JP2003280710A - Generation and control method of working track of robot hand - Google Patents

Generation and control method of working track of robot hand

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JP2003280710A
JP2003280710A JP2002078604A JP2002078604A JP2003280710A JP 2003280710 A JP2003280710 A JP 2003280710A JP 2002078604 A JP2002078604 A JP 2002078604A JP 2002078604 A JP2002078604 A JP 2002078604A JP 2003280710 A JP2003280710 A JP 2003280710A
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work
trajectory
point
hand
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Shinobu Sasaki
忍 佐々木
Ryutaro Hino
竜太郎 日野
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Japan Atomic Energy Agency
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Japan Atomic Energy Research Institute
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method used for guiding a robot hand from a designated position to a target position in a work environment wherein obstacles having different sizes and shapes from one another are present, capable of remarkably improving a calculation processing time because of not including calculation of a complicated three-dimensional potential field as compared with a conventional method, and of automatically generating a safe working track of the hand without interfering with an object at all. <P>SOLUTION: This creation and control method of a working track of a universal robot hand is used for creating a world map (environmental map) of the actual world by a model for avoiding the obstacles and a virtual potential in order to determine the spatial working track of the hand (end effector) attached to the tip of a robot arm in a three-dimensional work environment including the obstacles, and for searching for a relay point of a passage in the optimum condition while consulting a potential (movement number) registered in the map. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

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、障害物を含む3次
元の作業環境において、ロボットハンドの作業軌道を生
成、制御する方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for generating and controlling a work trajectory of a robot hand in a three-dimensional work environment including obstacles.

【0002】ロボットマニピュレータを使ってなんらか
の作業を行わせるためには、まず、アームの先端に取り
付けたエンドエフェクタと称するロボットハンドの指機
構を作業開始位置から作業終了位置に誘導する動作軌跡
(以下、作業経路、作業軌道あるいは単に経路、軌道と
も呼ぶ)を定め、次に、その経路上の位置・姿勢情報か
らアームの全体姿勢(関節動作)を決定する2つ技術が
基本となる。
In order to perform some work using the robot manipulator, first, an operation locus for guiding a finger mechanism of a robot hand called an end effector attached to the tip of an arm from a work start position to a work end position (hereinafter, A work route, a work trajectory, or simply a route or a trajectory) is defined, and then two techniques for determining the overall posture (joint movement) of the arm from position / posture information on the route are basic.

【0003】それぞれ、軌道計画問題、逆運動学問題と
呼ばれ、ハンドやアームを構成するリンク機構が空間を
移動中に環境内のさまざまな対象物(以下、障害物と同
義)と接触や干渉を起こさないことを念頭において問題
解決を図ることが重要である。特に、後者は、関節の自
由度や多様な動作形態が関係する中で、ロボットアーム
の相対運動を直接制御する課題として多角的に研究開発
が進められてきた。本発明は、このようなマニピュレー
タを用いた作業の全工程に対するプラニングの中で、ロ
ボットハンドの指機構の自律的な軌道生成法に関するも
のである。すなわち、種々雑多な対象物を含む環境下
で、人間の介入や指示に代わって、ハンドが自ら障害物
や特定の領域を回避しながら移動する作業軌道を高速に
生成する簡便な計算アルゴリズムに関するものである。
These are called trajectory planning problems and inverse kinematics problems, respectively, and a link mechanism that constitutes a hand or an arm contacts or interferes with various objects (hereinafter synonymous with obstacles) in the environment while moving in space. It is important to try to solve the problem with the intention of not causing In particular, the latter has been researched and developed in various ways as a subject to directly control the relative motion of the robot arm, in which the degree of freedom of joints and various motion modes are related. The present invention relates to an autonomous trajectory generation method for a finger mechanism of a robot hand in the planning for all steps of work using such a manipulator. That is, regarding a simple calculation algorithm for quickly generating a work trajectory in which a hand moves while avoiding obstacles or a specific area in place of human intervention or instructions in an environment including various objects. Is.

【0004】[0004]

【従来の技術】ロボットアームを制御して作業を実行さ
せるとき、プログラムやティーチング(教示)により作
業動作の詳細を指定することが一般的である。今日、グ
ラフィック表示機能や、干渉チェック機能を備えたシミ
ュレータを用いてロボット動作を対話的に計画する方法
もいろいろと開発されているが、依然として多くの時間
と労力が必要である。こうした人間の判断や操作を必要
とする段階から、それを少しずつ開放する、いわゆる自
律化への技術や経験は着実に蓄積されてきたものの、単
なる機械の自動化と異なり、マニピュレーションの1機
能を取っても、完全な作業計画の達成に立ちはだかる壁
は、対環境への適応能力である。
2. Description of the Related Art When a robot arm is controlled to execute a work, it is common to specify details of the work operation by a program or teaching. Although various methods for interactively planning robot movements have been developed today using a simulator having a graphic display function and a collision check function, it still requires a lot of time and effort. Technology and experience for so-called autonomy, which gradually releases human judgments and operations from the stage that requires them, have been steadily accumulated, but unlike mere machine automation, one function of manipulation is taken. However, the barrier to achieving a complete work plan is the ability to adapt to the environment.

【0005】人間の手に相当するロボットハンドがある
位置から別の位置に移動する動作軌道について、予想さ
れる軌道をいくつかの区間に分け、各軌道区間で連続的
な時間関数として代数的に取り扱うことは極めて容易で
あっても、障害物を検出しそれを回避するアプローチは
即利用に結びつくものが少なく、障害物の検出・回避問
題の困難さが認識されていた。
Regarding a motion trajectory for moving a robot hand corresponding to a human hand from one position to another position, an expected trajectory is divided into several sections, and each trajectory section is algebraically expressed as a continuous time function. Although it is extremely easy to handle, there are few approaches that detect obstacles and avoid them, and it has been recognized that obstacle detection and avoidance problems are difficult.

【0006】特に、その計算の複雑さについて、最悪の
場合に計算爆発を起こしかねないと計算幾何学の分野で
明らかにされたことを認めつつも、その理論評価は現実
のロボットの動作として極めて稀なケースであり、むし
ろ、実際的な動作計画は十分実現可能であるとの立場か
ら研究開発が進められた結果、例えば、環境内の対象物
や目標位置からロボットまでの距離に応じた反発力や引
力を取り入れたポテンシャル法が障害物との干渉やニア
ミスを経験せずにロボットの自律誘導に大きく貢献した
ことは良く知られている。
[0006] In particular, while admitting that the complexity of the calculation has been clarified in the field of computational geometry, which may cause a computational explosion in the worst case, the theoretical evaluation is extremely effective as a motion of a real robot. It is a rare case, and rather, as a result of research and development from the standpoint that a practical motion plan can be sufficiently realized, for example, repulsion according to the distance from the object or target position in the environment to the robot It is well known that the potential method that incorporates force and attraction has made a great contribution to autonomous robot guidance without experiencing interference with obstacles or near misses.

【0007】この考え方を発展させ、人工ポテンシャル
法自体の潜在的弱点を改良したアプローチ、すなわち、
熱伝導論や回路論で扱うスカラー状態量をロボット世界
の環境情報としてとりまとめ、それをロボットの移動に
関連付ける大域的な方法は障害物の存在する環境での行
動プラニングに対する有用なツールとなった。しかしな
がら、その方法はもともと熱伝導楕円方程式を差分化し
た多元連立方程式や回路網の節点方程式から場の温度や
電位分布を決定する過程の計算が必要であることから、
それらの状態量を番地登録する3次元的地図化への計算
の負担は極めて大きく、開発課題とされた。
An approach that develops this idea and improves the potential weaknesses of the artificial potential method itself, namely,
A global method that collects scalar state quantities handled by heat conduction theory and circuit theory as environmental information of the robot world and associates it with the movement of the robot has become a useful tool for behavior planning in the environment with obstacles. However, since the method originally requires the calculation of the process of determining the temperature and potential distribution of the field from the multi-dimensional simultaneous equations in which the heat conduction elliptic equation is differentiated and the nodal equations of the network,
The burden of calculation for three-dimensional mapping in which those state quantities are registered as addresses is extremely large, and it was considered as a development issue.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】前述したように、ポテ
ンシャル法は温度場や電位場の振る舞いを移動体の平面
上の移動と関連付けることで満足な結果を導いたが、マ
ニピュレータのハンドが指定環境下で動作する3次元軌
道計画問題への適用は、計算時間や計算量の急激な増加
を来たす予想外の不利な面が表面化する。このような経
路決定の予備過程に計算努力の大部分を費やす取り組み
は3次元の場合必ずしも合理的でなく、3次元空間の移
動に有効な環境情報の見直しと簡略化した取り扱いが必
要となった。
As described above, the potential method has obtained satisfactory results by associating the behavior of the temperature field and the potential field with the movement of the moving body on the plane. The application to the three-dimensional trajectory planning problem operating below exposes an unexpected disadvantage that causes a rapid increase in calculation time and amount of calculation. Efforts that spend most of the computational effort in the preliminary process of such route determination are not always rational in the case of 3D, and it is necessary to review and simplify the environmental information that is effective for moving in 3D space. .

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明は、ロボットハン
ドの作業軌道の生成と制御とを行う当たり、次の方法に
その特徴を有するものである。
The present invention is characterized by the following method when generating and controlling the work trajectory of the robot hand.

【0010】(1) 障害物を含む3次元の作業環境に
おいて、ロボットアームの先端に取り付けたハンド(エ
ンドエフェクタ)の空間上の作業軌跡を決定するため
に、障害物回避のモデルと仮想的なポテンシャルによる
実世界のワールドマップ(環境マップ)とを作成し、当
該マップに登録されたポテンシャル(移動番号)を参照
しながら最適条件でロボットアームの経路の中継点を探
索する方法である。
(1) In a three-dimensional work environment including obstacles, an obstacle avoidance model and a virtual obstacle avoidance model are used in order to determine the work trajectory in space of a hand (end effector) attached to the tip of a robot arm. This is a method of creating a real world world map (environment map) based on a potential, and searching for a relay point of the path of the robot arm under optimum conditions with reference to the potential (movement number) registered in the map.

【0011】(2) 上記の方法において、作業環境内
に障害物が配置された特定の制御対象領域が存在する場
合、待機ポテンシャルを指定してその領域での移動番号
の登録を一時的に中断させる措置を取り入れた環境マッ
プを作成し、ロボットハンドの最適経路を探索する際に
当該制御対象領域を回避する方法である。
(2) In the above method, when there is a specific control target area in which an obstacle is placed in the work environment, the standby potential is designated to temporarily suspend the registration of the movement number in that area. This is a method of creating an environment map that incorporates the measures to avoid the control target area when searching for the optimum route of the robot hand.

【0012】(3) 誘導されるロボットハンドの作業
軌道に対して、直線上の移動を優先させるための中継点
の間引き(ジャンプ)操作により、進路変更の少ないロ
ボットハンドの最短軌道を構築する方法である。
(3) A method for constructing the shortest trajectory of a robot hand whose path is less likely to change by thinning (jumping) a relay point to give priority to movement on a straight line with respect to the work trajectory of the guided robot hand. Is.

【0013】(4) 誘導された作業軌道上の各点に対
応するロボットアームの姿勢が物理的に実現不可能とな
る場合に、最適探索アルゴリズムの中に埋もれた実現可
能な軌道の候補を活用する方法である。
(4) When the posture of the robot arm corresponding to each point on the guided work trajectory becomes physically unrealizable, a feasible trajectory candidate buried in the optimum search algorithm is used. Is the way to do it.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】1. 仮想的なポテンシャル場を
利用した軌道生成のプラニング 本発明は、3次元環境内の移動を簡潔にモデル化する空
間地図−すなわち、障害物の回避モデルと仮想的なポテ
ンシャルによる実世界のワールドマップ(以下、環境マ
ップ、ポテンシャルマップとも呼ぶ)−の作成と、その
マップ(地図)を利用してマニピュレータのハンドを目
標点へ誘導する探索アルゴリズムの主要な柱から構成さ
れる。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION 1. The present invention relates to a spatial map that simply models movement in a three-dimensional environment-that is, an obstacle avoidance model and a real-world world map based on a virtual potential ( Hereinafter, it is also referred to as an environment map or a potential map) -and the main pillars of the search algorithm that guides the hand of the manipulator to the target point using the map (map).

【0015】マップを作成する方法は、考察する環境内
に、一般的な物理現象とは直接関係のない仮想的なポテ
ンシャル(以下、単にポテンシャルと記す)を下記の原
理に従って定義することが基本となる。
The method of creating a map is basically to define a virtual potential (hereinafter, simply referred to as a potential), which is not directly related to a general physical phenomenon, in the environment under consideration according to the following principle. Become.

【0016】すなわち、このマップには、エンドエフェ
クタが到達する予定の目標位置Gと出発位置Sの記載の
他に、目標点Gの状態量(ポテンシャル)を最小とし
て、そこから四方八方へ遠ざかるほどポテンシャルが増
大するような仮想的な世界が凝縮されていると仮定す
る。この3次元世界の中に仮に出発位置Sのポテンシャ
ルが定められたとすると、仮定により当然、高いレベル
にある出発点Sからポテンシャルのより低い値を示す方
向にたどることにより、目標点Gに到達する経路が発見
できる。これが上記探索アルゴリズムの基本的な考え方
であり、空間的な距離をポテンシャル量で間接的に表現
できることから、ポテンシャル値の低い方向へ進路を取
ることで移動距離の短い経路の生成が容易となる。
That is, in this map, in addition to the description of the target position G and the starting position S that the end effector is to reach, the state quantity (potential) of the target point G is set to the minimum, and the farther the target position G is from the four directions. Suppose that a virtual world with increasing potential is condensed. If the potential of the starting position S is determined in this three-dimensional world, the target point G is naturally reached by tracing from the starting point S at a high level to the direction showing the lower potential. The route can be found. This is the basic idea of the search algorithm, and since the spatial distance can be indirectly expressed by the potential amount, it is easy to generate a route having a short moving distance by taking a route in the direction of a lower potential value.

【0017】さらに、障害物や進入禁止領域に対して
は、ポテンシャルを設定しないマップを作成すること
で、移動中にロボットと障害物との衝突が確実に回避で
きることも利点である。問題はそうしたポテンシャル分
布をどのように与えるかであるが、ここでは最も直感的
でかつ実用的な環境マップの生成を具体的な例を通して
説明する。
Further, it is an advantage that a collision between the robot and the obstacle can be surely avoided during the movement by creating a map in which the potential is not set with respect to the obstacle and the prohibited area. The problem is how to give such a potential distribution, but here we explain the generation of the most intuitive and practical environment map through a concrete example.

【0018】以下、考察環境は計算機の取扱いに適した
有限個の格子点からなる離散化空間と定め、各格子点に
仮想的な状態量を設定した環境マップを利用してエンド
エフェクタの経路を探索する。上記探索アルゴリズム
は、本来3次元空間が一般的な適用先であるが、ここで
はその説明をわかりやすくするために、図1の(1)に
示す2次元モデルに置き換えて話を進める。図中の桝目
は格子点を意味し、状態量がそこに書き込まれる。取り
扱う空間は、周辺の境界壁(図の斜線部分)、ハンドの
指機構が衝突せずに移動できる自由空間(図の空白桝目
部分)および障害物(図の斜線部分)とに大別され、各
格子点はそのいずれかに属する。
Hereinafter, the consideration environment is defined as a discretized space consisting of a finite number of grid points suitable for handling a computer, and the path of the end effector is determined by using an environment map in which a virtual state quantity is set at each grid point. Explore. Although the above-mentioned search algorithm is generally applied to a three-dimensional space, here, in order to make the description easy to understand, the two-dimensional model shown in (1) of FIG. The cells in the figure mean lattice points, and the state quantities are written therein. The space to be handled is roughly divided into a boundary wall (shaded area in the figure), a free space where the finger mechanism of the hand can move without collision (blank mesh area in the figure), and an obstacle (shaded area in the figure). Each grid point belongs to one of them.

【0019】(1)ポテンシャルマップの作成 まず、作業経路の生成に先立ってポテンシャルマップの
作成手順について説明する。
(1) Creation of Potential Map First, the procedure for creating a potential map will be described prior to the creation of a work route.

【0020】a)進入禁止領域の設定 図2の(1)及び(2)に示されるように、本発明で
は、エンドエフェクタの3次元空間での移動方向の多様
性を考慮して、球体(エンドエフェクタに外接する半径
rの球)で表現する。また、対象物(障害物)との衝突
を避ける計算モデルとして、対象物(障害物)のまわり
にエンドエフェクタの進入禁止領域(対象物表面からr
+δの帯状領域:δはクリアランス)を設け、計算の境
界壁と障害物に適用する。図1の(2)では、このr+
δを単位格子幅の帯状領域(網目部分:進入禁止領域)
と便宜的に定めてある。(衝突回避モデルの詳細は2に
示す)。
A) Setting of entry prohibition area As shown in (1) and (2) of FIG. 2, in the present invention, a sphere (in consideration of diversity of movement directions of the end effector in the three-dimensional space) It is represented by a sphere having a radius r circumscribing the end effector. Further, as a calculation model for avoiding a collision with an object (obstacle), an area where the end effector is prohibited to enter (r from the surface of the object) around the object (obstacle).
A band region of + δ: δ is a clearance) and is applied to the boundary wall and obstacle of calculation. In (2) of FIG. 1, this r +
δ is a band-shaped area with unit grid width (mesh area: inaccessible area)
It is defined for convenience. (Details of the collision avoidance model are shown in 2).

【0021】b)目標点Gの隣接格子点に対する仮想的
なポテンシャルの設定(ステップ1) 各格子点のポテンシャルを0で初期化した後、自由空間
におけるポテンシャルマップの作成を行う。最初に、図
1の(3)に示すように、目標点Gのポテンシャル(以
下、移動番号とも呼ぶ)を1に設定する。次に、目標点
に隣接する格子点(2次元モデルの場合は上下左右の4
方向、3次元モデルの場合は上下左右に前後を加えた6
方向に位置する格子点)の属性を調べる。隣接格子点の
属性が移動可能な自由空間の構成要素であれば、図1の
(3)に示すように、その格子点のポテンシャルとして
2を設定する。
B) Setting a virtual potential for the adjacent grid point of the target point G (step 1) After initializing the potential of each grid point to 0, a potential map in free space is created. First, as shown in (3) of FIG. 1, the potential of the target point G (hereinafter, also referred to as a movement number) is set to 1. Next, the grid points adjacent to the target point (in the case of a two-dimensional model,
Orientation: In the case of a three-dimensional model, the front, back, left and right are added to the front and
Check the attributes of grid points located in the direction. If the attribute of the adjacent grid point is a movable free space constituent element, 2 is set as the potential of the grid point as shown in (3) of FIG.

【0022】c)ポテンシャルの設定範囲の拡大(ステ
ップ2) 次に、ポテンシャルが2である格子点を検索し、それに
隣接する格子点の属性およびポテンシャルを調べる。隣
接格子点にポテンシャルの設定が可能であれば図1の
(4)に示すように、ポテンシャル3を設定する。この
ように、ポテンシャルが設定可能な格子点とは、一般に
移動可能な自由空間の属性を有し、さらに前ステップま
でにポテンシャルが設定されなかった格子点(すなわ
ち、ポテンシャル値が0のままで未登録の格子点)を指
す。以下、ステップ3、ステップ4、…とポテンシャル
の設定範囲を拡大する。
C) Expansion of Potential Setting Range (Step 2) Next, a grid point having a potential of 2 is searched, and the attribute and potential of the grid point adjacent to the grid point are searched. If the potential can be set at the adjacent lattice points, the potential 3 is set as shown in (4) of FIG. In this way, the grid point for which the potential can be set generally has the attribute of free space that can be moved, and the grid point for which the potential has not been set by the previous step (that is, the potential value remains 0 (Registered grid points). Hereinafter, the setting range of the potential is expanded as Step 3, Step 4, ....

【0023】d)ポテンシャルマップの作成作業の終了
(ステップ10) 上記の逐次操作により、ポテンシャルの設定領域が拡大
していくと、いずれ図1の(5)に示すように出発点S
に到達する。図を見ると、ここでのステップ数は10に
達しているが、まだ空白の未登録な格子点の存在に気が
付く。実際、ポテンシャルの設定範囲をさらに拡大させ
ても、その後に設定されるポテンシャルは、出発点で発
見されたポテンシャル11より大きな値を扱うことにな
り、それらは作業経路の構成点に選択される可能性がな
い。したがって、本発明では、出発点の位置認識がなさ
れると同時にこのマップ作成作業を打ち切り、エンドエ
フェクタの作業経路の探索に移る。
D) Completion of potential map creation work (step 10) When the potential setting area is expanded by the above-mentioned sequential operation, the starting point S will eventually be reached as shown in (5) of FIG.
To reach. Looking at the figure, although the number of steps here reaches 10, it is noticed that there are still unregistered grid points. In fact, even if the potential setting range is further expanded, the potentials set thereafter will handle values larger than the potential 11 found at the starting point, and they can be selected as the constituent points of the work route. There is no nature. Therefore, in the present invention, at the same time when the position of the starting point is recognized, the map creating operation is terminated and the operation route of the end effector is searched.

【0024】(2)作業経路の探索プラニング ここでは、図1の(5)に示すポテンシャルマップを用
いて作業軌道を生成する手順について説明する。
(2) Search Planning of Work Route Here, the procedure for generating a work trajectory using the potential map shown in (5) of FIG. 1 will be described.

【0025】まず、llと登録された移動番号(ポテン
シャル)の中から、出発位置Sを経路の第1点として選
択する。次に、第2点の探索は第1点の隣接格子点から
選択する。出発点に対する隣接格子点の中には、ポテン
シャルが設定されない障害物の進入禁止点である可能性
も考えられ、選択候補として高々8点が該当する(通常
は3次元モデルのために26点)。この隣接格子点への
移動として最適な格子はポテンシャルが最も小さい値の
格子点と考えると、この場合の作業経路の第2点に選択
される隣接格子点は、言うまでもなくポテンシャル値が
9の格子点となる。
First, the starting position S is selected as the first point of the route from the movement numbers (potentials) registered as ll. Next, the search for the second point is selected from the lattice points adjacent to the first point. It is possible that the neighboring grid points with respect to the starting point may be the entry prohibition points of obstacles for which no potential is set, and at most 8 points correspond to selection candidates (usually 26 points for 3D model). . Considering that the optimum grid for moving to this adjacent grid point is the grid point having the smallest potential value, the grid point having the potential value 9 is obviously the adjacent grid point selected as the second point of the work route in this case. It becomes a point.

【0026】次に、選択されたポテンシャル9に対する
隣接格子点の中から同様の操作で第3点を探索する。以
下、この最適探索操作を繰り返すことで、最終的にポテ
ンシャルの値が1である目標点Gに到達する経路が発見
され、それは図1の(6)の反転した移動番号をもつ格
子点の集合(11,9,8,7,6,4,3,2,1)
である。
Next, the third point is searched from the adjacent lattice points for the selected potential 9 by the same operation. Hereinafter, by repeating this optimum search operation, a route finally reaching the target point G having a potential value of 1 is found, which is a set of lattice points having inverted movement numbers in (6) of FIG. (11,9,8,7,6,4,3,2,1)
Is.

【0027】2. 障害物との衝突回避モデル 本発明において、エンドエフェクタはこれに外接する半
径rの球で表現され、この球体の中心が移動する軌跡を
エンドエフェクタの作業軌道と定める。エンドエフェク
タが障害物と接触しないためには、図2の(1)に示す
ように、その中心が障害物表面からr+δ離れている必
要がある。ここで、δは衝突回避のためのクリアランス
を意味する。
2. Collision Avoidance Model with Obstacles In the present invention, the end effector is represented by a sphere having a radius r circumscribing it, and the trajectory along which the center of this sphere moves is defined as the work trajectory of the end effector. In order for the end effector not to contact the obstacle, its center needs to be separated from the obstacle surface by r + δ as shown in (1) of FIG. Here, δ means a clearance for avoiding a collision.

【0028】しかしながら、作業経路の探索中、エンド
エフェクタが移動する度に障害物との距離を算出してい
たのでは計算効率が非常に悪い。代わりに、図2の
(2)に示すような障害物表面から等方向に保守的拡大
を図ったr+δの帯状部分を進入禁止領域として設定す
ると、対象物と衝突しないハンドの作業軌道はこれを除
く空間の経路探索から導き出される。
However, if the distance from the obstacle is calculated every time the end effector moves during the search of the work route, the calculation efficiency is very poor. Alternatively, if a strip-shaped portion of r + δ that is conservatively expanded in the same direction from the obstacle surface as shown in (2) of FIG. 2 is set as the entry prohibition area, the work trajectory of the hand that does not collide with the target is this. It is derived from the route search of the space to be excluded.

【0029】3. 待機ポテンシャルの使用による作業
軌道の制御 エンドエフェクタの作業軌道の生成において、環境内に
存在する障害物との衝突回避が完全に達成されているこ
とは必須条件であるが、本発明ではさらに高温、放射
能、粉塵等の危険が伴うスポットやプラント内で十分に
余裕を持った移動が困難な局所的な狭降空間に対して、
可能な限りそれらを回避することもロボットアームの保
護の観点から重要と考え、この問題を取上げる。“可能
な限り”とは、環境マップの作成状況によってはその領
域を移動せざるを得ないプラニングが与えられることを
意味し、障害物のような完全に移動を禁止するモデルと
は異なる取り扱いが特徴になる。
3. Control of Work Trajectory by Using Standby Potential In the generation of the work trajectory of the end effector, it is an essential condition that avoidance of collision with obstacles existing in the environment is completely achieved. For a spot with a risk of radioactivity, dust, etc. or a local narrow space where it is difficult to move with sufficient margin within the plant,
It is important to avoid them as much as possible from the viewpoint of robot arm protection, and this issue is addressed. "As much as possible" means that planning is given to move the area depending on the environment map creation situation, and it is handled differently from the model that completely prohibits movement such as obstacles. Become a feature.

【0030】経験によればこのような場合、温度場や電
位場を表現する方程式の中の熱伝導率や電気伝導率を直
接調整することで、想定する場のポテンシャル分布が経
路の制御に首尾よくつながった。仮想的なポテンシャル
場を環境としてハンドの移動を扱う本発明には、熱伝導
率のような有効な制御パラメータは存在しないが、ポテ
ンシャルの広がりを抑制する効果を環境マップの作成時
に取り入れて、指定領域を回避する経路の発見を試み
る。
According to experience, in such a case, by directly adjusting the thermal conductivity or the electrical conductivity in the equation expressing the temperature field or the electric potential field, the assumed potential distribution of the field is successful in controlling the path. Well connected Although there is no effective control parameter such as thermal conductivity in the present invention that handles the movement of the hand with the virtual potential field as the environment, the effect of suppressing the spread of the potential is taken into account when the environment map is created and designated. Try to find a route that avoids the area.

【0031】そこで、制御対象となる指定区域でのマッ
プの作成作業に対して、ある着目格子点からその隣接格
子点への移動は、ある条件が満たされるまでそこで一時
的に待機すると仮定する。つまり、隣接格子点の移動番
号の設定はしばらく中断されるが、その間に指定の制御
領域を除く自由空間では、通例のごとく計算開始から隣
接格子点に次々と移動番号の登録が続き、ステップが進
む。ここでは、先への移動を中断する場合、足踏みを継
続する回数に等しい状態量を待機ポテンシャルと名づけ
て計算入力で指定して、足踏みを開始する時点の着目格
子点のポテンシャルにこの入力指定値(待機ポテンシャ
ル)を加算した状態量(ポテンシャル)が環境マップの
作成ステップ数に一致したとき、制御領域の隣接格子点
にこの状態量が割り当てられるとする。
Therefore, it is assumed that, with respect to the work of creating a map in a designated area to be controlled, the movement from a certain grid point of interest to its adjacent grid point temporarily waits until a certain condition is satisfied. In other words, the movement number setting of adjacent grid points is suspended for a while, but in the free space other than the designated control area during that period, the movement numbers continue to be registered at the adjacent grid points one after another from the start of calculation as usual. move on. Here, when the movement to the destination is interrupted, the state amount equal to the number of times of stepping is designated as the standby potential, and is designated by calculation input, and this input designated value is set as the potential of the grid point of interest at the time when stepping is started. It is assumed that when the state quantity (potential) to which (standby potential) is added matches the number of steps for creating the environment map, this state quantity is assigned to the adjacent grid point in the control area.

【0032】例えば、待機ポテンシャルを5に設定した
領域では、現在位置でのポテンシャルが登録されてか
ら、その隣接格子点のポテンシャルの登録に移るまでに
5ステップの足踏みが要求される。この足踏み中に通常
の自由空間(待機ポテンシャル1)ではポテンシャルの
設定が5倍に広がっており、この制御操作によってハン
ドの移動経路が特定な制御領域の外に優先的に構築され
る可能性が生じる。
For example, in the area where the standby potential is set to 5, five steps are required from the registration of the potential at the current position to the registration of the potential of the adjacent grid point. During this stepping, the setting of the potential is expanded five times in the normal free space (standby potential 1), and the movement path of the hand may be preferentially constructed outside the specific control area by this control operation. Occurs.

【0033】以下に、特定の区域に待機ポテンシャルを
指定した場合の作業経路の制御効果を図1と同様に、2
次元の環境において説明する。図3は、環境内に特定の
制御対象領域が存在する場合、待機ポテンシャルによる
特別な環境マップの作成と、そのマップを利用して決定
された最適な迂回軌道を表す。
Below, the control effect of the work route when the standby potential is designated in a specific area is the same as in FIG.
In a three-dimensional environment. FIG. 3 shows the creation of a special environment map by the standby potential and the optimum detour trajectory determined using the map when a specific control target area exists in the environment.

【0034】図3の(1)に出発点Sと、目標点Gが表
示されている。計算モデルの中央付近の斜線で表示され
た領域は待機ポテンシャルを5に設定した制御対象領域
であり、それ以外の領域は通常の値1が設定された自由
空間である。
The starting point S and the target point G are displayed in (1) of FIG. The shaded area near the center of the calculation model is a control target area in which the standby potential is set to 5, and the other areas are free spaces in which the normal value 1 is set.

【0035】次に、ポテンシャルマップの作成は目標点
Gを起点として制御対象領域に到るまで図1に示した方
法で行う。図3の(2)は、ポテンシャルが3の格子点
からその周辺のポテンシャルを設定するステップ3の状
態である。通常、着目点のポテンシャルが3であれば、
その隣接格子点(○印で記した格子点)のポテンシャル
は4となるが、待機ポテンシャルが5と指定された制御
対象領域に属する隣接格子点(斜線領域に○印で記した
格子点)では、この数値が加算されるために8となる。
Next, the potential map is created by the method shown in FIG. 1 from the target point G as a starting point to the controlled area. (2) of FIG. 3 shows the state of step 3 in which the potential around the lattice point having the potential of 3 is set. Usually, if the potential of the point of interest is 3,
The potential of the adjacent grid point (the grid point marked with a circle) is 4, but at the adjacent grid point (the grid point marked with a circle in the shaded area) that belongs to the control target area where the standby potential is designated as 5. , 8 is added because this numerical value is added.

【0036】続いて、図3の(3)のステップ4では、
ポテンシャルが4の着目格子点に対する隣接格子点のポ
テンシャルを5と設定している。一方、着目格子点に対
する隣接格子点が、制御対象領域に属する場合は、図に
示すように、ステップ4の着目格子点のポテンシャル4
に待機ポテンシャル5を加算したが記される。通常、
新たにポテンシャルが設定される格子点のポテンシャル
が次のステップ番号と一致するため、次のステップの着
目格子点になる。
Then, in step 4 of (3) of FIG.
The potential of the adjacent grid point with respect to the grid point of interest having the potential of 4 is set to 5. On the other hand, when the adjacent grid point to the target grid point belongs to the control target area, as shown in the figure, the potential 4 of the target grid point in step 4 is used.
It is noted that the standby potential 5 is added to. Normal,
Since the potential of the grid point where the potential is newly set matches the next step number, it becomes the grid point of interest in the next step.

【0037】しかし、制御対象領域では、通常より大き
な値(この場合は8)が設定されているために、8と記
された格子は次のステップの着目格子点とはならない。
この場合、全ステップ数が制御領域における着目格子で
のポテンシャルの値と一致するまで、隣接格子のポテン
シャルは設定されずに待機することになる。しかしこれ
は原則であって、着目格子点が指定回数の足踏みをした
後、はじめて目指す隣接格子点のポテンシャルが確定す
るとは限らず、周囲のポテンシャル設定状況により待機
中であってもポテンシャルがそこに設定される場合が生
じる。
However, since a value larger than usual (8 in this case) is set in the control target area, the grid marked with 8 does not become the grid point of interest in the next step.
In this case, the potentials of the adjacent lattices are not set and wait until the total number of steps matches the potential value of the lattice of interest in the control region. However, this is a principle, and the potential of the adjacent grid point that is aimed at is not always fixed after the grid point of interest has stepped a specified number of times. It may be set.

【0038】例えば、ステップ4で8と記された格子点
はステップ8になったときに、すぐ下の隣接格子点にポ
テンシャル13を設定すると思われるが、実際は作業ス
テップ6における格子点の中からこの隣接点へのポテン
シャルの設定が先行するために、結果として13ではな
く11と設定される。
For example, the lattice point marked 8 in step 4 seems to set the potential 13 to the adjacent lattice point immediately below when it reaches step 8, but in reality, from among the lattice points in work step 6, Since the setting of the potential to this adjacent point precedes, the result is set to 11 instead of 13.

【0039】以下同様にしてマップを作成するステップ
を進めると、図3の(4)ではステップ9となり、この
時点での着目格子点はポテンシャルが9の格子点であ
る。この移動番号をもつ格子点は、自由空間と制御領域
にそれぞれ存在し、前者は隣接格子点に対して10と設
定するが、後者はその隣接格子点における値が未設定の
場合に限り、待機ポテンシャルを加算した14が斜線部
○印で記した2つの格子点に設定される。
When the steps of creating a map are advanced in the same manner, step 9 in (4) of FIG. 3 is performed, and the grid point of interest at this point is a grid point having a potential of 9. The grid point having this movement number exists in the free space and the control area respectively, and the former sets 10 for the adjacent grid point, but the latter waits only when the value at the adjacent grid point is not set. 14 with the added potential is set at the two grid points marked by the circles in the shaded area.

【0040】以上のような操作を繰り返し、出発点Sの
ポテンシャルが図3の(5)のように定められたので、
目標点との間のポテンシャルマップの作成作業はこの時
点(ステップ11)で終了する。最後に、出発点から最
大勾配に沿って探索したハンドの移動経路は、反転した
移動番号をもつ系列(12,10,8,7,6,5,
3,2,1)として図3の(6)に示される。明らか
に、特定の制御領域を自動的に迂回する経路の生成が確
認される。
By repeating the above operation, the potential at the starting point S is determined as shown in (5) of FIG.
The work of creating the potential map with the target point ends at this point (step 11). Finally, the movement path of the hand searched along the maximum gradient from the starting point is the sequence (12,10,8,7,6,5) having the reversed movement number.
3, 2, 1) is shown in (6) of FIG. Apparently, the generation of a route that automatically bypasses a specific control area is confirmed.

【0041】このように、待機ポテンシャルは制御領域
を回避する有効な手段と理解された。因みに、作業経路
が制御対象領域を通過しなければ目標点に到達できない
計算シナリオの場合は、その状況を正しく認識したシミ
ュレーション結果、つまり、制御領域を通過する最適経
路が生成されたことから、ハンドの作業経路を構築する
過程で制御対象領域は本質的に障害物と異なる性質のも
のであることが再確認される。
As described above, the standby potential is understood as an effective means for avoiding the control area. By the way, in the case of a calculation scenario in which the target point cannot be reached unless the work route passes through the controlled area, the simulation result that correctly recognizes the situation, that is, the optimum route that passes through the controlled area is generated. It is reconfirmed in the process of constructing the work route of the control target area that it has a nature that is essentially different from the obstacle.

【0042】4. 中継点の間引き操作による作業軌道
の再構築 以上、軌道生成アルゴリズムで求めたハンドの作業経路
は、複数個の格子点(中継点)から構成されるために、
空間的ゆとりがある場合、そのいくつかを削除(ジャン
プ)した点列構成は移動のステップ数を減らすと共に、
単純な軌跡が得られることが多い。とりわけ、自由空間
の格子点上の移動を原則とする現手法は、環境内に配置
されたさまざまな障害物の配置の影響を直接受けるため
に、生成経路の進路が頻繁に変更されやすい欠点があ
る。ロボットアームの関節部に発生する駆動誤差を小さ
く抑えるためにも、ハンドが移動する経路は、変動の少
ない滑らかな軌道で、単純な直線上の移動が最も望まし
い。したがって、生成された経路を下記の手順に従って
修正、加工を施し、満足の行く経路の再構築を行う。
4. Reconstructing the work trajectory by thinning out the relay points Since the work path of the hand obtained by the trajectory generation algorithm is composed of multiple grid points (relay points),
If there is a spatial allowance, the point sequence configuration that deletes (jumps) some of them reduces the number of movement steps,
Often a simple trajectory is obtained. In particular, the current method, which is based on the principle of movement on the grid points of free space, is directly affected by the arrangement of various obstacles arranged in the environment, and thus has the drawback that the course of the generation route is frequently changed. is there. In order to minimize the drive error generated in the joint part of the robot arm, the path along which the hand moves is preferably a smooth trajectory with little fluctuation and simple linear movement. Therefore, the generated route is modified and processed according to the following procedure to reconstruct a satisfactory route.

【0043】即ち、本発明で生成されるハンドの作業軌
道は、複数の格子点(中継点)から構成されるために、
中継点のいくつかを間引くことで、望ましい作業経路の
再構築が期待される。それを図で説明すると、図7は障
害物が存在しない環境にもかかわらず、移動の途中で進
路変更を行わなければ目標点に到達できない簡単な軌道
生成例を示したものであるが、中継点の間引き操作アル
ゴリズムを用いて生成された経路の再構築を行えば、ハ
ンドが移動する経路を最も理想的な直線にすることが可
能である。
That is, since the work trajectory of the hand generated in the present invention is composed of a plurality of lattice points (relay points),
By thinning out some of the relay points, it is expected that the desired work route will be reconstructed. To explain this in the figure, FIG. 7 shows an example of a simple trajectory generation in which the target point cannot be reached unless the course is changed in the middle of the movement even though the obstacle does not exist. By reconstructing the route generated using the point decimation operation algorithm, the route along which the hand moves can be made the most ideal straight line.

【0044】そこで、本発明の基本的な考え方を説明す
るために、仮想ポテンシャル法により生成された移動経
路を示した図8(1)の2次元平面上に生成された簡単
な作業経路を考える。この図8(1)においては、便宜
的にエンドエフェクタ(ロボットハンドの先端に取付け
たハンド)半径および衝突を回避するためのクリアラン
スは0とする。
Therefore, in order to explain the basic idea of the present invention, consider a simple work route generated on the two-dimensional plane of FIG. 8 (1) showing the movement route generated by the virtual potential method. . In FIG. 8 (1), the radius for the end effector (hand attached to the tip of the robot hand) and the clearance for avoiding collision are set to 0 for convenience.

【0045】最初に、出発点−目標点間を直接移動する
と仮定した場合の障害物との干渉判別経路を示した図8
(2)に示されるように、出発点Sと目標点Gを直接結
ぶ経路を仮定して障害物との衝突状況を調べる。図8
(2)では、明かに障害物との干渉が生じていることが
わかる。
First, FIG. 8 showing an interference discrimination route with an obstacle when it is assumed that the vehicle directly moves between the starting point and the target point.
As shown in (2), the state of collision with an obstacle is examined assuming a route that directly connects the starting point S and the target point G. Figure 8
In (2), it is clear that interference with the obstacle has occurred.

【0046】この場合、出発点から障害物に干渉せずに
移動できる点で最も目標点に近い点の検索経路を示した
図8(3)に示すように、元の作業経路上にある格子点
の中から、目標点の1つ手前の格子点P1に着目し、出
発点とこの点を結ぶ直線経路を仮定して障害物との干渉
を調べる。中継点P1でも障害物との干渉がある場合に
は、更に格子点P2に着目して同様の処理を繰り返す。
上記の処理により、障害物との干渉が生じない中継点P
3を見つけることで、1つの直線軌道SP3が得られる。
In this case, as shown in FIG. 8 (3), which shows the search route of the point closest to the target point from the point of departure that can move without interfering with obstacles, the grid on the original work route is shown. Focusing on the grid point P 1 which is one before the target point from among the points, the interference with the obstacle is examined assuming a straight line path connecting the starting point and this point. When the relay point P 1 also interferes with the obstacle, the grid point P 2 is further focused and the same processing is repeated.
By the above processing, the relay point P where interference with the obstacle does not occur
By finding 3 , one linear trajectory SP 3 is obtained.

【0047】次に、中継点P3を仮の出発点としてP3
Gとの間で同様の方法により間引き可能な中継点の探索
を行う。そこで、障害物に干渉せずに移動できる中継点
の発見と経路の再構築経路を示した図8(4)に示すよ
うなジャンプが可能な中継点が目標点となった時点で処
理を終了する。
Next, using the relay point P 3 as a temporary starting point, a search for a relay point that can be thinned out is performed between P 3 and G by the same method. Therefore, the process ends when a jumpable relay point as shown in FIG. 8 (4) showing the discovery of a relay point that can move without interfering with an obstacle and reconstruction of the route is the target point. To do.

【0048】なお、上に述べた干渉チェックについて
は、任意の点(x1,y1,z1)と別の点(x2,y2
2)とを結ぶ直線方程式(x−x1)/(x2−x1)=
(y−y1)/(y2−y1)=(z−z1)/(z2
1)を利用して、指定障害物(進入禁止領域)Dとの
衝突判定を行う。これは、ある間隔で取り込んだ直線上
の各点が進入禁止領域Dに帰属するかをテーブルルック
で直接調査すればよい。
Regarding the interference check described above, an arbitrary point (x 1 , y 1 , z 1 ) and another point (x 2 , y 2 ,
z 2) and the straight line equation connecting the (x-x 1) / ( x 2 -x 1) =
(Y−y 1 ) / (y 2 −y 1 ) = (z−z 1 ) / (z 2
z 1 ) is used to determine the collision with the designated obstacle (prohibited area) D. This can be done by directly inspecting with a table look whether or not each point on the straight line captured at a certain interval belongs to the entry prohibited area D.

【0049】このようにして、最初に生成された経路の
格子点からそのいくつかを間引く操作(ジャンプ操作)
は、進路変更の少ない直線上の移動が優先されるため
に、移動距離の短縮化も期待される。
In this way, an operation (jump operation) of thinning out some of the grid points of the path initially generated
In the case of, since the movement on a straight line with a few course changes is prioritized, it is expected that the movement distance will be shortened.

【0050】5. 特記事項(ロボットアームのリンク
とジョイントからなる連鎖機構) これまでに、ロボットプラニングにおけるハンドの作業
軌道の確立について言及したが、これは、マニピュレー
タの腕姿勢の決定問題とカップルしてはじめて作業の自
律化に意味を持つ。したがって、アームの動作が首尾よ
く遂行するために、ハンドの軌道計画の設計過程で情報
の提供を多重に考慮しておくことは、計画全体が支障な
く展開する上で重要である。実際、ロボットアームの動
作を決定する際に、関節部に課した厳しい動作条件や作
業環境の複雑さ等のために、ハンドの位置・姿勢を満足
する腕姿勢が物理的に実現できなくなる状況が発生し
て、関節解が決定できないことは十分に予想される。そ
うした事態に遭遇しても当初の計算上の作業計画を断念
せずに、すなわち、作業開始位置と終了位置の変更を行
わずに生成されたハンドの軌道に関して別の情報に注意
を置く。
5. Special Note (Chain mechanism consisting of link and joint of robot arm) So far, we have mentioned the establishment of the work trajectory of the hand in robot planning, but this is the autonomous operation of the work that is coupled with the problem of determining the arm posture of the manipulator. Has meaning to Therefore, in order to successfully execute the operation of the arm, it is important to consider multiple provision of information in the design process of the trajectory planning of the hand so that the entire planning can be smoothly deployed. In fact, when deciding the movement of the robot arm, the arm posture that satisfies the position and posture of the hand cannot be physically realized due to the severe movement conditions imposed on the joints and the complexity of the work environment. It is fully anticipated that once they occur, joint solutions cannot be determined. When such a situation is encountered, the initial calculation work plan is not abandoned, that is, attention is paid to other information regarding the trajectory of the hand generated without changing the work start position and the end position.

【0051】既述したように、ハンドの役割は、目標点
Gから出発点への仮想的なポテンシャルの分布状態を作
成した後、最大勾配で元に戻る最適軌道の生成であっ
た。この出発点に続く隣接点を最小のポテンシャルで一
意的に確定する代わりに、ここでは、近傍26点の内、
目標点Gに遠い9点を除いた候補を取り出して、それぞ
れ最大勾配で目標位置に向かう点列に着目する。つま
り、出発点を起点として目標点に到る軌跡(高々17
組)から到達距離の短い順に登録する等の方法で、最適
探索法の中に埋もれた実現可能な軌道を発掘することを
提案する。言うまでもなく、それらを逆問題の解不能を
克復する手段として利用すれば、作業能力の向上や環境
への柔軟な適応を目指す知能ロボットの自律性に有用で
あると考えられる。
As described above, the role of the hand was to create an optimal trajectory for creating a virtual potential distribution state from the target point G to the starting point and then returning to the original with the maximum gradient. Instead of uniquely determining the adjacent point following this starting point with the minimum potential, here, among the 26 neighboring points,
The candidates excluding the 9 points far from the target point G are taken out, and the point sequence heading toward the target position with the maximum gradient is focused on. That is, the locus from the starting point to the target point (up to 17
We propose to discover feasible trajectories buried in the optimal search method by registering from the group) in ascending order of reach. Needless to say, if they are used as a means of resolving the insolvency of the inverse problem, it is considered to be useful for the autonomy of intelligent robots aiming at improvement of work ability and flexible adaptation to the environment.

【0052】なお、逆運動学問題を取り扱う上で必要な
アーム先端の姿勢(向き)については、作業開始点と作
業終了点の間で一定方向や、逐次入力で自由に指定する
ことができるが、一般回転変換と内挿技術を利用した汎
用的な取扱いによる姿勢データの再検討も上の逆問題解
決に役立つであろう。いずれにしても、これらはマニピ
ュレータによる作業の仕方に依存して選択することがで
き、技術的には全て確立されているから、ここでは言及
しない。
The attitude (orientation) of the arm tip required to handle the inverse kinematics problem can be freely specified in a fixed direction between the work start point and the work end point or by sequential input. , Re-examination of posture data by general-purpose handling using general rotation transformation and interpolation technique will also be useful for solving the above inverse problem. In any case, these can be selected depending on the way of working with the manipulator, and since they are all technically established, they are not mentioned here.

【0053】[0053]

【実施例】作業の遂行に支障をきたす種々雑多な障害物
が存在する3次元環境下において、ロボットアームを指
定した位置から別の目標位置に移動しながら、人間の介
入やセンサの支援を仮定せずに自律的にその作業を代行
させるためには、作業開始位置から終了位置までアーム
の先端(ハンド)が動作する作業軌跡が完全に決定され
ていることが必要である。この要求を満たす本発明の実
施例として、以下ではロボットハンドが対象物(障害
物)と全く接触せずに安全に移動できる作業軌道を計算
機シミュレーションにより再現させる。さらに、温度場
によるポテンシャル誘導法との計算時間の比較と共に、
待機ポテンシャルによる作業軌道の制御や間引き操作に
よる作業軌道の再構築等請求項に記載した特徴をもつ本
発明の有効性を検証する。
[Example] In a three-dimensional environment in which various obstacles that hinder the performance of work are present, it is assumed that the robot arm moves from a designated position to another target position while human intervention and sensor support are performed. In order to autonomously perform the work instead of doing it, it is necessary that the work locus in which the tip (hand) of the arm moves from the work start position to the end position is completely determined. As an embodiment of the present invention that satisfies this requirement, a work trajectory in which the robot hand can safely move without contacting an object (obstacle) at all is reproduced by computer simulation. Furthermore, with the comparison of the calculation time with the potential induction method by the temperature field,
The effectiveness of the present invention having the features described in the claims such as the control of the work trajectory by the standby potential and the reconstruction of the work trajectory by the thinning operation will be verified.

【0054】(実施例1)図4の(1)及び(2)に示
すような一辺2mの立方体環境を41×41×41の正
方格子に分割し、更に、図4の(3)及び(4)に示す
ように、その中に置かれた簡単な実験装置のメンテナン
スを行うロボットハンドの作業開始位置S(350,1
050,700)(単位mm)と作業終了位置G(15
00,800,900)を定める。また、図4の(2)
は、この環境に制御対象領域(点線で描写)を指定した
計算モデルで、図4の(3)及び(4)は制御対象領域
を含めた系の諸元を示す。
(Embodiment 1) A cubic environment having a side of 2 m as shown in (1) and (2) of FIG. 4 is divided into a 41 × 41 × 41 square lattice, and further, (3) and (3) of FIG. As shown in 4), a work start position S (350, 1) of a robot hand for performing maintenance of a simple experimental device placed therein.
050,700) (unit mm) and work end position G (15
00, 800, 900). In addition, (2) in FIG.
Is a calculation model in which a control target area (depicted by a dotted line) is specified in this environment, and (3) and (4) of FIG. 4 show the specifications of the system including the control target area.

【0055】さて、図4の(3)及び(4)に示すよう
に、半径245(mm)の球体で模擬したエンドエフェ
クタがクリアランスを50(mm)と仮定して2点SG
間を動作する状況を再現する。上述した障害物回避モデ
ルと仮想的なポテンシャルに基づくロボットハンドの行
動世界の環境マップを作成し、最適探索を通して目標位
置Gに誘導する所要の軌道を、環境内に特別な制御領域
を設定した場合と比較する。
Now, as shown in (3) and (4) of FIG. 4, an end effector simulated by a sphere having a radius of 245 (mm) assumes a clearance of 50 (mm) and has two points SG.
Reproduce the situation of moving between. When the environment map of the action world of the robot hand based on the obstacle avoidance model and the virtual potential described above is created, and the required trajectory for guiding to the target position G through the optimum search is set in the environment with a special control area. Compare with.

【0056】即ち、図4の(1)は簡単な実験装置を含
む環境と球体のハンドの作業開始位置と終了位置を指定
した計算モデルであり、図4の(2)は、その(1)の
環境に制御対象領域を指定した計算モデルであり、図3
の(3)及び(4)は、環境内の実験装置の配置具合や
制御領域の諸元を記した計算モデルである。
That is, (1) of FIG. 4 is a calculation model in which the environment including a simple experimental device and the work start position and end position of a spherical hand are designated, and (2) of FIG. 3 is a calculation model in which the control target area is specified in the environment of FIG.
(3) and (4) are calculation models in which the arrangement of the experimental equipment in the environment and the specifications of the control area are described.

【0057】図5の(1)と(2)に点線で示した作業
軌道は制御対象領域を考慮しない場合の最適なハンドの
作業軌跡であり、一方、対応する実線は制御領域に待機
ポテンシャルを10と指定した計算例である。また、表
1と表2は図5に描いた双方の移動経路の座標と移動距
離の比較である。即ち、表1はエンドエフェクタ(ロボ
ットハンド)が移動する作業軌跡を表し、表2は制御対
象領域を指定した場合のエンドエフェクタ(ロボットハ
ンド)が移動する軌跡を表す。
The work trajectories shown by the dotted lines in (1) and (2) of FIG. 5 are the optimum work trajectories of the hand when the control target region is not taken into consideration, while the corresponding solid lines indicate the standby potential in the control region. This is a calculation example designated as 10. Tables 1 and 2 are comparisons of the coordinates and the travel distances of the two travel routes depicted in FIG. That is, Table 1 shows the work locus of movement of the end effector (robot hand), and Table 2 shows the locus of movement of the end effector (robot hand) when the control target area is designated.

【0058】[0058]

【表1】 [Table 1]

【0059】[0059]

【表2】 [Table 2]

【0060】図5の点線の軌道は、ポンプやバルブ等が
存在する狭い作業区域ではあるが計算上周りの対象物と
干渉せずに首尾よく移動する状況を示している。仮に、
ポンプ近辺の局所区域を制御対象領域と考えて、そこを
回避する十分に余裕をもった軌道計画を再設計すると、
目標位置Gに到達するまでの移動距離は長くなるもの
の、ハンドの安全な軌道が手前に生成される結果が(図
の実線や表により)確認できる。
The trajectory indicated by the dotted line in FIG. 5 shows a situation in which the work area is a narrow work area where pumps, valves, etc. are present, but the object can be successfully moved without interfering with surrounding objects in calculation. what if,
Considering the local area near the pump as the controlled area and redesigning the trajectory plan with sufficient margin to avoid it,
Although the moving distance to reach the target position G becomes long, the result (a solid line in the figure or a table) in which a safe trajectory of the hand is generated can be confirmed.

【0061】即ち、図5の(1)は、制御領域の有無に
よるエンドエフェクタ(ロボットハンド)の作業軌道の
比較の全体図を表し、また、図5の(2)は、制御領域
の有無によるエンドエフェクタ(ロボットハンド)の作
業軌道の比較(上面図)を表す。点線は待機ポテンシャ
ルを設定しない計算(計算処理時間:0.0256
[秒]、移動距離:1366[mm])を表し、実線は
制御領域に待機ポテンシャルを指定した計算(計算処理
時間:0.0363[秒]、移動距離:1866[m
m])を表す。
That is, (1) of FIG. 5 shows an overall view of the comparison of work trajectories of the end effector (robot hand) depending on the presence or absence of the control area, and (2) of FIG. 5 depends on the presence or absence of the control area. The comparison (top view) of the work trajectory of the end effector (robot hand) is shown. The dotted line is the calculation without setting the standby potential (calculation processing time: 0.0256
[Second], moving distance: 1366 [mm]), and the solid line is a calculation in which the standby potential is specified in the control area (calculation processing time: 0.0363 [second], moving distance: 1866 [m].
m]).

【0062】次に、生成された作業軌道に対して、中継
点の間引き操作を施す過程の他の計算例を示そう。同じ
作業環境下で、出発位置Sと終了位置Gをそれぞれ(4
00,600,450)と(1650,1450,90
0)と定めて導き出されたハンドの移動軌跡は、図6の
(1)と(2)の点線で与えられる。一方、間引きアル
ゴリズムを通して進路変更の少ない軌道に加工した作業
経路を図の実線で示す。この中継点の大半が削除され、
直線移動を優先する結果は移動距離が約10%短縮され
たことが表3から分かる。表3は、間引き操作の有無に
よるエンドエフェクタ(ロボットハンド)の作業軌跡の
比較を表している。このように、間引き操作による作業
経路の再構築は元のモデルベーストな最適探索経路をさ
らに短い軌道に加工する有効な方法となる。
Next, another calculation example of the process of performing the decimation operation of the relay points on the generated work trajectory will be shown. Under the same working environment, the start position S and the end position G are (4
00,600,450) and (1650,1450,90)
The movement trajectory of the hand, which is derived by defining 0), is given by the dotted lines of (1) and (2) in FIG. On the other hand, the solid line in the figure shows the work route that has been processed into a trajectory with few course changes through the thinning algorithm. Most of this relay point was deleted,
It can be seen from Table 3 that the result of prioritizing the linear movement is that the movement distance is shortened by about 10%. Table 3 shows a comparison of work trajectories of the end effector (robot hand) with and without thinning operation. Thus, the reconstruction of the work route by the thinning operation is an effective method for processing the original model-based optimum search route into a shorter trajectory.

【0063】[0063]

【表3】 [Table 3]

【0064】即ち、図6の(1)は、最適探索法により
誘導されたエンドエフェクタ(ロボットハンド)の作業
軌道とその中継点の間引き操作により再構築された作業
軌道との比較の全体図を表し、図6の(2)は、最適探
索法により誘導されたエンドエフェクタ(ロボットハン
ド)の作業軌道とその中継点の間引き操作により再構築
された作業軌道との比較の上面図を表す。点線は間引き
操作を実施しない軌道計算(計算処理時間:0.039
6[秒]、移動距離:1804[mm])表し、実線は
間引き操作を施した軌道計算(計算処理時間:0.04
29[秒]、移動距離:1615[mm])表す。
That is, (1) of FIG. 6 is an overall view of comparison between the work trajectory of the end effector (robot hand) guided by the optimal search method and the work trajectory reconstructed by the thinning operation of its relay point. 6B shows a top view of a comparison between the work trajectory of the end effector (robot hand) guided by the optimal search method and the work trajectory reconstructed by the decimation operation of the relay points. The dotted line is the trajectory calculation (calculation processing time: 0.039
6 [seconds], moving distance: 1804 [mm]), and the solid line is the trajectory calculation with the thinning operation (calculation processing time: 0.04).
29 [seconds], moving distance: 1615 [mm]).

【0065】最後に、従来の温度場の計算を通してハン
ドの作業経路が算出されるまでの計算処理時間は、空間
を分割する格子点の数に大きく依存して変動する傾向が
みられたが、本発明では顕著な計算時間の変化を示さ
ず、上述の41×41×41格子分割モデルに対する計
算結果は3次元温度場の計算から軌道決定に要した時間
と比較すると、概ね数千分の一で処理されることが判明
した。このような圧倒的な高速化により、本課題への解
決が十分達成されたと評価される。
Finally, the calculation processing time until the work path of the hand is calculated through the conventional calculation of the temperature field has a tendency to vary greatly depending on the number of grid points dividing the space. The present invention does not show a significant change in the calculation time, and the calculation result for the 41 × 41 × 41 lattice division model described above is approximately several thousandths of the time required for orbit determination from the calculation of the three-dimensional temperature field. Was found to be processed in. It is evaluated that the solution to this problem was sufficiently achieved by such an overwhelming speedup.

【0066】[0066]

【発明の効果】以上説明したように、大きさや形の異な
る障害物が存在する作業環境にいて、ロボットハンドを
指定位置から目標位置に誘導するための本発明のアルゴ
リズムは、従来法に比べて煩雑な3次元ポテンシャル場
の計算を含まないために計算処理時間が極端に改善さ
れ、対象物と全く干渉しない安全なハンドの作業軌道が
自動的に生成される。結果はすべてのロボットマニピュ
レータの作業に適用可能である。
As described above, the algorithm of the present invention for guiding the robot hand from the designated position to the target position in a work environment in which there are obstacles of different sizes and shapes is more effective than the conventional method. Since the complicated calculation of the three-dimensional potential field is not included, the calculation processing time is extremely improved, and a safe hand work trajectory that does not interfere with the object at all is automatically generated. The results are applicable to all robot manipulator tasks.

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

【図1】 2次元環境において、仮想的なポテンシャル
マップを段階的に作成する概要と、その環境マップを利
用して決定された最適な軌道を表す。
FIG. 1 shows an outline of creating a virtual potential map stepwise in a two-dimensional environment and an optimum trajectory determined by using the environment map.

【図2】 (1)はエンドエフェクタ(ロボットハン
ド)と障害物の衝突回避条件を表し、(2)は障害物の
衝突回避条件を表す。
FIG. 2A shows a collision avoidance condition for an end effector (robot hand) and an obstacle, and FIG. 2A shows an obstacle collision avoidance condition for an obstacle.

【図3】環境内に特定の制御対象領域が存在する場合、
待機ポテンシャルによる特別な環境マップの作成概要
と、そのマップを利用して決定された最適な迂回軌道を
表す。
FIG. 3 shows a case where a specific control target area exists in the environment,
The outline of the special environment map created by the standby potential and the optimal detour trajectory determined using the map are shown.

【図4】 (1)は簡単な実験装置を含む環境と球体の
ハンドの作業開始位置と終了位置を指定した計算モデル
を表し、(2)は(1)の環境に制御対象領域を指定し
た計算モデルを表し、(3)及び(4)は環境内の実験
装置の配置具合や制御領域の諸元を記した計算モデルを
表す。
FIG. 4 shows (1) a calculation model in which an environment including a simple experimental device and a work start position and an end position of a spherical hand are designated, and (2) designates a control target area in the environment of (1). The calculation model is shown, and (3) and (4) show the calculation model in which the arrangement of the experimental equipment in the environment and the specifications of the control area are described.

【図5】 (1)は制御領域の有無によるエンドエフェ
クタ(ロボットハンド)の作業軌道の比較の全体図を表
し、(2)は制御領域の有無によるエンドエフェクタ
(ロボットハンド)の作業軌道の比較の上面図を表す。
FIG. 5 (1) shows an overall view of the comparison of work trajectories of the end effector (robot hand) with and without the control region, and (2) shows comparison of work trajectories of the end effector (robot hand) with and without the control region. FIG.

【図6】 (1)は最適探索法により誘導されたエンド
エフェクタ(ロボットハンド)の作業軌道とその中継点
の間引き操作により再構築された作業軌道との比較の全
体図を表し、(2)は最適探索法により誘導されたエン
ドエフェクタ(ロボットハンド)の作業軌道とその中継
点の間引き操作により再構築された作業軌道との比較の
上面図を表す。
FIG. 6 (1) shows an overall view of comparison between a work trajectory of an end effector (robot hand) guided by the optimal search method and a work trajectory reconstructed by thinning operation of its relay point, and (2) Shows a top view of a comparison between the work trajectory of the end effector (robot hand) guided by the optimal search method and the work trajectory reconstructed by the decimation operation of its relay points.

【図7】 進路変更を伴う作業経路を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a work route accompanied by a course change.

【図8】 間引き操作による作業経路の再構築を表す図
である。
FIG. 8 is a diagram showing reconstruction of a work route by a thinning operation.

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 障害物を含む3次元の作業環境におい
て、ロボットアームの先端に取り付けたハンド(エンド
エフェクタ)の空間上の作業軌跡を決定するために、障
害物回避のモデルと仮想的なポテンシャルによる実世界
のワールドマップ(環境マップ)を作成し、当該マップ
に登録されたポテンシャル(移動番号)を参照しながら
最適条件で経路の中継点を探索する汎用的な、ロボット
ハンドの作業軌道の生成と制御方法。
1. A model of obstacle avoidance and a virtual potential in order to determine a work locus in space of a hand (end effector) attached to a tip of a robot arm in a three-dimensional work environment including an obstacle. Creating a real world world map (environment map) by using, and generating a general-purpose robot hand work trajectory that searches the relay point of the route under optimum conditions while referring to the potential (movement number) registered in the map. And control method.
【請求項2】 請求項1を適用する作業環境に障害物と
は、異質な特定の制御対象領域が存在する場合、待機ポ
テンシャルを指定してその領域での移動番号の登録を一
時的に中断させる措置を取り入れた環境マップの作成と
経路探索から、当該制御領域を回避する機能を備えた、
ロボットハンドの作業軌道の生成と制御方法。
2. When a specific control target area different from the obstacle exists in the work environment to which claim 1 is applied, the standby potential is designated to temporarily suspend registration of the movement number in that area. With the function to avoid the control area from the creation of the environment map and the route search that incorporate the measures to
Generation and control method of work trajectory of robot hand.
【請求項3】 請求項1又は2で誘導されたロボットハ
ンドの作業軌道に対して、直線上の移動を優先させるた
めの中継点の間引き(ジャンプ)操作から、進路変更の
少ない最短軌道を再構築する、ロボットハンドの作業軌
道の生成と制御方法。
3. With respect to the work trajectory of the robot hand guided in claim 1 or 2, the shortest trajectory with few path changes is re-established from the decimation (jump) operation of the relay point for giving priority to the movement on a straight line. How to create and control the work trajectory of the robot hand.
【請求項4】 請求項1、2又は3で誘導された作業軌
道上の各点に対応するロボットアームの姿勢(すなわ
ち、リンクとジョイントから構成される連鎖機構の動
作)が物理的に実現不可能となる場合に、最適探索アル
ゴリズムの中に埋もれた実現可能な軌道の候補を活用す
るロバスト性を特徴とする、ロボットハンドの作業軌道
の生成と制御方法。
4. The posture of the robot arm (that is, the operation of the chain mechanism composed of the link and the joint) corresponding to each point on the work trajectory guided in claim 1, 2 or 3 is not physically realized. A method for generating and controlling a work trajectory of a robot hand, characterized by robustness that utilizes feasible trajectory candidates buried in an optimal search algorithm when possible.
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