JP2013176847A - 分散されたコンピュータネットワークを使用してロボットシステムを制御するためのフレームワークおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】分散されたコンピュータネットワークを使用してロボットシステムを制御するためのフレームワークおよび方法を提供する。
【解決手段】人間型ロボットは、複数のコンプライアントロボット関節と、アクチュエータと、様々な制御ポイントからの制御データに応じて制御可能である他の一体化されたシステムデバイスとを有し、これらの制御ポイントにおいてフィードバックデータを測定するためのセンサを有する。このシステムは、多数の高速通信ネットワークを介して一体化されたシステム構成要素を制御するための多重レベル分散された制御フレームワーク（ＤＣＦ）を備える。このＤＣＦは、ロボット関節などの一体化されたシステム要素の中にそれぞれが組み込まれる複数の第１の制御装置と、第１の制御装置を介してこれらの構成要素を調整する第２の制御装置と、自立型のタスクの実施を命ずる信号を第２の制御装置に送信する第３の制御装置とを有する。
【選択図】図２

Description

（連邦政府の支援を受けた研究または開発に関する陳述）
[0001]本発明は、ＮＡＳＡ宇宙活動協定（ＮＡＳＡ Ｓｐａｃｅ Ａｃｔ Ａｇｒｅｅｍｅｎｔ）第ＳＡＡ−ＡＴ−０７−００３号の下において政府支援によりなされた。政府は、本発明において一定の権利を有し得る。

[0002]本発明は、フレキシブルな計算モジュールまたは制御ノードの分散されたコンピュータネットワークを使用した、人間型ロボットの制御に関する。

[0003]ロボットは、例えば電気式、空圧式、等々の、関節部またはアクチュエータ駆動型ロボット関節を介して相互連結される一連の剛体リンクを使用して、物体を操作することが可能な、デバイスである。典型的なロボットにおける各関節は、自由度（ＤＯＦ：ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｆｒｅｅｄｏｍ）とも呼ばれる、独立した制御変数を呈する。エンドエフェクタは、例えば作業工具または物体を把持するなど、手元の作業を実施するために使用される特定のリンクである。したがって、ロボットの正確な動作制御は、タスクレベルの指定により調整され得て、すなわち、物体レベル制御（すなわちロボットの片手または両手の中に保持された物体の挙動を制御する能力）、エンドエフェクタ制御、および関節レベル制御によって、調整され得る。集合的に、種々の制御レベルが協働して、所要のロボット動作性、器用さ、および作業タスク関連機能性を達成する。

[0004]人間型ロボットは、とりわけ、全身、胴部、および／または付属物であるか否かに関わらず、ほぼ人間の構造または外観を有するロボットであり、人間型ロボットの構造的複雑さは、実施される作業タスクの性質に大きく左右される。人間型ロボットの使用は、特に人間が使用するように作製されたデバイスまたはシステムと直接的に相互にやり取りすることが必要な場合に、好ましい場合がある。幅広い範囲の作業タスクが人間型ロボットに期待され得ることにより、異なる制御モードが、同時に必要とされる場合がある。例えば、正確な制御が、加えられるトルクまたは力、動作、および種々の把持タイプに対する制御と並び、上述の様々な空間内において与えられなければならない。従来の産業ロボット制御システムにおいては、ロボットハードウェアは、単一の中央制御ユニットを介して継続的に監視され維持される。かかるシステムは、自由度の増大および関連する制御複雑性の上昇に応じて、漸増的に非効率的な態様で実行される場合がある。

[0005]したがって、本明細書においては、器用な人間型ロボットを制御するための分散された制御フレームワーク（ＤＣＦ：ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｃｏｔｒｏｌ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ）が提示される。ＤＣＦは、ロボットの動作および他の機能の制御に必要な制御データおよびフィードバックデータの全てを集中化および抽象化するための集中化された抽象層と共に、多数の高速ネットワークを介して通信する一連の分散された制御装置を使用する。ロボット構成要素のシームレスなインターフェーシングにより、人間型ロボットの各コンプライアント関節の中および間に原動力を供給する種々の関節サーボモータおよびアクチュエータを含む、外部および内部の両方の多様なコンプライアントロボット関節および他のシステムに対する正確な制御が、可能となる。

[0006]ＤＣＦは、多数の計算制御ノードを、すなわち、組み込まれた印刷回路基板アセンブリ（ＰＣＢＡ：ｐｒｉｎｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｏａｒｄ ａｓｓｅｍｂｌｙ）またはプロセッサおよび外部ワークステーションコンピュータを備え、これらは、種々のネットワークを介して自動的に通信して、例えば関節、リレー、レーザ、光、電磁クランプ、等々の種々の組み込まれるシステム構成要素の機能を制御および調整し、それにより、ロボットの動作を制御する。器用な人間型ロボットは、ある特定の動作を行うために同期的な態様において共に作動し得る、例えば肩、肘、首、腰部、手首、指、親指、等々の、多数の同期される関節を有する。かかる人間型ロボットは、従来のロボットの何倍もの自由度（ＤＯＦ）または方向制御変数を有することが可能である。その結果、かかるロボットの複雑な動的動作を調整および制御するように試みる任意の制御システムが、従来のロボット制御システムにおいて見受けられる桁数を量において上回る桁数の制御データおよびフィードバックデータを、迅速に処理しなければならなくなる。

[0007]本明細書において提示されるＤＣＦにより、ネットワーク間のデータ操作、格納、および検索の容易化のために、大量の制御データおよびフィードバックデータを、本明細書においては「抽象層」と呼ばれる単一の位置に集中化および抽象化することが可能となる。複雑なプログラミングコードコンピレーションまたは状態マシン変更を要することなく、ハードウェアおよび制御ノードは、動的に構成され得るようになり、ロボット機能性が、容易に評価され得るようになる。すなわち、ＤＣＦを非集中化させることにより、個々のコマンドモジュールは、所要のロボット機能性を実現するために必要に応じて、その場その場の態様で容易に導入および除去され得る。

[0008]本発明の範囲内において、ＤＣＦは、機能的にリダンダントであり、多数の高速シリアルバス、イーサネット（登録商標）、ＴＣＰ／ＩＰストリーム、および、パブリッシュ／サブスクライブデータ配給システムを介して作動し得る。一群のソフトウェアベースネットワーク通信マネジャ（ＮＣＭ：ｎｅｔｗｏｒｋ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｍａｎａｇｅｒ）は、ロボット内の通信を調整および優先順位付けする役割を果たす。特定のコマンドモジュールが、コマンドセッションの最中に切断されると、ＮＣＭは、「フェイルソフト化」し、ロボットの制御を安全な状態に復帰させることができ、したがって、ロボットおよびそのオペレータの安全を確保する。切断されたコマンドモジュールは、ハードウェアの故障の際に、安全な状態に自動的に切り替わることができ、分散された制御装置の階層内のより高い制御権限部にその故障状態を伝えようと試みることとなる。

[0009]上述の中央抽象層は、中央位置内に人間型ロボットについての全てのコマンドデータおよびフィードバックデータをカプセル化または集中化する、ソフトウェア駆動型デバイスとして具現化され得る。かかる位置は、リアルなもの、すなわち本明細書において記載されるシステムコマンダなどの物理デバイスであってよいが、この位置は、情報へのアクセスが指定されたデバイスを介して実現されるインターネットデータ分散の態様と同様に、データがＤＣＦの種々のデバイス間において広く分散され得るという意味において、「抽象的な」ものであってもよい。

[0010]ＮＣＭは共に、種々の組み込まれた制御装置およびリアルタイム制御装置すなわち人間型ロボットの脳幹から、抽象層へおよび抽象層からのデータフローを監視する。データルータは、ハードウェア制御に関与する組み込まれたプロセッサに対する計画された更新を維持するために、種々のネットワークのそれぞれと共に使用されてよい。この中央抽象層は、ロボットの基本的な制御機能性を格納し、上述のように特定のしきい値事象により作動された場合に安全状態へと復帰することが可能である。

[0011]添付の図面と関連させて理解することにより、本発明を実施するための最良の形態の以下の詳細な説明から、本発明の上述の特徴および利点ならびに他の特徴および利点が、容易に明らかになる。

本発明による器用な人間型ロボットおよび分散された制御フレームワーク（ＤＣＦ）の概略図である。 図１の器用な人間型ロボットを制御するためのＤＣＦの概略データ流れ図である。

[0014]同様の参照番号が複数の図面にわたって同一または類似の構成要素を指す図面を参照すると、図１は、多自由度（ＤＯＦ）により１つまたは複数のタスクを実施するように適合化された器用な人間型ロボット１０を示す。一実施形態によれば、ロボット１０は、肩関節（矢印Ａ）、肘関節（矢印Ｂ）、手首関節（矢印Ｃ）、首関節（矢印Ｄ）、および腰部関節（矢印Ｅ）、さらには各ロボット指１９の指骨間に位置する様々な指関節（矢印Ｆ）などの（それらに限定されない）、複数の独立的に可動なコンプライアントロボット関節および相互依存的に可動なコンプライアントロボット関節によって、構成される。

[0015]各ロボット関節は、１つまたは複数のＤＯＦを有し得る。例えば、肩関節（矢印Ａ）、肘関節（矢印Ｂ）、および手首関節（矢印Ｃ）などのいくつかの関節は、ピッチおよびロールの形式の少なくとも２つのＤＯＦを有し得る。同様に、首関節（矢印Ｄ）は、少なくとも３つのＤＯＦを有することができ、腰部および手首（それぞれ矢印ＥおよびＣ）は、１つまたは複数のＤＯＦを有し得る。タスクの複雑性に応じて、ロボット１０は、４２を超えるＤＯＦによる動作が可能である。単純化のため図１には図示されないが、各ロボット関節は、例えば関節モータ、リニアアクチュエータ、ロータリアクチュエータ、および電気制御式拮抗腱、等々の、１つまたは複数のアクチュエータを含み、この１つまたは複数のアクチュエータにより駆動される。

[0016]ロボット１０の関節は、全ての関節内にばねが備えられていることにより、コンプライアントであり、すなわち十分な非剛性を有し、したがって、位置エンコーダ（図示せず）が、アクチュエータまたはサーボモータに対して使用されてよく、さらには関節自体に対して使用されてよく、すなわち、関節に対して加えられている力に関する情報を提供するために使用されてよい。さらに、コンプライアント関節間には、所与のコンプライアント関節の状態に関する完全な力情報を収集する６軸力トルクセンサが存在してよい。

[0017]この人間型ロボット１０は、頭部１２、胴部１４、腰部１５、腕１６、手１８、指１９、および親指２１を備えてよく、それらの中またはそれらの間に、上述の多様な関節が配設される。さらに、ロボット１０は、脚部、トレッド、または、ロボットの特定の用途もしくは意図される用途に応じた別の可動式または固定式ベースなどの、タスクに適した固定具またはベース（図示せず）を備えてもよい。例えば胴部１４の背の上に担持または着用される再充電式電池パック、またはおそらく外部ケーブル（図示せず）を介して装着される別の適切なエネルギー供給部などの電源部１３が、様々な関節を作動させるように様々な関節に十分な電気エネルギーを供給するために、ロボット１０に一体的に設置されてよい。

[0018]分散された制御フレームワーク（ＤＣＦ）２４は、例えば、種々のコンプライアント関節、リレー、レーザ、光、電磁クランプ、ならびに、１つまたは複数の手１８の指１９および親指２１により把持され得る物体２０を操作するために必要な微細なおよび大まかな動作に対する制御を含むロボット１０に対する正確な制御を確立するために必要な他の構成要素など、人間型ロボット１０の様々な一体化されるシステム構成要素の正確な動作およびシステム制御を実現する。ＤＣＦ２４は、他の関節から分離して各ロボット関節を制御することが可能であり、さらには、より複雑な作業タスクの実現において多数の関節の動作を完全に調整することが可能である。

[0019]ＤＣＦ２４は、１つまたは複数のマイクロプロセッサもしくは中央演算処理ユニット（ＣＰＵ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、電気的プログラマブルリードオンリー専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、高速クロック、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）回路、デジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）回路、および、任意の所要の入出力（Ｉ／Ｏ）回路、Ｉ／Ｏデバイス、および、通信インターフェース、さらには信号調整およびバッファ電子機器をそれぞれが有する、多数のデジタルコンピュータまたはデータ処理デバイスを備えてよい。ＤＣＦ２４内に位置する、すなわちそのために容易にアクセス可能な個々の制御アルゴリズムは、ＲＯＭ内に格納されてよく、各制御機能性を実現するために１つまたは複数の異なる制御レベルにて自動的に実行される。

[0020]さらに図１を参照すると、一実施形態においては、ＤＣＦ２４は、以降においてはシステムコマンダ２５と呼ばれる第１のまたは上位のレベルの制御装置と、以降においては脳幹２７と呼ばれる第２のまたは中位のレベルのリアルタイム制御装置とを備えてよい。さらに、ＤＣＦ２４は、多数の組み込まれた関節制御装置２９を備え、これらは、以下において説明されるように、それぞれによって制御される関節の近傍において、ロボット１０内にそれぞれ組み込まれる。両矢印１１により表される制御データおよびフィードバックデータが、ロボット１０と、本発明の意図される範囲から逸脱することなく追加の制御レベルを含むように拡張され得るＤＣＦ２４の種々のレベルとの間で交換されて、ロボット１０の正確な複雑な動作およびシステム制御を確実なものとする。ＤＣＦ２４は、次に図２に関連して説明されるように、多数の通信ネットワーク間における人間型ロボットの制御を容易にするために、収集されたデータ（矢印１１）を抽象化し、単一の位置に集中化する。

[0021]図２を参照すると、図１のＤＣＦ２４が、さらなる詳細レベルにおいて図示される。器用な人間型ロボット１０に必要な広範にわたる作業タスク、およびその制御複雑性の大幅な増大により、比較的大量の制御データおよびフィードバックデータの迅速な処理および調整が必要となる。したがって、ＤＣＦ２４は、ロバストなものとなるように構成され、すなわち、必要に応じて追加の制御データおよびモジュールコマンドハードウェアおよびアルゴリズムを受け、それらと共に作動するように、容易に変更可能なものに構成される。

[0022]上述のように、従来の集中化される制御システムは、実施される特定のタスクの複雑性に応じて４２以上ものＤＯＦを有し得る図１に図示されるタイプの複雑な人間型ロボットを制御するのに十分にフレキシブルなものではない場合がある。かかるロボットは、従来のロボット制御装置において処理される桁数を上回る桁数のセンサ内容を有し得る。

[0023]したがって、ＤＣＦ２４は、上位レベル制御デバイスすなわちシステムコマンダ２５、参照される少なくとも１つの中位レベルリアルタイム制御装置すなわち脳幹２７、センサフィードバックノード２８、および、複数の高速低位レベル組込みプロセッサすなわち関節制御装置２９に依拠する。関節制御装置２９はそれぞれ、例えば腕１６、腰部１５、および首関節（矢印Ｄ）内もしくはその付近、または、それにより制御される別の一体化されるシステム構成要素内もしくはその付近など、それにより制御される関節の近傍において、ロボット１０の構造体内に直接的に組み込まれ得る。

[0024]一実施形態においては、関節制御装置２９は、対応する関節の単一の自由度（ＤＯＦ）をそれぞれが制御する印刷回路基板アセンブリ（ＰＣＢＡ）として構成され得る。例えば、３ＤＯＦを有する関節は、３つの関節制御装置２９を使用して制御することができ、これらの３つの関節制御装置２９は、それぞれが１ＤＯＦを制御するように専用化されるか、または機械的結合部が存在する場合には３つの関節全てを共に制御する。しかし、実際には、他の制御装置／ＤＯＦ間の関係性が、得られてよい。すなわち、本発明の範囲内においては、直接被動型、機械結合型、および腱駆動型の、ロボット１０の種々の関節を動かすために使用可能な３つの主要なタイプのアクチュエータが存在する。

[0025]直接被動型関節（例えば肘）は、関節に直接的に連結されるモータと、システムの状態を分解するための２つのエンコーダ、すなわち１つはサーボ位置のための、および１つは関節自体のためのエンコーダとを有してよい。この場合においては、１つの制御装置モジュールおよびアクチュエータが、１ＤＯＦを有する単一の関節を駆動することとなる。例えば手首など、機械結合型Ｎ−ＤＯＦ関節が、さらに可能であり、ここではＮ個のモータがＮ−ＤＯＦを共に制御する。この場合、エンコーダが、サーボモータ内に必要であり、Ｎ個のホール効果センサが、Ｎ−ＤＯＦの、組み合わされて結果的に得られる位置を測定するために、実際の関節内において使用される。最後に、腱駆動関節が可能であり、かかる関節は、グループで作動し、例えば、３つの指１９が、３−１構成において相補的である４つの腱を使用して作動される。そのため、一実施形態においては、１つの腱が、全ての指１９を開くことが可能であり、他の３つの腱が、個々の指を閉じるように作用する。この原理は、個々の指、指骨、または指骨グループにまで拡張され、さらに、グループまたは指の異なるＤＯＦを制御することも可能である。例えば、２−２構成においては、２つの指を２ＤＯＦにおいて同時に制御することが可能である。このような場合には、４つの制御装置が共に、２ＤＯＦおよび２つの指／指骨を同時に制御することができる。

[0026]手首関節（矢印Ｃ）は、複雑な関節の結合制御を実現する２つのボールねじにより共に制御される、２ＤＯＦを有し得る。２つのボールねじが共に、前方に作動されると、手首関節は、下方に動き、逆の場合には逆のようになる。１つのボールねじのみが作動される場合には、または、現時点における位置に応じて両ボールねじがそれぞれ異なる方向に作動される場合には、手首関節は、左または右のいずれかに動く。これら２つの作動の組合せにより、両ＤＯＦにおいて多様な動作を生じさせることが可能であることが、明白である。さらに、ＤＣＦ２４は、ロボットの外部に配置される種々のコマンドモジュール３０、３２、３４、３６を備え、それぞれについては、以下において説明される。コマンドモジュールは、上述のように、厳格なデータフローおよびタイミング制御を生じさせて、ロボット１０が必要とするセンサおよびアクチュエータのホストに対するロボット１０の応答に対する適切なルーティングおよび制御を確実なものとする。

[0027]上述のデバイスに加えて、ＤＣＦ２４は、ＤＣＦ内の所与のネットワークとデバイスとの間の通信を優先順位付けするように構成された、一群のネットワーク通信マネジャ（ＮＣＭ）３８を備える。当業者には理解されるように、ＮＣＭ３８は、ネットワークに接続するように試みる特定のハードウェアデバイスに対するプログラミングインターフェースを提供するソフトウェアを備えてよく、それにより、このデバイスは、このネットワークにより使用される特定の通信プロトコルにしたがって適切に接続し得ることが確実なものとなる。

[0028]さらに、ＤＣＦ２４は、ロボット１０、ならびに例えばコンベヤおよびプログラマブル論理制御装置等々の任意の関連付けされる自動化デバイスを制御するために使用され得る、集中化される抽象層５０を備える。抽象層５０は、データベースまたはデータベースマネジメントシステム（ＤＢＭＳ）５２と、種々のコマンドモジュール間においてフェイルソフト接続を確立するデータルーティングおよびマネジメント（ＤＲＭ）ソフトウェア５４とを備えてよい。ロボット１０との間でロボット１０から中継される制御データおよびフィードバックデータは、ＤＢＭＳ５２内において集中化され、ＤＢＭＳ５２は、単一のデータベースまたは多数のデータベースとして構成され得る。

[0029]上述のように、抽象層５０は、データへのアクセスが例えばシステムコマンダ２５などの単一のソースにて実現され得るという意味において、「抽象的な」ものであり、データ自体は、インターネット上の情報が種々のデバイスへと広く分散されるのと同様に、ＤＣＦ２４の種々のデバイスにわたって分散され得る。かかる集中化された制御データにより、例えばコマンドモジュール３０から３６などのハードウェアおよび制御ノードが、動的に構成され得るようになり、ロボット機能性が、容易に評価され得るようになる。

[0030]抽象層５０内において、ＤＲＭソフトウェア５４は、ロボット１０に関する全てのコマンドデータおよびフィードバックデータを集中化またはカプセル化し、各ＮＣＭ３８は、抽象層へおよび抽象層からのデータのフローを監視する。各ネットワーク内のデータルータ（図示せず）が、それに接続された種々のデバイスに対する計画されたアップデートを維持する。さらに、抽象層５０は、ロボット１０の最も基本的な制御機能を格納し、特定のしきい値事象により作動された場合にＤＣＦ２４全体を安全な状態に復帰させることが可能である。

[0031]さらに図２を参照すると、モジュール３０から３６などの複数のコマンドモジュールが、ＮＣＭ３８および多数のネットワークを介して、抽象層５０に接続されてよい。一実施形態においては、ネットワークは、イーサネットまたはイーサネットＩＰ接続部４０、マルチポイント低電圧差動信号伝送（Ｍ−ＬＶＤＳ：ｍｕｌｔｉｐｏｉｎｔ ｌｏｗ−ｖｏｌｔａｇｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｓｉｇｎａｌｉｎｇ）バス４２、およびｃＰＣＩバックプレイン４４をそれぞれ備え得るが、本発明の意図される範囲内において、他のバスおよび／またはコンピュータネットワークを使用することもできる。

[0032]図２の実施形態においては、コマンドモジュール３０から３６はそれぞれ、ＮＣＭ３８に接続され、ＮＣＭを介して、例えばイーサネット４０などのネットワークに接続される。各コマンドモジュールは、専用の最上レベル機能を有し得る。一実施形態においては、コマンドモジュール３０は、例えば触覚またはタッチベース感知モジュール、および／または、レーザ、レーダおよび／または光学ベース視覚認知能力を実現する視覚感知モジュールなどの、特定の抹消感覚アプリケーションを制御するように構成され得る。他のモジュールには、例えば音声もしくは音響認識などの音響もしくは音声ベース感知モジュール、ロボット１０に対するユーザアクセスを提供するユーザインターフェースモジュール、タスクプランニングモジュール、遠隔操作モジュール、ロボットの訓練用の推論モジュールおよび／または学習モジュール、および／または、所望の機能性を実現する任意の他のモジュールが含まれ得る。

[0033]コマンドモジュール３２は、例えば制御パネルまたは他の人間／マシン間インターフェース（ＨＭＩ：ｈｕｍａｎ−ｍａｃｈｉｎｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）デバイスなどの、ユーザインターフェースとして構成されてよい。モジュール３２は、作動レベルおよびプログラミングレベルにてロボット１０へのアクセスを個別に容易にするように構成されてよい。このために、モジュール３２は、ロボット１０に対する限定された制御のための直感的なまたはメニュー駆動される機能オプションのセットをオペレータに提供する、グラフィカルユーザインターフェース（ＧＵＩ）を備えてよい。さらに、モジュール３２は、エンジニア、プログラマ、または、ロボットのコア制御コードを変更する権限を有する他の任命された人員によるロボット１０へのプログラミングアクセスを可能にする、制限されたインターフェースを備えてもよい。

[0034]ロボットタスクプランニングは、コマンドモジュール３４に備わっていてよい。例えば、自動化されたおよび／または自律型のタスクが、コマンドモジュール３４内にプログラミングされてよい。ロボット１０のいくつかの用途には、テレプレゼンスまたは遠隔操作が含まれてよく、人間であるオペレータにより着用された感覚デバイスは、ロボット１０が経験する各感覚を、見る、感じる、聴く、または他の様式で感知するために、および、同様にロボットに特定の動作を命じるために、使用され得る。同様に、タスク割り当ておよび学習機能性が、モジュール３６に備わっていてよい。コマンドモジュール３６に備わっている機能性には、所望の動作によりロボットを物理的に動かし、数学モデルまたはソフトウェアプランニングを使用してロボットに教示し、ハイブリッドティーチングを行う（すなわちロボットにすべきことを伝え、ロボットにそれを実施させて、ロボットを補正し、完全になるまでこのシーケンスを反復させる）ことによってか、または、模倣／実演方法によってかのいずれかにより、ロボット１０を訓練することを可能にする、訓練および／または学習モードソフトウェアが含まれてよい。論理的推論機能性は、学習モードの一部であってよく、または、別個のモードとして実行されてよい。

[0035]さらに、ＤＣＦ２４は、例えば、測定された回転、位置、速度、トルク、または、ロボット１０内の関節センサからの他の値に関連する、信号収集ノードなどの、種々のセンサフィードバックノード２８を備える。このセンサフィードバックノード２８は、ＮＣＭ３８を介して例えばＭ−ＬＶＤＳバス４２などのネットワークに接続される。組み込まれるハードウェアすなわち関節制御装置２９は、印刷回路基板アセンブリ（ＰＣＢＡ）として構成されてよく、腕１６、胴部１４、頭部１２、等々の中など、制御される関節の近傍においてロボット１０の中に局所的に組み込まれてよい。センサフィードバックノード２８と同様に、制御装置２９は、ＮＣＭ３８を介して、例えばＭ−ＬＶＤＳバス４２などのネットワークに接続される。

[0036]ロボット１０の制御部全体の中心には、リアルタイム制御装置すなわち脳幹２７が存在する。このデバイスは、ロボット１０の胴部１４内の深部に配置されてよく、システムコマンダ２５および各組み込まれた制御装置２９に電気的に接続されてよい。各モジュール５６は、モジュール５６の特定の構成および用途に応じて、１つまたは複数の関節または可動装置の制御に専用化されてよい。ＤＣＦ２４のネットワークのうちの１つは、脳幹２７内に配置され得るデバイスであるバックプレイン４４であってよい。種々の脳幹モジュール（Ｍ）５６が、バックプレイン４４に接続され、例えばイーサネット４０およびＭ−ＬＶＤＳバス４２などの他のネットワークへの通信モジュール５８を使用してＮＣＭ３８に接続される。

[0037]機能的には、脳幹２７は、システムコマンダ２５からの最上レベルコマンドに応答して、脳幹モジュール５６を経由して、組み込まれた制御装置２９に応答コマンドを供給する。脳幹２７は、低レベル制御機能と、電力調整などのバイタル機能とを含む。脳幹２７は、ロボット１０の動作に優先順位を付けることができ、これらの動作はそれぞれ、例えば４００Ｈｚ、２００Ｈｚ、１Ｈｚなど、所要の制御速度また通信速度を割り当てられてよい。ロボット１０の過熱または損傷を回避するように意図される動作などの比較的高く優先順位を付けられる動作は、他のコマンドより優先されてよく、比較的高速で実行され得る。タスクが優先順位を付けられてよく、モジュール５８は、以下において説明されるように、その場その場で置換または更新される。

[0038]例としては、システムコマンダ２５が、しきい値事象に応答して特定の速度で特定の数の角度だけ肘関節（矢印Ｂ）を動かすように、脳幹２７に対して命令を発してよい。この動作を実行させるための特定の制御要件は、システムコマンダ２５によって認識されていない。代わりに、これらの要件は、脳幹２７内に存在する。

[0039]この時点にて実施されるべき目下のタスクを受領し、ロボット１０に必要な他のタスクと、システムの現時点の状態と共にそれらのタスクに関連付けされる優先順位とを認識している脳幹２７は、所要の動作に作用するために必要な個数の所要の組み込まれた制御装置２９に対して命令を発する。組み込まれた制御装置２９は、要求された結果を達成するために、例えば関節モータ、リニアアクチュエータ等々の、それらに関連付けされるハードウェアを制御し、動作が完了したときに脳幹に報告し戻す。次に、脳幹２７は、所要のタスクが完了したときに、システムコマンダ２５に告知する。

[0040]コマンドモジュール３０から３６または脳幹２７のモジュール５６もしくは５８が、特定のコマンドセッションの最中に切断されると、ＤＣＦ２４は、フェイルソフト化し、ロボット１０の制御を安全な状態に復帰させて、ロボットおよびそのオペレータの安全を確保する。切断されたコマンドモジュールは、ロボット１０の故障の際には安全状態に自動的に切り替わり、制御装置の階層内における比較的高い制御権限部に対してこの故障を伝えようと試みる。すなわち、関節レベルにおける故障が、脳幹２７を介してシステムコマンダ２５に中継され得るか、または、脳幹における故障が、システムコマンダに中継されることとなり、これにより適切な安全状態に入ることができる。

[0041]本発明を実施するための最良の実施形態を詳細に説明したが、この発明が関係する技術の当業者には、添付の特許請求の範囲内において本発明を実施するための様々な代替の設計および実施形態が認識されよう。

１０：人間型ロボット、１１：制御データ、フィードバックデータ、１２：頭部、１３：電源部、１４：胴部、１５：腰部、１６：腕、１８：手、１９：指、２０：物体、２１：親指、２４：分散された制御フレームワーク、２５：システムコマンダ、２７：脳幹、２８：センサフィードバックノード、２９：関節制御装置
Ａ：肩関節、Ｂ：肘関節、Ｃ：手首関節、Ｄ：首関節、Ｅ：腰部関節、Ｆ：指関節
３０：コマンドモジュール、３２：コマンドモジュール、３４：コマンドモジュール、３６：コマンドモジュール、３８：ネットワーク通信マネジャ、４２：マルチポイント低電圧差動信号伝送バス、４４：バックプレイン、５０：抽象層、５２：データベースまたはデータベースマネジメントシステム、５４：データルーティングおよびマネジメントソフトウェア、５６：脳幹モジュール、５８：通信モジュール

[0028]さらに、ＤＣＦ２４は、ロボット１０、ならびに例えばコンベヤおよびプログラマブル論理制御装置等々の任意の関連付けされる自動化デバイスを制御するために使用され得る、集中化される抽象層５０を備える。抽象層５０は、データベースまたはデータベースマネジメントシステム（ＤＢＭＳ）５２と、種々のコマンドモジュール間においてフェイルソフト接続を確立するデータルーティングおよびマネジメント（ＤＲＭ）ソフトウェア５４とを備えてよい。ロボット１０との間で中継される制御データおよびフィードバックデータは、ＤＢＭＳ５２内において集中化され、ＤＢＭＳ５２は、単一のデータベースまたは多数のデータベースとして構成され得る。

[0032]図２の実施形態においては、コマンドモジュール３０から３６はそれぞれ、ＮＣＭ３８に接続され、ＮＣＭを介して、例えばイーサネット４０などのネットワークに接続される。各コマンドモジュールは、専用の最上レベル機能を有し得る。一実施形態においては、コマンドモジュール３０は、例えば触覚またはタッチベース感知モジュール、および／または、レーザ、レーダおよび／または光学ベース視覚認知能力を実現する視覚感知モジュールなどの、特定の末梢感覚アプリケーションを制御するように構成され得る。他のモジュールには、例えば音声もしくは音響認識などの音響もしくは音声ベース感知モジュール、ロボット１０に対するユーザアクセスを提供するユーザインターフェースモジュール、タスクプランニングモジュール、遠隔操作モジュール、ロボットの訓練用の推論モジュールおよび／または学習モジュール、および／または、所望の機能性を実現する任意の他のモジュールが含まれ得る。

[0041]本発明を実施するための最良の実施形態を詳細に説明したが、この発明が関係する技術の当業者には、添付の特許請求の範囲内において本発明を実施するための様々な代替の設計および実施形態が認識されよう。
〔態様１〕
自立型のタスクを実施するように作動可能なロボットシステムであって、
複数の一体化されたシステム構成要素を有する人間型ロボットであって、当該複数の一体化されたシステム構成要素は、複数のコンプライアントロボット関節と、当該ロボット関節を動かすように適合化されたアクチュエータと、当該一体化されたシステム構成要素の複数の制御ポイントにて制御データおよびフィードバックデータを測定するように適合化されたセンサとを含む、人間型ロボット、ならびに
多数の高速通信ネットワークを介して前記一体化されたシステム構成要素を制御するように適合化された、多重レベル分散された制御フレームワーク（ＤＣＦ）
を備え、前記ＤＣＦは、
少なくとも１つの前記一体化されたシステム構成要素内において前記制御データおよび前記フィードバックデータを処理および制御するようにそれぞれが構成された複数の第１の制御装置と、
前記複数の第１の制御装置との通信を介して前記一体化されたシステム構成要素の機能性を調整するように適合化された第２の制御装置と、
前記自立型のタスクの実施を命ずる信号を前記第２の制御装置に送信するように適合化された第３の制御装置と
を備え、
前記第３の制御装置は、データベースマネジメントシステムを含む抽象層を備え、
前記データベースマネジメントシステムは、前記人間型ロボットとの間で中継される前記制御データ及び前記フィードバックデータを収納し、
前記ＤＣＦは、前記多数の高速通信ネットワーク間における前記人間型ロボットの制御を容易化するために、前記データベースマネジメントシステムに前記制御データおよび前記フィードバックデータを集中化および抽象化する、ロボットシステム。
〔態様２〕
前記ロボット関節の少なくとも１つが、サーボモータを備え、前記制御データおよび前記フィードバックデータは、前記サーボモータの位置値を含む、態様１に記載のロボットシステム。
〔態様３〕
前記多数の高速ネットワークは、イーサネット（登録商標）ネットワーク、バックプレイン、およびマルチポイント低電圧差動信号伝送（Ｍ−ＬＶＤＳ）バスのそれぞれを含む、態様１に記載のロボットシステム。
〔態様４〕
前記複数の第１の制御装置のそれぞれが、前記ロボット関節の中の対応する１つの少なくとも１自由度（ＤＯＦ）を制御する印刷回路基板アセンブリ（ＰＣＢＡ）を備える、態様１に記載のロボットシステム。
〔態様５〕
前記第２の制御装置は、前記複数の第１の制御装置のそれぞれとインターフェーシングを行うように適合化された通信モジュールを備える、態様１に記載のロボットシステム。
〔態様６〕
前記集中化された制御データおよびフィードバックデータは、前記第３の制御装置を介してアクセス可能である、態様１に記載のロボットシステム。
〔態様７〕
複数のネットワーク通信マネジャ（ＮＣＭ）をさらに備え、少なくとも１つのＮＣＭが、前記高速通信ネットワークのそれぞれに接続され、前記ネットワーク間における通信を調整および優先順位付けするように適合化される、態様１に記載のロボットシステム。
〔態様８〕
複数の一体化されたシステム構成要素を有する人間型ロボットの動作制御を行うための分散された制御フレームワーク（ＤＣＦ）であって、当該複数の一体化されたシステム構成要素は、複数のコンプライアントロボット関節と、当該ロボット関節を動かすように適合化されたアクチュエータと、当該一体化されたシステム構成要素の複数の制御ポイントにて制御データおよびフィードバックデータを測定するように適合化されたセンサとを含む、分散された制御フレームワークであって、
複数の種々の高速通信ネットワークと、
少なくとも１つの前記一体化されたシステム構成要素からの前記制御データおよび前記フィードバックデータを処理および制御するようにそれぞれが構成された複数の第１の制御装置と、
前記複数の第１の制御装置を介して前記一体化されたシステム構成要素の機能性を調整するように適合化された第２の制御装置と、
自立型のタスクの実施を命ずる信号を前記第２の制御装置に送信するように適合化された第３の制御装置と
を備え、
前記第３の制御装置は、データベースマネジメントシステムを含む抽象層を備え、
前記データベースマネジメントシステムは、前記人間型ロボットとの間で中継される前記制御データ及び前記フィードバックデータを収納し、
前記ＤＣＦは、前記高速通信ネットワーク間における前記人間型ロボットの制御を容易化するために、前記データベースマネジメントシステムに前記制御データおよび前記フィードバックデータを抽象化および集中化する、分散された制御フレームワーク。
〔態様９〕
複数のネットワーク通信マネジャ（ＮＣＭ）をさらに備え、１つのＮＣＭが、前記ネットワークのそれぞれに接続され、前記ネットワーク間における通信を調整および優先順位付けするように適合化される、態様８に記載のＤＣＦ。
〔態様１０〕
各ＮＣＭは、所定の事象に応じて前記ロボットの制御を安全状態に復帰させるように構成される、態様９に記載のＤＣＦ。
〔態様１１〕
前記高速ネットワークのそれぞれに接続された複数のコマンドモジュールを含み、前記ロボットの指示された機能を制御するように適合化され、前記所定の事象は、前記コマンドモジュールの１つが切断された場合に発生する、態様１０に記載のＤＣＦ。
〔態様１２〕
前記複数のコマンドモジュールは、触覚感知モジュール、視覚感知モジュール、ユーザインターフェースモジュール、タスクプランニングモジュール、遠隔操作モジュール、推論モジュール、および学習モジュールの中の少なくとも１つを含む、態様１１に記載のＤＣＦ。
〔態様１３〕
前記第１の制御装置の中の少なくともいくつかが、印刷回路基板アセンブリとして構成され、前記印刷回路基板アセンブリは、前記ロボット関節のそれぞれの中に組み込まれ、前記関節の対応する１つの動作を制御するように適合化される、態様１１に記載のＤＣＦ。
〔態様１４〕
前記複数の種々の高速通信ネットワークは、イーサネット（登録商標）ネットワーク、バックプレイン、およびマルチポイント低電圧差動信号伝送（Ｍ−ＬＶＤＳ）バスの中の少なくとも１つを含む、態様８に記載のＤＣＦ。
〔態様１５〕
前記複数の第１の制御装置のそれぞれが、前記ロボット関節の中の対応する１つの１自由度（ＤＯＦ）を制御する印刷回路基板アセンブリ（ＰＣＢＡ）を備える、態様８に記載のＤＣＦ。
〔態様１６〕
前記第２の制御装置は、前記複数の第１の制御装置のそれぞれとインターフェーシングを行うように適合化された通信モジュールを備える、態様８に記載のＤＣＦ。
〔態様１７〕
複数の一体化されたシステム構成要素を有する人間型ロボットの動作を制御する方法であって、当該複数の一体化されたシステム構成要素は、複数のコンプライアントロボット関節と、当該ロボット関節を動かすように適合化されたアクチュエータと、当該人間型ロボットとの間で中継される制御データおよびフィードバックデータを当該一体化されたシステム構成要素の複数の制御ポイントにて測定するように適合化されたセンサとを含む、方法であって、
前記複数の一体化されたシステム構成要素のそれぞれの中に、複数の第１の制御装置のそれぞれを組み込むステップと、
前記複数の第１の制御装置のそれぞれと通信状態にある第２の制御装置を使用して、前記一体化されたシステム構成要素の機能を調整するステップと、
第３の制御装置から前記第２の制御装置に信号を送信することにより自立型のタスクの実行を命じるステップと、
多数の通信ネットワーク間における前記ロボットの制御を容易化するために、前記第３の制御装置内の抽象層に含まれて前記制御データ及び前記フィードバックデータを収納するデータベースマネジメントシステムに当該制御データおよび当該フィードバックデータを集中化および抽象化するステップと
を含む、方法。
〔態様１８〕
前記複数の一体化されたシステム構成要素のそれぞれの中に、複数の第１の制御装置のそれぞれを組み込む前記ステップは、前記ロボット関節のそれぞれの中に印刷回路基板アセンブリ（ＰＣＢＡ）を組み込むステップを含む、態様１７に記載の方法。
〔態様１９〕
単一の論理位置に前記制御データおよび前記フィードバックデータを集中化および抽象化する前記ステップは、前記第３の制御装置を介してアクセス可能なメモリ位置の中に前記制御データおよび前記フィードバックデータを格納するステップを含む、態様１７に記載の方法。

Claims (19)

1. 自立型のタスクを実施するように作動可能なロボットシステムであって、
   複数の一体化されたシステム構成要素を有する人間型ロボットであって、前記複数の一体化されたシステム構成要素は、複数のコンプライアントロボット関節と、前記ロボット関節を動かすように適合化されたアクチュエータと、前記一体化されたシステム構成要素の複数の制御ポイントにて制御データおよびフィードバックデータを測定するように適合化されたセンサとを含む、人間型ロボット、ならびに
   多数の高速通信ネットワークを介して前記一体化されたシステム構成要素を制御するように適合化された、多重レベル分散された制御フレームワーク（ＤＣＦ）
   を備え、前記ＤＣＦは、
   少なくとも１つの前記一体化されたシステム構成要素内において前記制御データおよび前記フィードバックデータを処理および制御するようにそれぞれが構成された複数の第１の制御装置と、
   前記複数の第１の制御装置との通信を介して前記一体化されたシステム構成要素の機能性を調整するように適合化された第２の制御装置と、
   前記自立型のタスクの実施を命ずる信号を前記第２の制御装置に送信するように適合化された第３の制御装置と
   を備え、
   前記ＤＣＦは、前記多数の高速通信ネットワーク間における前記人間型ロボットの制御を容易化するために、単一の論理位置に前記制御データおよび前記フィードバックデータを集中化および抽象化する、ロボットシステム。
2. 前記ロボット関節の少なくとも１つが、サーボモータを備え、前記制御データおよび前記フィードバックデータは、前記サーボモータの位置値を含む、請求項１に記載のロボットシステム。
3. 前記多数の高速ネットワークは、イーサネットネットワーク、バックプレイン、およびマルチポイント低電圧差動信号伝送（Ｍ−ＬＶＤＳ）バスのそれぞれを含む、請求項１に記載のロボットシステム。
4. 前記複数の第１の制御装置のそれぞれが、前記ロボット関節の中の対応する１つの少なくとも１自由度（ＤＯＦ）を制御する印刷回路基板アセンブリ（ＰＣＢＡ）を備える、請求項１に記載のロボットシステム。
5. 前記第２の制御装置は、前記複数の第１の制御装置のそれぞれとインターフェーシングを行うように適合化された通信モジュールを備える、請求項１に記載のロボットシステム。
6. 前記集中化された制御データおよびフィードバックデータは、前記第３の制御装置を介してアクセス可能である、請求項１に記載のロボットシステム。
7. 複数のネットワーク通信マネジャ（ＮＣＭ）をさらに備え、少なくとも１つのＮＣＭが、前記高速通信ネットワークのそれぞれに接続され、前記ネットワーク間における通信を調整および優先順位付けするように適合化される、請求項１に記載のロボットシステム。
8. 複数の一体化されたシステム構成要素を有する人間型ロボットの動作制御を行うための分散された制御フレームワーク（ＤＣＦ）であって、前記複数の一体化されたシステム構成要素は、複数のコンプライアントロボット関節と、前記ロボット関節を動かすように適合化されたアクチュエータと、前記一体化されたシステム構成要素の複数の制御ポイントにて制御データおよびフィードバックデータを測定するように適合化されたセンサとを含む、分散された制御フレームワークであって、
   複数の種々の高速通信ネットワークと、
   少なくとも１つの前記一体化されたシステム構成要素からの前記制御データおよび前記フィードバックデータを処理および制御するようにそれぞれが構成された複数の第１の制御装置と、
   前記複数の第１の制御装置を介して前記一体化されたシステム構成要素の機能性を調整するように適合化された第２の制御装置と、
   自立型のタスクの実施を命ずる信号を前記第２の制御装置に送信するように適合化された第３の制御装置と
   を備え、
   前記ＤＣＦは、前記高速通信ネットワーク間における前記人間型ロボットの制御を容易化するために、単一の位置に前記制御データおよび前記フィードバックデータを抽象化および集中化する、分散された制御フレームワーク。
9. 複数のネットワーク通信マネジャ（ＮＣＭ）をさらに備え、１つのＮＣＭが、前記ネットワークのそれぞれに接続され、前記ネットワーク間における通信を調整および優先順位付けするように適合化される、請求項８に記載のＤＣＦ。
10. 各ＮＣＭは、所定の事象に応じて前記ロボットの制御を安全状態に復帰させるように構成される、請求項９に記載のＤＣＦ。
11. 前記高速ネットワークのそれぞれに接続された複数のコマンドモジュールを含み、前記ロボットの指示された機能を制御するように適合化され、前記所定の事象は、前記コマンドモジュールの１つが切断された場合に発生する、請求項１０に記載のＤＣＦ。
12. 前記複数のコマンドモジュールは、触覚感知モジュール、視覚感知モジュール、ユーザインターフェースモジュール、タスクプランニングモジュール、遠隔操作モジュール、推論モジュール、および学習モジュールの中の少なくとも１つを含む、請求項１１に記載のＤＣＦ。
13. 前記第１の制御装置の中の少なくともいくつかが、印刷回路基板アセンブリとして構成され、前記印刷回路基板アセンブリは、前記ロボット関節のそれぞれの中に組み込まれ、前記関節の対応する１つの動作を制御するように適合化される、請求項１１に記載のＤＣＦ。
14. 前記複数の種々の高速通信ネットワークは、イーサネットネットワーク、バックプレイン、およびマルチポイント低電圧差動信号伝送（Ｍ−ＬＶＤＳ）バスの中の少なくとも１つを含む、請求項８に記載のＤＣＦ。
15. 前記複数の第１の制御装置のそれぞれが、前記ロボット関節の中の対応する１つの１自由度（ＤＯＦ）を制御する印刷回路基板アセンブリ（ＰＣＢＡ）を備える、請求項８に記載のＤＣＦ。
16. 前記第２の制御装置は、前記複数の第１の制御装置のそれぞれとインターフェーシングを行うように適合化された通信モジュールを備える、請求項８に記載のＤＣＦ。
17. 複数の一体化されたシステム構成要素を有する人間型ロボットの動作を制御する方法であって、前記複数の一体化されたシステム構成要素は、複数のコンプライアントロボット関節と、前記ロボット関節を動かすように適合化されたアクチュエータと、前記一体化されたシステム構成要素の複数の制御ポイントにて制御データおよびフィードバックデータを測定するように適合化されたセンサとを含む、方法であって、
    前記複数の一体化されたシステム構成要素のそれぞれの中に、複数の第１の制御装置のそれぞれを組み込むステップと、
    前記複数の第１の制御装置のそれぞれと通信状態にある第２の制御装置を使用して、前記一体化されたシステム構成要素の機能を調整するステップと、
    第３の制御装置から前記第２の制御装置に信号を送信することにより自立型のタスクの実行を命じるステップと、
    多数の通信ネットワーク間における前記ロボットの制御を容易化するために、単一の論理位置に前記制御データおよび前記フィードバックデータを集中化および抽象化するステップと
    を含む、方法。
18. 前記複数の一体化されたシステム構成要素のそれぞれの中に、複数の第１の制御装置のそれぞれを組み込む前記ステップは、前記ロボット関節のそれぞれの中に印刷回路基板アセンブリ（ＰＣＢＡ）を組み込むステップを含む、請求項１７に記載の方法。
19. 単一の論理位置に前記制御データおよび前記フィードバックデータを集中化および抽象化する前記ステップは、前記第３の制御装置を介してアクセス可能なメモリ位置の中に前記制御データおよび前記フィードバックデータを格納するステップを含む、請求項１７に記載の方法。

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