JP2023502721A - 冗長ロボットマニピュレータの力測定と力生成 - Google Patents

Abstract

本発明は、ロボットマニピュレータ（３）、制御ユニット（５）および操作ユニット（７）を備えたロボットシステム（１）に関し、ロボットマニピュレータ（３）は、少なくとも部分的に互いに冗長自由度を有するリンク（９）を有し、操作ユニット（７）は、少なくとも１つの選択された力の方向に関して、ユーザからの入力を検出するように設計され、制御ユニット（５）は、成分に基づく第１のメトリックが以下の基準：ゼロに不等、所定の限界より大きい、最大、のいずれかを満たすように、ヌル空間におけるロボットマニピュレータ（３）の遠位端（１１）の所定の位置および／または向きについて、それぞれの選択された方向に関連するヤコビアン行列の転置の成分を決定するようなされており、制御ユニット（５）は、決定された成分に従った姿勢をとるようにロボットマニピュレータ（３）を制御するようになされている。【選択図】図１

Description

本発明は、互いに対して少なくとも部分的に冗長自由度を有する関節によって相互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を含むロボットシステム、及びそのようなロボットマニピュレータを操作する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遠位端において選択された方向に作用する力および／またはトルクの適用及び測定を改善することである。

本発明は、独立請求項の特徴に起因する。有利なさらなる開発および実施形態は、従属請求項の主題である。

本発明の第１の態様は、ロボットマニピュレータと、ロボットマニピュレータのための制御ユニットと、操作ユニットとを備えるロボットシステムに関し、ロボットマニピュレータは、ロボットマニピュレータのリンクの少なくともサブセットは、ロボットマニピュレータの遠位端の位置及び／又は向きを変更せずにヌル空間において可動であるよう、少なくとも部分的に互いに冗長な自由度を有する関節によって互いに接続された複数のリンクを有し、操作ユニットは、ロボットマニピュレータの遠位端における力および／またはトルクの少なくとも１つの選択された方向に関するユーザからの入力を検出し、検出された入力を制御ユニットに伝達するように設計されており、制御ユニットは、成分に基づく第１のメトリックが、以下の基準：ゼロに不等、所定の限界より大きい、最大、のうちの１つを満たすよう、ヌル空間におけるロボットマニピュレータの遠位端の所定の位置および／または向きについて、それぞれの選択された方向に関連するヤコビアン行列の転置の成分を決定するようになされ、制御ユニットは、ヤコビアン行列の転置の決定された成分に従って姿勢をとるためにヌル空間内のリンクのサブセットを動かすようにロボットマニピュレータを制御するようになされている。

好ましくは、制御ユニットは、ロボットマニピュレータの遠位端で環境に作用する外力および／またはトルクを決定し、および／または、ヤコビアン行列の転置の決定された成分に従って、姿勢に達した後にロボットマニピュレータの遠位端から環境に外力および／またはトルクを適用するようにロボットマニピュレータのアクチュエータを制御するよう構成されている。

特に、制御ユニットは、ロボットマニピュレータに接続され、好ましくは、ロボットマニピュレータ自体の制御ユニットであり、すなわち、好ましくは、制御ユニットは、ロボットマニピュレータに配置される。また、操作ユニットからロボットマニピュレータ用の制御ユニットにデータを送信することができるよう、操作ユニットは制御ユニットと接続されている。特に、制御ユニットは、ロボットマニピュレータを適切に動作させるためにロボットマニピュレータのアクチュエータを制御する為に使用される。

ロボットマニピュレータのリンクのサブセットは、ロボットマニピュレータの遠位端の位置および／または向きを変えることなく、ヌル空間において可動である。すなわち、ロボットマニピュレータの遠位端の位置および／または向きを維持したまま、少なくとも２つのリンクが地球固定座標系に対して可動するように、互いに冗長な自由度を持つ関節を多く設けている。一般的に、このような冗長性は、ロボットマニピュレータの適切に可動な肘関節を介して実装される。好ましくは、ロボットマニピュレータは、その関節にトルクセンサを有し、これらのトルクセンサは、特に各関節のトルクを検出するように設計されている。ロボットマニピュレータの関節で検出されたトルクの総和と、ロボットマニピュレータの現在の姿勢の知識から、外力ワインダを決定することができる。姿勢という用語は、互いに対するリンクの位置、すなわち相対的な位置、特に相対的な向きを意味する。

このヌル空間におけるリンクのサブセットの姿勢によって、良くも悪くもこのようなことが可能になる。いわゆる特異姿勢では、ロボットマニピュレータの遠位端に作用する外力は、関節の周りにレバーアームを作ることなく、リンクを通じて直線的にロボットマニピュレータのベースや台座に放散されるので、ロボットマニピュレータの関節にあるトルクセンサはどれも対応するトルクを検出することができない。反対の場合では、ロボットマニピュレータの遠位端にリンクの共通の縦軸に垂直な力が作用するため、この力がロボットマニピュレータのそれぞれの関節に最大レバーアームのトルクを生成する。特に、ロボットマニピュレータの遠位端は、ロボットマニピュレータの最遠位リンク上の基準点、または代替的に、好ましくはロボットマニピュレータのエンドエフェクタ上の基準点により定義される。

関節のトルクセンサは、先行技術で知られている多数のトルクセンサから選択することができる。特に、トルクセンサは、例えばそれぞれのトルクセンサのスポークにある柔軟な弾性材料の歪みが検出される機械的トルクセンサであり、材料定数を知ることによって印加トルクを結論づけることができる。また、特に電動モータの電流を測定し、そこから関節のトルクを推測することが可能である。測定されたトルクは、通常、様々な原因によって構成されている。トルクの最初の部分は、運動学的な力とトルク、特にコリオリ加速度や遠心加速度から生じるものである。また、測定されたトルクの他の一部は、重力効果に起因し得る。関節のトルクセンサが検出したトルクを測定する一方で、重力や運動学によって生じる力とトルクが予想されるトルクを導く。つまり、現在の移動速度やロボットマニピュレータの現在の加速度に応じて、これらのトルクをロボットマニピュレータへの重力影響とともに理論的に決定し、それぞれのトルクセンサへの測定トルクから差し引くことができる。これは通常、外部トルクを出力とするインパルスオブザーバで行われる。

このようにして決定された外力トルクから、任意の基準で外力ワインダを推測するためには、変換されたヤコビアン行列の擬似逆行列が必要である。特に、ロボットマニピュレータが冗長マニピュレータである場合、リンクをつなぐ関節のうち少なくとも２つが互いに冗長自由度を持つため、（逆数そのものではなく）疑似逆数が必要となる。特に、冗長化されたロボットマニピュレータでは、ロボットマニピュレータのリンクは、ロボットマニピュレータのエンドエフェクタの向きや位置を変えることなく移動させることが可能である。ヤコビアン行列は、関節の角速度を、特にロボットマニピュレータの遠位端での任意の点での並進および回転速度にリンクする。しかし、原理的には、実際に速度を考慮するかどうかは関係ないので、関節のトルクとそれぞれの任意点の力およびトルクの関係もヤコビアン行列を使うことができる。

したがって、ユーザによって選択された力及びトルクの方向が検出され、そのヌル空間におけるロボットマニピュレータの姿勢が、まさにこれらの方向において力又はトルクがその遠位端においてロボットマニピュレータによってより良く適用され得、同時に、ロボットマニピュレータの遠位端における環境からの外力又はトルクが、特にロボットマニピュレータの関節におけるトルク決定を介して、このそれぞれの選択された方向においてより良く決定され得るように整えられることは本発明の有利な効果である。

さらなる有利な実施形態によれば、制御ユニットは、逆コスト関数としてそれぞれのベクトルノルムを用いた勾配ベースの探索に基づいて、ヤコビアン行列の転置のそれぞれの成分を決定するようになされている。この逆コスト関数は、最適化において通常最小化することを目的とする真のコスト関数と異なり、最大化することを目的とするため、逆コスト関数は、目的関数と呼ばれることもある。したがって、本実施形態の目的は、勾配ベースの探索を使用して、それぞれの選択された方向に関連するそれぞれのベクトルノルムを最大化することである。勾配ベースの探索は、逆コスト関数の異なる探索点での勾配を繰り返し決定し、それぞれの場合における次の探索点は、最急上昇の観点から勾配によって決定される。このような勾配ベースの探索は、非線形最適化の分野では古典的な手法であり、一度では解析的に解けない最適化問題に対する反復手順を示すものである。有利には、勾配ベースの探索は、十分な収束性を持って適切な解に到達するための簡単なアルゴリズムを実装している。

さらなる有利な実施形態によれば、制御ユニットは、操作ユニットにおいてユーザによって選択がなされたかどうかを判断し、ユーザによる選択がない場合、ヤコビアン行列の転置の全成分に基づく第２のメトリックが以下の基準：ゼロに不等、所定の限界より大きい、最大、のいずれかを満足するようにヌル空間においてヤコビアン行列の転置の全成分を決定するようになされている。本実施形態によれば、本発明の第１の態様は、ユーザによってそのような方向に関して選択が全くなされていないかどうかを確認するために拡張される。ユーザによってそのような選択がなされた場合、これらの方向に割り当てられたヤコビアン行列の転置のそれぞれの列の対応する成分を、ゼロから対応する距離で選択することができる。しかし、方向が指定されない場合は、ヤコビアン行列の転置の全体としての最適化が望ましく、本実施形態によれば、可能であれば、ロボットマニピュレータの特異姿勢を完全に排除し、外力又はトルクが全方向の関節トルクのベクトルに十分にマッピングされて、ロボットマニピュレータの関節のトルクセンサにより外力ワインダからの外力又はトルクが確実に検出できるよう全体として最適化される。

さらなる有利な実施形態によれば、制御ユニットは、所定の位置および／または向きのロボットマニピュレータの遠位端に到達したとき又はその後に、ゼロ空間においてリンクのサブセットを動かしてヤコビアン行列の転置の決定された成分に従って姿勢をとるように、ロボットマニピュレータを制御するようになされている。この実施形態によれば、ロボットマニピュレータの遠位端は、まず、所定の位置および／または向きに移動され、次に、そのヌル空間におけるリンクのサブセットが、ヤコビアン行列の搬送のそれぞれの決定成分に従ってアライメントされる。

さらなる有利な実施形態によれば、制御ユニットは、ロボットマニピュレータの遠位端が所定の位置および／または向きに近づく間に、ヤコビアン行列の転置の決定された成分に従って姿勢をとるためにヌル空間においてリンクのサブセットを移動するように、ロボットマニピュレータを制御するようになされている。先の実施形態によれば、ロボットマニピュレータの遠位端の、関連する経路計画を伴う所定の位置および／または向きへの接近と、それらのヌル空間におけるリンクのサブセットのアライメントとの間に明確な分離があるが、本実施形態によれば、冗長自由度において互いに相対移動可能であるものを含むロボットマニピュレータのすべてのリンクが適宜制御されるように、それらのヌル空間におけるリンクのアライメントが経路計画に含まれる。有利には、ロボットマニピュレータ、特に、そのヌル空間におけるリンクのサブセットは、ロボットマニピュレータの遠位端が最適化された方法で所定の位置および／または向きに到達したときに、外力又はトルクが既に検出又は適用できるような姿勢にある。

さらなる有利な実施形態によれば、制御ユニットは、ヌル空間内のリンクのサブセットを介して複数の姿勢をトラバースし、それぞれの姿勢に対するヤコビアン行列電流のそれぞれの転置を決定し、複数の姿勢に対するヤコビアン行列の転置を互いに比較し、第１または第２のメトリックに従ってヤコビアン行列の転置のうちの１つを選択することにより、それぞれの選択された方向に関連するヤコビアン行列の転置の成分を決定するようなされている。この実施形態は、対応する姿勢が物理的探索手順によって能動的に探索され、これらの姿勢のそれぞれについてヤコビアン行列の転置が計算され、それらの対応する列（選択された方向に関連する）に対するヤコビアン行列のそれぞれの転置が、それぞれ第１のメトリックおよび第２のメトリックについて調べられ、それぞれ有利な第１のメトリックおよび有利な第２のメトリックを有する姿勢が選択されるという経験的アプローチに対応するものである。

さらなる有利な実施形態によれば、制御ユニットは、ヌル空間内のリンクのサブセットを介して複数の姿勢をトラバースし、それぞれの姿勢に対するヤコビアン行列電流のそれぞれの転置を決定し、複数の姿勢に対するヤコビアン行列の転置を互いに比較し、第１または第２のメトリックに従ってヤコビアン行列の転置のうちの１つを選択することにより、それぞれの選択された方向に関連するヤコビアン行列の転置の成分を決定するようなされている。リンクのサブセットを実際にそのヌル空間で移動させる先の実施形態とは対照的に、本実施形態によれば、そのような動作のシミュレーションのみが行われるので、有利にはより短い時間で対応する姿勢を見出すことができる。

本発明の別の態様は、ロボットマニピュレータのリンクの少なくともサブセットが、ロボットマニピュレータの遠位端の位置および／または向きを変えることなくヌル空間において可動であるように、互いに対して少なくとも部分的に冗長自由度を有する関節によって相互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操作方法に関し、以下のステップを含む：
－ 制御ユニットに接続された操作ユニットによって、ロボットマニピュレータの遠位端における力および／またはトルクの少なくとも１つの選択された方向に関するユーザからの入力を検出し、検出された入力を制御ユニットに送信；
－ ヌル空間におけるロボットマニピュレータの遠位端の所定の位置および／または向きについて、それぞれの選択された方向に関連するヤコビアン行列の転置の成分を、成分に基づく第１のメトリックが以下の基準：ゼロに不等、所定の限界より大きい、最大である、のうちの１つを満たすように決定；および、
－ 制御ユニットにより、ヤコビアン行列の転置の決定された成分に応じた姿勢をとるために、ヌル空間においてリンクのサブセットを移動させるようにロボットマニピュレータを制御する。

好ましくは、本方法は、以下のステップをさらに含む：
－ ヤコビアン行列の転置の決定された成分に従った姿勢に到達した後：ロボットマニピュレータの遠位端で環境に作用する外力および／またはトルクを決定し、および／または、ロボットマニピュレータの遠位端から環境に外力および／またはトルクを加えるために、ロボットマニピュレータのアクチュエータを制御する。

提案された方法の利点および好ましいさらなる実施形態は、提案されたロボットシステム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、以下の説明から得られ、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つの実施形態例が詳細に説明される。同一、類似、および／または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、本発明の一実施形態に係るロボットシステムを示す図である。 図２は、本発明のさらなる実施形態による方法を示す図である。

図は概略図であり、縮尺どおりではない。

これにより、制御ユニット５は、逆コスト関数としてそれぞれのベクトルノルムを用いた勾配ベースの探索に基づいて、ヤコビアン行列の転置のそれぞれの成分を決定する。

図２は、ロボットマニピュレータ３のリンク９の少なくともサブセットが、ロボットマニピュレータ３の遠位端１１の位置および／または向きを変えることなくヌル空間において可動であるように、互いに対して少なくとも部分的に冗長自由度を有する関節によって相互接続された複数のリンク９を有するロボットマニピュレータ３の操作方法を示し、以下のステップを含む：
－ 制御ユニット５に接続された操作ユニット７によって、ロボットマニピュレータ３の遠位端１１における力および／またはトルクの少なくとも１つの選択された方向に関するユーザからの入力を検出Ｓ１し、検出された入力を制御ユニット５に送信；
－ ヌル空間におけるロボットマニピュレータ３の遠位端１１の所定の位置および／または向きについて、それぞれの選択された方向に関連するヤコビアン行列の転置の成分を、成分に基づく第１のメトリックが以下の基準：ゼロに不等、所定の限界より大きい、最大である、のうちの１つを満たすように決定Ｓ２；および、
－ 制御ユニット５により、ヤコビアン行列の転置の決定された成分に応じた姿勢をとるために、ヌル空間においてリンク９のサブセットを移動させるようにロボットマニピュレータ３を制御Ｓ３する。

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：ロボットシステム
３：ロボットマニピュレータ
５：制御ユニット
７：操作ユニット
９：リンク
１１：ロボットマニピュレータの遠位端
Ｓ１：検出
Ｓ２：決定
Ｓ３：制御

Claims (10)

1. ロボットマニピュレータ（３）と、前記ロボットマニピュレータ（３）のための制御ユニット（５）と、操作ユニット（７）とを有するロボットシステム（１）であって、
   前記ロボットマニピュレータ（３）は、前記ロボットマニピュレータ（３）のリンク（９）の少なくともサブセットが、前記ロボットマニピュレータ（３）の遠位端（１１）の位置および／または向きを変更せずにヌル空間において可動であるように、互いに対して少なくとも部分的に冗長自由度を有する関節によって相互に接続された複数の前記リンク（９）を備え、
   前記制御ユニット（７）は、前記ロボットマニピュレータ（３）の前記遠位端（１１）における力および／またはトルクの少なくとも１つの選択された方向に関するユーザの入力を検出し、検出された入力を前記制御ユニット（５）に伝達するように設計され、
   前記制御ユニット（５）は、成分に基づく第１のメトリックが以下の基準：ゼロに不等、所定の限界より大きい、最大、のいずれかを満たすように、前記ヌル空間における前記ロボットマニピュレータ（３）の前記遠位端（１１）の所定の位置および／または向きについて、それぞれの選択された方向に関連するヤコビアン行列の転置の成分を決定するようなされており、および、
   前記制御ユニット（５）は、前記ヤコビアン行列の転置の決定された成分に従って姿勢をとるために、前記ヌル空間において前記リンク（９）のサブセットを動かすようにロボットマニピュレータ（３）を制御するようになされている、
   ロボットシステム（１）。
2. それぞれの選択された方向に関連する前記ヤコビアン行列の転置の成分は、前記ヤコビアン行列の転置のそれぞれの列に記載され、前記第１のメトリックは、それぞれの列のベクトルノルムである、請求項１に記載のロボットシステム（１）。
3. 前記制御ユニット（５）は、逆コスト関数としてそれぞれのベクトルノルムを用いた勾配ベースの探索に基づいて、前記ヤコビアン行列の転置のそれぞれの成分を決定するようになされている、請求項２に記載のロボットシステム（１）。
4. 前記制御ユニット（５）は、前記操作ユニット（７）でユーザによって選択がなされたかどうかを決定し、ユーザによる選択がない場合には、前記ヤコビアン行列の転置の全成分に基づく第２のメトリックが以下の基準：ゼロに不等、所定の限界より大きい、最大、のうちの１つを満たすように、前記ヌル空間における前記ヤコビアン行列の転置の全成分を決定するようになされている、請求項１～請求項３のいずれか一項に記載のロボットシステム（１）。
5. 前記制御ユニット（５）は、前記ヤコビアン行列の行列積と前記ヤコビアン行列の転置の行列式を逆コスト関数とする勾配ベースの探索に基づいて、ヤコビアン行列の転置のそれぞれの成分を決定するようになされている、請求項４に記載のロボットシステム（１）。
6. 前記制御ユニット（５）は、所定の位置および／または向きの前記ロボットマニピュレータ（３）の前記遠位端（１１）に到達した時又は後に、前記ヤコビアン行列の転置の決定された成分に従って姿勢をとるために前記ヌル空間内で前記リンク（９）のサブセットを動かすように前記ロボットマニピュレータ（３）を制御するようになされている、請求項１～請求項５のいずれか一項に記載のロボットシステム（１）。
7. 前記制御ユニット（５）は、前記ロボットマニピュレータ（３）の前記遠位端（１１）が所定の位置および／または向きに近づく間に、前記ヤコビアン行列の転置の決定された成分に従って姿勢をとるために前記ヌル空間において前記リンク（９）のサブセットを動かすように、前記ロボットマニピュレータ（３）を制御するようになされている、請求項１～請求項５のいずれか一項に記載のロボットシステム（１）。
8. 前記制御ユニット（５）は、前記ヌル空間における前記リンク（９）のサブセットを介して複数の姿勢をトラバースし、それぞれの姿勢に対する前記ヤコビアン行列電流のそれぞれの転置を決定し、複数の姿勢に対する前記ヤコビアン行列の転置を互いに比較し、第１または第２のメトリックに従って前記ヤコビアン行列の転置の１つを選択することによって、それぞれの選択した方向に関連する前記ヤコビアン行列の転置の成分を決定するようなされている、請求項１～請求項７のいずれか一項に記載のロボットシステム（１）。
9. 前記制御ユニット（５）は、前記ヌル空間における前記リンク（９）のサブセットの複数の姿勢をシミュレートし、それぞれの姿勢に対する前記ヤコビアン行列電流のそれぞれの転置を決定し、複数の姿勢に対する前記ヤコビアン行列の転置を互いに比較し、第１または第２のメトリックに従って前記ヤコビアン行列の転置の１つを選択することによって、それぞれの選択した方向に関連する前記ヤコビアン行列の転置の成分を決定するようなされている、請求項１～請求項７のいずれか一項に記載のロボットシステム（１）。
10. ロボットマニピュレータ（３）のリンク（９）の少なくともサブセットが、前記ロボットマニピュレータ（３）の遠位端（１１）の位置および／または向きを変えることなくヌル空間において可動であるように、互いに対して少なくとも部分的に冗長自由度を有する関節によって相互接続された複数の前記リンク（９）を有する前記ロボットマニピュレータ（３）を操作する方法であって、以下のステップ：
    － 制御ユニット（５）に接続された操作ユニット（７）によって、前記ロボットマニピュレータ（３）の前記遠位端（１１）における力および／またはトルクの少なくとも１つの選択された方向に関するユーザからの入力を検出（Ｓ１）し、検出された入力を前記制御ユニット（５）に送信；
    － 前記ヌル空間における前記ロボットマニピュレータ（３）の前記遠位端（１１）の所定の位置および／または向きについて、それぞれの選択された方向に関連するヤコビアン行列の転置の成分を、成分に基づく第１のメトリックが以下の基準：ゼロに不等、所定の限界より大きい、最大である、のうちの１つを満たすように決定（Ｓ２）；および、
    － 前記制御ユニット（５）により、前記ヤコビアン行列の転置の決定された成分に応じた姿勢をとるために、前記ヌル空間において前記リンク（９）のサブセットを移動させるように前記ロボットマニピュレータ（３）を制御（Ｓ３）、
    を備える、ロボットマニピュレータ（３）を操作する方法。
    

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