JP4609684B2 - ロボット、サーボ回路、アクチュエータ、ロボットの制御方法及びアクチュエータの制御方法 - Google Patents
ロボット、サーボ回路、アクチュエータ、ロボットの制御方法及びアクチュエータの制御方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロボット、サーボ回路、アクチュエータ、ロボットの制御方法及びアクチュエータの駆動方法に関し、例えば２足又は４足の脚式移動ロボットに適用することができる。本発明は、制御目標、アクチュエータの駆動検出結果及びアクチュエータの規範数学モデルの応答に基づいて、アクチュエータを制御することにより、またサーボ系等において、駆動対象の応答とこの駆動対象のモデルの応答とが一致するように制御値を補正すると共に、この制御値の補正結果に基づいて少なくとも駆動対象の慣性モーメントを検出することにより、専用のセンサを配置しなくても、リアルタイムで駆動部の慣性モーメント等を検出できるようにする。
【０００２】
【従来の技術】
従来、２足の脚により移動する脚式移動ロボットにおいては、脚に配置した多数の関節のアクチュエータを制御することにより、２脚により移動できるようになされている。すなわち図８は、この種の２足の脚式移動ロボットの概略構成を示すスケルトン図であり、胴体部２に右脚３Ｒ及び左脚３Ｌが取り付けられる。
【０００３】
右脚３Ｒ及び左脚３Ｌは、例えば股、膝、足首に対応するように関節角を制御するアクチュエータが配置され、鉛直方向を回転軸にして回動するアクチュエータＭ１Ｒ、Ｍ１Ｌを介して胴体部２に取り付けられる。ここで股、足首に対応する関節は、それぞれ股より下側の部位を前後、左右方向に回動させるアクチュエータＭ２Ｒ、Ｍ３Ｒ及びＭ２Ｌ、Ｍ３Ｌが配置されるのに対し、膝に対応する関節は、それぞれ膝より下側の部位を前後に回動させるアクチュエータＭ４Ｒ、Ｍ４Ｌが配置される。また足首に対応する関節にあっては、それぞれ地面と接触する部位を前後、左右方向に回動させるアクチュエータＭ５Ｒ、Ｍ６Ｒ及びＭ５Ｌ、Ｍ６Ｌが配置される。
【０００４】
脚式移動ロボット１は、各アクチュエータＭ１Ｒ〜Ｍ６Ｒ、Ｍ１Ｌ〜Ｍ６Ｌの動作をセンサにより検出してサーボループにより各アクチュエータＭ１Ｒ〜Ｍ６Ｒ、Ｍ１Ｌ〜Ｍ６Ｌの動作を制御するように構成される。また脚式移動ロボット１は、胴体部２に姿勢を検出する姿勢センサ（重力の方向を検出する重力センサである）が配置され、また脚３Ｒ及び３Ｌの各部位には力センサ、接触センサ等が配置され、これらのセンサにより例えば脚の着地、胴体部２の傾き等を検出して各サーボループの制御目標を補正する。これらによりこの種のロボットは、順次姿勢が変化するように各サーボループに制御目標を設定して２脚歩行できるようになされている。
【０００５】
図９は、１つのアクチュエータを駆動するサーボ回路と、その上位の制御系とを示すブロック図である。脚式移動ロボット１において、制御指令発生器１１は、例えば２足歩行に供する各アクチュエータの基本的な制御目標を用いた補間演算処理を実行し、これにより順次各アクチュエータの制御目標値を生成する。制御指令発生器１１は、この制御目標値を各アクチュエータのサーボ回路１２に順次出力し、また減算器２０を介して最適レギュレータ１３に入力する。なおこの図９において、符号Ｓはラプラス演算子である。
【０００６】
各サーボ回路１２は、乗算器１５によりこの制御目標値の微分値を利得係数Ｋｆで増幅する。また各サーボ回路１２は、アクチュエータに配置したセンサ出力によりアクチュエータの回転速度情報Ｖｍ及び回転角度による変位情報Ｐｍを取得する。かくするにつきこれら回転速度情報Ｖｍ及び変位情報Ｐｍにおいては、例えば床の凹凸等による外乱Ｔｄが加算されることになる。
【０００７】
サーボ回路１２は、減算器１４で制御目標値から変位情報Ｐｍを減算して誤差信号ｅｐを生成し、この誤差信号ｅｐを乗算器１６により利得係数Ｋｐ０で増幅する。各サーボ回路１２は、このようにして得られる乗算器１５及び１６の出力値を加算器１７で加算してアクチュエータの駆動回路１８に出力する。
【０００８】
減算器２０は、各制御目標値毎に配置され、対応する変位情報Ｐｍからそれぞれ各制御目標を減算して最適レギュレータ１３に入力する。
【０００９】
最適レギュレータ１３は、各サーボ回路より変位情報Ｐｍを取得し、また姿勢センサ等の各センサより検出結果を取得する。これにより最適レギュレータ１３は、例えば制御指令発生器１１より２足歩行による制御目標値が各サーボ回路に出力されると、各サーボ回路によるアクチュエータの動作状況を監視すると共に、姿勢の変化、脚の着地等を監視し、この監視結果より例えば地面の凹凸に対応するように、各サーボ回路の動作量を補正する操作量を出力する。
【００１０】
駆動回路１８は、いわゆるＰＩ制御によりモータＭの回転を制御する。すなわち駆動回路１８は、演算回路２４において、誤差信号ｅｐより生成される出力値ｅＶに操作量を加算すると共に、駆動部であるモータ本体２２の回転速度情報Ｖｍを減算する。駆動回路１８は、この演算結果を乗算器２５、積分器２６により順次処理してモータＭの駆動に要するトルクＴｍを計算し、このトルクＴｍに応じた電流駆動によりモータＭを駆動する。
【００１１】
かくするにつきモータＭにおいては、静止摩擦係数が殆ど無視できる程小さいことにより、慣性モーメントＪｘと動摩擦係数Ｄｍとによりモーショナルインピーダンスである伝達関数を表すことができる。これにより図９においては、ラブラス演算による表記によりモータＭ、積分器、乗算器等を示す。なお、モータＭは、回転軸に配置された位置検出センサ１９により変位情報Ｐｍを出力する。
【００１２】
これにより脚式移動ロボット１は、姿勢センサ等より得られる検出結果に基づいて各サーボ回路の制御目標を操作量により補正し、例えば凹凸のある床を歩行するような場合には、床の凹凸に応じて足首の関節、重心の位置等を変化させるようになされている。
【００１３】
ところがこのように姿勢センサ等より得られる検出結果に基づいて各サーボ回路の制御目標を補正する場合、脚を構成する各部材においては、力センサ、接触センサ等を配置する必要があり、その分全体構成が複雑かつ大型化する問題がある。
【００１４】
またこのような大型化、重量の増大により、その分ロボット全体として動作速度を高速度化することが困難になる問題がある。またこの種のセンサである力センサにおいては、剛性が小さいため、これによってもロボット全体として動作速度を高速度化することが困難になる。
【００１５】
さらに予測困難な負荷の変動に対して対応することが困難になると、その分負荷変動に対して動作が不安定になることにより、結局、地面に接する部分に接触センサを配置して負荷変動を予測することが必要になる。
【００１６】
すなわち図８について上述した構成において、地面に接する部分を左右に回動させるモータＭ６Ｒ及びＭ６Ｌにあっては、右足が床に接触した後、左足が床から離れる瞬間に右足側のモータＭ６Ｒの負荷慣性モーメントは最大になり、また左足側のモータＭ６Ｌの負荷慣性モーメントが最小になる。歩行にあっては、このような負荷慣性モーメントの最大値及び最小値が各モータ毎に繰り返され、また全体の姿勢により各モータの負荷慣性モーメントが複雑に変化する。
【００１７】
これに対して床の凹凸にあっては予測困難なことにより、結局、地面に接する部分に接触センサを配置して負荷変動を予測することが必要になる。またこのようにしても、予測されていない外乱が生じると、また予測されていない慣性モーメント負荷の変動が生じると、最適レギュレータ１３の操作量及び駆動回路１８の制御が結局不安定になる。
【００１８】
このような専用のセンサを配置しなくても、モータの慣性モーメント等をリアルタイムで検出することができれば、この検出結果により操作量を変更してこの種の問題点を一挙に解決することができると考えられる。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、専用のセンサを配置しなくても駆動系の慣性モーメント等をリアルタイムで検出することができるサーボ回路及びアクチュエータ、さらにこれらによるロボット等を提案しようとするものである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するため本発明においては、ロボットにおいて、制御値に応じてアクチュエータを駆動するアクチュエータの駆動系と、アクチュエータの伝達関数により表されたモデルをこの制御値に応じて駆動するモデルの駆動系とを設け、アクチュエータの応答とモデルの応答との誤差の積分値をモデルの伝達関数における慣性モーメントの成分として用いて制御値の利得を補正すると共に、当該誤差に所定の利得を乗じた乗算値を基に制御値のオフセット値を補正することにより、アクチュエータの応答とモデルの応答とを一致させ、さらに積分値をアクチュエータの慣性モーメントとしてアクチュエータの変位結果と共に制御値補正手段へ出力するようにした。
【００２１】
この結果このロボットでは、アクチュエータの駆動系及び又はモデルの駆動系に入力される制御値を補正することから、この補正結果によりモデルに設定した慣性モーメントを基準にしてアクチュエータの慣性モーメントをリアルタイムで検出することができる。これによりこの検出結果に基づいて制御値を補正して、専用のセンサを配置しなくても、予測困難な外乱に直ちに対処することができる。
【００２２】
また本発明においては、ロボットにおいて、検出結果及び応答の誤差の積分値をモデルの伝達関数における慣性モーメントの成分として用いて制御目標の利得を補正すると共に、当該誤差に所定の利得を乗じた乗算値を基に制御目標のオフセット値を補正することにより、検出結果と応答とを一致させるようアクチュエータを制御するようにした。
【００２３】
この結果このロボットでは、検出結果及び規範数学モデルの応答から予測困難な外乱に対して制御目標を直ちに補正してアクチュエータを制御することができる。
【００２４】
さらに本発明においては、サーボ回路において、制御値に応じてアクチュエータを駆動するアクチュエータの駆動系と、アクチュエータの伝達関数により表されたモデルを制御値に応じて駆動するモデルの駆動系と、アクチュエータの応答とモデルの応答との誤差の積分値をモデルの伝達関数における慣性モーメントの成分として用いて制御値の利得を補正すると共に、当該誤差に所定の利得を乗じた乗算値を基に制御値のオフセット値を補正することにより、アクチュエータの応答とモデルの応答とを一致させる制御手段とを設けるようにした。
【００２５】
この結果このサーボ回路では、アクチュエータの駆動系及び又はモデルの駆動系に入力される制御値を補正することから、専用のセンサを配置しなくても、予測困難な外乱に直ちに対処可能なサーボ回路を構成することができる。
【００２６】
さらに本発明においては、アクチュエータにおいて、駆動部の応答と当該駆動部の伝達関数により表されたモデルの応答との誤差の積分値をモデルの伝達関数における慣性モーメントの成分として用いて上記制御値の利得を補正すると共に、当該誤差に所定の利得を乗じた乗算値を基に上記制御値のオフセット値を補正することにより、上記アクチュエータの応答と上記モデルの応答とを一致させる補正手段を設け、少なくとも積分値を駆動部の慣性モーメントとして出力するようにした。
【００２７】
この結果このアクチュエータでは、駆動部の駆動系及び又はモデルの駆動系に入力される制御値を補正し、この補正結果より少なくとも駆動部の慣性モーメントを検出して出力することから、専用のセンサを配置しなくても、このようなセンサを配置した場合と同様に、予測困難な駆動部の負荷変動に直ちに対応可能に、駆動部の慣性モーメントを上位の制御機構に通知することができる。
【００２８】
さらに本発明においては、ロボットの制御方法において、アクチュエータの駆動結果と、制御目標に対するアクチュエータの伝達関数により表された規範数学モデルの応答との誤差の積分値を規範数学モデルの伝達関数における慣性モーメントの成分として用いて制御目標の利得を補正すると共に、当該誤差に所定の利得を乗じた乗算値を基に制御目標のオフセット値を補正することにより、アクチュエータの応答と規範数学モデルの応答とを一致させるよう当該アクチュエータを制御するようにした。
【００２９】
この結果このロボットの制御方法によれば、検出結果及び規範数学モデルの応答から予測困難な外乱に直ちに対処して制御目標を補正することができる。
【００３０】
さらに本発明においては、アクチュエータの駆動方法において、駆動部の伝達関数により表されたモデルを制御値に応じて駆動し、モデルの駆動結果及びアクチュエータの駆動結果の誤差の積分値をモデルの伝達関数における慣性モーメントの成分として用いて制御値の利得を補正すると共に、当該誤差に所定の利得を乗じた乗算値を基に制御値のオフセット値を補正することにより、アクチュエータの応答とモデルの応答とを一致させるようにした。
【００３１】
この結果このアクチュエータの駆動方法によれば、予測困難な駆動部の負荷変動に直ちに対応可能に、駆動部の慣性モーメントを上位の制御機構に通知することができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、適宜図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳述する。
【００３３】
（１）実施の形態の構成
図２は、図８との対比により本発明の実施の形態に係る脚式移動ロボットを示す略線図である。この脚式移動ロボット３１は、脚の部分については、図８について上述した脚式移動ロボット１と同様に構成され、この脚に加えて腕についてもアクチュエータＭ１０Ｌ〜Ｍ１３Ｌにより可動できるように構成される。また腰の部分にもアクチュエータＭ９Ａ、Ｍ９Ｂが配置され、これにより重心を前後、左右に移動できるようになされている。なおこの図２において、図８について上述した脚式移動ロボット１の各部に対応する構成は、詳細は異なるものの、同一の符号を付して示す。また脚式移動ロボット３１においては、右半身と左半身とが同一の構成であることから、この図２においては、右脚側、右腕側の記載を省略して示す。
【００３４】
図３は、左脚３Ｌの先端部分であるアクチュエータＭ５Ｌ及びＭ６Ｌの周辺構成を詳細に示す分解斜視図である。脚式移動ロボット３１においては、足底板が地面に接地するようになされ、脚式移動ロボット３１の正面に対して直交する方向に軸心が配置されてなるアクチュエーターＭ６Ｌがこの足底板に配置される。これにより脚式移動ロボット３１は、アクチュエーターＭ６Ｌを駆動して、符号θ１により示すように足底板を前後に回動できるようになされている。
【００３５】
脚式移動ロボット３１においては、結合板を介してこのアクチュエーターＭ６ＬがアクチュエータＭ５Ｌに接続され、このアクチュエーターＭ５Ｌをおいては、回転軸がアクチュエータＭ６Ｌの回転軸と直交するように配置される。これにより脚式移動ロボット３１においては、このアクチュエータＭ５Ｌに駆動して、符号θ２により示すように足底板を左右方向に回動できるようになされている。これらにより脚式移動ロボット３１においては、他のアクチュエータと連動してアクチュエータＭ５Ｌ、Ｍ６Ｌを駆動すると共にして、この路面の凹凸に応じて足底板を前後左右に傾けて、凹凸のある路面でも移動できるようになされている。
【００３６】
図４は、本発明の脚式移動ロボットの１つのアクチュエータに係るサーボ回路とその上位の制御系とを示すブロック図である。この脚式移動ロボット３１は、サーボ回路３２、図示しない他のアクチュエータに係るサーボ回路よりアクチュエータの慣性モーメント、外乱による負荷をリアルタイムで検出して最適レギュレータ３４に通知し、最適レギュレータ３４においては、図８について上述した各種センサによる検出結果に代えて、これら慣性モーメント、外乱による負荷により操作量を生成して各サーボ回路に通知する。
【００３７】
すなわちサーボ回路３２においては、各アクチュエータに内蔵の駆動回路３５において、積分器２６及びモータＭ間に適応制御器３６が配置され、この適応制御器３６により慣性モーメントＪｘ、外乱による負荷Ｔｄをリアルタイムで検出する。
【００３８】
図１は、この適応制御器３６の構成を示すブロック図である。この適応制御器３６は、調整器３８によりトルク制御値Ｔｍを補正してモータＭを駆動する。さらに適応制御器３６は、モータＭの回転軸に配置された角速度センサよりモータＭの応答である角速度情報Ｖｍを取得し、減算器３９に入力する。これにより駆動回路３５は、実際の駆動対象であるモータＭを駆動するアクチュエータの駆動系を構成するようになされている。
【００３９】
また適応制御器３６は、規範数学モデル４０にトルク制御値Ｔｍを与え、その応答Ｖｍ０を算出して減算器３９に入力する。ここで規範数学モデル４０は、モータＭのモーショナルインピーダンスと等しいディメンションによる伝達関数１／（ＪｍＳ＋Ｄｍ０）に設定されたモータＭのモデルであり、モータＭの応答Ｖｍと同様の回転速度の形式による応答Ｖｍ０を出力するようになされている。これにより駆動回路３５は、モータＭのモデルを駆動するモデルの駆動系を構成するようになされている。なおここでＪｍは、モータＭの慣性モーメントＪｘに対応する定数である。Ｄｍ０は、モータＭの動摩擦係数Ｄｍに対応する係数である。この実施の形態において、Ｊｍ及びＤｍ０は、所定の固定値が与えられるようになされ、このうちＤｍ０は、モータＭの実測値が与えられるようになされている。
【００４０】
減算器３９は、これらモータＭの応答Ｖｍと規範数学モデル４０の応答Ｖｍ０との誤差ｅｊを検出し、適応制御器３６は、この誤差ｅｊが値０に収束するように調整器３８による補正量を制御し、またこの補正結果により慣性モーメントＪｘ、外乱による負荷Ｔｄをリアルタイムで検出して最適レギュレータ３４に通知する。
【００４１】
適応制御器３６は、この積分器４１の出力値Ｊｘｅと誤差ｅｊとにより調整器３８を調整する。
【００４２】
ここで調整器３８は、積分器４１の出力値Ｊｘｅによりトルク制御値Ｔｍの利得を制御する調整器３８Ａと、誤差ｅｊに応じたオフセット値をトルク制御値Ｔｍに与える乗算器３８Ｂとにより構成される。すなわち調整器３８Ａは、モデルの伝達関数１／（ＪｍＳ＋Ｄｍ０）を基準にして、（ＪｘｅＳ＋Ｄｍ０）／（ＪｍＳ＋Ｄｍ０）により表される伝達特性に設定され、この分子のＪｘｅが積分器４１の出力値Ｊｘｅに設定されるようになされている。
【００４３】
これに対して加算器３８Ｂは、誤差ｅｊを所定の利得Ｋｇで増幅して得られる値Ｔｅを加算して制御値をオフセットさせる。
【００４４】
これらにより誤差ｅｊにおいては、次式
【００４５】
【数１】
【００４６】
により表すことができる。
【００４７】
ここで積分器４１の利得をＫｉとおくと、積分器４１の出力Ｊｘｅは次式
【００４８】
【数２】
【００４９】
により表すことができる。また（１）式において、動摩擦係数Ｄｍ及びＤｍ０は、既知として、Ｄｍ＝Ｄｍ０とできる。
【００５０】
これより（１）式に（２）式を代入して変形することにより、次式
【００５１】
【数３】
【００５２】
の関係式を得ることができる。ここで（３）式のＪｍＳ＋Ｄｍ０は、モータ・ロータの数学モデルで、極は安定と見なせることを前提とする。
【００５３】
これによりＫｉ×Ｔｍ＞０、Ｋｇ＞０に設定して、誤差ｅｊを０に収束させることができ、モータＭの応答を規範数学モデル４０の応答と一致させることができる。またこのとき積分器４１の出力Ｊｘｅにおいては、モータＭの負荷をも含めた慣性モーメントＪｘと一致し、さらに誤差ｅｊを所定の利得Ｋｇで増幅して得られる値Ｔｅにおいては、外力Ｔｄと一致することになる。
【００５４】
これにより適応制御器３６においては、誤差ｅｊが値０に収束するように調整器３８Ａの利得、加算器３８Ｂにおけるオフセット値を調整することにより、モータＭの慣性モーメント、外力による負荷をリアルタイムで検出する。
【００５５】
かくするにつき適応制御器３６は、内蔵の演算処理回路により所定の処理手順を実行してこれら調整器３８、モデル４０、減算器３９、積分器４１等を構成する。またこの演算処理回路により、モータＭの応答とモデル４０の応答とが一致するように、モータＭに係るアクチュエータの駆動系に入力される制御値Ｔｍを補正する補正手段を構成し、この補正結果によりモータＭの慣性モーメント、外力による負荷を検出する。
【００５６】
（２）実施の形態の動作
以上の構成において、ロボット３１は（図４）、制御指令発生器１１により各アクチュエータの制御目標値が生成され、この制御目標値が各アクチュエータのサーボ回路に順次出力される。各サーボ回路３２においては、この制御目標値の微分値が所定利得Ｋｆにより増幅されて各駆動回路の制御値ｅＶが生成され、この制御値ｅＶによりモータＭが駆動される。このとき制御値ｅＶにあっては、所定利得Ｋｐ１により増幅された後、また利得Ｋｉの積分器２６により積分されてトルクＴｍによる制御目標値が生成され、このトルクＴｍに対応する電流駆動によりモータＭが駆動される。また駆動結果Ｐｍと制御目標との間で誤差信号ｅｐが検出され、この誤差信号ｅｐが所定利得Ｋｐ０により増幅されて制御目標値が補正され、これによりフィードバックループによるサーボループによりモータＭが駆動される。
【００５７】
このとき各駆動回路３５においては（図１）、制御値Ｔｍの利得、オフセット値が調整器３８により補正されて、この補正結果によりモータＭが駆動され、モータＭの応答ＶｍがモータＭの角速度検出結果として検出される。またモータＭと同一ディメンションによる伝達関数の規範数学モデル４０により制御値Ｔｍの応答Ｖｍ０が検出される。さらにこれらモータＭ及び規範数学モデル４０に応答の誤差ｅｊが減算器３９により検出され、この誤差ｅｊが値０に収束するように、調整器３８の調整器３８Ａにおいて制御値Ｔｍの利得が補正され、また続く加算器３８Ｂにおいてオフセット値Ｔｅが補正される。
【００５８】
これにより駆動回路３５においては、このようにしてモータＭ側の制御値Ｔｍを補正して得られる誤差ｅｊにより順次調整器３８の特性を補正して、モータＭの応答Ｖｍが規範数学モデル４０の応答Ｖｍ０に一致するように、モータＭ側の制御値Ｔｍが補正されてモータＭが駆動される。
【００５９】
この状態において、駆動回路３５においては、規範数学モデル４０の伝達関数１／（ＪｍＳ＋Ｄｍ０）を基準にして、（ＪｘｅＳ＋Ｄｍ０）／（ＪｍＳ＋Ｄｍ０）により表される伝達特性に調整器３８Ａが設定され、この分子のＪｘｅが積分器４１の出力値Ｊｘｅに設定されて制御値Ｔｍの利得が制御されることにより、誤差ｅｊが値０に収束した状態で、この積分器４１の出力値ＪｘｅがモータＭの慣性モーメントＪｘを示すことになる。
【００６０】
またこのようにして利得を補正して得られる制御値に与えられるオフセット値Ｔｅにあっては、モータＭの外乱による負荷Ｔｄを示すことになる。
【００６１】
かくするにつき、図５は、演算処理回数を横軸に取って、これら慣性モーメントＪｘｅ及び外乱による負荷Ｔｄを検出するシミュレーションの結果を示す特性曲線図である。この場合、制御対象であるモータＭにおいては、慣性モーメントＪｘを値５０に、動摩擦係数Ｄｍを値１０に設定し、規範数学モデル４０においては、慣性モーメントＪｍを値１０に、動摩擦係数Ｄｍ０を値１０に、また利得Ｋｇ及びＫｉをそれぞれ１６０及び８０に設定した。シミュレーションにおいては、１０サンプリング目で制御指令値Ｔｍを急激に立ち上げ、その後の誤差ｅｊ等の変化を観察した。最終的に２５０サンプリング目にあっては、適応制御器３６より慣性モーメントＪｘｅとして値４７．９が得られ、また外乱による負荷−９．６が検出され、これにより実用上十分な範囲でモータＭの慣性モーメント、外乱による負荷を検出できることが確認された。
【００６２】
これにより脚式移動ロボット３１にあっては、各サーボ回路３２よりこのようにして検出される慣性モーメントＪｘ及び外乱による負荷Ｔｄが上位の最適レギュレータ３４に通知され、これにより各部位に力センサ、接触センサ等を配置しなくても、モータの慣性モーメント等を検出することが可能となり、この検出結果より操作量を変更して従来の脚式移動ロボットの問題点を解決することが可能となる。
【００６３】
すなわち脚式移動ロボット３１は、最適レギュレータ３４において、これらの通知により例えば脚が着地した際の負荷変動等が検出され、さらにこの検出結果より制御指令発生器１１による制御値を補正する操作量が生成されて各サーボ回路３２に出力され、各サーボ回路３２においては、この操作量により駆動回路３５に対する制御値ｅＶが補正される。
【００６４】
このとき最適レギュレータ３４にあっては、制御指令発生器１１から各サーボ回路に出力される制御目標値が入力されて、この制御目標値を基準にして操作量が生成されることにより、例えば制御指令発生器１１より平坦な床を歩行する制御目標値が順次出力されている状態で、この脚式移動ロボット３１の移動する床が平坦な場合、制御目標値の変化に対応するように各モータの慣性モーメントＪｘｅ及び外乱による負荷Ｔｄが検出され、これにより制御目標値が適切に設定されている場合には、制御指令発生器１１から出力される制御目標値が何ら操作量により補正されることなく各サーボ回路によりモータＭが駆動されて平坦な床を２足歩行することになる。
【００６５】
すなわち図６に示すように、平坦な床を歩行する場合、足底板が地面に着地すると、それまで小さな値であった負荷慣性モーメントが大きく増大し、この増大が最適レギュレータ３４で検出される。このような平坦な床を歩行する場合、事前の設定によりアクチュエータの制御目標値に対してこのようにして検出される負荷慣性モーメントの増大が対応してなる場合、脚式移動ロボット３１においては、足底板が着地するまでの各アクチュエータの制御と、着地後の制御とが事前の設定に従って変化し、これにより転倒等の事故が防止され、安定に歩行することが可能となる。
【００６６】
これに対して例えば同様の制御目標値が制御指令発生器１１より出力されている状態で、脚式移動ロボット３１の移動する床が傾いたり、この床に凹凸がある場合、これら床の傾き、床の凹凸により各モータＭにおいては、慣性モーメント、外乱による負荷が変化し、これらの変化に応じて最適レギュレータ３４により操作量が生成されて制御目標値が補正される。これにより例えば床の凹凸に対応して床に接触する部位を傾けるように、足首の関節膝の関節を構成するモータ等の制御目標値が補正され、予測困難な外乱による不安定な動作が防止される。
【００６７】
このとき脚式移動ロボット３１においては、アクチュエータであるモータＭにおいて、その駆動回路３５に内蔵の適応制御器３６によりモータＭの慣性モーメント、外乱による負荷が検出され、この駆動回路３５を駆動するサーボ回路３２にあっては、これら慣性モーメント、外乱による負荷を検出しない図８について上述したような従来構成の駆動回路を駆動する場合と同様に制御値を出力してモータＭを駆動することができる。
【００６８】
すなわち例えば図７に示すように、爪先上がりの不整地路面を歩行する場合にあっては、平坦な床を歩行する場合に比して、速い時点で足底板が地面に着地し、それまで小さな値であった負荷慣性モーメントが大きく増大する。この場合、最適レギュレータ３４においては、この負荷慣性モーメントの増大の検出により、足底板の傾きΔθに対応して制御値を補正し、この状態で重心の位置が外乱に対応するように、すなわち平坦な床を歩行する場合に足底板が着地した場合と同様の状態になるように重心の位置を補正し、さらにはこの足底板の前後方向への制御を切り換え、これにより転倒等の事故を防止して安定に歩行することができる。
【００６９】
また脚式移動ロボット３１においては、最適レギュレータ３４において、各部位に配置されたセンサに代えて、各サーボ回路より通知される慣性モーメント、外乱による負荷により操作量が生成される。これにより脚式移動ロボット３１においては、従来の脚式移動ロボットのように各部位に配置するセンサを省略でき、その分全体構成を小型化、簡略化することが可能となり、また動作速度を高速度化することができる。
【００７０】
（３）実施の形態の効果
以上の構成によれば、制御値Ｔｍと、駆動対象であるモータＭの応答Ｖｍと、このモータＭの伝達関数により表されたモデル４０の応答Ｖｍ０とに基づいて、モータＭを駆動することにより、モータＭの慣性モーメントを検出すると共に、この検出結果に基づいてモータＭを駆動することができ、これにより専用のセンサを配置しなくても、リアルタイムで駆動対象の慣性モーメント等を検出することができる。
【００７１】
すなわち関節の角度を制御するサーボ系において、駆動対象であるモータＭの応答ＶｍとこのモータＭのモデル４０の応答Ｖｍ０とが一致するように、積分器４１の出力値Ｊｘｅを基に制御値Ｔｍの利得を補正すると共に誤差ｅｊを所定の利得で増幅して得られる値Ｔｅを基に制御値Ｔｍのオフセット値を補正して、この制御値Ｔｍの補正結果に基づいて少なくともモータＭの慣性モーメントを検出することにより、専用のセンサを配置しなくても、リアルタイムで駆動対象の慣性モーメント等を検出することができる。
【００７２】
これによりロボットにあっては、簡易な構成により外乱による不安定な動作を防止することができ、また移動速度を高速度化することができる。
【００７３】
また適応制御器におけるこの慣性モーメントの検出処理を演算処理により実行したことにより、直ちに演算し得ると共に、必要に応じて処理プログラムを変更することにより、各種変更に迅速に対応することができる。
【００７４】
（４）他の実施の形態
なお上述の実施の形態においては、静止摩擦係数については小さいものとして無視する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、併せて静止摩擦係数を検出するようにしてもよい。なおこの場合、静止摩擦係数においては、一定値以上のトルクの印加により急激に値が低下することにより、この特性と逆特性の伝達関数による補正器を加算器３８Ｂの後段に配置してトルクＴｍを補正して、この補正器の補正値より検出することができる。
【００７５】
また上述の実施の形態においては、慣性モーメントと外力による負荷とを検出する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、外力による負荷の変化が少ない系にあっては、慣性モーメントだけを検出するようにしてもよい。
【００７６】
また上述の実施の形態においては、モータによるアクチュエータを駆動する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、リニアモータによるアクチュエータを駆動する場合等にも広く適用することができる。
【００７７】
また上述の実施の形態においては、駆動対象側であるモータ側の制御値を補正して慣性モーメント等を検出する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、必要に応じて規範数学モデル側の制御値を補正して慣性モーメント等を検出しても良く、双方の制御値を補正して慣性モーメント等を検出してもよい。
【００７８】
また上述の実施の形態においては、本発明を２足歩行のロボットに適用する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、４足歩行のロボット、さらにはタイヤにより移動するロボット、さらには各種サーボ回路、駆動回路を内蔵するアクチュエータに広く適用することができる。
【００７９】
【産業上の利用可能性】
本発明は、脚式移動ロボットに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係る脚式移動ロボットの適応制御器を示すブロック図である。
【図２】 図１の脚式移動ロボットの構成を示す略線図である。
【図３】 図２の足底板側を詳細に示す分解斜視図である。
【図４】 図１の適応制御器が適用されるサーボ系を示すブロック図である。
【図５】 図１の適応制御器の特性を示す特性曲線図である。
【図６】 平坦な床を歩行する場合の動作の説明に供する側面図である。
【図７】 不整地を歩行する場合の動作の説明に供する側面図である。
【図８】 脚式移動ロボットの概略構成を示すスケルトン図である。
【図９】 従来の脚式移動ロボットに適用されるサーボ系を示すブロック図である。
【符号の説明】
１、３１……脚式移動ロボット、１１……制御指令発生器、１２、３５……サーボ回路、１３、３４……最適レギュレータ、１８、３５……駆動回路、２２、Ｍ１Ｌ〜Ｍ６Ｌ、Ｍ１Ｒ〜Ｍ６Ｒ……モータ、３６……適応制御器、３８……補正器、３８Ａ……調整器、３８Ｂ……加算器、４０……規範数学モデル。
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロボット、サーボ回路、アクチュエータ、ロボットの制御方法及びアクチュエータの駆動方法に関し、例えば２足又は４足の脚式移動ロボットに適用することができる。本発明は、制御目標、アクチュエータの駆動検出結果及びアクチュエータの規範数学モデルの応答に基づいて、アクチュエータを制御することにより、またサーボ系等において、駆動対象の応答とこの駆動対象のモデルの応答とが一致するように制御値を補正すると共に、この制御値の補正結果に基づいて少なくとも駆動対象の慣性モーメントを検出することにより、専用のセンサを配置しなくても、リアルタイムで駆動部の慣性モーメント等を検出できるようにする。
【０００２】
【従来の技術】
従来、２足の脚により移動する脚式移動ロボットにおいては、脚に配置した多数の関節のアクチュエータを制御することにより、２脚により移動できるようになされている。すなわち図８は、この種の２足の脚式移動ロボットの概略構成を示すスケルトン図であり、胴体部２に右脚３Ｒ及び左脚３Ｌが取り付けられる。
【０００３】
右脚３Ｒ及び左脚３Ｌは、例えば股、膝、足首に対応するように関節角を制御するアクチュエータが配置され、鉛直方向を回転軸にして回動するアクチュエータＭ１Ｒ、Ｍ１Ｌを介して胴体部２に取り付けられる。ここで股、足首に対応する関節は、それぞれ股より下側の部位を前後、左右方向に回動させるアクチュエータＭ２Ｒ、Ｍ３Ｒ及びＭ２Ｌ、Ｍ３Ｌが配置されるのに対し、膝に対応する関節は、それぞれ膝より下側の部位を前後に回動させるアクチュエータＭ４Ｒ、Ｍ４Ｌが配置される。また足首に対応する関節にあっては、それぞれ地面と接触する部位を前後、左右方向に回動させるアクチュエータＭ５Ｒ、Ｍ６Ｒ及びＭ５Ｌ、Ｍ６Ｌが配置される。
【０００４】
脚式移動ロボット１は、各アクチュエータＭ１Ｒ〜Ｍ６Ｒ、Ｍ１Ｌ〜Ｍ６Ｌの動作をセンサにより検出してサーボループにより各アクチュエータＭ１Ｒ〜Ｍ６Ｒ、Ｍ１Ｌ〜Ｍ６Ｌの動作を制御するように構成される。また脚式移動ロボット１は、胴体部２に姿勢を検出する姿勢センサ（重力の方向を検出する重力センサである）が配置され、また脚３Ｒ及び３Ｌの各部位には力センサ、接触センサ等が配置され、これらのセンサにより例えば脚の着地、胴体部２の傾き等を検出して各サーボループの制御目標を補正する。これらによりこの種のロボットは、順次姿勢が変化するように各サーボループに制御目標を設定して２脚歩行できるようになされている。
【０００５】
図９は、１つのアクチュエータを駆動するサーボ回路と、その上位の制御系とを示すブロック図である。脚式移動ロボット１において、制御指令発生器１１は、例えば２足歩行に供する各アクチュエータの基本的な制御目標を用いた補間演算処理を実行し、これにより順次各アクチュエータの制御目標値を生成する。制御指令発生器１１は、この制御目標値を各アクチュエータのサーボ回路１２に順次出力し、また減算器２０を介して最適レギュレータ１３に入力する。なおこの図９において、符号Ｓはラプラス演算子である。
【０００６】
各サーボ回路１２は、乗算器１５によりこの制御目標値の微分値を利得係数Ｋｆで増幅する。また各サーボ回路１２は、アクチュエータに配置したセンサ出力によりアクチュエータの回転速度情報Ｖｍ及び回転角度による変位情報Ｐｍを取得する。かくするにつきこれら回転速度情報Ｖｍ及び変位情報Ｐｍにおいては、例えば床の凹凸等による外乱Ｔｄが加算されることになる。
【０００７】
サーボ回路１２は、減算器１４で制御目標値から変位情報Ｐｍを減算して誤差信号ｅｐを生成し、この誤差信号ｅｐを乗算器１６により利得係数Ｋｐ０で増幅する。各サーボ回路１２は、このようにして得られる乗算器１５及び１６の出力値を加算器１７で加算してアクチュエータの駆動回路１８に出力する。
【０００８】
減算器２０は、各制御目標値毎に配置され、対応する変位情報Ｐｍからそれぞれ各制御目標を減算して最適レギュレータ１３に入力する。
【０００９】
最適レギュレータ１３は、各サーボ回路より変位情報Ｐｍを取得し、また姿勢センサ等の各センサより検出結果を取得する。これにより最適レギュレータ１３は、例えば制御指令発生器１１より２足歩行による制御目標値が各サーボ回路に出力されると、各サーボ回路によるアクチュエータの動作状況を監視すると共に、姿勢の変化、脚の着地等を監視し、この監視結果より例えば地面の凹凸に対応するように、各サーボ回路の動作量を補正する操作量を出力する。
【００１０】
駆動回路１８は、いわゆるＰＩ制御によりモータＭの回転を制御する。すなわち駆動回路１８は、演算回路２４において、誤差信号ｅｐより生成される出力値ｅＶに操作量を加算すると共に、駆動部であるモータ本体２２の回転速度情報Ｖｍを減算する。駆動回路１８は、この演算結果を乗算器２５、積分器２６により順次処理してモータＭの駆動に要するトルクＴｍを計算し、このトルクＴｍに応じた電流駆動によりモータＭを駆動する。
【００１１】
かくするにつきモータＭにおいては、静止摩擦係数が殆ど無視できる程小さいことにより、慣性モーメントＪｘと動摩擦係数Ｄｍとによりモーショナルインピーダンスである伝達関数を表すことができる。これにより図９においては、ラブラス演算による表記によりモータＭ、積分器、乗算器等を示す。なお、モータＭは、回転軸に配置された位置検出センサ１９により変位情報Ｐｍを出力する。
【００１２】
これにより脚式移動ロボット１は、姿勢センサ等より得られる検出結果に基づいて各サーボ回路の制御目標を操作量により補正し、例えば凹凸のある床を歩行するような場合には、床の凹凸に応じて足首の関節、重心の位置等を変化させるようになされている。
【００１３】
ところがこのように姿勢センサ等より得られる検出結果に基づいて各サーボ回路の制御目標を補正する場合、脚を構成する各部材においては、力センサ、接触センサ等を配置する必要があり、その分全体構成が複雑かつ大型化する問題がある。
【００１４】
またこのような大型化、重量の増大により、その分ロボット全体として動作速度を高速度化することが困難になる問題がある。またこの種のセンサである力センサにおいては、剛性が小さいため、これによってもロボット全体として動作速度を高速度化することが困難になる。
【００１５】
さらに予測困難な負荷の変動に対して対応することが困難になると、その分負荷変動に対して動作が不安定になることにより、結局、地面に接する部分に接触センサを配置して負荷変動を予測することが必要になる。
【００１６】
すなわち図８について上述した構成において、地面に接する部分を左右に回動させるモータＭ６Ｒ及びＭ６Ｌにあっては、右足が床に接触した後、左足が床から離れる瞬間に右足側のモータＭ６Ｒの負荷慣性モーメントは最大になり、また左足側のモータＭ６Ｌの負荷慣性モーメントが最小になる。歩行にあっては、このような負荷慣性モーメントの最大値及び最小値が各モータ毎に繰り返され、また全体の姿勢により各モータの負荷慣性モーメントが複雑に変化する。
【００１７】
これに対して床の凹凸にあっては予測困難なことにより、結局、地面に接する部分に接触センサを配置して負荷変動を予測することが必要になる。またこのようにしても、予測されていない外乱が生じると、また予測されていない慣性モーメント負荷の変動が生じると、最適レギュレータ１３の操作量及び駆動回路１８の制御が結局不安定になる。
【００１８】
このような専用のセンサを配置しなくても、モータの慣性モーメント等をリアルタイムで検出することができれば、この検出結果により操作量を変更してこの種の問題点を一挙に解決することができると考えられる。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、専用のセンサを配置しなくても駆動系の慣性モーメント等をリアルタイムで検出することができるサーボ回路及びアクチュエータ、さらにこれらによるロボット等を提案しようとするものである。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するため本発明においては、ロボットにおいて、制御値に応じてアクチュエータを駆動するアクチュエータの駆動系と、アクチュエータの伝達関数により表されたモデルをこの制御値に応じて駆動するモデルの駆動系とを設け、アクチュエータの応答とモデルの応答との誤差の積分値をモデルの伝達関数における慣性モーメントの成分として用いて制御値の利得を補正すると共に、当該誤差に所定の利得を乗じた乗算値を基に制御値のオフセット値を補正することにより、アクチュエータの応答とモデルの応答とを一致させ、さらに積分値をアクチュエータの慣性モーメントとしてアクチュエータの変位結果と共に制御値補正手段へ出力するようにした。
【００２１】
この結果このロボットでは、アクチュエータの駆動系及び又はモデルの駆動系に入力される制御値を補正することから、この補正結果によりモデルに設定した慣性モーメントを基準にしてアクチュエータの慣性モーメントをリアルタイムで検出することができる。これによりこの検出結果に基づいて制御値を補正して、専用のセンサを配置しなくても、予測困難な外乱に直ちに対処することができる。
【００２２】
また本発明においては、ロボットにおいて、検出結果及び応答の誤差の積分値をモデルの伝達関数における慣性モーメントの成分として用いて制御目標の利得を補正すると共に、当該誤差に所定の利得を乗じた乗算値を基に制御目標のオフセット値を補正することにより、検出結果と応答とを一致させるようアクチュエータを制御するようにした。
【００２３】
この結果このロボットでは、検出結果及び規範数学モデルの応答から予測困難な外乱に対して制御目標を直ちに補正してアクチュエータを制御することができる。
【００２４】
さらに本発明においては、サーボ回路において、制御値に応じてアクチュエータを駆動するアクチュエータの駆動系と、アクチュエータの伝達関数により表されたモデルを制御値に応じて駆動するモデルの駆動系と、アクチュエータの応答とモデルの応答との誤差の積分値をモデルの伝達関数における慣性モーメントの成分として用いて制御値の利得を補正すると共に、当該誤差に所定の利得を乗じた乗算値を基に制御値のオフセット値を補正することにより、アクチュエータの応答とモデルの応答とを一致させる制御手段とを設けるようにした。
【００２５】
この結果このサーボ回路では、アクチュエータの駆動系及び又はモデルの駆動系に入力される制御値を補正することから、専用のセンサを配置しなくても、予測困難な外乱に直ちに対処可能なサーボ回路を構成することができる。
【００２６】
さらに本発明においては、アクチュエータにおいて、駆動部の応答と当該駆動部の伝達関数により表されたモデルの応答との誤差の積分値をモデルの伝達関数における慣性モーメントの成分として用いて上記制御値の利得を補正すると共に、当該誤差に所定の利得を乗じた乗算値を基に上記制御値のオフセット値を補正することにより、上記アクチュエータの応答と上記モデルの応答とを一致させる補正手段を設け、少なくとも積分値を駆動部の慣性モーメントとして出力するようにした。
【００２７】
この結果このアクチュエータでは、駆動部の駆動系及び又はモデルの駆動系に入力される制御値を補正し、この補正結果より少なくとも駆動部の慣性モーメントを検出して出力することから、専用のセンサを配置しなくても、このようなセンサを配置した場合と同様に、予測困難な駆動部の負荷変動に直ちに対応可能に、駆動部の慣性モーメントを上位の制御機構に通知することができる。
【００２８】
さらに本発明においては、ロボットの制御方法において、アクチュエータの駆動結果と、制御目標に対するアクチュエータの伝達関数により表された規範数学モデルの応答との誤差の積分値を規範数学モデルの伝達関数における慣性モーメントの成分として用いて制御目標の利得を補正すると共に、当該誤差に所定の利得を乗じた乗算値を基に制御目標のオフセット値を補正することにより、アクチュエータの応答と規範数学モデルの応答とを一致させるよう当該アクチュエータを制御するようにした。
【００２９】
この結果このロボットの制御方法によれば、検出結果及び規範数学モデルの応答から予測困難な外乱に直ちに対処して制御目標を補正することができる。
【００３０】
さらに本発明においては、アクチュエータの駆動方法において、駆動部の伝達関数により表されたモデルを制御値に応じて駆動し、モデルの駆動結果及びアクチュエータの駆動結果の誤差の積分値をモデルの伝達関数における慣性モーメントの成分として用いて制御値の利得を補正すると共に、当該誤差に所定の利得を乗じた乗算値を基に制御値のオフセット値を補正することにより、アクチュエータの応答とモデルの応答とを一致させるようにした。
【００３１】
この結果このアクチュエータの駆動方法によれば、予測困難な駆動部の負荷変動に直ちに対応可能に、駆動部の慣性モーメントを上位の制御機構に通知することができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、適宜図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳述する。
【００３３】
（１）実施の形態の構成
図２は、図８との対比により本発明の実施の形態に係る脚式移動ロボットを示す略線図である。この脚式移動ロボット３１は、脚の部分については、図８について上述した脚式移動ロボット１と同様に構成され、この脚に加えて腕についてもアクチュエータＭ１０Ｌ〜Ｍ１３Ｌにより可動できるように構成される。また腰の部分にもアクチュエータＭ９Ａ、Ｍ９Ｂが配置され、これにより重心を前後、左右に移動できるようになされている。なおこの図２において、図８について上述した脚式移動ロボット１の各部に対応する構成は、詳細は異なるものの、同一の符号を付して示す。また脚式移動ロボット３１においては、右半身と左半身とが同一の構成であることから、この図２においては、右脚側、右腕側の記載を省略して示す。
【００３４】
図３は、左脚３Ｌの先端部分であるアクチュエータＭ５Ｌ及びＭ６Ｌの周辺構成を詳細に示す分解斜視図である。脚式移動ロボット３１においては、足底板が地面に接地するようになされ、脚式移動ロボット３１の正面に対して直交する方向に軸心が配置されてなるアクチュエーターＭ６Ｌがこの足底板に配置される。これにより脚式移動ロボット３１は、アクチュエーターＭ６Ｌを駆動して、符号θ１により示すように足底板を前後に回動できるようになされている。
【００３５】
脚式移動ロボット３１においては、結合板を介してこのアクチュエーターＭ６ＬがアクチュエータＭ５Ｌに接続され、このアクチュエーターＭ５Ｌをおいては、回転軸がアクチュエータＭ６Ｌの回転軸と直交するように配置される。これにより脚式移動ロボット３１においては、このアクチュエータＭ５Ｌに駆動して、符号θ２により示すように足底板を左右方向に回動できるようになされている。これらにより脚式移動ロボット３１においては、他のアクチュエータと連動してアクチュエータＭ５Ｌ、Ｍ６Ｌを駆動すると共にして、この路面の凹凸に応じて足底板を前後左右に傾けて、凹凸のある路面でも移動できるようになされている。
【００３６】
図４は、本発明の脚式移動ロボットの１つのアクチュエータに係るサーボ回路とその上位の制御系とを示すブロック図である。この脚式移動ロボット３１は、サーボ回路３２、図示しない他のアクチュエータに係るサーボ回路よりアクチュエータの慣性モーメント、外乱による負荷をリアルタイムで検出して最適レギュレータ３４に通知し、最適レギュレータ３４においては、図８について上述した各種センサによる検出結果に代えて、これら慣性モーメント、外乱による負荷により操作量を生成して各サーボ回路に通知する。
【００３７】
すなわちサーボ回路３２においては、各アクチュエータに内蔵の駆動回路３５において、積分器２６及びモータＭ間に適応制御器３６が配置され、この適応制御器３６により慣性モーメントＪｘ、外乱による負荷Ｔｄをリアルタイムで検出する。
【００３８】
図１は、この適応制御器３６の構成を示すブロック図である。この適応制御器３６は、調整器３８によりトルク制御値Ｔｍを補正してモータＭを駆動する。さらに適応制御器３６は、モータＭの回転軸に配置された角速度センサよりモータＭの応答である角速度情報Ｖｍを取得し、減算器３９に入力する。これにより駆動回路３５は、実際の駆動対象であるモータＭを駆動するアクチュエータの駆動系を構成するようになされている。
【００３９】
また適応制御器３６は、規範数学モデル４０にトルク制御値Ｔｍを与え、その応答Ｖｍ０を算出して減算器３９に入力する。ここで規範数学モデル４０は、モータＭのモーショナルインピーダンスと等しいディメンションによる伝達関数１／（ＪｍＳ＋Ｄｍ０）に設定されたモータＭのモデルであり、モータＭの応答Ｖｍと同様の回転速度の形式による応答Ｖｍ０を出力するようになされている。これにより駆動回路３５は、モータＭのモデルを駆動するモデルの駆動系を構成するようになされている。なおここでＪｍは、モータＭの慣性モーメントＪｘに対応する定数である。Ｄｍ０は、モータＭの動摩擦係数Ｄｍに対応する係数である。この実施の形態において、Ｊｍ及びＤｍ０は、所定の固定値が与えられるようになされ、このうちＤｍ０は、モータＭの実測値が与えられるようになされている。
【００４０】
減算器３９は、これらモータＭの応答Ｖｍと規範数学モデル４０の応答Ｖｍ０との誤差ｅｊを検出し、適応制御器３６は、この誤差ｅｊが値０に収束するように調整器３８による補正量を制御し、またこの補正結果により慣性モーメントＪｘ、外乱による負荷Ｔｄをリアルタイムで検出して最適レギュレータ３４に通知する。
【００４１】
適応制御器３６は、この積分器４１の出力値Ｊｘｅと誤差ｅｊとにより調整器３８を調整する。
【００４２】
ここで調整器３８は、積分器４１の出力値Ｊｘｅによりトルク制御値Ｔｍの利得を制御する調整器３８Ａと、誤差ｅｊに応じたオフセット値をトルク制御値Ｔｍに与える乗算器３８Ｂとにより構成される。すなわち調整器３８Ａは、モデルの伝達関数１／（ＪｍＳ＋Ｄｍ０）を基準にして、（ＪｘｅＳ＋Ｄｍ０）／（ＪｍＳ＋Ｄｍ０）により表される伝達特性に設定され、この分子のＪｘｅが積分器４１の出力値Ｊｘｅに設定されるようになされている。
【００４３】
これに対して加算器３８Ｂは、誤差ｅｊを所定の利得Ｋｇで増幅して得られる値Ｔｅを加算して制御値をオフセットさせる。
【００４４】
これらにより誤差ｅｊにおいては、次式
【００４５】
【数１】
により表すことができる。
【００４７】
ここで積分器４１の利得をＫｉとおくと、積分器４１の出力Ｊｘｅは次式
【００４８】
【数２】
により表すことができる。また（１）式において、動摩擦係数Ｄｍ及びＤｍ０は、既知として、Ｄｍ＝Ｄｍ０とできる。
【００５０】
これより（１）式に（２）式を代入して変形することにより、次式
【００５１】
【数３】
の関係式を得ることができる。ここで（３）式のＪｍＳ＋Ｄｍ０は、モータ・ロータの数学モデルで、極は安定と見なせることを前提とする。
【００５３】
これによりＫｉ×Ｔｍ＞０、Ｋｇ＞０に設定して、誤差ｅｊを０に収束させることができ、モータＭの応答を規範数学モデル４０の応答と一致させることができる。またこのとき積分器４１の出力Ｊｘｅにおいては、モータＭの負荷をも含めた慣性モーメントＪｘと一致し、さらに誤差ｅｊを所定の利得Ｋｇで増幅して得られる値Ｔｅにおいては、外力Ｔｄと一致することになる。
【００５４】
これにより適応制御器３６においては、誤差ｅｊが値０に収束するように調整器３８Ａの利得、加算器３８Ｂにおけるオフセット値を調整することにより、モータＭの慣性モーメント、外力による負荷をリアルタイムで検出する。
【００５５】
かくするにつき適応制御器３６は、内蔵の演算処理回路により所定の処理手順を実行してこれら調整器３８、モデル４０、減算器３９、積分器４１等を構成する。またこの演算処理回路により、モータＭの応答とモデル４０の応答とが一致するように、モータＭに係るアクチュエータの駆動系に入力される制御値Ｔｍを補正する補正手段を構成し、この補正結果によりモータＭの慣性モーメント、外力による負荷を検出する。
【００５６】
（２）実施の形態の動作
以上の構成において、ロボット３１は（図４）、制御指令発生器１１により各アクチュエータの制御目標値が生成され、この制御目標値が各アクチュエータのサーボ回路に順次出力される。各サーボ回路３２においては、この制御目標値の微分値が所定利得Ｋｆにより増幅されて各駆動回路の制御値ｅＶが生成され、この制御値ｅＶによりモータＭが駆動される。このとき制御値ｅＶにあっては、所定利得Ｋｐ１により増幅された後、また利得Ｋｉの積分器２６により積分されてトルクＴｍによる制御目標値が生成され、このトルクＴｍに対応する電流駆動によりモータＭが駆動される。また駆動結果Ｐｍと制御目標との間で誤差信号ｅｐが検出され、この誤差信号ｅｐが所定利得Ｋｐ０により増幅されて制御目標値が補正され、これによりフィードバックループによるサーボループによりモータＭが駆動される。
【００５７】
このとき各駆動回路３５においては（図１）、制御値Ｔｍの利得、オフセット値が調整器３８により補正されて、この補正結果によりモータＭが駆動され、モータＭの応答ＶｍがモータＭの角速度検出結果として検出される。またモータＭと同一ディメンションによる伝達関数の規範数学モデル４０により制御値Ｔｍの応答Ｖｍ０が検出される。さらにこれらモータＭ及び規範数学モデル４０に応答の誤差ｅｊが減算器３９により検出され、この誤差ｅｊが値０に収束するように、調整器３８の調整器３８Ａにおいて制御値Ｔｍの利得が補正され、また続く加算器３８Ｂにおいてオフセット値Ｔｅが補正される。
【００５８】
これにより駆動回路３５においては、このようにしてモータＭ側の制御値Ｔｍを補正して得られる誤差ｅｊにより順次調整器３８の特性を補正して、モータＭの応答Ｖｍが規範数学モデル４０の応答Ｖｍ０に一致するように、モータＭ側の制御値Ｔｍが補正されてモータＭが駆動される。
【００５９】
この状態において、駆動回路３５においては、規範数学モデル４０の伝達関数１／（ＪｍＳ＋Ｄｍ０）を基準にして、（ＪｘｅＳ＋Ｄｍ０）／（ＪｍＳ＋Ｄｍ０）により表される伝達特性に調整器３８Ａが設定され、この分子のＪｘｅが積分器４１の出力値Ｊｘｅに設定されて制御値Ｔｍの利得が制御されることにより、誤差ｅｊが値０に収束した状態で、この積分器４１の出力値ＪｘｅがモータＭの慣性モーメントＪｘを示すことになる。
【００６０】
またこのようにして利得を補正して得られる制御値に与えられるオフセット値Ｔｅにあっては、モータＭの外乱による負荷Ｔｄを示すことになる。
【００６１】
かくするにつき、図５は、演算処理回数を横軸に取って、これら慣性モーメントＪｘｅ及び外乱による負荷Ｔｄを検出するシミュレーションの結果を示す特性曲線図である。この場合、制御対象であるモータＭにおいては、慣性モーメントＪｘを値５０に、動摩擦係数Ｄｍを値１０に設定し、規範数学モデル４０においては、慣性モーメントＪｍを値１０に、動摩擦係数Ｄｍ０を値１０に、また利得Ｋｇ及びＫｉをそれぞれ１６０及び８０に設定した。シミュレーションにおいては、１０サンプリング目で制御指令値Ｔｍを急激に立ち上げ、その後の誤差ｅｊ等の変化を観察した。最終的に２５０サンプリング目にあっては、適応制御器３６より慣性モーメントＪｘｅとして値４７．９が得られ、また外乱による負荷−９．６が検出され、これにより実用上十分な範囲でモータＭの慣性モーメント、外乱による負荷を検出できることが確認された。
【００６２】
これにより脚式移動ロボット３１にあっては、各サーボ回路３２よりこのようにして検出される慣性モーメントＪｘ及び外乱による負荷Ｔｄが上位の最適レギュレータ３４に通知され、これにより各部位に力センサ、接触センサ等を配置しなくても、モータの慣性モーメント等を検出することが可能となり、この検出結果より操作量を変更して従来の脚式移動ロボットの問題点を解決することが可能となる。
【００６３】
すなわち脚式移動ロボット３１は、最適レギュレータ３４において、これらの通知により例えば脚が着地した際の負荷変動等が検出され、さらにこの検出結果より制御指令発生器１１による制御値を補正する操作量が生成されて各サーボ回路３２に出力され、各サーボ回路３２においては、この操作量により駆動回路３５に対する制御値ｅＶが補正される。
【００６４】
このとき最適レギュレータ３４にあっては、制御指令発生器１１から各サーボ回路に出力される制御目標値が入力されて、この制御目標値を基準にして操作量が生成されることにより、例えば制御指令発生器１１より平坦な床を歩行する制御目標値が順次出力されている状態で、この脚式移動ロボット３１の移動する床が平坦な場合、制御目標値の変化に対応するように各モータの慣性モーメントＪｘｅ及び外乱による負荷Ｔｄが検出され、これにより制御目標値が適切に設定されている場合には、制御指令発生器１１から出力される制御目標値が何ら操作量により補正されることなく各サーボ回路によりモータＭが駆動されて平坦な床を２足歩行することになる。
【００６５】
すなわち図６に示すように、平坦な床を歩行する場合、足底板が地面に着地すると、それまで小さな値であった負荷慣性モーメントが大きく増大し、この増大が最適レギュレータ３４で検出される。このような平坦な床を歩行する場合、事前の設定によりアクチュエータの制御目標値に対してこのようにして検出される負荷慣性モーメントの増大が対応してなる場合、脚式移動ロボット３１においては、足底板が着地するまでの各アクチュエータの制御と、着地後の制御とが事前の設定に従って変化し、これにより転倒等の事故が防止され、安定に歩行することが可能となる。
【００６６】
これに対して例えば同様の制御目標値が制御指令発生器１１より出力されている状態で、脚式移動ロボット３１の移動する床が傾いたり、この床に凹凸がある場合、これら床の傾き、床の凹凸により各モータＭにおいては、慣性モーメント、外乱による負荷が変化し、これらの変化に応じて最適レギュレータ３４により操作量が生成されて制御目標値が補正される。これにより例えば床の凹凸に対応して床に接触する部位を傾けるように、足首の関節膝の関節を構成するモータ等の制御目標値が補正され、予測困難な外乱による不安定な動作が防止される。
【００６７】
このとき脚式移動ロボット３１においては、アクチュエータであるモータＭにおいて、その駆動回路３５に内蔵の適応制御器３６によりモータＭの慣性モーメント、外乱による負荷が検出され、この駆動回路３５を駆動するサーボ回路３２にあっては、これら慣性モーメント、外乱による負荷を検出しない図８について上述したような従来構成の駆動回路を駆動する場合と同様に制御値を出力してモータＭを駆動することができる。
【００６８】
すなわち例えば図７に示すように、爪先上がりの不整地路面を歩行する場合にあっては、平坦な床を歩行する場合に比して、速い時点で足底板が地面に着地し、それまで小さな値であった負荷慣性モーメントが大きく増大する。この場合、最適レギュレータ３４においては、この負荷慣性モーメントの増大の検出により、足底板の傾きΔθに対応して制御値を補正し、この状態で重心の位置が外乱に対応するように、すなわち平坦な床を歩行する場合に足底板が着地した場合と同様の状態になるように重心の位置を補正し、さらにはこの足底板の前後方向への制御を切り換え、これにより転倒等の事故を防止して安定に歩行することができる。
【００６９】
また脚式移動ロボット３１においては、最適レギュレータ３４において、各部位に配置されたセンサに代えて、各サーボ回路より通知される慣性モーメント、外乱による負荷により操作量が生成される。これにより脚式移動ロボット３１においては、従来の脚式移動ロボットのように各部位に配置するセンサを省略でき、その分全体構成を小型化、簡略化することが可能となり、また動作速度を高速度化することができる。
【００７０】
（３）実施の形態の効果
以上の構成によれば、制御値Ｔｍと、駆動対象であるモータＭの応答Ｖｍと、このモータＭの伝達関数により表されたモデル４０の応答Ｖｍ０とに基づいて、モータＭを駆動することにより、モータＭの慣性モーメントを検出すると共に、この検出結果に基づいてモータＭを駆動することができ、これにより専用のセンサを配置しなくても、リアルタイムで駆動対象の慣性モーメント等を検出することができる。
【００７１】
すなわち関節の角度を制御するサーボ系において、駆動対象であるモータＭの応答ＶｍとこのモータＭのモデル４０の応答Ｖｍ０とが一致するように、積分器４１の出力値Ｊｘｅを基に制御値Ｔｍの利得を補正すると共に誤差ｅｊを所定の利得で増幅して得られる値Ｔｅを基に制御値Ｔｍのオフセット値を補正して、この制御値Ｔｍの補正結果に基づいて少なくともモータＭの慣性モーメントを検出することにより、専用のセンサを配置しなくても、リアルタイムで駆動対象の慣性モーメント等を検出することができる。
【００７２】
これによりロボットにあっては、簡易な構成により外乱による不安定な動作を防止することができ、また移動速度を高速度化することができる。
【００７３】
また適応制御器におけるこの慣性モーメントの検出処理を演算処理により実行したことにより、直ちに演算し得ると共に、必要に応じて処理プログラムを変更することにより、各種変更に迅速に対応することができる。
【００７４】
（４）他の実施の形態
なお上述の実施の形態においては、静止摩擦係数については小さいものとして無視する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、併せて静止摩擦係数を検出するようにしてもよい。なおこの場合、静止摩擦係数においては、一定値以上のトルクの印加により急激に値が低下することにより、この特性と逆特性の伝達関数による補正器を加算器３８Ｂの後段に配置してトルクＴｍを補正して、この補正器の補正値より検出することができる。
【００７５】
また上述の実施の形態においては、慣性モーメントと外力による負荷とを検出する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、外力による負荷の変化が少ない系にあっては、慣性モーメントだけを検出するようにしてもよい。
【００７６】
また上述の実施の形態においては、モータによるアクチュエータを駆動する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、リニアモータによるアクチュエータを駆動する場合等にも広く適用することができる。
【００７７】
また上述の実施の形態においては、駆動対象側であるモータ側の制御値を補正して慣性モーメント等を検出する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、必要に応じて規範数学モデル側の制御値を補正して慣性モーメント等を検出しても良く、双方の制御値を補正して慣性モーメント等を検出してもよい。
【００７８】
また上述の実施の形態においては、本発明を２足歩行のロボットに適用する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、４足歩行のロボット、さらにはタイヤにより移動するロボット、さらには各種サーボ回路、駆動回路を内蔵するアクチュエータに広く適用することができる。
【００７９】
【産業上の利用可能性】
本発明は、脚式移動ロボットに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態に係る脚式移動ロボットの適応制御器を示すブロック図である。
【図２】 図１の脚式移動ロボットの構成を示す略線図である。
【図３】 図２の足底板側を詳細に示す分解斜視図である。
【図４】 図１の適応制御器が適用されるサーボ系を示すブロック図である。
【図５】 図１の適応制御器の特性を示す特性曲線図である。
【図６】 平坦な床を歩行する場合の動作の説明に供する側面図である。
【図７】 不整地を歩行する場合の動作の説明に供する側面図である。
【図８】 脚式移動ロボットの概略構成を示すスケルトン図である。
【図９】 従来の脚式移動ロボットに適用されるサーボ系を示すブロック図である。
【符号の説明】
１、３１……脚式移動ロボット、１１……制御指令発生器、１２、３５……サーボ回路、１３、３４……最適レギュレータ、１８、３５……駆動回路、２２、Ｍ１Ｌ〜Ｍ６Ｌ、Ｍ１Ｒ〜Ｍ６Ｒ……モータ、３６……適応制御器、３８……補正器、３８Ａ……調整器、３８Ｂ……加算器、４０……規範数学モデル。
Claims (13)
- 各アクチュエータの制御目標を順次出力する制御手段と、
上記各アクチュエータの駆動結果に基づいて上記制御目標の補正値を出力する制御値補正手段と、
各上記制御目標を上記補正値により補正して制御値を生成し、上記制御値によりそれぞれアクチュエータを駆動する駆動手段とを有し、
上記駆動手段は、
上記制御値に応じて上記アクチュエータを駆動するアクチュエータの駆動系と、
上記アクチュエータの伝達関数により表されたモデルを上記制御値に応じて駆動するモデルの駆動系とを有し、
上記アクチュエータの応答と上記モデルの応答との誤差の積分値を上記モデルの伝達関数における慣性モーメントの成分として用いて上記制御値の利得を補正すると共に、当該誤差に所定の利得を乗じた乗算値を基に上記制御値のオフセット値を補正することにより、上記アクチュエータの応答と上記モデルの応答とを一致させ、さらに上記積分値を上記アクチュエータの慣性モーメントとして上記アクチュエータの変位結果と共に上記制御値補正手段へ出力する
ロボット。 - 上記駆動手段は、
上記伝達関数におけるモータの動摩擦係数に対応する係数として、上記アクチュエータのモータにおける動摩擦係数の実測値が与えられる
請求項１に記載のロボット。 - 上記アクチュエータの駆動結果は、
回転角度による変位情報でなり、
上記アクチュエータの応答は、
モータの角速度情報でなる
請求項１に記載のロボット。 - 上記駆動手段は、
上記乗算値を上記アクチュエータに加えられた外力として上記制御値補正手段へ供給し、
上記制御値補正手段は、
上記慣性モーメント及び上記外力を基に上記制御値を補正する
請求項１に記載のロボット。 - 関節を有し、アクチュエータによって上記関節を駆動するロボットにおいて、
上記アクチュエータの制御目標を出力する制御目標出力手段と、
上記アクチュエータを制御するアクチュエータ制御手段と、
上記アクチュエータの駆動結果を検出して検出結果を出力する駆動結果検出手段と、
上記アクチュエータの伝達関数により表され上記制御目標に対する応答を出力する規範数学モデルとを有し、
上記アクチュエータ制御手段は、
上記検出結果及び上記応答の誤差の積分値を上記モデルの伝達関数における慣性モーメントの成分として用いて上記制御目標の利得を補正すると共に、当該誤差に所定の利得を乗じた乗算値を基に上記制御目標のオフセット値を補正することにより、上記検出結果と上記応答とを一致させるよう上記アクチュエータを制御する
ロボット。 - 制御値に応じてアクチュエータを駆動するアクチュエータの駆動系と、
上記アクチュエータの伝達関数により表されたモデルを上記制御値に応じて駆動するモデルの駆動系と、
上記アクチュエータの応答と上記モデルの応答との誤差の積分値を上記モデルの伝達関数における慣性モーメントの成分として用いて上記制御値の利得を補正すると共に、当該誤差に所定の利得を乗じた乗算値を基に上記制御値のオフセット値を補正することにより、上記アクチュエータの応答と上記モデルの応答とを一致させる制御手段と
を有するサーボ回路。 - 上記制御手段は、
上記伝達関数におけるモータの動摩擦係数に対応する係数として、上記アクチュエータのモータにおける動摩擦係数の実測値が与えられる
請求項６に記載のサーボ回路。 - 上記アクチュエータの駆動結果は、
回転角度による変位情報でなり、
上記アクチュエータの応答は、
モータの角速度情報でなる
請求項６に記載のサーボ回路。 - 制御値に応じて駆動部を駆動する駆動部の駆動系と、
上記制御値に応じて上記駆動部の伝達関数により表されたモデルを駆動するモデルの駆動系と、
上記駆動部の応答と上記モデルの応答との誤差の積分値を上記モデルの伝達関数における慣性モーメントの成分として用いて上記制御値の利得を補正すると共に、当該誤差に所定の利得を乗じた乗算値を基に上記制御値のオフセット値を補正することにより、上記駆動部の応答と上記モデルの応答とを一致させる補正手段とを有し、
少なくとも上記積分値を上記駆動部の慣性モーメントとして出力する
アクチュエータ。 - 上記補正手段は、
上記伝達関数におけるモータの動摩擦係数に対応する係数として、上記アクチュエータのモータにおける動摩擦係数の実測値が与えられる
請求項９に記載のアクチュエータ。 - 上記アクチュエータの駆動結果は、
回転角度による変位情報でなり、
上記アクチュエータの応答は、
モータの角速度情報でなる
請求項９に記載のアクチュエータ。 - 関節を有し、アクチュエータによって上記関節を駆動するロボットの制御方法において、
上記アクチュエータの駆動結果と、制御目標に対する上記アクチュエータの伝達関数により表された規範数学モデルの応答との誤差の積分値を上記規範数学モデルの伝達関数における慣性モーメントの成分として用いて上記制御目標の利得を補正すると共に、当該誤差に所定の利得を乗じた乗算値を基に上記制御目標のオフセット値を補正することにより、上記アクチュエータの応答と上記規範数学モデルの応答とを一致させるよう上記アクチュエータを制御する
ロボットの制御方法。 - 制御値に応じて駆動部を駆動するアクチュエータの駆動方法において、
上記駆動部の伝達関数により表されたモデルを上記制御値に応じて駆動し、上記モデルの駆動結果及び上記アクチュエータの駆動結果の誤差の積分値を上記モデルの伝達関数における慣性モーメントの成分として用いて上記制御値の利得を補正すると共に、当該誤差に所定の利得を乗じた乗算値を基に上記制御値のオフセット値を補正することにより、上記アクチュエータの応答と上記モデルの応答とを一致させる
アクチュエータの駆動方法。
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