JPH05237783A - ロボット・システムにおいて空間情報を自動的にプログラムする方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 簡単でしかもフレキシブルなロボット・マニ
ピュレータをプログラムするシステムを提供する。 【構成】 基点２００及び基点に関して各モジュールに
対応する１又はそれ以上のフレーム点２１４，２１６，
２１８を規定することによりマニピュレータが相互作用
する機器からなる１又はそれ以上のモジュール間で機械
的マニピュレータ１１０が座標軸上の動作をなすように
プログラムする事を許容する機械的マニピュレータ１１
０のプログラム方法であり、フレーム点２１４，２１
６，２１８に結び付けられた各モジュールが次に識別さ
れ、各モジュールに関して事前にプログラムされたマニ
ピュレータ動作を記述するモジュールプログラムがアク
セスされる。最後に、基点２００と該モジュールの各フ
レーム点２１４，２１６，２１８間の一連の動作が規定
される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はロボット・システムに関
し、特にタスクを実行するようにロボット・システムを
プログラムする方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】伝統的な“組立てライン”のタスク以外
の課題にロボットを応用するには、この分野での重要性
を増している大量のプログラミングとフレキシビリティ
が必要である。本発明の出願人に譲渡され、本明細書に
参考文献として引用されているゴードン他の米国特許第
４，８４３，５５６号に記載されているように、ロボッ
ト、特に機械的マニピュレータを制御するには、通常は
最終ユーザーの習熟レベル以上の複雑なプログラミング
が必要である。その目的のため、ゴードン他の特許は、
例えば分析化学の実験室における一連の処理ステップを
自動化するために利用される、ロボット・マニピュレー
タ用のタスクを簡単にプログラムする動作制御システム
を開示している。ゴードン他の特許に開示されており、
本明細書で確定されているようなロボット・マニピュレ
ータ・システムは一連のステップを実行するために記憶
された情報を利用して動作する。従って、このようなロ
ボット・マニピュレータ・システムは、典型的には、命
令を受け、プログラムされたステップを実行するために
１又はそれ以上のコンピュータ及び／又はマイクロプロ
セッサを有している。

【０００３】ロボット・マニピュレータのプログラミン
グの専門家には公知であるように、空間的な動作を確定
するために１個の機器と関連する選択された点に関して
所与の動作を教え込むことができる。一般に、１又は更
にそれ以上の動作が各機器と関連し、“フレーム”内部
の動作として類別することができる。各フレームはフレ
ーム内の点をそこから確定できる基点、もしくはフレー
ム点を有している。そこで各フレーム点を他のフレーム
点に対して確定し、最終的には大域的もしくは普遍的基
点に対して確定することができる。例えば、試験管のラ
ックをロボット・マニピュレータに対して作業台上に置
くと、任意のフレーム点又はラック上の点に対する各試
験管の位置を示す座標から成るフレームを確定すること
ができる。基点に対するこれらのフレーム点の位置も確
定することができる。そうすると、試験管ラックを装填
又は取り出すようにマニピュレータをプログラムするこ
とは簡単である。しかし、ラックを作業台上の別の位置
に移動させる場合は、ラック上の任意のフレーム点の新
たな位置だけしか基点に対して確定する必要がない。フ
レーム内の相対動作の手順自体は変化しない。すなわ
ち、試験管相互間の間隔は固定された状態に留まる。
“スタックド・ユーザー・フレーム”と呼ばれる前述の
プログラミング手法の説明はプライス他の米国特許第
４，４５６，９６１号に記載されている。プライス他の
特許に開示されているように、教示用ペンダントを用い
て手動的に、又はプログラムされた命令を実行すること
によって、マニピュレータがフレーム点の位置にくるま
で、マニピュレータを点相互間で移動させることができ
る。

【０００４】フレキシブルな用途環境で使用されるロボ
ット・マニピュレータのプログラミングを簡単にする別
の方法は、ブートの米国特許第４，６８９，７５５号及
びハッチンス他の米国特許第４，８３５，７１１号公報
に記載されている。開示されたこのシステムでは、物理
的に分離、接続可能であるモジュールに特定の命令及び
データがプログラムされる。次に、特定のモジュールが
ある位置に物理的に“プラグ・イン”されると、中央処
理装置がアクセスし、予めプログラムされた手順を開始
することができる。このように、開始命令が付与される
と、各モジュールが特定の手順ステップを実行し、マニ
ピュレータと相互作用するように、各モジュールは独自
の“インテリジェンス”を備えている。ハッチンス他の
特許で説明されているように、ロボット制御装置は、シ
ステムを作成するために接続可能である各々の物理的
“セグメント”へとプログラムされた情報から直接的に
命令を導出する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、これらの利点
があるにも係わらず、ロボット・システムのプログラミ
ングを更に簡略化する必要性は残る。プログラミングの
困難さの度合いが低くなる程、より多くの最終ユーザー
が次第に広がるタスクの配列にロボットを応用すること
ができるようになる。しかし、同時にシステムのフレキ
シビリティを損なうことなく、ロボット・マニピュレー
タのプログラミングの簡略性を高めることが望ましい。
簡略化は、特定の命令を相互に分類し、それらを“より
高い”レベルのプログラム言語を作成するために再構成
するだけで簡単に達成できる。しかし、このような解決
によっては最終ユーザーがアクセスできず、又は理解で
きない低レベルの言語に頼らずに変更のできない、フレ
キシビリティがないシステムしか構成できない。従って
本発明の課題は簡単でしかもフレキシブルなロボット・
マニピュレータをプログラムするシステムを提供するこ
とである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、マニピュレー
タが相互に作用する１又はそれ以上の機器、例えば化学
てんびんや試験管ラックや臨界超過の液体抽出器具のよ
うな器具からなる１又はそれ以上のモジュールに位置す
る基点とフレーム点との間の座標軸上の動作を実行する
ように、機械的マニピュレータをプログラミングする方
法を提供するものである。本発明の方法は、好ましく
は、モジュール上に物理的に位置していることが好まし
い各モジュールに関連する基点と１又はそれ以上のフレ
ーム点とを確定することによって構成される。これらの
フレーム点は更に基点に対しても確定される。次に各モ
ジュールが識別され、各モジュールに関連する予めプロ
グラムされたマニピュレータの動作を記述する記憶され
た情報がアクセスされる。最後に、各モジュールのフレ
ーム点相互間の一連の動作が確定され、マニピュレータ
の経路を制御するプログラムを作成するためにアクセス
された情報が処理される。本発明の特定の実施例では、
フレーム点は教示用ペンダントを使用してマニピュレー
タを点に移動することによって確定される。教示用ペン
ダントを用いてフレーム点を精密に位置合わせすること
ができるように、マニピュレータ及び／又はモジュール
に特別のアダプタを挿入することが好ましい。本発明の
別の実施例では、点を記述するデータを機械的マニピュ
レータを制御する記憶装置に直接入力することによって
フレーム点を確定することができる。あるいは、フレー
ム点を自動的に検出し、フレーム点の位置を記述するデ
ータを記録することによってフレーム点を確定すること
もできる。フレーム点の検出は、光線又はその他の電磁
エネルギの検出、又はフレーム点を囲む電界強度の検出
を含む多くの異なる技術を利用して達成することができ
る。更に、フレーム点の位置を自動的に検出する機能は
音響反射センサ又は触覚センサのような別の手段によっ
ても達成することができる。特定の実施例では、フレー
ム点の自動的な検出はマニピュレータの動作によっての
み行われ、一方、別の実施例ではフレーム点の検出はマ
ニピュレータがフレーム点の近似位置に移動した後に初
めて開始される。

【０００７】本発明は更にマニピュレータが相互作用す
る１又はそれ以上の機器からなる１又はそれ以上のモジ
ュール相互間を移動するように機械的マニピュレータを
プログラムする方法を開示するものである。本発明に従
って使用されるモジュールはモジュール・プログラムに
よって確定される一連のマニピュレータの動作を必要と
する。各モジュールの位置は基点に対するモジュールの
フレーム点の位置によって確定される。好ましい実施例
では、プログラミングの方法は各モジュール及びそれら
に対応するモジュール・プログラムを表すプログラミン
グ要素を作成するステップから成っている。プログラミ
ング要素は単一の命令、コンピュータ・プログラムの一
部、又は最も好ましくはモジュール・プログラムを表す
アイコンであることができる。次に基点フレーム点が確
定され、好ましい実施例では、マニピュレータが相互作
用する所望のモジュールを表すためにアイコンが選択さ
れる。次に、選択されたモジュールのそれぞれのモジュ
ール・フレーム点が基点に対して確定され、プログラム
が完了する。マニピュレータが妨害に遭遇することな
く、そこから１又はそれ以上の方向に移動可能である点
として確定される安全点にマニピュレータが配置される
ことにおいて各モジュール・プログラムが開始及び終了
されることが好ましい。しかし、ある実施例ではこのよ
うな機構を採用することは実際的ではない。このような
場合は、モジュールのフレーム点の各々の間のマニピュ
レータの経路は手動的に確定される。

【０００８】

【実施例】図１を参照すると、自動化された分析化学用
作業台１００の斜視図が図示されている。トラック１０
２はロボット・マニピュレータ１１０が該トラックの縁
部に沿って移動できるように作業台１００に取付けられ
ている。ロボットマニピュレータ１１０は１又はそれ以
上の回転継ぎ手で移動できるか、ある程度のその他の自
由度を備えていることが好ましい。更に、マニピュレー
タ１１０の末端は操作する対象５０を有効に把持できる
ように末端エフェクタもしくは把持器１１２で終端して
いることが好ましい。ロボットマニピュレータ１１０及
び末端エフェクタもしくは把持器１１２の設計上の構成
は公知である。本発明はほとんど全てのマニピュレータ
／末端エフェクタの設計に利用できることに留意された
い。本発明の代表的な用途では、ロボットマニピュレー
タ１１０は他の部品と並んで機器、材料又は装置の一部
を含む１又はそれ以上の“モジュール”と相互作用す
る。各モジュールはその単数又は複数のフレーム点に対
する一連の動作を記述する予めプログラムされた命令の
セットと関連している。従って、ユーザーはモジュール
を特定するためにモジュール・フレーム点及びモジュー
ル“命令”をプログラムするだけでよい。図１に示した
例では、作業台１００に沿って間隔を隔てた３個のモジ
ュールがある。すなわち、てんびん１１４と、試験管ラ
ック１１６と臨界超過の液体抽出器具１１８である。通
常の専門家には理解されるように、実際の分析化学手順
を自動化するために他のモジュール又は付加的なモジュ
ールを備えることができ、前記のモジュールは例示した
にすぎないことが理解されよう。このように、例えば試
験管ラック１１６を空にするために、ラックのフレーム
点が確定された後、ユーザーが“ＥＭＰＴＹ−ＲＡＣＫ
（ラックを空にせよ）”のような記述的な命令をプログ
ラムするだけで、モジュール・プログラムと関連する予
めプログラムされたステップが実行され、それによって
マニピュレータ１１０は各試験管をラック１１６から取
り出す。

【０００９】本発明に従って、各モジュール１１４，１
１６，１１８はモジュール上に、又はこれと近接して物
理的に配置された１又はそれ以上のモジュール・フレー
ム点の位置によって確定される。これらのフレーム点は
例えば、図示のように作業台１００の隅の基点２００に
対して規定される。本発明の特定の実施例では、ロボッ
ト・マニピュレータ１１０及びモジュールは内部に精密
な格子状の穴を形成したプラットフォーム上に載置され
る。好ましくは特定の穴又は穴の群にピン又はその他の
止め具を配置することによって、これらの穴の一つを基
点２００として選択することができる。モジュールの一
つが移動したり交換されるた場合、必要な再プログラミ
ングはそのモジュールの新たな、もしくは変更されたフ
レーム点を再規定することだけである。この分野では公
知である位置エンコーダ及び校正技術によって、ロボッ
ト・マニピュレータ１１０は継ぎ手の変位を判定するこ
とにより絶対位置と相対位置の双方を測定することがで
きる。非回転継ぎ手を備えたマニピュレータの場合は、
マニピュレータの位置を判定するために別の種類のエン
コーダを利用することができる。

【００１０】上記のように、てんびん１１４の場合は、
試験管５０を受理する円筒状の穴の中心軸に沿って配向
された単一のフレーム点２１４を確定することが好まし
い。しかし、臨界超過液体抽出器具１１８又は試験管ラ
ック１１６のような器具の場合は、基準フレーム面を確
定するために３つ、又はそれ以上のフレーム点２１８，
２１６を確定することが好ましい。モジュールへのアク
セス又はモジュール内の動作が１又はそれ以上の面と関
連していて、位置合わせの問題が生ずる場合があるとき
には、複数のフレーム点を用いることが重要である。臨
界超過の液体抽出器具１１８の場合は、標本ガラス瓶
（図示せず）をアクセス・パネル１１９を通して挿入
し、その後、受理ポート（図示せず）へと下方に移動さ
せなければならない。場合によってはフレーム点の数は
任意であるが、モジュールに関連する器具の一部として
選択又は設計された、あらかじめ選択された点を利用し
てフレーム点を確定することが好ましい。最後に、ある
種の実施例では、単一のモジュールについて一つ以上の
フレームを確定することが必要である。特定のモジュー
ルの構造又は確定されたフレーム点の数に関わりなく、
基点２００とフレーム点との相対距離が正確に規定され
ている限り、その内部で実行される必要なステップの手
順は、更にプログラムしなくても記憶装置から呼び出す
ことができる。

【００１１】フレーム点は多くの方法で確定することが
できる。代表的には、ロボット・マニピュレータは、本
発明の出願人に譲渡され、本明細書に完全に再現されて
いると同様に組入れられたゴードン他の米国特許第４，
８０４，８９７号に記載されているような教示用ペンダ
ント１５０によって制御されることができる。教示用ペ
ンダントを使用することによって、マニピュレータ１１
０の種々の継ぎ手を起動し、フレーム点の位置へと移動
することができる。しかし、多くの動作に必要な精度は
移動される実際の対象を把持器に保持し、これを挿入又
は除去の点に移動することによっては達成し得ない。従
って、図２に示すように、本発明の特定の実施例では、
教示用ペンダントを用いたフレーム点の確定を容易にす
るために、特別に適応するようにされた把持器１１２、
把持される対象又は取付け具を備えることができる。把
持器１１２の場合は、把持器あご部１１３の中心軸を物
理的に確定するため、把持器あご部１１３を拡張し、点
まで届かせることができる。別の例では、図２に示すよ
うに、通常の把持器を使用するが、特別に適応するよう
にされた対象をその把持部分に配置することが望まし
い。例えば、サイズは試験管５０のサイズであるが、尖
端は試験管の中心線を指す円錐状の指針５２を有する特
別の取付け具である。ある実施例では、別の特別に適応
するようにされた物体をモジュール内に挿入することが
できる。例えば、図２に示すように、ラック位置及びそ
の上又は上方に配置された特別の円錐状の試験管キャッ
プ５４のような把持器である。この場合は、フレーム点
を精密に物理的に配置するために、前述のような特別の
把持器と組み合わせて、特別の取付け具をも使用するこ
とが望ましい。

【００１２】前述の本発明のプログラミング技術によっ
て更に、フレーム点をロボット・マニピュレータに自動
的に“教える”こともできる。本発明のこの側面では、
ロボットマニピュレータはフレーム点に“ホーム・イ
ン”し、その位置を自動的に精密に判定する。専門家に
は理解されるように、このようなシステムにはロボット
・マニピュレータに帰還信号を供給するための少なくと
も一個の能動センサが備えられている。例えば、各フレ
ーム点に反射性インジケータを配置し、例えば光電池の
ような適宜の発光／検出器によって検出されるように構
成することができる。このようにして、ユーザーはロボ
ット・マニピュレータをフレーム点の近傍の位置まで移
動させ、その後、フレーム点を自動的に精密に位置決め
できるように“自動フレーミング”モードを起動させ
る。場合によっては、センサがフレーム点の作業包絡線
全体を走査し、次にホーム・インしてそれらを記憶する
ことによって、自動フレーミングを完全自動化すること
ができよう。自動フレーミングに利用できる別の技術は
電界センサと電界発生源を備えることである。電界強度
は距離と反比例して変化するので、この技術はロボット
・マニピュレータを実際のフレーム点の近傍に確実に移
動させることができる利点を備えている。あるいは、こ
の機能を果たすために音響センサ又は力センサを使用す
ることもできる。本発明の別の有利な側面は、ロボット
・マニピュレータの経路内に“安全点”をプログラムす
ることができる能力である。その名称が示唆するよう
に、安全点とはロボットマニピュレータが特定の方向に
移動する前に復帰することができ、そこではマニピュレ
ータの後続の動作がモジュール又はその他の構造によっ
て妨害されない所定の位置のことである。安全点は一般
に、ロボットが妨害に遭遇することなく単一又は複数の
方向に移動できると判断された点である。このように、
本発明の好ましい実施例では、モジュール内に組み込ま
れたプログラムされた動作はロボットの作業包絡線内の
安全点で開始、終了される。従って、システムのユーザ
ーはモジュールの安全点を互いに連結することによって
簡単に、タスクを実行するプログラムを作成することが
できる。本発明の最も好ましい実施形態では、システム
のソフトウェアは互いに連結された各モジュールを表す
画像（アイコン）を生成し、組立てられたモジュール
と、ロボット・マニピュレータが移動する順序を表す画
像を生成する。安全点を利用することによってマニピュ
レータが“破壊”されないことが保証さるので、最終ユ
ーザーには利用できる選択枝が残されるにせよ、なんら
かの低レベルのプログラミングを行う必要がなくなる。
本発明のこの実施例は前述のフレーミングのコンセプト
を組み入れており、モジュール・フレームに組み込まれ
たプログラミングをフルに活用している。このような実
施例では、最終ユーザーはモジュールと、それらのアイ
コンとの相関関係を知るだけでよい。アイコンは所望の
動作パターン、例えば分析化学の“方法”を作成するよ
うに組立てられ、その結果、マニピュレータはこれらの
ステップを実行するように“プログラム”される。それ
以上の特別のプログラミング言語又は概念の知識は必要
ない。

【００１３】本発明によって最終ユーザーがフレーム点
を確定したモジュール内の動作をプログラムする必要が
実質的になくなる。この特徴によって、他方ではモジュ
ール内のプログラムはメーカー又はディーラーによって
行われるので、最終ユーザーによるプログラム・ミスの
数が減少する。しかし、本発明の重要な利点は特定の用
途でのプログラム開発に要する時間が大幅に短縮され、
最終ユーザーはここに開示するロボット・システムの有
用性を実験し、展開してみることができることである。

【００１４】本発明によって更に、ロボットマニピュレ
ータは妨害に遭遇するとそれを認識し、この状態から回
復することができる。従来には、マニピュレータが何ら
かのかたちで妨害されると、マニピュレータへの電力が
遮断される命令が発された。しかし、マニピュレータが
電力の損失により落下するおそれがある危険な物質を搬
送している場合は、それによって被害が生ずることがあ
る。この問題を解決する方法の一つはこのような電力損
失の間、ロボットを所定位置に保持する機械的な落下防
止プレーキを使用することであった。しかし、この解決
方法は本発明が適用されるクラスのロボット用にはかさ
ばり、コストが高い。従って、本発明の別の側面におい
て、エラー状態を検出すると、即座にマニピュレータへ
の電力を遮断するのではなく、約１０分の１秒だけマニ
ピュレータの継ぎ手を弛め、その後、その位置に保持す
る命令を発することが可能であることが明らかになって
いる。この手順によってマニピュレータによって加わる
圧力が除去され、同時にそれが搬送している任意の標本
を保持し続けることができる。

【００１５】好ましい実施例では、マニピュレータが妨
害にぶつかると、エラー状態が制御装置に報告される。
制御装置は自動的にサーボに対して元の行き先への移動
を停止し、現在位置を最終的行き先として扱うように命
令する。この命令によってマニピュレータの継ぎ手は瞬
時の間だけ弛められ、サーボは現在位置に移動し、それ
が制御装置にマニピュレータの現在位置として報告され
る。マニピュレータはこの時点でもなお機能している
が、安全が回復される。次のこの動作が主コンピュータ
に報告され、ユーザーにこの状態が報知される。

【００１６】従って前述の本発明のモジュラ・プログラ
ミングによって、安全点を確定することができ、最も好
ましくはマニピュレータを安全点間で移動させる。しか
し、前述したように、これらの場合は、マニピュレータ
がプログラミング・エラー又は外部からの介入によって
物体に衝突した場合に、エラー回復安全機構によってこ
のようなエラーによる破局が根本的に除去される。

【００１７】これまで本発明の特定の実施例を説明して
きたが、これらの実施例は本発明を例示するためであ
り、その範囲を限定するものではない。専門家は前述の
概念の多くの修正と変更が可能であることを明確に理解
するであろう。例えば、本明細書で説明したフレーミン
グ技術は分析化学の分野以外の多くの用途に適してい
る。従って、本発明の全範囲を規定するには、特許請求
の範囲を参照されたい。

【００１８】

【発明の効果】本発明のロボット・システムにおいて空
間情報を自動的にプログラムする方法によれば、システ
ムのフレキシビリティを損なうことなくプログラミング
を簡略化でき、また、マニピュレータが障害物により破
壊されることもなく、最終ユーザが容易に動作させ得
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 分析化学の実験室の作業台の一部として配列
されたロボット・マニピュレータ及び関係する制御機器
の透視図である。

【図２】 本発明の特定の実施例に用いられる修正され
た把持器及び試験管アダプタの部分透視図である。

【符号の説明】

５０ 試験管 １００ 分析化学用作業台 １１０ ロボット・マニピュレータ １１２ 把持器 １１３ 把持器あご部 １１４ てんびん １１６ 試験管ラック １１８ 臨界超過液体抽出器具 ２００ 基点 ２１４，２１６，２１８ フレーム点

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョン・エス・ポール アメリカ合衆国ペンシルベニア州19350ラ ンデンバーグ，ロード４−265ビー (72)発明者 ガリー・ビー・ゴードン アメリカ合衆国カリフォルニア州95070サ ラトガ，バンク・ミル・ロード・21112 (72)発明者 ギルバート・シーガル アメリカ合衆国デラウェア州19707ホッケ シン，ウィンディング・ヒル・ドライヴ・ 34 (72)発明者 フィリップ・ビー・ファーマン アメリカ合衆国デラウェア州19809ウィル ミントン，ロア・アヴェニュー・714

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マニピュレータが相互に作用する１又は
   それ以上の機器からなる１又はそれ以上のモジュール間
   で座標軸上の動作を行う機械的なマニピュレータをプロ
   グラムする方法において、 基点位置を確定し、 該基点位置に関する前記各モジュールの１又はそれ以上
   のフレーム点を確定し、 該各モジュールを識別し、 該モジュール及び前記確定されたフレーム点のそれぞれ
   に関係して事前にプログラムしたマニピュレータ動作を
   記述する記憶された情報にアクセスし、 前記基点と前記モジュールの前記各フレーム点との間の
   一連の動作を確定してアクセスした記憶情報を用いるこ
   とを特徴とする方法。