JP4930003B2 - 移動ロボット - Google Patents
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Description
(Zero Moment Point) を規範としてロボットの姿勢を制御し、歩行を行っている。ZMPとは接地点の抗力中心であり、抗力によるモーメントが0になる床面上の点である。ロボットが歩行する場合、ロボット自身の運動による慣性力,ロボットへの重力,床から受ける反力などを考慮して歩行制御を行う必要がある。ZMPをロボットの足底による支持凸多角形に収まるように歩行パターンを生成すれば転倒せずに歩行を行うことが出来る。
そこで、車輪と脚の組み合わせによりこれらの利点を兼ね備えるため、車輪を必要に応じて横倒し、足裏の接触面積を増加させることによって二足歩行を実現することが知られ、特許文献1に記載されている。同様に、通常の歩行動作よりダイナミックで高速な移動を実現するために、脚式移動ロボットにローラースケート靴をはかせることによってローラースケーティングを行うことが知られ、特許文献2に記載されている。
ロボット1は脚部10と胴体100に二分される。脚部10は左右の脚11R,11Lからなり、それぞれは大腿部12R,12L、下肢部13R,13L、車輪14R,14L、可動支持部15R,15Lからなっている。これら脚の左右を区別する必要がある場合は右を表わす場合は「R」を、左を表わす場合は「L」を末尾に付した。
胴体100は左右の脚11R,11Lの上部に位置し、全ての関節と車輪の動作を制御する制御装置110と胴体の重力方向に対する傾斜角度,角速度を検出する、傾斜角度検知装置111を備える。また、ロボット正面方向をX軸、側面方向をY軸、垂直方向をZ軸とした。大腿部12R,12Lと胴体100の間にはX軸方向回転関節20R,20LとY軸方向回転関節21R,21Lが設けられている。
22Lが設けられている。下肢部13R,13Lの下には車軸23R,23LがY軸方向に取り付けられ、Y軸回りに回転する車輪14R,14Lが設けられている。また、同じく下肢部13R,13Lの下に可動支持部15R,15LがY軸方向回転関節24R,
24Lを介して接続され、さらに回転関節25R,25LがY軸方向回転関節24R,
24Lに直交するように設けられ、可動支持部15R,15LはY軸回りに回動、Z軸回りに揺動可能とされている。
また、関節24R,24Lと車軸23R,23Lの回転軸は同一とした。また、全ての関節と車輪には角度検出機能を持つモータが取り付けられており制御装置110から指定されたトルクを発生することが出来る。
路面に凹凸がある場合、従来のロボット歩行時に脚を接地させた後は足首等の関節を使って路面の傾斜に沿って脚を接地させて歩行を行っている。しかし、路面に凹凸が大きい場合、脚の設置面積が十分な大きさを持たない場合、路面の凹凸の影響が大きくなり安定性が低くなる。
(2)右脚を下ろし、完全に接地させる地点を探索する片脚支持期
(3)右脚を完全に下ろし、両脚によって全身を支持する両脚支持期
(4)左脚を持ち上げ、右脚により全身を支持する片脚支持期
(5)左脚を下ろし、完全に接地させる地点を探索する片脚支持期
(6)左脚を下ろし、両脚によって全身を支持する両脚支持期
また、車輪を路面に接地させるが車輪の回転を許容するように車輪を制御し、かつ可動支持部を路面から浮かせることにより、脚と路面の接触を保ったまま路面に沿う方向の脚の移動を供する状態を車輪接地状態と呼ぶ。
さらに、完全に接地され、地面に対して相対位置が変わらないように制御されている脚を支持脚、車輪接地状態または、車輪と可動支持部がともに路面より浮いている脚を遊脚と呼ぶ。
ロボット1において動作パターン生成部30によって生成される車輪回転関節23R,23Lを除いた、脚11R,11Lにある全関節に対する角度目標値を時系列に沿って並べたものを脚の動作パターンとする。以後この脚の動作パターンについて述べる。水平面上での全身の重心位置ベクトルをGXY、高さ方向をGh、ロボット1の質量をM、可動支持部が発生させるトルクをηとおくと床面上にあるZMP位置ZXYとの関係は重力定数Gを用いて次式で表わされる。
両脚支持期(S1)の状態を説明する。この状態では両脚11R,11Lとも完全に接地している。ZMPは両脚11R,11Lの二つの脚が作る支持凸多角形内あるとする。この時の両脚は支持脚関節制御部31によって関節ごとに位置制御をされている。左右の車輪14L,14Rの回転角度も位置制御されている。車輪は車輪回転角度をθ、車輪目標回転角度をφとして数式2を用いた支持脚車輪制御部33によって駆動トルクτを与えられ、車輪回転角度θと車輪目標回転角度φを一致させる。ここで車輪の左右を表わすR,Lは省略している。
dθ/dtとの差が0に収束するように設定されている。ここでは目標車輪角速度dφ/dtは0とする。
接地を認識した際に車輪14Rの車輪回転角速度dθ/dtが目標回転速度dφ/dtとS2の状態と比較して大きく食い違った場合は車輪14Rの直下に凹凸があると判断できる。接地した後に車輪14RにZ軸方向の荷重をかけることで図6に示すように路面の凹凸に沿って車輪が回転し、関節23Rの場所が路面に沿って動く。ここで遊脚の各関節の目標角度を随時その時点での現在角度に変更する。これにより車輪14Rは路面の凹部を探査することができる(S4)。
車輪の制御を支持脚車輪制御部33によるものに変更し地面に対して車輪位置を固定する。また、遊脚の位置制御をS1の状態のものにもどし、可動支持部15Rを関節24R,25Rを接地するまで動かす。接地した場合は関節24R,25Rにオブザーバを組み込んでおくことにより判定する。これにより11Rを完全に接地させる(S5)。また、右脚の制御をS1と同様に支持脚関節制御部31によるものに変更する。最後に次の歩行と安定性を確保するため、ZMPは両脚11R,11Lの二つの脚が作る支持凸多角形内にあるように脚の関節を動かす(S6)。
以上の手順に沿って歩行を行うことにより路面の凹凸の凹部に確実に脚を接地することができ、安定な歩行を実現することができる。また、脚が2本の場合において説明しているが3本以上の場合においても適用できる。
10 脚部
11R,11L 脚
12R,12L 大腿部
13R,13L 下肢部
14R,14L 車輪
15R,15L 可動支持部
100 胴体
Claims (3)
- 制御装置と重力方向に対する傾斜角度及び角速度を検出する傾斜角度検知装置を有する胴体と、大腿部と下肢部を有し前記大腿部は前記胴体に対して正面方向となるX及び側面方向となるY軸回りに回転可能とされた複数の脚と、を備えた移動ロボットにおいて、
前記下肢部の下に設けられY軸回りに回転可能とされた車輪と、
前記下肢部の下にY軸回りに回動可能とされ路面に接地可能とされた可動支持部と、
を備え、
路面の凹凸に応じて前記可動支持部を接地させず、前記車輪にて倒立を維持したまま移動する同軸二輪倒立振子制御動作と、前記車輪及び前記可動支持部の路面に対する接地を制御して歩行する二足歩行制御動作と、を切り替え、
前記二足歩行制御動作中であって前記脚を下ろして接地する場合、前記車輪の回転を許容して路面に接地させ、さらに前記可動支持部を路面から浮かせる車輪接地状態とし、前記車輪の回転が一定速度以下、あるいは一定回転以上したとき、回転を停止するように制御されることを特徴とする移動ロボット。 - 請求項1に記載のものにおいて、前記脚を左右の2本とし、
(1)右脚を持ち上げ、左脚の前記車輪を回転しないようにして路面に接地させ、さらに可動支持部も路面に接地させる完全に接地状態として全身を支持するステップ
(2)右脚を下ろし、右脚の前記車輪の回転を許容して路面に接地させ、さらに前記可動支持部を路面から浮かせる車輪接地状態とし、前記車輪の回転が一定速度以下、あるいは一定回転以上したとき、回転を停止するようにして接地させる地点を探索するステップ
(3)右脚を完全に下ろし、両脚を前記完全に接地状態として全身を支持するステップ
(4)左脚を持ち上げ、右脚を前記完全に接地状態として全身を支持する片脚支持期
(5)左脚を下ろし、左脚の前記車輪の回転を許容して路面に接地させ、さらに前記可動支持部を路面から浮かせる車輪接地状態とし、前記車輪の回転が一定速度以下、あるいは一定回転以上したとき、回転を停止するようにして接地させる地点を探索するステップ
(6)左脚を下ろし、両脚を前記完全に接地状態として全身を支持するステップ
の状態を遷移しながら行われることを特徴とする移動ロボット。 - 請求項1に記載のものにおいて、前記脚を左右の2本とし、前記車輪は角度検出機能を持ったモータで駆動されることを特徴とする移動ロボット。
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