JP4352774B2 - 脚式歩行ロボットの運動制御装置及び運動制御方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも複数本の可動脚を備えた脚式歩行ロボットの運動制御装置及び運動制御方法に係り、特に、足などの着床点を意図的に滑らせる動きを積極的に採り入れて適応的な姿勢安定制御を行なう脚式歩行ロボットの運動制御装置及び運動制御方法に関する。
【0002】
さらに詳しくは、本発明は、意図的な足の滑りにより歩行安定性を図ったり視覚的な効果を高めた動作を行なったりする脚式歩行ロボットの運動制御装置及び運動制御方法に関する。
【0003】
【従来の技術】
電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行う機械装置のことを「ロボット」という。ロボットの語源は、スラブ語の"ROBOTA(奴隷機械)"に由来すると言われている。
【0004】
わが国では、ロボットが普及し始めたのは1960年代末からであるが、その多くは、工場における生産作業の自動化・無人化などを目的としたマニピュレータや搬送ロボットなどの産業用ロボット(industrial robot)であった。最近では、脚式移動ロボットに関する研究開発が進展し、実用化への期待も高まってきている。ヒトの動作をモデルにした脚式移動ロボットのことを、特に、「人間形」、若しくは「人間型」のロボット(humanoid robot)と呼ぶ。
【0005】
2足直立による脚式移動は、クローラ式や、4足又は6足式などに比し不安定で姿勢制御や歩行制御が難しくなるが、不整地や障害物など作業経路上に凹凸のある歩行面や、階段や梯子の昇降など不連続な歩行面に対応することができるなど、柔軟な移動作業を実現できるという点で優れている。
【0006】
2足の脚式移動ロボットに関する姿勢制御や安定歩行に関する技術は既に数多提案されている。ここで言う安定な「歩行」とは、「転倒することなく、脚を使って移動すること」と定義される。機体の転倒は、ロボットが実行中の作業を中断することを意味し、且つ、転倒状態から起き上がって作業を再開するために相当の労力や時間が払われる。また、転倒によって、ロボット本体自体、あるいは転倒するロボットと衝突する相手側の物体にも、致命的な損傷を与えてしまう危険がある。このため、転倒を回避するための姿勢安定制御は、脚式移動ロボットの開発上、最も重要な課題の1つに位置付けられている。
【0007】
直立歩行を行なうロボットは基本姿勢としての通常の直立姿勢がそもそも不安定である。多くの場合、脚式移動ロボットの姿勢安定制御には、ZMP(Zero Moment Point)が歩行の安定度判別の規範として用いられている。ZMPによる安定度判別規範は、歩行系から路面には重力と慣性力、並びにこれらのモーメントが路面から歩行系への反作用としての床反力並びに床反力モーメントとバランスするという「ダランベールの原理」に基づく。力学的推論の帰結として、足底接地点と路面の形成する支持多角形(すなわちZMP安定領域)の辺上あるいはその内側にピッチ軸及びロール軸モーメントがゼロとなる点、すなわちZMPが存在する(例えば、非特許文献1を参照のこと)。
【0008】
従来の脚移動ロボットの姿勢制御方法は、基本的には連続した安定な歩行を行なうことを目的とする。このため、足底と床との接触状態を安定させることによって、歩行自体の安定性を向上させる手法がほとんどである。言い換えれば、視覚的な効果を高めたり、最大摩擦力を得るなどの理由で意図的に床に対して足底を滑らせたりすることはできない。
【0009】
また、従来の脚式移動ロボットの制御方法では十分な摩擦力が得られることを前提としているため、ロボットの足底は摩擦力を発生し易い形状や材質となっている。
【0010】
このため、脚式移動ロボットは、足を滑らせながら機体を方向転換させるという効率的な動作を行なうことはできない。また、意図しない足の滑りはあるが、意図的に滑らすような特殊なダンスのステップを行なうことはできない。
【0011】
【非特許文献1】
ヴコブラトビッチ(Miomir Vukobratovic)著「脚式移動ロボット(LEGGED LOCOMOTION ROBOTS)」(加藤一郎外著『歩行ロボットと人工の足』(日刊工業新聞社))
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、足などの着床点を意図的に滑らせる動きを積極的に採り入れて適応的な姿勢安定制御を行なうことができる、優れた脚式歩行ロボットの運動制御装置及び運動制御方法を提供することにある。
【0013】
本発明のさらなる目的は、意図的な足の滑りにより歩行安定性を図ったり視覚的な効果を高めた動作を行なったりすることができる、優れた脚式歩行ロボットの運動制御装置及び運動制御方法を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段及び作用】
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第1の側面は、少なくとも複数本の可動脚を備え、1以上の着床点を保ちながら脚式作業を行なう脚式移動ロボットの姿勢安定性をZMP安定度判別規範に基づいて制御する脚式移動ロボットの運動制御装置であって、
着床点における滑りを考慮せずに各部の目標軌道を設定する目標軌道設定部と、
滑らせる着床点を決定し、各着地点間の相対速度と矛盾のないように各着地点の床に対する目標滑り速度を決定する着地点目標滑り速度設定部と、
ZMPが滑らせる着地点よりも滑らせない着地点に近づくようにZMPの目標軌道を設定する目標ZMP軌道設定部と、
前記目標軌道設定部において設定された各部の目標軌道を、目標ZMP軌道に基づいて修正する目標軌道修正部と、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットの運動制御装置である。
【0015】
脚式移動ロボットは例えば左右の両足において着床点を持つ。ZMPから遠い接地点の摩擦力の方が、ZMPに近い接地点の摩擦力より小さく、先に滑り始める。したがって、任意の着地点を滑らすことが可能になる。本発明に係る脚式移動ロボットにおいては、各着地点の床に対する目標滑り速度は決定時に各着地点間の相対速度と矛盾のないように決定されるので、滑るべき着地点が滑り出せば、その滑り速度は自動的に追従する。
【0016】
よって、本発明によれば、目標滑り速度に追従するように目標軌道を修正することによって、任意の着地点を滑らせることが可能となり、足を意図的に滑らせる動きを積極的に採り入れて適応的な姿勢安定制御を行なうことができる。
【0017】
したがって、本発明によれば、ロボットの路面と接触している部位のうち滑らせたい部分を選択できるので、ダンスなどのような視覚的な効果を高めた動作や、踵を滑らせる期間を挿入することによる歩行安定性の向上を実現することができる。
【0018】
ここで、脚式移動ロボットは、例えば下肢と体幹と上肢を備えている。このような場合、前記目標軌道設定部は、足部の目標軌道、体幹部の目標軌道、及び上肢の目標軌道を設定する。
【0019】
また、前記着地点目標滑り速度設定部は、滑らない着地点の目標滑り速度を0に設定する。
【0020】
また、前記ZMP目標軌道設定部は、足部、体幹部、並びに上肢における目標軌道が目標滑り速度を追従させるようにZMPの目標軌道を設定する。
【0021】
また、前記目標軌道修正部は、目標ZMP軌道を実現できるように各部の目標軌道を修正する。
【0022】
また、このようにして生成された目標軌道に基づいてロボットの動作を制御するロボット制御部をさらに備えてもよい。
【0023】
このロボット制御部は、実際の滑り速度と目標滑り速度を比較して各部の目標軌道の修正を行なう第1の軌道修正部と、実際のZMPと目標ZMPを比較して各部の目標軌道の修正を行なう第2の軌道修正部と、修正された目標軌道に基づいて各部の動作を制御する駆動制御部で構成することができる。
【0024】
また、着床点における滑り速度を取得して前記第1の軌道修正部に帰還する滑り速度取得部や、着床点における床反力に基づいてZMPを取得して前記第2の軌道修正部に帰還するZMP取得部をさらに備えていてもよい。
【0025】
また、本発明の第2の側面は、少なくとも2本以上の脚を有するロボット装置において、
ZMP目標軌道設定手段と、
軸足設定手段と、
前記ZMP目標軌道を前記軸足の近傍を通過させることにより、前記軸足以外の脚に対し滑り動作を発生させる制御手段と、
を具備することを特徴とするロボット装置である。
【0026】
ここで、軸足以外の脚に対して滑り動作を発生させながら、ロボット全体としては軸足を中心にして旋回動作を行なうことができる。
【0027】
したがって、本発明によれば、床運動時において、脚全体を移動させる場合に、脚全体を持ち上げずに滑らせながら移動させることによって、股関節トルクを低減させ、効率的な旋回動作を行なうことが可能である。さらに、滑り易い環境での最大摩擦力による最大加速力動作が実現することができる。
【0028】
本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。
【0030】
図1には、本発明の実施に供される2脚2腕を有する人間型ロボットの自由度構成を示している。
【0031】
本実施形態に係るロボットは、基底(又は基体)Bから放射状に回転ジョイントを介して開リンク鎖が連なる構造をなし、7自由度を持つ腕部と、6自由度を持つ足部と、3自由度を持つ腰部と、2自由度を持つ頭部とで構成される。
【0032】
基底Bは、左右の股関節位置を結ぶ線と体幹ヨー軸との交点で定義される。脚部は、基底Bに接続され、股関節3自由度(ヨー・ロール・ピッチ)、膝関節1自由度(ピッチ)、足首関節2自由度(ピッチ・ロール)で構成される。腰部は、3自由度(ピッチ・ロール・ヨー)で構成され、基底Bと胸部Cを接続する.腕部は、胸部Cに接続され、肩関節3自由度(ピッチ・ロール・ヨー)、肘関節2自由度(ピッチ・ヨー)、手首関節2自由度(ロール・ピッチ)で構成される。頭部は、胸部Cに接続され、首関節2自由度(パン・チルト)で構成される。
【0033】
なお、本実施形態に係る脚式移動ロボットは、腰部位置に重心が設定されており、姿勢安定制御の重要な制御対象点であるとともに、装置の「基体」を構成する。
【0034】
ロボットを構成するそれぞれの関節自由度は、実際にはアクチュエータ・モータにより実現される。本実施形態では、ギア直結型で且つサーボ制御系をワンチップ化してモータ・ユニットに内蔵したタイプの小型ACサーボ・アクチュエータを搭載する。
【0035】
本実施形態に係る脚式移動ロボットは、ZMPを歩行の安定度判別の規範として用いている。ZMPによる安定度判別規範は、系が適切なZMP空間を形成し、支持多角形の内側にZMPがある場合は、系に回転運動や並進運動が発生せず、回転や並進に関する運動方程式を解く必要がない。なお、支持多角形の内側にZMPがない場合や、外界に対する支持作用点が存在しない場合は、ZMP方程式に代えて、運動方程式を解く必要がある。
【0036】
図2には、脚式移動ロボットの制御システム構成を模式的に示している。同図に示すように、脚式移動ロボット100は、ヒトの四肢を表現した各機構ユニット30,40,50R/L,60R/Lと、各機構ユニット間の協調動作を実現するための適応制御を行なう制御ユニット80とで構成される(但し、R及びLの各々は、右及び左の各々を示す接尾辞である。以下同様)。
【0037】
脚式移動ロボット全体の動作は、制御ユニット80によって統括的に制御される。制御ユニット80は、CPU(Central Processing Unit)やメモリ等の主要回路コンポーネント(図示しない)で構成される主制御部81と、電源回路やロボットの各構成要素とのデータやコマンドの授受を行なうインターフェース(いずれも図示しない)などを含んだ周辺回路82とで構成される。
【0038】
本発明を実現する上で、この制御ユニット80の設置場所は特に限定されない。図2では体幹部ユニット40に搭載されているが、頭部ユニット30に搭載してもよい。あるいは、脚式移動ロボット外に制御ユニット80を配備して、脚式移動ロボットの機体とは有線若しくは無線で交信するようにしてもよい。
【0039】
図1に示した脚式移動ロボット内の各関節自由度は、それぞれに対応するアクチュエータ・モータMによって実現される。すなわち、頭部ユニット30には、首関節ヨー軸、第1及び第2の首関節ピッチ軸、首関節ロール軸の各々を表現する首関節ヨー軸アクチュエータM1、首関節ピッチ軸アクチュエータM2A及びM2 B、首関節ロール軸アクチュエータM3が配設されている。
【0040】
また、体幹部ユニット40には、体幹ピッチ軸、体幹ロール軸の各々を表現する体幹ピッチ軸アクチュエータM11、体幹ロール軸アクチュエータM12が配備されている。
【0041】
また、腕部ユニット50R/Lは、上腕ユニット51R/Lと、肘関節ユニット52R/Lと、前腕ユニット53R/Lに細分化されるが、肩関節ピッチ軸、肩関節ロール軸、上腕ヨー軸、肘関節ピッチ軸、肘関節ヨー軸、手首ロール軸、手首関節ピッチ軸の各々を表現する肩関節ピッチ軸アクチュエータM4、肩関節ロール軸アクチュエータM5、上腕ヨー軸アクチュエータM6、肘関節ピッチ軸アクチュエータM7、肘関節ヨー軸アクチュエータM8、手首関節ロール軸アクチュエータM9、手首関節ピッチ軸アクチュエータM10がそれぞれ配備されている。
【0042】
また、脚部ユニット60R/Lは、大腿部ユニット61R/Lと、膝ユニット62R/Lと、脛部ユニット63R/Lに細分化されるが、股関節ヨー軸、股関節ピッチ軸、股関節ロール軸、膝関節ピッチ軸、足首関節ピッチ軸、足首関節ロール軸の各々を表現する股関節ヨー軸アクチュエータM13、股関節ピッチ軸アクチュエータM14、股関節ロール軸アクチュエータM15、膝関節ピッチ軸アクチュエータM16、足首関節ピッチ軸アクチュエータM17、足首関節ロール軸アクチュエータM18が配備されている。
【0043】
各関節に用いられるアクチュエータM1,M2,M3…は、より好ましくは、ギア直結型で且つサーボ制御系をワンチップ化してモータ・ユニット内に搭載したタイプの小型ACサーボ・アクチュエータ(前述)で構成することができる。
【0044】
頭部ユニット30、体幹部ユニット40、腕部ユニット50、各脚部ユニット60などの機構ユニット毎に、アクチュエータ駆動制御用の副制御部35,45,55,65が配備されている。
【0045】
機体の体幹部40には、加速度センサと、ジャイロ・センサなどからなる姿勢センサが配設されている。加速度センサは、例えばX、Y、Z各軸方向に配置する。機体の腰部に加速度センサを配設することによって、質量操作量が大きな部位である腰部を制御目標点として設定して、その位置における姿勢や加速度を直接計測して、ZMPに基づく姿勢安定制御を行なうことができる。
【0046】
また、各脚部60R,Lには、床反力センサと、加速度センサ、姿勢センサがそれぞれ配設されている。床反力センサは、例えば足底に圧力センサを装着することにより構成され、床反力の有無により足底が着床したか否かを検出することができる。また、加速度センサは、少なくともX及びYの各軸方向に配置する。左右の足部に加速度センサを配設することにより、ZMP位置に最も近い足部で直接ZMP釣合い方程式を組み立てることができる。
【0047】
また、本実施形態に係る脚式移動ロボットは、左右の足底など複数の着地点のうち任意の着地点を指定して滑らせ、さらに滑り速度を制御する。滑らせない着地点の近傍にZMP軌道が通るZMP軌道を設定することにより、目標軌道を生成する。動作制御時には、ロボットに搭載された滑り速度センサや滑り速度推定器から得られる情報により適応的にZMPを修正することにより、摩擦状態が均一でない路面でも任意の滑りを実現する。これによって以下に示すような、従来では意図的に実現することが困難であった動作を実現することができる。
【0048】
(1)ダンスなどのような視覚的な効果を高めた動作
(2)踵を滑らせる期間を挿入することによる歩行安定性の向上
(3)床運動時に脚全体を移動させる場合に、脚全体を持ち上げずに滑らせながら移動させ、股関節トルクを低減させる
(4)滑り易い環境での最大摩擦力による最大加速力動作
【0049】
図3には、脚式移動ロボットの足平・足底に各種のセンサを配設した様子を示している。
【0050】
左右それぞれの足底には、滑り速度検出センサ102及び103、力センサ104、105、106、107が搭載されている。これらのセンサは足底と床との間の滑り速度や床反力を測定するためのセンサであり、滑り速度や床反力が検出できればよい。例えば、他のセンサ値(例えば関節角度値)に基づいて滑り速度推定や床反力推定を行なうようにしても構わない。
【0051】
なお、滑り速度検出センサは、xy方向の速度が測定できるものであり、少なくとも2箇所以上に配置すれば並進方向の速度のみならず、滑り回転角速度や滑り回転中心を算出することができる。また、つま先の先端部に二箇所以上配置すれば、つま先立ち時においても、足底面接触時にも、滑り速度・滑り角速度が計測可能である。例えば、本出願人に既に譲渡されている特開2001−277159号公報で提案されているような相対位置速度検出センサを、滑り速度検出センサとして適用することができる。
【0052】
滑り速度検出の配置場所は、図示のようにつま先に限らず、ロボットの平面と平面の交わる辺(あるいは頂点上)に配置することによって同様の効果を得ることができる。
【0053】
図4には、本実施形態に係る脚式移動ロボットにおいて、歩行やその他の脚式作業中に滑りの期間を挿入して姿勢安定制御を行なうための機能構成を模式的に示している。図示の制御機能モジュールは、ロボットの各部の目標軌道を生成する目標軌道生成部10と、生成された目標軌道に基づいて実際に機体の動作を実現するロボット制御部20に大別される。
【0054】
目標軌道生成部10は、目標軌道設定部11と、着地点目標滑り速度設定部12と、目標ZMP軌道設定部13と、目標軌道修正部14で構成される。
【0055】
まず始めに、目標軌道設定部11において、脚式移動ロボットの目標とする足部軌道、目標とする体幹軌道、並びに目標とする上肢軌道を決定する。ここでは、いずれの着床点においても滑りを考慮せずに目標軌道を設定する。
【0056】
一方、着地点目標滑り速度設定部12は、左右のどちらの足を滑らせるか(あるいは脚以外の着地点を滑らせるか)を決定し、各着地点間の相対速度と矛盾のないように、各着地点の床に対する目標滑り速度を決定する。ここで、滑らない着地点の場合は目標滑り速度を0とする。
【0057】
目標軌道設定部11において設定された目標足部軌道・目標体幹軌道・目標上肢軌道は目標滑り速度について考慮されずに決定されているので、目標足部軌道・目標体幹軌道・目標上肢軌道の通りにロボットが動作したとしても各接地点の目標滑り速度の通りに滑るとは限らない。この様子を図5に示している。
【0058】
そこで、目標ZMP軌道設定部13は、足部、体幹部、並びに上肢における目標軌道が目標滑り速度を追従させるために、ZMPが滑らせる着地点よりも滑らせない着地点に近づくように、床反力制御によりZMP目標軌道を設定する。
【0059】
そして、目標軌道修正部14は、この目標ZMP軌道を実現できるように目標足部軌道・目標体幹軌道・目標上肢軌道を修正する。これら修正された目標軌道は、滑り可能な目標軌道である。
【0060】
本実施形態では、このようにZMPが滑らせる着地点よりも滑らせない着地点に近づくようにZMP目標軌道を設定することにより、足部、体幹部、並びに上肢における目標軌道に目標滑り速度を追従させ、意図した着地点の滑りを採り入れながら機体の姿勢安定性を実現するものである。
【0061】
ここで、目標滑り速度に追従するように目標軌道を修正することによって、任意の着地点を滑らせることが可能となる理由について説明する。
【0062】
床面が水平な平面で摩擦係数が均一であるとする。このとき、図6に示すように、接地点A及び接地点Bの位置をそれぞれxA及びxBとし、これら各点における垂直抗力をそれぞれfz_A及びfz_Bとすると、ZMPは次式(1)のように表される。
【0063】
【数1】
【0064】
そして、上式(1)は次式(2)のように変形することができる。
【0065】
【数2】
【0066】
上式(2)の右辺分母はZMPから接地点xAまでの距離を表し、分子はZMPから接地点xBまでの距離を表している。また、静止摩擦係数をμ、垂直抗力をfzとすると、最大静止摩擦力Fは、F=μfzで表されるので、上式(2)をさらに次式(3)のように変形することができる。
【0067】
【数3】
【0068】
上式(3)からも分かるように、ZMPから遠い接地点の摩擦力の方が、ZMPに近い接地点の摩擦力より小さく、先に滑り始める。したがって、任意の着地点を滑らすことが可能になる。各着地点の床に対する目標滑り速度は決定時に各着地点間の相対速度と矛盾のないように決定されているので、滑るべき着地点が滑り出せば、滑り速度は自動的に追従する。
【0069】
但し、図7に示すように、静止時の摩擦力より滑り状態での摩擦力の方が小さいため、一旦滑り出した接地点を静止させ、同時に静止状態の接地点を滑り状態にする場合は、ZMP軌道をさらに大きく移動させる必要がある。
【0070】
また、電気自動車や電気鉄道の粘着力制御の分野では、図8に示すように、摩擦係数は滑り速度に依存する曲線を描くことが指摘されている。そこで、これらの曲線を考慮してZMPの軌道を計画することにより、滑り速度の追従性能がさらに向上すると期待できる。
【0071】
次いで、ロボット制御部20では、目標軌道生成部10において生成された目標軌道に基づいて実際に機体の動作を実現する。目標軌道に基づいてロボットの動作制御として、例えば本出願人に既に譲渡されている特開2001−157973号公報又は特開2002−219681号公報で提案されているロボットの動作制御手順などを利用することができる。
【0072】
まず、第1の軌道修正部21では、実際の滑り速度と目標滑り速度を比較して、足部、体幹部、並びに上肢それぞれの目標軌道の修正を行なう。
【0073】
次いで、第2の軌道修正部22では、実際のZMPと目標ZMPを比較して、足部、体幹部、並びに上肢それぞれの目標軌道の修正を行なう。
【0074】
そして、駆動制御部23は、修正された足部、体幹部、並びに上肢の軌道に追従するように、各関節アクチュエータの駆動を制御する。
【0075】
そして、ZMP取得部24は、ロボットの動作が実現している最中に、足底の力センサからZMPを得て、これを第2の軌道修正部22に帰還する。
【0076】
また、滑り速度取得部25は、ロボットの動作が実現している最中に、足底の滑り速度検出センサによって左右の足底における滑り速度を取得して、これを代1の軌道修正部21に帰還する。
【0077】
ロボットが動作する環境によっては摩擦係数の変化やごく小さな段差が存在し、これによって目標滑り速度が追従できなかったり、予定とは異なる脚が滑り出したりする可能性がある。そこで、軌道修正部21がセンサから得られる滑り速度(図8を参照のこと)に応じてZMPを適応的に移動させることによって、これらの外乱にロバスト性を向上させることが可能である。
【0078】
このように本発明によれば、ロボットの路面と接触している部位のうち滑らせたい部分を選択できる。したがって、ダンスなどのような視覚的な効果を高めた動作や、踵を滑らせる期間を挿入することによる歩行安定性の向上を実現することができる。また、床運動時において、脚全体を移動させる場合に、脚全体を持ち上げずに滑らせながら移動させることによって、股関節トルクを低減させ、効率的な旋回動作を行なうことが可能である。さらに、滑り易い環境での最大摩擦力による最大加速力動作が実現することができる。
【0079】
ここで、軸足以外の脚の滑り動作を利用してロボットが旋回する動作について、図9を参照しながら説明しておく。
【0080】
着地点目標滑り速度設定部12は、左右のどちらの足を滑らせるか、言い換えれば軸足を決定し、各着地点間の相対速度と矛盾のないように、各着地点の床に対する目標滑り速度を決定する。そして、目標ZMP軌道設定部13は、足部、体幹部、並びに上肢における目標軌道が目標滑り速度を追従させるために、ZMPが滑らせる着地点よりも滑らせない着地点に近づくように、床反力制御によりZMP目標軌道を設定する。
【0081】
この結果、図9に示すように、軸足平の目標軌道に沿ってZMP目標軌道が設定される。その後、軸足平を中心とした旋回動作が進行すると、軸足以外の足平すなわち滑り足平は外側に向かって滑り動作を発生させる。このとき、足底に設置されている滑り速度センサ又は滑り速度推定器から滑り速度が時々刻々と取得され、第1の軌道修正部はこの滑り速度に従がって足部、体幹部、並びに上肢それぞれの目標軌道の修正を行なう。
【0082】
これまでに具体的に述べてきた手法は、ロボットの姿勢を変化させることにより、垂直抗力を制御するものである。しかし、本発明の要旨はこの手法に限定されるものではなく、直接床反力を制御するようなコントローラを構成する場合であっても、床反力の配分時に滑らせたい接触点の床反力を小さくすることによって同様の効果が得られる。
【0083】
また、着地点において均一な滑りを実現することを目的とする「均一摩擦力マット」や目的とする動作に応じて足裏の摩擦係数を変更するための「摩擦係数選択用アタッチメント」によって、滑り速度制御の効果を補うことができる。またこれらの制御は、滑り速度制御時でない場合でもロボットの運動性能を補うために有効である。
【0084】
[追補]
以上、特定の実施例を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施例の修正や代用を成し得ることは自明である。
【0085】
本発明の要旨は、必ずしも「ロボット」と称される製品には限定されない。すなわち、電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行なう機械装置あるいはその他一般的な移動体装置であるならば、例えば玩具などのような他の産業分野に属する製品であっても、同様に本発明を適用することができる。
【0086】
要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。
【0087】
【発明の効果】
以上詳記したように、本発明によれば、足などの着床点を意図的に滑らせる動きを積極的に採り入れて適応的な姿勢安定制御を行なうことができる、優れた脚式歩行ロボットの運動制御装置及び運動制御方法を提供することができる。
【0088】
また、本発明によれば、意図的な足の滑りにより歩行安定性を図ったり視覚的な効果を高めた動作を行なったりすることができる、優れた脚式歩行ロボットの運動制御装置及び運動制御方法を提供することができる。
【0089】
本発明によれば、ロボットの路面と接触している部位のうち滑らせたい部分を選択できるので、ダンスなどのような視覚的な効果を高めた動作や、踵を滑らせる期間を挿入することによる歩行安定性の向上を実現することができる。また、床運動時において、脚全体を移動させる場合に、脚全体を持ち上げずに滑らせながら移動させることによって、股関節トルクを低減させ、効率的な旋回動作を行なうことが可能である。さらに、滑り易い環境での最大摩擦力による最大加速力動作が実現することができる。
【0090】
これらの効果は、滑り速度検出センサを搭載していないロボットにおいても、滑り速度推定器によって実現することができる。また、ダンス・ステージ(「均一摩擦力マット」)や、ダンス・シューズ(「摩擦係数選択用アタッチメント」)などによって、その効果をさらに高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施に供される2脚2腕を有する人間型ロボットの自由度構成を示した図である。
【図2】脚式移動ロボットの制御システム構成を模式的に示した図である。
【図3】脚式移動ロボットの足平・足底に各種のセンサを配設した様子を示した図である。
【図4】歩行やその他の脚式作業中に滑りの期間を挿入して姿勢安定制御を行なうための機能構成を模式的に示した図である。
【図5】目標軌道設定部1において設定された目標足部軌道・目標体幹軌道・目標上肢軌道の通りにロボットが動作したとしても各接地点の目標滑り速度の通りに滑るとは限らない様子を示した図である。
【図6】床反力とZMPの関係を説明するための図である。
【図7】滑り速度と摩擦力の関係(滑り速度に依存しないことを仮定した場合)を示した図である。
【図8】滑り速度と摩擦力の関係(滑り速度に依存することを前提とした場合)を示した図である。
【図9】軸足以外の脚の滑り動作を利用してロボットが旋回する様子を示した図である。
【符号の説明】
10…目標軌道生成部
11…目標軌道設定部
12…着地点目標滑り速度設定部
13…目標ZMP軌道設定部
14…目標軌道修正部
20…ロボット制御部
21…第1の軌道修正部
22…第2の軌道修正部
23…駆動制御部
24…ZMP取得部
25…滑り速度取得部
Claims (10)
- 少なくとも複数本の可動脚を備え、1以上の着地点を保ちながら脚式作業を行なう脚式移動ロボットの姿勢安定性をZMP安定度判別規範に基づいて制御する脚式移動ロボットの運動制御装置であって、
着地点における滑りを考慮せずに各部の目標軌道を設定する目標軌道設定部と、
滑らせる着地点と滑らせない着地点を決定し、滑らない着地点の目標すべり速度を0として、各着地点間の相対速度と矛盾しないように、各着地点の床に対する目標滑り速度を決定する着地点目標滑り速度設定部と、
ZMPが滑らせる着地点よりも滑らせない着地点に近づくように、床反力制御によりZMPの目標軌道を設定する目標ZMP軌道設定部と、
前記目標軌道設定部において設定された各部の目標軌道を、目標ZMP軌道に基づいて修正する目標軌道修正部と、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットの運動制御装置。 - 前記脚式移動ロボットは、少なくとも下肢と体幹と上肢を備え、
前記目標軌道設定部は、足部の目標軌道、体幹部の目標軌道、及び上肢の目標軌道を設定する、
ことを特徴とする請求項1に記載の脚式移動ロボットの運動制御装置。 - 前記着地点目標滑り速度設定部は、滑らない着地点の目標滑り速度を0に設定する、
ことを特徴とする請求項1に記載の脚式移動ロボットの運動制御装置。 - 前記目標軌道修正部は、目標ZMP軌道を実現できるように各部の目標軌道を修正する、
ことを特徴とする請求項1に記載の脚式移動ロボットの運動制御装置。 - 生成された目標軌道に基づいてロボットの動作を制御するロボット制御部をさらに備える、
ことを特徴とする請求項1に記載の脚式移動ロボットの運動制御装置。 - 少なくとも複数本の可動脚を備え、1以上の着地点を保ちながら脚式作業を行なう脚式移動ロボットの姿勢安定性をZMP安定度判別規範に基づいて制御する脚式移動ロボットの運動制御方法であって、
着地点における滑りを考慮せずに各部の目標軌道を設定する目標軌道設定ステップと、
滑らせる着地点と滑らせない着地点を決定し、滑らない着地点の目標すべり速度を0として、各着地点間の相対速度と矛盾しないように、各着地点の床に対する目標滑り速度を決定する着地点目標滑り速度設定ステップと、
ZMPが滑らせる着地点よりも滑らせない着地点に近づくように、床反力制御によりZMPの目標軌道を設定する目標ZMP軌道設定ステップと、
前記目標軌道設定ステップにおいて設定された各部の目標軌道を、目標ZMP軌道に基づいて修正する目標軌道修正ステップと、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットの運動制御方法。 - 前記脚式移動ロボットは、少なくとも下肢と体幹と上肢を備え、
前記目標軌道設定ステップでは、足部の目標軌道、体幹部の目標軌道、及び上肢の目標軌道を設定する、
ことを特徴とする請求項6に記載の脚式移動ロボットの運動制御方法。 - 前記着地点目標滑り速度設定ステップでは、滑らない着地点の目標滑り速度を0に設定する、
ことを特徴とする請求項6に記載の脚式移動ロボットの運動制御方法。 - 前記目標軌道修正ステップでは、目標ZMP軌道を実現できるように各部の目標軌道を修正する、
ことを特徴とする請求項6に記載の脚式移動ロボットの運動制御方法。 - 生成された目標軌道に基づいてロボットの動作を制御するロボット制御ステップをさらに備える、
ことを特徴とする請求項6に記載の脚式移動ロボットの運動制御方法。
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