JPS62192857A - ロボツトシミユレ−シヨンシステム - 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〕 この発明は、複雑な環境下で作業するロボットの動作を
オフラインでプログラミングするためのロボットシミュ
レーションシステムに関スるものである。

〔従来の技術〕

従来この種の装置としては、例えば、第８図のようなも
のがあった。図にお〜・て１は画像データを生成すると
ともにロボットの動作に応じて画像データを更新して（
・く第１の演算処理装置（ＭＰＵ）、２は、画像データ
を格納するとともに第１のＭＰＵ１で行う演算に必要な
作業領域となる第１の記憶装置（ＲＡＭ）、３は、第１
のＭＰＵ１で実行されるプログラムが格納されている第
１の読出し専用記憶装置（ＲＯＭ）、４は、画像表示装
置（ＣＲＴ　）５を制御するＣＲＴコントローラ、６は
、画像データを入力するキーボードやマウスなどの入力
装置、７は、次に述べろもう一つの演算装置と交信する
ための第１の外部バスインターフェイス、８は、計画さ
れた動作を実現するロボットの各自由度の軌道を生成す
る第２の演算処理装置（ＭＰＵ）、９は、第２のＭＰＵ
８で実行されろ演算プログラムが格納されている第２の
読出し専用記憶装置（ＲＯＭ　）、１０は、第２のＭＰ
Ｕ８で実行される演算に必要な作業領域となる第２の記
憶装置（ＲＡＭ）、１１は上記第１のＭＰＵと交信する
ため第２の外部バスインターフェイスである。

次に動作について説明する。入力装置６がら環境とロボ
ットの形状・寸法に関するデータを入力すると第１のＭ
ＰＵ１において、第１のＲＯＭ３に格納されている画像
データ生成プログラムが実行され、第１のＲＡＭ２にそ
の画像データが格納される。一方、ロボットの動作を計
画する（例えば、ロボットのハンド部の軌道を入力装置
６から与える）と、その動作を実現す゛ろ各自由度の軌
道が、第２のＲＯＭ９に格納されているプログラムに基
づいて第２のＭＰＵ８で生成され、第２のＲＡＭＩ　Ｑ
に格納される。次に、ロボットの動作をシミュレートす
る命令が入力装置６から与えられると、外部バスインタ
ーフェイス１１　、７１’ｉしてロボットの各自由度の
軌道が、第１のＭＰＵ１に転送され、その値によって第
１のＲＡＭ２に格納された画像データを更新し、ＣＲＴ
コントローラ４によってＣＲＴＳ上にその画像が表示さ
れる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来のロボットシミュレーションシステムハ以上のよう
に構成されているので、ロボットと環境の相互作用につ
いては、人間がディスプレイ上で確認せねばならず、複
雑な環境下ではこの作業は非常に困難となる。また、こ
の計算を行う演算処理装置を付加した場合でも、従来の
画像生成用データを用いると複雑な環境下では、非常に
演算量が多くなり、実時間での実行は難しくなるなどの
問題点があった〇 この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、安価な演算装置と専用論理回路によって、環
境とロボットの相互作用を高速に解析できるシミュレー
シ冒ンシステムを得ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係るロボットシミニレ−ジョンシステムは、
ロボットの作業環境の８分木データを生成し、この８分
木データに基づいた演算手段により、環境とロボットの
相互作用を高速に解析するための専用論理回路とこの８
分木データを格納する記憶装置を従来のシミュレーシヲ
ンシステムに付加したものである。

〔作　用〕

この発明においては、作業環境の８分木データを導入す
ることにより、環境とロボットの相互作用の解析が、こ
の８分木データ上のノード探索に帰着され、その結果、
安価な演算装置と専用論理回路によって高速に上記解析
計算が実行できる。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図はこの発明の構成を明示するための全体構成図である
。キーボードやマウスなどのデータ入力装置ａを用いて
環境とロボットの形状・寸法に関するデータを入力する
と画像データ生成手段すによりソリッドな画像データが
生成される。

・　次に、シミーレート運用手段ｄでシミュレートした
いロボットの動作を計画するとロボット動作計算手段Ｃ
でそれを実現するロボットの各自由度の軌道を生成する
。これらのデータを用いて画像データ表示手段りにより
画像表示装置１に環境とロボットの画像を表示する。一
方、画像データ生成手段すに生成された環境の画像デー
タは、８分木データ生成手段ｅにより８分木データに変
換されて生成され、８分木データ入力装置ｆに格納され
る。ここで、ロボットの動作がシミュレート運用手段ｄ
より与えられると、８分木データノード探索手段ｇＫよ
り、環境とロボットの干渉検査やロボットから環境まで
の距離算出が高速に実行され、その結果は、シミュレー
ト運用手段ｄに転送され、画像表示装置ｉＫ前記ロボッ
トの干渉検査やロボットから環境までの距離算出結果の
内容が表示される。

次にロボットシミュレータのシステム構成について説明
する。図中、第４図と同一の部分は同一の符号をもって
図示した第２図において、ユニットＡは画像データを生
成するとともにロボットの動作に応じて画像データを更
新していくマイクロプロセッサを使用した第１のＭＰＵ
１、画像用データを格納するとともに第１のＭＰＵ１で
行う演算に必要な作業領域となる第１のＲＡＭ２、デー
夕処理のための処理プログラムやこのユニットＡを制御
するための制御プログラムを格納する第１のＲＯＭ３、
ＣＲＴ５を制御するためのＣＲＴコントローラ４、外部
から画像データを入力するためのキーボードやｉウス等
の入力装置６及びロボットの動きを計算するためのユニ
ツ）Ｂや８分木データを処理するユニットＣと通信を行
うための外部バスインターフェイス７により構成されて
いる。そして、上記ユニツ）Ａは、画像データの入力、
表示に関する処理及びシミエレータシステム全体につい
ての制御を行う。

ユニッ）Ｂは計画された動作を実現するロボットの各自
由度の軌道を生成するマイクロプロセッサを使用した第
２のＭＰＵ、処理データを格納するための第２のＲＡＭ
９、このユニツ）Ｂを制御するための制御プログラムと
データ処理のための処理プログラムを格納する第２のＲ
ＯＭ１０及び他のユニットＡ、Ｃと通信を行うための外
部ノくスインターフェイス１１より構成され、上記ユニ
ットＢはロボット動作に関する処理を行う。

ユニットＣはマイクロプロセッサを使用した第３の演算
処理装置（ＭＰＵ）１２、環境の８分木データなどのデ
ータを格納するための第３の記憶装置（ＲＡＭ）１３．
８分木データの生成や干渉検査などのデータ処理プログ
ラムやこのユニットＣの制御を行うための制御プロ少ラ
ムを格納する第３の記憶装置（ＲＯＭ　）１４．８分木
データのノード探索用の専用論理回路１５、他のユニッ
トＡ、Ｂと通信を行うための第３の外部バスインターフ
ェイス１６により構成されている。そして、上記ユニッ
トＣは環境の８分木データの生成や８分木データを用い
た環境とロボットの干渉検査などの処理を行う。

次に、専用論理回路の構成を第３図によって説明する。

第３図において、（イ）はプロセッサユニットからの信
号をデコードしメモリユニット及びこの専用論理回路で
あるノード探索回路全体のタイミング信号を発生するた
めのアドレスデコード兼タイミング信号発生回路、（ロ
）〜に）は、探索すべきアドレス（Ｘ、ＹＩＺ方向）を
保持しノードのアドレスを算出するためのシフトレジス
タ、（ホ）はシフトレジスタ（ロ）〜に）の信号をベー
スアドレスに加えてノードアドレスを得るための加算回
路、（へ）はノードアドレスを保持するためのラッチ回
路、（ト）はノードの状態を保持するラッチ回路、（男
はノード探索のためのベースアドレスを保持するラッチ
回路、（ψ〜（３）は、メモリユニットとプロセッサユ
ニット及びノード探索回路のアドレス及びデータバスの
接続のインターフェイスのためのバクファ回路である。

（ワ）は探索しているノードのレベルを示すカウンター
である。

次に上記実施例の動作を第４図〜第７図を参照しながら
説明する。

第４図は、システム全体の処理の流れを示すジエネ”）
　／Ｌ／７０−チャートである。先ずシステムが起動さ
れるとステップ１７でロボット及び環境の画像用データ
が第２図の入力装置６を介して第１のＭＰＵ１により読
み込まれ、第１のＲＡＭ２に格納される。次のステップ
１８では、環境のデータが外部バスを介して第１のＭＰ
Ｕ　１から第２のＭＰＵ１２に転送され、後述する第５
図のアルゴリズムにより、環境の８分木データが作成さ
れ、第３のＲＡＭ１３に格納されろ。ステップ１９では
ロボットの構造に関するデータが第１のＭＰＵ１かも第
２のＭＰＵ８に転送され、第２のＭＰＵ８においてロボ
ットの位置や各関節の角度などのパラメータの初期化が
行なわれろ。そして、ステップ２０では第２のＭＰＵ８
においてロボットが目標姿勢に近づく様に位置や関節角
などのパラメータが計算され、そのパラメータの値が外
部バスを介して第１のＭＰＵ１と第３のＭＰＵ１２に送
られる。次のステップ２１では第３のＭＰＵ１２と専用
論理回路１５により後述する第６図のアルゴリズムによ
り、ステップ２０で送られたパラメータで決められるロ
ボットの姿勢で環境と干渉するかと５かを、環境の８分
木データをもとに検査する。ステップ２２〜２３では、
干渉しているかどうかの判定に従い、干渉していればス
テップ２０に戻り再びパラメータの計算をやり直し、干
渉していなければその旨を第１のＭＰＵ１に外部パスを
介してデータ転送し、第１のＭＰＵ１はロボットの環境
中での状態をＣＲＴ５上に表示する。ステップ２４では
第１のＭＰＵ１かロボットの姿勢が最終的な目標状態に
達したかどうかを判定し、達していなければステップ２
０に戻り、目標状態に達していればシミュレーションは
終了ｊる。

次に本システムの特色である８分本データの生成と干渉
検査について説明する。この説明に先だち８分本データ
の構造について第７図を用いて説明する。

すなわち、８分本データ構造は、３次元空間内の物体を
計算機上で表現するためのモデル化の１つの手法として
知られているもので、第７図（ａｌのように定義空間を
立方体とし、８個の小立方体への分割を行ない、各小立
方体に対象物体が含まれるかどうかで物体の構造を表わ
したものである。

小立方体は一般に）−ドと呼ばれ、その内部状態として
は立方体内部に何も存在しない空白（ｗｈ　ｉ　ｔｅ　
）状態、立方体内部に対象物と空白が存在する混在（ｍ
ｉｘ）状態、立方体内部が対象物だけで占められる占有
（ｂｌａｃｋ）状態の３つの状態がある。８分木構造を
概念的に表現したものが第７図の（ｂｌでこの場合は立
方体の分割が２回で終了しており、木構造のレベル（深
さ）は２となっている。一般に対象物の形状が複雑にな
っても、この木構造のレベルを深くとることにより、モ
デルの精度を上げることができる。

第５図は８分本データの生成プログラムの構成を示すも
のである。ステップ２５ではノードを格納する配列や変
数の初期化を行う。ステップ２６では現在着目している
ノード（立方体）と対象物体の位置関係を調べそのノー
ドの内部状態を決める。ステップ２７〜２８ではノード
の内部状態により処理を分岐させ、ノードレベルにより
ルベル下の子ノードを生成するかどうかの判断を行なっ
ている０ ステップ２９はノードのレベルがあらかじめ指定された
限界に達していた場合の処理として、混在状態のノード
を占有状態と見なして子ノードの生成を止めている。ス
テップ３０では同じ親ノードに属する同レベルのノード
のうち未検査で内部状態が未定のものがあるかどうかを
調べ、存在すればステップ２６に戻りそのノードな検査
するように処理を分岐させている。ステップ３１〜３２
では着目しているノードのレベルを１つ上げ、それが０
であれば終了、そうでなければ、ステップ３０に戻り未
検査ノードの検査を行うようになっている。

第６図は８分本データとロボットとの干渉を検査するプ
ログラムの構成を示すフローチャートである。

ステップ３４では、ロボットを構成している各部を立方
体などの多面体で近似し、まず１つの面を取り出す。ス
テップ３５では、さらに面を頂点によりいくつかの三角
形に分割する。ステップ３６では１つの三角形を取り出
し、その頂点の座標位置が環境の８分本データのどのノ
ードに相当するかを求める。

ステップ３７〜３９では頂点に相当するノードの情報に
より処理を分岐させている。まず頂点に相当するノード
のうちどれか１つでも占有状態であれば、ロボットと環
境は干渉しているのでステップ４４に分岐する。頂点に
相当するノードが全て同じノードで空白状態、もしくは
２つが同じノードで１つがその隣接ノードで空白状態な
らば、その三角形と環境は干渉していないので、ステッ
プ４０の未検査の三角形の検査に進む。ノード同志の関
係が上記の場合にあてはまらない場合には環境との関係
は不明なのでステップ４３に進みさらに三角形を分割し
て検査を行う。

ステップ４０で未検査の三角形がなければ、ステップ４
１に進み未検査の面が存在するかどうかをチェックする
。未検査の面が存在すればステップ３５に戻り処理を続
ける。未検査の面がなくなれば、ロボットと環境は干渉
していないことがわかり処理は終了する。

また、第３図で示した８分本データのノード探索用の専
用論理回路１５の動作を説明すると、まずメモリユニッ
トにルートノードのアドレスを与えラッチ回路げ→にそ
の値を保持する。次に、シフトレジスタ（ロ）〜に）に
探索したいｘ、ｙ、ｚのアドレスをロードする。シフト
レジスタ（ロ）〜に）を１回動作させ各アドレスの先頭
ビットを加算回路（ホ）に入力し、ラッチ回路（イ）に
保持されているアドレスとの和を求め、ラッチ回路（へ
）にその値を保持する。

この値をメモリユニットに送りメモリユニットからデー
タを読みとりランチ回路（イ）に保持する。これが次の
ノードのペースアドレスとなる。次のステップとしては
このベースアドレスをバックｙ回路（３）を介してメモ
リユニットに送り、ノードの状態に関するデータを得て
ランチ回路（ト）に保持する。

このデータが混在以外の状態であれば、ノードの探索は
終了しラッチ回路（ト）に保持されている値をバッファ
回路図を介してプロセッサユニットに送り探索は終了す
る。ノードの値が混在状態で、かつレベルの深さが限界
以下であれば再びシフトレジスタ（−〜（に）を動作さ
せ、次のノードのアドレスの算出を行ない、探索を続け
る。

以上説明したよ５にこの発明の実施例によれば、環境清
報を８分木データとして表現１〜、専用の処理装置とプ
ログラムにより処理′するよ５に（〜たので、環境とロ
ボットの相互作用を高速に解析できる効果がある。

なお、上記実施例では演算処理装置としてマイクロプロ
セッサで説明したが、ミニコン等の汎用計算機でも良い
。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば作業環境の８分木デー
タ構造を導入し、環境とロボ、／）の相互作用の解析を
この８分木データ上でのノード探索に帰着させろ演算方
式を採用したので、システムを安価な演算装置とノード
を探索するための専用論理回路によって構成でき、また
、高速で精度よく、環境とロボットの相互作用を解析で
きる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の全体構成図、第２図はこの発明の一
実施例によるシステム構成図、第３図はノードを探索す
るための専用論理回路の構成図、第４図はこの発明によ
るシミュレーションシステ。 ムの動作を示すフローチャート、第５図は環境の８分木
データを生成するためのプログラムの動作を説明するフ
ローチャート、第６図は８分木データで表現された環境
とロボットの干渉を検査するプログラムの動作を説明す
るフローチャート、第７図は８分木データの構造を説明
するための説明図、ｉ８図＆！従来のロボットシミュレ
ーションシステムの構成図である。 １は第１の演算処理装置（ＭＰＵ）、２は第１の記憶装
置（ＲＡ　Ｍ）、３は第１の記憶装置（ＲＯＭ）、８は
第２の演算処理装置（ＭＰＵ）、９は第２の記憶装ｆ（
ＲＡＭ）、１０は第２の記憶装置（ＲＯＭ　）、１２は
第３の演算処理装置（ＭＰＵ）、１３は第３の記憶装置
（ＲＡＭ）、１４は第３の記憶装置（ＲＯＭ）、１５は
探索専用論理回路。 なお、図中同一符号は同一、又は相当部分を示す０ 第３面 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. コンピュータグラフィックスによってオフラインでロボ
   ットの作業動作をプログラミングするロボットシミュレ
   ーションシステムにおいて、上記ロボットの作業環境の
   ８分木データを演算装置により作成し、この８分木デー
   タを記憶装置に格納し、上記８分木データ上でノードを
   探索するための探索専用論理回路を備え、環境とロボッ
   トの相互作用を演算によって解析するようにしたことを
   特徴とするロボットシミュレーションシステム。