JP2006346756A - ロボットを制御する方法およびシステム - Google Patents

Abstract

【課題】第１のロボットおよび少なくとも１つの他のロボットを制御する方法およびシステムを提供する。
【解決手段】少なくとも１つの他のロボットは、前記他のロボットに関する第１のロボットの少なくとも１つの座標変換を決定することによって、第１のロボットに関して較正され、前記少なくとも１つの変換が他のロボットの制御デバイスに記憶される。更に、少なくとも１つの独立座標変換を決定することによって、第１のロボットが他のロボットに関して較正され、前記少なくとも１つの独立変換が第１のロボットの制御デバイスに記憶される。
【選択図】図１

Description

本発明は、第１のロボットおよび少なくとも１つの他のロボットを制御する方法であって、少なくとも１つの他のロボットに関して第１のロボットの座標変換を決定することによって、他のロボットが第１のロボットに関して較正され、前記変換が他のロボットの制御デバイスに記憶される方法に関し、また、第１のロボットおよび少なくとも１つの他のロボットを制御するシステムであって、少なくとも１つの他のロボットに関する第１のロボットの座標変換を決定することによって、第１のロボットに関する他のロボットを較正するデバイス、および他のロボットの制御デバイスの中にあって、前記変換を記憶するメモリ手段を有するシステムに関する。

特許文献１は、複数のロボットの協調または協働動作に関する。そのような動作において、ロボットの１つはマスタロボットとして機能し、他のロボットはスレーブロボットとして機能する。この目的のために、較正によって、ロボット間の変換マトリックスが決定される。その場合、たとえば、第１のロボットのワールド座標系において、他のロボットの位置が決定される。特許文献１によれば、第２のロボットのワールド座標系における第１のロボットの位置を決定する変換は、言及された最初の変換の反転（逆変換）であり、したがって変換、たとえば、第１のロボットの座標系における他のロボットの変換が、ただ１回だけ決定されればよく、第２のロボットの座標系において第１のロボットを決定するためには、更なる決定を必要としないで、この逆変換を使用することができる。この理論的アプローチは、３つのロボットの場合でも同様であり、第３のロボットは、２つのロボットの１つ、たとえば、第２のロボットの座標系で決定されるだけでよく、決定された座標変換から他の全ての変換を数学的に得ることができる。

ロボット運動学の結果として、この理論的アプローチは正しくない。なぜなら、第１のロボットに関する他のロボットの変換を正確に決定するためには、他のロボットに関する第１のロボットの変換を単純に反転することはできないからである。これは、特に、負荷のもとでロボットを操作しているときに当てはまる。なぜなら、ロボットによっては１０ｍｍに達する顕著な偏差が存在し、これは更に、作業区域内のロボットのロケーションに依存するからである。

更に、他のロボットの座標系における１つのロボットの較正は、通常次のようにして行われる。区域内で１つの線の上にはない３つまでの位置へロボットが移動し、ロボットの所与の座標系で位置が決定され、続いて他のロボットに関する１つのロボットの変換が、３つの位置データから計算される。

もし較正目的のために、各々のロボットの第４の位置が使用されるならば、重複決定が生じ、その結果、反復的最適化によって、１つのロボットの座標系成分および他のロボットの４つの点の変換された座標成分のロケーション間の差を意味する所与の１２ベクトル（４つの点のうち３つの座標）の平方の合計のルート（Ｌ２標準化）が最小になる。これは幾つかの最小値を有する非線形方程式を与える。したがって、ロボットは、異なった極小値を発見することになり、この場合、第１のロボットから第２のロボットへの変換は、必ずしも第２のロボットから第１のロボットへの変換の反転とはならない。
米国特許第６，３３０，４９３号明細書 ２００３年５月１４日に出願された、Ｓｔｅｆａｎ Ｇｒａｆ、Ａｎｄｒｅａｓ Ｈａｇｅｎａｕｅｒ、Ｍｉｃｈａｅｌ Ｃｈａｆｆｅｅ、および Ｋｅｎｎｅｔｈ Ｓｔｏｄｄａｒｄ の特許出願「マニピュレータを同期制御する方法および装置」（「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｓ」） ２００３年４月３日の、Ｋｅｎｎｅｔｈ Ａ． Ｓｔｏｄｄａｒｄ らの米国特許出願第１０／４０６，５２１号「複数のロボットを制御する方法および制御システム」（「Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ａ Ｐｌｕｒａｌｉｔｙ ｏｆ Ｒｏｂｏｔｓ」）

本発明の課題は、協働するロボットの制御を改善し、それらロボットの共通動作区域の全部分領域について制御を最適化できる方法およびシステムを提供することである。

本発明によれば、この課題は、前述したような方法において、少なくとも１つの独立座標変換を決定することによって第１のロボットも第２のロボットに関して較正され、前記少なくとも１つの独立変換が第１のロボットの制御デバイスに記憶されることを特徴とする方法によって解決される。前記課題を解決するため、本発明は、更に、ロボットを制御するシステムを提供する。このシステムは、第１のロボットに関して少なくとも１つの他のロボットの独立座標変換を少なくとも１つ決定し、第１のロボットの制御デバイスのメモリデバイスに少なくとも１つの独立変換を記憶することによって、第２のロボットに関して第１のロボットを較正する決定デバイスを有する。

本発明の好ましい変形によれば、少なくとも３つのロボットの場合、各々のロボットは、座標変換の少なくとも１つの独立した決定によって他のロボットに関して較正され、各々のロボットの較正の少なくとも１つの変換が、そのロボットの制御デバイスに記憶されるか、少なくとも３つのロボットの場合、ロボットの各々は、その制御デバイスの中に、他のロボットの各々に関して少なくとも１つの座標変換を決定することによって他のロボットの各々に関して自分自身を較正する手段、およびそれぞれ少なくとも１つの座標変換を記憶するメモリ手段を有する。

本発明に従った方法の好ましい展開では、各々のロボットについて、幾つかの較正が、それぞれ異なった位置で実行され、このようにして得られた変換が記憶される。これは、第２のロボットに関する第１のロボットの較正が、第１のロボットに関する第２のロボットの較正とは異なった他の位置で起こることを意味する。これは、更に、異なった位置、したがって異なった動作領域について、各々の場合に、各々のロボットについて、個々の較正または座標変換の決定を実行できることを意味する。

発明的方法の更に好ましい展開において、少なくとも２つのロボットの協働動作の場合、独立ロボットの座標および独立ロボットの前記座標に関して変換された座標が使用され、特に、動作区域従属方式では、１つのロボットの座標および１つまたは複数の他のロボットの前記座標に関して変換された座標が使用される。原理的には、独立ロボットの座標系における双方のシステム、したがって独立ロボットは、独立ロボットの座標系から得られた変換座標系で動作するが、区域従属方式で動作するとき、独立ロボットとしての特徴を維持するにも拘わらず、そのような独立動作ロボットは、従属的に動作するロボットの座標系の変換から得られた座標系で動作することができ、対応して従属的に動作するロボットは、その元の座標系で動作し、また任意に、更なる従属動作ロボットが、１つの従属ロボットの元の座標系から得られた変換座標系で動作することも可能である。

本発明に従った方法の更に好ましい展開において、少なくとも２つのロボットの協働動作の場合、所望に応じて、ロボットの１つを独立ロボットとして使用し、少なくとも１つの他のロボットを従属ロボットとして使用することができる。特に、動作プロセスの間、独立または従属ロボットとしてのロボットの特性が変更される。

好ましい実施形態において、前述した方法の変形を実行するため、本発明に従ったシステムが実現される。

本発明によって、ロボットの協働動作の場合、ロボットを独立ロボットとして使用し、少なくとも１つの他のロボットを従属ロボットとして使用するだけでなく、ロボットの１つが独立ロボットとなり、他のロボットが動作区域に従属した従属ロボットとなる適切な座標系を使用することができる。その座標系では、現実の技術方法から生じる位置の差は最小限にされ、異なった位置の使用は数学的理由によって回避される。本発明は次のことを可能にする。即ち、２つ以上のロボットが協働するとき、１つのロボットＡは独立ロボットとなり、他のロボットＢはロボットＡに従属することができる。この場合、ロボットＢは、ロボットＡに関する較正によって得られた変換を使用する。ロボットＢが独立ロボットとなり、ロボットＡがロボットＢの従属ロボットとなるとき、ロボットＡはロボットＢに関する較正によって得られた変換を使用する。この変換は、より正確である。なぜなら、それらの変換は、ロボットが協働する物理的動作区域を考慮に入れるからである。較正は協働領域で実行された。

更に、第１の場合に、第２のロボットの座標系および第１のロボットの較正によって得られた第２ロボット変換座標系を有する動作区域で動作することが可能である。なぜなら、そのような部分区域で、このようにして決定された位置は、第１のロボットのワールド座標系および第２のロボットに関する変換座標系で動作するときよりも正確だからである。

同じことが、３つ以上のロボットの協働動作にも当てはまる。その場合、各々のロボットを独立ロボットとして使用することができ、ロボットの特定の部分的協働区域では、協働ロボットのうち1つの適切なワールド調整座標系を取ることが可能である。

各々のロボットの較正は、他の各々のロボットに関して生じ、較正された対応ロボットの制御デバイスに記憶されるので、本発明によれば、独立的に決定された変換が記憶される。この変換は、各々の場合に反転された変換とは異なる場合がある。

したがって、各々のロボットは、異なった位置から、その計量値を得ることができる。２つのロボットから成る各々のペアに対する複数の局所領域が各々の方向で較正され得る。

以下で、図面の実施形態を参照して本発明を明確にする。

２つの協働するロボットＡおよびＢの各々は、制御デバイスＡ．１またはＢ．１を有する。制御デバイスは、他のロボット（Ａ、Ｂ）の座標系で１つのロボット（Ａ、Ｂ）を較正しかつ対応する座標変換「ロボットＢ．領域ｉ．変換」、「ロボットＡ．領域ｉ．変換」（ここで、領域ｉ＝１，２，．．．）を決定するためのデバイスＡ．２、Ｂ．２（連続線矢印の形式で表される）、および対応する座標変換「ロボットＢ．領域ｉ．変換」、「ロボットＡ．領域ｉ．変換」を記憶するための記憶デバイスＡ．３、Ｂ．３（破線矢印で示される）を意味する。

図１において、点Ｐ１は、ロボット２へ教示されたツール中心点の動作点を表し、点Ｐ１Ｐは、対応してロボット１へ教示された同じ点を表す。Ｐ１Ｐはロボット運動学、負荷条件などの結果として、点Ｐ１とは正確に一致せず、少し逸脱している。

図２は、局所的実体である３つの領域、即ち、領域１、領域２、領域３の中で相互に較正される２つのロボット、即ち、ロボットＡおよびロボットＢを示す。それらロボットの使用は、プログラムによって指定される。いずれのロボットも他方のロボットに従属することができ、したがって各々のロボットは、各々の作業領域について１回、他のロボットに関して較正されなければならない。全部で６つの較正が存在する。

既知の較正ツールＡ．４、Ｂ．４が、各々のロボットのフェースプレートに取り付けられる。

まずロボットＡは、領域１でロボットＢに関して較正される。第１のステップにおいて、較正はロボットＡから開始される。次に、ロボットＡは領域１へ進められる。ロボットＡは、その較正ツールの先端がロボットＢの較正ツールの先端へ触れるように進められる。ロボットＡの現在位置が記憶され、ロボットＢの現在位置がロボットＡへ送られる。この手順は、領域１内の他の３つの位置について反復される。ロボットＡからロボットＢへの変換を計算するため、標準化されたアルゴリズムが使用される。反復的最適化のため、第４の点が使用される。変換は、「ロボットＢ．領域１．変換」＝｛ｘ，ｙ，ｚ，ａ，ｂ，ｃ｝として、ロボットＡのコントローラに記憶される。

続いて、領域２および３において、同じ手順を有する他の較正が、ロボットＢに関するロボットＡについて実行され、「ロボットＢ．領域２．変換」および「ロボットＢ．領域３．変換」が生じ、ロボットＡに関するロボットＢについて、領域１〜３で較正が実行され、「ロボットＡ．領域１．変換」、「ロボットＡ．領域２．変換」、および「ロボットＡ．領域３．変換」が生じる。

ロボットＡが領域１においてロボットＢに関して較正され、ロボットＢが領域１においてロボットＡに関して較正されるとき、各々の較正は別個に実行されるので、異なった較正点を使用することができる。

一度、ロボットが相互に関して較正されると、対向するロボットに関する基準フレームが作り出され、ロボットは空間的に協働またはリンクできるようになる。ここで、フレームは変換である。図３において、フレーム「グリッパ中の部品１」が示されている。このフレームは、ロボットＡによってグリッパＡ．５の中に把持された部品を表す。このフレームは、ロボットのフェースプレートから部品上の基準点への変換である。フレームは、その親が領域１のロボットＡであるように定義される。この情報は、フレーム・データと一緒に保存される。他のロボットＢのグリッパはＢ．５のラベルを付けられる。図７は同じフレームを示すが、このフレームは領域２内に存在する。このフレーム「グリッパ中の部品２」は、実際には異なったフレーム・データであり、「グリッパ中の部品１」とは別個に記憶される。「グリッパ中の部品２」は、領域２内のロボットＡに関するものである。図８は、領域３内のロボットＡに関するフレーム「グリッパ中の部品３」を示す。位置はフレームに相対的である。位置が固定フレームに対して相対的であるとき、位置は常に同じ場所にある。位置が、ロボットのフェースプレートに相対的なフレームに相対的であるとき、位置はフレームと一緒に移動する。フレームはロボットと一緒に移動する。

プログラムされた位置はフレームに関して定義される。ロボットのワールドフレームに関して定義された位置は、ロボットの基部に関して固定されたロケーションおよび姿勢を表す。「グリッパ中の部品」フレームに関して定義された位置は、ロボットＡの位置に相対的である。ロボットが移動するにつれて、フレームおよび位置も移動する。

実行された較正は、協働するロボットで次のように使用される。

ロボットＡは独立ロボットとしてスタートし、領域１から領域２および３へと移動する。ロボットＢはロボットＡに従属し、３つの全ての領域においてロボットＡに追従する。プログラムされたモーションは、必ず領域を指定する。

まずロボットＡは部品をピックアップし、それを領域１へ移動させるが（図６ａのステップＡ）、ロボットＢはロボットＡの近くのパーチ（ｐｅｒｃｈ）位置へ移動する（ステップＢａ）。ロボットＡおよびロボットＢのプログラムはランデブーし、「リンクする準備を完了する」（Ａｂ、Ｂｂ）。これは、Ａが、ロボットＡとリンクする準備を完了した旨のメッセージをＢへ送り、次にＢからの、リンクする準備を完了した旨のメッセージを待機することを意味する。ロボットＢは、リンクする準備を完了した旨のメッセージをＡへ非同期的に送る。次に、双方のプログラムが進行する。ランデブーは、プログラム同期を使用して達成される（たとえば、特許文献２参照）。

ロボットＢは、「グリッパ中の部品１」に関してプログラムされた位置へ移動する。このモーションのためには、「グリッパ中の部品１」フレームが何に相対的であるかをコントローラが決定しなければならない（Ｂｂ１）。セットアップの間、このフレームは「ロボットＡ．領域１」に相対的であるように割り当てられた。これによって、ＢはＡへリンクし（Ｂｂ３）、特許文献３で説明されるように、ロボットＡへの従属性が作り出される。実際にリンクするプロセスは、ロボット間の通信を含む。双方のプログラムは、「リンク」されるときランデブーする（Ａｃ、Ｂｃ）。ロボットＡは領域１の中で移動する。ロボットＢは追従する（Ａｄ、Ｂｄ）。双方のプログラムはランデブーして、アンリンクする準備が完了したことを表す（Ａｅ、Ｂｅ）。ロボットＢは、最終的に、それ自身のワールドフレームに関する位置へ移動する（Ｂｅ１）。リンクは、前記の特許文献３で説明されているように、このモーションコマンドによって破られ、もはやロボットＢはロボットＡに従属しない（Ａｆ、Ｂｆ）。双方のロボットのプログラムは、アンリンクされたときランデブーする。プログラムは２つの他の領域についても、各々の領域の較正は使用される「グリッパ中の部品」フレームに基づくこと以外、全く同じように継続する。「グリッパ中の部品２」フレームは、領域２内のロボットＡに相対的であり、従ってリンクが領域２で実行されるとき、較正データ「ロボットＡ．領域２．変換」が使用される。領域３についても同様である。これは、図６ｂおよび図６ｃの流れ図で示される。

シナリオの全体は、独立ロボットと従属ロボットの役割を取り替えて、独立ロボットとしてのロボットＢ、ロボットＢに従属するロボットとしてのロボットＡについて反復することができる。この場合、使用される較正データは「ロボットＢ．領域．変換」である。

負荷は、ロボットの位置に基づいて異なった偏差量を生じるので、較正によってこれを処理するためには、負荷とともに較正手順を実行しなければならない。このようにして、偏向が生じても較正は偏向を包含することになる。

２つの協働するロボットの簡単な図である。 ３つの領域で較正される２つのロボットの図である。 ２つのロボットが一緒に３つの領域で物体を操作している図である。 ２つのロボットが一緒に３つの領域で物体を操作している図である。 ２つのロボットが一緒に３つの領域で物体を操作している図である。 物体を把持および転送しているときのロボット運動の流れ図である。 物体を把持および転送しているときのロボット運動の流れ図である。 物体を把持および転送しているときのロボット運動の流れ図である。

符号の説明

Ａ．１、Ｂ．１ 制御デバイス
Ａ．４、Ｂ．４ 較正ツール
Ａ．５、Ｂ．５ グリッパ

Claims (16)

1. 第１のロボット（１）および少なくとも１つの他のロボット（２）を制御する方法において、少なくとも１つの他のロボット（２）が、該他のロボットに関する第１のロボットの少なくとも１つの座標変換（ＳＦ１−２）を決定することによって、第１のロボットに関して較正され、前記少なくとも１つの変換（ＳＦ１−２）が前記他のロボット（２）の制御デバイス（２．１）に記憶され、更に第１のロボット（１）が、少なくとも１つの独立の座標変換（ＳＦ２−１）を決定することによって、前記他のロボット（２）に関して較正され、前記少なくとも１つの独立の変換（ＳＦ２−１）が第１のロボットの制御デバイスに記憶されることを特徴とするロボットを制御する方法。
2. 少なくとも３つのロボットの場合、各々のロボットが、少なくとも１つの独立座標変換を決定することによって、他のロボットに関して較正され、各々のロボットの少なくとも１つの較正の変換が、そのロボットの制御デバイスに記憶されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 各々のロボットについて、それぞれ異なった位置で幾つかの較正が実行され、このようにして得られた変換（ＳＦ２−１、ＳＦ１−２）が記憶されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 各々のロボット（１、２）の較正が、異なった位置で実行されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 少なくとも２つのロボット（１、２）の協働動作の場合、独立のロボット（１、２）の座標、およびロボット（２、１）の、それぞれに関する変換された座標（ＳＦ２−１またはＳＦ１−２に基づく）が使用されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 区域依存方式で動作しているとき、１つのロボットの座標、およびそれに関して変換された１つまたは他のロボットの座標が使用されことを特徴とする請求項３に記載の方法。
7. 少なくとも２つのロボット（１、２）の協働動作において、所望に応じて、ロボットの１つ（１、２）が独立ロボットとして使用され、少なくとも１つの他のロボット（２、１）が従属ロボットとして使用されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 動作プロセスの間、独立または従属ロボットとしてのロボット（１、２）の特性が変更される、請求項７に記載の方法。
9. 少なくとも１つの制御手段（１．１、２．１）、少なくとも１つの他のロボット（２）に関して第１のロボット（１）の少なくとも１つの座標変換（ＳＦ１−２）を決定することによって、第１のロボット（１）に関して少なくとも１つの他のロボット（２）を較正するためのデバイス（２．２）、および前記他のロボット（２）の制御デバイス（２．１）の中にあって前記少なくとも１つの変換（ＳＦ１−２）を記憶するためのメモリ手段（２．３）を有する第１のロボット（１）および少なくとも１つの他のロボット（２）を制御するシステムにおいて、第１のロボット（１）に関して前記少なくとも１つの他のロボット（２）の少なくとも１つの独立座標変換（ＳＦ２−１）を決定し、それを第１のロボット（１）の制御デバイス（１．１）のメモリ手段（１．３）に記憶することによって、前記他のロボット（２）に関して第１のロボット（１）を較正する決定手段（１．２）を有することを特徴とするロボットを制御するシステム。
10. 少なくとも３つのロボットを有し、各々のロボット（１、２）が、その制御デバイス（１．１、１．２）の中に、他のロボットの各々（２、１）に関して少なくとも１つの座標変換（ＳＦ２−１、ＳＦ１−２）を決定することによって、他のロボットの各々（２、１）に関して較正する手段（１．２、１．２）、および各々の場合に少なくとも１つの座標変換（ＳＦ２−１、ＳＦ１−２）を記憶するメモリ手段（１．３、２．３）を有することを特徴とする請求項９に記載のシステム。
11. 幾つかの変換によって各々のロボット（１、２）を較正し、幾つかのそのような変換を記憶するように構成されたことを特徴とする請求項９に記載のシステム。
12. 異なったロケーションでロボット（１、２）を較正するように構成されたことを特徴とする請求項９ないし１１のいずれか一項に記載のシステム。
13. 少なくとも２つのロボットの協働動作の間、独立ロボットの座標および少なくとも１つの従属ロボットの変換座標を使用することを特徴とすることを特徴とする請求項９に記載のシステム。
14. 異なった動作区域で、１つのロボットの座標、およびそれに関して変換された他のロボットの座標を使用するように構成されたことを特徴とする請求項９に記載のシステム。
15. 少なくとも２つのロボットの協働動作の間、１つのロボットを独立ロボットとして使用すること、および少なくとも１つの他のロボットを従属ロボットとして選択的に使用することをできるように構成されたことを特徴とする請求項９に記載のシステム。
16. 動作プロセスの間、ロボットの特性を独立または従属ロボットとして変更するように構成されたことを特徴とする請求項１５に記載のシステム。

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