JP2023075884A

JP2023075884A - 動的動作計画システム

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Publication number: JP2023075884A
Application number: JP2022017295A
Authority: JP
Inventors: シェン－チュンリン; Hsien-Chung Lin; タリニャーニランディキアーラ; Talignani Landi Chiara; ツァイチー－コン; Chi-Keng Tsai; 哲朗加藤; Tetsuro Kato
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2021-11-19
Filing date: 2022-02-07
Publication date: 2023-05-31
Also published as: US11872704B2; US20230158670A1; DE102022102451A1; CN116149311A

Abstract

【課題】産業用ロボットのための、動的な衝突回避動作計画の方法とシステムを提供する。【解決手段】障害物回避動作最適化ルーチンは計画軌道と障害物検知データを入力として受信し、検知した障害物を回避するためのロボット軌道命令を計算する。ツール中心点軌道を追従するためのロボット関節動作はロボット制御装置によりロボット動作を命令するために使用される。計画及び最適化計算は実際のロボット位置からロボット命令を計算する制御装置のフィードバックループから分離されたフィードバックループにて行われる。２つのフィードバックループは、ロボット作業空間に存在し得る動的障害物への応答を含む、計画、命令及び制御の計算をリアルタイムで行う。最適化計算は障害物のロボットに対する相対位置と相対速度の双方を効果的に組み込む安全関数を含む。【選択図】図２

Description

本開示は概して産業用ロボットの動作計画の分野に関し、より具体的には、動的障害物存在下におけるロボットの動作計画の方法及びシステムに関し、障害物回避のための動作最適化計算はロボットのフィードバック動作制御装置から切り離され、動作最適化計算は障害物のロボットに対する相対位置及び相対速度の双方を効果的に組み入れる障害物回避拘束を含む。

産業用ロボットの用途として、様々な製造、組み立て、材料運搬の実行が広く知られている。多くのロボットの作業空間環境では、障害物が存在しロボットの動作軌道上に位置し得る。障害物は、静的な性質故にロボットにより簡単に回避可能な機械や設備といった永久構造物であってもよい。障害物はロボットの作業空間内へ移動する、又は作業空間内をランダムに動く動的物体であってもよい。ロボット制御装置により動的物体に対してリアルタイム計算を行わなければならず、ロボットは物体の周辺を操作しながら移動しなければならない。ロボットと障害物との衝突は絶対に避けられなければならない。

動的衝突回避のための動作計画の従来技術はロボット制御装置の動作計画器と物理的ロボットシステムの間の衝突回避安全関数の計算を含む。この計算配置では、ロボットの実際の動作並びに障害物の検知及び回避が１つの閉ループフィードバックシステムに含まれている。この配置は理論的には有意義であるが、実際は、入力及びフィードバックループの高度に接続され多くの場合矛盾する性質から、システムではフィードバックの遅れが起こる。

加えて、既存の動的動作計画システムは衝突回避のために複雑な安全関数の構成を使用する。これらのシステムでは、数々の不安定性の問題、静的障害物に対する非感受性、動作計画計算の遅さにつながる計算の複雑さ、及びロボットと障害物の衝突回避計算に使用するアーム先端のツール以外のロボットの部品（すなわちロボットアーム）を考慮する能力がないことを含む、様々な欠点が現れる。

上述の事情を考慮して、効率的に、そして効果的に静的及び動的障害物の衝突回避を組み入れた、産業用ロボットのための改善された動的動作計画システムが必要である。

本開示の教示に従って、産業用ロボットのための動的衝突回避動作計画の方法及びシステムが説明され、示される。障害物回避動作最適化ルーチンは計画軌道と障害物検知データを入力として受信し、検知した障害物を回避するためのロボット軌道命令を計算する。ツール中心点軌道を追従するためのロボット関節動作はロボット制御装置によりロボット動作を命令するために使用される。計画及び最適化計算は実際のロボット位置からロボット命令を計算する制御装置のフィードバックループから分離されたフィードバックループにて行われる。２つのフィードバックループは、ロボット作業空間に存在し得る動的障害物への応答を含む、計画、命令及び制御の計算をリアルタイムで行う。最適化計算は障害物のロボットに対する相対位置と相対速度の双方を効果的に組み込む安全関数を含む。

開示されるシステム及び方法の追加の特徴は、添付の図面と併せて考慮した以下の説明及び添付された請求項から明らかになろう。

図１はロボット制御装置の動作計算と物理的ロボットの間に衝突回避安全フィルタを組み込んでいる、当業者に既知の閉ループ動的動作計画システムのブロック図である。図２は本開示の実施形態による、ロボットのフィードバック制御ループから切り離された衝突回避動作計画ループを含む動的動作計画システムのブロック図である。図３Ａ及び図３Ｂは本開示の実施形態によるロボットと障害物との２つの異なる動作シナリオ、及び結果として得られる双方に対する安全関数の構成を示す。図３Ａ及び図３Ｂは本開示の実施形態によるロボットと障害物との２つの異なる動作シナリオ、及び結果として得られる双方に対する安全関数の構成を示す。図４は、本開示の実施形態による、動的ロボット動作計画の方法のフローチャート図である。図５は本開示の実施形態による、ロボット作業空間における障害物がない場合及び作業空間にて障害物が動いている場合の両方の、三次元空間におけるロボットのツール中心点の軌道のグラフである。図６は本開示の実施形態による、三次元空間における複数のロボットのツール中心点の軌道のグラフであり、各軌道は異なるロボットの速度を示し、ロボットは作業空間における静的障害物を回避する。

本開示の実施形態に関する、動的動作計画システムに向けられた以下の議論は単に例示的な性質のものであり、開示された装置及び技術、又は応用や用途を限定することを決して意図していない。

産業用ロボットを様々な製造、組み立て、材料運搬の動作に使用することは広く知られている。多くのロボットの作業空間環境では、障害物が存在し得、時々ロボットの動作軌道上に位置し得る。すなわち、適応型動作計画がなければ、ロボットが現在の位置から目的位置まで移動する際に、ロボットのある部分は障害物のある部分と衝突又は近接し得る。障害物は機械、設備及び机といった静的構造物であり得、又は障害物は人間、フォークリフト及びその他の機械のような動的な（動いている）物体であり得る。

ロボットが障害物と衝突することを避けながらツールが目的位置まで軌道を追従できるようロボット動作を計算する技術が開発されてきた。しかしながら、これらのシステムでは、数々の不安定性の問題、静的障害物に対する非感受性、動作計画の遅さにつながる計算の複雑さ、及びロボットと障害物の衝突回避計算に使用するアーム先端のツール以外のロボットの部品（すなわちロボットアーム）を考慮する能力がないこと、を含む、様々な欠点が現れる。

図１はロボット制御装置の動作計算と物理的ロボットの間に衝突回避安全フィルタを組み込んでいる、当業者に既知の閉ループ動的動作計画システムのブロック図である。ロボット制御装置１１０は既知の方法にて入力された目標（目的）位置に基づいてロボット動作命令を計算する。動作命令はｕ_des（Ｘ）と示され、ｕ_desはデカルト空間における「設計」ロボット動作を示すツール中心点の加速度ベクトルである。動作命令をロボットに直接提供するよりも、制御装置１１０は動作命令を安全フィルタモジュール１２０に提供する。

安全フィルタモジュール１２０はまた知覚モジュール１３０から入力された障害物データを受信する。知覚モジュール１３０はロボットの作業空間に存在し得る障害物に関するデータを提供する１つ以上のカメラ又はセンサを含む。障害物データは典型的にはロボットと障害物の最小距離を含み、任意の障害物の位置（空間的形状を含む）及び速度に関するその他のデータも含み得る。障害物データに基づいて、安全フィルタモジュール１２０は修正動作命令ｕ_modを計算し、修正動作命令をロボットシステム１４０へ提供する。ロボット作業空間に障害物が存在しなければ、修正動作命令ｕ_modは設計動作命令ｕ_desと同じになる。

ロボットシステム１４０は物理的に移動することで修正動作命令ｕ_modに応答するロボットを含む。実際のロボット状態ベクトルＸは、デカルト空間又は関節空間における、現在の制御サイクル時間ステップにおけるロボットの位置及び速度を表す。実際のロボット状態ベクトルＸはフィードバックループ１５０にて制御装置１１０及び安全フィルタモジュール１２０の双方に提供され、フィードバック制御計算にて、設計動作命令ｕ_des及び修正動作命令ｕ_modのそれぞれを次の制御サイクル時間ステップで使用する新しい値の計算に使用される。

図１に示される従来技術のシステムにおけるフィードバック制御配置においては、制御装置１１０により理想的な動作命令の計算が行われ、必要あれば安全フィルタ１２０により障害物データに基づいて理想的な動作の修正が行われ、これら双方の計算は実際のロボットシステムの状態のフィードバックを含み、理論的には有意義である。しかし実際は、入力及びフィードバックループの高度に接続され多くの場合矛盾する性質から、システムはフィードバックの遅れを起こす。加えて、既存の図１に示される型の動的動作計画システムは多くの場合安全フィルタモジュール１２０にて複雑な安全関数構成を使用する。これらの安全関数の構成は動作計画計算が遅い問題を悪化させ、後述するその他の問題を引き起こす。

本開示の動的動作計画システムは動作計画及び障害物回避計算をロボットとその制御装置のフィードバック制御ループから切り離することにより従来技術のシステムの欠点を克服する。現在開示されるシステムはまた、ロボットの動作命令を計算するときに、任意の障害物の、ロボットからの相対的な位置及び速度の双方を考慮した、単純化されながら効果的な安全関数の構成を使用する。

図２は本開示の実施形態による、ロボットのフィードバック制御ループから切り離された衝突回避動作計画ループを含む動的動作計画システムのブロック図である。計画モジュール２１０は入力された目標（目的）位置に基づいて、計画ロボット動作を計算する。ある非限定例において、ロボットツールはグリッパであり、ロボットのタスクは部品を元の位置から目標位置まで動かすことである。計画ロボット動作ｕ_desはデカルト空間にて「設計」（計画）ロボット動作を定義する加速度ベクトルである。特に、ｕ_desはツール中心点の加速度として定義されてもよい。計画モジュール２１０は計画ロボット動作ｕ_desを動的動作最適化モジュール２２０に提供する。

動的動作最適化モジュール２２０はまた知覚モジュール２３０から入力された障害物データを受信する。知覚モジュール２３０はロボットの作業空間に存在し得る障害物に関するデータを提供する１つ以上のカメラ又はセンサを含む。図１に関して上に議論したように、障害物データは典型的には少なくともロボットと障害物の最小距離を含み、障害物の位置（空間的形状を含む）及び速度に関するその他のデータも含み得る。

動的動作最適化モジュール２２０は、ロボットの機械的制約及び衝突回避安全関数を拘束として含めながら計画ロボット動作ｕ_desからの追従偏差を最小にする最適化計算を行う。この最適化計算の結果がロボット動作命令ｑ_cmdとなる。ロボット動作命令ｑ_cmdは、ロボットの作業空間中の障害物を回避しながらロボットのツールを目標位置まで運ぶ、関節空間におけるロボットの動作である。最適化計算は下に詳しく議論される。フィードバックループ２４０はロボット動作命令ｑ_cmdを動的動作最適化モジュール２２０から計画モジュール２１０へと戻って提供する。計画モジュール２１０及び動的動作最適化モジュール２２０は各制御サイクルにて上述の計算を繰り返す。

動的動作最適化モジュール２２０もまたロボット動作命令ｑ_cmdをロボット制御装置２５０に提供する。ロボット制御装置２５０はロボット制御命令をロボット２６０に提供し、フィードバックループ２７０における実際のロボット関節位置ｑ_actを受け取る。ロボット制御装置２５０は各制御サイクルにおけるロボット制御命令を実際のロボット関節位置ｑ_act及びロボット動作命令ｑ_cmdに基づいて更新する。

図２の動的動作計画システムは、動作計画及び障害物回避計算（モジュール２１０及び２２０、並びにフィードバックループ２４０）をロボット２６０及びその制御装置２５０のフィードバック制御ループ２７０から切り離すことにより、従来技術のシステムにおけるフィードバックの遅れ及び計算パフォーマンスの問題を克服する。

図２の動的動作計画システムの実際のハードウエア実装は２通りの方法により行われてもよい。１つの実装アプローチでは、計画モジュール２１０及び動的動作最適化モジュール２２０はロボット制御装置２５０内のプロセッサ上で実行されるアルゴリズムである。すなわち、物理的なロボット制御装置は図２のモジュール２１０、２２０及び２５０の計算の全てを上述の方法で行う１つ以上のプロセッサを含む。別の実装アプローチでは、計画モジュール２１０及び動的動作最適化モジュール２２０が、ロボット制御装置２５０へロボット動作命令ｑ_cmdを通信する別のコンピューター上（異なる装置）のプロセッサにて実行されるアルゴリズムである。

現在開示されるシステムの動的動作最適化モジュール２２０はまた、ロボット動作命令ｑ_cmdを計算するときに、障害物のロボットからの相対的な位置及び速度の双方を考慮した、単純化されながら効果的な安全関数の構成を使用する。安全関数の構成及び動作最適化計算における安全関数の使用が以下に議論される。

図３Ａ及び図３Ｂは本開示の実施形態による、動的動作最適化モジュール２２０内で使用されるロボットと障害物の２つの異なる動作シナリオ及び結果として得られる双方に対する安全関数の構成を示す。図３Ａと図３Ｂにおいて、アーム先端のツール３１０を有するロボット３００は作業空間内にて動作する。障害物３２０もまた作業空間内に存在する。

図３Ａにて、障害物３２０はロボット３００から離れていき、その結果障害物３２０のロボット３００に対する相対速度（すなわち最小距離の変化率）は０より大きくなる（ｖ_rel＞０）。正の相対速度はロボット３００から遠ざかる障害物３２０によるものかもしれず、又は障害物３２０から遠ざかるアーム先端のツール３１０によるものかもしれず、又は二者の組み合わせによるものかもしれない。図３Ａのように相対速度ｖ_relが０より大きければ、安全関数はｈ（Ｘ）＝ｄのように定義され、ｈ（Ｘ）は最適化計算の不等式制約で使用される安全関数であり、ｄはロボット３００から障害物３２０への距離である（典型的には図２の知覚モジュール２３０により決定される最小距離である）。

図３Ｂにて、障害物３２０はロボット３００に近づき（接近し）、その結果障害物３２０のロボット３００に対する相対速度は０以下である（ｖ_rel≦０）。負数の相対速度はロボット３００に近づく障害物３２０によるものかもしれず、又は障害物３２０に近づくアーム先端のツール３１０によるものかもしれず、又は二者の組み合わせによるものかもしれない。図３Ｂのように相対速度ｖ_relが０以下の場合、安全関数は相対速度を含むように修正された結果ｈ（Ｘ）＝ｄ－（ｖ_rel ²）／（２ａ_max）のように定義され、ｈ（Ｘ）は安全関数（最適化計算の不等式制約にて使用される）であり、ｄはロボット３００から障害物３２０への距離であり、ｖ_relは相対速度であり、ａ_maxは機械的制約に基づく最大許容ロボット加速度である。

図３Ａ及び図３Ｂに描かれ上述された安全関数の構成は、障害物がロボットから遠ざかるときにはロボット動作をより制約せず、障害物がロボットに接近するときには接近速度を補償するシンプルな計算を使用しており、双方とも相対速度を考慮に入れたことによりシンプルで効果的なものとなっている。安全関数は図２の動的動作最適化モジュール２２０で行われる動作最適化計算における不等式制約（すなわちｈ（Ｘ）≧０）内にて使用される。動作最適化計算の詳細は以下にて更に議論される。

図４は、本開示の実施形態による、動的ロボット動作計画の方法のフローチャート図４００である。ボックス４０２にて、計画ロボット動作は目標又は目的となるツール中心点位置に基づいて計算される。代表的な実施例では、計画ロボット動作はツール中心点を目標位置へと動かす「設計」（計画）ロボット動作ｕ_desを定義する、デカルト空間におけるツール中心点の加速度ベクトルである。ボックス４０４にて、作業空間の障害物データは知覚モジュールにより提供される。知覚モジュールは、作業空間に存在する障害物の位置を検知できる三次元（３Ｄ）カメラのような、少なくとも１つのカメラ又はセンサを含む。知覚モジュールはカメラ画像から障害物の位置データを計算する画像プロセッサを含んでもよく、又は知覚モジュールは単にロボット動作最適化計算を行うコンピューター又は制御装置に生のカメラ画像を提供してもよい。障害物位置データは、好ましくは、ロボット位置データと容易に比較することができる作業空間座標系にて計算される。ロボットと障害物の最小距離及びロボットと障害物の相対速度は障害物データから最終的に要求される。

ボックス４０６にて、ロボット動作最適化計算は計画ロボット動作及び障害物データに基づいて行われる。ロボット動作最適化計算の出力は図２を参照して上に議論したロボット動作命令ｑ_cmdである。作業空間に障害物が存在しなければ、ロボット動作命令は計画ロボット動作と同じである。ロボット動作命令がボックス４０２へフィードバックループにて提供され、目標ツール中心点位置及び（障害物を回避するために最適化の最中に修正された）ロボット動作命令に基づいて計画ロボット動作は計算される。

ボックス４０８にて、ロボット制御装置はロボットへロボット動作命令を提供する。ロボット制御装置は適切なロボット関節動作命令をロボットに提供するために計算又は変換を実行してもよい。ボックス４１０にて、ロボットは制御装置からの関節動作命令に基づいて実際に動作する。ロボット及び制御装置は閉ループフィードバック制御システムとして動作し、実際のロボットの状態ｑ_act（関節位置及び速度）は更新された関節命令の計算のために制御装置にフィードバックされる。ロボット及び制御装置は指定された時間（すなわち特定のミリ秒数）を有する制御サイクルにて動作する。

ボックス４０６にて、動作最適化問題は以下のように定式化することができる。

したがって、

ここで数式（１）は最小化すべき最適化目的関数（計画動作ｕ_desからの追従偏差）であり、数式（２）から数式（４）は反復最適化計算中に満たすべき不等式制約である。数式（１）から数式（３）にて、

及び

はロボットの全ての関節におけるそれぞれの関節速度及び加速度であり、Jはヤコビ行列（ロボットの構成の導関数）、

はヤコビ行列の導関数、並びに

及び

は予め定義されたロボットの機械的制約に基づく最大関節速度及び加速度である。関節位置qが予め定義された関節位置範囲に収まることを要求するような追加の不等式制約（上に示されない）が加えられてもよい。

障害物回避の拘束のためには、図３Ａ及び図３Ｂに示され上に議論された安全関数ｈ（Ｘ）≧０を維持することがゴールとなる。これは数式４を

として定義することにより実施される。ｈ（Ｘ）＝ｄである単純なケース（図３Ａのケース１、遠ざかる場合）では、数式（４）は

と簡略化され、ここでγは固定係数であり、ｄはロボットと障害物との最小距離であり、

はロボットと障害物の最小距離の変化率である。ケース２（接近）では、挙動は類似しているが、接近速度が更に補償される。言い換えれば、数式（４）は最小距離ｄが大きいほど、許容される距離の変化率

が大きくなる。係数γの値は所望のシステムの挙動を達成するために打ち立ててもよく、γが小さい値である場合、ロボットの挙動はより保守的なものとなる（より大きい距離を空けて障害物回避を行うために移動が増加する）。

収束時、最適化計算により不等式制約を満たしながら最小の追従偏差を有するロボット動作を表すロボット動作命令

が生み出される。障害物が非常に素早くロボットに接近する際には、数式（１）から数式（４）の最適化計算は実行不可能なものとなり、この場合、システムはロボットの動作を遅くし、最適化計算がまだ実行不可能である場合は、ロボットを停止させる。

図４にて、ボックス４０２の計画ロボット動作の計算、ボックス４０６におけるロボット動作最適化計算、及びボックス４０８におけるロボット関節動作命令の計算は全てロボットとリアルタイム通信を行っているロボット制御装置により行われてもよい。代わりに、ボックス４０２及びボックス４０６の計算は別個のコンピューターで行ってもよく、各制御サイクルにおけるロボット動作命令はボックス４０８にて制御装置に提供されてもよい。

図２から図４の動的動作計画技術はリアルなロボットシステムにおける信頼性の高い障害物回避結果を提供するために説明された。これは作業空間中の障害物を回避するための効果的な軌道計画と、安全関数及び結果として得られる動作最適化の迅速な計算の双方を含む。

図５は本開示の実施形態による、ロボット作業空間における障害物がない場合及び作業空間にて障害物が動いている場合の両方の、三次元空間におけるロボットのツール中心点の軌道のグラフである。図示するように作業空間５００は直交するＸ、Ｙ及びＺ軸による３Ｄ空間で表現される。ロボット（図示せず）は作業空間５００で動作し、ツール中心点をスタート地点５１０から目標（目的）地点５１２まで動かすタスクを実行することが要求される。図５はリアルな実験室における試験にて収集されたデータを示す。

図５には２つの異なるシナリオが示される。１つ目のシナリオでは、作業空間５００に障害物がない。障害物が全くない場合、ロボットはツール中心点をスタート地点５１０から目標地点５１２まで、参照軌道５２０に沿って直線上を移動させる。

２つ目のシナリオでは、作業空間５００中を障害物が障害物軌道５３０に沿って連続した点を追従しながら移動する。リアルな実験室における試験では、障害物は人間が手に持った小さい物体であり、人間は物体が障害物軌道５３０を追従するようにロボットに接近し腕をロボットへ延ばした。障害物は、ロボットツールがスタート地点５１０から目標地点５１２まで移動する間に障害物軌道５３０に沿って移動する。本開示の動的軌道計画技術を使用し、スタート地点５１０から目標地点５１２まで障害物回避軌道５４０に沿ってロボットはツール中心点を移動させた。障害物回避軌道５４０は障害物軌道５３０上を移動する障害物からの安全な隙間を提供するために参照軌道５２０から大きく逸脱している。障害物回避軌道５４０の参照軌道５２０から離れる最も顕著な挙動は軌道５４０の最初の部分であることは注目するべきことである。これは、その時に障害物がロボットツールの方へ移動していて、図３Ｂを参照して議論したように安全関数ｈ（Ｘ）が接近速度を補償するよう減少したためである。

図６は本開示の実施形態による、三次元空間における複数のロボットのツール中心点の軌道のグラフであり、各軌道は異なるロボットの速度を示し、ロボットは作業空間における静的障害物を回避する。図示するように作業空間６００は直交するＸ、Ｙ及びＺ軸による３Ｄ空間で表現される。ロボット（図示せず）は作業空間６００で動作し、ツール中心点をスタート地点６１０から目標（目的）地点６１２まで動かすタスクを実行することが要求される。図６は本開示の動的軌道計画技術を使用した特定のロボット及び制御装置のシミュレーションから収集されたデータを示す。

図６には複数の異なるシナリオが示される。１つ目のシナリオでは、作業空間６００に障害物がない。障害物が全くない場合、ロボットはツール中心点をスタート地点６１０から目標地点６１２まで、公称軌道６２０に沿って直線上を直行移動させる。

その他のシナリオでは、固定された球形の障害物６３０が作業空間６００内における公称軌道６２０を妨害する位置に設置される。バッファゾーン６４０は障害物６３０の周囲に安全な距離マージンを定義し、ロボット及びツール中心点はバッファゾーン６４０の外側に位置しなければならない。障害物６３０について４つの異なるシミュレーションが行われ、同じスタート地点６１０及び目標地点６１２が使用され、プログラムされたロボットのツール中心点最大速度は最も遅い最大速度８５０ｍｍ／秒から最も速い最大速度１８００ｍｍ／秒まで変化させた。図６に示される障害物回避軌道を計算するために本開示の動的軌道計画技術を使用した。

最も遅いロボットのツール中心点速度である８５０ｍｍ／秒にて、スタート地点６１０から目標地点６１２まで障害物回避軌道６５２に沿ってロボットはツール中心点を移動させた。公称軌道６２０からツール中心点をバッファゾーン６４０のわずかに外側に残すために充分なだけの障害物回避軌道６５２の逸脱が起こることが観察される。やや速いロボットのツール中心点速度である１０００ｍｍ／秒にて、スタート地点６１０から目標地点６１２まで障害物回避軌道６５４に沿ってロボットはツール中心点を移動させた。障害物回避軌道６５４は公称軌道６２０から（軌道６５２よりも）より逸脱し、ツール中心点はバッファゾーン６４０のより外側に残された。これは（図３Ｂに示された）安全関数ｈ（Ｘ）における相対速度の減算項から期待された挙動である。より速いロボットのツール中心点速度ではツールと障害物６３０の相対速度ｖ_relはより大きくなり、安全関数ｈ（Ｘ）の値が減少し、その代わりに最適化計算中の安全関数ｈ（Ｘ）≧０を保持するために最小距離ｄの値が大きくなる。

更に速いロボットのツール中心点速度である１５００ｍｍ／秒にて、スタート地点６１０から目標地点６１２まで障害物回避軌道６５６に沿ってロボットはツール中心点を移動させた。障害物回避軌道６５６は公称軌道６２０からより（軌道６５４よりも）逸脱し、ツール中心点はバッファゾーン６４０の更に外側に残された。そして、最も速いロボットのツール中心点速度である１８００ｍｍ／秒では、障害物回避軌道６５８がとられ、公称軌道６２０から最も逸脱した。

本開示の動的軌道計画技術を使用すると、最大ツール速度にて障害物回避軌道は公称軌道６２０から最も逸脱し（軌道６５８）、最小ツール速度にて逸脱が最も少なかった（軌道６５２）。これらのシミュレーションは上に議論した安全関数及び動作最適化計算から期待される挙動を確認するものである。

加えて、図２から図４に描写された開示技術における各制御サイクルでの動作命令の計算時間（動的動作最適化モジュール２２０からの出力を提供するまでの時間）を計測したところ平均０．３８ミリ秒（ｍｓ）であった。これは図１の従来技術における計算時間である平均約４０ｍｓと比較すると差は歴然としている。２４ｍｓという典型的なロボット制御サイクルを使用する場合、本開示の技術は動作計算を充分な速度より更に高速で行い、一方従来技術における動作計算は支持できないほど遅い。

前述の議論を通して、様々なコンピューター及び制御装置を説明し暗示した。これらのコンピューター及び制御装置のソフトウエアアプリケーション及びモジュールはプロセッサ及びメモリモジュールを有する１つ以上の計算装置上で実行されることが理解されよう。特に、これには、上述の図２のロボット制御装置２５０内及び（使用される場合は）随意の別個のコンピューターそれぞれの内部のプロセッサが含まれる。特に、制御装置２５０のプロセッサ及び／又は別個のコンピューター（使用される場合）はボックス２５０のロボットフィードバック動作制御機能に加えてボックス２１０及びボックス２２０の動作計画及び障害物回避動作最適化機能を実行する。

上に概要を述べたように、ロボット作業空間における障害物を回避する動的動作計画のための開示された技術により従来技術の方法に対する顕著な利点が提供される。開示された技術は障害物回避動作最適化をロボットと制御装置のフィードバックループから切り離し、その結果従来技術のシステムにおけるフィードバックの遅れの問題を回避することができる。加えて、動作最適化計算に使用される開示された安全関数はロボットと障害物の相対速度を効果的そして簡単に計算できる方法で補償する。

動的動作計画システムのいくつもの態様例や実施形態を上に議論したが、当業者は、修正、置換、追加、及び部分的組み合わせを認識するであろう。したがって次に添付される請求項及び次に紹介する請求項では、それらの修正、置換、追加、及び部分的組み合わせが、本開示の真の精神及び範囲内であり全て含まれると解釈されることが意図される。

Claims

産業用ロボットのための動的動作計画システムであって、
前記ロボットの作業空間にて障害物を検知する少なくとも１つのセンサ又はカメラを含む知覚モジュールと、
前記ロボットの先端に取り付けられたツール上のツール中心点の目標位置に基づいて設計ロボット動作を計算し、プロセッサとメモリを有する第１の計算装置にて実行される計画モジュールと、
前記第１の計算装置上で実行され前記知覚モジュールから障害物データを受信する動作最適化モジュールであって、前記設計ロボット動作及び前記障害物データに基づいてロボット動作命令を計算し、前記ロボット動作命令は次の制御サイクルの前記設計ロボット動作を計算するために前記計画モジュールにフィードバックとして提供される、動作最適化モジュールと、
前記ロボット動作命令に基づいてロボット制御命令を計算し、前記ロボット制御命令を前記ロボットに提供し、実際のロボットの状態データを前記ロボットからフィードバックとして受け取る、前記第１の計算装置又は第２の計算装置上で動作するロボット制御モジュールと、
を備える、産業用ロボットのための動的動作計画システム。
前記第１の計算装置は前記計画モジュール、前記動作最適化モジュール及び前記ロボット制御モジュールの全てを実行するロボット制御装置であり、前記ロボット制御命令を前記ロボットに提供する、請求項１に記載のシステム。
前記第１の計算装置は前記計画モジュール及び前記動作最適化モジュールを実行し、前記第２の計算装置は前記第１の計算装置と通信するロボット制御装置であり、前記ロボット制御装置は前記ロボット制御モジュールを実行し前記ロボット制御命令を前記ロボットへ提供する、請求項１に記載のシステム。
前記ロボットと前記障害物データに存在する障害物との隙間空間を提供するために前記ロボット動作命令は必要に応じて前記設計ロボット動作から逸脱する、請求項１に記載のシステム。
前記動作最適化モジュールは目的関数及び１つ以上の不等式制約を有する反復最適化計算を使用して前記ロボット動作命令を計算する、請求項１に記載のシステム。
前記目的関数は前記設計ロボット動作からの偏差を最小化し、前記不等式制約は予め定義された関節位置範囲内にロボット関節位置を維持し、ロボット関節速度を予め定義された関節速度制限より低く維持し、ロボット関節加速度を予め定義された関節加速度制限より低く維持することを含む、請求項５に記載のシステム。
前記不等式制約は安全関数から計算された安全拘束を含み、前記安全関数はロボットと障害物の最小距離及びロボットと障害物の相対速度に基づいて決定される、請求項５に記載のシステム。
前記安全拘束は前記安全関数の変化率が前記安全関数に係数を乗算したものの負数以上でなければならないことである、請求項７に記載のシステム。
ロボットと障害物の前記相対速度が０より大きい場合、前記安全関数はロボットと障害物の前記最小距離と等しく、ロボットと障害物の前記相対速度が０以下の場合、前記安全関数はロボットと障害物の前記最小距離から、ロボットと障害物の前記相対速度の関数である追加の安全マージン距離を引いたものと等しい、請求項７に記載のシステム。
前記設計ロボット動作はデカルト空間におけるツール中心点の加速度であり、前記ロボット動作命令は前記ロボットの全ての関節のロボット関節回転角加速度を含む、請求項１に記載のシステム。
産業用ロボットのための動的動作計画システムであって、
前記システムは１つ以上の計算装置上で実行され、
ロボットのツール中心点の目標位置に基づいて設計ロボット動作を計算する計画モジュールと、
前記設計ロボット動作及びセンサから受信した障害物データに基づいてロボット動作命令を計算する動作最適化モジュールであって、前記ロボット動作命令は次の制御サイクルの前記設計ロボット動作を計算するために前記計画モジュールにフィードバックとして提供される、動作最適化モジュールと、
前記ロボット動作命令に基づいてロボット関節制御命令を計算し、前記ロボットに前記ロボット関節制御命令を提供し、実際のロボット関節の状態データを前記ロボットからフィードバックとして受け取るロボット制御モジュールと、
を備える、産業用ロボットのための動的動作計画システム。
前記動作最適化モジュールは前記設計ロボット動作からの偏差を最小化する目的関数を有する反復最適化計算とロボットと障害物の最小距離及びロボットと障害物の相対速度に基づいて決定された安全拘束とを使用して前記ロボット動作命令を計算し、前記安全拘束は、ロボットと障害物の前記相対速度が０より大きい場合に、前記相対速度が０以下の場合よりもより弛緩される、請求項１１に記載のシステム。
少なくとも１つの計算装置上で実行され、
ロボットのツール中心点の目標位置に基づいて設計ロボット動作を計算することと、
前記設計ロボット動作及びセンサから受信した障害物データに基づいてロボット動作命令を計算することであって、前記ロボット動作命令は次の制御サイクルの前記設計ロボット動作を計算するためにフィードバックとして提供されることと、
前記ロボット動作命令に基づいてロボット関節制御命令を計算することと、
前記ロボットへ前記ロボット関節制御命令を提供することと、
実際のロボット関節の状態データを前記ロボットよりフィードバックとして受信することと、
を含む、産業用ロボットのための動的動作計画方法。
前記少なくとも１つの計算装置は、設計ロボット動作の計算と、ロボット動作命令の計算と、ロボット関節制御命令の計算と、前記ロボット関節制御命令を前記ロボットへ提供することと、の全てを実行するロボット制御装置である、請求項１３に記載の方法。
第１の計算装置は前記設計ロボット動作の計算と、前記ロボット動作命令の計算と、を行い、ロボット制御装置は前記ロボット関節制御命令の計算と、前記ロボット関節制御命令を前記ロボットへ提供することと、を実行する、請求項１３に記載の方法。
前記ロボット動作命令は目的関数及び複数の不等式制約を有する反復最適化計算を使用して計算され、前記目的関数は前記設計ロボット動作からの偏差を最小化し、前記不等式制約は予め定義された関節位置範囲内にロボット関節位置を維持し、ロボット関節速度を予め定義された関節速度制限より低く維持し、ロボット関節加速度を予め定義された関節加速度制限より低く維持することを含む、請求項１３に記載の方法。
前記不等式制約は安全関数から計算された安全拘束もまた含み、前記安全関数はロボットと障害物の最小距離及びロボットと障害物の相対速度に基づいて決定される、請求項１６に記載の方法。
前記安全拘束は前記安全関数の変化率が前記安全関数に係数を乗算したものの負数以上でなければならないことである、請求項１７に記載の方法。
ロボットと障害物の前記相対速度が０より大きい場合、前記安全関数はロボットと障害物の前記最小距離と等しく、ロボットと障害物の前記相対速度が０以下の場合、前記安全関数はロボットと障害物の前記最小距離から前記相対速度の２乗をロボット加速度の２倍で除算したものを引いたものと等しい、請求項１７に記載の方法。
前記設計ロボット動作はデカルト空間におけるツール中心点の加速度であり、前記ロボット動作命令は前記ロボットの全ての関節のロボット関節回転角加速度を含む、請求項１３に記載の方法。