JP2016513021A - 変形可能ロボットの制御方法、関連モジュール、およびコンピュータプログラム - Google Patents
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Abstract
Description
i/行列Kの値が前記ロボットの前記ノードの現在の位置の関数として更新され;
ii/ベクトルδ(x)のヤコビ行列Jの現在の値が決定され、ここで、xは前記ノードの位置ベクトルであり、ベクトルδ(x)は各エフェクタポイントに関連する少なくとも1つのサブセットの行(単数または複数)を含み、前記エフェクタポイントの位置と前記エフェクタポイントの被決定軌道との間の偏差の座標を示し、且つ少なくとも1つのサブセットの行(単数または複数)は各アクチュエータの変位を示し;
iii/行列W=J.K−1.JTの値が演算され、ここで、K−1はKの逆行列であり、JTはJの転置行列であり;
iv/前記i番目の演算ステップでベクトルδおよびλの値を決定するために式δ=W.λ+δ0が解かれ、ここで、λは、エフェクタポイントに関連するベクトルδの各行に対して、ゼロ値を含む行と、アクチュエータに関連するベクトルδの各行に対して、指摘された変位に対応する前記アクチュエータによって発揮される負荷の値を含む行と、を含むベクトルであり、且つδ0は被決定値を含むベクトルであり;
v/各アクチュエータに対して意図された制御は、ベクトルδまたはλに対するステップiv/において決定された値の少なくとも関数として推論される方法を提案する。
‐ 前記ベクトルδは、更に、前記ロボットの外部の制約を受けた前記ロボットのポイントの変位を指示する少なくとも1つのサブセットの行(単数または複数)を含み、且つ前記ベクトルλは、更に、指示された変位に対応するロボットの外部の制約によって発揮された力の値を指示する対応するサブセットの行(単数または複数)を含むこと;
‐ 1つのエフェクタポイントの被決定軌道に対応する位置は、前記エフェクタに関連するベクトルδ(x)の前記サブセットの行(複数)を得るために、1セットの前記ノード(単数または複数)の位置の、それぞれの補間係数に関連する補間によって決定された前記エフェクタポイントの位置から減算され、前記ヤコビ行列Jの同じサブセットの行(複数)において、前記ノードの対応する列における値が前記補間係数の関数であること;
‐ 1つのアクチュエータの固定ポイントは、各々が非ゼロ補間係数に関連するノード(単数または複数)の補間であり、且つ前記行列Jの少なくとも1つの行は、前記アクチュエータの作動の方向の関数として決定され、前記行の各項は、前記単数のノードまたは前記複数のノードの列における項から離間したゼロであること;
‐ i番目の制御演算ステップにおいて、
‐ K.Δx=p+f(xi−1)を立証するΔxが決定され、ここで、Δxはベクトルxの偏差を表し、ベクトルpは前記ロボットに発揮される外力を表し、Kはステップi/で更新された行列であり、xi−1は前記ノードの前記現在の位置ベクトルであり、且つf(xi−1)はロボットの現在位置におけるロボットへ発揮される内力のベクトルであること;
‐ xfree=xi−1+Δxが演算されること;
‐ ベクトルδ(xfree)の値が演算されること;および
‐ 式δ=W.λ+δ0が、δ0をδ(xfree)と等しくなるように取ることによってステップivで解かれること、
‐ ステップiii/において、式δ=W.λ+δ0がガウス‐ザイデルタイプの反復型アルゴリズムによって解され、作動の方向にリンクされた制約を組み込み、少なくとも1つのアクチュエータによって発揮されるストップ制限および/または最大負荷、および/またはロボットの外部からの制約の特徴を制限すること。
前記制御モジュールは、行列W=J.K−1.JT(ここで、K−1はKの逆行列であり、JTはJの転置行列である)の値を演算し、前記i番目の演算ステップでベクトルδおよびλの値を決定することによって、式δ=W.λ+δ0(ここで、λは、エフェクタポイントに関連するベクトルδの各行に対して、ゼロ値を含む行とアクチュエータに関連するベクトルδの各行に対して指示された変位に対応するアクチュエータによって発揮された負荷の値を含む行を含むベクトルであり、δ0は被決定値を含むベクトルである)を解くように適合され;
前記制御モジュールは、ベクトルδとλの前記被決定値の少なくとも関数として各アクチュエータに対して意図された制御を推論するのに適合することを特徴とするモジュールを提案する。
‐ 恐らく減速ギアを備える電気モータへのリンクによってロボットの構造体の一部品の回転または平行移動、および/または
‐ 一端で前記構造体に取り付けられ且つ他端でプーリを備えるモータに取り付けられたケーブルを引っ張ることによって得られる移動、および/または
‐ 圧縮空気または油圧によって作動できる前記構造体の内側の1つ以上の弾性ポケット、および/または
‐ 前記ロボットの前記構造体の局所変形を生じさせる、多数のアクチュエータ(例えば、圧電性または電場応答性ポリマーまたは形状記憶材料によって)に関して位置決めによる被分配多作動、を備えている。
Δδ(x)=J.Δx 式(1)
考察されている変化は、例えば反復i−1と反復iとの間のものであり:したがって、Δx=xi−xi−1である。このように、アクチュエータに関連するΔδにおける値は、この変動Δx中、すなわち反復i−1と反復iとの間のアクチュエータの変位を指摘する。
‐ 作動ポイントを直接的には補間しないノードに対応する全ての列に対するゼロ、
‐ 作動ポイントを直接的に補間するノードに対応する全ての列に対する非ゼロ値が得られる。ノードのX、YおよびZに従う列の各々において、補間におけるノードの重みが乗算される作動の(一元の)方向がある。
⇒作動ポイントPが以下の補間から得られる場合:P=α.Na+β.Nb+γ.Ncであり、ここで、Na、NbおよびNcは、N個のノードの三つの現在のケースでの(O、X、Y、Z)におけるそれぞれの位置であり、且つα、βおよびγが0と1との間にあるα、βおよびγのノルムを有する補間の重みであり、α、βおよびγの合計が1に等しい場合であり、
且つ作動の方向が一元のベクトル
によって示される場合、
J=[00...0α*dxα*dyα*dz00....0β*dxβ*dyβ*dz00.....0γ*dxγ*dyγ*dz00...0]の対応する行であり、
ここで、α*dx、各、α*dy、各、α*dzは、位置Naの考察されているノードのX、Y、Z軸に対する列において考察されている行の項であり、β*dx、各β*dy、各β*dzは、位置Nbの考察されているノードのX、Y、Z軸に関する列における項であり、且つz*dx、z*dy、z*dzは、位置Ncの考察されているノードのX、Y、Z軸に関連する列における項である。
‐ ポイントPの移動の補間:(例えば)P=α.Na+β.Nb+γ.Ncであり、ここで、Na、NbおよびNcは、N個のノードの内の三つのそれぞれの位置であり、且つα、βおよびγは、0と1との間にあるα、βおよびγのノルムを有する補間の重みであり、且つα、βおよびγの合計は1に等しいこと。
‐ 一元のベクトルn:
によって示される平面に対して垂直な方向
次に、J=[00...0α*nxα*nyα*nz00....0β*nxβ*nyβ*nz00.....0γ*nxγ*nyγ*nz00...0]であり、
ここで、α*nx、各α*ny、各α*nzは、位置Naの考察されているノードのX、Y、Z軸の関連する列における考察されている行の項であり、;β*nx、各β*ny、各β*nzは、位置Nbの考察されているノードのX、Y、Z軸の関連する列における項であり、且つz*nx、z*ny、z*nzは、位置Ncの考察されているノードのX、Y、Z軸の関連する列における項である。
であり、
ここで、ベクトルPは、例えば重力よりなる既知の外力を表し、JTλは、本発明に従って考慮された制約(すなわちエフェクタポイント、アクチュエータおよび外部環境との機械的相互作用に関連するもの)の全ての寄与を組み合わせる。
δ= W.λ+δfree 式(4)
の変動を記述する新たな公式が得られる。
に基づいてアクチュエータ間のカップリングを考慮するために、1つずつ、アクチュエータjの寄与λjを更新すると共に他のアクチュエータの寄与λkをそれらのアクチュエータの現在の値に凍結する。
を使用して更新される。
ここで、Δλjは、アクチュエータjの局所的更新に続いて、アクチュエータjによって発揮される負荷λjの変動を表している。
に関して生成される。
ここで、wXj、各wYj、各wZjは、方向X、各Y、各Zに対して考察されたエフェクタポイントに関連する行上のおよびアクチュエータJに関連する列上の行列Wの項である。
Xi = Xfree + K−1JTλ.
を使用して決定される。
‐ 外科ロボット工学や脆弱環境におけるロボット:フレキシブルロボットは多数の利点を提供している。第1に、画像形成と互換性のない材料の使用を回避する「単一ブロックの」ロボットが製造できる。更に、外科において、制約の1つはロボットが患者を傷付けないことである:したがって、ロボットが患者の人体に接触するときに変形できるロボットを有することは有利である。
‐ 医療ロボット工学:機能的装具(サイバー装具)の製造のために、関節の映画製作技術が関節装具に従うことが困難であるので、剛性ロボットの外骨格、特に無骨な外骨格を有さないことは有利である。提案されたアプローチは、患者の形態学に適合し且つ人体および状態に従って作動を最適化するフレキシブルな外骨格を使用することを可能とする。
‐ 外骨格:上で説明したのと同じ理由で、フレキシブルな外骨格を使用することは有利である。
‐ 生物模倣ロボット工学:人間または動物解剖に近似するロボットの製造のために、変形可能構造体を駆動して筋肉の役目を模倣することができることは有利である。
Claims (13)
- ‐ 1セットのアクチュエータ(単数または複数)(2)によって変形可能な少なくとも1つの部品を有するロボット(1)を制御する方法であって、1セットのポイント(単数または複数)(3)の内、各ポイントは前記ロボットのエフェクタポイント(単数または複数)と呼ばれ、且つ決定された軌道に従う必要があり、前記ロボットは、ノードのモデルと、ノードの位置の変化に応じて各ノードで前記ロボットの内力の変化を定義する行列Kとによって定義され、前記方法は、
i番目の制御演算ステップにおいて各アクチュエータに対して意図された制御を決定するために:
i/前記行列Kの値が前記ロボットの前記ノードの現在の位置の関数として更新され;
ii/ベクトルδ(x)のヤコビ行列Jの現在の値が決定され、ここで、xは前記ノードの位置ベクトルであり、ベクトルδ(x)は各エフェクタポイントに関連する少なくとも1つのサブセットの行(単数または複数)を含み、前記エフェクタポイントの位置と前記エフェクタポイントの被決定軌道との間の偏差の座標を示し、且つ少なくとも1つのサブセットの行(単数または複数)は各アクチュエータの変位を示し;
iii/行列W=J.K−1.JTの値が演算され、ここで、K−1はKの逆行列であり、JTはJの転置行列であり;
iv/前記i番目の演算ステップでベクトルδおよびλの値を決定するために式δ=W.λ+δ0が解かれ、ここで、λは、エフェクタポイントに関連するベクトルδの各行に対して、ゼロ値を含む行と、アクチュエータに関連するベクトルδの各行に対して、指摘された変位に対応する前記アクチュエータによって発揮される負荷の値を含む行と、を含むベクトルであり、且つδ0は被決定値を含むベクトルであり;
v/各アクチュエータに対して意図された制御は、ベクトルδまたはλに対するステップiv/において決定された値の少なくとも関数として推論されることを特徴とする方法。 - ‐ 前記ベクトルδは、更に、前記ロボットの外部の制約を受けた前記ロボットのポイント(4)の変位を指示する少なくとも1つのサブセットの行(単数または複数)を含み、且つ前記ベクトルλは、更に、指示された変位に対応するロボットの外部の制約によって発揮された力の値を指示する対応するサブセットの行(単数または複数)を含むことを特徴とする、請求項1記載のロボット(1)を制御する方法。
- ‐ 1つのエフェクタポイントの被決定軌道に対応する位置は、前記エフェクタに関連するベクトルδ(x)の前記サブセットの行(複数)を得るために、1セットの前記ノード(単数または複数)の位置の、それぞれの補間係数に関連する補間によって決定された前記エフェクタポイントの位置から減算され、前記ヤコビ行列Jの同じサブセットの行(複数)において、前記ノードの対応する列における値が前記補間係数の関数であることを特徴とする、請求項1または2記載のロボット(1)を制御する方法。
- ‐ 1つのアクチュエータ(2)の固定ポイントは、各々が非ゼロ補間係数に関連するノード(単数または複数)の補間であり、且つ前記行列Jの少なくとも1つの行は、前記アクチュエータの作動の方向の関数として決定され、前記行の各項は、前記単数のノードまたは前記複数のノードの列における項から離間したゼロであることを特徴とする、先行請求項の何れか1項記載のロボット(1)を制御する方法。
- ‐ i番目の制御演算ステップにおいて、
‐ K.Δx=p+f(xi−1)を立証するΔxが決定され、ここで、Δxはベクトルxの偏差を表し、ベクトルpは前記ロボットに発揮される外力を表し、Kはステップi/で更新された行列であり、xi−1は前記ノードの前記現在の位置ベクトルであり、且つf(xi−1)はロボットの現在位置におけるロボットへ発揮される内力のベクトルであること;
‐ xfree=xi−1+Δxが演算されること;
‐ ベクトルδ(xfree)の値が演算されること;および
‐ 式δ=W.λ+δ0が、δ0をδ(xfree)と等しくなるように取ることによってステップivで解かれることを特徴とする、先行請求項の何れか1項記載のロボット(1)を制御する方法。 - ‐ ステップiii/において、式δ=W.λ+δ0がガウス‐ザイデルタイプの反復型アルゴリズムによって解かれ、作動の方向にリンクされた制約を組み込み、少なくとも1つのアクチュエータによって発揮されるストップ制限および/または最大負荷、および/またはロボットの外部からの制約の特徴を制限することを特徴とする、先行請求項の何れか1項記載のロボット(1)を制御する方法。
- 1セットのアクチュエータ(2)(単数または複数)によって変形され得る少なくとも1つの部品を含むロボットを制御するコンピュータプログラムであって、前記ロボットのエフェクタポイント(単数または複数)と呼ばれる1セットのポイント(3)(単数または複数)の各ポイントが被決定軌道に従う必要があり、前記ロボットは、ノードのモデルと前記ノードの位置の偏差の関数として各ノードで前記ロボットの内力の偏差を定義する行列Kによって定義され、前記プログラムは、i番目の制御演算ステップに関する各アクチュエータに対して意図された制御を決定するために処理手段によって前記プログラムが実行されると、請求項1〜6の何れか1項記載の方法の前記ステップを実行する命令を備えることを特徴とするコンピュータプログラム。
- 1セットのアクチュエータ(2)(単数または複数)によって変形され得る少なくとも1つの部品を備えるロボット(1)を制御するモジュールであって、前記ロボットのエフェクタポイント(単数または複数)と呼ばれる1セットのポイント(単数または複数)の内、各ポイントが被決定軌道に従う必要があり、前記ロボットは、ノードのモデルと前記ノードの位置の偏差の関数として各ノードで前記ロボットの内力の偏差を定義する行列Kによって定義され、前記制御モジュールは、前記制御モジュールが、i番目の制御演算ステップへの各アクチュエータに対する意図された制御の決定がなされると、前記ロボットの前記ノードの現在の位置の関数として前記行列Kの値を更新して、次に、前記ベクトルδ(x)のヤコビ行列Jの現在の値を決定するように構成され、xは、前記ノードの位置ベクトルであり、前記ベクトルδ(x)は、各エフェクタポイントに対する少なくとも1つのサブセットの行(単数または複数)を含み、前記エフェクタポイントの位置とその被決定軌道との間の偏差の座標を指示し、且つ少なくとも1つのサブセットの行(単数または複数)は各アクチュエータの変位を指し;
前記制御モジュールは、行列W=J.K−1.JT(ここで、K−1はKの逆行列であり、JTはJの転置行列である)の値を演算し、前記i番目の演算ステップでベクトルδおよびλの値を決定することによって、式δ=W.λ+δ0(ここで、λは、エフェクタポイントに関連するベクトルδの各行に対して、ゼロ値を含む行とアクチュエータに関連するベクトルδの各行に対して指示された変位に対応するアクチュエータによって発揮された負荷の値を含む行を含むベクトルであり、δ0は被決定値を含むベクトルである)を解くように構成され;
前記制御モジュールは、ベクトルδとλの前記被決定値の少なくとも関数として各アクチュエータに対して意図された制御を推論するように構成されることを特徴とするモジュール。 - ‐ 前記ロボットの外部の制約を受けた前記ロボットのポイント(4)の変位を指示する少なくとも1つのサブセットの行(単数または複数)を含むベクトルδと、指示された変位に対応するロボットの外部の制約によって発揮された力の値を指示する対応するサブセットの行(単数または複数)を含むベクトルλを決定することを特徴とする請求項8記載のロボット(1)を制御するモジュール。
- ‐ 1つのエフェクタポイントの被決定軌道に対応する位置を、前記エフェクタに関連するベクトルδ(x)の前記サブセットの行(複数)を得るために、1セットの前記ノード(単数または複数)の位置の、それぞれの補間係数に関連する補間によって決定された前記エフェクタポイントの位置から減算し、前記ヤコビ行列Jの同じサブセットの行(複数)において、前記ノードの対応する列における値が前記補間係数の関数に応じて決定されることを特徴とする、請求項8または9記載のロボット(1)を制御するモジュール。
- ‐ 各々が非ゼロ補間係数に関連するノード(単数または複数)の補間として1つのアクチュエータ(2)の固定ポイントを決定し、前記アクチュエータの作動の方向の関数として前記行列Jの少なくとも1つの行を決定し、前記行の各項は、前記単数のノードまたは前記複数のノードの列における項から離間したゼロであることを特徴とする、請求項8〜10の何れか1項記載のロボット(1)を制御するモジュール。
- ‐ i番目の制御演算ステップにおいて、
‐ K.Δx=p+f(xi−1)を立証するΔxを決定し、ここで、Δxはベクトルxの偏差を表し、ベクトルpは前記ロボットに発揮される外力を表し、Kはステップi/で更新された行列であり、xi−1は前記ノードの前記現在の位置ベクトルであり、且つf(xi−1)はロボットの現在位置におけるロボットへ発揮される内力のベクトルであること;
‐ xfree=xi−1+Δxを演算し;
‐ ベクトルδ(xfree)の値を演算し;
‐ 式δ=W.λ+δ0が、δ0をδ(xfree)と等しくなるように取ることによってステップivで解くように構成される、ことを特徴とする、請求項8〜11の何れか1項記載のロボット(1)を制御するモジュール。 - ‐ 作動の方向、および/または制限ストップ、および/または少なくとも1つのアクチュエータの最大負荷、および/または前記ロボットの外部の制約の特徴を組み込むことによって、ガウス‐ザイデルタイプの反復型アルゴリズムによって式δ=W.λ+δ0を解くように構成されることを特徴とする、請求項8〜12の何れか1項記載のロボット(1)を制御するモジュール。
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