JP4472165B2

JP4472165B2 - Mobile robot controller

Info

Publication number: JP4472165B2
Application number: JP2000384397A
Authority: JP
Inventors: 喜雄鈴木
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1999-12-24
Filing date: 2000-12-18
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2020-12-18
Also published as: JP2001239480A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二足歩行型ロボット等の移動ロボットの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、二足歩行型ロボット等、脚体に複数の関節部（股関節、膝関節、足首関節等）を有し、その各関節部に一つ又は複数の電動モータ等のアクチュエータを備えた移動ロボットでは、各アクチュエータをロボットの胴体部等に搭載したコントローラに接続し、各アクチュエータの動作、ひいては脚体によるロボットの移動動作を上記コントローラにより直接的に集中制御するものが従来から知られている。
【０００３】
ところが、この種の制御装置では、特に脚体の基部寄りの関節部（例えば股関節）にあっては、脚体の先端側のアクチュエータ（足首関節や膝関節等のアクチュエータ）をコントローラに接続するための多数の信号線を配線しなければならず、その配線処理が困難なものとなるという不都合を生じやすい。さらに、コントローラから比較的大きく離間したアクチュエータ（例えば足首関節のアクチュエータ）にあっては、それをコントローラに接続する信号線にノイズが混入しやすく、該アクチュエータの誤動作を生じる虞れがある。
【０００４】
このような不都合を解消するために、本願出願人は、次のような制御システム（所謂、分散処理型の制御システム）を構築することを試みている。
【０００５】
すなわち、各アクチュエータ毎にその動作制御を担う局所的なコントローラ（以下、局所コントローラという）を各アクチュエータの近傍に配置して該アクチュエータに信号線を介して接続すると共に、その各局所コントローラに対応するアクチュエータの動作（具体的には回転角等）を規定する指令データを逐次生成する中央コントローラをロボットの胴体等に搭載して各局所コントローラにバスライン等を介して接続し、上記指令データを中央コントローラから各局所コントローラに送信する。そして、各局所コントローラは、上記指令データを受信し、その受信した指令データに基づいて対応するアクチュエータの実体的な動作制御（アクチュエータの通電制御）を行う。
【０００６】
このような分散処理型の制御システムによれば、各局所コントローラを各アクチュエータの近傍に配置することで、それらの間の信号線の配線処理が容易なものとなると共に、該信号線へのノイズの混入も抑えることが可能となる。また、各局所コントローラにアクチュエータの実体的な動作制御を行わせることで、各局所コントローラと中央コントローラとの間の通信線の個数が少なくて済み、その配線処理も比較的容易なものとなる。
【０００７】
ところで、このような分散処理型の制御システムでは、各局所コントローラは、上述のように中央コントローラから逐次与えられる前記指令データに基づいて各アクチュエータの動作制御を行う。このため、例えば、局所コントローラと中央コントローラとの間の通信線の断線等によって局所コントローラが正常な指令データを受信することができなくなると、局所コントローラはアクチュエータを正常に動作させることができなくなる。
【０００８】
そして、このような場合にはロボットの異常な移動動作が生じて、ロボットが転倒したり、該ロボットやこれと衝突する物体が破損するという不都合を生じる虞れがある。特に、二足歩行型のロボットでは、その脚体のアクチュエータが正常に動作できなくなると、該ロボットの転倒が生じる可能性が高い。
【０００９】
このため、このような不都合を解消することが望まれていた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる背景に鑑み、分散処理型の制御システムを採用した移動ロボットの制御装置において、ロボットの移動用の各アクチュエータの動作制御を担う局所コントローラが、中央コントローラからの指令データを正常に受信できなくなったような状況でも、ロボットの転倒等、異常な移動動作を極力回避することができる装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の移動ロボットの制御装置はかかる目的を達成するために、少なくともロボットの移動用のアクチュエータを含む複数のアクチュエータと、各アクチュエータにそれぞれ接続して設けられ、各アクチュエータの動作制御を担う複数の局所制御器と、各局所制御器に接続して設けられ、各局所制御器が制御する各アクチュエータの動作を規定する指令データを逐次生成しつつ各局所制御器に送信する中央制御器とを備えた移動ロボットの制御装置において、
各局所制御器に対応するアクチュエータに係わる所定期間分の前記指令データを記憶保持する記憶手段と、前記各局所制御器における前記中央制御器からの指令データの受信状態を監視し、該指令データの受信不良が生じたとき、前記記憶手段に記憶保持された前記所定期間分の指令データに基づいて該局所制御器に対応するアクチュエータの動作制御を行う手段とを各局所制御器に備え、
前記記憶手段に記憶保持された前記指令データは、前記各局所制御器に対応するアクチュエータの所定の動作を行わせるべくあらかじめ定められた所定期間分の指令データであり、
前記各局所制御器は、前記記憶手段に記憶保持された指令データに基づいて該局所制御器に対応するアクチュエータの動作制御を行うとき、前記受信不良が生じたときの該アクチュエータの実際の動作量と前記指令データにより表される動作量との偏差が大きいほど、該アクチュエータの動作量をより緩やかに前記指令データにより表される動作量に追従させるように該アクチュエータの動作制御を行うことを特徴とする。
【００１２】
かかる本発明によれば、前記各局所制御器の記憶手段に前記所定期間分の前記指令データを記憶保持しておくことで、前記各局所制御器は、前記中央制御器との間の通信線の断線等により、該中央制御器からの指令データを正常に受信することができなくなっても（前記受信不良が生じても）、前記記憶手段に記憶保持された前記所定期間分の指令データに基づいて前記アクチュエータの動作制御を行うことが可能となる。このため、指令データの受信不良が生じたときに、前記所定期間分の指令データに基づいて当該局所制御器に対応するアクチュエータの動作制御を行うことで、該アクチュエータの異常動作が生じるような事態を回避することが可能となり、移動ロボットの転倒等の異常動作を極力回避することが可能となる。
【００１８】
さらに、前記各局所制御器が前記記憶手段の指令データに基づいて、該局所制御器に対応するアクチュエータの動作制御を行う場合における該アクチュエータの動作の急変を回避することができ、該アクチュエータの負荷を軽減することができると共に、ロボットの姿勢の急変を回避して、ロボットの姿勢の安定性を確保することが可能となる。
【００１９】
尚、本発明の脚式移動ロボットの制御装置は、特に二足歩行型の脚式移動ロボットにおいて特に好適である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明に関連する参考例としての第１実施形態を図１〜図５を参照して説明する。図１は本実施形態における脚式移動ロボットを模式化して示した側面図、図２は該ロボットの制御システムの構成図、図３〜図５はそれぞれ図２の制御システムの要部の構成図である。
【００２１】
図１を参照して、本実施形態における脚式移動ロボットＲは、二足歩行型のものであり、上端に頭部１を搭載した胴体２と、この胴体２の下部から延設された左右一対の脚体３と、胴体２の上部の両側部から延設された左右一対の腕体４とを具備する。尚、脚体３は左右、同一構造であり、図１では、便宜上、一方の脚体３のみを記載している。同様に、腕体４も左右、同一構造であり、図１では一方の脚体４のみを記載している。
【００２２】
各脚体３は、股関節５を介して胴体３に連結され、その股関節５に、膝関節６及び足首関節７を順に介して足平部８を連結した構造となっている。また、足首関節７と足平部８との間には、足平部８がその接地箇所から受ける作用力（並進力及びモーメント）を検出する６軸力センサ９ａが介装されている。
【００２３】
同様に、各腕体４は、肩関節１０を介して胴体３に連結され、その肩関節１０に、肘関節１１、手首関節１２及び６軸力センサ９ｂを介して手先部１３を連結した構造となっている。
【００２４】
図１では図示を省略するが、各脚体３の各関節５〜７、並びに各腕体４の各関節１０〜１２は、それぞれ一つ又は複数の電動モータ（アクチュエータ）により構成されている。例えば脚体３の股関節５、膝関節６及び足首関節７は、それぞれ３自由度、１自由度、２自由度を有するように３個、１個、２個の電動モータにより構成されている。これらの、脚体３の各関節５，６，７の電動モータは、ロボットの移動用のアクチュエータに相当するものである。また、腕体４の肩関節１０、肘関節１１及び手首関節１２は、それぞれ３自由度、１自由度、３自由度を有するように３個、１個、３個の電動モータにより構成されている。
【００２５】
尚、図１において、１４はロボットＲの目としての機能を有するものとして頭部１に装着された撮像カメラ、９ｃ，９ｄはロボットＲの上体（胴体２）の姿勢やその変化状態を検出するために胴体２に搭載されたジャイロセンサ及び加速度センサである。また、撮像カメラ１４は頭部１に備えた図示しない電動モータによりその視野方向を変更できるようになっている。また、撮像カメラ１４用の電動モータを含めて、前記脚体３や腕体４に備えられた各電動モータには、その回転角度を検出するためのロータリエンコーダ（図１では図示省略）が取着されている。このロボットＲには、図２に示すような構成の制御システムが搭載されている。尚、以下の説明では、前記６軸力センセ９ａ，９ｂ、ジャイロセンサ９ｃ及び加速度センサ９ｄを総称的にセンサ９と称することがある。
【００２６】
この制御システムは、中央制御器１５と、脚体３、腕体４及び頭部１に上記の如く備えられた複数の電動モータ１６のそれぞれに対応して設けられた複数の局所制御器１７（以下、モータ用局所制御器１７という）と、前記６軸力センセ９ａ，９ｂ等の各センサ９のそれぞれに対応して設けられた複数の局所制御器１８（以下、センサ用局所制御器１８という）とを備えている。
【００２７】
この場合、中央制御器１５は、ロボットＲの胴体２に搭載されている（図１を参照）。また、各モータ用局所制御器１７は、それが対応する電動モータ１６の近傍の箇所に配置され、該電動モータ１６とこれに取着されたロータリエンコーダ１９とに接続されている。例えば、脚体３の股関節５の各電動モータ１６に対応するモータ用局所制御器１７は、その股関節５の部分に設置されて、該電動モータ１６とこれに取着されたロータリエンコーダ１０とにリード線を介して接続されている。他の電動モータ１６についても同様である。これと同様に、各センサ用局所制御器１７は、それが対応するセンサ９の近傍の箇所に配置されて、該センサ９に接続されている。そして、中央制御器１５と各モータ用局所制御器１７及びセンサ用局所制御器１７とは、それらの設置箇所を通るように配線されたバスライン２０を介して相互に接続され、このバスライン２０を介して各種データ（デジタルデータ）の授受（送受信）を可能としている。
【００２８】
中央制御器１５は、ロボットＲの外部の適宜の操作器（図示しない）等から与えられるロボットＲの動作形態の指令データや、あらかじめティーチングされたデータ、前記各センサ９の検出データ、撮像カメラ１４による撮像データ、各電動モータ１６の動作状態（実際の回転角等）のデータ等に基づいて、ロボットＲの所要の動作（歩行や作業）を行わしめるための各電動モータ１６の回転角の指令データを所定の制御サイクルで生成し、それを各モータ用局所制御器１７にバスライン２０を介して送信する機能を主たる機能として有するものである。
【００２９】
そして、このような機能を有する中央制御器１５は、図３に示すように、各電動モータ１６の回転角の指令データの生成処理を担う主演算処理ユニット２１と、前記各モータ用局所制御器１７及び各センサ用局所制御器１８との間の前記バスライン２０を介した通信処理を担う内部用通信処理ユニット２２と、撮像カメラ１４による撮像データの解析処理を担う画像処理ユニット２３と、ロボットＲの外部の操作器等との間の通信処理を担う外部用通信処理ユニット２４とを具備している。これらの各ユニット２１〜２４はそれぞれ図示しないＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを含む電子回路により構成されており、中央制御器１５内に設けられたバスライン２５を介して相互にデータの授受を行うことができるようになっている。
【００３０】
尚、本実施形態では、外部用通信処理ユニット２４は、無線による通信処理を行うものである。
【００３１】
前記各モータ用局所制御器１７は、中央制御器１５との間で、該モータ用局所制御器１７に対応する電動モータ１６の回転角の指令データや該電動モータ１６の実際の動作状態（電動モータ１６の実回転角等）のデータを授受しつつ、該電動モータ１６の実体的な動作制御を担う機能を主たる機能を有するものである。
【００３２】
このような機能を有するモータ用局所制御器１７は、図４に示すように、中央制御器１５との間でのバスライン２０を介したデータの授受（送受信）を行うための通信回路２６と、中央制御器１５から与えられる電動モータ１６の回転角の指令データに基づく該電動モータ１６の通電電流の指令データの生成処理や中央制御器１５との間の通信状態の監視処理、中央制御器１５に送信すべきデータの生成処理等を行うＣＰＵ２７と、各種データやプラグラムの記憶保持を行うＲＡＭ及びＲＯＭにより構成されたメモリ２８（記憶手段）と、モータ用局所制御器１７に対応する電動モータ１６に接続されたモータ駆動回路２９と、このモータ駆動回路２９を介して電動モータ１６の通電制御を行うモータ制御回路３０とを備えている。尚、ＣＰＵ２７には、電動モータ１６に取着されたロータリエンコーダ１９から該電動モータ１６の実回転角を示すデータが与えられる。また、図示を省略するが、モータ用局所制御器１７には、電動モータ１６の通電電流を検出する手段が備えられ、その検出データがモータ制御回路３０に与えられる。
【００３３】
前記各センサ用局所制御器１８は、それが対応するセンサ９の検出データの取り込みや、その検出データの中央制御器１５への送信等の機能を有するものである。そして、このような機能を有するセンサ用局所制御器１８は、図５に示すように、中央制御器１５との間でのバスライン２０を介したデータの授受（送受信）を行うための通信回路３１と、センサ９の出力を増幅する増幅回路３２と、その増幅されたセンサ９の出力をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換回路３３と、このＡ／Ｄ変換回路３３を介したセンサ９の出力の取り込み処理や、中央制御器１５との通信状態との間の通信状態の監視処理等を行うＣＰＵ３４と、各種データやプログラムの記憶保持を行うＲＡＭ及びＲＯＭにより構成されたメモリ３５とを具備している。
【００３４】
尚、図示を省略するが、本実施形態では、各モータ用局所制御器１７及びセンサ用局所制御器１８の上述した回路の動作用の電源電池がロボットＲの胴体２に搭載されており、その電源電池から電源線を介して各モータ用局所制御器１７及びセンサ用局所制御器１８にその動作用の電源が与えられるようになっている。
【００３５】
また、ロボットＲの胴体には、各電動モータ１６の動作用の電源電池（バッテリ）がロボットＲの胴体２に搭載されており、その電源電池から電源線を介して各モータ用局所制御器１７のモータ駆動回路２９に与えられるようになっている。
【００３６】
次に本実施形態の装置の作動を説明する。
【００３７】
まず、基本的な作動を説明する。本実施形態のロボットＲでは、中央制御器１５は、各電動モータ１６の回転角の指令データ（目標回転角）を、主演算処理ユニット２１により所定の（一定の）制御サイクルで生成する。このとき、各電動モータ１６の回転角の指令データは、あらかじめティーチングされたデータや、後述の如くモータ用局所制御器１７やセンサ用局所制御器１８から与えられる各電動モータ１６の実回転角のデータ、各センサ９の検出データ等に基づいて生成される。
【００３８】
そして、中央制御器１５は、生成した各電動モータ１６の回転角の指令データと各センサ用局所制御器１８に関する指令データ（具体的には各センサ９の出力の取込処理の指令データ）とを、上記の制御サイクル毎に一斉に、前記内部用通信処理ユニット２２を介してバスライン２０に出力する。
【００３９】
このとき、各電動モータ１６の回転角の指令データには、各電動モータ１６に対応するモータ用局所制御器１７のあらかじめ定められた識別子（ＩＤコード）が付される。同様に、各センサ用局所制御器１８に関する指令データには、センサ用局所制御器１８のあらかじめ定められた識別子（ＩＤコード）が付される。
【００４０】
上記のように中央制御器１５からバスライン２０に出力されたデータは、各モータ用局所制御器１７のＣＰＵ２７に通信回路２６を介して受信されると共に、各センサ用制御器１８のＣＰＵ３４に通信回路３１を介して受信される。
【００４１】
このとき、各モータ用局所制御器１７にあっては、そのＣＰＵ２７は、自身のモータ用局所制御器１７に対応する識別子が付された指令データを受信すると、その時点におけるロータリエンコーダ１９の検出データ、すなわち電動モータ１６の実回転角のデータをメモリ２８に記憶保持する。また、ＣＰＵ２７は、与えられた指令データ（電動モータ１６の回転角の指令データ）をメモリ２８に記憶保持する。この場合、指令データの記憶保持に関しては、現在から過去に逆上った所定数の制御サイクル分、すなわち、所定数×制御サイクルの期間分の複数個の指令データがメモリ２８に時系列的に記憶保持される。
【００４２】
これに続いて、ＣＰＵ２７は、与えられた電動モータ１６の回転角の指令データに基づき電動モータ１６の通電電流の指令データを生成し、それをモータ制御回路３０に与える。そして、該モータ制御回路３０は、電動モータ１６の通電電流の検出データを監視しつつ、与えられた通電電流の指令データに従って電動モータ１６への通電をモータ駆動回路２９を介して制御する。
【００４３】
これにより、各電動モータ１６は、その回転角が該電動モータ１６に対応するモータ用局所制御器１７に中央制御器１５から与えられた回転角の指令データに基づいて制御される。
【００４４】
このようにして、電動モータ１６を制御した後、各モータ用局所制御器１７のＣＰＵ２７は、先にメモリ２８に記憶保持した電動モータ１６の実回転角のデータを中央制御器１５に送信すべく通信回路２６を介してバスライン２０に出力する。このとき、該データには、それを出力したモータ用局所制御器１７の識別子のデータが付される。
【００４５】
また、各センサ用局所制御器１８にあっては、そのＣＰＵ３４は、自身のセンサ用局所制御器１８に対応する識別子が付された指令データを受信すると、その時点におけるセンサ９の出力（検出信号）を増幅回路３２及びＡ／Ｄ変換器３３を介して取り込み、それをメモリ３５に記憶保持した後、中央制御器１５に送信すべく通信回路３１を介してバスライン２０に出力する。
【００４６】
このとき、バスライン２０に出力するデータ、すなわちセンサ９の検出データには、センサ用局所制御器１８の識別子のデータが付される。
【００４７】
上記のように各モータ用局所制御器１７及びセンサ用局所制御器１８からバスライン２０に出力されたデータは、該バスライン２０に早く出力されたものから順番に、中央制御器１５の内部用通信処理ユニット２２により受信されて図示しないメモリに記憶保持され、それが、次回の制御サイクルで主演算処理ユニット２１が各電動モータ１６の回転角の指令データを生成するために使用される。
【００４８】
以上説明した作動が本実施形態の装置の基本的作動である。
【００４９】
一方、各モータ用局所制御器１７のＣＰＵ２７は、前述の如く中央制御器１５から送信される指令データ（回転角の指令データ）の受信状態を監視するようにしており、前回の制御サイクルの指令データを受信してから、その制御サイクルの１周期を経過しても自身のモータ用局所制御器１７に対応する新たな指令データを受信することができない場合や、受信した指令データが異常を生じている場合（例えばパリティビットのデータの異常）には、次のような制御処理を行う。
【００５０】
すなわち、ＣＰＵ２７は、メモリ２８に前述の如く時系列的に記憶保持されている過去（前回の制御サイクル以前）における指令データを読みだす。そして、これらの指令データから今回の制御サイクルにおける指令データを予測し、この予測した指令データに基づいて、前述の基本的作動の場合と同様に電動モータ１６の動作制御をモータ制御回路３０及びモータ駆動回路２９を介して行う。
【００５１】
この場合、指令データの予測は、例えば次のように行う。すなわち、電動モータの回転角の指令データの時間的変化を表す関数式（例えば二次関数）を過去の指令データから最小二乗法等により求め、その関数式に基づいて、今回の制御サイクルのタイミングにおける指令データを予測する。尚、この場合、上記のように関数式に基づいて指令データを予測することで、その予測の指令データが、受信不良を生じる前に中央制御器１５から与えられた指令データの時系列に対して急変を生じることはない。従って、その予測された指令データは、電動モータの回転角を漸変させるものとなる。
【００５２】
このように予測した指令データを用いて電動モータ１６の動作制御を行うことで、バスライン２０の断線等が生じて、モータ用局所制御器１７が正常なそれイデータを受信することができなくなっても、電動モータ１６の動作、ひいてはロボットＲの動作の急変を避けることができる。特に、脚体３の電動モータ１６の動作の急変を避けることができることで、ロボットＲが転倒し、該ロボットＲやこれと衝突する物体が損傷を受けるような事態が発生するのを予防することが可能となる。
【００５３】
次に、本発明の一実施形態である第２実施形態を図６を参照して説明する。図６は本実施形態の装置の作動を説明するための線図である。尚、本実施形態は、前記図１に示したロボットＲの制御装置であり、その構成と基本的作動（受信不良が生じたとき以外の作動）は、前記第１実施形態と同一である。従って、本実施形態の説明においては、前記第１実施形態と同一の参照符号を用い、前記第１実施形態のものと相違する作動につてのみ説明する。
【００５４】
本実施形態では、前記各モータ用局所制御器１７のメモリ２８のＲＯＭには、該モータ用局所制御器１７に対応する電動モータ１６に係わるあらかじめ定められた回転角の指令データが所定期間分（所定数の制御サイクル数分）記憶保持されている。この指令データは、ロボットＲが安定した姿勢を保つことができるようにあらかじめ定められた指令データである。
【００５５】
そして、各モータ用局所制御器１７のＣＰＵ２７は、ロボットＲの動作中に、前記第１実施形態と同様に、中央制御器１５からの指令データの受信状態を監視しており、その受信状態の異常（受信不良）が生じたときには、メモリ２８のＲＯＭに記憶保持された上記の指令データに基づいて対応する電動モータ１６の動作制御を行う。すなわち、基本的には、ＣＰＵ２７は、メモリ２８のＲＯＭに記憶保持された所定期間分の指令データが表す回転角の時系列値に電動モータ１６の実回転角を追従させるように該電動モータ１６を制御する。
【００５６】
但し、この場合、上記受信不良が生じた際における電動モータ１６の実回転角（以下、初期実回転角という）が、メモリ２８のＲＯＭに記憶保持されている指令データが表す回転角（以下、記憶指令回転角という）に対して大きく相違している可能性がある。
【００５７】
そこで、本実施形態では、各モータ用局所制御器１７のＣＰＵ２７は、受信不良が生じた際に、前記ロータリエンコーダ１９により検出された前記初期実回転角と、前記記憶指令回転角（より詳しくは、その記憶指令回転角の時系列値のうちの初期値）との偏差に応じて、電動モータ１６の実回転角の記憶指令回転角への追従速度を調整する。このときの電動モータ１６の実回転角の記憶指令回転角への追従の様子を例示したものが図６であり、同図６では、記憶指令回転角と初期実回転角との三種類の偏差について、電動モータ１６の実回転角の経時的変化の様子を例示している。
【００５８】
同図６に示すように、各モータ用局所制御器１７のＣＰＵ２７は、記憶指令回転角と初期実回転角の偏差が大きい程、より緩やかに電動モータ１６の実回転角が記憶指令回転角に追従させる（収束させる）ように該電動モータ１６を制御する。このような制御は、例えば電動モータ１６の回転角のフィードバック制御のゲインを、あらかじめ定めたデータテーブル等を使用して上記偏差に応じて調整することで行われる。
【００５９】
このような制御によって、各モータ用局所制御器１７の受信不良が生じたときには、該モータ用局所制御器１７のＣＰＵ２７は、それに対応する電動モータ１６の実回転角を漸変させつつ前記記憶指令回転角に制御する。これによりロボットＲの姿勢の安定性が保たれるように該電動モータ１６が制御され、ロボットＲの転倒等の異常動作を生じることが回避される。
【００６０】
この場合、上記記憶指令回転角は、ロボットＲの安定姿勢を保持し得る状態で電動モータ１６を停止させるような指令データであることが好ましい。
【００６１】
尚、以上説明した第１及び第２実施形態では、ロボットＲの全ての電動モータ１６についてモータ用局所制御器１７を備えた分散処理型の制御システムを構築したが、脚体３の電動モータ１６についてのみ、モータ用局所制御器１７を備え、腕体４の電動モータ１６等、他の電動モータ１６については、中央制御器１５あるいは、これと別に備えた制御器によって直接的に動作制御を行うようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関連する参考例としての第１実施形態における移動ロボット（二足歩行型ロボット）を模式化して示した側面図。
【図２】１のロボットの制御システムの構成図。
【図３】図２の制御システムの要部の構成図。
【図４】図２の制御システムの要部の構成図。
【図５】図２の制御システムの要部の構成図。
【図６】本発明の一実施形態である第２実施形態の装置の作動を説明するための線図。
【符号の説明】
Ｒ…二足歩行型ロボット（移動ロボット）、１５…中央制御器、１６…電動モータ、１７…局所制御器、２８…メモリ（記憶手段）。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a control device for a mobile robot such as a biped robot.
[0002]
[Prior art]
For example, a mobile robot having a plurality of joints (hip joint, knee joint, ankle joint, etc.) on a leg, and one or a plurality of actuators such as electric motors in each joint, such as a biped walking robot Conventionally, it is known that each actuator is connected to a controller mounted on the body of the robot, and the operation of each actuator, and hence the movement of the robot by the legs, is directly controlled by the controller.
[0003]
However, in this type of control device, particularly in the joint portion (for example, the hip joint) near the base of the leg, an actuator (ankle joint, knee joint, or other actuator) on the tip side of the leg is connected to the controller. In this case, a large number of signal lines must be wired, and the wiring processing is difficult. Further, in an actuator (for example, an ankle joint actuator) that is relatively far away from the controller, noise is likely to be mixed into a signal line that connects the actuator to the controller, which may cause malfunction of the actuator.
[0004]
In order to eliminate such inconvenience, the applicant of the present application attempts to construct a control system (so-called distributed processing type control system) as follows.
[0005]
That is, a local controller (hereinafter referred to as a local controller) that controls the operation of each actuator is arranged near each actuator and connected to the actuator via a signal line, and corresponds to each local controller. A central controller that sequentially generates command data that defines the operation of the actuator (specifically, rotation angle, etc.) is mounted on the body of the robot and connected to each local controller via a bus line. Transmit from the controller to each local controller. Each local controller receives the command data, and performs substantive operation control (energization control of the actuator) of the corresponding actuator based on the received command data.
[0006]
According to such a distributed processing type control system, by arranging each local controller in the vicinity of each actuator, the wiring process of the signal line between them becomes easy, and the noise to the signal line is also reduced. It is also possible to suppress contamination. In addition, by causing each local controller to perform substantial operation control of the actuator, the number of communication lines between each local controller and the central controller can be reduced, and the wiring process is relatively easy.
[0007]
By the way, in such a distributed processing type control system, each local controller controls the operation of each actuator based on the command data sequentially given from the central controller as described above. For this reason, for example, if the local controller cannot receive normal command data due to disconnection of the communication line between the local controller and the central controller, the local controller cannot operate the actuator normally.
[0008]
In such a case, an abnormal movement operation of the robot may occur, which may cause a problem that the robot falls or the robot or an object that collides with the robot is damaged. In particular, in a biped robot, if the leg actuator cannot operate normally, the robot is likely to fall.
[0009]
For this reason, it has been desired to eliminate such inconvenience.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
In view of this background, the present invention is directed to a mobile robot control device employing a distributed processing control system, in which a local controller responsible for operation control of each actuator for robot movement normally receives command data from a central controller. It is an object of the present invention to provide an apparatus that can avoid an abnormal movement operation such as a robot overturning as much as possible even in a situation where it cannot be performed.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve this object, the mobile robot control device of the present invention includes a plurality of actuators including at least an actuator for moving the robot,For each actuatorMultiple local controllers that are connected and responsible for controlling the operation of each actuator, and command data that specifies the operation of each actuator that is connected to and controlled by each local controller is generated sequentially However, in the mobile robot control device with a central controller that transmits to each local controller,
  The storage means for storing and holding the command data for a predetermined period related to the actuator corresponding to each local controller, and the reception state of the command data from the central controller in each local controller are monitored, and the command data Each local controller includes means for controlling the operation of an actuator corresponding to the local controller based on the command data for the predetermined period stored and held in the storage means when reception failure occurs.,
The command data stored and held in the storage means is command data for a predetermined period that is predetermined to perform a predetermined operation of an actuator corresponding to each local controller,
When each local controller performs operation control of the actuator corresponding to the local controller based on the command data stored and held in the storage means, the actual operation amount of the actuator when the reception failure occurs And the operation amount represented by the command data is controlled so that the operation amount of the actuator more gently follows the operation amount represented by the command data.It is characterized by that.
[0012]
According to the present invention, by storing the command data for the predetermined period in the storage means of each local controller, each local controller communicates with the central controller. Even if the command data from the central controller cannot be normally received due to disconnection or the like (even if the reception failure occurs), the command data for the predetermined period stored in the storage means Based on this, it becomes possible to control the operation of the actuator. For this reason, when reception failure of command data occurs, a situation in which abnormal operation of the actuator occurs due to operation control of the actuator corresponding to the local controller based on the command data for the predetermined period It is possible to avoid the abnormal operation such as the falling of the mobile robot as much as possible.
[0018]
  further, When each local controller performs operation control of the actuator corresponding to the local controller based on the command data of the storage means, it is possible to avoid a sudden change in the operation of the actuator, and to reduce the load of the actuator In addition to being able to reduce this, it is possible to avoid a sudden change in the posture of the robot and to ensure the stability of the posture of the robot.
[0019]
The control device for a legged mobile robot of the present invention is particularly suitable for a bipedal legged mobile robot.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  As a reference example related to the present inventionA first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a side view schematically showing a legged mobile robot according to the present embodiment, FIG. 2 is a configuration diagram of a control system of the robot, and FIGS. 3 to 5 are configuration diagrams of main parts of the control system of FIG. It is.
[0021]
Referring to FIG. 1, a legged mobile robot R in this embodiment is of a bipedal walking type, and includes a body 2 having a head 1 mounted on the upper end, and a left and right extending from the lower part of the body 2. A pair of legs 3 and a pair of left and right arms 4 extending from both sides of the upper portion of the body 2 are provided. The legs 3 have the same structure on the left and right, and in FIG. 1, only one leg 3 is shown for convenience. Similarly, the arm body 4 has the same structure on the left and right, and only one leg 4 is shown in FIG.
[0022]
Each leg 3 is connected to the body 3 via a hip joint 5, and has a structure in which a foot 8 is connected to the hip joint 5 via a knee joint 6 and an ankle joint 7 in order. Further, between the ankle joint 7 and the foot portion 8, a 6-axis force sensor 9a for detecting an acting force (translation force and moment) received by the foot portion 8 from the ground contact portion is interposed.
[0023]
Similarly, each arm body 4 is connected to the body 3 via a shoulder joint 10, and a wrist portion 13 is connected to the shoulder joint 10 via an elbow joint 11, a wrist joint 12 and a 6-axis force sensor 9 b. It has become.
[0024]
Although not shown in FIG. 1, each of the joints 5 to 7 of each leg 3 and each of the joints 10 to 12 of each arm 4 is configured by one or a plurality of electric motors (actuators). For example, the hip joint 5, knee joint 6, and ankle joint 7 of the leg 3 are configured by three, one, and two electric motors to have three degrees of freedom, one degree of freedom, and two degrees of freedom, respectively. These electric motors of the joints 5, 6 and 7 of the leg 3 correspond to actuators for moving the robot. Further, the shoulder joint 10, the elbow joint 11 and the wrist joint 12 of the arm body 4 are constituted by three, one and three electric motors to have three degrees of freedom, one degree of freedom and three degrees of freedom, respectively. Yes.
[0025]
In FIG. 1, reference numeral 14 denotes an imaging camera mounted on the head 1 as having a function as an eye of the robot R, and 9 c and 9 d detect the posture of the upper body (body 2) of the robot R and its change state. Therefore, the gyro sensor and the acceleration sensor are mounted on the body 2. The imaging camera 14 can change the viewing direction by an electric motor (not shown) provided in the head 1. In addition, a rotary encoder (not shown in FIG. 1) for detecting the rotation angle of each of the electric motors provided in the leg body 3 and the arm body 4 including the electric motor for the imaging camera 14 is used. It is worn. The robot R is equipped with a control system configured as shown in FIG. In the following description, the six-axis force sensors 9a and 9b, the gyro sensor 9c, and the acceleration sensor 9d may be collectively referred to as a sensor 9.
[0026]
This control system includes a central controller 15 and a plurality of local controllers 17 (corresponding to each of the plurality of electric motors 16 provided on the leg 3, the arm 4, and the head 1 as described above. Hereinafter, the motor local controller 17 and a plurality of local controllers 18 (hereinafter referred to as sensor local controllers 18) provided corresponding to the sensors 9 such as the six-axis force sensors 9a and 9b. ).
[0027]
In this case, the central controller 15 is mounted on the body 2 of the robot R (see FIG. 1). Further, each motor local controller 17 is arranged in the vicinity of the electric motor 16 to which it corresponds, and is connected to the electric motor 16 and a rotary encoder 19 attached thereto. For example, the local motor controller 17 corresponding to each electric motor 16 of the hip joint 5 of the leg 3 is installed in the hip joint 5 and is connected to the electric motor 16 and the rotary encoder 10 attached thereto. Connected via lead wires. The same applies to the other electric motors 16. Similarly to this, each sensor local controller 17 is arranged at a location in the vicinity of the sensor 9 to which it corresponds, and is connected to the sensor 9. The central controller 15, the motor local controller 17 and the sensor local controller 17 are connected to each other via a bus line 20 wired so as to pass through their installation locations. Various data (digital data) can be exchanged (transmitted / received) through the network.
[0028]
The central controller 15 includes command data on the operation mode of the robot R given from an appropriate operation unit (not shown) outside the robot R, pre-teached data, detection data of each sensor 9, and the imaging camera 14. Command of the rotation angle of each electric motor 16 to perform the required operation (walking or work) of the robot R based on the imaging data of the above, the data of the operation state (actual rotation angle etc.) of each electric motor 16, etc. The main function is to generate data in a predetermined control cycle and transmit it to each motor local controller 17 via the bus line 20.
[0029]
As shown in FIG. 3, the central controller 15 having such a function includes a main arithmetic processing unit 21 responsible for generating command data for the rotation angle of each electric motor 16, and the local controller for each motor. 17 and an internal communication processing unit 22 responsible for communication processing via the bus line 20 between each sensor local controller 18, an image processing unit 23 responsible for image data analysis processing by the imaging camera 14, and a robot And an external communication processing unit 24 that performs communication processing with an external controller or the like of R. Each of these units 21 to 24 is configured by an electronic circuit including a CPU, RAM, and ROM (not shown), and can exchange data with each other via a bus line 25 provided in the central controller 15. It can be done.
[0030]
In the present embodiment, the external communication processing unit 24 performs wireless communication processing.
[0031]
Each of the motor local controllers 17 communicates with the central controller 15 command data for the rotation angle of the electric motor 16 corresponding to the motor local controller 17 and the actual operation state of the electric motor 16 (electric The main function is to carry out substantive operation control of the electric motor 16 while exchanging data of the actual rotation angle of the motor 16 and the like.
[0032]
As shown in FIG. 4, the motor local controller 17 having such a function includes a communication circuit 26 for exchanging (transmitting / receiving) data with the central controller 15 via the bus line 20. , A process for generating command data for the energization current of the electric motor 16 based on the command data for the rotation angle of the electric motor 16 given from the central controller 15, a process for monitoring the communication state with the central controller 15, and the central controller CPU 27 that performs processing for generating data to be transmitted to 15, a memory 28 (storage means) that includes RAM and ROM that stores and holds various data and programs, and an electric motor corresponding to the motor local controller 17 And a motor control circuit 30 that controls energization of the electric motor 16 via the motor drive circuit 29. The CPU 27 is given data indicating the actual rotation angle of the electric motor 16 from the rotary encoder 19 attached to the electric motor 16. Although not shown, the motor local controller 17 is provided with means for detecting an energization current of the electric motor 16, and the detection data is given to the motor control circuit 30.
[0033]
Each of the local controllers for sensors 18 has functions such as capturing detection data of the sensor 9 corresponding to the sensors and transmitting the detection data to the central controller 15. Then, the sensor local controller 18 having such a function, as shown in FIG. 5, is a communication circuit for exchanging (transmitting / receiving) data with the central controller 15 via the bus line 20. 31, an amplification circuit 32 that amplifies the output of the sensor 9, an A / D conversion circuit 33 that performs A / D conversion on the amplified output of the sensor 9, and the sensor 9 via the A / D conversion circuit 33 A CPU 34 that performs an output capturing process, a monitoring process of a communication state with the communication state with the central controller 15, and a memory 35 that includes a RAM and a ROM that store and hold various data and programs. is doing.
[0034]
Although not shown, in the present embodiment, the power supply battery for operating the above-described circuits of the local controller 17 for each motor and the local controller 18 for sensors is mounted on the body 2 of the robot R. Power is supplied from the power supply battery to each motor local controller 17 and sensor local controller 18 via a power line.
[0035]
Further, a power supply battery (battery) for operating each electric motor 16 is mounted on the body of the robot R on the body of the robot R, and each motor local controller 17 is connected to the body of the robot R via a power line. The motor drive circuit 29 is provided.
[0036]
Next, the operation of the apparatus of this embodiment will be described.
[0037]
First, the basic operation will be described. In the robot R of the present embodiment, the central controller 15 generates command data (target rotation angle) of the rotation angle of each electric motor 16 with a predetermined (constant) control cycle by the main arithmetic processing unit 21. At this time, the command data of the rotation angle of each electric motor 16 includes the data taught in advance or the actual rotation angle of each electric motor 16 given from the motor local controller 17 or the sensor local controller 18 as described later. It is generated based on data, detection data of each sensor 9 and the like.
[0038]
Then, the central controller 15 generates the command data for the rotation angle of each electric motor 16 and the command data related to each sensor local controller 18 (specifically, the command data for the process of taking in the output of each sensor 9). Are simultaneously output to the bus line 20 via the internal communication processing unit 22 for each control cycle.
[0039]
At this time, the predetermined identifier (ID code) of the local controller 17 for the motor corresponding to each electric motor 16 is attached to the command data of the rotation angle of each electric motor 16. Similarly, a predetermined identifier (ID code) of the sensor local controller 18 is attached to the command data related to each sensor local controller 18.
[0040]
The data output from the central controller 15 to the bus line 20 as described above is received by the CPU 27 of each motor local controller 17 via the communication circuit 26 and communicated to the CPU 34 of each sensor controller 18. Received via circuit 31.
[0041]
At this time, in each motor local controller 17, when the CPU 27 receives command data with an identifier corresponding to its own motor local controller 17, the detection data of the rotary encoder 19 at that time point That is, the actual rotation angle data of the electric motor 16 is stored and held in the memory 28. Further, the CPU 27 stores and holds the given command data (command data for the rotation angle of the electric motor 16) in the memory 28. In this case, regarding the storage of the command data, a plurality of command data corresponding to a predetermined number of control cycles that have been reversed from the present to the past, that is, a predetermined number × control cycle period, are stored in the memory 28 in time series. Retained.
[0042]
Subsequently, the CPU 27 generates command data for the energization current of the electric motor 16 based on the given command data for the rotation angle of the electric motor 16, and provides it to the motor control circuit 30. The motor control circuit 30 controls the energization of the electric motor 16 via the motor drive circuit 29 in accordance with the supplied energization current command data while monitoring the energization current detection data of the electric motor 16.
[0043]
Thus, each electric motor 16 is controlled based on the rotation angle command data given from the central controller 15 to the motor local controller 17 corresponding to the electric motor 16.
[0044]
After controlling the electric motor 16 in this manner, the CPU 27 of each motor local controller 17 should transmit the data of the actual rotation angle of the electric motor 16 previously stored in the memory 28 to the central controller 15. The data is output to the bus line 20 via the communication circuit 26. At this time, the data of the identifier of the motor local controller 17 that outputs the data is attached to the data.
[0045]
In each sensor local controller 18, when the CPU 34 receives the command data to which the identifier corresponding to the sensor local controller 18 is attached, the output (detection signal) of the sensor 9 at that time is received. ) Is received via the amplifier circuit 32 and the A / D converter 33, stored in the memory 35, and then output to the bus line 20 via the communication circuit 31 for transmission to the central controller 15.
[0046]
At this time, the data output to the bus line 20, that is, the detection data of the sensor 9 is attached with the identifier data of the sensor local controller 18.
[0047]
As described above, the data output to the bus line 20 from the local controller 17 for each motor and the local controller 18 for the sensor is used for the internal control of the central controller 15 in order from the data output earlier to the bus line 20. It is received by the communication processing unit 22 and stored in a memory (not shown), which is used by the main arithmetic processing unit 21 to generate command data for the rotation angle of each electric motor 16 in the next control cycle.
[0048]
The operation described above is the basic operation of the apparatus of this embodiment.
[0049]
On the other hand, the CPU 27 of each motor local controller 17 monitors the reception state of the command data (rotation angle command data) transmitted from the central controller 15 as described above, and the previous control cycle command. If new command data corresponding to its own motor local controller 17 cannot be received even after one cycle of the control cycle has elapsed since the data was received, or the received command data is abnormal. If it is detected (for example, the parity bit data is abnormal), the following control process is performed.
[0050]
That is, the CPU 27 reads the command data in the past (before the previous control cycle) stored and held in the memory 28 in time series as described above. Then, the command data in this control cycle is predicted from these command data, and the operation control of the electric motor 16 is controlled based on the predicted command data in the same manner as in the basic operation described above. This is done via the drive circuit 29.
[0051]
In this case, the command data is predicted as follows, for example. That is, a function expression (for example, a quadratic function) representing temporal change in the command data of the rotation angle of the electric motor is obtained from the past command data by the least square method or the like, and based on the function expression, the timing of the current control cycle Predict command data at. In this case, by predicting the command data based on the function equation as described above, the predicted command data is compared with the time series of the command data given from the central controller 15 before the reception failure occurs. Sudden changes will not occur. Therefore, the predicted command data gradually changes the rotation angle of the electric motor.
[0052]
By controlling the operation of the electric motor 16 using the command data predicted in this way, the bus line 20 is disconnected and the local controller 17 for the motor cannot receive the normal data. However, a sudden change in the operation of the electric motor 16 and thus the operation of the robot R can be avoided. In particular, by preventing sudden changes in the operation of the electric motor 16 of the leg 3, it is possible to prevent a situation in which the robot R falls and the robot R or an object that collides with the robot R is damaged. Is possible.
[0053]
  next,It is one embodiment of the present inventionA second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a diagram for explaining the operation of the apparatus of this embodiment. The present embodiment is a control device for the robot R shown in FIG. 1, and its configuration and basic operation (operation other than when reception failure occurs) are the same as those in the first embodiment. Therefore, in the description of this embodiment, the same reference numerals as those in the first embodiment are used, and only operations different from those in the first embodiment will be described.
[0054]
In the present embodiment, in the ROM of the memory 28 of each motor local controller 17, predetermined rotation angle command data related to the electric motor 16 corresponding to the motor local controller 17 is stored for a predetermined period ( A predetermined number of control cycles are stored and held. This command data is command data determined in advance so that the robot R can maintain a stable posture.
[0055]
The CPU 27 of each motor local controller 17 monitors the reception state of the command data from the central controller 15 during the operation of the robot R, as in the first embodiment. When an abnormality (reception failure) occurs, the operation control of the corresponding electric motor 16 is performed based on the command data stored in the ROM of the memory 28. That is, basically, the CPU 27 causes the electric motor 16 to follow the actual rotation angle of the electric motor 16 to the time-series value of the rotation angle represented by the command data for a predetermined period stored and held in the ROM of the memory 28. To control.
[0056]
In this case, however, the actual rotation angle of the electric motor 16 (hereinafter referred to as the initial actual rotation angle) when the reception failure occurs is the rotation angle (hereinafter referred to as the command data stored in the ROM of the memory 28). There is a possibility that it is greatly different from the memory command rotation angle.
[0057]
Therefore, in this embodiment, the CPU 27 of each motor local controller 17 detects the initial actual rotation angle detected by the rotary encoder 19 and the stored command rotation angle (more specifically, when reception failure occurs). The follow-up speed of the actual rotation angle of the electric motor 16 to the stored command rotation angle is adjusted in accordance with the deviation from the time series value of the stored command rotation angle. FIG. 6 shows an example of how the actual rotation angle of the electric motor 16 follows the stored command rotation angle. In FIG. 6, three types of deviations between the stored command rotation angle and the initial actual rotation angle are shown. Is an example of how the actual rotation angle of the electric motor 16 changes over time.
[0058]
As shown in FIG. 6, the CPU 27 of each motor local controller 17 makes the actual rotation angle of the electric motor 16 more gradually change to the stored command rotation angle as the deviation between the stored command rotation angle and the initial actual rotation angle increases. The electric motor 16 is controlled to follow (converge). Such control is performed, for example, by adjusting the gain of feedback control of the rotation angle of the electric motor 16 according to the deviation using a predetermined data table or the like.
[0059]
When reception failure of each motor local controller 17 is caused by such control, the CPU 27 of the motor local controller 17 gradually changes the actual rotation angle of the electric motor 16 corresponding to the memory command. Control the rotation angle. As a result, the electric motor 16 is controlled so that the posture of the robot R is kept stable, and an abnormal operation such as a fall of the robot R is avoided.
[0060]
In this case, the stored command rotation angle is preferably command data that stops the electric motor 16 in a state where the stable posture of the robot R can be maintained.
[0061]
In the first and second embodiments described above, the distributed processing type control system including the motor local controller 17 is constructed for all the electric motors 16 of the robot R. However, the electric motor 16 of the leg 3 is constructed. Only, the local controller 17 for the motor is provided, and the other electric motors 16 such as the electric motor 16 of the arm body 4 are directly controlled by the central controller 15 or a controller separately provided. You may do it.
[Brief description of the drawings]
[Figure 1]As a reference example related to the present inventionThe side view which showed typically the mobile robot (bipedal walking robot) in 1st Embodiment.
FIG. 2 is a configuration diagram of the robot control system 1;
FIG. 3 is a configuration diagram of a main part of the control system of FIG. 2;
4 is a configuration diagram of a main part of the control system of FIG. 2;
FIG. 5 is a configuration diagram of a main part of the control system of FIG. 2;
[Fig. 6]It is one embodiment of the present inventionThe diagram for demonstrating the action | operation of the apparatus of 2nd Embodiment.
[Explanation of symbols]
  R: Biped robot (mobile robot), 15: Central controller, 16: Electric motor, 17: Local controller, 28: Memory (storage means).

Claims

At least a plurality of actuators including actuators for moving the robot, and connected to each actuator, provided with a plurality of local controllers for controlling the operation of each actuator, and connected to each local controller, In a mobile robot control device comprising a central controller that sequentially generates command data defining the operation of each actuator controlled by the local controller and transmits the command data to each local controller.
The storage means for storing and holding the command data for a predetermined period related to the actuator corresponding to each local controller, and the reception state of the command data from the central controller in each local controller are monitored, and the command data Each local controller includes means for controlling the operation of the actuator corresponding to the local controller based on the command data for the predetermined period stored and held in the storage means when reception failure occurs .
The command data stored and held in the storage means is command data for a predetermined period that is predetermined to perform a predetermined operation of an actuator corresponding to each local controller,
When each local controller performs operation control of the actuator corresponding to the local controller based on the command data stored and held in the storage means, the actual operation amount of the actuator when the reception failure occurs And the operation amount represented by the command data is controlled so that the operation amount of the actuator more slowly follows the operation amount represented by the command data. A mobile robot controller.