JPH04201190A - 脚式移動ロボットの歩行制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は脚式移動ロボットの歩行制御装置に関し、より
具体的には２足歩行等の脚式移動ロボットにおいて、関
節駆動制御時の遅れを簡易に解消する様にした脚式移動
ロボットの歩行制御装置に関する。

（従来の技術及び発明が解決しようとする課題脚式移動
ロボット、特に２足歩行の脚式移動ロボットとしては特
開昭６２−９７００６号記載のちのが知られている。斯
る２足歩行の脚式移動ロボットが歩行しているときには
第１１図に示す様に、重力による垂直な力が重心に加わ
るが、その他にも重心が加速度を受けることによって生
ずる慣性力が働き、その２つの力の合力と地面から受け
る路面反力とを釣り合わせる必要がある。脚の置（位１
や時間が所期の通りでなければこの釣り合いを補償する
ことができず、安定な歩行を実現することができない。

ところで胸式移動ロボットの関節角度を指令値通りに作
動させるには従来より、関節の駆動モータに角度の指令
値を与え、その結果をモータに結合したエンコーダ等に
より測定した該関節の実角度と比較し、その間の制御偏
差が可能な限り小さくなる様に操作量を関節の駆動モー
タに加える、所謂フィードバック制御が行われている。

しかしフィードバック制御では次に述べる理由で理論的
に偏差が生じ、その偏差も各関節毎に同一ではないので
、制御偏差は即ち遅れとなってロボットの歩容が崩れ、
重心の移動軌跡も狂い、かつタイミングも狂ってくるか
ら、路面からの反力も適正な大きさや方向を保つことが
できなくなり、よって安定した歩行が困難となる欠点が
あった。この偏差が遅れる理由について述べると、制御
の一般的なブロック線図は第１２図の様に示すことがで
きる。ここで例えばモータへの指令角速度か一定な場合
を考えると、エンコーダの検出値θＲと指令値θＣ０Ｍ
Ｍとの偏差に適当なゲインｋｐを乗したものを速度指令
値ωＣ０ＭＭとしてモータに入力するので、その結果モ
ータがωＲ−ωＣ０ＭＭで回転していても、システムの
釣り合いから、 （θＣＯＭＭ−θＲ）　ｋｐ−ωＲ＝０、°、　　θＣ
ＯＭＭ−θＲ−ωＲ／　ｋ　ｐ≠０となって、ωＲに比
例した偏差が生ずるのである。第１３図及び第１４図は
上記した従来制御についての測定データであり、第１３
図は指令値に対する関節の実角度を、第１４図はその遅
れを示す。図示の如く、上記した従来制御によるときは
遅れが住じてしまう。

この制御偏差を低減するにはフィードバック・ゲインを
上げて対処することも考えられるが、サーボ剛性が必要
以上に高くなり、かつ発振し易くなる等の欠点が生じる
。また胸式移動ロボットとしての実用性を考えた場合、
重量、価格、エネルギ消費量等から搭載するコンピュー
タの性能には限界がある。実用化のためには、比較的低
レベルのコンピュータで、胸式移動ロボットの歩行制御
という高度な問題を解決する必要がある。そのためには
、モータのフィードバック制御を可能な限り簡易なロジ
ックで構成してコンピュータの負担を軽減する必要があ
る。

従って、本発明の目的は、胸式移動ロボットの歩行制御
において簡易な構成でありながら、制御偏差が生じない
様にして安定した歩行を実現できる樺にした胸式移動ロ
ボットの歩行制御装置を提供することにある。

更には、実用的なロボットを実現する可能性の高い制御
手法は先に示した特開昭６２−９７００６号公報記載の
技術に示される如く、予め関節角度を時系列で算出して
おき、歩行時にこのデータを出力するものである。この
手法によるとき搭載コンピュータは別途算出されたデー
タを記憶しておき、歩行時に出力すれば足るので、比較
低レベルのもので足りる。

従って、本発明の更なる目的は、予めオフラインで時系
列の歩行データを算出しておく制御手法において、−層
簡易に制御偏差を解消して安定した歩行を実現できる様
にした胸式移動ロボットの歩行制御装置を提供すること
にある。

（課題を解決するための手段） 上記した目的を解決するために本発明は例えば請求項１
項において、基体と、それに結合され、少なくとも１個
の関節を備えた複数本の脚部リンクとからなる胸式移動
ロボットの歩行制御装置において、該関節を駆動する電
動モータ、設定された目標関節角度の変化率から該電動
モータを駆動するフィードフォワード速度指令値を求め
てその駆動回路に出力するフィードフォワード速度指令
手段、及び該設定された目標関節角度と実際角度との位
置偏差をデジタル値で求め、所定のゲインを乗じて前記
速度指令値をフィードバック補正する位置制御手段を備
える如く構成した。

（作用） 第１図を参照して説明すると、図示の如く、安定な制御
を行うために、短い制御周期が必要な速度制御回路をア
ナログ回路とし、比較的遅い制御周期でも良い位置制御
回路をデジタル回路で構成し、コンピュータの負担を軽
減した。更に、制御偏差を実質的に零とするために、モ
ータ角速度のオーブンループ制御を採用することによっ
て、時間遅れが生じない様に関節角度を制御することと
じ、外乱等によって目標関節角度と実際関節角度との間
に偏差が発生した場合のみ、位置のフィードバック制御
を行う様にして制御の簡素化を図った。

（実施例） 以下、脚式移動ロボットとして２足歩行ロボットを例に
とって本発明の詳細な説明する。第２図はそのロボット
１を全体的に示す説明スケルトン図であり、左右それぞ
れの脚部に６個の関節（軸）を備える。該６個の関節（
軸）は上から順に、腰の脚部回旋用の関節（軸）ＩＯＲ
，ｌ０Ｌ（右側をＲ１左側をＬとする。以下間し）、腰
のピンチ方向の関節（軸）１２Ｒ，１２Ｌ、同ロール方
向の関節（軸）１４Ｒ，１４Ｌ、膝部のピッチ方向の関
節（軸）１６Ｒ，１６Ｌ、足首部のピッチ方向の関節（
軸）１８Ｒ，１８Ｌ、同ロール方向の関節（軸）２０Ｒ
，２ＯＬとなっており、その下部には足部２２Ｒ，２２
Ｌが取着されると共に、最上位には胴体部（基体）２４
が設けられ、その内部には制御ユニット２６が格納され
る。

上記において股関節は、関節（軸）ＩＯＲ（Ｌ）、１２
Ｒ（Ｌ）、１４Ｒ（Ｌ）から構成され、それらの軸線は
全て１点で交差する様に構成される。また関節（軸）１
８Ｒ（Ｌ）、２ＯＲ（Ｌ）から構成される足関節も軸線
が互いに直交する様にされており、さらに前記した３本
のピッチ方向の関節（軸）１２Ｒ（Ｌ）、１６Ｒ（Ｌ）
、１８Ｒ（Ｌ）は相互に平行に配置され、その相対位置
関係は他の関節（軸）の挙動に関わらず、常に変わらな
い構成となっている。図示の如く、片側の脚について６
つの自由度を与えられ、胴体部２４を固定しても足部２
２Ｒ（Ｌ）を任意の位置で任意の方向に置くことができ
る構成とされる。即ち、歩行中にこれらの６Ｘ２＝１２
個の関節（軸）をそれぞれ適宜な角度に駆動することで
、層全体に所望の動きを与えることができ、任意に３次
元空間を歩行することができる。尚、股関節と膝関節と
の間は大腿リンク２７Ｒ，２７Ｌで、膝関節と足首関節
との間は下腿リンク２８Ｒ，２８Ｌで連結される。

これらの関節は主として電動モータとその出力を倍力す
る減速機とから構成される。以下に第３図及び第４図を
参照して膝関節以下の部位についてその詳細を説明する
が、腰関節も類似した構造である。尚、左右対象である
ため、以下の説明では右脚側について行う。第３図にお
いて大腿リンク２７Ｒの中途位置に取着された電動モー
タ（図示せず）の出力が、ベルト８２を介して膝関節（
軸）１６Ｒに装着されたハーモニック減速機８４の入力
軸に入力される。また下腿リンク２８Ｒの上端側にも凹
部８７が形成され、そこに電動モータ８８が収納され、
その出力はヘルド９０を介して足首部に配置されたハー
モニック減速機９２に入力され、足部２２Ｒを前記した
軸線１８Ｒを中心としてピッチ方向に駆動する。また軸
線１８Ｒと直交する前記した軸線２ＯＲを中心として足
部２２はロール方向に揺動自在に構成されており、その
ためにハーモニック減速機９４と、それに動力を供給す
る電動モータ９６とが直結されて設けらる。各電動モー
タにはロークリエンコーダが設けられ、モータ軸の回転
角度を検出する（図には電動モータ８８用のロータリエ
ンコーダ８９のみ示す）。

而して足首部には６軸カセンサ９８が設けられ、足部を
介してロボットに伝達されるｘ、ｙ。

Ｚの３方向成分とモーメントの３方向成分とを分離して
別々に測定し、足部の着地の有無と支持脚に加わる力の
大きさと方向とを検出する。また略平坦に形成され、着
地時の衝撃を吸収するためにゴム等の弾性材２２０を備
えた足底部の四隅には公知の接地スイッチ９９が設けら
れて、接地の有無を検出する（第３図乃至第４図で図示
省略）。

更に、第２図に示す如く、胴体部２４の適宜位置には、
一対の傾斜センサ１００．、１０２が設置され、ｘ−ｚ
平面内の２軸に対する傾きとその角速度、同様にｙ−ｚ
平面内の２軸に対する傾きとその角速度を検出する。こ
れらの出力は前記した胴体部２４内の制御ユニット２６
に送られる。

第５図は制御ユニット２６の詳細を示すブロック図であ
り、マイクロ・コンピュータから構成される。そこにお
いて（頃斜センサ１００，１０２等の出力はＡ／Ｄ変換
回路１０４でデジタル値に変換され、その出力はバス１
０６を介してＲＡＭ１０８に送られる。またエンコーダ
８９等の出力はカウンタ１１０を介してＲＡＭ１０８内
に人力されると共に、接地スイッチ９９等の出力は波形
整形回路１１２を経て同様にＲＡＭ　１０８内に格納さ
れる。制御ユニット内にはＣＰＵＩ　１４が設けられて
おり、ＣＰＵＩ　１４は後述の如（、格納されている歩
行データを読み込んでカウンタ１１０から送出される実
測値との偏差から速度指令値を算出し、Ｄ／Ａ変換回路
１１８を介してサーボアンプ１２０に送出する。制御値
はそこで電流値に変換されて各関節の電動モータに供給
される。

また図示の如く、エンコーダ出力はＦ／Ｖ変換回路１２
２を介してサーボアンプに送出されており、マイナール
ープとしての速度フィードバック制御が実現されている
。尚、符号１２８は進路、歩幅等の歩容変更指令用のジ
ョイステインクを、符号１３０は原点（直立）姿勢決定
用の原点スイッチを、符号１３２はオーバラン防止用の
リミットスイッチを示す。

以下、第６図フロー・チャートを参照して本制御装置の
動作を説明する。尚、同図に示す制御においては目標関
節角度を予めオフラインで設定しておくことを前提とす
ると共に、インピーダンス制御を速度分解制御で実現し
た仮想コンプライアンス制御（「多自由度ロボットの仮
想コンプライアンス制御」　（計測自動制御学会論文集
、ＶＯＬ。

２２、ＮＯ，３，昭和６１年３月）の考えを利用してい
る先ずＳＩＯで装置各部をイニシャライズした後、Ｓ１
２で歩行パターンｉ　θｔを検索する。これはロボット
が理想的に平坦でかつ硬さも均一な路面を歩行するとき
の各関節角の目標値を示す。

ここで添字ｉは関節の番号を示し、添字は時刻ものとき
の角度を示す。関節の番号は下から順に、２ＯＲ＝１．
２ＯＬ＝２．、、　　とする。これらの時系列データは
予め大型コンピュータで算出しておき、前記した制御ユ
ニット内のマイクロ・コンピュータのＲＯＭ１１６に格
納してお（。

続いて３１４でパラメータＫｐ、にν３．．を入力する
。これらはフィードバック・ゲインであり、詳細は後述
する。続いてＳ１６でタイマ値ｔ、カウンタ値Ｃ０ｔｌ
ＮＴ及び関節番号（カウンタ）値を零にリセットし、Ｓ
１８で歩行を開始し、Ｓ２０で関節番号ｉをカウントす
るカウンタ値を１にセットする。次いでＳ２２でセント
した関節番号に該当する関節角度ｉ　θｔ　　（ｉ＝１
）等のパラメータをメモリから読み出す。ここでｉθｔ
　＋ｉは現在の時刻（現在のプログラム起動時）ｔの次
の時刻、即ち次回のプログラム起動時の目標関節角度を
示す。ωＤｔは目標角速度（後述）を示す。Ｆｔ　　（
０ｗ）は両足支持期、Ｆｔ　　（ωＳ）は片足支持期、
Ｆｔ（Ｃ）は衝撃吸収制御期を示すフラグであり、前記
したマイクロ・コンピュータにおいて６軸カセンサ等の
出力から判定され、当該期間にあるときそのビットが１
にセントされる。

次いで、Ｓ２４において傾斜センサ等の検出値を読み込
む。ここでｉ　θＲは１番目（この例では回路２２Ｒ）
の関節の実際の関節角度を、ωＲは実際の傾斜角速度を
、Ｍは足部に加わる実際のモーメントを示す。次いでＳ
２６において位置フィードバック制御値ｉＶ１を算出し
、３２８において速度フィードバック（フォワード）制
御値ｉＶ２を算出する。即ち、第７図に示す如く、本実
施例においては関節角度の指令値ｉ　θｔと実際の関節
角度ｌθＲとの偏差Δθに比例ゲインｋｐを乗した位置
フィードバック値と、時刻ｔのときの関節角度指令値ｉ
　θｔと時刻ｔ＋１のときの関節角度指令値ｉθｔ　＋
１との偏差にゲインを乗じたフィードフォワード値を加
えた速度指令値をサーボアンプ１２．０に出力する。即
ち、時刻ｔのときの関節角度指令値ｉθＬと次の時刻ｔ
＋１のときの関節角度指令値１　θｔ　＋１が角度の変
化分を示していることから、その差を速度指令値とする
ことで一層単純化を図っている。尚、第７図は足関節を
除く関節についてのブロック線図であり、足関節は第８
図ブロック線図に示す様にコンプライアンス制御に基づ
く制御値等もフィードバンクされるが、それについては
後述する。

続いてＳ３０において関節番号ｉが４以内か否か、即ち
足関節の制御値を算出中か否か判断し、この場合には当
然に肯定されてＳ３２以降に進んで先ず傾斜角速度フィ
ードバック等を実施する。具体的には、先ずＳ３２乃至
は３３４でフラグＦｔ　　（ω−）又はＦｔ　　（ωＳ
）のビット・オン、即ち両足支持期か片足支持期かを判
断し、判断結果に基づいて３３６又は３３８で第７図に
示す様に、目標傾斜角速度ωＤｔと実際の傾斜角速度ω
Ｒとの偏差Δωにゲインにωを乗して第３の速度フィー
ドバック制御値ｉＶ３を算出する。即ち、本実施例にお
いては一層の歩行の安定化を目指し、コンプライアンス
制御と併せて、傾斜角速度が目標値から逸脱したときは
ロボットが転倒する可能性がある、乃至は外部から足関
節にモーメントが加えられたと判断し、その偏差に適宜
なゲインにωを乗じて着地している側の脚の足関節を駆
動して接地反力を生ぜしめ、ロボットの姿勢の崩れを修
正する様にした。尚、第６図フロー・チャートにおいて
両足支持期にも片足支持期にもないと判断されるときは
、Ｓ４０で制御値を零とする。

続いて３４２以下で仮想コンプライアンス制御値を決定
する。即ち、ロボットの遊脚が離床して着床するまでの
所定時間Ｔ　ＣＯＭＰを衝撃吸収制御期とし、３４２で
その期間にあると判断されるときは３４４に進み、そこ
でゲーインｋｃをｋｃ＝ｋｃｏｍｐＸ　ｆ　（ｃｏｕｎ
ｔ　）と算出し、３４６で検出したモーメントＭに乗じ
て第４の速度フィードバック値ｉＶ４を算出しく第８図
）、Ｓ４８で着地が検出されるとＳ５０でカウンタ値を
インクリメントする。斯る如く、衝撃吸収のゲインはカ
ウンタ値Ｃ０ＵＮＴの関数として設定され、示す様に着
地と同時に経時的に逓減され、ついには零となる様に設
定する。尚、Ｓ４２で衝撃吸収制御期にないと判断され
るときは３５２で制御値ｉＶ４を零とし、Ｓ５４でカウ
ンタ値を零にリセットする。

続いて３５６で算出した全ての制御値を加算して総和ｉ
ＶｃＯＭＭを求めてサーボアンプ１２０に出力し、Ｓ５
８で関節番号カウンタをインクリメントし、Ｓ６０で最
終関節か否か判断し、否定されるときはＳ６２に進んで
次の目標関節角度ｉ　θｔを検索するためにタイマ値ｔ
をインクリメントし、Ｓ６４で歩行終了と判断されない
限り、各関節について連続的に制御値を決定する。

本実施例は上記の如（、短い制御周期が必要な速度制御
回路をアナログ回路として安定性を確保すると共に、比
較的遅い周期で足る位置制御回路をデジタル回路で構成
してコンピュータの負担を軽減した。また制御偏差を実
質的に零とするために、モータ角速度のフィードフォワ
ード制御をとることによって関節角度に時間遅れが生し
ない様に構成し、外乱等によって関節角度指令値と実際
の検出角度との間に偏差が生じた場合のみ位置のフィー
ドバック制御を行う様にした。第９図と第１０図は本制
御装置による指令値に対する実角度と、その遅れをそれ
ぞれ示す測定データであるが、第１３図と第１４図に示
した従来技術の測定データに対比すれば、偏差が実質的
に解消されたことが見てとれよう。

更には目標関節角度を予めオフラインで算出しておく手
法を前提としたことから、搭載コンピュータの負担が一
層軽減されており、また現在時刻と次の時刻の指令値の
差分を速度指令値とする様に構成したので、制御装置と
して一層簡略なものにすることができた。

尚、本発明を２足歩行の脚式移動ロボットについて説明
したが、それに限られるものではなく、３足以上の脚式
移動ロボットにも妥当するものである。

（発明の効果） 請求項１項記載の脚式移動ロボットの歩行制御装置は、
基体と、それに結合され、少なくとも１個の関節を備え
た複数本の脚部リンクとからなる脚式移動ロボットの歩
行制御装置において、該関節を駆動する電動モータ、設
定された目標関節角度の変化率から該電動モータを駆動
するフィードフォワード速度指令値を求めてその駆動回
路に出力するフィードフォワード速度指令手段、及び該
設定された目標関節角度と実際角度との位置偏差をデジ
タル値で求め、所定のゲインを乗じて前記速度指令値を
フィードバンク補正する位置制御手段を備える如く構成
したので、簡易な構成でありながら制御偏差を解消する
ことができて安定した歩行を実現することができると共
に、制御装置をコンピュータで構成するときも比較的低
レベルのもので足り、脚式移動ロボットの制御装置とし
て実利性も高い。

請求項２項記載の脚式移動ロボットの歩行制御装置は、
前記目標関節角度を時系列データとして予め設定してお
くと共に、現在時刻ｎと次の時刻ｎ＋１　とにおける目
標関節角度の差分を前記速度指令値とする様に構成した
ので、−層簡易な構成で制御偏差を解消することができ
て安定した歩行を実現することができ、また制御装置を
コンピュータで構成するときも一層低しベルのもので足
り、脚式移動ロボットの制御装置として一層実利性が高
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る脚式移動ロポントの歩行制御装置
の制御アルゴリズムを示すブロック線図、第２図はその
構成を全体的に示す概略図、第３図は第２図の膝関節以
下の部位を示す説明側面図、第４図はそのＩＶ−ＩＶ線
部分断面図、第５図は制御ユニットの説明ブロンク図、
第６図は本制御装置の動作を示すフロー・チャート、第
７図は足関節を除く関節について第６図フロー・チャー
トに示される制御アルゴリズムを説明するブロック線図
、第８図は同様に足関節についての制御アルゴリズムを
説明するブロック線図、第９図は本制御装置を用いたと
きの指令値に対する実角度を示す測定データ、第１０図
はその遅れを示す測定データ、第１１図は２足歩行の脚
式移動ロボントが歩行するとき作用する力を一般的に示
す説明図、第１２図は従来技術の制御アルゴリズムを示
すブロック線図、第１３図は従来技術を用いたときの指
令値に対する実角度を示す測定データ及び第１４図はそ
の遅れを示す測定データである。 １・・・脚式移動ロボット（２足歩行ロボット）、ＩＯ
Ｒ，ＩＯＬ・・・脚部回旋用の関節（軸）、１２Ｒ，１
２Ｌ・・・股部のピッチ方向の関節（軸）、１４Ｒ，１
４Ｌ・・・股部のロール方向の関節（軸）、１６Ｒ，１
６Ｌ・・・膝部のピッチ方向の関節（軸）、１８Ｒ，１
８Ｌ・・・足首部のピッチ方向の関節（軸）、２ＯＲ，
２ＯＬ・・・足首部のロール方向の関節（軸）、２２Ｒ
。 ２２Ｌ・・・足部、２４・・・胴体部、２６・・・制御
ユニット、２７Ｒ，２７Ｌ・・・大腿リンク、２８Ｒ，
２８Ｌ・・・下腿リンク、８４，９２．９４・・・ハー
モニック減速機、８２．９０・・・ベルト、８８．９６
・・・電動モータ、８９・・・ロータリエンコーダ、８
７・・・凹部、９８・・・６軸カセンサ、９９・・・接
地スイ。 チ、１００，１０２・・・傾斜センサ、１０４・・・Ａ
／Ｄ変換回路、１０６・・・ハス、１０８・　・・ＲＡ
Ｍ、１１０・・・カウンタ、１１２・・・波形整形回路
、１１４・・・ｃｐｕ、１１６・・・ＲＯＭ、１１８・
・・Ｄ／Ａ変換回路、１２０・・・サーボアンプ、１２
２・・・Ｆ／Ｖ変換回路、１２８・・・ジョイスティッ
ク、１３０・・・原点スイッチ、１３２・・・リミット
スイッチ、

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）基体と、それに結合され、少なくとも１個の関節
   を備えた複数本の脚部リンクとからなる脚式移動ロボッ
   トの歩行制御装置において、 ａ、該関節を駆動する電動モータ、 ｂ、設定された目標関節角度の変化率から該電動モータ
   を駆動するフィードフォワード速度指令値を求めてその
   駆動回路に出力するフィードフォワード速度指令手段、 及び ｃ、該設定された目標関節角度と実際角度との位置偏差
   をデジタル値で求め、所定のゲインを乗じて前記速度指
   令値をフィードバック補正する位置制御手段、 を備えたことを特徴とする脚式移動ロボットの歩行制御
   装置。
2. （２）前記目標関節角度を時系列データとして予め設定
   しておくと共に、現在時刻ｎと次の時刻ｎ＋１とにおけ
   る目標関節角度の差分を前記フィードフォワード速度指
   令値とすることを特徴とする請求項１項記載の脚式移動
   ロボットの歩行制御装置。