JP2005219206A - 脚式移動ロボットの歩容生成装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】脚部の運動によって発生する慣性力と重力の合力(総慣性力)である脚部反力(ZMPfeet)を算出し、算出された脚部反力と目標床反力(目標ZMP)とから上体24の動力学的挙動を記述する倒立振子モデルの支点位置(ZMPpend)を算出し、その支点位置に基づいて倒立振子モデルの変位(倒立振子水平位置xb) を算出し、その変位に基づいて上体の位置(水平位置)を算出し、算出された上***置を用いて歩容を生成する。
【選択図】図5
Description
1)1質点モデル
2)影響度の小さい質点を無視した多質点モデル
b)狭義の目標歩容とは、1歩の期間の目標運動軌跡とそのZMP軌道の組である。
c) 一連の歩行は、いくつかの歩容がつながったものとする。
条件2)ロボット1の歩行計画部や歩行経路誘導部(共に図示せず)、あるいはオペレータから歩幅や旋回角など歩容が満たすべき条件が要求される場合、それらの要求条件を満たしていること。
条件3)足平が床を掘ったり擦ったりしない、関節角度が可動範囲を越えない、関節速度が限界を越えないなどの、キネマティクス(運動学)に関する制約条件を満たしていること。
条件4)片脚支持期においてZMPが支持脚足平接地面内になければならない、駆動系の最大能力を越えないなどの、動力学に関する制約条件を満たしていること。
条件5)境界条件を満たしていること。即ち、条件1)の当然の帰結として、歩容と歩容の境界では、少なくとも、各部位の位置と速度が連続であるという境界条件が導かれる(不連続であれば、無限大の力が発生したり、ZMPが接地面からはるかに遠くの点に移動してしまうから)。
2)支持脚足平質点は、支持脚足平にローカルに設定された座標系(具体的には、原点が足首中心から足底への垂直投影点、XY平面が足底に一致し、かかとからつまさきへの向きをX軸にとったXYZ直交座標系であり、これを以降、「支持脚ローカル座標系」と呼ぶ)上のある固定された点に設定される。この固定された点の支持脚ローカル座標系上の座標を、「支持脚足平質点オフセット」と呼ぶ。
msup: 支持脚質点質量
mswg: 遊脚質点質量
mb: 倒立振子質点質量(上体質点質量)
mtotal:ロボット質量(= mb + msup + mswg)
mfeet: 両脚質量(= msup + mswg)
xsup: 支持脚質点位置
xswg: 遊脚質点位置
xb: 倒立振子位置(上体質点位置)
ω0: 倒立振子の固有角周波数
ω0 = sqrt(g/h)(ただし、sqrtは平方根を表わす。)
Δt: 刻み時間
x[k]:kステップ目(時刻kΔt)の倒立振子位置
v[k]:kステップ目の倒立振子速度
ZMPpend[k]: kステップ目の倒立振子ZMP(詳しくは、時刻kΔtから時刻(k+1) Δtまで、入力ZMPpend[k]の0次ホールドした信号が入力、即ち、その時刻の間は同一信号が倒立振子に入力され続けられるものとする。)
収束成分p[k]と発散成分q[k]を求める式の違いは、p[k]とq[k]が置き換わったことと、ω0が−ω0に置き換わったことだけである。
上記性質から、以下では発散成分についてのみ議論する。
また、図9に示すように、ZMPpend[i]がある関数f(i)であり、ZMPpend'[i] が関数f(i)を時間nΔtだけ遅らせた関数f(i- nΔt)であるとし、入力列ZMPpend[i]を初期パルスに変換したものをU0、入力列ZMPpend'[i] を初期パルスに変換したものをU0' とすると、U0' は数式17のようになる。
条件b)上体代表点の運動の影響を受けないこと。
条件c)単純化モデルの近似精度が十分に高いこと。
条件d)可能な限り連続であること。(上体加速度を連続にするため。)
1)今回歩容の支持脚座標系原点あるいはその近傍の所定の点に作用点Pを設定する。
2)両脚支持期の間に直前歩容の支持脚座標系原点あるいは近傍の所定の点から今回歩容の支持脚座標系原点あるいは近傍の所定の点に、連続的に移動するように作用点Pを設定する。
3)作用点Pを仮目標ZMP軌道に一致させる。
1)足平内の所定の点
2)上記点から鉛直方向に一定距離ずらした点
3)足平内に複数の質点を設定しても良い。また足平にイナーシャを設定しても良い。
Claims (5)
- 少なくとも上体と、前記上体に連結される複数本の脚部を備えた脚式移動ロボットの歩容生成装置において、
a.前記脚部の目標運動に基づき、前記脚部の目標運動によって発生する慣性力と重力の合力である脚部反力を算出する脚部反力算出手段、
b.少なくとも目標床反力と前記脚部反力算出手段が算出した脚部反力とに基づき、少なくとも前記上体の動力学的挙動を記述する倒立振子モデルの支点位置を算出する倒立振子モデル支点位置算出手段、
c.少なくとも前記倒立振子モデル支点位置算出手段が算出した倒立振子モデルの支点位置に基づき、前記倒立振子モデルの変位を算出する倒立振子モデル変位算出手段、
d.少なくとも前記倒立振子モデル変位算出手段が算出した倒立振子モデルの変位に基づき、前記上体の位置を算出する上***置算出手段、
および
e.少なくとも前記上***置算出手段が算出した上***置を用いて歩容を生成する歩容生成手段、
を備えたことを特徴とする脚式移動ロボットの歩容生成装置。 - 少なくとも上体と、前記上体に連結される複数本の脚部を備えた脚式移動ロボットの歩容生成装置において、
a.前記脚部の目標運動に基づき、前記脚部の目標運動によって発生する慣性力と重力の合力に疑似的に対応する前記脚部のZMPに相当する脚部ZMPを算出する脚部ZMP算出手段、
b.少なくとも目標ZMPと前記脚部ZMP算出手段が算出した脚部ZMPとに基づき、少なくとも前記上体の動力学的挙動を記述する倒立振子モデルの支点位置を算出する倒立振子モデル支点位置算出手段、
c.少なくとも前記倒立振子モデル支点位置算出手段が算出した倒立振子モデルの支点位置に基づき、前記倒立振子モデルの変位を算出する倒立振子モデル変位算出手段、
d.少なくとも前記倒立振子モデル変位算出手段が算出した倒立振子モデルの変位に基づき、前記上体の位置を算出する上***置算出手段、
および
e.少なくとも前記上***置算出手段が算出した上***置を用いて歩容を生成する歩容生成手段、
を備えたことを特徴とする脚式移動ロボットの歩容生成装置。 - 前記倒立振子モデル支点位置算出手段は、前記目標ZMPに第1の係数を乗じて得た積から、前記脚部ZMPに第2の係数を乗じて得た積を減算して前記倒立振子モデルの支点位置を算出することを特徴とする請求項2記載の脚式移動ロボットの歩容生成装置。
- 前記床反力が少なくともZMPを含むことを特徴とする請求項1記載の脚式移動ロボットの歩容生成装置。
- 前記倒立振子モデルが線形モデルであることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の脚式移動ロボットの歩容生成装置。
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