特開 2024-38495 ロボットマニピュレータに入力を実行するためのシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024038495

(43)【公開日】2024-03-19

(54)【発明の名称】ロボットマニピュレータに入力を実行するためのシステム

(51)【国際特許分類】

   B25J 9/22 20060101AFI20240312BHJP

【ＦＩ】

B25J9/22 A

【審査請求】有

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2024010612

(22)【出願日】2024-01-26

(62)【分割の表示】P 2021577212の分割

【原出願日】2020-06-26

(31)【優先権主張番号】102019004478.9

(32)【優先日】2019-06-26

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(71)【出願人】

【識別番号】521181769

【氏名又は名称】フランカ エーミカ ゲーエムベーハー

【氏名又は名称原語表記】ＦＲＡＮＫＡ ＥＭＩＫＡ ＧｍｂＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100122426

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 清志

(72)【発明者】

【氏名】スペニンガー、アンドレアス

(72)【発明者】

【氏名】ゴルツ、サスキア

(72)【発明者】

【氏名】パルーセル、スヴェン

(57)【要約】      （修正有）

【課題】ユーザによるロボットマニピュレータへの入力の性能を改善する。
【解決手段】ロボットマニピュレータ（１）に接続されたコンピューティングユニット（５）、コンピューティングユニット（５）に接続されたセンサユニット（７）、を有し、センサユニット（７）は、ロボットマニピュレータ（１）上でロボットマニピュレータ（１）を手動でガイドすることによってユーザによって適用される入力変数を記録するように設計され、入力変数は、運動学的変数または力および／またはモーメントであり、センサユニット（７）は、入力変数をコンピューティングユニット（５）に送信するように設計され、コンピューティングユニット（５）は、入力変数マッピングによって入力変数を変換するように設計されており、入力変数マッピングは、グラフィカルユーザーインターフェースの座標または仮想制御要素の設定への入力変数の数学的マッピングを定義する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ロボットマニピュレータ（１）に入力を実行するためのシステム（１００）であって、
－関節によって互いに接続された複数の肢を有し、アクチュエータ（３）を有するロボットマニピュレータ（１）、
－前記ロボットマニピュレータ（１）に接続されたコンピューティングユニット（５）、
－前記コンピューティングユニット（５）に接続されたセンサユニット（７）、
を有し、
ここで、前記センサユニット（７）は、前記ロボットマニピュレータ（１）上で前記ロボットマニピュレータ（１）を手動でガイドすることによってユーザによって適用される入力変数を記録するように設計されており、前記入力変数は、運動学的変数または力および／またはモーメントであり、前記センサユニット（７）は、前記入力変数を前記コンピューティングユニット（５）に送信するように設計され、
ここで、前記コンピューティングユニット（５）は、事前定義された入力変数マッピングによって前記入力変数を変換するように設計されており、前記入力変数マッピングは、グラフィカルユーザーインターフェースの座標または仮想制御要素の設定への前記入力変数の数学的マッピングを定義する、システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ロボットマニピュレータに入力を実行するためのシステム、およびロボットマニピュレータに入力を実行するための方法に関する。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0002】

本発明の目的は、ユーザによるロボットマニピュレータへの入力の性能を改善することである。

【0003】

本発明は、独立請求項の特徴により定義される。好都合な発展形および実施形態は、従属請求項の主題である。

【課題を解決するための手段】

【0004】

本発明の第１の態様は、ロボットマニピュレータに入力を実行するためのシステムに関し、システムは：
－関節によって互いに接続された複数の肢を有し、アクチュエータを有するロボットマニピュレータ、
－ロボットマニピュレータに接続されたコンピューティングユニット、
－コンピューティングユニットに接続されたセンサユニット、
を有し、
ここで、センサユニットはロボットマニピュレータ上でロボットマニピュレータを手動でガイドすることによってユーザによって適用される入力変数を記録するように設計されており、入力変数は、運動学的変数または力および／またはモーメントであり、センサユニットは、入力変数コンピューティングユニットに送信するように設計され、
ここで、コンピューティングユニットは、事前定義された入力変数マッピングによって入力変数を変換するように設計されており、入力変数マッピングは、グラフィカルユーザーインターフェースの座標または仮想制御要素の設定への入力変数の数学的マッピングを定義する。

【0005】

グラフィカルユーザーインターフェースの座標は、特にスクリーンの場合、スクリーン上の座標に対応し、グラフィカルユーザーインターフェースが仮想現実ゴーグルで表される場合は仮想現実ゴーグルの座標に対応する。

【0006】

本発明の第１の態様によれば、また以下では、エンドエフェクタは、ロボットマニピュレータの「肢」であると理解することもでき、エンドエフェクタは、通常、ロボットマニピュレータの遠位肢に配置される。

【0007】

入力変数は、この点で、好ましくは運動学的変数、すなわち、ロボットマニピュレータ上の少なくとも１つの肢または事前定義された点の位置および／または方向、またはその時間微分、すなわち速度または加速度、あるいは好ましくは、ユーザによってロボットマニピュレータに加えられる力、またはユーザによってロボットマニピュレータに加えられるモーメントであり、後者のモーメントまたは力の場合、コンピューティングユニットは、好ましくは、ロボットマニピュレータが剛体として振る舞うように、すなわち、アクチュエータによって可能になる範囲で、前記アクチュエータは、ユーザによるロボットマニピュレータの試みられた動きに対して反モーメントを生成するよう、ロボットマニピュレータのアクチュエータを作動させるように設計される。したがって、センサユニットは、少なくとも、肢またはロボットマニピュレータまたは複数の肢上の点の位置および／または向きを決定するのに適したセンサを含み、任意選択で、力センサおよび／またはモーメントセンサも含む。

【0008】

グラフィカルユーザーインターフェースがスクリーン上に表示される場合、特に入力変数のマッピングは、特にスクリーンの幾何学的限界を考慮した、スクリーンの２次元平面への入力変数の投影であり、有利には、ロボットマニピュレータ（および特にそのアクチュエータ）は、スクリーンの限界の１つに到達することと相関するそのような入力変数の場合、アクチュエータがロボットマニピュレータの追加の動きに対して人工的な抵抗を提供するように、コンピューティングユニットによって作動される。

【0009】

仮想制御要素は、好ましくは、実際の物理的制御要素、例えば、回転制御装置またはスライディング制御装置のエミュレーションである。仮想制御要素には、特に下限と上限とがあり、これら２つの制限の間に、特にロボットマニピュレータのパラメータとして使用できる設定が定義されている。

【0010】

本発明の有利な効果は、ロボットマニピュレータのユーザが、ロボットマニピュレータに力またはモーメントを対応して加えることによるロボットマニピュレータの対応する動きによって、ロボットマニピュレータに直感的に入力を実行できることである。ロボットマニピュレータへのユーザの入力は、この点で、特にグラフィカルユーザーインターフェースに関連する数値またはロボットマニピュレータへのコマンドを含むことができ、その結果、ユーザの入力は、マウスポインター（入力変数によって制御される）によるメニュー制御、またはグラフィカルユーザーインターフェース上のマークされたメニューエントリまたはオブジェクトの切り替えによるメニュー制御に有利に使用できる。したがって、有利には、ユーザは、ロボットマニピュレータを入力デバイスとして普遍的に使用することができる。なぜなら、事前定義された入力変数マッピングの結果として、グラフィカルユーザーインターフェースまたは仮想制御要素への対応する参照が確立されるからである。特に、有利には、力またはモーメントの記録、あるいは位置変化の記録は、それぞれの場合において、ロボットマニピュレータ上のユーザの側での手動ガイドによって引き起こされ、特にグラフィカルユーザーインターフェースのメニューまたは機能領域を制御できる触覚ジェスチャとして定義できる。

【0011】

さらに、有利には、本発明の第１の態様によるシステムはまた、第１のロボットマニピュレータおよび第２のロボットマニピュレータを備えたシステムに使用することができ、特に、第１のロボットマニピュレータは、本発明の第１の態様に従って入力を実行するために使用され、および、特に、第２のロボットマニピュレータは、代替案において本発明の第１の態様を実行するよう設計される。

【0012】

有利な実施形態によれば、ロボットマニピュレータの事前定義された動作を実行するためのコンピューティングユニットは、変換された入力変数または座標または設定に応じて実行される。

【0013】

ロボットマニピュレータの事前定義された動作は、ここでは特に、グラフィカルな表面上のオブジェクトのアクティブ化であり、好ましくは、ロボットマニピュレータの後続のアクション、例えば、機能またはロボットプログラムのパラメータ化、ならびにあるいはそのようなプログラムまたはそのような機能の実行の開始、さらにあるいはロボットマニピュレータのスイッチオフ、現在の位置値またはロボットマニピュレータの現在の向きの値の保存、である。

【0014】

追加の有利な実施形態によれば、システムは、表示ユニットを含み、表示ユニットは、以下のうちの少なくとも１つを表示するように設計されている：
-入力変数、
-入力変数の量、
-変換された入力変数、
-変換された入力変数の量。

【0015】

表示ユニットは、好ましくは、スクリーン、プロジェクター、仮想現実ディスプレイゴーグル、ＬＥＤユニットのうちの１つである。有利なことに、それにより、ユーザは、どのタイプの入力および／またはどのレベルで所与の時間に入力を実行しているかに関して、即座にフィードバックが与えられる。特に、表示ユニットは、現在の座標をマウスポインタ座標としてマウスポインタを表示するため、および／または仮想制御要素の現在の設定を表示するよう設計されている。

【0016】

追加の有利な実施形態によれば、センサユニットは、ロボットマニピュレータの現在の位置および／または向きを記録し、現在の位置および／または向きをコンピューティングユニットに送信するように設計されており、コンピューティングユニットは、事前定義された幾何学的構造への手動ガイド中に、ロボットマニピュレータが手動ガイドによって引き起こされるロボットマニピュレータの動きに対する抵抗を生成するようにアクチュエータを作動させるように設計され、コンピューティングユニットは、抵抗の事前定義された制限値を超えた場合、または幾何学的構造に対するロボットマニピュレータの事前定義されたポイントの距離の事前定義された制限値がアンダーシュートされた場合に、事前定義された機能をアクティブ化するように設計されている。有利には、この実施形態は、ロボットマニピュレータ上の入力要素を省くことをもたらし、その結果、純粋にユーザのジェスチャ制御によって、例えば、マウスクリックの機能を生成することができ、さもなければ、グラフィカルユーザーインターフェース上の他の機能をアクティブ化することができる。

【0017】

追加の有利な実施形態によれば、事前定義された機能は、少なくとも座標がオブジェクトの所定の座標範囲と一致する場合、グラフィカルユーザーインターフェース上のオブジェクトのアクティブ化である。この実施形態によれば、現在の位置、特にロボットマニピュレータのエンドエフェクタの現在の位置では、機能は、マウスクリックと同様にアクティブ化され、現在の入力変数および／または入力変数の過去の経過により、グラフィカルユーザーインターフェースの現在の座標が決定され、これにより、マウスポインタをグラフィカルユーザーインターフェースのオブジェクトにガイドするのと同様の方法で、その後マウスをクリックまたはダブルクリックした場合は、マウスポインタの下にあるそれぞれのオブジェクトをアクティブ化することができる。

【0018】

追加の有利な実施形態によれば、事前定義された幾何学的構造は平面であり、平面は、地上座標系に対するその向きおよび位置に関して不変である。

【0019】

追加の有利な実施形態によれば、コンピューティングユニットは、ロボットマニピュレータの手動ガイド中に、ロボットマニピュレータが記録された現在の入力変数および／または変換された入力変数の触覚および／または触感フィードバックを出力するようにアクチュエータを作動させるように設計されている。

【0020】

追加の有利な実施形態によれば、それぞれの場合の触覚および／または触感フィードバックは、以下のうちの少なくとも１つを含む：
-特にエンドエフェクタの位置に依存する位置依存グリッド、
-ロボットマニピュレータを手動でガイドできる作業領域の抵抗による制限、つまり、反力によって生成された人工壁、
-ロボットマニピュレータの入力変数および／または現在の位置および／または現在の向き、および／または変換された入力変数がグラフィカルユーザーインターフェース上のオブジェクトと一致する場合のフィードバックであり、ここで、グラフィカルユーザーインターフェースの座標は、ロボットマニピュレータの入力変数および／または現在の位置および／または現在の向き、および／または変換された入力変数に割り当てられ、
-座標がグラフィカルユーザーインターフェースのオブジェクトの事前定義された座標範囲と一致する場合の信号。

【0021】

システムの追加の有利な実施形態によれば、表示ユニットはスクリーンである。

【0022】

追加の有利な実施形態によれば、コンピューティングユニットは、重力補償を備えたロボットマニピュレータを作動させるように設計されている。重力補償を伴うロボットマニピュレータの作動の場合、アクチュエータは、ロボットマニピュレータに作用する重力が補償されるように作動され、その結果、外力の影響がなく、加速せずに静的な静止位置から進んでいる場合、ロボットマニピュレータはこの静止位置に留まり続ける。これは、ユーザのためのロボットマニピュレータの手動ガイドを有利に容易にする。

【0023】

本発明の追加の態様は、関節によって互いに接続され、アクチュエータを有する複数の肢を有するロボットマニピュレータに入力を実行するための方法に関し、ロボットマニピュレータはコンピューティングユニットに接続されており、次のステップを実行する：
-コンピューティングユニットに接続されたセンサユニットによって、ロボットマニピュレータ上でロボットマニピュレータを手動でガイドすることにより、ユーザによって適用された入力変数を記録し、ここで、入力変数は、運動学的変数または力および／またはモーメントであり、
-センサユニットによって入力変数をコンピューティングユニットに送信し、および、
-事前定義された入力変数マッピングを用いてコンピューティングユニットによって入力変数を変換し、ここで、入力変数マッピングは、グラフィカルユーザーインターフェースの座標またはコンピューティングユニットの仮想制御要素の設定への入力変数の数学的マッピングを定義する。

【0024】

有利な実施形態によれば、この方法はさらに、以下のステップを含む：
-現在のマウスポインタ座標でマウスポインタを表示する、および／または表示ユニットによって仮想制御要素の現在の設定を表示する。

【0025】

有利な実施形態によれば、この方法はさらに、以下のステップを含む：
-変換された入力変数または座標または設定に応じて、ロボットマニピュレータの事前定義された操作を実行する。

【0026】

提案された方法の利点および好ましい発展形は、提案されたシステムに関連して上述された説明を類似の対応する転用から導き出すことができる。

【0027】

さらなる利点、特徴、および詳細は、必要であれば図面を参照し、少なくとも１つの実施形態を詳細に説明する以下の説明から導き出すことができる。同一、類似、および／または機能的に同一の要素は同じ参照符号で示す。

【図面の簡単な説明】

【0028】

以下のとおり図に示す。

【0029】

【図1】図１は、本発明の実施例によるロボットマニピュレータに入力を実行するためのシステムを示す。

【図2】図２は、本発明の追加の実施例による、ロボットマニピュレータに入力を実行するための方法を示す。

【0030】

図面の表現は、図式化されたものであり、縮尺通りではない。

【発明を実施するための形態】

【0031】

図１は、ロボットマニピュレータ１に入力を実行するためのシステム１００を示しており、以下を含む：
－関節によって互いに接続された複数の肢を有し、アクチュエータ３を有するロボットマニピュレータ１、
－ロボットマニピュレータ１の基部に配置されたコンピューティングユニット５、
－コンピューティングユニット５に接続されたセンサユニット７。

【0032】

センサユニット７は、ロボットマニピュレータ１上でロボットマニピュレータ１を手動でガイドすることにより、ユーザが適用した入力変数を記録するために使用され、ここで、入力変数は、ユーザがロボットマニピュレータ１に加える力であり、センサユニット７は、入力変数をコンピューティングユニット５に送信するように設計されている。コンピューティングユニット５は、ここでは、事前定義された入力変数マッピングによって入力変数を変換するために使用され、入力変数マッピングは、グラフィカルユーザーインターフェースの座標または仮想制御要素の設定への入力変数の数学的マッピングである。システム１００はさらに、表示ユニット９を備え、表示ユニット９は、以下のうちの少なくとも１つを表示するように設計されている：
－入力変数、
－入力変数の量、
－変換された入力変数、
－変換された入力変数の量。

【0033】

特に、表示ユニットは、現在のマウスポインタ座標でマウスポインタを表示するように設計されている。したがって、センサユニット７は、ロボットマニピュレータ１の現在の位置および／または向きを記録するため、および現在の位置および／または向きをコンピューティングユニット５に送信するために使用され、コンピューティングユニット５は、ロボットマニピュレータ１が、事前定義された空間的に固定された定義された平面への手動ガイド中に、手動ガイドによって引き起こされるロボットマニピュレータ１の動きに対する抵抗を生成するようにアクチュエータ３を作動させるように設計されている。コンピューティングユニット５はさらに、抵抗の事前定義された制限値を超えた場合、または幾何学的構造に対するロボットマニピュレータ１の事前定義された点の距離の事前定義された制限値がアンダーシュートされた場合に、事前定義された機能をアクティブにするために使用される。事前定義された機能は、少なくとも座標がオブジェクトの事前定義された座標範囲と一致する場合、グラフィカルユーザーインターフェースでのオブジェクトのアクティブ化である。事前定義された機能は、少なくとも座標がオブジェクトの事前定義された座標範囲と一致する場合の、グラフィカルユーザーインターフェースでのオブジェクトのアクティブ化である。さらに、コンピューティングユニット５は、ロボットマニピュレータ１の手動ガイド中に、ロボットマニピュレータ１が、記録された現在の入力変数および／または変換された入力変数の触覚および／または触感フィードバックを出力するようにアクチュエータ３を作動させるように設計されており、それぞれの場合の触覚および／または触感フィードバックには、以下の少なくとも１つが含まれる：
－位置依存グリッド、
－ロボットマニピュレータ１を手動でガイドできる作業領域の抵抗による制限、
－ロボットマニピュレータ１の入力変数および／または現在の位置および／または現在の向きがグラフィカルユーザーインターフェース上のオブジェクトと一致する場合のフィードバック、ここで、グラフィカルユーザーインターフェースの座標は、ロボットマニピュレータ１の入力変数および／または現在の位置および／または現在の向きに割り当てられ、
－座標がグラフィカルユーザーインターフェースのオブジェクトの事前定義された座標範囲と一致する場合の信号。ここでの表示ユニット９はスクリーンである。

【0034】

図２は、関節によって互いに接続された複数の肢を有し、アクチュエータ３を有するロボットマニピュレータ１に入力を実行するための方法を示し、ロボットマニピュレータ１は、以下のステップを有するコンピューティングユニット５に接続されている：
－コンピューティングユニット５に接続されたセンサユニット７によってロボットマニピュレータ１上でロボットマニピュレータ１を手動でガイドすることによってユーザによって適用される入力変数を記録Ｓ１し、ここで、入力変数は、運動学的変数または力および／またはモーメントであり、
－センサユニット７によって入力変数をコンピューティングユニット５に送信Ｓ２し、
－事前定義された入力変数マッピングを用いてコンピューティングユニット５によって入力変数を変換Ｓ３し、ここで、入力変数マッピングは、グラフィカルユーザーインターフェースの座標またはコンピューティングユニット５の仮想制御要素の設定への入力変数の数学的マッピングを定義し、
－現在のマウスポインタ座標でマウスポインタを表示する、および／または表示ユニットによって仮想制御要素の現在の設定を表示Ｓ４する。

【0035】

以上、好適な実施形態を用いて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は開示された例に限定されるものではなく、ここから当業者によって本発明の保護の範囲を逸脱することなくその他の変形例を得ることも可能である。したがって、複数の変形例の可能性が存在することは明らかである。また、例示された実施形態は、実際に単なる例であり、例えば、保護の範囲、潜在的な利用可能性、または本発明の構成を限定するものとして理解されるべきではないことも明らかである。むしろ、上記の説明および図面の説明は、当業者に例示される実施形態を具体的に実施することを可能にするものであり、開示された発明概念の知識を持つ当業者には、例えば例示される実施形態に記載の個々の要素の機能または構成について、請求項、および、例えば明細書におけるさらなる説明など、請求項の法的な等価物に規定される保護の範囲を逸脱することなく、数多くの修正を行うことが可能である。

【符号の説明】

【0036】

１：ロボットマニピュレータ
３：アクチュエータ
５：コンピューティングユニット
７：センサユニット
９：表示ユニット
１００：システム

Ｓ１：記録
Ｓ２：送信
Ｓ３：変換
Ｓ４：表示

【図1】

【図2】