JP4671628B2 - ロボット装置の制御システム及び制御方法 - Google Patents
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Description
前記動作フィールド上の各ロボット装置の位置及び方向を監視する監視手段と、
各ロボット装置との通信手段を備え、前記監視手段による監視結果並びに各ロボット装置から取得されるロボット装置の状態情報に基づいて、各ロボット装置による同期協調的な動作を制御する統括制御手段と、
を具備することを特徴とするロボット装置の制御システムである。
図1には、本発明の一実施形態に係るマルチロボット・システムの概要を示している。図示の通り、マルチロボット・システムは、舞台や作業領域などの動作フィールド上で活動可能な1台以上のロボットと、これらのロボットの動作フィールド上での動作を監視するモニタ・システムと、これらロボットの動作を統括的に管理及び制御し、マルチロボットによる演劇若しくはデモンストレーションの運用を行なう統括コントローラで構成される。
マルチロボット・システムでは、個々のロボットにはあらかじめ役が決められており、主役や脇役などの配役に応じた区々の動作計画が与えられる。動作計画は、再生モーションなどからなる指示動作を時間軸上で組み合わせて構成される。そして、舞台上のすべてのロボット装置が行なう動作計画の集合により、演劇やデモンストレーションといった1つのシナリオが構成される。
上述したようにマルチロボット・システムでは、役が割り当てられた各ロボットがそれぞれ与えられた動作計画を同期的に実行することにより、舞台などの動作フィールド上で連携した協調的な行動を振る舞い、シナリオ通りのパフォーマンスを提示することができる。
統括コントローラは、モニタ・システムから得られた各ロボットの位置及び方向などの情報に基づいて、ロボットの動作を統括的に管理することにより、シナリオが円滑に進行するようにマルチロボットを運用する。さらに、統括コントローラのGUI画面を介して、動作フィールド上の各ロボットの位置確認、各ロボットの最大可動範囲並びに転倒範囲、ロボット間の干渉領域を表示し、オペレータはこれらを視覚的に確認することができる。
メインビューで干渉領域タブを選択すると、図12に示すような干渉領域の確認画面に切り替わり、オペレータは、ロボット同士の安全距離を視覚的に確認することができる。図中で4つの大きな円は、各ロボットが転倒に使用されうる場所を表している。また、各円に含まれる楕円は、動作中のロボットの最大可動範囲を表している。
上記の例はロボット装置間の転倒時における転倒重複領域を考慮した転倒方向の制限に関する内容であるが、転倒方向の制限はロボット装置が動作フィールド端にいる場合やロボット装置以外の障害物がある場合などでも考慮される。
メインビューで偏差予測タブを選択すると、図14に示すような、特定時刻での各ロボットの目標位置との偏差を示した偏差推定画面に切り替わる。オペレータは、シナリオを運用中に、特定時刻における位置方向偏差を推定し、画面上でその推定偏差を確認することができる。例えば、ある「動作計画」の中にマイクが置かれている場所へ正確に移動しなければいけない場面がある場合や、動作フィールドの端で落下の可能性がある場所へ移動しなければいけない場面がある場合に、オペレータは偏差推定を利用することで、重大なトラブルが発生する前に処置すべき内容を判断することができる。
メインビューで軌道表示タブを選択すると、各ロボットの軌道を表示する画面に切り替わる。軌道表示の簡単な例は、鳥瞰図又は斜視した動作フィールド路面に、各ロボットの過去、現在、未来に渡る歩すなわち足跡(フットプリント)を該当する場所に配置していくというものである。脚式移動ロボットにおいては、歩を基本に動作計画が立てられるので、このように歩を利用した軌道の表示は極めて有効である。このとき、時間軸に応じて(例えば過去か未来かに応じて)色分け表示してもよいし、ロボット毎に別の色で足跡を表示するようにしてもよい。
上述したようにマルチロボット・システムでは、役が割り当てられた各ロボットがそれぞれ与えられた動作計画を同期的に実行することにより、舞台などの動作フィールド上で連携した協調的な行動を振る舞うことにより、シナリオ通りのパフォーマンスを提示することができる。
マルチロボット・システムでは、役が割り当てられた各ロボットがそれぞれ与えられた動作計画を同期的に実行することにより、舞台などの動作フィールド上で連携した協調的な行動を振る舞うことにより、シナリオ通りのパフォーマンスを提示することができる。
動作計画の中で、脚の軌道は、ロボットの足底軌道となる「歩」を1単位として管理されている。図24には、脚の軌道を歩で管理している様子を示している。ある時刻での歩は(x,y,z,roll,pitch,yaw)のパラメータで表され、その座標原点は通常、動作計画の開始点となる。なお、空間を表す単位であれば、オイラー角空間でなくてもよい。図24に示した歩のパラメータは例えば下表のように表される。
位置方向を修正しなければならないロボットが、現在動作計画又は移動計画を実行中のときには、上述したように補正歩を組み合わせた補正計画により修正を行なう。これに対し、位置方向を修正しなければならないロボットがいずれの動作計画も行なっていないときには、新たな歩を生成し、次の動作計画を実施するまでの間に位置方向を修正する移動計画を立てる(前述)。図28には、移動計画を立てるための処理手順をフローチャートの形式で示している。
シナリオを運用する際、路面状態・傾斜といった外的要因やロボット自身の内的要因、あるいはロボット同士の接触などによって、転倒回避動作が発動したり転倒したりすることがある。また、バッテリ残量の低下などのエネルギ不足による動作停止といったさまざまな異常状態が想定される。
異常レベル2:マルチロボット・システム全体に対して異常処理が必要な状態
異常レベル3:シナリオの一部が続行不可能となる状態
異常レベル4:シナリオ全体が続行不可能な状態
>異常状態であるロボットの「動作計画」続行を判断
異常状態が発生したことにより、そのロボットの「動作計画」が持つ目的が達成できるかどうかを、所定の評価式を用いて判断する。ここで、ロボットの動作計画の続行可能性の判断方法とその評価式について説明しておく。
異常レベル1異常状態の一例として、あるロボットが転倒した場合を考える。そのロボットが起き上がれる状態にある場合は、そのロボットへ起き上がりの指示を出す。起き上がれるかどうかの判断は、統括コントローラとロボットの通信が確立しており、転倒したロボットの内部状態に問題が無く、且つ、その他のロボットとの干渉の問題が発生しないかどうかで決まる。起き上がったロボットは、位置方向偏差を補正しながら「動作計画」を続行する。
>配役の交代
あるロボットが異常状態になり、特にそのロボットが主役といった重要な役割を担っているような場合は、配役の交代が行なわれる。例えば、ロボットAの役をロボットBが行うことになった場合は、ロボットBがロボットAの位置に付き、その後、ロボットAの「動作計画」を実行することになる。
あるロボットが異常状態になり、予備ロボットが準備されている場合は、そのロボットが動作フィールド内に移動、又は、人によって動作フィールド内に置かれ、異常状態になったロボットの「動作計画」を実行する。図29には、予備ロボット導入のための処理手順をフローチャートの形式で示している。
あるロボットが異常状態になり、その復帰動作中に他のロボットとの干渉が予想された場合、一部、フォーメーションを修正することで、異常状態のロボットが復帰するための領域を確保する。
>全体フォーメーションの再計画
あるロボットが異常状態になり移動できない状態になった場合で且つ撤去できず、結果として、動作フィールド内で他のロボットが立ち入れない領域が発生し、且つ、将来その場所で干渉が発生すると予想された場合、全体の「動作計画」内で軌道が再計画される。その際は、極力主役の軌道変化が無いような計画が立てられる。
>シナリオ停止
発生した異常状態によって、シナリオが成立しなくなったと判断されると、全体を停止する。各ロボットは動作している状態から、停止状態へ移行する。シナリオの停止後、状況に応じて(又は、オペレータの判断によって)以下の4つの中からいずれかの処理が実行される(図8を参照のこと)。
・現在のシナリオを飛ばして、次以降のシナリオを開始(スキップ)
・予備シナリオを開始
・すべてのシナリオの実行を破棄
>ログデータの回収
あるロボットが異常状態になった場合は、ロボット内に蓄積されたログデータが回収される。回収したデータを解析することで、異常が起きた原因を解析する助けとなる。
コントローラと通信が不能になったと認識したロボットは、外部からの制御が不能状態に入ったと判断し自己処理として動作を停止する。実行環境によっては「動作計画」といった重要度の高い情報に対し、外部へ流出することがないよう、消去などの処理を行なう。
これまではマルチロボット・システムの構成や機能について説明してきた。この項では、マルチロボットの一員として動作することができるロボット装置について詳解する。
(2)右足が接地した両脚支持期
(3)左脚を持ち上げた、右脚による単脚支持期
(4)左足が接地した両脚支持期
(2)路面での並進に対する摩擦係数は充分に大きく、滑りが生じない。
2A…第1の首関節ピッチ軸
2B…第2の首関節(頭)ピッチ軸
3…首関節ロール軸
4…肩関節ピッチ軸
5…肩関節ロール軸
6…上腕ヨー軸
7…肘関節ピッチ軸
8…手首関節ヨー軸
9…体幹ピッチ軸
10…体幹ロール軸
11…股関節ヨー軸
12…股関節ピッチ軸
13…股関節ロール軸
14…膝関節ピッチ軸
15…足首関節ピッチ軸
16…足首関節ロール軸
30…頭部ユニット,40…体幹部ユニット,41…腰部ユニット
50…腕部ユニット,51…上腕ユニット
52…肘関節ユニット,53…前腕ユニット
60…脚部ユニット,61…大腿部ユニット
62…膝関節ユニット,63…脛部ユニット
80…制御ユニット,81…主制御部
82…周辺回路
91,92…接地確認センサ
93,94…加速度センサ
95…姿勢センサ
96…加速度センサ
100…脚式移動ロボット
Claims (53)
- 特定の動作フィールド上で動作する複数のロボット装置の制御システムにおいて、
前記動作フィールド上の各ロボット装置の位置及び方向を監視する監視手段と、
各ロボット装置との通信手段を備え、前記監視手段による監視結果並びに各ロボット装置から取得されるロボット装置の状態情報に基づいて、各ロボット装置による同期協調的な動作を制御する統括制御手段と、
を具備し、
前記統括制御手段は、前記動作フィールド上の各ロボット装置の転倒領域を算出する転倒領域算出手段と、各ロボット装置の最大可動範囲を算出する最大可動範囲算出手段と、該算出された各ロボット装置の転倒領域又は最大可動範囲の重なりをロボット装置間の干渉領域として画面表示する干渉領域表示手段とを備える、
ことを特徴とするロボット装置の制御システム。 - 前記監視手段は、前記動作フィールドを撮影する画像入力手段と、前記入力画像を処理して各ロボット装置の位置及び方向に関する情報を取得する画像処理手段を備える、
ことを特徴とする請求項1に記載のロボット装置の制御システム。 - 前記動作フィールド上の各ロボット装置の配役が決められ、
前記統括制御手段は、配役毎に決められているロボット装置の動作計画の集合をシナリオとして管理する、
ことを特徴とする請求項1に記載のロボット装置の制御システム。 - 配役毎のロボット装置の動作計画は、該当するロボット装置に対する1以上の指示動作を時間軸上に配置して構成され、
前記統括制御手段は、各配役の動作計画の実行を同じ時間軸上で管理する、
ことを特徴とする請求項3に記載のロボット装置の制御システム。 - 前記統括制御手段は、2以上のシナリオを時間軸上に連結し、マルチロボットによる1つのパフォーマンスとして管理する、
ことを特徴とする請求項3に記載のロボット装置の制御システム。 - 前記統括制御手段は、各シナリオにおいて異常事態の発生により続行が困難又は不可能となった場合に備えて、代替的に実行される予備シナリオを用意する、
ことを特徴とする請求項5に記載のロボット装置の制御システム。 - 前記統括制御手段は、実行不能となった1以上のシナリオをスキップし、前記の時間軸上に連結された後続のシナリオに復帰するために予備シナリオを利用する、
ことを特徴とする請求項6に記載のロボット装置の制御システム。 - 前記統括制御手段は、パフォーマンスを完結できない異常事態が発生したときに、実行不能となった後続のすべてのシナリオに代えて、パフォーマンスを完結させるために予備シナリオを利用する、
ことを特徴とする請求項6に記載のロボット装置の制御システム。 - 前記統括制御手段は、ある1つのシナリオにおいて異常事態が発生した場面に応じた予備シナリオを利用する、
ことを特徴とする請求項6に記載のロボット装置の制御システム。 - 前記統括制御手段は、前記動作フィールド上の各ロボット装置との時刻同期を獲得する同期獲得手段を備え、各配役のロボット装置がそれぞれの動作計画を該時刻に合わせて同期協調的に実行するように制御する、
ことを特徴とする請求項1に記載のロボット装置の制御システム。 - 前記統括制御手段は、前記監視手段により得られた各ロボット装置の位置及び方向に関する情報を基に、前記動作フィールド上での各ロボット装置の位置及び方向を画面表示する現在状態表示手段を備える、
ことを特徴とする請求項2に記載のロボット装置の制御システム。 - 前記現在状態表示手段は、各ロボット装置の動作計画上の目標位置及び方向と前記監視手段により得られた現実の位置及び方向の偏差を提示する、
ことを特徴とする請求項11に記載のロボット装置の制御システム。 - 各ロボット装置は1以上の転倒動作を備え、
前記統括制御手段は、前記干渉領域を転倒領域に持ち若しくは前記干渉領域を転倒方向とする転倒動作の使用を禁止する、
ことを特徴とする請求項1に記載のロボット装置の制御システム。 - 前記統括制御手段は、過去に行なったロボット装置の動作に基づいて当該ロボットの運動特性を算出し、将来行なう動作計画を実行したときの計画値との偏差を当該ロボット装置の運動特性に基づいて予測する偏差予測手段を備える、
ことを特徴とする請求項2に記載のロボット装置の制御システム。 - 前記偏差予測手段は、過去一定期間t s 〜t m1 にモーションを実行したときに生じた誤差を観測する手段と、過去一定期間t s 〜t m1 に実行したモーションを要素運動毎に分割し要素運動毎に生じる誤差を推定する手段と、以後t m2 〜t e に至るまでの期間に実行するモーションを要素運動に分割し、これらの要素運動が持つ推定誤差を合計することにより、時刻t e における位置及び方向の目標値との偏差を推定する手段とを備える、
ことを特徴とする請求項14に記載のロボット装置の制御システム。 - 前記統括制御手段は、前記予測された偏差を画面表示する偏差予測表示手段を備える、
ことを特徴とする請求項14に記載のロボット装置の制御システム。 - 前記統括制御手段は、ロボット装置の前記動作フィールド上での軌道を表示する軌道表示手段を備える、
ことを特徴とする請求項1に記載のロボット装置の制御システム。 - 前記軌道表示手段は、Z軸を時間軸においた歩の軌道表示を行なう、
ことを特徴とする請求項17に記載のロボット装置の制御システム。 - 前記統括制御手段は、各ロボット装置の動作計画上の目標位置及び方向と前記監視手段により得られた現実の位置及び方向の偏差を補正する位置方向補正手段を備える、
ことを特徴とする請求項1に記載のロボット装置の制御システム。 - 前記位置方向補正手段は、動作計画を実行中のロボット装置の位置又は方向の誤差を当該動作計画内の既存の歩を用いて補正する補正計画手段を備える、
ことを特徴とする請求項19に記載のロボット装置の制御システム。 - 前記位置方向補正手段は、ロボット装置が動作計画を実行していない場面を利用して、新たな1つ以上の歩を生成して位置方向の偏差を修正する移動計画手段を備える、
ことを特徴とする請求項19に記載のロボット装置の制御システム。 - 前記統括制御手段は、複数のロボットが前記動作フィールドでシナリオを実行するマルチロボット環境下において、異常の程度に応じた異常状態を定義し、各異常状態に陥ったときに適当な修復処理を行なう異常処理手段を備える、
ことを特徴とする請求項1に記載のロボット装置の制御システム。 - 前記異常処理手段は、1体のロボット装置だけで異常処理が完結する第1の異常状態において、当該ロボット装置についての異常処理を実行する、
ことを特徴とする請求項22に記載のロボット装置の制御システム。 - 前記異常処理手段は、前記マルチロボット全体に対して異常処理が必要な第2の状態において、前記動作フィールド内で動作するロボット装置間で配役の交代、前記動作フィールド内又は外で待機する予備ロボットの前記動作フィールドへの投入、又は前記マルチロボットにおけるフォーメーションの修正を行なう、
ことを特徴とする請求項22に記載のロボット装置の制御システム。 - 前記異常処理手段は、シナリオの一部が続行不可能となる第3の異常状態において、前記マルチロボットにおける全体フォーメーションの修正を行なう、
ことを特徴とする請求項22に記載のロボット装置の制御システム。 - 前記異常処理手段は、シナリオ全体が続行不可能な第4の異常状態において、シナリオの続行を停止する、
ことを特徴とする請求項22に記載のロボット装置の制御システム。 - 前記動作フィールド内又は外で待機する予備ロボットをさらに備え、
前記統括制御手段は、前記予備ロボットの前記動作フィールドへの投入を制御する、
ことを特徴とする請求項1に記載のロボット装置の制御システム。 - 特定の動作フィールド上で動作する複数のロボット装置の制御方法において、
前記動作フィールド上の各ロボット装置の位置及び方向を監視する監視ステップと、
各ロボット装置との通信ステップと、
前記監視ステップにおける監視結果並びに各ロボット装置から通信により取得されるロボット装置の状態情報に基づいて、各ロボット装置による同期協調的な動作を制御する統括制御ステップと、
を有し、
前記統括制御ステップは、前記動作フィールド上の各ロボット装置の転倒領域を算出する転倒領域算出ステップと、各ロボット装置の最大可動範囲を算出する最大可動範囲算出ステップと、該算出された各ロボット装置の転倒領域又は最大可動範囲の重なりをロボット装置間の干渉領域として画面表示する干渉領域表示ステップとを有する、
ことを特徴とするロボット装置の制御方法。 - 前記監視ステップは、前記動作フィールドを撮影する画像入力ステップと、前記入力画像を処理して各ロボット装置の位置及び方向に関する情報を取得する画像処理ステップを有する、
ことを特徴とする請求項28に記載のロボット装置の制御方法。 - 前記動作フィールド上の各ロボット装置の配役が決められ、
前記統括制御ステップでは、配役毎に決められているロボット装置の動作計画の集合をシナリオとして管理する、
ことを特徴とする請求項28に記載のロボット装置の制御方法。 - 配役毎のロボット装置の動作計画は、該当するロボット装置に対する1以上の指示動作を時間軸上に配置して構成され、
前記統括制御ステップでは、各配役の動作計画の実行を同じ時間軸上で管理する、
ことを特徴とする請求項30に記載のロボット装置の制御方法。 - 前記統括制御ステップでは、2以上のシナリオを時間軸上に連結し、マルチロボットによる1つのパフォーマンスとして管理する、
ことを特徴とする請求項30に記載のロボット装置の制御方法。 - 前記統括制御ステップでは、各シナリオにおいて異常事態の発生により続行が困難又は不可能となった場合に備えて、代替的に実行される予備シナリオを用意する、
ことを特徴とする請求項32に記載のロボット装置の制御方法。 - 前記統括制御ステップでは、実行不能となった後続の1以上のシナリオをスキップし、前記の時間軸上に連結された後続のシナリオ連結に復帰するために予備シナリオを利用する、
ことを特徴とする請求項33に記載のロボット装置の制御方法。 - 前記統括制御ステップでは、パフォーマンスを完結できない異常事態が発生したときに、実行不能となった後続のすべてのシナリオに代えて、パフォーマンスを完結させるために予備シナリオを利用する、
ことを特徴とする請求項33に記載のロボット装置の制御方法。 - 前記統括制御ステップでは、ある1つのシナリオにおいて異常事態が発生した場面に応じた予備シナリオを利用する、
ことを特徴とする請求項33に記載のロボット装置の制御方法。 - 前記統括制御ステップでは、前記動作フィールド上の各ロボット装置との時刻同期を獲得し、各配役のロボット装置がそれぞれの動作計画を該時刻に合わせて同期協調的に実行するように制御する、
ことを特徴とする請求項28に記載のロボット装置の制御方法。 - 前記統括制御ステップは、前記監視手段により得られた各ロボット装置の位置及び方向に関する情報を基に、前記動作フィールド上での各ロボット装置の位置及び方向を画面表示する現在状態表示ステップを有する、
ことを特徴とする請求項29に記載のロボット装置の制御方法。 - 前記現在状態表示ステップでは、各ロボット装置の動作計画上の目標位置及び方向と前記監視ステップにおいて得られた現実の位置及び方向の偏差を提示する、
ことを特徴とする請求項38に記載のロボット装置の制御方法。 - 各ロボット装置は1以上の転倒動作を備え、
前記統括制御ステップでは、前記干渉領域を転倒領域に持ち若しくは前記干渉領域を転倒方向とする転倒動作の使用を禁止する、
ことを特徴とする請求項28に記載のロボット装置の制御方法。 - 前記統括制御ステップは、過去に行なったロボット装置の動作に基づいて当該ロボットの運動特性を算出し、将来行なう動作計画を実行したときの計画値との偏差を当該ロボット装置の運動特性に基づいて予測する偏差予測ステップを有する、
ことを特徴とする請求項29に記載のロボット装置の制御方法。 - 前記偏差予測ステップは、過去一定期間t s 〜t m にモーションを実行したときに生じた誤差を観測するとともに、過去一定期間t s 〜t m に実行したモーションを要素運動毎に分割し要素運動毎に生じる誤差を推定し、以後t m 〜t e に至るまでの期間に実行するモーションを要素運動に分割し、これらの要素運動が持つ推定誤差を合計することにより、時刻t e における位置及び方向の目標値との偏差を推定する、
ことを特徴とする請求項41に記載のロボット装置の制御方法。 - 前記予測された偏差を画面表示する偏差予測表示ステップを有する、
ことを特徴とする請求項41に記載のロボット装置の制御方法。 - ロボット装置の前記動作フィールド上での軌道を表示する軌道表示ステップをさらに有する、
ことを特徴とする請求項28に記載のロボット装置の制御方法。 - 前記軌道表示ステップでは、Z軸を時間軸においた歩の軌道表示を行なう、
ことを特徴とする請求項44に記載のロボット装置の制御方法。 - 各ロボット装置の動作計画上の目標位置及び方向と前記監視ステップにおいて得られた現実の位置及び方向の偏差を補正する位置方向補正ステップをさらに有する、
ことを特徴とする請求項28に記載のロボット装置の制御方法。 - 前記位置方向補正ステップでは、動作計画を実行中のロボット装置の位置又は方向の誤差を当該動作計画内の既存の歩を用いて補正する補正計画を立てる、
ことを特徴とする請求項46に記載のロボット装置の制御方法。 - 前記位置方向補正ステップでは、ロボット装置が動作計画を実行していない場面を利用して、新たな1つ以上の歩を生成して位置方向の偏差を修正する移動計画を立てる、
ことを特徴とする請求項46に記載のロボット装置の制御方法。 - 複数のロボットが前記動作フィールドでシナリオを実行するマルチロボット環境下において、異常の程度に応じて定義される各異常状態に陥ったときに適当な修復処理を行なう異常処理ステップを有する、
ことを特徴とする請求項28に記載のロボット装置の制御方法。 - 前記異常処理ステップでは、1体のロボット装置だけで異常処理が完結する第1の異常状態において、当該ロボット装置についての異常処理を実行する、
ことを特徴とする請求項49に記載のロボット装置の制御方法。 - 前記異常処理ステップでは、前記マルチロボット全体に対して異常処理が必要な第2の状態において、前記動作フィールド内で動作するロボット装置間で配役の交代、前記動作フィールド内又は外で待機する予備ロボットの前記動作フィールドへの投入、又は前記マルチロボットにおけるフォーメーションの修正を行なう、
ことを特徴とする請求項49に記載のロボット装置の制御方法。 - 前記異常処理ステップでは、シナリオの一部が続行不可能となる第3の異常状態において、前記マルチロボットにおける全体フォーメーションの修正を行なう、
ことを特徴とする請求項49に記載のロボット装置の制御方法。 - 前記異常処理ステップでは、シナリオ全体が続行不可能な第4の異常状態において、シナリオの続行を停止する、
ことを特徴とする請求項49に記載のロボット装置の制御方法。
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