JP2023542515A - 速度制御ベースのロボットシステム - Google Patents

Abstract

【解決手段】速度制御ベースのロボットシステムが開示されている。様々な実施形態において、ロボットが位置する物理空間内に配備されている１または複数のセンサからセンサデータが受信される。プロセッサを用いて、センサデータに少なくとも部分的に基づいて、ロボットを構成する要素を移動させる際に沿うべき少なくとも部分的に速度に基づく軌道が決定される。速度に基づく軌道を実行する旨のコマンドが、ロボットへ送信される。【選択図】図３

Description

他の出願への相互参照

本願は、２０２０年９月２３日出願の名称を「ＶＥＬＯＣＩＴＹ ＣＯＮＴＲＯＬ－ＢＡＳＥＤ ＲＯＢＯＴＩＣ ＳＹＳＴＥＭ」とする米国仮特許出願第６３／０８２，３４６号に基づく優先権を主張し、その仮特許出願は、すべての目的のために参照により本明細書に組み込まれる。

典型的には、ロボットアームおよびその他のロボット要素は、位置制御を用いて制御される。ロボットアームまたはその他のロボット要素（「ロボット」とも呼ばれる）のエンドエフェクタが現在／開始位置から移動されることが望まれる（例えば、三次元空間内の）標的または目標位置を制御コンピュータが決定する。ロボットを構成するコンピュータおよび／またはソフトウェアは、エンドエフェクタの位置を変えさせるために、ロボットを構成する１または複数の関節（例えば、アームセグメントを接続しおよび／またはベースセグメントをベースへ取り付けている関節）をどのように回転させるのかを決定する。

典型的には、ロボットは、駆動されている終点ポジションから関節がさらに離間するように、関節を駆動するモータにより高いトルクを印加する。結果として、ロボットは、軌道が長いほど、離間している点の間でより迅速に移動し、軌道の始点および終点でより迅速に加速する傾向がある。典型的なアプローチにおいて、ロボット制御コンピュータまたはその他の制御システムは、速度および／または加速度を直接制御できない。移動ならびにより高い速度および／またはより高い加速度は、一部の文脈では、例えば、目標位置に配置されるために、ロボットを用いて把持されたアイテムへの損傷につながりうる。

位置制御ロボットにおいて速度、加速度、および、その他のより高次の位置の導関数をよりきめ細かく（間接的でも）制御するための既存の技術は、軌道を一連のより短い軌道に分割することを含む。しかしながら、かかるアプローチは、より連続的な、単一の／長い軌道のアプローチと比べて、複雑さを高め、スループットを低下させる。

さらに、テーブル上にある物体を押し下げるなど、動いていない物体へ所望の量の（または、所望の最大値または限界値を超えない量の）力を印加するために、位置制御ロボットを利用することは困難である。１つのアプローチは、物体を移動させることができないことがわかっている位置にある、力が印加されることが望まれる軸に沿った目標位置（テーブルまたはその他の表面の中または下など）を割り当て、その結果として、ロボットが、現在位置と想定目的地との間の距離に比例して力を印加するアプローチでありうる。しかしながら、かかる技術を用いて力を制御することは困難であり、ロボットのエンドエフェクタおよび／または物体の現在位置に関する情報が不正確であるのために、誤差が生じうる。

以下の詳細な説明および添付の図面において、本発明の様々な実施形態を開示する。

速度制御を用いるロボットキッティングシステムの一実施形態を示す図。

速度ベースの制御を用いて、多様なアイテムをパレタイズおよび／またはデパレタイズするためのロボットシステムの一実施形態を示す図。

速度制御を用いるロボットシンギュレーションシステムの一実施形態を示す図。

速度制御ベースのロボットシステムの一実施形態を示すブロック図。

ロボットシステムを制御するための処理の一実施形態を示すフローチャート。

速度制御ベースのロボットシステムの一実施形態における速度制御の一例を示す図。

速度制御ベースのロボットシステムの一実施形態における速度制御の一例を示す図。

速度制御ベースのロボットシステムの一実施形態における速度制御の一例を示す図。

速度制御ベースのロボットシステムの一実施形態を示すブロック図。

ロボットシステムを制御するための制限を決定して課す処理の一実施形態を示すフローチャート。

帰属力場を用いてロボットシステムを制御する処理の一実施形態を示すフローチャート。

速度制御ベースのロボットシステムの一実施形態における速度制御の一例を示す図。

速度制御ベースのロボットシステムの一実施形態における速度制御の一例を示す図。

ロボットシステムの制御において、位置制御を用いて標的および／または移動先を変更する一例を比較の目的で示す図。

本明細書で開示されている速度制御を用いて、ロボットシステムにおいて標的および／または移動先を変更する一例を示す図。

速度制御を用いて新たな標的および／または移動先へ方向転換する処理の一実施形態を示すフローチャート。

２以上のロボットを用いてタスクを協調的に実行するために速度制御を利用する処理の一実施形態を示すフローチャート。

速度制御ベースのロボットシステムの一実施形態を示すブロック図。

本発明は、処理、装置、システム、物質の組成、コンピュータ読み取り可能な格納媒体上に具現化されたコンピュータプログラム製品、および／または、プロセッサ（プロセッサに接続されたメモリに格納および／またはそのメモリによって提供される命令を実行するよう構成されたプロセッサ）を含め、様々な形態で実施されうる。本明細書では、これらの実施例または本発明が取りうる任意の他の形態が、技術と呼ばれうる。一般に、開示されている処理の工程の順序は、本発明の範囲内で変更されてもよい。特に言及しない限り、タスクを実行するよう構成されるものとして記載されたプロセッサまたはメモリなどの構成要素は、或る時間にタスクを実行するよう一時的に構成された一般的な構成要素として、または、タスクを実行するよう製造された特定の構成要素として実装されてよい。本明細書では、「プロセッサ」という用語は、１または複数のデバイス、回路、および／または、コンピュータプログラム命令などのデータを処理するよう構成された処理コアを指すものとする。

以下では、本発明の原理を示す図面を参照しつつ、本発明の１または複数の実施形態の詳細な説明を行う。本発明は、かかる実施形態に関連して説明されているが、どの実施形態にも限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によってのみ限定されるものであり、本発明は、多くの代替物、変形物、および、等価物を含む。以下の説明では、本発明の完全な理解を提供するために、多くの具体的な詳細事項が記載されている。これらの詳細事項は、例示を目的としたものであり、本発明は、これらの具体的な詳細事項の一部または全てがなくとも特許請求の範囲に従って実施可能である。簡単のために、本発明に関連する技術分野で周知の技術事項については、本発明が必要以上にわかりにくくならないように、詳細には説明していない。

速度制御を用いてロボットアームまたはその他のロボットを操作するロボットシステムが開示されている。様々な実施形態において、本明細書で開示されているロボット制御システムは、ロボットが動く速度を制御するためにコマンドを決定および発行することによってロボットを制御する。いくつかの実施形態において、本明細書で開示されているシステムは、ロボットアームを構成する６つの（もしくは、それより多いまたはそれより少ない）関節が動作される速度を制御することなどによって、制御システムが、ロボットの動く速度および／または加速度をより直接的に制御することを可能にするロボットアームまたはその他のロボットを備える。いくつかの場合に、ロボットは、エンドエフェクタ速度またはその他の形態の速度制御によって制御されてよい。関節、エンドエフェクタ、または、ロボットのその他のメカニズムのどれを制御するのかに関わらず、単純な変換層のみが必要とされるので、結果は同じであり、本書における特許請求の範囲は同じように適用される。ロボットは、速度制御コマンドに応答して、ロボット制御システムから受信したそれぞれの速度制御コマンドに関連付けられているレベルでそれぞれの関節にトルクを印加する。例えば、ロボットは、（例えば、特定の関節に対して）命令された速度と現在の速度との間の差／誤差を算出してよく、その差／誤差を低減するように算出されたトルクを印加してよい。いくつかの実施形態において、制御システムは、ロボットのそれぞれの関節に印加されるトルク（または、電流（例えば、アンペア））をより直接的に制御するコマンドを生成および発行する。本明細書で用いられている「トルク」という用語は、「電流（例えば、アンペア）」と交換可能であると見なされてよく、「トルク」への言及は、「トルクまたは電流（例えば、アンペア）」を意味する。

様々な実施形態において、本明細書で開示されているロボット制御システムは、ロボットのモデル（例えば、ロボットの要素（例えば、アームセグメント）、幾何形状、機能、などを表すモデル）を用いて、ロボットの動作を制御するための速度制御コマンドまたはその他の制御コマンドを決定する。例えば、モデルは、様々な実施形態において、各関節について、エンドエフェクタの所望の速度、加速度などを達成する目的でロボットに提供される速度コマンド、トルクコマンド、または、その他のコマンド、もしくは、コマンドセットを決定するために用いられる。

様々な実施形態において、ロボット制御システムは、ロボットが動作している（または、動作することになる）作業空間／環境におけるロボットの動作をシミュレートする。システムは、シミュレーションと、作業空間からの（実際のおよび／またはシミュレートされた）センサ読み取り値（画像またはその他の情報など）とを用いて、エンドエフェクタおよび／またはアイテムの現在位置、将来位置、現在速度、予測速度など、アイテムの流れから把持されるアイテム、もしくは、ロボットに把持されたアイテムが配置される先またはアイテムが把持される元の動いているコンベヤ上の位置などの、動的作業空間における移動元位置および／または移動先位置、の内の１または複数を決定する。速度制御は、ロボットのエンドエフェクタを移動元位置／移動先位置まで移動させるために用いられ、移動元位置／移動先位置は、いくつかの実施形態において、動いていてもよい。速度制御は、動いているアイテムまたは位置を捕捉するためのベクトルを決定するために用いられ、動いているアイテムを把持しおよび／または把持したアイテムを動いている移動先位置に配置するなどの目的で、エンドエフェクタをアイテム／位置へ向かって駆動しおよび／またはアイテム／位置の速度を合わせるために連続的に更新される。いくつかの実施形態において、シミュレーションに従ったロボット（例えば、エンドエフェクタ）の所望または予測された速度と、センサデータに基づいて決定された測定速度または観測速度との間の誤差（差）は、シミュレーションに一致するようにロボットの速度を調節するコマンドを迅速に決定してリアルタイムに発行するために用いられる。

図１Ａは、速度制御を用いるロボットキッティングシステムの一実施形態を示す図である。図の例において、キッティングシステム１００は、箱用コンベヤ１０８と並んで一列に配置された１セットのキッティングマシン１０２、１０４、および、１０６を備えている。箱組み立てマシン１１０が、箱１１２、１１４を組み立てて、それらの箱をコンベヤ１０８上に置く。様々な実施形態において、箱組み立てマシン１１０は、例えば、箱のサイズ選択と、箱（例えば、箱１１２、１１４）の組み立ておよびコンベヤ１０８上への配置のタイミングとを連携／同期させるために、キッティングシステム１００の他の要素によって、および／または、他の要素と通信して、制御されてよい。

図１Ａに示す例では、ロボットアーム１１６が、キャリッジ１１８上に取り付けられており、キャリッジ１１８は、キッティングマシン１０２、１０４、および、１０６の向かい側で、コンベヤ１０８と並んで実質的に平行に配置されたレールまたはその他の直線ガイド１２０に沿って走るよう構成されている。様々な実施形態において、キッティングマシン１０２、１０４、および、１０６からアイテムを自動取得し、コンベヤ１０８に沿って箱が移動される間に箱１１２、１１４の中にアイテムを配置することを容易にするように、キャリッジ１１８および取り付けられたロボットアーム１１６をレールまたはガイド１２０に沿って移動させるために、モータ、ベルト、鎖、または、その他の原動力源が、コントローラ（図１では図示せず）を介して適用される。

図の例において、キッティングマシン１０２、１０４、および、１０６と、コンベヤ１０８と、箱組み立てマシン１１０と、ロボットアーム１１６および／またはキャリッジ１１８と、の内の１または複数の動作は、制御コンピュータ１２２の制御下で協調的に操作される。図の例において、制御コンピュータ１２２は、コントローラ（図１では図示せず）と無線通信し、各コントローラは、システム１００を構成する対応する要素（例えば、キッティングマシン１０２、１０４、および、１０６、コンベヤ１０８、箱組み立てマシン１１０、ならびに、ロボットアーム１１６および／またはキャリッジ１１８）の動作を制御するよう構成されている。無線接続が図１に示されているが、様々な実施形態において、有線接続、もしくは、有線接続および無線接続の組みあわせが用いられてもよい。

様々な実施形態において、制御コンピュータ１２２は、取得されて一緒に梱包されるアイテムの送り状、注文、部品リスト、ピックアップリスト、または、その他のリストに関連するデータを受信し、必要とされるアイテムの取得および梱包を遂行するための戦略／計画を決定し、要求を遂行するように協調して、システム１００の要素（例えば、キッティングマシン１０２、１０４、および、１０６、コンベヤ１０８、箱組み立てマシン１１０、ならびに、ロボットアーム１１６および／またはキャリッジ１１８）を動作させるよう、例えば、制御コンピュータ１２２上で実行するソフトウェアによって、構成されている。

例えば、いくつかの実施形態において、制御コンピュータ１２２は、梱包されるアイテムのリストを受信するよう構成されている。制御コンピュータ１２２は、どのアイテムがキッティングマシン１０２、１０４、および、１０６のどれと関連付けられているかを決定し、アイテムを取得して梱包するための計画を立てる。制御コンピュータ１２２は、箱（例えば、１１２、１１４）を組み立ててコンベヤ１０８上に配置するように箱組み立てマシン１１０を制御し、１または複数のアイテムを載せる位置に箱を前進させるようにコンベヤ１０８を制御する。制御コンピュータ１２２は、１または複数の第１アイテムをキッティングマシン１０２、１０４、および、１０６の内の関連するマシンから取得するためにロボットアーム１１６を配置する必要に応じて、キャリッジ１１８および／またはロボットアーム１１６を制御する。制御コンピュータ１２２は、必要な数量の必要なアイテムが、コンベヤ１０８およびロボットアーム１１６に最も近いキッティングマシン１０２、１０４、および、１０６の端のピックアップゾーンに存在することを確実にするように、キッティングマシン１０２、１０４、および、１０６を制御してよい。制御コンピュータ１２２は、ロボットアーム１１６を制御して、対応するピックアップゾーンからアイテムを取得させ、箱（例えば、１１２、１１４）の中にアイテムを配置させ、その後、その特定のキットに含める必要のある任意のさらなるアイテムの協調的な取得および梱包を実行するために移動させる。すべてのアイテムが取得され梱包されると、制御コンピュータ１２２は、コンベヤ１０８を制御して、箱（例えば、１１２、１１４）を遂行（フルフィルメント）の次の段階（図１には図示されていないが、例えば、箱が密閉され、ラベル付けされ、出荷に向けて送られるステーション）へと進める。

図１Ａをさらに参照すると、図の例において、システム１００は、システム１００を構成する要素のビデオ画像をキャプチャするよう構成されているビデオカメラ１２４を備える。カメラ１２４は、システム１００を構成する要素を制御するために制御コンピュータ１２２によって用いられる複数のセンサの内の１つであってよい。例えば、図の例において、カメラ１２４によって生成されて制御コンピュータ１２２へ送信されたビデオは、十分かつ過剰ではない数のアイテムがピックアップゾーンで利用可能であることを保証するように、および／または、ロボットアーム１１６による取得に向けてアイテムを配置または再配置するように、キッティングマシン１０２、１０４、および、１０６を構成するコンベヤベルトの速度および／または方向を制御するために制御コンピュータ１２２によって用いられてよい。さらに、カメラ１２４および／またはその他のカメラは、ロボットアーム１１６がアイテムをピックアップし、および／または、箱（例えば、１１２、１１４）の中にアイテムを配置することを容易にするために用いられてもよい。様々な実施形態において、複数のカメラが、自動化された（そして、必要に応じて、人間が支援する）キッティング動作を容易にするために、環境内、および、システム１００を構成するそれぞれの要素上など、複数の位置に配備されてよい。様々な実施形態において、接触スイッチまたはリミットスイッチ、圧力センサ、重量センサなどを含むがこれらに限定されない、カメラ以外のセンサが配備されてもよい。

様々な実施形態において、制御コンピュータ１２２は、システム１００を構成するロボットアーム１１６およびその他の要素（例えば、キッティングマシン１０２、１０４、および、１０６、コンベヤ１０８、箱組み立てマシン１１０、ならびに、ロボットアーム１１６および／またはキャリッジ１１８）のモデルに少なくとも部分的に基づいて、キッティング要求を遂行するための計画を決定するようプログラムされている。それぞれのモデルは、様々な実施形態において、それぞれの要素の機能および制限を反映している。例えば、キッティングマシン１０２、１０４、および、１０６は、この例では固定位置にあるが、各々が、前後方向に、および／または、異なる速度で、動かされることが可能であってよいコンベヤベルトを有する。さらに、制御コンピュータ１２２は、例えば、どのアイテムがどのキッティングマシンのどの位置にあるか、各キッティングマシンおよび／またはそれに関連するピックアップゾーンがどこに配置されるかなど、初期化および／または構成に関連して格納された情報を用いて、要求を遂行するための計画を決定してよい。さらに、制御コンピュータ１２２は、センサデータ（カメラ１２４によってキャプチャされたビデオなど）に少なくとも部分的に基づいて決定されたデータを用いて、要求を遂行するための計画を立ててもよい。

様々な実施形態において、制御コンピュータ１２２は、制御コンピュータ１２２にプログラムされ、および／または、制御コンピュータ１２２によって学習された（次の）タスクまたはサブタスクを行うための戦略を用いて、要求を遂行するための計画を策定ならびに／もしくは更新または再策定し、その計画を実行するかまたは実行しようとするよう構成されている。例としては、アイテムの属性（剛性、壊れやすさ、形状、向きなど）に基づいて所与のアイテムをピックアップするためにロボットアーム１１６を用いる戦略が含まれるが、それに限定されない。いくつかの実施形態において、制御コンピュータ１２２は、第１戦略（例えば、好ましい戦略または最良の戦略）を用いてタスク（例えば、ロボットアーム１１６でアイテムをピックアップするタスク）を実行しようと試み、それが失敗した場合に、利用可能であれば代替戦略（例えば、ロボットアーム１１６を用いてアイテムを軽く突いた後に再試行する戦略、キッティングマシン（例えば、１０２、１０４、および、１０６）のコンベヤまたはその他の装置を順方向および／または逆方向に若干動かして再試行する戦略、など）を決定して利用するようプログラムされている。

図１に示す例において、制御コンピュータ１２２は、人間オペレータ１２８によって操作されるオンデマンド遠隔操作装置１２６に接続されている。図１において、遠隔操作装置１２６は、人間オペレータ１２８によって操作されているが、いくつかの実施形態において、遠隔操作装置１２６は、非人間オペレータ（高度な技能を有するロボットなど）によって操作されてもよい。様々な実施形態において、制御コンピュータ１２２は、キッティング動作および／またはその構成タスクを完全自動動作で継続／完了させるために利用可能な戦略がないとの制御コンピュータ１２２による決定に少なくとも部分的に基づいて、オンデマンド遠隔操作を呼び出すよう構成されている。例えば、ロボットアーム１１６が取得できない位置にアイテムが落とされた場合、または、所定の最大試行回数までアイテムのピックアップが試行されても、その取得に成功していない場合、などである。かかる決定に基づいて、制御コンピュータ１２２は、警告またはその他の通信をオンデマンド遠隔操作装置１２６へ送信し、人間オペレータ１２８が遠隔操作装置１２６を用いて、制御コンピュータ１２２による完全自動制御下でシステム１００が完了できなかったタスクまたはサブタスクを少なくとも実行するために、システム１００の１または複数の要素（例えば、キッティングマシン１０２、１０４、および、１０６と、コンベヤ１０８と、箱組み立てマシン１１０と、ロボットアーム１１６および／またはキャリッジ１１８と、の内の１または複数）を操作するようにプロンプトする。

様々な実施形態において、制御コンピュータ１２２は、本明細書に開示され以下でより完全に説明されるように速度ベースの制御を用いてロボットアーム１１６および／またはキャリッジ１１８を制御する。

図１Ｂは、速度ベースの制御を用いて、多様なアイテムをパレタイズおよび／またはデパレタイズするためのロボットシステムの一実施形態を示す図である。図の例において、システム１３０は、ロボットアーム１３２を備える。この例において、ロボットアーム１３２は、固定されているが、様々な別の実施形態において、ロボットアーム１３２は、例えば、レール上に取り付けられている、モータ駆動シャーシ上で完全に移動可能である、など、完全にまたは部分的に移動可能であってもよい。図に示すように、ロボットアーム１３２は、コンベヤベルト（またはその他のソース）１３４から任意のおよび／または異種のアイテムをピックして、パレットまたはその他の容器１３６に積み重ねるために用いられる。

図の例において、ロボットアーム１３２は、吸着タイプのエンドエフェクタ１３８を備えている。エンドエフェクタ１３８は、複数の吸着カップ１４０を有する。ロボットアーム１３２は、図に示すように、ピックアップされるアイテムの上にエンドエフェクタ１３８の吸着カップ１４０を配置するために用いられ、真空源が、アイテムを把持し、アイテムをそのコンベヤ１３４から持ち上げ、アイテムを容器１３６上の移動先位置にプレースするための吸着力を提供する。

様々な実施形態において、エンドエフェクタ１３８に取り付けられた３Ｄカメラまたはその他のカメラ１４２と、ロボットシステム１３０が配備されている空間内に取り付けられたカメラ１４４、１４６と、の内の１または複数が、コンベヤ１３４上のアイテムを識別するため、および／または、アイテムを把持し、ピック／プレースし、容器１３６上に積み重ねるための計画を決定するために用いられる。様々な実施形態において、図示されていないさらなるセンサ（例えば、コンベヤ１３４および／またはロボットアーム１３２の中におよび／または隣接して具現化されている重量センサまたは力センサ、吸着カップ１４０のｘ－ｙ平面および／またはｚ－方向（垂直方向）の力センサ、など）が、例えばシステム１３０によって、アイテムが配置および／または再配置されうるコンベヤ１３４および／またはその他の移動元および／またはステージングエリア上のアイテムを識別し、その属性を決定し、把持し、ピックアップし、決定された軌道を通って移動させ、および／または、容器１３６の上または中の移動先位置にプレースするために用いられてよい。

図１Ｂをさらに参照すると、図の例において、システム１３０は、この例では無線通信を介して（ただし、様々な実施形態において、有線通信および無線通信の一方または両方で）、ロボットアーム１３２、コンベヤ１３４、エフェクタ１３８、および、センサ（カメラ１４２、１４４、および、１４６、ならびに／もしくは、図１Ｂに示していない重量センサ、力センサ、および／または、その他のセンサなど）などの要素と通信するよう構成されている制御コンピュータ１４８を備える。様々な実施形態において、制御コンピュータ１４８は、センサ（カメラ１４２、１４４、および、１４６、ならびに／もしくは、図１Ｂに示していない重量センサ、力センサ、および／または、その他のセンサなど）からの入力を用いて、容器１３６へ荷積みおよび／または容器１３６から荷下ろしされるアイテムの１または複数の属性を観察、識別、および、決定するよう構成されている。様々な実施形態において、制御コンピュータ１４８は、例えば、画像および／またはその他のセンサデータに基づいて、制御コンピュータ１４８に格納されたライブラリ内および／または制御コンピュータ１４８にとってアクセス可能なライブラリ内のアイテムモデルデータを用いて、アイテムおよび／またはその属性を識別する。制御コンピュータ１４８は、アイテムに対応するモデルを用いて、移動先（容器１３６など）の中／上に、他のアイテムと共に、アイテムを積み重ねるための計画を決定および実行する。様々な実施形態において、アイテム属性および／またはモデルは、アイテムを把持、移動させて、移動先位置（例えば、容器１３６の中／上にアイテム積み重ねるための計画／再計画処理の一部として、アイテムがプレースされると決定された位置）にプレースするための戦略を決定するのに利用される。

図の例において、制御コンピュータ１４８は、「オンデマンド」遠隔操作装置１５２に接続されている。いくつかの実施形態において、制御コンピュータ１４８が、完全自動モードで続行できない場合、例えば、制御コンピュータ１４８が完全自動モードでアイテムのピックアンドプレースを完了するための戦略を持たなくなるように、アイテムを把持、移動、および、プレースするための戦略が、決定できなくなり、および／または、失敗した場合、制御コンピュータ１４８は、例えば、アイテムを把持、移動、および、プレースするために、遠隔操作装置１５２を用いて、ロボットアーム１３２および／またはエンドエフェクタ１３８を操作することによって介入するように人間ユーザ１５４に指示する。

様々な実施形態において、制御コンピュータ１４８は、本明細書に開示され以下でより完全に説明されるように速度ベースの制御を用いてロボットアーム１３２を制御する。

図２は、速度制御を用いるロボットシンギュレーションシステムの一実施形態を示す図である。様々な実施形態において、本明細書で開示されているロボットシステムは、例えば、シュートもしくはその他の供給または取り込みソースからアイテムを回収して、コンベヤもしくはその他の出力または移動先構造の上の対応する位置に１つずつ各アイテムをプレースするなど、シンギュレーション／誘導を実行するために、１または複数のロボットアームを備えてよい。

図２に示す例において、システム２００は、吸着ベースのエンドエフェクタ２０４を備えたロボットアーム２０２を備える。図の例において、エンドエフェクタ２０４は、吸着ベースのエンドエフェクタであるが、様々な実施形態において、ピンチベースのエンドエフェクタまたはその他のタイプの作動グリッパを含むがこれらに限定されない、１または複数のその他のタイプのエンドエフェクタが、本明細書で開示されているシンギュレーションシステムで用いられてもよい。様々な実施形態において、エンドエフェクタは、吸着、空気圧、空圧、油圧、または、その他の作動、の内の１または複数によって作動されてよい。ロボットアーム２０２および２０４は、シュートまたは大箱２０６を介して到着した荷物またはその他のアイテムを取り、仕切り付きコンベヤ２０８上の対応する位置に各アイテムをプレースするために用いられるよう構成されている。この例において、アイテムは、取り入れ端２１０からシュート２０６へ供給される。例えば、１または複数の人間および／またはロボットの作業員が、直接的に、もしくは、シュート２０６へアイテムを供給するよう構成されたコンベヤまたはその他の電気機械構造を介して、シュート２０６の取り入れ端２１０へアイテムを供給してよい。

図の例において、ロボットアーム２０２、エンドエフェクタ２０４、および、コンベヤ２０８の内の１または複数が、制御コンピュータ２１２によって協調的に動作される。様々な実施形態において、制御コンピュータ２１２は、画像センサ（この例では、３Ｄカメラ２１４および２１６など）によって提供される画像データに基づいて、個々のアイテムと、各アイテムの向きとを判別するために用いられるビジョンシステムを備える。ビジョンシステムは、個々のアイテムを把持し、機械識別および仕分けに利用可能な対応する規定された位置（仕切り付きコンベヤ２０８の仕切られた部分など）に各アイテムをプレースするための戦略を決定するために、ロボットシステムによって用いられる出力を生成する。

さらに図２を参照すると、図の例において、システム２００は、さらに、ロボットアーム２０２、エンドエフェクタ２０４、および、コンベヤ２０８、の内の１または複数を遠隔操作によって操作するために、人間の作業員２２０によって利用可能なオンデマンド遠隔操作装置２１８を備える。いくつかの実施形態において、制御コンピュータ２１２は、完全自動モードでアイテムを把持およびプレースすることを試みるよう構成されている。しかしながら、完全自動モードで動作することを試みた後に、制御コンピュータ２１２が、１または複数のアイテムを把持するために利用可能な（さらなる）戦略がないと判定した場合、様々な実施形態において、制御コンピュータ２１２は、例えば遠隔操作装置２１８を用いて人間のオペレータ２２０によって、遠隔操作で人間のオペレータからの支援を得るために警告を送信する。

様々な実施形態において、制御コンピュータ２１２は、本明細書に開示され以下でより完全に説明されるように速度ベースの制御を用いてロボットアーム２０２を制御する。

図１Ａ、図１Ｂ、および、図２に示した例によって説明されるように、多くの用途において、ロボットの周りの世界および環境は、常に変化し続けうる。例えば、コンベヤベルトが、予期せず停止または開始する場合あり、もしくは、予期せぬ速度で動作する場合がある。環境内の人間が、予期せぬ形でアイテムを移動させまたは流れを妨げる場合があり、もしくは、環境内の１または複数のロボットまたはその他の装置が、環境内に存在する人間の安全性を確保するために停止または減速しなければならない場合がある。ロボットによって移動または別の方法で操作される物体が、物体の雑然とした山または流れの中にある場合があり、物体が、他の物体のピックアンドプレース、自動供給システムの動作、などによって、位置および／または向きを変える場合がある。

様々な実施形態において、本明細書で開示されているロボットシステムは、エンコーダ、カメラ、ゲート／ラッチ、力センサ、および、フィールドバス信号など、様々なセンサを用いてキャプチャされた情報をリアルタイムで連続的に処理する。ロボットシステムは、変化する制約、新たな標的、連続的な信号サーボ、その他のユーザ入力、などに従うように、ロボットを動的かつ適応的に制御する。あらゆる動きが異なっており、オンザフライでリアルタイムに生成される。様々な実施形態において、本明細書で開示されている速度ベースの制御は、ロボット、ロボットによって操作されているアイテム、ならびに、ロボットが配備されている環境内のその他のロボットまたは構造への損傷のリスクを高めることなしに、変化する条件および要件に迅速に対応するために用いられる。

様々な実施形態において、本明細書で開示されているロボット制御システムは、少なくとも部分的には、ロボットを常にシミュレートして、システムが実ロボットに従事させたい正確な動き（例えば、ロボット関節の位置、速度、加速度）をリアルタイムで生成することによって、変化する条件へ迅速に適応する。

図３は、速度制御ベースのロボットシステムの一実施形態を示すブロック図である。様々な実施形態において、図３のロボット制御システム３００は、少なくとも部分的には、制御コンピュータ（図１Ａのコンピュータ１２２、図１Ｂのコンピュータ１４８、および／または、図２のコンピュータ２１２、など）によって実装される。図の例において、ユーザ入力が、ユーザインターフェース３０２（例えば、グラフィック、テキストベース、構成ファイルベース、または、その他のインターフェースを介してユーザ入力を提示および受信するよう構成されているコンピュータ（例えば、コンピュータ１２２、１４８、２１２）を構成するプロセッサ上で実行するユーザインターフェースモジュールまたはコード）を介して受信される。様々な実施形態において、ユーザインターフェース３０２は、図１Ａに示した例のように、実行されるべき１または複数の高レベル目標の指示（１セットのシッピングインボイス、積荷目録、もしくは、それぞれのコンテナまたはキットにまとめられるアイテムおよび数量のその他のリストなど）、図１Ｂに示したように、特定のセットのアイテムおよび／または搬送手段もしくはその他のソースまたは構造を介して受信されたアイテムをパレットまたはその他の容器に積み上げる旨の指示、および／または、図２に示したように、指示されたソースから仕切り付きコンベヤまたはその他の移動先へアイテムをプレースする旨の指示、を受信するよう構成されている。様々な実施形態において、システムによって操作されるアイテムの在庫またはその他のソースのタイプ、数量、位置、および／または、その他の属性を示す在庫情報および／またはその他の情報が、ユーザインターフェース３０２を介して受信されてよい。

図３に示す例において、ユーザインターフェース３０２を介して受信された高レベル目標およびその他の入力情報が、プランナ３０４に提供される。様々な実施形態において、プランナ３０４は、ユーザインターフェース３０２を介して受信された高レベル目標と、在庫データベース３０６（またはファイルまたはその他のデータストア）に格納された在庫情報および／またはその他の構成情報および初期設定情報、とに少なくとも部分的に基づいて、高レベル目標を達成するために高レベル計画を生成するよう構成されている１または複数のソフトウェア構成要素を備える。

プランナ３０４は、この例において、制御モジュール３０８およびシミュレーションエンジン３１０へ高レベル計画を提供する。様々な実施形態において、プランナ３０４および／または制御モジュール３０８は、システムが、完全自動動作で高レベル目標の達成に向かって進むことを可能にするために、一連の特定のタスク（例えば、アイテムＡ、Ｂ、および、Ｃを把持して、移動先容器Ｒへ移動させるタスク、または、シュートＡからアイテムを把持して、仕切り付きコンベヤＣの仕切られた部分に１つずつ各アイテムをプレースするタスク、など）および／またはサブタスク（例えば、アイテムＡを把持するサブタスク）を実行するように、特定のロボット要素（例えば、ロボットアーム）をスケジューリングする１または複数のスケジューラを備える。

様々な実施形態において、制御モジュール３０８は、本明細書で開示されている速度ベースの制御を用いてロボット操作を実行するよう構成されている。例えば、アイテムＡを把持して移動先Ｄへ移動させるタスクを実行するために、様々な実施形態において、制御モジュール３０８は、（例えば、アイテムＡを把持する位置へエンドエフェクタ（吸引またはピンサー／フィンガータイプのグリッパ）を移動させ、および／または、アイテムＡを把持したエンドエフェクタを移動先Ｄへ移動させるために）、少なくとも部分的に速度に基づく軌道を決定する。様々な実施形態において、軌道は、エンドエフェクタが移動される際に沿うおよび／または従う一連の１または複数の速度ベクトル（例えば、三次元空間における大きさ／速度および方向）を含む。軌道は、１セットの１または複数の段階または区分の各々について所望の速度（大きさおよび方向）を示してよく、ならびに／もしくは、各区分および／または区分間の各遷移について所望および／または最大の加速度および／またはその他のより高次の位置の導関数（例えば、加加速度など）を示してよい。

様々な実施形態において、制御モジュール３０８は、制御されるロボットのモデル３１２を用いて、エンドエフェクタが移動されることを制御モジュール３０８が決定した軌道を構成する速度でエンドエフェクタ（または、ロボットを構成するその他の要素）を移動させるためにロボットに送信される１セットの制御コマンドを決定する。制御モジュール３０８は、様々な実施形態において、センサ３１４によって生成および提供された画像またはその他の情報を用いて、軌道を決定および実行し、ロボットが作業している環境の変化（ロボットによって移動されているまたは移動されるアイテムおよび／または空間内のその他のアイテムの状態または条件、空間内のその他のロボットの位置、状態、および、運動、空間内に存在する人間の作業員の位置、ならびに、制御モジュール３０８によって制御されているロボットおよび／またはロボットを構成する要素の実際の観察された運動、などの予期せぬ変化）に迅速に対応する。

様々な実施形態において、制御モジュール３０８は、決定された軌道を実行するために、ロボット搭載制御サブシステム３１６へコマンドを送信する。ロボット搭載制御サブシステム３１６は、次に、対応する関節の（またはその他の）モータコントローラ（モータコントローラ３１８、３２０、および、３２２の内の１または複数など）へロボットの各特定の関節またはその他の駆動要素のためのコマンドを送信する。モータコントローラ（例えば、３１８、３２０、および、３２２）は、ロボット搭載制御サブシステム３１６からのコマンドに応答して、所定の／指示された期間（例えば、コマンドで指示された期間、または、停止するよう命令されるまで）所望のトルクに関連するレベルの電流を関連する被制御モータへ供給する。いくつかの実施形態において、ロボット搭載制御サブシステム３１６は、一連のトルクを順に各々対応する期間にわたって印加することで、決定された軌道に従ってロボットのエンドエフェクタおよび／またはその他の作動要素を空間中で移動させるように関節を協調的に回転させるために、コマンドまたはその他の制御信号のセットを各モータコントローラ３１８、３２０、および、３２２へ送信する。

様々な実施形態において、シミュレーションエンジン３１０は、プランナ３０４から受信した入力、制御モジュール３０８によって生成された制御信号、ロボットモデル３１２、および、センサ３１４からのセンサデータ、の内の１または複数を用いて、ロボットの動作を連続的にシミュレートする。例えば、制御モジュール３０８からのトルク関連コマンドと、ロボットモデル３１２が、結果として生じるロボットの動きをシミュレートするために用いられてよい。センサ３１４からのデータが、空間内でのアイテム（ロボットに把持されているアイテムなど）の属性を評価してシミュレーションに反映するために用いられてよい。様々な実施形態において、制御モジュール３０８は、（例えば、ロボットのエンドエフェクタまたはその他の要素の）観測された速度を、シミュレーションエンジン３１０によって生成された対応する予測／シミュレートされた速度と比較する。観測速度が、予測（シミュレート）速度から逸脱する場合、補正が決定され、制御モジュール３０８は、補正を実行するために、関連コマンドをロボット搭載制御サブシステム３１６へ送信する。

様々な実施形態において、センサ３１４によって生成されたセンサデータは、プランナ３０４に提供される。いくつかの実施形態において、プランナ３０４は、センサデータに基づいて観察された条件に基づいて、プランナ３０４によって生成された計画を更新するか否かを決定するために、センサデータ３０４を連続的にモニタリングするよう構成されている。例えば、アイテムが落下された場合、または、予測された通りに／時に作業空間に到着しなかった場合、その情報を考慮に入れた更新計画が生成されてよい。

様々な実施形態において、本明細書で開示されているロボットシステムは、適応的／インテリジェントな軌道生成を実行し、これは、ロボットおよび／またはロボットを構成する要素の位置だけではなく、より高次の導関数（速度および加速度）を制御する能力を利用する。リアルタイムの動作計画に正確に従おうとしている時、システムは、速度および／または加速度の制御を用いて、シミュレートされたロボットに非常に正確に従うことで、システムが、変化する環境により迅速に反応することを可能にする。本明細書で開示されているように速度および加速度の追跡が利用されなければ、実ロボット（シミュレーションではないロボット）は、（例えば、シミュレーションによって決定された）所望の経路／位置に追いつかない。所望の位置がもはや変化しない場合、実ロボットは、いくつかの実施形態において、位置制御（のみ）を用いて、最終的に所望の位置へ非常に正確に到達できる。しかし、所望の位置が変化している場合、実ロボットは、位置制御のみを用いて動的に経路を効果的にたどることができず、したがって、様々な実施形態において、速度および／または加速度の制御が利用される。様々な実施形態において、速度および加速度の追跡は、ロボットが、大きい位置誤差を待つことなしに、いつどのように加速するのかを瞬時に知ることを可能にするので、これらのより高次な導関数（すなわち、速度、加速度など）の正確に追跡が可能になる。

図４は、ロボットシステムを制御するための処理の一実施形態を示すフローチャートである。様々の実施形態において、図４の処理４００は、制御コンピュータ（図１Ａのコンピュータ１２２、図１Ｂのコンピュータ１４８、および／または、図２のコンピュータ２１２など）によって実行される。図の例において、センサデータが、工程４０２で受信され、工程４０４で、現在の／観測された状態、例えば、ロボットおよびそれの関連構成要素（エンドエフェクタなど）の（例えば、位置、姿勢、速度、および、加速度（該当する場合））、作業空間内のアイテム（ロボットによって把持および移動されるアイテムなど）の位置、姿勢、速度、および、加速度（該当する場合）、移動先容器（コンベヤベルト上のコンテナまたは区画など）のそれぞれの位置、速度、および、加速度（該当する場合）、ならびに、作業空間内に存在する構造物または潜在的な危険条件（人間の作業員など）の位置、速度、および、加速度（該当する場合）、を更新するために用いられる。

工程４０６で、エンドエフェクタ（またはその他の要素）の観測速度を、シミュレーションに従った（例えば、図３に示した例におけるシミュレーションエンジン３１０による）対応する予測速度と比較した差が決定される。様々な実施形態において、観測された位置、加速度、加加速度などが、シミュレーションによって決定された対応する予測値と比較されてよい。様々な実施形態において、観測速度などは、工程４０２で受信された画像および／またはその他のセンサデータに基づいて決定される。

工程４０８で、工程４０６において決定された差に少なくとも部分的に基づいて決定される軌道および／または軌道調整が計算される。工程４１０で、観測速度とシミュレーションによって示された予測速度との間の差を無くすために、１セットの１または複数のコマンドが決定され、ロボットに提供され、生成され、ロボットに送信される。処理は、完了されるまで（例えば、すべてのタスクが完了されるまで）継続する（工程４１２）。

様々な実施形態において、様々な実施形態において実装および利用される速度制御は、以下の内の１または複数を提供する。
●速度制御を用いた運動の高速かつ適応的な変化
○ロボットは、物体の移動などに起因して即座に運動の方向を変更することを決定しうる
○例えば、シュート上での荷物の滑りまたはコンベヤに沿った移動。速度制御を用いて、ロボットは、ピックすべき新しい荷物へ向かいまたは移動する荷物を捕捉してピックするよう迅速に適応する
●位置制御では、ロボットの前からロボットの背後へ標的を急速に変化させることで、急な動き、物体の落下、ロボットハードウェアへの悪影響、可能性のある誤差の発生が生じる
●ロボットを円滑に（ただし、サイクルタイムを短縮するために、物体／ロボットへの制限を考慮してできる限り速く）減速させて方向するために、より高次の導関数の制御が、様々な実施形態において用いられる
●本明細書で開示されている制御システムは、どのように減速して方向転換し加速するのかを正確に知っているが、本明細書で開示されている速度／加速度制御を利用することなしに、ロボットにこれを行うよう命令することは不可能である

以下の内の１または複数を達成するために、時間最適アルゴリズムが、様々な実施形態において、本明細書で開示されている速度制御を用いて実装される。
●本明細書で開示されている速度制御を用いて実現される制御された減速および加速は、全体目標を最も良好に達成するための１セットの高レベルタスクを完了させる時間最適アプローチを決定および実行するために、様々な実施形態において用いられる
○例えば、物体を保持している時、様々な実施形態において、本明細書で開示されているシステムは、損傷、グリップの喪失などを防ぐために物体に与えられうる最大加速度／減速度をリアルタイムに計算する
○これらの制限は、真空圧力センサからの連続的な読み取り値、物体の重量、保持されている向き、ビジョンなどに起因して、方向および大きさを変化させていてよい
●様々な実施形態において、ロボットおよび／または制御システムは、速度制御を用いて、物体に与えられる運動および力を正確に制限する
○位置制御だけでは、これらの加速度を「制御」する保証も能力もない
○したがって、位置制御のみを用いる場合、制御システムは、これらの制限に厳密に収まるように過度に保守的である必要があり、ロボットのサイクルタイムおよび速度を損なう

機械学習ガイド付きのビジュアルサーボ（例えば、画像センサおよびビジョンシステムに基づいた自動ロボット制御）が、以下の内の１または複数を実行するために、本明細書で開示されている速度制御を用いて、様々な実施形態において実装される。
●人間とよく似て、ロボットは、環境を見て、現在の状態および所望の状態（物体を梱包するためのタイトネス、把持に向けてハンドが物体の上にあるべきである、など）からずれを検知することによって、自身の位置、把持、力を調整する
○１つのビジョンスナップショットから１回、実行すべきことをロボットに直接伝えるのではなく、様々な実施形態において、本明細書で開示されているシステムは、動作の成功を確実にするためにロボットへの制御コマンドを連続的に調整している
○通常、これらの調整は、「デルタ（差分）」に基づいており、例えば、調整は、所望の視覚的状態（例えば、シミュレーションが示した速度）と、現在の視覚的状態（例えば、観測速度）との間のギャップを縮めるようになされる
○システムが０次導関数（位置）へどれだけ進むべきかを知らないため、位置制御だけでは不十分であることから、これらのデルタ（差分）を縮めるために、速度制御が、様々な実施形態において用いられ、誤差が０になるまで特定の方向（一次導関数）に移動するだけでよい

状態に基づく軌道が、例えば以下のように、本明細書で開示されている速度制御を用いて、様々な実施形態において実行される。
●様々な実施形態において、本明細書で開示されているロボットシステムは、ベルトの追跡、移動物体のピックアンドプレース、および、人間との相互作用、衝突回避などによる混乱からの反応を必要としうる応用例など、非常に動的な環境においてロボットを用いてタスクを実行することに関連する課題を克服するために、速度制御を利用する
●様々な実施形態において、本明細書で開示されているシステムは、速度制御を用いて、状態に基づく（またはその他の時変）軌道を実施してよい
●状態に基づく軌道は、時間ではなく、環境およびロボットの状態（ロボットの現在位置、コンベヤベルトの位置および速度、など）によって導かれる運動である
●様々な実施形態において、本明細書で開示されているロボットシステムは、現在の状態の関数として特定の状態を達成するよう連続的に動作する
○しかしながら、この状態を達成するのは、典型的には、所望の位置をその状態に設定するほど簡単ではなく、ロボットは、通常、その速さで移動できず、上記で強調された制約（把持の質など）を受ける
○本明細書で開示されているロボット制御システムは、速度制御を用いて、位置、速度、および、加速度の非常に特有の軌道に沿ってロボットの動きを方向付けることなどによって、所望の状態を達成する（例えば、ロボットの）運動を生成し、それは、位置の変化だけではなく、「運動」の定義をより完全に具現化するものである
○様々な実施形態において、上述の軌道（位置だけではなく、例えば、速度および／または加速度に関する軌道）は、所望の状態および運動（シミュレーションによって決定された運動／軌道など）を達成するために、速度（および／またはその他のより高次の導関数）の制御を用いてフォローされる
●例えば、ベルトの追跡－ベルトは或る速度で移動しており、ベルトスロットは、（連続的に変化する）位置にある
○ロボットは、例えば、移動しているベルトスロットを追跡して追いかけ、グリッパをスロットの真上に維持し、物体をピックまたはプレースする必要がある
○速度制御は、本明細書で開示されているロボットシステムが、位置に関して遅れを取ることなしに、ベルトの位置および速度の両方を正確に追跡することを可能にする

インテリジェントな力制御が、例えば以下のように、本明細書で開示されている速度制御を用いて、様々な実施形態において実行される。
●位置制御（のみ）を用いてロボットへの力を制御するには、力の代わりに位置誤差を用いることが必要になる。
●より高次の導関数を用いた力の制御－位置／加速度は、本明細書で開示されているように、力へのより緊密なループを可能にし、力の制御幅および待ち時間を増大させる
●力がモータ電流に直接的に関係しているので、すなわち、位置は、電流を変調させる悪い方法なので、典型的には、ロボット制御システムは、特定の力を及ぼすためにどれだけの位置誤差が必要とされるかを事前には知らない
○システムがより高次の導関数を制御するほど、関節がどれだけの力を印加するのかを決定する能力が高くなる
■１）速度制御を用いれば、実ロボットが、シミュレートされたロボットと、シミュレートされたロボットが印加したい力とに従うことが容易になる
■２）速度は位置不変であるため、位置制御の任意の誤差が、位置制御のみを用いて実行される力制御に影響するが、本明細書で開示されている速度制御を用いることで、制御システムが、位置精度にかかわらず、ロボットから印加される力へより直接的に影響することが可能になる
●力を間接的に制御するために位置制御を用いると、アイテムおよび／または環境（例えば、アイテムが載っているテーブル、床、または、その他の表面）に対するロボット（例えば、エンドエフェクタ）の位置の誤差の結果として、力が所望のベクトル以外のベクトルに沿って印加されうるが、速度制御は、所望の運動のベクトル、ひいては、力が印加される方向を、位置にかかわらず、直接的に指定／制御することを可能にする
●速度制御を用いて実行される力制御は、ロボットが、より迅速に、環境および／または環境中に存在する物体の操作に適応することを可能にする
○何かが押し返す場合、または、表面に接触している場合に、速度制御は、位置制御よりもはるかに速く反応する
○図１Ｂに示すように、例えば、箱をパレタイズする
■例えば、配送などのために異種の箱またはその他のアイテムをパレット上に積み重ねる
■速度制御を用いて、本明細書で開示されているシステムは、押しつぶすことなしに、配置されている箱に迅速に反応できることで、システムがより高速で移動し、より速やかに反応することを可能にする

図５Ａは、速度制御ベースのロボットシステムの一実施形態における速度制御の一例を示す図である。環境およびシステム５００の例において、例えば、ロボットアーム（図５Ａでは図示せず）の遠位端／作用端に取り付けられている、物体５０４を把持したエンドエフェクタ５０２が、容器５０８の中に物体５０４をプレースするタスクを課せられている。容器５０８が静止していれば、システムは、位置制御を用いて、エンドエフェクタ５０２および物体５０４を、容器５０８の上方の静止位置（例えば、図の例における点５０６）へ移動させて物体５０４を放すことで、容器５０８の中に物体５０４をプレースできる。しかしながら、図に示すように、この例において、容器５０８は、ベクトル５１０によって表された速度で（図に示すように）右へ移動している。エンドエフェクタ５０２および物体５０４を容器５０８の予測将来位置の上方の予測標的位置へ移動させるために、位置制御を利用できるが、そのアプローチは、例えば、結果として物体５０４が容器５０８の中にうまくプレースされないほど十分な量だけ予測位置がずれた場合に、誤差または損傷につながりうる。

様々な実施形態において、本明細書で開示されているロボットシステムは、速度制御を用いて、移動している容器５０８の中に物体５０４をより迅速かつ正確にプレースする。例えば、いくつかの実施形態において、本明細書で開示されているロボット制御システムは、容器５０８の速度５１０を観測して決定し、本明細書で開示されている速度制御によって、容器５０８を捕捉した後に容器５０８と平行に移動するための軌道を計算して実行することで、物体５０４および容器５０８の両方が速度５１０で移動し続けている間に、物体５０４を容器５０８の中へ成功裏にプレースすることを可能にする。

図５Ｂは、速度制御ベースのロボットシステムの一実施形態における速度制御の一例を示す図である。図５Ｂに示す例５２０において、点Ａ５２２のエンドエフェクタ（図示せず）が、標的（図示せず）（物体がプレースされる容器、または、物体が回収される容器など）に関する点Ｂ５２４へ移動されることが望まれている。図に示すように、点Ｂ５２４およびＢ’５２６に関連付けられた物体／容器が、ベクトル５２８で表されている速度で（図に示すように）右へ移動していることから、標的は、点Ａ５２２で表されているエンドエフェクタが適所に移動されうる時までに、新たな位置である点Ｂ’５２６へ移動する。図５Ｂの右側のベクトル図に示されているように、様々な実施形態において、本明細書で開示されている速度制御を用いて、位置Ｂ’５２６で標的を捕捉するための速度ベクトル５３０を決定し、その結果、ベクトル５３２で表されている相対運動につながる。様々な実施形態において、その軌道または後続の軌道は、その後、標的速度５２８と一致する速度を含んでよく、これは、物体が、該当する場合に、解放または把持されうるまで、エンドエフェクタが標的と平行に移動されることを可能にする。

図５Ｃは、速度制御ベースのロボットシステムの一実施形態における速度制御の一例を示す図である。図の例において、（例えば、センサデータに基づいて計算された）観測速度５４２が、差５４４を決定するために、対応するシミュレートされた速度５４０と比較される。様々な実施形態において、本明細書で開示されている速度制御システムは、シミュレートされた速度５４０と観測速度５４２との間の差５４４を無くす（ゼロまで減らす）ように計算された速度制御信号を決定して提供する。

図６は、速度制御ベースのロボットシステムの一実施形態を示すブロック図である。図の例において、制御システム６００は、少なくとも部分的には、速度ベースの成分を含む軌道を決定し、決定された軌道を実行するために計算されたトルクに関連付けられた制御信号をインターフェース６０４を介して提供することによって、速度ベースの制御を実行するよう構成されている制御モジュール６０２を備える。この例におけるトルクベースの制御信号６０４は、決定された軌道を可能な限りおよび／または可能な方法で実行するように従来の位置制御ロボット６０８を制御するための位置制御信号を生成するために、第１タイプのコネクタ６０６によって変換されてよい。同様に、トルクベースの制御信号６０４は、決定された軌道をより直接的に実行するように速度制御ロボット６１２を制御するための速度制御信号を生成するために、第２タイプのコネクタ６１０によって変換されてよい。最後に、この例において、トルクベースの制御信号６０４は、トルク制御ロボット６１４に提供され、トルク制御ロボット６１４によって直接的に実行されてよい。

トルク制御ロボット（トルク制御ロボット６１４など）が制御されるいくつかの実施形態において、ロボットのトルク制御コマンドは、トルク制御ロボット６１４へのトルクコマンドへ直接的にマッピングされ、結果としての速度は、ロボットモデル（例えば、図３のモデル３１２）のみに基づいてより確実に決定されるので、システムは、（例えば、エンドエフェクタの）シミュレートまたは予測された速度を決定するために、上述したようにシミュレーションを実行する必要がない。

様々な実施形態において、ロボット制御タイプ（例えば、位置、速度、トルク）に依存しないアーキテクチャ（図６のシステム６００など）は、単一の制御モジュール６０２が、異なるタイプのロボット（例えば、６０８、６１２、および、６１４）を制御するために、必要に応じてコネクタありまたはコネクタなしで、利用されることを可能にする。

図７Ａは、ロボットシステムを制御するための制限を決定して課す処理の一実施形態を示すフローチャートである。様々の実施形態において、図７Ａの処理７００は、制御コンピュータ（図１Ａのコンピュータ１２２、図１Ｂのコンピュータ１４８、および／または、図２のコンピュータ２１２など）によって実行される。図の例において、工程７０２で受信されたセンサデータが、損傷を避けるように、速度、加速度、加加速度などへ適用可能な制限を工程７０４で決定するために用いられる。例えば、工程７０２で受信された画像、重量、または、その他のセンサデータは、ロボットに把持されているまたは把持される物体がどの程度の重量、壊れやすさ、または、剛性を有するのか、もしくは、ロボットがどれだけしっかりと物体を把持しているのかまたは把持できるのかに影響しうるその他の属性、を決定するために用いられてよい。把持は、ロボットの把持からのアイテムの実際の滑りまたは潜在的／差し迫った滑りを検出するために、吸引グリッパに関連する圧力または空気流を監視し、もしくは、せん断力を監視または評価することなどによって、アクティブに監視されてよい。センサデータは、例えば（体積、重量などに基づく）タイプまたはクラスで、物体を分類するために用いられてよく、（例えば、速度または位置のその他のより高次な導関数への）適用制限が、分類に基づいて決定されてよい。工程７０６で、工程７０４において決定された制限が、実行され課される。例えば、本明細書で開示されている速度ベースの制御を実行するために決定される軌道は、工程７０４で決定された制限を考慮して、制御システムによって決定されてよい。例えば、常にエンドエフェクタが工程７０４で決定された速度制限未満にとどまることを保証する軌道が決定されてよい。処理は、完了されるまで（工程７０８）（例えば、システムによって移動されている物体がもはや無くなるまで）、上述のように継続する（工程７０２、７０４、７０６）。

図７Ｂは、帰属する力場（ｉｍｐｕｔｅｄ ｆｏｒｃｅ ｆｉｅｌｄ）を用いてロボットシステムを制御する処理の一実施形態を示すフローチャートである。様々の実施形態において、図７Ｂの処理７２０は、制御コンピュータ（図１Ａのコンピュータ１２２、図１Ｂのコンピュータ１４８、および／または、図２のコンピュータ２１２など）によって実行される。様々な実施形態において、処理７２０は、ロボット要素（例えば、エンドエフェクタ）が、ロボットを構成しまたはロボットに関連している構造（図１Ａに示した例におけるキャリッジ１１８またはレール１２０など）、もしくは、別の構造または危険なもの（図１Ａに示した例における人間の作業員１２８または箱組み立てマシン１１０など）、と衝突するリスクを回避または最小化するために用いられてよい。

図の例において、工程７２２で、システムは、制御されているロボット要素（エンドエフェクタなど）が、接触／衝突を回避されるべき構造、物体、装置、および／または、人間に近接していることを検出する。工程７２４で、帰属反発力（ｉｍｐｕｔｅｄ ｆｏｒｃｅ ｏｆ ｒｅｐｕｌｓｉｏｎ）が計算される。様々な実施形態において、計算された帰属反発力は、制御されている要素が、接触を回避されるべき物体などに近い／接近するほど強くなる。工程７２６で、速度および／または軌道が、工程７２４において決定された帰属反発力を考慮して決定される。様々な実施形態において、本明細書で開示されている速度ベースのロボット制御システムは、上述したように帰属反発力を考慮する軌道を決定して実行する。例えば、帰属反発力が所定の閾値を超えないことをシミュレーションに基づいて保証する軌道が決定されてよい。

図８Ａは、速度制御ベースのロボットシステムの一実施形態における速度制御の一例を示す図である。図に示すシステムおよび環境８００において、物体８０４を保持しているエンドエフェクタ８０２が、（図に示すように）右へ（この例では第１容器８０８へ向かって）第１速度８０６で移動している。例えば、観測された変化または命令された変化の発生時に、システムは、その代わりに、速度８０６と比較して反対の移動方向にある第２容器８１０の中に物体８０４をプレースすると決定してよい。

図８Ｂは、速度制御ベースのロボットシステムの一実施形態における速度制御の一例を示す図である。図に示す状態において、物体８０４を第１容器８０８の代わりに第２容器８１０へ移動させるために、エンドエフェクタは、ベクトル８１２に関連する方向に移動するよう変更されている。

図８Ａおよび図８Ｂは、様々な実施形態において実施されているように位置制御および速度制御を用いて条件（例えば、移動先位置の変更）へ動的に対応する際の位置制御および速度制御での差を示す一例を提供する。典型的な位置制御ベースのロボットシステムにおいて、結果として反対方向またはそうでなければ実質的に異なる方向の移動先に移動することが望まれる移動先の変更は、典型的には、エンドエフェクタの急速な（ほぼ瞬時の）減速の後に反対方向への急速な加速につながる。さらに、位置制御されるロボットは、エンドエフェクタが新たな標的／移動先から離間しているほど、より積極的におよび／またはより高速に加速しうる。急速でほぼ瞬時の方向転換は、ロボットに把持されている物体を損傷し、および／または、ロボットが物体の把持を失う結果となりうる。対照的に、様々な実施形態において実行される速度制御は、新たな方向（例えば、図の例においてベクトル８１２によって表されている方向および速度）へ移動するために、より制御された移行を含む軌道を実行するために用いられる。

図８Ｃは、ロボットシステムの制御において、位置制御を用いて標的および／または移動先を変更する一例を比較の目的で示す図である。図の例において、グラフ８４０は、図８Ａおよび図８Ｂに示した例のように標的／移動先を変更する位置制御ロボットについて時間に対して速度を示している。図に示すように、エンドエフェクタは、速度ｖ１（例えば、図８Ａに示したベクトル８０６）で移動し、（破線８４６で表されている）時刻ｔ１でほぼ瞬時に、速度ｖ１と反対向きでｖ１よりも大きい速度ｖ２ ８４４に変化している。

図８Ｄは、本明細書で開示されている速度制御を用いて、ロボットシステムにおいて標的および／または移動先を変更する一例を示す図である。図の例において、グラフ８６０は、図８Ａおよび図８Ｂに示した例のように標的／移動先を変更する本明細書に開示の速度制御ロボットについて時間に対して速度を示している。図８Ｃに示した例のように、エンドエフェクタは、新たな標的／移動先へ変更する旨の指示を時間ｔ１で受信する前に、最初は速度ｖ１ ８６２で移動している。本明細書で開示されている速度制御は、軌道が、時間ｔ１ ８６６とｔ２ ８６８との間で新たな速度ｖ２ ８６４へ移行すると決定され、速度制御によって実行されることを可能にする。ｔ１とｔ２との間の時間は、エンドエフェクタ速度とより直接的に関連付けられているコマンドが提供されるので、突然の移動も潜在的に過度な加速度または速度もなしに方向転換が実行されることを速度制御が可能にする点を説明するために、図８Ｄにおいて誇張されている。

図９Ａは、速度制御を用いて新たな標的および／または移動先へ方向転換する処理の一実施形態を示すフローチャートである。様々の実施形態において、図９の処理９００は、制御コンピュータ（図１Ａのコンピュータ１２２、図１Ｂのコンピュータ１４８、および／または、図２のコンピュータ２１２など）によって実行される。図の例において、工程９０２で、標的／移動先を変更する旨の指示が受信される。工程９０４で、新たな標的／移動先に達する／捕捉するためのベクトル（速度）への速度、加速度などを意識した移行を含む新たな標的／移動先に達する軌道が計算される。例えば、軌道は、徐々に減速した後に、新たな標的／移動先に向かう方向へ制御された方法で加速する第１段階を含んでよい。工程９０６で、決定された軌道が実行される。

図９Ｂは、２以上のロボットを用いてタスクを協調的に実行するために速度制御を利用する処理の一実施形態を示すフローチャートである。様々の実施形態において、図９Ｂの処理９２０は、制御コンピュータ（図１Ａのコンピュータ１２２、図１Ｂのコンピュータ１４８、および／または、図２のコンピュータ２１２など）によって実行される。図の例において、工程９２２で、システムは、２以上のロボットで物体を把持することを決定する。例えば、アイテムを収容しているトレイ、パレット、または、その他の容器が、２つのロボットを用いて把持および移動されるように（例えば、容器を移動先位置にプレースするために同期的に、各々のロボットが反対側／反対端を押した後に、持ち上げて移動させるように）決定されてよい。

工程９２４で、ロボットを用いて物体を把持する戦略（例えば、ロボットが係合するよう割り当てられている側面または構造へ計算または他の方法で決定された垂直力を各ロボットが印加する戦略）が決定および実行される。工程９２６で、アイテム（例えば、容器）を移動先まで一緒に移動させる際に、すべてのロボットとアイテムとの係合を維持するために、速度制御を用いて、ロボットを各々常に同じ速度になるように同期的に移動させる。

様々な実施形態において、速度制御は、部分的には速度が位置に依存しないので、複数のロボットを用いたアイテムの協調的／同期的移動を容易にする。例えば、物体もしくはロボットの一方または両方の位置が正確に分からなくても、正反対の方向に押すように２つのロボットを制御できる。位置制御システムにおいては、位置の小さい誤差でも、力が不正確な方向に印加されることにつながりうる。

複数ロボットの協働は、様々な実施形態において、速度制御を用いて以下のように速度制御を用いて実行される。
●本明細書で開示されている速度制御で達成される力制御の改善により、ロボットは、より高い処理能力でより効果的に協働することができる
●デュアルロボットが環境／ハードウェアの異常に速やかに反応する能力を実現する
○例えば、１または複数のロボットがハードウェアの不具合または妨げとなる障害物のために急減速した時に、１または複数のその他のロボットが、速度制御によって瞬時に反応して、位置誤差が大きくなるのを待つことなしに、直ちに減速し、反力に応じ、または、他の方法で適応する
○複数のロボットによって（例えば、各々が反対側から力を印加することによって）把持された物体は、潰されることなく、物体への衝撃も少ないため、製品の品質を保つ

図１０は、速度制御ベースのロボットシステムの一実施形態を示すブロック図である。図の例において、制御モジュールまたはサブシステム１０００は、上述のように、速度ベース制御信号／コマンド１００４を生成するよう構成されている制御スタック１００２を備える。速度誤差／速度差１０１０（例えば、図５Ｃの差５４４）を生成するために、シミュレーション１００６によって生成された予測／シミュレートされた速度Ｖ_{シミュレート}が、センサ１００８からのデータに基づいて決定された観測／実速度Ｖ_観測と比較される。第１段階においておよび／または第１クロックまたはサンプリング周波数に基づいて、制御スタックは、速度誤差／速度差１０１０と制御スタック１００２の速度制御層とを用いて、誤差／差１０１０を最小化または排除しようとするために制御信号１００４を決定して提供する。第２段階において（例えば、標的または移動先が近くなった時に）、および／または、第１周波数よりも低い第２クロックまたはサンプリング周波数に基づいて、制御スタック１００２は、センサ１００８から受信されおよび／またはセンサ１００８から受信された画像またはその他のデータに基づいて決定された位置情報１０１２を用いて、例えば、制御スタック１００２内の速度制御層の上方の位置制御層において、比較を行い、調整されたおよび／または最終的な軌道を実行するためにさらなる制御信号を生成して提供することなどによって、標的または移動先に到達するための最終軌道を調整および／または決定する。

本明細書で開示されている技術は、様々な実施形態において、１または複数のロボットをより正確、効率的、かつ、柔軟／適応的に制御するために用いられてよく、非常に動的な環境内でも、より安全かつ効率的にロボットを利用することを可能にする。

上述の実施形態は、理解しやすいようにいくぶん詳しく説明されているが、本発明は、提供されている詳細事項に限定されるものではない。本発明を実施する多くの代替方法が存在する。開示されている実施形態は、例示であり、限定を意図するものではない。

Claims (20)

1. ロボットシステムであって、
   通信インターフェースと、
   前記通信インターフェースに接続されているプロセッサと、
   を備え、
   前記プロセッサは、
   ロボットが位置する物理空間内に配備されている１または複数のセンサから前記通信インターフェースを介してセンサデータを受信し、
   前記センサデータに少なくとも部分的に基づいて、前記ロボットを構成する要素を移動させる際に沿うべき少なくとも部分的に速度に基づく軌道を決定し、
   前記通信インターフェースを介して、前記速度に基づく軌道を実行する旨のコマンドを前記ロボットへ送信するよう構成されている、システム。
2. 請求項１に記載のシステムであって、前記センサデータは、画像センサデータを含む、システム。
3. 請求項１に記載のシステムであって、前記通信インターフェースは、無線インターフェースを含む、システム。
4. 請求項１に記載のシステムであって、前記プロセッサは、さらに、前記位置での前記ロボットの動作をシミュレートするよう構成されている、システム。
5. 請求項４に記載のシステムであって、前記プロセッサは、少なくとも部分的には、前記ロボットを構成する前記要素の観測速度を、前記ロボットのシミュレートされた前記動作に従ってシミュレートされた前記要素の対応する速度と比較することによって、前記少なくとも部分的に速度に基づく軌道を決定するよう構成されている、システム。
6. 請求項１に記載のシステムであって、前記ロボットを構成する前記要素は、エンドエフェクタを含む、システム。
7. 請求項１に記載のシステムであって、前記プロセッサは、さらに、前記ロボットを構成する前記要素に現在把持されている物体の属性に少なくとも部分的に基づいて、速度制限および加速度制限の内の１または複数を含む制限セットを決定し、前記少なくとも部分的に速度に基づく軌道を決定する際に前記制限セットを課すよう構成されている、システム。
8. 請求項１に記載のシステムであって、前記コマンドは、前記少なくとも部分的に速度に基づく軌道を達成するために、前記コマンドに関連付けられている関節に印加される計算済みのトルクに関連付けられているトルクベースのコマンドを含む、システム。
9. 請求項１に記載のシステムであって、前記プロセッサは、さらに、前記位置におけるアイテムまたは構造に関連する帰属反発力に少なくとも部分的に基づいて、前記少なくとも部分的に速度に基づく軌道を決定するよう構成されている、システム。
10. 請求項９に記載のシステムであって、前記アイテムまたは構造は、前記ロボットを構成するシャーシまたはその他の構造、前記ロボットおよび前記シャーシの内の１または複数が載るように構成されているレールまたはその他の構造、前記位置に存在する第２ロボット、ならびに、前記位置に存在する固定構造、の内の１または複数を含む、システム。
11. 請求項１に記載のシステムであって、前記プロセッサは、速度に基づく第１軌道に関連する第１タスクから第２タスクへ移行する旨の指示を受信し、前記第２タスクを実行するために速度に基づく第２軌道を決定して実行するよう構成されている、システム。
12. 請求項１１に記載のシステムであって、前記プロセッサは、前記速度に基づく第２軌道内に、前記速度に基づく第１軌道を含む第１方向への前記要素の移動から前記第２タスクに関連する第２方向に向かう軌道への速度に基づく移行を含めるよう構成されている、システム。
13. 請求項１に記載のシステムであって、前記ロボットは、第１ロボットを含み、前記プロセッサは、前記第１ロボットおよび第２ロボットを用いて物体を把持し、速度制御を用いて、前記物体を移動先位置へ移動させるために前記第１ロボットおよび前記第２ロボットを同期的に移動させるよう構成されている、システム。
14. 請求項１に記載のシステムであって、前記プロセッサは、少なくとも部分的に速度に基づく軌道の調整を決定して実行するために、前記要素の予測位置と、前記センサデータに少なくとも部分的に基づいて決定された観測位置との間の位置の誤差または差を決定して利用するよう構成されている、システム。
15. ロボットシステムを制御するための方法であって、
    ロボットが位置する物理空間内に配備されている１または複数のセンサからセンサデータを受信し、
    プロセッサを用いて、前記センサデータに少なくとも部分的に基づいて、前記ロボットを構成する要素を移動させる際に沿うべき少なくとも部分的に速度に基づく軌道を決定し、
    通信インターフェースを介して、前記速度に基づく軌道を実行する旨のコマンドを前記ロボットへ送信すること、
    を備える、方法。
16. 請求項１５に記載の方法であって、さらに、プロセッサを用いて、前記位置での前記ロボットの動作をシミュレートすることを備える、方法。
17. 請求項１６に記載の方法であって、前記少なくとも部分的に速度に基づく軌道は、少なくとも部分的には、前記ロボットを構成する前記要素の観測速度を、前記ロボットのシミュレートされた前記動作に従ってシミュレートされた前記要素の対応する速度と比較することによって決定される、方法。
18. 請求項１７に記載の方法であって、さらに、前記ロボットを構成する前記要素に現在把持されている物体の属性に少なくとも部分的に基づいて、速度制限および加速度制限の内の１または複数を含む制限セットを決定し、プロセッサを用いて、前記少なくとも部分的に速度に基づく軌道を決定する際に前記制限セットを課すこと、を備える、方法。
19. コンピュータプログラム製品であって、非一時的なコンピュータ読み取り可能媒体内に具現化され、
    ロボットが位置する物理空間内に配備されている１または複数のセンサからセンサデータを受信するためのコンピュータ命令と、
    前記センサデータに少なくとも部分的に基づいて、前記ロボットを構成する要素を移動させる際に沿うべき少なくとも部分的に速度に基づく軌道を決定するためのコンピュータ命令と、
    通信インターフェースを介して、前記速度に基づく軌道を実行する旨のコマンドを前記ロボットへ送信するためのコンピュータ命令と、
    を備える、コンピュータプログラム製品。
20. 請求項１９に記載のコンピュータプログラム製品であって、さらに、前記位置での前記ロボットの動作をシミュレートするためのコンピュータ命令を備える、コンピュータプログラム製品。

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