JP2023084115A - 点集合の干渉チェック - Google Patents

Abstract

【課題】点集合を使用するロボット干渉チェック動作計画技術を提供する。【解決手段】この技術は、ロボットアーム及び障害物のＣＡＤモデルを使用し、ＣＡＤモデルを３Ｄの点集合に変換する。３Ｄの点集合の座標は、ロボット及び障害物の動きに基づいて各タイムステップで更新される。次に、３Ｄの点は、任意のパーツ上の任意の点が占有する空間を表す３Ｄグリッド空間指標に変換される。３Ｄグリッド空間指標は１Ｄ指標に変換され、１Ｄ指標は物体毎にかつタイムステップ毎に保存される。干渉チェックは、所与のタイムステップの１Ｄ指標のセットの交差を計算することによって実行される。掃引体積は、複数のタイムステップにわたる１Ｄ指標のセットの和集合を計算することによって生成される。１Ｄ指標を３Ｄ座標に戻す変換がされ、掃引体積の３Ｄ形状及び全ての干渉の３Ｄ位置が定められる。【選択図】図６

Description

本開示は、広くは、産業用ロボットの動作制御の分野に関し、より具体的には、衝突なくホームに戻るロボットの経路を自動的に見出す技術に関し、該技術は、ロボットの干渉をチェックする動作計画技術に関する。この技術は、ロボット及び障害物を点の集合（ポイントセット）として定義し、ロボット及び障害物の動作に基づいて３次元（３Ｄ）の点の集合を更新し、３Ｄの点を占有空間を示す３Ｄ指標に変換し、３Ｄ指標を１次元（１Ｄ）指標に変換し、１Ｄ指標を対象物毎及びタイムステップ毎のセットとして保存し、所与のタイムステップのセットの交差によって干渉チェック計算を実行し、複数のタイムステップにわたる組の和集合によって掃引体積計算（swept volume computation）を実行する。

産業用ロボットを使用して、製造、組み立て、及び材料移動の操作を幅広く実行することはよく知られている。多くのロボットの作業空間環境には、障害物が存在しており、ロボットの動作の経路にある場合がある。障害物は、機械や固定具等の永続的な構造物、又は一時的若しくは可動のものであり得る。ロボットが作業している大型のワークは、ロボットが溶接等の操作を実行している間に該ワークの内部又は周りを移動する必要があるため、ワーク自体が障害物になり得る。複数のロボットの作業空間環境では、各ロボットは潜在的に他のロボットの障害物である。ロボットの任意の部分といかなる障害物との衝突も、絶対に避けなければならない。

リアルタイムの動作計画中を含め、動作計画ルーチンに干渉チェックアルゴリズムを含めることが知られている。干渉チェックのための従来技術の一つは、ロボットの各アームの周り及び各障害物の周りに、球や円柱等の基本形状を定義することを含む。基本形状は、干渉チェック計算の複雑さを扱いやすいレベルに引き下げて、干渉チェック計算をリアルタイムの動作計画に十分な速さで実行できるようにするために使用される。しかし、各障害物及び各ロボットアームの周りに基本形状を定義することは、面倒で時間のかかるプロセスである。さらに、ロボットによって溶接又は塗装されている車体等のいくつかの物体は、基本形状を使用した近似に適していない。ロボットアーム自体でさえ、基本形状を使用して適切に近似されていないことが多く、伝統的な基本形状は、干渉状態の誤判定につながる可能性がある。

干渉チェックのための別の従来技術は、ロボットアーム及び障害物のＣＡＤモデルを使用する。干渉チェック計算においてＣＡＤモデルを使用すれば、基本形状の不正確性の問題を回避できる。しかしこの方法では、１つのＣＡＤモデル（例えばロボットのエンドエフェクタ）上の全ての位置と、作業空間内の他の全ての潜在的な障害物（他の全てのロボットアーム部品、機械、固定具、ワーク等を含む）のＣＡＤモデル上の全ての位置との間の距離の計算及び干渉の検出が必要である。この計算は、計算機の負荷が大きく、最も単純なロボット作業空間環境を除く全ての環境で時間を要する。ロボットの動作中にリアルタイムで動作計画の計算を実行する必要がある環境では、殆どの場合、衝突回避の計算に時間がかかりすぎて実用的ではない。

上記の状況に照らして、セットアップが容易でかつ、ロボット作業空間内の障害物の数や種類に関係なく、衝突を回避するロボットの動作を迅速かつ正確に計算する、改善されたロボット干渉チェック技術が望まれる。

本開示の教示に従って、点の集合を使用したロボット干渉チェック動作計画技術が開示される。この技術では、ロボットアーム及び障害物のＣＡＤモデルを使用し、ＣＡＤモデルを３次元（３Ｄ）の点に変換する。３Ｄ点は、ロボット及び障害物の動作に基づいて各タイムステップで更新される。３Ｄ点は次に、任意の部分上の任意の点が占める空間を示す３Ｄグリッド空間指標に変換される。次に３Ｄグリッド空間指標は、１次元（１Ｄ）の指標（インデックス）に変換され、１Ｄ指標は物体毎及びタイムステップ毎のセットとして保存される。複数のタイムステップにわたる１Ｄ指標のセットの和集合を計算することにより、掃引体積が生成される。所与のタイムステップ又は所与の掃引体積１Ｄ指標の組の交差を計算することにより、干渉チェックが実行される。１Ｄ指標は３Ｄ座標に変換され、掃引体積の３Ｄ形状及び干渉の３Ｄ位置が定義される。

開示された装置及び方法の追加の特徴は、添付の図面と併せて、以下の説明及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。

障害物である車体ワークの近くで作業する２つの産業用ロボットの図である。 機械が障害物であるマシンテンディングアプリケーションにおける産業用ロボットの図である。

本開示の一実施形態に係る、物体の３Ｄ点を１Ｄ指標に変換することを含む、干渉チェックのための点集合方法のステップの図である。

本開示の一実施形態に係る、図２に示す方法の一部の図であり、物体の３Ｄ点を１Ｄ指標に変換するステップの詳細を示す。

従来のＣＡＤモデル形状を用いた干渉チェック結果を示す。 基本形状の近似を用いた干渉チェック結果を示す。 本開示の点集合技術を用いた干渉チェック結果を示す。

点集合干渉チェック方法が干渉を検出した形態における、図１Ａの２つの産業用ロボットの図である。 同じ２つのロボットの掃引体積の図であり、該掃引体積の重複領域を示す。

本開示の実施形態に係る、点集合干渉チェック及び掃引体積計算のための方法のフローチャート図である。

１次元（１Ｄ）の指標（インデックス）として表された点集合を用いたロボット干渉チェックを対象とした本開示の実施形態の以下の説明は、本質的に単なる例示であり、開示された装置及び技術、又はそれらのアプリケーション若しくは使用を制限することを意図するものではない。

種々の製造、組み立て、及び材料移動の操作のために産業用ロボットを使用することは周知である。多くのロボットの作業空間環境には、障害物が存在し、ロボットの動作の経路にある場合がある。つまり障害物は、ロボットの現在位置と目的位置との間に配置される場合がある。障害物は、障害物は、機械や固定具等の永続的な構造物、又は一時的若しくは可動のものであり得る。ロボットが作業している大型のワークは、ロボットが溶接等の操作を実行している間に該ワークの内部又は周りを移動する必要があるため、ワーク自体が障害物になり得る。作業空間内のあるロボットは、潜在的に他のロボットの障害物になり得る。ロボットの任意の部分と障害物との衝突を回避する経路にツールが追従するようにロボットの動作を計算する技術が、当技術分野で開発されてきた。

図１Ａは、車体ワーク１２０の近傍で作業する２つの産業用ロボット（１００、１１０）の図である。図１Ａの作業空間では、ロボット１００及び１１０は、ワーク１２０の種々の位置に対してスポット溶接作業を行う。スポット溶接は、車体の内部の位置も含み、ロボット１００及び１１０はドア開口の内部に到達する必要がある。このアプリケーションでは、車体ワーク１２０自体がロボット１００及び１１０の動作の障害となる。また、ロボット１００及び１１０の動作領域は重複する場合があり、これはロボット１００及び１１０が互いに障害物となり得ることを意味する。ロボット１００及び１１０の操作は、計画された全ての動作について実行される干渉チェック計算を必要とする。

図１Ｂは、マシンテンディングアプリケーションにおける産業用ロボット１５０の図であり、ロボット１５０は未加工部品を機械１６０内の固定具に配置し、その後、完成部品を固定具から取り出す。このアプリケーションでは、ロボット１５０は機械１６０の内部に到達する必要があり、故に機械１６０はロボットの動作に対する潜在的な障害となる。この場合も、ロボット１５０の操作は、計画された全ての動作について予め実行される干渉チェック計算を必要とする。

ロボットの動作計画における干渉チェックのための従来技術の１つでは、ロボットの各アームの周囲及び各障害物の周囲に、球や円柱等の基本形状が定義される。基本形状は、単純化された形状で実際の物体形状を近似することにより、干渉チェック計算の複雑さを扱いやすいレベルに引き下げるために使用される。

次に、干渉を回避するロボット動作を計算するために、ロボットアームの基本形状から障害物の基本形状までの距離を計算する。これは、実際の詳細な形状のアーム及び障害物間の距離を計算するよりもはるかに簡単である。しかし、各障害物及び各ロボットアームの周囲に基本形状を定義することは、面倒で時間のかかるプロセスである。さらに、実際のロボットアームのパーツや実際の障害物は通常、不規則な形状であるため、基本形状は、その体積内にかなりの空き空間を有して定義されることが多い。これにより、干渉チェック計算の結果は、干渉の誤判定となることがある。

さらに、いくつかの物体は、基本形状を使用した近似に適していない。例えば図１Ａでは、車体ワーク１２０は、基本形状の観点では容易にモデル化されていない。ロボット１００／１１０による衝突を防止するために、車体ワーク１２０の周りに六面体（「レンガ形状」）の基本形状を定義することは可能であるが、六面体は車体の周りに大量の自由空間を含む。自由空間があると、ロボット１００／１１０は車体ワーク１２０の内側に到達することができなくなる。代替案は、車体ワーク１２０の形状に近似する多数の基本形状（例えば、フロントガラスの「Ａ」ピラーについて円柱形状、ドア「Ｂ」ピラーについて他の円柱形状、等）を定義することであるが、これは非常に面倒で時間のかかるプロセスであり、依然として過度に保守的である。

ロボットの動作計画における干渉チェックのための他の従来技術は、ロボットアーム、ワーク及び他の障害物の実際の形状をＣＡＤモデルの形態で使用する。この技術は、基本形状方法の不正確さを回避するが、干渉チェック計算の計算時間は、ロボット／障害物の作業空間の最も単純なシナリオを除く全てシナリオで劇的に増加する。通常、ＣＡＤモデルを使用した干渉チェック計算は、動作計画計算を継続的かつ迅速に行う必要があるリアルタイム環境では、実用には長過ぎる。

ロボットの動作計画における干渉チェックのための他の技術も存在し、これには、符号付き距離場（signed distance field）技術や、軸に沿ったバウンディングボックスツリー技術が含まれる。しかし、上記の全ての技術は、計算集約型であること（故に遅い）、近似のために不正確であること、又は、動作プログラムの全てのタイムステップで全ての部品の３Ｄ位置情報を格納するために膨大な量のコンピュータメモリが必要であること、のいくつかの組み合わせを示す。

上述の問題を克服するために、１Ｄ指標として表される点集合を使用する新しいロボット干渉チェック技術が本明細書に開示される。本開示の点集合干渉チェック技術は、基本形状の使用に関連する不正確さを伴わずに、干渉及び掃引体積の高速計算を提供する。開示された干渉チェック技術は、全ての位置／タイムステップについて３Ｄ形状又はグリッドデータを格納することを必要とせず、リアルタイムのロボット動作計画ルーチンに含まれるのに十分な速さである。

図２は、本開示の一実施形態に係る、物体の３Ｄの点を１Ｄ指標に変換することを含む、干渉チェックのための点集合方法におけるステップの図である。ステップ２２０において、ロボット２００のパーツのＣＡＤモデルが、作業空間内の潜在的な障害物のＣＡＤモデル、及び操作される部品のＣＡＤモデルとともに提供される。ＣＡＤモデルは、３Ｄ立体モデルであることが好ましいが、当技術分野で周知の表面モデルでもよい。ステップ２３０において、ＣＡＤモデルが３次元の点（３Ｄ点）に変換される。このことは、個々のパーツのそれぞれの表面上及び内部に複数の点を定義することで行われる。例えば、ロボットのベース部２０２は数百の点で表すことができ、内側アーム２０４、外側アーム２０６、手首部２０８及びエンドエフェクタ２１０についても同様である。ロボット２００のアームのパーツの数は変化する場合があり、パーツ毎の点の数（密度）は、アプリケーションの要件に合わせて選択可能である。ここでもまた、ロボット２００（及び場合によっては作業セル内の他のロボット）の動きを考慮して点座標を更新できるように、３Ｄ点が各パーツに対して個別に定義される。ワークの点についても同じことが言え、ここでは図１Ａの車体１２０がコンベヤ上を移動している場合があり、図１Ｂの機械１６０が開閉するドアを有している場合がある。各パーツの３Ｄ点は、計画された動作のタイムステップ毎に新しい座標に変換される。ステップ２２０及び２３０は、初期化段階で実行され、このことは、実際の点集合の干渉チェック計算の前に「オフライン」で実行され得る。

ステップ２４０において、各パーツの３Ｄ点が１Ｄ指標に変換される。各１Ｄ指標は、ロボットの作業セル又は作業空間内のグリッドセルを表す単一の整数である。３Ｄ点を１Ｄ指標に変換することは２段階のプロセスであり、ここでは３Ｄ点の座標が先ず３Ｄグリッド空間指標に変換され（２４２）、次に３Ｄ指標が１Ｄ指標に変換される（２４４）。ステップ２５０において、グリッド空間占有率を示す１Ｄ指数が、パーツ毎及びタイムステップ毎に保存される。例えば、エンドエフェクタ２１０上の各点は、１Ｄ指標に変換される３Ｄグリッド空間指標を占有し、エンドエフェクタ部２１０の占有された１Ｄ指標の全てが、各タイムステップについて保存される。ロボットの各部、全ての障害物、及び障害物になり得る全てのワークについても同様であり、ここでは、障害物及びワークのいくつかは固定されている場合があり、いくつかは移動している場合がある。占有された１Ｄ指標のみを保存することにより、開示された方法が使用するコンピュータメモリは、従来技術の技術と比較して非常に少なく、その後の干渉チェック及び掃引体積の計算は非常に効率的である。ステップ２４０及び２５０については、以下の図３の説明で詳細に説明する。

ステップ２６０において、全てのタイムステップについて占有された１Ｄ指標が結合操作によって組み合わされて、掃引体積が生成される。掃引体積は、個々のパーツ毎に計算可能であるが、ロボットの場合は、ロボット全体の掃引体積を計算する方が一般的である。例えば、ベース部２０２、内側アーム２０４、外側アーム２０６、手首部２０８及びエンドエフェクタ２１０の占有指標を組み合わせることにより、ロボット２００の掃引体積を計算することができる。図２のステップ２６０は、この単純化された例を示す。２６２では、タイムステップｔ＝１での占有１Ｄ指標が示され、２６４では、タイムステップｔ＝２での占有１Ｄ指標が示される。２６２及び２６４における占有１Ｄ指標は、同じパーツ又は同じロボット（２つの異なるロボットではなく、ワークと比較したロボットではない）についてのものである。タイムステップｔ＝１では、パーツは指標番号（３，４，７，８）を占有する。タイムステップｔ＝２では、同じパーツが指標番号（７，８，１１，１２）を占有する。タイムステップｔ＝１及びｔ＝２からの占有指標の和集合は、２６６で示されるように、（３，４，７，８，１１，１２）で表される総掃引体積になる。１Ｄ指標として表される掃引体積は、ステップ２３０及び２４０を逆にすることで、３Ｄ形状の掃引体積に戻るように変換可能である。

ステップ２７０において、干渉が存在するか否かを判断するために、２つの異なる部分（例えば、２つのロボット、又は１つのロボットとワーク）の占有１Ｄ指標が交差操作（intersection operation）で使用される。デュアルロボットシステムの場合、１つのロボット全体と他のロボット全体との間の干渉をチェックすることが一般的である。図２のステップ２７０は、これの単純化された例を示す。２７２では、ロボットＲ１の占有１Ｄ指標が示され、２７４では、ロボットＲ２の占有１Ｄ指標が示される。２６２及び２６４の占有１Ｄ指標は、同じ単一のタイムステップについてのものである。ロボットＲ１の占有指標番号は、（３，４，７，８，１１，１２）である。ロボットＲ２の占有指標番号は、（１，２，３，４，５，６）である。ロボットＲ１及びＲ２の占有指標の交差は、２７６で示されるように、指標（３，４）で表される干渉をもたらす。１Ｄ指標として表される干渉は、ステップ２３０及び２４０を逆にすることで、３Ｄ形状の干渉体積に戻るように変換可能である。

図２の点集合干渉チェック方法は、ロボット動作計画アプリケーションにおいて使用可能であり、このアプリケーションでは、ワーク及び障害物に対する１つのロボット（又は複数のロボット）の動作が、ロボットによってタスクが実行される前に計画・評価される。例えば図１Ａでは、車体ワーク１２０上の全てのスポット溶接を完了するために必要なロボット１００及び１１０の動作を、ロボット１００／１１０が実際に溶接を開始する前に計算することができる。ロボット１００／１１０間、又は１つのロボットとワーク１２０との間で干渉状態が特定された場合、ロボットの動作シーケンスの１つの開始を遅らせること等により、計画された動作を調整して干渉を防ぐことができる。同様に、掃引体積を使用して、動作シーケンス全体に亘り、１つのロボットの動作が他のロボットの動作と重複するか否かを判断することができる。結果として得られた重複体積が望ましくない場合は、別の動作計画を計算することができる。

図２に示される点集合干渉チェック方法の全てのステップは、プロセッサ及びメモリを有するコンピュータ上で実行されるアルゴリズムにおいてプログラムされることを理解されたい。好適な実施形態では、点集合干渉チェック方法を実行するコンピュータは、リアルタイムのロボット構成（関節位置）のデータにアクセスし、ロボット動作計画の計算も担うロボット制御装置である。しかし他のシステム設計も可能であり、例えば、点集合干渉チェック方法を実行するコンピュータは、複数のロボット制御装置と通信するとともに、コンベヤ上のワークの位置（図１Ａの例)、又は、機械加工ステーションのドア及び部品の状態（図１Ｂの例）も認識している作業セル制御装置である。ロボット制御装置及び場合によっては作業セル制御コンピュータに加えて、システムは、作業セル内を移動する障害物を識別するための１つ以上の物体センサを含み得る。いくつかの実施形態では、ロボット制御装置及び／又は作業セル制御装置が、移動するワークの（例えばコンベヤ上の）位置、又は管理されている機械の状態（例えば、部品のロード／アンロード状態、ドアの開閉状態）を認識しているため、物体センサは不要である。

図３は、本開示の一実施形態に係る、図２に示される点集合干渉チェック方法の一部の図であり、物体の３Ｄ点を１Ｄ指標に変換するステップの詳細を示す。図２のステップ２４０において、各パーツの３Ｄ点は２段階プロセスで１Ｄ指標に変換され、ここでは３Ｄ点の座標が先ず３Ｄグリッド空間指標に変換され、次に３Ｄ指標が１Ｄ指標に変換される。これらは、図３に詳述されているステップである。

セクション３１０において、ロボットと、障害物となり得る他の物体（作業空間内のワークや固定具等）とは、３Ｄの点として定義される。ロボットの各部分及び他の各物体の点は、動作計画のタイムステップに対応する位置に置換される。例えば２ロボットシステムでは、動作計画のタイムステップ毎に各ロボットの構成（関節角度）が計算され、ロボットの様々な部分が作業空間座標での位置及び方向に置換される。各部分の各点も同様に置換される。この置換は、［ｘｙｚ］＝Ｒ_ｊｎｔｐ＋ｐ_ｊｎｔのように、当技術分野で周知の方法で順運動学計算を使用して実行可能であり、ここでは、［ｘｙｚ］は点ｐの更新された３Ｄ座標であり、Ｒ_ｊｎｔは関節座標系の方向であり、ｐは関節座標系の点ｐであり、ｐ_ｊｎｔは関節座標の原点座標である。コンベヤ上を移動する部品上の点は、コンベヤの動きに基づく単純な並進変換を使用して簡単に更新可能である。特定のタイムステップに対する、ロボット２００の各パーツ上の点及びワーク３００の部分上の点は、図３のセクション３１０に示される。ロボットの内側アーム上に示される２つの特定点３３０及び３３２については後述する。

セクション３１０において、各部分の各点は、セクション３１０から３Ｄ占有グリッド空間に転送される。グリッド空間３５０は、原点｛Ｏ｝：［ｘ_０ｙ_０ｚ_０］を有する作業空間座標系で定義される。グリッド空間３５０は、次元サイズｕを有する個々の３Ｄグリッドセル３５２に分割される。例えば、ｘ、ｙ及びｚの次元の各々が１メートルのサイズであるロボット作業空間は、各グリッドのサイズがｕ＝５ｍｍである２００×２００×２００の次元のグリッド空間に分割可能である。グリッド空間３５０は、ｙ／ｚ２次元グリッド３６０、３６２及び３６４のセットとして図３に示され、グリッド３６０／３６２／３６４の各々は、ｘ方向に異なる深さで配置される。グリッド空間３５０内の各セルには、３Ｄ指標（整数のトリプレット）が割り当てられ、各数値はｘ、ｙ又はｚ方向の位置を表す。３Ｄセル指標の例は、以下のセクション３７０に示される。
いる。

ロボットの内側アーム上の点３３０及び３３２は、グリッドサイズｕに基づいて、図示のようにグリッド空間３５０内の対応する位置に転送される。グリッド空間３５０には、他のいくつかの点（番号なし）も示される。各部分上の各点がグリッド空間３５０に転送されることを理解されたい。これは典型的には何千個もの点である。図の明瞭化のため、図３には一部のみが示される。

点がグリッド空間３５０に転送された後、３Ｄグリッド空間３５０内の占有されたグリッドセルが識別される。セクション３２０の右側の３つのグリッドセル（３４０、３４２、３４４）は、現在評価されているタイムステップにおいて部分によって占められていることを示すために、陰影が付与されている。グリッドセル３４０／３４２／３４４は、左側に示すように点を含むセルである。

例えば、上述した点の複数で占有されているセル３４０は、指標（１，３，２）を有しており、これはｘ方向の第１セル（１）、ｙ方向の第３セル（３）、及びｚ方向の第２セル（２）を表す。同様に、占有されたセル３４２の指標は（１，３，３）であり、占有されたセル３４４の指標は（１，４，２）である。グリッド空間３５０内のセルは、このようにして３Ｄ指標で番号付けされ、占有されたセルが識別される。占有されているグリッドセル及び他のいくつかのグリッドセルのみが、３８０に図示されている指標を有する。

３９０において、グリッド空間３５０のセルの３Ｄ指標が１Ｄ指標に変換される。このことは以下のようにして実行可能である。単純にセルに連続的に番号を付与し、ｘ及びｙを一定に保ちつつグリッドセルをｚ方向にインクリメントし、次にｙを１セルだけインクリメントしてｚ方向の進行を繰り返し、これをｙ方向が尽きるまで繰り返し、次にｘ方向についても同様に行う。上述の２００×２００×２００グリッド空間の例では、３Ｄ指標は（１，１，１）から（２００，２００，２００）の値の範囲になり、１Ｄ指標は１から８，０００，０００（＝２００^３）の値の範囲になる。３９０に示される例では、グリッドセルの視認可能な上層には、先ずｚ方向、次にｙ方向にインクリメントすることによって１から１２までの番号が付与される。ｘ方向の次の層の１Ｄ指標は、１３－２４等になる。

３９０において、１Ｄ指標が８、９及び１１のセルは、占有されていることを示すために陰影が付けられている。これらの指標８、９及び１１はセル３４０／３４２／３４４に対応し、セル３４０／３４２／３４４は、セクション３２０のグリッド空間３５０内の点３３０、点３３２及びその他の点によって占有されていると示されていた。占有空間の１Ｄ指標（８，９，１１）は、計画された動作プログラムの特定のタイムステップでの特定の部分の占有率を定義する１Ｄ配列（アレイ）として保存される。次に、これらの１Ｄ占有指標配列は、図２に関して上述したように、掃引体積及び干渉チェック計算（それぞれ２６０及び２７０）で使用される。

繰り返すが、図３の全てのステップは、ロボットの動作の計画されたタイムステップ毎に実行される。すなわち、各部分の点座標は先ず、計画された物体の動き（ロボットの部分及びワークの部分）の各タイムステップを反映するためにセクション３１０で更新される。次に、各タイムステップでの各物体について、点の座標が、セクション３２０の３Ｄ占有指標としてグリッド空間に転送される。最後に、セクション３７０において、３Ｄ占有指標が各物体のタイムステップ毎に１Ｄ指標に変換される。

上述のように、１Ｄ占有指標配列は、掃引体積及び干渉チェックの計算（図２では、それぞれ２６０及び２７０）で使用される。干渉が検出された場合、作業空間内のそれぞれの位置にあるロボットや他の物体との干渉状態を視覚化することが人間にとって望ましい場合がある。このことは、ステップ２４０の逆のプロセスを用いて１Ｄ指標を３Ｄ形状に戻す変換によって行うことができる。結果として生じる３Ｄ空間内の干渉状態は、干渉が発生したタイムステップでロボット／部品に重ね合わせることができる。同様に、同じ技術を使用して、視覚化のために掃引体積を３Ｄ形状に戻す変換が可能である。

１Ｄ指標として表される点の集合を使用する開示された干渉チェック方法の使用シナリオは、動作が実行される前に、計画されたロボット動作経路毎に干渉チェックを自動的に実行することである。換言すれば、ロボットの計画された動作（例えば溶接又はスプレー塗装タスク）が計算され、タスクが実行される前に、他のロボット、移動するワーク及び静止物体等の作業空間内の障害物の位置及び動作に基づいて、点集合の干渉チェック計算が実行される。点集合の干渉チェック計算が干渉を特定した場合、タスクは実行されず、ロボットの動作が再計画され、点集合干渉チェック計算が再度実行される。

３Ｄ点を１Ｄ指標に変換することを特徴とする上述の方法は、従来技術よりも速度及び精度の点で優れている。特に、開示された点集合干渉チェック方法は、ＣＡＤモデルを使用する干渉チェック技術よりも計算時間を高速にし、必要なコンピュータメモリが少なくて済み、また点集合干渉チェック方法は、基本形状を使用する干渉チェック技術よりも優れた精度を提供する。

図４Ａ、４Ｂ、及び４Ｃはそれぞれ、従来のＣＡＤモデル形状、基本形状近似、及び本開示の点集合技術を使用した干渉チェック結果を示す図である。図４Ａ、４Ｂ、及び４Ｃに示すシミュレーションは全て、同じロボットの運動学及び動作を使用している。３つの図で異なるのは、干渉チェックで使用されるロボットアームの構成要素の表示のみである。干渉チェックの結果及び計算時間への影響については後述する。

図４Ａは、ロボット４２０Ａのパーツに近接したロボット４１０Ａのパーツを示す。ロボット４１０Ａ及び４２０Ａは、ＣＡＤモデル形状によって表される。挿入図４３０は、（ロボット４１０Ａの）パーツ４１２Ａ及び（ロボット４２０Ａの）パーツ４２２Ａの詳細を示す。挿入図４３０から分かることは、パーツ４１２Ａとパーツ４２２Ａとの間に小さなクリアランスが存在していることであり、つまり干渉はない。図４ＡのＣＡＤモデル形状は、パーツを正確に表示することができるため、パーツが互いに近接しているときに偽陽性の干渉状態を返さない。しかし図４ＡのＣＡＤモデル形状は、干渉チェックの計算に使用すると非常に計算量が多くなる。実際、パーツのＣＡＤモデル形状を使用した干渉チェックは通常、ロボットの動作が中断されずに続行できるように、計画された経路を約１－２秒以内に干渉チェックする必要があるリアルタイムの動作計画ルーチンで使用するには遅すぎる。

図４Ｂは、ロボット４２０Ｂのパーツに近接したロボット４１０Ｂのパーツを示す。ロボット４１０Ｂ及び４２０Ｂは、細長いロボットアームの周りの円柱等の基本形状によって表される。挿入図４４０は、（ロボット４１０Ｂの）パーツ４１２Ｂ及び（ロボット４２０Ｂの）パーツ４２２Ｂの詳細を示す。挿入図４４０から分かることは、実際のパーツ４１２Ｂとパーツ４２２Ｂとの間に小さなクリアランスが存在していることであり、つまり干渉はない。しかし、パーツ４１２Ｂは基本形状４１４Ｂによって表され、パーツ４２２Ｂは基本形状４２４Ｂによって表される。基本形状４１４Ｂは、挿入図４４０に示すタイムステップでは基本４２４Ｂと干渉する。故に基本形状を使用した干渉チェック計算は、実際はロボットの現実のパーツ間には何も存在しない場合に、干渉を予測してしまう。基本形状を使用した干渉チェックは、ＣＡＤモデル形状を使用する場合よりも計算時間ははるかに高速であるが、図４Ｂは、基本形状に固有の単純化がどのようにして偽陽性の干渉状態予測につながるかを示している。

図４Ｃは、ロボット４２０Ｃのパーツに近接したロボット４１０Ｃのパーツを示す。ロボット４１０Ｃ及び４２０Ｃは、本開示の技術に係る点集合で表される。挿入図４５０は、（ロボット４１０Ｃの）パーツ４１２Ｃ及び（ロボット４２０Ｃの）パーツ４２２Ｃの詳細を示す。挿入図４５０から分かることは、パーツ４１２Ｃとパーツ４２２Ｃとの間に小さなクリアランスが存在することであり、つまり干渉はない。図４ＡのＣＡＤモデル形状と同様に、本開示の点集合干渉チェック方法は、パーツの正確な表示が可能であり、故にパーツが互いに近接している場合に偽陽性の干渉状態を返さない。さらに、点集合干渉チェック方法は、干渉チェックの計算時間を十分に高速にし、ロボットの動作が中断されずに続行できるように、計画された経路を約１－２秒以内に干渉チェックする必要があるリアルタイムの動作計画ルーチンで使用できる。

図４Ａ－４Ｃは、いずれも同じコンピューティングハードウェアで直接的に比較可能なテストで実行されたシミュレーション結果を示す。図４ＡのＣＡＤモデル形状シミュレーションは、ロボットの姿勢／構成を更新して新しい構成で干渉チェックを実行するためにかなりの計算時間を必要とし、計算に時間がかかりすぎて、リアルタイムの動作計画には使用できなかった。図４Ｂの基本形状シミュレーションでは、ロボットの姿勢を更新して新しい構成で干渉チェックを実行するのに必要な計算時間が、ＣＡＤモデル形状シミュレーションよりも短くなった。基本形状シミュレーションは、ＣＡＤモデル形状を使用するよりもはるかに高速ではあるが、上述のように誤った結果を返す可能性がある。図４Ｃの点集合シミュレーションモデルでは、必要とする計算時間が基本形状技術よりもさらに短く、故に正確な干渉チェック結果及び高速計算を提供する。これは、従来技術では実現できない組み合わせである。

図５Ａは、点集合干渉チェック方法が衝突を検出した形態における、図１Ａの２つの産業用ロボット１００及び１１０の図である。図５Ａでは、ロボット１００及び１１０の各々は、車体１２０に対してスポット溶接タスクを実行している。図５Ａは、計画された動作中のロボット１００及び１１０を示し、各ロボットは独立した経路を移動している。ロボット１００は、開始点１０４から、図示されているロボット１００の形態までツール先端点経路１０２に追従している。ロボット１１０は、自らのツール先端点経路に追従し、現在示されている形態に至っている。これらのロボット動作のこの時点で、ロボット１００／１１０は、５０２で示すように、手首の関節及びエンドエフェクタの近傍で衝突することになる。この干渉状態は、動作計画の特定のステップにおいて、２つのロボットの１Ｄ指標セットの非ヌル交差（non-null intersection）によって検出された。本開示の点集合干渉チェック方法を使用して、干渉状態を迅速にシミュレートして予測する能力により、ロボットがタスクを実行する前に、修正された動作計画を計算してチェックすることができる。

図５Ｂは、本開示の一実施形態に係る、同じ２つのロボット１００及び１１０の掃引体積の図であり、掃引体積の重複領域を示す。図５Ｂは、図５Ａと反対の視点から見たロボット１００／１１０を示す。図５Ｂでは、ロボットはそれらのホーム位置にあるものとして示されている。掃引体積１０８及び１１８は、本開示の技術を使用して計算される。掃引体積１０８は、ロボット１００の動作プログラムのある時点において占有される体積であり、掃引体積１１８は、ロボット１１０の動作プログラムのある時点において占有される体積である。掃引体積１０８は、動作計画の全てのステップにおいてロボット１００の１Ｄ指標のセットの和集合を実行することで計算され、ロボット１１０の掃引体積１１８についても同様である。重複体積５１０は、掃引体積１０８及び１１８の双方の内部にある空間である。ロボット１００及び１１０はそれらの掃引空間の一部を異なる時間に占有する場合があるので、重複体積５１０は必ずしも衝突が発生することを示すものではない。しかし、重複体積５１０の存在は人間のプログラマ又はオペレータにとって興味深いものであり、それぞれのロボットの掃引体積におけるいかなる重複をも排除するために、ロボット１００及び／又は１１０の動作プログラムを調整するという決定がされる場合がある。繰り返しになるが、掃引体積を迅速かつ正確に計算して重複を特定する能力は、安全で信頼性の高いロボット動作計画に役立つ。

図６は、本開示の一実施形態に係る、点集合干渉チェック及び掃引体積の計算のための方法のフローチャート図６００である。ボックス６０２では、１つ以上のロボット及び潜在的な障害物のＣＡＤモデルが提供される。ロボットの個々の構成要素（内側アーム、外側アーム、エンドエフェクタ等）は、各パーツをロボットの別のパーツに取り付ける関節に関する位置及び方向とともに、個別のＣＡＤモデルとして提供される。潜在的な障害物には、固定された物体及び／又は移動する物体、並びに固定されたワーク及び／又は移動するワークが含まれる。ボックス６０４では、ＣＡＤモデルは、各パーツの外面及びいくつかの内部の点を定義する３Ｄ点に変換される。各パーツ又は構成要素は通常、数百又は数千の点で表される。各パーツ上の各点の位置は既知であるため、作業セル座標系内の点の動きは、ロボットの関節の動作に基づいて計算できる。ボックス６０２及び６０４での、ＣＡＤモデルの提供及びＣＡＤモデルの３Ｄ点への変換は、点集合干渉チェックプロセスの開始時に一度だけ実行される初期化ステップである。

ボックス６０６では、３Ｄ点の座標がロボット及びパーツの動作のために更新される。すなわち、ロボットの各パーツ上の各点の座標は、ロボット関節の動作（動作計画の各ステップ）に基づいて更新され、移動するワーク又は障害物上の各点の座標も、それらの物体の（計画された）動作に基づいて更新される。ボックス６０８では、ロボットのパーツ及び障害物の全ての３Ｄ点が、３Ｄグリッド空間指標に転送される。このステップは、図３に関して詳述した。ボックス６１０では、３Ｄ指標が１Ｄ指標に変換されるが、これも図３に関して上述した。このステップの結果、各物体は、特定の計画動作ステップ又はタイムステップについて、１Ｄ占有指標のセットによって表される。１Ｄ占有指標の各々は、ロボットが動作する作業空間内の体積の一部を表す単一の整数である。

ボックス６１２では、１Ｄ指標が、タイムステップ毎に、物体毎のセットとして保存される。図２に示す例に関して上述したように、複数の１Ｄ指標（各々は整数）のセットは、各タイムステップにおける各物体の占有を定義する。ボックス６１２からの１Ｄ占有指標のセットを使用することで、干渉チェック及び掃引体積が計算できる。

ボックス６１４では、ある物体に設定された１Ｄ指標と、別の物体に設定された１Ｄ指標との数学的な交差を同じタイムステップで実行することにより、干渉チェックが行われる。例えば、ロボットのエンドエフェクタの１Ｄ占有指標のセットは、（図１Ｂに示すような）機械の１Ｄ指標のセットでチェックすることができ、２つの指標のセットの交差がヌル（ｎｕｌｌ）であれば干渉はないが、交差がヌルでない場合は干渉がある。同様に、ロボット全体の１Ｄ占有指標のセット（そのロボットの全てのアームパーツの指標から構成される）は、別のロボット全体の１Ｄ占有指標のセットと交差する可能性があり、交差は双方のロボットの動作のタイムステップ毎に計算され、交差の任意の点での干渉が特定される。

ボックス６１６では、ボックス６１４で特定された全ての干渉の３Ｄ形状を、図２及び３に示したプロセスの逆を使用して干渉の１Ｄ指標を３Ｄ指標及び３Ｄ点の座標に戻す変換によって計算することができる。干渉指標のセットを３Ｄ形状に戻す変換（結果としての３Ｄ形状の表示を含む）は、プログラマ又はオペレータが干渉発生時のロボットの形態を視認できるようにするために望ましい場合がある。

ボックス６１８では、動作プログラムの全てのタイムステップにわたって物体（ロボット全体等）の１Ｄ占有指標のセットの和集合を実行することにより、掃引体積が計算される。これも、非常に高速かつ簡単な計算であり、複数の時間ステップの１Ｄ指標のセットの数学的和集合であり、各１Ｄ指標のセットは整数のグループである。この計算から得られた掃引体積は、ロボット１００の掃引体積１０８及びロボット１１０の掃引体積１１８とともに、図５Ｂに示されている。

ボックス６２０では、ボックス６１８で計算された掃引体積の３Ｄ形状を、図２及び３に示したプロセスの逆を使用して和集合の１Ｄ占有指数を３Ｄ指標及び３Ｄ点の座標に戻す変換によって計算することができる。掃引体積の指標のセットを３Ｄ形状に戻す変換（結果としての３Ｄ形状の表示を含む）は、プログラマ又はオペレータがロボットの動作プログラム中にロボットの動作エンベロープ全体を視認できるように、或いは隣接する２つのロボットの動作エンベロープが重複するか否かを視認できるようにするために望ましい場合がある。ボックス６２２では、別々の掃引体積間の全ての重複領域の３Ｄ形状が計算されて表示される。例えば、図５Ｂに示される重複体積５１０は、ロボット１００及び１１０の掃引体積間の重複を示す。重複領域は、ロボットであろうとなかろうと、任意の２つの移動する物体の掃引体積間について計算可能である。

繰り返すが、図６に示される方法の全てのステップは、プロセッサ及びメモリを備えたコンピュータで実行されるアルゴリズムでプログラムされており、このコンピュータは、図２に関して上述したように、ロボット制御装置又は作業空間制御装置であり得る。点集合干渉チェック方法を実行するシステムは、少なくとも１つのロボット及びそれに対応するロボット制御装置を含み、任意に、作業セル制御装置又は他のコンピュータを含むことができ、さらに任意に、障害物の位置を検出する１つ以上の物体センサを含み得る。

これまでの説明を通じて、様々なコンピュータ及び制御装置が説明、暗示されている。これらのコンピュータ及び制御装置のソフトウェアアプリケーション及びモジュールは、プロセッサ及びメモリモジュールを有する１つ以上の計算機で実行されることを理解されたい。特に、これには、上述したロボット制御装置及び任意の作業セル制御装置のそれぞれのプロセッサが含まれる。具体的には、ロボット制御装置及び／又は作業セル制御装置のプロセッサは、１Ｄ指標を用いた点集合干渉チェック技術を実行し、結果としての干渉チェック結果情報を、上述の開示内容を通して説明したやり方で、ロボット経路計画計算に使用するように構成されている。

上で概説したように、１Ｄ指標として表示された点集合を使用する、開示されたロボット干渉チェック技術は、ロボット経路計画のための干渉チェックの速度及び精度を向上させる。開示された技術は、障害物を基本形状としてモデル化するための事前の労力及び固有の不正確さを回避し、複雑で任意の形状の障害物が存在する場合でも、ロボット間及びロボット－障害物間の干渉の迅速な計算を可能にする。

１Ｄ指標として表示された点集合を使用するロボット干渉チェック技術の複数の例示的な態様及び実施形態が説明されたが、当業者は、それらの修正、並べ替え、追加及びサブコンビネーションを認識するであろう。従って、添付の特許請求の範囲及び請求項は、それらの真の精神及び範囲内にあるそのような修正、並べ替え、追加及びサブコンビネーションの全てを含むと解釈すべきである。

Claims (20)

1. ロボットと障害物との干渉をチェックする方法であって、
   少なくとも１つのロボット及び１つ以上の障害物を含む物体によって占有される空間を規定する３次元（３Ｄ）点を、プロセッサ及びメモリを有するコンピュータ上で生成することと、
   前記少なくとも１つのロボットの３Ｄ点の座標を、計画された動作プログラムの各ステップにおけるロボット関節位置に基づいて更新することと、
   前記物体の各々の３Ｄ点を、前記計画された動作プログラムの各ステップについて、作業空間グリッドセルの占有率を規定する３Ｄ指標に変換することと、
   前記物体の各々の前記３Ｄ指標を、作業空間グリッドセルの占有率を規定する１Ｄ指標に変換することと、
   前記１Ｄ指標を、前記計画された動作プログラムの各ステップにおいて、前記物体の各々についてのセットとして保存することと、
   前記少なくとも１つのロボットの１Ｄ指標のセットと他の前記物体の１つの１Ｄ指標のセットとの交差を、前記計画された動作プログラムのステップにおいて前記コンピュータ上で計算することにより、干渉チェックを行うことと、
   を含む、方法。
2. 干渉条件が存在していることを非ヌル交差が示す、請求項１に記載の方法。
3. 前記障害物の少なくとも１つは移動する障害物であり、前記移動する障害物の３Ｄ点の各々の座標は、前記計画された動作プログラムの各ステップにおいて更新される、請求項１に記載の方法。
4. 前記物体は第２のロボットを含み、前記第２のロボットの３Ｄ点の各々の座標は、前記計画された動作プログラムの各ステップにおいて更新される、請求項１に記載の方法。
5. 前記干渉チェックは、前記計画された動作プログラムの各ステップにおいて、前記少なくとも１つのロボットと前記第２のロボットとの間で実行される、請求項４に記載の方法。
6. 前記３Ｄ点を３Ｄ指標に変換することは、グリッド空間の各次元について定義されたサイズを有する複数のセルを含む３Ｄ作業空間グリッド空間を規定することと、前記セルの各々に３Ｄ指標を割り当てることと、セル内の１つ以上の３Ｄ点の位置に基づいて、作業空間グリッドセルの占有率を定めることと、を含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記セルの各々に３Ｄ指標を割り当てることは、グリッド空間の各次元でのセルの連続位置に基づいて、前記３Ｄ指標の各値を割り当てることを含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記３Ｄ点を１Ｄ指標に変換することは、１Ｄ指標を連続する整数として割り当てることと、第２及び第３のグリッド空間次元を一定に保ちつつ第１のグリッド空間次元のカウントを完了することと、全ての３Ｄ指標が１Ｄ指標に割り当てられるまで、前記第２及び第３のグリッド空間次元を再帰的にインクリメントすることと、含む、請求項１に記載の方法。
9. 干渉条件が存在するときに、交差のセットの１Ｄ指標を３Ｄ指標に変換することと、前記交差のセットの前記３Ｄ指標を３Ｄ点に変換することと、をさらに含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記計画された動作プログラムの全てのステップについて、前記ロボットの１Ｄ指標のセットの和集合を前記コンピュータ上で計算することによって掃引体積を計算することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記掃引体積の１Ｄ指標を３Ｄ指標に変換することと、前記掃引体積の前記３Ｄ指標を３Ｄ点に変換することと、をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記干渉チェックが、干渉条件が存在しないことを示すヌル交差を返したときに、前記少なくとも１つのロボットに対して前記計画された動作プログラムを実行するように指令することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
13. ３Ｄ点を生成することは、前記物体の各々のＣＡＤモデルを提供することと、前記物体の各々の表面及び／又は内部の複数の点を定義することと、を含む、請求項１に記載の方法。
14. マルチロボットシステムの干渉をチェックする方法であって、
    作業セル内で動作する第１及び第２のロボットの各パーツによって占有される空間を規定する３次元（３Ｄ）点を、プロセッサ及びメモリを有するコンピュータ上で生成することと、
    各ロボットの３Ｄ点の各々の座標を、デュアルロボットシステムのための計画された動作プログラムの各ステップにおけるロボット関節位置に基づいて更新することと、
    各ロボットの前記３Ｄ点を、前記計画された動作プログラムの各ステップについて、作業空間グリッドセルの占有率を規定する３Ｄ指標に変換することと、
    各ロボットの前記３Ｄ指標を、作業空間グリッドセルの占有率を規定する１Ｄ指標に変換することと、
    前記１Ｄ指標を、前記計画された動作プログラムの各ステップにおいて、各ロボットについてのセットとして保存することと、
    前記第１のロボットの１Ｄ指標のセットと前記第２のロボットの１Ｄ指標のセットとの交差を、前記計画された動作プログラムのステップにおいて前記コンピュータ上で計算することにより、干渉チェックを行うことと、
    を含む、方法。
15. 前記計画された動作プログラムの全てのステップについて、前記第１及び第２のロボットの各々について個別に前記１Ｄ指標のセットの和集合を前記コンピュータ上で計算することによって掃引体積を計算することと、前記掃引体積の１Ｄ指標を３Ｄ指標に変換することと、前記掃引体積の前記３Ｄ指標を３Ｄ点に変換することと、をさらに含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記干渉チェックが、干渉条件が存在しないことを示すヌル交差を返したときに、前記第１及び第２のロボットに対して前記計画された動作プログラムを実行するように指令することをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
17. ロボットと障害物との干渉をチェックする方法であって、
    ロボット及び他の物体の各部分によって占有される空間を規定する３次元（３Ｄ）点を、プロセッサ及びメモリを有するコンピュータ上で生成することと、
    前記ロボットの３Ｄ点の各々の座標を、計画された動作プログラムの各ステップにおけるロボット関節位置に基づいて更新することと、
    前記ロボット及び前記物体の３Ｄ点を、前記計画された動作プログラムの各ステップについて、作業空間グリッドセルの占有率を規定する３Ｄ指標に変換することと、
    前記ロボット及び前記物体の前記３Ｄ指標を、作業空間グリッドセルの占有率を規定する１Ｄ指標に変換することと、
    前記１Ｄ指標を、前記計画された動作プログラムの各ステップにおいて、前記ロボット及び前記物体についてのセットとして保存することと、
    前記ロボットの１Ｄ指標のセットと前記物体の１Ｄ指標のセットとの交差を、前記計画された動作プログラムのステップにおいて前記コンピュータ上で計算することにより、干渉チェックを行うことと、
    を含む、方法。
18. 前記物体は、前記ロボットの作業空間内の固定された又は移動する障害物であり、前記物体が移動する障害物であるときは、前記物体の３Ｄ点の各々の座標は、前記計画された動作プログラムの各ステップにおいて更新される、請求項１７に記載の方法。
19. 前記物体は第２のロボットであり、前記第２のロボットの３Ｄ点の各々の座標は、前記計画された動作プログラムの各ステップにおいて更新される、請求項１７に記載の方法。
20. 前記物体は、前記ロボットによって管理されている機械であり、前記機械の移動する部分の３Ｄ点の各々の座標は、前記計画された動作プログラムの各ステップにおいて更新される、請求項１７に記載の方法。

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