JP7435814B2 - 時相論理式生成装置、時相論理式生成方法及びプログラム - Google Patents
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Description
ロボットの作業に関する目標状態における物体間の関係を表す物体間関係情報に基づき、前記関係が規定された物体の組の各々について前記目標状態における関係を表す時相論理式である目標関係論理式を生成する目標関係論理式生成手段と、
前記目標関係論理式を統合した時相論理式を生成する目標関係論理式統合手段と、
を有する時相論理式生成装置である。
コンピュータにより、
ロボットの作業に関する目標状態における物体間の関係を表す物体間関係情報に基づき、前記関係が規定された物体の組の各々について前記目標状態における関係を表す時相論理式である目標関係論理式を生成し、
前記目標関係論理式を統合した時相論理式を生成する、
時相論理式生成方法。
ロボットの作業に関する目標状態における物体間の関係を表す物体間関係情報に基づき、前記関係が規定された物体の組の各々について前記目標状態における関係を表す時相論理式である目標関係論理式を生成し、
前記目標関係論理式を統合した時相論理式を生成する処理をコンピュータに実行させるプログラムである。
(1)システム構成
図1は、第1実施形態に係るロボット制御システム100の構成を示す。ロボット制御システム100は、主に、ロボットコントローラ1と、記憶装置4と、ロボット5と、計測装置7と、を備える。ロボット制御システム100は、物体間の接合(接触を含む、以下同じ)又は接合解除の少なくともいずれかを伴うタスクを、ロボット5により好適に実行する。
図2は、ロボットコントローラ1のハードウェア構成を示す。ロボットコントローラ1は、ハードウェアとして、プロセッサ11と、メモリ12と、インターフェース13とを含む。プロセッサ11、メモリ12及びインターフェース13は、データバス10を介して接続されている。
次に、アプリケーション情報記憶部41が記憶するアプリケーション情報のデータ構造について説明する。
次に、ロボットコントローラ1の処理概要について説明する。概略的には、ロボットコントローラ1は、接合・解除を伴う目的タスクにおいて、予め定義された物体間関係及びスキル情報等に基づき、目的タスクにおいて満たすべき制約条件及び評価関数を設定し、最適化処理を行うことで、制御指令S1を生成する。これにより、ロボットコントローラ1は、接合・解除を伴う目的タスクに対するロボット5の動作計画を好適に策定し、目的タスクを実行するようにロボット5を好適に制御する。
まず、抽象状態設定部31により取得される物体間関係情報Irについて具体的に説明する。
Eij=(pi,pj,RPAij,way)
「物体piに対して物体pjは、相対位置姿勢RPAijにおいて方法wayにより接合・解除されている」
ことを示す。なお、解除の場合には、相対位置姿勢RPAijはEijにおいて指定されなくともよい。
RPAij=(rpij,rRij)
ただし、座標系ΣiおよびΣjはそれぞれ物体pi,pjのどこか一点に取り付けられた座標系であり、物体pi,pjと共に移動するものである。なお、相対姿勢ベクトルはオイラー角やクォータニオンを利用した形で表現されてもよいし、姿勢を表す回転行列の列ベクトルを連結したベクトルとして表現されてもよい。
EAB=(pA,pB,(rpAB,rRAB),put_on)
X=[Xo T,Xh T,Xe T]T
Xh=[Xh,1 T,…,Xh,Nh T]T
Xe=[Xe,1 T,…,Xe,Ne T]T
次に、ダイナミクス・拘束力設定部32が実行する処理の詳細について説明する。ダイナミクス・拘束力設定部32は、抽象状態ベクトルXを定義した抽象空間において生じる拘束の定義を行い、接合・解除に関する抽象空間のダイナミクスを設定する。
p・ y,hi-p・ y,oj=-(py,hi-py,oj)
p・ z,hi-p・ z,oj=-(pz,hi-pz,oj)
Λ=[λT h1,o1,…,λT eNe,w]T
Call=[CT h1,o1,…,CT eNe,w]T
Gall=[GT h1,o1,…,GT eNe,w]T
ここで上付きの「T」は行列の転置を表すとする。また、「H」は対角要素に各拘束スイッチ変数をもつ以下の対角行列を表す。
H=blkdiag(ηh1,o1 Inh1,o1,…,ηeNe,w IneNe,w)
ただし、「blkdiag」はブロック対角行列を生成する関数であり、「In」は「n」行「n」列の単位行列を表す。また、「nhi,oj」は各拘束力ベクトル「λhi,oj」の要素数を表すとする。そして、ダイナミクス・拘束力設定部32は、定義したこれらの要素を用いて、接合・解除に関する抽象空間のダイナミクスを表すモデルであるシステムモデルMbを設定する。システムモデルMbは、例えば、以下に示される、ダイナミクスを表す差分方程式と、拘束式とにより表される。
H[k](CallX[k+1]-Gall(X[k]))=0
まず、目標関係統合論理式φ1の生成方法について説明する。目標論理式生成部33は、物体間関係情報Irと、ダイナミクス・拘束力設定部32が設定したシステムモデルMbとに基づき、物体同士の接合・解除に関する目標関係統合論理式φ1を生成する。
ON :ηs≧ε
OFF:ηs<ε
この表現を用いた場合、物体間関係情報Irにおいて関係が示されている物体oiと物体ojとの接合関係を表す目標関係論理式φeは以下のように表すことができる。
φ2=□(Ao(X)≧0) 又は φ2=□¬(Ao(X)<0)
(8-1)スキル情報のデータ構造
まず、スキル利用設定部34が参照するスキルデータベースI4に含まれるスキル情報のデータ構造について説明する。
(way,χs -,χs +,ts,Js,ψs,fs,Γs)
way:スキル識別ラベル
χs -:スキルの実行可能状態集合
χs +:スキル実行後の状態集合
ts:スキルの所要時間長
Js:スキルに設定するコスト
ψs:スキルの実行に伴う抽象空間での動作指令
fs:軌道生成関数
Γs:軌道生成関数に基づく軌道を実現するための制御器
x(t)=fs(t,x0), t∈[0,ts]
u=Γs(t,x)
次に、スキル情報を用いたスキル利用設定部34の処理の詳細について説明する。図7は、スキル利用設定部34の機能的なブロック図を示す。図7に示すように、スキル利用設定部34は、機能的には、スキル情報取得部341と、スキルタプル生成部342と、スキル利用動作指令生成部343と、スキル利用評価関数生成部344とを有する。また、図8は、スキル利用設定部34が実行するフローチャートの一例である。ここで、スキル情報取得部341は、ステップS11の処理を行い、スキルタプル生成部342は、ステップS12の処理を行い、スキル利用動作指令生成部343は、ステップS13の処理を行い、スキル利用評価関数生成部344は、ステップS14の処理を行う。
次に、ステップS13において生成するスキル利用動作指令φ3について具体的に説明する。
(B)スキルに定義された動作指令ψs及び所要時間長tsに沿って、抽象空間における状態をスキル実行後の状態集合χs +へ移動
(C)状態がスキル実行後の状態集合χs +に到達した場合、実行したスキルに対応する拘束スイッチ変数ηsをOFFからONの値へ変更.かつ,スキル入力usはスキル入力をONにした時刻ステップの次の時刻ステップにおいてONからOFFの値へ変更する。
(E)スキルに定義された動作指令ψs及び所要時間長tsに沿って状態をスキル実行後の状態集合χs +へ移動
(F)状態がスキル実行後状態集合χs +に到達した場合、実行したスキルに対応する拘束スイッチ変数ηsをONからOFFの値へ変更、かつ,スキル入力usはスキル入力をONにした時刻ステップの次の時刻ステップにおいてONからOFFの値へ変更する。
φ3=φ31∧φ32∧φ33
φ3=φ31∧φ32
次に、スキル利用評価関数生成部344によるスキル利用評価関数Fsの生成について具体的に説明する。スキル利用評価関数生成部344は、生成したスキルタプルに対応するスキル情報Isnに含まれるコストJsを反映したスキル利用評価関数Fsを設定する。ここで、スキル利用評価関数Fsは、例えば、生成されたスキルタプルに対応するコストJsとスキル入力usを引数とする関数である。スキル利用評価関数Fsの具体的な形状については、目的タスクに応じて予め設定される。
最適化処理部35は、システムモデルMb、目標関係統合論理式φ1及び一般目標論理式φ2、スキル利用評価関数Fs及びスキル利用動作指令φ3を用いて、評価関数Jを最小化する軌道計画問題である最適化問題を構成する。そして、最適化処理部35は、構成した最適化問題を解くことによって最適な目標軌道を表す変数列Zを算出する。この場合、最適化処理部35は、以下の式(6)に示す最適化問題を構成する。
制御指令生成部36は、最適化処理部35が算出した変数列Zから、抽象空間の状態軌道を表す状態列X[k]及び時系列のスキル入力を表すスキル入力列Us[k]を抽出する。そして、制御指令生成部36は、状態列X[k]と、スキル入力列Us[k]と、スキル情報Isnとに基づき、実際のロボットシステムにおいてスケジューリングされた制御器に相当する制御指令S1を生成する。
第1部分列(Idx=0→1):{X[0],X[1]}
第2部分列(Idx=1→0):{X[1],X[2],X[3],X[4]}
第3部分列(Idx=0→2):{X[4],X[5],X[6],X[7]}
第4部分列(Idx=2):{X[7],X[8],X[9]}
図12は、ロボットコントローラ1が実行するロボット5の動作計画に関する処理手順を示すフローチャートの一例である。
次に、第1実施形態におけるロボット制御システム100に基づく技術的効果について補足説明する。
図13は、第2実施形態における時相論理式生成装置1Xの概略構成図を示す。時相論理式生成装置1Xは、主に、目標関係論理式生成手段331Xと、目標関係論理式統合手段332Xとを有する。なお、時相論理式生成装置1Xは、複数の装置から構成されてもよい。時相論理式生成装置1Xは、例えば、第1実施形態におけるロボットコントローラ1とすることができる。
図15は、第3実施形態における動作指令生成装置1Yの概略構成図を示す。動作指令生成装置1Yは、主に、スキル情報取得手段341Yと、スキルタプル生成手段342Yと、スキル利用動作指令生成手段343Yとを有する。なお、動作指令生成装置1Yは、複数の装置から構成されてもよい。動作指令生成装置1Yは、例えば、第1実施形態におけるロボットコントローラ1とすることができる。
1X 時相論理式生成装置
1Y 動作指令生成装置
4 記憶装置
5 ロボット
7 計測装置
41 アプリケーション情報記憶部
100 ロボット制御システム
Claims (9)
- ロボットの作業に関する目標状態における物体間の関係を表す物体間関係情報に基づき、前記関係が規定された物体の組の各々について前記目標状態における関係を表す時相論理式である目標関係論理式を生成する目標関係論理式生成手段と、
前記目標関係論理式を統合した時相論理式を生成する目標関係論理式統合手段と、
を有する時相論理式生成装置。 - 前記物体間関係情報は、前記目標状態における物体間の接触、接合、又はこれらの解除に関する関係を表し、
前記目標関係論理式生成手段は、前記目標状態における接触、接合、又はこれらの解除に関する前記関係を表す時相論理式を、前記目標関係論理式として生成する、請求項1に記載の時相論理式生成装置。 - 前記目標関係論理式生成手段は、前記組を構成する物体間の拘束の有無を表す論理式を含む前記目標関係論理式を生成する、請求項1または2に記載の時相論理式生成装置。
- 前記物体間関係情報は、前記目標状態における物体間の相対位置関係に関する情報を含み、
前記目標関係論理式生成手段は、前記相対位置関係を満たす拘束式を表す論理式を含む前記目標関係論理式を生成する、請求項1~3のいずれか一項に記載の時相論理式生成装置。 - 作業空間に存在する物体の抽象状態を設定する抽象状態設定手段をさらに有し、
前記目標関係論理式生成手段は、前記抽象状態における拘束式を表す論理式を含む前記目標関係論理式を生成する、請求項1~4のいずれか一項に記載の時相論理式生成装置。 - 前記ロボットの作業に関する制約条件及び評価関数を用いた最適化により前記ロボットの動作計画を決定する最適化処理手段をさらに有し、
前記目標関係論理式を統合した時相論理式は、前記制約条件又は前記評価関数の生成に用いられる、請求項1~5のいずれか一項に記載の時相論理式生成装置。 - 前記動作計画として前記最適化処理手段が生成した前記ロボットの目標軌道に基づき、前記ロボットに対する制御指令を生成する制御指令生成手段をさらに有する、請求項6に記載の時相論理式生成装置。
- コンピュータが、
ロボットの作業に関する目標状態における物体間の関係を表す物体間関係情報に基づき、前記関係が規定された物体の組の各々について前記目標状態における関係を表す時相論理式である目標関係論理式を生成し、
前記目標関係論理式を統合した時相論理式を生成する、
時相論理式生成方法。 - ロボットの作業に関する目標状態における物体間の関係を表す物体間関係情報に基づき、前記関係が規定された物体の組の各々について前記目標状態における関係を表す時相論理式である目標関係論理式を生成し、
前記目標関係論理式を統合した時相論理式を生成する処理をコンピュータに実行させるプログラム。
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