(57)【要約】  本発明は、ロボットシステムの多軸マニピュレータの動作シーケンスを設定する方法および装置に関し、マニピュレータは複数の異なる回転軸を有するリンクと、エフェクタと協働するための先端リンクと、を備え、エフェクタは作業空間で少なくとも一つの任意の操作を実行し、マニピュレータの先端リンクは、少なくとも一つの任意の操作を任意の所望姿勢で作業空間に対して実行するために駆動され、マニピュレータは複数のステップで先端リンクを所望姿勢に近づけながら動かし、ステップごとに、少なくとも一つの定義されたインピーダンス制御モードおよび/またはアドミタンス制御モードが、少なくとも一つの軸に関して設定され、これらの軸は、マニピュレータに関係付けられた座標系の軸を形成する。【選択図】図１
2019514705.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットシステムの多軸マニピュレータ（Ｍ）の動作シーケンスを設定する方法であって、
前記マニピュレータは、複数の異なる回転軸を有するリンク（Ｇ）と、エフェクタ（Ｅ）と協働するための先端リンクと、を備え、前記エフェクタ（Ｅ）は作業空間（Ｒ）で少なくとも一つの任意の操作を実行し、前記マニピュレータ（Ｍ）の前記先端リンクは、前記作業空間（Ｒ）に関して任意の所望姿勢（Ｘｉ）で前記少なくとも一つの任意の操作を実行するように駆動され、前記方法は、
前記先端リンクを前記所望姿勢（Ｘｉ）に近づけながら、前記マニピュレータ（Ｍ）を複数のステップ（Ｓｉ，Ｓｊ）を実行して移動させることを含み、
前記ステップ（Ｓｉ，Ｓｊ）のそれぞれに、少なくとも一つの所定のインピーダンス制御モデルおよび/またはアドミタンス制御モデルが、軸（ＡＡ，ＡＧ，ＡＥ，ＡＲ）の少なくとも一つに関して設定され、これらの軸は、前記マニピュレータ（Ｍ）と関係付けられた座標系（ＣＡ，ＣＧ，ＣＥ，ＣＲ）の軸（ＡＡ，ＡＧ，ＡＥ，ＡＲ）を形成する
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記少なくとも一つの軸（ＡＡ，ＡＧ，ＡＥ，ＡＲ）は、並進方向および/または回転方向を表す
ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
あるステップ（Ｓｉ）のためには、並進方向の軸（ＡＡ，ＡＧ，ＡＥ，ＡＲ）に対して所定のインピーダンス制御モードおよび/またはアドミタンス制御モードが設定され、
別のステップ（Ｓｊ）のためには、回転方向の軸（ＡＡ，ＡＧ，ＡＥ，ＡＲ）に対して所定のインピーダンス制御モードおよび/またはアドミタンス制御モードが設定される
ことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記ステップ（Ｓｉ，Ｓｊ）の少なくとも一つまたはすべての前記ステップ（Ｓｉ，Ｓｊ）は、前記所望姿勢（Ｘｉ）に達するまでｎ回繰り返される
ことを特徴とする、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
ｎ回目の繰り返しにおける前記ステップ（Ｓｉ，Ｓｊ）のそれぞれに、前記所定のインピーダンス制御モードおよび/またはアドミタンス制御モードが維持されるか、または変更される
ことを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記インピーダンス制御モードおよび/またはアドミタンス制御モードは、前記ステップ（Ｓｉ，Ｓｊ）中で、一定であるように、時間によって変わるように、および/または状態に依存するように設計される
ことを特徴とする、請求項３乃至請求項５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記マニピュレータ（Ｍ）に関して、少なくとも一つの任意の座標系を設定すること、をさらに含む
ことを特徴とする、請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記任意の座標系（ＣＡ）が、マニピュレータ（Ｍ）の軸リンク（Ａ）に関して設定される
ことを特徴とする、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記任意の座標系（ＣＧ）が、マニピュレータ（Ｍ）の二つの軸リンク（Ａ）の間にある関節（Ｇ）に関して設定される
ことを特徴とする、請求項７または８に記載の方法。
【請求項１０】
前記任意の座標系（ＣＥ）が、エフェクタ（Ｅ）に関して設定される
ことを特徴とする、請求項７乃至請求項９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
前記任意の座標系（ＣＲ）が、前記作業空間（Ｒ）に関して設定される
ことを特徴とする、請求項７乃至請求項１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
前記任意の座標系は、前記所望姿勢（Ｘｉ）によって決まる
ことを特徴とする、請求項８乃至請求項１１のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
前記任意の座標系は、時間変化するように設計される
ことを特徴とする、請求項８乃至請求項１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
任意の座標系は、実行すべき操作によって決まる
ことを特徴とする、請求項８乃至請求項１３のいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
前記マニピュレータ（Ｍ）を、重力補償された状態、および/または遠心力補償された状態、および/またはコリオリ力補償された状態、および/または慣性補償された状態に変換すること、をさらに含む
ことを特徴とする、請求項１乃至請求項１４のいずれかに記載の方法。
【請求項１６】
前記ステップ（Ｓｉ，Ｓｊ）を実行した後に設定される、前記所望姿勢（Ｘｉ）に関して設定される前記動作シーケンスのための総インピーダンス制御モードおよび/または総アドミタンス制御モードが、前記インピーダンス制御モードによる挙動および/またはアドミタンス制御モードによる挙動の枠組みの範囲で共通の向きを維持しながら、少なくとも一つの追加の所望姿勢（Ｘｊ）に適用され、前記追加の所望姿勢（Ｘｊ）の位置は、前記所望姿勢（Ｘｉ）の位置に対して、共通平面内で、および/または当該平面に対し角度を付けて、動かされる
ことを特徴とする、請求項１乃至請求項１５のいずれかに記載の方法。
【請求項１７】
複数のプログラム命令を含むコンピュータプログラムであって、
前記コンピュータプログラムがプロセッサ上で実行されると、前記複数のプログラム命令は、前記プロセッサに請求項１乃至請求項１６のいずれかに記載された方法のステップを実行または制御させる
ことを特徴とするコンピュータプログラム。
【請求項１８】
請求項１７に係るコンピュータプログラムが格納される
ことを特徴とするデータ格納装置。
【請求項１９】
データ処理装置を有するコンピュータシステムであって、
前記データ処理装置は、請求項１乃至請求項１６のいずれかに記載された方法を実施するように設定される
ことを特徴とするコンピュータシステム。
【請求項２０】
多軸マニピュレータ（Ｍ）と、前記マニピュレータ（Ｍ）の一部であり所定の操作を実行する先端リンク（Ｅ）と、を有するロボットシステムであって、
請求項１乃至請求項１６のいずれかに記載された方法を実施する手段を備える
ことを特徴とするロボットシステム。
【請求項２１】
ロボットシステムの多軸マニピュレータ（Ｍ）の動作シーケンスを設定する装置であって、
前記マニピュレータは、複数の異なる回転軸を有するリンク（Ｇ）と、エフェクタ（Ｅ）と協働するための先端リンクと、を備え、前記エフェクタ（Ｅ）は作業空間（Ｒ）で少なくとも一つの任意の操作を実行し、前記マニピュレータ（Ｍ）の前記先端リンクは、前記作業空間（Ｒ）に対して任意の所望姿勢（Ｘｉ）で前記少なくとも一つの任意の操作を実行するように駆動され、前記装置は、
前記先端リンクを前記所望姿勢（Ｘｉ）に近づけながら、前記マニピュレータ（Ｍ）を複数のステップ（Ｓｉ，Ｓｊ）を実行して移動させることを実施可能に構成され、
前記ステップ（Ｓｉ，Ｓｊ）のそれぞれに、少なくとも一つの所定のインピーダンス制御モデル（Ｋｘ）および/またはアドミタンス制御モデルが、軸（ＡＡ，ＡＧ，ＡＥ，ＡＲ）の少なくとも一つに関して設定され、これらの軸は、前記マニピュレータ（Ｍ）と関係付けられた座標系（ＣＡ，ＣＧ，ＣＥ，ＣＲ）の軸（ＡＡ，ＡＧ，ＡＥ，ＡＲ）を形成する
ことを特徴とする装置。
【請求項２２】
マニピュレータ（Ｍ）と、
請求項２１に記載された装置と、を備える
ことを特徴とするロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットの動作シーケンスを設定または決定する方法および装置に関するものであり、この動作シーケンスは、ロボットにあてられた作業空間内で任意の作業を行うのに必要となる。
【０００２】
本発明に係る方法は、ロボットシステム、特に、限定はしないが軽量構造のロボットシステムについて適切にプログラミングするのに役立つ。
【背景技術】
【０００３】
このような軽量構造のロボットシステムは、必要な六自由度に加えて、いわゆる零空間を拡張することを可能にする一つ以上の自由度を有するように設計されている。
【０００４】
ロボットシステムが、所望の動作を後続の動作中に実行し、またこの目的に応じた姿勢を取ることができるためには、動作シーケンスおよびエンドエフェクタへの力の印加や伝達に関して自由にプログラミング可能でなければならない。したがって、ロボットシステムは、抽象的な意味では、複数の軸に対して自由にプログラミング可能な状態マシンである。
【０００５】
一般的なオンライン、すなわち、ほぼリアルタイムで実行される、この種のロボットシステムのプログラミング方法は、いわゆる「ティーチイン」手法であって、所望する軌道の個々の補間点に近づけ、エフェクタのそれぞれの位置をロボットシステムに組み込まれたセンサを介し決定して、制御ユニットに格納する。
【０００６】
特に、軽量構造のロボットシステムでは、いわゆる直接「ティーチイン」手法が用いられ、操作者が、エフェクタ、または、マニピュレータつまりロボットアームを直接に手動でガイドしつつ移動させる、すなわち、マニピュレータに対して事前に必要な動作シーケンスを実演させる。
【０００７】
これが可能になるのは、一方では、ロボットアームが、一人のオペレータによって動かせるような重さおよび/またはそれに応じた反応の良さを有する場合だけ、他方では、ロボットアームの個々のリンク間に、強力な伝達力を有しそれによってセルフロックするギヤ機構が存在しないか、または高い伝達比のギヤを使用しそれに応じたトルク制御が提供される場合、だけである。
【０００８】
したがって、この直接「ティーチイン」手法では、ロボットシステムはいわゆる重力補償状態でガイドされることも知られている。この状態では、測定されたトルクが、それによって駆動される、個々のリンク間の駆動装置にフィードバックされて、その結果、ロボットシステムが動かないお荷物になりギヤ機構のセルフロックが発生することがなくなり、したがって、オペレータが手動ガイドによって加える外力だけに依存してロボットシステムを動かすことができる。他のアプローチには、与えられたスキームつまり摩擦補償プログラミングを考慮に入れ、個々のモータに対するトルクを直接に目標とする制御が含まれる。
【０００９】
「ティーチイン」手法で実行される動作は、ロボットアームの個々のリンク間の駆動機構および関節の領域に既に存在する各センサによって測定され、各センサはトルクおよび並進力の両方を入手できる。各センサに応じてサンプリング時間を選択することによって、多数の経路点が得られ、続いて、ロボットアームが移動する軌道が設定される。したがって、これらは分析的には記述されないが、オペレータの手動ガイドを通じて、結果的に空間内のコースを通じてのみ決定される。この場合、既存のセンサは、ロボットシステムの構造全体にわたって力およびトルクを検出することができる。
【００１０】
したがって、多様な自由度を提供することで高い柔軟性を内在するロボットシステムは、すべての自由度にわたって完全に追跡可能であるように設計できるシステムとしては実現が困難であり、多大なプログラミング労力を掛けてしか実現できず、また、このようなロボットシステムのマニピュレータの手動ガイドにはいくつかの欠点がある。
【００１１】
軽量構造のロボットのマニピュレータは、通常、その運動性に関して七つの自由度を提供する。しかし、ロボットが一つ以上の操作を実行する作業空間の定義は、例えばデカルト空間を使用すると六次元に制限されるが、マニピュレータには通常は零空間として示される追加の自由度がある。しかし、マニピュレータも座標内を移動できるし、当該座標が一つ以上の所定の目的に関連しないということが全く偶然に起こり得るので、「ティーチイン」プログラミングによってマニピュレータを動かすことはユーザにとっては扱いにくい。このようなロボットの挙動は基本的に望ましくなく、こうしたロボットシステムのプログラミングにあまり精通していないユーザはプログラミングの観点で正しく解釈することができないということを別にしても、ロボットシステムのプログラミングによるこのような挙動は非常に非効率的に見える。
【００１２】
マニピュレータ自体は、関節の動きに関して非常に受動的な挙動をするため、あてられた作業空間の正しい座標内で動くことに積極的に貢献することができず、作業空間内におけるマニピュレータしたがってエフェクタの精度の高い位置決めを行うことは非常に困難である。
【００１３】
ロボットシステムは、通常は、ロボットアームの領域内に入力装置を備え、この装置を活用して、例えば、ロボットシステムの重力補償モードを起動または停止して、「ティーチイン」手法を実行することができる。
【００１４】
この結果、オペレータは入力装置を操作して重力補償モードを起動するために一方の手を必要とし、手動でエフェクタをガイドするために他方の手を必要とする。これは、エフェクタを所望の位置にガイドするときに使用されない自由度に特に影響を及ぼす可能性がもはや存在しないことを意味し、精度の高い「ティーチイン」手法にとって有利である。換言すれば、ユーザは正確な位置設定を実現するために常に両手を必要とする。
【００１５】
所定の操作を作業空間で実行するロボットシステムの欠点は、個々の操作ごとに、別個のプログラミングまたは別個の「ティーチイン」手法を実行しなければならないことであり、この点は、当該操作が、元来は同一であるが作業空間内の異なる位置で実行する必要がある場合にもあてはまる。したがって、同様の操作には、筐体部品のような二つの要素同士を互いに接続する、例えばねじ止めするという場合も含まれる。このようなねじ止め操作は、同じネジと、ネジ穴の位置が筐体部分にわたって分散されている、筐体部分のネジ穴の同じ寸法と、を使用するので、操作もそれぞれ同じである。従来技術のプログラミング手法または「ティーチイン」手法を使用する場合、ねじ止め操作する個々のねじ穴ごとにこの手順を繰り返す必要がある。これには一定の時間が掛かり、したがって費用の掛かるプログラミング労力が必要となる。
【発明の概要】
【００１６】
このため、本発明の目的は、上述した欠点を解消する、ロボットシステムおよびそのようなロボットシステムをプログラミングする方法を提供することである。さらに、本発明の目的は、これに関連して、ロボットシステム用の所定の動作シーケンスを設定する方法および装置を提供することであり、この方法および装置によれば、これらの動作シーケンスで実行される操作を簡単に反復可能および伝達可能にすることができる。
【００１７】
この目的は、請求項１に記載の方法、請求項２０に記載のロボットシステム、および請求項２１に記載の装置によって達成される。
【００１８】
したがって、本発明は、ロボットシステムの多軸マニピュレータの動作シーケンスを設定する方法であって、前記マニピュレータは、複数の異なる回転軸を有するリンクと、エフェクタと協働するための先端リンクと、を備え、前記エフェクタは作業空間で少なくとも一つの任意の操作を実行し、前記マニピュレータの前記先端リンクは、前記作業空間に関して任意の所望姿勢で前記少なくとも一つの任意の操作を実行するように駆動され、前記方法は、
前記先端リンクを前記所望姿勢に近づけながら、前記マニピュレータを複数のステップを実行して移動させることを含み、
ステップのそれぞれに、少なくとも一つの所定のインピーダンス制御モデルおよび/またはアドミタンス制御モデルが、軸の少なくとも一つに関して設定され、これらの軸は、前記マニピュレータと関係付けられた座標系の軸を形成する。
【００１９】
複数の軸リンクを有する、軽量構造のロボットのマニピュレータは、例えば、ばね質量系としてのように、通常、剛体であって、弾性要素および/または粘弾性要素であるとして、モデル化され制御される。このようなばね質量系は、ばね剛性および/またはインピーダンスを有し、ばね剛性が制御ループを介して変化するので、作業空間に関してインピーダンス挙動を決定することができる。このばね剛性は、二つの軸リンクの間にある関節に配置された個々の駆動ユニットの駆動を制御することによって特に影響を受け、適切に減衰されるので、原理的にコンプライアンス制御モデルを達成させることができる。換言すれば、マニピュレータの動作の挙動および相互作用の挙動は、全体的に、特に影響を受ける。
【００２０】
この機能は、今、本発明によって使用され、マニピュレータに関する所望の動作シーケンスのプログラミングによって、または「ティーチイン」手法によって定義されたインピーダンス制御モードおよび/またはアドミタンス制御モードが、一つの同じ座標系または異なる座標系の個々の軸に適用される。最も単純な形式では、これらはコンプライアンス制御モードとして定義されている。
【００２１】
本発明によれば、これは、任意の座標系に関するものであって、この座標系は、マニピュレータの軸リンクのうち少なくとも一つに、マニピュレータの軸リンクのうち他の一つに、可動に接続された二つの軸リンクの間にある一つ以上の関節に、マニピュレータの先端リンクに配置されたエフェクタに、および/または、エフェクタが一つ以上の操作を実行する作業空間に、直接に関係付けられる。様々な任意の座標系が存在してもよい。また、例えば多重度を参照しつつ、自動的に軸を識別できる座標系、すなわち、この方法を実行するためのシステムが機械的に学習しどの座標系が最も適切であるかを知ることができる座標系、に関するものでもよい。
【００２２】
さらに、本発明によれば、エフェクタのタイプ、取るべき姿勢および/または実行すべき操作の種類によって任意の座標系を決定することができる。例えば、それがエフェクタ、すなわちねじドライバによって実行されるねじ止め操作である場合、任意の座標系は、この場合には極座標系として定義されてもよい。また、例えば、マニピュレータが、想定される動作を実行するために、例えば、作業空間の領域内でロボットの傍らを移動するコンベヤベルトによって決まる所定の動作に追随しなければならない場合、任意の座標系が時間変化するように設計されていてもよい。
【００２３】
したがって、本発明によれば、これらの任意の座標系内で、インピーダンス制御モデルおよび/またはアドミタンス制御モデルを適用するために選択される一つ以上の軸は、並進方向または回転方向を表すように設定される。言い換えれば、プログラミングによって、マニピュレータの部分的または全体的に並進する動きに対するインピーダンス制御の挙動および/またはアドミタンス制御の挙動、および/または、マニピュレータの部分的または全体的に回転する動きに対するインピーダンス制御の挙動および/またはアドミタンス制御の挙動を選択的に適用してもよい。
【００２４】
したがって、本発明に係る方法の好ましい実施形態では、
・  あるステップのためには、並進方向の軸に対して所定のインピーダンス制御モードおよび/またはアドミタンス制御モードが設定され、
・  別のステップのためには、回転方向の軸に対して所定のインピーダンス制御モードおよび/またはアドミタンス制御モードが設定される。
【００２５】
その後、これらのステップは、所望の目標姿勢に達するまで（偶数回または奇数回）繰り返してもよい。これらの繰り返し動作において、以前のステップのために既に定義されたそれぞれ同一のインピーダンス制御モードおよび/またはアドミタンス制御モードを個々のステップのために使用するか、または、インピーダンス制御モードおよび/またはアドミタンス制御モードをステップ間で変更してもよい。
【００２６】
したがって、本発明に係る方法は、所望の動作シーケンスをいくつかのステップつまりループでプログラミングし、いくつかのステップを経て最終的な姿勢に近似させることを特徴とする。
【００２７】
ステップ数は、任意に選択してもよいし、空間の状況に応じた結果であってもよい。したがって、作業空間内で一つの同じ姿勢を達成するために、一つの手動ガイドから、異なるプログラミング方法によって異なる動作シーケンスが生じる可能性がある。マニピュレータが「ティーチイン」中に本発明に係る方法に従って移動する空間に障害物がない場合、マニピュレータを数ステップで多かれ少なかれ直接的に目標場所までガイドできる。例えば、人間とロボットとの共同作業のために設計された作業空間内の人の位置など障害物を考慮する必要がある場合、これらの障害物の周りを回り、複数のステップでマニピュレータを所望の目的地までガイドすることができる。
【００２８】
本発明によれば、インピーダンス制御モードおよび/またはアドミタンス制御モードは、あるステップ中で、一定であるように、時間変化するように、および/または状態に依存するように設計される。
【００２９】
本発明に係る方法を実施するために、多自由度を提供するマニピュレータを有するロボットシステムは、制御ユニットと、ロボットシステムをプログラミングするための入力装置と、を備え、制御ユニットおよび入力装置は、ロボットシステムのプログラミング中に少なくとも一つのインピーダンス制御モードおよび/またはアドミタンス制御モードが座標系の軸に適用されるように構成される。これは、多自由度のうち少なくとも一つの自由度は、この自由度に固有の移動性に関して制御可能であることを意味する。
【００３０】
制御ユニットは、上述のパラメータに従って、一つ以上の座標系を予め設定し、その後、必要な目的に最も適していると思われる座標系の種類を選択するように構成される。デカルト座標系が好ましいが、これに加えて、円筒座標系、球面座標系、または多重度によって規定される座標系も考えられる。
【００３１】
オペレータは、本発明に係るロボットシステムつまり本発明に係る方法によって、必要に応じ、プログラミング目的で、ロボットシステムの個々の関節にインピーダンス制御モードおよび/またはアドミタンス制御モードを適用することができ、例えば、ロボットシステムのプログラミング中に実行すべき動作のための自由度の可動性レベルを設定するために、設定されたコンプライアンス制御モードを用いて、ロボットシステムの各自由度に対する影響を減衰させることができ、したがって選択的にブロックすることができる。このようにして、前述したように、回転方向および/または並進方向のいずれに関しても所定の座標系を考慮して動作を定義することができる。
【００３２】
本発明には、「ティーチイン」中に重力補償モードを作動または停止させることを繰り返す代わりに、多段階の、選択的にプログラミング可能な制御方法を提案できるという優位性があり、ロボットシステムが備える複数の自由度のうち一部だけが、外力によっていつでも変えられる、すなわち、例えばコンプライアンス制御モードのような、設定されたインピーダンス制御モードおよび/またはアドミタンス制御モードの適用によって、減衰されるか、および/または、ブロックされる。結果的に、これは、オペレータが、手動ガイドの結果としてロボットシステムのプログラミング中に実行される動作のために、ロボットシステムの利用可能な複数の自由度の数を減らすことができることも意味する。これは、一つ以上の自由度を選択的かつ個別に減衰するかブロックすることによって行われ、その結果、特に環境との相互作用に関する動作は、ブロックされない自由度だけに制限される。この場合のブロッキングは絶対的なブロックという意味ではなく、好ましい状態としては、ある関節は極めてハードな自由度の減衰が適用されて、このような高い剛性が最終的に関節をブロックするが最小限のわずかな動きはまだ可能である一方、別の関節は極めてソフトな自由度の減衰が適用されて、このような低い剛性がこの関節を緩める。
【００３３】
例えば、関節機構によって可能となる、ロボットアームの個々の軸同士の相対的な各動作は、特に減衰する必要があるが、各動作の自由度減衰の度合いが異なるように設定されてもよいし、関節ごとに異なってもよい。これは、関節点に配置された駆動機構を適切に制御することによって行うことができる。
【００３４】
簡単なケースでは、例えば、三段階の手順が適用されて、まず、マニピュレータが、重力補償された（および/または遠心力補償された、および/またはコリオリ力補償された、および/または慣性補償された）状態に変換され、おおよそ所望姿勢に近い状態にされる。次に、エンドエフェクタと関係付けられた座標系に対する回転軸のみが解除され、エンドエフェクタの位置設定の一回目の修正が行われる。次に、これらの回転軸はほとんどブロックされ、つまり、極めて高い剛性が付与されて、この座標系に対して並進軸のみが解除され、エンドエフェクタの最終位置が設定される。これらのステップは、微調整という意味で最終的な所望姿勢が達成されるまで、一つ以上のループで繰り返すことができる。
【００３５】
結果として、オペレータは、作業に関連しない自由度に関しても、エフェクタを有する多関節ロボットシステムを非常に簡単に操作することができるし、また、軌道を設定することができるロボットシステムを使用して、当該ロボットシステムの姿勢を設定することもできるのでプログラミングがかなり容易になる。なお、当該軌道は、例えば、後続の作業でロボットシステムのすぐ近くにいる作業者の作業空間などの既知の障害物を適切に考慮したものである。
【００３６】
入力装置は、ロボットシステムのリンク上に、好ましくはエンドエフェクタの領域に配置されてもよいし、または外部タブレットであってもよく、オペレータが、手動で実質的にリアルタイムに所望のコンプライアンス制御モードを片手で起動したり停止したりすることができ、マニピュレータの個々の関節を区別することができる。
【００３７】
さらに、本発明に係るプログラミング方法は、例えば、零空間を有する七軸マニピュレータを片手で容易にガイドすることができ、その結果、設定コストを削減しつつ設定時間をさらに短縮することができる。
【００３８】
特に好ましい実施形態において、本発明に係る方法は、すべての個々のステップを実行した後に生成される、所望姿勢に関して設定される動作のための総インピーダンス制御モードおよび/または総アドミタンス制御モードが、インピーダンス制御モードによる挙動および/またはアドミタンス制御モードによる挙動の枠組みの範囲で共通の所望の向きを維持しながら、少なくとも一つの追加の所望姿勢に適用されるという特徴を有し、前記追加の所望姿勢の位置または並進は、元の所望姿勢の位置または並進に対して、共通平面内で、および/または当該平面に対し角度を付けて、動かされる。
【００３９】
例えば、所定の平面上にある平行な対象物を固定するために、一度「ティーチイン」によって設定された、ロボットアームしたがってエフェクタの所望の向きを、何度でも使用することが可能である。姿勢の所望の向きは一度設定されると維持され、それぞれの位置のみが変更される。例えば、カバーの全体にわたって分布する複数のねじガイド位置を有する筐体カバーをねじ止めする際、エンドエフェクタの所望の位置または所望の並進のみが、それぞれのねじ穴位置に対してねじドライバ要素を用いて教え込まれるが、実行するねじ止め動作の結果として生じる所望の向きは維持される。したがって、プログラミング時間をさらに短縮することができる。
【００４０】
本発明に係る方法は、特に軽量構造のロボットシステムの多軸マニピュレータについての動作シーケンスをプログラミングしたり設定したりする新規概念を提供し、この方法には、異なるコンプライアンス制御モードまたはインピーダンス制御プロファイルを選択することによって、作業空間に関する動作を限定するという特徴がある。マニピュレータの全体的なコンプライアンス動作は、特定の目的または操作に合わせるために、作業空間に関して決定される。所望の相互作用のために、一方では異なる座標系が、他方では異なるコンプライアンス制御挙動が必要になる場合、「ティーチイン」処理のときに簡単な方法で、特にロボットへの直接入力によって、実質的に個々のインピーダンス制御プロファイルおよび/またはアドミタンス制御プロファイルを交互に切り替えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
本発明のさらなる利点および特徴は、添付の図面を参照して説明される実施形態の記載内容から明らかになる。
【図１】ロボットシステムの多軸マニピュレータの例を示す図であって、本発明に係る方法に使用可能な座標系が概略的に示されている。
【図２】本発明に係る方法の実施形態の本質的な各ステップを説明するフローチャートである。
【図３Ａ】既知の方法と比較した、本発明に係る漸進的な方法を示す図である。
【図３Ｂ】個々のコンプライアンス制御モード同士で形成され得る相互の相関関係の図であり、剛性のみが提供されている。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
図１には、例として、複数の軸リンクＡから成るマニピュレータＭを有するロボットシステムが示され、これらの軸リンクは関節Ｇを介して互いに接続されている。マニピュレータＭの端部には、作業空間Ｒにおいて所定の操作を行うエフェクタＥが提供されている。
【００４３】
姿勢Ｘｉを取るマニピュレータＭには、いくつかの座標系をあてることができ、図１では概略的に、この場合にはデカルト座標系として示されている。しかし、例えば多重度に関連する座標系のような他の座標系も考えられる。
【００４４】
第一座標系ＣＡは、例えば、軸リンクＡの一つを参照し、この座標系ＣＡ内に適切な軸ＡＡを有して、この軸が座標系ＣＡを規定する。
【００４５】
第二座標系ＣＥは、エフェクタＥを直接に参照し、したがって、座標系ＣＥを規定する軸ＡＥを有する。
【００４６】
第三座標系ＣＧは、単一の関節Ｇを直接に参照し、したがって、軸ＡＧによって規定される。
【００４７】
第四座標系ＣＲとしては、作業空間Ｒを参照し適切な軸ＡＲによって規定される座標系が考えられる。
【００４８】
本発明に係る「ティーチイン」手法では、マニピュレータＭは、いくつかのステップＳｉ，Ｓｊ（図２および図３Ａ参照）を経て姿勢Ｘｉに移行され、この姿勢になると、エフェクタＥ、つまり、マニピュレータＭによって支持される先端リンクが、最終的な姿勢Ｘｉに近似される。ここで、姿勢Ｘｉは、そこで実行される操作の位置に対応する作業空間Ｒ自体、例えば組立て作業場所、によって、および、実行される操作の種類、例えばねじ止め動作、によって、決まる。しかし、それはエフェクタＥの単純な空間的な位置であってもよく、これは所定の目的から直接には得られない。
【００４９】
各ステップＳｉ，Ｓｊについて、定義された少なくとも一つのインピーダンス制御モードおよび/またはアドミタンス制御モードが設定されるが、この場合は、インピーダンスまたは剛性マトリックスＫｘに基づいたコンプライアンス制御モードが設定される。
【００５０】
本発明によれば、インピーダンス制御モードおよび/またはアドミタンス制御モードは、選択された座標系の少なくとも一つの軸を、すなわち、例えば、一つ以上の軸リンクＡにあてる座標系ＣＡの少なくとも一つの軸ＡＡを、一つ以上の関節Ｇにあてる座標系ＣＧの少なくとも一つの軸ＡＧを、エフェクタにあてる座標系ＣＥの少なくとも一つの軸ＡＥを、および/または一つ以上の作業空間Ｒにあてる座標系の少なくとも一つの軸ＡＲを、参照するように設計されるべきである。
【００５１】
図２は、本発明に係る方法の実施形態のフローチャートを概略的に示しており、オペレータがロボットシステムに関し手動でこのフローチャートのプログラミングを実行することができる。
【００５２】
最初のステップ１０において、マニピュレータＭは補償モードに設定される。この目的のために、関節Ｇ内の駆動ユニットを相応に制御することによって、重力に、必要に応じて、遠心力および/またはコリオリ力に、および/または開始された慣性力に、反作用するために、これらの力に対応する反力および逆モーメントが生成される。これらの力によって、マニピュレータＭの自重ひいては慣性力、およびギヤや関節の任意のセルフロックが相殺されるので、マニピュレータＭは、通常、最初に反発可能な挙動を示す。
【００５３】
オペレータは、ロボットアームまたはエフェクタＥをほぼ所望姿勢にさせて、および/または所望の位置まで移動させることができるようになった。
【００５４】
例えば、関連座標系としてデカルト座標系を考慮する場合、考えられる、デカルト空間における目的ベースの剛性要素は、数式１のようになる。これらの剛性要素を分解すると、デカルト空間における並進および回転に関する各剛性を定義する。
［数式１］
2019514705.tif 000003
マニピュレータＭが所定方向に自由に動くことができる場合、この方向にあてられたｎｔ番目の剛性要素は数式２のように定義される。
［数式２］
2019514705.tif 000004
【００５５】
この目的のために、減衰用プロファイルまたはコンプライアンス制御モードを指定するか選択することによって、デカルト空間における所定の目的ベースの減衰ｄｘ,ｉを、この減衰のために６−ｎｔに制限された方向のすべてに関して選択してもよい。
【００５６】
なお、実践上は、（例えば、センサノイズに起因する）現実の状況下で作業または動作と相互作用するのを除外するために、零空間に関する減衰またはインピーダンスを詳細に指定すべきではない。それにもかかわらず、本発明に係る方法の枠組み内で、独立した、例えば場合によっては時間変化するコンプライアンス制御モードを零空間にあてることを規定してもよい。
【００５７】
端的に言えば、この結果としてデカルト空間の剛性行列は、数式３のようになる。
［数式３］
2019514705.tif 000005
ここで、
［数式４］
2019514705.tif 000006
は、対角で正定値である、並進および回転に関する剛性行列を表している。
【００５８】
上述した近似処理の最初のステップＳiにおいて、デカルト座標系の一つの軸、例えば座標系ＣＡの軸ＡＡに対するコンプライアンス制御モードが、並進的な向きに設定される。その結果、これに対応する剛性行列は数式５のようになる。
［数式５］
2019514705.tif 000007
このステップＳｉを一回実行すれば、目標姿勢Ｘｉに達するのに既に十分であり得る（図２のステップ２０）。しかしながら、ステップＳｉを一回以上繰り返すこともできる（図２のステップ３０’）。
【００５９】
近似処理の追加のステップＳｊでは、座標系のこの軸ＡＡに対して、回転方向に設定されたコンプライアンス制御モードが定義される。結果的に、これに対応する剛性行列は数式６のようになる。
［数式６］
2019514705.tif 000008
本発明に係る「ティーチイン」手法のこれらのステップは、必要に応じて頻繁に繰り返してもよいが、最終的に姿勢Ｘｉ（図２のステップ４０）に到達するまで、必ずしも（図２のステップ３０’、３０”を）常に交互に繰り返す必要はない。
【００６０】
したがって、一旦、並進方向に一度だけ停止し、回転方向に一度だけ停止する各ステップは、それ自体、実質的に単純化された「ティーチイン」ステップである。
【００６１】
本発明に係る方法は、一度決定されて設定された姿勢Ｘｉを、位置だけが姿勢Ｘｉと異なるが共通の目標姿勢または目標方向を有する、別の目標姿勢Ｘｊに移すために使用できることが好ましい（図２のステップ５０）。
【００６２】
例えば、姿勢ＸｉでマニピュレータＭのエフェクタＥによって部品にねじ止めすべきねじがある。この部品の別の場所には、やはりネジ止めすべきＳ−１個のネジがある。  
【００６３】
例えば重力補償状態に移行した後、上述したように、並進状態と回転状態とが切り替えられる。剛性マトリックスは、コンプライアンス制御モードの選択によってユーザ定義される。すなわち、数式７が成立する。
［数式７］
2019514705.tif 000009
これは、姿勢Ｘｉに達すると、基準として格納される。
【００６４】
その後、所定のモードに切り替えられ、このモードでは、マニピュレータＭが別のネジの別のＳ−１個の位置にガイドされて、向きが同じなので位置だけが格納される。したがって、これに対応する行列は数式８ようになる。
［数式８］
2019514705.tif 000010
したがって、別の姿勢Ｘｊごとに、数式９が成立する。
［数式９］
2019514705.tif 000011
剛性行列によって定義された以前のコンプライアンス制御モードを使用することによって、任意の数の別の姿勢Ｘｉ，Ｘｊ・・・Ｘｓを体系的な手法でプログラミングできることは明らかである。
【００６５】
図３Ａは、本発明に係る方法の利点を、既知の「ティーチイン」手法と比較して例示的に示している。この図３Ａは個々のステップの経過を示しており、各ステップでは、マニピュレータＭのエフェクタＥが、作業空間Ｒ内の特定の目的地点Ｂで所定の姿勢を取る。
【００６６】
特筆すべき点として、マニピュレータＭのエフェクタＥが最終的に所定の操作を実行すべき目標点Ｂは、マニピュレータＭがたどるべき動作シーケンスをプログラミングするための入力変数または入力パラメータとしては知られていない。
【００６７】
マニピュレータＭの移動は、空間の任意の位置Ａでの初期状態から開始されて、この位置は、位置Ｂがある作業空間Ｒからは完全に分離され、分断されている。 
【００６８】
純粋な動作プログラミング（点線）では、エフェクタＥを有するマニピュレータＭは、任意の地点Ｂ’で終了となるが、この地点は未知であるかまたは不十分にしか知られていないので、必然的に所望の位置に一致することはない。地点Ｂは事前には未知であるかまたは不十分にしか知られておらず、達成すべき結果（姿勢、地点Ｂでの操作）によってしか明示的にわからないので、純粋な動作プログラミングのために使用できる環境モデルは生成できない。
【００６９】
「ティーチイン」プログラミングでは、マニピュレータＭが重力補償された状態（破線）でのみガイドされ、エフェクタＥは、常に、不正確すぎて、最小ではあるが所望の位置Ｂから逸脱する位置Ｂ”で終了する。しかしながら、最小の逸脱であっても、例えばねじを止めるなどの所望の操作を間違いなく確実に反復可能な手法で行うことはできないと既に十分に示している。また、「ティーチイン」手順、すなわち最終的にマニピュレータのガイドを実行するのは、この場合にはかなり困難であることが判明する。
【００７０】
したがって、本発明によれば、マニピュレータＭのガイドは、異なる所要時間を有することができる複数のステップＳ１〜Ｓ４に細分することができ、各ステップには、コンプライアンス制御モードを規定する剛性行列Ｋ１〜Ｋ４があてられる。このようにして、エフェクタＥは、所望の操作に必要な姿勢ＸＢを取るために正確に位置Ｂに近づくことができる（実線）。
【００７１】
例えば、重力、慣性力、遠心力、および/またはコリオリ力に関して同時に補償しながら、複数の異なる剛性行列Ｋ１〜Ｋ４を適用することによって、これらの剛性行列Ｋ１〜Ｋ４は、ステップＳ１〜Ｓ４全体に対して互いに連携させることができる。つまり、結果として得られる個々のコンプライアンス制御モードは、図３Ｂに示すようにすべてが相互に関連している。
【００７２】
一方ではステップ数の選択という目標と、他方ではインピーダンス制御モードおよび/またはアドミタンス制御モード（最も単純な場合にはコンプライアンス制御モード）の選択という目標と、を通じて、一つ以上の所望姿勢を漸進的に実現することが可能となるが、当該姿勢は、事前には、知識が不足しているので、動作シーケンスのプログラミングに含めることはできない。
【図１】
2019514705.tif 000012
【図２】
2019514705.tif 000013
【図３Ａ】
2019514705.tif 000014
【図３Ｂ】
2019514705.tif 000015
【国際調査報告】
2019514705.tif 000016
2019514705.tif 000017
2019514705.tif 000018
2019514705.tif 000019
2019514705.tif 000020
2019514705.tif 000021