(57)【要約】  操作対象物の種々の位置に自由に置くことができる制御手段を使用するオペレータによるロボットの制御のための制御方法であって、少なくとも、第１力トルソを定める、制御手段に加えられる力の測定値およびたとえばロボットの把握機構における対応する力に基づいて制御手段の位置および姿勢を決定するステップ（３０３）、少なくとも、対象物（１５）を移動するために制御手段に加えられる力の測定値およびステップ（３０３）中に決定された位置および姿勢に基づいてロボット（１）の力または力／位置の制御設定点を決定するステップ（３０５）、および決定された設定点をロボット（１）に送り出す制御ステップ（３０７）を含む制御方法。本発明は、かかる方法を使用する制御システムも提案する。
2015507541.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの関節および対象物（１５）を空間的に移動するように適合された少なくとも１つの把握機構（１３）を含むロボット（１）の制御方法であって、前記ロボットが制御手段（１００）により制御され、少なくとも以下のステップ：
・前記対象物（１５）上に制御手段を位置決めするステップ（３０１）、
・第１力トルソを決定する、前記制御手段（１００）に加えられる力、および第２力トルソを決定する、前記ロボット（１）の前記把握機構（１３）における対応する力の測定値に基づいて前記制御手段（１００）の位置および姿勢を決定するステップ（３０３）、
・前記対象物（１５）を移動するために前記制御手段（１００）に加えられる力の測定値および前記決定ステップ（３０３）中に決定された前記位置および姿勢に基づいて前記ロボット（１）の力または力／位置の制御設定点を決定するステップ（３０５）、
・決定された前記設定点が前記ロボット（１）に送り出される制御ステップ（３０７）、
の組み合わせを含むことを特徴とする制御方法。
【請求項２】
前記制御手段（１００）の前記位置および姿勢が前記第１力トルソおよび前記第２力トルソから選択された２つのトルソの一方の測定値とこれらの２つのトルソの他方の測定から再構成された同一トルソの測定値との間の誤差をヴァリニョンの関係を使用して最小化することにより決定されることを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
【請求項３】
前記制御手段（１００）の前記位置および姿勢が前記力測定値から得られた前記力トルソのオンライン処理により再帰アルゴリズムを使用することにより決定されることを特徴とする請求項２に記載の制御方法。
【請求項４】
前記再帰アルゴリズムがアンセンテッド・カルマン・フィルタであることを特徴とする請求項３に記載の制御方法。
【請求項５】
前記制御手段（１００）の前記位置および姿勢が前記力測定値から得られた前記力トルソのオフライン処理により、一定の期間にわたる対応データの記録に基づいて最適化アルゴリズムを使用することにより決定されることを特徴とする請求項２に記載の制御方法。
【請求項６】
前記最適化アルゴリズムがネルダーリード法に基づくことを特徴とする請求項５に記載の制御方法。
【請求項７】
さらに、前記対象物（１５）に対する前記制御手段（１００）の取り付けを点検するステップ（３０２）であって、前記位置決めステップ（３０１）の後に行われるステップ（３０２）を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の制御方法。
【請求項８】
さらに、前記再帰アルゴリズムにより決定された前記推定値に関する信頼水準を所定のレベルと比較することにより、前記制御手段（１００）の決定された前記位置および姿勢の一貫性を決定する位置点検ステップ（３０４）を含むことを特徴とする請求項３または４に記載の制御方法。
【請求項９】
さらに、前記オフライン処理により決定された前記推定値に関する信頼水準を所定のレベルと比較することにより、前記制御手段（１００）の決定された前記位置および姿勢の一貫性を決定する位置点検ステップ（３０４）を含むことを特徴とする請求項５または６に記載の制御方法。
【請求項１０】
さらに、前記制御手段（１００）の決定ステップ（３０３）において決定された前記位置および姿勢を、推定アルゴリズムまたは同定アルゴリズムに従い適切なセンサーにより行われた少なくとも前記制御手段（１００）の加速度および向きまたは角速度の測定値に基づいて決定された前記制御手段（１００）の位置および姿勢と比較することにより、前記制御手段（１００）の決定された前記位置および姿勢の一貫性が決定される位置点検ステップ（３０４）を含むことを特徴とする請求項３〜７のいずれか一項に記載の制御方法。
【請求項１１】
前記対象物（１５）に対する前記制御手段（１００）の固定が不適切である場合、設定点決定の前記ステップ（３０５）が、前記ロボット（１）の前記制御設定点が前記ロボット（１）の前記把握機構（１３）においてまたは前記ロボット（１）の少なくとも１つの関節において行われる力および／または位置の前記測定値のみに基づいて決定される代替決定ステップ（３０２１）により置き換えられることを特徴とする請求項７に記載の制御方法。
【請求項１２】
前記制御手段（１００）の決定された前記位置または姿勢が一貫性を持たない場合に、設定点決定の前記ステップ（３０５）が、前記ロボット（１）の前記制御設定点が前記ロボット（１）の前記把握機構（１３）において行われた力および／または位置の前記測定のみに基づいて決定される代替決定ステップ（３０２１）により置き換えられることを特徴とする請求項８〜１０のいずれか一項に記載の制御方法。
【請求項１３】
少なくとも１つの関節および対象物（１５）を空間的に移動するように適合された把握機構（１３）を含むロボット（１）の制御システムであって、以下： 
・前記ロボット（１）の前記把握機構（１３）に加えられる力を測定する手段、
・前記対象物（１５）に固定されるように適合された制御手段（１００）であって、前記制御手段（１００）に加えられた力を測定する手段を含む制御手段（１００）、
・前記ロボット（１）の前記把握機構（１３）および前記制御手段（１００）に加えられる力を測定する前記手段により行われる力測定の値を収集するように構成された収集手段、
・前記収集手段を使用するように構成されるコントローラ（１１０）、
を含み、前記コントローラ（１１０）がさらに請求項１に記載の制御方法を使用するように構成されることを特徴とする制御システム。
【請求項１４】
前記制御手段（１００）が可逆性固定手段（１０９）を含むことを特徴とする請求項１３に記載の制御システム。
【請求項１５】
さらに、前記制御手段の前記対象物（１５）からの脱落を検知するように構成されている前記制御手段の監視手段を含み、前記コントローラ（１１０）は、請求項７に記載の制御方法を使用するように構成されることを特徴とする請求項１３または１４に記載の制御システム。
【請求項１６】
前記制御手段が支持部分（１０３）および握りを含む少なくとも１つのハンドル（１００）により形成され、前記支持部分（１０３）は、前記固定手段（１０９）により前記対象物（１５）に固定されるように設計されることを特徴とする請求項１３〜１５に記載の制御システム。
【請求項１７】
前記制御手段が少なくとも１つのグローブにより形成されることを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか一項に記載の制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットを制御する制御方法およびかかる方法を使用する制御システムに関する。本発明により、ロボットは、人間オペレータにより制御手段を使用して制御される。本発明は、特に、かさの高い重量物の移動および位置決めのために使用される産業ロボットの制御に適用される。
【背景技術】
【０００２】
産業ロボットは、空間において物体を移動するためにその物体の一定数の自由度に従って使用することができる。これらのロボットは、たとえば製造ラインにおいて、一般的に人間オペレータが動かすには重すぎるかまたはかさが高すぎる物を移動するために使用される。これらのロボットは、たとえば組み立て作業のために対象物の正確な位置決めも行うことができる。産業ロボットにより行われるすべての作業が自動化できるわけではなく、したがってその一部は人間オペレータにより制御されなければならない。一般的に、産業ロボットは、人間の腕の形にならって製造された複数の関節を含むシステムである。ロボットは、マニピュレータ・アームの形状とし、その一端に対象物を把握するように適合された把握機構を取り付けることができる。対象物の空間位置づけは、ロボットより、たとえば３つの軸の周りの回転および前記３つの軸沿いの平行移動により定めることができる。すべての場合において、ロボットの構成要素の複合動作は、対象物を操作して空間におけるその移動および方向付けを可能としなければならない。
【０００３】
これらのロボットを制御する種々のシステムが存在する。一般に「遠隔操作」と呼ばれる第１の方法では、オペレータは、間接相互作用と言われる手段により離れた場所からロボットを制御することができる。一般的に、ロボットは、従来、種々の移動動作を開始する複数の押しボタンを有する制御ボックスの形態の制御装置により制御することができる。この制御ボックスを使用して、たとえば、６つの自由度の１つによる任意の方向への移動に関するボタンを押すことによりロボットの把握機構を動かすことができる。
【０００４】
この方法の欠点は、この制御ボックスの場合、ロボットにより加えられる力および操作対象物の環境をオペレータが感知できないことである。しかしながら、このようなデータ・フィードバックは、組立作業のような一定の作業の正確な遂行にとって不可欠であり得る。
【０００５】
この方法のさらなる欠点は、それがロボット、より正確にはロボットの把握機構、または、たとえばマニピュレータ・アームの関節の１つに関する座標系内においてのみ対象物の移動を制御することを可能にするということである。しかし、オペレータは、ロボットのそのような制御よりもむしろ対象物そのものの操作に関心を抱いている。したがって、オペレータにとっては、対象物に関する座標系のような別の座標系において対象物の移動を制御できることが好ましいであろう。したがって、遠隔操作技法は、ロボットを特定の空間配置に置くためには有用であり得るが、対象物の正確な操作にはあまり適さず、たとえば、対象物が周囲環境と接触しなければならない場合には、必要な精度がより高くなる。
【０００６】
一般に「コンピュータ援用力フィードバック遠隔操作」と言われる既知の代案技法は、上述の欠点の一部を克服することができる。この方法によると、制御装置は、ボタン内蔵ボックスの形態ではなく、「マスタアーム」と呼ばれる機構の形態で作成される。たとえば、制御レバー、または英語で「ジョイスティック」と呼ばれるこの機構は、オペレータにより空間的に移動可能であり、この場合には「スレーブ」と呼ばれるロボットの運動を引き起こす。制御レバーには、専用コントローラにより制御されるムーブメントを設けることができ、それはユーザーの感知できる力のフィードバックをもたらす。この方法の１つの利点は、ロボットの直感的な制御を可能にすることである。さらに、この方法はロボットに加えられた力をオペレータが感知することを可能にすることで、特に、操作対象物が外部要素と接触する作業の遂行中、オペレータに対しより正確な支援を与えることを支援する。この方法によると、オペレータは、特定の作業を行うロボットを制御する座標軸を選択することができる。事実、オペレータは、ロボットにより遂行される作業を指定することさえ可能である。
【０００７】
この方法の欠点は、この方法では、たとえばオペレータがロボットの座標系以外の座標軸を使用して対象物を操作したい場合には、オペレータが座標系または作業を指定しなければならないということである。その実行は困難であり得、実際には、対象物の操作中には不可能であり得る。
【０００８】
上記の２つの方法のさらなる欠点は、たとえば監視カメラなどを使用しない限り、すなわち、監視点の選択に際し、使用するセンサーの個数に関するさらなる制約およびこれらのセンサーの位置決めに関する制約（特に、物陰にならないようにするため）を受け入れない限り、オペレータが特定の場所に留まらなければならず、かつ、自分で監視点を自由に選択できないという点で、オペレータの監視点に関する。
【０００９】
したがって、オペレータが作業現場の近くに位置を占めることが好ましい場合がある。たとえば、ロボットの把握機構に取り付けられている制御ハンドルを使用することおよびオペレータによるこの機構の操作を可能にすることにより、オペレータがロボットと直接相互作用することを可能にする既知の制御システムが存在する。この方法により、対象物をその６つの自由度で操作することができ、同時に対象物の重量の正確な補償も与えられる。しかし、特に、オペレータが大きな対象物を正確に操作しなければならない場合、ロボットのアームの一端に取り付けられている制御ハンドルのみによりロボットを制御することは困難であることが分かる場合がある。対象物を一定の方法により操作するためには、オペレータがその対象物上の特定の場所を把握することが不可欠であり得る。さらに、ロボットがそれ自体の上で対象物を把握しなければならないときには、ロボットに取り付けられているハンドルはオペレータから手が届かなくなり得る。
【００１０】
これらの欠点を克服するために、操作対象物自体により、ロボットとは別であり、対象物の一端に配置される制御要素を使用して、オペレータが操作対象物と相互動作することを可能にする制御システムが設計されている。この種類の制御システムは、参考文献特開２００８／２１３１１９号公報の下で公開されている日本の特許出願において記述されている。この制御システムでは、ロボットとは別のハンドルが操作対象物を支持するフレーム上の所定の場所に配置され得る。
【００１１】
この制御システムの欠点は、ロボットまたはハンドルの座標系においてのみ対象物を制御できるということから生ずる。この座標系は、制御システムに対して固定されているので、ロボットとの関係におけるハンドルの座標系の向きおよび位置があらかじめ決定されていることおよびそれらがロボット制御の実行中および調整中に既知であり、さらにその後引き続き固定されたままであることを要する。
【００１２】
さらに、把握位置が対象物の操作にとって常に適切であるとは限らない場合がある。たとえば、対象物を裏返す必要がある場合、対象物が裏返された後、ハンドルは対象物の下に位置し、操作を困難にする場合がある。また、たとえば、対象物を他の物とともに組み立てる必要がある場合、配置によってはハンドルが組立操作を妨げるので、把握位置が適切でないことが分かることもある。
【００１３】
人間オペレータにより加えられた力がロボットにより遠隔的に加えられるシステムのさらなる欠点は、オペレータが対象物を把握した場所においてオペレータにより加えられた力がロボットの把握機構により経験される力と異なり、その結果、異なる運動相互間、たとえば回転運動と平行移動運動間の曖昧さが生ずることがあるという事実による。たとえば、オペレータおよびロボットの把握機構が対象物たとえば厚板の各端を把握する配置において、ロボットの把握機構により経験される力は、オペレータの希望が対象物をロボットの作動部の周りに回転させることかまたはそれを平行移動させることのいずれであるかにかかわらず、トルクに類似している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の１つの目的は、オペレータが対象物の６つの自由度に従い、かつ、対象物との直接の物理的相互作用により、直感的かつ正確な方法により対象物を操作することを可能にすると同時に、オペレータが依然として対象物の配置に関係なく対象物を容易に操作できる、ロボットの制御方法およびシステムを提案することにより、上述の欠点を少なくとも軽減することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の１つの利点は、記述される実施形態の１つによる制御の方法またはシステムが、ロボットの力または力／位置の制御をロボットの環境およびオペレータによる制御に従って適合させることを可能にすることである。この場合、オペレータは、操作の座標系をリアルタイムかつ直感的な方法により自由に選択することができ、また、対象物、ロボットおよび環境と同時に物理的に相互作用することができる。
【００１６】
本発明のさらなる利点は、記述される実施形態の１つによる制御の方法またはシステムが、オペレータの訓練を必要としない単純な操作を可能にすることである。
【００１７】
本発明のさらなる利点は、既存のロボット制御システムから、少数の低廉な小型装置の付加により、記述される実施形態の１つによる制御の方法またはシステムに移行できることである。
【００１８】
本発明のさらなる利点は、記述される実施形態の１つによる制御の方法またはシステムが、平行移動運動と回転運動間に生じ得る曖昧さの解消を可能にすることである。
【００１９】
本発明のさらなる利点は、記述される実施形態の１つによる制御の方法またはシステムが、オペレータにより制御手段に加えられる力およびこれらの制御手段の位置の関数として決定される仮想ガイドの利用を可能とし、それによりさらなる援助をオペレータに与えることである。
【００２０】
本発明のさらなる利点は、記述される実施形態の１つによる制御の方法またはシステムが、照明の生じ得る不明瞭化および生じ得る変化に対して頑健であり、かつ、センサーの予備的位置決めを必要としないことである。照明の不明瞭化および変化は、特に、カメラのような光学センサーまたは音響センサーに基づくハンドル位置手段を使用する制御システムの動作に悪影響を及ぼすことがある。音響センサーは、たとえば、不明瞭化に対して同様に敏感である。記述される実施形態の１つによる制御システムは、環境に存在する寄生磁場および高透磁性物体に対しても頑健であり、かつ、磁場センサーに基づくハンドル位置手段を使用する制御システムの動作に悪影響を及ぼすことがある。
【００２１】
記述される実施形態の１つによる制御システムは、無線周波数ハンドル位置手段を使用する制御システムの動作に悪影響を及ぼすことがある環境に存在する壁に対しても頑健である。このような無線システムは、反射される無線波の多重経路による「マルチパス」の影響を被る。
【００２２】
記述される実施形態の１つによる制御システムは、慣性センサーおよびその測定値の積分に基づくハンドル位置手段を使用する制御システムにおいて発生することがある決定位置および向きのドリフトに対しても頑健である。
【００２３】
この目的のために、本発明は、第１実施形態において、少なくとも１つの関節および対象物の空間移動向けに適合される少なくとも１つの把握機構を有するロボットの制御方法であって、このロボットは制御手段により制御され、この方法は、少なくとも以下のステップ：
・  制御手段を対象物上に位置づけるステップ、
・  第１力トルソを定める、制御手段に加えられる力、および第２力トルソを定める、ロボットの把握機構における対応する力の測定値に基づいて制御手段の位置および姿勢を決定するステップ、
・  対象物を移動するために加えられる制御手段上の力の測定および決定ステップ中に決定された位置および姿勢に基づいて力または力／位置の制御設定点を決定するステップ、
・  決定された設定点をロボットに送る制御ステップ
の組み合わせを含む制御方法を提案する。
【００２４】
本発明の第２実施形態では、制御手段の位置および姿勢は、前記第１力トルソおよび前記第２力トルソから選択された２つのトルソの一方の測定値とこれらの２つのトルソの他方の測定から再構成された同一トルソの測定値間の誤差をヴァリニョンの関係を利用して最小化することにより決定できる。
【００２５】
本発明の第３実施形態では、制御手段の位置および姿勢は、力測定から得られた力トルソのオンライン処理により再帰アルゴリズムを使用して決定することができる。
【００２６】
本発明の第４実施形態では、前記再帰アルゴリズムは、アンセンテッド・カルマン・フィルタとすることができる。
【００２７】
本発明の第５実施形態では、制御手段の位置および姿勢は、力測定から得られた力トルソのオフライン処理により、一定の期間にわたる対応データの記録に基づいて、最適化アルゴリズムを使用して決定することができる。
【００２８】
本発明の第６実施形態では、前記最適化アルゴリズムは、ネルダーミード法に基づき得る。
【００２９】
本発明の第７実施形態では、制御方法は、さらに、位置決めステップの後に行われる制御手段の対象物に対する取り付けを点検するステップを含むことができる。
【００３０】
本発明の第８実施形態では、制御方法は、さらに、再帰アルゴリズムにより決定される期待値との関係における信頼水準を所定のレベルと比較することにより制御手段の決定された位置および姿勢の一貫性を決定する位置点検ステップを含み得る。
【００３１】
本発明の第９実施形態では、制御方法は、さらに、オフライン処理により決定される期待値との関係における信頼水準を所定のレベルと比較することにより制御手段の決定された位置および姿勢の一貫性を決定する位置点検ステップを含み得る。
【００３２】
本発明の第１０実施形態では、制御方法は、さらに、制御手段の決定ステップにおいて決定された位置および姿勢を、少なくとも、適当なセンサーにより行われた制御手段（１００）の加速度および向きまたは角速度の測定値に基づいて推定アルゴリズムまたは同定アルゴリズムに従って決定された制御手段の位置および姿勢と比較することにより、制御手段の決定された位置および姿勢の一貫性を決定する位置点検ステップを含み得る。
【００３３】
本発明の第１１実施形態では、制御手段の対象物に対する固定が適当でない場合に、設定点決定のステップは、ロボットの制御設定点がロボットの把握機構においてまたはロボットの少なくとも１つの前記関節において行われた力および／または位置の測定のみに基づいて決定される代替決定ステップにより置き換えることができる。
【００３４】
本発明の第１２実施形態では、制御手段の決定された位置または姿勢が一貫性をもたない場合に、設定点決定のステップは、ロボットの制御設定点がロボットの把握機構において行われた力および／または位置の測定のみに基づいて決定される代替決定ステップにより置き換えることができる。
【００３５】
本発明は、少なくとも１つの関節および対象物の空間移動に適合された把握機構を含むロボットの制御システムであって、以下：
・ロボットの把握機構に加えられた力を測定する手段、
・対象物に固定される制御手段であって、制御手段に加えられた力を測定する手段を含む制御手段、
・ロボットの把握機構に加えられた力および制御手段に加えられた力を測定する手段により行われた力測定値を収集するように構成された収集手段、
・収集手段を使用するように構成されるコントローラ手段
を含み、このコントローラ手段は、さらに、上述の第１実施形態による制御方法を使用するように構成される、制御システムも提案する。
【００３６】
本発明の１つの実施形態では、制御手段は、可逆的固定手段を含み得る。
【００３７】
本発明の１つの実施形態では、制御システムは、さらに、制御手段を監視する手段を含み得る。この手段は制御手段の対象物からの脱離を検知するように構成され、また、コントローラは前述の第７実施形態による制御方法を使用するように構成される。
【００３８】
本発明の１つの実施形態によると、制御手段は、固定手段により対象物に固定されるように設計される支持部分および取っ手を含む少なくとも１つのハンドルにより形成することができる。
【００３９】
本発明の１つの実施形態によると、制御手段は、少なくとも１つのグローブにより形成することができる。
【００４０】
本発明は、ロボットを制御する目的のために、オペレータにより制御手段に加えられた力のトルソをロボットに関する座標系において測定することを提案する。本発明による制御の方法またはシステムは、たとえば１つまたは複数のハンドルの形態の制御手段の位置および姿勢を正確に測定することも可能にする。これらのデータは、ロボットの制御設定点を決定する目的のために制御手段の力測定値を使用するために利用される。したがって１つまたは複数のハンドルを操作対象物の上の所望の位置に置くことができ、かつ、適切な固定手段により操作対象物に固定することができる。これらの手段は可逆的である。すなわち、必要に応じてオペレータは１つまたは複数のハンドルを対象物から容易に取り外して対象物上の別の位置に置くことができる。
【００４１】
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面とともに例示のために示されている明細書により明らかとなるであろう。図面の内容は、以下のとおりである：
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】図１は、本発明の１つの実施形態による制御システムの輪郭を示す。
【図２】図２は、本発明の１つの実施形態による制御手段を形成するハンドルの構造を大まかに示す断面図である。
【図３】図３は、本発明の１つの実施形態によるロボットの制御方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
図１は、たとえば、先端に力センサー（図示せず）を備えるマニピュレータ・アーム１１を含み、たとえば６本の自由軸で作動するロボット１を示す。その場合、センサーは、「６軸センサー」と呼ばれる。把握機構１３は、マニピュレータ・アーム１１の先端に配置される。把握機構１３は、操作対象物１５を把握する。図示の例において、ハンドル１００により形成される制御手段は、対象物１５に固定され得る。ハンドル１００は、図示されていないオペレータにより把握され、かつ、オペレータの希望に応じて対象物１５の所望位置に置かれ得る。
【００４４】
ハンドル１００の構造の例について、図２を参照しつつ以下において説明する。ハンドル１００は、とりわけ、対象物に固着するための固定手段を含むことができ、それにより対象物１５の操作中、すなわち、ロボット１の制御中にハンドルに及ぼされる力にも関わらず所定の場所に保持され、かつ、別の場所に配置されるために容易に取り外され得る。固定手段の例について図２を参照しつつ以下に置いて説明する。
【００４５】
図示されている例では、操作対象物１５は本質的に平たい形状で厚板に似ている。しかし、当然のことながら、本発明は、別の形状および複雑な形状の操作のためにも使用できる。
【００４６】
オペレータがハンドル１００をすでに把握しているとき、オペレータは、たとえば、あたかも対象物１５に対し直接変位運動を及ぼしているかのように、ハンドル１００を使用して対象物に対し変位運動を与えることができる。ロボットの機能は、一般的にオペレータによる対象物の重量の知覚を除去することである。オペレータは、操作対象物１５の表面上の最も有利な位置にハンドル１００を置くことができる。
【００４７】
ハンドル１００の各運動は、たとえば、オペレータが種々の方向に力を及ぼさなければならない準備段階を必要とし得る。次に、たとえばオフライン推定アルゴリズムまたは同定アルゴリズムを使用してハンドル１００、または複数のハンドルの位置および向きを決定することができる。これらの原理について図３を参照しつつ以下において詳しく説明する。
【００４８】
コントローラ１１０は、以下において説明するように、制御設定点をロボット１に与えることができ、かつ、とりわけ、制御手段およびロボット１に含まれているセンサーから得た入力データに基づいて制御アルゴリズムを使用することができる。より一般的には、コントローラ１１０は、本発明の実施形態の１つによる制御方法を使用することができる。
【００４９】
本発明による制御システムは、センサーから得られる上記において略述したデータを収集する手段も含むことができる。これらの収集手段は、たとえば、コントローラ１１０に含めることができる。
【００５０】
制御システムは、ロボットの把握機構に加えられる力の測定値を収集するように適合された種々のセンサーを含むことができる。これらのセンサーは、通常、広範囲にわたる産業ロボットにおける、不可逆性または低可逆性のロボットに付加される。これらは、展開するよう作られ、かつ、オペレータを含む環境と接触する。
【００５１】
注目すべきことに、力センサーは、たとえば、ロボットの把握機構上に置かれる多軸センサーとすることができる。センサー、たとえばトルク・センサーをロボットの関節に配置することも可能である。これらのセンサーにより行われる測定は、次にロボットの把握機構における力の測定を行うことを可能にする。力の測定値は、ロボットの関節のモーターに供給される電流の測定値から入手することもできる。
【００５２】
本発明の１つの特徴によると、制御手段、すなわち、図示例におけるハンドル１００は、制御手段に加えられる力の測定を行う手段を含んでいる。これらの手段を備えるハンドル１００の例示実施形態について図２を参照しつつ以下において説明する。
【００５３】
図２を参照すると、ハンドル１００は、オペレータが手で把握できる把握可能部分１０１および支持部分１０３を含み得る。ハンドル１００は、６つの軸沿いの力を捕捉し、かつ、これらの力を表す力信号を返すためのセンサー１０５も含んでいる。支持部分１０３の台座は、固定手段１０９を含み得る。
【００５４】
固定手段１０９は、ハンドル１００の操作対象物に対する取り付けが頑健であってオペレータにより与えられる運動に十分に耐える一方、オペレータが自由にハンドルを別の場所に置くためにそれを容易に取り外すことができるようなものでなければならない。固定手段１０９は、したがって、「可逆的」として記述できる。
【００５５】
たとえば、固定手段１０９は自己把握ストリップの形態とし、このストリップの固定を可能とするために場合により対象物を表面加工する。
【００５６】
操作対象物が強磁性体製である場合、固定手段１０９は、永久電磁石または電磁石の形態とすることができる。
【００５７】
固定手段１０９は、吸着盤またはポンプ作動式吸引システムの形態とすることもできる。
【００５８】
固定手段１０９は、接着剤ストリップの形態とすることもできる。
【００５９】
図２に示した例示実施形態では、力センサー１０５は、支持部分１０３中に置かれる６軸力センサーである。
【００６０】
有利には、ハンドル１００は、付加測定手段１０７を含み得る。
【００６１】
付加測定手段１０７は、たとえば、少なくとも３Ｄ加速度計および／または１つまたは複数の３Ｄレート・ジャイロスコープを含み得る。付加測定手段１０７は、たとえば、慣性誘導装置の形態とすることができる。少なくとも１つの３Ｄ加速度計を使用して、たとえば、ハンドルが静止位置にあるときに地球の引力による加速度を測定することができる。この情報は、ハンドルの向きの決定を改善できるからである。付加測定手段１０７は、計算手段、たとえばカルマン・フィルタなどのフィルタを使用する計算手段の支援の下に、たとえば以下において説明する推定アルゴリズムまたは同定アルゴリズムにより行われる決定を確認するために、または以下において説明するように推定アルゴリズムまたは同定アルゴリズムの収束を促進する推定アルゴリズムまたは同定アルゴリズムの適切な初期設定点を明示するために、ハンドル１００の位置および姿勢を推定することも可能にすることができる。
【００６２】
実際に、オペレータは、ハンドル１００のような１つまたは２つのハンドルを把握可能部分１０１により把握し、ハンドル１００を操作対象物の表面上の希望する場所に置くことができる。次に力センサー１０５を使用してオペレータによりハンドル１００に加えられた力を測定することができる。次に、ハンドル１００の座標系において力のトルソを決定することができる。力のトルソは、専用計算モジュール、たとえば、図１に関連して前述したコントローラ１１０中に設けられるものにおいて決定することができる。
【００６３】
次に、ロボットの制御設定点の決定において前述の力トルソを利用するために、ハンドル１００の位置および向きまたは姿勢を知る必要がある。
【００６４】
本発明の１つの特徴として、ハンドル１００およびロボットの作動部における換算された力トルソ相互間の関係に基づいてハンドル１００の位置および姿勢を決定することが提案されている。これは、固体力学の仮説によると、ハンドル１００およびロボットの作動部における換算された力トルソ相互間の関係は、それらそれぞれの換算中心の相対位置およびそれら自身の座標系のそれぞれの向きのみに依存するからである。
【００６５】
力トルソに適用されるヴァリニョンの関係に対応するこの関係は、次の関係により公式化することができる：
【数１】
2015507541.tif 000003
式中、
【数２】
2015507541.tif 000004
は、換算点ｚにおける座標系ｙにより表される変数Ｘを示し、力トルソは
【数３】
2015507541.tif 000005
である。ここで、ｆは３次元における力のベクトルであり、ｍは３次元におけるモーメント・ベクトルであり、ｒはロボットの作動部を示し、ｐはハンドルを示し、ＲＰは、ロボットの作動部との関係におけるハンドルの位置をロボットの座標系において記述するベクトルを示し、Ｒおよびｑは、それぞれ、ロボットの作動部との関係におけるハンドルの向きを表す回転行列および四元数を示す。
【００６６】
前述した例示実施形態では、ロボットの把握機構における力トルソは、６軸力センサーにより決定することができる。
【００６７】
ハンドル１００における力トルソも、力センサー１０５により収集されるデータに基づいて決定することができる。このデータも適切な手段によりコントローラ１１０の収集手段に伝達することができる。
【００６８】
前述した例示実施形態では、オペレータは、上述したように、準備段階においてハンドルに任意の方向の力を加えることにより、ハンドルの位置および姿勢の決定を可能にする。準備段階においてオペレータにより加えられる力は、たとえば、ハンドルが正しく取り付けられていることを確認したい場合にオペレータが加える力に関連づけることができる。
【００６９】
コントローラ１１０は、以下において述べるロボットの制御方法を使用するように構成することもできる。
【００７０】
ロボットの制御方法の一例について、図３を参照しつつ以下において説明する。
【００７１】
位置づけステップ３０１において、人間オペレータは、操作対象物上の任意の位置にハンドルを置く。有利には、位置づけステップ３０１に続いて、固定手段を点検するステップ３０２に進むことができる。このステップにおいて、ハンドルが適切に固定されているか否か点検することができる。制御手段の監視手段３０２０は、ハンドルの正しい固定を表すデータを与えることができる。監視手段３０２０の例について以下において説明する。制御手段が適切に固定されていないことが点検ステップ３０２において見出された場合、制御システムは、たとえば、「劣化」モード３０２１と呼ばれる状態に置かれ得る。このモードでは、ロボットの制御設定点は、ロボット上に存在するセンサーにより与えられるデータのみに基づいて決定される。別案として、制御手段が適切に固定されていないことが点検ステップ３０２において見出された場合、制御システムは、たとえば、ロボットのすべての自由度が阻止される安全モードに置かれ得る。
【００７２】
点検ステップ３０２または位置決めステップ３０１（点検ステップが設けられない場合）にステップ３０３が続き、そのステップにおいて制御手段の位置および姿勢が決定される。
【００７３】
決定ステップ３０３中に、ロボットの作動部との関係における制御手段の位置および向きの決定を可能にする推定アルゴリズムまたは同定アルゴリズムを使用することができる。
【００７４】
まず第１に、位置および向きまたは姿勢を初期化する。初期の位置および姿勢は、自由に選ぶことができる。たとえば、それらは、制御手段が対象物に初めて固定されるときにロボットの作動部の位置および姿勢と同じとなるように選択することができる。その後、制御手段がオペレータにより移動される都度、制御手段の先行移動の終了時に推定されたその位置および姿勢に基づいて初期設定が行われ得る。
【００７５】
有利には、初期設定は、たとえば、制御手段中の３Ｄ加速度計または慣性誘導装置のような付加手段が利用可能である場合、より精密に行うことができる。上述したように、初期設定は、たとえば、加速度計が利用可能な場合には地球の重力による加速度の予備知識に基づいて、および／または慣性誘導装置および推定フィルタが利用可能な場合にはその装置のデータおよびそのフィルタの使用に基づいて得られた位置および／または姿勢の推定に基づいて行い得る。
【００７６】
制御手段の位置および姿勢の推定は、制御手段に加えられる力およびロボットの作動部に加えられる対応する力の複数の測定値を必要とする。この目的のために、オペレータは、たとえば、前述したように制御手段が正しく取り付けられたことを確かめるために制御手段に加える力に類似する種々の力を制御手段に加える。
【００７７】
固体力学の仮説によると、ロボットの作動部すなわちその把握機構および制御手段における換算されたトルソについて、固体の点Ａに加えられるトルソをこの固体の別の点Ｂにおいて、これらの２つの点に関する位置および向きのみにより表すことができるヴァリニョンの関係を利用することができる。
【００７８】
本発明によると、制御手段の位置および姿勢は、次の２つの値の間の誤差、またはその誤差の二乗を最小化することにより推定することができる：
−  制御手段における換算された力トルソにより形成された第１トルソおよびロボットの把握機構における換算された力トルソにより形成された第２力トルソから選択された２つのトルソの一方の測定値
−  ヴァリニョンの関係を利用して上述の２つのトルソの他方の測定値から再構成された同一トルソ。
【００７９】
次に、誤差が最小になったときに制御手段とロボットの作動部間の位置および姿勢が決定される。決定された位置および姿勢は、最小の誤差をもたらすそれらの値の対に対応する。
【００８０】
実際には、制御手段の位置および姿勢は、再帰アルゴリズムを用いるデータのオンライン処理および利用により推定することができる。この場合、現状ベクトルの推定は、先行状態の情報および現在の測定値を必要とする。たとえば、カルマン・フィルタを使用することができる。より具体的には、英語の用語によると“ｕｎｓｃｅｎｔｅｄ  Ｋａｌｍａｎ  ｆｉｌｔｅｒ”と呼ばれ、または対応する略語“ＵＫＦ”により表されるアンセンテッド型のカルマン・フィルタを使用することができる。
【００８１】
別案として、制御手段の位置および姿勢は、一定の期間にわたりすべてのデータを記録し、次に、たとえばネルダーリード法を使用する最適化アルゴリズムによるデータのオフライン処理により推定することができる。
【００８２】
これらのアルゴリズムには例示として言及した。当然のことながら、他の推定アルゴリズムまたは同定アルゴリズムも使用することができる。
【００８３】
注目すべきは、制御手段が２つのハンドルまたは以下において述べるその他の装置により形成されている場合に、複数の装置の位置および姿勢が決定されることである。
【００８４】
制御手段の位置および姿勢が決定ステップ３０３の終了時にすでに決定されている場合、ロボットの制御設定点を決定するステップ３０５を実行することができる。決定された位置および姿勢は、ロボットの力または力／位置の制御を少なくとも制御手段における力の測定値に基づいて与えることを可能にする。
【００８５】
有利には、位置点検ステップ３０４は、決定ステップ３０３より後、設定点決定ステップ３０５より前に行うことができる。たとえば、３Ｄ加速計または慣性誘導装置のような付加手段３０４０が制御手段に含まれている場合、一貫性点検は、これらの付加手段により行われる推定の間に行うことができる。点検ステップ３０４において制御手段の決定された位置および／または姿勢が一貫性を欠くことが見出された場合、制御システムを、たとえば、「劣化」モードと呼ばれる状態に置ことができ、次に位置代替決定ステップ３０２１において位置および姿勢を決定することができる。この代替ステップでは、ロボットの制御設定点は、ロボットに存在するセンサーにより与えられるデータのみに基づいて決定される。別案として、位置点検ステップ３０４において、決定された制御手段の位置および姿勢が一貫性を欠くことが見出された場合に、制御手段を、たとえば、安全モードに置くことができる。このモードにおいては、すべての自由度が阻止されるか、または付加手段が不一致の診断を可能にする自由度に対応する自由度のみ阻止される。位置および姿勢が一貫性を有すると見なされるまで、ステップ３０３の決定に従って、並行してハンドルの位置および姿勢の決定を進めることができる。点検ステップ３０２に従って前もって固定手段を点検することも可能である。
【００８６】
これらの付加手段が使用されない場合、一貫性点検は、位置点検ステップ３０４において、推定された値に関する信頼水準の評価により行うこともできる。この信頼水準が特定の閾値を超える場合、制御システムを劣化モードまたはロボットのすべての自由度を阻止する安全モードに置くことができる。
【００８７】
設定点決定ステップ３０５に制御ステップ３０７が続き、このステップにおいて設定点がロボットに送出される。
【００８８】
要するに、制御手段の位置が一貫性を有するや否や、制御手段に加えられる力が決定され、ロボットは、少なくともこの力に基づいて制御される。これらのステップすべてはループを形成し、たとえば、制御手段がもはや取り付けられていないことまたは位置に一貫性があるともはや見なされないこと（この目的のための手段が設けられている場合、）が検知されるまで繰り返される。次に、この方法は、図３に示すフローチャートに従って再開され得る。
【００８９】
有利には、上述のヴァリニョンの関係およびその導関数を、それぞれ、慣性誘導装置およびロボットの上に置かれた加速度と角速度のセンサーにより測定された角速度および加速度に適用することにより制御手段の位置および姿勢を決定することが可能である。最後に言及したデータは、ロボット上に置かれた位置センサーにより与えられるロボットの位置に関するデータから得ることもできる。次に、制御装置の位置および姿勢は、力トルソに適用される前述の原理に従って、換言すると以下：
−  制御手段において表現されたベクトルにより形成される第１ベクトルおよびロボットの把握機構において表現されたベクトルにより形成される第２ベクトルから選択された２つの合成加速度・角速度ベクトルの一方の測定値と、
−  ヴァリニョンの関係およびその導関数を使用して、前述の２つのベクトルの他方の測定値から再構成された同一のベクトルと
の誤差またはその誤差の二乗を最小化することにより推定することができる。
同様に、この誤差は、力トルソに関して上述した手段と同様な手段を使用して最小化することもできる。
【００９０】
この有利な実施形態によると、慣性誘導装置は、測定値の積分を要さないという利点を有し、したがってドリフトを引き起こさない方法に従って使用される。
【００９１】
推定アルゴリズムおよび上述の種々のステップは、コントローラ１１０において、または専用の手段により使用され得る。
【００９２】
有利には、制御手段に加えられる力のトルソを使用してオペレータの意図を検知し、かつ、この意図に応じてロボットに対するコマンドを起動することによりロボットの軌道を強制することができる。たとえば、平行移動を行う意図が検知され、次に、対象物を平行移動から逸らすであろうオペレータの無意識の動きを考慮に入れることなく、ロボットが平行移動を行うように命令される。このように対象物は、仮想ガイドに従って移動される。仮想ガイドの原理は、本発明による方法またはシステムにより可能となり、それはオペレータの身振りに対する補助的支援を与えることを可能にする。オペレータは、制御手段の位置決めおよびそれに加える力の結果として、この援助の利用をオンラインで指定することができる。仮想ガイドの選択は、オペレータによりハンドルに加えられる力の方位および方向、これらの力の組み合わせ、これらの力の加えられる位置の関数として決定され得る。たとえば、オペレータがハンドルの周りに対象物を回転させたい場合、オペレータは、対象物の希望回転軸の周りにのみトルクを加え、他の力はすべてゼロとする。この場合、加えられたトルクの軸の周りでロボットが円を描くこと、そのときハンドルの位置は円の中心にあること、ロボットにより描かれる円の方向を与えるトルクの方向または符号を規定することができる。仮想ガイドが使用される場合、ロボットは、力／位置の制御により制御することができる。
【００９３】
ふたたび図２を参照すると、図３に関連して前述したとおり、有利にはハンドル１００は、制御手段を監視し、ハンドル１００の対象物からの脱離を検知するように構成される手段を含み得る。制御手段を監視するこの手段は、たとえば、スプリングの上に取り付けられ、支持部分１０３の台座（すなわち固定手段１０９）の中心に配置される可動突起物の形態とすることができる。制御手段を監視する手段は、単なるハンドルの位置の判断の形態とすることもできる：ハンドル１００の位置が特定の閾値より大きい距離にあると判断された場合、ハンドルは固定されたままでなく、たとえば滑落していると結論することができる。
【００９４】
有利には、制御手段は、オペレータにとって操作をより容易にするためにグローブまたは１対のグローブの形態とすることができる。
【００９５】
グローブは、たとえば、複数の圧力センサーを含むことができ、かつ、有利には手の向きを決定する少なくとも１つの付加センサーを含み得る。
【００９６】
有利には、また、グローブは、さらに多軸圧力センサーを含むことができる。
【図１】
2015507541.tif 000006
【図２】
2015507541.tif 000007
【図３】
2015507541.tif 000008
【国際調査報告】
2015507541.tif 000009
2015507541.tif 000010
2015507541.tif 000011
2015507541.tif 000012
2015507541.tif 000013
2015507541.tif 000014