JP4980947B2 - 制御システム及び制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、遠隔操作型、または、自律動作型のロボット等の動作を制御するための制御システム及び制御方法に関する。

従来、遠隔操作型、または、自律動作型のロボット等の動作を制御する制御システムが提案されている。ロボット等が自律動作型である場合には、ロボット等に搭載された制御システムは、モータやアクチュエータを駆動するサーボドライバへの駆動指令制御のみならず、自律行動制御、駆動電源制御、ステータス管理などの機能を実行する。また、ロボット等が遠隔操作型である場合には、ロボット等に搭載された制御システムは、サーボドライバへの駆動指令制御、自律行動制御、駆動電源制御及びステータス管理等に加えて、通信管理、テレメトリ／コマンド管理などの機能を実行する。

なお、制御システムは、ロボット等に搭載された１台または複数台のコンピュータにより構成され、上述した機能を実現する。

このようなロボット等の動作制御において、ロボット等に何らかの異常が発生した際には、多くの場合において、ロボット等を速やかに停止させることが最も安全である。しかし、ロボット等の動作を制御する制御システムに何らかの原因で故障などの異常状態が生じた場合には、ロボット等の動作が制御されなくなり、ロボット等が暴走する可能性があり、周囲の人間や器物に対して損傷を与える危険な状態になり得る。

従来、このような危険な状態となることを防止するため、特許文献１に記載された「マルチプロセッサシステムの監視回路」のように、制御システムを構成するコンピュータにウォッチドッグタイマ（Watchdog Timer：ＷＤＴ）を付加する技術が提案されている。

この技術は、制御システムを構成するコンピュータのソフトウエアにより、周期的にＷＤＴに対してリセット信号を送信させるものである。この技術においては、制御システムが正常に動作している場合には、ＷＤＴは、周期的にリセットされることとなる。そして、制御システムの故障等により、ある所定時間以上に亘ってリセット信号が送信されない状態となると、ＷＤＴがオーバーフローするので、これをトリガーとして駆動系の電源を遮断し、ロボット等を強制的に停止させるようになっている。

特開平２−１７５４８号公報

ところで、従来のウォッチドッグタイマ（ＷＤＴ）を付加する技術においては、制御システムの異常を検出することはできるが、ＷＤＴ自身の故障を検出することができないという問題がある。

また、この技術においては、ロボット等が高速で動作しているときに、ＷＤＴにより制御システムの異常が検出された場合には、直ちに駆動系の電源が遮断され、動作しているロボット等のモータ、または、アクチュエータは、サーボオフ、すなわち、制御されない状態になる。したがって、このとき、ロボット等は、摩擦等のエネルギーロスによって停止するまでの間、慣性によって動作し続けることになるため、周囲に危険を及ぼす虞がある。

このような危険を回避するため、電源を遮断すると同時に、モータの動力ラインをサーボドライバから切り離して電気抵抗へ接続し、電気抵抗によりエネルギーを消費させ、モータにブレーキをかけて速やかにモータを停止させる技術がある。しかしながら、ロボット等の動作が速い場合には、慣性エネルギーを迅速に吸収するためには大きな電気抵抗を用いる必要があるため、ロボット等の重量及び容積が増大してしまい、ロボット等の動作性能が劣化する虞がある。

そこで、本発明は、前記の実情に鑑みてなされたものであり、遠隔操作型、または、自律動作型のロボット等の動作を制御するための制御システム及び制御方法であって、ロボット等及び制御システムの異常を確実に検出することができ、異常が生じた場合には、ロボット等が高速で動作しているときであっても、慣性によって動作し続けることを防止して周囲に危険が及ぶことを防止し、また、ロボット等の重量及び容積を増大させることがなくロボット等の動作性能を劣化させることがない制御システム及び制御方法を提供することを目的とする。

前述の課題を解決し、前記目的を達成するため、本発明は、以下の構成のいずれか一を有するものである。

〔構成１〕
本発明に係る制御システムは、駆動系の電源制御を行い送信を行った時刻に相当するタイムタグを含むアライブメッセージを一定周期で送信するとともにアライブメッセージを受信する電源制御コンピュータと、サーボドライバへの速度指令または位置指令を出力し送信を行った時刻に相当するタイムタグを含むアライブメッセージを一定周期で送信するとともに、アライブメッセージを受信する駆動制御コンピュータと、各コンピュータを接続する通信回線と、通信機能を担いアライブメッセージを受信する通信制御コンピュータとを備え、通信制御コンピュータは、アライブメッセージのタイムタグを確認することによって、通信回線に異常が発生したことを検出した場合には、通信異常を示すメッセージを送信し、駆動制御コンピュータは、一定周期より長い期間に亘ってアライブメッセージを受信しなかった場合、または、通信異常を示すメッセージを受信した場合には、電源制御コンピュータ、または、通信回線の異常が生じたと判別して、サーボドライバへ停止指令を出力し、電源制御コンピュータは、一定周期より長い期間に亘ってアライブメッセージを受信しなかった場合には、駆動制御コンピュータの異常が生じたと判別して、駆動系への電源供給を遮断し、通信異常を示すメッセージを受信した場合には、通信回線の異常が生じたと判別して、所定時間経過後に駆動系への電源供給を遮断することを特徴とするものである。

〔構成２〕
本発明に係る制御方法は、送信を行った時刻に相当するタイムタグを含むアライブメッセージを一定周期で送信するとともにアライブメッセージを受信する電源制御コンピュータによって駆動系の電源制御を行い、送信を行った時刻に相当するタイムタグを含むアライブメッセージを一定周期で送信するとともにアライブメッセージを受信する駆動制御コンピュータによってサーボドライバへ速度指令、または、位置指令を出力させ、各コンピュータを通信回線によって接続し、アライブメッセージを受信する通信制御コンピュータに通信機能を担わせ、通信制御コンピュータにより、アライブメッセージのタイムタグを確認し、通信回線に異常が発生したことが検出された場合には、通信異常を示すメッセージを送信させ、駆動制御コンピュータにより、一定周期より長い期間に亘ってアライブメッセージを受信しなかった場合、または、通信異常を示すメッセージを受信した場合には、電源制御コンピュータ、または、通信回線の異常が生じたと判別して、サーボドライバへ停止指令を出力させ、電源制御コンピュータにより、一定周期より長い期間に亘ってアライブメッセージを受信しなかった場合には、駆動制御コンピュータの異常が生じたと判別して、駆動系への電源供給を遮断させ、通信異常を示すメッセージを受信した場合には、通信回線の異常が生じたと判別して、所定時間経過後に駆動系への電源供給を遮断させることを特徴とするものである。

構成１を有する本発明に係る制御システムにおいては、通信制御コンピュータは、アライブメッセージのタイムタグを確認することによって、通信回線に異常が発生したことを検出した場合には、通信異常を示すメッセージを送信し、駆動制御コンピュータは、一定周期より長い期間に亘ってアライブメッセージを受信しなかった場合、または、通信異常を示すメッセージを受信した場合には、電源制御コンピュータ、または、通信回線の異常が生じたと判別して、サーボドライバへ停止指令を出力し、電源制御コンピュータは、一定周期より長い期間に亘ってアライブメッセージを受信しなかった場合には、駆動制御コンピュータの異常が生じたと判別して、駆動系への電源供給を遮断し、通信異常を示すメッセージを受信した場合には、通信回線の異常が生じたと判別して、所定時間経過後に駆動系への電源供給を遮断するので、ウォッチドッグタイマ（ＷＤＴ）を用いることなく、搭載したコンピュータの異常を検出し、ロボット等の制御対象を、高信頼、かつ、安全に停止させることが可能である。

すなわち、この制御システムにおいては、異常の発生箇所が駆動制御コンピュータである場合を除いて、駆動制御コンピュータにより、サーボドライバに対して動作速度が０になるように制御が行われ、ロボット等の動作速度が十分に小さくなるまでの時間が経過した後に、電源制御コンピュータにより駆動系への電源供給の遮断を行うことで、大きなサイズの電気抵抗を用いることなく、駆動電源遮断後の空走を最小限に抑えることが可能である。

構成２を有する本発明に係る制御方法においては、駆動制御コンピュータにより、一定周期より長い期間に亘ってアライブメッセージを受信しなかった場合、または、通信異常を示すメッセージを受信した場合には、電源制御コンピュータ、または、通信回線の異常が生じたと判別して、サーボドライバへ停止指令を出力させ、電源制御コンピュータにより、一定周期より長い期間に亘ってアライブメッセージを受信しなかった場合には、駆動制御コンピュータの異常が生じたと判別して、駆動系への電源供給を遮断させ、通信異常を示すメッセージを受信した場合には、通信回線の異常が生じたと判別して、所定時間経過後に駆動系への電源供給を遮断させるので、ウォッチドッグタイマ（ＷＤＴ）を用いることなく、搭載したコンピュータの異常を検出し、ロボット等の制御対象を、高信頼、かつ、安全に停止させることが可能である。

すなわち、この制御方法においては、異常の発生箇所が駆動制御コンピュータである場合を除いて、駆動制御コンピュータにより、サーボドライバに対して動作速度が０になるように制御を行い、ロボット等の動作速度が十分に小さくなるまでの時間が経過した後に、電源制御コンピュータにより駆動系への電源供給の遮断を行うことで、大きなサイズの電気抵抗を用いることなく、駆動電源遮断後の空走を最小限に抑えることが可能である。

すなわち、本発明は、遠隔操作型、または、自律動作型のロボット等の動作を制御するための制御システム及び制御方法であって、ロボット等及び制御システムの異常を確実に検出することができ、異常が生じた場合には、ロボット等が高速で動作しているときであっても、慣性によって動作し続けることを防止して周囲に危険が及ぶことを防止し、また、ロボット等の重量及び容積を増大させることがなくロボット等の動作性能を劣化させることがない制御システム及び制御方法を提供することができるものである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

〔本発明に係る制御システムの構成〕
図１は、本発明に係る制御システムの構成を示すブロック図である。

本発明に係る制御システムは、遠隔操作型、または、自律動作型のロボット等の動作を制御するための制御システムであって、図１に示すように、電源制御コンピュータ（ＰＯＷ−Ｃ）１及び駆動制御コンピュータ（ＤＲＶ−Ｃ）２を備えて構成される。

電源制御コンピュータ１は、ロボット等の駆動系バッテリ４を制御することによって、駆動系の電源制御を行い、一定周期でアライブメッセージを送信するとともに、他のコンピュータからのアライブメッセージを受信する。

駆動制御コンピュータ２は、ロボット等のサーボドライバ５への速度指令、または、位置指令を出力し、一定周期でアライブメッセージを送信するとともに、他のコンピュータからのアライブメッセージを受信する。サーボドライバ５は、ロボット等のモータやアクチュエータ６を制御する。

これら各コンピュータ１，２は、通信回線（通信ネットワーク）３により相互に接続されている。アライブメッセージは、通信回線３を介して送受信される。

また、ロボット等が完全自律動作型である場合には、ロボット等の動作を決定する自律行動制御コンピュータ７が存在する。一方、遠隔操作型ロボット等、完全自律型以外のロボット等の場合には、遠隔操作装置（ＯＣＵ）（無線または有線通信機能部分を含む）及び遠隔操作装置との無線、または、有線通信機能を担う通信制御コンピュータ（ＣＯＭ−Ｃ）８が存在する。通信制御コンピュータ８には、通信装置９が接続されている。この通信装置９は、遠隔操作装置（ＯＣＵ）１０との間で、操作信号及びテレメトリ／コマンド情報の送受信を行う。

駆動制御コンピュータ２は、自律行動制御コンピュータ７、または、遠隔操作装置１０から送られる指令に従い、ロボット等のモータやアクチュエータ６を直接制御するサーボドライバ５に対する速度指令または位置指令を与える。電源制御コンピュータ１は、サーボドライバ５に供給される駆動系電力のＯＮ／ＯＦＦを制御する。

その他の搭載コンピュータ１１には、ロボット等に搭載された種々のセンサ１２が接続されている。これらコンピュータ１１には、センサ１２の制御や、信号処理を行うセンサ制御コンピュータなどが含まれる。

〔本発明に係る制御方法（本発明に係る制御システムの動作）〕
前述のように構成された本発明に係る制御システムにより、本発明に係る制御方法が実行される。すなわち、この制御システムにおいては、電源制御コンピュータ１、または、駆動制御コンピュータ２のいずれかのコンピュータが、一定周期より長い期間に亘ってアライブメッセージを受信しなかった場合には、これら各コンピュータ１，２は、各コンピュータ１，２のいずれか、あるいは、通信回線３に異常が生じたと判別して、サーボドライバ５へ停止指令を出力し、その後、駆動系への電源供給を遮断する。

すなわち、電源制御コンピュータ１、駆動制御コンピュータ２及び遠隔操作装置１０は、所定のフォーマットのアライブメッセージを送受信する機能を有している。

図２は、本発明に係る制御システムにおいて送受信されるアライブメッセージのフォーマットを示すブロック図である。

アライブメッセージは、一例として、図２に示すように、所定のフォーマットを有しており、送信を行った時刻に相当するタイムタグ、送信元のコンピュータのＩＤ及び送信メッセージの種類を示すメッセージＩＤから構成される。

各コンピュータ１，２及び遠隔操作装置１０は、メッセージＩＤがアライブメッセージを意味するメッセージとなっているアライブメッセージを、予め定められた所定の周期にて、通信回線３からなるネットワーク内にブロードキャストする。

タイムタグは、ロボット等に搭載されたいずれかのコンピュータが生成し、ブロードキャストし、それを受信した他のコンピュータが自らのクロックを用いて補間生成することでもよいし、あるいは、各コンピュータが他のコンピュータのタイムタグに関わらず自らのクロックのみを用いて独自に生成するようにしてもよい。遠隔操作型ロボットの場合には、遠隔操作装置１０から送られるタイムタグに基づいて、各コンピュータが自らのクロックを用いて補間生成するようにしてもよい。

各コンピュータ１，２は、他のコンピュータと遠隔操作装置１０のＩＤ及びアライブメッセージの正しい送信周期を把握しており、各コンピュータ１，２及び遠隔操作装置１０から送られたメッセージのタイムタグを参照して、正しい送信周期＋α〔秒〕以内にタイムタグが更新されているかどうかを確認する。なお、α〔秒〕は猶予時間であり、予め定められた数値である。送信周期＋α〔秒〕以内にタイムタグが更新されない場合には、各コンピュータ１，２は、送信元コンピュータ、あるいは、通信回線３に異常が発生したものと判断する。

〔表１〕は、図１に示した構成の各部分に発生する異常の検出方法と、異常が検出された場合の処置を示したものである。異常検出は、遠隔操作装置１０及びロボット等の間の通信異常検出と、ロボット等の内部コンピュータの異常検出とに大別される。

なお、〔表１〕に掲げる箇所以外に発生する異常については、その部分が接続されたコンピュータ等によってその異常が検出され、その異常の重大さに応じてロボットの停止など、しかるべき処置を施すことが可能である。

まず、遠隔操作装置１０及びロボット等の間の通信異常が検出されるＡ１〜Ａ３のケースでは、実際に異常が発生した箇所として、遠隔操作装置１０（通信機能部分含む）、遠隔操作装置１０及びロボット等の間の通信回線、及び通信制御コンピュータ（ＣＯＭ−Ｃ）８が考えられる。通信回線の異常とは、通信環境の悪化によって、正常な通信に必要な通信速度及び通信帯域が得られていないことを意味する。

遠隔操作装置１０の異常（Ａ１）及び通信回線の異常（Ａ２）の場合には、遠隔操作装置１０から送信されるアライブメッセージのタイムタグを確認することによって、通信制御コンピュータ８は、そのいずれかに異常が発生したことを検出する。

このとき、通信制御コンピュータ８は、遠隔操作装置１０及びロボット等の間の通信異常を示すメッセージＩＤを含むメッセージを、ネットワーク上にブロードキャストする。このメッセージを受信した駆動制御コンピュータ（ＤＲＶ−Ｃ）２は、ロボット等の動作速度を０にする制御を行い、電源制御コンピュータ（ＰＯＷ−Ｃ）１は、駆動電源を遮断する制御を行い、ロボット等を停止させる。なお、これらのケース（Ａ１）、（Ａ２）においては、駆動電源を遮断する制御は、必須の処理ではない。

ただし、電源制御コンピュータ１が駆動電源を遮断するタイミングは、電源制御コンピュータ１がメッセージを受信してから所定のＴ〔秒〕経過後に行うこととする。所定のＴ〔秒〕は、ロボット等が高速で動作している状態から十分に動作速度が小さくなるまでの時間以上としておくことにより、ロボット等の動作部が高速で空走することを回避することができる。

遠隔操作装置１０及びロボット等の間の通信異常検出において、異常の発生箇所が通信制御コンピュータ８であった場合（Ａ３）には、電源制御コンピュータ１及び駆動制御コンピュータ２により受信されるはずの通信制御コンピュータ８からのアライブメッセージが既定時間以内に更新されないことから、通信制御コンピュータ８が異常であることが検出される。

このとき、駆動制御コンピュータ２は、ロボット等の動作速度を０にする制御を行い、電源制御コンピュータ１は、異常を検出してから所定のＴ〔秒〕経過後に駆動電源を遮断する制御を行うことで、ロボット等の動作を停止させる。なお、このケース（Ａ３）においては、駆動電源を遮断する制御は、必須の処理ではない。

次に、ロボット等の内部の通信異常が検出されるケース（Ｂ１〜Ｂ５）を考える。この場合の異常発生箇所は、〔表１〕に示すように、通信制御コンピュータ８、電源制御コンピュータ１、駆動制御コンピュータ２、その他のコンピュータ１１、通信回線（ネットワーク）３に分類される。このうち、通信制御コンピュータ８に異常が発生した場合（Ｂ１）は、前述した（Ａ３）のケースと同様である。

電源制御コンピュータ１に異常が発生した場合（Ｂ２）には、駆動制御コンピュータ２によってそれが検出され、駆動制御コンピュータ２は、ロボット等の動作速度を０にする制御を行う。この場合には、電源制御コンピュータ１に異常が発生しているため、電源の遮断は一般に不可能となるが、駆動制御コンピュータ２による動作速度を０とする制御により、ロボット等の動作は停止される。

駆動制御コンピュータ２に異常が発生した場合（Ｂ３）には、電源制御コンピュータ１によってそれが検出され、検出後直ちに、駆動電源を遮断する制御を行う。この場合には、駆動制御コンピュータ２に異常が発生しているため、ロボット等が動作中に駆動系電源を遮断されている可能性があり、摩擦によって動作が停止するまでの間は、ロボット等のモータやアクチュエータ６は空走する可能性がある。

その他のコンピュータ１１に異常が発生した場合（Ｂ４）には、当該コンピュータ１１の機能を考慮して、安全上、ロボット等を停止させることが望ましいと予め定めた場合には、駆動制御コンピュータ２においてロボット等の動作速度を０にする制御を行い、電源制御コンピュータ１により、異常検出してから所定のＴ〔秒〕経過後に駆動電源を遮断する制御を行うことにより、ロボット等の動作を停止させる。

ロボット等の内部の通信回線（ネットワーク）３に異常が発生した場合（Ｂ５）には、各コンピュータ１，２は、他のいずれのコンピュータからのアライブメッセージをも受け取ることができず、見かけ上、他のコンピュータに異常が発生したものと認識される。このとき、駆動制御コンピュータ２は、ロボットの動作速度を０にする制御を行い、電源制御コンピュータ１は、異常を検出してから所定のＴ〔秒〕経過後に、駆動電源を遮断する制御を行うことにより、ロボット等の動作が安全に停止される。

以上の動作により、遠隔操作装置１０、各コンピュータ１，２、通信回線３のいずれに異常が発生した場合においても、ウォッチドッグタイマ（ＷＤＴ）を使用することなく、ロボット等の動作を、高信頼、かつ、安全に停止することが可能となる。

〔他の実施の形態〕
本発明に係る制御システムを構成するコンピュータは、電源制御コンピュータ１と駆動制御コンピュータ２とが別個のコンピュータであればよく、前述したように、各機能毎に別のコンピュータである必要はない。例えば、電源制御コンピュータ１は、通信制御コンピュータ８を兼ねていてもよい。

なお、各コンピュータ１，２及び通信回線３は、信頼性向上のため、それぞれが冗長系構成になっていてもよい。また、通信回線３は、イーサネット（登録商標）に代表されるバス形式に限らず、各コンピュータ１，２が相互に接続されていれば、その形態は問わない。

そして、アライブメッセージは、アライブメッセージ単独で送信されることに限らず、ロボット等の動作のために通常コンピュータ間にて送受信されているアプリケーションのためのメッセージと兼用してもよい。

本発明に係る制御システムの構成を示すブロック図である。 本発明に係る制御システムにおいて送受信されるアライブメッセージのフォーマットを示すブロック図である。

符号の説明

１ 電源制御コンピュータ（ＰＯＷ−Ｃ）
２ 駆動制御コンピュータ（ＤＲＶ−Ｃ）
３ 通信回線
４ 駆動系バッテリ
５ サーボドライバ

Claims (2)

1. 駆動系の電源制御を行い、送信を行った時刻に相当するタイムタグを含むアライブメッセージを一定周期で送信するとともに、アライブメッセージを受信する電源制御コンピュータと、
   サーボドライバへの速度指令、または、位置指令を出力し、送信を行った時刻に相当するタイムタグを含むアライブメッセージを一定周期で送信するとともに、アライブメッセージを受信する駆動制御コンピュータと、
   前記各コンピュータを接続する通信回線と、
   通信機能を担い、前記アライブメッセージを受信する通信制御コンピュータと
   を備え、
   通信制御コンピュータは、アライブメッセージのタイムタグを確認することによって、通信回線に異常が発生したことを検出した場合には、通信異常を示すメッセージを送信し、
   前記駆動制御コンピュータは、一定周期より長い期間に亘って前記アライブメッセージを受信しなかった場合、または、前記通信異常を示すメッセージを受信した場合には、前記電源制御コンピュータ、または、前記通信回線の異常が生じたと判別して、前記サーボドライバへ停止指令を出力し、
   前記電源制御コンピュータは、一定周期より長い期間に亘って前記アライブメッセージを受信しなかった場合には、前記駆動制御コンピュータの異常が生じたと判別して、前記駆動系への電源供給を遮断し、前記通信異常を示すメッセージを受信した場合には、前記通信回線の異常が生じたと判別して、所定時間経過後に前記駆動系への電源供給を遮断する
   ことを特徴とする制御システム。
2. 送信を行った時刻に相当するタイムタグを含むアライブメッセージを一定周期で送信するとともにアライブメッセージを受信する電源制御コンピュータによって駆動系の電源制御を行い、
   送信を行った時刻に相当するタイムタグを含むアライブメッセージを一定周期で送信するとともにアライブメッセージを受信する駆動制御コンピュータによってサーボドライバへ速度指令、または、位置指令を出力させ、
   前記各コンピュータを通信回線によって接続し、
   前記アライブメッセージを受信する通信制御コンピュータに通信機能を担わせ、
   通信制御コンピュータにより、アライブメッセージのタイムタグを確認し、通信回線に異常が発生したことが検出された場合には、通信異常を示すメッセージを送信させ、
   前記駆動制御コンピュータにより、一定周期より長い期間に亘って前記アライブメッセージを受信しなかった場合、または、前記通信異常を示すメッセージを受信した場合には、前記電源制御コンピュータ、または、前記通信回線の異常が生じたと判別して、前記サーボドライバへ停止指令を出力させ、
   前記電源制御コンピュータにより、一定周期より長い期間に亘って前記アライブメッセージを受信しなかった場合には、前記駆動制御コンピュータの異常が生じたと判別して、前記駆動系への電源供給を遮断させ、前記通信異常を示すメッセージを受信した場合には、前記通信回線の異常が生じたと判別して、所定時間経過後に前記駆動系への電源供給を遮断させる
   ことを特徴とする制御方法。

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