JP2004009205A

JP2004009205A - ２足歩行ロボット

Info

Publication number: JP2004009205A
Application number: JP2002166012A
Authority: JP
Inventors: Takashi Enomoto; 榎本　孝史
Original assignee: Mitsuba Corp
Current assignee: Mitsuba Corp
Priority date: 2002-06-06
Filing date: 2002-06-06
Publication date: 2004-01-15

Abstract

【課題】関節角度に無関係に、また、足が床面などから離れた状態にあっても姿勢復元トルクを生成することが可能で且つ目標歩容への追従を行うことが容易な制御機構を備えた２足歩行ロボットを提供すること。
【解決手段】本発明の２足歩行ロボット（１００）は、胴体（１０）と、胴体下部に設けられた一対の脚体（２０Ｒ、２０Ｌ）と、２足歩行ロボットの姿勢を変化させるトルクを発生するべく胴体及び一対の脚体の少なくとも一つに設けられた１以上のコントロールモーメントジャイロ（１６）とを有するものとした。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２足歩行ロボットに関する。特に、２足歩行ロボットの姿勢安定化に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、人間と同じような２足歩行が可能な２足歩行ロボットに対する注目が高まっている。このような２足歩行ロボットは本質的に不安定であり、ロボットが転倒することなく歩行を行うためには姿勢制御が不可欠である。２足歩行ロボットの姿勢制御は、通常、センサによりロボットの姿勢を検出し、ゼロ・モーメント・ポイント（ＺＭＰ）原理などにより求められた安定な目標姿勢（歩容）と検出された姿勢とのずれに基づいて姿勢復元トルクを発生させることでなされる。
【０００３】
従来、そのような姿勢復元トルクは、ロボットの足首関節を駆動するアクチュエータによって生成されるか（足首トルク）、あるいは、様々な関節を曲げることによるロボットの重心位置及び角運動量の変化によって生成されている。しかしながら、足首関節駆動アクチュエータによる姿勢復元トルク（足首トルク）の生成は足と路面との相互作用によって得られるものであり、足が浮いた状態や路面が柔らかい場合などでは生成が不可能または困難である。また、関節角度を変化させてロボットの重心位置や角運動量を変化させる方法では、関節角度の変化に応じて目標とする歩容そのものを変更する必要があり、また、所望のトルクを生成するための関節角度を計算する演算が煩雑であるという欠点がある。
【０００４】
これらとは異なる姿勢復元トルク生成方法として、フリージャイロやコマを利用して姿勢制御を行うことが提案されている。例えば、特開平５９−６４０８４号公報には、ロボットの概ね垂直方向にコマ軸が設けられた角運動量の大きなコマを備えた２足歩行ロボットにおいて、ロボットが傾いたときコマが歳差運動するのを利用して、この再差運動と同じ方向にロボットの基部（足部）に設けられた垂直方向軸を回転させることでジャイロモーメントを生成し、ロボットの起立状態を維持することが開示されている。しかしながら、このような方式では、起立状態の維持には寄与するものの、目標歩容への追従を行うことはできない。フリージャイロ方式のものも、やはり、ロボットを起立させるのみの作用に留まり、目標歩容への追従を行うことはできない。
【０００５】
更に別の方法として、特許第２８０７７８８号公報にはアクティブマスダンパ方式が開示されているが、これは発生し得るトルクの大きさが慣性質量の大きさに依存するため、ロボットを小型軽量に構成することが難しく、トルク発生に必要な慣性質量の駆動力も大きくなるという欠点があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は以上のような従来技術の問題点を解決するためのものであり、本発明の主な目的は、関節角度に無関係に姿勢復元トルクを生成することが可能で姿勢安定制御則を簡単化することが可能な制御機構を備えた２足歩行ロボットを提供することである。
【０００７】
本発明の第２の目的は、足が床面などから離れた状態にあっても姿勢制御のための姿勢復元トルクを生成することが可能で且つ目標歩容への追従を行うことが容易に可能な制御機構を備えた２足歩行ロボットを提供することである。
【０００８】
本発明の第３の目的は、上記のような姿勢制御が可能で且つロボットの軽量化を図ることのできる制御機構を備えた２足歩行ロボットを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明に基づくと、２足歩行ロボット（１００）であって、胴体（１０）と、胴体下部に設けられた一対の脚体（２０Ｒ、２０Ｌ）と、２足歩行ロボットの姿勢を変化させるトルクを発生するべく胴体及び一対の脚体の少なくとも一つに設けられた１以上のコントロールモーメントジャイロ（１６）とを有する２足歩行ロボットが提供される。コントロールモーメントジャイロ（ＣＭＧ）は、物体の角運動量の変化とモーメントとの力学的関係に基づくトルク発生装置の一種であり、一定の角速度で回転するロータ（フライホイール）をジンバルで保持し、このジンバルをロータの回転軸と垂直な軸周りに回転させることで外部に対しトルク（ジャイロモーメント）を与えるものである。これによれば、ロボットの足が床面から離れている場合にもＣＭＧによってトルク（ＣＭＧトルク）を生成することができるため、ロボットの歩行、走行、跳躍といった広い範囲で姿勢制御を行うことが可能である。また、関節動作と無関係に姿勢復元のためのトルクを得ることができるため、ロボットの姿勢安定制御則を簡単化することができる。さらに、ＣＭＧトルクはそのジンバルの回転数を調節することで大きさを容易に変えることができ、また、装置の寸法に対して大きなトルクを得ることが可能であるため、装置の小型軽量化及び目標歩容への追従が容易である。
【００１０】
２足歩行ロボットが、目標姿勢を生成するとともに、前記２足歩行ロボットの所定の関節において生成されるべきトルクを指示する関節トルクを出力する歩容生成部（１０１）と、実姿勢を検出する姿勢センサ（１０２）と、目標姿勢と実姿勢との差である姿勢偏差から姿勢復元トルクを計算する姿勢復元トルク計算部（１０４）とを更に有する場合、姿勢復元トルクの少なくとも一部をコントロールモーメントジャイロによって生成することにより、コントロールモーメントジャイロから生成されるトルクを姿勢制御に有効に用いることができる。
【００１１】
本発明の一好適実施例に基づく２足歩行ロボットは、足首トルクを生成するべく一対の脚体の各々に設けられた足首トルク生成手段（１３Ｒ、１３Ｌ）と、姿勢復元トルク計算手段によって計算された姿勢復元トルクに基づき、足首トルク生成手段により生成されるべき足首トルクを示す足首トルク指令及びコントロールモーメントジャイロによって生成されるべきトルクを指示するＣＭＧトルク指令を生成するトルク分配部（１０５）とを更に有する。これにより、簡単な構成で、コントロールモーメントジャイロにより生成されるトルクを２足歩行ロボットの姿勢制御に有効に用い、歩行、走行、跳躍といった幅広い範囲でロボットの姿勢安定化を図ることができる。
【００１２】
本発明の別の好適実施例に基づく２足歩行ロボットは、足首トルクを生成するべく一対の脚体の各々に設けられた足首トルク生成手段（１３Ｒ、１３Ｌ）と、姿勢復元トルク計算手段によって計算された姿勢復元トルクに基づき、足首トルク生成手段により生成されるべき足首トルクを示す足首トルク指令、コントロールモーメントジャイロによって生成されるべきトルクを指示するＣＭＧトルク指令、及び関節角度の変更により発生されるべきトルクを指示する重力モーメント指令を生成するトルク分配部（１０５）と、トルク分配部からの重力モーメント指令に基づいて歩容修正量を計算し、歩容修正量を歩容生成部に入力する歩容修正量演算部（１０７）とを更に備え、歩容生成部は入力された歩容修正量を考慮して歩容の再構成を行うことを特徴とする。このような実施形態によっても、コントロールモーメントジャイロにより生成されるトルクを２足歩行ロボットの姿勢制御に有効に用い、歩行、走行、跳躍といった幅広い範囲でロボットの姿勢安定化を図ることができる。
【００１３】
コントロールモーメントジャイロが双子型コントロールモーメントジャイロからなると、単純な構造で、特定軸周りにトルクを生成して、生成したトルクを容易に制御できるため好適である。
【００１４】
本発明の特徴、目的及び作用効果は、添付図面を参照しつつ好適実施例について説明することにより一層明らかとなるだろう。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適実施例について図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、本発明が適用された２足歩行ロボットの好適実施例の要部を示す模式的な斜視図である。図において、ロール軸（前後軸）、ピッチ軸（左右軸）、ヨー軸（上下軸）を矢印で示した。図示されているように、この２足歩行ロボット１００は胴体部１０と、それを支える一対の脚部２０Ｒ、２０Ｌとを含む。なお、この例では上半身は示していないが、胴体部１０の上に上半身を取り付けることも可能であることは言うまでもない。
【００１７】
各脚部２０Ｒ、２０Ｌは、股関節部１１Ｒ、１１Ｌ、膝関節部１２Ｒ、１２Ｌ、足首関節部１３Ｒ、１３Ｌを有しており、股関節部１１Ｒ、１１Ｌを介して胴体部１０に接続されている。股関節部１１Ｒ、１１Ｌは、股関節ロール軸アクチュエータ１Ｒ、１Ｌ、股関節ピッチ軸アクチュエータ２Ｒ、２Ｌ、及び股関節ヨー軸アクチュエータ３Ｒ、３Ｌを有している。膝関節部１２Ｒ、１２Ｌは膝関節ピッチ軸アクチュエータ４Ｒ、４Ｌを備えている。足首関節部１３Ｒ、１３Ｌは足首関節ロール軸アクチュエータ５Ｒ、５Ｌ、足首関節ピッチ軸アクチュエータ６Ｒ、６Ｌ、足首関節ヨー軸アクチュエータ７Ｒ、７Ｌを有している。このようにして股関節部１１Ｒ、１１Ｌと足首関節部１３Ｒ、１３Ｌは互いに垂直な３つの軸線の周りに回動可能であり、膝関節部１２Ｒ、１２Ｌは一つの軸線の周りに回動可能となっている。
【００１８】
胴体部１０はロボット１００の姿勢を検出する姿勢センサ１５を備えている。このセンサ１５はロボット１００の姿勢を示す角度、角速度及び角加速度などを検出し、図示しない制御演算部に送る。また本発明に基づき、胴体部１０はコントロールモーメントジャイロ（以下、ＣＭＧと言う）１６を備えている。
【００１９】
ＣＭＧ１６は、物体の角運動量の変化とモーメントとの力学的関係に基づくトルク発生装置の一種であり、一定の角速度で回転するロータ（フライホイール）をジンバルで保持し、このジンバルをロータの回転軸と垂直な軸周りに回転させることで外部に対しトルク（ジャイロモーメント）を与えるものである。そのようなＣＭＧとしては、一つのジンバルを含むシングルジンバルＣＭＧ、同一特性の２つのジンバルを左右に並べて配置し、互いに逆方向に同一速度で回転させる双子型ＣＭＧなど、様々な形態のものがある。図２に双子型ＣＭＧの模式的な斜視図を示す。
【００２０】
図示されているように、この双子型ＣＭＧ１６はそれぞれロータ２１Ｒ、２１Ｌを回転可能に支持する並置された２つのジンバル２２Ｒ、２２Ｌと、これらジンバル２２Ｒ、２２Ｌを互いに逆方向に同一速度で回転させるためのジンバル駆動機構２３及びジンバル駆動モータ２４とを有している。図示されているように、２つのジンバル２２Ｒ、２２Ｌの回転軸は互いに平行に延在している。説明のため、図に示したように、２つのジンバルの回転軸が伸びる方向をｚ方向、２つのジンバルの回転軸を含む面内においてｚ方向に垂直な方向をｘ方向、ｘ方向及びｚ方向に垂直な方向をｙ方向とし、また、両ジンバル２２Ｒ、２２Ｌの基準位置からの回転角度をφとする。双子型ＣＭＧ１６では、ジンバル２２Ｒ、２２Ｌ及びそれらに支持されたロータ２１Ｒ、２１Ｌはｚ方向に見たとき互いに対称な姿勢をとる。
【００２１】
各ロータの各運動量の大きさをＨとすると、ｘ方向成分は互いに打ち消し合うので、ｙ方向成分
Ｈ_ｙ＝２Ｈｓｉｎφ
のみが残る。このとき各運動量の時間変化に等しいトルク
τ_ｙ＝２（ｄφ／ｄｔ）Ｈｃｏｓφ
が、図２において符号２５で示すようにｙ方向軸線周りに発生する。従って、ジンバル回転の角速度ｄφ／ｄｔを、
ｄφ／ｄｔ＝τ_ｙ／（２Ｈｃｏｓφ）
とすれば所望のトルク（ＣＭＧトルクと呼ぶ）を発生させることができる。例えば、図１のピッチ軸周りにトルクを生成することが望まれる場合、胴体部１０に設けられるＣＭＧ１６のｙ軸を図１のピッチ軸に一致させればよい。複数のＣＭＧを用いて複数軸周りにトルクを生成することも可能である。
【００２２】
このようにして得られるＣＭＧトルクはロボット１００の足が床面から離れている場合にも得ることができるため、ロボット１００の歩行、走行、跳躍といった広い範囲で姿勢制御を行うことができる。また、関節動作と無関係に姿勢復元トルクを得ることができるため、姿勢安定制御則を簡単化することができる。さらに、ＣＭＧトルクはジンバル２２Ｒ、２２Ｌの回転角速度を調節することで大きさを容易に変えることができ、また、ロータ２１Ｒ、２１Ｌを高回転数で回転させることで装置の寸法に対して大きなトルクを得ることが可能であるため、装置の小型軽量化及び目標歩容への追従が容易である。ＣＭＧ１６のジンバル駆動のための入力トルクもＣＭＧ１６からの出力トルクに比べると小さく、この点からも小型ロボットの姿勢制御に適している。
【００２３】
このように、本発明によれば、２足歩行ロボット１００内にＣＭＧ１６を設けＣＭＧトルクを姿勢復元トルクとして用いることにより、関節動作と無関係に姿勢復元トルクを得ることができ、また、足が床面などから離れた状態にあっても姿勢制御のための姿勢復元トルクを生成することが可能であり且つ目標歩容への追従を行うことが可能な制御機構を備えた２足歩行ロボット１００を提供することができる。また、ロボット１００の重量の大幅な増大といった問題を生じることもない。
【００２４】
図３は、上記のように構成された２足歩行ロボット１００の制御についてより詳細に説明するための制御システムの第１実施例を示すブロック図である。図示されているように、この制御システムは、目標歩容（姿勢）を生成する歩容生成部１０１と、ロボット１００の姿勢を検出する姿勢センサ１０２とを有している。姿勢センサ１０２は、図１に示した姿勢センサ１５に対応する。歩容生成部１０１は目標姿勢を生成するだけでなく、各関節部に対する関節トルク指令も出力する。
【００２５】
歩容生成部１０１からの目標姿勢と、姿勢センサ１０２によって検出された姿勢（実姿勢）は、比較部１０３において比較され、その差異は姿勢偏差として姿勢復元トルク計算部１０４に送られる。姿勢復元トルク計算部１０４は入力された姿勢偏差に基づいて、生成されるべき姿勢復元トルクを計算し、それをトルク分配部１０５に入力する。姿勢復元トルクの計算は姿勢偏差を小さくするようにフィードバック制御則に基づいてなされる。トルク分配部１０５は、生成されるべき姿勢復元トルクを足首関節トルクとＣＭＧトルクとに分け、それぞれのトルクが生成されるように足首トルク指令及びＣＭＧトルク指令を出力する。トルク分配部１０５から出力された足首トルク指令は歩容生成部１０１から出力された関節トルク指令と合わせられ、ロボット１００内の所定の関節アクチュエータに送られる。また、ＣＭＧトルク指令はロボット１００内のＣＭＧ１６に送られ、それによってＣＭＧ１６のジンバル２２Ｒ、２２Ｌの回転角速度が調節される。
【００２６】
こうして定められた関節トルク指令、ＣＭＧトルク指令、及び外乱に応じ、ロボット１００はその動特性に従って動作する。その結果生じたロボット１００の姿勢は姿勢センサ１０２によって検出され、上記において説明したようにフィードバック制御に用いられる。
【００２７】
上記した歩容生成部１０１は、外部の条件に応じて歩行経路の決定などを自立的に行い、それを実現するように例えばＺＭＰ原理などに基づく理論計算によって目標姿勢を生成することができる。或いは、例えば離れた場所にいる人間の歩行動作を追従するように目標姿勢を生成することもできる。後者の方式は操縦者をマスター、ロボットをスレーブと呼ぶことからマスター・スレーブ方式と言われる。この方式では、ロボットの歩行状態または感覚（例えば路面からの反力やロボットの傾きなど）を臨場感をもって人間（操縦者）が感じることができれば、ロボットを容易に操縦することができ、極限作業用ロボットなどを自立制御を要することなく実用化することができる。そのような歩行状態のフィードバックを行うための装置はバーチャルリアリティー技術の分野において様々な提案がなされている。しかしながら、操縦者とロボットとの間で重量、大きさなどの力学的条件を完全に一致させることは困難であり、ロボットの姿勢安定を保つには、このような両者の物理特性の違い（及びそれによる姿勢傾斜の動特性の違い）を補償することが必要である。上記した制御システムでは、そのような補償をＣＭＧ１６を制御することで行うことができるため、このようなマスター・スレーブ方式に最適である。
【００２８】
図４は、図３に示した制御システムの変形実施例を示すブロック図である。図４において図３と同様の部分には同じ符号を付して詳しい説明を省略する。この実施例では、ロボット１００の姿勢復元トルクとして関節角度の変更により発生するもの（重力モーメントと呼ぶ）も使用する点が第１の実施例と異なる。そのためこの実施例では、トルク分配部１０５は姿勢復元トルク計算部１０４によって計算された姿勢復元トルクを足首関節トルクと、ＣＭＧトルクと、重力モーメントとに分配する。そうして、ＣＭＧ１６では設定されたＣＭＧトルクを生成するようにジンバル２２Ｒ、２２Ｌの回転角速度が制御され、また、歩容修正量演算部１０７において、設定された重力モーメント（重力モーメント指令）に基づいて歩容修正量を計算し、それを歩容生成部１０１に入力する。歩容生成部１０１では、入力された歩容修正量を考慮して歩容の再構成を行う。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、２足歩行ロボット内にＣＭＧを設けＣＭＧトルクを姿勢復元トルクに用いることにより、関節動作と無関係に姿勢復元トルクを得ることができ、また、足が床面などから離れた状態にあっても姿勢制御のための姿勢復元トルクを生成することが可能であり且つ目標歩容への追従を行うことが可能な制御機構を備えた２足歩行ロボットを提供することができる。また、ロボットの重量の大幅な増大といった問題を生じることがない。
【００３０】
本発明を実施例に基づいて詳細に説明したが、これらの実施例はあくまでも例示であって本発明は実施例によって限定されるものではない。当業者であれば特許請求の範囲によって画定される本発明の技術的思想を逸脱することなく様々な変形若しくは変更が可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明が適用された２足歩行ロボットの好適実施例の要部を示す模式的な斜視図である。
【図２】図２は、双子型コントロールモーメントジャイロ（ＣＭＧ）の模式的な斜視図である。
【図３】図３は、本発明に基づく２足歩行ロボットの制御システムの第１実施例を示すブロック図。
【図４】図４は、本発明に基づく２足歩行ロボットの制御システムの第２実施例を示すブロック図。
【符号の説明】
１００　２足歩行ロボット
１０　胴体部
２０Ｒ、２０Ｌ　脚部
１１Ｒ、１１Ｌ　股関節部
１２Ｒ、１２Ｌ　膝関節部
１３Ｒ、１３Ｌ　足首関節部
１Ｒ、１Ｌ　股関節ロール軸アクチュエータ
２Ｒ、２Ｌ　股関節ピッチ軸アクチュエータ
３Ｒ、３Ｌ　股関節ヨー軸アクチュエータ
４Ｒ、４Ｌ　膝関節ピッチ軸アクチュエータ
５Ｒ、５Ｌ　首関節ロール軸アクチュエータ
６Ｒ、６Ｌ　足首関節ピッチ軸アクチュエータ
７Ｒ、７Ｌ　足首関節ヨー軸アクチュエータ
１５　姿勢センサ
１６　コントロールモーメントジャイロ（ＣＭＧ）
２１Ｒ、２１Ｌ　ロータ
２２Ｒ、２２Ｌ　ジンバル
２３　ジンバル駆動機構
２４　ジンバル駆動モータ
１０１　歩容生成部
１０２　姿勢センサ
１０３　比較部
１０４　姿勢復元トルク計算部
１０５　トルク分配部
１０７　歩容修正量演算部

Claims

２足歩行ロボットであって、
胴体と、
前記胴体下部に設けられた一対の脚体と、
前記２足歩行ロボットの姿勢を変化させるトルクを発生するべく前記胴体及び前記一対の脚体の少なくとも一つに設けられた１以上のコントロールモーメントジャイロとを有することを特徴とする２足歩行ロボット。
目標姿勢を生成するとともに、前記２足歩行ロボットの所定の関節において生成されるべきトルクを指示する関節トルクを出力する歩容生成部と、
実姿勢を検出する姿勢センサと、
前記目標姿勢と前記実姿勢との差である姿勢偏差から姿勢復元トルクを計算する姿勢復元トルク計算部とを更に有し、
前記姿勢復元トルクの少なくとも一部を前記コントロールモーメントジャイロによって生成するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の２足歩行ロボット。
足首トルクを生成するべく前記一対の脚体の各々に設けられた足首トルク生成手段と、
前記姿勢復元トルク計算手段によって計算された姿勢復元トルクに基づき、前記足首トルク生成手段により生成されるべき足首トルクを示す足首トルク指令及び前記コントロールモーメントジャイロによって生成されるべきトルクを指示するＣＭＧトルク指令を生成するトルク分配部とを更に有することを特徴とする請求項２に記載の２足歩行ロボット。
足首トルクを生成するべく前記一対の脚体の各々に設けられた足首トルク生成手段と、
前記姿勢復元トルク計算手段によって計算された姿勢復元トルクに基づき、前記足首トルク生成手段により生成されるべき足首トルクを示す足首トルク指令、前記コントロールモーメントジャイロによって生成されるべきトルクを指示するＣＭＧトルク指令、及び関節角度の変更により発生されるべきトルクを指示する重力モーメント指令とを生成するトルク分配部と、
前記トルク分配部からの重力モーメント指令に基づいて歩容修正量を計算し、前記歩容修正量を前記歩容生成部に入力する歩容修正量演算部とを更に備え、
前記歩容生成部は入力された前記歩容修正量を考慮して歩容の再構成を行うことを特徴とする請求項２に記載の２足歩行ロボット。
前記コントロールモーメントジャイロが双子型コントロールモーメントジャイロからなることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の２足歩行ロボット。