JP2022525041A - 人間とロボット車両との協働タスク実行 - Google Patents

Abstract

人間およびロボットシステムによる複雑なタスクの協働の実行のための方法およびシステムが本明細書において説明される。１つの態様では、協働ロボットシステムは、協働作業者と共有されるペイロードを搬送するように構成された積載面を有するペイロードプラットフォームを含む。協働ロボットシステムは、協働作業者とペイロードを共有しながら、混雑した環境をナビゲートする。もう１つの態様では、協働ロボットシステムは、ペイロードプラットフォームの積載面に平行な平面内の力を測定して、協働作業者からのナビゲーショナルキューを推測する。いくつかの事例では、協働ロボットシステムは、環境内の物体と、ロボットシステム、協働作業者、および共有ペイロードのうちのいずれかとの間の衝突を避けるために協働作業者のナビゲーショナルキューを無視する。

Description

関連出願の相互参照
本特許出願は、２０１９年３月７日出願の米国特許第１６／２９６，１８８号、名称「Ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ Ｔａｓｋ Ｅｘｅｃｕｔｉｏｎ Ｗｉｔｈ Ｈｕｍａｎｓ Ａｎｄ Ｒｏｂｏｔｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ」の優先権を主張し、その主題全体が参照により本明細書に組み込まれている。

記載した実施形態は、サービス環境におけるペイロード（payload）搬送のためのシステムおよび方法に関する。

ロボットシステムは、典型的にはよく制御された工場環境において、繰返し性の高いタスクを実行するために広く展開されている。ファクトリーオートメーションのいくつかの例では、ロボットは、長い期間（例えば、月または年）にわたって単一のタスクを繰り返して実行する。しかしながら、ロボットシステムは、人間の日常生活の一部であるタスクを実行することにはまだ広く展開されていない。人間の日常生活ならびにカスタムワークフローへとロボットシステムを上手く組み込むために、ロボットシステムは、新たなタスクおよび環境条件に適応することができなければならない。

いくつかの例では、ロボットシステムは、構造化されていない環境において広範囲のタスクをロボットシステムが実行することを可能にするために高い知能で開発されてきている。知能ロボットシステムは、複雑なタスクを上手く理解することが可能であり、そして少ない命令を用いて手元のタスクを実行することが可能である。加えて、ユーザインターフェースの改善が、人間とロボットシステムとの間のコミュニケーションを高め、協働ロボットシステムが手元のタスクをよく理解することを可能にする。ユーザインターフェースに対する最近の改善は、ロボットの使いやすさを改善するためのナチュラルユーザインターフェースの使用および会話や身振りに基づく技術の使用を含む。しかしながら、これらの手法は、ロボットシステムによる単独の実行のため協働ロボットシステムに対するタスクゴールおよび制約を伝達することに焦点を当てている。このことは、ロボットシステムの物理的および知的能力の限界ならびにロボットシステムへのタスクパラメータおよび制約を伝達する能力の限界のためにロボットシステムによって達成され得るタスクの複雑さを制限する。

要約すると、高度には構造化されていない環境において複雑なタスクの実行を可能にするために、ロボットシステムの改善が望まれている。

複雑なタスクを協働して実行するための人間とロボットシステムとの間の協働作業のための方法およびシステムが本明細書において説明される。協働タスク実行は、人間の適応性の利点を利用し、そうでなければ複雑性の低いタスクの実行に限定されるはずの協働ロボットシステムのより効果的な使用を可能にする。

１つの態様では、協働ロボットシステムは、協働作業者と共有されるペイロード（payload）を搬送するように構成された積載面を有するペイロードプラットフォームを含む。

もう１つの態様では、協働ロボットシステムの荷重センサは、ペイロードプラットフォームの積載面に平行な平面内の力を測定する。協働ロボットシステムは、測定した力に基づいて協働作業者からのナビゲーショナルキュー（cue）を推測する。

もう１つの態様では、協働ロボットシステムは、ロボットシステムまでの物体の近接度を推定するように構成された１または複数の近接センサを含む。

もう１つの態様では、協働ロボットシステムは、混雑した環境をナビゲートしつつ、協働作業者とペイロードを共有する。いくつかの事例では、協働ロボットシステムは、環境内の物体と、ロボットシステム、協働作業者、および共有ペイロードのうちのいずれかとの間の衝突を避けるために協働作業者のナビゲーショナルキューを無視（override）する。

前述は、概要であり、したがって、必要性によっては、単純化、一般化、および詳細の省略を含み、その結果、当業者なら、概要が単に例示に過ぎず、そして決して限定しないことを認識するだろう。本明細書において説明されるデバイスおよび／またはプロセスの他の態様、独創的な特徴、および利点は、本明細書で述べられる非限定的な詳細な説明において明らかになるだろう。

車輪付きロボット車両およびペイロードプラットフォームを含んでいる協働ロボットシステム１００の実施形態を例示する側面図である。

車輪付きロボット車両およびペイロードプラットフォームを含んでいる協働ロボットシステム１００の実施形態を例示する上面図である。

協働ロボットシステム１００のいくつかの構成要素を例示する模式図である。

混雑した環境を通って物体を移動させることを含む協働作業者と協働してタスクを実行している協働ロボットシステムを示す図である。 混雑した環境を通って物体を移動させることを含む協働作業者と協働してタスクを実行している協働ロボットシステムを示す図である。 混雑した環境を通って物体を移動させることを含む協働作業者と協働してタスクを実行している協働ロボットシステムを示す図である。 混雑した環境を通って物体を移動させることを含む協働作業者と協働してタスクを実行している協働ロボットシステムを示す図である。

協働ロボットシステムと周囲環境内の物体との間の相互作用を示す図である。

本明細書において説明するような協働ロボットシステムおよび協働作業者による協働タスク実行機能を実施する方法３００のフローチャートである。

発明の背景例およびいくつかの実施形態をここで詳細に参照し、その例が、添付の図面に図示されている。

複雑なタスクを協働して実行する人間とロボットシステムとの間の協働作業のための方法およびシステムが本明細書において説明される。協働タスク実行は、人間の適応性の利点を利用し、そうでなければ複雑でないタスクの実行に制限されるはずの協働ロボットシステムのより効果的な使用を可能にする。

図１および図２は、１の実施形態における、それぞれ協働ロボットシステム１００の側面図および上面図を描いている。協働ロボットシステム１００は、車両１０１のフレーム１０３に取り付けられた１または複数の作動型車輪（actuated wheel）（例えば、作動型車輪１０２Ａ～１０２Ｄ）を有する車輪付きロボット車両（wheeled, robotic vehicle）１０１を含む。いくつかの実施形態では、車輪付きロボット車両１０１は、ｘｙ平面内の任意の方向に移動することおよびｚ軸に平行な任意の軸の周りを回転することが可能である全方向性ロボット車両である。これらの実施形態のうちのいくつかでは、車輪付きロボット車両１０１がまた、ホロノミックであり、したがって独立してｘｙ平面内を移動することおよびｚ軸に平行な任意の軸の周りを回転することが可能である。いくつかの実施形態では、１または複数の作動型車輪は、メカナムホイール、全方向ホイール、またはこれらの任意の組み合わせを含む。１つの実施形態では、車輪付きロボット車両１０１は、ダイレクトドライブの４つのメカナムホイールを利用する。計算システム２００は、車輪付きロボット車両をｘｙ平面内の所望の方向に移動させそしてｚ軸に平行な所望の軸の周りを回転させる車輪付きロボット車両の作動型車輪へ制御コマンドを伝達する。

１つの態様では、協働ロボットシステムは、協働作業者と共有されるペイロードを搬送するように構成された積載面を有するペイロードプラットフォームを含む。図１および図２に描かれたように、協働ロボットシステム１００はまた、ペイロード１１０を搬送するように構成されたペイロードプラットフォーム１０６も含む。

いくつかの実施形態では、協働ロボットシステム１００は、フレームおよびペイロードプラットフォームに取り付けられた１または複数のペイロードプラットフォームアクチュエータ（図示せず）を含む。ペイロードプラットフォームアクチュエータは、ペイロードプラットフォーム１０６の積荷搬送面１１１に垂直な方向にペイロードプラットフォームを移動させるように構成される。このようにして、協働ロボットシステム１００は、様々な輸送タスクの必要条件を満足するようにペイロードプラットフォーム１０６の高さを調節することが可能である。

図１に描かれたように、協働ロボットシステム１００は、荷重センサ（例えば、荷重センサ１０４Ａ～１０４Ｄ）を含む。図１に描かれた実施形態では、荷重センサ１０４Ａ～１０４Ｄは、ペイロードプラットフォーム１０６およびフレーム１０３に結合される。一般に、荷重センサ１０４Ａ～１０４Ｄを、ペイロードプラットフォーム１０６と作動型車輪（例えば、作動型車輪１０２Ａ～１０２Ｄ）との間の荷重経路内の任意の適切な場所に設置することができる。荷重センサは、ペイロードプラットフォーム上の荷重の分布を解析するために利用される。

もう１つの態様では、協働ロボットシステム１００の荷重センサは、ペイロードプラットフォームの積載面に平行な面内の力を測定する。図１および図２に描かれた実施形態では、荷重センサ１０４Ａ～１０４Ｄは、ｘｙ平面に平行な平面内の力を測定する。荷重センサ１０４Ａ～１０４Ｄによって生成された信号は、さらなる処理のために計算システム２００へ伝達される。

もう１つの態様では、協働ロボットシステムは、ロボットシステムまでの物体の近接度を推定するように構成された１または複数の近接センサを含む。一般に、協働ロボットシステム１００は、いずれかの適切なタイプの近接センサを得る。非限定的な例として、協働ロボットシステム１００は、容量センサ、ドップラ効果センサ、渦電流センサ、誘導センサ、磁気センサ、光学センサ、光電センサ、光電セルセンサ、レーザ距離計センサ、受動型センサ（例えば、電荷結合デバイス）、受動型熱赤外線センサ、レーダセンサ、イオン化放射線の反射に基づくセンサ、ソナーに基づくセンサ、超音波センサ、光ファイバセンサ、ホール効果センサ、またはこれらの任意の組み合わせなどの近接センサを含み得る。いくつかの実施形態では、近接センサは、ロボットシステム１００の周囲に沿って（例えば、ロボットシステム１００の前面、側面、背面、またはこれらの任意の組み合わせに沿って）配置された三次元センサ（例えば、三次元ＬＩＤＡＲセンサ、ステレオカメラ、タイムオブフライトカメラ、単眼深度カメラ、等）を含む。いくつかの実施形態では、ＲＧＢカラー情報が、ロボットシステム１００に対する物体の近接度を推定するために深度（depth）データとともに利用される。

協働ロボットシステム１００の近接センサを、いずれかの適切な方式で車輪付きロボット車両１０１に結合することができる。いくつかの例では、近接センサは、フレーム１０３に結合される。図１および図２に描かれた実施形態では、近接センサ１０４Ａ～１０４Ｄは、ペイロードプラットフォーム１０６に結合される。近接センサ１０５Ａ～１０５Ｄによって生成された信号は、さらなる処理のために計算システム２００へ伝達される。

いくつかの実施形態では、協働ロボットシステム１００は、さらにロボットシステムまでの物体の近接度を推定するようにも構成された１または複数の画像取込みデバイス（例えば、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）カメラ、相補型金属オンシリコン（ＣＭＯＳ）カメラ、等）を含む。画像取込みデバイスにより生成された信号は、さらなる処理のために計算システム２００へ伝達される。

図２は、協働ロボットシステム１００の車輪付きロボット車両１０１およびペイロードプラットフォーム１０６の上面図を描いている。図２に描かれたように、車輪付きロボット車両１０１は、作動型駆動輪（actuated drive wheel）１０２Ａ～１０２Ｄを含む。作動型駆動輪１０２Ａ～１０２Ｄの各々の相対角速度は、車輪付きロボット車両１０１の走行経路の方向および走行経路に沿った速度の両方を制御する。計算システム２００により生成された信号は、作動型駆動輪１０２Ａ～１０２Ｄへ伝達され、これが作動型駆動輪に所望の速度で所望の走行経路に沿って車輪付きロボット車両１０１を移動させる。

いくつかの他の実施形態では、車輪付きロボット車両１０１の１または複数の車輪は、多数の軸の周りを回転することが自由である受動車輪である。これらの実施形態では、受動車輪は、地表面に垂直な荷重を支持するように主に機能し、一方で、作動型駆動輪の回転が車輪付きロボット車両１０１の走行経路を規定する。いくつかの他の実施形態では、地表面に垂直な軸の周りの１または複数の受動車輪の向きが、積極的に制御される。これらの実施形態では、これらの操舵車輪（steering wheel）もまた、車輪付きロボット車両１０１の走行経路の方向を制御するように機能する。いくつかの他の実施形態では、地表面に垂直な軸の周りの操舵車輪の回転およびハンドルの向きの両方が、積極的に制御される。これらの実施形態では、操舵車輪は、車輪付きロボット車両１０１の走行経路の方向および走行経路に沿った速度の両方を制御するように機能する。

図３は、計算システム２００、プラットフォーム荷重検知デバイス１０４、車輪検知デバイス１０７（例えば、各々の作動型車輪に設置されたエンコーダ、車輪速度センサ、等）、近接度検知デバイス１０５、画像取込みデバイス１０８、および車輪アクチュエータ１０２を含め、協働ロボットシステム１００の構成要素を説明する図である。図３に描かれた実施形態では、計算システム２００は、有線通信リンクによってプラットフォーム荷重検知デバイス１０４、車輪検知デバイス１０７（例えば、各々の作動型車輪に設置されたエンコーダ）、近接度検知デバイス１０５、画像取込みデバイス１０８、および車輪アクチュエータ１０２に通信可能に結合される。しかしながら、一般に、計算システム２００を、有線通信リンクまたは無線通信リンクのいずれかによって本明細書において説明されるセンサおよびデバイスのうちのいずれかに通信可能に結合することができる。

一般に、協働作業者と音響的に、視覚的に、および物理的に相互に作用するセンサおよびデバイスを含め協働ロボットシステム１００に取り付けられた任意の数のセンサおよびデバイスもまた、計算システム２００に通信可能に結合することができる。

図３に描かれたように、計算システム２００は、センサインターフェース２１０、少なくとも１つのプロセッサ２２０、メモリ２３０、バス２４０、無線通信トランシーバ２５０、および制御されたデバイスインターフェース２６０を含む。センサインターフェース２１０、プロセッサ２２０、メモリ２３０、無線通信トランシーバ２５０、および制御されたデバイスインターフェース２６０は、バス２４０を通して通信するように構成される。

センサインターフェース２１０は、アナログ－デジタル変換（ＡＤＣ）電子機器２１１を含む。加えて、いくつかの実施形態では、センサインターフェース２１０は、デジタル入力／出力インターフェース２１２を含む。いくつかの他の実施形態では、センサインターフェース２１０は、センサから測定データを受信するためにセンサと通信するように構成された無線通信トランシーバ（図示せず）を含む。

図３に描かれたように、ＡＤＣ２１１は、画像取込みデバイス１０８から信号２０２を受信するように構成される。もう１つの非限定的な例では、ＡＤＣ２１１は、近接度検知デバイス１０５から信号２０３を受信するように構成される。もう１つの非限定的な例では、ＡＤＣ２１１は、プラットフォーム荷重検知デバイス１０４から信号２０４を受信するように構成される。ＡＤＣ２１１は、アナログ信号２０２～２０４を、デジタル記憶およびさらなるデジタル処理のために適した等価なデジタル信号へと変換するようにさらに構成される。ＡＤＣ２１１は、得られるデジタル信号が着信アナログ信号の適切で正確な表現である（すなわち、量子化誤差および時間離散化誤差が許容可能な誤差レベル内である）ことを確実にするように選択される。いくつかの他の実施形態では、画像取込みデバイス１０８、近接度検知デバイス１０５、およびプラットフォーム荷重検知デバイス１０４は、オンボードの信号取得および処理能力を含む。これらの実施形態では、画像データ、近接度データ、および荷重データは、計算システム２００へデジタルで伝送される。

図３に描かれたように、デジタルＩ／Ｏ２１２は、車輪検知デバイス１０７からデジタル信号２０１を受信するように構成される。この例では、車輪検知デバイス１０７は、車輪付きロボット１０１の各々の作動型車輪の測定した変位、速度、等を示すデジタル信号２０１を生成するためのオンボード電子機器を含む。このようにして、計算システム２００は、アナログセンサおよびデジタルセンサの両方とインターフェースで接続されるように構成される。一般に、本明細書において説明するセンサのうちのいずれかを、デジタルセンサまたはアナログセンサとすることができ、そして適切なインターフェースによって計算システム２００に通信可能に結合することができる。

制御されたデバイスインターフェース２６０は、適切なデジタルアナログ変換（ＤＡＣ）電子機器を含む。加えて、いくつかの実施形態では、制御されたデバイスインターフェース２６０は、デジタル入力／出力インターフェースを含む。いくつかの他の実施形態では、制御されたデバイスインターフェース２６０は、制御信号の伝送を含め、デバイスと通信するように構成された無線通信トランシーバを含む。

図３に描かれたように、制御されたデバイスインターフェース２６０は、協働ロボットシステム１００を、例えば、所望の走行経路に沿って移動させる１または複数の車輪アクチュエータ１０２へ制御コマンド２０５を伝送するように構成される。もう１つの非限定的な例では、制御されたデバイスインターフェース２６０は、スピーカに協働作業者と音響的に通信させるスピーカなどのオーディオ出力デバイスへコマンド信号（図示せず）を伝送するように構成される。さらにもう１つの非限定的な例では、制御されたデバイスインターフェース２６０は、画像ディスプレイデバイスに協働作業者と視覚的に通信させる画像ディスプレイデバイスへディスプレイ信号（図示せず）を伝送するように構成される。一般に、オーディオ／ビジュアル入力および出力デバイスの任意の組み合わせが、本明細書において説明したような協働タスク実行を容易にするために、協働ロボットシステム１００と協働作業者との間の自然言語通信インターフェースを実装するために考えられることがある。

メモリ２３０は、協働作業者とタスクを協働して実行しながら環境をナビゲートするために協働ロボットシステム１００によって利用されるセンサデータを記憶するある量のメモリ２３１を含む。メモリ２３０はまた、プロセッサ２２０により実行されたときに、本明細書において説明したような協働タスク実行機能をプロセッサ２２０に実行させるプログラムコードを記憶するある量のメモリ２３２を含む。

いくつかの例では、プロセッサ２２０は、センサインターフェース２１０によって生成されたデジタル信号をメモリ２３０へと記憶するように構成される。加えて、プロセッサ２２０は、メモリ２３０に記憶されたデジタル信号を読み出すように、そして無線通信トランシーバ２５０へデジタル信号を送信するように構成される。いくつかの実施形態では、無線通信トランシーバ２５０は、計算システム２００から無線通信リンクを通して外部計算デバイス（図示せず）へデジタル信号を伝送するように構成される。図３に描かれたように、無線通信トランシーバは、アンテナ２５１を介した無線周波数信号２５２を送信する。無線周波数信号２５２は、計算システム２００から外部計算デバイスへ伝達されるべきデジタル信号を示すデジタル情報を含む。１つの例では、コンピュータシステム２００によって生成されたセンサデータは、センサデータに基づいて協働ロボットシステム１００をモニタし向きを変える目的で外部計算システム（図示せず）へ伝達される。

いくつかの実施形態では、無線通信トランシーバ２５０は、無線通信リンクを通して外部計算デバイス（図示せず）からデジタル信号を受信するように構成される。無線周波数信号２５３は、外部計算システム（図示せず）および計算システム２００から伝達されるべきデジタル信号を示しているデジタル情報を含む。１つの例では、外部計算システムによって生成された制御コマンドは、協働ロボットシステム１００による実施のために計算システム２００へ伝達される。いくつかの実施形態では、制御コマンドは、協働ロボットシステム１００および協働作業者により協働して実行された協働タスクの評価に基づいて協働ロボットシステム１００へ提供される。いくつかの例では、外部計算システムは、協働ロボットシステム１００にはそうでなければ利用できない追加のセンサデータ（例えば、画像データ）にアクセスする。この追加のセンサデータは、例えば、協働ロボットシステム１００の視野内にはない障害物を避けるために、協働ロボットシステム１００の走行経路を更新するために外部計算システムによって利用される。

１つの例では、協働ロボットシステム１００は、混雑した環境（例えば、事務所）を通って大きな物体（例えば、机）を搬送するために協働作業者と作業する。図４Ａ～図４Ｄは、物体１２５を含んでいる混雑した環境を通って協働作業者１２０と机１３０を協働して移動する協働ロボットシステム１００の図を描いている。

図４Ａに描かれたように、ロボットシステム１００は、そのペイロードプラットフォーム上で机１３０の一部分を搬送し、そして協働作業者１２０が机１３０の残りの部分を搬送する。図４Ａに描かれたシナリオでは、ロボットシステム１００および協働作業者１２０は、Ｙ方向に（すなわち、図面ページを横切って右から左へ）机１２５を移動する。協働作業者１２０は、ＸＹ平面に平行な平面内で机１３０に力を加えることによって一般的なナビゲーション命令を与える。ロボットシステム１００は、荷重センサ１０４Ａ～１０４Ｄから受信される力信号に基づいて、協働作業者１２０によってＸＹ平面に平行な平面内でペイロードに加えられた力を測定する。計算システム２００は、ＸＹ平面に平行な平面内で協働作業者によってペイロードに加えられた測定した力ベクトルの方向である所望の移動方向を決定する。例えば、ＸＹ平面に平行な平面内で机１３０に加えられた力がＹ方向に合わせられる場合には、ロボットシステム１００は、所望の移動方向がＹ方向になると決定する。しかしながら、ＸＹ平面に平行な平面内で机１３０に加えられた力がＸ方向に合わせられる場合には、ロボットシステム１００は、所望の移動方向がＸ方向に合わせられると決定する。

例えば、図４Ａに描かれたように、協働作業者１２０は、Ｙ方向に合わせた方向に机１３０に横方向の力を加える。このとき、ロボットシステム１００は、Ｙ方向に移動することにより応じる。しかしながら、図４Ｂに描かれたように、協働作業者１２０は、Ｘ成分およびＹ成分の両方を含む方向に机１３０に力を加える。このとき、ロボットシステム１００は、協働作業者１２０によって机１３０に加えられた力に合わせた方向に移動することによって応じる。

図４Ｂおよび図４Ｃに描かれたように、協働作業者１２０によって机１３０に加えられた力（すなわち、ナビゲーショナルキュー）は、物体１２５との衝突コースに机１３０を導く。

もう１つの態様では、ロボットシステム１００は、環境内の物体と、ロボットシステム自体、協働作業者、共有ペイロード、またはこれらの任意の組み合わせのうちのいずれかとの間の衝突を避けるために協働作業者のナビゲーショナルキューを無視（override）する。

図４Ａ～図４Ｄに描かれたように、ロボットシステム１００は、近接センサ１０５Ａ～１０５Ｄ、画像取込みデバイス１０８、またはこれらの組み合わせからのフィードバックに基づいてロボットシステム１００、共有ペイロード、および協働作業者に対する周囲の環境の物体の位置をモニタする。図４Ａ～図４Ｄに描かれた実施形態では、ロボットシステム１００は、ロボットシステム１００、共有ペイロード１３０、および協働作業者１２０の周りに保持された２つの仮想境界１３５および１４０に対して物体１２５の測定した位置を比較する。仮想境界１３５は、「ハード」境界と考えられ、すなわち、ロボットシステム１００は、周囲の環境の物体が仮想境界１３５に入り込むことを認めるはずのいずれの位置へもナビゲートすべきではない。仮想境界１４０は、「ソフト」境界と考えられる、すなわち、ロボットシステム１００は、仮想境界１４０内の周囲の環境の物体の侵入（penetration）を減らす位置へナビゲートすべきである。仮想境界１３５および１４０は、ロボットシステム１００、共有ペイロード１３０、および協働作業者１２０からの所定のしきい値距離の値によって規定される。仮想境界１４０は、仮想境界１３５よりも大きなセットの所定のしきい値距離の値によって規定される。

物体１２５が仮想境界１４０の外であることをロボットシステム１００が判断するときには、ロボットシステム１００は、障害物回避対策を取らない。これらのときには、ロボットシステム１００は、荷重センサ１０４Ａ～１０４Ｄによって測定されるような協働作業者１２０によって机１３０に加えられた力によって決定されるように、協働作業者１２０によって望まれる移動方向に沿って車輪付きロボット車両１０１を移動させる車輪付きロボット車両１０１の作動型車輪１０２Ａ～１０２Ｄへコマンド信号を伝達する。これらのときには、ロボットシステム１００の速度ベクトル、

は、式（１）により示されたように、協働作業者１２０により指示されたような所望の速度ベクトル、

に等しい。

しかしながら、物体１２５が仮想境界１４０を侵害（impinge）し始めると、ロボットシステム１００は、違ったふうに振る舞う。むしろ、協働作業者１２０により提供されるナビゲーショナルキューに完全に従うよりも、ロボットシステム１００は、物体１２５との衝突を避けるために望まれた経路を修正する。いくつかの実施形態では、式（２）により示されるような比例制御アルゴリズムが利用される、

ここでは、

が協働作業者１２０により指示された所望の速度であり、ｄ_ＯＢが物体１２５と仮想境界１３５との間の最も近い距離であり、ｄ_{ｂｕｆｆｅｒ}が仮想境界１４０の中への物体１２５の最も深い侵害の場所における仮想境界１３５と１４０との間の距離であり、

がロボットシステム１００の経路を制御するためにロボットシステム１００により実装される修正した速度ベクトルであり、

が仮想境界１３５と１４０との間のバッファゾーンに当たる物体１２５の表面の法線に沿った単位ベクトルであり、そしてＫ_ｐが、一定値（すなわち、式（２）により示される制御法則に関係する比例ゲイン）である。一般に、Ｋ_ｐは、安定性を維持するためおよび仮想境界１３５によって規定される障害物までの最小の許容される距離よりも近くに物体１２５をロボットシステム１００がナビゲートすることを可能にすることを避けるためにオーバーダンプされたシステム応答という結果になるように選択されるべきである。いくつかの実施形態では、ｄ_{ｂｕｆｆｅｒ}の値、すなわち、仮想境界１３５および１４０によって規定されるバッファゾーンの深さが、ベクトル、

の方向にロボットシステム１００の速度でスケーリングされる。このようにして、ロボットシステム１００が比較的速い速度で物体１２５に近付いている場合には、バッファゾーンの深さは、物体１２５を迂回してナビゲートするための時間を提供するために大きくされる。同様に、ロボットシステム１００が比較的遅い速度で物体１２５に近付いている場合には、バッファゾーンの深さは、協働作業者１２０により提供されるナビゲーショナルキューをロボットシステム１００が無視せずに協働作業者１２０が物体１２５のより近くに机１３０を移動させることを可能にするために小さくされる。

図５は、式（２）により示された制御法則を図示している。図５に図示された事例において、物体１２５は、仮想境界１４０を侵害している。侵害の大きさは、バッファ距離、Ｄ_{ｂｕｆｆｅｒ}、と、物体１２５と仮想境界１３５との間の距離、Ｄ_ＯＢ、との間の差で
ある。協働作業者１２０により指示された所望の速度、Ｖ_{ｄｅｓｉｒｅｄ}、は、物体１２５が仮想境界１３５と１４０との間のバッファゾーンを侵害する物体１２５の表面に垂直な方向、Ｖ_ｘ、の成分および物体１２５が仮想境界１３５と１４０との間のバッファゾーンを侵害する物体１２５の表面に接する方向、Ｖ_ｙ、の成分を含む。衝突を避けるためには、Ｖ_{ｄｅｓｉｒｅｄ}のＶ_ｙ成分は、重要ではない、しかしロボットシステム１００は、例えば、式（２）に示された制御法則により示されるように、Ｖ_{ｄｅｓｉｒｅｄ}のＶ_ｘ成分を打ち消す修正した制御速度、Ｖ_ｍｏｄ、を決定する。

図４Ｃおよび図４Ｄに描かれたように、ロボットシステム１００は、物体１２５から離れるようロボットシステム１００および机１３０をナビゲートするために修正した制御速度を実行する。一般に、周囲の環境の物体、例えば、物体１２５、は、地面に対して静止していても動いていてもよい。

図６は、本明細書において説明したような協働ロボットシステムによる実施のために適した方法３００のフローチャートを図示している。いくつかの実施形態では、協働ロボットシステム１００は、図６に図示された方法３００にしたがって動作可能である。しかしながら、一般に、方法３００の実行は、図１～図５を参照して説明した協働ロボットシステム１００の実施形態に限定されない。これらの図および対応する説明は、多くの他の実施形態および動作例がこの発明文書の範囲内で考えられるので例として提供される。

ブロック３０１では、車輪付きロボット車両が用意される。車輪付きロボット車両は、協働作業者と共有されるペイロードを搬送するように構成されたペイロードプラットフォームを含む。

ブロック３０２では、協働作業者によってペイロードに加えられた力が、１または複数の荷重センサから受信される力信号に基づいて決定される。

ブロック３０３では、所望の移動方向が、協働作業者によりペイロードに加えられた決定した力から決定される。

ブロック３０４では、協働作業者、ペイロード、および車輪付きロボット車両の周囲の環境内の物体と、車輪付きロボット車両、ペイロード、協働作業者、またはこれらの任意の組み合わせのうちのいずれかの周囲の空間バッファゾーンとの間の距離が、１または複数の近接センサから受信される信号に基づいて決定される。

ブロック３０５では、物体と空間バッファゾーンとの間の距離が所定のしきい値よりも小さい場合、修正した移動方向が決定される。

ブロック３０６では、コマンド信号が、修正した移動方向に沿って車輪付きロボット車両を移動させる、車輪付きロボット車両の１または複数の作動型車輪へ伝達される。修正した移動方向は、物体から離れるよう車輪付きロボット車両およびペイロードを動かす。

計算システム２００は、限定されないが、パーソナルコンピュータシステム、メインフレームコンピュータシステム、ワークステーション、画像コンピュータ、並列プロセッサ、または本技術で知られているいずれかの他の計算デバイスを含み得る。一般に、「計算システム」という用語は、メモリ媒体からの命令を実行する１または複数のプロセッサを有する任意のデバイスまたは複数のデバイスの組み合わせを包含するように広く規定されてもよい。一般に、計算システム２００は、ロボットシステム１００などのロボットとともに集積されることがある、あるいは、いずれかのロボットから完全にまたは一部が分離されてもよい。この意味で、計算システム２００は、遠隔地に設置されてもよく、そしてデータを受信することができ、ロボットシステム１００のいずれかの構成要素へコマンド信号を送信することができる。

１または複数の例示的な実施形態では、説明した機能は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの任意の組み合わせに実装されることがある。ソフトウェアに実装される場合には、機能は、コンピュータ可読媒体に記憶されることがある、または１または複数の命令もしくはコードとしていたるところに送信されることがある。コンピュータ可読媒体は、コンピュータ記憶媒体および１つの場所から別の場所へのコンピュータプログラムの伝送を容易にするいずれかの媒体を含んでいる通信媒体の両方を含む。記録媒体を、汎用コンピュータまたは専用コンピュータによってアクセスされ得る任意の利用可能な媒体とすることができる。例として、そして限定ではなく、このようなコンピュータ可読媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ－ＲＯＭもしくは他の光ディスクストレージ、磁気ディスクストレージもしくは他の磁気ストレージデバイス、あるいは命令もしくはデータ構造の形態で所望のプログラムコード手段を搬送するもしくは記憶するために使用することができそして汎用コンピュータもしくは専用コンピュータまたは汎用プロセッサもしくは専用プロセッサによりアクセスされ得る任意の他の媒体を含むことができる。また、任意の接続が、コンピュータ可読媒体と適切に呼ばれる。例えば、ソフトウェアが、同軸ケーブル、光ファイバケーブル、撚線対、デジタル加入者回線（ＤＳＬ）、または赤外線、無線、およびマイクロ波などの無線技術を使用して、ウェブサイト、サーバ、または他のリモートソースから送信される場合、そのときには、同軸ケーブル、光ファイバケーブル、撚線対、ＤＳＬ、または赤外線、無線、およびマイクロ波などの無線技術が、媒体の定義に含まれる。ディスク（ｄｉｓｋ）およびディスク（ｄｉｓｃ）は、本明細書において使用されるように、コンパクトディスク（ＣＤ）、レーザディスク、光ディスク、デジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）、フロッピディスク、およびブルーレイディスクを含み、ここでは、ディスク（ｄｉｓｋ）は通常磁気的にデータを再生し、一方でディスク（ｄｉｓｃ）はレーザを用いて光学的にデータを再生する。上記の組み合わせもまた、コンピュータ可読媒体の範囲内に含まれるべきである。

ある種の具体的な実施形態が教育的な目的で上に説明されているが、この特許文書の教示は、汎用的な適用可能性を有し、そして上に説明した具体的な実施形態に限定されない。したがって、説明した実施形態の様々な特徴の様々な変形、改造、および組み合わせを、特許請求の範囲に記述されたような発明の範囲から逸脱せずに実行することができる。

Claims (20)

1. 車輪付きロボット車両であって、
   フレームに取り付けられた１または複数の作動型車輪と、
   前記フレームに搭載された１または複数の荷重センサと、
   協働作業者と共有されるペイロードを搬送するように構成されたペイロードプラットフォームであって、前記１または複数の荷重センサに結合されたペイロードプラットフォームと、
   前記フレーム、前記ペイロードプラットフォーム、またはそれら両方に結合された１または複数の近接センサと、
   を含む、車輪付きロボット車両と、
   前記車輪付きロボット車両に通信可能に結合された計算システムであって、
   前記１または複数の荷重センサから受信される力信号に基づいて、前記協働作業者によって前記ペイロードに加えられた力を決定し、
   前記協働作業者により前記ペイロードに加えられた前記決定した力から所望の移動方向を決定し、
   前記１または複数の近接センサから受信される信号に基づいて、前記協働作業者、前記ペイロード、および前記車輪付きロボット車両の周囲の環境内の物体と、前記車輪付きロボット車両、前記ペイロード、前記協働作業者、またはこれらの任意の組み合わせのうちのいずれかの周囲の空間バッファゾーンとの間の距離を決定し、
   前記物体と前記空間バッファゾーンとの間の前記距離が所定のしきい値よりも小さい場合、修正した移動方向を決定し、
   前記修正した移動方向に沿って前記車輪付きロボット車両を移動させる、前記車輪付きロボット車両の前記１または複数の作動型車輪へコマンド信号を伝達し、前記修正した移動方向が、前記物体から離れるよう前記車輪付きロボット車両および前記ペイロードを動かす、
   ように構成される、計算システムと、
   を備える、協働ロボットシステム。
2. 前記１または複数の荷重センサが、前記ペイロードプラットフォームの積荷搬送面に平行な方向の力を測定する、請求項１に記載の協働ロボットシステム。
3. 前記１または複数の作動型車輪が、メカナムホイール、全方向ホイール、またはこれらの任意の組み合わせを含む、請求項１に記載の協働ロボットシステム。
4. 前記フレームおよび前記ペイロードプラットフォームに取り付けられた１または複数のペイロードプラットフォームアクチュエータであって、前記ペイロードプラットフォームの積荷搬送面に垂直な方向に前記ペイロードプラットフォームを移動させるように構成される、１または複数のペイロードプラットフォームアクチュエータ
   をさらに備える、請求項１に記載の協働ロボットシステム。
5. 前記環境内の前記物体は動いている、請求項１に記載の協働ロボットシステム。
6. １または複数の画像取込みデバイスをさらに備え、前記環境内の前記物体と前記空間バッファゾーンとの間の前記距離を前記決定することが、前記１または複数の画像取込みデバイスから受信される画像情報にも基づく、請求項１に記載の協働ロボットシステム。
7. 前記計算システムは、
   前記物体と前記空間バッファゾーンとの間の前記距離が前記所定のしきい値の値よりも大きい場合、前記所望の移動方向に沿って前記車輪付きロボット車両を移動させる、前記車輪付きロボット車両の前記１または複数の作動型車輪へコマンド信号を伝達する
   ようにさらに構成される、請求項１に記載の協働ロボットシステム。
8. 協働作業者と共有されるペイロードを搬送するように構成されたペイロードプラットフォームを有する車輪付きロボット車両を用意することと、
   １または複数の荷重センサから受信される力信号に基づいて、前記協働作業者によって前記ペイロードに加えられた力を決定することと、
   前記協働作業者によって前記ペイロードに加えられた前記決定した力から所望の移動方向を決定することと、
   １または複数の近接センサから受信される信号に基づいて、前記協働作業者、前記ペイロード、および前記車輪付きロボット車両の周囲の環境内の物体と、前記車輪付きロボット車両、前記ペイロード、前記協働作業者、またはこれらの任意の組み合わせのうちのいずれかの周囲の空間バッファゾーンとの間の距離を決定することと、
   前記物体と前記空間バッファゾーンとの間の前記距離が所定のしきい値よりも小さい場合、修正した移動方向を決定することと、
   前記修正した移動方向に沿って前記車輪付きロボット車両を移動させる、前記車輪付きロボット車両の前記１または複数の作動型車輪へコマンド信号を伝達することであって、前記修正した移動方向が、前記物体から離れるよう前記車輪付きロボット車両および前記ペイロードを動かす、伝達することと、
   を含む、方法。
9. 前記１または複数の荷重センサが、前記ペイロードプラットフォームの積荷搬送面に平行な方向の力を測定する、請求項８に記載の方法。
10. 前記環境内の前記物体は動いている、請求項８に記載の方法。
11. 前記環境内の前記物体と前記空間バッファゾーンとの間の前記距離を前記決定することが、１または複数の画像取込みデバイスから受信される画像情報にも基づく、請求項８に記載の方法。
12. 前記物体と前記空間バッファゾーンとの間の前記距離が前記所定のしきい値よりも大きい場合、前記所望の移動方向に沿って前記車輪付きロボット車両を移動させる、前記車輪付きロボット車両へコマンド信号を伝達すること、
    をさらに含む、請求項８に記載の方法。
13. 前記修正した移動方向を前記決定することが、前記空間バッファゾーンへの前記物体の侵害の大きさに基づく、請求項８に記載の方法。
14. 車輪付きロボット車両であって、
    フレームに取り付けられた１または複数の作動型車輪と、
    前記フレームに搭載された１または複数の荷重センサと、
    協働作業者と共有されるペイロードを搬送するように構成されたペイロードプラットフォームであって、前記１または複数の荷重センサに結合されたペイロードプラットフォームと、
    前記フレーム、前記ペイロードプラットフォーム、またはそれら両方に結合された１または複数の近接センサと、
    を含む、車輪付きロボット車両と、
    命令を記憶する非一時的なコンピュータ可読媒体であって、前記命令が計算システムよって実行されたときに前記計算システムに、
    前記１または複数の荷重センサから受信される力信号に基づいて、前記協働作業者によって前記ペイロードに加えられた力を決定させ、
    前記協働作業者により前記ペイロードに加えられた前記決定した力から所望の移動方向を決定させ、
    前記１または複数の近接センサから受信される信号に基づいて、前記協働作業者、前記ペイロード、および前記車輪付きロボット車両の周囲の環境内の物体と、前記車輪付きロボット車両、前記ペイロード、前記協働作業者、またはこれらの任意の組み合わせのうちのいずれかの周囲の空間バッファゾーンとの間の距離を決定させ、
    前記物体と前記空間バッファゾーンとの間の前記距離が所定のしきい値よりも小さい場合、修正した移動方向を決定させ、
    前記修正した移動方向に沿って前記車輪付きロボット車両を移動させる、前記車輪付きロボット車両の前記１または複数の作動型車輪へコマンド信号を伝達させ、前記修正した移動方向が、前記物体から離れるよう前記車輪付きロボット車両および前記ペイロードを動かす、非一時的なコンピュータ可読媒体と、
    を備える、協働ロボットシステム。
15. 前記１または複数の荷重センサが、前記ペイロードプラットフォームの積荷搬送面に平行な方向の力を測定する、請求項１４に記載の協働ロボットシステム。
16. 前記１または複数の作動型車輪が、メカナムホイール、全方向ホイール、またはこれらの任意の組み合わせを含む、請求項１４に記載の協働ロボットシステム。
17. 前記フレームおよび前記ペイロードプラットフォームに取り付けられた１または複数のペイロードプラットフォームアクチュエータであって、前記ペイロードプラットフォームの積荷搬送面に垂直な方向に前記ペイロードプラットフォームを移動させるように構成される、１または複数のペイロードプラットフォームアクチュエータ
    をさらに備える、請求項１４に記載の協働ロボットシステム。
18. 前記環境内の前記物体は動いている、請求項１４に記載の協働ロボットシステム。
19. １または複数の画像取込みデバイスをさらに備え、前記環境内の前記物体と前記空間バッファゾーンとの間の前記距離を前記決定することが、前記１または複数の画像取込みデバイスから受信される画像情報にも基づく、請求項１４に記載の協働ロボットシステム。
20. 前記非一時的なコンピュータ可読媒体は、
    命令が計算システムよって実行されたときに前記計算システムに、
    前記物体と前記空間バッファゾーンとの間の前記距離が前記所定のしきい値よりも大きい場合、前記所望の移動方向に沿って前記車輪付きロボット車両を移動させる、前記車輪付きロボット車両の前記１または複数の作動型車輪へコマンド信号を伝達させる
    前記命令をさらに記憶する、請求項１に記載の協働ロボットシステム。

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