JP5975735B2 - ロボット及びその制御方法 - Google Patents
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Description
前記ポーズ角度及び前記複数の関節部の角度に基づいて現在のヒップ高さをさらに獲得し、前記補償力算出部は、前記現在のキャプチャポイントと前記目標キャプチャポイントとを比較してキャプチャポイントエラーを算出し、前記現在のヒップ高さと目標ヒップ高さとを比較してヒップ高さエラーを算出し、前記キャプチャポイントエラーとヒップ高さエラーに基づいて補償力を算出することができる。
前記ロボットは、前記ロボットの重心が地面に投影された点と前記各脚に連結された足との間の距離の比率を算出し、前記算出された距離の比率を用いて、前記ロボットの重心が前記地面に投影された点からより近い脚に、より大きい比率の上体質量を割り当てる重量分配部をさらに含むことができる。
前記重力補償トルクを算出することは、前記第1の仮想重力に対する重力補償トルク及び前記第2の仮想重力に対する重力補償トルクを算出し、前記ロボットのFSMの状態によって、第1の仮想重力に対する重力補償トルク及び第2の仮想重力に対する重力補償トルクの比重を調節して、前記ロボットの関節部に提供される重力補償トルクを算出することを含むことができる。
CPは、キャプチャポイントの位置を表し、dCOGは、重心(COG)の位置を表し、vCOGは、重心の速度を表す。wは、w=√(h/g)を計算して求めることができ、ここで、hは、重心の地面からの高さで、gは重力加速度である。2次元水平面のキャプチャポイントは、上記で算出した3次元のキャプチャポイントの(x、y、z)成分のうち(x、y)成分のみを取って求められる。
ここで、gfは、仮想重力を表し、fは、補償力算出部350で算出した補償力を表し、mは、ロボットの質量を表す。ロボットのFSMの状態による仮想重力については後述する。
e1は,目標キャプチャポイントと現在のキャプチャポイントとの間の差を表す座標であって、e1=(x’、y’)-(x、y)で表すことができ、f1=(fx、fy)になる。(x’、y’)は、目標設定部320で設定した目標キャプチャポイントの位置座標で、前述したように、ロボット100の現在のFSMの状態によって、目標キャプチャポイントの位置が変わる。(x、y)は、運動学計算部310で計算した現在のキャプチャポイントの位置座標である。
ここで、τは、特定関節の重力補償トルクを表し、aとbは、0から1の間の値を持つ実数で、aとbの値を調節して、ロボット100のFSMの状態に合わせて各関節に対する重力補償トルクを計算する。
WR=1−WL (6)
ここで、WLは、左脚110Lにかかる重量の比率であり、WRは、右脚110Rにかかる重量の比率である。重量分配部380は、ペルヴィス16とトランク102の質量に、WLが乗算された分だけの重量を左脚110Lにかけ、WRが乗算された分だけの重量を右脚110Rにかけるものとする。
k1は、仮想のスプリング定数を表し、e3は、ポーズ検出部302で測定した回転角度と目標回転角度との間の差を表す。
ここで、WL=dR/(dR+dL)、WR=1−WLで、dL、dRは、重心の投影点と二つの足との間の距離である。
ここで、τ3、L、τ3、Rはそれぞれ、左右の脚の第3の目標トルクを表し、dは、ダンピング係数、wは、関節の角速度を表す。便宜上、第3の目標トルクを左、右に関するものに区分したが、第2の目標トルクが各関節ごとに計算されるので、第3の目標トルクも各関節に対して計算される。
CPは、キャプチャポイントを表し、dCOGは、重心を表し、vCOGは、重心の速度を表す。wは、w=√(h/g)を計算して求めることができ、ここで、hは、重心の地面からの高さで、gは重力加速度である。キャプチャポイントを2次元水平面(あるいは地面)に制限する場合、数学式(1)で求めたCPの座標(x、y、z)から(x、y)のみを取って、地面上の2次元キャプチャポイントを求めることもできる。
eは、目標キャプチャポイントと現在のキャプチャポイントとの間の差を表す座標で、e=(x’、y’、z’)-(x、y、z)で表すことができ、(x’、y’、z’)は、目標キャプチャポイントの位置座標で、(x、y、z)は、現在のキャプチャポイントの位置座標である。kは、仮想のスプリング定数を表す。
k1は、仮想のスプリング定数を表し、e1は、IMUで測定したポーズ角度と目標ポーズ角度との間の差を表す。
ここで、gfは、第1の仮想重力を表し、fは、補償力算出部350で算出した補償力を表し、mは、ロボットの質量を表す。
WL=dR/(dR+dL)
WR=1−WL (6)
ここで、WLは、左脚にかかる重量の比率を表し、WRは、右脚にかかる重量の比率を表す。ペルヴィスリンクとトランクの質量に、WLを乗算した分だけの質量が左脚にかかり、WRを乗算した分だけの質量が右脚にかかる。ロボットが、図7のように、右に傾いた姿勢を取る場合、右脚により多くの重量がかかることになる。
ここで、τ3、L、τ3、Rはそれぞれ、左右の脚110L、110Rの第3の目標トルクを表し、dは、ダンピング係数、wは、関節の角速度を表す。
310 運動学計算部
320 目標設定部
330 有限状態機械制御部
340 補償モーメント算出部
350 補償力算出部
360 仮想重力設定部
390 重力補償トルク算出部
Claims (38)
- 複数の関節部がそれぞれ設けられた複数の脚と、前記脚に連結された上体とを有し、複数の自由度を有するロボットにおいて、
前記ロボットの状態情報を測定するセンサ部と、
前記センサ部で測定された状態情報を用いて、前記ロボットの現在の姿勢を獲得する運動学計算部、
前記ロボットの歩行動作についての有限状態機械(FSM)に基づいて、前記複数の自由度のうち少なくとも一つの自由度に対して目標姿勢を設定する目標設定部と、
前記現在の姿勢と目標姿勢とを比較して姿勢誤差を算出し、前記姿勢誤差に基づいて前記少なくとも一つの自由度に対して補償力を算出する補償力算出部と、
前記算出された補償力と前記ロボットの質量に基づいて得られる前記複数の関節部に必要な第1の仮想重力の大きさ、及び前記ロボットの現在のFSMの状態によって前記複数の関節部に必要な第2の仮想重力の大きさを設定する仮想重力設定部と、
前記仮想重力設定部で設定された第1の仮想重力と第2の仮想重力を補償するための重力補償トルクを算出する重力補償トルク算出部と、
前記複数の関節部に前記重力補償トルクを出力するサーボ制御部と、を含むロボット。 - 前記センサ部は、
前記上体のポーズ角度を検出するポーズ検出部と、
前記複数の関節部の角度を検出する角度検出部とを含む、請求項1に記載のロボット。 - 前記運動学計算部は、
前記上体のポーズ角度及び複数の関節部の角度に基づいて重心を算出し、前記重心に基づいて前記現在の姿勢を獲得する、請求項2に記載のロボット。 - 前記運動学計算部は、
前記上体のポーズ角度及び複数の関節部の角度に基づいて重心の位置と速度を算出し、前記重心の位置と速度に基づいて現在のキャプチャポイントを算出することによって、前記現在の姿勢を獲得する、請求項2に記載のロボット。 - 前記運動学計算部は、
前記上体のポーズ角度及び前記複数の関節部の角度に基づいてヒップや上体の参照点の位置を獲得し、前記参照点の位置に基づいて前記現在の姿勢を獲得する、請求項2に記載のロボット。 - 前記目標設定部は、
前記少なくとも一つの自由度に対して目標重心を設定し、
前記目標重心を用いて前記目標姿勢を設定する、請求項3に記載のロボット。 - 前記目標設定部は、
前記少なくとも一つの自由度に対して目標キャプチャポイントを設定し、
前記目標キャプチャポイントを用いて前記目標姿勢を設定する、請求項4に記載のロボット。 - 前記目標設定部は、
前記複数の脚に設けられた足の支持領域内の一点が重力方向に通る線上の一点を目標キャプチャポイントとして設定する、請求項7に記載のロボット。 - 前記目標設定部は、
前記少なくとも一つの自由度に対して前記ロボットのヒップや上体の参照点の目標位置を設定し、前記参照点の目標位置に基づいて前記目標姿勢を設定する、請求項5に記載のロボット。 - 前記運動学計算部は、
前記ポーズ角度及び前記複数の関節部の角度に基づいて現在のヒップ高さをさらに獲得し、
前記補償力算出部は、
前記現在のキャプチャポイントと前記目標キャプチャポイントとを比較してキャプチャポイント誤差を算出し、前記現在のヒップ高さと目標ヒップ高さとを比較してヒップ高さ誤差を算出し、前記キャプチャポイント誤差とヒップ高さ誤差に基づいて補償力を算出する、請求項7に記載のロボット。 - 前記補償力算出部は、
前記キャプチャポイント誤差を用いて水平方向の補償力を算出し、前記ヒップ高さ誤差を用いて垂直方向の補償力を算出する、請求項10に記載のロボット。 - 前記ポーズ検出部で検出するポーズ角度は、
前記ロボットのペルヴィスリンクのロール方向(roll、X軸回転)、ピッチ方向(pitch、Y軸回転)、ヨー方向(yaw、Z軸回転)の回転角度のうち少なくとも一つを含み、
前記複数の関節部のトルクを測定する関節トルク検出部をさらに含む、請求項2に記載のロボット。 - 前記運動学計算部は、
前記ロボットの現在の重心の位置、速度及びヒップ高さを計算し、前記重心の位置及び速度を合成して、前記ロボットの現在のキャプチャポイントの位置を計算する、請求項12に記載のロボット。 - 前記ロボットの有限状態機械(FSM)を予め格納し、前記ロボットの現在のFSMの状態を判断し、前記ロボットがFSMの状態遷移の条件を満足するか否かによって、次のFSMの状態に遷移するように制御するFSM制御部をさらに含む、請求項13に記載のロボット。
- 前記目標設定部は、
前記ロボットの現在のFSMの状態による目標キャプチャポイント、前記ロボットの上体の姿勢制御のための目標ポーズ角度、及び前記ロボットの目標ヒップ高さを設定する、請求項14に記載のロボット。 - 前記センサ部で測定したポーズ角度と、前記目標設定部で設定した目標ポーズ角度との間の差を用いて、前記目標ポーズ角度に到達するために補償しなければならない補償モーメントを算出する補償モーメント算出部をさらに含む、請求項5に記載のロボット。
- 前記補償力算出部は、
前記運動学計算部で計算した前記ロボットの現在のキャプチャポイントのx方向の位置及びy方向の位置と、前記目標設定部で設定した目標キャプチャポイントのx方向の位置及びy方向の位置との間の差を用いて、x方向及びy方向の補償力を算出し、前記運動学計算部で計算した前記ロボットの現在のヒップ高さと、前記目標設定部で設定した目標ヒップ高さとの間の差を用いて、z軸方向の補償力を算出する、請求項15に記載のロボット。 - 前記仮想重力設定部は、
前記ロボットのFSMの現在の状態による仮想重力、及び前記補償力算出部で算出した補償力による仮想重力の大きさを設定する、請求項16に記載のロボット。 - 前記仮想重力設定部は、
前記ロボットの質量をmとし、前記補償力算出部で算出した補償力をfとするとき、下記の数学式(2)を用いて、前記ロボットの各関節に必要な前記第1の仮想重力(gf)を設定する第1の仮想重力設定部と、
前記ロボットの現在のFSMの状態によって、各関節に必要な前記第2の仮想重力を設定する第2の仮想重力設定部と、を含む、請求項16に記載のロボット。
gf=f/m (2) - 前記重力補償トルク算出部は、
前記第1の仮想重力及び前記第2の仮想重力、実際の重力を補償するために必要なトルクを算出する、請求項19に記載のロボット。 - 前記ロボットの重心が地面に投影された点と前記各脚に連結された足との間の距離の比率を算出し、前記算出された距離の比率を用いて、前記ロボットの重心が前記地面に投影された点からより近い脚に、より大きい比率の前記ロボットの上体質量を割り当てる重量分配部をさらに含む、請求項20に記載のロボット。
- 前記重力補償トルク算出部は、
前記重量分配部で前記各脚に分配した上体の質量を反映して、第1の仮想重力に対する重力補償トルク及び第2の仮想重力に対する重力補償トルクを算出し、前記ロボットのFSMの状態によって、第1の仮想重力に対する重力補償トルク及び第2の仮想重力に対する重力補償トルクの比重を調節して、仮想重力と実際の重力を補償するために必要な各関節の重力補償トルクを算出する、請求項21に記載のロボット。 - 前記ロボットの重心が地面に投影された点と前記ロボットの複数の足との間の距離の比率を算出し、前記算出された距離の比率を用いて、前記ロボットの重心が前記地面に投影された点から近い脚に、より大きい値の補償モーメントを割り当てることによって、前記補償モーメント算出部で算出された補償モーメントを前記複数の脚に分配する補償モーメント分配部をさらに含む、請求項22に記載のロボット。
- 前記ロボットの足をベースリンクと見るヤコビアンを用いて、前記補償モーメント分配部で前記ロボットの複数の脚に分配した補償モーメントから前記複数の脚に必要な第1の目標トルクを算出する目標トルク算出部をさらに含む、請求項23に記載のロボット。
- 前記目標トルク算出部は、
前記第1の目標トルクと前記重力補償トルク算出部で算出した重力補償トルクとを合算して、前記ロボットの各関節に必要な第2の目標トルクを算出する、請求項24に記載のロボット。 - 前記目標トルク算出部で算出された第2の目標トルクに前記各関節の角速度に比例するダンピングトルクを加えて、第3の目標トルクを算出するトルク補償部をさらに含む、請求項25に記載のロボット。
- 複数の関節部がそれぞれ設けられた複数の脚と、該脚に連結された上体とを含み、複数の並進運動の自由度及び回転運動の自由度を有するロボットの制御方法において、
前記上体のポーズ角度及び前記複数の関節部の角度を検出し、
前記検出された複数の関節部の角度に基づいて、前記複数の並進運動の自由度のうち少なくとも一つの並進運動の自由度に対する現在の姿勢を獲得し、
前記獲得された現在の姿勢と予め設定された目標姿勢との差に基づいて、姿勢誤差を算出し、
前記姿勢誤差に基づいて、前記少なくとも一つの並進運動の自由度に対する補償力を算出し、
前記少なくとも一つの並進運動の自由度に対する補償力、及び前記ロボットの歩行動作についての有限状態機械(Finite State Machine:FSM)の現在の状態に基づいて、仮想重力を設定し、
前記設定された仮想重力を補償するために、前記ロボットの関節部に必要な重力補償トルクを算出し、
前記ロボットの関節部のトルクが前記算出された重力補償トルクを含む目標トルクになるように各関節のトルクサーボを制御する、ロボットの制御方法。 - 前記姿勢誤差を算出することは、
前記検出されたポーズ角度及び前記複数の関節部の角度に基づいて現在の重心の位置を算出するが、前記少なくとも一つの並進運動の自由度に対する現在の重心の位置を算出し、
前記算出された現在の重心と予め設定された目標重心とを比較して、前記少なくとも一つの並進運動の自由度に対する重心誤差を算出し、
前記重心誤差を姿勢誤差として用いることを含む、請求項27に記載のロボットの制御方法。 - 前記姿勢誤差を算出することは、
前記検出されたポーズ角度及び複数の関節部の角度に基づいて現在の重心の位置と速度を検出するが、前記少なくとも一つの並進運動の自由度に対する現在の重心の位置と速度を検出し、
前記検出された現在の重心の位置と速度に基づいて、前記少なくとも一つの並進運動の自由度に対する現在のキャプチャポイントを獲得し、
前記獲得された現在のキャプチャポイントと予め設定された目標キャプチャポイントとを比較して、少なくとも一つの並進運動の自由度に対するキャプチャポイント誤差を算出し、
前記算出されたキャプチャポイント誤差を前記姿勢誤差として用いることを含む、請求項27に記載のロボットの制御方法。 - 前記姿勢誤差を算出することは、
前記上体のポーズ角度及び前記複数の関節部の角度を検出し、
前記ポーズ角度及び前記複数の関節部の角度に基づいて、ヒップまたは上体のいずれか一つの参照点の位置を前記少なくとも一つの自由度に対して算出し、
前記現在の参照点と予め設定された目標参照点との位置を比較して、参照点位置誤差を前記少なくとも一つの自由度に対して算出し、
前記参照点位置誤差を前記少なくとも一つの並進運動の自由度の姿勢誤差として用いることを含む、請求項27に記載のロボットの制御方法。 - 前記姿勢誤差を算出することは、
前記複数の並進運動の自由度のうち残りの並進運動の自由度の姿勢誤差の算出と互いに異なることを含む、請求項27に記載のロボットの制御方法。 - 前記ロボットの関節部に必要な仮想重力を設定することは、
前記ロボットの質量をmとし、前記算出した補償力をfとするとき、下記の数学式(2)を用いて、前記ロボットの関節部に必要な第1の仮想重力を設定し、
前記ロボットの現在のFSMの状態によって、前記関節部に必要な第2の仮想重力を設定することを含む、請求項27に記載のロボットの制御方法。
gf=f/m (2) - 前記重力補償トルクを算出することは、
前記第1の仮想重力に対する重力補償トルク及び前記第2の仮想重力に対する重力補償トルクを算出し、前記ロボットのFSMの状態によって、第1の仮想重力に対する重力補償トルク及び第2の仮想重力に対する重力補償トルクの比重を調節して、前記ロボットの関節部に提供される重力補償トルクを算出することを含む、請求項32に記載のロボットの制御方法。 - 前記ロボットが安定した姿勢を維持するための目標ポーズ角度を設定し、
前記目標ポーズ角度と前記測定されたポーズ角度との間の差を補償するための補償モーメントを算出することをさらに含む、請求項27に記載のロボットの制御方法。 - 前記算出された補償モーメントを前記ロボットの関節部に提供するために必要な第1の目標トルクを算出し、
前記第1の目標トルクと前記重力補償トルクとを合算して、第2の目標トルクを算出することをさらに含み、
前記目標トルクは、第2の目標トルクであるものとする、請求項34に記載のロボットの制御方法。 - 前記算出された第2の目標トルクに前記関節部の角速度に比例するダンピングトルクを加えて、第3の目標トルクを算出することをさらに含み、
前記目標トルクは、前記第3の目標トルクであるものとする、請求項35に記載のロボットの制御方法。 - 前記ロボットの重心が地面に投影された点と前記ロボットの複数の足との間の距離の比率を算出し、前記算出された距離の比率を用いて、前記ロボットの重心が前記地面に投影された点から近い脚に、より大きい値の補償モーメントを割り当てることによって、前記算出された補償モーメントを前記複数の脚に分配することをさらに含む、請求項35に記載のロボットの制御方法。
- 前記第1の目標トルクを算出することは、
前記ロボットの足をベースリンクと見るヤコビアンを用いて、前記ロボットの複数の脚に分配された補償モーメントから前記複数の脚に必要な第1の目標トルクを算出することを含む、請求項37に記載のロボットの制御方法。
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