(57)【要約】      （修正有）【課題】構造化されていない作業空間内で、外部物体に対する押圧力を制限するロボット制御方法を提供する。【解決手段】マニピュレータから周囲の環境に付与される静的な力に上限を課す。また、構造化されていない作業空間におけるマニピュレータと物体との間の接触力を決定することを含むことができ、また、この接触力が閾値を超えるときに動的反射作用を実行することを含むことができ、それにより上限が制限された静的な力により対処されない慣性衝撃を緩和する。この方法は、ジョイントアクチュエータによりロボットジョイントに付与される必要な反射作用トルクを計算することを含むことができる。コントローラは、力ベースまたはインピーダンスベースの命令を用いてマニピュレータを制御する。【選択図】図２
2012056074.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットマニピュレータを備え且つ構造化されていない作業空間で動作する、力制御されるまたはインピーダンス制御されるロボットを制御する方法であって、前記方法は、
前記ロボットマニピュレータにより周囲の環境に付与される静的な力に自動的に上限を課し、静的な力が常に前記上限を超えることができないようにするステップを有する、方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、前記上限は、前記ロボットマニピュレータのロボットジョイントにおける少なくとも１つのトルク、および、前記ロボットマニピュレータ上の選択されたポイントにおけるデカルト力およびモーメント、の少なくとも１つに関して定義される、方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、さらに、
前記ロボットマニピュレータが前記構造化されていない作業空間内で物体に接触するときに、前記ロボットマニピュレータと前記物体との間の接触力を決定するステップと、
前記接触力が較正された閾値を超えるときに、前記マニピュレータの動的な反射作用を自動的に実行するステップと、を有する方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法であって、さらに、前記ロボットマニピュレータのダイナミクスのモデリング、および接触力が前記較正された閾値を超えたときの検出の少なくとも１つを用いて物体との接触を同定するステップを有する、方法。
【請求項５】
請求項３に記載の方法であって、さらに、前記接触力を検出する外受容性検出を用いるステップを有する、方法。
【請求項６】
請求項３に記載の方法であって、さらに、前記接触力が前記較正された閾値よりも小さくなったときに、前記動的な反射作用を中断するステップを有する、方法。
【請求項７】
請求項３に記載の方法であって、前記ロボットマニピュレータは、ジョイントアクチュエータを介して移動可能なロボットジョイントを含み、前記方法はさらに、
前記ジョイントアクチュエータから前記ロボットジョイントに付与される反射作用トルクを自動的に計算するステップと、
前記ロボットジョイントに前記反射作用トルクを与えるステップと、を有する方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法はさらに、
前記反射作用トルクを計算するときに、前記ロボットマニピュレータに作用する重力およびコリオリ力の少なくとも１つを自動的に補償するステップを有する、方法。
【請求項９】
ロボットシステムであって、
ロボットマニピュレータおよび構造化されていない作業空間を備える、力制御されるまたはインピーダンス制御されるロボットと、
前記ロボットマニピュレータに電気的に接続されるコントローラと、を有し、前記コントローラは、力ベースまたはインピーダンスベースの命令を用いて前記ロボットマニピュレータを制御するように構成され、
前記コントローラは、前記マニピュレータにより周囲の環境に付与される静的な力に上限を課し、前記静的な力が前記上限を超えることができないようにする、ロボットシステム。
【請求項１０】
請求項９に記載のロボットシステムであって、前記上限は、前記ロボットマニピュレータのジョイントにおけるトルク、および、前記ロボットマニピュレータ上の選択されたポイント上でのデカルト力およびモーメント、の少なくとも１つに関して定義される、ロボットシステム。
【請求項１１】
請求項９に記載のロボットシステムであって、前記コントローラは、前記ロボットマニピュレータが作業空間内で較正された閾値を超える接触力で物体に接触したときに、前記マニピュレータの動的な反射作用を自動的に実行する、ロボットシステム。
【請求項１２】
請求項１１に記載のロボットシステムであって、前記コントローラは、前記ロボットマニピュレータのダイナミクスのモデリング、および、前記接触力が較正された閾値を超えたときを検出すること、の少なくとも１つを用いて、前記ロボットマニピュレータと前記物体との間の接触を同定する、ロボットシステム。
【請求項１３】
請求項１１に記載のロボットシステムであって、前記コントローラは、前記接触力が前記較正された閾値よりも小さくなったときに、自動的に動的反射作用を中断する、ロボットシステム。
【請求項１４】
請求項１１に記載のロボットシステムであって、前記ロボットは、ジョイントアクチュエータを介して移動可能なロボットジョイントを含み、前記コントローラは、前記ジョイントアクチュエータにより前記ロボットジョイントに与えられる反射作用トルクを計算し、前記ロボットジョイントからの前記反射作用トルクを動的反射作用として命令する、ロボットシステム。
【請求項１５】
ロボットマニピュレータを備え、構造化されていない作業空間内で動作する、力制御されるまたはインピーダンス制御されるロボットのためのコントローラであって、前記コントローラは、静的な力が常に上限を超えることができないようにするように、前記ロボットマニピュレータにより周囲の環境に付与される静的な力に自動的に上限を課すようにプログラムされるホストマシンを含む、コントローラ。
【請求項１６】
請求項１５に記載のコントローラであって、前記上限は、前記ロボットマニピュレータのジョイントにおけるトルク、および、前記ロボットマニピュレータの選択されたポイントにおけるデカルト力またはモーメント、の少なくとも１つに関して定義される、コントローラ。
【請求項１７】
請求項１５に記載のコントローラであって、前記ホストマシンは、前記ロボットマニピュレータが較正された閾値を超える接触力で物体に接触するときに、選択的に前記ロボットマニピュレータの動的な反射作用を実行する、コントローラ。
【請求項１８】
請求項１７に記載のコントローラであって、前記ホストマシンは、前記ロボットマニピュレータのダイナミクスのモデリング、および前記接触力が前記較正された閾値を超えたときを検出すること、の少なくとも１つを用いて、前記ロボットマニピュレータと前記物体との間の接触を同定する、コントローラ。
【請求項１９】
請求項１７に記載のコントローラであって、前記コントローラは、前記接触力が前記較正された閾値より小さくなったときに、前記動的反射作用を中断する、コントローラ。
【請求項２０】
請求項１７に記載のコントローラであって、前記マニピュレータは、ジョイントアクチュエータを介して移動可能なロボットジョイントを含み、前記コントローラは、前記ジョイントアクチュエータにより前記ロボットジョイントに与えられる反射作用トルクを自動的に計算することにより前記動的反射作用を決定し、前記ロボットジョイントから前記反射作用トルクを動的反射作用として命令する、コントローラ。
【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。本明細書で説明される発明は、米国政府の目的にために、ロイヤリティの支払いなしに、米国政府によりまたは米国政府のために製造または使用することができる。
【０００２】
[0002]本発明は、ロボットのマニピュレータが、作業空間内で物体または操作者と予期しない直接的物理接触し得る動作環境において、力制御されるまたはインピーダンス制御されるロボットの自動制御に関する。
【背景技術】
【０００３】
[0003]ロボットは、一連のリンクを使用して物体を操作することができる自動化された装置である。リンクは、１つ以上のアクチュエータ駆動のロボットジョイントにより相互接続される。典型的なロボットにおける各ジョイントは、少なくとも１つの独立した制御変数、すなわち自由度を意味する。エンドエフェクタは、作業ツールを把持するなどの、ハンドにおける作業を実行するために使用される特定のマニピュレータである。それゆえ、様々なロボットマニピュレータを制御することによるロボットの正確な運動制御は、作業の仕様の必要なレベルにより計画される。レベルは、物体レベル制御を含み、これは、ロボットの単一または協働する把持において保持される物体の振る舞いを制御するための能力を意味し、また、エンドエフェクタ制御を含み、すなわちロボット指部および親指のような様々なマニピュレータの制御であり、また、ジョイントレベル制御を含む。集合的に、様々な制御レベルは、必要とされる可動性、器用さ、および作業課題に関連する機能性を達成する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
[0004]人間による使用のために特別に設計された装置またはシステム、すなわち、適切な操作に人間のようなレベルの器用さを必要とする装置による直接的な相互作用が必要な場面で、器用なロボットが使用されることがある。また、ロボットの動作が人間の動作を模倣するようにプログラムすることができ、人間の操作者に直接的な相互作用が必要な場面において、器用なロボットの使用が好ましいことがある。そのようなロボットは、典型的には、よく画定された、または構造化された作業空間内で動作するように構成される。しかし、ある発展的な用途において、指定された作業空間は相対的に制限的であり、および／または構造化されておらず、また、他の人間の操作者と共有されることがある。そのような動作環境において、作業空間内で、ロボットのマニピュレータと物体および／または人間の操作者との接触が発生する可能性が増大する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
[0005]よって、本明細書において、ロボットシステム内で力制御されるまたはインピーダンス制御される器用なロボットを制御するための方法が開示される。そのようなロボットは、１つ以上のロボットマニピュレータを備えることができる。各マニピュレータは、力ベースまたはインピーダンスベースの制御フレームワークを介して構造化されていない作業スペース内で動作する。本明細書において、「力ベース」および「インピーダンスベース」との語は、様々なロボットジョイントおよびマニピュレータを通じて移動および力を提供するために、それぞれの力およびインピーダンスの命令およびフィードバック信号に依存するロボットの制御を指す。
【０００６】
[0006]本発明は、常に、与えられたロボットマニピュレータにより命令される静的な力／トルクに、自動的に周囲の環境に対する上限を課す。それゆえ、作業空間において、ロボットマニピュレータが予期せずに物体に接触する場合、マニピュレータにより付与される静的な力が限界付けられまたは境界つけられる。物体の接触に際して、ロボットマニピュレータは、物体に遭遇した後に物体と「戦う」ことなく、割り当てられた作業タスクを進行する。本制御戦略のこのフェーズは、接触を検出することに依存せず、代わりに、常に静的な力を制限するために、本明細書に開示される内受容検出（proprioceptive sensing）を用いる。
【０００７】
[0007]静的な力は境界つけられまたは上限が制限されるが、ロボットのマニピュレータが運動中のときのシステムの運動量により、マニピュレータは接触時により大きな動的な力を与え得る。制御戦略の他のフェーズは、それゆえ、物体との接触力の閾値において予め決定された動的な反射作用（reflex）を自動的に実行することを含む。動的な反射作用は接触の慣性インパルスを緩和し、これは上限が限界付けられた静的な力では対処されていない。動的な反射作用は、接触を検出するために、動的なモデリングおよび／または外受容性の検出（exteroceptive sensing）に基づくことができ、すなわち、接触を物理的に検出し、接触を同定するために、ロボットが構造の外側が起因の刺激を受けてこれに応答する。このようにして、ロボットは、マニピュレータへの慣性衝撃を減少させることができ、さもなくば、マニピュレータの質量および／または上限スピードを減少させることによってしか対処することができない。
【０００８】
[0008]本明細書で開示される方法は、力制御されまたはインピーダンス制御される、ロボットマニピュレータを備え、構造化されていない作業空間内で動作するロボットを制御する。本方法は、ロボットマニピュレータにより周囲の環境に対して付与される静的な力に自動的に上限を課すことを含み、静的な力が常に上限を超えることができにないようにする。
【０００９】
[0009]上限は、ロボットのジョイントにおけるトルク、およびロボットマニピュレータの選択されたポイントにおけるデカルト力およびモーメントの少なくとも１つに関して定義することができる。本方法はさらに、構造化されていない作業空間において、ロボットマニピュレータが物体と接触するときのロボットマニピュレータと物体との間の接触力を決定することを含み、また、接触力が較正された閾値を超えたときに自動的にマニピュレータの動的な反射作用を実行することを含む。
【００１０】
[0010]本明細書で説明されるロボットシステムは、コントローラ、および力制御されるまたはインピーダンス制御されるロボットを含み、ロボットは、ロボットマニピュレータおよび構造化されていない作業空間を備える。コントローラは、マニピュレータにより周囲の環境に付与される静的な力の上限を課し、静的な力が常に上限を超えることができないようにする。
【００１１】
[0011]また、力制御されるまたはインピーダンス制御されるロボットのためのコントローラが開示される。ロボットは、構造化されていない作業空間内で動作し、また、ロボットマニピュレータを備える。コントローラは、ロボットマニピュレータにより周囲の環境に付与される静的な力の上限を自動的に課し、静的な力が常に上限を超えることができないようにプログラムされたホストマシンを含む。
【００１２】
[0012]本発明の上記の特徴および利点、および本発明の他の特徴および利点は、添付図面とともに以下の本発明を実施する好ましい形態の詳細な説明を参照することで容易に明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】力制御されまたはインピーダンス制御される、本明細書で開示されるように制御されるロボットマニピュレータを備える器用なロボットを備えるロボットシステムの概略図である。
【図２】図１に示されるロボットシステムのための制御戦略を提供する論理制御ブロック図である。
【図３】力制御されまたはインピーダンス制御される図１のロボットのための方法を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
[0016]図面を参照すると、複数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を参照すると、器用なロボット１１を備えるロボットシステム１０が示され、ここでは人間型ロボットの実施形態を示し、これは、電子制御ユニットまたはコントローラ１２を介して制御される。
【００１５】
[0017]コントローラ１２は、アルゴリズム１００を使用してロボット１１のための制御戦略を提供し、これは図２、３を参照して以下で説明される。制御戦略は、常に静的なコンプライアンスフェーズ（制御フェーズＩ）を提供し、また、追加的に動的な反射作用フェーズ（制御フェーズＩＩ）を提供し、構造化されていない作業空間内でのロボット１１の安全な動作を確保するのを支援する。制御フェーズは、図２とともに以下で説明されるように計算されるジョイントトルク命令信号５０を介して、コントローラ１２により実行される。
【００１６】
[0018]本明細書において、「構造化されていない」との語は、少なくとも部分的に画定されていない、および／または人間のオペレータまたは他の物体と共有され、特に物体／オペレータが画定できないまたは予測できない位置をとる動作環境または作業スペースを意味する。そのような作業スペースは、よく画定されたまたは明瞭に区別された境界を備える典型的な構造化されたロボット作業スペースと対比して定義される。構造化された作業スペースは、高度に規制された位置および寸法を備える物体が境界内にあるようにすることを可能にし、人間のオペレータがそれらの境界内に存在することを許容しないようにする。発展的な順応性のあるオートメーションは、ひどく構造化されていないおよび／または人間のオペレータと共有する作業空間においてロボットを使用することを伴い、たとえば、空間探査ベースの用途または産業ベースの用途などである。そのような用途において、器用なロボットは、環境の変化とともに人間のようなレベルの器用さを必要とするある種の作業課題を実行することができる。
【００１７】
[0019]図１のロボット１１は、複数の自由度（ＤＯＦ）とともに自動化される作業を実行し、また、他の相互作用的な作業を実行することができ、また、他の統合されるシステムコンポーネントを制御するように構成することができ、他のシステムコンポーネントはたとえばクランプ、照明、リレーなどである。可能な１つの実施形態によれば、ロボット１１は、複数の、独立して、および相互依存して、移動可能なアクチュエータ駆動のロボットジョイントを備えることができ、限定するわけではないが肩部ジョイント、この位置は全体として矢印１３により示され、また、肘ジョイント（矢印１５）、手首ジョイント（矢印１７）、首ジョイント（矢印１９）、腰ジョイント（矢印２１）、および各ロボット指１４の指節骨の間に位置決めされる様々な指ジョイント（矢印２３）などである。
【００１８】
[0020]各ロボットジョイントは、１以上のＤＯＦを備えることができる。たとえば、肩ジョイント（矢印１３）および肘ジョイント（矢印１５）のようなある従順なジョイントは、ピッチおよびロールの形態で少なくとも２ＤＯＦを備える。同様に首ジョイント（矢印１７）は、少なくとも３ＤＯＦを備えることができ、腰ジョイント（矢印２１）および手首ジョイント（矢印１７）は、１以上のＤＯＦを備えることができる。作業の複雑さに依存して、ロボット１１は、４２を超えるＤＯＦで移動することができる。各ロボットジョイントは、１つ以上のアクチュエータを備えこれにより内部駆動され、アクチュエータは、たとえば、ジョイントモーター、リニアアクチュエータ、ロータリーアクチュエータ等である。
【００１９】
[0021]ロボット１１は、ヘッド１６、トルソ１８、ウェスト２０、アーム２２、ハンド２４、フィンガー１４、および向かい合わせの親指のような要素を含むことができ、また、これらの要素内にまたはこれらの要素の間に配置される上述の様々なジョイントを備えることができる。ロボット１１は作業の好適な固定部またはベース（図示せず）を含むことができ、たとえば、脚部、トレッド、またはロボットの具体的な用途または意図している使用に応じて他の移動可能なまたは固定されたベースのようなものである。動力供給部２８は、ロボット１１に一体的に取り付けることができ、たとえば、トルソ１８の背面に保持または装着される充電可能なバッテリパック、または、他の好適なエネルギー供給部、または、十分な電気エネルギーを様々なジョイントに供給するためにテザリングケーブルを介して遠隔的に取り付けることができるエネルギー供給部などである。
【００２０】
[0022]コントローラ１２は、ロボット１１の正確な運動制御を提供し、物体または作業ツール３０を操作するために必要な精細および大雑把な運動の制御を含む。作業ツール３０は、１つ以上のハンド２４のフィンガー１４および親指２６により把持される。また、コントローラ１２は、各ロボットジョイントおよび他の統合されたシステム要素を、他のジョイントおよびシステム要素から分離して独立に制御することができ、また、比較的に複雑な作業課題を実行するのに複数のジョイントの動作を完全に整合的に作用させるように、多数のジョイントを相互依存して制御することができる。
【００２１】
[0023]図１を参照すると、コントローラ１２は、１または複数のディジタルコンピュータまたはデータ処理装置を備えるサーバーまたはホストマシンとして実装することができ、それぞれは、１つ以上のマイクロプロセッサまたは中央処理装置（ＣＰＵ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、電気的に消去可能なプログラム可能な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、および任意の必要な入力／出力（Ｉ／Ｏ）回路および装置を備え、また、振動調整およびバッファ電子機器を備える。コントローラ１２内にあるまたはコントローラにより容易にアクセス可能な個別的な制御アルゴリズムは、ＲＯＭ内に記憶され、または他の好適なメモリに記憶され、また、それぞれの制御機能を提供するように自動的に実行される。
【００２２】
[0024]図２を参照すると、概略的な制御ブロック図３２は、図１のコントローラ１２の基本的な動作原理を説明している。上述したように、静的コンプライアンス（制御フェーズＩ）の制御戦略を提供し、また、所望であれば動的な反射作用（制御フェーズＩＩ）を提供する。すなわち、図１のロボット１１は、力制御されるまたはインピーダンス制御されるロボットであり、またそれゆえ、その振る舞いは、マススプリング−ダンパシステムとしてモデル化することができる。システムの所望の剛性、減衰、および慣性特性を特定するために、以下の力ベースまたはインピーダンスベースの制御フレームワークを使用することができる。
【００２３】
【数１】
2012056074.tif 000003
【００２４】
ここでｋはバネ定数、ｍは動作させられる質量、ｂは較正される定数、Ｆは質量に作用する力、Δｘは、質量の実際の位置と望ましい位置（ｘ）との間の差、である。力ベースまたはインピーダンスベースの制御は、ロボットと周囲の環境との間の物理的相互作用にロバスト性を提供することができ、また、多様な作業課題に対する柔軟性を提供することができる。
【００２５】
[0025]ブロック図３２は、様々な論理ブロックおよび信号処理ノードを使用して図１のロボット１１の閉鎖ループ制御を提供する。ノード４８で開始すると、この特定のノードは、望ましいジョイント位置４１、たとえば望ましいジョイント角度（ｑdes）、および測定されたジョイント位置５６、たとえば与えられたロボットジョイントの測定されたジョイント角度（ｑ）を受け取り、差分、たとえば（ｑdes−ｑ）を計算する。この差分は、位置誤差信号６０としてスプリングトルクブロック３４へ送られ、これは必要とされる「スプリング」ジョイントトルク６２を計算し、これは位置誤差信号６０の値に比例する。
【００２６】
[0026]必要とされるスプリングジョイントトルク６２は、与えられたロボットマニピュレータにより周囲の環境へ付与される静的トルク／力を構成する。この信号は、スプリングトルクブロック３４から制限ブロック３５へ伝達され、これはスプリングジョイントトルク６２の上および下の境界または上限を提供する。ロボット１１により付与される力を決定するのに、自己受容の（proprioceptive）検出を用いることができる。本明細書において、自己受容（proprioceptive）との語は、単独で内部的にロボット１１のステータスのフィードバックを提供するセンサの様式を指し、すなわち、ロボットが必要とされる作用力とともに移動しているか、また、ロボットの様々な部分が互いに対して配置されているかどうかを示すセンサである。外力検出または接触力の検知は、すなわち、外受容の（exteroceptive）検出はこのフェーズでは必要ではない。上限トルクは、トルク信号６４として他の信号処理ノード５１に送られ、この機能は以下で説明される。
【００２７】
[0027]また、ブロック図３２は、減衰トルクブロック３６、動的補償ブロック３８、重力補償ブロック４０、および接触検出ブロック４２を含む。ブロック３８、４０、４２は、測定されたジョイント位置を入力として受け取り、別個に、異なる出力信号を生成する。減衰トルクブロック３６は、位置誤差信号６０を受け取り、出力トルク信号６８を提供する。信号６８は値Ｂｑ´に比例し、ここでＢは較正された比例定数であり、ｑ´はジョイント角度の時間微分である。動的補償ブロック３８は、補償信号７０を生成し、これは動的な力をモデル化し、特にコリオリ力を生成し、必要に応じて補正する。
【００２８】
[0028]当業界で理解されているように、コリオリ力は、回転する参照フレーム内の運動する物体に作用するコリオリ効果により発生する。これは参照フレームの回転スピードに比例し、また、同一の参照フレーム内の物体のスピードに比例し、回転軸および回転フレーム内で移動する物体の速度に直交する方向に作用する。重力補償ブロック４０は、ロボット１１に作用する重力の効果をモデル化し、この値を重力補償信号７２として伝達し、これは最終的には処理ノード５１により減算される。
【００２９】
[0029]信号処理ノード５１は、上述したそれぞれのブロック３５、３６、３８、４０からの様々な信号６４、６８、７０、７２の関数として、予備的なトルク信号６６を計算する。予備的なトルク信号６６は、信号処理ノード５３に向かって供給され、これは、最終的にはロボット１１の制御のためのジョイントトルク命令信号５０を計算する。ノード５３は、予備的なトルク信号６６および反射作用トルクブロック４６からの反射作用トルク信号７８の関数として、ジョイントトルク命令信号５０を計算する。
【００３０】
[0030]図２を参照すると、コントローラ１２は、特定のロボットマニピュレータのダイナミクスをモデル化することにより、および／または、構造化されていない作業空間内でのロボット１１と物体との間の予期しない接触により発生する外力を物理的に検出することにより、外部接触を検出するのに接触検出ブロック４２を使用することができる。外受容性の検出をそのような接触を検出するのに用いることができる。「外受容性」との語は、視覚センサ、ロードセル、距離測定器などの手段を用いるロボット１１の外側からの接触力の検出をいう。コントローラ１２は、そのような入力を、測定されたジョイント位置５６および検出または測定された外力５４として入力を受け入れ、これは図２において力５４の矢印で示され、この値は必要に応じてコントローラ１２により使用されるために供給される。
【００３１】
[0031]ブロック４２からの接触力信号７４は、閾値比較ブロック４４を介して、反射作用命令信号７６を生成するために処理される。反射作用トルクが必要とされる場合、すなわち、ブロック４２において検出される接触の外力がブロック４４の閾値の力を超える場合、反射作用トルクブロック４６は、望ましい反射作用応答を開始する。これは、反射作用信号７８としてノード５３に伝達される。実際の望まれる反射作用は、多くの形態をとることができ、たとえば、接触から引き戻すトルクを生成させるなどである。
【００３２】
[0032]ノード５３は、その後、予備的なジョイントトルク６６および反射作用トルク信号７８の関数としてジョイントトルク命令信号５０を計算する。ロボット１１は、ジョイントトルク命令信号５０を介して、必要とされる力ジョイントトルクを生成するように命令される。これは、任意の検出または測定された値を、測定された外力５４およびジョイント位置５６のためにフィードバックする。
【００３３】
[0033]図２に示される制御規則は、図１のロボット１１のジョイント空間において定式化され、すなわち、ロボットのジョイントの自由度（ＤＯＦ）に関して定式化される。これは、図２により説明される上限は、ロボット１１のロボットマニピュレータの選択されたポイントにおける少なくとも１つのジョイントトルク、およびデカルト力およびモーメントに関して定義される。後者の場合、制御は、ロボット１１の動作空間内で定式化され、すなわち、ロボットのエンドエフェクタのデカルトＤＯＦに関して定式化される。そのような場合、上限は、ジョイントトルクではなくロボット１１により付与されるデカルト力／モーメントに適用される。
【００３４】
[0034]図３を参照すると、アルゴリズム１００は、上述の制御戦略を実行する１つの可能な方法を提供する。アルゴリズム１００はステップ１０２で開始し、ここで、図１のコントローラ１２は、ロボット１１の与えられたマニピュレータにより付与される静的な力に自動的に上限を課し、すなわち、フィンガ、親指、ハンド、または他のマニピュレータ、による付与される静的な力に自動的に上限を課し、常にこの上限を超えることができないようにする。換言すれば、コントローラ１２は、自動的に、上述のインピーダンスベースフレームワークにおける事実上の「スプリング力」の上限を与え、たとえば、上述の上限ブロック３５を介してジョイントトルクを制限する。ロボット１１は、作業空間において生じ得る接触などの障害に抗することなく環境に順応する。
【００３５】
[0035]ステップ１０４において、コントローラ１２は、閾値接触力が存在するかどうかを決定することができる。たとえば、図２の検出ブロック４２は、モデル化したダイナミクスを使用して、および／または上述した接触力を検出することにより、ロボット１１と物体との間の接触を検出するのに用いることができる。比較ブロック４４は、動的な反射作用が開始されるべきかどうかについて、閾値決定をするのに用いることができ、また、コントローラ１２内でその決定と通信するために使用することができる。
【００３６】
[0036]ステップ１０６において、コントローラ１２は、ロボット１１に動的な反射作用を課す。慣性力により、ロボット１１は、作業空間内での物体との接触において大きな動的な力を与える。接触力が閾値を超える場合、コントローラ１２は、反射作用ブロック４６を介して較正された反射作用を開始する。アルゴリズム１００はステップ１０８に進む。
【００３７】
[0037]ステップ１０８において、コントローラ１２は、動的な反射作用を終了し、ステップ１０２の静的なコンプライアンスだけの処理に戻る。すなわち、コントローラ１２は、作業空間内での接触を監視し続ける間、制御フェーズＩ、すなわちブロック３４についての静的な監視を実行しない。
【００３８】
[0038]アルゴリズム１００を用いることで、図２の論理図３２に従って実行しているとき、ロボット１１のような器用なロボット、人間のオペレータ、およびあらゆる固定されていない物体と間で共有される構造化されていない作業環境において、安全な動作が可能になる。連続的な静的なコンプライアンスを備えるインピーダンスフレームワークは、環境の認識を必要とせずに動作中における常時コンプライアンスを確保する。補助的な動的な反射作用フェーズは、ロボット１１の速い運動とともに生じる接触力を較正された制御幅内になるように小さくするために使用することができる。
【００３９】
[0039]本発明を実施する好ましい形態が詳細に説明された。本発明の技術分野における当業者は、本発明を添付の特許請求の範囲により画定される発明を実施するための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】
2012056074.tif 000004
【図２】
2012056074.tif 000005
【図３】
2012056074.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成23年9月13日(2011.9.13)
【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】
ロボットマニピュレータを備え且つ構造化されていない作業空間で動作する、力制御されるまたはインピーダンス制御されるロボットを制御する方法であって、前記方法は、
前記ロボットマニピュレータにより周囲の環境に付与される静的な力に自動的に上限を課し、静的な力が常に前記上限を超えることができないようにするステップを有する、方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、さらに、
前記ロボットマニピュレータが前記構造化されていない作業空間内で物体に接触するときに、前記ロボットマニピュレータと前記物体との間の接触力を決定するステップと、
前記接触力が較正された閾値を超えるときに、前記マニピュレータの動的な反射作用を自動的に実行するステップと、を有する方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法であって、前記ロボットマニピュレータは、ジョイントアクチュエータを介して移動可能なロボットジョイントを含み、前記方法はさらに、
前記ジョイントアクチュエータから前記ロボットジョイントに付与される反射作用トルクを自動的に計算するステップと、
前記ロボットジョイントに前記反射作用トルクを与えるステップと、を有する方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法はさらに、
前記反射作用トルクを計算するときに、前記ロボットマニピュレータに作用する重力およびコリオリ力の少なくとも１つを自動的に補償するステップを有する、方法。
【請求項５】
ロボットシステムであって、
ロボットマニピュレータおよび構造化されていない作業空間を備える、力制御されるまたはインピーダンス制御されるロボットと、
前記ロボットマニピュレータに電気的に接続されるコントローラと、を有し、前記コントローラは、力ベースまたはインピーダンスベースの命令を用いて前記ロボットマニピュレータを制御するように構成され、
前記コントローラは、前記マニピュレータにより周囲の環境に付与される静的な力に上限を課し、前記静的な力が前記上限を超えることができないようにする、ロボットシステム。
【請求項６】
請求項５に記載のロボットシステムであって、前記上限は、前記ロボットマニピュレータのジョイントにおけるトルク、および、前記ロボットマニピュレータ上の選択されたポイント上でのデカルト力およびモーメント、の少なくとも１つに関して定義される、ロボットシステム。
【請求項７】
請求項５に記載のロボットシステムであって、前記コントローラは、前記ロボットマニピュレータが作業空間内で較正された閾値を超える接触力で物体に接触したときに、前記マニピュレータの動的な反射作用を自動的に実行する、ロボットシステム。
【請求項８】
請求項７に記載のロボットシステムであって、前記コントローラは、前記ロボットマニピュレータのダイナミクスのモデリング、および、前記接触力が較正された閾値を超えたときを検出すること、の少なくとも１つを用いて、前記ロボットマニピュレータと前記物体との間の接触を同定する、ロボットシステム。
【請求項９】
請求項７に記載のロボットシステムであって、前記コントローラは、前記接触力が前記較正された閾値よりも小さくなったときに、自動的に動的反射作用を中断する、ロボットシステム。
【請求項１０】
請求項７に記載のロボットシステムであって、前記ロボットは、ジョイントアクチュエータを介して移動可能なロボットジョイントを含み、前記コントローラは、前記ジョイントアクチュエータにより前記ロボットジョイントに与えられる反射作用トルクを計算し、前記ロボットジョイントからの前記反射作用トルクを動的反射作用として命令する、ロボットシステム。
【外国語明細書】
2012056074000001.pdf