JPH0562363B2

JPH0562363B2 -

Info

Publication number: JPH0562363B2
Application number: JP60235217A
Authority: JP
Inventors: Yoshe Kitagawa; Tomiji Yoshida; Masanaga Sasaki; Makoto Ootsu; Masakatsu Fuje; Ichiro Kato; Atsuo Takanishi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-10-23
Filing date: 1985-10-23
Publication date: 1993-09-08
Also published as: JPS6297006A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は、多関節の足を持つ歩行ロボツトに係
り、特に高速かつ安定な歩行制御を行うのに好適
な小型軽量の多関節歩行ロボツト制御装置に関す
る。

〔発明の背景〕

多関節歩行ロボツトの一例である２足歩行ロボ
ツトの制御に関する文献としては、「２足歩行ロ
ボツトの階層制御」、有本卓、宮本文夫、日本ロ
ボツト学会誌１巻３号（1983年10月）p7〜15、
および「動的２足歩行ロボツトの制御」、古荘純
次、日本ロボツト学会誌１巻３号（1983年10月）
p22〜29がある。これら論文には、２足歩行ロボ
ツトの制御には複雑な処理が必要であることや、
２足歩行ロボツトの歩行が本来不安定なものであ
り、高速で安定な歩行制御が必要であることが示
されている。従来、２足歩行ロボツトの制御装置
としては、これら論文にあるように、ミニコンピ
ユータクラスの装置や大がかりな検出機能などを
要し、ロボツト本体に搭載して自立歩行するとこ
ろまで至らなかつた。

例えば、原子力施設の高放射能環境下で、人間
の作業を代行する目的をもつた移動ロボツトの中
でも、多関節の足を持つロボツトは、障害物等の
存在による移動範囲の制限が少ない。しかし、制
御が複雑であるため制御装置が大型になりがち
で、自立歩行させるために制御装置を搭載しよう
としても、非常に困難であつた。また、小型化し
てロボツト装置本体の搭載しても、多関節歩行ロ
ボツトの場合、重心が上部に偏り、倒れないよう
にするためには制御の高速化が必要になる。従来
はこれらの要求を満すものがなかつた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、多関節歩行ロボツトの装置本
体に搭載可能で、且つ、多関節歩行ロボツトを高
速、安定に制御でき、しかも、スムーズな歩行を
可能とする、多関節歩行ロボツト制御装置を提供
することにある。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するために本発明では、多関節
の足を複数有するロボツト本体の歩行を制御する
多関節歩行ロボツト制御装置において、前記多関
節歩行ロボツト制御装置は、前記複数の足のそれ
ぞれの各関節の角度を検出する角度検出器と、歩
行パターンデータを記憶し該歩行パターンデータ
を計算処理して各関節に出力する制御プログラム
を内蔵するメモリと、該メモリからの内容を読み
出し計算処理を実行するマイクロコンピユータと
から成り、該マイクロコンピユータからの指令を
前記各関節に出力して該各関節を制御する位置帰
還型制御回路とから構成され、更に、前記多関節
歩行ロボツト制御装置には、前記メモリから次ぎ
の歩行に必要な歩行パターンデータを取り出し、
この歩行パターンデータと前記角度検出器により
検出された現在の各関節の角度との間を補間し、
前記歩行パターンの各データ間を密につなぐ補間
計算機を備え、該補間計算機で補間された結果を
前記各関節に出力して前記多関節ロボツトの歩行
を制御するものである。

つまり、本発明では、予め記憶された歩行パタ
ーンデータを用いることは、複雑な制御やステツ
プ数の多いプログラムを簡略することができプロ
グラムの作業能率を向上させると共に、プログラ
ムサイズを小さくでき、メモリー容量も少なくで
き、更に、計算処理ステツプを少なくすることに
なり、計算上のミスや誤処理を大幅に低減でき、
高速安定な制御ができる。

しかも、メモリから次ぎの歩行に必要な歩行パ
ターンデータを取り出し、この歩行パターンデー
タと角度検出器により検出された現在の各関節の
角度との間を補間し、歩行パターンの各データ間
を密につなぐことによりロボツト本体の歩行動作
をスムーズにすることができるものである。

〔発明の実施例〕

以下に、本発明を２足歩行ロボツト装置に適用
した実施例を示す。

第１図に２足歩行ロボツト装置の外形を示す。
２足歩行ロボツト装置は、両足合計で12の自由度
を持つ。人間の腰部に相当する位置には腰ピツチ
軸１と腰ロール軸２、膝部に相当する位置には膝
ピツチ軸３、足首部に相当する位置には足首ピツ
チ軸４と足首ロール軸５、さらに、方向を変える
ために大腿部に方向転換ヨー軸６を持つている。
各関節には関節駆動用の油圧揺動アクチユエータ
１０、さらに、油圧揺動アクチユエータ１０のシ
ヤフトにカツプリング１１を介して角度検出用の
ポテンシヨメータ１２と油圧揺動アクチユエータ
１０の動作を制御するサーボ弁１３が取り付けら
れている。油圧源は、油圧ポンプモータ９と油圧
タンク９Ａとリリーフ弁９Ｂ等のアクセサリから
なり、２足歩行ロボツト装置を駆動するために必
要な圧力および油の流量を供給する。

油圧源の上には、油圧ポンプモータ９の発熱に
よる影響を防止する断熱材８を間に挟んで、制御
ユニツト７が設置される。制御ユニツシ７は、ロ
ボツト歩行動作決定情報を処理するマイクロコン
ピユータとその周辺機器、および油の流量を制御
するサーボ弁１３の電流駆動制御用サーボアンプ
を含む。

油圧源９，９Ａ，９Ｂとサーボ弁１３との間
は、柔軟な配管ホースで接続されている。配管ホ
ースは１関節につき、供給、戻り、ドレンの３本
である。また、制御ユニツト７とサーボ弁１３、
角度検出用ポテンシヨメータ１２との間は、信号
ケーブルで接続されている。

第２図に、２足歩行ロボツト装置の制御系統図
を示す。コンピユータ制御システム１５から出力
された関節の角度指令信号は、サーボアンプ１６
によつて増幅され、サーボ弁１３に伝達される。
サーボ弁１３は、弁内部のスプールを角度検出信
号に従つて動かし、油圧源９，９Ａ，９Ｂより供
給された油流量を調整する。これにより、油圧揺
動アクチユエータ１０の駆動が制御される。油圧
揺動アクチユエータ１０の動作角度は、角度検出
用ポテンシヨメータ１２で検出され、たえずサー
ボアンプ１６にフイードバツクされ、位置帰還制
御を行つている。

第３図に、２足歩行ロボツト装置の制御装置の
外形を、第４図に制御装置の構成を示す。制御装
置は、内部バス２３を介して両側にボードを配置
し、コンパクトにまとめてある。制御装置は、右
足用サーボアンプ１６ａ、左足用サーボアンプ１
６ｂ、マイクロコンピユータ１７、インタフエー
スボード１８ａ，１８ｂ、メモリボード１９、
Ｄ／Ｄコンバータ２１、Ｄ／Ａコンバータ２２か
らなる。

マイクロコンピユータ１７は、メモリボード１
９に内蔵したプログラムやデータを用いて各関節
の角度指令を計算し、Ｃ／Ａコンバータ２１に出
力する。Ｄ／Ａコンバータ２１は、その角度指令
を電流に変換し、サーボアンプ１６ａ，１６ｂが
電流増幅してサーボ弁１３に出力する。また、コ
ネクタ２０を介して、サーボアンプ１６ａ，１６
ｂには角度検出用ポテンシヨメータから、実際に
関節が動作した応答角度信号が入力され、位置帰
還型制御回路を構成している。

第５図に、上記の位置帰還制御のブロツク図を
示す。図において、２４ａ，２４ｂ，２４ｃは増
幅器、２５はリミツト回路である。これらはサー
ボアンプ１６に含まれる。また、第６図に、サー
ボアンプ１６ａ，１６ｂと、角度検出用ポテンシ
ヨメータ１２、およびサーボ弁１３との接続例を
示す。

メモリボード１９には、歩行に必要なデータと
なる歩行パターンデータと、歩行パターンデータ
を用いて各関節の動作を制御するプログラムとが
内蔵される。第７図に、歩行パターンデータの概
念を示す、歩行パターンデータは、２足歩行ロボ
ツト装置の各関節がどのような動作の軌道をとる
かを表わしたものであり、具体的には第７図に示
すように、関節の角度指令の時系列から離散的に
抜き出したものである。

第８図に、歩行パターンデータの出力方法を示
す。離散的な関節の角度指令を表わす歩行パター
ンデータの間を、補間計算によつて密につなぎ、
一定の出力間隔のタイミングを図りながら、各関
節の角度と動作速度とを制御する。このようにす
ると、動きが滑らかになる。

第９図に、歩行パターンデータを出力するプロ
グラムのフローチヤートを示す。まず、メモリの
中から適当な歩行パターンデータのフアイルを選
択し、そのパターンデータをメモリから読み込
む。歩行パターンデータは、各関節の動作の時系
列であるから、この中から次に各関節に出力すべ
きデータを取り出し、現在の各関節の角度と、取
り出したデータとの間を補間計算する。この補間
した結果の角度指令を、Ｄ／Ａコンバータに出力
できるように変換計算し、Ｄ／Ａコンバータへ出
力する。この処理を補間回数分だけ行うが、１回
出力するごとに出力間隔を調整し、歩行速度を制
御する。上記の処理を、歩行終了するまで連続し
て行う。

以上のような歩行制御プログラムと歩行パター
ンデータをメモリに格納した制御装置を搭載した
２足歩行ロボツト装置の歩行の一例を、第１０図
に示す。この図では、平均台上を歩くような歩行
であるが、その他にも歩行パターンデータの選択
により、多様な歩行が可能になる。

以上によつて、制御装置を搭載した２足歩行ロ
ボツト装置の高速かつ安定な制御が可能になつ
た。高速化については、12間隔を１回制御するの
に、16bitマイクロコンピユータで20ｍsec以内と
なり、重心が上部に偏つた２足歩行ロボツト装置
でも倒れずに、安定に連続歩行ができるようにな
つた。また、油圧源も搭載しているため、動力供
給以外は自立歩行が可能である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、従来、制御の複雑さのために
小型化が困難であつた多関節歩行ロボツトの制御
装置を小型軽量化し、ロボツト装置本体に搭載可
能となる。したがつて、多関節歩行ロボツトの自
立歩行の可能性が大幅に向上し、移動範囲の拡大
につながる。例えば、原子力発電設備等の中で人
間の作業を代行する場合、自立歩行可能なロボツ
トを用いることでロボツトによる作業範囲が拡大
し、被曝低減に大きく貢献する。

また、歩行パターンデータを用いると、従来必
要とされていた複雑な制御方法や、ステツプ数の
多いプログラム等が簡略化され、プログラムの作
成効率が向上する。加えて、プログラムサイズが
小さくなることにより、メモリ容量も少なくて済
み、経済的である。

制御装置の構成要素も、従来の制御に要したも
のと比較して非常に少なくなり、大幅にコストダ
ウンできる。

また、計算処理ステツプ数が少ないため、計算
上のミスや誤処理が大幅に低減し、信頼性が高ま
る。

しかも、メモリから次ぎの歩行に必要な歩行パ
ターンデータを取り出し、この歩行パターンデー
タと角度検出器により検出された現在の各関節の
角度との間を補間し、歩行パターンの各データを
密につなぐことによりロボツト本体の歩行動作を
スムーズにすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明により２足歩行ロボツト装置の
外形図、第２図は第１図の２足歩行ロボツト装置
の制御系統図、第３図は２足歩行ロボツト装置の
制御装置の外形図、第４図は２足歩行ロボツト装
置の制御装置の構成図、第５図は位置帰還型制御
ブロツク図、第６図はサーボアンプと角度検出器
およびサーボ弁との接続図、第７図は歩行パター
ンデータの概念図、第８図は歩行パターンデータ
の出力方法を示す図、第９図は歩行パターンデー
タの出力プログラムのフローチヤート、第１０図
は２足歩行ロボツト装置の歩行の一例を示す図で
ある。１…腰ピツチ軸、２……腰ロール軸、３…膝ピ
ツチ軸、４…足首ピツチ軸、５…足首ロール軸、
６…方法転換ヨー軸、７…制御ユニツト、８…断
熱材、９…油圧ポンプモータ、１０…油圧揺動ロ
ータリアクチユエータ、１１…カツプリング、１
２…ポテンシヨメータ、１３…サーボ弁、１４…
電源ユニツト、１５…コンピユータ制御システ
ム、１６…サーボアンプ、１７…マイクロコンピ
ユータ、１８…インタフエースボード、１９…メ
モリボード、２０…コネクタ、２１…Ｄ／Ａコン
バータ、２２…Ａ／Ｄコンバータ、２３…内部バ
ス、２４…増幅器、２５…リミツト回路。

Claims

【特許請求の範囲】１多関節の足を複数有するロボツト本体の歩行
を制御する多関節歩行ロボツト制御装置におい
て、前記多関節歩行ロボツト制御装置は、前記複数
の足のそれぞれの各関節の角度を検出する角度検
出器と、歩行パターンデータを記憶し該歩行パタ
ーンデータを計算処理して各関節に出力する制御
プログラムを内蔵するメモリと、該メモリからの
内容を読み出し計算処理を実行するマイクロコン
ピユータとから成り、該マイクロコンピユータか
らの指令を前記各関節に出力して該各関節を制御
する位置帰還型制御回路とから構成され、更に、前記多関節歩行ロボツト制御装置には、
前記メモリから次ぎの歩行に必要な歩行パターン
データを取り出し、この歩行パターンデータと前
記角度検出器により検出された現在の各関節の角
度との間を補間し、前記歩行パターンの各データ
間を密につなぐ補間計算機を備え、該補間計算機で補間された結果を前記各関節に
出力して前記多関節栄ボツトの歩行を制御するこ
とを特徴とする多関節歩行ロボツト制御装置。