JP2022100030A - 干渉判定装置、ロボット制御システム、及び干渉判定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットに物体を回避させる場合における利便性を向上できる干渉判定装置、ロボット制御システム、及び干渉判定方法を提供する。【解決手段】干渉判定装置２０は、ロボット２と物体との干渉を判定する制御部３０を備える。制御部３０は、実空間におけるロボット２の動作範囲に存在する物体の頂点を取得する。制御部３０は、ロボット２が実空間において物体の頂点に干渉する場合におけるロボット２の状態を特定するパラメータの値を干渉値として計算する。制御部３０は、パラメータを基底とする構成空間において、パラメータの干渉値を包含する干渉領域を決定する。【選択図】図１

Description

本開示は、干渉判定装置、ロボット制御システム、及び干渉判定方法に関する。

従来、ロボットが物体を回避する方法が知られている。例えば特許文献１には、３次元ロボットモデルを２次元ロボットモデルに変換して２次元モデルの干渉判定を行う装置が記載されている。

特開２００４－２０２６２７号公報

３次元ロボットモデルを２次元ロボットモデルに変換する方法は、水平多関節ロボットの物体回避に適用できるものの、３次元空間を自在に移動できる６軸マニピュレータに適用できない。また、６軸マニピュレータに物体を回避させる経路計画を計算するために、６軸マニピュレータの各リンクの位置又は姿勢が考慮される必要がある。ロボットに物体を回避させる場合における利便性の向上が求められる。

本開示の目的は、ロボットに物体を回避させる場合における利便性を向上できる干渉判定装置、ロボット制御システム、及び干渉判定方法を提供することにある。

本開示の一実施形態に係る干渉判定装置は、ロボットと物体との干渉を判定する制御部を備える。前記ロボットは、複数の関節で接続されるアームを有し、前記関節の駆動によって動作する。前記制御部は、実空間における前記ロボットの動作範囲に存在する物体の頂点を取得する。前記制御部は、前記ロボットが前記実空間において前記物体の頂点に干渉する場合における前記ロボットの状態を特定するパラメータの値を干渉値として計算する。前記制御部は、前記パラメータを基底とする構成空間において、前記パラメータの干渉値を包含する干渉領域を決定する。

本開示の一実施形態に係るロボット制御システムは、前記干渉判定装置と、前記干渉判定装置で計画された経路に基づいて前記ロボットの操作量を生成する操作量生成装置と、前記ロボットとを備える。

本開示の一実施形態に係る干渉判定方法は、ロボットの実空間における動作範囲に存在する物体の頂点を取得することを含む。前記ロボットは、複数の関節で接続されるアームを有し、前記関節の駆動によって動作する。前記干渉判定方法は、前記物体の頂点に基づいて、前記ロボットが物体の頂点に干渉する場合における前記ロボットの状態を特定するパラメータの値を干渉値として計算することを含む。前記干渉判定方法は、前記パラメータを基底とする構成空間において、前記パラメータの干渉値を包含する干渉領域を決定することを含む。

本開示の一実施形態に係る干渉判定装置、ロボット制御システム、及び干渉判定方法によれば、ロボットに物体を回避させる場合における利便性が向上され得る。

一実施形態に係るロボット制御システムの構成例を示す模式図である。 一実施形態に係るロボット制御システムの構成例を示すブロック図である。 ロボットのアームの位置と関節の角度との関係の一例を示す図である。 ロボットの状態を表す関節の角度をプロットした構成空間の一例を示す図である。 ロボットが動作する空間に位置する障害物の一例を示す図である。 ロボットが障害物の頂点に干渉する場合における関節の角度の値の組み合わせを構成空間上で表した軌跡（干渉領域）の一例を示す図である。 図６の干渉領域を包含する領域の一例を示す図である。 干渉判定装置が実行する干渉判定方法の手順例を示すフローチャートである。

（ロボット制御システム１の構成例）
図１に示されるように、一実施形態に係るロボット制御システム１は、ロボット２と、ロボット制御装置１０とを備える。本実施形態において、ロボット２は、作業対象物８を作業開始地点６から作業目標地点７へ移動させるとする。つまり、ロボット制御装置１０は、作業対象物８が作業開始地点６から作業目標地点７へ移動するようにロボット２を制御する。作業対象物８は、作業対象とも称される。

図２に示されるように、ロボット制御装置１０は、干渉判定装置２０と、操作量生成装置７０とを備える。ロボット制御装置１０は、ロボット２が作業を実施する空間に関する情報に基づいて、ロボット２を制御する。空間に関する情報は、空間情報とも称される。以下、図１及び図２を参照して、ロボット制御システム１の各構成部が説明される。

＜ロボット２＞
ロボット２は、アーム２Ａと、エンドエフェクタ２Ｂとを備える。アーム２Ａは、例えば、６軸又は７軸の垂直多関節ロボットとして構成されてよい。アーム２Ａは、３軸又は４軸の水平多関節ロボット又はスカラロボットとして構成されてもよい。アーム２Ａは、２軸又は３軸の直交ロボットとして構成されてもよい。アーム２Ａは、パラレルリンクロボット等として構成されてもよい。アーム２Ａを構成する軸の数は、例示したものに限られない。言い換えれば、ロボット２は、複数の関節で接続されるアーム２Ａを有し、関節の駆動によって動作する。

エンドエフェクタ２Ｂは、例えば、作業対象物８を把持できるように構成される把持ハンドを含んでよい。把持ハンドは、複数の指を有してよい。把持ハンドの指の数は、２つ以上であってよい。把持ハンドの指は、１つ以上の関節を有してよい。エンドエフェクタ２Ｂは、作業対象物８を吸着できるように構成される吸着ハンドを含んでもよい。エンドエフェクタ２Ｂは、作業対象物８を掬うことができるように構成される掬いハンドを含んでもよい。エンドエフェクタ２Ｂは、ドリル等の工具を含み、作業対象物８に穴を開ける作業等の種々の加工を実施できるように構成されてもよい。エンドエフェクタ２Ｂは、これらの例に限られず、他の種々の動作ができるように構成されてよい。図１に例示される構成において、エンドエフェクタ２Ｂは、把持ハンドを含むとする。

ロボット２は、アーム２Ａを動作させることによって、エンドエフェクタ２Ｂの位置を制御できる。エンドエフェクタ２Ｂは、作業対象物８に対して作用する方向の基準となる軸を有してもよい。エンドエフェクタ２Ｂが軸を有する場合、ロボット２は、アーム２Ａを動作させることによって、エンドエフェクタ２Ｂの軸の方向を制御できる。ロボット２は、エンドエフェクタ２Ｂが作業対象物８に作用する動作の開始及び終了を制御する。ロボット２は、エンドエフェクタ２Ｂの位置、又は、エンドエフェクタ２Ｂの軸の方向を制御しつつ、エンドエフェクタ２Ｂの動作を制御することによって、作業対象物８を動かしたり加工したりすることができる。図１に例示される構成において、ロボット２は、作業開始地点６でエンドエフェクタ２Ｂに作業対象物８を把持させ、エンドエフェクタ２Ｂを作業目標地点７へ移動させる。ロボット２は、作業目標地点７でエンドエフェクタ２Ｂに作業対象物８を解放させる。このようにすることで、ロボット２は、作業対象物８を作業開始地点６から作業目標地点７へ移動させることができる。

＜センサ３＞
図２に示されるように、ロボット制御システム１は、更にセンサ３を備える。センサ３は、ロボット２の物理情報を検出する。ロボット２の物理情報は、ロボット２の各構成部の現実の位置若しくは姿勢、又は、ロボット２の各構成部の速度若しくは加速度に関する情報を含んでよい。ロボット２の物理情報は、ロボット２の各構成部に作用する力に関する情報を含んでよい。ロボット２の物理情報は、ロボット２の各構成部を駆動するモータに流れる電流又はモータのトルクに関する情報を含んでよい。ロボット２の物理情報は、ロボット２の実際の動作の結果を表す。つまり、ロボット制御システム１は、ロボット２の物理情報を取得することによって、ロボット２の実際の動作の結果を把握することができる。

センサ３は、ロボット２の物理情報として、ロボット２に作用する力、分布圧、若しくはすべり等を検出する力覚センサ又は触覚センサを含んでよい。センサ３は、ロボット２の物理情報として、ロボット２の位置若しくは姿勢、又は、速度若しくは加速度を検出するモーションセンサを含んでよい。センサ３は、ロボット２の物理情報として、ロボット２を駆動するモータに流れる電流を検出する電流センサを含んでよい。センサ３は、ロボット２の物理情報として、ロボット２を駆動するモータのトルクを検出するトルクセンサを含んでよい。

センサ３は、ロボット２の関節、又は、関節を駆動する関節駆動部に設置されてよい。センサ３は、ロボット２のアーム２Ａ又はエンドエフェクタ２Ｂに設置されてもよい。

センサ３は、検出したロボット２の物理情報をロボット制御装置１０に出力する。センサ３は、所定のタイミングでロボット２の物理情報を検出して出力する。センサ３は、ロボット２の物理情報を時系列データとして出力する。

＜カメラ４＞
図１に示される構成例において、ロボット制御システム１は、２台のカメラ４を備えるとする。カメラ４は、ロボット２の動作に影響を及ぼす可能性がある影響範囲５に位置する物品又は人間等を撮影する。カメラ４が撮影する画像は、モノクロの輝度情報を含んでもよいし、ＲＧＢ（Red, Green and Blue）等で表される各色の輝度情報を含んでもよい。影響範囲５は、ロボット２の動作範囲を含む。影響範囲５は、ロボット２の動作範囲を更に外側に広げた範囲であるとする。影響範囲５は、ロボット２の動作範囲の外側から動作範囲の内側へ向かって移動する人間等がロボット２の動作範囲の内側に入るまでにロボット２を停止できるように設定されてよい。影響範囲５は、例えば、ロボット２の動作範囲の境界から所定距離だけ外側まで拡張された範囲に設定されてもよい。カメラ４は、ロボット２の影響範囲５若しくは動作範囲又はこれらの周辺の領域を俯瞰的に撮影できるように設置されてもよい。カメラ４の数は、２つに限られず、１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。

＜ロボット制御装置１０＞
ロボット制御装置１０は、種々の機能を実行するための制御及び処理能力を提供するために、少なくとも１つのプロセッサを含んで構成されてよい。ロボット制御装置１０の各構成部は、少なくとも１つのプロセッサを含んで構成されてもよい。例えば、干渉判定装置２０は、少なくとも１つのプロセッサを含んで構成されてもよい。ロボット制御装置１０の各構成部のうち複数の構成部が１つのプロセッサで実現されてもよい。ロボット制御装置１０の全体が１つのプロセッサで実現されてもよい。プロセッサは、ロボット制御装置１０の種々の機能を実現するプログラムを実行しうる。プロセッサは、単一の集積回路として実現されてよい。集積回路は、ＩＣ（Integrated Circuit）とも称される。プロセッサは、複数の通信可能に接続された集積回路及びディスクリート回路として実現されてよい。プロセッサは、他の種々の既知の技術に基づいて実現されてよい。

ロボット制御装置１０は、記憶部を備えてよい。記憶部は、磁気ディスク等の電磁記憶媒体を含んでよいし、半導体メモリ又は磁気メモリ等のメモリを含んでもよい。記憶部は、各種情報及びロボット制御装置１０で実行されるプログラム等を格納する。記憶部は、非一時的な読み取り可能媒体として構成されてもよい。記憶部は、ロボット制御装置１０のワークメモリとして機能してよい。記憶部の少なくとも一部は、ロボット制御装置１０とは別体として構成されてもよい。

＜干渉判定装置２０＞
図２に示されるように、干渉判定装置２０は、空間情報取得部５２と、認識部５０と、制御部３０と、ロボット情報取得部４０と、計画部６０とを備える。以下、干渉判定装置２０の各構成が説明される。

＜＜空間情報取得部５２＞＞
空間情報取得部５２は、空間情報として、空間に存在する物体に関する空間点群情報を取得する。空間点群情報は、空間を特徴点によって表す情報である。空間情報取得部５２は、空間情報として、空間のＲＧＢ情報を取得してよい。空間情報取得部５２は、空間情報を認識部５０に出力する。

ロボット制御システム１は、空間点群情報を検出する視覚センサを備えてよい。空間情報取得部５２は、視覚センサから空間点群情報を取得してよい。視覚センサは、ロボット２のアーム２Ａの先端若しくはエンドエフェクタ２Ｂの先端、ロボット２の全体、ロボット２の影響範囲５、又は、ロボット２の影響範囲５の周辺を俯瞰的に捉えられる箇所に設置されてよい。

空間情報取得部５２は、カメラ４から撮像画像を取得してよい。空間情報取得部５２は、カメラ４を含んで構成されてもよい。カメラ４は、ロボット２のアーム２Ａの先端、又は、エンドエフェクタ２Ｂの先端に設置されてもよい。空間情報取得部５２は、カメラ４から取得した撮像画像のＲＧＢ情報を取得する。空間情報取得部５２は、撮像画像のデプス情報に基づいて空間点群情報を検出してよい。デプス情報は、カメラ４の被写体の奥行に関する情報を含む。

＜＜認識部５０＞＞
認識部５０は、空間情報取得部５２から得た空間情報に基づいて、ロボット２に実行させる作業の対象を認識し、対象の情報を取得する。認識部５０は、作業の対象として作業対象物８を認識してよい。認識部５０は、作業の対象として作業開始地点６及び作業目標地点７を認識してよい。

認識部５０は、作業の対象と、作業の対象ではない背景又は障害物等の物体とを区別して物体を認識する。物体を区別した認識は、クラスタリングとも称される。認識部５０は、クラスタリングした物体を多面体で近似してよい。認識部５０は、物体を近似して得られた多面体の頂点情報を取得してよい。認識部５０は、クラスタリングした各物体の空間点群情報を取得してよい。認識部５０は、空間点群情報を生成せずに各物体を認識してもよい。

認識部５０は、作業の対象を認識することによって、ロボット２に実行させる動作を認識する。認識部５０は、認識した作業の対象に関する情報、又は、ロボット２に実行させる動作に関する情報を制御部３０に出力する。認識部５０がロボット２の作業に関する情報として認識した情報は、認識情報とも称される。認識情報は、作業の対象である物体の頂点に関する情報を含む。認識情報は、作業の対象ではない物体の頂点に関する情報を含む。作業の対象ではない物体は、障害物８０（図５等参照）とも称される。認識部５０が空間点群情報を生成せずに物体を認識する場合、認識情報は、物体の外形に関する情報を含む。

＜＜ロボット情報取得部４０＞＞
ロボット情報取得部４０は、センサ３の検出結果としてロボット２の物理情報を取得してよい。ロボット情報取得部４０は、センサ３によって直接検出できない物理情報を推定することによって取得してもよい。ロボット情報取得部４０は、取得した物理情報を、制御部３０及び計画部６０に出力する。

＜＜制御部３０＞＞
制御部３０は、干渉領域計算部３２を備える。干渉領域計算部３２は、認識部５０から認識情報を取得するとともに、ロボット情報取得部４０からロボット２の物理情報を取得する。干渉領域計算部３２は、認識情報とロボット２の物理情報とに基づいて、ロボット２の動作範囲に存在する物体と、ロボット２との干渉を判定する。

干渉領域計算部３２は、ロボット２が障害物を避けつつ対象の物体に対する作業を実行する空間において、ロボット２と物体との干渉を判定する。ロボット２が作業を実行する空間は、実空間とも称される。実空間は、人間によって現実の空間として視認される空間に対応する。

ここで、ロボット２が関節の駆動によって動作する場合、実空間におけるロボット２の位置及び姿勢は、ロボット２の各関節の角度によって特定される。ロボット２の位置及び姿勢を特定するパラメータは、回転方向に駆動される各関節の角度に限られない。パラメータは、並進方向に駆動される部品の移動量を含んでもよい。

ロボット２の位置及び姿勢は、ロボット２の状態と総称される。ロボット２は、異なる位置に移動したり異なる姿勢に変化したりすることによって異なる状態に遷移する。ロボット２の状態は、複数のパラメータによって特定される。各パラメータの値の１つの組み合わせは、ロボット２の１つの状態に対応する。言い換えれば、ロボット２の状態は、各パラメータの値の組み合わせとして表される。ロボット２の状態は、各パラメータの値を要素として有する状態ベクトルによって表される。状態ベクトルは、各パラメータを基底とする状態空間において定義される。ロボット２の状態を特定する各パラメータを基底とする状態空間は、構成空間とも称される。

ロボット２の状態は、図３に例示されるように、アーム２Ａの位置及び姿勢によって特定される。ロボット２は、関節２Ｃ及び２Ｄを更に有する。アーム２Ａの位置及び姿勢は、関節２Ｃの駆動角度θ１の値と、関節２Ｄの駆動角度θ２の値とで特定されるとする。つまり、ロボット２の状態は、θ１及びθ２の値で特定されるとする。また、関節２Ｃ及び２Ｄは、アーム２ＡをＸＹ平面内で回転させるとする。つまり、ロボット２のアーム２Ａは、ＸＹ平面内に位置する。θ１及びθ２は、ＸＹ平面内で定義される角度である。

ロボット２の状態は、θ１及びθ２を基底とするベクトル平面（２次元ベクトル空間）上の点として表される。具体的には、ロボット２の状態は、図４に例示される、θ１及びθ２それぞれを軸として表される平面上の点として表される。図３においてアーム２Ａの位置が実線で表されているロボット２の状態が第１状態であるとする。ロボット２の第１状態は、図４の平面上の点Ｐ１として表される。

ロボット２が移動したり姿勢を変えたりする場合、ロボット２の状態は、異なる状態に遷移する。ここで、ロボット２の状態が第１状態から第２状態に遷移すると仮定する。図３においてアーム２Ａの位置が破線で表されているロボット２の状態が第２状態であるとする。ロボット２の第２状態は、図４の平面上の点Ｐ２として表される。

ロボット２の状態は、連続的に遷移するとみなされ得るし、離散的に遷移するともみなされ得る。本実施形態において、ロボット２の状態は、連続的に遷移するとみなされる。ロボット２が所定の動作を実行する間、ロボット２の状態が連続的に遷移する。ロボット２の状態が連続的に遷移することによって、ロボット２の状態を特定する各パラメータの値が連続的に変化する。図４に例示されるベクトル平面のような構成空間内でロボット２の状態に対応する点は、連続的に移動して構成空間内に軌跡を描く。ロボット２の状態が第１状態から第２状態に遷移する場合において、ロボット２の状態に対応する点の軌跡は、Ｐ１とＰ２とを結ぶ種々の経路として描かれ得る。例えば、軌跡は、図４において実線で示されるようにＰ１とＰ２とを結ぶ直線として描かれてもよいし、破線で示されるようにＰ１とＰ２とを結ぶ曲線として描かれてもよい。

図５に示されるように、ロボット２が動作する実空間に、障害物８０が位置すると仮定する。障害物８０は、４つの頂点８１～８４を有する長方形として表されている。干渉領域計算部３２は、障害物８０の頂点の座標を取得する。干渉領域計算部３２は、認識部５０でクラスタリングされた各物体の空間点群情報を取得し、各物体の空間点群情報に含まれる少なくとも一部の点を、その物体の頂点とみなしてよい。干渉領域計算部３２は、ロボット２の少なくとも一部が障害物８０の各頂点と干渉する場合におけるロボット２の状態を算出する。ロボット２の複数の状態において、ロボット２の少なくとも一部が頂点８１と干渉する。ロボット２の複数の状態は、構成空間内の点の集合又は連続する点によって構成される軌跡若しくは領域として表される。つまり、ロボット２の少なくとも一部が頂点８１と干渉する場合におけるロボット２の状態は、構成空間内の点の集合又は点が連続することによって描かれる軌跡若しくは領域として表される。

例えば、干渉領域計算部３２は、図６に示されるように、θ１及びθ２それぞれを軸として表される平面上に、ロボット２の少なくとも一部が頂点８１と干渉する場合におけるロボット２の状態を表す軌跡Ｔ８１を描くことができる。また、干渉領域計算部３２は、ロボット２の少なくとも一部が頂点８２、８３及び８４それぞれと干渉する場合におけるロボット２の状態を表す軌跡Ｔ８２、Ｔ８３及びＴ８４を描くことができる。

ロボット２の少なくとも一部が障害物８０等の物体と干渉する場合におけるロボット２のパラメータの値は、干渉値とも称される。ロボット２の少なくとも一部が障害物８０等の物体と干渉する場合におけるロボット２の状態を表す点の集合、軌跡又は領域は、干渉領域とも総称される。つまり、干渉領域計算部３２は、構成空間において干渉値に対応する点、軌跡又は領域の集合として干渉領域を生成する。

干渉領域計算部３２は、構成空間内でロボット２の状態を表す点が干渉領域の外側に位置する場合、ロボット２が障害物８０等の物体と干渉しないと判定できる。したがって、干渉領域計算部３２は、構成空間で生成した干渉領域に基づいて、実空間においてロボット２が障害物８０等の物体を避けて動作できるか判定できる。

具体的には、干渉領域計算部３２は、ロボット２が作業を実行する場合の動作を仮定して、仮定した動作の間にロボット２が遷移し得る状態に対応する構成空間内の点の集合、軌跡又は領域を生成する。干渉領域計算部３２は、ロボット情報取得部４０から取得したロボット２の物理情報に基づいて、ロボット２の動作を仮定してよい。ロボット２が動作中に遷移する状態を表す、構成空間内の点、軌跡又は領域は、動作領域とも総称される。

干渉領域計算部３２は、仮定したロボット２の動作に対応する動作領域の全てが干渉領域に重ならない場合、仮定した動作によってロボット２が障害物８０等の物体に干渉しないと判定してよい。干渉領域計算部３２は、仮定した動作によってロボット２が物体に干渉しないと判定した場合、判定結果を計画部６０に出力してよい。

干渉領域計算部３２は、仮定したロボット２の動作に対応する動作領域の少なくとも一部が干渉領域に重なる場合、仮定した動作によってロボット２が障害物８０等の物体に干渉すると判定してよい。干渉領域計算部３２は、仮定した動作によってロボット２が物体に干渉すると判定した場合、他の動作を新たに仮定して動作領域を生成し、新たに仮定した動作によってロボット２が物体に干渉するか判定してよい。

干渉領域は、図６に例示されるように複数の点、軌跡又は領域の集合として生成され得る。この場合、複数の点、軌跡又は領域の間の点は、ロボット２が物体に干渉しない状態を表す。しかし、干渉領域は、物体の一部の点に基づいて生成されている。したがって、干渉領域に含まれない点で表される状態であっても、ロボット２は、物体の少なくとも一部と干渉することがある。

そこで、制御部３０の構成空間近似部３４は、干渉領域を構成する点、軌跡又は領域を包含する領域を新たに生成する。構成空間近似部３４が新たに生成する領域は、補正干渉領域とも称される。構成空間近似部３４は、例えば、図７に例示されるように、４本の軌跡Ｔを全て含む領域として破線の四辺形で示される領域Ａを補正干渉領域として新たに生成してよい。構成空間近似部３４は、構成空間が２次元空間である場合、補正干渉領域として多角形等の種々の平面図形で表される領域を生成してよい。構成空間近似部３４は、構成空間が３次元空間である場合、補正干渉領域として多面体等の種々の立体図形で表される領域を生成してよい。構成空間近似部３４は、構成空間が４次元以上の多次元空間である場合、補正干渉領域として多次元空間で定義される種々の図形で表される領域を生成してよい。

構成空間近似部３４は、構成空間内に生成された干渉領域を包含する領域を近似した領域として補正干渉領域を生成してよい。構成空間近似部３４は、例えば、干渉領域を包含する領域を単純な図形で近似することによって、単純な形状の補正干渉領域を生成してよい。具体的には、構成空間が２次元空間である場合、構成空間近似部３４は、干渉領域を三角形又は四角形等の単純な平面図形に近似して補正干渉領域として生成してよい。構成空間が３次元空間である場合、構成空間近似部３４は、干渉領域を直方体又は立方体等の単純な多面体に近似して補正干渉領域として生成してよい。

干渉領域計算部３２は、構成空間近似部３４から補正干渉領域を取得し、補正干渉領域に基づいてロボット２が物体に干渉するか判定してよい。

＜＜計画部６０＞＞
計画部６０は、障害物８０等の物体と干渉しないと判定されたロボット２の動作に関する情報を制御部３０から取得するとともに、ロボット情報取得部４０からロボット２の物理情報を取得する。ロボット２の動作に関する情報は、動作情報とも称される。計画部６０は、ロボット２の動作情報と物理情報とに基づいて、ロボット２が操作する際に移動する経路を計画するとともに、計画した経路の各位置におけるロボット２の速度又は加速度を計画する。計画部６０は、計画した経路及び経路の各位置における速度又は加速度を特定する情報を、操作量生成装置７０に出力する。計画部６０が計画した経路及び経路の各位置における速度又は加速度を特定する情報は、計画情報とも称される。

計画部６０は、経路計画部６２と、動作計画部６４とを備える。経路計画部６２は、ロボット２の各部が移動する経路を計画する。具体的には、経路計画部６２は、ロボット２の各部が移動する経路の始点若しくは終点又は経由点を、ＸＹＺ座標系で定義される空間座標情報によって表してよい。経路計画部６２は、ロボット２の経路に含まれる各位置における各部の姿勢を、ロボット２の各関節２Ｃの角度として表してもよい。動作計画部６４は、ロボット２の経路に含まれる各位置におけるロボット２の速度若しくは角速度、又は、加速度若しくは角加速度を計画する。

以上説明してきたように、干渉判定装置２０は、ロボット２が他の物体と干渉しないようにロボット２の動作を計画し、計画情報を操作量生成装置７０に出力する。

＜操作量生成装置７０＞
操作量生成装置７０は、干渉判定装置２０の計画部６０から取得した計画情報に基づいてロボット２を適切に制御できるように、ロボット２に対する操作量を生成してロボット２に出力する。ロボット２に対する操作量は、例えば、ロボット２の関節２Ｃ等の各部を駆動するモータの出力を制御する情報を含んでよい。操作量生成装置７０は、ロボット２のアーム２Ａに対する操作量を生成するアーム制御部と、ロボット２のエンドエフェクタ２Ｂに対する操作量を生成するエンドエフェクタ制御部とを備えてよい。

（干渉判定装置２０の動作例）
干渉判定装置２０は、上述してきたように、ロボット２の動作を仮定して、仮定した動作によってロボット２の少なくとも一部が物体と干渉するか判定する。干渉判定装置２０は、ロボット２と物体との干渉を判定した結果に基づいて、ロボット２の動作の経路等を決定する。

干渉判定装置２０は、図８に例示されるフローチャートの手順を含む干渉判定方法を実行してもよい。干渉判定方法は、干渉判定装置２０を構成するプロセッサに実行させる干渉判定プログラムとして実現されてもよい。干渉判定プログラムは、非一時的なコンピュータ読み取り可能な媒体に格納されてよい。

空間情報取得部５２は、空間情報を取得する（ステップＳ１）。空間情報取得部５２は、空間情報として、ロボット２が動作する空間に存在する障害物８０等の物体の空間点群情報を取得する。

認識部５０は、空間情報に基づいて物体をクラスタリングする（ステップＳ２）。具体的には、認識部５０は、空間情報に含まれる複数の物体の空間点群情報を物体毎に分類し、各物体の空間点群情報を生成する。

制御部３０は、干渉領域を生成する（ステップＳ３）。具体的には、制御部３０の干渉領域計算部３２は、ロボット２が動作する空間に存在する物体に対応する干渉値を算出する。干渉領域計算部３２は、算出した干渉値を構成空間内の点の集合、軌跡又は領域として表すことによって、点の集合、軌跡又は領域を含む干渉領域を生成する。

制御部３０は、補正干渉領域を生成する（ステップＳ４）。具体的には、制御部３０の構成空間近似部３４は、干渉領域計算部３２で生成した干渉領域を含む新たな領域を生成する。構成空間近似部３４は、干渉領域を含む単純な図形で表される領域を新たな領域として生成してよい。

制御部３０は、動作領域を生成する（ステップＳ５）。具体的には、制御部３０の干渉領域計算部３２は、ロボット２の動作を仮定する。干渉領域計算部３２は、仮定した動作によってロボット２のパラメータがとり得る値を算出する。干渉領域計算部３２は、算出したパラメータの値を構成空間内の点の集合、軌跡又は領域として表すことによって、点の集合、軌跡又は領域を含む動作領域を生成する。

制御部３０は、ロボット２の少なくとも一部が物体と干渉するか判定する（ステップＳ６）。具体的には、制御部３０は、仮定された動作をロボット２が実行した場合に、ロボット２の少なくとも一部が障害物８０等の物体と干渉するか、動作領域と補正干渉領域とに基づいて判定する。制御部３０は、動作領域の全てが補正干渉領域と重ならない場合、仮定された動作によってロボット２の全体が物体と干渉しないと判定する。制御部３０は、動作領域の少なくとも一部が補正干渉領域と重なる場合、仮定された動作によってロボット２の少なくとも一部が物体と干渉すると判定する。

制御部３０は、ロボット２の少なくとも一部が物体と干渉すると判定した場合（ステップＳ６：ＹＥＳ）、ステップＳ５の手順に戻って、動作の仮定及び動作領域の生成をやり直す。制御部３０は、ロボット２の全体が物体と干渉しないと判定した場合（ステップＳ６：ＮＯ）、計画部６０に動作情報を出力する（ステップＳ７）。制御部３０は、動作情報として、ロボット２の全体が物体と干渉しないと判定した動作に関する情報を出力する。

計画部６０は、動作情報に基づいて計画情報を生成する（ステップＳ８）。計画部６０は、生成した計画情報を操作量生成装置７０に出力する。

干渉判定装置２０は、ステップＳ８の手順の実行後、図８のフローチャートの手順の実行を終了する。

（本実施形態の小括、及び、比較例との対比）
以上述べてきたように、本実施形態に係る干渉判定装置２０は、ロボット２が動作する空間に存在する障害物８０等の物体の頂点についてロボット２の干渉値を算出し、構成空間内で干渉領域を生成する。干渉判定装置２０は、物体の各頂点に対応する干渉領域を全て包含する補正干渉領域を生成する。干渉判定装置２０は、ロボット２の動作を仮定し、仮定した動作に対応する動作領域を構成空間内で生成する。干渉判定装置２０は、補正干渉領域と動作領域とに基づいて、仮定した動作によってロボット２が物体に干渉するか判定する。干渉判定装置２０は、ロボット２が物体に干渉しない動作を生成し、その動作の計画情報を生成する。

ここで、比較例に係る判定方法として、物体の全体について干渉値が算出され得る。物体の全体について干渉値を算出する場合、物体の頂点について干渉値を算出する場合よりも、演算量が増大する。例えば、ロボット２を線分で表した場合、物体の全体について干渉値を算出するために、物体の表面とロボット２を表す線分とが交わるか判定する。一方で、本実施形態に係る干渉判定方法のように物体の頂点について干渉値を算出する場合、ロボット２を表す線分が頂点を通過するか判定すればよい。面と線分とが交わる判定のために、物体の表面を数式で表す必要があり、線分が点を通過することを確認するだけの演算よりも、演算量が増加する。したがって、本実施形態に係る干渉判定装置２０は、物体の頂点について干渉値を算出することによって、ロボット２に物体を回避させるための計算負荷を低減できる。その結果、ロボット２の利便性が向上する。

また、本実施形態に係る干渉判定方法によれば、計算負荷を低減できることによって、ロボット２の動作計画のリアルタイム性が向上する。動作計画のリアルタイム性の向上によってロボット２の反応が速くなる。その結果、ロボット２の安全性が向上し得る。また、本実施形態に係る干渉判定方法によれば、ロボット２のアーム２Ａ又はエンドエフェクタ２Ｂ等の構成を変更した場合においても、干渉値を新たに算出するための負荷が低減される。したがって、ロボット２の構成変更がロボット２の干渉判定に迅速に反映され得る。

また、比較例に係る判定方法として、ロボット２又は物体を２次元空間上で表現して情報量を削減することによって干渉判定の演算量が低減され得る。この方法は、水平多関節ロボットに対して適用できるものの、３次元空間を自在に移動できる６軸マニピュレータ等に対して適用できない。また、６軸マニピュレータの場合は、干渉領域を避けた経路計画の計算に各リンクの位置又は姿勢も考慮する必要があり、計算量がどうしても膨大になってしまう。比較例において、仮に干渉領域をロボット２の構成空間に写像し、構成空間上で経路計画するとしても、種々の問題が生じる。例えば、ロボット２が動作する実空間上の障害物に対して、ロボット２の複数のパラメータの一部を固定したままで、残りのパラメータを変化させ、干渉する領域を構成空間に写像し、写像した物体の端点同士を結び多角形に近似することで干渉が判定され得る。この方法において、実空間に存在する障害物の情報ほぼ全てが写像される。したがって、本実施形態において物体の頂点だけを写像することと比較して、計算負荷が高い。つまり、本実施形態において物体の頂点を写像することによって、計算負荷が低減される。その結果、ロボット２の利便性が向上する。

また、比較例に係る判定方法として、障害物を球体に近似し、ロボット２の構成と球体との位置関係を幾何学的に計算して干渉領域を構成空間に写像し、更にそれを単純な図形に近似することによって干渉判定の演算量が低減され得る。この方法は、障害物を球体近似することによるデメリットとして、障害物の形状が球体と大きく異なる場合、実際には障害物が存在しない部分に対してもロボット２が干渉すると判定されてしまう。つまり、この方法は、適用できる障害物の形状が制限される。これに対して、本実施形態に係る干渉判定方法によれば、物体の頂点を写像することによって、干渉の判定対象とする障害物の形状が制限されにくい。その結果、ロボット２の利便性が向上する。また、物体の頂点を写像することによって、障害物の形状が干渉判定に簡易に反映され得る。その結果、ロボット２が障害物８０等の物体を自律的に回避する汎用性の高い軌道生成が可能となる。

（他の実施形態）
以下、他の実施形態が説明される。

＜特異点及びポテンシャル＞
ロボット２は、動作不可能な状態に陥る特異点を有する。特異点は、構成空間において点又は領域として表され得る。干渉判定装置２０の干渉領域計算部３２は、構成空間において干渉領域だけでなく特異点にも基づいて、ロボット２の動作の妥当性を判定してもよい。また、干渉領域計算部３２は、特異点を考慮しなくても、干渉領域を考慮するだけでロボット２に自動的に特異点を回避させ得る。つまり、構成空間でロボット２の動作の妥当性を判定することによって、特異点が容易に回避され得る。

また、干渉領域計算部３２は、構成空間において特異点又はその近傍にポテンシャルを設置し、ポテンシャルを避けるようにロボット２の動作の妥当性を判定してもよい。ポテンシャルは、例えば干渉領域又は特異点とロボット２の状態を表す点との距離に基づいて定まる値に対応する。ポテンシャルは、ロボット２の状態を表す点が干渉領域又は特異点に近づくほど、高い値に定まるとする。干渉領域計算部３２は、ロボット２の動作を仮定する場合において、ロボット２の動作中に遷移する各状態におけるポテンシャルの積分値又は合計値が小さくなるようにロボット２の動作を仮定してよい。このようにすることで、ロボット２が障害物８０等の物体又は特異点に接近しすぎないように、ロボット２の動作が仮定され得る。また、ロボット２の経路が短くなるように、ロボット２の動作が仮定され得る。なぜならば、ポテンシャルの値を低い値とするために、ロボット２が干渉領域又は特異点から離れるように、かつ、ロボット２の経路が短くなるように、ロボット２の動作が仮定されるからである。

＜ロボット２の形状の反映＞
制御部３０の干渉領域計算部３２は、実空間におけるロボット２の形状に更に基づいて干渉値を計算してもよい。具体的には、干渉領域計算部３２は、ロボット２のアーム２Ａを線分とみなして障害物８０等の物体の頂点に対する干渉値を計算した上で、アーム２Ａが実際に有する形状を考慮した干渉値を算出してよい。アーム２Ａを線分とみなして計算し、更にアーム２Ａの形状を考慮することによって、干渉値の算出負荷が低減され得る。

＜干渉値の計算対象とするパラメータの選択＞
制御部３０の干渉領域計算部３２は、ロボット２の位置及び姿勢に所定量以上の影響を及ぼすパラメータを対象として干渉値を計算してもよい。具体的には、干渉領域計算部３２は、ロボット２の状態を特定する一部のパラメータについて干渉値を計算してよい。

干渉領域計算部３２は、ロボット２の状態を特定するパラメータに優先順位を設定し、上位の順位が設定されたパラメータについて干渉値を計算してもよい。干渉領域計算部３２は、ロボット２の状態を特定するパラメータのうち、上位ｎ位までの順位が設定されたパラメータについて干渉値を計算してよい。優先順位は、各パラメータの変動量に対するロボット２の座標の変化量又は姿勢を表す角度の変化量の比率に基づいて設定されてよい。例えば、パラメータの変化量に対してアーム２Ａの座標の変化量又はアーム２Ａの角度の変化量が大きいほど、そのパラメータの優先順位が高い順位に設定されてよい。

干渉領域計算部３２は、各パラメータを所定値だけ変化させた場合におけるロボット２の特定の部分の座標の変化量が所定量以上となる場合、そのパラメータを、ロボット２の状態に所定量以上の影響を及ぼすパラメータとみなしてよい。干渉領域計算部３２は、ロボット２の特定の部分の座標の変化量のうち所定の割合の変化量に寄与するパラメータを、ロボット２の状態に所定量以上の影響を及ぼすパラメータとみなしてもよい。ロボット２の特定の部分は、例えばロボット２の先端に位置するエンドエフェクタ２Ｂ等であってよい。

干渉領域計算部３２は、ロボット２の各パラメータを所定値だけ変化させた場合におけるロボット２の特定の変化量を算出し、全パラメータに関する変化量の合計に対する各パラメータに関する変化量の割合を算出してよい。例えば、干渉領域計算部３２は、変化量の合計に対して５％以上の変化量となるパラメータが存在し、かつ、変化量の合計に対して５％未満の変化量となるパラメータが存在する場合、変化量の合計に対して５％以上の変化量となるパラメータを、所定量以上の影響を及ぼすパラメータとみなしてよい。所定の割合は、５％に限られず、１０％、１５％又は２０％等の種々の値に設定されてよい。また、干渉領域計算部３２は、変化量の合計に対する各パラメータの変化量の割合の差異が例えば１０％以内に収まる場合、全てのパラメータを所定量以上の影響を及ぼすパラメータとみなしてもよい。

具体的にロボット２が６個の関節（第１関節から第６関節まで）を有すると仮定する。干渉領域計算部３２は、６個の関節それぞれの角度を所定量だけ変化させたことによるロボット２の先端の座標の移動量を算出する。干渉領域計算部３２は、各関節に対応するロボット２の先端の座標の移動量の合計を算出する。干渉領域計算部３２は、ロボット２の先端の座標の移動量の合計に対する各関節に対応するロボット２の先端の座標の移動量の比率を算出する。第１関節に対応する移動量の比率は、６０％であったとする。第２関節に対応する移動量の比率は、２０％であったとする。第３関節に対応する移動量の比率は、１０％であったとする。第４関節に対応する移動量の比率は、５％であったとする。第５関節に対応する移動量の比率は、３％であったとする。第６関節に対応する移動量の比率は、２％であったとする。例えば、所定の割合が１５％に設定される場合、第１関節及び第２関節の角度が所定量以上の影響を及ぼすパラメータとみなされる。例えば、所定の割合が５％に設定される場合、第１関節、第２関節、第３関節及び第４関節の角度が所定量以上の影響を及ぼすパラメータとみなされる。

＜実空間における物体の頂点の認識＞
上述してきたように、認識部５０は、空間点群情報を生成せずに物体を認識して、物体の外形に関する情報を認識情報として出力してよい。この場合、制御部３０の干渉領域計算部３２は、物体の外形を含有する近似図形を生成してよい。ロボット２が２次元で動作する場合、干渉領域計算部３２は、物体の外形を多角形等の平面図形で近似してよい。ロボット２が３次元で動作する場合、干渉領域計算部３２は、物体の外形を多面体等の立体図形で近似してよい。立体図形は、例えば、直方体、正多面体（正四面体、正六面体、正八面体、正十二面体及び正二十面体）、又は、三角柱若しくは四角柱等の角柱等を含んでよい。干渉領域計算部３２は、近似図形の頂点を物体の頂点とみなしてロボット２の各パラメータの干渉値を計算する。

干渉領域計算部３２は、物体の認識情報として空間点群情報を取得した場合、空間点群情報に含まれる点を物体の頂点とみなしてよい。干渉領域計算部３２は、物体の認識情報として空間点群情報と物体の外形に関する情報とをあわせて取得してもよい。この場合においても、干渉領域計算部３２は、物体の外形を含有する近似図形を生成し、近似図形の頂点を物体の頂点とみなしてもよい。

また、干渉領域計算部３２は、物体の外形を含有する図形で物体を表し、その図形の頂点を物体の頂点とみなしてもよい。例えば、物体が空間点群情報で表される場合、干渉領域計算部３２は、空間点群情報に含まれる点の数よりも少ない数の頂点を有する図形で物体を表してもよい。干渉領域計算部３２は、空間点群情報に含まれる点の数と同じ数の頂点を有する図形で物体を表してもよいし、空間点群情報に含まれる点の数より多い数の頂点を有する図形で物体を表してもよい。干渉領域計算部３２は、物体を表すデータ形式が簡易になるように物体を表してよい。このようにすることで、干渉値の計算負荷が低減され得る。干渉領域計算部３２は、物体を表す図形の頂点間の距離が所定距離未満になるように、所定距離以上離れた頂点の間を補間する点を含む図形で物体を表してもよい。このようにすることで、ロボット２が頂点間をすり抜けることによる干渉値の計算漏れが低減され得る。

干渉領域計算部３２は、ロボット２のアーム２Ａが柱状である場合、アーム２Ａの柱状の形状の軸に直交する断面の形状に基づいて、物体を表す図形を外側に拡大してよい。この場合、干渉領域計算部３２は、ロボット２のアーム２Ａを線分とみなして干渉値を計算してよい。このようにすることで、干渉値の計算負荷が低減され得る。

以上、ロボット制御システム１の実施形態を説明してきたが、本開示の実施形態としては、システム又は装置を実施するための方法又はプログラムの他、プログラムが記録された記憶媒体（一例として、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＣＤ－Ｒ、ＣＤ－ＲＷ、磁気テープ、ハードディスク、又はメモリカード等）としての実施態様をとることも可能である。

また、プログラムの実装形態としては、コンパイラによってコンパイルされるオブジェクトコード、インタプリタにより実行されるプログラムコード等のアプリケーションプログラムに限定されることはなく、オペレーティングシステムに組み込まれるプログラムモジュール等の形態であっても良い。さらに、プログラムは、制御基板上のＣＰＵにおいてのみ全ての処理が実施されるように構成されてもされなくてもよい。プログラムは、必要に応じて基板に付加された拡張ボード又は拡張ユニットに実装された別の処理ユニットによってその一部又は全部が実施されるように構成されてもよい。

本開示に係る実施形態について説明する図は模式的なものである。図面上の寸法比率等は、現実のものとは必ずしも一致していない。

本開示に係る実施形態について、諸図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形又は改変を行うことが可能であることに注意されたい。従って、これらの変形又は改変は本開示の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各構成部等に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成部等を１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

本開示に記載された構成要件の全て、及び／又は、開示された全ての方法、又は、処理の全てのステップについては、これらの特徴が相互に排他的である組合せを除き、任意の組合せで組み合わせることができる。また、本開示に記載された特徴の各々は、明示的に否定されない限り、同一の目的、同等の目的、または類似する目的のために働く代替の特徴に置換することができる。したがって、明示的に否定されない限り、開示された特徴の各々は、包括的な一連の同一、又は、均等となる特徴の一例にすぎない。

さらに、本開示に係る実施形態は、上述した実施形態のいずれの具体的構成にも制限されるものではない。本開示に係る実施形態は、本開示に記載された全ての新規な特徴、又は、それらの組合せ、あるいは記載された全ての新規な方法、又は、処理のステップ、又は、それらの組合せに拡張することができる。

本開示において「第１」及び「第２」等の記載は、当該構成を区別するための識別子である。本開示における「第１」及び「第２」等の記載で区別された構成は、当該構成における番号を交換することができる。例えば、第１状態は、第２状態と識別子である「第１」と「第２」とを交換することができる。識別子の交換は同時に行われる。識別子の交換後も当該構成は区別される。識別子は削除してよい。識別子を削除した構成は、符号で区別される。本開示における「第１」及び「第２」等の識別子の記載のみに基づいて、当該構成の順序の解釈、小さい番号の識別子が存在することの根拠に利用してはならない。

１ ロボット制御システム（３：センサ、４：カメラ、５：影響範囲、６：作業開始地点、７：作業目標地点、８：作業対象物）
２ ロボット（２Ａ：アーム、２Ｂ：エンドエフェクタ、２Ｃ、２Ｄ：関節）
１０ ロボット制御装置
２０ 干渉判定装置
３０ 制御部（３２：干渉領域計算部、３４：構成空間近似部）
４０ ロボット情報取得部
５０ 認識部
５２ 空間情報取得部
６０ 計画部（６２：経路計画部、６４：動作計画部）
７０ 操作量生成装置
８０ 障害物（８１～８４：頂点）

Claims (7)

1. 複数の関節で接続されるアームを有し、前記関節の駆動によって動作するロボットと、物体との干渉を判定する制御部を備え、
   前記制御部は、
   実空間における前記ロボットの動作範囲に存在する物体の頂点を取得し、
   前記ロボットが前記実空間において前記物体の頂点に干渉する場合における前記ロボットの状態を特定するパラメータの値を干渉値として計算し、
   前記パラメータを基底とする構成空間において、前記パラメータの干渉値を包含する干渉領域を決定する、干渉判定装置。
2. 前記制御部は、前記実空間における前記ロボットの形状に更に基づいて前記干渉値を計算する、請求項１に記載の干渉判定装置。
3. 前記制御部は、前記ロボットの状態に所定量以上の影響を及ぼすパラメータを対象として前記干渉値を計算する、請求項１又は２に記載の干渉判定装置。
4. 前記制御部は、前記実空間において前記物体を包含する近似図形を決定し、前記近似図形の頂点に基づいて前記干渉値を計算する、請求項１から３までのいずれか一項に記載の干渉判定装置。
5. 前記制御部は、前記ロボットが動作する場合に前記構成空間において前記パラメータの値が前記干渉領域に干渉しないように、前記ロボットの経路を計画する、請求項１から４までのいずれか一項に記載の干渉判定装置。
6. 請求項５に記載の干渉判定装置と、前記干渉判定装置で計画された経路に基づいて前記ロボットの操作量を生成する操作量生成装置と、前記ロボットとを備えるロボット制御システム。
7. 複数の関節で接続されるアームを有し、前記関節の駆動によって動作するロボットの実空間における動作範囲に存在する物体の頂点を取得することと、
   前記物体の頂点に基づいて、前記ロボットが物体の頂点に干渉する場合における前記ロボットの状態を特定するパラメータの値を干渉値として計算することと、
   前記パラメータを基底とする構成空間において、前記パラメータの干渉値を包含する干渉領域を決定することと
   を含む、干渉判定方法。

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