JP5959283B2 - 歩行ロボットの反発力測定モジュール及びその測定方法 - Google Patents

Description

本発明は歩行ロボットの反発力測定モジュール及びその測定方法に係り、ロボットの歩行制御に必要なゼロモーメントポイント（ＺＭＰ、Ｚｅｒｏ Ｍｏｍｅｎｔ Ｐｏｉｎｔ）計算とバランス制御に必要な地面反発力の測定のための安価なセンサーモジュールを利用した歩行ロボットの反発力測定モジュール及びその測定方法に関する。

二本足で歩く二足歩行ロボット又は多足歩行ロボットの場合において、ロボットの姿勢制御、バランス制御のためにはリアルタイムで地面反発力（ＧＲＦ； Ｇｒｏｕｎｄ Ｒｅａｃｔｉｏｎ Ｆｏｒｃｅ）の測定及びフィードバックが必要である。
このために、既存のロボットに使用される地面反発力（ＧＲＦ、Ｇｒｏｕｎｄ Ｒｅａｃｔｉｏｎ Ｆｏｒｃｅ）測定センサーモジュールは、高価な６軸Ｆ／Ｔセンサー（Ｆｏｒｃｅ／Ｔｏｒｑｕｅ Ｓｅｎｓｏｒ）を利用した方法と、荷重センサー（ＦＳＲ：Ｆｏｒｃｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｒｅｓｉｓｔｅｒ）及び歪みセンサー（ストレインゲージ）等を利用した方法等が大部分である（例えば、特許文献１〜３参照）。
前者のＦ／Ｔセンサーの場合、３軸の力と３軸のモーメントを同時に測定することにより地面反発力を比較的正確に測定することができるが、相当に高価なセンサーであり、実用化の可能性が少ない。

一方、後者のＦＳＲセンサーの場合、垂直方向の１軸の力しか測定することができないため、Ｆ／Ｔセンサーに比べ十分な情報が得られないという短所がある。
このため、安価なＦＳＲセンサーを利用しながらも、Ｆ／Ｔセンサーを利用する場合と同様、多軸の地面反発力（Ｆｘ、Ｆｙ、Ｆｚ）を測定することができるセンサーモジュールの開発が求められていた。

特開平０６−１９８５８２号公報 特開２０００−１７６８６６号公報 特開２００９−２９１９３２号公報

本発明は上記の問題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、ロボットの歩行制御に必要な地面反発力を測定するための安価な歩行ロボットの反発力測定モジュール及びその測定方法を提供することにある。

上記目的を達成するためになされた本発明の歩行ロボットの反発力測定モジュールは、ベースフレーム、ベースフレームに設けられ、一定角度の傾斜面を有する複数の側面と水平方向に形成された上面で構成された複数の設置部、設置部の側面と上面にそれぞれ設けられた１軸フォース（Ｆｏｒｃｅ）センサー、及び１軸フォースセンサーの測定データから設置部毎にそれぞれの合力を計算し、設置部毎の合力を総合して地面反発力（ＧＲＦ、Ｇｒｏｕｎｄ Ｒｅａｃｔｉｏｎ Ｆｏｒｃｅ）を計算する制御部、を含むことを特徴とする。

ベースフレームの上方には、複数の設置部の１軸フォースセンサーとすべて面接触するように形成されたハウジングが結合されたことを特徴とする。
設置部は、ピラミッド状の４つの側面と１つの上面で構成されたことを特徴とする。
１軸フォースセンサーはＦＳＲ（Ｆｏｒｃｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｒｅｓｉｓｔｅｒ）方式の１軸センサーであることを特徴とする。
ベースフレームには、直角に配列された４つの設置部が設けられたことを特徴とする。
ベースフレームは、歩行ロボット下肢の下端部に設置されたことを特徴とする。
制御部は、設置部上面の１軸フォースセンサーの測定データから設置部それぞれの垂直抗力を収集し、これを総合してゼロモーメントポイント（ＺＭＰ、Ｚｅｒｏ Ｍｏｍｅｎｔ Ｐｏｉｎｔ）を計算することを特徴とする。

一方、請求項１乃至７に記載の歩行ロボットの反発力測定モジュールを利用した反発力測定方法は、１軸フォースセンサーの測定データを収集する収集段階、収集された測定データから設置部それぞれの合力を計算する個別計算段階、及び設置部それぞれの合力を総合して地面反発力（ＧＲＦ、Ｇｒｏｕｎｄ Ｒｅａｃｔｉｏｎ Ｆｏｒｃｅ）を計算する総合計算段階、を含むことを特徴とする。
総合計算段階は、収集された測定データから設置部上面の測定データを収集する一部収集段階、及び設置部上面の測定データを総合してゼロモーメントポイント（ＺＭＰ、Ｚｅｒｏ Ｍｏｍｅｎｔ Ｐｏｉｎｔ）を計算する一部計算段階、をさらに含むことを特徴とする。

本発明の歩行ロボットの反発力測定モジュール及びその測定方法によると、安価なセンサーモジュールを利用して二足歩行ロボットの歩行時に発生する３次元の地面反発力を測定することができ、これを利用してゼロモーメントポイントを計算することができる。
また、モジュール化されたセンサーを通じて二足ロボットの歩行状態（両足支持、片足支持等）を判別することができ、地面反発力とゼロモーメントポイントを歩行ロボットにおける姿勢制御及びバランス制御に利用することができる。

本発明の一実施例による歩行ロボットの反発力測定モジュールの斜視図である。 図１に示した歩行ロボットの反発力測定モジュールにおいて、地面反発力を測定する過程を示す図面である。 図１に示した歩行ロボットの反発力測定モジュールにおいて、ゼロモーメントポイントを測定する過程を示す図面である。 本発明の一実施例による歩行ロボットの反発力測定方法の順序図である。

以下に添付した図面を参照して本発明の望ましい実施例による歩行ロボットの反発力測定モジュール及びその測定方法について詳しく説明する。

図１は、本発明の一実施例による歩行ロボットの反発力測定モジュールの斜視図である。
本発明の歩行ロボットの反発力測定モジュールは、ベースフレーム１００、ベースフレーム１００に設けられ、一定角度の傾斜面で構成された複数の側面３２０と水平方向に形成された１つの上面３４０で構成された複数の設置部３００、設置部３００の側面３２０と上面３４０にそれぞれ設けられた１軸フォース（Ｆｏｒｃｅ）センサー５００、及び１軸フォースセンサー５００の測定データから各設置部３００における合力を計算し、設置部３００毎の合力を総合して地面反発力（ＧＲＦ、Ｇｒｏｕｎｄ Ｒｅａｃｔｉｏｎ Ｆｏｒｃｅ）を計算する制御部６００、を含む。

ここで、ベースフレーム１００は、歩行ロボット各下肢の下端部にそれぞれ設置される。これにより歩行ロボットの足に作用する地面反発力とゼロモーメントポイントを計算することができる。ベースフレーム１００にかかる地面反発力とゼロモーメントポイントを利用することによりロボットは安定的な歩行をすることができるように制御される。具体的に、ベースフレーム１００を含む本発明の歩行ロボットの反発力測定モジュールは、ロボットの足の裏や足首の関節等に設置される。

一方、ベースフレーム１００は、一つのパネルで構成されるか、又は図１に示した実施例のとおり四分割されたパネルから構成され、それぞれのパネル又は地点に設置部３００が設置される。
設置部３００は、センサーが装着されるベースの役割をするものであり、一定角度の傾斜面で構成された複数の側面３２０と水平方向に形成された１つの上面３４０とで構成されてベースフレーム１００に複数個が設けられる。
そして、設置部３００の側面３２０と上面３４０にはそれぞれ１軸フォース（Ｆｏｒｃｅ）センサー５００が設けられる。

制御部６００は、複数の１軸フォースセンサー５００の測定データの送信をすべて受信し、測定データから設置部３００毎に合力を計算し、設置部３００毎の合力を総合して地面反発力（ＧＲＦ、Ｇｒｏｕｎｄ Ｒｅａｃｔｉｏｎ Ｆｏｒｃｅ）を計算する。
すなわち、設置部３００に設置された１軸フォースセンサー５００は、１軸だけの力を測定する低廉型センサーであり、上面３４０又は側面３２０に垂直方向の力のみを測定する。

図２は図１に示した歩行ロボットの反発力測定モジュールにおいて、地面反発力を測定する過程を示す図面である。図示したとおり、設置部の上面３４０の１軸フォースセンサー５００では上面３４０に垂直の力（ｆ１）を測定し、同時に側面３２０では側方の力（ｆ２）を測定する。ｆ２は、１軸フォースセンサーの特性上、側面３２０に垂直な方向の力として測定される。側面３２０の傾いた角度は分かっているので、ｆ１とｆ２の合力（ｆ３）を知ることができる。具体的な合力（ｆ３）を求める方式は、下の数式を利用することができる。下記数式１では、例として側面の傾き角度をπ／４として示した。

数式１と図２に示したとおり、ｆ１とｆ２そして側面３２０の傾き角度が分かっているので、ｆ１からｆ２に向かうｐ方向の力を知ることができる。そしてｐ方向の力を通じてｐ方向の力とｆ１とがなす角度ξを知ることができ、角度ξを通じて角度η（＝９０−ξ）及び、ｆ２からｆ３に向かうｑ方向の力を知ることができるのである。そして最終的にｆ２とｐ方向の力の合力を計算して最終合力（ｆ３）を算出する。それぞれの設置部３００で計算される合力は、このような方式の三角関数を利用して計算され、その設置部３００毎の合力は再び三角関数によって統合された一つの地面反発力（ＧＲＦ、Ｇｒｏｕｎｄ Ｒｅａｃｔｉｏｎ Ｆｏｒｃｅ）として計算される。このようにして求められた地面反発力は、ベースフレーム全体にかかった一つの代表的な力と理解される。

一方、ベースフレーム１００の上方には複数の設置部３００の１軸フォースセンサー５００とすべて面接触して形成されたハウジング２００が結合される。すなわち、図１は、ハウジング２００が設置部３００とベースフレーム１００を覆った状態で内部の構成を透視した図面である。図示したとおりベースフレーム１００には複数の設置部３００が設置され、その上方をハウジング２００が覆う。ハウジング２００の内部には設置部３００の外面に接してレイアウトされる窪みが形成され、ハウジング２００の内面と設置部３００の外面が面接触をなして構成される。

具体的には、ハウジング２００と設置部３００各面の１軸フォースセンサー５００が面接触をなすのであり、これによってハウジング２００が受ける荷重は設置部３００各面の１軸フォースセンサー５００に伝達されて感知される。
また、設置部３００は、ピラミッド状の４つの側面３２０と１つの上面３４０で構成される。そして、１軸フォースセンサー５００はＦＳＲ（Ｆｏｒｃｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｒｅｓｉｓｔｅｒ）方式の１軸センサーで構成される。ＦＳＲセンサーは電気抵抗を利用したセンサーであり、１軸の荷重のみを感知することができ、安価に入手することができる。１軸フォースセンサー５００は、本発明の構成において、低価型ロボットに最適に使用可能なため採用された。
１軸フォースセンサー５００は、ベースとなる設置部３００の上面３４０及び側面３２０の各々に配置される。
図１に示したとおりベースフレーム１００には直角に配列された４つの設置部３００を設けてベースフレーム１００にかかる地面反発力を求めることができる。

一方、制御部６００は設置部上面３４０の１軸フォースセンサー５００の測定データから設置部３００それぞれの垂直抗力（Ｎ_１〜Ｎ_４）を収集し、これを総合してゼロモーメントポイント（ＺＭＰ、Ｚｅｒｏ Ｍｏｍｅｎｔ Ｐｏｉｎｔ）を計算することができる。ここで、垂直抗力（Ｎ_１〜Ｎ_４）は各設置部３００における上面３４０に垂直な力（ｆ１）に相当する。図３は図１に示した歩行ロボットの反発力測定モジュールにおいて、ゼロモーメントポイントを測定する過程を示す図面である。図示したとおり、設置部上面３４０の１軸フォースセンサー５００は垂直抗力（Ｎ_１〜Ｎ_４）を感知するものであり、一定の任意の地点を原点として選定し、その原点からそれぞれの４つの垂直抗力（Ｎ_１〜Ｎ_４）に対してモーメントの和が０になる地点を計算する。モーメントの和が０になる地点がすなわちゼロモーメントポイント（ＺＭＰ、Ｚｅｒｏ Ｍｏｍｅｎｔ Ｐｏｉｎｔ）である。よって、本発明の歩行ロボットの反発力測定モジュールによると、地面反発力とゼロモーメントポイントを求めることができ、このような数値はロボット歩行の安全性を制御するのに有効に使用される。

図４は、本発明の一実施例による歩行ロボットの反発力測定方法の順序図である。
本発明の歩行ロボットの反発力測定モジュールを利用した反発力測定方法は、１軸フォースセンサーの測定データを収集する収集段階（Ｓ１００）、収集された測定データから設置部それぞれの合力を計算する個別計算段階（Ｓ２００）、及び設置部それぞれの合力を総合して地面反発力（ＧＲＦ、Ｇｒｏｕｎｄ Ｒｅａｃｔｉｏｎ Ｆｏｒｃｅ）を計算する総合計算段階（Ｓ３００）を含む。
そして、総合計算段階（Ｓ３００）は、収集された測定データから設置部上面の測定データを収集する一部収集段階（Ｓ４００）及び設置部上面の測定データを総合してゼロモーメントポイント（ＺＭＰ、Ｚｅｒｏ Ｍｏｍｅｎｔ Ｐｏｉｎｔ）を計算する一部計算段階（Ｓ５００）をさらに含んでゼロモーメントポイントもまた計算することができるのである。

上記の歩行ロボットの反発力測定モジュール及びその測定方法によると、安価なセンサーモジュールを利用して二足歩行ロボットの歩行時に発生する３次元の地面反発力を獲得することができ、これを利用してゼロモーメントポイントを計算することができる。
また、モジュール化されたセンサーを通じて二足ロボットの歩行状態（両足支持、片足支持等）を判別することができる。また、この地面反発力とゼロモーメントポイントは歩行ロボットにおける姿勢制御及びバランス制御に活用が可能である。

本発明の権利は、上述した実施例に限定されず、請求の範囲に記載の内容によって定義され、本発明の分野における通常の知識を有する者が、請求の範囲に記載された権利範囲内で様々な変形と改作を行うことができることは自明である。

１００： ベースフレーム
２００： ハウジング
３００： 設置部
３２０： 側面
３４０： 上面
５００： １軸フォースセンサー
６００： 制御部
ｆ１： 上面に垂直な力
ｆ２： 側面に垂直な力
ｆ３： ｆ１とｆ２の合力
Ｎ_１〜Ｎ_４：垂直抗力
ｐ： ｆ１からｆ２に向かう力
ｑ： ｆ２からｆ３に向かう力
ξ： （ｆ１とｐ方向がなす）角度
η： （水平面とｐ方向がなす）角度
Ｘ，Ｙ，Ｚ： 軸
ＺＭＰ： ゼロモーメントポイント

Claims (7)

1. ベースフレーム、
   前記ベースフレームに設けられ、一定角度の傾斜面を有する複数の側面と水平方向に形成された上面で構成された複数の設置部、
   前記設置部の側面と上面にそれぞれ設けられた１軸フォース（Ｆｏｒｃｅ）センサー、及び
   前記１軸フォースセンサーの測定データから設置部毎にそれぞれの合力を計算し、設置部毎の合力を総合して地面反発力（ＧＲＦ、Ｇｒｏｕｎｄ Ｒｅａｃｔｉｏｎ Ｆｏｒｃｅ）を計算する制御部、を含む歩行ロボットの反発力測定モジュールであって、
   前記ベースフレームの上方には、前記複数の設置部の前記１軸フォースセンサーとすべて面接触するように形成されたハウジングが結合されたことを特徴とする歩行ロボットの反発力測定モジュール。
2. 前記設置部は、ピラミッド状の４つの側面と１つの上面で構成されたことを特徴とする請求項１に記載の歩行ロボットの反発力測定モジュール。
3. 前記１軸フォースセンサーは、ＦＳＲ（Ｆｏｒｃｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｒｅｓｉｓｔｅｒ）方式の１軸センサーであることを特徴とする請求項１に記載の歩行ロボットの反発力測定モジュール。
4. 前記ベースフレームには、直角に配列された４つの設置部が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の歩行ロボットの反発力測定モジュール。
5. 前記ベースフレームは、歩行ロボット下肢の下端部に設置されたことを特徴とする請求項１に記載の歩行ロボットの反発力測定モジュール。
6. 前記制御部は、設置部上面の１軸フォースセンサーの測定データから設置部それぞれの垂直抗力を収集し、これを総合してゼロモーメントポイント（ＺＭＰ、Ｚｅｒｏ Ｍｏｍｅｎｔ Ｐｏｉｎｔ）を計算することを特徴とする請求項１に記載の歩行ロボットの反発力測定モジュール。
7. 請求項１乃至６に記載の歩行ロボットの反発力測定モジュールを利用した反発力測定方法であって、
   前記１軸フォースセンサーの測定データを収集する収集段階、
   前記収集された測定データから設置部それぞれの合力を計算する個別計算段階、及び
   前記設置部それぞれの合力を総合して地面反発力（ＧＲＦ、Ｇｒｏｕｎｄ Ｒｅａｃｔｉｏｎ Ｆｏｒｃｅ）を計算する総合計算段階、を含み、
   前記総合計算段階は、
   前記収集された測定データから設置部上面の測定データを収集する一部収集段階、及び
   前記設置部上面の測定データを総合してゼロモーメントポイント（ＺＭＰ、Ｚｅｒｏ Ｍｏｍｅｎｔ Ｐｏｉｎｔ）を計算する一部計算段階、をさらに含むことを特徴とする歩行ロボットの反発力測定方法。

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