JPS61134806A - 歩行機械の制御方法 - Google Patents
歩行機械の制御方法Info
- Publication number
- JPS61134806A JPS61134806A JP59256455A JP25645584A JPS61134806A JP S61134806 A JPS61134806 A JP S61134806A JP 59256455 A JP59256455 A JP 59256455A JP 25645584 A JP25645584 A JP 25645584A JP S61134806 A JPS61134806 A JP S61134806A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- converting part
- leg
- walking machine
- voltage
- load
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
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- Numerical Control (AREA)
- Manipulator (AREA)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〈産業上の利用分野〉
本発明は歩行機械の制御方法に関し、重量による制御誤
差をなくすよう企図したものである。
差をなくすよう企図したものである。
〈従来の技術及びその問題点〉
近年、複数の脚、を持つ歩行機械が開発された。第１図
は各脚に３自由度を持たせた関節形４脚歩行機械の一例
を示す。第１図において、１は本体、２は股水平回転軸
、３は股垂直回転軸、４は膝回転軸、５は上腿、６は下
腿である。またθ１．θ２．θ３は各回転軸２，３゜４
の回転角すなわち関節角である。この歩行機械において
脚の各回転軸２，３，４には、歩行機械の本体１の自重
１脚の自重、慣性。
は各脚に３自由度を持たせた関節形４脚歩行機械の一例
を示す。第１図において、１は本体、２は股水平回転軸
、３は股垂直回転軸、４は膝回転軸、５は上腿、６は下
腿である。またθ１．θ２．θ３は各回転軸２，３゜４
の回転角すなわち関節角である。この歩行機械において
脚の各回転軸２，３，４には、歩行機械の本体１の自重
１脚の自重、慣性。
負荷及び摩擦等の外乱が加わるが、このうち本体１の自
重による影響が最も大きくこれが誤差の最大の原因にな
っている。その理由は回転軸２，３．４を駆動する直流
モータの特性が、第２図のトルク（Ｔ）−回転数（Ｎ）
特性に示すようになっており、同じ指令値（電圧Ｖ）で
あっても負荷（トルクＴ）が異なれば速度（回転数Ｎ）
が変ってしまうことになるからである。これを解決する
ためには、第３図に示すように、目標値と現在値との偏
差ΔＸ（位置制御の場合は位置偏差）に応じた出力Ｖ＝
にΔＸ （但しｋはゲイン） を与え制御すればよい。しかしながら、モー夕にかかる
ｌ・ルクが大幅に変動し且つその関係がランダムとなる
場合は、精度の高い制卸を行うためには、上式のゲイン
ｋを複雑に変える必要が生じ回転軸の数が増えれば、新
たに制御手法を開発しなければならず、また計算時間（
ＣＰＵタイム）の増大等を招来し大変な労力を要する。
重による影響が最も大きくこれが誤差の最大の原因にな
っている。その理由は回転軸２，３．４を駆動する直流
モータの特性が、第２図のトルク（Ｔ）−回転数（Ｎ）
特性に示すようになっており、同じ指令値（電圧Ｖ）で
あっても負荷（トルクＴ）が異なれば速度（回転数Ｎ）
が変ってしまうことになるからである。これを解決する
ためには、第３図に示すように、目標値と現在値との偏
差ΔＸ（位置制御の場合は位置偏差）に応じた出力Ｖ＝
にΔＸ （但しｋはゲイン） を与え制御すればよい。しかしながら、モー夕にかかる
ｌ・ルクが大幅に変動し且つその関係がランダムとなる
場合は、精度の高い制卸を行うためには、上式のゲイン
ｋを複雑に変える必要が生じ回転軸の数が増えれば、新
たに制御手法を開発しなければならず、また計算時間（
ＣＰＵタイム）の増大等を招来し大変な労力を要する。
位置制御または速度制御をして歩行を行なう従来の歩行
機械では、勺−ボ剛性の向上により、自重に起因する制
御誤差を解消しようとしていたが満足な結果は得られな
かった。
機械では、勺−ボ剛性の向上により、自重に起因する制
御誤差を解消しようとしていたが満足な結果は得られな
かった。
その理由を、第４図を参照しつつ説明する。
なお、この説明においてサーボ剛性の大小は機械的剛性
の大小と対応するため、機械的剛性を用いて説明し理解
を容易にする。
の大小と対応するため、機械的剛性を用いて説明し理解
を容易にする。
実際に脚を制御するとその軌跡には必ず誤差が生じ、ま
た接地面には凹凸がある。この場合、第４図（ａｌに正
面図で示すように、本体１及び脚１．．１２．１３．
Ｉｔ４が完全剛体であるとすると、たとえＩＩＩｍでも
位置誤差が生ずると、平面を構成する３本の脚Ｊ、、
１２．１３のみが接地し、脚１４が浮いてしまう。脚１
４が浮くと、平面図で示す第４図（ｂｌかられかるよう
に、脚１４と対角線位置にある脚Ｉ１２にかかる負荷も
減少し、本体１はほとんど脚１．．’ ｌ、で支えるこ
とになる。更に障害物を越えて歩行する場合では、平面
図で示す第４図（０１かられかるように、脚１４が浮く
と脚ｌ、の負荷が軽くなり、脚モ、４３でほとんどの負
荷を支え、更に非対称であるため脚１３にかかる負荷が
極めて大きくなる。このように各脚にかかる負荷が異な
ると、第２図を基にすでに説明したように、各脚の回転
軸を駆動する直流モータによる制御が乱れ振動現象が生
してしまう。結局サーボ剛性を高めると脚が浮いてしま
うという欠点 １が出るばかりでなく、場合によ
っては振動現象が生じてしまう。
た接地面には凹凸がある。この場合、第４図（ａｌに正
面図で示すように、本体１及び脚１．．１２．１３．
Ｉｔ４が完全剛体であるとすると、たとえＩＩＩｍでも
位置誤差が生ずると、平面を構成する３本の脚Ｊ、、
１２．１３のみが接地し、脚１４が浮いてしまう。脚１
４が浮くと、平面図で示す第４図（ｂｌかられかるよう
に、脚１４と対角線位置にある脚Ｉ１２にかかる負荷も
減少し、本体１はほとんど脚１．．’ ｌ、で支えるこ
とになる。更に障害物を越えて歩行する場合では、平面
図で示す第４図（０１かられかるように、脚１４が浮く
と脚ｌ、の負荷が軽くなり、脚モ、４３でほとんどの負
荷を支え、更に非対称であるため脚１３にかかる負荷が
極めて大きくなる。このように各脚にかかる負荷が異な
ると、第２図を基にすでに説明したように、各脚の回転
軸を駆動する直流モータによる制御が乱れ振動現象が生
してしまう。結局サーボ剛性を高めると脚が浮いてしま
うという欠点 １が出るばかりでなく、場合によ
っては振動現象が生じてしまう。
なお制御上の誤差により生ずる拘束や歩行機械の自重に
より脚にかかる負荷のアンバランスを解決するために脚
の剛性を落とし積極的にコンプライアンスを用いる方法
がある。
より脚にかかる負荷のアンバランスを解決するために脚
の剛性を落とし積極的にコンプライアンスを用いる方法
がある。
この方法では多少位置がずれていても、それにより生ず
るバネ反力が小さいｔこめ、脚の拘束力は減少し脚の浮
き上がりはなくなる。しかし、第４図（ｄｉに正面図で
示すように、脚！、。
るバネ反力が小さいｔこめ、脚の拘束力は減少し脚の浮
き上がりはなくなる。しかし、第４図（ｄｉに正面図で
示すように、脚！、。
１２、 ラ、 １４が接地しているときに脚１３を上げ
た場合には荷重分布が変化し、荷重の大きい脚１４がｔ
こわみ歩行機械は図中矢印で示すようにより不安定な方
向に傾く。特に重心が高い場合にこの現象は著しい。
た場合には荷重分布が変化し、荷重の大きい脚１４がｔ
こわみ歩行機械は図中矢印で示すようにより不安定な方
向に傾く。特に重心が高い場合にこの現象は著しい。
一方、力制御をして歩行を行なう歩行機械では、脚の浮
き上がりは生じにくいが、十分なコンプライアンスがな
いと信頼性及び精度の高い力の検出はむづかしく、安定
な制御ができず実用には至らなかった。
き上がりは生じにくいが、十分なコンプライアンスがな
いと信頼性及び精度の高い力の検出はむづかしく、安定
な制御ができず実用には至らなかった。
次に従来の制御方法を第５図を参照して具体的に説明す
る。この例の制御系は第１図に示すような３自由度を持
つ３関節形電気モータ駆動脚のヤコビアン逆行列を用い
ｔこ制御系である。第５図は１つの脚についての制御系
を示す。
る。この例の制御系は第１図に示すような３自由度を持
つ３関節形電気モータ駆動脚のヤコビアン逆行列を用い
ｔこ制御系である。第５図は１つの脚についての制御系
を示す。
第１図において、成る１つの脚の先端の歩行機械上にお
ける直交座標（ｘ、ｙ、ｚ座標）での位置を（ｘｙ ｙ
ｐ ｚ）と表わし、同じ脚の先端の関節座標での位置を
関節角を用いて（θ１．θ２．θ３）と表わす。なお、
θ８．θ２．θ３は第１図の各回転軸２，３．４の回転
角に相当する。１０１は速度・角速度変換部、１０３は
角度・位置変換部、１０４は位置偏差、・速度変換部、
１０５は角速度・電圧変換部、１０７は関節角検出部、
１０８は目標位置入力部、１０９は位置偏差演算部、１
１０はモータ駆動部である。
ける直交座標（ｘ、ｙ、ｚ座標）での位置を（ｘｙ ｙ
ｐ ｚ）と表わし、同じ脚の先端の関節座標での位置を
関節角を用いて（θ１．θ２．θ３）と表わす。なお、
θ８．θ２．θ３は第１図の各回転軸２，３．４の回転
角に相当する。１０１は速度・角速度変換部、１０３は
角度・位置変換部、１０４は位置偏差、・速度変換部、
１０５は角速度・電圧変換部、１０７は関節角検出部、
１０８は目標位置入力部、１０９は位置偏差演算部、１
１０はモータ駆動部である。
ヤコビアン逆行列を用いｔこ位置制御ではよく知られて
いるように、直交座標上での脚先端の現在位置ｘ、ｙ、
ｚを、エンコーダやポテンショ−メータ等の関節角検出
部１０７により測定した当該脚の現在の関節角θ１．θ
２゜θ３から、一般（とその存在が知られている変換行
列Ａにより角度・位置変換部１０３で計算して求める。
いるように、直交座標上での脚先端の現在位置ｘ、ｙ、
ｚを、エンコーダやポテンショ−メータ等の関節角検出
部１０７により測定した当該脚の現在の関節角θ１．θ
２゜θ３から、一般（とその存在が知られている変換行
列Ａにより角度・位置変換部１０３で計算して求める。
この計算された現在位置ｘ、ｙ。
Ｚと目標位置Ｘ７ ｐ ’／ｄｐ ｚｄとの差を位置偏
差演算部１０９により求めてΔＸ、Δｙ、Δ２とする。
差演算部１０９により求めてΔＸ、Δｙ、Δ２とする。
この位置偏差ΔＸ、Δｙ、Δ２に適当な係数に、、に、
、に、を変換部１０４により乗じて直交座標上での速度
指令値ｘ、、 ｙ、、 ；ｄとする。
、に、を変換部１０４により乗じて直交座標上での速度
指令値ｘ、、 ｙ、、 ；ｄとする。
次いで、この速度指令値Ｍ、、 ｙ、、 ｚ、を、変換
部１０１において、ヤコビアン逆行列として知られてい
る行列Ｊによって関節角速度Δ、。
部１０１において、ヤコビアン逆行列として知られてい
る行列Ｊによって関節角速度Δ、。
ｄ２．δ３に変換部１０５により適当な係数に４．。
ｉｃ４． 、 ｋｊ、を乗じてモータ電圧指令値とする
。
。
ところでかかる従来技術では、脚にかかる負荷の変動が
非常に大きいため、サーボゲインを一定にすると、サー
ボ剛性が不足しｔこりあるいは振動現象が生しることが
ある。
非常に大きいため、サーボゲインを一定にすると、サー
ボ剛性が不足しｔこりあるいは振動現象が生しることが
ある。
本発明は、上記従来技術に鑑み、精度の高い制御が行な
え、安定かつ効率的な動作をすることのできる歩行機械
の制御方法を提供することを目的とする。
え、安定かつ効率的な動作をすることのできる歩行機械
の制御方法を提供することを目的とする。
く問題点を解決するｔコめの手段〉
上記目的を達成する本発明は、複数の脚を持つ歩行機械
において、自重により各脚の回転軸にかかる負荷を算出
し、算出した負荷に対応する補正値を基に元来の制御指
令の利得を調整することにより、自重による外乱を補償
すること、を特徴とする。
において、自重により各脚の回転軸にかかる負荷を算出
し、算出した負荷に対応する補正値を基に元来の制御指
令の利得を調整することにより、自重による外乱を補償
すること、を特徴とする。
く実 施 例〉
以下本発明の詳細な説明する。なお従来技術と同一部分
には同一番号を付し重複する説明は省略する。
には同一番号を付し重複する説明は省略する。
第６図に示すものは本発明の実施例の一つである。本実
施例では、第５図に示す例に、力・トルク変換部１０２
と、トルク・電圧変換部１０６と外力入力部１１１とを
付加して １自動の補償を行なっている。即ち
、計算あるいはセンサ情報に基づいて自重による直交座
標上の外力を求め、これをｆＸ、 ｆ、、 ｆ、とす
る。
施例では、第５図に示す例に、力・トルク変換部１０２
と、トルク・電圧変換部１０６と外力入力部１１１とを
付加して １自動の補償を行なっている。即ち
、計算あるいはセンサ情報に基づいて自重による直交座
標上の外力を求め、これをｆＸ、 ｆ、、 ｆ、とす
る。
この外力ｆ、、 ｆ、、 ｆアの情報が外力入力部１１
１から力・トルク変換部１０２に与えられ、また現在の
関節角θ□、θ２．θ、の情報が関節角検出部１０７か
ら入力されることにより、この変換部１０２において変
換行列Ｊ１により外力ｆ、、 ｆ、、 ｆ、と現在の関
節角θ８．θ２．θ３とから各関節の回転軸に加わる外
乱トルク１．、 １２゜ｔ３が計算される。この外乱ト
ルク１．、 １２． １３に適当な係数ｋｔ１． ｋ、
。、 ｋｔ３を変換部１０６により乗じて補正電圧を計
算する。計算した補正電圧により角速度・電圧変換部５
のゲインを変化させて、最終的なモータ電圧指令値とす
る。これにより自重による外乱の補償が行なわれる。
１から力・トルク変換部１０２に与えられ、また現在の
関節角θ□、θ２．θ、の情報が関節角検出部１０７か
ら入力されることにより、この変換部１０２において変
換行列Ｊ１により外力ｆ、、 ｆ、、 ｆ、と現在の関
節角θ８．θ２．θ３とから各関節の回転軸に加わる外
乱トルク１．、 １２゜ｔ３が計算される。この外乱ト
ルク１．、 １２． １３に適当な係数ｋｔ１． ｋ、
。、 ｋｔ３を変換部１０６により乗じて補正電圧を計
算する。計算した補正電圧により角速度・電圧変換部５
のゲインを変化させて、最終的なモータ電圧指令値とす
る。これにより自重による外乱の補償が行なわれる。
第７図は本発明の他の実施例を示す。本実施例では、外
力ｆｘ、 ｆ、、 ｆ、を力・ゲイン変換部２０２で補
正ゲインに変換し、この補正ゲインでもって位ＷＩＩ差
・速度変換部２０１のゲインが調整される。この場合も
自重による負荷が大きい場合はゲインを大きくしてサー
ボ剛性を上げ、負荷が小さい場合はゲインを小さくして
サーボ剛性を下げて安定した動作を行なわせることがで
きる。なお本実施例では、第６図に示す実施例に対し、
力・トルク変換部ＪＴｌ ０２が不要ななめ、計算量は
少なく制御系は簡略化される。゛ 〈発明の効果〉 本発明によれば、自重によって生ずる脚の負荷を計算し
、この計算されｔコ負荷に対応する補正値でゲインを変
えるので、自重による負荷を補償することができ、外乱
に強く精度の高い制御を行うことができる。また制御精
度の向上によりサーボ剛性向上が行える。更に制御精度
の向上により、複数脚協調動作時に生ずる拘束を減小さ
せることができる。これにより、拘束によるエネルギー
損失が減少し、更に乙のエネルギー損失減少の結果速度
が向上する。
力ｆｘ、 ｆ、、 ｆ、を力・ゲイン変換部２０２で補
正ゲインに変換し、この補正ゲインでもって位ＷＩＩ差
・速度変換部２０１のゲインが調整される。この場合も
自重による負荷が大きい場合はゲインを大きくしてサー
ボ剛性を上げ、負荷が小さい場合はゲインを小さくして
サーボ剛性を下げて安定した動作を行なわせることがで
きる。なお本実施例では、第６図に示す実施例に対し、
力・トルク変換部ＪＴｌ ０２が不要ななめ、計算量は
少なく制御系は簡略化される。゛ 〈発明の効果〉 本発明によれば、自重によって生ずる脚の負荷を計算し
、この計算されｔコ負荷に対応する補正値でゲインを変
えるので、自重による負荷を補償することができ、外乱
に強く精度の高い制御を行うことができる。また制御精
度の向上によりサーボ剛性向上が行える。更に制御精度
の向上により、複数脚協調動作時に生ずる拘束を減小さ
せることができる。これにより、拘束によるエネルギー
損失が減少し、更に乙のエネルギー損失減少の結果速度
が向上する。
本発明の制御方法は歩行機械全般に適用されるものであ
り、特に、原子炉格納春器内軽作業点検用ロボット（Ｃ
／Ｖロボット）、極限作業用ロボット、原子炉用小形点
検ロボット、原子炉用搬送ロボットに適用して有用であ
る。
り、特に、原子炉格納春器内軽作業点検用ロボット（Ｃ
／Ｖロボット）、極限作業用ロボット、原子炉用小形点
検ロボット、原子炉用搬送ロボットに適用して有用であ
る。
第１図は４脚３関節形歩行機械を示す斜視図、第２図は
直流モータの特性を示す特性図、第３図はゲイン特性を
示す特性図、第４図は従来の歩行機械の歩行状態を説明
するものであり、第４図（ａ） （ｄｉは正面図、第４
図（ｂｌ （ｃ）は平面図である。 第１図は本発明の実施例を示すブロック図である。 図面中、１０１は速度・角速度変換部、１０２は力・ト
ルク変換部、１０３は角度・位置変換部、１０４は位置
偏差・速度変換部、１０５は角速度・電圧変換部、１０
６はトルク・電圧変換部、１０７は関節角検出部、１０
８は目標位置入力部、１０９は位置偏差演算部、１１０
はモータ駆動部、１１１は外部入力部、２０１は位置偏
差・速度変換部、２０２は力・ゲイン変換部である。 第２図 回転我ＣＮ１ 第４図 （Ｃ） （ｄ）
直流モータの特性を示す特性図、第３図はゲイン特性を
示す特性図、第４図は従来の歩行機械の歩行状態を説明
するものであり、第４図（ａ） （ｄｉは正面図、第４
図（ｂｌ （ｃ）は平面図である。 第１図は本発明の実施例を示すブロック図である。 図面中、１０１は速度・角速度変換部、１０２は力・ト
ルク変換部、１０３は角度・位置変換部、１０４は位置
偏差・速度変換部、１０５は角速度・電圧変換部、１０
６はトルク・電圧変換部、１０７は関節角検出部、１０
８は目標位置入力部、１０９は位置偏差演算部、１１０
はモータ駆動部、１１１は外部入力部、２０１は位置偏
差・速度変換部、２０２は力・ゲイン変換部である。 第２図 回転我ＣＮ１ 第４図 （Ｃ） （ｄ）
Claims (1)
- 複数の脚を持つ歩行機械において、自重により各脚の回
転軸にかかる負荷を算出し、算出した負荷に対応する補
正値を基に元来の制御指令の利得を調整することにより
、自重による外乱を補償すること、を特徴とする歩行機
械の制御方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59256455A JPS61134806A (ja) | 1984-12-06 | 1984-12-06 | 歩行機械の制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59256455A JPS61134806A (ja) | 1984-12-06 | 1984-12-06 | 歩行機械の制御方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61134806A true JPS61134806A (ja) | 1986-06-21 |
Family
ID=17292878
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59256455A Pending JPS61134806A (ja) | 1984-12-06 | 1984-12-06 | 歩行機械の制御方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS61134806A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1988005937A1 (en) * | 1987-01-30 | 1988-08-11 | Kabushiki Kaisha Komatsu Seisakusho | Operation controller |
| JP2006315587A (ja) * | 2005-05-13 | 2006-11-24 | Chiba Inst Of Technology | 脚車輪分離型ロボット |
| CN105922271A (zh) * | 2016-05-30 | 2016-09-07 | 上海理工大学 | 一种搜救机器人 |
-
1984
- 1984-12-06 JP JP59256455A patent/JPS61134806A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1988005937A1 (en) * | 1987-01-30 | 1988-08-11 | Kabushiki Kaisha Komatsu Seisakusho | Operation controller |
| JP2006315587A (ja) * | 2005-05-13 | 2006-11-24 | Chiba Inst Of Technology | 脚車輪分離型ロボット |
| CN105922271A (zh) * | 2016-05-30 | 2016-09-07 | 上海理工大学 | 一种搜救机器人 |
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