JP2007041735A - ロボット制御システム - Google Patents
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Abstract
【課題】センサユニットを備えるロボット制御装置において、ロボット動作中においてもセンサユニットの機能をリアルタイムで変更する。
【解決手段】センサユニット10のCPU22は、ロボット動作中においてセンサ15のセンサ出力を制御周期内の送信周期においてロボットCPU12に送信する。制御周期の残りの受信周期においてロボットCPU12は更新パラメータをCPU22に送信する。CPU22は更新パラメータを受信し、RAM16の記憶領域のうちデフォルトのパラメータが記憶されている第1領域と異なる第2領域に書き込む。CPU22は、さらにロボットCPU12から更新コマンドを受信すると、パラメータをデフォルトから第2領域に記憶された更新パラメータに切り替えて処理を実行する。
【選択図】図1
【解決手段】センサユニット10のCPU22は、ロボット動作中においてセンサ15のセンサ出力を制御周期内の送信周期においてロボットCPU12に送信する。制御周期の残りの受信周期においてロボットCPU12は更新パラメータをCPU22に送信する。CPU22は更新パラメータを受信し、RAM16の記憶領域のうちデフォルトのパラメータが記憶されている第1領域と異なる第2領域に書き込む。CPU22は、さらにロボットCPU12から更新コマンドを受信すると、パラメータをデフォルトから第2領域に記憶された更新パラメータに切り替えて処理を実行する。
【選択図】図1
Description
本発明はロボット制御システムに関し、特にセンサユニットの機能変更に関する。
ロボット等の移動体の姿勢制御に加速度センサや角速度センサが用いられている。直交する3軸をX軸、Y軸、Z軸とすると、各軸方向の加速度を3個の加速度センサで検出し、各軸回りの角速度を3個の角速度センサで検出する。軸回りの角度、あるいは姿勢角は、角速度センサの出力を時間積分して得られ、ピッチ角、ロール角、ヨー角が算出される。
以下の特許文献1には、ジャイロセンサから出力される加速度データ及び姿勢データを用いて姿勢制御する技術が開示されている。
また、特許文献2には、周辺処理装置にホストから送信されるコマンドとして、動作の指定を行う実行コマンドと、動作の指定を行わない実行コマンドを設け、これら2種類の実行コマンドにより動作の変更が必要なときのみその動作を変更できるようにする技術が記載されている。
加速度データや姿勢データを用いて姿勢制御する場合、姿勢角の精度が要求されるが、姿勢角は時間積分して得られるので誤差が積算し精度が低下する場合がある。そこで、姿勢角をあるタイミングで0degにリセット、あるいは所望の角度に設定する必要が生じる。
また、姿勢を制御すべきロボットのタイプやセンサ取付位置あるいは取付姿勢によりセンサの動特性が異なるため、センサ毎に動特性を調整する必要もある。例えばフィルタ時定数を最適値に調整する等である。
このような要求に応えるため、ロボットを停止させ、センサユニットの特性を変更した後、再度ロボットを動作させることも考えられるが、ロボット動作中に即時にセンサユニットの特性を変更できるのが望ましい。例えば、ロボットが特定の動作を行う際に、センサユニットから出力される複数のセンサ出力のうち特定のセンサ出力のみを必要とするため、センサユニットを当該センサ出力のみを送信する特性に直ちに変更できることが望ましい。上記の特許文献2においても動作の変更が可能であるが、リアルタイムに動作を変更することは困難である。
本発明の目的は、ロボットに組み込まれたセンサユニットの特性(あるいは機能)を即座に変更することができるロボット制御システムを提供することにある。
本発明は、メインプロセッサと、センサ出力を前記メインプロセッサに送信するセンサユニットとを有するロボット制御システムであって、前記センサユニットは、プロセッサと、前記プロセッサの動作を規定するパラメータを記憶するための第1領域及び第2領域を備えるメモリとを有し、前記プロセッサは、所定周期内の送信周期において前記メモリの前記第1領域あるいは前記第2領域の一方に記憶されている前記パラメータを用いて前記センサ出力を前記メインプロセッサに送信するとともに前記所定周期内の残りの受信周期において前記メインプロセッサからの更新パラメータを受信して前記第1領域あるいは前記第2領域の他方に格納し、その後、前記更新パラメータを用いて前記センサ出力を前記メインプロセッサに送信することを特徴とする。
本発明のロボット制御システムでは、センサユニットはメモリの第1領域あるいは第2領域のいずれか(例えば第1領域とする)に記憶されたパラメータに基づきセンサ出力をロボットのメインプロセッサに送信するが、所定周期の受信周期においてメインプロセッサから更新パラメータを受信すると、この更新パラメータを第2領域に格納する。そして、センサユニットのプロセッサは、第1領域に記憶されたパラメータ(デフォルトのパラメータ)の代わりに、第2領域に記憶された更新パラメータに基づいて実行する。ロボット動作中であっても、受信周期においてメインプロセッサからセンサユニットに更新パラメータを送信し、更新パラメータを第2メモリの異なる領域に格納してパラメータをデフォルトから更新パラメータに切り替えることで、迅速にセンサユニットの特性あるいは機能を変更することができる。第2領域に格納された更新パラメータで動作中に、メインプロセッサから更なる更新パラメータが送信されると、今度は第1領域にその更新パラメータを格納する。新たな更新パラメータを格納すると、第2領域に格納された更新パラメータに代わって、第1領域に記憶された新たな更新パラメータに従いセンサユニットが動作する。メモリの第1領域と第2領域を交互に相補的に使用することで、リアルタイムでセンサユニットの特性あるいは機能を任意に変更できる。
本発明によれば、ロボットに組み込まれたセンサユニットの特性(あるいは機能)を即座に変更することができる。
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
図1に、本実施形態に係るロボット制御システムの概念構成を示す。センサユニット10及びロボットのメインプロセッサであるロボットCPU12が設けられ、センサユニット10とロボットCPU12はシリアルデータライン14でシリアル通信可能に接続される。なお、センサユニット10及びロボットCPU12が組み込まれるロボットの形状は任意であり、2輪走行ロボット、4輪走行ロボット、2足歩行ロボット、飛行体ロボット等のいずれでもよい。
センサユニット10は、加速度センサや角速度センサ等のセンサ15、RAM16、ROM18、ドライバ20及びCPU22を含む。
ROM18は、センサユニット10の実行処理を記述したOSあるいはプログラムを格納する。プログラムには、ロボットCPU12に対して送信すべきセンサ出力の種類やリセット機能の切替、内部フィルタの時定数などを設定するパラメータを含む。ROM18は、フラッシュROM等の書換可能なメモリで構成される。
RAM16は、ROM18に記憶されたパラメータを記憶する。すなわち、電源投入時のブート動作において、CPU22はROM18に記憶されたパラメータを読み出してRAM16に書き込み(ロード)、RAM16に書き込まれたパラメータを読み出して所定の処理を実行する。CPU22は、ROM18から読み出したパラメータをRAM16の特定領域に書き込む。本実施形態において、この特定領域を第1領域と称する。第1領域は、RAM16内に予めその開始アドレス(物理アドレス)と終了アドレスが固定的に設定されていてもよいが、可変であってもよい。
CPU22は、RAM16から読み出したパラメータに従い、センサ15から入力した各種のセンサ出力のうちパラメータで設定されたセンサ出力を選択してドライバ20を介してロボットCPU12に送信する。ドライバ20は、例えばRS−232Cドライバであるがこれに限定されるものではなく、USB、RS422、IEEE1394等も可能である。CPU22は、ドライバ20を介してシリアルデータライン14にセンサ出力データを送出するが、所定制御周期のうちの送信周期においてのみデータを送信する。所定制御周期のうちの残りの周期は受信周期に割り当てられ、CPU22はロボットCPU12からシリアルデータライン14を経て送信されてきたデータを受信する。
図2に、センサユニット10のCPU22とロボットCPU12との間で行われるシリアル通信のタイミングチャートを示す。図2(a)はCPU22から見た送信時のタイミングチャートであり、図2(b)はCPU22から見た受信時のタイミングチャートである。
図2(a)において、1制御周期は例えば10msecであり、この制御周期を送信周期と受信周期に時分割する。CPU22は、送信周期においてセンサ15からのセンサ出力をロボットCPU12にシリアルで送信する。送信データフォーマットは送信パターン及び計測データを含み、送信パターンでどのセンサ出力を送信するかを設定し、計測データでセンサ15からの実センサ出力を送信する。送信パターンを16ビットで規定し、各ビットを例えば以下のように設定する。
最下位ビット(MSB):姿勢角(ピッチ角、ロール角、ヨー角)
第1位ビット:角速度
第2位ビット:加速度
第3位ビット:傾斜角
第4位ビット:重力補正後の加速度
第5位ビット:速度
第6位ビット:位置
第7位ビット:姿勢行列
第8位ビット:姿勢行列
第9位ビット:姿勢行列
第10位ビット:姿勢行列
第11位ビット:無効
第12位ビット:ユニット温度
第13位ビット:基板温度
第14位ビット:ダイアグ
第15位ビット:タイムカウント
各ビットが「1」のときに該当するデータが計測データとして送信される。例えば、ビット0が「1」のときにはセンサ15からの姿勢角データが計測データとして送信される。ロボットCPU12は、この送信パターンをデコードすることで、どのデータがCPU22から送信されたか判別する。図において、CPU22から送信周期において送信されたデータは送信データ100として示されている。
最下位ビット(MSB):姿勢角(ピッチ角、ロール角、ヨー角)
第1位ビット:角速度
第2位ビット:加速度
第3位ビット:傾斜角
第4位ビット:重力補正後の加速度
第5位ビット:速度
第6位ビット:位置
第7位ビット:姿勢行列
第8位ビット:姿勢行列
第9位ビット:姿勢行列
第10位ビット:姿勢行列
第11位ビット:無効
第12位ビット:ユニット温度
第13位ビット:基板温度
第14位ビット:ダイアグ
第15位ビット:タイムカウント
各ビットが「1」のときに該当するデータが計測データとして送信される。例えば、ビット0が「1」のときにはセンサ15からの姿勢角データが計測データとして送信される。ロボットCPU12は、この送信パターンをデコードすることで、どのデータがCPU22から送信されたか判別する。図において、CPU22から送信周期において送信されたデータは送信データ100として示されている。
一方、図2(b)において、制御周期のうちの送信周期の残りの周期が受信周期として割り当てられ、ロボットCPU12はこのタイミングでシリアルデータライン14にデータを送信する。CPU22は、このタイミングでロボットCPU12から送信されたデータを受信する。図において、ロボットCPU12から送信されたデータは受信データ200として示されている。CPU22は、受信周期においてロボットCPU12からのデータを受信すると、受信データ200をRAM16に格納する。受信データ200の格納領域は、第1領域と異なる第2領域である。第2領域の開始アドレスは第1領域の終了アドレスの次番地としてもよく、所定番地だけ離れていてもよい。ロボットCPU12は、送信すべきデータ量が多い場合には複数の制御周期にわたってデータをパケットに分割して順次送信することもできる。CPU22は、これらのデータを順次受信して、RAM16の第2領域に格納する。ロボットCPU12から送信されるデータは、センサユニット10の更新パラメータ及び制御コマンドである。
図3に、制御周期の受信周期に順次ロボットCPU12からCPU22に送信されるデータ列を示す。ロボットCPU12は、センサユニット10のパラメータを更新すべきタイミングにおいて書換コマンド202を送信する。CPU22は、この書換コマンド202を受信することでRAM16の書き込み開始アドレス位置を第2領域の開始アドレスに設定する。そして、ロボットCPU12からの受信データ200を順次RAM16の第2領域に書き込んでいく。CPU22は、全ての受信データ200を受信してRAM16へのデータの書き込みを終了すると、RAM16からの読み出しアドレスを第1領域から第2領域に切替え、第2領域に記憶されているデータを新たなパラメータとして実行する。書換コマンドの一例は「SET」コマンドであり、ロボットCPU12はSETコマンドに続いてデータ番号(設定箇所)、更新パラメータを設定してセンサユニット10に送信する。センサユニット10のCPU22は、「SET」コマンドを解釈し、更新パラメータをRAM16の第2領域に格納する。
図4乃至図9に、センサユニット10の動作を時系列で示す。図4は、電源投入時の動作である。CPU22は、ROM18に記憶されているデフォルトのパラメータを読み出し、RAM16の第1領域16aにロードする。
図5は、動作時の処理である。CPU22は、RAM16の第1領域16aに記憶されたパラメータに従ってセンサ15からのセンサ出力をロボットCPU12にシリアル送信する。デフォルトのパラメータが送信パターンの最下位ビット、第1位ビット、第2位ビットを全て「1」とするパラメータである場合、CPU22はこのパラメータに従ってセンサ15からの姿勢角データ、角速度データ、及び加速度データをロボットCPU12に送信する。
図6は、パラメータ更新時の処理である。CPU22は、上記のようにRAM16の第1領域16aに記憶されたデフォルトのパラメータに従ってセンサ出力を送信するが、制御周期のうちの受信周期においてロボットCPU12から書換コマンド202を受信すると、それに続く受信データをRAM16の第2領域16bに書き込んでいく。受信データを第2領域16bに書き込んでいる間、ロボットCPU12に対するデータの送信は、デフォルトのパラメータに従って実行する。送信パラメータを最下位ビット、第1位ビット、第2位ビットで例示すると、RAM16の第1領域16aには送信パラメータ(デフォルトパラメータ)の「000」が記憶され、RAM16bの第2領域16bには送信パラメータ(更新パラメータ)の「100」が記憶される。
図7は、パラメータの更新終了後の処理である。CPU22は、RAM16の読み出し領域を第1領域16aから第2領域16bに切替え、第2領域16bに記憶された更新パラメータに従って処理を実行する。更新パラメータが上記のとおり「100」である場合、CPU22は次の制御周期から加速度データをロボットCPU12に送信し、姿勢角データや角速度データは送信しない。また、更新の内容が姿勢角のリセットである場合、ロボットCPU12はリセット値を受信データ200として設定し、更新コマンド204としてリセットコマンドを送信する。CPU22は、このリセットコマンドに応じてリセット値をRAM16の第2領域16bから読み出し、センサ15をリセットする。
図8は、電源遮断時の動作である。CPU22は、RAM16の第2領域16bに記憶された更新パラメータをROM18に書き込む。次回の電源投入時には、図4に示すように、ROM18に記憶された更新パラメータがデフォルトパラメータとして読み出され、RAM16の第1領域16aにロードされる。
一方、図7に示すように第2領域に記憶された更新パラメータに従って処理を実行している間に、ロボットCPU12から別の更新パラメータが送信される場合もある。図9にこの場合の処理を示す。CPU22は、第2領域16bに記憶された更新パラメータに従って処理している。このとき、受信周期で新たな書換コマンド及び更新パラメータを受信すると、新たな更新パラメータを今度は第1領域16aに順次格納していく。そして、第1領域16aに全ての更新パラメータを格納した後、CPU22はRAM16の読み出し領域を第2領域16bから再び第1領域16aに切替え、第1領域16aに記憶された更新パラメータに従って処理を実行する。このように、第1領域16aと第2領域16bとを交互に使用することで、センサユニット10の動作中においてもパラメータを随時変更できる。RAM16において動作すべきパラメータが記憶されている領域をアクティブ領域とすると、あるタイミングにおいて第1領域16aはアクティブ領域、第2領域16bは非アクティブ領域であり、非アクティブ領域に更新パラメータを格納し、全ての更新パラメータを格納して準備が完了した後に、第2領域16bをアクティブ領域、第1領域16aを非アクティブ領域に切替え、以後、同様の処理を繰り返す。アクティブ領域と非アクティブ領域の切替は、動作に必要な全ての更新パラメータを格納した直後であり、直後の送信タイミングから更新パラメータでのデータ送信が行われる。なお、CPU22が演算処理の実行中でジョブを割り当てられない、あるいはRS−232Cが通信中等で時間に余裕がない場合には、以降の送信フレームから更新パラメータでのデータ送信が行われる。非アクティブ領域はロボットCPU12から新たな更新パラメータが送信されない限り非アクティブ状態を維持するが、アクティブ領域に記憶されたパラメータをこの領域にコピーし予備領域として使用してもよい。
以上説明したように、本実施形態では、ロボットが動作中であっても、ロボットCPU12が制御周期内の受信周期においてセンサユニット10に更新パラメータ及び更新コマンドを送信し、センサユニット10は更新パラメータをRAM16の異なる領域に格納し、更新コマンドの受信をトリガとしてデフォルトのパラメータから更新パラメータに切り替えて処理を行うことで、センサユニット10の特性あるいは機能を容易に、かつ迅速に変更することができる。
変更が繰り返される時、以前のパラメータ変更履歴を維持するために、新しいアクティブ領域へメインプロセッサの動作領域が変更された後、直ちにその内容が非アクティブ領域にコピーされる。コピーされた非アクティブ領域に、次のパラメータ変更が追加され書き込まれる事により、パラメータ変更の履歴を保持する。ここで、非アクティブ領域へのアクティブ領域データのコピーは全部をコピーする必要は無く、変化分のみをコピーすることにより、動作時間を短くし、同じ効果を発揮させる事ができ、望ましい。
なお、ロボット制御等においては、センサ内部演算速度は非常に早く、時間に対して正確に演算する必要がある。例えば、角速度から角度を演算する場合、角速度センサからの出力を積算して角度を得るが、離散データを処理するため積算周期Δtが正確で、n、n+1、n+2・・と順次正確に行われる必要がある。一方、センサデータを出力あるいは設定変更を受け取る通信は時間がかかり、かつデータ内容や通信環境により変動する。従って、メインプロセッサからのパラメータ設定受信に同期してセンサ側が演算処理内容を変更すると、演算周期や演算タイミングが乱れ、データの正確性を失う。例えば、Δtが一定でなくなるとか、n、n+1、n+3、・・といったデータ処理の飛びが生じる。本発明によれば、パラメータ変更による実動作のタイミングがセンサ内部のタイミングにより決定できるので、演算周期や演算タイミングを一定に保つことができる。また、パラメータ変更中はパラメータが確定しないので演算を待たせる必要があるが、本発明による方法では、パラメータ変更が確定するまで、直前の確定した第1領域16aにあるパラメータを用いて内部演算を実行し、変更中のパラメータは第2領域16bに書き込む。次の演算タイミングに、変更パラメータが確定した第2領域16bを用いることにより、演算時間の遅延や休止を防ぎ、連続した演算を可能とするので、実時間制御に適したセンサ出力を得ることができる。
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の態様が可能である。例えば、本実施形態では、更新パラメータのデータ量を考慮し、更新パラメータをパケットに分割して複数の制御周期にわたって各パケットを送信しているが、1つの制御周期内の受信周期において更新パラメータを送信してもよい。
また、本実施形態では、図3に示すように、更新パラメータ(受信データ200の内容は更新パラメータである)の前後に書換コマンド202を送信しているが、書換コマンド202を送信しなくてもよい。CPU22は、受信周期にロボットCPU12から送信されたデータが存在すればRAM16の第2領域16bにデータを書き込んでいくことでパラメータをデフォルトから更新パラメータに切り替える。
また、本実施形態では、図8に示すように電源遮断時にRAM16の第2領域16bに記憶された更新パラメータをROM18に書き込んでいるが、ロボットCPU12から送信された書込コマンドを受信したときに更新パラメータをROM18に書き込んでもよい。
本実施形態におけるロボット制御システムでは、ロボット動作中のセンサユニット10の特性あるいは機能をほぼリアルタイムで実現できる。姿勢角のリセットを定期的、あるいはロボット停止動作中に実行する場合、ロボットCPU12は定期的、あるいはロボット停止動作時においてリセットコマンドを制御周期の受信周期に送信する。CPU22はリセットコマンドを受信し、センサ15の姿勢角出力を0にリセットする。センサユニット10にロボット停止動作中の自動補正機能が備えられており、当該機能を有効とするか無効とするかをパラメータで設定する場合、ロボットCPU12はユーザからの指定により更新パラメータを送信する。CPU22は、デフォルトのパラメータ(機能無効)を更新パラメータ(機能有効)に切替え、以後はロボット停止を検出する毎にセンサ出力のゼロ点等を自動補正する。
10 センサユニット、12 ロボットCPU、14 シリアルデータライン、15 センサ、16 RAM、18 ROM,20 ドライバ、22 CPU。
Claims (3)
- ロボットのメインプロセッサと、
センサ出力を前記メインプロセッサに送信するセンサユニットと、
を有するロボット制御システムであって、
前記センサユニットは、
プロセッサと、
前記プロセッサの動作を規定するパラメータを記憶するための第1領域及び第2領域を備えるメモリと、
を有し、
前記プロセッサは、所定周期内の送信周期において前記メモリの前記第1領域あるいは前記第2領域の一方に記憶されている前記パラメータを用いて前記センサ出力を前記メインプロセッサに送信するとともに前記所定周期内の残りの受信周期において前記メインプロセッサからの更新パラメータを受信して前記第1領域あるいは前記第2領域の他方に格納し、その後、前記更新パラメータを用いて前記センサ出力を前記メインプロセッサに送信する
ことを特徴とするロボット制御システム。 - 請求項1記載のシステムにおいて、
前記プロセッサは、複数の所定周期にわたって前記更新パラメータのパケットを順次受信して前記メモリに順次格納することを特徴とするロボット制御システム。 - 請求項1記載の装置において、
前記プロセッサは、前記メモリに記憶された前記更新パラメータを不揮発性メモリに格納し、次のブート時に前記更新パラメータを読み出して前記メモリに格納する
ことを特徴とするロボット制御システム。
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