WO2000047372A1 - Dispositif et procede de commande d'un mecanisme d'assemblage, dispositif d'assemblage, dispositif robotique et procede de commande d'un tel dispositif robotique - Google Patents

Dispositif et procede de commande d'un mecanisme d'assemblage, dispositif d'assemblage, dispositif robotique et procede de commande d'un tel dispositif robotique Download PDF

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motor
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Tatsuzu Ishida
Yuichi Hattori
Yoshihiro Kuroki
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    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/41—Servomotor, servo controller till figures
    • G05B2219/41378—Estimate torque as function of speed, voltage and current

Definitions

  • the present invention relates to a control device and method for a joint mechanism, a joint device, a robot device and a control method therefor, and is suitably applied to, for example, a bipedal walking robot.
  • a bipedal walking robot is configured by connecting a pair of leg units to a body unit via a hip joint mechanism.
  • Each leg unit is formed by connecting the thigh and the lower leg via a knee joint mechanism, and connecting the lower leg to the foot via an ankle joint mechanism.
  • each joint mechanism usually AC (Alternate Ing Curren t)
  • AC Alternate Ing Curren t
  • the drive is controlled individually for each of the joint mechanisms, and each leg unit is driven at a predetermined time. It is designed to perform a walking motion.
  • various sensors such as a pressure sensor, a tilt angle sensor, an acceleration sensor, and a microswitch are arranged on an ankle joint mechanism and a foot.
  • the inclination of the foot is controlled based on the output of these sensors so that the back of the foot always follows the walking road, thereby reducing the inclination and unevenness of the walking road. It is constructed to be able to stably perform a walking motion even on an uneven ground.
  • a main control unit 1 for controlling the operation of the entire robot is controlled by a multi-axis controller 2 to each of the modules 3 (3-1 to 3). — N), and is configured so that the multi-axis controller 2 controls each of the modules 3 individually to a designated state based on a control command output from the main control unit 1.
  • the present invention has been made in view of the above points, and has as its object to propose a control device and method for a joint mechanism, a joint device, a robot device, and a control method thereof that can simplify the configuration.
  • a current detecting means for detecting a current value of a driving current of the actuator for driving the joint mechanism; and a current value detected by the current detecting means.
  • An external force torque detecting means for detecting a magnitude of a torque due to an external force applied to the output shaft of the actuator is provided based on the output torque.
  • the external force applied to the first or second link can be obtained without requiring a sensor or the like.
  • installation of a sensor or the like for directly measuring the external force can be omitted, and the configuration as a whole can be simplified.
  • a control device for a joint mechanism can be realized.
  • a first step of detecting a current value of a drive current of the actuator for driving the joint mechanism, and an output of the actuator based on the detected current value A second step for detecting the magnitude of the torque due to the external force applied to the shaft is provided.
  • a current detecting means for detecting a current value of a driving current of the actuator of the joint mechanism, and an output shaft of the actuator based on the current value detected by the current detecting means.
  • An external force torque detecting means for detecting the magnitude of the torque due to the applied external force is provided.
  • the external force applied to the first or second component can be obtained without requiring a sensor or the like.
  • the installation of a sensor or the like for directly measuring the external force can be omitted, and a robot device that can simplify the overall configuration can be realized.
  • the first step of detecting a current value of the drive current of the actuator is based on an external force applied to an output shaft of the actuator based on the detected current value.
  • a second step for detecting the magnitude of the torque is provided.
  • the external force applied to the first or second component can be obtained without requiring a sensor or the like.
  • an actuator which is provided in an ankle joint mechanism and generates a rotational torque having a magnitude corresponding to a drive current.
  • a current detecting means for detecting the current value of the driving current of the actuator, and an external force for detecting a magnitude of torque by an external force applied to the output shaft of the actuator, based on the current value detected by the current detecting means.
  • a torque detecting means and a control means for controlling the actuator so as to eliminate the torque due to the external force applied to the output shaft of the actuator based on the detection result of the external torque detecting means are provided.
  • the current value of the drive current of Actu Yue which is provided in the ankle joint mechanism and generates a rotational torque having a magnitude corresponding to the drive current
  • a first step of detecting a second step of detecting a magnitude of torque due to an external force applied to the output shaft of the actuator based on the detected current value, and a detection result of the second step. Based on this, a third step for controlling the actuator is provided so that the torque due to the external force applied to the output shaft of the actuator is eliminated.
  • a motor section for generating a rotational torque over the actuator and a motor control means for controlling the driving of the motor section are provided. It was arranged inside the department.
  • a joint device for generating a rotational torque all over the actuator for driving the joint mechanism, and a motor control means for controlling the driving of the motor section. Means are to be arranged in the moat part.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a bipedal walking robot according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a configuration of the bipedal walking robot according to the present embodiment.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram showing a configuration of a bipedal walking robot according to the present embodiment.
  • FIG. 4 is a front view and a side view showing the configuration of the hip joint mechanism, respectively.
  • FIG. 5 is a top view and a perspective view showing the configuration of the hip joint mechanism, respectively.
  • FIG. 6 is a side view, a front view, and a side view showing the configuration of the ankle joint mechanism.
  • FIG. 7 is a block diagram showing the internal configuration of the bipedal walking robot shown in FIG.
  • FIG. 8 is a block diagram showing a state of electrical connection between the sub-control unit and each mode.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing the configuration of each module.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing the configuration of the mouth and pole shaft magnetic pole angle sensors.
  • FIG. 11 is a partial cross-sectional view for explaining the positional relationship between the iron core and the steel core.
  • FIG. 12 is a schematic diagram showing the configuration of the stay and the power board.
  • FIG. 13 is a schematic diagram illustrating a configuration of the torque amplifying unit.
  • FIG. 14 is a waveform diagram for explaining the magnetization pattern of the resin magnet in the one-turn absolute angle sensor.
  • FIG. 15 is a waveform chart for explaining first and second one-turn absolute angle sensor signals.
  • FIG. 16 is a schematic plan view showing the configuration of the control board.
  • FIG. 17 is a block diagram showing the configuration of the control board.
  • FIG. 18 is a block diagram showing the configuration of the printed circuit board.
  • FIG. 19 is a block diagram showing a configuration of a one-chip microcombiner.
  • FIG. 20 is for explaining the arithmetic processing of the CPU in the automatic rotation control processing mode.
  • FIG. 19 is a block diagram showing a configuration of a one-chip microcombiner.
  • FIG. 20 is for explaining the arithmetic processing of the CPU in the automatic rotation control processing mode.
  • FIG. 21 is a block diagram of a procedure of detecting the rotation speed of the magnetic poles of the shaft.
  • FIG. 22 is a flowchart showing an irregular terrain walking control procedure.
  • FIG. 23 is a block diagram showing a connection relationship between each module and a main control unit in a conventional robot.
  • reference numeral 10 denotes a bipedal mouth bot according to the present embodiment as a whole, and a head unit 12 is provided above the body unit 11 and the head unit 12 is provided.
  • Arm units 13 A and 13 B of the same configuration are respectively arranged on the upper left and right of the torso unit 11, and leg units 14 A and 1 of the same configuration are provided on the lower right and left of the body unit 11, respectively. 4 B are mounted at predetermined positions.
  • the torso unit 11 is configured by connecting a frame 20 forming the upper trunk and a waist base 21 forming the lower trunk through a waist joint mechanism 22.
  • the motors M-1 and M-2 of the waist joint mechanism 22 fixed to the lower waist base 21 respectively, the upper trunk portion is orthogonal to the shaft axis 23 shown in FIG. Each of them can be independently rotated around the pitch axis 24.
  • the head unit 12 is attached to the center of the upper surface of a shoulder base 25 fixed to the upper end of the frame 20 via a neck joint mechanism 26. Evening, by driving M-3 and M-4 respectively, they can be independently rotated around the orthogonal pitch axis 27 and single axis 28 shown in Fig.3.
  • each of the arm units 13 A and 13 B is connected to the shoulder via a shoulder joint mechanism 29. Attached to the left and right sides of the base 25, the corresponding pitch joints 30 and the mouthpiece shown in FIG. Each of them can be independently rotated around the axis 31.
  • each of the arm units 13A and 13B is connected to the output shaft of the motor M-7 forming the upper arm by the motor M-8 forming the forearm via the elbow joint mechanism 32.
  • the forearms are connected to each other, and a hand 33 is attached to the tip of the forearm.
  • the forearm is rotated around the single shaft 34 shown in FIG. 3 by driving the motor M-7, and the motor M-8 is driven.
  • the forearm By driving the forearm, the forearm can be rotated around the pitch axis 35 shown in FIG.
  • leg units 14 A and 14 B are respectively attached to the lower base 21 of the lower trunk via the hip joint mechanism 36, and the respective modules of the corresponding hip joint mechanism 36 are provided.
  • the leg units 14 A and 14 B are respectively attached to the lower base 21 of the lower trunk via the hip joint mechanism 36, and the respective modules of the corresponding hip joint mechanism 36 are provided.
  • a frame 42 forming a lower leg is connected to a lower end of a frame 40 forming a thigh via a knee joint mechanism 41.
  • a foot 44 is connected to the lower end of the frame 42 via an ankle joint mechanism 43.
  • the lower leg is driven by the motor M-12 forming the knee joint mechanism 41 so that the lower leg is moved along the pitch axis 45 shown in FIG. It can be rotated around, and by driving the motors M-13 and M-14 of the ankle joint mechanism 43, respectively, the foot part 44 can be rotated perpendicularly to the pitch axis 45 and the roll axis shown in FIG. It is designed to be able to rotate independently around 46.
  • FIGS. Fig. 6 shows the structure of the joint mechanism 43.
  • the motor M 19 is fixed to the waist base 21 below the trunk.
  • the output shaft of the motor M-9 is connected to the output shaft of the motor M-10 via a U-shaped connecting member 50.
  • the shaped member 51 is fixed.
  • An articulation mechanism pulley 52 is rotatably attached to the U-shaped member 51, and one end of the upper end is fixed to the articulation mechanism pulley 52, and the other end of the upper end is rotatable to the member 51.
  • a frame 40 for forming the thighs of the leg units 14A and 14B so as to be attached to the vehicle is provided.
  • the hip joint mechanism 36 is fixed to the frame 40, and the pulley 53 attached to its output shaft is connected to the joint mechanism pulley 52 via the timing belt 54. ing.
  • the corresponding leg units 14A and 14B are respectively driven by driving the motors M-9 to M-11 to control the corresponding shaft units 37 and roll shafts 38, respectively. And can be independently driven to rotate around the pitch axis 39.
  • the position of each component is selected so that 38 and the pitch axis 39 passing through the center of rotation of the frame 40 intersect at one point in space.
  • the output shaft of the motor M-14 is fixed to the U-shaped connecting member 60 fixed to the foot 44.
  • a joint mechanism pulley 62 is fixed to a side surface of the motor M- 14 via a U-shaped member 61.
  • the lower end of the frame 42 which forms the lower leg of the leg unit 14A, 14B, is rotatably mounted at the center of the joint mechanism pulley 62. So that the end side is rotatably attached to the side surface of the connecting member 61 It is arranged.
  • a motor M-13 is fixed to the frame 42
  • a pulley 63 is fixed to an output shaft of the motor M-13
  • the pulley 63 and the joint mechanism pulley 63 are fixed. 2 are linked via a timing pelt 6 4.
  • the feet 44 are independently rotated about the roll axis 45 and the pitch axis 46 by driving the motors M-13 and M-14. It has been made possible.
  • the main control that controls the operation of the entire robot 10 is provided on the back side of the waist base 21, which forms the lower trunk of the trunk unit 11, as shown in FIG.
  • a control unit 72 in which a box 70, a peripheral circuit 71 such as a power supply circuit and a communication circuit, and a battery (not shown) are housed in a box is provided.
  • the control unit 72 is placed in each component unit (the body unit 11, the head unit 12, each arm unit 13 A, 13 B, and each leg unit 14 A, 14 B). It is connected to the sub-control units 73 A to 73 D provided respectively, and supplies necessary power supply voltage to these sub-control units 73 A to 73 D, It can communicate with the control units 73A to 73D.c Also, each sub-control unit 73A to 73D has the corresponding configuration as shown in Fig. 8. Each module in the unit is connected in parallel via M-1 to M_14 and two drive voltage supply cables 80, two control voltage supply cables 81 and one synchronous clock supply cable 82. And connected to each of these modules M-1 to M-14 via two serial communication cables 83 as described later. It is connected to each control board in a daisy chain system. Note that FIG. 8 shows the connection relationship between the sub-control units 74D in each leg unit 14A and 14B and each of the modules M-9 to M-14.
  • the main control unit 70 transmits the form of the robot 10 in various states such as “standing state” and “sit state”, and changes the state of the robot 10 from the state where the robot 10 is present to the state other than the above.
  • a predetermined time interval when transitioning to a state or performing a predetermined action such as a walking action for example,
  • a series of time-series forms are stored as rotation angles of the output shaft of each mode M— :! to M—14.
  • the main control unit 70 executes each of the modes M-1 to M in each of the series of forms stored as described above. — The rotation angle of the 14 output shaft is switched to the corresponding sub-controllers 74 A to 74 D while being switched in time series at the first time intervals described above.
  • each of the sub-control units 74 A to 74 D supplies a driving voltage supply line 80 to each corresponding module M— 1 to M— 14 based on the power supply voltage supplied from the control unit 72.
  • a power supply voltage for motor drive and a control voltage are supplied via a control voltage supply line 81 and a control voltage supply line 81, respectively.
  • each of the sub-control units 74 A to 74 D obtains the first angle based on the rotation angle of each of the motors M ⁇ 1 to M ⁇ 14 given at the first time interval from the main control unit 70.
  • n is an integer of 2 or more
  • each corresponding mode at each timing in the following, the interval is 1 [ms]).
  • each of the models is controlled so that the form of the robot 10 is sequentially matched with a series of time-series forms stored in the main control unit 70. Evening M-1 to M-14 are controlled so that various operations can be performed with predetermined movements and transitions to various states can be made.
  • each module M-1 to M-14 used in the robot 10 is shown in FIG.
  • the motor unit 90 generates a rotational torque
  • the torque amplifying unit 91 amplifies and outputs the rotational torque generated in the motor unit 90.
  • the evening part 90 is provided with a mouth-and-night shaft 94 that is rotatably supported by rotating bearings 93 A and 93 B inside the motor case 92.
  • Mouth The base body 95 and a ring-shaped mouth magnet 96 magnetized to four poles as shown in FIGS. 10 (B) and (C) are coaxially integrated to form the mouth 97 Are formed.
  • the torque amplifying section 91 has a gear case 100 detachably fixed to the tip of the motor case 92, as shown in FIGS. 9 and 13 (A) to (C).
  • a gear case 100 detachably fixed to the tip of the motor case 92, as shown in FIGS. 9 and 13 (A) to (C).
  • an annular internal gear 101, a sun gear 102 fixed to the end of the mouth shaft 94, an internal gear 101, and a sun gear 101 A planetary gear mechanism 104 composed of first to third planetary gears 103 A to 103 C arranged at a distance of 120 ° between 0 and 102 is provided inside the gear case 100.
  • each of the first to third planetary gears 103A to 103C of the planetary gear mechanism 104 is connected to a gearcase 105A to 105C, respectively.
  • the planetary gear mechanism 1 is fixed to an output shaft 106 rotatably disposed at the tip of the gear 100, and is thus provided with a rotational torque given from the motor portion 90 through the mouth shaft 94. 0 4 Through the output shaft 106 and output to the outside via the output shaft 106.
  • the torque amplifying unit 91 has an annular resin magnet 107 fixed to the output shaft 106 and an outer peripheral surface of the gear case 100 facing the outer peripheral surface of the resin magnet 107. There is provided a one-turn absolute angle sensor 109 composed of the fixed first and second Hall elements 108A and 108B.
  • the resin magnet 107 is magnetized so that the magnetic flux density 0 ( ⁇ g) changes in two poles and around one circumference as shown in FIG. 14, and as shown in FIG. 13 (A). Fixed to output shaft 106.
  • the first and second Hall elements 108 A and 108 B are 90 [as shown in FIG. 13B. ] Is fixed to the outer peripheral surface of the gear case 100 with the above phase difference.
  • the rotation angle of the output shaft 106 is determined by the first and second Hall elements 108A and 108B associated with the rotation of the output shaft 106.
  • ( ⁇ g) and cos ( ⁇ g) can be output as first and second single-rotation absolute angle sensor signals S 1 A and S 1 B having waveforms given by cos ( ⁇ g).
  • the motor case 90 of the motor unit 90 has a mouth-axis magnetic pole angle sensor 100 that detects the magnetic pole angle of the mouth shaft 94.
  • a power board 112 for supplying a drive current to each of the coils 99A to 99F of the motor unit 90 is stored under the control of the power supply.
  • the mouth-to-shaft magnetic pole angle sensor 110 is composed of a resin magnet 113 fixed to the front end face of the mouth-to-mouth base 95 of the mouth 97, and a first magnet mounted on the control board 111. To the fourth hole element 114 A to 114 D. And resin magnet 1 1 As shown in FIGS. 10 (B) and (C), the magnet 3 is magnetized to the same four poles as the magnet 96 of the mouth 97, and has the same phase as the magnet 96 of the mouth. It is fixed to the base 95.
  • the first to fourth Hall elements 114A to 114D are concentric with the orifice axis 94 and the first and second Hall elements 114A and 114D.
  • B is 180 ° and the third and fourth Hall elements 114C and 114D are 45 ° in the same direction as the first and second Hall elements 114A and 114B. It is mounted on the control board 111 so that it is located at a position where the phase is shifted.
  • the magnetic pole angle of the mouth-and-shaft shaft 94 is changed to the first to fourth by rotating the resin magnet 113 that rotates integrally with the roller shaft 94.
  • a change in magnetic flux density at the position where the Hall elements 114A to 114D are disposed can be detected.
  • the magnetic pole angle of the mouth / night shaft 94 is an angle obtained by multiplying the mechanical rotation angle of the mouth / night shaft 94 by half the number of magnetic poles of the mouth / night magnet 96.
  • the magnet 96 is magnetized to four poles, so that the magnetic angle ranges from 0 to 27 °.
  • the control board 111 has a one-chip microcomputer 115 on one side of the printed wiring board formed in a ring shape.
  • a crystal oscillator 116 for generating a CPU clock is mounted, and on the other side, the first to fourth Hall elements 114 A to 114 D of the above-mentioned mouth-to-mouth rotation angle sensor 110, and a temperature It is configured by mounting a sensor 117.
  • the control board 111 is connected to the outputs of the first and second Hall elements 114 A 114 B in the mouth-to-mouth magnetic pole angle sensor 110 and the third and fourth Hall elements.
  • the outputs of 114 C and 114 D are added via first and second subtraction circuits 118 A and 118 B, respectively, and the first and second mouth-to-center magnetic pole angle sensor signals S 2 A, S 1B is taken into the 1-chip microcombiner 1 15 as 2 B, and the cable 1 19 (Fig. 9) is sent from the 1-turn absolute angle sensor 109 (Fig. 9, Fig. 13 (C)).
  • the first and second one-rotation absolute angle sensor signals S 1 A and S 1 B supplied via a single-chip microcombiner 115 can be taken in.
  • control board 111 is provided with corresponding sub-control units 74 A to 74 D through two control power supply lines and two drive power supply lines included in the second cable 120. 8), so that the one-chip microcomputer 115 receives various power supply voltages via the second cable 120, and the corresponding sub-control units 74A to 74D Communication can be performed.
  • the one-chip microcomputer 115 outputs the output shaft 106 (FIG. 9) given from the sub-control units 74 A to 74 D every 1 ms via the second cable 120. ),
  • the specified values of the rotation angle, the rotation speed, and the rotation torque (hereinafter referred to as the specified rotation angle, the specified rotation speed, and the specified rotation torque, respectively) and the first and second one-turn absolute angle sensor signals S 1 A, SIB, first and second row shaft magnetic pole angle sensor signals S 2 A, S 2 B, and first to third drive current detection supplied from power board 112 as described later
  • the values of the drive currents to be applied to the U-phase, V-phase and W-phase coils 99A to 99F, respectively (hereinafter referred to as first to 3) and calculate the first to third current command values via the third cable 1 2 1 through the power board 1.
  • the power board 112 has a coil drive block 122 shown in FIG. 18 on one side of a ring-shaped printed wiring board. It is configured by mounting a plurality of power transistor chips 123 to be formed.
  • the coil drive pro- gram 122 is configured to control the U-phase, V-phase of the module 90 based on the first to third current command values given from the one-chip microcom- puter 115 of the control board 111. By applying a drive current of a magnitude corresponding to the corresponding first to third current command values to the respective phase-phase and W-phase coils 99 A to 99 F, the motor 90 Evening 9 is driven to rotate.
  • the third cable 121 detects the magnitude of the drive current applied to each of the filters 99A to 99F and uses the detection results as the first to third drive current detection signals S3A to S3C 121 (Fig. 9). To the control board 111 via the
  • M- :! In Ml4, the designated rotation angles given from the sub-control units 74A to 74D are controlled by the control circuit including the one-chip microcomputer 115 on the control board 111 and the coil drive block 122 on the power board 112.
  • the motor section 90 is driven in accordance with the designated rotation speed or designated rotation torque.
  • the one-chip microcomputer 115 includes an arithmetic processing block 128, a register 129, a low-axis rotation angle detection processing block 130, a torque-one three-phase current signal conversion processing block 131, and a current It comprises a control processing block 132 and first to fourth analog / digital conversion circuits 133 to 136.
  • the first to third drive current detection signals S3A to S3C provided from the PC board 112 are digitally converted in a first analog / digital conversion circuit 133, respectively.
  • the obtained first to third drive current detection data D 3 A and D 3 B are supplied to the current control processing block 132, and the first to third drive current detection data D 3 A , D3B is stored in Reg.
  • the first and second one-turn absolute angle sensor signals S1A and S1B supplied from the one-turn absolute angle sensor 109 are provided. Is digitized in a third analog / digital conversion circuit 135, and the obtained first and second one-turn absolute angle sensor data D 1A and D IB are stored in a register 129.
  • the first and second subtraction circuits 1 The first and second mouth-to-mouth magnetic pole angle sensor signals S 2 A and S 2 B based on the output of the mouth-to-mouth magnetic pole angle sensor 110 given from 18A and 118B (FIG. 17) are output to the second analog /
  • the digital-to-digital conversion circuit 134 performs digital-to-digital conversion and obtains the first and second mouth-to-shaft magnetic pole angle sensor data D 2 A and D 2 B for the mouth-to-shaft rotation angle detection processing block 130. To enter.
  • the magnetic pole rotation angle of the shaft 24 is determined. (Hereinafter, this is called the mouth-to-shaft shaft magnetic pole rotation angle.) Pml and the magnetic pole angle 0p are detected. The signal is sent to the signal conversion processing block 131.
  • the magnetic pole rotation angle of the mouth-to-night shaft 94 (the mouth-pole-axis magnetic pole rotation angle Pml) is the resin magnet detected by the first to fourth Hall elements 114A to 114D as the mouth-to-night shaft 94 rotates. 1 13
  • the angle at which the magnetic pole change by a pair of adjacent N and S poles is one cycle (0 to 2 ⁇ ).
  • the rotation angle Pml of the rotatable shaft magnetic pole has a value in the range of 0 to 47 °.
  • the arithmetic processing block 128 calculates the first and second single-rotation absolute angle sensor data D 1 A and D 1 B and the low-axis magnetic pole rotation angle Pml stored in the register 129 in this manner, Based on the specified rotation angle, specified rotation speed, or specified rotation torque given by the control unit, a target rotation torque (hereinafter, referred to as a target rotation torque) T 0 is calculated, and the calculation result is registered in a register. To be stored.
  • the target rotation torque TO is calculated every 1 [ms] when the specified rotation angle, the specified rotation speed, or the specified rotation torque is given from the sub-control unit.
  • the target torque TO is sequentially read from the register 129 by the torque-three-phase current signal conversion processing block 13 1.
  • the torque-to-three-phase current signal conversion processing block 131 calculates the motor torque based on the target torque TO and the magnetic pole angle 0 p of the mouth-to-night shaft 94 given from the rotatable shaft rotation angle detection processing block 130.
  • Department Calculate Wr from the above-mentioned third to third current command values Ur and ⁇ representing the drive current values to be applied to the U-phase, V-phase, and W-phase coils 99 A to 99 F at 90, respectively. This is sent to the current control processing block 132.
  • the current control processing block 132 receives the first to third current command values Ur and Vr s Wr provided from the torque-three-phase current signal conversion processing block 13 1 and the first analog digital conversion circuit 133. Based on the first to third drive current detection data D3A to D3C, the first to third current command values Ur, Vr, and Wr include a predetermined process including a compensation process for voltage fluctuations. After performing the signal processing of this, it is subjected to PWM (pulse width modulation) modulation, and the obtained first to third PWM signals S4A to S4C are converted to a third cable l2 1 This is sent to the coil drive block 121 of the power board 112 through the.
  • PWM pulse width modulation
  • the third cable 121 is provided with two lines for the first to third PWM signals S4A to S4C, respectively.
  • the current control processing block 132 transmits the first to third PWM signals S 4A to S 4C to the power substrate 1 12 via one of the first lines.
  • S 4 A to S 4 C (hereinafter referred to as first to third reference signals).
  • S5A to S5C are sent to the coil drive block 122 of the power board 112 via the other second lines.
  • the current control processing block 132 transmits the first to third PWM signals S 4 A to S 4 C via the second line, respectively, to the coil driving block of the power board 112.
  • the first to third reference signals S5A to S5C are transmitted to the coil driving block 122 of the power board 112 via the respective first lines.
  • each of the U-phase, V-phase, and W-phase coils 99A to 99F corresponds to four amplifiers 138A to 138C, respectively.
  • the first lines of the U-phase, V-phase and W-phase correspond to the first and third gate drive circuits 139A to 139C, respectively.
  • the first to third inverter circuits 140A to 140C corresponding to the amplifiers 138A and 138C respectively correspond to the bases of the second PNP transistor TR2 and the first NPN transistor TR3.
  • the second and fourth amplifiers 138B of the first to third gate drive circuits 10A to 140C are connected to the base, and the second lines of the U phase, the V phase, and the W phase 138D respectively connected to the bases of the corresponding second PNP transistors TR2 of the first to third circuit circuits 140A to 140C and the bases of the first NPN transistors TR4. I have.
  • the U-phase, V-phase, and W-phase coils 99A to 99F of the motor section 90 correspond to the first to third inverter circuits 14OA to 140C corresponding to the first to third coils, respectively.
  • the midpoint of connection between the collector of the PNP transistor TR1 and the collector of the first NPN transistor TR3, and the midpoint of connection between the collector of the second PNP transistor TR2 and the collector of the second NPN transistor TR4 Is connected between.
  • the first to third PWM signals S 4 A to S 4 given via the first or second line are provided for each of the U, V, and W phases.
  • C is converted into analog waveform drive currents I u, I v, and I w in the corresponding first to third inverter circuits 140 A to 140 C, respectively, and these are respectively converted into the corresponding U-phase, V-phase, and It can be applied to each of the W-phase coils 99A to 99F.
  • the magnitudes of the driving currents I ⁇ 1, Iv, and Iw supplied to the U-phase, V-phase, and W-phase coils 99A to 99F are determined by the first to third inputs.
  • the current is detected by a current sensor 141 including a coil provided in each of the circuit circuits 140 A to 140 C.
  • the detection result is the first to third first to third drive current detection signals S 3 as described above.
  • the signals are transmitted to the first analog / digital conversion circuit 133 (FIG. 19) of the one-chip microcomputer 115 of the control board 111 as A to S 3 C.
  • the arithmetic processing block 128 includes a CPU (Central Processing Unit) 148, a ROM (Read Onl Memor) 149 storing various programs, and a RAM (Random Access Memory) as a work memory of the CPU 148. ry) 150, the serial communication I / O circuit 152, which is an I / O interface circuit between the corresponding sub-controller 73 and 73A-73D, and one [ms] cycle for servo interrupt From the servo interrupt signal generation circuit 153 and the servo interrupt signal generation circuit 153 that generates the PWM interrupt signal S10 and the PWM pulse signal S11 having a PWM cycle of 50 [ ⁇ m].
  • a CPU Central Processing Unit
  • ROM Read Onl Memor
  • RAM Random Access Memory
  • a watchdog signal generation circuit 154 that generates a watchdog signal S12 having a predetermined period equal to or longer than 1 [ms] period for the CPU 148 to detect whether the servo interrupt signal S10 is generated correctly is provided. It is configured by being mutually connected via a CPU bus 155.
  • the CPU 148 receives the control voltage (5 [V]) from the corresponding sub-controllers 73A to 73D, and then, based on the initial program stored in the ROM 149, the serial communication input / output circuit 152, Counting / evening.
  • Control circuit 153, mouth-to-night shaft rotation angle detection processing block 130, torque-three-phase current signal conversion processing block 131, current control processing block 132, etc. Performs startup processing.
  • the CPU 148 outputs the counter interrupt signal S10 given from the control circuit 153 and the corresponding signal stored in the ROM 149.
  • the motor rotation control calculation processing to generate the target rotation torque TO as described above, the serial communication control processing with the corresponding sub-controllers 73A to 73D, etc. are performed in a time-sharing cycle of 1 ms. To run.
  • the CPU 148 operates based on the servo interrupt signal S10 given from the counter / timer / control circuit 153 and the corresponding program stored in the ROM 49.
  • the motor rotation control arithmetic processing, serial communication control processing, and the like are executed in a time-sharing manner at a cycle of 1 [ms].
  • processing of the CPU 148 in these processing modes will be described.
  • Processing of the CPU 148 in the motor rotation control calculation processing mode is performed by the corresponding sub-controllers 73A to 73D as described above. It is to calculate a target rotation torque T 0 according to the specification of the specified rotation position, the specified rotation speed, or the value of the specified rotation torque given every [ms].
  • the CPU 148 stores the target rotation torque T0 in the register 129 by the rotatable shaft rotation angle detection processing block 130 when the designated rotational position Pref is given from the corresponding sub-controllers 73A to 73D.
  • the rotational position Pm of the output shaft 94 (Fig. 9) is calculated based on the magnetic pole rotation angle Pm
  • Vmref (Pre /-Pm) x Kpp (1)
  • the target rotation torque T 0 is calculated by executing the calculation of S.
  • the target rotation torque TO is calculated.
  • the designated rotation torque Tref is given from the sub-control units 73A to 73D, the designated rotation torque Tref is used as it is as the target rotation torque T0.
  • S represents a Laplace operator
  • Kpp, ⁇ Vi, and Kvp each represent a control gain parameter set by the sub control unit.
  • FIG. 20 shows a specific processing procedure of the CPU 148 in the above-described overnight rotation control calculation processing mode.
  • the CPU 148 When the designated rotation angle Pref is given from the sub-control units 73A to 73D, the CPU 148 first sends the first and second absolute angle sensor data stored in the register 129 to the first and second D1A and D1B. Based on this, the magnetic pole rotation speed Nm of the shaft 94 (hereinafter referred to as the shaft rotation speed) Nm is calculated (step SP 1).
  • the rotation speed Nm of the rotor shaft magnetic pole Nm is the resin magnet 1 13 detected by the first to fourth Hall elements 114A to 114D of the rotor shaft magnetic pole angle sensor 110 along with the rotation of the rotor shaft 94. Magnetic flux change due to a pair of adjacent N and S poles Rotation speed.
  • the resin magnet 113 since the resin magnet 113 is magnetized into four poles, the number Nm of rotations of the magnetic pole of the mouth-to-night shaft becomes 2 when the mouth-to-night shaft 94 makes one rotation mechanically.
  • the rotor shaft magnetic pole rotation speed Nm is obtained by the first and second single-rotation absolute angle sensor signals Sin0g and cos (g, respectively, according to the rotor shaft magnetic pole rotation speed detection processing procedure shown in FIG.
  • the phase 6> g of 1A and SIB is calculated by software processing based on the first and second absolute angle sensor data D1A and DIB stored in the register 41 (step SP1A),
  • This phase 0 is multiplied by the gear ratio N of the planetary gear mechanism 16 of the torque amplifier 3 (step SP 1 B), the result of the multiplication is divided by 2 ⁇ , and the integer part of the result of the division is expressed as an integer. It can be obtained by multiplying the half value Np of the number of magnetic poles (4 in this embodiment) of the resin magnet 113 of the evening magnetic pole angle sensor 110 (FIG. 9) (step SP 1 C).
  • the CPU 148 calculates the mouth-to-night shaft magnetic pole rotation speed Nm calculated in this way and the mouth-to-night shaft magnetic pole rotation angle data P m 1 stored in the register 129.
  • the CPU 148 detects an error Pe (hereinafter, referred to as a rotation angle error) Pe with respect to the specified rotation angle P ref by subtracting the rotation angle P m from the specified rotation angle P ref (step SP3). Subsequently, the CPU 148 calculates a target rotation angle Vmref for the specified rotation angle Pref by multiplying the rotation angle error Pe by the proportional gain Kpp (step SP4).
  • a rotation angle error an error Pe
  • the CPU 148 calculates the rotation speed Vm of the output shaft 106 at that time by differentiating the rotatable shaft magnetic pole rotation angle P ml stored in the register 129 (step SP5), and thereafter calculates the rotation speed Vm in step SP4. to calculate a more speed error Ve to subtracting the rotational speed Vm calculated in step SP 5 from the target rotational speed Vmr ef that (step SP6) 0
  • the CPU 148 calculates the speed error Ve as follows:
  • step S ⁇ 7 and step S ⁇ 8 The speed integral gain and the proportional gain Kvp given by S are sequentially multiplied (step S ⁇ 7 and step S ⁇ 8). Thereby, the target rotation torque ⁇ 0 can be obtained.
  • the CPU 148 starts this processing from step SP6 when the designated rotation speed Vref is given from the sub-control units 73A to 73D, and gives the rotation torque Tref. If it is set, it is stored as it is as the target rotation torque TO in Regis 129.
  • ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ + ⁇ + (8)
  • ⁇ 0 represents a constant coefficient value when drive currents Iu, Iv, and Iw are applied to each of the coils 99 ⁇ to 99F.
  • the sub-control unit 73D of each leg unit 14A, 1B enables the robot 10 to walk correctly without losing balance even when the walking road surface is uneven.
  • an irregular terrain walking control process for controlling each of the models M-13 and M-14 of the ankle joint mechanism 43 is performed o
  • such irregular terrain walking control processing is performed so that the back surface of the foot 44 contacting the pedestrian road surface is made to follow the inclination or unevenness of the pedestrian road surface (to be inclined in accordance with the inclination or unevenness of the pedestrian road surface).
  • This can be performed by controlling the rotation of each of the motors M-13 and M-14 of the ankle joint mechanism 43. And such control is based on the ankle joint mechanism 43 Of each motor M-13 and M-14 so that the external force applied to the output shaft 106 (Fig. 9) of M-13 and M-14 is always "0". This can be done by controlling the rotation.
  • the main control unit 70 receives the signals M--9 at the first time interval. Every time the target rotation angle of ⁇ M- 14 is given, especially for each model M- 13 and M- 14 of the ankle joint mechanism 43, an irregular terrain walking processing procedure RT shown in Fig. 22 is performed. According to No. 1, the above-mentioned irregular terrain walking control is performed.
  • each leg unit 14A, 14B sets the target of each module M-13, M-14 of the ankle joint mechanism 43 from the main control unit 70.
  • this irregular terrain walking processing procedure RT 1 is started in step SP 10, and in the following step SP 11, the ankle joint mechanism 43 given by the main control unit 70 in advance is executed.
  • the rotation angles to be set as the targets of each mode M—13 and M—14 and the target of these modes M—13 and M—14 given by the main control unit 70 this time From the rotation angle, the specified rotation angle, the specified rotation speed, or the control period of each motor M- 13 and M- 14 every 1 [ms], which is the control cycle of each motor M- 13 and M- 14 Calculate the specified rotation torque respectively.
  • the sub-control unit 73D determines the order of the designated rotation angle, designated rotation speed or designated rotation torque counted in the internal counter (that is, the designated rotation angle, designated rotation speed or Resets the count value that indicates the specified rotational torque (in some order of the 50 time series) to “0”.
  • step SP12 the sub-control unit 73D increases the force count value of the internal counter by 1, and then proceeds to step SP13 to correspond to the count value.
  • the specified rotation angle, specified rotation speed, or specified rotation torque is transmitted to each of the modes M-13 and M-14 of the ankle joint mechanism 43.
  • the sub-controller 73D communicates with each of the modules M-13 and M-14 of the ankle joint mechanism 43 from these modules M-13 and M-14, as described above, to the power board 1 12
  • the first to third drive current detection signals S3A to S3C (FIG. 18) output from the current sensors 71 (FIG. 18) of the coil drive blocks 140A to 140C (FIG. 18) in FIG.
  • the first to third drive current detection data D 3 A obtained by digital conversion in the first analog / digital conversion circuit 133 (FIG. 19) of the one-chip micro combination 115 (FIG. 19).
  • DD 3 C (FIG. 19).
  • the sub-control unit 73D supplies the first to third drive current detection data D3A to D3C in step SP14 to the first to third drive current detection data D3A to D3C supplied from the respective modules M-13 and M-14.
  • the third drive current detection data D 3 A to D 3 C are fetched, and in the following step SP 15, the ankle joint based on the first to third drive current detection data D 3 A to D 3 C Calculate the output torque Tm of each mode M-13 and M-14 of mechanism 43 at that time.
  • the sub-controller 73D proceeds to step SP16 and subtracts the torque Tg generated on the output shaft 106 of each motor M-13 and M-14 by its own weight at the time of the form stored in advance from this output torque Tm. Then, the torque generated on the output shaft 106 of each motor M-13 and M-14 due to the external force (hereinafter referred to as external force torque Tf) is calculated.
  • step SP17 determines whether or not the calculated value of the external torque Tf is “0” for each of the modules M-13 and M-14.
  • step SP17 means that, for example, the foot 44 is not touching the ground or the back surface of the foot 44 is touching the ground according to the inclination or unevenness of the walking road surface.
  • step SP 17 means that, for example, the back surface of the foot portion 44 is in contact with the ground without following the slope or unevenness of the walking road surface.
  • 7 4 D proceeds to step SP 18, so that the value of the external force torque T f applied to the output shaft 108 of M- 13 and M- 14 approaches the value “0”. Modification of the next specified rotation angle, specified rotation speed or specified rotation torque given to M-1 3 and M-14, return to step SP 12 and then step SP 2 every 1 [ms] The subsequent processing is performed in the same manner.
  • each leg unit 14A, 14B is controlled by the ankle joint mechanism 43, if necessary, as M--13, M-1. Correcting the specified rotation angle, specified rotation speed, or specified rotation torque given in 4 allows the robot to walk correctly on uneven terrain without losing balance.
  • the robot 10 can omit various sensors used for the control of walking on uneven terrain, which are conventionally used.
  • a control board 11 1 and a power board 1 12 for driving and controlling the motor unit 90 are housed inside each motor M- 1 to M- 14. Therefore, as shown in Fig. 8, all modules M-1 to M-14 can be connected to each sub-controller 73A to 73D via a total of seven cables. However, the amount of wiring for the entire robot can be reduced accordingly.
  • each of the modules M-1 to M-14 uses a module in which a module 90 and a torque amplifier 91 are integrated into a compact as shown in FIG. Therefore, as compared with the case where the motor part 90 and the torque amplifying part 91 are configured separately, each joint mechanism (waist joint mechanism 22, neck joint mechanism 26, shoulder joint mechanism 29, elbow)
  • each joint mechanism (waist joint mechanism 22, neck joint mechanism 26, shoulder joint mechanism 29, elbow)
  • the configurations of the joint mechanism 32, the hip joint mechanism 36, the knee joint mechanism 41, and the ankle joint mechanism 43) can be simplified, and the size of each joint mechanism (and the robot 10) can be reduced accordingly.
  • each walking unit M—13, M—1 of the ankle joint mechanism 43 of each leg unit 14A and 14B during the walking operation in the bipedal walking type robot 10.
  • the present invention is applied to the bipedal walking robot 10.
  • the present invention is not limited to this, and is widely applied to various other mouth bots. be able to.
  • the invention relating to the control of the joint mechanism of the present invention can be widely applied to a quadruped walking robot—other legged walking robot.
  • the invention of the present application in which the mobile control means is provided in the mobile unit as a driving source of each joint mechanism, can be widely applied to robots other than walking robots.
  • the invention relating to control of the joint mechanism of the present invention is described as the first link (first component) of the leg units 14A and 14B.
  • the invention is applied to the ankle joint 43 for connecting the lower leg and the foot 44 as the second link (second component), but the present invention is not limited to this.
  • the present invention can be widely applied to, for example, a wrist joint other than the ankle joint 43.
  • a current sensor 71 as current detecting means for detecting the drive currents Iv, Iu, Iw (FIG. 18) of the motors M-1 to M-14 is provided as shown in FIG.
  • E Torque due to external force applied to the output shaft 106 of M-13 and M-14 is provided in the sub-control unit 73D of each leg unit 14A, 14B.
  • the present invention is not limited to this, and such a function may be provided to the arithmetic processing block 128 (FIG. 19) in the modules M-13 and M-14.
  • control board 111 and the power board as motor control means for controlling the driving of the motor unit 90 of each of the motors M_1 to M-14 configured as shown in FIG.
  • the present invention is not limited to this, and various other configurations can be widely applied. Industrial applicability
  • the present invention can be applied to a biped walking robot II and other walking robots.

Landscapes

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Description

明 細 書 関節機構の制御装置及び方法、 関節装置、 並びにロボット装置及びその制御方法 技術分野
本発明は関節機構の制御装置及び方法、 関節装置、 並びにロボット装置及びそ の制御方法に関し、 例えば 2足歩行型ロボットに適用して好適なものである。 背景技術
従来、 2足歩行型ロボットにおいては、 胴体部ユニットに股関節機構を介して 一対の脚部ュニットが連結されることにより構成されている。 また各脚部ュニッ トは、 大腿部及び下腿部を膝関節機構を介して連結すると共に下腿部に足首関節 機構を介して足部が連結されることにより形成されている。
そしてかかる 2足歩行型ロボットでは、 各関節機構に必要な自由度数分のァク チユエ一夕 （通常は AC (Al t e rnat i ng Cur r e nt) サ一ボモ —夕であり、 以下においてはモ一夕であるものとする） が組み込まれおり、 これ ら各関節機構の各モ一夕をそれぞれ個別に駆動制御して各脚部ュニットを所定パ 夕一ンで駆動することによりロボッ ト全体として歩行動作を行い得るようになさ れている。
ところでかかる 2足歩行型ロボットでは、 足首関節機構や足部に圧力センサ、 傾斜角センサ、 加速度センサ及びマイクロスィツチ等の種々のセンサが配設され ている。 そしてかかる 2足歩行型ロボットでは、 歩行動作時、 これらセンサの出 力に基づいて足部の裏面が常に歩行路面に倣うように足部の傾きを制御すること により、 歩行路面が傾斜や凹凸を有する不整地面であつた場合においても安定し て歩行動作を行い得るように構築されている。
ところが実際にこのようなセンサを足首関節機構や足部に取り付けた場合、 当 該センサの重量分だけロボット全体の重量が増加すると共に、 これらセンサを口 ボット内部の制御系と電気的に接続するための配線も必要となってロボット全体 としての構成が煩雑となる問題があった。 またセンサを取り付けた場合には、 口 ボット内部の制御系においてセンサ情報をソフトウエア的に処理する必要があり 、 その分歩行制御が煩雑となる問題があった。
また従来の 2足歩行型ロボットでは、 例えば図 2 3に示すように、 ロボット全 体の動作制御を司るメイン制御部 1が多軸コントローラ 2を介して各モ一夕 3 ( 3— 1〜3— n ) と接続され、 メイン制御部 1から出力される制御指令に基づい て多軸コントロ一ラ 2が各モ一夕 3をそれぞれ個別に指定された状態に制御する ように構成されている。
ところがかかる 2足歩行型ロボッ トでは、 多軸コントローラ 2及びモー夕 3を 接続するケーブルとして、 回転駆動用に 3本（U相、 V相及び W相）、 回転位置セ ンサ用に 4本（A相、 B相及び Z相）、 A B S位置シリアル信号用に 1本の合計 7 本のケーブル 4を必要とし、 このためロボット全体としての配線量が多いことか ら構成が煩雑となる問題があつた。 発明の開示
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、 構成を簡易化し得る関節機構の 制御装置及び方法、 関節装置、 並びにロボット装置及びその制御方法を提案しよ うとするものである。
かかる課題を解決するため本発明においては、 関節機構の制御装置において、 関節機構を駆動するァクチユエ一夕の駆動電流の電流値を検出する電流検出手段 と、 電流検出手段により検出された電流値に基づいて、 ァクチユエ一夕の出力軸 に与えられる外力によるトルクの大きさを検出する外力トルク検出手段とを設け るようにした。
この結果この制御装置では、 センサ等を必要とすることなく第 1又は第 2のリ ンクに与えられる外力を求めることができる。 かくするにっきこの外力を直接測 定するためのセンサ等の設置を省略させて、 全体としての構成を簡易化させ得る 関節機構の制御装置を実現できる。
また本発明においては、 関節機構の制御方法において、 関節機構を駆動するァ クチユエ一夕の駆動電流の電流値を検出する第 1のステップと、 検出した電流値 に基づいて、 ァクチユエ一夕の出力軸に与えられる外力によるトルクの大きさを 検出する第 2のステップとを設けるようにした。
この結果この制御方法によれば、 センサ等を必要とすることなく第 1又は第 2 のリンクに与えられる外力を求めることができる。 かくするにっきこの外力を直 接測定するためのセンサ等の設置を省略させて、 関節機構全体としての構成を簡 易化させ得る関節機構の制御方法を実現できる。
さらに本発明においては、 ロボット装置において、 関節機構のァクチユエ一夕 の駆動電流の電流値を検出する電流検出手段と、 電流検出手段により検出された 電流値に基づいて、 ァクチユエ一夕の出力軸に与えられる外力によるトルクの大 きさを検出する外力トルク検出手段とを設けるようにした。
この結果このロボット装置では、 センサ等を必要とすることなく第 1又は第 2 の構成部に与えられる外力を求めることができる。 かくするにっきこの外力を直 接測定するためのセンサ等の設置を省略させて、 全体としての構成を簡易化させ 得るロボット装置を実現できる。
さらに本発明においては、 ロボット装置の制御方法において、 ァクチユエ一夕 の駆動電流の電流値を検出する第 1のステップと、 検出した電流値に基づいて、 ァクチユエ一夕の出力軸に与えられる外力によるトルクの大きさを検出する第 2 のステップとを設けるようにした。
この結果このロボット装置の制御方法によれば、 センサ等を必要とすることな く第 1又は第 2の構成部に与えられる外力を求めることができる。 かくするにつ き外力を直接測定するためのセンサ等の設置を省略させて、 ロボット装置全体と しての構成を簡易化させ得るロボット装置の制御方法を実現できる。
さらに本発明においては、 2足歩行型のロボッ ト装置において、 足首関節機構 に設けられ、 駆動電流に応じた大きさの回転トルクを生成するァクチユエ一夕と 、 ァクチユエ一夕の駆動電流の電流値を検出する電流検出手段と、 電流検出手段 により検出された電流値に基づいて、 ァクチユエ一夕の出力軸に与えられる外力 によるトルクの大きさを検出する外力トルク検出手段と、 外力トルク検出手段の 検出結果に基づいて、 ァクチユエ一夕の出力軸に与えられる外力によるトルクが なくなるように、 ァクチユエ一夕を制御する制御手段とを設けるようにした。 この結果このロボット装置では、 センサ等を必要とすることなく不整地面をバ ランスを崩さずに歩行することができ、 かくして全体としての構成を簡易化させ 得るロボット装置を実現できる。
さらに本発明においては、 2足歩行型のロボット装置の制御方法において、 足 首関節機構に設けられ、 駆動電流に応じた大きさの回転トルクを生成するァクチ ユエ一夕の駆動電流の電流値を検出する第 1のステップと、 検出された電流値に 基づいて、 ァクチユエ一夕の出力軸に与えられる外力によるトルクの大きさを検 出する第 2のステップと、 第 2のステップの検出結果に基づいて、 ァクチユエ一 夕の出力軸に与えられる外力によるトルクがなくなるように、 ァクチユエ一夕を 制御する第 3のステツプとを設けるようにした。
この結果この制御方法によれば、 センサ等を必要とすることなく、 ロボット装 置に不整地面をバランスを崩さずに歩行させるようにすることができ、 かくして 全体としての構成を簡易化させ得るロボット装置の制御方法を実現できる。 さらに本発明においては、 関節装置において、 ァクチユエ一夕に回転トルクを 生成するモ一夕部と、 モー夕部を駆動制御するモ一夕制御手段とを設け、 モ一夕 制御手段をモ一夕部内に配設するようにした。
この結果この関節装置では、 ァクチユエ一夕と外部との配線量を格段的に低減 させることができ、 かくして構成を簡易化させ得る関節装置を実現できる。 さらに本発明においては、 ロボッ ト装置において、 関節機構を駆動するァクチ ユエ一夕に回転トルクを生成するモー夕部と、 モー夕部を駆動制御するモー夕制 御手段とを設け、 モー夕制御手段をモー夕部内に配設するようにした。
この結果このロボット装置では、 関節機構の各ァクチユエ一夕に対する配線量 を格段的に低減することができ、 かくして構成を簡易化させ得るロボット装置を 実現できる。 図面の簡単な説明
図 1は、 本実施の形態による 2足歩行型ロボッ卜の構成を示す斜視図である。 図 2は、 本実施の形態による 2足歩行型ロボットの構成を示す斜視図である。 図 3は、 本実施の形態による 2足歩行型ロボッ 卜の構成を示す概念図である。 図 4は、 それぞれ股関節機構の構成を示す正面図は及び側面図である。
図 5は、 それぞれ股関節機構の構成を示す上面図及び斜視図である。
図 6は、それぞれ足首関節機構の構成を示す側面図、正面図及び側面図である。 図 7は、 図 1に示す 2足歩行型ロボッ卜の内部構成を示すプロック図である。 図 8は、サブ制御部と各モー夕との電気的接続の様子を示すプロック図である。 図 9は、 各モ一夕の構成を示す断面図である。
図 1 0は、 口一夕及びロー夕軸磁極角度センサの構成を示す略線図である。 図 1 1は、 ロー夕及びステ一夕鉄心の位置関係の説明に供する部分的な断面図 である。
図 1 2は、 ステ一夕及びパワー基板の構成を示す略線図である。
図 1 3は、 トルク増幅部の構成を示す略線図である。
図 1 4は、 1回転絶対角度センサにおける樹脂マグネッ卜の着磁パターンの説 明に供する波形図である。
図 1 5は、 第 1及び第 2の 1回転絶対角度センサ信号の説明に供する波形図で ある。
図 1 6は、 制御基板の構成を示す略線的な平面図である。
図 1 7は、 制御基板の構成を示すブロック図である。
図 1 8は、 パヮ一基板の構成を示すブロック図である。
図 1 9は、 1チップマイクロコンビユー夕の構成を示すブロック図である。 図 2 0は、 モ一夕回転制御処理モード時における C P Uの演算処理の説明に供 するプロック図である。
図 2 1は、 口一夕軸磁極回転数検出処理手順を示すブロック図である。
図 2 2は、 不整地歩行制御手順を示すフローチャートである。
図 2 3は、 従来のロボットにおける各モ一夕とメイン制御部との接続関係を示 すプロック図である。 発明を実施するための最良の形態
以下図面について、 本発明の一実施の形態を詳述する。
( 1 ) 本実施の形態によるロボットの全体構成
図 1及び図 2において、 1 0は全体として本実施の形態による 2足歩行型の口 ボットを示し、 胴体部ュニット 1 1の上部に頭部ュニット 1 2が配設されると共 に、 当該胴体部ュニット 1 1の上部左右にそれぞれ同じ構成の腕部ュニット 1 3 A、 1 3 Bがそれぞれ配設され、 胴体部ュニット 1 1の下部左右にそれぞれ同じ 構成の脚部ュニット 1 4 A、 1 4 Bがそれぞれ所定位置に取り付けられることに より構成されている。
胴体部ユニット 1 1においては、 体幹上部を形成するフレーム 2 0及び体幹下 部を形成する腰ベース 2 1が腰関節機構 2 2を介して連結することにより構成さ れており、 体幹下部の腰ベース 2 1に固定された腰関節機構 2 2の各モー夕 M— 1、 M— 2をそれぞれ駆動することによって、 体幹上部を図 3に示す直交する口 ール軸 2 3及びピッチ軸 2 4の回りにそれぞれ独立に回転させることができるよ うになされている。
また頭部ュニット 1 2は、 フレーム 2 0の上端に固定された肩ベース 2 5の上 面中央部に首関節機構 2 6を介して取り付けられており、 当該首関節機構 2 6の 各モ一夕 M— 3、 M— 4をそれぞれ駆動することによって、 図 3に示す直交する ピッチ軸 2 7及びョ一軸 2 8の回りにそれぞれ独立に回転させることができるよ うになされている。
さらに各腕部ユニット 1 3 A、 1 3 Bは、 それぞれ肩関節機構 2 9を介して肩 ベース 2 5の左右に取り付けられており、 対応する肩関節機構 2 9の各モ一夕 M — 5、 M— 6をそれぞれ駆動することによって図 3に示す直交するピッチ軸 3 0 及び口一ル軸 3 1の回りにそれぞれ独立に回転させることができるようになされ ている。
この場合各腕部ユニット 1 3 A、 1 3 Bは、 それぞれ上腕部を形成するモー夕 M— 7の出力軸に肘関節機構 3 2を介して前腕部を形成するモ一夕 M— 8が連結 され、当該前腕部の先端に手部 3 3が取り付けられることにより構成されている。 そして各腕部ュニット 1 3 A、 1 3 Bでは、 モ一夕 M— 7を駆動することによ つて前腕部を図 3に示すョ一軸 3 4の回りに回転させ、 モ一夕 M— 8を駆動する ことによって前腕部を図 3に示すピヅチ軸 3 5の回りにそれぞれ回転させること ができるようになされている。
一方、 各脚部ユニット 1 4 A、 1 4 Bは、 それぞれ股関節機構 3 6を介して体 幹下部の腰べ一ス 2 1にそれぞれ取り付けられており、 それぞれ対応する股関節 機構 3 6の各モ一夕 M— 9〜M— 1 1をそれぞれ駆動することによって、 図 3に 示す互いに直交するョ一軸 3 7、 口一ル軸 3 8及びピッチ軸 3 9の回りにそれぞ れ独立に回転させることができるようになされている。
この場合各脚部ユニット 1 4 A、 1 4 Bは、 それぞれ大腿部を形成するフレー ム 4 0の下端に膝関節機構 4 1を介して下腿部を形成するフレーム 4 2が連結さ れると共に、 当該フレーム 4 2の下端に足首関節機構 4 3を介して足部 4 4が連 結されることにより構成されている。
これにより各脚部ュニヅ ト 1 4 A、 1 4 Bにおいては、 膝関節機構 4 1を形成 するモー夕 M— 1 2を駆動することによって、 下腿部を図 3に示すピッチ軸 4 5 の回りに回転させることができ、 また足首関節機構 4 3のモー夕 M— 1 3、 M— 1 4をそれぞれ駆動することによって足部 4 4を図 3に示す直交するピッチ軸 4 5及びロール軸 4 6の回りにそれぞれ独立に回転させることができるようになさ れている。
なおこのロボット 1 0の股関節機構 3 6の構成を図 4及び図 5に示し、 足首関 節機構 4 3の構成を図 6に示す。
図 4及び図 5からも明らかなように、 各股関節機構 3 6においては、 モ一夕 M 一 9が体幹下部の腰ベース 2 1に固定されている。 そしてこのモー夕 M— 9の出 力軸には、 コ字状の連結部材 5 0を介してモー夕 M— 1 0の出力軸が連結され、 当該モー夕 M— 1 0の側面にコ字状部材 5 1が固定されている。
またこのコ字状部材 5 1には関節機構プーリ 5 2が回転自在に取り付けられる と共に、 当該関節機構プーリ 5 2にその上端の一端側が固定され、 かつ上端の他 端側が部材 5 1に回転自在に取り付けられるようにして脚部ュニット 1 4 A、 1 4 Bの大腿部を形成するフレーム 4 0が配設されている。
そして股関節機構 3 6のモ一夕 M— 1 1はフレーム 4 0に固定されており、 そ の出力軸に取り付けられたプーリ 5 3がタイミングベルト 5 4を介して関節機構 プーリ 5 2と連結されている。
これにより股関節機構 3 6においては、 各モ一夕 M— 9〜M— 1 1を駆動する ことによって対応する脚部ユニット 1 4 A、 1 4 Bをそれぞれョ一軸 3 7、 ロー ル軸 3 8及びピッチ軸 3 9の回りにそれぞれ独立に回転駆動することができるよ うになされている。
なおこの実施の形態においては、 股関節機構 3 6のモー夕 M— 9の出力軸の中 心を通るョ一軸 3 7と、 モ一夕 M— 1 0の出力軸の中心を通る口一ル軸 3 8と、 フレーム 4 0の回転中心を通るピッチ軸 3 9とが空間上の一点で交差するように 各部品の位置が選定されている。
また足首関節機構 4 3においては、 図 6において明らかなように、 足部 4 4に 固定されたコ字状の連結部材 6 0にモ一夕 M— 1 4の出力軸が固定されている。 そしてモー夕 M— 1 4の側面にはコ字状部材 6 1を介して関節機構プーリ 6 2が 固着されている。
そして上述した脚部ュニヅト 1 4 A、 1 4 Bの下腿部を形成するフレーム 4 2 は、 その下端の一端側が関節機構プーリ 6 2の中心位置に回転自在に取り付けら れ、 当該下端の他端側が連結部材 6 1の側面に回転自在に取り付けられるように して配設されている。
さらにこのフレーム 4 2にはモ一夕 M— 1 3が固定されると共に、 当該モー夕 M - 1 3の出力軸にはプーリ 6 3が固定され、 当該プーリ 6 3及び関節機構プ一 リ 6 2がタイミングペルト 6 4を介して連結されている。
これによりこの足首関節機構 4 3では、 各モー夕 M— 1 3、 M— 1 4を駆動す ることによって足部 4 4をロール軸 4 5及びピッチ軸 4 6の回りにそれぞれ独立 に回転させることができるようになされている。
一方、 このロボット 1 0の場合、 胴体部ュニット 1 1の体幹下部を形成する腰 ベース 2 1の背面側には、 図 7に示すように、 当該ロボット 1 0全体の動作制御 を司るメイン制御部 7 0と、 電源回路及び通信回路などのその周辺回路 7 1と図 示しないバッテリとなどがボックスに収納されてなる制御ュニット 7 2が配設さ れている。
そしてこの制御ュニット 7 2は、 各構成ュニヅト （胴体部ュニヅト 1 1、 頭部 ユニット 1 2、 各腕部ユニット 1 3 A、 1 3 B及び各脚部ユニット 1 4 A、 1 4 B ) 内にそれぞれ配設された各サブ制御部 7 3 A〜7 3 Dと接続されており、 こ れらサブ制御部 7 3 A〜7 3 Dに対して必要な電源電圧を供給したり、 これらサ ブ制御部 7 3 A〜7 3 Dと通信を行ったりすることができるようになされている c また各サブ制御部 7 3 A〜 7 3 Dは、 それぞれ図 8に示すように、 対応する構 成ュニット内の各モー夕 M— 1〜M _ 1 4と 2本の駆動用電圧供給ケーブル 8 0 、 2本の制御用電圧供給ケーブル 8 1及び 1本の同期クロック供給ケーブル 8 2 を介して並列的に接続されると共に、 2本のシリアル通信用ケーブル 8 3を介し て後述のようにこれら各モー夕 M— 1〜M— 1 4内にそれぞれ収納された各制御 基板とディジーチェーン方式で接続されている。 なおこの図 8においては、 各脚 部ュニヅト 1 4 A、 1 4 Bにおけるサブ制御部 7 4 Dと各モ一夕M—9〜M— 1 4の接続関係を示している。
このときメイン制御部 7 0は、 このロボット 1 0の 『立った状態』及び『座つ た状態』 などの各種状態のフォームや、 当該ロボット 1 0がある状態から他の状 態に遷移する際や、 歩行動作等の所定の動作を行う際の所定の時間間隔 （例えば
0.5秒、 以下、 これを第 1の時間間隔と呼ぶ） ごとの時系列な一連のフォームを 各モー夕 M—：!〜 M— 1 4の出力軸の回転角度として記憶している。
そしてメイン制御部 7 0は、 このロボット 1 0に状態を遷移させたり動作を行 わせたりする際には、 上述のように記憶している一連の各フォームにおける各モ 一夕 M— 1〜M— 1 4の出力軸の回転角度を、 上述の第 1の時間間隔ごとに時系 列順に切り換えながら、 対応するサブ制御部 7 4 A〜7 4 Dに送出するようにな されている。
一方、 各サブ制御部 7 4 A〜 7 4 Dは、 制御ユニット 7 2から供給される電源 電圧に基づいて対応する各モ一夕 M— 1〜M— 1 4に駆動用電圧供給ライン 8 0 及び制御用電圧供給ライン 8 1をそれぞれ介してモー夕駆動用の電源電圧や制御 用電圧を供給する。
また各サブ制御部 7 4 A〜7 4 Dは、 上述のようにメイン制御部 7 0から第 1 の時間間隔で与えられる各モータ M— 1〜M— 1 4の回転角度から、 当該第 1の 時間間隔を n ( nは 2以上の整数） 等分した場合における各タイミング （以下に おいては 1 〔m s〕 間隔とする） ごとの対応する各モ一夕 M—；！〜 M— 1 4の回 転角度、 回転速度又は回転トルクをそれぞれ算出し、 算出結果に基づいてこれら 各モ一夕 M— 1〜M— 1 4を制御する。
このようにしてこのロボッ ト 1 0においては、 動作時、 当該ロボヅ ト 1 0のフ オームをメイン制御部 7 0が記憶している時系列の一連の各フォームと順次一致 させるように各モ一夕 M— 1〜M— 1 4の回転を制御するようになされ、 これに より予め定められた動きで各種動作を行ったり、 各種状態に遷移することができ るようになされている。
( 2 ) モ一夕 M— 1〜M— 1 4の構成
( 2 - 1 ) モ一夕 M— 1〜M— 1 4の全体構成
ここでこのロボット 1 0に用いられている各モ一夕 M— 1〜M— 1 4の構成に ついて説明する。 このロボヅト 1 0の各モー夕 M— 1〜M— 1 4は、 図 9に示す ように、 回転トルクを発生させるモー夕部 9 0と、 当該モー夕部 9 0において発 生された回転トルクを増幅して出力するトルク増幅部 9 1とから構成されている c この場合モ一夕部 9 0は、 モ一夕ケース 9 2の内部に回転軸受け 9 3 A、 9 3 Bにより回転自在に枢支された口一夕軸 9 4が設けられ、 当該口一夕軸 9 4に口 —夕基体 9 5及び図 1 0 ( B ) 及び （C ) のように 4極に着磁されたリング状の 口一夕マグネヅト 9 6が同軸に一体化されることにより口一夕 9 7が形成されて いる。
またモー夕ケース 9 2の内側には、 図 8及び図 9 ( A) に示すように、 口一夕 9 7を取り囲むように 6つのステ一夕鉄心 9 8 A〜9 8 Fが等間隔 （6 0 〔° 〕 間隔） で固着されると共に、 これら各ステ一夕鉄心 9 8 A〜9 8 Fにそれぞれ卷 線が施されることによりコイル 9 9 A〜9 9 Fが形成されている。
これによりモ一夕部 9 0においては、 1 8 0 〔° 〕対向する 2つのコイル 9 9 A及び 9 9 D、 9 9 及び9 9 、 9 9 C及び 9 9 Fの組 （合計 3組ある） をそ れぞれ U相、 V相及び W相として、 これら U相、 V相及び W相の各コイル 9 9 A 〜9 9 Fにそれぞれ 1 2 0 〔° 〕ずつ位相がずれた駆動電流を印加することによ つて口一夕 9 7を回転駆動することができ、 かくして回転トルクを発生させるこ とができるようになされている。
一方トルク増幅部 9 1においては、 図 9及び図 1 3 ( A ) 〜 （C ) に示すよう に、 モ一夕ケース 9 2の先端部に着脱自在に固定されたギアケース 1 0 0を有し 、 当該ギアケース 1 0 0の内部に、 環状の内歯車 1 0 1と、 口一夕軸 9 4の先端 部に固定された太陽歯車 1 0 2と、内歯車 1 0 1及び太陽歯車 1 0 2間に 1 2 0 〔° 〕 間隔で配置された第 1〜第 3の遊星歯車 1 0 3 A〜 1 0 3 Cとからなる遊 星歯車機構 1 0 4が設けられている。
このときトルク増幅部 9 1においては、 遊星歯車機構 1 0 4の第 1〜第 3の遊 星歯車 1 0 3 A〜 1 0 3 Cの各軸 1 0 5 A〜 1 0 5 Cがそれぞれギアケ一ス 1 0 0の先端に回転自在に配置された出力軸 1 0 6に固定されており、 かくしてモー 夕部 9 0から口一夕軸 9 4を介して与えられる回転トルクを遊星歯車機構 1 0 4 を介して出力軸 1 0 6に伝達し、 当該出力軸 1 0 6を介して外部に出力し得るよ うになされている。
またトルク増幅部 9 1には、 出力軸 1 0 6に固着された環状の樹脂マグネット 1 0 7と、 当該樹脂マグネット 1 0 7の外周面と対向するようにギアケース 1 0 0の外周面に固着された第 1及び第 2のホール素子 1 0 8 A、 1 0 8 Bとからな る 1回転絶対角度センサ 1 0 9が設けられている。
この場合樹脂マグネヅト 1 0 7は、 2極にかつ一周に亘つて磁束密度 0 ( Θ g ) が図 1 4のように変化するように着磁されており、 図 1 3 ( A ) のように出力 軸 1 0 6に固着されている。 また第 1及び第 2のホール素子 1 0 8 A、 1 0 8 B は、 図 1 3 ( B ) のように 9 0 〔。 〕 の位相差をもってギアケース 1 0 0の外周 面に固着されている。
これにより 1回転絶対角度センサ 1 0 9においては、 出力軸 1 0 6の回転角度 を、 当該出力軸 1 0 6の回転に伴う第 1及び第 2のホール素子 1 0 8 A、 1 0 8 Bの配設位置における磁束密度 ( Θ g ) の変化として検出し、 検出結果を第 1 及び第 2のホール素子 1 0 8 A、 1 0 8 Bからそれぞれ図 1 5に示すようなそれ それ s i η ( Θ g ) 及び c o s ( Θ g ) で与えられる波形の第 1及び第 2の 1回 転絶対角度センサ信号 S 1 A、 S 1 Bとして出力することができるようになされ ている。
かかる構成に加えモー夕の場合、 モ一夕部 9 0のモ一夕ケース 9 2の内部には 、 口一夕軸 9 4の磁極角度を検出する口一夕軸磁極角度センサ 1 0 0と、 対応す るサブ制御部 7 4 A〜7 4 Dからの制御指令に基づいて出力軸 9 4の回転角度、 回転速度及び回転トルク等を制御する制御基板 1 1 1と、 制御基板 1 1 1の制御 のもとにモ一夕部 9 0の各コイル 9 9 A〜9 9 Fに駆動電流を供給するパワー基 板 1 1 2とが収納されている。
口一夕軸磁極角度センサ 1 1 0は、 口一夕 9 7の口一夕基体 9 5の前端面に固 着された樹脂マグネヅト 1 1 3と、 制御基板 1 1 1に搭載された第 1〜第 4のホ —ル素子 1 1 4 A〜 1 1 4 Dとから形成されている。 そして樹脂マグネット 1 1 3は、 図 10 (B) 及び （C) に示すように、 口一夕 97の口一夕マグネット 9 6と同じ 4極に着磁され、 当該口一夕マグネット 96と同位相で口一夕基体 95 に固着されている。
また第 1〜第 4のホール素子 1 14A~1 14Dは、 図 16 (B) に示すよう に、 口一夕軸 94と同心円上に、 第 1及び第 2のホール素子 1 14 A、 1 14 B が 180 〔° 〕 対向し、 かつ第 3及び第 4のホール素子 1 14 C、 1 14Dがこ れら第 1及び第 2のホール素子 1 14A、 1 14 Bと同じ方向に 45 〔° 〕 位相 がずれた位置に位置するように制御基板 1 1 1に搭載されている。
これによりこの口一夕軸回転角度センサ 1 10においては、 口一夕軸 94の磁 極角度を、 当該ローラ軸 94と一体に回転する樹脂マグネット 1 13の回転に伴 う第 1〜第 4のホール素子 1 14A〜 1 14 Dの配設位置における磁束密度の変 化として検出し得るようになされている。
なお口一夕軸 94の磁極角度とは、 口一夕軸 94の機械的回転角度に口一夕マ グネット 96の磁極数の半分の値を掛けた角度をいう。 そしてこの実施の形態に おいては、 口一夕マグネット 96が 4極に着磁されているため、 磁気角度が 0か ら 27Γまでの範囲の値となる。
一方制御基板 1 1 1は、 図 9、 図 10 (A)、 図 16及び図 1 7に示すように、 環状に形成されたプリント配線板の一面側に 1チヅプマイクロコンピュー夕 1 1 5及び CPUクロック発生用の水晶発振器 1 16が搭載されると共に、 他面側に 上述の口一夕軸回転角度センサ 1 10の第 1〜第 4のホール素子 1 14 A〜 1 1 4Dと、 温度センサ 1 17とが搭載されることにより構成されている。
そしてこの制御基板 1 1 1は、 図 17のように口一夕軸磁極角度センサ 1 1 0 における第 1及び第 2のホール素子 1 14 A 1 14Bの出力と、 第 3及び第 4 のホール素子 1 14 C、 1 14Dの出力とをそれぞれ第 1及び第 2の減算回路 1 18A、 1 18 Bを介して加算して第 1及び第 2の口一夕軸磁極角度センサ信号 S 2 A、 S 2 Bとして 1チップマイクロコンビュ一夕 1 1 5に取り込み、 かつ 1 回転絶対角度センサ 109 (図 9、 図 13 (C)) からケーブル 1 19 (図 9) を 介して供給される第 1及び第 2の 1回転絶対角度センサ信号 S 1 A、 S 1 Bを 1 チップマイクロコンビュ一夕 1 1 5に取り込み得るようになされている。
また制御基板 1 1 1は、 第 2のケーブル 1 2 0に含まれる 2本の制御用電源ラ ィン及び 2本の駆動用電源ラインを通じて対応するサブ制御部 7 4 A〜7 4 D ( 図 8 ) と接続されており、 かくして 1チップマイクロコンピュー夕 1 1 5がこの 第 2のケーブル 1 2 0を介して各種電源電圧を取り込んだり、 対応するサブ制御 部 7 4 A〜7 4 Dと通信を行ったりすることができるようになされている。
そして 1チップマイクロコンピュー夕 1 1 5は、 この第 2のケーブル 1 2 0を 介してサブ制御部 7 4 A〜7 4 Dから 1 〔m s〕 ごとに与えられる出力軸 1 0 6 (図 9 ) の回転角度、 回転速度又は回転トルクの指定値 （以下、 これらをそれぞ れ指定回転角度、 指定回転速度及び指定回転トルクと呼ぶ） と、 第 1及び第 2の 1回転絶対角度センサ信号 S 1 A、 S I Bと、 第 1及び第 2のロー夕軸磁極角度 センサ信号 S 2 A、 S 2 Bと、 後述のようにパワー基板 1 1 2から供給される第 1〜第 3の駆動電流検出信号 S 3 A〜S 3 Cとに基づいて、 U相、 V相及び W相 の各コイル 9 9 A〜 9 9 Fにそれぞれ印加すべき駆動電流の値 （以下、 これらを それぞれ第 1〜第 3の電流指令値と呼ぶ） を算出し、 これら算出した第 1〜第 3 の電流指令値を第 3のケーブル 1 2 1を介してパワー基板 1 1 2に送出する。 パワー基板 1 1 2は、 図 9、 図 1 2 ( B ) 及び （C ) に示すように、 環状に形 成されたプリント配線板の一面側に図 1 8に示すコイル駆動ブロック 1 2 2を形 成する複数のパヮ一トランジスタチップ 1 2 3が搭載されることにより構成され ている。
そしてこのコィル駆動プロヅク 1 2 2は、 制御基板 1 1 1の 1チップマイクロ コンビユー夕 1 1 5から与えられる第 1〜第 3の電流指令値に基づいてモ一夕部 9 0の U相、 V相及び W相の各コイル 9 9 A〜9 9 Fに対してそれぞれ対応する 第 1〜第 3の電流指令値に応じた大きさの駆動電流を印加することによりモー夕 部 9 0の口一夕 9 7を回転駆動させる。
またこの際コイル駆動プロック 1 2 2は、 このとき U相、 V相及び W相の各コ ィル 99A〜99 Fにそれぞれ印加されている駆動電流の大きさをそれぞれ検出 し、 検出結果を第 1〜第 3の駆動電流検出信号 S 3A〜S3Cとして第 3のケー ブル 121 (図 9) を介して制御基板 111に送出する。
このようにしてこのモ一夕 M—：！〜 Ml 4では、 制御基板 11 1の 1チップマ ィクロコンピュー夕 115及びパワー基板 112のコイル駆動ブロック 122か らなる制御回路によって、 サブ制御部 74 A〜 74 Dから与えられた指定回転角 度、 指定回転速度又は指定回転ドルクに応じてモ一夕部 90を駆動するようにな されている。
(2-2) 1チップマイクロコンビュ一夕 115及びコイル駆動プロック 12 2の構成
ここで 1チップマイクロコンピュー夕 115は、 図 19に示すように、 演算処 理ブロック 128、 レジス夕 129、 ロー夕軸回転角度検出処理プロック 130 、 トルク一 3相電流信号変換処理ブロック 131、 電流制御処理ブロック 132 及び第 1〜第 4のアナログ /ディジタル変換回路 133〜136から構成されて いる。
そしてこの 1チップマイクロコンビュ一夕 45では、 パヮ一基板 112から与 えられる第 1〜第 3の駆動電流検出信号 S3A〜S3Cを第 1のアナログ/ディ ジ夕ル変換回路 133においてそれぞれディジタル変換し、 得られた第 1〜第 3 の駆動電流検出デ一夕 D 3 A、 D 3 Bを電流制御処理ブロック 132に与えると 共に、 これら第 1〜第 3の駆動電流検出デ一夕 D 3 A、 D3Bをレジス夕 129 に格納する。
また 1チップマイクロコンピュー夕 1 15では、 1回転絶対角度センサ 109 (図 9、 図 13 (C))から供給される第 1及び第 2の 1回転絶対角度センサ信号 S 1 A、 S 1 Bを第 3のアナログ/ディジ夕ル変換回路 135においてディジ夕 ル変換し、 得られた第 1及び第 2の 1回転絶対角度センサデ一夕 D 1A、 D IB をレジス夕 129に格納する。
さらに 1チヅプマイクロコンピュー夕 115では、 第 1及び第 2の減算回路 1 18A、 118B (図 17) から与えられる口一夕軸磁極角度センサ 110の出 力に基づく第 1及び第 2の口一夕軸磁極角度センサ信号 S 2 A、 S 2 Bを第 2の アナログ/ディジ夕ル変換回路 134においてディジ夕ル変換し、 得られた第 1 及び第 2の口一夕軸磁極角度センサデ一夕 D 2 A、 D 2 Bを口一夕軸回転角度検 出処理ブロック 130に入力する。
口一夕軸回転角度検出処理ブロック 130は、 供給される第 1及び第 2の口一 夕軸磁極角度センサデ一夕 D 2 A、 D 2 Bに基づいて口一夕軸 24の磁極回転角 度 （以下、 これを口一夕軸磁極回転角度と呼ぶ） Pmlと、 磁極角度 0pとを検 出し、 口一夕軸回転角度 Pmlをレジス夕 129に格納すると共に磁極角度 0p をトルク一 3相電流信号変換処理ブロック 131に送出する。
なお口一夕軸 94の磁極回転角度 （口一夕軸磁極回転角度 Pml) とは、 口一夕 軸 94の回転に伴い第 1〜第 4のホール素子 114A〜114 Dにより検出され る樹脂マグネット 1 13の隣接する一対の N極及び S極による磁極変化を 1周期 (0〜2ττ) とする角度をいう。 そしてこの実施の形態においては樹脂マグネッ ト 113が 4極に着磁されているため、 ロー夕軸磁極回転角度 Pmlが 0から 4 7Γまでの範囲の値となる。
そして演算処理ブロック 128は、 このようにしてレジス夕 129に格納され た第 1及び第 2の 1回転絶対角度センサデ一夕 D 1 A、 D 1 B並びにロー夕軸磁 極回転角度 Pmlと、 サブ制御部から与えられる指定回転角度、 指定回転速度又 は指定回転トルクとに基づいて、 目標とする回転トルク （以下、 これを目標回転 トルクと呼ぶ） T 0 を演算し、 演算結果をレジス夕 129に格納する。なおこの 目標回転トルク TO は、 サブ制御部から指定回転角度、指定回転速度又は指定回 転トルクが与えられる 1 〔ms〕 ごとに算出される。
そしてこの目標トルク TOは、 トルク一 3相電流信号変換処理ブロック 13 1 により順次レジス夕 129から読み出される。 そしてトルク一 3相電流信号変換 処理ブロック 131は、 この目標トルク TO と、 ロー夕軸回転角度検出処理プロ ック 130から与えられる口一夕軸 94の磁極角度 0 pとに基づいて、 モー夕部 90における U相、 V相、 W相の各コイル 99 A〜 99 Fにそれぞれ印加すべき 駆動電流の値を表す上述の第〜第 3の電流指令値 Ur、 Ίで、 Wrをそれぞれ算 出し、 これを電流制御処理ブロック 132に送出する。
電流制御処理ブロック 132は、 トルク— 3相電流信号変換処理ブロック 1 3 1から与えられる第 1〜第 3の電流指令値 Ur、 Vrs Wrと、 第 1のアナログ ディジ夕ル変換回路 133から与えられる第 1〜第 3の駆動電流検出デ一夕 D 3 A〜D 3 Cとに基づいて、 第 1〜第 3の電流指令値 Ur、 Vr、 Wrに対して 電圧変動に対する補償処理を含む所定の信号処理を施した後これを PWM ( Pu l s e Wi d t h M o d u 1 a t i o n) 変調し、 得られた第 1〜第 3 のPWM信号S 4A〜S 4 Cを第3のケ一ブルl 2 1を介してこれをパワー基板 1 12のコイル駆動プロック 12 1に送出する。
なお第 3のケーブル 12 1には、 第1〜第3のPWM信号S 4A〜S 4 C用に それぞれ 2本のラインが設けられている。 そして電流制御処理ブロック 132は 、 出力軸 106 (図 9) を正転駆動するときには第 1〜第 3の PWM信号 S 4A 〜S 4 Cをそれぞれ一方の第 1のラインを介してパワー基板 1 12のコイル駆動 ブロック 122に送出すると共に、 第 1〜第 3の PWM信号 S 4 A〜S 4 Cにお ける論理 「0」 レベルの信号 （以下、 これらを第 1〜第 3の基準信号と呼ぶ） S 5 A〜S 5 Cを他方の各第 2のラインをそれぞれ介してパワー基板 1 12のコィ ル駆動プロック 122に送出する。
また電流制御処理ブロック 132は、 出力軸 106を逆転駆動するときには第 1〜第 3の PWM信号 S 4 A〜S 4 Cをそれぞれ第 2のラインを介してパヮ一基 板 1 12のコイル駆動ブロック 122に送出すると共に、 第 1〜第 3の基準信号 S 5 A〜S 5 Cをそれぞれ各第 1のラインを介してパワー基板 1 12のコイル駆 動ブロック 122に送出する。
一方コイル駆動ブロック 122においては、 図 18に示すように、 U相、 V相 、 W相の各コイル 99 A〜99 Fにそれぞれ対応させて、 それぞれ 4個の増幅器 138 A〜 138 Cからなる同様構成の第 1〜第 3のゲ一トドライブ回路 139 A〜139 Cと、 それぞれ 2個の PNP型トランジスタ TR 1、 TR2及び 2個 の NPN型トランジスタ TR3、 TR4からなる同様構成の第 1〜第 3のインバ —夕回路 140 A〜 140 Cで構成されている。
そしてこのコイル駆動プロック 122では、 U相、 V相及び W相の各第 1のラ ィンがそれぞれ対応する第 1〜第 3のゲ一ト ドライブ回路 139 A〜 139 Cの 第 1及び第 3の増幅器 138 A、 138 Cをそれぞれ介して対応する第 1〜第 3 のインバ一夕回路 140A〜140 Cの第 2の PNP型トランジスタ TR 2のべ —ス及び第 1の NPN型トランジスタ TR 3のベースと接続され、 U相、 V相及 び W相の各第 2のラインがそれぞれ対応する第 1〜第 3のゲ一ト ドライブ回路 1 0A〜140 Cの第 2及び第 4の増幅器 138B、 138Dをそれぞれ介して 対応する第 1〜第 3のィンバ一夕回路 140A〜140Cの第2のPNP型トラ ンジス夕 TR 2のべ一ス及び第 1の NPN型トランジスタ TR 4のベースと接続 されている。
またコイル駆動ブロック 122では、 モー夕部 90の U相、 V相及び W相の各 コイル 99 A〜 99 Fがそれぞれ対応する第 1〜第 3のインバ一夕回路 14 OA 〜 140 Cにおける第 1の PNP型トランジスタ TR 1のコレクタ及び第 1の N PN型トランジスタ TR 3のコレクタの接続中点と、 第 2の PNP型トランジス 夕 TR2のコレクタ及び第 2の NPN型トランジスタ TR4のコレクタの接続中 点との間に接続されている。
これによりこのコイル駆動プロック 122においては、 U相、 V相及び W相の 各相毎に、 第 1又は第 2のラインを介して与えられる第 1〜第 3の PWM信号 S 4 A〜S 4 Cをそれぞれ対応する第 1〜第 3のィンバ一夕回路 140 A〜 140 Cにおいてアナログ波形の駆動電流 I u、 Iv、 I wに変換し、 これらをそれぞ れ対応する U相、 V相及び W相の各コイル 99 A〜99 Fに印加することができ るようになされている。
またコイル駆動プロヅク 122においては、 U相、 V相及び W相の各コイル 9 9 A〜99 Fに供給する駆動電流 I \1、 Iv、 I wの大きさを第 1〜第 3のイン バー夕回路 140 A〜l 40 Cにそれぞれ設けられたコイルからなる電流センサ 141により検出し、 検出結果を上述のように第 1〜第 3の第 1〜第 3の駆動電 流検出信号 S 3 A〜S 3 Cとして制御基板 111の 1チップマイクロコンピュー 夕 1 15の第 1のアナログ/ディジ夕ル変換回路 133 (図 19) に送出するよ うになされている。
なお演算処理ブロック 128について、 その詳細構成を図 19を用いて説明す る。
演算処理プロック 128は、 CPU (Cent ral Pro ce s s ing Uni t) 148と、 各種プログラムが格納された ROM (Re ad Onl Memor ) 149と、 C P U 148のワークメモリとしての RAM ( Random Ac ce s s Memo ry) 150と、 対応するサブ制御部 7 3 A〜73Dとの間の入出力ィン夕フェース回路であるシリアル通信用入出力回 路 152と、 サ一ボ割込みのための 1 〔ms〕 周期のサ一ボ割込信号 S 10及び PWM周期である 50 〔〃m〕 周期の PWMパルス信号 S 11を発生するサ一ボ 割込信号発生回路 153と、 サ一ボ割込信号発生回路 153からサ一ボ割込信号 S 10が正しく発生されているかを CPU 148が検出するための 1 〔ms〕 周 期以上の所定周期を有するウォッチドッグ信号 S 12を発生するウォッチドッグ 信号発生回路 154とが CPUバス 155を介して相互に接続されることにより 構成されている。
この場合 CPU 148は、 対応するサブ制御部 73 A〜73Dから制御用電圧 (5 〔V〕）が与えられると、 まず ROM149に格納された初期プログラムに基 づいてシリアル通信用入出力回路 152、 カウン夕 ·夕イマ .コントロール回路 153、 口一夕軸回転角度検出処理ブロック 130、 トルク— 3相電流信号変換 処理ブロック 131、 電流制御処理ブロック 132等に対する各種初期値やパラ メータの設定処理等の立ち上がり処理を実行する。
また CPU 148は、 この結果としてカウン夕 ■夕イマ 'コントロ一ル回路 1 53から与えられるサ一ボ割込信号 S 10及び ROM149に格納された対応す るプログラムに基づいて、 上述のように目標回転トルク TO を生成するモー夕 回転制御演算処理や、 対応するサブ制御部 73A〜73Dとのシリアル通信制御 処理等を 1 〔ms〕 周期で時分割的に実行する。
(2-3) ソフトゥヱァ処理
ここで演算処理プロヅク 128では、 上述のように CPU 148がカウン夕 · 夕イマ ·コントロール回路 153から与えられるサ一ボ割込信号 S 10及び RO Ml 49に格納された対応するプログラムに基づいて、 1 〔ms〕 周期で時分割 的にモ一夕回転制御演算処理及びシリアル通信制御処理等を実行する。 以下、 こ れらの処理モ一ド時における CPU 148の処理について説明する。
(2-3- 1) モー夕回転制御演算処理モード時における CPU 148の処理 モー夕回転制御演算処理モード時における CPU 148の処理は、 上述のよう に対応するサブ制御部 73 A〜73Dから 1 〔ms〕 ごとに与えられる指定回転 位置、 指定回転速度又は指定回転トルクの値の指定に応じた目標回転トルク T 0 を算出することである。
そして CPU 148は、 この目標回転トルク T 0を、 対応するサブ制御部 73 A〜73Dから指定回転位置 P r e fが与えられる場合には、 ロー夕軸回転角度 検出処理ブロック 130によりレジス夕 129に格納される口一夕軸磁極回転角 度 Pmlに基づいて出力軸 94 (図 9) の回転位置 Pmを算出すると共に、 この 回転位置 Pmを用いて次式
Vmref = (Pre/ - Pm) x Kpp ( 1 )
Vm = PmxS ( 2 ) をそれぞれ演算することにより、 指定回転位置 P r e fに対する目標の回転速度 Vmref と、 出力軸の現在の回転速度 Vmとを算出する。 そしてこのようにし て得られた （1) 式及び （2) 式から次式 Kvi
TO = \[Vmref -Vm]x 1+ x Kvp (3)
S の演算を実行することにより目標回転トルク T 0を算出する。
またサブ制御部 73 A〜73Dから指定回転速度 Vr e fが与えられる場合に は、 （2 )式を用いて出力軸 94の現在の回転速度 Vmを算出し、 この回転速度 V mに基づいて次式
Kvi
Γ0 J[Vre/-Vm]: 1+ - χΚνρ (4)
S を演算することにより目標回転トルク TOを算出する。 またサブ制御部 73A〜 73Dから指定回転トルク Tref が与えられる場合には、 これをそのまま目標回 転トルク T 0とする。
なおこれら （1) 〜 （4) 式において、 Sはラプラス演算子を示し、 Kpp、 Κ V i及び Kvpはそれぞれサブ制御部により設定される制御ゲインパラメ一夕 を表す。 この制御ゲインパラメ一夕 Kpp、 Κ V i及び Kvpの値を変化させる ことにより、 指定回転角度 Pref や指定回転速度 Vr e fに対するモー夕 M— 1 〜M— 14の応答を変化させることができる。
因にこのようなモ一夕回転制御演算処理モード時における CPU 148の具体 的な処理手順を図 20に示す。
C P U 148は、 サブ制御部 73 A〜 73 Dから指定回転角度 P r e fが与え られた場合、 まずレジス夕 129に格納された第 1及び第 2の絶対角度センサデ —夕 D 1A、 D 1 Bに基づいてロー夕軸 94の磁極回転数 （以下、 ロー夕軸磁極 回転数と呼ぶ） Nmを算出する （ステップ SP 1)。
なおロー夕軸磁極回転数 Nmとは、 口一夕軸 94の回転に伴い口一夕軸磁極角 度センサ 1 10の第 1〜第 4のホール素子 114A〜114Dにより検出される 樹脂マグネット 1 13の隣接する一対の N極及び S極による磁束変化を 1回転と する回転数と定義する。 この実施の形態においては、 樹脂マグネット 1 13は 4 極に着磁されているため、 口一夕軸 94が機械的に 1回転すると口一夕軸磁極回 転数 Nmは 2となる。
そしてこのロー夕軸磁極回転数 Nmは、 図 21に示すロー夕軸磁極回転数検出 処理手順に従って、 それぞれ s in0g、 c o s( gで表される第 1及び第 2の 1回転絶対角度センサ信号 S 1A、 S IBの位相 6> g をレジス夕 41に格納され た第 1及び第 2の絶対角度センサデ一夕 D 1 A、 D IBに基づいてソフトウエア 処理により算出し（ステップ SP 1 A)、 この位相 0 にトルク増幅部 3の遊星ギ ァ機構部 16のギア比 Nを乗算し（ステップ SP 1 B)、 この乗算結果を 2ΤΓで割 り算してその割算結果の整数部分に口一夕軸磁極角度センサ 110 (図 9) の樹 脂マグネット 113の磁極数 （本実施の形態においては 4) の半分の値 Npを乗 算する （ステップ SP 1 C) ことにより得ることができる。
また CPU 148は、 図 20に示すように、 このようにして算出した口一夕軸 磁極回転数 Nm と、レジス夕 129に格納された口一夕軸磁極回転角度データ P m 1とに基づき、 次式
PmO = 2πχΝηι ( 5 ) で与えられる PmOを初期値として、 次式
Pm = PmO + Pml ( 6 ) の演算を実行することによりそのときの出力軸 106の回転角度 Pmを算出する (ステップ S P 2)。
そして CPU 148は、 指定回転角度 P r e fからこの回転角度 P mを減算す ることにより、 指定回転角度 P r e fに対する誤差 （以下、 これを回転角度誤差 と呼ぶ） Peを検出する （ステップ SP3)。 続いて CPU 148は、 この回転角度誤差 P eに比例ゲイン Kppを乗算する ことにより、 指定回転角度 P r e fに対する目標回転角度 Vmr e fを算出する (ステップ S P 4)。
次いで CPU 148は、 レジス夕 129に格納されたロー夕軸磁極回転角度 P mlを微分することによりそのときの出力軸 106の回転速度 Vmを算出する （ ステップ SP5) と共に、 この後ステップ SP4において算出した目標回転速度 Vmr e fからステップ SP 5において算出した回転速度 Vmを減算することに より速度誤差 Veを算出する （ステップ SP6)0
続いて CPU 148は、 この速度誤差 Veに次式
S + Kvi
(7)
S で与えられる速度積分ゲイン及び比例ゲイン Kvpを順次乗算する （ステップ S Ρ 7及びステップ S Ρ 8)。これにより目標回転トルク Τ 0を得ることができる。 なお CPU 148は、 モー夕回転制御演算処理モード時、 サブ制御部 73 A〜 73Dから指定回転速度 Vr e fが与えられているときにはこの処理をステップ SP 6にから開始し、 回転トルク T r e fが与えられているときにはこれをその まま目標回転トルク TO としてレジス夕 129に格納する。
(2-3-2) シリアル通信処理モ一ド時における C PU 148の処理 また C P U 148は、 シリアル通信処理モ一ド時、 サブ制御部 73 A〜 73 D と通信を行い、 サブ制御部 73 A〜73Dからの制御コマンドゃ変更パラメ一夕 を入力し、 またはモニタ用に内部信号をサブ制御部 73 A〜73Dに送出する。 (2-4) コイル駆動電流と出力トルクの関係
ここでこのように形成されたモー夕 M— 1〜M— 14におけるモー夕部 90の U相、 V相及び W相の各コイル 99 A〜99 Fに印加する駆動電流 I u、 I v、 Iwと、 出力軸 106を介して外部に出力される回転トルク （以下、 出力トルク と呼ぶ） との関係について説明する。
まず U相、 V相及び W相の各コイル 9 9A~9 9 Fに駆動電流 I u、 I v、 I wを印加したときにおけるこれら U相、 V相及び W相の各コイル 99 A〜99 F の交差する磁束密度を 011、 φ 、 0wとすると、 出力トルク Τ (θρ) は、 モ —夕部 90のロー夕軸 94の磁極角度 0 ρを用いて次式
Τ{θρ) = Ι χφπχΚΟ + ΙνχφνχΚΟ +
Figure imgf000026_0001
(8) のように与えられる。 なおこの （8) 式において、 Κ0は各コイル 99 Α〜9 9 Fに駆動電流 I u、 I v、 I wを印加したときの一定の係数値を表す。
ここで U相、 V相及び W相の各コイル 99 A〜9 9 Fに印加する駆動電流 I u 、 I v、 Iwは、 それぞれ次式
Iu = /Ox sin (9)
2π
/v = 70 x sin θρ ( 1 0)
2π
Iw = IOx sin ( 1 1 ) のように制御され、 このため各磁束密度は 0u、 φ 、 0wはそれぞれ次式、
= X sin (12)
2π
φν = θχ sin Φ+了 (13)
Figure imgf000027_0001
となる。
従って出力トルク Τ (θρ) は、 これら （9) 式〜 （14) 式を （8) 式に代入 して、 次式
Άθρ)
= ΙΟχφΟχ Ko{s 0p x sinOp
Figure imgf000027_0002
2π' 2π'
+ sin θρ- χ sin ΘΡ-
3 3 }
ΙΟχφΟχ Κ1 (但し iQ = 15 O) (15) と表すことができる。
従ってこのモ一夕 M— 1〜M— 14では、 各コイル 99 A〜 99 Fに印加する 駆動電流 I u、 Iv、 Iwの大きさに比例した出力トルクが得られることが分か る o
( 3 ) 不整地歩行制御処理
かかる構成に加えてこのロボット 10の場合、 各脚部ュニット 14 A、 1 B のサブ制御部 73Dは、 歩行路面が不整地面である場合においても当該ロボット 10がバランスを崩すことなく正しく歩行できるように足首関節機構 43の各モ 一夕 M— 13、 M— 14を制御する不整地歩行制御処理を行うようになされてい る o
この場合このような不整地歩行制御処理は、 歩行路面に接地した足部 44の裏 面を当該歩行路面の傾斜や凹凸に倣わせる （歩行路面の傾斜や凹凸に合わせて傾 かせる） ように、 足首関節機構 43の各モー夕 M— 13、 M— 14の回転を制御 することにより行うことができる。 そしてこのような制御は、 足首関節機構 43 の各モ一夕 M— 1 3、 M— 1 4の出力軸 1 0 6 (図 9 ) に与えられる外力が常に 「0」 となるように各モー夕 M— 1 3、 M— 1 4の回転を制御することにより行 うことができる。
そこで各脚部ユニット 1 4 A、 1 4 Bのサブ制御部 7 3 Dにおいては、 歩行動 作時、 メイン制御部 7 0 (図 7 ) から第 1の時間間隔で各モ一夕 M— 9〜M— 1 4の目標とすべき回転角度が与えられるごとに、 特に足首関節機構 4 3の各モ一 夕 M— 1 3、 M— 1 4について図 2 2に示す不整地歩行処理手順 R T 1に従って 上述のような不整地歩行制御を行うようになされている。
すなわち各脚部ユニット 1 4 A、 1 4 Bのサブ制御部 7 3 Dは、 メイン制御部 7 0から足首関節機構 4 3の各モ一夕 M— 1 3、 M— 1 4の目標とすべき回転角 度が与えられるとこの不整地歩行処理手順 R T 1をステップ S P 1 0において開 始し、 続くステップ S P 1 1において先行してメイン制御部 7 0から与えられた 足首関節機構 4 3の各モー夕 M— 1 3、 M— 1 4の目標とすべき回転角度と、 今 回メイン制御部 7 0から与えられたこれらモ一夕 M— 1 3、 M— 1 4の目標とす べき回転角度とから各モー夕 M— 1 3、 M— 1 4の制御周期である 1 〔m s〕 ご との各モ一夕 M— 1 3、 M— 1 4の指定回転角度、 指定回転速度又は指定回転ト ルクをそれぞれ算出する。
従って例えばメイン制御部 7 0からサブ制御部 7 3 Dに 0 . 5秒ごとに各モ一 夕 M— 1 3、 M— 1 4が目標とすべき回転角度が与えられる場合には、 1 〔m s〕 ごとの各モー夕 M— 1 3、 M— 1 4の指定回転角度、 指定回転速度又は指定回転 トルクが時系列に合計 5 0個算出される。
またサブ制御部 7 3 Dは、 このステップ S P 1 1において、 内部カウン夕にお いてカウントしている指定回転角度、 指定回転速度又は指定回転トルクの順位 （ すなわちその指定回転角度、 指定回転速度又は指定回転トルクが時系列的な 5 0 個のうちの何番目かの順位） を表すカウント値を 「0」 にリセットする。
次いでサブ制御部 7 3 Dは、 続くステップ S P 1 2において内部カウン夕の力 ゥント値を 1増加させた後、 ステップ S P 1 3に進んでそのカウント値に対応す る指定回転角度、 指定回転速度又は指定回転トルクを足首関節機構 43の各モー 夕 M— 13、 M— 14に送出する。
このときサブ制御部 73Dには、 足首関節機構 43の各モ一夕 M— 13、 M— 14との通信によりこれらモ一夕 M— 13、 M— 14から、 上述のようにパワー 基板 1 12 (図 18) の各コイル駆動ブロック 140A〜140 C (図 18) の 電流センサ 71 (図 18) からそれぞれ出力された第 1〜第 3の駆動電流検出信 号 S 3A〜S3C (図 18) を 1チップマイクロコンビユー夕 115 (図 19 ) の第 1のアナログ /ディジタル変換回路 133 (図 19) においてディジタル変 換することにより得られた第 1〜第 3の駆動電流検出デ一夕 D 3 A〜D 3 C (図 19) が与えられる。
かくしてサブ制御部 73Dは、 この第 1〜第 3の駆動電流検出デ一夕 D 3 A〜 D 3 Cをステヅプ S P 14において各モ一夕 M— 13、 M- 14から供給される 第 1〜第 3の駆動電流検出デ一夕 D 3 A〜D 3 Cを取り込み、 続くステップ SP 15においてこの第 1〜第 3の駆動電流検出デ一夕 D 3 A〜D 3 Cに基づいて足 首関節機構 43の各モー夕 M— 13、 M— 14のそのときの出力トルク Tmを算 出する。
さらにサブ制御部 73Dは、 ステップ SP 16に進んでこの出力トルク Tmか ら予め記憶しているそのフォーム時に自重により各モー夕 M— 13、 M— 14の 出力軸 106に発生するトルク Tg を減算することにより、 外力により各モー夕 M— 13、 M— 14の出力軸 106に生じたトルク （以下、 これを外力トルク T f と呼ぶ） をそれぞれ算出する。
さらにサブ制御部 73Dは、 この後ステップ SP 17に進んでこの算出した外 力トルク Tfの値が 「0」 であるか否かを各モ一夕 M— 13、 M- 14毎に判断 する。
ここでこのステップ SP 17において肯定結果を得ることは、 例えば足部 44 が接地していないか又は足部 44の裏面が歩行路面の傾斜や凹凸に倣って接地し ていることを意味し、 このときサブ制御部 74Dはステップ SP 12に戻り、 こ の後 1 〔m s〕 ごとにステップ S P 2以降を同様に処理する。
これに対してステップ S P 1 7において否定結果を得ることは、 例えば足部 4 4の裏面が歩行路面の傾斜や凹凸に倣っていない状態で接地していることを意味 し、 このときサブ制御部 7 4 Dは、 ステップ S P 1 8に進んでそのモ一夕 M— 1 3、 M - 1 4の出力軸 1 0 8に与えられる外力トルク T fの値が 「0」 に近づく ように、 そのモ一夕 M— 1 3、 M— 1 4に与える次の指定回転角度、 指定回転速 度又は指定回転トルクを修正した後ステップ S P 1 2に戻り、 この後 1 〔m s〕 ごとにステップ S P 2以降を同様に処理する。
このようにしてこのロボット 1 0では、 各脚部ュニット 1 4 A、 1 4 Bのサブ 制御部 7 3 Dが必要に応じて足首関節機構 4 3のモ一夕 M— 1 3、 M - 1 4に与 える指定回転角度、 指定回転速度又は指定回転トルクを修正することにより、 不 整地においてもバランスを崩すことなく正しく歩行することができるようになさ れている。
( 4 ) 本実施の形態の動作及び効果
以上の構成において、 このロボット 1 0では、 歩行動作時、 各脚部ュニット 1 4 A、 1 4 Bの足首関節機構 4 3の各モー夕 M— 1 3、 M— 1 4の出力軸 1 0 6 に与えられる外力トルク T' fが常に 「0」 となるようにこれらモ一夕 M— 1 3、 M - 1 4の回転を制御する。
従って、 このロボット 1 0では、 歩行路面が傾斜や凹凸を有する不整地面であ つた場合においても足部 4 4の裏面を常に歩行路面に倣わせることができ、 その 分安定した歩行を行うことができる。 かくするにっきこのロボット 1 0では、 従 来用いられていた不整地歩行制御のための各種センサを省略することができる。 またこのロボヅト 1 0では、 各モ一夕 M— 1〜M— 1 4の内部にモ一夕部 9 0 を駆動制御するための制御基板 1 1 1及びパワー基板 1 1 2が収納されているた め、 図 8のように各サブ制御部 7 3 A〜7 3 Dに対して合計 7本のケーブルを介 して全てのモ一夕 M— 1〜M— 1 4を接続することができ、 その分ロボット全体 としての配線量を低減することができる。 さらにこのロボヅト 1 0では、 各モ一夕 M— 1 〜M— 1 4としてモ一夕部 9 0 とトルク増幅部 9 1とが図 9のようにコンパク卜に一体化されたものを用いてい るため、 モ一夕部 9 0及びトルク増幅部 9 1が別体に構成されているものに比べ て各関節機構 （腰関節機構 2 2、 首関節機構 2 6、 肩関節機構 2 9、 肘関節機構 3 2、 股関節機構 3 6、 膝関節機構 4 1及び足首関節機構 4 3 ) の構成を簡易化 でき、 その分各関節機構 （及びロボット 1 0 ) を小型化することができる。 以上の構成によれば、 2足歩行型のロボット 1 0において、 歩行動作時、 各脚 部ユニット 1 4 A、 1 4 Bの足首関節機構 4 3の各モー夕 M— 1 3、 M— 1 4の 出力軸 1 0 6に与えられる外力トルク T gが常に 「0」 となるようにこれらモー 夕 M— 1 3、 M— 1 4の回転を制御するようにしたことにより、 歩行路面が傾斜 や凹凸を有する不整地面であった場合においても常に安定して歩行することがで きる。 かくするにっき従来用いられていた不整地歩行制御のための各種センサを 省略することができ、 かくして構成を簡易化し得るロボットを実現できる。 またロボット 1 0において、 各モ一夕 M— 1〜M— 1 4の内部にモー夕部 9 0 を駆動制御するための制御基板 1 1 1及びパワー基板 1 1 2を収納するようにし たことにより、 ロボット全体としての配線量を減らすことができ、 その分より一 層構成を簡易化させ得るロボットを実現できる。
( 5 ) 他の実施の形態
なお上述の実施の形態においては、 本発明を 2足歩行型のロボット 1 0に適用 するようにした場合について述べたが、 本発明はこれに限らず、 この他種々の口 ボットに広く適用することができる。 この場合において、 本願発明のうちの関節 機構の制御に関する発明については、 4足歩行型ロボットゃこれ以外の脚式歩行 型ロボットにも広く適用することができる。 また本願発明のうちの各関節機構の 駆動原としてモ一夕制御手段をモ一夕部内に設ける発明については、 歩行型ロボ ット以外のロボットにも広く適用することができる。
また上述の実施の形態においては、 本願発明のうちの関節機構の制御に関する 発明を、 脚部ュニヅト 1 4 A、 1 4 Bのうちの第 1のリンク （第 1の構成部） と しての下腿部と、 第 2のリンク （第 2の構成部） としての足部 44とを連結する 足首関節 43に適用するようにした場合について述べたが、 本発明はこれに限ら ず、 足首関節 43以外の例えば手首関節などにも広く適用することができる。 さらに上述の実施の形態においては、 モー夕 M— 1〜M— 14の駆動電流 Iv 、 Iu、 I w (図 18) を検出する電流検出手段としての電流センサ 71を図 1 8のように設けられたコイルにより構成するようにした場合について述べたが、 本発明はこれに限らず、 適用するァクチユエ一夕の構成に応じてこの他種々の構 成を広く適用することができる。
さらに上述の実施の形態においては、 電流センサ 71 (図 18) により検出さ れたモ一夕 M— 13、 M— 14の駆動電流 I v、 Iu、 Iw (図 18) に基づい て、 モ一夕 M— 13、 M— 14の出力軸 106に与えられる外力によるトルク （ 外力トルク Tf を検出する外力トルク検出手段としての機能を各脚部ュニット 1 4A、 14Bのサブ制御部 73Dに設けるようにした場合について述べたが、 本 発明はこれに限らず、 このような機能をモ一夕 M— 13、 M— 14内の演算処理 ブロック 128 (図 19) にもたせるようにしても良い。
さらに上述の実施の形態においては、 図 9のように構成された各モ一夕 M_ 1 〜M— 14のモータ部 90を駆動制御するモ一夕制御手段としての制御基板 1 1 1及びパワー基板 122を図 17〜図 21のように構成するようにした場合につ いて述べたが、 本発明はこれに限らず、 この他種々の構成を広く適用することが できる。 産業上の利用の可能性
本発明は 2足歩行型ロボットゃ、 これ以外の歩行型ロボットに適用することが できる。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 駆動電流に応じた大きさの回転トルクを生成するァクチユエ一夕を有し、 第 1のリンクを所定軸回りに回転自在に第 2のリンクに連結すると共に、 上記ァク チユエ一夕からその出力軸を介して出力される上記回転トルクに基づいて上記第
1のリンクを上記所定軸回りに回転させる関節機構の制御装置において、 上記ァクチユエ一夕の上記駆動電流の電流値を検出する電流検出手段と、 上記電流検出手段により検出された上記電流値に基づいて、 上記ァクチユエ一 夕の上記出力軸に与えられる外力によるトルクの大きさを f食出する外力トルク検 出手段と
を具えることを特徴とする関節機構の制御装置。
2 . 上記外力トルク検出手段の検出結果に基づいて、 上記ァクチユエ一夕の上記 出力軸に与えられる上記外力によるトルクがなくなるように、 上記ァクチユエ一 夕を制御する制御手段を具える
ことを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の関節機構の制御装置。
3 . 上記ァクチユエ一夕は、
供給される上記駆動電流に応じた上記回転トルクを生成するモ一夕部と、 上記モー夕部において発生した上記回転トルクを増幅して上記出力軸に伝達す るトルク増幅部と、
外部から与えられる制御情報に基づく大きさの上記駆動電流を上記モ一夕部に 与えるようにして上記モー夕部を制御するモー夕制御手段とを具え、
上記モ一夕制御手段が上記モー夕部内に設けられた
ことを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の関節機構の制御装置。
4 . 駆動電流に応じた大きさの回転トルクを生成するァクチユエ一夕を有し、 第 1のリンクを所定軸回りに回転自在に第 2のリンクに連結すると共に、 上記ァク チユエ一夕からその出力軸を介して出力される上記回転トルクに基づいて上記第
1のリンクを上記所定軸回りに回転させる関節機構の制御方法において、 上記ァクチユエ一夕の上記駆動電流の電流値を検出する第 1のステップと、 検出した上記電流値に基づいて、 上記ァクチユエ一夕の上記出力軸に与えられ る外力によるトルクの大きさを検出する第 2のステップと
を具えることを特徴とする関節機構の制御方法。
5 . 上記第 2のステップの検出結果に基づいて、 上記ァクチユエ一夕の上記出力 軸に与えられる上記外力によるトルクがなくなるように、 上記ァクチユエ一夕を 制御する第 3のステツプを具える
ことを特徴とする請求の範囲第 4項に記載の関節機構の制御方法。
6 . 駆動電流に応じた大きさの回転トルクを生成するァクチユエ一夕を有し、 第 1の構成部を所定軸回りに回転自在に第 2の構成部に連結すると共に、 上記ァク チユエ一夕からその出力軸を介して出力される上記回転トルクに基づいて上記第
1の構成部を上記所定軸回りに回転させる関節機構を有するロボット装置におい て、
上記ァクチユエ一夕の上記駆動電流の電流値を検出する電流検出手段と、 上記電流検出手段により検出された上記電流値に基づいて、 上記ァクチユエ一 夕の上記出力軸に与えられる外力によるトルクの大きさを検出する外力トルク検 出手段と
を具えることを特徴とするロボット装置。
7 . 上記外力トルク検出手段の検出結果に基づいて、 上記ァクチユエ一夕の上記 出力軸に与えられる上記外力によるトルクがなくなるように、 上記ァクチユエ一 夕を制御する制御手段 を具えることを特徴とする請求の範囲第 6項に記載のロボット装置。
8 . 上記ァクチユエ一夕は、
供給される上記駆動電流に応じた上記回転トルクを発生するモ一夕部と、 上記モ一夕部において発生した上記回転トルクを増幅して上記出力軸に伝達す るトルク増幅部と、
外部から与えられる制御情報に基づく大きさの上記駆動電流を上記モ一夕部に 与えるようにして上記モー夕部を制御するモ一夕制御手段とを具え、
上記モー夕制御手段が上記モー夕部内に設けられた
ことを特徴とする請求の範囲第 6項に記載のロボット装置。
9 . 駆動電流に応じた大きさの回転トルクを発生するァクチユエ一夕を有し、 第 1の構成部を所定軸回りに回転自在に第 2の構成部に連結すると共に、 上記ァク チユエ一夕からその出力軸を介して出力される上記回転トルクに基づいて上記第
1の構成部を上記所定軸回りに回転させる関節機構を有するロボット装置の制御 方法において、
上記ァクチユエ一夕の上記駆動電流の電流値を検出する第 1のステップと、 検出した上記電流値に基づいて、 上記ァクチユエ一夕の上記出力軸に与えられ る外力によるトルクの大きさを検出する第 2のステップと
を具えることを特徴とするロボット装置の制御方法。
1 0 . 上記第 2のステップの検出結果に基づいて、 上記ァクチユエ一夕の上記出 力軸に与えられる上記外力によるトルクがなくなるように、 上記ァクチユエ一夕 を制御する第 3のステツプを具える
ことを特徴とする請求の範囲第 1 0項に記載のロボット装置の制御方法。
1 1 . それぞれ大腿部に膝関節機構を介して下腿部が連結されると共に当該下腿 部に足首関節機構を介して足部が連結されてなる一対の脚部ュニットを有し、 各 上記脚部ュニットの足部を順次交互に歩行路面に接地させながら各上記脚部ュニ ットをそれぞれ所定パターンで駆動するようにして歩行動作を行うようになされ たロボヅト装置において、
上記足首関節機構に設けられ、 上記足部を所定軸回りに回転駆動するための駆 動電流に応じた大きさの回転トルクを生成するァクチユエ一夕と、
上記ァクチユエ一夕の上記駆動電流の電流値を検出する電流検出手段と、 上記電流検出手段により検出された上記電流値に基づいて、 上記ァクチユエ一 夕の上記出力軸に与えられる外力によるトルクの大きさを検出する外力トルク検 出手段と、
上記外力トルク検出手段の検出結果に基づいて、 上記ァクチユエ一夕の上記出 力軸に与えられる上記外力によるトルクがなくなるように、 上記ァクチユエ一夕 を制御する制御手段と
を具えることを特徴とするロボット装置。
1 2 . 上記ァクチユエ一夕は、
供給される上記駆動電流に応じた上記回転トルクを発生するモー夕部と、 上記モー夕部において発生した上記回転トルクを増幅して上記出力軸に伝達す るトルク増幅部と、
外部から与えられる制御情報に基づく大きさの上記駆動電流を上記モー夕部に 与えるようにして上記モー夕部を制御するモ一夕制御手段とを具え、
上記モー夕制御手段が上記モー夕部内に設けられた
ことを特徴とする請求の範囲第 1 1項に記載のロボット装置。
1 3 . それぞれ大腿部に膝関節機構を介して下腿部が連結されると共に当該下腿 部に足首関節機構を介して足部が連結されてなる一対の脚部ュニットを有し、 各 上記脚部ュニットの足部を順次交互に歩行路面に接地させながら各上記脚部ュニ ットをそれぞれ所定パターンで駆動するようにして歩行動作を行うようになされ たロボット装置の制御方法において、
上記足首関節機構に設けられ、 上記足部を所定軸回りに回転駆動するための駆 動電流に応じた大きさの回転トルクを生成するァクチユエ一夕に供給される上記 駆動電流の電流値を検出する第 1のステップと、
検出された上記電流値に基づいて、 上記ァクチユエ一夕の上記出力軸に与えら れる外力によるトルクの大きさを検出する第 2のステップと、
上記第 2のステツプの検出結果に基づいて、 上記ァクチユエ一夕の上記出力軸 に与えられる上記外力によるトルクがなくなるように、 上記ァクチユエ一夕を制 御する第 3のステップと
を具えることを特徴とするロボット装置の制御方法。
1 4 . 第 1のリンクを所定軸回りに回転自在に第 2のリンクに連結する関節装置 において、
上記第 1のリンクを上記所定軸回りに回転駆動するための回転トルクを生成す るァクチユエ一夕を有し、
上記ァクチユエ一夕は、
上記回転トルクを生成するモ一夕部と、
上記モ一夕部を駆動制御するモー夕制御手段とを具え、
上記モ一夕制御手段が上記モー夕部内に設けられた
ことを特徴とする関節装置。
1 5 . 上記モー夕部から出力される上記回転トルクを増幅するトルク増幅手段を 具え、
上記モー夕部及び上記トルク増幅手段が一体化された
ことを特徴とする請求の範囲第 1 4項に記載の関節装置。
1 6 . 第 1の構成部を所定軸回りに回転自在に第 2の構成部に連結する関節機構 を有するロボット装置において、
上記第 1の構成部を上記所定軸回りに回転駆動するための回転トルクを生成す るァクチユエ一夕を有し、
上記ァクチユエ一夕は、
上記回転トルクを生成するモー夕部と、
上記モー夕部を駆動制御するモー夕制御手段とを具え、
上記モ一夕制御手段が上記モー夕部内に設けられた
ことを特徴とするロボット装置。
1 7 . 上記モ一夕部から出力される上記回転トルクを増幅するトルク増幅手段を 具え、
上記モー夕部及び上記トルク増幅手段が一体化された
ことを特徴とする請求の範囲第 1 6項に記載のロボット装置。
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