JP6076873B2 - ロボット - Google Patents
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Description
図1に示されているロボット1は、基体B1と、基体B1を支持する支持機構B2と、基体B1から延設されているアームAと、ロボットの駆動源であるアクチュエータ(図示略)の動作を制御する制御装置2とを備えている。アームAは、複数の関節機構Ji(i=1〜N)と、当該複数の関節機構Jiを介して連結されている複数のリンクLiとを備えている。関節機構の数及び各関節機構の自由度(1〜3)は任意に設計されうる。
図2に示されている制御装置2は、アーム制御要素21と、全身運動生成要素22と、拘束力算出要素23と、位置・姿勢指令要素24と、支持機構制御要素25とを備えている。制御装置2の各構成要素は、メモリと、当該メモリから必要なデータ及びプログラムを読み出した上で、後述する担当演算処理を実行する演算処理装置(CPU)とにより構成されている。
(アーム制御要素の機能)
(関節空間におけるトルク指令)
アーム制御要素21により、アームAの動力学モデルを表わす関係式(21)にしたがって、第1トルク指令値(関節空間におけるトルク指令値)trq_joint_cmd≡trq1_cmd=[trq1_cmd(1), ..trq1_cmd(i), ..trq1_cmd(N)]が設定される。
関節空間におけるトルク制御と同時に、操作空間における力制御も同時に実行される。操作空間における制御点PCは動作中に任意の位置に定義される。当該制御点PCにおいてアームAに発生させる力Fcmdと操作空間に射影された慣性行列ΛCに基づいて関係式(22)にしたがって、操作空間において発生させる力Fcmd*として変換される。
任意の制御点PCに対して基体B1を基準として定義されるヤコビ行列JCにより、関係式(23)にしたがって、当該制御点PCにおいてアームAに発生させる力Fcmd*が各関節のトルク指令値trq_task_cmd≡trq2_cmd=[trq2_cmd(1), ..trq2_cmd(i), ..trq2_cmd(N)]として分配される。「T」は転置を表わす。
関係式(231)により表わされるゼロ空間への射影行列NC Tが用いられて、関係式(232)にしたがって最終的なトルク指令値trq_cmdが設定される。これにより、制御点PCにおいてアームAに力を発生させるための第2トルク指令値trq2_cmdと、当該制御点PCよりも基体B1に対して近い側の関節機構Jkの第1トルク指令値trq1_cmd(k)とが相互に干渉することが回避されうる。
trq1_cmd=(trq1_cmd(1), ..trq1_cmd(i), trq1_cmd(i+1), ..trq1_cmd(N)),
trq2_cmd=(trq2_cmd(1), ..trq2_cmd(i), 0, ..0) ..(232)。
全身運動生成要素22により、各関節角度qの測定値qactに基づき、全身キネマティクスモデルにしたがってロボット1の全身運動が計算される。これにより、基体B1の位置PB1[XYZ]及び姿勢θB1[XYZ]が設定される。
拘束力算出要素23は、拘束力モデルとしての仮想力モデル(VFM)を用いて、基体B1及び各リンクLiに対して作用する仮想的な拘束力FCFM(k)(k=1〜M)を算出する。仮想力モデルによれば、M個の仮想的な拘束要素CFM(k)により、基体B1及び各リンクLiの相互拘束力が定義されている。一のリンクLiに対して定義される拘束要素の数は1に限定される必要はなく複数であってもよい。リンクの数と、拘束要素の数とは一致していなくてもよい。拘束要素CFM(k)は、任意数の仮想的な弾性要素(バネ要素)及び減衰要素(ダンパ要素)の任意の組み合わせにより構成されている。各拘束要素CFM(k)の構成は同一であってもよく、相違していてもよい。
位置・姿勢指令要素24により、基体B1の位置指令値PB1_cmd[XYZ]及び姿勢指令値θB1_cmd[XYZ]が計算される。
=FICFM (if Fmin≦FICFM≦Fmax),
=FICFM (if Fmax<FICFM) ..(240)。
支持機構制御要素25により、支持機構B2の動作が制御されることにより、基体B1の位置PB1及び姿勢θB1が制御される。この際、ロボット1の姿勢安定化のため、ロボット1のZMPが接地領域により画定される支持安定領域に含まれるように、支持機構B2の動作が制御される。例えば、接地状態を維持したままの支持機構B2の動作によって基体B1の位置PB1及び姿勢θB1が制御されてもよい(図5(a)(b)実線参照)。接地位置を変更するような支持機構B2の動作によって基体B1の位置PB1及び姿勢θB1が制御されてもよい(図5(a)(b)破線及び斜線矢印参照)。また、支持機構B2はトルク指令型ではなく、関節角度指令型の制御対象として制御される。
オペレータが、ロボットの腕体をつかんで動かした場合の当該ロボットの動作が検証された。ロボットは、図6に示されているように、脚式移動ロボットであり、人間と同様に、基体B1と、基体B1の上方に配置された頭部B0と、基体B1の上部に上部両側から延設された左右のアームAと、基体B1の下部から下方に延設された左右の脚体(支持機構)B2とを備えている(再表03/090978号公報及び再表03/090979号公報等参照)。
実施例2では、実施例1と同じ脚式移動ロボット1(図6参照)を対象として、図9(a)(b)のそれぞれに黒矢印で示されているように、右アームA[R]及び左アームA[L]のそれぞれに外力を作用させた場合のロボット1の動作について検証した。その結果、基体B1の姿勢変化だけでは吸収しきれない外力成分が吸収されるように、図9(a)(b)のそれぞれに白矢印で示されているように、足平部BL3の位置が変更されるように脚体B2の動作が制御されることが確認された。
Claims (3)
- 基体と、前記基体の位置及び姿勢のうち一方又は両方を制御可能に支持する支持機構と、前記基体から延設され、複数のリンク及び当該複数のリンクを連結する複数の関節機構を有するアームと、前記支持機構及び前記関節機構の動作を制御するように構成されている制御装置と、を備えているロボットであって、
前記制御装置が、トルク指令値を前記複数の関節機構のそれぞれに対して与えることにより、前記アームの動作を制御するとともに、
前記複数の関節機構のそれぞれの関節角度の測定値に基づき、全身キネマティクスモデルにしたがって前記基体の位置及び姿勢の設定値を決定し、
前記基体と前記アームとの仮想的な相互拘束力を定義する拘束力モデルと、前記基体に対する前記アームの姿勢とに基づいて前記基体に作用する拘束力を算出した上で、当該拘束力に応じて前記設定値を補正することにより前記基体の位置及び姿勢の指令値を生成し、当該指令値にしたがって前記支持機構の動作を制御することを特徴とするロボット。 - 請求項1記載のロボットにおいて、
前記制御装置が、前記基体及び前記アームのそれぞれに定義される端点の間隔に応じた仮想的な弾性力及び当該端点の間隔の変化速度に応じた仮想的な減衰力により前記相互拘束力を定義する拘束モデルを用いて、前記支持機構の動作を制御することを特徴とするロボット。 - 請求項1又は2記載のロボットにおいて、
前記制御装置が、前記複数のリンクのそれぞれに作用する重力を補償する重力補償トルクを含むトルク指令値を前記複数の関節機構のそれぞれに対して与えることにより、前記アームの動作を制御することを特徴とするロボット。
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