JP5251253B2 - 脚式歩行ロボットの安定化制御装置 - Google Patents
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図4において、安定化制御器610は歩容生成器600からベース歩容を受け取る。ここで,ベース歩容とは,目標上体位置姿勢軌道,目標足平位置姿勢軌道,目標全床反力中心点軌道,目標全床反力をあわせたものを意味する。さらに安定化制御器610は,各種センサから各種センサ情報を受け取る。ここで,各種センサ情報とは,実各足平床反力,実ロボットの傾きずれ,上体Z方向加速度をあわせたものを意味する。歩容生成器が生成するベース歩容は,ダイナミクスを考慮した動力学シミュレーションや実験による試行錯誤の結果決定された安定な歩容であるが,床面の予期しない凹凸や傾斜があった場合や予期しない外力が加わった場合には必ずしも安定とはならない。安定化制御器610は,このような予期しない外乱があっても安定に歩行を持続するため,各種センサ情報を元に歩容を修正し,修正歩容を逆キネマティクス演算器620に渡す。ここで,修正歩容とは,目標上体位置姿勢軌道と機構変形補償付き修正目標足平位置姿勢軌道をあわせたものを意味する。620は逆キネマティクス演算器であり,ロボットの姿勢が修正歩容で表される姿勢となるような各関節モータの位置指令を逆キネマティクス演算により算出する。安定化制御器610は,目標床反力分配器720,複合コンプライアンス動作決定部730,姿勢安定化制御演算部740,上体Z方向速度制御演算部750からなる。目標床反力分配器720は,目標足平位置姿勢軌道,目標全床反力中心点軌道,目標全床反力から目標各足平床反力中心点および目標各足平床反力を算出する。複合コンプライアンス動作決定部730は,機構変形補償付き修正目標足平位置姿勢軌道を生成する。機構変形補償付き修正目標足平位置姿勢軌道とは,脚構造による弾性変形を考慮して修正目標足平位置姿勢軌道を修正したものである。修正目標足平位置とは,各種センサにより検出された実各足平床反力や実ロボットの傾きずれを補償するように目標足平位置姿勢軌道を修正したものである。実ロボットの傾きずれは,主に両脚補償角によって補償される。ここで,両脚補償角とは,各足平位置を目標ZMPまわりに所定角度回転させる角度である。各足平位置を目標ZMPまわりに両脚補償角だけ回転させることにより両脚支持期の実全床反力中心点を移動させることができ,目標ZMPと実全床反力中心点のずれによる床反力モーメントを得てロボットの姿勢を安定化できる。
特許文献1では、さらに各足平を、それぞれ目標各足平床反力中心点まわりに所定角度回転させることにより実各足平床反力モーメントの絶対値を小さくする制御をしているが、これは主に各足平の接地性を確保するための制御であり,上体の姿勢を安定化する床反力モーメントを得るものではない。特許文献1では、さらに各足平を同位相で平行移動させることにより、実全床反力の力成分も制御している。これは、主にZ方向に大きな加速度を受けた場合に両足平位置を平行移動させることによりその衝撃をやわらげるための制御である。
また、従来の脚式歩行ロボットの安定化制御器は、脚式歩行ロボットの上体の傾斜または回転速度を検出し,指令との偏差が生じた場合には歩容関数の吐き出し速度を操作して安定化しているものもある(例えば、特許文献2参照)。歩容関数の吐き出し速度を変えると重心加速度が変化するため,目標ZMPを動かす効果がある。これにより目標ZMPと実全床反力中心点のずれが生じ,床反力モーメントを得ることができる。
このように、従来の脚式歩行ロボットの安定化制御器は、各足平位置を目標ZMPまわりに所定角度回転させることにより実全床反力中心点をずらすか、歩容関数の吐き出し速度を操作することにより重心加速度を変えて床反力モーメントを得て安定化するのである。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、前後方向と左右方向の安定化制御が互いに影響し合うことなく,足裏の小さいロボットでも前後左右からの外乱に対して高い安定性で動作することができる脚式歩行ロボットの安定化制御器を提供することを目的とする。
また、本発明は、前記重心速度補正量は前記重心加速度補正量の積分値であり、前記安定化制御器は、前記重心加速度補正量から重心速度補正量を算出する積分演算器を備えたとするものである。
また、本発明は、前記重心位置補正量は前記重心速度補正量の積分値であり、前記安定化制御器は、前記重心速度補正量から重心位置補正量を算出する積分演算器を備えたとするものである。
また、本発明は、上体に対する相対的な支持脚足平の加速度を支持脚足平相対加速度とし、前記ベース歩容の前記支持脚足平相対加速度を目標支持脚足平相対加速度とし、前記修正歩容の前記支持脚足平相対加速度を修正目標支持脚足平相対加速度とし、前記安定化制御器は、前記重心加速度補正量を目標支持脚足平相対加速度から減算して修正目標支持脚足平相対加速度を生成することにより所望の前記重心加速度補正量を発生させるとするものである。
また、本発明は、上体に対する相対的な支持脚足平の位置を支持脚足平相対位置とし、前記ベース歩容の前記支持脚足平相対位置を目標支持脚足平相対位置とし、前記修正歩容の前記支持脚足平相対位置を修正目標支持脚足平相対位置とし、前記安定化制御器は、2つの積分演算器を備え、前記重心加速度補正量の2階積分値を目標支持脚足平相対位置から減算することで修正目標支持脚足平相対位置を生成するとするものである。
次に,図2を用いて安定化レギュレータの演算内容とその導出の根拠を以下に説明する。図2は,平坦な路面を歩行中の脚式歩行ロボットを右からみた図である。21はロボットの上体,22は脚構造,23は支持脚足平,24は遊脚足平である。それぞれ簡単のため単純化して図示しているが,脚構造は実際には多数の関節を備え,上体と足平との相対位置や相対角度を変えることができる。重量mのロボットは,重力加速度gによる重力mgを重心位置に受ける。脚構造や足平が上体に比べて軽い場合,重心位置は上体の中のある固定点と置き換えて考えてもよい。また,床面からは垂直成分fz,水平成分fxの反力を受けているとする。このとき,fxとfzの合成ベクトルの向きで,重心を通る直線を引き,路面と交わった点が目標ZMPである。実床反力中心点が常に目標ZMPと一致していれば,ロボットは回転しない。しかし,実際には,予期しない路面の凹凸や外力などによりモーメントが発生し,ロボットは回転し,上体が傾斜する。
重心まわりの慣性モーメントをIy,上体のピッチ傾斜角をθy,絶対座標重心位置を(xCOG,zCOG),絶対座標目標ZMPを(xZMP,0)とおく。このとき,以下の式で表される運動方程式が成り立つ。
本発明が従来技術と異なる部分は、水平方向重心加速度を操作量とし,上体傾斜角,上体傾斜角速度,重心位置補正量,重心速度補正量の4つを状態変数としてレギュレータにより安定化制御を実現している部分である。水平方向重心加速度を操作量とすることにより,足首角度を操作量とする場合に比べ大きな復元モーメントを得ることができる。また,その際,従来技術のように前後方向と左右方向の安定化制御が互いに影響しないため,レギュレータにより計8つの状態変数を同時に安定的に0に収束させることができる。仮に,姿勢を安定化するために単純に重心加速度を操作したとすれば,その加速度により重心の位置はベース歩容とかけ離れた位置になってしまう。本発明では,安定化レギュレータを用いることにより,重心位置のベース歩容からの偏差と,姿勢の傾斜角とを同時に0に収束させることができる。
本発明が従来技術と異なる部分は、水平方向支持脚足平相対加速度を操作量とし,上体傾斜角,上体傾斜角速度,ZMP相対位置偏差,ZMP相対速度偏差の4つを状態変数としてレギュレータにより安定化制御を実現している部分である。ZMP相対位置偏差,ZMP相対速度偏差は,それぞれ重心位置補正量,重心速度補正量の符号を反転したものとみなしても技術的にはほぼ等価である。また,ZMPを支持脚足平と置き換えても等価である。水平方向支持脚足平相対加速度を操作量とすることにより,足首角度を操作量とする場合に比べ大きな復元モーメントを得ることができる。また,その際,従来技術のように前後方向と左右方向の安定化制御が互いに影響しないため,レギュレータにより計8つの状態変数を同時に安定的に0に収束させることができる。
12 積分演算器
13 積分演算器
21 上体
22 脚構造
23 支持脚足平
24 遊脚足平
25 路面
600 歩容生成器
610 安定化制御器
620 逆キネマティクス演算器
630 モータ位置制御器
660 モータおよび脚構造
670 エンコーダ
680 各種センサ
720 目標床反力分配器
730 複合コンプライアンス動作決定部
740 姿勢安定化制御演算部
750 上体Z方向速度制御演算部
Claims (5)
- 脚構造と、
前記脚構造を動作させるための複数のアクチュエータと、
前記アクチュエータの位置を検出してアクチュエータ位置情報を生成するためのエンコーダと、
ベースとなる動作パターンであるベース歩容を生成する歩容生成器と、
姿勢または外力または環境情報のうちのいずれかまたはすべてを含む各種状態量を検出して各種センサ情報を生成する各種センサと、
前記各種センサ情報を元に前記歩容生成器から出力される前記ベース歩容を修正した修正歩容を生成する安定化制御器と、
前記修正歩容をもとに前記複数のアクチュエータそれぞれに対する位置指令を生成する逆キネマティクス演算器と、
前記アクチュエータ位置指令通りにアクチュエータを動作させるためのアクチュエータ位置制御器と、を備えた脚式歩行ロボットの制御装置において、
前記各種センサは、少なくとも上体傾斜角を検出する傾斜センサと上体傾斜角速度を検出する傾斜角速度センサとを備え、
前記安定化制御器は、前後方向と左右方向のそれぞれについて、少なくとも前記上体傾斜角と、前記上体傾斜角速度と、ベース歩容の重心位置からの重心位置補正量と、ベース歩容の重心速度からの重心速度補正量と、を状態変数とし、重心加速度補正量を操作量とした状態フィードバックで構成されるレギュレータを備え、
前記安定化制御器は、前後方向と左右方向のそれぞれについて、前記4つの状態変数が0に収束するように前記重心加速度補正量を決定する
ことを特徴とする脚式歩行ロボットの制御装置。 - 前記重心速度補正量は前記重心加速度補正量の積分値であり、
前記安定化制御器は、前記重心加速度補正量から重心速度補正量を算出する積分演算器を備えた
ことを特徴とする請求項1記載の脚式歩行ロボットの制御装置。 - 前記重心位置補正量は前記重心速度補正量の積分値であり、
前記安定化制御器は、前記重心速度補正量から重心位置補正量を算出する積分演算器を備えた
ことを特徴とする請求項1または2記載の脚式歩行ロボットの制御装置。 - 上体に対する相対的な支持脚足平の加速度を支持脚足平相対加速度とし、
前記ベース歩容の前記支持脚足平相対加速度を目標支持脚足平相対加速度とし、
前記修正歩容の前記支持脚足平相対加速度を修正目標支持脚足平相対加速度とし、
前記安定化制御器は、前記重心加速度補正量を目標支持脚足平相対加速度から減算して修正目標支持脚足平相対加速度を生成することにより所望の前記重心加速度補正量を発生させる
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の脚式歩行ロボットの制御装置。 - 上体に対する相対的な支持脚足平の位置を支持脚足平相対位置とし、
前記ベース歩容の前記支持脚足平相対位置を目標支持脚足平相対位置とし、
前記修正歩容の前記支持脚足平相対位置を修正目標支持脚足平相対位置とし、
前記安定化制御器は、2つの積分演算器を備え、前記重心加速度補正量の2階積分値を目標支持脚足平相対位置から減算することで修正目標支持脚足平相対位置を生成する
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の脚式歩行ロボットの制御装置。
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