WO2000059688A1

WO2000059688A1 - Robot, circuit asservi, actionneur, procede de commande d'un robot, et procede de commande d'un actionneur

Info

Publication number: WO2000059688A1
Application number: PCT/JP2000/002198
Authority: WO
Inventors: Shinji Ishii; Yoshihiro Kuroki
Original assignee: Sony Corporation
Priority date: 1999-04-05
Filing date: 2000-04-05
Publication date: 2000-10-12
Also published as: EP1118436B1; JP4609684B2; EP1118436A1; EP1118436A4; US6696809B2; US20020079857A1; US6472839B1

Description

明細ロボット、サ一ボ回路、ァクチユエ一夕、ロボットの制御方法及びァクチユエ一夕の制御方法技術分野

本発明は、ロボット、サーボ回路、ァクチユエ一夕、ロボットの制御方法及びァクチユエ一夕の駆動方法に関し、例えば 2足又は 4足の脚式移動ロボッ卜に適用することができる。本発明は、制御目標、ァクチユエ一夕の駆動検出結果及びァクチユエ一夕の規範数学モデルの応答に基づいて、ァクチユエ一夕を制御することにより、またサーボ系等において、駆動対象の応答とこの駆動対象のモデルの応答とがー致するように制御値を補正すると共に、この制御値の補正結果に基づいて少なくとも駆動対象の慣性モ一メントを検出することにより、専用のセンサを配置しなくても、リアルタイムで駆動部の慣性モーメント等を検出できるようにする。背景技術

従来、 2足の脚により移動する脚式移動ロボットにおいては、脚に配置した多数の関節のァクチユエ一夕を制御することにより、 2脚により移動できるようになされている。すなわち図 8は、この種の 2足の脚式移動ロボットの概略構成を示すスケルトン図であり、胴体部 2に右脚 3 R及び左脚 3 Lが取り付けられる。右脚 3 R及び左脚 3 Lは、例えば股、膝、足首に対応するように関節角を制御するァクチユエ一夕が配置され、鉛直方向を回転軸にして回動するァクチユエ一夕 M 1 R、 M 1 Lを介して胴体部 2に取り付けられる。ここで股、足首に対応する関節は、それぞれ股より下側の部位を前後、左右方向に回動させるァクチユエ一夕 M 2 R、 M 3 R及びM 2 L、 M 3 Lが配置されるのに対し、膝に対応する関節は、それぞれ膝より下側の部位を前後に回動させるァクチユエ一夕 M 4 R、 M 4 Lが配置される。また足首に対応する関節にあっては、それぞれ地面と接触する部位を前後、左右方向に回動させるァクチユエ一夕 M 5 R、 M 6 R及び M 5 L 、 M 6 Lが配置される。

脚式移動ロボット 1は、各ァクチユエ一夕 M 1 R〜M 6 R、 M 1 L〜M 6 Lの動作をセンサにより検出してサ一ボル一プにより各ァクチユエ一夕 M 1 R〜M 6 R、 M 1 L〜M 6 Lの動作を制御するように構成される。また脚式移動ロボット 1は、胴体部 2に姿勢を検出する姿勢センサ（重力の方向を検出する重力センサである）が配置され、また脚 3 R及び 3 Lの各部位には力センサ、接触センサ等が配置され、これらのセンサにより例えば脚の着地、胴体部 2の傾き等を検出して各サ一ボループの制御目標を補正する。これらによりこの種のロボットは、順次姿勢が変化するように各サ一ボル一プに制御目標を設定して 2脚歩行できるようになされている。

図 9は、 1つのァクチユエ一夕を駆動するサ一ボ回路と、その上位の制御系とを示すブロック図である。脚式移動ロボット 1において、制御指令発生器 1 1は、例えば 2足歩行に供する各ァクチユエ一夕の基本的な制御目標を用いた補間演算処理を実行し、これにより順次各ァクチユエ一夕の制御目標値を生成する。制御指令発生器 1 1は、この制御目標値を各ァクチユエ一夕のサーボ回路 1 2に順次出力し、また減算器 2 0を介して最適レギユレ一夕 1 3に入力する。なおこの図 9において、符号 Sはラプラス演算子である。

各サーボ回路 1 2は、乗算器 1 5によりこの制御目標値の微分値を利得係数 K f で増幅する。また各サ一ボ回路 1 2は、ァクチユエ一夕に配置したセンサ出力によりァクチユエ一夕の回転速度情報 Vm及び回転角度による変位情報 P mを取得する。かくするにっきこれら回転速度情報 V m及び変位情報 P mにおいては、例えば床の凹凸等による外乱 T dが加算されることになる。

サ一ボ回路 1 2は、減算器 1 4で制御目標値から変位情報 P mを減算して誤差信号 e pを生成し、この誤差信号 e pを乗算器 1 6により利得係数 K p 0で増幅する。各サーボ回路 1 2は、このようにして得られる乗算器 1 5及び 1 6の出力値を加算器 1 7で加算してァクチユエ一夕の駆動回路 1 8に出力する。

減算器 2 0は、各制御目標値毎に配置され、対応する変位情報 P mからそれそれ各制御目標を減算して最適レギユレ一夕 1 3に入力する。

最適レギユレ一夕 1 3は、各サ一ボ回路より変位情報 P mを取得し、また姿勢センサ等の各センサより検出結果を取得する。これにより最適レギユレ一夕 1 3 は、例えば制御指令発生器 1 1より 2足歩行による制御目標値が各サ一ボ回路に出力されると、各サーボ回路によるァクチユエ一夕の動作状況を監視すると共に、姿勢の変化、脚の着地等を監視し、この監視結果より例えば地面の凹凸に対応するように、各サーボ回路の動作量を補正する操作量を出力する。

駆動回路 1 8は、いわゆる P I制御によりモー夕 Mの回転を制御する。すなわち駆動回路 1 8は、演算回路 2 4において、誤差信号 e pより生成される出力値 e Vに操作量を加算すると共に、駆動部であるモ一夕本体 2 2の回転速度情報 V mを減算する。駆動回路 1 8は、この演算結果を乗算器 2 5、積分器 2 6により順次処理してモー夕 Mの駆動に要するトルク T mを計算し、このトルク T mに応じた電流駆動によりモー夕 Mを駆動する。

かくするにっきモ一夕 Mにおいては、静止摩擦係数が殆ど無視できる程小さいことにより、慣性モーメント J xと動摩擦係数 D mとによりモーショナルインピ —ダンスである伝達関数を表すことができる。これにより図 9においては、ラブラス演算による表記によりモ一夕 M、積分器、乗算器等を示す。なお、モー夕 M は、回転軸に配置された位置検出センサ 1 9により変位情報 P mを出力する。これにより脚式移動ロボット 1は、姿勢センサ等より得られる検出結果に基づいて各サーボ回路の制御目標を操作量により補正し、例えば凹凸のある床を歩行するような場合には、床の凹凸に応じて足首の関節、重心の位置等を変化させるようになされている。

ところがこのように姿勢センサ等より得られる検出結果に基づいて各サーボ回路の制御目標を補正する場合、脚を構成する各部材においては、力センサ、接触センサ等を配置する必要があり、その分全体構成が複雑かつ大型化する問題がある。

またこのような大型化、重量の増大により、その分ロボット全体として動作速度を高速度化することが困難になる問題がある。またこの種のセンサであるカセンサにおいては、剛性が小さいため、これによつてもロボット全体として動作速度を高速度化することが困難になる。

さらに予測困難な負荷の変動に対して対応することが困難になると、その分負荷変動に対して動作が不安定になることにより、結局、地面に接する部分に接触センサを配置して負荷変動を予測することが必要になる。

すなわち図 8について上述した構成において、地面に接する部分を左右に回動させるモー夕 M 6 R及び M 6 Lにあっては、右足が床に接触した後、左足が床から離れる瞬間に右足側のモー夕 M 6 Rの負荷慣性モーメントは最大になり、また左足側のモー夕 M 6 Lの負荷慣性モーメントが最小になる。歩行にあっては、このような負荷慣性モ一メン卜の最大値及び最小値が各モー夕毎に繰り返され、また全体の姿勢により各モ一夕の負荷慣性モーメン卜が複雑に変化する。

これに対して床の凹凸にあっては予測困難なことにより、結局、地面に接する部分に接触センサを配置して負荷変動を予測することが必要になる。またこのようにしても、予測されていない外乱が生じると、また予測されていない慣性モ一メント負荷の変動が生じると、最適レギユレ一夕 1 3の操作量及び駆動回路 1 8 の制御が結局不安定になる。

このような専用のセンサを配置しなくても、モ一夕の慣性モーメント等をリアルタイムで検出することができれば、この検出結果により操作量を変更してこの種の問題点を一挙に解決することができると考えられる。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、専用のセンサを配置しなくても駆動系の慣性モ一メント等をリアルタイムで検出することができるサ一ボ回路及びァクチユエ一夕、さらにこれらによるロボッ卜等を提案しょうとするものである o

かかる課題を解決するため本発明においては、ロボットにおいて、制御値に応じてァクチユエ一夕を駆動するァクチユエ一夕の駆動系と、この制御値に応じてァクチユエ一夕のモデルを駆動するモデルの駆動系とを設け、ァクチユエ一夕の応答とモデルの応答とがー致するように、ァクチユエ一夕の駆動系及び又はモデルの駆動系に入力される制御値を補正し、該補正結果より少なくともァクチユエ —夕の慣性モ一メントを検出して駆動結果として出力するようにした。

この結果このロボットでは、ァクチユエ一夕の応答とモデルの応答とがー致するように、ァクチユエ一夕の駆動系及び又はモデルの駆動系に入力される制御値を補正することから、この補正結果によりモデルに設定した慣性モーメントを基準にしてァクチユエ一夕の慣性モーメントをリアルタイムで検出することができる。これによりこの検出結果に基づいて制御値を補正して、専用のセンサを配置しなくても、予測困難な外乱に対処することができる。

また本発明においては、ロボットにおいて、制御目標、検出結果及び規範数学モデルの応答に基づいて、ァクチユエ一夕を制御するようにした。

この結果このロボットでは、検出結果及び規範数学モデルの応答から予測困難な外乱に対して制御目標を補正してァクチユエ一夕を制御することができる。さらに本発明においては、サ一ボ回路において、制御値に応じてァクチユエ一夕を駆動するァクチユエ一夕の駆動系と、制御値に応じてァクチユエ一夕のモデルを駆動するモデルの駆動系と、ァクチユエ一夕の応答とモデルの応答とがー致するように、ァクチユエ一夕の駆動系及び又はモデルの駆動系に入力される制御値を補正し、該補正結果より少なくともァクチユエ一夕の慣性モーメントを検出し、該検出結果よりァクチユエ一夕の駆動系及びモデルの駆動系に入力する制御値を補正する制御手段とを設けるようにした。

この結果このサ一ボ回路では、ァクチユエ一夕の応答とモデルの応答とがー致するように、ァクチユエ一夕の駆動系及び又はモデルの駆動系に入力される制御値を補正し、この補正結果より少なくともァクチユエ一夕の慣性モ一メントを検出して制御値を補正することから、専用のセンサを配置しなくても、予測困難な外乱に対処可能なサ一ボ回路を構成することができる。

さらに本発明においては、ァクチユエ一夕において、駆動部の応答とモデルの応答とがー致するように、駆動部の駆動系及び又はモデルの駆動系に入力される制御値を補正する補正手段を設け、この補正手段による補正結果より少なくとも駆動部の慣性モ一メントを検出して出力するようにした。

この結果このァクチユエ一夕では、駆動部の応答とモデルの応答とがー致するように、駆動部の駆動系及び又はモデルの駆動系に入力される制御値を補正し、この補正結果より少なくとも駆動部の慣性モ一メントを検出して出力することから、専用のセンサを配置しなくても、このようなセンサを配置した場合と同様に、予測困難な駆動部の負荷変動に対応可能に、駆動部の慣性モーメントを上位の制御機構に通知することができる。

さらに本発明においては、ロボットの制御方法において、制御目標と、ァクチユエ一夕の駆動結果と、制御目標に対する規範数学モデルの応答とに基づいて、ァクチユエ一夕を制御するようにした。

この結果このロボットの制御方法によれば、制御目標と、ァクチユエ一夕の駆動結果と、制御目標に対する規範数学モデルの応答とに基づいて、ァクチユエ一夕を制御することにより、検出結果及び規範数学モデルの応答から予測困難な外乱に対処して制御目標を補正してすることができる。

さらに本発明においては、ァクチユエ一夕の駆動方法において、制御値に応じて駆動部のモデルを駆動し、モデルの駆動結果及びァクチユエ一夕の駆動結果に基づいて、少なくとも駆動部の慣性モーメントを検出して出力するようにした。この結果このァクチユエ一夕の駆動方法によれば、制御値に応じて駆動部のモデルを駆動し、モデルの駆動結果及びァクチユエ一夕の駆動結果に基づいて、少なくとも駆動部の慣性モ一メントを検出して出力することにより、予測困難な駆動部の負荷変動に対応可能に、駆動部の慣性モーメントを上位の制御機構に通知することができる。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の実施の形態に係る脚式移動ロボッ卜の適応制御器を示すプロヅク図である。

図 2は、図 1の脚式移動ロボットの構成を示す略線図である。

図 3は、図 2の足底板側を詳細に示す分解斜視図である。

図 4は、図 1の適応制御器が適用されるサ一ボ系を示すブロック図である。図 5は、図 1の適応制御器の特性を示す特性曲線図である。

図 6は、平坦な床を歩行する場合の動作の説明に供する側面図である。

図 7は、不整地を歩行する場合の動作の説明に供する側面図である。

図 8は、脚式移動ロボッ卜の概略構成を示すスケルトン図である。

図 9は、従来の脚式移動ロボッ卜に適用されるサ一ボ系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、適宜図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳述する。

( 1 ) 実施の形態の構成

図 2は、図 8との対比により本発明の実施の形態に係る脚式移動ロボットを示す略線図である。この脚式移動ロボット 3 1は、脚の部分については、図 8について上述した脚式移動ロボット 1と同様に構成され、この脚に加えて腕についてもァクチユエ一夕 M l 0 L ~M 1 3 Lにより可動できるように構成される。また腰の部分にもァクチユエ一夕 M 9 A、 M 9 Bが配置され、これにより重心を前後、左右に移動できるようになされている。なおこの図 2において、図 8について上述した脚式移動ロボット 1の各部に対応する構成は、詳細は異なるものの、同一の符号を付して示す。また脚式移動ロボット 3 1においては、右半身と左半身とが同一の構成であることから、この図 2においては、右脚側、右腕側の記載を省略して示す。図 3は、左脚 3 Lの先端部分であるァクチユエ一夕 M 5 L及び M 6 Lの周辺構成を詳細に示す分解斜視図である。脚式移動ロボット 3 1においては、足底板にが地面に接地するようになされ、脚式移動ロボット 3 1の正面に対して直交する方向に軸心が配置されてなるァクチユエ一夕一 M 6 Lがこの足底板に配置される。これにより脚式移動ロボット 3 1は、ァクチユエ一夕一 M 6 Lを駆動して、符号 0 1により示すように足底板を前後に回動できるようになされている。

脚式移動ロボット 3 1においては、結合板を介してこのァクチユエ一夕一 M 6 Lがァクチユエ一夕 M 5 Lに接続され、このァクチユエ一夕一 M 5 Lをおいては、回転軸がァクチユエ一夕 M 6 Lの回転軸と直交するように配置される。これにより脚式移動ロボット 3 1においては、このァクチユエ一夕 M 5 Lに駆動して、符号 0 2により示すように足底板を左右方向に回動できるようになされている。これらにより脚式移動ロボット 3 1においては、他のァクチユエ一夕と連動してァクチユエ一夕 M 5 L、 M 6 Lを駆動すると共にして、この路面の凹凸に応じて足底板を前後左右に傾けて、凹凸のある路面でも移動できるようになされている図 4は、本発明の脚式移動ロボッ卜の 1つのァクチユエ一夕に係るサ一ボ回路とその上位の制御系とを示すブロック図である。この脚式移動ロボット 3 1は、サ一ボ回路 3 2、図示しない他のァクチユエ一夕に係るサーボ回路よりァクチュェ一夕の慣性モーメント、外乱による負荷をリアルタイムで検出して最適レギュレー夕 3 4に通知し、最適レギユレ一夕 3 4においては、図 8について上述した各種センサによる検出結果に代えて、これら慣性モーメント、外乱による負荷により操作量を生成して各サーボ回路に通知する。

すなわちサ一ボ回路 3 2においては、各ァクチユエ一夕に内蔵の駆動回路 3 5 において、積分器 2 6及びモー夕 M間に適応制御器 3 6が配置され、この適応制御器 3 6により慣性モーメント J x、外乱による負荷 T dをリアルタイムで検出する。

図 1は、この適応制御器 3 6の構成を示すブロック図である。この適応制御器 36は、調整器 38によりトルク制御値 Tmを補正してモー夕 Mを駆動する。さらに適応制御器 36は、モー夕 Mの回転軸に配置された角速度センサよりモ一夕 Mの応答である角速度情報 Vmを取得し、減算器 39に入力する。これにより駆動回路 35は、実際の駆動対象であるモ一夕 Mを駆動するァクチユエ一夕の駆動系を構成するようになされている。

また適応制御器 36は、規範数学モデル 40にトルク制御値 Tmを与え、その応答 VmOを算出して減算器 39に入力する。ここで規範数学モデル 40は、モ一夕 Mのモ一ショナルインピ一ダンスと等しいディメンシヨンによる伝達関数 1 / ( JmS + DmO) に設定されたモー夕 Mのモデルであり、モー夕 Mの応答 V mと同様の回転速度の形式による応答 VmOを出力するようになされている。これにより駆動回路 35は、モー夕 Mのモデルを駆動するモデルの駆動系を構成するようになされている。なおここで J mは、モー夕 Mの慣性モーメント J Xに対応する定数である。 DmOは、モー夕 Mの動摩擦係数 Dmに対応する係数である。この実施の形態において、 J m及び DmOは、所定の固定値が与えられるようになされ、このうち DmOは、モ一夕 Mの実測値が与えられるようになされている o

減算器 39は、これらモー夕 Mの応答 Vmと規範数学モデル 40の応答 VmO との誤差 _e jを検出し、適応制御器 36は、この誤差 e jが値 0に収束するように調整器 38による補正量を制御し、またこの補正結果により慣性モーメント J x、外乱による負荷 Tdをリアルタイムで検出して最適レギユレ一夕 34に通知する。

適応制御器 36は、この積分器 41の出力値 Jxeと誤差 e jとにより調整器 38を調整する。

ここで調整器 38は、積分器 41の出力値 Jxeによりトルク制御値 Tmの利得を制御する調整器 38 Aと、誤差 e jに応じたオフセット値をトルク制御値 T mに与える乗算器 38 Bとにより構成される。すなわち調整器 38 Aは、モデルの伝達関数 1/ ( JmS +DmO) を基準にして、（Jxe S + DmO) / (J e

mS+DmO) により表される伝達特性に設定され、この分子の Jxeが積分器 41の出力値 Jx eに設定されるようになされている。

これに対して加算器 38Bは、誤差 e jを所定の利得 Kgで増幅して得られる値 T eを加算して制御値をオフセヅ卜させる。

これらにより誤差 e jにおいては、次式

e， = m

(1) により表すことができる。

ここで積分器 41の利得を Kiとおくと、積分器 41の出力 Jxeは次式

Ki

Jxe = ei X (2)

s により表すことができる。また（1) 式において、動摩擦係数 Dm及び DmOは、既知として、 Dm二 DmOとできる。

これより（1) 式に（2) 式を代入して変形することにより、次式

Tm x JxS - Td x Z40

(JxS + Dm)Z 0 + Ki x Tm + Kg x Z40 但し、 Z40 = (JmS + DmO) (3) の関係式を得ることができる。ここで（3) 式の JmS+DmOは、モー夕 · 口 —夕の数学モデルで、極は安定と見なせることを前提とする。

これにより K i X Tm> 0、 Kg>0に設定して、誤差 e jを 0に収束させることができ、モ一夕 Mの応答を規範数学モデル 40の応答と一致させることができる。またこのとき積分器 41の出力 Jx eにおいては、モー夕 Mの負荷をも含めた慣性モーメント J Xと一致し、さらに誤差 e jを所定の利得 K gで増幅して得られる値 T eにおいては、外力 T dと一致することになる。

これにより適応制御器 36においては、誤差 e jが値 0に収束するように調整器 38 Aの利得、加算器 38Bにおけるオフセット値を調整することにより、モ一夕 Mの慣性モ一メント、外力による負荷をリアルタイムで検出する。

かくするにっき適応制御器 36は、内蔵の演算処理回路により所定の処理手順を実行してこれら調整器 38、モデル 40、減算器 39、積分器 41等を構成する。またこの演算処理回路により、モー夕 Mの応答とモデル 40の応答とがー致するように、モ一夕 Mに係るァクチユエ一夕の駆動系に入力される制御値 Tmを補正する補正手段を構成し、この補正結果によりモー夕 Mの慣性モーメント、外力による負荷を検出する。

(2) 実施の形態の動作

以上の構成において、ロボヅト 31は（図 4)、制御指令発生器 1 1により各ァクチユエ一夕の制御目標値が生成され、この制御目標値が各ァクチユエ一夕のサーボ回路に順次出力される。各サーボ回路 32においては、この制御目標値の微分値が所定利得 K fにより増幅されて各駆動回路の制御値 eVが生成され、この制御値 eVによりモー夕 Mが駆動される。このとき制御値 eVにあっては、所定利得 Kp 1により増幅された後、また利得 Kiの積分器 26により積分されてトルク T mによる制御目標値が生成され、このトルク T mに対応する電流駆動によりモー夕 Mが駆動される。また駆動結果 Pmと制御目標との間で誤差信号 e p が検出され、この誤差信号 e pが所定利得 K p 0により増幅されて制御目標値が補正され、これによりフィードバックル一プによるサ一ボル一プによりモ一夕 M が駆動される。

このとき各駆動回路 35においては（図 1)、制御値 Tmの利得、オフセット値が調整器 38により補正されて、この補正結果によりモー夕 Mが駆動され、モ —夕 Mの応答 Vmがモー夕 Mの角速度検出結果として検出される。またモー夕 M と同一ディメンションによる伝達関数の規範数学モデル 40により制御値 Tmの応答 VmOが検出される。さらにこれらモ一夕 M及び規範数学モデル 40に応答の誤差 e jが減算器 39により検出され、この誤差 e jが値 0に収束するように、調整器 38の調整器 38 Aにおいて制御値 Tmの利得が補正され、また続く加算器 38Bにおいてオフセヅト値 Teが補正される。

これにより駆動回路 35においては、このようにしてモー夕 M側の制御値 Tm を補正して得られる誤差 e jにより順次調整器 38の特性を補正して、モー夕 M の応答 Vmが規範数学モデル 40の応答 VmOに一致するように、モー夕 M側の制御値 Tmが補正されてモー夕 Mが駆動される。

この状態において、駆動回路 35においては、規範数学モデル 40の伝達関数 1/ (JmS+DmO) を基準にして、（JxeS+DmO) / (JmS+Dm 0) により表される伝達特性に調整器 38 Aが設定され、この分子の Jxeが積分器 41の出力値 J X eに設定されて制御値 Tmの利得が制御されることにより、誤差 e jが値 0に収束した状態で、この積分器 41の出力値 Jxeがモー夕 M の慣性モーメント J Xを示すことになる。

またこのようにして利得を補正して得られる制御値に与えられるオフセット値 T eにあっては、モー夕 Mの外乱による負荷 T dを示すことになる。

かくするにっき、図 5は、演算処理回数を横軸に取って、これら慣性モーメント Jx e及び外乱による負荷 Tdを検出するシュミレ一シヨンの結果を示す特性曲線図である。この場合、制御対象であるモ一夕 Mにおいては、慣性モーメント Jxを値 50に、動摩擦係数 Dmを値 10に設定し、規範数学モデル 40においては、慣性モーメント Jmを値 10に、動摩擦係数 Dm 0を値 10に、また利得 K g及び K iをそれぞれ 160及び 80に設定した。シュミレーシヨンにおいては、 1 0サンプリング目で制御指令値 T mを急激に立ち上げ、その後の誤差 e j 等の変化を観察した。最終的に 2 5 0サンプリング目にあっては、適応制御器 3 6より慣性モーメント J x eとして値 4 7 . 9が得られ、また外乱による負荷— 9 . 6が検出され、これにより実用上十分な範囲でモー夕 Mの慣性モーメント、外乱による負荷を検出できることが確認された。

これにより脚式移動ロボット 3 1にあっては、各サ一ボ回路 3 2よりこのようにして検出される慣性モ一メント J X及び外乱による負荷 T dが上位の最適レギユレ一夕 3 4に通知され、これにより各部位に力センサ、接触センサ等を配置しなくても、モー夕の慣性モーメント等を検出することが可能となり、この検出結果より操作量を変更して従来の脚式移動ロボッ卜の問題点を解決することが可能となる。

すなわち脚式移動ロボット 3 1は、最適レギユレ一夕 3 4において、これらの通知により例えば脚が着地した際の負荷変動等が検出され、さらにこの検出結果より制御指令発生器 1 1による制御値を補正する操作量が生成されて各サーボ回路 3 2に出力され、各サ一ボ回路 3 2においては、この操作量により駆動回路 3 5に対する制御値 e Vが補正される。

このとき最適レギユレ一夕 3 4にあっては、制御指令発生器 1 1から各サーボ回路に出力される制御目標値が入力されて、この制御目標値を基準にして操作量が生成されることにより、例えば制御指令発生器 1 1より平坦な床を歩行する制御目標値が順次出力されるている状態で、この脚式移動ロボット 3 1の移動する床が平坦な場合、制御目標値の変化に対応するように各モー夕の慣性モーメント J X e及び外乱による負荷 T dが検出され、これにより制御目標値が適切に設定されている場合には、制御指令発生器 1 1から出力される制御目標値が何ら操作量により補正されることなく各サーボ回路によりモー夕 Mが駆動されて平坦な床を 2足歩行することになる。

すなわち図 6に示すように、平坦な床を歩行する場合、足底板が地面に着地すると、それまで小さな値であった負荷慣性モーメントが大きく増大し、この増大が最適レギユレ一夕 3 4で検出される。このような平坦な床を歩行する場合、事前の設定によりァクチユエ一夕の制御目標値に対してこのようにして検出される負荷慣性モーメントの増大が対応してなる場合、脚式移動ロボット 3 1においては、足底板が着地するまでの各ァクチユエ一夕の制御と、着地後の制御とが事前の設定に従って変化し、これにより転倒等の事故が防止され、安定に歩行するとが可能となる。

これに対して例えば同様の制御目標値が制御指令発生器 1 1より出力されている状態で、脚式移動ロボット 3 1の移動する床が傾いたり、この床に凹凸がある場合、これら床の傾き、床の凹凸により各モー夕 Mにおいては、慣性モーメント、外乱による負荷が変化し、これらの変化に応じて最適レギユレ一夕 3 4により操作量が生成されて制御目標値が補正される。これにより例えば床の凹凸に対応して床に接触する部位を傾けるように、足首の関節膝の関節を構成するモー夕等の制御目標値が補正され、予測困難な外乱による不安定な動作が防止される。このとき脚式移動ロボット 3 1においては、ァクチユエ一夕であるモ一夕 Mにおいて、その駆動回路 3 5に内蔵の適応制御器 3 6によりモー夕 Mの慣性モ一メント、外乱による負荷が検出され、この駆動回路 3 5を駆動するサーボ回路 3 2 にあっては、これら慣性モーメント、外乱による負荷を検出しない図 8について上述したような従来構成の駆動回路を駆動する場合と同様に制御値を出力してモ一夕 Mを駆動することができる。

すなわち例えば図 7に示すように、爪先上がりの不整地路面を歩行する場合にあっては、平坦な床を歩行する場合に比して、速い時点で足底板が地面に着地し、それまで小さな値であった負荷慣性モーメントが大きく増大する。この場合、最適レギユレ一夕 3 4においては、この負荷慣性モーメントの増大の検出により、足底板の傾きに対応して制御値を補正し、この状態で重心の位置が外乱に対応するように、すなわち平坦な床を歩行する場合に足底板が着地した場合と同様の状態になるように重心の位置を補正し、さらにはこの足底板の前後方向への制御を切り換え、これにより転倒等の事故を防止して安定に歩行するとができるまた脚式移動ロボット 3 1においては、最適レギユレ一夕 3 4において、各部位に配置されたセンサに代えて、各サーボ回路より通知される慣性モーメント、外乱による負荷により操作量が生成される。これにより脚式移動ロボット 3 1においては、従来の脚式移動ロボッ卜のように各部位に配置するセンサを省略でき、その分全体構成を小型化、簡略化することが可能となり、また動作速度を高速度化することができる。

( 3 ) 実施の形態の効果

以上の構成によれば、制御値 T mと、駆動対象であるモ一夕 Mの応答 Vmと、このモー夕 Mのモデル 4 0の応答 V m Oとに基づいて、モ一夕 Mを駆動することにより、モー夕 Mの慣性モーメントを検出すると共に、この検出結果に基づいてモー夕 Mを駆動することができ、これにより専用のセンサを配置しなくても、リアルタイムで駆動対象の慣性モ一メント等を検出することができる。

すなわち関節の角度を制御するサ一ボ系において、駆動対象であるモ一夕 Mの応答 Vmとこのモー夕 Mのモデル 4 0の応答 Vm Oとが一致するように、制御値 T mを補正すると共に、この制御値 T mの補正結果に基づいて少なくともモー夕 Mの慣性モーメントを検出することにより、専用のセンサを配置しなくても、リアルタイムで駆動対象の慣性モーメント等を検出することができる。

これによりロボッ卜にあっては、簡易な構成により外乱による不安定な動作を防止することができ、また移動速度を高速度化することができる。

また適応制御器におけるこの慣性モ一メン卜の検出処理を演算処理により実行したことにより、必要に応じて処理プログラムを変更することにより、各種変更に迅速に対応することができる。

( 4 ) 他の実施の形態

なお上述の実施の形態においては、静止摩擦係数については小さいものとして無視する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、併せて静止摩擦係数を検出するようにしてもよい。なおこの場合、静止摩擦係数においては、一定値以上のトルクの印加により急激に値が低下することにより、この特性と逆特性の伝達関数による補正器を加算器 3 8 Bの後段に配置してトルク T mを補正して、この補正器の補正値より検出することができる。

また上述の実施の形態においては、慣性モ一メントと外力による負荷とを検出する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、外力による負荷の変化が少ない系にあっては、慣性モーメントだけを検出するようにしてもよい。

また上述の実施の形態においては、モ一夕によるァクチユエ一夕を駆動する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、リニアモー夕によるァクチユエ一夕を駆動する場合等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、駆動対象側であるモー夕側の制御値を補正して慣性モ一メント等を検出する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、必要に応じて規範数学モデル側の制御値を補正して慣性モーメント等を検出しても良く、双方の制御値を補正して慣性モーメント等を検出してもよい。

また上述の実施の形態においては、本発明を 2足歩行のロボットに適用する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、 4足歩行のロボット、さらには夕ィャにより移動するロボット、さらには各種サ一ボ回路、駆動回路を内蔵するァクチユエ一夕に広く適用することができる。産業上の利用可能性

本発明は、脚式移動ロボットに適用することができる。

Claims

請求の範囲

1 . 各ァクチユエ一夕の制御目標を順次出力する制御手段と、

上記各ァクチユエ一夕の駆動結果に基づいて上記制御目標の補正値を出力する制御値補正手段と、

各上記制御目標を上記補正値により補正して制御値を生成し、上記制御値によりそれぞれァクチユエ一夕を駆動する駆動手段とを備え、

上記駆動手段は、

上記制御値に応じて上記ァクチユエ一夕を駆動するァクチユエ一夕の駆動系と上記制御値に応じて上記ァクチユエ一夕のモデルを駆動するモデルの駆動系とを有し、

上記ァクチユエ一夕の応答と上記モデルの応答とがー致するように、上記ァクチユエ一夕の駆動系及び又は上記モデルの駆動系に入力される上記制御値を補正し、該補正結果より少なくとも上記ァクチユエ一夕の慣性モ一メントを検出して上記駆動結果として出力する

ことを特徴とするロボット。

2 . 上記ァクチユエ一夕は、

脚の関節に配置され、

上記ロボットは、

上記ァクチユエ一夕の駆動により移動可能なロボットである

ことを特徴とする請求の範囲第 1項に記載のロボット。

3 . 上記駆動手段は、

所定の利得により上記制御値を補正することにより、上記ァクチユエ一夕の応答と上記モデルの応答とを一致させ、上記利得により上記モデルの慣性モ一メントの値を補正して上記ァクチユエ一夕の慣性モーメントを検出する

ことを特徴とする請求の範囲第 1項に記載のロボット。

4 . 上記駆動手段は、

上記制御値にオフセット値を与えて上記制御値を補正することにより、上記ァクチユエ一夕の応答と上記モデルの応答とを一致させ、

上記オフセット値により上記モデルの動摩擦係数を補正して外乱による負荷を検出し、上記外乱による負荷を上記慣性モ一メントと共に上記駆動結果として出力する

ことを特徴とする請求の範囲第 1項に記載のロボット。

5 . 関節を有し、ァクチユエ一夕によって上記関節を駆動するロボットにおいて上記ァクチユエ一夕の制御目標を出力する制御目標出力手段と、

上記ァクチユエ一夕を制御するァクチユエ一夕制御手段と、

上記ァクチユエ一夕の駆動結果を検出して検出結果を出力する駆動結果検出手段と、

上記制御目標に対する応答を出力する規範数学モデルとを備え、

上記ァクチユエ一夕制御手段は、

上記制御目標、上記検出結果及び上記応答に基づいて、上記ァクチユエ一夕を制御する

ことを特徴とするロボット。

6 . 制御値に応じてァクチユエ一夕を駆動するァクチユエ一夕の駆動系と、上記制御値に応じて上記ァクチユエ一夕のモデルを駆動するモデルの駆動系と上記ァクチユエ一夕の応答と上記モデルの応答とがー致するように、上記ァクチユエ一夕の駆動系及び又は上記モデルの駆動系に入力される上記制御値を補正し、該補正結果より少なくとも上記ァクチユエ一夕の慣性モーメントを検出し、該検出結果より上記ァクチユエ一夕の駆動系及び上記モデルの駆動系に入力する上記制御値を補正する制御手段と

を備えることを特徴とするサーボ回路。

7 . 上記補正手段は、

所定の利得により上記制御値を補正することにより、上記ァクチユエ一夕の応答と上記モデルの応答とを一致させ、

上記利得により上記モデルの慣性モーメン卜の値を補正して上記ァクチユエ一夕の慣性モーメントを検出する

ことを特徴とする請求の範囲第 6項に記載のサーボ回路。

8 . 上記駆動手段は、

上記ォフセット値により上記モデルの動摩擦係数を補正して外乱による負荷を検出し、上記外乱による負荷により上記制御値を補正する

ことを特徴とする請求の範囲第 6項に記載のサーボ回路。

9 . 制御値に応じて駆動部を駆動する駆動部の駆動系と、

上記制御値に応じて上記駆動部のモデルを駆動するモデルの駆動系と、上記駆動部の応答と上記モデルの応答とがー致するように、上記駆動部の駆動系及び又は上記モデルの駆動系に入力される上記制御値を補正する補正手段とを有し、

上記補正手段による補正結果より少なくとも上記駆動部の慣性モ一メントを検出して出力する

ことを特徴とするァクチユエ一夕。

1 0 . 上記補正手段は、

所定の利得により上記制御値を補正することにより、上記駆動部の応答と上記モデルの応答とを一致させ、

上記利得により上記モデルの慣性モーメントの値を補正して上記駆動部の慣性モーメントを検出する

ことを特徴とする請求の範囲第 9項に記載のァクチユエ一夕。

1 1 . 上記補正手段は、

上記制御値にオフセット値を与えて上記制御値を補正することにより、上記駆動部の応答と上記モデルの応答とを一致させ、

上記ォフセット値により上記モデルの動摩擦係数を補正して外乱による負荷を検出して出力する

1 2 . 関節を有し、ァクチユエ一夕によって上記関節を駆動するロボットの制御方法において、

制御目標と、上記ァクチユエ一夕の駆動結果と、制御目標に対する規範数学モデルの応答とに基づいて、上記ァクチユエ一夕を制御する

ことを特徴とするロボットの制御方法。

1 3 . 制御値に応じて駆動部を駆動するァクチユエ一夕の駆動方法において、上記制御値に応じて上記駆動部のモデルを駆動し、上記モデルの駆動結果及び上記ァクチユエ一夕の駆動結果に基づいて、少なくとも上記駆動部の慣性モ一メントを検出して出力するとを特徴とするァクチユエ一夕の駆動方法。