JP2552279B2 - ロボツトの姿勢制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔目次〕 概要 産業上の利用分野 従来の技術（第10図） 発明が解決しようとする問題点 問題点を解決するための手段（第１図） 作用 実施例 （ａ） 一実施例姿勢制御の説明 （第２図，第３図，第４図，第５図，第６図） （ｂ） 一実施例制御演算の説明 （第７図，第８図，第９図） （ｃ） 他の実施例の説明 発明の効果 〔概要〕 外的センサの出力に応じてロボットの姿勢を制御する
姿勢制御方法において，外的センサの出力をロボットの
ｎ次元作業空間に対応する（ｎ＋１）次元の仮想空間の
立体像に像変換して反発力を生成し，反発力に基いてロ
ボットの姿勢を制御することにより，自律的姿勢制御を
容易に実現するものである。

〔産業上の利用分野〕

本発明は，外的センサによってロボットの外的環境を
検出し，ロボットの姿勢を自律的に適応制御するロボッ
トの姿勢制御方法に関する。

近年のロボットの知能化，高機能化の要求に伴い，ロ
ボットの未知の外的環境，例えば，対象物の存在，障害
物の存在等に適応した制御，いわゆる外的環境適応制御
が求められている。

このような制御を行なうには，外的環境を何等かの方
法で検出するセンサ（外的センサという），例えばテレ
ビカメラ等の視覚センサや距離センサ，触覚センサ，力
センサ，温度センサ等を設け，係るセンサの出力によっ
てロボットの運動姿勢を適応制御し，障害物回避等を行
なう。

この適応制御を行なうに当っては，センサ出力を基に
制御に必要な指令量（又は制御量）を得ることが必要で
ある。

〔従来の技術〕

第10図は従来技術の説明図である。

例えば，自走形ロボット１が走行している時に，障害
物OBWをセンサ21,22で見付け，姿勢制御によって障害物
OBWとの衝突回避を行なう場合を考えてみる。

この場合ロボット１の超音波センサ等の距離センサ2
1,22によって，ロボット１と障害物OBWとの距離ｒ₁,r₂
を２点で測定し，三角測量に基いて，ロボット１の障害
物OBWに対する角度φを算出し，指令角との比較等を行
って姿勢を制御し，障害物との衝突を回避するようにし
ていた。

この例では測定角φは，センサ21,22間を2l,Kを定数
とすると， φ＝sin^-1｛Ｋ・（ｒ₁−ｒ₂）/2l｝ で求められる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このような従来の姿勢制御においては，センサ21,22
で得たデータの有意性を判定した上で計算を行なう必要
がある。

即ち，障害物が複数の場合やセンサが多数有るとき
は，どのセンサのデータを組合せが１つの障害物に対す
るかの判定を行なう必要があり，システムを安定に制御
することが困難であるという問題がある外に，係る有意
性や計算式に内包される幾何学的特異点等における例外
処理などを要し，処理が繁雑化するという問題もあっ
た。

本発明は，仮想的な力学モデルを用い，ロボットの運
動を力の釣合いによって姿勢判定させて，センサ情報の
有意性等の判定を行なう必要なく，容易に姿勢を制御で
きるロボットの姿勢制御方法を提供することを目的とす
る。

〔問題点を解決するための手段〕

第１図は本発明の原理説明図である。

図中，第10図で示したものと同一のものは同一の記号
で示してある。

本発明では、第１図（Ａ）に示す如く，ロボット１の
作業空間（運動空間）がX,Y軸の２次元方向であるとす
ると，第１図（Ｂ）に示す如く，これにＰ軸を加えた３
次元の仮想空間を仮定する。

そして，第１図（Ａ）の作業空間で得たセンサ２の出
力（距離Ｒ）に対し、第１図（Ｂ）の如く，仮想空間の
Ｒの位置にX,Y軸方向に広がりを持ちＰ軸方向に高さを
持つ立体像Ｐを生成する。即ち，実空間でのセンサ２の
出力を仮想空間の立体像Ｐに変換する。

この仮想空間では，第１図（Ｂ）の如く一次元の距離
情報が多次元の立体的な対象物として表わされることに
なる。

この仮想空間での変換像はＰ軸方向に高さが持ってい
るので，ロボット１に対応する仮想空間上の位置Ａにお
ける障害物OBの立体像によるＰ軸方向の場の状態量を用
いて制御量を求めることができ，これを仮想空間からロ
ボット１が受ける反発力とし，反発力に応じてロボット
を制御する。

例えば，第10図と同一の条件では，仮想空間において
は，第１図（Ｃ）の如く制御場（立体像）が形成され，
制御場ではロボット１は，センサ21の位置では反発力Ｆ
₁，センサ22の位置では反発力Ｆ₂を受けることになり，
姿勢制御用モーメントMaをこれらによって得ることがで
きる。

〔作用〕

本発明では,n次元実空間に対する（ｎ＋１）次元仮想
空間で実空間でのセンサ出力を立体像に変換し，仮想空
間で凹凸面を形成している。この仮想空間を力学モデル
の制御場とすることによって，ロボット１のセンサの位
置における立体像の傾きを反発力として求め，これによ
って姿勢制御用モーメントを求めることによりセンサ情
報の有意性等の判断を要しないようにしている。

このことは，一次元のセンサ出力によって，おおまか
な多次元外部状態量が仮想空間上で表わされていること
になり，仮想空間から一種の先読み状態量が得られる。

又，センサの出力は仮想空間では立体像に変換される
ため，センサの次元や，センサの数，センサの種類によ
らず，同一の手順で制御場を形成でき，複雑な判定等が
不要となる。

〔実施例〕

（ａ） 一実施例姿勢制御の説明 第２図は本発明の一実施例説明図，第３図は第２図に
おける実空間と仮想空間の関係図，第４図は第２図にお
ける仮想空間による動作説明図である。

第２図（Ａ）においては，二次元X,Yの実空間（作業
空間）を移動するロボット１の側面に第２図（Ｃ）の如
く，各々距離センサである超音波センサ21〜28を２ケづ
つ設け，超音波センサ21〜28で外部環境を把握しなが
ら，障害物OB1,OB2を避けながら実空間を移動（並進移
動，姿勢制御）する例を示している。

先づ，超音波センサ（以下センサと称す）21〜28の検
出距離ｒ_iを，ロボット固有（重心を原点）の座標Ｘ−
Ｙで表した，センサが検出できる方向を定義する単位ベ
クトルｅ＝（ｅ_xi,e_yi，（ｉ＝１〜８）と，第２図
（Ｃ）に示す如く設定するセンサの取り付け位置Ａ₁〜
Ａ₈の位置ベクトル_i＝（Ｓ_xi,S_yi），（ｉ＝１〜８）
を用いて，センサｉの捉えた障害物位置（Ｘ_i,Y_i）とす
る（式１）。

（Ｘ_i,Y_i）＝ｒ_i＊（ｅ_xi,e_yi）＋（Ｓ_xi,S_yi） …
（１） 従って，センサ21〜28の検出距離ｒ_iより，ロボット
１の各センサ21〜28からの障害物の相対位置ベクトル
_i＝（Ｘ_i,Y_i）が得られる。

次に，これを仮想空間において展開する。

第３図に示す如く，実空間RSと仮想空間ISとは，実空
間RSのX,Y二次元座標と仮想空間ISのX,Y二次元座標とは
一致しており，仮想空間ISは実空間RSのX,Y平面に対
し，新たに直交するＰ軸（ポテンシャル軸）を加えたも
のである。

従って、２次元実空間RSの点Ａの位置は，仮想空間IS
の２次元平面Ｘ−Ｙの位置と対応する。

前述のセンサ21〜28の検出距離ｒ_iによる相対位置ベ
クトル_iを用いて，仮想空間ISにおけるＸ−Ｙ面の_i
の示す位置を中心に，広がりをもった多次元正規分布曲
面を障害物OB1,OB2の立体像Ｐ_iとして生成する。

この立体像Ｐ_iは， Ｐ_i）Ａ_i＝Ｋ_i×exp（−Ｒ²/2σ² …………（２） 但し,R²＝（Ｘ−Ｘ_i）²＋（Ｙ−Ｙ_i）²， Ａ_iはセンサ取付け位置， σは標準偏差、 Kiはセンサの検出距離、ロボット駆動系の性能から決定
される定数である。

この仮想空間ISでは，各センサ取付位置Ａ_i（ｉ＝１
〜８）においての立体像Ｐ_iが順次生成され，重ね合さ
れた立体像群（ポテンシャル曲面という）Ｐは， Ｐ＝ΣＰ_i）Ａ_i …………（３） となる。

従って，第２図（Ａ）の例では，仮想平面では第２図
（Ｂ）の如く障害物OB1,OB2の位置にX,Y方向に広がりを
持ち,P軸方向に高さを持つ立体像Pa,Pbが生成され，こ
れらの重ね合せによるポテンシャル曲面が形成される。

この仮想平面ISにおいて，ロボット１の位置でのＰ軸
方向の高さは，立体像Pa,Pbによるポテンシャル面PBの
Ｐ軸方向の高さPAとなる。

このようなポテンシャル面PSにおいて，ロボット１を
ポテンシャル面PSに沿ってポテンシャルの低い方に転が
るような反発力RFを生成し，ロボット１の並進変位及び
姿勢制御を行ない，障害物を回避する。

次にこのようにセンサ21〜28の出力から生成されたポ
テンシャル曲面からの反発力を求める方法について説明
する。

第４図及び第５図は反発力換算説明図，第６図は仮想
空間による動作説明図である。

第３図のＡ点における仮想空間ISのポテンシャル面PS
を拡大すると，第４図（Ａ）となる。

即ち,X方向に傾き（曲面斜度） Ｙ方向に傾き（曲面斜度） を持つ面である。

これから，係るポテンシャル面PSに沿って転がそうと
する反発力を求める。

ここでＰ軸の負方向に仮想重力加速度Ｇを第４図
（Ａ）に示す如く設定し,X軸,Y軸方向の反発力の制御量
として加速度_r，_rを求める。

Ｘ軸方向について考えると，第４図（Ｂ）の如くポテ
ンシャル曲面PSの斜度はαであるから，加速度は， となり， とすれば，（１）式は，_r ＝Ｋ・sin2α …………（５） となって計算によって求められる。

同様にＹ軸の加速度は，_r ＝Ｋ・sin2β …………（６） として得られる。

これをX,Y軸方向の制御量とすれば，第４図（Ｃ）に
示す如く，ロボット１を球と仮定し,X軸,Y軸の加速度
_r，_rの合成によってポテンシャル曲面PSに沿って転が
り力（反発力）RFが発生する。

即ち，第２図（Ｂ）の仮想空間において，ロボット１
はＰ軸のポテンシャル値の小さい方向に反発力が加わ
り，従って，実空間では，ロボット１は障害物OB1,OB2
の間を障害物OB1,OB2を避けて移動することができる。

この原理は，ロボット１の重心の位置とすることに
よって，ロボット１の並進変位運動の制御に用いること
ができる。

これをロボット１の姿勢制御に用いるには，次のよう
にすればよい。

第５図（Ａ），（Ｂ）に示す如く，ロボット１全体の
質点が重心にあるという仮定から質点はセンサ21〜28
の取付け位置Ａ₁〜Ａ₈に分散存在することにする。

又,n（＝８）個に分散した質量ｍ_i（Ms/n）の和は仮
想空間におけるロボット１の仮想質量Msに等しい。

ロボットモデルの重心は，力学的釣合い条件から求め
られる通常の力学的重心に一致する。

これらの仮定によって，センサ出力から発生する仮想
空間からの反発力Ｆ_iは，センサ取付位置に分散配置さ
れた質点Ａ_iの中心に作用し、重心にはモーメント及
び後述する仮想吸引力，回転力が作用する。

慣性モーメントＩは，第５図（Ａ）の如く，並進変位
のＸ−Ｙ軸に対し，点Ａ（重心Ｏ）におけるＰ軸回りの
ものである。従って，姿勢制御のモーメントＭを求める
には，先づ，各センサ取付け位置Ａ₁〜Ａ₈での反発力の
制御量_ri，_riを求める。

即ち，最初に第４図同様の方法で各センサ取付け位置
Ａ_i（Ａ₁〜Ａ₈）のＸ方向の傾きα_i,Y方向の傾きβ_iを
求める。

そして，各センサ取付け位置Ａ_iでの加速度_ri，
_riを第（５）式，第（６）式を変形して，次のように得
る。_ri ＝Ｋ・sin2α₁ …………（７）_ri ＝Ｋ・sin2β_i …………（８） ここで，各センサ取付け位置Ａ_iで受ける反発力Ｆ
_iは， Ｆ_i＝（Ｆ_xi,F_yi） ＝ｍ_i（_ri，_ri） …………（９） である。但し,m_iは分散された質点の質量である。

従って，（７）式，（８）式，（９）式より， となる。

このため，ロボットの重心Ｏ回りのモーメントＭは， で定義される。

従って，（11）式に於ける（９）式，（10）式の各セ
ンサ取付け位置Ａ_iの仮想空間ISからの反発力Ｆ_iを求
め，（11）式によって重心からのセンサ位置ベクトル
_iとによって，姿勢制御のためのモーメントＭが求め
られる。

同様に，重心での並進力Ｆ（Ｆ_x,F_y）は， であるので，第（10）式より求めた各センサ取付け位置
Ａ_iでの反発力Ｆ_xi,F_yiによって，並進変位の力（第４
図の転がり力）が得られる。

即ち，第６図に示すように，仮想的に仮想空間ISから
各センサ21〜28の出力で生成したポテンシャル面PSから
ロボット１は各センサ取付け位置Ａ_iで図のような反発
力Ｆ_iを得，第（11）式から姿勢制御のモーメントＭ
を，第（12）式から並進変位力を得，図の矢印の如く，
例えばロボット１は，障害物OB1,OB2を回避し，且つこ
れらの間を姿勢を制御しながら移動することになる。

（ｂ） 一実施例制御演算の説明 上述の姿勢制御及び並進変位制御は，センサの出力か
ら演算によって実行される。

第７図は係る制御量演算のブロック図であり，各演算
ステップをブロックで示してある。

図中，第２図で示したものと同一のものは同一の記号
であり,30は座標変換部であり，前述のセンサ21〜2nの
検出距離ｒ₁〜ｒ_nを，第（１）式によりセンサ21〜2nの
実空間上での方向ベクトル₁〜_nとセンサ取付け位置
ベクトル₁〜_nを用いて前述の相対位置座標
₁（Ｘ₁,Y₁〜_n（Ｘ_n,Y_n）に変換するもの,31は制御偏
差発生部であり，与えられたロボット１の目標位置Ｘ_r,
Y_rと現在位置との位置誤差_c及び回転誤差_cを発生す
るものであり，ロボット１の内部センサからの各軸（X,
Y軸）の検出した現加速度，を２回積分部31aで２回
積分して現在位置を得，同時にロボット１の内部に設け
られたジャイロで検出したロボット１の現回転速度φを
積分部31cで積分して得た現回転角φを用いて変換行列
生成部31dで変換行列を得て，上述の現在位置にこの変
換行列を乗算部31bで乗じて座標変換し，差分部31eで目
標位置Ｘ_r,Y_rと現在位置との差を求めて位置誤差_cを
発生するとともに，差分部31fで目標回転角φ_rと積分部
31cからの現回転角φとの差を求めて回転誤差_cを発生
するものである。

32は像変換部であり，入力される位置座標_i〜_n及
び位置偏差_cを基本関数を用いて立体像に変換するも
のであり，具体的には多次元正規分布関数を基本関数と
して用い，正規分布の立体像に変換するものである。

即ち，立体像Ｐ_iは，第（２）式の演算によって生成
される。

33は像演算部であり，像変換された各立体像Ｐ_iを加
算して，仮想空間でのポテンシャル面を作成するもので
あり，ポテンシャル面（値）Ｐは，第（３）式の演算に
よって得られる。

34は換算部であり，前述の像演算部33で演算された仮
想空間でのポテンシャル値Ｐから偏微分によって，前述
の各センサ取付位置でのX,Y方向の曲面斜度α_i，β_iを
求め，反発力Ｆ_iを得，後述する仮想吸引力と合成し，
並進変位の制御量（速度）_r，_rを，後述する仮想回
転力と合成して，姿勢制御量_rを演算するものであ
り，斜度計算機構34a,仮想重力計算機構34b,外積部34c1
〜34cn,除算部34d,加算部34e,回転角積分部34f,加算部3
4g,並進積分部34hを有している。

斜度計算機構34aは，前述の第４図で説明したX,Y方向
の偏微分を各センサ取付位置Ａ_iで求め，曲面斜度α_i，
β_iを求めるものであり，次式により得られる。

センサ取付ベクトル_i〜_nより取付け位置Ａ₁〜Ａ_n
を得て求める。

但し， 更に， を演算し，各取付け位置Ａ_iの曲面斜度α_i，β_iを得
る。又，仮想重力計算機構34bは，第４図で説明した第
（７）式及び第（８）式によって加速度_ri，_riを求
め第（９）式によって反発力Ｆ_iを演算するものであ
る。

外積部34c1〜34cnは，求めた反発力Ｆ₁〜Ｆ_nとセンサ
取付位置ベクトル_i〜_nとの外積_i×_iを求めるも
のであり，除算部34dは後述する仮想回転力を質量ｍ分
の１の値にするもの，加算部34eは外積部34c1〜34cnの
外積の和をとり，第（11）式のモーメントＭを求め且つ
除算部34dからの仮想回転力と加算するもの,34fは加算
部34eの出力（合成加速度）をm/I（但し， して積分し、回転制御量_rを出力するものである。

加算部34gは，仮想重力計算機構34bからの反発力Ｆ_i
の和をとり，第（12）式の並進力Ｆ（Ｆ_x,F_y）を得且つ
後述する仮想吸引力発生部35からの仮想吸引力を加算す
るもの，並進積分部34hは，加算部34gの合成加速度
_r，_rを1/Msして積分して並進制御量_r，_rを求め
るものである。

35は仮想吸引力発生部であり，位置偏差_cから目標
位置への並進方向の吸引力である誘導加速力を発生する
ものであり，位置偏差_c（Ｘ_r−Ｘ）を比較定数で
倍してバネ力としてフィードバックする比例部35aと，
位置偏差_cを一階微分し（Ｓはラプラス演算子），偏
差速度を得，これを比例定数でＣ倍して粘性力として得
る微分部35bと，比例部35aのバネ力と微分部35bの粘性
力とを引いて誘導加速力を発する減算部35cとを有する
ものである。

36は仮想回転力発生部であり，回転誤差_cから目標
回転各φ_rへの回転力を発生するものであり，回転誤差
_c（φ_r−φ）を比較定数κでκ倍してバネ力としてフ
ィードバックする比例部36aと，回転誤差（偏差）_cを
一階微分し，偏差回転速度を得，これを比例定数でＤ倍
して粘性力として得る微分部36bと，比例部36aのバネ力
と微分部36bの粘性力とを引いて仮想回転力を発する減
算部36cとを有するものである。

次に，第７図実施例の動作について第８図，第９図を
用いて説明する。

ロボット１の各センサ21〜2nの出力は座標変換部30で
座標変換され，ロボット１からの相対座標_i（Ｘ_i,
Y_i）に変換される。一方，制御偏差発生部31で位置偏差
_c（Ｘ_c,Y_c）及び回転誤差_cを発生し，このうち_c
は，第（２）式によって像変換部32で立体像Ｐ_iに変換
される。この時に，₁〜_nに対するゲインＫ_iは正
に，一方，_cに対するゲインＫ_iは負にとると，第８図
に示す如く仮想空間ISでは，障害物OB1,OB2の像Pa,Pbは
Ｐ軸の正方向の高さをもつ正規分布形状をなし，一方，
目標位置（Ｘ_r,Y_r）の像，即ち位置誤差による像PcはＰ
軸の負方向に高さをもつ正規分布形状をなす。従って，
像演算部33で第（３）式でこれらの和をとると，第８図
のポテンシャル面が得られ，仮想空間ISでは，障害物の
存在する位置にはＫ_i＞０となる凸部分が生成し，反対
に目標位置にはＫ_i＜０となる凹部分が生成される。

このことは，後述する並進及び姿勢制御量によって，
ロボット１が仮想空間IS上のポテンシャル面に沿って高
い方から低い方に向って転がっていくことになり，結局
障害物を避けた移動軌道IMが形成されており，実空間で
係る軌道IMに対応する軌道RMに沿って目標位置に向って
並進及び姿勢制御され移動する。

このため，換算部34においては，（13）式，（14）式
によって，曲面斜度α_i，β_iを求め，（７）式，（８）
式によって曲がり加速度_ri，_riを求めて，（９）式
によって反発力Ｆ_iを得る。

加算部34gでは反発力Ｆ_iの和がとられ，並進制御力Ｆ
がえられ，同様に加算部34eでは反発力Ｆ_iと取付けベク
トル_iとの外積の和がとられ，姿勢制御力（モーメン
ト）Ｍが得られる。

これらは障害物を回避するようセンサからの出力によ
って仮想空間から得た反発力によって作成されるもので
あり，これらによって障害物回避の並進運動，姿勢制御
が可能である。

この例では，このような制御力に対し仮想吸引力と仮
想回転力が加えられている。

この仮想吸引力においては，制御偏差発生部31からの
制御位置偏差_cが，仮想吸引力発生部35で位置偏差_c
に比例するバネ力と，偏差速度に比例する粘性力を発生
し，これから誘導力を発生している。そして，加算部34
hで仮想重による並進制御力と合成し，合成したものを
積分部34hで1/Mして積分して，制御量として速度_r，
_rを求め，これを並進速度指令としてロボット１のサ
ーボ系（図示せず）に与える。

これによってロボット１は軌道RM（第８図参照）に沿
って障害物を避けながら，目標位置（Ｘ_r,Y_r）に向って
移動することになる。

ここで，仮想空間IS上でも，位置偏差に応じたポテン
シャル面（第８図の像Pc）が形成されており，目標位置
への誘導力は零ではない。従って，誘導制御輛（仮想吸
引力）を発生しなくてもロボット１は目標位置に誘導さ
れるといえる。

しかし，位置偏差が大の場合には，ロボットが目標へ
向おうとする力は非常に小さくなることから，ロボット
を誘導することが難しくなる。

そこで，目標位置の像Pcの影響を仮想平面IS（第８
図）で大きくしようとして，目標位置に生成する局所関
数（第（２）式）の形状を変更すると，安定に誘導制御
を行うには，位置制御偏差やロボットの速度によって，
動的な形状変更を必要とされ，制御態様の複雑化を招
き，誘導特性を所望する特性に設定することが難しい。

このため，第７図に示す如く，位置偏差に比例するバ
ネ力と偏差速度に比例する粘性力を発生し，この２つの
値によって位置偏差に対する補償と，誘導速度に対する
補償を行うようにしたものである。

これによって初期制御偏差が大きくても，適度な接近
速度を保ちながら，確実に誘導制御できる。これととも
に前述のバネ定数や粘性係数Ｃを調整することによっ
て，誘導特性を変更できる。

又，仮想回転力においては，制御偏差発生部31からの
回転偏差_cが，仮想回転力発生部36で回転偏差_cに比
例するバネ力と，回転偏差速度に比例する粘性力を発生
し，これから仮想回転力を発生している。そして，加算
部34eで姿勢制御力Ｍと合成し，合成したものを積分部3
4fでm/I倍して積分し，制御量として_rを求め，同様に
回転速度指令としてロボット１のサーボ系に与える。

この場合においても，仮想吸引力の場合と同様に，仮
想空間ISからの姿勢制御力Ｍによって障害物を避けるよ
うな姿勢制御が可能である。

しかし，仮想空間ISだけからの姿勢制御では，障害物
に応じて，あたかも不安定な姿勢制御が行なわれてしま
うので，このような目標回転角φ_rに基く仮想回転力を
与えることによって，安定に姿勢制御が可能なようにし
ている。

このようなシステム構成においては，仮想空間を含む
力学モデルが形成されており，ロボットの運転方程式
（力学的拘束条件）は次のようになる。

先づ，並進Ｘ軸において， ∴Ｍ_s＋Ｃ＋（Ｘ_r−Ｘ＝Ｆ_x …………（16） となる。

同様に並進Ｙ軸において， Ｍ_s＋Ｃ＋（Ｙ_r−Ｙ＝Ｆ_y …………（17） 一方，回転運動では， ∴Ｉ＋Ｄ＋κ（φ_r−φ）＋Ｍ …………（20） ここで， は重心を通るＰ軸回りの慣性モーメントである。

以上により，ロボット１は，式（16），（18），（2
0）のような一般的二次振動系の方程式によって拘束さ
れ，外力Ｆ_x,F_y,Mによって運動したとき，その並進運動
特性がＭ_s，,Cによって決定され，回転運動特性がI,
κ,Dによって決定されることがわかる。

そこで，式（15），（17），（19）をより具体的に表
現すると， 但し，_i＝（_ri，_ri） 且つ，_r ＝∫dt,_r＝∫dt,_r＝∫dt として， 但し，_i＝（_ri，_ri） Ｓはラプラス演算子 となり，第７図のブロック図によって構成される系が上
式と一致していることがわかる。

このような制御を行なうことによって，第９図のよう
な動作が実現できる。

この例では，壁が障害物であり，四輪操舵機構の自走
車（ロボット）がセンサ出力の仮想空間からの反発力を
用いて障害物回避走行するものを示している。

ロボット１の回転に対する自由度が仮想空間ISで考慮
されず，並進制御のみが行なわれる場合には，第９図
（Ａ）に示す如く，目標停止位置Psに対し障害物回避し
た実停止位置Prの誤差は大となる。

一方，仮想空間ISで，姿勢制御も行なわれ，回転の自
由度が与えられると，第９図（Ｂ）に示す如く，あたか
も壁と平行に姿勢制御され，停止位置誤差はほとんど生
じない。

上述の像変換過程において，第（２）式の如く，基本
関数に多次元正規分布関数を用いているので，第（３）
式の如く，これを重ね合わせて仮想空間IS上にポテンシ
ャル面を形成しても，面の連続性を保つことができ，且
つ時々刻々センサ21〜2n等の出力で動的に変化させて
も，連続性が補証され，制御系の安定性を維持できる。

又，面の連続性が保証されているので，傾き（曲面斜
度）の連続性も保証され，従って制御量の不連続性を防
止できる。

又，この例では位置誤差_cも仮想空間ISに像変換し
ているから，得られる制御量_r，_rは単なる障害物回
避のためのもののみならず，目標位置への移動を加味し
た障害物回避のためのものとすることができる。

これらは，全てロボット制御装置のプロセッサのプロ
グラムによる演算によって実現でき，仮想空間ISは概念
上では存在するが，結局（２）式，（３）式で示す値が
仮想空間ISでのポテンシャル面を定義することになり，
単なるデータで示される。

従って，プロセッサは，各センサ21〜2nの出力を座標
変換し，更に位置誤差を求めて，（13）式を実行し,X,Y
方向の傾きを求め，更に（14）式で曲面斜度α，βを演
算し，（７）式，（８）式で加速度_ri，_riを演算
し，且つ（24）式以下の演算を行ない並進速度_r，
_r，_rを各サンプリング時刻毎にサーボ系に出力すれ
ばよいことになる。

（ｃ） 他の実施例の説明 上述の実施例では，仮想空間の反発力から並進変位と
姿勢制御の両方の制御量を求めているが，姿勢制御量の
みを求め，並進位置制御量は他の方法によって求めるよ
うにしてもよい。

同様に移動（並進変位）しないロボットの姿勢制御に
適用してもよく，仮想吸引力や仮想回転力を用いなくて
もよい。

又，上述の実施例では，センサとして超音波距離セン
サを用いているが他の周知の距離センサを用いてもよ
く，又，移動ロボットの障害物回避の例で説明したが，
障害物が壁面であって，壁面に衝突しないように移動制
御するものであってもよい。

更に，移動ロボットに限らず，アームを有する作業ロ
ボットの作業にも適用でき，例えば，ハンドを目標位置
に移動させる場合や，ハンドの把持した物品を相手物品
に嵌合させる作業や，物体の做い動作を行なう作業等に
も適用でき，これら作業に応じてセンサを適切な他の力
センサや温度センサ等を用いることもできる。

以上本発明を実施例により説明したが，本発明は本発
明の主旨に従い種々の変形が可能であり，本発明からこ
れらを排除するものではない。

〔発明の効果〕

以上説明した様に，本発明によれば，外的状態に応じ
てロボット姿勢をセンサ情報の有意性等の判断を必要と
せずに，容易に制御することができるという効果を奏
し，適応制御のアルゴリズムを簡易にして高度な適応制
御が実現できる。

又，高速制度が可能となるという効果も奏するので，
適応制御型ロボットの高速化も図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理説明図， 第２図は本発明の一実施例説明図， 第３図は第２図における実空間と仮想空間の関係図， 第４図及び第５図は第２図における反発力換算説明図， 第６図は仮想空間による動作説明図， 第７図は本発明の一実施例ブロック図， 第８図及び第９図は第７図による動作説明図， 第10図は従来技術の説明図である。 図中,1……ロボット,2……センサ,RS……実空間,IS……
仮想空間,OB……障害物。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ロボット（１）と物体との距離を検出する
   複数の距離センサ（２）の出力に応じて、該ロボット
   （１）を姿勢制御するロボットの姿勢制御方法におい
   て、 該各距離センサの検出距離を位置座標に変換するステッ
   プと、 該ロボット（１）の２次元作業空間にポテンシャル軸を
   加えた３次元仮想空間の該各位置座標の位置に、該２次
   元方向の広がりを持ち且つ該ポテンシャル軸に高さを持
   つ曲面立体像を生成するステップと、 該仮想空間の該曲面立体像を重ね合わせたポテンシャル
   曲面を生成するステップと、 該ポテンシャル曲面における該ロボット（１）に取り付
   けられた各距離センサ（２）の位置における２次元Ｘ、
   Ｙ方向の傾きを計算するステップと、 該ロボットを球と仮定し、該ポテンシャル軸の負方向に
   設定した仮想重力加速度と該２次元X,Y方向の傾きとか
   ら求めた該２次元X,Y方向の加速度により、該球と仮定
   したロボットがポテンシャル曲面に沿ってポテンシャル
   の高い方から低い方へ転がる際に受ける力を、ロボット
   が前記３次元仮想空間から受ける反発力として生成する
   ステップと、 該各距離センサ（２）の該ロボットの重心からの位置ベ
   クトルと該反発力とから慣性モーメントを求め、該慣性
   モーメントにより該ロボット（１）の姿勢を制御するス
   テップとを有することを特徴とするロボットの姿勢制御
   方法。