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[Technisches Gebiet]
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Die in der vorliegenden Spezifikation offenbarte Technologie (im Folgenden als die „vorliegende Offenbarung“ bezeichnet) bezieht sich auf eine Steuervorrichtung und ein Steuerverfahren sowie ein Computerprogramm zur Steuerung eines Roboters.
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[Stand der Technik]
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In den letzten Jahren wurden mobile Roboter entwickelt und stehen kurz davor, in verschiedenen Bereichen eingesetzt zu werden. Automatisierte mobile Roboter werden für den Transport von Gepäckstücken usw. eingesetzt. Mobile Roboter können nach ihrem Mechanismus in einen Beintyp, einen Radtyp, einen Raupentyp und einen Gelenktyp usw. eingeteilt werden. So wurde zum Beispiel ein mobiler Roboter des komplexen Typs vorgeschlagen, der mehrere Bewegungsmechanismen wie Beine und Räder aufweist (siehe PTL 1).
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Bei einem Roboter, der die Auswahl zwischen mehreren Gangarten mit Beinen und Rädern erlaubt, ist es wünschenswert, auf ebenem Boden die Gangart zu wählen, die die Räder benutzt und eine niedrige Geschwindigkeit hat, aber auf einer gestuften oder unebenen Fläche die Gangart zu wählen, die die Beine benutzt und eine hohe Traversierleistung hat. Außerdem muss bei der Bewegung einem dynamischen Hindernis ausgewichen werden, und daher ist auch eine schnelle Reaktion wichtig. Dementsprechend ist es notwendig, einen Pfad zu erstellen, auf dem sich der Roboter fortbewegen kann, während die Gangart des Roboters in Echtzeit und unter Verwendung begrenzter Rechenressourcen geändert wird.
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So wurde zum Beispiel eine Laufrobotervorrichtung vorgeschlagen, bei der die Gangart entsprechend der Fahrbahnbeschaffenheit und der aktuellen Körperhaltung des Roboters geändert wird (siehe PTL 2). Da diese Laufrobotervorrichtung nur mit einer Art von Beinen als Bewegungsmechanismus ausgestattet ist, wird die Gangart nur zwischen Kriechen und Traben umgeschaltet, und ein Wechsel zwischen den Bewegungsmechanismen wird nicht durchgeführt.
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Außerdem ist ein Pfaderstellungsverfahren für einen mobilen Roboter vorgeschlagen worden, um einen Pfad zu erstellen, auf dem der Roboter von einem visuellen Punkt zu einem Endpunkt fährt und dabei Hindernissen ausweicht (siehe PTL 3). Bei diesem Verfahren ist es jedoch schwierig, einem dynamischen Hindernis auszuweichen, und es wird kein Pfad erstellt, der den Wechsel zwischen den Bewegungsmechanismen berücksichtigt.
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[Liste der Anführungen]
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[Patentliteratur]
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- [PTL 1] Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsnummer 2014-161991
- [PTL 2] Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsnummer 2006-255798
- [PTL 3] Offengelegtes japanisches Patent Nr. Hei 10-333746
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[Zusammenfassung]
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[Technisches Problem]
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Ziel der vorliegenden Offenbarung ist es, eine Steuervorrichtung und ein Steuerverfahren sowie ein Computerprogramm zur Steuerung eines Roboters bereitzustellen, das die Auswahl zwischen mehreren Gangarten ermöglicht.
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[Lösung des Problems]
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Die vorliegende Offenbarung wurde unter Berücksichtigung des oben beschriebenen Problems gemacht, und ein erster Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine Steuervorrichtung für einen Roboter, einschließlich einer Kostenkarten-Erstellungseinheit, die eine Kostenkarte für jede Gangart des Roboters erstellt, die eine Auswahl aus mehreren Gangarten ermöglicht, und einer Pfaderstellungseinheit, die einen Pfad einschließlich eines Gangartwechsels für den Roboter unter Verwendung der von der Kostenkarten-Erstellungseinheit erstellten Kostenkarten erstellt.
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Die Pfaderstellungseinheit sucht den kürzesten Pfad unter Verwendung der Kostenkarte der Gangart, die eine hohe Traversierleistung hat und zu den mehreren Gangarten gehört, führt die Suche nach einem Gangartwechselpunkt auf dem gesuchten Pfad durch und sucht, falls es einen Gangartwechselpunkt gibt, erneut nach einem Pfad auf der Kostenkarte der Gangart, die durch eine Zielfunktion ausgewählt wurde, indem der Gangartwechselpunkt als Unterziel verwendet wird.
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Die Steuervorrichtung kann so ausgebildet sein, dass, wenn dem Roboter unter Bezugnahme auf die von der Pfaderstellungseinheit erstellten Kostenkarten eine Anweisung zur Ausführung einer Gangart einschließlich eines Gangartwechsels gegeben werden soll, dem Roboter gleichzeitig eine Anweisung bezüglich eines Übergangszeitraums für den Gangartwechsel gegeben werden kann.
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Unterdessen ist der zweite Aspekt der vorliegenden Offenbarung ein Steuerverfahren für einen Roboter, das einen Kostenkarten-Erstellungsschritt zur Erstellung einer Kostenkarte für jede Gangart des Roboters, die eine Auswahl aus mehreren Gangarten ermöglicht, und einen Pfaderstellungsschritt zur Erstellung eines Pfades einschließlich eines Gangartwechsels für den Roboter unter Verwendung der in dem Kostenkarten-Erstellungsschritt erstellten Kostenkarten beinhaltet.
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Ferner ist der dritte Aspekt der vorliegenden Offenbarung ein Computerprogramm, das in einer computerlesbaren Form beschrieben ist, wobei das Computerprogramm einen Computer veranlasst, als eine Kostenkarten-Erstellungseinheit zu fungieren, die eine Kostenkarte für jede der Gangarten des Roboters erstellt, die eine Auswahl aus mehreren Gangarten ermöglicht, und eine Pfaderstellungseinheit, die einen Pfad einschließlich eines Gangartwechsels für den Roboter unter Verwendung der von der Kostenkarten-Erstellungseinheit erstellten Kostenkarten erstellt.
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Das Computerprogramm gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Offenbarung definiert ein Computerprogramm, das in einer computerlesbaren Form beschrieben ist, so dass es einen vorbestimmten Prozess auf einem Computer implementiert. Mit anderen Worten: Durch die Installation des Computerprogramms gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Offenbarung in einem Computer wird kooperatives Handeln auf dem Computer demonstriert, und es können vorteilhafte Arbeitseffekte erzielt werden, die denen der Steuervorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung ähneln.
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[Vorteilhafter Effekt der Erfindung]
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Gemäß der vorliegenden Offenbarung können eine Steuervorrichtung und ein Steuerverfahren sowie ein Computerprogramm für einen Roboter zur Durchführung der Pfaderstellung einschließlich des Wechselns der Gangart eines Roboters bereitgestellt werden, die eine Auswahl aus mehreren Gangarten ermöglicht.
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Es ist anzumerken, dass der in der vorliegenden Spezifikation beschriebene vorteilhafte Effekt nur beispielhaft ist und die durch die vorliegende Offenbarung bewirkten vorteilhaften Effekte nicht auf sie beschränkt sind. Außerdem zeigt die vorliegende Offenbarung manchmal weitere vorteilhafte Effekte zusätzlich zu den oben beschriebenen vorteilhaften Effekten auf.
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Weitere Objekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus einer detaillierteren Beschreibung auf der Grundlage der nachstehend beschriebenen Ausführungsform und der beigefügten Zeichnungen ersichtlich.
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Figurenliste
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- [1] 1 ist eine Ansicht, die ein Beispiel für die Konfiguration einer Robotervorrichtung 100 zeigt.
- [2] 2 ist eine Ansicht, die ein Beispiel für die Konfiguration einer Robotervorrichtung 200 zeigt.
- [3] 3 ist eine Ansicht, die ein Beispiel für eine Konfiguration eines Steuersystems 300 für die Robotervorrichtung 100 zeigt.
- [4] 4 ist eine Ansicht, die ein Beispiel für eine funktionale Konfiguration zur Durchführung der Pfaderstellung für die Robotervorrichtung 100 zeigt.
- [5] 5 ist ein Flussdiagramm, das ein Verarbeitungsverfahren zur Durchführung einer Pfaderstellung für die Robotervorrichtung 100 zeigt.
- [6] 6 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Beinkostenkarte darstellt.
- [7] 7 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Radkostenkarte darstellt.
- [8] 8 ist ein Diagramm, das einen Pfad zeigt, der auf der Beinkostenkarte für die Robotervorrichtung 100 erstellt wurde.
- [9] 9 ist ein Diagramm, das auf der Radkostenkarte einen Gangartwechselpunkt darstellt, der auf dem Pfad für die Robotervorrichtung 100 gesucht wurde.
- [10] 10 ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, in dem ein Gangartwechselpunkt unter Berücksichtigung der Breite der Robotervorrichtung 100 gesucht wird.
- [11] 11 ist ein Diagramm, das das Beispiel zeigt, in dem ein Gangartwechselpunkt unter Berücksichtigung der Breite der Robotervorrichtung 100 gesucht wird.
- [12] 12 ist ein Diagramm, das das Beispiel zeigt, in dem ein Gangartwechselpunkt unter Berücksichtigung der Breite der Robotervorrichtung 100 gesucht wird.
- [13] 13 ist ein Diagramm, das das Beispiel zeigt, in dem ein Gangartwechselpunkt unter Berücksichtigung der Breite der Robotervorrichtung 100 gesucht wird.
- [14] 14 ist ein Diagramm, das das Beispiel zeigt, in dem ein Gangartwechselpunkt unter Berücksichtigung der Breite der Robotervorrichtung 100 gesucht wird.
- [15] 15 ist ein Diagramm, das ein Beispiel zeigt, bei dem ein Gangartwechsel unter Berücksichtigung einer physikalischen Eigenschaft der Robotervorrichtung 100 durchgeführt wird.
- [16] 16 ist ein Diagramm, das das Beispiel zeigt, in dem der Gangartwechsel unter Berücksichtigung der physikalischen Eigenschaften der Robotervorrichtung 100 durchgeführt wird.
- [17] 17 ist ein Diagramm, das das Beispiel zeigt, in dem der Gangartwechsel unter Berücksichtigung der physikalischen Eigenschaften der Robotervorrichtung 100 durchgeführt wird.
- [18] 18 ist ein Diagramm, das das Beispiel zeigt, in dem der Gangartwechsel unter Berücksichtigung der physikalischen Eigenschaften der Robotervorrichtung 100 durchgeführt wird.
- [19] 19 ist ein Diagramm, das das Beispiel zeigt, in dem der Gangartwechsel unter Berücksichtigung der physikalischen Eigenschaften der Robotervorrichtung 100 durchgeführt wird.
- [20] 20 ist ein Diagramm, das das Beispiel zeigt, in dem der Gangartwechsel unter Berücksichtigung der physikalischen Eigenschaften der Robotervorrichtung 100 durchgeführt wird.
- [21] 21 ist ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel zeigt, in dem ein Gangartwechsel unter Berücksichtigung der physikalischen Eigenschaften der Robotervorrichtung 100 durchgeführt wird.
- [22] 22 ist ein Diagramm, das das andere Beispiel zeigt, in dem der Gangartwechsel unter Berücksichtigung der physikalischen Eigenschaften der Robotervorrichtung 100 durchgeführt wird.
- [23] 23 ist ein Diagramm, das das andere Beispiel zeigt, in dem der Gangartwechsel unter Berücksichtigung der physikalischen Eigenschaften der Robotervorrichtung 100 durchgeführt wird.
- [24] 24 ist ein Diagramm, das das andere Beispiel zeigt, in dem der Gangartwechsel unter Berücksichtigung der physikalischen Eigenschaften der Robotervorrichtung 100 durchgeführt wird.
- [25] 25 ist ein Diagramm, das ein weiteres Beispiel zeigt, in dem ein Gangartwechsel unter Berücksichtigung der physikalischen Eigenschaften der Robotervorrichtung 100 durchgeführt wird.
- [26] 26 ist ein Diagramm, das das Beispiel zeigt, in dem der Gangartwechsel unter Berücksichtigung der physikalischen Eigenschaften der Robotervorrichtung 100 durchgeführt wird.
- [27] 27 ist ein Diagramm, das das Beispiel zeigt, in dem der Gangartwechsel unter Berücksichtigung der physikalischen Eigenschaften der Robotervorrichtung 100 durchgeführt wird.
- [28] 28 ist ein Diagramm, das das Beispiel zeigt, in dem der Gangartwechsel unter Berücksichtigung der physikalischen Eigenschaften der Robotervorrichtung 100 durchgeführt wird.
- [29] 29 ist ein Diagramm, das das Beispiel zeigt, in dem der Gangartwechsel unter Berücksichtigung der physikalischen Eigenschaften der Robotervorrichtung 100 durchgeführt wird.
- [30] 30 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine funktionale Konfiguration zur Durchführung der Pfaderstellung für die Robotervorrichtung 100 darstellt.
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[Beschreibung der Ausführungsform]
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Im Folgenden wird die Technologie gemäß der vorliegenden Offenbarung in der nachstehend angegebenen Reihenfolge unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
- A. Konfiguration des Erscheinungsbilds
- B. Konfiguration des Steuersystems
- C. Funktionale Konfiguration für die Pfaderstellung
- D. Pfaderstellungsverfahren
- E. Konkretes Beispiel für die Pfaderstellung
- F. Änderung des Pfaderstellungsverfahrens
- G. Eigenschaften und vorteilhafte Effekte der vorliegenden Offenbarung
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A. Konfiguration des Erscheinungsbilds
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1 zeigt schematisch ein Beispiel für eine Konfiguration einer Robotervorrichtung 100, auf die die vorliegende Offenbarung angewendet wird. Die Robotervorrichtung 100 weist eine Körpereinheit 101, einen visuellen Sensor 102, eine Gelenkeinheit 103 und vier Beine der Beineinheiten 110A bis 110D auf.
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Der visuelle Sensor 102 ist ein Sensor, der die Umgebung der Robotervorrichtung 100 visuell erkennt, und weist beispielsweise eine Kamera (einschließlich einer Stereokamera), eine Infrarotkamera, einen TOF-Sensor (Time of Flight), ein LiDAR und so weiter auf. Der visuelle Sensor 102 ist über die Gelenkeinheit 103 an der Körpereinheit 101 befestigt, um die Blickrichtung des visuellen Sensors 102 nach oben, unten, links oder rechts zu bewegen. Außerdem kann die Robotervorrichtung 100 auch andere Sensoren als den visuellen Sensor 102 aufweisen, beispielsweise eine IMU (Inertial Measurement Unit), die an der Körpereinheit 101 und den Beineinheiten 110A bis 110D angebracht ist, einen Erdungssensor an der Sohle der Beineinheiten 110A bis 110D oder einen Tastsensor an der Oberfläche der Körpereinheit 101.
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Die Beineinheiten 110A bis 110D als Bewegungsmittel sind mit der Körpereinheit 101 über Gelenkeinheiten 111A bis 111D verbunden, die jeweils den Hüftgelenken entsprechen. Die Beineinheiten 110Abis 110D weisen jeweils Gelenkeinheiten 112Abis 112D, die jeweils ein Oberschenkelglied und ein Unterschenkelglied miteinander verbinden, sowie Radeinheiten 113A bis 113D an einem distalen Ende des Unterschenkelglieds (oder an der Sohle) auf. Dementsprechend handelt es sich bei der Robotervorrichtung 100 um einen vierbeinigen Roboter, der die Auswahl zwischen zwei Gangarten ermöglicht, nämlich der Beingangart (Gehen) und der Radgangart. Die für die Robotervorrichtung 100 vorgesehenen Gangarten unterscheiden sich in der Traversierleistung und der Bewegungsgeschwindigkeit.
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Die Gelenkeinheiten 111A bis 111D und die Gelenkeinheiten 112Abis 112D haben jeweils mindestens einen Freiheitsgrad um die Teilung. Die Gelenkeinheiten 111 A bis 111D und die Gelenkeinheiten 112Abis 112D weisen jeweils einen Motor zum Antrieb des Gelenks, einen Encoder zum Erfassen der Position des Motors und einen Drehmomentsensor zum Erfassen des Drehmoments auf der Abtriebswellenseite des Motors (keiner von ihnen ist abgebildet) auf. Es ist jedoch zu beachten, dass der Drehmomentsensor keine wesentliche Komponente für die Umsetzung der vorliegenden Offenbarung ist.
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Unterdessen zeigt 2 schematisch ein Beispiel für eine Konfiguration einer Robotervorrichtung 200, auf die die vorliegende Offenbarung angewendet wird. Die Robotervorrichtung 200 weist eine Körpereinheit 201, einen visuellen Sensor 202, eine Gelenkeinheit 203, zwei Beine, einschließlich einer rechten Beineinheit 210R und einer linken Beineinheit 210L, sowie eine rechte Armeinheit 220R und eine linke Armeinheit 220L auf.
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Der visuelle Sensor 202 ist ein Sensor, der die Umgebung der Robotervorrichtung 200 visuell erkennt und mindestens eine Kamera (einschließlich einer Stereokamera), eine Infrarotkamera, einen TOF-Sensor, ein LiDAR usw. aufweist. Der visuelle Sensor 202 ist über die Gelenkeinheit 203 mit der Körpereinheit 201 verbunden, um die Blickrichtung des visuellen Sensors 202 nach oben, unten, links und rechts zu bewegen.
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Die rechte Beineinheit 210R und die linke Beineinheit 210L als Bewegungsmittel sind über die Gelenkeinheiten 211R und 211L, die jeweils den Hüftgelenken entsprechen, mit den unteren Enden der Körpereinheit 201 verbunden. Die rechte Beineinheit 210R und die linke Beineinheit 210L weisen jeweils Gelenkeinheiten 212R und 212L auf, von denen jede dem Kniegelenk entspricht, das ein Oberschenkelglied und ein Unterschenkelglied miteinander verbindet, sowie Erdungseinheiten (oder Fußeinheiten) 213R und 213L an einem distalen Ende der Unterschenkelglieder. Die Erdungseinheiten 213R und 213L haben Radeinheiten. Dementsprechend handelt es sich bei der Robotervorrichtung 200 um einen zweibeinigen Roboter, der die Auswahl zwischen zwei Gangarten, einschließlich der Beingangart und der Radgangart, ermöglicht.
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Die rechte Armeinheit 220R und die linke Armeinheit 220L sind über Gelenkeinheiten 221R und 221L, die jeweils den Schultergelenken entsprechen, mit Teilen in der Nähe eines oberen Endes der Körpereinheit 201 verbunden. Die rechte Armeinheit 220R und die linke Armeinheit 220L weisen jeweils eine Gelenkeinheit 222R oder 222L, die dem Ellbogengelenk entspricht, das ein Oberarmglied und ein Unterarmglied miteinander verbindet, und eine Handeinheit (oder Greifeinheit) 223R oder 223L an einem distalen Ende der Vorderarmglieder auf.
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Die Gelenkeinheiten 211R und 211L, die Gelenkeinheiten 212R und 212L, die Gelenkeinheiten 221R und 221L und die Gelenkeinheiten 222R und 222L weisen jeweils einen Motor zum Antrieb des Gelenks, einen Encoder zum Erfassen der Position des Motors, ein Untersetzungsgetriebe und einen Drehmomentsensor zum Erfassen des Drehmoments auf der Abtriebswellenseite des Motors (keiner von ihnen ist abgebildet) auf. Es ist jedoch zu beachten, dass der Drehmomentsensor keine wesentliche Komponente für die Umsetzung der vorliegenden Offenbarung ist.
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B. Konfiguration des Steuersystems
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3 zeigt ein Beispiel für die Konfiguration eines Steuersystems 300 für die Robotervorrichtung 100. Einige oder alle Komponenten des Steuersystems 300 sind in der Körpereinheit 101 eingebaut. Alternativ kann das Steuersystem 300 eine Vorrichtung sein, die physisch unabhängig von der Robotervorrichtung 100 ist und über eine drahtlose oder drahtgebundene Verbindung mit der Robotervorrichtung 100 verbunden ist. So können beispielsweise einige oder alle Komponenten des Steuersystems 300 in der Cloud installiert und über ein Netzwerk mit der Robotervorrichtung 100 verbunden sein. Ferner ist zu erkennen, dass auch ein Steuersystem für die Robotervorrichtung 200 in ähnlicher Weise ausgebildet ist.
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Das Steuersystem 300 arbeitet unter der Gesamtsteuerung einer CPU (Central Processing Unit) 301. In dem dargestellten Beispiel hat die CPU 301 eine Multicore-Konfiguration einschließlich eines Prozessorkerns 301Aund eines weiteren Prozessorkerns 301B. Die CPU 301 ist über einen Bus 310 mit den Komponenten des Steuersystems 300 verbunden.
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Eine Speichervorrichtung 320 weist beispielsweise eine externe Speichervorrichtung mit großer Kapazität wie ein Festplattenlaufwerk (HDD) oder ein Festkörperlaufwerk (SSD) auf und speichert Dateien von Programmen, die von der CPU 301 ausgeführt werden sollen, und Daten, die während der Ausführung eines Programms verwendet oder durch die Ausführung eines Programms erstellt werden, usw. Die CPU 301 führt beispielsweise einen Gerätetreiber zum Antreiben der Motoren an den Gelenkeinheiten der Robotervorrichtung 100, ein Bildverarbeitungsprogramm zum Verarbeiten der vom visuellen Sensor 102 aufgenommenen Daten, ein Pfaderstellungsprogramm zum Erstellen eines Pfades für die Robotervorrichtung 100 usw. aus.
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Ein Speicher 321 weist ein ROM (Read Only Memory) und ein RAM (Random Access Memory) auf. Im ROM sind z. B. ein Startprogramm und grundlegende Ein-/Ausgabeprogramme für das Steuersystem 300 gespeichert. Das RAM dient zum Laden eines von der CPU 301 auszuführenden Programms und zum vorübergehenden Speichern von Daten, die während der Ausführung des Programms verwendet werden sollen. So werden beispielsweise Kostenkarten für einzelne Gangarten wie eine Beingangart und eine Radgangart der Robotervorrichtung 100, die in Echtzeit erstellt werden, im RAM gespeichert.
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Eine Anzeigeeinheit 322 weist z. B. ein Flüssigkristalldisplay oder ein organisches EL-(Elektrolumineszenz)-Display auf. Die Anzeigeeinheit 322 zeigt Daten während der Ausführung eines Programms durch die CPU 301 und ein Ergebnis dieser Ausführung an. Auf der Anzeigeeinheit 322 werden beispielsweise das Ergebnis der Ausführung des Pfaderstellungsprogramms, eine Kostenkarte für jede Gangart der Robotervorrichtung 100 usw. angezeigt.
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Eine Sensoreingabeeinheit 330 führt eine Signalverarbeitung durch, um Sensorsignale von verschiedenen Sensoren, die an der Robotervorrichtung 100 vorhanden sind, wie z. B. dem visuellen Sensor 102, in das Steuersystem 300 zu übernehmen. Eine Motor-Eingabe-/Ausgabeeinheit 340 führt Eingabe- und Ausgabeprozesse von Signalen von und zu den Motoren durch, wie z. B. die Ausgabe von Befehlssignalen an die Motoren an den Gelenkeinheiten der Robotervorrichtung 100 und die Eingabe von Sensorsignalen der Encoder zur Erfassung der Position der Motoren und Drehmomentsensoren auf der Abtriebswellenseite der Motoren.
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Eine Netzwerk-Eingabe-/Ausgabeeinheit 350 führt Eingabe- und Ausgabeprozesse zwischen dem Steuersystem 300 und der Cloud durch. Die Netzwerk-Eingabe-/Ausgabeeinheit 350 führt Eingabe- und Ausgabeprozesse durch, um das Herunterladen von Punktinformationen über einen Pfad (Wegpunkte, die im Folgenden beschrieben werden, oder dergleichen), die für die Pfaderstellung für die Robotervorrichtung 100 erforderlich sind, aus der Cloud, das Hochladen der erstellten Pfadinformationen in die Cloud usw. durchzuführen.
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C. Funktionale Konfiguration für die Pfaderstellung
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4 zeigt schematisch ein Beispiel für eine funktionale Konfiguration zur Durchführung der Pfaderstellung für die Robotervorrichtung 100 im Steuersystem 300. Die dargestellten Funktionsblöcke werden durch eine Kombination aus einem Softwaremodul, das von der CPU 301 ausgeführt wird, und einem Hardwaremodul der Robotervorrichtung 100 und des Steuersystems 300 realisiert.
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Ein Robotermodell 400 weist grundlegende Informationen auf, die im Wesentlichen für die Verwendung der Zielrobotervorrichtung 100 (oder der Robotervorrichtung 200) erforderlich sind, wie z. B. Informationen über eine Form, eine Gliederlänge, ein Ganguntersetzungsverhältnis eines Gelenkantriebsmotors, ein Gewicht und eine Trägheit. Eine Aktionsplanungs- und Erkennungseinheit 410 und eine Steuereinheit 420 nehmen das Robotermodell 400 auf. Die Aktionsplanungs- und Erkennungseinheit 410 und die Steuereinheit 420 weisen beispielsweise Softwaremodule auf, die von der CPU 301 ausgeführt werden.
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Der Pfaderstellungsprozess für die Robotervorrichtung 100 kann als Teil der Aktionsplanungs- und Erkennungseinheit 410 betrachtet werden, die eine Verarbeitung zur Erkennung einer Umgebung in Bezug auf Sensorinformationen durchführt, um einen Aktionsplan für die Robotervorrichtung 100 zu erstellen. Die Aktionsplanungs- und Erkennungseinheit 410 weist Funktionsmodule für eine Selbstpositions-Schätzungseinheit 411, eine Wegpunkt-Eingabeeinheit 412, eine Kostenkarten-Erstellungseinheit 413, eine Pfaderstellungseinheit 414 und eine Gangartwechsel-Anweisungseinheit 415 auf, um den Pfaderstellungsprozess durchzuführen. Die Funktionsmodule 411 bis 415 weisen z. B. Softwaremodule auf, die von der CPU 301 ausgeführt werden.
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Die Sensoreingabeeinheit 330 empfängt Sensorinformationen des visuellen Sensors 102 (Kamera, TOF-Sensor, LiDAR usw.), IMU usw. und stellt die Sensorinformationen anderen Modulen zur Verfügung.
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Die Selbstpositions-Schätzungseinheit 411 führt eine Schätzung der Selbstposition der Robotervorrichtung 100 in Bezug auf die von der Sensoreingabeeinheit 330 gelieferten Sensorinformationen und die von der Steuereinheit 420 gelieferten Odometrieinformationen durch. Die Selbstpositions-Schätzungseinheit 411 verwendet z. B. den SLAM-Algorithmus (Simultaneous Localization and Mapping).
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Die Wegpunkt-Eingabeeinheit 412 empfängt als Eingabe Wegpunkte, die von einem Modul ausgegeben werden, das einen globalen Wegplan außerhalb oder innerhalb des Steuersystems 300 steuert, und stellt die Wegpunkte den Modulen in der Aktionsplanungs- und Erkennungseinheit 410 zur Verfügung. Die Wegpunkte sind Punktinformationen auf einem Pfad, einschließlich eines Durchgangspunktes und eines Zielpunktes.
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Die Kostenkarten-Erstellungseinheit 413 erstellt eine Kostenkarte, die die Fahrtkosten für jede der in der Robotervorrichtung 100 vorgesehenen Gangarten darstellt, und zwar unter Bezugnahme auf die von der Sensoreingabeeinheit 330 gelieferten Sensorinformationen und die von der Selbstpositions-Schätzungseinheit 411 geschätzte Selbstposition der Robotervorrichtung 100. Bei der Kostenkarte handelt es sich um eine Karte, die für jedes Raster eines zweidimensionalen Rasters die Kosten für den Weg darstellt, den die Robotervorrichtung 100 zurücklegen muss. Die Größe des Rasters beträgt z. B. etwa 5 cm × 5 cm oder 2,5 cm × 2,5 cm. In der vorliegenden Ausführungsform, da die Robotervorrichtung 100 die Auswahl zwischen zwei Gangarten, einschließlich der Beingangart und der Radgangart, ermöglicht, erstellt die Kostenkarten-Erstellungseinheit 413 zwei Arten von Kostenkarten, einschließlich einer „Beinkostenkarte“ für die Beingangart und einer „Radkostenkarte“ für die Radgangart. In einem Fall, in dem mehrere Gangarten verwendet werden, bei denen zwar dieselben Beine verwendet werden, aber die Art der Bewegung der Beine unterschiedlich ist, wie z. B. Trabgang, Kriechgang und Galoppgang, erstellt die Kostenkarten-Erstellungseinheit 413 eine Beinkostenkarte für jede der Gangarten, bei denen das Gehverfahren unterschiedlich ist. Auch wenn nur im Trab gelaufen wird, unterscheidet sich die Geschwindigkeit der Bewegung oder die Traversierleistung je nach dem Zyklus, in dem die Beine bewegt werden. In diesem Fall wird für jeden der Zyklen, in denen die Beine bewegt werden, z. B. eine Kostenkarte für Trabgang 1 Hz und eine Kostenkarte für Trabgang 2 Hz erstellt. Selbst wenn die Bodenbeschaffenheit oder das Hindernis gleich ist, sind die Fahrtkosten für jede Gangart unterschiedlich, weil die Traversierleistung für jede Gangart oder dergleichen unterschiedlich ist. Daher kann ein Hindernis, das auf einer Radkostenkarte für die Räder, deren Traversierleistung gering ist, eingezeichnet ist, auf einer Beinkostenkarte für die Beine, deren Traversierleistung hoch ist, nicht eingezeichnet sein (oder wird auf andere Weise eingezeichnet). Es ist zu beachten, dass die Kostenkarten-Erstellungseinheit 413 die Kostenkarte für jede Gangart aktualisiert, z. B. in einem Zeitraum von mehreren hundert Millisekunden. Dementsprechend werden auf den Kostenkarten für die einzelnen Gangarten nicht nur Informationen über statische Hindernisse wie eine Geländeform, eine Stufenstelle, ein auf der Fahrbahn befindliches Objekt usw., sondern auch über dynamische Hindernisse wie eine Person, ein Tier, einen Mobilkörper usw. eingezeichnet.
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Die Pfaderstellungseinheit 414 gibt der Kostenkarten-Erstellungseinheit 413 eine Anweisung, welche Kostenkarte für die Gangart gemäß den von der Wegpunkt-Eingabeeinheit 412 gelieferten Wegpunkten erforderlich ist, und erhält dann die Kostenkarte von der Kostenkarten-Erstellungseinheit 413. Dann unternimmt die Pfaderstellungseinheit 414 einen Versuch, einen Pfad zu erstellen, für den die anwendbare Gangart verwendet wird, entsprechend der Kostenkarte, und gibt Erfolg/Misserfolg bei der Erstellung aus, der anzeigt, ob ein Pfad erfolgreich erstellt wurde oder nicht, und, im Falle, dass ein Pfad erfolgreich erstellt wurde, einen Geschwindigkeitsbefehl und ein Orbital zum Erreichen des Orbitals an die Gangartwechsel-Anweisungseinheit 415. Die Pfaderstellungseinheit 414 erstellt einen Pfad für die Robotervorrichtung 100, indem sie beispielsweise einen Pfaderstellungsalgorithmus verwendet, der auch eine Hindernisvermeidung ermöglicht, wie z. B. Dynamic Window Approach (DWA).
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Die Gangartwechsel-Anweisungseinheit 415 berechnet aus einer Kostenkarte für jede Gangart, die von der Kostenkarten-Erstellungseinheit 413 erhalten wurde, einen Gangartwechselpunkt, an dem die Robotervorrichtung 100 die Gangart auf dem Pfad wechseln soll. Da die Robotervorrichtung 100 die Beine und die Räder als Bewegungsmittel aufweist, werden die Gangarten grob in zwei unterteilt, nämlich die Beingangart und die Radgangart. Da die Robotervorrichtung 100 vier Beine aufweist, können die Gangarten, in denen die Beine benutzt werden, weiter in mehrere Gangarten unterteilt werden, wie z. B. Trabgang, Kriechgang, Galoppgang und dergleichen. Außerdem gehören zu den Gangarten auch der periodische Wechsel der Gangart, das Laufen, die schleichende Bewegung und so weiter. Da die Gangartwechsel-Anweisungseinheit 415 einen Gangartwechselpunkt nur auf dem Pfad sucht, der von der Pfaderstellungseinheit 414, wie nachfolgend beschrieben, erstellt wurde, können die Berechnungsressourcen reduziert werden. Ferner gibt die Gangartwechsel-Anweisungseinheit 415 der Steuereinheit 420 eine Anweisung zum Wechseln der Gangart der Robotervorrichtung 100 und einen Geschwindigkeitsbefehl.
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Die Steuereinheit 420 gibt der Motor-Eingabe-/Ausgabeeinheit 340 eine Anweisung bezüglich eines Befehlswertes für jeden Gelenkantriebsmotor der Robotervorrichtung 100, um eine bestimmte Gangart auszuführen, entsprechend einem Befehl von der Gangartwechsel-Anweisungseinheit 415. Ferner gibt die Steuereinheit 420 Odometrieinformationen an die Aktionsplanungs- und Erkennungseinheit 410 in Bezug auf Erfassungsinformationen eines Encoders (Drehwinkel der Abtriebswelle des Motors) aus, die von der Motor-Eingabe-/Ausgabeeinheit 340 zurückgeführt werden.
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Die Motor-Eingabe-/Ausgabeeinheit 340 führt Eingabe- und Ausgabeprozesse von Signalen zu und von den Motoren durch, wie z. B. die Ausgabe eines Befehlssignals an den Motor an jeder Gelenkeinheit der Robotervorrichtung 100, die Eingabe von Sensorsignalen des Encoders zur Erfassung der Position jedes Motors und des Drehmomentsensors auf der Seite der Abtriebswelle jedes Motors usw. Die Motor-Eingabe-/Ausgabeeinheit 340 gibt die Erfassungssignale der Encoder und der Drehmomentsensoren an die Steuereinheit 420 zurück.
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D. Pfaderstellungsverfahren
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5 zeigt in Form eines Flussdiagramms ein Verarbeitungsverfahren zur Durchführung der Pfaderstellung für die Robotervorrichtung 100 unter Verwendung der in 4 dargestellten Funktionskonfiguration. In der folgenden Beschreibung wird zur Vereinfachung der Beschreibung davon ausgegangen, dass die Robotervorrichtung 100 die Auswahl zwischen zwei Gangarten erlaubt, einschließlich der Beingangart und der Radgangart, und dass die Beingangart eine Gangart ist, die „eine hohe Traversierleistung, aber eine geringe Geschwindigkeit“ aufweist, während die Radgangart eine Gangart ist, die „eine hohe Geschwindigkeit, aber eine geringe Traversierleistung“ aufweist Ferner wird davon ausgegangen, dass die Kostenkarten-Erstellungseinheit 413 eine Beinkostenkarte und eine Radkostenkarte als Kostenkarten für die einzelnen Gangarten erstellt.
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Wenn keine der Kostenkarten von der Kostenkarten-Erstellungseinheit 413 aktualisiert wird, wird nichts unternommen (Nein in Schritt S501). Wenn eine Kostenkarte durch die Kostenkarten-Erstellungseinheit 413 aktualisiert wird (Ja in Schritt S501), dann erstellt die Pfaderstellungseinheit 414 einen Pfad auf einer Kostenkarte für eine Gangart, die eine hohe Traversierleistung aufweist (in der vorliegenden Ausführungsform auf der Beinkostenkarte) (Schritt S502). Als Ergebnis erhält man die kürzeste Route in der toleranten oder stabilen Gangart.
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Dann versucht die Gangartwechsel-Anweisungseinheit 415, einen Gangartwechselpunkt zu berechnen, an dem die Robotervorrichtung 100 die Gangart auf dem Pfad aus der Kostenkarte für jede von der Kostenkarten-Erstellungseinheit 413 erfasste Gangart umschalten soll (Schritt S503). Insbesondere sucht die Gangartwechsel-Anweisungseinheit 415, ob es einen Gangartwechselpunkt auf dem in Schritt S502 erstellten Pfad in Richtung einer Vorwärtsrichtung von der Selbstposition der Robotervorrichtung 100 aus gibt. Die Gangartwechsel-Anweisungseinheit 415 kann die Differenz zwischen der Beinkostenkarte und der Radkostenkarte berechnen und einen Punkt ermitteln, an dem sich die Differenz und der Pfad als Gangartwechselpunkt kreuzen. Da die Suche nach einem Gangartwechselpunkt nur auf dem Pfad erfolgt, kann der Rechenaufwand reduziert werden. Wenn beispielsweise ein Hindernis vorhanden ist und die Bewegungskosten, mit denen die Robotervorrichtung 100 das Hindernis überquert, für jede Gangart, wie die Beingangart oder die Radgangart, unterschiedlich sind, ist der Unterschied zwischen den Kostenkarten für jede Gangart groß.
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In einem Fall, in dem es keinen Gangartwechselpunkt auf dem Pfad gibt (Nein in Schritt S504), bewegt sich die Robotervorrichtung 100 entlang dem in Schritt S502 erstellten Pfad weiter (Schritt S505). Die Gangartwechsel-Anweisungseinheit 415 gibt der Steuereinheit 420 eine Anweisung zum Wechseln der Gangart für die Robotervorrichtung 100 und einen Geschwindigkeitsbefehl. Dann gibt die Steuereinheit 420 entsprechend dem Befehl von der Gangartwechsel-Anweisungseinheit 415 an die Motor-Eingabe-/Ausgabeeinheit 340 eine Anweisung bezüglich eines Befehlswertes für jeden Gelenkantriebsmotor der Robotervorrichtung 100 zur Durchführung der bestimmten Gangart.
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Andererseits, in einem Fall, in dem es einen Gangartwechselpunkt auf dem Pfad gibt (Ja in Schritt S504), verwendet die Gangartwechselanweisung 415 eine Zielfunktion (Zeit, Energie, Entfernung), um eine Gangart auszuwählen, die auf den in Schritt S503 ermittelten Gangartwechselpunkt abzielt, und die Pfaderstellungseinheit 414 erstellt einen Pfad auf der Karte der ausgewählten Gangart. Dann rückt die Robotervorrichtung 100 entsprechend der ausgewählten Gangart und dem auf der Kostenkarte der Gangart erstellten Pfad in Richtung des Gangartwechselpunkts vor (Schritt S506). Der Grund, warum die Pfaderstellung in Schritt S506 erneut durchgeführt wird, liegt darin, dass die Dynamik der ausgewählten Gangart berücksichtigt werden muss. Es ist zu beachten, dass auf der Kostenkarte jeder Gangart nicht nur statische Hindernisse, sondern auch dynamische Hindernisse eingezeichnet sind (wie oben beschrieben), und ein Punkt, an dem die Robotervorrichtung 100 ein dynamisches Hindernis auf dem Weg kreuzen soll, wird manchmal als Gangartwechselpunkt ermittelt.
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Danach wird geprüft, ob die Robotervorrichtung 100 den Gangartwechselpunkt erreicht hat (Schritt S507). Für diese Überprüfung wird die von der Selbstpositions-Schätzungseinheit 411 geschätzte Selbstposition der Robotervorrichtung 100 verwendet.
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Wenn die Robotervorrichtung 100 den Punkt erreicht hat, an dem die Gangart gewechselt wird (Ja in Schritt S507), gibt die Gangartwechsel-Anweisungseinheit 415 der Steuereinheit 420 eine Anweisung zum Wechseln der Gangart, und die Robotervorrichtung 100 wechselt die Gangart (Schritt S508). Andererseits überspringt die Robotervorrichtung 100 in einem Fall, in dem sie den Gangartwechselpunkt noch nicht erreicht hat (Nein in Schritt S507), den Gangartwechsel (Schritt S508).
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Dann, bis die Robotervorrichtung 100 einen Zielpunkt erreicht, der in die Wegpunkt-Eingabeeinheit 412 eingegeben wurde (Nein in Schritt S509), kehrt die Verarbeitung zu Schritt S501 zurück, und die Robotervorrichtung 100 führt wiederholt die oben beschriebenen Prozesse aus.
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Da die Robotervorrichtung 100 eine solche funktionale Konfiguration, wie in 4 dargestellt, hat und bei der Bestimmung des kürzesten Pfads mit einer Gangart, die eine hohe Traversierleistung aufweist, bei der Extraktion eines Gangartwechselpunkts (Unterziel) und bei der Auswahl einer notwendigen Gangart unter Verwendung einer Zielfunktion vorrückt, indem die Pfaderstellung gemäß dem in 5 dargestellten Verarbeitungsverfahren durchgeführt wird, ist weniger Verschwendung zu erwarten. Dementsprechend kann die Pfaderstellung für die Robotervorrichtung 100 auf einer Echtzeitbasis erfolgen. Dadurch wird die Pfaderstellung inklusive Gangartwechsel mit weniger Rechenaufwand und unter Berücksichtigung eines dynamischen Hindernisses erleichtert.
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E. Konkretes Beispiel für die Pfaderstellung
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Nachfolgend werden konkrete Beispiele beschrieben, in denen die Pfaderstellung für die Robotervorrichtung 100 unter Verwendung der in 4 dargestellten Funktionskonfiguration durchgeführt wird.
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Auch in diesem Absatz wird zur Vereinfachung der Beschreibung davon ausgegangen, dass die Robotervorrichtung 100 die Auswahl zwischen zwei Gangarten erlaubt, einschließlich der Beingangart und der Radgangart, und dass die Beingangart eine Gangart ist, die „eine hohe Traversierleistung, aber eine geringe Geschwindigkeit“ aufweist, und die Radgangart eine Gangart ist, die „eine hohe Geschwindigkeit, aber eine geringe Traversierleistung“ aufweist
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In der nachstehenden Beschreibung wird von einer in 6 dargestellten Beinkostenkarte 600 und einer in 7 dargestellten Radkostenkarte 700 ausgegangen. Die Beinkostenkarte 600 und die Radkostenkarte 700 sind Karten, die für jedes Raster einer zweidimensionalen Rasterkarte die für die Durchfahrt der Robotervorrichtung 100 erforderlichen Fahrtkosten darstellen. Die 6 und 7 zeigen Kostenkarten desselben Ortes und weisen die Stufenstellen 601 bzw. 701 auf. Die Beingangart (Gehen) ist eine Gangart mit hoher Traversierleistung, und die Kosten sind im Wesentlichen auch an der Stufenstelle 601 festgelegt. Andererseits ist die Radgangart eine Gangart mit geringer Traversierleistung, so dass die Räder nicht über die Stufenstelle 701 fahren können, was zu deutlich erhöhten Fahrtkosten im Bereich der Stufenstelle 701 führt. In der in 7 dargestellten Radkostenkarte ist das Innere der Stufenstelle 701, die hohe Fahrtkosten verursacht, in Grau dargestellt. Es ist anzumerken, dass, obwohl die folgende Beschreibung aus Gründen der Vereinfachung auf ein statisches Hindernis wie die Stufenstelle 601 oder 701 bezogen ist, die Einheit zur Erstellung der Kostenkarte 413 die Kostenkarte für jede Gangart aktualisieren kann, z. B. alle paar hundert Millisekunden, und auch ein dynamisches Hindernis auf die Kostenkarte für jede Gangart einzeichnen kann.
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E-1. Konkretes Beispiel 1
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8 zeigt einen Pfad 801 von der Selbstposition der Robotervorrichtung 100, der auf der Beinkostenkarte 600 für eine hohe Traversierleistung in Schritt S502 in dem in 5 dargestellten Flussdiagramm erstellt wurde.
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9 zeigt ein konkretes Beispiel eines Suchprozesses für einen Gangartwechselpunkt auf einem Pfad, der in Schritt S503 in dem in 5 dargestellten Flussdiagramm ausgeführt wird. Die Robotervorrichtung 100 bewegt sich mit den Rädern auf dem Pfad 801 unter Verwendung der Radkostenkarte 700. In 9 sind die Raster, auf denen sich die Robotervorrichtung 100 mit den Rädern entlang dem Pfad 801 bewegt, in Dunkelgrau dargestellt. Ein Raster 901 unmittelbar vor der Stufenstelle 701, an der die Fahrtkosten auf dem Pfad 801 ansteigen, wird zum Gangartwechselpunkt. Die Gangartwechsel-Anweisungseinheit 415 kann die Differenz zwischen der Beinkostenkarte und der Radkostenkarte berechnen und einen Punkt ermitteln, an dem sich die Differenz und der Pfad miteinander kreuzen, als Gangartwechselpunkt.
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E-2. Konkretes Beispiel 2
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In dem in den 8 und 9 dargestellten Beispiel für die Suche nach einem Gangartwechselpunkt wird die Robotervorrichtung 100 als ein Punkt auf der Kostenkarte behandelt, und die Größe und Form der Robotervorrichtung 100 werden nicht in Betracht gezogen. In den 10 bis 14 ist dagegen ein Beispiel dargestellt, bei dem ein Gangartwechselpunkt unter Berücksichtigung der Größe der Robotervorrichtung 100 gesucht wird. Es ist anzumerken, dass, da die Beschreibung mit Gangartwechsel auf einen Wechsel der Radgangart auf die Beingangart unter Bezugnahme auf die 10 bis 14 beschränkt ist, es ausreichend ist, wenn nur die Breite unter den physikalischen Eigenschaften der Robotervorrichtung 100 berücksichtigt wird, und daher wird die Robotervorrichtung 100 als ein Block mit einer Breite von 3 Rastern behandelt.
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Die Robotervorrichtung 100 hat eine Breite von 3 Rastern auf der Kostenkarte. So wird ein Block 1001 mit einer Breite von 3 Rastern an der Selbstposition der Robotervorrichtung 100 platziert, wie in 10 dargestellt. Dann wird der Block 1001, wie in den 11 bis 14 dargestellt, in einem Raster entlang des auf der Beinkostenkarte 700 erstellten Pfades 801 zu einem Zielpunkt bewegt. Es wird davon ausgegangen, dass sich die Robotervorrichtung 100 mit Hilfe der Räder bewegt.
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Dann wird, wie in 14 dargestellt, eine Position des Blocks 1001 unmittelbar vor dem Erreichen der Stufenstelle 701, an der die Fahrtkosten ansteigen, zu einem Gangartwechselpunkt (oder einer Gangartwechselposition) für den Wechsel von der Radgangart zur Beingangart, der eine hohe Traversierleistung aufweist. Unter Berücksichtigung der physikalischen Eigenschaften der Robotervorrichtung 100 kann der Gangartwechsel unabhängig von der Form der Robotervorrichtung 100 sicher durchgeführt werden.
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E-3. Konkretes Beispiel 3
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In den 15 bis 20 ist ein weiteres Beispiel dargestellt, bei dem ein Gangartwechsel durchgeführt wird, wenn die Robotervorrichtung 100 einen Gangartwechselpunkt passiert, wobei die Form und die Größe der Robotervorrichtung 100 berücksichtigt werden. In den 15 bis 20 hat die Robotervorrichtung 100 eine Größe von 3 × 3 Rastern auf der Kostenkarte. Es ist zu beachten, dass zur Beschreibung des Gangartwechsels, nachdem die gesamte Robotervorrichtung 100 einen Gangartwechselpunkt passiert hat, unter den physikalischen Eigenschaften der Robotervorrichtung 100 auch die Breite und die Dicke berücksichtigt werden müssen, weshalb in den 15 bis 20 die Robotervorrichtung 100 als ein Block mit einer Fläche von 3 × 3 Rastern behandelt wird.
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Ein Block 1501 aus 3 × 3 Rastern wird an der Selbstposition der Robotervorrichtung 100 platziert, wie in 15 dargestellt. Zu diesem Zeitpunkt wird der Block 1501 in der Radgangart mit einer hohen Geschwindigkeit bewegt. Wenn dann das vordere Ende des Blocks 1501 zu einem Punkt unmittelbar vor der in 16 dargestellten Stufenstelle 701 kommt, wird dieser Punkt zu einem Gangartwechselpunkt für den Wechsel von der Radgangart zur Beingangart mit hoher Traversierleistung. Der Block 1501 wird rasterweise zu einem Zielpunkt entlang des Pfades 801 bewegt, der auf der Beinkostenkarte 700 erstellt wurde, wie in den 16 bis 20 dargestellt. Es wird davon ausgegangen, dass sich die Robotervorrichtung 100 in der Beingangart bewegt, die eine hohe Traversierleistung aufweist.
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Wenn dann das hintere Ende des Blocks 1501 die in 20 dargestellte Stufenstelle 701 passiert, ist die gesamte Robotervorrichtung 100 an die Stufenstelle 701 herangefahren. Obwohl, um die Stufenstelle 701 zu überqueren, die Robotervorrichtung 100 die Gangart von der Radgangart auf die Beingangart umschalten muss, kehrt die Robotervorrichtung 100, nachdem sie die Stufenstelle 701 überquert hat, in den Zustand der Verwendung der Radgangart zurück, die eine hohe Fahrgeschwindigkeit hat, und kann sich danach auf der Stufenstelle 701 bewegen.
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Indem die Robotervorrichtung 100 als Block 1501 von 3 × 3 Rastern auf der Kostenkarte behandelt wird, kann ein sicherer Ort, an dem die Robotervorrichtung 100 die Stufenstelle 701 vollständig erklommen hat, zu einem Gangartwechselpunkt für den Wechsel von der Beingangart zur Radgangart gemacht werden. Der Gangartwechsel kann unter Berücksichtigung der physikalischen Eigenschaften der Robotervorrichtung 100 sicher durchgeführt werden, unabhängig von der Form der Robotervorrichtung 100.
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E-4. Konkretes Beispiel 4
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Um auch im konkreten Beispiel 4 den Gangartwechsel zu beschreiben, nachdem die gesamte Robotervorrichtung 100 einen Gangartwechselpunkt passiert hat, ist es notwendig, die Breite und die Dicke unter den physikalischen Eigenschaften der Robotervorrichtung 100 zu berücksichtigen, und daher wird die Robotervorrichtung 100 wie im oben beschriebenen konkreten Beispiel 3 als ein Block mit einer Fläche von 3 × 3 Rastern behandelt.
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Ein Block 2101 aus 3 × 3 Rastern wird an der Selbstposition der Robotervorrichtung 100 auf der Stufenstelle 701 platziert, wie in 21 dargestellt. Dann wird der Block 2101 rasterweise zu einem Zielpunkt entlang des auf der Beinkostenkarte 700 erstellten Pfads 801 bewegt, wie in den 22 bis 24 dargestellt. Es wird davon ausgegangen, dass sich die Robotervorrichtung 100 mit Hilfe der Räder bewegt. Dann wird, wie in 24 dargestellt, eine Position des Blocks 2101 unmittelbar vor dem Erreichen der Stufenstelle 701, an der die Fahrtkosten ansteigen, zu einem Gangartwechselpunkt (oder einer Gangartwechselposition) für das Wechseln von der Radgangart auf die Beingangart, die eine hohe Traversierleistung aufweist.
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Indem die Robotervorrichtung 100 als Block 2101 von 3 × 3 Rastern auf der Kostenkarte behandelt wird, kann eine Position unmittelbar vor der Stufenstelle 701 zu einem Gangartwechselpunkt für den Wechsel von der Radgangart zur Beingangart gemacht werden, die eine hohe Traversierleistung aufweist. Der Gangartwechsel kann unter Berücksichtigung der physikalischen Eigenschaften der Robotervorrichtung 100 sicher durchgeführt werden, unabhängig von der Form der Robotervorrichtung 100.
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E-5. Konkretes Beispiel 5
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Um auch im konkreten Beispiel 5 den Gangartwechsel zu beschreiben, nachdem die gesamte Robotervorrichtung 100 einen Gangartwechselpunkt passiert hat, ist es notwendig, unter den physikalischen Eigenschaften der Robotervorrichtung 100 die Breite und die Dicke zu berücksichtigen, und daher wird die Robotervorrichtung 100 wie im oben beschriebenen konkreten Beispiel 3 als ein Block mit einer Fläche von 3 × 3 Rastern behandelt.
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Ein Block 2501 aus 3 × 3 Rastern wird an der Selbstposition der Robotervorrichtung 100 platziert, die sich an einer Position unmittelbar vor dem Terminalende der Stufenstelle 701 befindet, wie in 25 dargestellt. Dann wird der Block 2501 rasterweise entlang des Pfads 801, der auf der Beinkostenkarte 700 erstellt wurde, zu einem Zielpunkt bewegt, wie in den 26 bis 29 dargestellt. Es wird davon ausgegangen, dass sich die Robotervorrichtung 100 in der Beingangart bewegt, die eine hohe Traversierleistung aufweist.
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Wenn dann das Terminalende des Blocks 2501 die Stufenstelle 701 passiert, ist die gesamte Robotervorrichtung 100 vollständig auf eine ebene Fläche unterhalb der gestuften Stelle 701 heruntergefahren, wie in 29 dargestellt. Obwohl, um die Stufenstelle 701 zu überqueren, es für die Robotervorrichtung 100 notwendig war, die Gangart von der Radgangart auf die Beingangart zu wechseln, kehrt die Robotervorrichtung 100, nachdem sie die Stufenstelle 701 überquert hat, in den Zustand der Verwendung der Radgangart zurück, die eine hohe Fahrgeschwindigkeit hat, und kann sich danach auf der Stufenstelle 701 bewegen.
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Indem die Robotervorrichtung 100 auf diese Weise als Block 2501 von 3 × 3 Rastern auf der Kostenkarte behandelt wird, kann ein sicherer Ort, an dem die Robotervorrichtung 100 von der Stufenstelle 701 heruntergetreten ist, zu einem Gangartwechselpunkt für den Wechsel von der Beingangart zur Radgangart gemacht werden. Der Gangartwechsel kann unter Berücksichtigung der physikalischen Eigenschaften der Robotervorrichtung 100 sicher durchgeführt werden, unabhängig von der Form der Robotervorrichtung 100.
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F. Änderung des Pfaderstellungsverfahrens
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In 5 ist ein Flussdiagramm des Verarbeitungsverfahrens zur Durchführung der Pfaderstellung für die Robotervorrichtung 100 unter Verwendung der Funktionskonfiguration dargestellt. In Schritt S508 dieses Flussdiagramms weist die Gangartwechsel-Anweisungseinheit 415 die Steuereinheit 420 an, die Gangart zu wechseln, und die Robotervorrichtung 100 wechselt die Gangart. Ansonsten kann die Gangartwechsel-Anweisungseinheit 415 der Steuereinheit 420 zusätzlich zu der Gangart oder dem Geschwindigkeitsbefehl auch eine Anweisung zum Übergangszeitraum des Gangartwechsels erteilen. 30 zeigt ein Beispiel für eine funktionale Konfiguration zur Durchführung der Pfaderstellung für die Robotervorrichtung 100 in diesem Fall. In diesem Beispiel der Konfiguration weist die Gangartwechsel-Anweisungseinheit 415 die Steuereinheit 420 an, den Gangartwechsel durchzuführen.
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Die Steuereinheit 420 führt die Steuerung so durch, dass der Gangartwechsel innerhalb eines von der Gangartwechsel-Anweisungseinheit 415 festgelegten Übergangszeitraums reibungslos erfolgt. Erfolgt der Gangartwechsel beispielsweise in einem Zyklus einer Gangart, so führt die Steuereinheit 420 eine solche Gegenmaßnahme durch, dass die Gangarten vor und nach dem Gangartwechsel innerhalb des Übergangszeitraums durch Spline-Interpolation miteinander verbunden werden.
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Wenn die Gangartwechsel-Anweisungseinheit 415 der Steuereinheit 420 eine Anweisung bezüglich eines Übergangszeitraums für den Gangartwechsel gibt, kann die Robotervorrichtung 100 den Gangartwechsel durchführen, ohne vorübergehend anzuhalten. Da die Robotervorrichtung 100 nicht jedes Mal anhalten muss, wenn die Gangart gewechselt werden soll, ist es möglich, dass die Robotervorrichtung 100 ein Ziel in kürzerer Zeit erreicht.
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G. Eigenschaften und vorteilhafte Effekte der vorliegenden Offenbarung
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Die Eigenschaften und vorteilhaften Effekte der vorliegenden Offenbarung werden zusammengefasst.
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(1) Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann die Pfaderstellung einschließlich des Gangartwechsels unter Verwendung von zwei oder mehr kinetischen Modellen der Robotervorrichtung 100 und zwei oder mehr Kostenkarten (oder Kostenkarten für einzelne kinetische Modelle) erfolgen. Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird, nachdem der kürzeste Pfad zu einem Ziel auf der Kostenkarte der Gangart, die eine hohe Traversierleistung aufweist, herausgesucht wurde, ein Gangartwechselpunkt auf dem Pfad gesucht. Dann, wenn es einen Gangartwechselpunkt gibt, wird ein Pfad auf der Kostenkarte der Gangart, die durch eine Zielfunktion mit dem Gangartwechselpunkt als Unterziel ausgewählt wurde, erneut gesucht. Dementsprechend kann gemäß der vorliegenden Offenbarung, da ein Gangartwechselpunkt, der zu einem Unterziel wird, extrahiert wird, nachdem der kürzeste Pfad mit der Gangart mit hoher Traversierleistung bestimmt wurde, und dann eine notwendige Gangart unter Verwendung einer Zielfunktion ausgewählt wird, um die Bewegung durchzuführen, die Erstellung von Pfaden in Echtzeit mit weniger Verschwendung durchgeführt werden. Dadurch kann die Pfaderstellung inklusive Gangartwechsel unter Berücksichtigung eines dynamischen Hindernisses mit weniger Rechenaufwand realisiert werden.
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(2) Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann die Suche nach einem Gangartwechselpunkt unter Berücksichtigung einer physikalischen Eigenschaft der Robotervorrichtung 100 durchgeführt werden. So kann der Gangartwechsel unabhängig von der Form und Größe der Robotervorrichtung 100 sicher durchgeführt werden.
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(3) Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann ein Übergangszeitraum für den Gangartwechsel vorgesehen werden, wenn sich die Robotervorrichtung 100 auf einem Pfad bewegt, während sie einen Gangartwechsel durchführt. Dementsprechend kann die Robotervorrichtung 100 Gangartwechsel ohne Anhalten durchführen und ein Ziel in kürzerer Zeit erreichen.
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[Industrielle Anwendbarkeit]
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Die vorliegende Offenbarung wurde oben unter Bezugnahme auf die spezifische Ausführungsform ausführlich beschrieben. Es liegt jedoch auf der Hand, dass der Fachmann eine Änderung oder Ersetzung der Ausführungsform durchführen kann, ohne vom Geist und Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
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Obwohl in der vorliegenden Beschreibung hauptsächlich die Ausführungsform beschrieben wird, bei der die vorliegende Offenbarung auf einen vierbeinigen Roboter und einen zweibeinigen Roboter angewandt wird, die die Auswahl zwischen zwei Gangarten, einschließlich der Beingangart und der Radgangart, ermöglichen, ist der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung nicht darauf beschränkt. Obwohl in der vorliegenden Spezifikation hauptsächlich die Ausführungsform beschrieben wird, die Kostenkarten verwendet, die nur ein statisches Hindernis aufweisen, ist es der Einfachheit halber auch möglich, ein dynamisches Hindernis auf die Kostenkarten der einzelnen Gangarten einzuzeichnen, und die vorliegende Offenbarung kann die Pfaderstellung einschließlich des Gangartwechsels für einen Roboter individuell entsprechend einem statischen Hindernis und einem dynamischen Hindernis durchführen.
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Die vorliegende Offenbarung kann in ähnlicher Weise auf verschiedene Arten von mobilen Robotervorrichtungen angewandt werden, die eine Auswahl aus mehreren Gangarten ermöglichen, die sich in Bezug auf die Traversierleistung und die Fahrgeschwindigkeit voneinander unterscheiden, wie zum Beispiel eine mobile Robotervorrichtung, bei der drei oder mehr Gangarten, einschließlich einer Beingangart und einer Radgangart, ausgewählt werden können, eine mobile Robotervorrichtung, bei der mehrere Gangarten, die drei Beine oder fünf oder mehr Beine aufweisen, ausgewählt werden können, und eine mobile Robotervorrichtung, bei der mehrere Gangarten, die nicht mindestens eine Beingangart oder eine Radgangart aufweisen, ausgewählt werden können.
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Darüber hinaus kann die vorliegende Offenbarung auch in ähnlicher Weise auf einen Roboter mit Beinen angewandt werden, bei dem, obwohl er nur mit einer einzigen Art von Beinen als Bewegungsmechanismus ausgestattet ist, mehrere Gangarten ausgewählt werden können, die sich in Bezug auf die Traversierleistung und Fahrgeschwindigkeit unterscheiden, je nach dem Unterschied im Zyklus, in dem die Beine bewegt werden, oder im kinetischen Modell, wie z. B. Trabgang, Kriechgang und Galoppgang.
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Darüber hinaus kann die vorliegende Offenbarung auch in ähnlicher Weise auf ein unbemanntes Flugzeug angewandt werden, das mehrere Flugmodi aufweist, die sich hinsichtlich der Stabilität und der Reisegeschwindigkeit des Maschinenkörpers während des Fluges unterscheiden, indem dreidimensionale Kostenkarten verwendet werden.
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Kurz gesagt, die vorliegende Offenbarung wurde in Form von Beispielen beschrieben, und der Inhalt der Beschreibung der vorliegenden Spezifikation soll nicht in einer begrenzten Weise interpretiert werden. Um den Kern des Gegenstands der vorliegenden Offenbarung zu bestimmen, sollten die Ansprüche in Betracht gezogen werden.
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Es ist zu beachten, dass die vorliegende Offenbarung auch solche Konfigurationen annehmen kann, wie sie nachstehend beschrieben werden.
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(1) Steuervorrichtung für einen Roboter, die Folgendes aufweist:
- eine Kostenkarten-Erstellungseinheit, die für jede Gangart des Roboters eine Kostenkarte erstellt, die eine Auswahl aus mehreren Gangarten ermöglicht; und
- eine Pfaderstellungseinheit, die unter Verwendung der von der Kostenkarten-Erstellungseinheit erstellten Kostenkarten einen Pfad einschließlich Gangartwechsel für den Roboter erstellt.
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(2) Steuervorrichtung gemäß dem obigen Punkt (1), wobei
die Pfaderstellungseinheit den kürzesten Pfad unter Verwendung der Kostenkarte der Gangart sucht, die unter den mehreren Gangarten eine hohe Traversierleistung aufweist, die Suche nach einem Gangartwechselpunkt auf dem ermittelten Pfad durchführt und in einem Fall, in dem es einen Gangartwechselpunkt gibt, erneut nach einem Pfad auf der Kostenkarte der Gangart sucht, die durch eine Zielfunktion ausgewählt wurde, indem der Gangartwechselpunkt als Unterziel verwendet wird.
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(3) Steuervorrichtung gemäß dem obigen Punkt (1) oder (2), wobei
die Pfaderstellungseinheit einen Gangartwechselpunkt unter Berücksichtigung einer physikalischen Eigenschaft der Robotervorrichtung sucht.
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(4) Steuervorrichtung gemäß einem der obigen Punkte (1) bis (3), die ferner Folgendes aufweist:
- eine Anweisungseinheit, die eine Anweisung bezüglich der Ausführung einer Gangart einschließlich eines Gangartwechsels für den Roboter gemäß den von der Pfaderstellungseinheit erstellten Kostenkarten erteilt.
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(5) Steuervorrichtung gemäß dem obigen Punkt (4), wobei
die Anweisungseinheit dem Roboter eine Anweisung bezüglich eines Übergangszeitraums für den Gangartwechsel erteilt.
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(6) Steuervorrichtung gemäß einem der obigen Punkte (1) bis (5), wobei
der Roboter Beine und Räder aufweist,
die Kostenkarten-Erstellungseinheit eine Beinkostenkarte für eine Gangart, bei der die Beine verwendet werden, und eine Radkostenkarte für eine Gangart, bei der die Räder verwendet werden, erstellt, und
die Pfaderstellungseinheit den Roboterpfad einschließlich eines Gangartwechsels zwischen den Beinen und den Rädern erstellt.
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(7) Steuervorrichtung gemäß einem der obigen Punkte (1) bis (6), wobei
der Roboter Beine aufweist und die Auswahl zwischen mehreren Gangarten, die sich im Bewegungszyklus der Beine unterscheiden, ermöglicht,
die Kostenkarten-Erstellungseinheit eine Kostenkarte für jede der mehreren Gangarten, in denen die Beine verwendet werden, erstellt, und
die Pfaderstellungseinheit den Roboterpfad erstellt und dabei zwischen verschiedenen Gangarten, die sich im Bewegungszyklus der Beine unterscheiden, wechselt.
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(8) Steuervorrichtung gemäß dem obigen Punkt (7), wobei
die mehreren Gangarten mindestens zwei der Gangarten Kriechen, Traben und Galoppieren beinhalten.
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(9) Verfahren zur Steuerung eines Roboters, das Folgendes beinhaltet:
einen Kostenkarten-Erstellungsschritt zum Erstellen einer Kostenkarte für jede Gangart des Roboters, der eine Auswahl aus mehreren Gangarten ermöglicht; und
einen Pfaderstellungsschritt zum Erstellen eines Pfads, der einen Gangartwechsel für den Roboter beinhaltet, unter Verwendung der in dem Kostenkarten-Erstellungsschritt erstellten Kostenkarten.
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(9-1) Steuerverfahren gemäß dem obigen Punkt (9), wobei
der Pfaderstellungsschritt einen Schritt des Suchens nach dem kürzesten Pfad unter Verwendung der Kostenkarte der Gangart, die eine hohe Traversierleistung unter den mehreren Gangarten aufweist, einen Schritt des Suchens nach einem Gangartwechselpunkt auf dem ermittelten Pfad und einen Schritt des erneuten Suchens, in einem Fall, in dem es einen Gangartwechselpunkt gibt, nach einem Pfad auf der Kostenkarte der Gangart, die durch eine Zielfunktion ausgewählt wurde, unter Verwendung des Gangartwechselpunkts als Unterziel enthält.
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(10) Computerprogramm, das in einer computerlesbaren Form beschrieben ist, wobei das Computerprogramm einen Computer veranlasst, als folgende Einheit zu funktionieren:
- eine Kostenkarten-Erstellungseinheit, die für jede Gangart des Roboters eine Kostenkarte erstellt, die eine Auswahl aus mehreren Gangarten ermöglicht; und
- eine Pfaderstellungseinheit, die unter Verwendung der von der Kostenkarten-Erstellungseinheit erstellten Kostenkarten einen Pfad einschließlich Gangartwechsel für den Roboter erstellt.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Robotervorrichtung
- 101
- Körpereinheit
- 102
- Visueller Sensor
- 103
- Gelenkeinheit
- 110A bis 110D
- Beineinheit
- 111Abis 111D
- Gelenkeinheit
- 200
- Robotervorrichtung
- 201
- Körpereinheit
- 202
- Visueller Sensor
- 203
- Gelenkeinheit
- 210R
- Rechte Beineinheit
- 210L
- Linke Beineinheit
- 211R, 211L
- Gelenkeinheit (Hüftgelenk)
- 212R, 212L
- Gelenkeinheit (Kniegelenk)
- 213R, 213L
- Erdungseinheit (Fußeinheit)
- 220R
- Rechte Armeinheit
- 220L
- Linke Armeinheit
- 221R, 221L
- Gelenkeinheit (Schultergelenk)
- 222R, 222L
- Gelenkeinheit (Ellenbogengelenk)
- 223R, 223L
- Greifeinheit (Handeinheit)
- 300
- Steuersystem
- 301
- CPU
- 301A, 301B
- Prozessorkern
- 310
- Bus
- 320
- Speichervorrichtung
- 321
- Arbeitsspeicher
- 322
- Anzeigeeinheit
- 330
- Sensoreingabeeinheit
- 340
- Motor-Eingabe-/Ausgabeeinheit
- 350
- Netzwerk-Eingabe-/Ausgabeeinheit
- 400
- Robotermodell
- 410
- Aktionsplanungs- und Erkennungseinheit
- 411
- Eigenpositions-Schätzungseinheit
- 412
- Wegpunkt-Eingabeeinheit
- 413
- Kostenkarten-Erstellungseinheit
- 414
- Pfaderstellungseinheit
- 415
- Gangartwechsel-Anweisungseinheit
- 420
- Steuereinheit
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2014161991 [0005]
- JP 2006255798 [0005]
- JP 10333746 [0005]
