JP6270334B2 - ロボット制御装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明はロボット制御技術に関し、特に、接触状況にある多関節ロボットに対して接触センサなしに接触位置を検出し、これを活用して接触状態の多関節ロボットを安定的に制御するのに適したロボット制御装置及びロボット制御方法に関する。

近年、人間型ロボットが活発に開発されることによって、このようなロボットが人間環境で十分に適応するようにする研究の必要性が浮上している。人間環境は、既存の産業用ロボットが作業を行っていた空間である工場組立ラインよりも遥かに複雑であり、定型化されていない。従って、ロボットが人間環境でうまく適応するためには、人間が持つレベルの知覚能力が必要である。特に、ロボットと周囲環境間の接触状況が増大するにつれ、ロボットの触覚能力に対する必要性に直面している。

既存の接触位置の認知方法は、主に触覚センサにのみ依存していたため、接触センサが設けられていない部分に対して認識に限界があった。特に、ロボットの触覚センサは、殆どがロボットのエンドエフェクタ（ｅｎｄ-ｅｆｆｅｃｔｅｒ）に装着されるため、接触状態のロボットを制御するアルゴリズムも主にロボットのエンドエフェクタで行われる作業のみを考慮して研究されている。これに対し、人間はある作業を行うにおいて手先だけでなく、胴部や手足など体全体の触覚を利用することで、これを補っている。特に、視野を確保し難い場合には、体からの触覚を利用することが非常に重要である。

触覚を利用する一例として、人が椅子に座っている場合を考えてみよう。人は視覚から椅子の位置に関する概略的な情報を得て椅子に向かっていく。しかしながら、視覚から得た位置情報が正確に定量的に計算されるわけではなく、椅子に座る瞬間には椅子に背を向ける姿勢を取るため、椅子に対する視野を確保できない。従って、人が椅子に座るためには、手足を通じて感じられる触覚の手助けが必要である。このように、体全体に対する触感を活用することは、ロボットが人間環境に適応するのに非常に大きなメリットを提供するので、必然的であると言える。

そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、接触状況にある多関節ロボットに対する幾何情報（ロボットリンク（ｌｉｎｋ）の表面情報）と運動学情報（関節変数）を用いて動きが交差する部分を接触位置として推定することで、接触センサが装着されていない多関節ロボットのリンク部分に対しても触感を提供できるロボット制御技術を提案することにある。

また、本発明の他の目的は、幾何情報と運動学情報を用いて計算された多関節ロボットのリンクに対する接触位置によってロボットの関節を制御することで、接触センサなしに接触状態の多関節ロボットを安定的に制御できるロボット制御技術を提案することにある。

前記目的を達成するために、本発明の一態様によれば、ロボットの幾何情報と運動学情報を用いて前記ロボットの動きが交差する部分を前記ロボットのリンクと周辺環境間の接触位置として検出する接触位置検出部と、前記接触位置検出部で検出される接触位置によって前記ロボットのリンクに対する関節トルクを計算し、計算される前記関節トルクによって前記ロボットの動きを制御する接触状態制御部とを含むロボット制御装置を提供できる。

ここで、前記接触位置検出部は、前記ロボットのリンクの配列形態による表面情報の動き変化に対応する交点を前記接触位置として検出できる。

また、前記幾何情報は、表面情報を含むことができる。

更に、前記表面情報は、ｎ次元モデル（前記ｎは０を含む自然数）を含むことができる。

また、前記運動学情報は、前記ロボットの関節角度を含むことができる。

更に、前記関節角度は、前記ロボットの関節装置内に含まれるエンコーダを通じて検出され得る。

また、前記接触位置検出部は、前記ロボットの幾何情報を格納する幾何情報格納部と、前記ロボットの関節変数を格納する運動学情報格納部と、前記幾何情報及び関節変数を用いて前記ロボットのリンクと周辺環境間の接触位置を計算する接触位置計算部とを含むことができる。

更に、前記接触位置検出部は、前記接触位置に対する誤差を補正する誤差補正部を更に含むことができる。

また、前記誤差補正部は、前記周辺環境が凸な環境の場合に発生する接触誤差を補正できる。

更に、前記接触位置検出部は、前記幾何情報の方位変化量の推定性能角によって前記幾何情報の交線を計算できる。

また、前記接触状態制御部は、前記接触位置検出部で計算される接触位置を格納する接触位置格納部と、前記接触位置格納部に格納される接触位置によって前記ロボットのリンクに対する関節トルクを計算する関節トルク計算部とを含むことができる。

更に、前記接触状態制御部は、前記接触位置検出部で計算される接触位置による接触ヤコビアン情報を計算するヤコビアン計算部を更に含むことができる。

また、前記ヤコビアン計算部は、前記計算される接触位置によって前記接触ヤコビアン情報をリアルタイムで更新処理できる。

前記目的を達成するために、本発明の他の態様によれば、ロボットの幾何情報と運動学情報を用いて前記ロボットの動きが交差する部分を前記ロボットのリンクと周辺環境間の接触位置として検出する過程と、検出される前記接触位置によって前記ロボットのリンクに対する関節トルクを計算する過程と、計算される前記関節トルクによって前記ロボットの動きを制御する過程とを含むロボット制御装置のロボット制御方法を提供できる。

ここで、前記検出する過程は、前記ロボットのリンクの配列形態による表面情報の動き変化に対応する交点を前記接触位置として検出する過程を含むことができる。

また、前記検出する過程は、前記接触位置に対する誤差を補正する過程を含むことができる。

更に、前記検出する過程は、前記幾何情報の方位変化量の推定性能角によって前記幾何情報の交線及び交点を計算する過程を含むことができる。

また、前記計算する過程は、前記接触位置による接触ヤコビアン情報を計算する過程を更に含むことができる。

更に、前記接触ヤコビアン情報は、前記接触位置によってリアルタイムで更新され得る。

本発明によれば、接触状況にある多関節ロボットに対する幾何情報と運動学情報を用いて動きが交差する部分を接触位置と判断することで、接触センサがなくても接触状態の多関節ロボットを安定的に制御できるという効果を奏する。

本発明の実施形態によるロボット制御装置に対するブロック図である。 図１の接触位置検出装置で接触位置を幾何学的に検出する場合を説明する概念図である。 図２の接触位置検出技術をより具体的に示す概念図である。 本発明の実施形態によって接触位置を検出するにおいて直線モデルを通じた誤差補正技術を例示的に説明する概念図である。 本発明の実施形態によるロボット制御方法、具体的に多関節ロボットの接触位置検出過程を例示的に説明するフローチャートである。 本発明の実施形態によって接触位置を検出するにおいて平面モデルを用いた場合を例示的に説明する概念図である。 図１のヤコビアン計算部の計算方法を例示的に説明する概念図である。 本発明の実施形態によるロボット制御方法、具体的に推定された接触位置によってロボットを制御する過程を例示的に説明するフローチャートである。 本発明の実施形態によるロボット制御方法、具体的に推定された接触位置によってロボットを制御する過程を例示的に説明するフローチャートである。

本発明の利点及び特徴、そしてそれらを達成する方法は、添付する図面と共に詳細に後述されている実施形態を参照すれば明確になる。しかしながら、本発明は、以下で開示される実施形態に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で実現されることができ、但し、本実施形態は、本発明の開示が完全なようにし、本発明の属する技術分野において通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に理解させるために提供されるものであり、本発明は請求の範囲の範疇により定義されるだけである。明細書全体にわたって同一の図面符号は同一の構成要素を示す。

以下、添付する図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態によるロボット制御装置に対するブロック図であって、大きく接触位置検出部１００と接触状態制御部２００とを含むことができる。

本発明の実施形態では、このような接触位置検出部１００と接触状態制御部２００を総称してロボット制御装置と称することにし、接触位置検出部１００と接触状態制御部２００は、それぞれ別個で動作するのではなく、相互補完的な関係にあることを周知する必要がある。

図１に示すように、接触位置検出部１００は、幾何情報格納部１０２、運動学情報格納部１０４、接触位置計算部１０６、誤差補正部１０８などを含むことができる。

ここで、幾何情報格納部１０２は、多関節ロボットの幾何情報、例えば接触が発生するロボットリンクの幾何情報を格納する機能を行える。ここで、幾何情報は、ロボットリンクの表面情報を含むことができ、この表面情報は、０次元モデル（点）又は１次元（直線）モデル又は２次元（平面）モデル又は３次元（立体）モデルのうちのいずれか１つのモデルを含むことができる。

運動学情報格納部１０４は、ロボットの運動学情報、例えばロボットの関節変数であるそれぞれの関節角度を格納する機能を行える。ロボットの関節変数は、ロボットの関節装置内に設けられたエンコーダ（図示せず）から受信され得る。このようなエンコーダは、本発明の技術分野において通常の知識を有する者であれば、容易に理解できるため、具体的な構成及び技術の説明は省略する。

接触位置計算部１０６は、幾何情報格納部１０２及び運動学情報格納部１０４に格納されている情報、例えば幾何情報及び運動学情報を用いてロボットリンクの接触位置情報を計算する機能を行える。

このとき、接触位置計算部１０６は、突然の接触による動きにも対応して接触位置情報を計算できるように、等価角度軸（ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ａｎｇｌｅ-ａｘｉｓ）技法を含むことができる。また、接触位置計算部１０４は、幾何情報格納部１０２に格納されている幾何情報間の交点の計算が不可能な場合にも接触位置情報を計算できるように、仮の（ｐｓｅｕｄｏ）接触位置計算技法を含むことができる。

誤差補正部１０８は、接触位置計算部１０６を通じて計算される接触位置情報を補正する機能を行える。具体的に、誤差補正部１０８は、幾何モデルを用いることによって発生し得る接触位置推定誤差を補正できる。

一方、接触状態制御部２００は、接触位置格納部２０２、ヤコビアン計算部２０４、関節トルク計算部２０６などを含むことができる。

ここで、接触位置格納部２０２は、接触位置検出部１００の接触位置計算部１０６で計算された接触位置情報を格納する機能を行える。

ヤコビアン計算部２０４は、接触位置計算部１０６で計算された接触位置情報による接触ヤコビアン情報を計算する機能を行える。ここで、接触ヤコビアン情報は、例えばロボットリンクのジョイント角度、動作座標系サーボ間の対応関係などを含むことができ、これらの情報は、接触位置計算部１０６で計算される接触位置情報によってリアルタイムで更新され得る。

関節トルク計算部２０６は、接触状態の制御のために接触位置格納部２０２に格納された接触位置情報とヤコビアン計算部２０４で計算される接触ヤコビアン情報を用いてトルク値を計算し、計算されるトルク値をロボット関節装置内の関節モータ（図示せず）に印加する機能を行える。このようなトルク値が関節モータに印加されることによって関節モータが駆動され得、関節モータの駆動によってエンコーダの関節変数が再び接触位置検出部１００の運動学情報格納部１０４に提供される相互補完的な関係を形成できる。

接触状態にあるロボットの制御のために、関節トルク値ベクトルГは、次の式１のように示され得る。

［式１］から分かるように、関節トルク値ベクトルГは、接触力を制御するトルクとその零空間で動きを制御するトルクからなり得る。

以下では、前述した構成と共に本発明の実施形態によるロボット制御方法、具体的に多関節ロボットの接触位置検出方法と、それによる接触状態制御方法に関する具体的な実施形態をより詳細に記述する。

図２は、図１の接触位置検出部１００で接触位置を幾何学的に検出する場合を説明する概念図であって、関節により動きが可能なロボットのロボットリンク１が接触環境２により動きに制限があるとき、接触位置を検出する場合を説明する。

まず、ロボットの特性上、関節角度情報を通じてロボットリンク１の配列形態（ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）情報が分かり、この配列形態によるロボットリンクの幾何情報は、幾何情報格納部１００に格納され得ることは周知の通りである。

図２に示す接触環境２とロボットリンク１間の接触状況で、ロボットの動きは接触位置により制限を受けられ得る。このとき、ロボットの動きによる幾何学的形状の動きも幾何情報格納部１０２を通じて追跡でき、ロボットの幾何学的な形状は、その動きにおいて交点Ｃを有するようになる。本発明の実施形態では、このような交点Ｃを動きに対する制限、即ち接触位置として推定できる。

図３は、図２で示した接触位置検出方法をより具体的に示す概念図である。理解を促進するために、ロボットのリンク形状が１次元モデル、例えば直線モデルで表現され得ると仮定すれば、接触が発生したロボットリンクの直線モデルを幾何情報格納部１０２に格納できる。

ロボットリンクの配列形態は、関節装置内に装着されるエンコーダを通じて把握可能であるため、ロボットの動きによる直線モデルの変化も追跡が可能である。このとき、直線モデルの方位（ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）が一定量以上変化するとき、変化前／後の瞬間の直線モデル間の交点を計算することで、ロボットの動きに発生した制限位置を探すことができる。このとき、用いられる方位の変化量を「推定性能角」といい、このような推定性能角は、接触位置検出（推定）方法の実行如何と実行性能を決定するのに使用され得る。

このとき、接触位置検出方法は、２直線間の関係が絡んだ位置において交点を計算できない際にも接触位置を推定できる方法を含むことができる。例えば、直線が絡んだ位置関係において交点を計算できない際には、接触位置検出方法により２直線間の距離が最も近い点を計算することで、仮の接触位置を決定できる。

図４は、本発明の実施形態によって直線モデルを通じて接触位置を検出するにおいて図１の誤差補正部１０８の誤差補正技術を例示的に説明する概念図である。

接触位置推定アルゴリズムが幾何モデルの動きを追跡して交点を計算するため、図４のように、凸な環境（円形）との接触が発生する場合には誤差が発生し得る。

このとき、誤差補正は次の［式２］のように、実際の接触位置と推定された接触位置間の誤差値の補正を通じてなされ得る。

前述した接触位置計算部１０６に含まれる「意図していない動きの分析」アルゴリズムは、以下のように、ロボットリンクの動きを等価角度軸技法を通じて分析することで、幾何モデルの動きを追跡できる。

図５は、本発明の実施形態によるロボット制御方法、具体的に多関節ロボットの接触位置検出方法を例示的に説明するフローチャートであって、接触位置推定方法の拡張された概念を例示したものである。

もし、接触するリンクの表面が２次元モデル、即ち平面的な幾何モデルである場合には、図６のように、平面モデルを適用して接触位置を計算できる。平面モデルの動きも接触位置により制限されるので、平面の形跡は、接触位置を含む直線を交線として残しながら変化するようになる。接触による動きの制限から発生する全ての交線は必ず接触点Ｃを含む（図６ではＸで示す）直線となる。

図５に示すように、まずロボットが接触環境に対して最初の接触を認知する場合（Ｓ１００）、接触位置計算部１０６は、幾何情報格納部１０２からの最初の平面モデルを適用した後、ロボットの制御による最初の平面モデルの方位変化量が推定性能角を超えるかを判断できる（Ｓ１０２）（Ｓ１０４）。この時には、正確な接触位置が分からない状態であるため、不安定な制御を行わざるを得ない。

最初の平面モデルの方位変化量が推定性能角を超えるようになれば、接触位置計算部１０６は、最初の直線の交線情報を計算でき、これと共に幾何情報格納部１０２からの２番目の平面モデルを適用できる（Ｓ１０６）。この時も同様に、接触位置が分からない状態での不安定な制御である。

同様に、接触位置計算部１０６は、２番目の平面モデルの方位変化量が推定性能角を超えるかを判断でき（Ｓ１０８）、同様の方式で２番目の直線の交線を計算し、３番目の平面モデルを適用できる（Ｓ１１０）。

このように計算された２つの交線は、接触位置という１つの共通した点を有しているので、その２直線の交点が結局のところ、接触位置として計算され得る（Ｓ１１２）（Ｓ１１４）。

このように接触位置が計算されれば、接触位置計算部１０６は、該当接触位置情報を接触状態制御部２００に提供でき、接触状態制御部２００は、接触位置格納部２０２内に該当接触位置情報を仮格納しながら、ヤコビアン計算部２０４を通じて接触位置による接触ヤコビアンを計算できる。

また、接触状態制御部２００は、関節トルク計算部２０６を通じて接触位置と接触ヤコビアンを用いて関節トルクを計算でき、計算される関節トルクは、図示を省略した関節モータに印加され得る。これにより、ロボットの安定した制御が実行され得る（Ｓ１１６）。

このとき、本発明の実施形態では、このようなロボットの制御を行うにおいて追加される平面モデルの方位変化量を持続的にモニタリングでき、任意の平面モデルの方位変化量が推定性能角を超える場合に、任意の平面モデルに対する直線の交線を計算し、段階（Ｓ１１２）にフィードバックできる（Ｓ１１８）（Ｓ１２０）。

図７は、図１のヤコビアン計算部１１０で接触ヤコビアン情報を計算する方法を例示的に説明する概念図である。

前記接触位置推定方法により計算された接触位置によって接触ヤコビアン情報は、以下の［式６］を用いてリアルタイムで更新されるようにする。このとき、制御中心と接触位置は同一であってもよく、互いに異なってもよい。

図８及び図９は、本発明の実施形態によるロボット制御方法、具体的に接触位置検出方法の全般的な構成を整理したブロック図であって、接触位置推定方法及びそれと相互作用する接触状態制御方法の全体的な制御フレームワークブロックダイアグラムである。

まず、接触が発生した状況で図８のように接触位置推定方法を開始できる。

初期の接触位置が分からない状態でロボットを制御するようになれば、意図していない動きが発生し得る。

この動きを分析した接触位置推定方法は、接触位置を推定することで、図９のように、前記接触状態制御部２００の接触位置格納部２０２に接触位置を格納できる（Ｓ２００）。

その後、前述したような接触力制御空間と動き制御空間を定義できる（Ｓ２０２）。

ヤコビアン計算部２０４は、接触位置計算部１０６で推定された接触位置によって接触ヤコビアンを再構成できる（Ｓ２０４）。

与えられた接触位置によって接触空間で接触力が制御され、動き制御空間でロボットの動きが制御され得る（Ｓ２０６）。接触力の制御は、ロボットと環境の接触を維持させるための制御を行い、ロボットの動き制御は、接触位置を推定できる動きを作り出す。

このような接触位置推定方法と接触状態制御方法は、相互補完的に作用できる。

Claims (9)

1. ロボットの幾何情報と運動学情報を用いて、意図していない動きが発生したとき、あるいは周辺環境への接触が発生したことの認識を伴う動きが発生したとき、前記ロボットの動きが交差する部分を前記ロボットのリンクと周辺環境間の接触位置として検出する接触位置検出部と、
   前記接触位置検出部で検出される接触位置によって前記ロボットのリンクに対する関節トルクを計算し、計算される前記関節トルクによって前記ロボットの動きを制御する接触状態制御部と
   を含み、
   前記ロボットの前記動きの前記交差する部分が、前記ロボットの前記動きに従って、異なる時点に対応する少なくとも２つの異なる幾何学的形状の交差点又は前記交差点を含む交差線を含み、
   前記ロボットの前記動きの前記交差する部分が、前記ロボットの前記動きが前記接触位置によって制限されるものに限られることを特徴とするロボット制御装置。
2. 前記接触位置検出部は、前記ロボットのリンクの配列形態による表面情報の動き変化に対応する交点を前記接触位置として検出することを特徴とする請求項１に記載のロボット制御装置。
3. 前記幾何情報は、ｎ次元モデル（前記ｎは１又は２）の表面情報を含むことを特徴とする請求項１に記載のロボット制御装置。
4. 前記運動学情報は、前記ロボットの関節装置内に含まれるエンコーダを通じて検出される関節角度を含むことを特徴とする請求項１に記載のロボット制御装置。
5. 前記接触位置検出部は、
   前記ロボットの幾何情報を格納する幾何情報格納部と、
   前記ロボットの関節変数を格納する運動学情報格納部と、
   前記幾何情報及び関節変数を用いて前記ロボットのリンクと周辺環境間の接触位置を計算する接触位置計算部と、
   前記接触位置に対する誤差を補正し、前記周辺環境が凸な環境の場合に発生する接触誤差を補正する誤差補正部と
   を含み、
   前記凸な環境は、断面が円形又はエッジ形状である環境を含むことを特徴とする請求項１に記載のロボット制御装置。
6. 前記接触位置検出部は、前記幾何情報の方位変化量が閾値角より大きいとき、前記幾何情報の前記交差する部分を計算することを特徴とする請求項１に記載のロボット制御装置。
7. 前記接触状態制御部は、
   前記接触位置検出部で計算される接触位置を格納する接触位置格納部と、
   前記接触位置格納部に格納される接触位置によって前記ロボットのリンクに対する関節トルクを計算する関節トルク計算部と、
   前記接触位置検出部で計算される接触位置による接触ヤコビアン情報を計算し、前記計算される接触位置によって前記接触ヤコビアン情報をリアルタイムで更新処理するヤコビアン計算部と
   を含むことを特徴とする請求項１に記載のロボット制御装置。
8. ロボットの幾何情報と運動学情報を用いて、意図していない動きが発生したとき、あるいは周辺環境への接触が発生したことの認識を伴う動きが発生したとき、前記ロボットの動きが交差する部分を前記ロボットのリンクと周辺環境間の接触位置として検出する過程と、
   検出される前記接触位置によって前記ロボットのリンクに対する関節トルクを計算し、前記接触位置によってリアルタイムで更新される接触ヤコビアン情報を計算する過程と、
   計算される前記関節トルクによって前記ロボットの動きを制御する過程と
   を含み、
   前記ロボットの前記動きの前記交差する部分が、前記ロボットの前記動きに従って、異なる時点に対応する少なくとも２つの異なる幾何学的形状の交差点又は前記交差点を含む交差線を含み、
   前記ロボットの前記動きの前記交差する部分が、前記ロボットの前記動きが前記接触位置によって制限されるものに限られることを特徴とするロボット制御装置のロボット制御方法。
9. 前記検出する過程は、
   前記ロボットのリンクの配列形態による表面情報の動き変化に対応する交差する部分を前記接触位置として検出する過程と、
   前記接触位置に対する誤差を補正する過程と、
   前記幾何情報の方位変化量が閾値角より大きいとき、前記幾何情報の前記交差する部分を計算する過程と
   を含むことを特徴とする請求項８に記載のロボット制御装置のロボット制御方法。

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