JP2005028567A - ２足歩行移動装置の歩行制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より効率的なセンサー及び前記センサーを用いて測定された地面反力を利用して地面反力平面を構成することを含む歩行制御方法によって均衡を維持しながら安定的な歩行をすることができるようにする。
【解決手段】２足歩行移動装置の歩行制御方法は、脚部の下端に付着された測定センサーに対応する地点にｘ座標及びｙ座標を付与する段階と、脚部の下端の少なくとも３地点の地面反力を測定してｚ座標を付与する段階と、測定された地面反力に基づいて地面反力平面７を構成し、地面反力平面に垂直する垂直ベクタ９を算出する段階と、重力方向である基準ベクタ１１に垂直ベクタが合致されるようにするｘ軸基準の回転角であるロール角及びｙ軸基準の回転角であるピッチ角を算出する段階と、ロール角及び前記ピッチ角に対応するように駆動部を駆動する段階とを含む。
【選択図】図５

Description

本発明は２足歩行移動装置の歩行制御方法｛Controling Method of Biped Walking Robot｝に関し、より詳しくは、均衡を維持しながら安定的な歩行をすることができるようにする２足歩行移動装置の歩行制御方法に関する。

従来、いわゆる２足歩行式ロボットは予め設定された歩行パターンデータ（以下、歩行姿勢という）を生成し、この歩行姿勢データによって歩行制御を行い、所定の歩行パターンで脚部を動作させて２足歩行を実現するようにしている。

しかし、このような２足歩行式ロボットは例えば路面状況、ロボット自体の物理的パラメターの誤差などによって歩行時の姿勢が不安定になりやすく、場合によっては倒れることががる。

これに対し、歩行姿勢データを予め設定せず、リアルタイムでロボットの歩行状態を認識しながら歩行制御を行うようにすると、歩行時の姿勢を安定させて歩行するようにすることも可能であるが、このような場合にも予期しない路面状況などが発生した場合には歩行姿勢が破壊されてロボットが倒れるようになる。

したがって、歩行制御によって、ロボットの足裏での反力と重力の合成モーメントがゼロになる点（以下、ＺＭＰ：Zero Moment Pointという）を目標値に手続させて、いわゆるＺＭＰ補償を行う必要がある。このようなＺＭＰ補償のための制御方法としては、例えば日本特開平５−３０５５８６号に開示されているようにコンプライアンス（compliance）制御を用いてＺＭＰを目標値に手続させロボットの上体を加速させて修正する方法とロボットの足の接地場所を修正する制御方法が知られている。
日本特開平５−３０５５８６号

一方、ロボットの安定的な歩行のために歩行時に地面から伝達される地面反力を測定する代表的な方法はストレインゲージ式ロードセルであって、力を受けて変形される弾性体にストレインゲージを接着してホイートストンブリッジを構成することによって外部から加えられる力の大きさを電気的な信号に変換する方式である。したがって、このようなロードセルは精密製作が必須のことであり、付加的な回路が厖大であるため主に大きな力が作用する構造物に適した方式であるので、歩行ロボットのような小型構造物に応用するには多くの制約が伴う。

上記目的は、本発明によって、本体と、前記本体の下部両端に揺れ可能に付着された脚部と、前記脚部を揺れさせる駆動部とから構成され、感知された地面反力に基づいて前記２足歩行移動装置が均衡を維持することができるように前記駆動部を駆動制御する２足歩行移動装置の歩行制御方法において、前記脚部の下端に付着された測定センサーに対応する地点にｘ座標及びｙ座標を付与する段階と、前記脚部の下端の少なくとも３地点の地面反力を測定してｚ座標を付与する段階と、前記測定された地面反力に基づいて地面反力平面を構成し、前記地面反力平面に垂直する垂直ベクタを算出する段階と、重力方向である基準ベクタに前記垂直ベクタが合致されるようにするｘ軸基準の回転角であるロール角及びｙ軸基準の回転角であるピッチ角を算出する段階と、前記ロール角及び前記ピッチ角に対応するように駆動部を駆動する段階とを含むことにより達成される。

ここで、前記測定センサーは、フィルム型感圧センサーから構成されるのが効果的である。

また、前記測定センサーに座標を付与する段階は、各脚部の下端に長方形の形状をなすように前記測定センサーを複数配置し、前記長方形の形状の対角線の交差点を座標系の原点として設定するのが好ましい。

さらに、前記ロール角及び前記回転角を算出する段階は、前記地面反力平面に垂直する垂直ベクタをａ、ｂ、ｃであると仮定すると、前記ロール角は

によって算出し、前記ピッチ角は

によって算出することができる。

本発明によると、より効率的なセンサー及び前記センサーを用いて測定された地面反力を利用して地面反力平面を構成することを含む歩行制御方法によって均衡を維持しながら安定的な歩行をすることができるようにする。

以下、添付図面を参照して本発明について詳細に説明する。

図１は本発明による測定センサーの付着状態を示す図面である。図面に示されているように、測定センサー３は２足歩行移動装置であるロボットの脚部底面１の角部に各々一つずつ付着されている。

ここで、測定センサー３としてはフィルム型感圧センサーを用いるのが好ましい。

測定センサーであるフィルム型感圧センサーは計算機、エレベーターボタンなど多様なデジタルスイッチに用いられており、加えられる圧力によって抵抗出力値を異にする。つまり、センサーの表面に力を加える時に減少する抵抗が発生するポリマーフィルム装置であると言える。

このような圧力に対する特性を有しているフィルム型感圧センサーをロボットの脚部の底の各角部に配置し、その上に一定の大きさの丸いゴムパッドを位置させて固定し、さらに、その上に蓋板を付着して固定すると、ロボットの脚部の底が完成する。このようにすることによって、各角部のフィルム型感圧センサーを用いてロボットの負荷をより正確に測定することができ、また、安価に実現することができるため、小型低価格型歩行ロボットを実現することに長所がある。

したがって、本発明に用いられる２足歩行ロボットは従来のロードセルやストレインゲージ方式に比べて安価であると共に付加的なシステムが簡略であるため歩行ロボットのような小型構造物への応用に有利なフィルム型感圧センサーを使用する。

図２乃至図６はＸ１及びＸ２の向かう方向を前方と仮定し、前方に傾いた斜面に本発明に用いられる２足歩行ロボットが位置しているという仮定下での歩行移動の場合を示した図面である。前記図面は本発明をより明確に説明するために示されたものに過ぎず、例として挙げている歩行移動の場合に限定されて適用されるわけではないことはもちろんである。

また、本図面に示されるＸ１、Ｘ２、Ｘ３及びＸ４はＸＹＺ直交座標系での３次元座標を示すと同時にＸＹ平面に投射された２次元座標を示す。

図２は本発明によって図１の測定センサーに座標を付与した例を示す図面である。図面に示されているように、前記Ｘ_１とＸ_２の間の距離をａ、前記Ｘ_３とＸ_１の間の距離をｂとする時、２足歩行ロボットの脚部底面１の各角部に付着された測定センサー３が形成する長方形の形状の対角線の交差点を原点（０、０）とする。

また、前方に配置されたＸ_２のＸ座標及びＹ座標全てを＋とする時、Ｘ_１の座標は（−ａ／２、ｂ／２）であり、Ｘ_２の座標は（ａ／２、ｂ／２）であり、Ｘ_３の座標は（−ａ／２、−ｂ／２）であり、Ｘ_４の座標は（ａ／２、−ｂ／２）になる。

ここで、前記対角線の交差点を原点とし、前記Ｘ_２のＸ座標及びＹ座標全てを＋と仮定したことは単に説明を簡単にして理解を助けるために任意に定めたことに過ぎず、原点及び座標系の配置が使用者の選択によって多様に変更できることはもちろんである。

図３及び図４は本発明によって地面反力平面を構成するためのｚ座標を算出する例を示す図面であり、図５は本発明によって地面反力平面を構成した例を示す図面である。

ここで、図面符号５は重力方向に垂直である基準平面を、図面符号７は地面反力平面を、図面符号９は地面反力平面に垂直な垂直ベクタを、図面符号１１は重力方向の基準ベクタを示す。また、矢印の大きさＡはＸ_１地点での地面反力を、ＢはＸ_２地点での地面反力を、ＣはＸ_３地点での地面反力を示す。

３地点の座標のみを知っていると、与えられた座標系で任意の一つの平面を構成することができることは既に知られた事実である。したがって、本実施例では４つの座標が与えられた測定センサーのうちで任意に選択された３つの測定センサーの座標に基づいて地面反力平面を構成する。ここでは特にＸ_１、Ｘ_２及びＸ_３地点を利用しＸ_４地点は除いているが、平面を構成する座標の決定は全的に使用者の選択によることはもちろんである。

まず、図３は図５のＸ_１及びＸ_３が位置する側面でＸ_１及びＸ_３のｚ座標に該当する地面反力値を視覚的に示した平面である。前方に傾斜している地面である場合、前方に位置した地点Ｘ_１が相対的に後方に位置した地点Ｘ_３より地面反力をさらに多く受ける。したがって、測定センサー３で感知された圧力に対応して出力される電気信号を受信して、これを適切な値に換算して解釈する。

ここで、測定センサー３から伝達された電気信号は大体に前記傾斜している地面と平行な地面反力平面を構成できるように解釈されるのが好ましい。

これと同様に、図４は図５のＸ_２が位置する側面でＸ_２及びＸ_３のｚ座標に該当する地面反力値を視覚的に示した平面である。前方に傾斜している地面である場合、前方に位置した地点Ｘ_２が相対的に後方に位置した地点Ｘ_３より地面反力をさらに多く受ける。したがって、測定センサー３で感知された圧力に対応して出力される電気信号を受信して、これを適切な値に換算して解釈する。

これによって、図５の図面符号７に該当する地面反力平面、つまり、ＸＹＺ直交座標系で測定センサー３の座標及び地面反力に基づいて生成された前記３点Ｘ_１、Ｘ_２及びＸ_３を含む地面反力平面を構成することができる。また、このように生成された地面反力平面７に垂直な垂直ベクタ９も算出することができる。

このような地面反力平面に該当する方程式及びこれに垂直な垂直ベクタを示す数式は３点の座標を利用すると容易に求めることができる。

垂直ベクタ９は大体に２足歩行ロボットの脚部が現在位置している方向と密接な関係がある。また、本実施例の環境のように前方にななめに傾斜している地面などのように水平面でない地面状態での歩行移動において、全体的な２足歩行ロボットの均衡維持のために２足歩行ロボットの脚部の軸を重力方向と平行に位置させる必要がある。

したがって、算出された地面反力平面７に垂直な垂直ベクタ９を重力方向である基準ベクタ１１に合致させるための移動角を計算して、算出された移動角だけ前記脚部を揺れさせれる。

前記移動角を算出する過程は、本発明によってロール角及びピッチ角を算出する例を示す図面である図６を参照して説明する。

ここで、θ_ｘは垂直ベクタ９をＸ軸を基準に回転させる角度を示し、ロール（Roll）角と定義される。一方、θ_ｙは垂直ベクタ９をＹ軸を基準に回転させる角度を示し、ピッチ（Pitch）角と定義される。

また、ａ、ｂ及びｃは各々垂直ベクタ９のｘ、ｙ及びｚ方向の大きさを示す記号であって、前記で測定センサー３の座標を示すために用いられたａ及びｂとは互いに関係がない。

図面に示されているように、前記θ_ｘの大きさは垂直ベクタ９をＹＺ平面に投影させた線分からＺ軸までの角度と定義され、数式で示すと次の通りである。

これと同様に、前記θ_ｙの大きさは垂直ベクタ９をＸＺ平面に投影させた線分からＺ軸までの角度と定義され、数式で示すと次の通りである。

このように、算出されたロール角及びピッチ角、つまり、移動角情報を利用して脚部の軸を重力方向と平行に移動させることができるように駆動部を駆動させる。

図７は本発明による２足歩行移動装置の歩行制御過程を示すフローチャートである。図面に示されているように、測定センサー３を２足歩行ロボット脚部の底面１の角部部分に付着し（Ｓ１）、各測定センサー３の付着位置に座標を付与する（Ｓ３）。その後、測定センサー３で測定された地面反力を感知し（Ｓ５）、測定センサー３の座標及び感知された地面反力に基づいて地面反力平面７を構成する（Ｓ７）。

ここで、測定センサー３の座標及び各測定センサー３で測定された地面反力に該当するＺ座標値は同時に換算されてＸＹＺ座標系で一つの３次元座標として生成できる。

また、このように生成された３次元座標のうちの少なくとも３地点の座標を利用して一つの地面反力平面７を生成するのが好ましい。

生成された地面反力平面７に垂直な垂直ベクタ９を算出し（Ｓ９）、垂直ベクタ９が重力方向である基準ベクタ１１に合致されるようにＸ軸基準の回転角であるロール角及びＹ軸基準の回転角であるピッチ角を算出する（Ｓ１１）。

前記ロール角及びピッチ角の算出式は数式１及び数式２に示された通りである。

このように算出されたロール角及びピッチ角、つまり、移動角情報を利用して脚部の軸を重力方向と平行に移動させることができるように駆動部を駆動させる（Ｓ１３）。

ここで、脚部、膝または本体を相互連結すると同時に動きを円滑にする関節については言及しなかったが、前記駆動部は一般的に脚部の上部に位置する膝部位に備えられた関節を駆動させる関節駆動用モータであるのが普通である。

したがって、このようなモータは前記算出された移動角情報によって制御部（図示せず）の制御によって適切に移動可能に制御され、水平でない地面を歩行移動する時にも均衡を維持することができるように駆動される。

本実施例は２足歩行ロボットの歩行制御方法に限定して説明したが、地面反力平面を構成しこれに垂直な垂直ベクタを利用して、均衡維持のための移動角を算出する方法は、少なくとも３地点に測定センサー３を付着して地面反力を測定することによって均衡を維持する必要があるいずれのシステムにも適用可能であることはもちろんである。

前記のような構成によって、より効率的なセンサー及び前記センサーを用いて測定された地面反力を利用して地面反力平面を構成することを含む歩行制御方法によって均衡を維持しながら安定的な歩行をすることができるようにする。

本発明による測定センサーの付着状態を示す図面である。 本発明によって測定センサーに座標を付与した例を示す図面である。 本発明によって地面反力平面を構成するためのｚ座標を算出する例を示す図面である。 本発明によって地面反力平面を構成するためのｚ座標を算出する例を示す図面である。 本発明によって地面反力平面を構成した例を示す図面である。 本発明によってロール角及びピッチ角を算出する例を示す図面である。 本発明による２足歩行移動装置の歩行制御過程を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 脚部の底面
３ 測定センサー
５ 基準平面
７ 地面反力平面
９ 垂直ベクタ
１１ 基準ベクタ

Claims (4)

1. 本体と、前記本体の下部両端に揺れ可能に付着された脚部と、前記脚部を揺れさせる駆動部とから構成され、感知された地面反力に基づいて２足歩行移動装置が均衡を維持することができるように前記駆動部を駆動制御する２足歩行移動装置の歩行制御方法において、
   前記脚部の下端に付着された測定センサーに対応する地点にｘ座標及びｙ座標を付与する段階と、
   前記脚部の下端の少なくとも３地点の地面反力を測定してｚ座標を付与する段階と、
   前記測定された地面反力に基づいて地面反力平面を構成し、前記地面反力平面に垂直する垂直ベクタを算出する段階と、
   重力方向である基準ベクタに前記垂直ベクタが合致するようにするｘ軸基準の回転角であるロール角及びｙ軸基準の回転角であるピッチ角を算出する段階と、
   前記ロール角及び前記ピッチ角に対応するように駆動部を駆動する段階と
   を含むことを特徴とする２足歩行移動装置の歩行制御方法。
2. 前記測定センサーは、フィルム型感圧センサーから構成されることを特徴とする、請求項１に記載の２足歩行移動装置の歩行制御方法。
3. 前記測定センサーに座標を付与する段階は、各脚部の下端に長方形の形状をなすように前記測定センサーを複数配置し、前記長方形の形状の対角線の交差点を座標系の原点として設定することを含むことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の２足歩行移動装置の歩行制御方法。
4. 前記ロール角及び前記回転角を算出する段階は、
   前記地面反力平面に垂直する垂直ベクタをａ、ｂ、ｃであると仮定すると、前記ロール角は
   

   

   によって算出し、前記ピッチ角は
   

   

   によって算出することを特徴とする、請求項３に記載の２足歩行移動装置の歩行制御方法。
   
   

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