JP2021104551A - ロボット駆動領域シミュレーション装置、およびロボット駆動領域シミュレーション方法並びにロボット駆動領域シミュレーションプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】現在の姿勢から延びきった状態までの操作量を視覚化し、前記多関節ロボットの模擬操作を直感的にできる、ロボット駆動領域シミュレーション装置、およびロボット駆動領域シミュレーション方法並びにロボット駆動領域シミュレーションプログラムを提供する。【解決手段】多関節ロボットの現状状態における第１位置及び延びきらせた状態における第２位置をそれぞれ立体座標系に投影して、第１位置のロボット中心と第２位置のロボット中心との間の立体座標系における空間距離を算出する距離算出部と、第２位置における複数の軸関節部のそれぞれの角度と、第１位置における複数の軸関節部のそれぞれの角度を表示するとともに、第１位置のロボット中心から第２位置のロボット中心に至るまでの前記空間距離を表示する表示処理部と、を備えることを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、ロボットシミュレーション装置、およびロボットシミュレーション方法並びにロボットシミュレーションプログラムに関し、特に産業用の多関節ロボットの形状をディスプレイに表示し、そのロボットの運動を模擬するロボット駆動領域シミュレーション装置、およびロボット駆動領域シミュレーション方法並びにロボット駆動領域シミュレーションプログラムに関するものである。

一般的に、産業用ロボットは、プログラミングによってその作業内容を変更できる多様な動作を含む作業を実施でき、特定の作業に特化された専用機械と比較すると作業の複雑性が増す。産業用ロボットは、プログラムにより作業内容の変更ができ、再プログラミングにより様々な作業を担当させることが出来る。

一方、生産現場では、産業用ロボットの多様性に起因する動作の複雑さから、産業用ロボットを含むシステムの統合が困難になり、ロボットシミュレーションが必要になる。ロボットシミュレーションとは、コンピュータ上でロボットのモデルを作成し、観測または実験することをいい、その一環として、産業用ロボットの実機を設置する前に予めどのような問題が起こるかを視覚化し、確かめることをいう。

産業用ロボットを含むシステムの中の各設備のレイアウトの妥当性、産業用ロボット及びその周辺の設備を含む全体の動作、また動作をさせた際の時間など、問題を事前に把握し解決しておく事は作業現場で非常に有用である。

システムの中における産業用ロボットのレイアウトは、産業用ロボットが被加工物に加工を加える加工点に基づいて行われる。すなわち、産業用ロボットの設置位置は加工点を基準として位置決めされる。

複数の加工点を含むシステムの場合は、各々の加工点に対して産業用ロボットが割り当てられる。産業用ロボットのレイアウトにおけるシミュレーションは、基準姿勢の状態の産業用ロボットにより行われる。基準姿勢の状態における産業用ロボットの先端部が被加工物の加工点に来るように産業用ロボットの設置位置が決定される。

産業用ロボットの基準姿勢とは、産業用ロボットのあらゆる姿勢及び動作の元になる姿勢であり、産業用ロボットの初期化された状態の姿勢であり、レイアウトのシミュレーションを行う上での設計上の数値を具現化した姿勢である。

実際の現地において産業用ロボットを設置した場合の設置位置とシミュレーション上のレイアウトにおける産業用ロボットの設置位置とではズレが生じる。そのため、被加工物に加工を加える加工点に対して産業用ロボットの実際の設置位置がどこまで離れることができるかの検証を事前に行う必要がある。

そこで、従来は産業用ロボットの実際の設置位置を数ミリずつ動かし、その都度、産業用ロボットの姿勢がどのくらい変化することができるか、加工点での加工が可能かを確認していた。そして、この加工点から実際の産業用ロボットの設置位置をどこまで離すことができるかを検証した。加工点から最大限離れた設置位置での産業用ロボットの姿勢を延びきり姿勢と定義している。

このような検証作業を効率良く行うために特許文献１の開示は、多関節ロボットの姿勢変更の予測および可動範囲を容易に認識するために、多関節ロボットの姿勢状態の現状状態、および該多関節ロボットに入力された姿勢変更指示情報を操作者に表示する表示手段を備える。

特開平７−１０８４７８号公報

しかし、特許文献１の開示は、前記多関節ロボットの前記現状状態から前記多関節ロボットの延びきり姿勢に至るまでの所定点の移動距離を算出することは出来なかった。従来の多関節ロボットでは、現状状態が延びきった姿勢ではないか、または、延びきりに近い姿勢でないかを手動で確認する必要があった。そのため、操作者は、多関節ロボットの姿勢を変更する際に直感的な操作ができないという課題があった。

そこで、本発明は、現在の姿勢から延びきり状態までの操作量を視覚化し、前記多関節ロボットの模擬操作を直感的にできる、ロボット駆動領域シミュレーション装置、およびロボット駆動領域シミュレーション方法並びにロボット駆動領域シミュレーションプログラムを提供することを目的とする。

すなわち、第1の態様は、複数の軸関節部を備えた多関節ロボットの駆動領域をシミュレーションするロボット駆動領域シミュレーション装置であって、多関節ロボットの複数の軸関節部のそれぞれの回動可動範囲を取得する角度範囲取得部と、多関節ロボットの現状状態における、多関節ロボットのロボット中心の位置を第１位置として取得する第１位置取得部と、第１位置における複数の軸関節部のそれぞれの角度を取得する第１位置角度取得部と、多関節ロボットの複数の軸関節部のそれぞれの可動域を延きらせた状態における、多関節ロボットのロボット中心の位置を第２位置として取得する第２位置取得部と、第２位置における複数の軸関節部のそれぞれの角度を取得する第２位置角度取得部と、第１位置及び第２位置をそれぞれ立体座標系に投影して、第１位置のロボット中心と第２位置のロボット中心との間の立体座標系における空間距離を算出する距離算出部と、第２位置における複数の軸関節部のそれぞれの角度と、第１位置における複数の軸関節部のそれぞれの角度を表示するとともに、第１位置のロボット中心から第２位置のロボット中心に至るまでの空間距離を表示する表示処理部と、を備えることを特徴とする。

第２の態様は、上記第１の態様において、距離算出部における空間距離の算出に際し、立体座標系は三軸直交座標系であって、三軸直交座標系の各軸平面方向における平面視の距離から空間距離は算出されることを特徴とする。

第３の態様は、第１または第２の態様において、表示処理部における空間距離の表示に際し、第１位置のロボット中心から第２位置のロボット中心に至るまでの差分量も表示されることを特徴とする。第４の態様は、第１ないし第３の態様において、表示処理部における空間距離の表示は、棒グラフとしての表示であることを特徴とする。

第５の態様は、複数の軸関節部を備えた多関節ロボットの駆動領域をシミュレーションするロボット駆動領域シミュレーション方法であって、多関節ロボットの複数の軸関節部のそれぞれの回動可動範囲を取得する角度範囲取得ステップと、多関節ロボットの現状状態における、多関節ロボットのロボット中心の位置を第１位置として取得する第１位置取得ステップと、第１位置における複数の軸関節部のそれぞれの角度を取得する第１位置角度取得ステップと、多関節ロボットの複数の軸関節部のそれぞれの可動域を延びきらせた状態における、多関節ロボットのロボット中心の位置を第２位置として取得する第２位置取得ステップと、第２位置における複数の軸関節部のそれぞれの角度を取得する第２位置角度取得ステップと、第１位置及び第２位置をそれぞれ立体座標系に投影して、第１位置のロボット中心と第２位置のロボット中心との間の立体座標系における空間距離を算出する距離算出ステップと、第２位置における複数の軸関節部のそれぞれの角度と、第１位置における複数の軸関節部のそれぞれの角度を表示するとともに、第１位置のロボット中心から第２位置のロボット中心に至るまでの空間距離を表示する表示処理ステップと、を備えることを特徴とする。

第６の態様は、複数の軸関節部を備えた多関節ロボットの駆動領域をシミュレーションするロボット駆動領域シミュレーションプログラムであって、コンピュータに、多関節ロボットの複数の軸関節部のそれぞれの回動可動範囲を取得する角度範囲取得機能と、多関節ロボットの現状状態における、多関節ロボットのロボット中心の位置を第１位置として取得する第１位置取得機能と、第１位置における複数の軸関節部のそれぞれの角度を取得する第１位置角度取得機能と、多関節ロボットの複数の軸関節部のそれぞれの可動域を延びきらせた状態における、多関節ロボットのロボット中心の位置を第２位置として取得する第２位置取得機能と、第２位置における複数の軸関節部のそれぞれの角度を取得する第２位置角度取得機能と、第１位置及び第２位置をそれぞれ立体座標系に投影して、第１位置のロボット中心と第２位置のロボット中心との間の立体座標系における空間距離を算出する距離算出機能と、第２位置における複数の軸関節部のそれぞれの角度と、第１位置における複数の軸関節部のそれぞれの角度を表示するとともに、第１位置のロボット中心から第２位置のロボット中心に至るまでの空間距離を表示する表示機能と、を実現させることを特徴とする。

本発明に係るロボット駆動領域シミュレーション装置、およびロボット駆動領域シミュレーション方法並びにロボット駆動領域シミュレーションプログラムは、ロボットの現状状態から延びきらせた状態までの操作量を視覚化し、多関節ロボットの模擬操作を直感的に行うことが出来る。

六軸多関節ロボットの機械的構成を示す図。 延びきらせた状態のロボットの外観図。 ロボット駆動領域シミュレーション装置のシステム構成を示す図。 表示装置の表示画面を示す図。 ロボットの現状状態と延びきらせた状態とを比較する模式図。 直交座標系における２点間の距離の説明図。 ロボット駆動領域シミュレーションプログラムのフローチャート。

以下に本発明に係る多関節ロボットの駆動領域をシミュレーションするロボット駆動領域シミュレーション装置１（以下、単にシミュレーション装置１という。）の実施の形態について、図１乃至図７を参照して説明する。なお、本発明は以下に詳述する本発明の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。

図１に、シミュレーション装置１を用いて操作をシミュレーションするロボット２の外観を示す。ロボット２は、複数の軸関節部を備えた多関節ロボットであるが、便宜上、その一例として６軸多関節ロボットとする。なお、軸の数は６軸に限定されるものではなく、３軸、４軸、或いは５軸ロボットであっても良いし、６軸より多数の軸を備える多関節ロボットであっても良い。

ロボット２は、６軸において腕部が回動することで、その姿勢を変えることができ、腕部の先端部分に工具３を装着して溶接等の作業を実施できる構成となっている。ロボット２は、その土台となる部分に基部１１を備える。生産現場の床面に基部１１を接地してロボット２は配置される。

本実施例においては、基部１１の中心部を、シミュレーションにおける三軸直交座標系の基準点としてロボット中心２５を定める。なお、基準点は、基部１１の中心に設ける必要はなく、基準点と基部１１の中心部との相対位置関係が分かれば他の位置に設けられてもよい。ロボット２には基部１１の中心部から鉛直方向に延びる第１軸１２が設けられる。基部１１の上部には、ロボット２の下胴部１３が第１軸１２に回動可能に装着される。下胴部１３は基部１１に対して旋回可能に装着されている。

ロボット中心２５は、ロボット２の各部位の座標の基準点となる。即ち、ロボット２の各部位は、ロボット中心２５との相対位置関係によりその座標が付与される。そして、ロボット中心２５はロボット２の姿勢及び動作を指示する上での基準となる。本実施例のレイアウトのシミュレーションにおいて、ロボット２のシステム内における設置位置および移動距離はロボット中心２５を基準点として指令および測定などの各処理が行われる。ロボット中心２５は、ロボット２と被加工物の加工点との間の距離を測定する上でのロボット２側の基準点となる。

ロボット中心２５は、被加工物の加工点からの遠位端までの距離の算出の基準となる。なお、ロボット中心２５は、点である必要は無く、所定の範囲を備えていても良い。この範囲内の所定点から被加工物の加工点までの移動距離を測定することにより被加工物の加工点から遠位端までの距離を測定することができる。

下胴部１３には、水平方向に延び第１軸１２もしくは第１軸１２に平行な軸に直交する第２軸１４が設けられている。ロボット２の第１腕部１５は、その一端が第２軸１４に回動可能に装着される。第１腕部１５は、第２軸１４を中心に、所定の角度範囲で、下胴部１３に対して回動可能となっている。

第１腕部１５の他端部には、水平方向に延び第１軸１２に平行な軸に直交するように第３軸１６が設けられている。ロボット２の上胴部１７は、第３軸１６に回動可能に装着される。上胴部１７は、第３軸１６を中心に、所定の角度範囲で、第１腕部１５に対して回動可能となっている。

上胴部１７には、第３軸１６に平行な軸に対して直交するように第４軸１８が設けられている。ロボット２の第２腕部１９は第４軸１８に回動可能に嵌挿装着される。第２腕部１９は、上胴部１７に対して回動可能となっている。

第２腕部１９の先端部には、水平方向に延び第４軸１８に直交するように第５軸２０が設けられている。ロボット２の第３腕部２１は第５軸２０に回動可能に装着される。第３腕部２１は、第５軸２０を中心に、所定の角度範囲で、第２腕部１９に対して回動可能となっている。

第３腕部２１には、第５軸２０に直交するように第６軸２２が設けられる。ロボット２の第４腕部２３が、第３腕部２１に嵌挿装着され、第６軸２２に対して回動可能となっている。工具３は第４腕部２３の先端部２４に装着され、ロボット２の姿勢を調整することで工具３の位置は調整される構成となっている。

ロボット２の関節部には図示しないアクチュエータがそれぞれ備えられている。アクチュエータとして例えば、サーボモータ、ステッピングモータ等が用いられる。アクチュエータがその回動位置を変化させることで、６軸においてそれぞれの関節部が回動し、第１腕部１５、第２腕部１９、第３腕部２１、及び第４腕部２３がそれぞれ回動或いは傾斜する。

本発明に係る実施の形態のロボット２では、第１腕部１５と第２腕部１９との間のなす角が０°のときを第３軸１６の回動角度の０°とし、第２腕部１９と第３腕部２１との間のなす角が０°のときを第５軸２０の回動角度の０°とする。

次に、図２を用いてロボット２の延びきらせた状態について説明する。ロボット２の延びきらせた状態とは、ロボット２の先端部２４に取り付けられた工具３が現状状態の所定の傾斜角度を維持して加工点で被加工物を加工できる状態のまま、この加工点からロボット中心２５が最大限離れた時の姿勢のことをいう。即ち、ロボット２の延びきらせた状態とは、現状状態の第４腕部２３の傾斜角度を維持したままロボット２の第３軸１６の関節部が延びきった状態をいう。

本発明に係る実施の形態のロボット２では、第１腕部１５と第２腕部１９との間のなす角が１８０°のときを第３軸１６の回動角度の１８０°とし、第２腕部１９と第３腕部２１との間のなす角が１８０°のときを第５軸２０の回動角度の１８０°とする。さらに本実施形態では、第３軸１６の回動角度が１８０°のときを第３軸１６の関節部の延びきった状態とし、第５軸２０の回動角度が１８０°のときを第５軸２０の関節部の延びきった状態とする。なお、延びきった関節部の回動角度は１８０°に限定されるものではなく、ロボットの種類等によっては１８０°未満のものもある。

ロボット２は、各腕部及び各胴部が各軸に対して回動する既知の手段、および各腕部及び各胴部の回動状態の情報をシミュレーション装置１に出力する手段を備えている。図３は、シミュレーション装置１のシステム構成図である。シミュレーション装置１は、ＣＰＵ１００、入力部１０１、記憶部１０２、出力部１０３、表示装置１０４を備える。

ＣＰＵ１００は、ロボット駆動領域をシミュレーションするプログラムを実行する演算処理を行う。ＣＰＵ１００には、それぞれの機能を実現するために、角度範囲取得部１１０、第１位置取得部１２０、第１位置角度取得部１３０、第２位置取得部１４０、第２位置角度取得部１５０、距離算出部１６０、表示処理部１７０を備える。

入力部１０１は、シミュレーション装置１のＩ／Ｏインターフェイスであり、外部装置からのデータ等を取り込む。この入力部１０１で取り込まれたデータ等は記憶部１０２に保存され、シミュレーションのプログラムを実行する上で必要となる初期条件、前提条件、境界条件等の設定に用いられる。

記憶部１０２は、ＨＤＤまたはＳＳＤ等の公知の記憶装置である。シミュレーション装置１がシミュレーションの対象とするロボット２について、ロボット２の外形を表す形状データとそのロボット２を動作させる制御プログラム、その他の各種制御のデータ、演算結果等を記憶する。

出力部１０３は、シミュレーション装置１のＩ／Ｏインターフェイスであり、シミュレーション装置１に接続された表示装置１０４にＣＰＵ１００の演算結果を出力し、演算結果を操作者が認識しやすいように視覚化し表示する。

表示装置１０４は、液晶ディスプレイなどの電子ディスプレイを用いて構成されている。以下に、図４を用いて表示装置１０４の表示画面３０の説明をする。表示画面３０は現状状態表示部３１と延びきらせた状態表示部３２とを備える。

現状状態表示部３１は、ロボット２の関節部の第１軸から第６軸の現状の回動角度位置及び回動可動範囲を棒グラフ（スライダー）によって表示し視覚化することで、操作者がロボット２の現状状態を視覚により認識しやすくしている。ロボット２の姿勢の現状状態を検知する図示しないセンサまたは操作装置等からのデータ信号が入力部１０１を介し、ロボット２の現状状態の情報として記憶部１０２に蓄積される。

第１棒グラフ３３は、第１軸１２の現状の回動角度位置を示すスライダー３３ａと現状の回動可動範囲を示す帯状部３３ｂとを備えるとともに、第１軸１２の現状回動角度の数値表示部３３ｃを備える。第２棒グラフ３４は、第２軸１４の現状の回動角度位置を示すスライダー３４ａと現状の回動可動範囲を示す帯状部３４ｂとを備えるとともに、第２軸１４の現状回動角度の数値表示部３４ｃを備える。現状回動角度とは、各軸の関節部の回動角度の基準角度（例えば、回動角度０°）からの回動角度である（以下、同様。）。

第３棒グラフ３５は、第３軸１６の現状の回動角度位置を示すスライダー３５ａと現状の回動可動範囲を示す帯状部３５ｂとを備えるとともに、第３軸１６の現状回動角度の数値表示部３５ｃを備える。第４棒グラフ３６は、第４軸１８の現状の回動角度位置を示すスライダー３６ａと第４軸１８の現状回動角度の数値表示部３６ｃを備える。

第５棒グラフ３７は、第５軸２０の現状の回動角度位置を示すスライダー３７ａと第５軸２０の現状回動角度の数値表示部３７ｃを備える。第６棒グラフ３８は、第６軸２２の現状の回動角度位置を示すスライダー３８ａと第６軸２２の現状回動角度の数値表示部３８ｃを備える。

延びきらせた状態表示部３２の第７棒グラフ３９、第８棒グラフ４０、第９棒グラフ４１は、三軸直交座標系における、Ｘ軸上、Ｙ軸上、Ｚ軸上のそれぞれの現状状態から延びきらせた状態までの距離を表示する。ロボット２のロボット中心２５のＸ軸上、Ｙ軸上、Ｚ軸上での許容可動範囲は予め入力部１０１を介して記憶部１０２に記憶される。

延びきらせた状態表示部３２では、ロボット２の現状状態のロボット中心２５の位置から延びきらせた状態のロボット中心２５の位置に至るまでの距離、すなわち、第１位置から第２位置までの差分量をも表示する。第１位置とは現状状態のロボット２のロボット中心２５の位置であり、第２位置とは延びきらせた状態のロボット２のロボット中心２５の位置である。

第７棒グラフ３９において、スライダー３９ａが現状状態のロボット２のロボット中心２５のＸ座標（Ｘ１）を指し、帯状部３９ｂはロボット中心２５のＸ軸上での可動範囲を示す。更に第７棒グラフ３９において、数値表示部３９ｃはＸ軸上プラス方向への現状状態から延びきらせた状態までのＸ方向の距離を示し、数値表示部３９ｄはＸ軸上マイナス方向への現状状態から延びきらせた状態までの距離を示す。

ここで、Ｘ軸上マイナス方向への現状状態から延びきらせた状態までの距離とは、ロボット２の現状状態から最大限度に縮んだ状態までの距離をＸ軸上に投影した距離をいう。なお、本実施例におけるロボット２の最大限度に縮んだ状態とは、ロボット２の第３軸１６の関節部の回動角度及び第５軸２０の関節部の回動角度が最小になった状態をいう。以下に述べるＹ軸、Ｚ軸についても同様である。

第８棒グラフ４０において、スライダー４０ａが現状状態のロボット２のロボット中心２５のＹ座標（Ｙ１）を指し、帯状部４０ｂはロボット中心２５のＹ軸上での可動範囲を示す。更に第８棒グラフ４０において、数値表示部４０ｃはＹ軸上プラス方向への現状状態から延びきらせた状態までのＹ方向の距離を示し、数値表示部４０ｄはＹ軸上マイナス方向への現状状態から延びきらせた状態までの距離を示す。

第９棒グラフ４１において、スライダー４１ａが現状状態のロボット２のロボット中心２５のＺ座標（Ｚ１）を指し、帯状部４１ｂはロボット中心２５のＺ軸上での可動範囲を示す。更に第９棒グラフ４１において、数値表示部４１ｃはＺ軸上プラス方向への現状状態から延び切らせた状態までのＺ方向の距離を示し、数値表示部４１ｄはＺ軸上マイナス方向への現状状態から延びきらせた状態までの距離を示す。

図５の上段図はロボット２の現状状態を模式的に示し、図５の下段図はロボット２の延びきらせた状態を模式的に示している。ロボット２の延びきらせた状態とは、第４腕部２３の傾斜角度を現状状態のまま維持しロボット２の第３軸１６の回動角度が１８０°の場合をいう。

第１腕部１５の長さを「ａ」、第２腕部１９の長さを「ｂ」、第３腕部２１と第４腕部２３の合計長さを「ｃ」とする。ロボット２の先端部２４は第４腕部の先端に設けられている。ロボット２の現状状態におけるロボット中心２５の位置（第１位置）を三軸直交座標系の座標G（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）とし、ロボット２の延びきらせた状態のロボット中心２５の位置（第２位置）を三軸直交座標系の座標H（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）とする。なお、シミュレーションの対象となるロボット２の直交座標系は先端部２４を原点Ｏ（０，０，０）としている。

ロボット２の延びきらせた状態では、第３軸１６における関節部の回動角度は１８０°であり、第１腕部１５と第２腕部１９が一直線となる。被加工物の加工点は変わらない。従って、現状状態の先端部２４と延びきらせた状態の先端部２４とでは位置は変わらないので、どちらも原点Ｏ（０，０，０）である。

さらに、図５の上段図に示すロボット２の現状状態と図５の下段図に示すロボット２の延びきらせた状態とでは、第４腕部２３の傾斜角度は変わらない。従って、ロボット２の現状状態と延びきらせた状態とでは第５軸２０の位置は変わらない。

図５の下段図に示すロボット２において、上記した条件を踏まえ、第３軸１６の回動角度を「１８０°」、第１腕部１５の長さ「ａ」、第２腕部１９の長さ「ｂ」、第３腕部２１と第４腕部２３の合計長さ「ｃ」に基づいて、順運動学計算により延びきらせた状態のロボット２の第２軸１４と第５軸２０の回動角度が算出できる。

延びきらせた状態のロボット２の第２軸１４と第５軸２０の回動角度の算出結果から、延びきらせた状態のロボット２のロボット中心２５の座標Ｈ（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）が算出できる。そして、現状状態のロボット中心２５から延びきらせた状態のロボット中心２５までの距離α（図５参照)を算出することができる。この距離αは、現状状態のロボット２が延びきらせた状態に至るまでのロボット中心２５の移動距離であり、レイアウトのシミュレーションにおける基準姿勢から延びきり姿勢に至るまでのロボット中心２５の移動距離に相当する。

次に、図６を用いて、第１位置（Ｇ（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１））から第２位置（Ｈ（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２））までの距離αについて説明する。第１位置から第２位置までの距離αを求める式を以下の式（１）に示す。距離αのＸ軸上、Ｙ軸上、Ｚ軸上にそれぞれ投影した場合の距離を求める式（２）、（３）、（４）を以下に示す。式（１）乃至式（４）、及び記憶部１０２に予め記憶されたロボット２のロボット中心２５のＸ軸上、Ｙ軸上、Ｚ軸上での許容可動範囲に基づいて、延びきらせた状態表示部３２の表示を行う。

次に、図３を用いてシミュレーション装置１のシステム構成についてより詳細に説明する。シミュレーション装置１は、仮想の空間の中でロボット２の姿勢を変化させて、その駆動領域を視覚化し模擬し確認する。角度範囲取得部１１０は、本実施例に係る６個の軸関節部を備えたロボット２の駆動領域をシミュレーションするロボット駆動領域シミュレーション装置であってシミュレーションの対象となるロボット２の６個の軸関節部のそれぞれの図示しないアクチュエータの回動可動範囲を取得する。この回動可動範囲は、入力部１０１を介して外部より予め記憶部１０２に蓄積される。

第１位置取得部１２０は、シミュレーションの対象となるロボット２の現状状態における、ロボット２のロボット中心２５の位置を第１位置として直交座標系座標Ｇ（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）を取得する。この第１位置の座標Ｇ（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）の情報は、ロボット２の各腕部及び各胴部が各軸に対して回動する既知の手段、および各腕部及び各胴部の回動状態の情報をシミュレーション装置１に出力する手段により取得する。ロボット２の図示しないセンサまたは操作装置等から入力部１０１を介し、ロボット２の現状状態の情報として記憶部１０２に蓄積する。

第１位置角度取得部１３０は、ロボット２の現状状態の第１位置における６個の軸関節部のそれぞれの回動角度を取得する。この回動角度は、６個の軸間接部のそれぞれについて図示しない操作装置等からのデータ信号が入力部１０１を介し、ロボット２の現状状態の情報として記憶部１０２に蓄積される。

或いは、ロボット２の現状状態の第１位置の三軸直交座標系における座標Ｇ（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）、第１腕部１５の長さ「ａ」、第２腕部１９の長さ「ｂ」、及び第３腕部２１と第４腕部２３との合計長さ「ｃ」に基づいて逆運動学計算を用いて第２軸１４、及び第３軸１６、第５軸２０のそれぞれの関節部の回動角度を取得することができる。

なお、操作者より予め与えられる第１軸１２の関節部の回動角度１個について、逆運動学計算により算出された第２軸１４、第３軸１６、及び第５軸２０のそれぞれの関節部の回動角度は複数組の解が算出されるため、ロボット２の取り得る姿勢についても複数パターン存在することになる。

第２位置取得部１４０は、ロボット２の第３軸１６の回動角度を１８０°として関節部を延びきらせた状態にした場合のロボット２のロボット中心２５の位置を第２位置として三軸直交座標系の座標Ｈ（Ｘ２、Ｙ２、Ｚ２）を取得する。第２位置は、ロボット２の図示しない操作装置等から入力部１０１を介し、記憶部１０２に蓄積される。

第２位置角度取得部１５０は、第２位置における複数の軸関節部のそれぞれの角度を取得する。この回動角度は、６個の軸間接部のそれぞれについて図示しない操作装置等からのデータ信号が入力部１０１を介し、ロボット２の現状状態の情報として記憶部１０２に蓄積される。

距離算出部１６０は、ロボット２の第１位置のロボット中心２５と第２位置のロボット中心２５との間の三軸直交座標系における空間距離を算出する。距離算出部１６０における空間距離の算出に際し、立体座標系は三軸直交座標系であって、三軸直交座標系の各軸平面方向における平面視の距離から空間距離は算出される。

距離算出部１６０は、ロボット２のロボット中心２５の第１位置及び第２位置をそれぞれ立体座標系に投影して、ロボット２のロボット中心２５の現状状態の第１位置G（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）と延びきらせた状態の第２位置H（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）との間の距離（ＧＨ）を上記した式（１）を用いて算出する。距離（ＧＨ）は上記の空間距離に相当する。更に、上記した式（２）、（３）、（４）を用いて、距離（ＧＨ）をＸ軸上、Ｙ軸上、Ｚ軸上に投影した距離(ＧＡ)、距離(ＡＢ)、距離(ＢＨ)としてそれぞれ算出する。

表示処理部１７０は、ロボット２のロボット中心２５の第２位置における６軸の軸関節部のそれぞれの角度と、ロボット２の現状状態におけるロボット中心２５の第１位置における６軸の軸関節部のそれぞれの角度を表示するとともに、距離算出部１６０の算出結果に基づいて、第１位置のロボット中心２５から第２位置のロボット中心２５に至るまでの距離（ＧＨ）を空間距離として表示する。

表示処理部１７０における空間距離の表示に際し、第１位置のロボット中心２５から第２位置のロボット中心２５に至るまでの差分量（α。図５参照。）も表示される。表示処理部１７０における空間距離の表示は、図４に示す棒グラフとしての表示である。

続いて、図７のロボット駆動領域シミュレーションのフローチャートを用い、本発明のロボット駆動領域シミュレーション方法をロボット駆動領域シミュレーションプログラムとともに説明する。本発明のロボット駆動領域シミュレーション方法は、ロボット駆動領域シミュレーションプログラムに基づいて、シミュレーション装置１のＣＰＵ１００により実行される。

当該ロボット駆動領域シミュレーションプログラムは、図３のＣＰＵ１００に対して、角度範囲取得機能、第１位置取得機能、第１位置角度取得機能、第２位置取得機能、第２位置角度取得機能、距離算出機能、表示処理機能等の各種機能を実行させる。これらの各機能は図示の順に実行される。なお、各機能は前述のシミュレーション装置１の説明と重複するため、詳細は省略する。

角度範囲取得機能は、複数の軸関節部を備えた多関節ロボット２の駆動領域をシミュレーションするロボット駆動領域シミュレーション装置１であって、多関節ロボット２の複数の軸関節部のそれぞれの回動可動範囲を取得する（角度範囲取得ステップＳ１１０）。

第１位置取得機能は、多関節ロボット２の現状状態における、多関節ロボット２のロボット中心２５の位置を第１位置として取得する（第１位置取得ステップＳ１２０）。第１位置角度取得機能は、第１位置における複数の軸関節部のそれぞれの角度を取得する（第１位置角度取得ステップＳ１３０）。

第２位置取得機能は、多関節ロボット２の複数の軸関節部のそれぞれの可動域を延びきらせた状態における、多関節ロボット２のロボット中心２５の位置を第２位置として取得する（第２位置取得ステップＳ１４０）。第２位置角度取得機能は、第２位置における複数の軸関節部のそれぞれの角度を取得する（第２位置角度取得ステップＳ１５０）。

距離算出機能は、第１位置及び第２位置をそれぞれ立体座標系に投影して、第１位置のロボット中心２５と第２位置のロボット中心２５との間の立体座標系における空間距離を算出する（距離算出ステップＳ１６０）。距離算出部における空間距離の算出に際し、立体座標系は三軸直交座標系であって、三軸直交座標系の各軸平面方向における平面視の距離から空間距離は算出される。

表示処理機能は、第２位置における複数の軸関節部のそれぞれの角度と、第１位置における複数の軸関節部のそれぞれの角度を表示するとともに、第１位置のロボット中心２５から第２位置のロボット中心２５に至るまでの空間距離を表示する（表示処理ステップＳ１７０）。

上述した本発明に係る実施の形態によれば以下のことが可能となる。すなわち、多関節ロボット２の現状状態の第１位置と、延び切らせた状態の第２位置との空間距離を算出し、表示装置１０４に空間距離を表示できるので、多関節ロボット２の現状状態から延び切らせた状態までの許容距離を視覚化することができる。

さらに、空間距離を、三次元座標空間における２点間の距離として三平方の定理を利用することで容易に算出することができる。さらに、第１位置のロボット中心２５と第２位置のロボット中心２５との差分量（α）は、多関節ロボット２の現状状態から延び切らせた状態までのロボット中心２５の移動許容量であり、この移動許容量を表示部に表示することで、多関節ロボット２の操作者はより直感的に多関節ロボット２を模擬操作することができる。

さらに、空間距離の表示を棒グラフにすることで、多関節ロボット２の操作者はより直感的に模擬操作することができる。更に上記した空間距離をＸ軸上、Ｙ軸上、Ｚ軸上にそれぞれ投影し、現状状態から延びきらせ状態までの距離をＸ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向のそれぞれについて操作者は認識することができ、ロボット２の模擬操作がより容易にすることができる。

さらに、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向のそれぞれについて、延びきらせた状態への許容可動範囲を棒グラフで表示するので、操作者はより直感的にロボット２の模擬操作をすることができる。

１ ロボット駆動領域シミュレーション装置
２ ロボット
３ 工具
１１ 基部
１２ 第１軸
１３ 下胴部
１４ 第２軸
１５ 第１腕部
１６ 第３軸
１７ 上胴部
１８ 第４軸
１９ 第２腕部
２０ 第５軸
２１ 第３腕部
２２ 第６軸
２３ 第４腕部
２４ 先端部
２５ ロボット中心
３０ 表示画面
３１ 現状状態表示部
３２ 延びきらせた状態表示部
３３ 第１棒グラフ
３４ 第２棒グラフ
３５ 第３棒グラフ
３６ 第４棒グラフ
３７ 第５棒グラフ
３８ 第６棒グラフ
３９ 第７棒グラフ
４０ 第８棒グラフ
４１ 第９棒グラフ
３３ａ、３４ａ、３５ａ、３６ａ、３７ａ、３８ａ、３９ａ、４０ａ、４１ａ スライダー
３３ｂ、３４ｂ、３５ｂ、３９ｂ、４０ｂ、４１ｂ 帯状部
３３ｃ、３４ｃ、３５ｃ、３６ｃ、３７ｃ、３８ｃ、３９ｃ、４０ｃ、４１ｃ 数値表示部
３９ｄ、４０ｄ、４１ｄ 数値表示部
１００ ＣＰＵ
１０１ 入力部
１０２ 記憶部
１０３ 出力部
１０４ 表示装置
１１０ 角度範囲取得部
１２０ 第１位置取得部
１３０ 第１位置角度取得部
１４０ 第２位置取得部
１５０ 第２位置角度取得部
１６０ 距離算出部
１７０ 表示処理部
Ｓ１１０ 角度範囲取得ステップ
Ｓ１２０ 第１位置取得ステップ
Ｓ１３０ 第１位置角度取得ステップ
Ｓ１４０ 第２位置取得ステップ
Ｓ１５０ 第２位置角度取得ステップ
Ｓ１６０ 距離算出ステップ
Ｓ１７０ 表示処理ステップ

Claims (6)

1. 複数の軸関節部を備えた多関節ロボットの駆動領域をシミュレーションするロボット駆動領域シミュレーション装置であって、
   前記多関節ロボットの前記複数の軸関節部のそれぞれの回動可動範囲を取得する角度範囲取得部と、
   前記多関節ロボットの現状状態における、前記多関節ロボットのロボット中心の位置を第１位置として取得する第１位置取得部と、
   前記第１位置における前記複数の軸関節部のそれぞれの角度を取得する第１位置角度取得部と、
   前記多関節ロボットの前記複数の軸関節部のそれぞれの可動域を延びきらせた状態における、前記多関節ロボットのロボット中心の位置を第２位置として取得する第２位置取得部と、
   前記第２位置における前記複数の軸関節部のそれぞれの角度を取得する第２位置角度取得部と、
   前記第１位置及び前記第２位置をそれぞれ立体座標系に投影して、前記第１位置の前記ロボット中心と前記第２位置の前記ロボット中心との間の前記立体座標系における空間距離を算出する距離算出部と、
   前記第２位置における前記複数の軸関節部のそれぞれの角度と、前記第１位置における前記複数の軸関節部のそれぞれの角度を表示するとともに、前記第１位置の前記ロボット中心から前記第２位置の前記ロボット中心に至るまでの前記空間距離を表示する表示処理部と、を備える
   ことを特徴とするロボット駆動領域シミュレーション装置。
2. 前記距離算出部における前記空間距離の算出に際し、前記立体座標系は三軸直交座標系であって、前記三軸直交座標系の各軸平面方向における平面視の距離から前記空間距離は算出される請求項１に記載のロボット駆動領域シミュレーション装置。
3. 前記表示処理部における前記空間距離の表示に際し、前記第１位置の前記ロボット中心から前記第２位置の前記ロボット中心に至るまでの差分量も表示される請求項１または２に記載のロボット駆動領域シミュレーション装置。
4. 前記表示処理部における前記空間距離の表示は、棒グラフとしての表示である請求項１ないし３のいずれか１項に記載のロボット駆動領域シミュレーション装置。
5. 複数の軸関節部を備えた多関節ロボットの駆動領域をシミュレーションするロボット駆動領域シミュレーション方法であって、
   前記多関節ロボットの前記複数の軸関節部のそれぞれの回動可動範囲を取得する角度範囲取得ステップと、
   前記多関節ロボットの現状状態における、前記多関節ロボットのロボット中心の位置を第１位置として取得する第１位置取得ステップと、
   前記第１位置における前記複数の軸関節部のそれぞれの角度を取得する第１位置角度取得ステップと、
   前記多関節ロボットの前記複数の軸関節部のそれぞれの可動域を延びきらせた状態における、前記多関節ロボットのロボット中心の位置を第２位置として取得する第２位置取得ステップと、
   前記第２位置における前記複数の軸関節部のそれぞれの角度を取得する第２位置角度取得ステップと、
   前記第１位置及び前記第２位置をそれぞれ立体座標系に投影して、前記第１位置の前記ロボット中心と前記第２位置の前記ロボット中心との間の前記立体座標系における空間距離を算出する距離算出ステップと、
   前記第２位置における前記複数の軸関節部のそれぞれの角度と、前記第１位置における前記複数の軸関節部のそれぞれの角度を表示するとともに、前記第１位置の前記ロボット中心から前記第２位置の前記ロボット中心に至るまでの前記空間距離を表示する表示処理ステップと、を備える
   ことを特徴とするロボット駆動領域シミュレーション方法。
6. 複数の軸関節部を備えた多関節ロボットの駆動領域をシミュレーションするロボット駆動領域シミュレーションプログラムであって、
   コンピュータに、
   前記多関節ロボットの前記複数の軸関節部のそれぞれの回動可動範囲を取得する角度範囲取得機能と、
   前記多関節ロボットの現状状態における、前記多関節ロボットのロボット中心の位置を第１位置として取得する第１位置取得機能と、
   前記第１位置における前記複数の軸関節部のそれぞれの角度を取得する第１位置角度取得機能と、
   前記多関節ロボットの前記複数の軸関節部のそれぞれの可動域を延びきらせた状態における、前記多関節ロボットのロボット中心の位置を第２位置として取得する第２位置取得機能と、
   前記第２位置における前記複数の軸関節部のそれぞれの角度を取得する第２位置角度取得機能と、
   前記第１位置及び前記第２位置をそれぞれ立体座標系に投影して、前記第１位置の前記ロボット中心と前記第２位置の前記ロボット中心との間の前記立体座標系における空間距離を算出する距離算出機能と、
   前記第２位置における前記複数の軸関節部のそれぞれの角度と、前記第１位置における前記複数の軸関節部のそれぞれの角度を表示するとともに、前記第１位置の前記ロボット中心から前記第２位置の前記ロボット中心に至るまでの前記空間距離を表示する表示処理機能と、を実現させる
   ことを特徴とするロボット駆動領域シミュレーションプログラム。

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