JP5962679B2 - 2足歩行ロボット制御方法及び2足歩行ロボット制御システム - Google Patents
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Description
まず、図1を参照して、本実施の形態に係るマスタスレーブ制御システム1の構成について説明する。図1は、本実施の形態に係るマスタスレーブ制御システム1の構成図である。
(1)右足及び左足のそれぞれの加重量
(2)遊脚の足上げ高さ
(3)右足と左足の相対位置姿勢
本実施の形態に係る2足歩行ロボット3は、目標ZMPに基づいて安定的な重心軌道を算出し、算出した重心軌道と目標脚位置姿勢及び目標腰姿勢を実現する各関節角度を算出するリアルタイム動作ができるものとする。また、このような安定化処理を短周期(数十msecレベル)で逐次計算可能な処理系を有するものとする。
続いて、図3を参照して、本実施の形態に係るマスタスレーブ制御システム1の処理について説明する。図3は、本実施の形態に係るマスタスレーブ制御システム1の処理を示すフローチャートである。
ロボット3は、その動作開始時に初期状態へ遷移する(S1)。具体的には、ロボットCPU8は、ロボット3の0点復帰、サーボオン、及び初期姿勢への遷移を実施し、倒立制御及び倣い制御を開始する。
ロボットCPU8は、操作情報を途絶えずに取得できているか否かを判定する(S2)。具体的には、ロボットCPU8は、計測用PC6から操作情報を途絶えずに所定の間隔で受信することができている否かを判定する。操作者の操作情報が取得できていない場合(S2:No)、ロボットCPU8は、後述のS18におけるエラー処理を実施する。
操作者の操作状態は、大別して両脚支持/単脚支持(片足離床)/支持なし(両足離床)の3つの状態に分けられる。ロボットCPU8は、取得した操作状態に基づいて以降の処理によって、操作者の操作状態がそれらの状態のうち、いずれの状態となっているかを判定する。
両脚支持状態であると判定した場合(S3:Yes)、ロボットCPU8は、どちらかの足が離床し、両脚支持状態から単脚支持状態に移行したか否かを判定する(S4)。
操作者の片足が離床し、単脚支持状態であると判定した場合(S4:Yes)、ロボットCPU8は、後述の処理で遊脚の着床時の遊脚位置姿勢を算出するための情報として、S4で離床を判定したタイミング、及び、右足及び左足のどちらが離床されたかを示す情報をロボット3が有する記憶装置(例えばハードディスク又はメモリ等)に保持する(S5)。そして、ロボットCPU8は、後述のS14における目標ZMP算出処理を実施する。この場合、片脚支持状態において目標ZMPの算出が行われることになる。
一方、両脚支持状態でないと判定した場合(S3:No)、ロボットCPU8は、右足及び左足の両方が離床した両足離床状態に移行したか否かを判定する(S6)。
単脚支持状態途中である場合(両脚離床状態でないと判定した場合(S6:No))は、常に、この処理を実施する。ここでは、ロボットCPU8は、計測用PC6から受信した操作情報に基づき、操作者の遊脚の足上げ高さが離床してから最大の高さになっているか否かを判定する。最大の高さとなっている場合、ロボットCPU8は、その高さをロボット3の遊脚軌道の足上げ高さの最大の高さの候補量として記憶装置に保持する(S7)。すなわち、ロボットCPU8は、随時、計測用PC6から受信した操作情報に基づき、新たに受信した操作情報が示す遊脚の足上げ高さと、記憶装置に保持している候補量とを比較する。そして、ロボットCPU8は、新たに導出した遊脚の足上げ高さの方が、記憶部に保持している候補量よりも高い場合には、候補量を新たに導出した遊脚の足上げ高さに更新する。ロボットCPU8は、記憶装置に保持している候補量の方が、新たに導出した遊脚の足上げ高さよりも高い場合には、現在保持している候補量を維持する。これにより、図7に示すように、操作者の遊脚軌道中で最も足を高く上げた時点における高さを検出・保持できるようにしている。このようにして、最終的に候補量として残った足上げ高さの最大値は、後述のS13におけるロボット3の遊脚軌道生成処理においてロボット3の足上げ高さの最大値として利用される。
単脚支持状態において、この判定が毎回実行される。ロボットCPU8は、遊脚が着床したか否かを判定する(S8)。
遊脚が着床したと判定した場合(S8:Yes)、この処理に入る。ロボットCPU8は、保持している離床タイミングと、着床タイミングの差分として、遊脚となっていた時間長(遊脚時間長)を算出する。図8に示すように、操作者が片足を離床して着床するまでの時間を算出することとなる。ロボットCPU8は、算出した遊脚時間長が、適正範囲か否かを判定する(S9)。
遊脚時間長が適正範囲でないと判定した場合(S9:No)、ロボットCPU8は、遊脚時間長が補正可能か否かを判定する(S10)。
遊脚期間長が補正不可能と判定した場合(S10:No)、上述したように短すぎる1歩であり、かつ補正も不可能であるため、ロボットCPU8は、現在の単脚支持状態をキャンセルし、両脚支持状態に変更する。操作者の1歩は無視されることになるが、ロボット3の遊脚軌道はまだ生成していないため、特に処理を施す必要は無く、ロボットCPU8が認識する内部状態を変更するのみ(上述のように認識する操作状態の更新等)でよい。そして、ロボットCPU8は、後述のS14における目標ZMP算出処理を実施する。この場合、両脚支持状態において目標ZMPの算出が行われることになる。
遊脚期間長が補正可能であると判定した場合(S10:Yes)、ロボットCPU8は、遊脚期間長を補正する(S12)。すなわち、ロボットCPU8は、遊脚期間長を上限及び下限の範囲内となるように補正する。具体的には、ロボットCPU8は、遊脚時間長が上限を超えている場合には、遊脚時間長を上限まで短くした時間となるように補正し、遊脚時間長が下限未満となっている場合には、遊脚時間長を下限まで長くした時間となるように補正する。
ロボットCPU8は、S1の処理で事前に設定した予測期間バッファの更新位置で遊脚の踏み出しが終わるように遊脚軌道を生成する。その際、使用するパラメータを以下のように定義し、図10に図示する。
hs:S7で算出した足上げ高さ(スカラー)
T1:操作者の支持脚位置姿勢(同時変換行列)
T2:操作者の着床時の遊脚位置姿勢(同時変換行列)
T3:操作者の支持脚基準での遊脚着床店相対位置姿勢(同時変換行列)
T4:ロボット3の支持脚位置姿勢(同時変換行列)
T5:離床前のロボット3の遊脚位置姿勢(同時変換行列)
T6:着床時のロボット3の遊脚位置姿勢(同時変換行列)
ロボットCPU8は、計測用PC6から受信した操作情報に基づいてロボット3の目標ZMPを、式2によって算出し、ロボット3の予測期間バッファを更新する(S14)。なお、式2におけるfL、fRは、予測期間バッファ更新位置の時点でのロボット3の脚位置となる。
次に、ロボットCPU8は、加重情報が示す右足及び左足の加重量と、予測期間バッファの更新位置での目標脚位置姿勢における右足及び左足の足姿勢に基づいて目標腰姿勢を算出し、予測期間バッファの更新位置に格納する(S15)。ここでは、鉛直方向(Z軸方向)を軸とする回転方向の腰姿勢を算出する。具体的には、操作者が多く加重した足の向きに上肢が向くようにZ軸周りの腰姿勢を、式3によって算出する。
ロボットCPU8は、予見制御又はモデル予測制御を実行し、予測期間の全体にわたって安定な重心軌道を生成する。すなわち、ロボットCPU8は、目標ZMPの予測期間バッファに格納される全ての目標ZMPに基づいて、現在及び未来の目標重心位置を算出する。重心周りのモーメントを考慮し、複数段階で予見制御を実施するようにしてもよい。そして、ロボットCPU8は、算出した重心軌道と、目標脚位置姿勢を満たすように逆運動学を施し、最終的な各関節角度を算出する(S16)。すなわち、ロボットCPU8は、算出した重心軌道と、予測期間バッファの先頭における右足の目標脚位置姿勢、左足の目標脚位置姿勢、及び目標腰姿勢と、に基づいて、現時点でロボット3がとるべき各関節角度を算出する。
ロボットCPU8は、算出した各関節角度を目標角度として各関節に対応するアクチュエータを制御する(S17)。なお、ここで、予測期間バッファの情報は、1制御周期分消費されるので先頭の情報を排除し、新たな情報を最後尾に加える。上述したように、暫定的に予測期間バッファの末端だった情報と同じ情報を加えるようにしてもよい。
本実施の形態では、操作者の両足が離床したり(S6:Yes)、操作情報の取得が途切れたりした場合(S2:No)には、エラーとしてロボット3を安全に停止させる(S18)。その場合、ロボットCPU8は、目標ZMPの軌道を現在のロボット3の両足の中心に戻し、それ以降の遊脚判定及び遊脚軌道生成を行わないようにすればよい。すなわち、ロボットCPU8は、徐々にロボット3の両足の中心に戻るような目標ZMPを順次生成し、予測期間バッファを更新するようにすればよい。また、予測期間バッファは、操作情報の受信が正常復帰した場合、及び、操作者の両足が再度着床したと判定した場合には通常処理の戻してもよい(図3に示す処理を再開してもよい)。
本実施の形態では、図4に示すパターンCのように、予測期間バッファにおける目標値の更新位置を最後尾とせずに中間的な位置とし、それ以降は暫定値を格納するようにしている。また、図11に示すように遊脚軌道生成時には、予測期間バッファの更新位置から先頭に遡った範囲を更新するようにしている。そのため、ロボット3の安定化を処理する予見制御又はモデル予測制御を適用した場合に、安定を保証するための重心軌道が急峻に変化するようなことにならないかという懸念が生じる。
(1.操作者の両足荷重を用いて直観的な操作をすることができる)
本実施の形態では、操作者の右足加重及び左足加重の比に応じてロボット3の目標ZMPを制御するようにしている。言い換えると、操作者の右足加重と左足加重の比を有する加重を、2足歩行ロボット3が生じさせた場合の目標ZMPを算出するようにしている。そのため、図16に示すように、操作者が自己の右足及び左足の加重量によって、ロボット3の右足及び左足の加重量を直観的に操作することができる。例えば、図16に示すように、足元のペダルを踏むと蓋が開く仕組みになっているごみ箱(ペダルペール)を、任意の力でロボット3に踏ませる等の多彩な操作をすることができる。
本実施の形態では、操作者の両足の加重と、遊脚の着床時の両足間の相対位置姿勢を取得できれば、ロボット3を制御することが可能である。よって、例えば特許文献1のようにロボット3の体性感覚を操作者にフィードバックする構成も必要ない。また、操作者の両足の加重と、遊脚の着床時の両足間の相対位置姿勢を計測することができれば、モーションキャプチャ装置やフォースプレートも必ずしも必要ではない。そのため、簡易な構成とすることができる。
本実施の形態では、遊脚の着床のタイミングで遊脚軌道を決定するようにしている。そのため、モーションキャプチャ結果を随時遊脚軌道に反映する制御と比較して、簡便にロボット3の着床位置を制御することができる。また、モーションキャプチャ結果を随時遊脚軌道に反映する制御と比較して、自己干渉回避処理、及び、床面認識結果による着床位置の変更が非常に容易となる。例えば、モーションキャプチャ結果を随時遊脚軌道に反映する制御の場合、ロボット3が自己干渉してしまうような遊脚軌道であっても、操作者の遊脚軌道を忠実に再現するため、ロボット3が自己干渉してしまう場合がある。それに対して、本実施の形態では、操作者の操作として着床位置のみを反映しているため、自己干渉を回避した遊脚軌道を任意に導出することができる。また、例えば、モーションキャプチャ結果を随時遊脚軌道に反映する制御の場合、遊脚が着床するときに着床位置に障害物があることを認識できたとしても、既に操作者の遊脚軌道を忠実に反映した遊脚軌道でロボット3の遊脚が動いているため、着床時に急激な遊脚軌道修正をできず障害物を回避することができない場合がある。それに対して、本実施の形態では、図18に示すように、例えば、ロボット3に周辺の環境を認識することができるセンサ等(例えばカメラ等)を搭載し、操作者の遊脚の着床に応じたロボット3の着床位置に障害物があると認識した場合は、遊脚軌道を一括して修正することができるため、障害物の回避が容易となる。
本実施の形態では、操作者の右足加重及び左足加重の比に応じてロボット3の目標ZMPを制御するようにしている。そのため、操作者が片足を上げるときには支持脚上に完全に目標ZMPが移行していることになる。よって、わざわざ目標ZMPを支持脚上に移行させる遷移期間を設ける必要が無くなり、システムのレスポンスを向上することができる。
本実施の形態では、S13の遊脚軌道生成処理で説明したように、操作者の足の位置姿勢として、遊脚の着床時の支持脚と遊脚の相対位置姿勢に着目している。そのため、遊脚を上げている状態(単脚支持状態)や、両脚支持状態においては、操作者が支持している足を床でスライドさせてもロボット3の動作に何ら影響を与えない。
(1.予測期間バッファ残部の目標ZMPの修正)
上述の説明では、図12にも示すように、予測期間バッファにおいて、目標ZMP軌道の更新位置から末端までのデータは、更新位置と同様の目標ZMPで埋めて使用するようにしていた。しかしながら、以下のようにして実施するようにしてもよい。
(A)更新位置以降の目標ZMPを両足の中心部に徐々に戻すように補正する。
(B)これまでの目標ZMPの軌跡からその先の軌跡を推定し補正する。
上述の説明では、操作者の遊脚の着床時に遊脚軌道を算出し、予測期間バッファを一斉に書き換えるようにしていた。これに対し、随時、操作者の遊脚位置姿勢をロボット3の予測期間バッファの更新位置に反映するようにしてもよい。この場合、多項式補間により遊脚軌道を生成するのではなく、操作者の遊脚の動き通りに、ロボット3の遊脚が動くことになる。遊脚時間長の制約がなくなり、予測期間バッファの先頭に近い位置の遊脚軌道が変更されなくなる点で安定性において若干有効である。しかしながら、操作者の足位置姿勢の計測結果に高周波ノイズが混入するととたんにロボット3の関節の駆動速度が過大となってしまう。また、随時、ロボット3の自己干渉や関節角度リミットを考慮しなければならいないなど、非常に制約も大きくなってしまう。したがって、現状の計算機の能力を考慮しても、上述したように遊脚軌道をまとめて生成する手法の方が、使い勝手が良く、上述したように認識結果に応じた動作をする場合にも有効である。
2 マスタ装置
3 ロボット(スレーブ装置)
4 フォースプレート
5 モーションキャプチャ装置
6 計測用PC
7 マーカー
8 ロボットCPU
Claims (7)
- 2足歩行ロボットの歩行をマスタスレーブ制御する2足歩行ロボット制御方法であって、
操作者の右足及び左足のそれぞれから地面に対して加えられる加重を検出する加重検出ステップと、
前記検出された右足加重及び左足加重と、前記2足歩行ロボットの右足位置及び左足位置とに基づいて、前記検出された右足加重と左足加重の比が、前記2足歩行ロボットの右足加重と左足加重の比となるように目標ZMPを算出する目標ZMP算出ステップと、
前記算出された目標ZMPに従って前記2足歩行ロボットを制御する制御ステップと、
を備えた2足歩行ロボット制御方法。 - 前記2足歩行ロボット制御方法は、さらに、
前記検出された右足加重と左足加重の変化から、前記操作者による一歩を検出する検出ステップと、
前記操作者による一歩が終了したときに検出された右足加重と左足加重から、当該一歩に対応する前記2足歩行ロボットの一歩分の遊脚軌道を算出する遊脚軌道算出ステップと、を備え、
前記制御ステップでは、さらに、前記算出された遊脚軌道で歩行するように前記2足歩行ロボットを制御する、
請求項1に記載の2足歩行ロボット制御方法。 - 前記遊脚軌道算出ステップでは、前記操作者による一歩の遊脚時間に応じたサイズで前記遊脚軌道を示す遊脚軌道情報を生成してバッファに格納し、
前記制御ステップでは、前記バッファに格納された遊脚軌道情報が示す遊脚軌道に従って前記2足歩行ロボットを制御し、
前記2足歩行ロボット制御方法は、さらに、
前記検出された右足加重と左足加重の変化から、前記操作者による一歩の遊脚時間を算出する遊脚時間算出ステップを備え、
前記遊脚軌道算出ステップでは、前記算出された遊脚時間が前記遊脚軌道情報を前記バッファに格納可能な時間の上限を超えている場合、前記遊脚時間を上限におさまる時間に補正してから前記遊脚軌道情報を生成する、
請求項2に記載の2足歩行ロボット制御方法。 - 前記2足歩行ロボット制御方法は、さらに、
前記検出された右足加重と左足加重から、前記操作者による一歩の遊脚時間を算出する遊脚時間算出ステップを備え、
前記遊脚軌道算出ステップでは、前記算出された遊脚時間が、前記2足歩行ロボットが前記操作者による一歩に対応する一歩を再現可能な時間の下限未満となっている場合、当該操作者による一歩の遊脚時間を下限におさまるに時間に補正してから前記遊脚軌道を生成する、
請求項2又は3に記載の2足歩行ロボット制御方法。 - 前記2足歩行ロボット制御方法は、さらに、
前記検出された右足加重と左足加重から、前記操作者による一歩の遊脚時間を算出する遊脚時間算出ステップを備え、
前記遊脚軌道算出ステップでは、前記算出された遊脚時間が、前記2足歩行ロボットが前記操作者による一歩に対応する一歩を再現可能な時間の下限未満となっている場合、当該操作者による一歩を無効とする、
請求項2又は3に記載の2足歩行ロボット制御方法。 - 前記2足歩行ロボット制御方法は、さらに、
前記2足歩行ロボットの右足及び左足のそれぞれの姿勢を、前記検出された右足加重と左足加重のそれぞれからの加重の比に応じて合成した姿勢として、前記2足歩行ロボットの鉛直軸周りの腰姿勢を算出する腰姿勢算出ステップを備え、
前記制御ステップでは、さらに、前記算出された腰姿勢となるように前記2足歩行ロボットを制御する、
請求項1乃至5のいずれか1項に記載の2足歩行ロボット制御方法。 - スレーブとなる2足歩行ロボットの歩行を、マスタとしてマスタスレーブ制御する2足歩行ロボット制御システムであって、
操作者の右足及び左足のそれぞれから地面に対して加えられる加重を検出する加重検出部と、
前記検出された右足加重及び左足加重と、前記2足歩行ロボットの右足位置及び左足位置とに基づいて、前記検出された右足加重と左足加重の比が、前記2足歩行ロボットの右足加重と左足加重の比となるように目標ZMPを算出する目標ZMP算出部と、
前記算出された目標ZMPに従って前記2足歩行ロボットを制御する制御部と、
を備えた2足歩行ロボット制御システム。
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