JP2018185747A - 非線形システムの制御方法、二足歩行ロボットの制御装置、二足歩行ロボットの制御方法及びそのプログラム - Google Patents
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Abstract
Description
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。
ここで、本実施の形態にかかる非線形モデル予測制御部14によって行われる、モデル予測制御(非線形モデル予測制御)の手法の概要について説明する。非線形モデル予測制御とは、非線形システムに対し、各サンプリング時刻で有限時刻未来までの最適入力(制御入力値の最適解)を求め、得られた入力のうち初期値を実際の入力とする制御である。非線形モデル予測制御には、非線形最適制御である、フィードバック制御である、及び、拘束条件を組み込み易いという、3つの利点がある。
また、以下の式(4)で表されるベクトル関数を拘束条件として与えることもできる。
ここで、x* i(t)は、上記式(17),(18)より陽に求められる。また、λ* i(t)は、求められたx* i(t)と上記式(19),(20)とから陽に求められる。したがって、x* i(t)、u* i(t)、λ* i(t)及びμ* i(t)のうちの本質的な未知量は、以下の式(24)で表されるベクトルU(t)で定義される。
Δt<2Δτ ・・・(84)
しかしながら、
2Δτ≦Δt ・・・(85)
であるときも、u* i(t+Δt)の系列は、実時間上のu* i(t)の系列から適切に近似され得る。
t<tj≦t+h ・・・(87)
を満たすとき,以下の式(88)で示すように後退差分近似を行う。
次に、上述した非線形モデル予測制御を、本実施の形態にかかるロボット100の動作の制御に適用した例について説明する。なお、実施の形態1においては、ロボット100がコンパス型モデルである例について説明するが、後述するように、非線形モデル予測制御は、ロボット100がコンパス型モデルでなくても適用可能である。
・遊脚リンク152と地面90との衝突(着地)は一瞬である。
・遊脚リンク152と地面90との衝突は完全非弾性衝突である。
・リンクと地面との摩擦係数は∞である。
・両脚(両リンク)が同時に地面90から力を受けることはない。
この場合、状態方程式は、上記式(89)より、以下の式(90)で表される。
図7は、状態ジャンプを説明するための図である。図7は、右脚110R又は左脚110Lの状態を示す図である。ここでは、右脚110Rの状態を示すとする。図7は、横軸が右脚110Rの角度を示し、縦軸が右脚110Rの角速度を示す、グラフ(位相線図)である。
このように、遊脚が地面に着地すると、状態を示すパラメータ(図7の例では脚の角度及び角速度)が、不連続に変化する。この現象が、状態ジャンプである。
図8は、遊脚リンク152の衝突直前のロボット100の状態を示す図である。図8に示すように、衝突直前の一般化座標及び一般化速度は、それぞれ以下の式(G1)及び式(G2)で表される。
・衝突前に遊脚であった脚(遊脚リンク152)の先端まわりの系全体の角運動量。
・関節150まわりの、衝突前に支持脚であった脚(支持脚リンク151)の角運動量。
上記の角運動量保存則は、上記式(G1),(G2),(G3),(G4)より、以下の式(91)で表される。
tj=kTstep ・・・(98)
なお、評価区間中に状態ジャンプが2回以上生じないように、式(3)で示したT(t)を設定する。このとき,周期Tstepごとに式(91)で表される脚(遊脚リンク152)と地面90との衝突が起こり、それ以外のときは、式(97)で表される運動方程式でモデルの状態を記述することができる。つまり、モデルの状態は、以下の式(99),(100)で表される。
τ1=u0 ・・・(107)
τ2=−u0 ・・・(108)
サーボ制御部16は、決定された関節トルクとなるように、各関節部(股関節部120)のモータ140を制御する。
次に、実施の形態2について説明する。実施の形態2では、ロボット100がより人間に似たヒューマノイドロボットである点で、実施の形態1と異なる。そして、実施の形態2では、膝を曲げて二足歩行を行うモデル(膝屈曲モデル)について、上述した非線形モデル予測制御を適用する。その他の点については、実施の形態1と実質的に同様であるので、説明を省略する。
また、実施の形態2にかかる膝屈曲モデルにおけるペナルティ項については、式(102)で示したものを、以下の式(117)で示したものに修正する。なお、qrefは、遊脚が着地するときの目標姿勢を示す。言い換えると、qrefは、遊脚が着地するときの各関節の関節角度に対応するリンク角度θ1、θ2、θ3、θ4、θ5の目標値(目標角度)のベクトルを示す。具体的には、qrefは、遊脚が着地した時点において、Xc−Xbが実現したい歩幅となり、Yc=Ybとなる(遊脚の先端の高さが支持脚の先端の高さと同じとなる)ようなqである。
次に、本実施の形態にかかる非線形モデル予測制御のアルゴリズムを用いて非線形システムについて行ったシミュレーション結果について説明する。以下に説明するシミュレーションは、本実施の形態にかかる非線形モデル予測制御のアルゴリズムを、実施の形態1にかかるコンパス型モデルにかかるロボット100に適用したものである。
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、ロボット100の片方の脚は、股関節部120、膝関節部122及び足首関節部124を有するとしたが、このような構成に限られない。ロボット100の脚は、3個よりも少ない数の関節部を有してもよいし、3個よりも多い数の関節部を有してもよい。この場合、状態ベクトル及び関節トルクベクトル(制御入力値)は、関節部の数に応じて、適宜、変更され得る。そして、状態方程式及びペナルティ関数等の関数も、関節部の数に応じて、適宜、変更され得る。
Claims (8)
- 非線形システムの制御方法であって、
前記非線形システムの状態を示す状態パラメータを取得する取得ステップと、
前記取得された状態パラメータに基づいて、モデル予測制御のアルゴリズムを使用して、前記非線形システムを制御するための制御入力値を算出する算出ステップと、
前記算出された制御入力値を用いて、前記非線形システムを制御する制御ステップと
を有し、
前記算出ステップにおいて、指定されたタイミングにおいて状態が不連続に変化するように前記非線形システムの状態を拘束する拘束パラメータを用いて、前記非線形システムの制御周期ごとに、前記モデル予測制御のアルゴリズムにおける予め定められた評価区間における前記制御入力値の最適解の変化率を算出し、前記変化率を用いて当該制御周期の次の制御周期における前記制御入力値の最適解を算出し、前記最適解から、現在の前記制御入力値を算出する
非線形システムの制御方法。 - 2つの脚を用いて二足歩行を行うことが可能な二足歩行ロボットの動作を制御する二足歩行ロボットの制御装置であって、
前記二足歩行ロボットの歩行に関する状態を示す状態パラメータを取得する状態取得手段と、
前記取得された状態パラメータに基づいて、モデル予測制御のアルゴリズムを使用して、前記二足歩行ロボットの動作を制御するための制御入力値を算出する算出手段と、
前記算出された制御入力値を用いて、前記二足歩行ロボットの動作を制御する制御手段と
を有し、
前記算出手段は、指定されたタイミングにおいて前記2つの脚のうちの遊脚が着地するように前記二足歩行ロボットの状態を拘束する拘束パラメータを用いて、前記二足歩行ロボットの制御周期ごとに、前記モデル予測制御のアルゴリズムにおける予め定められた評価区間における前記制御入力値の最適解の変化率を算出し、前記変化率を用いて当該制御周期の次の制御周期における前記制御入力値の最適解を算出し、前記最適解から、現在の前記制御入力値を算出する
二足歩行ロボットの制御装置。 - 前記拘束パラメータは、前記モデル予測制御のアルゴリズムで用いられる評価関数に含まれている
請求項2に記載の二足歩行ロボットの制御装置。 - 前記拘束パラメータは、前記タイミングにおいて遊脚が着地したときの前記二足歩行ロボットの姿勢を指定する
請求項2又は3に記載の二足歩行ロボットの制御装置。 - 前記拘束パラメータは、前記タイミングにおいて遊脚が着地したときの前記2つの脚の関節部の目標角度を指定する
請求項4に記載の二足歩行ロボットの制御装置。 - 前記拘束パラメータは、調整可能なゲインを含む
請求項2から5のいずれか1項に記載の二足歩行ロボットの制御装置。 - 2つの脚を用いて二足歩行を行うことが可能な二足歩行ロボットの動作を制御する二足歩行ロボットの制御方法であって、
前記二足歩行ロボットの歩行に関する状態を示す状態パラメータを取得する取得ステップと、
前記取得された状態パラメータに基づいて、モデル予測制御のアルゴリズムを使用して、前記二足歩行ロボットの動作を制御するための制御入力値を算出する算出ステップと、
前記算出された制御入力値を用いて、前記二足歩行ロボットの動作を制御する制御ステップと
を有し、
前記算出ステップにおいて、指定されたタイミングにおいて前記2つの脚のうちの遊脚が着地するように前記二足歩行ロボットの状態を拘束する拘束パラメータを用いて、前記二足歩行ロボットの制御周期ごとに、前記モデル予測制御のアルゴリズムにおける予め定められた評価区間における前記制御入力値の最適解の変化率を算出し、前記変化率を用いて当該制御周期の次の制御周期における前記制御入力値の最適解を算出し、前記最適解から、現在の前記制御入力値を算出する
二足歩行ロボットの制御方法。 - 2つの脚を用いて二足歩行を行うことが可能な二足歩行ロボットの動作を制御する二足歩行ロボットの制御方法を実現するプログラムであって、
前記二足歩行ロボットの歩行に関する状態を示す状態パラメータを取得する取得ステップと、
前記取得された状態パラメータに基づいて、モデル予測制御のアルゴリズムを使用して、前記二足歩行ロボットの動作を制御するための制御入力値を算出する算出ステップであって、指定されたタイミングにおいて前記2つの脚のうちの遊脚が着地するように前記二足歩行ロボットの状態を拘束する拘束パラメータを用いて、前記二足歩行ロボットの制御周期ごとに、前記モデル予測制御のアルゴリズムにおける予め定められた評価区間における前記制御入力値の最適解の変化率を算出し、前記変化率を用いて当該制御周期の次の制御周期における前記制御入力値の最適解を算出し、前記最適解から、現在の前記制御入力値を算出する、算出ステップと、
前記算出された制御入力値を用いて、前記二足歩行ロボットの動作を制御する制御ステップと
をコンピュータに実行させるプログラム。
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