JP2007512596A - 相互依存ユニットから形成されたシステムを制御する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の相互依存ユニットから形成されたシステムを、分散制御方法論によって制御する。
【解決手段】複数の相互依存ユニット200A〜200Eから形成されたシステムは、結果に対応する各ユニットのための所望の動作を確立することによって結果を確立するが、他のユニットの所望の動作とは独立するように制御される。制御方法論は、とくに、ロボット・マニピュレータに適用される。
【選択図】図１(b)

Description

本発明は、一般に、複数の相互依存ユニットから形成されたシステム、より詳しくは、結果を達成するためにそのようなシステムを制御する方法およびその制御方法論を実行する制御システムに関する。本発明は、記述されてはいるが、ロボットのような機械的装置のための制御方法論だけに指向するのではない。

ロボット、特に、当該技術分野において、「マニピュレータ」と呼ばれるロボットのサブクラスは、主にそれらのタスク特定の設計によるハードオートメーション応用（例えば、組立ラインに金属プレートを溶接する）に限られていた。従来の集中制御モデルは、周囲の環境および特定のタスク必要条件に関して前もってプログラムされた情報に依存する。

周囲の環境に関する前もってプログラムされた情報の必要性のために、不慣れな状況に直面するときに、複合の運動に携わっているロボットは通常、状況を変えることに適応すること、または、うまく作業を完了することはできない。

このために、ロボットは、遂行される作業が反復、正確な運動および高速を必要とする応用に限られていた。しかしながら、オートメーションを求める要求が増加するにつれて、ロボットにロボット装置が動的で予測不可能な状況において、うまく作動できるますます精巧な制御メカニズムを提供することを増加させる必要があった。

さらにまた、一般に多くの相互依存しているパーツを備えているロボットは、1つの位置からもう一方まで適切な運動を決定するために、複合のアルゴリズムを利用する。多数の相互依存ユニット（すなわち、例えば物理的に連結されるか、または制御されるように、複数のユニットはある方法で強制される）および多数の自由度を有するロボットにおいて、多数のありうる解釈が1つの点からもう一方まで移動することにあるので、複合のアルゴリズムが必要である。すなわち、各ユニットがどのように移動しなければならないかについて決定する方程式を解くことを試みて、ロボットを所望の位置の方へ動かすために、多数の冗長な解決案がもたらされる。従って、複合のアルゴリズムは、多数のありうる解釈のうちどちらが利用されなければならないかについて決定するために用いなければならない。これは、通常、ロボットの自由度を制限するために、人工境界条件の適用を含む。

本発明は、複数の相互依存ユニットから形成されたシステムを、分散制御方法論によって制御するための方法およびその制御方法論を実行する制御システムを提供することを目的とする。

第１の態様において、本発明は、結果を得るために複数の相互依存ユニットから形成されたシステムを制御するための方法であって、システムのための所望の結果を確立するステップと、結果に対応する各ユニットのための所望の動作を確立するが、他のユニットの所望の動作とは独立しているステップとを備えている方法に関する。

第2の態様において、本発明は、結果を得るために複数の相互依存ユニットから形成されたシステムを制御するための方法であって、システムのための所望の結果を確立するステップと、結果に対応する各ユニットのための所望の動作を確立するステップとを備えており、ユニットのための所望の動作が、システムの少なくとも１つの参照部分の所望の位置に関するその参照部分の現在位置に応じて決定される方法に関する。

ユニットのための所望の動作が、参照部分の現在位置および参照部分の所望位置間の差値を計算すること、所望の動作を決定するために差値を使用することを含んでいる。

換言すれば、少なくとも１つの具体例において、各ユニットは、所望の結果（「目標」）に関するある情報を提供され、また、参照位置を提供される。各ユニットは、それから、それがその目標に達することである場合、ユニットが必要としなければならない所望の動作を表す値を計算しようとする。これは、具体例によっては、参照位置および所望の位置間の差値であってもよい。

方法は、さらに、各ユニットのためのオペレイション動作を決定するステップと、各ユニットにそのオペレイション動作を始めるように指示するステップとを含んでいる。

方法は、さらに、オペレイション動作を更新するために方法ステップを繰り返すステップを含んでいる。

少なくとも幾つかのユニットのオペレイション動作は、所望の動作であってもよい。ほとんどの場合、所望の動作は、ユニットが所望の結果の方へ移動するのを助けるために、ユニットのためにベストの動きである。しかしながら、個々のリンクは、例えば、障害または他のリンクの崩壊のような制約となる。

このような場合、方法は、さらに、システムのための拘束要因を確立するステップと、拘束要因に対応する少なくとも１つのユニットのための拘束動作を確立するステップとを含んでいる。拘束動作は、所望の動作を越えるか、または、拘束動作および所望の動作は、比較され、そして、妥協が捜索される。

すなわち、拘束動作を確立したユニットのオペレーション動作は、拘束動作である。

一旦拘束動作が確立されると、ユニットのための拘束要因だけはそのユニットのための拘束動作を決める際に利用できる。

しかしながら、他の形で、少なくとも一つのユニットに関する拘束要因は、他のユニットのための拘束動作を決める際に利用できる。

方法は、また、一定の経路に沿ったマニピュレータの運動のような複合の運動、または移動目標物をもつマニピュレータの交差を制御するために利用できる。そのような場合、方法は、さらに、所望の結果を達成するために複数の中間結果を確立するステップを含んでいる。

複数の中間結果がある場合には、ユニットの所望の動作は中間結果の個々のものに対応して決められることが可能である。

方法ステップは、各ユニットのための複数の所望の動作が時間とともに確立する反復相であり、それによって、所望の動作は、複数の中間結果に対応して確立される。

複合の挙動のために利用されることに加えて、方法は、また、複雑システムのために利用されうる。すなわち、システムが一連のサブシステムを含む状況において、各サブシステムが複数の相互依存ユニットのうちの少なくとも1つからなり、方法は、各サブシステムのための中間結果を確立するステップを更に含み、それによって、各ユニットのための所望の動作は、それが関連するサブシステムの中間結果に対応して確立される。

すなわち、各サブシステムは、それらの差し迫った目標としての中間結果をもった、自制システムのように機能し、そこにおいて、中間結果は、全体としてシステムのための所望の結果に共感する。

結果は、システムの空間関係に従属し、さらに、所望の位置に関するシステムの予め定められた空間関係であることが理解されよう。

結果は、また、時間従属である。

所望の動作は、ユニットの空間位置を調整することを含んでいる。拘束要因がない状況において、結果は、所望の位置の唯一の決定要素であってもよい。

調整は、ユニットの運動および／またはユニットの拡張または収縮によってもよい。

第３の態様において、本発明は、複数の相互依存ユニットを制御する方法であって、各ユニットのために、オペレイション動作を引き出すステップを備えており、オペレイション動作は、情報を持ち出すことに対応する方法を提供する。

持ち出される情報は、所望の結果、所望の動作、拘束動作および参照位置よりなるグループから選択される。

第４の態様において、本発明は、結果を達成するために移動しうる複数の相互依存ユニットを制御する方法であって、本発明の第１の態様による制御方法論を実行するために配置されるコントローラを備えている方法を提供する。

第5の態様において、本発明は、コンピュータシステムが搭載されているときに、第１の態様による方法を実行するために配列されたコンピュータプログラムを提供する。

第6の態様において、本発明は、第５の態様によるコンピュータプログラムを組み込んでいるコンピュータ可読媒体を提供する。

この発明の実施の形態を図面を参照しながらつぎに説明する。

全般的説明
複数の相互依存ユニットが所望の結果に達するために協力して、さらに、それぞれに動くことができる制御方法論は、開示される。これは、分散制御システムおよび方法論を使う能力により達成され、そこにおいて、ユニットの各々は、初期情報を利用してオペレーション動作を確立しかつ開始し、それは、１またはそれ以上の所望の結果、そして、拘束要因をもたらすかも知れない。オペレーション動作は、通常、所望の結果を成し遂げることの方向を目指す所望のアクションであるが、拘束要因が存在するならば、拘束アクションかも知れない。一旦オペレーション動作が定められると、ユニットはそのアクションを開始する。この過程は、所望の結果が達されるまで、各繰り返しで更新されるオペレーション動作によって繰り返される。制御方法論は、応用を多くの異種のフィールドで見つけるかも知れない。しかしながら、1つの自然の応用は、ロボットの制御および特別なロボット・マニピュレータにある。

本願明細書の前後関係において、所望の結果は、通常、空間における所望の定位置で、参照部分の位置に基づく。しかしながら、所望の位置は、複数の中間結果を確立することによって、時間（すなわち、過程を繰り返す間に）とともに変化すると理解される。このような方法で、所望の結果は、直線または曲線にそった運動であってもよい。

本願明細書の前後関係において、相互依存という用語は、必ずしも物理的に接続されるというわけではなくて、例えば何らかの形で、空間的に関して、互いにより拘束される部分を構成することに関する。相互依存システムの例は、ロボットアームであり、それは、当該技術分野において、「マニピュレータ」と呼ばれる。

マニピュレータを利用している例において、マニピュレータの各ユニットは、通常、マニピュレータモジュール、マニピュレータリンクまたはマニピュレータ部分と呼ばれる。

マニピュレータモジュールの例
適切なマニピュレータモジュールの例は、単なる例として、今や記述される。図1aおよび1bを参照すると、本発明の実施例によるマニピュレータモジュール100が示されている。マニピュレータモジュール100は、モジュールに2つの回転自由度を提供するジョイント構造物104を収容しうるボディ部分102を含んでいる。

マニピュレータモジュール100は、さらに、実質的にプレートの形をした平面構造である取付手段106を含む。プレートによって、モジュールが他のモジュール（図示せず）に相互接続される。例によっては、モジュールが他のモジュールと一体的に成形され、それによって、取付手段の必要性を不要にすると理解される。

ボディ102は、また、アクチュエータ手段108を受入れるために配置される。アクチュエータ108は、ジョイント構造物104の相対的運動を提供するためにジョイント構造物104に接続している。

アクチュエータ手段108は、ギヤヘッド（図示せず）を駆動するモーター110を含んでいる。ギヤヘッドは、ボールねじ（図示せず）の形をしたリニアアクチュエータをつぎつぎに駆動するベルトドライブ112（図示せず）を駆動する。リニアアクチュエータは、本例ではケーブルを含むテンションドライブを駆動する。ケーブルは、ジョイント102の一端に接続され、そして、その他端ではジョイントの双方向性制御をするための滑車に接続されている。

換言すれば、モーターが作動するときに、それはギヤヘッドを駆動し、そして、それは次々にリニアアクチュエータを駆動し、そして、ケーブルドライブを移動させ、それによって、角度θだけジョイントを移動させる。類似したアクチュエータ手段が両方の弓形状部分のために利用され、それによって、ジョイント構造物の両方の自由度のためのモータ制御を提供すると理解される。

見られる通り、マニピュレータモジュールが自分自身を完全に含む大きさにおいて比較的簡潔であり（換言すれば、全ての駆動部分がマニピュレータモジュール内に含まれるている）、それでもって、取付プレートがマニピュレータモジュールを他のモジュールに容易に接続するようになっている。他の例では、マニピュレータは一体的に形成され、そうすると、ジョイントはジョイントの各側で１または２の要素と一体的に形成される。

マニピュレータモジュールは通信手段を含み、それは、制御手段にモーターとの入出力を行う電子インタフェース（すなわち、電子バス）という形をとる。制御手段は手動制御マニピュレータモジュールの場合、制御パッド（例えばジョイスティック）であってもよく、または、それはプログラム可能マニピュレータモジュールの場合、計算手段（例えばマイクロコントローラまたはコンピュータ）であってもよい。他の具体例において、通信手段およびマイクロコントローラ（または等価な）は各モジュール内に完全に含まれる。そうすると、各モジュールは他のモジュールと独立して動作できる。

マニピュレータモジュールは、また、周囲の環境を検出するか、障害を回避するかまたは、若干の外部の状態、例えば、温度、湿度、などに関する情報を提供することを必要とすることができる適当なセンサを組み込むことができる。ある特定の具体例では、センサは光学エンコーダであってもよく、それは障害物の近接を測定するために用いてもよい。他の可能なセンサは圧力センサであり、それは、マニピュレータモジュールが外部障害と接触したかどうか決定するために用いてもよい。

単純複合−ユニットマニピュレータ
図2aおよび2bに転じると、組立られたマニピュレータを表す回路図が示されている。マニピュレータは、一連の相互依存ユニット、すなわち、リンクまたはモジュール200a−200eを備えており、各リンクは、連続したリンクに連結されかつ任意の「x」および「y」平面で、2つの自由度をもって回転可能である。マニピュレータは、分散制御メカニズムにより制御され、それは、複数の相互依存ユニットの各リンク独立制御を可能とする。

マニピュレータは、制御システムを有しており、それは、マニピュレータの各リンクが別々に埋め込まれたプロセッサをもつように配置され、それは、特定の入力情報、すなわち、所望の入力（すなわち、マニピュレータが移動したい位置）および参照位置（すなわち、後で詳述する参照リンクの位置）に対応して、特別のリンクの運動を独立して制御する。入力情報は、また、障害物の存在（それは、近接センサにより提供される）に関する情報を含む。

この具体例は、各リンクのための別々のプロセッサを有すると同時に、中央プロセッサが用いられ、これは、マルチタスク・モードにおいて、各リンクに代わって必要な計算を実行することを理解できよう。すなわち、1つのプロセッサが全ての計算を実行するとともに、計算は各リンクのために独立しかつ唯一である。

参照位置に関する情報が各リンクに提供される方法は、多彩でもよい。後述する例において、各リンクは、参照位置（すなわち、参照リンクの位置）に関する隣接するリンクの情報が提供される。しかしながら、これは、この種の情報がリンクからリンク通過する唯一の方法でない。他の具体例では、各リンクは、参照位置に関する情報を提供するセンサを有している。このような方法で、各リンクは、他のリンクと独立して作動しうる。しかしながら、便宜のために、ここでは、1つのリンクから他のリンクに中継される情報に依存し、これは、具体例を構築する上で、コスト効果的選択である。

すなわち、図2aおよび2bに記載した具体例の物理的なレイアウトは、現実的に存在するシリアルなものであり、したがって、情報配信は連続的に生じ、各リンクの根本的制御方法論は他のリンクから独立している。制御は、木、ネットまたは平行構造において、成し遂げられる（すなわち、情報は、リンクからリンクへ流れる）。

図2aにおいて、各リンクへの情報入力は操作されず、各リンクからの情報出力は、それが連続したリンクを通過する前に、操作される。しかしながら、図2bにおいて開示される他の具体例では、各リンクへの入力情報および各リンクからの出力情報は、いかなる適切な方法でも操作されることが理解されよう。情報の部分的な変換がリンクからリンクへの情報の転送を好ましくは最小にするものとして、この種の情報操作は有利である。さらに、システムとして、各リンクの間で転送される情報量を最小にすることによって、各リンクに受け取られるデータの量は、また、対応して減少する。これは、リンク間の広いデータバスの必要性を減らすことができ、応答時間をより速くさせる。

本具体例において、リンクは、連続構造物として配置され、記載するマニピュレータは、特にランダムな傾向に配置される目標物（例えば、木またはつるに置かれた果実）の収集に適している。ここで記載されている方法論は、連続構造物に制限されなくて、相互依存ユニットのいかなる構造も制御するために利用できると理解されよう。

具体例のマニピュレータは、以下の方法で操作される。

所望の結果（すなわち、所望の位置）は、マニピュレータの参照リンクによって認められる。所望の位置はいかなる適切な手段、例えば、ステレオビジョンモジュールまたは類似したユニット）によって決定されるか、オペレータまたはマニピュレータに事前につくられたプログラムにより提供される。^ｎＸ_ｄと称される所望の位置が決定されると、各リンクは、所望の位置を提供されかつ各リンクの最初の目標が所望の位置での参照位置（１つの具体例においてマニピュレータの端末リンク）であるようにプログラムされる。

各モジュール「i」は、2つのローカル入力（情報）値^ｉ＋１Ｘ_ａ、^ｉ＋１Ｘ_ｄを提供され、それは、隣接したリンク（i+1）の現在停止位置および隣接したリンク（i+1）の所望の位置を表す。これらは、実質的に、オリジナルの参照位置および所望の位置の変換値である。

しかしながら、各リンクがオリジナル値を利用しかつそれ自身の座標系において所望の動作するために各リンクを駆動するために適切な変換を適用しうることが理解されよう。

提供される入力情報および数式1および2（下記）を用いて、各リンクのための所望の動作が決定され、したがって、リンクにおける回転エラーは、また、特定のリンクの座標系において決定される。

一旦各リンクのための所望の位置が決定されると、それ自身の座標系で、各リンクの回転エラーは、数式3および4（下記）を使用して計算される。

ここに、fjは、リンク構造およびリンク相互連結性にふさわしい特定機能に関連する。

一旦各リンクのための所望の動作が計算されると、オペレイション動作は各リンクのために決定される。すなわち、所望の動作は、適切な方法でリンクを移動させる命令に変換される。各リンクの各アクチュエータは、それから、このオペレーション動作の下にリンクを移動するために作動されられる。この過程は入力情報および更新されたオペレーション動作によって、繰り返される。過程は、計算回転エラーがゼロになるまで継続され、それによって、所望の結果が達されたことを示す。

従って、マニピュレータは、各リンクに所望の結果および参照位置に適する情報を提供することによって、マニピュレータの各リンクを所望のローカル動作をさせるように作動し、かつ、各リンクに所望の動作に矛盾なく向かう所望の動作への情報に変換させる。これは、各リンクに他のリンクとは独立したローカル決定をさせ、同時に、所望の結果に貢献することに有利である。１またはそれ以上のリンクが１つの障害物または一連の障害物に遭遇するか、または、複数のリンクの1つのリンクが作動するのを止める場合、これは特に役立つ。障害物の存在およびリンクの動作の停止は、拘束要因（少なくとも１つのモジュールの移動を制限するアクション）としてモデル化される。一旦、拘束要因の存在が知られると（例えば、センサの使用によって）、拘束要因は考慮に入れられ、そして、拘束動作は局所的にかつ普遍的に確立される。あるいは、1つのユニットが作動するのを止める場合、これはそのユニットの故障のための拘束要因を決めていないシステムを有する他のユニットにより無視される。他のユニットは、他のユニットとは独立したオペレーション動作を確立するものとして、他のユニットは作動し続けることができる。

すなわち、個々のリンクが障害物を検出するかまたはそれに気付くときに、リンクは障害物を回避するようにそれ自身の経路および運動を調整し、同時に、マニピュレータをその端位置の方へ移動させた初期の目標点でもって、拘束動作を釣り合わせる（すなわち、障害物を避ける）。あるいは、拘束のタイプに従い、拘束動作は、所望の動作の代わりに実行される。すなわち、所望の動作は、拘束要因があるオペレイション動作に自動的に移されず、その作動は、拘束動作であるか、それが若干の組合せまたは所望の動作および拘束動作の平均である。

特定の例では、各リンクは、また、他のリンクにブロードキャストメッセージを送ることができ、そうすると、それらは前もって障害物に気づき、更に障害物を回避するために修正動作をする手助けになる。換言すれば、1つのユニットに関する拘束要因は、他のユニットのための拘束動作を決める際に利用できる。これは、衝突防止マニピュレータ能力を高める。

さらに、1つのリンクが壊れるかまたは停止するようになる場合、連続したリンクは、問題のリンクをそれらの拘束動作を補償するように調整しうる。換言すれば、分散制御法は、冗長マニピュレータ制御を提供するので、それで、１またはそれ以上のリンクの欠陥によって、マニピュレータが必ずしも不活発になるというわけではない。システムとして、余分のリンクは、また、マニピュレータを再プログラムする必要無く、マニピュレータに加えられる。

すなわち、少なくとも、本発明のすくなくとも１つの具体例は、マニピュレータを動的に再構築しうる。これは、特にマニピュレータの長さが短いと知らされることを必要とする状況に役立つ（例えば、果物の摘み取りに適用する場合、余分のリンクは、木の成長、より厚い葉等の環境要因を補償するためにマニピュレータに加えられる）。

都合のよいことに、マニピュレータは経路を動的に計画することができ、それは作業が反復的でない適用において重要である。

図3および4に関して、本発明の具体例によるシステムの例は、いまや、記述される。 MATLAB Simulinkソフトウェア・アプリケーションを利用して、シミュレーションが、ここで記述されているマニピュレータ制御機構の実用性を示すためになされた。シミュレーションにおいて、各リンクは、それ自身の角オフセット、形態学および参照位置から所望の結果位置までの距離を知っている。

リンクは、それらが互いに独立に機能して、所望の結果を成し遂げるために平行に作用するにもかかわらず、直列に物理的に接続されている。シミュレーション・レイアウトは、定義された参照リンクからマニピュレータのベースリンクまで一方向へ情報流のために配置される。

リンク特性はリンクにつき2つの自由度を含み、それによって、各リンクが球体の表面上を移動しうる。連続したリンクおよび個々のリンクに埋込まれたプロセッサ間の通信は、図2aおよび2bに示されるマニピュレータと同様に行われる。

シミュレーションにおいて、利用されるマニピュレータは、長さ600のユニットのリンクよりなる（「ユニット」とは、任意の長さの寸法でもある）。シミュレーションにおいて、所望の結果（すなわち、参照リンク部分の所望の最終位置）は、ベース位置に関して一定に保たれる。

以下、所望の結果位置を達成するためにマニピュレータの構造が変えられて、それから、制御される2つの例について説明する。リンクの再構成の後、システムを再プログラムすることが必要でない点に留意する必要がある。

図3aは初期条件（-600,0,0）から、(300,300,350)でセットされる最終位置まで移動するように命じられる規則的なマニピュレータの通常の成功した運動を示す。

第1のシミュレーションは、リンクが修正されるときに、マニピュレータの動的な能力を説明する。ベースからの３番目リンクは、これは、最初は100ユニットの長さであったが、いまや、300ユニットの長さの異なる長さのリンクと交換される。他の全てのパラメータを一定に保ちかつ他のリンクに変化を知らせずに、マニピュレータは、目標端位置（300,300,350）に着くように命じられる。図3bは、マニピュレータの結果として生じる運動プロフィールを示す。図面で分かるように、マニピュレータは、うまく同じ最終位置に着くことが可能である。

第2のシミュレーションは、運動の間における1つのリンクの失敗をシミュレーションする。マニピュレータは所与の最終位置に着くことを試みるが、シミュレータの間の数ポイントで、1つのリンクの能力は失われる。図3cは、最終位置の方へ進むときに、マニピュレータの能力が誤りを迂回することを示す。例において、参照リンクに最も近いリンクは、目標を捜しているルーチンにいつか失敗させられた。図3cは、再びうまく設定された目標位置に着く際のマニピュレータの結果として生じる運動プロフィールを示す。

図3a−3cに示されるプロット線において、マニピュレータの動作プロファイル最適化は、各リンクの変化する時定数を使用しなかった。

最終位置に着く際の冗長マニプレータを使用することの他の利点は、障害物を回避するマニピュレータの能力である。図4を参照すると、2つの障害物を回避する間に、最終位置（150,0,500）に接近している１２自由度の6つのリンクマニピュレータが示されている。マニピュレータの初期条件が、参照リンクを図4aに示す（-450,0,386）に配置する。使用する障害物は、座標（-200、-300≦y≦300,300）および（0、-300≦y≦300,150）を有する2本の棒である。

各リンクの軸の中央に置いた仮定的円筒胴の半径の50ユニットが障害物が浸入するときに、障害物を回避するために、各リンクの近接センサは起動する。リンクは、最短経路（すなわち、障害物から立ち去ることによって）における障害物からそれ自体を追い払うために、アクチュエータ運動（拘束動作）を行う。シミュレーションの障害物物回避のために使用する機能は、近接センサが起動するときはq = 1であり、近接センサが働いていないときは、q = 0である。

シミュレーションにおいて、マニピュレータの運動の帰納的な最適化は、各リンクの第1の順序反応の時定数を修正することにより達成される（すなわち、応答速度）。最短時定数（または「最速」応答速度）は、参照リンクに最も近いリンクに与えられ、そして、逐次各連続したリンクのために2倍に増加する。

図3は、分散制御アプローチの再構築可能能力を示しており、マニピュレータ設計がアプリケーション必要条件に従い不規則な特性でもってリンクの導入を通じて変えることができる。リンクは自己信頼するデータを含んでおり、マニピュレータにおいてプラグ＆プレイ部品として作用する。マニピュレータの冗長性は、さらに、図3cに示すように欠点許容力を考慮に入れる。リンク機能不全が起こる場合、残りのリンクは個々に変化をし、目標に達するために動的手段を提供する。マニピュレータの経路が直観的に各シナリオのために最適で現れれ、システム変化のために適応するために動的に調整される。

図4は、うまく2つの障害物を乗り越えて、設定された目標に達しているマニピュレータの運動プロフィールを示す。図4aで分かるように、マニピュレータはまず最初に障害物を提供され、そして、図4b−4g分かるように、マニピュレータの各リンクはうまく障害物を乗り越えるための2つの障害物に関してその位置を調整し、それで、最終的な所望の位置に達する（図4h）。

図4の障害物物回避シナリオはマニピュレータがどのように障害物を乗り越えるかについて示しており、そして、うまく最終位置に到達する。分散制御アルゴリズムは、障害物を乗り越えるときに、参照リンクを一時的に最終位置から立ち去ることを許す点に注意さ マニピュレータの連続配置は、さらに、障害物周辺で運動を決定する手段を提供する。障害物がマニピュレータのベースに近い所では、リンクは障害物周辺で環境に適応することによって、最終位置に着くことを試みる。しかしながら、障害物がマニピュレータのベースからの有意な距離である場合、リンクは障害物を通過してマニピュレータを駆動し、そして、障害物周辺で拘束するよりむしろ参照リンクを撤回する。

マニピュレータ時定数を有する実験は、参照リンクに最も近いリンクがより応答し、そして、よりはるかに参照リンクから間隔をおいて配置されることが有利なことを明らかにした。これは、最終位置に対する参照リンクの照準動作線を与えるために、参照リンクから離れたリンクが影響を受ける前に、参照リンクを最終位置に対する通過中であることを可能とした。

各リンクの独立運動は、リンクが障害物を回避する所で妨げられた所望の動作を図5に示すことができる。（-200、-300≦y≦300,300）でのリンク4、5および6による障害物の経時的な回避は、動作プロファイルにおける非単調アクチュエータ速度によって明らかにされる。これらの手順は連結され、例えば、リンク4およびリンク5は同時に障害物を回避する。

同様に、（0、-300≦y≦300,150）でのリンク2および3による障害物の回避もまた、非単調アクチュエータ速度を含む。

図6は、ベースおよび最終位置に対する参照リンクの位置を示す。若干の個々のアクチュエータ運動特徴が明白であるにもかかわらず、必須の個々のリンクモーションの引き出すことは明白でない。図6bに示されるように、リンクを駆動するために用いる参照リンクエラーは、異なった非単調な挙動を示し、そして、それは通常複合中央制御システムにより起こるだけである。これは、単にモーション制御を分散させることにより達成される。

図5に見られるように、モータ方向の変化は、第1の望ましくない、例えば、リンク6角度をオリジナル値の近くに戻すかも知れない。図4の全体の運動を見るときに、この種の挙動は、最終位置に対する障害物周辺でなめらかな経路を見つける際に望ましい。

従って、本発明の少なくとも１つの具体例は、再構築可能冗長マニプレータを制御するためのシステム及び方法を提供する。

システム及び方法は、システム再構築のために直ちに適応し、動的に運動を調整して、完全なマニピュレータの柔軟性を利用する。分散制御方法の能力は、冗長制御、再構築可能モジュラ・デザイン、フォールト・トレラント・モーション制御、動的経路探索およびリアルタイム障害物物回避能力を含んでいる。

ここで記載されている具体例は、スペースの定位置にマニピュレータおよびマニピュレータの動作に言及する間、分散制御方法論が複数の相互依存ユニットを組み込むいかなるシステムにも適用されることができると理解される。

定義された経路にそった運動および／またはムービング目標物をもつ交差
例えば、所望の結果は、スペース内の定点に向かう運動に限定する必要はない。スペースの点は時間とともに変化し、一定経路にそって運動させるか、マニピュレータを可動目標物の経路と交差させる。換言すれば、結果は、時間依存構成要素を有する。

制御方法論は、各モジュールが反復的である範囲内での計算として不変のままであり、所望の結果は、マニピュレータが常に所望の結果の方へ移動するように修正しうる。これは、運動を一定の経路にそって移動するか、または移動目標物を追跡しているアームに類似している運動を効果的に作る。上記運動の例は、図7a-7dに挙げられる。特に図7aで見られるように、アームが所望の結果に近づくにつれて、マニピュレータは所望の結果を変えるだけで一定の通路を移動させるようにプログラムされうる。図7aにおいて、マニピュレータは、数式（x,y）=（-300+mt、400）によって定義された経路を進む。ここに、mt：（06、00）である。

より詳しくは、個々のｉ^ｔｈモジュールによって観察される所望の結果は、点^ｉＸ_ｇである。この点は、スペース内の定点に限定する必要はない。点は、時間依存であり、臨界点^ｂＸ_ｅを時間依存所望結果の軌跡に追随させる。これは、エンドモジュール^ｎＸ_ｇにより観察されるにつれて、この情報を次のモジュールに通す前に、所望の結果を再定義することにより達成される。これは、下記の数式(6)で概説される。

制御方法論は、結果を利用している各モジュールが反復的である範囲内の計算として不変のままである。マニピュレータの時間依存している運動に組み込まれた付加的な能力は、様々な中間地点を通じてマニピュレータの近似の運動である。これは、付加パラメータを導き、それにより、エンドモジュール^ｎＸ_ｇによって観察される所望の結果が定義される（数式7を参照）。

例えば、数式8により定義されるように、結果が臨界点から所与の範囲の中にあるときに、付加パラメータｒ1は、結果を変化させるためにマニピュレータの能力を導く。

下記の例おいて、臨界点^ｂＸ_ｅは、数式9によって定義される時間依存目標の軌道を追従する。ここに、ｔ∈０，１００；^ｎＸ_ｇ（０）＝−３００，^ｎＹ_ｇ＝４００である。

マニピュレータの運動に組み込まれることができる更なる能力は、可動目標物の経路と交差することによってである。これは、パラメータｒ1を再定義し、それによって、エンドモジュール^ｎＸ_ｇにより観察されるように、所望の結果は、定義される（数式10を参照）。

例えば、数式１１により定義されるように、結果が臨界点から所与の範囲ｑの中にあるときに、パラメータｒ2は、結果を付与させるためにマニピュレータの能力を導く。

下記の例において、マニピュレータは、ボールが所望の結果であるところで、ボールを捕ることを示した。ここに、範囲ｑ＝２００である。

質量体の中央に基礎を置いたプラットフォーム（スチュワート・プラットフォーム）のセンタリング
さらに、ユニット間の関係は、マニピュレータのモジュール間の物理的な接続に限定される必要はない。図8aに、2つのロボット・マニピュレータがスペースの与点で非剛性目標の質量体の中央に置くために相互に作用する状況を表す線図が示されている。各ロボット・マニピュレータは、システムのサブシステム（すなわち、スチュワート・プラットフォーム）であると考慮される。所望の結果が、今や、質量体の目標物の中央によって特徴づけられ、そこにおいて、カメラは、今や、予め、モジュールからモジュールまでを通じて、質量体の目標物の中央位置および目標位置を観察するにもかかわらず、制御方法論は不変のままである。この種のユニットのシミュレーションは、順次、図8b-gに示されている。

上記例における相互作用の2つのリンクマニピュレータのための臨界点は梁の中心である。

この点は、臨界点が所望の点および方位へ移動するようにマニピュレータのそれぞれによって一定方向に向けられる。

図8hに示すように、各サブシステム（すなわち、マニピュレータアーム）は所望の結果を持続し、すなわち、質量体のセンタリングであるが、各マニピュレータアームは、今や、中間結果をもち、そこでは、各マニピュレータアームが他のマニピュレータアームと独立して動作する。

複合多肢システム
勿論、イヌの歩行を模倣することのような方法論は、また、より複合の運動に拡大される。斜めに交互の脚対は胴体の方位を維持するために用いられ、一方、全ての前の例に類似した方法で前方にそれを推進する。

同時に、他の斜めに交互の脚一対は、足（最も短いリンク長）を上げて、前にそれらを移動するベースとしてそれらのそれぞれの胴体接続を用いる。図9a-fに示すように、これらの動作は、繰り返しの歩行運動をもたらすように切り替えられる。

イヌの歩行例において、制御方法論は、各他の脚とリンクする各脚の運動、更には脚の他の部分に関する脚の各部分を制御するために利用される。すなわち、「ユニット」は他の脚に関して1つの脚、別に、その他のリンクに関する脚の各リンクとして定義される。従って、制御方法論は、2つの異なる作業を遂行するために2つの異なる方法で利用されている。両方の作業は、同時に起こって、各々に干渉するというわけではない。もう一度、換言すれば、所望の結果は、イヌの歩くためにある。これは、多くの中間結果、すなわち、各他の脚と関連する各の脚の運動に分類される。一連の「枝分かれ」の結果、一例として、各構造物（すなわち、脚の各リンクの動作および全体として他の脚に関する脚の移動）を利用することによって、非常に複雑な所望の結果が得られる。

二股に分かれた（および他の多数の腕）システム
方法論が適用される複雑構造の他の例は、共通ベースをもつ二股に分かれた（またはn個の要素）マニピュレータである。

図11a-fに示される例において、3つのリンクからなりかつY形に組み立てられたマニピュレータが提供される。二股に分けられたマニピュレータは、サブシステムを形成する３つのマニピュレータのそれぞれをもつ「システム」とみなされる。

所望の結果は、所望の位置において2つのマニピュレータアームのそれぞれを配置するためのものである。これは、異なる中間結果を有する2つのエンドエフェクターに分類される。例において、左端エフェクターは位置（-400,200）へ移動することを望み、右端エフェクターは位置（100,300）へ移動することを望む。

個々の上部セクションは、それらのそれぞれの目標^ｎＸ_ｇ１，^ｍＸ_ｇ２に到達するため制御方法論を用いる。

3つのリンクからなるベースセクションは、また、2つのエンドエフェクタをそれらのそれぞれの場所の方へ動かす所望の結果に共感した中間結果を有している。ベースセクションは、第3のリンクの中間結果を決定する際のトップセクションの両方から供給される複合情報を使用する。換言すれば、個々のマニピュレータアームのために中間結果の「平均」を考えることによって、ベースセクションは、それ自身の中間結果を案出し、それは、両方のマニピュレータアームをそれらの中間結果に到達させ、次に、全体としてシステムのための所望の結果を成し遂げる（数式14および15に示すように充分な長さがあると仮定して）。

ベースセクションにおける第１および第２のリンクは、^ｉ＋１Ｘ_ｇおよび^ｉ＋１Ｘ_ｅを単純なマニピュレータのために記載されている制御方法論を用いることを必要とするそれらのそれぞれのモジュールから受ける。そして、必要に応じてそれらのそれぞれのモジュールから、例示する。図11a-fに示すように、Y形は、各マニピュレータアームのための中間結果にうまく到達し、それによって、所望の結果を得る。ベースセクションは、運動の速度が所望の結果に達するのを助けるためにそれ自体を適応させる。

運動の他のタイプ
また、同じ方法論が例えば渦運動のような運動の他方式に適用されること理解される。図12a-dに表すシミュレーションは、エンドエフェクタの方位制御を示す（すなわち、エンドエフェクタが回転しうる）。これは、平面マニピュレータのための数式16を用いて、方位制御の作業をマニピュレータの端末リンクに割り当てることにより達成される。

ここに、

である。

本発明の例が分散制御方法論の使用に言及する一方、分散制御方法論が従来の集中制御方法論とともに利用しうると理解される。あるの状況においては、分散制御方法論だけを利用することが適当でないかも知れない。例えば、目標を捜すと共にマニピュレータが環境のグローバルな全身写像のために利用される場合には、混合戦略は役立つ。

すなわち、マニピュレータが写像する（すなわち、一定の境界をもつ領域を規則的にスキャンする）場合、集中制御方法論の使用はより適当である。しかしながら、一旦マニピュレータが所望の結果に関する情報を受けとると（すなわち、目標を検出して、目標の方へ進むように指示される）、分散制御はより適当である。

分散および集中制御の混合は図12に示され、それは、マニピュレータリンクが、まず最初に2つの自由度（このことにより、システムを非冗長にする）だけを提供されるようにロックされて、更にシステムが容易に一定の領域の単純な運動を実行するシミュレーションを表す。一旦、より特定の所望の結果が必要とされると、マニピュレータは分散制御に切り替えられ、リンクを解錠して、冗長性（6つの自由度）を導き、それによって、柔軟性が増加する。

例において、各リンク角度に関する情報は、CPUに送られる。2つの自由度システムを中央制御するために、2つの固定リンクは、数式18および19によって与えられる。

ここに、^１Ｘ_４は、第1リンクの参照フレームのベースにおける第4リンクのベースである。

ここに、^４Ｘ_ｅは、第リンクの参照フレームのベースにおけるエンドエフェクターの位置である。

変数θ_２、θ_３、θ_５、θ_６は、集中制御方式のために固定される。数式20は、2つの変数θ_１、θ_４によってにより制御される。

挙げられる例において、最初の運動は2つの自由度だけにより集中され、マニピュレータに非冗長なシステムを作る。運動の間、アクチュエータを自由にする必要性があってもよく、それによって、冗長性（6つの自由度）および柔軟性をマニピュレータの運動にもたらす。

冗長なシステムとリンクする問題を改善するので、冗長性が導かれるときに、具体例による分散制御方法論はより適当である。

記載されているマニピュレータおよびロボットがいかなる特定のスケールにも拘束されないと理解される。専門アプリケーション用小型ロボットに関しては、方法論は、大きな工業マニピュレータおよびロボットに等しく適用できる。例えば、方法論は、果物を採集するロボットまたは破片を野原または工場の現場から位置を決めて除去するロボットにおいて、利用されることができた。同時に、方法論は知的な外科用器具に適用されることができ、それは患者の身体に対する予め定められた場所に向かって自己推進する。

この種の仕事に適する多くの特性を有すので、方法論は特に微妙な働きに適している。 これらは、不慣れな経路、障害物を回避する能力、一部のマニピュレータが自制心を失う場合であっても、作動するために続く能力を進む能力を有し、マニピュレータが方法論にいかなる修正もすることを必要とすることのない異なる応用のために変更される能力を含む。

熟練者にとって明白である修正および変形は、本発明の範囲内であると考える。

本発明の実施例によるマニピュレータの個々のリンクの概略図である。 本発明の実施例によるマニピュレータを例示している回路図である。 本発明の他の実施例によるマニピュレータを例示している回路図である。 本発明の実施例によるマニピュレータのシミュレーションされた動きを記載する一連のグラフである。 本発明の実施例によるマニピュレータのための時間の関数として、各リンクのための作動角度を記載する一連のグラフである。 本発明のマニピュレータのために、時間の関数として、障害物回避シーケンスを表している一連のグラフである。 本発明の実施例によるマニピュレータのベースと関連して参照リンクの位置を表しているグラフである。 本発明の実施例によるマニピュレータのための最終位置と関連して誤差値を表しているグラフである。 一定経路に沿うマニピュレータの動きを表す線図である。 可動目標を横切っているマニピュレータの画像である。 パーツが物理的に相互依存しないときに、本発明の実施例による方法論を使う能力を表している線図である。 図8aにおいて表される実施例のMATLABシミュレーションを表しているグラフである。 図8aにおいて表される方法論を使う能力を表す他の線図である。 本発明の実施例による分散制御方法論を利用している「イヌ」歩行運動のマルチ・マニピュレータシステムを表しているMATLABシミュレーションのグラフである。 本発明の実施例による分散制御方法論がマニピュレータリンクの方位を制御するために利用されるMATLABシミュレーションのグラフである。 本発明の実施例による分散制御方法論が2本のアームおよびベースを含む二股に分けられたマニピュレータモジュールを制御するために利用されるMATLABシミュレーションのグラフである。 中心および分散制御方法論間のスイッチングを示しているMATLABシミュレーションのグラフである。

符号の説明

100 モジュール
200a−200e リンク

Claims (43)

1. 結果を得るために複数の相互依存ユニットから形成されたシステムを制御するための方法であって、システムのための所望の結果を確立するステップと、結果に対応する各ユニットのための所望の動作を確立するが、他のユニットの所望の動作とは独立しているステップとを備えている方法。
2. 請求項１による方法であって、ユニットのための所望の動作が、システムの少なくとも１つの参照部分の所望の位置に関するその参照部分の現在位置に応じて決定される方法。
3. 結果を得るために複数の相互依存ユニットから形成されたシステムを制御するための方法であって、システムのための所望の結果を確立するステップと、結果に対応する各ユニットのための所望の動作を確立するステップとを備えており、ユニットのための所望の動作が、システムの少なくとも１つの参照部分の所望の位置に関するその参照部分の現在位置に応じて決定される方法。
4. 請求項２または３による方法であって、ユニットのための所望の動作が、参照部分の現在位置および参照部分の所望位置間の差値を計算すること、所望の動作を決定するために差値を使用することを含んでいる方法。
5. 請求項１〜４による方法であって、さらに、各ユニットのためのオペレイション動作を決定するステップと、各々のユニットにそのオペレイション動作を始めるように指示するステップとを含んでいる方法。
6. 請求項５による方法であって、さらに、オペレイション動作を更新するために方法ステップを繰り返すステップを含んでいる方法。
7. 請求項６による方法であって、繰り返しの割合は、システムの全体にわたって一定である方法。
8. 請求項６による方法であって、繰り返しの割合は、システムのユニット間において変化する方法。
9. 請求項５〜８のいずれか１つの方法であって、ユニットの少なくとも一部のためのオペレイション動作は、所望の動作である方法。
10. 請求項５〜９のいずれか１つの方法であって、さらに、システムのための拘束要因を確立するステップと、拘束要因に対応する少なくとも１つのユニットのための拘束動作を確立するステップとを含んでいる方法。
11. 請求項１０による方法であって、拘束動作が確立されたユニットのためのオペレイション動作は、拘束動作である方法。
12. 請求項１０または１１による方法であって、ユニットのための拘束要因だけが、そのユニットのための拘束動作を確立する際に利用される方法。
13. 請求項１０または１１による方法であって、少なくとも１つのユニットに関する拘束要因は、他のユニットのための拘束動作を確立する際に利用される方法。
14. 請求項１〜１３のいずれかによる方法であって、さらに、所望の結果を達成するために複数の中間結果を確立するステップを含んでいる方法。
15. 請求項１４の方法であって、ユニットの所望の動作は、中間結果の個々のものに対応して確立する方法。
16. 請求項１４または１５の方法であって、システムは、一連のサブシステムを備えており、各サブシステムは、複数の相互依存ユニットのうちの少なくとも１つを備えており、方法は、さらに、各サブシステムのための中間結果を確立するステップを備えており、それによって、各ユニットのための所望の動作は、それが関連するサブシステムの中間結果に対応して確立される方法。
17. 請求項１４または１５の方法であって、方法ステップは、各ユニットのための複数の所望の動作が時間とともに確立する反復相であり、それによって、所望の動作は、複数の中間結果に対応して確立される方法。
18. 請求項１〜１７のいずれかの方法であって、結果は、システムの空間関係に従属している方法。
19. 請求項１８の方法であって、結果は、所望の位置に関するシステムの予め定められた空間関係である方法。
20. 請求項１８または１９の方法であって、結果は、また、時間従属である方法。
21. 請求項１８〜２０のいずれか１つの方法であって、所望の動作は、ユニットの空間位置を調整することを含んでいる方法。
22. 請求項２１の方法であって、調整は、ユニットの運動および／またはユニットの拡張または収縮による方法。
23. 請求項１８〜２２のいずれか１つの方法であって、請求項２または３に従属しているときに、結果は、所望の位置を決定する方法。
24. 複数の相互依存ユニットを制御する方法であって、各ユニットのために、オペレイション動作を引き出すステップを備えており、オペレイション動作は、情報を持ち出すことに対応する方法。
25. 請求項２４の方法であって、持ち出される情報は、所望の結果、所望の動作、拘束動作および参照位置よりなるグループから選択される方法。
26. 結果を達成するために移動しうる複数の相互依存ユニットを制御する方法であって、
    請求項１〜２３のいずれか１つによる制御方法論を実行するために配置されるコントローラを備えている方法。
27. 請求項２４の方法であって、拘束要因の存在に関する情報は、センサによって収集される方法。
28. 請求項２５の方法であって、運動は、アクチュエータ手段により実行される方法。
29. 請求項２４〜２６のいずれか１つの方法であって、各相互依存ユニットは、ロボットの構成部分である方法。
30. 請求項２７の方法であって、各構成部分は、ロボット・マニピュレータのモジュールである方法。
31. 請求項２４〜２８のいずれか１つの方法であって、さらに、システムの制御方法論を集中制御方法論に切り替えることができる制御手段を備えている方法。
32. コンピュータプログラムであって、コンピュータシステムが搭載されているときに、請求項１による方法を実行するために配列されたコンピュータプログラム。
33. コンピュータ可読媒体であって、請求項３０によるコンピュータプログラムを組み込んでいるコンピュータ可読媒体。
34. コンピュータプログラムであって、コンピュータシステムが搭載されているときに、請求項３の方法を実行するために配列されたコンピュータプログラム。
35. コンピュータ可読媒体であって、請求項３４によるコンピュータプログラムを組み込んでいるコンピュータ可読媒体。
36. 複数のユニットよりなるシステムであって、ユニットは、相互依存しかつ互いに相対的に移動可能であり、少なくとも１つのアクチュエータはユニットを移動させるために作用し、制御システムはユニットを移動させるために少なくとも１つのアクチュエータに指示を与え、コントローラは、請求項１〜２３のいずれか１つのによる制御方法論を使用するシステム。
37. 請求項３６のシステムであって、ユニットは、予め定められた空間関係にあることによって相互依存しているシステム。
38. 請求項３７のシステムであって、ユニットは、相互接続しているシステム。
39. 請求項３６〜３８のいずれか１つのシステムであって、制御システムは、ユニットの１つに関係して位置させられているコントローラを備えており、各コントローラは、関係するユニットを移動させるために少なくとも１つのアクチュエータに指示を与えるように作動させて、コントローラは、請求項１〜２３による制御方法論を使用するシステム。
40. 請求項３６〜３９のいずれか１つのシステムであって、各ユニットは、ロボットの構成部分であるシステム。
41. 請求項４０のシステムであって、各構成部分は、ロボット・マニピュレータのモジュールであるシステム。
42. 複数のサブシステムよりなるシステムであって、各サブシステムは、複数のユニットよりなり、ユニットは、相互依存しかつ互いに相対移動可能であり、少なくとも１つのアクチュエータは、各サブシステムのユニットを動かすために作用し、コントロールシステムは、請求項１〜２３のいずれか１つによる制御方法論を使用して少なくとも１つのアクチュエータに指示して作動させるように作用するシステム。
43. 請求項４２のシステムであって、所望の結果を成し遂げるために、中間結果は各サブシステムのために確立され、制御システムは各サブシステムのための中間結果を調整することによって、サブシステムの運動を調整するシステム。

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