JP2009512563A - 人間型ロボットの歩行制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
先ず、人間型2足歩行ロボットの単純化されたモデルを説明する。2足歩行メカニズムは、図1に示しているように人間型ロボットの必須部分である。実際の人間と類似の歩行を実現するために、人間型ロボットの2足は、12自由度以上の高い自由度を有する必要がある。よって、歩行制御装置を設計し、あるいは歩行安定性を証明したい場合には、歩行動力学式の全てを用いることが困難である。
gは重力加速度定数であり、
czは拘束平面の高さ定数であり、
τiはi番目軸に対するモーメントである。
ロボットの歩行を実現するためには、図3に示すように地面上にロボット足を踏み出す地点や、両足支持期/片足支持期といった支持期等を予め決めておく必要がある。
図3に示しているX−方向の目標ZMP軌道は、周期時間Tを用いて次式5で表される。
Bは歩幅の半分を表し、
Kxは両足支持から片足支持へ遷移する際の目標ZMPのX−方向位置を意味し、
tdは上記ZMP折り線グラフにおいてpx(td)=Kxが成立する時の時間、すなわち両足支持から片足支持への一周期内における遷移時間を意味し、
T−tdは片足支持から両足支持への遷移時間を意味する。
同様に、図3に示しているY−方向の目標ZMP軌道は、周期時間Tを用いて次式11で表される。
Aは両足首の中心間の距離の半分を表し、
Kyは両足支持から片足支持へ遷移する際の目標ZMPのY−方向位置を意味し、
tdはZMP折り線グラフにおけるpy(td)=Kyが成立する時の時間、すなわち両足支持から片足支持への一周期内における遷移時間を意味し、
T−tdは片足支持から両足支持への遷移時間を意味する。
先ず、目標COG運動を人間型ロボットに実現するために分割されたCOGヤコビアンを誘導する。人間型ロボットは、両腕と両足の4肢を有し、一般の関係式を誘導するためにn肢を有すると仮定する。
oJiは胴体中心座標系において得ることができる一般の運動学的ヤコビアンである。
次式19の変換行列は絶対座標系で表示されたロボット胴体座標系の速度とi番目肢の末端速度とをつなぐ(6×6)行列である。
上記式中、
I3及びO3はそれぞれ(3×3)恒等行列と零行列を意味し、
R0は絶対座標系で表示されたロボット胴体座標系の(3×3)方向行列を意味し、
oriはロボット胴体座標系で表示されたi番目肢の末端位置ベクトルを表し、
[(・)×]はクロス積(cross product)を表すための歪対称(skew−symmetric)行列を意味する。
上記式中、新たに導入された相対変換行列Xi1は、次のように定義される。
nはロボット胴体に付いている肢の総数を表し、
oJciはロボット胴体座標系で表示されたi番目肢のCOGヤコビアンを表す。
rc1=c−r1であり、
Jv1=R0 oJv1及びJω1=R0 oJω1はロボット胴体座標系で表示された基本肢ヤコビアンの線速度部分と角速度部分とに分けられた行列である。
が成立する。
ヒューマノイドロボットの実際の動作を生成する関節駆動装置は、電気モーターと、ギア、及びリンクメカニズムとで構成された電気−機械システムであって、バックラッシュ(backlash)や電気リップル(ripple)のような多くの内部外乱を含んでいる。また、ヒューマノイドは人間と共存できる環境で駆動される必要があるため、人間との予期しない接触や環境との接触が何時でも外部外乱として作用し得る。このような外乱は、上記誘導されたCOGとZMP目標軌道をヒューマノイドロボット駆動装置が追従する際の邪魔要因になり得、ひどい場合は、ヒューマノイドロボットが安定性を失って転倒する要因にもなり得る。
εiはロボット関節駆動装置の実際の制御誤差によって生成される外乱を意味し、
uiは歩行制御入力を意味し、
ci及びpiはそれぞれ実際のロボットで測定されるCOG及びZMPの位置を意味する。
第二項がZMP制御装置を表し、
第三項がCOG制御装置を表す。
本発明による上記図6の歩行制御装置の外乱に対するロバスト性(robustness)を示すために、外乱に対する状態変数安定性を証明する一般的な手続をもって説明する。
で表される。外乱が限定されていないシステムに対して安定性を証明することができる方法がないため、一般に外乱は限定されると仮定し、これは、後述する安定性証明の一般性を喪失させない。
本発明において提示された歩行制御装置の性能の優秀性を立証するために、2足歩行ロボットへの適用実験を行った。
Claims (10)
- 2足歩行ロボットの歩行を制御する方法であって、
前記ロボットの地面に対するゼロ・モーメント・ポイント(Zero Moment Point;ZMP)を設計する段階(a)と、
前記ゼロ・モーメント・ポイントから前記ロボットの重心(Center Of Gravity;COG)の軌道を求める段階(b)と、
前記ゼロ・モーメント・ポイントの軌道に追従して前記ロボットが歩行できるようにする両足の駆動モーターの角速度を求める段階(c)、及び
前記求めた駆動モーターの角速度にて各駆動モーターを駆動してロボットの歩行を制御する段階(d)と、
を含むことを特徴とするロボット歩行制御方法。 - 前記段階(a)における前記ロボットの歩行進行方向(X軸方向)に対するゼロ・モーメント・ポイントpx(t)は、次式5のように設計されることを特徴とする請求項1に記載のロボット歩行制御方法。
前記式中、
Tは歩行の1周期であり、
tdは前記1周期内における両足支持期から片足支持期への遷移時間であり、
Bは歩幅の半分であり、
Kxは前記tdの間の前記ゼロ・モーメント・ポイントの変位であって、次式10のように定義される。
- 前記段階(b)における前記X軸方向に対する重心cx(t)は、両足支持期には前記ゼロ・モーメント・ポイントpx(t)と同一であり、片足支持期には次式7と同一であることを特徴とする請求項2に記載のロボット歩行制御方法。
前記式中、係数Cx1及びCx2は、次式9のとおりである。
- 前記段階(a)における前記ロボットの歩行進行方向(X軸方向)に対しての左右方向(Y軸方向)に対するゼロ・モーメント・ポイントpy(t)は、次式11のように設計されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載のロボット歩行制御方法。
前記式中、
Tは歩行の1周期であり、
tdは前記1周期内における両足支持期から片足支持期への遷移時間であり、
Aは両足首の中心間の距離であり、
Kyは前記tdの間の前記ゼロ・モーメント・ポイントの変位であって、次式16のように定義される。
- 前記段階(b)における前記Y軸方向に対する重心cy(t)は、両足支持期には前記ゼロ・モーメント・ポイントpy(t)と同一であり、片足支持期には次式13と同一であることを特徴とする請求項4に記載のロボット歩行制御方法。
前記式中、係数Cy1及びCy2は、次式15のとおりである。
- 前記段階(c)における基本肢の駆動モーターの角速度は、前記基本肢を除いた他の全ての肢に対する次式25の運動方程式を解いて求めることを特徴とする請求項5に記載のロボット歩行制御方法。
前記式中、
は絶対座標系で表示された重心の速度ベクトルであり、
rc1=c−r1は基本肢の末端から重心までの位置ベクトルであり、
は基本肢に取り付けられた駆動モーターの角速度であり、
OJciはロボット胴体座標系で表示されたi番目肢の重心ヤコビアン行列であり、
Jv1=R0 OJv1及びJω1=R0 OJω1はそれぞれ基本肢ヤコビアンの線速度部分行列及び角速度部分行列である。 - 前記基本肢は、片足支持期には両方足のうち支持足から選択され、両足支持期には両足の何れか1つが任意に選択されることを特徴とする請求項6に記載のロボット歩行制御方法。
- 段階(c)における他方の肢の駆動モーターの角速度は、前記求めた基本肢の駆動モーターの角速度を用いて次式22によって求めることを特徴とする請求項6に記載のロボット歩行制御方法。
前記式中、
相対変換行列Xi1は次式23のように定義される。
- 前記式25の重心速度ベクトル
として、ゼロ・モーメント・ポイント誤差及び重心誤差を反映した次式31のuiを用いることを特徴とする請求項6に記載のロボット歩行制御方法。
前記式中、
ep,i及びec,iは、それぞれ次式30のように定義されるゼロ・モーメント・ポイント誤差及び重心誤差であり、
kp,i及びkc,iは、それぞれ比例制御利得である。
- 前記制御利得kp,i及びkc,iは、それぞれ次式32の設計条件を満足することを特徴とする請求項9に記載のロボット歩行制御方法。
前記式中、β及びγは次式33の設計条件を満足する。
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