JP2006150567A - Robot stabilization control device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、台車に搭載されたマニピュレータを有するロボットの安定化制御装置に係り、特に、ＺＭＰを安定性判別の規範として台車移動型ロボットを安定化制御するロボットの安定化制御装置に関する。 The present invention relates to a robot stabilization control apparatus having a manipulator mounted on a carriage, and more particularly to a robot stabilization control apparatus that controls the movement of a carriage mobile robot using ZMP as a criterion for stability determination.
従来、ロボットとしてはたとえば工場などに固定して設けられるもののほか、移動可能とされたロボットもある。移動可能なロボットとして、たとえば、台車に搭載されたマニピュレータを有する台車移動型ロボットや二足歩行型ロボットなどがある。移動可能なロボットでは、ロボットが移動し、または作業等することによって転倒することが懸念される。移動可能なロボットの転倒を防止するため、二足歩行型ロボットの歩行制御において、ＺＭＰ規範が知られている
ＺＭＰ（Ｚｅｒｏ Ｍｏｍｅｎｔ Ｐｏｉｎｔ）とは、ロボットが位置する床面上において、このロボットの各部材の重力によるモーメントと慣性力によるモーメントと（もし外力が作用していれば、さらに外力によるモーメントと）の総和がゼロとなる点のことである。ＺＭＰ規範とは、このＺＭＰがロボットの接地面が形成する支持多角形（安定領域と呼ばれる）の辺上または内部にあればロボットは転倒せずに安定に移動することが可能であるとする規範である。このようなＺＭＰ規範は、二足歩行ロボットのほか、台車移動型ロボットに対しても有効なものである。
Conventionally, as a robot, for example, there is a robot that can be moved in addition to a robot that is fixed in a factory or the like. Examples of the movable robot include a cart moving robot having a manipulator mounted on the cart and a biped walking robot. With a movable robot, there is a concern that the robot may fall due to movement or work. ZMP (Zero Moment Point) is known in the walking control of a biped robot in order to prevent the movable robot from falling down. ZMP (Zero Moment Point) is the position of each robot on the floor where the robot is located. This is the point where the sum of the moment due to the gravity of the member and the moment due to inertial force (and the moment due to external force if external force is applied) becomes zero. The ZMP norm is a norm that the robot can move stably without falling if the ZMP is on or inside a support polygon (called a stable region) formed by the ground contact surface of the robot. It is. Such a ZMP norm is effective not only for a biped robot but also for a cart moving robot.
このようなＺＭＰ規範を利用する技術として、特開２００１−２７７１５８号公報（特許文献１）に開示された脚式ロボットの動作制御システムがある。この動作制御システムは、まず、ロボットの動作を生成するために、事前に目標ＺＭＰ軌道を計画する。次に、ロボットの運動時に、ロボットの運動と床反力との関係を示す動力学モデルを用いて実ＺＭＰを算出する。続いて、実ＺＭＰを目標ＺＭＰに追従させるために、算出された実ＺＭＰと目標ＺＭＰとの差に基づいて、ロボットの状態を補正するというものである。 As a technique using such a ZMP standard, there is an operation control system for a legged robot disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2001-277158 (Patent Document 1). This motion control system first plans a target ZMP trajectory in advance to generate robot motion. Next, during the movement of the robot, an actual ZMP is calculated using a dynamic model indicating the relationship between the movement of the robot and the floor reaction force. Subsequently, in order to cause the actual ZMP to follow the target ZMP, the state of the robot is corrected based on the difference between the calculated actual ZMP and the target ZMP.
また、下記非特許文献１に開示された技術がある。この技術は、マニピュレータの機能を拡張するために、移動機構（ヴィークル）を設けたものに関するものであり、ヴィークル搭載型マニピュレータの安定化運動を実現するために、まず、ＺＭＰ規範を用いた安定度および有効安定領域といった安定性を図っている。その安定性維持と安定性回復の制御方策として、安定性のポテンシャル場を用いてＺＭＰ軌道を導出し、このＺＭＰ軌道に基づく安定化制御を行うというものである。 Further, there is a technique disclosed in Non-Patent Document 1 below. This technology relates to a device equipped with a moving mechanism (vehicle) in order to expand the function of the manipulator. First, in order to realize the stabilizing movement of the vehicle-mounted manipulator, first, the stability using the ZMP standard is used. In addition, stability such as an effective stable region is achieved. As a control strategy for maintaining and restoring the stability, a ZMP trajectory is derived using a stability potential field, and stabilization control based on the ZMP trajectory is performed.
さらに、下記非特許文献２に開示された技術がある。この技術は、やはりヴィークルを設けたものであり、ロボットの転倒防止のために、定重心安定制御を行うものである、定重心安定制御を行うことにより、ロボットの転倒を効果的に防止している。
しかし、上記特許文献１に開示された技術では、ランダムに作成された目標ＺＭＰに実ＺＭＰを追従させているため、関節を駆動するアクチュエータが常時働くことになるので、エネルギーの消耗が多い。さらには、アクチュエータを頻繁に正負方向に移動させることから、アクチュエータの寿命を短くするという問題がある。 However, in the technique disclosed in Patent Document 1, since the actual ZMP is made to follow the randomly generated target ZMP, the actuator that drives the joint always operates, so that energy consumption is large. Furthermore, since the actuator is frequently moved in the positive and negative directions, there is a problem of shortening the life of the actuator.
また、上記非特許文献１に開示された技術では、上記特許文献１で掲げた問題点のほか、ＺＭＰの軌道を求めるために、非線形微分方程式を解くことが必要となるので、計算量が多くなり、ロボットへの実装が難しくなるという問題がある。 Further, in the technique disclosed in Non-Patent Document 1, in addition to the problems described in Patent Document 1, it is necessary to solve a nonlinear differential equation in order to obtain the trajectory of ZMP. Therefore, there is a problem that mounting on a robot becomes difficult.
さらに、上記非特許文献２に開示された技術では、マニピュレータ／ヴィークルシステムの重心を一定にするため、ヴィークルの移動加速度の増減に伴って、マニピュレータの姿勢を常時調整することが必要となる。したがって、アクチュエータが常時働くことになるので、エネルギー消費が大きくなってしまうという問題もあった。
Furthermore, in the technique disclosed in
そこで、本発明の課題は、ロボットの転倒を防止しながらアクチュエータを駆動するに当たり、計算量を少なくするとともに、アクチュエータの作動を少なくすることによってマニピュレータにおける無駄なエネルギーを消費しないようにしたロボットの安定化制御装置を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to stabilize the robot so as not to consume useless energy in the manipulator by reducing the amount of calculation and driving the actuator while driving the actuator while preventing the robot from toppling over. It is in providing a control apparatus.
上記課題を解決した本発明に係るロボットの安定化制御装置は、台車に搭載されたマニピュレータを有する台車移動型ロボットの安定化制御を行うロボットの安定化制御装置であって、台車移動型ロボットの挙動に基づいて求められる実ＺＭＰと台車移動型ロボットの起立状態が不安定となるＺＭＰ限界値とを比較し、実ＺＭＰおよびＺＭＰ限界値に基づいて、台車移動型ロボットのＺＭＰの目標変化分を設定するものである。 A robot stabilization control apparatus according to the present invention that has solved the above-described problems is a robot stabilization control apparatus that performs stabilization control of a cart mobile robot having a manipulator mounted on a cart. Compare the actual ZMP calculated based on the behavior and the ZMP limit value where the standing state of the cart mobile robot becomes unstable. Based on the actual ZMP and the ZMP limit value, the target change in the ZMP of the cart mobile robot is calculated. It is to set.
本発明に係る安定化制御装置においては、台車移動型ロボットの起立状態が不安定となるＺＭＰ限界値と実ＺＭＰとを比較して、ＺＭＰの目標変化分を設定している。仮に、実ＺＭＰが安定領域内にあると、ＺＭＰの目標変化分を０に設定している。このため、アクチュエータの作動を少なくするとともに、マニピュレータにおける無駄なエネルギー消費を防止することができる。また、非線形微分方程式を解く必要もないので、計算量が増大することもないようにすることができる。さらに、アクチュエータを頻繁に正負方向に動作させることもないので、アクチュエータの寿命の低下を防止することができる。 In the stabilization control apparatus according to the present invention, the ZMP target change is set by comparing the ZMP limit value at which the standing state of the cart mobile robot becomes unstable and the actual ZMP. If the actual ZMP is within the stable region, the target change amount of ZMP is set to zero. For this reason, the operation of the actuator can be reduced, and wasteful energy consumption in the manipulator can be prevented. In addition, since it is not necessary to solve the nonlinear differential equation, the amount of calculation can be prevented from increasing. Furthermore, since the actuator is not frequently operated in the positive and negative directions, it is possible to prevent the life of the actuator from being reduced.
ここで、台車は、３点以上の複数の接地点を有しており、複数の接地点で囲まれた領域の境界線に対応してＺＭＰ限界値が設定される態様とすることができる。 Here, the carriage has a plurality of contact points of three or more points, and a ZMP limit value can be set corresponding to a boundary line of a region surrounded by the plurality of contact points.
このように、３点以上の複数の接地点で囲まれた領域の境界線に対応してＺＭＰ限界値が設定されることにより、台車移動型ロボットが安定となる状態を確実に維持することができる。 In this way, by setting the ZMP limit value corresponding to the boundary line of the region surrounded by a plurality of grounding points of three or more points, it is possible to reliably maintain a stable state of the cart mobile robot. it can.
さらに、台車移動型ロボットにおける台車の移動速度が０である場合に、ＺＭＰ限界値を０に設定する態様とすることができる。 Furthermore, when the moving speed of the carriage in the carriage mobile robot is 0, the ZMP limit value can be set to 0.
このように、台車移動速度が０である場合にＺＭＰ限界値を０に設定することにより、台車移動型ロボットの最終姿勢を直立状態とすることができる。 Thus, when the cart movement speed is zero, the final posture of the cart mobile robot can be brought into an upright state by setting the ZMP limit value to zero.
また、マニピュレータは、複数のリンクと、複数のリンクを接続する関節とを有しており、台車移動型ロボットにおけるＺＭＰの変化分とマニピュレータにおける関節角度の変化分とを関係づけるＺＭＰヤコビアン行列を用いて、ＺＭＰから関節における関節角度を算出する態様とすることもできる。 Further, the manipulator has a plurality of links and joints connecting the plurality of links, and uses a ZMP Jacobian matrix that relates a change in ZMP in the cart mobile robot and a change in joint angle in the manipulator. Thus, it is also possible to calculate the joint angle at the joint from the ZMP.
このように、ＺＭＰに対応するＺＭＰヤコビアン行列を用いて、ＺＭＰから関節における関節角度を算出することにより、関節角度を容易に算出することができる。 Thus, the joint angle can be easily calculated by calculating the joint angle at the joint from the ZMP using the ZMP Jacobian matrix corresponding to the ZMP.
本発明に係るロボットの安定化制御装置によれば、ロボットの転倒を防止しながらアクチュエータを駆動するに当たり、計算量を少なくするとともに、アクチュエータの作動を少なくすることによってマニピュレータおける無駄なエネルギーを消費しないようにすることができる。 According to the robot stabilization control apparatus of the present invention, when driving the actuator while preventing the robot from toppling over, the calculation amount is reduced, and the operation of the actuator is reduced, so that unnecessary energy in the manipulator is not consumed. Can be.
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。以下の各実施形態において、同一の機能を有するものについては同一の番号を付し、重複する説明は省略することがある。図１は、本発明の第一の実施形態に係るロボットの安定化制御装置のブロック構成図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, the same functions are denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted. FIG. 1 is a block diagram of a robot stabilization control apparatus according to the first embodiment of the present invention.
図１に示すように、本実施形態に係る安定化制御装置１は、実ＺＭＰ算出部１１、ＺＭＰ限界値設定部１２、ＺＭＰ比較部１３、および目標角速度算出部１４を備えている。また、安定化制御装置１には、角度センサ２および加速度センサ３が接続されており、さらに、ロボット４におけるマニピュレータ５が接続されている。この安定化制御装置１によって、ロボット４におけるマニピュレータ５の関節角度を調節する。
As shown in FIG. 1, the stabilization control apparatus 1 according to the present embodiment includes an actual
安定化制御装置１によって制御されるロボット４について、図２を参照して説明する。図２に示すように、ロボット４は、台車６を有し、台車６の上にマニピュレータ５が設けられている、いわゆる台車移動型ロボットである。台車６には、４つの車輪６Ａが取り付けられており、この車輪６Ａが回転することによって、台車６が走行移動する。
The
また、マニピュレータ５は、第一リンク５Ａ、第二リンク５Ｂ、およびハンド部材５Ｃを備えている。第一リンク５Ａにおける一端部は、台車６に対して回転可能に取り付けられており、第一リンク５Ａの他端部には、第二リンク５Ｂの一端部が回転可能に取り付けられている。また、第二リンク５Ｂの他端部には、ハンド部材５Ｃが固定されている。
The
図１に示す角度センサ２は、ロボット４におけるマニピュレータ５に取り付けられており、台車６と第一リンク５Ａとがなす第一関節角度θ１および第一リンク５Ａと第二リンク５Ｂとがなす第二関節角度θ２を検出している。角度センサ２は、検出した第一関節角度θ１および第二関節角度θ２を安定化制御装置１における実ＺＭＰ算出部１１に出力している。
The
また、加速度センサ３は、たとえばロボット４における台車６に取り付けられたエンコーダなどからなり、台車６の走行加速度を検出している。この加速度センサ３は、検出した台車６の加速度を安定化制御装置１における実ＺＭＰ算出部１１に出力している。
The
安定化制御装置１における実ＺＭＰ算出部１１は、角度センサ２から出力されたマニピュレータ５における関節角度θ１，θ２、加速度センサ３から出力された台車６の加速度情報に基づいて、実ＺＭＰを算出する。また、実ＺＭＰ算出部１１は、算出した実ＺＭＰをＺＭＰ比較部１３に出力する。
The actual
ＺＭＰ限界値設定部１２は、予め記憶している台車６の寸法や環境外乱に基づいてＺＭＰ限界値を設定する。ＺＭＰ限界値設定部１２は、設定したＺＭＰ限界値をＺＭＰ比較部１３に出力する。なお、ＺＭＰ限界値を設定するにあたり、図示しないカメラなどを用いてロボット４の周囲を撮像し、撮像した画像を画像処理して得られる走路の傾斜などの周辺情報を加味して、ＺＭＰ限界値を設定することもできる。
The ZMP limit
ＺＭＰ比較部１３は、実ＺＭＰ算出部１１から出力された実ＺＭＰとＺＭＰ限界値設定部１２から出力されたＺＭＰ限界値とを比較し、ＺＭＰが安定領域にあるか否かを判断し、その判断結果に基づいてＺＭＰの変化分（目標変化分）Δｘｚｍｐを算出する。ＺＭＰ比較部１３は、算出したＺＭＰの変化分Δｘｚｍｐを目標角速度算出部１４に出力する。
The
目標角速度算出部１４は、ＺＭＰ比較部１３から出力されたＺＭＰの変化分Δｘｚｍｐに基づいて、マニピュレータ５の関節角度θ１，θ２を算出する。目標角速度算出部１４は、算出した関節角度θ１，θ２をマニピュレータ５に出力し、マニピュレータ５の関節角度を調整する。
The target angular
以上の構成を有する本実施形態に係る安定化制御装置における制御手順について説明する。図３は、本実施形態に係る安定化制御の手順を示すフローチャート、図４は、ロボットの安定化制御系のブロック線図である。ここでは、ロボット４がｘ方向に沿って走行し、ロボット４がｘ方向に転倒するのを防止する例について説明する。
A control procedure in the stabilization control apparatus according to the present embodiment having the above configuration will be described. FIG. 3 is a flowchart showing a stabilization control procedure according to this embodiment, and FIG. 4 is a block diagram of a robot stabilization control system. Here, an example will be described in which the
安定化制御を開始すると、最初に、角度センサ２によってロボット４から検出され、角度センサ２から出力された関節角度θ１，θ２を入力し（Ｓ１）、加速度センサ３によってロボット４から検出され、加速度センサ３から出力された台車６の加速度を入力する（Ｓ２）。
When the stabilization control is started, first, joint angles θ1 and θ2 detected by the
続いて、ｘ方向のＺＭＰの変化分Δｘｚｍｐを算出する（Ｓ３）。ｘ方向のＺＭＰの変化分Δｘｚｍｐを算出するにあたり、ＺＭＰについて説明すると、ＺＭＰは、床面においてロボット４の各部の重力によるモーメント、慣性力によるモーメント、および外力によるモーメントの総和が０となる点である。いま、図５に示すように、重力、慣性力、および外力の合力が下向きであり、かつ台車の各車輪６Ａの接地点からなり３点以上の複数である４点の接地点が形成する支持多角形９Ａ（この支持多角形内の領域を「安定領域」という）内にＺＭＰが存在すれば、ロボットは転倒することなく安定して運動することができる。一方、ＺＭＰが安定領域内に存在しなければ、ロボット４は不安定となり、理論上転倒することになる。
Subsequently, the change Δx zmp of the ZMP in the x direction is calculated (S3). In calculating ZMP change Δx zmp in the x direction, ZMP will be described. ZMP is a point where the sum of moments due to gravity, inertial forces, and external forces of each part of the
そこで、マニピュレータ５を動かしたとしてもＺＭＰが安定領域内に存在することになるようにするため、関節角度θ１，θ２および台車加速度αを用いてＺＭＰの変化分Δｘｚｍｐを求めて、その変化分Δｘｚｍｐに基づいて、目標関節角速度を算出する。この目標関節角速度から関節角度が定められる。ＺＭＰの変化分Δｘｚｍｐの算出は、図６に示すフローに従って行われる。図６は、ＺＭＰの変化分Δｘｚｍｐを算出する手順を示すフローチャートである。
Therefore, even if the
図６に示すように、ＺＭＰの変化分Δｘｚｍｐを算出する際には、まず、ＺＭＰの限界値ｘｚｍｐ＿ｍを設定する（Ｓ１１）。ＺＭＰの限界値ｘｚｍｐ＿ｍは、ＺＭＰ限界値設定部１２に記憶されているＺＭＰ限界値を読み出すことによって設定される。次に、実ＺＭＰの位置ｘｚｍｐを算出する（Ｓ１２）。実ＺＭＰの位置ｘｚｍｐは、実ＺＭＰ算出部１１において、角度センサ２から出力された関節角度θ１，θ２および加速度センサ３から出力された台車６の加速度αに基づいて算出する。
As shown in FIG. 6, when calculating the change Δx zmp of ZMP, first, a limit value x zmp_m of ZMP is set (S11). The ZMP limit value x zmp_m is set by reading the ZMP limit value stored in the ZMP limit
実ＺＭＰを算出するにあたり、ｘ方向における関節角度θ１，θ２、台車加速度α、およびロボット４のＺＭＰの位置ｘｚｍｐの関係は、下記（１）式で表される。
In calculating the actual ZMP, the relationship between the joint angles θ1 and θ2 in the x direction, the bogie acceleration α, and the ZMP position x zmp of the
そこで、実ＺＭＰの位置ｘｚｍｐを算出したら、実ＺＭＰの位置ｘｚｍｐが安定領域内にあるか否かの判断を行う。そのため、まず、実ＺＭＰの位置ｘｚｍｐがｘ方向に正のＺＭＰ限界値ｘｚｍｐ＿ｍ以下となっているか否かを判断する（Ｓ１３）。その結果、実ＺＭＰの位置ｘｚｍｐがｘ方向に正のＺＭＰ限界値ｘｚｍｐ＿ｍ以下となってないと判断した場合には、実ＺＭＰの位置ｘｚｍｐが図５に示す安定領域９Ａから外れていると考えられる。このままマニピュレータ５を駆動すると、理論上は実ＺＭＰの位置ｘｚｍｐが安定領域から外れてロボット４が転倒することになる。
Therefore, when calculating the position x ZMP of the actual ZMP, the position x ZMP of the actual ZMP is determines whether there into the stable region. Therefore, first, it is determined whether or not the actual ZMP position x zmp is equal to or less than the positive ZMP limit value x zmp_m in the x direction (S13). As a result, when the position x ZMP of the actual ZMP is determined not to become less positive ZMP limit x Zmp_m in the x direction, the position x ZMP of the actual ZMP is out of the
そこで、この場合には、ＺＭＰの変化分Δｘｚｍｐを下記（３）式によって求める（Ｓ１４）。 Therefore, in this case, the change Δx zmp of ZMP is obtained by the following equation (3) (S14).
Δｘｚｍｐ＝ｘｚｍｐ＿ｍ−ｘｚｍｐ ・・・（３）
この（３）式からΔｘｚｍｐを求めることにより、マニピュレータ５を動かした後であっても、ロボット４のＺＭＰは安定領域内に位置することになるため、ロボット４の転倒を防止することができる。
Δx zmp = x zmp_m −x zmp (3)
By obtaining Δx zmp from this equation (3), the ZMP of the
一方、実ＺＭＰの位置ｘｚｍｐがｘ方向に正のＺＭＰ限界値ｘｚｍｐ＿ｍ以下となっていると判断した場合には、実ＺＭＰの位置ｘｚｍｐがｘ方向に負のＺＭＰ限界値−ｘｚｍｐ＿ｍ以上となっているか否かを判断する（Ｓ１５）。その結果、実ＺＭＰの位置ｘｚｍｐがｘ方向に負のＺＭＰ限界値−ｘｚｍｐ＿ｍ以下となってないと判断した場合には、実ＺＭＰの位置ｘｚｍｐが図５に示す安定領域９Ａから外れていると考えられる。このままマニピュレータ５を駆動すると、理論上は実ＺＭＰの位置ｘｚｍｐが安定領域から外れてロボット４が転倒することになる。
On the other hand, if the position x ZMP of the actual ZMP is determined to be equal to or less than positive ZMP limit x Zmp_m in the x direction, the actual ZMP position x ZMP negative ZMP limit -x Zmp_m than in the x direction of the It is determined whether or not (S15). As a result, when the position x ZMP of the actual ZMP is determined not to become less negative ZMP limits -x Zmp_m in the x direction, the position x ZMP of the actual ZMP is disengaged from the
そこで、この場合には、ＺＭＰの変化分Δｘｚｍｐを下記（４）式によって求める（Ｓ１６）。 Therefore, in this case, the change Δx zmp of ZMP is obtained by the following equation (4) (S16).
Δｘｚｍｐ＝−ｘｚｍｐ−ｘｚｍｐ＿ｍ ・・・（４）
この（４）式からΔｘｚｍｐを求めることにより、マニピュレータ５を動かした後であっても、ロボット４のＺＭＰは安定領域内に位置することになるため、ロボット４の転倒を防止することができる。
Δx zmp = −x zmp −x zmp_m (4)
By obtaining Δx zmp from this equation (4), the ZMP of the
一方、実ＺＭＰの位置ｘｚｍｐがｘ方向に負のＺＭＰ限界値−ｘｚｍｐ＿ｍ以上となっていると判断した場合には、実ＺＭＰの位置ｘｚｍｐが安定領域９Ａ内にあると考えられる。この場合には、ロボット４は安定しており、転倒の危険性が少なくなっているので、Δｘｚｍｐ＝０に設定する（Ｓ１７）。このようにして、Δｘｚｍｐを設定する。
On the other hand, if the position x ZMP of the actual ZMP is determined to be a negative ZMP limit -x Zmp_m than in the x direction, the position x ZMP of the actual ZMP is considered to be within the
このように、実ＺＭＰの位置ｘｚｍｐとＺＭＰ限界値ｘｚｍｐ＿ｍとを比較し、その比較結果に基づいてＺＭＰの変化分Δｘｚｍｐを求めることにより、ＺＭＰが安定領域内に存在することになるようにすることができる。したがって、ロボットの転倒を防止することができる。 In this way, the actual XMP position x zmp is compared with the ZMP limit value x zmp_m, and the ZMP change Δx zmp is obtained based on the comparison result, so that the ZMP exists in the stable region. Can be. Therefore, the robot can be prevented from falling.
こうしてＺＭＰの変化分Δｘｚｍｐを算出したら、図３に示すフローに戻り、目標関節角を算出する（Ｓ４）。目標関節角速度を算出する際には、ステップＳ３で求めたΔｘｚｍｐに調節用の係数Ｋを乗じる。それから、係数Ｋを乗じたＺＭＰの変化分Δｘｚｍｐと、関節角度の変化分を関係づけるＺＭＰヤコビアン行列（ヤコビ行列）を用いて目標関節角速度を算出する。本実施形態では、ロボットの制御系として速度制御モードを採用しており、ＺＭＰの速度ｖｘｚｍｐと関節角速度ｖθとの関係は、下記（５）式より求められる。 Once the ZMP change Δx zmp is calculated in this way, the flow returns to the flow shown in FIG. 3 to calculate the target joint angle (S4). When calculating the target joint angular velocity, Δx zmp obtained in step S3 is multiplied by a coefficient K for adjustment. Then, the target joint angular velocity is calculated by using the ZMP change Δx zmp multiplied by the coefficient K and the ZMP Jacobian matrix (Jacobi matrix) that correlates the change in the joint angle. In this embodiment, a speed control mode is employed as a robot control system, and the relationship between the ZMP speed vx zmp and the joint angular velocity vθ is obtained from the following equation (5).
ｖｘｚｍｐ＝Ｊｚｍｐｖθ ・・・（５）
ここで、ＪｚｍｐはＺＭＰヤコビアン行列、ｖθは［ｖθ１，ｖθ２］Ｔである。
vx zmp = J zmp vθ (5)
Here, J zmp is a ZMP Jacobian matrix, and vθ is [vθ 1 , vθ 2 ] T.
また、Ｊｚｍｐの擬似逆行列をＪ＋ ｚｍｐとすると、慣性座標系から見た関節角速度ｖθは、下記（６）式によって算出することができる。 Further, when the pseudo-inverse of J ZMP and J + ZMP, joint angular velocity vθ viewed from the inertial coordinate system can be calculated by the following equation (6).
ｖθ＝Ｊ＋ ｚｍｐ・ｖｘｚｍｐ ・・・（６）
この（６）式を用いて、ロボット４におけるマニピュレータ５の目標関節角速度ｖθｒｅｆを算出する（Ｓ４）。この目標関節角速度ｖθｒｅｆをロボット４に出力して（Ｓ５）、ロボット４におけるマニピュレータ５における各関節の角速度の制御を行う。この制御では、現在のマニピュレータ５における各関節の角速度ｖθをフィードバックし、目標関節角速度ｖθｒｅｆを加算するフィードバック制御を行う。
vθ = J + zmp · vx zmp (6)
Using this equation (6), the target joint angular velocity vθ ref of the
このように、本実施形態に係る安定化制御装置では、マニピュレータ５を駆動した後のＺＭＰの位置ｘｚｍｐが安定領域にある場合には、ＺＭＰの変化分Δｘｚｍｐを変えず、ＺＭＰの位置ｘｚｍｐが安定領域から外れる場合にのみＺＭＰの変化分Δｘｚｍｐを調整するようにしている。このため、実ＺＭＰを目標ＺＭＰに追従させる場合と比較すると、その計算量を削減することができる。また、マニピュレータ５を頻繁に動作させることを回避することができるので、エネルギー消費の少ない安定化制御を行うことができる。特に、台車移動加速度が不安定となる限界値の上下にＺＭＰが脈動する場合にマニピュレータ５の頻繁な動作を防止することができる。さらに、マニピュレータ５を頻繁に正負に動作させることを回避することができるので、アクチュエータの寿命の低下を防止することができる。
As described above, in the stabilization control device according to the present embodiment, when the ZMP position x zmp after driving the
続いて、本実施形態に係る安定化制御装置を用いたロボットの制御について行ったシミュレーションについて説明する。図２に示すロボット４を用いて、ロボット４を走行させながらマニピュレータ５を作動させるシミュレーションを行った。このシミュレーションでは、ＺＭＰの限界値ｘｚｍｐ＿ｍを６０．０ｍｍに設定した。そのシミュレーションの結果を図７に示す。
Next, a simulation performed for controlling the robot using the stabilization control device according to the present embodiment will be described. A simulation for operating the
図７（ａ）に示すように、台車６の加速度を経時変化させた場合において、図７（ｂ）に、ＺＭＰの位置ｘｚｍｐの経時変化、図７（ｃ）に第一関節角度θ１の経時変化、図７（ｄ）に第二関節角度θ２の経時変化をそれぞれ示す。このうち、図７（ａ）には、台車が不安定となる加速度の限界値（上限値および下限値）を折れ線Ｌ１，Ｌ２で示している。また、図７（ｂ）には、折れ線Ｌ３で示す本実施形態の制御による経時変化と、折れ線Ｌ４で示す従来の制御による経時変化の例を示している。
As shown in FIG. 7A, when the acceleration of the
図７（ｂ）から分かるように、従来の制御では、台車６の加速度の変化により、ＺＭＰの位置ｘｚｍｐは、ロボット４が不安定となるＺＭＰの限界値を超えることがあり、この場合には、台車６が転倒する恐れが高くなるものであった。これに対して、本実施形態に係る安定化制御を行った場合には、台車６の加速度が変化した場合でも、ＺＭＰの位置ｘｚｍｐは、ロボット４が不安定となるＺＭＰの位置の限界値を超えることはなく、ロボット４の転倒を効果的に防止することができる。
As can be seen from FIG. 7B, in the conventional control, the ZMP position x zmp may exceed the limit value of the ZMP at which the
また、台車６の加速度が不安定となる限界値の上下に脈動する場合であっても、図７（ｃ）、（ｄ）に示すように、マニピュレータ５を頻繁に正負方向に動作させることもないようにすることができる。したがって、マニピュレータ５の作動によるエネルギーの消費を低減することができ、アクチュエータの寿命の低下を防止することもできる。
Further, even when the acceleration of the
次に、本発明の第二の実施形態について説明する。本実施形態に係るロボットの安定化制御は、上記第一の実施形態と同様のロボット４を対象として行われる。また、上記の第一の実施形態と比較して、ＺＭＰ限界値設定部１２に記憶されたＺＭＰ限界値が一部異なっている点で主に異なる。
Next, a second embodiment of the present invention will be described. The robot stabilization control according to the present embodiment is performed on the
本実施形態に係るロボットの安定化制御装置は、ＺＭＰ限界値設定部１２には、上記第一の実施形態と同様のＺＭＰ限界値のほか、台車６の速度が「０」の場合のＺＭＰ限界値として、ＺＭＰ限界値「０」が記憶されている。
In the stabilization control apparatus for a robot according to the present embodiment, the ZMP limit
次に、本実施形態に係る安定化制御の手順を説明するが、上記第一の実施形態と比較して、ＺＭＰの変化分Δｘｚｍｐの算出が主に異なるので、Δｘｚｍｐの算出手順について主に説明する。図８は、ロボットの安定化制御系のブロック線図、図９は、Δｘｚｍｐを算出する手順を示すフローチャートである。 Next, the stabilization control procedure according to the present embodiment will be described. Since the calculation of the change amount Δx zmp of ZMP is mainly different from that of the first embodiment, the calculation procedure of Δx zmp is mainly described. Explained. FIG. 8 is a block diagram of the robot stabilization control system, and FIG. 9 is a flowchart showing a procedure for calculating Δx zmp .
安定化制御を開始すると、上記第一の実施形態と同様、角度センサ２から出力された関節角度θ１，θ２を入力し、加速度センサ３から出力された台車６の加速度を入力する。その後に、ｘ方向のＺＭＰの変化分Δｘｚｍｐを算出する。
When the stabilization control is started, the joint angles θ1 and θ2 output from the
たとえば、台車６の上に胴体が設けられた人間型ロボットでは、胴体が直立した状態を保持するときの作業性が最も良好なものとなる。そこで、ロボットが直立状態を保持するときにＺＭＰの初期位置が０であると仮定すると、台車６が静止状態を保持する（台車移動速度＝０である）とき、ロボット４の姿勢を直立状態に回復するために、ＺＭＰを０にすることが必要となる。
For example, in a humanoid robot in which the body is provided on the
したがって、台車６が移動している間、台車６、移動速度を計測する。そして、台車移動速度が０ではないとき、上記第一の実施形態と同様にしてＺＭＰの変化分Δｘｚｍｐを算出する。また、台車移動速度が０であるときには、ＺＭＰの変化分Δｘｚｍｐを０に設定する。
Therefore, while the
このため、Δｘｚｍｐを設定するにあたり、図９に示すように、上記第一の実施形態と同様、まずＺＭＰの限界値ｘｚｍｐ＿ｍを設定し（Ｓ２１）、次に、上記第一の実施形態と同様にして、実ＺＭＰの位置ｘｚｍｐを算出する（Ｓ２２）。 Therefore, in setting Δx zmp , as shown in FIG. 9, first, the limit value x zmp_m of ZMP is set (S21) as in the first embodiment, and then the first embodiment and the first embodiment are set. Similarly, the actual xmp position x zmp is calculated (S22).
ＺＭＰの限界値ｘｚｍｐ＿ｍを設定し、実ＺＭＰの位置ｘｚｍｐを算出したら、続いて、台車の移動速度を計測する（Ｓ２３）。台車６の移動速度の計測は、速度センサを用いて直接行うほか、台車６の加速度を積分することによって行うこともできる。こうして、台車６の移動速度を計測したら、台車移動速度が０であるか否かを判断する（Ｓ２４）。その結果、台車の移動速度が０である、換言すれば、台車が停止した状態にあるときには、ＺＭＰの限界値ｘｚｍｐ＿ｍを０に再設定する（Ｓ２５）。一方、台車移動速度が０でないと判断した場合には、設定されたＺＭＰの限界値ｘｚｍｐ＿ｍをそのまま用いる。
After the ZMP limit value x zmp_m is set and the actual ZMP position x zmp is calculated, the moving speed of the carriage is subsequently measured (S23). The movement speed of the
その後は、上記第一の実施形態と同様、実ＺＭＰの位置ｘｚｍｐが安定領域内にあるか否かの判断を行うために、まず、実ＺＭＰの位置ｘｚｍｐがｘ方向に正のＺＭＰ限界値ｘｚｍｐ＿ｍ以下となっているか否かを判断する（Ｓ２６）。その結果、実ＺＭＰの位置ｘｚｍｐがｘ方向に正のＺＭＰ限界値ｘｚｍｐ＿ｍ以下となってないと判断した場合には、上記（３）式からΔｘｚｍｐを求める（Ｓ２７）。 Thereafter, as in the first embodiment, in order to determine whether or not the actual ZMP position x zmp is within the stable region, first, the actual ZMP position x zmp is positive in the x direction with the ZMP limit. It is determined whether or not the value x zmp_m or less (S26). As a result, if it is determined that the position x zmp of the actual ZMP is not less than or equal to the positive ZMP limit value x zmp_m in the x direction, Δx zmp is obtained from the above equation (3) (S27).
また、実ＺＭＰの位置ｘｚｍｐがｘ方向に正のＺＭＰ限界値ｘｚｍｐ＿ｍ以下となっていると判断した場合には、実ＺＭＰの位置ｘｚｍｐがｘ方向に負のＺＭＰ限界値−ｘｚｍｐ＿ｍ以上となっているか否かを判断する（Ｓ２８）。その結果、実ＺＭＰの位置ｘｚｍｐがｘ方向に負のＺＭＰ限界値−ｘｚｍｐ＿ｍ以上となってないと判断した場合には、上記（４）式からΔｘｚｍｐを求める（Ｓ２７）。一方、実ＺＭＰの位置ｘｚｍｐがｘ方向に正のＺＭＰ限界値ｘｚｍｐ＿ｍ以下となっていると判断した場合には、Δｘｚｍｐ＝０に設定する。 Further, if the position x ZMP of the actual ZMP is determined to be equal to or less than positive ZMP limit x Zmp_m in the x direction, the actual ZMP position x ZMP negative ZMP limit -x Zmp_m than in the x direction of the It is determined whether or not (S28). As a result, if it is determined that the position x zmp of the actual ZMP is not greater than or equal to the negative ZMP limit value −x zmp_m in the x direction, Δx zmp is obtained from the above equation (4) (S27). On the other hand, when it is determined that the actual ZMP position x zmp is equal to or less than the positive ZMP limit value x zmp_m in the x direction, Δx zmp = 0 is set.
このように、実ＺＭＰの位置ｘｚｍｐとＺＭＰ限界値ｘｚｍｐ＿ｍとを比較し、その比較結果に基づいてＺＭＰの変化分Δｘｚｍｐを求めることにより、ＺＭＰが安定領域内に存在することになるようにすることができる。したがって、ロボットの転倒を防止することができる。 In this way, the actual XMP position x zmp is compared with the ZMP limit value x zmp_m, and the ZMP change Δx zmp is obtained based on the comparison result, so that the ZMP exists in the stable region. Can be. Therefore, the robot can be prevented from falling.
また、台車６の移動速度が０である場合には、ＺＭＰ限界値ｘｚｍｐ＿ｍを０に設定しているので、人間型ロボットのように、台車の上に胴体が設けられたロボットでは、台車６が停止しているときに胴体が起立状態を保持しようとする。したがって、ロボットの作業性を良好なものとすることができる。
Further, when the moving speed of the
続いて、本実施形態に係る安定化制御装置を用いたロボットの制御について行ったシミュレーションについて説明する。このシミュレーションでは、ＺＭＰの限界値ｘｚｍｐ＿ｍを６０．０ｍｍに設定した。そのシミュレーションの結果を図１０に示す。 Next, a simulation performed for controlling the robot using the stabilization control device according to the present embodiment will be described. In this simulation, the limit value x zmp_m of ZMP was set to 60.0 mm. The result of the simulation is shown in FIG.
図１０（ａ）に曲線Ｃ１で示すように、台車６の速度を経時変化させた場合において、図１０（ｂ）に、ＺＭＰの位置ｘｚｍｐの経時変化、図１０（ｃ）に第一関節角度θ１の経時変化、図１０（ｄ）に第二関節角度θ２の経時変化をそれぞれ示す。このうち、図１０（ａ）には、台車の速度のほか、台車の加速度を折れ線Ｌ１０で示している。また、図１０（ｂ）には、折れ線Ｌ１１で示す本実施形態の制御による経時変化と、折れ線Ｌ１２で示す上記第一の実施形態の制御による経時変化と、折れ線Ｌ１３で示す従来の制御による経時変化の例を示している。
As shown by a curve C1 in FIG. 10A, when the speed of the
さらに、図１０（ｃ）には、折れ線Ｌ１４で示す本実施形態の制御による経時変化と、折れ線Ｌ１５で示す従来の制御による経時変化の例を示し、図１０（ｄ）には、折れ線Ｌ１６で示す本実施形態の制御による経時変化と、折れ線Ｌ１７で示す従来の制御による経時変化の例を示している。 Further, FIG. 10 (c) shows an example of the change over time by the control of the present embodiment indicated by the broken line L14 and the change over time by the conventional control indicated by the broken line L15, and FIG. 10 (d) shows the change by the broken line L16. 2 shows an example of a change with time according to the control of the present embodiment and a change with time according to the conventional control indicated by a broken line L17.
図１０から（ｂ）から分かるように、従来の制御では、台車の加速度の変化により、ＺＭＰの位置ｘｚｍｐは、ロボットが不安定となるＺＭＰの限界値を超えることがあり、この場合には、台車が転倒する恐れが高くなるものであった。これに対して、本実施形態に係る安定化制御を行った場合には、台車の加速度が変化した場合でも、ＺＭＰの位置ｘｚｍｐは、ロボットが不安定となるＺＭＰの位置の限界値を超えることはなく、ロボットの転倒を効果的に防止することができる。 As can be seen from FIG. 10B, in the conventional control, the ZMP position x zmp may exceed the limit value of the ZMP at which the robot becomes unstable due to a change in the acceleration of the carriage. The fear of the cart falling would be high. On the other hand, when the stabilization control according to the present embodiment is performed, the ZMP position x zmp exceeds the limit value of the ZMP position at which the robot becomes unstable even when the acceleration of the carriage changes. It is possible to effectively prevent the robot from falling.
また、台車の加速度が不安定となる限界値の上下に脈動する場合であっても、図１０（ｃ）、（ｄ）に示すように、マニピュレータを頻繁に正負方向に動作させることもないようにすることができる。したがって、マニピュレータの作動によるエネルギーの消費を低減することができ、アクチュエータの寿命の低下を防止することもできる。 Further, even when the trolley pulsates above and below the limit value at which the acceleration becomes unstable, as shown in FIGS. 10C and 10D, the manipulator is not frequently operated in the positive and negative directions. Can be. Therefore, energy consumption due to the operation of the manipulator can be reduced, and a reduction in the life of the actuator can also be prevented.
さらに、図１０（ｂ）〜（ｄ）から分かるように、本実施形態に係る安定化制御では、上記第一の実施形態と比較して、台車の移動速度が０となった後は、ロボットの最終姿勢を早期に直立状態に回復することができる。したがって、良好な作業性を維持することができる。 Further, as can be seen from FIGS. 10B to 10D, in the stabilization control according to the present embodiment, the robot is moved after the moving speed of the carriage becomes 0 as compared with the first embodiment. The final posture can be restored to an upright state at an early stage. Therefore, good workability can be maintained.
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。たとえば、上記実施形態では４つの車輪が接地する点で囲まれる部分を安定領域として設定したが、３つ以上の接地点を囲む領域であれば、安定領域とすることができる。また、接地する点で囲まれる範囲を若干増減させる形で安定領域を設定することもできる。 The preferred embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the above embodiment. For example, in the above-described embodiment, the portion surrounded by the points where four wheels touch the ground is set as the stable region. However, any region surrounding three or more ground points can be set as the stable region. In addition, the stable region can be set by slightly increasing or decreasing the range surrounded by the grounding point.
さらに、上記実施形態では、ｘ方向についてのみ安定化制御を行っているが、ｙ方向、あるいはｘ−ｙ平面上で安定化制御を行う態様とすることもできる。他方、上記実施形態では、ヤコビアン行列を用いて関節角度を算出するようにしているが、他の方法によって関節角度を算出する態様とすることもできる。さらに、上記実施形態では、関節が２つであるマニピュレータを有するロボットを制御対象としているが、関節が１つまたは３つ以上であるマニピュレータを有するロボットを制御対象とすることもできる。 Furthermore, in the above-described embodiment, the stabilization control is performed only in the x direction. However, the stabilization control may be performed in the y direction or on the xy plane. On the other hand, in the above embodiment, the joint angle is calculated using the Jacobian matrix, but the joint angle may be calculated by another method. Furthermore, in the above-described embodiment, a robot having a manipulator having two joints is set as a control target. However, a robot having a manipulator having one joint or three or more joints may be set as a control target.
１…安定化制御装置、２…角度センサ、３…加速度センサ、４…ロボット、５…マニピュレータ、５Ａ…第一リンク、５Ｂ…第二リンク、５Ｃ…ハンド部材、６…台車、６Ａ…車輪、１１…ＺＭＰ算出部、１２…限界値設定部、１３…ＺＭＰ比較部、１４…目標角速度算出部。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Stabilization control apparatus, 2 ... Angle sensor, 3 ... Acceleration sensor, 4 ... Robot, 5 ... Manipulator, 5A ... First link, 5B ... Second link, 5C ... Hand member, 6 ... Dolly, 6A ... Wheel, DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記台車移動型ロボットの挙動に基づいて求められる実ＺＭＰと前記台車移動型ロボットの起立状態が不安定となるＺＭＰ限界値とを比較し、前記実ＺＭＰおよび前記ＺＭＰ限界値に基づいて、前記台車移動型ロボットのＺＭＰの目標変化分を設定することを特徴とするロボットの安定化制御装置。 A robot stabilization control device that performs stabilization control of a cart mobile robot having a manipulator mounted on a cart,
The actual ZMP obtained based on the behavior of the cart mobile robot is compared with the ZMP limit value at which the standing state of the cart mobile robot becomes unstable, and the cart is determined based on the actual ZMP and the ZMP limit value. A robot stabilization control device that sets a ZMP target change amount of a mobile robot.
前記複数の接地点で囲まれた領域の境界線に対応して前記ＺＭＰ限界値が設定される請求項１に記載のロボットの安定化制御装置。 The cart has a plurality of grounding points of three or more points,
The robot stabilization control apparatus according to claim 1, wherein the ZMP limit value is set corresponding to a boundary line of a region surrounded by the plurality of grounding points.
前記台車移動型ロボットにおけるＺＭＰの変化分と前記マニピュレータにおける関節角度の変化分とを関係づけるＺＭＰヤコビアン行列を用いて、前記ＺＭＰから前記関節における関節角度を算出する請求項１〜請求項３のうちのいずれか１項に記載のロボットの安定化制御装置。 The manipulator has a plurality of links and a joint connecting the plurality of links,
The joint angle at the joint is calculated from the ZMP using a ZMP Jacobian matrix that relates the change in the ZMP in the cart mobile robot and the change in the joint angle in the manipulator. The robot stabilization control device according to any one of the above.
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