JPH08190415A - ロボット制御装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】作業モデルとして情報処理量が少なく、生成が
容易な部分モデルを用いているので、作業の仕様変更に
対して汎用性があるモデルに基づいてロボットの動作を
精密に制御できるロボット制御装置及び方法を提供す
る。 【構成】 ワーク７，８の部分的な特徴部ごとに、マニ
ピュレータ６ａの動作を複数の部分モデルに分割してモ
デル記憶部１に記憶させ、センシング装置２にてワーク
の部分的な特徴部に対するロボット６の作業状態をセン
シングする。続いて、動作計画部３にてセンシング装置
２にて得られた状態情報Ｓ２、及びモデル記憶部１に記
憶された部分モデル情報Ｓ１に基づき、ワーク７，８の
部分的な特徴部ごとに局所的な動作計画を作成した後、
これを統合してマニピュレータ６ａの動作計画を作成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ロボット制御装置及び
方法に係り、特にマニピュレータの動作計画を作業モデ
ルにて作成でき、作業の仕様変更に対して汎用性がある
ロボット制御装置及び方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ロボットに所望の作業を実行させ
るに当たって、教示を容易にするため、センシング技術
及び作業モデルを利用したロボット制御方法が提案され
ている。この種のロボット制御方法では、教示ペンダン
トなどで大まかなワーク経路などの作業手順を教示した
後、センシング技術にて作業モデルを生成し、当該作業
モデルを利用して精密な作業をロボットに行わせてい
る。

【０００３】従来のロボット制御方法では、ロボットが
作業する３次元空間（並進３自由度、回転３自由度の計
６自由度）について、状態遷移モデルや幾何モデルなど
の作業モデルが、ワークに対して１つだけ使用する方法
が採用されていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述したロ
ボット制御方法では、作業モデルの内容がロボットの動
作環境や作業内容に依存するので、作業中の環境変動に
対してロバストではなく、作業の仕様変更等に対して汎
用性がなく、新たに教示し直す必要性が生じる。また、
ワークの表面状態によるノイズ、及びダイナミックレン
ジの劣化により、作業モデルを生成できない場合があ
る。その結果、ロボット制御の信頼性が低くなるという
問題がある。

【０００５】また、３次元空間での作業モデルの生成に
は、処理する情報処理量が膨大となり、特に幾何モデル
ではモデルの取り扱う変数の数が６（並進３、回転３）
となり実際上の計算処理が不可能となる。したがって、
作業モデルを利用してロボットの動作計画をオンライン
で作成できないという問題が生じていた。

【０００６】ここにおいて本発明の解決すべき主要な目
的は、次の通りである。本発明の第１の目的は、作業モ
デルの汎用性を高め、マニピュレータの動作を迅速にし
かも正確に制御できるロボット制御装置及び方法を提供
せんとするものである。

【０００７】本発明の第２の目的は、作業モデルの生成
に必要な情報処理量を少なくし、マニピュレータの動作
計画をオンラインで作成できるロボット制御装置及び方
法を提供せんとするものである。

【０００８】本発明の第３の目的は、作業中の環境変動
にロバストであり、作業仕様の変更に伴う再教示に手間
のかからないロボット制御装置及び方法を提供せんとす
るものである。

【０００９】本発明のその他の目的は、明細書、図面、
特に特許請求の範囲の記載から自ずと明らかとなろう。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記した課題の解決は、
本発明が次に列挙する新規な特徴的構成手段及び手法を
採用することにより前記目的を達成する。

【００１１】すなわち、本発明装置の第１の特徴は、ワ
ークの部分的な特徴部ごとに、マニピュレータの動作を
複数の部分モデルに分割して記憶するモデル記憶部と、
ワークの部分的な特徴部ごとに、マニピュレータの動作
状態をセンシングするセンシング装置と、前記センシン
グ装置にて得られた状態情報、及び前記モデル記憶部に
記憶された部分モデルに基づき、ワークの部分的な特徴
部ごとに局所的な動作計画を作成した後、これを統合し
てマニピュレータの動作計画を作成する動作計画部と、
当該動作計画部にて作成されたマニピュレータの動作計
画を制御コマンドに変換して出力する送信装置と、入力
された当該制御コマンドに従ってマニピュレータの動作
を実時間で制御する運動制御装置と、を備えてなるロボ
ット制御装置にある。

【００１２】本発明装置の第２の特徴は、前記本発明装
置の第１の特徴における前記部分モデルが、ワークの作
業対象領域のエッジ又は稜をモデル化して作成してなる
ロボット制御装置にある。

【００１３】本発明装置の第３の特徴は、前記本発明装
置の第１又は第２の特徴における前記動作計画部が、複
数の部分モデルを並列又は分散処理してマニピュレータ
の局所的な動作計画を作成してなるロボット制御装置に
ある。

【００１４】本発明装置の第４の特徴は、前記本発明装
置の第１、第２又は第３の特徴における前記動作計画部
が、ワークの部分的な特徴部ごとに作成された複数の局
所的なマニピュレータの動作計画に対して、幾何的なマ
ニピュレータの動作制約を与え、当該動作制約を充足す
る動作を探索することによりマニピュレータの最終的な
動作計画を作成してなるロボット制御装置にある。

【００１５】本発明装置の第５の特徴は、前記本発明装
置の第１、第２、第３又は第４の特徴における前記動作
計画部が、オンラインで稼働してなるロボット制御装置
にある。

【００１６】本発明装置の第６の特徴は、前記本発明装
置の第１、第２、第３、第４又は第５の特徴において、
前記モデル記憶部に記憶された部分モデルを変更する手
段と、前記センシング装置のセンサの配置を変更する手
段と、を有し、ロボットに作業を教示可能にしてなるロ
ボット制御装置にある。

【００１７】本発明装置の第７の特徴は、前記本発明装
置の第１、第２、第３、第４、第５又は第６の特徴にお
ける前記センシング装置が、ワークの部分的な特徴部ご
とに画像センサ又は力センサを配置してなるロボット制
御装置にある。

【００１８】本発明方法の第１の特徴は、動作計画に沿
って運動制御するために作成された制御コマンドによ
り、マニピュレータに所望の作業を実行させるに当り、
ワークの部分的な特徴部ごとに、当該マニピュレータの
動作を複数の部分モデルに分割してモデル記憶部に記憶
する第１ステップと、当該ワークの部分的な特徴部ごと
に、当該マニピュレータの動作状態をセンシングする第
２ステップと、当該第２ステップで得られた状態情報、
及び前記第１ステップで記憶された前記部分モデルに基
づき、前記ワークの部分的な特徴部ごとに局所的な動作
計画を作成した後、これを統合して前記マニピュレータ
の前記動作計画を作成する第３ステップと、当該第３ス
テップで作成された当該マニピュレータの当該動作計画
を前記制御コマンドに変換して前記運動制御のために送
出する第４ステップと、を順次踏んでなるロボット制御
方法にある。

【００１９】本発明方法の第２の特徴は、前記本発明方
法の第１の特徴における前記第２ステップが、前記ワー
クの部分的な特徴部ごとに画像センサ又は力センサを配
置して実行してなるロボット制御方法にある。

【００２０】本発明方法の第３の特徴は、前記本発明方
法の第１又は第２の特徴における前記第３ステップが、
前記複数の部分モデルを並列又は分散処理して前記マニ
ピュレータの局所的な動作計画を作成してなるロボット
制御方法にある。

【００２１】

【作用】本発明は、前記のような新規な手段及び手法を
講じているので、以下のような作用をなす。

【００２２】本発明では、全体作業をワークの特徴部分
毎に分割することにより、作業モデルとして部分的なも
の（部分モデル）を用いているので、従来の全体的なも
のを用いる場合と比べて、作業モデルの生成に必要な情
報処理量が減少し、モデル生成が迅速で容易となる。

【００２３】また、部分モデルはワークの部分的な特徴
部について生成するので、部分モデルに汎用性が与えら
れ、作業の仕様変更や環境の変化に対応させて、すべて
の部分モデルを始めからつくり直す必要性がなく、再利
用が可能となる。

【００２４】例えば、４角柱形状のワークの組み付け作
業から、５角柱形状のワークの組み付け作業にマニピュ
レータ作業を変更する場合には、４角柱形状のワークの
１つのエッジに対する部分モデルを利用すれば、５角柱
形状のワークの組み付け作業ができるので、部分モデル
を新たに作り直す必要性がなくなる。

【００２５】さらに、部分モデルを利用しているので、
全体的なモデルを利用する場合よりもノイズの発生やダ
イナミックレンジの劣化等の信頼性に対する悪影響も防
止できる。

【００２６】また、ロボット作業の教示は、教示ペンダ
ント等で作業手順を教示しなくても、部分モデルとセン
サの配置を変えるといった操作だけで可能となる。

【００２７】

【実施例】以下、添付図面を参照し、本発明をその装置
例及び方法例に基づいて、より詳細に説明する。

【００２８】（装置例）図１は本装置例に係るロボット
制御装置の概念構成を示すブロックダイヤグラムであ
る。ロボット制御装置Ａは、図１に示すように、モデル
記憶部１、センシング装置２、動作計画部３、送信装置
４、運動制御装置５を備えている。

【００２９】モデル記憶部１は、ワークの部分的な特徴
部ごとに、ロボット６のマニピュレータ６ａの動作を複
数の部分モデルに分割して記憶する。部分モデルは、例
えば、ワークの作業対象領域のエッジ又は稜をモデル化
して作成する。

【００３０】センシング装置２は、ワークの部分的な特
徴部ごとに、マニピュレータ６ａの動作状態をセンシン
グする。センシング装置２のセンサには、例えば、画像
センサ又は力センサ等を利用する。かかるセンサはワー
クの部分的な特徴部ごとに配置する。

【００３１】動作計画部３は、マルチプロセス計算機に
て構成し、センシング装置２にて得られた状態情報Ｓ
２、及びモデル記憶部１に記憶された部分モデル情報Ｓ
１に基づき、マニピュレータ６ａの動作計画を作成す
る。

【００３２】運動制御装置５は、入力された制御コマン
ドＳ３に従ってマニピュレータ６ａの動作を実時間で制
御する。

【００３３】送信装置４は、動作計画部３にて作成され
たマニピュレータ６ａの動作計画を制御コマンドＳ３に
変換して運動制御装置５に送信する。

【００３４】（方法例）次に、当該本装置例の装置Ａに
適用するロボット制御方法の方法例について、図面を参
照して具体的に説明する。ここで、図２はロボット制御
装置Ａによるマニピュレータ６ａの動作をシンボリック
表示し、図３は１組のワークエッジ間の接触状態を示し
たものである。

【００３５】本方法例ではマニピュレータ６ａの作業と
して、ワーク母材７の凹溝にワーク部材８の４角柱（凸
状部）を嵌合させる組み付け作業を取り上げる。この作
業におけるマニピュレータ６ａの動作は、図２に示すよ
うに、シンボリックに１０種類（ｍ₁ 〜ｍ₁₀）のマニピ
ュレータ６ａの動作として表現される。

【００３６】本方法例の部分モデルとしては、図３に示
すように、ワーク母材７とワーク部材８との接触状態遷
移モデルのうち、１組のワークエッジ間の接触状態遷移
モデルを用いる。この部分モデルでは１４種の接触状態
とその遷移とを表し、その１４種の接触状態のうちの１
つをゴール状態として設定する。なお、他のエッジ間の
接触に関する部分モデルは、前記の部分モデルと相対的
に同様なので、コピーにより作成して、手間なく用意す
る。このように用意された各部分モデルは、動作計画部
３にて並列処理される複数のプロセスに割り当てられ
る。

【００３７】続いて、ワーク７，８の各エッジ間の接触
はセンシング装置２を用いて計測される。センシング装
置２の計測結果は、動作計画部３で並列処理される各プ
ロセス上で、各部分モデルと照合され、それぞれの接触
状態が判断される。そして、並列処理される各プロセス
にて、各接触状態を遷移させてゴール状態へ至るパス
（シンボリックに表現した動作の集合）として動作計画
が独立に作成される。

【００３８】例えば、図２の接触状態では、集合（ｍ
６、ｍ９）が次の接触状態への動作計画として作成され
る。このとき、各動作計画を統合する際に相互に矛盾の
ない動作を作成する必要があるため、各部分モデルの各
接触状態ごとにマニピュレータ６ａの動作に関する拘束
条件が付随される。

【００３９】この拘束条件には２種類があり、１つは接
触を維持するための拘束条件（維持条件）、もう１つは
物理的に移動できないという拘束条件（禁止条件）であ
る。なお、図３の接触状態では、幾何学的な拘束関係を
調べた結果、図２に示すシンボリックな表現を用いる
と、拘束条件としての維持条件は（ｍ２、ｍ６、ｍ９、
ｍ１０）、禁止条件は（ｍ３、ｍ４、ｍ５）となる。

【００４０】次に動作計画部３で並列処理される各プロ
セスにて、動作計画と各拘束条件とが計算機上の共有メ
モリに書き込まれる。続いて、共有メモリに書き込まれ
た結果を別のプロセス（部分モデルを処理するプロセス
以外）にて読み出され、図４及び図５に示すアルゴリズ
ムに従って、マニピュレータ６ａの動作計画が決定され
る。

【００４１】図４及び図５に示すアルゴリズムの概要は
以下の通りである。まず、各動作計画の動作集合と禁止
条件の集合の直積をとる（ＳＴ１参照）。この直積集合
の中から１つの要素を取出し（ＳＴ２参照）、同じ部分
モデルからの動作計画と禁止条件でない要素について、
その要素が一致するか否かを調べる（ＳＴ３〜ＳＴ４参
照）。一致する要素を、マニピュレータ６ａの動作の候
補集合に加えて、動作の候補集合を定義する（ＳＴ５参
照）。なお、直積集合が空になるまで次々と停止条件要
素を取り払いこの作業を繰り返し行う（ＳＴ６参照）。

【００４２】次に、マニピュレータ６ａの動作の候補集
合と維持条件の集合の直積をとる（ＳＴ７参照）。この
直積集合の中から１つの要素を取出し（ＳＴ８参照）、
同じ部分モデルからの動作計画と維持条件でない要素に
ついて、その要素が一致するか否かを調べる（ＳＴ９〜
ＳＴ１０参照）。

【００４３】一致する要素を、マニピュレータ６ａの動
作集合に加えて、動作集合を定義する（ＳＴ１１参
照）。ここで、この動作集合が空ならば、任意に１つ維
持条件を取り払い、もう一度、同じ操作を繰り返す。そ
して、動作集合の要素がどれか１つ見つかるまで行う。
なお、直積集合が空になるまでこの作業を行う（ＳＴ１
２参照）。

【００４４】続いて、図５に示すよう動作集合の中から
同じ部分モデルからの並進と回転の動作の要素があるか
否かを判断する（ＳＴ１３参照）。当該要素があると判
断した場合には、それら動作を合成し（ＳＴ１４参
照）、マニピュレータ６ａの動作として決定する（ＳＴ
１６参照）。当該要素がないと判断した場合には、動作
集合から任意に１つの要素を取り出してマニピュレータ
６ａの動作として決定する。

【００４５】決定した動作情報は動作計画部３から送信
装置４に送られる。送信装置４では入力された動作情報
を制御コマンドＳ３に変換して運動制御装置５に送信
し、運動制御装置５では入力された制御コマンドＳ３に
基づいた制御駆動信号Ｓ４を出力し、ロボット６のマニ
ピュレータ６ａの動作を制御する。以上説明した処理
は、ロボット６による作業が完了するまで繰り返し行
う。

【００４６】（応用例１）次にロボット６によるワーク
の組み付け作業の応用例を具体的に説明する。ここで、
図６(a) はワークの組付作業における２組の部分モデル
を、図６(b)は同じ組付作業の２次元シミュレーション
をそれぞれ示している。

【００４７】図６での（Ａ−ａ）、（Ｂ−ｂ）の２組の
エッジ間の接触について、図３に示す部分モデルを用意
した。２つの部分モデルは左右対称なので、（Ａ−ａ）
に関する部分モデルを左右対象にコピーして（Ｂ−ｂ）
の部分モデルを作成する。よって、これら部分モデルを
用いて、上述した方法により、マニピュレータ６ａの動
作を決定し、ロボットにより組み付け作業を行う。

【００４８】なお、ロボット６への作業の教示は、作業
情報が含まれた部分モデルとセンサの配置によって行
う。これにより、教示ペンダント等による作業手順の教
示が不要になる。

【００４９】（応用例２）次に２つの凸状部（４角柱）
を有するワーク部材の組み付け作業の他の応用例につい
て説明する。ここで、図７(a) はワークの組付作業にお
ける４組の部分モデルを、図７(b)は同じ組付作業の２
次元シミュレーションをそれぞれ示している。

【００５０】ワークの組付作業は、図７に示すように
（Ａ−ｃ）、（Ｂ−ｄ）、（Ｃ−ｇ）、（Ｄ−ｈ）の４
組の部分モデルを使用して行う。この場合、図６で用い
た部分モデルをそのまま用い、単純に２つの部分モデル
とそれに伴う処理プロセス、センサの数を増やすことに
より対処した。すなわち、図６の作業から図７の作業へ
の作業仕様の変更に伴う再教示は処理プロセス、センサ
の数を増やすことにより行う。

【００５１】前記装置例及び方法例では、動作計画部３
にて各プロセスを並列処理する方法を採用したが、これ
に限定するものではなく、分散処理する方法等を採用し
ても良い。

【００５２】以上説明したように本発明の前記装置例及
び方法例によれば、作業モデルとして情報処理量が少な
く、生成が容易でしかも汎用性のある部分モデルを用い
ているので、オンラインで動作計画を立てることができ
る。また、作業仕様の変更に対して、始めから作業モデ
ルを作り直す必要がなく、作業中の環境変動に対してロ
バストとなる。

【００５３】

【発明の効果】かくして、本発明によれば、作業モデル
として情報処理量が少なく、生成が容易な部分モデルを
用いているので、作業の仕様変更に対して汎用性がある
モデルに基づいてロボットの動作を精密に制御できると
いう効果を奏する。特に、教示方式としては別個に作業
手順を教える手間がかからなくなるという効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の装置例であるロボット制御装置の概念
構成を示したブロック図である。

【図２】本発明の方法例におけるロボット動作をシンボ
リックに表した説明図である。

【図３】同上における１組のワークエッジ間の接触状態
を表す部分モデルの説明図である。

【図４】同上における複数の部分モデルに基づいてマニ
ピュレータの動作を決定するアルゴリズムの途中を示し
た流れ図である。

【図５】同上における図４の流れ図の処理に続いて、マ
ニピュレータの動作を決定するアルゴリズムを示す流れ
図である。

【図６】本発明の実施例による応用例であって、(a) は
ワークの組付作業における２組の部分モデルを示した
図、(b) は同じ組付作業を２次元のシミュレーションで
表示した図である。

【図７】同上による他の応用例であって、(a) はワーク
の組付作業における４組の部分モデルを示した図、(b)
は同じ組付作業を２次元のシミュレーションで表示した
図である。

【符号の説明】 １…モデル記憶部 ２…センシング装置 ３…動作計画部 ４…送信装置 ５…運動制御装置 ６…ロボット ６ａ…マニピュレータ ７…ワーク母材 ８…ワーク部材 Ａ…ロボット制御装置 Ｓ１…部分モデル情報 Ｓ２…状態情報 Ｓ３…制御コマンド Ｓ４…制御駆動信号

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ワークの部分的な特徴部ごとに、マニピ
   ュレータの動作を複数の部分モデルに分割して記憶する
   モデル記憶部と、 ワークの部分的な特徴部ごとに、マニピュレータの動作
   状態をセンシングするセンシング装置と、 前記センシング装置にて得られた状態情報、及び前記モ
   デル記憶部に記憶された部分モデルに基づき、ワークの
   部分的な特徴部ごとに局所的な動作計画を作成した後、
   これを統合してマニピュレータの動作計画を作成する動
   作計画部と、 当該動作計画部にて作成されたマニピュレータの動作計
   画を制御コマンドに変換して出力する送信装置と、 入力された当該制御コマンドに従ってマニピュレータの
   動作を実時間で制御する運動制御装置と、 を備えたことを特徴とするロボット制御装置。
2. 【請求項２】前記部分モデルは、 ワークの作業対象領域のエッジ又は稜をモデル化して作
   成する、 ことを特徴とする請求項１に記載のロボット制御装置。
3. 【請求項３】前記動作計画部は、 複数の部分モデルを並列又は分散処理してマニピュレー
   タの局所的な動作計画を作成する、 ことを特徴とする請求項１又は２に記載のロボット制御
   装置。
4. 【請求項４】前記動作計画部は、 ワークの部分的な特徴部ごとに作成された複数の局所的
   なマニピュレータの動作計画に対して、幾何的なマニピ
   ュレータの動作制約を与え、当該動作制約を充足する動
   作を探索することによりマニピュレータの最終的な動作
   計画を作成する、 ことを特徴とする請求項１、２又は３に記載のロボット
   制御装置。
5. 【請求項５】前記動作計画部は、 オンラインで稼働する、 ことを特徴とする請求項１、２、３又は４に記載のロボ
   ット制御装置。
6. 【請求項６】前記モデル記憶部に記憶された部分モデル
   を変更する手段と、前記センシング装置のセンサの配置
   を変更する手段と、を有し、 ロボットに作業を教示可能にした、 ことを特徴とする請求項１、２、３、４又は５に記載の
   ロボット制御装置。
7. 【請求項７】前記センシング装置は、 ワークの部分的な特徴部ごとに画像センサ又は力センサ
   を配置した、 ことを特徴とする請求項１、２、３、４、５又は６に記
   載のロボット制御装置。
8. 【請求項８】動作計画に沿って運動制御するために作成
   された制御コマンドにより、マニピュレータに所望の作
   業を実行させるに当り、 ワークの部分的な特徴部ごとに、当該マニピュレータの
   動作を複数の部分モデルに分割して記憶する第１ステッ
   プと、 当該ワークの部分的な特徴部ごとに、当該マニピュレー
   タの動作状態をセンシングする第２ステップと、 当該第２ステップで得られた状態情報、及び前記第１ス
   テップで記憶された前記部分モデルに基づき、前記ワー
   クの部分的な特徴部ごとに局所的な動作計画を作成した
   後、これを統合して前記マニピュレータの前記動作計画
   を作成する第３ステップと、 当該第３ステップで作成された当該マニピュレータの当
   該動作計画を前記制御コマンドに変換して前記運動制御
   のために送出する第４ステップと、を順次踏む、 ことを特徴とするロボット制御方法。
9. 【請求項９】前記第２ステップは、 前記ワークの部分的な特徴部ごとに画像センサ又は力セ
   ンサを配置して実行する、 ことを特徴とする請求項８に記載のロボット制御方法。
10. 【請求項１０】前記第３ステップは、 前記複数の部分モデルを並列又は分散処理して前記マニ
    ピュレータの局所的な動作計画を作成する、 ことを特徴とする請求項８又は９に記載のロボット制御
    方法。