JPS6297006A

JPS6297006A - 多関節歩行ロボツト制御装置

Info

Publication number: JPS6297006A
Application number: JP60235217A
Authority: JP
Inventors: Yoshie Kitagawa; 北川　淑江; Tomiji Yoshida; 吉田　富治; Masanaga Sasaki; 佐々木　正祥; Makoto Otsu; 誠大津; Masakatsu Fujie; 正克藤江; Ichiro Kato; 一郎加藤; Atsuo Takanishi; 淳夫高西
Original assignee: Waseda University; Hitachi Ltd
Current assignee: Waseda University; Hitachi Ltd
Priority date: 1985-10-23
Filing date: 1985-10-23
Publication date: 1987-05-06
Also published as: JPH0562363B2

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】〔発明の利用分野〕本発明は、多関節の足を持つ歩行ロボットに係り、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
関節歩行ロボット制御装置に関する。

〔発明の背景〕

多関節歩行ロボットの一例である２足歩行ロボットの制
御に関する文献としては、「２足歩行ロボットの階層制
御」、有本卓、宮本文夫１日本ロボット学会誌１巻３号
（１９８３年１０月）ｐ７〜１５、および「動的２足歩
行ロボットの制御」、古荘純次１日１本ロボット学会誌
１巻３号（１９８３年１０月）ｐ２２〜２９がある。こ
れら論文には。

２足歩行ロボットの制御には複雑な処理が必要であるこ
とや、２足歩行ロボッ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足歩行ロボッ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、ロボット本体に搭載
して自立歩行するところまで至らなかった。

例えば、原子力施設の高放射能環境下で１人間の作業を
代行する目的をもった移動ロボットの中でも、多関節の
足を持つロボットは、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シようとしても、
非常に国璽であった。また、小型化してロボット装置本
体の搭載しても、多関節歩行ロボットの場合１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った
。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、複雑な多関節歩行ロボットの装置本体
に搭載可能で、多関節歩行ロボットを高速かつ安定に制
御し得る小型軽量の制御装置を提供することである。

〔発明の概要〕本発明の特徴は、多関節歩行ロボットを制御するのに各
関節の動作軌道を表わした歩行パターンデータを用いて
小型軽量化した制御装置を、ロボット装置本体に搭載可
能にしたことと１歩行パターンデータを使用し簡略化し
た歩行制御プログラムによりマイクロコンピュータでも
高速制御を可能にしたことである。これらの特徴により
、多関節歩行ロボットの自立歩行の可能性が大幅に向上
する。

〔発明の実施例〕

以下に、本発明を２足歩行ロボット装置に適用した実施
例を示す。

第１図に２足歩行ロボット装置の外形を示す。

２足歩行ロボット装置は、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ッチ軸１と腰ロ
ール軸２、膝部に相当する位置には膝ピッチ軸３、足首
部に相当する位置には足首ピッチ軸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を持っている。

各関節には関節駆動用の油圧揺動アクチュエータ１０、
さらに、油圧揺動アクチュエータ１０のシャフトにカッ
プリング１１を介して角度検出用のポテンショメータ１
２と油圧揺動アクチュエータ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足歩行ロボッ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、制御ユニット７が設
置される。制御ユニゾン７は、ロボット歩行動作決定情
報を処理するマイクロコンピュ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
ット７とサーボ弁１３．角度検出用ボタンショメータ１
２との間は、信号ケーブルで接続されている。

第２図に、２足歩行ロボット装置の制御系統図を示す。

コンピュータ制御システム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によって増幅され、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指令信号に従
って動かし、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、油圧揺動アクチュエータ１
０の駆動が制御される。油圧揺動アクチュエータ１ｏの
動作角度は、角度検出用ポテンショメータ１２で検出さ
れ、たえずサーボアンプ１６にフィードバックされ、位
置帰還制御を行っている。

第３図に、２足歩行ロボッ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
めである。制御装置は、右足用サーボアンプ１６ａ、左
足用サーボアンプ１６ｂ、マイクロコンピュータ１７、
インタフェースボード１８ａ、１８ｂ、メモリボード１
９、Ｄ／Ａコンバータ２１、Ａ／Ｄコンバータ２２から
なる。

マイクロコンピュータ１７は、メモリボード１９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
。

１６ｂには角度検出用ポテンショメータから、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ック図を示す。図
において、２４ａ、２４ｂ、２４ｃは増幅器、２５はリ
ミット回路である。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、
角度検出層ポテンショメータ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１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１歩行パターンデー
タは、２足歩行ロボッ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
、補間計算によって密につなぎ。

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
フローチャートを示す。まず、メモリの中から適当な歩
行パターンデータのファイルを選択し、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両会を、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足歩行ロボッ
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。

以上によって、制御装置を搭載した２足歩行ロボット装
置の高速かつ安定な制御が可能になった。

高速化については、１２間節を１回制御するのに、１６
ｂｉｔマイクロコンピユータで２０ｍ５ｅｃ以内となり
、重心が上部に偏った２足歩行ロボット装置でも倒れず
に、安定に連続歩行ができるようになった。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
困難であった多関節歩行ロボットの制御装置を小型軽量
化し、ロボット装置本体に搭載可能となる。したがって
、多関節歩行ロボッ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
ロボットを用いることでロボッ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１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、ステッ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＃４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、計算処理ステップ数が少ないため、計算上のミス
や誤処理が大幅に低減し、信頼性が高まる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明により２足歩行ロボット装置の外形図、
第２図は第１図の２足歩行ロボット装置の制御系統図、
第３図は２足歩行ロボット装置の制御装置の外形図、第
４図は２足歩行ロボッ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ック図、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ャーｈ、第１０図は２足歩行ロ
ボット装置の歩行の一例を示す図である、１・・・腰ピッチ軸、２・・・腰ロール軸、３・・・膝
ピッチ軸、４・・・足４ピッチ軸、５・・・足首ロール
軸、６・・・方法転換ヨー軸、７・・・制御ユニット、
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ュエータ、１１・・・カップ
リング、１２・・ポテンショメータ、１３・・・サーボ
弁、】−４・・・電源ユニット、１５・・・コンピュー
タ制御システム、１６・・・サーボアンプ、１７・・・
マイクロコンピュータ、１８・・・インタフェースポー
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
ミット回路。

Claims

【特許請求の範囲】１、多関節の足を持つ歩行ロボットの制御装置において
、各関節の角度を検出する角度検出器と、歩行パターン
データおよび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、メモリ内容
を読み出し計算処理を実行するマイクロコンピュータと
、マイクロコンピュータからの指令と前記角度検出器か
らの信号とにより関節を制御する位置帰還型制御回路と
からなり、ロボット本体内で制御を行うことを特徴とす
る多関節歩行ロボット制御装置。２、特許請求の範囲第１項において、記憶されたパター
ンデータ間を補間して密につなぎ、各関節の角度と動作
速度とを制御することを特徴とする多関節ロボット制御
装置。