JP5639342B2 - ロボット及びその歩行制御方法 - Google Patents
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Description
現在、ほとんどの二足ロボットは、膝を曲げて、腰を底面と平行な平面上のみで動かしながら歩行するパターンを有する。その理由は、膝を180度に近く伸ばす場合、特異点(Singularity pose)(足首関節とヒップ関節を連結する相対距離が脚の長さと同じである場合)が発生し、膝関節速度が非常に速くなったり、所望の膝関節角を得られなかったりするためであり、歩行パターンを得るためのゼロモーメント位置(Zero Moment Point;以下、ZMPという)の拘束条件が底面と平行に動くロボットの重心(Center Of Gravity:以下、COGという)を仮定しているためである(非特許文献1参照)。
このような歩行パターンを克服して人間型歩行を具現するために、早稲田大学では、既存の典型的なヒューマノイド歩行パターンと異なり、膝を伸ばして足首を回転する方式を導入した(非特許文献2参照)が、この方式も、人間型歩行との類似性のための別途の制御を考慮しておらず、直観的に膝角度のみを伸ばすことを目標とするので、膝を伸ばす時点の不適切さと腰の揺動などによって、人間の歩行パターンとは依然として異なる。このようにロボットが人間と異なる形態で歩くようになると、人間との親和性が落ちることはもちろんのこと、エネルギー効率性が低下するという結果をもたらす。さらに、これは、将来、ロボットが人間と共存すべき環境における二足ロボットの普及に障害となり得る。
本発明は、上記のような従来の問題点を解決するためのものであり、その目的は、二足ロボットの歩行時、膝を最大限に伸ばして腰の動きを最小化し、人間の歩行パターンと最大限に類似した歩行パターンを生成するロボット及びその歩行制御方法を提供することにある。
前記歩行パターン類似度は、前記ロボットの歩行パターンが人間の歩行パターンと類似する程度を定義するための計算値であることを特徴とする。
前記基準パターン類似度は、前記ロボットの歩行パターンが前記人間の歩行パターンと類似する程度を定義するための基準値であることを特徴とする。
前記歩行パターンを変更する段階は、前記歩行パターン類似度が前記基準パターン類似度より大きくない場合、前記ロボットの膝角度を調整し、前記歩行パターン類似度が大きくなる方向に前記歩行パターンを変更することを特徴とする。
前記歩行パターンを変更する段階は、前記ロボットの歩行位相が一足支持位相(SSP)である場合、スイングする脚の膝角度を増加または減少させ、前記膝を伸ばす方向に前記歩行パターンを変更することを特徴とする。
前記歩行パターンを変更する段階は、前記歩行パターン類似度が前記基準パターン類似度より大きくない場合、前記ロボットの腰変動を最小化し、前記歩行パターン類似度が大きくなる方向に前記歩行パターンを変更することを特徴とする。
また、本発明のロボットの歩行制御方法は、前記歩行パターン類似度が前記基準パターン類似度より大きい場合、前記歩行パターンによって前記ロボットの歩行を制御する段階をさらに有する。
前記制御部は、前記ロボットの膝角度を調整し、前記歩行パターン類似度が大きくなる方向に前記歩行パターンを変更することを特徴とする。
前記制御部は、前記ロボットの歩行位相が両足支持位相(DSP)である場合、前側に位置する脚の膝角度を増加または減少させ、前記膝を伸ばす方向に前記歩行パターンを変更することを特徴とする。
前記制御部は、前記ロボットの歩行位相が一足支持位相(SSP)である場合、スイングする脚の膝角度を増加または減少させ、前記膝を伸ばす方向に前記歩行パターンを変更することを特徴とする。
前記制御部は、前記歩行パターン類似度が前記基準パターン類似度より大きくない場合、前記ロボットの腰変動を最小化し、前記歩行パターン類似度が大きくなる方向に前記歩行パターンを変更することを特徴とする。
図1は、本発明の実施形態によるロボットの外観構成図である。
図1において、本発明のロボット10は、人間と同様に、二つの脚11R,11Lによって直立移動する二足歩行ロボットとして、胴体12、胴体12の上部に設けられた二つの腕13R,13L及び頭14を備えており、二つの脚11R,11Lと腕13R,13Lの先端には、それぞれ足15R,15Lと手16R,16Lを備えている。図中、参照符号RとLは、ロボット10の右側と左側を示し、COGは、ロボット10の重心位置を示し、ZMPは、ロボット10と底面との接触面でロール方向(ロボットの歩行進行方向であるx軸方向)とピッチ方向(ロボットの左右歩幅方向であるy軸方向)のモーメントが0になる点を示す。
図2において、二つの脚11R,11Lは、ロボット10の足首、膝及びヒップに該当する部分を回転させるための足首関節17R,17L、膝関節18R,18L及びヒップ関節19R,19Lをそれぞれ備えており、ヒップ関節19R,19Lは、二つの脚11R,11Lと連結される胴体12の下側の両端に位置する。
各脚11R,11Lの足首関節17R,17Lは、x軸(ロール軸;ロボットの歩行進行方向)とy軸(ピッチ軸;左右歩幅方向)に動作可能であり、膝関節18R,18Lはy軸(ピッチ軸)に動作可能であり、ヒップ関節19R,19Lは、x軸(ロール軸)、y軸(ピッチ軸)及びz軸(ヨー軸)に動作可能である。
そして、二つの脚11R,11Lと連結される胴体12には、ロボット10の腰に該当する部分を回転させるための腰関節23が備わり、腰関節23は、胴体12の下側の両端に位置したヒップ関節19R,19Lを連結するヒップリンク24の中心位置24Gと同一軸線上に位置する。
図面に示していないが、ロボット10の全ての関節17R,17L,18R,18L,19R,19L,22は、駆動のためのアクチュエーター(例えば、モーターなどの電動装置)をそれぞれ含んでいる。
図3において、Bは、歩幅の半分を示している。
図3から分かるように、ロボット10の安定的な歩行を実現するためには、底平面でモーメントの合計が0になる地点、すなわち、両足を踏み出す各地点を予め決定すべきであり、両足支持位相(Double Support Phase;以下、DSPという)/一足支持位相(Single Support Phase;以下、SSPという)のような支持状態を予め決定するZMP軌跡を設定すべきである。
一般的に、ロボット10の足を踏み出す各地点は周期関数で表現され、各支持状態は、ZMPを移動させるときに用いられる。SSP状態では、移動脚が一歩踏み出す間に、ZMPは支持脚の足の裏内部に留まっているべきである。また、DSP状態では、ZMPが支持脚の足の裏内部から移動脚の足の裏内部に迅速に移動されるべきである。ロボット10の連続的かつ安定した歩行のためには、上記の過程が繰り返して行われるべきである。
歩行パターン生成部50は、ロボット10が目的とする歩行速度、歩行数及び歩幅などの歩行命令が与えられると、与えられた歩行命令によって歩行パターンを生成するものであり、本発明の歩行パターン生成過程は、従来の歩行パターン生成過程と同一に進行される。
これをさらに詳細に説明すると、歩行速度、歩行数及び歩幅などの歩行命令が与えられると、両足15R,15L(左足と右足)の目標位置と方向を決定し、これに基づいて時間に対する両足15R,15Lの位置と方向軌跡を形成する歩行パターンを生成するために、COGとZMPとの間のZMP方程式を満足するCOGのパターンを求める(非特許文献1参照)。
ZMPとCOGは、運動力学方程式によって下記の[式1]のような関係を有し、この式をZMP方程式という。
ZMP基盤の歩行制御は、上記の[式1]を満足するZMPがロボット10の支持多角形(Support Polygon)内にある場合に倒れない点を用いて、この領域内にZMPを維持するようにロボット10の姿勢を制御しながらZMP方程式を満足する歩行パターンを生成する方法である(非特許文献3参照)。
比較部54は、歩行パターン類似度計算部52で計算されたロボット10の歩行パターン類似度を予め定められた基準パターン類似度と比較し、歩行パターン類似度が基準パターン類似度より大きいかをチェックする。これによって、ZMP方程式を満足する最大のHSMを有する歩行パターンを得ることができ、事前に調査された人間の典型的な歩行パターンとロボット10の対象歩行パターンが類似しているほどHSMの値が大きくなる。
また、第1歩行パターン変更部57は、ロボット10の現在の歩行位相がSSPである場合、歩行パターン類似度計算部52で計算された歩行パターン類似度(HSM)が大きくなる方向に、スイングする脚11Rまたは11Lまたは支持脚11Rまたは11Lの歩行パターンを変更する。例えば、スイングする脚11Rまたは11Lの膝角度を漸進的に増加または減少させる。
その後、各関節の位置、速度及び加速度を用いてZMPを計算し、ZMPが安全領域内にない場合、変更された膝角度を元の状態に復旧する。
第2歩行パターン変更部58は、ZMP方程式でy=0が歩行パターンのy軸振動の中心であると仮定したとき、|y|を最小化しながらも支持多角形内に位置して安全性を保障できる目標ZMPを計算し、計算された目標ZMPからZMP方程式を満足する歩行パターンを生成する。
実時間安定化器64は、与えられた歩行パターンによってロボット10が歩行する間に、実際のZMPが目標ZMPと異なるか、外乱(予想外に発生する接触や外部の力)が発生する場合にも、ロボット10が倒れずに安定的に歩行を行えるように、与えられた歩行パターンを実時間で変更する。
図5は、本発明の実施形態によるロボットの歩行制御方法を示した動作フローチャートである。
図5において、ロボット10の歩行速度、歩行数及び歩幅などの歩行命令が与えられると(100)、歩行パターン生成部50では、両足15R,15L(左足と右足)の目標位置と方向を決定し、これに基づいて時間に対する両足15R,15Lの位置と方向軌跡を形成する歩行パターンを生成するために、COGとZMPとの間のZMP方程式を満足するCOGのパターンを求める。
ZMP基盤の歩行制御は、ZMPがロボット10の支持多角形内にある場合に倒れない性質を用いて、この領域内にZMPを維持するようにロボット10の姿勢を制御しながらZMP方程式を満足する歩行パターンを生成する(102)。
本発明において、ロボット10の歩行パターンが人間の歩行パターンとどの程度に類似しているかを判断するために使用されるHSMは、事前に調査された人間の典型的な歩行パターンとロボット10の対象歩行パターンが類似しているほどその値が大きくなるように定義する。
人間の典型的な歩行パターンは、3次元モーションキャプチャー装備などを介して求めることができ、ロボット10と同一の大きさ及び歩幅を有するようにスケールアップまたはスケールダウンして求める。
以下、HSM定義の例をさらに具体的に説明する。
HSM定義の最初の例として、下記の[式2]のように、事前に調査された人間の典型的な歩行パターンとロボット10の対象歩行パターンにおける該当時間の各主要地点(例えば、両側足首、両側膝、両側ヒップ、腰、…)の空間上での差に加重値を与えて、この値を二乗して加算した値の逆数として定義する。
図6の左側は、歩行パターン生成部50によって生成されたロボット10の歩行パターンを座標系で示したものであり、図6の右側は、事前に調査された人間の典型的な歩行パターンを座標系で示したものである。
HSM定義の二番目の例として、下記の[式3]のように、事前に調査された人間の典型的な歩行パターンとロボット10の対象歩行パターンにおける歩行周期の開始時点から該当時点までの各主要地点(例えば、両側足首、両側膝、両側ヒップ、腰、…)の空間上での軌跡の相関係数値の平均として定義する。
このように、定義されたHSMを用いてロボット10の歩行パターンが人間の歩行パターンとどの程度に類似しているかを判断するための歩行パターン類似度を計算し、ロボット10の歩行パターンを決定する。
その後、比較部54は、歩行パターン類似度計算部52で計算されたロボット10の歩行パターン類似度を予め定められた基準パターン類似度と比較し、歩行パターン類似度が基準パターン類似度より大きいかを判断する(106)。これは、ZMP方程式を満足する最大のHSMを有する歩行パターンを得るためである。
まず、第1歩行パターン変更部57は、ロボット10の現在の歩行位相がDSPである場合、歩行パターン類似度(HSM)が大きくなる方向に、前側に位置する脚11Rまたは11Lの歩行パターンを変更する。例えば、前側に位置する脚11Rまたは11Lの膝角度を漸進的に増加または減少させ、膝を最大限に伸ばせる歩行パターンを生成する。
また、第1歩行パターン変更部57は、ロボット10の現在の歩行位相がSSPである場合、歩行パターン類似度(HSM)が大きくなる方向に、スイングする脚11Rまたは11Lまたは支持脚11Rまたは11Lの歩行パターンを変更する。例えば、スイングする脚11Rまたは11Lの膝角度を漸進的に増加または減少させ、膝を最大限に伸ばせる歩行パターンを生成する。その後、各関節の位置、速度及び加速度を用いてZMPを計算し、ZMPが安全領域内にない場合、変更された膝角度を元の状態に復旧する。
このように変更された新しい歩行パターンを介してロボット10の安定化制御性を確保し、人間と最大限に類似した歩行パターンを有するようになるが、変更された歩行パターンは、常にZMP方程式を満足すべきである。
このように、第1または第2歩行パターン変更部57,58またはこれら二つの組み合わせを介して人間と最大限に類似した歩行パターンが生成されると、生成された歩行パターンに対応する歩行パターン類似度(HSM)を再び計算した後、段階106に進行する。
段階106の判断の結果、歩行パターン類似度が基準パターン類似度より大きい場合、歩行制御部60は、歩行パターン生成部50または歩行パターン変更部56で生成された歩行パターン、すなわち、両足15R,15Lの位置/方向値を各関節17R,17L,18R,18L,19R,19L,22の角度値に変換して求めた角度値で各関節17R,17L,18R,18L,19R,19L,22のアクチュエーター62を駆動し、与えられた歩行パターンによって両足15R,15Lと胴体12の位置/方向を制御し、ロボット10の歩行を遂行する(110)。
このように、与えられた歩行パターンによってロボット10が歩行する間に、実際のZMPが目標ZMPと異なるか、外乱(予想外に発生する接触や外部の力)が発生すると、ロボット10が倒れる恐れがあるので、これを防止するために実時間安定化制御でロボット10の安定的な歩行を遂行する。
11R,11L 脚
12 胴体
15R,15L 足
17R,17L 足首関節
18R,18L 膝関節
19R,19L ヒップ関節
20R,20L 上部リンク
21R,21L 下部リンク
22R,22L F/Tセンサー
23 腰関節
24 ヒップリンク
24G ヒップリンクの中心位置
50 歩行パターン生成部
52 歩行パターン類似度計算部
54 比較部
56 歩行パターン変更部
57 第1歩行パターン変更部
58 第2歩行パターン変更部
60 歩行制御部
62 アクチュエーター
64 実時間安定化器
Claims (14)
- 歩行パターンを生成する段階と、
前記歩行パターンに対応する歩行パターン類似度を計算する段階と、
前記歩行パターン類似度を予め定められた基準パターン類似度と比較し、その比較結果によって前記ロボットの膝を伸ばす方向に前記歩行パターンを変更し、そうして前記ロボットの腰の動きを最小化する方向に前記歩行パターンを変更する段階と
を有し、
前記歩行パターン類似度は、ロボットの歩行パターンが人間の歩行パターンと類似する程度を定義するための計算値であり、
前記基準パターン類似度は、前記ロボットの歩行パターンが前記人間の歩行パターンと類似する程度を定義するための基準値であるロボットの歩行制御方法。 - 前記歩行パターンを生成する段階は、歩行命令によって前記ロボットの重心(COG)とゼロモーメント位置(ZMP)とに基づいたZMP方程式を満足する歩行パターンを生成する請求項1に記載のロボットの歩行制御方法。
- 前記歩行パターンを変更する段階は、前記歩行パターン類似度が前記基準パターン類似度より大きくない場合、前記ロボットの膝角度を調整し、前記歩行パターン類似度が大きくなる方向に前記歩行パターンを変更する請求項1に記載のロボットの歩行制御方法。
- 前記歩行パターンを変更する段階は、前記ロボットの歩行位相が両足支持位相(DSP)である場合、前側に位置する脚の膝角度を増加または減少させ、前記膝を伸ばす方向に前記歩行パターンを変更する請求項3に記載のロボットの歩行制御方法。
- 前記歩行パターンを変更する段階は、前記ロボットの歩行位相が一足支持位相(SSP)である場合、スイングする脚の膝角度を増加または減少させ、前記膝を伸ばす方向に前記歩行パターンを変更する請求項3に記載のロボットの歩行制御方法。
- 前記歩行パターンを変更する段階は、前記歩行パターン類似度が前記基準パターン類似度より大きくない場合、前記ロボットの腰変動を最小化し、前記歩行パターン類似度が大きくなる方向に前記歩行パターンを変更する請求項1に記載のロボットの歩行制御方法。
- 前記歩行パターン類似度が前記基準パターン類似度より大きい場合、前記歩行パターンによって前記ロボットの歩行を制御する段階をさらに有する請求項1に記載のロボットの歩行制御方法。
- 歩行パターンを生成する歩行パターン生成部と、
前記歩行パターンに対応する歩行パターン類似度を計算する歩行パターン類似度計算部と、
前記歩行パターン類似度を予め定められた基準パターン類似度と比較し、前記歩行パターン類似度が前記基準パターン類似度より大きくない場合、前記ロボットの膝を伸ばす方向に前記歩行パターンを変更し、そうして前記ロボットの腰の動きを最小化する方向に前記歩行パターンを変更し、前記歩行パターンによって歩行を制御する制御部と
を具備し、
前記歩行パターン類似度は、ロボットの歩行パターンが人間の歩行パターンと類似する程度を定義するための計算値であり、
前記基準パターン類似度は、前記ロボットの歩行パターンが前記人間の歩行パターンと類似する程度を定義するための基準値であるロボット。 - 前記制御部は、前記変更された歩行パターンに対応する歩行パターン類似度を前記基準パターン類似度と比較し、その比較結果によって前記歩行パターンの変更または前記ロボットの歩行可否を決定する請求項8に記載のロボット。
- 前記制御部は、前記ロボットの膝角度を調整し、前記歩行パターン類似度が大きくなる方向に前記歩行パターンを変更する請求項8に記載のロボット。
- 前記制御部は、前記ロボットの歩行位相が両足支持位相(DSP)である場合、前側に位置する脚の膝角度を増加または減少させ、前記膝を伸ばす方向に前記歩行パターンを変更する請求項10に記載のロボット。
- 前記制御部は、前記ロボットの歩行位相が一足支持位相(SSP)である場合、スイングする脚の膝角度を増加または減少させ、前記膝を伸ばす方向に前記歩行パターンを変更する請求項10に記載のロボット。
- 前記制御部は、前記歩行パターン類似度が前記基準パターン類似度より大きくない場合、前記ロボットの腰変動を最小化し、前記歩行パターン類似度が大きくなる方向に前記歩行パターンを変更する請求項8に記載のロボット。
- 歩行パターンを生成する段階と、
前記歩行パターンに対応する歩行パターン類似度を計算する段階と、
前記歩行パターン類似度を予め定められた基準パターン類似度と比較し、その比較結果によって前記ロボットの膝を伸ばす方向に前記歩行パターンを変更し、そうして前記ロボットの腰の動きを最小化する方向に前記歩行パターンを変更する段階と
を実行し、
前記歩行パターン類似度は、ロボットの歩行パターンが人間の歩行パターンと類似する程度を定義するための計算値であり、
前記基準パターン類似度は、前記ロボットの歩行パターンが前記人間の歩行パターンと類似する程度を定義するための基準値であるコンピュータープログラムを備える, コンピューター判読記録媒体。
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