JP2005081445A - ロボットの干渉領域確認装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 オフラインのレイアウト空間上で、干渉領域／非干渉領域等を簡単に確認することができるロボット干渉確認装置。
【解決手段】 ＣＡＤ等からロボットや周辺物体の形状データを読み込み、レイアウト表示し、ケージ領域２０を設定する。初期位置での各アームの３Ｄ位置を計算し、初期の占有領域を求める。動作シミュレーションを実行し、３次元位置を繰り返し計算し、占有領域の集合和を求めていく。ロボット移動が終わったら、総占有領域Ｇ、重畳領域Ｈ、はみ出し領域Ｋ、非占有領域Ｍなどを色分け表示し、周辺物体１２のレイアウト修正、ケージ領域の変更等を行なう。重畳領域Ｈ／はみ出し領域Ｋの有無判定や、点Ａ、Ｂ、Ｃを指定した断層表示による「陰に隠れた非占有領域」の探索を行なうこともできる。
【選択図】 図５

Description

本発明は、オフラインでロボットの動作シミュレーションを行い、ロボットの干渉領域を確認する際に用いられる装置に関する。

一般に、ロボットを用いて作業を行なう場合、ロボットの周辺には作業対象物を支持する治具などなんらかの周辺物体が存在する。また、安全確保のために、ロボットの周囲を安全柵で囲い、ロボットアームが動作する範囲内に人が近づかないようにする必要がある。これら周辺物体や安全柵などを実際に作業現場でどこに配置するかは重要な問題である。なぜならば、周辺物体や安全柵の配置位置が不適切な場合、ロボットを動作させた時に干渉事故が起こり、危険である。また、それらを再配置する時間と労力が無駄になる。

そこで従来は、予めロボットシミュレーション装置上で、治具、安全柵などの周辺物体を配置した後、ロボットの動作プログラムをそれら周辺物体との干渉を避けるように作成していた。あるいは、レイアウト空間内に周辺物体を配置した状態でロボットの動作シミュレーションを行なって干渉が起るかどうか確認するという公知の手法を何度も適用し、プログラムあるいはレイアウトの修正を試行錯誤的に繰り返して干渉を起こさない配置を定めることといった方策がとられていた。

しかし、治具や安全柵をロボットから遠く離れた位置に配置すれば安全ではあるが作業に支障を来し、ロボットの近くに配置すれば干渉の可能性が高まるというジレンマがあり、実際問題として周辺物体の最適な配置を定めることは容易ではなく、多くの時間を費やす作業となっていた。さらに、従来は、ロボットアーム上に実装された周辺物体（ツール等）の干渉を確認することができないため、実際に作業現場に実機を設置した後、ロボットアーム上の周辺物体と周辺物体の干渉が発覚することもあった。

本発明は上記した従来技術の問題点を解消するもので、その目的は、オフラインで用意されるレイアウト空間上で、干渉を起こす領域、起こさない領域等を簡単に確認することができるロボットの干渉領域確認装置を提供することにある。またそのことを通して、治具や安全柵などの周辺物体の適正配置を定める作業の効率化を図るものである。

本発明は、先ず、ロボットのアームの形状モデルを記憶する手段と、前記ロボットについて与えられた位置姿勢情報と前記ロボットのアームの形状モデルとに基き、前記ロボットのアームが前記位置姿勢情報に対応する位置姿勢をとった場合に、該ロボットのアームが占有する領域を求める占有領域算出手段と、ロボット動作プログラムから読み込んだ移動指令に基いて、前記ロボットのアームが取るべき位置姿勢に対応する位置姿勢情報を逐次求め、前記占有領域算出手段に受け渡す受け渡し手段と、前記占有領域算出手段から今回受取った占有領域を、前回更新記憶された総占有領域に集合算的に加算して新たな総占有領域として更新記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶されている総占有領域を表示する機能を有する表示手段とを備えたロボットの干渉領域確認装置を提案する。

この本発明の基本形態に係るロボットの干渉領域確認装置によれば、ロボットアームの動作範囲を総占有領域として視覚的に確認できるので、そこを避けて適正な治具、安全柵等の配置位置を定めることが容易になる。

ここで、任意の領域をケージ領域として設定する領域設定手段を更に具備させ、前記表示手段に、前記領域設定手段によって設定されたケージ領域を表示する機能を持たせれば、例えば安全柵の適正な配置位置を定めるに有用な情報が得られることになる。このようなケージ領域の設定・表示を行なう場合、更に、前記表示手段に、前記領域設定手段によって設定されたケージ領域内にあって且つ前記総占有領域に属しない非占有領域を表示する機能を持たせたり、前記領域設定手段によって設定されたケージ領域外にあり、且つ、前記総占有領域に属するはみ出し領域を表示する機能を持たせたりすれば、安全柵の適正配置がより容易になる。

これらいずれの形態の干渉確認装置においても、ロボットアームの周辺に配置する周辺物体の形状モデルを記憶する手段と、前記周辺物体について与えられた周辺物体位置姿勢情報と前記周辺物体の形状モデルとに基き、前記周辺物体が存在する周辺物体存在領域を求める存在領域算出手段とを設け、前記表示手段に、前記周辺物体存在領域を表示する機能と、前記周辺物体存在領域と前記総占有領域とが重なる重畳領域と表示する機能とを持たせることができる。この場合、レイアウトされた安全柵、治具など周辺物体が干渉を起こしているか否か、また、起こしていればそこはどこかといった情報を視覚的に得ることができる。また、前記周辺物体存在領域と前記総占有領域とが重なる重畳領域の有無を判定する判定手段と、前記判定手段が重畳領域有りと判定した場合に同判定結果を表わすメッセージを生成するメッセージ生成手段を設けて、レイアウトされた安全柵、治具などについてより確実に干渉の有無を確認することもできる。

さらには、表示手段の画面上で前記周辺物体を移動させる手段と、該移動後の前記周辺物体の位置姿勢を記憶する手段とを設ければ、例えば干渉を起こしている位置にある治具、安全柵などを干渉が起らない領域に位置変更することが可能になる。

なお、表示手段の表示画面上の表示は、斜視的な見取図（perspective view）で表示するのが典型的であるが、指定された平面に沿った断層表示を行なう機能を持たせれば、ロボットの占有領域、非占有領域、周辺物体などの３次元的な関係をより明確に把握できるようになる。
また、形状モデルとして、ロボットアームだけでなく、該ロボットアームに実装された部品を足し合わせた形状モデルを記憶するようにすれば、ロボットだけでなく実装部品を考慮に入れた占有領域、非占有領域、干渉領域、はみ出し領域等を明確に把握できるようになる。

本発明により、オフラインで用意されるレイアウト空間上で、干渉を起こす領域、起こさない領域等が簡単に確認できるようになる。またそのことを通して、治具や安全柵などの周辺物体の適正配置を定める作業の効率化が容易となる。

図１は、本実施形態に係るロボット干渉確認装置を含むシステム構成をブロック図で示したものである。同図において、ロボット干渉確認装置１は、ＣＰＵ２と、このＣＰＵ２のバスラインに接続された表示装置３、マニュアル入力装置４、記憶装置５、通信インターフェイス６及び外部データ入力機器７で構成されている。符号８は、通信インターフェイス６を介してロボット干渉確認装置１に接続されるＣＡＤ装置で、シミュレーションの対象とされるロボットの３次元形状データ（寸法データを含む）、同ロボットが部品（ツール等）を搭載した状態における３次元形状データ（寸法データを含む）、周辺物体（治具、安全柵等）の３次元形状データ（寸法データを含む）等を、このＣＡＤ装置８からロボット干渉確認装置１に読み込み記憶装置５に格納できるようになっている。

ここで、ＣＡＤに代えて、同様のデータを作成する機能（ソフトウェア）を持つ他の外部機器（例えばパーソナルコンピュータ）を用いることもできる。外部データ入力機器７は、例えばフロッピー（登録商標）ディスク、ＣＤ−ＲＷなどの読み取り／書込みを行なう装置である。上記したロボット形状データ等をこの外部データ入力機器７から入力することもできる。

また、シミュレーションが行なわれるロボットの動作プログラムのデータ（位置データ、移動形式を指定するデータ、速度指令データ、加減速定数等）も、この外部データ入力機器７から入力することができる。もちろん、これらデータを通信インターフェイス６を介して入力しても良い。例えばＣＡＤ装置８に、オフラインプログラミングの機能が備わっている場合、オフラインで作成された動作プログラムデータを通信インターフェイス６を介して入力することができる。

記憶装置５は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、リライト可能な不揮発性メモリ等からなり、上記の態様でロボット干渉確認装置１に入力された諸データの他、システム全体を統括制御するプログラム、動作プログラムのシミュレーションを実行するプログラム、表示装置３の画面上に、ロボット、その装着部品、周辺物体等を模したアニメーション画像を表示するためのプログラム、及び、諸パラメータ等が格納される。更に、記憶装置５には、以下に説明する諸処理を行なうに必要なプログラム、パラメータが格納されている。

マニュアル入力装置４は、キーボード、マウス等を有し、必要に応じて諸プログラムデータ、パラメータデータ、指令等についての編集、修正、入力等をマニュアル操作で行なうためのものである。また、表示装置３に表示されたロボット、周辺機器をマウス操作等により移動させ、あるいは回転させてレイアウトしたり、選択指定した物体（例えば安全柵）の像を除去して表示したりすることができるようになっている。

次に、図２は上記したシステムを用いて本実施形態で行なわれる処理の概要を記したフローチャートで、各ステップの要点は下記の通りである。なお、本実施形態で干渉確認対象とされるロボットの形状データ（部品を装着しない機体だけのデータ及び装着時のデータ）、周辺物体の形状データ、ロボットと周辺物体のレイアウト案のデータ（３次元位置姿勢データ）、及び、動作プログラムのデータは、ＣＡＤ装置８上あるいは外部データ入力機器７にセットされた記憶媒体（ＦＤなど）上に用意されているものとする。

ここで、「レイアウト案」としたのは、後述するように、このレイアウト案に係るレイアウトは適宜修正されるものであることによる。また、レイアウトを記述するためにレイアウト空間には、ロボットが設置される水準面をＸＹ平面に一致させた３次元直交座標系Σ（Ｏ−ＸＹＺ）が定義されているものとする（図３中参照）。

ステップＳ１；マニュアル入力装置４から指令を受けて、ＣＡＤ装置８上あるいは記憶媒体上に用意されたロボットの形状データ、周辺物体の形状データを読み込み、記憶装置５に格納する。なお、ロボットの形状データとしては、必要に応じて、部品を装着しない機体だけのデータまたは装着時のデータを読み込む。周辺物体の形状データとしては、治具の形状データ、安全柵の形状データなどを読み込む。

ステップＳ２；ステップＳ１で読み込まれたデータに基づいて、表示装置３の画面上に、ロボット及び周辺機器（一部または全部）を表わす画像がレイアウト表示される。レイアウトの内容は、レイアウト案に沿ったもので、その一例を図３に示す。本例では、ロボット１０が部品（ツール等）１１を装着した状態の画像及び治具１２の画像が斜視形式（Perspective View）でレイアウト表示されており、安全柵の画像は非表示とされている（マニュアル指令で「非表示」から「表示」への切換も可能）。

なお、レイアウト案に従ったロボット１０及び部品１１の表示位置は、これからシミュレーションを行なおうとする動作プログラムにおけるロボットの初期位置と一致していることが好ましい。また、この段階でも必要に応じてレイアウト修正は可能であることが好ましい。例えば、明らかに周辺物体１２の位置や姿勢の修正が必要と思われる場合には、これをマウス操作等で画面上で行い、周辺物体１２の３次元位置データを更新する。

ステップＳ３；表示されているレイアウトを参照して、ケージ領域を設定する。ケージ領域は、例えば、安全柵を設ける位置の目安となる領域、あるいは、ユーザの個別事情等によるロボット動作の制限希望範囲として設定される。設定されるケージ領域の形状、大きさ及び位置は、マウス操作等により画面上で定める。例えば、図４に示したような直方体形状のケージ領域を定める場合は、次のような手順でケージ領域の設定を行なう。
（１）水準面（座標系Σで定まるＸＹ平面）からの高さｈをマニュアル入力し、ケージ領域の天井面を画面上に表示する。

（２）画面上で、天井面上の３点（例えばａ、ｂ、ｃあるいはａ、ｂ、ｄなど）の位置を指定する。これにより、図示されたような直方体形状のケージ領域２０が設定される。なお、天井面上の３点を指定する代わりに、ＸＹ平面上の３点（例えばｅ、ｆ、ｇ）の位置を指定しても良い。

ステップＳ４；ロボットの初期位置での各アームの３次元位置を計算する。
ステップＳ５；ステップＳ４の計算結果とロボット（部品含む）の形状データに基づいて、初期位置でのロボット（部品含む）による占有領域を計算し、表示する。例えば図４に示した画像において、ロボット１０と部品１１で占有された部分を黄色に着色表示する。また、この占有領域のデータを「総占有領域」の初期データとして記憶する。

ステップＳ６；動作プログラムのデータを外部データ入力機器７により読み込んで、動作シミュレーションを開始する。
ステップＳ７；最初の軸移動点（補間位置での各軸位置）での各アームの３次元位置を計算する。
ステップＳ８；ステップＳ７の計算結果とロボット（部品含む）の形状データに基づいて、最初の軸移動点でのロボット（部品含む）による占有領域を計算する。

ステップＳ９；ステップＳ８で計算された占有領域と、それまで記憶されていた「総占有領域」の集合和をとり、それを新たな「総占有領域」として更新記憶する。併せて表示も更新する。
ステップＳ１０；移動点が残っているかチェックし、残っていればステップＳ１１へ進み、残っていなければステップＳ１２へ進む。
ステップＳ１１；次の軸移動点（補間位置での各軸位置）での各アームの３次元位置を計算し、ステップＳ８へ戻る。以後、移動点がなくなるまでステップＳ８〜Ｓ１１１を繰り返す。この過程で総占有領域は徐々に範囲を拡げていく。また、その様子が表示装置３の画面上に表示されていく（黄色表示部分の拡大）。

ステップＳ１２；諸領域の範囲を計算して表示装置３の画面上に区分け表示する。図５は、諸領域区分け表示の例について説明する図である。ここで、諸領域には下記のものがある。

●総占有領域Ｇ；動作シミュレーション中に、ロボット（部品含む）によって少なくとも１度は占有された点の集合
●重畳領域Ｈ；周辺物体１２と動作シミュレーション中に少なくとも１度は重なり合う領域
●はみ出し領域Ｋ；総占有領域Ｇに属し、且つ、ケージ領域２０外にある領域
●非占有領域Ｍ；ケージ領域２０内にあり、且つ、総占有領域Ｇに属さない領域
これら領域の色表示は例えば次のようなものとする。

○重畳領域Ｈ；赤色で塗りつぶして表示する。但し、周辺物体１２の輪郭線は赤色背景の白線で見えるように表示する。
○はみ出し領域Ｋ；青色で塗りつぶして表示する。
○非占有領域Ｍ；緑色で塗りつぶして表示する。周辺物体１２の存在する領域と重なる領域は、周辺物体１２の輪郭線が緑色背景の白線で見えるように表示する。
○総占有領域Ｇ；黄色で塗りつぶして表示する（初期表示した黄色表示が拡大したものに対応）。但し、重畳領域Ｈ及びはみ出し領域Ｋは上記した各表示色を優先させる。

もちろん、重畳領域Ｈ及びはみ出し領域Ｋについては、存在しないことも十分あり得る。そして、その場合は重畳領域Ｈ及びはみ出し領域Ｋは画面上に表示されない（赤色表示、青色表示の領域なし）。図５の例では、重畳領域Ｈ及びはみ出し領域Ｋが存在するケースが示されている。なお、図示の都合上、重畳領域Ｈはハッチイングで描示し、はみ出し領域Ｋは砂地模様で描示した。オペレータは、このような表示を見れば、干渉の有無、予定されたケージ領域からのはみ出しの有無を簡単に確認できる。なお、場合によっては、重畳領域Ｈ濃霧有無とはみ出し領域Ｋの有無の一方あるいは両方の存否を判定し、その結果を表わすメッセージ出力（アラーム信号）を生成し、文字（表示装置３の画面に表示）、音等でオペレータに報知しても良い。

このような表示結果あるいは報知結果に応じて、オペレータは適正な措置をとる。先ず、重畳領域Ｋが表示された場合には、その位置、大きさ等を考慮して、周辺物体１２を干渉を起こさないように適宜移動させ、レイアウトを修正する。この操作は、前述したように、マニュアル入力装置４のマウスなどを使って行なうことができる。図６には、レイアウト修正後のロボット１０と周辺物体１２の配置関係を例示した。図６中、符号Ｎは「総占有領域との重なりを脱した領域」（以下、脱出領域という）を表わし、例えば紫色で表示される。オペレータは、図５に示した重畳領域Ｈの赤色表示が、脱出領域Ｎの紫色表示に変化したことで周辺物体１２が総占有領域外へ出たことを確認できる。

また、図５のようにはみ出し領域Ｋの存在が確認された場合には、ケージ領域の再設定（拡張、移動などの修正）を行なうことができる。そして、このような修正を行なった後、再度、上述した処理のステップＳ４以下のサイクルを実行し、ステップＳ１２で表示される画面で、重畳領域Ｈやはみ出し領域Ｋが無くなっていることを確認しても良い。なお、ケージ領域の修正が困難な事情がある場合などにおいては、他の措置（ロボットの配置位置の変更、動作経路の変更等）をとっても良い。その場合も、措置後に再度上述した処理のステップＳ４以下のサイクルを実行し、ステップＳ１２で表示される画面で、重畳領域Ｈやはみ出し領域Ｋの無いことを確認することができる。

ここまでの説明では、表示装置３の画面上の表示は斜視形式（Perspective View）としたが、これを断層表示形式の画面に切り替えることができる。表示を行なう断層（断面）の指定は、例えば上述したステップＳ１２で表示される画面上で行なうことができる。即ち、図５中に符号Ａ、Ｂ、Ｃで例示したような３点をマニュアル入力で指定することで、点Ａ、Ｂ、Ｃを通る平面が定める処理がロボット干渉確認装置１の内部で行なわれ、例えば図７に示したような画面が表示される。

なお、ここで正確に言えば、画面上で点を指定しても、１自由度分の情報が足りないので、適当な付加情報乃至付加条件の指定でこれを補う。例えば点Ａ、Ｂ、Ｃはケージ領域２０の輪郭面上の点であるとして、点Ａ、Ｂには面ａｂｃｄを指定、点Ｃには面ａｅｆｂを指定する。これにより、点Ａを通る斜視表示の視線方向の直線と面ａｂｃｄとの交点、点Ｂを通る斜視表示の視線方向の直線と面ａｂｃｄとの交点、点Ｃを通る斜視表示の視線方向の直線と面ａｅｆｂとの交点が計算され、点Ａ、Ｂ、Ｃの座標系Σ上の３次元座標が求められる。他の付加条件としては例えば「総占有領域の、画面上に見えている輪郭面上の点であること」がある。その場合は、指定された点を通る視線とその輪郭面の交点の座標が求められる。
このような断層表示を利用すれば、斜視形式では総占有領域の陰に隠れて見えなかった非占有領域Ｍが見えるようになり、例えば符号３０で示したような部分に小さな周辺機器が干渉のおそれなく配置可能であることなどが確認できる。

更に、上述した実施形態では、周辺物体１２をレイアウト表示する条件で干渉確認の処理（図２のフローチャート）を行なったが、周辺物体１２のレイアウト自体を行なわないで同様の処理を実行し、非占有領域Ｍの位置や拡がり具合いを確認してから、最適と思われる位置に周辺物体１２を配置し、その上で再度、上述した処理のステップＳ４以下のサイクルを実行し、ステップＳ１２で表示される画面で、重畳領域Ｈやはみ出し領域Ｋの無いことを確認しても良い。

本実施形態に係るロボット干渉確認装置を含むシステム構成をブロック図で示したものである。 本実施形態で実行される処理の概要を記したフローチャートである。 ロボットが初期位置にあるレイアウト案の一例を示す図である。 図３に示したレイアウトに、ケージ領域を設定した状態を示す図である。 諸領域の区分け表示の例について説明する図である。 レイアウト修正後のロボットと周辺物体の配置関係を例示した図である。 断層表示の例を示した図である。

符号の説明

１ ロボット干渉確認装置
２ ＣＰＵ
３ 表示装置
４ マニュアル入力装置
５ 記憶装置
６ 通信インターフェイス
７ 外部データ入力機器
８ ＣＡＤ装置
１０ ロボット
１１ 部品
１２ 周辺物体（治具）
２０ ケージ領域
３０ 非占有領域内の部分領域
Ｇ 総占有領域
Ｈ 重畳領域
Ｋ はみ出し領域
Ｍ 非占有領域
Ｎ 脱出領域

Claims (9)

1. ロボットのアームの形状モデルを記憶する手段と、
   前記ロボットについて与えられた位置姿勢情報と前記ロボットのアームの形状モデルとに基き、前記ロボットのアームが前記位置姿勢情報に対応する位置姿勢をとった場合に、該ロボットのアームが占有する領域を求める占有領域算出手段と、
   ロボット動作プログラムから読み込んだ移動指令に基いて、前記ロボットのアームが取るべき位置姿勢に対応する位置姿勢情報を逐次求め、前記占有領域算出手段に受け渡す受け渡し手段と、
   前記占有領域算出手段から今回受取った占有領域を、前回更新記憶された総占有領域に集合算的に加算して新たな総占有領域として更新記憶する記憶手段と、
   前記記憶手段に記憶されている総占有領域を表示する機能を有する表示手段とを備えたロボットの干渉領域確認装置。
2. 任意の領域をケージ領域として設定する領域設定手段を備え、
   前記表示手段は、前記領域設定手段によって設定されたケージ領域を表示する機能を有していることを特徴とする、請求項１に記載のロボットの干渉領域確認装置。
3. 前記表示手段は、前記領域設定手段によって設定されたケージ領域内にあって且つ前記総占有領域に属しない非占有領域を表示する機能を有していることを特徴とする、請求項２に記載のロボットの干渉領域確認装置。
4. 前記表示手段は、前記領域設定手段によって設定されたケージ領域外にあり、且つ、前記総占有領域に属するはみ出し領域を表示する機能を有していることを特徴とする、請求項２または請求項３に記載のロボットの干渉領域確認装置。
5. 前記ロボットアームの周辺に配置する周辺物体の形状モデルを記憶する手段と、
   前記周辺物体について与えられた周辺物体位置姿勢情報と前記周辺物体の形状モデルとに基き、前記周辺物体が存在する周辺物体存在領域を求める存在領域算出手段とを備えており、
   前記表示手段が、前記周辺物体存在領域を表示する機能と、前記周辺物体存在領域と前記総占有領域とが重なる重畳領域と表示する機能とを有していることを特徴とする、請求項１〜請求項４の内いずれか１項に記載のロボットの干渉領域確認装置。
6. 前記ロボットアームの周辺に配置する周辺物体の形状モデルを記憶する手段と、
   前記周辺物体について与えられた周辺物体位置姿勢情報と前記周辺物体の形状モデルとに基き、前記周辺物体が存在する周辺物体存在領域を求める存在領域算出手段と、
   前記周辺物体存在領域と前記総占有領域とが重なる重畳領域の有無を判定する判定手段と、
   前記判定手段が重畳領域有りと判定した場合に同判定結果を表わすメッセージを生成するメッセージ生成手段を更に備えていることを特徴とする、請求項１〜請求項５の内いずれか１項に記載のロボットの干渉領域確認装置。
7. 記表示手段の画面上で前記周辺物体を移動させる手段と、
   該移動後の前記周辺物体の位置姿勢を記憶する手段とを備えていることを特徴とする、請求項５〜請求項７の内のいずれか１項に記載のロボットの干渉領域確認装置。
8. 前記表示手段は、指定された平面に沿った断層表示を行なう機能を有する、請求項１〜請求項７の内いずれか１項に記載のロボットの干渉領域確認装置。
9. 前記形状モデルに代えて、前記ロボットアームと該ロボットアームに実装された部品を足し合わせた形状モデルを記憶するようにしたことを特徴とする、請求項１〜請求項８の内いずれか１項に記載のロボットの干渉領域確認装置。
   

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