれて
いるが、詳しくは上記のようになる。さて、集合演算に
より新たに加わった局所的な接触、維持された接触、失
われた接触が計算されて求まる。この場合は、集合演算
により、（（ｖ２［ｔ２］，Ｆ１［ｔ２］）（ｅ１［ｔ
２］，Ｆ１［ｔ２］））が新たに加わった局所的な接触
であることがわかる。これは、表１の12 3の遷移に対応
する。表１は局所的な接触遷移の分類の１例を示してい
る。表１の”12 3”等は接触遷移の分類識別子で、表
１の例では1，2，3はそれぞれ物体の頂点，辺，面を表
し、スペースを含む４字の前半は移動物体Ａの後半は静
止物体Ｂのものを表している。”12 3”は移動物体Ａ
の頂点（1）が静止物体Ｂの面（3）に接している状態か
ら移動物体Ａの辺（2）が静止物体Ｂの面（3）に接する
状態に遷移する接触遷移をも表した分類識別子である。
表２は接触状態遷移パターンとスキルプリミティブの対
応表を示し、表２の対応表は図１中のスキルミティブ対
応表９ａの１例に相当する。表２中の接触状態遷移パタ
ーンは、表１で分類整理された全ての接触遷移の内、現
実の接触遷移作業で起こり得る接触状態遷移、つまり接
触状態維持、接触状態追加、接触状態削除の計３２の接
触状態遷移パターンが選択され、表１の分類識別子で分
類して表されている。ＣＰＵ６が接触遷移のパターンが
表１の12 3に対応する接触状態遷移であると判断する
と、表２により、ir-rotate-to-level-4という対応する
スキルプリミティブが選択される。さらに（（ｖ１［ｔ
１］，Ｆ１［ｔ１］））が維持された局所的な接触であ
る。これは、表１の11 3の遷移に対応し、表２により、
ir-move&press-6というスキルプリミティブが選択され
る。これらのスキルプリミティブが同時に適用されたも
のが、図６の２番めのir-rotate-to-levelに対応してい
る。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３１】Ｆ１に関しては、表１の3 33の遷移に対応
し、表２よりir-move&press-5が選択される。Ｆ２に関
しては、表１の2 33の遷移に対応し、表２よりir-move&
press-4が選択される。これらのスキルプリミティブが
同時に適用されたものが、図６の４番めのir-touch-pre
ssに対応している。 図６は図５の接触状態検出時の時
系列ｔ１〜ｔ５の接触状態およびそのときの状態変化を
解析して、接触状態の遷移を起こさせる単位作業作業機
能プログラム（スキルプリミティブ）とその引数をスキ
ルプリティブ対応表９ａにより求めた、引数を含む接触
遷移作業の中間表現プログラムである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 比留川 博久 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業技 術院電子技術総合研究所内 (72)発明者 北垣 高成 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業技 術院電子技術総合研究所内 (72)発明者 中村 晃 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業技 術院電子技術総合研究所内 (72)発明者 築根 秀男 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業技 術院電子技術総合研究所内 Ｆターム(参考） 3F059 AA04 FA03 FA06 FA07 FC14 FC15 5H269 AB19 AB22 AB33 BB09 NN08 NN16 QC01 QC03 QC10 QE02 QE03 QE10 SA07 SA08 SA10

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 環境モデル、部品幾何モデルを作成する
   ステップと、 仮想空間において組立部品幾何モデルを操作して組立作
   業の仮想作業を行うステップと、 該仮想作業における組立部品と被組立備品の状態を検出
   するステップと、 接触状態を検出するるステップと、 接触状態検出時の状態データをもとに、各接触状態遷移
   に至る作業に相当する中間表現および引数を求め、これ
   に対応する作業単位機能プログラムを記憶装置より読み
   出して組み合わせて中間プログラムを作成するステップ
   と、 実環境モデリング装置により実環境モデルを作成、環境
   モデル、部品幾何モデルと比較して、部品同士を接触遷
   移させる作業をロボットに行わせる教示プログラムを生
   成するステップとを含むことを特徴とする実環境適応型
   知能ロボットの教示プログラム作成方法。
2. 【請求項２】 請求項１の作業単位機能プログラムが、
   組立部品と被組立部品の接触状態の遷移を引数で表す中
   間表現であり、実環境モデリングの数値データをもとに
   実データに変換して実行プログラムを作成することを特
   徴とする請求項１の実環境適応型知能ロボットの教示プ
   ログラム作成方法。
3. 【請求項３】 請求項１，２の接触状態が、 組立部品の頂点と被組立部品の面との接触状態と、 組立部品の辺と被組立部品の面との接触状態と、 組立部品の面と被組立部品の面との接触状態と、 組立部品の辺と被組立部品の辺との接触状態と、 組立部品の面と被組立部品の頂点との接触状態と、 組立部品の面と被組立部品の辺との接触状態とを含み、
   仮想空間における部品の組立作業は上記の接触遷移の組
   み合わせの作業をもとに行うことを特徴とする請求項
   １，２の実環境適応型知能ロボットの教示プログラム作
   成方法。
4. 【請求項４】 請求項１，２，３の作業単位機能プログ
   ラムは、 突き当て（頂点−面、面−頂点、辺−辺）、 辺合わせ（辺−面、面−辺）、 面合わせ（面−面）の接触遷移を実現するプログラムで
   あることを特徴とする請求項１，２，３の実環境適応型
   ロボットの教示プログラム作成方法。