JP7019919B2 - ロボットマニピュレータシステムのためのシステムおよび方法 - Google Patents
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本明細書には、著作権保護の対象となる事項が含まれている。著作権者は、米国特許商標庁の特許ファイルまたは記録に記載されているように、特許文書または特許開示のファクシミリ複製に異論を唱えないが、著作権のすべての権利を保有する。以下の表示は、以下に記載されているソフトウェア、スクリーンショット、およびデータ、ならびに以下の図面および無断転用禁止(All Rights Reserved)に適用される。
以下の出願は、2016年5月16日に出願された米国仮特許出願第62/337066号に対する優先権を主張し、その全体が参照により組み込まれる。
図1は、部分的に伸長されたロボットマニピュレータアーム(RMA)100の一実施形態の等角図を示している。いくつかの実施形態では、RMA100は、アクセスが困難な環境および/または危険な環境で検査、保守、修理、および清掃作業を実行するように動作可能である。図示の実施形態におけるRMA100は、支持フレーム10、キャリッジ115、マスト120、前腕130、肘140、手首150、およびエンドエフェクタ160を備える。いくつかの実施形態は、追加の構成要素、または図示された1つまたは複数の構成要素を、1つより多く含んでもよい。いくつかの実施形態では、マストおよび前腕の少なくとも1つは、入れ子式などの手段によって伸長可能である。図示された実施形態の自由度は、垂直マストの伸長/格納、マストの回転、肘の旋回、前腕の伸長/格納、手首のピッチ、および手首のロールである。いくつかの実施形態では、用途およびプロジェクト要件に応じて、追加のツールおよびカートを使用してもよい。
図2は、支持フレーム10に収容されたRMA100の一実施形態を示している。いくつかの実施形態では、RMA100は、完全に折り畳まれたときに支持フレーム10内に完全に収まり、展開および復帰中のシステムの操作性を高め、保管設置面積を減少させる。いくつかの実施形態では、支持フレーム10は、運搬および位置決めを容易にするための車輪またはその他のそのような機構を備えていてもよい。いくつかの実施形態では、支持フレーム10は、位置決めされると、マニピュレータアームの展開中のシステムの安定性を高めるために、外部支持体105に取り付けることができる。いくつかの実施形態では、支持フレーム10は、作業、洗浄、および運搬の少なくとも1つのための格納容器を提供することができる。
図2Aおよび図2Bに示される実施形態のようないくつかの実施形態では、作業中にRMA100を支持フレーム10に連結するためにキャリッジ115を使用することができる。いくつかの実施形態では、キャリッジ115は、RMA100が展開されるときにRMA100の整列を制御するために、カム経路112および/またはロータリアクチュエータを一体化することができる。いくつかの実施形態では、ロータリアクチュエータは液圧式である。いくつかの実施形態では、キャリッジ115は、電気ワイヤロープウインチ、位置フィードバック、およびマストの伸長および/または回転のためのモータなどのRMA100の動作および制御のための制御構成要素を備えてもよい。いくつかの実施形態では、キャリッジ115は、ケーブル管理の目的にさらに役立つ。
図3A~図3Hは、RMA100展開プロセスの一実施形態を示している。
図4Aは、格納位置にあるマスト120の一実施形態を示している。いくつかの実施形態では、マスト120は、1つまたは複数の入れ子式管を備えることができる。いくつかの実施形態におけるマスト120は、図4Bに示されるように、所望の深さ/高さに応じて伸長または格納されることができる。いくつかの実施形態では、炭素繊維などの軽い材料から1つまたは複数の管が形成される。いくつかの実施形態では、1つまたは複数の管は、ステンレス鋼などの金属で構成される。マスト120の回転を可能にするために、最も外側の管は、いくつかの実施形態では、モータによって駆動され得るギヤまたは旋回リングに連結されてもよい。マスト120は、最も外側の管に連結された取り付けリングおよび軸受によって、キャリッジ115にしっかりと取り付けられてもよい。いくつかの実施形態では、マスト120は360°回転することができる。いくつかの実施形態では、最も内側の管は、肘機構を形成するかまたは肘機構に連結することができる液圧シリンダを備えてもよい。図示の実施形態では、液圧シリンダは複動式である。
図5は、マスト120を前腕130に連結するために使用され得る肘140の一実施形態を示している。いくつかの実施形態では、肘140は2段階作動式である。いくつかの実施形態では、肘140は、垂直下方向から合計-10°~+180°の運動を可能にする。いくつかの実施形態では、肘のマスト‐肘旋回軸141は、90°の運動を可能にして、肘リンク機構を下方または水平に向けさせる。いくつかの実施形態では、前腕‐肘旋回軸142は、100°の運動、例えば-10°~+90°の作動を可能にする。
いくつかの実施形態では、前腕130は、設計においてマストと同様である。いくつかの実施形態では、前腕130は、1つまたは複数の入れ子式管を備える。いくつかの実施形態では、1つまたは複数の管は、炭素繊維から構成されてもよい。いくつかの実施形態では、1つまたは複数の管は、ステンレス鋼などの金属で構成される。図7Aは、前腕130を格納位置に示し、図7Bは、前腕130を伸長位置に示している。入れ子式の前腕130は、いくつかの実施形態では、同時に動かすことができるように一緒に移動可能な1つまたは複数の液圧シリンダを使用して伸長および格納することができる。シリンダロッドは、前腕130を通るために必要な液圧ラインの数を最小にするために中空であってもよい。いくつかの実施形態では、前腕旋回作動は、1つまたは複数の肘によって提供される。
いくつかの実施形態では、RMA100は、前腕130の作業端部に手首関節150を備える。図8A~図8Cは、手首150の例示的な動作範囲を示している。いくつかの実施形態における手首150は、手首ピッチおよび手首ロールを含む1つまたは複数の作動が可能であり得る。いくつかの実施形態では、手首150は、手首ロールおよび手首ピッチを可能にする1つまたは複数のロータリアクチュエータを備えることができる。手首ピッチを、いくつかの実施形態では、垂直平面内の+90°の運動のために液圧ロータリアクチュエータを使用して作動させることができる。手首ロールは、いくつかの実施形態では、液圧ロータリアクチュエータを利用することができ、180°の回転が可能である。いくつかの実施形態では、手首150の各関節は180°までの回転が可能である。いくつかの実施形態では、手首150は、マスタツールチェンジャアセンブリを備える。いくつかの実施形態では、手首150は、さまざまなツールおよび/またはエンドエフェクタの展開を可能にする汎用グリップまたは他の機構を備えることができる。
いくつかの実施形態では、複数のエンドエフェクタを異なる向きに収容するために、エンドエフェクタ、前腕、または手首とツールまたは他のエンドエフェクタとの間に整合インタフェースがある。いくつかの実施形態は、さまざまなツールおよび/またはエンドエフェクタとRMAの作業端部との間に汎用連結機構を組み込むことができる。いくつかの実施形態では、連結機構を、エンドエフェクタ交換用に構成することができる。図9Aは、エンドエフェクタを前腕130に接続して固定するために使用することができるエンドエフェクタ連結機構165の一実施形態を備えるグリッパ160の一実施形態の背面等角図を示している。図9Bは、エンドエフェクタ160を前腕130に連結して固定する前腕連結機構155の一実施形態を備える前腕130の正面等角図を示している。いくつかの実施形態では、連結機構は、迅速なエンドエフェクタの切り替えを可能にするために、迅速な取り付けおよび解除に適合される。いくつかの実施形態では、連結機構は、機械的、電気的、および液圧的接続の1つまたは複数を備えることができる。いくつかの実施形態では、連結機構は、作業スペースへの管材料などの材料の出し入れのための手段を備えることができる。いくつかの実施形態では、連結機構は、さまざまな異なるエンドエフェクタに電力、制御、および材料伝達能力を提供するように適合される。
RMA100は、さまざまな異なるツールおよびエンドエフェクタを展開することによって、多くの異なる作業を実行することができる。RMA100によって展開されるツールは、いくつかの実施形態では、遠隔展開のために修正され得る既製のツールを含むことができる。RMA100は、ウォータジェットツール、膨張式バッグツール、グラウトツール、シアツール、エダクタバルク復帰ツール、ジェットウォッシュツール、スクープ/スクレーパツール、スワビングツール、ガンマモニタ、および他のツール、エンドエフェクタ、ならびに検査、保守、修理、および清掃のうちの1つまたは複数を実行するためのセンサのうちの任意の1つまたは複数を備えることができる。レーキ、こて、シャベルなどの単純なツールを含む複数の他のツールが可能である。
いくつかの実施形態では、RMAは、1つまたは複数の液圧アクチュエータに動力を供給するための1つまたは複数の液圧パワーユニット(HPU)を備える。いくつかの実施形態では、液圧アクチュエータは、特に、肘旋回、前腕伸長、手首ピッチ、手首ロール、およびグリッパ開閉のうちの1つまたは複数を含む。
いくつかの実施形態では、RMAは、RMAから汚染物質を除去するように設計された統合された洗浄システムを備える。いくつかの実施形態では、RMAが作業スペースから格納され、作業スペース内の汚染物質を捕捉する際に洗浄が起こる。いくつかの実施形態では、洗浄システムは、加圧された水がRMA表面に噴霧されることを可能にする、RMA内に配置された1つまたは複数の別個の洗浄リングを備えることができる。いくつかの実施形態は、マストの上部に1つ、マストの底部に1つ、および前腕の内部に1つが配置されている3つの洗浄リングを組み込んでいる。復帰中、いくつかの実施形態では、各洗浄リングを一連のステップで加圧して、すべての構成要素の完全な清掃を保証することができる。いくつかの実施形態では、洗浄システムを作動させるために高圧水供給を使用することができる。
ケーブルは、RMAの内部および外部の少なくとも1つに延びることができる。「ケーブル」という用語は、電気配線、液圧ホース、空気ホース、光ファイバケーブル、通信ケーブル、または任意の他のケーブル、ワイヤもしくはライン、ならびにそれらの束を含むことを意図している。ケーブルを、システムまたはシステムに取り付けられた任意の伸長部の検知および/または制御に関するデータを転送/送信するために使用することができる。さらに、作業スペースへの材料の出し入れのためのケーブルが含まれていてもよい。
RMAの制御は、制御システムによって開始される。制御システムを、RMAおよび作業空間に対するローカル制御システムおよび遠隔制御システムの一方とすることができる。監視および制御動作は、ローカル、遠隔で実行されてもよく、および/またはモバイルであってもよい。モバイル監視および制御は、スマートフォン、ラップトップ、可動デスクトップコンピュータワークステーション、タブレット、およびウェアラブルコンピューティングデバイスなどの1つまたは複数のモバイルデバイスを使用して実施され得る。いくつかの実施形態では、1人または複数のオペレータが、オペレータにフィードバックを提供する1つまたは複数のウェアラブルデバイスまたは他のモバイルデバイスを装備することができる。例えば、振動および/または可聴アラートを使用して、オペレータに警告を提供することができる。
いくつかの実施形態では、作業空間の電子3次元マップを生成するために使用され得るデータを収集する動作の前に、1つまたは複数のセンサを使用して作業空間を走査することができる。2つ以上のセンサが作業空間の幾何形状に関するデータを収集するために使用される場合、データを、当技術分野で知られているセンサ融合技術を使用して組み合わせることができる。あるいは、またはさらに、作業空間の3次元マップは、空間の幾何形状に関する既知の情報を使用して手動で生成されてもよい。いくつかの実施形態では、3次元マップは、ユーザインタフェース上でオペレータが見ることができ、および/またはメモリに格納することができる。オペレータは、グローバル座標系およびその空間内の1つまたは複数のローカル座標系を設定することができる。作業空間の3次元マップの目的は、空間内のRMAの動作範囲を制限し得る、作業空間と空間内の任意のインフラストラクチャまたは物体との境界を画定することである。作業空間の幾何形状の知識は、空間内で自動的に作業を実行するようにRMAを事前にプログラムし、作業を手動で実行するときに空間内の物体への影響を避けるために使用され得る。
制御システム1000の一実施形態を図15に示す。RMA100は、1つまたは複数のセンサ1700、1つまたは複数のアクチュエータ1730、1つまたは複数のトランシーバ1745、および制御システム1000を構成することができる。制御システム1000は、1つまたは複数のプロセッサ1710、1つまたは複数のユーザインタフェース1720、1つまたは複数のトランシーバ1740、1つまたは複数のプログラマブルコントローラ1750、メモリ1760、および1つまたは複数の遠隔制御ステーション1770を備えることができる。プログラマブルコントローラ1750は、RMA100および/またはツールの柔軟な操作手段を提供して、機器に最適な制御ソリューションを可能にする。1つまたは複数の遠隔制御ステーション1770は、カスタムオペレータインタフェースを提供することができる。1つまたは複数のインタフェース1720は、機器制御のためのディスプレイ、タッチスクリーン、ジョイスティック、ボタン、トグル、スイッチ、および音声入力のうちの1つまたは複数を備えることができる。いくつかの実施形態では、オペレータが作業空間の仮想3Dマップの内部からRMAを操作できるように、インタフェース1720を創案することができる。
いくつかの実施形態では、制御方法は、関節ごとの作動および逆運動学的作動のうちの1つまたは複数を含むことができる。逆運動学は、オペレータがグリッパ/ツールの位置を制御することを可能にし、制御システムは、その位置を達成するために関節の動きを決定する。いくつかの実施形態では、制御は、オペレータが開始する個々の可変速度関節制御である。いくつかの実施形態では、関節制御を、実行される動作に応じてプッシュアンドホールドのタイプまたはバンプタイムベースのタイプのいずれかとすることができる。
いくつかの実施形態では、RMAは、効率的で、適切で、安全な機器動作を保証するために、1つまたは複数のインタロックを備えてもよい。いくつかの実施形態では、これらのインタロックは、深刻さとオペレータに示される認識が異なる。いくつかの実施形態では、アラーム、警告、および動作可能を含む3つのタイプのインタロックがある。
・機器有効インタロック‐すべての動作(例えば、非常停止)の正常な動作のためのインタロック
・機器通常動作インタロック‐通常動作のためのインタロックであるが、非通常動作(例えば、液圧レベルが低い)には必要ない可能性があるインタロック
・機器動作特定インタロック‐特定のサブ動作(例えば、展開中にグリッパを閉位置にロックする初期展開動作中)のためのインタロック
いくつかの実施形態では、RMA100は、1つまたは複数のセンサを備えることができる。1つまたは複数のセンサは、接触センサ、非接触センサ、容量センサ、誘導センサ、3D撮像装置、カメラ、熱画像装置、温度計、圧力センサ、加速度計、慣性計測ユニット(IMU)、ロータリエンコーダ、レゾルバ、ストリングエンコーダ、放射線検出器、LIDAR、マイクロフォン、力センサ、荷重センサ、歪みセンサなどのうちの1つまたは複数を備えてもよい。いくつかの実施形態では、作業中に展開されたツールの位置を決定するために、1つまたは複数のセンサを使用することができる。いくつかの実施形態では、破局故障を防止するための安全機構として、システム内の1つまたは複数の位置での歪み、トルク、圧力、および環境条件のうちの少なくとも1つを監視するために、1つまたは複数のセンサを使用することができる。
xm=rmcosθmおよびym=rmsinθm, (1)
であり、ここで、rmとθmは、それぞれ極基準座標フレームにおけるセンサターゲットの距離と方位であり、xmとymは、それぞれ変換された直交座標フレームにおけるダウンレンジ(downrange)およびクロスレンジ(cross range)の座標である。ただし、測定値、平均および分散の統計値を扱う場合、極座標フレームから直交座標フレームへ直接変換するために上記の式を使用することはできない。
ここで、xdcとydcは、センサターゲットの最終的なダウンレンジおよびクロスレンジのバイアス除去変換座標であり、
電気供給時に、制御システムは、いくつかの実施形態では、機器起動安全状態で起動することができる。電気が供給されると、機器制御の始動は、オペレータインタフェースにおける、オペレータの開始または緊急停止システムのリセットおよびアラームリセットを必要とすることがある。オペレータがシステムを開始することにより、作業の前に機器のステータスおよび状態を要員が認識することが保証され得る。
いくつかの実施形態では、制御システムは、非常停止回路のトリガによって起動安全状態で機器をシャットダウンすることができる。いくつかの実施形態における制御システムの設計は、非常停止回路による動力の除去または電気供給の除去時に、機器が安全な状態で停止することを確実にする。無電力供給時のフェイルセーフ設計により、電気的切断や絶縁などのハード機器のシャットダウンが可能である。
いくつかの実施形態では、制御システムは、故障の場合に回復動作のために通常動作モードをオフにすることができる。ユーザインタフェースを介した機器の回復は、動作領域へのアクセスが困難な場合の機器回復の一次的なモードとすることができる。ユーザインタフェースを介して機器を回復することができない場合(例えば、プログラマブルコントローラが故障した場合)、オペレータは、回復のために液圧式または手動式の機械的手段を提供することができる。
[0135]上記の方法のさまざまな動作は、さまざまなハードウェアおよび/またはソフトウェアコンポーネント、回路、および/またはモジュールなど、動作を実行することができる任意の適切な手段によって実行され得る。一般に、図に示された任意の動作を、動作を実行することができる対応する機能的手段によって実行することができる。
Claims (12)
- ロボットアームの展開および制御システムであって、
肘によって連結された少なくとも2つのセグメントを含むロボットアームであって、第1のセグメントが垂直マストとして動作可能に構成され、第2のセグメントが作業端部からツールを展開するように動作可能に構成された、ロボットアームと、
カム経路を備えるマスト展開システムであって、前記カム経路が、作業空間への展開中に前記第1のセグメントおよび前記第2のセグメントを垂直に維持させる、マスト展開システムと、
前記作業空間内に含まれる物体に対する距離および方位を極座標で測定するために前記第2のセグメントに取り付けられた非接触センサと、
前記第2のセグメントの前記作業端部に取り付けられ、少なくとも3つの加速度計と3つのレートセンサとを備える動的測定ユニットであって、ローカル直交座標系で動作するように構成された6自由度3軸センサとして動作可能に構成された動的測定ユニットと、
前記作業空間にグローバル直交基準座標フレームを適用し、
前記非接触センサの第1のローカル位置からの前記極座標および前記動的測定ユニットの第2のローカル位置からの直交座標を受信し、
前記極座標を直交座標形式に変換し、前記非接触センサからの前記変換した座標および前記動的測定ユニットからの前記直交座標を前記グローバル直交基準座標フレームに関連付ける
ように動作可能に構成された、コントローラと、
を備える、ロボットアームの展開および制御システム。 - 極座標から直交座標形式への前記変換中に、バイアス除去項が変換における誤差を軽減するために使用される、請求項1に記載のロボットアームの展開および制御システム。
- 前記コントローラが、前記作業空間の3次元マップを作成するようにさらに動作可能に構成されている、請求項1に記載のロボットアームの展開および制御システム。
- 前記第1のセグメントおよび前記第2のセグメントのうちの少なくとも1つが、伸長可能である、請求項1に記載のロボットアームの展開および制御システム。
- 前記第2のセグメントが垂直から180度上方に曲がる、請求項1に記載のロボットアームの展開および制御システム。
- 前記第1のセグメントが360度回転する、請求項1に記載のロボットアームの展開および制御システム。
- 前記非接触センサが、前記第2のセグメントの前記作業端部に取り付けられている、請求項1に記載のロボットアームの展開および制御システム。
- 1つの加速度計および1つのレートセンサが、前記ローカル直交座標系の各軸線に沿った方向に向けられている、請求項1に記載のロボットアームの展開および制御システム。
- 前記非接触センサおよび前記動的測定ユニットが、前記ローカル直交座標系の各軸線に沿った方向に向けられている、請求項1に記載のロボットアームの展開および制御システム。
- 前記動的測定ユニットが、前記非接触センサと一緒に配置されている、請求項1に記載のロボットアームの展開および制御システム。
- 前記コントローラが、前記作業空間内の1つまたは複数の表面からオフセットされた第1の仮想障壁を確立するようにさらに構成され、前記第1の仮想障壁が前記ロボットアームの動きを制限する、請求項1に記載のロボットアームの展開および制御システム。
- 前記コントローラが、前記第1の仮想障壁からオフセットされた第2の仮想障壁を確立するようにさらに構成され、前記第2の仮想障壁が、前記ロボットアームが接近したとき、警告および触覚フィードバックのうちの少なくとも1つをオペレータに送信し、前記触覚フィードバックが抵抗の形態であり、前記ロボットアームが前記第1の仮想障壁に近づくにつれて前記抵抗が増加する、請求項11に記載のロボットアームの展開および制御システム。
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