JP2014117795A - ロボットの歩行制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】着用式ロボットの各状態に応じて多様な制御アルゴリズムが適用されることにより、着用者に安定感と負荷低減効果を与えることができる、ロボットの歩行制御方法を提供すること。
【解決手段】本発明は、ロボットの足センサーを用いたロボットの歩行制御方法であって、ロボットが歩行状態であるかどうかを判断する判断段階と、ロボットが歩行状態の場合、足センサーを用いて両足支持か片足支持かを判断する区別段階と、ロボットが歩行状態で両足支持の場合、姿勢維持制御を行う両足支持段階と、ロボットが歩行状態で片足支持の場合、支持脚で重量補償と重量物補償による支持制御を行う支持段階と、ロボットが歩行状態で片足支持の場合、スイング脚でスイングのための仮想反力を生成するスイング段階とを含んでなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、着用式ロボットの各状態に応じて多様な制御アルゴリズムが適用されることにより、着用者に安定感と負荷低減効果を与えることができる、ロボットの歩行制御方法に関する。また、本発明は、未知の重量物体を含む着用式ロボットの下肢着用歩行のための歩行制御アルゴリズムに関する。

歩行のための着用式ロボットの状態は、大きくは直立と歩行の２つの状況に分けられる。

初期直立状態では未知の重量に対してロボットの姿勢を維持するとともに、歩行状態では支持脚／スイング脚に対するそれぞれの制御アルゴリズムが必要とされる。

従来の特許文献１の「着用型ロボットの足センサー装置およびこれを用いた着用者の歩行意図把握方法」は、「着用型ロボットの足部材の上面のうち、着用者の足の足指が位置する領域に設置される第１センサー、前記足部材の上面のうち、前記着用者の足の腹が位置する領域に設置される第２センサー、前記足部材の上面のうち、前記着用者の足の踵が位置する領域に設置される第３センサー、および前記第１〜第３センサーの信号に基づいて前記着用者の歩行意図を判断するコントローラを含み、前記第１〜第３センサーは、荷重が加えられる場合にはオン（Ｏｎ）となり、荷重が加えられない場合にはオフ（Ｏｆｆ）となるように構成され、前記コントローラは、前記第１〜第３センサーがいずれもオフとなった場合には着用者の足が虚空に位置する状態であると判断し、前記第１センサーがオンとなり且つ前記第２センサーおよび前記第３センサーはオフとなった場合には足裏屈（ｐｌａｎｔａｒ−ｆｌｅｘｉｏｎ）状態であると判断し、前記第１センサーおよび前記第２センサーはオフとなり且つ前記第３センサーはオンとなった場合には踵着地（ｈｅｅｌ ｓｔｒｉｋｅ）状態であると判断し、前記第１〜第３センサーがいずれもオンになった場合には前記着用者が足裏全体を前記足部材に付着させた状態で立っている状態であると判断する、着用型ロボットの足センサー装置」を開示している。

ところが、上述したような技術によっても、その足センサーを用いて歩行を安定的に制御することが可能な方案は未だ提示されていない。

本発明は、このような着用式歩行ロボットの歩行のためにセンサーを最小化した歩行制御アルゴリズムを提案する。

前述の背景技術として説明された事項は、本発明の背景に対する理解増進のためのものに過ぎず、当該技術分野における通常の知識を有する者に既に知られている従来の技術に該当することを認めるものと受け入れられてはならない。

韓国特許第１０−１１７９１５９号公報

本発明は、かかる問題点を解決するために提案されたもので、その目的は、着用式ロボットの各状態に応じて多様な制御アルゴリズムが適用されることにより、着用者に安定感と負荷低減効果を与えることができる、ロボットの歩行制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、ロボットの足センサーを用いたロボットの歩行制御方法であって、ロボットが歩行状態であるかどうかを判断する判断段階と、ロボットが歩行状態の場合、足センサーを用いて両足支持か片足支持かを判断する区別段階と、ロボットが歩行状態で両足支持の場合、姿勢維持制御を行う両足支持段階と、ロボットが歩行状態で片足支持の場合、支持脚で重量補償と重量物補償による支持制御を行う支持段階と、ロボットが歩行状態で片足支持の場合、スイング脚でスイングのための仮想反力を生成するスイング段階とを含んでなる、ロボットの歩行制御方法を提供する。

前記判断段階は、ロボットの足センサーまたはロボット関節のエンコーダを用いて判断することができる。

前記判断段階は、ロボットが歩行状態でない場合、姿勢維持制御を行うことができる。

前記支持段階は、支持脚で足センサーを用いて歩行速度を判断することができる。

前記スイング段階は、支持段階で把握された歩行速度に応じて歩幅または足先の移動速度を速く制御することができる。

前記スイング段階は、スイング脚の足が地面から離れた途端に仮想反力を生成することができる。

前記スイング段階の仮想反力は、ＣＯＳ関数によって表わされるもので、反力の印加の際にその大きさが最大値から益々減少することができる。

前記足センサーは、足の長さ方向に沿って連続的に配置された複数のセンシング素子から構成できる。

上述したような構造を持つロボットの歩行制御方法によれば、直立状態で追加重量物の重力を測定し、高さを測定してロボットの姿勢を変換し、着用者の外形に合わせて初期状態での着用者の姿勢を維持し、着用者に安定な着用感を提供する。

足センサーを用いて歩行状態を判別するアルゴリズムは、ロボットの両足支持／片足支持状態によって異なる制御アルゴリズムを選択的に入力することに主導的役割を果たすことができる。

また、片足支持状態における支持脚制御アルゴリズムは、ロボットと着用者による荷重および未知の重量物を支持すると同時に、足裏センサーの情報を用いて歩行速度を計算する。

片足状態におけるスイング脚制御アルゴリズムは、ロボットの歩行前進のための制御アルゴリズムであって、仮想反力の生成および歩行の制御によってスイングを補助する役割を果たす。

両足支持状態における姿勢維持制御アルゴリズムは、着用式ロボットの作業の際に両足支持状態に対する姿勢を維持する。

このように着用式ロボットの各状態に応じて多様な制御アルゴリズムが適用されることにより、着用者に安定感と負荷低減効果を与える。

本発明の一実施例に係るロボットの歩行制御方法の順序図である。 本発明の一実施例に係るロボットの歩行制御方法を行うための足センサーを示す図である。 本発明の一実施例に係るロボットの歩行制御方法を行うための仮想反力を示すグラフである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施例に係るロボットの歩行制御方法を説明する。

図１は本発明の一実施例に係るロボットの歩行制御方法の順序図、図２は本発明の一実施例に係るロボットの歩行制御方法を行うための足センサーを示す図、図３は本発明の一実施例に係るロボットの歩行制御方法を行うための仮想反力を示すグラフである。

本発明のロボットの歩行制御方法は、直立状態で追加重量物の重力を測定し、高さを測定してロボットの姿勢を変換し、着用者の外形に合わせて初期状態での着用者の姿勢を維持し、着用者に安定な着用感を提供する。

足センサーを用いて歩行状態を判別するアルゴリズムは、ロボットの両足支持／片足支持状態によって異なる制御アルゴリズムを選択的に入力することに主導的役割を果たすことができる。

また、片足支持状態における支持脚制御アルゴリズムは、ロボットと着用者による荷重および未知の重量物を支持すると同時に、足裏センサーの情報を用いて歩行速度を計算する。

したがって、片足支持状態におけるスイング脚制御アルゴリズムは、ロボットの歩行前進のための制御アルゴリズムであって、仮想反力の生成および歩行制御によってスイングを補助する役割を果たす。これにより、両足支持状態における姿勢維持制御アルゴリズムは、着用式ロボットの作業の際に両足支持状態に対する姿勢を維持する。

具体的に、本発明のロボットの歩行制御方法は、基本的に、ロボットの足センサーを用いたロボットの歩行制御方法であって、足センサーを取り付けた着用式ロボットに適用できる。そして、産業現場で使用されるロボットの場合、重量物を持ち上げて移す用途として使用できる。

このような場合、着用状態での歩行の際には均衡が求められるので、その制御のために先ず初期均衡を合わせる。これは、ロボットの各関節に設けられたモーターのエンコーダによってロボットの姿勢を機構学的に把握した後に重量物を持ち上げた場合、その重量物の重さを加えて重力補償を行うことにより、ロボットが安定的な姿勢を取ることができるようにする。

ロボットの基本姿勢での足から腰までの高さを測定して歩行の際にもその高さとなるように保つことにより、歩行の基本的な制御を行う。

具体的に、まず、ロボットが歩行状態であるかどうかを判断する判断段階（Ｓ２００）を行う。判断段階（Ｓ２００）では、ロボットの足センサーの感知またはロボット関節のエンコーダを用いて歩行かどうかを判断する。

もしロボットが歩行状態でなければ、判断段階（Ｓ２００）は、ロボットが歩行状態でない場合であって、姿勢維持制御を行う。姿勢維持制御は、ロボットが静的な状態で均衡を保つために各関節のモーターを一定なトルクが保たれるようにする。

もしロボットが歩行状態の場合には、足センサーを用いて両足支持か片足支持かを判断する区別段階（Ｓ４００）を行う。

図２は本発明の一実施例に係るロボットの歩行制御方法を行うための足センサーを示す図である。足センサーは、足の長手方向に沿って連続的に配置された複数のセンシング素子からなり、センシング素子の計測順序または計測速度から歩行かどうか、足の支持状態および歩行速度などを観測することができるようにする。

よって、このような足センサーを用いて両足支持か片足支持かを判断する。歩行中には、ロボットの脚は、左足が地面から離れた途端に右足が支持し、左足がスイングする。そして、左足が地面に触れた途端に両足支持となり、直ちに右足が地面から離れ、左足が支持し、右足がスイングするのである。

したがって、歩行中にも両足が支持された途端の瞬間には姿勢維持制御を行い、一方の足が離れた途端に反力を与えて脚の持ち上げに役立たせ、他方の足は支持のための片足均衡制御を行うようにするのである。

よって、ロボットが歩行状態で両足支持の場合、姿勢維持制御を行う両足支持段階（Ｓ７００）を行う。すなわち、歩行中に右足と左足の両方とも地面に触れた途端には両足支持と看做して姿勢支持制御を行うのである。

また、ロボットが歩行状態で片足支持の場合、支持脚で重力補償と重量物補償による支持制御を行う支持段階（Ｓ５００）を行う。すなわち、支持脚は、片足でロボットの均衡を制御しなければならないので、重力補償を行って基本的な姿勢維持を行い、重量物がある場合にはその重量物の重さも勘案して制御するのである。

また、ロボットが歩行状態で片足支持の場合、スイング脚でスイングのための仮想反力を生成するスイング段階（Ｓ６００）を行う。すなわち、スイング脚の場合、スイング脚の足が地面から離れた途端に仮想反力を生成するようにするのである。

一方、前記支持段階（Ｓ５００）は、支持脚で足センサーを用いて歩行速度を判断するようにすることができる。

前記スイング段階（Ｓ６００）は、支持段階で把握された歩行速度に応じて歩行歩幅を増加または減少させ、或いは足先の移動速度を速くまたは遅く制御することができる。
すなわち、支持脚では、支持制御を行うとともに、足の動きを観察し、足が触れた途端から離れた途端までの速度と状態を把握する。これにより、歩行速度を予測し、これを用いて速度に応じて歩幅の長さを変え或いは足先の移動速度を速く変えるように歩行制御を行う。

また、前記スイング段階（Ｓ６００）は、スイング脚の足が地面から離れた途端に仮想反力を生成するようにする。すなわち、支持脚は、歩行が進んで地面から離れた途端にスイング脚に転換されるが、その瞬間に反力を生成するかのように関節を駆動する場合、着用者は容易に脚を持ち上げてスイングすることができるのである。よって、この場合、スイング脚は地面から足が離れた途端に仮想の反力が生成されるように関節を制御するのである。

前記スイング段階（Ｓ６００）の仮想反力は、ＣＯＳ関数によって表わされるもので、反力の印加の際にその大きさが最大値から益々減少するようにする。

図３は本発明の一実施例に係るロボットの歩行制御方法を行うための仮想反力を示すグラフである。図示の如く、周期とシフト値を有するコサイン関数を使って反力を生成することにより、初期反力が増加し、徐々に反力が減少して消滅するようにする場合、自然な歩行を容易に助けることができる。

本発明は、このように着用式ロボットの各状態に応じて多様な制御アルゴリズムが適用されることにより、着用者に安定感と負荷低減効果を与える。

以上、本発明の特定の実施例について図示及び説明したが、特許請求の範囲によって提供される本発明の技術的思想を外れない限度内において、本発明に多様な改良及び変化を加え得るのは、当業界における通常の知識を有する者に自明であろう。

Ｓ２００ 判断段階
Ｓ４００ 区別段階
Ｓ５００ 支持段階
Ｓ６００ スイング段階
Ｓ７００ 両足支持段階

Claims (8)

1. ロボットの足センサーを用いたロボットの歩行制御方法であって、
   ロボットが歩行状態であるかどうかを判断する判断段階と、
   ロボットが歩行状態の場合、足センサーを用いて両足支持か片足支持かを判断する区別段階と、
   ロボットが歩行状態で両足支持の場合、姿勢維持制御を行う両足支持段階と、
   ロボットが歩行状態で片足支持の場合、支持脚で重量補償と重量物補償による支持制御を行う支持段階と、
   ロボットが歩行状態で片足支持の場合、スイング脚でスイングのための仮想反力を生成するスイング段階とを含んでなる、ロボットの歩行制御方法。
2. 前記判断段階は、ロボットの足センサーまたはロボット関節のエンコーダを用いて判断することを特徴とする、請求項１に記載のロボットの歩行制御方法。
3. 前記判断段階は、ロボットが歩行状態でない場合に姿勢維持制御を行うことを特徴とする、請求項１に記載のロボットの歩行制御方法。
4. 前記支持段階は、支持脚で足センサーを用いて歩行速度を判断することを特徴とする、請求項１に記載のロボットの歩行制御方法。
5. 前記スイング段階は、支持段階で把握された歩行速度に応じて歩幅または足先の移動速度を速く制御することを特徴とする、請求項４に記載のロボットの歩行制御方法。
6. 前記スイング段階は、スイング脚の足が地面から離れた途端に仮想反力を生成することを特徴とする、請求項１に記載のロボットの歩行制御方法。
7. 前記スイング段階の仮想反力は、ＣＯＳ関数によって表わされるもので、反力の印加の際にその大きさが最大値から益々減少することを特徴とする、請求項６に記載のロボットの歩行制御方法。
8. 前記足センサーは、足の長さ方向に沿って連続的に配置された複数のセンシング素子から構成されたことを特徴とする、請求項１に記載のロボットの歩行制御方法。

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