JP2005238443A - 脚式移動ロボットの姿勢制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】目標ZMPを満足するように目標上体姿勢などの目標運動を生成すると共に、目標運動によって動力学モデル上で目標ZMPまわりに発生するフルモデル補正モーメントを算出し、検出された実上体傾斜角偏差の解消に必要な補償全床反力モーメントMdmdを決定し、ロボットの運動を目標運動に追従させつつ、補償全床反力モーメントとフルモデル補正モーメントとの和が目標ZMPまわりにロボットの床反力モーメントとして作用するように、複合コンプライアンス動作決定部104を介してロボットの関節のアクチュエータを駆動する。
【選択図】図4
Description
a)広義の目標歩容とは、1歩ないしは複数歩の期間の目標運動軌跡とその目標床反力パターンの組である。
b)狭義の目標歩容とは、1歩の期間の目標運動軌跡とそのZMP軌道の組である。
c) 一連の歩行は、いくつかの歩容がつながったものとする。
条件1)動力学的平衡条件を満足していること。即ち、ロボット1の目標運動軌跡から動力学的に算出されるZMP軌道が目標ZMP軌道と一致していること。
条件2)ロボット1の歩行計画部や歩行経路誘導部(共に図示せず)、あるいはオペレータから歩幅や旋回角など歩容が満たすべき条件が要求される場合、それらの要求条件を満たしていること。
条件3)足平が床を掘ったり擦ったりしない、関節角度が可動範囲を越えない、関節速度が限界を越えないなどの、キネマティクス(運動学)に関する制約条件を満たしていること。
条件4)片脚支持期においてZMPが支持脚足平接地面内になければならない、駆動系の最大能力を越えないなどの、動力学に関する制約条件を満たしていること。
条件5)境界条件を満たしていること。即ち、条件1)の当然の帰結として、歩容と歩容の境界では、少なくとも、各部位の位置と速度が連続であるという境界条件が導かれる(不連続であれば、無限大の力が発生したり、ZMPが接地面からはるかに遠くの点に移動してしまうから)。
1)このモデルは、倒立振子、支持脚足平質点、遊脚足平質点の3質点から構成される。
2)支持脚足平質点は、支持脚足平にローカルに設定された座標系(具体的には、原点が足首中心から足底への垂直投影点、XY平面が足底に一致し、かかとからつまさきへの向きをX軸にとったXYZ直交座標系であり、これを以降、「支持脚ローカル座標系」と呼ぶ)上のある固定された点に設定される。この固定された点の支持脚ローカル座標系上の座標を以降、「支持脚足平質点オフセット」と呼ぶ。
3)倒立振子は、水平に移動するフリーの支点aと、ひとつの質点bと、支点と質点を結ぶ質量のない可変長のリンクcから構成される。また、リンクが傾いてもリンクが伸縮し、支点から見た質点高さが一定値に保たれるものとする。
msup: 支持脚質点質量
mswg: 遊脚質点質量
mb: 倒立振子質点質量(上体質点質量)
mtotal: ロボット質量(= mb + msup + mswg)
mfeet: 両脚質量(= msup + mswg )
xsup: 支持脚質点位置
xswg: 遊脚質点位置
xb: 倒立振子位置(上体質点位置)
以降、ことわらない限り、xbは3次元ベクトル(XYZ座標ベクトル)で表わす。倒立振子の高さは、倒立振子の支点から質点までの高さを意味し、hと記述する。
ω0: 倒立振子の固有角周波数
ω0 = sqrt(g/h) (ただし、sqrtは平方根を表わす。)
Δt: 刻み時間
x[k]: kステップ目(時刻 kΔt )の倒立振子位置
v[k]: kステップ目の倒立振子速度
ZMPpend[k]:kステップ目の倒立振子ZMP(詳しくは、時刻kΔtから時刻(k+1) Δtまで、入力ZMPpend[k]の0次ホールドした信号が入力、即ち、その時刻の間は同一信号が倒立振子に入力され続けられるものとする。)
さらに、q[k]とp[k]を数5で定義する。
+目標ZMPまわりのフルモデル補正モーメントのZMP換算値 ...式15
目標ZMPまわりのフルモデル補正モーメントのZMP換算値
=フルモデルZMP−目標ZMP.......式16b
Claims (8)
- 少なくとも上体と、前記上体に関節を介して連結される複数本の脚部からなる脚式移動ロボットの姿勢制御装置において、
a.前記ロボットの目標ZMPを決定する目標ZMP決定手段、
b.前記目標ZMP決定手段によって決定された目標ZMPを満足するように第1の動力学モデルを用いて目標運動を生成する目標運動生成手段、
c.前記目標運動生成手段によって生成された目標運動に基づき、前記第1の動力学モデルよりも精度が高い第2の動力学モデルを用いて前記目標運動によって第2の動力学モデル上で前記目標ZMP決定手段によって決定された目標ZMPまわりに発生する床反力モーメントである第2モデル床反力モーメントを算出する第2モデル床反力モーメント算出手段、
d.前記ロボットの実姿勢傾斜偏差を検出する傾斜検出手段、
e.前記傾斜検出手段によって検出された実姿勢傾斜偏差に基づき、前記実姿勢傾斜偏差を解消するために必要な補償全床反力モーメントを決定する補償全床反力モーメント決定手段、
および
f.前記ロボットの運動を前記目標運動生成手段によって生成された目標運動に追従させつつ、前記補償全床反力モーメント決定手段によって決定された補償全床反力モーメントと、前記第2モデル床反力モーメント算出手段によって算出された第2モデル床反力モーメントとの和が、前記目標ZMP決定手段によって決定された目標ZMPまわりに、前記ロボットの床反力モーメントとして作用するように、前記ロボットの関節のアクチュエータを駆動するアクチュエータ制御手段、
を備えたことを特徴とする脚式移動ロボットの姿勢制御装置。 - 少なくとも上体と、前記上体に関節を介して連結される複数本の脚部からなる脚式移動ロボットの姿勢制御装置において、
a.前記ロボットの目標ZMPを決定する目標ZMP決定手段、
b.前記目標ZMP決定手段によって決定された目標ZMPを満足するように第1の動力学モデルを用いて目標運動を生成する目標運動生成手段、
c.前記目標運動生成手段によって生成された目標運動を、前記第1の動力学モデルよりも精度が高い第2の動力学モデルに入力することによって第2の動力学モデル上のZMPである第2モデルZMPを算出する第2モデルZMP算出手段、
d.前記ロボットの実姿勢傾斜偏差を検出する傾斜検出手段、
e.前記傾斜検出手段によって検出された実姿勢傾斜偏差に基づき、前記実姿勢傾斜偏差を解消するために必要な補償全床反力モーメントを決定する補償全床反力モーメント決定手段、
および
f.前記ロボットの運動を前記目標運動生成手段によって生成された目標運動に追従させつつ、前記補償全床反力モーメント決定手段によって決定された補償全床反力モーメントが、前記第2モデルZMP算出手段によって算出された第2モデルZMPまわりに、前記ロボットの床反力モーメントとして作用するように、前記ロボットの関節のアクチュエータを駆動するアクチュエータ制御手段、
を備えたことを特徴とする脚式移動ロボットの姿勢制御装置。 - 少なくとも上体と、前記上体に関節を介して連結される複数本の脚部からなる脚式移動ロボットの姿勢制御装置において、
a.前記ロボットの動作を構成する目標床反力の仮瞬時値を決定する目標床反力仮瞬時値決定手段、
b.前記動作を構成する目標運動の瞬時値を決定する目標運動瞬時値決定手段、
c.少なくとも前記決定された目標床反力の仮瞬時値を、前記ロボットの運動と床反力の関係を表す動力学モデルに入力し、前記動力学モデルの運動の瞬時値を算出するモデル運動瞬時値算出手段、
d.前記モデル運動瞬時値算出手段によって算出された動力学モデルの運動の瞬時値と、前記目標運動瞬時値決定手段によって決定された目標運動の瞬時値との差を算出するモデル運動差算出手段、
e.少なくとも前記モデル運動差算出手段によって算出された差に基づき、前記差が零に近づくように補正量を算出する補正量算出手段、
f.前記補正量算出手段によって算出された補正量を前記動力学モデルにフィードバックとして追加的に入力するモデル入力補正手段、
g.少なくとも前記動力学モデルの入力に基づき、前記目標床反力の瞬時値を決定する目標床反力瞬時値決定手段、
および
h.前記目標運動瞬時値決定手段によって決定された目標運動の瞬時値に前記ロボットの運動を追従させつつ、少なくとも前記目標床反力瞬時値決定手段によって決定された目標床反力の瞬時値に応じた床反力が前記ロボットの床反力として作用するように、前記ロボットの関節のアクチュエータを駆動するアクチュエータ制御手段、
を備えたことを特徴とする脚式移動ロボットの姿勢制御装置。 - さらに、
i.前記ロボットの実姿勢傾斜偏差を検出する傾斜検出手段、
および
j.前記傾斜検出手段によって検出された実姿勢傾斜偏差に基づき、前記実姿勢傾斜偏差を解消するために必要な補償全床反力モーメントを決定する補償全床反力モーメント決定手段、
を備えると共に、前記アクチュエータ制御手段は、前記目標床反力瞬時値決定手段によって決定された目標床反力の瞬時値と、前記補償全床反力モーメント決定手段によって決定された補償全床反力モーメントとの合力が、前記ロボットの床反力として作用するように、前記ロボットの関節のアクチュエータを駆動することを特徴とする請求項3記載の脚式移動ロボットの姿勢制御装置。 - 少なくとも上体と、前記上体に関節を介して連結される複数本の脚部からなる脚式移動ロボットの姿勢制御装置において、
a.前記ロボットの動作を構成する目標ZMPの仮瞬時値を決定する目標ZMP仮瞬時値決定手段、
b.前記動作を構成する目標運動の瞬時値を決定する目標運動瞬時値決定手段、
c.少なくとも前記目標ZMP仮瞬時値決定手段によって決定された目標ZMPの仮瞬時値を、前記ロボットの運動とZMPの関係を表す動力学モデルに入力し、前記動力学モデルの運動の瞬時値を算出するモデル運動瞬時値算出手段、
d.前記モデル運動瞬時値算出手段によって算出された動力学モデルの運動の瞬時値と、前記目標運動瞬時値決定手段によって決定された目標運動の瞬時値との差を算出するモデル運動差算出手段、
e.少なくとも前記モデル運動差算出手段によって算出された差に基づき、前記差が零に近づくように補正量を算出する補正量算出手段、
f.前記補正量算出手段によって算出された補正量をフィードバックとして前記動力学モデルに追加的に入力するモデル入力補正手段、
g.少なくとも前記動力学モデルの入力に基づき、前記目標ZMPの瞬時値を決定する目標ZMP瞬時値決定手段、
および
h.前記目標運動瞬時値決定手段によって決定された目標運動の瞬時値に前記ロボットの運動を追従させつつ、少なくとも前記目標ZMP瞬時値決定手段によって決定された目標ZMPの瞬時値に応じた床反力が前記ロボットの床反力として作用するように、前記ロボットの関節のアクチュエータを駆動するアクチュエータ制御手段、
を備えたことを特徴とする脚式移動ロボットの姿勢制御装置。 - さらに、
i.前記ロボットの実姿勢傾斜偏差を検出する傾斜検出手段、
および
j.前記傾斜検出手段によって検出された実姿勢傾斜偏差に基づき、前記実姿勢傾斜偏差を解消するために必要な補償全床反力モーメントを決定する補償全床反力モーメント決定手段、
を備えると共に、前記アクチュエータ制御手段が、前記補償全床反力モーメント決定手段によって決定された補償全床反力モーメントが、前記目標ZMP瞬時値決定手段によって決定された目標ZMPの瞬時値まわりに、前記ロボットの床反力モーメントとして作用するように、前記ロボットの関節のアクチュエータを駆動することを特徴とする請求項5記載の脚式移動ロボットの姿勢制御装置。 - 少なくとも上体と、前記上体に関節を介して連結される複数本の脚部からなる脚式移動ロボットの姿勢制御装置において、
a.前記ロボットの動作を構成する目標ZMPの仮瞬時値を決定する目標ZMP仮瞬時値決定手段、
b.前記動作を構成する目標運動の瞬時値を決定する目標運動瞬時値決定手段、
c.少なくとも前記目標ZMP仮瞬時値決定手段によって決定された目標ZMPの仮瞬時値を、前記ロボットの運動と床反力作用点とそのまわりの床反力モーメントの関係を表す動力学モデルに床反力作用点として入力し、前記動力学モデルの運動の瞬時値を算出するモデル運動瞬時値算出手段、
d.前記モデル運動瞬時値算出手段によって算出された動力学モデルの運動の瞬時値と、前記目標運動瞬時値決定手段によって決定された目標運動の瞬時値との差を算出するモデル運動差算出手段、
e.少なくとも前記モデル運動差算出手段によって算出された差に基づき、前記差が零に近づくように補正量を算出する補正量算出手段、
f.前記補正量算出手段によって算出された補正量を前記動力学モデルに前記床反力モーメントとして入力してモデルの入力を補正することにより、前記算出された補正量を補正モーメントの瞬時値として決定する補正モーメント瞬時値決定手段、
および
g.前記目標運動瞬時値決定手段によって決定された目標運動の瞬時値に前記ロボットの運動を追従させつつ、少なくとも前記補正モーメント瞬時値決定手段によって決定された補正モーメントの瞬時値に応じた床反力が前記ロボットの床反力として作用するように、前記ロボットの関節のアクチュエータを駆動するアクチュエータ制御手段、
を備えたことを特徴とする脚式移動ロボットの姿勢制御装置。 - さらに、
h.前記ロボットの実姿勢傾斜偏差を検出する傾斜検出手段、
および
i.前記傾斜検出手段によって検出された実姿勢傾斜偏差に基づき、前記実姿勢傾斜偏差を解消するために必要な補償全床反力モーメントを決定する補償全床反力モーメント決定手段、
を備えると共に、前記アクチュエータ制御手段は、前記補正モーメント瞬時値決定手段によって決定された補正モーメントの瞬時値と、前記補償全床反力モーメント決定手段によって決定された補償全床反力モーメントとの合力が、前記目標ZMP仮瞬時値決定手段によって決定された目標ZMPの仮瞬時値まわりに、前記ロボットの床反力モーメントとして作用するように、前記ロボットの関節のアクチュエータを駆動することを特徴とする請求項7記載の脚式移動ロボットの姿勢制御装置。
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JP2005114032A JP3726097B2 (ja) | 2005-04-11 | 2005-04-11 | 脚式移動ロボットの姿勢制御装置 |
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Publication Number | Publication Date |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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KR100889481B1 (ko) | 2006-06-29 | 2009-03-19 | 명지대학교 산학협력단 | 이족 로봇의 계단 보행 방법 |
JP2011073119A (ja) * | 2009-10-01 | 2011-04-14 | Honda Motor Co Ltd | 移動体の制御装置 |
CN102495550A (zh) * | 2011-11-21 | 2012-06-13 | 湖南湖大艾盛汽车技术开发有限公司 | 并联机器人的正、逆动力学响应分析与控制方法 |
-
2005
- 2005-04-11 JP JP2005114032A patent/JP3726097B2/ja not_active Expired - Lifetime
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