JP2997036B2 - 脚式移動ロボットの歩行制御装置 - Google Patents
脚式移動ロボットの歩行制御装置Info
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- JP2997036B2 JP2997036B2 JP2336418A JP33641890A JP2997036B2 JP 2997036 B2 JP2997036 B2 JP 2997036B2 JP 2336418 A JP2336418 A JP 2336418A JP 33641890 A JP33641890 A JP 33641890A JP 2997036 B2 JP2997036 B2 JP 2997036B2
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- joint
- gain
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- walking
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-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
- B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
- B62D57/00—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track
- B62D57/02—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members
- B62D57/032—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members with alternately or sequentially lifted supporting base and legs; with alternately or sequentially lifted feet or skid
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- Combustion & Propulsion (AREA)
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- Mechanical Engineering (AREA)
- Manipulator (AREA)
- Feedback Control In General (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は脚式移動ロボットの歩行制御装置に関し、よ
り具体的には２足歩行等の脚式移動ロボットにおいて、
脚部リンクの着地時にコンプライアンス制御を行って路
面に良く倣わせつつ接地させる様にした脚式移動ロボッ
トの歩行制御装置に関する。
り具体的には２足歩行等の脚式移動ロボットにおいて、
脚部リンクの着地時にコンプライアンス制御を行って路
面に良く倣わせつつ接地させる様にした脚式移動ロボッ
トの歩行制御装置に関する。
（従来の技術及び発明が解決しようとする課題） 脚式移動ロボットが歩行する場合、遊脚が着地する際
には相当な衝撃力が路面から加わり、歩行の安定性を損
なうことになる。そこで本出願人は先に特願平１−2971
99号（特開平３−161290号）において、着地衝撃の緩和
手法として、脚部リンク内に路面からの衝撃による足首
モーメントを検出する手段を備え、足関節駆動モータに
そのモーメントの大きさに比例した速度指令を与えて倣
い動作をさせるものを提案している。これはインピーダ
ンス制御を速度分解制御で実現した仮想コンプライアン
ス制御の考えを利用するものであったが（「多自由度ロ
ボットの仮想コンプライアンス制御」（計測自動制御学
会論文集、VOL.22,NO.3.昭和61年３月））、この提案し
た技術によれば、着地時の衝撃は満足のいくレベルまで
吸収され、ロボットの歩行の安定化に大いに寄与してい
るが、それでも尚、次の様な問題があった。
には相当な衝撃力が路面から加わり、歩行の安定性を損
なうことになる。そこで本出願人は先に特願平１−2971
99号（特開平３−161290号）において、着地衝撃の緩和
手法として、脚部リンク内に路面からの衝撃による足首
モーメントを検出する手段を備え、足関節駆動モータに
そのモーメントの大きさに比例した速度指令を与えて倣
い動作をさせるものを提案している。これはインピーダ
ンス制御を速度分解制御で実現した仮想コンプライアン
ス制御の考えを利用するものであったが（「多自由度ロ
ボットの仮想コンプライアンス制御」（計測自動制御学
会論文集、VOL.22,NO.3.昭和61年３月））、この提案し
た技術によれば、着地時の衝撃は満足のいくレベルまで
吸収され、ロボットの歩行の安定化に大いに寄与してい
るが、それでも尚、次の様な問題があった。
即ち、歩行速度を上げる乃至はロボットに重量物を搭
載して歩行させると着地時の衝撃が大きくなり、倣いの
動作速度が速い場合には着地の瞬間の衝撃吸収は良く行
われるものの、足裏部が地面に衝突する速度も速まり、
あたかも地面を叩く様な現象を生じ、総合的に見た場合
の衝撃吸収効果は却って悪化する。逆に倣い動作が遅い
と、着地の瞬間の衝撃吸収が円滑に行われないことにな
り、やはり衝撃の吸収は不十分となる。即ち、倣い速度
が一定のまま着地させる限り、どの様に倣い速度を調節
しても上記の高速歩行の場合乃至は重量物搭載の場合等
には衝撃の吸収が不十分となる。
載して歩行させると着地時の衝撃が大きくなり、倣いの
動作速度が速い場合には着地の瞬間の衝撃吸収は良く行
われるものの、足裏部が地面に衝突する速度も速まり、
あたかも地面を叩く様な現象を生じ、総合的に見た場合
の衝撃吸収効果は却って悪化する。逆に倣い動作が遅い
と、着地の瞬間の衝撃吸収が円滑に行われないことにな
り、やはり衝撃の吸収は不十分となる。即ち、倣い速度
が一定のまま着地させる限り、どの様に倣い速度を調節
しても上記の高速歩行の場合乃至は重量物搭載の場合等
には衝撃の吸収が不十分となる。
従って、本発明の第１の目的は上記倣い動作を行わせ
る制御装置において、低速から高速まであらゆる速度領
域をカバーすることができ、重量物を搭載する場合であ
ると否と、いずれにも対応することができて衝撃吸収が
一層良く行われる脚式移動ロボットの歩行制御装置を提
供することにある。
る制御装置において、低速から高速まであらゆる速度領
域をカバーすることができ、重量物を搭載する場合であ
ると否と、いずれにも対応することができて衝撃吸収が
一層良く行われる脚式移動ロボットの歩行制御装置を提
供することにある。
更に、着地衝撃の吸収緩和のために倣い動作を行う制
御から倣い動作を行わない次の位置制御に移行する際
に、先行出願に係る制御装置においては不連続に切り替
えていたので、その不連続性のために滑らかな歩行の実
現が損なわれていた。これは例えば切り替え時に爪先相
当部位が浮いていた場合、切り替えと同時に爪先相当部
位が路面を叩くことになり、反対に踵相当部位が浮いて
いた際にはそれが路面を叩くことになって、自ら衝撃を
発生させるという欠点があった。
御から倣い動作を行わない次の位置制御に移行する際
に、先行出願に係る制御装置においては不連続に切り替
えていたので、その不連続性のために滑らかな歩行の実
現が損なわれていた。これは例えば切り替え時に爪先相
当部位が浮いていた場合、切り替えと同時に爪先相当部
位が路面を叩くことになり、反対に踵相当部位が浮いて
いた際にはそれが路面を叩くことになって、自ら衝撃を
発生させるという欠点があった。
従って、本発明の第２の目的は、衝撃吸収制御から次
の位置制御への切り替えに際しても滑らかに移行させる
ことができる脚式移動ロボットの歩行制御装置を提供す
ることにある。
の位置制御への切り替えに際しても滑らかに移行させる
ことができる脚式移動ロボットの歩行制御装置を提供す
ることにある。
更にまた、上記した出願に係る制御装置においては、
衝撃吸収制御は着地信号が入力されて初めて行われる様
に構成されていた。そのため、この制御装置において
は、遊脚期における脚部リンクが地面の突起に触れた様
な場合には、位置制御が行われている間であるため、所
謂「柳に風」の様な柔軟な足関節の動きを期待すること
ができなかった。もし足関節がこのとき外力に対して従
順に倣うことができれば、その場合にロボットが受ける
衝撃は相当に緩和され、転倒する恐れを未然に回避する
ことができる。
衝撃吸収制御は着地信号が入力されて初めて行われる様
に構成されていた。そのため、この制御装置において
は、遊脚期における脚部リンクが地面の突起に触れた様
な場合には、位置制御が行われている間であるため、所
謂「柳に風」の様な柔軟な足関節の動きを期待すること
ができなかった。もし足関節がこのとき外力に対して従
順に倣うことができれば、その場合にロボットが受ける
衝撃は相当に緩和され、転倒する恐れを未然に回避する
ことができる。
従って、本発明の第３の目的は、遊脚期にも足関節の
倣い制御を可能としておき、上記の予想される事態にも
対応することができる脚式移動ロボットの歩行制御装置
を提供することにある。
倣い制御を可能としておき、上記の予想される事態にも
対応することができる脚式移動ロボットの歩行制御装置
を提供することにある。
（課題を解決するための手段） 上記した目的を達成するために、本発明は例えば請求
項１項において、基体と、それにそれぞれ結合され、少
なくとも１個の関節を備えた複数本の脚部リンクとから
なる脚式移動ロボットの歩行制御装置において、前記脚
部リンクに作用する外力を検出する外力検出手段、前記
検出された外力にゲインを乗じて前記脚部リンクの着地
時の衝撃を吸収させるべく、前記脚部リンクの関節駆動
制御値を決定する関節駆動制御値決定手段、及び少なく
とも前記決定された関節駆動制御値に基づいて前記関節
を駆動するアクチュエータを備えると共に、前記ゲイン
を経時的に減衰させるように構成した。
項１項において、基体と、それにそれぞれ結合され、少
なくとも１個の関節を備えた複数本の脚部リンクとから
なる脚式移動ロボットの歩行制御装置において、前記脚
部リンクに作用する外力を検出する外力検出手段、前記
検出された外力にゲインを乗じて前記脚部リンクの着地
時の衝撃を吸収させるべく、前記脚部リンクの関節駆動
制御値を決定する関節駆動制御値決定手段、及び少なく
とも前記決定された関節駆動制御値に基づいて前記関節
を駆動するアクチュエータを備えると共に、前記ゲイン
を経時的に減衰させるように構成した。
（作用） ゲインを経時的に減衰させる様にしたので、その初期
値を比較的大きく設定することができ、低速歩行から高
速歩行に至るあらゆる歩行速度において、また搭載物の
重量の多寡を問わず、効果的に衝撃を吸収することがで
きる。
値を比較的大きく設定することができ、低速歩行から高
速歩行に至るあらゆる歩行速度において、また搭載物の
重量の多寡を問わず、効果的に衝撃を吸収することがで
きる。
（実施例） 以下、脚式移動ロボットとして２足歩行ロボットを例
にとって本発明の実施例を説明する。第１図はそのロボ
ット１を全体的に示す説明スケルトン図であり、左右そ
れぞれの脚部に６個の関節（軸）を備える。該６個の関
節（軸）は上から順に、腰の脚部回旋用の関節（軸）10
R,10L（右側をＲ、左側をＬとする。以下同じ）、腰の
ピッチ方向の関節（軸）12R,12L、同ロール方向の関節
（軸）14R,14L、膝部のピッチ方向の関節（軸）16R,16
L、足首部のピッチ方向の関節（軸）18R,18L、同ロール
方向の関節（軸）20R,20Lとなっており、その下部には
足部22R,22Lが取着されると共に、最上位には胴体部
（基体）24が設けられ、その内部には制御ユニット26が
格納される。
にとって本発明の実施例を説明する。第１図はそのロボ
ット１を全体的に示す説明スケルトン図であり、左右そ
れぞれの脚部に６個の関節（軸）を備える。該６個の関
節（軸）は上から順に、腰の脚部回旋用の関節（軸）10
R,10L（右側をＲ、左側をＬとする。以下同じ）、腰の
ピッチ方向の関節（軸）12R,12L、同ロール方向の関節
（軸）14R,14L、膝部のピッチ方向の関節（軸）16R,16
L、足首部のピッチ方向の関節（軸）18R,18L、同ロール
方向の関節（軸）20R,20Lとなっており、その下部には
足部22R,22Lが取着されると共に、最上位には胴体部
（基体）24が設けられ、その内部には制御ユニット26が
格納される。
上記において股関節は、関節（軸）10R（Ｌ）,12R
（Ｌ）,14R（Ｌ）から構成され、それらの軸線は全て１
点で交差する様に構成される。また関節（軸）18R
（Ｌ）,20R（Ｌ）から構成される足関節も軸線が互いに
直交する様にされており、さらに前記した３本のピッチ
方向の関節（軸）12R（Ｌ）,16R（Ｌ）,18R（Ｌ）は相
互に平行に配置され、その相対位置関係は他の関節
（軸）の挙動に関わらず、常に変わらない構成となって
いる。図示の如く、片側の脚について６つの自由度を与
えられ、胴体部24を固定しても足部22R（Ｌ）を任意の
位置で任意の方向に置くことができる構成とされる。即
ち、歩行中にこれらの６×２＝12個の関節（軸）をそれ
ぞれ適宜な角度に駆動することで、脚全体に所望の動き
を与えることができ、任意に３次元空間を歩行すること
ができる。尚、股関節と膝関節との間は大腿リンク27R,
27Lで、膝関節と足関節との間は下腿リンク28R,28Lで連
結される。
（Ｌ）,14R（Ｌ）から構成され、それらの軸線は全て１
点で交差する様に構成される。また関節（軸）18R
（Ｌ）,20R（Ｌ）から構成される足関節も軸線が互いに
直交する様にされており、さらに前記した３本のピッチ
方向の関節（軸）12R（Ｌ）,16R（Ｌ）,18R（Ｌ）は相
互に平行に配置され、その相対位置関係は他の関節
（軸）の挙動に関わらず、常に変わらない構成となって
いる。図示の如く、片側の脚について６つの自由度を与
えられ、胴体部24を固定しても足部22R（Ｌ）を任意の
位置で任意の方向に置くことができる構成とされる。即
ち、歩行中にこれらの６×２＝12個の関節（軸）をそれ
ぞれ適宜な角度に駆動することで、脚全体に所望の動き
を与えることができ、任意に３次元空間を歩行すること
ができる。尚、股関節と膝関節との間は大腿リンク27R,
27Lで、膝関節と足関節との間は下腿リンク28R,28Lで連
結される。
これらの関節は主として電動モータとその出力を倍力
する減速機とから構成される。以下に第２図及び第３図
を参照して膝関節以下の部位についてその詳細を説明す
るが、腰関節も類似した構造である。尚、左右対象であ
るため、以下の説明では右脚側について行う。第２図及
び第３図において大腿リンク27Rの中途位置に取着され
た電動モータ（図示せず）の出力が、ベルト82を介して
膝関節（軸）16Rに装着されたハーモニック減速機84の
入力軸に入力される。また下腿リンク28Rの上端側にも
凹部87が形成され、そこに電動モータ88が収納され、そ
の出力はベルト90を介して足首部に配置されたハーモニ
ック減速機92に入力され、足部22Rを前記した軸線18Rを
中心としてピッチ方向に駆動する。また軸線18Rと直交
する前記した軸線20Rを中心として足部22Rはロール方向
に揺動自在に構成されており、そのためにハーモニック
減速機94と、それに動力を供給する電動モータ96とが直
結されて設けられる。各電動モータにはロータリエンコ
ーダが設けられ、モータ軸の回転角度を検出する（図に
は電動モータ88用のロータリエンコーダ89のみ示す）。
する減速機とから構成される。以下に第２図及び第３図
を参照して膝関節以下の部位についてその詳細を説明す
るが、腰関節も類似した構造である。尚、左右対象であ
るため、以下の説明では右脚側について行う。第２図及
び第３図において大腿リンク27Rの中途位置に取着され
た電動モータ（図示せず）の出力が、ベルト82を介して
膝関節（軸）16Rに装着されたハーモニック減速機84の
入力軸に入力される。また下腿リンク28Rの上端側にも
凹部87が形成され、そこに電動モータ88が収納され、そ
の出力はベルト90を介して足首部に配置されたハーモニ
ック減速機92に入力され、足部22Rを前記した軸線18Rを
中心としてピッチ方向に駆動する。また軸線18Rと直交
する前記した軸線20Rを中心として足部22Rはロール方向
に揺動自在に構成されており、そのためにハーモニック
減速機94と、それに動力を供給する電動モータ96とが直
結されて設けられる。各電動モータにはロータリエンコ
ーダが設けられ、モータ軸の回転角度を検出する（図に
は電動モータ88用のロータリエンコーダ89のみ示す）。
而して足首部には６軸力センサ98が設けられ、足部を
介してロボットに伝達される力のx,y,zの３方向成分と
モーメントの３方向成分とを分離して別々に測定し、足
部の着地の有無と支持脚に加わる力の大きさと方向とを
検出する。また略平坦に形成され、着地時の衝撃を吸収
するためにゴム等の弾性材220を備えた足底部の四隅に
は公知の接地スイッチ99が設けられて、接地の有無を検
出する（第２図乃至第３図で図示省略）。更に、第１図
に示す如く、胴体部24の適宜位置には、一対の傾斜セン
サ100,102が設置され、ｘ−ｚ平面内のｚ軸に対する傾
きとその角速度、同様にｙ−ｚ平面内のｚ軸に対する傾
きとその角速度を検出する。これらの出力は前記した胴
体部24内の制御ユニット26に送られる。
介してロボットに伝達される力のx,y,zの３方向成分と
モーメントの３方向成分とを分離して別々に測定し、足
部の着地の有無と支持脚に加わる力の大きさと方向とを
検出する。また略平坦に形成され、着地時の衝撃を吸収
するためにゴム等の弾性材220を備えた足底部の四隅に
は公知の接地スイッチ99が設けられて、接地の有無を検
出する（第２図乃至第３図で図示省略）。更に、第１図
に示す如く、胴体部24の適宜位置には、一対の傾斜セン
サ100,102が設置され、ｘ−ｚ平面内のｚ軸に対する傾
きとその角速度、同様にｙ−ｚ平面内のｚ軸に対する傾
きとその角速度を検出する。これらの出力は前記した胴
体部24内の制御ユニット26に送られる。
第４図は制御ユニット26の詳細を示すブロック図であ
り、マイクロ・コンピュータから構成される。そこにお
いて傾斜センサ100,102等の出力はA/D変換回路104でデ
ジタル値に変換され、その出力はバス106を介してRAM10
8に送られる。またエンコーダ89等の出力はカウンタ110
を介してRAM108内に入力されると共に、接地スイッチ99
等の出力は波形整形回路112を経て同様にRAM108内に格
納される。制御ユニット内にはCPU114が設けられてお
り、CPU114は後述の如く、格納されている歩行データを
読み込んでカウンタ110から送出される実測値との偏差
から速度指令値を算出し、D/A変換回路118を介してサー
ボアンプ120に送出する。また図示の如く、エンコーダ
出力はF/V変換回路122を介してサーボアンプ120に送出
されており、マイナーループとしての速度フィードバッ
ク制御が実現されている。尚、符号128は進路、歩幅等
の歩容変更指令用のジョイスティックを、符号130は原
点（直立）姿勢決定用の原点スイッチを、符号132はオ
ーバラン防止用のリミットスイッチを示す。
り、マイクロ・コンピュータから構成される。そこにお
いて傾斜センサ100,102等の出力はA/D変換回路104でデ
ジタル値に変換され、その出力はバス106を介してRAM10
8に送られる。またエンコーダ89等の出力はカウンタ110
を介してRAM108内に入力されると共に、接地スイッチ99
等の出力は波形整形回路112を経て同様にRAM108内に格
納される。制御ユニット内にはCPU114が設けられてお
り、CPU114は後述の如く、格納されている歩行データを
読み込んでカウンタ110から送出される実測値との偏差
から速度指令値を算出し、D/A変換回路118を介してサー
ボアンプ120に送出する。また図示の如く、エンコーダ
出力はF/V変換回路122を介してサーボアンプ120に送出
されており、マイナーループとしての速度フィードバッ
ク制御が実現されている。尚、符号128は進路、歩幅等
の歩容変更指令用のジョイスティックを、符号130は原
点（直立）姿勢決定用の原点スイッチを、符号132はオ
ーバラン防止用のリミットスイッチを示す。
以下、第５図フロー・チャートを参照して本制御装置
の動作を説明する。尚、同図に示す制御においては目標
関節角度を予めオフラインで設定しておくと共に、前記
した如く仮想コンプライアンス制御手法を用いることを
前提とする。
の動作を説明する。尚、同図に示す制御においては目標
関節角度を予めオフラインで設定しておくと共に、前記
した如く仮想コンプライアンス制御手法を用いることを
前提とする。
先ずS10で装置各部をイニシャライズした後、S12で歩
行パターンｉθｔを検索する。これはロボットが理想的
に平坦でかつ硬さも均一な路面を歩行するときの各関節
角の目標値を示す。ここでθｔは関節の番号を示し、添
字は時刻ｔのときの角度を示す。関節の番号は下から順
に、20R＝1,20L＝2,..とする。これらの時系列データは
予め大型コンピュータで算出しておき、前記した制御ユ
ニット内のマイクロ・コンピュータのROM116に格納して
おく。
行パターンｉθｔを検索する。これはロボットが理想的
に平坦でかつ硬さも均一な路面を歩行するときの各関節
角の目標値を示す。ここでθｔは関節の番号を示し、添
字は時刻ｔのときの角度を示す。関節の番号は下から順
に、20R＝1,20L＝2,..とする。これらの時系列データは
予め大型コンピュータで算出しておき、前記した制御ユ
ニット内のマイクロ・コンピュータのROM116に格納して
おく。
続いてS14でパラメータkp,kv...を入力する。これら
はフィードバック・ゲインであり、詳細は後述する。続
いてS16でタイマ値ｔ、カウンタ値Count及び関節番号
（カウンタ）値ｉを零にリセットし、S18で歩行を開始
し、S20で関節番号ｉをカウントするカウンタ値を１に
セットする。次いでS22でセットした関節番号に該当す
る関節角度ｉθｔ（ｉ＝１）等のパラメータをメモリか
ら読み出す。ここでｉθｔ＋１は現在の時刻ｔの次の時
刻、即ち次回のプログラム起動時の目標傾斜角速度を示
す。ωDtは目標角速度（後述）を示す。Ft（ωｗ）は両
足支持期、Ft（ωｓ）は片足支持期、Ft（Ｃ）は衝撃吸
収制御期を示すフラグであり、前記したマイクロ・コン
ピュータにおいて６軸力センサ等の出力から判定され、
当該期間にあるときそのビットが１にセットされる。
はフィードバック・ゲインであり、詳細は後述する。続
いてS16でタイマ値ｔ、カウンタ値Count及び関節番号
（カウンタ）値ｉを零にリセットし、S18で歩行を開始
し、S20で関節番号ｉをカウントするカウンタ値を１に
セットする。次いでS22でセットした関節番号に該当す
る関節角度ｉθｔ（ｉ＝１）等のパラメータをメモリか
ら読み出す。ここでｉθｔ＋１は現在の時刻ｔの次の時
刻、即ち次回のプログラム起動時の目標傾斜角速度を示
す。ωDtは目標角速度（後述）を示す。Ft（ωｗ）は両
足支持期、Ft（ωｓ）は片足支持期、Ft（Ｃ）は衝撃吸
収制御期を示すフラグであり、前記したマイクロ・コン
ピュータにおいて６軸力センサ等の出力から判定され、
当該期間にあるときそのビットが１にセットされる。
次いで、S24において傾斜センサ等の検出値を読み込
む。ここでｉθＲはｉ番目の関節の実際の関節角度を、
ωＲは実際の傾斜角速度を、Ｍは足部に加わる実際のモ
ーメントを示す。次いでS26において位置フィードバッ
ク制御値iV1を算出し、S28において速度フィードバック
（フォワード）制御値iV2を算出する。即ち、第６図に
示す如く、本制御においては関節角度の指令値ｉθｔと
実際の関節角度ｉθＲとの偏差Δθに比例ゲインｋpを
乗じた位置フィードバック値と、時刻ｔのときの関節角
度指令値ｉθｔと時刻ｔ＋１のときの関節角度指令値ｉ
θｔ＋１との偏差にゲインkvを乗じたフィードフォワー
ド値を加えた速度指令値をサーボアンプ120に出力す
る。尚、第６図は足関節を除く関節についてのブロック
線図であり、足関節は第７図ブロック線図に示す様に倣
い制御に基づく制御値等もフィードバックされるが、そ
れについては後述する。
む。ここでｉθＲはｉ番目の関節の実際の関節角度を、
ωＲは実際の傾斜角速度を、Ｍは足部に加わる実際のモ
ーメントを示す。次いでS26において位置フィードバッ
ク制御値iV1を算出し、S28において速度フィードバック
（フォワード）制御値iV2を算出する。即ち、第６図に
示す如く、本制御においては関節角度の指令値ｉθｔと
実際の関節角度ｉθＲとの偏差Δθに比例ゲインｋpを
乗じた位置フィードバック値と、時刻ｔのときの関節角
度指令値ｉθｔと時刻ｔ＋１のときの関節角度指令値ｉ
θｔ＋１との偏差にゲインkvを乗じたフィードフォワー
ド値を加えた速度指令値をサーボアンプ120に出力す
る。尚、第６図は足関節を除く関節についてのブロック
線図であり、足関節は第７図ブロック線図に示す様に倣
い制御に基づく制御値等もフィードバックされるが、そ
れについては後述する。
続いてS30において関節番号ｉが４以内か否か、即ち
足関節の制御値を算出中か否か判断し、この場合には当
然に肯定されてS32以降に進んで先ず傾斜角速度フィー
ドバック等を実施する。具体的には、先ずS32乃至はS34
でフラグFt（ωｗ）又はFt（ωｓ）のビット・オン、即
ち両足支持期か片足支持期かを判断し、判断結果に基づ
いてS36又はS38で第７図に示す様に、目標傾斜角速度ω
Dtと実際の傾斜角速度ωＲとの偏差Δωにゲインｋωを
乗じて第３の速度フィードバック制御値iV3を算出す
る。
足関節の制御値を算出中か否か判断し、この場合には当
然に肯定されてS32以降に進んで先ず傾斜角速度フィー
ドバック等を実施する。具体的には、先ずS32乃至はS34
でフラグFt（ωｗ）又はFt（ωｓ）のビット・オン、即
ち両足支持期か片足支持期かを判断し、判断結果に基づ
いてS36又はS38で第７図に示す様に、目標傾斜角速度ω
Dtと実際の傾斜角速度ωＲとの偏差Δωにゲインｋωを
乗じて第３の速度フィードバック制御値iV3を算出す
る。
これについて簡単に説明すると、本制御においてはコ
ンプライアンス制御と併せて、傾斜角速度が目標値から
逸脱したときはロボットが転倒する可能性がある、乃至
は外部から足関節にモーメントが加えられたと判断し、
その偏差に応じて着地している側の脚の足関節を駆動し
て接地反力を生ぜしめ、ロボットの姿勢の崩れを修正す
る様にした。このゲインｋωは、第８図（ａ）に示す両
足支持期と同図（ｂ）に示す片足支持期において、それ
ぞれ図示の様に約束するものとする。即ち、第８図
（ａ）にはロボットを前方から見たときにロボットに働
く傾斜角速度偏差Δωの方向が例示されるが、斯る場合
には傾斜角速度偏差Δωの作用によって荷重が加わる方
の足関節20Lのゲインの方向を図示の様にとるものと約
束する。また同図（ｂ）には片足支持期のロボットを前
方から見た状態が示されており、このときには着地して
いる方の足関節20Lが図示の方向に調節駆動される様に
ゲインｋωの符号を決める。尚、第５図フロー・チャー
トにおいて両足支持期にも片足支持期にもないと判断さ
れるときは、S40で制御値を零とする。
ンプライアンス制御と併せて、傾斜角速度が目標値から
逸脱したときはロボットが転倒する可能性がある、乃至
は外部から足関節にモーメントが加えられたと判断し、
その偏差に応じて着地している側の脚の足関節を駆動し
て接地反力を生ぜしめ、ロボットの姿勢の崩れを修正す
る様にした。このゲインｋωは、第８図（ａ）に示す両
足支持期と同図（ｂ）に示す片足支持期において、それ
ぞれ図示の様に約束するものとする。即ち、第８図
（ａ）にはロボットを前方から見たときにロボットに働
く傾斜角速度偏差Δωの方向が例示されるが、斯る場合
には傾斜角速度偏差Δωの作用によって荷重が加わる方
の足関節20Lのゲインの方向を図示の様にとるものと約
束する。また同図（ｂ）には片足支持期のロボットを前
方から見た状態が示されており、このときには着地して
いる方の足関節20Lが図示の方向に調節駆動される様に
ゲインｋωの符号を決める。尚、第５図フロー・チャー
トにおいて両足支持期にも片足支持期にもないと判断さ
れるときは、S40で制御値を零とする。
続いてS42以下で仮想コンプライアンス制御値を決定
する。即ち、第９図に示す様に、ロボットの遊脚が離床
して着床するまでの所定時間ＴCOMPを衝撃吸収制御期と
し、S42でその期間にあると判断されるときはS44に進
み、そこでゲインｋcをkc＝kCOMP×ｆ（Count）と算出
し、S46で検出したモーメントＭに乗じて第４の速度フ
ィードバック値iV4を算出し（第７図）、S48で着地が検
出されるとS50でカウンタ値をインクリメントする。即
ち、衝撃吸収のゲインはカウンタ値COUNTの関数として
設定され、第９図に示す様に着地と同時に経時的に逓減
され、ついには零となる様に設定する。尚、S42で衝撃
吸収制御期にないと判断されるときはS52で制御値iV4を
零とし、S54でカウンタ値を零にリセットする。
する。即ち、第９図に示す様に、ロボットの遊脚が離床
して着床するまでの所定時間ＴCOMPを衝撃吸収制御期と
し、S42でその期間にあると判断されるときはS44に進
み、そこでゲインｋcをkc＝kCOMP×ｆ（Count）と算出
し、S46で検出したモーメントＭに乗じて第４の速度フ
ィードバック値iV4を算出し（第７図）、S48で着地が検
出されるとS50でカウンタ値をインクリメントする。即
ち、衝撃吸収のゲインはカウンタ値COUNTの関数として
設定され、第９図に示す様に着地と同時に経時的に逓減
され、ついには零となる様に設定する。尚、S42で衝撃
吸収制御期にないと判断されるときはS52で制御値iV4を
零とし、S54でカウンタ値を零にリセットする。
続いてS56で算出した全ての制御値を加算して総和iVC
OMMを求めてサーボアンプ120に出力し、S58で関節番号
カウンタをインクリメントし、S60で最終関節を超えた
か否か判断し、肯定されるときはS62に進んで次の目標
関節角度ｉθｔを検索するためにタイマ値ｔをインクリ
メントし、S64で歩行終了と判断されない限り、各関節
について連続的に制御値を決定する。
OMMを求めてサーボアンプ120に出力し、S58で関節番号
カウンタをインクリメントし、S60で最終関節を超えた
か否か判断し、肯定されるときはS62に進んで次の目標
関節角度ｉθｔを検索するためにタイマ値ｔをインクリ
メントし、S64で歩行終了と判断されない限り、各関節
について連続的に制御値を決定する。
本実施例は上記の如く、仮想コンプライアンス（倣い
制御）において、ゲインｋcを離床が検出されると同時
に設定し、着床が検出されると経時的に減衰する様に設
定した。即ち、先行出願においてはこのゲイン（ｋp1と
称した）を第９図に想像線で示す様に一定値に設定して
いたと共に、制御期間を着地から起算して所定期間T0′
に限定していたのに対し、本発明においては経時的に減
衰する様に設定したことから、ゲインｋcの初期値を大
きくとることが可能となり、高速歩行から低速歩行に至
るまでのあらゆる歩行速度において、また搭載する重量
物の多寡に関わらず、効果的に衝撃を吸収することがで
きる。
制御）において、ゲインｋcを離床が検出されると同時
に設定し、着床が検出されると経時的に減衰する様に設
定した。即ち、先行出願においてはこのゲイン（ｋp1と
称した）を第９図に想像線で示す様に一定値に設定して
いたと共に、制御期間を着地から起算して所定期間T0′
に限定していたのに対し、本発明においては経時的に減
衰する様に設定したことから、ゲインｋcの初期値を大
きくとることが可能となり、高速歩行から低速歩行に至
るまでのあらゆる歩行速度において、また搭載する重量
物の多寡に関わらず、効果的に衝撃を吸収することがで
きる。
またこのゲインｋcは離床と同時に設定され（即ち倣
い制御が開始され）、その比較的大きく設定された初期
値は着床するまで減衰しないので、遊脚期に脚部リンク
が予期しない障害物に接触しても、その時の衝撃を相当
な程度まで緩和することができる。
い制御が開始され）、その比較的大きく設定された初期
値は着床するまで減衰しないので、遊脚期に脚部リンク
が予期しない障害物に接触しても、その時の衝撃を相当
な程度まで緩和することができる。
また着地の瞬間は未だこの大きなゲインのままである
ので、着地の衝撃を効率良く吸収することができ、また
その後は急激にゲインを低下させていることから、結果
的に必要十分な吸収効果を奏すると共に、制御ハンチン
グ等が生じることがない。
ので、着地の衝撃を効率良く吸収することができ、また
その後は急激にゲインを低下させていることから、結果
的に必要十分な吸収効果を奏すると共に、制御ハンチン
グ等が生じることがない。
また衝撃吸収制御期の終わりにはゲインｋcを実質的
に零としているので、次の位置制御に円滑に移行させる
ことができる。
に零としているので、次の位置制御に円滑に移行させる
ことができる。
尚、本発明を傾斜角速度フィードバック制御と併せて
用いる例を示したが、本制御は基本的に独立した概念で
あり、それと別に実施することができる。但し、共に歩
行安定化を向上させる手段として有効であるので、併用
するとき一層その効果を上げる。
用いる例を示したが、本制御は基本的に独立した概念で
あり、それと別に実施することができる。但し、共に歩
行安定化を向上させる手段として有効であるので、併用
するとき一層その効果を上げる。
また本発明をオフラインで目標関節角度（及び目標角
速度）を算出しておく場合を例にとって説明したが、こ
れに限られるものではなく、リアルタイムに目標歩容デ
ータを算出する場合にも妥当する。
速度）を算出しておく場合を例にとって説明したが、こ
れに限られるものではなく、リアルタイムに目標歩容デ
ータを算出する場合にも妥当する。
更には本発明を２足歩行の脚式移動ロボットについて
説明したが、それに限られるものではなく、３足以上の
脚式移動ロボットにも妥当するものである。
説明したが、それに限られるものではなく、３足以上の
脚式移動ロボットにも妥当するものである。
（発明の効果） 請求項１項記載の脚式移動ロボットの歩行制御装置
は、基体と、それにそれぞれ結合され、少なくとも１個
の関節を備えた複数本の脚部リンクとからなる脚式移動
ロボットの歩行制御装置において、前記脚部リンクに作
用する外力を検出する外力検出手段、前記検出された外
力にゲインを乗じて前記脚部リンクの着地時の衝撃を吸
収させるべく、前記脚部リンクの関節駆動制御値を決定
する関節駆動制御値決定手段、及び少なくとも前記決定
された関節駆動制御値に基づいて前記関節を駆動するア
クチュエータを備えると共に、前記ゲインを経時的に減
衰させるように構成したので、衝撃吸収のゲインを比較
的大きく設定することができ、高速歩行から低速歩行に
至るあらゆる速度領域において、また搭載する重量物の
多寡に関わらず、効果的に衝撃を緩和することができ
る。
は、基体と、それにそれぞれ結合され、少なくとも１個
の関節を備えた複数本の脚部リンクとからなる脚式移動
ロボットの歩行制御装置において、前記脚部リンクに作
用する外力を検出する外力検出手段、前記検出された外
力にゲインを乗じて前記脚部リンクの着地時の衝撃を吸
収させるべく、前記脚部リンクの関節駆動制御値を決定
する関節駆動制御値決定手段、及び少なくとも前記決定
された関節駆動制御値に基づいて前記関節を駆動するア
クチュエータを備えると共に、前記ゲインを経時的に減
衰させるように構成したので、衝撃吸収のゲインを比較
的大きく設定することができ、高速歩行から低速歩行に
至るあらゆる速度領域において、また搭載する重量物の
多寡に関わらず、効果的に衝撃を緩和することができ
る。
請求項２項記載の脚式移動ロボットの歩行制御装置
は、前記脚部リンクの着地の有無を検出する着地検出手
段を備えると共に、前記ゲインを着地が検出されたとき
から減衰させるように構成したので、着地の瞬間は比較
的大きなゲインであることから、着地の瞬間の衝撃を効
率良く吸収することができる。またその後は経時的に変
化することから、結果的に必要にして十分な吸収効果を
奏することができ、制御ハンチングを生じることがな
い。
は、前記脚部リンクの着地の有無を検出する着地検出手
段を備えると共に、前記ゲインを着地が検出されたとき
から減衰させるように構成したので、着地の瞬間は比較
的大きなゲインであることから、着地の瞬間の衝撃を効
率良く吸収することができる。またその後は経時的に変
化することから、結果的に必要にして十分な吸収効果を
奏することができ、制御ハンチングを生じることがな
い。
請求項３項記載の脚式移動ロボットの歩行制御装置
は、前記ゲインを前記脚部リンクの離床が検出されたと
きから所定の値に設定すると共に、着地が検出されたと
きから減衰させるように構成したので、前記した効果に
加えて、遊脚期に予期しない障害物に接触したときも、
それによって生じる衝撃を効果的に緩和することができ
る。
は、前記ゲインを前記脚部リンクの離床が検出されたと
きから所定の値に設定すると共に、着地が検出されたと
きから減衰させるように構成したので、前記した効果に
加えて、遊脚期に予期しない障害物に接触したときも、
それによって生じる衝撃を効果的に緩和することができ
る。
請求項４項記載の脚式移動ロボットの歩行制御装置
は、前記ゲインを着地が検出されたときから所定期間後
に実質的に零にするように構成したので、次の位置制御
に円滑に移行させることができ、滑らかな歩行を実現す
ることができる。
は、前記ゲインを着地が検出されたときから所定期間後
に実質的に零にするように構成したので、次の位置制御
に円滑に移行させることができ、滑らかな歩行を実現す
ることができる。
第１図は本発明に係る脚式移動ロボットの歩行制御装置
を全体的に示す概略図、第２図は第１図の膝関節以下の
部位を示す説明側面図、第３図はそのIII−III線部分断
面図、第４図は制御ユニットの説明ブロック図、第５図
は本制御装置の動作を示すフロー・チャート、第６図は
足関節を除く関節について第５図フロー・チャートに示
される制御アルゴリズムを説明するブロック線図、第７
図は同様に足関節についての制御アルゴリズムを説明す
るブロック線図、第８図（ａ）（ｂ）は第５図フロー・
チャートで使用される傾斜角フィードバック制御でのゲ
インを説明する説明図及び第９図は第５図フロー・チャ
ートでの仮想コンプライアンス制御期とそこで使用され
るゲインの設定特性を示す説明図である。 １……脚式移動ロボット（２足歩行ロボット）、10R,10
L……脚部回旋用の関節（軸）、12R,12L……股部のピッ
チ方向の関節（軸）、14R,14L……股部のロール方向の
関節（軸）、16R,16L……膝部のピッチ方向の関節
（軸）、18R,18L……足首部のピッチ方向の関節
（軸）、20R,20L……足首部のロール方向の関節
（軸）、22R,22L……足部、24……胴体部、26……制御
ユニット、27R,27L……大腿リンク、28R,28L……下腿リ
ンク、84,92,94……ハーモニック減速機、82,90……ベ
ルト、88,96……電動モータ、89……ロータリエンコー
ダ、87……凹部、98……６軸力センサ、99……接地スイ
ッチ、100,102……傾斜センサ、104……A/D変換回路、1
06……バス、108……RAM、110……カウンタ、112……波
形整形回路、114……CPU、116……ROM、118……D/A変換
回路、120……サーボアンプ、122……F/V変換回路、128
……ジョイスティック、130……原点スイッチ、132……
リミットスイッチ、
を全体的に示す概略図、第２図は第１図の膝関節以下の
部位を示す説明側面図、第３図はそのIII−III線部分断
面図、第４図は制御ユニットの説明ブロック図、第５図
は本制御装置の動作を示すフロー・チャート、第６図は
足関節を除く関節について第５図フロー・チャートに示
される制御アルゴリズムを説明するブロック線図、第７
図は同様に足関節についての制御アルゴリズムを説明す
るブロック線図、第８図（ａ）（ｂ）は第５図フロー・
チャートで使用される傾斜角フィードバック制御でのゲ
インを説明する説明図及び第９図は第５図フロー・チャ
ートでの仮想コンプライアンス制御期とそこで使用され
るゲインの設定特性を示す説明図である。 １……脚式移動ロボット（２足歩行ロボット）、10R,10
L……脚部回旋用の関節（軸）、12R,12L……股部のピッ
チ方向の関節（軸）、14R,14L……股部のロール方向の
関節（軸）、16R,16L……膝部のピッチ方向の関節
（軸）、18R,18L……足首部のピッチ方向の関節
（軸）、20R,20L……足首部のロール方向の関節
（軸）、22R,22L……足部、24……胴体部、26……制御
ユニット、27R,27L……大腿リンク、28R,28L……下腿リ
ンク、84,92,94……ハーモニック減速機、82,90……ベ
ルト、88,96……電動モータ、89……ロータリエンコー
ダ、87……凹部、98……６軸力センサ、99……接地スイ
ッチ、100,102……傾斜センサ、104……A/D変換回路、1
06……バス、108……RAM、110……カウンタ、112……波
形整形回路、114……CPU、116……ROM、118……D/A変換
回路、120……サーボアンプ、122……F/V変換回路、128
……ジョイスティック、130……原点スイッチ、132……
リミットスイッチ、
Claims (4)
- 【請求項１】基体と、それにそれぞれ結合され、少なく
とも１個の関節を備えた複数本の脚部リンクとからなる
脚式移動ロボットの歩行制御装置において、 a.前記脚部リンクに作用する外力を検出する外力検出手
段、 b.前記検出された外力にゲインを乗じて前記脚部リンク
の着地時の衝撃を吸収させるべく、前記脚部リンクの関
節駆動制御値を決定する関節駆動制御値決定手段、 及び c.少なくとも前記決定された関節駆動制御値に基づいて
前記関節を駆動するアクチュエータ、 を備えると共に、前記ゲインを経時的に減衰させるよう
に構成したことを特徴とする脚式移動ロボットの歩行制
御装置。 - 【請求項２】前記脚部リンクの着地の有無を検出する着
地検出手段を備えると共に、前記ゲインを着地が検出さ
れたときから減衰させるように構成したことを特徴とす
る請求項１項記載の脚式移動ロボットの歩行制御装置。 - 【請求項３】前記ゲインを前記脚部リンクの離床が検出
されたときから所定の値に設定すると共に、着地が検出
されたときから減衰させるように構成したことを特徴と
する請求項２項記載の脚式移動ロボットの歩行制御装
置。 - 【請求項４】前記ゲインを着地が検出されたときから所
定期間後に実質的に零にすることを特徴とする請求項１
項ないし３項のいずれかに記載の脚式移動ロボットの歩
行制御装置。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2336418A JP2997036B2 (ja) | 1990-11-30 | 1990-11-30 | 脚式移動ロボットの歩行制御装置 |
| DE69120639T DE69120639T2 (de) | 1990-11-30 | 1991-11-27 | System zur Steuerung der Fortbewegung eines Schreitroboters mit Beinen |
| EP91310962A EP0488691B1 (en) | 1990-11-30 | 1991-11-27 | System for controlling locomotion of legged walking robot |
| US07/800,648 US5206569A (en) | 1990-11-30 | 1991-11-27 | System for controlling locomotion of legged walking robot |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2336418A JP2997036B2 (ja) | 1990-11-30 | 1990-11-30 | 脚式移動ロボットの歩行制御装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04201185A JPH04201185A (ja) | 1992-07-22 |
| JP2997036B2 true JP2997036B2 (ja) | 2000-01-11 |
Family
ID=18298922
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2336418A Expired - Lifetime JP2997036B2 (ja) | 1990-11-30 | 1990-11-30 | 脚式移動ロボットの歩行制御装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5206569A (ja) |
| EP (1) | EP0488691B1 (ja) |
| JP (1) | JP2997036B2 (ja) |
| DE (1) | DE69120639T2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5349277A (en) * | 1992-03-12 | 1994-09-20 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Control system for legged mobile robot |
| US5337235A (en) * | 1992-03-12 | 1994-08-09 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Locomotion control system for legged mobiled robot |
| US5311109A (en) * | 1992-03-31 | 1994-05-10 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Locomotion control system for legged mobile robot |
| US5455497A (en) * | 1992-04-20 | 1995-10-03 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Legged mobile robot and a system for controlling the same |
| US5432417A (en) * | 1992-04-30 | 1995-07-11 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Locomotion control system for legged mobile robot |
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| JP3278467B2 (ja) * | 1992-08-18 | 2002-04-30 | 本田技研工業株式会社 | 移動ロボットの制御装置 |
| US5459381A (en) * | 1992-10-28 | 1995-10-17 | Canon Kabushiki Kaisha | Composite system course control method and apparatus |
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| JP3569764B2 (ja) * | 2001-11-19 | 2004-09-29 | 独立行政法人 科学技術振興機構 | 二脚歩行式移動装置およびその歩行制御装置並びに歩行制御方法 |
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| CN106826759B (zh) * | 2016-12-29 | 2024-02-09 | 深圳市优必选科技有限公司 | 脚部结构及人形机器人 |
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