JP5173958B2 - Moving body posture generation method and moving body posture generation apparatus - Google Patents

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本発明は、障害物の存在する環境で移動する物体の最適な軌道を生成する移動体軌道生成方法および移動体軌道生成装置に係る。 The present invention relates to a moving object trajectory generating method and a moving object trajectory generating apparatus for generating an optimal trajectory of an object moving in an environment where an obstacle exists.

従来のロボットの動作設計手法には作業現場にて実際にロボットを動作させて教示するオンラインティーチング若しくはロボットを動作させる前にコンピュータ等により教示データを作成するオフラインティーチングがある。オンラインティーチングは組立作業や溶接作業などあらかじめ決められた動作を行う産業用ロボットに広く用いられており、実際の作業環境に合わせた動作の設計が可能であるという利点がある。その一方で、ティーチングに多くの時間がかかると共に、動作の設計に熟練を要するといった欠点がある。オフラインティーチングは干渉を回避するための軌道の生成を、シミュレーション等を利用して確認しながら試行錯誤で行う必要があり、設計と検証に多大な労力が必要となる。   Conventional robot motion design methods include online teaching in which a robot is actually operated at a work site to teach, or offline teaching in which teaching data is created by a computer or the like before the robot is operated. Online teaching is widely used in industrial robots that perform predetermined operations such as assembly work and welding work, and has an advantage that the operation can be designed according to the actual work environment. On the other hand, there are drawbacks in that teaching takes a lot of time and skill is required for operation design. In offline teaching, it is necessary to perform generation of a trajectory for avoiding interference by trial and error while confirming using a simulation or the like, and much effort is required for design and verification.

これに対して、ロボットの手先経路の動作設計を自動化する試みとしてはポテンシャル場を用いた経路探索手法(例えば、特許文献1参照。)がある。この手法では作業空間内に目標位置が最小、現在位置が最大となるような仮想的なポテンシャルを設定する。さらに、障害物にも大きなポテンシャルを持たせることで、ポテンシャルが低くなる方向へ軌道を生成することで、障害物を回避しながら目標位置までの経路を生成できる。   On the other hand, as an attempt to automate the motion design of the robot's hand path, there is a path search method using a potential field (see, for example, Patent Document 1). In this method, a virtual potential is set in the work space so that the target position is minimum and the current position is maximum. Furthermore, by providing the obstacle with a large potential, a path to the target position can be generated while avoiding the obstacle by generating a trajectory in a direction in which the potential decreases.

さらに、生成した手先経路に沿うようにロボットを動作させるためには、ロボットのリンクと関節から構成される全体姿勢を経路上の手先位置・姿勢情報から決定する必要がある。一般的には、手先の位置・姿勢を入力条件とし、それを実現するための各関節角度を逆算的に算出する逆運動学と呼ばれる計算によって全体姿勢を決定している。   Further, in order to operate the robot along the generated hand path, it is necessary to determine the entire posture composed of the robot link and joint from the hand position / posture information on the path. In general, the entire posture is determined by a calculation called inverse kinematics in which each joint angle for realizing the position and posture of the hand is calculated as an input condition.

特開2003−280710号公報JP 2003-280710 A

上述したポテンシャル場を用いた経路探索手法では、ポテンシャル場にローカルミニマムが生じて、経路探索時にローカルミニマムに陥ると軌道を生成できないという問題があった。ローカルミニマムとは、ポテンシャルが局所的に極小となる領域を指す。経路探索時にローカルミニマムの領域に入ると、周囲のポテンシャルがローカルミニマムの領域より高く、経路探索を続行できずに軌道生成不能となるのである。   The route search method using the potential field described above has a problem in that a local minimum occurs in the potential field, and a trajectory cannot be generated if the local minimum occurs during the route search. The local minimum refers to a region where the potential is locally minimized. If the local minimum area is entered during the route search, the surrounding potential is higher than that of the local minimum area, and the route search cannot be continued and the trajectory cannot be generated.

複雑形状の障害物がある環境では、ローカルミニマムの存在しないポテンシャル場を設定することは非常に困難である。また、ローカルミニマムを回避するために迂回した経路を生成するとなると、軌道が長大になり、不要な変曲点を含む軌道となるなど、最適な軌道とならず、軌道の最適化を図る必要等があった。   In an environment with obstacles with complex shapes, it is very difficult to set a potential field that does not have a local minimum. In addition, if a detour route is generated to avoid local minimum, the trajectory becomes longer and it becomes a trajectory including unnecessary inflection points, so it is necessary to optimize the trajectory, etc. was there.

また、生成した経路を実現するロボットの全体姿勢を逆運動学により求める手法では、経路上の手先の位置・姿勢を満足する全体姿勢が障害物との干渉等により物理的に存在しない場合に解を求めることができない。さらに、関節数が非常に多い構造のロボットでは、逆運動学から求まる関節角度の組合せが大量に存在するため、解を一意に決めることが困難である。   In addition, the method of obtaining the overall posture of the robot that realizes the generated route by inverse kinematics is used when the overall posture that satisfies the position and posture of the hand on the route does not physically exist due to interference with obstacles, etc. Cannot be asked. Furthermore, in a robot having a structure with a very large number of joints, it is difficult to uniquely determine a solution because there are a large number of combinations of joint angles obtained from inverse kinematics.

上述した課題に鑑み、本発明の目的は、ロボットの手先の目標軌道を人が試行錯誤して設計することなく自動生成でき、かつ、目標軌道に沿って移動する場合のロボット全体の姿勢も同様に自動生成できる移動体姿勢生成方法および移動体姿勢生成装置を提供することにある。   In view of the above-mentioned problems, the object of the present invention is to automatically generate a target trajectory of the robot's hand without trial and error, and the same applies to the posture of the entire robot when moving along the target trajectory. It is an object of the present invention to provide a mobile body posture generation method and a mobile body posture generation apparatus that can be automatically generated.

上記目的を達成するため、本発明による移動体姿勢生成方法は、移動体の一部分の動作軌道に基づいて移動体全体の姿勢を生成する移動体姿勢生成方法であって、移動体が移動する空間に存在する障害物を発生源とする斥力ベクトルからなる斥力ベクトル場を設定する斥力ベクトル場設定ステップと、移動体の3次元形状モデルに斥力および引力が作用する代表点を設定する移動体形状モデル設定ステップと、代表点に作用する斥力から移動体の各関節軸に働く力とモーメントを算出する力・モーメント算出ステップと、前記動作軌道上に参照点を設定し、参照点に向けた引力を前記移動体に作用させる引力ベクトル設定ステップと、移動体の3次元形状モデルに作用する力とモーメントから移動体の各関節軸に作用するトルクを算出し、トルクに基づいて各関節軸の角度を変化させる姿勢生成ステップと、を備えることを特徴とする。 In order to achieve the above object, a mobile body posture generation method according to the present invention is a mobile body posture generation method for generating a posture of an entire mobile body based on a motion trajectory of a part of the mobile body, and a space in which the mobile body moves. A repulsive force vector field setting step for setting a repulsive force vector field composed of a repulsive force vector with an obstacle existing as a generation source, and a moving object shape model for setting a representative point at which repulsive force and attractive force act on the three-dimensional shape model of the moving object A setting step, a force / moment calculation step for calculating the force and moment acting on each joint axis of the moving body from the repulsive force acting on the representative point, a reference point is set on the motion trajectory, and an attractive force toward the reference point is set A torque acting on each joint axis of the moving body is calculated from an attractive force vector setting step to be applied to the moving body, and a force and a moment acting on the three-dimensional shape model of the moving body. Characterized in that it comprises an attitude generating step of changing the angle of each joint axis on the basis of the click, the.

また、本発明による移動体姿勢生成方法は、移動体の一部分の動作軌道に基づいて移動体全体の姿勢を生成する移動体姿勢生成方法であって、移動体が移動する空間を設定する空間設定ステップと、前記空間中に前記移動体の一部分が動作を開始する初期位置を設定する初期位置設定ステップと、前記空間中に前記移動体の一部分の目標位置を設定する目標位置設定ステップと、前記空間に存在する障害物を発生源とする斥力ベクトルからなる斥力ベクトル場を設定する斥力ベクトル場設定ステップと、前記初期位置と前記目標位置とを結び、前記初期位置と前記目標位置の間に前記斥力ベクトルが作用する作用点を有し、前記初期位置と前記目標位置に両端を固定された動作軌道モデルを設定する動作軌道モデル設定ステップと、前記斥力ベクトル場の前記斥力ベクトルを前記作用点に作用させ、変形した前記動作軌道モデルを前記移動体の動作軌道とする動作軌道生成ステップと、移動体の3次元形状モデルに斥力および引力が作用する代表点を設定する移動体形状モデル設定ステップと、代表点に作用する斥力から移動体の各関節軸に働く力とモーメントを算出する力・モーメント算出ステップと、生成した動作軌道上に参照点を設定し、参照点に向けた引力を移動体に作用させる引力ベクトル設定ステップと、移動体の3次元形状モデルに作用する力とモーメントから移動体の各関節軸に作用するトルクを算出し、トルクに基づいて各関節軸の角度を変化させる姿勢生成ステップと、を備えることを特徴とする。   The moving body posture generation method according to the present invention is a moving body posture generation method for generating the posture of the entire moving body based on the motion trajectory of a part of the moving body, and is a space setting for setting a space in which the moving body moves. An initial position setting step for setting an initial position at which a part of the moving body starts operating in the space; a target position setting step for setting a target position for a part of the moving body in the space; A repulsive force vector field setting step for setting a repulsive force vector field including a repulsive force vector having an obstacle existing in space as a source, and connecting the initial position and the target position, and the gap between the initial position and the target position A motion trajectory model setting step for setting a motion trajectory model having an action point on which a repulsive force vector acts and having both ends fixed at the initial position and the target position; A motion trajectory generation step in which the repulsive force vector of the Kuttle field is applied to the action point and the deformed motion trajectory model is the motion trajectory of the moving body, and a repulsive force and an attraction force act on the three-dimensional shape model of the moving body A moving body shape model setting step for setting points, a force / moment calculation step for calculating the force and moment acting on each joint axis of the moving body from the repulsive force acting on the representative point, and setting a reference point on the generated motion trajectory And calculating the torque acting on each joint axis of the moving body from the force and moment acting on the three-dimensional shape model of the moving body, and calculating the torque acting on each joint axis of the moving body. And a posture generation step of changing the angle of each joint axis based on.

また、本発明による移動体姿勢生成装置は移動体の一部分の動作軌道に基づいて移動体全体の姿勢を生成する移動体姿勢生成装置であって、移動体が移動する空間に存在する障害物を発生源とする斥力ベクトルからなる斥力ベクトル場を設定する斥力ベクトル場設定手段と、移動体の3次元形状モデルに斥力および引力が作用する代表点を設定する移動体形状モデル設定手段と、代表点に作用する斥力から移動体の各関節軸に働く力とモーメントを算出する力・モーメント算出手段と、前記動作軌道上に参照点を設定し、参照点に向けた引力を前記移動体に作用させる引力ベクトル設定手段と、移動体の3次元形状モデルに作用する力とモーメントから移動体の各関節軸に作用するトルクを算出し、トルクに基づいて各関節軸の角度を変化させる姿勢生成手段と、を備えることを特徴とする。   The mobile body posture generation device according to the present invention is a mobile body posture generation device that generates the posture of the entire mobile body based on the motion trajectory of a part of the mobile body, and is configured to detect obstacles that exist in the space in which the mobile body moves. Repulsive force vector field setting means for setting a repulsive force vector field composed of repulsive force vectors as generation sources, moving body shape model setting means for setting a representative point where repulsive force and attractive force act on the three-dimensional shape model of the moving body, and representative points A force / moment calculation means for calculating the force and moment acting on each joint axis of the moving body from the repulsive force acting on the moving body, a reference point is set on the movement trajectory, and an attractive force directed to the reference point is applied to the moving body The torque acting on each joint axis of the moving body is calculated from the force vector moment and the force and moment acting on the three-dimensional shape model of the moving body, and the angle of each joint axis is changed based on the torque. And orientation generation unit that, characterized in that it comprises a.

また、本発明による移動体姿勢生成装置は、移動体の一部分の動作軌道に基づいて移動体全体の姿勢を生成する移動体姿勢生成装置であって、移動体が移動する空間を設定する空間設定手段と、前記空間中に前記移動体の一部分が動作を開始する初期位置を設定する初期位置設定手段と、前記空間中に前記移動体の一部分の目標位置を設定する目標位置設定手段と、前記空間に存在する障害物を発生源とする斥力ベクトルからなる斥力ベクトル場を設定する斥力ベクトル場設定手段と、前記初期位置と前記目標位置とを結び、前記初期位置と前記目標位置の間に前記斥力ベクトルが作用する作用点を有し、前記初期位置と前記目標位置に両端を固定された動作軌道モデルを設定する動作軌道モデル設定手段と前記斥力ベクトル場の前記斥力ベクトルを前記作用点に作用させ、変形した前記動作軌道モデルを前記移動体の動作軌道とする動作軌道生成手段と、移動体の3次元形状モデルに斥力および引力が作用する点を設定する移動体形状モデル設定手段と、移動体に作用する斥力から移動体の各関節軸に働く力とモーメントを算出する力・モーメント算出手段と、生成した動作軌道上に参照点を設定し、参照点に向けた引力を移動体に作用させる引力ベクトル設定手段と、移動体の3次元形状モデルに作用する力とモーメントから移動体の各関節軸に作用するトルクを算出し、トルクに基づいて各関節軸の角度を変化させる姿勢生成手段と、を備えることを特徴とする。   The mobile body posture generation device according to the present invention is a mobile body posture generation device that generates the posture of the entire mobile body based on the motion trajectory of a part of the mobile body, and sets the space in which the mobile body moves Means, initial position setting means for setting an initial position at which a part of the moving body starts operating in the space, target position setting means for setting a target position of a part of the moving body in the space, Repulsive force vector field setting means for setting a repulsive force vector field comprising a repulsive force vector having an obstacle present in space as a source, and connecting the initial position and the target position, and the initial position and the target position between A motion trajectory model setting means for setting a motion trajectory model having a point of action on which a repulsive force vector acts and having both ends fixed at the initial position and the target position; and the repulsive force vector field. A moving trajectory generating means for causing a tortle to act on the action point and using the deformed motion trajectory model as an operating trajectory of the moving body; Shape model setting means, force / moment calculation means for calculating the force and moment acting on each joint axis of the moving body from repulsive force acting on the moving body, and setting a reference point on the generated motion trajectory The attractive force vector setting means for applying the attractive force to the moving body, the torque acting on each joint axis of the moving body from the force and moment acting on the three-dimensional shape model of the moving body, and calculating the torque of each joint axis based on the torque. And posture generating means for changing the angle.

本発明の移動体姿勢生成方法および移動体姿勢生成装置によれば、従来の逆運動学による姿勢生成では物理的に姿勢が求まらないような場合においても、近傍での解を自動的に求めることができ、姿勢を生成することが可能である。また、移動体の自由度が多く移動体の姿勢が大量に存在する場合においても、姿勢を一意に生成することができる。   According to the mobile body posture generation method and the mobile body posture generation apparatus of the present invention, even when the posture generation by the conventional inverse kinematics cannot physically determine the posture, the solution in the vicinity is automatically obtained. It is possible to obtain a posture. In addition, even when the degree of freedom of the moving body is large and there are a large number of postures of the moving body, the attitude can be uniquely generated.

第1の実施例による移動体姿勢生成のフローチャート。The flowchart of the mobile body attitude | position production | generation by a 1st Example. 障害物に基づいて設定される斥力ベクトル場の概要を示す概念図。The conceptual diagram which shows the outline | summary of the repulsive force vector field set based on an obstruction. 動作軌道モデルを構成する連成バネマス構造の概念図。The conceptual diagram of the coupled spring mass structure which comprises a movement track model. (a)動作軌道生成処理前の動作軌道モデルの状態を示す概念図。(b)動作軌道生成処理後の動作軌道モデルの状態を示す概念図。(A) The conceptual diagram which shows the state of the motion track model before a motion track generation process. (B) The conceptual diagram which shows the state of the motion track model after a motion track generation process. ロボットマニピュレータを3次元形状モデル化し、斥力ベクトルが作用する代表点を設定した状態を示す概念図。The conceptual diagram which shows the state which made the robot manipulator a three-dimensional shape model, and set the representative point on which a repulsive force vector acts. 3次元形状モデル化されたロボットマニピュレータの手先に、動作軌道上に設定された参照点からの引力ベクトルを作用させる概念を示す図。The figure which shows the concept of making the attractive force vector from the reference point set on the motion trajectory act on the hand of the robot manipulator made into the three-dimensional shape model. 動作軌道に対して鉛直で参照点を含む平面を設定し、移動体の一部分の動作軌道を参照点近傍に収束させる処理の概念を示す図。The figure which shows the concept of the process which sets the plane which includes a reference point perpendicular | vertical with respect to an operation | movement trajectory, and converges the operation | movement trajectory of a part of moving body to the reference point vicinity. 第2の実施例による移動体姿勢生成のフローチャート。The flowchart of a mobile body attitude | position production | generation by 2nd Example. 第2の実施例において障害物の移動前の状態を示す概念図。The conceptual diagram which shows the state before the movement of an obstruction in a 2nd Example. 第2の実施例において障害物が移動した状態を示す概念図。The conceptual diagram which shows the state which the obstruction moved in the 2nd Example. 第2の実施例において障害物の移動に伴い動作軌道を再生成した状態を示す概念図。The conceptual diagram which shows the state which reproduced | regenerated the operation | movement trajectory with the movement of the obstruction in the 2nd Example.

以下本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

本発明の第1の実施例について、図面を用いて以下説明する。図1は、本実施例による移動体姿勢生成方法の主要なステップを記載したフローチャートである。本実施例の移動体姿勢生成方法において行われる処理について、図1を用いて説明する。なお、各実施例においては、移動体はロボットマニピュレータ、移動体の一部分はロボットマニピュレータの手先であるものとして以下説明する。   A first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a flowchart describing the main steps of the moving body posture generation method according to the present embodiment. Processing performed in the moving body posture generation method of the present embodiment will be described with reference to FIG. In each embodiment, the following description will be made assuming that the moving body is a robot manipulator, and a part of the moving body is a hand of the robot manipulator.

一般的にロボットマニピュレータは関節とリンク機構で構成される。関節には回転関節や直動関節の他、球体関節などさまざまな種類がある。関節の動作はモータ等で能動的に動作する場合と、動力源を持たずに受動的に動作する場合がある。各関節間はリンク機構により結びつけられ、関節とリンク機構が交互に直列されたシリアルリンク型と関節とリンクの組合せが並列となったパラレルリンク型などがある。   In general, a robot manipulator is composed of a joint and a link mechanism. There are various types of joints such as rotary joints and linear joints as well as spherical joints. There are cases where the joint operates actively with a motor or the like, or passively without a power source. Each joint is linked by a link mechanism, and there are a serial link type in which joints and link mechanisms are alternately arranged, and a parallel link type in which combinations of joints and links are arranged in parallel.

以降では、回転関節を有するシリアルリンク型のロボットマニピュレータを例に説明する。   Hereinafter, a serial link type robot manipulator having a rotating joint will be described as an example.

まず、ロボットマニピュレータが作業を行う作業空間を定義する処理を行う(ステップS1)。作業空間とは、ロボットマニピュレータの初期位置や作業位置、および初期位置と作業位置の中間を含む実際の空間の情報に基づいて構築される空間である。この作業空間は、作業を行う施設等の設計情報、例えば3次元CADのデータを用いて設定する、またはカメラの映像や各種センサによる計測等で収集したデータを用いて設定する、あるいは手動で設定する、といったことが考えられる。   First, a process for defining a work space in which the robot manipulator performs work is performed (step S1). The work space is a space constructed on the basis of information on an actual space including an initial position and a work position of the robot manipulator and an intermediate position between the initial position and the work position. This work space is set using design information such as the facility where the work is performed, for example, three-dimensional CAD data, or is set using data collected by camera images or measurement by various sensors, or set manually. It may be possible to do so.

具体的には、例えばロボットマニュピレータの操作装置が関連付けられ、各種3次元形状モデルを作成、記憶、修正可能な3次元CADシステムを構成する演算装置及び入力装置によって行われる。すなわち、上述の入力装置に施設等の設計情報や収集したデータを入力する、あるいは任意に施設情報等を入力して、上述した作業空間に対応する3次元形状モデルを設定することによって行われる。   Specifically, for example, an operation device of a robot manipulator is associated, and this is performed by an arithmetic device and an input device constituting a three-dimensional CAD system that can create, store, and modify various three-dimensional shape models. That is, it is performed by inputting design information and collected data of a facility or the like to the above-described input device, or arbitrarily inputting facility information or the like, and setting a three-dimensional shape model corresponding to the above-described work space.

次に、作業空間上に斥力ベクトル場を生成する処理を行う(ステップS2)。斥力ベクトル場の生成は、作業空間上に3次元の格子を設定し、各格子点に斥力ベクトルを定義することで行う。この斥力ベクトルはステップS1で定義された作業空間内の障害物を発生源として設定する。各格子点に設定される斥力ベクトルの方向は障害物表面の法線方向、すなわち障害物表面に垂直な方向とし、斥力ベクトルの大きさは障害物に近いほど大きくなるように設定する。作業空間上に複数の障害物が存在する場合、例えば各格子点に最も近い障害物から発生する斥力ベクトルを、最終的にその格子点の斥力ベクトルとして設定する。   Next, a process for generating a repulsive vector field on the work space is performed (step S2). The repulsive force vector field is generated by setting a three-dimensional lattice on the work space and defining a repulsive force vector at each lattice point. This repulsive force vector is set by using an obstacle in the work space defined in step S1 as a generation source. The direction of the repulsive force vector set at each lattice point is the normal direction of the obstacle surface, that is, the direction perpendicular to the obstruction surface, and the magnitude of the repulsive force vector is set so as to be closer to the obstacle. When there are a plurality of obstacles in the work space, for example, a repulsive force vector generated from an obstacle closest to each lattice point is finally set as a repulsive force vector of the lattice point.

ステップS1で定義された作業空間と、ステップS2で生成された斥力ベクトル場の例を図2に示す。図2は作業空間に設定された障害物と斥力ベクトル場の概要を示す概念図である。なお、斥力ベクトル場については、斥力ベクトルのおおよその方向のみ示しており、作業空間上に設定される3次元格子は省略している。作業空間中に円筒形状の障害物10が設定されており、この障害物10から遠ざかる方向の斥力ベクトル11が設定されている。   FIG. 2 shows an example of the work space defined in step S1 and the repulsive force vector field generated in step S2. FIG. 2 is a conceptual diagram showing an overview of obstacles and repulsive force vector fields set in the work space. The repulsive force vector field shows only the approximate direction of the repulsive force vector, and the three-dimensional lattice set on the work space is omitted. A cylindrical obstacle 10 is set in the work space, and a repulsive force vector 11 in a direction away from the obstacle 10 is set.

斥力ベクトル場を設定する際、障害物10が複雑な形状で、突起や極端な狭隘部を有する等のロボットマニピュレータの手先が通過しにくい形状や配置を取る場合は、該当箇所付近の斥力ベクトル11を大きくする等の重み付けを行ってもよい。   When the repulsive force vector field is set, when the obstacle 10 has a complicated shape and has a shape or arrangement in which the hand of the robot manipulator is difficult to pass, such as a protrusion or an extremely narrow portion, the repulsive force vector 11 in the vicinity of the corresponding portion is taken. You may perform weighting, such as enlarging.

次に、ロボットマニピュレータの手先の初期位置と目標位置を結ぶように、動作軌道モデルを作業空間上に生成・配置する処理を行う(ステップS3)。この動作軌道モデルの構造の一例を、図3を用いて説明する。動作軌道モデルは、引っ張りバネ20とヒンジバネ21を組み合わせた連結バネ22を複数結合し、連結バネ22同士の結合部には質点23が設定された連成バネマス構造を有する。また、動作軌道モデルの両端に設定される質点23a、質点23bは、動作軌道モデルの配置の際、質点23aは手先の初期位置に、質点23bは手先の目標位置に固定される。なお、図3では連結バネ22を2つ結合したものとして図示しているが、連結バネ22の数は任意に設定することができる。   Next, a process of generating and arranging an operation trajectory model on the work space so as to connect the initial position of the hand of the robot manipulator and the target position is performed (step S3). An example of the structure of this motion trajectory model will be described with reference to FIG. The motion trajectory model has a coupled spring mass structure in which a plurality of connecting springs 22 that are a combination of a tension spring 20 and a hinge spring 21 are combined, and a mass point 23 is set at a connecting portion between the connecting springs 22. Further, the mass points 23a and 23b set at both ends of the motion trajectory model are fixed to the initial position of the hand and the mass point 23b is fixed to the target position of the hand when the motion trajectory model is arranged. In FIG. 3, two coupling springs 22 are illustrated as being coupled, but the number of coupling springs 22 can be arbitrarily set.

なお、図3においては、手先の初期位置と目標位置とを直線的に結ぶように動作軌道モデルを配置しているが、直線的に結ぶ必要はなく、空間中で初期位置と目標位置とを任意に結ぶように配置されていればよい。   In FIG. 3, the motion trajectory model is arranged so that the initial position of the hand and the target position are linearly connected, but it is not necessary to connect them linearly, and the initial position and the target position are not connected in space. What is necessary is just to arrange | position so that it may connect arbitrarily.

次に、ステップS3で生成した動作軌道モデルにステップS2で設定した斥力ベクトル11を作用させ、動作軌道を生成する処理を行う(ステップS4)。動作軌道モデルに設定された各質点23について、各質点23周辺に設定された複数の斥力ベクトル11の大きさ及び方向を空間補間した斥力ベクトルを作用させる。すると、動作軌道モデルを構成する引っ張りバネ20、ヒンジバネ21が変形する。この際、ヒンジバネ21は隣接する質点23間を直線形状に保つ方向に力を作用させ、ロボットマニピュレータの動作軌道31が必要以上に湾曲することを防ぐ。   Next, the repulsive force vector 11 set in step S2 is applied to the motion trajectory model generated in step S3, and processing for generating a motion trajectory is performed (step S4). A repulsive force vector obtained by spatially interpolating the magnitudes and directions of a plurality of repulsive force vectors 11 set around each mass point 23 is applied to each of the mass points 23 set in the motion trajectory model. Then, the tension spring 20 and the hinge spring 21 constituting the motion trajectory model are deformed. At this time, the hinge spring 21 applies a force in a direction to keep the adjacent mass points 23 in a straight line shape, and prevents the robot manipulator motion trajectory 31 from being bent more than necessary.

最終的には、各質点23に作用する斥力ベクトル11と引っ張りバネ20、ヒンジバネ21の張力がつりあう形状に動作軌道モデルが変形する。この変形した動作軌道モデルの描く軌道がロボットマニピュレータの動作軌道となる。   Finally, the motion trajectory model is deformed into a shape in which the repulsive force vector 11 acting on each mass point 23 and the tension of the tension spring 20 and the hinge spring 21 are balanced. The trajectory drawn by the deformed motion trajectory model is the motion trajectory of the robot manipulator.

ステップS4における動作軌道の生成の例を、図4を用いて説明する。図4(a)は動作軌道モデルに斥力ベクトル11を作用させていない状態、図4(b)は動作軌道モデルに斥力ベクトル11を作用させて動作軌道を生成した状態を示している。なお、図4においては簡略的に2次元図で表し、各質点23を結ぶ連結バネ22も簡略化して図示している。   An example of generation of the motion trajectory in step S4 will be described with reference to FIG. 4A shows a state where the repulsive force vector 11 is not applied to the motion trajectory model, and FIG. 4B shows a state where the repulsive force vector 11 is applied to the motion trajectory model to generate the motion trajectory. In FIG. 4, a simplified two-dimensional diagram is shown, and the connecting springs 22 connecting the mass points 23 are also shown in a simplified manner.

ステップS3において動作軌道モデルを配置するが、初期状態は図4(a)で示すように障害物10を貫通してもよい。なお、上述したように、質点23aは手先の初期位置に、質点23bは手先の目標位置に固定されている。この動作軌道モデルに斥力ベクトル11を作用させると、図4(b)で示す形状に変形し、障害物10を紙面右側から迂回する動作軌道が生成される。質点23a、質点23bは位置が固定されているため移動しない。   In step S3, the motion trajectory model is arranged, but the initial state may penetrate the obstacle 10 as shown in FIG. As described above, the mass point 23a is fixed at the initial position of the hand and the mass point 23b is fixed at the target position of the hand. When the repulsive force vector 11 is applied to the motion trajectory model, the motion trajectory is deformed into the shape shown in FIG. 4B, and a motion trajectory that detours the obstacle 10 from the right side of the page is generated. The mass points 23a and 23b do not move because the positions are fixed.

次に、ステップS4で生成した動作軌道について、動作軌道モデルの各質点23間を曲線補間し、動作軌道を滑らかにする処理を行う(ステップS5)。   Next, with respect to the motion trajectory generated in step S4, a process for smoothing the motion trajectory is performed by interpolating between the mass points 23 of the motion trajectory model (step S5).

ステップS6における移動体形状モデル設定の例を、図5を用いて説明する。図5ではロボットマニピュレータの3次元形状モデル25を上述した作業空間に設定し、設定した3次元形状モデル25上に斥力ベクトル場から受ける斥力を作用させる代表点26を複数点定義している。この代表点は、構造物との干渉を避けるために、ロボットマニピュレータの外形や内部に設定する。代表点26の設定箇所は任意だが、例えば図5のような形状のロボットマニピュレータの場合、モデルの構成要素である直方体や円柱部分の外形表面上に均等に設定する(煩雑になるため、図5では代表点26を一部省略して図示している。)。また、移動体の一部分である手先が作業ツールを持っている場合等、障害物との干渉が懸念される程度の大きさがある場合には手先にも代表点26を設定する。   An example of the moving body shape model setting in step S6 will be described with reference to FIG. In FIG. 5, the three-dimensional shape model 25 of the robot manipulator is set in the above-described work space, and a plurality of representative points 26 for applying the repulsive force received from the repulsive force vector field are defined on the set three-dimensional shape model 25. This representative point is set in the outer shape or inside of the robot manipulator in order to avoid interference with the structure. For example, in the case of a robot manipulator having a shape as shown in FIG. 5, the representative point 26 is set evenly on the outer surface of a rectangular parallelepiped or a cylindrical portion that is a component of the model (because it becomes complicated, In the figure, the representative point 26 is partially omitted. In addition, when the hand that is a part of the moving body has a work tool, the representative point 26 is also set on the hand when there is a size that may cause interference with an obstacle.

次に、ステップS6にて定義した代表点26にステップS2で設定した斥力ベクトル11の大きさと方向の斥力を作用させ、マニピュレータの各リンクごとに斥力の合計と各リンクに付随した関節軸に作用するモーメントの合計を算出する(ステップS7)。   Next, the repulsive force in the magnitude and direction of the repulsive force vector 11 set in step S2 is applied to the representative point 26 defined in step S6, and the repulsive force is applied to each link of the manipulator and the joint axis associated with each link. The sum of moments to be calculated is calculated (step S7).

次に、図6で示すように、ステップS4にて生成した初期位置27aから目標位置27bまでの動作軌道上に複数の参照点27を設定し、ある一つの参照点27に対してロボットマニピュレータの手先の現在位置と参照点27の位置偏差に基づく参照点27方向の引力ベクトル31をロボットマニピュレータの手先に作用させる(ステップS8)。このとき、引力ベクトル31の大きさは、例えば位置偏差量に比例する成分、位置偏差を積分した成分、位置偏差の時間変動を微分した成分の何れか、またはこれらの組合せから算出して設定する。   Next, as shown in FIG. 6, a plurality of reference points 27 are set on the motion trajectory from the initial position 27a to the target position 27b generated in step S4, and the robot manipulator An attractive vector 31 in the direction of the reference point 27 based on the current position of the hand and the positional deviation of the reference point 27 is applied to the hand of the robot manipulator (step S8). At this time, the magnitude of the attractive force vector 31 is calculated and set from, for example, a component proportional to the position deviation amount, a component obtained by integrating the position deviation, a component obtained by differentiating the time variation of the position deviation, or a combination thereof. .

次に、ステップS7とステップS8にて算出したロボットマニピュレータに作用する斥力とモーメントおよび引力を、各リンクに設定された代表点26の数で除算して、関節軸を基準位置としてそれぞれの平均を各リンクごとに算出する。   Next, the repulsive force, moment and attractive force acting on the robot manipulator calculated in step S7 and step S8 are divided by the number of representative points 26 set in each link, and the average of each is obtained with the joint axis as the reference position. Calculate for each link.

さらに現在のロボットマニピュレータの関節角速度をデカルト座標での手先の速度へと変換するヤコビ行列 を用いることで、手先と各リンクごとに算出した斥力(または斥力と引力の和)の平均(Fx,Fy,Fz)とモーメントの平均(Mx,My,Mz)から各関節軸に働くトルク を式(1)により求める。

Figure 0005173958
Furthermore, by using the Jacobian matrix that converts the joint angular velocity of the current robot manipulator into the velocity of the hand in Cartesian coordinates, the average (Fx, Fy) of the repulsive force (or the sum of repulsive force and attractive force) calculated for each hand and each link , Fz) and the average of moments (Mx, My, Mz), the torque acting on each joint axis is obtained by equation (1).
Figure 0005173958

nは関節軸のベース側から数えた番号
例えば、ある関節軸に働く から求まるトルクτはその関節軸よりもロボットマニピュレータのベース側(手先から遠い側)にある関節軸のトルクτであり、手先に働くFの場合はすべての関節軸に働くトルクτとなる。最終的に算出したトルクτを各関節軸ごとに合算する。
n is a number counted from the base side of the joint axis. For example, the torque τ obtained from acting on a joint axis is the torque τ of the joint axis on the base side (the side farther from the hand) of the robot manipulator than the joint axis. In the case of F acting on, the torque τ acting on all joint axes is obtained. The finally calculated torque τ is added up for each joint axis.

最後に、算出したトルクの大きさに基づいて関節軸角度を変化させることでロボットマニピュレータの全体に作用する斥力と手先の引力がつりあうまでロボットマニピュレータの全体姿勢を変化させる(ステップS9)。 Finally, by changing the joint axis angle based on the calculated magnitude of the torque, the overall posture of the robot manipulator is changed until the repulsive force acting on the entire robot manipulator and the attractive force of the hand are balanced (step S9).

ヤコビ行列を用いて各関節軸に作用するトルクを算出する利点は、順運動学から算出することができるため計算が容易であることにある。一般的にロボットマニピュレータの手先の位置・姿勢からロボットマニピュレータの姿勢つまり各関節角度を算出するには逆運動学を解く必要があるが、逆運動学による解法は順運動学に比べて計算負荷が大きい。   The advantage of calculating the torque acting on each joint axis using the Jacobian matrix is that the calculation is easy because it can be calculated from forward kinematics. In general, it is necessary to solve inverse kinematics in order to calculate the robot manipulator posture, that is, each joint angle, from the position and posture of the hand of the robot manipulator, but the inverse kinematic solution requires a computational load compared to forward kinematics. large.

以上のステップS6からステップS9までの一連の処理により、ステップS5までで得られた動作軌道と現在のロボットマニピュレータの姿勢から、動作軌道上に定義した参照点27へロボットマニピュレータの手先を移動させた時のロボットマニピュレータの全体姿勢が自動で生成される。   Through the series of processing from step S6 to step S9, the hand of the robot manipulator is moved from the motion trajectory obtained in step S5 and the current robot manipulator posture to the reference point 27 defined on the motion trajectory. The entire posture of the robot manipulator is automatically generated.

次に、動作軌道上の参照点を別の参照点へと更新し(ステップS10)、ステップS7からステップS9を繰り返すことで初期位置27aから目標位置27bまでの動作軌道上に設定したすべての参照点27におけるロボットマニピュレータの全体姿勢が生成される(ステップS11)。さらに、参照点間の姿勢を補間などにより算出することで初期位置27aから目標位置27bまでの滑らかな動作姿勢を生成することができる(ステップS12)。   Next, the reference point on the motion trajectory is updated to another reference point (step S10), and all the references set on the motion trajectory from the initial position 27a to the target position 27b by repeating steps S7 to S9. The overall posture of the robot manipulator at point 27 is generated (step S11). Further, by calculating the posture between the reference points by interpolation or the like, a smooth motion posture from the initial position 27a to the target position 27b can be generated (step S12).

以上の一連の処理により、構造物との干渉を回避したロボットマニピュレータの手先の動作軌道およびロボットマニピュレータの動作姿勢が生成される。このような動作生成によれば、ポテンシャル法におけるローカルミニマムの問題が生じることなく、移動体の最適な動作軌道および動作姿勢を生成することが可能である。   Through the series of processes described above, the motion trajectory of the hand of the robot manipulator that avoids the interference with the structure and the motion posture of the robot manipulator are generated. According to such motion generation, it is possible to generate the optimal motion trajectory and motion posture of the moving body without causing a local minimum problem in the potential method.

また、ステップS1について説明したとおり移動する障害物を設定する場合は、リアルタイムに斥力ベクトル場と動作軌道モデルの形状を更新する処理を行うことも可能である。また、障害物の移動範囲が決まっている場合は、障害物の移動範囲全体を一つの障害物として設定することも可能である。   Further, when an obstacle that moves as described in step S1 is set, it is also possible to perform processing for updating the shape of the repulsive force vector field and the motion trajectory model in real time. Further, when the moving range of the obstacle is determined, it is possible to set the entire moving range of the obstacle as one obstacle.

また、構造物の設計情報や、実際の作業環境の情報を収集して設定することができるため、設計・計画段階の施設、建設済みの施設の何れについても適用することが可能である。   In addition, since it is possible to collect and set structure design information and actual work environment information, it can be applied to any facility at the design / planning stage or a facility that has already been constructed.

また、動作軌道モデルを構成する引っ張りバネ20、ヒンジバネ21のバネ定数は任意に設定することができる。斥力ベクトル場が同一の場合、バネ定数が大きいほど動作軌道モデルは変形し難く、逆にバネ定数が小さいほど動作軌道モデルは変形し易くなる。したがって、例えば、手先形状が大きいマニピュレータの場合はバネ定数を小さくすることにより、バネ定数が固定の場合の動作軌道よりも障害物10から離れた動作軌道が生成される。逆に、手先が小さい場合はバネ定数を大きくすることでバネ定数が固定の場合の動作軌道よりも障害物10に近い動作軌道が生成される。換言すれば、バネ定数を任意に設定することにより、障害物10に対する移動体の一部分の回避軌道の大きさを任意に変更することが可能である。   Further, the spring constants of the tension spring 20 and the hinge spring 21 constituting the motion trajectory model can be arbitrarily set. When the repulsive force vector field is the same, the larger the spring constant, the harder the deformation of the motion trajectory model. Conversely, the smaller the spring constant, the easier the deformation of the motion trajectory model. Therefore, for example, in the case of a manipulator with a large hand shape, by reducing the spring constant, an operation trajectory that is further away from the obstacle 10 than the operation trajectory when the spring constant is fixed is generated. On the contrary, when the hand is small, by increasing the spring constant, an operation trajectory closer to the obstacle 10 than the operation trajectory when the spring constant is fixed is generated. In other words, it is possible to arbitrarily change the size of the avoidance trajectory of a part of the moving body with respect to the obstacle 10 by arbitrarily setting the spring constant.

つまり、上述の方法により手先の大きさに合わせてロボットマニピュレータの手先と障害物10の干渉回避距離を確保した動作軌道を生成することができる。また、動作軌道モデルを構成する各バネのバネ定数は同一でなくともよい。例えば、障害物10が少ない箇所におけるバネ定数を大きくし、障害物10が多く狭隘な箇所におけるバネ定数を小さくするなど、作業空間内1の障害物10の形状に合わせて部分的にバネ定数を変えることで、バネ定数が大きい箇所では障害物10の形状に依存することなく、より直線的な軌道を得ることができ、バネ定数が小さい箇所では障害物10の形状に沿った干渉回避軌道を得ることができる。   That is, an operation trajectory that secures an interference avoidance distance between the hand of the robot manipulator and the obstacle 10 according to the size of the hand can be generated by the above-described method. Further, the spring constants of the springs constituting the motion trajectory model need not be the same. For example, the spring constant is partially increased in accordance with the shape of the obstacle 10 in the work space 1 such as increasing the spring constant in a place where there are few obstacles 10 and decreasing the spring constant in a place where there are many obstacles 10 and narrow. By changing, it is possible to obtain a more linear trajectory without depending on the shape of the obstacle 10 at a location where the spring constant is large, and an interference avoidance trajectory along the shape of the obstacle 10 at a location where the spring constant is small. Can be obtained.

また、動作軌道を生成する際に、質点23の各々についてロボットマニピュレータの可動範囲を拘束条件としてもよい。すなわち、質点23の各々は斥力ベクトル11を作用させることで作業空間中を移動するが、この際にロボットマニピュレータの可動範囲外には移動できないよう設定することで、確実にロボットマニピュレータの可動範囲内に動作軌道を生成することが可能である。   Further, when generating the motion trajectory, the movable range of the robot manipulator may be set as the constraint condition for each of the mass points 23. That is, each of the mass points 23 moves in the work space by applying the repulsive force vector 11, but at this time, by setting it so that it cannot move outside the movable range of the robot manipulator, it is surely within the movable range of the robot manipulator. It is possible to generate a motion trajectory.

また、本実施例においては動作軌道モデルに関して、間隔を空けて質点23を離散的に配置したものとして説明したが、連続的に質点23を配置したものとして、つまり動作軌道モデルが全体として質量を有するものとすることも可能である。   In the present embodiment, the motion trajectory model has been described as having the mass points 23 arranged discretely at intervals, but the mass of the motion trajectory model as a whole is assumed to be that the mass points 23 are continuously arranged. It is also possible to have it.

また、図7で示すように、動作軌道上の参照点27cを含みかつ動作軌道に鉛直な平面29を定義し、ロボットマニピュレータの手先の現在位置28と鉛直平面29との位置偏差(例えば、現在位置28と鉛直平面29の最短距離を用いる)に応じた引力ベクトル31を設定し、手先にこの引力を作用させることで、最終的なロボットマニピュレータの手先位置を、参照点27cを含む鉛直平面内に収束させることもできる。この手法を用いることによりロボットマニピュレータの手先の位置を参照点27cに収束させることができるロボットマニピュレータの全体姿勢が物理的に存在しない場合に、参照点27cの近傍におけるロボットマニピュレータの姿勢を生成することができる。   In addition, as shown in FIG. 7, a plane 29 including the reference point 27c on the motion trajectory and perpendicular to the motion trajectory is defined, and a positional deviation (for example, the current position) between the current position 28 of the hand of the robot manipulator and the vertical plane 29 is defined. By setting the attractive force vector 31 according to the shortest distance between the position 28 and the vertical plane 29) and applying this attractive force to the hand, the final hand position of the robot manipulator is set in the vertical plane including the reference point 27c. It can also be converged to. By generating a robot manipulator posture in the vicinity of the reference point 27c when the entire posture of the robot manipulator that can converge the position of the hand of the robot manipulator to the reference point 27c does not physically exist by using this method. Can do.

また、各関節軸に働くトルクに基づいて関節軸角度の変化量を算出する際に、関節ごとに重み係数を設定することで、各関節ごとの動き易さを設定することができる。   Further, when calculating the amount of change in the joint axis angle based on the torque acting on each joint axis, the ease of movement for each joint can be set by setting the weighting coefficient for each joint.

さらに、この重み係数が可変であることにより、ロボットマニピュレータの姿勢が特異姿勢に近づいた場合は、特異姿勢に関係する関節軸の角度の変化のし易さを変動させることで特異姿勢を回避することができる。   Furthermore, when this weight coefficient is variable, when the posture of the robot manipulator approaches a singular posture, the singular posture is avoided by changing the ease of change of the angle of the joint axis related to the singular posture. be able to.

また、ステップS8の引力ベクトル設定ステップにおいて、ロボットマニピュレータの設置点に参照点27や参照点27を含む鉛直平面内に向けた引力を作用させることでロボットマニピュレータ全体を移動させることもできる。   Further, in the attractive force vector setting step in step S8, the entire robot manipulator can be moved by applying an attractive force directed to the installation point of the robot manipulator in the vertical plane including the reference point 27 and the reference point 27.

これはロボットマニピュレータに限らず適用でき、歩行型ロボットなどの複数の関節を持つ移動体について、干渉を回避する姿勢を自動で生成しつつ、目標の位置まで移動させることができる。   This can be applied not only to a robot manipulator but also to a moving body having a plurality of joints, such as a walking robot, while automatically generating a posture avoiding interference and moving it to a target position.

本発明の第2の実施例について、図面を用いて以下説明する。なお、第1の実施例と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。   A second embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same structure as a 1st Example, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

図8は、第1の実施例のステップS1からステップS12までの移動体姿勢生成のステップを記載したフローチャートである。本実施例による移動体姿勢生成方法は障害物が移動する作業環境を想定したもので、移動体姿勢を生成した後の処理が第1の実施例と異なっている。   FIG. 8 is a flowchart describing the steps of generating the moving body posture from step S1 to step S12 of the first embodiment. The moving body posture generation method according to the present embodiment assumes a work environment in which an obstacle moves, and the processing after the moving body posture is generated is different from that of the first embodiment.

まず、作業空間の定義(ステップS1)から動作軌道モデルの生成・配置(ステップS12)まで第1の実施例と同様の処理を行う。   First, the same processing as in the first embodiment is performed from the definition of the work space (step S1) to the generation and arrangement of the motion trajectory model (step S12).

次に、作業空間に配置された障害物10を移動する処理を行う(ステップS21)。   Next, a process of moving the obstacle 10 arranged in the work space is performed (step S21).

次に、障害物10の移動に伴う斥力ベクトル場の更新を行う。また、斥力ベクトル場の更新に合わせて動作軌道モデルに作用する斥力ベクトルを更新し、動作軌道モデルを更新する処理を行う。また、更新された斥力ベクトル場および動作軌道モデルを用い、ロボットマニピュレータの姿勢を更新する処理を行う(ステップS22)。   Next, the repulsive force vector field accompanying the movement of the obstacle 10 is updated. In addition, the repulsive force vector acting on the motion trajectory model is updated in accordance with the renewal of the repulsive force vector field, and processing for updating the motion trajectory model is performed. Further, using the updated repulsive force vector field and the motion trajectory model, a process for updating the posture of the robot manipulator is performed (step S22).

次に、ステップS22で更新された動作軌道モデルについて、動作軌道モデルを構成する各バネの張力が所定の閾値を超えているかいないかを判定する処理を行う(ステップS23)。   Next, processing for determining whether or not the tension of each spring constituting the motion trajectory model exceeds a predetermined threshold is performed for the motion trajectory model updated in step S22 (step S23).

ステップS23の判定で、バネ張力が閾値より低かった場合は、移動体の移動を行う(ステップS24)。そして、移動体の一部分(手先)が目標位置に到達したかどうか判定を行い(ステップS25)、到達していた場合は処理を終了し、到達していない場合はステップS21に戻り、障害物10の移動以降のステップを繰り返し行う。   If it is determined in step S23 that the spring tension is lower than the threshold value, the moving body is moved (step S24). Then, it is determined whether or not a part (hand) of the moving body has reached the target position (step S25). If it has reached, the process ends. If not, the process returns to step S21, and the obstacle 10 Repeat steps after moving.

ステップS23の判定で、バネ張力が閾値よりも高かった場合は、動作軌道モデルを再配置する処理を行う(ステップS26)。この動作軌道モデルの再配置は、更新後の斥力ベクトル場の他、移動体の一部分の現在位置を考慮する点でステップS4と異なる。ステップS4では手先の初期位置と目標位置のみを動作軌道モデルの拘束点として配置しているが、ステップS22では手先の初期位置、目標位置に加えて手先の現在位置を拘束点として動作軌道モデルを再配置する。この動作軌道モデルの再配置後、再度ステップS4以降のステップを繰り返す。   If it is determined in step S23 that the spring tension is higher than the threshold value, processing for rearranging the motion trajectory model is performed (step S26). This rearrangement of the motion trajectory model is different from step S4 in that in addition to the updated repulsive force vector field, the current position of a part of the moving body is considered. In step S4, only the initial position and the target position of the hand are arranged as restraint points of the motion trajectory model. However, in step S22, the motion trajectory model is set using the current position of the hand in addition to the initial position and the target position of the hand. Rearrange. After the rearrangement of the motion trajectory model, the steps after step S4 are repeated again.

このような処理とすることにより、障害物10の移動にともなって動作軌道およびロボットマニピュレータの姿勢を逐次更新することが可能である。また、動作軌道モデルを構成するバネの張力を判定することにより、障害物10の移動によって更新された動作軌道モデルが極端な軌道を描く場合等に、動作軌道モデルの再設定を行うことによって、移動体の現在位置を考慮した最適な動作軌道およびロボットマニピュレータの姿勢への変更を自動で行うことが可能である。   With such processing, it is possible to sequentially update the motion trajectory and the posture of the robot manipulator as the obstacle 10 moves. Further, by determining the tension of the spring constituting the motion trajectory model, when the motion trajectory model updated by the movement of the obstacle 10 draws an extreme trajectory, etc., by resetting the motion trajectory model, It is possible to automatically change to the optimal motion trajectory and robot manipulator posture considering the current position of the moving body.

本実施例による動作軌道の変更処理の例を、図面を用いて説明する。なお、ロボットマニピュレータの姿勢については図示を省略する。図9、図10、図11はそれぞれ、本実施例によるステップS17以降の処理を説明するための概念図であり、図9は障害物10が移動する前の状態、図10は障害物10が移動した後の状態、図11はステップS26を経て動作軌道を変更した例を示している。   An example of the operation trajectory changing process according to the present embodiment will be described with reference to the drawings. Note that illustration of the posture of the robot manipulator is omitted. 9, 10, and 11 are conceptual diagrams for explaining the processing after step S <b> 17 according to the present embodiment. FIG. 9 shows a state before the obstacle 10 moves, and FIG. 10 shows the obstacle 10. FIG. 11 shows an example in which the motion trajectory is changed through step S26 after the movement.

図9はステップS5で最初に動作軌道を生成した状態を示している。障害物10が複雑な形状をしており、動作軌道モデルがこの障害物10の凹部を通過するように迂回する軌道をとっている。矢印40はこの障害物10の移動方向を示し、破線は移動体の一部分(手先)の初期位置と目標位置とを直線的に結んだもので、変形前の動作軌道モデルの位置に相当する。   FIG. 9 shows a state in which the motion trajectory is first generated in step S5. The obstacle 10 has a complicated shape, and the motion trajectory model takes a trajectory that detours so as to pass through the recess of the obstacle 10. An arrow 40 indicates the moving direction of the obstacle 10, and a broken line linearly connects an initial position and a target position of a part (hand) of the moving body and corresponds to the position of the motion trajectory model before deformation.

図10はステップS21によって障害物10が移動し、ステップS22で斥力ベクトル場と動作軌道とが更新された状態を示している。障害物10が矢印40方向へ移動したことにより、動作軌道モデルが障害物10をより大きく迂回するような軌道をとっていることが分かる。   FIG. 10 shows a state in which the obstacle 10 has moved in step S21 and the repulsive force vector field and the motion trajectory have been updated in step S22. As the obstacle 10 moves in the direction of the arrow 40, it can be seen that the motion trajectory model takes a trajectory that largely bypasses the obstacle 10.

図11はステップS23で動作軌道モデルのバネ張力が閾値より高いと判定され、ステップS26の動作軌道モデルの再配置を経てステップS5で動作軌道が変更された状態を示している。なお、図11ではステップS26の時点で手先が質点23cの位置まで移動していたものとして図示している。よって、手先の初期位置、目標位置のほか、質点23cの位置も動作軌道モデルの拘束点となっており、動作軌道が変更された結果、図19や図10とは逆側から障害物10を迂回するような軌道をとっている。なお、図11においては、破線はステップS23で判定された際の動作軌道モデルの形状を示している。   FIG. 11 shows a state in which it is determined in step S23 that the spring tension of the motion trajectory model is higher than the threshold value, and the motion trajectory is changed in step S5 after the rearrangement of the motion trajectory model in step S26. In FIG. 11, it is illustrated that the hand has moved to the position of the mass point 23c at the time of step S26. Therefore, in addition to the initial position and the target position of the hand, the position of the mass point 23c is also a constraint point of the motion trajectory model. As a result of the motion trajectory being changed, the obstacle 10 is moved from the opposite side to FIG. 19 and FIG. The trajectory takes a detour. In FIG. 11, the broken line indicates the shape of the motion trajectory model when determined in step S23.

このように、障害物10の移動に応じて動作軌道およびロボットマニピュレータの姿勢を再計算して最適な軌道・姿勢を更新することが可能である。   As described above, it is possible to recalculate the motion trajectory and the posture of the robot manipulator in accordance with the movement of the obstacle 10 to update the optimum trajectory / posture.

なお、本実施例によってはステップS23において動作軌道モデルを構成するバネの張力に基づいて動作軌道モデルを再配置する処理の実行を判定するものとしたが、例えば動作軌道モデルがロボットマニピュレータの可動範囲から逸脱した場合に動作軌道モデルを再配置するような判定とすることも可能である。   In this embodiment, the execution of the process for rearranging the motion trajectory model is determined based on the tension of the spring constituting the motion trajectory model in step S23. For example, the motion trajectory model is determined by the movable range of the robot manipulator. It is also possible to determine that the motion trajectory model is rearranged when deviating from the above.

また、本実施例においては、全ての参照点で姿勢を生成してから(ステップS11)障害物の移動による更新処理(ステップS21等)を行なうこととしているが、例えばステップS11で移動体の現在位置から1つ先の参照点までの姿勢生成まででステップS12に進み、更新処理(ステップS21等)を行い、ステップS24からステップS25に進んだ場合に次の参照点での姿勢生成(ステップS7)以降の処理を行なう構成としても良い。このような処理とすると、ステップS24からステップS26に進んだ場合に、動作を再度生成する量が減るため、計算処理をより合理的にすることができる。   Further, in this embodiment, the posture is generated at all reference points (step S11), and update processing (step S21, etc.) by moving the obstacle is performed. The process proceeds to step S12 until the generation of the attitude from the position to the next reference point, performs update processing (step S21, etc.), and generates the attitude at the next reference point when the process proceeds from step S24 to step S25 (step S7). It is also possible to adopt a configuration for performing the subsequent processing. With such a process, when the process proceeds from step S24 to step S26, the amount of operation generated again is reduced, so that the calculation process can be made more rational.

以上、本発明による移動体姿勢生成について複数の実施例を用いて説明してきたが、上述した各実施例においては、ロボットマニピュレータの手先の動作軌道の生成とロボットマニピュレータ全体姿勢の生成を一連の処理として説明したが、手先の動作軌道の生成方法が上述したものと異なる方法であっても、斥力ベクトル場の生成と、移動体形状モデル設定以降の処理を行うことにより、ロボットマニピュレータ全体姿勢を生成することが可能である。   As described above, the mobile body posture generation according to the present invention has been described using a plurality of embodiments. In each of the above-described embodiments, the generation of the motion trajectory of the hand of the robot manipulator and the generation of the overall posture of the robot manipulator are performed in a series of processes. However, even if the method for generating the motion trajectory of the hand is different from the method described above, the entire posture of the robot manipulator is generated by performing repulsive force vector field generation and processing after the moving body shape model setting. Is possible.

また、各実施例においては移動体がロボットマニピュレータであるものとして説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、水中遊泳ロボット、歩行型ロボット、車輪型ロボット等の、障害物が存在する3次元空間における各種の移動体の軌道生成に関して、本発明を適用することが可能である。   In each embodiment, the moving body is described as a robot manipulator, but the present invention is not limited to this. For example, the present invention can be applied to the generation of trajectories of various moving bodies in a three-dimensional space where obstacles exist, such as an underwater swimming robot, a walking robot, and a wheel robot.

また、各実施例において説明した移動体姿勢生成方法は、各処理を行う機能が実装された入力装置、演算装置、出力装置からなるシステムで実行することが可能であり、例えば各処理を行うためのプログラムを組み込んだ一般的なパーソナルコンピュータを用いることができる。   In addition, the moving body posture generation method described in each embodiment can be executed by a system including an input device, a calculation device, and an output device in which a function for performing each process is implemented. A general personal computer incorporating the above program can be used.

10 障害物
11、11a、11b 斥力ベクトル
20 引っ張りバネ
21 ヒンジバネ
22 連結バネ
23、23a、23b 質点
25 3次元形状モデル
26 代表点
27、27c 参照点
27a 初期位置
27b 目標位置
28 現在位置
29 鉛直平面
31 引力ベクトル
10 Obstacles 11, 11 a, 11 b Repulsive force vector 20 Tension spring 21 Hinge spring 22 Connecting springs 23, 23 a, 23 b Material point 25 Three-dimensional shape model 26 Representative point 27, 27 c Reference point 27 a Initial position 27 b Target position 28 Current position 29 Vertical plane 31 Attractive vector

Claims (11)

移動体の一部分の動作軌道に基づいて移動体全体の姿勢を生成する移動体姿勢生成方法であって、
移動体が移動する空間に存在する障害物を発生源とする斥力ベクトルからなる斥力ベクトル場を設定する斥力ベクトル場設定ステップと、
移動体の3次元形状モデルに斥力および引力が作用する代表点を設定する移動体形状モデル設定ステップと、
代表点に作用する斥力から移動体の各関節軸に働く力とモーメントを算出する力・モーメント算出ステップと、
前記動作軌道上に参照点を設定し、参照点に向けた引力を前記移動体に作用させる引力ベクトル設定ステップと、
移動体の3次元形状モデルに作用する力とモーメントから移動体の各関節軸に作用するトルクを算出し、トルクに基づいて各関節軸の角度を変化させる姿勢生成ステップと、を備えることを特徴とする移動体姿勢生成方法。
A moving body posture generation method for generating a posture of an entire moving body based on a motion trajectory of a part of the moving body,
A repulsive force vector field setting step for setting a repulsive force vector field composed of a repulsive force vector with an obstacle existing in a space in which the moving object moves;
A moving body shape model setting step for setting a representative point at which repulsive force and attractive force act on the three-dimensional shape model of the moving body;
A force / moment calculation step for calculating the force and moment acting on each joint axis of the moving body from the repulsive force acting on the representative point;
An attractive force vector setting step of setting a reference point on the motion trajectory and causing an attractive force directed to the reference point to act on the moving body;
A posture generation step of calculating a torque acting on each joint axis of the moving body from a force and a moment acting on the three-dimensional shape model of the moving body, and changing an angle of each joint axis based on the torque. A moving body posture generation method.
移動体の一部分の動作軌道に基づいて移動体全体の姿勢を生成する移動体姿勢生成方法であって、
移動体が移動する空間を設定する空間設定ステップと、
前記空間中に前記移動体の一部分が動作を開始する初期位置を設定する初期位置設定ステップと、
前記空間中に前記移動体の一部分の目標位置を設定する目標位置設定ステップと、
前記空間に存在する障害物を発生源とする斥力ベクトルからなる斥力ベクトル場を設定する斥力ベクトル場設定ステップと、
前記初期位置と前記目標位置とを結び、前記初期位置と前記目標位置の間に前記斥力ベクトルが作用する作用点を有し、前記初期位置と前記目標位置に両端を固定された動作軌道モデルを設定する動作軌道モデル設定ステップと、
前記斥力ベクトル場の前記斥力ベクトルを前記作用点に作用させ、変形した前記動作軌道モデルを前記移動体の動作軌道とする動作軌道生成ステップと、
移動体の3次元形状モデルに斥力および引力が作用する代表点を設定する移動体形状モデル設定ステップと、
代表点に作用する斥力から移動体の各関節軸に働く力とモーメントを算出する力・モーメント算出ステップと、
生成した動作軌道上に参照点を設定し、参照点に向けた引力を移動体に作用させる引力ベクトル設定ステップと、
移動体の3次元形状モデルに作用する力とモーメントから移動体の各関節軸に作用するトルクを算出し、トルクに基づいて各関節軸の角度を変化させる姿勢生成ステップと、を備えることを特徴とする移動体姿勢生成方法。
A moving body posture generation method for generating a posture of an entire moving body based on a motion trajectory of a part of the moving body,
A space setting step for setting a space in which the moving body moves;
An initial position setting step for setting an initial position at which a part of the moving body starts operating in the space;
A target position setting step of setting a target position of a part of the moving body in the space;
A repulsive force vector field setting step for setting a repulsive force vector field composed of a repulsive force vector having an obstacle existing in the space as a source;
An operating trajectory model that connects the initial position and the target position, has an action point where the repulsive force vector acts between the initial position and the target position, and has both ends fixed to the initial position and the target position. A motion trajectory model setting step to be set;
An action trajectory generating step in which the repulsive force vector of the repulsive force vector field is applied to the action point and the deformed action trajectory model is used as the movement trajectory of the moving body;
A moving body shape model setting step for setting a representative point at which repulsive force and attractive force act on the three-dimensional shape model of the moving body;
A force / moment calculation step for calculating the force and moment acting on each joint axis of the moving body from the repulsive force acting on the representative point;
An attraction vector setting step for setting a reference point on the generated motion trajectory and causing an attractive force directed to the reference point to act on the moving body;
A posture generation step of calculating a torque acting on each joint axis of the moving body from a force and a moment acting on the three-dimensional shape model of the moving body, and changing an angle of each joint axis based on the torque. A moving body posture generation method.
前記姿勢生成ステップの後に、前記参照点を更新する参照点更新ステップと、前記参照点が前記動作軌道上の目標位置に到達するまで前記力・モーメント算出ステップ、前記引力ベクトル設定ステップ、前記姿勢生成ステップ、前記参照点更新ステップを繰り返す動作生成ステップを備えることを特徴とする請求項1または請求項2記載の移動体姿勢生成方法。   After the posture generation step, a reference point update step for updating the reference point, until the reference point reaches a target position on the motion trajectory, the force / moment calculation step, the attractive force vector setting step, the posture generation 3. The moving body posture generation method according to claim 1, further comprising an operation generation step of repeating the step and the reference point update step. 前記引力ベクトル設定ステップで、引力を作用させる移動体の当該箇所の現在位置と生成した動作軌道上の参照点との位置偏差に応じた引力を設定することを特徴とする請求項1または請求項2記載の移動体姿勢生成方法。 2. The attractive force according to a positional deviation between a current position of the position of the moving body on which the attractive force is applied and a reference point on the generated motion trajectory is set in the attractive force vector setting step. The moving body attitude | position production | generation method of 2 description. 前記引力ベクトル設定ステップで、動作軌道上の参照点を含み、かつ動作軌道に鉛直な平面を定義し、引力を作用させる移動体の当該箇所の現在位置と前記鉛直平面との位置偏差に応じた引力を設定することを特徴とする請求項1または請求項2記載の移動体姿勢生成方法。 In the attractive force vector setting step, a plane that includes a reference point on the motion trajectory and that is perpendicular to the motion trajectory is defined, and a position deviation between the current position of the moving body on which the gravitational force is applied and the vertical plane is determined. The mobile body posture generation method according to claim 1, wherein an attractive force is set. 前記引力ベクトル設定ステップで、位置偏差量に比例する成分、位置偏差を積分した成分、位置偏差の時間変動を微分した成分の組合せからなる引力を設定することを特徴とする請求項4または請求項5記載の移動体姿勢生成方法。 5. The attractive force comprising a combination of a component proportional to a positional deviation amount, a component obtained by integrating the positional deviation, and a component obtained by differentiating the temporal variation of the positional deviation is set in the attractive vector setting step. 5. The moving body posture generation method according to 5. 前記姿勢生成ステップで、トルクに基づく各関節軸角度の変化量を算出する過程において関節軸ごとに関節の動き易さを表す係数を設定することを特徴とする請求項1または請求項2記載の移動体姿勢生成方法。 The coefficient representing the ease of movement of the joint is set for each joint axis in the process of calculating the amount of change of each joint axis angle based on torque in the posture generation step. A moving body posture generation method. 前記姿勢生成ステップで、移動体が特異姿勢に近づいた場合に、関節の動き易さを表す係数を変化させることを特徴とする請求項7記載の移動体姿勢生成方法。 8. The moving body posture generation method according to claim 7, wherein, in the posture generation step, a coefficient representing the ease of movement of the joint is changed when the moving body approaches a specific posture. 前記姿勢生成ステップで、移動体の現在の姿勢から求まるヤコビ行列を用いることで、3次元形状モデルに作用する力とモーメントから各関節軸に作用するトルクを算出することを特徴とする請求項1または請求項2記載の移動体姿勢生成方法。 The torque acting on each joint axis is calculated from the force and moment acting on the three-dimensional shape model by using a Jacobian matrix obtained from the current posture of the moving body in the posture generation step. Or the moving body attitude | position production | generation method of Claim 2. 移動体の一部分の動作軌道に基づいて移動体全体の姿勢を生成する移動体姿勢生成装置であって、
移動体が移動する空間に存在する障害物を発生源とする斥力ベクトルからなる斥力ベクトル場を設定する斥力ベクトル場設定手段と、
移動体の3次元形状モデルに斥力および引力が作用する代表点を設定する移動体形状モデル設定手段と、
代表点に作用する斥力から移動体の各関節軸に働く力とモーメントを算出する力・モーメント算出手段と、
前記動作軌道上に参照点を設定し、参照点に向けた引力を前記移動体に作用させる引力ベクトル設定手段と、
移動体の3次元形状モデルに作用する力とモーメントから移動体の各関節軸に作用するトルクを算出し、トルクに基づいて各関節軸の角度を変化させる姿勢生成手段と、を備えることを特徴とする移動体姿勢生成装置。
A mobile body posture generation device that generates a posture of an entire mobile body based on an operation trajectory of a part of the mobile body,
A repulsive force vector field setting means for setting a repulsive force vector field composed of repulsive force vectors with an obstacle existing in a space in which the moving body moves as a source;
Moving body shape model setting means for setting a representative point at which repulsive force and attractive force act on the three-dimensional shape model of the moving body;
Force / moment calculation means for calculating the force and moment acting on each joint axis of the moving body from the repulsive force acting on the representative point;
An attraction vector setting means for setting a reference point on the motion trajectory and causing an attractive force directed to the reference point to act on the moving body;
Posture generating means for calculating a torque acting on each joint axis of the moving body from a force and a moment acting on the three-dimensional shape model of the moving body, and changing an angle of each joint axis based on the torque. A mobile body posture generation device.
移動体の一部分の動作軌道に基づいて移動体全体の姿勢を生成する移動体姿勢生成装置であって、
移動体が移動する空間を設定する空間設定手段と、
前記空間中に前記移動体の一部分が動作を開始する初期位置を設定する初期位置設定手段と、
前記空間中に前記移動体の一部分の目標位置を設定する目標位置設定手段と、
前記空間に存在する障害物を発生源とする斥力ベクトルからなる斥力ベクトル場を設定する斥力ベクトル場設定手段と、
前記初期位置と前記目標位置とを結び、前記初期位置と前記目標位置の間に前記斥力ベクトルが作用する作用点を有し、前記初期位置と前記目標位置に両端を固定された動作軌道モデルを設定する動作軌道モデル設定手段と前記斥力ベクトル場の前記斥力ベクトルを前記作用点に作用させ、変形した前記動作軌道モデルを前記移動体の動作軌道とする動作軌道生成手段と、
移動体の3次元形状モデルに斥力および引力が作用する点を設定する移動体形状モデル設定手段と、移動体に作用する斥力から移動体の各関節軸に働く力とモーメントを算出する力・モーメント算出手段と、生成した動作軌道上に参照点を設定し、参照点に向けた引力を移動体に作用させる引力ベクトル設定手段と、
移動体の3次元形状モデルに作用する力とモーメントから移動体の各関節軸に作用するトルクを算出し、トルクに基づいて各関節軸の角度を変化させる姿勢生成手段と、を備えることを特徴とする移動体姿勢生成装置。
A mobile body posture generation device that generates a posture of an entire mobile body based on an operation trajectory of a part of the mobile body,
Space setting means for setting a space in which the moving body moves;
Initial position setting means for setting an initial position at which a part of the moving body starts operation in the space;
Target position setting means for setting a target position of a part of the moving body in the space;
Repulsive force vector field setting means for setting a repulsive force vector field composed of repulsive force vectors having an obstacle existing in the space as a source;
An operating trajectory model that connects the initial position and the target position, has an action point where the repulsive force vector acts between the initial position and the target position, and has both ends fixed to the initial position and the target position. Action trajectory model setting means to set and action trajectory generating means for applying the repulsive force vector of the repulsive force vector field to the action point and using the deformed motion trajectory model as the motion trajectory of the moving body;
A moving body shape model setting means for setting a point at which repulsive force and attractive force act on a three-dimensional shape model of the moving body, and a force / moment for calculating the force and moment acting on each joint axis of the moving body from the repulsive force acting on the moving body A calculation means; an attraction vector setting means for setting a reference point on the generated motion trajectory and causing an attractive force directed to the reference point to act on the moving body;
Posture generating means for calculating a torque acting on each joint axis of the moving body from a force and a moment acting on the three-dimensional shape model of the moving body, and changing an angle of each joint axis based on the torque. A mobile body posture generation device.
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