JPH0688218B2 - 歩行脚制御装置 - Google Patents
歩行脚制御装置Info
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- JPH0688218B2 JPH0688218B2 JP63143628A JP14362888A JPH0688218B2 JP H0688218 B2 JPH0688218 B2 JP H0688218B2 JP 63143628 A JP63143628 A JP 63143628A JP 14362888 A JP14362888 A JP 14362888A JP H0688218 B2 JPH0688218 B2 JP H0688218B2
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、多関節型の脚機構を備える歩行機械の歩行制
御装置に係り、特に脚機構の関節を駆動する所要トルク
を低減するのに好適な歩行制御装置に関する。
御装置に係り、特に脚機構の関節を駆動する所要トルク
を低減するのに好適な歩行制御装置に関する。
従来、多関節脚機構を備える歩行機械の歩行移動効率を
向上させる手法として、脚機構による歩行時の歩幅を変
化させる方法が、計測自動制御学会論文集（Vol.1,No.7
1979−2,p76〜81）に示唆されている。
向上させる手法として、脚機構による歩行時の歩幅を変
化させる方法が、計測自動制御学会論文集（Vol.1,No.7
1979−2,p76〜81）に示唆されている。
上記の従来技術は、所定の移動速度で移動する歩行機械
全体の消費エネルギを極小化する歩幅が存在することに
言及したものであり、歩行機械における脚機構駆動用の
アクチユエータ出力トルクの抑制については考慮されて
おらず、アクチユエータの駆動能力を最大限に利用する
歩行を実現することができないという問題があつた。
全体の消費エネルギを極小化する歩幅が存在することに
言及したものであり、歩行機械における脚機構駆動用の
アクチユエータ出力トルクの抑制については考慮されて
おらず、アクチユエータの駆動能力を最大限に利用する
歩行を実現することができないという問題があつた。
本発明の目的は、歩行機械における脚機構駆動用アクチ
ユエータの出力トルクを極小に抑制することができる歩
行脚制御装置を提供することにある。
ユエータの出力トルクを極小に抑制することができる歩
行脚制御装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の歩行制御装置にお
いては、歩行機械の目標移動速度を出力する速度指令部
と、この目標移動速度に基づき脚運動の歩幅を決定する
パラメータ発生部と、決定された歩幅に基づき脚機構の
関節の位置制御目標値を生成するパタン発生部と、位置
制御目標値に基づき脚機構の関節の位置を制御する関節
制御部とを備えるものである。
いては、歩行機械の目標移動速度を出力する速度指令部
と、この目標移動速度に基づき脚運動の歩幅を決定する
パラメータ発生部と、決定された歩幅に基づき脚機構の
関節の位置制御目標値を生成するパタン発生部と、位置
制御目標値に基づき脚機構の関節の位置を制御する関節
制御部とを備えるものである。
また同様な目的で、速度指令部からの目標移動速度に対
応して脚関節駆動トルクの自乗平均値を極小化する歩幅
を決定する第１のパラメータ発生部と、目標移動速度に
対応して脚関節駆動トルクの最大値を極小化する歩幅を
決定する第２のパラメータ発生部と、脚機構の運動から
脚関節駆動トルクの最大値を演算するトルク演算部と、
トルク演算部からの情報に基づき第１のパラメータ発生
部もしくは第２のパラメータ発生部より出力された歩幅
を選択し、また目標移動速度と歩幅より歩行周期を演算
出力するパラメータ選択部と、パラメータ選択部より選
択出力された歩幅，歩行周期に基づき脚機構関節の位置
制御目標値を生成するパタン生成部と、位置制御目標値
に基づき脚機構関節の位置を制御する関節制御部とを備
えることもできる。
応して脚関節駆動トルクの自乗平均値を極小化する歩幅
を決定する第１のパラメータ発生部と、目標移動速度に
対応して脚関節駆動トルクの最大値を極小化する歩幅を
決定する第２のパラメータ発生部と、脚機構の運動から
脚関節駆動トルクの最大値を演算するトルク演算部と、
トルク演算部からの情報に基づき第１のパラメータ発生
部もしくは第２のパラメータ発生部より出力された歩幅
を選択し、また目標移動速度と歩幅より歩行周期を演算
出力するパラメータ選択部と、パラメータ選択部より選
択出力された歩幅，歩行周期に基づき脚機構関節の位置
制御目標値を生成するパタン生成部と、位置制御目標値
に基づき脚機構関節の位置を制御する関節制御部とを備
えることもできる。
前述した前者の歩行脚制御装置においては、速度指令部
が、目標移動速度をパラメータ発生部に出力する。パラ
メータ発生部は目標移動速度により脚運動の歩幅を決定
するパラメータをパタン発生部に出力する。パタン発生
部は歩幅を決定するパラメータにより脚機構の関節の位
置制御目標値を生成し、これを脚駆動部に出力する。こ
れにより、関節制御部は脚機構を駆動し、目標移動速度
の変化に応じて歩幅を変更し、歩行時の脚機構における
関節駆動トルクを必要最小限に抑制することができる。
が、目標移動速度をパラメータ発生部に出力する。パラ
メータ発生部は目標移動速度により脚運動の歩幅を決定
するパラメータをパタン発生部に出力する。パタン発生
部は歩幅を決定するパラメータにより脚機構の関節の位
置制御目標値を生成し、これを脚駆動部に出力する。こ
れにより、関節制御部は脚機構を駆動し、目標移動速度
の変化に応じて歩幅を変更し、歩行時の脚機構における
関節駆動トルクを必要最小限に抑制することができる。
前述した後者の歩行脚制御装置においては、トルク演算
部からの情報に基づき、パラメータ選択部が目標速度に
対応して脚関節駆動トルクの自乗平均値を極小化する歩
幅を決定する第１のパラメータ発生部または目標移動速
度に対応して脚関節駆動トルクの最大値を極小化する歩
幅を決定する第２のパラメータ発生部を選択し、この選
択されたパラメータ発生部からの歩幅，歩行周期に基づ
きパタン生成部が位置制御目標値を生成し、これを関節
制御部に出力する。これを受けて関節制御部は脚機構を
駆動する。これにより、脚機構関節の駆動用アクチユエ
ータの負荷条件に応じて、最大トルクもしくは自乗平均
トルクを、所要移動速度を維持するための最小値に抑制
することができる。
部からの情報に基づき、パラメータ選択部が目標速度に
対応して脚関節駆動トルクの自乗平均値を極小化する歩
幅を決定する第１のパラメータ発生部または目標移動速
度に対応して脚関節駆動トルクの最大値を極小化する歩
幅を決定する第２のパラメータ発生部を選択し、この選
択されたパラメータ発生部からの歩幅，歩行周期に基づ
きパタン生成部が位置制御目標値を生成し、これを関節
制御部に出力する。これを受けて関節制御部は脚機構を
駆動する。これにより、脚機構関節の駆動用アクチユエ
ータの負荷条件に応じて、最大トルクもしくは自乗平均
トルクを、所要移動速度を維持するための最小値に抑制
することができる。
以下本発明の実施例を図面を参照して説明する。
第１図は本発明の歩行脚制御装置の一実施例を示すもの
で、この図において、1,2は歩行機械の脚機構で、この
脚機構1,2は胴部３に設けられている。前述した脚機構
1,2はそれぞれ、胴部３に設けた第１の関節部1A,2Aと、
この第１の関節部1A,2Aに連結した第１の脚部1B,2Bと、
この第１の脚部1B,2Bの他端に設けた第２の関節部1C,2C
と、この第２の関節部1C,2Cに連結した第２の脚部1D,2D
と、この第２の脚部1D,2Dに連結した第３の関節部1E,2E
と、この第３の関節部1E,2Eに連結した足部1F,2Fとで構
成されている。この脚機構1,2はこれを駆動するため
に、第１の関節部1A,2Aおよび第２の関節部1C,2Cにそれ
ぞれアクチユエータ1G,2G,1H,2Hが設けられている。４
は速度指令、５はパラメータ発生部、６はパタン発生
部、７は関節制御部である。
で、この図において、1,2は歩行機械の脚機構で、この
脚機構1,2は胴部３に設けられている。前述した脚機構
1,2はそれぞれ、胴部３に設けた第１の関節部1A,2Aと、
この第１の関節部1A,2Aに連結した第１の脚部1B,2Bと、
この第１の脚部1B,2Bの他端に設けた第２の関節部1C,2C
と、この第２の関節部1C,2Cに連結した第２の脚部1D,2D
と、この第２の脚部1D,2Dに連結した第３の関節部1E,2E
と、この第３の関節部1E,2Eに連結した足部1F,2Fとで構
成されている。この脚機構1,2はこれを駆動するため
に、第１の関節部1A,2Aおよび第２の関節部1C,2Cにそれ
ぞれアクチユエータ1G,2G,1H,2Hが設けられている。４
は速度指令、５はパラメータ発生部、６はパタン発生
部、７は関節制御部である。
前述した速度指令部４は、歩行機械の目標移動速度Ｖを
決定する。例えばメモリ回路からなるパラメータ発生部
５は、目標移動速度Ｖに対応して一意に決定される歩行
時の最大脚関節駆動トルクを極小とする歩幅Sm及び歩行
周期τｍを記憶しており、入力された目標移動速度Ｖに
対して、歩幅Sm及び歩行周期τｍを出力する。
決定する。例えばメモリ回路からなるパラメータ発生部
５は、目標移動速度Ｖに対応して一意に決定される歩行
時の最大脚関節駆動トルクを極小とする歩幅Sm及び歩行
周期τｍを記憶しており、入力された目標移動速度Ｖに
対して、歩幅Sm及び歩行周期τｍを出力する。
次にパラメータ発生部５における歩幅Sm、歩行周期τｍ
の設定について詳述する。第２図は、歩行機械の移動形
態を示したものであり、歩行機械は実線及び一点鎖線で
表わした脚部Ｌを交互に運動させて歩行を行なう。一方
の脚部Ｌの運動は、足部が接地した状態の立脚期WA（図
中WA1〜WA3）、また足部が地面より離れた状態の遊脚期
WB（図中WB1〜WB3）の２つの運動に分けられ、立脚期WA
では胴部３の質量を重力に抗して支え前進させ、また遊
脚期WBでは、次の立脚期WAの運動に備え前方に脚部Ｌを
振り出す。このような歩行運動では、移動速度Ｖは、歩
行運動の反復周期すなわち歩行周期τ及び歩幅Ｓにより
次のように決定される。
の設定について詳述する。第２図は、歩行機械の移動形
態を示したものであり、歩行機械は実線及び一点鎖線で
表わした脚部Ｌを交互に運動させて歩行を行なう。一方
の脚部Ｌの運動は、足部が接地した状態の立脚期WA（図
中WA1〜WA3）、また足部が地面より離れた状態の遊脚期
WB（図中WB1〜WB3）の２つの運動に分けられ、立脚期WA
では胴部３の質量を重力に抗して支え前進させ、また遊
脚期WBでは、次の立脚期WAの運動に備え前方に脚部Ｌを
振り出す。このような歩行運動では、移動速度Ｖは、歩
行運動の反復周期すなわち歩行周期τ及び歩幅Ｓにより
次のように決定される。
駆動トルクTtは、第３図〜第５図の脚関節駆動トルク波
形の例で示すように関節の角加速度による慣性トルクTj
と脚機構にかかる重力モーメントによる重力トルクTgの
合成トルクとみることができる。第５図に図示するよう
に立脚期WAでは重力トルクTgが支配的になり、この時の
最大駆動トルクTt1は歩幅Ｓより近似的に次のように表
わすことができる。
形の例で示すように関節の角加速度による慣性トルクTj
と脚機構にかかる重力モーメントによる重力トルクTgの
合成トルクとみることができる。第５図に図示するよう
に立脚期WAでは重力トルクTgが支配的になり、この時の
最大駆動トルクTt1は歩幅Ｓより近似的に次のように表
わすことができる。
Tt1≒Tgmax≒k1S …（２） 但し、k1：定数 また、遊脚期WBでは第４図に示す慣性トルクTjが支配的
になり、この時の最大駆動トルクTt2は歩幅Ｓ及び移動
速度Ｖより近似的に次のように表わすことができる。
になり、この時の最大駆動トルクTt2は歩幅Ｓ及び移動
速度Ｖより近似的に次のように表わすことができる。
以上から最大駆動トルクTmは次のように表わすことがで
き、第６図に示すように、各移動速度Ｖにおいて、 歩幅Ｓに対して極小値をもつ。
き、第６図に示すように、各移動速度Ｖにおいて、 歩幅Ｓに対して極小値をもつ。
したがつて各移動速度Ｖに対して一意に最大トルクTm極
小化の最適歩幅Smを求めることができ、第７図に示すよ
うに最適歩幅Smを移動速度Ｖに対する一価の関数として
定めることができる。また、歩行周期τｍは、（１）式
より として定めることができる。
小化の最適歩幅Smを求めることができ、第７図に示すよ
うに最適歩幅Smを移動速度Ｖに対する一価の関数として
定めることができる。また、歩行周期τｍは、（１）式
より として定めることができる。
したがつて、第７図に示す関数及び（５）式にて決まる
歩幅Sm，歩行周期τｍを目標速度Ｖごとにパラメータ発
生部５に記憶させることにより、任意の目標移動速度Ｖ
に対して最大脚関数駆動トルクを極小に維持して歩行運
動を実行させることができる。
歩幅Sm，歩行周期τｍを目標速度Ｖごとにパラメータ発
生部５に記憶させることにより、任意の目標移動速度Ｖ
に対して最大脚関数駆動トルクを極小に維持して歩行運
動を実行させることができる。
パタン発生部６は脚軌跡演算部6A,目標関節角度演算部6
B及び位相変換演算部6Cより構成されている。脚軌跡演
算部6Aでは、歩幅Sm及び歩行周期τｍをパラメータとし
て、次式の周期関数に基づき脚機構１の第１の関節部1A
に対する第３の関節部1Eの位置〔X,Y〕を演算する。
B及び位相変換演算部6Cより構成されている。脚軌跡演
算部6Aでは、歩幅Sm及び歩行周期τｍをパラメータとし
て、次式の周期関数に基づき脚機構１の第１の関節部1A
に対する第３の関節部1Eの位置〔X,Y〕を演算する。
また、目標関節角度演算部6Bは、脚機構１の幾何学的拘
束条件により決定される次式に基づき第３の関節部1Eの
位置〔X,Y〕から、第１の関節部1A,第２の関節部1Cの目
標関節角度θR1，θR2を演算する。
束条件により決定される次式に基づき第３の関節部1Eの
位置〔X,Y〕から、第１の関節部1A,第２の関節部1Cの目
標関節角度θR1，θR2を演算する。
ここで、l1：第１の関節部1Aと第２の関節部1Cとの間の
長さ l2：第２の関節部1Cと第３の関節部1Eとの間の
長さ また、位相変換演算部6Cは、目標関節角度θR1，θR2及
び歩行周期τｍから、次式に基づき脚機構1,2の目標関
節角度θr1，θr2，θr3及びθr4を演算する。
長さ l2：第２の関節部1Cと第３の関節部1Eとの間の
長さ また、位相変換演算部6Cは、目標関節角度θR1，θR2及
び歩行周期τｍから、次式に基づき脚機構1,2の目標関
節角度θr1，θr2，θr3及びθr4を演算する。
関節制御部７は、位置制御部7A1〜7A4及びドライバ7B1
〜7B4から構成されている。位置制御部4a1〜4a4はパタ
ン発生部により得られた目標関節角度θr1〜θr4と脚機
構1,2の関節角検出センサ1J,1K、及び2J,2Kにより検出
された関節角θ１，θ２，θ３及びθ４との各各の偏差
を演算する。ドライバ7B1〜7B4は各偏差に基づき、脚機
構1,2のアクチユエータ1G,2G及び1H,2Hに駆動信号を出
力する。
〜7B4から構成されている。位置制御部4a1〜4a4はパタ
ン発生部により得られた目標関節角度θr1〜θr4と脚機
構1,2の関節角検出センサ1J,1K、及び2J,2Kにより検出
された関節角θ１，θ２，θ３及びθ４との各各の偏差
を演算する。ドライバ7B1〜7B4は各偏差に基づき、脚機
構1,2のアクチユエータ1G,2G及び1H,2Hに駆動信号を出
力する。
次に、上述した本発明の装置の一実施例の動作を説明す
る。
る。
速度指令部４から目標移動速度Ｖを出力すると、パラメ
ータ発生部５はこの目標移動速度Ｖに対応して、歩行時
の最大脚関節駆動トルクを極小とする歩幅Sm及び歩行周
期τｍを出力する。この歩幅Sm及び歩行周期τｍによ
り、パタン発生部６においてはその脚軌跡演算部6Aによ
つて脚機構１の第１の関節部1Aに対する第３の関節部1E
の位置〔X,Y〕を演算する。次に目標関節角度演算部6B
では前記の第３の関節部1Eの位置〔X,Y〕から第１の関
節部1Aおよび第２の関節部1Cの関節角度θR1，θR2を演
算する。さらに位置変換演算部6Cでは目標関節角度
θR1，θR2および歩行周期τｍによつて脚機構1,2の第
１の関節部1A,2Aおよび第２の関節部1C,2Cの目標関節角
度θr1，θr2およびθr3，θr4を演算する。この目標関
節角度θr1，θr2，θr3，θr4により関節制御部７は関
節角検出センサ1J,1K,2J,2Kから関接角θ１，θ２，θ
３，θ４との偏差を求め、この偏差を零とするようにア
クチユエータ1G,1H,2G,2Hに駆動信号を出力する。これ
により、アクチユエータ1G,1H,2G,2Hは目標移動速度Ｂ
に対して、歩幅Sm，歩行周期τｍの歩行運動を行う。そ
の結果、歩行機械における脚機構の脚関節駆動トルク
を、所要移動速度を維持するための最小値に抑制するこ
とができる。
ータ発生部５はこの目標移動速度Ｖに対応して、歩行時
の最大脚関節駆動トルクを極小とする歩幅Sm及び歩行周
期τｍを出力する。この歩幅Sm及び歩行周期τｍによ
り、パタン発生部６においてはその脚軌跡演算部6Aによ
つて脚機構１の第１の関節部1Aに対する第３の関節部1E
の位置〔X,Y〕を演算する。次に目標関節角度演算部6B
では前記の第３の関節部1Eの位置〔X,Y〕から第１の関
節部1Aおよび第２の関節部1Cの関節角度θR1，θR2を演
算する。さらに位置変換演算部6Cでは目標関節角度
θR1，θR2および歩行周期τｍによつて脚機構1,2の第
１の関節部1A,2Aおよび第２の関節部1C,2Cの目標関節角
度θr1，θr2およびθr3，θr4を演算する。この目標関
節角度θr1，θr2，θr3，θr4により関節制御部７は関
節角検出センサ1J,1K,2J,2Kから関接角θ１，θ２，θ
３，θ４との偏差を求め、この偏差を零とするようにア
クチユエータ1G,1H,2G,2Hに駆動信号を出力する。これ
により、アクチユエータ1G,1H,2G,2Hは目標移動速度Ｂ
に対して、歩幅Sm，歩行周期τｍの歩行運動を行う。そ
の結果、歩行機械における脚機構の脚関節駆動トルク
を、所要移動速度を維持するための最小値に抑制するこ
とができる。
第８図は本発明の装置の他の実施例を示すもので、この
図において第１図と同符号のものは同一部分を示す。本
実施例では、パラメータ発生部5Aは、目標速度Ｖに対応
して一意に決定される歩行時の自乗平均脚関節駆動トル
クを極小とする歩幅Sm及び歩行周期τａを記憶し入力さ
れた目標移動速度Ｖに対して、歩幅Sa及び歩行周期τａ
を出力するように構成されている。
図において第１図と同符号のものは同一部分を示す。本
実施例では、パラメータ発生部5Aは、目標速度Ｖに対応
して一意に決定される歩行時の自乗平均脚関節駆動トル
クを極小とする歩幅Sm及び歩行周期τａを記憶し入力さ
れた目標移動速度Ｖに対して、歩幅Sa及び歩行周期τａ
を出力するように構成されている。
自乗平均トルクTaは、近似的に次式で表わされる。
歩幅Ｓに対し上記（８）式の右辺第１積分項は増加関数
となり、右辺第２積分項は減少関数となるため、第９図
に示すように、各移動速度Ｖにおいて、自乗平均トルク
Taは歩幅Ｓに対して極小値をもつ。したがつて各移動速
度Ｖに対して一意に自乗平均トルク極小化の最適歩幅Sa
を求めることができ、第10図に示すように最適歩幅Saを
移動速度Ｖに対する一価の関数として定めることができ
る。また歩行周期τａは、（１）式より、 として定めることができる。
となり、右辺第２積分項は減少関数となるため、第９図
に示すように、各移動速度Ｖにおいて、自乗平均トルク
Taは歩幅Ｓに対して極小値をもつ。したがつて各移動速
度Ｖに対して一意に自乗平均トルク極小化の最適歩幅Sa
を求めることができ、第10図に示すように最適歩幅Saを
移動速度Ｖに対する一価の関数として定めることができ
る。また歩行周期τａは、（１）式より、 として定めることができる。
したがつて、この実施例によれば、第10図に示す関数及
び（９）式にて決まる歩幅Sa，歩行周期τａを目標速度
Ｖごとにパラメータ発生部5Aに記憶させることにより、
任意の目標移動速度Ｖに対して自乗平均脚関節駆動トル
クを極小に維持して歩行運動を実行させることができ
る。
び（９）式にて決まる歩幅Sa，歩行周期τａを目標速度
Ｖごとにパラメータ発生部5Aに記憶させることにより、
任意の目標移動速度Ｖに対して自乗平均脚関節駆動トル
クを極小に維持して歩行運動を実行させることができ
る。
なお、以上述べた実施例のパラメータ発生部において、
歩行周期τｍ，τａは、選択した歩幅Sm,Saを用い、
（５）式，（７）式から直接演算出力する方式を用いて
もよいことは明白である。
歩行周期τｍ，τａは、選択した歩幅Sm,Saを用い、
（５）式，（７）式から直接演算出力する方式を用いて
もよいことは明白である。
さらに、上述の実施例は、脚機構が２脚の場合について
説明したが、数対の脚を備えた歩行機械にも適用するこ
とができる。
説明したが、数対の脚を備えた歩行機械にも適用するこ
とができる。
第11図は本発明の歩行脚制御装置のさらに他の実施例を
示すもので、この図において、第１図および第８図と同
符号のものは同一部分である。1,2は歩行機械の脚機構
で、この脚機構1,2は胴部３に設けられている。前述し
た脚機構1,2はそれぞれ、胴部３に設けた第１の関節部1
A,2Aと、この第１の関節部1A,2Aに連結した第１の脚部1
B,2Bと、この第１の脚部1B,2Bの他端に設けた第２の関
節部1C,2Cと、この第２の関節部1C,2Cに連結した第２の
脚部1D,2Dと、この第２の脚部1D,2Dに連結した第３の関
節部1E,2Eと、この第３の関節部1E,2Eに連結した足部1
F,2Fとで構成されている。この脚機構1,2にはこれを駆
動するために、第１の関節部1A,2Aおよび第２の関節部1
C,2Cにそれぞれアクチユエータ1G,2G,1H,2Hが設けられ
ている。脚機構1,2の第１の関節部1A,2Aおよび第２の関
節部1C,2Cにはトルクセンサ1L,1M及び2L,2Mが連結され
ている。４は速度指令部、50は第１のパラメータ発生
部、60は第２のパラメータ発生部、70はトルク演算部、
80はパラメータ選択部、６はパタン発生部、７は関節制
御部である。
示すもので、この図において、第１図および第８図と同
符号のものは同一部分である。1,2は歩行機械の脚機構
で、この脚機構1,2は胴部３に設けられている。前述し
た脚機構1,2はそれぞれ、胴部３に設けた第１の関節部1
A,2Aと、この第１の関節部1A,2Aに連結した第１の脚部1
B,2Bと、この第１の脚部1B,2Bの他端に設けた第２の関
節部1C,2Cと、この第２の関節部1C,2Cに連結した第２の
脚部1D,2Dと、この第２の脚部1D,2Dに連結した第３の関
節部1E,2Eと、この第３の関節部1E,2Eに連結した足部1
F,2Fとで構成されている。この脚機構1,2にはこれを駆
動するために、第１の関節部1A,2Aおよび第２の関節部1
C,2Cにそれぞれアクチユエータ1G,2G,1H,2Hが設けられ
ている。脚機構1,2の第１の関節部1A,2Aおよび第２の関
節部1C,2Cにはトルクセンサ1L,1M及び2L,2Mが連結され
ている。４は速度指令部、50は第１のパラメータ発生
部、60は第２のパラメータ発生部、70はトルク演算部、
80はパラメータ選択部、６はパタン発生部、７は関節制
御部である。
前述した速度指令部４は、歩行機械の目標移動速度Ｖを
決定する。第１のパラメータ発生部50は例えばメモリ回
路からなり、目標移動速度Ｖに対応して一意に決定され
る脚関節駆動トルクの自乗平均値を極小化する歩幅Saを
記憶しており、入力された目標移動速度Ｖに対して歩幅
Saを出力する。第２のパラメータ発生部60は例えばメモ
リ回路からなり、目標移動速度Ｖに対応して一意に決定
される脚関節駆動トルクの最大値を極小化する歩幅Smを
記憶しており、入力された目標移動速度Ｖに対して歩幅
Smを出力する。
決定する。第１のパラメータ発生部50は例えばメモリ回
路からなり、目標移動速度Ｖに対応して一意に決定され
る脚関節駆動トルクの自乗平均値を極小化する歩幅Saを
記憶しており、入力された目標移動速度Ｖに対して歩幅
Saを出力する。第２のパラメータ発生部60は例えばメモ
リ回路からなり、目標移動速度Ｖに対応して一意に決定
される脚関節駆動トルクの最大値を極小化する歩幅Smを
記憶しており、入力された目標移動速度Ｖに対して歩幅
Smを出力する。
次に前述した第１および第２のパラメータ発生部50,60
における歩幅Sa,Smの設定について詳述する。
における歩幅Sa,Smの設定について詳述する。
歩幅Ｓmの設定については前述した本発明の一実施例と
同様であるので、その説明を省略する。
同様であるので、その説明を省略する。
つぎに歩幅Saの設定について述べる。脚関節駆動トルク
の自乗平均値Taは、近似的に次式で表わされる。
の自乗平均値Taは、近似的に次式で表わされる。
歩幅Ｓに対し（10）式の右辺第１積分項は増加関数とな
り、右辺第２積分項は減少関数となるため、前述した第
９図に示すように、各移動速度Ｖにおいて、自乗平均ト
ルクTaは歩幅Ｓに対して極小値をもつ。したがつて各移
動速度Ｖに対して一意に自乗平均トルク極小化の最適歩
幅Saを求めることができ、前述した第10図に示すように
最適歩幅Saを移動速度Ｖに対する一価の関数として定め
ることができる。
り、右辺第２積分項は減少関数となるため、前述した第
９図に示すように、各移動速度Ｖにおいて、自乗平均ト
ルクTaは歩幅Ｓに対して極小値をもつ。したがつて各移
動速度Ｖに対して一意に自乗平均トルク極小化の最適歩
幅Saを求めることができ、前述した第10図に示すように
最適歩幅Saを移動速度Ｖに対する一価の関数として定め
ることができる。
次に、第11図に戻り、トルク演算部70は脚機構1,2の第
１の関節部1A,2Aおよび第２の関節部1C,2Cに連結したト
ルクセンサ1L,1M及び2L,2Mにより検出される脚関数駆動
トルクT1,T2,T3,T4及び、パラメータ発生部5,6により演
算される歩行周期τより次式に基づきトルク最大値Tmを
演算する。
１の関節部1A,2Aおよび第２の関節部1C,2Cに連結したト
ルクセンサ1L,1M及び2L,2Mにより検出される脚関数駆動
トルクT1,T2,T3,T4及び、パラメータ発生部5,6により演
算される歩行周期τより次式に基づきトルク最大値Tmを
演算する。
Tm＝MAX［max［T1（τ）］,max［T2（τ）］， ［max［T3（τ）］,max［T4（τ）］］ …（11） ここで、 パラメータ選択部80は、状態判別部80A,選択部80Bおよ
び同期演算部80Cからなつている。状態判別部80Aは、ト
ルク演算部70で得られたトルク最大値Tmと予め記憶した
許容値Tmlimとを比較し、Tm＞Tmlimの場合に、選択部80
Bに歩幅Ｓとして歩幅Smを選択し、また、Tm＜Tmlimの場
合に歩幅Ｓとして歩幅Saを選択するよう指令を与える。
また、周期演算部80Cは、歩幅Ｓ及び目標移動速度Ｖよ
り次式に基づき歩行周期τを演算する。
び同期演算部80Cからなつている。状態判別部80Aは、ト
ルク演算部70で得られたトルク最大値Tmと予め記憶した
許容値Tmlimとを比較し、Tm＞Tmlimの場合に、選択部80
Bに歩幅Ｓとして歩幅Smを選択し、また、Tm＜Tmlimの場
合に歩幅Ｓとして歩幅Saを選択するよう指令を与える。
また、周期演算部80Cは、歩幅Ｓ及び目標移動速度Ｖよ
り次式に基づき歩行周期τを演算する。
次にパタン発生部６は前述した実施例と同様に脚軌跡演
算部6A,目標関節角度演算部6B及び位相変換演算部6Cよ
り構成されている。脚軌跡演算部6Aは、歩幅Ｓ及び歩行
周期τをパラメータとして、次式の周期関数に基づき脚
機構１の第１の関節部1Aに対する第３の関節1Eの位置
〔X,Y〕を演算する。
算部6A,目標関節角度演算部6B及び位相変換演算部6Cよ
り構成されている。脚軌跡演算部6Aは、歩幅Ｓ及び歩行
周期τをパラメータとして、次式の周期関数に基づき脚
機構１の第１の関節部1Aに対する第３の関節1Eの位置
〔X,Y〕を演算する。
また、目標関節角度演算部6Bは、脚機構１の幾何学的拘
束条件により決定される次式に基づき第３の関節1Eの位
置〔X,Y〕から、第１および第２の関節部1A,1Cの目標関
節角度θR1，θR2を演算する。
束条件により決定される次式に基づき第３の関節1Eの位
置〔X,Y〕から、第１および第２の関節部1A,1Cの目標関
節角度θR1，θR2を演算する。
ここで、l1：第１の関節部1Aと第２の関節部1Cとの間の
長さ l2：第２の関節部1Cと第３の関節部1Eとの間の
長さ また、位相変換演算部6Cは、目標関節角度θR1，θR2及
び歩行周期τｍから、次式に基づき脚機構1,2の目標関
節角度θr1，θr2，θr3及びθr4を演算する。
長さ l2：第２の関節部1Cと第３の関節部1Eとの間の
長さ また、位相変換演算部6Cは、目標関節角度θR1，θR2及
び歩行周期τｍから、次式に基づき脚機構1,2の目標関
節角度θr1，θr2，θr3及びθr4を演算する。
さらに、関節制御部７は、位置制御部7A1〜7A4及びドラ
イバ7B1〜7B4から構成されている。位置制御部7A1〜7A4
はパタン発生部６により得られる目標関節角度θr1〜θ
r4と脚機構1,2の関節角検出センサ1J,1Kおよび2J,2Kに
より検出された関節角θ１，θ２，θ３及びθ４との各
々の偏差を演算する。ドライバ7B1〜7B4は各偏差に基づ
き、脚機構1,2のアクチユエータ1G,1H及び2G,2Hを駆動
する。
イバ7B1〜7B4から構成されている。位置制御部7A1〜7A4
はパタン発生部６により得られる目標関節角度θr1〜θ
r4と脚機構1,2の関節角検出センサ1J,1Kおよび2J,2Kに
より検出された関節角θ１，θ２，θ３及びθ４との各
々の偏差を演算する。ドライバ7B1〜7B4は各偏差に基づ
き、脚機構1,2のアクチユエータ1G,1H及び2G,2Hを駆動
する。
以上の構成によれば、脚機構1,2を等しい構成とした場
合、移動速度Ｖの目標に対して歩幅S,歩行周期τの歩行
運動を実現できる。
合、移動速度Ｖの目標に対して歩幅S,歩行周期τの歩行
運動を実現できる。
次に上述した本発明の装置のさらに他の実施例の動作を
説明する。
説明する。
速度指令部４が目標移動速度Ｖを出力すると、第１のパ
ラメータ発生部50はこの目標移動速度Ｖに対応して脚関
節駆動トルクの自乗平均値を極小化する歩幅Saを演算す
る。また、第２のパラメータ発生部60は目標移動速度Ｖ
に対応して脚関節駆動トルクの最大値を極小化する歩幅
Smを演算する。一方、トルク演算部７は、トルクセンサ
1L,1M,2L,2Mにより検出された脚関節駆動トルクT1,T2,T
3,T4およびパラメータ発生部50,60により演算される歩
行周期τによりトルク最大値Tmを演算し、パラメータ選
択部80の状態判別部80Aに出力する。これにより、状態
判別部80Aはトルク最大値Tmと予め記憶した許容値Tmlim
とを比較し、TmTmlimの場合には第２パラメータ発生
部６からの歩幅Smを選択し、またTmTmlimの場合には
第１のパラメータ発生部50からの歩幅Saを選択する。ま
た、周期演算部80Cは歩幅Ｓと目標移動速度Ｖとにより
歩行周期τを演算する。次に、パターン発生部６におい
ては、その脚転跡演算部6Aが歩幅Ｓと歩行周期τとによ
り、脚機構１の第１の関節部1Aに対する第３の関節部1E
の位置〔X,Y〕を演算する。次に目標関節角演算部6Bは
第３の関節部1Eの位置〔X,Y〕にもとづき第１および第
２の関節部1A,1Cの目標関節角度θR1，θR2を演算す
る。次に、位相変換演算部6Cは目標関節角度θR1，θR2
及び歩行周期τから、脚機構1,2の目標関節角度θr1，
θr2，θr3及びθr4を演算する。関節制御部７はパタン
発生部６からの目標関節角度θr1，θr2，θr3，θr4と
関節角検出センサ1J,1Kおよび2J,2Kにより検出された関
節角θ１，θ２，θ３，θ４との各々の偏差を求め、こ
の偏差を零とするように、脚機構1,2のアクチユエータ1
G,1H及び2G,2Hに駆動信号を出力する。その結果、目標
移動速度Ｖに対して、関節駆動トルクが許容最大値を越
える場合には、トルク最大値を極小に、また他の場合に
はトルク自乗平均値を極小にするように、歩行運動の歩
幅を変化させる。それにより、脚機構の駆動用アクチユ
エータが過負荷とならないように制御し得ると共に、歩
行動運に要するエネルギを抑制することができる。
ラメータ発生部50はこの目標移動速度Ｖに対応して脚関
節駆動トルクの自乗平均値を極小化する歩幅Saを演算す
る。また、第２のパラメータ発生部60は目標移動速度Ｖ
に対応して脚関節駆動トルクの最大値を極小化する歩幅
Smを演算する。一方、トルク演算部７は、トルクセンサ
1L,1M,2L,2Mにより検出された脚関節駆動トルクT1,T2,T
3,T4およびパラメータ発生部50,60により演算される歩
行周期τによりトルク最大値Tmを演算し、パラメータ選
択部80の状態判別部80Aに出力する。これにより、状態
判別部80Aはトルク最大値Tmと予め記憶した許容値Tmlim
とを比較し、TmTmlimの場合には第２パラメータ発生
部６からの歩幅Smを選択し、またTmTmlimの場合には
第１のパラメータ発生部50からの歩幅Saを選択する。ま
た、周期演算部80Cは歩幅Ｓと目標移動速度Ｖとにより
歩行周期τを演算する。次に、パターン発生部６におい
ては、その脚転跡演算部6Aが歩幅Ｓと歩行周期τとによ
り、脚機構１の第１の関節部1Aに対する第３の関節部1E
の位置〔X,Y〕を演算する。次に目標関節角演算部6Bは
第３の関節部1Eの位置〔X,Y〕にもとづき第１および第
２の関節部1A,1Cの目標関節角度θR1，θR2を演算す
る。次に、位相変換演算部6Cは目標関節角度θR1，θR2
及び歩行周期τから、脚機構1,2の目標関節角度θr1，
θr2，θr3及びθr4を演算する。関節制御部７はパタン
発生部６からの目標関節角度θr1，θr2，θr3，θr4と
関節角検出センサ1J,1Kおよび2J,2Kにより検出された関
節角θ１，θ２，θ３，θ４との各々の偏差を求め、こ
の偏差を零とするように、脚機構1,2のアクチユエータ1
G,1H及び2G,2Hに駆動信号を出力する。その結果、目標
移動速度Ｖに対して、関節駆動トルクが許容最大値を越
える場合には、トルク最大値を極小に、また他の場合に
はトルク自乗平均値を極小にするように、歩行運動の歩
幅を変化させる。それにより、脚機構の駆動用アクチユ
エータが過負荷とならないように制御し得ると共に、歩
行動運に要するエネルギを抑制することができる。
本発明の請求項１の歩行脚制御装置によれば、歩行機械
の脚関節駆動トルクの最大値もしくは自乗平均値を、所
要移動速度を維持するための最小値に抑制することがで
きるので、関節駆動用アクチユエータを小型，軽量化で
き、歩行機械全体の軽量化に効果がある。
の脚関節駆動トルクの最大値もしくは自乗平均値を、所
要移動速度を維持するための最小値に抑制することがで
きるので、関節駆動用アクチユエータを小型，軽量化で
き、歩行機械全体の軽量化に効果がある。
本発明の請求項２の歩行脚制御装置によれば、歩行機械
における脚関節の駆動用アクチユエータの負荷条件に応
じて、最大トルクもしくは自乗平均トルクを、所要移動
速度を維持するための最小値に抑制することができるの
で、アクチユエータの過負荷による破損を防止できかつ
消費エネルギを抑制でき、またアクチユエータの小型，
軽量化により歩行機械全体の軽量化を図ることができ
る。
における脚関節の駆動用アクチユエータの負荷条件に応
じて、最大トルクもしくは自乗平均トルクを、所要移動
速度を維持するための最小値に抑制することができるの
で、アクチユエータの過負荷による破損を防止できかつ
消費エネルギを抑制でき、またアクチユエータの小型，
軽量化により歩行機械全体の軽量化を図ることができ
る。
第１図は本発明の装置の一実施例の構成図、第２図は、
脚機械の歩行動作を示す説明図、第３図〜第５図はそれ
ぞれ脚に作用するトルクと歩行周期との関係を示す図、
第６図は各移動速度における歩幅と最大トルクとの関係
を示す図、第７図は最適歩幅と移動速度との関係を示す
図、第８図は本発明の装置の他の実施例の構成図、第９
図は各移動速度における歩幅と歩行周期との関係を示す
図、第10図は歩幅と移動速度との関係を示す図、第11図
は本発明の装置のさらに他の実施例の構成図である。 1,2……脚機構、４……速度指令部、5,5A……パラメー
タ発生部、６……パタン発生部、７……関節制御部、50
……第１のパラメータ発生部、60……第２のパラメータ
発生部、70……トルク演算部、80……パラメータ選択
部。
脚機械の歩行動作を示す説明図、第３図〜第５図はそれ
ぞれ脚に作用するトルクと歩行周期との関係を示す図、
第６図は各移動速度における歩幅と最大トルクとの関係
を示す図、第７図は最適歩幅と移動速度との関係を示す
図、第８図は本発明の装置の他の実施例の構成図、第９
図は各移動速度における歩幅と歩行周期との関係を示す
図、第10図は歩幅と移動速度との関係を示す図、第11図
は本発明の装置のさらに他の実施例の構成図である。 1,2……脚機構、４……速度指令部、5,5A……パラメー
タ発生部、６……パタン発生部、７……関節制御部、50
……第１のパラメータ発生部、60……第２のパラメータ
発生部、70……トルク演算部、80……パラメータ選択
部。
フロントページの続き (72)発明者 中野 裕 茨城県日立市幸町３丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 審査官 藤本 信男 (56)参考文献 特開 昭62−97006（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−187671（ＪＰ，Ａ)
Claims (2)
- 【請求項１】歩行機構の多関節脚機構の運動パターンを
生成する歩行制御装置において、予め設定された目標移
動速度を出力する速度指令部と、目標移動速度に対し脚
関節の最大駆動トルクもしくは自乗平均トルクを極小化
する歩幅及び歩行周期を演算する関数演算機能、もしく
は複数の目標移動速度に対し脚関節の最大駆動トルクも
しくは自乗平均トルクを極小化する歩幅を記憶したメモ
リ及び歩幅と指定された目標移動速度とから歩行周期を
演算する演算機能、もしくは複数の目標移動速度に対し
脚関節の最大駆動トルクもしくは自乗平均トルクを極小
化する歩行周期を記憶したメモリ及び歩行周期と指定さ
れた目標移動速度とから歩幅を演算する演算機能を備
え、指定された目標移動速度に対し歩幅及び歩行周期を
決定するパラメータ発生部と、決定された歩幅及び歩行
周期に基づき脚機構の関節の位置制御目標値を生成する
パターン発生部と、位置制御目標値に基づき脚機構の関
節の位置を制御する関節制御部とを備えたことを特徴と
する歩行脚制御装置。 - 【請求項２】歩行機構の多関節脚機構の運動パターンを
生成する歩行制御装置において、予め設定された目標移
動速度を出力する速度指令部と、目標移動速度に対し脚
関節の自乗平均トルクを極小化する歩幅を演算する関数
演算機能もしくは複数の目標移動速度に対し脚関節の自
乗平均トルクを極小化する歩幅を記憶したメモリを備え
指定された目標移動速度に対し歩幅を決定する第１のパ
ラメータ発生部と、目標移動速度に対し脚関節の最大駆
動トルクを極小化する歩幅を演算する関節演算機能もし
くは複数の目標移動速度に対し脚関節の最大駆動トルク
を極小化する歩幅を記憶するメモリを備え指定された目
標移動速度に対し歩幅を決定する第２のパラメータ発生
部と、脚機構の運動から脚関節駆動トルクの最大値を演
算するトルク演算部と、トルク演算部からの情報に基づ
き脚関節駆動トルクの最大値が予め定めた許容値を超え
た場合第１のパラメータ発生部から出力される歩幅を選
択し、脚関節駆動トルクの最大値が予め定めた許容値を
超えない場合第２のパラメータ発生部から出力される歩
幅を選択し、また指定された目標移動速度と選択した歩
幅から歩行周期を演算出力するパラメータ選択部と、パ
ラメータ選択部より出力された歩幅及び歩行周期に基づ
き脚機関の関節の位置制御目標値を生成するパターン発
生部と、位置制御目標値に基づき脚機構の関節の位置を
制御する関節制御部とを備えたことを特徴とする歩行脚
制御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63143628A JPH0688218B2 (ja) | 1988-06-13 | 1988-06-13 | 歩行脚制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63143628A JPH0688218B2 (ja) | 1988-06-13 | 1988-06-13 | 歩行脚制御装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH023581A JPH023581A (ja) | 1990-01-09 |
| JPH0688218B2 true JPH0688218B2 (ja) | 1994-11-09 |
Family
ID=15343175
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63143628A Expired - Lifetime JPH0688218B2 (ja) | 1988-06-13 | 1988-06-13 | 歩行脚制御装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0688218B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3078009B2 (ja) * | 1990-11-30 | 2000-08-21 | 本田技研工業株式会社 | 脚式移動ロボットの歩行制御装置 |
| JP4716302B2 (ja) * | 2001-04-21 | 2011-07-06 | 九州日立マクセル株式会社 | 発光表示装置を備えた小型電気機器 |
| JP5560948B2 (ja) * | 2010-06-23 | 2014-07-30 | 株式会社安川電機 | ロボット装置 |
| CN114044065B (zh) * | 2021-11-10 | 2024-01-26 | 江苏科技大学 | 一种双足机器人下肢结构及其运动方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6297006A (ja) * | 1985-10-23 | 1987-05-06 | Hitachi Ltd | 多関節歩行ロボツト制御装置 |
| JPS62187671A (ja) * | 1986-02-14 | 1987-08-17 | Hitachi Ltd | 足底付き多関節二脚歩行ロボットの歩行安定制御方式 |
-
1988
- 1988-06-13 JP JP63143628A patent/JPH0688218B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH023581A (ja) | 1990-01-09 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |