JPH089152B2 - 多腕マニピュレ−タの動作手順自動生成方法 - Google Patents

多腕マニピュレ−タの動作手順自動生成方法

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JPH089152B2
JPH089152B2 JP62125991A JP12599187A JPH089152B2 JP H089152 B2 JPH089152 B2 JP H089152B2 JP 62125991 A JP62125991 A JP 62125991A JP 12599187 A JP12599187 A JP 12599187A JP H089152 B2 JPH089152 B2 JP H089152B2
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P90/00Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
    • Y02P90/02Total factory control, e.g. smart factories, flexible manufacturing systems [FMS] or integrated manufacturing systems [IMS]

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  • Automatic Assembly (AREA)
  • Numerical Control (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、複数のマニピュレータと、これを制御する
計算機を含み、各マニピュレータは並列動作して予め決
められた部品を目標位置まで移動させて部品を組み立て
る部品組み立て装置に関し、特に多腕マニピュレータの
動作手順自動生成方法に関する。
〔従来の技術〕
多腕マニピュレータの動作手順自動生成を行った例は
極めて少ない。その代表例は、O.Z.Maimon and S.Y.No
f.“Coordination of Robots Sharing Assembly Task
s",J.Dyn.Sys.Meas.Control,107,299−307(1985)であ
る。その場合でも、手順の自動生成の行われているの
は、手先動作レベルの命令についてであり、多腕マニピ
ュレータに特有のものとはいえない。多腕マニピュレー
タの作業の特徴の1つに、並列動作による作業時間の短
縮がある。しかし、対象物記述レベルのロボット言語に
おいて、多腕マニピュレータのための手順を自動生成し
た例は無く、人間が手順を決定し、命令として与えてい
た。この結果、多腕であるためにかえって作業者が教示
する負担を増大させるという問題があった。
さらに上記の例では、手順の最適化において取扱う部
品、治具までの距離を基に、「巡回セールスマン問題の
解法」(参考文献:岩波講座、情報科学22「人工知能」
P.10、白井良明、辻井潤著、岩波書店)を応用してい
る。しかし、具体的解法はMaimon氏の論文に示されてお
らず、また各マニピュレータごとのスケジューリングな
のでシステム全体としての作業時間を最少にするとは限
らない。また、共有空間(複数のマニピュレータの作業
領域が交わる空間)、資源に対してセマフォを設定し、
先に資源を専有したマニピュレータが先に作業を行い、
他はそれが終わるまで待つという方式をとっているの
で、他のマニピュレータも途中までの作業ができるにも
かかわらず、待っていなければならず、複数のマニピュ
レータが互いに相手が退避するのを待っている状態(デ
ッドロック)に陥り、動くことができなくなるという問
題がある。
〔発明が解決しようとする問題点〕
本発明の目的は、マニピュレータ間のデッドロックを
防ぎつつ全体の作業時間を最少にする多腕マニピュレー
タの動作手順自動生成方法を提供することにある。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明の多腕マニピュレータの作業手順自動生成方法
は、各部品の接続関係からどの部品をどういう順序で移
動させるかという組み立てのための部品移動手順を各マ
ニピュレータ毎に決定し、次に、複数のマニピュレータ
が同じ資源を同時に使用しようとした場合のマニピュレ
ータの優先順位を示す優先度を決定された部品移動手順
を基に各動作単位毎に設定してマニピュレータの動作手
順を優先度の組み合わせに応じて設定し、これら動作手
順のうち全体の作業時間が最短になるものを選択するも
のである。
〔作用〕
CADによる設計では、組み立て図の作成と同時に、各
部品の接続関係を自動的に入力することが可能である。
この情報を用いれば、接続関係をたどって行くことによ
り、組み立て手順を生成することができる。その際、最
初に扱う物体は、接続先の無い部品、すなわち一番端に
ある部品を捜すことにより求まる。次に、どのマニピュ
レータがどの対象物を扱えるかは対象物がどのマニピュ
レータに近いか等により既に決定されているものとすれ
ば、各マニピュレータに対して上記の移動手順を基に、
各動作単位ごとに優先度を設定する。優先度の高いマニ
ピュレータが共有資源を使用している場合、同じ資源を
使おうとする他のマニピュレータは、自分の出来る限り
の作業をした状態で待つ。逆に優先度が低いマニピュレ
ータが共有資源を使用している時でも、優先度の高いマ
ニピュレータはこれをどかして、自分が資源を使用する
ことができる。優先度が設定されれば、これを基に全体
の作業時間が計算される。優先度の組み合わせは何通り
も設定でき、それによって全体の作業時間は異なる。こ
の組み合わせの中から、作業時間の短いものを選べば、
マニピュレータの作業手順が決定する。
〔実施例〕
次に、本発明の実施例について図面を参照して説明す
る。
第1図は本発明の多腕マニピュレータの動作手順自動
生成方法を適用してなる組み立て装置の構成図、第2図
は組み立て対象の例を示す図、第3図は第2図の組み立
て対象の構成部品の接続関係を示す図である。
本実施例は、マニピュレータ4a,4bと、マニピュレー
タ4a,4bの動作手順のスケジューリングを行なうホスト
コンピュータ1と、ホストコンピュータ1の命令をマニ
ピュレータ駆動信号に変換するコントローラ2a,2bと、
ホストコンピュータ1とマニピュレータ4a,4b間のセン
サインターフェース3で構成されている二腕の組み立て
装置で、第2図に示すような、ボルト5a,5b、プレート
6、ブロック7a,7bからなる玩具ブロックを組み立てる
例である。
この部品間の接続関係は、第3図に矢印で示すもので
表現できる。これは、フレームによって表1のプレート
6の場合で示すようにtoスロット、out−ofスロットの
値として接続先、接続元部品名を使うことで表現でき
る。このシステムでは環境情報を「フレーム」という形
式で表現し、1つのフレームは複数個の属性を「スロッ
ト」の形で持っている。例えば「積木」というフレーム
は「色」、「材質」、「形」というスロットを持ち、各
スロットは「茶色」、「木」、「直方体」というデー
タ、すなわち「スロット値」を持つ。この「フレーム」
は人工知能の分野でよく使われる表現方法で、Minskyu
により提案されたものである。
ここで、表1の各スロットの意味は次の通りである。
「world」…マニピュレータによる組み立ての行なわれ
る空間およびその中の物 「ミドルプレート」…中くらいの大きさのプレート 「Out−of」…接している物体のうち、地面から遠いも
の 「To」…接している物体のうち、地面に近いもの 「Func」…「To」スロットで示す物体との相対位置関係
を表すベクトルで、(「To」で示す物体の位置)+(Fu
nc)=(その物体の位置)となる。この場合、(−30 0
60 0 0 0)はブロック7a(30 0 60 0 0 0)はブロック
7bのベクトルで、「−30」、「30」がx座標、次の
「0」、「0」がy座標、次の「60」、「60」がz座
標、次の「0 0 0」、「0 0 0」がx軸回り、y軸回り、
z軸回りの角度である。
「Goal」…組み立て目標位置 これらのスロット値はCADで組み立て図を作成する際
に同時に記入することができる。組み立て手順は、先ず
toスロットの値が無い部品を捜し、そこからout ofスロ
ットにある部品をたどっていくことで、第4図のように
求まる。この場合、リスト内の左側にある部品から組み
立てはじめ、同じかっこ内の複数個の部品は、並列に扱
うことが可能であることを示す。本実施例では、マニピ
ュレータ4aでブロック7a、プレート6、ボルト5aをこの
順序で目標(組み立て)位置に移動させ、マニピュレー
タ4bでブロック7b、ボルト5bをこの順序に移動させるも
のとする。次に、このように決定された部品移動手順を
基に各動作単位(とりに行く、つかんで移動させる、お
ろす等)毎にマニピュレータ4a,4bが同じ資源(この場
合、空間)を同時に使用しようとした場合の優先度1ま
たは2(1の方が優先度が高い)を設定し、マニピュレ
ータ4a,4bの動作手順を優先度の組み合せに応じて設定
する。
表2はブロック7a,7bとプレート6の組み立てにおけ
る優先度の組み合せに応じてマニピュレータ4a,4bの動
作手順のガントチャートである。
(1)移動手順I この移動手順では、マニピュレータ4aの「ブロック7a
の移動」および「プレート6の移動」の優先度が1で、
マニピュレータ4bの「ブロック7bの移動」の優先度が2
となっている。マニピュレータ4a,4bは同時にそれぞれ
ブロック7a,7bをとりにいく。次に、マニピュレータ4a,
4bはそれぞれブロック7a,7bをつかんで目標位置まで移
動させようとするが、同じ空間を使用することになるの
で、優先度の高いマニピュレータ4aの動作が優先してマ
ニピュレータ4aはブロック7aをつかんで移動させ、目標
位置でおろす。この間、マニピュレータ4bは待ち状態と
なる。そしてマニピュレータ4aがブロック7aを目標位置
におろした後、マニピュレータ4bはブロック7bをつかん
で目標位置まで移動させ、一方、マニピュレータ4aはこ
の間プレート6を取りにいく。この後、マニピュレータ
4bはブロック7bを目標でおろそうとするが、マニピュレ
ータ4aの優先度が高いため、ブロック7bをつかんだまま
退避する。一方、マニピュレータ4aはマニピュレータ4b
が退避する間待った後、プレート6をつかんで移動させ
目標位置でおろそうとするが、土台となるブロック7bが
ないので作業ができない。
(2)移動手順II この移動手順では、マニピュレータ4aの「ブロック7a
の移動」の優先度が1、「プレート6の移動」の優先度
が2に設定され、マニピュレータ4bの「ブロック7bの移
動」の対応する時間帯の優先度がそれぞれ2、1に設定
されている。ブロック7aの移動が完了するまでの動作は
動作手順Iの場合と同じである。ブロック7aの移動が完
了すると、マニピュレータ4bの優先度が高くなり、マニ
ピュレータ4aがプレート6をとりにいった後、マニピュ
レータ4bがブロック7bを目標位置におろすまでの間マニ
ピュレータ4aは待ち状態となる。マニピュレータ4bがブ
ロック7bを目標位置におろすと、マニピュレータ4aはブ
レート6を目標位置まで移動させ、おろす。
(3)動作手順III この動作手順は、動作手順IIと優先度の設定が逆にな
っている。したがって、マニピュレータ4bがブロック7b
をとりにいった後つかんで移動させ目標位置におろすま
での間、マニピュレータ4aは待ち状態となる。マニピュ
レータ4bがブロック7bを目標位置におろすと、マニピュ
レータ4bの動作は終了したのでマニピュレータ4aはブロ
ック7aをつかんで移動させ目標位置におろす。引続い
て、マニピュレータ4aはプレート6をとりにいき、目標
位置まで移動させ、おろす。
(4)動作手順IV この動作手順は動作手順Iとは優先度の設定が逆にな
っている。マニピュレータ4bがブロック7bをとりにいっ
た後、つかんで移動させ、目標位置におろすまでの間、
マニピュレータ4aが待ち状態となるのは動作手順IIIと
同じであるが、この後、マニピュレータ4aはマニピュレ
ータ4bの方が依然として優先度が高く、かつマニピュレ
ータ4bの作業がないので作業できない。
以上の動作手順で、実現性があるのは動作手順IIと動
作手順IIIであり、動作手順IIの方が動作手順IIIよりも
作業が早く終了するので、動作手順IIが選択される。
以上の動作手順の生成は、マニピュレータ4a,4bの移
動速度、部品6,7a,7bの移動距離等のデータをホストコ
ンピュータ1に予め入力しておくことにより自動的に行
なわれる。
なお、二腕による小規模の組み立て作業では優先度設
定場合の数が多くないので、作業手順を求める場合に
「optimal search」によって最適手順を求めることがで
きる。対象物をつかみ損ねたり、落としたりした場合の
エラーリカバリー時にも、同様の方法によってその場で
スケジューリングをしなおし、対処する。
マニピュレータ数をn、動作数をpとするとき、優先
度の組み合わせの数は最大でnpにもなる。「optimal se
arch」では必ず最適解が求まるものの、全数探索に近い
ので計算時間がかかる。特に、マニピュレータ数が多
く、複雑な作業になるほどこの問題が大きくなる。そこ
でこのような場合には、「optimal search」の代わり
に、目標までの予想作業時間を使って最適解を推定する
「best−first search」を用いて計算時間を短縮する。
なお、「optima search」は状態空間がグラフで表現さ
れ、各枝に対応するコストが与えられた場合に、全コス
トを最小にする道を求める方法の1つで、出発節点から
のコストが最小の節点を最初に調べるもので、「best f
irst search」はすべての節点の中から最も目標に近い
節点を選んで展開する方法で、最適解とは限らない。
〔発明の効果〕 以上説明したように本発明は、各部品の接続関係から
部品移動手順を各マニピュレータ毎に決定し、決定され
た部品移動手順の各動作単位毎にマニピュレータの優先
度を設定して、この優先度の組み合せに応じて決まる動
作手順のうち全体の作業時間が最短になるものを選択す
ることにより、次のような効果がある。
(1)完成品データから部品移動手順が自動生成できる
ので、人間による教示の負担を軽減できる。
(2)並列作業の可能なことを表現できるので、多腕マ
ニピュレータによる並列作業により全体の作業時間を短
縮できる。
(3)各マニピュレータに動作優先度が設定されるの
で、互いに相手の動作完了待ちとなるデッドロックを回
避できる。
(4)優先度は各単位動作ごとに動的に変化させるの
で、その組み合わせを適切に選ぶことにより、全体の作
業時間を短くすることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の多腕マニピュレータの動作手順自動生
成方法の一実施例を適用してなる組み立て装置の構成
図、第2図は組み立て対象の例を示す図、第3図は第2
図の組み立て対象の構成部品の接続関係を示す図、第4
図は本実施例における部品移動手順の出力結果を示す図
である。 1……ホストコンピュータ、2a,2b……コントローラ、
3……センサインターフェース、4a,4b……マニピュレ
ータ、5a,5b……ボルト、6……プレート、7a,7b……ブ
ロック。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】複数のマニピュレータと、これらを制御す
    る計算機を含み、各マニピュレータは並列動作して予め
    定められた部品を目標位置まで移動させて部品を組み立
    てる部品組み立て装置に使用する多腕マニピュレータの
    動作手順自動生成方法において、 各部品の接続関係からどの部品をどういう順序で移動さ
    せるかという組み立てのための部品移動手順を各マニピ
    ュレータ毎に決定し、次に、複数のマニピュレータが同
    じ資源を同時に使用しようとした場合のマニピュレータ
    の優先順位を示す優先度を決定された部品移動手順を基
    に各動作単位毎に設定してマニピュレータの動作手順を
    優先度の組み合わせに応じて設定し、これら動作手順の
    うち全体の作業時間が最短になるものを選択する多腕マ
    ニピュレータの動作手順自動生成方法。
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