KR101004820B1 - 이동체 장치, 이동체 장치의 제어 방법, 로봇 장치, 로봇 장치의 동작 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 과제는 ZMP 방정식을 고속이고 또한 고정밀도로 도출함으로써 보다 엄밀한 자세 안정 제어를 행하는 것이다.

로봇의 기계 본체상의 제어 목표점으로서 질량 조작량이 최대가 되는 요부를 로컬 좌표 원점으로 설정하여 가속도 센서를 배치하고, 그 위치에 있어서의 자세나 가속도를 직접 계측하여 ZMP를 기초로 하는 자세 안정 제어를 행한다. 또한, 노면과의 접촉 부위인 족부에 ZMP와 힘을 직접 계측하는 상반력 센서와 가속도 센서를 배치하고, ZMP 위치에 가장 가까운 족부에서 직접 ZMP 방정식을 세워 보다 엄밀한 자세 안정 제어를 고속으로 실현한다.

다리식 이동 로봇, ZMP 방정식, 가속도 센서, 이동체 장치

Description

이동체 장치, 이동체 장치의 제어 방법, 로봇 장치, 로봇 장치의 동작 제어 방법{LOCOMOTION DEVICE, CONTROL METHOD OF LOCOMOTION DEVICE, ROBOT DEVICE AND OPERATION CONTROL METHOD OF ROBOT DEVICE}

본 발명은, 적어도 복수개의 가동 다리를 구비한 다리식 이동 로봇의 동작 제어 장치 및 동작 제어 방법, 다리식 이동 로봇을 위한 센서 시스템 및 이동체 장치에 관한 것으로, 특히 ZMP를 안정도 판별 규범에 이용하여 자세 안정화 제어를 행하는 다리식 이동 로봇의 동작 제어 장치 및 동작 제어 방법, 다리식 이동 로봇을 위한 센서 시스템 및 이동체 장치에 관한 것이다.

또한 상세하게는, 본 발명은 기계 본체상의 각 부에 설치된 센서로부터의 계측치를 기초로 하여 도입된 ZMP 방정식을 이용하여 미지(味知) 외력 모멘트 및 미지 외력을 동정하여 운전 제어를 행하는 다리식 이동 로봇의 동작 제어 장치 및 동작 제어 방법, 다리식 이동 로봇을 위한 센서 시스템 및 이동체 장치에 관한 것으로, 특히 기계 본체상의 부위로 분산하는 센서 시스템을 배치하고, ZMP 방정식의 도입에 필요한 운동 변수를 효율적으로 계측하는 다리식 이동 로봇의 동작 제어 장치 및 동작 제어 방법, 다리식 이동 로봇을 위한 센서 시스템 및 이동체 장치에 관한 것이다.

전기적 혹은 자기적인 작용을 이용하여 인간의 동작에 유사한 운동을 행하는 기계 장치의 것을「로봇」이라 한다. 로봇의 어원은 슬라브어의 "ROBOTA(노예 기계)"에 유래된다고 알려져 있다. 일본에서는, 로봇이 보급되기 시작한 것은 1960년대 말부터이지만, 그 대부분은 공장에 있어서의 생산 작업의 자동화 및 무인화 등을 목적으로 한 매니퓰레이터나 반송 로봇 등의 산업용 로봇(industrial robot)이었다.

최근에는, 인간이나 원숭이 등의 두발 직립 보행을 행하는 동물의 신체 메커니즘이나 동작을 모방한 다리식 이동 로봇에 관한 연구 개발이 진전되어 실용화에의 기대도 높아지고 있다. 두발 직립에 의한 다리식 이동은 크롤러식이나, 네발 또는 여섯발 등에 비해 불안정하고 자세 제어나 보행 제어가 어려워지거나, 부정지나 장해물 등 작업 경로 상에 요철이 있는 보행면이나, 계단이나 사다리의 승강 등 불연속인 보행면에 대응할 수 있는 등 유연한 이동 작업을 실현할 수 있다는 점에서 우수하다.

또한, 인간의 생체 메커니즘이나 동작을 재현한 다리식 이동 로봇의 것을, 특히「인간형」, 혹은「인간형」의 로봇(humanoid robot)이라 부른다. 인간형 로봇은, 예를 들어 생활 지원, 즉 메인 환경, 그 밖의 일상 생활상의 다양한 장면에 있어서의 인적 활동의 지원 등을 행할 수 있다.

인간의 작업 공간이나 거주 공간의 대부분은 두발 직립 보행이라는 인간이 갖는 신체 메커니즘이나 행동 양식에 맞추어 형성되어 있고, 차륜, 그 밖의 구동 장치를 이동 수단으로 한 기존의 기계 시스템이 이동하는 데에는 많은 장벽이 존재한다. 따라서, 기계 시스템, 즉 로봇이 다양한 인적 작업을 대행하고, 또한 인간의 주공간에 깊게 침투해 가기 위해서는, 로봇의 이동 가능 범위가 인간의 그것과 거의 동일한 것이 바람직하다. 이것이 다리식 이동 로봇의 실용화가 대단히 기대되고 있는 근거이기도 하다.

인간형 혹은 인간형이라 불리우는 두발 직립 보행의 다리식 이동 로봇을 연구 및 개발하는 의의를, 예를 들어 이하의 2개의 시점으로부터 파악할 수 있을 것이다.

하나는 인간 과학적인 시점이다. 즉, 인간의 하지 및/또는 상지에 유사한 구조의 로봇을 만들어 그 제어 방법을 고안하고, 인간의 보행 동작을 시뮬레이트한다는 프로세스를 통해 보행을 비롯한 인간의 자연스러운 동작의 메커니즘을 공학적으로 해명할 수 있다. 이와 같은 연구 성과는 인간 공학, 리허빌리테이션 공학, 혹은 스포츠 과학 등 인간의 운동 메커니즘을 취급하는 다른 다양한 연구 분야의 진전에 크게 환원할 수 있을 것이다.

또 하나는 인간의 파트너로서 생활을 지원하는, 즉 메인 환경, 그 밖의 일상 생활상의 다양한 장면에 있어서의 인적 활동의 지원을 행하는 실용 로봇의 개발이다. 이러한 종류의 로봇은 인간의 생활 환경의 다양한 국면에 있어서, 인간으로부터 교육받으면서 개개에 개성이 상이한 인간 또는 환경에의 적응 방법을 학습하여 기능면에서 더욱 성장해 갈 필요가 있다. 이 때, 로봇이「인간형」,즉 인간과 동일한 형 또는 동일한 구조를 하고 있는 쪽이 인간과 로봇의 원활한 커뮤니케이션을 행하는 데 있어서 유효하게 기능하는 것이라 생각된다.

예를 들어, 밟아서는 안되는 장해물을 피하면서 방을 빠져나가는 방법을 실지에 있어서 로봇에게 교시하는 경우, 크롤러식이나 네발식 로봇과 같이 가르치는 상대가 자신과 전혀 다른 구조를 하고 있는 것보다도, 같은 모습을 하고 있는 두발 보행 로봇의 쪽이 사용자(작업원)는 훨씬 가르치기 쉽고, 또한 로봇에게 있어서도 배우기 쉬울 것이다[예를 들어, 다까니시저「두발 보행 로봇의 제어」(자동차 기술회 관동지부 <다까소> No.25, 1996 APRIL)를 참조한 것].

두발 보행에 의한 다리식 이동을 행하는 타입의 로봇에 관한 자세 제어나 안정 보행에 관한 기술은 이미 수없이 제안되어 있다. 여기서 말하는 안정된「보행」이라 함은,「전도하지 않고, 다리를 사용하여 이동하는 것」이라 정의할 수 있다.

로봇의 자세 안정 제어는 로봇의 전도를 회피하는 데 있어서 매우 중요하다. 왜냐하면, 전도는 로봇이 실행 중인 작업을 중단하는 것을 의미하고, 또한 전도 상태로부터 기상하여 작업을 재개하기 위해 상당한 노력이나 시간이 소비되기 때문이다. 또한, 무엇보다도 전도에 의해 로봇 본체 자체, 혹은 전도하는 로봇과 충돌하는 상대측의 물체에도 치명적인 손상을 부여해 버릴 위험이 있기 때문이다. 따라서, 다리식 이동 로봇의 설계 및 개발에 있어서, 보행이나 그 밖의 다리식 작업시에 있어서의 자세 안정 제어는 가장 중요한 기술적 과제 중 하나이다.

보행시에는 중력과 보행 운동에 수반하여 생기는 가속도에 의해 보행계로부터 노면으로는 중력과 관성력 및 이들 모멘트가 작용한다. 소위「다람펠의 원리」 에 따르면, 그들은 노면으로부터 보행계에의 반작용으로서의 상반력, 상반력 모멘트와 밸런스한다. 역학적 추론의 귀결로서, 발바닥 접지점과 노면이 형성하는 지지 다각형의 변 상 혹은 그 내측에 피치 및 롤축 모멘트가 제로가 되는 점, 즉「ZMP(Zero Moment Point)」가 존재한다.

다리식 이동 로봇의 자세 안정 제어나 보행시의 전도 방지에 관한 제안의 대부분은 이 ZMP를 보행의 안정도 판별의 규범으로서 이용한 것이다. ZMP 규범을 기초로 하는 두발 보행 패턴 생성은 발바닥 착지점을 미리 설정할 수 있고, 노면 형상에 따른 발끝의 운동학적 구속 조건을 고려하기 쉬운 등의 이점이 있다. 또한, ZMP를 안정도 판별 규범으로 하는 것은 힘이 아닌 궤도를 운동 제어상의 목표치로서 취급하는 것을 의미하므로, 기술적으로 실현 가능성이 높아진다. 또한, ZMP의 개념 및 ZMP를 보행 로봇의 안정도 판별 규범에 적용하는 점에 대해서는 Miomir Vukobratovic저 "LEGGED LOCOMOTION ROBOTS"[가또이치로 외 저『보행 로봇과 인공의 발』(잇깐고교 신문사)]에 기재되어 있다.

일반적으로는, 네발 보행보다도 휴머노이드와 같은 두발 보행의 로봇의 쪽이 무게 중심 위치가 높고, 또한 보행시의 ZMP 안정 영역이 좁다. 따라서, 이와 같은 노면 상태의 변화에 수반하는 자세 변동의 문제는 두발 보행 로봇에 있어서 특히 중요해진다.

두발 보행 로봇의 자세 안정도 판별 규범에 ZMP를 이용한 제안은 이미 몇 가지 있다.

예를 들어, 일본 특허 공개 평5-305579호 공보에 기재된 다리식 이동 로봇은 ZMP가 제로가 되는 바닥면 상의 점을 목표치에 일치시키도록 하여 안정 보행을 행하도록 되어 있다.

또한, 일본 특허 공개 평5-305581호 공보에 기재된 다리식 이동 로봇은 ZMP가 지지 다면체(다각형) 내부, 또는 착지, 기상시에 ZMP가 지지 다각형의 단부로부터 적어도 소정의 여유를 갖는 위치에 있도록 구성하였다. 이 경우, 외란 등을 받아도 소정 거리만큼 ZMP의 여유가 있고, 보행시의 기계 본체의 안정성이 향상된다.

또한, 일본 특허 공개 평5-305583호 공보에는 다리식 이동 로봇의 걸음 속도를 ZMP 목표 위치에 의해 제어하는 점에 대해 개시하고 있다. 즉, 미리 설정된 보행 패턴 데이터를 이용하여 ZMP를 목표 위치에 일치시키도록 다리부 관절을 구동하는 동시에, 상체의 경사를 검출하여 그 검출치에 따라서 설정된 보행 패턴 데이터의 토출 속도를 변경한다. 미지의 요철을 밟고 로봇이, 예를 들어 전방으로 기울어질 때에는 토출 속도를 빠르게 함으로써 자세를 회복시킬 수 있다. 또한 ZMP를 목표 위치에 제어하므로, 양다리 지지 기간에 토출 속도를 변경해도 지장이 없다.

또한, 일본 특허 공개 평5-305585호 공보에는 다리식 이동 로봇의 착지 위치를 ZMP 목표 위치에 의해 제어하는 점에 대해 개시하고 있다. 즉, 상기 공보에 기재된 다리식 이동 로봇은 ZMP 목표 위치와 실측 위치의 어긋남을 검출하고, 그것을 해소하기 위해 다리부의 한 쪽 또는 양쪽을 구동하거나, 또는 ZMP 목표 위치 주위에 모멘트를 검출하여 그것이 0이 되도록 다리부를 구동함으로써 안정 보행을 실현한다.

또한, 일본 특허 공개 평5-305586호 공보에는 다리식 이동 로봇의 경사 자세 를 ZMP 목표 위치에 의해 제어하는 점에 대해 개시하고 있다. 즉, ZMP 목표 위치 주위의 모멘트를 검출하여 모멘트가 발생하였을 때에는 그것이 0이 되도록 다리부를 구동함으로써 안정 보행을 행한다.

ZMP를 안정도 판별 규범에 이용한 로봇의 자세 안정도 제어는, 기본적으로는 발바닥 접지점과 노면이 형성하는 지지 다각형의 변 상 혹은 그 내측에 모멘트가 제로가 되는 점을 탐색하는 데 있다.

즉, 로봇의 기계 본체에 인가되는 각 모멘트의 균형 관계를 기술한 ZMP 방정식을 도출하고, 이 ZMP 방정식상에서 나타나는 모멘트 에러를 상쇄하도록 기계 본체의 목표 궤도를 수정하도록 하면 된다.

ZMP 방정식을 세우기 위해서는 기계 본체상의 제어 대상점에 있어서의 위치와 가속도를 구할 필요가 있다. ZMP를 안정도 판별 규범에 이용한 종래의 로봇 기계 본체 제어 시스템의 대부분은 제어 대상점에 있어서의 위치 데이터만을 센서 입력으로 하고, 제어 시스템 내에 있어서 이 위치 데이터를 2계 미분하는 등하여 가속도 데이터를 산출한 후 ZMP 방정식을 도출하고 있었다.

그러나, 이와 같은 계산 방법에 의지한 경우, 계산량이 많아져 처리 부하가 높아지는 동시에 연산 시간이 길어져 버린다. 또한, 간접적으로 가속도 데이터를 얻고 있으므로, 정확한 가속도 데이터를 이용할 수 없고, 도약이나 주행 등 고속으로 리얼 타임으로 기계 본체의 궤도 수정을 필요로 하는 동작의 실현이 곤란하다. 또한, 기계 본체의 자세 제어의 엄밀성을 추궁한 경우, 제어 대상점을 복수로 하는 것이 바람직하지만, 연산 시간이 과대해져 버려 비용 증대를 초래한다.

또한, 다리식 로봇을 비롯한 이동 기계를 ZMP 방정식에 따라서 엄밀히 운동 제어하는 것을 고려하면, 제어에 이용하는 로컬 좌표 원점의 세계 좌표에 있어서의 가속도와, 로컬 좌표계에 있어서의 기계 본체 각 부의 위치(자세), 가속도, 그리고 ZMP 위치와 외력 및 외력 모멘트를 계측하고, 그 계측치를 ZMP 방정식에 도입함으로써 미지 외력 모멘트 및 미지 외력을 동정하면서 각 부의 위치, 가속도를 제어하는 것이 가장 엄밀히 운동 제어를 행하는 것이 된다.

예를 들어, 경사계(또는 가속도계) 및 나침반을 각 축[피치, 롤, 요오(X, Y, Z)]에 1개씩, 6축력 센서의 배치 위치를 외력 및 외력이 가해지는 것이 상정되는 부위마다 실제의 작용 위치보다 떨어진 위치에 최소한의 개수의 센서 구성으로 운동 제어를 행할 수 있다.

그런데, 이와 같은 센서 배치를 기초로 하는 운동 제어 방식에서는 제어에 이용하는 로컬 좌표원점 가속도에다가 모든 부위의 위치 및 가속도를 직접적으로 계측하여 제어하는 것은 곤란하다.

종래의 운동 제어 방식은,

(1) 로봇의 외부 환경은 어떤 힘이나 토오크가 작용해도 움직이는 일이 없다.

(2) 로봇의 외부 환경에서의 병진에 대한 마찰계수는 충분히 커 미끄러짐이 생기지 않는다.

(3) 로봇은 어떤 힘이나 토오크가 작용해도 변형되는 일이 없다.

라는 조건을 전제로 한 것이다. 이로 인해, 힘이나 토오크가 작용하면 노면 이 움직여 버리는 자갈 위나 털이 긴 융단 위, 그리고 병진의 마찰계수를 충분히 확보할 수 없어 미끄러짐이 생기기 쉬운 주거 내의 타일 등에서의 안정 보행(운동)이나, 로봇 자신의 구조에 유연성을 갖게 함으로써 도약을 수반하는 전신 운동의 실현을 목표로 한 로봇의 운동 제어를 보증하는 것은 아니다.

본 발명의 목적은, ZMP를 자세 안정도 판별 규범에 이용하여 운동 중의 기계 본체의 자세를 안정화 제어할 수 있는 우수한 다리식 이동 로봇을 위한 동작 제어 장치 및 동작 제어 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은, ZMP 방정식을 고속이고 또한 고정밀도로 도출함으로써 보다 엄밀한 자세 안정 제어를 행하는 것을 가능하게 하는 우수한 다리식 이동 로봇을 위한 동작 제어 장치 및 동작 제어 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, ZMP를 안정도 판별 규범에 이용하여 자세 안정화 제어를 적합하게 행할 수 있는 우수한 다리식 이동 로봇의 동작 제어 장치 및 동작 제어 방법 및 다리식 이동 로봇을 위한 센서 시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 기계 본체상의 각 부에 설치된 센서로부터의 계측치를 기초로 하여 도입된 ZMP 방정식을 이용하여 미지 외력 모멘트 및 미지 외력을 동정하여 운동 제어를 적절하게 행할 수 있는 우수한 다리식 이동 로봇의 동작 제어 장치 및 동작 제어 방법 및 다리식 이동 로봇을 위한 센서 시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 기계 본체상의 부위로 분산하는 센서 시스템을 배치하여 ZMP 방정식의 도입에 필요한 운동 변수를 효율적으로 계측할 수 있는 우수한 다리식 이동 로봇의 동작 제어 장치 및 동작 제어 방법 및 다리식 이동 로봇을 위한 센서 시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명은 상기 과제를 참작하여 이루어진 것으로, 기계 본체와 상기 기계 본체에 접속되는 복수의 가동부를 구비한 로봇 장치이며,

상기 기계 본체 및 적어도 1개의 상기 가동부에 제어 대상점을 마련하고,

상기 제어 대상점마다 배치된 복수의 가속도 센서와,

상기 가동부를 제어하는 제어 수단과,

상기 가속도 센서마다 얻을 수 있는 가속도 정보를 기초로 하여 도입된 소정의 방정식을 이용하여 상기 로봇 장치에 인가되는 미지 모멘트 및/또는 미지 외력을 산출하는 수단을 구비하고,

상기 제어 수단은 산출된 미지 모멘트 및/또는 미지 외력에 따라서 상기 가동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 로봇 장치이다.

로봇 장치의 자세 안정성을 확보하기 위해서는, 예를 들어 ZMP 방정식이나 운동 방정식 등의 안정도 판별 규범이 되는 방정식을 도입하여 장치 본체에 인가되는 미지 모멘트나 미지 외력을 상쇄하도록 동작 제어를 행할 필요가 있다. 지지 다각형의 내측에 ZMP가 있는 경우에는 시스템에 회전 운동이나 병진 운동이 발생하지 않아 회전이나 병진에 관한 운동 방정식을 풀 필요가 없고, 시스템이 형성하는 적절한 ZMP 공간을 이용하여 ZMP 방정식을 푸는 것에 의해 자세 안정 제어를 행한다. 또한, 지지 다각형의 내측에 ZMP가 없는 경우나, 외계에 대한 지지 작용점이 존재하지 않는 경우에는 ZMP 방정식 대신에 운동 방정식을 푸는 것에 의해 자세 안정 제어를 행한다. 또한, 도약을 수반하는 댄스 등 모든 부위의 궤도의 우선도가 똑같이 높게 설정되는 경우에는 ZMP 방정식과 운동 방정식의 양방을 푸는 경우가 있다.

여기서, 방정식을 세우기 위해서는 기계 본체상의 각 제어 대상점에 있어서의 위치와 가속도를 구할 필요가 있다. 그러나, 제어 대상점에 있어서의 위치 데이터만을 센서 입력으로 한 제어 시스템의 경우, 위치 데이터를 2층 미분하는 등하여 가속도 데이터를 산출한 후 방정식을 도출해야만 한다. 이 경우, 계산량이 많아 처리 부하의 증대나 연산 시간의 문제가 있다. 또한, 간접적으로 가속도 데이터를 얻고 있으므로, 정확한 가속도 데이터를 이용할 수 없으므로, 고속으로 리얼 타임으로 기계 본체의 궤도 수정을 필요로 하는 동작의 실현이 곤란하다.

이에 대해, 본 발명에 관한 로봇 장치의 경우, 장치 본체의 복수의 부위에 설정된 제어 대상점마다 가속도 센서가 배치되어 있으므로, 정확한 가속도 데이터를 이용하여 방정식을 도입할 수 있는 동시에, 방정식 도입을 위한 계산량을 삭감할 수 있다. 이 결과, 도약이나 주행 등 고속성이 요구되는 동작에 있어서도 적절하게 궤도 수정을 행하는 것이 가능해진다.

또한, 본 발명의 다른 측면은 적어도 복수개의 가동 다리를 구비한 다리식 이동을 행하는 타입의 로봇의 동작 제어 장치 또는 동작 제어 방법이며,

상기 로봇의 기계 본체상의 복수의 부위에 있어서의 역학적 상태를 검출하는 상태 검출 수단 또는 스텝과,

상기 상태 검출 수단에 의한 검출 결과를 기초로 하여 기계 본체의 운동을 제어하는 운동 제어 수단 또는 스텝을 구비하는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇을 위한 동작 제어 장치 또는 동작 제어 방법이다.

여기서, 상기 상태 검출 수단 또는 스텝은, 예를 들어 상기 로봇의 기계 본체상의 제어 대상점에 있어서의 가속도를 계측하는 가속도 계측 수단 또는 스텝과, 상기 로봇과 외계의 접촉 부위에 있어서의 ZMP와 힘을 계측하는 반력 계측 수단 또는 스텝으로 구성된다. 이와 같은 경우, 상기 운동 제어 수단 또는 스텝은 상기 가속도 계측 수단 또는 스텝 및 상기 반력 계측 수단 또는 스텝에 의한 계측 결과를 기초로 상기 로봇의 기계 본체에 인가되는 각 모멘트의 균형 관계를 기술한 ZMP 방정식을 생성하여 상기 ZMP 방정식상에서 나타나는 모멘트 에러를 상쇄하도록 기계 본체의 목표 궤도를 수정할 수 있다.

ZMP를 안정도 판별 규범에 이용한 로봇의 자세 안정도 제어는, 기본적으로는 발바닥 접지점과 노면이 형성하는 지지 다각형의 내측에 모멘트가 제로가 되는 점을 탐색하는 데 있다. 즉, 로봇의 기계 본체에 인가되는 각 모멘트의 균형 관계를 기술한 ZMP 방정식을 도출하고, 이 ZMP 방정식상에서 나타나는 모멘트 에러를 상쇄하도록 기계 본체의 목표 궤도를 수정한다.

예를 들어, 제어에 이용하는 기계 본체의 로컬 좌표 원점의 세계 좌표에 있어서의 가속도와, 로컬 좌표계에 있어서의 기계 본체의 각 제어 대상점의 위치(자세), 가속도 및 ZMP 위치와 외력 모멘트를 계측하여 각 점에 있어서의 위치 및 가속도를 제어함으로써 가장 엄밀하게 기계 본체 제어를 행할 수 있다.

그러나, 원리에 따라서 제어에 이용하는 로컬 좌표 원점 가속도에다가 모든 부위의 위치 및 가속도를 직접적으로 계산하여 기계 본체 제어를 행하는 것은 비용이 과대하고, 또한 계측계의 배치를 위한 수용 장소가 문제가 된다.

본 발명에 따르면, 로봇의 기계 본체상의 제어 대상점으로서 질량 조작량이 최대가 되는 부위, 예를 들어 요부를 로컬 좌표 원점으로 설정한다. 그리고, 이 제어 대상점에 가속도 센서 등의 계측 수단을 배치하여 그 위치에 있어서의 자세나 가속도를 직접 계측하고, ZMP를 기초로 하여 자세 안정 제어를 행할 수 있다.

한편, 질량 조작량이 큰 부위를 제어 대상점으로 설정한 경우, 족부의 상태는 세계 좌표계에서 직접 계측하는 것은 아니고, 이 제어 대상점의 계산 결과를 기초로 상대적으로 산출되는 것이다. 이로 인해, 족부와 노면 사이에서는 이하의 조건을 만족시키는 것이 전제가 되어 버린다.

(1) 노면은 어떤 힘이나 토오크가 작용해도 움직이는 일이 없다.

(2) 노면에서의 병진에 대한 마찰계수는 충분히 커 미끄러짐이 생기지 않는다.

예를 들어, 힘이나 토오크가 작용하면 노면이 움직여 버리는 자갈 위나 털이 긴 융단 위, 혹은 병진의 마찰계수를 충분히 확보할 수 없어 미끄러짐이 생기기 쉬운 주거의 타일 등에서의 안정 보행(운동)을 보증할 수 없다.

그래서, 본 발명에서는 노면과의 접촉 부위인 족부에 ZMP와 힘을 직접 계측하는 반력 센서 시스템(상반력 센서 등)을 배치하는 동시에, 제어에 이용하는 로컬 좌표와 그 좌표를 직접적으로 계측하기 위한 가속도 센서를 배치하는 것으로 하였 다.

이 결과, ZMP 위치에 가장 가까운 족부에서 직접 ZMP 방정식을 세울 수 있어 상술한 바와 같은 전제 조건에 의존하지 않는, 보다 엄밀한 자세 안정 제어를 고속으로 실현할 수 있다.

또한, 더 많은 질량 조작량을 제어 시스템에 조립할 수 있고, 주로 동작의 안정성에 이용하는 부위(요부)에 배치된 가속도 센서 및 자세 센서에 의한 직접 계측 결과와의 협동적 작용에 의해, 상술한 바와 같은 전제 조건에 의존하지 않는 다리식 이동 로봇의 자세 안정 제어를 실현할 수 있다.

또한, 상기 상태 검출 수단은 각 제어점마다 배치된 제어에 이용하는 로컬 좌표와 그 좌표를 직접적으로 계측하기 위한 가속도 센서나 각속도 센서 및 또는 계산 모델로 이용하는 각 벡터 위치에 배치된 가속도 센서와 자세 센서로 구성할 수 있다.

이와 같은 경우, ZMP 방정식(또는 운동 방정식)의 도입에 필요한 제어 변수치를 직접적으로 계측할 수 있다. 이 결과, 기계 본체가 강체이고 외력 등의 인가로 변형되지 않는다는 조건을 전제로 하지 않고 엄밀한 운동 제어를 응답성 좋게 실현할 수 있다.

본 발명에 관한 다리식 이동 로봇을 위한 센서 시스템은, 예를 들어 기계 본체상의 질량이 집중되어 있는 각 부위에 탑재된 가속도 센서, 각가속도 센서, 각속도 센서로 구성된다.

혹은, 본 발명에 관한 다리식 이동 로봇을 위한 센서 시스템은 각 링크의 무 게 중심 부근에 탑재된 가속도 센서, 각가속도 센서, 각속도 센서로 구성된다.

혹은, 본 발명에 관한 다리식 이동 로봇을 위한 센서 시스템은 관절 자유도를 구성하는 각 작동기의 무게 중심 부근에 탑재된 가속도 센서, 각가속도 센서, 각속도 센서로 구성된다.

혹은, 본 발명에 관한 다리식 이동 로봇을 위한 센서 시스템은 각 작동기의 무게 중심 부근 및 작동기를 제외한 링크의 무게 중심 부근에 탑재된 가속도 센서, 각가속도 센서, 각속도 센서로 구성된다.

혹은, 본 발명에 관한 다리식 이동 로봇을 위한 센서 시스템은 각 작동기의 무게 중심 부근, 배터리의 무게 중심 부근, 또는 배터리와 작동기를 제외한 링크의 무게 중심 부근에 탑재된 가속도 센서와 각가속도 센서와 각속도 센서로 구성된다.

또한, 기계 본체 상에 분산 배치된 센서끼리 직렬적으로 접속하여 개개의 제어점에 있어서 센서 정보를 기초로 산출되는 모멘트항이나 외력항을 접속 경로에 따라서 각 제어점에 있어서 차례로 가산해 가도록 해도 좋다. 이들 각 항의 총합을 효율적으로 계산하여 ZMP 방정식이나 운동 방정식을 고속으로 도출할 수 있다.

또한, 상기 다리식 이동 로봇의 관절 자유도를 구성하는 작동기는 회전자 마그넷과, 복수상의 자기 코일로 이루어지는 고정자로 구성되는 모터부와, 모터부의 출력하는 회전을 가감속하는 기어 유닛과, 모터부에의 공급 전력을 제어하는 제어부를 구비하고 있다. 그리고, 상기 제어부 상에서 작동기 유닛의 2차원 무게 중심 위치 근방이 되는 위치에 센서 유닛이 탑재되어 있다.

여기서 말하는 센서 유닛은, 예를 들어 1축 내지 3축의 가속도 센서와, 1 내 지 2축의 각속도 센서와, 3축의 각속도 센서의 조합으로 구성된다.

본 발명의 또 다른 목적, 특징이나 이점은 후술하는 본 발명의 실시 형태나 첨부하는 도면을 기초로 하는 보다 상세한 설명에 의해 명백해질 것이다.

도1은 본 발명의 실시에 제공되는 다리식 이동 로봇이 직립하고 있는 모습을 전방으로부터 조망한 모습을 도시한 도면이다.

도2는 본 발명의 실시에 제공되는 다리식 이동 로봇이 직립하고 있는 모습을 후방으로부터 조망한 모습을 도시한 도면이다.

도3은 다리식 이동 로봇이 구비하는 관절 자유도 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

도4는 다리식 이동 로봇(100)의 제어 시스템 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

도5는 다리식 이동 로봇(100)의 다질점 근사 모델을 도시한 도면이다.

도6은 다질점 모델의 요부 주변의 확대도를 도시한 도면이다.

도7은 다리식 이동 로봇(100)에 있어서 안정 보행 가능한 기계 본체 운동을 생성하기 위한 처리 순서를 도시한 흐름도이다.

도8은 다리식 이동 로봇(100)에 있어서 안정 보행 가능한 기계 본체 운동을 생성하기 위한 처리 순서의 변형예를 나타낸 흐름도이다.

도9 내지 도19는 상반신에 있어서의 희망 궤도의 우선 순위의 설정 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도20은 다리식 이동 로봇의 기계 본체상의 질량이 집중되어 있는 부위에 가속도, 각가속도, 각속도 센서를 탑재하고 있는 모습을 도시한 도면이다.

도21은 다리식 이동 로봇의 기계 본체상의 각 링크의 무게 중심 부근에 가속도, 각가속도, 각속도 센서를 탑재하고 있는 모습을 도시한 도면이다.

도22는 다리식 이동 로봇의 기계 본체상의 각 작동기의 무게 중심 부근에 가속도, 각가속도, 각속도 센서를 탑재하고 있는 모습을 도시한 도면이다.

도23은 다리식 이동 로봇의 운동 제어의 개략적인 처리 순서를 흐름도의 형식으로 도시한 도면이다.

도24는 ZMP 방정식의 해법을 기초로 하는 기계 본체의 안정 제어의 처리 순서를 도시한 흐름도이다.

도25는 운동 방정식의 해법을 기초로 하는 기계 본체의 안정 제어의 처리 순서를 도시한 흐름도이다.

도26은 다리식 이동 로봇의 기계 본체상의 각 작동기의 무게 중심 부근에 배치된 센서끼리 직렬적으로 접속하는 구성예를 나타낸 도면이다.

도27은 다리식 이동 로봇의 기계 본체상의 각 작동기의 무게 중심 부근에 배치된 센서끼리 직렬적으로 접속하는 구성예를 나타낸 도면이다.

도28은 유닛의 무게 중심 부근에 가속도, 각가속도, 각속도 센서를 탑재한 관절 작동기의 구성예를 나타낸 도면이다.

도29는 도28에 도시한 관절 작동기의 기능 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

도30은 각 제어점의 관절 작동기 내에서 ZMP 주위의 모멘트항, 제어점에 인가되는 외력 모멘트항 및 제어점에 인가되는 외력에 의해 생성되는 ZMP 주위의 모멘트항을 차례로 가산해 가는 구성을 도시한 도면이다.

도31은 각 제어점의 관절 작동기 내에서 제어점에 인가되는 병진력항, ZMP 주위의 모멘트에 의해 인가되는 병진력항 및 외력항을 차례로 가산해 가는 구성을 도시한 도면이다.

이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시 형태에 대해 상세하게 서술한다.

A. 다리식 이동 로봇의 기계적 구성

도1 및 도2에는 본 발명의 실시에 제공되는「인간형」또는「인간형」의 다리식 이동 로봇(100)이 직립하고 있는 모습을 전방 및 후방의 각각으로부터 조망한 모습을 도시하고 있다. 도시한 바와 같이, 다리식 이동 로봇(100)은 동체부와, 두부와, 좌우 상지부와, 다리식 이동을 행하는 좌우 두발의 하지부로 구성되어, 예를 들어 동체에 내장되어 있는 제어부(도시하지 않음)에 의해 기계 본체의 동작을 통괄적으로 제어하도록 되어 있다.

좌우 각각의 하지는 대퇴부와, 무릎 관절과, 경부와, 발목과, 발바닥으로 구성되어 고관절에 의해 체간부의 대략 최하단부에서 연결되어 있다. 또한, 좌우 각각의 상지는 상박과, 팔꿈치 관절과, 하박으로 구성되고, 견관절에 의해 체간부의 상방의 좌우 각 측모서리에서 연결되어 있다. 또한, 두부는 목 관절에 의해 체간부의 대략 최상단부 중앙에 연결되어 있다.

제어부는 이 다리식 이동 로봇(100)을 구성하는 각 관절 작동기의 구동 제어나 각 센서(후술) 등으로 이루어지는 외부 입력을 처리하는 제어기(메인 제어부)나, 전원 회로, 그 밖의 주변 기기류를 탑재한 하우징이다. 제어부는 그 밖에 원격 조작용 통신 인터페이스나 통신 장치를 포함하고 있어도 좋다.

이와 같이 구성된 다리식 이동 로봇(100)은 제어부에 의한 전신 협조적인 동작 제어에 의해 두발 보행을 실현할 수 있다. 이러한 두발 보행은 일반적으로 이하에 도시하는 각 동작 기간으로 분할되는 보행 주기를 반복함으로써 행해진다. 즉,

(1) 우측 다리를 들어올린, 좌측 다리에 의한 단일 다리 지지 기간

(2) 오른발이 접지한 양다리 지지 기간

(3) 좌측 다리를 들어올린, 우측 다리에 의한 단일 다리 지지 기간

(4) 왼발이 접지한 양다리 지지 기간

다리식 이동 로봇(100)에 있어서의 보행 제어는 미리 하지의 목표 궤도를 계획하고, 상기한 각 기간에 있어서 계획 궤도의 수정을 행함으로써 실현된다. 즉, 양다리 지지 기간에는 하지 궤도의 수정을 정지하고, 계획 궤도에 대한 총 수정량을 이용하여 허리의 높이를 일정치로 수정한다. 또한, 단일 다리 지지 기간에는 수정을 받은 다리의 발목과 허리의 상대 위치 관계를 계획 궤도로 복귀시키도록 수정 궤도를 생성한다.

보행 동작의 궤도 수정을 비롯하여 기계 본체의 자세 안정 제어에는, 일반적으로 ZMP에 대한 편차를 작게 하기 위한 위치, 속도 및 가속도가 연속이 되도록 5 차 다항식을 이용한 보간 계산에 의해 행한다. ZMP(Zero Moment Point)를 보행의 안정도 판별의 규범으로서 이용하고 있다. ZMP에 의한 안정도 판별 규범은 보행계로부터 노면으로는 중력과 관성력 및 이들 모멘트가 노면으로부터 보행계에의 반작용으로서의 상반력 및 상반력 모멘트와 균형을 이룬다는「다람펠의 원리」를 기초로 한다. 역학적 추론의 귀결로서, 발바닥 접지점과 노면이 형성하는 지지 다각형(즉 ZMP 안정 영역)의 변 상 혹은 그 내측에 피치축 및 롤축 모멘트가 제로가 되는 점, 즉「ZMP(Zero Moment Point)」가 존재한다.

도3에는, 이 다리식 이동 로봇(100)이 구비하는 관절 자유도 구성을 개략적으로 도시하고 있다. 도3에 도시한 바와 같이, 다리식 이동 로봇(100)은 2개의 아암부와 두부(1)를 포함하는 상지와, 이동 동작을 실현하는 2개의 다리부로 이루어지는 하지와, 상지와 하지를 연결하는 체간부로 구성된 복수의 가지를 구비한 구조체이다.

두부를 지지하는 목 관절(Neck)은 목 관절 요우축(1)과, 제1 및 제2 목 관절 피치축(2a, 2b)과, 목 관절 롤축(3)이라는 3자유도를 갖고 있다.

또한, 각 아암부는 그 자유도로서, 어깨(Shoulder)에 있어서의 견관절 피치축(4)과, 견관절 롤축(5)과, 상박 요우축(6), 팔꿈치(Elbow)에 있어서의 팔꿈치 관절 피치축(7)과, 손목(Wrist)에 있어서의 손목 관절 요우축(8)과, 수부로 구성된다. 수부는, 실제로는 복수개의 손가락을 포함하는 다관절 및 다자유도 구조체이다.

또한, 체간부(Trunk)는 체간 피치축(9)과, 체간 롤축(10)이라는 2자유도를 갖는다.

또한, 하지를 구성하는 각각의 다리부는 고관절(Hip)에 있어서의 고관절 요우축(11)과, 고관절 피치축(12)과, 고관절 롤축(13)과, 무릎(Knee)에 있어서의 무릎 관절 피치축(14)과, 발목(Ankle)에 있어서의 발목 관절 피치축(15)과, 발목 관절 롤축(16)과, 족부로 구성된다.

단, 엔터테이먼트를 향한 다리식 이동 로봇(100)이 상술한 모든 자유도를 구비해야만 하는 것도, 혹은 이에 한정되는 것도 아니다. 설계 및 제작상의 제약 조건이나 요구 사양 등에 따라서 자유도, 즉 관절수를 적절하게 증감시킬 수 있는 것은 물론이다.

상술한 바와 같은 다리식 이동 로봇(100)이 갖는 각 자유도는, 실제로는 작동기를 이용하여 실장된다. 외관상에서 여분의 팽창을 배제하고 인간의 자연체 형상으로 근사시키는 것, 두발 보행이라는 불안정 구조체에 대해 자세 제어를 행하는 것 등의 요청으로부터 작동기는 소형이고 또한 경량인 것이 바람직하다. 본 실시 형태에서는 기어 직결형이고 또한 서보 제어계를 원칩화하여 모터 유닛에 내장한 타입의 소형 AC 서보 작동기를 탑재하는 것으로 하였다(이러한 종류의 AC 서보 작동기에 관해서는, 예를 들어 본 출원인에게 이미 양도되어 있는 일본 특허 공개 2000-299970호 공보에 개시되어 있음). 본 실시 형태에서는 직결 기어로서 저감속 기어를 채용함으로써 인간과의 물리적 인터랙션을 중시하는 타입의 로봇(100)에 구해져 있는 구동계 자신의 수동적 특성을 얻고 있다.

B. 다리식 이동 로봇의 제어 시스템 구성

도4에는 다리식 이동 로봇(100)의 제어 시스템 구성을 개략적으로 도시하고 있다. 도4에 도시한 바와 같이, 다리식 이동 로봇(100)은 인간의 사지를 표현한 각 기구 유닛(30, 40, 50R/L, 60R/L)과, 각 기구 유닛 사이의 협동 동작을 실현하기 위한 적응 제어를 행하는 제어 유닛(80)으로 구성된다(단, R 및 L 각각은 우측 및 좌측의 각각을 나타내는 접미사임. 이하 마찬가지).

다리식 이동 로봇(100) 전체의 동작은 제어 유닛(80)에 의해 통괄적으로 제어된다. 제어 유닛(80)은 CPU(Central Processing Unit)나 메모리 등의 주요 회로 컴포넌트(도시하지 않음)로 구성되는 메인 제어부(81)와, 전원 회로나 로봇(100)의 각 구성 요소와의 데이터나 코맨드의 수수를 행하는 인터페이스(모두 도시하지 않음) 등을 포함한 주변 회로(82)로 구성된다.

본 발명을 실현하는 데 있어서, 이 제어 유닛(80)의 설치 장소는 특별히 한정되지 않는다. 도4에서는 체간부 유닛(40)에 탑재되어 있지만, 두부 유닛(30)에 탑재해도 좋다. 혹은, 다리식 이동 로봇(100) 밖에 제어 유닛(80)을 배치하여 다리식 이동 로봇(100)의 기계 본체와는 유선 혹은 무선으로 교신하도록 해도 좋다.

도3에 도시한 다리식 이동 로봇(100) 내의 각 관절 자유도는 각각에 대응하는 작동기에 의해 실현된다. 즉, 두부 유닛(30)에는 목 관절 요우축(1), 목 관절 피치축(2), 목 관절 롤축(3)의 각각을 표현하는 목 관절 요우축 작동기(A₁), 목 관절 피치축 작동기(A₂), 목 관절 롤축 작동기(A₃)가 배치되어 있다.

또한, 체간부 유닛(40)에는 체간 피치축(9), 체간 롤축(10)의 각각을 표현하 는 체간 피치축 작동기(A₉), 체간 롤축 작동기(A₁₀)가 배치되어 있다.

또한, 아암부 유닛(50R/L)은 상박 유닛(51R/L)과, 팔꿈치 관절 유닛(52R/L)과, 하박 유닛(53R/L)으로 세분화되지만, 견관절 피치축(4), 견관절 롤축(5), 상박 요우축(6), 팔꿈치 관절 피치축(7), 손목 관절 요우축(8)의 각각을 표현하는 견관절 피치축 작동기(A₄), 견관절 롤축 작동기(A₅), 상박 요우축 작동기(A₆), 팔꿈치 관절 피치축 작동기(A₇), 손목 관절 요우축 작동기(A₈)가 배치되어 있다.

또한, 다리부 유닛(60R/L)은 대퇴부 유닛(61R/L)과, 무릎 유닛(62R/L)과, 경부 유닛(63R/L)으로 세분화되지만, 고관절 요우축(11), 고관절 피치축(12), 고관절 롤축(13), 무릎 관절 피치축(14), 발목 관절 피치축(15), 발목 관절 롤축(16)의 각각을 표현하는 고관절 요우축 작동기(A₁₁), 고관절 피치축 작동기(A₁₂), 고관절 롤축 작동기(A₁₃), 무릎 관절 피치축 작동기(A₁₄), 발목 관절 피치축 작동기(A₁₅), 발목 관절 롤축 작동기(A₁₆)가 배치되어 있다.

각 관절에 이용되는 작동기(A₁, A₂, A₃ …)는, 보다 바람직하게는 기어 직결형이고 또한 서보 제어계를 원칩화하여 모터 유닛 내에 탑재한 타입의 소형 AC 서보 작동기(전술)로 구성할 수 있다.

두부 유닛(30), 체간부 유닛(40), 아암부 유닛(50), 각 다리부 유닛(60) 등의 각 기구 유닛마다 작동기 구동 제어용 보조 제어부(35, 45.55, 65)가 배치되어 있다.

기계 본체의 체간부(40)에는 가속도 센서(95)와 자세 센서(96)가 배치되어 있다. 가속도 센서(95)는 X, Y, Z 각 축방향에 배치한다. 기계 본체의 요부에 가속도 센서(95)를 배치함으로써, 질량 조작량이 큰 부위인 요부를 제어 대상점으로서 설정하고, 그 위치에 있어서의 자세나 가속도를 직접 계측하여 ZMP를 기초로 하는 자세 안정 제어를 행할 수 있다.

또한, 각 다리부(60R, L)에는 접지 확인 센서(91 및 92)와, 가속도 센서(93, 94)가 각각 배치되어 있다. 접지 확인 센서(91 및 92)는, 예를 들어 발바닥에 압력 센서를 장착함으로써 구성되어 상반력의 유무에 의해 발바닥이 착상하였는지 여부를 검출할 수 있다. 또한, 가속도 센서(93, 94)는 적어도 X 및 Y의 각 축방향에 배치한다. 좌우 족부에 가속도 센서(93, 94)를 배치함으로써 ZMP 위치에 가장 가까운 족부에서 직접 ZMP 방정식을 세울 수 있다.

질량 조작량이 큰 부위인 요부에만 가속도 센서를 배치한 경우, 요부만이 제어 대상점으로 설정되고, 족부의 상태는 이 제어 대상점의 계산 결과를 기초로 상대적으로 산출해야만 해, 족부와 노면 사이에서는 이하의 조건을 만족시키는 것이 전제가 되어 버린다.

(1) 노면은 어떤 힘이나 토오크가 작용해도 움직이는 일이 없다.

(2) 노면에서의 병진에 대한 마찰계수는 충분히 커 미끄러짐이 생기지 않는다.

이에 대해, 본 실시 형태에서는 노면과의 접촉 부위인 족부에 ZMP와 힘을 직접 계측하는 반력 센서 시스템(상반력 센서 등)을 배치하는 동시에, 제어에 이용하 는 로컬 좌표와 그 좌표를 직접적으로 계측하기 위한 가속도 센서를 배치한다. 이 결과, ZMP 위치에 가장 가까운 족부에서 직접 ZMP 방정식을 세울 수 있고, 상술한 바와 같은 전제 조건에 의존하지 않는 보다 엄밀한 자세 안정 제어를 고속으로 실현할 수 있다. 이 결과, 힘이나 토오크가 작용하면 노면이 움직여 버리는 자갈 위나 털이 긴 융단 위나, 병진의 마찰계수를 충분히 확보할 수 없어 미끄러짐이 생기기 쉬운 주거의 타일 등이라도 기계 본체의 안정 보행(운동)을 보증할 수 있다.

메인 제어부(80)는 각 센서(91 내지 93)의 출력에 응답하여 제어 목표를 다이나믹하게 보정할 수 있다. 보다 구체적으로는, 보조 제어부(35, 45, 55, 65) 각각에 대해 적응적인 제어를 행하여 다리식 이동 로봇(100)의 상지, 체간 및 하지가 협조하여 구동하는 전신 운동 패턴을 실현한다.

로봇(100)의 기계 본체상에서의 전신 운동은 족부 운동, ZMP(Zero Moment Point) 궤도, 체간 운동, 상지 운동, 요부 높이 등을 설정하는 동시에, 이들 설정 내용에 따른 동작을 지시하는 코맨드를 각 보조 제어부(35, 45, 55, 65)로 전송한다. 그리고, 각각의 보조 제어부(35, 45 …)에서는 메인 제어부(81)로부터의 수신 코맨드를 해석하여 각 작동기(A₁, A₂, A₅ …)에 대해 구동 제어 신호를 출력한다. 여기서 말하는「ZMP」라 함은, 보행 중의 상반력에 의한 모멘트가 제로가 되는 바닥면 상의 점이고, 또한「ZMP 궤도」라 함은, 예를 들어 로봇(100)의 보행 동작 기간 동안에 ZMP가 움직이는 궤적을 의미한다(전술).

C. 다리식 이동 로봇의 자세 안정 제어

계속해서, 본 실시 형태에 관한 다리식 이동 로봇(100)에 있어서의 다리식 작업시, 즉 족부, 허리, 체간, 하지 운동 등으로 이루어지는 전신 협조 운동의 실행시에 있어서의 자세의 안정화 처리의 순서에 대해 설명한다.

본 실시 형태에 관한 자세 안정 제어는 ZMP를 안정도 판별 규범에 이용한다. ZMP를 안정도 판별 규범에 이용한 로봇의 자세 안정도 제어는, 기본적으로는 발바닥 접지점과 노면이 형성하는 지지 다각형의 변 상, 혹은 그 내측에 모멘트가 제로가 되는 점을 탐색하는 데 있다. 즉, 로봇의 기계 본체에 인가되는 각 모멘트의 균형 관계를 기술한 ZMP 방정식을 도출하여 이 ZMP 방정식상에서 나타나는 모멘트 에러를 상쇄하도록 기계 본체의 목표 궤도를 수정한다.

본 실시 형태에서는 로봇의 기계 본체상의 제어 대상점으로서 질량 조작이 최대가 되는 부위, 예를 들어 요부를 로컬 좌표 원점으로 설정한다. 그리고, 이 제어 대상점에 가속도 센서 등의 계측 수단을 배치하고, 그 위치에 있어서의 자세나 가속도를 직접 계측하여 ZMP를 기초로 하는 자세 안정 제어를 행한다. 또한 노면과의 접촉 부위인 족부에 가속도 센서를 배치함으로써 제어에 이용하는 로컬 좌표와 그 좌표를 직접적으로 계측하여 ZMP 위치에 가장 가까운 족부에서 직접 ZMP 방정식을 세운다.

C-1. ZMP 방정식의 도입

본 실시 형태에 관한 다리식 이동 로봇(100)은 무한의, 즉 연속적인 질점의 집합체이다. 단, 여기서는 유한수로 이산적인 질점으로 이루어지는 근사 모델로 치환함으로써 안정화 처리를 위한 계산량을 삭감하도록 하고 있다. 보다 구체적으 로는, 물리적으로는 도3에 도시하는 다관절 자유도 구성을 구비하는 다리식 이동 로봇(100)을, 도5에 도시한 바와 같이 다질점 근사 모델로 치환하여 취급한다. 도시한 근사 모델은 선형이고 또한 비간섭의 다질점 근사 모델이다.

도5에 있어서, O-XYZ 좌표계는 절대 좌표계에 있어서의 롤, 피치, 요우 각 축을 나타내고, 또한, 0'-X' Y' Z' 좌표계는 로봇(100)과 함께 움직이는 운동 좌표계에 있어서의 롤, 피치, 요우 각 축을 나타내고 있다. 단, 도 중에 있어서의 변수의 의미는 이하와 같다. 또한, 대쉬(')가 붙은 기호는 운동 좌표계를 기술하는 것이라 이해되고 싶다.

도5에 도시하는 다질점 모델에서는, i는 i번째로 공급된 질점을 나타내는 첨자이고, m_i는 i번째의 질점의 질량, r'₁은 i번째의 질점의 위치 벡터(단 운동 좌표계)를 나타내는 것으로 한다. 본 실시 형태에 관한 다리식 이동 로봇(100)의 기계 본체 무게 중심은 요부 부근에 존재한다. 즉, 요부는 질량 조작량이 최대가 되는 질점으로, 도5에서는, 그 질량은 mh, 그 위치 벡터(단 운동 좌표계)는 r'_h(r'_hx, r'_hy, r'_hz)로 한다. 또한, 기계 본체의 ZMP의 위치 벡터(단 운동 좌표계)를 r'_ZMP(r'_ZMPx, r'_ZMPy, r'_ZMPz)로 한다.

세계 좌표계(O-XYZ)는 절대 좌표계로, 불변이다. 본 실시 형태에 관한 다리식 이동 로봇(100)은 요부와 양 다리의 족부에 각각 가속도 센서(93, 94, 96)가 배치되어 있고, 이들 센서 출력에 의해 요부 및 입각 각각과 세계 좌표계의 상대 위치 벡터(r_p)가 검출된다. 이에 대해, 운동 좌표계, 즉 기계 본체의 로컬 좌표계는 0-X' Y' Z'는 로봇과 함께 움직인다.

다질점 모델은, 말하자면 와이어 프레임 모델의 형태로 로봇을 표현한 것이다. 도5를 보아 알 수 있는 바와 같이, 다질점 근사 모델은 양 어깨, 양 팔꿈치, 양 손목, 체간, 요부 및 양 발목 각각을 질점으로서 설정된다. 도시한 비엄밀한 다질점 근사 모델에 있어서는, 모멘트식은 선형 방정식의 형식으로 기술되고, 상기 모멘트식은 피치축 및 롤축에 관해서 간섭하지 않는다. 다질점 근사 모델은 대강 이하의 처리 순서에 의해 생성할 수 있다.

(1) 로봇(100) 전체의 질량 분포를 구한다.

(2) 질점을 설정한다. 질점의 설정 방법은 설계자의 매뉴얼 입력이라도, 소정의 규칙에 따른 자동 생성 중 어느 것이라도 상관없다.

(3) 각 영역(i)마다 무게 중심을 구하여 그 무게 중심 위치와 질량(m_i)을 상기하는 질점에 부여한다.

(4) 각 질점(m_i)을, 질점 위치(r_i) 등을 중심으로 하여 그 질량에 비례한 반경에 갖는 구체로서 표시한다.

(5) 현실에 연결 관계가 있는 질점, 즉 구체끼리 연결한다.

또한, 도6에 도시하는 다질점 모델에 있어서, 기계 본체, 즉 요부 정보에 있어서의 각 회전각(θ_hx, θ_hy, θ_hz)은 다리식 이동 로봇(100)에 있어서의 요부의 모습, 즉 롤, 피치, 요우축의 회전을 규정하는 것이다.

기계 본체의 ZMP 방정식은 제어 대상점에 있어서 인가되는 각 모멘트의 균형 관계를 기술한 것이다. 도6에 도시한 바와 같이, 기계 본체를 다수의 질점(m_i)으로 나타내고, 이들을 제어 대상점으로 한 경우, 모든 제어 대상점(m₁)에 있어서 인가되는 모멘트의 총합을 구하는 식이 ZMP 방정식이다.

세계 좌표계(O-XYZ)에서 기술된 기계 본체의 ZMP 방정식 및 기계 본체의 로컬 좌표계(O-X' Y' Z')는 각각 이하와 같이 된다.

세계 좌표계에서 기술된 ZMP 방정식 :

로컬 좌표계에서 기술된 ZMP 방정식 :

상기 식은 각 질점(m_i)에 있어서 인가된 가속도 성분에 의해 생성되는 ZMP 주위(반경 r_i － r_ZMP)의 모멘트의 총합과, 각 질점(m_i)에 인가된 외력 모멘트(M_i)의 총합과, 외력(Fk)에 의해 생성되는 ZMP 주위[k번째의 외력(Fk)의 작용점을 S_k로 함]의 모멘트의 총합이 균형이 잡힌다는 것을 기술하고 있다.

이 ZMP 균형 방정식은 총 모멘트 보상량, 즉 모멘트 에러 성분(T)을 포함하고 있다. 이 모멘트 에러를 제로 또는 소정의 허용 범위 내로 억제함으로써 기계 본체의 자세 안정성이 유지된다. 환언하면, 모멘트 에러를 제로 또는 허용치 이하가 되도록 기계 본체 운동(족부 운동이나 상반신의 각 부위의 궤도)을 수정하는 것이 ZMP를 안정도 판별 규범으로 한 자세 안정 제어의 본질이다.

본 실시 형태에서는 요부와 좌우 족부에 각각 가속도 센서(96, 93 및 94)가 배치되어 있으므로, 이들 제어 대상점에 있어서의 가속도 계측 결과를 이용하여 직접적이고 또한 고정밀도로 상기한 ZMP 균형 방정식을 도출할 수 있다. 이 결과, 고속이고 보다 엄밀한 자세 안정 제어를 실현할 수 있다.

C-2. 전신 협조형의 자세 안정 제어

도7에는 다리식 이동 로봇(100)에 있어서 안정 보행 가능한 기계 본체 운동을 생성하기 위한 처리 순서를 흐름도의 형식으로 도시하고 있다. 단, 이하의 설명에서는 도5 및 도6에 도시한 바와 같은 선형 및 비간섭 다질점 근사 모델을 이용하여 다리식 이동 로봇(100)의 각 관절 위치나 동작을 기술하는 것으로 한다.

우선, 족부 운동의 설정을 행한다(스텝 S1). 족부 운동은 2 이상의 기계 본체의 보즈를 시계열적으로 연결되어 이루어지는 모션 데이터이다.

모션 데이터는, 예를 들어 족부의 각 관절각의 변위를 나타낸 관절 공간 정 보와, 관절 위치를 나타낸 데카르트 공간 정보로 구성된다. 모션 데이터는 콘솔 화면 상에서의 수동 입력이나, 기계 본체에의 다이렉트 티칭(직접 교시), 예를 들어 모션 편집용 오서링 시스템 상에서 구축하거나 할 수 있다.

계속해서, 설정된 족부 운동을 기초로 ZMP 안정 영역을 산출한다(스텝 S2). ZMP는 기계 본체에 인가되는 모멘트가 제로가 되는 점으로, 기본적으로는 발바닥 접지점과 노면이 형성하는 지지 다각형의 변 상 혹은 그 내측에 존재한다. ZMP 안정 영역은 이 지지 다각형의 더욱 내측에 설정된 영역으로, 상기 영역에 ZMP를 수용시킴으로써 기계 본체를 고도로 안정된 상태로 할 수 있다.

그리고, 족부 운동과 ZMP 안정 영역을 기초로 족부 운동 중에 있어서의 ZMP 궤도를 설정한다(스텝 S3).

또한, 기계 본체의 상반신(고관절보다 상측)의 각 부위에 대해서는 요부, 체간부, 상지, 두부 등과 같이 그룹 설정한다(스텝 S11).

그리고, 각 부위 그룹마다 희망 궤도를 설정한다(스텝 S12). 상반신에 있어서의 희망 궤도의 설정은 족부의 경우와 마찬가지로, 콘솔 화면 상에서의 수동 입력이나, 기계 본체에의 다이렉트 티칭(직접 교시), 예를 들어 모션 편집용 오서링 시스템 상에서 구축하거나 할 수 있다.

계속해서, 각 부위의 그룹 설정의 조정(재그룹화)을 행하고(스텝 S13), 또한 이들 그룹에 대해 우선 순위를 부여한다(스텝 S14).

여기서 말하는 우선 순위라 함은, 기계 본체의 자세 안정 제어를 위한 처리 연산에 투입하는 순위의 것으로, 예를 들어 질량 조작량에 따라서 할당된다. 이 결과, 기계 본체 상반신에 대한 각 부위에 대한 우선 순위가 부여된 희망 궤도군이 완성된다. 로봇의 자세에 따라서, 목표 궤도 사이에서의 우선 순위의 변경을 행하도록 해도 좋다.

또한, 기계 본체 상반신의 각 부위 그룹마다 모멘트 보상에 이용할 수 있는 질량을 산출해 둔다(스텝 S15).

그리고, 족부 운동과 ZMP 궤도 및 상반신의 각 부위 그룹마다의 희망 궤도군을 기초로 스텝 S14에 의해 설정된 우선 순위에 따라서 각 부위 그룹의 운동 패턴을 자세 안정화 처리에 투입한다.

이 자세 안정화 처리에서는, 우선 처리 변수(i)에 초기치 1을 대입한다(스텝 S20). 그리고, 우선 순위가 선두로부터 i번째까지의 부위 그룹에 대한 목표 궤도 설정시에 있어서의 목표 ZMP 상에서의 모멘트량, 즉 총 모멘트 보상량을 산출한다(스텝 S21). 목표 궤도가 산출되어 있지 않은 부위에 대해서는 희망 궤도를 이용한다.

계속해서, 스텝 S15에 있어서 산출된 상기 부위의 모멘트 보상에 이용할 수 있는 질량을 이용하여 그 모멘트 보상량을 설정하고(스텝 S22), 모멘트 보상량을 산출한다(스텝 S23).

계속해서, 산출된 i번째 부위의 모멘트 보상량을 이용하여 i번째의 부위에 대한 ZMP 방정식을 도출하고(스텝 S24), 상기 부위의 모멘트 보상 운동을 산출함으로써(스텝 S25), 우선 순위가 선두로부터 i번째까지의 부위에 대한 목표 궤도를 얻을 수 있다.

이와 같은 처리를 모든 부위 그룹에 대해 행함으로써 안정 운동(예를 들어 보행)이 가능한 전신 운동 패턴이 생성된다. 즉, ZMP 방정식[혹은 운동 방정식(후술)]의 해와 각 부위에 부여된 우선 순위에 따라서 각 목표 기동의 전부 또는 일부에 대해 수정을 행함으로써 전신 운동 패턴이 생성된다.

도7에 도시한 기계 본체 운동 패턴 생성의 처리 순서에서는, 우선 족부 운동을 설정하여 안정 영역을 산출하여 ZMP 궤도의 설정을 행한 후, 상반신의 각 부위에 있어서의 희망 궤도의 우선 순위의 설정을 행하도록 구성되어 있지만, 처리 순서는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 상반신의 각 부위에 있어서의 희망 궤도의 우선 순위를 먼저 설정한 후, ZMP 안정 영역의 산출 및 ZMP 궤도의 설정을 행하도록 해도 좋다. 전자의 경우, 먼저 설정한 ZMP 궤도에 따라서 상반신의 각 부위에 있어서의 희망 궤도의 우선 순위가 설정되는 데 반해, 후자의 경우, 먼저 설정된 상반신의 각 부위의 희망 궤도를 유지하도록 안정 영역의 산출 및 ZMP 궤도가 설정된다.

도8에는 각 부위의 희망 궤도의 우선 순위를 먼저 설정한 후, ZMP 안정 영역의 산출 및 ZMP 궤도의 설정을 행하는 기계 본체 운동의 생성 처리 순서를 흐름도의 형식으로 도시하고 있다.

우선, 기계 본체의 상반신(고관절보다 상측)의 각 부위에 대해서는 요부, 체간부, 상지, 두부 등과 같이 그룹 설정한다(스텝 S31).

그리고, 각 부위 그룹마다 희망 궤도를 설정한다(스텝 S32). 상반신에 있어서의 희망 궤도의 설정은 족부의 경우와 마찬가지로, 콘솔 화면 상에서의 수동 입 력이나, 기계 본체에의 다이렉트 티칭(직접 교시), 예를 들어 모션 편집용 오서링 시스템 상에서 구축하거나 할 수 있다.

계속해서, 각 부위의 그룹 설정의 조정(재그룹화)을 행하고(스텝 S33), 또한 이들 그룹에 대해 우선 순위를 부여한다(스텝 S34).

여기서 말하는 우선 순위라 함은, 기계 본체의 자세 안정 제어를 위한 처리 연산에 투입하는 순위의 것으로, 예를 들어 질량 조작량에 따라서 할당된다. 이 결과, 기계 본체 상반신에 대한 각 부위에 대한 우선 순위가 부여된 희망 궤도군이 완성된다.

계속해서, 설정된 상반신에 있어서의 희망 궤도의 우선 순위를 기초로 ZMP 안정 영역을 산출한다(스텝 S35). 그리고, ZMP 안정 영역을 기초로 족부 운동 중에 있어서의 ZMP 궤도를 설정한다(스텝 S36).

또한, 기계 본체 상반신의 각 부위 그룹마다 모멘트 보상에 이용할 수 있는 질량을 산출해 둔다(스텝 S45).

그리고, 상반신의 각 부위 그룹마다의 희망 궤도군과 ZMP 궤도를 기초로 스텝 S34에 의해 설정된 우선 순위에 따라서 각 부위 그룹의 운동 패턴을 자세 안정화 처리에 투입한다.

이 자세 안정화 처리에서는, 우선 처리 변수(i)에 초기치 1을 대입한다(스텝 S37). 그리고, 우선 순위가 선두로부터 i번째까지의 부위 그룹에 대한 목표 궤도 설정시에 있어서의 좌표 ZMP 상에서의 모멘트량, 즉 총 모멘트 보상량을 산출한다(스텝 S38). 목표 궤도가 산출되어 있지 않은 부위에 대해서는 희망 궤도를 이용한 다.

계속해서, 스텝 S45에 있어서 산출된 상기 부위의 모멘트 보상에 이용할 수 있는 질량을 이용하여 그 모멘트 보상량을 설정하고(스텝 S39), 모멘트 보상량을 산출한다(스텝 S40).

계속해서, 산출된 i번째 부위의 모멘트 보상량을 이용하여 i번째의 부위에 대한 ZMP 방정식을 도출하고(스텝 S41), 상기 부위의 모멘트 보상 운동을 산출함으로써(스텝 S42), 우선 순위가 선두로부터 i번째까지의 부위에 대한 목표 궤도를 얻을 수 있다.

여기서, 도7 중 스텝 S14에 있어서의 희망 궤도의 우선 순위의 설정 방법에 대해 설명한다.

총 모멘트 보상량을 Ω[Nm]로 하고, i부의 모멘트 보상에 이용할 수 있는 질량을 M₁[N]이라 하면(i ＝ 1, 2, 3, …, n), i부의 모멘트 보상량은 αi × Ω[Nm〕이 된다. 단, α_i는 절대 모멘트 보상량계수이고, 상대 모멘트 보상량계수(β_i)를 이용하여 하기 식과 같이 표시된다.

보상량계수가 O으로부터 떨어질 수록 희망 궤도의 우선 순위가 내려간다. 정방향이 운동의 안정화에 작용하고, 부방향이 운동의 안정화와 역방향으로 작용한다.

이하, 상반신에 있어서의 희망 궤도의 우선 순위의 설정 방법에 대해 구체예를 참조하면서 설명한다.

도9에 도시한 바와 같이, 손으로 운반하는 운동 패턴에 있어서는, 수부의 궤도의 우선도가 높아진다. 우선도의 설정예로서, 수부의 α ＝ O.0으로 하고, 남은 부위의 α의 합계를 1.0으로 한다.

도10에 도시한 바와 같이, 골프 클럽(혹은 야구의 배트)을 양손으로 갖고 스윙하는 운동 패턴에 있어서는 수부, 족부의 궤도의 순으로 우선도가 설정된다. 우선도의 설정예로서, 수부의 α ＝ 0.0으로 하고, 족부의 α ＝ 0.1로 하고, 남은 부위의 α의 합계를 0.9로 한다.

도11에 도시한 바와 같이, 기계 체조에 있어서의 안마 경기를 행하는 운동 패턴에 있어서는 양손으로만 신체를 지지하는 것과 다리부의 자세가 중요시되므로, 수부와, 체간부와 하지의 상대 관계의 궤도의 우선도가 높게 설정된다. 우선도의 설정예로서, 수부의 α ＝ 0.0으로 하고, 체간과 하지(견부에 있어서의 궤도)의 α ＝ 0.0으로 하고, 남은 부위의 α의 합계를 1.0으로 한다.

도12에 도시한 바와 같이, 병이나 글라스 등을 얹은 트레이를 한 쪽 손으로 잡고 균형을 잡으면서 보행하는 운동 패턴에 있어서는 수부, 체간부, 요부, 족부의 궤도 순으로 우선도가 설정된다.

도13에 도시한 바와 같이, 물구나무서기를 하는 운동 패턴에 있어서는 양손으로 전신을 지지하여 자세 안정을 도모하므로, 수부, 체간부, 요부의 궤도 순으로 우선도가 설정된다. 우선도의 설정예로서, 수부의 α ＝ 0.0으로 하고, 체간의 α ＝ 0.2로 하고, 요부의 α ＝ 0.3으로 하고, 나머지 부위의 α의 합계를 0.5로 한다.

도14에 도시한 바와 같이, 복수의 컵을 얹은 트레이의 바닥에 막대를 세우고, 또한 막대의 하단부를 이마에 얹어 균형을 잡는다고 하는 운동 패턴에 있어서는, 두부 기동의 우선도가 높게 설정된다. 우선도의 설정예로서, 두부의 α ＝ 0.0으로 하고, 나머지 부위의 α의 합계를 1.0으로 한다.

도15에 도시한 바와 같이, 복수의 훌라후프를 요부 및 체간부의 회전 운동으로 지지하는 연동 패턴에 있어서는, 체간부의 궤도의 우선도가 높게 설정된다. 우선도의 설정예로서, 체간부의 α ＝ 0.0으로 하고 나머지 부위의 α의 합계를 1.0으로 한다.

도16에 도시한 바와 같이, 긴 막대를 갖고 달려 높은 곳에 설정된 바를 넘는 장대 높이 뛰기 경기를 행하는 운동 패턴에 있어서는, 시간의 경과와 함께 하지, 요부, 체간부, 상지 … 로 우선도가 변화해 간다. 우선도의 설정예로서, 시기(試技)의 상기에 있어서 족부의 α ＝ 0.0으로 하고, 중기에 있어서 요부 및 체간부의 α ＝ O.0으로 하고, 후기에 있어서 상지의 α ＝ 0.0으로 하고, 각 시기에 있어서의 나머지 부위의 α의 합계를 1.0으로 한다.

도17에 도시한 바와 같이, 리본을 잡고 춤추는 신체조, 곡예, 발레와 같은 운동 패턴에 있어서는, 모든 부위에 있어서의 궤도의 우선도가 똑같이 높게 설정된다. 우선도의 설정예로서, 각부의 α를 공통으로 하고 α의 합계를 1.0으로 한다.

도18에 도시한 바와 같이, 양팔을 벌려 균형을 잡으면서 줄타기를 행하는 운 동 패턴에 있어서는, 족부, 상지 및 체간부의 궤도 순으로 우선도가 설정된다. 우선도의 설정예로서, 족부의 α ＝ 0.0으로 하고 상지 및 체간부의 α ＝ 0.1로 하고, 나머지 부위의 α의 합계를 0.9로 한다.

도19에 도시한 바와 같이, 공사 중인 빌딩의 외벽에 따라 짜여진 발판을 걷는 연동 패턴에 있어서는, 상지 및 체간부, 족부의 궤도 순으로 우선도가 설정된다. 우선도의 설정예로서, 상지 및 체간부의 α ＝ 0.1로 하고, 족부의 α ＝ 0.2로 하고, 나머지 부위의 α의 합계를 0.7로 한다.

D. 기계 하드웨어의 변형을 고려한 운동 제어

지금까지의 다리식 이동 로봇 및 그 역학적 취급은, 외력이나 토오크를 받아도 변형이 매우 작아 로봇 전체의 운동에 대해 무시할 수 있는 것을 전제로 하고 있었다. 즉, 로봇의 각 관절 사이의 거리는 변화하지 않는 것을 전제로 하고 있었으므로, 로봇 시스템의 상태 검출 센서는 각 요소에 관해 각 1개의 구성으로 충분하였다.

그러나, 앞으로 주행이나 보다 가속도를 계속적이면서 또한 적극적으로 이용한 다이나믹스 레벨이 높은 운동을 실현하고자 하면 기계 하드웨어 자신의 변형도 이용한 충격 완충 기능이 필요해지는 동시에, 보다 고차의 방정식을 실시간으로 고속으로 푸는 것이 필요해진다.

그래서, 본 항에서는 로봇의 각 관절 사이의 거리는 변화하지 않는다고 하는 전제 조건이 불필요한 센서 시스템 구성 방법 및 그를 이용한 분산형 고속 운동 제어 시스템에 대해 제안한다.

또한, 본 명세서 중에서는 이하의 정의에 따르는 것으로 한다(예를 들어, 일본 기계학회편 「기계계의 동력학」(p.31-33, 오옴사, 1991년 3월 25일)을 참조할 것).

병진 운동 : 관성력 ＝ - (중량/중력 가속도) × 가속도

회전 운동 : 관성 모멘트 ＝ -극 관성 모멘트 × 각가속도

극 관성 모멘트 : 회전축에 있어서의 관성 모멘트

본 실시 형태에 관한 다리식 이동 로봇은, ZMP(Zero Moment Point)를 보행의 안정도 판별의 규범으로서 이용하고 있다. ZMP에 의한 안정도 판별 규범은 시스템이 적절한 ZMP 공간을 형성하고, 지지 다각형의 내측에 ZMP가 있는 경우에는 시스템에 회전 운동이나 병진 연동이 발생하지 않아, 회전이나 병진에 관한 운동 방정식을 풀 필요가 없다. 또한, 지지 다각형의 내측에 ZMP가 없는 경우나 외계에 대한 지지 작용점이 존재하지 않는 경우에는, ZMP 방정식 대신에 운동 방정식을 풀 필요가 있다.

기계 본체의 ZMP 방정식은, 제어 대상점에 있어서 인가되는 각 모멘트의 균형 관계를 기술한 것이다. 기계 본체를 다수의 질점(m_i)으로 나타내고, 이들을 제어 대상점으로 한 경우 모든 제어 대상점(m_j)에 있어서 인가되는 모멘트의 총합을 구하는 식이 ZMP 균형 방정식이다.

세계 좌표계(O - XYZ)로 기술된 기계 본체의 ZMP 균형 방정식 및 기계 본체의 로컬 좌표계(O - X' Y' Z')로 기술된 기계 본체의 ZMP 균형 방정식은 각각 이하 와 같아진다.

세계 좌표계로 기술된 ZMP 방정식 :

로컬 좌표계로 기술된 ZMP 방정식 :

상기한 각 식은 각 질점(또는 제어점)(m_i)에 있어서 인가된 가속도 성분에 의해 생성되는 ZMP 주위[반경(r_i - P_zmp)]의 모멘트의 총합과, 각 질점(m_i)에 인가된 외력 모멘트(M_i)의 총합과, 외력(F_k)에 의해 생성되는 ZMP 주위[k번째의 외력(F_k )의 작용점을 S_k라 함]의 모멘트의 총합이 균형이 잡힌다고 하는 것을 기술하고 있다.

이 ZMP 균형 방정식은 총 모멘트 보상량, 즉 모멘트 에러 성분(T)을 포함하고 있다. 이 모멘트 에러를 0 또는 소정의 허용 범위 내로 억제함으로써, 기계 본체의 자세 안정성이 유지된다. 환언하면, 모멘트 에러를 0 또는 허용치 이하가 되도록 기계 본체 운동(족부 운동이나 상반신 각 부위의 궤도)을 수정하는 것이 ZMP를 안정도 판별 규범으로 한 자세 안정 제어의 본질이다.

본 실시 형태에 관한 다리식 이동 로봇은, 외계와의 접촉 부위에 ZMP와 힘을 직접 계측하는 반력 센서 시스템을 배치하는 동시에, 운동 제어에 이용하는 로컬 좌표와 그 좌표를 직접적으로 계측하기 위한 가속도 센서나 각속도 센서를 배치하고, 또한 계산 모델로 이용하고 있는 각 벡터 위치에 가속도 센서와 자세 센서를 배치함으로써, ZMP 방정식(또는 운동 방정식)을 도입하기 위해 필요한 제어 변수를 직접적으로 계측하는 것을 가능하게 함으로써 기계 본체가 강 부재에 의해 외력 등의 인가로 변형되지 않는다고 하는 조건을 전제로 하지 않고 엄밀한 운동 제어를 응답성 좋게 실현한다.

본 실시 형태에 관한 반력 센서 시스템의 배치예를 이하에 언급해 둔다.

(1) 질량이 집중되어 있는 부위에 가속도 센서, 각가속도 센서, 각속도 센서를 탑재한다.

(2) 각 링크의 무게 중심 부근에 가속도 센서, 각가속도 센서, 각속도 센서를 탑재한다.

(3) 각 작동기의 무게 중심 부근에 가속도 센서, 각가속도 센서, 각속도 센서를 탑재한다.

(4) 각 작동기의 무게 중심 부근 및 작동기를 제외한 링크의 무게 중심 부근에 가속도 센서, 각가속도 센서, 각속도 센서를 탑재한다.

(5) 각 작동기의 무게 중심 부근, 배터리의 무게 중심 부근, 배터리와 작동기를 제외한 링크의 무게 중심 부근에 가속도 센서와 각가속도 센서와 각속도 센서를 탑재한다.

(1)에 따르면, 질량이 집중되어 있는 부위를 제어점으로 하여 각 제어점에 있어서 인가되는 가속도 성분을 제어점마다 직접 계측하고, 이에 의해 생성되는 제어점에 있어서의 ZMP 주위의 모멘트항, 제어점에 인가되는 외력 모멘트항, 제어점에 인가되는 외력에 의해 생성되는 ZMP 주위의 모멘트항을 각 부위마다 직접 산출할 수 있다. 그리고, 중앙의 제어 유닛에 있어서는 각 제어점으로부터 모인 이들 모멘트항을 차례로 가산하여 그 총합을 취함으로써 보다 엄밀한 ZMP 균형 방정식을 직접적으로 도입할 수 있다. 또한, 각 제어점마다 모멘트항을 직접 계측하고 있으므로, 기계 본체가 강 부재에 의해 외력 등의 인가로 변형되지 않는다고 하는 조건을 전제로 하지 않고 엄밀한 운동 제어를 응답성 좋게 실현할 수 있다.

여기서 말하는 질량이 집중되어 있는 부위라 함은 배터리 무게 중심, 제어 유닛 무게 중심, 링크 무게 중심, 작동기 무게 중심, 관절축, 그 밖의 질량 집중물 등이 해당된다. 도20에는, 다리식 이동 로봇의 기계 본체 상의 질량이 집중되어 있는 부위에 가속도, 각가속도, 각속도 센서를 탑재하고 있는 모습을 도시하고 있다. 상기 도면에 도시한 바와 같이, 주요한 외계와의 접촉 부위로서 손바닥과 발바닥에 외력 센서 및 외력 모멘트 센서를 탑재하고 있다.

또한, (2)에 따르면 관절을 접속하는 각 링크의 무게 중심 부근을 제어점으로 하고, 각 제어점에 있어서 인가되는 가속도 성분을 제어점마다 직접 계측하여 이에 의해 생성되는 제어점에 있어서의 ZMP 주위의 모멘트항, 제어점에 인가되는 외력 모멘트항, 제어점에 인가되는 외력에 의해 생성되는 ZMP 주위의 모멘트항을 각 부위마다 직접 산출할 수 있다. 그리고, 중앙의 제어 유닛에 있어서는 각 제어 점으로부터 모인 이들 모멘트항을 차례로 가산하여 그 총합을 취함으로써 보다 엄밀한 ZMP 균형 방정식을 직접적으로 도입할 수 있다. 또한, 각 제어점마다 모멘트항을 직접 계측하고 있으므로, 기계 본체가 강 부재에 의해 외력 등의 인가로 변형되지 않는다고 하는 조건을 전제로 하지 않고 엄밀한 운동 제어를 응답성 좋게 실현할 수 있다.

도21에는 다리식 이동 로봇의 기계 본체 상의 각 링크의 무게 중심 부근에 가속도, 각가속도, 각속도 센서를 탑재하고 있는 모습을 도시하고 있다. 상기 도면에 도시한 바와 같이, 주요한 외계와의 접촉 부위로서 손바닥과 발바닥에 외력 센서 및 외력 모멘트 센서를 탑재하고 있다.

또한, (3)에 따르면 기계 본체 상의 주요한 질량 집중 부위로서의 각 작동기의 무게 중심 부근을 제어점으로 하고, 각 제어점에 있어서 인가되는 가속도 성분을 제어점마다 직접 계측하여 이에 의해 생성되는 제어점에 있어서의 ZMP 주위의 모멘트항, 제어점에 인가되는 외력 모멘트항, 제어점에 인가되는 외력에 의해 생성되는 ZMP 주위의 모멘트항을 각 부위마다 직접 산출할 수 있다. 그리고, 중앙의 제어 유닛에 있어서는 각 제어점으로부터 모인 이들 모멘트항을 차례로 가산하여 그 총합을 취함으로써 보다 엄밀한 ZMP 균형 방정식을 직접적으로 도입할 수 있다. 또한, 각 제어점마다 모멘트항을 직접 계측하고 있으므로, 기계 본체가 강 부재에 의해 외력 등의 인가로 변형되지 않는다고 하는 조건을 전제로 하지 않고 엄밀한 운동 제어를 응답성 좋게 실현할 수 있다.

도22에는, 다리식 이동 로봇의 기계 본체 상의 각 작동기의 무게 중심 부근 에 가속도, 각가속도, 각속도 센서를 탑재하고 있는 모습을 도시하고 있다. 상기 도면에 도시한 바와 같이, 주요한 외계와의 접촉 부위로서 손바닥과 발바닥에 외력 센서 및 외력 모멘트 센서를 탑재하고 있다.

또한, 상술한 (1) 내지 (5)에 나타낸 분산 배치형의 반력 센서 시스템에 따르면, 각 제어점에서 계측된 가속도 센서로부터의 센서 정보를 기초로 하여, 실제의 회전 중심을 측정할 수 있다. 따라서, 기계 본체의 설계 정보로부터 오로지 구해지는 무게 중심의 경우와는 달리, 링크 등 기계 본체가 외력 등에 의해 변형을 일으키는 경우라도 보다 정확한 기계 본체의 무게 중심 위치를 동적으로 산출할 수 있다.

도23에는, 본 실시 형태에 관한 다리식 이동 로봇의 연동 제어의 개략적인 처리 순서를 흐름도의 형식으로 나타내고 있다.

우선, 다리식 이동 로봇의 기계 본체의 안정도 판별을 행한다(스텝 S51). 안정도는 기계 본체의 지지 다각형을 참조하여, ZMP 위치가 안정 영역에 있는지 여부를 판단할 수 있다.

지지 다각형의 내측에 ZMP가 있는 경우에는 시스템에 회전 운동이나 병진 운동이 발생되지 않아, 회전이나 병진에 관한 운동 방정식을 풀 필요가 없다. 그래서 스텝 S52로 진행하고, 시스템이 형성되는 적절한 ZMP 공간을 이용하여 ZMP 방정식을 푸는 것에 의해 자세 안정 제어를 행한다(후술).

한편, 지지 다각형의 내측에 ZMP가 없는 경우나 외계에 대한 지지 작용점이 존재하지 않는 경우에는, ZMP 방정식 대신에 운동 방정식을 푸는 것에 의해(스텝 S53) 자세 안정 제어를 행한다(후술).

또한, 도약을 수반하는 댄스 등 모든 부위의 궤도의 우선도가 똑같이 높게 설정되는 경우에는, ZMP 방정식과 운동 방정식 양방을 푸는 경우가 있다.

도24에는 스텝 S52에 있어서의 ZMP 방정식의 해법을 기초로 한 기계 본체의 안정 제어의 처리 순서를 흐름도의 형식으로 나타내고 있다.

우선, 질량 집중 부위나 각 링크의 무게 중심 부근, 각 작동기의 무게 중심 부근 등 제어점마다 배치된 가속도 센서, 각가속도 센서, 각속도 센서로부터의 센서 정보를 바탕으로 ZMP를 측정하거나, 또는 무게 중심을 측정한다(스텝 S61). 외력 등의 영향으로 기계 본체가 변형되었을 때에는, 가속도 센서의 실측치를 바탕으로 무게 중심을 동적으로 측정할 필요가 있다.

계속해서, 스텝 S62 내지 스텝 S69에 의해 형성되는 처리 루프에 있어서, ZMP 근방 또는 무게 중심 근방으로부터 차례로 각 제어점에 대한 ZMP 주위의 모멘트항, 제어점에 인가되는 외력 모멘트항 및 제어점에 인가되는 외력에 의해 생성되는 ZMP 주위의 모멘트항을 제어점에 배치된 센서로부터의 정보를 기초로 하여 직접 산출하는 동시에, 이들 모멘트항을 차례로 가산해 가 이들의 총합을 구한다.

이 결과, ZMP 방정식을 이용하여 모멘트 에러(T)를 산출할 수 있다(스텝 S70).

계속해서, 계측된 각부의 상태량과 동정된 외력 모멘트를 초기치로 하여, ZMP 궤도 또는 무게 중심의 회전 궤도, 그리고 각부의 궤도를 재계획한다(스텝 S71).

그리고, 작동기 시스템군에 재계획 결과를 기초로 하는 목표치를 송신하여, 본 처리 루틴을 종료한다.

또한, 도24에 나타낸 처리 순서에서는 제어점에 있어서의 발생 모멘트를 산출하는 i계의 처리와, 제어점에 있어서 인가되는 외력 모멘트를 산출하는 j계의 처리와, 제어점에 있어서 외력에 의해 생성되는 ZMP 주위의 모멘트를 산출하는 k계의 처리를 포함하여, i, j, k계의 처리가 직렬로 진행되고 있지만 병렬로 진행되도록해도 좋다(후술).

또한 도25에는, 스텝 S53에 있어서의 운동 방정식의 해법을 기초로 하는 기계 본체의 안정 제어의 처리 순서를 흐름도의 형식으로 나타내고 있다.

우선, ZMP 상의 바닥 반력(F_r)을 측정한다(스텝 S81).

계속해서, 스텝 S82 내지 스텝 S89에 의해 형성되는 처리 루프에 있어서, ZMP 근방 또는 무게 중심 근방으로부터 차례로 각 제어점에 인가되는 병진력, ZMP 주위의 모멘트에 의해 인가되는 병진력 및 외력을 제어점에 배치된 센서로부터의 정보를 기초로 하여 직접 산출하는 동시에, 이들 병진력항을 차례로 가산하여 이들의 총합을 구한다.

이 결과, 다람펠의 원리로부터 미지 외력(F)을 산출할 수 있다(스텝 S90).

계속해서, 계측된 각부의 정보량과 동정된 미지 외력을 초기치로 하여, ZMP 궤도 또는 무게 중심 궤도, 그리고 각부의 궤도를 재계획한다(스텝 S91).

그리고, 작동기 시스템군에 재계획 결과를 기초로 하는 목표치를 송신하여 본 처리 루틴을 종료한다.

또한, 도25에 나타낸 처리 순서에서는 제어점에 있어서의 병진력을 산출하는 i계의 처리와, 제어점의 외력 모멘트에 의해 생성되는 병진력을 산출하는 j계의 처리와, 제어점에 있어서 인가되는 외력을 산출하는 k계의 처리를 포함하여, i, j, k계의 처리가 직렬로 진행되고 있지만, 병렬로 진행되도록 해도 좋다(후술).

도24에 나타낸 흐름도에 있어서의 스텝 S62 내지 스텝 S69에서 형성되는 처리 루프에서는, ZMP 근방 또는 무게 중심 근방으로부터 차례로 각 제어점에 대한 ZMP 주위의 모멘트항, 제어점에 인가되는 외력 모멘트항 및 제어점에 인가되는 외력에 의해 생성되는 ZMP 주위의 모멘트항을 제어점마다 배치된 센서로부터의 정보를 기초로 하여 직접 산출하는 동시에, 이들 모멘트항을 차례로 가산해 가 이들의 총합을 구함으로써 ZMP 방정식을 효율적으로 도입할 수 있다.

마찬가지로, 도25에 나타낸 흐름도에 있어서의 스텝 S82 내지 스텝 S89로 형성되는 처리 루프에서는, ZMP 근방 또는 무게 중심 근방으로부터 차례로 각 제어점에 인가되는 병진력, ZMP 주위의 모멘트에 의해 인가되는 병진력 및 외력을 제어점마다 배치된 센서로부터의 정보를 기초로 하여 직접 산출하는 동시에, 이들 병진력항을 차례로 가산하여 이들의 총합을 구함으로써, 병진 및 회전의 운동 방정식을 효율적으로 도입할 수 있다.

도20 내지 도22를 참조하면서 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 다리식 이동 로봇에 있어서는 제어에 이용하는 로컬 좌표와 그 좌표를 직접적으로 계측하기 위한 가속도 센서나 각속도 센서를 각 제어점마다 배치하고, 또한 계산 모델 로 이용하는 각 벡터 위치에 가속도 센서와 자세 센서를 배치함으로써 ZMP 방정식(또는 운동 방정식)의 도입에 필요한 제어 변수치를 직접적으로 계측하도록 구성되어 있다.

이들 기계 본체 상에 분산 배치된 센서끼리가 직렬적으로 접속되어 있는 경우, 각각의 제어점에 있어서 센서 정보를 바탕으로 산출되는 모멘트항이나 외력항을 접속 경로에 따라서 각 제어점에 있어서 차례로 가산해 감으로써, 이들의 총합을 효율적으로 계산할 수 있다.

도22에는 다리식 이동 로봇의 기계 본체 상의 각 작동기의 무게 중심 부근에 가속도, 각가속도, 각속도 센서를 탑재하고 있는 모습을 도시하였지만(상술), 도26에는 이 경우의 센서끼리를 직렬적으로 접속시키기 위한 일예를 도시하고 있다.

상기 도면에 도시한 바와 같이, 좌우의 상지, 및 좌우의 하지에 배치된 센서 사이가 각각 독립되고, 중앙의 제어 유닛이 개시점 및 종점이 되도록 직렬적으로 접속되어 있다. 이러한 경우, 각 가지마다 제어점의 센서 정보를 기초로 하는 계산 결과가 차례로 가산되고 이들이 중앙의 제어 유닛으로 복귀되어 총합을 얻을 수 있고, 여기서 방정식을 도입할 수 있다.

또한, 도27에는 센서끼리를 직렬적으로 접속시키기 위한 다른 예를 도시하고 있다. 상기 도면에 도시한 예에서는 전신에 배치된 센서 사이가, 말하자면 「일필서」의 형태로 중앙의 제어 유닛이 개시점 및 종점이 되도록 일렬로 접속되어 있다. 이러한 배선 형태의 경우, 각 제어점에 있어서의 센서 정보를 기초로 하는 계산 결과가 제어점 후에 차례로 가산되어 가고, 중앙의 제어 유닛으로 데이터가 복 귀된 시점에서 각 항의 총합이 이미 구해져 있어, 제어 유닛에서는 용이하게 방정식을 도입할 수 있다.

또한, 제어에 이용하는 로컬 좌표와 그 좌표를 직접적으로 계측하기 위한 가속도 센서나 각속도 센서를 각 제어점마다 배치하고, 또한 계산 모델로 이용하는 각 벡터 위치에 가속도 센서와 자세 센서를 배치하는 일예로서 질량이 집중하는 각 작동기의 무게 중심 부근에 가속도, 각가속도, 각속도 센서를 탑재한다고 하는 실장예를 이미 소개하였다.

도28에는 유닛의 무게 중심 부근에 가속도, 각가속도, 각속도 센서를 탑재한 관절 작동기의 구성예를 나타내고 있다.

상기 도면에 나타낸 관절 작동기는, 회전자 마그네트와 복수 상의 자기 코일로 이루어지는 고정자로 구성되는 모터부와, 모터부가 출력하는 회전을 가감속하는 기어 유닛(GU)과, 모터부로의 공급 전력을 제어하는 제어부로 구성된다.

제어부는 예를 들어 인쇄 배선판으로 구성되고, 그 대략 중앙에는 센서 유닛이 탑재되어 있다.

센서 유닛은 작동기 유닛의 2차원 무게 중심 위치 근방에 배치되어 있다.

센서 유닛은 1축 내지 3축의 가속도 센서와, 1축 내지 2축의 각속도 센서와, 3축의 각속도 센서의 조합으로 구성된다.

도29에는 도면에 도시한 관절 작동기의 기능 구성을 개략적으로 도시하고 있다. 상기 도면에 도시한 바와 같이, 작동기(10)는 인터페이스부(11)와, 커맨드 처리부(12)와, 모터 제어부(13)와, 센서 신호 처리부(14)를 구비하고 있다.

인터페이스부(11)는, 호스트 제어기 사이에서 인터페이스 프로토콜을 실현한다.

커맨드 처리부(12)는 인터페이스부(12)를 거쳐서 수취한 호스트 커맨드를 처리하여 모터 제어부(13)로 전달하거나, 모터 제어부(13)나 센서 신호 처리부(14)로부터의 센서 정보를 연산 처리하여 인터페이스부(12) 경유로 호스트 제어기로 되돌리거나 한다.

모터 제어부(13)는 호스트 커맨드에 따른 모터의 회전을 실현하기 위한 전류 신호를 모터 코일(15)에 PWM(Pulse Width Modulation) 출력하고, 또한 회전자(도시하지 않음)의 회전 위치를 검출하는 센서(16)로부터의 각도 정보를 취득한다.

센서 신호 처리부(14)는 센서 유닛에 포함되는 가속도 센서(X 내지 Y), 나침반 센서(피치, 롤, 요우)로부터의 센서 정보를 처리한다.

본 실시 형태에 있어서는 제어점마다 배치된 센서로부터의 정보를 기초로 하여, ZMP 근방 또는 무게 중심 근방으로부터 차례로 각 제어점에 대한 ZMP 주위의 모멘트항, 제어점에 인가되는 외력 모멘트항 및 제어점에 인가되는 외력에 의해 생성되는 ZMP 주위의 모멘트항을 직접 산출할 수 있다. 마찬가지로, 제어점마다 배치된 센서로부터의 정보를 기초로 하여 ZMP 근방 또는 무게 중심 근방으로부터 차례로, 각 제어점에 인가되는 병진력, ZMP 주위의 모멘트에 의해 인가되는 병진력 및 외력을 직접 산출할 수 있다.

또한, 기계 본체 상에 분산 배치된 센서끼리가 직렬적으로 접속되어 있는 경우, 각각의 제어점에 있어서 센서 정보를 기초로 산출되는 모멘트항이나 외력항을 접속 경로에 따라서 각 제어점에 있어서 차례로 가산해 감으로써, 이들의 총합을 효율적으로 계산할 수 있다.

도28 및 도29를 참조하면서 설명한 센서 내장형 관절 작동기에 있어서는, 커맨드 처리부(12)가 센서 신호 처리부(14)에 의해 신호 처리된 가속도 센서(X' - Y) 및 나침반 센서(피치, 롤, 요우)로부터의 센서 정보를 이용하여, 모멘트항이나 외력항을 접속 경로에 따라서 각 제어점에 있어서 차례로 가산해 갈 수 있다.

도30에는 각 제어점의 관절 작동기 내에서 ZMP 주위의 모멘트항, 제어점에 인가되는 외력 모멘트항 및 제어점에 인가되는 외력에 의해 생성되는 ZMP 주위의 모멘트항을 차례로 가산해 가는 구성을 나타내고 있다.

상기 도면에 도시한 바와 같이, 관절 작동기에는 접속 경로의 상위의 관절 작동기로부터 i - 1번째까지의 제어점에 있어서의 ZMP 주위의 모멘트항의 총합, j - 1번째까지의 제어점에 있어서의 외력 모멘트항의 총합 및 k - 1번째까지의 제어점에 있어서의 외력에 의해 생성되는 ZMP 주위의 모멘트항의 총합이 입력된다. 그리고, 관절 작동기 내에서 검출된 센서 정보를 기초로 하여, 상기 제어점에 있어서의 ZMP 주위의 모멘트항, 제어점에 인가되는 외력 모멘트항 및 제어점에 인가되는 외력에 의해 생성되는 ZMP 주위의 모멘트항을 산출하는 동시에, 이들을 각각의 총합에 가산 처리하여 i번째까지의 제어점에 있어서의 ZMP 주위의 모멘트항의 총합, j번째까지의 제어점에 있어서의 외력 모멘트항의 총합 및 k번째까지의 제어점에 있어서의 외력에 의해 생성되는 ZMP 주위의 모멘트항의 총합으로서 접속 경로의 하위의 관절 작동기에 출력한다. 따라서, 접속 경로에 따라서 이러한 가산 처리를 차 례로 반복해 감으로써, 중앙 제어기에 연산 결과가 도달할 때에는 ZMP 균형 방정식을 구성하는 각 모멘트항이 이미 구해져 있으므로, ZMP 안정도 판별 규범을 기초로 하는 기계 본체의 자세 안정 제어를 효율적이면서 또한 고속으로 실현할 수 있다.

ZMP 균형 방정식의 도입에는 제어점에 있어서의 발생 모멘트를 산출하는 i계의 처리와, 제어점에 있어서 인가되는 외력 모멘트를 산출하는 j계의 처리와, 제어점에 있어서 외력에 의해 생성되는 ZMP 주위의 모멘트를 산출하는 k계의 처리가 포함되지만, 도시한 예에서는 i, j, k계의 처리가 병렬로 진행된다. i, j, k계의 처리가 병렬로 진행되는 시스템에서는, 배선이 적어도 된다고 하는 장점이 있다. 또한, 특히 각 제어점에 있어서 i, j, k계 모든 요소가 구비되어 있을 필요는 없고, i계의 연산만, 혹은 i계의 연산이 없어 i - 1계까지의 연산을 버스 스루할 뿐인 디자인도 가능하다.

또한, 도31에는 각 제어점의 관절 내에서 제어점에 인가되는 병진력항, ZMP 주위의 모멘트에 의해 인가되는 병진력항 및 외력항을 차례로 가산해 가는 구성을 도시하고 있다.

상기 도면에 도시한 바와 같이, 관절 작동기에는 접속 경로의 상위의 관절 작동기로부터 i - 1번째까지의 제어점에 인가되는 병진력항의 총합, j-1번째까지의 제어점에 있어서의 ZMP 주위의 모멘트에 의해 인가되는 병진력항의 총합 및 k - 1번째까지의 제어점에 인가되는 외력항의 총합이 입력된다. 그리고, 관절 작동기 내에서 검출된 센서 정보를 기초로 하여 상기 제어점에 인가되는 병진력항, ZMP 주위의 모멘트에 의해 인가되는 병진력항 및 외력항을 산출하는 동시에, 이들을 각각 의 총합에 가산 처리하여 i번째까지의 제어점에 인가되는 병진력항의 총합, j번째까지의 제어점에 있어서의 ZMP 주위의 모멘트에 의해 인가되는 병진력항의 총합 및 k번째까지의 제어점에 인가되는 외력항의 총합으로서 접속 경로의 하위의 관절 작동기에 출력한다. 따라서, 접속 경로에 따라서 이러한 가산 처리를 차례로 반복해 감으로써 중앙 제어기에 연산 결과가 도달할 때에는 운동 방정식을 구성하는 각 병진력항이 이미 구해져 있으므로, 운동 방정식을 이용한 기계 본체의 자세 안정 제어를 효율적이면서 또한 고속으로 실현할 수 있다.

운동 방정식의 도입에는, 제어점에 있어서의 병진력을 산출하는 i계의 처리와, 제어점의 외력 모멘트에 의해 생성되는 병진력을 산출하는 j계의 처리와, 제어점에 있어서 인가되는 외력을 산출하는 k계의 처리가 포함되지만, 도시한 예에서는 i, j, k계의 처리가 병렬로 진행된다. i, j, k계의 처리가 병렬로 진행되는 시스템에서는, 배선이 적어도 된다고 하는 장점이 있다. 또한, 특히 각 제어점에 있어서 i, j, k계 모든 요소가 구비되어 있을 필요는 없고, i계의 연산만 혹은 i계의 연산이 없어 i - 1계까지의 연산을 버스 스루할 뿐인 디자인도 가능하다.

이상, 특정한 실시예를 참조하면서 본 발명에 대해 상세하게 설명해 왔다. 그러나, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 당업자가 상기 실시예의 수정이나 대용을 이룰 수 있는 것은 자명하다.

본 발명의 요지는, 반드시「로봇」이라 하는 제품에는 한정되지 않는다. 즉, 전기적 혹은 자기적인 작용을 이용하여 사람의 동작과 비슷한 운동을 행하는 기계 장치 혹은 기타 일반적인 이동 부재 장치라면, 예를 들어 완구 등과 같은 다른 산업 분야에 속하는 제품이라도 마찬가지로 본 발명을 적용할 수 있다.

결국, 예시라는 형태로 본 발명을 개시하여 온 것으로, 본 명세서의 기재 내용을 한정적으로 해석하기 위한 것은 아니다. 본 발명의 요지를 판단하기 위해서는, 서두에 기재한 특허 청구의 범위의 란을 참작해야 한다.

본 발명에 따르면, ZMP를 자세 안정도 판별 규범에 이용하여 운동 중인 기계 본체의 자세를 안정화 제어할 수 있는 우수한 다리식 이동 로봇을 위한 동작 제어 장치 및 동작 제어 방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 ZMP 방정식을 고속이면서 또한 고정밀도로 도출함으로써 보다 엄밀한 자세 안정 제어를 행하는 것을 가능하게 하는, 우수한 다리식 이동 로봇을 위한 동작 제어 장치 및 동작 제어 방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 ZMP를 안정도 판별 규범에 이용하여 자세 안정화 제어를 적합하게 행할 수 있는 우수한 다리식 이동 로봇의 동작 제어 장치 및 동작 제어 방법 및 다리식 이동 로봇을 위한 센서 시스템을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 기계 본체 상의 각부에 설치된 센서로부터의 계측치를 기초로 하여 도입된 ZMP 방정식을 이용하여, 미지 외력 모멘트 및 미지 외력을 동정하여 운동 제어를 적합하게 행할 수 있는 우수한 다리식 이동 로봇의 동작 제어 장치 및 동작 제어 방법 및 다리식 이동 로봇을 위한 센서 시스템을 제공할 수 있다.

본 발명에 관한 다리식 이동 로봇은, 외계와의 접촉 부위에 ZMP와 힘을 직접 계측하는 반력 센서 시스템을 배치하는 동시에, 연동 제어에 이용하는 로컬 좌표와 그 좌표를 직접적으로 계측하기 위한 가속도 센서나 각도 센서를 배치하고, 또한 계산 모델로 이용하고 있는 각 벡터 위치에 가속도 센서와 자세 센서를 배치함으로써, 직접적 계측을 가능하게 함으로써 기계 본체가 강 부재에 의해 외력 등의 인가로 변형하지 않는다고 하는 조건을 전제로 하지 않고 엄밀한 운동 제어를 응답성 좋게 실현할 수 있다.

Claims (88)

1 이상의 가동부를 갖는 이동체 장치이며,

상기 이동체 장치에 로컬 좌표계를 설정하고, 상기 로컬 좌표계 원점의 가속도를 계측하는 제1 가속도 센서와,

상기 로컬 좌표계에 있어서 제어 대상점이 되는 상기 1 이상의 가동부에 설치된 제2 가속도 센서와,

적어도 상기 제1 가속도 센서 및 상기 제2 가속도 센서로부터 얻을 수 있는 가속도 정보, 또는 상기 가속도 정보에 기초하여 산출한 상기 로컬 좌표계 원점에 대한 상기 제어 대상점의 상대 가속도 정보에 기초하여 도출되는 ZMP 방정식 또는 운동 방정식을 이용하여, 상기 이동체 장치에 인가되는 미지 모멘트 또는 미지 외력을 산출하는 수단과,

상기 산출된 미지 모멘트 또는 미지 외력에 기초하여 상기 제어 대상점을 제어하는 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 이동체 장치.

제1항에 있어서,

상기 로컬 좌표계와 상기 제1 가속도 센서를 상기 이동체 장치와 노면의 접촉 부위에 배치하는 것을 특징으로 이동체 장치.

제1항에 있어서,

상기 이동체 장치는 족부(足部)를 갖는 로봇 장치이며,

상기 로컬 좌표계와 상기 제1 가속도 센서를 상기 족부에 설치하는 것을 특징으로 이동체 장치.

제1항에 있어서,

상기 이동체 장치는 요부(腰部)를 갖는 로봇 장치이며,

상기 로컬 좌표계와 상기 제1 가속도 센서를 상기 요부에 설치하는 것을 특징으로 이동체 장치.

삭제

제1항에 있어서,

상기 이동체 장치는 적어도 상지(上肢), 하지(下肢) 및 체간부(體幹部)를 포함하는 가동부를 구비한 로봇 장치이며,

적어도 상기 상지, 하지, 체간부마다 제어 대상점이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 이동체 장치.

제1항에 있어서,

상기 이동체 장치 상에 분산 배치된 상기 가속도 센서끼리 직렬적으로 접속되고, 개개의 제어점에 있어서 상기 가속도 센서의 가속도 정보에 기초하여 산출되는 상기 ZMP 방정식 또는 운동 방정식 상의 모멘트항이나 외력항을, 접속 경로에 따라 각 제어 대상점에 있어서 순차적으로 가산해 가는 것을 특징으로 하는 이동체 장치.

1 이상의 가동부를 갖는 이동체 장치의 제어 방법이며,

상기 이동체 장치에 로컬 좌표계를 설정하고, 상기 로컬 좌표계 원점에서의 제1 가속도를 계측하는 제1 가속도 계측 스텝과,

상기 로컬 좌표계에 있어서 제어 대상점이 되는 상기 1 이상의 가동부의 제2 가속도를 계측하는 제2 가속도 계측 스텝과,

적어도 상기 제1 가속도 및 상기 제2 가속도, 또는 상기 제1 가속도 및 상기 제2 가속도에 기초하여 산출한 상기 로컬 좌표계 원점의 가속도에 대한 상기 제어 대상점의 상대 가속도에 기초하여 도출되는 ZMP 방정식 또는 운동 방정식을 이용하여, 상기 이동체 장치에 인가되는 미지 모멘트 또는 미지 외력을 산출하는 미지 모멘트 또는 미지 외력 산출 스텝과,

상기 산출된 미지 모멘트 또는 미지 외력에 기초하여 상기 제어 대상점을 제어하는 제어 스텝을 구비한 것을 특징으로 하는 이동체 장치의 제어 방법.

제8항에 있어서,

상기 제1 가속도 계측 스텝은, 상기 이동체 장치와 노면의 접촉 부위에 상기 로컬 좌표계를 설정하여 상기 제1 가속도를 계측하는 것을 특징으로 하는 이동체 장치의 제어 방법.

제8항에 있어서,

상기 이동체 장치는 족부를 갖는 로봇 장치이며,

상기 제1의 가속도 계측 스텝에서는, 상기 로컬 좌표계를 상기 족부에 설치하여 상기 제1 가속도를 계측하는 것을 특징으로 하는 이동체 장치의 제어 방법.

제8항에 있어서,

상기 이동체 장치는 요부를 갖는 로봇 장치이며,

상기 제1 가속도 계측 스텝에서는, 상기 로컬 좌표계를 상기 요부에 설치하여 상기 제1 가속도를 계측하는 것을 특징으로 하는 이동체 장치의 제어 방법.

삭제

제8항에 있어서,

상기 이동체 장치는, 적어도 상지, 하지, 및 체간부를 포함하는 가동부를 구비한 로봇 장치이며,

적어도 상기 상지, 하지, 체간부마다 제어 대상점이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 이동체 장치의 제어 방법.

가동부를 구비한 로봇 장치이며,

상기 로봇 장치를 이동시키는 이동 수단과,

상기 로봇 장치 상에서 질량 조작량이 최대가 되는 부위에 설정된 제어 대상점에 있어서의 가속도와, 상기 로봇 장치와 외계와의 접촉 부위에 있어서의 반력 및 가속도를 포함하는 상기 로봇 장치의 역학적 상태를 검출하는 상태 검출 수단과,

상기 제어 대상점에 있어서의 가속도 및 상기 접촉 부위에 있어서의 가속도 및 반력의 검출 결과에 기초하여 상기 로봇 장치에 인가되는 각 모멘트의 균형 관계를 기술한 ZMP 방정식을 도출하고, 상기 ZMP 방정식 상에서 나타나는 모멘트 에러를 상쇄하도록 상기 로봇 장치의 목표 궤도를 수정하는 운동 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 로봇 장치.

적어도 체간과, 상기 체간에 접속되는 요부와, 상기 요부에 접속되는 가동 다리를 구비한 로봇 장치이며,

상기 요부에 설정된 제어 대상점에 있어서의 가속도와, 상기 로봇 장치와 외계와의 접촉 부위에 있어서의 반력 및 가속도를 포함하는 상기 로봇 장치의 역학적 상태를 검출하는 상태 검출 수단과,

상기 제어 대상점에 있어서의 가속도 및 상기 접촉 부위에 있어서의 반력 및 가속도의 검출 결과에 기초하여 상기 로봇 장치에 인가되는 각 모멘트의 균형 관계를 기술한 ZMP 방정식을 도출하고, 상기 ZMP 방정식 상에서 나타나는 모멘트 에러를 상쇄하도록 상기 로봇 장치의 목표 궤도를 수정하는 운동 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 로봇 장치.

요부, 체간 및 상지 중 적어도 어느 하나와, 그 선단부에 족부가 형성된 복수의 가동 다리를 구비하고, 설정된 목표 궤도에 기초하여 동작을 행하는 로봇 장치이며,

상기 복수의 가동 다리, 요부, 체간 및 상지 중 적어도 어느 하나 상에 설정된 제어 대상점에 있어서의 가속도와, 상기 족부에 있어서의 상반력(床反力) 및 가속도를 포함하는 상기 로봇 장치의 역학적 상태를 검출하는 상태 검출 수단과,

상기 제어 대상점에 있어서의 가속도 및 상기 족부에 있어서의 상반력 및 가속도의 검출 결과에 기초하여 상기 로봇 장치에 인가되는 각 모멘트의 균형 관계를 기술한 ZMP 방정식을 도출하고, 상기 ZMP 방정식 상에서 나타나는 모멘트 에러를 상쇄하도록 상기 로봇 장치의 목표 궤도를 수정하는 운동 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 로봇 장치.

요부, 체간 및 상지 중 적어도 어느 하나를 구비하고, 설정된 목표 궤도에 기초하여 동작을 행하는 로봇 장치이며,

상기 로봇 장치를 이동시키는 이동 수단과,

상기 요부, 체간, 상지 및 이동 수단 중 적어도 어느 하나 상에 설정된 1 이상의 제어 대상점에 있어서의 가속도와, 상기 로봇 장치와 외계와의 접촉 부위에 있어서의 반력 및 가속도를 포함하는 상기 로봇 장치의 역학적 상태를 검출하는 상태 검출 수단과,

상기 로봇 장치를 자세 안정 제어할 때의 질량 조작량의 크기의 순서대로 각 제어 대상점에 목표 궤도를 수정하기 위한 우선 순위를 할당하는 우선 순위 설정 수단과,

상기 제어 대상점에 있어서의 가속도 및 상기 접촉 부위에 있어서의 반력 및 가속도의 검출 결과에 기초하여 상기 로봇 장치에 인가되는 각 모멘트의 균형 관계를 기술한 ZMP 방정식을 도출하고, 상기 ZMP 방정식 상에서 나타나는 모멘트 에러를 상쇄하도록 상기 각 제어 대상점에 대한 목표 궤도를 상기 우선 순위에 따라 수정하는 운동 제어 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 로봇 장치.

제14항 내지 제17항 중의 어느 한 항에 있어서,

상기 상태 검출 수단은, 적어도 상기 로봇 장치의 가동부 중 1개에 설치된 제1 가속도 센서와, 상기 제어 대상점에 설치된 제2 가속도 센서를 구비하고,

상기 로봇 장치 상에 분산 배치된 상기 가속도 센서끼리 직렬적으로 접속되어, 개개의 제어점에 있어서 상기 가속도 센서의 가속도 정보에 기초하여 산출되는 상기 ZMP 방정식 상의 모멘트항이나 외력항을 접속 경로에 따라서 각 제어 대상점에 있어서 순차적으로 가산해 가는 것을 특징으로 하는 로봇 장치.

제18항에 있어서,

상기 로봇 장치의 관절 자유도를 구성하는 작동기는, 회전자 마그네트와, 복수 상의 자기 코일로 이루어지는 고정자로 구성되는 모터부와, 모터부가 출력하는 회전을 가감속하는 기어·유닛과, 모터부에의 공급 전력을 제어하는 제어부를 구비하고,

상기 제어부 상에서 작동기 유닛의 2차원 무게 중심 위치 근방이 되는 위치에 센서 유닛이 탑재되어 있는 것을 특징으로 하는 로봇 장치.

제17항에 있어서,

상기 제어 대상점은 상기 로봇 장치 상에서 질량 조작량이 큰 1 이상의 부위에 설정되고,

상기 상태 검출 수단은, 각 제어 대상점에 탑재된 가속도 센서, 각속도 센서, 각가속도 센서 중 적어도 1개의 조합으로 구성되는 것을 특징으로 하는 로봇 장치.

제17항에 있어서,

상기 제어 대상점은 상기 로봇 장치 상에서 1 이상의 링크의 각 무게 중심 위치 근방에 설정되고,

상기 상태 검출 수단은 각 제어 대상점에 탑재된 가속도 센서, 각속도 센서, 각가속도 센서 중 적어도 1개의 조합으로 구성되는 것을 특징으로 하는 로봇 장치.

제17항에 있어서,

상기 상태 검출 수단은 관절 자유도를 구성하는 각 작동기의 무게 중심 위치 부근에 탑재된 가속도 센서, 각속도 센서, 각가속도 센서 중 적어도 1개의 조합으로 구성되는 것을 특징으로 하는 로봇 장치.

가동부를 갖는 로봇 장치의 동작 제어 방법이며, 상기 로봇 장치는 상기 로봇 장치를 이동시키는 이동 수단을 구비하고,

상기 로봇 장치 상에서 질량 조작량이 최대가 되는 부위에 설정된 제어 대상점에 있어서의 가속도와, 상기 로봇 장치와 외계와의 접촉 부위에 있어서의 반력 및 가속도를 포함하는 상기 로봇 장치의 역학적 상태를 검출하는 상태 검출 스텝과,

상기 제어 대상점에 있어서의 가속도 및 상기 접촉 부위에 있어서의 가속도 및 반력의 검출 결과에 기초하여 상기 로봇 장치에 인가되는 각 모멘트의 균형 관계를 기술한 ZMP 방정식을 도출하고, 상기 ZMP 방정식 상에서 나타나는 모멘트 에러를 상쇄하도록 상기 로봇 장치의 목표 궤도를 수정하는 운동 제어 스텝을 구비하는 것을 특징으로 하는 로봇 장치의 동작 제어 방법.

적어도 체간과, 상기 체간에 접속되는 요부와, 상기 요부에 접속되는 가동 다리를 갖는 로봇 장치의 동작 제어 방법이며,

상기 요부에 설정된 제어 대상점에 있어서의 가속도와, 상기 로봇 장치와 외계와의 접촉 부위에 있어서의 반력 및 가속도를 포함하는 상기 로봇 장치의 역학적 상태를 검출하는 상태 검출 스텝과,

상기 제어 대상점에 있어서의 가속도 및 상기 접촉 부위에 있어서의 반력 및 가속도의 검출 결과에 기초하여 상기 로봇 장치에 인가되는 각 모멘트의 균형 관계를 기술한 ZMP 방정식을 도출하고, 상기 ZMP 방정식 상에서 나타내는 모멘트 에러를 상쇄하도록 상기 로봇 장치의 목표 궤도를 수정하는 운동 제어 스텝을 구비하는 것을 특징으로 하는 로봇 장치의 동작 제어 방법.

요부, 체간 및 상지 중 적어도 어느 하나와, 그 선단부에 족부를 구비한 복수의 가동 다리를 구비하고, 설정된 목표 궤도에 기초하여 동작을 행하는 로봇 장치의 동작 제어 방법이며,

상기 복수의 가동 다리, 요부, 체간 및 상지 중 적어도 어느 하나 상에 설정된 제어 대상점에 있어서의 가속도와, 상기 족부에 있어서의 상반력 및 가속도를 포함하는 상기 로봇 장치의 역학적 상태를 검출하는 상태 검출 스텝과,

상기 제어 대상점에 있어서의 가속도 및 상기 족부에 있어서의 상반력 및 가속도의 검출 결과에 기초하여 상기 로봇 장치에 인가되는 각 모멘트의 균형 관계를 기술한 ZMP 방정식을 도출하고, 상기 ZMP 방정식 상에서 나타나는 모멘트 에러를 상쇄하도록 상기 로봇 장치의 목표 궤도를 수정하는 운동 제어 스텝을 구비하는 것을 특징으로 하는 로봇 장치의 동작 제어 방법.

요부, 체간 및 상지 중 적어도 어느 하나를 구비하고, 설정된 목표 궤도에 기초하여 동작을 행하는 로봇 장치의 동작 제어 방법에 있어서, 상기 로봇 장치는 상기 로봇 장치를 이동시키는 이동 수단을 구비하고,

상기 요부, 체간, 상지 및 이동 수단 중 적어도 어느 하나 상에 설정된 1 이상의 제어 대상점에 있어서의 가속도와, 상기 로봇 장치와 외계와의 접촉 부위에 있어서의 반력 및 가속도를 포함하는 상기 로봇 장치의 역학적 상태를 검출하는 상태 검출 스텝과,

상기 로봇 장치를 자세 안정 제어할 때의 질량 조작량의 크기의 순서대로, 각 제어 대상점에 목표 궤도를 수정하기 위한 우선 순위를 할당하는 우선 순위 설정 스텝과,

상기 제어 대상점에 있어서의 가속도 및 상기 접촉 부위에 있어서의 반력 및 가속도의 검출 결과에 기초하여 상기 로봇 장치에 인가되는 각 모멘트의 균형 관계를 기술한 ZMP 방정식을 도출하고, 상기 ZMP 방정식 상에서 나타내는 모멘트 에러를 상쇄하도록 상기 각 제어 대상점에 대한 목표 궤도를 상기 우선 순위에 따라 수정하는 운동 제어 스텝을 구비하는 것을 특징으로 하는 로봇 장치의 동작 제어 방법.

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