JP4946566B2

JP4946566B2 - 歩行ロボット及び歩行制御方法

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Publication number: JP4946566B2
Application number: JP2007081856A
Authority: JP
Inventors: 久義杉原
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-03-27
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2027-03-27
Also published as: JP2008238328A

Description

本発明は歩行ロボット及び歩行制御方法に関し、特に、歩行する床面に凹凸がある場合の歩行制御に関する。

歩容データに基づいて２足歩行を行う歩行ロボットが開発されている。また、歩行ロボットが歩行動作中に転倒するのを防止する様々が技術が提案されている。その中に、ロボットが歩行する床面に凹凸がある場合にも安定して歩行するための技術として、いわゆる「ならい制御」がある。

「ならい制御」とは、床面等からの外乱を受けて、その外乱をゼロにするように足平を制御する制御技術である。「ならい制御」の具体的な手法は、例えば、特許文献１、２に開示されている。「ならい制御」を実現する手法としては、例えば、足首関節に加わる外乱トルクを力センサにより検出し、その検出した外乱トルクの値がゼロとなるようにフィードバック制御を行う手法がある。また、足平と床面の間の距離を計測し、この距離に応じて足平の位置姿勢を修正する手法もある。いずれの手法を用いたとしても、力学的な観点からすると、ある点回りのモーメントをゼロにする制御である。このような「ならい制御」によって、歩行ロボットは、足平が凹凸を有する床面と密着するような姿勢となるので、上体が倒れていくような動作となる場合がある。

このとき、上体が倒れることを防止する制御を行わないと、歩行ロボットは転倒するので、これに逆らって上体を立てるような「倒立振子制御」が必要となる。この観点からすれば、「ならい制御」と「倒立振子制御」は相反する制御である。
特開２００５−２１２０１２号公報特開２００４−２７６１６７号公報

「倒立振子制御」を理解するために、手のひらの上で棒（例えば、箒）を立てる動作がよく利用される。手のひらの上の棒は、鉛直に立てておいてもそのまま何もしないと自然と倒れてしまう。倒れないようにするには、手を動かして常に棒を鉛直な状態にしておかなければならない。倒立振子の制御もこれと全く同じで手のひら代わりに足をうまく動かして倒立振子が倒れないようにする。

「ならい制御」だけだと、まさに、手のひらの上に棒を立てた状態になっている。この状態では、棒が手のひらと接する支点でトルクを発生できない。このため、支点、すなわち手のひらを前後左右に加速してその慣性力で支点に対して等価的にトルクを発生させて、棒が起こすのであるが、ロボットの場合には足平が床に接触しているので前後左右に加速することはできない。

そのため、ロボットの場合には、足首に対してトルクを直接加えることにより、「倒立振子制御」を行う。しかしながら、「ならい制御」を行なうことにより足首のトルクを常にゼロに制御すると、「倒立振子制御」のために加えたトルクが「ならい制御」によって相殺されてしまい、起きることができないという問題が発生する。従って、「ならい制御」を１００％と効かせることはできないため、「倒立振子制御」のためにトルクを加える余地を残しておく必要がある。

ここで、実際にロボットを歩行させた場合について考える。まず、床面の凹凸にならうための「ならい制御」を１００％効かせた状態、つまり足首トルクをゼロに制御しているものとする。この場合、足首から下は床面にならっていて床面に対して相対的に動かないので、ロボットは、足首を支点とした倒立振子を構成している。

また、このときに、実際に作用する実ＺＭＰ（Zero Moment Point）は、図３に示されるように、重心と足首を通る直線と、床面の交点となる。ただし、床面から足首までの距離が小さいので、説明を簡単にするために、実ＺＭＰは足首の位置であるとする。なお、図３においてＦは重心における慣性力、Ｇは重心における重力を示す。

歩容データによって定められる目標ＺＭＰは、安定及び余裕を最大にするという観点から、足平の図心に設定されることが多いため、必ずしも実ＺＭＰとは一致していない。例えば、図４のように、目標ＺＭＰが足平の図心に設定されていると、目標ＺＭＰになるための慣性力Ｆｔは、足首トルクがゼロのときの慣性力Ｆ０よりも大きくなるので、図における右側に倒れてしまう。足首関節が位置制御されている場合は、慣性力が目標慣性力となるように、つまり実ＺＭＰが目標ＺＭＰになるように、足首に対してトルクを加えて、いわゆる「踏ん張る状態」になっているが、足首トルクをゼロにすると踏ん張ることができない。また、凹凸がある床面を歩行するためには、足首トルクをできるだけゼロになるようにしたが、このような問題も防止する必要がある。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、床面に凹凸がある場合にも安定して歩行可能な歩行ロボット及びその歩行制御方法を提供することを目的とする。

本発明にかかる歩行ロボットは、歩行ロボットの目標加速度を計算する手段と、前記歩行ロボットの実加速度を検出する手段と、前記目標加速度と前記実加速度の加速度偏差を計算する手段と、前記加速度偏差に基づいて、ならい制御を調整する手段とを備えたものである。

ここで、前記ならい制御の調整手段は、前記加速度偏差が大きいときには、ならい制御が弱くなるように調整することが好ましい。

また、前記ならい制御の調整手段は、前記加速度偏差が所定値以上の場合には、ならい制御が弱くなるゲインを設定し、前記加速度偏差が所定値未満の場合には、ならい制御が強くなるゲインを設定することが望ましい。

また、前記加速度偏差の向きを計算する手段をさらに設け、前記ならい制御の調整手段は、前記加速度偏差の向きに応じてならい制御を調整することが好ましい。

ここで、前記歩行ロボットの目標加速度及び実加速度は、胴リンクの目標加速度及び実加速度とすることが望ましい。

本発明にかかる歩行ロボットの歩行制御方法は、歩行ロボットの目標加速度を計算するステップと、前記歩行ロボットの実加速度を検出するステップと、前記目標加速度と前記実加速度の加速度偏差を計算するステップと、前記加速度偏差に基づいて、ならい制御を調整するステップとを備えたものである。

ここで、前記ならい制御の調整ステップでは、前記加速度偏差が大きいときには、ならい制御が弱くなるように調整することが望ましい。

また、前記ならい制御の調整ステップでは、前記加速度偏差が所定値以上の場合には、ならい制御が弱くなるゲインを設定し、前記加速度偏差が所定値未満の場合には、ならい制御が強くなるゲインを設定することが好ましい。

また、前記加速度偏差の向きを計算するステップをさらに有し、前記ならい制御の調整ステップでは、前記加速度偏差の向きに応じてならい制御を調整することが望ましい。

前記歩行ロボットの目標加速度及び実加速度は、胴リンクの目標加速度及び実加速度とすることが望ましい。

本発明によれば、床面に凹凸がある場合にも安定して歩行可能な歩行ロボット及びその歩行制御方法を提供することができる。

発明の実施の形態１．
最初に、本実施の形態１にかかる歩行ロボットの構成について、図１を用いて関節部を中心に説明する。歩行ロボット１０は、二脚式歩行ロボットであり、胴リンクである上体１１と、上体１１の下部両側に取り付けられた中間に膝部１２Ｌ，１２Ｒを備えた二本の脚部１３Ｌ，１３Ｒと、各脚部１３Ｌ，１３Ｒの下端に取り付けられた足部１４Ｌ，１４Ｒとを備えている。

ここで、脚部１３Ｌ，１３Ｒは、それぞれ６個の関節部、即ち上から順に、上体１１に対する腰の脚部回旋用の関節部１５Ｌ，１５Ｒ、腰のロール方向（ｘ軸周り）の関節部１６Ｌ，１６Ｒ、腰のピッチ方向（ｙ軸周り）の関節部１７Ｌ，１７Ｒ、膝部１２Ｌ，１２Ｒのピッチ方向の関節部１８Ｌ，１８Ｒ、足部１４Ｌ，１４Ｒに対する足首部のピッチ方向の関節部１９Ｌ，１９Ｒ、足首部のロール方向の関節部２０Ｌ，２０Ｒを備えている。なお、各関節部１５Ｌ，１５Ｒ乃至２０Ｌ，２０Ｒはそれぞれ関節駆動用モータにより構成されている。

このようにして、腰関節は、関節部１５Ｌ，１５Ｒ，１６Ｌ，１６Ｒ，１７ＫＬ，１７Ｒから構成され、また足関節は、関節部１９Ｌ，１９Ｒ，２０Ｌ，２０Ｒから構成される。さらに、腰関節と膝関節との間は大腿リンク２１Ｌ，２１Ｒにより連結されており、また膝関節と足関節との間は下腿リンク２２Ｌ，２２Ｒにより連結されている。これにより、歩行ロボット１０の左右両側の脚部１３Ｌ，１３Ｒ及び足部１４Ｌ，１４Ｒは、それぞれ６自由度を与えられることになり、歩行中にこれらの１２個の関節部をそれぞれ駆動モータにより適宜の角度に駆動制御することにより、脚部１３Ｌ，１３Ｒ，足部１４Ｌ，１４Ｒ全体に所望の動作を与えて、任意に三次元空間を歩行することができるように構成されている。図１に示す座標系は、歩行ロボット１０の前後方向をｘ方向（前方＋），横方向をｙ方向（内方＋）そして上下方向をｚ方向（上方＋）とするｘｙｚ座標系である。

上体１１、即ち胴リンクの重心位置には、加速度センサ３及び姿勢センサ４が設けられている。加速度センサ３によって上体１１に関する３軸の加速度情報を得ることができる。姿勢センサ４によって上体１１の姿勢情報を得ることができる。また、脚部１４Ｌ，１４Ｒのそれぞれには、４箇所に４個の距離センサ５Ｒ，５Ｌが設けられている。

歩行ロボット１０は、図２に示されるように、要求に対応して歩容データを生成する歩容生成部６と、歩容データに基づいて駆動手段、即ち上述した各関節部即ち関節駆動用モータ１５Ｌ，１５Ｒ乃至２０Ｌ，２０Ｒを駆動制御する制御部７を備えている。

歩容生成部６は、外部から入力される要求に対応して、歩行ロボット１０の歩行に必要な各関節部１５Ｌ，１５Ｒ乃至２０Ｌ，２０Ｒの目標角度軌道，目標角速度，目標角加速度を含む歩容データを生成する。

制御部７は、各関節部１５Ｌ，１５Ｒ乃至２０Ｌ，２０Ｒの関節駆動用モータに備えられたロータリエンコーダにより計測した各関節駆動用モータの角度情報、上体１１に設けられた加速度センサ３によって計測した加速度情報、姿勢センサ４によって計測した姿勢情報、距離センサ５Ｒ，５Ｌによって計測した距離情報等が含まれる状態情報を入力する。そして、制御部７は、歩容データや状態情報に基づいて、各関節駆動用モータの制御信号を生成する。本実施の形態１においては、特に、制御部７は、「ならい制御」を実現する。具体的な制御方法については後に詳述する。

続いて、本実施の形態１における歩行制御の原理について図５を用いて説明する。この歩行制御を基本的に実現するためには、歩行ロボットの重心における目標加速度を計算する手段と、歩行ロボットの重心における実際の加速度を検出手段と、目標加速度と実加速度の偏差を計算する手段と、この偏差に基づいてならい制御を調整する手段とを歩行ロボットが備えている必要がある。

図５に示されるように、目標加速度Ａｔと、実際の加速度（実加速度）Ａ０とに偏差がある場合には、矢印Ｂで示される方向に倒れにくくする必要があるため、この方向へのならい制御の効きを弱くすること（関節を固くすることに相当）ことによって、いわゆる踏ん張る効果を得ることができ、安定的に歩行することが可能となる。

ここで、「ならい制御」の例について説明しておく。図６は、足平のモデルを示す図であり、図に示されるように、足平には、床面（地面）との距離を計測することができる複数個（この例では４つ）の距離センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を所定の距離を離して、この例では４隅に設けている。距離センサＳ１は床面までの距離ｄ１を、距離センサＳ２は床面までの距離ｄ２を、距離センサＳ３は床面までの距離ｄ３を、距離センサＳ４は床面までの距離ｄ４をそれぞれ検出する。

図５に示されるように、足の位置を特定する足指令値のｘｙｚ座標系についてｘ軸回りにΔθだけ回転し、ｙ軸回りにΔφだけ回転したとき、各距離センサＳ１〜Ｓ４の位置がどれだけ変位するかは、次の式（１）のように幾何学的に求めることができる。

ここで、式（１）において、Δｄ１，Δｄ２，Δｄ３，Δｄ４は各距離センサＳ１〜Ｓ４の位置の変位量を示し、Ｊは４×２行列である。

次に、Δｄ１，Δｄ２，Δｄ３，Δｄ４をそれぞれ床面と距離センサＳ１〜Ｓ４の位置における足裏との距離の目標値からの偏差であるとすると、式（１）から計算されるΔθ、Δφだけ足指令値を補正すれば、床面から足平までの距離は、目標値どおりとなる。即ち、床面から足平までの距離を目標値に補正するためのΔθ、Δφは、次の式（２）によって求めることができる。

ここで、Ｊ^＋は、擬似逆行列である。式（１）の系は、いわゆる不能の連立方程式なので、式（２）によって求めたΔθ、Δφは、Δｄ１〜Δｄ２をできる限り満たす、最小２乗解である。

式（２）によって求めることができるΔθ、Δφは、足平の、床面に対する姿勢を目標値に補正するだけであるため、本実施の形態では、ならい動作の程度を調整するために、これらに一定のゲインをかけている。このゲインは、周波数特性を有している。このように、ゲインをかけたΔθ、Δφの値をΔθｃ、Δφｃとし、Δθに対するゲインをＣ_θ（ｓ）とし、Δφに対するゲインをＣ_φ（ｓ）とすると、式（３）のように表すことができる。
Δθｃ＝Ｃ_θ（ｓ）Δθ
Δφｃ＝Ｃ_φ（ｓ）Δφ （３）

これらΔθｃ、Δφｃは、ならい制御の補正量と捉えることも可能である。また、Ｃ_θ（ｓ）、Ｃ_φ（ｓ）は、ならい制御が振動を発生させることがない範囲において、可能な限り高い値としている。

続いて、本実施の形態１にかかる制御の流れについて、図７のフローチャート等を用いて説明する。

まず、胴リンク１１の目標加速度を算出する（Ｓ１０１）。目標加速度は、歩容生成部６によって生成された歩容データに基づき算出することができる。

次に、胴リンク１１の実加速度を測定する（Ｓ１０２）。実加速度は、胴リンク１１に設けられた加速度センサ３によって検出することができる。本実施の形態では、加速度センサ３によって検出した実加速度を姿勢センサ４によって検出した姿勢情報に基づいて補正し、水平方向の加速度を計算して算出している。

ここで、目標加速度及び実加速度は、歩行ロボット１０の重心における値であることが望ましいが、重心そのものは、どのリンクに固定さているわけではなく、ロボットの姿勢が変化するにつれて、時々刻々と位置が変わる。特に、リンク数が多いヒューマノイド型ロボットでは、重心の位置を計算するのに時間を要する。このため、本実施の形態においては、２足歩行ロボットの脚リンク、腕リンク、胴リンクのうち最も質量が支配的な胴リンクの位置における目標加速度及び実加速度を算出することにした。

続いて、目標加速度と実加速度の偏差を算出する（Ｓ１０３）。具体的には、目標加速度から実加速度を減算することによって偏差を求める。図８は、ｘｙ平面が水平な座標系Σｈからみた加速度偏差ベクトル^ｈΔａを示している。^ｈΔａは、次の通り表すことができる。

次に、加速度偏差ベクトル^ｈΔａを足指令値の座標系に変換する（Ｓ１０４）。変換後の加速度偏差ベクトルを^ｆｏｏｔΔａとする。ｘｙ平面が水平な座標系Σｈと、足指令値座標系Σfootの間の回転行列^ｈＲ_ｆｏｏｔは歩容データに基づいて算出することが可能である。図９は、足指令値座標系Σfootからみた加速度偏差ベクトル^ｆｏｏｔΔａを示す。

さらに、足指令値座標系Σfootからみた加速度偏差ベクトル^ｆｏｏｔΔａのｘ成分である^ｆｏｏｔΔａｘ及び同ｙ成分である^ｆｏｏｔΔａｙを用いて、加速度偏差の向きψを算出する（Ｓ１０５）。図９に示される、足指令値座標系Σfootからみた加速度偏差ベクトル^ｆｏｏｔΔａのｘ成分及びｙ成分は次の通り表すことができる。

そして、加速度偏差の向きψは、次の式により算出することができる。
ψ＝ａｔａｎ２（^ｆｏｏｔΔａｘ，^ｆｏｏｔΔａｙ）

続いて、足指令値座標系Σfootのｚ軸回りにψだけ回転する（Ｓ１０６）。この回転した座標系をΣrotとする。図１０に示されるように、Σrotのｙ軸一方向にならい制御を調整するためにこのような回転処理を行っている。ここで、図１０における加速度偏差ベクトルは、次式の通り表すことができる。

次にならい制御の補正量を算出する（Ｓ１０７）。具体的には、まず、足平に設けた距離センサＳ１〜Ｓ４によって検出した距離と、歩容データによって算出した目標値の偏差Δｄ１〜Δｄ４を算出し、床面から足平までの距離を目標値に補正するためのΔθ、Δφを、上述の式（２）に従って算出する。そして、これらのΔθ、Δφを、足指令値座標系Σfootのｚ軸回りにψだけ回転していられた座標系Σrotに変換する。そして、Σrotのｙ軸に変換された回転量ｒｏｔΔθが正又はゼロの場合には、ならい制御が柔らかくなるゲインを、負の場合には固くなるようなゲインをかける。ここで、ならい制御が柔らかくなるゲインとは、ならい制御の効きを強くすることができるゲインをいい、この場合には、ならい制御に対して倒立振子制御によるトルク制御が相対的に少なくなる。他方、ならい制御が固くなるゲインとは、ならい制御の効きを弱くすることができるゲインをいい、この場合には、ならい制御に対して倒立振子制御によるトルク制御が相対的に多くなる。

具体的には、柔らかいゲインをｋ_ｓｏｆｔとし、固いゲインをｋ_ｈａｒｄとすると、次式のように、ならい制御のための補正量^ｒｏｔΔφｃ,^ｒｏｔΔθｃを求めることができる。
^ｒｏｔΔφｃ＝ｋ_ｓｏｆｔ ^ｒｏｔΔφ
^ｒｏｔΔθｃ＝ｋ_ｓｏｆｔ ^ｒｏｔΔθ （if ^ｒｏｔΔθ≧０）
＝ｋ_ｈａｒｄ ^ｒｏｔΔθ （if ^ｒｏｔΔθ＜０）

図１１に示す座標系において、次式に示す、^ｆｏｏｔωは、距離センサから求めた足平に対する床面の姿勢を示し、上述のように式（２）によって求めることができる。

なお、計算上、Δφ及びΔθは微小とする。

また、図１１における^ｒｏｔΔφ及び^ｒｏｔΔθは、次式により求めることができる。

次に、Σrotにおいて求めた、ならい制御のための補正量を足指令値座標系Σfootに戻す（Ｓ１０８）。具体的には、次式に従って、座標変換を行うことができる。

このようにして足指令値座標系Σfootに変換されたならい制御のための補正量を用いてならい制御を補正することによって、最終的に、各関節駆動用モータの制御信号を生成し、歩行ロボット１０の動作を制御する。

図１２に、本発明の実施の形態にかかる制御フローを示す。図において、Ｃ_φ（ｓ）を含むフィードバック系は、倒立振子制御を、Ｃ_τ（ｓ)及び周波数特性に応じたゲインを示すＣ_ａ（ｓ）を含むフィードバック系は、ならい制御をそれぞれ示す。

その他の実施の形態.
上述の例では、ならい制御に距離センサを用いたが力学センサを用いるようにしてもよい。

本発明にかかる歩行ロボットの一実施形態にかかる機械的構成を示す概略図である。本発明にかかる歩行ロボットの制御機構を示すブロック図である。ならい制御及び倒立振子制御を説明するための説明図である。ならい制御及び倒立振子制御を説明するための説明図である。本発明にかかる歩行制御の原理を説明するための説明図である。本発明にかかる歩行ロボットにおける足平のモデルを示す図である。本発明にかかる歩行制御の流れを示すフローチャートである。本発明にかかる歩行制御の処理を説明するための説明図である。本発明にかかる歩行制御の処理を説明するための説明図である。本発明にかかる歩行制御の処理を説明するための説明図である。本発明にかかる歩行制御の処理を説明するための説明図である。本発明にかかる歩行制御の処理を説明するための説明図である。本発明にかかる歩行制御のフローを説明するための説明図である。

符号の説明

３加速度センサ
４姿勢センサ
５距離センサ
６歩容生成部
７制御部
１０歩行ロボット

Claims

歩行ロボットの目標加速度を計算する手段と、
前記歩行ロボットの実加速度を検出する手段と、
前記目標加速度と前記実加速度の加速度偏差を計算する手段と、
上体を立てるように足平のトルク制御を行う倒立振子制御と、足平を路面にならわせるようにトルク制御を行うならい制御と、を行う手段と、
前記加速度偏差に基づいて、前記倒立振子制御によるトルク制御に対して、前記ならい制御によるトルク制御の相対的効きを調整する手段と、を備えた歩行ロボット。
前記ならい制御の調整手段は、前記加速度偏差が大きいときには、ならい制御が弱くなるように、前記ならい制御によるトルク制御のゲインを調整することを特徴とする請求項１記載の歩行ロボット。
前記ならい制御の調整手段は、前記加速度偏差が所定値以上の場合には、ならい制御が弱くなる前記ならい制御よるトルク制御のゲインを設定し、前記加速度偏差が所定値未満の場合には、ならい制御が強くなる前記ならい制御によるトルク制御のゲインを設定することを特徴とする請求項１又は２記載の歩行ロボット。
前記加速度偏差の向きを計算する手段をさらに設け、
前記ならい制御の調整手段は、前記加速度偏差の向きに応じてならい制御を調整することを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の歩行ロボット。
前記歩行ロボットの目標加速度及び実加速度は、胴リンクの目標加速度及び実加速度とすることを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の歩行ロボット。
歩行ロボットの目標加速度を計算するステップと、
前記歩行ロボットの実加速度を検出するステップと、
前記目標加速度と前記実加速度の加速度偏差を計算するステップと、
前記加速度偏差に基づいて、上体を立てるように足平のトルク制御を行う倒立振子制御によるトルク制御に対して、足平を路面にならわせるようにトルク制御を行うならい制御によるトルク制御の相対的効きを調整するステップと、を備えた、歩行ロボットの歩行制御方法。
前記ならい制御の調整ステップでは、前記加速度偏差が大きいときには、ならい制御が弱くなるように、前記ならい制御によるトルク制御のゲインを調整することを特徴とする請求項６記載の、歩行ロボットの歩行制御方法。
前記ならい制御の調整ステップでは、前記加速度偏差が所定値以上の場合には、ならい制御が弱くなる前記ならい制御によるトルク制御のゲインを設定し、前記加速度偏差が所定値未満の場合には、ならい制御が強くなる前記ならい制御によるトルク制御のゲインを設定することを特徴とする請求項６又は７記載の、歩行ロボットの歩行制御方法。
前記加速度偏差の向きを計算するステップをさらに有し、
前記ならい制御の調整ステップでは、前記加速度偏差の向きに応じてならい制御を調整することを特徴とする請求項６〜８いずれかに記載の、歩行ロボットの歩行制御方法。
前記歩行ロボットの目標加速度及び実加速度は、胴リンクの目標加速度及び実加速度とすることを特徴とする請求項６〜９いずれかに記載の、歩行ロボットの歩行制御方法。