特表 2023-544433 ロボットシステムの設計、試験、および検証のためのシステムおよび方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-10-23

(54)【発明の名称】ロボットシステムの設計、試験、および検証のためのシステムおよび方法

(51)【国際特許分類】

   B64G 7/00 20060101AFI20231016BHJP

   B25J 13/00 20060101ALI20231016BHJP

   B64G 4/00 20060101ALI20231016BHJP

【ＦＩ】

B64G7/00 A

B25J13/00 Z

B64G4/00 105

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023521841

(86)(22)【出願日】2021-10-12

(85)【翻訳文提出日】2023-06-09

(86)【国際出願番号】 CA2021051432

(87)【国際公開番号】W WO2022073140

(87)【国際公開日】2022-04-14

(31)【優先権主張番号】63/090,262

(32)【優先日】2020-10-11

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

【公序良俗違反の表示】

（特許庁注：以下のものは登録商標）

１．ＳＩＭＵＬＩＮＫ

(71)【出願人】

【識別番号】508365953

【氏名又は名称】マクドナルド デットワイラー アンド アソシエイツ インコーポレーテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(72)【発明者】

【氏名】ヒルツ、マイケル

(72)【発明者】

【氏名】セルペッローニ、エドアルド

(72)【発明者】

【氏名】ルーカス、ロバート

(72)【発明者】

【氏名】バージレンバーグ、バルト

【テーマコード（参考）】

3C707

【Ｆターム（参考）】

3C707AS14

3C707AS29

3C707KS33

3C707LS20

3C707LV18

(57)【要約】

【解決手段】宇宙用のロボットシステムを設計、試験、および検証するためのシステムおよび方法を提供する。システムは、ロボットマニピュレータと、第１および第２のロボットマニピュレータの物理的相互作用中に第１のロボットマニピュレータによって測定された力およびモーメントに基づいて第１の宇宙ロボットシステムの運動挙動応答をシミュレートする動的システムエミュレータと、第２の宇宙ロボットシステムの運動挙動をエミュレートする第２のロボットマニピュレータと、運動挙動応答に基づいて生成したマニピュレータ先端基準軌道コマンドをロボットマニピュレータに提供するアームコントローラと、マニピュレータ先端基準軌道コマンドに基づく軌道を追跡することで、ロボットマニピュレータが第１の宇宙ロボットシステムの運動挙動をエミュレートするアーム機構とを含む。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

宇宙用のロボットシステムを地上試験するためのシステムであって、
第１のロボットマニピュレータと、
前記第１のロボットマニピュレータと、クライアント宇宙ロボットシステムの運動挙動をエミュレートする第２のロボットマニピュレータと、の間の物理的相互作用中に前記第１のロボットマニピュレータによって測定された力およびモーメントに基づいて、無重力（０Ｇ）サービサーロボットアームの運動挙動応答をシミュレートするように構成された第１の動的システムエミュレータと、
前記第１の動的システムエミュレータによってシミュレートされた前記運動挙動応答に基づいて第１のマニピュレータ先端基準軌道コマンドを生成し、前記第１のマニピュレータ先端基準軌道コマンドを前記第１のロボットマニピュレータに提供するように構成された第１のアームコントローラと、
前記第１のマニピュレータ先端基準軌道コマンドに基づいて第１の軌道を追跡することで、前記第１のロボットマニピュレータが前記０Ｇサービサーロボットアームの運動挙動をエミュレートするように構成された、前記第１のロボットマニピュレータ内の第１のアーム機構と、
を備える第１のロボット試験システムと、
前記第２のロボットマニピュレータと、
前記第２のロボットマニピュレータと、前記０Ｇサービサーロボットアームの運動挙動をエミュレートする前記第１のロボットマニピュレータと、の間の物理的相互作用中に前記第２のロボットマニピュレータによって測定された力およびモーメントに基づいて、前記クライアント宇宙ロボットシステムの運動挙動応答をシミュレートするように構成された第２の動的システムエミュレータと、
前記第２の動的システムエミュレータによってシミュレートされた前記運動挙動応答に基づいて第２のマニピュレータ先端基準軌道コマンドを生成し、前記第２のマニピュレータ先端基準軌道コマンドを前記第２のロボットマニピュレータに提供するように構成された第２のアームコントローラと、
前記第２のマニピュレータ先端基準軌道コマンドに基づいて第２の軌道を追跡することで、前記第２のロボットマニピュレータが前記クライアント宇宙ロボットシステムの運動挙動をエミュレートするように構成された、前記第２のロボットマニピュレータ内の第２のアーム機構と、
を備える第２のロボット試験システムと、
を備えるシステム。

【請求項2】

前記第１のロボット試験システムおよび前記第２のロボット試験システムに通信可能に接続され、前記０Ｇサービサーロボットアームの第１の仮想モデルを前記第１のロボットマニピュレータ上にオーバーレイし、かつ、前記クライアント宇宙ロボットシステムの第２の仮想モデルを前記第２のロボットマニピュレータ上にオーバーレイするように構成された複合現実システム、
をさらに備える請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記第２のロボット試験システムによってエミュレートされる前記クライアント宇宙ロボットシステムは、自由浮遊宇宙船である、請求項１に記載のシステム。

【請求項4】

宇宙ロボットシステムの性能を地上試験するためのロボット試験システムであって、
ロボットマニピュレータと、
前記第１のロボットマニピュレータと、第２の宇宙ロボットシステムの運動挙動をエミュレートする第２のロボットマニピュレータと、の間の物理的相互作用中に前記第１のロボットマニピュレータによって測定された力およびモーメントに基づいて第１の宇宙ロボットシステムの運動挙動応答をシミュレートするように構成された動的システムエミュレータと、
前記動的システムエミュレータによってシミュレートされた前記運動挙動応答に基づいてマニピュレータ先端基準軌道コマンドを生成し、前記マニピュレータ先端基準軌道コマンドを前記ロボットマニピュレータに提供するように構成されたアームコントローラと、
前記マニピュレータ先端基準軌道コマンドに基づいて軌道を追跡することで、前記ロボットマニピュレータが前記第１の宇宙ロボットシステムの運動挙動をエミュレートするように構成された、前記ロボットマニピュレータ内のアーム機構と、
を備えるロボット試験システム。

【請求項5】

前記第１の宇宙ロボットシステムは、０Ｇサービサーロボットアームである、請求項４に記載のロボット試験システム。

【請求項6】

前記第１の宇宙ロボットシステムは、サービサーロボットアームによってサービスされるクライアント宇宙ロボットシステムである、請求項４に記載のロボット試験システム。

【請求項7】

前記クライアント宇宙ロボットシステムは自由浮遊人工衛星である、請求項６に記載のロボット試験システム。

【請求項8】

２つの独立した宇宙ロボットシステム間のロボット相互作用を地上試験および検証する方法であって、
無重力（０Ｇ）サービサーロボットアームのマニピュレータ先端のダイナミクスを捕獲するように構成された第１のロボットアーム内の第１の動的システムエミュレータを使用して、前記第１のロボットアームで前記０Ｇサービサーロボットアームの運動挙動をエミュレートするステップと、
自由浮遊人工衛星のダイナミクスを捕獲するように構成された第２のロボットアーム内の第２の動的システムエミュレータを使用して、前記第２のロボットアームで前記自由浮遊人工衛星の運動挙動をエミュレートするステップと、
前記運動挙動をエミュレートしている間に、前記第１のロボットアームと前記第２のロボットアームとを物理的相互作用させるステップと、
前記物理的相互作用に基づいて、前記第１のロボットアームが経験する力およびモーメントを、前記第１のロボットアーム内の力モーメントセンサ（ＦＭＳ）を介して測定するステップと、
前記物理的相互作用に基づいて、前記第２のロボットアームが経験する力およびモーメントを、前記第２のロボットアーム内のＦＭＳを介して測定するステップと、
前記第１の動的システムエミュレータを使用して、前記第１のロボットアームによって測定された力およびモーメントに対する応答をシミュレートするステップと、
前記第２の動的システムエミュレータを使用して、前記第２のロボットアームによって測定された力およびモーメントに対する応答をシミュレートするステップと、
前記第１の動的システムエミュレータによって出力された前記シミュレートされた応答に基づいて、前記第１のロボットアームで軌道を追跡するステップと、
前記第２の動的システムエミュレータによって出力された前記シミュレートされた応答に基づいて、前記第２のロボットアームで軌道を追跡するステップと、
を含む方法。

【請求項9】

前記第１の動的システムエミュレータおよび前記第２の動的システムエミュレータのそれぞれに初期条件を提供して、エミュレートされる前記０Ｇサービサーロボットアームおよび前記自由浮遊人工衛星の初期状態を決定するステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。

【請求項10】

前記第２の動的システムエミュレータに提供される前記初期条件は、前記エミュレートされる自由浮遊人工衛星の初期ドリフトを含む、請求項９に記載の方法。

【請求項11】

エミュレートされる前記０Ｇサービサーロボットアームの仮想モデルを前記第１のロボットアームにオーバーレイし、かつ、エミュレートされる前記自由浮遊人工衛星の仮想モデルを前記第２のロボットアームにオーバーレイするステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。

【請求項12】

パッシブオフロード機構を介して、前記第１のロボットアームを０Ｇに重力オフロードするステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。

【請求項13】

第３のロボットマニピュレータを備えるアクティブオフロード機構を介して、前記第１のロボットアームを０Ｇに重力オフロードするステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。

【請求項14】

前記動的システムエミュレータによって、前記エミュレートされた自由浮遊人工衛星の質量、慣性、剛性、または減衰特性を調整して、前記エミュレートされた宇宙船の質量または慣性の変化イベントをエミュレートするステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

以下は、一般にはロボット工学に関し、より詳細には、自由に飛行する宇宙船とのロボット相互作用のエミュレーションを含む、宇宙用のロボットシステムを設計、試験、および検証するためのシステムおよび方法に関する。

【背景技術】

【0002】

自動化と人工知能の進歩により、ロボットシステムは、ルナーゲートウェイや軌道上の人工衛星整備などの、将来の宇宙開発構想に不可欠な存在となることが期待されている。宇宙用のロボットシステムの設計、試験、および検証には多くの課題があるが、最も困難なことの１つは、無重力（０Ｇ）性能のための制御システムを最適化することと、そのようなシステムと自由飛行するペイロードまたは様々な作業現場インタフェースとの相互作用を評価することである。

【0003】

従って、既存のシステムおよび方法の欠点の少なくともいくつかを克服する、宇宙用のロボットシステムを設計、試験、および検証するための改良されたシステムおよび方法が望まれている。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0004】

ロボットシステムの設計、試験、および検証のいずれか１つ以上のためのシステムおよび方法が提供される。

【0005】

宇宙用のロボットシステムの地上試験及び運用計画のためのシステムが提供される。前記システムは、第１のロボットマニピュレータと、前記第１のロボットマニピュレータと、クライアント宇宙ロボットシステムの運動挙動をエミュレートする第２のロボットマニピュレータと、の間の物理的相互作用中に前記第１のロボットマニピュレータによって測定された力およびモーメントに基づいて、無重力（０Ｇ）サービサーロボットアームの運動挙動応答をシミュレートするように構成された第１の動的システムエミュレータと、前記第１の動的システムエミュレータによってシミュレートされた前記運動挙動応答に基づいて第１のマニピュレータ先端基準軌道コマンドを生成し、前記第１のマニピュレータ先端基準軌道コマンドを前記第１のロボットマニピュレータに提供するように構成された第１のアームコントローラと、前記第１のマニピュレータ先端基準軌道コマンドに基づいて第１の軌道を追跡することで、前記第１のロボットマニピュレータが前記０Ｇサービサーロボットアームの運動挙動をエミュレートするように構成された、前記第１のロボットマニピュレータ内の第１のアーム機構と、を備える第１のロボット試験システムを含む。前記システムは、前記第２のロボットマニピュレータと、前記第２のロボットマニピュレータと、前記０Ｇサービサーロボットアームの運動挙動をエミュレートする前記第１のロボットマニピュレータと、の間の物理的相互作用中に前記第２のロボットマニピュレータによって測定された力およびモーメントに基づいて、前記クライアント宇宙ロボットシステムの運動挙動応答をシミュレートするように構成された第２の動的システムエミュレータと、前記第２の動的システムエミュレータによってシミュレートされた前記運動挙動応答に基づいて第２のマニピュレータ先端基準軌道コマンドを生成し、前記第２のマニピュレータ先端基準軌道コマンドを前記第２のロボットマニピュレータに提供するように構成された第２のアームコントローラと、前記第２のマニピュレータ先端基準軌道コマンドに基づいて第２の軌道を追跡することで、前記第２のロボットマニピュレータが前記クライアント宇宙ロボットシステムの運動挙動をエミュレートするように構成された、前記第２のロボットマニピュレータ内の第２のアーム機構と、を備える第２のロボット試験システムをさらに含む。

【0006】

前記システムは、前記第１のロボット試験システムおよび前記第２のロボット試験システムに通信可能に接続され、前記０Ｇサービサーロボットアームの第１の仮想モデルを前記第１のロボットマニピュレータ上にオーバーレイし、かつ、前記クライアント空間ロボットシステムの第２の仮想モデルを前記第２のロボットマニピュレータ上にオーバーレイするように構成された複合現実（ＭＲ）システムをさらに含んでもよい。

【0007】

前記第２のロボット試験システムによってエミュレートされる前記クライアント宇宙ロボットシステムは、自由浮遊宇宙船であってもよい。

【0008】

宇宙ロボットシステムの性能を地上試験するためのロボット試験システムが提供される。前記ロボット試験システムは、ロボットマニピュレータと、前記第１のロボットマニピュレータと第２の宇宙ロボットシステムの運動挙動をエミュレートする第２のロボットマニピュレータとの物理的相互作用中に前記第１のロボットマニピュレータによって測定された力およびモーメントに基づいて第１の宇宙ロボットシステムの運動挙動応答をシミュレートするように構成された動的システムエミュレータと、前記動的システムエミュレータによってシミュレートされた前記運動挙動応答に基づいてマニピュレータ先端基準軌道コマンドを生成し、前記マニピュレータ先端基準軌道コマンドを前記ロボットマニピュレータに提供するように構成されたアームコントローラと、前記マニピュレータ先端基準軌道コマンドに基づいて軌道を追跡することで、前記ロボットマニピュレータが前記第１の宇宙ロボットシステムの運動挙動をエミュレートするように構成された、前記ロボットマニピュレータ内のアーム機構と、を含む。

【0009】

前記第１の宇宙ロボットシステムは、０Ｇサービサーロボットアームであってもよい。

【0010】

前記第１の宇宙ロボットシステムは、サービサーロボットアームによってサービスされるクライアント宇宙ロボットシステムであってもよい。

【0011】

前記クライアント宇宙ロボットシステムは、自由浮遊人工衛星であってもよい。

【0012】

２つの独立した宇宙ロボットシステム間のロボット相互作用を地上試験および検証する方法が提供される。前記方法は、無重力（０Ｇ）サービサーロボットアームのマニピュレータ先端のダイナミクスを捕獲するように構成された第１のロボットアーム内の第１の動的システムエミュレータを使用して、前記第１のロボットアームで前記０Ｇサービサーロボットアームの運動挙動をエミュレートするステップと、自由浮遊人工衛星のダイナミクスを捕獲するように構成された第２のロボットアーム内の第２の動的システムエミュレータを使用して、前記第２のロボットアームで前記自由浮遊人工衛星の運動挙動をエミュレートするステップと、前記運動挙動をエミュレートしている間に、前記第１のロボットアームと前記第２のロボットアームとを物理的相互作用させるステップと、前記物理的相互作用に基づいて、前記第１のロボットアームが経験する力およびモーメントを、前記第１のロボットアーム内の力モーメントセンサ（ＦＭＳ）を介して測定するステップと、前記物理的相互作用に基づいて、前記第２のロボットアームが経験する力およびモーメントを、前記第２のロボットアーム内のＦＭＳを介して測定するステップと、前記第１の動的システムエミュレータを使用して、前記第１のロボットアームによって測定された力およびモーメントに対する応答をシミュレートするステップと、前記第２の動的システムエミュレータを使用して、前記第２のロボットアームによって測定された力およびモーメントに対する応答をシミュレートするステップと、前記第１の動的システムエミュレータによって出力された前記シミュレートされた応答に基づいて、前記第１のロボットアームで軌道を追跡するステップと、前記第２の動的システムエミュレータによって出力された前記シミュレートされた応答に基づいて、前記第２のロボットアームで軌道を追跡するステップと、を含む。

【0013】

前記方法は、前記第１の動的システムエミュレータおよび前記第２の動的システムエミュレータのそれぞれに初期条件を提供して、エミュレートされる前記０Ｇサービサーロボットアームおよび前記自由浮遊人工衛星の初期状態を決定するステップをさらに含んでもよい。

【0014】

第２の動的システムエミュレータに提供される前記初期条件は、前記エミュレートされる自由浮遊人工衛星の初期ドリフトを含んでもよい。

【0015】

前記方法は、エミュレートされる前記０Ｇサービサーロボットアームの仮想モデルを前記第１のロボットアームにオーバーレイし、かつ、エミュレートされる前記自由浮遊人工衛星の仮想モデルを前記第２のロボットアームにオーバーレイするステップをさらに含んでもよい。

【0016】

前記方法は、パッシブオフロード機構を介して、前記第１のロボットアームを０Ｇに重力オフロードするステップをさらに含んでもよい。

【0017】

前記方法は、第３のロボットマニピュレータを備えるアクティブなオフロード機構を介して、前記第１のロボットアームを０Ｇに重力オフロードするステップをさらに含んでもよい。

【0018】

前記方法は、前記動的システムエミュレータによって、前記エミュレートされた自由浮遊人工衛星の質量、慣性、剛性、または減衰特性を調整して、前記エミュレートされた宇宙船の質量、慣性、剛性、または減衰特性の変化イベント（または総称して「ダイナミクス変化イベント」）をエミュレートするステップをさらに含んでもよい。

【0019】

その他の態様および特徴は、以下のいくつかの例示的な実施形態の説明を検討することで、当業者にとって明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0020】

ここに含まれる図面は、本明細書の物品、方法、および装置の様々な例を説明するためのものである。

【0021】

【図1】図１は、一実施形態に係る、地上での宇宙ベースのロボットシステムの設計、試験、および検証のいずれか１つ以上を可能にするために、宇宙ベースのロボットシステムをエミュレートするためのロボット試験システムのブロック図である。

【0022】

【図2】図２は、一実施形態に係る、典型的な宇宙ロボットマニピュレータをエミュレートするように構成された、図１のロボット試験システムのブロック図である。

【0023】

【図3】図３は、一実施形態に係る、自由浮遊宇宙船をエミュレートするように構成された図１のロボット試験システムのブロック図である。

【0024】

【図4】図４は、宇宙での使用のために地上でのロボットシステムおよびミッション運用を設計、試験、または検証するためのシステムのブロック図であり、このシステムは、一実施形態に係る、それぞれ異なる力学系をエミュレートするように構成された図１のロボットシステムの第１および第２の例を含んでいる。

【0025】

【図5】図５は、一実施形態に係る、第１および第２の相互作用力学系を含む宇宙ロボットシステムを地上試験および検証する方法のフロー図である。

【0026】

【図6】図６は、一実施形態に係る、宇宙で使用するためのロボットシステムを設計、試験、および検証するためのシステムのブロック図である。

【0027】

【図7】図７は、一実施形態に係る、ミッション分析ロボットキットＩ（「ＭＡＲＫ Ｉ」）およびミッション分析ロボットキットＩＩ（「ＭＡＲＫ ＩＩ」）の相互作用およびシステム時間遅延をさらに説明する、図６のシステムのブロック図である。

【0028】

【図8】図８は、一実施形態に係る、図６および図７のシステムのＭＡＲＫ ＩおよびＭＡＲＫ ＩＩシステムにおけるエミュレーション層を説明するブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0029】

以下、請求項の実施形態を例示するために、様々な装置またはプロセスを説明する。以下で説明する実施形態は、請求項に係る実施形態を限定するものではなく、請求項に係る実施形態は、以下で説明するものとは異なるプロセスまたは装置をカバーすることができる。請求項に係る実施形態は、以下で説明する任意の１つの装置またはプロセスのすべての特徴を有する装置またはプロセスには限定されず、以下で説明する複数またはすべての装置に共通する特徴にも限定されることはない。

【0030】

本明細書に記載の１つまたは複数のシステムは、それぞれが少なくとも１つのプロセッサ、データ記憶システム（揮発性および不揮発性の、メモリおよび／または記憶要素を含む）、少なくとも１つの入力デバイス、および少なくとも１つの出力デバイスを備えるプログラマブルコンピュータ上で実行するコンピュータプログラムにおいて実装され得る。例えば、限定するものではないが、プログラマブルコンピュータは、プログラマブル論理ユニット、メインフレームコンピュータ、サーバ、およびパーソナルコンピュータ、クラウドベースプログラムまたはシステム、ラップトップ、パーソナルデータアシスタンス、携帯電話、スマートフォン、またはタブレットデバイスであってもよい。

【0031】

各プログラムは、好ましくは、コンピュータシステムと通信するための高レベルの手続き型またはオブジェクト指向のプログラミング、および／またはスクリプト言語で実装される。しかしながら、プログラムは、必要に応じて、アセンブリ言語または機械語で実装することができる。いずれにせよ、言語は、コンパイル言語またはインタプリタ型言語であってもよい。このような各コンピュータプログラムは、本明細書で説明する手順を実行するためにコンピュータによって記憶媒体またはデバイスが読み取られたときに、コンピュータを構成および機能させるための、汎用または特定用途のプログラマブルコンピュータによって読み取り可能な記憶媒体またはデバイスに格納されることが好ましい。

【0032】

互いに通信するいくつかの構成要素を有する実施形態の説明は、そのようなすべての構成要素が必要であることを意味するものではない。それどころか、本発明の多種多様な可能な実施形態を説明するために、様々な選択的な構成要素が説明されている。

【0033】

さらに、プロセスステップ、方法ステップ、アルゴリズムなどは、（本開示および／または特許請求の範囲において）連続した順序で記述されることがあるが、そのようなプロセス、方法およびアルゴリズムは、代替の順序で動作するように構成され得る。換言すれば、記述され得るステップの任意のシーケンスまたは順序は、ステップがその順序で実行されることを必ずしも要求するものではない。本明細書に記載されるプロセスのステップは、実用的な任意の順序で実行され得る。さらに、いくつかのステップは、同時に実行されてもよい。

【0034】

単一の装置または物品が本明細書に記載される場合、複数の装置または物品（それらが協働するか否かに関わらず）が単一の装置／物品の代わりに使用され得ることは、容易に明らかであろう。同様に、複数の装置または物品が本明細書に記載されている場合（それらが協働するか否かに関わらず）、単一の装置／物品が複数の装置または物品の代わりに使用され得ることは、容易に明らかであろう。

【0035】

以下は、一般にはロボット工学に関し、より詳細には、自由飛行する宇宙船とのロボット相互作用のエミュレーションを含む、宇宙での使用および運用のためのロボットシステムの設計、試験、および検証のいずれか１つまたは複数のための、システムおよび方法に関する。

【0036】

ここで、図１を参照すると、そこに示されているのは、一実施形態に係るロボット試験システム１００である。

【0037】

ロボット試験システム１００は、共同タスクを実行するための独立した制御システムを有する２つの独立したロボットシステムを含むロボットシステムを設計、試験、または検証するためのより大きなシステムの一部として、サービサーロボットシステムまたはクライアントロボットシステムをエミュレートするために使用されてもよい。従って、ロボットシステム１００は、例えば、宇宙で使用されるロボットシステムの性能および相互作用を評価するための地上試験プロセスの一部として使用することができる。

【0038】

例えば、ロボット試験システム１００は、地上試験プロセスの一部として、サービサー０Ｇロボットマニピュレータなどのサービサーロボットシステムをエミュレートするために使用することができる。

【0039】

ロボットシステム１００は、ロボットマニピュレータ（シリアルロボットマニピュレータの場合、ロボットアームとも呼ばれる）１０２と、ロボットマニピュレータ制御サブシステム１０４とを含む。

【0040】

通常、動作中には、ロボットマニピュレータ１０２およびロボットマニピュレータ制御サブシステム１０４は、互いに通信する。

【0041】

ロボットマニピュレータ１０２は、アーム機構１０６と、力モーメントセンサ（ＦＭＳ、または力トルクセンサ）１０８と、インタフェーシングコンポーネント１１０とを含む。

【0042】

アーム機構１０６は、リンクおよびジョイントのアセンブリを含む。リンクはアーム機構１０６の剛性部であり、ジョイントは、接続された２つのリンク間の制限された相対運動を可能にする当該２つのリンク間の接続部である。リンクおよびジョイントの数は、用途によって異なり得る。

【0043】

アーム機構１０６は、アームコントローラ（後述のアームコントローラ１１２）から受信したコマンドに基づいて軌道を追跡するように構成される。アーム機構１０６は、さらに、ジョイント角度測定値をロボットマニピュレータ制御サブシステム１０４に（すなわち、アームコントローラに）、処理のために、提供してもよい。

【0044】

ＦＭＳ１０８は、ロボットマニピュレータ１０２が経験する接触力およびモーメントを測定するように構成される。ＦＭＳ１０８は、力モーメントセンサ測定値をロボットマニピュレータ制御サブシステム１０４に提供する。

【0045】

インタフェーシングコンポーネント１１０は、典型的には、ロボットマニピュレータ１０２の先端もしくは自由端、またはその近傍にあるコンポーネントであり、第２の独立したロボットシステムの第２のロボットマニピュレータ上の相補的なインタフェーシングコンポーネントとの物理的なインタフェースまたは係合の相互作用に関与している。このように、インタフェーシングコンポーネント１１０は、実際の動作において（すなわち、試験の状況の外部における２つのエミュレートされたロボットシステムの間で）実行されるのと同様の方法で、ロボットマニピュレータ１０２を第２のロボットマニピュレータに物理的に係合するために使用される。

【0046】

一例では、インタフェーシングコンポーネント１１０は、捕獲および硬化操作に参加するロボットインタフェースの半分であり、それによって、第１のロボットマニピュレータ１０２が、第２の動的システムをエミュレートする第２のロボットマニピュレータに対して硬化する（ロボットマニピュレータ１０２は捕獲されてもよいし、捕獲を実行していてもよい）。捕獲及び硬化操作は、自由浮遊または自由飛行する宇宙船（例えば、人工衛星）を宇宙ロボットマニピュレータによって捕獲及び硬化を模倣することを意図し得る。

【0047】

ロボットマニピュレータ制御サブシステム１０４は、アームコントローラ１１２と動的システムエミュレータ１１４とを含む制御ソフトウェア１１１を含む。

【0048】

アームコントローラ１１２は、アーム機構１０６にアームおよびジョイントのレベルコマンド（例えば、後述のコマンド１２２）を提供する。アームおよびジョイントのレベルコマンドは、外部センサからの入力、他のコントローラからの出力、および自動化されたコマンドのうちのいずれか１つ以上に基づいて提供されてもよい。アームコントローラ１１２は、ロボットマニピュレータ１０２と、ロボットマニピュレータ１０２が相互作用している第２のロボットシステム／マニピュレータとの間の接触力をアームコントローラ１１２が調節することによって、力制御を行うように構成されていてもよい。アームコントローラ１１２は、アームコントローラ１１２が一定のスタンドオフ距離を維持し、ロボット試験システム１００が相互作用している第２のロボット試験システムによってエミュレートされているターゲット人工衛星とドリフト率を一致させることによって、ビジュアルサーボ制御を行うように構成されてもよい。

【0049】

動的システムエミュレータ１１４は、所望の電気機械システムのダイナミクスを捕獲するように構成され得るシミュレータを備える。動的システムエミュレータ１１４は、アーム機構１０６の基準軌道を制御するソフトウェアに組み込まれてもよい。動的システムエミュレータ１１４は、ロボットアーム１０２の先端（または自由端付近のある解像度の点）が所望の力学系の挙動を再現することを可能にする。これは、例えば、ロボットマニピュレータ１０２とは異なる（例えば、より短い／より長い、より軽い／より重い）ターゲットマニピュレータの先端ダイナミクスをエミュレートすることや、自由浮遊宇宙船の浮遊ダイナミクスをエミュレートすることを含んでもよい。

【0050】

一実施形態において、エミュレートされたシステム（例えば、宇宙マニピュレータ、人工衛星）のダイナミクス／運動学は、Ｓｉｍｕｌｉｎｋまたは同様のプログラミング環境を通じて、動的システムエミュレータ１１４においてコード化することができる。

【0051】

一実施形態では、動的システムエミュレータ１１４は、１つまたは複数のサービスタスク（「サービサーロボットアーム」）を実行するように構成された０Ｇロボットアームをエミュレートするように構成されてもよい。別の実施形態では、動的システムエミュレータ１１４は、ロボット作業現場インタフェースまたは自由浮遊人工衛星などの、クライアント宇宙ロボットシステムをエミュレートするように構成されてもよい。一般に、クライアント宇宙ロボットシステムは、ロボットシステム相互作用を介してサービサーロボットアームによってサービスされるロボットシステムである。

【0052】

動的システムエミュレータ１１４は、動的システムモデルを実行するように構成される。動的システムモデルは、ロボットマニピュレータ１０２の先端のターゲット挙動の数学的モデルを表してもよい。

【0053】

場合によっては、動的システムエミュレータ１１４は、初期条件が動的システムエミュレータ１１４に提供可能なように構成されてもよい。初期条件は、例えば、ユーザインタフェースを介して入力されたユーザ入力データを介して提供されてもよい。その後、初期条件は、動的システムエミュレータ１１４によって、シミュレートされる動的システムの初期状態を決定するために使用されてもよい。一例として、動的システムエミュレータ１１４が自由浮遊人工衛星のダイナミクスをエミュレートするように構成されている場合に、初期条件は、ロボットマニピュレータ１０２に初期の目標ドリフト率を割り当てる動的システムエミュレータ１１４に提供されてもよい。

【0054】

一般に、システム１００の動作中には、ロボットマニピュレータ１０２が環境と相互作用すると、ロボットマニピュレータ１０２は、ＦＭＳ１０８によって測定される力（接触力）及びモーメント１１６を経験する。ＦＭＳ測定値１１８は、動的システムエミュレータ１１４に提供される。ＦＭＳ測定値１１８は、動的システムエミュレータ１１４による内部シミュレーションを駆動するために使用される。ＦＭＳ測定値１１８は、外乱として、動的システムモデルシミュレーションに提供されてもよい。動的システムエミュレータ１１４は、動的システムモデルを使用して、力およびモーメントに対するシステムの応答をシミュレートする。その後、動的システムエミュレータ１１４によって実行される内部シミュレーションの出力は、ロボットマニピュレータ１０２のアーム機構１０６によって追跡される。動的システムエミュレータ１１４によって決定されたシステム応答は、アーム機構１０６が追跡するための基準軌道を生成するために使用されてもよい。例えば、動的システムエミュレータ１１４は、システム応答をマニピュレータ１０２の先端基準コマンドとして生成してもよく、このコマンド１２０は、アームコントローラ１１２に伝達されてもよい。その後、基準コマンド信号は、アームコントローラ１１２からアーム機構１０６に伝達されるアームおよびジョイントのコマンド１２２（動的システムエミュレータ１１４の出力に基づく）を通じて、アームおよびジョイントの制御動作を介して追跡される。

【0055】

ここで図２を参照すると、そこに示されているのは、一実施形態に係る、宇宙ベースのロボットシステム相互作用の地上試験および検証のためのシステムで使用するためのロボット試験システム２００である。

【0056】

ロボット試験システム２００は、図１のロボット試験システム１００の一例であり、エミュレートされる動的電気機械システムは、サービサー宇宙ロボットアームである。したがって、以下のいずれの例もシステム１００に適用でき、システム１００を参照して上述したいずれの例も、システム２００に適用できる。

【0057】

ロボットシステム２００は、異なるマニピュレータ設計およびコンセプト（すなわち、１つまたは複数の「ターゲットマニピュレータ」）の動的性能を再現するために使用可能であり、かつ、多種多様な自由飛行ペイロードおよび作業現場インタフェースをエミュレートする汎用性を有する動的エミュレータシステム（例えば、図３のシステム３００）と対話可能である。

【0058】

特に、ロボット試験システム２００は、異なるマニピュレータの先端ダイナミクスをエミュレートするように構成される。異なるマニピュレータは、例えば、より大きいまたはより小さいロボットアーム、または、より軽いまたはより重いロボットアームであってもよい。異なるマニピュレータは、０Ｇアームであってもよい。

【0059】

ロボットマニピュレータ１０２は、アーム機構１０６に接続されたエンドエフェクタ２０２を含む。エンドエフェクタ２０２は、アーム機構１０６の自由端に接続された周辺装置またはツールであり、環境（例えば、後述する図３のロボット試験システムなどの他のロボットシステム）と対話するように構成される。

【0060】

ロボットマニピュレータ１０２は、システム２００のインタフェーシングコンポーネント１１０であるプローブ２０４をさらに含む。プローブ２０４は、第２のロボット試験システム（例えば、図３のシステム３００）上のインタフェーシングコンポーネント１１０に係合し、ロボット試験システム２００と第２のロボット試験システムとの間の物理的接続を確立するように構成される。プローブ２０４は、第２のロボット試験システム上でターゲットの視覚的追跡を実行するようにさらに構成されてもよい。プローブ２０４の動作は、ロボットマニピュレータ制御サブシステム１０４内のプローブコントローラ２０６によって制御される。

【0061】

ロボット試験システム２００は、重力オフロード機構２０８をさらに含む。重力オフロードは、ロボットマニピュレータ１０２が０Ｇロボットマニピュレータとして機能するように、ロボットマニピュレータ１０２を重力オフロードするように構成される。

【0062】

重力オフロード機構２０８は、パッシブ重力オフロード機構またはアクティブ重力オフロード機構であってもよい。

【0063】

ロボット試験システム２００の動的システムエミュレータ１１４は、「ターゲットマニピュレータ」（例えば０Ｇマニピュレータ）の先端ダイナミクスを捕獲およびエミュレートするように構成される。動的システムエミュレータ１１４は、ターゲットマニピュレータのダイナミクスおよび制御スキームを捕獲するように構成される。

【0064】

ロボットマニピュレータ１０２は、７自由度（ＤＯＦ）マニピュレータであってもよい。ロボットマニピュレータ１０２は、既知の宇宙マニピュレータシステムのロボットアームと運動学的に同等であるように構成されてもよい。

【0065】

ロボットマニピュレータ１０２は、ロール・ヨー・ピッチ・ピッチ・ピッチ・ヨー・ロールのトポロジーを使用するように構成されてもよい。

【0066】

重力オフロード機構２０８は、アーム１０２の全重量をカウンターバランスするために使用されてもよい。アーム１０２のパッシブなカウンターバランスは、各リンクの重心がそのジョイント駆動軸上に落ちるようにアーム重量を再分配し、ケーブルプーリシステムでエンドエフェクタ２０２の重量と釣り合わせることによって提供されてもよい。

【0067】

重力オフロード機構２０８は、限られた作業空間にわたって、アーム１０２がほぼ無重量環境で動作することを保証することができる。この挙動は、アーム１０２のヨージョイントの１つ目をロックすることによってピッチ平面の回転が抑制され、アームを実質的に６自由度アームとするように規制されてもよい。

【0068】

アーム機構１０６のアームジョイントは、ギア比、ギアボックスの剛性、および出力トルクに関して、飛行を表すように構成されてもよい。

【0069】

ロボットマニピュレータ１０２は、１つまたは複数のエンドエフェクタ２０２を備えてもよい。

【0070】

ロボット試験システム２００は、アーム１０２の自重が重力オフロード機構２０８によってバランスが取られている場合には、他の地上のロボットよりも優れたペイロード処理能力を提供し得る。

【0071】

例えば、ロボット試験システム２００は、構成された動的システムエミュレータ１１４を使用して、以下のタスクのいずれか１つ以上を実行するように構成された０Ｇマニピュレータをエミュレートするのに使用することができる：入ってくる訪問輸送手段およびペイロードの捕獲、それらの（例えば、ＩＳＳへの）ドッキング、（複雑な）ステーションの保守・修理タスクの実行、組立・保守タスク、（無人または有人の）訪問輸送手段を捕獲してステーションへのドッキング、ステーション上のモジュールの位置の再構成、ステーションの外側構造上を移動して所望の場所に到達すること、保守・修理タスクの実行、および、人工衛星サービスタスク（すなわち、支援を必要とする既存の宇宙船とランデブーして、給油、保守、修理などの寿命を延ばすサービスを提供することが目標の宇宙任務）。したがって、そのようなタスクの性能は、ロボット試験システム２００（または本明細書に記載される他のシステム）を使用して地上試験することができる。

【0072】

ここで図３を参照すると、そこに示されているのは、一実施形態に係るロボット試験システム３００である。

【0073】

ロボット試験システム３００は、エミュレートされる動的電気機械システムが自由浮遊宇宙船（例えば、人工衛星）である図１のロボット試験システム１００の一例である。したがって、以下のいずれの例もシステム１００に適用されてもよく、システム１００を参照して上述したいずれの例もシステム３００に適用されてもよい。

【0074】

システム３００の動的システムエミュレータ１１４は、自由浮遊人工衛星のダイナミクスをエミュレートするように構成される。動的システムエミュレータ１１４によってエミュレートされる人工衛星は、様々な慣性およびジオメトリの、制御された人工衛星および制御されていない人工衛星を含んでもよい。

【0075】

ロボットマニピュレータ１０２は、従来の１Ｇ対応アームとして動作するように構成されてもよい。

【0076】

ロボット・マニピュレータ１０２は、システム３００のインタフェーシングコンポーネント１１０であるターゲット３０２を含む。ターゲット３０２は、第２のロボット試験システム（例えば、図２のシステム２００のプローブ２０４）上のインタフェーシングコンポーネント１１０とインタフェースし、ロボット試験システム３００と第２のロボット試験システムとの間の物理的接続を確立するように構成される。ターゲット３０２は、ロボットインタフェースのパッシブな側または半分であってもよく、そのアクティブな半分は、システム３００と相互作用する第２のロボット試験システムによって提供される。ターゲット３０２は、第２のロボット試験システムによる視覚的追跡を可能にするための視覚的ターゲットコンポーネントを含んでもよい。

【0077】

ロボットマニピュレータ制御サブシステム１０４は、姿勢制御システム３０４をさらに含む。姿勢制御システム３０４は、ロボット試験システム３００によってエミュレートされる人工衛星の姿勢制御システムとして機能するように構成される。この形態では、ロボットマニピュレータ制御サブシステム１０４は、クライアント宇宙船の内部制御システムをエミュレートすることができ、サービサーロボットと、アクティブに制御され動作するクライアント宇宙船と、の間の相互作用を効果的に試験することができる。

【0078】

一実施形態では、ロボットマニピュレータ１０２は、動的システムエミュレータ１１４を使用して、人工衛星姿勢制御ハードウェア（アクチュエータおよびセンサ）およびソフトウェア（飛行コード）のハードウェア・イン・ザ・ループの試験を可能にし得る。このシナリオでは、ロボットマニピュレータ１０２は、本明細書に記載されるように、ターゲット人工衛星のダイナミクスのパッシブなダイナミクスをエミュレートする。仮想化されたアクチュエータおよびセンサのモデルを含む代わりに、実際のアクチュエータ（例えば、コールドガススラスタ、制御モーメントジャイロ、またはリアクションホイール）、およびセンサ（例えば、加速度計または姿勢センサ）が、機械的インタフェースを介してアーム１０２の先端に取り付けられてもよい。制御力およびトルクは、アームの力トルクセンサ１０８によって読み取られ、ターゲット人工衛星をエミュレートするためにアーム応答を更新するために使用される。このセットアップにより、人工衛星の姿勢および位置制御サブシステムの実際のソフトウェアおよびハードウェアを試験することができる。

【0079】

ここで図４を参照すると、そこに示されているのは、一実施形態に係る、サービサーロボットシステム（例えばサービサーロボットアーム）とクライアントロボットシステム（例えば自由浮遊人工衛星、ロボット作業現場インタフェース）との間の宇宙ベースのロボットシステム相互作用を地上で試験および検証するためのシステム４００である。

【0080】

一例では、システム４００は、挙動が従来の方法では容易に再現できない力学系と相互作用するときの、宇宙ロボットアームの性能を評価し調査するために使用されてもよい。

【0081】

システム４００は、第１のロボット試験システム４０２および第２のロボット試験システム４０４を含む。システム４００は、複合現実システム４０６をさらに含んでもよい。

【0082】

第１および第２のロボット試験システム４０２、４０４は、図１のロボット試験システム１００の異なる構成例である。したがって、以下の例のいずれも、システム１００に適用され得、システム１００を参照して上述した例のいずれも、システム４００に適用され得る。第１および第２のロボット試験システム４０２の構成要素は、明確のため、それぞれ「ａ」および「ｂ」を追加して図１と同じ参照数字が与えられている。

【0083】

特に、第１のロボット試験システム４０２は、図２のロボット試験システム２００の一例であり、第２のロボット試験システム４０４は、図３のロボット試験システム３００の一例である。

【0084】

第１のロボット試験システム４０２は、０Ｇサービサーロボットアームをエミュレートするように構成され、第２のロボット試験システム４０４は、自由浮遊宇宙船（人工衛星）の形態のクライアントロボットシステムをエミュレートするように構成される。

【0085】

他の実施形態では、第２のロボット試験システム４０４は、ロボット作業現場インタフェースなどの、異なるクライアント空間ロボットシステムをエミュレートするように構成され得る。

【0086】

一実施形態では、第１のロボットマニピュレータ１０２ａは、７自由度、重力補償（０Ｇ）ロボットアームであってもよく、第２のロボットマニピュレータ１０２ｂは、動的システム評価用の７自由度１Ｇロボットアームであってもよい。

【0087】

一般に、第１および第２のロボット試験システム４０２、４０４は、それぞれ、サービサーロボットアームおよび自由浮遊宇宙船をエミュレートして、物理的に相互作用するように構成され、それにより、エミュレートされる２つの宇宙ベースのロボットシステム間の相互作用が地上ベースの試験環境で評価され得る。

【0088】

特に、第１のロボット試験システム４０２の第１のロボットマニピュレータ制御サブシステム１０４ａによって実行される動的システムエミュレータ１１４は、第１のロボットマニピュレータ１０２ａの先端が０Ｇサービサーロボットアームの運動挙動をエミュレートするように構成される。第２のロボット試験システム４０４の第２のロボットマニピュレータ制御サブシステム１０４ｂによって実行される動的システムエミュレータ１１４は、第２のロボットマニピュレータ１０２ｂの先端が自由浮遊人工衛星の運動挙動をエミュレートするように構成される。

【0089】

第１および第２のロボット試験システム４０２、４０４は、同じアームおよびジョイント制御システム１１２を実行することができる。

【0090】

第１および第２のロボット試験システム４０２、４０４は、第１のロボットマニピュレータ１０２ａが第２のロボットマニピュレータ１０２ｂを視覚的に追跡して物理的接続を確立するように操作される（矢印４０６で示す）。物理的接続は、フリーフライヤ捕獲エミュレーションであってもよい。第１および第２のシステム４０２、４０４が相互作用すると、接触力およびモーメント４０８、４１０が、第１および第２のロボットマニピュレータ１０２ａ、１０２ｂによってそれぞれ経験される。力およびモーメントは、上述の通り、システム４０２、４０４によって測定され、動的システムエミュレータ１１４によって実行される内部シミュレーションの駆動に使用される。

【0091】

ＭＲシステム４０６は、第１および第２のロボット試験システム４０２、４０４の制御サブシステム１０４ａ、１０４ｂと通信を行う。制御サブシステム１０４ａ、１０４ｂからＭＲシステム４０６に伝達されるデータは、位置決めデータ（位置および向き）を含み得る。位置決めデータは、例えば、ロボット１０２ａ、１０２ｂそれぞれのエンドエフェクタ上の分解能の点の位置決めデータを含むことができる。一般に、一般化された軌道情報は、制御サブシステム１０４ａ、１０４ｂとＭＲシステム４０６との間で共有され得る。一般化された軌道情報は、例えば、一般化された位置（ｘ、ｙ、ｚ、ヨー、ピッチ、ロール）およびその導関数：一般化された速度、加速度を含み得る。これは、ＭＲシステム４０６のＭＲソフトウェアによって使用され、例えば、実際のサービサーアームジオメトリおよび実際のクライアント宇宙船ジオメトリ、または抽象化データなどの、関心対象の視覚エミュレーションを投影する（例えば後述する）。

【0092】

ＭＲシステム４０６から制御サブシステム１０４ａ、１０４ｂに伝達されるデータは、コマンドおよび制御データを含む。これにより、オペレータは、スクリプト化されたコマンドをロボット４０２、４０６に送信することができる（例えば後述する）。

【0093】

ＭＲシステム４０６は、オペレータが第１および第２のロボットアーム１０２ａ、１０２ｂを遠隔操作できるように構成されてもよい。

【0094】

ＭＲシステム４０６は、エミュレートされる２つのロボットシステムの仮想モデルをロボットマニピュレータ１０２ａ、１０２ｂ上にオーバーレイするように構成されてもよい。ＭＲシステム４０６は、仮想モデルをアーム１０２ａ、１０２ｂ上に固定するように構成されてもよい。ロボット４０４がエミュレートしているものの上に人工衛星の仮想モデルをオーバーレイすることで、実行されているマヌーバ／試験を容易に理解することができる。システム４０２によってエミュレートされているロボットマニピュレータの仮想モデルをオーバーレイすることで、アームの反応などの迅速な視覚化を提供することができる。

【0095】

ＭＲシステム４０６は、テレメトリをレンダリングするように構成されてもよい。レンダリングされたテレメトリは、ロボットアーム１０２ａ、１０２ｂの実際のテレメトリを含んでもよい。レンダリングされたテレメトリは、システム４０２、４０４それぞれの動的システムエミュレータ１１４（図４には示されていない）によって生成された仮想テレメトリを含んでもよい。

【0096】

ＭＲシステム４０６は、モデルとモデルに対する制約とを定義し、共通参照フレームを作成／強化し、レンダリングのためにテレメトリをルーティングするように構成されてもい。

【0097】

ＭＲシステム４０６は、ロボットシステム４０２、４０４の試験全体をスクリプト化するように構成されてもよい。例えば、ＭＲシステム４０６は、オペレータがアームスクリプト化された挙動をロードして実行できるように構成されてもよい。

【0098】

ＭＲシステム４０６は、ミッション計画タスクをサポートするために、ユーザが第１および第２のロボットアームシステム４０２、４０４を用いてマヌーバを設計、計画、および実行できるように構成されてもよい。ＭＲシステム４０６は、試験環境内の任意の位置からリアルタイムでアーム１０２ａ、１０２ｂのテレメトリストリームの視覚化を提供してもよい。

【0099】

ＭＲシステム４０６は、例えばＭＲシステム４０６によって実行されるユーザインタフェースを介して、アーム１０２ａ、１０２ｂの再構成を可能とし、発行するコマンドを選択するように構成されてもよい。

【0100】

システム４００は、様々な機能性および能力を提供してもよく、様々な試験用途を有してもよい。様々な試験用途は、ナビゲーションおよび制御アルゴリズムの設計および試験、実際のアーム操作のための制御パラメータチューニングの実行、将来のロボットミッションおよび既存のシステムの更新のための新規な制御アルゴリズムの迅速な試作、新たにチューニングされた第１のロボットアーム制御システムパラメータの性能評価の実行（コントローラチューニング）、ミッション計画、操作手順の試行、自由空間マヌーバにおけるロボットアーム性能およびアームが構造物と接触するときのロボットアーム性能の評価、ロボットインタフェースおよび人工衛星捕獲の試験などを含む。

【0101】

ここで図５を参照すると、そこに示されているのは、一実施形態による、２つの独立した宇宙ロボットシステム間のロボット相互作用を地上で試験および検証する方法６００である。

【0102】

方法６００は、図４のシステム４００を使用して実行されてもよい。

【0103】

６０２において、方法６００は、第１のロボットアーム（例えば、ロボット試験システム４０２）を用いて、０Ｇサービサーロボットアームの運動挙動をエミュレートすることを含む。エミュレートは、０Ｇサービサーロボットアームのダイナミクスを捕獲するように構成された第１の動的システムエミュレータ（例えば、図１の動的システムエミュレータ１１４）を使用して実行される。例えば、動的システムエミュレータは、ターゲットマニピュレータ（０Ｇサービサーロボットアーム）の先端ダイナミクスを捕獲し、動的システムエミュレータ１１４におけるスキームを制御するように構成されてもよい。

【0104】

６０４において、方法６００は、第２のロボットアーム（例えば、ロボット試験システム４０４）を用いて、自由浮遊人工衛星の運動挙動をエミュレートすることを含む。エミュレートは、自由飛行人工衛星の浮遊ダイナミクスなどのダイナミクスを捕獲するように構成された第２の動的システムエミュレータ（例えば、図１の動的システムエミュレータ１１４）を使用して実行される。

【0105】

自由飛行人工衛星のダイナミクスをエミュレートすることは、動的システムエミュレータに人工衛星の姿勢決定および制御を仮想的に組み込むこと、または、第２のロボットアーム内の実際の姿勢決定および制御のハードウェア（ジャイロ、スラスタなど）を使用して人工衛星の姿勢決定および制御をエミュレートすること、を含み得る。

【0106】

任意に、６０２および６０４の前に、方法６００は、０Ｇサービサーロボットアームおよび自由浮遊人工衛星の初期状態を決定するために、第１および第２の動的システムエミュレータのそれぞれに初期条件（例えば、動的システム条件）を与えることを含み得る。初期条件は、ユーザインタフェースを介してオペレータによって提供されてもよい。一例では、初期条件を提供することは、自由浮遊人工衛星のダイナミクスをエミュレートするときに、第２のロボットアームに初期ドリフトを割り当てることを含み得る。

【0107】

６０６において、方法６００は、第１のロボットアーム（０Ｇサービサーロボットアームをエミュレートする）と第２のロボットアーム（自由浮遊人工衛星をエミュレートする）とが物理的に相互作用することを含む。物理的相互作用は、例えば、自由浮遊人工衛星に関するサービサーロボットアームによるタスクまたは操作の実行など、宇宙における２つのエミュレートされたロボットシステム間の物理的相互作用を複製することを含み得る。一例では、物理的相互作用は、第１のロボットアームが、宇宙での自由浮遊捕獲操作を模倣して第２のロボットアームを捕獲し硬化させることを通じた、捕獲及び硬化プロセスを含み得る。

【0108】

６０８において、方法６００は、６０６における物理的相互作用に基づいて、第１のロボットアームによって経験される力およびモーメントを測定することを含む。力およびモーメントは、第１のロボットアーム内のＦＭＳ（例えば、図１のＦＭＳ１０８）により測定される。

【0109】

６１０において、方法６００は、６０６における物理的相互作用に基づいて、第２のロボットアームによって経験される力およびモーメントを測定することを含む。力およびモーメントは、第２のロボットアーム内のＦＭＳ（例えば、図１のＦＭＳ１０８）により測定される。

【0110】

６１２において、方法６００は、第１のロボットアーム内の第１の動的システムエミュレータを使用して、第１のロボットアームにより測定された力およびモーメントに対する応答をシミュレートすることを含む。その際、第１の動的システムエミュレータは、０Ｇサービサーロボットアームの応答をシミュレートする。

【0111】

６１４において、方法６００は、第２のロボットアーム内の第２の動的システムエミュレータを使用して、第２のロボットアームにより測定された力およびモーメントに対する応答をシミュレートすることを含む。その際、第２の動的システムエミュレータは、自由浮遊人工衛星の応答をシミュレートする。

【0112】

６１６において、方法６００は、６１２において第１の動的システムエミュレータによって出力された、シミュレートされた応答に基づいて、第１のロボットアームを用いて軌道を追跡することを含む。その際、第１のロボットアームは、第２のロボットアームによってエミュレートされた自由浮遊人工衛星との物理的相互作用に基づいて、０Ｇサービサーロボットアームの運動挙動をエミュレートする。これは、第１の動的システムエミュレータの出力を第１のロボットアームのアームコントローラに提供して、アーム及びジョイントのコマンドを生成することを含んでもよく、このコマンドは、アームコントローラから第１のロボットアームのアーム機構に伝達され得る。

【0113】

６１８において、方法６００は、６１４において第２の動的システムエミュレータによって出力された、シミュレートされた応答に基づいて、第２のロボットアームを用いて軌道を追跡することを含む。その際、第２のロボットアームは、第１のロボットアームによってエミュレートされた０Ｇサービサーロボットアームとの物理的相互作用に基づいて、自由浮遊人工衛星の運動挙動をエミュレートする。これは、第２の動的システムエミュレータの出力を第２のロボットアームのアームコントローラに提供して、アーム及びジョイントのコマンドを生成することを含んでもよく、このコマンドは、アームコントローラから第２のロボットアームのアーム機構に伝達され得る。

【0114】

任意に、方法６００の実行中に、方法６００は、エミュレートされている０Ｇサービサーロボットアームの仮想モデルを第１のロボットアームにオーバーレイすることと、エミュレートされている自由浮遊人工衛星の仮想モデルを第２のロボットアームにオーバーレイすることとをさらに含み得る。仮想モデルのオーバーレイは、図４のＭＲシステム４０６のような複合現実システムによって実行され得る。オーバーレイは、例えば、仮想モデルを実際の物理システムハードウェア（すなわち、第１および第２のロボットアーム）に登録または重ね合わせることを含み得る。任意の適切な登録技術が使用され得る。オーバーレイは、方法６００の任意の一部の間に実行されてもよい。

【0115】

方法６００は、パッシブオフロード機構またはアクティブオフロード機構（例えば、図２のオフロード機構２０８）を介して、第１のロボットアームを０Ｇに重力オフロードすることも含み得る。パッシブオフロード機構は、例えば、オフセット重量および振り子ケーブルオフローダを有するプーリシステムを含んでもよく、ここで、第１のロボットアームの端部は、ガントリシステムによって運ばれる振り子形式のケーブルを使用して吊るされる。パッシブオフロード機構は、例えば、第１のロボットアームの先端のパッシブプーリ駆動オフロードシステム、およびマニピュレータのジョイント（例えば、リストおよびエルボー）のカウンターバランス機能を含み得る。アクティブオフロード機構は、第１のロボットアームに重力オフロードを提供するように構成されたロボットマニピュレータ（例えば、地上のロボットアーム）を含み得る。

【0116】

方法６００は、動的システムエミュレータによってエミュレートされた宇宙船の質量、慣性、剛性、または減衰特性を調整することも含み得る。例えば、動的システムエミュレータの動的モデルは、コントローラ更新速度で変更することができる。これは、軌道上の分離、展開（例えば、剛性または減衰特性の調整に対応し得る太陽電池アレイ、無線アパーチャ、またはアンテナの展開）、および推進力の使用による質量の変化が、動的システムエミュレータによって（リアルタイムで）エミュレートできることを意味する。

【0117】

ここで、図６から図８を参照して、本開示の宇宙用のロボットシステムを試験および検証するためのシステムおよび方法の特定の実施形態を説明する。このシステムの実施形態は、DREAMR Labと称されることがある。本実施形態は、Mission Analysis Robotic Kit I（「ＭＡＲＫ Ｉ」）と称される第１のロボット試験システムと、Mission Analysis Robotic Kit II（「ＭＡＲＫ ＩＩ」）と称される第２のロボット試験システムとを含む。ＭＡＲＫ ＩおよびＭＡＲＫ ＩＩは、図１のロボット試験システム１００の実施形態である。特に、ＭＡＲＫ Ｉは、図２のロボット試験システム２００の一実施形態であってもよく、ＭＡＲＫ ＩＩは、図３のロボット試験システム３００の一実施形態であってもよい。ＭＡＲＫ ＩおよびＭＡＲＫ ＩＩは、宇宙用のロボットシステムを試験および検証するためのシステムの一部として一緒に使用されてもよく、これは、図４のシステム４００に対応してもよい。

【0118】

ＭＡＲＫ ＩおよびＭＡＲＫ ＩＩシステムは、独立した制御システムの集合を備え、これらは協働して２つの独立したロボットシステムの共同作業を可能にする。

【0119】

ここで図６および図７を参照すると、そこに示されているのは、一実施形態に係る、宇宙用のロボットシステムを試験および検証するためのシステム７００である。図６は、システム７００を構成要素の高レベルのブロック図として示す。図７は、図６に示したシステム７００において、ＭＡＲＫ ＩとＭＡＲＫ ＩＩとシステム時間遅延との間の相互作用に関するさらなる詳細を示す。関連するシステム時間遅延は、処理される信号の感知からコマンドまでの往復遅延を含み得る。

【0120】

システム７００は、ＭＡＲＫ Ｉ７０２およびＭＡＲＫ ＩＩ７０４を含む。システム７００は、複合現実システム７０６（または、拡張現実または仮想現実システム、本明細書ではDREAMR Worldと称される）をさらに含み、これはＭＡＲＫ Ｉ７０２およびＭＡＲＫ ＩＩ７０４に通信可能に接続されている。

【0121】

ＭＡＲＫ Ｉ７０２は、ロボットマニピュレータ７０８と、ロボットマニピュレータ７０８の動作を制御するためのロボットマニピュレータ制御サブシステム７１０とを含む。

【0122】

ロボットマニピュレータ７０８は、アーム機構７１２と、アーム機構７１２の先端に配置されたエンドエフェクタ７１４とを含む。ロボットマニピュレータ７０８は、力モーメントセンサ７１６と、プローブ７１８（ＭＡＲＫ ＩＩとの物理的接続、例えば係合を確立するためのもの）をさらに含む。

【0123】

ＭＡＲＫ Ｉ７０２は、ガントリオフローダ７２０をさらに含む。ガントリオフローダは、エンドエフェクタ７１４に接続され、ロボットマニピュレータが０Ｇロボットアームとして機能するように、ロボットマニピュレータ７０８をパッシブに重力オフロードするように構成される。

【0124】

ロボットマニピュレータ制御サブシステム７１０は、アーム機構７１２の動作を制御するためのアームコントローラ７２２と、エミュレーションコントローラ７２４と、力モーメントアコモデーション（ＦＭＡ）およびビジュアルサーボ（ＶＳ）ユニット７２６と、プローブ７１８の動作を制御するためのプローブコントローラ７２８とを含む。力モーメントアコモデーション（ＦＭＡ）は、マニピュレータによってＦＭＳデータを解釈および利用するように構成されたソフトウェアを含む。同様に、ビジュアルサーボは、ビジョンシステムからのデータを使用して、ロボットの動作に修正を提供する。例えば、アームはビジョンシステムのデータを使用して、ターゲットを追跡するためにその軌道を変更することができる。ロボットマニピュレータ制御サブシステム７１０は、自動化および安全性コントローラ７３０をさらに含む。自動化および安全性コントローラ７３０は、障害状態（例えば、経験した負荷、予想外の電流）を検知し、安全性反応（例えば、ブレーキイベント、突然の停止）をトリガするように構成され得る。安全性反応をトリガするために、自動化および安全性コントローラ７３０は、コントローラ７２２、７２４、７２８のうちの任意の１つ以上と通信してもよい。

【0125】

ＭＡＲＫ ＩＩ７０４は、ロボットマニピュレーター７３２と、ロボットマニピュレーター７３２の動作を制御するためのロボットマニピュレーター制御サブシステム７３４とを含む。

【0126】

ロボットマニピュレータ７３２は、アーム機構７３６と、力モーメントセンサ７３８と、視覚的追跡およびプローブ７１８との物理的接触のためのターゲット７１８と、を含む。

【0127】

ロボットマニピュレータ制御サブシステム７３４は、アーム機構７３６の動作を制御するためのアームコントローラ７４２と、エミュレーションコントローラ７４４と、姿勢制御システム７４６とを含む。ロボットマニピュレータ制御サブシステム７３４は、自動化および安全性コントローラ７４８をさらに含む。自動化および安全性コントローラ７４８は、障害状態（例えば、経験した負荷、予想外の電流）を検知し、安全性反応（例えば、ブレーキイベント、突然の停止）をトリガするように構成され得る。安全性反応をトリガするために、自動化および安全性コントローラ７４８は、コントローラ７４２、７４４、７４６のうちの任意の１つ以上と通信することができる。

【0128】

ＭＡＲＫ Ｉ７０２およびＭＡＲＫ ＩＩ７０４のロボットマニピュレータ７０８、７３２のそれぞれは、それぞれのエミュレーションコントローラ７２４、７４４の出力に基づいて、追跡７５０を実行する。追跡７５０は、複合現実システム７０６への入力として使用される。

【0129】

ＭＡＲＫ Ｉロボットマニピュレータ７０８およびＭＡＲＫ ＩＩロボットマニピュレータ７３２のアーム機構７１２、７３６は、ジョイント角度データ７６０ａ、７６０ｂを生成し、それぞれのアームコントローラ７２２、７４２に送信する。ジョイント角度データ７６０ａ、７６０ｂの通信は、関連する時間遅延７６２ａ、７６２ｂを含む。

【0130】

ＭＡＲＫ Ｉロボットマニピュレータ７０８およびＭＡＲＫ ＩＩロボットマニピュレータ７３２のＦＭＳ７１６、７３８は、センサ測定値を生成し、センサ測定値７６４ａ、７６４ｂをそれぞれのコントローラサブシステム７１０、７３４に送信する。検知された力データ７６４ａ、７６４ｂの通信は、関連する時間遅延７６６ａ、７６６ｂを含む。ＦＭＳ測定値７６４ａ、７６４ｂは、エミュレーションコントローラ７２４、７４４への入力として提供される。

【0131】

ロボットマニピュレータ制御サブシステム７１０、７３４は、コマンド７６８ａ、７６８ｂを生成し、それぞれのロボットマニピュレータ７０８、７３２に送信する。コマンド７６８ａ、７６８ｂは、アーム機構７１２、７３６のアームおよびジョイントの動作を介して追跡されるアームおよびジョイントレベルのコマンド（例えば、マニピュレータ先端参照コマンド）を含む。コマンド７６８ａ、７６８ｂの通信は、関連する時間遅延７７０ａ、７７０ｂを含む。

【0132】

システム７００は、ＭＡＲＫ Ｉ７０２およびＭＡＲＫ ＩＩ７０４のコントローラサブシステム７１０、７３４と、ＭＲシステム７０６との間の、センサおよびコマンド信号の通信に関連する時間遅延７７２ａ、７７２ｂ、７７４ａ、７７４ｂをさらに含む。時間遅延７７２ａ、７７２ｂは、追跡システム７５０を介した、それぞれのロボットプラットフォーム７１０、７３４からDREAMRシステム７０６までの信号遅延を指す。つまり、外部システムは、各ロボット７０２、７０４のフィデューシャルを測定し、これらから位置と向きとを中継している。これらの信号の測定、処理、および送受信により、時間遅延が生じる。同様に、ロボットシステム７１０、７３４は、それらのセンサおよびジョイントの状態に関するデータをDREAMRシステム７０６に直接送信する。これらの信号もまた、（典型的にはより少ない量だけ）遅延する。この時間遅延は、７７４ａ、７７４ｂで示される。

【0133】

ＭＡＲＫ ＩおよびＭＡＲＫ ＩＩシステム７０２、７０４（例えば、エミュレーションコントローラ７２４、７４４、エミュレーション層９０２ａ、９０２ｂ）を実行するコンピューティングおよびソフトウェアは、図７における時間遅延７６２～７７４を最小化するように最適化され得る。時間遅延の最小化は、例えば、所定のデータバスを使用する少ないリソースでの直接接続、リアルタイムポーリングまたは割り込み、および／または、より高いデータレートの実装、を使用して、ソフトウェアおよびデータバスへの負荷の最小化を試み得る。時間遅延７６２～７７４を最小化することで、コントローラの性能劣化の可能性を低減し得る。

【0134】

システム７００は、フリーフライヤ捕獲操作をエミュレートし、フリーフライヤ捕獲操作に参加するロボットシステム（ＭＡＲＫ ＩおよびＭＡＲＫ ＩＩ）の制御システム相互作用を評価するように構成される。

【0135】

タスクを実行するために、ＭＡＲＫ ＩＩ７０４のエミュレーションパッケージ（例えば、図９のエミュレーション層９０２など、エミュレーションコントローラ７４４によって実行されるソフトウェアパッケージ）は、ＭＡＲＫ ＩＩ７０４に実際の人工衛星（すなわち、自由浮遊宇宙船）のダイナミクスをエミュレートさせるように構成される。そして、タスクは、ＭＡＲＫ Ｉ７０２をそのターゲット７４０からスタンドオフ距離に到達させ、ＭＡＲＫ ＩＩ７０４のターゲット７３０を確保するために、ＭＡＲＫ Ｉ７０２の捕獲機構（例えば、プローブ７１８）に命令することを含む。実験室の設定でこのフリーフライヤ捕獲タスクを実行することは、特に困難である：このようなフリーフライヤ捕獲タスクを完了することに伴う明白な課題に加えて、実験室でこれを行うには、ＭＡＲＫ ＩＩ７０４のターゲット７４０（例えば、液体アポジモーター「ＬＡＭ」ノズル）がＭＡＲＫ Ｉ７０２捕獲機構によって捕獲されて硬化すると、ＭＡＲＫ Ｉ７０２およびＭＡＲＫ ＩＩ７０４相互の協力が必要となる。２つのロボットシステム７０２、７０４が一緒に硬化されると、ロボットシステム７０２、７０４は、不安定な動作の誘発を避けるために協力する。この種の操作では、２つの制御システムシナリオがしばしば考慮される。第１のシナリオ（シナリオ１、パッシブ捕獲）では、ＭＡＲＫ Ｉ７０２のエミュレーションコントローラ７２４によってエミュレートされるサービサー制御システム（宇宙船及びロボットサービサーアーム制御システム）のみがアクティブである一方、ＭＡＲＫ ＩＩのエミュレーションコントローラ７４４によってエミュレートされるクライアントの姿勢及び軌道の制御システムは非アクティブ化されて、捕獲行為の間及び後に、サービサー（ＭＡＲＫ Ｉ７０２によってシステム７００で模倣される）とクライアント軌道制御システムとは互いに競合しない。第２のシナリオ（シナリオ２、アクティブ捕獲）では、サービサー（ＭＡＲＫ Ｉ７０２によってシステム７００に模倣される）と、クライアント（ＭＡＲＫ ＩＩ７０４によってシステム７００に模倣される）の制御システムとは、共にアクティブである。この第２のシナリオは、クライアント人工衛星のポインティングを摂動させることなく、自由に飛行する宇宙船の捕獲を実行しようとするときに、しばしば考慮される。

【0136】

上述の第１および第２のシナリオの双方において、システム７００（すなわち、試験環境）において、ＭＡＲＫ ＩＩ７０４システムは、クライアント宇宙船のダイナミクスを（エミュレーションコントローラ７４４を介して）、アクティブにエミュレートしている。したがって、第１のシナリオ（パッシブ捕獲）であろうと第２のシナリオ（アクティブ捕獲）であろうと、試験されるシナリオに関わらず、捕獲後に、ＭＡＲＫ Ｉ７０２およびＭＡＲＫ ＩＩ７０４のアクティブコントロールシステムは相互作用する。それぞれのアーム制御システム（アームコントローラ７２２、７４６）がこの相互作用を考慮して設計されていない場合、それぞれのアーム制御システム７２２、７４６は、最終的に競合することになり、最善のシナリオでもエミュレーションの忠実度が著しく低下する結果を招き、最悪のシナリオでは制御システムに不安定性が導入される結果を招く。タスクエミュレーションの忠実度を維持するために、この挙動は、（i）２つのロボットシステム７０２、７０４の間に情報の通信／交換がないこと、および（ii）ＭＡＲＫ ＩＩ７０４は、動作全体を通じて人工衛星の挙動を（エミュレーションコントローラ７４４を介して）正確にエミュレートし続けること（不安定な挙動は、エミュレーションを実際のシステムの挙動から発散させてしまう）、の制約の下で得られる。

【0137】

このようなタスクを成功で完了するために、全体的なシステム設計は、２つのシステムがパッシブに相互作用すること、すなわち、２つのシステム７０２、７０４の相互作用が、システム自体にエネルギーを注入しないことを確保する。これは、硬化の後、互いに相互作用するいくつかの独立したアクティブな制御システムが存在するという点で、達成するのが特に困難なタスクである。具体的には、システム７００によって実行されるフリーフライヤ捕獲操作の間、以下の制御システムがしばしばアクティブである。

【0138】

ＭＡＲＫ Ｉ７０２上：
ｉ）アームコントローラ７２２：外部センサからの入力と、他のコントローラからの出力と、自動化されたコマンドとに基づいて、アームおよびジョイントのレベルコマンドを提供する：
（ａ）力制御：２つのロボットシステム７０２、７０４の間の接触力を調整することができる。
（ｂ）ビジュアルサーボ制御：所定のスタンドオフ距離を維持し、ドリフトレートを、ＭＡＲＫ ＩＩ７０４によってエミュレートされるターゲット人工衛星に適合させる。
ｉｉ）エミュレーションコントローラ７２４：ロボットマニピュレータ７０８のＭＡＲＫ Ｉ７０２先端の動的応答を、所望のシステムのものと一致させるオプションを提供する。
ｉｉｉ）プローブコントローラ７２８：アームコントローラ７２２と協調して、プロービング機構（伸長／収縮）を制御する。
ｉｖ）高レベル自動化／安全性コントローラ７３０：システムの安全性を提供し、適切な制御機構を作動させる。これは、マニピュレータ７０８の端点の力／モーメントセンサの過負荷、マニピュレータ７０８の端点軌道の追跡、ローカルマニピュレータ７０８ジョイントの過負荷、およびマニピュレータ７０８の自身またはその環境との衝突の監視などの、挙動を監視するセンサを含み得る。この監視は、内在的なセンシングと外在的なセンシングとの双方を用いて実行される。内在的なＭＡＲＫ Ｉ７０２センシングは、ジョイント位置測定と、マニピュレータ７０８のジョイント電流またはトルクセンシングと、ＭＡＲＫ Ｉ７０２のビジョンシステムから得られる他の物体の相対的な位置および向きと、を含み得る。外在的なセンシングは、ＭＡＲＫ Ｉ７０２上の分解能の点の位置および向きと、作業空間内の他の分解能の点とを追跡する、光学追跡デバイスの使用を含むことができる。

【0139】

ＭＡＲＫ ＩＩ７０４上：
ｉ）アームコントローラ７４２：外部センサからの入力と、他のコントローラからの出力と、自動化されたコマンドとに基づいて、アームおよびジョイントのレベルコマンドを提供する。
ｉｉ）エミュレーションコントローラ７４４：測定された力／モーメントと、構成されたボディプロパティとに基づいて、浮遊パッシブ宇宙船のダイナミクスをエミュレートする。エミュレーションコントローラ７４４によって実行される内部エミュレーションパッケージは、姿勢制御システム７４６などの、アクティブな姿勢および／または軌道制御システムの動作をシミュレートすることもでき、シミュレートされた制御システムをリストに追加する。
ｉｉｉ）高レベル自動化／安全性コントローラ７４８：システムに安全性を提供し、適切な制御機構を作動させる。この安全性の確認は、ＭＡＲＫ Ｉシステム７０２で使用されるような方法およびセンサを使用して達成することができる（上述の通り）。

【0140】

２つのロボットシステム７０２、７０４上のこれら全ての制御システムは、ＭＡＲＫ ＩおよびＭＡＲＫ ＩＩシステム７０２、７０４同士の接触中に、他のロボットシステムが何をしているかの直接的な情報無しに、互いに相互作用し得る。このような状況では、システムに影響を与える任意のセンサノイズおよび時間遅延が、相互作用を不安定な状態にし得る。このようなことが起こらないようにするために、以下のいくつかのステップを取り得る。（ａ）パッシブな相互作用の保証に関して、制御システムを慎重に調整すること（しかしながら、保守的すぎると、ＭＡＲＫ Ｉ７０２の性能とＭＡＲＫ ＩＩ７０４のエミュレーション忠実度との双方について、著しい性能低下を招く）。（ｂ）センサノイズに反応する２つのシステム７０２、７０４によって引き起こされる不安定性の問題を避けるために、センサデータを平滑化すること。（ｃ）コントローラ性能を低下させる時間遅延７６２～７７４（図７参照）を最小化するために、２つのシステム７０２、７０４を実行するコンピューティングおよびソフトウェアを最適化すること。（ｄ）時間遅延（図７の時間遅延７６２～７７４など）に対して、自然でより強固なエミュレーション／制御戦略を採用すること。

【0141】

図７は、システム７００を示し、２つのロボットシステム７０２、７０４上の様々な制御システムの相互作用を表している。２つのMARKロボット７０２、７０４間の唯一の接続が、「視覚的追跡」７５２（独立したビジョンシステムから２つのシステム７０２、７０４の相対姿勢情報を受信および処理するＭＡＲＫ Ｉ７０２の能力を指し、カメラビューを処理するマシンビジョンアルゴリズムの存在をエミュレートする）、および２つのシステム７０２、７０４間（すなわち、プローブ７１８とターゲット７４０との間）の「物理的接続」７５４から、どのように来るのかに留意することは重要である。ロボットシステム７０２、７０４間の物理的接触から生じる力およびモーメント７５６、７５８（それぞれＭＡＲＫ ＩＩ７０４およびＭＡＲＫ Ｉ７０６によって経験される）は、２つのロボット７０２、７０４上で常に独立して測定されている。

【0142】

ここで、システム７００の動的エミュレーション層の詳細を、図８を参照しながら説明する。

【0143】

図８を参照すると、そこに示されているのは、一実施形態に係る、システム７００のエミュレーションの動作９００を例示するブロック図である。

【0144】

ＭＡＲＫ Ｉ７０２およびＭＡＲＫ ＩＩ７０４の双方は、エミュレーション層９０２と総称され、一般的にエミュレーション層９０２と称される、内部エミュレーション層（動的エミュレーション層）９０２ａ、９０２ｂを備えている。エミュレーション層９０２ａ、９０２ｂは、図１の動的システムエミュレータ１１４であってもよい。

【0145】

内部エミュレーション層９０２は、それぞれのシステム７０２、７０４のエミュレーションコントローラ７２４、７４４によって実装される。内部エミュレーション層９０２は、それぞれのエミュレーションコントローラ７２４、７４４によって実行される１つまたは複数のソフトウェアコンポーネントを含み得る。内部エミュレーション層９０２、９０４は、アーム７０８、７３２の先端（または自由端付近の分解能のある点）が、所望の力学系（例えば、より短い／より長いアーム、またはより軽い／より重いアーム）の挙動を再現することを可能にする。

【0146】

その中核となるエミュレーション層９０２はＭＡＲＫ ＩおよびＭＡＲＫ ＩＩシステム７０２、７０４のそれぞれの全体制御システム７１０、７３４で実行されるマルチボディ動的システムシミュレータである。この内部シミュレーション９０２は、力学系モデル、検知された力およびモーメント、および初期条件の３つの中核要素に基づいて、アーム７１２、７３６が追跡するための基準軌道を提供する。

【0147】

動的システムモデルは、アーム７０８、７３２の先端のターゲット挙動の数学的モデルを表す。動的システムモデルは、エミュレーションコントローラ７２４、７４４によって実行されるエミュレーション層９０２によって実装される。シミュレートされる力学系モデルを変更することにより、アーム７０８、７３２の先端における劇的に異なる運動挙動をエミュレートすることができる。一実施形態において、エミュレーションソフトウェア９０２は、オペレータが独自の力学系モデルを構築することを可能にする。これには、単体（宇宙船）または多体システム（マルチジョイントロボットマニピュレータ）をシミュレートする剛体および柔軟な多体ダイナミクス、アクティブに駆動するアーティキュレーション（例えば、ロボットマニピュレータジョイント、リアクションホイールなどの姿勢制御装置、または人工衛星構造物の展開アクチュエータなど）をエミュレートする電気機械モデル、および、単体または多体のダイナミクスを制御する様々な制御システムを表すコンピューティングおよびソフトウェアが含まれる。エミュレーションパッケージ９０２は、様々なシステム挙動をエミュレートするように構成され得る。エミュレーション層９０２によってエミュレートされ得るシステム挙動は、例えば、浮遊人工衛星のダイナミクスまたは大型アームの先端ダイナミクスを含んでもよく、これにより、ＭＡＲＫ Ｉ７０２は、研究室で物理的に試験することができない可能性のあるシステムの先端ダイナミクスを正確にエミュレートすることができる。

【0148】

内部シミュレーション９０２は、検知された力およびモーメントに基づいて、ロボットアームが追跡するための基準軌道をさらに提供する。内部シミュレーション９０２は、試験環境における実際の物理的相互作用中にアーム７０８、７３２が経験する（例えば、ＭＡＲＫ Ｉ７０２のアーム７０８がＭＡＲＫ ＩＩ７０４のアーム７３２に接触する、またはＭＡＲＫ Ｉ７０２のアーム７０８が静止物体に接触する）、測定した力およびモーメント９０４ａ、９０４ｂによって駆動される。接触力およびモーメント９０４ａ、９０４ｂは、ＭＡＲＫ ＩおよびＭＡＲＫ ＩＩのアーム７０８、７３２のそれぞれにおけるアームＦＭＳ（力およびモーメントセンサ）７１４、７３８によって測定され、外乱としてそれぞれの動的システムモデルシミュレーション９０２ａ、９０２ｂに与えられる。その後、エミュレーション層９０２ａ、９０２ｂによって実装されたシステム数学モデルに基づいて、それらの力およびモーメント９０４ａ、９０４ｂに対するシステム７０２、７０４の応答をシミュレートし、その結果を使用して、アーム７０８、７３２が追跡するための基準軌道を生成することが可能となる。

【0149】

力およびモーメント９０４ａ、９０４ｂのＦＭＳ測定値は、関連する時間遅延９１４ｂ、９１４ｅを用いて、ＦＭＳ７１４、７３８からエミュレーション層９０２ａ、９０２ｂに出力される。

【0150】

ＦＭＳ測定値は、それらの力およびモーメント９０４ａ、９０４ｂに対するそれぞれのシステムの応答をシミュレートするエミュレーション層９０２ａ、９０２ｂによって入力として受信される。エミュレータ層９０２ａ、９０２ｂは、エミュレートされたシステムのダイナミクスをエミュレートするために、ロボットシステムが追跡するための位置および向きの追跡を含む、シミュレートされた応答を生成する。エミュレータ層９０２ａ、９０２ｂのシミュレートされた応答出力は、エミュレータ層９０２ａ、９０２ｂからエラー決定ユニット９１０ａ、９１０ｂへ、関連する時間遅延９１４ｃ、９１４ｆで出力される。

【0151】

ＭＡＲＫ Ｉハードウェア（ＨＷ）７０８およびＭＡＲＫ ＩＩハードウェア（ＨＷ）７３２は、測定値９０６ａ、９０６ｂを出力する。測定値９０６ａ、９０６ｂは、ローカルアームおよびジョイントコントローラによって使用されるジョイントおよびモータ位置／レート測定値を含み得る。測定値９０６ａ、９０６は、ビジョンシステム推定および／または力モーメント測定値をさらに含み得る。測定値９０６ａ、９０６ｂは、関連する時間遅延９１４ａ、９１４ｄを含み、エラー決定ユニット９１０ａ、９１０ｂへの入力として提供される。

【0152】

ロボットマニピュレータ制御システム７１０、７３４のそれぞれは、エラー決定ユニット９１０ａ、９１０ｂを含む。エラー決定ユニット９１０ａ、９１０ｂは、エミュレーション層９０２ａ、９０２ｂと、ＭＡＲＫ ＩおよびＭＡＲＫ ＩＩ ＨＷ７０８、７３２とから入力を受け取り、エラー測定値９１２ａ、９１２ｂを決定し、エラー測定値９１２ａ、９１２ｂはアームおよびジョイントコントローラ７２２、７４２に提供される。エラー測定値９１２ａ、９１２ｂは、制御システムにおけるエラーである。エラー測定値９１２ａ、９１２ｂは、目標値（エミュレーションによって決定される）と、ジョイントの位置及び／又は速度の測定値との差である。コントローラ７２２、７４２は、測定されたジョイントの位置／速度と、目標値との間の誤差（エラー測定値９１２ａ、９１２ｂ）を修正するために、ジョイントに送信するコマンド信号を生成する。

【0153】

アームおよびジョイントコントローラ７２２、７４２は、ＭＡＲＫ ＩおよびＭＡＲＫ ＩＩ ＨＷ７０８、７３２のアーム機構が追跡するための基準軌道を記述するアームおよびジョイントのコマンド９０８ａ、９０８ｂを生成し、コマンド９０８ａ、９０８ｂをＭＡＲＫ ＩおよびＭＡＲＫ ＩＩ ＨＷ７０８、７３２に提供する。

【0154】

内部シミュレーション９０２はまた、初期条件に基づいて、ロボットアームが追跡するための基準軌道を生成および提供する。初期条件は、シミュレートされる力学系の初期状態を決定するために、エミュレーションパッケージ９０２に提供され得る。これは、例えば、人工衛星のダイナミクスをエミュレートするときに、アーム７３２に初期の目標ドリフト率を割り当てることを可能にする。

【0155】

一実施形態では、基準軌道は、外乱に対する応答だけでなく、ＭＡＲＫ Ｉのアーム７０８の所望の運動にも基づいてもよい。

【0156】

上述した要素に基づいて、エミュレーションパッケージ９０２は、マニピュレータ先端基準コマンド９０８ａ、９０８ｂとして、所望のシステム応答を生成する。そして、基準信号は、アームおよびジョイント制御動作を介して追跡される。

【0157】

エミュレーションパッケージ９０２ａ、９０２ｂは、ＭＡＲＫ ＩおよびＭＡＲＫ ＩＩの双方のアーム７０８、７３２に対して実装されている。つまり、システム７０２、７０４のいずれもがエミュレーション機能を有効にできるため、オペレータは２つのアーム７０８、７３２を使用して、全く異なるシステムのダイナミクスと相互作用とをエミュレートすることができる。

【0158】

再び図６および図７を参照すると、システム７００は、ＭＡＲＫ Ｉ７０２およびＭＡＲＫ ＩＩ７０４システムと通信する複合現実（ＭＲ）システム７０６を含む。

【0159】

ＭＲシステム７０６によるＭＲの使用は、ユーザがシステム７００のシステム状態およびテレメトリを単一の世界観で見ることを可能にする。複数のロボットまたはシステム（例えば、システム７０２、７０４）が表示される。表示されたシステムは、システム７０２、７０４のハードウェア上でスケールダウンされるか、またはフルスケールで重ね合わされてもよい。そして、ＭＲシステム７０６を使用して、ユーザが関心を持つ仮想セットアップを構成できる。これは、研究室内のユーザまたは遠隔地からのユーザのいずれもが実行できる。例えば、ユーザは、ユーザインタフェースを介してＭＲシステム７０６と対話し、ユーザインタフェースを介してシステム７００（およびそのコンポーネント）を再構成することができる。同様に、ユーザは、ハードウェアに対するユーザインタフェースコマンドを通じて、または、ＭＡＲＫ ＩおよびＭＡＲＫ ＩＩのアーム制御システム７１０、７３４のそれぞれの手操作対応制御機能（hand enabled compliant control features）によって、物理的マニピュレータ７０８、７３２の先端を実際に動かすことによって、ＭＲ世界の物理的要素を構成することができる。

【0160】

次に、図７から図９に記載されたシステム７００の様々な追加の詳細および特徴について説明する。

【0161】

システム７００は、宇宙で使用または実行される、ロボットシステムおよびミッション運用の設計、開発、および検証のための無重力の宇宙ロボット施設として機能し得る。システム７００は、軌道上ロボット工学のためのものであってもよい。ロボット工学は、人類の宇宙探査を可能にする上で重要な役割を担ってきた。特に、スペースシャトルおよび国際宇宙ステーション計画の成功には、宇宙用マニピュレータが不可欠であった（例えば、カナダアーム、カナダアーム２、デクスターなど）。今後の宇宙開発およびミッションにおいても、ロボット工学はさらに重要な役割を果たすであろう（例えば、カナダアーム３、人工衛星整備など）。宇宙ロボットは、常に自律性のレベルを上げながら、複雑さを増すタスクを完了することが期待されている。

【0162】

システム７００は、誘導、ナビゲーション、および制御（ＧＮＣ）アルゴリズムの検証を実行するために使用され得る。システム７００は、ＧＮＣアルゴリズムの性能を検証および推定してもよい。そのような検証および推定は、そのようなアルゴリズムの性能に対する増大する要求を満たすために使用され得る。

【0163】

システム７００（および本明細書に記載の他のシステム）が扱う根本的な問題および課題は、無重力ロボットシステムの性能が、地上での同じシステムの性能と大きく異なることである。その結果、完全なロボットシステムの実験室での試験は、しばしば不可能である。ＧＮＣアルゴリズムの性能は、高忠実度のシミュレーションと、地上試験：シングルジョイント・テストベッド、浮遊平面マニピュレータ、１重力（１Ｇ）アームなど、との組み合わせを通じて、しばしば検証される。

【0164】

ＭＡＲＫ Ｉ７０２は、マニピュレータ７０８の先端のパッシブプーリ駆動オフロードシステム（ガントリオフローダ７２０を含む）を介して重力オフロードされる６自由度のマニピュレータ７０８と、マニピュレータ７０８のリストおよびエルボーのカウンターバランス機能とを含むことができる。これらの特徴により、ＭＡＲＫ Ｉ７０２は、無重力状態における典型的な宇宙用マニピュレータの性能を非常に忠実にエミュレートすることができる。

【0165】

ＭＡＲＫ Ｉ７０２は、パッシブな機構を介して重力オフロードされる６自由度マニピュレータであってもよい。この特徴は、ＭＡＲＫ Ｉ７０２に、宇宙マニピュレータの挙動を確実にエミュレート可能とさせる。ＭＡＲＫ Ｉのアーム機構７１２の各ジョイントは、アーム７０８が現在入っている制御モードによって色が変化するＬＥＤ（表示灯）のセットを備えてもよい。この特徴により、ロボットオペレータが、実験室内のどの位置からでもシステムの現在の状態を常に知り、マニピュレータ７０８と直接対話することが安全であるかどうかを知ることを、許容し得る。

【0166】

システム７００は、安全、アーム初期化、スタンバイ、パッシブリンプ、アーム移動、アームボアード（arm bored）を含むアーム制御モードを、カラーインジケータ付きで含んでもよい

【0167】

システム７００は、交換可能なエンドエフェクタを含んでもよい。ＭＡＲＫ Ｉ７０２のエンドエフェクタ７１４は、さまざまな異なる操作およびアーム機構の試験を可能にするために交換可能であってもよい。

【0168】

ＭＡＲＫ Ｉ７０２は、様々な方法で制御可能である。制御は、ハンドコントローラ（コンピュータユーザインタフェースを有する）と、ロボットオペレータと、システムの遠隔操作をエミュレートするための先端移動用および回転用の一組と、のうちの任意の１つ以上を含んでもよい。

【0169】

制御は、オペレータが、その動作中にシステムを検査するためにその近傍に立ちながらアーム７０８を制御することを可能にするジョイスティックを含んでもよい。

【0170】

システム７００は、エンジニア／ユーザが、（アームコントローラ７２２を使用して）アーム７０８が実行できる複雑な一連のコマンドをスクリプト化できるようにするためのコンピュータユーザインタフェースを含んでもよい。

【0171】

ＭＡＲＫ ＩＩ７０４は、一般には動的システムエミュレーションのため、およびＭＡＲＫ Ｉ７０２との協調タスクを実行するために使用される、７自由度の１重力（１Ｇ）アーム７３２を含む。

【0172】

７自由度のマニピュレータ７３２は、動的システム操作のため、およびＭＡＲＫ Ｉ７０２が別のアクティブシステムと相互作用することを要求する協調タスク（例えば、制動されたカナダアーム２のエミュレーション）を試験するために使用することができる。これは、さもなくば実験室の設定では不可能な、長さ１７メートルのカナダアーム２のような、大きな動的システムの性能および／または相互作用を試験する能力を促進する。

【0173】

システム７００は、マニピュレータ先端を使用して様々な動的システムの応答をエミュレートする（例えば、典型的な質量バネダンパーシステムの挙動をエミュレートする）ことができる内部モジュールを備えることができる。この機能を活用すると、作業現場での様々な挙動を積極的にエミュレートすると共に、その場で機械的特性を変更する柔軟性も提供する、特有な機能がユーザに提供される。

【0174】

システム７００は、様々な慣性の自由浮遊人工衛星の挙動をエミュレートするように構成可能な内部エミュレーションパッケージ９０２を含む。エミュレートされた人工衛星は、外部の摂動が導入された後に元の姿勢を回復するために、それ自身のエミュレートされた姿勢制御システム７４６を起動することもできる。オペレータがシステムを摂動させた後でも、システムの姿勢は変化しない。

【0175】

一実施形態では、ＭＲシステム７０６は、マイクロソフト（登録商標）・ホロレンズ２の技術（または同様の技術）を使用して、トレーニングおよび共同設計のための高度に没入的な複合現実環境をオペレータに提供する。

【0176】

ホロレンズ２の技術は、ロボット工学システム７００によって実行されている試験の理解を高めることができる。ＭＲシステム７０６は、グラフィック人工衛星モデルをＭＡＲＫ ＩＩ７０４上にオーバーレイするように構成されてもよく、これにより、観察者が、マニピュレータ７３２の先端がその動きをエミュレートするのを単に見るだけでなく、ＭＡＲＫ ＩＩのマニピュレータ７３２の先端の運動によって駆動される人工衛星の動きを見ることができる。また、これは、クライアント宇宙船の液体アポジノズル（ターゲット７４０）内の捕獲プローブ７１８の内部接触による動的な部品の係合や、他の「ペグ・イン・ホール」タイプの係合操作などの、操作の内部視界を含むこともあり、これらの視点は、複合現実の導入によってのみ可能となり得る。

【0177】

システム７００のアプリケーション（実行される試験および操作）は、ミッション計画と、ロボットインタフェース試験と、フリーフライヤ捕獲操作とを含まれる。

【0178】

ミッション計画は、ロボットシステムを含む複雑な操作の設計におけるラボ支援操作を含む。オペレータは、ＭＲシステム７０６を使用して、ＭＡＲＫ ＩＩ７０４およびＭＡＲＫ Ｉ７０２を直接制御および再配置して、フリーフライヤ捕獲操作の設計をサポートしてもよい。オペレータは、アームの構成を仮想的に変更でき、ロボットシステム７０２、７０４に所望のマヌーバを実行させることができる。

【0179】

システム７００は、ロボットインタフェースのモックアップを設置するためにＭＡＲＫ Ｉ７０２を動作させることなどによって、ロボットインタフェースの試験を可能としてもよく、インタフェースの残りの半分は全動作中にＭＡＲＫ ＩＩによって保持される。このセットアップによって、所与のインタフェースのロボット互換性の試験が可能となり、全操作中にアーム７０８とインタフェースの他方の側（ＭＡＲＫ ＩＩ７０４のマニピュレータ７３２上）とが経験する予測荷重を推定することも可能となる。

【0180】

フリーフライヤ捕獲操作は、フリーフライヤの捕獲を試験する能力だけでなく、複数のロボットシステム７０２、７０４と、ＭＡＲＫ ＩＩ７０４によって挙動がエミュレートされているターゲット浮遊人工衛星を捕獲しようとするＭＡＲＫ Ｉ７０２と、の間の協力を必要とする操作を含む。捕獲が完了した後、２つのシステム７０２、７０４は共にドリフトし、捕獲された人工衛星（ＭＡＲＫ ＩＩ７０４によってエミュレートされる）は姿勢修正マヌーバを開始し、ＭＡＲＫ ＩＩ７０４は姿勢修正マヌーバに従うことができる。２つのシステム７０２、７０４は、システムがオペレータによって摂動された後でも、安定した方法で互いに相互作用する。

【0181】

上記の説明は、１つまたは複数の装置、方法、またはシステムの例を提供するが、当業者に理解されるように、他の装置、方法、またはシステムもまた、請求項の範囲に含まれる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【国際調査報告】