JP6227343B2 - ロボットの歩行制御方法 - Google Patents
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Description
ところが、従来のロボットの歩行制御方法は、歩行の経路を指定し、それに従ってロボットが歩行するように制御することは比較的容易であったが、歩行中または停止の際に均衡を保つことが難しく、特に外力による揺れの際に直ちに均衡を取ることができるように制御することは非常に難しい課題であった(例えば特許文献1、2を参照)。
前記反力換算段階は、ロボットが片足支持状態にある場合に、支持する脚の足裏から股関節までの高さ変化と速度変化とを、ロボットの関節角及びリンクの長さから幾何学的に計算する高さ計算段階を更に含むことを特徴とする。
前記ロボットは、足首、膝及び股関節から構成されることを特徴とする。
前記反力換算段階は、ロボットが片足支持状態にある場合に、支持する脚の足裏から股関節までの高さ変化と速度変化とを、ロボットの関節角及びリンクの長さから幾何学的に計算する高さ計算段階を更に含むことを特徴とする。
前記支持力計算段階は、計算された支持力をヤコビ転置行列を用いてロボット関節の駆動トルクに換算する支持力換算段階を更に含むことを特徴とする。
本発明は、着用式ロボットの下肢着用歩行のために仮想サスペンションを用いる、ロボットの歩行制御方法に関する。
図1に示すように、本発明のロボットの歩行制御方法は、ロボットが両足支持状態の場合、両足から外側に一定の距離離隔した仮想壁を形成する仮想壁形成段階(S200)と、ロボットの胴体と仮想壁間の距離変化及び速度変化を、ロボットの関節角とリンクの長さから幾何学的に計算する変化計算段階(S210)と、距離変化及び速度変化を、ロボットの胴体と仮想壁との間に挿入した仮想のスプリングダンパーモデルに代入しロボットの胴体に必要な仮想反力を計算する反力計算段階(S220)と、計算された反力をヤコビ転置行列を用いてロボット関節における駆動トルクに換算する反力換算段階(S230)と、を含む。
着用式歩行ロボットの場合は、人が着用して歩行をするものであるから、その歩行の安定性を担保するために、両足支持状態、即ち立っている状態と、片足支持状態、即ち歩行時と、に分けて制御することが好ましく、また歩行時であっても両足とも地面に触れている場合は、両足支持状態の制御を行うことができる。
図1に示すように、ロボットが両足支持状態か片足支持状態か否かを判断し(S100)、両足支持状態と判断した場合は、図2及び図3に示すように、両足から外側に一定の距離離隔した仮想壁200、200’を形成する仮想壁形成段階(S200)を行う。
図2は、本発明の一実施例に係るロボットの歩行制御方法の両足支持状態を説明するための部分正面図であり、図3はその部分側面図である。
次いで、ロボットの胴体と仮想壁間の距離変化及び速度変化を、ロボットの関節角及びリンクの長さから幾何学的に計算する変化計算段階(S210)を行う。ロボットには各関節とその関節同士を連結するリンクが設けられているので、関節の回転角をエンコーダを介して計測すると、ロボットの胴体の特定の部位と仮想壁200、200’との間の距離を測定することができる。
ロボットは足首、膝及び腰(股関節)から構成され、反力はそれぞれの関節にトルクとして分散して制御入力されるようにする。
図4は本発明の一実施例に係るロボットの歩行制御方法の幾何学的な計算を示す図である。
図4に示すように、支持する脚は、足首130、膝140及び股関節120から構成される。特に、股関節120は、2軸回転することができるようにピッチング関節122とローリング関節124とからなり、人の腰のように柔軟に対応できるようにする。
図5に示すように、股関節の高さを求めた後には、その股関節と地面または足裏との間に仮想のスプリングダンパーモデル400を設定し、その高さの変化及び速度変化から仮想の股関節を支持する支持力を計算する。そして、その支持力を各関節のトルクにヤコビ転置行列を用い換算し、各関節を駆動することにより、歩行の際の支持脚の緩衝を行う。
図6に示すように、ロボットは股関節にピッチング関節122が設けられ、反力換算段階(S230)は、ピッチング関節122で連結された2つのリンク122a、122bの間に挿入した仮想のスプリングダンパーモデル600にピッチング関節の関節角(Q2)の変化及び角速度の変化を代入して、ピッチング関節の制御に必要なピッチングトルクを算出するピッチング算出段階(S330)を行う。
図7に示すように、ロボットは、股関節にローリング関節124が設けられ、反力換算段階(S230)は、ローリング関節124で連結された2つのリンク124a、124bの間に存在する仮想のスプリングダンパーモデル500にローリング関節の関節角(Q1)の変化及び角速度の変化を代入して、ローリング関節に必要なローリングトルクを算出するローリング算出段階(S340)を行う。
120 腰関節
122 ピッチング間接
124 ローリング間接
130 足首
140 膝
200、200’ 仮想壁
300、300’、400、500、600
仮想のスプリングダンパーモデル(仮想サスペンション制御器)
S200 仮想壁形成段階
S300 高さ計算段階
Claims (7)
- ロボットが両足支持状態にある場合は、
両足の外側に一定距離離隔された仮想壁を形成する仮想壁形成段階と、
ロボットの胴体と仮想壁との距離変化及び速度変化を、前記ロボットの関節角及びリンクの長さから幾何学的に計算する変化計算段階と、
前記ロボットの胴体と仮想壁との距離変化及び速度変化を、ロボットの胴体と前記仮想壁との間に存在する仮想のスプリングダンパーモデルに代入し、前記ロボットの胴体の姿勢保持に必要な仮想反力を計算する反力計算段階と、
前記仮想反力をヤコビ転置行列を用いて前記ロボットの関節における駆動トルクに換算する反力換算段階と、
を含み、
前記反力換算段階は、前記ロボットが片足支持状態にある場合に、支持する脚の足裏から股関節までの高さ変化と速度変化とを、前記ロボットの関節角及びリンクの長さから幾何学的に計算する高さ計算段階を更に含むことを特徴とするロボットの歩行制御方法。 - 前記仮想壁は、前記ロボットの左右両側及び前後両側それぞれに形成されることを特徴とする請求項1に記載のロボットの歩行制御方法。
- 前記ロボットは、足首、膝及び股関節から構成されることを特徴とする請求項1に記載のロボットの歩行制御方法。
- 前記高さ計算段階は、前記支持する脚の足裏から股関節までの高さの変化と速度変化とを、ロボットの股関節と足裏との間に存在する仮想のスプリングタンパーモデルに代入し、前記支持する脚に必要な仮想支持力を計算する支持力計算段階を更に含むことを特徴とする請求項1に記載のロボットの歩行制御方法。
- 前記支持力計算段階は、計算された支持力を、ヤコビ転置行列を用いてロボット関節の駆動トルクに換算する支持力換算段階を更に含むことを特徴とする請求項4に記載のロボットの歩行制御方法。
- 前記ロボットは、前記股関節にピッチング関節が備えられ、前記反力換算段階は、ピッチング関節で連結された2つのリンクの間に存在する仮想のスプリングダンパーモデルに、ピッチング関節の関節角の変化と角速度の変化とを代入し、前記ピッチング関節の制御に必要なピッチングトルクを算出するピッチング算出段階を更に含むことを特徴とする請求項3に記載のロボットの歩行制御方法。
- 前記ロボットは、前記股関節にローリング関節が備えられ、前記反力換算段階は、ローリング関節で連結された2つのリンクの間に存在する仮想のスプリングダンパーモデルにローリング関節の関節角の変化と角速度の変化を代入し、前記ローリング関節の制御に必要なローリングトルクを算出するローリング算出段階を更に含むことを特徴とする請求項3に記載のロボットの歩行制御方法。
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