JP2015520040A - 産業用ロボットを訓練および動作させること - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、米国特許出願第13/621,657号、第13/621,706号、第13/621,708号、第13/621,658号、第13/621,648号、第13/621,687号、第13/621,517号、第13/621,519号、および第13/621,561号(すべて2012年9月17日出願)、ならびに、米国仮特許出願第61/662,646号(2012年)6月21日出願)および第61/676,586号(2012年7月27日出願)に基づく優先権およびそれらの利益を主張し、それらの全体を参照によって本明細書中に組み込む。
本発明は、概して、ロボット動作および訓練に関する。より具体的には、種々の実施形態は、自律的態様でタスクの実施を容易にするための、産業用ロボットによるタスク関連情報の取得、編成、および使用に関する。
産業用ロボットは、物理的物体の移動および操作を伴う、種々のタスクを行う。典型的な産業用ロボットは、例えば、ロボットが、特定の場所において物体を取り上げ、それらを目的場所に移送し、特定の座標に従ってそれらを置き、それによって、例えば、それらを積み重ね、または目的場所に存在する段ボールの箱に入れることを可能にする把持部を装備する1つ以上のアームを有してもよい。
本発明は、物理的物体の操作および移動を含む種々のタスクを行うことが可能なロボット、ならびにそのようなロボットをプログラミングおよび/または訓練する方法に関する。タスクの実行は、概して、ロボットのその環境の知覚に基づく。故に、種々の実施形態では、ロボットは、操作される物体ならびにそのタスクに付随する機械類または機器の特定の部品(例えば、コンベヤベルトまたは収納箱等)を検出、識別、および特定することを可能にする1つ以上のカメラまたは他のセンサを装備する。一般に、そのような物体の検出および識別は、それらと関連付けられた1つ以上のタスクの実施をトリガし、その後の視覚的入力または他の感覚入力の継続は、実行のモードおよび態様を通知する。例えば、特定の目的地に移動される物体が識別されると、ロボットは、任意の障害物を検出してそれらとの衝突を回避するように、ロボットのカメラのうちの1つに、ロボットの経路を監視するように命令してもよい。供給されたタスクまたは定義されたタスク、または訓練によって洗練されたタスクは、ロボット内に記憶されてもよい。
1.システム概要
図1は、本明細書の種々の実施形態による、ロボットを訓練および動作させるための例示的制御システム100のアーキテクチャを図示する。本システムは、ハードウェアおよび/またはソフトウェア内に実装されるいくつかの機能的構成要素(角の尖ったボックスとして描写される)と、いくつかのデータ構造(角の丸いボックスとし描写される)とを含む。機能的構成要素は、概して、並列に動作し、相互およびデータ構造と通信する(但し、自己動作モジュールとして描写される、ソフトウェア内に実装される種々の機能的構成要素は、最終的には、プロセッサによって実行される)。図1は、矢印を用いて通信経路を示す。破線矢印は矢印の方向に流動する情報を示し、両方向破線矢印は、双方向情報流を示し、実線矢印は、制御コマンドが矢印の方向にパスされることを示す。
図2は、一実施形態による、ロボット200を示す。ロボット200は、2つのアーム202を有し、それぞれ、好適な(かつ従来の)回転関節204によって提供される7自由度を有する。各関節204は、望ましくは、直列弾性アクチュエータを採用し、ロボットがそこに印加される外部力(例えば、予期しない衝突から生じる力等)を感知することを可能にする。各アームの端部に装着されるのは、ロボットが、物体を握持すること、持ち上げること、および移動させることを可能にする、並列顎把持部206である。ロボット200はまた、ユーザにロボットの状態を通知する役割を果たす画面208およびステータスライトを伴うヘッドを有する。ヘッドおよび画面208は、垂直軸を中心として回転することができ、画面208に平行に走る水平軸を中心として頷くことができる。
種々の実施形態によるロボット制御システムは、基本ロボット動作(すなわち、ロボット移動または物体の操作)、ならびにこれらの動作と関連付けられた場所のタイプおよび物体、設備、または機器のクラスの観点から、メモリ内にタスクを表す。より具体的には、そのような基本動作および関連カテゴリのハードコードされたプロトタイプは、プロトタイプライブラリ116内に記憶され、タスク実行モジュール110によって使用されるプロトタイプのインスタンスの作成のためのテンプレートとしての役割を果たす。
本発明の種々の実施形態は、その環境内の物体および人々を視覚的に検出および/または識別するためのロボットの能力に依拠する。そのような視覚的検出は、それ自体が、ロボットが行うように訓練される必要があるタスクであってもよい。訓練は、概して、ヒト訓練者からの入力およびフィードバックと結合される、ロボットの環境の継続的知覚を伴う。例えば、ロボットに、特定の物体を視覚的に認識することを教示するために、訓練者は、最初に、ロボットのヘッドにおける画面208上に表示され得る物体がカメラビュー内に現れるように、ロボットのカメラのうちの1つの向きを定めてもよい。訓練者は、例えば、マウスまたはタッチスクリーンを使用して、カメラビュー内の物体を指してもよい。代替として、ロボットのコンピュータビジョンシステムは、1つ以上のルールに基づいて、着目物体の識別を試みてもよい。例えば、システムは、デフォルトによって、カメラビューの中心における物体または画像の前景における物体を選択してもよい。前景および背景は、例えば、ステレオカメラまたは別個の奥行センサを用いて、得られた奥行情報に基づいて、区別されてもよく、あるいは、2つの異なるが重複するカメラビューから導出されてもよい。訓練者入力は、ロボットの自動物体選択を確認または拒否するために使用されてもよい。着目物体がロボットに示されると、コンピュータビジョンシステムは、画像内の物体の輪郭を生成し得、それによって、物体に属すると見なされる全画素を識別してもよい。本画素群は、例えば、輝度、色、または奥行情報に基づいて、識別されてもよい。好適なアルゴリズムは、当業者に公知であり、とりわけ、エッジ検出アルゴリズムが挙げられる。ユーザは、再び、ロボットのコンピュータビジョンシステムが物体の輪郭を正しく描いているかどうかを示すフィードバックを提供し、必要に応じて、補正させてもよい(例えば、カメラの向きを再び定めることによって)。
ロボットアクションは、概して、有用作業の実施および訓練の両方の間、タスク実行モジュール110によって制御される。典型的には、タスク実行モジュール110は、多くの挙動を並行して作動させる。本文脈では、用語「挙動」は、「挙動ベースのロボットシステム」を参照して使用され、概して、特定のロボット機能(例えば、センサの入力を監視することまたは画像を処理すること等)に関連するプロセッサ実行可能命令の集合を示し、それは、アクティブ化されると、継続的に、またはある状況においてのみ動作し得る。一般に、挙動は、タスクよりも基本的であり、実際、タスクは、複数の挙動の相互作用によって実施され、複数の挙動のいくつかは、継続的に作動し、いくつかは、動作するためのその事前条件が、先の挙動の結果として有効になると、トリガされる。複数の挙動は、メッセージ(例えば、データまたは命令)を相互に送信することによって相互作用することができる。典型的には、各挙動は、オブジェクト指向構成において、自律的プロセスとして実行され、それに割り当てられたローカルメモリを有する。
Claims (65)
- 物体を操作するように、ヒト訓練者との相互作用を介して訓練可能なロボットであって、前記ロボットは、
物体を操作するための少なくとも1つの付属肢と、
前記少なくとも1つの付属肢を動作させるためのコントローラと、
プロトタイプのライブラリを記憶するためのコンピュータメモリであって、前記プロトタイプのうちの少なくとも1つは、前記付属肢によって行われるタスクのタイプを定義し、前記タスクは、前記付属肢の移動または前記物体の操作のうちの少なくとも1つを含む、コンピュータメモリと、
前記ヒト訓練者から、前記タスクに関連する物理的入力を受信するための知覚システムと、
前記物理的入力に基づいて、少なくとも1つの属性を規定することによって、前記少なくとも1つのプロトタイプのインスタンスを作成するための訓練モジュールと、
前記コントローラへのコマンドを介して、前記プロトタイプのインスタンスを実行し、それによって、前記付属肢に前記タスクを行わせるためのタスク実行モジュールと
を備える、ロボット。 - 前記インスタンスは、前記付属肢の一般的な、空間的に規定されていない動きの観点から、前記タスクを定義する、請求項1に記載のロボット。
- 前記インスタンスは、前記物体またはその環境のうちの少なくとも1つに対する前記付属肢の動きの観点から、前記タスクを定義する、請求項2に記載のロボット。
- 前記動きは、空間軌道を規定せずに、定義される、請求項2に記載のロボット。
- 前記物理的入力は、機械的入力または視覚的入力のうちの少なくとも1つを含む、請求項1に記載のロボット。
- タスク関連フィードバックを前記訓練者に提供するために、前記訓練モジュールに応答する少なくとも1つの出力デバイスをさらに備える、請求項1に記載のロボット。
- 前記フィードバックは、ロボットステータスのインディケーション、さらなる入力の要求、またはエラーアラートのうちの少なくとも1つを含む、請求項6に記載のロボット。
- 前記フィードバックは、ロボットカメラビュー上にオーバーレイされたグラフィックを含む、請求項6に記載のロボット。
- 前記知覚システムは、押下可能ボタン、ノブ、タッチ感応パッド、タッチ感応カフ、またはカメラのうちの少なくとも1つを備える、請求項1に記載のロボット。
- 前記プロトタイプのライブラリは、物体クラス、機器のタイプ、または場所のうちの少なくとも1つを定義するプロトタイプをさらに含む、請求項1に記載のロボット。
- 前記訓練モジュールは、前記クラスの構成子に関する視覚的入力に基づいて、前記物体クラスのインスタンスを作成する、請求項10に記載のロボット。
- 前記操作の対象となる物体は、前記インスタンスによって参照される物体のクラスの構成子である、請求項10に記載のロボット。
- 前記知覚システムは、前記物体またはその環境に関する物理的情報を受信するようにさらに構成されている、請求項1に記載のロボット。
- 前記コントローラは、物理的入力に応答して、ゼロ重力補償モードで動作するように構成されている、請求項1に記載のロボット。
- ヒト訓練者との相互作用に基づくロボット学習の方法であって、前記方法は、
前記訓練者から、ロボットによって行われるタスクに関する物理的入力を受信することと、
前記入力に応答して、かつ前記入力に少なくとも部分的に基づいて、記憶されたプロトタイプのライブラリから前記タスクと関連付けられたプロトタイプを選択し、前記プロトタイプのインスタンスを作成してデータベース内に記憶することであって、前記インスタンスは、物体に対して行われるロボット移動またはロボット操作のうちの少なくとも1つを規定する、ことと
を含む、方法。 - 前記物理的入力に基づいて、前記インスタンスの少なくとも1つの属性を規定することをさらに含む、請求項15に記載の方法。
- 前記インスタンスは、一般的な、空間的に規定されていない観点から前記タスクを定義する、請求項15に記載の方法。
- 前記物理的入力は、機械的入力または視覚的入力のうちの少なくとも1つを含む、請求項15に記載の方法。
- 前記物理的入力を受信することは、前記訓練者または物体のうちの少なくとも1つとの物理的接触を感知することを含む、請求項15に記載の方法。
- 前記物理的入力を受信することは、ロボット付属肢が前記訓練者によって移動される場合に前記付属肢の位置を追跡することを含む、請求項15に記載の方法。
- 前記物理的入力を受信することは、前記訓練者、前記物体、または環境のうちの少なくとも1つの画像を取得することを含む、請求項15に記載の方法。
- フィードバックを前記訓練者に提供することをさらに含む、請求項15に記載の方法。
- 前記フィードバックは、前記ロボットのステータスを示すこと、前記訓練者からの追加の入力を要求すること、または前記訓練者にエラーをアラートすることのうちの少なくとも1つを含む、請求項22に記載の方法。
- 前記フィードバックを提供することは、ロボットカメラビュー上にグラフィックをオーバーレイすることを含む、請求項22に記載の方法。
- 前記フィードバックは、触覚フィードバックを含む、請求項22に記載の方法。
- 前記入力に応答して、かつ前記入力に少なくとも部分的に基づいて、物体クラスを定義するプロトタイプを選択し、前記物体の表現をメモリ内に作成するように、前記プロトタイプをインスタンス化することをさらに含む、請求項22に記載の方法。
- 物理的知覚に基づいて、環境内の物体を操作するためのロボットであって、前記ロボットは、
物体を操作するための少なくとも1つの付属肢と、
前記少なくとも1つの付属肢を動作させるためのコントローラと、
前記物体または前記環境のうちの少なくとも1つに関する物理的情報を少なくとも1つのセンサから受信するための知覚システムと、
複数のインスタンスを含むインスタンスデータベースであって、前記複数のインスタンスのうちの少なくともいくつかが、前記付属肢によって前記物体に対して行われるタスクを規定する、インスタンスデータベースと、
前記受信された情報に基づいて、前記インスタンスのうちの少なくとも1つを選択し、前記コントローラへのコマンドを介して、前記少なくとも1つの選択されたインスタンスを実行するためのタスク実行モジュールと
を備える、ロボット。 - 前記インスタンスのうちの少なくとも1つは、一般的な、空間的に規定されていない観点から、前記タスクを定義する、請求項27に記載のロボット。
- 前記インスタンスのうちの少なくとも1つは、前記環境または前記物体のうちの少なくとも1つに対する前記付属肢の動きの観点から、前記タスクを規定する、請求項28に記載のロボット。
- 前記動きは、空間軌道を規定しない一般的な観点から、定義される、請求項28に記載のロボット。
- 前記インスタンスデータベースは、物体クラスを定義するインスタンス、機器のタイプを定義するインスタンス、または場所を定義するインスタンスのうちの少なくとも1つをさらに含む、請求項27に記載のロボット。
- 前記少なくとも1つのタスク定義インスタンスは、前記物体クラス、前記機器のタイプ、または前記場所を定義する前記インスタンスのうちの少なくとも1つを参照する、請求項31に記載のロボット。
- 前記少なくとも1つのインスタンスは、物体クラスを参照し、前記タスク実行モジュールは、前記知覚システムによる前記物体クラスに属する物体の検出に応じて、前記ロボット付属肢に、前記検出された物体に対して前記タスクを行わせるように構成されている、請求項27に記載のロボット。
- 前記知覚システムは、少なくとも1つのカメラを含む、請求項27に記載のロボット。
- 前記知覚システムは、コンピュータビジョンシステムを含む、請求項34に記載のロボット。
- 前記知覚システムは、押下可能ボタン、ノブ、タッチ感応パッド、またはタッチ感応カフのうちの少なくとも1つを含む、請求項27に記載のロボット。
- 前記タスク実行モジュールは、前記物理的情報に基づいて、前記少なくとも1つの選択されたインスタンスの属性を規定するように構成されている、請求項27に記載のロボット。
- 環境内で物体を操作する、ロボットにより実装される方法であって、前記方法は、
前記物体または前記環境のうちの少なくとも1つに関するセンサ入力を受信することと、
(i)前記センサ入力と、(ii)前記ロボットによって前記物体に対して行われるタスクを規定する複数のインスタンスを含むインスタンスデータベースとに基づいて、前記インスタンスのうちの少なくとも1つを選択し、ロボット付属肢に、前記少なくとも1つの選択されたインスタンスに従って前記物体を操作させるように、前記少なくとも1つの選択されたインスタンスを実行することと
を含む、方法。 - 前記インスタンスデータベースは、複数の物体クラスのインスタンスをさらに含み、各物体クラスは、前記タスクのインスタンスのうちの少なくとも1つと関連付けられている、請求項38に記載の方法。
- 前記入力に基づいて、前記物体が属する前記物体クラスを識別することをさらに含み、前記実行するステップは、前記物体クラスと関連付けられたタスクインスタンスに従って行われる、請求項39に記載の方法。
- 前記センサ入力を受信することは、前記物体または前記環境のうちの少なくとも1つの画像を取得することを含む、請求項38に記載の方法。
- 前記センサ入力を受信することは、前記環境内の物体との物理的接触を検出することを含む、請求項38に記載の方法。
- 前記センサ入力に基づいて、前記少なくとも1つの選択されたインスタンスの属性を規定することをさらに含む、請求項38に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの選択されたインスタンスを実行することは、前記インスタンスと関連付けられた挙動をインスタンス化することを含む、請求項38に記載の方法。
- 前記挙動は、複数のスレッドを含み、前記複数のスレッドは、それと関連付けられた一式の条件を有し、前記少なくとも1つの選択されたインスタンスを実行することは、前記条件の充足に関して前記スレッドを監視することを含む、請求項44に記載の方法。
- 前記条件の充足は、スレッド間の遷移をトリガする、請求項45に記載の方法。
- 前記タスクの実行は、前記ロボットと前記ロボット自体または前記環境内の物体との衝突を防止する少なくとも1つの挙動を作動させることを含む、請求項38に記載の方法。
- 物理的知覚に基づいて、環境内の物体を操作するためのロボットであって、前記ロボットは、
物体を操作するための少なくとも1つの付属肢と、
前記少なくとも1つの付属肢を動作させるためのコントローラと、
前記物体および前記環境に関する物理的情報を少なくとも1つのセンサから受信するための知覚システムと、
複数のインスタンスを備えるインスタンスデータベースであって、前記複数のインスタンスのうちの少なくともいくつかが、前記付属肢によって前記物体に対して行われるタスクを規定し、各タスクは、物体および前記物体に対して行われるアクションを規定し、各タスクは、一般的な、空間的に規定されていない観点から、定義される、インスタンスデータベースと、
前記知覚システムに応答して、前記ロボットに、前記コントローラへのコマンドを介して前記タスクを実行させるためのタスク実行モジュールと
を備える、ロボット。 - 前記タスク実行モジュールは、オンザフライで、前記物理的情報に基づいて、前記ロボットと関連付けられた座標系内に前記タスクに対応する軌道を生成する、請求項48に記載のロボット。
- 前記タスク実行モジュールは、継続的に前記物体を監視し、それに基づいて、軌道座標を計算することなく前記ロボットの付属肢を前記物体に向かって移動させる、請求項48に記載のロボット。
- 前記タスク実行モジュールは、前記監視された物体に基づいて前記タスク実行モジュールによって決定される、前記移動と関連付けられた事前条件が充足される限り、前記物体に向かう前記ロボットの付属肢の移動を継続させる、請求項50に記載のロボット。
- 前記事前条件は、前記付属肢と前記物体との間の物理的接触がないことを含む、請求項51に記載のロボット。
- 前記知覚システムは、前記物体の画像を取得するための少なくとも1つのカメラを含む、請求項48に記載のロボット。
- 前記知覚システムは、コンピュータビジョンシステムをさらに含む、請求項53に記載のロボット。
- 前記知覚システムは、少なくとも1つのタッチ感応検出器を含む、請求項48に記載のロボット。
- 環境内の物体を操作するための、ロボットにより実装される方法であって、前記方法は、
前記物体または前記環境のうちの少なくとも1つに関するセンサ入力を受信することと、
(i)前記センサ入力と、(ii)一般的な、空間的に規定されていない観点から、前記ロボットによって前記物体に対して行われるタスクを規定する複数のインスタンスを含むインスタンスデータベースとに基づいて、ロボット付属肢に、前記タスクのインスタンスに従って前記物体を操作させるように、前記タスクのインスタンスのうちの少なくとも1つを実行することと
を含む、方法。 - 前記タスクのインスタンスを実行することは、オンザフライで、前記センサ入力に基づいて、前記ロボットと関連付けられた座標系内に前記タスクのインスタンスに対応する軌道を生成することを含む、請求項56に記載の方法。
- 前記タスクのインスタンスを実行することは、前記物体を継続的に監視し、それに基づいて、軌道座標を計算することなく前記ロボット付属肢を前記物体に向かって移動させることを含む、請求項56に記載の方法。
- 前記タスクのインスタンスを実行することは、前記タスクのインスタンスと関連付けられた事前条件が充足されるかどうかを決定し、充足される場合、前記物体に向かう移動を継続することを含む、請求項58に記載の方法。
- 前記事前条件は、前記付属肢と前記物体との間の物理的接触がないことを含む、請求項59に記載の方法。
- 前記センサ入力を受信することは、前記物体の画像を取得することを含む、請求項56に記載の方法。
- 前記少なくとも1つのインスタンスを実行することは、前記インスタンスと関連付けられた挙動をインスタンス化することを含む、請求項56に記載の方法。
- 前記挙動は、複数のプロセッサ実行可能なスレッドを含み、前記複数のプロセッサ実行可能なスレッドは、それと関連付けられた一式の条件を有し、前記少なくとも1つの選択されたインスタンスを実行することは、前記条件の充足に関して前記スレッドを監視することを含む、請求項62に記載の方法。
- 前記条件の充足は、スレッド間の遷移をトリガする、請求項63に記載の方法。
- 前記ロボットと前記ロボット自体または前記環境内の物体との衝突を防止する少なくとも1つの挙動を実行することをさらに含む、請求項56に記載の方法。
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