JP2013000878A - ロボットの均衡制御装置及びその制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】複数の関節部がそれぞれ設けられた複数の脚と、その脚に連結されたた上体を有するロボットの均衡制御方法において、上体のポーズ角度及び複数の関節部の角度を検出し、ポーズ角度及び複数の関節部の角度に基づいて現在キャプチャーポイント及び現在ヒップ高さを獲得し、現在キャプチャーポイントと予め設定された目標キャプチャーポイントとを比較してキャプチャーポイントエラーを算出し、現在ヒップ高さと予め設定された目標ヒップ高さとを比較してヒップ高さエラーを算出し、キャプチャーポイントエラーとヒップ高さエラーに基づいて補償力を算出し、その補償力に基づいて複数の関節部の少なくとも一つの自由度に対するトルクを算出し、複数の関節部に少なくとも一つの自由度に対するトルクを出力することによって、ロボットの歩行を制御する。
【選択図】図7
Description
ここで、CPはキャプチャーポイントであり、dCOGは重心(COG)から地面まで延長した垂直線上に位置したいずれか一つの仮想点の位置であり、vCOGは仮想点の速度である。また、wはw=√(l/g)で、ここでlは地面から重心までの高さ、gは重力加速度である。
重心(COG)の水平成分座標は(x,y)、重心の速度は水平成分座標を微分した(x’,y’)なので、CP=(x,y)+W(x’,y’)=(x+wx’,y+wy’)である。
=(x*−(x+wx’),y*−(y+wy’),z*−z) (2)
ここで、(x*,y*)は目標キャプチャーポイントのx,y成分であり、CPは現在キャプチャーポイント、z*は目標ヒップ高さ、zは現在ヒップ高さである。
ここで、kpは力ゲイン(force gain)であり、P(Proportional)制御を用いる。
配分部254は補償力を二つの脚160L,160Rに配分する。配分部254は、ロボット100の重心に対する地面の投影点(CP)とロボット100の二つの足170L,170R間の距離比率を用いて、重心の投影点に相対的に近い脚に、より多くの力を配分する。
WL=dR/(dR+dL),WR=1−WL
dL,dRは重心の投影点と両足間の距離である。
ここで、gfは仮想重力であり、fは補償力算出部253aで算出した補償力であり、mはロボットの質量である。
ここで、CPはキャプチャーポイントであり、dCOGは重心(COG)または重心が地面に投影された投影点の位置であり、vCOGは重心または投影点の速度であり、wはw=√(l/g)であって、ここで、lは地面からの重心までの高さであり、gは重力加速度である。或いは、wが正の値でもよい。
重心(COG)の水平成分座標は(x,y)であり、重心の速度は、水平成分座標を微分した(x’,y’)であるため、CP=(x,y)+w(x’,y’)=(x+wx’,y+wy’)である。
=(x*−(x+wx’),y*−(y+wy’),z*−z) (2)
ここで、(x*,y*)は目標キャプチャーポイントのx、y成分であり、CPは現在キャプチャーポイントであり、z*は目標ヒップ高さであり、zは現在ヒップ高さである。
ここで、kpは力ゲイン(force gain)であり、P(Proportional)制御を用いる。
ここで、gfは仮想重力であり、fは補償力算出部253aで算出した補償力であり、mはロボットの質量である。
次に、ロボットは、重力補償トルクと補償モーメントに対するトルクとを合算して、ロボットの各関節部163,164,165の少なくとも一つの自由度に対する第1トルクを算出する(407)。
ここで、Tは少なくとも一つの関節に対するr次元トルクベクトルであり、Kは制御ゲインであって、スカラまたはrxr対角行列であり、rは角度が入力される関節部の数である。
170L,170R 足
163 股関節部
164 膝関節部
165 足首関節部
210 力/トルク検出部
220 ポーズ検出部
230 角度検出部
240 設定部
250 均衡制御部
251 獲得部
252 エラー算出部
253 補償部
254 配分部
255 トルク算出部
260 サーボ制御部
Claims (44)
- 複数の関節部がそれぞれ設けられた複数の脚と、脚に連結された上体を含み複数の並進運動自由度と回転運動自由度を有するロボットの均衡制御方法において、
前記上体のポーズ角度及び前記複数の関節部の角度を検出し、
前記ポーズ角度及び複数の関節部の角度に基づいて現在の姿勢を獲得し、
前記複数の並進運動自由度のうち少なくとも一つの並進運動自由度に対して、前記姿勢と予め設定された目標姿勢に基づいた姿勢エラーを算出し、
前記姿勢エラーに基づいて、前記少なくとも一つの並進運動自由度に対する補償力を算出し、
前記少なくとも一つの並進運動自由度に対する補償力に基づいて、前記少なくとも一つの並進運動自由度に対する目標トルクを前記複数の関節部に対してそれぞれ算出し、
前記少なくとも一つの並進運動自由度に対する目標トルクを前記複数の関節部に出力して、前記ロボットの均衡を制御するロボットの均衡制御方法。 - 前記目標トルクを算出することは、
前記少なくとも一つの並進運動自由度に対する目標トルクを残りの並進運動自由度に対応する目標トルクに合算して目標トルク和を算出する、請求項1に記載のロボットの均衡制御方法。 - 前記姿勢エラーを算出することは、
前記検出されたポーズ角度及び複数の関節部の角度に基づいて現在の重心位置を検出するものの、前記少なくとも一つの並進運動自由度に対する現在の重心位置を検出し、
前記検出された現在の重心と予め設定された目標重心とを比較して、前記少なくとも一つの並進運動自由度に対する重心エラーを算出し、
前記重心エラーを姿勢エラーとして用いることを含む、請求項1に記載のロボットの均衡制御方法。 - 前記姿勢エラーを算出することは、
前記検出されたポーズ角度及び複数の関節部の角度に基づいて、現在重心の位置と速度を検出するものの、前記少なくとも一つの並進運動自由度に対する現在重心の位置と速度を検出し、
前記検出された現在重心の位置と速度に基づいて、前記少なくとも一つの並進運動自由度に対する現在キャプチャーポイントを獲得し、
前記獲得された現在キャプチャーポイントと予め設定された目標キャプチャーポイントとを比較して、少なくとも一つの並進運動自由度に対するキャプチャーポイントエラーを算出し、
前記算出されたキャプチャーポイントエラーを前記姿勢エラーとして用いることを含む、請求項1に記載のロボットの均衡制御方法。 - 前記姿勢エラーを算出することは、
前記上体のポーズ角度及び前記複数の関節部の角度を検出し、
前記ポーズ角度及び複数の関節部の角度に基づいて、ヒップまたは上体のいずれか一つの参照点の位置を前記少なくとも一つの自由度に対して算出し、
前記現在の参照点と予め設定された目標参照点の位置とを比較して、参照点位置エラーを前記少なくとも一つの自由度に対して算出し、
前記参照点位置エラーを前記少なくとも一つの並進運動自由度の姿勢エラーとして用いることを含む、請求項1に記載のロボットの均衡制御方法。 - 前記姿勢エラーを算出することは、
前記複数の並進運動自由度のうち残りの並進運動自由度の姿勢エラー算出と相異なることを含む、請求項1に記載のロボットの均衡制御方法。 - 前記補償力を算出することは、
現在キャプチャーポイント及び現在ヒップ高さを獲得し、
前記現在キャプチャーポイントと予め設定された目標キャプチャーポイントとを比較して、キャプチャーポイントエラーを算出し、
前記現在ヒップ高さと予め設定された目標ヒップ高さとを比較して、ヒップ高さエラーを算出し、
前記キャプチャーポイントエラーとヒップ高さエラーに基づいて、補償力を算出することを含む、請求項1に記載のロボットの均衡制御方法。 - 前記現在キャプチャーポイントを獲得することは、
前記上体のポーズ角度及び複数の関節部の角度に基づいて、重心の位置と速度を獲得し、その獲得された重心の位置と速度に基づいて現在キャプチャーポイントを獲得することを含む、請求項7に記載のロボットの均衡制御方法。 - 前記現在ヒップ高さを算出することは、
前記重心及び前記複数の関節部の角度に基づいて、前記現在ヒップ高さを算出することを含む、請求項7に記載のロボットの均衡制御方法。 - 前記補償力を算出することは、
前記キャプチャーポイントエラーを用いて、水平方向の補償力を算出し、
前記ヒップ高さエラーを用いて、垂直方向の補償力を算出することを含む、請求項7に記載のロボットの均衡制御方法。 - 前記上体のポーズ角度及び前記複数の関節部の角度に基づいて、現在の姿勢を判断し、
前記現在の姿勢と予め格納されたモーション情報に基づいて、前記目標キャプチャーポイント、前記目標ヒップ高さを設定することをさらに含む、請求項7に記載のロボットの均衡制御方法。 - 前記目標トルクを算出することは、
前記ロボットの重心が地面に投影された投影点と前記複数の脚にそれぞれ連結された足間の距離比率を算出し、
前記足間の距離比率に基づいて、前記複数の脚に印加される補償力を配分し、
前記複数の脚に配分された補償力に基づいて、前記複数の関節部に印加される目標トルクを算出することをさらに含む、請求項1に記載のロボットの均衡制御方法。 - 前記キャプチャーポイントを獲得することは、
順運動学を用いる、請求項7に記載のロボットの均衡制御方法。 - 前記上体のポーズ角度と予め設定された目標ポーズ角度とを比較して、ポーズ角度エラーを算出し、
前記ポーズ角度エラーに基づいて、補償モーメントを算出し、
前記目標トルクの算出時、前記補償モーメントを反映することをさらに含む、請求項1に記載のロボットの均衡制御方法。 - 前記補償モーメントを前記目標トルクに反映することは、
ジャコビアンを用いて前記補償モーメントを前記関節部のトルクに変換し、
前記変換されたトルクを前記目標トルクの算出時に合算することを含む、請求項14に記載のロボットの均衡制御方法。 - 前記補償モーメントを算出することは、
前記ポーズ角度エラーを用いて、ヨー、ロール、ピッチ方向の補償モーメントを算出することを含む、請求項14に記載のロボットの均衡制御方法。 - 前記ポーズ角度を検出することは、
前記上体のヨー角度、ロール角度、ピッチ角度のうち少なくとも一つの角度を検出することを含む、請求項1に記載のロボットの均衡制御方法。 - 前記目標トルクを算出することは、
前記補償力、ロボットの質量及び地球重力加速度に基づいて、仮想重力加速度を算出し、
前記仮想重力加速度に基づいて、前記少なくとも一つの自由度に対応する仮想重力補償トルクをそれぞれ算出し、
前記仮想重力補償トルクを反映して、前記目標トルクを算出することをさらに含む、請求項1に記載のロボットの均衡制御方法。 - 前記複数の自由度のうち残りの自由度に対する位置及び角度を設定し、
前記設定された位置及び角度を満足する逆運動学の解を演算し、
前記逆運動学の解に基づいて、前記複数の関節部の残りの自由度に対する目標角度を算出し、
前記複数関節部の残りの自由度に対する目標角度に基づいて、前記複数関節部の残りの自由度に対応するトルクを算出することを含む、請求項1に記載のロボットの均衡制御方法。 - 前記目標トルクを算出することは、
前記少なくとも一つの自由度に対するトルクと前記残りの自由度に対するトルクとを合算して、前記目標トルクを算出することを含む、請求項19に記載のロボットの均衡制御方法。 - 前記複数の関節部のうち少なくとも一つの関節部に対する目標角度が入力されて、
前記入力された少なくとも一つの関節部の目標角度を追従するためのトルクを算出し、
前記目標トルクの算出時、前記少なくとも一つの関節部の目標角度に対するトルクを反映することをさらに含む、請求項1に記載のロボットの均衡制御方法。 - 前記目標角度が入力されることは、
前記複数の関節部に複数の自由度に対応する複数の関節がそれぞれ設けられた場合、前記複数の関節の目標角度がそれぞれ入力されることを含む、請求項21に記載のロボットの均衡制御方法。 - 前記目標トルクを算出することは、
ジャコビアンを用いて前記目標トルクを算出することを含む、請求項1に記載のロボットの均衡制御方法。 - 前記目標トルクを算出することは、
前記補償力、ロボットの質量及び地球重力加速度に基づいて、仮想重力加速度を算出し、
前記仮想重力加速度に基づいて、前記少なくとも一つの自由度に対応する仮想重力補償トルクを算出し、
前記算出された仮想重力補償トルク及び前記ジャコビアンに基づいて算出されたトルクを用いて、前記複数の関節部の前記少なくとも一つの自由度に対応する目標トルクを算出することをさらに含む、請求項1に記載のロボットの均衡制御方法。 - 複数の関節部がそれぞれ設けられた複数の脚と、その脚に連結された上体を有しており、複数の自由度を有するロボットの均衡制御装置において、
前記上体のポーズ角度を検出するポーズ検出部;
前記複数の関節部の角度を検出する角度検出部;
予め格納されたモージョン情報に基づいて、前記複数の自由度のうち少なくとも一つの自由度に対して目標姿勢を設定する設定部;
前記ポーズ角度及び複数の関節部の角度に基づいて、前記少なくとも一つの自由度に対して現在姿勢を獲得し、前記現在姿勢と目標姿勢とを比較して姿勢エラーを算出し、前記姿勢エラーに基づいて前記少なくとも一つの自由度に対して補償力を算出し、前記補償力に基づいて前記少なくとも一つの自由度に対する目標トルクを算出する均衡制御部;
前記複数の関節部に前記少なくとも一つの自由度に対する目標トルクを出力するサーボ制御部と含むロボットの均衡制御装置。 - 前記均衡制御部は、
前記上体のポーズ角度及び複数の関節部の角度に基づいて重心を獲得し、前記重心に基づいて前記現在姿勢を獲得する獲得部を含む、請求項25に記載のロボットの均衡制御装置。 - 前記均衡制御部は、
前記上体のポーズ角度及び複数の関節部の角度に基づいて重心の位置と速度を獲得し、前記重心の位置と速度に基づいて前記現在キャプチャーポイントを獲得して、前記現在姿勢を獲得する獲得部を含む、請求項25に記載のロボットの均衡制御装置。 - 前記均衡制御部は、
前記上体のポーズ角度及び複数の関節部の角度に基づいてヒップや上体の参照点の位置を獲得し、前記参照点の位置に基づいて前記現在姿勢を獲得する獲得部を含む、請求項25に記載のロボットの均衡制御装置。 - 前記設定部は、
前記少なくとも一つの自由度に対して目標重心を設定し、
前記目標重心を用いて前記目標姿勢を設定する、請求項25に記載のロボットの均衡制御装置。 - 前記設定部は、
前記少なくとも一つの自由度に対して目標キャプチャーポイントを設定し、
前記目標キャプチャーポイントを用いて前記目標姿勢を設定する、請求項25に記載のロボットの均衡制御装置。 - 前記設定部は、
前記少なくとも一つの自由度に対してヒップや上体の参照点の目標位置を設定し、前記参照点の目標位置に基づいて前記目標姿勢を設定する、請求項25に記載のロボットの均衡制御装置。 - 前記ロボットの重心が地面に投影された投影点と前記複数の脚にそれぞれ連結された足間の距離比率を算出し、前記足間の距離比率に基づいて、前記複数の脚に印加される補償力を配分する配分部をさらに含み、
前記均衡制御部は、前記複数の脚に配分された補償力に基づいて、前記複数の関節部に印加されるトルクを算出する、請求項25に記載のロボットの均衡制御装置。 - 前記均衡制御部は、
前記上体のポーズ角度と予め設定された目標ポーズ角度とを比較してポーズ角度エラーを算出し、前記ポーズ角度エラーに基づいて補償モーメントを算出し、前記トルクの算出時に前記補償モーメントを反映することをさらに含む、請求項25に記載のロボットの均衡制御装置。 - 前記均衡制御部は、
前記ポーズ角度エラーを用いて、ヨー、ロール、ピッチ方向の補償モーメントを算出することを含む、請求項25に記載のロボットの均衡制御装置。 - 使用者から少なくとも一つの姿勢からなるモーション情報が入力される入力部をさらに含み、
前記設定部は、前記入力されたモーション情報を格納する、請求項25に記載のロボットの均衡制御装置。 - 前記均衡制御部は、
前記補償力、予め格納されたロボットの質量及び地球重力加速度に基づいて仮想重力加速度を算出し、前記仮想重力加速度に基づいて前記少なくとも一つの自由度に対応する仮想重力補償トルクをそれぞれ算出し、前記仮想重力補償トルクを反映して、前記目標トルクを算出することを含む、請求項25に記載のロボットの均衡制御装置。 - 前記均衡制御部は、
前記複数の自由度のうち残りの自由度に対するトルクを逆運動学を用いて算出する、請求項25に記載のロボットの均衡制御装置。 - 前記均衡制御部は、
前記複数の関節部のうち少なくとも一つの関節部に対する目標角度が入力されると、前記入力された目標角度に対応するトルクを算出し、前記目標トルクの算出時に前記少なくとも一つの関節部の目標角度に対するトルクを反映する、請求項25に記載のロボットの均衡制御装置。 - 前記均衡制御部は、
ジャコビアンを用いて前記目標トルクを算出する、請求項25に記載のロボットの均衡制御装置。 - 前記均衡制御部は、
前記ポーズ角度及び複数の関節部の角度に基づいて、現在キャプチャーポイント及び現在ヒップ高さを獲得し、前記現在キャプチャーポイントと目標キャプチャーポイントとを比較してキャプチャーポイントエラーを算出し、前記現在ヒップ高さと目標ヒップ高さとを比較して、ヒップ高さエラーを算出し、前記キャプチャーポイントエラーとヒップ高さエラーに基づいて補償力を算出し、前記補償力に基づいて前記複数の自由度のうち少なくとも一つの自由度に対する目標トルクを算出する、請求項25に記載のロボットの均衡制御装置。 - 前記均衡制御部は、
前記上体のポーズ角度及び複数の関節部の角度に基づいて、重心及び前記ヒップ高さを獲得し、前記重心に基づいて現在キャプチャーポイントを獲得する獲得部を含む、請求項40に記載のロボットの均衡制御装置。 - 前記均衡制御部は、
前記キャプチャーポイントエラーを用いて水平方向の補償力を算出し、前記ヒップ高さエラーを用いて垂直方向の補償力を算出することを含む、請求項40に記載のロボットの均衡制御装置。 - 前記複数の脚に設けられた各足に印加される荷重を検出する力/トルク検出部をさらに含み、
前記設定部は、前記各足に印加される荷重に基づいて現在姿勢を判断し、前記現在姿勢と前記予め設定されたモーション情報に基づいて、前記目標キャプチャーポイント、前記目標ヒップ高さを設定する、請求項40に記載のロボットの均衡制御装置。 - 前記設定部は、
前記複数の脚に設けられた足の支持領域内の一点が重力方向に通る線上の一点を前記目標キャプチャーポイントとして設定する、請求項40に記載のロボットの均衡制御装置。
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