JP2023508911A - ロボットマニピュレータの仮想力センサの較正 - Google Patents

Abstract

本発明は、ロボットマニピュレータ（１）の仮想力センサを較正する方法に関し、以下のステップは、複数のポーズで実施される：－ ロボットマニピュレータ（１）に外部レンチを適用（Ｓ１）、－ 外部レンチの推定値を確認（Ｓ２）、－ 確認された推定値と所定の外部レンチに基づいて、第１の較正行列を確認（Ｓ３）、－ 第１の較正行列を反転させることにより、第２の較正行列を確認（Ｓ４）、－ それぞれの第２の較正行列を、それぞれの第２の較正行列が確認されたそれぞれのポーズにそれぞれの第２の較正行列を割り当てることで、全第２の較正行列のデータセットに保存する（Ｓ５）。【選択図】図２

Description

本発明は、ロボットマニピュレータの仮想力センサを較正する方法と、この較正を適用するためのロボットアームおよび制御ユニットを備えたロボットシステムに関する。

本発明の目的は、ロボットマニピュレータまたはロボットアームにおける仮想力センサの実装を改善することである。

本発明は、独立請求項の特徴から生じるものである。有利な開発および構成は、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の仮想力センサを較正するための方法であって、仮想力センサは、ロボットマニピュレータの関節にあるトルクセンサで決定されたトルクに基づいて、ロボットマニピュレータに作用する外部レンチを決定するために使用され、ロボットマニピュレータは多数のポーズで移動または手動でガイドされ、それぞれのポーズで以下のステップ：
－ ロボットマニピュレータに特定の外部レンチを適用し、
－ 現在のポーズに適用されるヤコビアン行列の転置の逆数または擬似逆数に基づき、かつ外部トルクベクトルに基づき、外部レンチの推定値を確認し、ここで、外部トルクベクトルは、ロボットマニピュレータの関節に設けられたトルクセンサにより決定されたトルクと、ロボットマニピュレータに作用する予想トルクに基づいて確認され、
－ 外部レンチの決定された推定値と所定の外部レンチに基づいて、それぞれの第１の較正行列を確認し、
－ 第１の較正行列を反転することによって、それぞれの第２の較正行列を確認し、第２の較正行列は、その後の動作中に現在決定されている外部レンチを調整するために使用され、および、
－ それぞれの第２の較正行列を、それぞれの第２の較正行列が確認されたそれぞれポーズにそれぞれの第２の較正行列を割り当てることで、全第２の較正行列のデータセットに保存する、が実行される。

ロボットマニピュレータのポーズは、特に、ロボットマニピュレータのエンドエフェクタ（存在する場合）を含む全ての部材の位置と向きの全体を示す。ポーズに関する完全な情報がわかっていれば、ロボットマニピュレータは、特にその関節のすべての駆動装置によって、固有の「姿勢」に移動させることができる。

外部レンチは、環境からロボットマニピュレータに作用する力および／またはトルク、あるいはその逆を示し、外部レンチは一般に、力に関する３成分とトルクに関する３成分から成る。所定の外部レンチは、ロボットマニピュレータのすべてのポーズで同じである、すなわち一定であることが望ましい。代替的に、異なるレンチは、好ましくは、少なくとも２つのポーズのために提供され、これは有利には、一定のレンチで少なくとも部分的に特異的に動作するそれらのポーズも考慮に入れ、すなわち、部材を接続するロボットマニピュレータの関節の少なくともいくつかにおいて、レンチの外力は、関節にトルクを生じることなく最も近接部材に向かって関節を介して線形に伝達される。このような特異姿勢の例としては、ロボットマニピュレータのすべての部材が共通の直線上に配置され、外部レンチがその共通の直線の方向から正確にロボットマニピュレータの基部に１つだけ力ベクトルを持つ場合である。

この外部レンチがロボットマニピュレータにかかると、仮想力センサによってこの外部レンチの推定値が確認される。これは、特に関節に配置されたトルクセンサの助けを借りて行われるが、必ずしも関節だけに限定されるものではない。関節上のトルクセンサは、従来技術で知られている様々な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おける柔軟な弾性材料の伸張が検出される機械的トルクセンサであり、これは材料定数の知識から適用されたトルクを推測することが可能である。さらに、特に電動モータの電流強度を測定し、そこから関節のトルクを推定することが可能である。このようにして検出された関節のそれぞれのトルクは、通常、多数の原因に基づいている。ロボットマニピュレータの動きの場合、トルクの最初の部分は、運動学的な力およびトルク、特にコリオリ加速度および遠心加速度から生じる。また、測定されたトルクの一部は、ロボットマニピュレータの動きとは無関係に重力の影響によるものである。

関節のトルクはトルクセンサによる測定で直接または間接的に検出されるが、これらは重力や運動学的に生じる力やトルクの影響により予想されるトルクにつながる。すなわち、現在の移動速度、ロボットマニピュレータの現在の加速度、およびロボットマニピュレータの質量分布と現在のポーズ（重力の影響）により、これらのトルクは、理論的には、ロボットマニピュレータのトルクセンサにおいて、予想されるトルクとして決定され、それぞれのトルクセンサにおける測定トルクから差し引くことができる。これは、外部トルクを提供する運動量オブザーバで行うことが望ましい。

このようにして求めた外部トルクから、現在の基準点を持つ所定の外部レンチの推定値を導き出すためには、ヤコビアン行列の転置の（擬似）逆数が必要となる。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、すなわち、部材を接続する関節の少なくとも２つが相互に冗長な自由度を有する場合には、（逆数そのものではなく）疑似逆数が必要とされる。冗長ロボットマニピュレータでは、特に、ロボットマニピュレータの部材を、ロボットマニピュレータのエンドエフェクタの向きおよび／または位置が変化することなく動かすことが可能である。

極端な場合、第１の較正行列および第２の較正行列は、それぞれスカラである。これは特に、外部レンチの１つの成分のみが考慮される場合であり、従って、第１の較正行列は、外部レンチのスカラ推定値に基づいて、所定のスカラ外部レンチに基づいて決定される。したがって、第２の較正行列もスカラ単一値である。

その後、それぞれの第２の較正行列が、それぞれの第２の較正行列が決定されたそれぞれのポーズに割り当てられた状態で、それぞれの第２の較正行列のすべてのデータセットにそれぞれの第２の較正行列を保存する。

好ましくは、外部レンチの推定値を確認するステップ、それぞれの第１の較正行列を確認するステップ、それぞれの第２の較正行列を確認するステップ、およびそれぞれの第２の較正行列を保存するステップは、それぞれ、コンピューティングユニットによって実施される。コンピューティングユニットは、特にロボットマニピュレータに接続されている。コンピューティングユニットは、特に好ましくは、ロボットマニピュレータ自体、特にロボットマニピュレータの台座又はベースに配置される。

ロボットマニピュレータのトルクセンサをそれぞれ較正するのではなく、ロボットマニピュレータにかかる予想トルクを考慮した仮想力センサとしての機能において、全てのトルクセンサを姿勢依存的に較正することにより、ロボットマニピュレータの質量分布の不確実性、トルクセンサの特異性、その他の影響が全て考慮されるということが本発明の有利な効果である。このように、すべての第２の較正行列のデータセットにより、ロボットマニピュレータの特定のポーズについて、ロボットマニピュレータの仮想力センサに個別の較正を適用することが可能になる。

有利な実施形態によれば、所定の外部レンチは、ロボットマニピュレータの遠位端でロボットマニピュレータに適用される。ロボットマニピュレータの遠位端には、エンドエフェクタが配置されることが好ましい。ロボットマニピュレータの接触力は、予期せぬ衝突とは別に、典型的には、エンドエフェクタとロボットマニピュレータの環境からの物体との間で起こるので、この実施形態は、有利にはこの事実を考慮に入れ、較正が、ロボットマニピュレータの遠位端におけるエンドエフェクタとロボットマニピュレータの環境の間のレンチに関して特に行われるようになっている。

ロボットマニピュレータの複数のポーズは、好ましくは、地面固定座標系に対するロボットマニピュレータの基準点の位置の等距離グリッドによって定義され、それによって、有利には、ロボットマニピュレータの基準点のすべての可能な位置（場合によっては、冗長ロボットマニピュレータのためにグリッド点ごとにいくつかのポーズを有する）が考慮され、しかしながら、また、非常に多数のグリッド点が考慮されなければならない。

さらなる有利な実施形態によれば、したがって、ロボットマニピュレータのためにタスクが指定され、タスクが分析され、タスクが実行されるときに通過すべき作業点が特定され、ロボットマニピュレータの各ポーズは、作業点とロボットマニピュレータの基準点の一つがそれぞれのポーズで一致するように選択される。ロボットマニピュレータの基準点は、特に、ロボットマニピュレータの遠位端にある基準点であり、特に、エンドエフェクタに意図的に配置されている。基準点は、特にロボットマニピュレータに身体固定的に接続され、特にロボットマニピュレータの表面上の位置に接続される、すなわちロボットマニピュレータが移動しても、この選択された位置に対して移動しないようになっている。この実施形態では、有利には、ロボットマニピュレータによって実行されるタスクに特に合わせた較正が行われ、グリッドポイントの数が大幅に削減される。

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は冗長ロボットマニピュレータであり、外部レンチの推定値は、ロボットマニピュレータのそれぞれのポーズに対する現在のヤコビアン行列の転置の擬似逆数を使用して決定される。冗長ロボットマニピュレータは、互いに冗長な自由度を持つ。これは特に、ロボットマニピュレータの部材が、特定の部材、特にロボットマニピュレータのエンドエフェクタの向き、および／または特定の基準点、特にロボットマニピュレータの遠位端の位置、を変えずに動くことができることを意味する。

さらなる有利な実施形態によれば、少なくともロボットマニピュレータの複数のポーズのサブセットについて、冗長ロボットマニピュレータは、複数のポーズにわたってそのヌル空間で移動され、複数のポーズのそれぞれについて別個の第１及び第２の較正行列が決定及び保存される。ロボットマニピュレータのヌル空間におけるポーズの変化による外部レンチの推定における不正確さの変化も、本実施形態によって有利に考慮される。

有利な実施形態によれば、ロボットマニピュレータへの所定の外部レンチの適用は、所定の質量を有する負荷をロボットマニピュレータに吊り下げることによって行われる。重力が一定で既知の場合、一定の質量の負荷を吊り下げることで、外部のレンチが地面に固定された座標系に対して常に同じ方向に、常に同じ強さで作用することが非常に確実に保証される。

さらなる有利な実施形態によれば、所定の外部レンチは、ロボットマニピュレータの機械ばねを、機械ばねが予め張られてロボットマニピュレータに力を及ぼすように支持体に接続することによって、ロボットマニピュレータに適用される。機械的支持体は、好ましくは、第２のマニピュレータ、好ましくは第２のマニピュレータのエンドエフェクタに配置される。ばねを使用することによって、外部レンチの力成分の任意の値は、有利には、ばねの特定の線形範囲にわたってばねを伸ばすことによって連続的に指定することができる。

有利な実施形態によれば、ロボットマニピュレータへの所定の外部レンチの適用は、所定の質量を有する負荷をロボットマニピュレータに吊り下げることによって行われる。この具体的な実施形態によれば、ロボットマニピュレータの動きによるトルクは、正確にこれらのトルクが検出され、そこから外部レンチの推定値が決定されるため、それに応じて予想トルクに考慮されることはない。有利には、本実施形態によれば、ロボットマニピュレータ自体によって実施可能な動きのみが仮想力センサの較正に使用されるので、ロボットマニピュレータ上の追加質量を有する負荷、バネへの接続、その他の外力および／またはトルクの適用はいずれも不要である。

本発明のさらなる態様は、ロボットアームを備え、制御ユニットを有するロボットシステムに関し、制御ユニットは、ロボットアームに仮想力センサを実装するように設計され、仮想力センサは、ロボットアームに作用する外部レンチを決定するために使用され、外部レンチは、ロボットアームの関節におけるトルクセンサによって決定されるトルクに基づいて、およびロボットアームに作用する予想トルクに基づいて、およびそれぞれの姿勢依存の現在のヤコビアン行列の転置の逆数または疑似逆数に基づいて確認され、制御ユニットは、現在決定された外部レンチに姿勢依存較正関数を適用し、ロボットアームのそれぞれの現在のポーズに関連する特定の第２の較正行列を選択することによって、または第２の較正行列の少なくとも２つの特定のものから補間を生成することによって、すべての第２の較正行列の方法に従って生成されたデータセットから較正関数を生成するように設計され、ここで、第２の較正行列の少なくとも２つの特定のもののそれぞれのポーズは、ロボットアームのそれぞれの現在のポーズに最も近い。

このようなロボットシステムは、較正が実行されるロボットマニピュレータに一致させることができる。上記で説明したように、較正は、自分のロボットマニピュレータに適用するために再び使用することができ、または別のロボットマニピュレータに使用することができ、ここでは明確化のために「ロボットアーム」を有する「ロボットシステム」と称する。

提案されたシステムの利点および好ましいさらなる実施形態は、提案された方法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、および／または機能的に同一の部品には、同一の参照番号を付す。

図１は、本発明の実施形態に係るロボットマニピュレータの仮想力センサの較正方法を示す。 図２は、図１による方法が実行されるロボットマニピュレータを示す。 図３は、本発明のさらなる例示的な実施形態による図１による較正の結果を使用するためのロボットシステムを示す。

［図面の詳細な説明］
図中のイラストは模式的なものであり、縮尺どおりではない。

図２は、そのようなロボットマニピュレータ１を、その構成要素、トルクセンサ３、およびロボットマニピュレータ１のその遠位端５とともに示す。ロボットマニピュレータ１の冗長自由度は、相互に平行な関節軸を有する複数の関節によって象徴される。このロボットマニピュレータ１に対して、図１で説明したような方法が実施される。図１の説明を参照する。

図３は、ロボットアーム１２を有し、制御ユニット１４を備えたロボットシステム１０を示す。ロボットシステム１０は、図３において、図１のロボットマニピュレータ１とは異なるロボットアーム１２で象徴的に示されている。これは、図１および図２の説明による較正が、ロボットシステム自体で行われることなく、さらなるロボットシステム１０に移されることができることを示している。ロボットシステム１０の制御ユニット１４は、ロボットアーム１２の基部に配置され、ロボットアーム１２に仮想力センサを実行し、仮想力センサは、ロボットアーム１２に現在作用する外部レンチを決定するために用いられ、外部レンチは、ロボットアーム１２の関節におけるトルクセンサ１３によって決定されたトルクと、ロボットアーム１２に作用する予想トルクと、それぞれのポーズ依存の現在のヤコビアン行列の転置の逆数または疑似逆数に基づいて決定される。また、制御ユニット１４は、現在決定されている外部レンチに対して、ポーズ依存の較正関数を適用し、校正関数は、ロボットアーム１２の現在のポーズに関連付けられた第２の較正行列、すなわち最も近いものを選択することによって、図１に係る説明に従って生成された全ての第２の較正行列のデータセットから決定される。

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：トルクセンサ
５：ロボットマニピュレータの遠位端
１０：ロボットシステム
１２：ロボットアーム
１３：トルクセンサ
１４：制御ユニット
Ｓ１：適用
Ｓ２：確認
Ｓ３：確認
Ｓ４：確認
Ｓ５：保存

Claims (10)

1. ロボットマニピュレータ（１）の仮想力センサを較正するための方法であって、前記仮想力センサは、前記ロボットマニピュレータ（１）の関節にあるトルクセンサ（３）で決定されたトルクに基づいて、前記ロボットマニピュレータ（１）に作用する外部レンチを決定するために使用され、前記ロボットマニピュレータ（１）は複数のポーズで移動または手動でガイドされ、それぞれのポーズで以下のステップ：
   － 前記ロボットマニピュレータ（１）にそれぞれ所定の外部レンチを適用し（Ｓ１）、
   － 現在のポーズに適用されるヤコビアン行列の転置の逆数または擬似逆数に基づき、かつ外部トルクベクトルに基づき、前記外部レンチの推定値を確認し（Ｓ２）、ここで、前記外部トルクベクトルは、前記ロボットマニピュレータ（１）の前記関節に設けられた前記トルクセンサ（３）により決定されたトルクと、前記ロボットマニピュレータ（１）に作用する予想トルクに基づいて確認され、
   － 前記外部レンチの決定された推定値と前記所定の外部レンチに基づいて、それぞれの第１の較正行列を確認し（Ｓ３）、
   － 前記第１の較正行列を反転することによって、それぞれの第２の較正行列を確認し（Ｓ４）、前記第２の較正行列は、その後の動作中に現在決定されている外部レンチを調整するために使用され、および、
   － それぞれの前記第２の較正行列を、それぞれの前記第２の較正行列が確認されたそれぞれポーズにそれぞれの前記第２の較正行列を割り当てることで、全第２の較正行列のデータセットに保存する（Ｓ５）、
   が実行される、方法。
2. 前記ロボットマニピュレータ（１）に対する前記所定の外部レンチの適用が、前記ロボットマニピュレータ（１）の遠位端（５）で行われる、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の較正行列の確認は、前記外部レンチの確認された推定値に基づいて、および所定の逆数または擬似逆数の外部レンチに基づいて行われる、請求項１から２のいずれか一項に記載の方法。
4. 前記ロボットマニピュレータ（１）のタスクが指定され、前記タスクが分析され、タスクが実行されるときに通過すべき作業点が特定され、前記作業点のそれぞれ１つと前記ロボットマニピュレータ（１）の基準点とがそれぞれのポーズで互いに一致するように、前記ロボットマニピュレータ（１）のそれぞれのポーズが選択される、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記ロボットマニピュレータ（１）は冗長ロボットマニピュレータであり、前記外部レンチの推定値は、前記ロボットマニピュレータ（１）のそれぞれのポーズに対する現在のヤコビアン行列の転置の疑似逆数を用いて確認される、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記ロボットマニピュレータ（１）の複数のポーズの少なくともサブセットについて、前記冗長ロボットマニピュレータ（１）は、複数のポーズにわたってそのヌル空間で移動され、前記複数のポーズのそれぞれについて別々の第１および第２の較正行列が決定されて保存される、請求項５に記載の方法。
7. 前記ロボットマニピュレータ（１）への前記所定の外部レンチの適用は、所定の質量を有する負荷を前記ロボットマニピュレータ（１）に吊り下げることによって行われる、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記ロボットマニピュレータ（１）への前記所定の外部レンチの適用は、前記ロボットマニピュレータ（１）の機械ばねを、前記機械ばねが予め張られて前記ロボットマニピュレータ（１）に力を及ぼすように支持体に接続することによって行われる、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記ロボットマニピュレータ（１）への前記所定の外部レンチの適用は、前記ロボットマニピュレータ（１）の慣性質量による所定の加速度が前記ロボットマニピュレータ（１）上で起こるように、前記ロボットマニピュレータ（１）を移動させることによって行われる、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の方法。
10. ロボットアーム（１２）と制御ユニット（１４）を有するロボットシステム（１０）であって、前記制御ユニット（１４）は、前記ロボットアーム（１２）上に仮想力センサを実装するように設計され、前記仮想力センサは、前記ロボットアーム（１２）に作用する外部レンチを確認するために使用され、前記外部レンチは、前記ロボットアーム（１２）の関節におけるトルクセンサ（１３）によって決定されたトルクに基づいて、前記ロボットアーム（１２）に作用する予想トルクに基づいて、およびそれぞれのポーズ依存の現在のヤコビアン行列の転置の逆数または疑似逆数に基づいて確認され、前記制御ユニット（１４）は、現在決定された外部レンチにポーズ依存較正関数を適用し、前記ロボットアーム（１２）のそれぞれの現在のポーズに関連する所定の第２の較正行列を選択することによって、または前記第２の較正行列の少なくとも２つから補間を生成することによって、すべての第２の較正行列の請求項１から９までのいずれかによる方法に従って生成されたデータセットから較正関数を生成するよう設計され、前記第２の較正行列の少なくとも２つのそれぞれのポーズが前記ロボットアーム（１２）のそれぞれの現在のポーズに最も近い、ロボットシステム。
    

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