JP6299639B2

JP6299639B2 - ジャイロセンサの配置方法

Info

Publication number: JP6299639B2
Application number: JP2015058645A
Authority: JP
Inventors: 将弘土井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-03-20
Filing date: 2015-03-20
Publication date: 2018-03-28
Anticipated expiration: 2035-03-20
Also published as: JP2016175165A

Description

本発明は、ロボットに設けるジャイロセンサの配置方法に関する。

自律ロボットのように回転を伴って空間を移動する移動体は、ジャイロを用いて角速度を計測し、計測した角速度を積分することにより空間内で自己姿勢を推定することができる。このようなジャイロを用いた姿勢推定は、移動体の姿勢計測にとっては当たり前の技術となっており、ロボットの姿勢推定や車両の進行方向の推定など、様々な分野で幅広く使用されている。

従来、このような分野の技術として、特開２０１４−２０５１９６号公報がある。この公報に記載されたロボットシステムには、３軸慣性センサが備え付けられたロボットアームについて、センサの検出軸をアームの回動軸と一致させることが開示されている。

特開２０１４−２０５１９６号公報

前述した従来のロボットシステムのように、重力方向をＺ軸、直交方向にＸ・Ｙ軸に設定し、加速度センサ・ジャイロを各軸に配置することが多いが、ロボットの回転軸などのロボット固有の軸に倣ってジャイロセンサを配置すると、検出軸ごとに発生しうる角速度の最大値にばらつきが生じる。ここで、ジャイロセンサによって検出される角速度が大きいほど精度が下がるため、ジャイロセンサの取り付け角を調整することにより、検出する角速度の最大値のばらつきを低減させることにより、測定精度を向上させたいという要望があった。
本発明は、角速度の測定精度を向上させたジャイロセンサの配置方法を提供するものである。

本発明にかかるジャイロセンサの配置方法は、２軸以上の検出軸を有するジャイロセンサをロボットに配置して、前記ロボットに所定の動作をさせたときのジャイロ座標系の各軸の最大角速度を算出し、前記各軸の最大角速度の算出を前記ジャイロセンサの取り付け角ごとに実行し、前記各軸の最大角速度が最小となる前記ジャイロセンサの取り付け角を算出し、前記取り付け角に基づいて、前記ロボットに前記ジャイロセンサを配置する。
これにより、ジャイロセンサの検出軸のうち、極端に大きな角速度を検出する軸がなくなるようにジャイロセンサを配置することができる。

これにより、ジャイロセンサによる角速度の測定精度を向上させることができる。

ジャイロセンサ角算出システムの構成を示す図である。ヒューマノイドロボットと胴体フレームの軸方向を示す図である。ジャイロセンサの取り付け角を算出するフローチャートである。

実施の形態１
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１に示すように、ジャイロセンサ角算出システム１は、ロボット２と、計算機３と、を備える。

図２に示すように、ロボット２は、例えばヒューマノイドロボットであり、本体部である胴体フレームと、胴体フレームに接続された両手と、両足と、頭部を備えている。ロボット２は、これらの部位の関節部に設けられたモータ（図示せず）を制御部（図示せず）の制御に基づいて動作させることにより、歩行や物体の把持等を行う。ロボット２は、胴部に配置された慣性計測装置（ジャイロセンサ）１１を有する。

慣性計測装置１１は、３軸ジャイロと３軸加速度計とを有する。慣性計測装置１１は、ロボット２がリファレンスモーションを実行した場合の、ジャイロ軸方向の３次元の角速度や加速度を取得する。なお、慣性計測装置１１は、ロボット２の胴体フレームの重心に配置されている。

計算機３は、演算部１２と、バッファ１３と、を備える。計算機３は、ロボット２に慣性計測装置１１の配置させた状態をシミュレートするシミュレーション装置である。

演算部１２は、ロボット２がリファレンスモーションを実行した場合の胴体フレームの角速度を算出する。また演算部１２は、算出された角速度から、慣性計測装置１１の取り付け角を変更することによりジャイロ軸方向を変更したときの各軸方向の角速度を算出する。演算部１２の動作については後に詳述する。

バッファ１３は、演算部１２により算出された角速度を一時的に記憶する記憶領域である。具体的にはバッファ１３は、演算部１２によって算出されたジャイロ座標軸の３軸方向の角速度の最大角速度の値が、バッファ１３に記憶されている値より小さい場合に、記憶されている取り付け角と最大角速度の情報を更新する。

次に、慣性計測装置１１のジャイロ軸方向の決定方法について説明する。計算機３は、ロボット２が複数のリファレンスモーションを実行した場合のシミュレーションを行い、慣性計測装置１１が３軸のジャイロ軸方向における角速度の最大値を算出する。その後、計算機３は、慣性計測装置１１の取り付け角を変更することによりジャイロ軸方向を変更して、リファレンスモーションを実行したときのジャイロ軸方向の角速度の最大値が、最小になる状態を探索する。これにより、計算機３は、ロボット２への慣性計測装置１１の取り付け角を決定する。

図３を参照して、より具体的に、慣性計測装置１１のジャイロ軸方向の決定方法を説明する。

最初に、演算部１２は、ロボット２がリファレンスモーションを実行したときの角速度データを算出する（Ｓ１１）。ここで、リファレンスモーションとは、ロボット２で実行すると思われる一連の想定動作が含まれ、あらかじめ定義されているものとする。このリファレンスモーションには、ロボットが行う動作をできる限り多く含み、かつ、大きな角速度を発生しやすい動作を含むことが望ましい。例えば、ロボット２が歩行しながら、腕部で壁に手をつき、その後、テーブル上に置かれている物体を把持するといった一連の動作であっても良い。また、ヒューノイドロボットのような左右対称なロボットでは、タスクも一般的に左右の区別がない。したがって、ロボット２では、与えられたリファレンスモーションを左右反転して元のリファレンスモーションの後ろに連結して、１つのリファレンスモーションとして実行する。

また、ロボット２の両手、両足や胴体フレームの位置及び姿勢をベクトルにまとめてΘという変数で表されているものとし、一定のサンプリング間隔で順番に格納されたリファレンスモーションが、

で与えられているものとする。このリファレンスモーションは、左右対称性を与える前処理が行われた後のデータとする。

したがって、演算部１２は、リファレンスモーションによる胴体フレームの動作を計算することにより、

のように、角速度の時系列データを算出する。この角速度の時系列データを、評価用角速度データとする。なお、図２に示すように胴体フレーム座標系（ｘ，ｙ，ｚ）の３軸と慣性計測装置１１の３軸とが一致するように取り付けられた場合、リファレンスモーションである式（１）にしたがってロボット２を動作させた場合に、計測値が式（２）に一致することになる。

次に、バッファ１３の初期化を行う（Ｓ１２）。ここでバッファ１３では、ジャイロの取り付け角と、取り付け角により設定されるジャイロ軸座標における最大角速度と、からなる

を記憶する。ここで、演算部１２により探索される取り付け角度は、オイラー角(Roll・Pitch・Yaw)で表されるものとし、それぞれのオイラー角は、φ，θ，ψで定義されているとものする。したがって、バッファ１３に記憶されている初期値は、

とする。ここで、max｛｝とは、行列要素中の最大値を取り出す処理である。

次に、演算部１２は、取り付け角φ，θ，ψの初期化を行う（Ｓ１３）。すなわち、演算部１２は、探索する際の取り付け角φ，θ，ψの初期値を（φ₀，θ₀，ψ₀）として設定する。

次に、演算部１２は、胴体フレーム座標系からジャイロ座標系への変換行列の計算を行う（Ｓ１４）。胴体フレーム座標系（ｘ，ｙ，ｚ）から取り付け角φ，θ，ψだけ回したときのジャイロ座標系は、

で表される。

次に、演算部１２は、式（２）で算出した評価用角速度データを、ジャイロ座標系に変換する（Ｓ１５）。ここで、胴体フレーム座標系で表された角速度ベクトルω_ｊは、ジャイロ座標系では、

となる。この式（５）は、胴体フレーム座標系においてω_ｊの角速度が発生しているときに、取り付け角φ，θ，ψだけ傾けて胴体フレームに取り付けられたジャイロ座標系に変換すると、

という計測結果が得られることを示している。したがって、演算部１２は、リファレンスモーションから生成された評価用角速度データである式（２）を用いて、取り付け角φ，θ，ψであるときのジャイロ軸座標における角速度の計測値列

を算出する。

演算部１２は、ジャイロ軸角速度の最大値を取得する（Ｓ１６）。すなわち、演算部１２は、式（６）に示した角速度の計測値列の最大要素

を取得する。

演算部１２は、Ｓ１６で取得したジャイロ座標系における角速度の最大値と、バッファ１３に記憶されている角速度の値を比較する（Ｓ１７）。すなわち、演算部

であるか否かを判定する。ジャイロ座標系における角速度の最大値が、バッファ１３に記憶されている角速度より小さければ（Ｓ１７でＹｅｓ）、Ｓ１８に進む。ジャイロ座標系における角速度の最大値が、バッファ１３に記憶されている角速度より大きければ（Ｓ１７でＮｏ）、Ｓ１９に進む。

バッファ１３は、記憶したジャイロ座標系と角速度の値を更新する（Ｓ１８）。言い換えると、バッファ１３において、それまで記憶されていた角速度の最大値を、Ｓ１６で取得された角速度の最大値に更新すると共に、取り付け角φ，θ，ψを更新して記憶する。
すなわち、

とする。

次に、演算部１２は、次の探索を行うための取り付け角φ，θ，ψの値を更新する（Ｓ１９）。このとき演算部１２は、取り付け角であるRoll角φを０〜９０[dig]、Pitch角θを０〜９０[dig]、Yaw角ψを−９０〜９０[dig]の間とし、１[dig]ごとに変更する。

なお、通常のオイラー角の範囲は、Roll角が−１８０〜１８０[dig]、Pitch角が０〜９０[dig]、Yaw角が−１８０〜１８０[dig]の間であるが、本実施例では、角速度の絶対値の上限で評価すればよく、また、ジャイロ座標系の３軸に区別をつける必要がない。したがって、取り付け角φ，θ，ψについて、上記のように探索範囲を狭めることができる。

演算部１２は、取り付け角φ，θ，ψについて、全ての探索が完了したか否かを判定する（Ｓ２０）。全ての取り付け角φ，θ，ψについて探索が完了していなければ（Ｓ２０でＮｏ）、Ｓ１４に戻り、Ｓ１９において更新された取り付け角φ，θ，ψを用いて、繰り返し処理を行う。

全ての取り付け角φ，θ，ψについて探索が完了していれば（Ｓ２０でＹｅｓ）、慣性計測装置１１は、ロボット２に取り付けられるジャイロ軸方向が、バッファ１３に記憶されている取り付け角φ，θ，ψとなるように設定される（Ｓ２１）。

その後、取り付け角φ，θ，ψとして慣性計測装置１１をロボット２に配置した場合に、ロボット２の動作による角速度の最大値が計測レンジの最大値を越えないように、慣性計測装置１１に用いるジャイロが選定される。

このようにして、算出したジャイロ軸座標に基づいて、慣性計測装置１１をロボット２に配置することにより、慣性計測装置１１で測定されるジャイロ軸座標の角速度を小さくすると共に、ジャイロ軸座標ごとの角速度の測定値のバラツキを少なくすることができる。言い換えると、ロボット２の胴体フレーム座標の各軸周りに働く角速度上限値に差がある場合に、胴体フレーム座標からずらしてジャイロ座標を設定して、大きな角速度を３軸で分担して計測することができる。これにより、慣性計測装置１１の各軸の角速度センサの必要計測範囲を最小化することができ、この必要計測範囲を満たす慣性計測装置１１を選定して利用することにより、角速度計測の分解能を最大化することができる。

なお、慣性計測装置１１の取り付け角φ，θ，ψに基づいて、ジャイロ座標系で取得された角速度ベクトルを回転変換することにより、取得された角速度の情報を、胴体フレーム座標の値に復元して利用することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、Ｓ１９において、１[dig]ごとに順番にRoll角、Pitch角、Yaw角を変更するとしたが、（９０×９０×１８０）通りについて順番に行うのではなく、最初に刻み幅を粗くして当たりをつけておき、その後、刻み幅を細かくして解を得る方法や、確率探索的な手法を用いて効率よく解を得る方法を用いてもよい。

１ジャイロセンサ角算出システム
２ロボット
３計算機
１１慣性計測装置
１２演算部
１３バッファ

Claims

２軸以上の検出軸を有するジャイロセンサをロボットに配置して、前記ロボットに所定の動作をさせたときのジャイロ座標系の各軸の最大角速度を算出し、
前記各軸の最大角速度の算出を前記ジャイロセンサの取り付け角ごとに実行し、
前記各軸の最大角速度が最小となる前記ジャイロセンサの取り付け角を算出し、
前記取り付け角に基づいて、前記ロボットに前記ジャイロセンサを配置する
ジャイロセンサの配置方法。