省エネルギー型ロボット関節駆動制御システム
【課題】本発明は、ロボットの準受動制御において、能動期と受動期の切り替えを遅延なく確実に実現することのできるロボット関節駆動制御システムを提供することを目的とする。
【解決手段】準受動制御の受動期において、出力軸にかかる回転アクチュエータの減速機に起因する摩擦トルクを相殺するような回転トルクを、駆動モータによって付与する。この際、駆動モータの回転トルクは、ロボット関節の出力軸に設けられたトルクセンサの測定値を入力としてフィードバック制御により導出する。その結果、出力側リンクは、減速機の存在にもかかわらず、あたかも自由関節に接続されているかのように挙動し、エネルギー効率の高いロボット関節駆動制御システムを実現する。
【解決手段】準受動制御の受動期において、出力軸にかかる回転アクチュエータの減速機に起因する摩擦トルクを相殺するような回転トルクを、駆動モータによって付与する。この際、駆動モータの回転トルクは、ロボット関節の出力軸に設けられたトルクセンサの測定値を入力としてフィードバック制御により導出する。その結果、出力側リンクは、減速機の存在にもかかわらず、あたかも自由関節に接続されているかのように挙動し、エネルギー効率の高いロボット関節駆動制御システムを実現する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボット制御システムに関し、より詳細には、省エネルギー型ロボット関節駆動制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
これまで、二足歩行ロボットに関して、種々の研究開発がなされてきたが、その多くは、各関節に設けられたアクチュエータを予め定められた軌道計画に基づいて、歩行サイクルの全時間にわたり能動的に駆動制御してロボットを歩行させるという、能動制御の思想に基づくものであった。
【０００３】
一方、人間が実際に行なっている歩行運動に目をやれば、歩行サイクル中、筋肉に大きな力が入るのは、足を蹴り出す際のほんの僅かな時間だけであり、蹴り出した足を前に振り出した後、これを地面に下ろして着地するまでの間は、もっぱら慣性力や重力を利用している。つまり、人間は、無意識のうちに非常にエネルギー効率の高い歩行運動を実現しているのである。
【０００４】
この点、上述した能動制御型の二足歩行ロボットは、歩行サイクルの全時間にわたって駆動力を使用しており、上述した人間の歩行運動と比較するとエネルギー効率の悪い動きをしているということができる。
【０００５】
この点につき、T. McGeer, “Passive Dynamic Walking,” The International Journal of Robotics Research, Vol.9, No.2, pp.62-68, 1990.（非特許文献１）は、アクチュエータ等の駆動手段を持たない機構が、それ自身に内在する動特性に基づいて歩行する現象（受動的動歩行）について開示する。近年、このような受動的動歩行に着想を得て、アクチュエータ駆動式の二足歩行ロボットの省エネルギー化を企図した、いわゆる準受動制御と呼ばれる制御手法についての研究が行なわれている。
【０００６】
準受動制御とは、歩行サイクルにおいて、アクチュエータの駆動力によって機構を能動的に駆動制御する時間（以下、能動期として参照する）と、機構をアクチュエータの駆動力から切り離し、機構自体に働く慣性力や重力のみを利用してこれを受動的に運動させる時間（以下、受動期として参照する）とを交互に設けることによって、人間の歩行のようにエネルギー効率の良い歩行運動を行なわせる制御をいう。ここで、準受動制御においては、受動期に足が慣性によって自然に振り出されなければならないが、従来の能動制御型ロボットには各関節にアクチュエータが設けられており、これに起因する機械抵抗が足の受動的な動きを妨げる。この点につき、図１３を参照して説明する。
【０００７】
図１３（ａ）は、従来の能動制御型ロボット５００の駆動部を概念的に示す。ロボット５００においては、リンク５０２と回転アクチュエータ５０４とが軸関節５０６によって接続されている。また、回転アクチュエータ５０４は、モータ５０８と、これに接続される減速機５１０とから構成されており、モータ５０８は、モータドライバ５１２によって駆動制御されている。
【０００８】
ここで、仮に、モータドライバ５１２からモータ５０８への電力供給を断ったとしても、減速機５１０が有する機械抵抗によって、それまでの回転方向とは逆向きのトルクτが軸関節５０６に作用する。その結果、リンク５０２は、その慣性による動きが妨げられてすぐに停止してしまう。
【０００９】
この点につき、M. Okada, T. Shinohara, T. Gotoh, S. Ban, and Y. Nakamura, Double Spherical Joint and Backlash Clutch for Lower Limbs of Humanoids, Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation, Taiwan, pp. 491-496, 2003.（非特許文献２）は、能動期と受動期とを機構的な仕掛けで切り替える構成を開示する。図１３（ｂ）は、非特許文献２の開示するロボット６００の駆動部を概念的に示す。ロボット６００においては、リンク５０２の軸関節５０６と減速機５１０とをクラッチ５１４によって物理的に切り離すことで、能動期と受動期の切り替えを行なっている。
【００１０】
図１３（ｂ）に示す構成によれば、確かに、受動期におけるリンク５０２の自由運動は担保されるが、機構自体が複雑になることに加え、バッククラッシュのリスクを負うことになる。そして、なにより、機構的に切り替える方式では、構造的にタイミング遅延が避けられず、予定したタイミングで能動期と受動期の切り替えを行なうことができないという問題があった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】T. McGeer, “Passive Dynamic Walking,” The International Journal of Robotics Research, Vol.9, No.2, pp.62-68, 1990.
【非特許文献２】M. Okada, T. Shinohara, T. Gotoh, S. Ban, and Y. Nakamura, Double Spherical Joint and Backlash Clutch for Lower Limbs of Humanoids, Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation, Taiwan, pp. 491-496, 2003.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、上記従来技術における課題に鑑みてなされたものであり、本発明は、ロボットの準受動制御において、能動期と受動期の切り替えを遅延なく確実に実現することのできるロボット関節駆動制御システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者は、ロボットの準受動制御において、能動期と受動期の切り替えを遅延なく確実に実現することのできるロボット関節駆動制御システムにつき鋭意検討した結果、ロボット関節の出力軸にかかる回転アクチュエータの減速機に起因する摩擦トルクを、駆動モータの回転トルクによって相殺する構成を着想した。さらに、駆動モータの当該回転トルクを、出力軸に設けられたトルクセンサの測定値を入力としたフィードバック制御により導出する構成に想到し、本発明に至ったのである。
【００１４】
すなわち、本発明によれば、ロボット関節の出力軸を駆動制御するシステムであって、前記出力軸にかかるトルクを測定するためのセンサと、前記出力軸に接続された回転アクチュエータの駆動モータを制御するフィードバック制御手段とを含み、前記フィードバック制御手段は、前記センサの測定トルクを入力とし、所定のトルク低減目標値に基づいて前記駆動モータの回転トルクを出力し、該出力結果に基づいて前記駆動モータの回転を制御するロボット関節駆動制御システムが提供される。
【００１５】
本発明においては、前記トルクを測定するためのトルクセンサ機構を以下の構成とすることが好ましい。すなわち、本発明においては、前記ロボット関節に設けられるトルクセンサ機構であって、駆動力発生側の駆動軸および駆動力出力先のリンク側の出力軸それぞれに、軸心から離間した箇所で固定され、該箇所に作用する偶力に応じて弾性的に曲げ歪みを発生する歪み発生部材と、前記歪み発生部材に接して配置され、前記曲げ歪みを検出する歪みセンサと、前記出力軸まわりに発生する負荷トルクを前記歪みセンサの出力値から算出する手段とを含むトルクセンサ機構を用いることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
上述したように、本発明によれば、ロボットの準受動制御において、能動期と受動期の切り替えを遅延なく確実に実現することのできるロボット関節駆動制御システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明のロボット関節駆動制御システムを説明するための概念図。
【図２】本発明のロボット関節駆動制御システムのトルクセンサ機構の概略図。
【図３】歪み発生部材として十字板バネを採用したトルクセンサ機構を示す図。
【図４】本実施形態の二足歩行ロボットのモデル図。
【図５】本実施形態の二足歩行ロボットの動作フローチャート。
【図６】本実施形態の二足歩行ロボットの姿勢の遷移を時系列的に示した図。
【図７】本実施例の二足歩行ロボットの全体を撮影した写真。
【図８】本実施例の二足歩行ロボットの駆動部を拡大して示す図。
【図９】本実施例の二足歩行ロボットの制御回路図。
【図１０】予備実験の結果を示す図。
【図１１】本実施例の二足歩行ロボットの側面写真を時系列的に示す図。
【図１２】評価関数を用いたエネルギー効率について評価を示す図。
【図１３】従来の能動制御型ロボットの駆動部を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を図面に示した実施の形態をもって説明するが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではない。なお、以下に参照する各図においては、共通する要素について同じ符号を用い、適宜、その説明を省略するものとする。
【００１９】
図１は、本発明のロボット関節駆動制御システム１００を説明するための概念図である。本発明のロボット関節駆動制御システム１００は、機構的には、図１３（ａ）に示した、従来の能動制御型ロボットと同様の構成を採用する。すなわち、ロボット関節駆動制御システム１００においては、リンク１０２と回転アクチュエータ１０４とが軸関節１０６によって接続されており、回転アクチュエータ１０４は、モータ１０８と、これに接続される減速機１１０とから構成され、モータ１０８は、モータドライバ１１２によって駆動制御されている。
【００２０】
さらに、本発明のロボット関節駆動制御システム１００においては、出力軸である軸関節１０６のトルクを測定するためのトルクセンサ１１４を備える。本発明のロボット関節駆動制御システム１００は、受動期において、軸関節１０６（すなわち、リンク１０２の回転軸）にかかるトルクを低減するように（好ましくはゼロになるように）モータ１０８の回転トルクを制御する。その結果、受動期において、リンク１０２をあたかも自由関節に接続されているかのように挙動させることが可能になる。以下、上述したモータ１０８の駆動制御の詳細について説明する。
【００２１】
本発明における上述したモータ１０８の駆動制御は、トルクセンサ１１４の測定トルクを入力とし、モータ１０８の回転トルクを出力とするフィードバック制御によって実現することができる。本発明においては、このフィードバック制御を下記式（１）に基づくＰＩ制御によって行なうことができる。
【００２２】
【数１】
【００２３】
上記式（１）において、｛Ｋｔ｝はモータ１０８のトルク定数を、{Ｋｐ}は比例のゲインを、｛Ｋｉ｝は積分ゲインをそれぞれ示す。なお、{Ｋｐ} および｛Ｋｉ｝については、シミュレーションや予備実験の結果を使用して適切な値を設定しておく。また、上記式（１）において、｛τ｝は軸関節１０６に印加されているトルクを、｛τaim｝はトルク低減目標値を、｛τｍ｝はモータ１０８への入力トルクをそれぞれ示す。
【００２４】
本発明のロボット関節駆動制御システム１００においては、下記の手順でモータ１０８が駆動制御される。まず、トルクセンサ１１４から出力される信号がマイコンまたはＡＳＩＣなどによって構成されるフィードバック制御装置１１６に入力される。フィードバック制御装置１１６は、トルクセンサ１１４からの出力値から軸関節１０６に印加されているトルク｛τ｝を算出し、上記式（１）に基づく演算によって、モータ１０８への入力トルク｛τｍ｝を導出する。
【００２５】
フィードバック制御装置１１６は、導出された入力トルク｛τｍ｝に相当するモータ１０８への印加電圧値を導出し、これをモータドライバ１１２に指示する。モータドライバ１１２が指示電圧値に基づいてモータ１０８へ電圧を印加すると、モータ１０８は、減速機１１０の機械抵抗に起因したトルク｛τ｝の印加方向と逆の方向の回転トルク｛τｍ｝を軸関節１０６に付与する。その結果、軸関節１０６にかかるトルクが相殺されて低減し（好ましくはゼロになり）、リンク１０２は、減速機１１０の存在にもかかわらず、見かけ上、あたかも自由関節に接続されているかのように挙動する。以上、説明した本発明におけるフィードバック制御を「ゼロトルクフィードバック制御」として、以下参照するものとする。
【００２６】
次に、本発明のロボット関節駆動制御システム１００に使用するトルクセンサ機構について説明する。本発明におけるトルクセンサ機構は、たとえば、出力軸である軸関節に対して直接的に歪みゲージ等を貼付することによって構成することもできるが、ロボット関節の出力軸は一般に短い剛性軸であり、発生するねじり歪みが小さいため、上記構成では、軸関節にかかる微小なトルクを検出できない可能性がある。
【００２７】
この点につき、本発明は、上述したロボット関節駆動制御システム１００の実装に最適な測定精度の高い新規なトルクセンサ機構を開示する。以下、本発明のトルクセンサ機構について、図２および図３を参照して説明する。
【００２８】
図２は、本発明のロボット関節駆動制御システム１００の軸関節に設けられるトルクセンサ機構２００の概略図を示す。図２に示すトルクセンサ機構２００において、リンク２０２は、回転アクチュエータ２０４が固定される駆動力入力側リンクであり、リンク２０６は、回転アクチュエータ２０４からの駆動力が入力される出力側リンクを示す。出力側リンク２０６の出力軸２０８と、回転アクチュエータ２０４側の駆動軸とは、歪み発生部材２１０を介して接続される。図２に示す例においては、歪み発生部材２１０と出力軸２０８とが出力軸固定部材２１２により固定され、歪み発生部材２１０と回転アクチュエータ２０４の駆動軸とが駆動軸固定部材２１４により固定されている。
【００２９】
歪み発生部材２１０は、回転アクチュエータ２０４からの駆動力を出力軸２０８に伝達するとともに、歪み発生部材２１０の出力軸側および駆動軸側の間に作用する負荷トルクによって一部で弾性的に曲げ歪みを生じるような構造とされている。駆動力が入力されない場合にも、出力側リンク２０６に作用する重力および慣性力により、回転軸まわりに負荷トルクが作用する。
【００３０】
歪み発生部材２１０には、金属抵抗、半導体抵抗などの歪みゲージが貼り付けられており、歪みゲージからの出力に基づいて歪み発生部材２１０の一部に発生した弾性的な曲げ歪みを測定し、この歪み測定値から出力軸２０８にかかった負荷トルクを間接的に求めることができる。歪みゲージは、アクティブ・ダミー法、２アクティブゲージ、４アクティブゲージ法などのこれまで知られた如何なる方式に従って、弾性的な曲げ歪みが発生する箇所の周辺に貼り付けることができる。
【００３１】
本発明における歪み発生部材２１０としては、十字板バネを用いることができる。図３は、歪み発生部材２１０として十字板バネ２３０を採用したトルクセンサ機構を示す図であり、図３（ａ）は斜視図を示し、図３（ｂ）は側面図を示す。十字板バネ２３０は、駆動軸および出力軸の軸心Ｏを中心とする中央部２３１と、中央部２３１から離間して設けられる４つの固定部２３２ａ〜２３２ｄと、各固定部２３２を中央部２３１に片持ち梁状に固定する平板部２３３ａ〜２３３ｄとを含んで構成される。
【００３２】
軸心Ｏを中心に１８０度ずれて配置される２つの固定部２３２ｂ，２３２ｄの組は、締結穴を介して、駆動軸側の駆動軸固定部材２１４に固定される。一方、軸心を中心に１８０度ずれ、かつ固定部２３２ｂ，２３２ｄの組と９０度ずれて配置される２つの固定部２３２ａ、２３２ｃの組は、締結穴を介して、出力軸側の出力軸固定部材２１２に固定される。
【００３３】
ここで、出力軸−駆動軸間に負荷トルクが作用すると、固定部２３２の組のうちの一方を固定とした場合に、他方の組に軸心から離間した箇所で偶力が作用し、中央部２３１および固定部２３２を接続する平板部２３３は、この偶力により、その大きさに応じた弾性的な曲げ歪みを発生させる。
【００３４】
中央部２３１および固定部２３２は、このような力に対し剛性が高くなる構造を有しており、一方、平板部２３３は、一定範囲の大きさの力に応答して弾性的に曲げ歪みを生じさせると共に、想定される最大トルクに対して平板部２３３に生じる最大応力が降伏応力を越えないような厚みを有している。そして、平板部２３３の適切な箇所に歪みセンサ２４０ａ，２４０ｂが貼り付けられ、平板部２３３に生じる弾性的な曲げ歪みが測定される。
【００３５】
上述したトルクセンサ機構を用いることによって、回転アクチュエータの減速機に起因して出力軸に印加される微小な負荷トルクを精度よく検出することができ、本発明のゼロトルクフィードバック制御が実効性の高いものとなる。
【００３６】
以上、説明したように、本発明のロボット関節駆動制御システム１００は、クラッチなどの機構的な追加構成を付加する必要がないため、既存の能動制御型ロボットに対して簡単に実装することができる。また、本発明のゼロトルクフィードバック制御方式によれば、能動期と受動期を電気的に切替えるため、タイミング遅延のリスクが排除される。その結果、各種ロボット・システムの準受動制御を好適に実現することができ、もって、システム全体の省エネルギー化を図ることができる。
【００３７】
以上、本発明のロボット関節駆動制御システムの構成およびその機能作用について説明してきたが、次に、本発明の適用態様について、二足歩行ロボットを例に挙げて説明する。図４は、本発明の実施形態である二足歩行ロボット１０のモデル図を示す。二足歩行ロボット１０は、股関節２０と、股関節２０に接続された左足Ｌおよび右足Ｒとを備えており、左足Ｌは、リンク３２、リンク３４、ならびに、両リンクを接続する膝関節３０とから構成され、右足Ｒは、リンク４２、リンク４４、ならびに、両リンクを接続する膝関節４０とから構成されている。なお、各関節（股関節２０、膝関節３０,４０）は、全て一軸性の関節として構成されており、二足歩行ロボット１０は、３つの関節を含む４リンク構造として構成されている。
【００３８】
また、股関節２０には、リンク３２およびリンク４２を駆動するための回転アクチュエータ２２と、当該関節の回転角ならびに角速度を測定するためのエンコーダ２４が設けられており、同様に、膝関節３０,４０には、それぞれ、リンク３４を駆動するための回転アクチュエータ３６およびリンク４４を駆動するための回転アクチュエータ４６が設けられ、さらに、膝関節３０,４０の回転角ならびに角速度を測定するためのエンコーダ３８,４８がそれぞれ設けられている。さらに、本実施形態の二足歩行ロボット１０においては、各関節（股関節２０、膝関節３０,４０）に対して、トルクセンサ２６,３９,４９がそれぞれ設けられている。なお、リンク３４およびリンク４４の先端（足先）には、図示しない接地センサが設けられており、当該接地センサからの信号に基づいて各リンクの接地を検知するように構成されている。
【００３９】
ここで、本実施形態の二足歩行ロボット１０においては、図示しない制御装置によって、上述した各回転アクチュエータに対して、（１）自励駆動制御、（２）ブレーキ制御、（３）追従制御、（４）自由関節化制御、の４種類の制御方式が選択的に適用されるように構成されている。以下、上記各制御方式について説明する。
【００４０】
（１）自励駆動制御
股関節２０の回転アクチュエータ２２に適用される制御であって、自励駆動制御時において、回転アクチュエータ２２は、リンク３２（すなわち、左足）またはリンク４２（すなわち、右足）を前に振り出すように駆動する。
（２）ブレーキ制御
股関節２０の回転アクチュエータ２２に適用される制御であって、股関節２０の回転運動を停止するように制御する。
（３）追従制御
膝関節３０,４０の回転アクチュエータ３６,４６に適用される制御であって、リンク３２とリンク３４がなす角度、または、リンク４２とリンク４４がなす角度が所定の目標値に維持されるように制御する。
（４）自由関節化制御
全ての関節（股関節２０、膝関節３０,４０）の回転アクチュエータ２２,３６,４６に適用される制御であって、各関節に本発明のゼロトルクフィードバック制御を適用するものである。
【００４１】
また、本実施形態の二足歩行ロボット１０においては、図示しない制御装置が以下に列挙する４つの情報を適宜参照することによって、上述した（１）〜（４）の制御を切り替える。
（股関節相対角度θw）＝リンク３２（左足）とリンク４２（右足）に挟まれた角の角度
（支持脚膝関節相対角度θst)＝支持脚（図４における左足）を構成するリンク３２の延長線とリンク３４に挟まれた角の角度
（遊脚膝関節相対角度θsw)＝遊脚（図４における右足）を構成するリンク４２の延長線とリンク４４に挟まれた角の角度
（遊脚膝関節の角速度）＝リンク４２とリンク４４の間の相対速度
【００４２】
上述した条件を前提として、二足歩行ロボット１０が実行する処理を図５に示すフローチャートに基づいて具体的に説明する。なお、以下の説明においては、二足歩行ロボット１０の姿勢の遷移を時系列的に示した図６を適宜参照するものとする。
【００４３】
二足歩行ロボット１０の両足が接地している状態から処理が開始されると、ステップ２０１において、初期化処理が行なわれた後、左右の足（リンク）について、いずれか一方を遊脚とし、他方を支持脚として設定し、ステップ２０２に進む。
【００４４】
ステップ２０２においては、支持脚膝関節相対角度パラメータ[θst]に目標角度[θst1]をセットし、支持脚膝関節を追従制御する。これは、支持脚の膝を折り曲げるための制御であり、目標角度[θst1]はゼロよりも大きい適切な値とする。この制御により、二足歩行ロボット１０の重心が、歩行に先立って前方に移動するため、歩行速度の増大および歩行エネルギーの軽減が図られる。同時に、ステップ２０２においては、遊脚膝関節を自由関節化制御とするとともに、股関節を自励駆動制御として遊脚を前に振り出し、ステップ２０３に進む。
【００４５】
ステップ２０３においては、股関節相対角度θｗがゼロより小さいか否か（すなわち、遊脚が支持脚より前に出たか否か）が監視され、股関節相対角度θｗがゼロより小さくなった場合には(Ｓ２０３,Ｙｅｓ)、ステップ２０４に進み、支持脚膝関節相対角度パラメータ[θst]に目標角度[θst2]をセットした上で、引き続き支持脚膝関節を追従制御する。ここで、目標角度[θst2]は、先の目標角度[θst1]はよりも小さい値とすることによって、二足歩行ロボット１０の重心をより前方へ移動させることができ、スムーズな歩行が実現される。
【００４６】
次にステップ２０５に進み、遊脚膝関節相対角度θsw が閾値θbrを超えたか否かが監視され、閾値θbrを超えた場合には(Ｓ２０５,Ｙｅｓ)、ステップ２０６に進む。ステップ２０６は、股関節にブレーキをかけて遊脚の振り出し駆動を止める制御であり、このように、適切なタイミングで遊脚の運動にブレーキをかけることによって、より少ないオーバーシュートで二足歩行ロボット１０を次の段階に移行させることでき、スムーズな歩行が実現される。同時に、ステップ２０６においては、股関節を自由関節化制御に移行させ、股関節の機械抵抗が各足の運動を妨げないようにして、ステップ２０７に進む。
【００４７】
ステップ２０７においては、遊脚が停止したか否か（すなわち、遊脚膝関節の角速度がゼロより大きいか否か）を監視する。遊脚が停止した場合（Ｓ２０７,Ｙｅｓ)、遊脚を次の歩行サイクルにおける支持脚とするための準備を行なうためのステップ２０８に進む。ステップ２０８においては、遊脚膝関節相対角度パラメータ[θsｗ]に[θst2]をセットし、遊脚膝関節を自由関節化制御から追従制御に切り替えて、ステップ２０９に進む。
【００４８】
ステップ２０９においては、遊脚が接地したか否かが監視され、遊脚が接地した場合(Ｓ２０９,Ｙｅｓ)、ステップ２１０に進み、先のステップ２０２で支持脚として規定した足（リンク）および遊脚として規定した足（リンク）を、それぞれ、遊脚および支持脚に規定し直し、さらに、パラメータ[θst],[θsｗ]を初期値にリセットした後、ステップ２０２に戻り、以降のステップを繰り返す。
【００４９】
以上、説明したように、本発明のロボット関節駆動制御システムを採用した二足歩行ロボット１０は、受動期において自由関節化制御のためのごくわずかな電力を消費するだけで、自身にかかる重力および慣性力を最大限利用して、効率の良い歩行運動を実現することができる。
【実施例】
【００５０】
以下、本発明のロボット関節駆動制御システムについて、実施例を用いてより具体的に説明を行なうが、本発明は、後述する実施例に限定されるものではない。
【００５１】
本発明を適用した二足歩行ロボットを作製した。図７は、本実施例の二足歩行ロボット３００の全体を撮影した写真を示す。以下、図８および図９を参照して、本実施例の二足歩行ロボット３００について概説する。
【００５２】
図８は、二足歩行ロボット３００の駆動部を拡大して示す図である。二足歩行ロボット３００は、右足を構成するリンク３０１Ｒおよびリンク３０２Ｒと、左足を構成するリンク３０１Ｌおよびリンク３０２Ｌと、左足を構成するリンク３０１Ｌに一体的に構成された腰部３０３とを含む４リンク構造として構成した。また、各リンク間を一軸性の関節で連結し、両足の各膝関節ならびに股関節部分（リンク３０１Ｒとリンク３０３の間）に回転アクチュエータを設けた。
【００５３】
なお、本実施例においては、膝関節の回転アクチュエータを、モータ３０４、減速機３０５、プーリ３０６，３０７、およびベルト３０８から構成し、股関節の回転アクチュエータを、モータ３０９、および減速機３１０から構成した。さらに、本実施例においては、各回転アクチュエータの出力軸と入力軸との間に、トルクセンサとして、図３を参照して説明した、歪みゲージを貼付した十字板バネ３１１を介在させて連結した。さらに、各関節軸にはエンコーダ３１２を設け、各関節の相対角度ならびに角速度を測定するように構成した。さらに、リンク３０２Ｌ，３０２Ｒの先端（足先）には、図示しない接地センサを設けた。
【００５４】
図９は、二足歩行ロボット３００の制御回路図を示す。二足歩行ロボット３００においては、電源３２０から各エンコーダ３１２に電力を供給し、各関節に設けた各エンコーダ３１２の出力信号をＡ／Ｄコンバータを介してコンピュータ３２２に入力するように構成した。また、各関節に設けたトルクセンサの歪みゲージ３２４からの出力信号は、増幅器３２５で増幅した後、Ａ／Ｄコンバータを介してコンピュータ３２２に入力するように構成した。
【００５５】
また、コンピュータ３２２は、各エンコーダ３１２ならびに各歪みゲージ３２４からの入力信号に基づいて、必要な演算等を実行し、モータ３０４Ｌ,３０４Ｒ,３０９に印加する電圧指令値を導出し、導出された電圧指令値をＤ／Ａコンバータを介してモータドライバ３２６に入力するように構成し、モータドライバ３２６は、電源３２０から各モータ３０４Ｌ,３０４Ｒ,３０９へ指定された電圧を印加するように構成した。上述した二足歩行ロボット３００に対し、図６を参照して説明したフローチャートに基づく処理を実行させた。なお、本実施例においては、エネルギー効率の評価のため、コンピュータ３２２に各関節の角速度の経時的変化を取得させた。
【００５６】
以上、二足歩行ロボット３００の概要について説明してきたが、次に、二足歩行ロボット３００による歩行実験およびそのエネルギー効率評価について、以下説明する。
【００５７】
（予備実験）
歩行実験に先立ち、本発明のゼロトルクフィードバック制御の効果を検証する予備実験を以下の手順で行なった。まず、足を構成する入力側リンクを固定したうえで、出力側のリンクを鉛直方向と６０°の角度をなす高さまで持ち上げて静止させ、その後、静かに手を離した（角速度０）。図１０は、出力側リンクと鉛直方向のなす角度[rad]と、膝関節軸（出力軸）にかかった負荷トルクτの経時的変化を示す。なお、図１０（ａ）は、単に、膝関節の駆動モータ３０４への電力供給を止めただけの場合の結果を示し、図１０（ｂ）は、駆動モータ３０４についてゼロトルクフィードバック制御を行なった場合の結果を示す。
【００５８】
ゼロトルクフィードバック制御を行なわない場合、図１０（ａ）に示されるように、出力側リンクは、アクチュエータの機械抵抗のために鉛直方向を少しまわったところですぐに止まった。一方、ゼロトルクフィードバック制御を行なった場合は、図１０（ｂ）に示されるように、出力側リンクは、持続的な周期運動（１０回）を見せ、自由関節のように振る舞うことが確認された。
【００５９】
（歩行実験とエネルギー効率評価）
図５のフローチャートに基づいて各関節の駆動制御を行なったところ、二足歩行ロボット３００は、スムーズな歩行に成功した。図１１は、歩行運動をする二足歩行ロボット３００の側面写真を時系列的に示す。さらに、二足歩行ロボット３００のエネルギー効率についてSpecific cost、Ｃｍｔ（Cost of mechanical transport：単位時間当りのアクチュエータの機械的な作業エネルギー）やＣｅｔ（Cost of energy transport：単位時間・単位質量・単位移動距離当りの消費エネルギー)という評価関数を用いて評価したところ、Ｃｍｔは、0.88、Ｃｅｔは、1.47であった。この値は、図１２に示すように、能動制御（ＺＭＰ制御）を採用する（株）ホンダの「ＡＳＩＭＯ」のスペックに比較して半分以下であり、本発明のロボット関節駆動制御システムのエネルギー効率が非常に高いことが示された。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
以上、説明したように、本発明によれば、ロボットの準受動制御において、能動期と受動期の切り替えを遅延なく確実に実現することのできるロボット関節駆動制御システムが提供される。なお、今後は、上述した二足歩行ロボットに限らず、軸関節を備えるその他の駆動リンク機構についても準受動制御による省エネルギー化が検討されることであろう。それに伴い、本発明のロボット関節駆動制御システムが各種産業用ロボットや多関節マニュピレータや多足移動ロボットなどの幅広い分野に応用展開されることを期待したい。
【符号の説明】
【００６１】
１００…ロボット関節駆動制御システム、１０２…リンク、１０４…回転アクチュエータ、１０６…軸関節、１０８…モータ、１１０…減速機、１１２…モータドライバ、１１４…トルクセンサ、１１６…フィードバック制御装置、２００…トルクセンサ機構、２０２…リンク、２０４…回転アクチュエータ、２０６…出力側リンク、２０８…出力軸、２１０…歪み発生部材、２１２…出力軸固定部材、２１４…駆動軸固定部材、２３０…十字板バネ、２３１…中央部、２３２…固定部、２３３…平板部、２４０…歪みセンサ、１０…二足歩行ロボット、２０…股関節、３０…膝関節、３２,３４…リンク、４０…膝関節、４２,４４…リンク、２２,３６,４６…回転アクチュエータ、２４,３８,４８…エンコーダ、２６,３９,４９…トルクセンサ、３００…二足歩行ロボット、３０１，３０２…リンク、３０３…腰部、３０４，３０９…モータ、３０６，３０７…プーリ、３０８…ベルト、３０５,３１０…減速機、３１１…十字板バネ、３１２…エンコーダ、３２０…電源、３２２…コンピュータ、３２４…歪みゲージ、３２５…増幅器、３２６…モータドライバ、５００…ロボット、５０２…リンク、５０４…回転アクチュエータ、５０６…軸関節、５０８…モータ、５１０…減速機、５１２…モータドライバ、６００…ロボット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボット制御システムに関し、より詳細には、省エネルギー型ロボット関節駆動制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
これまで、二足歩行ロボットに関して、種々の研究開発がなされてきたが、その多くは、各関節に設けられたアクチュエータを予め定められた軌道計画に基づいて、歩行サイクルの全時間にわたり能動的に駆動制御してロボットを歩行させるという、能動制御の思想に基づくものであった。
【０００３】
一方、人間が実際に行なっている歩行運動に目をやれば、歩行サイクル中、筋肉に大きな力が入るのは、足を蹴り出す際のほんの僅かな時間だけであり、蹴り出した足を前に振り出した後、これを地面に下ろして着地するまでの間は、もっぱら慣性力や重力を利用している。つまり、人間は、無意識のうちに非常にエネルギー効率の高い歩行運動を実現しているのである。
【０００４】
この点、上述した能動制御型の二足歩行ロボットは、歩行サイクルの全時間にわたって駆動力を使用しており、上述した人間の歩行運動と比較するとエネルギー効率の悪い動きをしているということができる。
【０００５】
この点につき、T. McGeer, “Passive Dynamic Walking,” The International Journal of Robotics Research, Vol.9, No.2, pp.62-68, 1990.（非特許文献１）は、アクチュエータ等の駆動手段を持たない機構が、それ自身に内在する動特性に基づいて歩行する現象（受動的動歩行）について開示する。近年、このような受動的動歩行に着想を得て、アクチュエータ駆動式の二足歩行ロボットの省エネルギー化を企図した、いわゆる準受動制御と呼ばれる制御手法についての研究が行なわれている。
【０００６】
準受動制御とは、歩行サイクルにおいて、アクチュエータの駆動力によって機構を能動的に駆動制御する時間（以下、能動期として参照する）と、機構をアクチュエータの駆動力から切り離し、機構自体に働く慣性力や重力のみを利用してこれを受動的に運動させる時間（以下、受動期として参照する）とを交互に設けることによって、人間の歩行のようにエネルギー効率の良い歩行運動を行なわせる制御をいう。ここで、準受動制御においては、受動期に足が慣性によって自然に振り出されなければならないが、従来の能動制御型ロボットには各関節にアクチュエータが設けられており、これに起因する機械抵抗が足の受動的な動きを妨げる。この点につき、図１３を参照して説明する。
【０００７】
図１３（ａ）は、従来の能動制御型ロボット５００の駆動部を概念的に示す。ロボット５００においては、リンク５０２と回転アクチュエータ５０４とが軸関節５０６によって接続されている。また、回転アクチュエータ５０４は、モータ５０８と、これに接続される減速機５１０とから構成されており、モータ５０８は、モータドライバ５１２によって駆動制御されている。
【０００８】
ここで、仮に、モータドライバ５１２からモータ５０８への電力供給を断ったとしても、減速機５１０が有する機械抵抗によって、それまでの回転方向とは逆向きのトルクτが軸関節５０６に作用する。その結果、リンク５０２は、その慣性による動きが妨げられてすぐに停止してしまう。
【０００９】
この点につき、M. Okada, T. Shinohara, T. Gotoh, S. Ban, and Y. Nakamura, Double Spherical Joint and Backlash Clutch for Lower Limbs of Humanoids, Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation, Taiwan, pp. 491-496, 2003.（非特許文献２）は、能動期と受動期とを機構的な仕掛けで切り替える構成を開示する。図１３（ｂ）は、非特許文献２の開示するロボット６００の駆動部を概念的に示す。ロボット６００においては、リンク５０２の軸関節５０６と減速機５１０とをクラッチ５１４によって物理的に切り離すことで、能動期と受動期の切り替えを行なっている。
【００１０】
図１３（ｂ）に示す構成によれば、確かに、受動期におけるリンク５０２の自由運動は担保されるが、機構自体が複雑になることに加え、バッククラッシュのリスクを負うことになる。そして、なにより、機構的に切り替える方式では、構造的にタイミング遅延が避けられず、予定したタイミングで能動期と受動期の切り替えを行なうことができないという問題があった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】T. McGeer, “Passive Dynamic Walking,” The International Journal of Robotics Research, Vol.9, No.2, pp.62-68, 1990.
【非特許文献２】M. Okada, T. Shinohara, T. Gotoh, S. Ban, and Y. Nakamura, Double Spherical Joint and Backlash Clutch for Lower Limbs of Humanoids, Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation, Taiwan, pp. 491-496, 2003.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、上記従来技術における課題に鑑みてなされたものであり、本発明は、ロボットの準受動制御において、能動期と受動期の切り替えを遅延なく確実に実現することのできるロボット関節駆動制御システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者は、ロボットの準受動制御において、能動期と受動期の切り替えを遅延なく確実に実現することのできるロボット関節駆動制御システムにつき鋭意検討した結果、ロボット関節の出力軸にかかる回転アクチュエータの減速機に起因する摩擦トルクを、駆動モータの回転トルクによって相殺する構成を着想した。さらに、駆動モータの当該回転トルクを、出力軸に設けられたトルクセンサの測定値を入力としたフィードバック制御により導出する構成に想到し、本発明に至ったのである。
【００１４】
すなわち、本発明によれば、ロボット関節の出力軸を駆動制御するシステムであって、前記出力軸にかかるトルクを測定するためのセンサと、前記出力軸に接続された回転アクチュエータの駆動モータを制御するフィードバック制御手段とを含み、前記フィードバック制御手段は、前記センサの測定トルクを入力とし、所定のトルク低減目標値に基づいて前記駆動モータの回転トルクを出力し、該出力結果に基づいて前記駆動モータの回転を制御するロボット関節駆動制御システムが提供される。
【００１５】
本発明においては、前記トルクを測定するためのトルクセンサ機構を以下の構成とすることが好ましい。すなわち、本発明においては、前記ロボット関節に設けられるトルクセンサ機構であって、駆動力発生側の駆動軸および駆動力出力先のリンク側の出力軸それぞれに、軸心から離間した箇所で固定され、該箇所に作用する偶力に応じて弾性的に曲げ歪みを発生する歪み発生部材と、前記歪み発生部材に接して配置され、前記曲げ歪みを検出する歪みセンサと、前記出力軸まわりに発生する負荷トルクを前記歪みセンサの出力値から算出する手段とを含むトルクセンサ機構を用いることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
上述したように、本発明によれば、ロボットの準受動制御において、能動期と受動期の切り替えを遅延なく確実に実現することのできるロボット関節駆動制御システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明のロボット関節駆動制御システムを説明するための概念図。
【図２】本発明のロボット関節駆動制御システムのトルクセンサ機構の概略図。
【図３】歪み発生部材として十字板バネを採用したトルクセンサ機構を示す図。
【図４】本実施形態の二足歩行ロボットのモデル図。
【図５】本実施形態の二足歩行ロボットの動作フローチャート。
【図６】本実施形態の二足歩行ロボットの姿勢の遷移を時系列的に示した図。
【図７】本実施例の二足歩行ロボットの全体を撮影した写真。
【図８】本実施例の二足歩行ロボットの駆動部を拡大して示す図。
【図９】本実施例の二足歩行ロボットの制御回路図。
【図１０】予備実験の結果を示す図。
【図１１】本実施例の二足歩行ロボットの側面写真を時系列的に示す図。
【図１２】評価関数を用いたエネルギー効率について評価を示す図。
【図１３】従来の能動制御型ロボットの駆動部を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を図面に示した実施の形態をもって説明するが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではない。なお、以下に参照する各図においては、共通する要素について同じ符号を用い、適宜、その説明を省略するものとする。
【００１９】
図１は、本発明のロボット関節駆動制御システム１００を説明するための概念図である。本発明のロボット関節駆動制御システム１００は、機構的には、図１３（ａ）に示した、従来の能動制御型ロボットと同様の構成を採用する。すなわち、ロボット関節駆動制御システム１００においては、リンク１０２と回転アクチュエータ１０４とが軸関節１０６によって接続されており、回転アクチュエータ１０４は、モータ１０８と、これに接続される減速機１１０とから構成され、モータ１０８は、モータドライバ１１２によって駆動制御されている。
【００２０】
さらに、本発明のロボット関節駆動制御システム１００においては、出力軸である軸関節１０６のトルクを測定するためのトルクセンサ１１４を備える。本発明のロボット関節駆動制御システム１００は、受動期において、軸関節１０６（すなわち、リンク１０２の回転軸）にかかるトルクを低減するように（好ましくはゼロになるように）モータ１０８の回転トルクを制御する。その結果、受動期において、リンク１０２をあたかも自由関節に接続されているかのように挙動させることが可能になる。以下、上述したモータ１０８の駆動制御の詳細について説明する。
【００２１】
本発明における上述したモータ１０８の駆動制御は、トルクセンサ１１４の測定トルクを入力とし、モータ１０８の回転トルクを出力とするフィードバック制御によって実現することができる。本発明においては、このフィードバック制御を下記式（１）に基づくＰＩ制御によって行なうことができる。
【００２２】
【数１】
【００２３】
上記式（１）において、｛Ｋｔ｝はモータ１０８のトルク定数を、{Ｋｐ}は比例のゲインを、｛Ｋｉ｝は積分ゲインをそれぞれ示す。なお、{Ｋｐ} および｛Ｋｉ｝については、シミュレーションや予備実験の結果を使用して適切な値を設定しておく。また、上記式（１）において、｛τ｝は軸関節１０６に印加されているトルクを、｛τaim｝はトルク低減目標値を、｛τｍ｝はモータ１０８への入力トルクをそれぞれ示す。
【００２４】
本発明のロボット関節駆動制御システム１００においては、下記の手順でモータ１０８が駆動制御される。まず、トルクセンサ１１４から出力される信号がマイコンまたはＡＳＩＣなどによって構成されるフィードバック制御装置１１６に入力される。フィードバック制御装置１１６は、トルクセンサ１１４からの出力値から軸関節１０６に印加されているトルク｛τ｝を算出し、上記式（１）に基づく演算によって、モータ１０８への入力トルク｛τｍ｝を導出する。
【００２５】
フィードバック制御装置１１６は、導出された入力トルク｛τｍ｝に相当するモータ１０８への印加電圧値を導出し、これをモータドライバ１１２に指示する。モータドライバ１１２が指示電圧値に基づいてモータ１０８へ電圧を印加すると、モータ１０８は、減速機１１０の機械抵抗に起因したトルク｛τ｝の印加方向と逆の方向の回転トルク｛τｍ｝を軸関節１０６に付与する。その結果、軸関節１０６にかかるトルクが相殺されて低減し（好ましくはゼロになり）、リンク１０２は、減速機１１０の存在にもかかわらず、見かけ上、あたかも自由関節に接続されているかのように挙動する。以上、説明した本発明におけるフィードバック制御を「ゼロトルクフィードバック制御」として、以下参照するものとする。
【００２６】
次に、本発明のロボット関節駆動制御システム１００に使用するトルクセンサ機構について説明する。本発明におけるトルクセンサ機構は、たとえば、出力軸である軸関節に対して直接的に歪みゲージ等を貼付することによって構成することもできるが、ロボット関節の出力軸は一般に短い剛性軸であり、発生するねじり歪みが小さいため、上記構成では、軸関節にかかる微小なトルクを検出できない可能性がある。
【００２７】
この点につき、本発明は、上述したロボット関節駆動制御システム１００の実装に最適な測定精度の高い新規なトルクセンサ機構を開示する。以下、本発明のトルクセンサ機構について、図２および図３を参照して説明する。
【００２８】
図２は、本発明のロボット関節駆動制御システム１００の軸関節に設けられるトルクセンサ機構２００の概略図を示す。図２に示すトルクセンサ機構２００において、リンク２０２は、回転アクチュエータ２０４が固定される駆動力入力側リンクであり、リンク２０６は、回転アクチュエータ２０４からの駆動力が入力される出力側リンクを示す。出力側リンク２０６の出力軸２０８と、回転アクチュエータ２０４側の駆動軸とは、歪み発生部材２１０を介して接続される。図２に示す例においては、歪み発生部材２１０と出力軸２０８とが出力軸固定部材２１２により固定され、歪み発生部材２１０と回転アクチュエータ２０４の駆動軸とが駆動軸固定部材２１４により固定されている。
【００２９】
歪み発生部材２１０は、回転アクチュエータ２０４からの駆動力を出力軸２０８に伝達するとともに、歪み発生部材２１０の出力軸側および駆動軸側の間に作用する負荷トルクによって一部で弾性的に曲げ歪みを生じるような構造とされている。駆動力が入力されない場合にも、出力側リンク２０６に作用する重力および慣性力により、回転軸まわりに負荷トルクが作用する。
【００３０】
歪み発生部材２１０には、金属抵抗、半導体抵抗などの歪みゲージが貼り付けられており、歪みゲージからの出力に基づいて歪み発生部材２１０の一部に発生した弾性的な曲げ歪みを測定し、この歪み測定値から出力軸２０８にかかった負荷トルクを間接的に求めることができる。歪みゲージは、アクティブ・ダミー法、２アクティブゲージ、４アクティブゲージ法などのこれまで知られた如何なる方式に従って、弾性的な曲げ歪みが発生する箇所の周辺に貼り付けることができる。
【００３１】
本発明における歪み発生部材２１０としては、十字板バネを用いることができる。図３は、歪み発生部材２１０として十字板バネ２３０を採用したトルクセンサ機構を示す図であり、図３（ａ）は斜視図を示し、図３（ｂ）は側面図を示す。十字板バネ２３０は、駆動軸および出力軸の軸心Ｏを中心とする中央部２３１と、中央部２３１から離間して設けられる４つの固定部２３２ａ〜２３２ｄと、各固定部２３２を中央部２３１に片持ち梁状に固定する平板部２３３ａ〜２３３ｄとを含んで構成される。
【００３２】
軸心Ｏを中心に１８０度ずれて配置される２つの固定部２３２ｂ，２３２ｄの組は、締結穴を介して、駆動軸側の駆動軸固定部材２１４に固定される。一方、軸心を中心に１８０度ずれ、かつ固定部２３２ｂ，２３２ｄの組と９０度ずれて配置される２つの固定部２３２ａ、２３２ｃの組は、締結穴を介して、出力軸側の出力軸固定部材２１２に固定される。
【００３３】
ここで、出力軸−駆動軸間に負荷トルクが作用すると、固定部２３２の組のうちの一方を固定とした場合に、他方の組に軸心から離間した箇所で偶力が作用し、中央部２３１および固定部２３２を接続する平板部２３３は、この偶力により、その大きさに応じた弾性的な曲げ歪みを発生させる。
【００３４】
中央部２３１および固定部２３２は、このような力に対し剛性が高くなる構造を有しており、一方、平板部２３３は、一定範囲の大きさの力に応答して弾性的に曲げ歪みを生じさせると共に、想定される最大トルクに対して平板部２３３に生じる最大応力が降伏応力を越えないような厚みを有している。そして、平板部２３３の適切な箇所に歪みセンサ２４０ａ，２４０ｂが貼り付けられ、平板部２３３に生じる弾性的な曲げ歪みが測定される。
【００３５】
上述したトルクセンサ機構を用いることによって、回転アクチュエータの減速機に起因して出力軸に印加される微小な負荷トルクを精度よく検出することができ、本発明のゼロトルクフィードバック制御が実効性の高いものとなる。
【００３６】
以上、説明したように、本発明のロボット関節駆動制御システム１００は、クラッチなどの機構的な追加構成を付加する必要がないため、既存の能動制御型ロボットに対して簡単に実装することができる。また、本発明のゼロトルクフィードバック制御方式によれば、能動期と受動期を電気的に切替えるため、タイミング遅延のリスクが排除される。その結果、各種ロボット・システムの準受動制御を好適に実現することができ、もって、システム全体の省エネルギー化を図ることができる。
【００３７】
以上、本発明のロボット関節駆動制御システムの構成およびその機能作用について説明してきたが、次に、本発明の適用態様について、二足歩行ロボットを例に挙げて説明する。図４は、本発明の実施形態である二足歩行ロボット１０のモデル図を示す。二足歩行ロボット１０は、股関節２０と、股関節２０に接続された左足Ｌおよび右足Ｒとを備えており、左足Ｌは、リンク３２、リンク３４、ならびに、両リンクを接続する膝関節３０とから構成され、右足Ｒは、リンク４２、リンク４４、ならびに、両リンクを接続する膝関節４０とから構成されている。なお、各関節（股関節２０、膝関節３０,４０）は、全て一軸性の関節として構成されており、二足歩行ロボット１０は、３つの関節を含む４リンク構造として構成されている。
【００３８】
また、股関節２０には、リンク３２およびリンク４２を駆動するための回転アクチュエータ２２と、当該関節の回転角ならびに角速度を測定するためのエンコーダ２４が設けられており、同様に、膝関節３０,４０には、それぞれ、リンク３４を駆動するための回転アクチュエータ３６およびリンク４４を駆動するための回転アクチュエータ４６が設けられ、さらに、膝関節３０,４０の回転角ならびに角速度を測定するためのエンコーダ３８,４８がそれぞれ設けられている。さらに、本実施形態の二足歩行ロボット１０においては、各関節（股関節２０、膝関節３０,４０）に対して、トルクセンサ２６,３９,４９がそれぞれ設けられている。なお、リンク３４およびリンク４４の先端（足先）には、図示しない接地センサが設けられており、当該接地センサからの信号に基づいて各リンクの接地を検知するように構成されている。
【００３９】
ここで、本実施形態の二足歩行ロボット１０においては、図示しない制御装置によって、上述した各回転アクチュエータに対して、（１）自励駆動制御、（２）ブレーキ制御、（３）追従制御、（４）自由関節化制御、の４種類の制御方式が選択的に適用されるように構成されている。以下、上記各制御方式について説明する。
【００４０】
（１）自励駆動制御
股関節２０の回転アクチュエータ２２に適用される制御であって、自励駆動制御時において、回転アクチュエータ２２は、リンク３２（すなわち、左足）またはリンク４２（すなわち、右足）を前に振り出すように駆動する。
（２）ブレーキ制御
股関節２０の回転アクチュエータ２２に適用される制御であって、股関節２０の回転運動を停止するように制御する。
（３）追従制御
膝関節３０,４０の回転アクチュエータ３６,４６に適用される制御であって、リンク３２とリンク３４がなす角度、または、リンク４２とリンク４４がなす角度が所定の目標値に維持されるように制御する。
（４）自由関節化制御
全ての関節（股関節２０、膝関節３０,４０）の回転アクチュエータ２２,３６,４６に適用される制御であって、各関節に本発明のゼロトルクフィードバック制御を適用するものである。
【００４１】
また、本実施形態の二足歩行ロボット１０においては、図示しない制御装置が以下に列挙する４つの情報を適宜参照することによって、上述した（１）〜（４）の制御を切り替える。
（股関節相対角度θw）＝リンク３２（左足）とリンク４２（右足）に挟まれた角の角度
（支持脚膝関節相対角度θst)＝支持脚（図４における左足）を構成するリンク３２の延長線とリンク３４に挟まれた角の角度
（遊脚膝関節相対角度θsw)＝遊脚（図４における右足）を構成するリンク４２の延長線とリンク４４に挟まれた角の角度
（遊脚膝関節の角速度）＝リンク４２とリンク４４の間の相対速度
【００４２】
上述した条件を前提として、二足歩行ロボット１０が実行する処理を図５に示すフローチャートに基づいて具体的に説明する。なお、以下の説明においては、二足歩行ロボット１０の姿勢の遷移を時系列的に示した図６を適宜参照するものとする。
【００４３】
二足歩行ロボット１０の両足が接地している状態から処理が開始されると、ステップ２０１において、初期化処理が行なわれた後、左右の足（リンク）について、いずれか一方を遊脚とし、他方を支持脚として設定し、ステップ２０２に進む。
【００４４】
ステップ２０２においては、支持脚膝関節相対角度パラメータ[θst]に目標角度[θst1]をセットし、支持脚膝関節を追従制御する。これは、支持脚の膝を折り曲げるための制御であり、目標角度[θst1]はゼロよりも大きい適切な値とする。この制御により、二足歩行ロボット１０の重心が、歩行に先立って前方に移動するため、歩行速度の増大および歩行エネルギーの軽減が図られる。同時に、ステップ２０２においては、遊脚膝関節を自由関節化制御とするとともに、股関節を自励駆動制御として遊脚を前に振り出し、ステップ２０３に進む。
【００４５】
ステップ２０３においては、股関節相対角度θｗがゼロより小さいか否か（すなわち、遊脚が支持脚より前に出たか否か）が監視され、股関節相対角度θｗがゼロより小さくなった場合には(Ｓ２０３,Ｙｅｓ)、ステップ２０４に進み、支持脚膝関節相対角度パラメータ[θst]に目標角度[θst2]をセットした上で、引き続き支持脚膝関節を追従制御する。ここで、目標角度[θst2]は、先の目標角度[θst1]はよりも小さい値とすることによって、二足歩行ロボット１０の重心をより前方へ移動させることができ、スムーズな歩行が実現される。
【００４６】
次にステップ２０５に進み、遊脚膝関節相対角度θsw が閾値θbrを超えたか否かが監視され、閾値θbrを超えた場合には(Ｓ２０５,Ｙｅｓ)、ステップ２０６に進む。ステップ２０６は、股関節にブレーキをかけて遊脚の振り出し駆動を止める制御であり、このように、適切なタイミングで遊脚の運動にブレーキをかけることによって、より少ないオーバーシュートで二足歩行ロボット１０を次の段階に移行させることでき、スムーズな歩行が実現される。同時に、ステップ２０６においては、股関節を自由関節化制御に移行させ、股関節の機械抵抗が各足の運動を妨げないようにして、ステップ２０７に進む。
【００４７】
ステップ２０７においては、遊脚が停止したか否か（すなわち、遊脚膝関節の角速度がゼロより大きいか否か）を監視する。遊脚が停止した場合（Ｓ２０７,Ｙｅｓ)、遊脚を次の歩行サイクルにおける支持脚とするための準備を行なうためのステップ２０８に進む。ステップ２０８においては、遊脚膝関節相対角度パラメータ[θsｗ]に[θst2]をセットし、遊脚膝関節を自由関節化制御から追従制御に切り替えて、ステップ２０９に進む。
【００４８】
ステップ２０９においては、遊脚が接地したか否かが監視され、遊脚が接地した場合(Ｓ２０９,Ｙｅｓ)、ステップ２１０に進み、先のステップ２０２で支持脚として規定した足（リンク）および遊脚として規定した足（リンク）を、それぞれ、遊脚および支持脚に規定し直し、さらに、パラメータ[θst],[θsｗ]を初期値にリセットした後、ステップ２０２に戻り、以降のステップを繰り返す。
【００４９】
以上、説明したように、本発明のロボット関節駆動制御システムを採用した二足歩行ロボット１０は、受動期において自由関節化制御のためのごくわずかな電力を消費するだけで、自身にかかる重力および慣性力を最大限利用して、効率の良い歩行運動を実現することができる。
【実施例】
【００５０】
以下、本発明のロボット関節駆動制御システムについて、実施例を用いてより具体的に説明を行なうが、本発明は、後述する実施例に限定されるものではない。
【００５１】
本発明を適用した二足歩行ロボットを作製した。図７は、本実施例の二足歩行ロボット３００の全体を撮影した写真を示す。以下、図８および図９を参照して、本実施例の二足歩行ロボット３００について概説する。
【００５２】
図８は、二足歩行ロボット３００の駆動部を拡大して示す図である。二足歩行ロボット３００は、右足を構成するリンク３０１Ｒおよびリンク３０２Ｒと、左足を構成するリンク３０１Ｌおよびリンク３０２Ｌと、左足を構成するリンク３０１Ｌに一体的に構成された腰部３０３とを含む４リンク構造として構成した。また、各リンク間を一軸性の関節で連結し、両足の各膝関節ならびに股関節部分（リンク３０１Ｒとリンク３０３の間）に回転アクチュエータを設けた。
【００５３】
なお、本実施例においては、膝関節の回転アクチュエータを、モータ３０４、減速機３０５、プーリ３０６，３０７、およびベルト３０８から構成し、股関節の回転アクチュエータを、モータ３０９、および減速機３１０から構成した。さらに、本実施例においては、各回転アクチュエータの出力軸と入力軸との間に、トルクセンサとして、図３を参照して説明した、歪みゲージを貼付した十字板バネ３１１を介在させて連結した。さらに、各関節軸にはエンコーダ３１２を設け、各関節の相対角度ならびに角速度を測定するように構成した。さらに、リンク３０２Ｌ，３０２Ｒの先端（足先）には、図示しない接地センサを設けた。
【００５４】
図９は、二足歩行ロボット３００の制御回路図を示す。二足歩行ロボット３００においては、電源３２０から各エンコーダ３１２に電力を供給し、各関節に設けた各エンコーダ３１２の出力信号をＡ／Ｄコンバータを介してコンピュータ３２２に入力するように構成した。また、各関節に設けたトルクセンサの歪みゲージ３２４からの出力信号は、増幅器３２５で増幅した後、Ａ／Ｄコンバータを介してコンピュータ３２２に入力するように構成した。
【００５５】
また、コンピュータ３２２は、各エンコーダ３１２ならびに各歪みゲージ３２４からの入力信号に基づいて、必要な演算等を実行し、モータ３０４Ｌ,３０４Ｒ,３０９に印加する電圧指令値を導出し、導出された電圧指令値をＤ／Ａコンバータを介してモータドライバ３２６に入力するように構成し、モータドライバ３２６は、電源３２０から各モータ３０４Ｌ,３０４Ｒ,３０９へ指定された電圧を印加するように構成した。上述した二足歩行ロボット３００に対し、図６を参照して説明したフローチャートに基づく処理を実行させた。なお、本実施例においては、エネルギー効率の評価のため、コンピュータ３２２に各関節の角速度の経時的変化を取得させた。
【００５６】
以上、二足歩行ロボット３００の概要について説明してきたが、次に、二足歩行ロボット３００による歩行実験およびそのエネルギー効率評価について、以下説明する。
【００５７】
（予備実験）
歩行実験に先立ち、本発明のゼロトルクフィードバック制御の効果を検証する予備実験を以下の手順で行なった。まず、足を構成する入力側リンクを固定したうえで、出力側のリンクを鉛直方向と６０°の角度をなす高さまで持ち上げて静止させ、その後、静かに手を離した（角速度０）。図１０は、出力側リンクと鉛直方向のなす角度[rad]と、膝関節軸（出力軸）にかかった負荷トルクτの経時的変化を示す。なお、図１０（ａ）は、単に、膝関節の駆動モータ３０４への電力供給を止めただけの場合の結果を示し、図１０（ｂ）は、駆動モータ３０４についてゼロトルクフィードバック制御を行なった場合の結果を示す。
【００５８】
ゼロトルクフィードバック制御を行なわない場合、図１０（ａ）に示されるように、出力側リンクは、アクチュエータの機械抵抗のために鉛直方向を少しまわったところですぐに止まった。一方、ゼロトルクフィードバック制御を行なった場合は、図１０（ｂ）に示されるように、出力側リンクは、持続的な周期運動（１０回）を見せ、自由関節のように振る舞うことが確認された。
【００５９】
（歩行実験とエネルギー効率評価）
図５のフローチャートに基づいて各関節の駆動制御を行なったところ、二足歩行ロボット３００は、スムーズな歩行に成功した。図１１は、歩行運動をする二足歩行ロボット３００の側面写真を時系列的に示す。さらに、二足歩行ロボット３００のエネルギー効率についてSpecific cost、Ｃｍｔ（Cost of mechanical transport：単位時間当りのアクチュエータの機械的な作業エネルギー）やＣｅｔ（Cost of energy transport：単位時間・単位質量・単位移動距離当りの消費エネルギー)という評価関数を用いて評価したところ、Ｃｍｔは、0.88、Ｃｅｔは、1.47であった。この値は、図１２に示すように、能動制御（ＺＭＰ制御）を採用する（株）ホンダの「ＡＳＩＭＯ」のスペックに比較して半分以下であり、本発明のロボット関節駆動制御システムのエネルギー効率が非常に高いことが示された。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
以上、説明したように、本発明によれば、ロボットの準受動制御において、能動期と受動期の切り替えを遅延なく確実に実現することのできるロボット関節駆動制御システムが提供される。なお、今後は、上述した二足歩行ロボットに限らず、軸関節を備えるその他の駆動リンク機構についても準受動制御による省エネルギー化が検討されることであろう。それに伴い、本発明のロボット関節駆動制御システムが各種産業用ロボットや多関節マニュピレータや多足移動ロボットなどの幅広い分野に応用展開されることを期待したい。
【符号の説明】
【００６１】
１００…ロボット関節駆動制御システム、１０２…リンク、１０４…回転アクチュエータ、１０６…軸関節、１０８…モータ、１１０…減速機、１１２…モータドライバ、１１４…トルクセンサ、１１６…フィードバック制御装置、２００…トルクセンサ機構、２０２…リンク、２０４…回転アクチュエータ、２０６…出力側リンク、２０８…出力軸、２１０…歪み発生部材、２１２…出力軸固定部材、２１４…駆動軸固定部材、２３０…十字板バネ、２３１…中央部、２３２…固定部、２３３…平板部、２４０…歪みセンサ、１０…二足歩行ロボット、２０…股関節、３０…膝関節、３２,３４…リンク、４０…膝関節、４２,４４…リンク、２２,３６,４６…回転アクチュエータ、２４,３８,４８…エンコーダ、２６,３９,４９…トルクセンサ、３００…二足歩行ロボット、３０１，３０２…リンク、３０３…腰部、３０４，３０９…モータ、３０６，３０７…プーリ、３０８…ベルト、３０５,３１０…減速機、３１１…十字板バネ、３１２…エンコーダ、３２０…電源、３２２…コンピュータ、３２４…歪みゲージ、３２５…増幅器、３２６…モータドライバ、５００…ロボット、５０２…リンク、５０４…回転アクチュエータ、５０６…軸関節、５０８…モータ、５１０…減速機、５１２…モータドライバ、６００…ロボット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボット関節の出力軸を駆動制御するシステムであって、
前記出力軸にかかるトルクを測定するためのセンサと、
前記出力軸に接続された回転アクチュエータの駆動モータを制御するフィードバック制御手段とを含み、
前記フィードバック制御手段は、前記センサの測定トルクを入力とし、所定のトルク低減目標値に基づいて前記駆動モータの回転トルクを出力し、該出力結果に基づいて前記駆動モータの回転を制御する、
ロボット関節駆動制御システム。
【請求項２】
前記フィードバック制御手段は、前記トルク低減目標値をゼロとして設定したＰＩ制御を実行する、請求項１に記載のロボット関節駆動制御システム。
【請求項３】
ロボット関節の出力軸を駆動制御する方法であって、
前記出力軸にかかるトルクを測定するステップと、
所定のトルク低減目標値を設定し、測定した前記トルクを入力値とし、前記出力軸に接続される回転アクチュエータの駆動モータの回転トルクを出力値とする所定のフィードバック制御式に基づいて演算を実行するステップと、
前記出力値に基づいて前記駆動モータの回転を制御するステップと
を含む、ロボット関節の駆動制御方法。
【請求項４】
前記フィードバック制御式は、前記トルク低減目標値をゼロとして設定したＰＩ制御式である、請求項３に記載のロボット関節の駆動制御方法。
【請求項５】
２本の足リンク機構を含む二足歩行ロボットであって、
前記足リンク機構の各関節に設けられた回転アクチュエータを駆動して該足リンク機構を能動的に動かす能動期と、前記足リンク機構自体に作用する重力および慣性力を利用して該足リンク機構を受動的に動かす受動期とを所定のタイミングで切り替える能動／受動切替制御手段と、
前記関節の出力軸にかかるトルクを測定するためのセンサと、
前記出力軸に接続された前記回転アクチュエータの駆動モータを制御するフィードバック制御手段とを
含み、
前記フィードバック制御手段は、前記受動期において、前記センサの測定トルクを入力とし、所定のトルク低減目標値に基づいて前記駆動モータの回転トルクを出力し、該出力結果に基づいて前記駆動モータの回転を制御する、
二足歩行ロボット。
【請求項６】
前記フィードバック制御は、前記トルク低減目標値をゼロとして設定したＰＩ制御である、請求項５に記載の二足歩行ロボット。
【請求項１】
ロボット関節の出力軸を駆動制御するシステムであって、
前記出力軸にかかるトルクを測定するためのセンサと、
前記出力軸に接続された回転アクチュエータの駆動モータを制御するフィードバック制御手段とを含み、
前記フィードバック制御手段は、前記センサの測定トルクを入力とし、所定のトルク低減目標値に基づいて前記駆動モータの回転トルクを出力し、該出力結果に基づいて前記駆動モータの回転を制御する、
ロボット関節駆動制御システム。
【請求項２】
前記フィードバック制御手段は、前記トルク低減目標値をゼロとして設定したＰＩ制御を実行する、請求項１に記載のロボット関節駆動制御システム。
【請求項３】
ロボット関節の出力軸を駆動制御する方法であって、
前記出力軸にかかるトルクを測定するステップと、
所定のトルク低減目標値を設定し、測定した前記トルクを入力値とし、前記出力軸に接続される回転アクチュエータの駆動モータの回転トルクを出力値とする所定のフィードバック制御式に基づいて演算を実行するステップと、
前記出力値に基づいて前記駆動モータの回転を制御するステップと
を含む、ロボット関節の駆動制御方法。
【請求項４】
前記フィードバック制御式は、前記トルク低減目標値をゼロとして設定したＰＩ制御式である、請求項３に記載のロボット関節の駆動制御方法。
【請求項５】
２本の足リンク機構を含む二足歩行ロボットであって、
前記足リンク機構の各関節に設けられた回転アクチュエータを駆動して該足リンク機構を能動的に動かす能動期と、前記足リンク機構自体に作用する重力および慣性力を利用して該足リンク機構を受動的に動かす受動期とを所定のタイミングで切り替える能動／受動切替制御手段と、
前記関節の出力軸にかかるトルクを測定するためのセンサと、
前記出力軸に接続された前記回転アクチュエータの駆動モータを制御するフィードバック制御手段とを
含み、
前記フィードバック制御手段は、前記受動期において、前記センサの測定トルクを入力とし、所定のトルク低減目標値に基づいて前記駆動モータの回転トルクを出力し、該出力結果に基づいて前記駆動モータの回転を制御する、
二足歩行ロボット。
【請求項６】
前記フィードバック制御は、前記トルク低減目標値をゼロとして設定したＰＩ制御である、請求項５に記載の二足歩行ロボット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１１−６２７６６（Ｐ２０１１−６２７６６Ａ）
【公開日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２１４４８１（Ｐ２００９−２１４４８１）
【出願日】平成２１年９月１６日（２００９．９．１６）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ・平成２１年４月１日、東京工業大学生活協同組合発行の、ＬＡＮＤＦＡＬＬ（ランドフォール）第６６巻にて発表、該当ページ ２６〜２７ページ ・平成２１年４月１０日、以下のホームページのアドレスに掲載 ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｉｔｅｃｈ−ｃｏｏｐ．ｏｒ．ｊｐ／ｌａｎｄｆａｌｌ／ ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｉｔｅｃｈ−ｃｏｏｐ．ｏｒ．ｊｐ／ｌａｎｄｆａｌｌ／ａｒｔｉｃｌｅｓ／ ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｉｔｅｃｈ−ｃｏｏｐ．ｏｒ．ｊｐ／ｌａｎｄｆａｌｌ／ｐｄｆ／６６／５ ｙａｍａｕｒａ．ｐｄｆ
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月１６日（２００９．９．１６）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ・平成２１年４月１日、東京工業大学生活協同組合発行の、ＬＡＮＤＦＡＬＬ（ランドフォール）第６６巻にて発表、該当ページ ２６〜２７ページ ・平成２１年４月１０日、以下のホームページのアドレスに掲載 ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｉｔｅｃｈ−ｃｏｏｐ．ｏｒ．ｊｐ／ｌａｎｄｆａｌｌ／ ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｉｔｅｃｈ−ｃｏｏｐ．ｏｒ．ｊｐ／ｌａｎｄｆａｌｌ／ａｒｔｉｃｌｅｓ／ ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｉｔｅｃｈ−ｃｏｏｐ．ｏｒ．ｊｐ／ｌａｎｄｆａｌｌ／ｐｄｆ／６６／５ ｙａｍａｕｒａ．ｐｄｆ
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
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