(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象体をハンドリングする方法において、
ａ）  ハンドリングすべき対象体（１）と、マニュピュレータ（５）と、を機械的に接続するステップと、
ｂ）  前記ハンドリングすべき対象体（１）と、入力ツール（７）と、を機械的に接続するステップと、
を有しており、前記入力ツール（７）により、前記入力ツール（７）に関連付けられた内部座標系（Ｋ’）において方向（→ｄ’）を入力可能であり、ただし前記内部座標系（Ｋ’）と、外部座標系（Ｋ）との間の関係が未知である任意の向きで前記機械的な接続を行い、
さらに、
ｅ）前記外部座標系（Ｋ）における既知の方向（→ｒ）に基づき、制御ユニット（６）によって前記マニュピュレータ（５）のテスト運動を制御するステップ（Ｓ３）と、
ｆ）  前記内部座標系（Ｋ’）において、前記マニュピュレータ（５）の前記テスト運動から得られる、前記入力ツール（７）の運動の方向（→ｒ’）を算出するステップ（Ｓ５）と、
ｇ）  前記テスト運動の前記既知の方向（→ｒ）及び結果的に得られた前記運動の前記方向（→ｒ’）に基づいて、前記内部座標系（Ｋ’）において得られた前記運動の前記方向（→ｒ’）を前記外部座標系（Ｋ）における前記既知の方向（→ｒ）に変換する座標変換（Ｔ）を算出するステップ（Ｓ６、Ｓ１３）と、
ｈ）  前記内部座標系（Ｋ’）において、ユーザが前記入力ツール（７）に入力した内部方向（→ｄ’）を検出するステップ（Ｓ７）と、
ｉ）  検出した前記内部方向（→ｄ’）に前記座標変換（Ｔ）を適用して、外部方向（→ｄ）を得るステップ（Ｓ８）と、
ｊ）  前記外部方向（→ｄ）に基づいて前記マニュピュレータ（５）の運動を制御するステップ（Ｓ９）と、
を有する方法。
【請求項２】
ステップｉ）において制御される前記マニュピュレータ（５）の前記運動に回転運動が含まれる場合、前記座標変換（Ｔ）を更新する、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記テスト運動は、回転運動であり、前記既知の方向（→ｒ）は、前記回転運動の軸の方向である、
請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記既知の方向（→ｒ）は、水平方向である、
請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
入力された内部方向（→ｄ’）として、前記入力ツール（７）のヘッド（９）と基台（８）との間に働く力の方向もしくは回転トルクの方向を検出するか、又は、前記ヘッドが前記基台に対して静止位置を起点として運動可能な場合、前記ヘッドの運動の方向を検出する、
請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
ステップａ）とステップｄ）との間で、
ｃ）  ユーザが前記入力ツールに入力した内部方向（→ｄ’）を検出するステップ（Ｓ７）と、
ｄ）  前記既知の方向（→ｄ）を得るため、前記内部方向（→ｄ’）に、あらかじめ設定した座標変換（Ｔｎ）を適用するステップ（Ｓ８）と、
を実行する、
請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記あらかじめ設定した座標変換（Ｔｎ）は、前記方法の以前の繰り返しにおいて算出した座標変換である、
請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記マニュピュレータ（５）の運動によって引き起こされたものではない前記入力ツール（７）の運動が検出される場合、又は、前記マニュピュレータ（５）の運動に対して前記入力ツール（７）の運動が検出されない場合に、障害を識別する、
請求項１から７までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
請求項１から８までのいずれか１項に記載の方法を実行するのに適した対象体ハンドリングシステム。
【請求項１０】
前記入力ツール（７）は、前記対象体（１）に固定するための基台（８）と、ユーザによるハンドリングのためのヘッド（９）と、を有しており、
前記ヘッド（９）及び前記基台（８）は、入力センサ（１２）を介して物理的に接続されており、
前記入力センサ（１２）は、前記入力ツールの前記内部座標系に関して、前記ユーザが前記ヘッド（９）に加えた少なくとも１つのベクトルの制御量（→ｄ’）を検出するように構成されている、
請求項９に記載の対象体ハンドリングシステム。
【請求項１１】
方位センサ（１６）として加速度センサが設けられており、
前記加速度センサの検出結果（→ｇ’０、→ｇ’１、→ｇ’２）は少なくとも、前記入力ツール（７）の内部座標系（ｘ’、ｙ’、ｚ’）に関して、前記入力ツールに働く加速度の方向を量的に特定する、
請求項９又は１０に記載の対象体ハンドリングシステム。
【請求項１２】
前記入力ツール（７）及び前記制御ユニット（６）は、相互の通信のための無線インタフェース（１６，１７）を有する、
請求項９から１１までのいずれか１項に記載の対象体ハンドリングシステム。
【請求項１３】
前記マニュピュレータは、関節接続された複数のリム（４）を備えたロボットアーム（２）のエンドエフェクタ（５）である、
請求項９から１２までのいずれか１項に記載の対象体ハンドリングシステム。
【請求項１４】
請求項９から１３までのいずれか１項に記載の対象体ハンドリングシステム用の入力ツールであって、
前記入力ツールには、前記入力ツールの周囲の領域に異物が存在することに応答するスイッチ（１９）が含まれている、
入力ツール。
【請求項１５】
前記入力ツール（７）は、前記対象体（１）に固定するための基台（８）と、ユーザによるハンドリングのためのヘッド（９）と、を有しており、
前記スイッチ（１９）は、前記入力ツール（７）の前記基台（８）に配置されており、
前記周囲の領域は、前記ヘッド（９）とは反対側を向いた、前記基台（８）の面（１０）にある、
請求項１４に記載の入力ツール。
【請求項１６】
前記入力ツールは、前記スイッチ（１９）により、前記対象体ハンドリングシステムの方位センサ（１６）及び／又は前記対象体ハンドリングシステムの入力センサ（１２）の検出結果が出力されない静止状態と、前記検出結果が出力される活動状態と、の間で切り換え可能である、
請求項１４又は１５に記載の入力ツール。
【請求項１７】
請求項１から８までのいずれか１項に記載の方法をコンピュータが実行できるようにするプログラムコード手段を備えたコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば倉庫、製造施設などにおいて対象体、特に重量がある、かさばる又は他の理由からハンドリングし難い対象体をハンドリングする方法及び手段に関する。
【背景技術】
【０００２】
中国特許出願公開第１０２５８１８５２号明細書（CN 102 581 852 A）からは、対象体をハンドリングする方法が公知であり、ここではマニュピュレータによって保持されかつこのマニュピュレータによって運動させられる対象体に、入力ツールが取り付けられ、この入力ツールにおける操作レバーを引く又は押すことによって対象体の運動が制御される。しかしながらこの入力ツールによる対象体の運動の直観的な制御は、操作レバーを引く方向又は押す方向と、これによって制御される対象体の運動方向と、が一致するように入力ツールが取り付けられている場合にのみ可能である。
【０００３】
独国特許第３８８３１０９号明細書（DE 38 83 109 T2）からは、対象体ハンドリングシステムが公知であり、ここでは、入力ツールは、立方体形の体部と、この立方体の６つの面のうちの１つから突き出ているジョイスティックとを有する。この入力ツールは、上記の立方体の他の５つの面のうちの任意の面を下にして位置付けることができ、かつ下を向いているキューブ面を識別できるようにする方位センサを備えている。ユーザがジョイスティックにおいて行った入力を実行する際、制御ユニットにより、上記の５つのキューブ面のうちのどの面が下を向いているかが考慮される。ジョイスティックを備えた入力ツールが、上を向いて、すなわちｚ方向に置かれている場合、ジョイスティックの操作は、取り扱われる対象体のｘ−ｙ面内の移動に変換され、入力ツールが横向きになっており、ジョイスティックを上又は下に変位させることができる場合には、この変位により、対象体のｚ方向への移動も制御される。直観的な操作性はここでも保証されない。なぜならば、ｚ軸周りの入力ツールの回転は検出できないため、ユーザがこの入力ツールにおいて水平方向に行った操作の方向と、これにしたがって制御装置によって制御される対象体の運動の方向とはランダムにばらばらになり得るからである。
【０００４】
独国特許出願公開第１０２００９０４１９４６号明細書（DE 10 2009 041 946 A1）からは、マニュピュレータ用の制御命令及びプログラム命令を組み合わせて入力する入力装置が公知である。この入力装置には、制御命令を入力するための、基台に対して多軸に運動する手動制御レバーと、プログラム命令を入力するための、多軸の指入力装置と、が含まれている。
【０００５】
欧州特許第１７３８８８１号明細書（EP 1 738 881 B1）には、操作スイッチを備えかつユーザが操作すべき入力装置を含むロボット制御システムが開示されている。この入力装置は、ロボットを相応に駆動制御するため、その位置及び姿勢を検出する６自由度の磁気センサを有する。
【０００６】
米国特許出願公開第５３４５５４０号明細書（US 5 345 540 A）には、マニュピュレータを原点から１つ以上のモジュールへと移動するため、マニュピュレータをプログラミングする方法が開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、対象体の運動の快適かつ直観的な制御性をつねに保証することが可能な、対象体のハンドリング方法を提示することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題は、以下の複数のステップを有する方法によって解決される。すなわち、
ａ）  対象体と、マニュピュレータ及び入力ツールとを機械的に接続するステップを有しており、この入力ツールにより、入力ツールに関連付けられた内部座標系において方向を入力可能であり、上記の方法はさらに、
ｄ）  外部座標系における既知の方向に基づき、制御装置によってマニュピュレータのテスト運動を制御するステップと、
ｅ）  内部座標系において、マニュピュレータのこのテスト運動から得られる、入力ツールの運動の方向を算出するステップと、
ｆ）  この内部座標系において得られた運動の方向を、外部座標系における既知の方向に変換する座標変換を算出するステップと、
ｇ）  内部座標系において、ユーザが入力ツールに入力した内部方向を検出するステップと、
ｈ）  検出したこの内部方向に座標変換を適用して、外部方向を得るステップと、
ｉ）  この外部方向に基づいてマニュピュレータの運動を制御するステップと、を有する方法によって解決される。
【０００９】
入力ツールは任意の向きで対象体及びマニュピュレータと接続することができるため、外部座標系と内部座標系との間の関係ははじめのうちは未知である。しかしながら外部座標系におけるテスト運動の方向は、既知でありかつ内部座標系において測定することができるため、これらの座標系間の関係も見出すことができ、ユーザが入力した方向を外部座標系に変換し、これにより、ユーザの入力に応答して制御ユニットによって制御された運動の方向と、入力された方向とが一致するようにすることが可能である。これにより、対象体ハンドリングシステムの直観的な操作可能性が保証される。
【００１０】
入力ツールが、マニュピュレータ及びこのマニュピュレータによってハンドリングされ対象体に接続されていることにより、入力ツールの向きの変化は、この変化が、対象体の対応する向きの変化に伴って発生し、したがってマニュピュレータの制御ユニットによってトリガされる場合にのみ可能である。このような向きの変化は、独国特許第３８８３１０９号明細書（DE 38 83 109 T2）から公知の入力ツールとは異なり、制御ユニットが、入力ツールにおいて行われたユーザの入力に基づいて対象体を運動させる場合、座標変換を更新することによって制御ユニットによって考慮することができるため、空間において入力ツールの向きが変化した場合であっても、入力の方向と、これによって得られる対象体の運動の方向との一致を維持することができる。
【００１１】
上記のテスト運動は、並進運動であってよい。その方向を検出するため、入力ツールに加速度センサを備え付けることができ、この加速度センサを用いて、テスト運動の開始時に入力ツールに加わる加速度の方向、ないしはテスト運動の終了時における減速度の方向を検出することができる。
【００１２】
有利な択一的な実施形態によれば、上記のテスト運動は回転運動であり、上記の既知の方向は、この回転運動の軸の方向である。このような回転運動も加速度センサによって検出することができ、ここでこの検出は、入力ツールの内部座標系において重力加速度の方向をそれぞれこの回転運動の前後に検出することによって行われる。この場合にこの回転運動の軸の方向は、例えば、検出した２つの重力加速度ベクトルの外積を形成することにより、問題なく計算することができる。
【００１３】
内部座標系における上記の方向を可能な限りに正確に求められるようにするため、上記の既知の方向を有利には水平方向にとる。
【００１４】
入力ツールが、対象体と接続するための基台と、静止位置を起点にしてこの基台に対して運動可能なヘッドとを有する場合、ユーザによって入力される内部方向として、このヘッドの運動方向を検出することができる。
【００１５】
基台に対するヘッドの可動性が要求されない択一的な実施形態によれば、入力される内部方向として、入力ツールのヘッドと基台との間に働く力の又は回転トルクの方向を検出することも可能である。
【００１６】
上記のテスト運動の既知の方向は、固定に設定することができ、上述の方法の都度の実行の際に同じであってよい。これが特に好適であるのは、この方法が、対象体ハンドリングシステムの各運用開始時に実行され、ないしは入力ツールと、対象体及びマニュピュレータとを接続した後に実行され、入力ツールがどの向きに固定されているかについての情報がまったくない場合である。択一的には、ステップａ）とステップｄ）との間に以下の複数のステップを付加的に実行することも可能である。すなわち、
ｂ）  入力ツールにおいてユーザが入力した内部方向を検出するステップと、
ｃ）  検出した内部方向に、あらかじめ設定した座標変換を適用するステップとを実行して、これによって上記のテスト運動に対する方向を得ることも可能である。ここでこの方向は確かに、この方法のそれぞれの実行時に必ずしも同じではないが、それでも上記のあらかじめ設定した座標変換によって計算可能でありかつこれによって既知になる。
【００１７】
上記のあらかじめ設定した座標変換は好適には、特にこの方法の以前の繰り返しにおいて算出した座標変換であってよい。これにより、テスト運動の方向と、ユーザがその入力によって対象体を案内しようとする方向とが、少なくとも十分に一致する確率が高くなり、ユーザが望まない方向に対象体が運動することによるこのユーザの苛立ちを回避することができる。
【００１８】
さらにこの付加的なステップにより、特に対象体ハンドリングシステムの動作の間に、適用した座標変換が、入力ツールの方向付けに引き続いて適合するか否かを連続してチェックし、場合によっては座標変換を適合させることが可能になる。
【００１９】
好適には、マニュピュレータの運動に引き起こされたものでない入力ツールの運動が識別される場合に、又はマニュピュレータの運動に対して、入力ツールの運動が識別されない場合に、例えば、入力ツールと、ハンドリングすべき対象体との間に物理的な接続が欠如していることに起因する障害を識別することができる。
【００２０】
本発明はさらに、ハンドリングすべき対象体を一時的に固定することができるマニュピュレータと、対象体に固定可能な入力ツールと、入力ツールにおいてユーザが行った入力に基づいてマニュピュレータを制御する制御ユニットと、を備えた対象体ハンドリングシステムを対象としており、ここでは入力ツールは、空間における入力ツールの向きを検出する方位センサを有しており、かつ、方位センサの検出結果を制御ユニットに伝送するように構成されている。
【００２１】
上記の入力ツールは、対象体に固定するための基台と、ユーザによるハンドリングのためのヘッドとを有することが可能であり、このヘッド及び基台は好適には、入力センサを介して物理的に接続されており、この入力センサは、入力ツールの内部座標系に関して、方向を入力するため、ユーザがヘッドに加えた少なくとも１つのベクトルの制御量を検出するように構成されている。
【００２２】
上記の方位センサは、入力機器の参照方向と、重力加速度又は地磁場の方向のような外部の主方向との間の角度測定を可能にする任意のセンサであってよい。特にこの方位センサは、加速度センサであってよく、その検出結果によって少なくとも、入力ツールの内部座標系に関して、入力ツールに働く加速度の少なくとも方向を、場合によってその大きさも量的に特定する。この加速度センサの分解能がよければよいほど、上記の座標変換を十分な精度で求めるのに必要なテスト運動の振れ幅は小さくなる。テスト運動の振れ幅が小さいことは、テスト運動中に対象体が外部の障害物に衝突するのを回避するのに望ましいことである。したがって上記の加速度センサの角度分解能を好適には、数度の範囲にするか又はこれよりも良好になるようにする。
【００２３】
対象体に入力ツールを配置する可能性が制限されないようにするため、入力ツール及び制御ユニットは好適には、相互の通信のための無線インタフェースを有する。
【００２４】
上記のマニュピュレータは、関節接続された複数のリムを備えたロボットアームであってよい。しかしながら本発明は、これに限定されず、例えば橋形クレーン又はウィンチ台車を用いて動かすことができるマニュピュレータにも転用可能である。
【００２５】
本発明の別の対象は、上述した対象体ハンドリングシステム用の入力ツールである。このような入力ツールは好適には、この入力ツールの周囲の領域に異物が存在することに応答するスイッチを含み得る。このスイッチの状態は、ハンドリングすべき対象体に入力ツールが固定されているか否かについての一指標である。このスイッチは、対象体との接触によって機械的に操作可能であってよいか又は非接触で動作し得る。非接触のスイッチは特に誘導式スイッチを有利に含む。なぜならばこの誘導式スイッチは、材料組成とはほとんど無関係に対象体を検出することができるからである。
【００２６】
このようなスイッチは好適には入力ツールの基台に配置されており、このスイッチによって監視される周囲の領域は、上記のヘッドとは反対側を向いた、基台の面にある。
【００２７】
上記の入力ツールは、このスイッチにより、方位センサ及び／又は入力センサの検出結果が出力されない静止状態と、検出結果が出力される活動状態との間で切り換え可能である。このような切り換えにより、第１には、入力ツールが対象体に取り付けられていない間に、制御ユニットに検出結果が供給される確率を低減し、第２には、この切り換えは、入力ツールのエネルギ消費を最小化するのに役立つ。このことは特に、入力ツールがその動作エネルギを、例えばバッテリ又は蓄電池のような内部的なエネルギ源から受け取る場合に有利である。
【００２８】
本発明はさらに、上で説明した方法をコンピュータが実行できるようにするプログラムコード手段を備えたコンピュータプログラム製品を対象としている。
【００２９】
本発明の別の特徴及び利点は、添付の図面を参照して行われる複数の実施例の以下の説明から得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明による対象体ハンドリングシステムの概略図である。
【図２】対象体ハンドリングシステムの入力ツールの概略断面図である。
【図３】第１実施形態による、図１の制御ユニットの動作方法の流れ図である。
【図４】本発明による方法の第２実施形態を示す図である。
【図５】図３ないしは図４の方法の発展形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
図１には、対象体１をハンドリングする対象体ハンドリングシステムの概略図が示されている。対象体１はここでは立方体として略示されているが、その形状及び材料的な性質は基本的に任意であることは明らかである。ロボットアーム２には、本発明において外部座標系と称される座標系において位置固定の基台３と、複数の関節４と、が含まれており、これらの関節４は、基台３と、対象体１を保持するエンドエフェクタ５と、の間のチェーンを構成し、かつ、それぞれ関節結合によって相互に接続される、または、基台３はたはエンドエフェクタ５に接続されている。一般的にはマイクロコンピュータである制御ユニット６は、ロボットアーム２に接続されており、これによって軸ｘ、ｙ、ｚを備えた（ここでは外部座標系と称される）座標系Ｋにおいて、関節４及びエンドエフェクタ５の運動が制御される。この座標系においてロボットアーム２の基台３は位置固定である。表記を簡略化するため、以下では、重力ベクトルが負のｚ軸の向きを指すと仮定する。
【００３２】
対象体１には入力ツール７が一時的に固定される。入力ツール７には、ここでは平坦な円柱形の基台８が含まれており、この基台の１つの端面が対象体１側を向きかつこれに固定されており、また、他方の端面により、ユーザがハンドリングすべきヘッド９が支持されている。この実施例においてヘッド９も同様に平坦な円柱形であり、基台８よりもやや小さい直径を有する。
【００３３】
図２には入力ツール７の概略断面図が示されている。対象体１側を向いた端面１０には、一時的に固定するための手段、この実施例では例えば両面粘着テープストライプ１１が設けられており、この両面粘着テープストライプ１１は、対象体１の側面に押し付けるだけでよく、これによって入力ツール７を対象体１に粘着させることができ、またこの両面粘着テープストライプ１１は、汚れてもはや十分に粘着できない場合には交換することが可能である。
【００３４】
ハンドリングすべき対象体１のタイプに応じて、一時的に固定するための別の手段が好適になることがある。例えば、ハンドリングすべき対象体が木製の貨物ボックスの場合、端面１０が、粘着テープストライプ１１の代わりに複数のスパイクを有することも可能であり、入力ツール７がユーザによってボックスに押し付けられると、これらのスパイクが木の表面に穿入して入力ツール７を支える。ハンドリングすべき対象体が、コンテナ又は一般的に強磁性材料製の対象体の場合、一時的に固定するための手段として、永久磁石又は電磁石が考慮の対象になる。ハンドリングすべき対象体がメッシュボックスの場合、端面１０にはフックを設けて、入力ツールをメッシュボックスの壁部の針金に吊すことも可能である。別の変形形態も考えられ得る。
【００３５】
図２に示した制御ユニット６のヘッド９は、センサ１２を介して基台８に接続されており、このセンサ１２によって、ユーザがヘッド９に加えたベクトルの制御量を検出することができる。上記の接続の実施形態に応じて、ヘッド９を、基台８に対してある程度可動にする（例えばジョイスティック）か又は完全に固定にする（例えば圧力センサ）ことが可能である。
【００３６】
センサ１２によって検出される制御量は、特に力又は回転トルクであってよい。直観的には、ユーザがヘッド９に加える引張力又は押圧力は、ユーザが対象体１を並進させたい方向を向いており、ないしは、ユーザによって加えられる回転トルクは、ユーザが対象体１を回転させたい軸の方向を向いている。センサ１２は、構造に応じて力、回転トルク又はその両方を検知することができる。このセンサには有利には、検出すべき制御量毎に、この制御量の互いに直交する３つの成分のうちの１つずつを検出する３つのセンサコンポーネント１４が含まれている。これらのセンサコンポーネント１４は、例えばオプトエレクトロニクスセンサ（ＰＳＤ）、圧電素子、又はヘッド９を基台８に接続するロッド１３に配置されるストレインゲージであってよい。上記の３つのセンサコンポーネント１４が検知する３つの空間方向は好適には、制御ユニット６に関連付けられた内部座標系ｘ’、ｙ’、ｚ’の軸を構成するため、これらの３つのセンサコンポーネント１４によって供給される測定値の３つ組を、内部座標系ｘ’、ｙ’、ｚ’に関連付けられているデカルト座標表示におけるこの制御量のベクトルとして理解することができる。わかり易くするために仮定することができるのは、この内部座標系の軸ｘ’がロッド１３の長手方向に延在し、軸ｙ’が図２の切断面においてこれに対して横に延在し、軸ｚ’が、切断面に対して垂直に延在することである。
【００３７】
基台８には、ベクトルの加速度を測定するため、加速度センサ１５がさらに含まれている。センサ１２と同様に加速度センサ１５も３つのセンサコンポーネントを含んでいてよく、これらはそれぞれ、互いに直交する３つの空間方向における加速度を検知し、ここでこれらの空間方向は、好適には同様に上記の内部座標系ｘ’、ｙ’、ｚ’の軸方向とする。
【００３８】
無線インタフェース１６はセンサ１２、１５に接続されており、これによってこれらのセンサの検出結果を制御ユニット６の相補的な無線インタフェース１７に伝送する。無線インタフェース１６及びセンサ１２、１５に動作エネルギを供給するため、交換可能に基台８に取り付けられているバッテリ又は蓄電池１８が使用される。
【００３９】
図２の実施形態では蓄電池１８と、センサ１２、１５及び無線インタフェース１６との間にスイッチ１９が設けられており、このスイッチ１９は、端面１０を越えて突き出ており、対象体１との接触接続によって操作可能なキー２０を有する。このスイッチ１９は、キー２０が押し込まれた場合に閉成される。これにより、入力ツール７が対象体１に取り付けられておりかつキー２０が押し返されている場合に、センサ１２、１５及び無線インタフェース１６にエネルギが供給され、これらのセンサ及びインタフェースはこの状態において検出結果を制御ユニット６に供給する。入力ツール７が対象体１から取り外され、キー２０が自由になると、スイッチ１９は開き、検出結果は供給されず、エネルギが消費されない。
【００４０】
対象体１への入力ツール７の取り付けを識別するため、別のタイプのスイッチ１９を設けることも可能であり、例えば、周囲の誘電率の変化に基づいて対象体１への接近を識別する容量式近接センサを設けることが可能である。対象体１が強磁性でありかつ入力ツール７を一時的に固定する手段が永久磁石を含む場合、この永久磁石を取り囲むコイルによってスイッチ１９を構成することも可能であり、このコイルは、上記の永久磁石が対象体１に接近した際の磁束の変化に反応する。
【００４１】
図３には、第１実施形態による、制御ユニット６の動作方法の流れ図が示されている。起動ステップＳ１では実質的に、制御ユニット６をスイッチオンするか、又は入力ツール７が対象体１に固定された後、この制御ユニット６が、この入力ツール７からデータを受信しはじめるようにすることが可能である。
【００４２】
加速度センサ１５によって検出されかつ内部座標系に関連付けられた重力加速度ベクトルの３つの成分を制御ユニット６に伝送することにより、入力ツール７は、対象体１へのその取り付けに応答し、これらの成分は、ステップＳ２において制御ユニット６によって受信され、ベクトル
【数１】
0006570540.tif 000002
として記憶される（以下ではこのベクトルを→ｇ’０と表すものとする。他のベクトルも同様）。
【００４３】
ステップＳ３において制御ユニット６は、テスト運動において対象体１を軸の周りに回転するため、ロボットアーム２を駆動制御する。この軸の方向は、制御ユニット６には既知であり、また外部座標系においてこの軸に平行なベクトル→ｒとして示すことが可能である（以下では上記のベクトルと、このベクトルによって特定される軸とを区別せず、シンボル→ｒをこれらの２つに使用する）。
【００４４】
この方法は、軸→ｒが水平方向に選択されている場合には特に簡単である。この場合に表記を簡略化するため、さらに仮定することができるのは、上記のテスト運動が、外部座標系Ｋのｘ軸の周りの回転であること、すなわち→ｒがｘ方向のベクトルであることである。
【００４５】
この回転は結果的に、入力ツール７の内部座標系における重力加速度の方向を変化させることになり、変化した重力加速度ベクトルはＳ４において再度、制御ユニット６によって受信されて、ベクトル→ｇ’１として記憶される。この回転軸の方向は、内部座標系において、
→ｒ’＝→ｇ’０×→ｇ’１
によって与えられ、ステップＳ５において計算される。
【００４６】
ベクトル→ｇ’０及び→ｇ’１は、内部座標系において１つの面を張り、この面内には、上記の回転の間に発生するすべての重力加速度ベクトルもあり、かつ、この面に外積→ｒ’＝→ｇ’０×→ｇ’１が直交している。軸→ｒが水平方向を向いていない場合、重力加速度ベクトルは、上記とは異なり、回転軸周りの円錐を定め、異なる複数の時点に測定した複数の重力加速度ベクトルの外積は、上記の軸の方向とは一致しない別の複数の方向を有するため、この場合には上記の式は当てはまらない。はじめに回転中及び回転後に検出した重力加速度ベクトル→ｇ’０、→ｇ’０．５及び→ｇ’１は、すべて同じ大きさを有するが、これらの差分は、回転軸に対して直交しているため、この場合に回転軸の方向は、内部座標系において
→ｒ’＝（→ｇ’０−→ｇ’０．５）×（→ｇ’０．５−→ｇ’１）
＝  →ｇ’０×→ｇ’０．５＋→ｇ’０．５×→ｇ’１＋→ｇ’１×→ｇ’０
によって得ることが可能である。
【００４７】
したがって回転の終了時に内部座標系Ｋ’における正規化した加速度ベクトル
【数２】
0006570540.tif 000003
は、外部座標系Ｋにおけるｚ単位ベクトルに対応し、
【数３】
0006570540.tif 000004
は、ｘ単位ベクトルに、また
【数４】
0006570540.tif 000005
は、ｙ単位ベクトルに対応する。
【００４８】
つぎのステップＳ６において制御ユニット６は、内部座標系Ｋ’を外部座標系Ｋに変換する座標変換（回転行列）Ｔ１を算出する。この回転行列は、Ｋ’の単位ベクトルの成分からなる。すなわち上記のベクトルが、内部座標系Ｋ’においてデカルト座標表示で、以下の成分、すなわち、
【数５】
0006570540.tif 000006
を有する場合、上記の座標変換に対する回転行列は、
【数６】
0006570540.tif 000007
によって得られる。
【００４９】
この段階になって制御ユニット６は、引張力又は押圧力又は回転トルクを及ぼすなどのような、ヘッド９においてユーザが行った入力を正しく処理することができる。このために制御ユニット６は、ステップＳ７において、センサ１２によって内部座標系において検出されたベクトルの制御量→ｄ’を受け取り、ステップＳ８においてこの制御量から、座標変換Ｔを適用することにより、外部座標系における対応する入力量→ｄ＝Ｔ１→ｄ’を計算し、引き続いてステップＳ９において、対応する方向→ｄへの運動を制御する。
【００５０】
ユーザによって入力された制御量→ｄ’が力である場合、制御ユニット６は、ステップＳ９において、変換された力→ｄの方向に対象体１の並進運動をトリガする。制御量→ｄ’が回転トルクの場合、制御ユニット６は、方向→ｄを向いた軸の周りの対象体１の回転をトリガする。センサ１２が、力及び回転トルクを同時に検出するように設計されている場合、制御ユニット６によってトリガされる対象体１の運動は、力の方向への並進運動と、回転トルクの方向によって特定される軸の周りの回転との重ね合わせであってよい。
【００５１】
ステップＳ９において制御される、対象体１の運動が、純粋な並進運動である場合、この並進運動は、座標変換Ｔ１に作用を及ぼさないままである。ステップＳ９において制御される運動が回転運動の場合、この運動の間、上記の座標変換Ｔも、この回転運動を表す座標変換Ｒとの乗算によって更新される。すなわち、
Ｔｎ＋１＝ＲＴｎ
であり、これによって保証されるのは、各時点に、内部座標系において検出した制御量→ｄ’を、外部座標系に正しく換算でき、かつ、この運動の後続の制御において考慮できることである。
【００５２】
図４にはこの方法の択一的な実施形態が示されている。ステップＳ１、Ｓ２は、図３に関連して説明したものと同じであり、改めて説明しない。この例においてステップＳ３において実行されるテスト運動は、回転運動ではなく並進運動である。このテスト運動の方向は基本的に任意であるが、以下の評価には水平方向の成分だけが関連するため、有利には重力加速度に対して直交してすなわち水平方向にこのテスト運動を向き付ける。この並進運動のはじめに対象体１は加速度を受け、外部座標系においてこの加速度のベクトル→ａのうち、少なくとも上記の方向だけが既知である。表記を簡略化するため、ここでは上記のテスト運動が、ｘ軸の方向に行われる、すなわちこのベクトル→ａは、外部座標系のｘ軸の方向に相当すると仮定する。
【００５３】
加速フェーズにおいて、センサ１５に作用する加速度が改めて測定され、ステップＳ４において→ｇ’１として制御ユニット６に記憶される。内部座標系におけるこの加速度→ａ’の方向は、ステップＳ５において→ｇ’１と、→ｇ’０との間の差分として計算される。
【００５４】
望まれる場合には、テスト運動の終了近くに対象体１が、このテスト運動の方向とは逆向きの加速度−→ａを受けるときに、このときに発生しかつ加速度センサ１５によって検出される全体加速度を測定して→ｇ’２として記憶し、これにより、引き続いて内部座標系におけるこの加速度→ａ’の方向を差分→ｇ’１−→ｇ’２から計算することも可能である。
【００５５】
ベクトル
【数７】
0006570540.tif 000008
により、内部座標系の表示において外部座標系Ｋのｚ単位ベクトル及びｘ単位ベクトルが既知である。ｙ単位ベクトルは、
【数８】
0006570540.tif 000009
として導出される。座標系Ｋ’を外部座標系に変換する座標変換Ｔの算出は、図３の方法の場合と同様に行われる。ステップＳ７〜Ｓ８も同じである。
【００５６】
対象体１の回転運動の場合に必要な座標変換Ｔの更新は、対象体１において順次に数多くの回転運動を行う場合にはエラーに結び付くことがあり、その結果、制御ユニット６によって対象体１を運動させる方向、又は、制御ユニット６によって対象体１を回転させる軸が、ユーザによって入力ツール７に加えられる力の方向ないしは加えられる回転トルクの方向にもはや正確に一致しないことになる。
【００５７】
このような偏差を回避するため、図３及び図４に示した方法ではそれぞれ、運動を終了した後、ステップＳ１０を設けることができ、ここでは内部座標系Ｋ’において重力加速度→ｇ’０を測定し、外部座標系Ｋに変換する。この際に得られるベクトルの方向が、負のｚ方向から大きく偏差する場合、座標変換Ｔは正確ではなく、この方法はジャンプしてステップＳ３に戻って上記のテスト運動を繰り返し、座標変換Ｔを改めて導出する。これらの方向が一致する場合、この方法は、ステップＳ７に直接戻ってつぎのユーザ入力を処理する。
【００５８】
変換結果のｘ成分及びｙ成分だけに影響が及ぶ変換Ｔのエラー、すなわち制御量の純粋に水平方向を向いたベクトル→ｄ’と、ここから制御ユニット６によって導出した運動方向→ｄとの間の偏差は、上で説明したステップＳ１０では認識されないままになる。
【００５９】
これらの偏差は、図５に示した方法によって検出されて取り除かれる。この方法のステップＳ１〜Ｓ９は、図３又は図４と同じである。図５に示した方法のステップＳ１０’において制御ユニットは、ステップＳ９において制御した対象体１の運動が、並進運動又は回転運動のいずれであるかをチェックする。
【００６０】
上記の運動が方向→ｄにおける並進運動の場合、制御ユニットはステップＳ１１において、図４のステップＳ５との関連で説明したように、センサ１５によって記録した、それぞれステップＳ９の運動前と、運動中との間の加速度値の差分、又は、それぞれ上記の運動の加速フェーズと、減速フェーズとの間の加速度値の差分を形成することにより、この並進運動から得られかつ重力加速度分を処理した加速度→ａ’を計算する。この差分の方向と、センサ１２によって検出した入力→ｄ’の方向とを一致させる。
【００６１】
ステップＳ１２において、これらの方向が十分な精度で一致することが確認される場合、この方法は直接ステップＳ７に戻ってユーザの別の入力を処理し、偏差が大きい場合には、ステップＳ１３において座標変換Ｔを補正する。このような補正は実質的に、これまで使用していた変換Ｔｎを廃棄し、外部座標系に既知の方向→ｄと、ここから得られかつステップＳ１１において測定した、内部座標系における加速度→ａ’とに基づいて、更新された座標変換Ｔ＊ｎ＋１を求めることであり、この座標変換に対しては、
【数９】
0006570540.tif 000010
が成り立つ。しかしながら更新された変換Ｔｎ＋１として、例えばＴｎとＴ＊ｎ＋１とから得られる重み付き総和を使用することも可能である。ステップＳ６に関連して説明したやり方に類似してＴ＊ｎ＋１を一意に算出できるようにするため、内部座標系Ｋ’における重力加速度→ｇ’０の実際の測定値が存在すべきであり、例えばステップＳ８’において、ステップＳ９における対象体の運動の開始の直前にこの測定値を測定することができる。
【００６２】
これに相応して、方向→ｄにおける上記の運動が回転運動の場合、この回転運動の終了後、重力加速度ベクトル→ｇ’を改めて測定し（Ｓ１４）、ここから得られる、内部座標系における回転軸の向き→ｒ’を計算し（Ｓ１５）、その方向と、入力ツール７において行われた入力→ｄ’との一致をチェックし（Ｓ１６）、これにより、過剰に偏差している場合、ステップＳ１７において補正を行う。
【００６３】
ステップＳ１２又はＳ１６において大きな偏差が確認される場合、座標変換の補正では取り除くことができないエラーがあるか否かをオプションでチェックすることができる。このようなエラーは、例えば、入力ツール７が対象体１から落下するか又は取り外された場合、入力ツール７と制御ユニット６との間の通信が途絶えた場合、又は入力ツール７が故障した場合に起こる。このように識別されるエラーに対する応答としてはこの方法を中断して、ユーザにエラー状態信号を表示することが考えられる。
【００６４】
入力ツール７が対象体１に固定されているか否かは、センサ１５によって検出した加速度と、制御ユニット６の制御既定量から得られる、エンドエフェクタ５を駆動制御するための加速度値とを比較することによってチェックすることが可能である。このために制御ユニット６は、重力加速度分だけ処理しかつ測定した加速度と、上記の制御既定量から計算した加速度との間の偏差を求める。この偏差が所定の閾値を上回る場合、このことから、入力ツール７がもはや対象体１にはしっかりと接続されていないことを推定することができる。
【００６５】
入力ツール７が対象体１から取り外されているか又は入力ツール７が対象体１から落下していた場合、対象体１の運動時に入力ツールはもはや一緒に運動することはない。この結果、入力ツール７のセンサ１５は、対象体１の運動によって引き起こされる加速度を検出しない。すなわち、センサ１５によって検出される、重力加速度分を処理したこれらの値は、エンドエフェクタ５ないしは対象体１が運動する場合であっても値ゼロをとり、この値を維持する。制御ユニット６が入力ツール７から、重力加速度分だけ処理した、ゼロの測定値を受信し、エンドエフェクタ５ないしは対象体１が同時に運動している場合、制御ユニット６はこれをエラーとして評価することが可能である。
【００６６】
入力ツール７と制御ユニット６との間の通信は、入力ツール７が制御ユニット６に絶えずテスト信号を送信することによって連続的にチェックすることが可能である。制御ユニット６によってテスト信号が受信されない場合、このことを通信の断と識別することが可能である。
【００６７】
欠陥のあるセンサ１５に起因する入力ツール７の故障は、重力加速度ｇによって発生する加速度信号をチェックすることによって識別することができる。加速度ベクトルｇないしはｇ’の大きさが約９．８１（ｍ／ｓ2）から偏差している場合、又は内部座標系において検出した（ロボットの静止状態における）加速度ベクトルｇ’の方向と、重力場によって予想される方向と、が偏差する場合には、これを入力ツール７の故障と評価することが可能である。このテストルーチンは、制御ユニット６によって実行することが可能である。
【符号の説明】
【００６８】
１  対象体
２  ロボットアーム
３  基台
４  関節
５  エンドエフェクタ
６  制御ユニット
７  入力ツール
８  基台
９  ヘッド
１０  端面
１１  粘着テープストライプ
１２  センサ
１３  ロッド
１４  センサコンポーネント
１５  センサ
１６  無線インタフェース
１７  無線インタフェース
１８  蓄電池
１９  スイッチ
２０  キー
【図１】
0006570540.tif 000011
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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