JP4951732B2 - 駆動方法、駆動制御装置及びロボット - Google Patents

Description

本発明は、複数の脚部の関節を周期的に駆動して周期運動を行うロボットの関節の駆動機構を制御する駆動方法、該制御方法を適用した駆動制御装置、及び前記駆動方法を適用したロボットに関し、特に一対の脚部を備える二足歩行ロボット等のロボットに関する歩行運動、足踏み運動等の周期運動を安定化させる駆動方法、駆動制御装置及びロボットに関する。

最近、人間の歩行形態を模した歩行を行う二足歩行ロボットの研究及び開発が様々な企業及び開発機関にて進められている（非特許文献１参照）。二足歩行ロボットが人間の歩行形態を模した歩行を行う場合、歩行時のバランスの制御が安定した歩行を行う上で必要となる。

二足歩行ロボットにおける歩行時のバランスの制御は、歩行時にロボットが床面から受ける反力、即ち床反力の中心をロボットが安定して歩行することができる位置となる様に、ロボットの上半身及び下半身を制御することにより行われる。具体的には、歩行するロボットが片足を上げてから着地するまで、床反力の中心が、接地している側の脚上に位置する様に上半身及び下半身を制御することにより、歩行時のバランスの制御が行われる。またロボットが転倒せずに滑らかに歩行するためには、歩行時のロボットの加速度及び脚の動きを同期させる必要がある。そこでロボットの脚が着地する都度、着地した側の脚の動きとロボットの加速度を同期させて、次の歩行運動に繋げている。
Gen Endo（遠藤玄）、他２名、「Experimental Studies of a Neural Oscillator for Biped Locomotion with QRIO」IEEE International Conference on Robotics and Automation、スペイン、２００５年４月、ｐ．５９８−６０４

しかしながら従来の二足歩行ロボットにおける歩行時の制御は、床反力の中心が所望の位置となる様にロボットを制御するため、複雑な計算を要するという問題がある。特に形状、大きさ、質量分布、速度、加速度等のロボットに関する各種因子、及び摩擦係数、段差、角度等のロボットが歩行する床面に関する各種因子が異なる都度、歩行時の制御のための複雑な計算を必要とするため計算コストが膨大になるという問題がある。

また床反力の中心が所望の位置となる様に腰位置を逆運動学にて制御する従来の方法では、逆運動学演算での特異点を回避するため脚の膝関節を折り曲げた状態での歩行となるため、歩行状態の外見が不自然になるという問題がある。しかも膝関節を折り曲げた状態では、各関節を駆動するモータに多大な負荷が掛かるため、耐久力及び動力コストが増大するという問題がある。

さらにロボットの脚の着地時に同期を行う場合には、同期のタイミングが断続的になるため、同期に係る計算結果が離散的になり、歩行全般を通じての滑らかな歩行運動が困難であるという問題がある。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、歩行等の運動中のロボットが床から受ける床反力の中心位置及び該中心位置の変化を導出し、導出した中心位置及び該中心位置の変化からロボットの力学系要素の周期運動に係る位相を算出し、算出したロボットの力学系要素の位相に基づいてロボットの周期運動を制御する制御系要素の位相を算出し、算出した制御系要素の位相に基づいて関節の角度の目標値を算出して制御することにより、歩行時の計算コストを削減し、外見上の歩行運動を自然で滑らかなものとし、モータへの負荷を軽減することが可能な駆動方法、該駆動方法を適用した駆動制御装置、及び前記駆動方法を適用したロボットの提供を目的とする。

本発明に係る駆動方法は、複数の脚部の関節を周期的に駆動して周期運動を行うロボットの関節の駆動方法において、ロボットが接地部から受ける反力の中心位置及び該中心位置の時間当たりの変化量を導出し、導出した前記中心位置に対する該中心位置の時間当たりの変化量の比からロボットの力学系要素の周期運動に係る位相を算出し、算出したロボットの力学系要素の位相に基づいてロボットの周期運動を制御する制御系要素の位相を算出し、該制御系要素の位相の算出に際し、前記力学系要素の位相に前記制御系要素の位相を同期させるための前記制御系要素の位相の時間微分を算出し、前記位相の時間微分を積分して、前記制御系要素の位相を算出し、算出した前記制御系要素の位相に基づいて関節の角度の目標値を算出し、算出した前記角度の目標値に基づいて関節を駆動することを特徴とする。

本発明では、ロボットが歩行、足踏み等の運動中に導出した床反力の中心位置等の変数に基づいて、脚部の関節の角度の駆動目標値を算出することにより、運動中の床反力の中心位置及び中心位置の変化に脚部の動きを同期させることができるので、形状、大きさ、質量分布、速度、加速度等のロボットに関する各種因子、及び摩擦係数、段差、角度等のロボットが歩行する床面に関する各種因子による影響を吸収する。また床反力の中心位置を制御する際に、逆運動学を用いないため、特異点は問題とならず、ロボットの関節を伸ばすことが可能である。さらに運動中連続して同期処理が行われるので、滑らかな運動を行うことが可能である。

本発明に係る駆動制御装置は、複数の脚部の関節を周期的に駆動して周期運動を行うロボットの関節の駆動機構を制御する駆動制御装置において、ロボットが接地部から受ける反力の中心位置及び該中心位置の時間当たりの変化量を導出する手段と、導出した前記中心位置に対する該中心位置の時間当たりの変化量の比からロボットの力学系要素の周期運動に係る位相を算出する手段と、算出したロボットの力学系要素の位相に基づいてロボットの周期運動を制御する制御系要素の位相を算出する手段とを備え、該制御系要素の位相を算出する手段は、前記力学系要素の位相に前記制御系要素の位相を同期させるための前記制御系要素の位相の時間微分を算出する手段と、前記位相の時間微分を積分して、前記制御系要素の位相を算出する手段とを含み、更に、算出した前記制御系要素の位相に基づいて関節の角度の目標値を算出する手段と、算出した前記角度の目標値を制御目標値として駆動機構に出力する手段とを備えることを特徴とする。

本発明では、ロボットが歩行、足踏み等の運動中に導出した床反力の中心位置等の変数に基づいて、脚部の関節の角度の駆動目標値を算出することにより、運動中の床反力の中心位置及び中心位置の変化に脚部の動きを同期させることができるので、形状、大きさ、質量分布、速度、加速度等のロボットに関する各種因子、及び摩擦係数、段差、角度等のロボットが歩行する床面に関する各種因子による影響を吸収する。また床反力の中心位置を制御する際に、逆運動学を用いないため、特異点は問題とならず、ロボットの関節を伸ばすことが可能である。さらに運動中連続して同期処理が行われるので、滑らかな運動を行うことが可能である。

本発明に係るロボットは、複数の脚部を備え、該脚部の関節を周期的に駆動して周期運動を行うロボットにおいて、接地部から受ける反力の中心位置及び該中心位置の時間当たりの変化量を導出する導出手段と、導出した前記中心位置に対する該中心位置の時間当たりの変化量の比から自らの力学系要素の周期運動に係る位相を算出する手段と、自らの力学系要素の位相に基づいて周期運動を制御する制御系要素の位相を算出する位相算出手段とを備え、該位相算出手段は、前記力学系要素の位相に前記制御系要素の位相を同期させるための前記制御系要素の位相の時間微分を算出する手段と、前記位相の時間微分を積分して、前記制御系要素の位相を算出する手段とを含み、更に、算出した前記制御系要素の位相に基づいて関節の角度の目標値を算出する角度算出手段と、算出した前記角度の目標値に基づいて関節を駆動する駆動手段とを備えることを特徴とする。

本発明では、運動中に導出した床反力の中心位置等の変数に基づいて、脚部の関節の角度の駆動目標値を算出することにより、運動中の床反力の中心位置及び中心位置の変化に脚部の動きを同期させることができるので、形状、大きさ、質量分布、速度、加速度等の自身の設計に関する各種因子、及び摩擦係数、段差、角度等の床面に関する各種因子による影響を吸収する。また床反力の中心位置を制御する際に、逆運動学を用いないため、特異点は問題とならず、関節を伸ばすことが可能である。さらに運動中連続して同期処理が行われるので、滑らかな運動を行うことが可能である。

本発明に係るロボットは、前記脚部は、腰関節、膝関節及び足首関節を備え、前記駆動手段は、腰関節駆動手段、膝関節駆動手段及び足首関節駆動手段を備え、前記角度算出手段は、前記腰関節駆動手段、前記膝関節駆動手段及び前記足首関節駆動手段に共通に前記制御系要素の位相を使用して、前記腰関節駆動手段、前記膝関節駆動手段及び前記足首関節駆動手段の夫々に対する関節の角度の目標値を算出する様に構成してあることを特徴とする。

本発明では、三点の関節を駆動する運動に適用することにより、人間の歩行形態を模すことが可能である。

本発明に係るロボットは、前記角度算出手段は、前記制御に係る位相を変数とする正弦関数に基づいて関節の角度の目標値を算出する様に構成してあることを特徴とする。

本発明では、連続関数である正弦関数を用いることにより、滑らかな運動を実現し、また汎用的な計算回路を用いることが可能となる。

本発明に係るロボットは、前記脚部の関節を駆動して行う周期運動は、歩行運動又は足踏み運動であって、前記角度算出手段は、前記足踏み運動の制御を行う場合に、前記制御系要素の位相を変数とする第１の正弦関数に基づいて、前記腰関節駆動手段に対する関節の前後の角度の目標値、前記制御系要素の位相を変数とする第２の正弦関数に基づいて、前記膝関節駆動手段に対する関節の前後の角度の目標値、及び、前記制御系要素の位相を変数とする第３の正弦関数に基づいて、前記足首関節駆動手段に対する関節の前後の目標値を算出する様に構成してあり、前記歩行運動の制御を行う場合に、前記制御系要素の位相を変数とする前記第１の正弦関数に前記制御系要素の位相とπ／２だけずれた位相を変数とする第４の正弦関数を追加して、前記腰関節駆動手段に対する関節の前後の角度の目標値、及び、前記制御系要素の位相を変数とする前記第３の正弦関数に前記制御系要素の位相とπ／２だけずれた位相を変数とする第５の正弦関数を追加して、前記足首関節駆動手段に対する関節の前後の角度の目標値を算出する様に構成してあることを特徴とする。

本発明では、歩行運動及び足踏み運動に適用することが可能である。

本発明に係るロボットは、前記脚部に対する荷重を検出する手段を更に備え、前記導出手段は、検出した荷重に基づいて中心位置を導出する様に構成してあることを特徴とする。

本発明では、脚部に対する荷重に基づいて、床反力の中心位置を導出することにより、実時間で容易に床反力の中心位置を導出することが可能である。

本発明に係るロボットは、前記時間微分を算出する手段は、前記制御系要素に固有の角振動数と、前記力学系要素の位相及び前記制御系要素の位相の差を変数とする正弦関数との和を用いて前記時間微分を算出する様に構成してあることを特徴とする。

本発明では、正弦関数に基づいて算出することにより、汎用的な計算回路を用いることが可能であり、しかも連続関数であるので滑らかな動きを実現することが可能である。

本発明に係る駆動方法、駆動制御装置及びロボットは、複数の脚部を備えるロボットが、歩行運動、足踏み運動等の周期運動を行う場合に、脚部の接地部から受ける床反力の中心位置及び該中心位置の変化を、例えば脚部に対する荷重に基づいて導出し、導出した中心位置及び該中心位置の変化からロボットの力学系要素の周期運動に係る位相を算出し、算出したロボットの力学系要素の位相に基づいてロボットの周期運動を制御する制御系要素の位相を算出し、算出した制御系要素の位相に基づいて脚部が有する腰関節、膝関節、足首関節等の関節の角度の目標値を算出して制御する。

この構成により、本発明では、運動中の床反力の中心位置の変化等の力学系要素に、脚部の動き等の制御系要素を同期させて周期運動時のロボットの力学系要素及び制御系要素のバランスをとり安定化させることができるので、形状、大きさ、質量、質量分布、速度、加速度等のロボットに関する各種因子、及び摩擦係数、段差、角度等のロボットが歩行する床面に関する各種因子による影響を吸収する。従ってロボットの設計及び床面に関する因子に応じた複雑な計算を都度行う必要がないので、計算コストを低減することが可能である等、優れた効果を奏する。しかも本発明では、歩行により因子が異なる床面を通る場合でも、その床面による影響を吸収し、様々な床面に自律的に対応して安定した歩行を実現することが可能である等、優れた効果を奏する。

また本発明では、床反力の中心位置を制御する際に、逆運動学を用いないため、特異点は問題とならず、ロボットの関節を伸ばすことができ、従って外見上自然な歩行を実現することが可能である等、優れた効果を奏する。また本発明では、ロボットの関節を伸ばすことができるので、各関節を駆動するモータの負荷を軽減し、モータの耐久力を向上させ、動力コストを低減することが可能である等、優れた効果を奏する。

さらに本発明では、運動中連続して同期処理が行われるので、特に同期に要する計算に正弦関数、線形関数等の連続関数を用いた場合には、滑らかな運動を行うことが可能である等、優れた効果を奏する。また正弦関数による計算は、汎用的な計算回路にて実現することが可能であるので、設計及び生産コストを低減することが可能である等、優れた効果を奏する。

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。図１は、本発明のロボットを示す外観図であり、図２は、本発明のロボットの骨格及び関節を模式的に示すブロック図である。図１及び図２中１は、ロボットであり、ロボット１は、一対の脚部２，２を左右に備え、脚部２，２を周期的に駆動させることにより、歩行運動、足踏み運動等の周期運動を行う二足歩行ロボットである。

ロボット１の左右の脚部２，２は、夫々腰関節、膝関節及び足首関節として機能するサーボモータを用いた腰関節駆動機構３，３、膝関節駆動機構４，４及び足首関節駆動機構５，５を備えている。腰関節駆動機構３は、腰関節を左右に揺動させる腰関節左右モータ３ａ及び腰関節を前後に揺動させる腰関節前後モータ３ｂを有している。膝関節駆動機構４は、膝関節を前後に揺動させる膝関節前後モータ４ａを有している。足首関節駆動機構５は、足首関節を左右に揺動させる足首関節左右モータ５ａ及び足首関節を前後に揺動させる足首関節前後モータ５ｂを有している。

図３は、本発明のロボット１の構成を示すブロック図である。ロボット１は、腰関節駆動機構３，３、膝関節駆動機構４，４及び足首関節駆動機構５，５を制御する駆動制御装置６を備えている。駆動制御装置６は、ＣＰＵ等の制御手段６０、制御に要するプログラム及びデータ等の情報を記録するＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ハードディスク等の記録手段６１、プログラムの実行により発生するデータを一時的に記憶するＲＡＭ等の記憶手段６２、他の機構からの信号の入力を受け付ける入力手段６３、及び他の機構へ信号を出力する出力手段６４を備えている。なお制御部６０は、特定の計算に対する高速化を目的とするコプロセッサを有している。

駆動制御装置６が、腰関節駆動機構３，３、膝関節駆動機構４，４及び足首関節駆動機構５，５へ出力する信号とは、例えば各モータに対する目標角度を示す制御信号である。また駆動制御装置６が、腰関節駆動機構３，３、膝関節駆動機構４，４及び足首関節駆動機構５，５から入力を受け付ける信号とは、例えば各モータの角度等の状態を示すフィードバック信号である。各関節に係る機構が備える夫々のモータは、駆動制御装置６から入力された目標角度等の制御信号に基づいて作動し、また角度を検出してフィードバック信号として駆動制御装置６へ出力する。

さらにロボット１の各脚部２，２は、接地面に掛かる荷重を、床面からの反力、即ち床反力として検出する床反力検出機構７，７を夫々備えており、各床反力検出機構７，７が検出した床反力は、駆動制御装置６へ出力される。

次に本発明のロボット１の周期運動の制御について説明する。本発明のロボット１は、周期運動時に床反力検出機構７，７にて左右の脚部２，２の接地面に掛かる荷重を床反力として検出する。駆動制御装置６は、検出した左右の床反力から床反力中心点及び床反力中心点の時間当たりの変化量を導出する。

図４は、本発明のロボット１に係る床反力中心点を模式的に示す説明図である。図４は、ロボット１を正面から見た状態を模式的に示しており、図４中ＣＯＭ(Center of Mass)が、ロボット１の重心であり、図４中ＣＯＰ(Center of Pressure)が床反力中心点を示している。図４（ａ）は、ロボット１が直立している状態を正面から示し、図４（ｂ）は、ロボット１が右側（図に向かって左側）に傾いた状態を示し、図４（ｃ）は、ロボット１の左側の脚部２が床から離れ、右側の脚部２のみで全体を支持している状態を示している。図４において、床反力中心点ＣＯＰは、直立時の位置を０とし、ロボット１にとっての左側を正方向とする１次元の座標ｘにより示される。

図４（ａ）に示す直立状態において、重心ＣＯＭは両脚部２，２の中間に位置し、床反力中心点ＣＯＰの位置の座標は０である。図４（ｂ）に示す様にロボット１が右側に傾くと、床反力中心点ＣＯＰの位置の座標は、負方向に変化する。更に図４（ｃ）に示す様にロボット１の左側の脚部２が床から離れた場合、ロボット１の全重量は、接地している右側の脚部２に掛かり、また床反力中心点ＣＯＰの位置は、右側の脚部２の荷重が掛かる接地位置、例えば足首又は踵の位置となる。

この様な床反力中心点ＣＯＰの座標ｘは、床反力検出機構７，７が検出した夫々の荷重に基づく下記の式１にて導出することができる。

ｘ＝（ｘ^l _foot・Ｆ^l _z ＋ｘ^r _foot・Ｆ^r _z ）／（Ｆ^r _z ＋Ｆ^l _z ） …式１
但し、ｘ：床反力中心点の座標
ｘ^l _foot：ロボット１の左側脚部２の接地位置のｘ座標
ｘ^r _foot：ロボット１の右側脚部２の接地位置のｘ座標
Ｆ^l _z ：ロボット１の左側脚部２に対する接地面からの荷重
Ｆ^r _z ：ロボット１の左側脚部２に対する接地面からの荷重

またロボット１が備える駆動制御装置６は、床反力中心点のｘ座標を連続して導出した結果から床反力中心点の座標ｘの時間当たりの変化量を導出する。さらにロボット１が備える駆動制御装置６は、導出した床反力中心点及び床反力中心点の変化量から、下記の式２により、各種固有振動等のロボット１に関する重心の高さ、質量、慣性等の力学系要素の周期運動に係る位相を算出する。

φ_r （ｘ）＝−ａｒｃｔａｎ｛（ｄｘ／ｄｔ）／ｘ｝ …式２
但し、φ_r （）：ロボット１の力学系要素の周期運動に係る位相を示す関数
ｄｘ／ｄｔ：床反力中心点の座標ｘの時間当たりの変化量

式２を用いて算出したロボット１の力学系要素の位相φ_r は、下記の式３の等式にて示す様に、駆動制御装置６等の制御系要素の各種固有振動等の周期運動に係る位相を示す内部変数である。

ｄφ_c ／ｄｔ＝ω_c ＋Ｋ_c ｓｉｎ（φ_r −φ_c ） …式３
但し、φ_c ：駆動制御装置６の位相
ｄφ_c ／ｄｔ：駆動制御装置６の位相の時間当たりの変化量
ω_c ：駆動制御装置６の周期運動に係る角振動数
Ｋ_c ：駆動制御装置６の正の結合係数

式３において、駆動制御装置６の角振動数ω_c は、予め与えられている変数であり、駆動制御装置６の固有の角振動数である。正の結合係数Ｋ_c は、予め与えられている定数である。式３は、ロボット１の位相φ_r に駆動制御装置６の位相φ_c を同期させるための駆動制御装置６の位相の変化量ｄφ_c ／ｄｔを算出することを示している。そして式３の等式から得られる駆動制御装置６の位相の変化量ｄφ_c ／ｄｔを数値積分することにより、駆動制御装置６の周期運動に係る位相φ_c を算出する。算出した位相φ_c は、ロボット１の周期運動に係る各関節のモータに対する制御の目標角度の算出に用いられる。

図５は、本発明のロボット１の周期運動時の脚部２の状態を模式的に示す説明図である。図５は、周期運動として足踏み運動を行う場合の脚部の状態を示しており、図５（ａ）が、ロボット１を正面から見た状態を模式的に示しており、図５（ｂ）がロボット１を右側面から見た状態を模式的に示している。

図５（ａ）は、足踏み運動に係るロボット１の横方向の揺動動作を示しており、左右の脚部２，２の腰関節左右モータ３ａ，３ａがθ_{hip_r} の角度で揺動し、足首関節左右モータ５ａ，５ａが−θ_{ankle_r} の角度で揺動した状態を示している。図５（ｂ）は、足踏み運動において右側の脚部２に対する遊離期生成のための揺動動作を示しており、右側の脚部２の腰関節前後モータ３ｂが−θ_{hip_p} の角度で揺動し、膝関節前後モータ４ａがθ_{knee_p}の角度で揺動し、そして足首関節前後モータ５ｂがθ_{ankle_p} の角度で揺動した状態を示している。

足踏み運動において、図５（ａ）に示した腰関節左右モータ３ａの角度θ_{hip_r} の制御の目標値及び足首関節左右モータ５ａの角度θ_{ankle_r} の制御の目標値は、式３を用いて算出された駆動制御装置６の周期運動に係る位相φ_c に基づいて下記の式４及び式５から、駆動制御装置６により算出される。

θ^d _{hip_r} （φ_c ）＝Ａ_{hip_r} ｓｉｎ（φ_c ） …式４
θ^d _{ankle_r} （φ_c ）＝−Ａ_{ankle_r} ｓｉｎ（φ_c ） …式５
但し、θ_{hip_r} : 腰関節左右モータ３ａの角度の目標値
θ^d _{hip_r} （）：腰関節左右モータ３ａの角度θ_{hip_r} の目標値を示す関数
Ａ_{hip_r} ：周期運動において腰関節左右モータ３ａの正弦関数に対して予め設定されている振幅
θ^d _{ankle_r} ：足首関節左右モータ５ａの角度θ_{ankle_r} の目標値
θ^d _{ankle_r} （）：足首関節左右モータ５ａの角度θ_{ankle_r} の目標値を示す関数
Ａ_{ankle_r} ：足踏み運動において足首関節左右モータ５ａの正弦関数に対して予め設定されている振幅

式４にて算出された腰関節左右モータ３ａの角度θ_{hip_r} の目標値及び式５にて算出された足首関節左右モータ５ａの角度θ_{ankle_r} の目標値は、夫々駆動制御装置６から腰関節駆動機構３，３及び足首関節駆動機構５，５へ出力され、腰関節駆動機構３及び足首関節駆動機構５では、入力を受け付けた角度θ_{hip_r} の目標値及び角度θ_{ankle_r} の目標値に基づいて、夫々腰関節左右モータ３ａ及び足首関節左右モータ５ａを制御して腰関節及び足首関節を駆動する。

また図５（ｂ）に示した右側の脚部２の腰関節前後モータ３ｂの角度θ_{hip_p} の制御の目標値、膝関節前後モータ４ａの角度θ_{knee_p}の目標値及び足首関節前後モータ５ｂの角度θ_{ankle_p} の制御の目標値は、式３を用いて算出された駆動制御装置６の周期運動に係る位相φ_c に基づいて下記の式６、式７及び式８から、駆動制御装置６により算出される。

θ^d _{hip_p} （φ_c ）＝Ａ_p ｓｉｎ（φ_c ）＋θ^res _{hip_p} …式６
θ^d _{knee_p}（φ_c ）＝−２Ａ_p ｓｉｎ（φ_c ）＋θ^res _{knee_p} …式７
θ^d _{ankle_p} （φ_c ）＝Ａ_p ｓｉｎ（φ_c ）＋θ^res _{ankle_p} …式８
但し、θ^d _{hip_p} ：腰関節前後モータ３ｂの角度θ_{hip_p} の目標値
θ^d _{hip_p} （）：腰関節前後モータ３ｂの角度θ_{hip_p} の目標値を示す関数
Ａ_p ：周期運動において正弦関数に対して予め設定されている振幅
θ^res _{hip_p} ：腰関節前後モータ３ｂの角度に関する補正値
θ^d _{knee_p}：膝関節前後モータ４ａの角度θ_{knee_p}の目標値
θ^d _{knee_p}（）：膝関節前後モータ４ａの角度θ_{knee_p}の目標値を示す関数
θ^res _{knee_p}：膝関節前後モータ４ａの角度に関する補正値
θ^d _{ankle_p} （）：足首関節前後モータ５ｂの角度θ_{ankle_p} の目標値を示す関数
θ^d _{ankle_p} ：足首関節前後モータ５ｂの角度θ_{ankle_p} の目標値
θ^res _{ankle_p} ：足首関節前後モータ５ｂの角度に関する補正値

式６乃至式８では、ロボット１が周期運動等の運動を行わず静止して待機している安定した状態、即ちロボット１の基準姿勢を補正値θ^res _{hip_p} 、θ^res _{knee_p}及びθ^res _{ankle_p} で表し、その基準姿勢からの相対変位として運動を記述している。

そして式６にて算出された腰関節前後モータ３ｂの角度θ_{hip_p} の目標値は、駆動制御装置６から右側の脚部２の腰関節駆動機構３へ出力され、腰関節駆動機構３では、入力を受け付けた角度θ_{hip_p} の目標値に基づいて、腰関節前後モータ３ｂを制御して腰関節を駆動する。なお左側の脚部２の腰関節前後モータ３ｂの角度θ_{hip_p} の目標値は、式６に位相φ_c とπ[rad] の差がある位相φ_cL（＝φ_c ＋π）を用いて算出される。

また式７にて算出された膝関節前後モータ４ａの角度θ_{knee_p}の目標値は、駆動制御装置６から右側の脚部２の膝関節駆動機構４へ出力され、膝関節駆動機構４では、入力を受け付けた角度θ_{knee_p}の目標値に基づいて、膝関節前後モータ４ａを制御して膝関節を駆動する。なお左側の脚部２の膝関節前後モータ４ａの角度θ_{knee_p} の目標値は、式７に位相φ_c とπ[rad] の差がある位相φ_cL（＝φ_c ＋π）を用いて算出される。

さらに式８にて算出された足首関節前後モータ５ｂの角度θ_{ankle_p} の目標値は、駆動制御装置６から右側の脚部２の足首関節駆動機構６へ出力され、足首関節駆動機構６では、入力を受け付けた角度θ_{ankle_p} の目標値に基づいて、足首関節前後モータ５ｂを制御して足首関節を駆動する。なお左側の脚部２の足首関節前後モータ５ｂの角度θ_{ankle_p} の目標値は、式８に位相φ_c とπ[rad] の差がある位相φ_cL（＝φ_c ＋π）を用いて算出される。

本発明に係るロボット１は、上述した式４乃至式８を用いて各関節の角度の目標値を算出し、目標値に基づいて各関節のモータを制御することにより、ロボット１の力学系の位相に対し制御に係る位相を同期させることができるので安定した足踏み運動を行う。

さらに本発明のロボット１は、前述した足踏み運動から歩幅を考慮して、腰関節前後モータ３ｂの角度θ_{hip_p} の制御の目標値及び足首関節前後モータ５ｂの角度θ_{ankle_p} の制御の目標値を算出することにより、周期運動として歩行運動を行う場合の各モータの角度の目標値を算出することができる。

歩行運動において、右側の脚部２の腰関節前後モータ３ｂの角度θ_{hip_p} の制御の目標値及び足首関節前後モータ５ｂの角度θ_{ankle_p} の制御の目標値は、式３を用いて算出された駆動制御装置６の周期運動の制御に係る位相φ_c に基づいて下記の式９及び式１０から、駆動制御装置６により算出される。

θ^d _{hip_p} ＝Ａ_p ｓｉｎ（φ_c1）＋Ａ_{hip_s} ｓｉｎ（φ_c2）＋θ^res _{hip_p} …式９
θ^d _{ankle_p} ＝−Ａ_p ｓｉｎ（φ_c1）−Ａ_{hip_s} ｓｉｎ（φ_c2）＋θ^res _{ankle_p} …式１０
但し、Ａ_{hip_s} ：歩行運動において正弦関数に対して予め設定されている振幅
Ａ_{ankle_s} ：歩行運動において正弦関数に対して予め設定されている振幅

なお式９及び式１０においては、φ_c ＝φ_c1＝φ_c2＋π／２[rad] の関係がある。即ちφ_c1及びφ_c2は、π／２[rad] の位相差を有する。式９は、足踏み運動の式６に右辺の第２項を追加した式であり、式１０は、足踏み運動の式８に右辺の第２項を追加した式である。なお左側の脚部２の腰関節前後モータ３ｂの角度θ_{hip_p} の目標値は、式９に位相φ_c1とπ[rad] の差がある位相φ_c1L （＝φ_c1＋π）及び位相φ_c2とπ[rad] の差がある位相φ_c2L （＝φ_c2＋π）を用いて算出される。また左側の脚部２の足首関節前後モータ５ｂの角度θ_{ankle_p} の目標値は、式１０に位相φ_c1とπ[rad] の差がある位相φ_c1L （＝φ_c1＋π）及び位相φ_c2とπ[rad] の差がある位相φ_c2L （＝φ_c2＋π）を用いて算出される。

本発明に係るロボット１は、上述した式４乃至式６、式７、並びに式９及び式１０を用いて各関節の角度の目標値を算出し、目標値に基づいて各関節のモータを制御することにより、ロボットの力学系の位相に制御に係る位相を同期させることができるので安定した歩行運動を行う。

図６は、本発明のロボット１の周期運動処理を示すフローチャートである。前述した様に本発明に係るロボット１は、床反力検出機構７，７にて脚部２，２の接地面に対する荷重を床反力として検出し（ステップＳ１）、駆動制御装置６により、検出した加重から床反力中心点の位置及び床反力中心点の変化量を導出する（ステップＳ２）。またロボット１は、各関節機構にて各モータの角度を検出する（ステップＳ３）。

ロボット１は、導出した床反力中心点の位置及び床反力中心点の変化量から力学系要素の周期運動に係る位相を算出し（ステップＳ４）、算出した力学系要素の位相に基づいて制御系要素の位相を算出し（ステップＳ５）、算出した制御系要素の位相及び検出したモータの角度に基づいて各関節の角度の目標値を算出する（ステップＳ６）。

そしてロボット１は、算出した各関節の角度の目標値に基づいて関節を駆動する（ステップＳ７）。

次に本発明のロボットに関する実験結果について説明する。図７は、ロボットの周期運動時における床反力中心点の経時変化を示すグラフである。図７は、床反力中心点の座標を縦軸にとって、ロボットの足踏み運動時の床反力中心点の経時変化を示している。なお縦軸の座標は、ロボットが直立した時の床反力中心点の座標を基準となる０とし、ロボットの左側を正方向として、基準からの距離を示したものである。図７（ａ）は、本発明の駆動方法を適用していないロボットに関する実験結果であり、図７（ｂ）は、本発明の駆動方法を適用したロボットに関する実験結果である。実験には、身長１．５９[m] 、総重量２０[kg] のロボットを用い、本発明の駆動方法の適用に際しては、Ａ_{hip_r} ＝３．０[deg] 、Ａ_{ankle_r} ＝３．０[deg] 、Ａ_p ＝３．５[deg] 及びＫ_c ＝９．４を定数として設定し、角振動数ω_c ＝３．６[rad/sec] の条件で実験を行った。

本発明の駆動方法を適用していない図７（ａ）では、床反力中心点が不規則に推移しているが、本発明の駆動方法を適用した図７（ｂ）では、床反力中心点が一定の周期で規則正しく推移している。従って本発明の駆動方法を適用することにより、ロボットの力学系要素の周期的な挙動の制御が可能であると言える。

図８は、ロボットの周期運動時における腰関節左右モータの角度の経時変化を示すグラフである。なお縦軸の座標は、ロボットが直立した時の腰関節左右モータの角度を基準となる０とし、ロボットが左側に傾いた場合を正方向として、基準からの角度を示したものである。また実線は、角度の目標値を示し、破線は、実際の角度の検出値を示している。図８（ａ）は、本発明の駆動方法を適用していないロボットに関する実験結果であり、図８（ｂ）は、本発明の駆動方法を適用したロボットに関する実験結果である。なお実験の条件となる設定値は、図７を用いて示した設定と同様である。

腰関節左右モータの角度が図８（ａ）に示す周期で動作するロボットに対して、本発明の駆動方法を適用して腰関節左右モータの位相を制御することにより、図８（ｂ）に示す様に腰関節左右モータの周期が変化する。図８（ｂ）に示す腰関節左右モータの周期は、図７（ｂ）に示す床反力中心点の周期とほぼ一致することから、本発明の駆動方法を適用することにより、ロボットの力学系要素に係る位相に、制御系要素に係る位相を同期させたと言える。

図９は、ロボットの周期運動時における腰関節左右モータの角度の経時変化を示すグラフである。図９は、図８に示した実験から、角振動数をω_c ＝３．６[rad/sec] とする様に条件変更して行った実験の結果である。なお図９（ａ）は、本発明の駆動方法を適用していないロボットに関する実験結果であり、図９（ｂ）は、本発明の駆動方法を適用したロボットに関する実験結果である。

腰関節左右モータの角度が図９（ａ）に示す周期で動作するロボットに対して、本発明の駆動方法を適用して腰関節左右モータの位相を制御することにより、図９（ｂ）に示す様に腰関節左右モータの周期が変化する。図９（ｂ）に示す腰関節左右モータの周期は、図８（ｂ）に示す腰関節左右モータの周期とほぼ一致することから、本発明の駆動方法を適用することにより、制御系要素の初期条件を変更した場合においても、ロボットの力学系要素に係る位相に、制御系要素の位相を同期させたと言える。

また上述した実験以外にも本発明の駆動方法を適用した本発明のロボットの歩行運動の実験を行った結果、段差がある床面を歩行する場合でもバランスを崩すことなく歩行することができた。床面に段差がある場合、遊離期の時間に変化が生じることになるが、本発明のロボットは、遊離期の変化に伴う力学系要素の位相の変化に、制御系要素の位相を自律的に同期させることにより、安定した歩行運動を行ったと言える。

さらに連続するプラスチック製の床面、ゴム製の床面及び金属製の床面を歩行させる実験を行った結果、材質、即ち摩擦係数が変化する床面を歩行する場合でもバランスを崩すことなく歩行することができた。これは床面の摩擦係数の変化に対しても制御系要素の位相を調整することで、安定した歩行運動を行った結果であると言える。

また本発明のロボットの歩行実験においては、膝関節等の関節を伸ばした状態での歩行運動を実現した。

前記実施の形態では、前後に揺動する３の関節及び左右に揺動する２の関節を有するロボットについて説明したが、本発明はこれに限らず、関節の方向及び数は任意に設定することが可能であり、また振幅等の設定値についても任意に設定することで様々な歩幅、速度及び姿勢の歩行を実現することが可能である。

また前記実施の形態では、１対、即ち２本の脚部を有するロボットについて説明したが、本発明はこれに限らず、４本、６本等の多数の脚部を有するロボットに適用することが可能である。例えば４本の脚部を有するロボットに適用した場合、対角脚同士を対になる脚部と見なして仮想的な二足歩行ロボットと捉え、本発明を適用することも可能である。

本発明のロボットを示す外観図である。 本発明のロボットの骨格及び関節を模式的に示すブロック図である。 本発明のロボットの構成を示すブロック図である。 本発明のロボットに係る床反力中心点を模式的に示す説明図である。 本発明のロボットの周期運動時の脚部の状態を模式的に示す説明図である。 本発明のロボットの周期運動処理を示すフローチャートである。 ロボットの周期運動時における床反力中心点の経時変化を示すグラフである。 ロボットの周期運動時における腰関節左右モータの角度の経時変化を示すグラフである。 ロボットの周期運動時における腰関節左右モータの角度の経時変化を示すグラフである。

符号の説明

１ ロボット
２ 脚部
３ 腰関節駆動機構
３ａ 腰関節左右モータ
３ｂ 腰関節前後モータ
４ 膝関節駆動機構
４ａ 膝関節前後モータ
５ 足首関節駆動機構
５ａ 足首関節左右モータ
５ｂ 足首関節前後モータ
６ 駆動制御装置
７ 床反力検出機構

Claims (8)

1. 複数の脚部の関節を周期的に駆動して周期運動を行うロボットの関節の駆動方法において、
   ロボットが接地部から受ける反力の中心位置及び該中心位置の時間当たりの変化量を導出し、
   導出した前記中心位置に対する該中心位置の時間当たりの変化量の比からロボットの力学系要素の周期運動に係る位相を算出し、
   算出したロボットの力学系要素の位相に基づいてロボットの周期運動を制御する制御系要素の位相を算出し、
   該制御系要素の位相の算出に際し、
   前記力学系要素の位相に前記制御系要素の位相を同期させるための前記制御系要素の位相の時間微分を算出し、
   前記位相の時間微分を積分して、前記制御系要素の位相を算出し、
   算出した前記制御系要素の位相に基づいて関節の角度の目標値を算出し、
   算出した前記角度の目標値に基づいて関節を駆動する
   ことを特徴とする駆動方法。
2. 複数の脚部の関節を周期的に駆動して周期運動を行うロボットの関節の駆動機構を制御する駆動制御装置において、
   ロボットが接地部から受ける反力の中心位置及び該中心位置の時間当たりの変化量を導出する手段と、
   導出した前記中心位置に対する該中心位置の時間当たりの変化量の比からロボットの力学系要素の周期運動に係る位相を算出する手段と、
   算出したロボットの力学系要素の位相に基づいてロボットの周期運動を制御する制御系要素の位相を算出する手段と
   を備え、
   該制御系要素の位相を算出する手段は、
   前記力学系要素の位相に前記制御系要素の位相を同期させるための前記制御系要素の位相の時間微分を算出する手段と、
   前記位相の時間微分を積分して、前記制御系要素の位相を算出する手段と
   を含み、
   更に、
   算出した前記制御系要素の位相に基づいて関節の角度の目標値を算出する手段と、
   算出した前記角度の目標値を制御目標値として駆動機構に出力する手段と
   を備えることを特徴とする駆動制御装置。
3. 複数の脚部を備え、該脚部の関節を周期的に駆動して周期運動を行うロボットにおいて、
   接地部から受ける反力の中心位置及び該中心位置の時間当たりの変化量を導出する導出手段と、
   導出した前記中心位置に対する該中心位置の時間当たりの変化量の比から自らの力学系要素の周期運動に係る位相を算出する手段と、
   自らの力学系要素の位相に基づいて周期運動を制御する制御系要素の位相を算出する位相算出手段と
   を備え、
   該位相算出手段は、
   前記力学系要素の位相に前記制御系要素の位相を同期させるための前記制御系要素の位相の時間微分を算出する手段と、
   前記位相の時間微分を積分して、前記制御系要素の位相を算出する手段と
   を含み、
   更に、
   算出した前記制御系要素の位相に基づいて関節の角度の目標値を算出する角度算出手段と、
   算出した前記角度の目標値に基づいて関節を駆動する駆動手段と
   を備えることを特徴とするロボット。
4. 前記脚部は、腰関節、膝関節及び足首関節を備え、
   前記駆動手段は、腰関節駆動手段、膝関節駆動手段及び足首関節駆動手段を備え、
   前記角度算出手段は、前記腰関節駆動手段、前記膝関節駆動手段及び前記足首関節駆動手段に共通に前記制御系要素の位相を使用して、前記腰関節駆動手段、前記膝関節駆動手段及び前記足首関節駆動手段の夫々に対する関節の角度の目標値を算出する様に構成してある
   ことを特徴とする請求項３に記載のロボット。
5. 前記角度算出手段は、前記制御に係る位相を変数とする正弦関数に基づいて関節の角度の目標値を算出する様に構成してあることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のロボット。
6. 前記脚部の関節を駆動して行う周期運動は、歩行運動又は足踏み運動であって、
   前記角度算出手段は、
   前記足踏み運動の制御を行う場合に、
   前記制御系要素の位相を変数とする第１の正弦関数に基づいて、前記腰関節駆動手段に対する関節の前後の角度の目標値、
   前記制御系要素の位相を変数とする第２の正弦関数に基づいて、前記膝関節駆動手段に対する関節の前後の角度の目標値、及び、
   前記制御系要素の位相を変数とする第３の正弦関数に基づいて、前記足首関節駆動手段に対する関節の前後の目標値
   を算出する様に構成してあり、
   前記歩行運動の制御を行う場合に、
   前記制御系要素の位相を変数とする前記第１の正弦関数に前記制御系要素の位相とπ／２だけずれた位相を変数とする第４の正弦関数を追加して、前記腰関節駆動手段に対する関節の前後の角度の目標値、及び、
   前記制御系要素の位相を変数とする前記第３の正弦関数に前記制御系要素の位相とπ／２だけずれた位相を変数とする第５の正弦関数を追加して、前記足首関節駆動手段に対する関節の前後の角度の目標値
   を算出する様に構成してある
   ことを特徴とする請求項４に記載のロボット。
7. 前記脚部に対する荷重を検出する手段を更に備え、
   前記導出手段は、検出した荷重に基づいて中心位置を導出する様に構成してある
   ことを特徴とする請求項３乃至請求項６のいずれか１項に記載のロボット。
8. 前記時間微分を算出する手段は、前記制御系要素に固有の角振動数と、前記力学系要素の位相及び前記制御系要素の位相の差を変数とする正弦関数との和を用いて前記時間微分を算出する様に構成してあることを特徴とする請求項３乃至請求項７のいずれか１項に記載のロボット。

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