JP2022039291A - 動作パラメーターの調整方法、及び、ロボットシステム - Google Patents

Abstract

【課題】架台や周辺機器の振動を考慮してロボットシステムの動作パラメーターを調整できる技術を提供する。【解決手段】調整方法は、（ａ）動作パラメーターの候補値を用いてロボットに調整用動作を実行させてセンサーの計測結果を取得する工程と、（ｂ）計測結果を用いて動作パラメーターの最適化処理を実行することによって、動作パラメーターの前記候補値を更新する工程と、（ｃ）最適化処理が収束するまで工程（ａ），（ｂ）を繰り返すことによって、動作パラメーターの調整値を決定する工程と、を含む。【選択図】図３

Description

本開示は、動作パラメーターの調整方法、及び、ロボットシステムに関する。

特許文献１には、ロボットの振動を低減するために、ロボットを動作させてオーバーシュート量を検出し、オーバーシュート量に基づいてロボットの学習制御を行う制御システムが記載されている。

特開２０１８－１１８３５３号公報

しかしながら、ロボットが作業を行う現場では、ロボットに加えて、ロボットを設置する架台やカメラ等の周辺機器の振動も考慮した上で、ロボットシステムの動作パラメーターを設定しないと、ロボットの作業を満足に実行できない場合がある。

本開示の第１の形態によれば、ロボットと、前記ロボットが設置された架台と、前記架台の振動又は前記架台に設けられた周辺機器の振動を検出可能なセンサーと、を有するロボットシステムの動作パラメーターを調整する調整方法が提供される。この調整方法は、（ａ）前記動作パラメーターの候補値を用いて前記ロボットに調整用動作を実行させて、前記調整用動作中の前記センサーの計測結果を取得する工程と、（ｂ）前記計測結果を用いて前記動作パラメーターの最適化処理を実行することによって、前記動作パラメーターの前記候補値を更新する工程と、（ｃ）前記最適化処理が収束するまで前記工程（ａ）及び前記工程（ｂ）を繰り返すことによって、前記動作パラメーターの調整値を決定する工程と、を含む。

本開示の第２の形態によれば、ロボットシステムが提供される。このロボットシステムは、ロボットと、前記ロボットが設置された架台と、前記架台の振動又は前記架台に設けられた周辺機器の振動を検出可能なセンサーと、前記ロボットを制御する制御部と、を備える。前記制御部は、（ａ）前記ロボットシステムの動作パラメーターの候補値を用いて前記ロボットに調整用動作を実行させて、前記調整用動作中の前記センサーの計測結果を取得する処理と、（ｂ）前記計測結果を用いて前記動作パラメーターの最適化処理を実行することによって、前記動作パラメーターの前記候補値を更新する処理と、（ｃ）前記最適化処理が収束するまで前記処理（ａ）及び前記処理（ｂ）を繰り返すことによって、前記動作パラメーターの調整値を決定する処理と、を実行する。

第１実施形態におけるロボットシステムの構成例の説明図。 情報処理装置の機能ブロック図。 動作パラメーターの調整手順を示すフローチャート。 動作パラメーターの探索処理の手順を示すフローチャート。 調整動作中のセンサーの計測結果の例を示す説明図。 第２実施形態におけるロボットシステムの構成例の説明図。

Ａ．第１実施形態
図１は、第１実施形態におけるロボットシステムの一例を示す説明図である。このロボットシステムは、ロボット１００と、ロボット１００を制御する制御装置２００と、情報処理装置３００と、ロボット１００が設置された架台４００とを備える。情報処理装置３００は、例えばパーソナルコンピューターである。

架台４００には、ロボット１００の他に、架台４００の振動を検出可能なセンサー４１０と、周辺機器４２０とが設けられている。周辺機器４２０は、例えばビジョンシステムを構成するためのカメラである。図１の例では、周辺機器４２０は架台４００の柱４３０に設置されているが、多くの場合には、架台４００の振動が周辺機器４２０に伝わるような状態で周辺機器４２０が設置されている。本開示では、架台４００の振動が周辺機器４２０に伝わるような設置状態も「周辺機器４２０が架台４００に設けられている」という文言に含まれる。

ロボット１００は、基台１１０と、アーム１２０と、を備えている。アーム１２０は、６つの関節で順次接続されている。アーム１２０の先端部であるアームエンド１２２には、エンドエフェクター１５０が装着されている。

アーム１２０は、６つの関節Ｊ１～Ｊ６で順次接続されている。これらの関節Ｊ１～Ｊ６のうち、３つの関節Ｊ２，Ｊ３，Ｊ５は曲げ関節であり、他の３つの関節Ｊ１，Ｊ４，Ｊ６はねじり関節である。本実施形態では６軸ロボットを例示しているが、１個以上の関節を有する任意のアーム機構を有するロボットを用いることが可能である。また、本実施形態のロボット１００は、垂直多関節ロボットであるが、水平多関節ロボットを使用してもよい。

センサー４１０は、架台４００の振動を検出可能なセンサーである。一般に、振動は、位置と速度と加速度のいずれかの時系列的な変化を測定することによって検出することができる。センサー４１０としては、例えば、位置センサーや、ジャイロセンサー、加速度センサー、慣性計測装置（Inertial Measurement Unit）などを使用することができる。なお、センサー４１０は、周辺機器４２０の振動を検出できるように、周辺機器４２０に設置されていてもよい。

図２は、情報処理装置３００の機能を示すブロック図である。情報処理装置３００は、プロセッサー３１０と、メモリー３２０と、インターフェイス回路３３０と、インターフェイス回路３３０に接続された入力デバイス３４０及び表示部３５０と、を有している。インターフェイス回路３３０には、更に、センサー４１０と周辺機器４２０と制御装置２００が接続されている。

プロセッサー３１０は、ロボット１００に動作を実行させる動作実行部３１２と、ロボット１００の動作中にセンサー４１０の計測結果としての振動を取得する振動計測部３１４と、センサー４１０の計測結果を用いてロボットシステムの動作パラメーターを探索するパラメーター探索部３１６と、の機能をそれぞれ実行する。これらの各部３１２，３１４，３１６は、メモリー３２０に格納されたコンピュータープログラムをプロセッサー３１０が実行することによって実現される。但し、これらの各部３１２，３１４，３１６の一部又は全部をハードウェア回路で実現してもよい。プロセッサー３１０は、本開示の「制御部」に相当する。

メモリー３２０には、初期パラメーターＤＰと探索条件ＳＣと動作プログラムＲＰとが格納されている。初期パラメーターＤＰは、ロボットシステムの動作パラメーターの初期値である。探索条件ＳＣは、最適化処理によって探索される動作パラメーターの値の範囲である。動作プログラムＲＰは、ロボット１００を動作させる複数の命令で構成されている。

ロボットシステムの動作パラメーターとしては、例えば以下のようなロボット１００の動作パラメーターを使用可能である。
＜ロボットの動作パラメーターの例＞
（１）各軸の最大加速度
最大加速度とは、ロボット１００の各軸について、当該軸よりも先端側にある部分の当該軸に対する慣性モーメントが最大の状態にあるときに、当該軸に設定される加速度である。
（２）加速度最大変化率
加速度最大変化率とは、上述した慣性モーメントの変化を伴う各軸の動作において許容される加速度の最大変化率である。慣性モーメントが大きな状態では、加速度の変化はより緩やかな値に制限される。
（３）重量補正係数
重量補正係数とは、各軸の動作における加速度を、ロボット１００が保持する負荷重量に応じて調整するための係数である。
なお、本実施形態で調整対象とする動作パラメーターとしては、これら以外の任意の動作パラメーターを使用可能である。

図３は、動作パラメーターの調整手順を示すフローチャートである。この処理は、情報処理装置３００のプロセッサー３１０によって実行される。

ステップＳ１０では、ユーザーにより、ロボットシステムの動作パラメーターの調整を行うために使用する調整用動作が設定される。具体的には、ユーザーが、調整用動作のための動作プログラムＲＰを作成し、動作実行部３１２にその動作プログラムＲＰを読み込ませることによって調整用動作が設定される。典型的な例では、調整用動作は、ロボット１００の特定の作業において用いられる動作である。

ステップＳ２０では、パラメーター探索部３１６がメモリー３２０から探索条件ＳＣを読み出すことによって、探索条件ＳＣが設定される。前述したように、探索条件ＳＣは、最適化処理で探索される各動作パラメーターの値の範囲である。

ステップＳ３０では、ユーザーによって、最適化処理の方法が設定される。本実施形態では、最適化処理で使用する指標値として、調整用動作に要するロボット１００の動作時間と、調整用動作により発生する振動の大きさと、の２つの指標値を使用する。「ロボット１００の動作時間」とは、調整用動作の開示時から終了時までの時間である。通常、ロボット１００の動作時間と振動の大きさはトレードオフの関係にあるので、これらの２つの指標値を用いて動作パラメーターの最適化を行うことによって、適切な動作パラメーターを得ることができる。

２つの指標値を用いる最適化処理としては、以下のような種々のものを使用可能である。
＜目的関数と制約条件とを用いる最適化処理＞
この最適化処理では、２つの指標値の一方を目的関数とし、他方を制約条件として設定する。
＜複数の指標値を含む目的関数を用いる最適化処理＞
この最適化処理では、２つの指標値の両方を含む目的関数を設定する。但し、２つの指標値を含む目的関数を用いる最適化処理は、更に以下の２種類の最適化処理に分けられる。
（１）２つの目的関数を用いる最適化処理
これは、２つの指標値をそれぞれ目的関数として設定し、多目的最適化アルゴリズムを使用することによって、２つの目的関数を用いた最適化を行う処理である。多目的最適化アルゴリズムとしては、例えば、パレート最適解を求める遺伝的アルゴリズムや、希求水準法アルゴリズムを利用可能である。
（２）２つの指標値を含む単一の目的関数を用いる最適化処理
これは、２つの指標値に重みを付して加算することによって、単一の目的関数を設定した上で、通常の最適化処理を行う処理である。

本実施形態では、上述した最適化処理のうち、目的関数と制約条件とを用いる最適化処理を使用する。また、ステップＳ３０では、調整用動作に要するロボット１００の動作時間を目的関数として設定し、調整用動作により発生する振動の大きさを制約条件として設定する。また、最適化処理のアルゴリズムとしては、ベイズ最適化を使用する。なお、最適化処理のアルゴリズムとしては、ベイズ最適化の他に、グリッドサーチ、ランダムサーチ、ＣＭＡ－ＥＳ（Covariance Matrix Adaptation Evolution Strategy）、ネルダーミード法（Nelder-Mead method）等の種々のアルゴリズムを使用可能である。

ステップＳ４０では、パラメーター探索部３１６が、ステップＳ１０～Ｓ３０における設定に従って、動作パラメーターの探索を実行する。

図４は、図３のステップＳ４０における動作パラメーターの探索処理の詳細手順を示すフローチャートである。ステップＳ４１では、パラメーター探索部３１６が、メモリー３２０から初期パラメーターＤＰを読み出して、動作パラメーターの初期候補値として設定する。ステップＳ４２では、動作実行部３１２が、動作パラメーターの候補値を用いてロボット１００に調整用動作を実行させる。ステップＳ４３では、振動計測部３１４が、調整動作中のセンサー４１０の計測結果を取得する。

ステップＳ４４では、パラメーター探索部３１６が、センサー４１０の計測結果を用いて動作パラメーターの最適化処理を実行することによって、動作パラメーターの候補値を更新する。前述したように、本実施形態では、調整用動作に要するロボット１００の動作時間を目的関数とし、調整用動作により発生する振動の大きさを制約条件としている。すなわち、調整用動作により発生する振動の大きさが予め定められた閾値以下に収まるという制約条件の下で、調整用動作に要するロボット１００の動作時間が可能な限り短くなるように動作パラメーターの候補値が探索されて更新される。

図５は、調整動作中のセンサー４１０の計測結果の例を示す説明図である。図５の上部はロボット１００のＴＣＰ（Tool Center Point）位置の時間変化を示し、図５の下部はセンサー４１０で計測された架台４００の振動の時間変化を示している。ＴＣＰ位置のグラフでは、ＴＣＰの目標位置を０としており、その上下に許容位置誤差＋Δｐ，－Δｐが設定されている。ＴＣＰ位置が次第に目標位置に近づいてゆき、その位置誤差が最後にこの許容位置誤差＋Δｐ，－Δｐを下回った時刻ｔ１が目標位置への到達時刻として決定される。動作の開始時刻からこの到達時刻ｔ１までの時間が，ロボット１００の動作時間として取得される。センサー４１０で計測される架台４００の振動は、ＴＣＰがその目標位置に近づくに従って次第に減少する。このとき、ＴＣＰの目標位置への到達時刻ｔ１以降において、最も大きな振動の片振幅Ｖｂが架台４００の振動の大きさとして取得される。上述したステップＳ４４では、こうして取得されたロボット１００の動作時間と、振動の大きさとを用いて、動作パラメーターの最適化処理が実行される。

図３のステップＳ４０における探索が収束すると、ステップＳ５０において、探索結果がユーザーに表示される。この表示の方法としては、例えば、以下の２つの方法のいずれかを採用可能である。
＜表示方法１＞
ユーザーが指定した架台４００の振動の制約条件を満たす動作パラメーターのうちで、ロボット１００の動作時間が最も短い１組の動作パラメーターを提示する。
＜表示方法２＞
複数組の動作パラメーターについて、架台４００の振動とロボット１００の動作時間の関係を提示する。ユーザーは、複数組の動作パラメーターのうちから、ユーザーの要求に最も合致する１組の動作パラメーターを選択することができる。

ステップＳ６０では、動作パラメーターの調整後の値が決定される。この処理は、ステップＳ５０で表示された動作パラメーターをユーザーが選択することによって実行される。こうして決定された動作パラメーターの調整値は、動作プログラムＲＰの中に設定される。

なお、上述したステップＳ５０は省略してもよい。この場合には、ステップＳ６０では、最適化処理によって探索された最終的な１組の動作パラメーターが、動作パラメーターの調整値として決定される。

以上のように、第１実施形態では、ロボット１００が設置された架台４００の振動、又は、架台４００に設けられた周辺機器４２０の振動の計測結果を用いてロボットシステムの動作パラメーターの最適化処理を実行するので、架台４００や周辺機器４２０の振動が少なくなるように動作パラメーターを調整できる。

なお、第１実施形態では、ロボット１００の動作時間と、振動の大きさと、の２つの指標値を使用するものとしていたが、ロボット１００の動作時間を用いずに、振動の大きさのみを最適化処理の指標値として用いても良い。例えば、予め定めた動作パラメーターの探索範囲内において、振動の大きさが最も小さくなるように動作パラメーターの最適化を行うようにしてもよい。但し、ロボット１００の動作時間と、振動の大きさと、の２つの指標値を使用すれば、振動の大きさを抑えつつ、動作時間が短くなるように動作パラメーターの最適化を行うことができる点で好ましい。

Ｂ．第２実施形態
図６は、第２実施形態におけるロボットシステムの構成例の説明図である。第１実施形態との大きな違いは、第２実施形態では、ロボット１００が台車５００の上に設置されている点にある。台車５００も、本開示における「架台」の一種である。ロボット１００の制御装置２００は、基台１１０の中に収納されている。

台車５００は、自律的に床面ＦＬを走行する自律移動ロボット（Autonomous Mobile Robot）として構成されており、本体５１０と、本体５１０の下部に設けられた車輪５２０と、を有する。車輪５２０は、２つの駆動輪５２２と４つの従動輪５２４とを含んでおり、図６ではこれらの半数が描かれている。本体５１０には、台車５００を制御する制御装置５３０が設けられている。

センサー４１０は、台車５００上に設置されている。第２実施形態では、センサー４１０は、台車５００の振動を検出可能である。

台車５００の制御装置５３０とロボット１００の制御装置２００は、互いに通信しながらロボットシステムの制御を実行する。また、台車５００の制御装置５３０は、情報処理装置３００と無線通信を介して情報を送受信可能である。センサー４１０の計測結果は、台車５００の制御装置５３０を介して情報処理装置３００に供給される。

第２実施形態における情報処理装置３００の内部構成や処理の内容は、第１実施形態とほぼ同じである。また、第２実施形態も第１実施形態とほぼ同様の効果を奏する。

但し、第２実施形態では、調整用動作として、ロボット１００の動作の他に、台車５００の動作も含むことが好ましい。例えば、１つの調整用動作は、まず、台車５００によって出発位置から目的位置まで移動して停止した後に、ロボット１００によって作業用の動作を実行する、という一連の動作によって構成されていることが好ましい。こうすれば、台車５００の動作を含む調整用動作に適した動作パラメーターを調整することが可能である。この場合に、調整対象の動作パラメーターは、ロボット１００の動作パラメーターのみでなく、台車５００の動作パラメーターを含むようにしてもよい。台車５００の動作パラメーターとしては、例えば、移動時の最大速度や最大加速度を用いることができる。

・他の実施形態：
本開示は、上述した実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実現することができる。例えば、本開示は、以下の形態（aspect）によっても実現可能である。以下に記載した各形態中の技術的特徴に対応する上記実施形態中の技術的特徴は、本開示の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、本開示の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

（１）本開示の第１の形態によれば、ロボットと、前記ロボットが設置された架台と、前記架台の振動又は前記架台に設けられた周辺機器の振動を検出可能なセンサーと、を有するロボットシステムの動作パラメーターを調整する調整方法が提供される。この調整方法は、（ａ）前記動作パラメーターの候補値を用いて前記ロボットに調整用動作を実行させて、前記調整用動作中の前記センサーの計測結果を取得する工程と、（ｂ）前記計測結果を用いて前記動作パラメーターの最適化処理を実行することによって、前記動作パラメーターの前記候補値を更新する工程と、（ｃ）前記最適化処理が収束するまで前記工程（ａ）及び前記工程（ｂ）を繰り返すことによって、前記動作パラメーターの調整値を決定する工程と、を含む。
この調整方法によれば、ロボットが設置された架台の振動又は架台に設置された周辺機器の振動の計測結果を用いてロボットシステムの動作パラメーターの最適化処理を実行するので、架台や周辺機器の振動が少なくなるように動作パラメーターを調整できる。

（２）上記調整方法において、前記最適化処理は、前記調整用動作に要する前記ロボットの動作時間と、前記調整用動作により発生する前記振動の大きさと、のうちの一方を目的関数とし、他方を制約条件とする最適化であるものとしてもよい。
この調整方法によれば、ロボットの動作時間と、架台又は周辺機器の振動の大きさとが小さくなるように動作パラメーターを調整できる。

（３）上記調整方法において、前記最適化処理は、前記調整用動作に要する前記ロボットの動作時間と、前記調整用動作により発生する前記振動の大きさと、の２つの指標値を含む目的関数を用いた最適化であるものとしてもよい。
この調整方法によれば、ロボットの動作時間と、架台又は周辺機器の振動の大きさとが小さくなるように動作パラメーターを調整できる。

（４）上記調整方法において、前記架台は、移動可能な台車であり、前記調整用動作は、前記台車の動作と前記ロボットの動作との両方を含む動作であり、前記動作パラメーターは、前記台車の動作パラメーターと前記ロボットの動作パラメーターとの両方を含むものとしてもよい。
この調整方法によれば、移動可能な台車に設置されたロボットを含むロボットシステムについて、台車の動作パラメーターとロボットの動作パラメーターとを含むロボットシステムの動作パラメーターを調整できる。

（５）本開示の第２の形態によれば、ロボットシステムが提供される。このロボットシステムは、ロボットと、前記ロボットが設置された架台と、前記架台の振動又は前記架台に設けられた周辺機器の振動を検出可能なセンサーと、前記ロボットを制御する制御部と、を備える。前記制御部は（ａ）前記ロボットシステムの動作パラメーターの候補値を用いて前記ロボットに調整用動作を実行させて、前記調整用動作中の前記センサーの計測結果を取得する処理と、（ｂ）前記計測結果を用いて前記動作パラメーターの最適化処理を実行することによって、前記動作パラメーターの前記候補値を更新する処理と、（ｃ）前記最適化処理が収束するまで前記処理（ａ）及び前記処理（ｂ）を繰り返すことによって、前記動作パラメーターの調整値を決定する処理と、を実行する。
このロボットシステムによれば、ロボットが設置された架台の振動又は架台に設置された周辺機器の振動の計測結果を用いてロボットシステムの動作パラメーターの最適化処理を実行するので、架台や周辺機器の振動が少なくなるように動作パラメーターを調整できる。

本開示は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、ロボットとロボット制御装置とを備えたロボットシステム、ロボット制御装置の機能を実現するためのコンピュータープログラム、そのコンピュータープログラムを記録した一時的でない記録媒体（non-transitory storage medium）等の形態で実現することができる。

１００…ロボット、１１０…基台、１２０…アーム、１２２…アームエンド、１５０…エンドエフェクター、２００…制御装置、３００…情報処理装置、３１０…プロセッサー、３１２…動作実行部、３１４…振動計測部、３１６…パラメーター探索部、３２０…メモリー、３３０…インターフェイス回路、３５０…表示部、４００…架台、４１０…センサー、４２０…周辺機器、４３０…柱、５００…台車、５１０…本体、５２０…車輪、５２２…駆動輪、５２４…従動輪、５３０…制御装置

Claims (5)

1. ロボットと、前記ロボットが設置された架台と、前記架台の振動又は前記架台に設けられた周辺機器の振動を検出可能なセンサーと、を有するロボットシステムの動作パラメーターを調整する調整方法であって、
   （ａ）前記動作パラメーターの候補値を用いて前記ロボットに調整用動作を実行させて、前記調整用動作中の前記センサーの計測結果を取得する工程と、
   （ｂ）前記計測結果を用いて前記動作パラメーターの最適化処理を実行することによって、前記動作パラメーターの前記候補値を更新する工程と、
   （ｃ）前記最適化処理が収束するまで前記工程（ａ）及び前記工程（ｂ）を繰り返すことによって、前記動作パラメーターの調整値を決定する工程と、
   を含む、調整方法。
2. 請求項１に記載の調整方法であって、
   前記最適化処理は、前記調整用動作に要する前記ロボットの動作時間と、前記調整用動作により発生する前記振動の大きさと、のうちの一方を目的関数とし、他方を制約条件とする最適化である、調整方法。
3. 請求項１に記載の調整方法であって、
   前記最適化処理は、前記調整用動作に要する前記ロボットの動作時間と、前記調整用動作により発生する前記振動の大きさと、の２つの指標値を含む目的関数を用いた最適化である、調整方法。
4. 請求項１～３のいずれか一項に記載の調整方法であって、
   前記架台は、移動可能な台車であり、
   前記調整用動作は、前記台車の動作と前記ロボットの動作との両方を含む動作であり、
   前記動作パラメーターは、前記台車の動作パラメーターと前記ロボットの動作パラメーターとの両方を含む、調整方法。
5. ロボットシステムであって、
   ロボットと、
   前記ロボットが設置された架台と、
   前記架台の振動又は前記架台に設けられた周辺機器の振動を検出可能なセンサーと、
   前記ロボットを制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   （ａ）前記ロボットシステムの動作パラメーターの候補値を用いて前記ロボットに調整用動作を実行させて、前記調整用動作中の前記センサーの計測結果を取得する処理と、
   （ｂ）前記計測結果を用いて前記動作パラメーターの最適化処理を実行することによって、前記動作パラメーターの前記候補値を更新する処理と、
   （ｃ）前記最適化処理が収束するまで前記処理（ａ）及び前記処理（ｂ）を繰り返すことによって、前記動作パラメーターの調整値を決定する処理と、
   を実行する、ロボットシステム。

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