JP2022553260A - ロボットマニピュレータのトルク制限ブレーキ - Google Patents

Abstract

本発明は、ロボットマニピュレータ（１）に関し、マニピュレータの少なくとも１つの関節（５）に配置されたブレーキ装置（７）は、関節（５）で最大トルクを超えないような残留トルクを生成するために、制御ユニット（７）によって作動され、残留トルクは、関節（５）に現在存在するトルクのセンサ判定および／または推定に基づいて決定され、この推定は、少なくとも１つの関節（５）に作用する重力の影響に第１の事前定義された係数を乗じた値に基づくか、またはロボットマニピュレータ（１）の動的モデルに基づき、前記動的モデルは、重力の影響を有し、制御ユニット（３）は、少なくとも１つの関節（５）とロボットマニピュレータ（１）の遠位端との間の関節角度を有する関節角度ベクトルに基づいて、重力の影響を決定する。【選択図】図１

Description

本発明は、関節によって相互接続された複数のリンクを備え、制御ユニット、特にブレーキ装置を備えたロボットマニピュレータ、およびそのような制御ユニットによって互いに接続された複数のリンクを備えたロボットマニピュレータのブレーキ装置を作動させるための方法に関するものである。

本発明の目的は、ロボットマニピュレータの関節で最大制動トルクを超えないように、ロボットマニピュレータの動作を遅延させることである。

本発明は、独立請求項の特徴から生じるものである。有利な改良および実施形態は、従属請求項の主題である。

本発明の第１の側面は、関節によって互いに接続された複数のリンクを有し、制御ユニットを備えたロボットマニピュレータに関し、少なくとも１つの関節はブレーキ装置を有し、制御ユニットは、ブレーキ装置を作動させて、少なくとも１つの関節において事前定義された最大許容トルクを超えないような残留トルクを生成するように設計されており、残留トルクは、少なくとも１つの関節に現在存在するトルクのセンサ判定および／または推定に基づいて決定され、推定は：
－少なくとも１つの関節に作用する重力の影響に第１の事前定義された係数を乗じた値に基づくか、または、
－重力の影響を有するロボットマニピュレータの動的モデルに基づいて、
行われ、
制御ユニットは、ロボットマニピュレータの既知の質量分布に基づいて、および少なくとも１つの関節とロボットマニピュレータの遠位端との間の関節角度を有する関節角度ベクトルに基づいて、重力の影響を決定するように設計されている。

ロボットマニピュレータを構成する構成要素、特に関節のリンクや構成要素は、その質量から地球の重力場の影響を受ける。特に、少なくとも１つの関節より遠位端の前方、したがって遠位端の方向に配置された構成要素は、少なくとも１つの関節に力および／またはトルクを作用させる。このとき、少なくとも１つの関節がこの力および／またはトルクに耐えられないと、これらの構成要素は地球に向かって落下する。この静的な重力の影響に加えて、ロボットマニピュレータが移動するときに、少なくとも１つの関節に作用する力および／またはトルクに加えられる構成要素がさらに存在し得、これは、少なくとも１つの関節から始まるすべての構成要素の質量の慣性によって生じ、この慣性はコリオリ加速度または遠心加速度を担う。

少なくとも１つの関節に現在作用しているトルクが決定される。これは、センサによる決定、すなわち特にトルクセンサが現在作用しているトルクを検出すること、特に弾性材料（その弾性係数は既知）の歪みを検出することによって行われる。この代わりに（または組み合わせて）、少なくとも１つの関節に現在作用しているトルクが推定によって決定される。この推定は、好ましくは、少なくとも１つの関節に作用する重力の影響の値に、第１の事前定義された係数：

代替的に、重力の影響を示すロボットマニピュレータの動的モデルによって推定を行うことが好ましい。これについては、さらに続く実施形態でより詳細に説明する。

制御ユニットは、ロボット本体に配置されることが好ましく、また、データ技術により接続されることが好ましい。ブレーキ装置によって生成されるトルクは、一般に、相対的な操作変数と見なされるため、残留トルクは、一方では絶対値として機械式ブレーキの制動トルクとすることができ、他方では、残留トルクの値は、少なくとも一つの関節の電動モータのために制御ユニットによって生成される操作変数に追加され、残留トルクが少なくとも１つの関節のモータの絶対操作変数の一部のみを占めるようにすることができる。後者の場合、駆動装置は、正の加速トルクと負の減速トルクとの両方を発生させることができるため、ブレーキ装置は少なくとも１つの関節のモータに相当、つまり、少なくとも１つの関節の駆動装置に相当する。残留トルクは、好ましくは、少なくとも１つの関節のモータの操作される変数を制限するために、飽和によって実施することもできる。少なくとも１つの関節における最大許容トルクと現在のトルクとの差は、特に残留トルクの上限を表す。制御ユニットは、この差の分だけ残留トルクを決定するようにすることが好ましい。その結果、少なくとも１つの関節において、事前定義された最大許容トルクを超えることなく、可能な限り高い残留トルクが有利に使用される。

本発明の有利な効果は、ロボットマニピュレータを操作する際の安全性が、特に、ロボットマニピュレータの少なくとも１つのリンクで発生する制動トルクが、発生する制動トルクが事前定義された限界を超えないように、事前定義された限界と比較されることによって向上することである。

有利な実施形態によれば、制御ユニットは、関節の少なくとも１つとロボットマニピュレータの遠位端との間の、それぞれの関節上に配置されたそれぞれのアクチュエータのそれぞれのアクチュエータ位置から関節角度ベクトルを決定するように設計されている。

この実施形態によれば、現在のトルクの推定は、少なくとも１つの関節に作用する重力の影響の値に、第１の事前定義された係数：

さらなる有利な実施形態によれば、制御ユニットは、ロボットマニピュレータの質量分布に基づいて重力の影響を決定するように設計されている。ロボットマニピュレータの質量分布は、好ましくは、ロボットマニピュレータ上の負荷の重心のロボットマニピュレータに対する相対位置も含んでいる。

さらなる有利な実施形態によれば、ロボットマニピュレータの動的モデルは、関節角度ベクトルの二次導関数に乗算され、関節角度ベクトルに依存する質量行列と、関節角度ベクトルと関節角度ベクトルの一次導関数に依存するコリオリ行列と、関節角度ベクトルに依存する重力影響に関する項を備える。推定は、好ましくは、以下によって決定され：

さらなる有利な実施形態によれば、ロボットマニピュレータの動的モデルは、関節角度ベクトルの二次導関数に乗算され、関節角度ベクトルに依存する質量行列と、関節角度ベクトルと関節角度ベクトルの一次導関数に依存するコリオリ行列と、関節角度ベクトルに依存する重力影響に関する項の一定の値を有している。推定は、先の実施形態を適応して：

さらなる有利な実施形態によれば、ロボットマニピュレータの動的モデルは、関節角度ベクトルおよび関節角度ベクトルの一次導関数に依存するコリオリ行列と、関節角度ベクトルに依存する重力影響の項とを備え、コリオリ行列と重力影響の項との和に、第２の事前定義された係数が乗算される。推定は、前述の実施形態を適応して：

さらなる有利な実施形態によれば、第１の事前定義された係数および／または第２の事前定義された係数は、制限された制動トルクが事前定義された設計ケースを超えないようにするものである。ロボットマニピュレータの構成要素、特に少なくとも１つの関節の寸法を決めるために設計で使用されたヒューリスティック係数が、それぞれ第１の係数および／または第２の係数に使用される。有利には、ロボットマニピュレータの設計段階に由来する特定の最大許容トルクを超えることはない。

さらなる有利な実施形態によれば、ロボットマニピュレータは、関節の少なくとも１つにトルクセンサを有し、トルクセンサは、センサ判定を実行するように設計されている。トルクセンサは、特に既知の応力－歪み比が弾性材料に作用する力やトルクから生じる歪みや変位を直接感知するように設計されている。スポーク状のトルクセンサが好ましく使用される。

さらなる有利な実施形態によれば、制御ユニットは、可変範囲を有する飽和要素によって残留トルクを生成するためのブレーキ装置を制御するように設計されており、可変範囲は、少なくとも１つの関節における事前定義された最大許容トルクと、少なくとも１つの関節に現在存在するトルクのセンサによる決定および／または推定とに依存する。

さらなる有利な実施形態によれば、各関節は、それぞれの制御ユニットを有し、それぞれの制御ユニットは、それぞれの１つの関節に配置され、それぞれの関節に配置されたそれぞれのブレーキ装置のみを制御するようになっている。本実施形態によれば、制御ユニットは、それぞれのブレーキが設けられたそれぞれの関節に配置されている。有利なことに、ロボットマニピュレータのいわゆる「マスター」が本発明の目的を担う必要はなく、むしろ、それぞれの関節上のそれぞれの演算モジュールが、それぞれの関節のそれぞれのブレーキ装置を担当する。

さらなる有利な実施形態によれば、制御ユニットは、ロボットマニピュレータの中央制御ユニットであり、本発明の目的を実行するためのブレーキ装置を有する全ての関節に使用される。

さらなる有利な実施形態によれば、ブレーキ装置は、関節の少なくとも１つに配置されたリンクを互いに相対的に移動または制動させるための電動モータである。本実施形態は、ロボットマニピュレータの駆動装置が、関節で互いに接続された少なくとも２つのリンクの正加速と負減速との両方に使用される場合に対応するものである。この実施形態によれば、有利には、さらなる別個の、特に機械的なブレーキ装置は必要ない。

本発明のさらなる態様は、関節によって互いに接続された複数のリンクを有するロボットマニピュレータのブレーキ装置を制御ユニットによって作動させる方法に関し、少なくとも１つの関節は、このようなブレーキ装置を有し、ブレーキ装置は、少なくとも１つの関節で事前定義された最大許容トルクを超えないような残留トルクを生成するように制御ユニットによって起動され、残留トルクは、少なくとも１つの関節に現在存在するトルクのセンサ判定および／または推定に基づいて、制御ユニットによって決定され、この推定は、
－少なくとも１つの関節に作用する重力の影響について、第１の事前定義された係数を乗じた値に基づくか、または、
－重力の影響を有するロボットマニピュレータの動的モデルに基づいて行われ、重力影響は、少なくとも１つの関節とロボットマニピュレータの遠位端との間の関節角度を有する関節角度ベクトルに基づいて制御ユニットによって決定される。

提案された方法の利点および好ましい改良点は、提案されたロボットマニピュレータに関連して上記でなされた説明の類推的および類似の移転から生じるものである。

さらなる利点、特徴、および詳細は、以下の説明から明らかになり、その中で、場合によっては図面を参照しながら、少なくとも１つの例示的な実施形態が詳細に説明される。同一、類似、機能的に同一の部品には、同一の参照符号を付している。

図１は、本発明の例示的な実施形態に係るロボットマニピュレータを示す図である。 図２は、本発明のさらなる例示的な実施形態に係るロボットマニピュレータを示す図である。

図中のイラストは概略図であり、縮尺どおりではない。

［図面の詳細な説明］
図１は、複数のリンクが関節によって互いに接続されたロボットマニピュレータ１を示す。ロボットマニピュレータ１は、中央制御ユニット３を有し、各関節５には、それぞれのブレーキ装置７が配置されている。この場合、それぞれのブレーキ装置７は、それぞれの関節５に配置されたリンクを相対的に移動または制動させるためのそれぞれの電動モータ（駆動装置）である。簡略化のため、図１には、２つの例示的な関節５のみを示す。制御ユニット３は、それぞれの関節５におけるそれぞれの事前定義された最大許容トルクを超えないように、それぞれのブレーキ装置７に対してそのようなそれぞれの残留トルクを発生させる役割を果たす。各関節５には具体的な最大許容トルクが規定されている。残留トルクは、それぞれの関節における最大許容トルクに基づき、かつ、関節５の少なくとも１つに現在存在するトルクの推定に基づき決定され、この推定は、重力の影響を受けるロボットマニピュレータ１の動的モデルに基づいて行われる。この場合、制御ユニット３は、関節５の少なくとも１つとロボットマニピュレータ１の遠位端９との間の関節角度を有する関節角度ベクトルに基づいて、重力影響を判定する。ロボットマニピュレータ１の動的モデルは、関節角度ベクトルの二次導関数に乗算され、関節角度ベクトルに依存する質量行列と、関節角度ベクトルと関節角度ベクトルの一次導関数に依存するコリオリ行列とを有し、重力影響の項は、関節角度ベクトルに依存し、以下の通りであり：

図２は、関節５によって互いに接続された複数のリンクを有するロボットマニピュレータ１を再び示している。ロボットマニピュレータ１は、各関節５にそれぞれの制御ユニット３を有するブレーキ装置７を備えている。この場合、それぞれのブレーキ装置７は、それぞれの関節５に配置されたリンクを相対的に移動または制動させるためのそれぞれの電動モータ（駆動装置）である。簡略化のため、図１には、２つの例示的な関節５のみを示す。それぞれの制御ユニット３は、それぞれの関節５におけるそれぞれの事前定義された最大許容トルクを超えないようなそれぞれの残留トルクをそれぞれのブレーキ装置７に対して発生させる役割を果たす。各関節５には具体的な最大許容トルクが規定されている。それぞれの残留トルクは、それぞれの関節における最大許容トルクと、それぞれの関節５に現在存在するトルクのセンサー判定とに基づいて決定される。各関節５には、このためのトルクセンサ１１がそれぞれ設けられている。

本発明は、好ましい例示的な実施形態によってさらに詳細に例示および説明されてきたが、本発明は、開示された例によって限定されず、本発明の範囲から逸脱することなく、当業者によって他の変形形態をそこから導き出すことができる。したがって、考えられる変形形態が多数存在することは明らかである。例として言及された実施形態は、実際には例を表すだけであり、保護の範囲、可能な用途、または本発明の構成を制限するものとして決して解釈されるべきではないことも明らかである。むしろ、前述の記述および図の説明は、当業者が例示的な実施形態を実施することを可能にし、開示された本発明の概念を知っている当業者は、明細書のより広範な説明など、特許請求の範囲およびそれらの法的同等物によって定義される範囲から逸脱することなく、例えば、例示的な実施形態で引用される個々の要素の機能または配置に関して、様々な変更を行うことができる。

１：ロボットマニピュレータ
３：制御ユニット
５：少なくとも１つの関節
７：ブレーキ装置
９：ロボットマニピュレータの遠位端
１１：トルクセンサ

Claims (10)

1. 関節によって互いに接続された複数のリンクを有し、制御ユニット（３）を備えたロボットマニピュレータ（１）であって、
   少なくとも１つの前記関節（５）はブレーキ装置（７）を有し、前記制御ユニット（３）は、前記ブレーキ装置（７）を作動させて、少なくとも１つの前記関節（５）において事前定義された最大許容トルクを超えないような残留トルクを生成するように設計されており、
   前記残留トルクは、少なくとも１つの前記関節（５）に現在存在するトルクのセンサ判定および／または推定に基づいて決定され、
   前記推定は：
   －少なくとも１つの前記関節（５）に作用する重力の影響に第１の事前定義された係数を乗じた値に基づくか、または、
   －前記重力の影響を有する前記ロボットマニピュレータ（１）の動的モデルに基づいて
   行われ、
   前記制御ユニット（３）は、前記ロボットマニピュレータ（１）の既知の質量分布に基づいて、および少なくとも１つの前記関節（５）と前記ロボットマニピュレータ（１）の遠位端との間の関節角度を有する関節角度ベクトルに基づいて、前記重力の影響を決定するように設計されている、ロボットマニピュレータ（１）。
2. 前記制御ユニット（３）は、少なくとも１つの前記関節（５）と前記ロボットマニピュレータ（１）の遠位端（９）との間の、それぞれの関節（５）に配置されたそれぞれのアクチュエータのそれぞれのアクチュエータの位置から、前記関節角度ベクトルを決定するようにされている、請求項１に記載のロボットマニピュレータ（１）。
3. 前記ロボットマニピュレータ（１）の動的モデルは、前記関節角度ベクトルの二次導関数に乗算され前記関節角度ベクトルに依存する質量行列と、前記関節角度ベクトルと前記関節角度ベクトルの一次導関数に依存するコリオリ行列と、前記関節角度ベクトルに依存する前記重力の影響の項を有している、請求項１または請求項２に記載のロボットマニピュレータ（１）。
4. 前記ロボットマニピュレータ（１）の動的モデルは、前記関節角度ベクトルの二次導関数に乗算され前記関節角度ベクトルに依存する質量行列と、前記関節角度ベクトルと前記関節角度ベクトルの一次導関数に依存するコリオリ行列と、前記関節角度ベクトルに依存する前記重力の影響の項を一定の値として有する、請求項１～請求項２のいずれか一項に記載のロボットマニピュレータ（１）。
5. 前記ロボットマニピュレータ（１）の動的モデルは、前記関節角度ベクトル及び前記関節角度ベクトルの一次導関数に依存するコリオリ行列と、前記関節角度ベクトルに依存する前記重力の影響の項とを有し、前記コリオリ行列と前記重力の影響の項との和に、第２の事前定義された係数が乗算される、請求項１～請求項２のいずれか一項に記載のロボットマニピュレータ（１）。
6. 前記ロボットマニピュレータ（１）は、少なくとも１つの前記関節（５）にトルクセンサ（１１）を有し、
   前記トルクセンサ（１１）は、センサ判定を実行するように設計されている、請求項１～請求項５のいずれか一項に記載のロボットマニピュレータ（１）。
7. 前記制御ユニット（３）は、可変範囲を持つ飽和要素によって前記残留トルクを生成するための前記ブレーキ装置（７）を制御するように設計され、
   前記可変範囲は、少なくとも１つの前記関節（５）における事前定義された最大許容トルクと、少なくとも１つの前記関節（５）において現在存在するトルクのセンサ判定および／または推定とに依存する、請求項１～請求項６のいずれか一項に記載のロボットマニピュレータ（１）。
8. 各前記関節（５）はそれぞれの制御ユニット（３）を有し、
   前記それぞれの制御ユニット（３）は、前記関節（５）のそれぞれの１つに配置され、それぞれの前記関節（５）に配置されたそれぞれのブレーキ装置（７）のみを作動させるように設計されている、請求項１～請求項７のいずれか一項に記載のロボットマニピュレータ（１）。
9. 前記ブレーキ装置（７）は、少なくとも１つの前記関節（５）に配置されたリンクを相対的に移動または制動させるための電動モータである、請求項１～請求項８のいずれか一項に記載のロボットマニピュレータ（１）。
10. 関節によって互いに接続された複数のリンクを有するロボットマニピュレータ（１）のブレーキ装置（７）を制御ユニット（３）によって作動させる方法であって、
    少なくとも１つの関節（５）は、前記ブレーキ装置（７）を備え、前記ブレーキ装置（７）は、前記制御ユニット（３）によって、少なくとも１つの前記関節（５）において事前定義された最大許容トルクを超えないような残留トルクを発生させるように作動させられ、
    前記残留トルクは、少なくとも１つの前記関節（５）に現在存在するトルクのセンサ判定および／または推定に基づいて、前記制御ユニット（７）により決定され、
    前記推定は：
    －少なくとも１つの前記関節（５）に作用する重力の影響に第１の事前定義された係数を乗じた値に基づくか、または、
    －前記重力の影響を有する前記ロボットマニピュレータ（１）の動的モデルに基づいて、行われ、前記重力の影響は、少なくとも１つの前記関節（５）と前記ロボットマニピュレータ（１）の遠位端との間の関節角度を有する関節角度ベクトルに基づいて、前記制御ユニット（３）によって決定される、方法。
    

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