JP6329149B2 - ロボットセンサ一貫性の監視 - Google Patents
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Description
本出願は、2012年8月28日に出願された米国仮出願61/693,981号に対して優先権、およびその権利を主張する。上記文献は、その全体として参照することによって本明細書において援用される。
本発明は、特に、センサ故障条件下における、ロボット動作の安全性に関する。
産業ロボットは、多くの場合、大きくて重い物体を移動させる、強力なアクチュエータを有し、センサ測定値(例えば、エンコーダ、位置センサ、トルクセンサ等)からのフィードバック下で制御される。センサが故障する場合、ロボットは、制御不能となり、高速かつ危険なロボット移動をもたらし得る。故に、いかなるセンサ故障も検出し、適切な二重安全手順を始動させ、必要に応じて、ロボットのシャットダウンを始動させることが重要である。
本発明は、1つ以上の制約に基づいて、相互一貫性に関して、異なる測定された数量に対応するロボットセンサ示度値を監視するためのシステムおよび方法を提供する。制約は、監視されている物理的システムのモデル(または、一式のモデル)によって決定付けられ、それぞれ、2つ以上の物理量間の関係を具現化し、これらの物理量の測定値は、適宜、これらの制約に従わなければならない。本アプローチは、センサ冗長性の必要性を回避し、同一の数量の複数の従属センサ示度値に関連する検出漏れを排除し、他のセンサ示度値とのその非一貫性に基づいて、個々に、疑わしくないかどうかについて、正しくないセンサ示度値の検出を促進する。さらに、適切に機能しているセンサにもかかわらず、制約違反を生じさせる、監視されるシステム自体に関する問題の検出も可能にする。
例えば、本願は以下の項目を提供する。
(項目1)
センサ故障に関してロボットを監視する方法であって、前記ロボットは、(i)モータと、ギヤボックスと、負荷に接続され、前記モータおよび前記ギヤボックスと関連付けられた直列ばねとを備える、直列弾性アクチュエータと、(ii)複数の個別の物理量を測定することによって、前記ロボットの状態またはアクションを監視するための複数のセンサとを備え、前記方法は、
前記複数のセンサの示度値を相互に関連させる少なくとも1つの制約を確立することであって、前記少なくとも1つの制約は、前記モータおよび前記直列ばねと関連付けられた運動学制約、前記モータによって生成されるトルクおよび前記負荷の位置と関連付けられたトルク生成制約、前記モータ内への電流および前記モータによって生成される角速度と関連付けられた電圧速度制約、前記モータの温度および前記モータに送達される電力と関連付けられた熱応答制約、または前記負荷の角位置および前記負荷に印加されるトルクと関連付けられた負荷動特性制約のうちの少なくとも1つを含む、ことと、
前記少なくとも1つの制約の違反に関して前記複数のセンサ示度値を監視することと
を含む、方法。
(項目2)
前記少なくとも1つの制約を確立することは、少なくとも、前記ロボットのサブシステムをモデル化することを含む、項目1に記載の方法。
(項目3)
前記少なくとも1つの制約は、前記測定された物理量のうちの少なくともいくつか間の分析関係を含む、項目1に記載の方法。
(項目4)
前記分析関係は、代数方程式、微分方程式、または積分方程式のうちの少なくとも1つを含む、項目3に記載の方法。
(項目5)
前記少なくとも1つの制約は、前記測定された物理量のうちの少なくともいくつか間の数値関係を含む、項目1に記載の方法。
(項目6)
前記数値関係は、実験データに基づいて確立される、項目5に記載の方法。
(項目7)
前記少なくとも1つの制約の違反に関して前記センサ示度値を監視することは、
前記少なくとも1つの制約毎に違反閾値を設定することと、
前記センサ示度値に基づいて、前記少なくとも1つの制約と関連付けられた少なくとも1つの値を算出することと、
前記少なくとも1つの値をフィルタ処理することと、
前記少なくとも1つのフィルタ処理された値のそれぞれを前記個別の違反閾値に対して比較することと、
前記違反閾値が前記少なくとも1つの制約のいずれかに関して超えるとき、その制約の違反を宣言することと
を含む、項目1に記載の方法。
(項目8)
前記少なくとも1つの制約は、モデルに基づいて確立され、前記違反閾値は、少なくとも部分的に、前記モデルの忠実性に基づいて設定される、項目7に記載の方法。
(項目9)
前記違反閾値は、少なくとも部分的に、誤差に対する所望の感度に基づいて設定される、項目7に記載の方法。
(項目10)
前記少なくとも1つの値をフィルタ処理することは、前記少なくとも1つの値の時間平均を算出することを含む、項目7に記載の方法。
(項目11)
前記少なくとも1つの制約のいずれかの違反に応じて、安全シャットダウン手順を始動することをさらに含む、項目1に記載の方法。
(項目12)
前記少なくとも1つの制約のいずれかの違反に応じて、ロボット動作を停止させることをさらに含む、項目1に記載の方法。
(項目13)
前記少なくとも1つの制約のいずれかの違反に応じて、前記複数のセンサのうちの少なくともいくつかを再較正することをさらに含む、項目1に記載の方法。
(項目14)
前記少なくとも1つの制約のいずれかの違反に応じて、ロボットユーザに前記違反をアラートすることをさらに含む、項目1に記載の方法。
(項目15)
前記センサの異なるものは、異なる物理量を測定する、項目1に記載の方法。
(項目16)
前記少なくとも1つの制約は、複数の制約を含む、項目1に記載の方法。
(項目17)
前記複数の制約は、相互に独立する、項目16に記載の方法。
(項目18)
前記少なくとも1つの制約は、前記運動学制約、前記トルク生成制約、および前記電圧速度制約を含む、項目1に記載の方法。
(項目19)
ロボットであって、前記ロボットは、
モータと、ギヤボックスと、負荷に接続された直列ばねとを備える、直列弾性アクチュエータと、
前記直列弾性アクチュエータと関連付けられた複数の個別の物理量を測定し、それによって、前記ロボットの状態またはアクションを監視する、複数のセンサと、
前記複数のセンサの示度値を相互に関連させる少なくとも1つの制約の違反に関して、前記複数のセンサ示度値を監視することによって、センサ故障に関して前記ロボットを監視する、演算機器であって、前記少なくとも1つの制約は、前記モータおよび前記直列ばねと関連付けられた運動学制約、前記モータによって生成されるトルクおよび前記負荷の位置と関連付けられたトルク生成制約、前記モータ内への電流および前記モータによって生成される角速度と関連付けられた電圧速度制約、前記モータの温度および前記モータに送達される電力と関連付けられた熱応答制約、または前記負荷の角位置および前記負荷に印加されるトルクと関連付けられた負荷動特性制約のうちの少なくとも1つを含む、演算機器と
を備える、ロボット。
(項目20)
前記少なくとも1つの制約は、前記直列弾性アクチュエータのモデルに基づく、項目19に記載のロボット。
(項目21)
前記少なくとも1つの制約は、前記測定された物理量のうちの少なくともいくつか間の分析関係または前記測定された物理量のうちの少なくともいくつか間の数値関係のうちの少なくとも1つを含む、項目19に記載のロボット。
(項目22)
前記演算機器は、
前記センサ示度値に基づいて、前記少なくとも1つの制約と関連付けられた少なくとも1つの値を算出するための偏差算出モジュールと、
前記少なくとも1つの値をフィルタ処理するためのフィルタモジュールと、
前記少なくとも1つのフィルタ処理された値のそれぞれを、前記値が関連付けられた制約に対して設定された個別の違反閾値に対して比較するためのコンパレータモジュールと
を備える、項目19に記載のロボット。
(項目23)
前記少なくとも1つの制約は、モデルに基づいて確立され、前記違反閾値は、少なくとも部分的に、前記モデルの忠実性に基づいて設定される、項目22に記載のロボット。
(項目24)
前記違反閾値は、少なくとも部分的に、誤差に対する所望の感度に基づいて設定される、項目22に記載のロボット。
(項目25)
前記フィルタモジュールは、前記少なくとも1つの値を経時的に平均化する、項目22に記載のロボット。
(項目26)
前記演算機器は、前記少なくとも1つの制約のいずれかの違反に応じて、安全シャットダウン手順、ロボット動作の中断、前記複数のセンサのうちの少なくともいくつかの再較正、または前記ロボットのユーザへのアラートの発報のうちの少なくとも1つを生じさせるための故障応答モジュールを備える、項目19に記載のロボット。
(項目27)
前記センサの異なるものは、異なる物理量を測定する、項目19に記載のロボット。
(項目28)
前記少なくとも1つの制約は、相互に独立する複数の制約を含む、項目19に記載のロボット。
(項目29)
前記少なくとも1つの制約は、前記運動学制約、前記トルク生成制約、および前記電圧速度制約を含む、項目19に記載のロボット。
(項目30)
直列弾性アクチュエータと関連付けられた物理量を測定する複数のセンサを監視するためのコントローラであって、前記直列弾性アクチュエータは、モータと、ギヤボックスと、負荷に接続された直列ばねとを備え、前記コントローラは、
示度値を前記複数のセンサから受信するための信号入力ポートと、
前記複数のセンサの示度値を相互に関連させる少なくとも1つの制約を記憶するメモリであって、前記少なくとも1つの記憶された制約は、前記モータおよび前記直列ばねと関連付けられた運動学制約、前記モータによって生成されるトルクおよび前記負荷の位置と関連付けられたトルク生成制約、または前記モータ内への電流および前記モータによって生成される角速度と関連付けられた電圧速度制約のうちの少なくとも1つを含む、メモリと、
前記少なくとも1つの記憶された制約の違反に関して前記複数のセンサ示度値を監視するためのプロセッサと
を備える、コントローラ。
本発明は、センサ故障、またはいくつかの状況では、ロボット動作に関する問題を検出するように、センサの一貫性に関して、ロボットを監視するためのアプローチを提供する。図1Aは、これらのアプローチが採用され得る、例示的ロボット100を示す。図示される実施形態では、ロボット100は、ロボット本体104に接続された2つの付属肢102、すなわち、「ロボットアーム」と、画面106およびユーザ入力を促進する種々の機械的制御(ボタンおよびタッチパッド等)を含む、ユーザインターフェースとを含む。各付属肢102は、エンドエフェクタとしてそこに搭載された平行ジョーグリッパ112を伴う、リスト110を有する。図1Bは、ロボットアーム102の拡大図を提供する。アーム102は、集合的に、7自由度を提供する、1次元回転式関節116によって、直列に接続された7つの連結部114を含む。図1Bにおける矢印によって示されるように、各関節116は、角度が2つの連結部114間で変動することを可能にする(すなわち、連結部が連結部の軸と垂直な関節を通した軸の周囲を回転することを可能にする)、ヒンジとしての役割を果たすか、またはその中心軸(すなわち、その連結部の両端の関節を接続する軸)の周囲のより遠位の連結部114の回転を促進するかのいずれかを行う。当然ながら、描写されるロボット100は、特定の実施例の1つにすぎない。一般に、本明細書によるロボットは、例えば、2つより少ないまたはより多い付属肢、付属肢内の異なる数の連結部および関節、異なるタイプの関節(例えば、滑り関節、自在関節等)、異なるタイプのエンドエフェクタ(例えば、吸引グリッパ)、種々のロボット部品(本体および付属肢等)の全体的異なる構成等を含んでもよい。
運動学制約は、MAE216によって測定される負荷位置(θL)、モータホール(または、他の位置)センサ210によって測定されるモータ位置(θm)、およびSDS214によって(間接的に)測定されるトルク(τSEA)に関する。運動学制約のモデルパラメータは、ギヤ比(Gr)、システムの全体的剛性(keq)、およびギヤバックラッシュ(δBL)の量を含む。システムの剛性(keq)は、ばねの剛性(または、ばね定数)(kSEA)ならびにギヤ列の剛性(kgear)に依存する。直列配列では、2つの剛性の逆数が、単に、追加される。これらのシステムパラメータは、その設計から推測されるか、または特性評価実験を介して判定されるかのいずれかによって、SEAに関して既知である。
SDS(τSEA)によって感知される、モータによって生成されるトルクは、モータ(im)に駆動される電流、負荷の出力位置(θL)、および関節の近似二次動特性と一貫するはずである。本関係のモデルパラメータは、ギヤボックスの慣性(J)および有効粘性減衰(B)(ギヤ間の摩擦から生じる減衰)、直列ばねの剛性(kSEA)、ならびにモータトルク定数(kt)(入力電流をモータによって出力されるトルクに関連させる)およびギヤ比(Gr)を含む。
本制約は、モータに印加される電圧(Vm)、モータ内で測定される電流(im)、ならびにモータにおける電圧平衡に基づいて、モータの速度定数(ke)および角速度
一般に、ロボット関節アクチュエータ、すなわち、具体的には、SEAを駆動させるとき、モータの温度コイルを監視し、過熱を回避することが重要であって、そうでなければ、モータに恒久的損傷をもたらし得る。温度センサが適切に機能することを確実にするために、測定された温度(T)と、測定されたモータ電流(im)に基づいて算出される、モータに送達される電力の一貫性が、チェックされてもよい。故に、SEAモデルは、いくつかの実施形態では、本関係を捕捉する熱応答制約を含むように拡張される。熱応答制約は、例えば、モータの熱エネルギーの変化率が、その電気抵抗および環境への熱エネルギー損失のため、モータ内で消失される電気エネルギーの和に等しいことを要求し得る。本制約の単純一次近似値は、以下である。
本制約は、負荷の角位置(θL)を負荷に印加されるトルク(τL)に関連させ、アクチュエータ関節の出力における運動およびトルクが、関節の下流の負荷の動特性と一貫するはずであるという概念を捕捉する。負荷の動特性は、例えば、以下の二次モデルによって近似化されてもよい。
Claims (29)
- センサ故障に関してロボットを監視する方法であって、前記ロボットは、(i)モータと、ギヤボックスと、負荷に接続され、かつ、前記モータおよび前記ギヤボックスに関連付けられた直列ばねとを備える直列弾性アクチュエータと、(ii)複数のそれぞれの物理量を測定することによって、前記ロボットの状態または前記ロボットのアクションを監視するための複数のセンサとを備え、前記方法は、
前記複数のセンサの示度値を相互に関連させる少なくとも2つの制約を確立することであって、前記少なくとも2つの制約は、前記モータおよび前記直列ばねに関連付けられた運動学制約、前記モータによって生成されるトルクおよび前記負荷の位置に関連付けられたトルク生成制約、前記モータ内への電流および前記モータによって生成される角速度に関連付けられた電圧速度制約、前記モータの温度および前記モータに送達される電力に関連付けられた熱応答制約、または、前記負荷の角位置および前記負荷に印加されるトルクに関連付けられた負荷動特性制約のうちの少なくとも2つを含む、ことと、
前記少なくとも2つの制約のうちの任意の制約の違反に関して前記複数のセンサ示度値を監視することと
を含む、方法。 - 前記少なくとも2つの制約のうちの少なくとも1つの制約を確立することは、少なくとも、前記ロボットのサブシステムをモデル化することを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記少なくとも2つの制約のうちの少なくとも1つの制約は、前記測定された物理量のうちの少なくともいくつか間の分析関係を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記分析関係は、代数方程式、微分方程式、または、積分方程式のうちの少なくとも1つを含む、請求項3に記載の方法。
- 前記少なくとも2つの制約のうちの少なくとも1つの制約は、前記測定された物理量のうちの少なくともいくつか間の数値関係を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記数値関係は、実験データに基づいて確立される、請求項5に記載の方法。
- 前記少なくとも2つの制約のうちの少なくとも1つの制約の違反に関して前記センサ示度値を監視することは、
前記少なくとも2つの制約のうちの少なくとも1つの制約毎に違反閾値を設定することと、
前記センサ示度値に基づいて、前記少なくとも2つの制約のうちの前記少なくとも1つの制約に関連付けられた少なくとも1つの値を算出することと、
前記少なくとも1つの値をフィルタ処理することと、
前記少なくとも1つのフィルタ処理された値のそれぞれとそれぞれの違反閾値とを比較することと、
前記違反閾値が前記少なくとも2つの制約のうちの任意の制約に関して超えるとき、その制約の違反を宣言することと
を含む、請求項1に記載の方法。 - 前記少なくとも2つの制約のうちの少なくとも1つの制約は、モデルに基づいて確立され、前記違反閾値は、前記モデルの忠実性に少なくとも部分的に基づいて設定される、請求項7に記載の方法。
- 前記違反閾値は、誤差に対する所望の感度に少なくとも部分的に基づいて設定される、請求項7に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの値をフィルタ処理することは、前記少なくとも1つの値の時間平均を算出することを含む、請求項7に記載の方法。
- 前記少なくとも2つの制約のうち任意の制約の違反に応じて、安全シャットダウン手順を始動することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記少なくとも2つの制約のうちの任意の制約の違反に応じて、ロボット動作を停止させることをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記少なくとも2つの制約のうちの任意の制約の違反に応じて、前記複数のセンサのうちの少なくともいくつかを再較正することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記少なくとも2つの制約のうちの任意の制約の違反に応じて、ロボットユーザに前記違反をアラートすることをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記センサの異なるものは、異なる物理量を測定する、請求項1に記載の方法。
- 前記少なくとも2つの制約のうちの少なくとも1つの制約は、相互に独立する複数の制約を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記少なくとも2つの制約は、前記運動学制約、前記トルク生成制約、および前記電圧速度制約を含む、請求項1に記載の方法。
- ロボットであって、前記ロボットは、
モータと、ギヤボックスと、負荷に接続された直列ばねとを備える直列弾性アクチュエータと、
前記直列弾性アクチュエータに関連付けられた複数のそれぞれの物理量を測定し、それによって、前記ロボットの状態または前記ロボットのアクションを監視する複数のセンサと、
前記複数のセンサの示度値を相互に関連させる少なくとも2つの制約のうちの任意の制約の違反に関して、前記複数のセンサ示度値を監視することによって、センサ故障に関して前記ロボットを監視する演算機器であって、前記少なくとも2つの制約は、前記モータおよび前記直列ばねに関連付けられた運動学制約、前記モータによって生成されるトルクおよび前記負荷の位置と関連付けられたトルク生成制約、前記モータ内への電流および前記モータによって生成される角速度に関連付けられた電圧速度制約、前記モータの温度および前記モータに送達される電力に関連付けられた熱応答制約、または、前記負荷の角位置および前記負荷に印加されるトルクに関連付けられた負荷動特性制約のうちの少なくとも2つを含む、演算機器と
を備える、ロボット。 - 前記少なくとも2つの制約のうちの少なくとも1つの制約は、前記直列弾性アクチュエータのモデルに基づく、請求項18に記載のロボット。
- 前記少なくとも2つの制約のうちの少なくとも1つの制約は、前記測定された物理量のうちの少なくともいくつか間の分析関係または前記測定された物理量のうちの少なくともいくつか間の数値関係のうちの少なくとも1つを含む、請求項18に記載のロボット。
- 前記演算機器は、
前記センサ示度値に基づいて、前記少なくとも2つの制約のうちの少なくとも1つの制約に関連付けられた少なくとも1つの値を算出するための偏差算出モジュールと、
前記少なくとも1つの値をフィルタ処理するためのフィルタモジュールと、
前記少なくとも1つのフィルタ処理された値のそれぞれと、前記値が関連付けられた制約に対して設定されたそれぞれの違反閾値とを比較するためのコンパレータモジュールと
を備える、請求項18に記載のロボット。 - 前記少なくとも2つの制約のうちの少なくとも1つの制約は、モデルに基づいて確立され、前記違反閾値は、前記モデルの忠実性に少なくとも部分的に基づいて設定される、請求項21に記載のロボット。
- 前記違反閾値は、誤差に対する所望の感度に少なくとも部分的に基づいて設定される、請求項21に記載のロボット。
- 前記フィルタモジュールは、前記少なくとも1つの値を経時的に平均化する、請求項21に記載のロボット。
- 前記演算機器は、前記少なくとも2つの制約のうちの任意の制約の違反に応じて、安全シャットダウン手順、ロボット動作の中断、前記複数のセンサのうちの少なくともいくつかの再較正、または、前記ロボットのユーザへのアラートの発報のうちの少なくとも1つを生じさせるための故障応答モジュールを備える、請求項18に記載のロボット。
- 前記センサの異なるものは、異なる物理量を測定する、請求項18に記載のロボット。
- 前記少なくとも2つの制約のうちの少なくとも1つの制約は、相互に独立する複数の制約を含む、請求項18に記載のロボット。
- 前記少なくとも2つの制約は、前記運動学制約と前記トルク生成制約と前記電圧速度制約とを含む、請求項18に記載のロボット。
- 直列弾性アクチュエータに関連付けられた物理量を測定する複数のセンサを監視するためのコントローラであって、前記直列弾性アクチュエータは、モータと、ギヤボックスと、負荷に接続された直列ばねとを備え、前記コントローラは、
示度値を前記複数のセンサから受信するための信号入力ポートと、
前記複数のセンサの示度値を相互に関連させる少なくとも2つの制約を記憶するメモリであって、前記少なくとも2つの記憶された制約は、前記モータおよび前記直列ばねに関連付けられた運動学制約、前記モータによって生成されるトルクおよび前記負荷の位置に関連付けられたトルク生成制約、または、前記モータ内への電流および前記モータによって生成される角速度に関連付けられた電圧速度制約のうちの少なくとも2つを含む、メモリと、
前記記憶された少なくとも2つの制約のうちの任意の制約の違反に関して前記複数のセンサ示度値を監視するためのプロセッサと
を備える、コントローラ。
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