JPWO2020161880A1 - 動作モデル算出装置、制御装置、関節機構、動作モデル算出方法、プログラム - Google Patents

Abstract

駆動装置の動作モデルを容易に作成する動作モデル算出装置が開示される。動作モデル算出装置は、複数のアームと当該複数のアームを連結先に回動自在に連結する関節機構とを備えたロボットアームに接続され、所定の動作命令を前記関節機構に出力し、前記動作命令に対する動作による前記関節機構の駆動状態を取得し、前記動作命令と前記駆動状態とに基づいて、前記関節機構への入力を表す入力値、及び、当該入力に対する前記関節機構の出力値間の関係性を表す動作モデルを算出する。

Description

本発明は、動作モデル算出装置、制御装置、関節機構、動作モデル算出方法、プログラムが記録された記録媒体に関する。

ロボットの制御装置は、ロボットに設けられた関節機構を駆動制御して、ロボットを構成する所定部位を目標位置に移動させる。この関節機構の駆動制御を行う為に、各関節機構の動作モデルを生成する必要がある。関節機構の動作モデルは、当該関節機構へ入力される入力信号値と、その入力信号値が入力されたときの出力との対応関係を導く情報である。このような動作モデルを生成する技術が特許文献１に開示されている。

特許文献１には、画像データから人などの推定対象の３次元的な姿勢を推定するための動作モデルを生成する技術が開示されている。
また特許文献２には、作業マニピュレータの実際の作業ワーク情報とコンピュータ上の作業ワークの教示データとの誤差を修正するためのセンシング作業に必要な、作業マニピュレータに対するセンシング動作データを自動生成する技術が開示されている。

特許第５５２５４０７号公報 特許第５４９５９１９号公報

ところで、上述のロボットのうち、複数のアームと当該複数のアームを連結先に回動自在に連結する関節機構とを備えたロボットアームを有するものがある。このロボットアームは、関節機構とアームとを交互に連結させることにより、尺の長いロボットアームを構成することができる。ある所定のロボットアームの尺を長くするために、関節機構とアームとを連結すると、ロボットアームを制御する制御装置は、その連結前に用いていた動作モデルと異なる動作モデルを用いてロボットアームを制御する必要がある。関節機構とアームを着脱可能にして長さを変更することのできるロボットアームにおいて、動作モデルを容易に作成することが求められている。

そこでこの発明は、上述の課題を解決することのできる動作モデル算出装置、制御装置、関節機構、動作モデル算出方法、プログラムが記録された記録媒体を提供することを目的としている。

本発明の第１の態様によれば、動作モデル算出装置は、複数のアームと当該複数のアームを連結先に回動自在に連結する関節機構とを備えたロボットアームに接続され、所定の動作命令を前記関節機構に出力する命令手段と、前記動作命令に対する動作による前記関節機構の駆動状態を取得する取得手段と、前記動作命令と前記駆動状態とに基づいて、前記関節機構への入力を表す入力値、及び、当該入力に対する前記関節機構の出力値間の関係性を表す動作モデルを算出する算出手段と、を備えることを特徴とする。

本発明の第２の態様によれば、動作モデル算出装置は、駆動装置を備えたロボットに接続され、所定の動作命令を前記駆動装置に出力する命令手段と、前記動作命令に対する動作による前記駆動装置の駆動状態を取得する取得手段と、前記動作命令と前記駆動状態とに基づいて、前記駆動装置への入力を表す入力値、及び、当該入力に対する前記駆動装置の出力値間の関係性を表す動作モデルを算出する算出手段と、を備えることを特徴とする。

本発明の第３の態様によれば、動作モデル算出方法は、複数のアームと当該複数のアームを連結先に回動自在に連結する関節機構とを備えたロボットアームに接続される装置において、所定の動作命令を前記関節機構に出力し、前記動作命令に対する動作による前記関節機構の駆動状態を取得し、前記動作命令と前記駆動状態とに基づいて、前記関節機構への入力を表す入力値、及び、当該入力に対する前記関節機構の出力値間の関係性を表す動作モデルを算出することを特徴とする。

本発明の第４の態様によれば、プログラムが記録された記録媒体は、複数のアームと当該複数のアームを連結先に回動自在に連結する関節機構とを備えたロボットアームに接続される装置に、所定の動作命令を前記関節機構に出力する命令機能と、前記動作命令に対する動作による前記関節機構の駆動状態を取得する取得機能と、前記動作命令と前記駆動状態とに基づいて、前記関節機構への入力を表す入力値、及び、当該入力に対する前記関節機構の出力値間の関係性を表す動作モデルを算出する算出機能と、を実現させることを特徴とする。

本発明によれば、ロボットアームを構成する関節機構の動作モデルを容易に作成することができる。

本発明の一実施形態によるロボットシステムの概要を示す図である。 本発明の一実施形態による制御装置のハードウェア構成を示す図である。 本発明の一実施形態による制御装置と関節機構の機能ブロック図である。 本発明の一実施形態による制御装置の処理フローを示す図である。 本発明の一実施形態による動作モデル算出装置の他の例を示す図である。 本発明の一実施形態による制御装置の最小構成を示す図である。 本発明の一実施形態による最小構成の制御装置による処理フローを示す図である。

以下、本発明の一実施形態による制御装置を図面を参照して説明する。
図１は同実施形態による制御装置１とロボットアーム２とにより構成されるロボットシステム１００の概要を示す図である。
この図で示すように、ロボットシステム１００は制御装置１とロボットアーム２とを含んで構成される。ロボットアーム２は、複数のアーム２１と、当該複数のアーム２１を連結先に回動自在に連結する関節機構２２とを備えている。アーム２１の連結先は他のアーム２１である場合や、関節機構２２である場合がある。制御装置１は、ロボットアーム２の関節機構を駆動制御することができる。

関節機構２２は、連結するアーム２１の軸を中心として当該アーム２１を回転させる第一回転モータ、関節機構２２に連結するアーム２１の軸に直交する直交方向に当該アーム２１を傾ける第二回転モータなどを内蔵して構成される。ロボットアーム２の先端部には物体を把持する把持機構２３などが設けられてよい。そして制御装置１は関節機構２２の各モータと電気的に接続されており、関節機構２２の駆動制御を行う。

ロボットアーム２は、アーム２１と関節機構２２とからなるユニットを着脱可能に構成されている。ユーザはユニットをロボットアーム２にさらに連結するか、取り外すことによりロボットアーム２の長さを変更可能である。関節機構２２はロボットアーム２に連結されると、制御装置１と通信接続できるように予め電気回路が設けられている。

図２は制御装置１のハードウェア構成を示す図である。
この図が示すように制御装置１は、制御部であるＣＰＵ（Central Processing Unit）１０１、ＲＯＭ（Read Only Memory）１０２、ＲＡＭ（Random Access Memory）１０３、ＳＳＤ（Solid State Drive）１０４、通信モジュール１０５等の各ハードウェアを備えたコンピュータである。

図３は制御装置１と関節機構２２の機能ブロック図である。
制御装置１のＣＰＵ１０１は電源が投入されると起動し、予め記憶するスケジューリングプログラムを実行する。これにより制御装置１は、第一制御部１０と、第二制御部２０の各機能を発揮する。第一制御部１０は動作モデルを算出する。第二制御部２０は第一制御部１０により生成された動作モデルを用いて関節機構２２を制御する。第一制御部１０は、モデル生成開始検出部１１、動作命令部１２、駆動状態取得部１３、動作モデル算出部１４の各機能を発揮する。

モデル生成開始検出部１１は、ロボットアーム２の動作モデルの生成の開始を検出する。動作モデルは、複数のアームと当該複数のアームを連結先に回動自在に連結する関節機構とを備えたロボットアームの関節機構への入力を表す入力値、及び、当該入力に対する前記関節機構の出力値間の関係性を表すデータである。
動作命令部１２は、所定の動作命令を関節機構のアクチュエータの一態様であるモータ２２１に出力する。
駆動状態取得部１３は、動作命令に対する動作による関節機構２２の駆動状態をセンサ２２２から取得する。センサは、例えば、トルクセンサ、モータの角度センサ、モータの角速度センサ、荷重センサなどである。
動作モデル算出部１４は、動作命令と駆動状態とに基づいて各関節機構２２の動作モデルを算出する。

図４は制御装置の処理フローを示す図である。
まず、モデル生成開始検出部１１は、動作モデルの生成開始を検出する（ステップＳ１０１）。例えば、ユニットがロボットアーム２に連結されると、モデル生成開始検出部１１は、当該ユニットの連結に基づいて電気信号の導通を検出し、これにより動作モデルの生成開始を検出する。または制御装置１に備わる入力装置をユーザが操作して生成開始を指示し、モデル生成開始検出部１１は、その指示の情報の入力に基づいて動作モデルの生成開始を検出してもよい。モデル生成開始検出部１１は動作命令部１２へ処理開始を指示する。

動作命令部１２は接続されている複数の関節機構２２のうち、動作命令を出力する関節機構２２を特定する（ステップＳ１０２）。動作命令部１２は、ロボットアーム２の根本の関節機構２２から先端方向で連結される関節機構２２へ向けて順に動作命令を出力する対象の関節機構２２であると特定してもよいし、ロボットアーム２の先端方向で連結される関節機構２２から根本方向に連結された関節機構２２へ向けて順に動作命令を出力する対象の関節機構２２であると特定してもよい。動作命令部１２は、ロボットアーム２において連結順番に関係なく、複数の関節機構２２のうち、動作命令を出力する関節機構２２をランダムに順に特定してもよい。

動作命令部１２は、特定した関節機構２２へ単位動作命令を出力する（ステップＳ１０３）。単位動作命令は所定の動作単位の命令であってよい。例えばモータを所定のトルクで所定回転角度の駆動をさせ、その後、逆回転させて回転前と同じ位置にモータの角度を戻す駆動制御をするための予め定められた動作命令であってよい。単位動作命令は、電圧値、電流値、電荷時間などで定められてよい。動作命令部１２は単位動作命令を出力すると、駆動状態取得部１３へ取得開始を指示する。

センサ２２２は単位動作命令によって関節機構２２のモータ２２１が駆動した際のセンシング情報を取得する。センサ２２２はセンシング情報を駆動状態取得部１３へ出力する。駆動状態取得部１３は、センサ２２２からセンシング情報を取得する（ステップＳ１０４）。駆動状態取得部１３はセンシング情報を動作モデル算出部１４へ出力する。

動作モデル算出部１４は単位動作命令と、センシング情報とを取得する。動作モデル算出部１４は、関節機構２２における入力値である単位動作命令と、出力値であるセンシング情報との関係に基づいて動作モデルを算出する（ステップＳ１０５）。

動作モデルの算出は公知のシステム同定手法を用いてよい。具体的なシステム同定手法としては、ＭＯＥＳＰ（ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｖａｒｉａｂｌｅ Ｏｕｔｐｕｔ−Ｅｒｒｏｒ Ｓｔａｔｅ Ｓｐａｃｅ）法やＮ４ＳＩＤ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｌｇｏｉｔｈｍｓ ｆｏｒ Ｓｕｂｓｐａｃｅ Ｓｔａｔｅ Ｓｐａｃｅ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）法などの部分空間同定法、ＣＬ−ＭＯＥＳＰ（ｃｌｏｓｅｄ−ｌｏｏｐ ｓｕｂｓｐａｃｅ ｍｏｄｅｌ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）法やＰＢＳＩＤ（Ｐｒｅｄｉｃｔｏｒ−Ｂａｓｅｄ Ｓｕｂｓｐａｃｅ ＩＤｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）法などの閉ループ部分区間同定法、ニューラルネットワークを用いた同定法などを用いてよい。またシステム同定手法としては、線型モデルである最小二乗法や最尤法などを用いてもよい。動作モデル算出部１４は１つの関節機構２２の動作モデルを算出すると、未処理の関節機構２２が存在するかを判定するよう動作命令部１２へ指示する。

なお動作モデル算出部１４は、取得したセンシング情報に基づいて、関節機構２２の駆動状態を示す他のパラメータを推定し、当該パラメータを出力値として用いて動作モデルを算出してもよい。駆動状態を示す他のパラメータは、例えば、アーム２１の長さ、慣性モーメント、静止摩擦係数、粘性パラメータ、弾性パラメータなどであってよい。

また動作モデル算出部１４は、取得したセンシング情報に基づいて、連結された関節機構２２の現在の位置からの回転角度や軸の傾きなどの情報（連結状態）を検出し、これらのパラメータを用いて、動作モデルを算出してもよい。

動作命令部１２は、ロボットアーム２を構成する全て関節機構２２のうち、動作モデルを算出していない関節機構２２があるかを判定する（ステップＳ１０６）。動作命令部１２は、動作モデルを算出していない関節機構２２が有る場合（ステップＳ１０６にてＮＯ）、次の関節機構２２を特定する。そして第一制御部１０はステップＳ１０２以降の処理を繰り返す。これにより動作モデル算出部１４は、ロボットアーム２を構成する全ての関節機構２２の動作モデルを算出する。第一制御部１０は、動作命令部１２が全ての関節機構２２の動作モデルを算出したと判定した場合（ステップＳ１０６にてＹＥＳ）、各関節機構２２の動作モデルのデータを第二制御部２０へ出力する。これにより、動作モデルの算出処理が完了する。

第二制御部２０は、ロボットアーム２の駆動制御において、関節機構２２を駆動制御する場合、当該駆動対象の関節機構２２の動作モデルを用いて所定の動作をさせるための動作命令を生成し、関節機構２２へ出力する。

上述の処理によれば、制御装置１は、ロボットアームを構成する関節機構の動作モデルを容易に作成することができる。上述の制御装置１は動作モデル算出装置の一態様である。

図５は、動作モデル算出装置の他の例を示す図である。
上述の制御装置１に含まれる第一制御部１０の各機能を備えた動作モデル算出装置２２０は、関節機構２２の内部に設けられてもよい。
この場合、関節機構２２がロボットアーム２に連結されると、動作モデル算出装置２２０のモデル生成開始検出部が、ロボットアーム２の動作モデルの生成の開始を検出する。そして動作モデル算出装置２２０の動作命令部が、所定の動作命令を関節機構のアクチュエータの一態様であるモータ２２１に出力する。動作モデル算出装置２２０の駆動状態取得部は、動作命令に対する動作による関節機構２２の駆動状態をセンサ２２２から取得する。センサ２２２は、例えば、トルクセンサ、モータの角度センサ、モータの角速度センサ、荷重センサなどである。動作モデル算出装置２２０の動作モデル算出部は、動作命令と駆動状態とに基づいて各関節機構２２の動作モデルを上記と同様に算出する。この場合、動作モデル算出装置２２０の動作モデル算出装置２２０は、生成した動作モデルを制御装置１へ出力する。制御装置１の第二制御部２０は、関節機構２２の動作モデル算出装置２２０から取得した動作モデルを用いて、関節機構２２を駆動制御する。

なお上述の処理ではロボットアーム２の関節機構の動作モデルを算出しているが、制御装置１は、ロボットアーム２以外のロボットの駆動装置の動作モデルを算出してもよい。
この場合、制御装置１は、駆動装置を備えたロボットの駆動装置に対する入力値と当該入力値の入力に基づく駆動装置の出力値との関係性を表す動作モデルの生成の開始を検出し、その後、所定の単位動作命令を駆動装置に出力し、単位動作命令に対する動作による駆動装置の駆動状態を取得し、単位動作命令と駆動状態とに基づいて動作モデルを算出する。

図６は、図３、または、図５等を参照しながら上述したような制御装置が有している構成を示す図である。
図７は、最小構成の制御装置による処理フローを示す図である。
制御装置１は、複数のアームと当該複数のアームを連結先に回動自在に連結する関節機構とを備えたロボットアーム２に接続され、動作命令部１２、駆動状態取得部１３、動作モデル算出部１４を備える。
動作命令部１２は、所定の単位動作命令を駆動装置に出力する（ステップＳ２０１）。
駆動状態取得部１３は、単位動作命令に対する動作による駆動装置の駆動状態を取得する（ステップＳ２０２）。
動作モデル算出部１４は、単位動作命令と駆動状態とに基づいて、関節機構への入力を表す入力値、及び、当該入力に対する関節機構の出力値間の関係性を表す動作モデルを算出する（ステップＳ２０３）。

図６を参照しながら上述したような制御装置１は、図３、または、図５等を参照しながら上述したような制御装置が有する機能と同様な機能を用いて実現することができる。
図６で示す制御装置１は、動作モデル算出を行うための装置であるため、動作モデル算出装置の一態様である。

上述の制御装置１は内部に、コンピュータシステムを有している。そして、上述した各処理の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしても良い。

また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。

以上、実施形態（及び実施例）を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態（及び実施例）に限定されものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

１・・・制御装置（動作モデル算出装置）
１０・・・第一制御部
１１・・・モデル生成開始検出部（検出手段）
１２・・・動作命令部（命令手段）
１３・・・駆動状態取得部（取得手段）
１４・・・動作モデル算出部（算出手段）
２・・・ロボットアーム
２１・・・アーム
２２・・・関節機構

本発明は、動作モデル算出装置、制御装置、関節機構、動作モデル算出方法、プログラムに関する。

そこでこの発明は、上述の課題を解決することのできる動作モデル算出装置、制御装置、関節機構、動作モデル算出方法、プログラムを提供することを目的としている。

本発明の第４の態様によれば、プログラムは、複数のアームと当該複数のアームを連結先に回動自在に連結する関節機構とを備えたロボットアームに接続される装置に、所定の動作命令を前記関節機構に出力する命令機能と、前記動作命令に対する動作による前記関節機構の駆動状態を取得する取得機能と、前記動作命令と前記駆動状態とに基づいて、前記関節機構への入力を表す入力値、及び、当該入力に対する前記関節機構の出力値間の関係性を表す動作モデルを算出する算出機能と、を実現させることを特徴とするプログラムである。

Claims (10)

1. 複数のアームと当該複数のアームを連結先に回動自在に連結する関節機構とを備えたロボットアームに接続され、
   所定の動作命令を前記関節機構に出力する命令手段と、
   前記動作命令に対する動作による前記関節機構の駆動状態を取得する取得手段と、
   前記動作命令と前記駆動状態とに基づいて、前記関節機構への入力を表す入力値、及び、当該入力に対する前記関節機構の出力値間の関係性を表す動作モデルを算出する算出手段と、
   を備える動作モデル算出装置。
2. 前記命令手段は、前記ロボットアームに設けられた複数の前記関節機構それぞれに前記動作命令を順に出力し、
   前記取得手段は、前記複数の関節機構それぞれの前記動作命令に対する動作による前記駆動状態を順に取得し、
   前記算出手段は、前記複数の関節機構それぞれの前記動作モデルを算出する
   請求項１に記載の動作モデル算出装置。
3. 前記ロボットアームの前記関節機構に備わる前記駆動状態をセンシングするセンサと通信接続し、
   前記取得手段は、新たに前記ロボットアームに連結された前記関節機構の前記動作モデルを算出する
   請求項１または請求項２に記載の動作モデル算出装置。
4. 前記動作モデルの生成の開始を検出する検出手段
   をさらに備える請求項１から請求項３の何れか一項に記載の動作モデル算出装置。
5. 請求項１から請求項４の何れか一項に記載の動作モデル算出装置を備えた制御装置。
6. 請求項１から請求項４の何れか一項に記載の動作モデル算出装置を備えた関節機構。
7. 前記ロボットアームにおいて前記関節機構が着脱可能に構成され、
   前記算出手段は、前記複数の関節機構のうちの少なくとも一つの関節機構の連結後、または取り外し後に、前記ロボットアームの前記関節機構の動作モデルを算出する
   請求項６に記載の関節機構。
8. 駆動装置を備えたロボットに接続され、
   所定の動作命令を前記駆動装置に出力する命令手段と、
   前記動作命令に対する動作による前記駆動装置の駆動状態を取得する取得手段と、
   前記動作命令と前記駆動状態とに基づいて、前記駆動装置への入力を表す入力値、及び、当該入力に対する前記駆動装置の出力値間の関係性を表す動作モデルを算出する算出手段と、
   を備える動作モデル算出装置。
9. 複数のアームと当該複数のアームを連結先に回動自在に連結する関節機構とを備えたロボットアームに接続される装置において、
   所定の動作命令を前記関節機構に出力し、
   前記動作命令に対する動作による前記関節機構の駆動状態を取得し、
   前記動作命令と前記駆動状態とに基づいて、前記関節機構への入力を表す入力値、及び、当該入力に対する前記関節機構の出力値間の関係性を表す動作モデルを算出する
   動作モデル算出方法。
10. 複数のアームと当該複数のアームを連結先に回動自在に連結する関節機構とを備えたロボットアームに接続される装置に、
    所定の動作命令を前記関節機構に出力する命令機能と、
    前記動作命令に対する動作による前記関節機構の駆動状態を取得する取得機能と、
    前記動作命令と前記駆動状態とに基づいて、前記関節機構への入力を表す入力値、及び、当該入力に対する前記関節機構の出力値間の関係性を表す動作モデルを算出する算出機能と、
    を実現させるプログラムが記録された記録媒体。

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