JP2005305597A - ロボット装置及びその制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 可動部位に対する基準座標系を設定し、制御目標である可動部位の作用点について振動子を記述するので、振動子の役割を直観的に理解し易い配置となり、振動子パラメータの調節が容易になる。そして、振動子による可動部位に対する指令値を該当する関節部に対する指令値に変換し、直接の制御対象である関節部アクチュエータの指令値を得るので、ロボット装置の力学的特性にも有効に引き込みを行ない、振動子による引き込み現象をより有効に利用する。
【選択図】 図1
Description
少なくとも1つの可動部位において設定された基準座標系と、
可動部位における状態量を検出する状態量検出手段と、
前記基準座標系を構成する座標軸毎に設けられた、自励発振するとともに、可動部位の状態量に対する引き込み現象により基準座標系における可動部位への指令値を発する振動子と、
前記振動子による基準座標系における可動部位への指令値を該当する関節部に対する指令値に変換する変換手段と、
前記変換手段により得られた関節部に対する指令値に基づいて関節部の駆動を制御する駆動制御手段と、
を具備することを特徴とするロボット装置である。
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
ZMP規範に基づくロボット装置の運動制御方法は、制御工学的手法に基づく簡単化を施した後、解析的に解を求めることが可能であり、汎用性が非常に高い。その反面、ロボット装置及び外部環境とも精緻なモデル化を必要とし、その結果,実際のハードウェアに対する要求精度は非常に高くなる。また、数学的に導出される運動は、見かけの上でも人間の歩行様式とは異なるものとなる。
本発明に係るロボット装置においては、物理系毎に1つ以上の振動子が定義される。ここで、図14に示すように、ロボット装置全体を周期運動を行なう1つの物理振動子として捉え、ロボット装置全体で1つの振動子を定義するようにしてもよい。
本実施形態に係るロボット装置は、制御部による全身協調的な動作制御により、2足歩行を実現することができる。かかる2足歩行は、一般に、以下に示す各動作期間に分割される歩行周期を繰り返すことによって行なわれる。すなわち、
(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
人間の歩行運動と類似性があり、また直観的な見通しも良いモデルとして、例えば、2次元平面拘束コンパス型モデル(Compass−like Biped)を挙げることができる。このモデルは、脚を腰関節から接地点までの直動(Linear Motion:LM)と、腰回りの回転(SWing motion:SW) に分解して歩行運動を取り扱うものである(図20を参照のこと)。すなわち、腰関節回りの極座標系に分解する。直動関節は主に体重を支え、進行方向へ重心を送り出す動きを行なう。これに対し、腰関節回りの回転は脚を前に進めるとともに接地点の制御及び歩幅の調整を行なう。
図3及び図4に示したように、本実施形態に係るロボット装置は関節軸毎に回転型アクチュエータを配置し、これらの位置制御に基づいて所望の装置運動を実現する。例えば、直接の制御対象である関節軸毎に振動子を配置し、環境からのフィードバック情報を用いて歩行やその他の運動を生成することが考えられる(例えば、非特許文献2を参照のこと)。図18に示したように、6自由度の脚に対し関節毎に振動子を定義することもできる。
ロボット装置か2足歩行運動を行なう場合、前額面内運動と矢状面内運動を独立して扱うことができる、ということは当業者において一般に知られている。そこで、このうち一方を振動子による引き込み現象を利用して制御するとともに、他方を異なる制御機を用いて制御するというシステムを想到することができる。
これまで2足歩行の脚式移動ロボットを例にとって振動子の配置方法について説明してきたが、本発明の要旨はこれに限定されるものではない。他のタイプの脚式移動ロボット装置、脚式移動以外のロボット装置若しくは移動装置においても、姿勢やその他の安定制御に振動子による引き込み現象を利用することができる。
例えば、足先にローラースケートが配設された、脚と車輪を組み合わせたハイブリッド移動体におけるローラースケート運動の制御に、振動子による引き込み現象を利用することができる。このとき、接地点では抗力の異方性がある。すなわち、車輪の回転軸方向は摩擦があるが進行せず、これに対し車輪の回転方向は進行するが摩擦がない。このため、車輪転がり方向には移動し易く、軸方向には移動しにくい。このような異方性に着目し、作用点軌道に振動子を配置することができる(図39を参照のこと)。
さらに上述した他にも、ロボット装置における移動以外のさまざまな運動に関しても、作用点軌道を振動子で記述することにより、同様に本発明を適用することができる。
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 (22)
- 複数の可動部位と可動部位を駆動する関節部を備えたロボット装置において、
少なくとも1つの可動部位において設定された基準座標系と、
可動部位における状態量を検出する状態量検出手段と、
前記基準座標系を構成する座標軸毎に設けられた、自励発振するとともに、可動部位の状態量に対する引き込み現象により基準座標系における可動部位への指令値を発する振動子と、
前記振動子による基準座標系における可動部位への指令値を該当する関節部に対する指令値に変換する変換手段と、
前記変換手段により得られた関節部に対する指令値に基づいて関節部の駆動を制御する駆動制御手段と、
を具備することを特徴とするロボット装置。 - 前記振動子は可動部位に対する位置指令を発し、
前記変換手段は、可動部位に対する位置指令を逆キネマティクス演算により関節角度指令に変換する、
ことを特徴とする請求項1に記載のロボット装置。 - 前記振動子は可動部位に対する速度指令を発し、
前記変換手段は、可動部位に対する速度指令を逆ヤコビ行列又は擬似逆ヤコビ行列を用いて関節角速度指令に変換する、
ことを特徴とする請求項1に記載のロボット装置。 - 前記振動子は可動部位に対する力指令を発し、
前記変換手段は、可動部位に対する力指令をヤコビ行列の転置行列又は擬似ヤコビ行列の転置行列を用いて関節角トルク指令に変換する、
ことを特徴とする請求項1に記載のロボット装置。 - 前記基準座標系は、可動部位が実現する機能毎に割り当てられた座標軸で構成される、
ことを特徴とする請求項1に記載のロボット装置。 - 可動部位として足部を含む脚を備え、
前記脚に対する基準座標系は、前記ロボット装置の体重を支持する前記脚の長さ方向と、前記足部の接地位置又は前記脚の軌道を決定するロール及びピッチ方向に座標軸を持ち、
前記基準座標系の座標軸毎に振動子が設けられている、
ことを特徴とする請求項5に記載のロボット装置。 - 可動部位において設定された基準座標系を構成する少なくとも1つの座標軸に前記振動子が配設されるとともに、他の座標軸を所定の制御則に基づいて制御する制御手段をさらに備える、
ことを特徴とする請求項1に記載のロボット装置。 - 複数の作用点と作用点を駆動する関節部を備えたロボット装置において、
作用点における状態量を検出する状態量検出手段と、
少なくとも1つの作用点に設けられた、自励発振するとともに、作用点における状態量に対する引き込み現象により作用点の軌道を生成する振動子と、
前記振動子により得られる作用点軌道を該当する関節部に対する指令値に変換する変換手段と、
前記変換手段により得られた関節部に対する指令値に基づいて関節部の駆動を制御する駆動制御手段と、
を具備することを特徴とするロボット装置。 - 複数の可動部位を持つロボット装置において、
可動部位を駆動する駆動手段と、
可動部位における状態量を検出する状態量検出手段と、
前記駆動手段を制御することにより前記ロボット装置の運動を実現する駆動制御手段を備え、
前記駆動制御手段は、独立して扱うことができる2以上の運動を制御する際に、少なくとも1つの運動を可動部位の状態量に対して引き込み現象を起こす振動子を用いて制御し、他の少なくとも1つの運動を振動子以外の制御器を用いて制御する、
ことを特徴とするロボット装置。 - 前記ロボット装置は可動部位として複数の脚を含み、
前記駆動手段は、独立して扱うことができる前額面内運動と矢状面内運動からなる歩行運動を実行する際に、前額面内運動に対し振動子による制御を用いるとともに、矢状面内運動を進行方向の歩行パターンを記述した状態遷移機械により制御する、
ことを特徴とする請求項9に記載のロボット装置。 - 前記駆動制御手段は、振動子以外の制御器を可動部位における状態量に応じて切り替えて用いる、
ことを特徴とする請求項9に記載のロボット装置。 - 複数の可動部位と可動部位を駆動する関節部を備えたロボット装置の制御方法において、
少なくとも1つの可動部位において基準座標系を設定するステップと、
可動部位における状態量を検出する状態量検出ステップと、
前記基準座標系を構成する座標軸毎に振動子を記述し、該振動子の自励発振と可動部位の状態量に対する引き込み現象により基準座標系における可動部位への指令値を生成するステップと、
前記振動子による基準座標系における可動部位への指令値を該当する関節部に対する指令値に変換する変換ステップと、
前記変換ステップにより得られた関節部に対する指令値に基づいて関節部の駆動を制御する駆動制御ステップと、
を具備することを特徴とするロボット装置の制御方法。 - 前記振動子は可動部位に対する位置指令を発し、
前記変換ステップでは、可動部位に対する位置指令を逆キネマティクス演算により関節角度指令に変換する、
ことを特徴とする請求項12に記載のロボット装置の制御方法。 - 前記振動子は可動部位に対する速度指令を発し、
前記変換ステップでは、可動部位に対する速度指令を逆ヤコビ行列又は擬似逆ヤコビ行列を用いて関節角速度指令に変換する、
ことを特徴とする請求項12に記載のロボット装置の制御方法。 - 前記振動子は可動部位に対する力指令を発し、
前記変換ステップでは、可動部位に対する力指令をヤコビ行列の転置行列又は擬似ヤコビ行列の転置行列を用いて関節角トルク指令に変換する、
ことを特徴とする請求項12に記載のロボット装置の制御方法。 - 前記基準座標系は、可動部位が実現する機能毎に割り当てられた座標軸で構成される、
ことを特徴とする請求項12に記載のロボット装置の制御方法。 - 前記ロボット装置は可動部位として足部を含む脚を備え、
前記脚に対する基準座標系は、前記ロボット装置の体重を支持する前記脚の長さ方向と、前記足部の接地位置又は前記脚の軌道を決定するロール及びピッチ方向に座標軸を持ち、
前記の指令値を生成するステップでは、前記基準座標系の座標軸毎に振動子を記述する、
ことを特徴とする請求項16に記載のロボット装置の制御方法。 - 前記の指令値を生成するステップでは、可動部位において設定された基準座標系を構成する少なくとも1つの座標軸に前記振動子を記述するとともに、他の座標軸を所定の制御則に基づいて指令値を生成する、
ことを特徴とする請求項12に記載のロボット装置の制御方法。 - 複数の作用点と作用点を駆動する関節部を備えたロボット装置の制御方法において、
作用点における状態量を検出する状態量検出ステップと、
少なくとも1つの作用点に振動子を記述し、該振動子の自励発振と作用点における状態量に対する引き込み現象により作用点の軌道を生成するステップと、
前記振動子により得られる作用点軌道を該当する関節部に対する指令値に変換する変換ステップと、
前記変換ステップにより得られた関節部に対する指令値に基づいて関節部の駆動を制御する駆動制御ステップと、
を具備することを特徴とするロボット装置の制御方法。 - 複数の可動部位を持つロボット装置の制御方法において、
可動部位における状態量を検出する状態量検出ステップと、
独立して扱うことができる2以上の運動を制御する際に、
少なくとも1つの運動を可動部位の状態量に対して引き込み現象を起こす振動子を用いて制御するステップと、
他の少なくとも1つの運動を振動子以外の制御則に基づいて制御するステップと、
を具備することを特徴とするロボット装置の制御方法。 - 前記ロボット装置は可動部位として複数の脚を含み、
独立して扱うことができる前額面内運動と矢状面内運動からなる歩行運動を実行する際に、前額面内運動に対し振動子による制御を用いるとともに、矢状面内運動を進行方向の歩行パターンを記述した状態遷移機械により制御する、
ことを特徴とする請求項20に記載のロボット装置の制御方法。 - 振動子以外の制御則を複数備え、可動部位における状態量に応じて制御側を切り替えて用いる、
ことを特徴とする請求項20に記載のロボット装置の制御方法。
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