(57)【要約】【課題】  ロボットシステムが負の動力を用いるときにはエネルギーを蓄え、ロボットシステムが正の動力を用いるときには蓄えたエネルギーを開放するような、ロボットシステム用のモーション制御システム１００を提供する。【解決手段】  このモーション制御システム１００は、ロボットシステムが所定のモーションを追従するような動力を計算し、ロボットシステムの検出したパラメータに応じてロボットシステムに所定の制御信号を送信する。【選択図】図１
2008545545.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モーション制御システムを制御する方法であって、
前記モーション制御システムに付与して所定のモーションを生成するような動力を算出し、
前記算出した動力が第１の所定レベルを上回る場合には、前記モーション制御システムにエネルギーを供給するような第１の制御信号を生成し、
前記算出した動力が第２の所定レベルを下回る場合には、前記モーション制御システムからエネルギーを引き出すような第２の制御信号を生成し、
前記モーション制御システムから引き出したエネルギーを蓄えるような第３の制御信号を生成する
ことを含むことを特徴とする制御方法。
【請求項２】
前記モーション制御システムは、ロボットの関節であることを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
【請求項３】
前記算出した動力が前記第１の所定レベルを上回る場合には、前記モーション制御システムに前記蓄えたエネルギーを供給するような第４の制御信号を生成し、
前記第１の制御信号を生成するステップは、
第１の制御信号を、前記蓄えたものを供給したエネルギーと同じに調節されたエネルギーを供給するように生成する
ことを含むことを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
【請求項４】
前記制御方法は、前記モーション制御システムの角速度を測定することをさらに含み、
前記モーション制御システムに供給する動力を算出するステップは、
前記測定した角速度に応じて前記モーション制御システムに付与するトルクを決定し、この算出したトルクに基づいて前記モーション制御システムに供給する動力を算出することを含む
ことを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
【請求項５】
前記トルクを決定するステップは、前記測定した角速度に応じて前記モーション制御システムに付与するトルクを算出することを含むことを特徴とする請求項４に記載の制御方法。
【請求項６】
前記トルクを決定するステップは、前記測定した角速度に応じて前記モーション制御システムに付与するトルクを測定することを含むことを特徴とする請求項４に記載の制御方法。
【請求項７】
前記制御方法は、前記モーション制御システムのモーションを検出することをさらに含み、
前記モーション制御システムに供給する動力を算出するステップは、前記検出したモーションと所定のモーションとに基づいて前記モーション制御システムに供給する動力を算出することをさらに含む
ことを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
【請求項８】
前記モーション制御システムは、前記モーション制御システムから引き出したエネルギーを蓄えるアクチュエータを備えることを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
【請求項９】
前記アクチュエータは回生モードを備えることを特徴とする請求項８に記載の制御方法。
【請求項１０】
前記モーション制御システムは、第１のアクチュエータと第２のアクチュエータを含むアクチュエータシステムを備え、
前記第１のアクチュエータと前記第２のアクチュエータは、前記モーション制御システムを第１の方向と第２の方向にそれぞれ移動させ、
前記第１のアクチュエータは、第１の方向で正の動力を用い、第２の方向でエネルギーを蓄え、または開放し、
前記第２のアクチュエータは、第２の方向で正の動力を用い、第１の方向でエネルギーを蓄え、または開放する
ことを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
【請求項１１】
第１の制御信号と、第２の制御信号と、第３の制御信号に応答して構造物のモーションを制御するためのモーション制御システムと、コントローラとを備えたシステムであって、
前記コントローラは、
前記モーション制御システムに付与して所定のモーションを生成するような動力を算出し、
前記第１の制御信号を、前記算出した動力が第１の所定レベルを上回る場合には前記モーション制御システムにエネルギーを供給するように生成し、
前記第２の制御信号を、前記算出した動力が第２の所定レベルを下回る場合には前記モーション制御システムからエネルギーを引き出すように生成し、
前記第３の制御信号を、前記モーション制御システムから引き出したエネルギーを蓄えるように生成する
ことを特徴とするシステム。
【請求項１２】
前記モーション制御システムは、ロボット関節を備えることを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記コントローラは、
前記算出した動力が前記第１の所定レベルを上回る場合には、前記モーション制御システムに蓄えたエネルギーを供給するような第４の制御信号を生成し、
前記第１の制御信号を、前記蓄えたものを供給したエネルギーと同じに調節されたエネルギーを供給するように生成する
ことを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記モーション制御システムは、前記構造物の角速度を測定し、
前記コントローラは、前記測定した角速度に応じて前記モーション制御システムに付与するトルクを決定し、前記算出したトルクに基づいて前記モーション制御システムに付与する動力を算出することで、前記モーション制御システムに付与する動力を算出する
ことを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記モーション制御システムは、前記構造物のモーションをさらに検出し、
前記コントローラは、前記検出したモーションと所定のモーションとに基づいて、前記モーション制御システムに付与する動力を算出する
ことを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記モーション制御システムは、前記モーション制御システムから引き出したエネルギーを蓄えるアクチュエータを備えることを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記アクチュエータは、回生モードを備えることを特徴とする請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記モーション制御システムは、第１のアクチュエータと第２のアクチュエータとを含むアクチュエータを備え、
前記第１のアクチュエータと前記第２のアクチュエータは、前記モーション制御システムを第１の方向と第２の方向にそれぞれ移動させ、
前記第１のアクチュエータは、第１の方向で正の動力を用い、第２の方向でエネルギーを蓄え、または開放し、
前記第２のアクチュエータは、第２の方向で正の動力を用い、第１の方向でエネルギーを蓄え、または開放する
ことを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【請求項１９】
前記モーション制御システムは、移動部材と、この移動部材を第１の方向と第２の方向に移動させるアクチュエータシステムとを備え、
前記アクチュエータシステムは第１のアクチュエータと第２のアクチュエータを含み、
前記第１のアクチュエータと第２のアクチュエータは、
前記移動部材が前記第１の方向と前記第２の方向にそれぞれ移動するのに対応して生じる前記移動部材の圧縮に応じて正の力を提供し、
記移動部材が前記第１の方向と前記第２の方向にそれぞれ移動するのに対応して生じる前記移動部材の伸張に応じて負の力を提供する
ことを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【請求項２０】
前記モーション制御システムは、
基部と、この基部に軸を中心に回転可能に連結された移動部材とを備え、さらに、
前記軸を中心とする第１の方向と第２の方向に前記移動部材を回転させるアクチュエータシステムを備え、
このアクチュエータシステムは第１のアクチュエータと第２のアクチュエータを含み、
前記第１のアクチュエータと前記第２のアクチュエータの各々は、前記基部に連結される第１の端部と、前記移動部材に連結される第２の端部とを備え、
前記第１のアクチュエータの前記第２の端部と前記第２のアクチュエータの前記第２の端部は、それぞれ対向するように前記移動部材に連結される
ことを特徴とする請求項１１に記載のシステム。
【請求項２１】
前記第１のアクチュエータと前記第２のアクチュエータは、
前記移動部材が前記第１の方向と前記第２の方向にそれぞれ移動するのに対応して生じる圧縮に応じて正の力を提供し、
記移動部材が前記第１の方向と前記第２の方向にそれぞれ移動するのに対応して生じる伸張に応じて負の力を提供する
ことを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、米国特許仮出願第６０／６８９５０２（出願日：２００５年６月１０日）および米国実用新案出願第（未定）号（出願日：２００６年６月８日）、発明の名称「Regenerative Actuation in Motion Control」の利益を請求するものであり、これら出願に記載されるすべての内容をここに引用するものとする。
【０００２】
本願は、
米国特許出願第１１／４０２４８７号（出願日：２００６年４月１１日）、
米国特許出願第１１／３９５６５４号（出願日：２００６年３月３０日）、
米国特許出願第１１／０３８９７８号（出願日：２００５年１月１９日）、
米国特許出願第１１／０３８６９２号（出願日：２００５年１月１９日）、
米国特許出願第１１／０３８６９１号（出願日：２００５年１月１９日）、
米国特許出願第１０／１５１６４７号（出願日：２００２年５月１６日）、
米国特許仮出願第６０／３０１８９１号（出願日：２００１年６月２９日）、
米国特許仮出願第６０／３５３３７８号（出願日：２００２年１月３１日）および
米国特許仮出願第６０／６７０７３２号（出願日：２００５年４月１２日）
に関するものであり、これらの文献に記載されるすべての内容をここに引用するものとする。
【０００３】
本発明は、モーション制御に関し、特に、回生駆動を用いたモーション制御に関する。
【背景技術】
【０００４】
人間型ロボットや外骨格などのロボットシステムあるいはバイオロボットシステムの運動では、身体部の各セグメントにおいてエネルギーの発生と吸収を周期的に行うことが必須となる。エネルギーの発生は正の仕事（positive work）に相当し、主に、駆動、外力かつまたはシステム自体のダイナミクスによってもたらされる。一方、エネルギーの吸収は負の仕事（negative work）に相当し、拮抗する駆動、外力あるいはシステムの受動構造を介してエネルギーを放散（dissipate）させる。人間の場合は、エネルギー吸収の段階は、代表的には、上下肢の減速に関連する場合には、拮抗する筋駆動と筋肉の受動要素および関節の他の支持構造を組み合わせることで達成される。人間型ロボットなどのロボットシステムでは、エネルギー吸収をモータのクラッチを介して行ったり、システムの受動的構造や反駆動によって行う場合がある。反駆動では、モータを使ってセグメントの各速度に拮抗するようなトルクを発生させる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、セグメントの角速度に対抗するトルクを発生させることは、電力消費の面から見て、非常に効率が悪い。
【０００６】
そこで、ロボットシステムあるいはバイオロボットシステムに関して、より効率的な電力消費を提供するシステムと方法が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
モーション制御システムを制御する方法は、所定のモーションあるいは所定でないモーションを実行するための動力を算出し、算出した動力が第１の所定レベルを上回る場合には、モーション制御システムにエネルギーを付与するような第１の制御信号を生成し、算出した動力が第２の所定レベルを下回る場合には、モーション制御システムからエネルギーを減じるような第２の制御信号を生成し、モーション制御システムから引き出したエネルギーを蓄えるような第３の制御信号を生成する。なお、このモーション制御システムは、ロボット関節であってもよい。
【０００８】
本明細書中に記載される特徴と特長は、すべてが包括的であるわけではなく、特に、当業者であれば、図面、明細書および請求項から多くの特徴や特長を追加できることは明らかである。さらに、明細書中で用いられる表現は、読みやすさや例示のしやすさを目的に選択されたものであって、特定の主題について記載したものではなく、また、それのみに限定するものではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に、図面を参照しつつ、本発明の好ましい実施形態について記載するが、同一の構成要素あるいは機能的に類似する構成要素については同じ符号を用いる。同じく、各図面の上位桁の符号は、最初に符合を用いた図面のものに対応する。
【００１０】
「一実施形態」あるいは「実施形態」とは、実施形態において記載される特定の特徴、構成あるいは特性が、本発明の実施形態の少なくとも１つに含まれることを意味する。随所に記載される「一実施形態では」という表現は、必ずしも同じ実施形態を指すものではない。
【００１１】
このシステムおよび方法は、ロボットシステムが負の動力（negative power）を用いるときにエネルギーを蓄え、ロボットシステムが正の動力（positive power）を用いるときに蓄えたエネルギーを開放するような、ロボットシステムに関するモーション制御システムを提供する。このモーション制御システムは、ロボットシステムに所定のモーションを追従させるための動力（power）を算出し、ロボットシステムから検出したパラメータに応じた所定の制御信号をロボットシステムに提供するものである。
【００１２】
人間の運動を行うロボットシステムは、足首でエネルギーを吸収したり蓄えたりして、かかとで地面を蹴ったときに減速する。歩容が連続すると、システムは蓄えたエネルギーを開放する。
【００１３】
１．システム
図１は、本発明の一実施形態に関わるロボット／バイオロボットシステムを制御するためのモーション制御システム１００を示すブロック図である。モーション制御システム１００は、コントローラ１０２、ロボット１０４および加算器１０６を備える。ロボット１０４は、例えば、人型ロボットあるいは装着型の人骨格システムであってもよい。ロボット１０４は、コントローラ１０２からの制御信号に応じてロボットのモーションを制御するアクチュエータを備える。コントローラ１０２は、所望のモーションに基づくともに、ロボット１０４から送られる位置や角速度などのフィードバックにも基づいた制御信号を生成する。コントローラ１０２は、いずれの種類のプロセッサであってもよい。
【００１４】
一実施形態では、ロボット１０４は、短下肢装具などの、アクチュエータにより制御される整形器具である。コントローラ１０２を制御するプロセスでの最初のステップでは、ロボット１０４の所望の軌道を生成するステップであってもよい。本発明の一実施形態によれば、ロボット１０４の所望のモーションを記述する多次元空間上の軌道を算出するために、いくつかの方法を提供する。関節空間上で記述される軌道は、ベクトル q で指定することができ、各自由度のモーションと、その速度や加速度を決定するものである。また、関節変数に関するデカルト変数のセットを用いて、軌道を仕事空間上に記述することもできる。例えば、用途に応じて、システムの所望のモーションをオフラインの状態で設計したり、軌道を生成する各種方法を用いてオンラインの状態で生成することもできる。別の実施形態では、ユーザが、ロボットの所望の目標地点や方向性を指定し、コントローラ１０２が、目標に到達するまでの詳細な経路形状や、到達するまでにかかる時間、速度プロファイル、あるいはこの他の詳細な条件を決定する。
【００１５】
コントローラは、所望のモーションを達成できるように各種に設計してもよい。例えば、逆動力学に基づく軌道追従コントローラを用いて、ロボットが受信すると所望のモーションを再現するような制御コマンドを生成することができる。例えば、コントローラ１０２は、前記引用の関連の特許文献に記載されるものの１つであってもよい。
【００１６】
制御対象は必ずしも軌道追跡である必要はない。安定性、バランス、エネルギーの最小化など、この他の性能基準を用いてコントローラ１０２の設計を行ってもよい。一般に、コントローラ１０２の機能としては、指定された性能基準を満たすようなモーションを生成する制御動作などがある。制御動作は、ロボット１０４のアクチュエータに入力できるように、位置コマンドや電流、電圧などの量に変換される。
【００１７】
全体として、あらゆる筋骨格系（あるいは負荷）の制御モーションは、エネルギーの発生とエネルギーの吸収の繰り返しが必須である。エネルギーは、筋骨格系が正の仕事をするために発生させ、負の仕事の場合には吸収する。エネルギーは、異なる方法でシステムに取り入れることができる。例えば、外から動力を付与されたアクチュエータあるいは外力によって、システムにエネルギーを伝えてもよい。また、システムの本来の動力学の結果としてエネルギーを付与してもよい。例えば、重力は位置エネルギーを運動エネルギーに変換することで、エネルギーを発生させることができる。エネルギー発生の場合と同様に、様々な方法を用いてエネルギーを吸収することができる。モーション制御において、エネルギーを吸収する（あるいは放散する）代表的な方法には、外から動力を付与する拮抗駆動（逆駆動）によるものがある。エネルギーは、外力によって放散することができる。一実施形態では、エネルギーをバネやダンパーなどの受動的構造によって吸収する。
【００１８】
エネルギー発生あるいはエネルギー吸収が周期的に繰り返される間は、筋骨格系のアクチュエータは、大抵の場合、動力の向きに関係なく動力の供給を利用する。原則的に言って、例えば、吸収したエネルギーを精密に制御し、受動的に放散することができる場合には、エネルギー吸収の段階においては、アクチュエータに動力を供給する必要はない。さらに、放散されたエネルギーは、位置エネルギーとして蓄えられて、後ほど、回生機構によって再生される。システムの動作中に、エネルギーの発生段階と吸収段階とを識別する能力を、吸収したエネルギーを受動的に制御して回生する方法に組み入れることで、モーション制御システムで要求される動力を大幅に低減することが可能となる。
【００１９】
ここで、ハイブリッド電気車両でのエネルギー回生は、負荷が減少したときにエネルギーを再生する一例であるが、現在の技術水準では、ここで取り上げるようなモーション制御の課題を含までない。とりわけ、車両を減速させる制御動作は、所定のモーション・プロファイルを追従する方法に基づくものではない。むしろ、コントローラの重要部は、車両の減速に必要なフィードバックを行う人間参加型（human in-the-loop）になっている。さらに、ハイブリッド電気車両のコントローラの帯域幅は、モーション制御の応用分野で広く用いられているものとは大きく異なる。本発明のシステム１００は、工業ロボット、人型ロボット、装着型の人外骨格などのマルチリンク剛体の機械システムや信号制御に関するものである。しかし、回生駆動の原理やシステム１００の制御原理は、あらゆる筋骨格系に適用される。
【００２０】
なお、モーション制御システムに関するエネルギー論については、動力の解析を通じて説明する。体系的な手順を用いて、所定のモーションを追従するように制御されるシステム１００のエネルギー吸収段階とエネルギー発生段階を特定する。このような基準に基づいて、ハイブリッド・アクチュエータ・システムを、モーション制御システムのロボット１０４に取り込むように設計することで、駆動機構が、動力の方向に応じて、能動制御や受動制御を行えるようにしてもよい。その一事例として、図６に関連して後述するように、バネ型駆動を用いて単一リンクの倒立振子に対して回生制御を行なうアクチュエータ／制御機構がある。バネ型駆動を利用する発想には、バネは形状と寸法が多種多様であり、大量に利用できる長所がある。バネ特性を利用した構成のアクチュエータは、自体の弾性力により、エネルギーを放散することができる。さらに、エネルギーを蓄える用途において、アクチュエータの一部にバネを用いることもできる。弾性アクチュエータの実用化の第１号は、「MIT Series Elastic Actuator」である。例えば、G. A. PrattおよびW. M. Williamson著の「Series elastic actuators」（IEEE Int 7 Conf. on Intelligent Robots and Systems、Ｐ３３９−４０６、１９９５年）を参照のこと。なお、この文献に記載されるすべての内容をここに引用するものとする。しかし、「Series Elastic Actuator」では、バネ剛性に変更を加えることはできなかった。剛性が調節可能なバネ型アクチュエータならば、周波数の範囲にわたって共振挙動を有することができる。アクチュエータが力やトルクを受動的に制御できるようにするために、可変コンプライアンス・アクチュエータが用いられている。このようなアクチュエータは、J. W. Hurst、 J. E. ChestnutおよびA. A. Rizzi著の「An actuator with physically variable stiffness for highly dynamic legged locomotion」（IEEEInt'l Conf. on Robotics and Automation, Ｐ４６６２−４６６７、ニューオーリンズ、ＬＡ、２００４年）に記載される。なお、この文献のすべての記載内容をここに引用するものとする。
【００２１】
２．人間の動きに関するエネルギー学的考察
機械的なエネルギーは、コントローラ１０２に相当する、効率を数量化したり記述するのに優れた手段となる。各関節において瞬間的な動力を計算することで、エネルギーが吸収されているのか、発生しているのかが判明する。所定の関節で計算された動力が正であれば、アクチュエータは正の仕事を行い、エネルギーをセグメントに伝える。関節の動力が負の場合には、システムによりエネルギーが吸収される。コントローラ１０２は、セグメントへの動力の伝達と、システムのエネルギー吸収を制御する。
【００２２】
正の動力と負の動力の流れを示すために、人間の歩容時のモーションをエネルギー論的に考える。人間のモーション解析は、床反力やモーション・キャプチャなどの運動学的な測定や身体セグメントのパラメータは容易に利用可能であり、関節のトルクや関節の動力を判定するために必要な入力を得るためには、欠かすことのできない解析である。さらに、人間のモーション解析から、人型ロボット、装着型の人外骨格システムなどを含む用途で求められる帯域幅に関する洞察を得ることもできる。
【００２３】
図２は、身体の片側の下肢に力（force）とモーメントが作用したときの自由体を示す図である。図７は、単体に力とモーメントが作用したときの自由体を示す図である。図２の自由体は、図２に示すように複数の単体として解析してもよい。
【００２４】
明確を期すために、骨盤、上腿、下腿および足部との間に間隔を置いているが、これらの部位は関節C2、C3 、C4で連結されている。身体のセグメントは、骨盤（B1 ）から始まって、外向きに作用して足部（B4 ）から身体セグメントの重心を指す点 Bi までである。身体セグメントは重量 mi を有する。
2008545545.tif 000003
【００２５】
足首、膝、股間のそれぞれの関節の動力を判定するために、モーション・キャプチャ、床反力計のデータなどを含む標準的な容歩の測定値をGait CDから取得した。例えば、C. L. Vaughan、 B. DavisおよびJ. O'Connor著の「Dynamics of Human Gait」（Kiboho Publishers, 南アフリカ、ケープタウン、第２版、１９９９年）を参照のこと。なお、この文献に記載されるすべての内容をここに引用するものとする。Gait CDから取得した歩容データには、Helen Hayesマーカーセットに基づく１５の下肢マーカーデータ、下肢寸法やBody bassなどの身体測定値、および両足部下の床反力計データが含まれていた。前記のVaughanらによる統計的回帰方程式に基づいて、マーカーおよび身体測定データを用いて身体セグメントのパラメータと関節中心を算出した。二次的なButterworthローパスフィルタを用いて、マーカーデータを６ＨＺのカットオフ周波数によりフィルタリングした。床反力計データは５０ＨＺでフィルタリングした。マーカーデータのサンプリング周波数は６０ＨＺであった。各身体セグメントの一般化座標（あるいは構成）を決定するために、各セグメントのオイラー角と重心を算出した。 
【００２６】
目的の関節において、関節モーメントの内積（Nで表す）および関節の角速度（Wで表す）を用いて関節の動力を決定する。この動力Pは以下のように算出する：
【００２７】
【数１】
2008545545.tif 000004
（式１）
【００２８】
図３は、１歩容サイクルにおいて足首関節で動力が発生、吸収されるタイミングを示す図である。また、図４は、１歩容サイクルにおいて膝関節で動力が発生、吸収されるタイミングを示す図である。
図５は、１歩容サイクルにおいて股関節で動力が発生、吸収されるタイミングを示す図である。
【００２９】
米国特許出願第１１／０３８６９２号として出願された、米国特許公開第２００５／０２０９５３５号（なお、この文献に記載されるすべての内容をここに引用するものとする）に記載される運動学的および逆運動学的手法を用いて、足首、膝、股間での角速度Wと関節モーメントNをそれぞれ算出してもよい。式１から関連する関節の動力を算出することができる。図３−５に示す結果は、人間の歩容の結果を明示したものであり、歩容サイクル全体で筋肉が発生、吸収するエネルギーを示している。エネルギーの発生と吸収の周期は（秒単位で）非常に短くなり得ることから、筋肉アクチュエータでは、広域な帯域幅での制御が必須となる。例えば、ここで足首の動力のプロットを考えることにする。（t = 0.25秒で発生する）かかとの蹴りによって、足首の動力がエネルギーを吸収して、肢体の動きを約０．５秒だけ減速させる。この段階では、足首の筋肉アクチュエータは負の仕事を行っている。足首は、約５０％の時間の負の仕事を行っているのである。
【００３０】
３．倒立振子モデル
図６は、回生駆動と、本発明の一実施形態に関わる簡便で平面な倒立振子を備えるモーション制御システム６００を示す図である。より複雑なマルチリンク・システムは、図２のシステムのように、頂点で互いに連結された一連の倒立振子と見ることができる。例えば、B. DariushおよびK. Fujimura著の「Fuzzy logic based control model of human postural dynamics」（SAE Conference on Digital Human Modeling for Design and Engineering、ミシガン州デトロイト、２０００年）を参照のこと。なお、この文献に記載されるすべての内容をここに引用するものとする。（さらに、米国特許第６６３３７８３号を参照のこと。なお、この文献に記載されるすべての内容をここに引用するものとする。）
【００３１】
回生駆動およびモーション制御システム６００は、基点６０３上の回転中心６０４に拘束される振子６０２を備え、さらに、振子６０２を右回り回転させる力F1 と左回りに回転させる F2 をそれぞれ発生させるアクチュエータ６０６−１と６０６−２とを備える。力 F1 および F2 は、能動的および受動的に発生した２つの異なるアクチュエータの力に相当する。一実施形態では、単一のアクチュエータ６０６により、力 F1 および F2 を発生させる。説明の簡便性と一般性を損なわないために、力 F1 および F2の動作を示す線は、関節の回転中心６０４を中心とする半径 d の円の外周に沿っていると想定し、これらを２つの力のモーメントアームとする。一実施形態では、アクチュエータ６０６は、ケーブルとプーリのシステムを備える。人間の場合、一対の屈筋と伸筋による矢状アーム（sagittal arm）の制御においては類推（アナロジー）が可能である。例えば、J. A. DinneenおよびH. Hemami著の「Stability and movement of a one-link neuro-musculo-skeletal sagittal arm」（IEEE Transactions on Biomedical Engineering、 ４０（６）、Ｐ５４１−５４８、１９９３年）を参照のこと。なお、この文献に記載されるすべての内容をここに引用するものとする。筋肉繊維の収縮により力を発生させるような人間の筋肉に類似させて、一実施形態では、アクチュエータ６０６は、圧縮された状態で正の力を発生させる。
【００３２】
システム６００の物理的なパラメータは、関節の軸（回転中心６０４）からの距離kに集中すると考えられる振子６０２の重量mと、慣性モーメントIである。角度 θ を垂直線から測定して、右回りが正の方向である。
【００３３】
角度 θ に応じた力 F1およびF2 をそれぞれ発生させるアクチュエータ６０６−１および６０６−２の有効長と増分長は下の式２および式３により求められる。
【００３４】
【数２】
2008545545.tif 000005
（式２）
（式３）
【００３５】
ここで、L=[L1L2]1 は、アクチュエータ６０６−１および６０６−２におけるそれぞれの長さのベクトル形式に相当し、L0は、アクチュエータ６０６の初期長に相当する２×１のベクトルであり、θ0 は初期長での角度である。
2008545545.tif 000006
【００３６】
【数３】
2008545545.tif 000007
（式４）
【００３７】
関節のトルクとアクチュエータの力との関係は、式５により求められる。
【００３８】
【数４】
2008545545.tif 000008
（式５）
【００３９】
ここで、
【００４０】
【数５】
2008545545.tif 000009
（式６）
【００４１】
なお、上記の表現は、正のトルクが右回りであるとして用いたものである。本システムでのモーションの動的方程式は、式７の通りに記述できる。
【００４２】
【数６】
2008545545.tif 000010
（式７）
【００４３】
ここで、ｇは重力加速度の定数である。倒立振子６０２が所望の軌道 θd を追従するように制御するためのモデルに基づいた方法を式８により求める。
【００４４】
【数７】
2008545545.tif 000011
（式８）
【００４５】
2008545545.tif 000012
【００４６】
【数８】
2008545545.tif 000013
（式９）
【００４７】
Kp および Kd はそれぞれ、正の定位置フィードバックゲインと導関数フィードバックゲインである。
【００４８】
モデルに基づいた制御方法の代替の実施形態として、振子６０２のモーションを、各種の異なる制御則の１つを用いて、例えば、式１０により求められるような比例・積分・微分（ＰＩＤ）コントローラを用いて制御することができる。
【００４９】
【数９】
2008545545.tif 000014
（式１０）
【００５０】
ここで、K1は、積分フィードバックゲインである。式１０における制御則の追従性能は式８のそれよりも劣るが、式８はモデリング誤差やパラメータの不確性に対してあまり敏感ではない。
【００５１】
式８および式１０での制御則を用いて、所望のモーションのプロファイルを実行するためのアクチュエータのトルクを算出する。ロボットの用途で最も広く用いられるアクチュエータ６０６としては、永久磁石ＤＣモータがある。このようなモータは、コントロール可能な電圧源あるいは電流源により駆動される。モータの製造メーカの多くは、電機子電流に比例する電圧を付加することで所望のトルクが得られるように、ユーザが間接的に指令を出せるようにしている。モータのトルクは電機子電流に比例しており、トルクを直接的かつ正確に制御することができる。
【００５２】
図８は、本発明に関わる図１のロボット１０４あるいは図６のアクチュエータ６０６に対する動力を制御する方法の一実施形態を示すフローチャートである。
【００５３】
コントローラ１０２は、所定の制御信号をアクチュエータ６０６に与えて、式５で求めたトルクの関係を満たしつつ、線的アクチュエータ６０６にトルクを伝えて力 F1 および F2 を発生させる。コントローラ１０２は、関節の瞬間的動力の方向に依存するポリシーを用いてトルクを伝える。コントローラ１０２は、システムがエネルギーを吸収しているときには受動的に関節を制御し、システムがエネルギーを発生させているときには能動的に関節を制御する。この原則は、まず関節の動力を算出して、次に発電装置あるいはモータとしてのアクチュエータのモードを決定するような構成の関節であれば適用可能である。
【００５４】
コントローラ１０２は、Ｓ８０２で関節の所望のモーションを取得あるいは決定し、Ｓ８０４で（センサーにより、あるいは予測に基づいて）関節の角速度あるいは線速度を決定する。コントローラ１０２は、Ｓ８０６で一般化されたトルクまたは力を決定して、関節を所望のモーションに追従するように動作させ、さらに、Ｓ８０８で関節の動力を算出する。算出した動力が正の場合（Ｓ８１０でＹｅｓ）、コントローラ１０２は、アクチュエータ４０６に対して、アクチュエータ４０６がエネルギーを発生させて（Ｓ８１２）、関節を回転させる（Ｓ８１４）ような制御信号を送信する。一方、関節の力が負の場合（Ｓ８１０でＮｏ）は、関節はエネルギーを吸収し（Ｓ８１６）、コントローラ１０２は、アクチュエータにエネルギーを蓄える（Ｓ８１８）ように指令して、関節を受動的に制御する。
【００５５】
図８を参照しつつ、回転関節に関するアクチュエータの制御方法の説明をする。
【００５６】
2008545545.tif 000015
【００５７】
【数１０】
2008545545.tif 000016
（式１１）
【００５８】
瞬間的な動力の向きに基づけば、F1と F2 は、動力を供給する能動的な要素と、エネルギーを蓄えて、蓄えたエネルギーを後ほど開放する受動的な要素とを有する。
【００５９】
瞬間的な動力が負の場合（Ｓ８１０でP < 0）、エネルギーを受動的に放散させる（Ｓ８１８）ようにシステムを制御する。この場合、アクチュエータ６０６は、受動的な力 F1pと F2p を用いて放散させたエネルギーを蓄えるとする。これは、フックの法則のバネ特性を備えるアクチュエータ６０６により達成可能である。
【００６０】
【数１１】
2008545545.tif 000017
（式１２)
（式１３)
【００６１】
2008545545.tif 000018
このシステムは、冗長度を有するように駆動（２つのアクチュエータで１つの関節を制御）されたものであるため、２つの受動アクチュエータに蓄えられたエネルギーを伝達することはめずらしいことではない。アクチュエータのメカニズムは、各バネに、所望のモーションを実行するために算出されたトルクの方向に対抗しないような受動的な力をもたらす。つまり、蓄えたエネルギーは、抵抗するトルクの副産物でなければならず、エネルギーを放散するためには、同じ大きさで同じ方向の制御トルク用を用いる。蓄えた力の大きさを制御するには、調節可能なバネ係数を有するアクチュエータを用いることで達成できる。可変バネ剛性を有するアクチュエータの事例は、Hurstらによって開発されている。例えば、J. W. Hurst、 J. E. Chestnut、およびA. A. Rizzi著の「An actuator with mechanically adjustable series compliance」（Carnegie Mellon University テクニカルレポート: CMU-RI-TR  Ｐ４−２４、ペンシルベニア州ピッツバーグ、２００４年）を参照のこと。なお、この文献に記載されるすべての内容をここに引用するものとする。また、例えば、Hurst等著の前出の「An actuator with physically variable stiffness for highly dynamic legged locomotion」を参照のこと。あるいは、複数のバネを平行に組み合わせて、異なるタイミングで動作させることで力を制御することができる。システムがエネルギーを発生するステップ（Ｓ８１２）に達すると、蓄えたエネルギーが開放される。
【００６２】
瞬間的な動力が正の場合（Ｓ８１０でP > 0）、トルクの方向に応じて、F1 または F2のいずれかを用いて能動的な動力を伝える（Ｓ８１４）ように、システムを制御することができる。
2008545545.tif 000019
【００６３】
【数１２】
2008545545.tif 000020
（式１４）
（式１５)
【００６４】
ここで、Fp (release)は、現在の状態に応じて、受動的なバネの一方または両方から開放された力である。各アクチュエータ６０６から開放されたバネ力は、能動的な力の要素と同じ方向を向く。アクチュエータの力 F1 の能動的要素は以下の通りに算出される。
【００６５】
【数１３】
2008545545.tif 000021
（式１６)
【００６６】
ここで、τは、式８および式１０の制御則により求められる。
アクチュエータの力 F2 の能動的な要素を式１７により求める。
【００６７】
【数１４】
2008545545.tif 000022
（式１７）
【００６８】
４．マルチリンク・システム
自由度 n のモーションの式は、拘束を受けないマルチリンク剛体システムの場合には、式１５の微分方程式により記述される。
【００６９】
【数１５】
2008545545.tif 000023
（式１８)
【００７０】
ここで、ベクトル q は、システムの構成を記述する一般化座標のｎ×１のベクトルであり、M はｎ×ｎの関節空間の慣性行列であり、hは、コリオリ、遠心力、重力および摩擦力の作用を記述するｎ×１のベクトルである。ベクトルTはｎ×１であり、一般化された力（あるいはトルク）を表す。式８におけるマルチリンクの場合の軌道追従コントローラ１０２は式１９により求められる。
【００７１】
【数１６】
2008545545.tif 000024
（式１９）
【００７２】
ここで、
【００７３】
【数１７】
2008545545.tif 000025
（式２１）
【００７４】
ここで、qdは、所望の一般化座標のｎ×１のベクトルであり、フィードバックゲインのKd および Kp はｎ×ｎの正の定位置の対角行列である。ここで、一般化を損なわないように、システムにはi = 1・・・nの回転関節が備えられて各関節を駆動するものとする。i番目アクチュエータの制御則をTiで表わす。
【００７５】
式１０のＰＩＤ制御則は、独立した関節コントローラである。従って、変数名を変更すれば、マルチリンク型のコントローラは式１０の単一リンクの制御と同じになる。
【００７６】
【数１８】
2008545545.tif 000026
（式２２）
【００７７】
ここで、式１０に示すように、フィードバックゲインはすべてスカラーである。Ti が本システムのi番目の関節を駆動し、wi がi番目の関節に関係する角速度であるとき、この関節を駆動する力は式２３により求められる。
【００７８】
【数１９】
2008545545.tif 000027
（式２３）
【００７９】
制御工程の最初のステップは、所望の軌道を生成することである。ロボットの所望モーションを記述する多次元空間上での軌道を算定する方法はいくつかある。関節空間に記述される軌道は、ベクトル q により指定することができ、各自由度でのモーションと、その速度および加速度を決定する。あるいは、関節変数 q に関するデカルト変数 n のセットを用いて、軌道を作業空間で記述することもできる。用途に応じて、システムの所望のモーションをオフラインで設計したり、あるいは、各種の軌道生成方法を用いてオンラインで生成することもできる。また、ユーザがロボットの所望の目標地点と向く方向を指定して、システムが目標地点までの経路の正確な形状や、到達までの時間、速度プロファイルあるいはこの他の詳細な条件を決定するような設定であっても十分な場合もある。
【００８０】
本発明の特定の実施形態と応用例をここに記載したが、付属の請求項に定義される本発明の技術的精神と範囲から逸脱しない限りにおいて、本発明はここに記載される厳密な構成および要素にのみ限定されることなく、本発明の方法および装置の構成、動作およびその詳細について、各種の変更、修正および変形を加えることが可能であることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の一実施形態に関わるロボット／バイオロボットシステムを制御するためのモーション制御システムを示すブロック図である。
【図２】身体の片側の下肢に力とモーメントが作用したときの自由体を示す図である。
【図３】１歩容サイクルにおいて足首関節で発生、吸収される動力のタイミングを示す図である。
【図４】１歩容サイクルにおいて膝関節で発生、吸収される動力のタイミングを示す図である。
【図５】１歩容サイクルにおいて股関節で発生、吸収される力のタイミングを示す図である。
【図６】回生駆動と、本発明に関わる一対のアクチュエータにより制御される倒立振子を備えるロボットを示すブロック図である。
【図７】単体に力とモーメントが作用したときの自由体を示す図である。
【図８】本発明に関わる図１のロボットに対する動力を制御する方法の一実施形態を示すフローチャートである。
【図１】
2008545545.tif 000028
【図２】
2008545545.tif 000029
【図３】
2008545545.tif 000030
【図４】
2008545545.tif 000031
【図５】
2008545545.tif 000032
【図６】
2008545545.tif 000033
【図７】
2008545545.tif 000034
【図８】
2008545545.tif 000035
【国際調査報告】
2008545545.tif 000036