JP7351672B2

JP7351672B2 - 移動経路生成装置

Info

Publication number: JP7351672B2
Application number: JP2019145465A
Authority: JP
Inventors: ズンゴバック
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2019-08-07
Filing date: 2019-08-07
Publication date: 2023-09-27
Anticipated expiration: 2039-08-07
Also published as: JP2021026602A

Description

本発明は、移動経路生成装置に関する。

ロボットの先端部に設けられるヘッド（例えばワークを保持するハンドやツールを保持するチャック等）を移動させることにより所望の作業を行うロボットシステムにおいて、ヘッドが周辺機器等の障害物と干渉しないように障害物を迂回して移動するようロボットの動作を設定する必要がある。

このようなロボットの動作を設定するために、仮想空間に障害物を配置し、ロボットの先端部を始点から障害物を迂回して目標点まで移動させる移動経路をシミュレーションによって決定する装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載のシミュレーション装置は、第１の教示点と第２の教示点との間に、第１の教示点（始点）又は第２の教示点（目標点）から、乱数で定めた探索方向に乱数で定めた探索距離だけ離れた少なくとも１つの第３の教示点を自動的に追加し、ロボットと周辺物との干渉が発生しない第２の動作経路を生成する動作経路生成部と、動作経路生成部が生成した複数の異なる第２の動作経路の各々について、予め定めた少なくとも１つのパラメータに基づく評価を行う評価部と、評価部が行った評価に基づいて、複数の第２の動作経路から、ロボットの最適動作経路を選択する動作経路選択部と、を備える。

特開２０１５－１６０２７７号公報

特許文献１に記載のシミュレーション装置では、乱数を用いて多数の移動経路を生成し、この多数の移動経路の中から最も適切と評価される移動経路を選択する。このため、特許文献１に記載のシミュレーション装置では、適切な移動経路を決定するために必要な処理時間が長くなりやすい。このため、効率よく適切な移動経路を決定することができる移動経路決定装置が望まれる。

本開示の一態様に係る移動経路決定装置は、ロボットの先端部を始点から障害物を迂回して目標点まで移動させる移動経路を決定する移動経路決定装置であって、前記始点と前記目標点との間に中間点を設けた複数の移動経路を生成する移動経路生成部と、前記移動経路生成部が生成した前記移動経路の中間点について、前記先端部が前記障害物に干渉しない最大の滑らかさをそれぞれ設定する滑らかさ設定部と、前記滑らかさ設定部が滑らかさを設定した前記複数の移動経路の中から最良の前記移動経路を選択する選択部と、前記選択部が選択した前記移動経路及び前記障害物の位置を学習する学習部と、前記学習部が学習した前記移動経路の前記始点及び前記目標点と、新たに与えられる前記始点及び前記目標点との間に共通性が認められる場合に、前記学習部が学習した前記移動経路を前記新たに与えられる前記始点及び前記目標点間に適用する適用部と、を備える。

本開示の一態様に係る移動経路決定装置によれば、効率よく適切な移動経路を決定することができる。

本開示の一実施形態の産業機械の構成を示す模式図である。ロボットの動作を説明する模式図である。滑らかさ設定部による滑らかさの設定に伴う移動経路の変化を説明する模式図である。

以下、本開示の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本開示に係る移動経路決定装置１の構成を示す。移動経路決定装置１は、図２に示すように、ロボットＭの先端部を始点（直接又は加工プログラムを用いてユーザが指定する第１の教示点）Ｐ１から障害物Ｓを迂回して目標点（ユーザが指定する第２の教示点）Ｐ２まで移動させる移動経路Ｒを決定する。

移動経路決定装置１は、始点Ｐ１と目標点Ｐ２との間に中間点（移動経路決定装置１が挿入する教示点）Ｐｍを設けた複数の移動経路Ｒを生成する移動経路生成部１０と、複数の移動経路Ｒの中間点Ｐｍについて、障害物Ｓに干渉しない最大の滑らかさをそれぞれ設定する滑らかさ設定部２０と、複数の移動経路Ｒの中から最良の移動経路を選択する選択部３０と、選択部３０が選択した移動経路Ｒ及び障害物Ｓの位置を学習する学習部４０と、学習部４０が学習した移動経路Ｒの始点Ｐ１及び目標点Ｐ２と、新たに与えられる始点Ｐ１及び目標点Ｐ２との間に共通性が認められる場合に、学習部４０が学習した移動経路Ｒを、新たに与えられる始点Ｐ１及び目標点Ｐ２に適用する適用部５０と、を備える。

移動経路決定装置１は、例えばＣＰＵ、メモリ、各種インターフェイス等を備えるコンピュータ装置に適切な処理プログラムを実行させることによって実現することができる。移動経路決定装置１は、ロボットＭの制御装置と一体に構成、つまりロボットＭの制御装置の一機能として実現されてもよい。移動経路決定装置１において、移動経路生成部１０、滑らかさ設定部２０、選択部３０、学習部４０及び適用部５０は、機能的に区別されるものであって、物理的構成及びプログラム構成において明確に区分できるものでなくてもよい。

移動経路決定装置１が移動経路Ｒを決定するロボットシステムのモデルは、図２に示すように、先端部がワークＷを保持するハンドＨとされた垂直多関節型のロボットＭを有し、ハンドＨを移動可能な空間内に障害物Ｓが配置されている。移動経路決定装置１は、ロボットＭ、ワークＷ及び障害物Ｓを仮想空間内にモデリングし、ロボットＭの動作のシミュレーションを行う。

移動経路決定装置１は、ハンドＨの基準点を始点Ｐ１から障害物Ｓを迂回して目標点Ｐ２まで移動するために、始点Ｐ１と目標点Ｐ２との間に基準点が通るべき１又は複数の中間点Ｐｍを設定する。つまり、移動経路決定装置１が決定する移動経路Ｒは、始点Ｐ１から中間点Ｐｍを通って目標点Ｐ２に至る。

移動経路生成部１０は、与えられる１組の始点Ｐ１及び目標点Ｐ２に対して、それぞれ始点Ｐ１と目標点Ｐ２との間に１又は複数の中間点Ｐｍを設けた複数の移動経路Ｒを生成する。移動経路生成部１０には、例えば次に示すような形式で始点Ｐ１、目標点Ｐ２、ワークＷ及び障害物Ｓの位置を特定する動作条件データが与えられる。

（動作条件データ）
ＳｔａｒｔＰｏｓｉｔｉｏｎ：（Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６…）
ＴａｒｇｅｔＰｏｓｉｔｉｏｎ：（Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６…），
ＷｏｒｋＰｏｓｉｔｉｏｎ：（Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｗ，Ｐ，Ｒ）
ＯｂｓｔａｃｌｅＰｏｓｉｔｉｏｎ：（Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｗ，Ｐ，Ｒ）

移動経路生成部１０は、中間点Ｐｍをランダムに設定し、始点Ｐ１と最初の中間点Ｐｍとを結ぶ直線、隣接する２つの中間点を結ぶ直線、及び最後の中間点Ｐｍと目標点Ｐ２とを結ぶ直線と障害物Ｓとの間隔がロボットＭの先端部（ハンドＨ及びワークＷ）の大きさを考慮した所定の下限値以上である場合にのみ、始点Ｐ１、１又は複数の中間点Ｐｍ及び目標点Ｐ２を順番に結ぶよう連続する線を１つの移動経路Ｒとする。つまり、移動経路生成部１０は、始点Ｐ１、中間点Ｐｍ及び目標点Ｐ２を結ぶ直線と障害物Ｓとの間隔が所定の下限値未満である場合には、中間点Ｐｍを再設定する。

移動経路生成部１０は、１組の始点Ｐ１及び目標点Ｐ２に対して、予め定められる数の、例えば１０の移動経路Ｒを生成する。移動経路生成部１０により生成される複数の移動経路Ｒは、互いに中間点Ｐｍの位置が異なり、場合によっては中間点Ｐｍの数も異なってもよい。

移動経路生成部１０は、例えば次に示すような形式で、１又は複数の中間点Ｐｍを挿入した移動経路Ｒの移動経路データを記録する。

（移動経路データ）
ＳｔａｒｔＰｏｓｉｔｉｏｎ：（Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６…）
ＭｉｄｄｌｅＰｏｓｉｔｉｏｎ１：（Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６…）
ＭｉｄｄｌｅＰｏｓｉｔｉｏｎ２：（Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６…）
・
・
・
ＴａｒｇｅｔＰｏｓｉｔｉｏｎ：（Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６…）

滑らかさ設定部２０は、移動経路生成部１０が生成した複数の移動経路Ｒの中間点Ｐｍについて、障害物Ｓに干渉しない最大の滑らかさをそれぞれ設定する。具体的には、滑らかさ設定部２０は、図３に示すように、始点Ｐ１と中間点Ｐｍと目標Ｐ２とを直線で結んで形成される角を面取りすることで移動経路Ｒを滑らかにする。このような機能は、ロボットＭにも設けられており、滑らかさの程度を指定するパラメータを設定することで、個々の教示点における移動経路Ｒにおける基準点の軌跡を丸めることができる。

図示するように、滑らかさのパラメータを大きくするほど、基準点の移動経路Ｒが始点Ｐ１、中間点Ｐｍ及び目標点Ｐ２を結ぶ直線から離れてゆく。図示するように、中間点Ｐｍの近くに障害物Ｓが存在する場合、滑らかさのパラメータを大きくし過ぎると移動経路Ｒが障害物Ｓと重なってしまう。

滑らかさ設定部２０は、ロボットＭにおける滑らかさのパラメータに従って移動経路Ｒを滑らかにする機能をシミュレートして、特定の設定値において移動経路Ｒに沿って移動するロボットＭの先端部（ハンドＨ及びワークＷ）が障害物Ｓに干渉するか否かを確認することで、障害物Ｓに干渉しない最大の滑らかさの設定値を特定する。滑らかさ設定部２０は、ロボットＭの先端部と障害物Ｓとの間隔が所定のクリアランス以下である場合に両者が干渉すると判断してもよい。

滑らかさ設定部２０は、演算負荷を軽減するために、例えば二分探索法によって、より少ないシミュレーションの回数で移動経路Ｒが障害物Ｓに干渉しない最大の滑らかさの設定値を特定できるよう構成されることが好ましい。滑らかさ設定部２０は、滑らかさのパラメータ設定値を最小値又は最大値から順番に変化させてシミュレーションを繰り返すことで移動経路Ｒが障害物Ｓに干渉しない最大の滑らかさの設定値を特定するよう構成されてもよい。

選択部３０は、滑らかさ設定部２０により１組の始点Ｐ１及び目標点Ｐ２に対して設定された複数の移動経路Ｒの中から最良の移動経路Ｒを選択する。選択部３０は、移動経路Ｒと障害物Ｔとの位置関係から導出されるパラメータと、移動経路Ｒに沿ってロボットＭの先端部を移動させるシミュレーションを行うことよって得られるパラメータとに基づいて、最良の移動経路Ｒを選択するよう構成され得る。

具体的には、選択部３０は、始点Ｐ１から目標点Ｐ２までの移動時間Ｔ［ｓｅｃ］、基準点の移動距離Ｌ、ロボットＭの駆動軸の角度変位の合計値θ［ｄｅｇ］、及び正の重み係数ｍ１，ｍ２，ｍ３を用いて、Ｆ＝ｍ１＊Ｔ＋ｍ２＊Ｌ＋ｍ３＊θとして表される評価式Ｆの値が最小である移動経路を、１組の始点Ｐ１及び目標点Ｐ２に対して選択する構成とすることができる。重み係数ｍ１，ｍ２，ｍ３は、その合計が１となるよう設定することができる。このため、角度変位の合計値θの重み係数ｍ３は、ｍ３＝（１－ｍ１－ｍ２）として算出してもよい。

選択部３０は、例えば次に示すような形式で、選択した最良の移動経路Ｒをその条件と共に記述する学習データとして記録する。

（学習データ）
ＳｔａｒｔＰｏｓｉｔｉｏｎ：（Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６…）
ＴａｒｇｅｔＰｏｓｉｔｉｏｎ：（Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６…），
ＷｏｒｋＰｏｓｉｔｉｏｎ：（Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｗ，Ｐ，Ｒ）
ＯｂｓｔａｃｌｅＰｏｓｉｔｉｏｎ：（Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ｗ，Ｐ，Ｒ）
ＭｉｄｄｌｅＰｏｓｉｔｉｏｎ１：（Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６…）
ＭｉｄｄｌｅＰｏｓｉｔｉｏｎ２：（Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６…）
・
・
・
ＣＮＴ：Ｃ

学習部４０は、学習データを読み込んで、選択部３０が選択した移動経路Ｒ及び障害物Ｓの位置を学習する。つまり、学習部４０は、始点Ｐ１、目標点Ｐ２及び障害物Ｓの位置関係のパターンを認識するルールを確立する。

適用部５０は、学習部４０が確立したルールに基づいて、新たに与えられた始点Ｐ１、目標点Ｐ２及び障害物Ｓの位置関係のパターンを認識し、この位置関係のパターンが共通する学習データの移動経路Ｒの位置関係と同様となるよう中間点Ｐｍを挿入することにより、始点Ｐ１から障害物Ｓを迂回して目標点Ｐ２まで移動させる移動経路Ｒを決定する。

適用部５０は、学習部４０が確立したルールに基づいて、新たに与えられた始点Ｐ１、目標点Ｐ２及び障害物Ｓの位置関係が、学習部４０が学習した始点Ｐ１、目標点Ｐ２及び障害物Ｓの位置関係との間に共通性がないと判断される場合には、移動経路生成部１０、滑らかさ設定部２０及び選択部３０により、新たに与えられた始点Ｐ１、目標点Ｐ２及び障害物Ｓの位置関係に対して最適な移動経路Ｒを決定する。移動経路生成部１０及び滑らかさ設定部２０による複雑な演算を行うことなく、適用部５０が過去に決定した移動経路Ｒを新たに与えられた始点Ｐ１と目標点Ｐ２との間の移動経路Ｒとして適用するので、演算負荷を抑制することがでる。このため、移動経路決定装置１は、新たに始点Ｐ１、目標点Ｐ２及び障害物Ｓの位置関係を与えたときに、迅速にロボットＭの実際の動作を開始することができる。

以上のように、移動経路決定装置１は、滑らかさ設定部２０を備えるので、ロボットＭの先端部を移動経路Ｒに沿って始点Ｐ１から障害物Ｓを迂回して目標点Ｐ２まで移動させる間の加減速を少なくするよう、移動経路Ｒを最適化することができる。これにより、移動経路決定装置１は、移動時間を短縮するとともに、ロボットの負荷を軽減して寿命を延ばすことができる。

また、移動経路決定装置１は、学習部４０及び適用部５０を備えるので、始点Ｐ１、目標点Ｐ２及び障害物Ｓの位置関係が、過去に移動経路Ｒを決定したときと共通性を有する場合には過去の移動経路Ｒを適用して演算負荷を軽減することができる。したがって、移動経路決定装置１は、効率よく適切な移動経路Ｒを決定することができる。

以上、本開示に係る移動経路生成装置の実施形態について説明したが、本発明は前述した実施形態に限るものではない。また、前述した実施形態に記載された効果は、本開示に係る移動経路生成装置から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本開示に係る移動経路生成装置による効果は、前述の実施形態に記載されたものに限定されるものではない。

本開示に係る移動経路生成装置において、選択部は、評価式Ｆとは異なる指標を用いて最良の移動経路を特定してもよい。

１移動経路決定装置
１０移動経路生成部
２０滑らかさ設定部
３０選択部
４０学習部
５０適用部
Ｈハンド
Ｐ１始点
Ｐ２目標点
Ｐｍ中間点
Ｒロボット
Ｓ障害物
Ｔ移動経路
Ｗワーク

Claims

ロボットの先端部を始点から障害物を迂回して目標点まで移動させる移動経路を決定する移動経路決定装置であって、
前記始点と前記目標点との間に中間点をランダムに設定し、前記始点、前記中間点及び前記目標点を結ぶ直線と前記障害物との間隔が所定の下限値未満である場合には、中間点を再設定することにより、前記始点と前記目標点との間に前記中間点を設けた複数の移動経路を生成する移動経路生成部と、
前記ロボットが前記始点、前記中間点及び前記目標点を直線で結んで形成される角を面取りすることで前記移動経路を滑らかにする際の前記面取りのパラメータの設定により前記移動経路の滑らかさを指定する滑らかさ設定部であって、前記移動経路生成部が生成した前記移動経路の中間点について、前記ロボットの動作のシミュレーションによって、前記先端部が前記障害物に干渉しない最大の滑らかさをそれぞれ設定する滑らかさ設定部と、
前記滑らかさ設定部が滑らかさを設定した前記複数の移動経路の中から最良の前記移動経路を選択する選択部と、
前記選択部が選択した前記移動経路及び前記障害物の位置を学習する学習部と、
前記学習部が学習した前記移動経路の前記始点、前記目標点及び前記障害物の位置関係と、新たに与えられる前記始点、前記目標点及び前記障害物の位置関係との間に共通性が認められる場合に、前記学習部が学習した前記移動経路を前記新たに与えられる前記始点及び前記目標点間に適用する適用部と、
を備える、移動経路決定装置。
前記選択部は、前記始点から前記目標点までの移動時間Ｔ、前記先端部の移動距離Ｌ、前記ロボットの駆動軸の角度変位の合計値θ、及び正の重み係数ｍ１，ｍ２，ｍ３を用いて、Ｆ＝ｍ１＊Ｔ＋ｍ２＊Ｌ＋ｍ３＊θとして表される評価式Ｆの値が最小である前記移動経路を選択する、請求項１に記載の移動経路決定装置。