JPH1094982A - 多足歩行装置 - Google Patents

多足歩行装置

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JPH1094982A
JPH1094982A JP8273092A JP27309296A JPH1094982A JP H1094982 A JPH1094982 A JP H1094982A JP 8273092 A JP8273092 A JP 8273092A JP 27309296 A JP27309296 A JP 27309296A JP H1094982 A JPH1094982 A JP H1094982A
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Hiroyoshi Takeuchi
裕喜 竹内
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Abstract

(57)【要約】 【課題】ロボットの脚に特有に課される要求を容易に満
たし得る脚を持つ多足歩行装置を得ること。 【解決手段】多足歩行ロボットに胴体部を支える複数の
脚を備えさせ、前記複数の脚のうちの少なくとも一の脚
は冗長性を持たせる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、ロボットの多足歩行
装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】自力移動するロボットとして、車輪を使
用するもの、キャタピラ(登録商標)を使用するもの、
脚を使用するもの等が開発されている。脚を使用する歩
行ロボット用として、2足、3足、4足、6足等の複数
の脚でロボットの胴体部を支える多足歩行装置が開発さ
れている。これらの多足歩行装置においては、支持脚を
接地させて胴体部の重量を支持した状態で、遊脚を他の
地点に移動させた後、接地させ、このような支持脚と遊
脚を交互に切替えることにより胴体部の重量を支持しつ
つ、ロボットの移動、歩行を行っている。このような多
足歩行装置の脚103は、従来図6に示すように一個の
関節J(J1、J2)と一個のリンクL(L1、L2)
からなる脚部材F(F1、F2)を2個直列に接続した
もので、リンクL(L1、L2)を関節J(J1、J
2)で連結し、関節J(J1、J2)をモータM(M
1、M2)で駆動してし重力を支持する機能と並進をす
る機能を発揮させるもので、この点に関する設計上の考
え方はロボットマニピレータと同じであった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、脚式ロボット
の、脚だけに視点を絞ったとき、マニピュレータとは異
なる、脚に独特に課される要求は、 (1)早い脚周期運動 (2)大きな歩幅 (3)推進力、重力抗力の発生 である。従来、移動速度を上げるためには脚は長く、脚
動作を速く実行する程度の研究しか行なわれていなかっ
た。また、冗長な脚は、系にコンプライアンスを持たせ
たり、、特異点回避、障害物回避当の用途にしか考えら
れて来なかった。ここでは、関節数と(1)早い脚周期
運動及び(2)大きな歩幅の点に就いて考察しよう。図
5に示すように、簡単化して、1リンク、2リンク、3
リンクの場合に就いて、系の基準振動数を求めてみる
と、図5のようになる。系の周期運動を基準振動に持っ
て行けば、エネルギー的に極小の運動となる。複数関節
の場合には、基準振動数は関節数だけ存在し、速い基準
振動で運動させればよい。第一基準振動に注目しただけ
でも、関節数が増える保持ほど振動数は大きくなる。複
数関節の場合にはこの先に次のリンクが続き、そのリン
クも周期運動するので全体としての歩幅も大きくなり、
かつ歩行周期も速くなる。脚式移動の高速化を狙えば、
脚関節構造は必ず冗長化する。しかるに、従来のロボッ
ト脚103は前記通り、脚部材Fを2個直列に接続した
もので、これは冗長性を持たない非冗長脚である。この
非冗長脚は関節の角度と脚の足先のXY座標上の位置が
一意に決まるので、足先の位置決め制御が容易である。
しかし、非冗長脚では前記のロボットの脚に特有に課さ
れる要求のうち、(1)早い脚周期運動と(2)大きな
歩幅とは互いに相反する事項であり、(1)を達成しよ
うとして脚長をきるだけ短くし、周期時間を短くしてし
まうと、脚長が小さいために、(2)の歩幅も小さくな
ってしまうというジレンマに陥る。また、支持脚期には
(3)の要件を満たす大トルクが望まれるが、遊脚期に
はトルクよりむしろ(1)の要件が望まれる。しかし同
一のモータでは(1)の要件と(3)の要件は互いに相
反する事項である。このように従来の非冗長脚ではのロ
ボットの脚に特有に課される要求を満たすことは相当に
困難である。
【0004】この発明は、上記の如き事情に鑑みてなさ
れたものであって、ロボットの脚に特有に課される要求
を容易に満たし得る脚を持つ多足歩行装置を提供するこ
とを目的とするものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】この目的に対応して、こ
の発明の多足歩行装置は、胴体部を支える複数の脚を有
し、前記複数の脚のうちの少なくとも一の脚は冗長性を
持つことを特徴としている。
【0006】
【発明の実施の形態】以下、この発明の詳細を一実施の
形態を示す図面について説明する。図1においてlはロ
ボットの2足歩行装置である。2足歩行装置1は胴体部
2を有し、胴体部2を前脚及び後脚3で支持し重力支持
と並進推力を発生している(ただし図1には前脚及び後
脚のうち一方の脚3だけが示されている)。前脚及び後
脚3の両方または少なくとも一方の脚は冗長性を持つ脚
として構成される。この実施の形態では脚3は一個の関
節J(J1、J2、J3)と一個のリンクL(L1、L
2、L3)からなる脚部材F(F1、F2、F3)を3
個直列に接続して構成されている。関節J(J1、J
2、J3)はそれぞれモータM(M1、M2、M3)に
よって駆動される。3個の脚部材F1、F2、F3のリ
ンクL1、L2、L3は体躯2に近いものほど長さl
(l1、l2、l3)が短い。すなわち、l1<l2<
l3である。モータM(M1、M2、M3)は体躯2に
近いものほど出力T(T1、T2、T3)が大きく、し
たがってT1<T2<T3であり、またそれぞれのモー
タM(M1、M2、M3)についての減速比R(R1、
R2、R3)はR1<R2<R3である。この様に構成
された脚を持つ多足歩行装置においては、前脚と後脚を
協調動作させて、歩行動作を行う。この協調動作は前脚
の関節、後脚の関節に設けられたモータを制御して行
う。この発明の脚は冗長脚になっており、ロボットの脚
に特有に課される相反する要求仕様、すなわち、 (1)早い脚周期運動 (2)大きな歩幅 (3)推進力、重力抗力の発生 の要求仕様を容易に満たすことが出来る。すなわち、脚
は、図1に示すように、短いリンクL1及びL2が短い
周期運動を担い、長いリンクL3の大きな歩幅を実現す
る。機構的な面では、関節J1及びJ2に高出力モータ
を装備し、トルク発生を重視し、関節角速度を犠牲にす
る。関節J3は速やかな動きに対処させるためにトルク
を犠牲にして関節角速度を重視する。このようにするこ
とによって、支持脚期のような比較的トルクの要すると
きには関節J1,J2が対処し、遊脚期のようにトルク
は要らないが角速度を要するときには関節J3で対応で
きるようになる。次に、冗長脚のための軌道発生に関す
る一方法について説明する。脚構造が冗長性を持つた
め、ヤコビアンを用いて並進速度を角速度に変換すると
き一意には定まらない。従って、脚先端の動きが同じで
も、種々の姿勢が考えられる。
【0007】
【数1】 一方、3リンク冗長系は次式のような非線形状態方程式
で表現される。
【0008】
【数2】 4.l式において最も基本的な解は角速度ノルムを最小
にする解として第2項をゼロとしたものである。これに
よって一応冗長脚の運動軌跡を得ることはできる。図
2、図3ははこのようにして解を求めた一例である。こ
の図2は図3と比較のために、並進速度と関節角速度が
一意に定まる2リンク系のデータを示した。比較条件と
して、同等歩幅s1、同等高さhとした。また、For
ward Swingのときには支持脚期なので重力が
外力としてかかるようになっている。スティック線図か
らわかるように、左側歩幅いっぱいの所では2リンク系
は特異点に近づいてしまうが冗長脚はこの歩幅ではまだ
余裕がある。2リンク系で、これを回避しようとしてリ
ンク長さを大きくすると、特異点は回避できるが関節ト
ルクが更に大きくなつてしまうことになる。またここで
は、脚は4.2式のような非線形方程式を使用している
ため系の非線形性も考慮されている。 (最適化の一例)前述したような角速度ノルムを最小に
する解を初期軌道にして、以下の評価関数を設定し、勾
配法を用いて関節トルクの最適化を行う。このようにす
れば、冗長脚の構造に合った軌道の一例を見付け出すこ
とができる。
【0009】
【数3】 各係数は図1のような脚構造に合わせて α1<α2<
α3、β1>β2>β3とし、要求ギヤ比、要求角速度
に見合った軌道を目標とする。
【0010】
【実験例】
(実験装置)今回製作した装置は図4に示すように、脚
機能担化の後肢部、及び胴体部を実現したもので、脚は
Sagital Plane上で3リンク冗長系を有し
ている。また、Frontal Planeにはロール
自由度を持つ。これにより3次元運動の実験も行うこと
ができる。脚駆動には、脚重量を軽くするためベルト駆
動とした。 (実験装置の制御)4.1式で表わされるような冗長性
のkベクトルをうまく使って脚の運動軌道をリアルタイ
ムで生成するという手法が1つ考えられる。但しこれに
は擬似逆行列等の莫大な計算をリアルタイムで処理しな
ければならないという制約がある。もう一つの方法は、
前述した数値計算結果の軌道を使って、これを目標軌道
として、これにコントローラで追従させるものである。
追従させるためのコントローラはPIDやLQGが考え
られ、実現しやすい制御手法の一つである。今回は、制
御法として後者の手法を採用した。前者の方法も、kベ
クトルをうまく選ぶことによって、冗長脚に逐次いろい
ろな軌道を発生することが出来、興味深い。
【0011】
【発明の効果】このようにこの発明では、支持脚期のよ
うな比較的トルクの要するときには関節J1,J2が対
処し、遊脚期のようにトルクは要らないが角速度を要す
るときには関節J3が対応できるようになり、これによ
ってロボットの脚に特有に課される要求を容易に満たし
得る脚を持つ多足歩行装置を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の2足歩行装置の構成説明図。
【図2】2リンク脚の挙動を示す説明図。
【図3】3リンク脚の挙動を示す説明図。
【図4】実験に用いた脚の構成説明図。
【図5】それぞれの形式の脚と基準振動数を示す説明
図。
【図6】従来の2足歩行装置の構成説明図。
【符号の説明】
1 足歩行装置 2 胴体部 3 前脚及び後脚 F(F1,F2,F3) 脚部材 J(J1,J2,J3) 関節 L(L1,L2,L3) リンク M(M1,M2,M3) モータ

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】胴体部を支える複数の脚を有し、前記複数
    の脚のうちの少なくとも一の脚は冗長性を持つことを特
    徴とする多足歩行装置。
  2. 【請求項2】前記一の脚は一個の関節と一個のリンクか
    らなる脚部材を3個以上直列に接続して備えることを特
    徴とする請求項1記載の多足歩行装置。
  3. 【請求項3】前記3個以上の脚部材のリンクは前記胴体
    部に近いものほど長さが短いことを特徴とする請求項2
    記載の多足歩行装置。
  4. 【請求項4】前記3個以上の脚部材の関節を駆動するモ
    ータは前記胴体部に近い関節のものほど出力が大きいこ
    とを特徴とする請求項2記載の多足歩行装置。
  5. 【請求項5】前記3個以上の脚部材の関節を駆動するモ
    ータは前記胴体部に近い関節のものほど減速比が大きい
    ことを特徴とする請求項2記載の多足歩行装置。
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