JPS6099591A - 協調作業におけるロボツト腕の干渉チエツク方式 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、ロボットの協調作業における不具合動作のチ
ェック法に係シ、特に、ロボット動作シミュレーション
に好適な、協調作業におけるロボット腕の干渉チェック
方式に関する。

〔発明の背景〕

ロボットに動作を教示する場合、実際のロボットを使い
、ロボットの動作を人間の目で確認しながら教示するプ
レイパック方式が用いられている。

しかし、プレイバック方式ではロボットは教示された動
作を反復するのみで、周囲の状況や作業の内容に応じた
知的な動作をすることができない。

このため、ロボット言語によるプログラミング方式の研
究が進められているが、机上で作成するプログラムにミ
スがちる場合には、ロボットが暴走し、機械や加工物を
破損する恐れがある。これを防ぐために、ロボットの動
作をチェックするシミュレータが不可欠である。

従来のシミュレータは、ロボット腕の干渉を人間が目で
判定する仕様になっておシ（オートメーション、１９８
３年５月号、Ｐ１０７参照）、自動的に干渉の有無を判
定していなかった。その理由は、ロボット腕の干渉チェ
ックに時間がかがシ過ぎ、ロボット腕の動作表示速度が
実時間に比べて桁違いに遅くなるためである。その理由
をさらに掘下げると、従来の干渉チェック法は、例えば
公開公報（昭５８−２２６９０　）に記載されているよ
うに、３次元の位置データをすべて同時に取扱っている
ために処理速度が遅くなるという欠点があった。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、協調動作におけるロボット腕の干渉の
有無を、ロボット動作シミュレーションにおいて高速に
判定する方式を提供することにある。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するため本発明では、ロボット腕の干渉
を高速に判定するために、次のように、２線分間の最短
距離を利用する点に特徴がある。

（１）判定に使用するデータの数を削減するために、ロ
ボット腕の各リンク部を線分で表示する。

（２）ロボット腕の干渉の可能性（２線分の交叉性）を
調べるため、まず平面投影図において、干渉の可能性の
ある２線分を選定し、次に、側面投影図において、同様
に、２線分を選定する。

（３）平面及び側面投影図で選んだ各２線分について、
２線分間の最短距離をめる。最短距離があるパラメータ
設定値εよシ小さい場合には、干渉が起こったと判定す
る。

（４）上記（２）（３１は、各時刻ごとに行なう。

εはロボット腕の肉厚を考慮して決めればよいが、安全
サイドに重点を置いた判定をするには、εの値を大きめ
に取る。この結果、実際には衝突していなくても衝突と
判定される場合も出てくるが、ロボット腕が非常に接近
している事実に変わシはなく、安全対策上の価値は十分
にある。

本発明のポイントをまとめると次のようになる。

（ａ）　干渉問題を２線分間の距離の問題として把えて
いる。

（ｂ）　干渉の可能性のある２線分を選ぶために、平面
及び側面投影図を利用している。

（Ｃ）　ロボット動作のダイナミックな干渉を、各時刻
ごとにおけるロボットの幾何学的干渉として把えている
。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面にもとづき説明する。該
実施例は、ロボットの環境（作業対象や周辺装置等）並
びにロボットの動作指令をオペレータが指示するだめの
入力装置１、指示笛れた動作を実現するために、ロボッ
トの各関節のとるべき角度を計算する角度演算装置２、
計算された角度を時系列的に記憶するメモリ３．３次元
のロボット姿勢を２次元画面に表示するだめの座標変換
演算装置４と表示装置５、および時系列データをもとに
ロボット腕の干渉チェックをする干渉チェック演算装置
６とからなる。なお、コンピュータのような汎用計算装
置を用いれば、演算装置２゜４．６は同一の装置を利用
することが可能である。

さて、協調作業としては、例えば、２台のロボットが部
品を組立てる作業が考えられる。第２図は作業環境を真
上から見た図で、７，８はロボットを示す。ロボット７
は四角柱状の部品９をつかみ、ロボット８は台車１０の
上の、穴のあいた板上の部品１１をつかみ、組立て点Ａ
において、部品９を部品１１の穴に挿入する作業を行な
うとする。

上記作業に対応した環境の設定並びにロボット動作指令
を入力装置１から与えると、計算装置２によシ、ロボッ
トの手先の軌道が決められ、決められた軌道を通るため
にロボットの各関節がとるべき角度が計算される。計算
結果は時系列的にメモリ３に記憶され、この時系列デー
タをもとに、各時刻ごとのロボットの２次元画面上の姿
勢を演算装置４で計算し、表示装置５にょシ高速に画面
を切換えてアニメーション表示を行なう。表示画面の一
例を第３図に示す。これは干渉の起こっている場合であ
る。

ここで、演算装置６における干渉チェック方式を、第４
図に示した手順に従って、以下に詳しく述べる。干渉の
ある場合はその旨表示装置５に示　・す。

〔手順４１〕ロボツト形状の簡略化 ロボットの形状、特に協調作業において干渉の危険性の
最も高い本先は複雑な形状をしているが、判定を高速化
するために、ロボット腕の手先及び各リンク部は線分か
らなるものとする。このようにすることによシ、干渉チ
ェックは基本的に２線分間の最短距離をチェックする問
題となる。

〔手順４２〕平面投影図上の各関節位置の計算時刻ｔに
おけるロボットの空間位置座標はメモリ３に格納されて
いる。このデータに、３次元物体を２１次元画面上に表
示するための軸側投影法を適用し、ロボット７．８の各
関節の平面投影図上の位置座標を計算できる。軸側投影
法の詳細は、例えば、Ｎｅｗｒｒ１ａｎ他著”　ｐｒｉ
ｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ工ｎｔｅｒａＣｔｉＶｅ　Ｃｏｍｐ
ｕｔｅｒ　Ｑｒａｐｈｉｃｓ”（ｉｖｌｃ　ｇ　ｒ　ａ
　ｗ−ｎｉｉｌ、　１９７３　）を参照願いたい。

〔手順４３〕平面投影図上における最短距離を持つ２線
分の選定 平面投影図上において、干渉の可能性の高い２線分を選
び出す。多関節ロボットは長線分で表示されるので、干
渉の起こシそうな２線分を選び出すために、干渉危険エ
リアを利用する。協調作業において干渉が生じるのは、
ロボットの作業エリアが重複する部分である。第２図で
は、点線で示した２つの円がロボット７．８０作業エリ
アであシ、その重複部分が干渉危険エリアとなる。ロボ
ット７．８が同時に危険エリアに存在する場合に干渉の
可能性があるので、その場合に、危険エリア内の２線分
の組合せのうち、最小距離を持つ２線分を選び出す。

２線分の選定は、まず、干渉危険エリア内における線分
の交点をめることから始める。線分間に交点があれば、
それらの線分を、最短距離を持つ２線分として選ぶ。複
数の線分間において、交叉する線分がない場合には、最
短距離を持つ２線分を探索する。探索はすべての線分の
組合せについて総当たシで行う。

一般に、平面上における線分の位置関係は第５図のよう
に分類できる。同図（ａ）は、線分が交叉する場合でち
る。（ｂ）は、線分の端点と他線分向の点（端点金除く
）が最短距離を成す場合、同図＜ｃ＞は両線分の端点が
最短距離を成す場合である。線分が交わらない場合の最
短距離をめる計算ステップは次の通シである。

（１）両線分の端点間の距離をすべて（４通シ）求め、
その中から最短距離の端点の組を見つける。その端点の
組を（Ａ、Ｂ）とし、最小距離をｔとする。

線分をＬ１＊　Ｌ２　とする。

（２）両線分が第５図（Ｃ）の状態にあるか否か判定す
るために、端点Ａと、端点Ｂかられずかにへだたった線
分内の点Ｂ′の距離ＡＢ’をめる。同様に、端点Ｂと、
端点Ａかられずかにへたたった線分内の点Ａ′の距離Ｂ
Ａ’をめる。

ＡＨ’≧ｔかつＢＡ’≧ｔ なら、両線分は（Ｃ）の状態にあるので、２線分間の最
短距離ｄ−２となる。

分は第５図（ｂ）の状態にある。従って、点Ａあるいは
点Ｂから他の線分へ下した垂線の長さｐが２線分間の最
短距離ｄとなる。ｐは、次式からまる。

ここで、Ａ又はＢの座標’　（ＸＯ＋　ｙｏ　）線分Ｌ
＋又はＬ２の式：　ａｘ＋ｂｙ十Ｃ＝０□線分間の各組
合せについて、上記（１）〜（３）のステップを災行す
ることによシ、各線分間に交叉が無い場合において、最
短距離を持つ２線分を選び出すことが可能である。

〔手順４４〕側面投影図上における最短距離を持つ２線
分の選定 平面投影図上で最短距離を持つ２線分子ｅ選定したのと
同様に、側面投影図上でも、最短距離を持つ２線分を選
定する。側面図は、例えば、ロボット７．８の固定台を
結ぶ中心線と直角な方向からの投影図を選ぶものとする
。

〔手順４５〕空間内の２線分間の最短距離の計算平面及
び側面投影図上で選定された２組みの２線分に関し、各
々の組みの２線分間の最短距離をめる。

空間内における２線分間の最短距離が生じる状況を分類
すると、第５図の分類の思想がそのまま使える。すなわ
ち、次のように分類できる。

（ａ）　両線分向の点（端点を除く）が最短距離となる
。

（ｂ）　一つの線分の端点と他の線分の端点が最短距離
となる。

（Ｃ）両線分の端点が最短距離となる。

２線分間の最短距離の探索手順は次の通シである。

（１）各線分を含む直線において、それらの最短距離を
形成する点Ｈ＋　、Ｈ＋＋＋　の座標をめる。

上記の点の座標のめ方を図示すると、第６図のようにな
る。

（１）任意の線分の端点（ｐ、ｑ、ｒ）から他の回線Ｌ
１に下した垂線の足Ｕｌの座標（ＸＩ＋ｙＩ＋Ｚｌ　）
をめる。ｘｌ　＋　Ｙｔ　＋　２１は次式の連立方程式
を解くことにより得られる。

直線Ｈｌ上にある条件式 垂線の長さｄ、に関する条件式 ただし く１１）垂線の足Ｈ１から、他の直線Ｌ２に垂線を下す
。垂線の足Ｈ２と垂線の長さｄ２を同様にめる。

θｔＤ　ｄ＋＝ｄｚであれば、そのときのＨｔ　＋’　
Ｈ２の座標がめる座標である。ｄｌ〜ｄ２であれば、再
び、Ｈ２からＬ＋　に垂線を下し、ｄ３．Ｈ３をめる。

（ｌＶ）　ｄ２＝ｄ３であればＨ２、Ｈ３の座標がめる
座標である。（１＋”ｒｄａのときは、ｄ４．Ｈ。

をめ、以後、ｄＩ＝ｄＩ４１　（ｉ＝３．４．・・・）
が成立するまで同様の手順を繰返す。ｉのときの垂線の
足がＨｔ　、　Ｈ１＋１　となる。

（２）Ｈｔ　、Ｈｔ。１が線分向上の点であるか否か判
定する。

（３）　Ｈｔ　、　ＨＩ＋＋　がどちらも線分内にある
ときは、ｄ＝ｄ＋　（＝ｄｔ、＋　）　である。これは
第５図（ａ）の場合に相当する。

（４）　ＨｔあるいはＨｌやｌ　の少なくともどちらか
一方が線分内にないとき、換有すれば第５図（ｂ）また
は（Ｃ）の場合には、手順３で述べた考えを用いて、２
線分間の最短距離をめる。その計算ステップは、手順４
の計算ステップで述べたのと同じであるので、ここでは
省略する。ただし、第５図（ｂ）の場合に相当する最短
距離は、当然のことながら、手順３の垂線の式の代りに
、本手順の垂線の式を用いる。

以上の（１）〜（４）の計算処理によシ、平面及び側面
投影図上で選定した２線分間の最短距離がそれぞれめら
れる。

〔手順４６〕干渉の可能性の計算 平面及び側面投影図上で選定した２線分の最短距離ｄｌ
　、ｄ２と、任意の値に設定できるパラメータξを比較
し、 ｄｌ≦ｔ　□ｒ　ｄ２≦ε であれば干渉が生じたと判定する。εの設定値は、肉厚
や形状などから決めることができるが、安全サイドに重
点をおくときはＣを大きくすればよい。

干渉の可能性のある場合には、表示装置５に干渉発生の
メツセージを出力する。

〔発明の効果〕

本発明によれば、実際のロボット動作わずに干渉チェッ
クを行うことができるので、干渉チェックのために生産
ラインを停止しなくてよい。またプログラムミスのため
に生じるロボットの暴走、ロボット同志の破壊などを回
避できるという効果がある。さらに、高速な干渉チェッ
クアルゴリズムによシ、対話型でロボット動作の修正が
容易になシロボット動作教示の効率が上がる。

【図面の簡単な説明】

第１図はロボット動作シミュレーションシステムの構成
図、第２図は作業環境を真上から見た図、第３図はロボ
ット動作表示画面の一例を示す図、第４図は干渉チェッ
ク方式の手順を示すフローチャート、第５図は２線分間
の最短距離の状況を示す図、第６図は２直線間の最短距
離をめる方法を示す図である。 １・・・動作指令等の入力装置、２・・・ロボットの姿
勢の計算装置、３・・・メモリ、４・・・ロボットの２
次元画面上での姿勢表示計算装置、５・・・表示装置、
６・・・干渉チェック計算装置、７，８・・・ロボット
、９・・・四角柱、１０・・・台車、１１・・・穴のあ
いた板上部第　１　図 藁　４　図 第５図 １５　６　ロ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ロボットの作業環境やロボットの動作指令をオペレータ
   が入力する装置と、指示された動作を実現するために、
   ロボットのとるべき姿勢を計算する装置と、計算結果を
   時系列的に記憶するメモリと、３次元のロボット姿勢を
   ２次元画面に表示するための計算装置と、その結果を連
   続的に表示する装置と、ロボット腕の干渉チェックをす
   る計算装置とからなるロボット動作シミュレーションシ
   ステムにおいて、多関節ロボットの各リンク部を線分と
   して取扱い、干渉の起こシ得る２線分に関し計算でめた
   最短距離と、予め定めたパラメータ値とを比較して干渉
   の可能性をチェックすることを特徴とする協調作業にお
   けるロボット腕の干渉チェック方式。