JP7549340B2 - robot - Google Patents
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Description
この発明は、ロボット、特に、移動ロボットに関する。 This invention relates to robots, and in particular to mobile robots.
近年、様々な移動ロボットの研究開発が進められている。 In recent years, research and development of various mobile robots has been progressing.
例えば、既存の社会インフラの活用の観点から、二足歩行ロボットのような人間類似の脚部構造を有するロボットについて研究開発が進められている。 For example, from the perspective of utilizing existing social infrastructure, research and development is underway on robots with human-like leg structures, such as bipedal robots.
また、物流の現場等においては、車輪等により高い移動性能を以て荷物を運搬するAGV(Automated Guided Vehicle)等の移動台車ロボット又は無人搬送ロボット等が実用化されている。 In addition, in logistics sites, mobile cart robots such as AGVs (Automated Guided Vehicles) or unmanned transport robots that transport cargo with high mobility due to wheels or other features have been put to practical use.
ところで、近年、両ロボットの移動上のメリットを兼ね備えた移動ロボット、すなわち、複数の脚部の先端に車輪等の移動機構を備えたロボットが開発されている。例えば、特許文献1には、複数の脚部の先端に全方向車輪を備えた脚車輪型ロボットが開示されている。 Recently, mobile robots that combine the advantages of both robots in terms of mobility have been developed, that is, robots equipped with a mobility mechanism such as wheels at the tips of multiple legs. For example, Patent Document 1 discloses a leg-wheel type robot equipped with omnidirectional wheels at the tips of multiple legs.
しかしながら、従前のこの種の移動ロボットにおいては、その姿勢の保持制御が困難であることから、安定的な移動が困難であった。 However, with previous mobile robots of this type, it was difficult to control and maintain their posture, making it difficult to ensure stable movement.
図10は、脚部の先端に車輪を有するロボット900を正面から見た場合の模式図である。同図において、ロボット本体部910は、床面と車輪921を介して接地する左右一対の脚部930により支持されている。脚部930は、それぞれ、2つの関節部931、933、車輪を支持する先端部920、それらの間を連結するリンクから構成されている。
Figure 10 is a schematic diagram of a
同図の状態を前提として、一般的な位置制御を適用して、ロボットの姿勢を保持する制御を行うことを考える。 Assuming the state shown in the figure, we will consider applying general position control to maintain the robot's posture.
このとき、例えば、車輪921に速度制御等を適用し、関節部931、933に含まれる軸のすべてを位置制御による駆動軸とすると、いずれの関節も所謂サーボロック状態となるため過剰拘束となり、多少の制御誤差等が生じた場合には、ロボット900を構成する構造部材等に過大な応力が生じる可能性等があった。また、何らかの原因で車輪921が浮いてしまったような場合には、浮いた車輪921と床面との間のトラクションが無くなり、適切な移動が困難となるおそれがあった。
In this case, for example, if speed control or the like is applied to the
一方、このような過剰拘束を回避しようとすれば、関節部931、933の一部のみを駆動軸とし、他の軸を受動軸(所謂フリージョイント状態)とすることも考え得る。しかしながら、このような構成とすれば、何らかの原因により車輪921が浮いてしまったような場合には、受動軸が重力等の影響により回動して姿勢が崩れてしまい、復帰は困難となるおそれがあった。
On the other hand, in order to avoid such excessive constraints, it is possible to designate only some of the
本発明は上述の技術的背景に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数の脚部の先端に移動機構部を備えて移動するロボットにおいて、安定的な移動を実現することにある。 The present invention was made in consideration of the above-mentioned technical background, and its purpose is to achieve stable movement in a robot that moves by having a movement mechanism at the tip of multiple legs.
上述の技術的課題は、以下の構成を有するロボット等により解決することができる。 The above technical problems can be solved by a robot having the following configuration:
すなわち、本発明に係るロボットは、本体部と、床面上を移動する移動機構をそれぞれ含む、複数の移動機構部と、1又は複数の関節部をそれぞれ備え、前記本体部と各前記移動機構部との間をそれぞれ結合する、複数の脚部と、を備えたロボットであって、前記関節部は、インピーダンス制御により駆動される駆動軸を含む、ものである。 That is, the robot according to the present invention is a robot comprising a main body, a plurality of moving mechanism parts each including a moving mechanism for moving on a floor surface, and a plurality of legs each including one or more joint parts and connecting the main body and each of the moving mechanism parts, and the joint parts include a drive shaft driven by impedance control.
このような構成によれば、関節部に含まれる駆動軸がインピーダンス制御されているので、複数の移動機構部を備えて移動するロボットにおいて、移動機構部が接地面に倣うような動作を実現することができる。これにより、例えば、過剰拘束による内部応力の発生等を防止することができる。また、移行機構部と接地面との間のトラクションを確保することができる。すなわち、複数の脚部の先端に移動機構部を備えて移動するロボットにおいて、安定的な移動を実現することができる。 With this configuration, the drive shaft included in the joint is impedance controlled, so that in a robot that moves with multiple moving mechanisms, the moving mechanisms can move in a way that follows the ground surface. This makes it possible to prevent, for example, the generation of internal stress due to excessive constraints. It is also possible to ensure traction between the transition mechanism and the ground surface. In other words, stable movement can be achieved in a robot that moves with multiple leg tips and moving mechanisms.
前記駆動軸は、前記関節部を目標姿勢に保持するよう弾性的に付勢されている、ものであってもよい。 The drive shaft may be elastically biased to hold the joint in a target position.
このような構成によれば、関節部がインピーダンス制御により目標姿勢を保持するように弾性的に付勢されているので、外力等が働いても直ちに目標姿勢へと復帰することができる。 With this configuration, the joints are elastically biased to maintain the target posture through impedance control, so that they can immediately return to the target posture even if an external force is applied.
前記関節部は、前記関節部の現在姿勢を検出する関節姿勢検出機構をさらに備え、前記駆動軸は、前記現在姿勢を前記目標姿勢へと近付けるよう制御されている、ものであってもよい。 The joint may further include a joint posture detection mechanism that detects the current posture of the joint, and the drive shaft may be controlled to bring the current posture closer to the target posture.
このような構成によれば、姿勢の変化を関節部の現在姿勢に基づいて検出し、直ちに目標姿勢へと復帰させることができる。 With this configuration, changes in posture can be detected based on the current posture of the joints, and the posture can be immediately returned to the target posture.
前記目標姿勢は、自重により発生するモーメントを打ち消すよう理想姿勢から若干ずらされたバイアス姿勢であってもよい。 The target attitude may be a bias attitude that is slightly shifted from the ideal attitude to counteract the moment generated by the weight of the vehicle.
このような構成によれば、目標姿勢は自重により発生するモーメントを打ち消すように理想姿勢から若干ずらしたバイアス姿勢とされているので、理想姿勢への復帰がより容易となる。 With this configuration, the target posture is a bias posture that is slightly shifted from the ideal posture to counteract the moment generated by the robot's own weight, making it easier to return to the ideal posture.
前記駆動軸は、前記ロボットの所定部位を目標位置へと配置するよう弾性的に付勢されている、ものであってもよい。 The drive shaft may be elastically biased to position a predetermined portion of the robot to a target position.
このような構成によれば、外力等が働いてもロボットの所定部位を常に所定位置に復帰させることができる。 This configuration allows the robot's designated parts to always return to their designated positions even if an external force is applied.
前記移動機構部は、床面からの反力を検出する反力検出部をさらに備え、前記駆動軸は、前記反力に基づいて、前記付勢の程度を調整される、ものであってもよい。 The movement mechanism may further include a reaction force detection unit that detects a reaction force from a floor surface, and the degree of force applied to the drive shaft may be adjusted based on the reaction force.
このような構成によれば、例えば、移動機構部の浮きやそのおそれを検出して、それを未然に防止し又はその影響を最小化することができる。 With this configuration, for example, it is possible to detect floating of the moving mechanism or the possibility of floating, and prevent it from happening or minimize its effects.
前記駆動軸は、前記ロボットの所定部位を目標位置へと配置し、前記脚部を目標姿勢へと保持するよう弾性的に付勢されている、ものであってもよい。 The drive shaft may be elastically biased to position a predetermined part of the robot at a target position and to hold the leg in a target posture.
このような構成によれば、ロボットの所定部位を所定位置、脚部を所定姿勢へと保持することができるので、安定的な所望の移動を実現することができる。 This configuration allows the robot to maintain a specific part in a specific position and the legs in a specific posture, allowing it to move stably as desired.
前記インピーダンス制御は、前記ロボットに対して固定的に設定された基準座標系を利用して行われる、ものであってもよい。 The impedance control may be performed using a reference coordinate system that is fixedly set with respect to the robot.
このような構成によれば、インピーダンス制御を基準座標系にて行うことができる。 With this configuration, impedance control can be performed in a reference coordinate system.
前記基準座標系は、前記ロボットのゼロモーメントポイントを中心とした座標系である、ものであってもよい。 The reference coordinate system may be a coordinate system centered on the zero moment point of the robot.
このような構成によれば、ロボットの中央付近に通常配置されるゼロモーメントポイントを中心とした座標系で演算を行うことができる。 With this configuration, calculations can be performed in a coordinate system centered on the zero moment point, which is usually located near the center of the robot.
前記関節部は、関節に負荷されるトルクを検出するトルク検出部をさらに備え、前記インピーダンス制御は前記トルクに基づいて行われる、ものであってもよい。 The joint may further include a torque detector that detects the torque applied to the joint, and the impedance control may be performed based on the torque.
このような構成によれば、関節トルクに基づいて、位置や姿勢の制御を行うことができる。 With this configuration, position and posture can be controlled based on joint torque.
前記脚部と前記移動機構部との間には多軸力覚センサが設けられ、前記インピーダンス制御は、前記多軸力覚センサの検出値に応じて行われる、ものであってもよい。 A multi-axis force sensor may be provided between the leg and the movement mechanism, and the impedance control may be performed according to the detection value of the multi-axis force sensor.
このような構成によれば、各関節にセンサを設けずとも、多軸力覚センサの検出値に基づいて、位置や姿勢の制御を行うことができる。 With this configuration, position and orientation can be controlled based on the detection values of the multi-axis force sensor without having to install sensors at each joint.
前記インピーダンス制御は、剛性、減衰係数、目標位置又は目標姿勢のいずれかを変更することにより行われる、ものであってもよい。 The impedance control may be performed by changing any of the stiffness, damping coefficient, target position, or target attitude.
このような構成によれば、剛性や減衰係数以外にも目標位置又は姿勢も変更の対象としてインピーダンス制御を行うことができる。 With this configuration, impedance control can be performed by changing not only the stiffness and damping coefficient, but also the target position or posture.
各前記移動機構は、全方位に移動可能な移動機構であってもよい。 Each of the moving mechanisms may be a moving mechanism capable of moving in all directions.
このような構成によれば、全方向移動可能な複数の移動機構を備えるロボットにおいても安定的な移動を実現することができる。 This configuration allows a robot equipped with multiple movement mechanisms capable of omnidirectional movement to achieve stable movement.
前記移動機構は、接地面に受動回転輪を備えた複数の駆動輪であってもよい。 The moving mechanism may be a plurality of drive wheels with passive rotating wheels on the contact surface.
このような構成によれば、接地面に受動回転輪を備えた駆動輪を駆動することにより、全方向移動を実現することができる。 With this configuration, omnidirectional movement can be achieved by driving the drive wheels that have passive rotating wheels on the contact surface.
前記駆動輪は4つであり、前記4つの駆動輪は独立制御される、ものであってもよい。 The number of drive wheels may be four, and the four drive wheels may be independently controlled.
このような構成によれば、4つの駆動輪の独立な制御により全方向移動を実現することができる。 With this configuration, omnidirectional movement can be achieved by independently controlling the four drive wheels.
複数の前記移動機構部が連動することにより前記ロボットの全方向移動が実現される、ものであってもよい。 The robot may be able to move in all directions by linking multiple movement mechanisms.
このような構成によれば、各移動機構部自身は全方向移動出来なくとも、各移動機構部が連動することにより全方向移動を実現することができる。これにより、各移動機構部を軽量・コンパクトな設計とすることができる。 With this configuration, even if each moving mechanism unit itself cannot move in all directions, the moving mechanisms can work together to achieve omnidirectional movement. This allows each moving mechanism unit to be designed to be lightweight and compact.
前記脚部は、歩行機能を有する、ものであってもよい。 The legs may have a walking function.
このような構成によれば、歩行と車輪等による床面上の移動の両方を実現することができる。 This configuration allows for both walking and movement on the floor using wheels, etc.
前記本体部は、ロボットアームを含む、ものであってもよい。 The main body may include a robot arm.
このような構成によれば、安定的な移動を行うことが出来るロボットアームを実現することができる。 This configuration makes it possible to realize a robot arm that can move stably.
前記本体部は、人型ロボットの上半身であってもよい。 The main body may be the upper body of a humanoid robot.
このような構成によれば、移動性能の高い人型ロボットを実現することができる。 This configuration makes it possible to create a humanoid robot with excellent mobility.
本発明によれば、複数の脚部の先端に移動機構部を備えて移動するロボットにおいて、安定的な移動を実現することができる。 The present invention makes it possible to achieve stable movement in a robot that moves by having a movement mechanism at the tips of multiple legs.
以下、本発明の好適な実施の形態について添付の図を参照しつつ詳細に説明する。 The preferred embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the attached drawings.
(1.第1の実施形態)
第1の実施形態として、本発明を、左右一対の脚部の先端に移動機構を備えたロボット100に対して適用した例について説明する。なお、本実施形態においては、左右一対の脚部を有することとして説明するが、本発明はこのような構成に限定されない。従って、例えば、3本以上の脚部を有するロボット等にも適用可能である。
1. First embodiment
As a first embodiment, an example in which the present invention is applied to a
(1.1 構成)
図1は、第1の実施形態に係るロボット100の構造を表す模式図である。同図から明らかな通り、ロボット100は、本体部10を備えており、本体部10は、左右一対の脚部30と連結されて支持されている。
(1.1 Configuration)
1 is a schematic diagram showing the structure of a
なお、本体部10の形状は説明のための例示であって、例えば、人型ロボットの上半身乃至上半身へと至る胴部等であり得る。また、本体部10には様々な他の装置や機構が搭載又は結合されてもよく、例えば、ロボットアーム等の機構やカメラ等のセンサが備えられてもよい。特に、ロボット100が人型である場合には、胴部と胴部の左右に備えられた双腕のロボットアームと、胴部の上端に結合された頭部、頭部に備えられるカメラ等が搭載されてもよい。
The shape of the
脚部30は、床面と接地する車輪21を支持する先端部20と、先端部20から近い順に、第1の関節部31及び第2の関節部33、及び、それらの間を連結するリンク部材とから構成されている。なお、先端部20と車輪21とを合わせて、移動台車部等と称呼してもよい。
The
本実施形態においては、第1の関節部31と第2の関節部33には、関節部の回動制御のため、サーボモータと、サーボモータの出力を減速した軸である駆動軸が配置されている。後述の通り、この駆動軸を制御することにより、姿勢の制御等が可能となる。なお、駆動軸は減速を介さずサーボモータの出力軸であってもよい。
In this embodiment, a servo motor and a drive shaft, which is an axis that reduces the output of the servo motor, are arranged in the first
また、第1の関節部31と第2の関節部33には、関節角度を検出するための角度検出センサと、関節角度に負荷されるトルクを検出するトルク検出センサが備えられている。これらのセンサからの検出値に基づいて後述の制御が行われる。
The first
なお、脚部30は、二足歩行と車輪21による走行の両方を可能に構成されていてもよい。このような構成によれば、高い移動性を有するロボット100を実現することができる。
The
また、図1においては、各先端部20に対して1つの車輪21が備えられるものとして描かれているものの、これは模式的に表したものであって、実際には先端部20の床面側の面(裏面)には4つの車輪21が接地している。
In addition, although FIG. 1 shows each
図2は、先端部20の裏面の構成図である。同図から明らかな通り、先端部20は、断面長方形であり、その四方の角には、サーボモータ等により駆動されるそれぞれ4つの車輪21a~21d(駆動輪)が備えられている。また、各車輪の接地面には、略樽形状を有する複数の受動輪22が備えられている。
Figure 2 is a diagram showing the configuration of the rear surface of the
当業者に知られるように、この4つの車輪21a~21dが独立に制御されることにより、ロボット100は、全ての方向へと自在に移動することができる。なお、先端部20の裏面の構成はこのような構成に限定されない。従って、例えば、車輪の他にバッテリー等の他の部品を搭載等してもよい。
As known to those skilled in the art, the four
本実施形態において、床面上を走行する移動機構として、所謂メカナムホイールである車輪21を例示したものの、このような移動機構に限定されない。従って、例えば、オムニホイール等全方向に移動可能な他の移動機構を採用してもよい。また、移動機構は、単独で全方向での移動が出来ないものであっても複数の移動機構が連動することにより全方向へ移動可能となる機構であってもよい。
In this embodiment, the
図3は、複数の移動機構が連動することで初めて全方向への移動が可能となる移動機構の変形例に係る先端部70の裏面図である。同図から明らかな通り、先端部70の裏面には、図中上下に2つの駆動輪71a、71bが配置されている。また、各駆動輪71a、71bの接地面には略樽形状を有する受動輪72が多数配置されている。このような構成を左右一対の脚部30の先端に設けることで、ロボット100は全方向への移動が可能となる。このような構成によれば、脚部30を軽量化、コンパクト化することができる。
Figure 3 is a back view of the
なお、本実施形態において、ロボット100の動作を制御するコントローラは、本体部10に格納されている。しかしながら、コントローラの配置はこのような例に限定されず、ロボット100の他の部位、或いは、ロボット100の外部に配置されてもよい。また、コントローラは、さらに、ロボット100の内部又は外部に配置される情報処理装置と有線又は無線により接続されてもよい。
In this embodiment, the controller that controls the operation of the
(1.2 動作)
次に、上述の構成を備えたロボット100の動作について説明する。
1.2 Operation
Next, the operation of the
(1.2.1 基本的動作)
まず、ロボット100において実行される基本的な動作の流れについて説明し、その後、詳細な実施例について説明する。
(1.2.1 Basic operations)
First, the flow of basic operations executed by the
図4は、ロボット100に備えられたコントローラにおいて行われるインピーダンス制御の基本的な流れに関するフローチャートである。同図から明らかな通り、インピーダンス制御処理が開始すると、角度検出センサとトルク検出センサからそれぞれセンサ検出値を取得する処理が行われる(S1)。
Figure 4 is a flowchart showing the basic flow of impedance control performed by the controller provided in the
このセンサ検出値の取得処理の後、センサ信号に基づいて現在状態、すなわち、関節部乃至ロボット100の現在位置及び現在姿勢を生成する処理が行われる(S3)。
After this process of acquiring the sensor detection values, a process is performed to generate the current state, i.e., the current position and current posture of the joints or
その後、所定の目標状態、すなわち、目標位置及び目標姿勢を読み出すと共に、目標状態と現在状態に基づいて、インピーダンス制御信号が生成される(S5)。より詳細には、インピーダンス制御のための制御信号は、バネマスダンパモデルに関する以下の式に基づいて生成される。 Then, a predetermined target state, i.e., a target position and a target attitude, is read out, and an impedance control signal is generated based on the target state and the current state (S5). More specifically, the control signal for impedance control is generated based on the following equation for the spring-mass-damper model:
なお、Xdは目標状態、Xは現在状態を表している。また、τは制御により生成すべき力を表し、Mは慣性、Dは減衰係数(粘性)、Kはバネ定数(剛性)を表している。 Here, Xd represents the target state, and X represents the current state. Also, τ represents the force to be generated by control, M represents inertia, D represents the damping coefficient (viscosity), and K represents the spring constant (rigidity).
このように生成された力τを生成する各駆動軸の駆動値を各駆動軸へと送信して(S7)、当該値に基づいて電流制御等を行うことにより、インピーダンス制御が実現される。その後、処理は再びセンサ信号の取得処理(S1)へと戻り、以後、一連の処理が繰り返される。 The drive values of each drive axis that generate the force τ thus generated are transmitted to each drive axis (S7), and impedance control is realized by performing current control, etc. based on the values. After that, the process returns to the sensor signal acquisition process (S1), and the series of processes are repeated.
以上のような基本的動作を行うロボット100において、必要な場合には割込処理により、上述の数式の各パラメータを様々な条件に応じて変更することにより、最適なインピーダンス制御が実行される。以下では、インピーダンス制御の実施例について説明する。
In the
なお、本実施形態においては、位置を入力として力を出力とする狭義のインピーダンス制御を行うものとして説明したが、本発明は、広義のインピーダンス制御を包含するものであり、このような構成に限定されない。従って、例えば、力を入力として位置を出力とするアドミッタンス制御等が実行されてもよい。 In the present embodiment, impedance control in the narrow sense is performed, with position as input and force as output. However, the present invention includes impedance control in the broad sense and is not limited to this configuration. Therefore, for example, admittance control, with force as input and position as output, may be performed.
また、以上の計算は、関節座標系等を基準としてもよいし、ロボット100に対して固定された他の座標系を基準としてもよい。なお、ロボット100に対して固定された座標系として、例えば、ロボット100のゼロモーメントポイントを中心とした座標系としてもよい。
The above calculations may be based on a joint coordinate system or another coordinate system fixed to the
(1.2.2 目標姿勢のバイアス)
図5及び図6を参照しつつ、インピーダンス制御されるロボット100において、目標姿勢(Xd)を所定の態様とすることにより理想姿勢を実現しようとする例について説明する。
1.2.2 Target Attitude Bias
An example in which an ideal posture is realized by setting the target posture (X d ) to a predetermined mode in the impedance-controlled
図5は、第1の関節部31が第2の関節部33より外側にある脚部30において、目標姿勢を理想姿勢から若干ずらした姿勢とする例についての説明図である。なお、理想姿勢とは、本例においては、車輪21との適切なトラクションを確保する観点から、車輪21を床面に対して垂直に配置する姿勢である。
Figure 5 is an explanatory diagram of an example in which the target posture is slightly shifted from the ideal posture for the
図5(a)は、本例に係る目標姿勢を表している。同図から明らかな通り、本例においては、目標姿勢は、車輪21を床面に対して若干外側に倒すように傾けてバイアスされている(所謂ネガティブキャンバ)。このとき、各関節部31、33は、インピーダンス制御されており、より詳細には、同図に示される仮想バネ51、52のように各関節部31、33は目標姿勢へと復帰するよう付勢されている。このとき、仮想バネのバネ定数(K)は、目標姿勢に復帰するのに必要な程度の適切な値に設定されている。例えば、仮想バネ51、52により生じるバネ張力により接地面において生じるモーメントが本体部10の自重等により接地面において生じるモーメントよりやや小さくなる値に設定されている。
Figure 5(a) shows the target attitude in this example. As is clear from the figure, in this example, the target attitude is biased by tilting the
図5(b)は、同図(a)で示された制御の結果となる実際の姿勢を表している。同図から明らかな通り、本例に係る制御を行えば、車輪21を床面に対して垂直に配置する姿勢乃至それと近似した姿勢となっている。
Figure 5(b) shows the actual posture resulting from the control shown in Figure 5(a). As is clear from the figure, when the control according to this example is performed, the
このような構成によれば、インピーダンス制御により目標姿勢へと付勢された各関節部31、33において予め目標姿勢がバイアスされていることから、仮想バネ51、52により生じる張力により接地面において生じるモーメントと本体部10の自重等により接地面において生じるモーメントとが互いに相殺され、その結果、接地姿勢を理想的な姿勢へと導くことができる。すなわち、車輪21と床面との間のトラクションを適切に確保して、ロボット100の安定的な移動を実現することができる。
With this configuration, the target posture is biased in advance at each of the
図6は、第1の関節部31が第2の関節部33より内側にある脚部30において、目標姿勢を理想姿勢から若干ずらした姿勢とする例についての説明図である。なお、理想姿勢とは、本例においても、車輪21との適切なトラクションを確保する観点から、車輪21を床面に対して垂直に配置する姿勢である。
Figure 6 is an explanatory diagram of an example in which the target posture is slightly shifted from the ideal posture for the
図6(a)は、本例に係る目標姿勢を表している。同図から明らかな通り、本例においては、目標姿勢は、車輪21を床面に対して若干内側に倒すように傾けてバイアスされている(所謂ポジティブキャンバ)。このとき、各関節部31、33は、インピーダンス制御されており、より詳細には、同図に示される仮想バネ53、54のように各関節部31、33は目標姿勢へと復帰するよう付勢されている。このとき、仮想バネ53、54のバネ定数(K)は、目標姿勢に復帰するのに必要な程度の適切な値に設定されている。例えば、仮想バネ53、54により生じるバネ張力により接地面において生じるモーメントが本体部10の自重等により接地面において生じるモーメントよりやや小さくなる値に設定されている。
Figure 6(a) shows the target attitude in this example. As is clear from the figure, in this example, the target attitude is biased by tilting the
図6(b)は、同図(a)で示された制御の結果となる実際の姿勢を表している。同図から明らかな通り、本例に係る制御を行えば、車輪21を床面に対して垂直に配置する姿勢乃至それと近似した姿勢となっている。
Figure 6 (b) shows the actual posture resulting from the control shown in Figure 6 (a). As is clear from the figure, when the control according to this example is performed, the
このような構成によれば、関節部31、33に含まれる駆動軸がインピーダンス制御されているので、複数の脚部30と車輪21を備えて移動するロボット100において、車輪21が接地面に倣うような動作を実現することができる。これにより、例えば、過剰拘束による内部応力の発生等を防止することができる。また、車輪21と接地面との間のトラクションを確保することができる。すなわち、複数の脚部30の先端に車輪21等の移動機構部を備えて移動するロボット100において、安定的な移動を実現することができる。
With this configuration, the drive shafts included in the
このような構成によれば、インピーダンス制御により目標姿勢へと付勢された各関節部31、33において予め目標姿勢がバイアスされていることから、仮想バネにより生じる張力により接地面において生じるモーメントと本体部10の自重等により接地面において生じるモーメントとが互いに相殺され、その結果、接地姿勢を理想的な姿勢へと導くことができる。すなわち、車輪21と床面との間のトラクションを適切に確保して、ロボット100の安定的な移動を実現することができる。
With this configuration, the target posture is biased in advance at each of the
なお、本例においては、床面と車輪21との関係を垂直とする姿勢を理想姿勢としたが、他の部位を理想姿勢とするような構成としてもよい。
In this example, the ideal posture is one in which the relationship between the floor surface and the
(1.2.3 インピーダンス制御パラメータの変更処理)
次に、図7及び図8を参照しつつ、ロボット100の第2の関節部33の位置に基づいて、インピーダンス制御のパラメータを変更する例について説明する。
(1.2.3 Impedance control parameter change process)
Next, an example of changing the parameters of the impedance control based on the position of the second joint 33 of the
図7は、本実施形態に係る剛性調整に関するフローチャートである。同図から明らかな通り、処理が開始すると、まず、コントローラ又は情報処理装置において、各関節部31、33の角度検出センサの検出値に基づいて、ロボット100の現在姿勢及び重心位置が生成される(S81)。その後、現在姿勢及び重心位置と、ロボット100の重量情報等のパラメータから、各脚部30において床面から受けるべき理想反力(F1、F2)が計算される(S82)。
Figure 7 is a flowchart related to stiffness adjustment according to this embodiment. As is clear from the figure, when processing starts, first, in the controller or information processing device, the current posture and center of gravity position of the
理想反力(F1、F2)の計算後、各関節部31、33に備えられたトルク検出センサの検出値に基づいて各関節に負荷されるトルクが検出される。この各関節からのトルクに基づいて、各脚部30の接地面において実際に生じている反力、すなわち、実反力(R1、R2)が計算される(S84)。
After calculating the ideal reaction forces (F1, F2), the torque applied to each joint is detected based on the detection value of the torque detection sensor provided in each joint 31, 33. Based on this torque from each joint, the reaction force actually occurring on the ground contact surface of each
その後、算出した理想反力と実反力との差分(F1-R1、F2-R2)が計算される(S85)。この差分が正である場合(S87YES)、すなわち、その脚部30は浮き気味乃至浮いていると判定される場合、それを抑制するよう剛性パラメータ(K)を変更する処理が実行される(S88)。一方、差分が負である場合(S87NO)、すなわち、その脚部30が過荷重状態にある場合、それを抑制するよう剛性パラメータ(K)を変更する処理が実行される(S89)。このような変更処理が行われると、変更されたパラメータに基づいてインピーダンス制御が行われる。いずれの場合であっても、変更処理完了後、処理は最初に戻り、一連の処理が繰り返される。
Then, the difference between the calculated ideal reaction force and the actual reaction force (F1-R1, F2-R2) is calculated (S85). If this difference is positive (S87 YES), i.e., if it is determined that the
図8は、本例に係る剛性の調整に関する概念図である。 Figure 8 is a conceptual diagram of the stiffness adjustment in this example.
図8(a)は、剛性の調整前の状態について示す図である。同図から明らかな通り、本例においては、インピーダンス制御により、第2の関節部33を床面に対して所定の位置又は高さに保持しようとする左右の仮想バネ56、57が設定されている。また、同図の例にあっては、車輪21は、床面から距離d(>0)だけ離れて浮いており、床面との間でトラクションが効かない状態にある。このとき、差分(F1-R1)は正となるため(S87YES)、剛性(K)の変更処理が行われる(S88)。より具体的には、本例にあっては、右側の仮想バネ57の剛性を小さくする又は弱める処理が行われる。
Figure 8(a) is a diagram showing the state before the stiffness is adjusted. As is clear from the figure, in this example, left and right
図8(b)は、剛性の調整後の状態について示す図である。同図から明らかな通り、右側の仮想バネ57の剛性を小さくしたことにより、浮いていた脚部30が直ちに接地していることが分かる。
Figure 8(b) shows the state after the stiffness has been adjusted. As is clear from the figure, by reducing the stiffness of the
このような構成によれば、関節部31、33に含まれる駆動軸がインピーダンス制御されているので、複数の脚部30と車輪21を備えて移動するロボット100において、車輪21が接地面に倣うような動作を実現することができる。これにより、例えば、過剰拘束による内部応力の発生等を防止することができる。また、車輪21と接地面との間のトラクションを確保することができる。すなわち、複数の脚部30の先端に車輪21等の移動機構部を備えて移動するロボット100において、安定的な移動を実現することができる。
With this configuration, the drive shafts included in the
また、このような構成によれば、脚部30の浮きやそのおそれを検出して、それを未然に防止し又はその影響を最小化することができる。
Furthermore, with this configuration, it is possible to detect the floating of the
(1.2.4 組み合わせによる制御)
次に、図9を参照しつつ、上述の目標姿勢をバイアスさせる構成と、制御パラメータの変更処理を組み合わせた例について説明する。
(1.2.4 Combinatorial Control)
Next, with reference to FIG. 9, an example in which the configuration for biasing the target attitude described above and the process for changing the control parameters are combined will be described.
図9は、本例に係るロボット200の制御に関する説明図である。同図から明らかな通り、ロボット200は、図1で示したロボット100と略同一の構成を有しているものの、脚部130が第1~第6の6つの関節部131~136とそれに対応する6軸の駆動軸を備えている点において相違する。また、ロボット200の本体部110近傍に配置されるゼロモーメントポイント(図中央のZ軸とY軸の交差点)を中心とした基準座標系を前提としてインピーダンス制御が実行される。
Figure 9 is an explanatory diagram regarding the control of the
同図から明らかな通り、本例においては、目標姿勢は、車輪21を床面に対して若干外側に倒すように傾けてバイアスされている(所謂ネガティブキャンバ)。このとき、各関節部131~136は、インピーダンス制御されており、より詳細には、同図に示される仮想バネ151のように各関節部131~136は目標姿勢へと復帰するよう付勢されている。このとき、仮想バネ151のバネ定数(K)は、目標姿勢に復帰するのに必要な程度の適切な値に設定されている。例えば、仮想バネ151により生じるバネ張力により接地面において生じるモーメントが本体部10の自重等により接地面において生じるモーメントよりやや小さくなる値に設定されている。
As is clear from the figure, in this example, the target posture is biased by tilting the
また、本例においては、インピーダンス制御により、ゼロモーメントポイントを床面に対して所定の位置又は高さに保持しようとする左右の仮想バネ152が設定されている。この状態において、上述の方法により、車輪121と床面との間の理想反力と実反力とが計算され、その差分に基づいて、仮想バネ152の剛性パラメータが変更される。
In addition, in this example, left and right
すなわち、このような構成によれば、各関節部131~136に含まれる駆動軸がインピーダンス制御されているので、複数の移動機構部を備えて移動するロボットにおいて、車輪121が接地面に倣うような動作を実現することができる。これにより、例えば、過剰拘束による内部応力の発生等を防止することができる。また、車輪121と接地面との間のトラクションを確保することができる。すなわち、複数の脚部の先端に移動機構部を備えて移動するロボットにおいて、安定的な移動を実現することができる。
In other words, with this configuration, the drive shafts included in each of the
(2.変形例)
上述の実施形態においては、インピーダンス制御のパラメータとして剛性を変更する処理について説明したが、減衰係数等、他のパラメータを変更する処理としてもよい。
(2. Modifications)
In the above embodiment, the process of changing the stiffness as a parameter of the impedance control has been described, but the process of changing other parameters such as the damping coefficient may also be used.
上述の実施形態においては、関節部に備えられたトルク検出を行うことにより左右の脚部にかかる荷重や反力等を計算したが、本発明はこのような構成に限定されない。従って、例えば、脚部と先端部との間に6軸力覚センサを設ける等してもよい。 In the above embodiment, the load and reaction force acting on the left and right legs are calculated by detecting the torque provided in the joints, but the present invention is not limited to this configuration. Therefore, for example, a six-axis force sensor may be provided between the legs and the tip.
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。また、上記の実施形態は、矛盾が生じない範囲で適宜組み合わせ可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the above embodiments merely show some of the application examples of the present invention, and are not intended to limit the technical scope of the present invention to the specific configurations of the above embodiments. Furthermore, the above embodiments can be combined as appropriate to the extent that no contradictions arise.
本発明は、少なくとも移動ロボットを製造する産業において利用可能である。 The present invention can be used at least in the mobile robot manufacturing industry.
10 本体部
20 先端部
21 車輪(駆動輪)
22 受動輪
30 脚部
31 第1の関節部
32 第2の関節部
51 仮想バネ
52 仮想バネ
53 仮想バネ
54 仮想バネ
56 仮想バネ
57 仮想バネ
70 先端部
71 車輪(駆動輪)
72 受動輪
100 ロボット
110 本体部
120 先端部
121 車輪(駆動輪)
130 脚部
131 第1の関節部
132 第2の関節部
133 第3の関節部
134 第4の関節部
135 第5の関節部
136 第6の関節部
151 仮想バネ
152 仮想バネ
200 ロボット
10
22
72
Claims (17)
床面上を移動する移動機構をそれぞれ含む、複数の移動機構部と、
1又は複数の関節部をそれぞれ備え、前記本体部と各前記移動機構部との間をそれぞれ結合する、複数の脚部と、を備えたロボットであって、
前記関節部は、インピーダンス制御により駆動される駆動軸を含み、
前記駆動軸は、前記関節部の現在姿勢を目標姿勢へと近付けるよう制御され、
前記目標姿勢は、前記床面と前記移動機構との間の理想的なトラクションをもたらす理想姿勢からバイアスされた姿勢である、ロボット。 A main body portion,
A plurality of moving mechanism units each including a moving mechanism that moves on a floor surface;
a plurality of legs each including one or a plurality of joints and each connecting the main body and each of the moving mechanisms,
the joint unit includes a drive shaft that is driven by impedance control,
The drive shaft is controlled so as to bring a current posture of the joint unit closer to a target posture,
The target posture is a posture biased from an ideal posture that results in ideal traction between the floor surface and the moving mechanism.
前記駆動軸は、前記反力に基づいて、前記付勢の程度を調整される、請求項3に記載のロボット。 The moving mechanism further includes a reaction force detection unit that detects a reaction force from a floor surface,
The robot according to claim 3 , wherein the degree of bias of the drive shaft is adjusted based on the reaction force.
前記インピーダンス制御は前記トルクに基づいて行われる、請求項1に記載のロボット。 The joint unit further includes a torque detector that detects a torque applied to the joint,
The robot according to claim 1 , wherein the impedance control is performed based on the torque.
前記インピーダンス制御は、前記多軸力覚センサの検出値に応じて行われる、請求項1に記載のロボット。 a multi-axis force sensor is provided between the leg portion and the moving mechanism portion;
The robot according to claim 1 , wherein the impedance control is performed in response to a detection value of the multi-axis force sensor.
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