JPS635408A - ロボツトの適応制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔目　次〕 概要 産業上の利用分野 従来の技術 発明が解決しようとする問題点 問題点を解決するための手段（第１図）作用 実施例 （ａ）　　一実施例制御方法の説明 （第２図、第３図、第４図） （ｂ）　　一実施例制御量演算の説明 （第５図、第６図） （Ｃ）　　他の実施例の説明 発明の効果 〔概　要〕 ロボットの外的センサの出力により外的環境を把握して
ロボットを適応制御するロボットの適応制御方法におい
て、外的センサの出力を該ロボットのｎ次元作業空間に
対応する（ｎ＋１）次元の仮想空間の立体像として変換
し、仮想空間の状態から制御量を換算することによって
、簡単な手順で自律的な運動制御を行なわしめるもので
ある。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、外的センサによってロボットの外的環境を検
出し、ロボットの運動を自律的に適応制御するロボット
の適応制御方法に関し、特に単機能外的センサによる検
出出力によって容易に多次元情報を得て制御することの
できるロボットの適応制御方法に関する。

近年のロボットの知能化、高機能化の要求に伴ない、ロ
ボットの未知の外的環境２例えば、対象物の存在、障害
物の存在等に適応した制御、いわゆる外的環境適応制御
が求められている。

このような制御を行なうには、外的環境を何等かの方法
で検出するセンナ（外的センサという）。

例えばテレビカメラ等の視覚センサや距離センサ。

触覚センサ、力センサ。温度センサ、を設け、係るセン
サの出力によってロボットの運動を適応制御するもので
ある。

この適応制御を行なうに当っては、センサ出力を基に制
御に必要な指令量（又は制御量）を得ることが必要であ
る。

〔従来の技術〕

例えば、第７図（５）に示す２次元平面を走行する移動
ロボット１が未知の障害物ＯＢに衝突しないように運動
制御する例について考えてみると、ロボット１に距離セ
ンサ（例えば超音波センサ）２を設け、ロボット１が距
離センサ２の出力（距離情報）Ｒによって、障害物ＯＢ
の存在を検出し。

距離を認識することになる。

これをロボット１の運動に影響を及ぼすには。

内部処理で係る検出距離の大きさを判定し、大きさに基
いて運動（走行速度、走行方向）を変更するか判定し、
変更する場合にはパターン処理等で適切な指令値（制御
量）を演算して、障害物ＯＢとの衝突回避、迂回等を行
なうようにしている０〔発明が解決しようとする問題点
〕 このような従来の適応制御方法においては、センサ２の
出力の次元に従って内部処理も係る次元（この例では一
次元）において実行されるため。

数多くの条件判断や複雑なアルゴリズムを用いて運動状
態を制御することが必要である０即ち、センサ２の情報
である距離情報がそのまま内部処理に用いられ、結局内
部処理でも第７図（Ｂ）に示す如く障害物ＯＢを距離情
報でしか取扱っていないことから０種々の条件判断や複
雑なアルゴリズムを必要とし、特にセンサを複数有する
ものについては一層これらが複雑となるという問題が生
じ、ロボット制御装置の大型化やアルゴリズムの複雑化
を招いていた。

本発明は、センナの出力を像イメージに変換して制御量
を求めるようにして、簡易なアルゴリズムで外的環境に
応じた運動制御を実現することのできるロボットの適応
制御方法を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

第１図は本発明の原理説明図である。

図中、第７図で示したものと同一のものは同一の記号で
示しである。

本発明では、第１囚人に示す如くロボット１の作業空間
（運動空間）がＸ、Ｙ軸の２次元であるとすると、第１
図（Ｂ）ｉＣ）の如くこれにＰ軸を加えた３次元の仮想
空間を仮定する。

そして、第１１因の作業空間で得たセンサ２の出力（距
離Ｒ）に対し、仮想空間のＲの位置にＸ。

Ｙ軸方向に広が９を持ちＰ軸方向に高さを持つ立体像Ｐ
を生成する。即ち、実空間でのセンサ２の出力を仮想空
間の立体像Ｐに変換する。

この仮想空間では、第１図（ｑの如く一次元の距離情報
が多次元の立体的な対象物として表わされることになる
。

この仮想空間での変換像はＰ軸方向に高さを持っている
ので、ロボット１に対応する仮想空間上の位置Ａにおけ
る障害物ＯＢの立体像によるＰ！ｉＩｓ方向の場の状態
量を用いて制御量を求めることができ、これによってロ
ボットの運動を適応制御するものである。

即ち、ｎ次元の実空間（作業空間）に対しくｎ＋１）次
元の仮想空間を仮定し、仮想空間に実空間でのセンナ出
力による立体像を形成し、立体像からロボットに対する
制御量を得ようとするものである。

〔作　用〕

本発明では、ｎ次元実空間に対する（ｎ＋１）次元仮想
空間で実空間でのセンサ出力を立体像に変換しているの
で、−次元の検出情報を多次元の情報として取扱うこと
ができる。

従って、この仮想空間を一種の制御量とすることによっ
て、立体像を適当な形状（例えば、第１図（Ｑの如く多
次元正規分布曲面）に定めることにより、第１図（ｑの
ロボット１のＡ点のＸ、Ｙ軸方向の制御量を立体像ＰＯ
Ａ点での高さや傾きから得ることができる。

即ち、第１図（５）の障害物回避の例では、仮想空間上
では、センサ出力による立体像Ｐに近づかないような制
御量が得られ、これによって障害物回避運動が実行され
ることになる。

このことは、−次元のセンサ出力によっておおまかな多
次元外部状態量が仮想空間上で表わされていることにな
り、従って仮想空間から一種の先読み制御量を求めるこ
とができる。

又、センサの次元にかかわらず、仮想空間では立体像と
して表現されるため、複数のセンサや種類の異なるセン
サを用いても同一の像変換手順で制御量を形成できる。

このため、簡易なアルゴリズムで高機能の適応制御が実
現できる。

〔実施例〕

（ａ）　　一実施例の制御方法の説明 第２図は本発明の一実施例適応制御の説明図。

第３図は第２図における実空間と仮想空間の関係図であ
る。

第２図（５）においては、二次元Ｘ、Ｙの実空間（作業
空間）を移動するロボット１の側面に各々距離センサで
ある超音波センサ２１〜２ｎを２ケづつ設け、′超音波
センサ２１〜２ｎで外部環境を把握しながら、障害物Ｏ
ＢＩ、ＯＢ２を避けながら実空間を移動する例を示して
いる。

先づ１本発明では、前述の第１囚人の如く、超音波セン
サ（以下センサと称す）２１〜２ｎの検出距離Ｒの値か
ら障害物ＯＢＩ、ＯＢ２の位置を位置座標（Ｘ、Ｙ）に
変換する。

従って、センサ２１〜２ｎの距離Ｒから求めたロボット
からみた障害物の相対位置ベクトルＲが得られる。

次に、これを仮想空間において展開する。

第３図に示す如く、実空間Ｒ８と仮想空間Ｉｓとは、実
空間Ｒ８のＸ、Ｙ二次元座標と仮想空間上ＳのＸ、Ｙ二
次元座標とは一致しており、仮想空間Ｉｓは実空間Ｒ８
のＸ、Ｙ平面に対し、新たに直交するＰ軸（ポテンシャ
ル軸）を加えたものである。

従って、２次元実字間Ｒ８の点Ａの位置は、仮想空間Ｉ
ｓの２次元平面Ｘ−Ｙの位置と対応する０前述のセ／す
２１〜２ｎの検出距離Ｒによる相対位置ベクトルＲを用
いて、仮想空間ＩｓにおけるＸ−Ｙ面のＲの示す位置に
、広がりをもった多次元正規分布曲面を障害物ＯＢＩ、
ＯＢ２の像として生成する。

従って、第２回置の例では、仮想平面では第２図（Ｂ）
の如く障害物ＯＢＩ、ＯＢ２の位置にＸ、　Ｙ方向に広
がりを持ち、　　Ｐｉｉ１１方向に高さを持つ立体像Ｐ
ａ、Ｐｂが生成され、これらの重ね合せによるポテンシ
ャル曲面が形成される。

この仮想平面Ｉｓにおいて、ロボット１の位置に相尚す
るＰ軸方向の高さは、立体像ｐａ、ｐｂによるポテンシ
ャル面ＰＳＯＰ軸方向の高さＰＡとなる。次に、制御量
を求めるには、仮想空間Ｉｓｐ Ｙ方向の傾き的を計算し、この状態量から制御量を換算
する。

第４図は制御量換算説明図である。

第３図のＡ点における仮想空間Ｉｓではポテンシャル面
Ｐ８を拡大すると、第４図（５）となる。

方向に傾き（曲面斜度）　’）Ａ−βを持つ面である。

δｙ これから、係るポテンシャル面ＰＳに沿って転がろうと
する力を求める。

ここでＰ軸の負方向に仮想重力加速度Ｇを第４囚人に示
す如く設定し、Ｙ軸、Ｙ軸方向の制御量を加速度Ｘｒ、
　ｙ、を求める。

Ｘ軸方向について考えると、第４図（Ｂ）の如くポテン
シャル曲面Ｐ８の斜度はαであるから、加速度Ｘは。

Ｘ、　＝　−Ｇ　ｓｉｎαａ　ｏｏｓａ＝　−−Ｇ　ｓ
ｉｎ　２α　　　　　　・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・（１）となシ、にニー−Ｇとすれば、（
１）式は。

Ｘ、　＝　Ｋ　＊　ｓｉｎ　２α　　　　　　　・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・（２）となって
計算によって求められる。

同様にＹ軸の加速度Ｙは。

Ｙ、　＝　Ｋ　＊　ｓｉｎ　２β　　　　　　　・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・（３）として得
られる。

これをＸ、Ｙ軸方向の制御量とすれば、第４図（Ｑに示
す如く、ロボット１を球と仮定し、Ｙ軸。

Ｙ軸の加速度Ｘ、、Ｙ、の合成によってポテンシャル曲
面ＰＳに沿って転がり力ＲＦが発生する。

即ち、第２図（Ｂ）の仮想空間において、ロボット１は
Ｐ軸のポテンシャル値の小さい方向に制御力が加わシ、
従って、実空間では、ロボット１は障害物ＯＢＩ、ＯＢ
２の間を障害物ＯＢＩ、ＯＢ２を避けて移動することが
できる。

（ｂ）　　一実施例制御量演算の説明 このような適応制御はセンナの出力から演算によって実
行され、以下これについて説明する。

第５図は係る制御量演算のブロック図であり。

各演算ステップをブロックで示しである。

図中、第２図で示したものと同一のものは同一の記号で
ろ９．３０は座標変換部であシ、前述のセンサ２１〜２
ｎの検出距離ｒ、〜ｒｎを、センサ２１〜２ｎの実空間
上での方向ベクトルｅＩ−ｅ１を用いて前述の相対位置
座標Ｒ＋　（Ｘｓ　、　Ｙｔ　）　〜Ｒｎ（ｘｎ。

Ｙｔｌ）に変換するもの、３１は位置誤差発生部であシ
、与えられたロボット１の目標位置Ｘｒ、Ｙ、と現在位
置との位置誤差旦を発生するものであり、ロボット１の
内部センサからの各軸（ｘ、Ｐ軸）の検出現加速度Ｘ、
Ｙを２回積分部３１ａで２回積分して現在位置を得、差
分部３１ｂで目標位置へ。

Ｙｒと現在位置との差を求め、更に、ロボット１の内部
に設けられたジャイロで検出したロボット１の現回転速
度φを積分部３１Ｃで積分して得た現回転角φを用いて
変換行列生成部３１ｄで変換行列を得て、上述の差にこ
の変換行列を乗算部３１ｅで乗じて座標変換して位置誤
差ＰＣ（ｘｃ、Ｙｃ）を発生するものである。３２は像
変換部であり、入力される位置座標用〜Ｒｎ及び位置誤
差Ｐｃを基本関数を用いて立体像に変換するものであり
、具体的には多次元正規分布関数を基本関数として用い
。

正規分布の立体像に変換するものである。

即ち、立体像ｐｉは。

ｐＨ＝　　Ｋ五＊　　ｅＸｐ　　（−Ｒ”／２　　σ２
）　　　　　　　　　・・・・・・・・・・・・・・・
　　（４）但し、　　Ｒ”＝（Ｘ−ＸＩ）”＋（Ｙ−Ｙ
ｔｌ。

σは標準偏差。

で定義され、入力座標（Ｘｌ＋　Ｙｔ）＝Ｒｔ（ｊ＝１
゜・・・ｎ、ｃ）から仮想空間上の立体像Ｐ、を得るも
のである。

３３は像演算部であり、像変換された各立体像ＰＩを加
算して、仮想空間でのポテンシャル面を作成するもので
あジ、ボテ／シャル面（値）Ｐは。

Ｐ＝Σｐ、　　　　　　　　　　　　　　・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・　（５）で得られる。

３４は制御量換算部であシ、前述の像演算部３３で演算
された仮想空間でのポテンシャル値Ｐから偏微分によっ
て、前述のＸ、Ｙ方向の曲面斜度α。

βを求め、制御量として速度Ｘ、、Ｙ、を演算するもの
であり、斜度計算機構３４ａ、仮想重力計算機構３４ｂ
と積分部３４Ｃを有している。

斜度計算機構３４ａは、前述のＸ、Ｙ方向の偏微分を求
め０曲面斜度を求めるものであり１次式により得られる
。

更に。

又、仮想重力計′Ｘ−機構３４ｂは、第４図で説明した
第（２）式及び第（３）式によって加速度Ｘ、、Ｙ、を
求めるものであり、積分部３４Ｃは、仮想重力計算機構
３４ｂで求めた加速度Ｘ、、Ｙ、を積分して速度文、。

ｙ、を得るものである。

次に、第５図実施例の動作について説明する。

第６図は本発明の一実施例動作説明図である。

この、例は、第２囚人に示した如く、ロボット１が実空
間Ｒ８上で障害物ＯＢ１．ＯＢ２を避けて実空間Ｒ８上
の目標位置（Ｘｒ　、Ｙｒ　）に移動する運動について
示したものである。

ロボット１の各センサ２１〜２ｎの出力は座標変換部３
０で座標変換され、ロボット１からの相対座標Ｒｔ（Ｘ
ｔ、Ｙｔ）に変換される。−方０位置誤差発生部３１で
位置誤差Ｒｃ　（Ｘｃ　−Ｙｃ　）を発生し。

これらは、第（４）式によって像変換部３２で立体像Ｐ
、に変換される。この時に＋　　Ｒ１−Ｒｎに対するゲ
インに、は正に、−方、Ｒｃに対するゲインに、は負に
とると、第６図に示す如く仮想空間Ｉｓでは、障害物Ｏ
Ｂ１．ＯＢ２の像”＊　ｓ　”ｂはＰ軸の正方向の高さ
をもつ正規分布形状をなし、−方、目標位置（ｘ、、ｙ
ｒ）の像、即ち位置誤差による像Ｐ０はＰ軸の負方向に
高さをもつ正規分布形状をなす。従つて、像演算部３３
で第（５）式でこれらの和をとると。

第６図のポテンシャル面が得られ、仮想空間Ｉ’８では
、障害物の存在する位置にはに１〉０となる白部分を生
成し９反対に目標位置にはに＋　＜　Ｏとなる凹部分が
生成される。

このことは、後述する制御量によって、ロボット１が仮
想空間Ｉｓ上のポテンシャル面に沿って高い方から低い
方に向って転がっていくことになり、結局障害物を避け
た移動軌道ＩＭが形成されてお９．実空間で係る軌道Ｉ
Ｍに対応する軌道ＲＭに沿って目標位置に向って移動す
る。

更に、（６）式、（７）式によって制御量換算部３４で
曲面斜度α、βを求めた後、加速度Ｘ、、Ｙ、を求め。

これを積分して、制御量として速度ｘ、、’ｒ、を求め
。

これを速度指令としてロボット１のサーボ系（図示せず
）に与えることによって、前述の如くロボット１は軌道
ＰＭに沿って目標位置（Ｘｒ、Ｙｒ）に向って移動する
ことになる。

この場合に、像変換過程において、第（４）式の如く、
基本関数に多次元正規分布関数を用いているので、第（
５）式の如く、これを重ね合わせて仮想空間Ｉｓ上にポ
テンシャル面を形成しても６面の連続性を保つことがで
き、且つ時々刻々センサ２１〜２ｎ等の出力で動的に変
化させても、連続性が保証され、制御系の安定性を維持
できる。

又１面の連続性が保証されているので、傾き（曲面斜度
）の連続性も保証され、従って制御量の不連続性を防止
できる。

又、この例では位置誤差も仮想空間Ｉ８に像変換してい
るから、得られる制御量文、、’ｔｒは単なる障害物回
避のためのもののみならず、目標位置への移動を加味し
た障害物回避のためのものとすることができる。

これらは、全てロボット制御装置のプロセッサのプログ
ラムによる演算によって実現でき、仮想空間Ｉｓは概念
上では存在するが、結局（５）式、（６）式で示す値が
仮想空間ＩＳでのポテンシャル面を定義することになシ
、単なるデータで示される。

従って、プロセッサは、各センサ２１〜２ｎの出力を座
標変換し、更に位置誤差を求めて、（６）式を実行し、
Ｘ、Ｙ方向の傾きを求め、更に（７）式で曲面斜度α、
βを演算し、（２）式、（３）式で加速度Ｘｒ。

Ｌを演算し、且つこれを積分演算して、速度文、。

ｔｌを各サンプリング時刻毎にサーボ系に出力すればよ
いことになる。

この場合、（６）式のＸ、Ｙは原点として、即ち”０°
とじて演算すればよい。

（Ｃ）　　他の実施例の説明 上述の実施例では、センサとして超音波距離センサを用
いているが他の周知の距離センサを用い　□てもよく、
又、移動ロボットの障簀物回避の例で説明したが、障害
物が壁面であって、壁面に衝突しないように移動制御す
るものであってもよい。

又、移動ロボットに限らず、アームを有する作業ロボッ
トの作業にも適用でき１例えば、ノ・ンドを目標位置に
移動させる場合や、ハンドの把持した物品を相手物品に
嵌合させる作業や、物体の倣い動作を行なう作業等にも
適用でき、これら作業に応じてセンサを適切な他の力セ
ンサや温度センサ等を用いることもできる。

以上本発明を実施例により説明したが０本発明は本発明
の主旨に従い種々の変形が可能でアシ。

本発明からこれらを排除するものではない。

〔発明の効果〕

以上説明した様に０本発明によれば、外的状態に応じて
ロボットを適応制御する際のアルゴリズムを簡易化でき
、且つ高度な適応制御が実現できるという優れた効果を
会し、高知能ロボットの実現に寄与する。

又、アルゴリズムを簡易化でき、演算で実現できるため
、高速制御が可能となるという効果を奏し、適応制御を
高速にできるから、適応制御型ロボットの高速化も図る
ことができる。

更に、各種センサを設けても同一アルゴリズムで実現で
きるため、各種の外部状態を検出し、最適な適応制御す
ることが容易となるという効果も奏し、ロボットの高知
能化に一層寄与する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理説明図。 第２図は本発明の一実施例適応制御説明図。 第３図は第２図における実空間と仮想空間の関係図。 第４図は第２図における制御量換算説明図。 第５図は本発明の一実施例制御量演算のブロック図。 第６図は第５図による動作説明図。 第７図は従来技術の説明−である。 図中、１・・・ロボット。 ２・・・センサ。 Ｒ８・・・実空間。 Ｉｓ・・・仮想紐間。 ＯＢ・・・障害物。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ロボット（１）の外的環境を検出する外的センサ（２）
   の出力に応じて該ロボット（１）を適応制御するロボッ
   トの適応制御方法において、 少なくとも該外的センサ（２）の出力を該ロボットのｎ
   次元作業空間に対応する（ｎ＋１）次元の仮想空間の立
   体像として像変換し、 該仮想空間の状態から制御量を換算して該ロボットを適
   応制御することを 特徴とするロボットの適応制御方法。