JPH05305584A - 脚式移動ロボットの歩行制御装置 - Google Patents
脚式移動ロボットの歩行制御装置Info
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- JPH05305584A JPH05305584A JP13788192A JP13788192A JPH05305584A JP H05305584 A JPH05305584 A JP H05305584A JP 13788192 A JP13788192 A JP 13788192A JP 13788192 A JP13788192 A JP 13788192A JP H05305584 A JPH05305584 A JP H05305584A
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Abstract
(57)【要約】
【構成】 ２足歩行の脚式移動ロボットにおいて、足平
にバネ機構を設けると共に、目標トルクをフィードフォ
ワード的に与え、更に検出したトルクと目標トルクとの
差を目標角度にフィードバックする。 【効果】 バネ機構およびトルクフィードバックにより
外乱トルク、着地衝撃を緩和すると共に、目標トルクを
フィードフォワード的に与えることから、バネ機構を設
けてもロボットに床を蹴る力が不足することがない。
にバネ機構を設けると共に、目標トルクをフィードフォ
ワード的に与え、更に検出したトルクと目標トルクとの
差を目標角度にフィードバックする。 【効果】 バネ機構およびトルクフィードバックにより
外乱トルク、着地衝撃を緩和すると共に、目標トルクを
フィードフォワード的に与えることから、バネ機構を設
けてもロボットに床を蹴る力が不足することがない。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は脚式移動ロボットの歩
行制御装置に関する。
行制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、移動ロボットに関する技術として
は車輪式、クローラ式、脚式などのロボットが提案され
ている。その中で、脚式移動ロボットの制御技術に関す
るものとして、１脚のロボットに関する技術（Raibert,
M.H., Brown, Jr.H.B.,"Experiments in Balance With
a 2D One-Legged Hopping Machine", ASME, J of DSM
C,vol.106, pp.75-81 (1984)), ２脚のロボットに関す
る技術（日本ロボット学会誌vol.l, no.3, pp.167-203,
1983）、４脚のロボットに関する技術（日本ロボット学
会誌vol.9, no.5, pp.638-643, 1991)、６脚のロボット
に関する技術（Fischeti, M.A.,"Robot Do the Dirty W
ork,"IEEE, spectrum, vol.22. no.4, pp.65-72 (198
5). Shin-Min Song, Kenneth J. Waldron, "Machines T
hat Walk; The Adaptive Suspension Vehicle", The MIT Press Cambri
dge, Massachusetts, London. England)が多数提案され
ている。更には、比較的低自由度のロボットでリアルタ
イムに力学的に安定な移動（歩行）パターンを生成する
技術（下山、”竹馬型２足歩行ロボットの動的歩行”、
日本機械学会論文集 C篇、第48巻、第 433号、pp.1445-
1454, 1982. および"Legged Robots on Rough Terrain;
Experiments in Adjusting Step Length", by Jessica
Hodgins. IEEE, 1988) や、比較的多自由度のロボット
でオフラインで安定な移動（歩行）パターンを生成する
技術（特開昭62-97006号、特開昭63-150176 号）も提案
されている。
は車輪式、クローラ式、脚式などのロボットが提案され
ている。その中で、脚式移動ロボットの制御技術に関す
るものとして、１脚のロボットに関する技術（Raibert,
M.H., Brown, Jr.H.B.,"Experiments in Balance With
a 2D One-Legged Hopping Machine", ASME, J of DSM
C,vol.106, pp.75-81 (1984)), ２脚のロボットに関す
る技術（日本ロボット学会誌vol.l, no.3, pp.167-203,
1983）、４脚のロボットに関する技術（日本ロボット学
会誌vol.9, no.5, pp.638-643, 1991)、６脚のロボット
に関する技術（Fischeti, M.A.,"Robot Do the Dirty W
ork,"IEEE, spectrum, vol.22. no.4, pp.65-72 (198
5). Shin-Min Song, Kenneth J. Waldron, "Machines T
hat Walk; The Adaptive Suspension Vehicle", The MIT Press Cambri
dge, Massachusetts, London. England)が多数提案され
ている。更には、比較的低自由度のロボットでリアルタ
イムに力学的に安定な移動（歩行）パターンを生成する
技術（下山、”竹馬型２足歩行ロボットの動的歩行”、
日本機械学会論文集 C篇、第48巻、第 433号、pp.1445-
1454, 1982. および"Legged Robots on Rough Terrain;
Experiments in Adjusting Step Length", by Jessica
Hodgins. IEEE, 1988) や、比較的多自由度のロボット
でオフラインで安定な移動（歩行）パターンを生成する
技術（特開昭62-97006号、特開昭63-150176 号）も提案
されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記したオ
フラインで安定な移動パターンを生成するものにおい
て、脚式移動ロボットが移動する床面は厳密に設計値通
りであることは少なく、パターンで予期しない凹凸や傾
斜が存在することが多い。その様な凹凸、傾斜に遭遇す
ると、脚式移動ロボットは予期しない外乱トルクを受け
て姿勢が不安定になる恐れがある。これは上記したリア
ルタイムに移動パターンを生成して歩行する手法を用い
るものでも同様であって、外乱トルクは姿勢を崩す一因
となる。また着地時には脚部が床と接触して反力を受け
るが、その反力が大きいと同様に姿勢の安定性を悪化さ
せる。他方、その様な不都合を解消するために、脚部に
柔らかさを与えると、予定した床を蹴る力が不足し、か
えって歩行に支障を来すことがある。
フラインで安定な移動パターンを生成するものにおい
て、脚式移動ロボットが移動する床面は厳密に設計値通
りであることは少なく、パターンで予期しない凹凸や傾
斜が存在することが多い。その様な凹凸、傾斜に遭遇す
ると、脚式移動ロボットは予期しない外乱トルクを受け
て姿勢が不安定になる恐れがある。これは上記したリア
ルタイムに移動パターンを生成して歩行する手法を用い
るものでも同様であって、外乱トルクは姿勢を崩す一因
となる。また着地時には脚部が床と接触して反力を受け
るが、その反力が大きいと同様に姿勢の安定性を悪化さ
せる。他方、その様な不都合を解消するために、脚部に
柔らかさを与えると、予定した床を蹴る力が不足し、か
えって歩行に支障を来すことがある。
【０００４】従って、この発明の目的は脚部を床の凹凸
や傾斜に柔軟に着地させ、踏破性を高めて外乱トルクを
緩和し、また着地時の衝撃も効果的に緩和すると共に、
所期の床を蹴る力を確保して歩行に支障を来さない様に
した脚式移動ロボットの歩行制御装置を提供することに
ある。
や傾斜に柔軟に着地させ、踏破性を高めて外乱トルクを
緩和し、また着地時の衝撃も効果的に緩和すると共に、
所期の床を蹴る力を確保して歩行に支障を来さない様に
した脚式移動ロボットの歩行制御装置を提供することに
ある。
【０００５】更には、脚式移動ロボットの脚部に上記し
たコンプライアンス（柔らかさ）を与えるとき、脚部が
発振、振動するなどの不都合が生じる恐れがある。
たコンプライアンス（柔らかさ）を与えるとき、脚部が
発振、振動するなどの不都合が生じる恐れがある。
【０００６】従って、この発明の第２の目標は脚部にコ
ンプライアンスを与えても脚部が発振、振動することが
ない様にした脚式移動ロボットの歩行制御装置を提供す
ることにある。
ンプライアンスを与えても脚部が発振、振動することが
ない様にした脚式移動ロボットの歩行制御装置を提供す
ることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記した課題を解決する
ためにこの発明は例えば請求項１項に示す如く、複数本
の脚部を有する脚式移動ロボットの歩行制御装置であっ
て、少なくとも該脚部の接地端付近に設けられた関節と
それを変位制御する制御手段とを備えるものにおいて、
前記脚部関節と脚部接地端とを連結するバネ機構体、及
び、前記脚部関節の付近に配置され、前記バネ機構体に
よって前記関節に作用する荷重を検出する荷重検出手段
とを備え、前記制御手段は、検出値に応じて荷重を所定
の値に制御する様に構成した。尚、ここで「荷重」はト
ルク（モーメント）と力とを含む意味で使用する。
ためにこの発明は例えば請求項１項に示す如く、複数本
の脚部を有する脚式移動ロボットの歩行制御装置であっ
て、少なくとも該脚部の接地端付近に設けられた関節と
それを変位制御する制御手段とを備えるものにおいて、
前記脚部関節と脚部接地端とを連結するバネ機構体、及
び、前記脚部関節の付近に配置され、前記バネ機構体に
よって前記関節に作用する荷重を検出する荷重検出手段
とを備え、前記制御手段は、検出値に応じて荷重を所定
の値に制御する様に構成した。尚、ここで「荷重」はト
ルク（モーメント）と力とを含む意味で使用する。
【０００８】
【作用】脚部の関節と脚部接地端との間をバネ機構体で
連結することから、脚部先端を床の凹凸や傾斜に柔軟に
接地させて移動環境での踏破性を高めることができ、着
地時の衝撃も効果的に低減することができる。また荷重
を所定の値に制御する様にしたことから、歩行パターン
で期待するトルクを減じることもない。更に、荷重変動
のうち、高い周波数成分はバネ機構体で吸収することが
できるので、制御系の応答周波数を余り高くする必要が
なく、トルクフィードバック制御の安定性を高めること
ができる。また床が柔らかくても、バネ機構体と同程度
ならば、トルクフィードバック制御系にとっては硬い床
においてバネ構造体のバネ性を若干または半分程度下げ
たことと等価であるから、床の柔らかさの影響を受けに
くく、トルクフィードバック制御系の特性が極端に変わ
ることがない。また、アクチュエータ内部摩擦や減速機
摩擦の影響を余り受けずに制御することができ、コンプ
ライアンス制御の精度も向上させることができる。
連結することから、脚部先端を床の凹凸や傾斜に柔軟に
接地させて移動環境での踏破性を高めることができ、着
地時の衝撃も効果的に低減することができる。また荷重
を所定の値に制御する様にしたことから、歩行パターン
で期待するトルクを減じることもない。更に、荷重変動
のうち、高い周波数成分はバネ機構体で吸収することが
できるので、制御系の応答周波数を余り高くする必要が
なく、トルクフィードバック制御の安定性を高めること
ができる。また床が柔らかくても、バネ機構体と同程度
ならば、トルクフィードバック制御系にとっては硬い床
においてバネ構造体のバネ性を若干または半分程度下げ
たことと等価であるから、床の柔らかさの影響を受けに
くく、トルクフィードバック制御系の特性が極端に変わ
ることがない。また、アクチュエータ内部摩擦や減速機
摩擦の影響を余り受けずに制御することができ、コンプ
ライアンス制御の精度も向上させることができる。
【０００９】
【実施例】以下、脚式移動ロボットとして２足歩行のロ
ボットを例にとって、この発明の実施例を説明する。図
１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リンク２に６個の関節を備え
る（理解の便宜のために各関節をそれを駆動する電動モ
ータで示す）。該６個の関節は上から順に、腰の脚部回
旋用（ｚ軸まわり）の関節１０Ｒ，１０Ｌ（右側をＲ、
左側をＬとする。以下同じ）、腰のロール方向（ｘ軸ま
わり）の関節１２Ｒ，１２Ｌ、同ピッチ方向（ｙ軸まわ
り）の関節１４Ｒ，１４Ｌ、膝部のピッチ方向の関節１
６Ｒ，１６Ｌ、足首部のピッチ方向の関節１８Ｒ，１８
Ｌ、同ロール方向の関節２０Ｒ，２０Ｌとなっており、
その下部には後で述べるバネ機構を備えた足平２２Ｒ，
２２Ｌが取着されると共に、最上位には筐体（上体）２
４が設けられ、その内部には制御ユニット２６が格納さ
れる。
ボットを例にとって、この発明の実施例を説明する。図
１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リンク２に６個の関節を備え
る（理解の便宜のために各関節をそれを駆動する電動モ
ータで示す）。該６個の関節は上から順に、腰の脚部回
旋用（ｚ軸まわり）の関節１０Ｒ，１０Ｌ（右側をＲ、
左側をＬとする。以下同じ）、腰のロール方向（ｘ軸ま
わり）の関節１２Ｒ，１２Ｌ、同ピッチ方向（ｙ軸まわ
り）の関節１４Ｒ，１４Ｌ、膝部のピッチ方向の関節１
６Ｒ，１６Ｌ、足首部のピッチ方向の関節１８Ｒ，１８
Ｌ、同ロール方向の関節２０Ｒ，２０Ｌとなっており、
その下部には後で述べるバネ機構を備えた足平２２Ｒ，
２２Ｌが取着されると共に、最上位には筐体（上体）２
４が設けられ、その内部には制御ユニット２６が格納さ
れる。
【００１０】上記において股関節は関節１０Ｒ（Ｌ），
１２Ｒ（Ｌ），１４Ｒ（Ｌ）から構成され、また足関節
は、関節１８Ｒ（Ｌ），２０Ｒ（Ｌ）から構成される。
また、腰関節と膝関節との間は大腿リンク３２Ｒ，３２
Ｌで、膝関節と足関節との間は下腿リンク３４Ｒ，３４
Ｌで連結される。ここで、脚部リンク２は左右の足につ
いてそれぞれ６つの自由度を与えられ、歩行中にこれら
の６×２＝１２個の関節（軸）をそれぞれ適宜な角度に
駆動することで、足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様に構成
される。先に述べた様に、上記した関節は電動モータか
らなり、更にはその出力を倍力する減速機などを備える
が、その詳細は先に本出願人が提案した出願（特願平１
−３２４２１８号、特開平３−１８４７８２号）などに
述べられており、それ自体はこの発明の要旨とするとこ
ろではないので、これ以上の説明は省略する。
１２Ｒ（Ｌ），１４Ｒ（Ｌ）から構成され、また足関節
は、関節１８Ｒ（Ｌ），２０Ｒ（Ｌ）から構成される。
また、腰関節と膝関節との間は大腿リンク３２Ｒ，３２
Ｌで、膝関節と足関節との間は下腿リンク３４Ｒ，３４
Ｌで連結される。ここで、脚部リンク２は左右の足につ
いてそれぞれ６つの自由度を与えられ、歩行中にこれら
の６×２＝１２個の関節（軸）をそれぞれ適宜な角度に
駆動することで、足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様に構成
される。先に述べた様に、上記した関節は電動モータか
らなり、更にはその出力を倍力する減速機などを備える
が、その詳細は先に本出願人が提案した出願（特願平１
−３２４２１８号、特開平３−１８４７８２号）などに
述べられており、それ自体はこの発明の要旨とするとこ
ろではないので、これ以上の説明は省略する。
【００１１】図１に示すロボット１において、足首部に
は公知の６軸力センサ３６が設けられ、足平を介してロ
ボットに伝達されるｘ，ｙ，ｚ方向の力成分Ｆｘ，Ｆ
ｙ，Ｆｚとその方向まわりのモーメント成分Ｍｘ，Ｍ
ｙ，Ｍｚとを測定し、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。また足平２２Ｒ
（Ｌ）の四隅には静電容量型の接地スイッチ３８（図１
で図示省略）が設けられて、足平の接地の有無を検出す
る。更に、筐体２４には傾斜センサ４０が設置され、ｘ
−ｚ平面内とｙ−ｚ平面内のｚ軸に対する、即ち、重力
方向に対する傾斜角速度を検出する。また各関節の電動
モータには、その回転量を検出するロータリエンコーダ
が設けられる。更に、図１では省略するが、ロボット１
の適宜な位置には傾斜センサ４０の出力を補正するため
の原点スイッチ４２と、フェール対策用のリミットスイ
ッチ４４が設けられる。これらの出力は前記した筐体２
４内の制御ユニット２６に送られる。
は公知の６軸力センサ３６が設けられ、足平を介してロ
ボットに伝達されるｘ，ｙ，ｚ方向の力成分Ｆｘ，Ｆ
ｙ，Ｆｚとその方向まわりのモーメント成分Ｍｘ，Ｍ
ｙ，Ｍｚとを測定し、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。また足平２２Ｒ
（Ｌ）の四隅には静電容量型の接地スイッチ３８（図１
で図示省略）が設けられて、足平の接地の有無を検出す
る。更に、筐体２４には傾斜センサ４０が設置され、ｘ
−ｚ平面内とｙ−ｚ平面内のｚ軸に対する、即ち、重力
方向に対する傾斜角速度を検出する。また各関節の電動
モータには、その回転量を検出するロータリエンコーダ
が設けられる。更に、図１では省略するが、ロボット１
の適宜な位置には傾斜センサ４０の出力を補正するため
の原点スイッチ４２と、フェール対策用のリミットスイ
ッチ４４が設けられる。これらの出力は前記した筐体２
４内の制御ユニット２６に送られる。
【００１２】図２ないし図４は足平２２Ｒ（Ｌ）に設け
られたバネ機構５０の構造を詳細に示す底面図、縦断面
図および平面断面図である。足平２２Ｒ（Ｌ）は図示の
如く、プレート５２からなり、プレート５２は大略平面
正方形状に突設されてそこにガイド部材５４が形成され
る。他方、前記した６軸力センサ３６に連続するリンク
部位は断面逆Ω状のピストン状部材５６に固定され、ピ
ストン状部材５６はガイド部材５４内にｚ軸方向に多少
の間隙５８を有して収容される。ピストン状部材５６と
足平プレート５２との間に硬質ゴムブシュからなる弾性
体６０が９０度間隔で４個配置される。更に、ピストン
状部材５６のフランジ５６ａとの間にはｘ，ｙ軸方向に
若干の間隙６２が形成されると共に、フランジ下部には
プラスチック材からなる摺動体６４が、ガイド部材５４
の壁面に摺動自在に配置される。弾性体６０と摺動体６
４とはビス６６を介して足平プレート５２とピストン状
部材５６とに固定される。
られたバネ機構５０の構造を詳細に示す底面図、縦断面
図および平面断面図である。足平２２Ｒ（Ｌ）は図示の
如く、プレート５２からなり、プレート５２は大略平面
正方形状に突設されてそこにガイド部材５４が形成され
る。他方、前記した６軸力センサ３６に連続するリンク
部位は断面逆Ω状のピストン状部材５６に固定され、ピ
ストン状部材５６はガイド部材５４内にｚ軸方向に多少
の間隙５８を有して収容される。ピストン状部材５６と
足平プレート５２との間に硬質ゴムブシュからなる弾性
体６０が９０度間隔で４個配置される。更に、ピストン
状部材５６のフランジ５６ａとの間にはｘ，ｙ軸方向に
若干の間隙６２が形成されると共に、フランジ下部には
プラスチック材からなる摺動体６４が、ガイド部材５４
の壁面に摺動自在に配置される。弾性体６０と摺動体６
４とはビス６６を介して足平プレート５２とピストン状
部材５６とに固定される。
【００１３】従って、足平２２Ｒ（Ｌ）が路面と接触し
て図３に示す如く、ｙ軸廻りのモーメントを受けたと
き、ピストン状部材５６は弾性体６０を変形させてモー
メントが作用する方向に想像線で示す如く前（後）傾
し、そのモーメントを吸収する。これはｘ軸まわりのモ
ーメントを受けたときも同様である。更に、図４から明
らかな如く、ガイド部材５４は平面略正方形状となって
いることから、ｚ軸まわりのモーメントを受けたときは
それに対抗することができる。尚、足平プレート５２の
下部には第１，第２の弾性体７０，７２を分散配置し、
衝撃緩和と摩擦力とを増加させる様にした。足部につい
て上に述べたことをモデル化して示すと、図５の様にな
る。
て図３に示す如く、ｙ軸廻りのモーメントを受けたと
き、ピストン状部材５６は弾性体６０を変形させてモー
メントが作用する方向に想像線で示す如く前（後）傾
し、そのモーメントを吸収する。これはｘ軸まわりのモ
ーメントを受けたときも同様である。更に、図４から明
らかな如く、ガイド部材５４は平面略正方形状となって
いることから、ｚ軸まわりのモーメントを受けたときは
それに対抗することができる。尚、足平プレート５２の
下部には第１，第２の弾性体７０，７２を分散配置し、
衝撃緩和と摩擦力とを増加させる様にした。足部につい
て上に述べたことをモデル化して示すと、図５の様にな
る。
【００１４】図６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。そこにおいて傾斜センサ４０などの出力はＡ／Ｄ変
換器８０でデジタル値に変換され、その出力はバス８２
を介してＲＡＭ８４に送られる。また各電動モータに隣
接して配置されるエンコーダの出力はカウンタ８６を介
してＲＡＭ８４内に入力されると共に、接地スイッチ３
８などの出力は波形整形回路８８を経て同様にＲＡＭ８
４内に格納される。制御ユニット内にはＣＰＵからなる
第１、第２の演算装置９０，９２が設けられており、第
１の演算装置９０はＲＯＭ９４に格納されている関節軌
道などの歩行パターンを読み出して目標関節角度（角度
指令）と、その角度を実現するのに必要な目標トルク
（トルク指令）とを算出してＲＡＭ８４に送出する。ま
た第２の演算装置９２は後述の如くＲＡＭ８４からその
目標値と検出された実測値とを読み出し、各関節の駆動
に必要な制御値を算出し、Ｄ／Ａ変換器９６とサーボア
ンプを介して各関節を駆動する電動モータに出力する。
ック図であり、マイクロ・コンピュータから構成され
る。そこにおいて傾斜センサ４０などの出力はＡ／Ｄ変
換器８０でデジタル値に変換され、その出力はバス８２
を介してＲＡＭ８４に送られる。また各電動モータに隣
接して配置されるエンコーダの出力はカウンタ８６を介
してＲＡＭ８４内に入力されると共に、接地スイッチ３
８などの出力は波形整形回路８８を経て同様にＲＡＭ８
４内に格納される。制御ユニット内にはＣＰＵからなる
第１、第２の演算装置９０，９２が設けられており、第
１の演算装置９０はＲＯＭ９４に格納されている関節軌
道などの歩行パターンを読み出して目標関節角度（角度
指令）と、その角度を実現するのに必要な目標トルク
（トルク指令）とを算出してＲＡＭ８４に送出する。ま
た第２の演算装置９２は後述の如くＲＡＭ８４からその
目標値と検出された実測値とを読み出し、各関節の駆動
に必要な制御値を算出し、Ｄ／Ａ変換器９６とサーボア
ンプを介して各関節を駆動する電動モータに出力する。
【００１５】続いて、図７を参照しながら、この制御装
置の動作を説明する。但し、この発明が足首まわりのコ
ンプライアンス制御に関するところから、以下の説明は
図５を参照して足関節１８，２０Ｒ（Ｌ）に限って行
う。尚、図５においては簡略化のためｙ軸まわりに足平
を揺動させる関節１８Ｒ（Ｌ）のみ図示したが、ｘ軸ま
わりに足平を揺動させる関節２０Ｒ（Ｌ）についても同
様の制御を行う。
置の動作を説明する。但し、この発明が足首まわりのコ
ンプライアンス制御に関するところから、以下の説明は
図５を参照して足関節１８，２０Ｒ（Ｌ）に限って行
う。尚、図５においては簡略化のためｙ軸まわりに足平
を揺動させる関節１８Ｒ（Ｌ）のみ図示したが、ｘ軸ま
わりに足平を揺動させる関節２０Ｒ（Ｌ）についても同
様の制御を行う。
【００１６】図７を参照して説明すると、電動モータは
アンプによって変位制御され、足関節１８，２０Ｒ
（Ｌ）の角度は、アンプ入力角度（前記した第１演算装
置９０で生成した足首角度指令）に一致する様に制御さ
れる。またトルク指令の形で、目標とする足首角度指令
を実現するのに必要なロボット１の床を蹴る力が与えら
れる。ここで、足首角度指令に図示の如く、 第１の補正角度＝フィードフォワードゲイン×トルク指
令 第２の補正角度＝−フィードバックゲイン×（検出足首
トルク−トルク指令）が加減算される。フィードフォワ
ードゲインは、床を蹴るために必要なトルクによって生
じる足平２２Ｒ（Ｌ）に設けたバネ機構５０のたわみ分
を補正するものである。即ち、前記したバネ機構５０を
設けて足平に柔らかさを与えたことによって、ロボット
１に床を蹴る力が不足することから、バネ機構５０の撓
み分を見越してそれを補償する様にした。フィードフォ
ワードゲインは、バネ機構５０のバネ定数（バネの発生
トルク／バネのたわみ角度）をｋとすると、理論的には
１／ｋとなる。またフィードバックについて言えば、足
首角度指令が平坦な床面を想定しており、実際の床面が
図５に示す様に角度Δθｆを持っていたとすると、足首
角度がまだ補正されていない瞬間では足平のバネ機構５
０によって、足首トルク（＝ｋ×Δθｆ、ｋは前記した
バネ定数）が発生する。発生した足首トルクはトルクセ
ンサ（前記した６軸力センサ３６）で検出され、検出し
た足首トルクとトルク指令との偏差にトルクフィードバ
ックゲインを乗じた補正角度が図示の如く足首角度指令
に与えられる。ここで、フィードバック制御の特性を図
示の如く−としているところから、補正角度は、足首ト
ルクが検出されると、それを逃げる様に、即ち、例えば
足首トルクがロボット１を前傾させる方向に作用すると
きは、ロボット１を後傾させる方向に作用される。
アンプによって変位制御され、足関節１８，２０Ｒ
（Ｌ）の角度は、アンプ入力角度（前記した第１演算装
置９０で生成した足首角度指令）に一致する様に制御さ
れる。またトルク指令の形で、目標とする足首角度指令
を実現するのに必要なロボット１の床を蹴る力が与えら
れる。ここで、足首角度指令に図示の如く、 第１の補正角度＝フィードフォワードゲイン×トルク指
令 第２の補正角度＝−フィードバックゲイン×（検出足首
トルク−トルク指令）が加減算される。フィードフォワ
ードゲインは、床を蹴るために必要なトルクによって生
じる足平２２Ｒ（Ｌ）に設けたバネ機構５０のたわみ分
を補正するものである。即ち、前記したバネ機構５０を
設けて足平に柔らかさを与えたことによって、ロボット
１に床を蹴る力が不足することから、バネ機構５０の撓
み分を見越してそれを補償する様にした。フィードフォ
ワードゲインは、バネ機構５０のバネ定数（バネの発生
トルク／バネのたわみ角度）をｋとすると、理論的には
１／ｋとなる。またフィードバックについて言えば、足
首角度指令が平坦な床面を想定しており、実際の床面が
図５に示す様に角度Δθｆを持っていたとすると、足首
角度がまだ補正されていない瞬間では足平のバネ機構５
０によって、足首トルク（＝ｋ×Δθｆ、ｋは前記した
バネ定数）が発生する。発生した足首トルクはトルクセ
ンサ（前記した６軸力センサ３６）で検出され、検出し
た足首トルクとトルク指令との偏差にトルクフィードバ
ックゲインを乗じた補正角度が図示の如く足首角度指令
に与えられる。ここで、フィードバック制御の特性を図
示の如く−としているところから、補正角度は、足首ト
ルクが検出されると、それを逃げる様に、即ち、例えば
足首トルクがロボット１を前傾させる方向に作用すると
きは、ロボット１を後傾させる方向に作用される。
【００１７】上記において、足平２２Ｒ（Ｌ）にバネ機
構５０を設けたことから、床に予期しない凹凸や傾斜が
あったとしても足平２２Ｒ（Ｌ）を柔軟に接地させて移
動環境での踏破性を高めることができ、着地時の衝撃も
低減することができる。また歩行パターンから得られる
足首トルク予想値をトルク指令としてフィードフォワー
ド的に与える様にしたので、ロボット１の床を蹴る力が
不足することはない。またトルク（モーメント）変動の
うち、高い周波数成分はバネ機構５０で吸収されるの
で、制御系の応答周波数をあまり高くする必要がなく、
トルクフィードバック制御系の安定度を増すことができ
る。またアンプ入力角度から足首曲げ角度（足関節角
度）までの伝達関数は、アンプのゲインが十分高けれ
ば、電動モータの内部摩擦やハーモニック減速機の摩擦
の影響を無視することができ、ほぼ１となる。従って、
足首トルクも電動モータの内部摩擦や減速機の摩擦の影
響をあまり受けずに制御することができるので、トルク
制御精度が高くなる。また床が柔らかい場合は、図７の
ブロック線図において、バネ機構のバネ定数を小さくし
たのと等価である。従って、床の柔らかさがバネ機構と
同程度までならば、トルクフィードバック制御系にとっ
てはバネ機構を若干または半分程度まで下げたのと等価
であるから、トルクフィードバック制御系の特性が極端
に変わることがなく、床の柔らかさの影響を受けにく
い。
構５０を設けたことから、床に予期しない凹凸や傾斜が
あったとしても足平２２Ｒ（Ｌ）を柔軟に接地させて移
動環境での踏破性を高めることができ、着地時の衝撃も
低減することができる。また歩行パターンから得られる
足首トルク予想値をトルク指令としてフィードフォワー
ド的に与える様にしたので、ロボット１の床を蹴る力が
不足することはない。またトルク（モーメント）変動の
うち、高い周波数成分はバネ機構５０で吸収されるの
で、制御系の応答周波数をあまり高くする必要がなく、
トルクフィードバック制御系の安定度を増すことができ
る。またアンプ入力角度から足首曲げ角度（足関節角
度）までの伝達関数は、アンプのゲインが十分高けれ
ば、電動モータの内部摩擦やハーモニック減速機の摩擦
の影響を無視することができ、ほぼ１となる。従って、
足首トルクも電動モータの内部摩擦や減速機の摩擦の影
響をあまり受けずに制御することができるので、トルク
制御精度が高くなる。また床が柔らかい場合は、図７の
ブロック線図において、バネ機構のバネ定数を小さくし
たのと等価である。従って、床の柔らかさがバネ機構と
同程度までならば、トルクフィードバック制御系にとっ
てはバネ機構を若干または半分程度まで下げたのと等価
であるから、トルクフィードバック制御系の特性が極端
に変わることがなく、床の柔らかさの影響を受けにく
い。
【００１８】図８はこの発明の第２実施例を示す、図７
に類似するブロック線図である。第１実施例と相違する
点は、コンプライアンス制御系にフィルタ１００を挿入
したことである。フィルタ１００としてローパスフィル
タを用い、その伝達関数を１／（１＋ＴＳ）（但し、Ｔ
は時定数）とする。図示の変位制御系が高応答であれ
ば、トルク指令を無視してブロック線図を変形すると、
図９の様になる。図９において、（足首角度指令）−
（ロボットと床との相対角度（Δθａ−Δθｆ））から
足首トルクまでの伝達関数Ｇは、数１の様になる。
に類似するブロック線図である。第１実施例と相違する
点は、コンプライアンス制御系にフィルタ１００を挿入
したことである。フィルタ１００としてローパスフィル
タを用い、その伝達関数を１／（１＋ＴＳ）（但し、Ｔ
は時定数）とする。図示の変位制御系が高応答であれ
ば、トルク指令を無視してブロック線図を変形すると、
図９の様になる。図９において、（足首角度指令）−
（ロボットと床との相対角度（Δθａ−Δθｆ））から
足首トルクまでの伝達関数Ｇは、数１の様になる。
【００１９】
【数１】
【００２０】数１において、ＫｍＫｆ＞＞１ならば、上
記伝達関数は、数２の式に近似される。
記伝達関数は、数２の式に近似される。
【００２１】
【数２】
【００２２】これは、図１０に示す様な、ねじりバネと
ねじりダンパとを並列に組んだ機構と等価である。即
ち、コンプライアンス制御系に一時遅れフィルタを挿入
することにより、第１実施例の効果に加えて、近似的に
アクティブなダンパを作り出すことができ、バネ機構５
０の振動を速やかに減衰させることができる。
ねじりダンパとを並列に組んだ機構と等価である。即
ち、コンプライアンス制御系に一時遅れフィルタを挿入
することにより、第１実施例の効果に加えて、近似的に
アクティブなダンパを作り出すことができ、バネ機構５
０の振動を速やかに減衰させることができる。
【００２３】尚、前記の様な近似を行わずに、厳密にバ
ネ・ダンパ系を形成したい場合には、フィルタの伝達関
数を数３式の様に設定する。正確にはローパスフィルタ
ではないが、ほぼ同様の機能を奏する。
ネ・ダンパ系を形成したい場合には、フィルタの伝達関
数を数３式の様に設定する。正確にはローパスフィルタ
ではないが、ほぼ同様の機能を奏する。
【００２４】
【数３】
【００２５】このとき、伝達関数Ｇは、厳密には数４式
となる。
となる。
【００２６】
【数４】
【００２７】これは、図１１に示す様な機構と等価であ
る。
る。
【００２８】第２実施例においては上記の如く構成した
ので、脚式移動ロボットの脚部に設けられた荷重センサ
（６軸力センサ３６）を用いたコンプライアンス制御に
おいて、ロボット本体と床との間に機械的なダンパが挿
入されたことと等価なダンピング効果をフィルタによっ
て得ることができた。これにより倒立振子系での制御を
容易にすると共に、遊脚が着地したときの反動に起因す
る跳びはねも防ぐことができる。更に、ローパスフィル
タをコンプライアンス制御のフィードバックループに挿
入するため、副次的な効果として、高周波に対するルー
プゲインを下げることができ、コンプライアンス制御系
の安定度が高まり、発振を防ぐことができる。またセン
サから侵入する高周波ノイズも除去することができる。
ので、脚式移動ロボットの脚部に設けられた荷重センサ
（６軸力センサ３６）を用いたコンプライアンス制御に
おいて、ロボット本体と床との間に機械的なダンパが挿
入されたことと等価なダンピング効果をフィルタによっ
て得ることができた。これにより倒立振子系での制御を
容易にすると共に、遊脚が着地したときの反動に起因す
る跳びはねも防ぐことができる。更に、ローパスフィル
タをコンプライアンス制御のフィードバックループに挿
入するため、副次的な効果として、高周波に対するルー
プゲインを下げることができ、コンプライアンス制御系
の安定度が高まり、発振を防ぐことができる。またセン
サから侵入する高周波ノイズも除去することができる。
【００２９】尚、第２実施例で使用するフィルタはデジ
タルフィルタで構成するが、電気フィルタないしは機械
フィルタなどの様なハードウェア手法を用いて構成して
も良い。またローパスフィルタの例として伝達特性が１
次遅れのものを示したが、２次遅れなど他の種類を用い
ても良い。
タルフィルタで構成するが、電気フィルタないしは機械
フィルタなどの様なハードウェア手法を用いて構成して
も良い。またローパスフィルタの例として伝達特性が１
次遅れのものを示したが、２次遅れなど他の種類を用い
ても良い。
【００３０】尚、上記において、荷重をトルク（モーメ
ント）を通じて検出したが、力で検出しても良い。また
６軸力センサをバネ機構の上に配置したが、バネ機構の
下に配置しても良い。
ント）を通じて検出したが、力で検出しても良い。また
６軸力センサをバネ機構の上に配置したが、バネ機構の
下に配置しても良い。
【００３１】更に、上記において、歩行パターンとして
予め設定しておく場合に適用する例を示したが、それに
限られるものではなく、歩行のときリアルタイムに求め
る様にした技術に適用させても良い。
予め設定しておく場合に適用する例を示したが、それに
限られるものではなく、歩行のときリアルタイムに求め
る様にした技術に適用させても良い。
【００３２】更に、上記において、２足歩行の脚式移動
ロボットを例にとって説明してきたが、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。
ロボットを例にとって説明してきたが、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。
【００３３】
【発明の効果】請求項１項にあっては、複数本の脚部を
有する脚式移動ロボットの歩行制御装置であって、少な
くとも該脚部の接地端付近に設けられた関節とそれを変
位制御する制御手段とを備えるものにおいて、前記脚部
関節と脚部接地端とを連結するバネ機構体、及び、前記
脚部関節の付近に配置され、前記バネ機構体によって前
記関節に作用する荷重を検出する荷重検出手段とを備
え、前記制御手段は、検出値に応じて荷重を所定の値に
制御する様に構成したので、予期しない凹凸、傾斜に遭
遇したときも柔軟に接地して移動環境の踏破性を高め、
着地時の衝撃を緩和すると共に、目標変位を実現するの
に必要な床を蹴る力が不足することがない。更に、荷重
変動のうち、高い周波数成分はバネ機構体で吸収される
ので、制御系の応答周波数は余り高くする必要がなく、
トルクフィードバック制御の安定度が高い。また床の柔
らかさの影響を受けにくく、床の硬軟によってトルクフ
ィードバック制御系の特性が極端に変わることがなく、
その意味でも移動環境での踏破性が向上する。また、ア
クチュエータ内部摩擦や減速機摩擦の影響を余り受けず
に制御することができ、コンプライアンス制御の精度も
向上させることができる。
有する脚式移動ロボットの歩行制御装置であって、少な
くとも該脚部の接地端付近に設けられた関節とそれを変
位制御する制御手段とを備えるものにおいて、前記脚部
関節と脚部接地端とを連結するバネ機構体、及び、前記
脚部関節の付近に配置され、前記バネ機構体によって前
記関節に作用する荷重を検出する荷重検出手段とを備
え、前記制御手段は、検出値に応じて荷重を所定の値に
制御する様に構成したので、予期しない凹凸、傾斜に遭
遇したときも柔軟に接地して移動環境の踏破性を高め、
着地時の衝撃を緩和すると共に、目標変位を実現するの
に必要な床を蹴る力が不足することがない。更に、荷重
変動のうち、高い周波数成分はバネ機構体で吸収される
ので、制御系の応答周波数は余り高くする必要がなく、
トルクフィードバック制御の安定度が高い。また床の柔
らかさの影響を受けにくく、床の硬軟によってトルクフ
ィードバック制御系の特性が極端に変わることがなく、
その意味でも移動環境での踏破性が向上する。また、ア
クチュエータ内部摩擦や減速機摩擦の影響を余り受けず
に制御することができ、コンプライアンス制御の精度も
向上させることができる。
【００３４】請求項２項の装置にあっては、前記制御手
段は、検出された荷重と目標荷重との差に応じた補正値
を前記関節の変位制御値に加える様に構成したので、前
記した効果に加えて、アクチュエータ内部摩擦や減速機
摩擦の影響を余り受けずに制御することができ、コンプ
ライアンス制御の精度を向上させることができる。
段は、検出された荷重と目標荷重との差に応じた補正値
を前記関節の変位制御値に加える様に構成したので、前
記した効果に加えて、アクチュエータ内部摩擦や減速機
摩擦の影響を余り受けずに制御することができ、コンプ
ライアンス制御の精度を向上させることができる。
【００３５】請求項３項の装置にあっては、前記制御手
段は、検出された荷重と目標荷重との差に比例する補正
値を前記関節の変位制御値に加える様に構成したので、
前記した効果に加えて、一層コンプライアンス制御の精
度を向上させることができる。
段は、検出された荷重と目標荷重との差に比例する補正
値を前記関節の変位制御値に加える様に構成したので、
前記した効果に加えて、一層コンプライアンス制御の精
度を向上させることができる。
【００３６】請求項４項の装置にあっては、前記検出手
段の後段に高周波成分を遮断するローパスフィルタを接
続する様に構成したので、ダンピング特性を得ることが
できて上体の揺れが抑制され、かつトルクフィードバッ
ク制御の安定性を向上させることができると共に、ノイ
ズカットなどの副次的な効果を得ることができる。
段の後段に高周波成分を遮断するローパスフィルタを接
続する様に構成したので、ダンピング特性を得ることが
できて上体の揺れが抑制され、かつトルクフィードバッ
ク制御の安定性を向上させることができると共に、ノイ
ズカットなどの副次的な効果を得ることができる。
【００３７】請求項５にあっては、脚式移動ロボットの
関節を変位制御して歩行させる脚式移動ロボットの歩行
制御装置であって、該脚部に作用する荷重を検出して変
位指令を補正し、該脚部にコンプライアンスを与える様
にしたものにおいて、前記検出値のうち、低周波数成分
のみを用いて前記変位指令を補正する様に構成したの
で、ロボット本体と床との間に機械的なダンパが挿入さ
れたのと同じ効果を得ることができて、倒立振子系での
近似を容易にすることができ、系の発振や脚部の跳びは
ねを防止することができると共に、コンプライアンス制
御の安定度を増すことができ、また高周波ノイズも除去
することができる。
関節を変位制御して歩行させる脚式移動ロボットの歩行
制御装置であって、該脚部に作用する荷重を検出して変
位指令を補正し、該脚部にコンプライアンスを与える様
にしたものにおいて、前記検出値のうち、低周波数成分
のみを用いて前記変位指令を補正する様に構成したの
で、ロボット本体と床との間に機械的なダンパが挿入さ
れたのと同じ効果を得ることができて、倒立振子系での
近似を容易にすることができ、系の発振や脚部の跳びは
ねを防止することができると共に、コンプライアンス制
御の安定度を増すことができ、また高周波ノイズも除去
することができる。
【図１】この発明に係る脚式移動ロボットの歩行制御装
置を全体的に示す概略図である。
置を全体的に示す概略図である。
【図２】図１に示すロボットの足平の底面図である。
【図３】図２のIII ─III 線断面図で足平のバネ機構を
示す説明図である。
示す説明図である。
【図４】図３のIV─IV線断面図である。
【図５】図３などに示した足平のバネ機構をモデル化し
て示す説明図である。
て示す説明図である。
【図６】図１の中の制御ユニットの詳細を示すブロック
図である。
図である。
【図７】図５に示すモデルについての制御を示すブロッ
ク線図である。
ク線図である。
【図８】この発明の第２実施例を示す、図７のコンプラ
イアンス制御系にフィルタを挿入した例を示すブロック
線図である。
イアンス制御系にフィルタを挿入した例を示すブロック
線図である。
【図９】図８に示すブロック線図のうち、トルク指令を
無視してコンプライアンス制御系を簡略化して示すブロ
ック線図である。
無視してコンプライアンス制御系を簡略化して示すブロ
ック線図である。
【図１０】図９ブロック線図の特徴を示す説明図であ
る。
る。
【図１１】図９ブロック線図の特徴を示す説明図であ
る。
る。
１ 脚式移動ロボット（２足歩行ロボ
ット） ２ 脚部リンク １０Ｒ，１０Ｌ 脚部回旋用の関節 １２Ｒ，１２Ｌ 股部のロール方向の関節 １４Ｒ，１４Ｌ 股部のピッチ方向の関節 １６Ｒ，１６Ｌ 膝部のピッチ方向の関節 １８Ｒ，１８Ｌ 足首部のピッチ方向の関節 ２０Ｒ，２０Ｌ 足首部のロール方向の関節 ２２Ｒ，２２Ｌ 足平 ２４ 筐体 ２６ 制御ユニット ３６ ６軸力センサ ５０ バネ機構 ５２ 足平プレート ５４ ガイド部材 ５６ ピストン状部材 ５８，６２ 間隙 ６０ 弾性体 ６４ 摺動体
ット） ２ 脚部リンク １０Ｒ，１０Ｌ 脚部回旋用の関節 １２Ｒ，１２Ｌ 股部のロール方向の関節 １４Ｒ，１４Ｌ 股部のピッチ方向の関節 １６Ｒ，１６Ｌ 膝部のピッチ方向の関節 １８Ｒ，１８Ｌ 足首部のピッチ方向の関節 ２０Ｒ，２０Ｌ 足首部のロール方向の関節 ２２Ｒ，２２Ｌ 足平 ２４ 筐体 ２６ 制御ユニット ３６ ６軸力センサ ５０ バネ機構 ５２ 足平プレート ５４ ガイド部材 ５６ ピストン状部材 ５８，６２ 間隙 ６０ 弾性体 ６４ 摺動体
Claims (5)
- 【請求項１】 複数本の脚部を有する脚式移動ロボット
の歩行制御装置であって、少なくとも該脚部の接地端付
近に設けられた関節とそれを変位制御する制御手段とを
備えるものにおいて、 ａ．前記脚部関節と脚部接地端とを連結するバネ機構
体、及び ｂ．前記脚部関節の付近に配置され、前記バネ機構体に
よって前記関節に作用する荷重を検出する荷重検出手
段、 とを備え、前記制御手段は、検出値に応じて荷重を所定
の値に制御する様に構成したことを特徴とする脚式移動
ロボットの歩行制御装置。 - 【請求項２】 前記制御手段は、検出された荷重と目標
荷重との差に応じた補正値を前記関節の変位制御値に加
える様に構成した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。 - 【請求項３】 前記制御手段は、検出された荷重と目標
荷重との差に比例する補正値を前記関節の変位制御値に
加える様に構成した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。 - 【請求項４】 前記検出手段の後段に高周波数成分を遮
断するローパスフィルタを接続する様に構成したことを
特徴とする請求項１項ないし３項のいずれかに記載の脚
式移動ロボットの歩行制御装置。 - 【請求項５】 脚式移動ロボットの関節を変位制御して
歩行させる脚式移動ロボットの歩行制御装置であって、
該脚部に作用する荷重を検出して変位指令を補正し、該
脚部にコンプライアンスを与える様にしたものにおい
て、前記検出値のうち、低周波数成分のみを用いて前記
変位指令を補正する様に構成したことを特徴とする脚式
移動ロボットの歩行制御装置。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13788192A JP3148827B2 (ja) | 1992-04-30 | 1992-04-30 | 脚式移動ロボットの歩行制御装置 |
| US08/049,494 US5455497A (en) | 1992-04-20 | 1993-04-19 | Legged mobile robot and a system for controlling the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13788192A JP3148827B2 (ja) | 1992-04-30 | 1992-04-30 | 脚式移動ロボットの歩行制御装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05305584A true JPH05305584A (ja) | 1993-11-19 |
| JP3148827B2 JP3148827B2 (ja) | 2001-03-26 |
Family
ID=15208873
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP13788192A Expired - Lifetime JP3148827B2 (ja) | 1992-04-20 | 1992-04-30 | 脚式移動ロボットの歩行制御装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3148827B2 (ja) |
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| EP1120203A1 (en) * | 1998-04-20 | 2001-08-01 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Controller for legged mobile robot |
| WO2002040224A1 (fr) | 2000-11-17 | 2002-05-23 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Dispositif generateur d'un modele de demarche pour robot mobile pourvu de jambes |
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| US9969083B2 (en) | 2015-08-11 | 2018-05-15 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Control apparatus of motor |
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|---|---|---|---|---|
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| KR101333396B1 (ko) | 2011-04-28 | 2013-11-28 | 명지대학교 산학협력단 | 로봇용 힘/토크 센서 및 이를 이용하여 로봇의 보행을 제어하는 방법 |
| KR101357208B1 (ko) * | 2012-07-03 | 2014-02-03 | 현대로템 주식회사 | 보행형 로봇 |
-
1992
- 1992-04-30 JP JP13788192A patent/JP3148827B2/ja not_active Expired - Lifetime
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