JP6450737B2 - ロボットシステム - Google Patents

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Description

本発明は、産業用ロボットなどのロボットを1台以上備えたロボットシステムに関する。
近年、作業者等の人間と作業空間を共有して稼動できるように、人間や周辺機器との接触を力センサで検出し、動作を停止したり変更したりする協働ロボット(協調ロボット)が普及しつつある。この協働ロボットでは、その作業中の安全性を高めるべく、ロボットの動作可否領域(動作可能領域および動作制限領域)を適正に設定することが重要になる。従来、こうした動作可否領域を設定する際には、その設定作業者が、ロボットの動作制限領域(干渉領域)を想定しつつ、この動作制限領域を画定するための数値(例えば、作業空間が2次元の場合にはX座標およびY座標、作業空間が3次元の場合にはX座標、Y座標およびZ座標)を入力していた。
なお、工作機械に関しては、チャックやワークと工具との衝突(干渉)を防止するため、専用の接触センサ(タッチプローブ、ツールセッタ)を刃物台や主軸側に装着し、チャックやワークにワークを接触させたときの位置(座標)に基づいて、干渉領域を設定する技術が開示されていた(例えば、特許文献1参照)。
特開2006−102922号公報
しかしながら、設定作業者が数値を入力してロボットの動作可否領域を設定する従来の手法では、ロボットの設置状況によっては、多大な入力作業を要する場合がある。また、作業空間が複雑になると、ロボットの動作可否領域を適正に設定することが難しくなる。その結果、ロボットの動作可否領域を設定するに際して、必然的に設定作業者の負担が増大してしまう。
また、特許文献1に開示された工作機械に関する技術は、そもそも技術分野がロボットシステムと異なることに加えて、専用の接触センサを取り付けなければならない面倒がある。
本発明は、このような事情に鑑み、ロボットの動作可否領域を設定する際に、ロボットの設置状況や作業空間の複雑さ等の状況を問わず、設定作業者の負担を軽減することが可能なロボットシステムを提供することを目的とする。
本発明に係るロボットシステム(例えば、後述のロボットシステム1)は、物体(例えば、後述の障害物2)との接触を検出しうるロボット(例えば、後述のロボット3)を有するロボットシステムであって、前記ロボットが、所定の探索領域(例えば、後述の探索領域5)を所定の姿勢で移動し、その移動途中で前記物体と接触したときの当該ロボットの位置姿勢データに基づき、前記ロボットの動作可否領域(例えば、後述の動作可能領域5aおよび動作制限領域5b)を前記探索領域内に設定するように構成されている。
前記ロボットは、その機構部のどの部位が前記物体と接触したかを特定してもよい。
前記ロボットは、前記探索領域を移動する際に、予め決められた探索予定経路(例えば、後述の探索予定経路6)に沿って移動してもよい。
前記ロボットは、前記物体と接触したときに、前記探索予定経路を変更してもよい。
前記動作可否領域が設定されたときに、この動作可否領域が表示装置(例えば、後述の表示装置7)に表示され、この動作可否領域を有効にするか否かが選択できるように構成されていてもよい。
本発明に係るロボットシステム(例えば、後述のロボットシステム1)は、少なくとも第1のロボット(例えば、後述のロボット3A)および第2のロボット(例えば、後述のロボット3B)を有するロボットシステムであって、前記第1のロボットおよび前記第2のロボットのうち、いずれか一方は、所定の探索領域(例えば、後述の探索領域5)を所定の姿勢で移動し、その移動途中で物体(例えば、後述の障害物2)と接触したときの位置姿勢データに基づき、当該一方のロボットについて、その動作可否領域(例えば、後述の動作可能領域5aおよび動作制限領域5b)を前記探索領域内に設定するとともに、前記第1のロボットおよび前記第2のロボットのうち、他方は、前記一方のロボットが設定した動作可否領域に基づき、前記一方のロボットとの相対位置角度データを用いて、当該他方のロボットについて、その動作可否領域を算出して前記探索領域内に設定する。
本発明に係るロボットシステム(例えば、後述のロボットシステム1)は、少なくとも第1のロボット(例えば、後述のロボット3A)および第2のロボット(例えば、後述のロボット3B)を有し、これらのロボットがネットワークを介して互いに通信可能に接続され、かつ、互いの位置姿勢角度データをリアルタイムで検出可能になっているロボットシステムであって、前記第1のロボットおよび前記第2のロボットは、それぞれ所定の探索領域(例えば、後述の探索領域5)を所定の姿勢で移動し、その移動途中で互いに接触したときに、前記ネットワークを介してリアルタイムで通信することにより、前記ロボットの双方の位置姿勢角度データを記録し、これらの位置姿勢角度データに基づき、前記各ロボットについて、その動作可否領域を前記探索領域内にそれぞれ設定するように構成されている。
本発明によれば、ロボットと物体との接触により、所定の探索領域内にロボットの動作可否領域を自動的に設定することができる。したがって、ロボットの動作可否領域を設定する際に、ロボットの設置状況や作業空間の複雑さ等の状況を問わず、設定作業者の負担を軽減することが可能となる。
本発明の第1実施形態に係るロボットシステムを示す正面図である。 本発明の第1実施形態に係るロボットシステムにおいて、ロボットの探索領域および探索予定経路を示す平面図である。 本発明の第1実施形態に係るロボットシステムにおいて、ロボットが障害物に接触したときの様子を示す平面図である。 本発明の第1実施形態に係るロボットシステムにおいて、ロボットの探索経路を変更する様子を示す平面図である。 本発明の第1実施形態に係るロボットシステムにおいて、ロボットの最終的な探索経路を示す平面図である。 本発明の第1実施形態に係るロボットシステムにおいて、ロボットの動作可否領域を示す平面図である。 本発明の第1実施形態に係るロボットシステムにおいて、ロボットの動作可否領域を数値で表示している画面を示す図である。 本発明の第2実施形態に係るロボットシステムを示す平面図である。 本発明の第3実施形態に係るロボットシステムにおいて、ロボットの動作可否領域の一例を示す平面図である。 本発明の第3実施形態に係るロボットシステムにおいて、ロボットの動作可否領域の別の例を示す平面図である。
以下、本発明の第1実施形態を図面に基づいて説明する。なお、第2実施形態以降の説明において、第1実施形態と共通する構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
[第1実施形態]
図1は、第1実施形態に係るロボットシステムを示す正面図である。図2〜図6は、第1実施形態に係るロボットシステムにおいて、ロボットの動作可否領域の設定手順を示す平面図である。図7は、第1実施形態に係るロボットシステムにおいて、ロボットの動作可否領域を数値で表示している画面を示す図である。
この第1実施形態に係るロボットシステム1は、図1に示すように、所定の探索領域5において、移動しない物体としての障害物2との接触を検出しうる垂直多関節ロボット3を有している。
このロボット3は、基部31と、この基部31の上側に取り付けられ、第1の軸線J1回りに回転可能な旋回胴32と、この旋回胴32に取り付けられ、第2の軸線J2回りに回転可能な上腕33と、この上腕33の先端に設けられ、第3の軸線J3回りに回転可能な前腕34と、を有している。なお、ロボット3の動作は、このロボット3に接続された制御装置(図示せず)によって制御可能になっている。
このロボット3は、基部31の下側に6軸力センサ35が取り付けられており、この6軸力センサ35により、機構部のどの部位が障害物2と接触したかを計算によって特定することができる。すなわち、まず、3軸(X軸、Y軸、Z軸)の力(FX、FY、FZ)を第2の軸線J2に射影し、この軸線J2に沿う力F2を得る。次に、3軸のモーメント(MX、MY、MZ)から、J1軸ベクトルとJ2軸ベクトルの外積ベクトル回りのモーメントM2を得る。ここで、このモーメントM2を力F2で除した値(M2/F2)が、力の作用点の高さに相当するので、外力の作用位置(接触部位)を特定(計算)することができる。
そして、このロボットシステム1において、探索領域5内にロボット3の動作可否領域を設定する際には、ロボット3が、プログラムに基づいて、所定の探索領域5を一定のピッチで予め決められた探索予定経路6に沿って所定の姿勢で移動し、その移動途中で障害物2と接触したときのロボット3の位置姿勢データに基づき、ロボット3の動作可否領域を探索領域5内に設定する。
以下、図2に示すように、探索領域5が長方形(2次元)であり、ロボット3の探索予定経路6が稲妻形(ジグザグ状)である場合を例にとって、ロボット3の動作可否領域の設定手順を具体的に説明する。
まず、ロボットシステム1は、ロボット3が出発点P1に設置された状態で、図2に二点鎖線で示すように、長方形の探索領域5において、出発点P1から到達点P2に至る稲妻形の探索予定経路6を設定する。
すると、ロボット3は、出発点P1から探索予定経路6に沿ってX軸の正方向(図3右方)に移動する。このとき、ロボット3の移動方向の前方には障害物2があるので、ロボット3は、その移動途中で障害物2と接触する。このときのロボット3の位置を接触点P3とすると、この接触点P3におけるロボット3の位置姿勢データを記憶する。
次いで、このロボット3と障害物2との接触に伴い、図4に示すように、探索予定経路6を変更する。変更後の探索予定経路6は、接触点P3からYの正方向(図4上方)に一定の距離だけ移動した後、再びX軸の正方向(図4右方)に移動して通過点P4などを通過する経路になる。次いで、ロボット3は、最初に通る予定であった経路に移動する。
その後、ロボット3は、障害物2と接触するたびに探索予定経路6の変更を再帰的に繰り返す。そのため、ロボット3の最終的な探索経路は、図5に示すように、出発点P1から障害物2を避けて迂回しつつ通過点P5を通過して到達点P2に至る経路に設定される。
そして、ロボットシステム1は、障害物2と接触したときのロボット3の位置姿勢データ(接触点P3などにおけるロボット3の位置姿勢データ)に基づき、ロボット3の動作可否領域(動作可能領域5aおよび動作制限領域5b)を探索領域5内に設定する。この探索領域5は、図6に示すように、動作可能領域5aと動作制限領域5bとに二分された状態になる。
こうして、探索領域5に動作可否領域が設定されると、図7に示すように、この動作可否領域が操作盤の液晶ディスプレーなどの表示装置7に数値で表示される。この表示を見て、設定作業者は、この設定内容でよいと判断すれば、表示装置7上の「はい」を選択して、この設定を反映させる。すると、この動作可否領域が有効になる。一方、設定作業者が、この設定内容ではよくないと判断した場合(例えば、もっと細かく設定したい場合)には、表示装置7上の「いいえ」を選択して、この設定を反映させない。すると、この動作可否領域は有効にならない。
ここで、ロボット3の動作可否領域の設定が終了する。
このように、本実施形態では、探索領域5において、ロボット3と障害物2との接触により、探索領域5内にロボット3の動作可否領域(動作可能領域5aおよび動作制限領域5b)を自動的に設定することができる。したがって、この動作可否領域を設定する際に、ロボット3の設置状況や作業空間の複雑さ等の状況を問わず、設定作業者の負担を軽減することが可能となる。
[第2実施形態]
図8は、第2実施形態に係るロボットシステムを示す平面図である。
この第2実施形態に係るロボットシステム1は、図8に示すように、2台の垂直多関節ロボット3(第1のロボット3Aおよび第2のロボット3B)を有している。これらのロボット3は、互いの相対位置角度データ(例えば、第1のロボット3Aに設定される座標系と第2のロボット3Bに設定される座標系との関係を示す座標変換に関するデータ)を取得しており、かつ、ネットワークを介して互いに通信可能に接続されている。
そして、このロボットシステム1において、探索領域5内にロボット3の動作可否領域を設定する際には、次の手順による。
まず、第1のロボット3Aが、プログラムに基づいて、所定の探索領域5を一定のピッチで予め決められた稲妻形の探索予定経路6に沿って所定の姿勢で移動し、その移動途中で障害物2と接触したときの第1のロボット3Aの位置姿勢データに基づき、第1のロボット3Aについて、その動作可否領域を探索領域5内に設定する。
その後、第2のロボット3Bは、ネットワークを介して通信することにより、第1のロボット3Aが設定した動作可否領域を取得する。次いで、第2のロボット3Bは、この動作可否領域(つまり、第1のロボット3Aの動作可否領域)に基づき、第1のロボット3Aとの相対位置角度データを用いて、第2のロボット3Bについて、その動作可否領域を算出して探索領域5内に設定する。
以下、図8に基づいて、2台のロボット3の動作可否領域の設定手順を具体的に説明する。なお、第1のロボット3Aは、XaYa座標の原点に設置されているとともに、第2のロボット3Bは、XbYb座標の原点に設置されているとする。ここで、XbYb座標は、XaYa座標をXa軸方向に+40、Ya軸方向に+35だけ平行移動し、かつ反時計方向に90°回転させて座標変換したものである。したがって、第1のロボット3Aの設置点は、XbYb座標で見ると、点(−35,40)になる。また、第2のロボット3Bの設置点は、XaYa座標で見ると、点(40,35)になる。
そして、第1のロボット3Aは、上述した第1実施形態と同様の手順により、XaYa座標で2点(20,15)、(30,25)を頂点とする正方形の動作制限領域5bが設定されたとする。すると、この動作制限領域5bは、XbYb座標では、2点(−10,10)、(−20,20)を頂点とする正方形になる。
したがって、第1のロボット3Aについては、2点(20,15)、(30,25)を頂点とする正方形の動作制限領域5bが設定され、それ以外が動作可能領域5aとなる。一方、第2のロボット3Bについては、2点(−10,10)、(−20,20)を頂点とする正方形の動作制限領域5bが設定され、それ以外が動作可能領域5aとなる。
このとき、ロボット3の動作可否領域は、第1のロボット3Aおよび第2のロボット3Bの双方について設定されるが、両者は、互いに異なる座標系(例えば、XaYa座標系とXbYb座標系)で見れば、当然のことながら、互いに異なるものの、同じ座標系(例えば、XaYa座標系)で見れば同一のものになる。
このように、本実施形態では、探索領域5において、第1のロボット3Aと障害物2との接触により、第1のロボット3Aの動作可否領域(動作可能領域5aおよび動作制限領域5b)を自動的に設定することができる。一方、第2のロボット3Bは、障害物2と接触させるのではなく、第1のロボット3Aが設定した動作可否領域を利用して、第2のロボット3Bの動作可否領域を設定することができる。したがって、この動作可否領域を設定する際に、2台のロボット3の設置状況や作業空間の複雑さ等の状況を問わず、設定作業者の負担を軽減することが可能となる。
また、ロボットシステム1は、2台のロボット3がネットワークを介して互いに通信可能に接続されているので、互いの相対位置角度データが変更された場合においても、ネットワークを介してリアルタイムで通信することにより、常に相対位置角度データを更新することができる。そのため、ロボットシステム1の使い勝手が向上する。
[第3実施形態]
図9Aは、第3実施形態に係るロボットシステムにおいて、ロボットの動作可否領域の一例を示す平面図である。図9Bは、第3実施形態に係るロボットシステムにおいて、ロボットの動作可否領域の別の例を示す平面図である。
この第3実施形態に係るロボットシステム1は、図9A、図9Bに示すように、2台の垂直多関節ロボット3(第1のロボット3Aおよび第2のロボット3B)を有している。これらのロボット3は、ネットワークを介して互いに通信可能に接続されており、かつ、互いの位置姿勢角度データをリアルタイムで検出可能になっている。なお、このロボットシステム1は、ロボット3と障害物2との干渉を防止することではなく、ロボット3同士の干渉を防止することを目的としている。
そして、このロボットシステム1において、探索領域5内に2台のロボット3の動作可否領域を設定する際には、次の手順による。なお、2台のロボット3のうち、いずれか一方が固定されていれば(移動しなければ)、その固定されたロボット3を障害物2とみなして、上述した第1実施形態と同様の手順により、移動するロボット3の動作可否領域を設定することができる。したがって、ここでは、ロボット3が2台とも移動することを前提にして説明する。
すなわち、第1のロボット3Aおよび第2のロボット3Bは、プログラムに基づいて、それぞれ所定の探索領域5を一定のピッチで予め決められた稲妻形の探索予定経路6に沿って所定の姿勢で移動する。そして、その移動途中で第1のロボット3Aと第2のロボット3Bとが互いに接触したときには、ネットワークを介してリアルタイムで通信することにより、第1のロボット3Aおよび第2のロボット3Bの双方の位置姿勢角度データを各ロボット3で記録する。その後、これらの位置姿勢角度データに基づき、各ロボット3について、その動作可否領域を探索領域5内にそれぞれ設定する。
以下、図9A、図9Bに基づいて、2台のロボット3の動作可否領域の設定手順を具体的に説明する。なお、第1のロボット3Aは、XaYa座標の原点に設置されているとともに、第2のロボット3Bは、XbYb座標の原点に設置されているとする。ここで、XbYb座標は、XaYa座標を平行移動し、かつ反時計方向に90°回転させて座標変換したものである。
探索領域5において、第1のロボット3Aおよび第2のロボット3Bが2台とも所定の姿勢で移動し、ある時点T1で、第1のロボット3AがXaYa座標の点(20,15)に位置していると同時に、第2のロボット3BがXbYb座標の点(−8,10)に位置しており、ここで2台のロボット3がそれぞれ接触を検出したとする(図9A参照)。図9A中の「×」は、この時点T1におけるロボット3同士の干渉点を表す。このとき、ロボットシステム1は、第1のロボット3Aおよび第2のロボット3Bの位置姿勢角度データを記録する。そして、それ以降、第1のロボット3Aがこの干渉点に位置しているときは、第2のロボット3Bがこの干渉点に近付かないように制限する。逆に、第2のロボット3Bがこの干渉点に位置しているときは、第1のロボット3Aがこの干渉点に近付かないように制限する。
その後、2台のロボット3がさらに移動し、別の時点T2で、第1のロボット3AがXaYa座標の点(15,20)に位置していると同時に、第2のロボット3BがXbYb座標の点(−20,15)に位置しており、ここで2台のロボット3がそれぞれ接触を検出したとする(図9B参照)。図9B中の「×」は、この時点T2におけるロボット3同士の干渉点を表す。このとき、ロボットシステム1は、第1のロボット3Aおよび第2のロボット3Bの位置姿勢角度データを記録する。そして、それ以降、第1のロボット3Aがこの干渉点に位置しているときは、第2のロボット3Bがこの干渉点に近付かないように制限する。逆に、第2のロボット3Bがこの干渉点に位置しているときは、第1のロボット3Aがこの干渉点に近付かないように制限する。
このとき、ロボット3の動作可否領域は、第1のロボット3Aおよび第2のロボット3Bの双方について設定されるが、両者は、同じ座標系(例えば、XaYa座標系)で見ても、時間の経過に伴って変化する。
このように、本実施形態では、探索領域5において、ロボット3同士の接触により、2台のロボット3(第1のロボット3Aおよび第2のロボット3B)の動作可否領域(動作可能領域5aおよび動作制限領域5b)を自動的に設定することができる。したがって、この動作可否領域を設定する際に、2台のロボット3の設置状況や作業空間の複雑さ等の状況を問わず、設定作業者の負担を軽減することが可能となる。
しかも、ロボットシステム1では、図9A、図9Bに示すように、時間の経過に伴ってロボット3同士の干渉点が移動することに対応して、ロボット3の動作可否領域が設定される。その結果、常に動作制限領域5bを最小限にとどめることができ、探索領域5内の広い範囲で、2台のロボット3を互いに接触させることなく移動させることが可能となる。
また、ロボットシステム1は、2台のロボット3がネットワークを介して互いに通信可能に接続されているので、互いの位置姿勢角度データが変更された場合においても、ネットワークを介してリアルタイムで通信することにより、常に位置姿勢角度データを更新することができる。そのため、ロボットシステム1の使い勝手が向上する。
[その他の実施形態]
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は本発明に含まれる。
例えば、上述した第1実施形態〜第3実施形態では、ロボット3の探索予定経路6が稲妻形である場合について説明した。しかし、この探索予定経路6は、必ずしも稲妻形に設定する必要はなく、探索領域の全域をロボット3が通過するように設定する限り、どのような形状に設定しても構わない。例えば、渦巻き形(スパイラル状)や、稲妻形と渦巻き形とを組み合わせた形状の探索予定経路6を採用することも可能である。
また、上述した第1実施形態〜第3実施形態では、探索領域5内にロボット3の動作可否領域を設定する際に、ロボット3が探索領域5を一定のピッチで移動する場合について説明したが、このロボット3の移動のピッチは、動作制限領域5bをどの程度まで障害物2の外形に近付けたいかという要望に応じて適宜決定すればよい。さらに、このロボット3の移動のピッチは、必ずしも一定にする必要はない。例えば、障害物2に当たるまでは大きいピッチで移動させ、障害物2に当たれば小さいピッチで移動させることも可能である。この場合、障害物2の検出の正確さを維持しつつ、ロボット3の動作可否領域の設定を効率よく迅速に進めることができる。
また、上述した第1実施形態〜第3実施形態では、探索領域5内にロボット3の動作可否領域を設定する際に、ロボット3がプログラムに基づいて移動する場合について説明した。しかし、例えば、設定作業者が操作盤の移動ボタンを押すことにより、いわゆるジョグ操作でロボット3を移動させるようにしても構わない。
また、上述した第1実施形態〜第3実施形態では、垂直多関節ロボット3を有するロボットシステム1について説明した。しかし、所定の探索領域5を所定の姿勢で移動するものであれば、垂直多関節ロボット3以外のロボット(例えば、水平多関節ロボット、パラレルリンクロボットなど)を有するロボットシステム1にも、本発明を同様に適用することができる。
また、上述した第1実施形態〜第3実施形態では、探索領域5が長方形である場合について説明した。しかし、探索領域5は、長方形に限るわけではなく、長方形以外の平面形状(例えば、三角形、円、長円など)であってもよく、さらに、立体形状(例えば、直方体、円柱、球など)であっても構わない。
また、上述した第1実施形態では、探索領域5内にロボット3の動作可否領域を設定したときに、この動作可否領域を数値で表示する場合について説明した(図7参照)。しかし、数値に代えて、或いは数値に加えて、コンピュータグラフィックスで、ロボット3の動作可否領域を表示することも可能である。
また、上述した第1実施形態では、6軸力センサ35により、機構部のどの部位が障害物2と接触したかを計算によって特定しうるロボット3について説明した。しかし、ロボット3の機構部を覆うようにシート状の接触センサ(図示せず)を貼り付け、この接触センサにより、機構部のどの部位が障害物2と接触したかを直接判断して特定することもできる。
また、上述した第2実施形態では、2台のロボット3がネットワークを介して互いに通信可能に接続されているロボットシステム1について説明した。しかし、2台のロボット3の相対位置角度データを設定作業者が入力することができるのであれば、2台のロボット3をネットワークを介して互いに通信可能に接続する必要はない。
さらに、上述した第2実施形態、第3実施形態では、2台のロボット3(第1のロボット3Aおよび第2のロボット3B)を有するロボットシステム1について説明した。しかし、ロボット3が3台以上あっても、本発明を同様に適用することができる。
1……ロボットシステム
2……障害物(物体)
3、3A、3B……ロボット
5……探索領域
5a……動作可能領域
5b……動作制限領域
6……探索予定経路
7……表示装置

Claims (4)

  1. 物体との接触を検出しうるロボットを有するロボットシステムであって、
    前記ロボットが、所定の探索領域を所定の姿勢で移動し、その移動途中で前記物体と接触したときの当該ロボットの位置姿勢データに基づき、前記ロボットの動作可否領域を前記探索領域内に設定するように構成されており、
    前記ロボットは、前記探索領域を移動する際に、予め決められた探索予定経路に沿って移動し、
    前記ロボットは、前記物体と接触したときに、その後の探索予定経路を、前記物体を迂回したのちに探索開始時の予定経路に再帰するように変更するロボットシステム。
  2. 前記ロボットは、その機構部のどの部位が前記物体と接触したかを特定する請求項1に記載のロボットシステム。
  3. 前記動作可否領域が設定されたときに、この動作可否領域が表示装置に表示され、この動作可否領域を有効にするか否かが選択できるように構成されている請求項1または2に記載のロボットシステム。
  4. 少なくとも第1のロボットおよび第2のロボットを有するロボットシステムであって、
    前記第1のロボットおよび前記第2のロボットのうち、いずれか一方は、所定の探索領域を所定の姿勢で移動し、その移動途中で物体と接触したときの位置姿勢データに基づき、当該一方のロボットについて、その動作可否領域を前記探索領域内に設定するとともに、
    前記第1のロボットおよび前記第2のロボットのうち、他方は、前記一方のロボットが設定した動作可否領域に基づき、前記一方のロボットとの相対位置角度データを用いて、当該他方のロボットについて、その動作可否領域を算出して前記探索領域内に設定するロボットシステム。
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