JP2004148499A - 移動体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 ロボットの機体上の制御目標点として質量操作量が最大となる腰部をローカル座標原点に設定して加速度センサを配置して、その位置における姿勢や加速度を直接計測して、ZMPに基づく姿勢安定制御を行なう。さらに、路面との接触部位である足部にZMPと力を直接計測する床反力センサと加速度センサを配置し、ZMP位置に最も近い足部で直接ZMP方程式を組み立てて、より厳密な姿勢安定制御を高速で実現する。
【選択図】 図1
Description
(1)ロボットの外部環境は、どんな力やトルクが作用しても動くことがない。
(2)ロボットの外部環境での併進に対する摩擦係数は十分大きく、滑りが生じない。
(3)ロボットは、どんな力やトルクが作用しても変形することがない。
という条件を前提としたものである。このため、力やトルクが作用すると路面が動いてしまう砂利上や毛足の長い絨毯上、そして、併進の摩擦係数が十分に確保できずすべりが生じ易い住居内のタイルなどでの安定歩行(運動)や、ロボット自身の構造に柔軟性を持たせることで跳躍を伴う全身運動の実現を目指したロボットの運動制御を保証するものではない。
前記可動部の1つのローカル座標系を設定し、前記ローカル座標系が設定された可動部に設置された第1の加速度センサと、
前記ローカル座標系内にある前記移動体装置の1以上の制御対象点に設置された第2の加速度センサと、
少なくとも前記第1の加速度センサ及び前記第2の加速度センサから得られる加速度情報に基づいて、前記移動体装置の各制御点における加速度を制御することにより、前記移動体装置の可動部を制御する制御手段と、
を具備することを特徴とする移動体装置である。
(2)路面での並進に対する摩擦係数は充分に大きく、滑りが生じない。
図1及び図2には本発明の実施に供される「人間形」又は「人間型」の脚式移動ロボット100が直立している様子を前方及び後方の各々から眺望した様子を示している。図示の通り、脚式移動ロボット100は、胴体部と、頭部と、左右の上肢部と、脚式移動を行なう左右2足の下肢部とで構成され、例えば胴体に内蔵されている制御部(図示しない)により機体の動作を統括的にコントロールするようになっている。
(2)右足が接地した両脚支持期
(3)左脚を持ち上げた、右脚による単脚支持期
(4)左足が接地した両脚支持期
図4には、脚式移動ロボット100の制御システム構成を模式的に示している。同図に示すように、脚式移動ロボット100は、ヒトの四肢を表現した各機構ユニット30、40、50R/L、60R/Lと、各機構ユニット間の協調動作を実現するための適応制御を行なう制御ユニット80とで構成される(但し、R及びLの各々は、右及び左の各々を示す接尾辞である。以下同様)。
(2)路面での並進に対する摩擦係数は充分に大きく、滑りが生じない。
次いで、本実施形態に係る脚式移動ロボット100における、脚式作業時すなわち足部、腰、体幹、下肢運動などからなる全身協調運動の実行時における姿勢の安定化処理の手順について説明する。
本実施形態に係る脚式移動ロボット100は無限のすなわち連続的な質点の集合体である。但し、ここでは有限数で離散的な質点からなる近似モデルに置き換えることによって、安定化処理のための計算量を削減するようにしている。より具体的には物理的には図3に示す多関節自由度構成を具備する脚式移動ロボット100を、図5に示すように多質点近似モデルに置き換えて取り扱う。図示の近似モデルは、線形且つ非干渉の多質点近似モデルである。
(2)質点を設定する。質点の設定方法は、設計者のマニュアル入力であっても、所定の規則に従った自動生成のいずれでも構わない。
(3)領域i毎に、重心を求め、その重心位置と質量miを該当する質点に付与する。
(4)各質点miを、質点位置riを中心とし、その質量に比例した半径に持つ球体として表示する。
(5)現実に連結関係のある質点すなわち球体同士を連結する。
図7には、脚式移動ロボット100において安定歩行可能な機体運動を生成するための処理手順をフローチャートの形式で示している。但し、以下の説明では、図5及び図6に示すような線形・非干渉多質点近似モデルを用いて脚式移動ロボット100の各関節位置や動作を記述するものとする。
これまでの脚式移動ロボット及びその力学的取り扱いは、外力やトルクを受けても変形が非常に小さく、ロボット全体の運動に対して無視できることを前提としていた。つまり、ロボットの各関節間の距離は変化しないことを前提としていたので、ロボット・システムの状態検出センサは、各要素に関して各1つの構成で十分であった。
回転運動: 慣性モーメント=−極慣性モーメント×角加速度
極慣性モーメント: 回転軸における慣性モーメント
(2)各リンクの重心付近に、加速度センサ、角加速度センサ、角速度センサを搭載する。
(3)各アクチュエータの重心付近に、加速度センサ、角加速度センサ、角速度センサを搭載する。
(4)各アクチュエータの重心付近及びアクチュエータを除いたリンクの重心付近に、加速度センサ、角加速度センサ、角速度センサを搭載する。
(5)各アクチュエータの重心付近、バッテリの重心付近、バッテリとアクチュエータを除いたリンクの重心付近に、加速度センサと角加速度センサと角速度センサを搭載する。
2A…第1の首関節ピッチ軸
2B…第2の首関節(頭)ピッチ軸
3…首関節ロール軸
4…肩関節ピッチ軸
5…肩関節ロール軸
6…上腕ヨー軸
7…肘関節ピッチ軸
8…手首関節ヨー軸
9…体幹ピッチ軸
10…体幹ロール軸
11…股関節ヨー軸
12…股関節ピッチ軸
13…股関節ロール軸
14…膝関節ピッチ軸
15…足首関節ピッチ軸
16…足首関節ロール軸
30…頭部ユニット,40…体幹部ユニット
50…腕部ユニット,51…上腕ユニット
52…肘関節ユニット,53…前腕ユニット
60…脚部ユニット,61…大腿部ユニット
62…膝関節ユニット,63…脛部ユニット
80…制御ユニット,81…主制御部
82…周辺回路
91,92…接地確認センサ
93,94…加速度センサ
95…姿勢センサ
96…加速度センサ
100…脚式移動ロボット
Claims (7)
- 基体と、前記基体に接続される1以上の可動部を有する移動体装置であって、
前記可動部の1つのローカル座標系を設定し、前記ローカル座標系が設定された可動部に設置された第1の加速度センサと、
前記ローカル座標系内にある前記移動体装置の1以上の制御対象点に設置された第2の加速度センサと、
少なくとも前記第1の加速度センサ及び前記第2の加速度センサから得られる加速度情報に基づいて、前記移動体装置の各制御点における加速度を制御することにより、前記移動体装置の可動部を制御する制御手段と、
を具備することを特徴とする移動体装置。 - 前記ローカル座標系と前記第1の加速度センサを前記移動体装置と路面との接触部位に設ける、
ことを特徴とする請求項1に記載の移動体装置。 - 前記移動体装置は足部を有するロボット装置であり、
前記ローカル座標系と前記第1の加速度センサを前記足部に設ける、
ことを特徴とする請求項1に記載の移動体装置。 - 前記移動体装置は腰部を有するロボット装置であり、
前記ローカル座標系と前記第1の加速度センサを前記腰部に設ける、
ことを特徴とする請求項1に記載の移動体装置。 - 少なくとも前記第1の加速度センサ及び前記第2の加速度センサから得られる加速度情報に基づいて導出されるZMP方程式又は運動方程式を用いて、前記移動体装置に印加される未知モーメント又は未知外力を算出する手段をさらに備え、
前記制御手段は、該算出された未知モーメント又は未知外力に基づいて前記移動体装置の可動部を制御する、
ことを特徴とする請求項1に記載の移動体装置。 - 前記移動体装置は、少なくとも上肢、下肢、及び体幹部を含んだ可動部を備えたロボット装置であり、
少なくとも前記上肢、前記下肢、前記体幹部毎に制御対象点が設けられている、
ことを特徴とする請求項1に記載の移動体装置。 - 機体上に分散配置された前記加速度センサ同士が直列的に接続され、個々の制御点において前記加速度センサの加速度情報に基づいて算出される前記ZMP方程式又は運動方程式上のモーメント項や外力項を、接続経路に従って各制御対象点において順次加算していく、
ことを特徴とする請求項6に記載の移動体装置。
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2003
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