JP2009172685A - マニピュレータシステムおよびその制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ロボットアームとロボットハンドを備えたマニピュレータの制御方法において、
対象物を把持して作業動作に入った際にアームの可動範囲を越えたり、アームが特異点に陥ったりすることなく動作可能なハンドの把持形態を選択する。
【解決手段】ロボットハンドに多指ハンドを採用することで把持形態を複数提供し、提供された複数の把持形態と把持対象物の位置からこれを把持および把持後のアームの移動経路における関節姿勢を各々計算し、各々の関節姿勢の取り易さを評価する処理を行い、この評価結果に基づいて把持形態を選択する。
【選択図】図２
対象物を把持して作業動作に入った際にアームの可動範囲を越えたり、アームが特異点に陥ったりすることなく動作可能なハンドの把持形態を選択する。
【解決手段】ロボットハンドに多指ハンドを採用することで把持形態を複数提供し、提供された複数の把持形態と把持対象物の位置からこれを把持および把持後のアームの移動経路における関節姿勢を各々計算し、各々の関節姿勢の取り易さを評価する処理を行い、この評価結果に基づいて把持形態を選択する。
【選択図】図２
Description
本発明は、ロボットアームと多指ハンドを備えたマニピュレータシステムおよびその制御方法に関する。
従来のロボットアームとロボットハンドを備えたマニピュレータの制御方法は、ハンドの把持姿勢を設定してそれに応じてアームを動作させる。（例えば、特許文献１参照）。図３において、視覚センサで取得した画像情報を基にして把持対象物を所定の単純形状に当てはめ（ステップＳ１）、その大きさと向きを求め（ステップＳ３）、種別に応じてその単純形状の向きと大きさからロボットハンドの把持姿勢を設定する（ステップＳ１１、２１、３１）。求めた把持姿勢からロボットハンドの手首位置を算出し（ステップＳ１３）、逆運動学解析により、アームの目標姿勢をもとめ（ステップＳ１５）、モータを制御して目標姿勢を得（ステップＳ１７）、把持を行う（ステップＳ１９）。
このように、従来のロボットアームとロボットハンドを備えたマニピュレータの制御装置では、ハンドの把持姿勢を設定してそれに応じてアームを動作させる、という手順がとられていた。
特開２００６−１３０５８０号公報（第３−９頁、図４）
このように、従来のロボットアームとロボットハンドを備えたマニピュレータの制御装置では、ハンドの把持姿勢を設定してそれに応じてアームを動作させる、という手順がとられていた。
従来のロボットアームとロボットハンドを備えたマニピュレータの制御方法では、ハンドの把持姿勢を設定してそれに応じてアームを動作させるという手順をとっているので、設定したハンドの把持姿勢によってアームの動作が決まる。このとき、把持した後の動作を考慮していないため、動作によってはアームの可動範囲を越えたり、アームが特異点に陥ったりするという問題があった。
しかし、ロボットハンドに多指ハンドを採用することで、多様な把持形態から、より適した把持形態を選択することができるという解決策がある。
そこで、本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、ロボットアームと多指ハンドを備えたマニピュレータの制御方法を提供することを目的とする。
しかし、ロボットハンドに多指ハンドを採用することで、多様な把持形態から、より適した把持形態を選択することができるという解決策がある。
そこで、本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、ロボットアームと多指ハンドを備えたマニピュレータの制御方法を提供することを目的とする。
上記問題を解決するため、本発明は、次のようにしたのである。
請求項１に記載の発明は、アームの先端に多指ハンドを設けたマニピュレータと、把持対象物の位置および形状を入力または検出する手段と、前記マニピュレータを制御する制御装置と、を備えたマニピュレータシステムの制御方法において、前記把持対象物の位置および形状に基づいて前記多指ハンドによる把持形態を複数選択する処理を行い、前記選択された複数の把持形態各々について、前記把持対象物を把持するときのアームの移動経路における関節姿勢を計算する処理を行い、前記計算された各々の関節姿勢の取り易さを評価する処理を行い、前記評価に基づいて前記選択された複数の把持形態のうちから１つの把持形態を選択する処理をすることを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、アームの先端に多指ハンドを設けたマニピュレータと、把持対象物の位置および形状を入力または検出する手段と、前記マニピュレータを制御する制御装置と、を備えたマニピュレータシステムにおいて、前記把持対象物の位置および形状に基づいて前記多指ハンドによる把持形態を複数選択する把持形態選択部と、前記選択された複数の把持形態各々について、前記把持対象物を把持するときのアームの移動経路における関節姿勢を計算するアーム姿勢演算部と、前記計算された各々の関節姿勢の取り易さを評価するアーム姿勢評価演算部と、前記評価に基づいて前記選択された複数の把持形態のうちから１つの把持形態を選択する手段と、を備えたことを特徴とするものである。
請求項１に記載の発明は、アームの先端に多指ハンドを設けたマニピュレータと、把持対象物の位置および形状を入力または検出する手段と、前記マニピュレータを制御する制御装置と、を備えたマニピュレータシステムの制御方法において、前記把持対象物の位置および形状に基づいて前記多指ハンドによる把持形態を複数選択する処理を行い、前記選択された複数の把持形態各々について、前記把持対象物を把持するときのアームの移動経路における関節姿勢を計算する処理を行い、前記計算された各々の関節姿勢の取り易さを評価する処理を行い、前記評価に基づいて前記選択された複数の把持形態のうちから１つの把持形態を選択する処理をすることを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、アームの先端に多指ハンドを設けたマニピュレータと、把持対象物の位置および形状を入力または検出する手段と、前記マニピュレータを制御する制御装置と、を備えたマニピュレータシステムにおいて、前記把持対象物の位置および形状に基づいて前記多指ハンドによる把持形態を複数選択する把持形態選択部と、前記選択された複数の把持形態各々について、前記把持対象物を把持するときのアームの移動経路における関節姿勢を計算するアーム姿勢演算部と、前記計算された各々の関節姿勢の取り易さを評価するアーム姿勢評価演算部と、前記評価に基づいて前記選択された複数の把持形態のうちから１つの把持形態を選択する手段と、を備えたことを特徴とするものである。
本発明によると、対象物の把持および把持後の移動経路におけるアーム姿勢の取り易さによってハンドの把持形態を選択するので、対象物を把持して行う一連の動作に、より適した多指ハンドの把持形態を選択して作業を行うことができる。すなわち、これにより、作業中にアームが可動範囲を越えたり、アームが特異点に陥ったりすることを防ぐ効果がある。
以下、本発明の方法の具体的実施例について、図に基づいて説明する。
図１は、本発明の方法を実施するマニピュレータの制御装置の構成例を示すブロック図である。制御するマニピュレータはロボットアーム１とアーム先端に装着した多指ハンド２からなり、把持対象物１２の位置および形状を入力または検出する手段としての視覚センサ３がある。マニピュレータの制御装置４はロボットアーム制御部５と多指ハンド制御部６、視覚センサで検出した画像から対象物の位置姿勢と形状を求めることができる画像処理部７、さらにアームに関する演算を行うアーム姿勢演算部８とアーム姿勢評価演算部９を備えている。ハンドの把持形態を複数記憶している把持形態選択部１０があって、対象物の形状と位置姿勢から多指ハンドが取り得る把持形態を提示する機能を有している。また、１１はマニピュレータの作業動作を指令する動作プログラムである。この動作プログラム１１は、対象物の移動経路を、現在位置姿勢を始点として複数の中継姿勢を介し最終位置姿勢まで導くものである。例えば、周囲の環境を考慮して障害物を回避するように回り込んで移動させるための動作プログラムは、現在位置姿勢Ｓから最終位置姿勢Ｇへ到達するまでに単純な直線移動でＳからＧへ導くのではなく、中継姿勢Ｔ１、中継姿勢Ｔ２、を介してＳ→Ｔ１→Ｔ２→Ｇの直線移動を組合せた一連の動作で最終位置姿勢Ｇへ導く。
図２はマニピュレータの制御装置において多指ハンドの把持形態を選択するための処理手順を示すブロック図である。この図を用いて本発明の方法を説明する。
まず、視覚センサ３および画像処理部７によって対象物の形状と位置姿勢を検出する（Ｐ１）。
対象物の形状と位置姿勢が判ると、把持形態選択部１０のデータベースに記憶された多種の把持形態から選択可能な形態を複数提供する（Ｐ２）。対象物１２を把持するのが多指ハンド２であるため、単純形状を把持するにも複数の把持形態が提供可能となる。例えば３本指ハンドで対象物を挟み込んで把持する場合には、３本の指を２本対１本で対向して挟む組み合わせだけでも複数提供できる。ここで、把持形態Ａ〜Ｃが提示されたとすると、各把持形態からアーム姿勢を求めるための情報を得る（Ｐ３）。この情報は具体的には、アーム手首から対象物への相対的な座標変換行列である。これによって、アーム姿勢演算部８は、対象物１２の位置姿勢から、アーム姿勢演算によって対象物を把持して作業するアームの動作姿勢を算出する（Ｐ４）。ここで、対象物を把持して操作する動作が動作プログラムから得られ、中継姿勢が複数得られるので、各中継姿勢および最終位置姿勢でアーム姿勢を求める演算を行う。これは、把持形態と把持物体の位置姿勢からアームの手首位置姿勢を算出し、逆運動学を演算してアームの関節角度を求めるものである。こうして得られたアームの関節角度から、アーム姿勢評価演算部９は、作業動作がアームの可動範囲内にあるかどうかをチェックし（Ｐ５）、可動範囲内にあればアーム姿勢評価演算によって姿勢の取り易さを計る指標である可操作度を計算する（Ｐ６）。これらの演算を把持形態Ａ、Ｂ、Ｃ、各々について行い、アームが可動範囲内にありかつ可操作度の高い把持形態を選択する（Ｐ７）。
なお、可操作度とは次式のように演算されるスカラ量
である。
まず、視覚センサ３および画像処理部７によって対象物の形状と位置姿勢を検出する（Ｐ１）。
対象物の形状と位置姿勢が判ると、把持形態選択部１０のデータベースに記憶された多種の把持形態から選択可能な形態を複数提供する（Ｐ２）。対象物１２を把持するのが多指ハンド２であるため、単純形状を把持するにも複数の把持形態が提供可能となる。例えば３本指ハンドで対象物を挟み込んで把持する場合には、３本の指を２本対１本で対向して挟む組み合わせだけでも複数提供できる。ここで、把持形態Ａ〜Ｃが提示されたとすると、各把持形態からアーム姿勢を求めるための情報を得る（Ｐ３）。この情報は具体的には、アーム手首から対象物への相対的な座標変換行列である。これによって、アーム姿勢演算部８は、対象物１２の位置姿勢から、アーム姿勢演算によって対象物を把持して作業するアームの動作姿勢を算出する（Ｐ４）。ここで、対象物を把持して操作する動作が動作プログラムから得られ、中継姿勢が複数得られるので、各中継姿勢および最終位置姿勢でアーム姿勢を求める演算を行う。これは、把持形態と把持物体の位置姿勢からアームの手首位置姿勢を算出し、逆運動学を演算してアームの関節角度を求めるものである。こうして得られたアームの関節角度から、アーム姿勢評価演算部９は、作業動作がアームの可動範囲内にあるかどうかをチェックし（Ｐ５）、可動範囲内にあればアーム姿勢評価演算によって姿勢の取り易さを計る指標である可操作度を計算する（Ｐ６）。これらの演算を把持形態Ａ、Ｂ、Ｃ、各々について行い、アームが可動範囲内にありかつ可操作度の高い把持形態を選択する（Ｐ７）。
なお、可操作度とは次式のように演算されるスカラ量
である。
ただし、Ｊ（θ）はロボットアームのヤコビ行列で、関節角ベクトルθの関数として、
と関係付けるものである。
以上の手順により最も動作に適した把持形態を選択し、対象物を把持して操作するための動作をアーム制御部５およびハンド制御部６に送り、実際の動作制御を行う（Ｐ８）。このとき、アーム制御部にはアーム姿勢演算部８からアーム各関節の動作命令を、ハンド制御部６には把持形態選択部１０から選択された把持形態に応じたハンドの動作命令を送っている。
以上の手順により最も動作に適した把持形態を選択し、対象物を把持して操作するための動作をアーム制御部５およびハンド制御部６に送り、実際の動作制御を行う（Ｐ８）。このとき、アーム制御部にはアーム姿勢演算部８からアーム各関節の動作命令を、ハンド制御部６には把持形態選択部１０から選択された把持形態に応じたハンドの動作命令を送っている。
このように、対象物を操作する動作について予めアームの動作し易さを検証して多指ハンドの把持形態を決定するので、より適した多指ハンドの把持形態を選択して作業を行うことができる。
本実施例では視覚センサと画像処理を使用したが、別の入力装置で対象物の位置および形状を入力してもよい。例えば、距離センサや床に配置した接触センサアレイ等で物体の位置を検出する方法を取ってもよく、対象物の位置および形状を入力または検出して認識することができれば任意の方法でよい。
１ ロボットアーム
２ 多指ハンド
３ 視覚センサ
４ マニピュレータの制御装置
５ ロボットアーム制御部
６ 多指ハンド制御部
７ 画像処理部
８ アーム姿勢演算部
９ アーム姿勢評価演算部
１０ 把持形態選択部
１１ 動作プログラム
２ 多指ハンド
３ 視覚センサ
４ マニピュレータの制御装置
５ ロボットアーム制御部
６ 多指ハンド制御部
７ 画像処理部
８ アーム姿勢演算部
９ アーム姿勢評価演算部
１０ 把持形態選択部
１１ 動作プログラム
Claims (2)
- アームの先端に多指ハンドを設けたマニピュレータと、把持対象物の位置および形状を入力または検出する手段と、前記マニピュレータを制御する制御装置と、を備えたマニピュレータシステムの制御方法において、
前記把持対象物の位置および形状に基づいて前記多指ハンドによる把持形態を複数選択する処理を行い、
前記選択された複数の把持形態各々について、前記把持対象物を把持するときのアームの移動経路における関節姿勢を計算する処理を行い、
前記計算された各々の関節姿勢の取り易さを評価する処理を行い、
前記評価に基づいて前記選択された複数の把持形態のうちから１つの把持形態を選択する処理をすることを特徴とするマニピュレータシステムの制御方法。 - アームの先端に多指ハンドを設けたマニピュレータと、把持対象物の位置および形状を入力または検出する手段と、前記マニピュレータを制御する制御装置と、を備えたマニピュレータシステムにおいて、
前記把持対象物の位置および形状に基づいて前記多指ハンドによる把持形態を複数選択する把持形態選択部と、
前記選択された複数の把持形態各々について、前記把持対象物を把持するときのアームの移動経路における関節姿勢を計算するアーム姿勢演算部と、
前記計算された各々の関節姿勢の取り易さを評価するアーム姿勢評価演算部と、
前記評価に基づいて前記選択された複数の把持形態のうちから１つの把持形態を選択する手段と、を備えたことを特徴とするマニピュレータシステム。
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|---|---|---|---|
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- 2008-01-22 JP JP2008011155A patent/JP2009172685A/ja active Pending
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