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制御装置、制御方法、及び2足歩行ロボット コモンズ

国内特許コード P09A014558
整理番号 WASEDA-774
掲載日 2009年7月10日
出願番号 特願2007-278682
公開番号 特開2009-107030
登録番号 特許第5083763号
出願日 平成19年10月26日(2007.10.26)
公開日 平成21年5月21日(2009.5.21)
登録日 平成24年9月14日(2012.9.14)
発明者
  • 高西 淳夫
  • 田中 智明
  • 橋本 健二
  • 菅原 雄介
  • 太田 章博
  • 服部 賢太郎
  • 沢戸 瑛昌
  • 林 昭宏
出願人
  • 学校法人早稲田大学
発明の名称 制御装置、制御方法、及び2足歩行ロボット コモンズ
発明の概要

【課題】搭乗者によって加えられる外力に対応することができる制御装置、制御方法、及び2足歩行ロボットを提供する。
【解決手段】制御装置5は、腰部補償軌道算出手段に加え、設定ZMP軌道変更量算出手段と、着地位置変更量算出手段とを備えることとした。これにより、制御装置5は、設定ZMP軌道を変更すると共に、着地位置を変更することにより、腰部3の軌道の発散を遅延又は収束させることができる。従って、制御装置5は、設定ZMP軌道変更量算出手段、及び着地位置変更量算出手段のうちいずれか一方を用いる従来に比べ、大きい外乱に対応でき、安定性を向上することができる。
【選択図】図1

従来技術、競合技術の概要


従来、2足歩行ロボットとして、例えば、パラレルリンク機構や、シリアルリンク型脚機構を用いた人間搭乗型ロボットが開示されている。パラレルリンク機構を採用した早稲田大学のWL-16RIVは軽量、かつ小型化を実現しており、積載重量比は、1.25(最大搭乗者体重75kg、ロボット重量60kg)である。これに対し、シリアルリンク型脚機構を採用したトヨタ自動車株式会社のi-footは、0.3(最大搭乗者体重60kg、ロボット重量200kg)、韓国科学技術院(KAIST)のHUBOは、0.67(最大搭乗者体重100kg、ロボット重量150kg)となっており、パラレルリンク機構の方が、シリアルリンク型脚機構に比べ、ロボットの積載重量比が高い。



ロボットの積載重量比が高いことは、人間の住環境で稼動する2足歩行車椅子の実現のためには非常に優位性の高いことであるが、積載重量比が高いことはそれだけ搭乗者の運動がロボットの安定性に及ぼす影響が大きくなることを意味する。



積載重量比の高い人間搭乗型2足歩行ロボットの安定化手法としては、ロボットの歩行中において、搭乗者がロボットの腰部の揺れによって受動的に揺動する運動を事前にモデル(受動的力学モデル)化しておき、その搭乗者の受動的運動を考慮した上で安定な歩行パターンをオフラインで生成するものが開示されている(例えば、非特許文献1)。



ところが、この安定化手法は、人間が搭乗した状態における2足歩行の安定化に有効であるものの、事前に予測することができない搭乗者の運動や外力には対応することができないという欠点があった。



一方、人間搭乗型でない通常の2足歩行ロボットの外力に対する安定化手法としては、外力に応じて腰部を加速し、これによる腰部軌道の発散を防ぐために目標ZMP軌道を変更する手法が開示されている(例えば、非特許文献2及び3)。



上記非特許文献2は、外力を腰部に取り付けた力センサで取得し、着地位置を変更することにより目標ZMP軌道を変更するものである。



また、上記非特許文献3は、実測ZMPから仮想外力を算出し、立脚足部内で仮想的に目標ZMP軌道を変更するものである。

【非特許文献1】橋本健二、菅原雄介、川瀬正幹、太田章博、田中智明、沢戸瑛昌、林昭宏、遠藤信綱、林憲玉、高西淳夫、「脚部にパラレルリンク機構を用いた2足ロコモータの開発(第12報:搭乗者の力学モデルを用いた歩行パターン生成)」、日本ロボット学会第24回学術講演会予稿集、2006

【非特許文献2】A.Takanishi, et al., A control method for dynamic biped walking under unknown external force, Proc. of the IEEE International Workshop on Intelligent Robots and Systems, pp. 795-801,1990

【非特許文献3】長坂他、「体幹位置コンプライアンス制御を用いた人間型ロボットの歩行安定化」、日本ロボット学会第17回学術講演会予稿集、1999

産業上の利用分野


本発明は、制御装置、制御方法、及び2足歩行ロボットに関するものである。

特許請求の範囲 【請求項1】
足部を有する脚部、及び腰部を有する2足歩行ロボットの制御装置において、
前記足部の軌道と、前記腰部の軌道とを設定すると共に、前記足部の軌道と前記腰部の軌道とに基いて設定ZMP軌道を設定する歩行パターン生成手段と、
歩行中の前記2足歩行ロボットに加わった外力に応じて前記腰部を加速させるための腰部補償軌道を算出する腰部補償軌道算出手段と、
所定の範囲内において前記設定ZMP軌道を変更する設定ZMP軌道の変更量を算出する設定ZMP軌道変更量算出手段と、
前記脚部が着地する位置の変更量を算出する着地位置変更量算出手段と
前記足部に生じる足部反力に基づいて実測ZMP軌道を算出する実測ZMP算出手段とを備え
前記腰部補償軌道算出手段は、前記設定ZMP軌道に前記設定ZMP軌道の変更量を加算して得た目標ZMP軌道を、前記実測ZMP軌道から減じたZMP偏差に基いて、前記腰部補償軌道を算出することを特徴とする制御装置。

【請求項2】
搭乗者が発生した力を前記腰部における座面反力として計測し、
前記外力は、前記座面反力を用いることを特徴とする請求項1記載の制御装置。

【請求項3】
前記歩行パターン生成手段は、理想的な搭乗者が前記腰部周りに発生する理論座面反力を設定し、
前記座面反力から前記理論座面反力を減じて、外乱成分を抽出する外乱成分抽出手段を備え、
前記外乱成分に基づいて前記腰部補償軌道を算出する
ことを特徴とする請求項記載の制御装置。

【請求項4】
足部を有する脚部、及び腰部を有する2足歩行ロボットの制御方法において、
前記足部の軌道と、前記腰部の軌道とを設定すると共に、前記足部の軌道と前記腰部の軌道とに基いて設定ZMP軌道を設定する歩行パターン生成ステップと、
歩行中の前記2足歩行ロボットに加わった外力に応じて前記腰部を加速させるための腰部補償軌道を算出する腰部補償軌道算出ステップと、
所定の範囲内において前記設定ZMP軌道を変更する設定ZMP軌道の変更量を算出する設定ZMP軌道変更量算出ステップと、
前記脚部が着地する位置の変更量を算出する着地位置変更量算出ステップと
前記足部に生じる足部反力に基いて実測ZMP軌道を算出する実測ZMP算出ステップを備え
前記腰部補償軌道算出ステップは、前記設定ZMP軌道に前記設定ZMP軌道の変更量を加算して得た目標ZMP軌道を、前記実測ZMP軌道から減じたZMP偏差に基いて、腰部補償軌道を算出することを特徴とする制御方法。

【請求項5】
搭乗者が発生した力を前記腰部における座面反力として計測し、
前記外力は、前記座面反力を用いることを特徴とする請求項記載の制御方法。

【請求項6】
前記歩行パターン生成ステップは、理想的な搭乗者が前記腰部周りに発生する理論座面反力を設定する理論座面反力設定ステップを有し、
前記座面反力から前記理論座面反力を減じて、外乱成分を抽出する外乱成分抽出ステップを備え、
前記外乱成分に基づいて前記腰部補償軌道を算出することを特徴とする請求項記載の制御方法。

【請求項7】
足部を有する脚部、腰部、及び制御装置を有する2足歩行ロボットにおいて、
前記制御装置は、
前記足部の軌道と、前記腰部の軌道とを設定すると共に、前記足部の軌道と前記腰部の
軌道とに基いて設定ZMP軌道を設定する歩行パターン生成手段と、
歩行中の前記2足歩行ロボットに加わった外力に応じて前記腰部を加速させるための腰
部補償軌道を算出する腰部補償軌道算出手段と、
所定の範囲内において前記設定ZMP軌道を変更する設定ZMP軌道の変更量を算出す
る設定ZMP軌道変更量算出手段と、
前記脚部が着地する位置の変更量を算出する着地位置変更量算出手段と
を備え
前記足部に足部反力センサを設け、
前記足部反力センサによって計測した足部反力に基いて実測ZMP軌道を算出する実測ZMP算出手段を備え、
前記腰部補償軌道算出手段は、前記設定ZMP軌道に前記設定ZMP軌道の変更量を加算して得た目標ZMP軌道を、前記実測ZMP軌道から減じたZMP偏差に基いて、腰部補償軌道を算出することを特徴とする2足歩行ロボット。

【請求項8】
前記腰部の上部に搭乗者用シートを有し、
前記搭乗者用シートと前記腰部との間に座面反力計測センサを設け、
前記座面反力計測センサにより前記外力を計測する
ことを特徴とする請求項記載の2足歩行ロボット。

【請求項9】
前記歩行パターン生成手段は、理想的な搭乗者が前記腰部周りに発生する理論座面反力を設定し、
前記座面反力から前記理論座面反力を減じて、外乱成分を抽出する外乱成分の抽出手段を備え、
前記外乱成分に基づいて前記腰部補償軌道を算出することを特徴とする請求項記載の2足歩行ロボット。
産業区分
  • その他運輸
  • 工業用ロボット
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2007278682thum.jpg
出願権利状態 権利存続中
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