JPS63289606A - 冗長自由度形ロボット - 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】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） 本発明は、多関節ロボットに係わり、特に冗長自由度を
持つ場合のハンドの位置・姿勢制御手段を改良した冗長
自由度形ロボットに関する。

（従来の技術） 一般に、ロボットにおいては、マニピュレータの先端に
取着されたハンド等の先端効果器を空間内で位置・姿勢
制御する場合、マニピュレータ自体が６つの自由度を持
つことが必要、かつ、充分な条件とされている。さらに
、６つ以上の自由度を持つマニピュレータの場合には冗
長自由度を持つマニピュレータと呼ばれている。

ところで、冗長性を持たないマニピュレータの場合、ハ
ンドを希望の位置・姿勢に合せたときマニピュレータ全
体の姿勢がおのずと決定されるが、冗長性を持つ場合に
は無数の姿勢を取り得る。従って、このことを利用して
冗長性のある場合にはマニピュレータに所望の作業をさ
せつつマニピュレータ自身の特異点を回避したり、作業
領域内の障害物を回避したりすることができる。しかし
、このような利点を有するにも拘らず、従来、それらの
機能を持った産業用ロボットは実用化されていない。

従って、現時点ではその実現方法について研究を進めて
いる段階であるが、特に障害物を回避する方法として、
目標物位置データと障害物データに基づいて計算機で処
理しながら移動経路を試行錯誤的に探索する方法、評価
関数、を用いて障害物に近づいたときに関数が大きくな
ることに利用しその関数の小さくなる方向に移動経路を
変更する方法等が考えられているが、未だ実用に供しえ
る決定的なアルゴリズムは開発されていない。

（発明が解決しようとする問題点） ところで、以上述べた２つの方法のうち、前者の試行錯
誤的な探索方法は予め考え得る全部の移動経路について
計算機で処理しながら障害物を回避する方法であるので
、マニピュレータを移動されるのに時間がかかり、それ
だけロボットの作業能率が低下する。また、障害物を回
避するために相当な情報を記憶する必要があるので、メ
モリの記憶容量が非常に大きなものとなる。

本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、冗長性のあ
るマニピュレータの利点を生かしつつ実際に移動しなが
ら障害物を回避でき、産業用として充分に実用に供し得
る冗長自由度形ロボットを提供することを目的とする。

［発明の構成］ （問題点を解決するための手段） 本発明による冗長自由度形ロボットは、目標位置・姿勢
信号および目標速度信号に基づいて関節角指令信号取得
手段により各関節角指令信号を得、この関節角指令信号
を用いてサーボコントローラが各関節の回転角を制御し
、マニピュレータの先端に取着されたハンドの位置・姿
勢を制御するロボットにおいて、 前記関節角指令信号取得手段は、現在の関節角に基づい
て現在のハンド、各関節の位置・姿勢を算出し、ここで
算出された位置・姿勢から前記目標位置・姿勢までのベ
クトルを求め、このベクトルによる各関節回りのモーメ
ントから各関節軸回りの成分を順次加算して次の移動ス
テップの前記関節角指令信号を出力し、メモリに予め記
憶された障害物データから障害物があると判断した場合
には各障害物から各関節のチェックポイントまでのベク
トルを求め、このベクトルによる各関節回りのモーメン
トから各関節軸回りの成分を順次加算して次の移動ステ
ップの前記関節角指令信号として出力する障害物回避モ
ード処理手段と、ハンドの目標速度信号ベクトルとハン
ドの直行座標系速度計算式とを用いて次のステップまで
に移動する各関節角を求め、これを現在の関節角に加え
て次の移動ステップの前記関節角指令信号を得る直線補
間モード処理手段とを備えたものである。

（作用） 従って、本願は、以上のような手段とすることにより、
ハンドの目標位置・姿勢信号と目標速度信号に基づいて
関節角指令信号を生成する関節角指令信号取得手段とし
て、障害物回避モード処理手段と直線補間モード処理手
段を設け、前記障害物回避モード処理手段では現在の関
節角に基づいて現在のハンド、各関節の位置・姿勢を算
出し、ここで算出された位置・姿勢から前記目標位置・
姿勢までのベクトルを求めるとともに、このベクトルに
よる各関節回りのモーメントから各関節軸回りの成分を
順次加算して次の移動ステップの前記関節角指令信号を
得、またメモリに予め記憶された障害物データから障害
物があると判断した場合には各障害物から各関節のチェ
ックポイントまでのベクトルを求めるとともに、このベ
クトルによる各関節回りのモーメントから各関節軸回り
の成分を順次加算して次の移動ステップの前記関節角指
令信号を得、また直線補間モード処理手段ではハンドの
移動速度ベクトルとハンドの直行座標系速度計算式とを
用いて次のステップまでに移動する各関節角を求め、こ
れを現在の関節角に加えて次の移動ステップの前記関節
角指令信号を得、各モード処理手段で得られた関節角指
令信号をサーボコントローラに導入し、マニピュレータ
の冗長自由度を生かして障害物を回避し所望の作業を行
わせるものである。

（実施例） 以下、本発明の一実施例について図面を参照して説明す
る。第１図は本発明の冗長自由度形ロボットの機能的な
システム構成図であって、ハンド（終端効果器）１１ａ
の位置・姿勢の自由度数より多い自由度数を有するロボ
ットマニピュレータ１１に所要とする作業をさせるため
の目標データ。

つまり目標位置・姿勢信号および目標速度信号を出力す
る目標信号出力手段１２と、この目標信号出力手段１２
からの目標位置・姿勢信号および目標速度信号に基づい
てマニピュレータ１１の作業軌跡を時々刻々変化させる
関節角指令信号を生成するコントローラとして機能する
関節角指令信号取得手段と、この関節角指令信号取得手
段からの関節角指令信号を受けてマニピュレータ１１の
各関節のモータ角を制御するサーボコントローラ１３等
で構成されている。前記関節角指令信号取得手段は、マ
ニピュレータ１１の動作特性を考慮して２つのモード、
すなわち障害物回避モード処理手段２０および直線補間
モード処理手段３０より成っている。

この障害物回避モード処理手段２０は、予め障害物の位
置・大きさ、床の高さ等のデータを記憶するメモリ２１
、現在の関節角信号を受けて関節座標系を直交座標系に
変換し各関節およびハンドの現在位置を算出する関節角
−位置変換手段２２、この変換手段２２で算出された現
在位置信号と前記メモリ２１の障害物等データから障害
物を回避するための各デジタル関節角指令（位置）を得
。

これをアナログ信号に変換して前記サーボコントローラ
１３に送出する障害物回避軌道生成手段２３等で構成さ
れている。なお、マニピュレータ１１および障害物４１
は第２図（ａ）、（ｂ）に示す如く球形ないしは球形の
組合わせで取扱うものとする。

次に、直線補間モード処理手段３０は、前記ヤコビアン
演算手段３１および逆行列演算手段３２によって関節角
の速度をハンドの速度に変換しこのハンドを直行座標系
で如何なる速度で動かすかの計算式を得る手段と、この
手段による計算式と前記目標速度指令信号を用いて直交
座標空間内の速度をアルゴリズムに基づいて関節角速度
に変換する関節角速度変換手段３３とを備え、前記サー
ボコントローラ１３へアナログ関節角指令信号（位置）
を送出する機能をもっている。

次に、以上のような冗長自由度形ロボットの動作につい
て説明する。人為的またはプログラムにより動作開始指
令が発せられると、目標信号出力手段１２からハンドの
目標位置・姿勢信号および目標速度信号が出力され、各
別に障害物回避モード処理手段２０および直線補間モー
ド処理手段３０に導入される。ここで、障害物回避モー
ド処理手段２０は第３図に示す冗長自由度のあるマニピ
ュレータ１１の各関節１１ｂ・・・、ハンドｌｌａおよ
び障害物４１．目標物４２等の座標記号に基づいて第４
図に示す手順で処理動作を行い、また直線補間モード処
理手段３０は第６図に示す手順で処理動作を行う。なお
、第３図においてＩｒｏはハンドの座標、ｒ□〜１ｒｌ
ｌは関節の座標、ＣＱ〜ｃｉは障害物を回避するために
アーム上の要所要所に設定したチェックポイント、０１
〜０　は障害物４１の座標、ｄは目標物の座標である。

また第４図においてＣ、は１番目の障害物の大きさ。

Ｊ Ｃ、は１番目のチェックポイントの大きさ、ｅｉＪ は１番目の関節角、また第６図においてＪはヤコビアン
、Ｊ、は３番目の関節を固定したヤコビアン、Ｉ＋の「
＋」は疑似逆行列を表す。

すなわち、障害物回避モード処理手段２０の障書物回避
軌道生成手段２３には／％ンドの位置・姿勢データが入
力され、また例えば新しい障害物が置かれた場合のよう
に障害物やチェックポイントの位置・大きさに変更があ
る場合にはそれらの位置および大きさのデータが入力さ
れる（ステ・ツブＳｌ）。このとき、障害物回避軌道生
成手段２３から現在の関節角が送られているので、この
関節角に基づいて関節角−位置変換手段２２は、現在の
ハンド先端、関節およびアームと・ともに移動するチェ
ックポイントに位置・姿勢を算出し、ここで時々刻々に
算出される位置・姿勢信号を障害物回避軌道生成手段２
３に送出する。

障害物回避軌道生成手段２３では、以上のようにして求
めた現在のハンド先端の位置信号等から前記目標位置信
号までのベクトルを求め、これをＦとする（ステップＳ
２）。次に、ステップ８３〜Ｓ５においてハンド位置を
支点とするベクトルＦによる各関節回りのモーメントを
求めた後、これらのモーメントの各関節軸回りの成分を
求める。

これはモーメントがかかっても関節がその方向に回転で
きるとは限らないためである。次に、各関節軸回りの成
分に適当な定数を掛けたものを現在の各関節角に加えて
次ステツプの関節角としくステップＳ６．Ｓ７）、これ
を関節角指令信号としてサーボコントローラ１３に送出
する。

ところで、障害物がある場合、各障害物から各チェック
ポイントまでのベトクルを求めて上記と同様に各関節回
りのモーメント、成分を求めた後、これらを上で求めた
各関節回りの成分と共に各関節毎に加える。そして、関
節が回転しても移動しないチェックポイント、つまりそ
の関節よりもアーム根元側にあるチェックポイントに関
して得られたモーメント、成分はその関節における加算
から除外する。これらの後、前記と同様にして次ステツ
プの各関節角を求め、関節指令信号としてサーボコント
ローラ１３に送出する（ステップ８３〜Ｓ７）。

次に、ステップＳ８において次のステップの角関節角が
その動作範囲を越えてしまう関節については次ステツプ
の関節角をその動作限界の関節角と判断し、ステップＳ
９による処理を行う。

次に、以上のようにした得られた関節角データが関節角
−位置変換手段２２に送られ、更新された新しい関節角
を用いて１ステツプ移動後の／１ンドの位置を算出しく
ステップ５１０）、これを障害物回避軌道生成手段２３
に送出する。ここで、生成手段２３は、新しいハンドの
位置が位置指令データに一致するか、あるいは十分近い
値にあればそこで終了し、近い値になければ現在の関節
角を新しい関節角に置換えてステップＳ２に戻って同様
な処理を繰り返す。

なお、以上の動作説明は第５図に示すハンド先端の位置
しか制御できない。従って、ハンドの姿勢まで制御する
には第５図に示すようにハンド１１ａ上に他の２点を考
え、それらの点に対する目標位置をそれぞれ与え、それ
ぞれの点がそれぞれの目標位置に向かうようにすればよ
い。そのためにはＦの他にＦ、、Ｆ２を上述した処理と
同様に求め、かつ、モーメント成分を求めた後、各関節
毎に加え合せればよい。

次に、直線補間モード処理手段３０は、ハンドの移動速
度ベクトルと実行ステップ数が入力されると（ステップ
５１１）、ヤコビアン演算手段３１でその姿勢でのヤコ
ビアンＩを数値微分により求めた後、更に逆行列演算手
段３２でヤコビアン１の疑似逆行列１　を求める（ステ
ッープ５１２）。次に、関節角速度変換手段３３ではス
テップ３１Ｂにおいて疑似逆行列Ｊ　に「１」で与えら
れた移動速度ベクトルを乗じて各関節の移動速度を求め
る。各移動速度にサンプリング時間Ｔを乗じて次ステツ
プまでに移動する各関節角を求める。

これを現在の各関節角に加えて次ステツプの関節角とす
る。その結果、動作範囲を越える関節がある場合、ステ
ップＳ１４〜Ｓ１６に示す如くヤコビアン演算手段３１
でその関節を固定部としたヤコビアンＩ′を求め、かつ
、逆行列演算手段３２で１′の疑似逆行列１′→を求め
る。このＪ′−１を用いてステップＳ１３と同様に次ス
テツプの関節角を求め、その結果動作範囲を越える関節
が再び出た場合にはステップＳ１４に戻る。以上のステ
ップＳ１４〜Ｓ１６を数回繰り返して動作範囲を越える
関節がなくならない場合にはエラー信号を出力する。し
かる後、ステップＳ１７において次ステツプの関節角指
令信号をサーボコントローラ１３へ送出しステップＳｌ
ｌで入力した実行ステップ回数行ったならば終了し、そ
うでない場合にはステップＳ１２に戻るものである。

従って、以上のような実施例の構成によれば、障害物回
避モード処理手段２０を備えることにより、冗長性のあ
るマニピュレータ１１の利点を生かしつつ障害物を回避
しながら所要とする作業を順次進めていくことができる
。しかも、関節角−位置変換手段２２では現在の関節角
から前向き座標変換（関節座標系−直交座標系）を用い
て容易に冗長自由度の位置・姿勢を決定でき、よって途
中の移動経路を与えなくても移動経路を自由に生成可能
となる。また、ある関節がオーバーランする場合にはそ
の関節を使用することなく元に戻して障害物を回避する
ことができる。また、従来の移動経路の試行錯誤的な探
索法と比較しメモリの記憶容量が少なくてすみ、かつ、
マニピュレータのタイプが変更されてもそれへの対応が
比較的容易である。

また、以上のような直線補間モード処理手段３０を備え
たことにより、組立て作業で必要な直線運動を適切に行
わせることができ、かつ、ある関節がオーバーランする
場合にはその関節を使用せずに動作を続行することがで
きる。

なお、冗長性のあるマニピュレータについて述べたが、
障害物回避モード処理手段２０では冗長性のないマニピ
ュレータを使用しても有効なものである。この場合には
障害物を回避しながら目標位置へ向かう移動経路が自動
的に生成されるが、当然最終目標位置・姿勢においては
障害物はマニピュレータに干渉する位置にあってはなら
ない。

また、障害物回避モード処理手段２０は障害物のない場
合でも冗長性のあるマニピュレータであれば有効である
。なぜならば、目標位置・姿勢に対する関節角を前記前
向き座標変換だけで与えているためである。その他、本
発明は上記実施例に限定されずに種々変形して実施でき
る。

［発明の効果コ 以上詳記したように本発明によれば、冗長性のあるマニ
ピュレータの利点を生かしつつ実際に移動経路を変えな
がら障害物を回避することができ、産業用として充分に
利用し得る冗長自由度形ロボットを提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第６図は本発明に係わる冗長自由度形ロボ
ットの一実施例を説明するために示したもので、第１図
は本発明ロボットの機能的なシステム構成図、第２図は
マニピュレータおよび障害物を球形化して近似的に取扱
う説明図、第３図はハンド、各関節と障害物、目標物と
の座標関係を示す図、第４図および第５図は第１図の障
害物回避モード処理手段の動作を説明する動作流れ図お
よびびハンドの位置・姿勢の制御目標点を示す図、第６
図は第１図の直線補間モード処理手段の動作を説明する
動作流れ図である。 １１・・・マニピュレータ、１１ａ・・・ハンド、１２
・・・目標信号出力手段、１３・・・サーボコントロー
ラ、２０・・・障害物回避モード処理手段、２１・・・
メモリ、２２・・・関節角−位置変換手段、２３・・・
障害物回避軌道生成手段、３０・・・直線補間モード処
理手段、３３・・・関節角速度変換手段。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 （ａ）　　　　　　　（ｂ） ｌ１２図 Ｉ Ｉ３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 目標位置・姿勢信号および目標速度信号に基づいて関節
   角指令信号取得手段により各関節角指令信号を得、この
   関節角指令信号を用いてサーボコントローラが各関節の
   回転角を制御し、マニピュレータの先端に取着されたハ
   ンドの位置・姿勢を制御するロボットにおいて、 前記関節角指令信号取得手段は、 現在の関節角に基づいて現在のハンド、各関節の位置・
   姿勢を算出し、ここで算出された位置・姿勢から前記目
   標位置・姿勢までのベクトルを求め、このベクトルによ
   る各関節回りのモーメントから各関節軸回りの成分を順
   次加算して次の移動ステップの前記関節角指令信号を出
   力するとともに、メモリに予め記憶された障害物データ
   から障害物があると判断した場合には各障害物から各関
   節のチェックポイントまでのベクトルを求め、このベク
   トルによる各関節回りのモーメントから各関節軸回りの
   成分を順次加算して次の移動ステップの前記関節角指令
   信号として出力する障害物回避モード処理手段と、ハン
   ドの前記目標速度信号ベクトルとハンドの直行座標系速
   度計算式とを用いて次のステップまでに移動する各関節
   角を求め、これを現在の関節角に加えて次の移動ステッ
   プの前記関節角指令信号を得る直線補間モード処理手段
   とを備えたことを特徴とする冗長自由度形ロボット。