JP3985677B2 - 水平多関節ロボットの干渉チェック装置および方法 - Google Patents
水平多関節ロボットの干渉チェック装置および方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも１つの障害物とロボット間の干渉をチェックする装置および方法についてであり、特に水平多関節ロボットの干渉チェック装置および方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
複数障害物の中でロボットが作業することを想定し、複数障害物とロボットの衝突を防ぐために、干渉をチェックする方法がいくつか開示されている。例えば、多関節構造を有するロボットの各リンクを円柱や半球をつけた形状の近似立体で被覆し、障害物とロボットリンクの近似立体の位置関係を３次元上で距離比較することで干渉の有無を検出している。従来技術を図９と図１０を用いて説明する。図９に従来の干渉チェック方法をブロック図にて示す。図９において、ロボット各軸の位置をロボット位置入力部９０１に入力する。予め設定された３次元ロボットモデルを管理するロボットモデル管理部９０２で入力されたロボット位置を利用しロボットの各リンクモデルの位置姿勢を決定し、修正する。障害物モデル管理部９０３では予め設定された３次元障害物モデルを管理する。３次元モデル干渉判定部９０４はロボットモデル管理部９０２と障害物モデル管理部９０３から互いの３次元モデル情報を取得し、３次元的に演算し、干渉の有無を判定する。干渉判定結果出力部９０５は判定結果を出力する。
例えば、図１０において、１００１はロボットの第ｎ(ｎ＝１，２，３，．．．)リンクを近似立体した円柱であり、１００２は第ｎリンクの円柱中心軸であり、１００３は球形の障害物であり、１００４は第ｎリンクの円柱中心軸と球形障害物の中心との最短距離Ｄである時、ロボットの第ｎリンクの円柱半径をRrとし、障害物の球半径をRcとすると、
Ｄ ≦ Rr＋Rc ・・・（１）
の判定を行い式(１)を満たす場合干渉有り、満たさない場合干渉無しとしている。
上記のような干渉チェック方法において、少なくとも１つの障害物とロボットを設定しておき、ロボットの位置が与えられた時、障害物とロボットのリンク間の距離を３次元的に比較することで障害物とロボットとの干渉の有無が判定できる（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平４−２３６６７６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の障害物とロボットとの干渉チェック方法において、ロボットを動作させながらの実時間干渉チェックやシミュレータにおける障害物回避軌道計画をシミュレーションした場合、干渉チェック用の演算時間が長いために、実時間干渉チェックができないという課題やシミュレーション時間が長いという課題があった。
従って、本発明の目的は、ロボットを動作させながらの実時間干渉チェックを可能とさせ、短時間に障害物回避軌道計画シミュレーションできる干渉チェック装置および方法を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために、請求項１記載の水平多関節ロボットの干渉チェック装置は、予め障害物と水平多関節ロボットの３次元モデルを設定しておき、前記障害物モデルと前記水平多関節ロボットモデルの距離に基づいて前記障害物との干渉チェックを行う水平多関節ロボットの干渉チェック装置において、前記多関節ロボットの位置を入力するロボット位置入力部と、入力されたロボットの位置を基に設定された３次元ロボットモデルの位置姿勢を管理するロボットモデル管理部と、前記ロボットモデル管理部の前記３次元ロボットモデルを２次元平面上に投影した２次元ロボットモデルに変換する２次元ロボットモデル作成部と、予め設定された３次元障害物モデルを管理する障害物モデル管理部と、前記障害物モデル管理部の前記３次元障害物モデルを前記水平多関節ロボットの水平面に対して垂直な方向に関して少なくとも１つの２次元障害物モデルとして分割する２次元障害物モデル分割部と、前記２次元障害物モデル分割部で分割された前記２次元障害物モデルを登録する２次元障害物モデルテーブルと、入力されたロボット位置を基に前記２次元障害物モデルテーブルから１つ以上の前記２次元障害物モデルを選択する２次元障害物モデル選択部と、前記２次元障害物モデル選択部からの前記２次元障害物モデルと前記２次元ロボットモデル作成部からの前記２次元ロボットモデルとを用いて２次元モデルの干渉判定を行う２次元モデル干渉判定部と、干渉判定をした結果を出力する干渉判定結果出力部を有することを特徴とするものである。
【０００６】
また、請求項２記載の水平多関節ロボットの干渉チェック装置は、前記ロボットモデル管理部と前記障害物モデル管理部とから、前記３次元ロボットモデルおよび３次元障害物モデルを円柱、四角柱または多角柱の単純な近似立体で近似する単純近似立体変換部を備えることを特徴とするものである。
【０００７】
また、請求項３記載の水平多関節ロボットの干渉チェック方法は、３次元上に少なくとも１つの障害物と水平多関節ロボットを予めモデルとして設定しておき、前記水平多関節ロボットの位置であるロボット位置が与えられた時、前記障害物と前記水平多関節ロボットのモデル間の距離を比較することにより前記障害物と前記水平多関節ロボットの干渉有無を判定する方法において、予め設定された３次元障害物モデルを前記水平多関節ロボットの水平面に対して垂直方向に関して少なくとも１つの２次元障害物モデルとして分割し、分割された前記２次元障害物モデルを２次元障害物モデルテーブルに登録し、予め設定された３次元ロボットモデルの位置姿勢を前記ロボット位置から決定し、前記決定されたロボット位置に基づいて前記３次元ロボットモデルを前記垂直方向の２次元平面上に投影した２次元ロボットモデルに変換し、前記ロボット位置を利用して前記２次元障害物モデルテーブルから少なくとも１つの前記２次元障害物モデルを選択し、選択された前記２次元障害物モデルと変換された前記２次元ロボットモデルとの干渉判定を行うことを特徴とするものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
この発明の第１の実施の形態の障害物と水平多関節ロボットとの干渉チェック装置および方法について図１、図２、図３を用いて説明する。尚、前出の図を用いて説明した構成要素については、同一の符号を付して説明を割愛する。
図１は本発明の第１の実施の形態に関する干渉チェック装置のブロック図である。図１において、２次元障害物モデル分割部１０１は障害物モデル管理部９０３の３次元障害物モデルを水平多関節ロボットの水平面に対して垂直方向に関して少なくとも１つの２次元障害物モデルとして分割する。２次元障害物モデルテーブル１０２に２次元障害物モデル分割部１０１で分割された２次元障害物モデルを登録する。２次元障害物モデル選択部１０３ではロボット位置入力部９０１のロボット位置を利用して２次元障害物モデルテーブル１０２から少なくとも１つの２次元障害物モデルを選択し、選択された２次元障害物モデル情報を２次元モデル干渉判定部１０５に送る。２次元ロボットモデル作成部１０４はロボットモデル管理部９０２の３次元ロボットモデルを水平多関節ロボットの垂直方向の２次元平面として投影された２次元ロボットモデルに変換し、変換された２次元ロボットモデル情報を２次元モデル干渉判定部１０５に送る。２次元モデル干渉判定部１０５では２次元障害物モデル選択部１０３で選択された２次元障害物モデル情報と２次元ロボットモデル作成部１０４で作成された２次元ロボットモデル情報とを用いて２次元でのモデル干渉の判定を行い、干渉判定結果出力部９０５に干渉有無の判定結果を送る。
【０００９】
図２と図３を用いて、２次元障害物モデル分割部１０１、２次元障害物モデルテーブル設定部１０２、２次元障害物モデル選択部１０３と２次元ロボットモデル作成部１０４を説明する。半導体製造装置のように外枠で囲われた環境内に水平多関節のクリーンロボットが配置されているような例を図２に示す。図２では、外枠２０１内に四角柱形状の障害物２０２、円柱形状の障害物２０３、円柱形状の障害物２０３の直上に配置された三角柱形状の障害物２０４と水平多関節ロボット２０５が配置されている。外枠２０１の高さをＬ４とし、四角柱形状の障害物２０２の高さをＬ１とし、円柱形状の障害物２０３の高さをＬ２とし、三角柱形状の障害物２０４の高さをＬ３とする。水平多関節ロボット２０５は垂直軸Ｊ１、回転軸Ｊ２、直進軸Ｊ３の円筒座標系ロボットであり、ロボット設置面からＪ３アームまでの高さがＬである。但し、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３とＬ４はＬ１＜Ｌ２＜Ｌ３＜Ｌ４の関係があるものとする。図２の水平多関節ロボットの水平面に対して垂直な軸はＪ１であり、図２の３次元空間をこのＪ１軸方向に関して２次元平面に垂直分割していくと、障害物モデルの垂直軸(Ｊ１)方向の相違分により、２次元障害物モデル分割部１０１は図３の３０１、３０２、３０３、３０４のような４つの２次元障害物モデルに分割できる。
０＜Ｌ１＜Ｌ２＜Ｌ３＜Ｌ４の関係からロボット高さＬにより、次式のような領域分割がなされる。
【００１０】
０ ≦ Ｌ ≦ Ｌ１ ・・・(２)
Ｌ１ ＜ Ｌ ≦ Ｌ２ ・・・(３)
Ｌ２ ＜ Ｌ ≦ Ｌ３ ・・・(４)
Ｌ３ ＜ Ｌ ≦ Ｌ４ ・・・(５)
【００１１】
３０１はロボット高さＬが式(２)を満たす時の２次元障害物モデルであり、３０２はロボット高さＬが式(３)を満たす時の２次元障害物モデルであり、３０３はロボット高さＬが式(４)を満たす時の２次元障害物モデルであり、３０４はロボット高さＬが式(５)を満たす時の２次元障害物モデルである。
これら分割された４つの２次元障害物モデル(３０１、３０２、３０３、３０４)を２次元障害物モデルテーブル１０２に登録する。２次元障害物モデル選択部１０３はロボット位置入力部９０１の情報に含まれている垂直軸Ｊ１位置からロボット高さＬを取得し、式(２)、式(３)、式(４)、式(５)を利用して２次元障害物モデルテーブル１０２の中から１つ以上の２次元障害物モデルを選択し、２次元モデル干渉判定部１０５に選択された２次元障害物モデル情報を送る。２次元ロボットモデル作成部１０４はロボットモデル管理部９０２で決定された３次元ロボットモデルを利用し、３０５のようなＪ１軸の垂直方向から見たときの２次元ロボットモデルを作成し、２次元モデル干渉判定部１０５に作成した２次元ロボットモデルを送る。
【００１２】
仮にロボット位置入力部９０１から送られてくるＪ１垂直軸位置から取得されたロボット高さＬが式(２)を満たすなら、２次元モデル干渉判定部１０５は２次元障害物モデル３０１と２次元ロボットモデル３０５の２次元モデル同士の干渉有無を判定する。
水平多関節ロボット２０５の各リンクモデルには垂直軸Ｊ１方向に厚みがあるので、場合によって、２次元障害物モデル選択部１０３は２つ以上の２次元障害物モデルを選択し、２次元モデル干渉判定部１０５に２つ以上の２次元障害物モデルを送るような遷移区間が存在する。また、Ｌ１＝Ｌ２の時、２次元障害物モデル３０２は存在し得ないので、２次元障害物モデルテーブルは３０１、３０３、３０４の３つから構成されることになり、必ずしも障害物モデル数と２次元障害物モデル数が一致するとは限らない。このように障害物モデル数と各障害物モデル高さとから垂直軸Ｊ１方向に関する分割数は決定される。
【００１３】
この実施の形態によれば、少なくとも１つの２次元障害物モデルから構成される２次元障害物モデルテーブル１０２を設け、２次元障害物モデルと２次元ロボットモデルを２次元で干渉チェックするので、３次元で干渉チェックするよりも演算時間が短縮できる。
【００１４】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態の障害物と水平多関節ロボットとの干渉チェック方法について図４、図５を用いて説明する。尚、前出の図を用いて説明した構成要素については、同一の符号を付して説明を割愛する。図４は本発明の第２の実施の形態に関する干渉チェック方法の処理手順を示したブロック図であり、図５は複雑立体から単純近似立体への変換を行っている図である。
図４において、単純近似立体変換部４０１はロボットモデル管理部９０２から各軸のロボットリンクモデルを取得し、複雑形状であれば、単純近似立体に変換し、単純近似立体ロボットモデル管理部４０２に設定する。また、単純近似立体変換部４０１は障害物モデル管理部９０３から障害物モデルを取得し、複雑形状であれば、単純近似立体障害物モデルに変換し、単純近似立体障害物モデルを２次元障害物モデル分割部１０１に設定する。単純近似立体ロボットモデル管理部４０２はロボット位置入力部９０１のロボット位置を利用して、単純近似立体の各軸モデル位置を修正し、２次元ロボットモデル作成部１０４に単純近似立体の各軸モデルを設定する。
【００１５】
図５の５０１では、複雑形状の障害物モデル５０２を単純近似立体の障害物モデル５０３に変換している。複雑形状の障害物モデル５０２を1つの単純近似立体である円柱、四角柱、または、多角柱で被覆した時、体積の一番少ない柱は、四角柱なので、複雑障害物モデル５０２の場合、四角柱で立体近似した５０３となる。５０４では、複雑形状のロボットリンクモデル(５０５、５０７)を単純近似立体のロボットリンクモデル(５０８、５０９)に変換している。但し、５０４中のロボットリンクモデル５０６は複雑形状ではないものとしている。複雑形状のロボットリンクモデル(５０５、５０７)を円柱、四角柱、または、多角柱で近似した時、体積の一番少ない柱を適用することとし、複雑ロボットリンクモデル５０５は円柱５０８とし、複雑ロボットリンクモデル５０７は四角柱５０９とする。
【００１６】
障害物やロボットのリンク形状が複雑立体である場合、２次元に展開した形状が複雑になり干渉チェックの演算時間が長くなる。このような場合に複雑立体を円柱、四角柱、または、多角柱の単純近似立体で覆い、この単純近似立体同士を用いて干渉チェックを行う。
この実施の形態によれば、複雑なロボットモデルや障害物モデルを単純近似立体で覆い、単純近似立体モデルによる干渉チェックを行うので、複雑モデルを用いた干渉チェックよりも演算時間を短縮させることができる。
【００１７】
（第３の実施の形態）
この発明の第３の実施の形態の障害物と水平多関節ロボットとの干渉チェック方法について図６を用いて説明する。尚、前出の図を用いて説明した構成要素については、同一の符号を付して説明を割愛する。図６は本発明の第３の実施の形態に関する干渉チェック方法の処理手順を示したブロック図である。
図６において、６０１は３Ｄ−ＣＡＤまたはオフラインシミュレータを入力手段とするモデル設定部であり、このモデル設定部６０１でロボットリンクモデルや障害物モデルを設定する。データ変換部６０２はモデル設定部６０１で設定されたモデル情報をロボットモデル管理部９０２や障害物モデル管理部９０３のデータフォーマットに変換し、変換されたモデル情報をロボットモデル管理部９０２や障害物モデル管理部９０３に設定する。
この実施の形態によれば、３Ｄ−ＣＡＤやオフラインシミュレータにて、障害物モデルやロボットモデルをグラフィカルな３次元画面上で確認しながら設定できるので、以前の数値入力のみによる設定に比べて希望する障害物形状を間違いなく設定できる。
【００１８】
（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態の障害物と水平多関節ロボットとの干渉チェック方法について図７を用いて説明する。尚、前出の図を用いて説明した構成要素については、同一の符号を付して説明を割愛する。図７は本発明の第４の実施の形態に関する干渉チェック方法を説明する図である。
図７は、ロボットと障害物の配置関係が図２におけるロボット高さＬが式(２)を満たす場合の３０１と３０４を組み合わせた図である。
図７において、障害物モデルは、外枠である四角柱障害物２０１と四角柱障害物２０２と円筒障害物２０３が存在し、これら障害物モデルは２次元上では円と四角で表現されている。また、ロボット２０５の各リンクモデルは２次元上では直線や楕円の弧で表現されている。このように、２次元上の障害物モデルとロボットモデルは、直線、円や楕円の弧として表現できる。この互いの直線、円や弧同士が接触または交差する時、干渉したとみなし、干渉の有無を判断する。図７では障害物の直線や円とロボットの直線や楕円の弧が交差していないので、ロボットと障害物は干渉していないことを示している。
この実施の形態によれば、様々な２次元障害物モデルや２次元ロボットモデルを直線、円や弧に分解し、２次元上の線分として比較し、干渉チェックを行っている。３次元上でなく２次元上の線分として比較するので、短時間に干渉チェックを行うことができる。
【００１９】
（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施の形態の障害物と水平多関節ロボットとの干渉チェック方法について図８を用いて説明する。尚、前出の図を用いて説明した構成要素については、同一の符号を付して説明を割愛する。図８は本発明の第５の実施の形態に関する干渉チェック方法を説明するフロー図である。
以下で図８の各ステップを説明していく。
Ｓ８０１：障害物モデル管理部９０３に３次元障害物モデルを設定する。
Ｓ８０２：３次元障害物モデルを水平多関節ロボットの水平面に対して垂直方向に関して少なくとも１つの２次元障害物モデルとして分割する。
Ｓ８０３：Ｓ８０２で分割した２次元障害物モデルを２次元障害物モデルテーブル１０２に登録する。
【００２０】
Ｓ８０４：ロボットモデル管理部９０２に３次元ロボットモデルを設定する。
Ｓ８０５：水平多関節ロボットが動作しており、ロボット位置入力部９０１のロボット位置が逐次更新されているのであればＹｅｓと判定し、水平多関節ロボットが停止しており、ロボット位置入力部９０１のロボット位置に変化が無いのであればＮｏと判定する。
Ｓ８０６：ロボット位置入力部９０１のロボット位置を利用しロボットの各リンクモデルの位置姿勢を決定し、修正する。
Ｓ８０７：Ｓ８０６で決定された３次元ロボットモデルを水平多関節ロボットの垂直方向の２次元平面として投影された２次元ロボットモデルに変換する。
Ｓ８０８：ロボット位置入力部９０１のロボット位置を利用して２次元障害物モデルテーブル１０２から少なくとも１つの２次元障害物モデルを選択する。
【００２１】
Ｓ８０９：Ｓ８０７で変換された２次元ロボットモデルとＳ８０８で選択された２次元障害物モデルとを用いて２次元でのモデル干渉の判定を行う。
Ｓ８１０：干渉有無の判定結果を干渉判定結果出力部９０５に送る。
この実施の形態によれば、少なくとも１つの２次元障害物モデルから構成される２次元障害物モデルテーブル１０２を設け、２次元障害物モデルと２次元ロボットモデルを２次元で干渉チェックするので、３次元で干渉チェックするよりも演算時間が短縮できる。
【００２２】
【発明の効果】
以上述べたように、請求項１の干渉チェック装置によれば、少なくとも１つの２次元障害物モデルから構成される２次元障害物モデルテーブル１０２を設け、２次元障害物モデルと２次元ロボットモデルを２次元で干渉チェックするので、３次元で干渉チェックするよりも演算時間が短縮できる。
請求項２記載の干渉チェック方法によれば、複雑なロボットモデルや障害物モデルを単純近似立体で覆い、単純近似立体モデルによる干渉チェックを行うので、複雑モデルを用いた干渉チェックよりも演算時間を短縮させることができる。
請求項３記載の干渉チェック方法によれば、複雑なロボットモデルや障害物モデルを単純近似立体で覆い、単純近似立体モデルによる干渉チェックを行うので、複雑モデルを用いた干渉チェックよりも演算時間を短縮させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の干渉チェック装置の構成を示すブロック図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の水平多関節ロボットと障害物の配置図。
【図３】本発明の第１の実施の形態の２次元障害物モデルと２次元ロボットモデルの説明図。
【図４】本発明の第２の実施の形態の干渉チェック方法の構成を示すブロック図。
【図５】本発明の第２の実施の形態の干渉チェック方法を説明する図。
【図６】本発明の第３の実施の形態の干渉チェック方法の構成を示すブロック図。
【図７】本発明の第４の実施の形態の２次元平面での干渉チェック方法を説明する図。
【図８】本発明の第５の実施の形態の干渉チェック方法を説明するフロー図。
【図９】従来の干渉チェック方法の構成を示すブロック図。
【図１０】従来の干渉チェック方法を説明する図。
【符号の説明】
１０１：２次元障害物モデル分割部
１０２：２次元障害物モデルテーブル設定部
１０３：２次元障害物モデル選択部
１０４：２次元ロボットモデル作成部
１０５：２次元モデル干渉判定部
１０６：干渉判定結果
２０１：外枠
２０２：四角柱形状の障害物
２０３：円柱形状の障害物
２０４：三角柱形状の障害物
２０５：水平多関節ロボット
Ｌ１ ：四角柱形状の障害物の高さ
Ｌ２ ：円柱形状の障害物の高さ
Ｌ３ ：三角柱形状の障害物の高さ
Ｌ４ ：外枠の高さ
Ｊ１ ：水平多関節ロボットの垂直軸
Ｊ２ ：水平多関節ロボットの回転軸
Ｊ３ ：水平多関節ロボットの直進軸
Ｌ ：ロボット設置面からＪ３アームまでの高さ
３０１：ある１つの２次元障害物モデル
３０２：ある１つの２次元障害物モデル
３０３：ある１つの２次元障害物モデル
３０４：ある１つの２次元障害物モデル
３０５：ある１つの２次元ロボットモデル
４０１：単純近似立体変換部
４０２：単純近似立体ロボットモデル管理部
５０１：複雑障害物モデルを単純近似立体障害物モデルへの変換
５０２：複雑形状の障害物モデル
５０３：単純近似立体の障害物モデル
５０４：複雑形状のロボットから単純近似立体のロボットへの変換
５０５：複雑形状のロボットリンクモデル
５０６：単純形状のロボットリンクモデル
５０７：複雑形状のロボットリンクモデル
５０８：単純近似立体のロボットリンクモデル
５０９：単純近似立体のロボットリンクモデル
６０１：３Ｄ−ＣＡＤまたはオフラインシミュレータの入力手段
６０２：データ変換部
９０１：ロボット位置入力部
９０２：ロボットモデル管理部
９０３：障害物モデル管理部
９０４：３次元モデル干渉判定部
９０５：干渉判定結果出力部
１００１：ロボット第ｎリンクを近似立体した円柱
１００２：ロボット第ｎリンクの円柱中心軸
１００３：球形の障害物
１００４：ロボット第ｎリンクの円柱中心軸と球形障害物中心との最短距離
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも１つの障害物とロボット間の干渉をチェックする装置および方法についてであり、特に水平多関節ロボットの干渉チェック装置および方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
複数障害物の中でロボットが作業することを想定し、複数障害物とロボットの衝突を防ぐために、干渉をチェックする方法がいくつか開示されている。例えば、多関節構造を有するロボットの各リンクを円柱や半球をつけた形状の近似立体で被覆し、障害物とロボットリンクの近似立体の位置関係を３次元上で距離比較することで干渉の有無を検出している。従来技術を図９と図１０を用いて説明する。図９に従来の干渉チェック方法をブロック図にて示す。図９において、ロボット各軸の位置をロボット位置入力部９０１に入力する。予め設定された３次元ロボットモデルを管理するロボットモデル管理部９０２で入力されたロボット位置を利用しロボットの各リンクモデルの位置姿勢を決定し、修正する。障害物モデル管理部９０３では予め設定された３次元障害物モデルを管理する。３次元モデル干渉判定部９０４はロボットモデル管理部９０２と障害物モデル管理部９０３から互いの３次元モデル情報を取得し、３次元的に演算し、干渉の有無を判定する。干渉判定結果出力部９０５は判定結果を出力する。
例えば、図１０において、１００１はロボットの第ｎ(ｎ＝１，２，３，．．．)リンクを近似立体した円柱であり、１００２は第ｎリンクの円柱中心軸であり、１００３は球形の障害物であり、１００４は第ｎリンクの円柱中心軸と球形障害物の中心との最短距離Ｄである時、ロボットの第ｎリンクの円柱半径をRrとし、障害物の球半径をRcとすると、
Ｄ ≦ Rr＋Rc ・・・（１）
の判定を行い式(１)を満たす場合干渉有り、満たさない場合干渉無しとしている。
上記のような干渉チェック方法において、少なくとも１つの障害物とロボットを設定しておき、ロボットの位置が与えられた時、障害物とロボットのリンク間の距離を３次元的に比較することで障害物とロボットとの干渉の有無が判定できる（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平４−２３６６７６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の障害物とロボットとの干渉チェック方法において、ロボットを動作させながらの実時間干渉チェックやシミュレータにおける障害物回避軌道計画をシミュレーションした場合、干渉チェック用の演算時間が長いために、実時間干渉チェックができないという課題やシミュレーション時間が長いという課題があった。
従って、本発明の目的は、ロボットを動作させながらの実時間干渉チェックを可能とさせ、短時間に障害物回避軌道計画シミュレーションできる干渉チェック装置および方法を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために、請求項１記載の水平多関節ロボットの干渉チェック装置は、予め障害物と水平多関節ロボットの３次元モデルを設定しておき、前記障害物モデルと前記水平多関節ロボットモデルの距離に基づいて前記障害物との干渉チェックを行う水平多関節ロボットの干渉チェック装置において、前記多関節ロボットの位置を入力するロボット位置入力部と、入力されたロボットの位置を基に設定された３次元ロボットモデルの位置姿勢を管理するロボットモデル管理部と、前記ロボットモデル管理部の前記３次元ロボットモデルを２次元平面上に投影した２次元ロボットモデルに変換する２次元ロボットモデル作成部と、予め設定された３次元障害物モデルを管理する障害物モデル管理部と、前記障害物モデル管理部の前記３次元障害物モデルを前記水平多関節ロボットの水平面に対して垂直な方向に関して少なくとも１つの２次元障害物モデルとして分割する２次元障害物モデル分割部と、前記２次元障害物モデル分割部で分割された前記２次元障害物モデルを登録する２次元障害物モデルテーブルと、入力されたロボット位置を基に前記２次元障害物モデルテーブルから１つ以上の前記２次元障害物モデルを選択する２次元障害物モデル選択部と、前記２次元障害物モデル選択部からの前記２次元障害物モデルと前記２次元ロボットモデル作成部からの前記２次元ロボットモデルとを用いて２次元モデルの干渉判定を行う２次元モデル干渉判定部と、干渉判定をした結果を出力する干渉判定結果出力部を有することを特徴とするものである。
【０００６】
また、請求項２記載の水平多関節ロボットの干渉チェック装置は、前記ロボットモデル管理部と前記障害物モデル管理部とから、前記３次元ロボットモデルおよび３次元障害物モデルを円柱、四角柱または多角柱の単純な近似立体で近似する単純近似立体変換部を備えることを特徴とするものである。
【０００７】
また、請求項３記載の水平多関節ロボットの干渉チェック方法は、３次元上に少なくとも１つの障害物と水平多関節ロボットを予めモデルとして設定しておき、前記水平多関節ロボットの位置であるロボット位置が与えられた時、前記障害物と前記水平多関節ロボットのモデル間の距離を比較することにより前記障害物と前記水平多関節ロボットの干渉有無を判定する方法において、予め設定された３次元障害物モデルを前記水平多関節ロボットの水平面に対して垂直方向に関して少なくとも１つの２次元障害物モデルとして分割し、分割された前記２次元障害物モデルを２次元障害物モデルテーブルに登録し、予め設定された３次元ロボットモデルの位置姿勢を前記ロボット位置から決定し、前記決定されたロボット位置に基づいて前記３次元ロボットモデルを前記垂直方向の２次元平面上に投影した２次元ロボットモデルに変換し、前記ロボット位置を利用して前記２次元障害物モデルテーブルから少なくとも１つの前記２次元障害物モデルを選択し、選択された前記２次元障害物モデルと変換された前記２次元ロボットモデルとの干渉判定を行うことを特徴とするものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
この発明の第１の実施の形態の障害物と水平多関節ロボットとの干渉チェック装置および方法について図１、図２、図３を用いて説明する。尚、前出の図を用いて説明した構成要素については、同一の符号を付して説明を割愛する。
図１は本発明の第１の実施の形態に関する干渉チェック装置のブロック図である。図１において、２次元障害物モデル分割部１０１は障害物モデル管理部９０３の３次元障害物モデルを水平多関節ロボットの水平面に対して垂直方向に関して少なくとも１つの２次元障害物モデルとして分割する。２次元障害物モデルテーブル１０２に２次元障害物モデル分割部１０１で分割された２次元障害物モデルを登録する。２次元障害物モデル選択部１０３ではロボット位置入力部９０１のロボット位置を利用して２次元障害物モデルテーブル１０２から少なくとも１つの２次元障害物モデルを選択し、選択された２次元障害物モデル情報を２次元モデル干渉判定部１０５に送る。２次元ロボットモデル作成部１０４はロボットモデル管理部９０２の３次元ロボットモデルを水平多関節ロボットの垂直方向の２次元平面として投影された２次元ロボットモデルに変換し、変換された２次元ロボットモデル情報を２次元モデル干渉判定部１０５に送る。２次元モデル干渉判定部１０５では２次元障害物モデル選択部１０３で選択された２次元障害物モデル情報と２次元ロボットモデル作成部１０４で作成された２次元ロボットモデル情報とを用いて２次元でのモデル干渉の判定を行い、干渉判定結果出力部９０５に干渉有無の判定結果を送る。
【０００９】
図２と図３を用いて、２次元障害物モデル分割部１０１、２次元障害物モデルテーブル設定部１０２、２次元障害物モデル選択部１０３と２次元ロボットモデル作成部１０４を説明する。半導体製造装置のように外枠で囲われた環境内に水平多関節のクリーンロボットが配置されているような例を図２に示す。図２では、外枠２０１内に四角柱形状の障害物２０２、円柱形状の障害物２０３、円柱形状の障害物２０３の直上に配置された三角柱形状の障害物２０４と水平多関節ロボット２０５が配置されている。外枠２０１の高さをＬ４とし、四角柱形状の障害物２０２の高さをＬ１とし、円柱形状の障害物２０３の高さをＬ２とし、三角柱形状の障害物２０４の高さをＬ３とする。水平多関節ロボット２０５は垂直軸Ｊ１、回転軸Ｊ２、直進軸Ｊ３の円筒座標系ロボットであり、ロボット設置面からＪ３アームまでの高さがＬである。但し、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３とＬ４はＬ１＜Ｌ２＜Ｌ３＜Ｌ４の関係があるものとする。図２の水平多関節ロボットの水平面に対して垂直な軸はＪ１であり、図２の３次元空間をこのＪ１軸方向に関して２次元平面に垂直分割していくと、障害物モデルの垂直軸(Ｊ１)方向の相違分により、２次元障害物モデル分割部１０１は図３の３０１、３０２、３０３、３０４のような４つの２次元障害物モデルに分割できる。
０＜Ｌ１＜Ｌ２＜Ｌ３＜Ｌ４の関係からロボット高さＬにより、次式のような領域分割がなされる。
【００１０】
０ ≦ Ｌ ≦ Ｌ１ ・・・(２)
Ｌ１ ＜ Ｌ ≦ Ｌ２ ・・・(３)
Ｌ２ ＜ Ｌ ≦ Ｌ３ ・・・(４)
Ｌ３ ＜ Ｌ ≦ Ｌ４ ・・・(５)
【００１１】
３０１はロボット高さＬが式(２)を満たす時の２次元障害物モデルであり、３０２はロボット高さＬが式(３)を満たす時の２次元障害物モデルであり、３０３はロボット高さＬが式(４)を満たす時の２次元障害物モデルであり、３０４はロボット高さＬが式(５)を満たす時の２次元障害物モデルである。
これら分割された４つの２次元障害物モデル(３０１、３０２、３０３、３０４)を２次元障害物モデルテーブル１０２に登録する。２次元障害物モデル選択部１０３はロボット位置入力部９０１の情報に含まれている垂直軸Ｊ１位置からロボット高さＬを取得し、式(２)、式(３)、式(４)、式(５)を利用して２次元障害物モデルテーブル１０２の中から１つ以上の２次元障害物モデルを選択し、２次元モデル干渉判定部１０５に選択された２次元障害物モデル情報を送る。２次元ロボットモデル作成部１０４はロボットモデル管理部９０２で決定された３次元ロボットモデルを利用し、３０５のようなＪ１軸の垂直方向から見たときの２次元ロボットモデルを作成し、２次元モデル干渉判定部１０５に作成した２次元ロボットモデルを送る。
【００１２】
仮にロボット位置入力部９０１から送られてくるＪ１垂直軸位置から取得されたロボット高さＬが式(２)を満たすなら、２次元モデル干渉判定部１０５は２次元障害物モデル３０１と２次元ロボットモデル３０５の２次元モデル同士の干渉有無を判定する。
水平多関節ロボット２０５の各リンクモデルには垂直軸Ｊ１方向に厚みがあるので、場合によって、２次元障害物モデル選択部１０３は２つ以上の２次元障害物モデルを選択し、２次元モデル干渉判定部１０５に２つ以上の２次元障害物モデルを送るような遷移区間が存在する。また、Ｌ１＝Ｌ２の時、２次元障害物モデル３０２は存在し得ないので、２次元障害物モデルテーブルは３０１、３０３、３０４の３つから構成されることになり、必ずしも障害物モデル数と２次元障害物モデル数が一致するとは限らない。このように障害物モデル数と各障害物モデル高さとから垂直軸Ｊ１方向に関する分割数は決定される。
【００１３】
この実施の形態によれば、少なくとも１つの２次元障害物モデルから構成される２次元障害物モデルテーブル１０２を設け、２次元障害物モデルと２次元ロボットモデルを２次元で干渉チェックするので、３次元で干渉チェックするよりも演算時間が短縮できる。
【００１４】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態の障害物と水平多関節ロボットとの干渉チェック方法について図４、図５を用いて説明する。尚、前出の図を用いて説明した構成要素については、同一の符号を付して説明を割愛する。図４は本発明の第２の実施の形態に関する干渉チェック方法の処理手順を示したブロック図であり、図５は複雑立体から単純近似立体への変換を行っている図である。
図４において、単純近似立体変換部４０１はロボットモデル管理部９０２から各軸のロボットリンクモデルを取得し、複雑形状であれば、単純近似立体に変換し、単純近似立体ロボットモデル管理部４０２に設定する。また、単純近似立体変換部４０１は障害物モデル管理部９０３から障害物モデルを取得し、複雑形状であれば、単純近似立体障害物モデルに変換し、単純近似立体障害物モデルを２次元障害物モデル分割部１０１に設定する。単純近似立体ロボットモデル管理部４０２はロボット位置入力部９０１のロボット位置を利用して、単純近似立体の各軸モデル位置を修正し、２次元ロボットモデル作成部１０４に単純近似立体の各軸モデルを設定する。
【００１５】
図５の５０１では、複雑形状の障害物モデル５０２を単純近似立体の障害物モデル５０３に変換している。複雑形状の障害物モデル５０２を1つの単純近似立体である円柱、四角柱、または、多角柱で被覆した時、体積の一番少ない柱は、四角柱なので、複雑障害物モデル５０２の場合、四角柱で立体近似した５０３となる。５０４では、複雑形状のロボットリンクモデル(５０５、５０７)を単純近似立体のロボットリンクモデル(５０８、５０９)に変換している。但し、５０４中のロボットリンクモデル５０６は複雑形状ではないものとしている。複雑形状のロボットリンクモデル(５０５、５０７)を円柱、四角柱、または、多角柱で近似した時、体積の一番少ない柱を適用することとし、複雑ロボットリンクモデル５０５は円柱５０８とし、複雑ロボットリンクモデル５０７は四角柱５０９とする。
【００１６】
障害物やロボットのリンク形状が複雑立体である場合、２次元に展開した形状が複雑になり干渉チェックの演算時間が長くなる。このような場合に複雑立体を円柱、四角柱、または、多角柱の単純近似立体で覆い、この単純近似立体同士を用いて干渉チェックを行う。
この実施の形態によれば、複雑なロボットモデルや障害物モデルを単純近似立体で覆い、単純近似立体モデルによる干渉チェックを行うので、複雑モデルを用いた干渉チェックよりも演算時間を短縮させることができる。
【００１７】
（第３の実施の形態）
この発明の第３の実施の形態の障害物と水平多関節ロボットとの干渉チェック方法について図６を用いて説明する。尚、前出の図を用いて説明した構成要素については、同一の符号を付して説明を割愛する。図６は本発明の第３の実施の形態に関する干渉チェック方法の処理手順を示したブロック図である。
図６において、６０１は３Ｄ−ＣＡＤまたはオフラインシミュレータを入力手段とするモデル設定部であり、このモデル設定部６０１でロボットリンクモデルや障害物モデルを設定する。データ変換部６０２はモデル設定部６０１で設定されたモデル情報をロボットモデル管理部９０２や障害物モデル管理部９０３のデータフォーマットに変換し、変換されたモデル情報をロボットモデル管理部９０２や障害物モデル管理部９０３に設定する。
この実施の形態によれば、３Ｄ−ＣＡＤやオフラインシミュレータにて、障害物モデルやロボットモデルをグラフィカルな３次元画面上で確認しながら設定できるので、以前の数値入力のみによる設定に比べて希望する障害物形状を間違いなく設定できる。
【００１８】
（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態の障害物と水平多関節ロボットとの干渉チェック方法について図７を用いて説明する。尚、前出の図を用いて説明した構成要素については、同一の符号を付して説明を割愛する。図７は本発明の第４の実施の形態に関する干渉チェック方法を説明する図である。
図７は、ロボットと障害物の配置関係が図２におけるロボット高さＬが式(２)を満たす場合の３０１と３０４を組み合わせた図である。
図７において、障害物モデルは、外枠である四角柱障害物２０１と四角柱障害物２０２と円筒障害物２０３が存在し、これら障害物モデルは２次元上では円と四角で表現されている。また、ロボット２０５の各リンクモデルは２次元上では直線や楕円の弧で表現されている。このように、２次元上の障害物モデルとロボットモデルは、直線、円や楕円の弧として表現できる。この互いの直線、円や弧同士が接触または交差する時、干渉したとみなし、干渉の有無を判断する。図７では障害物の直線や円とロボットの直線や楕円の弧が交差していないので、ロボットと障害物は干渉していないことを示している。
この実施の形態によれば、様々な２次元障害物モデルや２次元ロボットモデルを直線、円や弧に分解し、２次元上の線分として比較し、干渉チェックを行っている。３次元上でなく２次元上の線分として比較するので、短時間に干渉チェックを行うことができる。
【００１９】
（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施の形態の障害物と水平多関節ロボットとの干渉チェック方法について図８を用いて説明する。尚、前出の図を用いて説明した構成要素については、同一の符号を付して説明を割愛する。図８は本発明の第５の実施の形態に関する干渉チェック方法を説明するフロー図である。
以下で図８の各ステップを説明していく。
Ｓ８０１：障害物モデル管理部９０３に３次元障害物モデルを設定する。
Ｓ８０２：３次元障害物モデルを水平多関節ロボットの水平面に対して垂直方向に関して少なくとも１つの２次元障害物モデルとして分割する。
Ｓ８０３：Ｓ８０２で分割した２次元障害物モデルを２次元障害物モデルテーブル１０２に登録する。
【００２０】
Ｓ８０４：ロボットモデル管理部９０２に３次元ロボットモデルを設定する。
Ｓ８０５：水平多関節ロボットが動作しており、ロボット位置入力部９０１のロボット位置が逐次更新されているのであればＹｅｓと判定し、水平多関節ロボットが停止しており、ロボット位置入力部９０１のロボット位置に変化が無いのであればＮｏと判定する。
Ｓ８０６：ロボット位置入力部９０１のロボット位置を利用しロボットの各リンクモデルの位置姿勢を決定し、修正する。
Ｓ８０７：Ｓ８０６で決定された３次元ロボットモデルを水平多関節ロボットの垂直方向の２次元平面として投影された２次元ロボットモデルに変換する。
Ｓ８０８：ロボット位置入力部９０１のロボット位置を利用して２次元障害物モデルテーブル１０２から少なくとも１つの２次元障害物モデルを選択する。
【００２１】
Ｓ８０９：Ｓ８０７で変換された２次元ロボットモデルとＳ８０８で選択された２次元障害物モデルとを用いて２次元でのモデル干渉の判定を行う。
Ｓ８１０：干渉有無の判定結果を干渉判定結果出力部９０５に送る。
この実施の形態によれば、少なくとも１つの２次元障害物モデルから構成される２次元障害物モデルテーブル１０２を設け、２次元障害物モデルと２次元ロボットモデルを２次元で干渉チェックするので、３次元で干渉チェックするよりも演算時間が短縮できる。
【００２２】
【発明の効果】
以上述べたように、請求項１の干渉チェック装置によれば、少なくとも１つの２次元障害物モデルから構成される２次元障害物モデルテーブル１０２を設け、２次元障害物モデルと２次元ロボットモデルを２次元で干渉チェックするので、３次元で干渉チェックするよりも演算時間が短縮できる。
請求項２記載の干渉チェック方法によれば、複雑なロボットモデルや障害物モデルを単純近似立体で覆い、単純近似立体モデルによる干渉チェックを行うので、複雑モデルを用いた干渉チェックよりも演算時間を短縮させることができる。
請求項３記載の干渉チェック方法によれば、複雑なロボットモデルや障害物モデルを単純近似立体で覆い、単純近似立体モデルによる干渉チェックを行うので、複雑モデルを用いた干渉チェックよりも演算時間を短縮させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の干渉チェック装置の構成を示すブロック図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の水平多関節ロボットと障害物の配置図。
【図３】本発明の第１の実施の形態の２次元障害物モデルと２次元ロボットモデルの説明図。
【図４】本発明の第２の実施の形態の干渉チェック方法の構成を示すブロック図。
【図５】本発明の第２の実施の形態の干渉チェック方法を説明する図。
【図６】本発明の第３の実施の形態の干渉チェック方法の構成を示すブロック図。
【図７】本発明の第４の実施の形態の２次元平面での干渉チェック方法を説明する図。
【図８】本発明の第５の実施の形態の干渉チェック方法を説明するフロー図。
【図９】従来の干渉チェック方法の構成を示すブロック図。
【図１０】従来の干渉チェック方法を説明する図。
【符号の説明】
１０１：２次元障害物モデル分割部
１０２：２次元障害物モデルテーブル設定部
１０３：２次元障害物モデル選択部
１０４：２次元ロボットモデル作成部
１０５：２次元モデル干渉判定部
１０６：干渉判定結果
２０１：外枠
２０２：四角柱形状の障害物
２０３：円柱形状の障害物
２０４：三角柱形状の障害物
２０５：水平多関節ロボット
Ｌ１ ：四角柱形状の障害物の高さ
Ｌ２ ：円柱形状の障害物の高さ
Ｌ３ ：三角柱形状の障害物の高さ
Ｌ４ ：外枠の高さ
Ｊ１ ：水平多関節ロボットの垂直軸
Ｊ２ ：水平多関節ロボットの回転軸
Ｊ３ ：水平多関節ロボットの直進軸
Ｌ ：ロボット設置面からＪ３アームまでの高さ
３０１：ある１つの２次元障害物モデル
３０２：ある１つの２次元障害物モデル
３０３：ある１つの２次元障害物モデル
３０４：ある１つの２次元障害物モデル
３０５：ある１つの２次元ロボットモデル
４０１：単純近似立体変換部
４０２：単純近似立体ロボットモデル管理部
５０１：複雑障害物モデルを単純近似立体障害物モデルへの変換
５０２：複雑形状の障害物モデル
５０３：単純近似立体の障害物モデル
５０４：複雑形状のロボットから単純近似立体のロボットへの変換
５０５：複雑形状のロボットリンクモデル
５０６：単純形状のロボットリンクモデル
５０７：複雑形状のロボットリンクモデル
５０８：単純近似立体のロボットリンクモデル
５０９：単純近似立体のロボットリンクモデル
６０１：３Ｄ−ＣＡＤまたはオフラインシミュレータの入力手段
６０２：データ変換部
９０１：ロボット位置入力部
９０２：ロボットモデル管理部
９０３：障害物モデル管理部
９０４：３次元モデル干渉判定部
９０５：干渉判定結果出力部
１００１：ロボット第ｎリンクを近似立体した円柱
１００２：ロボット第ｎリンクの円柱中心軸
１００３：球形の障害物
１００４：ロボット第ｎリンクの円柱中心軸と球形障害物中心との最短距離
Claims (3)
- 予め障害物と水平多関節ロボットの３次元モデルを設定しておき、前記障害物モデルと前記水平多関節ロボットモデルの距離に基づいて前記障害物との干渉チェックを行う水平多関節ロボットの干渉チェック装置において、
前記多関節ロボットの位置を入力するロボット位置入力部と、
入力されたロボットの位置を基に設定された３次元ロボットモデルの位置姿勢を管理するロボットモデル管理部と、
前記ロボットモデル管理部の前記３次元ロボットモデルを２次元平面上に投影した２次元ロボットモデルに変換する２次元ロボットモデル作成部と、
予め設定された３次元障害物モデルを管理する障害物モデル管理部と、
前記障害物モデル管理部の前記３次元障害物モデルを前記水平多関節ロボットの水平面に対して垂直な方向に関して少なくとも１つの２次元障害物モデルとして分割する２次元障害物モデル分割部と、
前記２次元障害物モデル分割部で分割された前記２次元障害物モデルを登録する２次元障害物モデルテーブルと、
入力されたロボット位置を基に前記２次元障害物モデルテーブルから１つ以上の前記２次元障害物モデルを選択する２次元障害物モデル選択部と、
前記２次元障害物モデル選択部からの前記２次元障害物モデルと前記２次元ロボットモデル作成部からの前記２次元ロボットモデルとを用いて２次元モデルの干渉判定を行う２次元モデル干渉判定部と、
干渉判定をした結果を出力する干渉判定結果出力部を有することを特徴とする水平多関節ロボットの干渉チェック装置。 - 前記ロボットモデル管理部と前記障害物モデル管理部とから、前記３次元ロボットモデルおよび３次元障害物モデルを円柱、四角柱または多角柱の単純な近似立体で近似する単純近似立体変換部を備えることを特徴とする請求項１記載の水平多関節ロボットの干渉チェック装置。
- ３次元上に少なくとも１つの障害物と水平多関節ロボットを予めモデルとして設定しておき、前記水平多関節ロボットの位置であるロボット位置が与えられた時、前記障害物と前記水平多関節ロボットのモデル間の距離を比較することにより前記障害物と前記水平多関節ロボットの干渉有無を判定する方法において、
予め設定された３次元障害物モデルを前記水平多関節ロボットの水平面に対して垂直方向に関して少なくとも１つの２次元障害物モデルとして分割し、
分割された前記２次元障害物モデルを２次元障害物モデルテーブルに登録し、予め設定された３次元ロボットモデルの位置姿勢を前記ロボット位置から決定し、
前記決定されたロボット位置に基づいて前記３次元ロボットモデルを前記垂直方向の２次元平面上に投影した２次元ロボットモデルに変換し、
前記ロボット位置を利用して前記２次元障害物モデルテーブルから少なくとも１つの前記２次元障害物モデルを選択し、
選択された前記２次元障害物モデルと変換された前記２次元ロボットモデルとの干渉判定を行うことを特徴とする水平多関節ロボットの干渉チェック方法。
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