JP7012904B2 - 関節動作状況における複数象限カップリングによる２足ロボットのデジタル油圧駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は２足ロボットの油圧駆動分野に関し、特に関節動作状況における複数象限カップリングによる２足ロボットのデジタル油圧駆動方法に関する。

２足ロボットはその独特のヒトのような構造及び運動方式により、柔軟性、環境適応性等の性能において優れた表現を有するが、一方で、ロボット全体の機動性、バランス、ロバスト性等に対して極めて高い要求を提出し、それにより２足ロボットが足型ロボット分野の人気スポット及び難点となった。効率的、高精度、軽量の駆動システムは２足ロボットの重要な技術の１つである。電気駆動技術に比べて、油圧駆動はパワー密度が高く、出力が大きく、直線運動を実施しやすいという多くの優位性を有し、現在ロボットの高機動性を実現する最適な選択の１つである。

油圧駆動システムは２足ロボットに広く応用されているが、そのエネルギー消費は常に油圧駆動型の足型ロボットの開発及び応用を制限する主なボトルネックでした。現在、世界では、最も高い油圧駆動レベルの1つを有する４足ロボットであるＢｉｇＤｏｇのエネルギー効率値（Ｃｏｓｔ ｏｆ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ、ＣｏＴ＝Ｐ／ｍｖ、）が１５と高く、同種類の生物のエネルギー効率レベルより遥かに高く、これは、油圧駆動型の脚・足型ロボットのエネルギー効率の向上に余地があることを示している。

従来の２足ロボットの油圧システムはエネルギー消費が大きく、エネルギー効率値が小さいという問題に対して、関節動作状況における複数象限カップリングによる２足ロボットのデジタル油圧駆動方法を提供する。

本発明の目的は以下の技術案によって実現される。

関節動作状況における複数象限カップリングによる２足ロボットのデジタル油圧駆動方法であって、
２足ロボットの構成及び歩振りに基づいて順運動学と動力学モデルを構築し、腿・足部の位置及び関節の受力状況に応じてロボットの腿部油圧関節運動の有限状態機械を設計して、各油圧関節の負荷、運動状態及び変化規則を取得し、これに基づいて各油圧関節に対応する運動動作状況グラフを構築するステップ（１）と、

各時刻のすべての動作状況グラフの複数象限カップリング併存特徴を分析して、デジタル油圧システムの圧力と流量の分布を取得し、前記油圧システムの圧力と流量の分布に基づいて、２足ロボット油圧システムの総エネルギー効率値を説明する無次元コスト関数を構築し、ロボット制御における前記２足ロボットの総エネルギー効率値に対応する重みを設定するステップ（２）と、

対応する重みに基づいて各油圧シリンダに対応するデジタルバルブ群の動作モードをマッチングし、油圧シリンダを駆動して動作させ、ロボットを制御して運動させるステップ（３）と、
を含む２足ロボットのデジタル油圧駆動方法。

更に、ステップ（１）における運動動作状況グラフは油圧シリンダの負荷状態、デジタル油圧バルブの動作モード及びそれらのマッピング関係を含む。

更に、前記油圧シリンダの負荷状態は速度－負荷座標系において、第１象限から第４象限までの負荷状態がそれぞれ負の負荷、正の負荷、負の負荷、正の負荷として示され、前記デジタル油圧バルブの動作モードがそれぞれ通常、浮動、再生、回収の４つのモードに分けられる。

更に、前記ロボット腿部運動の有限状態機械には、離地瞬間状態、足部離地状態、腿部を前に振る状態、離地最高点状態、腿部を後に振る状態、着地瞬間状態、圧縮減速状態、伸展加速状態を含む。

更に、ステップ（２）における総エネルギー効率値の無次元コスト関数は、次の式のとおりである。

Ｐ（ｔ）が油圧システムの総電力であり、ｎが油圧シリンダの数であり、Ｐ_Ｌｉ（ｔ）がｉ番目の油圧シリンダの仕事電力であり、Ｐ_ｗｉ（ｔ）がｉ番目の油圧シリンダに対応する散逸電力であり、該油圧シリンダに対応するパイプラインシステムの損失及びアクチュエータの損失を含み、η_ｐが油圧ポンプの総効率値である。

更に、各デジタルバルブ群は４つの高速スイッチ型のデジタル油圧バルブによって構成され、ロードポート独立制御技術を用いる。

従来技術に比べて、本発明は以下の有益な効果を有する。本発明のデジタル油圧駆動方法は２足ロボットの油圧関節負荷及び運動状態の循環往復特徴、並びに関節動作状況に複数の象限が同時にカップリングされる特徴が存在することを十分に考慮して、グローバル角度からデジタル油圧バルブ群の動作モードのマッチングを最適化し、負仕事関節エネルギーを吸収し、正仕事関節エネルギーの補給を減少し、スロットル、オーバーフロー等の油圧パイプラインシステムのエネルギー損失を減少し、それにより２足ロボットのデジタル油圧関節を効率的に駆動するという目的を実現する。

図１は２足ロボットの腿部運動の有限状態機械を示す図である。 図２は２足ロボットの油圧関節の負荷状態を示す図である。 図３はプログラマ可能なデジタルバルブの動作モードを列挙する図である。 図４は２足ロボットの腿部関節の模式図である。

以下、本発明の目的及び効果がより明確になるように、図面を参照しながら好適な実施例によって本発明を詳しく説明する。理解されるように、ここで説明される具体的な実施例は本発明を解釈するためのものであって、本発明を制限するためのものではない。

本発明は関節動作状況における複数象限カップリングによる２足ロボットのデジタル油圧駆動方法を提供し、具体的に以下のステップを含む。

（１）２足ロボットの構成及び歩振りに基づいて順運動学と動力学モデルを構築し、腿・足部の位置及び関節の受力状況に応じてロボット腿部油圧関節運動の有限状態機械を設計し、人間が歩く歩振りを模擬する。設計された有限状態機械が図１に示され、離地瞬間状態、足部離地状態、腿部を前に振る状態、離地最高点状態、腿部を後に振る状態、着地瞬間状態、圧縮減速状態、伸展加速状態を含む。各油圧関節の負荷、運動状態及び変化規則を取得し、これに基づいて各油圧関節に対応する運動動作状況グラフを構築する。前記運動動作状況グラフには油圧シリンダの負荷状態、デジタル油圧バルブの動作モード及びそれらのマッピング関係を含む。図２に示すように、前記油圧シリンダの負荷状態は、速度ｖ_ｃ－負荷Ｆ_Ｌ座標系において、第１象限から第４象限までの負荷状態がそれぞれ負の負荷、正の負荷、負の負荷、正の負荷として示され、図３に示すように、前記デジタル油圧バルブの動作モードは油圧シリンダの両側の受力及び流量方向によって通常、浮動、再生、回収の４つのモードに分けられる。負の負荷状態に対応するデジタル油圧バルブの動作モードは通常及び再生の２つのモードがあり、正の負荷状態に対応するデジタル油圧バルブの動作モードは通常、浮動、再生、回収の４つのモードがある。通常モードとは、給油オイルがすべて外部油ダクトから由来し、戻りオイルが直接油タンクに戻ることを意味し、浮動モードとは、すべての給油オイルが油タンク及び外部油ダクトを通過せずに戻りオイルからのものであることを意味し、再生モードとは、ロッドキャビティ内のすべてのオイルがロッドレスキャビティに入り又はロッドレスキャビティから由来し、不足又は余分な油圧作動油がすべて外部油ダクトにより補充又は回収されることを意味し、回収モードとは、回収された高圧オイルが外部油ダクトに戻り、給油された低圧オイルがすべて油タンクから由来することを意味する。

（２）各時刻のすべての動作状況グラフの複数象限カップリング併存特徴を分析して、デジタル油圧システムの圧力と流量の分布を取得する。前記油圧システムの圧力と流量の分布に基づいて、２足ロボット油圧システムの総エネルギー効率値を説明する無次元コスト関数を構築し、前記２足ロボットの総エネルギー効率値に対応する重みを設定する。前記無次元コスト関数はグローバル関節油圧シリンダの正の負荷及び負の負荷の分布状況、並びにパイプラインシステム及び実行システムによる電力損失を計算し、システムが外部油圧エネルギーの入力及び油圧作動油流量トポロジー構造の最適解を必要とするかどうかを決定する。

Ｐ(ｔ)が油圧システムの総電力であり、ｎが油圧シリンダの数であり、Ｐ_Ｌｉ（ｔ）がｉ番目の油圧シリンダの仕事電力であり、Ｐ_ｗｉ（ｔ）がｉ番目の油圧シリンダに対応する散逸電力であり、該油圧シリンダに対応するパイプラインシステムの損失及びアクチュエータの損失を含み、η_ｐが油圧ポンプの総効率値である。

多目的最適化配置戦略は無次元コスト関数を基に、エネルギー効率値及びシステムのロバスト性、安定性、迅速性のバランスをまとめて考慮して、グローバルデジタルバルブ群に多目的最適化の動作モード配置戦略を構築し、対応する重みを取得する。

（３）対応する重みに基づいて各油圧シリンダに対応するデジタルバルブ群の動作モードをマッチングし、油圧シリンダを駆動して動作させ、ロボットを制御して運動させる。各デジタルバルブ群は４つの高速スイッチ型のデジタル油圧バルブによって構成され、ロードポート独立制御技術を用いて油圧シリンダの張力及び流量をデカップリングすることにより、油圧シリンダの動作モードを柔軟に切り替えることができる。

図４は代表的な２足ロボットの腿部構造を示す図であり、その左右の２つの腿はそれぞれ６つの自由度を有し、合計で少なくとも１２個の油圧関節がある。本実施例は両側の膝関節を例として説明する。

まず、ロボットの通常歩行歩振りに対して運動学と動力学分析を行う。腿部が着地瞬間から圧縮減速段階まで、膝関節は湾曲減速状態にあり、油圧シリンダは図２における第２象限の正の負荷状態にあり、外部に対して負の仕事をし、伸展加速から離地瞬間まで、膝関節は伸展加速段階にあり、油圧シリンダは図２における第１象限の負の負荷にあり、外部に対して正の仕事をし、足部離地から腿部を前に振る段階まで、膝関節は伸展減速段階にあり、油圧シリンダは図２における第４象限の正の負荷にあり、外部に対して負の仕事をし、離地最高点から腿部を後に振る段階まで、膝関節は湾曲加速状態にあり、油圧シリンダは第３象限にあり、外部に対して正の仕事をする。

着地瞬間から離地瞬間まで、ロボットの腿部は常に地面に接触しており、大きな負荷をかける必要があり、油圧シリンダに対応するデジタルバルブ群の動作モードを図３における第２象限の再生、回収及び第１象限の通常、再生としてもよい。足部離地から腿部を後に振る段階まで、ロボットの腿部は地面に接触しておらず、膝関節油圧シリンダは下腿以下の部分の慣性を克服して仕事をするだけでよく、負荷がより小さく、対応するデジタルバルブ群の動作モードは図３における第４象限の浮動、再生及び第３象限の通常であってもよい。

本実施例では、２足膝関節の運動及び負荷状態のみを考慮して、油圧パイプラインのエネルギー損失及び油圧ポンプの効率等の要素を考慮しないため、最適化目的がより少なく、片側の膝関節の回収又は再生した後の余分な油圧エネルギーを他側の膝関節に容易に輸送することができ、これにより、２足ロボットの腿部油圧関節の効率的な省エネ駆動を実現する。

当業者であれば理解されるように、以上の説明は本発明の簡単な実施例であって、本発明を制限するためのものではない。本発明の趣旨や原則内に行った修正や等価置換等はいずれも本発明の保護範囲内に含まれるべきである。

Claims (6)

1. 関節動作状況における複数象限カップリングによる２足ロボットのデジタル油圧駆動方法であって、
   ２足ロボットの構成及び歩振りに基づいて順運動学と動力学モデルを構築し、腿・足部の位置及び関節の受力状況に応じてロボットの腿部油圧関節運動の有限状態機械を設計し、各油圧関節の負荷、運動状態及び変化規則を取得し、これに基づいて各油圧関節に対応する運動動作状況グラフを構築するステップ（１）と、
   各時刻のすべての動作状況グラフの複数象限カップリング併存特徴を分析して、デジタル油圧システムの圧力と流量の分布を取得し、前記油圧システムの圧力と流量の分布に基づいて、２足ロボット油圧システムの総エネルギー効率値を説明する無次元コスト関数を構築し、ロボット制御における前記２足ロボットの総エネルギー効率値に対応する重みを設定するステップ（２）と、
   対応する重みに基づいて各油圧シリンダに対応するデジタルバルブ群の動作モードをマッチングし、油圧シリンダを駆動して動作させ、ロボットを制御して運動させるステップ（３）と、を含むことを特徴とする２足ロボットのデジタル油圧駆動方法。
2. ステップ（１）における運動動作状況グラフは油圧シリンダの負荷状態、デジタル油圧バルブの動作モード及びそれらのマッピング関係を含むことを特徴とする請求項１に記載の２足ロボットのデジタル油圧駆動方法。
3. 前記油圧シリンダの負荷状態は、速度－負荷座標系において、第１象限から第４象限までの負荷状態がそれぞれ負の負荷、正の負荷、負の負荷、正の負荷として示され、前記デジタル油圧バルブの動作モードは、それぞれ通常、浮動、再生、回収の４つのモードに分けられることを特徴とする請求項２に記載の２足ロボットのデジタル油圧駆動方法。
4. 前記ロボットの腿部油圧関節運動の有限状態機械は、離地瞬間状態、足部離地状態、腿部を前に振る状態、離地最高点状態、腿部を後に振る状態、着地瞬間状態、圧縮減速状態、伸展加速状態を含むことを特徴とする請求項１に記載の２足ロボットのデジタル油圧駆動方法。
5. ステップ（２）における総エネルギー効率値の無次元コスト関数は、次の式のとおりであり、
   

   

   Ｐ（ｔ）が油圧システムの総電力であり、ｎが油圧シリンダの数であり、Ｐ_Ｌｉ（ｔ）がｉ番目の油圧シリンダの仕事電力であり、Ｐ_ｗｉ（ｔ）がｉ番目の油圧シリンダに対応する散逸電力であり、該油圧シリンダに対応するパイプラインシステムの損失及びアクチュエータの損失を含み、η_ｐが油圧ポンプの総効率値であることを特徴とする請求項１に記載の２足ロボットのデジタル油圧駆動方法。
6. 各デジタルバルブ群は４つの高速スイッチ型のデジタル油圧バルブによって構成され、ロードポート独立制御技術を用いることを特徴とする請求項１に記載の２足ロボットのデジタル油圧駆動方法。

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