JP2006015456A - ロボットシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 ロボットシステムにおいて、計算機にかかる負荷を軽減し、また特定自由度への外乱の影響を協調的に調整することを可能とし、全体としての移動運動などパフォーマンスを安定維持することができるようにする可能とする。
【解決手段】 個々にアクチュエータを備えた複数の構造体からなり、各アクチュエータの自由度毎に対応して設けた複数の計算機を備える。各アクチュエータの計算機は通信ネットワークを介して結合し他のアクチュエータのセンサ情報を含む他の計算機の内部状態を取得する。各計算機には、各自由度の運動制御のため非線形振動子モデルを備え、前記非線形振動子モデルは他の計算機からの周期パターン入力に対して、自律的に振動周期を合わせ、また結合係数により決まる位相差を協調的に生成する。また全てのネットワーク結合されている計算機内で共有されたメモリを個々に備え、常に通信を介して更新する。
【選択図】図５

Description

本発明は、多自由度を有する移動ロボットシステム、多自由度を有するロボットアーム、複数のロボットモジュールより構成されるモジュール型ロボットシステム、無線又は結線によるネットワークを介してつながったロボットシステムに関するものである。

例えば宇宙空間、惑星探査、深海、原子炉等の、人間が作業することが困難、あるいは好ましくない極限環境において、各種の作業を行う必要があるときには、その環境条件からロボットを用いてそれらの作業を行うことが好ましい。そのようなロボットにおいては、多数の同一構造のユニットを結合して組立ユニットとし、更にその組立ユニットの結合状態を変更、解除、再結合して、各種構造物を構成することが提案されている。

上記のようなユニット化したロボットとしては、例えば特開平２００１−２００９８９号公報に示すようなものを本件特許出願人が提案している。このロボットにおける最小構造であるユニットの外観は図１０に示すようなものであり、ほぼ同一形状からなる第１結合部材３２と第２結合部材３３とが、連結駆動部材３４で回動自在に結合されてユニット３１が構成されている。

図１０（ａ）中において、第１結合部材３２は左右２個の半円状の円筒面を備えた円筒面部３６と、この半円状の円筒面部３６の開放側に位置する端面部３７と、円筒面部３６及び端面部３７の両側面により形成される第１側面部４０及び第２側面部４１を備え、両円筒面部３６間には連結凹部４２が形成されている。第２結合部材３３は第１結合部材３２と上記外形においては同一形状をなしている。

端面部３７、第１側面部４０及び第２側面部４１には、磁石による相互連結と、形状記憶合金の加熱による強制引離作動によって切り離しが行われる組立結合装置が内部に設けられている。なお、この機構については本発明と直接的な関連が少ないので詳細な説明は省略するが、この点は前記公報に記載している。第２部材３３の頂板４３には、前記のように両磁石が吸引されるとき吸引力を高めるため、永久磁石が相互が接触できるように、永久磁石に対向する部分に穴４５を形成している。

また、図中実施例においては、第２部材３３の頂板における前記穴４５の外側に、わずかに突出する凸型コネクタ６９が各穴４５の周囲に図中４個設けられている。一方、第１部材３２の頂板表面に露出して設けた磁石６７の外側には、前記凸型コネクタ６９に対向する位置に凹型コネクタ４９を配置している。それにより後に述べるように、２個の自動組立体が結合するとき、両コネクタが接続し、信号の授受等を行うことができるようにしている。

第１結合部材３２と第２結合部材３３を連結する連結駆動部材３４は、図１０（ｂ）に示すように両側の連結板４６の間に第１モータ４７と第２モータ４８を設け、第１モータ４７の連結軸５０には図１０（ｃ）に示すように、図中左側の側板４６から突出し、駆動板５１を固定している。また、図中右側の側板４６の外側には、連結軸５０と同一軸線上にベアリング５８で回転自在に支持される自由回転板５９が設けられている。また、第２モータ４８側も同様に構成されている。それにより第１モータ４７が駆動されると第１結合部材３２が回動し、第２モータ４８が駆動されると第２結合部材３３が回動するようになっている。

ユニット単体によっても各モータの駆動によって種々の変形、移動を行うことができるものであるが、更にこのユニットを複数個組合わせると例えば図１１に示すような作動を行うことができる。即ち、２個のユニットを用いる場合は、例えば図１１（ａ）に示すように結合した第１ユニットＡと第２ユニットＢとを用い、第１ユニットＡの第１結合部材３２の端面部を床面に固定状態とし、第１モータを駆動して連結駆動部材３４を９０度回転すると図１１（ｂ）に示すように、第１ユニットＡの第２部材３３に第２ユニットＢが吸着した状態で持ち上げられる。

ここで第２モータを９０度回転すると、第２ユニットＢも共に９０度回転し図４（ｃ）に示す状態となる。ここから第１モータを前記とは逆方向に９０度回転すると図１１（ｄ）に示す位置となり、この状態は図１１（ａ）に示す状態から第２ユニットＢがその長さ方向に９０度回転した位置となる。それにより、図１１（ａ）において第２ユニットＢは床面に垂直方向に回動する状態から、図１１（ｃ）においては床面に平行に回動する状態にモードを変更することができる。なお、上記のように複数のユニットを結合するに際しては、図１のコネクタが互いに連結することにより、制御信号の授受を行わせることができ、相互に関連した作動を行わせ、全体として統合した作動を行うことを可能としている。

また、例えば図１１（ｅ）の模式図に示すように、中央の胴体部Ａから側方に４本の足Ｂを突出し、各足の端部に下方に向けて床面をとらえることのできる吸着部Ｃを配置し、胴体部Ａの先端には頭部Ｄを設け、後部には尾部Ｅを設けた四足移動構造物Ｆを構成することもできる。また、足を多数設けて、むかで形状にすることもできる。この構造のユニット組立体も、その説明は省略するが、各自動組立ユニットを順次移動することにより形成することができ、この状態で任意の方向に移動することができる。上記のようなユニットを複数用いることにより、更に種々の構造、形状の組み合わせ体を形成することができる。
特開平２００１−２００９８９号公報

上記のような従来の多自由度を有するロボットの運動制御においては、各自由度のセンサ情報を単一計算機が集約して、集中的に自由度間の協調運動を制御していた。しかし、自由度の数が増加するのに伴い、集中計算機にかかる負荷が大きくなり迅速な運動制御が困難になる問題がある。

したがって本発明は、複数の計算機を用いることにより１個の計算機で制御する自由度の数を減らし、同時に計算機間ネットワークを利用した情報伝達により、クロック同期などの明示的な同期制御を行うことなく、自由度間の協調動作を実現するための分散的運動制御方法を提案するものであり、それにより、各計算機にかかる負荷を軽減できるだけでなく、特定自由度への外乱の影響を協調的に調整することが可能となり、全体としての移動運動などパフォーマンスを安定維持することができるようにすることを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、
１．複数の自由度を制御するために複数の計算機を用いる。
２．複数の計算機は通信ネットワーク（無線又は結線、ローカルまたはグローバル）を介して結合しており、自由に情報伝達が行える。
３．各計算機には、各自由度の運動制御のためのモデルが記述されており、他の計算機の内部状態をネットワークにより取得し、自由度間協調のための調整を行う。
４．各自由度の運動制御のモデルとして、非線形振動子と呼ばれる周期パターン発生器モデルを利用する。非線形振動子モデルは、他からの周期パターン入力に対して、自律的に振動周期を合わせたり、結合係数により決まる位相差を協調的に生成する特徴を有する。
５．各計算機に非線形振動子モデルを記述し、非線形振動子間を計算機ネットワークにより結び、また各自由度からの角度や角速度などのセンサフィードバックを入力することで、自由度間同期、位相差形成を自律分散的に行うことができる。たとえば、これを多自由度構造体による全体移動運動に応用すれば、複数計算機のネットワークを介した相互作用により自律的に自由度間の位相差が形成され、全体移動動作が実現される。さらに、一つの自由度が外乱を受けリズムが乱れた場合でも、相互作用により自律的な調整が行われ、再び位相関係が生成され安定した移動動作が行える、ことを最も主要な特徴とする。

本発明によるロボットシステムに関し、上記課題を解決するためのより具体的構成としては、個々にアクチュエータを備えた複数の構造体からなり、各アクチュエータの自由度毎に対応して設けた複数の計算機を備えたロボットシステムにおいて、各アクチュエータの計算機は通信ネットワークを介して結合して他の計算機の内部状態を取得し、各計算機には、各自由度の運動制御のため非線形振動子モデルを備え、前記非線形振動子モデルは他の計算機からの周期パターン入力に対して、自律的に振動周期を合わせ、また結合係数により決まる位相差を協調的に生成することを特徴とする。

また、本発明による他のロボットシステムは、前記ロボットシステムにおいて、前記各構造体には各アクチュエータによる作動を検出するセンサを備え、前記各計算機は前記センサからの信号を入力してフィードバック制御を行い、他の計算機と自由度間同期、位相差形成を自律分散的に行うことを特徴とする。

また、本発明による他のロボットシステムは、前記ロボットシステムにおいて、前記計算機には、全てのネットワーク結合されている計算機内で共有されたメモリを個々に備え、常に通信を介して更新することを特徴とする。

また、本発明による他のロボットシステムは、前記ロボットシステムにおいて、前記ロボットシステムは、移動ロボット、多自由度を有するロボットアーム、複数のロボットモジュールにより構成されるモジュール型ロボット、無線又は結線によるネットワークを介してつながった移動ロボットのいずれかに用いることを特徴とする。

本発明により、各計算機にかかる負荷を軽減できるだけでなく、特定自由度への外乱の影響を協調的に調整することが可能となり、全体としての移動運動などパフォーマンスを安定維持することが可能となる。特に、
１．処理能力の高い計算機を必要としない。コスト的にも有利。
２．情報処理部分は共通なので、チップ化が可能となる。
３．各自由度からのセンサ情報を集約する必要がないので、配線数を大幅に削減できる。
４．位相差を分散計算機で協調的に生成するので、外乱に対して安定した移動動作が実現できる。
５．構造の変化に対して振動子間の結合係数を変化させるだけで対応できる。制御器の変更が必要ない。
６．明示的なクロック同期などの同期制御が必要ない。
等の効果を奏する。

本発明はロボットシステムにおいて、計算機にかかる負荷を軽減し、また特定自由度への外乱の影響を協調的に調整することを可能とし、全体としての移動運動などパフォーマンスを安定維持することができるようにするため、個々にアクチュエータを備えた複数の構造体からなり、各アクチュエータの自由度毎に対応して設けた複数の計算機を備えたロボットにおいて、各アクチュエータの計算機は通信ネットワークを介して結合して他の計算機の内部状態を取得し、各計算機には、各自由度の運動制御のため非線形振動子モデルを備え、前記非線形振動子モデルは他の計算機からの周期パターン入力に対して、自律的に振動周期を合わせ、また結合係数により決まる位相差を協調的に生成するようにしたものである。

本発明による移動ロボットシステムにおいては、例えば前記図１０及び図１１に示したような従来の多自由度を有するモジュールからなる移動ロボットを用いるものであり、その制御に際して例えば図１に示すような移動ロボットで歩行を行う際、従来は図１（ａ）に示すような中央制御装置により、全ての自由度のセンサ情報等を中央制御器に入力して次の動作を決定し、再び集中的に自由度を制御する。それに対して本発明のシステムでは、図１（ｂ）に示すように自由度の制御を分散された個々の分散制御器が受け持つようにする。各計算機には非線形振動子（ＣＰＧ（Central Pattern Generator））モデルが内蔵されており、ネットワークを介してつながった他の振動子との相互作用で、自由度間の位相差が決定される。それにより、自由度の数が増えても計算機が分散されているので処理は重くならない。更に、振動子間の協調で動作が決定されるので、一部リズムが乱れて相互作用により自律的に安定状態に戻ることができる。

上記のような機能を行うための個々のモジュールの計算機を関連づけて制御を行うため、例えば図２に示すようなシステム構成とし、通信バスに多数のモジュールの分散計算機が接続している。関節などの自由度の制御を分散した計算機で行い、計算機間をネットワークで結ぶ。各計算機内に前記ＣＰＧモデルを記述し、その周期波形出力で後述するように関節を周期的に駆動する。ＣＰＧに入力される関節自由度からのセンサによるフィードバックと、他の振動子からの同様の内部状態のフィードバックにより、お互いの位相関係が自律的に生成され、構造全体として安定した移動動作が実現される。

各モジュール内のモータ及び制御装置の構成は図３に示すように、各モジュールの計算機において前記通信インターフェースを介して、全てのネットワーク結合しているコンピュータ内の通信により、全てが同じ内容となるように逐次更新しながら記録している共有メモリを備え、計算機内においてはＣＰＧ（非線形振動子）モデル単体での周期波形を出力するが、他のＣＰＧと結合されることで様々な位相関係を作ることができる。このような計算機を用いてモータの制御回路に電圧値指令を行い、そのモータの回転方向、回転速度の駆動制御を行う。モータの回転角度等の駆動状態はセンサにより検出され、計算機でフィードバック制御を行う。その駆動状態は前記のように通信バスによって他のモジュールの計算機にも送られる。

上記計算機で用いられるＣＰＧの概要は図４に示されるように、各ＣＰＧは相互抑制した２つの同一ニューロンで構成されており、１つの関節において、それぞれのニューロンの内部状態に比例する出力により屈筋と心筋を駆動する。この神経振動子モデルは、式（１）の非線形一階連立微分方程式で表現され、単体でも発振するが、外部からの周期的入力に対して引き込みを起こす(locking）ので、他の振動子と結合することで協調的に動作することが知られている。この振動子間の協調動作を利用して、モジュール群による全体的な移動動作を実現する。
（１）

図４に示すように１つのモジュールには２つの関節があるので、それぞれに配置されたＣＰＧの出力によって各関節を駆動する（式（２））。
（２）
上記式（１）における添え字ｐは、１、２のいずれかを取り、それぞれ図４にも示しているとおり伸筋、屈筋側を表している。ｉはｉ番目のＣＰＧ、変数ｕ_ｐｉ、ν_ｐｉはニューロンの内部状態、ｙ_ｐｉは各ニューロンの出力（式（３））、ｕ_ｅは定常入力、ｆ_ｐｉは関節からの角度偏差フィードバック（式（４））を表している。式（４）におけるangle(t)_iは、時刻ｔにおける関節の角度を、initial angle_iはその関節の初期角度を表す。定数βはニューロンの疲労係数、τ、τ’はｕ_ｐｉ、ν_ｐｉの自邸数、ｗ_０は拮抗ニューロン同士の結合係数、weight_ijはｉ番目とｊ番目の接続ＣＰＧ間の結合係数、ｓ_ｐｉは結合しているＣＰＧ内のそれぞれ対応するニューロン（屈筋側は屈筋側、伸筋側は伸筋側、結合係数は同じ値）の出力の和feed_piをモジュール数numで割って平均化したものを、シグモイド関数に代入して−１．０〜１．０に正規化した値である（式（５））。この式（５）により、モジュール数の異なる（ＣＰＧ数の異なる）構造にも対応できるようにしている。
（３）
（４）
（５）

個々のモジュールにおける上記のような原理で作動する計算機を用い、本発明においては特に各モジュール間の制御における結合係数（−１、１、０（結合無し））により様々な位相関係が記述される。このような結合係数を変えることにより、図５に示すようなモジュール型ロボットの種々の駆動の制御を行うことができる。

図５（ａ）はモジュールの２つのＣＰＧが結合係数１として、即ち両者間の位相差が０度であって、同図中において実線の波形と破線の波形とが重なって作動するときの例である。また、同図（ｂ）は結合係数が−１として、即ち両者間の位相差が１８０度であって、同図中において実線の波形と破線の波形が１８０度ずれている例である。更に、同図（ｃ）は上記のようなモジュールを２組用いて移動するときの例であって、図示するようなループ結合を行い、位相差が１２０度と１８０度で作動する例を示している。

上記のような制御原理と振動子間の結合係数変化による駆動制御によって、前記図１（ｂ）とほぼ同様の構成をなす図６に示すようなモジュール型ロボットの移動運動制御を行い、安定した歩行制御を行うことができた。このモジュール型ロボットは、前記のように同一機能を有するロボットモジュールを単位として構成されるロボットであって、モジュール間の結合の組み合わせで様々なロボット構造を構成することが可能である。

図６のロボット構造の場合、９つのモジュールから構成されており、一つあたりの自由度が２つあるので、全体で１８の自由度がある。各モジュールにはマイコンが内蔵されており、モジュール同士が物理的に結合することで、すべてのマイコンがネットワークを構成し、自由に通信を行うことができる。なお、無線による通信も可能である。各モジュールのマイコンに上記非線形振動子モデルを記述し、あらかじめ振動子間の結合関係を示すデータをモジュールに内蔵しておくことで、関節運動の位相差がネットワークを介した情報伝達により自律的に生成され、全体として安定した移動が行える。

関節間の位相差は非線形振動子間の相互作用により自律的に保持されるので、たとえば一つの関節が障害物などに当たってリズムが乱れた場合でも、すぐに全体リズムの調整が行われ安定移動に復帰する。通常、このような移動運動を実現するには、中央の計算機がすべての関節の情報を集約してそれぞれの次の運動を計算しなくてはならないが、多自由度システムの場合、集中制御では負荷がかかり過ぎてしまい現実的でない。本発明を用いることで、負荷を軽減できるだけでなく、全体移動のための関節毎の決められた動作シークエンスを用意する必要がなくなる。さらに、路面などの状態によらず安定運動が行える適応的な移動も実現可能である。

本発明を利用して、モジュール型ロボットによる坂道上りを初めとした様々な路面での移動実験を行った。図７に示す実験は、１０度の坂道を自律的に歩幅を調整しながら登っている様子である。また、途中で形を変化させて、さらに１５度の坂道も上らせることに成功した。このように結合係数を変更するだけで、様々な構造での移動に対応できる利点もある。図８に示す実験は、普通の路面、摩擦路面、滑り路面を移動させた様子である。同図から明らかなように、路面の状態によらず適応的に移動させることに成功した。

また、図９に示す実験においては、図にも示されているとおり、ロボットの進行方向右側に重りとしてモジュール２個をつけた場合の歩行の様子である。上の（ａ）の実験が動作シークエンスによる従来の制御を行ったときの状態、下の（ｂ）の実験が本発明を用いた場合である。動作シークエンスが与えられている場合、条件が変化した場合に対応できずうまく移動することができない。それに対して本発明を用いると位相差が自律的に調整されるので、条件が変わっても制御システムの変更なく下の（ｂ）の実験のようにまっすぐに安定した移動をさせることが可能となる。

モジュール型ロボットは様々な構造をとり得るので、通常はそれぞれの構造に最適な移動制御を用意する必要があるが、本発明を利用すれば、非線形振動子間の結合係数を変更するだけですべての構造による移動に対応することが可能である。

多数の自由度を有する移動ロボット（２足歩行ロボット、モジュール型ロボット、モバイルロボットなど）の移動動作制御手法、また、無線通信を利用して孤立した移動ロボット間の協調動作制御手法として利用できる。その他、自由度としてアクチュエータを仮定しなくてもよく、単一もしくは複数の計算機によるリズム生成、同調にも利用できる。具体的な例としては、人間の演奏するリズムに合わせてビートを刻むメトロノーム、鼓動のリズムに従って、動くスピードの変わるランニングマシン等、多くの用途に適用できる。

ロボットシステムの制御形態を示す図であり、（ａ）は従来から用いられている中央制御装置によるシステム例であり、（ｂ）は本発明で用いる分散制御装置によるシステム例である。 本発明によるロボットシステムの各モジュールの機能構成、及び相互の通信システムを示す図である。 本発明で用いられる分散計算機内部の処理図である。 本発明で用いるＣＰＧの機能構成を示す図である。 本発明を適用するロボットシステムにおいて、モジュールの結合係数を変えたときの作動を示す図である。 本発明を適用して実験を行ったモジュール型ロボットである。 上記ロボットを用いて、坂道の移動を行った実験結果を示す図である。 上記ロボットを用いて、普通の路面、摩擦路面、滑り路面を移動させた実験結果を示す図である。 上記ロボットを用いて、ロボットの片側に重りを付けた歩行の実験結果を示す図である。 先に提案しているユニット化したロボットを示す図である。 上記ユニット化したロボットを複数用いることによりなされる各種状態を示す図である。

Claims (4)

1. 個々にアクチュエータを備えた複数の構造体からなり、各アクチュエータの自由度毎に対応して設けた複数の計算機を備えたロボットにおいて、
   各アクチュエータの計算機は通信ネットワークを介して結合して他の計算機の内部状態を取得し、
   各計算機には、各自由度の運動制御のため非線形振動子モデルを備え、
   前記非線形振動子モデルは他の計算機からの周期パターン入力に対して、自律的に振動周期を合わせ、また結合係数により決まる位相差を協調的に生成することを特徴とするロボットシステム。
2. 前記各構造体には各アクチュエータによる作動を検出するセンサを備え、
   前記各計算機は前記センサからの信号を入力してフィードバック制御を行い、他の計算機と自由度間同期、位相差形成を自律分散的に行うことを特徴とする請求項１記載のロボットシステム。
3. 前記計算機には、全てのネットワーク結合されている計算機内で共有されたメモリを個々に備え、常に通信を介して更新することを特徴とする請求項１記載のロボットシステム。
4. 前記ロボットシステムは、移動ロボット、多自由度を有するロボットアーム、複数のロボットモジュールにより構成されるモジュール型ロボット、無線又は結線によるネットワークを介してつながった移動ロボットのいずれかに用いることを特徴とする請求項１記載のロボットシステム。