JP2008269021A - 経路作成方法及び経路作成装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】ロボットの移動量を少なくし、効率よく移動させることが可能となる移動経路をきる経路作成方法を提供する。
【解決手段】予め設定した(S205)初期位置と最終位置との間に生成した中間点を用いて複数の候補経路を作成した後で(S210)、それぞれの候補経路についてロボットの移動部の移動量を評価(S225,230)し、最も移動効率の良い候補経路を移動経路として選定する(S235)。
【選択図】図3

Description

本発明は、複数の関節を有するロボットの、前記関節の作動により移動する移動部の移動経路を作成する経路作成方法及び経路作成装置に関する。
従来の経路作成方法及び経路作成装置として、初期位置と最終位置との間に中間点を確率的に生成させ、この中間点を用いてロボットの移動経路を作成するものが知られている(例えば、特許文献1)。この経路作成方法及び経路作成装置では、初期位置及び最終位置と中間点とをそれぞれ直線で結んだ経路を形成し、最終位置側の経路において単位長さ分移動させたときにロボットが障害物と衝突しないかどうかの衝突判定をすると共に、初期位置側の経路において単位長さ分移動させたときの衝突判定をし、衝突しないと判定したときはそれらの経路の単位長さ分で経路を決定し、衝突すると判定したときに再び中間点を発生させて新たな経路を形成している。そして、このような単位長さ分の経路の決定を繰り返して、初期位置側の経路と最終位置側の経路とが結合したときに、当該経路全体を、ロボットの移動経路として採用している。
特開2006−048372号公報
ここで、上記経路作成方法経路作成装置にあっては、ロボットの移動量の効率を考慮することなく確率的に中間点を生成させ、障害物と衝突しないかどうかのみを判定しながら経路を作成し、一本の移動経路が見つかり次第経路作成を終了している。従って、ロボットに当該移動経路を移動させたときに、移動量が大きくなってしまい、効率よく移動させることができない場合があった。
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、ロボットの移動量を少なくし、効率よく移動させることが可能となる移動経路を作成できる経路作成方法及び経路作成装置を提供することを目的とする。
本発明に係る経路作成方法は、複数の関節を有するロボットの、関節の作動により移動する移動部の移動経路を作成する経路作成方法において、移動経路の初期位置と最終位置との間に中間点を生成し、当該中間点を目標とする初期位置から最終位置までの間に、移動経路の候補となる候補経路を複数作成し、各々の候補経路についてロボットの移動部の移動量を評価し、一つの移動経路を選定することを特徴とする。
また、本発明に係る経路作成装置は、複数の関節を有するロボットの、関節の作動により移動する移動部の移動経路を作成する経路作成装置において、移動経路の初期位置と最終位置との間に中間点を生成し、当該中間点を目標とする初期位置から最終位置までの間に、移動経路の候補となる候補経路を複数作成する候補経路作成手段と、各々の候補経路についてロボットの移動部の移動量を評価し、一つの移動経路を選定する移動量評価手段と、を備えることを特徴とする。
この経路作成方法及び経路作成装置では、生成させた中間点を用いて複数の候補経路を作成した後で、それぞれの候補経路についてロボットの移動部の移動量を評価し、最も移動効率の良い候補経路を移動経路として選定することができる。これによって、ロボットの移動部の移動量を少なくし、効率よく移動させることが可能となる移動経路を作成できる。
本発明の上記経路作成方法では、候補経路を複数作成するときに、既に作成した候補経路の部分経路を利用することが好ましい。また、本発明の上記経路作成装置では、候補経路作成手段は、既に作成した前記候補経路の部分経路を利用して、前記候補経路を複数作成することが好ましい。これによれば、既に作成した候補経路を利用しながら新たに作成することができるため、効率よく複数の候補経路を作成することができる。
本発明の上記経路作成方法では、各々の候補経路についてロボットの移動部の移動量を評価するときに、ロボットが実際に存在する作業空間を定義すると共に、候補経路全体を移動したときの移動部の移動量を、作業空間における移動量に変換して評価することが好ましい。また、本発明の上記経路作成装置では、移動量評価手段は、前記ロボットが実際に存在する作業空間を定義すると共に、各々の候補経路を移動したときの移動部の移動量を作業空間における移動量に変換して評価することが好ましい。これによれば、作成した候補経路を移動した場合における移動量を、作業空間中においてロボットの移動部が移動した量に変換して評価することができるため、実際の空間において最も効率よくロボットを移動させることが可能となる移動経路を作成できる。
本発明によれば、ロボットの移動量を少なくし、効率よく移動することが可能となる移動経路を作成できる。
本発明の経路作成方法及び経路作成装置の一実施形態について以下に説明する。まず、本実施形態の経路作成方法を実行する経路作成装置の構成概略図を図1に示す。経路作成装置1は、具体的にはコンピュータによって構成されている。図1に示すように、経路作成装置1は、複数の関節を有するロボットの、関節の作動により移動する移動部の移動経路を作成する装置であり、移動経路の候補となる候補経路を複数作成して選定する経路作成手段2と、外部情報を入力する手段である情報入力手段3と、作成過程にある経路や最終的に作成した(設定した)移動経路を移動命令の信号に変換してロボットへ出力する経路出力手段4とを有している。
経路作成手段2は、移動経路のスタート位置(初期位置)とゴール位置(最終位置)とを最終的に決定するスタート・ゴール位置決定手段5と、スタート位置とゴール位置との間に中間点を設定(仮設定)することによって候補経路を複数作成する候補経路作成手段6と、作成した候補経路についてロボットの移動部の移動量を評価して一つの移動経路を選定する移動量評価手段7と、情報入力手段3からの入力情報を記憶する情報記憶手段8とを有している。このようなこのようなスタート・ゴール位置決定手段5、候補経路作成手段6及び移動量評価手段7は、ハードディスク内やROM内に格納されたプログラムとこれを実行するCPUなどによって実現されている。また、情報記憶手段8は、具体的にはハードディスクやRAMなどである。
情報入力手段3は、複数の関節を有するロボットの初期姿勢と目標姿勢の関節角度情報、ロボットの周辺の障害物に関する情報、及び移動経路の候補となる候補経路を何本作成するかの設定値を入力する手段であり、カメラや各種センサなどの情報取得デバイスや、キーボードやデータを予め格納した光ディスクドライブなどから構成されている。経路出力手段4は、具体的には、ロボットのアクチュエータを作動させるドライバなどである。
本実施形態では、複数の関節を有するロボットがロボットアームである場合を例にして説明する。図2は経路作成装置1で作成した移動経路に従って移動させるロボットアーム100を模式的に示した図である。このロボットアーム100は、図2に示すように、複数のリンク101と、二つのリンク101の間に配置された関節ジョイント(関節)102とからなる。各関節ジョイント102は一自由度の関節である。また、ロボットアーム100の先端には、把持部103が取り付けられている。ここでは、経路作成装置1によって、把持部103の根元、すなわち、最も末端側のリンク101の先端部分(手首位置X)の移動経路を作成するものとする。なお、ロボットアーム100が実際に存在する空間を、以下、作業空間と言うこととする。
また、ロボットアーム100の状態、即ち、ロボットアーム100がどのような姿勢であるかは、各関節ジョイント102の角度が分かれば把握することができる。今ここで、図2中の三つの各関節ジョイント102での角度θ,θ,θをそれぞれ座標軸として持つ多次元座標空間(この例では三次元座標空間)を設定すれば、ロボットアーム100の姿勢は、この多次元座標空間上の一点[座標(θ,θ,θ)]によって表すことができる。
作業空間に対してx,y座標軸を設定した場合、ロボットアーム100の姿勢を表す手首位置Xの座標(x,y)は、多次元座標空間上の座標(θ,θ,θ)を変換することで容易に得ることができる。なお、ここでは、ロボットアーム100の状態(姿勢)を三次元座標で表したが、二次元や、より多次元の座標空間上で表すこともできる。例えば、上述した関節ジョイント102が七つあるようなロボットアームであれば、七次元座標空間上の一点としてその状態(姿勢)を表すことができる。あるいは、三つの関節ジョイントと一つの伸縮部とを持つようなロボットアームであれば、四次元座標空間上の一点としてその状態(姿勢)を表すことができる。
次に、本実施形態に係る経路作成方法を実行する経路作成装置1の処理について説明する。
図3は、本実施形態に係る経路作成方法の経路作成処理のフローチャートであり、図4は、図3の経路作成処理中の候補経路作成処理のフローチャートである。これらの経路作成処理は、ロボットの運転時に実行される。
図3に示すように、移動経路作成に際しては、まず、情報入力手段3によって候補経路の本数nなどの情報が入力される。すでに入力された情報記憶手段8に蓄積された情報のみで不足がない場合は、新たな外部環境情報の入力は必ずしも必要ない。なお、候補経路の本数nは、本実施形態においては4本と設定する(S200)。
次に、移動経路のスタート位置とゴール位置とを上述した作業空間上にオペレータがセットする。これらの位置があらかじめプリセットされているのであれば、オペレータによる入力は必要ない。入力は、キーボードから座標位置を入力するなどして設定することができる。あるいは、情報入力手段3にロボットアーム100を接続し、ロボットアーム100を実際にスタート・ゴール位置に位置させたときの座標などを読み込ませるようにしても良い。また、装置に組み込まれたカメラや各種センサによって外部環境情報が自動又は半自動で取得されるようにしても良い。
このとき、ゴール位置は複数設定されてもよい。例えば、ここではロボットアーム100について説明しているが、最終位置で対象物を把持するとした場合に、対象物を把持する際のロボットアーム100の姿勢(手首位置X)はいくつか考えられる。対象物を上方からつかんでも良いし、右/左側方からつかんでもよい。このようなバリエーションを考えて、ゴール位置を予め複数設定する。ロボットアーム以外の自動機械の場合であっても、ゴール位置の取り方にバリエーションを持たせられる場合が多いので、このような場合もゴール位置を複数設定する。なお、本実施形態では、ゴール位置が一つに設定された場合について説明する。
スタート・ゴール位置決定手段5は、情報記憶手段8に蓄積された情報と照らし合わせて、入力されたスタート・ゴール位置が障害物と干渉していないか否かを判断し、干渉していない場合はこれらをスタート・ゴール位置として決定する(S205)。なお、干渉の有無の検証については、追って詳しく説明する。入力されたスタート・ゴール位置が障害物と干渉している場合は、干渉しているゴール位置については削除するなどすると共に、必要であればオペレータに対して再入力を促し、再入力されたスタート・ゴール位置について同様の判定を行う。この手順は、スタート・ゴール位置が決定されるまで反復される。
決定された作業空間上のスタート・ゴール位置は、多次元座標空間上に変換される。なお、ここでは説明の便宜上、多次元座標空間を二次元座標空間θ−θとして説明する。これは、関節ジョイント102が二つのロボットアームの場合に相当する。ここでは、二次元座標空間θ−θ上にスタート位置Sとゴール位置Gとが設定される(図5参照)。なお、スタート・ゴール位置は、はじめから多次元座標空間上の座標として入力されても構わない。
次に、一本めの候補経路を作成する場合における候補経路作成処理(S210)の手順について図4を参照して説明する。この候補経路作成処理は、候補経路作成手段6にて実行される。まず、多次元座標空間中に予め設定しておいた確率分布に従って乱数を生成させることによって、多次元座標空間上で、スタート・ゴール位置の間に複数の中間点が仮設定(複数の中間点候補mが設定)される(図6参照、S305)。次に、複数の中間点候補mが設定されたら、中間点候補mの中から、候補経路作成に利用するために好適なものを中間点Mとして設定する(図7参照、S310)。
上述したように、複数の中間点候補mの中から好適なものを中間点Mとして設定するが、ここでは中間点候補mのすべてに関して可操作度を算出し、可操作度の最も高い、即ち、可操作性が最も良い中間点候補mを中間点Mとして採用する(図7参照)。なお、可操作性については、「コンピュータ制御機械システムシリーズ10 ロボット制御基礎理論」(第4章) 吉川恒夫著 コロナ社 に記載されている。可操作性とは、自動装置(ここではロボットアーム100の手先部分)をどの程度自由に操作できるかということであり、この操作能力を表すものが可操作度である。可操作性には、運動学的可操作性と動力学的可操作性とがあるが、ここでは何れの可操作性に基づいても良い。
これで、スタート位置S・中間点M・ゴール位置Gが決定/選択されたこととなるので、スタート位置S−中間点Mと中間点M−ゴール位置Gとを二次元座標空間θ−θ上で最短距離(関節ジョイント102に関する二次元座標空間θ−θでの距離)で結ぶ。なお、作業空間及び多次元座標空間のそれぞれの距離は、距離を定義する距離関数であるならば何でもよく、例えば、ユークリッド距離関数などでもよい。そして、まず、二次元座標空間θ−θ上で、ゴール位置G側の線分、すなわちベクトルB1についてゴール位置Gから所定長さ分が切り取られ(図8参照)、この所定長さ分に関して衝突判定が行われる(S325)。衝突判定は、作成する候補経路が作業空間上で障害物と干渉しないかどうかを判定するものである。
具体的には、衝突判定は、ベクトルB1をさらに微小な区間に分割し(図8参照)、その微小区間の境界部毎に行われる。この微小区間の判定は、ゴール位置G側から中間点Mに向けて順次行われる。上述した微小区間の境界部の二次元座標空間θ−θ上の位置座標が実際の作業空間に変換され、情報記憶手段8に格納されている障害物の情報と比較され、作業空間上で干渉の有無が判定される。干渉がなければ、上述した所定長さ分のベクトルB1の端部まで候補経路が作成される(S330)。ゴール位置G側のベクトルB1に関する衝突判定が済んだら、同様にスタート位置S側の衝突判定が行われる(S335,340,345)。スタート位置S側に関しても干渉がなければ、上述した所定長さ分のベクトルB2の端部まで経路が作成される(S350)。なお、B1を作成した後、B1とSを結んで、SからB1に向かって所定の長さ分の衝突判定を行うようにしてもよい。
ゴール位置G側及びスタート位置S側の各所定長さ分のベクトルB1,B2に関して衝突がなければ、中間点Mをそのままにして、B1とSを結ぶ場合はB1をそのままにして、さらに所定長さ分進んで衝突判定を行う(S355−no)。一方、このように衝突判定を進めつつ、経路を作成していくと、作成中の経路が作業空間上で障害物と衝突すると判定される場合が生じる。このように、衝突判定中にその所定長さ分について衝突があると判定された場合は、その所定長さ分については破棄され、新たな中間点Mが設定され、それ以降はこの新たな中間点Mを利用して同様の候補経路作成が続行される(S325,345−no)。
以下、中間点Mによる二回目の所定長さについての候補経路作成中に衝突判定によって新たな中間点Mを設定する必要が生じた場合を例に説明する。新たな中間点Mを設定する場合、まず、複数の中間点候補mを二次元座標空間θ−θ上にランダムに設定する(図9参照、S305)。そして、上述した中間点候補mの場合と同様に、中間点候補mのすべてに関して可操作度を算出し、可操作度の最も高い、即ち、可操作性が最も良い中間点候補mを中間点Mとして採用する(図10参照、S310)。
複数の中間点候補mから最も可操作性の良いものを中間点Mとして採用した後は、上述したゴール位置G及びこのゴール位置Gから作成された候補経路上の点G’から作業空間上での中間点Mに対して最も近い距離にあるものを経路作成に利用するものとして選択する(図11参照、S315,320)。なお、ここでは候補経路上の点は二つ(G及びG‘)であるが、後の候補経路作成処理において、複数の点の中から選択することができる。
ここで中間点Mを用いて経路計画を進める際のスタート側に関しても、当初のスタート位置Sやこのスタート位置Sから既に経路設定された点S’のうち、中間点Mからの距離が最も近いものから候補経路作成が行われる(図11参照、S340)。そしてその後も、上述と同様な手順を繰り返し、最終的にスタート位置S側の経路とゴール位置G側の候補経路とが合流すると、一本めの候補経路L1が決定される(S355−yes)。一本の候補経路作成が終了すると、候補経路作成処理(S210)が終了する。なお、後の説明のため、候補経路L1のスタートから作成した中間点をそれぞれ中間点S,S,S,Sとし、ゴールから作成した中間点をそれぞれ中間点G,G,G,Gとする。
図3に戻り、候補となる候補経路L1が一本作成されると、カウンタiを一つ増やし(S215)、入力された設定値nと比較し、下回っている場合(S220−yes)は候補経路作成処理(S210)に戻り、再び候補経路を作成する。
次に、再び図4を参照し、2本めの移動経路作成について説明する。まず、一本めの候補経路L1を作成した場合と同様に、二次元座標空間θx−θy上に複数の中間点候補を設定する(S305)と共に、可操作度を算出することによって、最も好適な中間点Mを設定する(図13参照、S310)。そして、ゴール位置G、または既に作成した候補経路L1の中間点G,G,G,Gから作業空間上での中間点Mに対して最も近い距離にあるものを経路作成に利用するものとして選択する(S315,320)。ここでは、ゴール位置Gを選択する(図14参照)。
スタート側に関しても、当初のスタート位置Sや中間点S,S,S,Sのうち、中間点Mからの距離が最も近いものから候補経路作成が行われる(S340)。ここでは、中間点Sを選択する(図14参照)。このとき、一本めの候補経路L1の、スタート位置Sと中間点Sの間の部分経路が利用される。
その後、上述と同様に、ゴール側及びスタート側で衝突判定と所定長さ分の候補経路決定を繰り返し(S325,330,345,350)、最終的にスタート位置S側の経路とゴール位置G側の候補経路とが合流すると、二本めの候補経路L2が決定される(図15参照、S355−yes)。
上述の候補経路作成処理は、カウンタiが設定値n(=4)となるまで、繰り返し行われ、これによって、二次元座標空間θx−θy上に候補経路L3,L4が作成される(図16参照)。
図3に戻り、設定した本数分の候補経路を作成したら(S220−no)、候補経路L1,L2,L3,L4のそれぞれについての移動量を演算する(S225)。ロボットアーム100の手先位置Xの移動量は、候補経路を移動したときの作業空間における移動量に変換して評価する。例えば、候補経路L1を採用した場合の移動量は、スタート位置Sから中間点Sへ姿勢が変化した場合における作業空間での手首位置Xの移動距離、中間点Sから中間点Sへ姿勢が変化した場合における作業空間での手首位置Xの移動距離、中間点Sから中間点Sへ姿勢が変化した場合における作業空間での手首位置Xの移動距離、中間点Sからゴール位置Gへ姿勢が変化した場合における作業空間での手首位置Xの移動距離をそれぞれ合計したものとなる。
全ての候補経路についての移動量を演算したら、それらの値を評価・比較し(S230)、移動量が最も少なくなり移動効率を良くすることのできる候補経路を、採用すべき移動経路として決定する(S235)。なお、S225〜235までの処理は移動量評価手段7で実行される。選定した移動経路を経路出力手段4にてアクチュエータに対する信号に変換し、ロボットアーム100の各関節ジョイント102のアクチュエータに出力することによって、当該移動経路にてロボットアーム100の各関節を作動させ、手先位置Xを移動させる。
以上のように、本実施形態に係る経路作成方法によれば、生成させた中間点を用いて複数の候補経路を作成した後で、それぞれの候補経路についてのロボットアーム100の手首位置Xの移動量を評価し、最も移動効率の良い候補経路を移動経路として選定することができる。これによって、ロボットアーム100の手先位置Xの移動量を少なくし、効率よく移動させることが可能となる移動経路を作成できる。
また、本実施形態に係る経路作成方法によれば、既に作成した候補経路の部分経路を利用しながら新たに作成することができるため、効率よく複数の候補経路を作成することができる。
また、本実施形態に係る経路作成方法によれば、作成した候補経路を移動した場合における移動量を、作業空間中においてロボットアーム100の手首位置Xが移動した量に変換して評価することができるため、実際の空間において最も効率よくロボットアーム100を移動させることが可能な移動経路を作成できる。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。
例えば、ゴール位置を複数設定し、ゴール位置選択(S320)において、それぞれのゴール位置の中から中間点に最も近い距離にあるものを選択してもよい。
また、ロボットアーム100の関節ジョイント102は、回転するものに限らず、直進するものであってもよい。
本実施形態の経路作成方法を実行する経路作成装置の構成概略図である。 経路作成装置で作成した移動経路に従って移動させるロボットアームを模式的に示した図である。 本実施形態に係る経路作成方法の経路作成処理のフローチャートである。 図3の経路作成処理中の候補経路作成処理のフローチャートである。 候補経路作成処理時の多次元座標空間を示す図である。 候補経路作成処理時の多次元座標空間を示す図である。 候補経路作成処理時の多次元座標空間を示す図である。 候補経路作成処理時の多次元座標空間を示す図である。 候補経路作成処理時の多次元座標空間を示す図である。 候補経路作成処理時の多次元座標空間を示す図である。 候補経路作成処理時の多次元座標空間を示す図である。 候補経路作成処理時の多次元座標空間を示す図である。 候補経路作成処理時の多次元座標空間を示す図である。 候補経路作成処理時の多次元座標空間を示す図である。 候補経路作成処理時の多次元座標空間を示す図である。 候補経路作成処理時の多次元座標空間を示す図である。
符号の説明
1…経路作成装置、6…候補経路作成手段、7…移動量評価手段、100…ロボットアーム(複数の関節を有するロボット)、102…関節ジョイント(関節)、X…手先位置(移動部)。

Claims (6)

  1. 複数の関節を有するロボットの、前記関節の作動により移動する移動部の移動経路を作成する経路作成方法において、
    前記移動経路の初期位置と最終位置との間に中間点を生成し、当該中間点を目標とする前記初期位置から前記最終位置までの間に、前記移動経路の候補となる候補経路を複数作成し、
    各々の前記候補経路について前記ロボットの前記移動部の移動量を評価し、一つの前記移動経路を選定すること、
    を特徴とする経路作成方法。
  2. 前記候補経路を複数作成するときに、既に作成した前記候補経路の部分経路を利用することを特徴とする請求項1記載の経路作成方法。
  3. 各々の前記候補経路について前記ロボットの前記移動部の移動量を評価するときに、前記ロボットが実際に存在する作業空間を定義すると共に、前記候補経路を移動したときの前記移動部の移動量を、前記作業空間における移動量に変換して評価することを特徴とする請求項1又は2記載の経路作成方法。
  4. 複数の関節を有するロボットの、前記関節の作動により移動する移動部の移動経路を作成する経路作成装置において、
    前記移動経路の初期位置と最終位置との間に中間点を生成し、当該中間点を目標とする前記初期位置から前記最終位置までの間に、前記移動経路の候補となる候補経路を複数作成する候補経路作成手段と、
    各々の前記候補経路について前記ロボットの前記移動部の移動量を評価し、一つの前記移動経路を選定する移動量評価手段と、
    を備えることを特徴とする経路作成装置。
  5. 前記候補経路作成手段は、既に作成した前記候補経路の部分経路を利用して、前記候補経路を複数作成することを特徴とする請求項4記載の経路作成装置。
  6. 前記移動量評価手段は、前記ロボットが実際に存在する作業空間を定義すると共に、各々の前記候補経路を移動したときの前記移動部の移動量を前記作業空間における移動量に変換して評価することを特徴とする請求項4又は5記載の経路作成装置。
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