JP2004181599A - Leg type moving robot - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To realize a stable and highly efficient action by dynamically and statically controlling two characteristics of an actuator itself and a controller of the actuator. <P>SOLUTION: A leg type moving robot can carry out follow-up-control in a high band while reducing impact force at the moment of landing by obtaining mechanical passiveness and fast response property through setting a gain of a low frequency region to low, an amount of a leading phase to large and viscosity resistance of a joint to small relative to each actuator characteristic of a pitch shaft of a knee joint, and roll and pitch axes of an ankle on the free leg side in a stage when floor reaction force for a sole part of the free leg to receive is made to zero when the free leg is raised. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロボットや汎用組立機器、ロボット・ハンド機器、その他の多軸制御装置などのような多軸駆動系の機械装置に係り、特に、直列補償の比例ゲイン、位相補償要素から成り立つ位置制御系を構成するアクチュエータのサーボ制御器によって各関節部位が構成されるロボットに関する。
【０００２】
さらに詳しくは、本発明は、高ゲインＰＤ制御で各軸リンクが制御される２足歩行の脚式移動ロボットに係り、特に、ロボットの歩行を始めとしてさまざまな動作の実行時においてアクチュエータそのものの特性とアクチュエータの制御器の特性の２つを動的又は静的に制御することにより安定且つ高効率な動作を実現する脚式移動ロボットに関する。
【０００３】
【従来の技術】
電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行う機械装置のことを「ロボット」という。ロボットの語源は、スラブ語の”ＲＯＢＯＴＡ（奴隷機械）”に由来すると言われている。わが国では、ロボットが普及し始めたのは１９６０年代末からであるが、その多くは、工場における生産作業の自動化・無人化などを目的としたマニピュレータや搬送ロボットなどの産業用ロボット（ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｒｏｂｏｔ）であった。
【０００４】
アーム式ロボットのように、ある特定の場所に植設して用いるような据置きタイプのロボットは、部品の組立・選別作業など固定的・局所的な作業空間でのみ活動する。これに対し、移動式のロボットは、作業空間は非限定的であり、所定の経路上または無経路上を自在に移動して、所定の若しくは任意の人的作業を代行したり、ヒトやイヌあるいはその他の生命体に置き換わる種々の幅広いサービスを提供したりすることができる。なかでも脚式の移動ロボットは、クローラ式やタイヤ式のロボットに比し不安定で姿勢制御や歩行制御が難しくなるが、階段や梯子の昇降や障害物の乗り越えや、整地・不整地の区別を問わない柔軟な歩行・走行動作を実現できるという点で優れている。
【０００５】
最近では、イヌやネコのように４足歩行の動物の身体メカニズムやその動作を模したペット型ロボット、あるいは、ヒトのような２足直立歩行を行う動物の身体メカニズムや動作をモデルにしてデザインされた「人間形」若しくは「人間型」と呼ばれるロボット（ｈｕｍａｎｏｉｄ ｒｏｂｏｔ）など、脚式移動ロボットに関する研究開発が進展し、実用化への期待も高まってきている。
【０００６】
この種の脚式移動ロボットは、一般に、多数の関節自由度を備え、関節の動きをアクチュエータ・モータで実現するようになっている。また、各モータの回転位置、回転量などを取り出して、サーボ制御を行なうことにより、所望の動作パターンを再現するとともに、姿勢制御を行なうようになっている。
【０００７】
多軸駆動系の機械装置においては、各軸の回転位置を高精度に安定に検出して、位置指令により正確に動作させる必要がある。特に、人間型ロボットのような２足直立型の脚式移動ロボットにおいては、機体に電源を投入した直後からロボットは自分の姿勢位置を自律的に確認して、安定な姿勢位置に各軸を移動させる必要がある。したがって、各関節の回転自由度を与えるサーボ・アクチュエータにおいては、より高精度で高速の位置決め制御、並びに高トルク出力を低消費電力で行なわなければならない。
【０００８】
脚式移動ロボットは、基本的には、回転関節で構成される「肢」を複数備えているが、安定した２足歩行や安定した双腕作業など、外界や作業対象に対して、閉リンク状態と開リンク状態の切替え動作を高速に行なうことが求められている。
【０００９】
例えば、左右の可動脚による単脚支持期及び両脚支持期を交互に繰り返すことによって、歩行や階段の昇降、その他のさまざまな脚式作業を実行することができる。ここで、単脚支持から両脚支持に移行する場合のように、脚式移動ロボットが床面や壁面などとの間で開リンク機構から閉リンク機構に遷移する際には、例えば着床する足先において、制御上の予測値と実測値とのギャップが発生することがしばしばある。
【００１０】
このような予測と実測とのギャップにより、足先が着床すると予測された時点では未だ床面に到達していない「剥離」や、逆に足先が着床すると予測された時点よりも早く床面に到達してしまう「衝突」といった現象を招来する。これら、剥離や衝突は、機体が転倒するなど、脚式移動ロボットの姿勢安定制御に大きな影響を及ぼす。
【００１１】
従来は、肢の先に配設した力センサ情報や、関節を駆動するアクチュエータからのトルク情報などを用いて、ソフトウェアによるフィードバック制御によって、開リンク状態から閉リンク状態への切替え動作を高速に行なうことが試みられてきた。しかしながら、この方法による安定動作の実現は、非現実的と言えるほど、高速なフィードバック周期、高い関節駆動分解能、高い関節駆動速度並びに加速度が要求され、技術的に極めて困難である。
【００１２】
また、２足歩行（人間型）を始めとする多軸型のロボットにおいて、運動制御理論から見た関節各部位は高ゲインＰＤ制御で各軸リンクが制御され、それらが一定の特性のまま動作するのが一般的である。
【００１３】
しかしながら、人間の動作研究の結果からも分かるように、安定且つ高効率な動作を実現するには局所的に力を増減させることや関節各部位のコンプライアンス（機械的受動性）を増減させることが重要である。
【００１４】
位置制御系として関節各軸の動作を捉えたときは高ゲイン且つ高帯域なサーボ制御器を使って、制御偏差が少なくなるように制御した方がよいが、力学モデルとして捉えたときはポテンシャル・エネルギーや運動エネルギの作用を考慮してゲインを低くしたり位相補償している周波数帯を上下させたりすることも同時に行なうとよい。
【００１５】
ところが、ロボットの機体上でそのような制御を実現するにはアクチュエータそのものの特性と、アクチュエータの制御器の特性の２つを動的・静的に制御する機能が必要になる。
【００１６】
例えば、既知ないし未知の歩行路面でも安定して歩行することができる脚式移動ロボットの歩行制御装置に関する提案がなされている。すなわち、２足歩行の脚式移動ロボットで上体に腕を備えた人体類似の構造を有するものにおいて、歩行路面で摩擦力が低下して安定性が低下したとき、状態を駆動して安定性を確保ないし回復する（例えば、特許文献１を参照のこと）。しかしながら、これはフィード・フォワード・ゲインを制御することによって実現するものであり、関節の粘性や周波数特性に対する言及はなく、また、コンプライアンスの有無といった概念もない。
【００１７】
【特許文献１】
特開平７−２０５０６９号公報
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ロボットの歩行を始めとしてさまざまな動作の実行時においてアクチュエータそのものの特性とアクチュエータの制御器の特性の２つを動的又は静的に制御することにより安定且つ高効率な動作を実現することができる、優れた脚式移動ロボットを提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段及び作用】
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、複数の可動脚を含む複数の関節部位で構成される脚式移動ロボットであって、
各関節部位におけるアクチュエータのサーボ制御器のゲイン及び位相補償制御とアクチュエータ・モータの粘性抵抗の制御とを組み合わせて行なうアクチュエータ特性制御手段を備え、
前記アクチュエータ特性制御手段は、歩行動作の各段階毎に、各関節部位のアクチュエータを、低域ゲインを大きく、位相進み量を小さく、関節の粘性抵抗を大きくする第１のアクチュエータ特性と、低域ゲインを小さく、位相進み量を大きく、関節の粘性抵抗を小さくする第２のアクチュエータ特性との間で切り替える、
ことを特徴とする脚式移動ロボットである。
【００２０】
本発明によれば、脚式移動ロボットの各関節部位を構成するアクチュエータのサーボ制御器において、比例ゲインと位相補償要素を調整することにより、ロボットの関節各部位において必要な位置決め精度、機械的受動性（コンプライアンス）、動作速度を任意に設定することができる。
【００２１】
また、アクチュエータ・モータのコイルへの非通電時においてコイルを間歇的に短絡状態又はオープン状態に切り替えることによって、モータの粘性抵抗を調整し振動などの外乱に対するロバスト性を変更することができる。
【００２２】
さらに、これらアクチュエータのサーボ制御器におけるゲイン及び位相補償制御とアクチュエータ・モータの粘性抵抗の制御とを組み合わせることによって、位置決め精度が重要な部分に適用することができるアクチュエータの周波数特性、あるいは速応性とコンプライアンスが重要となる部分に適用することができるアクチュエータの周波数特性を得ることができる。
【００２３】
ここで、前記アクチュエータ特性制御手段は、アクチュエータの特性を「低域ゲインを大きく」、「高い周波数領域で位相進み量を小さく」、「関節の粘性抵抗を大きく」する設定を行なうことで、高精度な位置決め制御が可能となり、姿勢の安定性が増す。
【００２４】
また、前記アクチュエータ特性制御手段は、アクチュエータの特性を「低域ゲインを小さく」、「位相進み量を大きく」、「関節の粘性抵抗を小さく」する設定を行なうことで、機械的受動性と速い応答性を持たせることができるので、着床の瞬間の衝撃力を緩和しつつ高い帯域の追従制御を行なうことができる。
【００２５】
例えば、前記アクチュエータ特性制御手段は、歩行動作を開始する段階において、膝関節ピッチ軸、足首ロール軸及びピッチ軸、体幹ロール軸、ピッチ軸及びヨー軸、股関節ロール軸及びピッチ軸、首ピッチ軸の各関節部位のアクチュエータの特性に対して、低域ゲインを大きく、高い周波数領域で位相進み量を小さく、関節の粘性抵抗を大きくする設定を行ない、これらの各関節部位を高精度な位置決め制御が可能とし、姿勢の安定性を増すようにする。また、肩ピッチ軸及び肘ピッチ軸の各関節のアクチュエータの特性に対して、低域ゲインを小さく、位相進み量を大きく、関節の粘性抵抗を小さくする設定を行ない、機械的受動性と速い応答性を持たせるようにする。
【００２６】
また、前記アクチュエータ特性制御手段は、遊脚が持ち上げられその足底が受ける床反力がゼロとなった段階において、該遊脚側の膝関節ピッチ軸並びに足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータの特性に対して、低域ゲインを小さく、位相進み量を大きく、関節の粘性抵抗を小さくする設定を行なうことで、機械的受動性と速い応答性を持たせ、着床の瞬間の衝撃力を緩和しつつ高い帯域の追従制御を行なうことができるようにする。
【００２７】
また、前記アクチュエータ特性制御手段は、遊脚の歩行動作が進行して該遊脚が着床しその足底が受ける床反力が両脚支持期のそれとほぼ同じになった段階において、該遊脚側の膝関節ピッチ軸並びに足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータの特性に対して、低域ゲインを大きく、高い周波数領域で位相進み量を小さく、関節の粘性抵抗を大きく設定を行なうことで、着床時の遊脚の高精度な位置決め制御を可能にする。
【００２８】
また、肩〜遊脚にこのようなアクチュエータ特性を適用することで、脚に機械的受動性を与えることができるので、歩行動作中に脚を振り上げたときの位置エネルギを次の振り下ろす動作時に動作補助のエネルギとして使い易くなる。これによって、エネルギ消費が少なくなり、機体駆動用のバッテリの消耗を抑えることができる。
【００２９】
本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。
【００３１】
Ａ．アクチュエータの動作速度、機械的受動性
本出願人に既に譲渡されている特願２００１−２３３６９１号明細書には、外界や作業対象に対して、閉リンク状態と開リンク状態の繰り替え動作を高速に行なう脚式移動ロボットについて開示されている。すなわち、１以上の回転型関節（１関節当り２自由度以上備えていてもよい）で構成される肢を持つロボットにおいて、各肢に動的閉合誤差を除去するに最低限必要な受動自由度（減速機のバックラッシュなど）を配し、さらに各肢の可動範囲を適切に管理する。たとえ、関節部を駆動するアクチュエータがトルク情報を取得する手段を持たない場合であっても、閉リンク状態と開リンク状態の高速切替え動作を安定に実現する。
【００３２】
これは、２足歩行ロボットにおいて、腰部基準座標に近い部位にバックラッシュ量が少ないギアードモータを配置、手先・足先に近い部位にバックラッシュ量が多いギアードモータを配置し最適な特性を得るというものである。そして、ロボットを最適化する第２の方法として、各関節軸アクチュエータにおける位置サーボ補償器の開ループ・ゲインを任意に調整することで、位置エラー偏差量を制御する。すなわち、バックラッシュ量が均一の場合にはサーボゲインの大小によるサーボ偏差をバックラッシュ量に見立て、それを制御する。
【００３３】
本発明は、このような脚式移動ロボットの最適化方法をさらに拡張したものであり、要言すれば、サーボ制御器の比例ゲインだけでなく位相補償要素も関節各部位で調整するものである。
【００３４】
図１には、本発明の一実施形態に係るアクチュエータのサーボ制御器の構成を示している。同図に示すように、サーボ制御器は、直列補償の比例ゲインＫと位相補償要素Ｃ（ｓ）という２つの制御要素を持ち、比例ゲインだけでなく位相補償要素も関節各部位で調整する。
【００３５】
ここで、位相補償要素は以下の式で表される。但し、ｎ、ｍは任意の自然数であり、また、ａ_ｉ、ｂ_ｉは任意の実数であり、状態変数を表現した場合はフィードバック・ゲインに相当する。また、ｓはラプラス演算子である。
【００３６】
【数１】

【００３７】
また、モータと減速器の伝達関数表現モデルＧ（ｓ）は以下の式で表される。但し、Ｋはモータ・ゲインであり、Ｊはモータの慣性モーメントであり、Ｄはモータの粘性抵抗係数である。
【００３８】
【数２】

【００３９】
また、図２には、図１に示したモータと減速機の伝達関数表現モデルＧ（ｓ）のゲイン及び位相の周波数特性を示している。
【００４０】
まず、図１に示したサーボ制御器において、位相補償型制御の設計例として位相補償帯域を任意に選択する例（位相補償量が一定で周波数帯域を任意に選ぶ）について、図３を参照しながら説明する。同図において、
【００４１】
▲１▼Ｃ（ｓ）−１：１．０〜１００Ｈｚの帯域で約＋５．６ｄＢのゲイン増幅、約＋１８ｄｅｇの位相進みを与えている。
▲２▼Ｃ（ｓ）−２：０．１〜１０Ｈｚの帯域で約＋５．６ｄＢのゲイン増幅、約＋１８ｄｅｇの位相進みを与えている。
▲３▼Ｃ（ｓ）−３：１０〜１ｋＨｚの帯域で約＋５．６ｄＢのゲイン増幅、約＋１８ｄｅｇの位相進みを与えている。
【００４２】
このように、位相補償を施す周波数帯域を任意に選択することで、アクチュエータの周波数特性を自在に設定することができる。したがって、このようなアクチュエータで構成されるロボットの関節軸は、機体の姿勢や動作の局面に応じて、周波数特性を動的に調整することができる。
【００４３】
なお、図３に示す例では、位相進み補償の例を示したが、位相遅れ補償場合も同様に任意の周波数帯域で任意の位相遅れ量を設定することができる。
【００４４】
次いで、図１に示したサーボ制御器において、位相補償型制御の設計例として位相補償を施す量を任意に選択する例（周波数帯域が一定で位相補償量を任意に選ぶ）について、図４を参照しながら説明する。同図において、
【００４５】
▲４▼Ｃ（ｓ）−４：４．０〜７０Ｈｚの帯域で約＋３．５ｄＢのゲイン増幅、約＋１２ｄｅｇの位相進みを与えている。
▲５▼Ｃ（ｓ）−５：２．０〜７０Ｈｚの帯域で約＋５．６ｄＢのゲイン増幅、約＋１８ｄｅｇの位相進みを与えている。
▲６▼Ｃ（ｓ）−６：１．０〜７０Ｈｚの帯域で約＋６．５ｄＢのゲイン増幅、約＋２１ｄｅｇの位相進みを与えている。
【００４６】
このように、位相補償を施す量を任意に選択することで、アクチュエータの周波数特性を自在に設定することができる。したがって、このようなアクチュエータで構成されるロボットの関節軸は、機体の姿勢や動作の局面に応じて、周波数特性を動的に調整することができる。
【００４７】
なお、図４に示す例では、位相進み補償の例を示したが、位相遅れ補償の場合も同様に任意の周波数帯域で任意の位相遅れ量を設定することができる。
【００４８】
次いで、図１に示したサーボ制御器において、Ｋで示した直列補償ゲインの大小を変更する制御器の設計例について、図５を参照しながら説明する。同図は、図３において、Ｋを±３ｄＢだけ上下させたことに相当する。図示の通り、直列補償ゲインの大小も任意に設定することができる。
【００４９】
図３〜図５に示した内容をロボットの関節軸駆動用のアクチュエータに適用するためには、これらの制御器を構成するパラメータを動的又は静的に変更するための通信プロトコルを実装する。これによって、ロボットの各関節軸にさまざまな特性を与えることができる。
【００５０】
次いで、これらの特性を備えたアクチュエータのサーボ制御器を実装したときのアクチュエータの特性について説明する。
【００５１】
図６には、図３に示したように位相補償量が一定で周波数帯域を任意に選ぶようにアクチュエータのサーボ制御器を実装したときの開ループ特性を示している。
【００５２】
▲１▼Ｃ（ｓ）−１：１．０〜１００Ｈｚの帯域で約＋５．６ｄＢのゲイン増幅、約＋１８ｄｅｇの位相進みを与える
→ 全体的にゲインが高めとなるので、位置決め精度と追従性がよくなるが、エネルギーロスとなり易い。また、負荷が大きくなると不安定になる可能性がある。
▲２▼Ｃ（ｓ）−２：０．１〜１０Ｈｚの帯域で約＋５．６ｄＢのゲイン増幅、約＋１８ｄｅｇの位相進みを与える
→ Ｃ（ｓ）−１とＣ（ｓ）−２の中間的な特性を持つ。
▲３▼Ｃ（ｓ）−３：１０〜１ｋＨｚの帯域で約＋５．６ｄＢのゲイン増幅、約＋１８ｄｅｇの位相進みを与える
→ 高域でのみ位相進み補償をしていることになるので、ゆっくりした動作時にはあまり効果が見られないが、走る、飛ぶ、踊るといった速い動作には効果がある。
【００５３】
このように、位相補償を施す周波数帯域を任意に選択することで、アクチュエータの周波数特性を自在に設定することができる。したがって、このようなアクチュエータで構成されるロボットの関節軸は、機体の姿勢や動作の局面に応じて、周波数特性を動的に調整することができる。
【００５４】
また、図７には、図６に示したうち高域でのみ位相進み補償を施した例Ｃ（ｓ）−３においてさらに直列補償ゲインの制御を採り入れた様子を示している。この場合、図５に示した例と同様に、同位相においてゲインが上下する。
【００５５】
図６に示した例では、位相補償例Ｃ（ｓ）−３ではゆっくりした動作時にはあまり効果が見られないが、図７に示すように、低周波数帯域においてゲインを増やすことにより、低周波数帯域での制御偏差を少なくすることができる。この結果、ゆっくりした動作時でも指令値に対して少ない遅れで応答することが可能となる。
【００５６】
以上、アクチュエータのサーボ制御器においてサーボ制御器の比例ゲインだけでなく位相補償要素も関節各部位で調整するメカニズムについて説明してきた。これによって、安定且つ高効率な動作を実現するには局所的に力を増減させることや関節各部位のコンプライアンス（機械的受動性）を増減させることが可能となる。
【００５７】
例えば、位置制御系として関節各軸の動作を捉えたときは高ゲイン且つ高帯域なサーボ制御器を使って、制御偏差が少なくなるように制御した方がよいが、力学モデルとして捉えたときはポテンシャル・エネルギーや運動エネルギの作用を考慮してゲインを低くしたり位相補償している周波数帯を上下させたりすることも同時に行なうとよい。
【００５８】
Ｂ．アクチュエータ・モータの粘性抵抗
このようなアクチュエータの動作速度や動作時の機械的受動性という特性に加え、アクチュエータ自体の粘性抵抗を可変に制御するという方式を採り入れることができる。
【００５９】
例えば、コイルへの供給電流を制御して所定の磁束分布を形成することにより回転トルクを発生させるタイプのモータは、一般に、コイル端子を電源電圧に接続する第１のトランジスタ・スイッチ群と、コイル端子を接地する第２のトランジスタ・スイッチ群からなるスイッチング動作回路をＰＷＭ制御により駆動することによって、コイル電流を制御し、所望のトルク又は回転位置、回転速度などを得るようになっている。
【００６０】
ここで、モータ・コイルが非通電の期間においてオープン状態となるタイミングにおいて、モータ・コイルに通電された電流（厳密には電荷）が抜けてしまうため、トルクのロスになる。またコギングによるトルクむらの影響を受け易くなる。
【００６１】
このような場合、モータ・コイルが非通電の期間においても、コイルがオープン状態とならない短絡（ショート）状態を形成することにより、モータ・コイルに通電された電流（厳密には電荷）が抜けないようにすることができる。このとき、モータのコイルには、永久磁石側からの磁束密度により逆起電力が発生する。この逆起電力により、モータの回転方向の逆方向に力が作用するので、外力による回転に対する粘性抵抗を作り出すことができ、ブレーキに類似した効果を得ることができる。このようなモータへの粘性抵抗により、トルク・ロスがなくコギングによるトルクむらの影響が軽減される。
【００６２】
一方、モータの非通電時において、このようなコイルの短絡状態を形成した場合、上述したように、モータに一種の粘性抵抗を与えることができるが、このようなモータをロボットに使用した場合、コイル・ショートによるブレーキの影響のため、コンプライアンス（機械的受動性）がなくなってしまうという問題を招来する。
【００６３】
そこで、モータ・コイルの非通電時におけるコイルのオープン状態と短絡状態の期間の比率を、所望の機械的特性に応じて調整することにより、モータ・コイルがオープン状態となるタイミングにおけるモータ・コイルに通電された電流（厳密には電荷）が抜けてしまうことによるトルクのロスやコギングによるトルクむらの問題と、モータ・コイルの非通電時におけるコイル・ショートによるブレーキの影響のためコンプライアンス（機械的受動性）がなくなるという問題を、ともに解決することができる。
【００６４】
ここで、モータ・コイルの通電及び非通電状態の比率はＰＷＭ制御により実現することができるが、モータ・コイルの非通電状態におけるコイルのオープン状態と短絡状態の期間の比率もＰＷＭ制御を用いて実現することができる。
【００６５】
図８には、コイル電流の制御メカニズムを適用したＤＣモータのコイル電流供給用の電流制御回路の等価回路の構成例を示している。
【００６６】
同図に示す電流制御回路は、フルブリッジ構成であり、ｐｎｐ型のトランジスタＡ’とｎｐｎ型のトランジスタＡを順方向接続した回路と、同じくｐｎｐ型のトランジスタＢ’とｎｐｎ型のトランジスタＢを順方向接続した回路を電源電圧ＶｃｃとグランドＧＮＤの間に並列接続し、さらにトランジスタＡ’及びＡの中間点とトランジスタＢ’及びＢの中間点を固定子の単相コイルで接続している。
【００６７】
トランジスタＡ’及びＢをオンにするとともに、トランジスタＡ及びＢ’をオフにすることによって、モータ・コイルには、図示の矢印方向の電流Ｉ_ｍが流れる。また、トランジスタＡ’及びＢをオフにすることによって、コイルはオープン状態となって、電流Ｉ_ｍは流れなくなる。また、トランジスタＡ’及びＢをオフにするとともに、トランジスタＡ及びＢ’をオンにすることによって、モータ・コイルは短絡（ショート）状態となる。
【００６８】
ＰＷＭ制御論理回路は、図示しない中央制御部からの電流軸電流指令（又はトルク指令）に基づいてコイルへの電流指令を生成し、これら電流指令に基づいて各トランジスタをＰＷＭ方式にてスイッチング制御する。すなわち、トランジスタＡ’及びＢをオンにするとともにトランジスタＡ及びＢ’をオフにしてコイル電流Ｉ_ｍを流す通電期間と、トランジスタＡ’及びＢをオフにしてコイルを非通電にする非通電期間を交互に生成する。
【００６９】
本実施形態では、さらにＰＷＭ制御論理回路が出力する各トランジスタＡ及びＡ’、並びＢ及びＢ’をオン／オフ動作を制御する制御信号を付加論理により切り替える付加論理回路が配設されている。
【００７０】
この付加論理回路は、ＰＷＭ制御論理回路から出力されるＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号に基づいて動作し、モータ・コイルの非通電状態におけるコイルのオープン状態と短絡状態の切替動作を行なう。
【００７１】
図９には、付加論理回路の具体的な回路構成を示している。
【００７２】
ＰＷＭ制御論理回路からのトランジスタＡ’制御用信号とトランジスタＢ’制御用信号の論理積と、トランジスタＡ制御用信号とトランジスタＢ制御用信号の排他的論理和が取られ、さらにこれらの論理演算値の論理積を反転したものがＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号と論理和される。この論理和の結果を元の各トランジスタ制御用信号との間で論理積を取ったものが、最終的なそれぞれのトランジスタ制御用信号となる。
【００７３】
付加論理回路は、ＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号がハイ・レベルが入力されると、コイル非通電時にコイルを短絡させるようにトランジスタ制御用信号を切り替える。通常のコイル非通電時において、ＰＷＭ制御論理回路からは、Ａ’及びＡをロー、Ｂ’をハイ、Ｂをローにするトランジスタ制御用信号が出力される。これに対し、付加論理回路は、ハイ・レベルのＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号が入力されると、ロー状態のＡ’をハイに、ハイ状態のＢ’をローにそれぞれ転じて、コイルの短絡状態を形成する。
【００７４】
一方、付加論理回路は、ＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号がロー状態のときには、コイル非通電時において、ＰＷＭ制御論理回路からのトランジスタ制御用信号をそのまま出力するので、非通電時におけるコイルはオープン状態となる。
【００７５】
図１０には、ハイ・レベルのＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号が入力されたときの付加論理回路の各トランジスタ制御用信号の出力特性を、コイル電流波形特性及びトルク出力特性とともに示している。
【００７６】
コイル非通電時にコイルを短絡状態にすると、過渡応答により、コイル電流がゼロに戻るまでの時間が長くなる（前述）。したがって、同図に示すように、コイル通電とコイル短絡というスイッチング動作を繰り返した場合、コイル非通電時にコイル電流がゼロに戻る前に次の通電が開始されることから、コイルの最大電流は、コイル通電及び非通電の動作の度に逐次上昇していく。同様に、コイル電流の実効値は図示の通り徐々に増加していくことになる。
【００７７】
また、モータの出力トルクＴは、コイル電流にモータのトルク定数Ｋ_ｔを乗じた値となるので（Ｔ＝Ｋ_ｔ・Ｉ）、同図からも判るように、コイル通電及び短絡状態を繰り返したとき、コイル電流の増大に伴って、モータ・トルクの実効値は増大していく。したがって、モータ・コイルが非通電時に短絡状態となることにより、モータ・コイルに通電された電流（厳密には電荷）が抜けてしまうことがなくなり、トルクのロスがなくなる。また、コギングによるトルクむらの影響を受けにくくなる。
【００７８】
モータの非通電時において、このようなコイルの短絡状態を形成した場合、上述したように、モータに一種の粘性抵抗を与えることができる。一方、このようなモータをロボットに使用した場合、コイル・ショートによるブレーキの影響のため、コンプライアンス（機械的受動性）がなくなってしまうという問題を招来する。
【００７９】
そこで、ＰＷＭ制御論理回路は、付加論理回路に入力するＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号をＰＷＭ制御することにより、モータ・コイルの非通電状態におけるコイルのオープン状態と短絡状態の期間の比率を制御する。
【００８０】
モータ・コイルの非通電状態におけるコイルのオープン状態と短絡状態の期間をＰＷＭ制御した場合、そのコイル電流の特性は、コイル非通電時にコイルをオープン状態にしたときのコイル電流の過渡応答特性とコイルを短絡状態にしたときのコイル電流の過渡応答特性の特性がデューティ比に応じて混合されたものとなる。
【００８１】
図１１には、ＰＷＭ制御により所定のデューティ比を持つＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号が入力されたときの付加論理回路の各トランジスタ制御用信号の出力特性を、コイル電流波形特性及びトルク出力特性とともに示している。
【００８２】
コイル非通電時にコイルを短絡状態にすると、過渡応答により、コイル電流がゼロに戻るまでの時間が長くなるが、コイルをオープン状態にするとその時間は短くなる。コイル非通電時の過渡応答特性は、ＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号のデューティ比に従って、これらの特性が混合されたものとなる。
【００８３】
したがって、同図に示すように、コイル通電とコイル短絡というスイッチング動作を繰り返した場合、コイル非通電時にコイル電流がゼロに戻る前に次の通電が開始される。このときのコイルの最大電流は、コイル通電及び非通電の動作の度に逐次上昇していくが、その上昇傾向はデューティ比すなわちＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号がハイ・レベルとなる比率にほぼ比例する。同様に、コイル電流の実効値は図示の通り徐々に増加していくことになるが、その上昇傾向はデューティ比すなわちＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号がハイ・レベルとなる比率にほぼ比例する。
【００８４】
また、モータの出力トルクＴは、コイル電流にモータのトルク定数Ｋ_ｔを乗じた値となるので（Ｔ＝Ｋ_ｔ・Ｉ）、同図からも判るように、コイル通電及び非通電を繰り返したとき、コイル電流の増大に伴って、モータ・トルクの実効値は増大していく。このときの上昇傾向はＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号のデューティ比すなわち同制御信号がハイ・レベルとなる比率にほぼ比例する。モータ・トルクの出力が上昇していく特性が、モータの粘性係数に相当する。言い換えれば、ＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号のデューティ比によってモータの粘性抵抗を動的に制御することが可能である。
【００８５】
このようにＰＷＭ制御論理回路が付加論理回路へ供給するＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号のデューティ比をＰＷＭ制御することにより、モータ・コイルの非通電時におけるコイルのオープン状態と短絡状態の期間の比率を、所望の機械的特性に応じて調整することができる。
【００８６】
したがって、モータ・コイルがオープン状態となるタイミングにおけるモータ・コイルに通電された電流（厳密には電荷）が抜けてしまうことによるトルクのロスやコギングによるトルクむらの問題と、モータ・コイルの非通電時におけるコイル・ショートによるブレーキの影響のためコンプライアンス（機械的受動性）がなくなるという問題を、ともに解決することができる。
【００８７】
なお、上記の説明ではＤＣモータを例にとって説明したが、３相モータやその他のコイルへの供給電流を制御して所定の磁束分布を形成することにより回転トルクを発生させるタイプのモータにおいても同様に、非通電時のモータ・コイルを間歇的にオープン状態及び短絡状態に切り替えることによって、モータの所望の粘性抵抗を得ることができる。
【００８８】
Ｃ．脚式移動ロボットへの適用
次いで、本実施形態に係るアクチュエータのサーボ制御器の特性制御並びにアクチュエータ自体の特性制御のメカニズムを各関節部位に適用した２足歩行の脚式移動ロボットについて説明する。
【００８９】
Ｃ−１．ロボットの関節特性の例
上述したように、アクチュエータのサーボ制御器において、比例ゲインと位相補償要素を調整することにより、ロボットの関節各部位において必要な位置決め精度、機械的受動性（コンプライアンス）、動作速度を任意に設定することができる。また、アクチュエータ・モータのコイルへの非通電時においてコイルを間歇的に短絡状態又はオープン状態に切り替えることによって、モータの粘性抵抗を調整し振動などの外乱に対するロバスト性を変更することができる。
【００９０】
さらに、これらアクチュエータのサーボ制御器におけるゲイン及び位相補償制御とアクチュエータ・モータの粘性抵抗の制御とを組み合わせることによって、位置決め精度が重要な部分に適用することができるアクチュエータの周波数特性、あるいは速応性とコンプライアンスが重要となる部分に適用することができるアクチュエータの周波数特性を得ることができる。
【００９１】
図１２には、位置決め精度が重要な部分に適用することができるアクチュエータの周波数特性を示している。
【００９２】
この場合、サーボ制御器の比例ゲインを大きくとって、系全体のゲインを大きくし、低周波数帯域までゲインを取れるようにする。また、周波数特性（位相補償特性）を同図に示すように高域で位相進み量が小さくなるようにし、速応性にはあまり寄与しないが安定性を保証できるようにする。また、モータの粘性抵抗を大きくし、振動などの外乱にもロバストになるようにする。要言すれば、図示の特性は、位置決め精度を優先して振動などの外乱にもロバストな特性である。
【００９３】
また、図１３には、速応性とコンプライアンスが重要となる部分に適用することができるアクチュエータの周波数特性を示している。
【００９４】
この場合、比例ゲインを小さくして、系全体のゲインを小さくすることで、低周波数帯域のゲインを小さくし、機械的受動性（コンプライアンス）を得易くする。また、周波数特性（位相補償特性）を同図に示すように中高域で位相進み量が大きくなるようにし、速応性を得るようにする。また、モータの粘性抵抗を小さくし、機械的受動性（コンプライアンス）を得易いようにする。要言すれば、図示の特性は、機械的受動性（コンプライアンス）と速応性を優先した特性である。
【００９５】
Ｃ−２．ロボットの各関節部位におけるアクチュエータ特性の配置例
図１４には、脚式移動ロボットの自由度構成例を模式的に示している。
【００９６】
同図に示すロボットは、２脚２腕を有する人間型ロボットである。本ロボットは、機体に四肢が取り付けられ、首ロール軸、第１及び第２の首ピッチ軸、首ヨー軸という４自由度からなる頭部と、肩関節ピッチ軸、肩関節ロール軸、肩関節ヨー軸、肘関節ピッチ軸という少なくとも４自由度からなる左右の腕部と、体幹ロール軸及び体幹ピッチ軸という２自由度からなる体幹部と、股関節ヨー軸、股関節ロール軸、股関節ピッチ軸、膝ピッチ軸、足首ピッチ軸、足首ロール軸という少なくとも６自由度からなる左右の脚部で構成されている。
【００９７】
これらの各関節自由度は、上述したサーボ制御器を備えたアクチュエータによって実現される。各関節部位において使用されるアクチュエータのゲイン・位相補償特性の制御例について、以下に詳解する。
【００９８】
（１）首部分に適用されるアクチュエータの特性
首部分では、位置決め精度を優先させるため、比例ゲインを高く設定する。また、動作速度を保持しつつ、比例ゲインを上げた分の安定性を損なわないように、位相進み量を少なく設定する。また、胴体より下の部分の動作時に発生する振動外乱に対してロバスト性を得るため、関節の粘性抵抗を大きく設定する。
【００９９】
（２）肩・肘部分に適用されるアクチュエータの特性
歩行やダンスなどの連続動作を行なうときは、位置決め特性よりも機械的受動性が高くなるような特性をアクチュエータに与える。動作に受動性を持たせるため、関節の粘性抵抗を小さくする。また、動作に受動性を持たせるとともに、エネルギ消費量を減らすため、比例ゲインを低く設定する。また、動作速度を大きくするため、位相進み補償を行なう周波数帯域を高く、位相進み量を大きく設定する。動作によっては振り子のように往復運動を行なうだけのときもある。そのときは、関節の粘性抵抗と比例ゲインを最小にして機械的受動性（コンプライアンス）を得るようにし、力学的なエネルギを動作のために用い易くする。
【０１００】
一方、物を押したり引っ張ったりするなどの力を使う動作を行なうときには、負荷トルク値により、位置決め精度優先の特性と、機械的受動性の特性を動的に入れ替えるように制御する。負荷トルク値に対してさらに力を発生させたいときは比例ゲインを高く、関節の粘性抵抗を大きくする。また、負荷トルク値に対して定負荷となるように倣わせる動作をする場合には、上位からの位置指令値による調整に加え、アクチュエータ内部トルク・センサで検知した負荷トルクに応じて比例ゲインを低く、関節の粘性抵抗を小さくして、機械的受動性（コンプライアンス）を得るようにする。
【０１０１】
（３）体幹部分に適用されるアクチュエータの特性
自分自身の動作による振動外乱にロバスト性を得るため、関節の粘性抵抗を大きくする。あるいは、位置決め精度を優先させるため、比例ゲインを高く設定する。あるいは、動作速度を保持しつつ比例ゲインを上げた分の安定性を損なわないように、位相進み量を少なく設定する。
【０１０２】
（４）股関節部分に適用されるアクチュエータの特性
自分自身の動作による振動外乱にロバスト性を得るため、関節の粘性抵抗を大きくする。あるいは、位置決め精度を優先させるため、比例ゲインを高く設定する。あるいは、動作速度を保持しつつ比例ゲインを上げた分の安定性を損なわないように、位相進み量を少なく設定する。
【０１０３】
（５）膝部分に適用されるアクチュエータの特性
遊脚時及び着床瞬間時においては、位置決め精度よりも機械的受動性が高くなるような特性に制御する。動作に受動性を持たせるため、関節の粘性抵抗を小さくする。また、動作に受動性を持たせるとともにエネルギ消費量を減らすため、比例ゲインを低く設定する。また、動作速度を大きくするため、位相進み補償を行なう周波数領域を高く、位相進み量を大きく設定する。
【０１０４】
一方、支持脚時においては、機械的受動性よりも位置決め精度が高くなるような特性に制御する。自分自身の動作による振動外乱にロバスト性を得るため、関節の粘性抵抗を大きくする。あるいは、位置決め精度を優先させるため、比例ゲインを高く設定する。あるいは、動作速度を保持しつつ比例ゲインを上げた分の安定性を損なわないように、位相進み量を少なく設定する。
【０１０５】
（６）足首部分に適用されるアクチュエータの特性
遊脚時及び着床瞬間時においては、位置決め精度よりも機械的受動性が高くなるような特性に制御する。足首部分着床による衝撃を緩和するため、関節粘性を小さく設定し、機械的受動性（コンプライアンス）を得るようにする。また、足首部分着床による衝撃を緩和するため、比例ゲインを低く設定し、機械的受動性（コンプライアンス）を得るようにする。また、動作速度を大きくとるため、位相補償を行なう周波数領域を高く、位相進み量を大きく設定する。
【０１０６】
一方、支持脚時において、足首部分の発生トルクを大きくとり、且つ自分自身の動作による振動外乱にロバスト性を得るため、関節の粘性抵抗を大きくとる。また、足首部分の位置決め精度を向上させるため、比例ゲインを高く設定する。また、動作速度を保持しつつ、比例ゲインを上げた分の安定性を損なわないように位相進み量を少なく設定する。
【０１０７】
Ｃ−３．歩行動作時におけるロボットの関節各部位のアクチュエータ特性の配置例
上述したように各関節アクチュエータのサーボ制御器の特性並びにアクチュエータ自体の特性を制御することによって、以下に述べるような結果を得ることができる。
【０１０８】
すなわち、図１２に示したアクチュエータ特性のように、「低域ゲインを大きく」、「高い周波数領域で位相進み量を小さく」、「関節の粘性抵抗を大きく」する設定を行なうことで、高精度な位置決め制御が可能となり、姿勢の安定性が増す。
【０１０９】
また、図１３に示したアクチュエータ特性のように、「低域ゲインを小さく」、「位相進み量を大きく」、「関節の粘性抵抗を小さく」する設定を行なうことで、機械的受動性と速い応答性を持たせることができるので、着床の瞬間の衝撃力を緩和しつつ高い帯域の追従制御を行なうことができる。
【０１１０】
例えば、遊脚に図１３に示すアクチュエータ特性を適用することで、脚に機械的受動性を与えることができるので、歩行動作中に脚を振り上げたときの位置エネルギを次の振り下ろす動作時に動作補助のエネルギとして使い易くなる。これによって、エネルギ消費が少なくなり、機体駆動用のバッテリの消耗を抑えることができる。
【０１１１】
ここで、ロボットが歩行動作を行なうときの各関節部位におけるアクチュエータの制御器及びアクチュエータ自体の特性の配置について、図１５を参照しながら説明する。
【０１１２】
ロボットが歩行動作を行なうとき、首ピッチ軸、体幹ロール軸、体幹ピッチ軸、体幹ヨー軸、股関節ロール及びピッチ軸、並びに、支持脚側となる膝ピッチ軸や足首ロール及びピッチ軸の各関節部位において、高い位置決め精度が要求される。
【０１１３】
したがって、これらの関節部位のアクチュエータにおいて、サーボ制御器の比例ゲインを大きくとって、系全体のゲインを大きくし、低周波数帯域までゲインを取れるようにする。また、周波数特性を図１２に示すように高域で位相進み量が小さくなるようにし、速応性にはあまり寄与しないが安定性を保証できるようにする。また、モータの粘性抵抗を大きくし、振動などの外乱にもロバストになるようにする。
【０１１４】
一方、肩ピッチ軸、肘ピッチ軸や、歩行動作中に遊脚側となる膝ピッチ軸や足首ロール及びピッチ軸の各関節部位において、速応性とコンプライアンスが重要となる。
【０１１５】
そこで、これらの関節部位のアクチュエータにおいて、比例ゲインを小さくして、系全体のゲインを小さくすることで、低周波数帯域のゲインを小さくし、機械的受動性（コンプライアンス）を得易くする。また、周波数特性（位相補償特性）を図１３に示すように中高域で位相進み量が大きくなるようにし、速応性を得るようにする。また、モータの粘性抵抗を小さくし、機械的受動性（コンプライアンス）を得易いようにする。
【０１１６】
肩〜遊脚に図１３に示すようなアクチュエータの制御器の特性及びアクチュエータ自体の特性を適用することで、腕や脚に機械的受動性（コンプライアンス）を得ることができる。これによって、歩行動作中に脚を振り上げたときの位置エネルギを次の振り下ろす動作時に動作補助のエネルギとして使い易くなる。その結果、エネルギ消費が少なくなり、機体駆動用電源としてのバッテリの消費量も少なくなる。
【０１１７】
図１６には、ロボットが歩行動作を行なうときの各関節部位のアクチュエータ特性を切り替えるための処理手順をフローチャートの形式で示している。
【０１１８】
まず、膝ピッチ軸や足首ロール及びピッチ軸の各関節部位を構成する関節部位のアクチュエータに対して、図１２に示すような、低域ゲインを大きく、高い周波数領域で位相進み量を小さく、関節の粘性抵抗を大きくする設定を行なう。また、肩ピッチ軸、肘ピッチ軸の各関節部位を構成する関節部位のアクチュエータに対して、図１３に示すような、比例ゲインを小さくして、系全体のゲインを小さくすることで、低周波数帯域のゲインを小さくし、機械的受動性（コンプライアンス）を得易くする。また、体幹ロール軸、体幹ピッチ軸、体幹ヨー軸、股関節ロール及びピッチ軸、並びに、首第１の首ピッチ軸の各関節部位を構成する関節部位のアクチュエータに対して、図１２に示すような、低域ゲインを大きく、高い周波数領域で位相進み量を小さく、関節の粘性抵抗を大きくする設定を行なう。（ステップＳ１）。
【０１１９】
次いで、片脚を持ち上げる動作を実行する（ステップＳ２）。
【０１２０】
ここで、持ち上げる方の脚の足底で受ける床反力が０になったときには（ステップＳ３）、支持脚は遊脚を支持して歩行動作を行なう（ステップＳ４）。
【０１２１】
また、遊脚側では、遊脚側の膝関節ピッチ軸並びに足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータに対して、図１３に示すような、低域ゲインを小さく、位相進み量を大きく、関節の粘性抵抗を小さくする設定を行なう（ステップＳ５）。
【０１２２】
次いで、遊脚としての歩行動作を実行し（ステップＳ６）、さらにその着床動作を実行する（ステップＳ７）。
【０１２３】
ここで、足底で検知する床反力の値が両脚支持期の値の近傍になったとき（ステップＳ８）、遊脚の着床動作を完了する（ステップＳ９）。
【０１２４】
そして、遊脚側の膝関節ピッチ軸並びに足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータに対して、図１２に示すような、低域ゲインを大きく、高い周波数領域で位相進み量を小さく、関節の粘性抵抗を大きくする設定を行なう（ステップＳ１０）。
【０１２５】
歩行動作をこのまま継続する場合には（ステップＳ１１）、遊脚を支持脚に、支持脚を遊脚に切り替え（ステップＳ１２）、ステップＳ２に戻り、上記と同様の処理を繰り返し実行する。
【０１２６】
一方、歩行動作をこれで終了する場合には（ステップＳ１１）、本処理ルーチン全体を終了する。
【０１２７】
［追補］
以上、特定の実施例を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施例の修正や代用を成し得ることは自明である。
【０１２８】
本発明の要旨は、必ずしも「ロボット」と称される製品には限定されない。すなわち、電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行う機械装置であるならば、例えば玩具等のような他の産業分野に属する製品であっても、同様に本発明を適用することができる。
【０１２９】
また、本明細書中では、モータ・コイルへのコイル電流のスイッチング制御にバイポーラ・トランジスタからなるスイッチング素子を用いて構成される回路例について説明したが、ＭＯＳ−ＦＥＴやその他の半導体素子を用いてこの種の制御回路を実装することができることは、当業者には自明である。
【０１３０】
要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。
【０１３１】
【発明の効果】
以上詳記したように、本発明によれば、ロボットの歩行を始めとしてさまざまな動作の実行時においてアクチュエータそのものの特性とアクチュエータの制御器の特性の２つを動的又は静的に制御することにより安定且つ高効率な動作を実現することができる、優れた脚式移動ロボットを提供することができる。
【０１３２】
また、本発明によれば、ロボットの歩行動作の各段階において、各関節部位のアクチュエータを、低域ゲインを大きく、位相進み量を小さく、関節の粘性抵抗を大きくする第１のアクチュエータ特性と、低域ゲインを小さく、位相進み量を大きく、関節の粘性抵抗を小さくする第２のアクチュエータ特性との間で動的に切り替えることによって、歩行動作中に脚を振り上げたときの位置エネルギを次の振り下ろす動作時に動作補助のエネルギとして使い易くなる。その結果、エネルギ消費が少なくなり、機体駆動用電源としてのバッテリの消費量も少なくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係るアクチュエータのサーボ制御器の構成を示した図である。
【図２】図１に示したモータと減速機の伝達関数表現モデルＧ（ｓ）のゲイン及び位相の周波数特性を示したチャートである。
【図３】位相補償帯域を任意に選択する位相補償制御型のサーボ制御器の設計例を説明するための図である。
【図４】位相補償量を任意に選択する位相補償制御型のサーボ制御器の設計例を説明するための図である。
【図５】図１に示したサーボ制御器において、Ｋで示した直列補償ゲインの代償を変更する制御器の設計例を説明するための図である。
【図６】図３に示したように位相補償量が一定で周波数帯域を任意に選ぶようにアクチュエータのサーボ制御器を実装したときの開ループ特性を示した図である。
【図７】図６に示したうち高域でのみ位相進み補償を施した例Ｃ（ｓ）−３においてさらに直列補償ゲインの制御を採り入れた様子を示した図である。
【図８】ＤＣモータのコイル電流供給用の電流制御回路の等価回路の構成例を示した図である。
【図９】付加論理回路の具体的な回路構成を示した図である。
【図１０】ハイ・レベルのＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号が入力されたときの付加論理回路の各トランジスタ制御用信号の出力特性を、コイル電流波形特性及びトルク出力特性とともに示した図である。
【図１１】ＰＷＭ制御により所定のデューティ比を持つＢＲＡＫＥ＿ＰＷＭ制御信号が入力されたときの付加論理回路の各トランジスタ制御用信号の出力特性を、コイル電流波形特性及びトルク出力特性とともに示した図である。
【図１２】位置決め精度が重要な部分に適用することができるアクチュエータの周波数特性を示した図である。
【図１３】速応性とコンプライアンスが重要となる部分に適用することができるアクチュエータの周波数特性を示した図である。
【図１４】脚式移動ロボットの自由度構成例を模式的に示した図である。
【図１５】ロボットが歩行動作を行なうときの各関節部位におけるアクチュエータの制御器及びアクチュエータ自体の特性の配置を説明するための図である。
【図１６】ロボットが歩行動作を行なうときの各関節部位のアクチュエータ特性を切り替えるための処理手順を示したフローチャートである。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a mechanical device of a multi-axis drive system such as a robot, a general-purpose assembly device, a robot / hand device, and other multi-axis control devices, and in particular, a position control comprising a proportional gain of a series compensation and a phase compensation element. The present invention relates to a robot in which each joint part is formed by a servo controller of an actuator constituting a system.
[0002]
More specifically, the present invention relates to a bipedal legged mobile robot in which each axis link is controlled by high gain PD control, and more particularly, to a characteristic of an actuator itself during execution of various operations including robot walking. The present invention relates to a legged mobile robot that realizes a stable and highly efficient operation by dynamically or statically controlling two characteristics of an actuator and a controller of an actuator.
[0003]
[Prior art]
A mechanical device that performs a motion resembling a human motion using an electric or magnetic action is called a “robot”. It is said that the robot is derived from the Slavic word "ROBOTA (slave machine)". In Japan, robots began to spread from the late 1960's, but most of them were industrial robots (industrial robots) such as manipulators and transfer robots for the purpose of automation and unmanned production work in factories. Met.
[0004]
A stationary robot, such as an arm-type robot, which is implanted and used in a specific place, operates only in a fixed and local work space such as assembling and sorting parts. On the other hand, the mobile robot has a work space that is not limited, and can freely move on a predetermined route or on a non-route to perform a predetermined or arbitrary human work, or perform a human or dog operation. Alternatively, a wide variety of services that can replace other living things can be provided. Among them, legged mobile robots are unstable and difficult to control their posture and walking compared to crawler-type and tire-type robots.However, climbing up and down stairs and ladders, climbing over obstacles, and distinguishing between terrain and rough terrain It is excellent in that a flexible walking / running operation can be realized regardless of the operation.
[0005]
Recently, it has been designed based on a pet-type robot that imitates the body mechanism and movement of a four-legged animal such as a dog or cat, or a body mechanism and movement of an animal that walks two-legged upright such as a human. Research and development on legged mobile robots such as the "humanoid" and "humanoid" robots have been progressing, and expectations for their practical use are increasing.
[0006]
This type of legged mobile robot generally has a large number of degrees of freedom of joints, and the movement of joints is realized by an actuator motor. Also, by taking out the rotational position, the amount of rotation, and the like of each motor and performing servo control, a desired operation pattern is reproduced and attitude control is performed.
[0007]
In a mechanical device of a multi-axis drive system, it is necessary to stably detect the rotational position of each axis with high accuracy and to operate accurately by a position command. In particular, in the case of a bipedal legged mobile robot such as a humanoid robot, the robot autonomously checks its posture immediately after turning on the power to the aircraft, and moves each axis to a stable posture. You need to move it. Therefore, in a servo actuator that gives a degree of freedom of rotation of each joint, it is necessary to perform high-accuracy, high-speed positioning control and high torque output with low power consumption.
[0008]
A legged mobile robot basically has a plurality of “limbs” composed of rotating joints. However, the legged mobile robot does not provide a closed link to the outside world or work objects such as stable bipedal walking or stable dual-arm work. It is required that the switching operation between the state and the open link state be performed at high speed.
[0009]
For example, by alternately repeating the single leg support period and the double leg support period by the left and right movable legs, it is possible to execute walking, climbing up and down stairs, and various other legged work. Here, when the legged mobile robot transitions from an open link mechanism to a closed link mechanism between a floor surface and a wall surface, as in the case of transition from single leg support to double leg support, for example, In the above, a gap often occurs between a predicted value and a measured value in control.
[0010]
Due to such a gap between the prediction and the actual measurement, the `` peeling '' which has not yet reached the floor surface at the time when the foot is predicted to land, or the time earlier than when the foot is predicted to land. A phenomenon such as "collision" that reaches the floor surface is caused. These separations and collisions have a large effect on the posture stability control of the legged mobile robot, such as the aircraft falling over.
[0011]
Conventionally, the switching operation from the open link state to the closed link state is performed at high speed by software feedback control using force sensor information disposed at the tip of the limb, torque information from an actuator that drives a joint, and the like. Have been tried. However, realizing a stable operation by this method requires a high-speed feedback cycle, a high joint driving resolution, a high joint driving speed, and an acceleration, which are technically extremely difficult.
[0012]
In addition, in a multi-axis robot such as a bipedal walking (human type), each joint is controlled by high gain PD control at each joint as viewed from the motion control theory, and they operate with constant characteristics. It is common to do.
[0013]
However, as can be seen from the results of human motion research, in order to achieve stable and highly efficient motion, it is necessary to locally increase or decrease the force and to increase or decrease the compliance (mechanical passivity) of each joint. is important.
[0014]
When capturing the motion of each axis of the joint as a position control system, it is better to use a high-gain and high-bandwidth servo controller to control so as to reduce the control deviation. In consideration of the action of energy and kinetic energy, it is preferable to simultaneously lower the gain and raise or lower the frequency band for which phase compensation is performed.
[0015]
However, realizing such control on the robot body requires a function of dynamically and statically controlling two characteristics of the actuator itself and the characteristics of the controller of the actuator.
[0016]
For example, there has been proposed a walking control device of a legged mobile robot that can stably walk on a known or unknown walking road surface. In other words, in a bipedal legged mobile robot having a structure similar to a human body with an arm on the upper body, when the frictional force decreases on the walking road surface and the stability decreases, the state is driven and the stability is reduced. Is secured or recovered (for example, see Patent Document 1). However, this is realized by controlling the feed forward gain, and there is no reference to the viscosity or frequency characteristics of the joint and no concept of compliance.
[0017]
[Patent Document 1]
JP-A-7-205069
[0018]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a stable and highly efficient operation by dynamically or statically controlling two characteristics of an actuator itself and a characteristic of an actuator controller during execution of various operations including walking of a robot. An object of the present invention is to provide an excellent legged mobile robot capable of realizing the following.
[0019]
Means and Action for Solving the Problems
The present invention has been made in consideration of the above problems, and is a legged mobile robot including a plurality of joint sites including a plurality of movable legs,
Actuator characteristic control means for performing a combination of gain and phase compensation control of the servo controller of the actuator at each joint site and control of the viscous resistance of the actuator motor,
The actuator characteristic control means includes, for each step of the walking operation, a first actuator characteristic for increasing the low-frequency gain, reducing the amount of phase lead, and increasing the viscous resistance of the joint at each stage of the walking operation; Switching between a second actuator characteristic that reduces the gain, increases the amount of phase lead, and reduces the viscous resistance of the joint;
It is a legged mobile robot characterized by the following.
[0020]
According to the present invention, in a servo controller of an actuator constituting each joint part of a legged mobile robot, by adjusting a proportional gain and a phase compensation element, positioning accuracy required for each joint part of the robot and mechanical passive Performance (compliance) and operation speed can be arbitrarily set.
[0021]
In addition, when the coil of the actuator / motor is not energized, the coil is intermittently switched to the short-circuit state or the open state, so that the viscous resistance of the motor can be adjusted and the robustness to disturbance such as vibration can be changed.
[0022]
Furthermore, by combining gain and phase compensation control in these actuator servo controllers with control of the viscous resistance of the actuator / motor, the frequency characteristics of the actuator, which can be applied to parts where positioning accuracy is important, The frequency characteristics of the actuator that can be applied to a portion where compliance is important can be obtained.
[0023]
Here, the actuator characteristic control means sets the characteristics of the actuator to “increase the low-frequency gain”, “decrease the amount of phase lead in a high frequency region”, and “increase the viscous resistance of the joint” to thereby increase the actuator characteristic. Accurate positioning control becomes possible, and posture stability increases.
[0024]
Further, the actuator characteristic control means sets the characteristics of the actuator to “small low-frequency gain”, “large phase lead amount”, and “small viscous resistance of the joint” to achieve high mechanical passivity and high speed. Since responsiveness can be provided, it is possible to perform high-bandwidth follow-up control while reducing the impact force at the moment of landing.
[0025]
For example, the actuator characteristic control means may include a knee joint pitch axis, an ankle roll axis and pitch axis, a trunk roll axis, a pitch axis and yaw axis, a hip joint roll axis and pitch axis, and a neck pitch axis at the stage of starting the walking motion. For the characteristics of the actuator of each joint part, the setting is made to increase the low-frequency gain, reduce the amount of phase lead in the high frequency region, and increase the viscous resistance of the joint, and to control the positioning of each joint part with high accuracy And increase the stability of the posture. In addition, with respect to the characteristics of the actuators of the joints of the shoulder pitch axis and the elbow pitch axis, settings are made to reduce the low-frequency gain, increase the amount of phase lead, and reduce the viscous resistance of the joints, to achieve mechanical passivity and quick response. Make it have sex.
[0026]
Further, the actuator characteristic control means, when the free leg is lifted and the floor reaction force applied to the sole thereof becomes zero, the knee joint pitch axis on the free leg side and the ankle roll axis and the pitch axis actuators. By setting the low-pass gain to be small, the phase lead to be large, and the viscous resistance of the joint to be small, mechanical passivity and quick response are provided, and the impact force at the moment of landing is reduced. It is possible to perform high-bandwidth tracking control while relaxing.
[0027]
Further, the actuator characteristic control means may determine that the free leg is at the stage where the walking motion of the free leg advances and the floor reaction force applied to the sole of the free leg is substantially the same as that during the two-leg supporting period. For the characteristics of each actuator of the side knee joint pitch axis and the ankle roll axis and the pitch axis, by setting a large low-frequency gain, a small amount of phase lead in a high frequency region, and a large setting of the viscous resistance of the joint, Highly accurate positioning control of the free leg at the time of landing is enabled.
[0028]
Also, by applying such an actuator characteristic to the shoulder to the free leg, mechanical passivity can be given to the leg, so that the potential energy when the leg is swung up during the walking motion is lowered next time. It becomes easy to use as energy for operation assistance. As a result, energy consumption is reduced, and the consumption of the battery for driving the body can be suppressed.
[0029]
Further objects, features, and advantages of the present invention will become apparent from more detailed descriptions based on embodiments of the present invention described below and the accompanying drawings.
[0030]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0031]
A. Actuator operating speed, mechanical passivity
Japanese Patent Application No. 2001-233691 already assigned to the present applicant discloses a legged mobile robot that performs a high-speed switching operation between a closed link state and an open link state with respect to the outside world or a work object. I have. That is, in a robot having limbs composed of one or more rotary joints (each joint may have two or more degrees of freedom), the minimum required degree of passive freedom for eliminating dynamic closing errors in each limb. (Such as backlash of the reducer), and properly manage the movable range of each limb. Even if the actuator that drives the joint does not have means for acquiring torque information, high-speed switching operation between the closed link state and the open link state is stably realized.
[0032]
This means that in a bipedal walking robot, a geared motor with a small amount of backlash is arranged at a position near the waist reference coordinates, and a geared motor with a large amount of backlash is arranged at a position near the hands and feet to obtain optimal characteristics. Things. As a second method for optimizing the robot, the position error deviation is controlled by arbitrarily adjusting the open loop gain of the position servo compensator in each joint axis actuator. That is, when the backlash amount is uniform, the servo deviation based on the magnitude of the servo gain is regarded as the backlash amount and is controlled.
[0033]
The present invention is an extension of such a method for optimizing a legged mobile robot. In other words, not only the proportional gain of the servo controller but also the phase compensation element is adjusted at each joint. .
[0034]
FIG. 1 shows a configuration of an actuator servo controller according to an embodiment of the present invention. As shown in the figure, the servo controller has two control elements, a proportional gain K of series compensation and a phase compensation element C (s), and adjusts not only the proportional gain but also the phase compensation element at each joint.
[0035]
Here, the phase compensation element is represented by the following equation. Here, n and m are arbitrary natural numbers, and a_i, B_iIs an arbitrary real number, and corresponds to a feedback gain when expressing a state variable. S is a Laplace operator.
[0036]
(Equation 1)

[0037]
The transfer function expression model G (s) of the motor and the speed reducer is represented by the following equation. Where K is the motor gain, J is the moment of inertia of the motor, and D is the viscous drag coefficient of the motor.
[0038]
(Equation 2)

[0039]
FIG. 2 shows the frequency characteristics of the gain and phase of the transfer function expression model G (s) of the motor and the speed reducer shown in FIG.
[0040]
First, in the servo controller shown in FIG. 1, an example of arbitrarily selecting a phase compensation band (arbitrarily selecting a frequency band with a constant phase compensation amount) as a design example of phase compensation type control will be described with reference to FIG. I will explain it. In the figure,
[0041]
{Circle around (1)} C (s) -1: A gain of about +5.6 dB and a phase lead of about +18 deg are given in a band of 1.0 to 100 Hz.
{Circle around (2)} C (s) -2: Provides about +5.6 dB of gain amplification and about +18 deg of phase advance in a band of 0.1 to 10 Hz.
{Circle around (3)} C (s) -3: A gain of about +5.6 dB and a phase lead of about +18 deg are given in a band of 10 to 1 kHz.
[0042]
As described above, by arbitrarily selecting the frequency band to be subjected to the phase compensation, it is possible to freely set the frequency characteristics of the actuator. Therefore, the joint axis of the robot constituted by such an actuator can dynamically adjust the frequency characteristic in accordance with the attitude of the body and the aspect of operation.
[0043]
Although the example shown in FIG. 3 illustrates an example of phase lead compensation, an arbitrary amount of phase delay can be set in an arbitrary frequency band similarly in the case of phase delay compensation.
[0044]
Next, FIG. 4 shows an example in which the amount of phase compensation is arbitrarily selected as a design example of the phase compensation type control in the servo controller shown in FIG. 1 (the frequency band is constant and the amount of phase compensation is arbitrarily selected). It will be described with reference to FIG. In the figure,
[0045]
{Circle around (4)} C (s) -4: A gain of about +3.5 dB and a phase lead of about +12 deg are provided in a band of 4.0 to 70 Hz.
(5) C (s) -5: A gain of about +5.6 dB and a phase lead of about +18 deg are provided in a band of 2.0 to 70 Hz.
(6) C (s) -6: A gain of about +6.5 dB and a phase lead of about +21 deg are provided in a band of 1.0 to 70 Hz.
[0046]
Thus, by arbitrarily selecting the amount of phase compensation, the frequency characteristics of the actuator can be set freely. Therefore, the joint axis of the robot constituted by such an actuator can dynamically adjust the frequency characteristic in accordance with the attitude of the body and the aspect of operation.
[0047]
In the example shown in FIG. 4, an example of phase lead compensation is shown. However, in the case of phase delay compensation, an arbitrary amount of phase delay can be set in an arbitrary frequency band.
[0048]
Next, a description will be given of a design example of a controller for changing the magnitude of the series compensation gain indicated by K in the servo controller shown in FIG. 1 with reference to FIG. This figure corresponds to a case where K is raised and lowered by ± 3 dB in FIG. As shown, the magnitude of the series compensation gain can be arbitrarily set.
[0049]
In order to apply the contents shown in FIGS. 3 to 5 to the actuator for driving the joint axis of the robot, a communication protocol for dynamically or statically changing the parameters constituting these controllers is implemented. Thereby, various characteristics can be given to each joint axis of the robot.
[0050]
Next, the characteristics of the actuator when the servo controller of the actuator having these characteristics is mounted will be described.
[0051]
FIG. 6 shows an open-loop characteristic when the servo controller of the actuator is mounted so that the amount of phase compensation is constant and the frequency band is arbitrarily selected as shown in FIG.
[0052]
{Circle around (1)} C (s) -1: Gives about +5.6 dB of gain amplification and about +18 deg of phase lead in a band of 1.0 to 100 Hz.
→ Since the gain is increased as a whole, positioning accuracy and followability are improved, but energy loss tends to occur. In addition, the load may become unstable when the load increases.
{Circle around (2)} C (s) -2: Provides about +5.6 dB gain amplification and about +18 deg phase lead in the 0.1 to 10 Hz band.
→ Has characteristics intermediate between C (s) -1 and C (s) -2.
{Circle around (3)} C (s) -3: Provides about +5.6 dB of gain amplification and about +18 deg of phase lead in the band of 10 to 1 kHz.
→ Since the phase lead is compensated only in the high frequency range, the effect is not so much seen when moving slowly, but it is effective when moving fast, such as running, flying, and dancing.
[0053]
As described above, by arbitrarily selecting the frequency band to be subjected to the phase compensation, it is possible to freely set the frequency characteristics of the actuator. Therefore, the joint axis of the robot constituted by such an actuator can dynamically adjust the frequency characteristic in accordance with the attitude of the body and the aspect of operation.
[0054]
FIG. 7 shows a case where the control of the series compensation gain is further adopted in the example C (s) -3 in which the phase lead compensation is performed only in the high frequency band shown in FIG. In this case, as in the example shown in FIG. 5, the gain increases and decreases in the same phase.
[0055]
In the example shown in FIG. 6, the phase compensation example C (s) -3 has little effect at the time of slow operation, but as shown in FIG. 7, by increasing the gain in the low frequency band, Control deviation can be reduced. As a result, it is possible to respond to the command value with a small delay even during a slow operation.
[0056]
The mechanism for adjusting not only the proportional gain of the servo controller but also the phase compensation element at each joint part in the actuator servo controller has been described above. This makes it possible to locally increase or decrease the force and to increase or decrease the compliance (mechanical passivity) of each joint in order to realize a stable and highly efficient operation.
[0057]
For example, when the motion of each axis of the joint is captured as a position control system, it is better to use a high-gain and high-bandwidth servo controller to control so that the control deviation is reduced. In consideration of the effects of potential energy and kinetic energy, it is preferable to simultaneously lower the gain and raise or lower the frequency band for which phase compensation is performed.
[0058]
B. Viscous resistance of actuator / motor
In addition to such characteristics as the operation speed and mechanical passivity of the actuator, a method of variably controlling the viscous resistance of the actuator itself can be adopted.
[0059]
For example, a motor of a type that generates a rotational torque by controlling a supply current to a coil to form a predetermined magnetic flux distribution generally includes a first transistor switch group that connects a coil terminal to a power supply voltage, and a coil. By driving a switching operation circuit including a second transistor / switch group that grounds the terminal by PWM control, the coil current is controlled to obtain a desired torque or a rotational position, a rotational speed, and the like.
[0060]
Here, at the timing when the motor coil is in the open state during the period when the motor coil is not energized, the current (strictly speaking, electric charge) applied to the motor coil is lost, resulting in loss of torque. In addition, it is easily affected by uneven torque due to cogging.
[0061]
In such a case, even when the motor coil is not energized, a short-circuit state in which the coil does not open is formed, so that the current (strictly, electric charge) applied to the motor coil does not escape. You can do so. At this time, a back electromotive force is generated in the coil of the motor due to the magnetic flux density from the permanent magnet side. A force acts in a direction opposite to the rotation direction of the motor by the back electromotive force, so that a viscous resistance against rotation by an external force can be created, and an effect similar to a brake can be obtained. Due to such viscous resistance to the motor, there is no torque loss and the effect of uneven torque due to cogging is reduced.
[0062]
On the other hand, when the motor is not energized, when such a short-circuit state of the coil is formed, as described above, a kind of viscous resistance can be given to the motor, but when such a motor is used in a robot, Due to the effect of the brake due to the coil short, there is a problem that the compliance (mechanical passivity) is lost.
[0063]
Therefore, by adjusting the ratio between the open state and the short-circuit state of the coil when the motor coil is not energized in accordance with the desired mechanical characteristics, the motor coil at the timing when the motor coil enters the open state is adjusted. Compliance (mechanical passive) due to the problem of torque loss due to the loss of the supplied current (strictly speaking, electric charge) and torque unevenness due to cogging, and the effect of braking due to coil shorts when the motor coil is not energized Gender) can be solved together.
[0064]
Here, the ratio between the energized state and the non-energized state of the motor coil can be realized by PWM control, and the ratio between the open state and the short-circuit state of the coil in the non-energized state of the motor coil is also determined by using the PWM control. Can be realized.
[0065]
FIG. 8 shows a configuration example of an equivalent circuit of a current control circuit for supplying a coil current of a DC motor to which a coil current control mechanism is applied.
[0066]
The current control circuit shown in the figure has a full-bridge configuration, in which a pnp transistor A ′ and an npn transistor A are connected in a forward direction, and a pnp transistor B ′ and an npn transistor B are also connected in a forward direction. The direction-connected circuits are connected in parallel between the power supply voltage Vcc and the ground GND, and the intermediate points of the transistors A 'and A and the intermediate points of the transistors B' and B are connected by a single-phase coil of the stator.
[0067]
By turning on the transistors A 'and B and turning off the transistors A and B', a current I_mFlows. By turning off the transistors A 'and B, the coil is opened and the current I_mWill not flow. By turning off the transistors A 'and B and turning on the transistors A and B', the motor coil is short-circuited (short-circuited).
[0068]
The PWM control logic circuit generates current commands to the coil based on a current axis current command (or torque command) from a central control unit (not shown), and performs switching control of each transistor in a PWM system based on these current commands. . That is, the transistors A 'and B are turned on, the transistors A and B' are turned off, and the coil current I_m, And a non-energizing period in which the transistors A 'and B are turned off to de-energize the coil are generated alternately.
[0069]
In the present embodiment, an additional logic circuit that switches control signals for controlling on / off operations of the transistors A and A ′ and the rows B and B ′ output by the PWM control logic circuit by additional logic is further provided.
[0070]
The additional logic circuit operates based on a BRAKE_PWM control signal output from the PWM control logic circuit, and performs a switching operation between a coil open state and a short-circuit state when the motor coil is not energized.
[0071]
FIG. 9 shows a specific circuit configuration of the additional logic circuit.
[0072]
The logical product of the transistor A 'control signal and the transistor B' control signal from the PWM control logic circuit and the exclusive OR of the transistor A control signal and the transistor B control signal are obtained, and furthermore, the logical operation value thereof is obtained. Is inverted with the BRAKE_PWM control signal. The result of the logical sum of the result of this logical sum and the original transistor control signal is the final transistor control signal.
[0073]
When a high level is input to the BRAKE_PWM control signal, the additional logic circuit switches the transistor control signal so as to short-circuit the coil when the coil is not energized. When the normal coil is not energized, the PWM control logic circuit outputs transistor control signals for setting A 'and A to low, B' to high, and B to low. On the other hand, when the high-level BRAKE_PWM control signal is input, the additional logic circuit changes the low state A 'to high and the high state B' to low to form a short-circuit state of the coil. .
[0074]
On the other hand, when the BRAKE_PWM control signal is in the low state, the additional logic circuit outputs the transistor control signal from the PWM control logic circuit as it is when the coil is not energized, so that the coil is in the open state when the current is not energized.
[0075]
FIG. 10 shows the output characteristics of each transistor control signal of the additional logic circuit when the high-level BRAKE_PWM control signal is input, together with the coil current waveform characteristics and the torque output characteristics.
[0076]
If the coil is short-circuited when the coil is not energized, the transient response increases the time required for the coil current to return to zero (described above). Therefore, as shown in the figure, when the switching operation of coil energization and coil short circuit is repeated, the next energization is started before the coil current returns to zero when the coil is not energized. Each time the coil is energized and de-energized, it gradually increases. Similarly, the effective value of the coil current gradually increases as shown.
[0077]
Further, the output torque T of the motor is obtained by adding the torque constant K of the motor to the coil current._t(T = K)_t(I) As can be seen from the figure, when the coil energization and the short-circuit state are repeated, the effective value of the motor torque increases as the coil current increases. Therefore, when the motor coil is short-circuited when not energized, the current (strictly speaking, electric charge) applied to the motor coil does not escape, and the loss of torque is eliminated. In addition, it is less likely to be affected by uneven torque due to cogging.
[0078]
When such a short-circuit state of the coil occurs when the motor is not energized, a kind of viscous resistance can be given to the motor as described above. On the other hand, when such a motor is used in a robot, there is a problem in that compliance (mechanical passivity) is lost due to the influence of braking due to a coil short.
[0079]
Therefore, the PWM control logic circuit controls the ratio between the open state and the short-circuit state of the motor coil in the non-energized state by performing PWM control on the BRAKE_PWM control signal input to the additional logic circuit.
[0080]
When PWM control is performed for the period of the open state and the short-circuit state of the coil in the non-energized state of the motor coil, the characteristics of the coil current include the transient response characteristic of the coil current when the coil is opened when the coil is not energized and the coil. Are mixed in accordance with the duty ratio of the transient response characteristics of the coil current when the circuit is short-circuited.
[0081]
FIG. 11 shows output characteristics of each transistor control signal of the additional logic circuit when a BRAKE_PWM control signal having a predetermined duty ratio is input by PWM control, together with a coil current waveform characteristic and a torque output characteristic.
[0082]
If the coil is short-circuited when the coil is not energized, the time required for the coil current to return to zero becomes longer due to the transient response, but if the coil is opened, the time becomes shorter. The transient response characteristic when the coil is not energized is a mixture of these characteristics according to the duty ratio of the BRAKE_PWM control signal.
[0083]
Therefore, as shown in the figure, when the switching operation of coil energization and coil short circuit is repeated, the next energization is started before the coil current returns to zero when the coil is not energized. The maximum current of the coil at this time gradually increases each time the coil is energized and de-energized, and the increasing tendency is substantially proportional to the duty ratio, that is, the ratio at which the BRAKE_PWM control signal becomes a high level. Similarly, the effective value of the coil current gradually increases as shown in the figure, but its increasing tendency is almost proportional to the duty ratio, that is, the ratio of the BRAKE_PWM control signal at a high level.
[0084]
Further, the output torque T of the motor is obtained by adding the torque constant K of the motor to the coil current._t(T = K)_t(I) As can be seen from the figure, when coil energization and de-energization are repeated, the effective value of the motor torque increases as the coil current increases. The rising tendency at this time is substantially proportional to the duty ratio of the BRAKE_PWM control signal, that is, the ratio at which the control signal goes high. The characteristic that the output of the motor torque increases corresponds to the viscosity coefficient of the motor. In other words, it is possible to dynamically control the viscous resistance of the motor by the duty ratio of the BRAKE_PWM control signal.
[0085]
In this way, by performing PWM control on the duty ratio of the BRAKE_PWM control signal supplied to the additional logic circuit by the PWM control logic circuit, the ratio of the open state and the short-circuit state of the coil when the motor coil is not energized can be set to a desired value. It can be adjusted according to the mechanical properties.
[0086]
Therefore, there is a problem of torque loss due to a loss of current (strictly, electric charge) supplied to the motor coil at a timing when the motor coil is in an open state, uneven torque due to cogging, and non-energization of the motor coil. The problem that the compliance (mechanical passivity) is lost due to the influence of the brake due to the coil short circuit at the time can be solved together.
[0087]
In the above description, a DC motor has been described as an example. However, the same applies to a three-phase motor or a motor of a type that generates a rotational torque by controlling a supply current to another coil to form a predetermined magnetic flux distribution. In addition, the desired viscous resistance of the motor can be obtained by intermittently switching the motor coil when the power is not supplied to the open state and the short-circuit state.
[0088]
C. Application to a legged mobile robot
Next, a bipedal legged mobile robot in which the characteristic control mechanism of the actuator servo controller and the characteristic control mechanism of the actuator itself according to the present embodiment are applied to each joint site will be described.
[0089]
C-1. Examples of robot joint characteristics
As described above, in the servo controller of the actuator, by adjusting the proportional gain and the phase compensation element, the positioning accuracy, mechanical passivity (compliance), and operation speed required at each joint of the robot are arbitrarily set. be able to. In addition, when the coil of the actuator / motor is not energized, the coil is intermittently switched to the short-circuit state or the open state, so that the viscous resistance of the motor can be adjusted and the robustness to disturbance such as vibration can be changed.
[0090]
Furthermore, by combining gain and phase compensation control in these actuator servo controllers with control of the viscous resistance of the actuator / motor, the frequency characteristics of the actuator, which can be applied to parts where positioning accuracy is important, The frequency characteristics of the actuator that can be applied to a portion where compliance is important can be obtained.
[0091]
FIG. 12 shows frequency characteristics of an actuator that can be applied to a portion where positioning accuracy is important.
[0092]
In this case, the proportional gain of the servo controller is increased to increase the gain of the entire system so that the gain can be obtained up to a low frequency band. Further, the frequency characteristic (phase compensation characteristic) is set so that the amount of phase lead becomes small in a high frequency band as shown in FIG. Further, the viscous resistance of the motor is increased so as to be robust against disturbance such as vibration. In short, the characteristics shown in the figure are characteristics that are robust to disturbances such as vibrations with priority given to positioning accuracy.
[0093]
FIG. 13 shows frequency characteristics of an actuator that can be applied to a portion where quick response and compliance are important.
[0094]
In this case, by reducing the proportional gain to reduce the gain of the entire system, the gain in the low frequency band is reduced, and mechanical passivity (compliance) is easily obtained. Further, as shown in the figure, the frequency characteristic (phase compensation characteristic) is set so that the amount of phase lead becomes large in the middle and high frequency ranges, thereby obtaining quick response. Further, the viscous resistance of the motor is reduced so that mechanical passivity (compliance) can be easily obtained. In short, the characteristics shown in the figure are characteristics that prioritize mechanical passivity (compliance) and quick response.
[0095]
C-2. Example of actuator characteristics at each joint of robot
FIG. 14 schematically illustrates an example of a degree of freedom configuration of a legged mobile robot.
[0096]
The robot shown in the figure is a humanoid robot having two legs and two arms. This robot has a limb attached to the body, a head having four degrees of freedom of a neck roll axis, first and second neck pitch axes, and a neck yaw axis, a shoulder joint pitch axis, a shoulder joint roll axis, and a shoulder joint. Right and left arms each having at least four degrees of freedom such as a yaw axis and an elbow joint pitch axis, a trunk part having two degrees of freedom such as a trunk roll axis and a trunk pitch axis, a hip joint yaw axis, a hip joint roll axis, and a hip joint pitch axis , A knee pitch axis, an ankle pitch axis, and an ankle roll axis.
[0097]
Each of these degrees of freedom of the joints is realized by an actuator having the above-described servo controller. A control example of the gain / phase compensation characteristics of the actuator used in each joint part will be described in detail below.
[0098]
(1) Characteristics of actuator applied to neck
At the neck, the proportional gain is set high to give priority to positioning accuracy. In addition, the amount of phase advance is set to a small value so as to maintain the operating speed and not to impair the stability of the increased proportional gain. Further, in order to obtain robustness against vibration disturbance generated during operation of a portion below the torso, the viscous resistance of the joint is set large.
[0099]
(2) Characteristics of actuator applied to shoulder / elbow
When performing a continuous operation such as walking or dancing, the actuator is given such characteristics that mechanical passivity is higher than positioning characteristics. To make the movement more passive, the viscous resistance of the joint is reduced. Further, the proportional gain is set low in order to give the operation a passivity and reduce the energy consumption. Further, in order to increase the operation speed, the frequency band in which phase lead compensation is performed is set high, and the amount of phase lead is set large. Depending on the operation, there are times when only reciprocating motion is performed like a pendulum. In that case, the viscous resistance of the joint and the proportional gain are minimized to obtain mechanical passivity (compliance), and mechanical energy is easily used for operation.
[0100]
On the other hand, when an operation using a force such as pushing or pulling an object is performed, control is performed such that the characteristic of prioritizing positioning accuracy and the characteristic of mechanical passivity are dynamically exchanged according to the load torque value. To generate more force with respect to the load torque value, the proportional gain is increased and the viscous resistance of the joint is increased. In addition, when performing an operation of imitating a constant load with respect to the load torque value, in addition to the adjustment based on the position command value from the host, the proportional gain according to the load torque detected by the actuator internal torque sensor is used. To reduce the viscous resistance of the joint so as to obtain mechanical passivity (compliance).
[0101]
(3) Characteristics of actuator applied to trunk
In order to obtain robustness against vibration disturbance due to own movement, the viscous resistance of the joint is increased. Alternatively, in order to give priority to positioning accuracy, the proportional gain is set high. Alternatively, the amount of phase advance is set small so as not to impair the stability of increasing the proportional gain while maintaining the operation speed.
[0102]
(4) Characteristics of actuator applied to hip joint
In order to obtain robustness against vibration disturbance due to own movement, the viscous resistance of the joint is increased. Alternatively, in order to give priority to positioning accuracy, the proportional gain is set high. Alternatively, the amount of phase advance is set small so as not to impair the stability of increasing the proportional gain while maintaining the operation speed.
[0103]
(5) Characteristics of actuator applied to knee
At the time of a free leg and at the moment of landing, control is performed so that mechanical passivity is higher than positioning accuracy. To make the movement more passive, the viscous resistance of the joint is reduced. Also, the proportional gain is set low in order to make the operation passive and reduce the energy consumption. Further, in order to increase the operation speed, the frequency region in which phase lead compensation is performed is set high, and the amount of phase lead is set large.
[0104]
On the other hand, at the time of the support leg, the characteristic is controlled so that the positioning accuracy is higher than the mechanical passivity. In order to obtain robustness against vibration disturbance due to own movement, the viscous resistance of the joint is increased. Alternatively, in order to give priority to positioning accuracy, the proportional gain is set high. Alternatively, the amount of phase advance is set to be small so as not to impair the stability of increasing the proportional gain while maintaining the operation speed.
[0105]
(6) Characteristics of actuator applied to ankle
At the time of a free leg and at the moment of landing, control is performed so that mechanical passivity is higher than positioning accuracy. In order to reduce the impact due to the landing on the ankle, the joint viscosity is set small to obtain mechanical passivity (compliance). Further, in order to reduce the impact due to the landing on the ankle, the proportional gain is set low to obtain mechanical passivity (compliance). Further, in order to increase the operation speed, the frequency region in which phase compensation is performed is set high, and the amount of phase advance is set large.
[0106]
On the other hand, at the time of the supporting leg, the viscous resistance of the joint is increased in order to increase the torque generated at the ankle portion and to obtain robustness against vibration disturbance due to the operation of the user. Further, in order to improve the positioning accuracy of the ankle portion, the proportional gain is set high. Further, while maintaining the operation speed, the amount of phase advance is set to be small so as not to impair the stability of the increased proportional gain.
[0107]
C-3. Example of arrangement of actuator characteristics of various parts of robot joint during walking motion
By controlling the characteristics of the servo controller of each joint actuator and the characteristics of the actuator itself as described above, the following results can be obtained.
[0108]
That is, as in the actuator characteristics shown in FIG. 12, by setting such that “low-pass gain is large”, “phase lead amount is small in a high-frequency region”, and “viscosity resistance of the joint is large”, high accuracy is achieved. Positioning control becomes possible, and the stability of the posture increases.
[0109]
Further, as in the actuator characteristics shown in FIG. 13, by performing settings such as “lower low-frequency gain”, “larger phase lead”, and “lower viscous resistance of the joint”, mechanical passivity and high speed are achieved. Since responsiveness can be provided, it is possible to perform high-bandwidth follow-up control while reducing the impact force at the moment of landing.
[0110]
For example, by applying the actuator characteristic shown in FIG. 13 to the free leg, mechanical passivity can be imparted to the leg, so that the potential energy when the leg is lifted up during the walking motion is moved at the next swing down motion. It becomes easy to use as auxiliary energy. As a result, energy consumption is reduced, and the consumption of the battery for driving the body can be suppressed.
[0111]
Here, the arrangement of the controller of the actuator and the characteristics of the actuator itself at each joint site when the robot performs a walking motion will be described with reference to FIG.
[0112]
When the robot performs a walking motion, the neck pitch axis, the trunk roll axis, the trunk pitch axis, the trunk yaw axis, the hip joint roll and the pitch axis, and the knee pitch axis and the ankle roll and the pitch axis on the support leg side High positioning accuracy is required at each joint site.
[0113]
Therefore, in the actuators at these joints, the proportional gain of the servo controller is increased to increase the gain of the entire system, so that the gain can be obtained up to a low frequency band. In addition, the frequency characteristic is set so that the amount of phase lead is reduced in a high frequency range as shown in FIG. 12, so that stability is guaranteed although it does not contribute much to quick response. Further, the viscous resistance of the motor is increased so as to be robust against disturbance such as vibration.
[0114]
On the other hand, quick response and compliance are important for the shoulder pitch axis, the elbow pitch axis, and the knee pitch axis, the ankle roll, and the pitch axis on the free leg side during the walking motion.
[0115]
Therefore, in the actuators at these joints, the proportional gain is reduced, and the gain of the entire system is reduced, so that the gain in the low frequency band is reduced and mechanical passivity (compliance) is easily obtained. Further, as shown in FIG. 13, the frequency characteristic (phase compensation characteristic) is set so that the amount of phase lead becomes large in the middle and high frequency ranges, thereby obtaining quick response. Further, the viscous resistance of the motor is reduced so that mechanical passivity (compliance) can be easily obtained.
[0116]
By applying the characteristics of the controller of the actuator and the characteristics of the actuator itself as shown in FIG. 13 to the shoulder to the free leg, mechanical passivity (compliance) can be obtained for the arm or leg. This makes it easier to use the potential energy when the leg is lifted up during the walking motion as the motion assisting energy at the time of the next swing-down motion. As a result, energy consumption is reduced, and the consumption of a battery as a power supply for driving the machine is also reduced.
[0117]
FIG. 16 shows, in the form of a flowchart, a processing procedure for switching the actuator characteristic of each joint part when the robot performs a walking operation.
[0118]
First, as shown in FIG. 12, a low-pass gain is large, a phase lead amount is small in a high-frequency region, and a joint is formed with respect to an actuator of a joint part constituting each joint part of a knee pitch axis, an ankle roll, and a pitch axis. Is set to increase the viscous resistance of In addition, as shown in FIG. 13, the proportional gain is reduced and the gain of the entire system is reduced as shown in FIG. The gain of the band is reduced, and mechanical passivity (compliance) is easily obtained. Further, FIG. 12 shows an actuator of a joint part forming each joint part of the trunk roll axis, the trunk pitch axis, the trunk yaw axis, the hip joint roll and the pitch axis, and the first neck pitch axis. As shown, settings are made to increase the low-frequency gain, reduce the amount of phase lead in the high-frequency region, and increase the viscous resistance of the joint. (Step S1).
[0119]
Next, an operation of lifting one leg is performed (step S2).
[0120]
Here, when the floor reaction force received by the sole of the leg to be lifted becomes zero (step S3), the supporting leg performs the walking operation while supporting the free leg (step S4).
[0121]
On the swing leg side, the low-frequency gain is small, the phase lead amount is large, and the joint lead angle is low for the knee joint pitch axis, ankle roll axis, and pitch axis actuators on the swing leg side, as shown in FIG. A setting is made to reduce the viscous resistance (step S5).
[0122]
Next, a walking operation as a free leg is executed (step S6), and further, the landing operation is executed (step S7).
[0123]
Here, when the value of the floor reaction force detected at the sole becomes close to the value of the two-leg supporting period (step S8), the landing operation of the free leg is completed (step S9).
[0124]
Then, as shown in FIG. 12, for the actuators of the knee joint pitch axis and the ankle roll axis and the pitch axis on the swing leg side, the low-frequency gain is large, the phase lead amount is small in the high frequency region, and the joint viscosity is low. A setting for increasing the resistance is performed (step S10).
[0125]
When the walking operation is continued as it is (step S11), the free leg is switched to the support leg and the support leg is switched to the free leg (step S12), and the process returns to step S2, and the same processing as described above is repeatedly executed.
[0126]
On the other hand, when the walking operation is to be ended by this (step S11), the entire processing routine ends.
[0127]
[Supplement]
The present invention has been described in detail with reference to the specific embodiments. However, it is obvious that those skilled in the art can modify or substitute the embodiment without departing from the spirit of the present invention.
[0128]
The gist of the present invention is not necessarily limited to products called “robots”. That is, as long as the mechanical device performs a motion similar to a human motion using an electric or magnetic action, the present invention similarly applies to a product belonging to another industrial field such as a toy. Can be applied.
[0129]
In this specification, a circuit example configured using a switching element formed of a bipolar transistor for switching control of a coil current to a motor coil has been described. It is obvious for a person skilled in the art that such a control circuit can be implemented.
[0130]
In short, the present invention has been disclosed by way of example, and the contents described in this specification should not be interpreted in a limited manner. In order to determine the gist of the present invention, the claims described at the beginning should be considered.
[0131]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, during execution of various operations such as walking of a robot, the characteristics of the actuator itself and the characteristics of the controller of the actuator are dynamically or statically controlled. Therefore, it is possible to provide an excellent legged mobile robot capable of realizing a stable and highly efficient operation.
[0132]
Further, according to the present invention, in each stage of the walking motion of the robot, the actuator of each joint portion is provided with a first actuator characteristic of increasing the low-frequency gain, decreasing the amount of phase lead, and increasing the viscous resistance of the joint, By dynamically switching between the low actuator gain and the second actuator characteristic that increases the amount of phase lead and reduces the viscous resistance of the joint, the potential energy when the leg is swung up during the walking operation is calculated as follows. It becomes easy to use as energy for assisting movement during the swinging-down operation. As a result, energy consumption is reduced, and the consumption of a battery as a power supply for driving the machine is also reduced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a servo controller of an actuator according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a chart showing frequency characteristics of gain and phase of a transfer function expression model G (s) of the motor and the speed reducer shown in FIG.
FIG. 3 is a diagram for explaining a design example of a phase compensation control type servo controller that arbitrarily selects a phase compensation band.
FIG. 4 is a diagram for explaining a design example of a phase compensation control type servo controller that arbitrarily selects a phase compensation amount.
FIG. 5 is a diagram for explaining a design example of a controller that changes compensation of a series compensation gain indicated by K in the servo controller shown in FIG. 1;
FIG. 6 is a diagram showing an open-loop characteristic when a servo controller of an actuator is mounted so that the amount of phase compensation is constant and a frequency band is arbitrarily selected as shown in FIG. 3;
FIG. 7 is a diagram showing a state in which control of series compensation gain is further adopted in example C (s) -3 in which phase lead compensation is performed only in a high frequency band shown in FIG. 6;
FIG. 8 is a diagram showing a configuration example of an equivalent circuit of a current control circuit for supplying coil current of a DC motor.
FIG. 9 is a diagram showing a specific circuit configuration of an additional logic circuit.
FIG. 10 is a diagram illustrating output characteristics of each transistor control signal of the additional logic circuit when a high-level BRAKE_PWM control signal is input, together with coil current waveform characteristics and torque output characteristics.
FIG. 11 is a diagram showing output characteristics of each transistor control signal of the additional logic circuit when a BRAKE_PWM control signal having a predetermined duty ratio is input by PWM control, together with a coil current waveform characteristic and a torque output characteristic. .
FIG. 12 is a diagram illustrating frequency characteristics of an actuator that can be applied to a portion where positioning accuracy is important.
FIG. 13 is a diagram showing frequency characteristics of an actuator that can be applied to a portion where responsiveness and compliance are important.
FIG. 14 is a diagram schematically illustrating an example of a degree of freedom configuration of a legged mobile robot.
FIG. 15 is a diagram for explaining the arrangement of the controller of the actuator and the characteristics of the actuator itself at each joint site when the robot performs a walking operation.
FIG. 16 is a flowchart showing a processing procedure for switching the actuator characteristics of each joint part when the robot performs a walking operation.

Claims (4)

複数の可動脚を含む複数の関節部位で構成される脚式移動ロボットであって、各関節部位におけるアクチュエータのサーボ制御器のゲイン及び位相補償制御とアクチュエータ・モータの粘性抵抗の制御とを組み合わせて行なうアクチュエータ特性制御手段を備え、
前記アクチュエータ特性制御手段は、歩行動作の各段階毎に、各関節部位のアクチュエータを、低域ゲインを大きく、位相進み量を小さく、関節の粘性抵抗を大きくする第１のアクチュエータ特性と、低域ゲインを小さく、位相進み量を大きく、関節の粘性抵抗を小さくする第２のアクチュエータ特性との間で切り替える、
ことを特徴とする脚式移動ロボット。A legged mobile robot comprising a plurality of joint parts including a plurality of movable legs, wherein a gain and a phase compensation control of an actuator servo controller and a control of a viscous resistance of an actuator motor are combined at each joint part. Equipped with an actuator characteristic control means for performing
The actuator characteristic control means includes, for each step of the walking motion, a first actuator characteristic for increasing the low-frequency gain, reducing the amount of phase lead, and increasing the viscous resistance of the joint for the actuator at each joint portion; Switching between a second actuator characteristic that reduces the gain, increases the amount of phase lead, and reduces the viscous resistance of the joint;
A legged mobile robot, characterized in that: 前記アクチュエータ特性制御手段は、歩行動作を開始する段階において、膝関節ピッチ軸、足首ロール軸及びピッチ軸、体幹ロール軸、ピッチ軸及びヨー軸、股関節ロール軸及びピッチ軸、首ピッチ軸の各関節部位のアクチュエータの特性に対して、低域ゲインを大きく、高い周波数領域で位相進み量を小さく、関節の粘性抵抗を大きくする設定を行なうとともに、肩ピッチ軸及び肘ピッチ軸の各関節のアクチュエータの特性に対して、低域ゲインを小さく、位相進み量を大きく、関節の粘性抵抗を小さくする設定を行なう、
ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボット。The actuator characteristic control means may include a knee joint pitch axis, an ankle roll axis and pitch axis, a trunk roll axis, a pitch axis and yaw axis, a hip joint roll axis and pitch axis, and a neck pitch axis at the stage of starting the walking motion. For the characteristics of the actuator at the joint site, the settings for increasing the low-frequency gain, reducing the amount of phase lead in the high-frequency region, and increasing the viscous resistance of the joint are performed. For the characteristics of the above, make settings to reduce the low-frequency gain, increase the amount of phase lead, and reduce the viscous resistance of the joint.
The legged mobile robot according to claim 1, wherein: 前記アクチュエータ特性制御手段は、遊脚が持ち上げられその足底が受ける床反力がゼロとなった段階において、該遊脚側の膝関節ピッチ軸並びに足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータの特性に対して、低域ゲインを小さく、位相進み量を大きく、関節の粘性抵抗を小さくする設定を行なう、
ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボット。The actuator characteristic control means adjusts the characteristic of each of the knee joint pitch axis, ankle roll axis and pitch axis actuators on the free leg side when the free leg is lifted and the floor reaction force applied to the sole thereof becomes zero. On the other hand, settings are made to reduce the low-frequency gain, increase the amount of phase lead, and reduce the viscous resistance of the joint.
The legged mobile robot according to claim 1, wherein: 前記アクチュエータ特性制御手段は、遊脚の歩行動作が進行して該遊脚が着床しその足底が受ける床反力が両脚支持期のそれとほぼ同じになった段階において、該遊脚側の膝関節ピッチ軸並びに足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータの特性に対して、低域ゲインを大きく、高い周波数領域で位相進み量を小さく、関節の粘性抵抗を大きく、
ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボット。The actuator characteristic control means, at a stage where the walking movement of the free leg progresses and the free leg is landed and the floor reaction force received by the sole thereof is substantially the same as that of the double leg support period, For the characteristics of each actuator of the knee joint pitch axis and ankle roll axis and pitch axis, the low frequency gain is large, the phase lead amount is small in the high frequency region, the joint viscous resistance is large,
The legged mobile robot according to claim 1, wherein:

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