JPH09201782A - 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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- JPH09201782A JPH09201782A JP8031365A JP3136596A JPH09201782A JP H09201782 A JPH09201782 A JP H09201782A JP 8031365 A JP8031365 A JP 8031365A JP 3136596 A JP3136596 A JP 3136596A JP H09201782 A JPH09201782 A JP H09201782A
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Abstract
平を備える場合でも安定に降りることを可能とにする。 【解決手段】 降段するとき、脚式移動ロボットの足平
をかかと部から着地させると共に、次に遊脚となる脚部
の足平が離床するまで、支持脚の足平を階段面に少なく
とも3点以上で接触させ続ける。
Description
の歩行制御装置に関し、より詳しくは階段を安定した歩
容で昇降できるようにしたものに関する。
れ、人と共通な環境で作業することを期待されている。
その作業環境には階段も予定されるが、階段は着地位置
が限定されるため、脚式移動ロボット、特に2足歩行の
脚式移動ロボットにとって安定した歩容で歩行すること
は困難である。
行制御に関しては、本出願人も特開平5−318342
号、あるいは特開平6−63876号で提案している。
例えば、特開平6−63876号公報においては、階段
を昇降するときに着地位置の誤差の集積が許容範囲を超
えないように歩行制御する技術を提案している。
を考えると、つま先から着地すると共に、足のかかとを
着地直前の支持脚についても離床直前の次に遊脚となる
足についても上げている。このような歩容をとることに
よって、人は着地するときの衝撃を吸収し、関節負荷の
小さい、楽な姿勢で階段を降りることができる。試み
に、かかとから着地するように階段を降りてみれば、大
きな着地衝撃を受けて歩き難いことを容易に体験できよ
う。
ることを期待されているが、実用的な2足歩行ロボット
の大きさを考えると、その足平は人の足平より長くなる
ことが予想される。2足歩行ロボットの足平が、人を基
準に設計されている階段の奥行き(階段面の前後方向長
さ)より長いか、同等であるとき、上に述べたような人
と同じ歩容をとると、着地位置が後ろにずれると上の段
と干渉し、前にずれると踏み外す恐れがある。
に対する余裕が殆どないが、脚式移動ロボットの歩行制
御で階段を昇降するときなどは着地位置のずれは必然的
に生じる。
を解決し、脚式移動ロボット、特に2足歩行ロボットが
階段の奥行きよりも長い足平を持つような場合でも安定
した歩容で階段を降りることを可能とする脚式移動ロボ
ットの歩行制御装置を提供することにある。
少なくとも上体と、前記上体に関節を介して連結される
複数本の脚部リンクとを備え、前記複数本の脚部リンク
がそれぞれ関節を介して回転自在に連結される足平を先
端に有してなると共に、階段を昇降自在に構成されてな
る脚式移動ロボットの歩行制御装置において、階段を降
りる際に遊脚を着地させるとき、前記足平のかかと部か
ら着地させるか、あるいは少なくとも前記足平を階段面
に実質的に水平に着地させるように歩行制御する如く構
成した。
平を持つような場合でも安定した歩容で階段を降りるこ
とができる。
ボットの歩行制御装置の実施の形態を添付図面を参照し
て説明する。
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)。
の関節10R,10L(右側をR、左側をLとする。以
下同じ)、股のロール方向(y軸まわり。矢状面sagitt
al plane内の運動)の関節12R,12L、同ピッチ方
向(x軸まわり。左右面frontal plane 内の運動)の関
節14R,14L、膝部のロール方向の関節16R,1
6L、足部のロール方向の関節18R,18L、同ピッ
チ方向の関節20R,20Lから構成される。
と共に、最上位には上体(基体)24が設けられ、その
内部に後述するマイクロコンピュータからなる制御ユニ
ット26などが格納される。
12R(L),14R(L)から、足関節は関節18R
(L),20R(L)から構成される。また股関節と膝
関節とは大腿リンク28R,28L、膝関節と足関節と
は下腿リンク30R,30Lで連結される。
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個の関節を適宜な角度で駆動する
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。
る。前記した足関節18を駆動する電動モータ(図2で
図示省略)の出力はハーモニック減速機(商品名。図2
で図示省略)の入力端に入力され、周知の如く適宜な倍
率で減速して増力され、下腿リンク30に取着される固
定部材32とその下部の回転部材34とを軸線36(足
関節18R(L)の軸線に同じ)を中心として歩行進行
方向(sagittal plane内)に相対回転(回動)させ、足
平22R(L)をその方向に傾動させる。
た足関節20を駆動する電動モータ20Mが配置され、
その出力は第2のハーモニック減速機40に入力され、
前記固定部材32と回転部材34とを第2の軸線42
(足関節20R(L)の軸線に同じ)を中心として進行
方向に直交する左右方向(frontal plane 内)に相対回
転させ、足平22R(L)をその方向に傾動させる。
の詳細は本出願人が先に提案した出願(特開平3−18
4,782号)などに述べられているので、これ以上の
説明は省略する。
サ44が取着され、力の3方向成分Fx,Fy,Fzと
モーメントの3方向成分Mx,My,Mzとを測定し、
足部の着地の有無ないしは接地荷重などを検出する。6
軸力センサ44の下部には、前記した足平22R(L)
を構成する、平板状のフレーム46が固定される。フレ
ーム46の下面(足底)は大略平坦に形成され、つま先
部46aとかかと部46bには、着地時の衝撃を吸収す
る弾性体50,52が張りつけられる。
24には傾斜センサ60が設置され、左右面内のz軸
(重力方向)に対する傾きとその角速度、同様に矢状面
内のz軸に対する傾きとその角速度を検出する。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。
型の反射式光センサが装着され、着地位置を検出するが
(図1および図2で図示省略)、それについて後述す
る。
1の適宜な位置には傾斜センサ60の出力を補正するた
めの原点スイッチ62と、フェール対策用のリミットス
イッチ64が設けられる。これらの出力は前記した上体
24内の制御ユニット26に送られる。
ック図であり、制御ユニット26はマイクロ・コンピュ
ータから構成される。そこにおいて傾斜センサ60など
の出力はA/D変換器70でデジタル値に変換され、そ
の出力はバス72を介してRAM74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76を介してRAM74内に入力されると共
に、原点スイッチなどの出力は波形整形回路78を経て
同様にRAM74内に格納される。
1、第2の演算装置80,82が設けられており、第1
の演算装置80は後述の如く生成されROM84に格納
されている歩容パラメータを読み出して目標関節角度を
算出し、RAM74に送出する。また第2の演算装置8
2は後述の如くRAM74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
出してD/A変換器86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。
れた光センサについて説明すると、光センサ90は検出
部90aとセンサ本体90bとから構成されると共に、
検出部90aは足平22R(L)の両側にそれぞれ5個
づつ1列にアレイ状に配置し、発光部から床面に発せら
れた光の反射光量を検出する。
センサ本体90bと接続され、光ファイバ92を介して
光信号(反射光)が伝達される。センサ本体90bは、
下腿リンク30R(L)の内部に収納され、光信号を電
気信号(デジタル)に変換する。
部にはそれぞれ、センサ本体群の付近にD/A変換器9
4を1個配置し、計10個の検出部出力を5個分づつ1
つのアナログ信号に変換し、多芯ケーブル96を介して
制御ユニット26内のA/D変換器70に送出し、そこ
でアナログ信号を数値処理可能なデジタル信号に変換す
る。
介してA/D変換器70から必要なデータを読み出し、
適当な処理を行って足平22R(L)の外側、内側それ
ぞれ5個、左右の脚部を合わせて合計20個の検出部9
0aの出力状態(オン/オフ)を検知する。
の間隔は、5mmとする。尚、足平22R(L)の幅
は、図6に示すように、200mmとする。片側の5個
のセンサアレイで検出できる範囲を考えると、全部のセ
ンサがオンまたはオフの状態では相対位置が分からない
ので、例えば階段100などエッジを検出する場合には
同図に示す如く、全ての出力がオンまたはオフであると
検出できないため、オンの数が1〜4個に対応する15
mmの範囲となる。
の階段100に対する相対位置誤差はそれ以下にしなけ
ればならないが、実際問題として検出範囲が15mmで
は小さすぎることから、ランドマーカ80を利用して検
出範囲を拡大する。即ち、図7に示すように、ランドマ
ーカ80の幅をセンサアレイの幅とほぼ等しい値とし
(図面では理解の便宜のため誇張して示す)、検出範囲
の幅を±20mm(40mm)と2倍以上に拡大する。
良く吸収する塗料で描いた直線からなる所定幅の面領域
で構成する。また、階段100の面は白色など光を反射
するように彩色される。光センサ90の出力状態は、検
出部90aに反射光があるときをオンとなるように構成
するので、ランドマーカ80上にあるとき、および離床
しているときオフとなり、階段100の面に接触すると
きオンとなる。
式移動ロボットの歩行制御装置の動作を階段を昇降する
場合を例にとって説明する。
してS12に進み、そこで歩容パラメータを前記したR
OM84からロードする。ここで、ロボットの歩容は力
学的(動的な)安定条件を考慮して予め設計され、歩容
パラメータとしてROM84に記憶されているものとす
る。
勢、および着地位置を含む両足平の軌跡などで表現され
るが、以下これについて先に述べた階段昇降に関して詳
述する。
説明する。同図に示す如く、足平22R(L)の水平面
の長さlfは、階段100の奥行き(前後方向長さ)l
sよりもわずかに短いものとする。
と、Xの位置に着地させれば幾何学的な関係から見て問
題はなく、力学的にも安定に歩行することができる。し
かし、誤差d(ロボット1の階段100に対する相対位
置の)が発生し、着地位置がY(後方)にずれると、か
かと部46bは一段上の段に接触してしまい、Z(前
方)にずれるときには階段を踏み外してしまう。更に、
足平R(L)の水平面の長さlfが階段の奥行きlsよ
りも長くなると、幾何学的な関係から見て着地できな
い。
歩行パラメータの中の足平の軌跡は、以下のように設定
する。 1.遊脚の足平22R(L)は、階段100の面にかか
と部46bから着地する。あるいは少なくとも実質的に
水平に着地する。換言すれば、つま先部46aから着地
しない。 2.片足支持期間中、支持脚足平は階段面に面接触し続
けるか、少なくとも3点以上で点接触し続ける。換言す
れば、その間は支持脚足平をy軸回り(軸線36回
り。)に回転させない、即ち、かかと部46を上げない
ようにする。 3.両足支持期間中も同様とする。即ち、次に遊脚とな
る脚部の足平が離床するまで、支持脚足平は階段面に面
接触させたままとするか、少なくとも3点以上で点接触
させ続け、支持脚足平をy軸回り(軸線36回り)に回
転させない。
点接触』とは、ロボット1の姿勢が不安定になったとき
に、姿勢を回復するに十分な床反力を起こすに足りるよ
うに、足平が階段に支持されることを意味する。また
『実質的に水平に着地』とは少なくともつま先部からで
はない着地を意味する。
は片足支持期を、図11は着地の瞬間を、図12は離床
の瞬間を示す)。また、図13に次に遊脚となる脚部の
足平の軌跡を示す。
00の面アを垂直に(上の段と干渉しないように)上昇
させられた後、上記1に述べるように、かかと部46b
から、支持脚足平が着地されている階段面イの次の段ロ
に着地させられる。このとき、想像線で示す如く、足裏
の平坦面が実質的に水平に(階段面と平行するように)
着地させても良い。
も含めて歩容パラメータとして予め設定し、制御ユニッ
ト26のROM84中に格納しておく。また、かかる歩
容パラメータはZMPの軌跡を満足するように設定す
る。尚、ZMP(Zero MomentPoint )は、「その点回
りのピッチ軸(左右面frontal plane 内の軸)回り、お
よびロール軸(矢状面sagittal plane内の軸)回りのモ
ーメントが零となる任意の点で、歩行のあらゆる瞬間に
おいて足底接地点と路面とが形成する支持多角形の辺上
あるいはその内側にある点」を意味する。
した第1の特徴より、ロボットの遊脚はかかと部46b
側から着地するので、幾何学的に考えると、Aの位置に
もBの位置に着地することができる(足平の水平面の長
さlfは階段の奥行きlsよりもわずかに短いものとす
る)。
は、a(=奥行きls)となる。しかし、Bの位置のよ
うに、足平が前方に大きくはみ出すと、次の片足支持期
に安定に歩行することができなくなるので、必要な接地
面積bを確保しつつ、Cより後方、即ち、cの範囲内に
着地すれば、安定に歩行することができる。
めに、安定に歩行するのに必要な接地面積bを確保する
ことができなければならず、尚且つ、上の段に干渉しな
いようしなければならない。
だけ余裕を見て、着地位置をD〜Eの間、即ち、eの範
囲内に着地するようにすれば、相対位置誤差が発生して
も接地面積bを確保することができ、上の段に干渉する
こともない。換言すれば、着地可能な範囲に余裕をもっ
て安定に歩行させることができ、eが零になるまで安定
に歩行し続けることができる。
について述べる。
支持期間中の支持脚と、両足支持期間中の、次に遊脚と
なる脚部の足平が回転(y軸回りに)しない歩容とすれ
ば、図15および図16に示すように着地位置が前後方
向に多少ずれたとしても、足平が階段から離れたり、干
渉するという問題を生じないので、相対位置誤差を許容
することができる(図15は着地の瞬間を、図16は離
床の瞬間を示す)。
で歩行したと仮定すると、着地直前では支持脚足平が回
転して図17ないし図19に示す姿勢となる。このとき
の問題点の一つは支持脚が線接触(2点で接触)状態と
なるため、転倒しそうになったときに足平で踏み止める
ことができない。そのため、歩行安定性を高めようとす
ると、動的な安定問題を解かなかればならず、高性能の
演算装置(コンピュータ)が必要となる。
あるので、着地位置を修正することで歩行安定化を図る
ような歩行制御も制約されてしまう。図17などでは足
平先端が階段からはみ出しているために、階段のエッジ
が回転中心(力の作用点)となっている。これは足平全
体が階段面の上に乗っており、つま先が回転中心になる
ときも同様である。
のエッジからはみ出した状態で階段を降りるときの問題
であり、上記した第2、第3の特徴に共に関係する。
を降りるときの離床タイミング(即ち、両足支持期の末
期)を考える。図20ないし図22にそれを示す。
す如く、階段面のエッジになったとする。このとき、図
21に示す如く、階段に対するロボットの相対位置が前
方にずれたとすると、後ろ側の足で前に蹴る力を発生で
きないので、ロボットは後ろに倒れる。逆に、図22に
示す如く、相対位置が後ろにずれたときは、前に蹴る力
が強くなりすぎてロボットは前に倒れる。
着地の直前のタイミング(即ち、片足支持期の末期)を
考えると、図17に示したように支持脚足平が階段面の
エッジを中心に回転すると仮定するとき、図18に示す
如く、相対位置が前方にずれると床反力作用点が後ろに
ずれるので、そのモーメントによってロボットは前に倒
れる。
にずれたときは床反力作用点が前にずれるので、そのモ
ーメントによりロボットは後ろに倒れる、という問題が
生じる。
徴を持たない歩容では、ロボットの足平の水平面の長さ
が階段の奥行きより大きいときは、ロボットが階段を降
りることが困難になると共に、階段に対するロボットの
相対位置の誤差の大きさによっては、階段を降りること
が不可能となる。
行きより大きいために階段を降りることが困難な場合を
除くと、相対位置誤差については、足平と階段のエッジ
との接触位置が前記した光センサ90でリアルタイムに
検出されることから、そこを回転中心とする歩容を歩行
中にリアルタイムに生成する手法も考えられる。更に
は、足平と階段面とが線接触状態でも、ロボットの動的
安定性を保つ安定化制御を行う手法も考えられる。
を解き、歩容をリアルタイムに生成するための複雑なア
ルゴリズムや、演算装置(コンピュータ)の演算処理能
力などを別に解決しなければならない。このような複雑
なアルゴリズムや高性能の演算装置を必要としないこと
もこの発明の利点の一つである。
の軌跡を歩容パラメータとして予め設定しておくことに
より、階段の奥行きよりも長い足平を有するロボットに
おいても階段を降りることができ、同時に階段に対する
ロボットの相対位置誤差を許容することができる。
く、足平の大きさを決定することができるため、階段以
外の場所を歩行するのに有利なときは、足平の大きさを
任意に大きくすることも可能となる。
でスタート信号を待機し、スタート信号が生じるとS1
6に進んでカウンタをインクリメントし、S18に進ん
で歩容修正タイミングか否か判断する。これについては
後述する。
算する。これは前記した歩容パラメータの中に補間演算
を必要とするものがあるため、ここでそれを求め、S1
6のカウンタで指定される時刻の姿勢パラメータを計算
する。
節の角度を計算し、S24に進んで同期信号を待機し、
同期が取れたところでS26に進んで算出した関節角度
を出力し、S28に進んで歩行終了と判断されない限
り、S16に戻って同様の作業を繰り返すと共に、終了
と判断されるときはS30に進んでカウンタをリセット
して終わる。
ば20ms)ごとにS16からS28をループする。ま
たS26で出力された関節角度に基づき、その関節角度
となるように前記した第2の演算装置62においては図
23に示すフロー・チャートのS100からS110に
示すステップに従ってサーボ制御が並行的に行われる
が、この作業は公知であるので、説明は省略する。
では歩容修正タイミングであるか否か判断されるが、こ
の制御においては離床時点を歩容修正タイミングとし
た。相対位置誤差を検知するタイミングを離床のときと
したのは、離床以前に相対位置誤差を検知し、目標着地
位置にフィードバックすれば遊脚軌道を遊脚期間全体を
使って修正できるので、急激ではなく、滑らかな変更が
可能となり、歩容の安定性の低下を最小限に抑えること
ができると共に、時間的に最新の相対位置誤差を制御に
使用できるからである。
S32に進み、足平22R(L)に配置された光センサ
90で階段のエッジを検出し、歩容パラメータで設定さ
れている目標着地位置と比較して階段との相対位置誤差
を検知する。
よび角度のずれに応じてそれが累積しないように適当な
目標歩幅修正量を決定し、続いてS36に進んで歩容パ
ラメータ中に記載されている目標着地位置を書き換え
る。
設計された値から、具体的には歩幅が変更される。足平
22R(L)の着地位置はx,y,z方向とそれらの軸
まわりの回転で決定されるので、変更した歩幅となるよ
うに、それらの全てまたは一部が修正される。以上の手
順を階段昇降中に1歩ごとに繰り返せば、相対位置誤差
の累積を防止することができ、連続して何段でも昇降す
ることができる。
で、脚式移動ロボット、特に2足歩行ロボットが階段の
奥行きよりも長い足平を持つような場合でも安定した歩
容で階段を降りることができる。
差を許容することができ、前述したように誤差が許容範
囲を超えて集積しないように歩行制御することで、連続
して何段でも降りることができる。
く、足平の大きさを決定することができるため、足平の
大きさを任意に大きくすることができる。
とも上体24と、前記上体に関節10,12,14R
(L)を介して連結される複数本の脚部リンク2とを備
え、前記複数本の脚部リンク2がそれぞれ関節18R
(L)を介して回転自在に連結される足平22R(L)
を先端に有してなると共に、階段100を昇降自在に構
成されてなる脚式移動ロボット1の歩行制御装置におい
て、階段を降りる際に遊脚を着地させるとき、前記足平
22R(L)のかかと部46bから着地させるか、ある
いは少なくとも前記足平を階段面に実質的に水平に着地
させるように歩行制御する(図8のS12以下)如く構
成した。
平22R(L)を、つま先部46aから着地しないこと
を意味する。
持期の間は、支持脚足平が少なくとも3点以上で階段面
と点接触し続けるように歩行制御する(図8のS12以
下)如く構成した。
持期の間は、次に遊脚となる脚部の足平が離床するま
で、その足平が少なくとも3点以上で階段面と接触し続
けるように歩行制御する(図8のS12以下)如く構成
した。
段を降りるときを例にとったが、上記は脚式移動ロボッ
トが後ろ向きのまま階段を昇るときにも同様に妥当す
る。
設定しておくようにしたが、歩行中にリアルタイムに決
定するようにしても良い。
ットの例のみ示したが、上記した構成は3足以上の脚式
移動ロボットにおいても原理的には妥当する。
長い足平を持つような場合でも安定した歩容で階段を降
りることができる。
置を全体的に示すスケルトン図である。
細に示す説明断面図である。
詳細を示すブロック図である。
サの構成を全体的に示す説明図である。
を示す足平の説明平面図である。
出動作を示す説明図である。
たランドマーカとの関係を示す説明図である。
動作を示すフロー・チャートである。
ま先部から着地した状態を示す説明図である。
設定された歩容で階段を降りるときの片足支持期の状態
を示す説明図である。
設定された歩容で階段を降りるときの着地の瞬間を示す
説明図である。
設定された歩容で階段を降りるときの離床の瞬間を示す
説明図である。
設定された歩容で階段を降りるときの遊脚の軌跡を示す
説明図である。
設定された歩容で階段を降りるときの着地範囲を示す説
明図である。
設定された歩容で階段を降りるときの着地の瞬間を示す
説明図である。
設定された歩容で階段を降りるときの離床の瞬間を示す
説明図である。
持脚足平がかかと部を上げる歩容で階段を降りるときの
着地の直前を示す説明図である。
持脚足平がかかと部を上げる歩容で階段を降りるときの
着地の直前を示す、図17と同様の説明図である。
持脚足平がかかと部を上げる歩容で階段を降りるときの
着地の直前を示す、図17と同様の説明図である。
平をy軸回りに回転させる歩容で階段を降りるときの離
床の直前を示す説明図である。
平をy軸回りに回転させる歩容で階段を降りるときの離
床の直前を示す、図20と同様の説明図である。
平をy軸回りに回転させる歩容で階段を降りるときの離
床の直前を示す、図20と同様の説明図である。
る、関節角サーボ制御を示すフロー・チャートである。
Claims (3)
- 【請求項1】 少なくとも上体と、前記上体に関節を介
して連結される複数本の脚部リンクとを備え、前記複数
本の脚部リンクがそれぞれ関節を介して回転自在に連結
される足平を先端に有してなると共に、階段を昇降自在
に構成されてなる脚式移動ロボットの歩行制御装置にお
いて、階段を降りる際に遊脚を着地させるとき、前記足
平のかかと部から着地させるか、あるいは少なくとも前
記足平を階段面に実質的に水平に着地させるように歩行
制御する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】 前記脚式移動ロボットが片足支持期の間
は、支持脚足平が少なくとも3点以上で階段面と点接触
し続けるように歩行制御され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。 - 【請求項3】 前記脚式移動ロボットが両足支持期の間
は、次に遊脚となる脚部の足平が離床するまで、その足
平が少なくとも3点以上で階段面と接触し続けるように
歩行制御されることを特徴とする請求項1項または2項
記載の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 |
---|---|---|---|
JP03136596A JP3662996B2 (ja) | 1996-01-25 | 1996-01-25 | 脚式移動ロボットの歩行制御装置 |
US08/787,708 US5838130A (en) | 1996-01-25 | 1997-01-24 | Locomotion control system of legged mobile robot |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP03136596A JP3662996B2 (ja) | 1996-01-25 | 1996-01-25 | 脚式移動ロボットの歩行制御装置 |
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