JP3585736B2 - ロボットの動作支援システム及びその制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人間がロボットの動作に操作介入する場合の動作支援システム及びその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、産業用、医療用を始め種々の分野でのロボットの利用が顕著になっている。
ロボットによる動作は、当初極めて単純な繰り返し作業に限られていたが、動作機構の複雑化、制御技術の高度化に伴い、極めて複雑な作業を周辺環境に応じて自律的に行うことが可能となっている。
【０００３】
このようなロボットにおける動作制御について説明すると、図５に示すように、センシング（Ｓ１０１）、環境のモデル化（Ｓ１０２）、行動計画の立案（Ｓ１０３）、操作量の算出（Ｓ１０４）、駆動系への出力（Ｓ１０５）といった一連の直列処理により行われている。
したがって、ロボットに予め設定された環境変化以外のトラブル等が発生した場合には、ロボットは自律的な動作により所定の動作に復帰することができなくなるため、何らかの方法でロボットの動作を支援するシステムが必要となる。
【０００４】
従来、このようなシステムとしては、例えば特開平３−１６４８０１号公報、特開平８−２０３９７５号公報等に記載されているように、自動制御モードにあるロボットを手動制御モードに切り換え、キーボード等の操作部から制御情報を入力することにより、ロボットの動作に人間が操作介入して、支援を行う技術が知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来技術においては、ロボットによる自動制御モード（自律動作）で対処が困難な状況が発生した場合には、ロボットの動作を自動制御状態から切り離し、人間による操作介入が可能な手動制御状態へ切り換える技術が示されているが、この手動制御状態におけるロボットの動作支援は、キーボード、コントロールパネル等、特定の操作部から所定の命令コードを入力して行う必要があり、極めて専門的な知識やトラブル回避のための熟練が要求されるため、専門知識や熟練度の低い作業者による動作支援は実質的に困難であるという問題を有していた。
【０００６】
例えば、従来の無人搬送車においては、誘導路を外れた場合、システム全体を停止させ、無人搬送車を所定の初期位置に運んだ上で、システムを再度立ち上げる作業が必要となるが、この際、無人搬送車に関する専門知識とトラブル回避のための熟練を要する。
また、トラブルが解消し、自律動作が可能な状態に復帰できるまで、手動制御を行わなければならず、トラブルの内容によっては、長時間の手動制御が要求されて非常に作業効率が悪いという問題を有していた。
【０００７】
また、従来のロボットの動作制御方法によれば、上述したように、一連の直列処理を実行するものであるため、制御のリアルタイム性が極めて低く、また、環境のモデル化や行動計画の立案は、ロボットの設計者が予測できる範囲の状況にのみ対応しており、予想外の状況の発生や、突発的な状況の変化に対しては全く対応することができないという問題も有している。
【０００８】
さらに、上記トラブル発生時に限らず、自律動作中のロボットに人間が操作介入し、その動作を支援、矯正すること自体が困難であるという問題を有している。
本発明は、上記課題を解決し、ロボットが自律動作により対応ができない動作状況（トラブル等）が生じた場合にも、専門知識や熟練が要求されることがなく、簡易にロボットの動作支援を行い、迅速に自律動作に復帰させることができるロボットの動作支援システム及びその制御方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載のロボットの動作支援システムは、外界及び内界の状態を検知し、該検知情報に基づいて所定の自律動作を行うロボットと、前記ロボットに所定の動作をさせるための操作量情報を作成、送出する動作制御手段と、前記操作量情報に基づいて、前記ロボットを動作させる駆動手段と、前記ロボットに付設され、前記ロボットへの接触状態を検出する接触情報検出手段と、を有し、前記動作制御手段は、前記所定の自律動作を行うための操作量情報を送出する第１の制御状態と、前記接触情報検出時に外部から印加される力に応じて前記ロボットを任意に動作可能とするように前記操作量情報を削減調整する第２の制御状態とを切り換え制御するとともに、前記第２の制御状態時にも、前記検知情報に基づいて前記ロボットに所定の動作をさせるための操作量情報を随時作成し、該第２の制御状態の終了後に、該操作量情報を送出することを特徴としている。
【００１０】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載のロボットの動作支援システムにおいて、前記動作制御手段は、前記第２の制御状態時に作成した前記操作量情報を随時保持することを特徴としている。
【００１１】
さらに、請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載のロボットの動作支援システムにおいて、前記外部から印加される操作力は、前記接触情報検出手段に印加される外力であることを特徴としている。
そして、請求項４記載のロボットの動作支援システムの制御方法は、外界及び内界の状態を検知して、該検知情報に基づいて所定の自律動作を行うための操作量情報を作成して、該操作量情報に基づいてロボットを動作させる第１の有限状態機械と、前記ロボットへの接触状態を検出して、前記操作量情報を調整するとともに、外部から印加される操作力に応じて、前記ロボットを任意に動作させる第２の有限状態機械と、を有し、前記第２の有限状態機械を第１優先順位に設定し、前記第２の有限状態機械による動作時には、前記第１の有限状態機械による動作が抑制され、前記第１の有限状態機械は、前記第２の有限状態機械による動作時にも、前記検知情報に基づいて所定の自律動作を行うための操作量情報を随時作成し、前記第２の有限状態機械による動作の終了後に、該操作量情報に基づいて前記ロボットを動作させることを特徴としている。
【００１３】
本発明に係るロボットの動作支援システム及びその制御方法によれば、ロボットへの接触により、本来の自律動作が抑制されて、作業者による手動制御が可能な状態となり、かつ、作業者がロボットに外部から印加した操作力に応じて、ロボットに任意の動作をさせることができるため、専門知識の修得やロボット操作の熟練を必要とすることなく、トラブル発生等に容易に対処することができる。
【００１４】
また、作業者が操作介入する手動制御状態においても、本来の自律動作に必要な操作量情報が随時作成、保存されるため、自律動作への復帰（発現）が可能な状態から直ちに本来の動作に復帰することができるため、トラブルからの脱出を迅速に行うことができる。
このように、本発明によれば、人間がロボットに直接接触し、あたかも幼児の行動を誘導あるいは矯正して導くが如く外力を印加することにより、ロボットの動作を直感的に支援することができる動作支援システムを実現することができる。
【００１５】
（基本原理）
本発明に係るロボットの動作支援システムの基本原理について、図１を参照して説明する。
本発明に係るロボットの動作支援システムは、図１に示すように、ロボット１０と、接触情報検出手段を構成する接触センサ１と、外界／内界センサ２と、動作制御手段を構成する操作量制御部３と、駆動手段を構成する駆動系４と、を有して構成されている。
【００１６】
接触センサ１は、人間（作業者）２０がロボット１０に接触したことを検出するセンサであって、後述するように作業者２０による接触により、操作量制御部３における、自律動作に必要な操作量の調整を促す。
外界／内界センサ２は、ロボット１０の内外の状況を検知するセンサであって、内外の状況に応じて、操作量制御部３における、所定の自律動作を維持するための操作量の作成を促す。
【００１７】
操作量制御部３は、上述した接触センサ１及び外界／内界センサ２により検出される情報に基づき、ロボット１０を動作させるための操作量を作成、制御するものであって、接触センサ１からの検出情報に基づいて操作量を調整（削減あるいは削除）する操作量調整部３ａと、外界／内界センサ２に基づいて操作量を作成する操作量作成部３ｂと、接触センサ１からの検出情報に基づいて、操作量作成部３ｂからの出力を抑制し、作成量調整部３ａからの出力を選択して（切り換えて）駆動系４へ出力する抑制ノード３ｃとを有して構成されている。
【００１８】
駆動系４は、上述した抑制ノード３ｃにより選択された操作量に基づいてロボット１０を動作させるものであって、ロボット１０が所定の動作をするために必要なアクチュエータ等により構成される。
このような構成において、ロボット１０が所定の自律動作を行う自動制御状態においては、外界／内界センサ２により検出される内外の状況に基づいて、所定の自律動作が維持されるように、操作量作成部３ｂにより随時操作量が作成され、抑制ノード３ｃをそのまま通過して駆動系４に伝達される。
【００１９】
ロボット１０は、駆動系４に伝達される操作量に基づいて所定の動作を実行する。
一方、自動制御状態にあるロボット１０において、例えばトラブルの発生等のように、本来の自律動作から離れ、人間による操作介入が必要な場合には、作業者２０が接触センサ１に触れる（接触する）ことにより、操作量作成部３ｂから出力される操作量が抑制ノード３ｃにより阻止され、操作量調整部３ａからの出力が駆動系４に伝達される。
【００２０】
すなわち、作業者２０による接触センサ１への接触により、操作量調整部３ａが操作量を予め設定された値に調整し、かつ、調整された操作量を駆動系４に伝達するために抑制ノード３ｃを制御して、自律動作の実行に本来必要な操作量（操作量作成部３ｂからの出力）を阻止し、作業者２０が直接ロボット１０に操作力（外力）を印加して任意の動作を可能にする手動制御状態に移行する。
【００２１】
したがって、例えばロボット１０が本来の自律動作から逸脱した場合には、作業者２０は、所定の接触センサ１に触ることにより、ロボット１０の駆動系４に伝達される操作量を削減調整して手動制御状態に切り換えることができ、かつ、ロボット１０に直接操作力を印加することにより、ロボット１０を任意の状態に動作させることができる。そのため、作業者２０による操作力の印加により、ロボット１０は自律動作への復帰が可能な状態にまで、任意かつ迅速に動作させる（誘導する）ことができる。
【００２２】
すなわち、人間がロボットに接触すれば、ロボットが外界／内界センサからの検出情報に基づき所定の操作量を作成し、自律動作を実行しようとしていても、抑制ノードにより、削減修正された操作量が優先選択されて、ロボットの駆動系は推力を失うため、作業者がロボット本体に直接外力を印加することにより、作業者が意図する任意の動作状態にロボットを誘導することができる。
【００２３】
そして、人間が接触センサを開放することにより、駆動系に伝達される操作量は、本来自律動作に必要とされる操作量に直ちに切り替わり、抑制されていた操作量が駆動系に伝達されて、所定の自律動作を発現、すなわち、自動制御状態に復帰する。
このように、本発明に係るロボットの動作支援システムによれば、作業者に専門知識や手動操作の熟練度がなくても、ロボットに直接接触し、操作力を印加することにより、あたかも幼児の行動を誘導するかの如く、ロボットの動作を制御することができる。
【００２４】
また、ロボットの自動制御による自律動作と、人間による手動制御による操作介入、すなわち動作誘導の双方の状態を、任意のタイミングで交互に切り換え設定することができるため、トラブルの発生を人間とロボットの協調により、簡易に抑制、解消することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るロボットの動作支援システム及びその制御方法の実施例について、図２、図３及び図４を参照して説明する。なお、本実施例では、本システムを無人搬送車に適用した場合について説明する。
図２は本発明における一実施例を示す無人搬送車の概略構成図であり、図３はその動作を制御する有限状態機械の概念図であり、図４はその操作量の作成・調整処理の手順を示すフローチャートである。
【００２６】
（無人搬送車の概略構成）
まず、本実施例の無人搬送車の構成について、図２を参照して説明する。
無人搬送車１０ａは、ハンドル部と一体的に構成された接触センサ１ａと、車体の前面、側面及び底面に設けられ、外界／内界センサを構成する前方障害物センサ２ａ、側方障害物センサ２ｂ、誘導用センサ２ｃと、基本原理において示したものと同等の操作量制御部３と、駆動系を構成するモータ４ａ、車輪４ｂと、を有して構成されている。
【００２７】
接触センサ１ａは、例えばハンドル部の握り部（グリップ部分）に内装された構成を有し、作業者２０が無人搬送車１０ａに所定の操作介入を行う場合、このグリップ部分を握ることにより、接触状態を検出して、その情報を操作量制御部３の操作量調整部３ａに伝達する。
一方、前方障害物センサ２ａ及び側方障害物センサ２ｂはそれぞれ、無人搬送車１０ａの前方及び側方の障害物を検出し、誘導センサ２ｃは、フロア面に設けられた誘導路５を検出し、無人搬送車１０ａの走行経路を誘導する。これらのセンサからの検出信号は、操作量制御部３の操作量作成部３ｂに伝達される。
【００２８】
操作量制御部３は、操作量調整部３ａ、操作量作成部３ｂ及び抑制ノード３ｃとを有している。
モータ４ａ及び車輪４ｂは、操作量制御部３により選択された操作量に基づいて、モータ４ａを回転させ、左右の駆動輪４ｂを個別に回転制御して所望の走行動作を実行する。すなわち、無人搬送車１０ａに推力を与える。
【００２９】
（無人搬送車の走行制御）
次に、本実施例の無人搬送車１０ａの動作を制御する有限状態機械について、図３を参照して説明する。
ここで、無人搬送車１０ａは、有限状態機械（Ｆｉｎｉｔｅ Ｓｔａｔｅ Ｍａｃｈｉｎｅｓ；以下、ＦＳＭという。）をひとつのプロセス（以下の［ ］記号で表す）とし、これをマルチタスク的に動作させることで動作制御を行うものとする。
【００３０】
なお、有限状態機械とは、周知のように、有限個の状態を持ち、その上での状態遷移の規則が定義された計算機構の数学モデルをいう。
まず、無人搬送車１０ａが、自動制御状態（第１の制御状態）にあって、自律動作を行っている場合について説明する。
無人搬送車１０ａは、誘導用センサ２ｃが、誘導路５を検出した状態にあれば、ＦＳＭ ［誘導］により、操作量作成部３ｂが作成した操作量が駆動系４に伝達されて、誘導路５に沿って走行する。
【００３１】
そして、誘導路５を走行中に前方障害物センサ２ａが、障害物を検出すると、ＦＳＭ ［誘導］に優先してＦＳＭ ［前方回避］により、操作量作成部３ｂが作成した操作量に基づいて、誘導路５を離脱し障害物を回避するように走行状態を変更する。
その後、回避記憶があれば、ＦＳＭ ［誘導路への復帰］により、操作量作成部３ｂが作成した操作量に基づいて、誘導路５へ向かうように走行状態を変更する。
【００３２】
このとき、側方障害物センサ２ｂが障害物を検出すると、ＦＳＭ ［誘導路への復帰］に優先してＦＳＭ ［側方回避］により、操作量作成部３ｂが作成した操作量に基づいて、障害物を回避するように走行状態を変更する。
そして、ＦＳＭ ［誘導路への復帰］と［側方回避］を繰り返しながら障害物を完全に回避した後、誘導路５に復帰し、ＦＳＭ ［誘導］による走行状態に戻る。
【００３３】
次に、作業者２０が無人搬送車１０ａの走行動作に操作介入して、手動制御状態（第２の制御状態）に切り替わる場合について説明する。
無人搬送車１０ａが自律動作により回避できない状況に陥った場合や、工程上、作業者２０による操作介入が必要な場合、作業者２０が無人搬送車１０ａのグリップ部分を握ることにより、グリップ部分に内装された接触センサ１ａが人間による走行動作への操作介入を検出すると、ＦＳＭ［誘導］、ＦＳＭ［前方回避］に優先してＦＳＭ［人間介入］により、操作量作成部３ｂが作成した操作量が抑制されるとともに、予め設定された操作量に削減あるいは削除されて、駆動系の推力が低減するように走行状態を変更する。
【００３４】
ここで、操作量の削減あるいは削除とは、自律動作時に操作量作成部３ｂにより作成、保存されていた操作量を減少させるか、あるいは”０”に上書きすることをいい、本実施例の場合においては、作業者２０が人力で無人搬送車１０ａを任意の状態に移動あるいは移行させることができるように、駆動系の状態を設定することである。
【００３５】
したがって、駆動系４の機構によっては、上述したような操作量を”０”にする場合の他、駆動系をニュートラル（フリーの状態）にすることも含む。
このように、作業者２０はグリップ部分を握ることにより、無人搬送車１０ａを自動制御状態から手動制御状態に直ちに切り換えることができ、かつ、グリップ部分（ハンドル）を介して任意の方向（矢印Ａ）に力を印加することにより、あたかも手押し台車を押すかの如く無人搬送車１０ａを操作することができるため、無人搬送車１０ａを誘導路５や待避場所に移動させる等、任意の状態に容易に誘導することができる。
【００３６】
そして、作業者２０がグリップ部分から手を離すと、無人搬送車１０ａは手動制御状態から自動制御状態に直ちに切り替わり、抑制ノード３ｃは本来の自律動作に必要な操作量を駆動系４に伝達する。
（操作量制御処理）
次に、本実施例の無人搬送車１０ａの動作を制御する操作量の作成、調整処理について、図４を参照して説明する。
【００３７】
まず、回避記憶があるか否かが判断され（Ｓ１１）、回避記憶がある場合には、誘導路５への復帰のための操作量（以下、復帰操作量という）が作成される（Ｓ１２）。
次いで、左右方向への走行を行う際、無人搬送車１０ａの側方に障害物があるか否かが、側方障害物センサ２ｂにより検知され（Ｓ１３）、側方に障害物がある場合には、障害物回避のための操作量（以下、側方操作量という）が作成され、この側方操作量により先に作成した復帰操作量（回避記憶）を上書きし、回避記憶を”ＯＮ”にする（Ｓ１４、Ｓ１５）。
【００３８】
次いで、無人搬送車１０ａが所定の誘導路５を検出しているか否かが、誘導用センサ２ｃにより検出され（Ｓ１６）、誘導路５を検出している場合には、誘導走行を行うための操作量（以下、誘導操作量という）が作成され、この誘導操作量により先に作成した操作量を上書きし、回避記憶を”ＯＦＦ”にする（Ｓ１７、Ｓ１８）。
【００３９】
次いで、前方への走行を行う際、無人搬送車１０ａの前方に障害物があるか否かが、前方センサ２ａにより検知され（Ｓ１９）、前方に障害物がある場合には、障害物回避のための操作量（以下、前方操作量という）が作成され、この前方操作量により先に作成した操作量をさらに上書きし、回避記憶を”ＯＮ”にする（Ｓ２０、Ｓ２１）。
【００４０】
次いで、無人搬送車１０ａの走行動作に作業者による操作介入があるか否かが、接触センサ１ａにより検出され（Ｓ２２）、作業者２０による介入がある場合には、例えば操作量を”０”に削減設定し、先に作成した操作量を上書きする（Ｓ２３）。
次いで、上述した一連の動作条件に基づいて作成、調整された操作量を駆動系４へ出力し（Ｓ２４）、以後同様の処理を所定の周期ごとに繰り返す。
【００４１】
すなわち、各制御周期において、複数の簡単な有限状態機械、すなわち各センサの出力パターンと操作量パターンを対応付けた演算要素に優先順位を設定し、各制御周期毎に操作量を更新することにより、制御性を高め、より迅速な処理（リアルタイム処理）を行うことができる。
また、ロボットの設計者は、有限状態機械の準備と、抑制関係（条件）を設定するだけで容易に上述した動作支援システムを実現することができる。
【００４２】
ここで、有限状態機械の準備とは、各ＦＳＭにおける所定の状態遷移を有する有限状態機械を設計することをいい、また、抑制関係の設定とは、有限状態機械相互で優先順位を設定することをいう。
したがって、図３に示したように、ＦＳＭ［人間介入］は、ＦＳＭ［誘導路の復帰］、ＦＳＭ［側方回避］、ＦＳＭ［誘導］、ＦＳＭ［前方回避］に対して最も優先順位が高く設定されており、ＦＳＭ［人間介入］が機能する場合には、下位に位置するＦＳＭが機能してもオペレーティングシステム（ＯＳ）の抑制ノードにより抑制されることとなり、ＦＳＭ［人間介入］により調整された操作量が伝達されて、ロボットの駆動系は推力を失い、人間によるロボットの動作支援を行うことができる。
【００４３】
また、ＦＳＭ［人間介入］が機能し、手動制御状態にある場合においても、他のＦＳＭに係る操作量は、各センサからの検出信号に基づいて所定の制御周期毎に作成され、上書き記憶されているため、人間の操作介入が解除された時点から、直ちに自動制御状態に復帰することができる。
なお、上述した実施例においては、無人搬送車という比較的動作が簡易なロボットに本発明を適用した例を示したが、本発明は、これに限定されるものではなく、複雑な動作を実行するロボットにも良好に適用することができることはいうまでもない。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るロボットの動作支援システム及びその制御方法によれば、ロボットへの接触により、本来の自律動作が抑制されて、作業者による手動制御が可能な状態となり、かつ、作業者がロボットに外部から印加した操作力に応じて、ロボットに任意の動作をさせることができるため、専門知識の修得やロボット操作の熟練を必要とすることなく、トラブル発生等に容易に対処することができる。
【００４５】
また、作業者が操作介入する手動制御状態においても、本来の自律動作に必要な操作量情報が随時作成、保存されるため、自律動作への復帰（発現）が可能な状態から直ちに本来の動作に復帰することができるため、トラブルからの脱出を迅速に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るロボットの動作支援システムの基本原理を示す概念図である。
【図２】本発明に係るロボットの動作支援システムの一実施例を示す概略構成図である。
【図３】一実施例の動作を制御する有限状体機械を示す概念図である。
【図４】一実施例の動作を制御する操作量の作成・調整手順を示すフローチャートである。
【図５】従来技術におけるロボットの動作制御手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１、１ａ 接触センサ
２ 外界／内界センサ
２ａ 前方障害物センサ
２ｂ 側方障害物センサ
２ｃ 誘導用センサ
３ 操作量制御部
３ａ 操作量調整部
３ｂ 操作量作成部
３ｃ 抑制ノード
４ 駆動系
４ａ モータ
５ 誘導路
１０ ロボット
１０ａ 無人搬送車
２０ 人間（作業者）

Claims (4)

1. 外界及び内界の状態を検知し、該検知情報に基づいて所定の自律動作を行うロボットと、
   前記ロボットに所定の動作をさせるための操作量情報を作成、送出する動作制御手段と、
   前記操作量情報に基づいて、前記ロボットを動作させる駆動手段と、
   前記ロボットに付設され、前記ロボットへの接触状態を検出する接触情報検出手段と、を有し、
   前記動作制御手段は、前記所定の自律動作を行うための操作量情報を送出する第１の制御状態と、前記接触情報検出時に外部から印加される力に応じて前記ロボットを任意に動作可能とするように前記操作量情報を削減調整する第２の制御状態とを切り換え制御するとともに、
   前記第２の制御状態時にも、前記検知情報に基づいて前記ロボットに所定の動作をさせるための操作量情報を随時作成し、該第２の制御状態の終了後に、該操作量情報を送出することを特徴とするロボットの動作支援システム。
2. 前記動作制御手段は、前記第２の制御状態時に作成した前記操作量情報を随時保持することを特徴とする請求項１記載のロボットの動作支援システム。
3. 前記外部から印加される操作力は、前記接触情報検出手段に印加される外力であることを特徴とする請求項１又は２記載のロボットの動作支援システム。
4. 外界及び内界の状態を検知して、該検知情報に基づいて所定の自律動作を行うための操作量情報を作成して、該操作量情報に基づいてロボットを動作させる第１の有限状態機械と、
   前記ロボットへの接触状態を検出して、前記操作量情報を調整するとともに、外部から印加される操作力に応じて、前記ロボットを任意に動作させる第２の有限状態機械と、
   を有し、
   前記第２の有限状態機械を第１優先順位に設定し、
   前記第２の有限状態機械による動作時には、前記第１の有限状態機械による動作が抑制され、
   前記第１の有限状態機械は、前記第２の有限状態機械による動作時にも、前記検知情報に基づいて所定の自律動作を行うための操作量情報を随時作成し、前記第２の有限状態機械による動作の終了後に、該操作量情報に基づいて前記ロボットを動作させることを特徴とするロボットの動作支援システムの制御方法。

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