JP2017530020A - ロボット・マニピュレータを制御する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、周囲環境との間の機械的相互作用を検出するためのセンサ（２０３）を備えたロボット・マニピュレータ（２０２）を制御する装置及び方法に関する。ここに提案する方法は、前記ロボット・マニピュレータ（２０２）に作用する外力F→(t)の力時間変化を前記センサ（２０３）により検出し、検出される前記外力の大きさ|F→(t)|が所与のスレショルド値G1より大となったならば（即ち|F→(t)|＞G1となったならば）前記ロボット・マニピュレータ（２０２）の安全モードを起動し、前記安全モードは前記ロボット・マニピュレータ（２０２）の運動速さ|V→(t)|及び／または運動方向V→(t)/|V→(t)|の制御を、検出される前記外力F→(t)に応じて行うモードであり、前記安全モードが起動されるまでは、前記ロボット・マニピュレータ（２０２）の運動速さ|V→(t)|及び／または運動方向V→(t)/|V→(t)|の制御を所与の傷害関連情報パラメータに応じて行うことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、周囲環境との間の機械的相互作用を検出するためのセンサを備えたロボット・マニピュレータを制御する方法及び装置に関する。本発明は更に、かかる装置を備えたロボットに関し、また、コンピュータ・システム、デジタル記録媒体、コンピュータ・プログラム製品、及びコンピュータ・プログラムに関する。

ロボット・マニピュレータを制御する方法及び装置として、様々な方法及び装置が公知となっている。例えば、ドイツ特許出願公開公報DE 102010048369 A1号には、少なくとも１台のロボット・マニピュレータの安全制御を行う方法及び装置が示されており、その方法及び装置では、少なくとも１つの安全機能関連事象がモニタされている。このドイツ特許出願公開公報DE 102010048369 A1号において安全機能関連事象として扱われるものは、基本的な物理量ないし機能状態であり、具体的には例えば、スイッチのオンオフ状態、センサの出力、それに演算装置の出力などであって、その物理量ないし機能状態は明確に把握し得るものであることが好ましいとされている。また、その基本的な物理量ないし機能状態は多次元の量ないし状態であってもよく、その場合、その物理量ないし機能状態は、複数のスイッチ、複数のセンサ、及び／または、複数の演算ユニットなどにより与えられるものとなる。従って、例えば、マニピュレータに作用している外力、また特にマニピュレータのツールセンターポイント（ＴＣＰ）に）作用している外力なども、基本的な物理量ないし機能状態に該当し、かかる外力は「ＴＣＰ作用力」と呼ばれる安全機能関連事象を構成するものであって、この「ＴＣＰ作用力」に関しては、例えば、それがスレショルド値に達したこと、ないしは、スレショルド値を上回っていること、或いはスレショルド値を下回っていることなどがモニタされる。

ドイツ特許出願公開公報DE 102010048369 A1号において安全機能関連事象として扱われるものとしては更に、接触検知という事象があり、この接触検知は、特に、一次元または多次元の接触力の検出により行われる。また、衝突検知という事象もあり、この衝突検知は、特に、マニピュレータのリンク機構や駆動機構に作用する力の検出、軸近傍領域のモニタ結果の検出、軌跡忠実度の検出、また特に直交座標系における軌跡囲繞チューブ空間の検出、直交座標系における作業空間の検出、安全ゾーンの検出、制動勾配の検出、１つまたは複数の安全ゾーンないし空間境界に対する制動特性の検出、マニピュレータの構成（コンフィギュレーション）の検出、加工ツールの位置及び姿勢の検出、軸速度の検出、関節部速度の検出、加工ツール運動速度の検出、外力の最大値ないし外力回転モーメントの最大値の検出、周囲環境中に存在する物体ないし人間までの距離の検出、固定力の検出、ないしはその他の要素の検出によって行われる。

安全機能関連事象のモニタは安全設計技術の枠内で行うとよいとされており、特に冗長設計技術などを用いて、また更に好ましくは多様性設計技術を用いて、ないしは安全プロトコルに従ってそのモニタを行うことが好ましいとされている。またこれに関しては、例えば、センサや演算装置の出力などから成る１つまたは複数のパラメータの検出を、個々のマニピュレータの作業制御のために行うそれらパラメータの検出とは別個に行い、そのようにして検出したそれらパラメータに対して演算装置において例えば座標変換などのデータ処理を施した上で、それらパラメータがスレショルド値を上回っているか否かについてモニタすることが好ましいとされている。また、同公報に提案されている実施例では、検出すべきパラメータのうちの少なくとも１つが、例えばセンサの故障などのために確実に検出できない場合などに、そのことに関連した安全機能関連事象への対応を行うようにしている。

このドイツ特許出願公開公報DE 102010048369 A1号に提案されているのは、単に、安全機能関連事象をモニタする機能を、２つまたは３つ以上の状態の間で状態遷移が可能な状態マシンの形で構築し、その状態マシンにおいて、それら複数の状態に関連付けられている上述した安全機能関連事象のうちの１つまたは幾つかを個別にモニタするということである。従って、この場合の安全機能関連事象のモニタ機能の構築するには、特に、そのためのプログラムを作成すること、及び／または、そのためのプログラムを実行することが必要であり、また特にいわゆる仮想状態マシンを構築することが必要となる。

また、ドイツ特許出願公開公報DE 102013212887 A1号には、運動するロボット・マニピュレータを備えたロボット装置を制御する公知の方法が開示されており、その方法では、マニピュレータの運動速さ、及び／または、運動方向の制御を、傷害関連情報パラメータを考慮して行うようにしており、また、ロボットの全体運動をモニタし、必要に応じて調節を施すようにしている。このドイツ特許出願公開公報DE 102013212887 A1号によれば、マニピュレータ、及び／または、エフェクタを、所与の運動軌跡に沿って移動させることや、所与の運動速さで移動させることができる。傷害関連情報パラメータは、マニピュレータが人間の身体に衝突した場合に発生し得る結果を表した情報などを含み、そのような傷害関連情報パラメータが、同公報の方法においては入力量として使用されている。衝突した場合に発生し得る結果には、人間の身体の傷害の状況が含まれる。マニピュレータの運動速さ、及び／または、運動方向に対して、例えば減速などの調節を施すことによって、発生し得る損傷の程度を軽減し、或いは損傷の発生を回避できるようにしている。ロボットの全体運動というのは、物理的な、また特に運動力学的な意味での運動である。ロボットの全体運動は、剛体及び弾性体から成る多物体系の運動であることもある。マニピュレータの運動速さ、及び／または、運動方向のモニタを行う上では、また、必要に応じてそれらに調節を施す上では、衝突質量、衝突速さ、及び／または、マニピュレータの衝突時当接部位形状を考慮するようにしている。同公報の方法では、衝突質量、衝突速さ、及び／または、マニピュレータの衝突時当接部位形状が入力量として使用されている。マニピュレータの少なくとも１つの所与の関連箇所における、予測される衝突質量、予測される衝突速度、及び／または、予測される衝突時当接部位形状を考慮するようにすることもできる。それらの予測は、所与の運動軌跡を考慮に入れて、ロボット装置の作業空間内に存在する作業員の予測される位置ないし既知の位置について予測を行うものである。また、マニピュレータの運動速さ、及び／または、運動方向のモニタを行う上では、また、必要に応じてそれらに調節を施す上では、衝突質量、衝突速度、及び／または、マニピュレータの衝突時当接部形状と、様々な傷害関連情報パラメータとの間の関連を示す幾つかの特性値も利用される。それら特性値は、様々な衝突時当接部位形状並びに様々な傷害形態に対応した、夫々の質量−衝突速さ特性線図によって示される。衝突時当接部位形状は、単純化した代表的形状とすることができる。その場合の衝突当接部位形状は、例えば楔形状としてもよい。楔角度が様々に異なる楔形状とすることができる。また、その場合の衝突時当接部位形状は、例えば球面形状としてもよい。半径が様々に異なる球面形状とすることができる。傷害形態としては例えば身体の皮膚非開放性創傷がある。また、傷害形態としては例えば身体の筋腱損傷がある。

ドイツ特許出願公開公報DE 102010048369 A1号 ドイツ特許出願公開公報DE 102013212887 A1号

本発明の目的は、ロボット・マニピュレータが物体と衝突したときに物体を損傷させるリスクをより低減することができ、また特に、ロボット・マニピュレータが人間と衝突したときに人間に傷害を負わせるリスクをより低減することのできる、ロボット・マニピュレータを制御する方法及び装置を提供することにある。

本発明は独立請求項に記載した構成要素から成るものである。従属請求項は特に有利な構成例をその主題としたものである。本発明の更なる特徴、用途、及び利点は、以下の記載によって、また特に図面に示した本発明の実施例の説明によって、明らかとなる。

上記目的は、本発明の第１の局面によれば、周囲環境との間の機械的相互作用を検出するためのセンサを備えたロボット・マニピュレータを制御する方法により達成される。ここに提案する方法は、前記ロボット・マニピュレータに作用する外力F→(t)の力時間変化を前記センサにより検出し、検出される前記外力の大きさ|F→(t)|が所与のスレショルド値G1より大となったならば（即ち|F→(t)|＞G1となったならば）前記ロボット・マニピュレータの安全モードを起動し、前記安全モードは前記ロボット・マニピュレータの運動速さ|V→(t)|及び／または運動方向V→(t)/|V→(t)|の制御を、検出される前記外力F→(t)に応じて行うモードであり、前記安全モードが起動されるまでは、前記ロボット・マニピュレータの運動速さ|V→(t)|及び／または運動方向V→(t)/|V→(t)|の制御を所与の傷害関連情報パラメータに応じて行うことを特徴とする。尚、ここで「F→(t)」及び「V→(t)」という表記は、それらが時間のベクトル関数であることを表している。

ここで使用する「傷害関連情報パラメータ」という用語は、特に、傷害の重篤度、痛みの程度、傷害の規模、及び／または、その他のリスク要因を表すパラメータなどをいうものである。

ここで使用する「ロボット・マニピュレータ」という用語は、ロボットと周囲環境との間の機械的相互作用を可能にする機械的ロボットの構成要素であるということもでき、或いはまた、ロボットの機械的作業を実行するためのロボットの運動可能な構成要素であるということもできる。ここで使用する「ロボット・マニピュレータ」という用語は、特にロボット・マニピュレータに装備される１個ないし複数個のエフェクタなども含めて意味するものであり、ロボット・マニピュレータが把持した物体なども含めて意味するものである。ここで使用する「ロボット」という用語は、広い意味で用いられるものであり、例えば、工業用ロボット、ヒューマノイド、飛行ロボット、それに水上ロボットなども含まれる。

ここで使用する「力」ないし「力時間変化」という用語は、広い意味で用いられるものであり、単なる一定方向の力のみならず、互いに逆平行関係にある一組の力や、そのような形で表される力もしくは力作用、即ちトルクなども含まれ、更にはそのような力ないし力作用から導出される、例えば圧力（力／面積）なども含まれる。また、ここでいうところの検出される外力F→(t)は、重力や、地球の自転により誘起されるコリオリの力などを含まないものとすることが好ましい。

尚、「外力F→(t)の大きさ」を表す単位は、任意の単位としてよい。

前記センサは、力センサや、例えばトルクセンサなどのモーメント・センサとすることが好ましい。ロボット・マニピュレータには、そのようなセンサを複数個備えることが好ましく、そうすることで、ロボット・マニピュレータに作用する外力を、充分な分解能をもって、その力の作用点と、大きさと、方向とに関して検出することができる。尚、「前記ロボット・マニピュレータに作用する外力F→(t)」という文言は、好適な１つの構成例に関しては、当該外力F→(t)の方向及び大きさに加えて更に、当該外力F→(t)がロボット・マニピュレータに作用するその力の作用点までも含めて言及しているのであり、従ってそれら全てが既知であるかまたは計測されることを含意するものである。

ここに提案する方法は、前記ロボット・マニピュレータが基本的に、例えば上で引用したドイツ特許出願公開公報DE 102013212887 A1号などに記載されているように、傷害関連情報パラメータに応じて制御されることを前提としている。このドイツ特許出願公開公報DE 102013212887 A1号に開示されている様々な傷害関連情報パラメータの説明、並びにそれらパラメータの解析法及び好適な判別法に関する説明はこの言及をもって本願開示に組込まれたものとする。

本発明によれば、前記ロボット・マニピュレータに作用する外力F→(t)の力時間変化が少なくとも１つのセンサにより検出され、少なくとも一時的にストレージに格納される。そして、検出される前記外力の大きさ|F→(t)|が所与のスレショルド値G1より大となったならば（即ち|F→(t)|＞G1となったならば）前記ロボット・マニピュレータを制御するための安全モードを起動する。別構成例として、力時間変化の検出ないし供給を、前記ロボット・マニピュレータの制御法モデルに基づいた演算処理によって、或いは、そのようなモデルを用いることのない全くの演算処理によって行うことも可能である。従って、ここで使用する「センサ」という用語は広い意味で用いられるものであり、外力F→(t)をそれらに基づいて算出し得る制御法モデルないし演算処理も、ここでいう「センサ」に含まれるものである。

前記スレショルド値G1は、好適な１つの構成例においては「０」とされており（即ちG1＝０である）、従ってこの構成例では、前記センサによって、当該センサの雑音レベルを超える大きさの外力F→(t)を検出されるか、或いは、前記センサによって、当該センサに用いられている制御モデルの精度を超える大きさの外力F→(t)が算出されたならば、前記安全モードが起動されることになる。

前記安全モードにおいては、運動速さ|V→(t)|及び／または運動方向V→(t)/|V→(t)|の制御を、検出される外力の力ベクトルF→(t)に応じて行う。一方、前記ロボット・マニピュレータの運動速さ|V→(t)|及び／または運動方向V→(t)/|V→(t)|の制御を、所与の傷害関連情報パラメータに応じて行うには、前記ロボット・マニピュレータの制御を速度制御またはトルク制御の形で行うようにしておくことが好ましい。そのようにしてある場合には、前記安全モードを起動したならば即座に、前記ロボット・マニピュレータの制御をそれまでの速度制御から力制御ないしトルク制御に切換えることにより、前記ロボット・マニピュレータの運動の制御を、前記センサにより検出される前記外力F→(t)に応じて行うようにすればよい。

こうすることで特に、前記ロボット・マニピュレータが何らかの物体に衝突し、そしてその物体が逃れられないために押圧されたままとなり、前記ロボット・マニピュレータが運動を続行したならばその物体に作用している押圧力がますます増大するという状況が発生した場合に、そのことを検知して、その状況に対処するように前記ロボット・マニピュレータの制御を行うことが可能となる。

１つの構成例では、前記安全モードにおいて、前記ロボット・マニピュレータの複数のアクチュエータの制御を、検出される前記外力F→(t)に応じて行うようにしている。この場合、それら複数のアクチュエータが発生するトルクを、検出される前記外力F→(t)に応じて個別に制限するようにすることが好ましい。前記ロボット・マニピュレータは、好ましくは１つまたは複数のリンク機構を備えたものであり、好適な１つの構成例によれば、かかるリンク機構における少なくとも１つの関節部角度を、検出される前記外力F→(t)に応じて制限するようにしている。

ここに提案する方法の１つの構成例では、前記外力の大きさ|F→(t)|が前記所与のスレショルド値G1を上回った時刻t₀から、前記力時間変化F→(t)が当該時刻t₀より後の最初の極大値Max1(|F→(t)|)を形成した時刻t₁までの経過時間である、タイムスパンΔt₁を求め、前記時刻t₁から、前記力時間変化F→(t)が当該時刻t₁より後の最初の極小値Max1(|→F(t)|)を形成した時刻t₀までの経過時間である、タイムスパンΔt₂を求め、所与のスレショルド値G2及びG3に関し、Δt₁＋Δt₂＝Δt_G＜G2、及び／または、Min1(|F→(t)|)＞G3であるときにはじめて前記安全モードを起動するようにしている。

以上の方法ステップは、前記ロボット・マニピュレータに作用する外力の時間変化の解析を行うものである。典型的な場合であれば、前記ロボット・マニピュレータが何らかの物体に衝突したならば、それによって先ず衝撃が発生し、そして、その衝突の仕方と衝突速度とに応じて、それに続く数ミリ秒ないし数十ミリ秒の経過時間の間に前記外力F→(t)の大きさが最初の極大値Max1(|F→(t)|)を形成する（この経過時間がΔt₁であり、例えば約０．１〜５０ミリ秒程度である）。典型的な場合であれば、続いて前記外力F→(t)の大きさは低下する。また、物体との衝突が、弾性衝突である場合と、非弾性衝突である場合と、物体または前記ロボット・マニピュレータの弾性変形または塑性変形を伴う衝突である場合とでは、最初の衝撃に続いて発生する前記外力F→(t)の時間変化が異なったものとなる。最初の衝撃の発生の後に、そして、最初の極大値Max1(|F→(t)|)と、それに続く最初の極小値Min1(|→F(t)|)とを経た後に、前記センサにより検出される前記外力F→(t)が増大し続けるという状況になったならば、それは、典型的な場合であれば、衝突した物体を前記ロボット・マニピュレータが押圧し続けていること、即ち、衝突した物体がロボット・マニピュレータの運動を避けることができない状態にあることを示すものであり、従って、もしその物体が人間の身体であるならば、挟まれてしまった身体にロボットの駆動機構の力が伝達し得る状態にあることを示すものである。本発明の方法では、前記スレショルド値G2及びG3の大きさを適宜選定することによって、かかる状況が検知された場合に適切に対処し得る方法とすることができる。

時刻t＞t₂であるときに、前記外力の大きさ|F→(t)|が所与のスレショルド値G4を上回ったならば（即ち|F→(t)|＞G4となったならば）前記ロボット・マニピュレータの当該時点での運動を停止させるようにすることが好ましい。

時刻t＞t₂であるときに、前記外力の大きさ|F→(t)|が所与のスレショルド値G4を上回ったならば（即ち|F→(t)|＞G4となったならば）重力補償操作が実行されるようにすることが好ましく、該重力補償操作は、重力だけをバランスさせて、重力以外に加わる外力については、前記ロボット・マニピュレータがそのような外力を弾性的に受け流せるように前記ロボット・マニピュレータを制御する操作である。

これらによって、衝突した物体の損傷ないしは前記ロボット・マニピュレータの損傷が防止される。

更に、上述したように、前記ロボット・マニピュレータの当該時点での運動を停止させたならば、それに続いて逆方向への運動を行わせ、所与のスレショルド値G5に関して|F→(t)|＜G5となった時点でその逆方向への運動を停止させるようにすることが好ましい。この方法の好ましい１つの構成例によれば、ここでいう所与のスレショルド値G5の値は「０」に選定されており、即ちG5＝０とされている。

ここに提案する方法を実施する上では、当然のことながら、オフライン解析や、ロボット・マニピュレータの制御計画などを行うこともあり得る。そのような場合には、検出される外力F→(t)の替わりに、それに対応する力時間変化の基準グラフを用いるとよい。また特に、ここに提案する方法は、仮想的適用によって最適化を施すこと及び試験をすることが可能である。

本発明は更に、データ処理装置を備えたコンピュータ・システムに関するものであり、このコンピュータ・システムは、前記データ処理装置上で上述した方法が実行されるように前記データ処理装置が構成されていることを特徴とする。

本発明は更に、電子的に読み出し可能な制御信号を記録したデジタル記録媒体に関するものであり、このデジタル記録媒体は、前記制御信号がプログラム可能なコンピュータ・システムと協働することで上述した方法が実行されることを特徴とする。

本発明は更に、マシンによる読み出しが可能な媒体上に記録されたプログラムコードを備えたコンピュータ・プログラム製品に関するものであり、このコンピュータ・プログラム製品は、前記プログラムコードがデータ処理装置上で実行されることで上述した方法が実行されることを特徴とする。

本発明は更に、プログラムコードから成るコンピュータ・プログラムに関するものであり、このコンピュータ・プログラムは、当該コンピュータ・プログラムがデータ処理装置上で実行されることで上述した方法が実行されることを特徴とする。

本発明は更に、ロボット・マニピュレータを制御する装置に関するものであり、この装置は、前記ロボット・マニピュレータに作用する外力F→(t)の力時間変化を検出するためのセンサを備え、また、ユニットを備え、該ユニットは、前記ロボット・マニピュレータの運動速さ|V→(t)|及び／または運動方向V→(t)/|V→(t)|の制御を、所与の傷害関連情報パラメータに応じて行うように構成され、更に、検出される前記外力の大きさ|F→(t)|が所与のスレショルド値G1より大となったならば（即ち|F→(t)|＞G1となったならば）前記ロボット・マニピュレータ（２０２）の安全モードを起動するように構成されており、前記安全モードは、前記ロボット・マニピュレータの運動速さ|V→(t)|及び／または運動方向V→(t)/|V→(t)|の制御を、検出される前記外力F→(t)に応じて行うモードであることを特徴とする。

ここに提案する装置の好適な１つの構成例によれば、前記ユニットは更に、前記外力の大きさ|F→(t)|が前記所与のスレショルド値G1を上回った時刻t₀から、前記外力F→(t)が当該時刻t₀より後の最初の極大値Max1(|F→(t)|)を形成した時刻t₁までの経過時間である、タイムスパンΔt₁を求め、前記時刻t₁から、前記外力F→(t)が当該時刻t₁より後の最初の極小値Min1(|→F(t)|)を形成した時刻t₀までの経過時間である、タイムスパンΔt₂を求め、所与のスレショルド値G2及びG3に関し、Δt₁＋Δt₂＝Δt_G＜G2、及び／または、Max1(|F→(t)|)＜G3であるときにはじめて前記安全モードを起動するように構成されている。

ここに提案する装置の好適な１つの構成例によれば、前記ユニットは更に、時刻t＞t₂であるときに、前記外力の大きさ|F→(t)|が所与のスレショルド値G4を上回ったならば（即ち|F→(t)|＞G4となったならば）前記ロボット・マニピュレータの当該時点での運動を停止させるように構成されている。

ここに提案する装置の好適な１つの構成例によれば、前記ユニットは更に、前記ロボット・マニピュレータの当該時点での運動を停止させたならば、それに続いて逆方向への運動を行わせ、所与のスレショルド値G5に関して|F→(t)|＜G5となった時点でその逆方向への運動を停止させるように構成されている。

ここに提案する装置の利点並びにその他の構成例としては、ここに提案する方法の実施例の特徴を援用することで得られる利点並びに構成例がある。

また、本発明は更に、上述した装置を備えたロボットに関するものである。

更なる様々な利点、特徴、及び細部構成については、ときに図面を参照しつつ説明する少なくとも１つの実施例に即した以下の詳細な説明を通して明らかにする。尚、図面中、互いに同一の構成要素、互いに同等の構成要素、及び／または、互いに同一の機能を有する構成要素には、同一の参照番号を付してある。

ロボット・マニピュレータが物体に衝突し、その物体の移動が阻止された場合の、力時間変化（即ち、経時的な力の変化）の典型的な一例を表したグラフである。 ここに提案する方法の１つの実施例を示したフローチャートである。 本発明に係るロボットの模式的構成図である。

図１に示したのは、ロボット・マニピュレータが物体に衝突し、その物体の移動が阻止された場合の、力時間変化（即ち、経時的な力の変化）の典型的な一例を表したグラフである。ここで物体の移動が阻止された場合というのは、ロボット・マニピュレータに衝突された物体が、そのロボット・マニピュレータから逃れることができず、その衝突位置に固定されて押付けられた状態になった場合である。

図１において、ｘ軸は時間ｔを表しており、ｙ軸はセンサにより検出されたロボット・マニピュレータに作用する外力の大きさ|F→(t)|を表している。図１のグラフの曲線から分かるように、時刻t₀にセンサによる外力の検出が開始しており、即ち、時刻t₀にロボット・マニピュレータの物体への衝突が発生している。ここでは、その物体が人間の腕であるものとする。衝突時刻t₀からある長さの時間（例えば５ミリ秒）が経過した後に、時刻t₁において、衝突時刻t₀より後の最初の外力の極大値M1が形成されている。センサにより検出された外力は、この時刻t₁からその大きさが減小に転じており、そして、時刻t₂において、時刻t₁より後の最初の外力の極小値が形成されている。尚、図１に示した力時間変化は実際の変化を正しく縮尺して示したものではなく、単に外力の変化を定性的に示したに過ぎない。

例えば腕がマニピュレータと壁との間に挟まれるなどして、腕がその衝突位置に固定されてしまったならば、ロボット・マニピュレータが更に運動を続行することによって腕は更に押圧されることになり、このことは、時刻t₂より後に力時間変化のグラフの曲線が更に上昇していることによって示されている。

図２に示したのは、周囲環境との間の機械的相互作用を検出するためのセンサを備えたロボット・マニピュレータを制御する方法の１つの実施例のフローチャートである。この実施例では、ロボット・マニピュレータの運動速さ|V→(t)|及び運動方向V→(t)/|V→(t)|の制御を、所与の傷害関連情報パラメータに応じて行うようにしている。傷害関連情報パラメータは、ロボット・マニピュレータが人間の身体に衝突した場合に発生し得る結果を表した情報などを含むものである。様々な傷害関連情報パラメータについての更に詳細な情報がドイツ特許出願公開公報DE 102013212887 A1号に開示されており、これに関しては同特許文献を参照されたい。また、ここでのロボット・マニピュレータの制御は基本的に速度制御の形で行われ、その速度制御は仮想の運動減衰（その減衰量は可変とすることができる）を発生させるように速度を制御するものであり、その制御は運動に対抗する対抗トルクを発生させることで行われるが、ただし、そのようなトルク制御の形で制御を行うにもかかわらず、その制御は所望の速度を実現するためのものである。

こうしてロボット・マニピュレータを駆動しているときに、そのロボット・マニピュレータに作用する外力F→(t)の力対時間変化をセンサにより連続的に検出しており、これを図中に１０１で示した。この力対時間変化は、少なくとも一時的にストレージに格納される。そして、検出される外力の大きさ|F→(t)|が所与のスレショルド値G1より大となったならば（即ち|F→(t)|＞G1となったならば）ロボット・マニピュレータの安全モードを起動し、この安全モードの起動を図中に１０２で示した。この安全モードは、ロボット・マニピュレータの運動速さ|V→(t)|及び／または運動方向V→(t)/|V→(t)|の制御を、検出される外力F→(t)に応じて行うモードである。この安全モードを起動する際に、速度制御から力制御への切換えを行う。ただしこの力制御も、それまでの速度制御と同様に、基本的に、トルク制御を行うことにより力制御を実現するものである。

図３に示したのはロボットの模式的構成図である。ロボットには、このロボットのロボット・マニピュレータ２０２を制御するための装置が備えられている。このロボットは、ロボット・マニピュレータ２０２に作用する外力F→(t)の力時間変化を検出するためのセンサ２０３を備えている。このロボットは更にユニット２０１を備えており、このユニット２０１は、ロボット・マニピュレータ２０２の運動速さ|V→(t)|及び／または運動方向V→(t)/|V→(t)|の制御を、所与の傷害関連情報パラメータに応じて行うように構成され、更に、検出される外力の大きさ|F→(t)|が所与のスレショルド値G1より大となったならば（即ち|F→(t)|＞G1となったならば）ロボット・マニピュレータ２０２の安全モードを起動するように構成されており、この安全モードは、ロボット・マニピュレータ２０２の運動速さ|V→(t)|及び／または運動方向V→(t)/|V→(t)|の制御を、検出される外力F→(t)に応じて行うモードである。

以上に本発明を好適な実施例に即して図示して詳述したが、本発明の範囲は以上に開示した実施例に限定されるものではなく、当業者であれば本発明の権利保護範囲から逸脱することなく当該実施例に基づいてその他の様々な形態の構成例にも相当し得るのは当然である。即ち、実現可能な様々に異なる数多くの構成例が存在し得ることは明らかである。更に、実施例として開示した実施の形態はあくまでも具体例を例示したものであり、本発明の権利保護範囲、用途、ないしは構成をなんら限定するものではないこともまた明らかである。むしろ、以上の詳細な説明並びに図面による解説は、例示した実施の形態を当業者が具体的構成となし得るようにするものであり、また、以上に開示した本発明の概念を知悉した当業者が、例えば実施例に関連して言及した個々の構成要素の機能または構成などに関連した様々な改変を、本発明の権利保護範囲から逸脱することなくなし得るようにするものであって、本発明の権利保護範囲は、特許請求の範囲に記載された構成を包含すると共に、明細書中に概説した、特許請求の範囲に記載された構成に対して法律上均等と認められる構成を包含する範囲として規定されるものである。

１０１〜１０２ 方法ステップ
２０１ 制御用のユニット
２０２ ロボット・マニピュレータ
２０３ センサ

Claims (16)

1. 周囲環境との間の機械的相互作用を検出するためのセンサ（２０３）を備えたロボット・マニピュレータ（２０２）を制御する方法において、
   前記ロボット・マニピュレータ（２０２）に作用する外力F→(t)の力時間変化を前記センサ（２０３）により検出し、
   検出される前記外力の大きさ|F→(t)|が所与のスレショルド値G1より大となったならば（即ち|F→(t)|＞G1となったならば）前記ロボット・マニピュレータ（２０２）の安全モードを起動し、前記安全モードは前記ロボット・マニピュレータ（２０２）の運動速さ|V→(t)|及び／または運動方向V→(t)/|V→(t)|の制御を、検出される前記外力F→(t)に応じて行うモードであり、
   前記安全モードが起動されるまでは、前記ロボット・マニピュレータ（２０２）の運動速さ|V→(t)|及び／または運動方向V→(t)/|V→(t)|の制御を所与の傷害関連情報パラメータに応じて行う、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記安全モードにおいて、前記ロボット・マニピュレータ（２０２）の少なくとも１つのアクチュエータの制御を、検出される前記外力F→(t)に応じて行うことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記アクチュエータが発生するトルク、及び／または、前記アクチュエータのポジション、及び／または、前記アクチュエータの運動速さを、検出される前記外力F→(t)に応じて個別に制限することを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 前記スレショルド値G1は「０」であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の方法。
5. 前記外力の大きさ|F→(t)|が前記所与のスレショルド値G1を上回った時刻t₀から、前記力時間変化F→(t)が当該時刻t₀より後の最初の極大値Max1(|F→(t)|)を形成した時刻t₁までの経過時間である、タイムスパンΔt₁を求め、
   前記時刻t₁から、前記力時間変化F→(t)が当該時刻t₁より後の最初の極小値Min1(|→F(t)|)を形成した時刻t₀までの経過時間である、タイムスパンΔt₂を求め、
   所与のスレショルド値G2及びG3に関し、Δt₁＋Δt₂＝Δt_G＜G2、及び／または、Max1(|F→(t)|)＞G3であるときにはじめて前記安全モードを起動する、
   ことを特徴とする請求項１又は４記載の方法。
6. 時刻t＞t₂であるときに、前記外力の大きさ|F→(t)|が所与のスレショルド値G4を上回ったならば（即ち|F→(t)|＞G4となったならば）前記ロボット・マニピュレータ（２０２）の当該時点での運動を停止させることを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 時刻t＞t₂であるときに、前記外力の大きさ|F→(t)|が所与のスレショルド値G4を上回ったならば（即ち|F→(t)|＞G4となったならば）重力補償操作が実行されるようにし、該重力補償操作は、重力だけをバランスさせて、重力以外に加わる外力については、前記ロボット・マニピュレータ（２０２）がそのような外力を弾性的に受け流せるように前記ロボット・マニピュレータ（２０２）を制御する操作であることを特徴とする請求項５記載の方法。
8. 前記ロボット・マニピュレータ（２０２）の当該時点での運動を停止させたならば、それに続いて逆方向への運動を行わせ、所与のスレショルド値G5に関して|F→(t)|＜G5となった時点でその逆方向への運動を停止させることを特徴とする請求項６記載の方法。
9. 前記スレショルド値G5は「０」であることを特徴とする請求項８記載の方法。
10. データ処理装置を備えたコンピュータ・システムにおいて、前記データ処理装置上で請求項１乃至９の何れか１項記載の方法が実行されるように前記データ処理装置が構成されていることを特徴とするコンピュータ・システム。
11. 電子的に読み出し可能な制御信号を記録したデジタル記録媒体において、前記制御信号がプログラム可能なコンピュータ・システムと協働することで請求項１乃至９の何れか１項記載の方法が実行されることを特徴とするデジタル記録媒体。
12. マシンによる読み出しが可能な媒体上に記録されたプログラムコードを備えたコンピュータ・プログラム製品であって、前記プログラムコードがデータ処理装置上で実行されることで請求項１乃至９の何れか１項記載の方法が実行されることを特徴とするコンピュータ・プログラム製品。
13. プログラムコードから成るコンピュータ・プログラムにおいて、当該コンピュータ・プログラムがデータ処理装置上で実行されることで請求項１乃至９の何れか１項記載の方法が実行されることを特徴とするコンピュータ・プログラム。
14. ロボット・マニピュレータ（２０２）を制御して請求項１乃至９の何れか１項記載の方法を実行させる装置において、
    前記ロボット・マニピュレータ（２０２）に作用する外力F→(t)の力時間変化を検出するためのセンサ（２０３）を備え、
    ユニット（２０１）を備え、該ユニット（２０１）は、前記ロボット・マニピュレータ（２０２）の運動速さ|V→(t)|及び／または運動方向V→(t)/|V→(t)|の制御を所与の傷害関連情報パラメータに応じて行うように構成され、更に、検出される前記外力の大きさ|F→(t)|が所与のスレショルド値G1より大となったならば（即ち|F→(t)|＞G1となったならば）前記ロボット・マニピュレータ（２０２）の安全モードを起動するように構成されており、前記安全モードは、前記ロボット・マニピュレータ（２０２）の運動速さ|V→(t)|及び／または運動方向V→(t)/|V→(t)|の制御を、検出される前記外力F→(t)に応じて行うモードである、
    ことを特徴とする装置。
15. 前記ユニット（２０１）は、
    前記外力の大きさ|F→(t)|が前記所与のスレショルド値G1を上回った時刻t₀から、前記外力F→(t)が当該時刻t₀より後の最初の極大値Max1(|F→(t)|)を形成した時刻t₁までの経過時間である、タイムスパンΔt₁を求め、
    前記時刻t₁から、前記外力F→(t)が当該時刻t₁より後の最初の極小値Min1(|→F(t)|)を形成した時刻t₀までの経過時間である、タイムスパンΔt₂を求め、
    所与のスレショルド値G2及びG3に関し、Δt₁＋Δt₂＝Δt_G＜G2、及び／または、Max1(|F→(t)|)＜G3であるときにはじめて前記安全モードを起動する、
    ように構成されていることを特徴とする請求項１４記載の装置。
16. 請求項１４又は１５記載の装置を備えたことを特徴とするロボット。

Images