JP2012006100A - 干渉判定装置および干渉判定方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】
識別番号を各部位に割り当てる識別番号割当部421と、干渉情報を格納する干渉情報格納部412と、干渉条件情報を格納する干渉条件情報格納部413と、ロボットの動作する空間を2次元平面上に投影した上で、2次元平面をn1×n2のマス目に区切るマス目管理部424と、対応マス目を特定し、占有情報を対応マス目ごとに記録する占有情報記録部425と、占有情報および干渉条件情報の桁ごとの論理積を求め、論理積の全ての桁が「0」なら干渉無しと判断し、少なくとも一つの桁が「1」なら干渉有りと判断する判断部426と、を備える。干渉情報は、立体交差する際に干渉を伴わないなら「0」、干渉を伴うなら「1」を表す。
【選択図】図4
Description
ただし、hは前記各部位の数であり、iおよびjは1以上h以下の自然数であり、Ciはi番目の部位の前記干渉条件情報であり、IDjはj番目の部位の前記識別番号であり、tijはi番目の部位とj番目の部位における前記干渉情報である。
まず、本発明の実施形態に係る双腕ロボットシステム100の全体構成について、図1〜3を参照しながら説明する。図1は、双腕ロボットシステム100の構成概要図である。図1に示すように、双腕ロボットシステム100は、軌道生成部1、サーボドライバ2a〜2d、双腕ロボット3、および干渉判定部4を含んで構成され、各構成要素は例えば図1にて矢印で表現される通信手段により互いに通信できるように接続されている。図2は双腕ロボット3の側面概要図であり、図3は双腕ロボット3の上面概要図である。
以下、双腕ロボットシステム100の一構成要素である干渉判定部4(特許請求の範囲における「干渉判定装置」に相当)の構成について、図4〜図9を更に参照しながら詳細に説明する。干渉判定部4は、軌道生成部1から問い合わせを受けて、3次元で動作する双腕ロボット3の各部位(移動部位)と、障害物としてワークまたは治具の各部位(固定部位)に対して干渉判定を行う部分である。図4は、干渉判定部4の機能的構成要素を示したブロック図である。図4に示されるように、干渉判定部4は、格納部41および干渉判定演算部42を含んで構成される。なお、以下の説明においては、「移動部位」とは、双腕ロボット3および障害物5の各部位のうち移動を伴う部位をいい、「固定部位」とは、双腕ロボット3および障害物5の各部位のうち移動を伴わない部位をいい、「部位」は、移動部位と固定部位の総称である。
識別番号割当部421は、双腕ロボット3および障害物5の各部位に識別番号を割り当てる部分である。各識別番号は、双腕ロボット3および障害物5の各部位の数と同数の複数の桁数を有し且つ他の全ての識別番号との間で桁ごとの論理積を計算すると全ての桁が「0」となるように設定される情報である。具体的に、識別番号割当部421が図2および図3にて示した双腕ロボット3および障害物5の各部位に割り当てた識別番号IDiの一例を図5に示す。図5の一例において、識別番号割当部421は、アーム31の第1軸(第1リンク)311に対して、識別番号ID1として「1000000」を割り当てている。また、識別番号割当部421は、アーム32の昇降軸323に対して、識別番号ID6として「0000010」を割り当てている。更に、識別番号割当部421は、冶具5に対して、識別番号ID7として「0000001」を割り当てている。ここで挙げた一例においては、双腕ロボット3および障害物5の各部位が「7つ」あるため、各識別番号IDiの桁数は「7」となっている。また、ID1からID7までの桁ごとの論理積を計算すると、全ての桁において「0」となる。
干渉情報生成部422は、双腕ロボット3の各移動部位と他の部位との間で、干渉のない立体交差が存在しない場合(つまり立体交差する際に干渉を伴う場合)は「1」とし、干渉のない立体交差が可能である場合(つまり立体交差する際に干渉を伴わない場合)もしくは自分自身との関係は「0」としたテーブルを作成する部分である。
干渉条件情報生成部423は、干渉条件情報を生成する部分である。干渉条件情報は、干渉情報に基づき設定され、双腕ロボット3および障害物5の各部位の数と同数の複数の桁数を有し、移動部位が他の部位との間で立体交差する際に干渉を伴うか否かを表す情報である。干渉条件情報生成部423は、下記の数式(1)により計算される情報Ciを干渉条件情報として生成する。
ただし、hは双腕ロボット3および障害物5の各部位の数であり、iおよびjは1以上h以下の自然数であり、Ciはi番目の移動部位の干渉条件情報であり、IDjはj番目の部位の識別番号であり、tijはi番目の移動部位とj番目の部位における干渉情報である。
C1=ID1・t11+ID2・t12…(2)
である。そして、図7の一例において、ID1=01、t11=0、ID2=10、t12=1であるため、それぞれの値を上記式(2)に代入すると、
C1=01・0+10・1=10…(3)
となり、識別番号ID1の右腕の干渉条件情報C1の値は10として求められる。
C1=ID1・t11+ID2・t12+ID3・t13+ID4・t14+ID5・t15+ID6・t16+ID7・t17…(4)
である。そして、ID1=1000000、t11=0、ID2=0100000、t12=0、ID3=0010000、t13=1、ID4=0001000、t14=1、ID5=0000100、t15=0、ID6=0000010、t16=1、ID7=0000001、t17=0であるため、それぞれの値を上記式(4)に代入すると、
C1=1000000・0
+0100000・0
+0010000・1
+0001000・1
+0000100・0
+0000010・1
+0000001・0
=0011010…(5)
となり、識別番号ID1のアーム31の第1軸311の干渉条件情報C1の値は0011010として求められる。
マス目管理部424は、双腕ロボット3の動作する空間を2次元平面上に投影した上で、その2次元平面をn1×n2のマス目に区切った判定領域を作成するとともに、そのn1×n2の個々のマス目に対応するメモリ領域を確保する部分である。図9は、マス目管理部424により作成された判定領域6の一例を示す。判定領域6は、双腕ロボット3の姿勢および障害物5の位置を演算するために要する諸元を格納した諸元等格納部411の値を元に、双腕ロボット3の動作する範囲を包含する空間、もしくは双腕ロボット3の動作する範囲の一部であって干渉判定の対象となる空間を2次元平面上に投影したn1×n2の2次元平面のマス目で表現されるものである。
占有情報記録部425は、マス目管理部424による上記n1×n2のマス目のうち、双腕ロボット3および障害物5の各部位に対応するマス目である対応マス目を特定し、占有情報を上記対応マス目に対応するメモリ領域に記録する部分である。図9は、占有情報記録部425により特定された対応マス目の一例を示す。図9の一例では、同じ平面上に投影した判定対象となる姿勢をとった双腕ロボット3や障害物5の各部位が存在する領域(以下、「占有領域」ともいう。)に対応する対応マス目が符号311m、312m、313m、321m、322m、323m、および5mで示されるように特定されている。なお、対応マス目を特定する方法については、後述の[占有領域の特定方法]の欄にて詳細に説明する。
判断部426は、占有情報および干渉条件情報における桁ごとの論理積を対応マス目ごとに求め、当該論理積の結果に基づき干渉判断を行うものである。判断部426は、当該論理積の結果が全ての桁において「0」であれば、双腕ロボット3および障害物5の各部位同士は干渉しないと判断する。一方で、判断部426は、当該論理積の結果が少なくとも一つの桁において「1」であれば、双腕ロボット3および障害物5の各部位同士は干渉すると判断する。判断部426は、干渉判断の結果を示す情報を軌道生成部1に出力する。判断部426は、干渉判断の結果を出力する際に、干渉が生じている部位を特定する情報をともに出力するようにしても良い。
続いて、双腕ロボットシステム100により行われる動作について、図10〜図15を参照しながら説明する。下記の説明は、双腕ロボットシステム100におけるメイン処理と、干渉判定部4による干渉判定処理とに大別される。
まず、双腕ロボットシステム100におけるメイン処理について図10を参照しながら説明する。図10は、双腕ロボットシステム100にて行われるメイン処理を示すフローチャートである。
引き続き、干渉判定部4による干渉判定処理について図11および図12を参照しながら説明する。図11は、干渉判定部4による干渉判定処理を示すフローチャートであり、図12はステップS205の説明で参照する図である。
続いて、図13〜図15を参照しながら、ループ2の処理の具体例について説明する。図13〜図15は、ループ1内のある時刻(例えばk番目の時刻)におけるステップS208からステップS210までの処理の具体例を示す。図13はi=1の場合の処理の具体例であり、図14はi=2の場合の処理の具体例であり、図15はi=6の場合の処理の具体例である。
領域H1のマス目に係る論理積=
1000000
×0011010
=0000000・・・(6)
領域H3のマス目に対応するメモリ領域に書き込まれる占有情報=
1000000
+0100000
=1100000・・・(7)
領域H2のマス目に係る論理積=
0100000
×0000110
=0000000・・・(8)
領域H3のマス目に係る論理積=
1100000
×0000110
=0000000・・・(9)
領域H5のマス目に対応するメモリ領域に書き込まれる占有情報=
0000100
+0000010
=0000110・・・(10)
0100000
+0000010
=0100010・・・(11)
1000000
+0100000
+0000010
=1100010・・・(12)
領域H4のマス目に係る論理積=
0000010
×1111001
=0000000・・・(13)
領域H5のマス目に係る論理積=
0000110
×1111001
=0000000・・・(14)
領域H6のマス目に係る論理積=
0100010
×1111001
=0100000・・・(15)
領域H7のマス目に係る論理積=
1100010
×1111001
=1100000・・・(16)
前述したように、占有情報記録部425は、マス目管理部424が作成したn1×n2のマス目(判定領域、図9参照)のうち、ある時点における双腕ロボット3および障害物5の各部位が存在する領域(占有領域)に対応する対応マス目を特定する。以下、占有情報記録部425による占有領域の特定方法について、図16〜図19を参照し、具体例を挙げながら詳細に説明する。
点A(x1、y1):関節AAの中心座標
点B(x2、y2):関節BBの中心座標
w:アームの幅(R=w/2)
である。また、この例において、点DはアームCCの占有領域に入っているか否かの判定対象となる点である。つまり、
点D(x0、y0):任意のマス目の任意の頂点
である。また、各補助線および補助点の定義は以下のとおりである。
l1:点A、点Bを通る直線
l11:関節AAおよび関節BBを近似した円(点A、Bを中心とした半径Rの円)の接線(下側)
l12:関節AAおよび関節BBを近似した円(点A、Bを中心とした半径Rの円)の接線(上側)
l2:点Dを通り、l1と垂直に交わる直線(つまりl1とl2は垂直関係)
点C(x3、y3):l1とl2の交点
点Ai、Bi:点A、Bを中心とした半径Rの円の接線l1iとの接点
点E’:点AからX軸に垂線を引いたときにY座標がA1と同じになる点
点B’:点DからX軸に垂線を引いたときにl1と交わる点
なお、関節AAおよび関節BBの半径は同じとする。ゆえに、l1、l11、およびl12は互いに並行である。また、関節AAおよび関節BBの近似円及び線分l11及びl12に囲まれた範囲(領域K)がアームCCに相当する。
最初に、図17に示すルールに従い、判定対象部位(アームCC)が位置する座標系を特定し、占有される可能性のあるマス目領域を限定する。点Dの座標(x0、y0)が、
(xmin< x0< xmax)…(17)
および
(ymin <y0 < ymax)…(18)
を満たすならば、点Dは判定対象部位の占有領域に含まれる可能性がある。この範囲外のマス目は、下記の手順3の項で後述する円形部分に含まれるか、もしくは判定対象部位の占有領域に含まれないことになる。
Lab:a12:b12= R:y12w:x12w
(但し、a12=y1−y2、b12=x1−x2)
が成り立つから、方向性を加味して、
x12w= −R b12/Lab
y12w= −R a12/Lab
として与えられる。Labは、三平方の定理から、
となる。
次に、上記の式(17)および(18)、つまり(xmin <x0 < xmax)および(ymin< y0< ymax)を満たす各マス目の点Dが、図18にてグレーで表示された領域K1に入るか否かを判定する。これには、点Dから線分l1までの垂線の長さLcdがR以下となるかどうか、すなわち、
Lcd≦ R…(19)
となるかどうかを判定すればよい。これが成立すれば、点Dを有するマス目は占有領域に含まれることになる。
a1 x+ b1= y
である。これにより、図18における点B’の座標は、X座標が点Dと同じx0であるから、(x0、a1x0 + b1) である。したがって、2点DB’間の距離Ldb’は、
Ldb’ =y0 − (a1x0 + b1)
である。ここで、三角形ABEと三角形DB’Cとが相似関係となることから、
Ldb’ :Lcd = Lab : (x2− x1)
が成り立つ。これを、2点CD間の距離Lcdについて解けば、
Lcd= (x2 −x1) Ldb’ /Lab
= (x2 −x1) {y0 − (a1x0 + b1)} / Lab
= −(x1− x2) [y0 − {(y1 - y2)/(x1 - x2)} x0− (y2x1- x2y1)/(x1 - x2) ]/ Lab
= {(y1 - y2)x0−(x1− x2)y0+ (y2x1- x2y1)} /Lab
但し、上記の通り、
である。
最後に、全てのマス目を対象に、点Dが図19にてグレーで表示された円形領域K2に入るか否かを判定する。座標(xi、yi)を中心とする半径Rの円の方程式は、
(x −xi)2+ (y −yi)2 =R2
であるから、円の境界を含む内側は、
(x −xi)2+ (y −yi)2 ≦R2
と表現できる。ここで、点D(x0、y0)に対して関節AAおよび関節BBの2つの円を考えれば、
(x0−x1)2+ (y0 −y1)2 ≦R2…(20)
(x0−x2)2+ (y0 −y2)2 ≦R2…(21)
のいずれかが成立すれば、点D(x0、y0)を有するマス目は占有領域に含まれることになる。
以上の説明のように、上記の手順1で特定した領域に存在する各マス目の4つの頂点座標が手順2の条件(式(19))に該当するか否かを判定し、さらに、全てのマス目の4つの頂点座標が手順3(式(20)または式(21))の条件に該当するか否かを判定する。そして、何れかの頂点が何れかの条件に該当する場合には、そのマス目はアームCC、すなわち判定対象部位iの占有領域に含まれると判定する。
続いて、本実施形態にかかる双腕ロボットシステム100の作用及び効果について説明する。本実施形態の双腕ロボットシステム100では、識別番号、干渉情報、干渉条件情報、および占有情報が各部位間の干渉を判定するための必須の情報として用いられる。このうち、特に干渉情報および干渉条件情報は、移動部位が他の部位との間で立体交差する際に干渉を伴わない場合の値および干渉を伴う場合の値に基づいた情報である。したがって、これら干渉情報および干渉条件情報を用いることにより、本実施形態による干渉判定の結果には各部位間の立体交差時の干渉の有無が考慮されることとなる。これにより、干渉判定の精度が向上される。
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明が上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。例えば、図示はしないが、干渉判定演算部42をマス目管理部424、占有情報記録部425、および判断部426のみを必須の構成要素とする簡素な構成としてもよい。
Claims (8)
- 3次元で動作するロボットおよび障害物の各部位に対して干渉判定を行う干渉判定装置であって、
複数の桁数を有し且つ他の識別番号との間で桁ごとの論理積を計算すると全ての桁が「0」となるように設定された識別番号を、前記各部位に割り当てる識別番号割当手段と、
前記各部位のうち移動を伴う部位である移動部位が、他の前記部位との間で立体交差する際に干渉を伴わない場合には「0」、立体交差する際に干渉を伴う場合には「1」を表す情報を干渉情報として格納する干渉情報格納手段と、
前記干渉情報に基づき設定され、前記複数の桁数を有し、前記移動部位が前記他の部位との間で立体交差する際に干渉を伴うか否かを表す情報である干渉条件情報を、前記移動部位ごとに格納する干渉条件情報格納手段と、
前記ロボットの動作する空間を2次元平面上に投影した上で、前記2次元平面をn1×n2のマス目に区切るとともに、前記n1×n2のマス目それぞれに対応するメモリ領域を確保するマス目管理手段と、
前記n1×n2のマス目のうち前記各部位に対応するマス目である対応マス目を特定し、前記各部位の前記識別番号に基づく情報であり前記複数の桁数を有する占有情報を前記対応マス目に対応する前記メモリ領域に記録する占有情報記録手段と、
前記占有情報および前記干渉条件情報における桁ごとの論理積を前記対応マス目ごとに求め、前記論理積の結果が全ての桁において「0」であれば前記各部位同士は干渉しないと判断し、前記論理積の結果が少なくとも一つの桁において「1」であれば前記各部位同士は干渉すると判断する判断手段と、
を備えることを特徴とする干渉判定装置。 - 前記占有情報記録手段は、
前記メモリ領域が初期化されている場合には、前記識別番号を前記占有情報として前記メモリ領域に記録し、
前記メモリ領域が初期化されていない場合には、既存の占有情報と前記識別番号との間の桁ごとの論理和を前記占有情報として前記メモリ領域に記録する、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の干渉判定装置。 - 前記ロボットの動作における動作開始時刻と動作終了時刻との間が一定時間間隔ごとに区切られ、当該区切られた各時刻における前記各部位の位置に対して、
前記占有情報記録手段は、前記各時刻における前記対応マス目を特定し、前記占有情報を前記対応マス目に対応する前記メモリ領域に記録し、
前記判断手段は、前記占有情報および前記干渉条件情報における桁ごとの論理積を前記対応マス目ごとに求め、前記論理積の結果が全ての桁において「0」であれば前記各部位同士は干渉しないと判断し、前記論理積の結果が少なくとも一つの桁において「1」であれば前記各部位同士は干渉すると判断する、
ことを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の干渉判定装置。 - 前記ロボットは、水平多関節アームを有する双腕ロボットである、
ことを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の干渉判定装置。 - 前記識別番号、前記干渉条件情報、および前記占有情報は、前記各部位の数と同数の前記複数の桁数を有する情報である、
ことを特徴とする請求項1〜5の何れか1項に記載の干渉判定装置。 - 3次元で動作するロボットおよび障害物の各部位に対して干渉判定を行う干渉判定装置であって、
前記ロボットの動作する空間を2次元平面上に投影した上で、前記2次元平面をn1×n2のマス目に区切るとともに、前記n1×n2のマス目それぞれに対応するメモリ領域を確保するマス目管理手段と、
前記n1×n2のマス目のうち前記各部位に対応するマス目である対応マス目を部位毎に特定し、前記各部位が前記対応マス目を占有するか否かを示す占有情報を前記部位毎に順次前記対応マス目に対応する前記メモリ領域に記録する占有情報記録手段と、
前記占有情報を前記メモリ領域に記録するときに、そのメモリ領域に既に別の部位の前記占有情報が記録されている場合には、それらの部位同士が干渉すると判断する判断手段と、
を備えることを特徴とする干渉判定装置。 - 3次元で動作するロボットおよび障害物の各部位に対して干渉判定を行う干渉判定方法であって、
複数の桁数を有し且つ他の識別番号との間で桁ごとの論理積を計算すると全ての桁が「0」となるように設定された識別番号が、前記各部位に割り当てられ、
前記各部位のうち移動を伴う部位である移動部位が、他の前記部位との間で立体交差する際に干渉を伴わない場合には「0」、立体交差する際に干渉を伴う場合には「1」を表す情報が、干渉情報として格納され、
前記干渉情報に基づき設定され、前記複数の桁数を有し、前記移動部位が前記他の部位との間で立体交差する際に干渉を伴うか否かを表す情報である干渉条件情報が、前記移動部位ごとに格納され、
前記ロボットの動作する空間が2次元平面上に投影された上で、前記2次元平面がn1×n2のマス目に区切られるとともに、前記n1×n2のマス目それぞれに対応するメモリ領域が確保され、
前記n1×n2のマス目のうち前記各部位に対応するマス目である対応マス目が特定され、前記各部位の前記識別番号に基づく情報であり前記複数の桁数を有する占有情報が前記対応マス目に対応する前記メモリ領域に記録され、
前記占有情報および前記干渉条件情報における桁ごとの論理積が前記対応マス目ごとに求められ、前記論理積の結果が全ての桁において「0」であれば前記各部位同士は干渉しないと判断され、前記論理積の結果が少なくとも一つの桁において「1」であれば前記各部位同士は干渉すると判断される、
ことを特徴とする干渉判定方法。
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