JP4029152B2 - 脚式移動ロボット及び制御方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はホームロボットや各種サービスロボット等に用いる脚式移動型の2足歩行ロボットにおいて、脚と腕を協調して作業を行う際に、手先力の範囲を決定することができるようにした脚式移動ロボットに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の上記のような脚式移動ロボットは、例えば特許文献1に記載されているように、図5に示すような目標手先力と実際の手先力が異なっている場合に、目標床反力中心点(目標ZMP)まわりのモーメント偏差を算出し、それを補償するように胴体の位置を変更する手法が提案されている。
【0003】
【特許文献1】
特開平10−230485号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
例えば脚式移動ロボットの手先が対象物と接した状態で、図1に示すように床に置かれた対象物を押す作業を考えると、このとき、対象物に望みの運動をさせるためには、ロボットの手先が作業対象に加える手先力の目標値(目標手先力)を適切に指定しなくてはならない。しかし、従来の手法ではどのような目標手先力を与えると、ロボットが転倒せずに作業が遂行できるかに関しては、何ら指針が与えられていなかった。
【0005】
したがって本発明は、脚式移動ロボットにおいて、ロボットが対象物に望みの運動をさせる際、転倒せずに作業を行うことができる指針を容易に得て制御を行うことができる脚式移動ロボットを提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
脚式移動ロボットの脚と腕が協調する作業において、まず、2種類の床反力中心点(ZMP)を床面上で定義する。この床反力中心点を用いることで、ロボットが転倒することなしに作業を行うことを可能にする手先力の範囲を求めることが可能となる。
【0007】
この考え方に基づき、本発明によるハンド及びアームを搭載した脚式移動ロボットの制御装置は、ロボットの慣性力、重力、並びに手先反力の合力が、床面上の点を作用点とする力とモーメントで表現されたとき、X軸まわりのモーメントとY軸まわりのモーメントが0となる点であるZMPと、ロボットの慣性力と重力の合力が、床面上の点を作用点とする力とモーメントで表現されたとき、X軸まわりのモーメントとY軸まわりのモーメントが0となる点である一般化ZMPとの2種類床反力中心点の範囲を求めることにより得られる下記数式に基づいてロボットが転倒せずに作業を遂行できる手先力の範囲を決定する制御手段を備えたものである。
【数1】
但し、fHj:手先力ベクトル
zH1:手先位置の鉛直方向成分
zZ :床面高さ
Mg:ロボットに加わる重力
pE :一般化ZMPの位置ベクトル
pZ :ZMPの位置ベクトル
Rst:一般化ZMPの安定領域
【0008】
また、本発明によるハンド及びアームを搭載した脚式移動ロボットの制御方法は、ロボットの慣性力、重力、並びに手先反力の合力が、床面上の点を作用点とする力とモーメントで表現されたとき、X軸まわりのモーメントとY軸まわりのモーメントが0となる点であるZMPと、ロボットの慣性力と重力の合力が、床面上の点を作用点とする力とモーメントで表現されたとき、X軸まわりのモーメントとY軸まわりのモーメントが0となる点である一般化ZMPとの2種類床反力中心点の範囲を求めることにより得られる下記数式に基づいてロボットが転倒せずに作業を遂行できる手先力の範囲を決定するようにしたものである。
【数1】
但し、fHj:手先力ベクトル
zH1:手先位置の鉛直方向成分
zZ :床面高さ
Mg:ロボットに加わる重力
pE :一般化ZMPの位置ベクトル
pZ :ZMPの位置ベクトル
Rst:一般化ZMPの安定領域
【0010】
【発明の実施の形態】
図2には脚式移動ロボットが腕と脚を協調して作業をするモデルを示している。ここで、図に示す変数の説明は以下の通りである。
【数5】
mi:第iリンクの質量
Ii:第iリンクの慣性モーメント
ωi:第iリンクの回転角速度ベクトル
【数6】
また、
【数7】
である。
【0011】
次に、下記のように2種類のZMPを定義する。
定義1:ZMP
ZMPとは、ロボットの慣性力、重力、並びに手先反力(手先力の反力)の合力が、床面上の点を作用点とする力とモーメントで表現されたとき、X軸まわりのモーメントとY軸まわりのモーメントが0となる点である。
【0012】
脚と床との接触領域に働く全ての作用力を考えているため、ZMPは従来の床反力中心点(ZMP)を再定義したものと考えることができる。図1に示すように、ZMPが脚と床の支持領域の内部に含まれる限り、足裏面と床が接触を保つことが保証される。
【0013】
更に、以下のZMPを定義する。
定義2:一般化ZMP
一般化ZMPとは、ロボットの慣性力と重力の合力が、床面上の点を作用点とする力とモーメントで表現されたとき、X軸まわりのモーメントとY軸まわりのモーメントが0となる点である。
【0014】
ZMPが脚と床の支持領域の内部から外れても、ロボットは必ずしも転倒するとはいえないが、一般化ZMPが後述する領域を外れると、ロボットは転倒することになる。
【0015】
そこで、ロボットが転倒しないための一般化ZMPの範囲を導出する。まず、次式で定義される点をロボット重心の近傍に定義する。
【数8】
・・・・・(1)
点
【数9】
を用いることで、一般化ZMPの範囲は次のアルゴリズムで導出できる。
【0016】
定理1:一般化ZMPの安定領域
点
【数10】
と、手先や足先の接触点により形成される支持領域の境界との両方を含む直線を描く。この直線が床面と交わる点の集合により、図3に示すような一般化ZMPの領域が描かれる。
この領域を
【数11】
と表すことにする。
【0017】
次に、これらの二つのZMPの差をとることにより、次のような式が導かれる。
【数12】
・・・・・(2)
ここで、式(2)の意味を図4により考えると、図4において、ZMPは脚と床の支持領域の内部に存在するように制御されている。
【0018】
次に、一般化ZMP の位置をその範囲の境界上で動かすことを考えると、前記式(2)より、一般化ZMPとZMPの差の
【数13】
倍が手先力の合計となるため、図4(b)に示されるような領域で手先力範囲が導出される。
但し、上記式において
fHj:手先力ベクトル
zH1:手先位置の鉛直方向成分
zZ :床面高さ
Mg :ロボットに加わる重力
pE :一般化ZMPの位置ベクトル
pZ :ZMPの位置ベクトル
Rst:一般化ZMPの安定領域
である。
【0019】
この導出された範囲の中に手先力が含まれる限り、ロボットは転倒せずに脚腕協調作業を安定に遂行できる。
【0020】
したがって、脚式移動ロボットには腕の先端に力を計測するセンサが搭載されている場合が多いので、ロボットが脚腕協調作業を行う場合に、このセンサの値をモニターすることで、ロボットが安定に作業を行っているか、或いは転倒の危険性がないかどうかを判断することができる。
【0021】
また、ロボットの動作計画を行う場合に、導出された手先力の範囲の境界から遠い位置に手先力を発生するように計画することで、脚式移動ロボットの脚腕協調作業の安定性を増すことができる。
【0022】
【発明の効果】
本発明は上記のように構成したので、脚式移動ロボットにおいて、ロボットが対象物に望みの運動をさせる際、転倒せずに作業を行うことができる指針を容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】脚式移動ロボットが床に置かれた対象物を押す作業を行う例を示す図である。
【図2】同作業時における各種変数を示す図である。
【図3】同作業時における一般化ZMPの領域を示す図である。
【図4】同作業時の手先力の範囲を示す図である。
【図5】従来例におけるモーメント偏差に基づいて胴体の位置を変更する手法を示す図である。
Claims (2)
- ロボットの慣性力、重力、並びに手先反力の合力が、床面上の点を作用点とする力とモーメントで表現されたとき、X軸まわりのモーメントとY軸まわりのモーメントが0となる点であるZMPと、ロボットの慣性力と重力の合力が、床面上の点を作用点とする力とモーメントで表現されたとき、X軸まわりのモーメントとY軸まわりのモーメントが0となる点である一般化ZMPとの2種類床反力中心点の範囲を求めることにより得られる下記数式に基づいて、ロボットが転倒せずに作業を遂行できる手先力の範囲を決定する制御手段を備えたことを特徴とするハンド及びアームを搭載した脚式移動ロボットの制御装置。
zH1:手先位置の鉛直方向成分
zZ :床面高さ
Mg:ロボットに加わる重力
pE :一般化ZMPの位置ベクトル
pZ :ZMPの位置ベクトル
Rst:一般化ZMPの安定領域 - ロボットの慣性力、重力、並びに手先反力の合力が、床面上の点を作用点とする力とモーメントで表現されたとき、X軸まわりのモーメントとY軸まわりのモーメントが0となる点であるZMPと、ロボットの慣性力と重力の合力が、床面上の点を作用点とする力とモーメントで表現されたとき、X軸まわりのモーメントとY軸まわりのモーメントが0となる点である一般化ZMPとの2種類床反力中心点の範囲を求めることにより得られる下記数式に基づいて、ロボットが転倒せずに作業を遂行できる手先力の範囲を決定することを特徴とするハンド及びアームを搭載した脚式移動ロボットの制御方法。
zH1:手先位置の鉛直方向成分
zZ :床面高さ
Mg:ロボットに加わる重力
pE :一般化ZMPの位置ベクトル
pZ :ZMPの位置ベクトル
Rst:一般化ZMPの安定領域
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JP2003002188A JP4029152B2 (ja) | 2003-01-08 | 2003-01-08 | 脚式移動ロボット及び制御方法 |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2003002188A JP4029152B2 (ja) | 2003-01-08 | 2003-01-08 | 脚式移動ロボット及び制御方法 |
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Publication Number | Publication Date |
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JP2004209614A JP2004209614A (ja) | 2004-07-29 |
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ID=32820006
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2003002188A Expired - Lifetime JP4029152B2 (ja) | 2003-01-08 | 2003-01-08 | 脚式移動ロボット及び制御方法 |
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-
2003
- 2003-01-08 JP JP2003002188A patent/JP4029152B2/ja not_active Expired - Lifetime
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