(57)【要約】      （修正有）【課題】作業スペース限界で、滑らかな安定した動作を行う。【解決手段】速度制御信号に応答し、凸多角形境界により画定される許容される作業スペースを備え、ホストマシンは、境界に対する、機構上の参照ポイントの位置を決定する。ホストマシンは、位置の関数として速度制御信号を自動的に形成することで境界を守らせるためのアルゴリズムを含む。それにより、境界のエッジおよび角部に沿って、機構の滑らかな乱れのない動作を提供する。このアルゴリズムは、高い速度、および／または、外力が存在する用途に適している。ホストマシンは、参照ポイントの位置の関数として速度制御信号を形成することにより境界を守らせるアルゴリズムを含み、また、このアルゴリズムを実行するハードウェアモジュールを含む。また、凸多角形境界を守らせるための方法が提供され、この方法は、ホストマシンを介して、参照ポイントの位置の関数として速度制御信号を形成する。【選択図】図４
2014054722.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットシステムであって、
速度制御信号に応答するロボット機構を有し、前記ロボット機構は、少なくとも２自由度および許される作業スペースを備え、
前記ロボットシステムはさらに、前記ロボット機構の動作を制御するように構成されるホストマシンを有し、前記ホストマシンはさらに、前記作業スペースに凸多角形境界を適用するように構成され、
前記ホストマシンは、前記境界に対する前記ロボット機構の参照ポイントの位置を決定し、また、前記参照ポイントの位置の関数として速度制御信号を自動的に形成することにより前記境界を守らせる、アルゴリズムを含み、それにより、前記境界のエッジおよび角部に沿って、前記ロボット機構の滑らか且つ乱れの無い動作を提供する、ロボットシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のロボットシステムであって、前記アルゴリズムは、前記参照ポイントが前記境界内に位置するときに、第１の方法において速度制御信号を形成し、前記参照ポイントが前記境界の外に位置するときに第２の方法において速度制御信号を形成する、ロボットシステム。
【請求項３】
請求項１に記載のロボットシステムであって、前記ロボット機構は、開放手首ジョイントを備えるロボット手首アセンブリである、ロボットシステム。
【請求項４】
請求項３に記載のロボットシステムであって、前記ロボット手首アセンブリのジョイントは、閉鎖リンクにおける少なくとも１つの間接駆動アクチュエータにより駆動され、前記ジョイントの自由度および前記アクチュエータの自由度は連結される、ロボットシステム。
【請求項５】
請求項１に記載のロボットシステムであって、前記ホストマシンは、前記参照ポイントが前記境界の外側に位置するときに、前記境界から外に向かう、前記ロボット機構の法線速度成分を自動的にゼロにするように構成され、それにより、前記参照ポイントが前記境界から離れるように移動することを防止し、一方で、前記境界の接線方向の、前記ロボット機構の速度を許容する、ロボットシステム。
【請求項６】
請求項１に記載のロボットシステムであって、前記ホストマシンは、前記参照ポイントが前記境界の外に位置するときに、前記境界から前記参照ポイントまでの距離を決定し、速度制御信号が前記境界の方を向き且つ前記距離に比例するように、速度制御信号を重ね合わせるように構成される、ロボットシステム。
【請求項７】
請求項１に記載のロボットシステムであって、前記ホストマシンは、
前記参照ポイントの望ましい速度を決定し、
前記参照ポイントが、前記境界に対応して較正されるバッファ内に位置するかどうかを決定し、
前記参照ポイントが前記境界内に位置し且つ速度が前記境界に向かっているときに、現在の速度の法線成分がゼロになるように徐々に減少させる、ように構成される、ロボットシステム。
【請求項８】
請求項１に記載のロボットシステムであって、前記ホストマシンは、
前記参照ポイントの望ましい速度を決定し、
前記参照ポイントが、前記境界に対応して較正されるバッファ内に位置するかどうかを決定し、
前記望ましい速度の、前記境界の隣接セグメントに対して垂直な方向に外側に向いた成分を徐々に減少させる、ように構成される、ロボットシステム。
【請求項９】
速度制御信号に応答するロボット機構を備えるロボットシステム内で用いられるホストマシンであって、前記ロボット機構は少なくとも２自由度を備え、また、凸多角形境界により画定される許される作業スペースを備え、前記ホストマシンは、
前記ロボット機構の動作を制御するように構成され、且つ、前記境界に対する前記ロボット機構上の参照ポイントの位置を決定するように構成される、ハードウェアモジュールと、
前記参照ポイントの位置の関数として速度制御信号を自動的に形成することにより前記境界を守らせるように構成されるアルゴリズムと、を有し、それにより、前記境界のエッジおよび角部に沿って、前記ロボット機構の滑らで乱れのない動作を提供する、ホストマシン。
【請求項１０】
請求項９に記載のホストマシンであって、前記アルゴリズムは、前記参照ポイントが前記境界内に位置するときに、第１の方法において速度制御信号を形成し、前記参照ポイントが前記境界の外に位置するときに第２の方法において速度制御信号を形成する、ホストマシン。
【請求項１１】
請求項９に記載のホストマシンであって、前記ホストマシンは、前記参照ポイントが前記境界の外に位置するときに、前記境界から外に向かう、前記ロボット機構の法線速度成分を自動的にゼロにするように構成され、それにより、前記参照ポイントが、前記境界から離れて移動することを防止し、一方で、前記ロボット機構の前記境界の接線方向の速度を許容する、ホストマシン。
【請求項１２】
請求項９に記載のホストマシンであって、前記ホストマシンは、前記参照ポイントが前記境界の外に位置するときに、前記境界から前記参照ポイントまでの距離を決定し、且つ、速度制御信号が前記境界に戻る方を向き且つ前記距離に比例するように、速度制御信号を重ね合わせる、ように構成される、ホストマシン。
【請求項１３】
請求項９に記載のホストマシンであって、前記ホストマシンはさらに、
前記参照ポイントの望ましい速度を決定し、
前記参照ポイントが前記境界に対応して較正されるバッファ内に位置するかどうかを決定し、
前記参照ポイントが前記境界内に位置し且つ現在の速度が前記境界の方を向いているときに、現在の速度の法線成分がゼロになるように徐々に減少させる、ように構成される、ホストマシン。
【請求項１４】
請求項９に記載のホストマシンであって、前記ホストマシンはさらに、
前記参照ポイントの望ましい速度を決定し、
前記参照ポイントが前記境界に対応して較正されるバッファ内に位置するかどうかを決定し、
前記境界の隣接セグメントに対して法線方向外側を向く、現在の速度の成分を徐々に減少させる、ように構成される、ホストマシン。
【請求項１５】
少なくとも２自由度を備えるロボット機構の許される作業スペースの、凸多角形境界を守らせる方法であって、前記方法は、
前記ロボット機構上の参照ポイントが前記境界内に位置するかどうかを決定するステップと、
前記参照ポイントの位置の関数として速度制御信号を自動的に形成するステップと、を有し、それにより、前記境界の周辺に沿っておよび前記境界の角部内において、前記ロボット機構の滑らか且つ乱れのない動作を提供する、方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法であって、参照ポイントの位置の関数として速度制御信号を自動的に形成する前記ステップは、
前記参照ポイントが前記境界内に位置するときに、第１の方法でホストマシンを介して速度制御信号を形成するステップと、
前記参照ポイントが前記境界の外に位置するときに、第２の方法でホストマシンを介して速度制御信号を形成するステップと、を有する、方法。
【請求項１７】
請求項１５に記載の方法であって、さらに、
前記参照ポイントが前記境界の外に位置するときに、前記境界から離れる方を向く、前記ロボット機構の速度の法線成分を自動的にゼロにするためにホストマシンを使用するステップを有し、前記参照ポイントが前記境界から離れて移動することを防止し、一方で、前記ロボット機構の前記境界の接線方向の速度を許容する、方法。
【請求項１８】
請求項１５に記載の方法であって、さらに、
前記参照ポイントが前記境界の外に位置するときに、前記境界から前記参照ポイントまでの距離を決定するステップと、
速度制御信号が前記境界に戻る方を向き且つ前記距離に比例するように、ホストマシンを介して速度制御信号を重ね合わせるステップと、を有する、方法。
【請求項１９】
請求項１５に記載の方法であって、さらに、
前記参照ポイントの望ましい速度を決定するステップと、
前記参照ポイントが前記境界に対応して予め決定されるバッファ内に位置するかどうかを決定するステップと、
前記参照ポイントが前記境界内に位置し且つ現在の速度が前記境界の方に向いているときに、望ましい速度の法線成分がゼロになるように徐々に減少させるステップと、を有する、方法。
【請求項２０】
請求項１５に記載の方法であって、さらに、
前記参照ポイントの望ましい速度を決定するステップと、
前記参照ポイントが、前記境界の角部に対応して予め決定されるバッファ内に位置するかどうかを決定するステップと、
前記境界の隣接セグメントに対して、法線方向外側を向く、望ましい速度の成分を徐々に減少させるステップと、を有する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本発明は、ＮＡＳＡ  Space Act Agreement number SAA-AT-07-003による政府の支援の下でなされた。政府は本発明に関して一定の権利を有する。
[0002]本発明は、ロボットシステム内の手首アセンブリまたは他のロボット機構の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
[0003]器用なロボットは、一連のリンケージを用いて物体を正確に把持および操作することができる。リンケージは、１つまたはそれ以上のモーター駆動ロボットジョイントを介して相互接続される。エンドエフェクタは、ハンドにおいて、作業工具または他の物体を把持および操作するなどの与えられた課題を実行するのに用いる特定のリンケージである。人間型ロボットは、たとえば全身、半身、ハンド、および／または他の付属部のようなほぼ人間の構造を備える特定のタイプの器用なロボットである。任意のロボットシステムの構造の複雑さおよび制御の複雑さは、命令される作業課題に大きく依存し、それゆえ、器用なロボットは、従来のロボットの制御に比べて実質的により多くの制御課題が存在する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
[0004]器用なロボットは、開放手首ジョイントを備えるロボット手首アセンブリのような、１つまたはそれ以上のエンドエフェクタを備えることができ、エンドエフェクタの適正な制御は、把持された物体のより正確な操作を可能にする。開放手首ジョイントは、手首の自由度をもたらし、閉鎖機構における間接駆動により駆動される。任意の速度制御される手首アクチュエータのアクチュエータ空間と、ジョイント空間自身との間のマッピングは、当業界で理解されるように関連付けられ、また、非線形である。それゆえ、このようなリストジョイントは、不規則な形状の許容される作業スペースを備えることになる。そのような作業スペース内で動作するロボット機構の安定した動作は、ロボットシステムの最適な機能にとって重要である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
[0005]そこで、本願において、速度制御信号に応答するロボット手首アセンブリのような速度制御されるロボット機構の複雑な多角形作業スペース境界を守らせるためのソフトウェアベースの方法が提供される。本発明の方法は、任意の関連付けられる複雑な作業スペースに適用でき、ここで、ロボット機構の自由度（Degrees of freedom, ＤＯＦ）は、連結される非直接的なジョイントアクチュエータにより駆動される。ＤＯＦとジョイントアクチュエータとの間の関連付けられるマッピングにより、作業スペースの境界は、単純なハードストップよりもソフトウェアで実行される。本明細書において、説明目的のために閉鎖手首機構が用いられるが、本発明の方法は、任意の直列マニピュレータの動作空間に適用することもできる。
【０００５】
[0006]本明細書において、ロボット機構の複雑な作業スペースは、数学的な技術分野で理解されるような、凸多角形、すなわち実ベクトル空間においてｎ個の角により画定される凸部のセット、により画定される。凸多角形作業スペースは、従来の矩形の作業スペースに対して、ロボット機構に大きく増加した運動範囲を提供する。さらに、本方法は、ソフトウェアにより引き起こされる、境界部に沿うところ、すなわち、作業空間のエッジおよび角部に沿うところで生じる、行き詰まり（sticking）、すべり、およびチャタリングを除去する。
【０００６】
[0007]特に、本明細書において、ロボット機構を備えるロボットシステムが提供される。ロボット機構は、速度制御信号に応答し、また、許容される作業スペース、すなわち機構の複数のジョイントに同時に依存する作業スペースを備える。本システム内において、ホストマシンは、境界に対するロボット機構の参照ポイントの位置を決定する。ホストマシンは、境界に対する参照ポイント位置の関数として速度制御信号を自動的に形成することにより、境界を守らせるためのアルゴリズムを含み、境界のエッジおよび角部に沿って、ロボット機構の滑らか且つ落ち着いた動作を提供する。
【０００７】
[0008]
ホストマシンは、ロボットシステム内での使用に適合するように提供される。上述したように、本システムは、速度制御信号に応答するロボット機構を含む。ホストマシンは、ロボット機構に電気的に接続されたハードウェアモジュールを含み、また、ハードウェアモジュールは、たとえばジョイントセンサまたは他のセンサを用いて、複雑な多角形の境界に対するロボット機構の参照ポイントの位置を決定する。ホストマシンは、境界を守らせるためのアルゴリズムを含む。ハードウェアモジュールによるアルゴリズムの実行は、境界に対する参照ポイントの位置の関数として、自動的に速度制御信号を形成し、それにより、境界のエッジに沿う、および角部内での、ロボット機構の滑らか且つ乱れの無い動作を提供する。境界のエッジおよび角部付近に付与される遷移バッファは、安定したチャタリングのない動作を確保し、特に高速および／または外力を伴う場合である。
【０００８】
[0009]また、上述の複雑な多角形境界を守らせるための方法が提供される。本方法は、機構の参照ポイントが境界内にあるかどうかを決定し、境界に対する参照ポイントの距離の関数として速度制御信号を自動的に形成し、それにより、境界のエッジおよび角部でのロボット機構の滑らか且つ安定な動作を確保する。
【０００９】
[0010]本発明の上述の特徴および利点、および他の特徴、利点は、添付の図面ともに、以下の本発明を実施する最良の形態の詳細な説明からおのずと明らかになるであろう。添付図面は以下の通りである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明により制御できるロボットシステムの概略斜視図である。
【図２】図１に示されるロボットシステムの下ロボットアームアセンブリの上面斜視図である。
【図３】図２に示される下ロボットアームアセンブリの手首アセンブリの例示的な凸多角形作業スペースの概略図である。
【図４】図２に示される手首アセンブリの作業スペース限界を適用する方法を示すフローチャートである。
【図５】図２に示す手首アセンブリの作業スペース限界を守らせるのに用いることができる凸多角形の概略図である。
【図６】図２に示す手首アセンブリの作業スペース限界を守らせるのに用いることができる凸多角形の他の概略図である。
【図７】図２に示される手首アセンブリの速度分布を説明するのに用いられる凸多角形作業スペースの概略図である。
【図８】図７の凸多角形作業スペースの角部における速度分布を示す単位円を示す図である。
【図９】図２に示される手首アセンブリの、ソフトウェアバネ付勢された凸多角形作業スペースの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
[0020]図面を参照すると、いくつかの図面を通じて同様の参照符号は同一または類似の要素を示す。図１において、ロボットシステム１０は、１つまたはそれ以上の複雑な自動化される作業を実行するように構成される。ロボットシステム１０は、独立におよび／または相互に依存する可動ロボットジョイントを備えるように構成され、限定するわけではないが、肩ジョイントを備え、この位置は全体として矢印Ａで示される。ロボットシステム１０は、また、肘ジョイント（矢印Ｂ）、手首ジョイント（矢印Ｃ）、首ジョイント（矢印Ｄ）、腰ジョイント（矢印Ｅ）、および様々な指／親指ジョイント（矢印Ｆ）を含むことができる。
【００１２】
[0021]追加的に、ロボットシステム１０は、１つまたはそれ以上の擬人化した器用なハンド１４を備える下アームアセンブリ１２を含み、それぞれは手首アセンブリ１６を介して運動できる。各ハンド１４は、図示のように対向する親指および１つまたはそれ以上の指を含むことができ、一緒に動作するときこれらは同一のハンド内で物体２０を把持することができ、または、異なるハンド間で協働して物体２０を把持することができる。手首アセンブリ１６は、閉鎖ロボット機構を形成し、これは本明細書で説明される方法またはアルゴリズムを介して制御することができる。以下で説明するように手首アセンブリ１６を制御するときに、当業者に理解されるように、本方法は、ロボットシステム１０内の他のロボット機構の制御に適用することもできる。
【００１３】
[0022]ホストマシン（ＨＯＳＴ）１８は、制御アルゴリズム１００の実行を介して、手首アセンブリ１６の画定される所定の作業スペース限界を守らせる（強制する）ように構成され、これは、以下で説明されるように速度制御信号（矢印１１）を形成および適用することにより行われる。このような強制は、不規則な形状または凸形状の作業スペースを提供し、手首アセンブリ１６の境界のエッジおよび角部に沿った滑らかな安定した動作を提供し、これらは図３−９とともに以下で詳細に説明される。
【００１４】
[0023]ホストマシン１８は、適切に構成されたハードウェアモジュール２２を含み、これは、たとえば手首アセンブリ１６のような制御される機構に電気的に接続される。ハードウェアモジュール２２は、１つまたはそれ以上のマイクロプロセッサまたは中央処理装置（ＣＰＵ）、十分な読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、および十分なランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を備えるディジタルコンピュータまたはデータ処理装置を含むことができる。また、ハードウェアモジュール２２は、消去可能な電気的にプログラム可能の読み出し専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、高速クロック、アナログ−ディジタル（Ａ／Ｄ）回路、ディジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）回路、必要な入力／出力（Ｉ／Ｏ）回路または装置、適切な信号調整機器およびバッファ機器を備えることができる。ハードウェアモジュール２２またはそこから容易にアクセス可能な媒体に存在する、以下で図４とともに説明するアルゴリズム１００を含む個別の制御アルゴリズムは、必要な制御機能を提供するために必要に応じてモジュールにより自動的に実行することができる。
【００１５】
[0024]図２を参照すると、下アームアセンブリ１２が手首アセンブリ１６を含むようにより詳細に示されている。上述したように、手首アセンブリ１６は、本方法において制御するのに適したロボット機構であり、それゆえ、図２の手首アセンブリは、以下で説明的な目的のために用いられる。手首アセンブリ１６の運動は、１つまたはそれ以上のアクチュエータ２４を介して提供される。一実施形態において、たとえば張力および／または力を発生させるジョイントモータなどのプッシュプル式線形アクチュエータは、図示のように下アームアセンブリ１２の構造内に埋め込むことができる。
【００１６】
[0025]手首アセンブリ１６は異なる方向に移動可能であり、それゆえ、異なるピッチ（pitch:θ）軸、ヨー（yaw:ψ）軸に沿って運動できる。手首アセンブリ１６の位置は、センサ１５を介して決定することができ、センサからの測定値は図１のホストマシン１８に
伝達される。センサ１５は、ピッチ軸およびヨー軸に沿うジョイント角度を決定するように構成されたジョイントセンサを含むことができ、および／または、以下で説明する手首アセンブリ１６の参照ポイントの位置を決定して図１のホストマシン１８に位置情報を伝達するように構成された他の装置を含むことができる。手首アセンブリ１６は、閉鎖機構内の間接駆動を介するアクチュエータ２４を介して運動することができ、アクチュエータ空間とジョイント空間との間の必要なマッピングは結合され且つ非線形であり、すなわち、ジョイントとアクチュエータの自由度との間のマッピングは、ジョイントの速度が複数のアクチュエータの速度の関数となるように結合（couple）される。そのため、手首アセンブリ１６は、不規則な形状の、または、凸多角形境界の許容される作業スペースを備え、以下で図３とともに説明される。
【００１７】
[0026]図３を参照すると、図２に示す手首アセンブリ１６の許容される作業スペース３０は、凸多角形境界４０により画定される。作業スペース３０は、図示のようにピッチ（θ）軸、ヨー（ψ）軸に関してプロットすることができる。作業スペース３０は、多くの異なる要因により物理的に制限され得る。図３に概略的に示すように、作業スペース３０は、繊細なワイヤ（特徴３２）の近接により、ピッチ限界のような数学的な特異性（特徴３４）、および、たとえば図２の下アームアセンブリ１２のケーシングとの接触のような、ハードストップ（特徴３６）により部分的に境界付けられる。物理的または仮想的な他の変数は、同様に作業スペース３０を画定および／または制限することができる。
【００１８】
[0027]従来のロボットのジョイント限界は、典型的には独立に画定され、図３において軸に整合する矩形のようにされる。従来の作業スペースは、それゆえ、たとえば図３に示されるような多角形のような凸多角形に大きく広げられる。しかし、拡張された作業スペースの複雑な性質は、必要な制御の複雑さのレベルを大きく増加させることになる。
【００１９】
[0028]図４を参照すると、本発明のアルゴリズム１００は、自動的に、不規則な形状の作業スペース内で速度ベースの制御が発生することを可能にし、たとえば、上述の作業スペースにおいて、図３に示される境界４０のような境界に沿って、制御されるロボット機構の滑らかで安定したチャタリングの無い動作を提供する。アルゴリズム１００は、２つの重要な特徴を備える。それは、（１）凸多角形マネジメント技術、および（２）速度分布マップまたはロジックである。これらは以下でさらに説明される。概念的な図示のために、現在の作業を通じて２の自由度（ＤＯＦ）が用いられるが、３またはそれ以上の自由度（ＤＯＦ）を用いることもできることが当業者に理解されるであろう。
【００２０】
[0029]アルゴリズム１００の実行は、自動的に、アークセグメントテスト（arc segment test）を用いて作業スペース３０の境界４０を同定し、機構のアーク内の参照ポイント（Ｐ）が作業スペース３０内にあるかどうかを決定し、および、境界４０からの参照ポイント（Ｐ）の距離の関数として図１の速度制御信号１１を形成する。一実施形態において、図１のホストマシン１８は出力速度を形成し、信号１１を介して、参照ポイント（Ｐ）が作業スペース３０の外に位置するならばある方法で機構に出力速度を適用し、参照ポイント（Ｐ）が作業スペース内に位置するならば他の方法で機構に出力速度を適用する。
【００２１】
[0030]図５を手短に参照すると、作業スペース３０は、複数の角ポイントにより画定することができ、これらは図示の例のように順番に符号１−５が付されている。作業スペース３０は、異なる隣接するアークセグメント５０に分割することができ（図６参照）、重心５２から半径方向外側に引いた線により画定される。参照ポイント（Ｐ）が位置する特定のアークセグメント５０の同定は、以下で説明される後の速度形成機能に重要な役割をする。
【００２２】
[0031]図４を再び参照すると、アルゴリズム１００はステップ１０２で開始し、ここで、望ましい速度が、図１に示すホストマシン１８に速度制御信号１１として入力され、また、たとえばセンサ１５または他の適当な手段を用いて手首アセンブリ１６の現在位置が決定される。現在位置は、上述の参照ポイント（Ｐ）である。アルゴリズム１００は、その後、ステップ１０４に進む。
【００２３】
[0032]ステップ１０４において、手首アセンブリ１６のアークセグメント５０が同定される。図６を参照すると、機構上の参照ポイント（Ｐ）からのベクトルの範囲を定める互いの角度（ψ１−ψ５）が示されている。アルゴリズム１００は、参照ポイント（Ｐ）がいずれのアークセグメント５０に位置しているかを決定する。その答えは、以下で説明される速度形成ステップでの使用のために、境界４０のいずれのラインセグメントか、および、いずれの対応する法線ベクトルかを決定する。
【００２４】
[0033]θ１は、図５に示すようにｒ＾ＣＰおよびｒ＾Ｃ１の間の角度であると考えられ、ここでＣは重心５２を示す。参照ポイント（Ｐ）がたとえば図５のセグメント「１２」にあるかどうかをテストするためには（参照ポイント（Ｐ）がセグメント「１２」にあるためには）、以下の２つの条件を満たす必要がある。
【００２５】
【数１】
2014054722.tif 000003
【００２６】
ここでｋ＾は、平面外への単位ベクトルを示す。第１条件は、参照ポイント（Ｐ）が、２つの角ベクトル、ｒＣ１およびｒＣ２、の間に位置するか、または、負の２つの角ベクトル、−ｒＣ１および−ｒＣ２の間に位置することを保障する。第２の条件は、後者の可能性を排除する。作業スペース３０の包絡線の内側では、単純に最も近いラインセグメントを探してもよいが、包絡線の外側では、そうすると不正確な境界線を同定することがある。説明目的のために、ここでは、参照ポイント（Ｐ）は、セグメント「１２」内に位置すると仮定し、また、左のエッジよりも右のエッジに近い、すなわちθ２＜θ１であると仮定する。図５に示すように、ｎ１は第１法線であり、ｎ２は第２法線である。同様の方式で、以下で説明するように、ｄ１は参照ポイント（Ｐ）から第１境界への距離を示し、ｄ２は第２境界への距離を示す。
【００２７】
[0034]図４を参照すると、ステップ１０６において、図１のホストマシン１８は、参照ポイント（Ｐ）が境界４０の包絡線内に位置するかどうかを決定する。参照ポイント（Ｐ）が境界４０の包絡線内に位置する場合、アルゴリズム１００は、ステップ１０８に進む。参照ポイント（Ｐ）が境界４０内にない場合、アルゴリズムはステップ１０７に進む、
[0035]ステップ１０６は、２つの方法で実行することができる。第１の方法として、図６に示すように、参照ポイント（Ｐ）から各角部に引いたベクトルｒＰｉを考える。ψｉは２つの連続するベクトルの間の角度を示す。ベクトル間の角度は、［０，π］の範囲で画定することができる。参照ポイント（Ｐ）は、
【００２８】
【数２】
2014054722.tif 000004
【００２９】
の時にだけ作業スペース３０の包絡線内に位置する。
[0036]第２の方法は、これは高次のＤＯＦに拡張可能であり、境界４０の各ラインセグ
メントの法線ベクトルを見る。ｎｉをセグメントｉの法線方向の単位ベクトルとする。この法線は、作業スペース３０内に向くようにする。重心は作業スペース３０内に位置することが保障されているので、法線ベクトルは重心５２に関して導かれる。したがって、
【００３０】
【数３】
2014054722.tif 000005
【００３１】
カウント（ｉ＋１）は、ｉ＝ｎのとき１にされる。したがって、参照ポイント（Ｐ）は、
【００３２】
【数４】
2014054722.tif 000006
【００３３】
のときにだけ、包絡線内に位置する。
[0037]ステップ１０４において正確なアークが決定され、およびステップ１０６においてその参照ポイント（Ｐ）が境界の外側に位置する場合、ステップ１０７において、ホストマシン１８は、速度制御信号１１を設計および計量または形成し、その後ステップ１０９に進む。境界４０をソフトウェアにおいて守らせるように、手首アセンブリ１６の速度制御信号１１は、自動的に形成される必要がある。当業者に理解されるように、ＤＯＦと図２の手首アセンブリのアクチュエータ２４との間の結合されたマッピングにより、境界４０は、単純なジョイント限界を用いてハードウェア内で実行することができない。
【００３４】
[0038]図７を参照すると、境界４０に関する可能な速度分布パターン５６、５８のスナップショットが示されている。これらの分布パターン５６、５８は、２つの重要な考慮を反映する。第１に、参照ポイント（Ｐ）が作業スペース３０の外に位置する場合、境界４０から離れる方向を指すあらゆる法線成分は、ホストマシン１８により自動的にゼロにされる。このステップは、参照ポイント（Ｐ）が、境界に沿う接線方向の速度を許容しながら、境界４０から離れるように移動することを防止する。これらの接線方向の速度は、制御されるロボット機構、たとえば手首アセンブリ１６が、ソフトウェア起因の行き詰まり、および／またはすべりを生じさせずに自由に移動することを可能にするために重要であり、また、参照ポイント（Ｐ）が、望ましいポイントに最も近い境界上の点を探すことを可能にするのに重要である。第２に、不安定性およびチャタリングを防止するために、あらゆる可能な速度の１つの領域から他の領域への任意の遷移は連続的でありまた漸進的である。これらの遷移は、図７に示されるように、境界４０のエッジおよび角部の両方で生じる。
【００３５】
[0039]それゆえ、参照ポイント（Ｐ）は、境界４０の包絡線の外側に位置するように決定される場合、境界から離れる方向を指すあらゆる速度成分は自動的にゼロにされる。これにより、図７に示すような半円形の速度分布パターン５６が得られる。さらに、さらに、境界４０に戻る方向を指す速度成分、および境界からの距離に比例する速度成分が重ねあわされる。
【００３６】
[0040]ステップ１０８において、図７に示されるように、作業スペース３０内で動作するとき、図４のアルゴリズム１００は、参照ポイント（Ｐ）が予め決定されたバッファ５５内にあるかどうかを決定し、バッファ５５は、境界４０と予め決定された内側境界４０Ａとの間の領域として画定される。このバッファ５５が、距離（ｄｍａｘ）により画定され、以下の式を用いることができる。
【００３７】
【数５】
2014054722.tif 000007
【００３８】
参照ポイント（Ｐ）がバッファ５５の外にある場合、アルゴリズム１００は、ステップ１１２に進み、他の場合、参照ポイント（Ｐ）がバッファ内にあるときにステップ１１０に進む。
【００３９】
[0041]ステップ１０９において、ホストマシン１８は、参照ポイント（Ｐ）は、図７のバッファ５５内にあるかどうかを決定し、バッファ５５内にあるならステップ１１１に進む。そうでない場合、アルゴリズム１００はステップ１１３に進む。
【００４０】
[0042]ステップ１０８で参照ポイント（Ｐ）がバッファ５５内にあることが決定されると、ステップ１１０において、図１のホストマシン１８は、参照ポイント（Ｐ）がどこに位置するかに応じて、境界４０に沿う法線成分を混合し、または、作業スペース３０の各角部における混合された遷移のために計上する。すなわち、参照ポイント（Ｐ）がバッファ５５内にあり、速度が境界４０に向かっている場合、速度の法線成分は、徐々にゼロに近づき、内側から外側への連続的に遷移を提供する。
【００４１】
[0043]作業スペース３０の角部で動作するとき、包絡線の内側のポイントは、主境界、つまり境界４０に近づき、速度の任意の法線成分はホストマシン１８により減少させられる。つまり、境界４０の隣接するセグメントに関して法線方向の外側に向く望ましい速度の成分は徐々に減少する。さらに、ポイントが角部に入り内側境界４０Ａに近づくとき、接線方向速度もまた減少させられる。２段階プロジェクションを用いることで、第１段階は、内側境界４０Ａに関して法線成分を減少させる。第２プロジェクションは、主境界、すなわち境界４０に関して法線成分を減少させる。角部における包絡線の内側のポイントの新しいルールは、
【００４２】
【数６】
2014054722.tif 000008
【００４３】
である。その後、アルゴリズムはステップ１１２に進む。
[0044]ステップ１１１において、ホストマシン１８は、速度制御信号１１をプロジェクトおよびスケールし、ステップ１１３に進む。
【００４４】
[0045]ステップ１１２において、ホストマシン２０は、望ましい速度を維持し、すなわち、ホストマシンは速度制御信号１１の変更をせずに出力する。アルゴリズム１００は終了する。
【００４５】
[0046]ステップ１１３において、仮想のまたはソフトウェアに基づく「バネ」が追加さ
れ、これは、境界４０からの参照ポイント（Ｐ）の距離に比例し、すなわちｆ＝ｋΔｘである。手首アセンブリ１６は、ソフトウェアにより境界４０に戻ることを強いられ、境界において速度がゼロになるようにされる。
【００４６】
[0047]図８を参照すると、仮想バネ成分に必要な遷移の理解において、角部から参照ポイント（Ｐ）へのベクトル、すなわちｒ２Ｐを考え、これを単位円６０上に投影（プロジェクト）する。理想的な解は、ｒ２Ｐが領域Ｉに位置するときを除いて全ての場合にバネの定義、ｖｓ＝ｋｄ１ｎ１、を適用する。領域Ｉにおいて、バネは角部へのベクトルに基づき、ｖｓ＝−ｋｒ２Ｐである。ｋは比例定数である。結果は、参照ポイント（Ｐ）が１つのセグメントから次のセグメントに移動するときに、連続的であり、なめらかなバネ値である。残念ながら、単位円６０に対する参照ポイント（Ｐ）の相対位置を決定するように試みることは、無視できない余分な計算を生じさせる。単位円６０の位置は、上述のアークセグメントテストからの結果に独立であり、いくつかの新しい角度計算を必要とする。
【００４７】
[0048]代替的に、近似解を決定することができ、これは満足に機能し、また、前に計算されたデータを用いる。この解は、角部の角度θ２を考え、２つの隣接する法線をブレンドし、１つのアークセグメントから次のアークセグメントへの方向における連続的な変化を提供する。バネ成分の新しいルールは、
【００４８】
【数７】
2014054722.tif 000009
【００４９】
である。
[0049]仮想バネ７０、すなわち上述したルールを強制するためにソフトウェアにより生成された仮想バネは、ホストマシン１８により採用され、速度成分ｖｓ＝ｋｄ１ｎ１とともに境界４０を守らせる。特に、仮想バネ７０により提供されるバネ成分は、可逆動作可能（back-drivable）なシステムに必要であり、この語は本業界で理解されている。ｖは初期の望ましい速度を表すものとし、ｖ０は速度成形後に命令される出力を表すものとする。以下のルールは、包絡線の内外の速度を画定する。
【００５０】
【数８】
2014054722.tif 000010
【００５１】
このルールは、作業スペース３０の側部および角部への連続的な遷移を提供し、しかし、アークセグメントを横切る遷移は不連続となる。参照ポイント（Ｐ）が１つのアークセグメントから次のアークセグメントに横切るときに、主および副の境界は場所を交換する。２つが直交する場合、すなわちｎ１・ｎ２＝０の場合、遷移は連続的になる。その他の場合、非直交性の程度により多少の不連続性が存在することになる。
【００５２】
[0050]それゆえ、ステップ１１５において、アルゴリズム１００は、手首アセンブリ１６に対して速度制御信号を出力する。アルゴリズム１００は終了する。
[0051]本発明を実施する最良の形態を詳細に説明してきたが、本発明の技術分野におけ
る当業者は、添付の特許請求の範囲内において、本発明を実施する様々な代替設計および実施形態を認識するであろう。
【図１】
2014054722.tif 000011
【図２】
2014054722.tif 000012
【図３】
2014054722.tif 000013
【図４】
2014054722.tif 000014
【図５】
2014054722.tif 000015
【図６】
2014054722.tif 000016
【図７】
2014054722.tif 000017
【図８】
2014054722.tif 000018
【図９】
2014054722.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】平成25年10月28日(2013.10.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットシステムであって、
速度制御信号に応答するロボット機構を有し、前記ロボット機構は、少なくとも２自由度、および、前記ロボット機構のピッチ軸およびヨー軸により画定される許される作業スペースを備え、
前記ロボットシステムはさらに、前記ロボット機構の動作を制御するように構成されるホストマシンを有し、前記ホストマシンはさらに、前記許される作業スペースに凸多角形境界を適用するように構成され、前記境界は重心を含み且つ複数のエッジおよび角部により画定され、前記ホストマシンはアルゴリズムを含み、前記ホストマシンによる前記アルゴリズムの実行により、前記ホストマシンは、
前記境界に対する前記ロボット機構の参照ポイントの位置を決定し、
前記作業スペースを前記重心から角部の各点に引かれるラインセグメントにより画定される複数のアークセグメントに分割し、
アークセグメントテストを使用して、前記参照ポイントが位置するアークセグメントを同定し、
前記参照ポイントが位置する前記アークセグメントにおける前記境界に対する前記参照ポイントの速度の法線成分を決定し、
前記参照ポイントが前記境界内に位置し且つ速度が前記境界に向かっているときに、前記速度の法線成分が前記境界に向かって徐々に減少するように、速度制御信号を形成する、ロボットシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のロボットシステムであって、前記ロボット機構は、開放手首ジョイントを備えるロボット手首アセンブリである、ロボットシステム。
【請求項３】
請求項２に記載のロボットシステムであって、前記ロボット手首アセンブリのジョイントは、閉鎖リンクにおける少なくとも１つの間接駆動アクチュエータにより駆動され、前記ジョイントの自由度および前記アクチュエータの自由度は連結される、ロボットシステム。
【請求項４】
請求項１に記載のロボットシステムであって、前記ホストマシンは、前記参照ポイントが前記境界の外側に位置するときに、前記境界から外に向かう、前記ロボット機構の法線速度成分を自動的にゼロにするように構成され、それにより、前記参照ポイントが前記境界から離れるように移動することを防止し、一方で、前記境界の接線方向の、前記ロボット機構の速度を許容する、ロボットシステム。
【請求項５】
請求項１に記載のロボットシステムであって、前記ホストマシンは、前記参照ポイントが前記境界の外に位置するときに、前記境界から前記参照ポイントまでの距離を決定し、速度制御信号が前記境界の方を向き且つ前記距離に比例するように、速度制御信号を形成するように構成される、ロボットシステム。
【請求項６】
請求項１に記載のロボットシステムであって、前記ホストマシンは、
前記参照ポイントの望ましい速度を決定し、
前記参照ポイントが、前記境界と予め決定される内側境界との間の領域として画定されるバッファ内に位置するかどうかを決定し、
前記参照ポイントが前記バッファ内に位置し且つ速度が前記境界に向かっているときに、速度の法線成分がゼロになるように徐々に減少させる、ように構成される、ロボットシステム。
【請求項７】
請求項１に記載のロボットシステムであって、前記ホストマシンは、
前記参照ポイントの望ましい速度を決定し、
前記参照ポイントが、前記境界と予め決定される内側境界との間の領域として画定されるバッファ内に位置するかどうかを決定し、
前記参照ポイントが前記バッファ内に位置するときに、前記望ましい速度の、前記境界の隣接セグメントに対して垂直な方向に外側に向いた成分を徐々に減少させる、ように構成される、ロボットシステム。
【請求項８】
速度制御信号に応答するロボット機構を備えるロボットシステム内で用いられるホストマシンであって、前記ロボット機構は少なくとも２自由度を備え、また、重心を含み且つ複数のエッジおよび角部ポイントにより画定される凸多角形境界により画定される許される作業スペースを備え、前記作業スペースの１つの次元は前記ロボット機構のピッチを示し、前記作業スペースのもう１つの次元は、前記ロボット機構のヨーを示し、前記ホストマシンは、
前記ロボット機構の動作を制御するように構成され、且つ、前記凸多角形境界に対する前記ロボット機構上の参照ポイントの位置を決定するように構成される、ハードウェアモジュールを有し、前記凸多角形境界は重心をよび角部を備え、
前記ハードウェアモジュールは記憶されたアルゴリズムを有し、
前記ハードウェアモジュールによる前記記憶されたアルゴリズムの実行により、前記ホストマシンは、
前記凸多角形境界に対する前記参照ポイントの位置を決定し、
前記許される作業スペースを前記重心から角部の各ポイントに引かれるラインセグメントにより画定される複数のアークセグメントに分割し、
アークセグメントテストを使用して、前記参照ポイントが位置するアークセグメントを同定し、
前記参照ポイントが位置する前記アークセグメントにおける前記境界に対する前記参照ポイントの速度の法線成分を決定し、
前記参照ポイントが前記境界内に位置し且つ速度が前記境界に向かっているときに、前記速度の法線成分が前記境界に向かって徐々に減少するように、速度制御信号を形成する、ホストマシン。
【請求項９】
請求項８に記載のホストマシンであって、前記ホストマシンは、前記参照ポイントが前記境界の外に位置するときに、前記境界から外に向かう、前記ロボット機構の法線速度成分を自動的にゼロにするように構成され、それにより、前記参照ポイントが、前記境界から離れて移動することを防止し、一方で、前記ロボット機構の前記境界の接線方向の速度を許容する、ホストマシン。
【請求項１０】
請求項８に記載のホストマシンであって、前記ホストマシンは、前記参照ポイントが前記境界の外に位置するときに、前記境界から前記参照ポイントまでの距離を決定し、且つ、速度制御信号が前記境界に戻る方を向き且つ前記距離に比例するように、速度制御信号を形成する、ように構成される、ホストマシン。
【請求項１１】
請求項８に記載のホストマシンであって、前記ホストマシンはさらに、
前記参照ポイントの望ましい速度を決定し、
前記参照ポイントが前記境界と予め決定される内側境界との間の領域として画定されるバッファ内に位置するかどうかを決定し、
前記参照ポイントが前記バッファ内に位置し且つ現在の速度が前記境界の方を向いているときに、速度の法線成分がゼロになるように徐々に減少させる、ように構成される、ホストマシン。
【請求項１２】
請求項８に記載のホストマシンであって、前記ホストマシンはさらに、
前記参照ポイントの望ましい速度を決定し、
前記参照ポイントが前記境界と予め決定される内側境界との間の領域として画定されるバッファ内に位置するかどうかを決定し、
前記参照ポイントが前記バッファ内に位置するときに、前記境界の隣接セグメントに対して法線方向外側を向く、速度の成分を徐々に減少させる、ように構成される、ホストマシン。
【請求項１３】
少なくとも２自由度を備えるロボット機構の許されるピッチおよびヨーの作業スペースの、凸多角形境界を守らせる方法であって、前記境界は重心を含み且つ複数のエッジおよび角部ポイントにより画定され、前記方法は、
前記ロボット機構上の参照ポイントが前記境界内に位置するかどうかを決定するステップと、
アークセグメントテストを使用して、前記参照ポイントが位置するアークセグメントを同定するステップと、
前記参照ポイントが位置する前記アークセグメントにおける前記境界に対する前記参照ポイントの速度の法線成分を決定するステップと、
前記参照ポイントが前記境界内に位置し且つ速度が前記境界に向かっているときに、前記速度の法線成分が前記境界に向かって徐々に減少するように、速度制御信号を形成するステップと、を有する、方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法であって、さらに、
前記参照ポイントが前記境界の外に位置するときに、前記境界から離れる方を向く、前記ロボット機構の速度の法線成分を自動的にゼロにするためにホストマシンを使用するステップを有し、前記参照ポイントが前記境界から離れて移動することを防止し、一方で、前記ロボット機構の前記境界の接線方向の速度を許容する、方法。
【請求項１５】
請求項１３に記載の方法であって、さらに、
前記参照ポイントが前記境界の外に位置するときに、前記境界から前記参照ポイントまでの距離を決定するステップと、
速度制御信号が前記境界に戻る方を向き且つ前記距離に比例するように、ホストマシンを介して速度制御信号を形成するステップと、を有する、方法。
【請求項１６】
請求項１３に記載の方法であって、さらに、
前記参照ポイントの望ましい速度を決定するステップと、
前記参照ポイントが前記境界と予め決定される内側境界との間の領域として画定されるバッファ内に位置するかどうかを決定するステップと、
前記参照ポイントが前記バッファ内に位置し且つ速度が前記境界の方に向いているときに、望ましい速度の法線成分がゼロになるように徐々に減少させるステップと、を有する、方法。
【請求項１７】
請求項１３に記載の方法であって、さらに、
前記参照ポイントの望ましい速度を決定するステップと、
前記参照ポイントが、前記境界と予め決定される内側境界との間の領域として画定されるバッファ内に位置するかどうかを決定するステップと、
前記参照ポイントが前記バッファ内に位置するときに、前記境界の隣接セグメントに対して、法線方向外側を向く、望ましい速度の成分を徐々に減少させるステップと、を有する、方法。
【外国語明細書】
2014054722000001.pdf