JP7087600B2

JP7087600B2 - 動作計画装置

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Publication number: JP7087600B2
Application number: JP2018073372A
Authority: JP
Inventors: 雅之高島
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-04-05
Filing date: 2018-04-05
Publication date: 2022-06-21
Anticipated expiration: 2038-04-05
Also published as: JP2019185265A

Description

本発明は動作計画装置に関し、特に移動体の動作を計画する動作計画装置に関する。

特許文献１に開示される動作計画装置は、タスク内容に応じて、移動体の移動量と当該移動体のマニピュレータの動作量との配分を決定し、移動体の動作を計画する。

特開２０１７－０８７３１６号公報

複数のタスクを移動体に連続して行わせることによって、１つのジョブを完遂することがある。このような場合、上記した動作計画装置は、ジョブ内容によって、移動量に無駄のある移動体の動作を計画することがあった。

このような移動体の動作の具体例について説明する。図１２に示すように、移動体９１０がドア９を開いて通るジョブを例にとって説明する。上記した動作計画装置は、以下のタスクＴ９１～Ｔ９３について、移動体９１０の動作を計画する。

移動体９１０は、開始地点ＰＴ１に位置する。移動体９１０は、アーム２を用いてドア９を把持する（タスクＴ９１）。移動体９１０は、ドア９の取っ手を把持したまま、ドア９が設けられた壁９１から後退して、経由地ＰＴ２に移動する（タスクＴ９２）。移動体９１０の移動に伴って、ドア９が開く。移動体９１０は、ドア９の取っ手の把持を解除した後、ドア９の開口部の近傍の終了地点ＰＴ３に移動する（タスクＴ９３）。

ここで、タスクＴ９２の完了後、タスクＴ９３において、移動体９１０がドア９を迂回することになり、ジョブを完遂させるのに必要の無い移動量が生じる。これによって、時間も消費する。

本発明は、移動体が無駄に移動することを抑制するものとする。

本発明に係る動作計画装置は、
１タスクごとに、マニピュレータを備える移動体の移動量、及び当該マニピュレータの動作量の配分を決定し、当該移動体の移動及び当該マニピュレータの動作を含めた動作計画を行う演算部を備え、
当該移動体が移動開始地点から経由地を経由して移動終了地点に移動する過程において、複数のタスクを遂行してジョブを完了させる動作計画装置であって、
前記演算部は、前記移動終了地点が、前記移動体が移動する面において前記移動開始地点と前記経由地との間に位置する場合、前記移動体が前記移動開始地点から前記経由地へ移動する前記タスクにおいて、前記移動体の移動量を前記マニピュレータの動作量に対して相対的に減少させるよう前記配分を決定する前記動作計画を行う。

このような構成によれば、所定の場合において、タスクを達成しつつも、移動体の移動量はマニピュレータの動作量に対して相対的に減少する動作を計画することができる。そのため、移動体の移動量を低減させ、移動体が無駄に移動することを抑制することができる。

本発明は、移動体が無駄に移動することを抑制することができる。

実施の形態１に係る移動体を示す模式側面図である。制御装置及びサーバのシステム構成を示すブロック図である。移動体を目標位置に到達するための姿勢の一例を示す側面図である。移動体を目標位置に到達するための姿勢の他の一例を示す側面図である。重みパラメータに対する最大駆動力を示すグラフである。重みパラメータに対する最大精度を示すグラフである。開始地点ＰＴ１と、経由地ＰＴ２と、終了地点ＰＴ３との位置関係の一例を示す図である。開始地点ＰＴ１と、経由地ＰＴ２と、終了地点ＰＴ３との位置関係の他の一例を示す図である。重みパラメータに対する最大駆動力及び最大精度を示すグラフである。実施例１において移動体がドアを開いて通る様子を示す図である。実施例２において移動体が目標物を把持したまま次の目的地に移動する様子を示す図である。本発明の課題に係る移動体の一動作例において移動体がドアを開いて通る様子を示す図である。比較例１において移動体が目標物を把持したまま次の目的地に移動する様子を示す図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

（実施の形態１）
図１及び図２を参照して実施の形態１について説明する。図１は、実施の形態１に係る移動体を示す模式側面図である。図２は、制御装置及びサーバのシステム構成を示すブロック図である。なお、当然のことながら、図１及びその他の図面に示した右手系ｘｙｚ座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。通常、ｚ軸プラス向きが鉛直上向き、ｘｙ平面が水平面であり、図面間で共通である。

図１に示すように、移動体１０は、移動体本体１０ａと、台車１と、アーム２と、制御装置３とを備える。図１に示す移動体１０の一例は、移動ロボットである。

台車１は、台車本体１ａと、車輪１ｂと、車輪駆動モータ１ｃとを備える。移動体本体１０ａは、台車本体１ａに旋回可能に支持されている。車輪１ｂが、例えば、台車本体１ａの底面に、左右２列に並んで、回転可能に複数個取り付けられている。台車本体１ａは、車輪駆動モータ１ｃを内蔵し、車輪駆動モータ１ｃが、制御装置３から受けた指令に基づいて、複数の車輪１ｂに駆動力を個々に与えて、回転させる。移動体１０は、所望の方向に所望の速度で移動することができる。車輪１ｂは、自在車輪からなる補助輪と、駆動輪であってもよい。台車１は、車輪１ｂと、移動体本体１０ａを旋回可能な軸とを備えるから、台車１の自由度は３である。

アーム２は、アーム本体２ａと、ハンド２ｂと、アーム駆動モータ２ｃとを備える。アーム本体２ａの根元は、移動体本体１０ａに並進、又は回転可能に支持されている。アーム本体２ａの先端は、ハンド２ｂが回転可能に取り付けられている。ハンド２ｂは、目標対象物を把持可能であればよい。アーム駆動モータ２ｃは、制御装置３から受けた指令に基づいて、アーム本体２ａと、ハンド２ｂとに駆動力を与えて、並進、回転、又は把持させる。なお、アーム２として、他のマニピュレータを利用してもよい。アーム本体２ａは、上腕アームと、当該上腕アームに回動可能に接続されている前腕アームとを備えてもよい。ここで、アーム本体２ａの自由度は３であり、ハンド２ｂの自由度は２である。アーム２の自由度は、５である。

制御装置３は、移動体本体１０ａの内側に設けられているとよい。図２に示すように、制御装置３は、ハードウェア構成として、ＣＰＵ３０ａ（Central Processing Unit）と、ＲＡＭ３０ｂ（Random Access Memory）と、ＲＯＭ３０ｃ（Read Only Memory）とを備える。ＣＰＵ３０ａが、ＲＯＭ３０ｃに記憶された制御プログラムを読み出して実行することによって、制御プログラムは、ＣＰＵ３０ａ等のハードウェアを、台車制御部３１、アーム制御部３２、通信部３３、タスク情報記憶部３４、タスク管理部３５、関係判断部３６、ＩＫ演算部３７（Inverse Kinematics）、動作計画記憶部３８、台車制御部３１、アーム制御部３２として機能させる。制御装置３は、移動体１０の動作を計画する動作計画装置として機能する。

動作計画記憶部３８には、所望のタスクを実行するために計画されて生成された、台車１の移動及びアーム２の動作の計画に関する動作計画情報を記憶する。

台車制御部３１は、動作計画記憶部３８に記憶されている動作計画情報に基づいて、車輪駆動モータ１ｃを制御することで台車１を移動させる。

アーム制御部３２は、動作計画記憶部３８に記憶されている動作計画情報に基づいて、アーム駆動モータ２ｃを制御することでアーム２を動作させる。

通信部３３は、移動体１０の外部のサーバ４の通信部４１と通信し、サーバ４のデータベース４２に記憶された要求情報を取得する。

タスク情報記憶部３４は、移動体１０に課せられたジョブに関するジョブ情報を記憶する。ジョブ情報は、ジョブに含まれる複数のタスク情報も含む。

タスク管理部３５は、タスク情報記憶部３４に記憶されているジョブ情報に基づいて、ジョブに含まれる複数のタスクを管理する。複数のタスクが遂行されると、ジョブが達成される。ジョブは、例えば、現タスクと、当該現タスクを完了した後に行う予定の次タスクと、当該次タスクを完了した後に行う予定の次々タスクとを含む。タスク管理部３５は、移動体１０が現タスクを実行して完了すると、次タスクと、次々タスクとについてのタスク情報を、関係判断部３６に送る。

関係判断部３６は、現タスクと、次タスクと、次々タスクとを比較し、その関係性に基づいて、姿勢計算の重みを決定し、ＩＫ演算部３７に送る。当該関係性は、それぞれのタスクにおける移動体１０の位置や、タスクの種類である。

ＩＫ演算部３７は、姿勢計算の重みに基づいて、ＩＫ演算を行い、タスク情報で示されたタスクを実行するための台車１及びアーム２の動作を計画して動作計画情報を生成し、生成した動作計画情報を動作計画記憶部３８に記憶する。

データベース４２は、タスクと、このタスクを実行するときに要求されるハンド２ｂの駆動力及びハンド２ｂの動作精度に関する要求情報とを関連付けて記憶する。ハンド２ｂの駆動力とは、ハンド２ｂを空間に対して移動させるための駆動力を意味しており、ハンド２ｂで物体を把持するための把持力ではない。ハンド２ｂの動作精度とは、ハンド２ｂを空間に対して移動させる際の移動の精度及びハンド２ｂの空間に対する位置決めの精度を意味している。

要求情報は例えば以下の通りである。移動体１０がドアを開ける際は、要求されるハンド２ｂの駆動力は１００［N］であり、要求されるハンド２ｂの動作精度は１００［mm］である。同様に、移動体１０がカートを押す際は、要求されるハンド２ｂの駆動力は２００［N］であり、要求されるハンド２ｂの動作精度は２００［mm］である。また、移動体１０が物を拾う際は、要求されるハンド２ｂの駆動力は１０[N]であり、要求されるハンド２ｂの動作精度は１０[mm]である。移動体１０が鍵を開ける際は、要求されるハンド２ｂの駆動力は１[N]であり、要求される動作精度は２[mm]である。このようにタスク毎に要求されるハンド２ｂの駆動力及びハンド２ｂの動作精度は全く異なっている。

（移動体１０の姿勢例）
次に、図３及び図４を参照して、移動体を目標位置に到達するための姿勢の例について説明する。図３は、移動体を目標位置に到達するための姿勢の一例を示す側面図である。図４は、移動体を目標位置に到達するための姿勢の他の一例を示す側面図である。

図３に示すように、移動体１０は、ハンド２ｂを目標位置ＴＧ１に到達するタスクが課せられているとする。

移動体１０は、台車１を移動させて、ハンド２ｂを目標位置ＴＧ１に到達させ、当該タスクを達成させることができる。なお、台車１の移動量Ｄ１１は、所定の大きさに達し、アーム２の動作量Ｄ１２（図示略）は略０（零）である。

一方、図４に示すように、移動体１０は、台車１を移動させつつハンド２ｂを動作させて、目標位置ＴＧ１に到達させ、当該タスクを達成させることができる。台車１の移動量Ｄ２１は、図３に示す移動量Ｄ１１よりも低く、アーム２の動作量Ｄ２２は、上記した動作量Ｄ１２（図示略）よりも大きい。

以上より、移動体１０は、ハンド２ｂを目標位置ＴＧ１に到達させるための姿勢が１つに決定されない。これは、移動体１０の自由度が７以上だからである。移動体１０では、上記したように、台車１の自由度は３であり、アーム２の自由度は５である。

なお、移動体の自由度が６ならば、解析的に、ハンド２ｂを目標位置ＴＧ１に到達させるための移動体の姿勢が１つに決定される。また、移動体の自由度が５ならば、解析的に、ハンド２ｂを目標位置ＴＧ１に到達させるタスクを達成できないことが有り得る。

（移動体１０の姿勢の算出方法）
次に、ＩＫ演算部３７が、移動体１０を目標位置に到達するための姿勢を算出する方法について説明する。

自由度７以上を有する移動体の姿勢を算出する方法として、評価関数を用いた方法がある。ここで、評価関数を以下のように定義する。
（評価関数Val）＝（重みパラメータＷ）×（台車１に関する評価）＋（１－（重みパラメータＷ））（アーム２に関する評価）
ここで、（台車１に関する評価）及び（アーム２に関する評価）は、種々の方法により定義される。これらは、例えば台車１について言えば台車１の移動量、アーム２について言えばアーム２の基準姿勢との関節角度レベルの変位の二乗誤差などである。

そして、ＩＫ演算部３７は、決定した重みパラメータＷを用いて評価関数Valを算出し、この評価関数を用いて、逆運動学計算及び軌道生成を行う。なお、Ｗは、０（零）以上１以下である。

重みパラメータＷが増加すると、台車１の移動量がアーム２の動作量に対して相対的に増加する。重みパラメータＷが低減すると、台車１の動作量がアーム２の動作量に対して相対的に減少する。重みパラメータＷを決めると、台車１の移動量とアーム２の動作量との配分を決定することができる。

次に、図５及び図６を参照してＷを求める方法について説明する。図５は、重みパラメータに対する最大駆動力を示すグラフである。図６は、重みパラメータに対する最大精度を示すグラフである。図５では、横軸を重みパラメータＷとし縦軸を最大駆動力ｆとする、トレードオフ曲線のグラフが示されている。図６では、横軸を重みパラメータＷとし縦軸を動作精度Ｐとする、トレードオフ曲線のグラフが示されている。重みパラメータＷは、台車１の移動とアーム２の動作のどちらをどの程度優先して動作させるかを決定付けるパラメータである。重みパラメータＷは、例えば０～１．０の間の値を取り得る。重みパラメータＷが０の場合、台車１の移動はせずアーム２の動作のみでタスクを実行することを意味している。重みパラメータＷが１．０の場合、アーム２の動作はせず台車１の移動のみでタスクを実行することを意味している。最大駆動力ｆは、ある重みパラメータＷにおけるハンド２ｂの駆動力の最大値である。動作精度Ｐは、ある重みパラメータＷにおけるハンド２ｂの動作精度である。図５及び図６に示すように、重みパラメータＷを０に近づければ近づけるほど、最大駆動力ｆは小さくなるが動作精度Ｐは高くなる（良くなる）。逆に、重みパラメータＷを１．０に近づければ近づけるほど、最大駆動力ｆは大きくなるが動作精度Ｐは低くなる（悪くなる）。つまり、最大駆動力ｆと動作精度Ｐはトレードオフの関係にある。なお、図５及び図６のトレードオフ曲線は、逆動力学に基づく計算により、又は、実験的に求められる。

そして、ＩＫ演算部３７は、図５に示すトレードオフ曲線に基づいて、実行予定のタスクを実行するのに要求されるハンド２ｂの駆動力ｆ１０に対応する重みパラメータＷの最小値を重みパラメータＷｆとして取得する。

同様に、ＩＫ演算部３７は、図６に示すトレードオフ曲線に基づいて、実行予定のタスクを実行するのに要求されるハンド２ｂの動作精度Ｐ１０に対応する重みパラメータＷの最大値を重みパラメータＷｐとして取得する。ここで、Ｗｆ＜Ｗｐであったら、Ｗｆ以上でありＷｐ以下の重みパラメータＷを採用することで、実行予定のタスクを実行するのに要求されるハンド２ｂの駆動力とハンド２ｂの動作精度の両方を同時に満たすことができる。

（動作方法）
次に、移動体１０及びサーバ４の具体的な動作方法について説明する。

先ず、作業員が、ジョブ又は複数のタスクと、そのジョブ又はその複数のタスクに対応する要求情報とを関連付けて、サーバ４のデータベース４２に記憶する（ステップＳＴ１０１）。

続いて、タスク管理部３５が、実行予定のジョブ又は複数のタスクに対応した要求情報をサーバ４のデータベース４２から取得する。また、タスク管理部３５は、移動体１０が現タスクを実行して完了すると、次タスクと、次々タスクとについてのタスク情報を、関係判断部３６に送る（ステップＳＴ１０２）。

続いて、関係判断部３６は、現タスクと、次タスクと、次々タスクとを比較し、その関係性に基づいて、姿勢計算の重みを決定する（ステップＳＴ１０３）。

（動作例１）
具体的には、図７に示すように、次々タスクでの移動体１０の終了地点ＰＴ３は、現タスクでの移動体１０の開始地点ＰＴ１と次タスクでの移動体１０の経由地ＰＴ２との間にある場合、台車１の移動量が少なくなるように、図９に示す姿勢計算の重みパラメータＷｆに決定する。

一方、図８に示すように、次タスクの経由地ＰＴ２は、現タスクの開始地点ＰＴ１と次々タスクの終了地点ＰＴ３の間にある場合、台車１の移動量が多くなるように、図９に示す姿勢計算の重みパラメータＷｐに決定する。

続いて、ＩＫ演算部３７が、要求情報、及び、決定した姿勢計算の重みパラメータに基づいて、台車１の移動及びアーム２の動作を計画する（ステップＳＴ１０４）。動作計画記憶部３８が、計画した台車１の移動及びアーム２の動作の動作計画情報を記憶する。

続いて、台車制御部３１が、この動作計画情報に基づいて、車輪駆動モータ１ｃを制御することで台車１を移動させ、アーム制御部３２は、この動作計画情報に基づいて、アーム駆動モータ２ｃを制御することでアーム２を動作させる（ステップＳＴ１０５）。

以上のステップＳＴ１０１～ＳＴ１０５によって、移動体１０は台車１に移動させ、アーム２を動作させる。

このような移動体１０のより具体的な動作例として、図１０に示す移動体１０の動作例が有る。図１０に示す移動体１０の動作例は、図１２に示す移動体１０の動作例と同様に、移動体１０がドア９を開いて通ることをジョブとしている。

本動作例では、ステップＳＴ１０３において、図７に示すように、次々タスクでの移動体１０の終了地点ＰＴ３は、現タスクでの移動体１０の開始地点ＰＴ１と次タスクでの移動体１０の経由地ＰＴ２との間にある。よって、ステップＳＴ１０３において、台車１の移動量が少なくなるように、図９に示す姿勢計算の重みパラメータＷｆに決定される。

図１０に示すように、移動体１０は、開始地点ＰＴ１に位置する。移動体１０は、アーム２を用いてドア９を把持する（タスクＴ１）。移動体１０は、ドア９の取っ手を把持したまま、後退しつつアーム２を動作させて経由地ＰＴ２に移動する（タスクＴ２）。移動体１０の移動に伴って、ドア９が開く。移動体１０は、ドア９の取っ手の把持を解除した後、ドア９の開口部の近傍の終了地点ＰＴ３に移動する（タスクＴ３）。

ここで、タスクＴ２において、アーム２を動作させる。これによって、タスクＴ２における移動体１０の移動量は、図１２に示すタスクＴ９２における移動体９１０の移動量と比較して短い。また、タスクＴ３において、図１２に示すタスクＴ９３と異なり、移動体１０がドア９を迂回することがない。タスクＴ１～Ｔ３における移動体１０の移動量は、タスクＴ９１～Ｔ９３における移動体９１０の移動量と比較して小さい。また、タスクＴ１～Ｔ３における移動体１０の動作時間は、タスクＴ９１～Ｔ９３における移動体１０の動作時間と比較して短い。すなわち、ジョブを完遂させるまでにかかる時間も短縮する。

（動作例２）
他に、このような移動体１０のより具体的な動作例として、図１１に示す移動体１０の動作例が有る。図１１に示す移動体１０の動作例は、移動体１０が、テーブル１９に載置された目標物ＯＢ１を把持して、そのまま別の地点に移動することをジョブとしている。

本動作例では、ステップＳＴ１０３において、図８に示すように、次タスクでの移動体１０の経由地ＰＴ２は、現タスクでの移動体１０の開始地点ＰＴ１と次々タスクでの移動体１０の終了地点ＰＴ３との間にある。よって、ステップＳＴ１０３において、台車１の移動量が多くなるように、図１０に示す姿勢計算の重みパラメータＷｐに決定された。

移動体１０は、開始地点ＰＴ１に位置する（タスクＴ２１）。移動体１０は、開始地点ＰＴ１から経由地ＰＴ２に移動し、さらに、移動体１０は、アーム２を用いて目標物ＯＢ１を把持する（タスクＴ２２）。移動体１０は、目標物ＯＢ１を把持したまま、終了地点ＰＴ３に移動する（タスクＴ２３）。

ここで、タスクＴ２２において、移動体１０は、アーム２を伸ばしたり、縮めたりすることがない。

（比較例１）
ところで、図１２に示す移動体９１０が、テーブル１９に載置された目標物ＯＢ１を把持して、そのまま別の地点に移動することをジョブとしている場合がある。このような場合について説明する。図１３に示す移動体９１０の動作例は、図１１に示す移動体１０の動作例と同様に、移動体９１０が、テーブル１９に載置された目標物ＯＢ１を把持して、そのまま別の地点に移動することをジョブとしている。

図１３に示すように、移動体９１０は、開始地点ＰＴ１に位置する（タスクＴ２９１）。移動体９１０は、開始地点ＰＴ１から経由地ＰＴ２に移動し、さらに、移動体９１０は、アーム２を伸ばして目標物ＯＢ１を把持し、把持したままアーム２を縮める（タスクＴ２９２）。移動体９１０は、目標物ＯＢ１を把持したまま、終了地点ＰＴ３に移動する（タスクＴ２９３）。

ここで、タスクＴ２９２において、移動体９１０は、アーム２を伸ばし、その後、縮める動作を行なっている。一方、図１１に示すように、上記したタスクＴ２２において、移動体１０は、アーム２を伸ばしたり、縮めたりすることがない。タスクＴ２１～Ｔ２３における移動体１０のアーム２の動作時間は、タスクＴ２９１～Ｔ２９３における移動体９１０のアーム２の動作時間と比較して短い。一方、タスクＴ２１～Ｔ２３における移動体１０の移動量は、タスクＴ２９１～Ｔ２９３における移動体９１０の移動量とあまり変わらない。よって、タスクＴ１～Ｔ３における移動体１０の動作時間は、タスクＴ２９１～Ｔ２９３における移動体１０の動作時間と比較して短い。すなわち、ジョブを完遂させるまでにかかる時間も短縮する。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、実施の形態１では、制御装置３は移動体１０の一構成であるが、制御装置３は移動体１０と別体の装置としても利用してもよい。

１０移動体
１０ａ移動体本体
１台車
１ａ台車本体１ｂ車輪
１ｃ車輪駆動モータ
２アーム
２ａアーム本体２ｂハンド
２ｃアーム駆動モータ
３制御装置
３１台車制御部３２アーム制御部
３３通信部３４タスク情報記憶部
３５タスク管理部３６関係判断部
３７ＩＫ演算部３８動作計画記憶部
４サーバ
４１通信部４２データベース
Ｄ１１、Ｄ２１移動量Ｄ２１、Ｄ２２動作量
ｆ、ｆ１０駆動力Ｐ、Ｐ１０動作精度
ＰＴ１開始地点ＰＴ２経由地
ＰＴ３終了地点
ＴＧ１目標位置 Val 評価関数
ＯＢ１目標物
Ｗ重みパラメータ
Ｗｆ重みパラメータＷｐ重みパラメータ

Claims

１タスクごとに、マニピュレータを備える移動体の移動量、及び当該マニピュレータの動作量の配分を決定し、当該移動体の移動及び当該マニピュレータの動作を含めた動作計画を行う演算部を備え、
当該移動体が移動開始地点から経由地を経由して移動終了地点に移動する過程において、複数のタスクを遂行してジョブを完了させる動作計画装置であって、
前記演算部は、前記経由地が、前記移動体が移動する面において前記移動開始地点と前記移動終了地点との間に位置する場合、前記移動体が前記移動開始地点から前記経由地へ移動する第１の複数のタスクにおいて、前記移動体の移動量が多くなるように、前記マニピュレータの動作量を減少させる第１の配分を決定し、第１の動作計画を行い、
前記演算部は、前記移動終了地点が、前記移動体が移動する面において前記移動開始地点と前記経由地との間に位置する場合、前記移動体が前記移動開始地点から前記経由地へ移動する第２の複数のタスクにおいて、前記移動体の移動量が少なくなるように、前記マニピュレータの動作量を増大させる第２の配分を決定し、第２の動作計画を行う、
動作計画装置。