JP6312264B2 - 冗長自由度を伴うロボットマニピュレータの制約 - Google Patents
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Description
本出願は、2012年9月17日に出願された米国仮出願61/701,900号に対して優先権、およびその権利を主張する。上記文献は、その全体として参照することによって本明細書において援用される。
本発明は、冗長自由度を伴うロボットマニピュレータの運動を制約するためのシステムおよび方法に関し、特に、そのエンドエフェクタによって、そのような冗長マニピュレータを誘導することと調和するアプローチに関する。
産業ロボットは、物理的物体の移動および操作を伴う、種々のタスクを行う。典型的産業ロボットは、例えば、ロボットが、特定の場所において物体を取り上げ、それらを目的場所に運搬し、それらを特定の座標に従って置くことを可能にする、グリッパまたは他のエンドエフェクタを具備する、1つ以上のアーム(または、より一般的には、付属肢)を有し得る。既存の産業ロボットのためのコントローラは、典型的には、ロボットアームのための正確な位置および軌道を規定する言語でプログラムされる。プログラムされたタスクの実行の間、ロボットアームは、正確に規定された軌道に従って、その最遠位連結部と関連付けられた参照座標を正確に規定された新しい位置に移動させる。産業ロボットのための最近のプログラミングシステムは、単に、ロボットのエンドエフェクタを握持し、それをロボットの作業空間内の関連場所に誘導することによって、ユーザが、ロボット場所および軌道を教示することを可能にする、入力層を有する。本方法は、ユーザにとって直感的であって、ロボットは、その独自の状態(関節角度、力等)を感知することができるため、複雑なタスクまたは運動が、容易に実証、感知、および記録されることを可能にする。
本発明は、マニピュレータが、片手を使用して、その終点から容易に誘導されることができるが、重力補償モードで動作されると、制御不能に移動しないように、冗長ロボットマニピュレータの姿勢および/または移動を制約するためのシステムおよび方法を提供する。種々の実施形態によると、低インピーダンスロボットの冗長自由度は、わずかに制約される。すなわち、ロボットアームの自由度を低減させるのではなく、制約力および/またはトルクが、ロボットアームを特定の好ましい構成(以下、「基準姿勢」)に押勢するように、ロボット関節に内部から印加される。これらの制約力および/またはトルクによって、ロボットアームは、基準姿勢において最小値を有するエネルギーポテンシャル内にあるかのうように、その運動自由度が及ぶ空間(すなわち、その可能性として考えられる姿勢の空間)内を移動する。
例えば、本願発明は以下の項目を提供する。
(項目1)
複数の関節を備える冗長ロボットマニピュレータを制約し、重力を補償するモードで動作させる方法であって、前記方法は、
プロセッサを使用して、前記マニピュレータの姿勢を基準姿勢に向かって押勢するための少なくとも1つの制約トルクを算出することであって、前記少なくとも1つの制約トルクは、前記基準姿勢からの前記マニピュレータの姿勢の変位に依存する、ことと、
重力補償トルクおよび前記少なくとも1つの算出された制約トルクを含む、総トルクを前記関節に印加することであって、それによって、前記冗長マニピュレータは、前記冗長マニピュレータの移動が制約されている間、重力を補償するように動作される、ことと
を含む、方法。
(項目2)
前記制約トルクは、復元トルクを含み、前記復元トルクの大きさは、前記変位に線形に依存する、項目1に記載の方法。
(項目3)
前記少なくとも1つの制約トルクのうちの少なくとも1つは、仮想ばねによって印加されるトルクとして算出され、前記仮想ばねは、前記関節のうちの1つに取り付けられ、その基準位置に向かって関節を引張する、項目1に記載の方法。
(項目4)
前記少なくとも1つの制約トルクのうちの少なくとも1つは、仮想ばねによって印加される復元力から生じるトルクとして算出され、前記仮想ばねは、前記マニピュレータの選択された点に取り付けられ、基準デカルト位置に向かって、その点を選択されたデカルト方向に引張する、項目1に記載の方法。
(項目5)
前記少なくとも1つの制約トルクは、前記選択された点の近位の関節に対してのみ非ゼロである、項目4に記載の方法。
(項目6)
前記少なくとも1つの制約トルクは、仮想ばねによって印加されたトルクとして算出され、前記仮想ばねは、一端において前記マニピュレータの関節または選択された点のうちの少なくとも1つに取り付けられ、第2の端部において静摩擦を伴う質量に取り付けられる、項目1に記載の方法。
(項目7)
ユーザ入力に応答して、前記基準姿勢を前記マニピュレータの現在の姿勢に設定することをさらに含む、項目1に記載の方法。
(項目8)
前記少なくとも1つの制約トルクは、前記マニピュレータのヌル空間内で算出される、項目1に記載の方法。
(項目9)
前記基準姿勢は、他のロボット部品に対する前記ロボットマニピュレータの部品の場所または配向、ロボット作業空間内のロボットの場所または配向あるいはそれと関連付けられた条件、もしくは現在実行されているロボットタスクのうちの少なくとも1つの関数として定義される、項目1に記載の方法。
(項目10)
前記少なくとも1つの制約トルクの大きさは、前記マニピュレータの終点における内力を最小限にするように設定される、項目1に記載の方法。
(項目11)
前記基準姿勢は、前記マニピュレータの自由度に対応する座標に関する一式の値によって規定され、前記一式の値は、集合的に、少なくともそのいくつかの要素の空間位置および配向を規定する、項目1に記載の方法。
(項目12)
ロボットであって、前記ロボットは、
複数の関節によって直列に接続された複数の連結部を備えるマニピュレータであって、前記マニピュレータは、少なくとも1つの冗長自由度を有する、マニピュレータと、
前記関節にトルクを印加するために、前記関節と関連付けられたコントローラと、
重力を補償するモードにおいて、前記関節に印加されるべきトルクを算出するために、前記コントローラと通信する演算機器であって、前記トルクは、前記マニピュレータの姿勢を基準姿勢に押勢する制約トルクを含む、演算機器と
を備える、ロボット。
(項目13)
前記演算機器は、前記基準姿勢の算出表現を記憶するメモリを備える、項目12に記載のロボット。
(項目14)
前記記憶された基準姿勢は、他のロボット部品に対する前記ロボットマニピュレータの部品の場所または配向、ロボット作業空間内のロボットの場所または配向あるいはそれと関連付けられた条件、もしくは現在実行されているロボットタスクのうちの少なくとも1つの関数として定義される、項目13に記載のロボット。
(項目15)
前記マニピュレータの姿勢のパラメータを測定するためのセンサをさらに備える、項目12に記載のロボット。
(項目16)
前記演算機器は、前記測定されたパラメータに基づいて、前記基準姿勢からの前記マニピュレータの姿勢の変位を算出するためのモジュールを備える、項目15に記載のロボット。
(項目17)
前記制約トルクは、復元トルクを含み、前記復元トルクの大きさは、前記変位に線形に依存する、項目16に記載のロボット。
(項目18)
ユーザが前記基準姿勢を前記マニピュレータの現在の姿勢に設定することを可能にする、ユーザインターフェース要素をさらに備える、項目12に記載のロボット。
(項目19)
前記演算機器は、前記マニピュレータのヌル空間内の制約トルクを算出するためのモジュールを備える、項目12に記載のロボット。
(項目20)
前記演算機器は、前記マニピュレータの終点における内力を最小限にするように少なくとも1つの制約トルクの大きさを設定するためのモジュールを備える、項目12に記載のロボット。
(項目21)
前記関節は、直列弾性アクチュエータを備え、前記演算機器は、前記関節と関連付けられた前記コントローラに、前記関節に印加されるべきトルクに対応する個別の駆動電流を用いて、前記アクチュエータを駆動させるように構成されている、項目12に記載のロボット。
図1Aは、本明細書による、例示的ヒト型ロボットを図示する。ロボット100は、ロボット本体104に接続された2つのロボットマニピュレータ102、すなわち、「ロボットアーム」と、画面106およびユーザ入力を促進する種々の機械的制御(ボタンおよびタッチパッド等)を含む、ユーザインターフェースとを含む。各アーム102は、エンドエフェクタとしてそこに搭載された平行ジョーグリッパ112を伴う、リスト110を有する。図1Bは、ロボットアーム102の拡大図を提供する。アーム102は、集合的に、7自由度、すなわち、1冗長自由度を提供する、7つの1次元回転式関節116によって、直列に接続された7つの連結部114を含む。図1Bにおける矢印によって示されるように、各関節116は、角度が2つの連結部114間で変動することを可能にする(すなわち、連結部が連結部の軸と垂直な関節を通した軸の周囲を回転することを可能にする)、ヒンジとしての役割を果たすか、またはその中心軸(すなわち、その連結部の両端の関節を接続する軸)の周囲のより遠位の連結部114の回転を促進するかのいずれかを行う。当然ながら、描写されるロボット100は、特定の実施例の1つにすぎない。一般に、本明細書によるロボットは、例えば、2つより少ないまたはより多いマニピュレータ、マニピュレータ内の異なる数の連結部および関節、異なるタイプの関節(例えば、滑り関節、自在関節等)、異なるタイプのエンドエフェクタ(例えば、吸引グリッパ)、種々のロボット部品(本体およびアーム等)の全体的異なる構成等を含んでもよい。より多数の連結部および関節および/または2自由度以上を提供する関節(例えば、自在関節)は、概して、ロボットマニピュレータにおける自由度の数、したがって、冗長性の量を増加させる。
Tj=Gj({θi},{mk},{lk},{dk})
関節毎の関数Gjは、分析的に、または、例えば、Orocos Projectによって提供され、http://orocos.org/wiki/orocos/kdl−wikiからダウンロード可能である、Kinematics and Dynamics Library(KDL)等のオープンソースロボット制御ソフトウェアを使用して、容易に計算されることができる。
Tj=Gj({θi},{mk},{lk},{dk})+αj・[Kj(θj−θj0)+Dj(dθj/dt)]
式中、αは、明確にするために、復元項Kおよび減衰項Dから抽出されたスケーリング項であって、その範囲は、例えば、α=100が、最大剛性に対応し、α=0が、(厳密に)ゼロ重力モードに対応するように設定されてもよい。
θj0(t+1)=θj0(t)+(1/mj)・αj・[Kj(θj−θj0(t))]
式中、mjは、関節特有のスケーリング係数である。摩擦モデルを精緻化するために、速度項が、以下のように追加されてもよい。
θj0(t+1)=θj0(t)+β・dθj(t)/dt・dt
式中、βは、1未満に設定されるスケーリングパラメータである。
f=J+(T−Greal({θi},{mk},{lk},{dk}))
式中、J+は、それぞれ、ロボットによって内部からおよび重力によって外部から関節に印加されるトルクを表す、ベクトルTおよびGrealの関数である、ヤコビアンの擬似逆行列である。前述のばねモデルの場合、重力補償力Gが実際の重力Grealに等しいと仮定すると、これは、以下と等しい。
f=J+(α・[K({θj−θj0})+D({dθj/dt})
ユーザは、終点を保持しながらアームを移動させるにつれて、いくつかの残っている力項f(関節に追加される仮想ばねのため)に加え、アームの慣性による力を感じるであろう。
(I−J+J)(θ−θ0)
式中、Iは、単位行列であって、Jは、ヤコビアンであって、θおよびθ0は、それぞれ、現在の角位置および基準位置のベクトルである。仮想ばねが、次いで、ヌル空間内に適用され、投射された変位に平行な力を生成し得る。(これは、終点が以降に移動し得ることから、瞬時ヌル空間が、基準姿勢が設定される時に存在したヌル空間と異なり得るため、概して、単に、ヌル空間内への現在の姿勢の投射ではなく、また、基準姿勢の投射も伴うことに留意されたい。)結果として生じるトルクは、例えば、以下のように表され得る。
T=K(I−J+J)(θ−θ0)
式中、Kは、トルクに対する利得変換変位である。これらの仮想ばねは、終点に余剰力を生じさせずに、関節を基準姿勢に向かって駆動させる。(一般に、基準姿勢は、経時的に変動し、したがって、終点が移動し得るため、基準姿勢が設定された時に存在した姿勢と異なり得る。)投射は、終点が移動するにつれて、継続的に再計算される必要がある(基準姿勢が同一のままである場合でも)。代替として、力またはトルクは、ヌル空間に関係なく、最初に算出され(例えば、トルクK(θ−θ0をもたらす)、その後、ヌル空間内に投射され、T=(I−J+J)K(θ−θ0)(Kは、スカラーであるため、前述と同じ)をもたらしてもよい。いずれの場合も、ロボットによって関節jに印加される最終トルクは、以下のように表され得る。
Tj=G({θi},{mk},{lk},{dk})+P(θj、θj0)
式中、θj0は、関節jの所望の(すなわち、基準)角位置であって、Pは、角変位に依存し、以下のように角度および/または力をヌル空間内に投射する、投射関数である。
P(θj,θj0)=K(I−J+J)(θ−θ0)
fE=K(zE−zE0)
本復元力は、アーム連結のヤコビアンを使用して、関節トルクに変換されることができる。
TR=JT・fE、
式中、JTは、上下列の上流部品(すなわち、エルボの上流または近位の関節であって、トルクが、仮想ばねをシミュレーションするために印加されることができる)のみを含むアームのサブ機構に対するヤコビアンの転置行列であって、TRおよびfEは、ベクトルである。これらのトルク項は、次いで、重力補償項G({θi},{mk},{lk},{dk})に追加され、関節jに印加される以下のトルクをもたらす。
Tj=Gj({θi},{mk},{lk},{dk})+TRj
Claims (21)
- 複数の関節を備える冗長ロボットマニピュレータを制約し、重力を補償するモードで動作させる方法であって、前記方法は、
プロセッサを使用して、前記冗長ロボットマニピュレータの姿勢を基準姿勢に向かって押勢するための少なくとも1つの制約トルクを算出することであって、前記少なくとも1つの制約トルクは、前記基準姿勢からの前記冗長ロボットマニピュレータの姿勢の変位に依存する、ことと、
重力補償トルクと前記少なくとも1つの算出された制約トルクとを含む総トルクを前記複数の関節に印加することであって、前記冗長ロボットマニピュレータは、前記重力補償から生じる前記冗長ロボットマニピュレータの制御不能なドリフトを低減する一方で、重力を補償するように動作され、前記冗長ロボットマニピュレータの制御不能なドリフトを低減することは、前記冗長ロボットマニピュレータの移動を制約することを含み、前記冗長ロボットマニピュレータの終点は、前記複数の関節に印加される前記総トルクが、印加される力によって少なくとも部分的に対抗される場合にのみ移動される、ことと
を含む、方法。 - 前記制約トルクは、復元トルクを含み、前記復元トルクの大きさは、前記変位に線形に依存する、請求項1に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの制約トルクのうちの少なくとも1つは、仮想ばねによって印加されるトルクとして算出され、前記仮想ばねは、前記複数の関節のうちの1つに取り付けられ、その基準位置に向かって関節を引張する、請求項1に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの制約トルクのうちの少なくとも1つは、仮想ばねによって印加される復元力から生じるトルクとして算出され、前記仮想ばねは、前記冗長ロボットマニピュレータの選択された点に取り付けられ、基準デカルト位置に向かって、その点を選択されたデカルト方向に引張する、請求項1に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの制約トルクは、前記選択された点の近位の関節に対してのみ非ゼロである、請求項4に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの制約トルクは、仮想ばねによって印加されたトルクとして算出され、前記仮想ばねは、一端において前記冗長ロボットマニピュレータの関節または選択された点のうちの少なくとも1つに取り付けられ、第2の端部において静摩擦を伴う質量に取り付けられる、請求項1に記載の方法。
- ユーザ入力に応答して、前記基準姿勢を前記冗長ロボットマニピュレータの現在の姿勢に設定することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの制約トルクは、前記冗長ロボットマニピュレータのヌル空間内で算出される、請求項1に記載の方法。
- 前記基準姿勢は、他のロボット部品に対する前記冗長ロボットマニピュレータの部品の場所または配向、ロボット作業空間内のロボットの場所または配向もしくはロボット作業空間に関連付けられた条件、もしくは、現在実行されているロボットタスクのうちの少なくとも1つの関数として定義される、請求項1に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの制約トルクの大きさは、前記冗長ロボットマニピュレータの終点における内力を最小限にするように設定される、請求項1に記載の方法。
- 前記基準姿勢は、前記冗長ロボットマニピュレータの自由度に対応する座標に関する一式の値によって規定され、前記一式の値は、集合的に、少なくともそのいくつかの要素の空間位置および配向を規定する、請求項1に記載の方法。
- ロボットであって、前記ロボットは、
複数の関節によって直列に接続された複数の連結部を備えるマニピュレータであって、前記マニピュレータは、少なくとも1つの冗長自由度を有する、マニピュレータと、
前記複数の関節にトルクを印加するために、前記複数の関節に関連付けられたコントローラと、
前記重力補償から生じる前記マニピュレータの制御不能なドリフトを低減する一方で、重力を補償するモードにおいて、前記複数の関節に印加されるべきトルクを算出するために、前記コントローラと通信可能な演算機器であって、前記マニピュレータの制御不能なドリフトを低減することは、前記マニピュレータの移動を制約することを含み、前記トルクは、前記マニピュレータの姿勢を基準姿勢に押勢する制約トルクを含む、演算機器と
を備え、
前記マニピュレータの終点は、前記複数の関節に印加される前記トルクが、印加される力によって少なくとも部分的に対抗される場合にのみ移動される、ロボット。 - 前記演算機器は、前記基準姿勢の算出表現を記憶するメモリを備える、請求項12に記載のロボット。
- 前記記憶された基準姿勢は、他のロボット部品に対する前記マニピュレータの部品の場所または配向、ロボット作業空間内のロボットの場所または配向もしくはロボット作業空間に関連付けられた条件、もしくは、現在実行されているロボットタスクのうちの少なくとも1つの関数として定義される、請求項13に記載のロボット。
- 前記マニピュレータの姿勢のパラメータを測定するためのセンサをさらに備える、請求項12に記載のロボット。
- 前記演算機器は、前記測定されたパラメータに基づいて、前記基準姿勢からの前記マニピュレータの姿勢の変位を算出するためのモジュールを備える、請求項15に記載のロボット。
- 前記制約トルクは、復元トルクを含み、前記復元トルクの大きさは、前記変位に線形に依存する、請求項16に記載のロボット。
- ユーザが前記基準姿勢を前記マニピュレータの現在の姿勢に設定することを可能にするユーザインターフェース要素をさらに備える、請求項12に記載のロボット。
- 前記演算機器は、前記マニピュレータのヌル空間内の制約トルクを算出するためのモジュールを備える、請求項12に記載のロボット。
- 前記演算機器は、前記マニピュレータの終点における内力を最小限にするように少なくとも1つの制約トルクの大きさを設定するためのモジュールを備える、請求項12に記載のロボット。
- 前記複数の関節は、直列弾性アクチュエータを備え、前記演算機器は、前記複数の関節に印加されるべきトルクに対応する個別の駆動電流を用いて、前記アクチュエータを駆動することを前記複数の関節に関連付けられた前記コントローラに行わせるように構成されている、請求項12に記載のロボット。
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