JP2023054791A - インテリジェントな明確経路 - Google Patents

Abstract

【課題】ロボットのための衝突のない実行可能なホームへの戻り経路を自動的に見出す技術の提供。【解決手段】この技術は、物理的なロボット及び作業セルをリアルタイムでエミュレートする、シミュレートされた仮想３Ｄ環境の実行を含む。これには、作業セル内の全てのロボット、ワーク及び障害物の位置及び姿勢が含まれる。オペレータの要求に応じて、仮想３Ｄ環境に基づいてホームへの復帰経路探索が実行され、この経路探索は、作業セル内の他のロボット、ワーク及び障害物との衝突を回避しつつ、ロボットを現在位置からホーム位置又は復帰位置まで移動させる解を計算する。経路探索では、衝突回避に加え、作業空間内の禁止領域やロボット関節の位置等の他の制約が考慮される。復帰経路が計算されると、ソリューションプログラムが物理環境に送り返され、物理ロボットによって実行される。【選択図】図２

Description

本開示は、広くは、産業用ロボットの動作計画の分野に関し、より具体的には、衝突なくホームに戻るロボットの経路を自動的に見出す技術に関し、該技術は、物理的なロボット及び作業セルをリアルタイムで仮想的にエミュレートすることと、ロボットを現在位置からホーム位置まで作業セル内の物体との衝突を回避しながら移動させるホーム戻り経路プログラムを算出することと、物理的なロボットによって解決プログラムを実行することとを含む。

産業用ロボットを使用して、製造、組み立て、及び材料移動の操作を幅広く実行することはよく知られている。多くのロボットの作業空間環境には、障害物が存在しており、ロボットの動作の経路にある場合がある。障害物は、機械や治具等の永続的な物体、又は一時的若しくは可動のものであり得る。ロボットが作業しているコンベヤ上の車体等の大型のワークは、ロボットが溶接や塗装等の操作を実行している間に該ワークの内部又は周りを移動する必要があるため、ワーク自体が障害物になり得る。ロボットといかなる障害物との衝突も、絶対に避けなければならない。

ロボットの作業空間の複雑な性質（固定された障害物、移動する障害物、移動するワーク、しばしば相互に関連する動作計画を持つ複数のロボットを含む）により、ロボットは「スタック（stuck）」することがあり、その場合、実行中のプログラムは中断され、ロボットは次のパートで自動実行を復帰・再開するために現在位置からホーム位置に移動する必要がある。プログラムの実行は、ロボットの機械的、電気的、又は位置誤差、プロセス機器の故障等、様々な理由で中断され得る。このような復帰状況はそれぞれ異なるため、ロボットの任意の部分と作業空間内の他のロボット、ワーク又は障害物との衝突を回避しつつ、ロボットを現在位置からホーム位置又は復帰位置に移動させる独自のロボット動作（経路計画）を計算する必要がある。

ロボットを「スタック」した位置からその復帰位置に戻すための従来技術が存在する。ある既存の技術は、オペレータが教示操作盤を使用して手動で「ジョグ」するか、ロボットを動かして問題のある状況からロボットを解放し、最終的にホーム位置又は復帰位置に戻すことである。しかし、ロボットが塗装のために車体の内側に到達した場合等、ロボットが狭い場所でスタックしている場合、誤って衝突を引き起こさずにロボットを手動でジョグするには、高度なオペレータのスキルが必要であり、熟練したオペレータでもほぼ不可能な場合がある。他の既存の技術は、必要に応じてロボットをスタック位置から復帰させるために使用できる復帰経路プログラムを予め定義することである。しかし、移動する物体が多く存在する複雑な環境では、ロボットが遭遇し得る全ての状況を予測する復帰経路プログラムを作成することは非常に困難である。

上記の状況に照らして、どのような状況下でも必要に応じて使用できる、ロボットの明確復帰経路を計算するための改善された技術が望まれる。

本開示の教示に従って、衝突なくホームに戻るロボットの経路を自動的に見出す技術が開示される。この技術は、物理的なロボット及び作業セルをリアルタイムでエミュレートする、シミュレートされた仮想３Ｄ環境の実行を含み、これには、作業セル内の全てのロボット、ワーク及び障害物の位置及びポーズが含まれる。オペレータの要求に応じて、仮想３Ｄ環境に基づいてホーム戻り経路探索が実行され、この経路探索では、ロボットを現在位置から、作業セル内の他のロボット、ワーク又は物体との衝突を回避しつつ、ホーム位置又は復帰位置に移動させる解を計算する。衝突回避に加えて、経路探索では、作業空間内の禁止領域やロボット関節の位置等の他の制約が考慮される。復帰経路が計算されると、ソリューションプログラムが物理環境に送り返され、物理ロボットによって実行される。

開示された装置及び方法の追加の特徴は、添付の図面と併せて、以下の説明及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。

２つの塗装ロボット（そのうちの１つは２つの異なる位置に示されている）と、塗装対象の車体を移動するコンベヤとを含む塗装ロボット作業セルの図であり、明確復帰経路プログラムの計算が必要になる場合がある環境を示す。

本開示の一実施形態に係る、簡略化されたブロックデータフロー図であり、どのようにしてデータが仮想シミュレーション環境で受信され、明確復帰経路を計算するために使用されるかを示しており、復帰経路は実行のために物理ロボットに転送される。

本開示の一実施形態に係る、必要に応じて明確復帰経路を計算するための物理的ロボット作業セル及び対応する仮想シミュレーション環境の要素を示すブロック図である。

本開示の実施形態に係る、部分的なホームツリーの構築を含む、現在のロボット位置からホーム位置又は復帰位置への明確復帰経路を見出すための高速探索ランダムツリー（ＲＲＴ）探索アルゴリズムの２次元図である。

本開示の実施形態に係る、ＲＲＴアルゴリズムによって構築されたツリー内で提案された新しいノードの各々を評価するために採用された移動実行可能性チェック技術の２次元図であり、提案された各ノードのステップを離散インクリメントに分割し、各インクリメントで複数の基準を評価することを含む。

本開示の実施形態に係る、図４に示される特殊化されたＲＲＴアルゴリズム及び図５の移動実行可能性チェック技術を使用して明確復帰経路検探索を実行するための方法のフローチャート図である。

本開示の実施形態に係る、物理ロボット作業セル環境をミラーリングする仮想シミュレーション環境を使用したロボットの明確復帰経路計算の方法のフローチャート図である。

衝突なくホームに戻るロボットの経路を自動的に見出す技術を対象とした本開示の実施形態の以下の説明は、本質的に単なる例示であり、開示された技術、又はそれらのアプリケーション若しくは使用を制限することを意図するものではない。

種々の製造、組み立て、及び材料移動の操作のために産業用ロボットを使用することは周知である。多くのロボットの作業空間環境には、障害物が存在し、ロボットの動作の経路にある場合がある。つまり障害物は、ロボットの現在位置と目的位置との間に配置される場合がある。障害物は、機械や固定具等の恒久的な構造物である場合もあれば、一時的又は可動のものである場合もある。溶接や塗装等の作業を行う際、ロボットはワークの内部や周囲を移動しなければならないため、ロボットが操作する大きなワークは、それ自体が障害物となり得る。定義された障害物とのロボットの衝突を回避する経路をツールが追従するようにロボットの動作を計算する技術が、当技術分野で開発されてきた。

一部のロボットの作業空間の複雑な性質（固定された障害物、移動する障害物、固定されたワーク、移動するワーク、しばしば相互に関連する動作計画を持つ複数のロボットを含む）により、ロボットは「スタック（stuck）」することがあり、その場合、実行中のプログラムは中断され、ロボットは次のパートで自動実行を復帰・再開するために現在位置からホーム位置に移動する必要がある。このような復帰状況はそれぞれ異なるため、ロボットの任意の部分と作業空間内の他のロボット、ワーク又は障害物との衝突を回避しつつ、ロボットを現在位置からホーム位置又は復帰位置に移動させる独自のロボット動作（経路計画）を計算する必要がある。

図１は、２つの塗装ロボット（１１０、１２０）と、塗装対象の車体１４０を移動させるコンベヤ１３０とを含む塗装ロボット作業セル１００の図である。作業セル１００は、１つ以上のロボットの明確復帰経路プログラム計算が必要とされる場合がある環境を示す。例えば、ロボット１１０が車体１４０の窓又はドアの内側に到達して内面を塗装する位置１１０Ａにある間にコンベヤ１３０が停止した場合、ロボット１１０がそのホーム位置又は復帰位置１１０Ｂに戻るための移動は、ロボット１１０のいかなる部分と車体１４０のいかなる部分又は作業セル１００内の他の物体との間にも接触がないことを保証するために、非常に注意深く実行する必要がある。図１は、明確復帰経路を計算する必要がある環境の一例を示す。他の例には、マシンテンディング（machine tending）に使用されるロボット、ピックアンドプレースロボット、溶接及び材料供給ロボット、並びに、他のロボット又は固定され若しくは移動する障害物及び／又はワークと共に作業セル内で動作する実質的に全てのロボットが含まれる。

ロボットを「スタック」した位置からその復帰位置に戻すための従来技術が存在する。ある既存の技術は、オペレータが教示操作盤を使用して手動で「ジョグ」するか、ロボットを動かして問題のある状況からロボットを解放し、最終的にホーム位置又は復帰位置に戻すことである。しかし、ロボットが狭い場所でスタックしている場合、誤って衝突を引き起こさずにロボットを手動でジョグするには、高度なオペレータのスキルが必要であり、熟練したオペレータでも困難な場合がある。他の既存の技術は、必要に応じてロボットをスタック位置から復帰させるために使用できる復帰経路プログラムを予め定義することである。しかし、障害物が多い複雑な環境では、ロボットが遭遇し得る全ての状況を予測する復帰経路プログラムを作成することは非常に困難である。

本開示は、既存の技術を超える利点を提供する、作業セル内の１つ以上のロボットの明確復帰経路（clear recovery path）を計算するための技術を説明する。本開示の方法及びシステムは自動的に動作し、必要に応じて明確復帰経路を計算し、計算された復帰経路プログラムを物理ロボットに実行できるように転送する。開示された技術は、実際のジオメトリに基づいて衝突回避チェックを実行し、復帰経路点を計算する際に他の重要な基準を評価し、計算されたソリューションが堅牢（robust）でかつ実行可能であることを保証する。

図２は、本開示の一実施形態に係る、簡略化されたブロックデータフロー図２００であり、どのようにしてデータが仮想シミュレーション環境で受信され、明確復帰経路を計算するために使用されるかを示しており、復帰経路は実行のために物理ロボットに転送される。物理環境２１０は、図１に示すような実際の物理的な作業セルであり、各々が対応する制御装置を備えた１つ以上のロボットを含む。図１に示すようなマルチロボット作業セルでは、各ロボットは、車体の様々な部分の塗装等、種々のタスクを実行するようにプログラムされている。このようなマルチロボット作業セルでは、マスター作業セル制御装置がソフトウェアを実行し、個々のロボット制御装置の全てと通信して動作を調整する。マスター作業セル制御装置は、例えばプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）であり得る。オペレータは、ＰＬＣと通信するソフトウェアに対するユーザインタフェースを有する。

仮想環境２２０は、ロボット動作中に物理環境２１０をリアルタイムでエミュレートするソフトウェアであるシミュレーションシステム２３０を含む。シミュレーションシステム２３０は、矢印２４０で示すように物理環境２１０からジョブ待ち行列データ（job queue data）を受信する。ジョブ待ち行列データは、作業セル内で処理されるワークの種類、順序及びタイミング等の情報を含み、これらのデータはＰＬＣから入手可能である。またシミュレーションシステム２３０は、コンベヤ位置データがあれば、矢印２５０で示すように物理環境２１０からそのデータを受信する。コンベヤ位置データもＰＬＣから入手可能であり、ジョブ待ち行列データと共に、作業セル内での各ワークの同定及び位置の決定を可能にする。ワークは、通常動作中及びホームへの復帰動作中を含め、ロボットが常に回避しなければならない障害物である。さらに、シミュレーションシステム２３０は、矢印２６０で示すように物理環境２１０からロボット位置データを受信する。ロボット位置データは、作業セル内の全てのロボットの関節位置を含み、そのデータはロボット制御装置から入手可能である。オペレータの要求に応じて、本開示の技術（後述）を使用して、シミュレーションシステム２３０は、明確経路動作プログラムを計算し、該プログラムを矢印２７０で示すように物理環境２１０に転送する。

上述の図２のシステムは、マルチロボットスプレー塗装ライン用に開発された明確復帰経路の一実施例である。レーザ溶接機、マシンテンディングシステム等、他の多くのタイプのロボットシステムが、本開示の明確復帰経路計算技術の利益を享受できることを理解されたい。明確復帰経路の計算ルーチンが、ロボット及び全ての障害物の現在の位置、向き及び形状を定義するデータを受信できる限り、明確復帰経路を計算することができる。

図３は、本開示の一実施形態に係る、必要に応じて明確復帰経路を計算するための物理的ロボット作業セル及び対応する仮想シミュレーション環境の要素を示すブロック図である。図２は明確復帰経路計算技術のデータフローの概要を示すが、図３は個々のハードウェア要素及びソフトウェア要素をブロック図形式で示す。

物理環境３１０は、上述の例を続けると、複数のスプレー塗装ロボットを有する塗装プロセスラインである作業セルを表す。仮想環境３６０は、物理環境３１０を反映し、必要に応じて明確復帰経路を計算するソフトウェアを含む。

物理環境３１０は、対応する制御装置３３０を備えたロボット３２０を含む。図１に示すようなマルチロボット作業セルでは、ロボット３２０の他に追加のロボットが存在し、各ロボットは、車体の異なる部分の塗装等、異なるタスクを実行するようにプログラムされ得る。そのようなマルチロボット作業セルには、個々のロボット制御装置の全てと通信し、動作を調整するソフトウェアを実行するマスター作業セル制御装置３４０も存在する。マスター作業セル制御装置３４０は、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）であってもよく、しばしばそのように称される。ＰＬＣ３４０は、グラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）を含むオペレータ作業セル制御ソフトウェア３５２を実行するコンピュータ３５０と通信し、ＧＵＩによってオペレータ３５４は表示装置を介して物理環境３１０を監視及び制御することができる。

仮想環境３６０は、ロボット動作中に物理環境３１０をリアルタイムでエミュレートするソフトウェアであるシミュレーションシステム３７０を含む。シミュレーションシステム３７０は、図２のシミュレーションシステム２３０に対応する。ロボットサーバーシステム３８０は、物理環境３１０及び仮想環境３６０内の全てのロボットのデータ収集器として機能する。シミュレーションシステム３７０及びロボットサーバーシステム３８０は、オペレータ作業セル制御ソフトウェア３５２と同様にコンピュータ３５０で実行されてもよいし、或いはシミュレーションシステム３７０及びロボットサーバーシステム３８０は、別個のコンピュータ３６２で実行されてもよい。

一実施形態では、ロボット制御装置３３０（及び全てのロボット制御装置）とロボットサーバーシステム３８０との間（矢印３８２）、オペレータ作業セル制御ソフトウェア３５２とロボットサーバーシステム３８０との間（矢印３８４）、並びにオペレータ作業セル制御ソフトウェア３５２とシミュレーションシステム３７０との間（矢印３８６）には、データインターフェースが存在する。さらに、ロボット制御装置３３０とＰＬＣ３４０との間、並びにＰＬＣ３４０とオペレータ作業セル制御ソフトウェア３５２との間（矢印３９２及び３９４）には、データインターフェースが存在する。またシミュレーションシステム３７０とロボットサーバーシステム３８０との間（矢印３９６）には、別のデータインターフェースが存在する。

上述のシステム及びインターフェースは、本開示の明確復帰経路計算技術を実行するために開発され実証された現実のシステムを示している。しかし、当業者に理解されるように、基本的な要件が満たされる限り、システム及びインターフェースの任意の適切なアーキテクチャを使用することができる。この要件とは、物理環境３１０の状態を定義するデータを、該データが存在するあらゆる場所からシミュレーションシステム３７０に送信（例えば、ロボット制御装置３３０からロボット位置データを送信、ＰＬＣ３４０からジョブ待ち行列データを送信）する能力である。

シミュレーションシステム３７０は、作業セル内の全てのロボットのモデルタイプ及び基本位置を認識しており、各ロボットの各アームを表すソリッドモデルデータを有しているため、ロボットの関節位置データに基づいて常にロボットの３Ｄ形状を計算することができる。ロボット位置データは、図１に示すように、レール搭載型ロボットのレールに沿った位置を含む。シミュレーションシステム３７０はまた、作業セルで処理可能な各タイプのワークを定義するソリッドモデルを有する。さらに、シミュレーションシステム３７０は、作業セル内の全ての固定された障害物のサイズ、形状及び位置を定義するソリッドモデルを含む。上述の全てのデータを使用して、シミュレーションシステム３７０は、物理環境３１０の動作をリアルタイムでエミュレート又はミラーリングする。物理環境３１０が問題に遭遇し、実行中のプログラムが中断された又は中断されなければならない場合、オペレータ３５４は、シミュレーションシステム３７０によって計算される明確復帰経路を要求することができる。ここでシミュレーションシステム３７０は、上述の転送されたデータを使用して、物理環境３１０における全てのワークの正確な位置及び全てのロボットの正確なポーズを認識しており、明確復帰経路を必要とするロボットのホーム位置又は復帰位置も認識している。本開示の技術を使用して、シミュレーションシステム３７０は、明確復帰経路を計算し、明確経路動作プログラムを物理環境３１０に転送する。次にオペレータ３５４は、影響を受けるロボットを明確経路動作プログラムを使用してホーム位置又は復帰位置に戻すように指示するために、オペレータ作業セル制御ソフトウェア３５２のＧＵＩを操作することができる。

ロボット、ワーク及び他の障害物の形状は複雑である場合があり、かつロボットの全ての部分と全ての潜在的な障害物との間で干渉チェックを実行する必要があるため、復帰経路の閉形式の解法（closed-form solution）は不可能である。代わりに、ロボットの現在位置（図１に示すロボット位置１１０Ａのように、ロボットが「スタック」又は立ち往生している場所）からホーム位置又は復帰位置までの明確復帰経路を、トライアルアンドエラーを用いて見出そうとする探索ルーチンを使用する必要がある。

高速探索ランダムツリー（ＲＲＴ）は、障害物を回避しながら幾何学的空間を通る経路を見出すための周知のアルゴリズムである。ＲＲＴは、空間充填ツリーをランダムに構築することにより、非凸の高次元空間を効率的に検索するように設計されている。ツリーは、探索空間からランダムに抽出されたサンプルから段階的に構築され、本質的に、問題となっている大きな未探索領域に向かって成長するようにバイアスがかかっている。

ＲＲＴは明確復帰経路計算のための優れたフレームワークを提供するが、ロボットの衝突回避経路計画における基本的なＲＲＴアルゴリズムにはいくつかの制限がある。多くのロボットは冗長なキネマティック軸を備えており、これにより到達可能性が向上し、ロボットは複数の関節構成でツール先端点の動作を行うことができる。高度なロボット動作計画では、ロボットの「姿勢」（例えば「アーム２アップ」対「アーム２ダウン」）を考慮し、ロボットの動作中に完全１回転を超えて回転し得る関節の回転数をカウントする必要がある。ロボットの手首関節の向きも考慮する必要がある。さらに、特に全てのロボット自由度と、全ての潜在的な障害物に関するロボットの全ての部分の衝突回避チェックとを考慮する場合、作業エンベロープは非常に大きくなる場合がある。上記各要因により、計算時間が増加し、かつ／又は、成功したソリューションを返すことができなくなる。

本開示は、特殊化されたＲＲＴアルゴリズムを使用して、複雑な幾何学的環境における、ロボットのための衝突のない明確復帰経路を計算するための技術を提供する。本開示の明確復帰経路計算方法は、上述の制限を克服し、可能な限り常に、衝突のない実行可能なロボットの復帰経路を効率的に提供する。

図４は、本開示の一実施形態に係る、部分的なホームツリーの構築を含む、ロボットの現在位置又は開始位置からホーム位置又は復帰位置への明確復帰経路を見出すための高速探索ランダムツリー（ＲＲＴ）探索アルゴリズムの２次元図である。開始位置４１０は、ロボットが失敗または「立ち往生」した位置である。復帰位置４２０は、ロボットのホーム位置、又はロボットが障害物フィールドから解放される他の安全な位置である。障害物４３０及び４３２は、コンベヤ上を移動するワークの一部、又はワークの本体に対して異なる位置に移動可能なヒンジ付き部品（例えば車両のドア、ボンネット）等の移動する障害物である。障害物４４０－４４８は、壁、ロボットの長手方向搭載レール、塗料アプリケータのクリーニングステーション及び他の構造物等の、ロボット作業セル内の固定障害物である。

図４は明瞭化のために２次元で示されているが、本開示の実際の特殊化されたＲＲＴアルゴリズムは、全てのロボット部分及び全ての障害物の実際のソリッドモデルジオメトリを使用して、３次元（３Ｄ）でロボット構成及び干渉チェックを計算することが理解されるべきである。

ロボット作業セルで問題が発生し、オペレータが明確復帰経路の計算を要求すると、ロボット及びワークの全ての位置ステータスデータが、上述のようにシミュレーションシステム３７０に転送される。よってシミュレーションシステム３７０は、ロボットの構成、故に全てのロボットアームの３Ｄ形状を認識し、ワークの位置、故に障害物４３０及び４３２の３Ｄ形状を認識し、もちろん、固定された障害物４４０－４４８の３Ｄ形状を認識している。この３Ｄジオメトリは全て、作業セル座標フレームで認識される。

図４の開始位置４１０は、図１のロボット位置１１０Ａを表す。図４の復帰位置４２０は、図１のロボット位置１１０Ｂを表す。明確復帰経路計算の目的は、衝突を回避しかつ全てのロボット構成の制約を満たしつつ、障害物フィールドからロボットを「後退させ」、その復帰位置に戻す一連のロボットの動きを求めることである。

本開示の特殊化されたＲＲＴアルゴリズムは、開始位置４１０から、ロボット作業エンベロープ内にランダムな位置（ノード）を作成する。最初の新しい提案されたノードの場合、開始位置４１０は、ツリー内の可能な唯一の親ノードである。次に、開示された方法は、全ての衝突回避制約及びロボット構成制約を満たしつつ、ロボットが親ノードから新たに提案されたノードに移動可能か否かを判断する。この判断は、図５に関して以下で説明する、移動実行可能性チェック技術を使用して行われる。ロボットが親ノードから新しい提案されたノードに正常に移動できる場合、新しい提案されたノードは子ノードとして追加され、ツリーブランチが作成又は拡張される。

次にプロセスは、新しい提案されたノードの作成に戻り、新しい提案されたノードの最近傍を見出す。この最近傍は、開始位置４１０又は予めツリーに追加されたノードであり得る。最近傍は、新しい提案されたノードの親として識別される。次に開示された方法は、上述の移動実行可能性チェック技術を使用して、全ての衝突回避制約及びロボット構成制約を満たしつつ、ロボットが親ノードから新しい提案されたノードに移動可能か否かを判断する。

このプロセスは、ツリーの全ての実行可能なブランチから迅速に繰り返され、構成空間（ロボット作業エンベロープ）を探索して実行可能なロボットの動作を見出す。ブランチの多くは行き止まりに到達し、そこで障害物によってブロックされたり、構成空間の端に到達したり、既存のブランチ内でループバックしたりする。しかし、いくつかのブランチは必然的に復帰位置４２０に近付く。一部のブランチは行き止まりで終了するが、他の多くのブランチは拡張を続ける。

従来のＲＲＴ方法では、構成空間のランダムな探索は、ブランチが復帰位置に到達するまで続く。しかし本開示の技術は、明確復帰経路探索に含まれる衝突回避及びロボット運動学基準の全てを評価しつつ、ソルーションをはるかに迅速かつ効率的に見出すことを可能にする２つのステップを追加する。

第一に、ホームツリーはユーザによって予め定義可能であり、ＲＲＴアルゴリズムによるランダム探索の量を減らすために、明確復帰経路の計算中にホームツリーのブランチを使用することができる。図４では、ホームツリーは、復帰位置４２０からホームツリーノード４２２及びホームツリーノード４２４に至るブランチを含む。ホームツリーノード４２２及び４２４は、そこからロボットが、複数の単純な動作の短いシーケンスでホーム位置又は復帰位置に移動できるロボット位置である。例えば、ホームツリーノード４２２は、塗装アプリケータが車体の窓のすぐ外側に位置するロボット構成を表し得る。ホームツリーノード４２４についても同様であり、車体のボンネット開口部のすぐ外側に配置され得る。

特定の作業セル（物理環境）について、明確復帰経路の探索が必要になる前に、ユーザは予めホームツリー動作プログラムを定義する。各ホームツリー動作プログラムは、復帰位置４２０から、上述のホームツリーノード４２２及び４２４等の殆どの障害物を一般的に回避する有用な位置に至るロボット動作の短いシーケンスを定義する。明確復帰経路の探索が要求されると、各ホームツリー動作プログラムがシミュレートされ、衝突がないか否か、かつホームツリー動作プログラム後のロボットの姿勢が開始位置４１０でのロボットの姿勢と一致するか否かが判断される。もしそうであるなら、そのホームツリー動作がホームツリーブランチとして追加される。物理的な作業セルに対して、複数のホームツリー動作プログラムを定義できる。図４では、ホームツリーノード４２２及び４２４に至るブランチは、上述の基準を満たしていると推測される。基準を満たしかつ構成空間に追加されるホームツリーブランチは、ＲＲＴアルゴリズムが最終的な目的地として到達するためのより多くのゴール又は目標点を提供する。

本開示の方法で使用される第二の技術は、実現可能なブランチノードから復帰位置４２０又はホームツリーノード４２２／４２４の１つ（使用される場合）に直接移動することに不定期に（ランダムに）トライすることである。これには、開始位置４１０から復帰位置４２０に直接移動することの実現可能性をチェックすることが含まれる。そのような直接移動も状況によっては可能である場合があるからである。復帰位置４２０への提案された直接の移動は、上述の移動実行可能性チェック技術を使用して評価される。ブランチノードからノード４２０／４２２／４２４の１つへの提案された移動が実行可能であることが判明した場合は、開始位置４１０から復帰位置４２０までの完全な実行可能な復帰経路が定義されているため、構成空間のランダムな探索を停止することができる。復帰位置４２０又はホームツリーノード４２２／４２４のうちの１つへの直接移動を評価するこの技術は、任意の適切な規則的な間隔で（例えば、５番目のブランチノード毎に）又はランダムに試みることができる。

図４では、完全な復帰経路（太線）は、（有機的なＲＲＴ成長によって構築された、開始位置４１０からホームツリーノード４２４までの）開始ツリーブランチ４５０と、（ユーザが定義した、復帰位置４２０からホームツリーノード４２４までの）ホームツリーブランチ４５２とからなる。前述のように、完全な復帰経路動作プログラムは物理環境に戻され、そこで復帰経路動作プログラムはロボット制御装置３３０によって使用されて、ロボット３２０をその復帰位置に戻す。いくつかの例では、物理環境３１０内の複数のロボットに対して明確復帰経路が必要であり、その場合は、明確復帰経路は、上述の方法でロボット毎に計算される。

図５は、本開示の実施形態に係る、ＲＲＴアルゴリズムによって構築されたツリー内で提案された新しいノードの各々を評価するために採用された移動実行可能性チェック技術の２次元図であり、提案された各ノードのステップを複数の離散インクリメントに分割し、各インクリメントで複数の基準を評価することを含む。図５において、ノード５１０はロボット構成空間における開始ノードであり、ノード５２０はゴールノードである。ノード５１０は典型的には、予め識別された実行可能なブランチノードであるか、又は開始位置４１０でもあり得る。ノード５２０は、ＲＲＴアルゴリズムによって評価されている新しい提案されたノードであってもよいし、又はホームツリーノード４２２の１つであってもよい。

提案されたホームへの移動又は新しい提案されたブランチノードを評価する場合、新しいノードへの移動の実現可能性を判断するためには、多くの基準をチェックする必要がある。上述のように、ロボットアームの任意の部分と障害物又は他のロボットの任意の部分との接触回避を含め、衝突回避は重要な基準である。部分間接触についての特定の距離（例えば５ｍｍ）内でのニアミスも防止するために、公差層を定義してもよい。衝突回避に加えて、ロボット作業セル内に、回避しなければならない安全ゾーンを定義してもよい。これらの安全ゾーンは、例えば、オペレータが占める空間を定義することができる。

さらに、ロボット運動学の多くの態様を、提案された各動作について評価する必要がある。第一に、提案されたノード位置にロボットが到達可能かを判断する必要がある。さらに、いくつかの異なる運動学及び関節構成の基準が評価されることが望ましい。これには、冗長なキネマティック軸の最適な構成、手首の向きの評価、提案された動きにロボットの姿勢変化が含まれているか否かの判断、関節の回転の評価、及び１回転を超えた関節の「巻き戻し」が含まれる。これらの高度なロボット運動学の考慮事項及び基準の目的は、円滑かつ適切に動作するロボットの明確復帰経路を見出すことである。つまり、関節の特異点を通過せず、関節の動作限界に近付かず、さらに、明確復帰経路動作が実行されるときに、ロボットによる「リストフリップ（wrist flips）」や突然の姿勢変更を含まないことである。

ノード５１０からノード５２０への提案された移動を評価する１つのアプローチは、ツール先端点移動計算プログラムを実行し、途中でエラーがないかをチェックすることである。しかしこのアプローチでは、前述の衝突回避及びロボット運動学に関する全ての考慮事項を、連続動作全体で評価することが困難である可能性があり、その結果、移動計算プログラムの実行に時間がかかる場合がある。現在開示されている方法で使用される代替アプローチは、提案された移動を一連の離散インクリメントに分割し、途中の連続経路ではなく各インクリメントにおいてロボット基準を評価することである。

提案されたホーム移動又は提案された新しいブランチノードは、関節空間補間又は線形補間のいずれかを使用して離散インクリメントに分割することができる。図５は、関節空間補間を使用してインクリメントに分割された、提案された移動を示しており、ここではノード５１０からノード５２０への移動に必要な関節動作が、５つのインクリメントに均等に分割され、結果として得られるツール先端点の動きは、空間内の直線ではなく空間内の曲線経路に従う。或いは、線形補間を使用することもでき、この場合、ツール先端点の動きは、５つのインクリメント全てを通って空間内の直線に従う。提案された各移動の評価に使用されるインクリメントの数、及び関節空間補間又は線形補間のどちらを使用するかは、設計上の選択事項である。

図５の例では、ノード５１０からノード５２０への提案された移動は、インクリメント位置５３０、５３２、５３４及び５３６を有する５つのインクリメントに分割される。この例では、障害物５４０がノード５１０とノード５２０との間の唯一の障害物である。なお図５では、明瞭化のために２次元図が使用されているが、全ての関節計算及び干渉チェックは、ロボット及び障害物の完全な３Ｄジオメトリを使用して実行されることを理解されたい。

ノード５１０からノード５２０への提案された移動の実行可能性を評価するために、インクリメント位置５３０が先ず評価される。これは、ロボットを位置５３０に「スナッピング（snapping）」（シミュレーションシステム内の位置にロボットを移動）し、この個別の位置での衝突回避及びロボット運動学の考慮事項の全てを評価することによって行われる。位置５３５０で干渉が識別されず、全てのロボット運動学が適切に動作している（特異点に到達していない、ロボットの姿勢が同じで、ノード５１０と位置５３０との間で関節がフリップしていない等）場合、位置５３０は実現可能であると判断される。次に、位置５３２及び５３４についてプロセスが繰り返され、この例では両方とも実現可能であることが判明している。

位置５３６が評価されたときは、障害物５４０との衝突のために実現不可能であると判断される。これは、ロボットのアーム先端ツールと障害物５４０との衝突、又はロボットが屈曲するときの複数のロボットアームの１つの一部の衝突である可能性がある。位置５３６が実現不可能であるため、ノード５１０からノード５２０への提案された移動は実行不可能である。しかし、開示された方法の一実施形態では、ノード５１０からノード５２０への提案された移動を完全に破棄するのではなく、ゴールノード５２０に最も近い実現可能なインクリメント位置が、新しい実現可能なブランチノードとして識別される。図５の例では、新しい実現可能なブランチノードは位置５３４である。位置５３０－５３６の全てが、ゴールノード５２０自体とともに実現可能であることが判明した場合、ゴールノード５２０は、新しい実現可能なブランチノードとして識別される。

上記の移動実行可能性チェック技術は、多くの衝突回避及びロボット運動学の考慮事項を評価できるようにすることで、明確復帰経路計算のロバスト性を向上させる一方、ＲＲＴアルゴリズムに組み込まれている場合は、必要に応じて何千回も実行できる効率的な方法で計算を実行する。

図６は、本開示の実施形態に係る、図４に示される特殊化されたＲＲＴアルゴリズム及び図５の移動実行可能性チェック技術を使用して明確復帰経路探索を実行するための方法のフローチャート図６００である。スタート後、判定ダイヤモンド６０２において、方法は、開始位置４１０（ｑＳｔａｒｔ）から復帰位置４２０（ｑＨｏｍｅ）への直線移動が衝突なしで可能であるか否かを判断する。可能である場合、ボックス６０４において明確復帰経路が識別され、プロセスが完了する。この説明全体を通して、「ｑ」は、ツール先端点のデカルト座標及び一組のロボット姿勢指定子（手首がフリップされているか否か、肘が上がっているか下がっているか、手首の回転数等）を含むロボット構成を指定するために使用される。当業者に理解されるように、全ての関節の位置、故に全てのロボットアームの３Ｄ位置及びジオメトリを含む完全なロボット姿勢は、逆運動学を使用して「ｑ」から計算できる。

開始位置４１０から復帰位置４２０への直線移動が衝突なしでは不可能である場合、プロセスは判定ダイヤモンド６０２からボックス６０６に移動する。ここでは、可能であれば上述のユーザ定義のホームツリー動作プログラムから、ホームツリーブランチが構築される。判定ダイヤモンド６０８においてユーザ定義のホームツリー動作プログラムがいずれも正常に実行できない場合、ボックス６１０において、ｑＨｏｍｅとして定義されてはいるがホームツリーブランチがない復帰位置４２０で方法が続行される。ここでも、ホームツリーブランチを追加するには、ホームツリー動作プログラムをシミュレートして衝突がないことを確認する必要があり、かつ、ホームツリー動作プログラム後のロボットの姿勢は、開始位置４１０でのロボットの姿勢と一致する必要がある。

ボックス６１２では、ホームツリーブランチが追加されたか否かに関わらず、提案された新しいノードｑＲａｎｄがアルゴリズムによって定義される。提案された新しいノードｑＲａｎｄは、ＲＲＴアルゴリズムに従ってランダムに配置されたノードであってもよいし、ｑＨｏｍｅ又はホームツリーブランチ上のノードであってもよい。ｑＨｏｍｅ又はホームツリーブランチ上のノードへの直接接続は、方法内で時折ランダムに試行される場合がある。ボックス６１４では、ノードｑＲａｎｄがその親（以前に識別された実行可能ノード）からの新しいブランチとして追加可能か否かを判断するために、図５の移動実行可能性チェック技術が実行される。判定ダイヤモンド６１６において、ｑＲａｎｄへの移動が実行可能である場合、又は前述のようにｑＲａｎｄへの部分的な移動が実行可能である場合は、ボックス６１８において、ｑＲａｎｄノード及びブランチが開始ツリー（成長中のツリーの一部）の親に追加される。ｑＲａｎｄへの移動のどの部分も実行可能でない場合は、プロセスは、判定ダイヤモンド６１６からボックス６１２にループバックして、別の提案された新しいノードｑＲａｎｄを作成する。

ボックス６１８から、開始ツリー内の親にｑＲａｎｄノード及びブランチが追加された後、判定ダイヤモンド６２０において、ホームツリーが開始ツリーに接続されているか否が判断される。接続されている場合は、ボックス６２２において、明確復帰経路が完全に定義され、プロセスが完了する。接続されていない場合は、プロセスはボックス６１２にループバックして、別の提案された新しいノードｑＲａｎｄを作成する。このプロセスは継続し、開始ツリーがホームツリー又はｑＨｏｍｅノードに接続されるまで開始ツリーを成長させる。

図７は、本開示の実施形態に係る、物理ロボット作業セル環境をミラーリングする仮想シミュレーション環境を使用したロボットの明確復帰経路計算の方法のフローチャート図７００である。ボックス７０２では、各々が制御装置を有する１つ以上の産業用ロボット、複数の固定された又は移動するワーク、及び固定された障害物を含む、物理的な作業セルが提供される。ボックス７０４では、プロセッサ及びメモリを有するコンピュータ上で、物理的作業セルをリアルタイムでエミュレートする３次元（３Ｄ）シミュレーションモデルが実行される。シミュレーションモデルには、１つ以上のロボットの運動学及び３Ｄリンク形状、ワークの３Ｄ形状及び位置、並びに障害物の３Ｄ形状が含まれる。

ボックス７０６では、物理的作業セル内の影響を受けるロボットが問題に遭遇したときに、シミュレーションモデルから明確復帰経路の計算が要求される。典型的には物理的作業セルのオペレータによって行われる要求時に、データが物理的作業セルからシミュレーションモデルに転送されるが、これには、１つ以上のロボット及びワークに関する位置データ及び状態データの転送が含まれる。物理的作業セルから転送されたデータは、ロボット及びワークの３Ｄ位置の全体像をシミュレーションモデルに提供する。このことは、明確復帰経路の探索を開始するために必要である。

ボックス７０８では、シミュレーションモデルを実行するコンピュータによって明確復帰経路探索が実行され、経路探索により、影響を受けるロボットの現在位置と復帰位置との間の明確復帰経路動作プログラムが生成される。明確復帰経路の探索方法の詳細は、図６に示されて上述されている。明確復帰経路が特定されると、ロボットが計算された明確復帰経路に追従するのに必要なロボット関節運動を定義する明確復帰経路動作プログラムが作成される。

ボックス７１０では、明確復帰経路動作プログラムが、物理的作業セル内の影響を受けるロボットの制御装置に転送され、ボックス７１２において、明確復帰経路動作プログラムが、物理的作業セル内の影響を受けるロボットによって実行される。これにより、ロボットが「スタック」した状態から救出され、ホーム位置又は復帰位置に戻される。この時点で、適切なアクションを実行して作業セルを生産オペレーションに戻すことができる。これらのアクションは、作業セル制御装置の再起動、個々のロボット又はコンベヤのトラブルシューティング、構成要素の交換等を含み得る。

これまでの説明を通じて、様々なコンピュータ及び制御装置が説明、暗示されている。これらのコンピュータ及び制御装置のソフトウェアアプリケーション及びモジュールは、プロセッサ及びメモリモジュールを有する１つ以上の計算機で実行されることを理解されたい。特に、これには、上述した図３の、ロボット制御装置３３０、ＰＬＣ３４０、並びにコンピュータ３５０及び／又は３６２のそれぞれのプロセッサが含まれる。具体的には、コンピュータ３５０及び／又は３６２のプロセッサは、上述の開示を通して説明された方法で、ロボットの明確復帰経路を計算するように構成されている。

上で概説したように、ロボットの明確復帰経路を計算するための開示された技術は、ロボットが作業セルで立ち往生している任意の状態からそのロボットを救出する、ロバストでかつ効率的な手段を提供する。開示された技術は、ロボット及びワークの位置に関する全ての可能なシナリオに対する復帰経路の事前モデリングの必要性を回避し、既知のＲＲＴ経路発見方法に対して多くの改善と拡張を提供する。

ロボットのための衝突のない実行可能なホームへの戻り経路を自動的に見出す技術に関し技術の複数の例示的な態様及び実施形態が説明されたが、当業者は、それらの修正、並べ替え、追加及びサブコンビネーションを認識するであろう。従って、添付の特許請求の範囲及び請求項は、それらの真の精神及び範囲内にあるそのような修正、並べ替え、追加及びサブコンビネーションの全てを含むと解釈すべきである。

Claims (21)

1. 産業用ロボットの復帰経路を計画する方法であって、
   物理的作業セルをリアルタイムでエミュレートする３次元（３Ｄ）シミュレーションモデルを、プロセッサ及びメモリを有するコンピュータ上で実行するステップであって、前記シミュレーションモデルは、前記作業セル内の１つ以上のロボットの運動学及び３次元アーム形状、固定された又は移動するワークの３次元の形状及び位置、並びに前記作業セル内の障害物の３次元形状を含む、ステップと、
   前記物理的作業セルについてロボットの復帰が要求されたときに、前記シミュレーションモデルを使用して明確復帰経路探索を実行するステップであって、前記経路探索は、影響を受けるロボットの現在位置と前記影響を受けるロボットの復帰位置との間の復帰経路を計算し、前記復帰経路は衝突なく、予め定めたロボット運動学基準を満たす、ステップと、
   前記復帰経路の動作プログラムを、前記物理的作業セル内の前記影響を受けるロボットの制御装置に転送するステップと、
   ロボット作業空間内の障害物を特徴付ける障害物データを提供するステップと、
   前記物理的作業セル内の前記影響を受けるロボットによって、前記動作プログラムを実行するステップと、
   を含む、方法。
2. 前記１つ以上のロボットの前記３次元アーム形状、前記ワークの３次元の形状及び位置、並びに前記障害物の３次元形状は、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）システムからのソリッドモデル又はサーフェスモデルである、請求項１に記載の方法。
3. 前記明確復帰経路探索を実行するステップは、物理的作業セル状態データを前記シミュレーションモデルに転送することを含み、前記物理的作業セル状態データは、前記１つ以上のロボットの関節位置、ジョブ待ち行列データ、及び前記ワークの位置を含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記予め定めたロボット運動学基準は、前記復帰経路の途中で前記影響を受けるロボットが、関節の特異点を通らないことと、関節動作限界に近付かないことと、リストフリップ又は姿勢変更をしないこととを含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記復帰経路が衝突しないものであることを判断することは、前記影響を受けるロボットの全てのアームと、前記ワークと、前記障害物と、他のロボットとの間の干渉をチェックすることを含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記影響を受けるロボットの前記復帰位置は、ロボットのホーム位置又は他の静的に規定された復帰位置である、請求項１に記載の方法。
7. 前記明確復帰経路探索を実行するステップは、前記復帰位置から前記影響を受けるロボットの作業空間内の他の位置までの１つ以上のホームツリーブランチを規定することと、前記ホームツリーブランチを前記復帰経路の計算に使用することとを含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記ホームツリーブランチは、ユーザ定義の動作プログラムに基づくものであり、衝突がなくかつ運動学的に実行可能である場合にのみ、前記復帰経路の計算に使用される、請求項７に記載の方法。
9. 前記明確復帰経路探索を実行するステップは、前記影響を受けるロボットの現在位置から前記影響を受けるロボットの復帰位置までの直線が、衝突がなく、かつ予め定めたロボットの運動学基準を満たすか否かを判断することを含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記明確復帰経路探索を実行するステップは、前記影響を受けるロボットの現在位置から開始する開始ツリーを構築することと、提案された新しいノードのランダムな位置を繰り返し定義することと、親ノードから前記提案された新しいノードへのロボットの移動に衝突がなく、かつ予め定めたロボットの運動学基準を満たすか否かを判断することとを含む、請求項１に記載の方法。
11. 親ノードから前記提案された新しいノードまでのロボットの移動が、衝突がなく、かつ予め定めたロボットの運動学基準を満たすか否かを判断することは、前記ロボットの移動を複数の離散インクリメント位置の組に分割し、前記影響を受けるロボットが、前記離散インクリメント位置の各々において、衝突がなく、かつ予め定めたロボットの運動学基準を満たすか否かを判断することを含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記ロボットの移動を複数の離散インクリメント位置の組に分割することは、関節空間補間又はツール先端点の線形補間のいずれかを使用することを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 産業用ロボットの復帰経路を計画する方法であって、
    ロボット構成空間内の影響を受けるロボットの開始位置及び復帰位置を規定し、前記構成空間内の、固定された物体及び固定された又は可動のワークを含む１つ以上の障害物の３次元（３Ｄ）形状を規定するステップと、
    高速探索ランダムツリー（ＲＲＴ）アルゴリズムを使用して、前記開始位置から前記復帰位置までの経路を構築するステップと、
    現在のノードから前記復帰位置までの直線移動の実行可能性をランダムにチェックすることと、を含み、
    前記ＲＲＴアルゴリズムで提案された各移動は、実行可能性が評価されるインクリメント位置に分割され、前記インクリメント位置に衝突がなく、かつ予め定めたロボットの運動学基準を満たす場合にのみ、前記経路に追加され、
    前記復帰位置に接続する１つ以上のホームツリーブランチが予め構築されている、
    方法。
14. 産業用ロボットの復帰経路を計画するシステムであって、
    物理的作業セルと通信し、前記物理的作業セルをリアルタイムでエミュレートする３次元（３Ｄ）シミュレーションモデルを実行するように構成されたプロセッサ及びメモリを有するコンピュータを備え、
    前記シミュレーションモデルは、前記作業セル内の１つ以上のロボットの運動学及び３次元アーム形状、ワークの３次元の形状及び位置、並びに前記作業セル内の障害物の３次元形状を含み、
    前記シミュレーションモデルは、前記物理的作業セルについてロボットの復帰が要求されたときに明確復帰経路探索を実行し、前記経路探索は、影響を受けるロボットの現在位置と前記影響を受けるロボットの復帰位置との間の復帰経路を計算し、前記復帰経路は衝突なく、予め定めたロボット運動学基準を満たすものであり、
    前記シミュレーションモデルは、前記復帰経路の動作プログラムを、前記物理的作業セル内の前記影響を受けるロボットの制御装置に転送し、前記復帰経路は前記影響を受けるロボットによって実行される、
    システム。
15. 前記明確復帰経路探索を実行することは、物理的作業セル状態データを前記シミュレーションモデルに転送することを含み、前記物理的作業セル状態データは、前記１つ以上のロボットの関節位置、ジョブ待ち行列データ、及び前記ワークの位置を含む、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記予め定めたロボット運動学基準は、前記復帰経路の途中で前記影響を受けるロボットが、関節の特異点を通らないことと、関節動作限界に近付かないことと、リストフリップ又は姿勢変更をしないこととを含む、請求項１４に記載のシステム。
17. 前記復帰経路が衝突しないものであることを判断することは、前記影響を受けるロボットの全てのアームと、前記ワークと、前記障害物と、他のロボットとの間の干渉をチェックすることを含む、請求項１４に記載のシステム。
18. 前記明確復帰経路探索を実行することは、前記復帰位置から前記影響を受けるロボットの作業空間内の他の位置までの１つ以上のホームツリーブランチを規定することと、前記ホームツリーブランチを前記復帰経路の計算に使用することとを含み、前記ホームツリーブランチは、ユーザ定義の動作プログラムに基づくものであり、衝突がなくかつ運動学的に実行可能である場合にのみ、前記復帰経路の計算に使用される、請求項１４に記載のシステム。
19. 前記明確復帰経路探索を実行することは、前記影響を受けるロボットの現在位置から前記影響を受けるロボットの復帰位置までの直線が、衝突がなく、かつ予め定めたロボットの運動学基準を満たすか否かを判断することを含む、請求項１４に記載のシステム。
20. 前記明確復帰経路探索を実行することは、前記影響を受けるロボットの現在位置から開始する開始ツリーを構築することと、提案された新しいノードのランダムな位置を繰り返し定義することと、親ノードから前記提案された新しいノードへのロボットの移動に衝突がなく、かつ予め定めたロボットの運動学基準を満たすか否かを判断することとを含む、請求項１４に記載のシステム。
21. 親ノードから前記提案された新しいノードまでのロボットの移動が、衝突がなく、かつ予め定めたロボットの運動学基準を満たすか否かを判断することは、前記ロボットの移動を複数の離散インクリメント位置の組に分割し、前記影響を受けるロボットが、前記離散インクリメント位置の各々において、衝突がなく、かつ予め定めたロボットの運動学基準を満たすか否かを判断することを含む、請求項２０に記載のシステム。

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