JP4735927B2

JP4735927B2 - 人間型ロボットの制御装置

Info

Publication number: JP4735927B2
Application number: JP2004189371A
Authority: JP
Inventors: 研介原田; 秀司梶田; 文男金広; 清司藤原; 健二金子; 一仁横井; 博久比留川
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2004-06-28
Filing date: 2004-06-28
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2024-06-28
Also published as: JP2006007376A

Description

本発明は、手先で物体を押しながら安定した歩容を行うことができるようにした人間型ロボットの制御装置に関する。

近年は２足歩行を行い、手先を備えた腕によって各種作業を行うことができるようにした人間型ロボットの開発が広く進められている。人間型ロボットが実環境において実際に作業できるためには、マニピュレーション機能が欠かせないが、人間型ロボットによるマニピュレーションの研究は必ずしも充分には研究されていないのが実状である。

人間型ロボットによる対象物のマニピュレーションの一形態として、例えば図１に示すように、床に置かれた大きな対象物を押す操作に着目すると、このときにはアームの制御方法の違いに応じて、位置制御をベースにした押し操作と、力制御をベースにした押し操作が考えられる。

手先反力の情報を用いない位置制御をベースにした押し操作の場合は、その制御装置は容易に実装することができ、且つ対象物が軽く手先に加わる反力が小さい場合には、安定して押し操作を行うことができる。その反面、対象物が重くなると、ロボットの歩行速度が対象物の移動速度を上回ることで、ロボットが最終的に転倒する。

それに対して、手先反力の情報を用いた力制御ベースの押し操作では、手先反力の情報を元に適応的に歩容を変化させることによって、様々な重量の対象物に対して安定に押し操作できることが期待される。

一方、上記のような人間型ロボットによって安定した作業を行うために、例えば特開平１０−２３０４８５号公報で示されているように、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（図７）。

また、日本ロボット学会誌１８巻１号７５〜８６頁に示されているように、手先に加わった外力に応じて脚式移動ロボットが一歩を踏み出すタイミングを決定する手法も提案されている。
特開平１０−２３０４８５号公報日本ロボット学会誌18 巻１号75〜86 頁

例えば、上記のような人間型ロボットの手先が、前記のように床に置かれた対象物と接した状態で、この対象物を押す作業を考える。このとき、対象物の重量や対象物と床面との摩擦係数は未知であると仮定する。この状態でロボットが大きな力を加えつつ、対象物を床面上で継続的に動かしながら、転倒せずに動的な平衡状態を保つためには、ロボットの歩行パラメータが適切に設定されなくてはならない。

しかしながら、従来から提案されている各種手法では、どのように歩行パラメータを決定すれば、安定な歩行動作が実現されるかについては、何ら指針が与えられていなかった。したがって本発明は、２足歩行の人間型ロボットにおいて物体を押しながら安定して歩容することができる人間型ロボットの制御装置を提供することを目的とする。

人間型ロボットが床に置かれた対象物を継続的に押す場合、両脚が地面に着いた状態（両脚支持期）に対象物を押し、片脚のみが地面についた状態（片脚支持期）では対象物を押さない方が、ロボットが安定を保ちやすいと考えられる。また、両脚支持期に手先反力を制御することにより対象物を押し、片脚支持期では対象物を押した量だけステップすることにより、継続的な押し操作が実現される。

上記のような考え方に基づき本発明による人間型ロボットの制御装置においては、床に置かれた対象物を継続的に押す人間型ロボットの制御装置において、両足が地面に着いた両脚支持期に、ロボットアームを介し、手先反力をインピーダンス制御することにより対象物を押すプッシングフェーズを実行し、該プッシングフェーズ後半で手先を位置制御することで手先の絶対座標からみた速度を０に戻すとともに、前記両脚支持期が終了し、一方の足のみが地面に着いた片脚支持期になったとき、前記両脚支持期に対象物を押した距離に基づいて、床反力中心点ＺＭＰの軌道を再計算し、該片脚支持期の終わりに、歩幅が前記両脚支持期に対象物を押した距離となるよう、他方の足をステップさせるとともに、ロボット重心と足先の位置に基づいて各関節の目標位置を導出し、胴体の安定化を行う安定化制御手段を備えたを備えたことを特徴とする。

本発明は上記のように構成することにより、人間型ロボットが実環境で作業を行う場合、手先で対象物に力を加えながら安定して歩行を継続することができる。また、人間型ロボットが実環境で作業を行う場合、対象物の物理パラメータが未知の場合でも安定して作業を継続することができる。

本発明は、人間型ロボットが実環境で作業を行う場合、手先で対象物に力を加える状態でロボットが安定して歩行を継続し、また、対象物の物理パラメータが未知の場合でも安定して作業を継続することを、床に置かれた対象物を継続的に押す人間型ロボットの制御装置において、両脚が地面に着いた両脚支持期に対象物を押し、片脚のみが地面についた片脚支持期では対象物を押さない制御を行う制御手段を備え、また、床に置かれた対象物を継続的に押す人間型ロボットの制御装置において、両足が地面に着いた両脚支持期に手先反力を制御することにより対象物を押し、片足のみが地面に着いた片脚支持期では対象物を押した量だけステップする制御を行う制御手段を備えることにより実現する。

床反力中心点は一般にＺＭＰ（Zero Moment Point）と呼ばれるが、足裏と床面との接触に存在するＺＭＰに着目すると、手先に加わる反力に応じてこのＺＭＰも変位する。ＺＭＰが足裏支持領域内に含まれていればロボットは動的平衡を維持することが可能であるが、マニピュレーションにおいては予期せぬ手先反力によりＺＭＰが変位し、足裏支持領域の端にくることで、ロボットが転倒する危険性が存在する。

そこで、歩行動作中における両脚支持期に足裏支持領域の凸包が広くなる特徴を利用して、両脚支持期に対象物を押すプッシングフェーズ(Pushing Phase)と、対象物を押さずにステップするステッピングフェーズ(Stepping Phase)とに分けたマニピュレーションの形態を検討する。

図３には本発明による実施例のタイムチャートを示す。プッシングフェーズでは、手先に加わる力を制御することで対象物の押し操作を実現する。さらにプッシングフェーズの後半では手先を位置制御することで、手先の絶対座標系から見た速度を０に戻す。ステッピングフェーズでは対象物の操作を停止させる。

ステッピングフェーズでは、ロボットがステップする距離はプッシングフェーズにおいて対象物を押した距離と等しくする。さらに、対象物を押した距離を用いてＺＭＰの軌道を計算し直し、現在のＺＭＰ軌道に接続する。また、ＺＭＰ軌道より胴体重心の軌道が導出される。

図４にはプッシングフェーズにおけるアームの制御手法の概要を示す。ここで、μを対象物と床面との摩擦係数、ｍを対象物の質量とする。プッシングフェーズにおいては、対象物から受ける反力をインピーダンス制御により制御する。ロボット進行方向に対する目標インピーダンスは次のような形で与えられる。

ここで、ｍは対象物の質量、ｃは目標粘性、ｘ_Ｈは質量ｍの対象物を質点としたときの該質点のＸ座標を表し、ｆ_ｘｄはｆ_ｘ、すなわち、プッシングフェーズで、両脚支持のまま、ロボットアームにより対象物を押した際に、ロボットアームを介してロボットに作用する反作用ｆ_ｘの目標値を表す。ｆ_ｘｄ＜μｍ_ｏｇのとき、ｆ_ｘがｆ_ｘｄとバランスすることにより対象物は動かない。それに対してｆ_ｘｄ＞μｍ_ｏｇのとき対象物が動き、対象物の加速度はｆ_ｘｄとｆ_ｘの差に依存する。目標インピーダンスが実現されているという条件の下で、軽い対象物を押し操作すると対象物は大きな加速度で動き、対象物が重くなるに従って対象物の加速度も小さくなる。
そして、対象物の質量が極めて大きくなると、対象物は動かなくなる。つまり、この手法を用いることで、ロボットは対象物の質量や対象物と床面との摩擦係数を考慮することなしに適応的に押し操作できる。

次に、対象物の押し操作に関する情報をもとに実時間で歩容を計画する方法について検討する。図５に示すように、目標ＺＭＰ軌道が以下のような区分多項式で与えられていると仮定する。
ここで、

は第ｊ区間のＺＭＰ軌道を表す。ロボットを高さが変化しない倒立振り子で近似することにより、ロボット重心の軌道は次のように導出することができる。

ここで、

は未知定数であり、以下においてロボット重心の軌道を境界条件を満足しつつ滑らかに接続するように決定される。

実時間での歩容の変更を実現するため、新たに計算されたロボット重心の軌道を現在の重心の軌道に接続させることを検討する。図５に示すように、片脚支持期の終わりで歩幅がプッシングフェーズにおける押し量と等しくなるようなＺＭＰ軌道を計算する。このＺＭＰ軌道をもとに、ロボット重心の軌道を計算し、現在の重心軌道に滑らかに接続する。

ここで、重心の軌道には斉次解にsinh やcosh が含まれる。つまり、解が時間の経過と共に発散するのを防ぐため、係数
を２点境界値問題を解くことにより検定する。

ここで注意すべきことは、２点境界値問題では、初期位置と終端位置が与えられるが、条件式の数が未知数の数を超えるため初期速度を境界条件に含めることが不可能な点である。

つまり、現在あるロボット重心軌道に新たに計算された重心軌道を接続する場合、速度の不連続性が生じることになる。ＺＭＰ軌道とロボット重心の位置・速度の全てを連続にするため、第一区間の目標ＺＭＰの関数形状も未知とし、境界条件を満足するように関数形状を決定する。

本手法を用いた人間型ロボットの制御装置における制御ブロック構成とそれらの関連及び作動フローを図６に示す。まず、インピーダンス制御手法により手先位置を計算する。プッシングフェーズが終わると、歩容計画を行い、ロボット重心と足先の位置を計算する。そして、それらの情報より、各関節の目標位置を導出する。この目標関節位置指令をロボットに与える。ここで、パラメータ誤差や外乱の影響により、ＺＭＰの位置に誤差が生じる可能性があるため、ＺＭＰ位置と同時に胴体の姿勢を制御する安定化制御系を導入する。

このような制御装置を用いた実験、及びシミュレーション結果によると、ロボットは対象物の質量が変化しているにもかかわらず動的平衡を維持し、安定的に対象物を押すことが確認された。

床に置かれた対象物を押す作業の例を示す図である。手先のインピーダンス制御の説明図である。本発明の実施例のタイムチャートである。ＺＭＰ軌道を示す図である。軌道の接続による実時間歩容計画を示す図である。提案する手法をロボットに適用する場合のブロック線図従来の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

床に置かれた対象物を継続的に押す人間型ロボットの制御装置において、
両足が地面に着いた両脚支持期に、ロボットアームを介し、手先反力をインピーダンス制御することにより対象物を押すプッシングフェーズを実行し、該プッシングフェーズ後半で手先を位置制御することで手先の絶対座標からみた速度を０に戻すとともに、前記両脚支持期が終了し、一方の足のみが地面に着いた片脚支持期になったとき、前記両脚支持期に対象物を押した距離に基づいて、床反力中心点ＺＭＰの軌道を再計算し、該片脚支持期の終わりに、歩幅が前記両脚支持期に対象物を押した距離となるよう、他方の足をステップさせるとともに、ロボット重心と足先の位置に基づいて各関節の目標位置を導出し、胴体の安定化を行う安定化制御手段を備えたことを特徴とする人間型ロボットの制御装置。