(57)【要約】【課題】  ロボット関節への多様な制御を提供する。【解決手段】  ロボットシステム１１は、物体に対し力制御を行う複数の関節を有する人型ロボット１０と、ユーザーから入力信号を受け取るグラフィカルユーザーインターフェース（ＧＵＩ）２４と、コントローラ２２とを備える。ＧＵＩは、ユーザーにコントローラへの直観的プログラムアクセスを提供する。コントローラは、入力に応じてロボットの物体レベル、エンドエフェクタレベル及び／又は関節空間レベルを各々制御するインピーダンスベースの制御フレームワークを使用して関節制御する。制御方法は、ＧＵＩを介し所望の力等の入力信号を受け取り、ホスト装置で入力信号を処理し、インピーダンスベースの制御フレームワークを介して関節制御する。フレームワークは、ロボットの物体レベル、エンドエフェクタレベル及び／又は関節空間レベルを各々制御し、機能ベースＧＵＩが動作モードのミリアドの実施を簡単化する。【選択図】  図１
2010260173.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体に力を加えられるように調整された複数のロボット関節を有する人型ロボットと、
少なくとも、前記物体に加えられるべき所望の入力の力を記述するユーザーからの入力信号を受け入れるように調整されたグラフィカルユーザーインターフェース（ＧＵＩ）と、
前記ＧＵＩに電気的に接続されるコントローラと、
を備えるロボットシステムであって、
前記ＧＵＩは、前記ユーザーに対して、前記コントローラにプログラムでアクセスできるようにし、
前記コントローラは、インピーダンスベースの制御フレームワークを使用して、前記複数のロボット関節を制御するように調整され、前記フレームワークは、前記入力に応じて、前記人型ロボットの、物体レベル、エンドエフェクタレベル、及び関節空間レベルに対する各制御のうち少なくとも１つを提供することを特徴とするロボットシステム。
【請求項２】
前記ＧＵＩは、前記人型ロボットの左側ノード及び右側ノードの各々に対して、直交空間の入力と関節空間の入力の各々をグラフィック表示することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記コントローラは、物体レベル制御における人型ロボットの内的力の所定の組をパラメータ化するように調整され、それにより、少なくとも固定接触把持タイプと点接触把持タイプを含む複合把持タイプが実時間で実現できることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記入力信号は、質的インピーダンスレベルを記述し、前記コントローラは、その質的インピーダンスレベルで、前記複数のロボット関節を制御するように調整されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記ＧＵＩは、直観的入力の組と解釈的論理の階層とを使用する機能ベースの機器であり、前記物体、前記エンドエフェクタ、及び前記関節空間レベルのうちの少なくとも１つのためのインピーダンス指令の組により、前記人型ロボットの全ての関節に指令を与えることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記コントローラは、前記所望の入力の力に応じて、力と位置の各方向を自動的に非干渉化することにより、直交空間におけるハイブリッドな力及び位置の制御を行うことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
人型ロボットにより扱われるべき物体に対して力の制御を行うように調整された複数の関節を有する前記人型ロボットと、コントローラに電気的に接続され、ユーザーからの入力信号を受け入れるようの調整されたグラフィカルユーザーインターフェース（ＧＵＩ）とを備えたロボットシステムのためのコントローラであって、
ホスト装置と、
前記ホスト装置により実行可能であり、インピーダンスベースの制御フレームワークを使用して前記複数の関節を制御するように調整されたアルゴリズムと、
を備え、
前記アルゴリズムの実行により、前記ＧＵＩへの、前記物体に加えられるべき所望の入力の力を少なくとも含んだ前記入力信号に応じて、前記人型ロボットに対して、物体レベル、エンドエフェクタレベル、及び関節空間レベルに対する各制御のうち少なくとも１つ行うことを特徴とするコントローラ。
【請求項８】
前記アルゴリズムは、前記ＧＵＩを介して入力される前記入力信号を解読するよう、論理の中間層で働くように調整されていることを特徴とする請求項７に記載のコントローラ。
【請求項９】
前記アルゴリズムは、前記ユーザーが前記所望の入力の力を入力すると、前記人型ロボットの力制御方向と位置制御方向とを自動的に非干渉化させるように調整され、前記位置制御方向は、前記アルゴリズムの実行中、零空間へ自動的に直交射影されることを特徴とする請求項７に記載のコントローラ。
【請求項１０】
前記アルゴリズムは、物体レベル制御における人型ロボットの内的力の所定の組をパラメータ化するように調整され、それにより、少なくとも固定接触把持タイプと点接触把持タイプを含む複合把持タイプが実現できることを特徴とする請求項７に記載のコントローラ。
【請求項１１】
前記ホスト装置は、ユーザーにより前記ＧＵＩに入力された質的インピーダンスレベルを記録し、その質的インピーダンスレベルを前記複数のロボット関節に適用するように調整されていることを特徴とする請求項７に記載のコントローラ。
【請求項１２】
前記コントローラは、二次的力トラッカーを前記力制御方向に適用する一方で、二次的位置トラッカーを前記位置制御方向に適用するように調整されていることを特徴とする請求項７に記載のコントローラ。
【請求項１３】
前記ユーザーは、前記ロボットの所望のエンドエフェクタを選択して起動させ、前記コントローラは、それに応じて、各エンドエフェクタに対して線形及び回転ヤコビアンを生成することを特徴とする請求項７に記載のコントローラ。
【請求項１４】
前記コントローラは、ユーザーが前記ＧＵＩを介して参照外的力を提供したときに、位置制御モードと力制御モードを切り替え、ユーザーが前記ＧＵＩを介して各エンドエフェクタの所望の組み合わせを選択したときに、物体、エンドエフェクタ、及び／又は関節レベルのいずれかにインピーダンス制御を適用することについて切り替えるように調整されていることを特徴とする請求項７に記載のコントローラ。
【請求項１５】
物体に対して力を与えるように調整された複数の関節を有する人型ロボットと、コントローラと、そのコントローラに電気的に接続され、入力信号を受け入れるようの調整されたグラフィカルユーザーインターフェース（ＧＵＩ）と、を備えたロボットシステムを制御するための方法であって、
前記ＧＵＩを介して前記入力信号を受け取り、
ホスト装置を使用して前記入力信号を処理して前記複数の関節を制御し、
その処理においては、インピーダンスベースの制御フレームワークを使用して、前記人型ロボットの、物体レベル、エンドエフェクタレベル、及び関節空間レベルに対する各制御を提供することを特徴とする方法。
【請求項１６】
前記入力信号は、前記物体に加えられるべき所望の入力の力であり、前記入力信号の処理においては、前記ユーザーが前記ＧＵＩを介して前記所望の入力の力を入力すると、力制御方向と位置制御方向とを自動的に非干渉化し、前記位置制御方向を、零空間へ自動的に直交射影することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記ホスト装置を使用し、二次的位置トラッカーを前記位置制御方向に適用し、二次的力トラッカーを前記力制御方向に適用することを更に特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
物体レベル制御における人型ロボットの内的力の所定の組をパラメータ化し、それにより、少なくとも固定接触把持タイプと点接触把持タイプを含む複合把持タイプを実時間で実現することを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
ユーザーが前記ＧＵＩを介して参照外的力を提供したときに、位置制御モードと力制御モードを自動的に切り替え、ユーザーが前記ＧＵＩを介して各エンドエフェクタの所望の組み合わせを選択したときに、物体、エンドエフェクタ、及び／又は関節レベルのいずれかにインピーダンス制御を適用することについて自動的に切り替えることを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＮＡＳＡスペースアクトアグリーメント（Space Act Agreement）第SAA-AT-07-003号に基づいて、政府の支援によりなされたものである。政府はこの発明に関し、いくつかの権利を有する。
【０００２】
本出願は、２００９年４月３０日に出願された米国仮出願第６１／１７４，３１６号について優先権の利益を主張するものである。
【０００３】
本発明は、複数のジョイント（関節）及び多自由度を有する人型ロボットを制御するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
ロボットは、その関節を介して相互接続される複数のリンクを使用して物体を操作することができる自動機器である。典型的なロボットにおける各関節は、少なくとも１つの独立した制御変数、すなわち自由度（Degree of Freedom：ＤＯＦ）を呈する。エンドエフェクタというのは、手で仕事（タスク）を実行、例えば工具又は物体（目標物）を掴む、のに使用される特定のリンクのことである。故に、ロボットの正確な動き制御は、タスク仕様のレベル、すなわち、ロボットの片手又は両手で保持された物体の振る舞いを制御する能力を記述したオブジェクトレベル制御と、エンドエフェクタ制御と、関節レベル制御と、により組織化されている。共同的に、各種制御レベルは、要求されたロボットの運動性、機敏性、及び作業タスク関連機能性を達成する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
人型ロボットは、全体、胴部及び／又は外肢であれ、おおよそ人の構造又は外見を有した特別な種類のロボットであり、人型ロボットの構造的複雑性は、概ね実行されるべき作業タスクの性質に依存している。人が使用するために特別に作られた機器及びシステムとの直接的相互作用が必要なときに、人型ロボットを使用することが好ましい。また、タスクキューが協働する相手に理解できるように、動きがプログラムできて人間の動きを近似するようなときのように、複数の人間の相互作用が必要な場合に、人型ロボットを使用することが好ましい。人型ロボットに期待される広い範囲の作業タスクにより、異なる制御モードが同時に必要とされる必要がある。例えば、任意のモータ駆動関節の印加トルク又は力、関節動作、各種ロボット的把持タイプに対する制御と同様、上記の異なる制御空間においては、正確な制御が適用されなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
しかして、以下の詳細に提示されるように、インピーダンスベースの制御フレームワークを介して人型ロボットを制御するためのロボット制御システム及び方法がここに提供される。そのフレームワークにより、機能ベースのグラフィカルユーザーインターフェースを介して、ロボットの動作モードのミリアドの実現を簡略化できる。複数のＤＯＦ、例えば、１つの特定の具体物で４２ＤＯＦ以上、を有するロボットに対する複雑な制御は、単一のＧＵＩにより提供できる。ＧＵＩは、コントローラのアルゴリズムを駆動するために使用でき、それにより、異なる動作モードを起動させる制御ロジック層を持って、多くの独立動作的及び相互依存動作的ロボット関節に対する多様な制御を提供する。
【０００７】
把持された物体に対する内的力は、物体レベル制御において、自動的にパラメータ化され、それにより、実時間での、複数のロボット的把持タイプが可能となる。フレームワークを使用し、ユーザーは、ＧＵＩを介して、機能ベースの入力を提供し、そしてその制御とロジックの中間層が、正しい制御目標及び動作モードを適用することにより、その入力を復号解釈してＧＵＩに送る。例えば、物体に加えられるべき所望の力を選択することにより、コントローラは、自動的に、非干渉空間において、位置／力制御のハイブリッド手法を適用する。
【０００８】
本発明の範囲内において、フレームワークは、階層マルチタスキングを伴った物体インピーダンスベースの制御を利用し、ロボットにおける物体、エンドエフェクタ及び／又は関節レベル制御を提供している。起動ノードと、ロボット把持タイプ、すなわち固定接触、点接触、等、の双方を選択するという、ユーザーの実時間の能力を通して、所定の、又は調整されたインピーダンス関係が、物体、エンドエフェクタ、及び関節空間を統治する。物体又はエンドエフェクタのノードが起動されたときには、関節空間インピーダンスは、自動的に、零空間にシフトされ、そうでなければ、関節空間は、ここで規定する全制御空間を統治する。
【０００９】
特に、ロボットシステムは、力制御を与えるよう調整された複数の関節を有する人型ロボットと、ユーザーから、又は予めプログラムされた自動機構から、又はネットワーク接続もしくは他の外部制御機構から、入力信号を受け取るよう調整された直観的ＧＵＩを有するコントローラと、を備えている。コントローラは、ＧＵＩに電気的に接続されており、そのＧＵＩは、ユーザーに、コントローラへの直観的又はグラフィカルなプログラムアクセスを提供する。コントローラは、インピーダンスベースの制御フレームワークを使用して、複数の関節を制御するように調整されており、また、そのインピーダンスベースの制御フレームワークは、ＧＵＩへの入力信号に応じて、人型ロボットにおける物体レベル、エンドエフェクタレベル、及び／又は関節空間レベルの制御を提供する。
【００１０】
上記の、人型ロボット、コントローラ、及びＧＵＩを有するロボットシステムを制御する方法は、ＧＵＩを使用したユーザーからの入力信号を受け取り、ホストマシーンを使用してその入力信号を処理し、インピーダンスベースの制御フレームワークを介して複数の関節を制御する。そのフレームワークは、人型ロボットにおける物体レベル、エンドエフェクタレベル、及び／又は関節空間レベルの制御を提供する。
【００１１】
本発明の上記特徴及び利点並びに他の特徴及び利点は、添付図面と併せてみれば、発明を実施するためのベストモードの詳細記述から容易に明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明による物体インピーダンスベースの制御フレームワークを利用して制御可能な人型ロボットを有するロボットシステムの概略図である。
【図２】図２は、図１に示されるロボットにより扱われる物体に関する力及び座標の概略図である。
【図３】図３は、図１に示したロボットと共に使用される特定接触タイプに基づくサブマトリクスを表した表である。
【図４】図４は、グラフィカルユーザーインターフェース（ＧＵＩ）に対する入力を記述した表である。
【図５Ａ】図５Ａは、一実施形態による図１のシステムと共に使用できるＧＵＩの概略図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、他の実施形態によるＧＵＩの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図面について、同様の参照番号は、それらの図を通して同一又は類似の構成部を参照している。そこで、図１から見ていくと、ロボットシステム１１は、ロボット１０を有するものとして示されており、そのロボット１０は、制御システム又はコントローラ（Ｃ）２２を介して制御される機敏な人型ロボットとしてここでは示されている。コントローラ２２は、アルゴリズム１００、すなわち、以下に記述するインピーダンスベースの制御フレームワーク、により、ロボット１０に対する動き制御を提供する。
【００１４】
ロボット１０は、多自由度（ＤＯＦ）で１つ以上の自動的タスクを実行し、また、他の相互的タスクを実行するか、又は、例えばクランプ、ライト、リレー等の他の統合システム部品を制御する。一実施形態によれば、ロボット１０は、複数の独立的及び相互依存的に可動的なロボット関節で構成されている。それらは、限定するわけではないが、矢印Ａでその一般的な位置がしめされている肩関節、一般的に（矢印Ｂ）である肘関節、手首関節（矢印Ｃ）、首関節（矢印Ｄ）、及び腰関節（矢印Ｅ）、また、各ロボット指１９の各指骨の間に位置する各種指関節（矢印Ｆ）である。
【００１５】
各ロボット関節は、１つ以上のＤＯＦを有している。例えば、肩関節（矢印Ａ）及び肘関節（矢印Ｂ）のようないくつかの迎合的な関節は、ピッチ及びロールの形態の少なくとも２つのＤＯＦを有している。同様に、首関節（矢印Ｄ）は、少なくとも３つのＤＯＦを有している一方、腰及び手首（それぞれ矢印Ｅ及びＣ）は、１つ以上のＤＯＦを有している。タスクの複雑さに応じて、ロボット１０は、４２ＤＯＦ以上で動作する。各ロボット関節は、例えば関節モータ、リニアアクチュエータ、ロータリーアクチュエータ等の１つ以上のアクチュエータを含んでおり、それらにより内的に駆動される。
【００１６】
ロボット１０は、頭１２、胴１４、腰１５、腕１６、手１８、指１９、親指２１のような構成部を有しており、前記各種関節は、これらの構成部の内部又は間に配設されている。ロボット１０は、また、そのロボットの特定の応用又は意図的使用に応じて、脚、踏み面等のタスク適応固定具もしくは台（図示せず）、又は他の可動もしくは固定台を備えている。電源１３は、例えば、胴１４の背に載せられ、又は負わされた再充電可能なバッテリパック、もしくは他の適当なエネルギー供給源、又は接続ケーブルを介して遠隔的に取り付けられるものであり、各種関節が可動するようにそれらに十分な電気的エネルギーを供給するものである。
【００１７】
コントローラ２２は、ロボット１０に対する正確な動作制御を行い、その制御としては、片手又は両手１８の指１９及び親指２１により掴むことができる物体２０を操作するために必要な正確かつ全体的な動きに対する制御がある。コントローラ２２は、各ロボット関節及び他の統合システム構成部を、他の関節及びシステム構成部とは隔離して、独立で制御できると共に、比較的複雑な作業タスクを実行する際に、多くの関節を制御して、多重関節動作を完全に調和させる。
【００１８】
図１を更に参照し、コントローラ２２は、複数のデジタルコンピュータ又はデータ処理機器を備えており、それらは各々、１つ以上のマイクロプロセッサー又は中央処理装置（ＣＰＵ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、消去可能電気的プログラマブルリードオンリーメモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、高速クロック、アナログ対デジタル（Ａ／Ｄ）回路、デジタル対アナログ（Ｄ／Ａ）回路、並びに他の必要な入力／出力（Ｉ／Ｏ）回路及び機器、それに、信号調整及びバッファ電子部品を有している。コントローラ２２内にある、又はそれにより容易にアクセス可能な個々の制御アルゴリズムは、ＲＯＭに格納され、１つ以上の異なる制御レベルで自動的に実行され、それぞれの制御機能を提供する。
【００１９】
コントローラ２２は、分散又は中央制御モジュールとして構成されたサーバー又はホストマシーン１７を含んでおり、ロボット１０の全ての要求された制御機能を所望の方法で実行するのに必要な制御モジュール及び能力を有している。なお、コントローラ２２は、マイクロプロセッサー又は中央処理装置、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、消去可能電気的プログラマブルリードオンリーメモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、高速クロック、アナログ対デジタル（Ａ／Ｄ）回路、デジタル対アナログ（Ｄ／Ａ）回路、並びに他の必要な入力／出力（Ｉ／Ｏ）回路及び機器、それに、信号調整及びバッファ電子部品を一般的に有する汎用デジタルコンピュータとして構成できる。コントローラ２２内にある、又はそれにより容易にアクセス可能な個々の制御アルゴリズムは、後に詳述するフレームワークを実行するためのアルゴリズム１００を含んでおり、ＲＯＭに格納され、実行されてそれぞれの機能が提供される。
【００２０】
コントローラ２２は、ユーザーがコントローラにアクセスできるようにするためのグラフィカルユーザーインターフェース（ＧＵＩ）に電気的に接続されている。ＧＵＩ２４は、広いタスク範囲のユーザー制御、すなわちロボット１０における物体、エンドエフェクタ、及び／又は関節空間又はレベルの動作を制御する能力、を提供する。ＧＵＩ２４は、また、モード変化を保持することができ、それによりそれらは後に続けて実行されることができる。ＧＵＩ２４は、例えば、外部的に取り付けられるティーチペンダントを介して、又はネットワーク接続を通じて自動フローを制御するＰＬＣを介して、外的制御トリガーを受け入れ、モード変化の処理を行う。ＧＵＩ２４の各種実施形態が本発明の範囲にあり、それらには、図５Ａ及び５Ｂを参照して後に記述する２つの実施形態がある。
【００２１】
ロボット１０を使用して、一定範囲の操作タスクを実行するためには、ロボットに対する広い範囲の機能的制御が必要となる。この機能には、ハイブリッド力／位置制御、インピーダンス制御、多様な把持タイプがある協働物体制御、例えばＸＹＺ座標空間における制御のようなエンドエフェクタ直交空間制御、及び関節空間操作部制御を備えており、また多重制御タスクの階層的優先度を有している。しかして、本発明は、ロボット１０のエンドエフェクタの制御に対し、また、手１８のような、ロボットの１つ以上のエンドエフェクタにより、握られ、触られ、その他扱われたときには、物体２０の制御に対して、動作的空間インピーダンス法則及び非干渉的力及び位置を適用する。本発明は、かかる握りを制御するために、内的力のパラメータ化された空間を提供する。また、それは、以下に規定するような物体２０の零空間において動作する二次的関節空間インピーダンス関係を提供する。
【００２２】
更に図１を参照して、コントローラ２２は、少なくとも２つの把持タイプ、すなわち固定接触及び点接触に対応すると共に、それらの混合把持タイプも可能となっている。固定接触は、閉じた手の握りのような、任意の力及び動きの伝送により記述される。点接触は、例えば指先端のように、力のみを伝える。物体２０の所望の閉ループの振る舞いは、以下のインピーダンス関係により規定できる。
【数１】
2010260173.tif 000003
ここで、Ｍｏ、Ｂｏ、及びＫｏは、それぞれ、指令された慣性、ダンピング、及び堅さ行列である。変数ｐは、物体参照点の位置であり、ωは、物体の各速度であり、Ｆｅ及びＦｅ＊は、物体２０に対する実際の所望の外的レンチを表している。Δｙは、位置誤差（ｙ−ｙ＊）である。ＮＦＴは、ベクトルＦｅ＊Ｔに対する零空間射影行列であり、以下のように記述できる。
【数２】
2010260173.tif 000004
【００２３】
上記式において、上付け（＋）は、各行列の疑似逆関数を示しており、Ｉは、恒等行列である。ＮＦＴは、力制御方向が１つのＤＯＦからなるという仮定の下で、指令された力に直交する空間に堅さ項を投影することにより、位置と力の制御を自動的に非干渉的に維持する。高次ダイナミックスも同様に非干渉化するために、Ｍｏ及びＢｏは、力の参照フレームにおいて直交的に選択される必要がある。これは、一方向以上の力を制御する能力を含むように拡張することができる。
【００２４】
この閉ループ関係は、直交方向における力及び位置の制御の“ハイブリッド”手法を適用する。インピーダンス法則は、動き制御位置方向に二次的位置トラッカーを適用する一方、力制御方向に二次的力トラッカーを適用し、それらの行列に対して安定した任意の正の有限値であるべきである。その式は、自動的に、力と位置の制御方向を非干渉化する。ユーザーは、単に、所望の力、すなわちＦ＊ｅを入力するだけであり、位置制御は、零空間に直交的に投影される。ゼロの所望力が入力された場合には、位置制御は、全空間に拡がる。
【００２５】
図２を参照し、図１の物体２０と座標システムが、自由物体図で示されている。Ｎ及びＢは、それぞれ、グラウンド及びボディの参照フレームを表している。ｒｉは、質量中心から接触点ｉまでの位置ベクトルであり、ここで、ｉ＝１，・・・ｎである。ｗｉ＝（ｆｉ、ｎｉ）は、接触点ｉからの接触レンチを表しており、ｆｉ及びｎｉは、それぞれ、力及びモーメントである。接触点ｉの速度及び加速度は、以下の標準運動方程式により表現される。
【数３】
2010260173.tif 000005
ここで、ｖｉは、接触点の速度を表しており、ωｉは、エンドエフェクタｉの角速度を表している。ｖrel及びａrelは、それぞれ第一及び第二微分として定義され、又はＢフレームにおけるｒｉである。
【数４】
2010260173.tif 000006
言い換えれば、それらは、体に対する点の動きを表している。点が体に固定されているときには、それらの項は、ゼロである。
【００２６】
エンドエフェクタ座標：  本発明のフレームワークは、上述の少なくとも２つの把持タイプ、すなわち固定接触及び点接触に対応するように設計されている。各タイプは、ＤＯＦに対する異なる制限を提示しているのであるから、各操作部ｘｉに対するエンドエフェクタの選択は、特定の把持タイプに依存する。第三の把持タイプは、“非接触”というものであり、それは、物体２０と接触しないエンドエフェクタを記述している。この把持タイプにより、それぞれのエンドエフェクタの制御を他に対して独立に行える。座標は、速度レベルで以下のように定義できる。
【数５】
2010260173.tif 000007
図１に示したＧＵＩ２４を介して、ユーザーは、所望のエンドエフェクタを選択でき、例えば、指１９等を起動させる。コントローラ２２は、各エンドエフェクタに対して、線形及び回転ヤコビアンＪｖｉ及びＪωｉを生成する。各点に対する最終的なヤコビアンＪｉは、以下のように接触タイプに依存する。
【数６】
2010260173.tif 000008
この式において、ｑは、制御されるべきシステム内の全ての関節座標の列マトリクスである。
【００２７】
行列記法：複合エンドエフェクタ速度は以下のように規定される。
【数７】
2010260173.tif 000009
ここで、ｎは、起動中のエンドエフェクタ、例えば、図１に示した人型ロボット１０の指１９、の数を示している。速度とそれの加速度は、上述の運動方程式に基づいて行列記法で下のように表現される。
【数８】
2010260173.tif 000010
Ｇは、把持行列として参照され、接触位置情報を含んでいる。Ｑは、遠心的及びコリオリ的項を含む列マトリクスである。式のｘrelの一回微分とｘrelの二回微分は、相対動作項を含む列マトリクスである。
【００２８】
行列Ｇ，Ｑ及びＪの構造は、システム内の接触タイプに応じて変化する。それらは、以下のように各操作部ｉを表現するサブ行列で構成される。
【数９】
2010260173.tif 000011
【００２９】
図３を参照すると、サブ行列は、特定の接触タイプに応じて表示してもよい。
【数１０】
2010260173.tif 000012
は、ベクトルｒについてのクロス乗積の交代行列である。低速度の応用においては、Ｑは省略できる。点接触に対するヤコビアンは、線形ヤコビアンのみを含んでいることに注意すべきである。従って、このタイプの接触については、位置のみの制御が行われ、向きについては行えない。
【００３０】
図３の表における三番目の場合は、図１のコントローラ２２の一部、又は異なる機器である、エンドエフェクタ位置における比例微分（ＰＤ）コントローラであり、ｋｐ及びｋｄは、スカラーゲインである。これにより、エンドエフェクタｉの位置を、図１の物体２０とは独立に制御できる。また、各エンドエフェクタは、直交インピーダンス振舞いを観測することはないことを意味している。
【００３１】
ｘrelの一回微分とｘrelの二回微分の双方がゼロに等しいとき、各エンドエフェクタは、固いボディの条件を完全に満足する。すなわち、それらの間の内的力に変化を与えない。ｘrelの二回微分は、把持された物体における所望の内的力を制御するために使用される。ｘrelの二回微分が外的力に影響を与えないことを保証するために、それは、Ｇに直交する空間内になければならない。それをここでは、“内部空間”と称し、その空間は、内的力を含んでいる。この空間に対する射影行列、すなわち零空間ＧＴは、以下のようになる。
【数１１】
2010260173.tif 000013
相対速度は、内的空間に制限される。すなわち、以下のようになる。
【数１２】
2010260173.tif 000014
ここで、ａは、内的加速度の任意の列マトリクスである。
【００３２】
この条件は、ｘrelの二回微分が、物体レベル加速度に対して実体効果を生成せず、外的力を乱さない、ということを保証する。この要件を有効にするために、物体加速度を解明でき、内的加速度が、以下のように、ｋｙの二回微分に対して何ら影響しないことを示すことができる。
【数１３】
2010260173.tif 000015
【００３３】
内的力：  上記制御フレーム内の内的力を制御するための２つの要件がある。第一に、零空間は、物理的相対パラメータでパラメータ化され、第二に、そのパラメータは、両把持タイプの零空間になければならない、ということである。両要件は、相互作用力の概念により満足される。概念的には、２つの接触点の間に線を引くことにより、相互作用力は、その線に投射される２つの接触点の差分として定義できる。相互作用レンチ、すなわち相互作用の力及びモーメント、も、固定接触の場合の零空間にある。
【００３４】
図１の物体２０の面に垂直にその内部を指し示す、接触点でのベクトルを考えるかもしれない。各点接触の力は、物体２０との接触を維持し、かつ、かかる物体に対するスリップを防止するよう、正の十分大きな値である通常の構成を有していなければならない。適切な把持においては、図１の手１８の例では、各相互作用力はすべて、物体２０の表面に接することは決してない。従って、いくらかの最小相互作用力が常に存在するが、通常では、下方の境界値よりも大きい。
【００３５】
相互作用加速度については、以下のように定義される。
【数１４】
2010260173.tif 000016
ここで、所望の相対加速度は、相互作用的方向になければならない。上の等式においては、ａは、相互作用加速度ａijの列マトリクスとして定義でき、ここで、ａijは、点ｉ及びｊ間の相対線形加速度を表している。従って、点ｉで見られる相対加速度は、以下のようになる。
【数１５】
2010260173.tif 000017
ここで、ｕijは、点ｉからｊへの軸に沿って指し示す単位ベクトルである。
【数１６】
2010260173.tif 000018
【００３６】
加えて、ｉ又はｊのどちらかが、非“接触”点を示している場合には、ｕｉｊ＝０である。以下のＰＩ調整器を使用して相互作用力を制御するために、相互作用加速度が使用される。ここで、ｋｐ及びｋｉは、一定スカラーゲインである。
【数１７】
2010260173.tif 000019
ここで、ｆijは、点ｉとｊとの間の相互作用力である。
【数１８】
2010260173.tif 000020
この定義により、相互作用要素Ｎintをパラメータ化する空間を導入することができる。ここで使用するようにｋ、Ｎintは、全零空間に拡がる点接触の場合を除いて、前記零空間ＮＧＴのサブ空間である。
【数１９】
2010260173.tif 000021
Ｎintは、相互作用方向ベクトル（ｕｉｊ）から成り、以下の等式から構成できる。
【数２０】
2010260173.tif 000022
Ｎintは、両接触タイプについて、Ｇに直交していると示されている。ここで、２つの接触点の例を考える。この場合は、以下のようになる。
【数２１】
2010260173.tif 000023
ｕｉｊ＝−ｕｊｉであり、かつａｉｊ＝ａｊｉの場合には、以下の簡単な行列表現となる。
【数２２】
2010260173.tif 000024
３つの接触ケースについての表現は、以下のようになる。
【数２３】
2010260173.tif 000025
【００３７】
制御法則‐動的モデル：  以下の式は、マニピュレータの完全なシステムをモデル化しており、外的力はエンドエフェクタでのみ作用することを仮定している。
【数２４】
2010260173.tif 000026
ここで、ｑは、一般化座標の列マトリクスであり、Ｍは、関節空間慣性マトリクスであり、ｃは、コリオリの遠心的及び重力的な一般的力の列マトリクスであり、Ｔは、関節トルクの列マトリクスであり、ｗは、接触レンチの複合列マトリクスである。
【００３８】
制御法則‐逆ダイナミックス：  逆ダイナミックスに基づく制御法則は、以下のように式化される。
【数２５】
2010260173.tif 000027
ここで、ｑ*の二回微分は、所望の関節空間加速度である。それは、所望のエンドエフェクタ加速度（ｘ*の二回微分）から、以下のように導き出せる。
【数２６】
2010260173.tif 000028
ここで、ｑｎｓの二回微分は、Ｊの零空間へ射影された任意のベクトルである。それは、以下、二次的インピーダンスタスクとして利用される。ＮＪは、行列（マトリクス）Ｊに対する零空間射影演算子として表記されている。
【数２７】
2010260173.tif 000029
【００３９】
エンドエフェクタ及び物体レベルに対する所望の加速度は、以前に式から導くことができる。この物体力分散方法の強みは、物体のモデルを必要としないということである。従来の方法は、物体の所望の動きを指令された合力に変換することを行っており、物体の既存の高品質動的モデルを必要とする１つのステップであった。この合力は、Ｇの逆数を使用して各接触に分配される。エンドエフェクタ逆ダイナミックスは、指令された力と指令された動きを作り出す。ここで提示する方法においては、感知されたエンドエフェクタの力を導入し、加速度領域に割り当てているので、物体のモデル化の必要性をなくしている。
【００４０】
制御法則−評価：  図１の物体２０に対する外的レンチ（Ｆｅ）は、感知されないが、それは物体２０に対する他の力から評価可能である。物体モデルがよく知られているなら、Ｆｅを評価するのに完全ダイナミックスが利用可能である。そうでなければ、準静的近似が採用可能である。加えて、物体２０の速度は、堅い本体としてのシステムに対する以下の宰相二乗誤差評価法により評価できる。
【数２８】
2010260173.tif 000030
エンドエフェクタが、上記のような“非接触”タイプとして示されているとき、Ｇは、ゼロが連なった行を含んでいる。特異値分解をベースにした疑似逆演算により、対応する列がゼロとされたＧ＋が生成される。従って、非接触点の速度は、評価に影響を与えない。あるいは、疑似逆演算は、標準の、閉じて形成された解を伴って計算される。この場合、ゼロの行は、算出の前に取り除かれる必要があり、ゼロの対応する列として復帰する。同じことが、同様にゼロの行を含むＪ行列にも適用される。
【００４１】
二次的インピーダンス法則：  マニピュレータの冗長性により、二次的タスクが物体インピーダンスの零空間で活動可能となる。以下の関節空間インピーダンス関係が二次的タスクを規定している。
【数２９】
2010260173.tif 000031
ここで、τｅは、外的力により生成された関節トルクの列マトリクスを表している。それは、運動方程式、すなわち
【数３０】
2010260173.tif 000032
から、以下の式として評価できる。
【数３１】
2010260173.tif 000033
この式は、零空間に対する以下の所望の加速度を表している。
【数３２】
2010260173.tif 000034
すなわち、
【数３３】
2010260173.tif 000035
かかる適用により、マニピュレータの零空間における以下の閉ループ関係が生じる。ここで、ＮＪは、零空間への最小誤差射影を見つけ出す直交射影行列であることに注意すべきである。
【数３４】
2010260173.tif 000036
【００４２】
ゼロ力フィードバック：  上記式から以下の結果が得られる。
【数３５】
2010260173.tif 000037
マニピュレータにおいて、信頼できる力検出が得られないのであれば、インピーダンス関係を調整して、検出の必要性をなくすこともできる。所望のインピーダンス慣性ＭｏＭｉを適切に選択することにより、力フィードバック項は省略できる。その適切な値は、以前の式から容易に決定できる。
【００４３】
ユーザーインターフェース：  単純なユーザーインターフェース、例えば、図１のＧＵＩ２４を介して、コントローラ２２は、所望の広い範囲のモードで人型ロボット１０を動作させる。フル機能モードにおいては、コントローラ２２は、ハイブリッドインピーダンス関係で物体２０を制御し、接触物間に内的力を適用し、冗長空間に関節空間インピーダンス関係を付する。単純な論理と直観的なインターフェースのみを使用して、提案されたフレームワークは、矢印ｉｃにより図１に示されているように、制御入力の組に基づいて、これらの機能の全て又はいくつかの間で、容易に切り替えを行っている。
【００４４】
図４を参照すると、図１のＧＵＩ２４からの入力３０が、表に示されている。入力３０は、直交空間、すなわち入力３０Ａ、又は関節空間、すなわち入力３０Ｂのいずれかに属するように分類できる。ユーザーは、参照外的力を提供することにより、位置と力の制御を容易に切り替えることができる。また、ユーザーは、各エンドエフェクタの所望の組み合わせを選択することにより、物体、エンドエフェクタ、及び／又は関節レベルのいずれかにインピーダンス制御を適用することについて、システムを切り替えることができる。モードのより完全なリストと、それらが如何に呼び出されるかは、以下のごとくである。
直交位置制御：Ｆ＊ｅ＝０のとき。
直交ハイブリッド力／位置制御：Ｆ＊ｅ≠０のとき。力制御は、Ｆ＊ｅの方向に適用され、位置制御は直交方向に適用される。
関節位置制御：エンドエフェクタのいずれも選択されないとき。関節空間インピーダンス関係が、システムの全関節を制御する。
エンドエフェクタインピーダンス制御：１つのエンドエフェクタのみが選択されたとき（他の選択可能であるが、“非接触”とマークされる）。ハイブリッド直交インピーダンス法則がそのエンドエフェクタに適用される。
物体インピーダンス制御：少なくとも２つのエンドエフェクタが選択された（また“非接触”に割り当てられない）とき。
指関節制御：指の先端がエンドエフェクタとして選択されないときはいつでも、関節空間インピーダンス関係により制御される。掌が選択されたときであってもそうである。
把持タイプ：固定接触（掌が選択されたとき）；点接触（指が選択されたとき）。
【００４５】
図４と共に図５を参照すると、例としてのＧＵＩ２４Ａは、入力３０Ａの直交空間と、入力３０Ｂの関節空間を有している。ＧＵＩ２４Ａは、図１のロボット１０の左手及び右手側、例えば図の右手及び左手１８及び指１９、をそれぞれ制御するための左側及び右側ノード３１及び３３を提示している。最上位工具位置（ｒｉ）、位置参照（ｙ＊）、及び力参照（Ｆ＊ｅ）は、３つの隣接するボックス９１Ａ、９１Ｂ、及び９１Ｃにより記されるように、ＧＵＩ２４Ａにより選択可能である。左側ノード３１は、１９Ａ、１９Ｂ、及び１９Ｃで示されている通り、手１８の掌と、主要な３本の指１９の先端とを含んでいる。同様に、右側ノード３３は、右手１８の掌と、その手の主要な３本の指１１９Ａ、１１９Ｂ、及び１１９Ｃの先端とを含んでいる。
【００４６】
各主要な指１９Ｒ、１１９Ｒ、１９Ｌ、１１９Ｌは、対応する指インターフェース、すなわち３４Ａ、１３４Ａ、３４Ｂ、１３４Ｂ、３４Ｃ、１３４Ｃをそれぞれ有している。手１８Ｌ、１８Ｒの各掌は、掌インターフェース３４Ｌ、３４Ｒを備えている。インターフェース３５、３７、及び３９は、それぞれ、位置参照、内的力参照（ｆ１２、ｆ１３、ｆ２３）、及び二次的位置参照（ｘ＊）を提供する。非接触オプション４１Ｌ、４１Ｒは、左手及び右手のためにそれぞれ設けられている。
【００４７】
関節空間制御は、入力３０Ｂを介して行われる。左腕及び右腕１６Ｌ、１６Ｒの関節位置は、インターフェース３４Ｄ、Ｅを介して入力される。左手及び右手１８Ｌ、１８Ｒの関節位置は、インターフェース３４Ｆ、Ｇを介して入力される。最後に、ユーザーは、同様に図１のＧＵＩ２４により提供される、インターフェース３４Ｈを介して、質的インピーダンスタイプ又はレベル、すなわち、軟又は硬を選択する。そうすると、コントローラ２２は、その選択された質的インピーダンスレベルで、物体２０に対して動作する。
【００４８】
図５Ｂを参照すると、拡張ＧＵＩ２４Ｂが示されており、図５Ａの実施形態と比較してより融通性が増している。加わったオプションによれば、直交インピーダンスにより、インターフェース３４Ｉを介して、両方が制御されてしまうのとは対照的に、直線的又は回転的な要素のどちらかのみを制御でき、また、“非接触”ノードにより、インターフェース３４Ｊを介して、同じ手の接触ノードと共存可能となり、また、インターフェース３４Ｋを介して、各アクティブノードに対して接触タイプを選択できる融通性が加わっている。
【００４９】
本発明を実施するためのベストモードを詳細に記述してきたが、本発明の関連技術に精通した者であれば、本発明を実施するための他の各種デザイン及び実施形態が、添付の請求の範囲内にあることが認識できるであろう。
【図１】
2010260173.tif 000038
【図２】
2010260173.tif 000039
【図３】
2010260173.tif 000040
【図４】
2010260173.tif 000041
【図５Ａ】
2010260173.tif 000042
【図５Ｂ】
2010260173.tif 000043
【外国語明細書】
2010260173000001.pdf