JP4591419B2 - ロボットとその制御方法 - Google Patents
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Description
上記のようなロボットは、ZMP(Zero Moment Point)に着目して制御することによって、安定した歩行を実現できることが知られている。ZMPは、ロボットに作用する外力(慣性力を含む)によるモーメントの総和が0となる床上の点を意味する。1つの脚リンクのみが接地している状態でも、ZMPが床反力作用点と一致していれば、ロボットを倒そうとするモーメントが作用しない。1つの脚リンクのみが接地している状態では、床反力作用点は支持脚の足平内に位置するため、ロボットを安定して歩行させるためには、ZMPが支持脚の足平内に維持されるように制御する必要がある。
例えば一対の脚リンクを備えるロボットの場合、一方の脚リンクを支持脚とし、他方の脚リンクを遊脚として前方に振り出すことによって移動する。この一方の脚リンクのみが接地している間、ZMPが支持脚の足平内に存在していれば、ロボットは倒れることがない。遊脚としていた脚リンクが接地し、両方の脚リンクが接地している間に、ZMPがそれまで支持脚であった脚リンクの足平内から新たに接地した脚リンクの足平内へ移行すれば、ロボットは倒れることがなく、それまで支持脚であった脚リンクを前方に振り出すことが可能となる。それまで支持脚であった脚リンクを前方に振り出す時に、ZMPが新たな支持脚の足平内に存在していれば、ロボットは倒れることがない。上記のように、一方の脚リンクを振り出してから接地させる動作を、一対の脚リンクの間で交互に繰り返すことによって、ロボットは倒れることなく歩行を継続することができる。
予期せぬ外乱力が作用しても歩行を継続するためには、記憶されている歩容データをリアルタイムに更新していくことが有効である。ロボットの歩容データをリアルタイムに生成する技術は、例えば特許文献1に開示されている。
例えば上記のロボットは、右脚リンクが接地すると、その後に振り出される左脚リンクが接地する際の接地予定位置を決定して、決定された接地予定位置に基づいて左脚リンクの足先軌道を更新する。左脚リンクの接地予定位置は、左脚リンクが接地した後のロボットの重心軌道に基づいて決定される。
ロボットの重心が水平方向に関して等速で移動する場合、ZMPは重心の鉛直下方に位置することになる。従って、後方で接地している脚リンクの足平内から、前方で接地している脚リンクの足平内へZMPを移動させる際に、上記のように重心軌道の水平方向成分を等速軌道として与えることによって、安定した動作を実現する重心軌道を簡便な演算によって決定することができ、少ない計算量で歩行の安定化をはかることができる。
(形態1) コントローラは、ロボットの重心軌道を更新する際に、片足接地相において実現されるロボットのZMPが支持脚の足平内に維持されるように、片足接地相におけるロボットの重心軌道を更新する。
(形態2) コントローラは、ロボットの重心軌道を更新する際に、両足接地相において重心が等速移動するように、両足接地相におけるロボットの重心軌道を更新する。
(形態3) ロボットの実際の重心速度を検出する手段をさらに備え、コントローラは、検出された重心速度に基づいて、ロボットの重心軌道を更新する。
図2の(A)に示すように、ある時点においてロボット2は両方の脚リンクが接地した姿勢P1をとっている。姿勢P1をとっているときには、ロボット2の重心は位置G1にある。ロボット2はこの姿勢P1から、ロボット2の前方側で接地している脚リンク(図2の(A)では左脚リンク6)を支持脚として接地させたまま、ロボット2の後方側で接地している脚リンク(図2の(A)では右脚リンク8)を遊脚として浮遊させて前方へ振り出す。前方へ振り出した脚リンクが接地すると、ロボット2は両方の脚リンクが接地した姿勢P2となる。姿勢P1も姿勢P2も、ともにロボット2が両方の脚リンクを接地した姿勢であるが、姿勢P1でロボット2の前方側で接地していた脚リンク(左脚リンク6)は、姿勢P2ではロボット2の後方側で接地しており、姿勢P1でロボット2の後方側で接地していた脚リンク(右脚リンク8)は、姿勢P2ではロボット2の前方側で接地している。ロボット2が姿勢P1から姿勢P2へと姿勢を変化させることによって、ロボット2の重心は位置G1から位置G2へ移動する。
上記のような動作を繰り返すことで、ロボット2は前方へ歩行する。
本実施例のロボット2では、図2の(A)や図2の(C)に示すように、一方の脚リンクのみが接地している片足接地相においては、支持脚の足平の基準点を座標系(x'、y'、z')の原点とする。また、図2(B)のように、両方の脚リンクが接地している両足接地相においては、便宜上、ロボット2の後方側で接地している脚リンク(すなわち、その両足接地相の直前の片足接地相において支持脚であった脚リンク)を支持脚として扱い、その足平の基準点を座標系(x'、y'、z')の原点とする。以下ではロボット2上の基準点に固定された座標系(x', y', z')で記述された位置、速度、加速度および軌道を、それぞれ相対位置、相対速度、相対加速度および相対軌道と表現する。また、座標系(x', y', z')で記述されたZMPを相対ZMPと表現する。
また本実施例のロボット2は、片足接地相から両足接地相に切換わる際に、エンコーダ群320やセンサ群14によって計測される実際の重心速度と、入出力装置12を介してユーザーから与えられるユーザー指令値に応じて、それ以降の歩容データを再度生成して、記憶されている歩容データを更新する。ロボット2の動作中にユーザー指令値が新たに入力されると、そのユーザー指令値は制御部10に記憶されて、その後に行われる歩容データの更新において反映される。
図3は制御部10の機能の構成を示すブロック図である。制御部10はユーザー指令値記憶装置304と、歩容データ生成装置302と、歩容データ記憶装置308と、関節角目標値生成装置312と、アクチュエータ制御装置314と、重心速度計算装置316と、歩容データ更新装置310を備えている。
ロボット2の重心速度は、例えば加速度センサ322から出力される体幹4の加速度を積分して体幹4の速度を算出し、エンコーダ群320から出力されるロボット2の各関節の関節角からロボット2の重心と体幹4との位置関係の時間変化率を算出して、両者の和をとることによって計算することができる。計算された重心速度は、歩容データ更新装置310へ出力される。
(1)重心の高さ(鉛直方向位置)
(2)片足接地相の継続時間
(3)両足接地相の継続時間
(4)目標とする相対ZMP軌道
(5)目標とする角運動量の経時的データ
(6)動作の切替りにおける重心の水平方向速度
なお、本実施例のロボット2では、両足接地相に関しては、目標とする相対ZMP軌道を設定することなく重心の相対軌道を生成する。後に詳述するが、本実施例のロボット2では両足接地相においては重心が等速移動するように重心の相対軌道を生成する。重心が等速移動する場合、ロボット2が実現するZMPの位置は、重心の鉛直下方に維持される。従って、両足接地相において、ロボット2の重心が後方側で接地している脚リンクの接地位置から前方側で接地している脚リンクの接地位置に向けて移動する限り、ロボット2は転倒することなく動作を継続することができる。
本実施例のロボット2では、すべての動作区間において、ロール軸、ピッチ軸およびヨー軸まわりの角運動量は0となるように設定する。
重心の鉛直方向軌道はユーザー指令値として与えられる重心の高さから決定されている。目標とする相対ZMP軌道および目標とする角運動量の経時的データは、ユーザー指令値として与えられている。動作区間の開始時における重心の水平方向速度は、すでに生成されている区間k-1の重心軌道から、区間k-1の終了時における重心の水平方向速度を特定することで与えられる。接地相の終了時における重心の水平方向速度は、ユーザー指令値の動作の切替りにおける重心の水平方向速度として与えられている。ステップS410では、これらの条件を満足するように、重心の水平方向軌道を計算する。
上式のz'およびz'(2)は、ロボット2の支持脚の足平の基準点を原点とする重心の鉛直方向位置と鉛直方向加速度である。ロボット2の支持脚の足平は床に対して移動しないため、z'およびz'(2)は重心の鉛直方向軌道から特定することができる。本実施例では、すべての動作区間においてロボット2の重心の高さは一定であるから、重心の鉛直方向加速度z'(2)は0である。
上式のIx'ωx' (1)とIy'ωy' (1)は、ロボット2の回転慣性の影響を示す。本実施例では、すべての動作区間においてロール軸(x'軸)およびピッチ軸(y'軸)まわりの角運動量を0としており、Ix'ωx' (1)とIy'ωy' (1)は0である。
動作区間kの片足接地相の開始時の重心のx'方向速度vx'0は、分割時間幅Δtと、重心の位置x'0、x'1とを用いて、以下によって表現される。
次いで、すでに生成されている区間k-1の両足接地相における重心の相対軌道から、区間k-1の両足接地相の終了時における、後方側で接地している脚リンクの足平の基準点からの重心の相対位置(Δxb'、Δyb')を特定する。
そして、区間k-1の両足接地相の終了時における、前方側で接地している脚リンクの足平の基準点からの重心の相対位置(Δxf'、Δyf')と、後方側で接地している脚リンクの足平の基準点からの重心の相対位置(Δxb'、Δyb')の差をとることによって、後方側で接地している脚リンクの足平の基準点からの前方側で接地している脚リンクの足平の基準点の相対位置(sx、sy)を特定する。両足接地相においては何れの脚リンクの足平も床に対して移動しないから、上記のようにして特定される相対位置(sx、sy)は、区間k-1の片足接地相の終了時における支持脚の足平の基準点からの遊脚の足平の基準点の相対位置、すなわち遊脚の接地位置に相当する。
ステップS420では、最後の動作区間k = kmaxについて、遊脚の足先の相対軌道を生成する。ステップS420の処理は、ステップS414の処理と同様であるので、説明を省略する。
例えばロボット2の外部の床に固定された測距センサを用いてロボット2の代表点の位置を計測し、代表点と重心との相対的な位置関係を各関節の関節角から算出し、重心と代表点の相対位置と計測される代表点の位置とから重心の位置を算出し、その時間変化率を算出することによっても、重心の速度を知ることができる。また、GPS受信機を体幹4に搭載し、GPS受信機によって取得される位置と各関節の関節角から重心の位置を算出し、重心位置の経時的変化から重心速度を算出してもよい。
また、各関節の関節角の経時的変化のみを用いて直接的に重心速度を算出してもよい。
また上記とは異なり、ロボット2が動作区間mの片足接地相の動作を行っているときに、その動作区間mの遊脚の接地予定位置を更新する構成としてもよい。このような場合には、動作区間mの片足接地相においてロボットに予期せぬ外乱力が作用した場合であっても、その外乱力に応じて動作区間m+1以降の重心の相対軌道を更新し、その更新された重心の相対軌道に応じて動作区間mの遊脚の接地予定位置および遊脚の足先の相対軌道を更新することができる。ロボット2に作用する外乱力に速やかに対応して、安定な歩行動作に速やかに復帰することができる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
4・・・体幹
6・・・左脚リンク
8・・・右脚リンク
10・・・制御部
12・・・入出力装置
14・・・センサ群
302・・・歩容データ生成装置
304・・・ユーザー指令値記憶装置
308・・・歩容データ記憶装置
310・・・歩容データ更新装置
312・・・関節角目標値生成装置
314・・・アクチュエータ制御装置
316・・・重心速度計算装置
318・・・アクチュエータ群
320・・・エンコーダ群
322・・・加速度センサ
324・・・ジャイロセンサ
502、506・・・遊脚の接地位置
504・・・支持脚の接地位置
510・・・遊脚の足先の相対軌道
Claims (3)
- 体幹と、体幹に対して揺動可能に連結されている一対の脚リンクと、各々の脚リンクを体幹に対して独立に揺動させるアクチュエータ群と、アクチュエータ群を制御するコントローラを備えており、一方の脚リンクを支持脚として接地させながら他方の脚リンクを体幹に対して振り出して接地させる一連の動作を一対の脚リンクの間で支持脚を入れ替えながら交互に繰り返すことによって歩行するロボットであって、
前記コントローラは、支持脚として接地している一方の脚リンクの足先に対するロボットの相対重心軌道と当該一方の脚リンクの足先に対する他方の脚リンクの相対足先軌道が与えられたときに、アクチュエータ群を制御して与えられた相対重心軌道と相対足先軌道を実現するようにプログラムされており、
前記コントローラは、一方の脚リンクが接地してからその後に振り出す他方の脚リンクが接地するまでの間に、
(1)前記他方の脚リンクが接地してさらに前記一方の脚リンクを振り出した後にロボットが実現する予定の前記他方の脚リンクの足先に対する相対ZMP軌道が目標とする相対ZMP軌道に一致するように、ZMP方程式を離散化した三項方程式を求解して、前記一方の脚リンクを振り出した後のロボットの前記他方の脚リンクの足先に対する相対重心軌道を更新し、
(2)前記一方の脚リンクを振り出した後の前記他方の脚リンクの足先に対する更新された相対重心軌道の始端における重心の位置が、前記一方の脚リンクを振り出すまでの前記一方の脚リンクの足先に対する相対重心軌道の終端における重心の位置と一致するように、前記他方の脚リンクの接地予定位置を決定し、
(3)決定された接地予定位置に基づいて、前記他方の脚リンクが接地するまでの前記一方の脚リンクの足先に対する前記他方の脚リンクの相対足先軌道を更新することを特徴とするロボット。 - 両方の脚リンクが接地している期間における重心軌道の水平方向成分が等速軌道として与えられることを特徴とする請求項1のロボット。
- 体幹と、体幹に対して揺動可能に連結されている一対の脚リンクと、各々の脚リンクを体幹に対して独立に揺動させるアクチュエータ群と、アクチュエータ群を制御するコントローラを備えており、一方の脚リンクを支持脚として接地させながら他方の脚リンクを体幹に対して振り出して接地させる一連の動作を一対の脚リンクの間で支持脚を入れ替えながら交互に繰り返すことによって歩行するロボットの制御方法であって、前記コントローラは、支持脚として接地している一方の脚リンクの足先に対するロボットの相対重心軌道と当該一方の脚リンクの足先に対する他方の脚リンクの相対足先軌道が与えられたときに、アクチュエータ群を制御して与えられた相対重心軌道と相対足先軌道を実現するようにプログラムされており、その制御方法は、
一方の脚リンクが接地してからその後に振り出す他方の脚リンクが接地するまでの間に、以下の各工程、すなわち、
(1)前記他方の脚リンクが接地してさらに前記一方の脚リンクを振り出した後にロボットが実現する予定の前記他方の脚リンクの足先に対する相対ZMP軌道が目標とする相対ZMP軌道に一致するように、ZMP方程式を離散化した三項方程式を求解して、前記一方の脚リンクを振り出した後のロボットの前記他方の脚リンクの足先に対する相対重心軌道を更新する工程と、
(2)前記一方の脚リンクを振り出した後の前記他方の脚リンクの足先に対する更新された相対重心軌道の始端における重心の位置が、前記一方の脚リンクを振り出すまでの前記一方の脚リンクの足先に対する相対重心軌道の終端における重心の位置と一致するように、前記他方の脚リンクの接地予定位置を決定する工程と、
(3)決定された接地予定位置に基づいて、前記他方の脚リンクが接地するまでの前記一方の脚リンクの足先に対する前記他方の脚リンクの相対足先軌道を更新する工程と、
を実施することを特徴とするロボットの制御方法。
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