JPH02279300A - ロボット制御装置およびアームと障害物との干渉チェック方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、リンク機構の産業用ロボットにおいて、その
可動範囲内に障害物がある場合、ロボット・アームと障
害物との衝突を防止する機能を有したロボット制御装置
に関する。

〔従来の技術〕 ロボットが作業対象に対して作業を行う場合、ロボット
は、コントローラから位置、姿勢、速度、加速度等の指
令を受け、その指令に対して動作するわけであるが、そ
の時の安全措置として、従来のロボットには各アクチュ
エータの可動範囲にソフト的な制限をつけることができ
るようになっており、ロボットの作業領域内に障害物が
存在する場合には、ロボットのアームと障害物との衝突
が起こらないよう配慮してソフト・リミットを設けてい
た。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述したような従来方法では、ロボットの各関節の回転
角を制限するため、過度の可動範囲制限となり、有効な
作業範囲を狭くしてしまうという欠“点があった。これ
は、関節角を制限することで姿勢を制限してしまうこと
に起因している。姿勢を制限せず作業領域を制限する場
合、例えばＸ−ｙ直交座標系においてＸ座標のみをある
値で制限したい場合、ｘ−ｙ直交座標系では、その制限
したいＸ座標の情報が１つあればよいが、これをロボッ
トの各関節角の情報とする場合には、各関節角の組合せ
の多数の情報となる。そのためにその情報を格納するた
めのメモリを設けてもよいが、コスト面、またロボット
の各関節角を制限するためのデータをセットする手間の
面からみても有利でない。

この課題を解決するため、本発明の目的は、ロボットの
全てのアームと障害物との干渉チェックを比較的簡単な
処理アルゴリズムで、高速かつリアルタイムで行い、簡
単な座標設定で、アームと障害物の衝突が起こらないロ
ボット制御装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、ロボットの作業領域内に存在する障害物が占
める領域を含む多角形領域を侵入禁止領域として設定す
る入力手段と、作業平面の直交座標系におけるその各頂
点の位置ベクトル、および頂点間ベクトルを、記憶する
第１の記憶手段と、動作命令手段からロボットの各関節
に送られる指令より算出した作業平面の直交座標系にお
けるロボットの各関節の位置ベクトル、および関節間ベ
クトルを、記憶する第２の記憶手段と、それらのデータ
に基づきロボット・アームが侵入禁止領域を侵すか否か
をチェックする干渉チェツク手段とを有してなり、その
チェックに対して、もし障害物との干渉が生じるような
指令が与えられた場合には、そのような指令のあったこ
とを示して、緊急停止処理を行うことによって、アーム
と障害物との衝突が防止できるようなロボット制御装置
を実現するものである。

〔作用〕

コントローラからロボットへ渡される指令に対して、侵
入禁止領域とロボット・アームとの干渉チェックを行う
ことによって、作業領域内に障害物が存在する場合でも
、プログラムミスによる衝突事故が防止できる。

〔実施例〕 本発明の実施例を、図に基づいて説明する。第１図は、
本発明のロボット制御装置の説明図である。ロボット１
０は、リンク機構の平面作業ロボットである。障害物が
占めるロボットの作業平面と平行な平面領域１０１を含
む多角形領域を、侵入禁止領域１０２として設定する。

設定方法は、多角形の各頂点の座標を入力することで行
なう。

多角形で設定された侵入禁止領域を記憶する第１の記憶
手段１０４では、障害物が時間変化に伴いその位置を変
えないものであれば、侵入禁止領域１０２の多角形の全
ての頂点の作業直交座標系１０６における位置ベクトル
ｎ　Ｉ（Ｘ、　　ｙ　）（０≦ｉ≦Ｌ；Ｌは多角形の頂
点数−１）が入力手段１１２より入力され、このデータ
より頂点間のペクト／’Ｎ＋＝ｎｔ＋ｘ−ｎＩ（０≦ｉ
≦Ｌ−１）。

Ｎ、＝ｎ０−ｎＬを算出し、記憶する。ロボット・アー
ムに関して、関節の位置ベクトル、および関節間ベクト
ルを記憶する第２の記憶手段１０５では、あらかじめ動
作命令手段１０７からロボット１０の関節の図示しない
モータへ与えられるべき動作命令指令より、ロボットの
各関節の位置ベクトルｒｊ（ｘ、ｙ）（０≦ｊ≦Ｍ；Ｍ
はロボットの関節数）と関節間ベクトルＲＪ　”　’　
Ｊ　＋　Ｉ　　ｒ　」（Ｏ≦ｊ≦Ｍ−１）を算出し、そ
れらの値を記憶する。そして、第１および第２の記憶手
段の値を基に干渉チェックを行ない、その結果を動作命
令手段１０７に伝え、その結果を基にロボットを動作さ
せる。第２図は、第１図のｎ、、Ｎ、、ｒ、、Ｒ３をｎ
、Ｎ、ｒ、Ｒと書き直したものである。以下、説明を簡
単にするため、この図に基づいて、多角形の侵入禁止領
域とロボット・アームが干渉していないかチェックする
干渉チェック手段１０６の一例を示し、その処理を第３
図のフロー・チャートにしたがって説明する。

（５ｔｅｐ　　Ｉ） 多角形の辺とアームが平行でないときの処理まず、線分
ＩＮＩと｜Ｒ｜が平行かどうかを調べ３０１、線分ＩＮ
Ｉと｜Ｒ｜とが平行でない場合には、交点を持つか否か
について調べる。第２図のように線分｜Ｎ｜および｜Ｒ
｜を含むそれぞれの直線の交点の位置ベクトルをＰとす
ると、Ｐ　＝　ｒ　＋　ｓ　Ｒ・・・・・・・・・・・
・・・・　（１）Ｐ＝ｎ＋ｔＮ　　　　　　　　・・・
・・・・・・・・・・・・　（２）線分ＩＮＩと｜Ｒ｜
に交点が存在するなら（１）、（２）式を連立させた ｒ　＋　ｓ　Ｒ＝ｎ＋　ｔ　Ｎ　　　・・・・・・・・
・・・・・・・　（３）を満たすｓ、ｔが（０≦Ｓ≦１
かつＯ≦ｔ≦１）の範囲で存在する。察際（３）式を解
くに当たっては（３）式を変形して、 ［Ｒ，−Ｎ　　コ　［ｓ　　　　ｔ］”＝ｎ−ｒ　　　
−−（４１Ｎ、Ｒが平行でなければ、［Ｒ，−Ｎ］は正
則である。この時［Ｒ，−Ｎ］−’が存在する。したが
って ｄｅｔ［Ｒ，−Ｎ］≠０　　　・・・・・・・・・・旧
−（５１であれば、（４）式より次式が成立する。

［ｓ　　　　ｔ　　コ　’＝［Ｒ，−Ｎ　　］　　−’
　　（ｎ−ｒ　　）　　、、、　　（６１（６）式を満
たすｓ、ｔが（０≦Ｓ≦１かつＯ≦ｔ≦１）の範囲を満
たしている場合には、線分ＩＮＩと｜Ｒ｜は一点で交わ
り、満たしていなければ交わらない６０２゜ここで、交
わるとは、すなわちロボット・アームが侵入禁止領域を
侵すことになる。なお、ｄｅｔ［Ｒ，−Ｎコニ０のとき
は、Ｒ≠０１Ｎ≠０であるからＲとＮは幾何学的には平
行となる。したがって、処理を（Ｓｔｅｐ　　Ｉ）また
は（Ｓｔｅｐ　　ＩＩ）に分ける時のＲとＮの平行判定
条件６０１には、ｄｅｔ［Ｒ，−Ｎコの値が０か否かと
いうことを用いる。

（５ｔｅｐ　　ｎ） 多角形の辺とアームが平行であるときの処理［Ｒ，−Ｎ
］が正則でない場合、すなわちａｅｔ［Ｒ，−Ｎ］＝０
ならば（６）式は存在しないので別の処理（幾何学的に
、ＲとＮが平行の場合の処理）を考えなければならない
。第４図は、ＲどＮが平行な場合の一例を示したもので
ある。対象としている多角形の辺の頂点４０１から、対
象としているロボット・アームの関節４０２へ向かうベ
クトルをＱ４０６として、（Ｑ、Ｎ）に対して次式を考
える。

ｄｅｔ（Ｑ、Ｎ）≠０　　　・・・・・・・・・・・・
　（７）（７）式は、Ｑ≠０、かつＱとＮが平行でない
時成立する。Ｑ＝０の時は、侵入禁止領域１０２の多角
形の頂点とロボット・アームの関節が接触していること
を示し、またＱとＮが平行である場合は、侵入禁止領域
の多角形の辺とロボット・アームが同一直線上にあるこ
とを示しており、アームと侵入禁止領域が干渉している
可能性を含んでいることになる。したがって（７）式が
満たされるときロボット・アームと障害物との干渉は生
じないことになる。これは、第３因のステップ３０４．
３０５を同時にチェックしていることになる。

（力式が満たされない場合、すなわち ｄｅｔ　（Ｒ，−Ｎ　）　＝０ かツｄａｔ（Ｑ、　　Ｎ）　　＝０ の場合には、対象としている多角形の侵入禁止領域の辺
とロボット・アームが同一直線上にある。

例えば、第５図のような場合が考えられる。この場合、
アームの関節ｒｊ、ｒＪ＋１が侵入禁止領域の線分｜Ｎ
｜に対して内分点になっているか否かを調べる。この方
法には、例えば、次のようなものがある。すなわち、ロ
ボットのｊ番目の関節ｒＪが多角形の辺ｎｌ＊ｎｌ＋’
ｌの内分点になっているかどうかを調べる。ｎｌからｒ
ｊへ向かうベクトルをＡ、ｎｌ＋１からｒｊへ向かうベ
クトルをＢとする（第６図）。

Ａ、Ｂのベクトルの内積を考え、（・はベクトルの内積
を表す） Ａ　−Ｂ（Ｏならば　ｒＪはｎｌ＋ｎｌ＋１の内分点 であるから、対象としている関節は侵入禁止領域の多角
形の辺上にあることになる。ｊ＋１番目の関節「ｊ＋１
についても同様に考えることができる。

したがって、第５図において、ロボットの関節が侵入禁
止領域の多角形の辺上にない条件は、次式に対応する。

（８）式が満たされている場合には第７図に示されるよ
うに以下の３通りが考えられる。

（ａ）　　ロボット・アームが侵入禁止領域を示す多角
形の辺の左側にある。

（ｂ）　　ロボット・アームが多角形の辺の右側にある
。

（ｃｌ　　多角形の辺が、ロボット・アーム上にある。

したがって、ロボット・アームと侵入禁止領域が干渉し
ないという条件を求めるために、（８）式の中から第７
図（Ｃ）の場合を除（。（８）式が満たされている場合
において、第７図（Ｃｌのようになる条件は次式となる
。

（（ｎ−ｒ　）＋（ｎ十Ｎ−ｒ　）　）（（ｎ−ｒ−Ｒ
）＋（ｎ＋Ｎ　− ｒ−Ｒ）ｌ（０・・・・・・・・・・・・　（９）した
がって（８）式の場合から（９）式の場合を除いた（ｎ
−ｒ　）　−（ｎ十Ｎ−ｒ　））。

かつ　（ｎ−ｒ−Ｒ）−（ｎ＋Ｎ−ｒ−Ｒ））０かつ　
（（ｎ−ｒ　）＋（ｎ＋Ｎ−ｒ　）　）（（ｎ−ｒ−Ｒ
）＋（ｎ＋Ｎ ｒ−Ｒ）））ｏ　　　　　　　　　・・・・・・・・・
・・・　（１０）の場合が満たされる時にはアームと侵
入禁止領域との干渉は起こらなん・ことになる。これが
ステップ３０６０条定判断となる０ 以上の処理を侵入禁止領域の多角形の全ての辺、ロボッ
トの全てのアームに対して行えば、動作命令手段からロ
ボットに与えられる指令に対して、ロボット・アームが
多角形の侵入禁止領域に侵入することを妨ぐことができ
る。実施例では、ロボット・アームの幅等を考慮してい
ないが、例えば、多角形の各辺が、少なくとも障害物か
らロボット・アームの最大幅の１／２以上離れているよ
うな、少し大きめの侵入禁止領域を設定するなどの方法
により対処できる。

〔発明の効果〕

以上、本発明によるロボット・アームと障害物との干渉
チェック方法とその機能を備えたロボット制御装置を用
いれば、次のような効果が得られる。

すなわち、ロボットの作業領域中における任意の障害物
に対して、それを含む侵入禁止領域指定を行えば、ロボ
ット・アームのいずれかの部分が侵入禁止領域を侵すよ
うな指令がコントローラからロボットに送られても、ア
ームが侵入禁止領域を侵す前に緊急停止処理が行われる
ため、ロボット作業領域中にある物とロボットとが、不
注意によって衝突することを避けることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による一実施例の説明図、第２図およ
び第４図から第７図は、干渉チェックを説明するための
ベクトル図、第３図は、干渉チェック方法を説明するた
めのフローチャートである。 １０・・・・・・ロボット、１００・・・・・・ロボッ
ト制御装置、１０１・・・・・・障害物が占める領域、
１０２・・・・・・侵入禁止領域、１０４・・・・・・
第１の記憶手段、１０５・・・・・・第２の記憶手段、
１０６・・・・・・干渉チェック方法、１０７・・・・
・・動作命令手段、１１２・・・・・・入力手段。 第７図 （ａ） （ｂ） （ｃ） ｎ１十１

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数のアームが回動可能に連結されたロボットの
   制御装置であって、 前記ロボットの作業領域内に存在する障害物が占める領
   域を含む多角形領域を侵入禁止領域として設定する入力
   手段と、 前記複数のアームのそれぞれの動作命令指令を前記ロボ
   ットに送信可能とする動作命令手段と、前記侵入禁止領
   域の設定データより、多角形の各頂点の位置ベクトルお
   よび各頂点間ベクトルを計算し、かつ記憶する第１の記
   憶手段と、 前記動作命令指令が前記ロボットに送信される前に、前
   記動作命令指令より前記ロボットのアームの各連結部の
   位置ベクトルおよび各連結部間ベクトルを計算し、かつ
   記憶する第２の記憶手段と、前記第１および第２の記憶
   手段に記憶されたデータに基づき、前記アームが前記侵
   入領域を侵すか否かをチェックし、その結果を前記動作
   命令手段に送信する干渉チェック手段とから構成される
   ことを特徴とするロボット制御装置。
2. （２）複数のアームが回動可能に連結されたロボットの
   アームと障害物との干渉チェック方法であって、 前記ロボットの作業領域内に存在する障害物が占める領
   域を含む多角形領域を侵入禁止領域として設定し、該侵
   入禁止領域の設定データより、多角形の各頂点の位置ベ
   クトルおよび各頂点間ベクトル（Ｎ）を計算するステッ
   プと、 前記複数のアームのそれぞれの動作命令指令が前記ロボ
   ットに送信される前に、該動作命令指令より前記ロボッ
   トのアームの各連結部の位置ベクトルおよび各連結部間
   ベクトル（Ｒ）を計算するステップと、 前記Ｒと前記Ｎとが平行か否かを判断するステップと、 前記Ｒと前記Ｎとが平行でないときは、線分｜Ｒ｜と｜
   Ｎ｜とが交点をもつか否かを判断するステップと、 前記Ｒと前記Ｎとが平行なときは、前記Ｎの始点から前
   記Ｒの始点へ向かうベクトル（Ｑ）を計算し、Ｑ＝０か
   否かを判断するステップと、Ｑ＝０でなかったときに、
   ＱとＮとが平行か否かを判断するステップと、 前記Ｑと前記Ｎとが平行なときは、前記Ｒが前記Ｎ上に
   あるか否かを判断するステップとを有しており、 前記線分｜Ｒ｜と｜Ｎ｜とが交点をもつ場合、Ｑ＝０の
   場合、あるいは前記Ｒが前記Ｎ上にある場合には前記ロ
   ボットのアームが前記障害物と干渉すると判断すること
   を特徴とするアームと障害物との干渉チェック方法。