JP5819898B2 - 器用なロボットの多軸ロードセルを較正するシステムおよび方法 - Google Patents

Description

[0001]本発明はＮＡＳＡ、Space Act Agreement number SAA-AT-07-003による政府の支援のもとでなされた。政府は本発明において一定の権利を有することがある。
[0002]本発明は、器用なロボットにより使用されるタイプのひずみセンサまたはロードセルの較正に関する。

[0003]ロボットは、一連のリンケージを用いて物体を把持し操作することができ、リンケージは、１つまたはそれ以上のロボットジョイントを介して相互接続される。エンドエフェクタは、手でたとえば作業道具または他の物体を把持するなどの与えられた課題を実行するのに用いられる特定のリンケージである。人間型ロボットは、ほぼ人間の構造および外観を備える器用なタイプのロボットであり、全身体、半身、手、または他の付属物などを備える。器用なロボットの構造的な複雑さは、命令される作業課題の複雑さに依存する。

[0004]器用なロボットにより実行され得る作業課題の幅の広さにより、正確且つ信頼できるように物体を操作できるようにするために、接触の複雑な検知がしばしば必要になる。小型のひずみセンサまたは多軸ロードセルは、たとえば同一または異なるロボットハンドの指（fingers）および／または親指(thumb)の間などの様々な接触表面において、またはそれに沿って線形力の測定に適用できる１つの可能なセンサのタイプである。

[0005]器用なロボット上で使用される多軸ロードセルの内部較正が可能な方法および装置が提供される。すなわち、ロードセルがロボットの構造内に統合されたままでロードセルの較正ができる。それゆえ、外部構成ジグの使用に頼らずに較正できる。一実施形態において、ロードセルは、器用なロボットの擬人化したハンドの異なる接触表面に統合される。ロボットは、ロードセルの係合ペアが、様々なロボット姿勢で自動的に圧されまたは互いに接触するように制御され、ロードセルの各係合ペア上に付与される任意の力が等しく反対方向になるように拘束される。

[0006]本方法を用いることで、ロボットは、上述のように外部の較正ジグを用いずに必要に応じて様々なロードセルを自己較正できる。外部の較正ジグは、当業界で知られたタイプの構造であり、ひずみがオフラインで測定されて較正された付与力およびトルクと比較される。ロボットに取り付けられたままロボット内部の６軸ロードセルを較正するのは困難であることがあるが、ロードセルのひずみ測定構造の機械的な変化により較正が時間とともに変化することがあるので、しばしば較正が必要となることがある。これは特に、小型のロードセルの場合に当てはまる。それゆえ、擬人化した指（fingers）および対向する親指（thumb）を備えるロボットハンドにおいて、本発明の技術は、単にロードセルを互いに圧しまたは接触させ、本明細書で説明されるひずみ測定およびジョイント角度測定を行うことで、指先／親指先に配置される複数のロードセルおよびハンドの近接する節部の内部較正をいつでも可能にする。

[0007]特に、ロボットシステムは、複数のロボットジョイント、それぞれが対応する１つのロボットジョイントのジョイント角度を測定する複数の角度センサ、複数の多軸ロードセル、およびホストマシンを含む。複数の多軸ロードセルは、ロボットの予め決定された姿勢の間に対応する１つのロードセルに付与されるひずみ値を測定する。ホストマシンは、各ロードセルおよび角度センサに電気的に接続され、また、角度センサからジョイント角度を受け取り、所定の姿勢の間にロードセルからのひずみ値のセットを受け取るように構成される。ロボットは、所定の姿勢の間に選択されたロードセルのペアを圧すように構成される。ホストマシンは、ジョイント角度およびひずみ値を処理して、較正マトリックスセットを決定し、較正マトリックスセットから、予め特定される値（最初の推定値）に最も近い値の較正マトリックスを決定するように構成される。予め特定される値は、たとえば、ロードセルの設計の工学解析から期待される値、最近の較正動作により見つかる較正マトリックスなどである。

[0008]ホストマシンは、各ロードセルおよび各角度センサに電気的に接続されるハードウェアモジュールを含む。ホストマシンは、角度センサからジョイント角度を受け取るように構成され、また、所定の姿勢の間にロードセルからひずみ値を受け取るように構成される。また、ホストマシンは、角度センサからのジョイント角度値およびロードセルからのひずみ値を用いてロードセルを較正するアルゴリズムを含む。

[0009]複数のロボットジョイントを備える器用なロボットのロードセルを較正するための方法は、所定の姿勢を形成するように係合するロードセルのペアを互いに圧すステップと、所定の姿勢の間に、角度センサからジョイント角度を、およびロードセルからひずみ値を測定するステップと、ホストマシンを介してジョイント角度およびひずみ値を処理して、較正マトリックスのセットを決定するステップと、前述の予め特定される初期値に最も近い較正マトリックスを決定するステップと、を有する。

[0010]本発明の上述の特徴・利点および他の特徴・利点は、以下の発明を実施する最良の形態の詳細な説明を添付図面とともに参照することでおのずと明らかになるであろう。

本明細書で説明される方法により較正され得る多軸ロードセルを備える器用なロボットの概略斜視図である。 図１に示されるロボットの下ロボットアームアセンブリの斜視図である。 多軸ロードセルの係合ペアの間の制御された接触を示す概略図である。 図１に示されるロボットの多軸ロードセルを較正する方法を示すフローチャートである。

[0015]図面を参照すると、いくつかの図を通じて類似の符号は同一または類似の要素を示している。図１は、１つまたはそれ以上の自動化される課題を実行するように構成される器用なロボット１０を示す。ロボット１０は、独立しておよび／または互いに従属して動作することができるモーター駆動ロボットジョイントを備えるように構成され、これは限定するわけではないが肩ジョイントのようなものであり、その位置が矢印Ａで示されている。ロボット１０は、肘ジョイント（矢印Ｂ）、手首ジョイント（矢印Ｃ）、首ジョイント（矢印Ｄ）、腰ジョイント（矢印Ｅ）、および指ジョイント（矢印Ｆ）を含むことができる。各々のジョイントは、ジョイント角（θ）を測定するように構成される１つまたはそれ以上のジョイント角度センサ１５を含み、これらの角度測定値をホストマシン（ホスト）２２に伝達し、以下で説明するセンサ較正アルゴリズム１００を介して処理する。

[0016]ロボット１０は、１つまたはそれ以上の擬人化したハンド１２を備える下アームアセンブリ２５を含む。各ハンド１２は、対向する親指１４（thumb）および複数の指１６（fingers）を含み、これは一緒に同一のハンドで物体２０を把持することができ、または、異なるハンドと協働して物体２０を把持することができる。親指１４および指１６の各々は、以下で説明するように１つまたはそれ以上の多軸ロードセル１８を含み、すなわち、１つまたはそれ以上のひずみ値を測定して測定値をホストマシン２２に伝達するように構成されたセンサを含む。

[0017]ホストマシン２２は、ロボット１０に電気的に接続され、アルゴリズム１００の実行を通じてロードセル１８の内部（in-situ）較正をするように構成され、すなわち、ロードセルがロボットの構造内に完全に統合されたままの状態で、外部の較正ジグを用いることなくロードセルを較正するように構成される。ホストマシン２２は、単一または複数のディジタルコンピュータまたはデータ処理デバイスを含むハードウェアモジュール２３を備えることができ、各々は１つまたはそれ以上のマイクロプロセッサまたは中央処理装置（ＣＰＵ）、読取専用メモリ（ＲＯＭ）、およびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を備える。ホストマシン２２は、十分な容量の消去可能な電気的プログラム可能な読取専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、高速クロック、アナログ−ディジタル（Ａ／Ｄ）回路、ディジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）回路、および必要な任意の入／出力（Ｉ／Ｏ）回路および装置、信号調節およびバッファ機器を備える。ホストマシン２２内に存在するまたは容易にアクセス可能な個別のアルゴリズムは、アルゴリズム１００を含み、必要な機能性を提供する要求に応じてハードウェアモジュール２３により自動的に実行されるようにすることができる。

[0018]図２を参照すると、下アームアセンブリ２５がより詳細に示されており、親指１４および指１６を含むハンド１２を備える。親指１４および指１６は、制御要素１７を介して単独でまたは組み合わせて移動することができ、制御要素１７は図示のように下アームアセンブリ２５内に埋め込まれる。ハンド１２は手のひら３６を画定するベース構造３４を含む。親指１４および指１６は、ベース構造３４に可動に取り付けられ、たとえば図１に示される物体２０を把持するために、手のひら３６に向かって選択的に曲がるように構成される。親指１４および指１６は、それぞれ、ジョイント（矢印Ｆ）に接続されるセグメントまたは指骨部３０を含み、これらはモーター等のようなジョイントアクチュエータを介して選択的に動力供給される。

[0019]多軸ロードセル１８は、親指１４および指１６のそれぞれの指骨部３０に接続および統合される。ロードセル１８は、ひずみデータを読みおよび図１のホストマシン２２に伝達できるように構成される。ひずみデータは、最終的には以下で説明される力（ｆ）を決定するために処理される。各ロードセル１８は、少なくとも１つのひずみ値を読む必要があり、一般的には、３つの力成分を決定するために３つまたはそれ以上のひずみ値が測定される。一実施形態において、各ロードセル１８は、同時に８つの異なるひずみを測定するが、本発明の意図する範囲から逸脱することなく他のひずみ値を用いることができる。明瞭さのために図示しないが、様々なロードセル１８に動力供給するために、小型の電子機器をハンド１２内に設けてもよく、たとえば、必要に応じて、アナログセンサデータを収集し、アナログ信号をディジタル信号に変換し、ディジタル信号を多重送信し、およびデータを相互伝達する。

[0020]図３を参照すると、多軸ロードセル１８Ａ，１８Ｂの係合ペアが概略的に示されている。係合ペア４０は、共通のハンド１２であるか異なるハンドであるかに関わらず、２つの指１６の指先で位置決めされ、または、親指１４の指先で位置決めされる。ロードセル１８は、ロードセル１８Ａ、１８Ｂを互いに異なる姿勢で接触させることにより、また補助的に以下で説明される較正されたロードセル１８Ｃに接触させることにより、自己較正することができる。当業者に理解されるように、与えられたロードセルは、測定されるひずみ（ｓ）に線形変換または較正マトリックス（Ｋ）を乗算することにより、付与される力（ｆ）を測定するために用いることができる。すなわちｆ＝Ｋｓである。この基本的な力方程式は、アルゴリズム１００を実行するときに、図１のロボット１０上で用いられるロードセル１８を自己較正するために、ホストマシン２２により使用される。

[0021]図４を参照して、図３の概略図とともにアルゴリズム１００が説明される。当業者に理解されるように、ロードセルは、ロードセルをホストロボットから取り外し、ロードセルを較正された参照ロードセルを含む外部のジグに取り付けることで、従来のように較正される。較正されるロードセルに付与される様々な力およびトルクは、ジグを通じて較正されたロードセルにより測定される。較正されるロードセルの較正マトリックス（Ｋ）は、力およびトルクの出力ができるだけジグの測定に一致するように決定される。ロボットの構造に多数のロードセルが完全に複雑に統合されている高度に複雑な器用なロボットは、従来の外部ジグに基づく技術は実行できないことがある。

[0022]それゆえ、アルゴリズム１００がホストマシン２２を介して実行され、ロードセルが内蔵されたままで、図１および図２に示される様々なロードセル１８の自己較正を可能にする。アルゴリズム１００は、ステップ１０２で開始し、ここで、図３に示される選択されたロードセル１８Ａ、１８Ｂが、たとえば姿勢１、姿勢２のような一連の異なる姿勢で互いに圧されまたは接触させられ、互いに等しく反対方向の力（ｆ）が付与される。図３において、ｆ_１ ^ｂおよびｆ_２ ^ｂは、指Ｂ、すなわち第１および第２の姿勢（１、２）において位置決めされるロードセル１８Ｂを備えるハンド１２の親指１４または指１６、により付与される力（ｆ）を示し、ｆ_１ ^ａ、ｆ_２ ^ａはそれぞれ、同一の姿勢における対向する指Ｂのロードセル１８Ａにより付与される反対方向の力を示す。

[0023]指Ａ上の力は、式：ｆ^ａ＝Ｋｓ^ａにより与えられることが仮定されている。指Ａのセンサ較正マトリックス（Ｋ）の値は常に同一であるが、指Ａが同一の指、すなわち上述した親指１５または指１６、に付与される異なる力に対応するセンサの読みは異なる。Ｋが分かった後、同一の指のセンサからの読み値を用いて、すなわちｆ^ａ＝Ｋｓ^ａを用いて指Ａの力を計算することができる。追加的な外部接触は、全較正結果を改善するために、センサ測定セットに追加することができる測定値を提供する。たとえば、較正されたロードセル、たとえばロードセル１８Ｃ、および／または知られた重りとの接触は、既知の力を提供し、および／または既知の向きの低摩擦表面との接触は、大きさは分からないが知られた向きの力を提供する。

[0024]ステップ１０２において開始し、図１に示されるロボット１の構造を参照すると、図３の選択されたロードセル１８Ａ、１８Ｂは、ロボットにより第１姿勢で等しく反対方向力で互いに圧される。アルゴリズム１００はその後ステップ１０４に進む。

[0025]ステップ１０４において、接触する指Ａおよび指Ｂ、すなわち図３に示す係合ペア４０、のそれぞれのロードセル１８Ａ、１８Ｂの各姿勢におけるジョイント角度（θ）およびひずみ（ｓ）が、検出、測定、または他の方法で完全に決定される。ジョイント角度（θ）は、図３の接触するロードセル１８Ａ、１８Ｂにおけるジョイントセンサ１５により各姿勢において測定され、共通座標系においてそれぞれの向きが決定される。ロードセルの位置および向きは、最終的には、ホストマシン２２を介してこれらの値から決定される。係合ペア４０のロードセルが異なるハンド１２上に位置決めされているなら、たとえば左ハンドの指が右ハンドの指に接触しているなら、係合ペアの間の機械的なチェーンにおいて全てのジョイント角度が決定されなければならず、すなわち、一方の指から両方のアームを通って他方の指に至り、共通座標系、たとえば半身（torso）、がチェーン内に入るようにする。ステップ１０２で説明した追加的な外部接触とともに、多数の係合ペア４０が同一のセンサ測定セット内に含まれるようにすることができる。センサの読み値ｓ_ｉ ^ａ、ｓ_ｉ ^ｂは、様々な向きまたは姿勢Ｒ_ｉ ^ａ、Ｒ_ｉ ^ｂにおいて測定される。ここでｉ＝姿勢１、２、３等である。

[0026]ステップ１０６において、ホストマシン２２は、妥当な較正マトリックスの空間のための同次の方程式を解く。

これらのマトリックスにおいて、変数Ｊは、対向する指／親指または指Ｂの較正マトリックスを示す。Ｒマトリックスは下符号付きであり、これらの値は係合ペアが移動すると変化することを示している。また、較正マトリックス（Ｋ，Ｊ）は、この方程式のシステムでは線形に見える。

［0027］ステップ１０６において、ホストマシン２２は、上述の力バランスの式内の誤差を最小化する全てのマトリックスペア（Ｋ，Ｊ）を特徴付ける。例として、最小二乗誤差基準で最小化したセットは、標準線形代数を用いて見つけることができ、たとえば、特異値分解法またはＱＲ分解法である。較正マトリックスの全ての次元は、完全に決定することができるわけではないが、結果として生じる較正は最初の較正に対してより正確となるであろう。

[0028]ステップ１０８において、最初の推定値に最も近い較正マトリックスを見つける。ステップ１０６からすべての誤差を最小化したペアの中で、最初の推定値に最も近いペア（Ｋ，Ｊ）が選択される。「近さ（closeness）」が上述の可能な実施形態による最小二乗センスで計算されるならば、標準的なコンピュータ使用の線形代数が適用される。選択されたペアは、係合ペアのロードセル１８Ａ、１８Ｂを較正するのに用いられる。

[0029]上述したように、ロードセル１８Ａ、１８Ｂの較正マトリックス（Ｋ，Ｊ）は、不知のスケールファクタにより決定されることがある。少なくとも１つの既知の大きさの独立した力測定を行うことができるのならば、スケールファクタを決定することができ、既知の重量を支持する、または、たとえば図３のロードセル１８Ｃのような正しく較正されたロードセルに一度接触させることを実行することにより、独立した力測定を行うことができる。ロードセル１８Ａ、１８Ｂの相対的な姿勢の不十分さにより、部分的な情報だけを引き出すことができる場合、この情報は先に存在する構成を更新および改良するために用いることができる。

[0030]説明の明確さのために、上述の例は、簡略化した２指姿勢を説明している。しかし、本方法の範囲は、単に２姿勢に限定されず、指の追加の指（digit）上の様々なロードセル１８間の接触を含むことができる。較正は、第２指、たとえば指Ｃ（図示せず）を含むことができ、指Ｃに複数回接触させるまえに指Ａが指Ｂに複数回接触する。追加の指Ｃの較正マトリックスは、（Ｈ）として示すことができる。３つの較正マトリックスとして セット（Ｋ，Ｊ，Ｈ）を較正し、単なるペア様式、すなわち、最初に較正セット（Ｋ，Ｊ）、その後較正セット（Ｋ，Ｈ）ではない。これらのステップがペア様式に実行されるなら（Ｋ）の異なる値が得られ、最適な（Ｋ）の値を得るためにこれらの差を調整する必要がある。それゆえ、最適化された性能のために、全てのバランス式を単一の行列に結合することができ、すべての較正マトリックスを同時に解くことができる。様々な親指１４および／または指１６およびそれらのいくつかの指骨が存在するので、同様に、多くのロードセル１８の多数のペア様式の接触のデータを収集する。

[0031]本発明を実施する最良の形態が詳細に説明された。当業者は、添付の特許請求の範囲に画定される本発明の範囲内で、本発明を実施する様々な代替設計および実施形態を認識するであろう。

Claims (8)

1. ロボットシステムであって、前記ロボットシステムは、
   複数のロボットジョイントを備える器用なロボットと、
   前記ロボットが取りうる各姿勢において、各角度センサに対応する１つのロボットジョイントにおけるジョイント角度値を測定するようにそれぞれ構成される複数の角度センサと、
   前記ロボットが取りうる各姿勢において、付与される力に応じて対応する各ロードセルに生じる少なくとも１つのひずみ値を測定するようにそれぞれ構成された複数のロードセルと、
   前記ロードセルの各々および前記角度センサの各々に電気的に接続され、かつ、前記ロボットが取りうる各姿勢において、前記角度センサの各々および前記ロードセルの各々からジョイント角度値をおよび少なくとも１つのひずみ値を、それぞれ受け取るように構成されたホストマシンと、を有し、
   前記ロボットは、前記ロードセルの係合ペアを互いに反対方向の等しい力で圧すような所定の姿勢を形成するように動作させられ、前記ホストマシンは、前記ロボットの当該動作中に受け取ったジョイント角度値およびひずみ値を処理して、較正マトリックスセットを決定するように構成されているとともに、
   当該較正マトリックスセットの決定に際しては、前記ロードセルの係合ペアの各々に付与される力の合計がゼロになる力−バランス方程式のセットを、作動中に受け取った前記ジョイント角度値により定まる各ロードセルに対応するロボット上の部位の姿勢または向きと、作動中に受け取った前記ひずみ値と、に基づいて定めたうえで、当該力−バランス方程式のセット内の誤差を最小化する係合ペアのロードセルの各々の較正マトリックスセットを計算するように構成され、
   さらに、
   前記ホストマシンは、誤差が最小化された前記較正マトリックスセットから、最初の推定値に最も近い値の較正マトリックスを選択するとともに、当該選択された較正マトリックスを使用して、前記ロードセルの係合ペアを較正するように構成される、ロボットシステム。
2. 請求項１に記載のロボットシステムであって、さらに、対向する親指および指を備える擬人化したロボットハンドを有し、前記ロードセルの少なくとも１つは、前記親指および前記指の各々に配置される、ロボットシステム。
3. 請求項１に記載のロボットシステムであって、前記ホストマシンは、最小二乗法を用いて誤差を最小化する、ロボットシステム。
4. 請求項１に記載のロボットシステムであって、前記ホストマシンは、前記係合ペアに対応するジョイント角度を用いて、係合ペアの共通座標系を決定するように構成され、前記共通座標系を提供する機械的なチェーンを形成するように全てのジョイント角度が測定され、前記共通座標系は、前記機械的なチェーン内に前記共通座標系が入るように決定される、ロボットシステム。
5. 請求項１に記載のロボットシステムであって、前記ロボットは、連続的に異なる所定の姿勢を実行するように構成され、前記ホストマシンは、前記異なる所定の姿勢で用いられる各係合ロードセルの較正マトリックスを計算するように構成される、ロボットシステム。
6. 請求項５に記載のロボットシステムであって、前記複数のロードセルから分離された、予め較正されたロードセルを含み、前記ロボットは、前記異なる所定の姿勢の１つを形成するように、前記ロードセルの１つを前記予め較正されたロードセルに接触させるように構成される、ロボットシステム。
7. 複数のロボットジョイントと、ロボットが取りうる各姿勢において、各角度センサに対応する１つのロボットジョイントにおけるジョイント角度値を測定するようにそれぞれ構成される複数の角度センサと、前記ロボットが取りうる各姿勢において、付与される力に応じて対応する各ロードセルに生じる少なくとも１つのひずみ値を測定するようにそれぞれ構成された複数のロードセルと、を備える器用なロボット内のロードセルを較正する方法であって、前記方法は、
   前記ロードセルの係合ペアを互いに反対方向の等しい力で圧すような所定の姿勢を形成するように前記ロボットを動作させるステップと、
   前記ロボットの当該動作中に、前記角度センサによりジョイント角度値を、前記ロードセルによりひずみ値を、測定するステップと、
   測定された前記ジョイント角度値および前記ひずみ値をホストマシンを介して処理して較正マトリックスセットを決定するステップと、を有し、該ステップは、前記ロードセルの係合ペアの各々に付与される力の合計がゼロになる力−バランス方程式のセットを、動作中に測定した前記ジョイント角度値により定まる各ロードセルに対応するロボット上の部位の姿勢または向きと、動作中に測定した前記ひずみ値と、に基づいて定めたうえで、当該力−バランス方程式のセット内の誤差を最小化する係合ペアのロードセルの各々の較正マトリックスセットを計算し、
   前記方法はさらに、誤差が最小化された前記較正マトリックスセットから、最初の推定値に最も近い値の較正マトリックスを選択するステップと、
   当該選択された較正マトリックスを使用して、前記ロードセルの係合ペアを較正するステップと、を有する、方法。
8. 請求項７に記載の方法であって、さらに、
   連続して異なる所定の姿勢を実行するステップと、
   前記異なる所定の姿勢で用いられる前記係合ペアの各ロードセルの較正マトリックスを計算するステップと、を有する方法。

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