JP3568527B2 - Mobile device - Google Patents

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JP3568527B2 JP2003385980A JP2003385980A JP3568527B2 JP 3568527 B2 JP3568527 B2 JP 3568527B2 JP 2003385980 A JP2003385980 A JP 2003385980A JP 2003385980 A JP2003385980 A JP 2003385980A JP 3568527 B2 JP3568527 B2 JP 3568527B2
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Description

本発明は、基体と前記基体に接続される可動部を有する移動体装置に係り、特に、ZMPを安定度判別規範に用いて姿勢安定化制御を行なう移動体装置に関する。   The present invention relates to a mobile device having a base and a movable portion connected to the base, and more particularly to a mobile device that performs posture stabilization control using ZMP as a stability determination criterion.

さらに詳しくは、本発明は、機体上の各部に設置されたセンサからの計測値に基づいて導出されたZMP方程式又は運動方程式を用いて未知外力モーメント及び未知外力を同定して運動制御を行なう移動体装置に係り、特に、機体上の複数の部位に分散するセンサ・システムを配置して、ZMP方程式または運動方程式の導出に必要な運動パラメータを効率的に計測する移動体装置に関する。   More specifically, the present invention relates to a movement that identifies an unknown external force moment and an unknown external force using a ZMP equation or a motion equation derived based on a measurement value from a sensor installed in each part on the body and performs motion control. The present invention relates to a body apparatus, and more particularly, to a mobile body apparatus in which sensor systems dispersed in a plurality of parts on a body are arranged to efficiently measure a motion parameter necessary for deriving a ZMP equation or a motion equation.

電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行なう機械装置のことを「ロボット」という。ロボットの語源は、スラブ語の“ROBOTA(奴隷機械)”に由来すると言われている。わが国では、ロボットが普及し始めたのは1960年代末からであるが、その多くは、工場における生産作業の自動化・無人化などを目的としたマニピュレータや搬送ロボットなどの産業用ロボット(industrial robot)であった。   A mechanical device that performs a motion resembling a human motion using an electric or magnetic action is called a “robot”. It is said that the robot is derived from the Slavic word "ROBOTA (slave machine)". In Japan, robots began to spread from the late 1960's, but most of them were industrial robots (industrial robots) such as manipulators and transfer robots for the purpose of automation and unmanned production work in factories. Met.

最近では、ヒトやサルなどの2足直立歩行を行なう動物の身体メカニズムや動作を模した脚式移動ロボットに関する研究開発が進展し、実用化への期待も高まってきている。2足直立による脚式移動は、クローラ式や、4足又は6足式などに比し不安定で姿勢制御や歩行制御が難しくなるが、不整地や障害物など作業経路上に凹凸のある歩行面や、階段や梯子の昇降など不連続な歩行面に対応することができるなど、柔軟な移動作業を実現できるという点で優れている。   Recently, research and development on legged mobile robots that imitate the body mechanisms and movements of animals such as humans and monkeys that walk upright on two legs have been progressing, and expectations for their practical use have increased. Leg-based movement with two feet standing upright is more unstable than the crawler type, four-legged or six-legged type, and makes posture control and walking control difficult, but walking with irregularities on the work route such as uneven terrain and obstacles It is excellent in that it can realize flexible moving work, for example, it can respond to discontinuous walking surfaces such as surfaces, stairs and ladders.

また、ヒトの生体メカニズムや動作を再現した脚式移動ロボットのことを、特に、「人間形」、若しくは「人間型」のロボット(humanoid robot)と呼ぶ。人間型ロボットは、例えば、生活支援、すなわち住環境その他の日常生活上のさまざまな場面における人的活動の支援などを行なうことができる。   In addition, a legged mobile robot that reproduces a human biological mechanism or motion is particularly called a “humanoid” or “humanoid” robot. The humanoid robot can perform, for example, life support, that is, support for human activities in various situations in a living environment and other daily lives.

人間の作業空間や居住空間のほとんどは、2足直立歩行という人間が持つ身体メカニズムや行動様式に合わせて形成されおり、車輪その他の駆動装置を移動手段とした現状の機械システムが移動するのには多くの障壁が存在する。したがって、機械システムすなわちロボットがさまざまな人的作業を代行し、さらに人間の住空間に深く浸透していくためには、ロボットの移動可能範囲が人間のそれとほぼ同じであることが好ましい。これが、脚式移動ロボットの実用化が大いに期待されている所以でもある。   Most of the working space and living space of human beings are formed according to the human body mechanism and behavior style of bipedal upright walking, and the current mechanical system using wheels and other driving devices as moving means will move. There are many barriers. Therefore, in order for the mechanical system, that is, the robot, to perform various human tasks and penetrate deep into the human living space, it is preferable that the movable range of the robot is almost the same as that of a human. This is the reason why practical use of the legged mobile robot is greatly expected.

人間形若しくは人間型と呼ばれる2足直立歩行の脚式移動ロボットを研究・開発する意義を、例えば以下の2つの視点から把握することができよう。   The significance of researching and developing a two-legged upright legged mobile robot called a humanoid or humanoid will be understood from the following two viewpoints, for example.

1つは、人間科学的な視点である。すなわち、人間の下肢及び/又は上肢に似た構造のロボットを作り、その制御方法を考案して、人間の歩行動作をシミュレートするというプロセスを通じて、歩行を始めとする人間の自然な動作のメカニズムを工学的に解明することができる。このような研究成果は、人間工学、リハビリテーション工学、あるいはスポーツ科学など、人間の運動メカニズムを扱う他のさまざまな研究分野の進展に大いに還元することができるであろう。   One is a human science perspective. That is, through a process of creating a robot having a structure similar to a human lower limb and / or upper limb, devising a control method thereof, and simulating a human walking motion, a mechanism of natural human motion such as walking can be achieved. Can be elucidated by engineering. These findings could be greatly reduced to advances in various other disciplines that address human motor mechanisms, such as ergonomics, rehabilitation engineering, or sports science.

もう1つは、人間のパートナーとして生活を支援する、すなわち住環境その他の日常生活上の様々な場面における人的活動の支援を行なう実用ロボットの開発である。この種のロボットは、人間の生活環境のさまざまな局面において、人間から教わりながら個々に個性の相違する人間又は環境への適応方法を学習し、機能面でさらに成長していく必要がある。このとき、ロボットが「人間形」すなわち人間と同じ形又は同じ構造をしている方が、人間とロボットとの円滑なコミュニケーションを行なう上で有効に機能するものと考えられる。   The other is the development of a practical robot that supports life as a human partner, that is, supports human activities in various situations in a living environment and other daily lives. In various aspects of the human living environment, this type of robot needs to learn from humans to learn how to adapt to humans or the environment, each of which has a different personality, and to further grow in functionality. At this time, it is considered that the robot having the "human form", that is, the same shape or the same structure as a human, functions more effectively in performing smooth communication between the human and the robot.

例えば、踏んではならない障害物を避けながら部屋を通り抜ける方法を実地においてロボットに教示するような場合、クローラ式や4足式ロボットのように教える相手が自分と全く違う構造をしているよりも、同じような格好をしている2足歩行ロボットの方が、ユーザ(作業員)ははるかに教え易く、またロボットにとっても教わり易い筈である(例えば、非特許文献1を参照のこと)。   For example, when teaching a robot how to get through a room while avoiding obstacles that should not be stepped on, the partner who teaches like a crawler type or quadruped type robot has a completely different structure than myself. A bipedal walking robot having a similar appearance should be much easier for the user (operator) to teach and for the robot to learn (for example, see Non-Patent Document 1).

2足歩行による脚式移動を行なうタイプのロボットに関する姿勢制御や安定歩行に関する技術は既に数多提案されている。ここで言う安定な「歩行」とは、「転倒することなく、脚を使って移動すること」と定義することができる。   There have already been proposed a number of techniques relating to posture control and stable walking for a type of robot that performs legged movement by biped walking. Stable “walking” here can be defined as “moving using the legs without falling over”.

ロボットの姿勢安定制御は、ロボットの転倒を回避する上で非常に重要である。何故ならば、転倒は、ロボットが実行中の作業を中断することを意味し、且つ、転倒状態から起き上がって作業を再開するために相当の労力や時間が払われるからである。また、何よりも、転倒によって、ロボット本体自体、あるいは転倒するロボットと衝突する相手側の物体にも、致命的な損傷を与えてしまう危険があるからである。したがって、脚式移動ロボットの設計・開発において、歩行やその他の脚式作業時における姿勢安定制御は最も重要な技術的課題の1つである。   The posture stability control of the robot is very important in avoiding the falling of the robot. This is because falling means that the robot interrupts the work being performed, and considerable effort and time is spent in getting up from the falling state and resuming the work. In addition, above all, there is a risk that the fall may cause fatal damage to the robot body itself or the object on the other side that collides with the fallen robot. Therefore, in the design and development of a legged mobile robot, posture stability control during walking or other legged work is one of the most important technical issues.

歩行時には、重力と歩行運動に伴なって生じる加速度によって、歩行系から路面には重力と慣性力、並びにこれらのモーメントが作用する。いわゆる「ダランベールの原理」によると、それらは路面から歩行系への反作用としての床反力、床反力モーメントとバランスする。力学的推論の帰結として、足底接地点と路面の形成する支持多角形の内側にピッチ及びロール軸モーメントがゼロとなる点、すなわち「ZMP(Zero Moment Point)」が存在する。   During walking, gravity, inertial force, and these moments act on the road surface from the walking system due to gravity and acceleration caused by the walking motion. According to the so-called "Dalambert principle", they balance the floor reaction force and the floor reaction force moment as a reaction from the road surface to the walking system. As a consequence of the mechanical inference, there is a point where the pitch and roll axis moments are zero, that is, “ZMP (Zero Moment Point)”, inside the supporting polygon formed by the sole and the road surface.

脚式移動ロボットの姿勢安定制御や歩行時の転倒防止に関する提案の多くは、このZMPを歩行の安定度判別の規範として用いたものである(例えば、非特許文献2を参照のこと)。ZMP規範に基づく2足歩行パターン生成は、足底着地点をあらかじめ設定することができ、路面形状に応じた足先の運動学的拘束条件を考慮し易いなどの利点がある。また、ZMPを安定度判別規範とすることは、力ではなく軌道を運動制御上の目標値として扱うことを意味するので、技術的に実現可能性が高まる。   Many proposals relating to posture stability control of a legged mobile robot and fall prevention during walking use this ZMP as a criterion for determining walking stability (for example, see Non-Patent Document 2). The bipedal walking pattern generation based on the ZMP standard has an advantage that a sole landing point can be set in advance, and the kinematic constraint condition of the toe according to the road surface shape can be easily considered. In addition, using ZMP as a stability determination criterion means that a trajectory, not a force, is treated as a target value in motion control, so that technical feasibility is increased.

一般には、4足歩行よりもヒューマノイドのような2足歩行のロボットの方が、重心位置が高く、且つ、歩行時のZMP安定領域が狭い。したがって、このような路面状態の変化に伴う姿勢変動の問題は、2足歩行ロボットにおいてとりわけ重要となる。   In general, a bipedal walking robot such as a humanoid has a higher center of gravity and a narrower ZMP stable area during walking than a quadrupedal walking. Therefore, the problem of the posture change due to the change of the road surface condition is particularly important in a bipedal walking robot.

2足歩行ロボットの姿勢安定度判別規範にZMPを用いた提案は既に幾つかある。   There have already been some proposals using ZMP as a posture stability determination standard for a bipedal walking robot.

例えば、脚式移動ロボットは、ZMPがゼロとなる床面上の点を目標値に一致させるようにして安定歩行を行なうことができる(例えば、特許文献1を参照のこと)。   For example, a legged mobile robot can perform stable walking by matching a point on the floor at which ZMP becomes zero with a target value (for example, see Patent Literature 1).

また、脚式移動ロボットは、ZMPが支持多面体(多角形)内部、又は、着地、離床時にZMPが支持多角形の端部から少なくとも所定の余裕を有する位置にあるように構成することができる。この場合、外乱などを受けても所定距離だけZMPの余裕があり、歩行時の機体の安定性が向上する(例えば、特許文献2を参照のこと)。   Further, the legged mobile robot can be configured so that the ZMP is located inside the supporting polyhedron (polygon) or at a position having at least a predetermined margin from the end of the supporting polygon at the time of landing or leaving the floor. In this case, there is a margin of ZMP for a predetermined distance even when a disturbance or the like is received, and the stability of the body during walking is improved (for example, see Patent Document 2).

また、脚式移動ロボットの歩き速度をZMP目標位置によって制御することができる。すなわち、あらかじめ設定された歩行パターン・データを用い、ZMPを目標位置に一致させるように脚部関節を駆動するとともに、上体の傾斜を検出してその検出値に応じて設定された歩行パターン・データの吐き出し速度を変更する。未知の凹凸を踏んでロボットが例えば前傾するときは、吐き出し速度を速めることで姿勢を回復することができる。またZMPを目標位置に制御するので、両脚支持期で吐き出し速度を変更しても支障がない(例えば、特許文献3を参照のこと)。   Further, the walking speed of the legged mobile robot can be controlled by the ZMP target position. That is, using the previously set walking pattern data, the leg joints are driven so that the ZMP coincides with the target position, and at the same time, the inclination of the upper body is detected, and the walking pattern set according to the detected value is used. Change the data ejection speed. When the robot leans forward, for example, by stepping on unknown irregularities, the posture can be recovered by increasing the discharge speed. Further, since the ZMP is controlled to the target position, there is no problem even if the discharge speed is changed during the two-leg supporting period (for example, see Patent Document 3).

また、脚式移動ロボットの着地位置をZMP目標位置によって制御することができる。すなわち、同公報に記載の脚式移動ロボットは、ZMP目標位置と実測位置とのずれを検出し、それを解消するように脚部の一方又は双方を駆動するか、又はZMP目標位置まわりにモーメントを検出してそれが零になる様に脚部を駆動することで、安定歩行を実現する(例えば、特許文献4を参照のこと)。   Further, the landing position of the legged mobile robot can be controlled by the ZMP target position. That is, the legged mobile robot described in the publication detects a deviation between the ZMP target position and the actually measured position and drives one or both of the legs to eliminate the deviation, or a moment about the ZMP target position. , And by driving the legs so that it becomes zero, stable walking is realized (for example, refer to Patent Document 4).

また、脚式移動ロボットの傾斜姿勢をZMP目標位置によって制御することができる。すなわち、ZMP目標位置まわりのモーメントを検出し、モーメントが生じたときは、それが零になるように脚部を駆動することで安定歩行を行なう(例えば、特許文献5を参照のこと)。   Further, the inclination posture of the legged mobile robot can be controlled by the ZMP target position. That is, the moment around the ZMP target position is detected, and when the moment is generated, the leg is driven so that the moment becomes zero to perform stable walking (for example, refer to Patent Document 5).

ZMPを安定度判別規範に用いたロボットの姿勢安定度制御は、基本的には足底接地点と路面の形成する支持多角形の辺上あるいはその内側にモーメントがゼロとなる点を探索することにある。   The posture stability control of a robot using ZMP as a stability discrimination standard is basically to search for a point where the moment is zero on or inside the support polygon formed by the sole and the road surface. It is in.

すなわち、ロボットの機体に印加される各モーメントの釣合い関係を記述したZMP方程式を導出して、このZMP方程式上で現れるモーメント・エラーを打ち消すように機体の目標軌道を修正するようにすればよい。   That is, a ZMP equation describing the balance relationship of each moment applied to the robot body may be derived, and the target trajectory of the body may be corrected so as to cancel the moment error appearing on the ZMP equation.

ZMP方程式を立てるためには、機体上の制御対象点における位置と加速度を求める必要がある。ZMPを安定度判別規範に用いた従来のロボット機体制御システムの多くは、制御対象点における位置データのみをセンサ入力とし、制御システム内においてこの位置データを2階微分するなどして加速度データを算出してからZMP方程式を導出していた。   In order to establish the ZMP equation, it is necessary to obtain the position and acceleration at a control target point on the airframe. Many conventional robot body control systems that use ZMP as a stability discrimination criterion use only position data at a control target point as a sensor input, and calculate acceleration data by performing second order differentiation of this position data in the control system. Then, the ZMP equation was derived.

しかしながら、このような計算方法に頼った場合、計算量が多くなり、処理負荷が高くなるとともに演算時間が長くなってしまう。さらに、間接的に加速度データを得ているため、正確な加速度データを用いることができず、跳躍や走行など、高速にリアルタイムで機体の軌道修正を必要とする動作の実現が困難である。また、機体の姿勢制御の厳密性を追及した場合、制御対象点を複数とることが好ましいが、演算時間が過大となってしまい、コスト増大を招来する。   However, depending on such a calculation method, the amount of calculation increases, the processing load increases, and the calculation time increases. Furthermore, since acceleration data is obtained indirectly, accurate acceleration data cannot be used, and it is difficult to realize an operation that requires high-speed real-time trajectory correction of the aircraft, such as jumping or running. Further, when the strictness of the attitude control of the airframe is pursued, it is preferable to take a plurality of control target points, but the calculation time becomes excessively long, which leads to an increase in cost.

また、脚式ロボットを始めとする移動機械をZMP方程式に従って厳密に運動制御することを考えると、制御に用いるローカル座標原点の世界座標における加速度と、ローカル座標系における機体各部の位置(姿勢)、加速度、そしてZMP位置と外力及び外力モーメントを計測し、その計測値をZMP方程式に導入することで、未知外力モーメント及び未知外力を同定しつつ、各部の位置、加速度を制御することが最も厳密に運動制御を行なうことになる。   Considering strictly controlling the motion of a mobile machine such as a legged robot in accordance with the ZMP equation, the acceleration in the world coordinates of the local coordinate origin used for the control, the position (posture) of each part of the body in the local coordinate system, By measuring the acceleration, ZMP position, external force and external force moment, and introducing the measured values to the ZMP equation, it is most strict to control the position and acceleration of each part while identifying the unknown external force moment and unknown external force. Motion control will be performed.

例えば、傾斜計(又は加速度計)、及びジャイロを各軸(ピッチ、ロール、ヨー(X,Y,Z))に1つずつ、6軸力センサの配置位置を、外力及び外力が加わることが想定される部位毎に、実際の作用位置より離れた位置に、最小限の個数のセンサ構成で運動制御を行なうことができる。   For example, an inclinometer (or an accelerometer) and a gyro may be placed on each axis (pitch, roll, yaw (X, Y, Z)) one by one. Motion control can be performed with a minimum number of sensor configurations at positions distant from the actual operation position for each assumed part.

ところが、このようなセンサ配置に基づく運動制御方式では、制御に用いるローカル座標原点加速度に加え、すべての部位の位置及び加速度を直接的に計測し、制御することは困難である。   However, in the motion control method based on such sensor arrangement, it is difficult to directly measure and control the positions and accelerations of all parts in addition to the local coordinate origin acceleration used for control.

従来の運動制御方式は、
(1)ロボットの外部環境は、どんな力やトルクが作用しても動くことがない。
(2)ロボットの外部環境での併進に対する摩擦係数は十分大きく、滑りが生じない。
(3)ロボットは、どんな力やトルクが作用しても変形することがない。
という条件を前提としたものである。このため、力やトルクが作用すると路面が動いてしまう砂利上や毛足の長い絨毯上、そして、併進の摩擦係数が十分に確保できずすべりが生じ易い住居内のタイルなどでの安定歩行(運動)や、ロボット自身の構造に柔軟性を持たせることで跳躍を伴う全身運動の実現を目指したロボットの運動制御を保証するものではない。
Conventional motion control method
(1) The external environment of the robot does not move even if any force or torque acts.
(2) The coefficient of friction against translation in the external environment of the robot is sufficiently large, and no slip occurs.
(3) The robot is not deformed by any force or torque.
It is based on the condition that: For this reason, stable walking on gravel or carpets with long bristle feet, on which the road surface moves when force or torque is applied, and on tiles in dwellings where slippage is likely to occur due to insufficient friction coefficient of translation ( It does not guarantee the robot's motion control aiming at realizing the whole-body motion with jumping by giving the robot its own structure and flexibility.

特開平5−305579号公報JP-A-5-305579 特開平5−305581号公報JP-A-5-305581 特開平5−305583号公報JP-A-5-305558 特開平5−305585号公報JP-A-5-305585 特開平5−305586号公報JP-A-5-305586 高西著「2足歩行ロボットのコントロール」(自動車技術会関東支部<高塑>No.25,1996 APRIL)Takanishi, "Control of Biped Robots" (Automotive Society of Japan Kanto Branch <Taka Plastics> No. 25, 1996 APRIL) Miomir Vukobratovic著“LEGGED LOCOMOTION ROBOTS”(加藤一郎外著『歩行ロボットと人工の足』(日刊工業新聞社))"LEGGED LOCOMATION ROBOTS" by Miomir Vukobratovic (Ichiro Kato, "Walking Robots and Artificial Feet" (Nikkan Kogyo Shimbun))

本発明の目的は、ZMPを姿勢安定度判別規範に用いて運動中の機体の姿勢を安定化制御することができる、優れた移動体装置を提供することにある。   An object of the present invention is to provide an excellent mobile device capable of stabilizing and controlling the attitude of an aircraft during exercise using ZMP as an attitude stability determination criterion.

本発明のさらなる目的は、ZMP方程式を高速且つ高精度に導き出すことによってより厳密な姿勢安定制御を行なうことを可能にする、優れた移動体装置を提供することにある。   It is a further object of the present invention to provide an excellent mobile device capable of performing more precise attitude stabilization control by deriving the ZMP equation at high speed and with high accuracy.

本発明のさらなる目的は、機体上の各部に設置されたセンサからの計測値に基づいて導入されたZMP方程式又は運動方程式を用いて未知外力モーメント及び未知外力を同定して運動制御を好適に行なうことができる、優れた移動体装置を提供することにある。   A further object of the present invention is to identify the unknown external force moment and unknown external force using the ZMP equation or the equation of motion introduced based on the measurement values from the sensors installed at various parts on the fuselage, and to suitably perform the motion control. And to provide an excellent mobile device.

本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、基体と、前記基体に接続される1以上の可動部を有する移動体装置であって、
前記可動部の1つのローカル座標系を設定し、前記ローカル座標系が設定された可動部に設置された第1の加速度センサと、
前記ローカル座標系内にある前記移動体装置の1以上の制御対象点に設置された第2の加速度センサと、
少なくとも前記第1の加速度センサ及び前記第2の加速度センサから得られる加速度情報に基づいて、前記移動体装置の各制御点における加速度を制御することにより、前記移動体装置の可動部を制御する制御手段と、
を具備することを特徴とする移動体装置である。
The present invention has been made in consideration of the above problems, and is a mobile device including a base and one or more movable units connected to the base,
A first acceleration sensor installed on the movable unit having the local coordinate system set, wherein the first acceleration sensor sets one local coordinate system of the movable unit;
A second acceleration sensor installed at one or more control target points of the mobile device in the local coordinate system;
Control for controlling a movable portion of the mobile device by controlling acceleration at each control point of the mobile device based on at least acceleration information obtained from the first acceleration sensor and the second acceleration sensor. Means,
A mobile device characterized by comprising:

ここで、前記移動体装置は、少なくとも上肢、下肢、及び体幹部を含んだ可動部を備えたロボット装置であり、少なくとも前記上肢、前記下肢、前記体幹部毎に制御対象点が設けられている。   Here, the mobile device is a robot device having a movable part including at least an upper limb, a lower limb, and a trunk, and a control target point is provided for at least the upper limb, the lower limb, and the trunk. .

そして、前記ローカル座標系と前記第1の加速度センサを、前記移動体装置と路面との接触部位に設ける。例えば、前記ローカル座標系と前記第1の加速度センサを前記足部に設ける。あるいは、前記ローカル座標系と前記第1の加速度センサを前記腰部に設ける。   Then, the local coordinate system and the first acceleration sensor are provided at a contact portion between the mobile device and a road surface. For example, the local coordinate system and the first acceleration sensor are provided on the foot. Alternatively, the local coordinate system and the first acceleration sensor are provided on the waist.

このような場合、少なくとも前記第1の加速度センサ及び前記第2の加速度センサから得られる加速度情報に基づいて導出されるZMP方程式又は運動方程式を用いて、前記移動体装置に印加される未知モーメント又は未知外力を算出することができる。したがって、前記制御手段は、該算出された未知モーメント又は未知外力に基づいて前記移動体装置の可動部を制御することができる。   In such a case, using the ZMP equation or the equation of motion derived based on the acceleration information obtained from at least the first acceleration sensor and the second acceleration sensor, the unknown moment applied to the mobile device or An unknown external force can be calculated. Therefore, the control means can control the movable portion of the mobile device based on the calculated unknown moment or unknown external force.

ロボット装置の姿勢安定性を確保するためには、例えばZMP方程式や運動方程式などの安定度判別規範となる方程式を導入し、装置本体に印加される未知モーメントや未知外力を打ち消すように動作制御を行なう必要がある。支持多角形の内側にZMPがある場合は、系に回転運動や並進運動が発生せず、回転や並進に関する運動方程式を解く必要がなく、系が形成する適切なZMP空間を用いてZMP方程式を解くことにより、姿勢安定制御を行なう。また、支持多角形の内側にZMPがない場合や、外界に対する支持作用点が存在しない場合は、ZMP方程式に代えて、運動方程式を解くことにより、姿勢安定制御を行なう。また、跳躍を伴うダンスなど、すべての部位の軌道について優先度が一様に高く設定される場合には、ZMP方程式と運動方程式の両方を解く場合がある。   In order to secure the posture stability of the robot device, for example, introduce an equation which is a stability determination criterion such as a ZMP equation or a motion equation, and perform motion control so as to cancel an unknown moment or an unknown external force applied to the device body. I need to do it. If there is a ZMP inside the supporting polygon, there is no rotation or translational motion in the system, and there is no need to solve the equation of motion related to rotation and translation, and the ZMP equation is calculated using the appropriate ZMP space formed by the system. By doing so, posture stability control is performed. When there is no ZMP inside the support polygon or when there is no support action point with respect to the external world, the posture stability control is performed by solving a motion equation instead of the ZMP equation. In addition, when the priority is set to be uniformly high for the trajectories of all the parts, such as in a dance involving jumping, both the ZMP equation and the equation of motion may be solved.

ここで、方程式を立てるためには、機体上の各制御対象点における位置と加速度を求める必要がある。しかしながら、制御対象点における位置データのみをセンサ入力とした制御システムの場合、位置データを2階微分するなどして加速度データを算出してから方程式を導出しなければならない。この場合、計算量が多く、処理負荷の増大や演算時間の問題がある。また、間接的に加速度データを得ているため、正確な加速度データを用いることができないので、高速にリアルタイムで機体の軌道修正を必要とする動作の実現が困難である。   Here, in order to formulate an equation, it is necessary to obtain the position and acceleration at each control target point on the airframe. However, in the case of a control system using only the position data at the control target point as a sensor input, the equation must be derived after calculating the acceleration data by performing second-order differentiation of the position data. In this case, the amount of calculation is large, and there is a problem of an increase in processing load and calculation time. In addition, since acceleration data is obtained indirectly, accurate acceleration data cannot be used. Therefore, it is difficult to implement an operation that requires high-speed real-time trajectory correction of the body.

これに対し、本発明に係るロボット装置の場合、装置本体の複数の箇所に設定された制御対象点毎に加速度センサが配設されるとともに、床面に接床する足底などロボットと外界との接触部位における反力を計測する反力センサが配設されているので、正確な加速度データや反力データを直接用いてZMP方程式や運動方程式を導出することができるとともに、方程式導出のための計算量を削減することができる。この結果、跳躍や走行など高速性が要求される動作においても好適に軌道修正を行なうことが可能となる。   On the other hand, in the case of the robot device according to the present invention, the acceleration sensor is provided for each control target point set at a plurality of locations of the device main body, and the robot and the outside world, such as a sole that touches the floor, are placed on the floor. Since the reaction force sensor that measures the reaction force at the contact part of is provided, it is possible to derive the ZMP equation and the equation of motion by directly using the accurate acceleration data and reaction force data, The amount of calculation can be reduced. As a result, it is possible to preferably correct the trajectory even in an operation requiring high speed such as jumping or running.

例えば、前記ロボットの機体上の制御対象点における加速度と、前記ロボットと外界との接触部位における反力を計測する。そして、これら計測結果を基に、前記ロボットの機体に印加される各モーメントの釣合い関係を記述したZMP方程式を生成し、該ZMP方程式上で現れるモーメント・エラーを打ち消すように機体の目標軌道を修正することができる。   For example, an acceleration at a control target point on the body of the robot and a reaction force at a contact portion between the robot and the outside world are measured. Then, based on these measurement results, a ZMP equation describing a balance relation of each moment applied to the robot body is generated, and a target trajectory of the body is corrected so as to cancel a moment error appearing on the ZMP equation. can do.

ZMPを安定度判別規範に用いたロボットの姿勢安定度制御は、基本的には足底接地点と路面の形成する支持多角形の内側にモーメントがゼロとなる点を探索することにある。すなわち、ロボットの機体に印加される各モーメントの釣合い関係を記述したZMP方程式を導出して、このZMP方程式上で現れるモーメント・エラーを打ち消すように機体の目標軌道を修正する。   The posture stability control of a robot using ZMP as a stability discrimination criterion basically consists in searching for a point where the moment becomes zero inside a support polygon formed by a sole and a road surface. That is, a ZMP equation describing a balance relationship of each moment applied to the robot body is derived, and the target trajectory of the body is corrected so as to cancel a moment error appearing on the ZMP equation.

例えば、制御に用いる機体のローカル座標原点の世界座標における加速度と、ローカル座標系における機体の各制御対象点の位置(姿勢)、加速度、並びにZMP位置と外力モーメントを計測して、各点における位置及び加速度を制御することにより、最も厳密に機体制御を行なうことができる。   For example, the acceleration in world coordinates of the origin of the local coordinates of the aircraft used for control, the position (posture) and acceleration of each control target point of the aircraft in the local coordinate system, the ZMP position and the external force moment are measured, and the position at each point is measured. By controlling the acceleration and the acceleration, the aircraft control can be performed most strictly.

一方、このような原理に従い、制御に用いるローカル座標原点加速度に加え、すべての部位の位置及び加速度を直接的に計算して機体制御を行なうことはコストが過大であり、また、計測系を配置するための収容場所が問題となる。   On the other hand, in accordance with such a principle, in addition to the local coordinate origin acceleration used for the control, directly calculating the positions and accelerations of all the parts to perform the aircraft control is excessively expensive, and the measurement system is arranged. There is a problem with the accommodation space for the work.

そこで、本発明によれば、ロボットの機体上の制御対象点として質量操作量が最大となる部位、例えば腰部をローカル座標原点に設定する。そして、この制御対象点に加速度センサなどの計測手段を配置して、その位置における姿勢や加速度を直接計測して、ZMPに基づく姿勢安定制御を行なうことができる。   Therefore, according to the present invention, a portion where the mass operation amount is maximum, for example, the waist, is set as the local coordinate origin as a control target point on the robot body. Then, a measuring means such as an acceleration sensor is arranged at the control target point, and the posture and acceleration at that position are directly measured, so that posture stability control based on ZMP can be performed.

他方、質量操作量が大きな部位を制御対象点に設定した場合、足部の状態は、世界座標系で直接計測するものではなく、この制御対象点の計算結果を基に相対的に算出されるものである。このため、足部と路面との間では以下の条件を満たすことが、前提となってしまう。   On the other hand, when a part having a large mass operation amount is set as the control target point, the state of the foot is not directly measured in the world coordinate system, but is relatively calculated based on the calculation result of the control target point. Things. Therefore, it is premised that the following conditions are satisfied between the foot and the road surface.

(1)路面はどんな力やトルクが作用しても動くことがない。
(2)路面での並進に対する摩擦係数は充分に大きく、滑りが生じない。
(1) The road surface does not move under any force or torque.
(2) The coefficient of friction against translation on the road surface is sufficiently large and no slip occurs.

例えば、力やトルクが作用すると路面が動いてしまう砂利上や毛足の長い絨毯上、あるいは、並進の摩擦係数が充分に確保できずに滑りが生じ易い住居のタイルなどでの安定歩行(運動)を保証することができない。   For example, stable walking (moving on a gravel or a carpet with long hairs, on which the road surface moves when force or torque is applied, or on a tile in a dwelling where the translational friction coefficient cannot be sufficiently secured and slipping is likely to occur. ) Cannot be guaranteed.

そこで、本発明では、路面との接触部位である足部にZMPと力を直接計測する反力センサ・システム(床反力センサなど)を配設するとともに、制御に用いるローカル座標とその座標を直接的に計測するための加速度センサを配設することとした。   Therefore, in the present invention, a reaction force sensor system (for example, a floor reaction force sensor) for directly measuring ZMP and force is provided on the foot, which is a contact portion with the road surface, and the local coordinates and the coordinates used for control are set. An acceleration sensor for direct measurement is provided.

この結果、ZMP位置に最も近い足部で直接ZMP方程式を組み立てることができ、上述したような前提条件に依存しない、より厳密な姿勢安定制御を高速で実現することができる。   As a result, the ZMP equation can be assembled directly with the foot closest to the ZMP position, and more precise posture stabilization control that does not depend on the preconditions described above can be realized at high speed.

また、さらに多くの質量操作量を制御システムに組み込むことができ、主に動作の安定性に用いる部位(腰部)に配設された加速度センサ及び姿勢センサによる直接計測結果との協働的作用により、上述したような前提条件に依存しないような脚式移動ロボットの姿勢安定制御を実現することができる。   In addition, a larger amount of mass operation can be incorporated into the control system, and the cooperative operation with the direct measurement results by the acceleration sensor and the posture sensor, which are arranged mainly at the part (waist) used for stability of operation, In addition, it is possible to realize the posture stabilization control of the legged mobile robot that does not depend on the preconditions described above.

なお、機体上に分散配置された前記加速度センサ同士が直列的に接続することにより、個々の制御点において前記加速度センサの加速度情報に基づいて算出される前記ZMP方程式又は運動方程式上のモーメント項や外力項を、接続経路に従って各制御対象点において順次加算していくことによって、これらの総和を効率的に計算することができる。したがって、接続経路に従って、このような加算処理を逐次繰り返していくことにより、中央コントローラに演算結果が到達するときには、ZMP方程式を構成するモーメント項又は運動方程式を構成する並進力項が既に求められているので、これら方程式を利用した機体の姿勢安定制御を効率的且つ高速に実現することができる。   In addition, by connecting the acceleration sensors dispersedly arranged on the fuselage in series, a moment term in the ZMP equation or the equation of motion calculated at each control point based on the acceleration information of the acceleration sensor, By sequentially adding the external force term at each control target point according to the connection path, the sum of these can be efficiently calculated. Therefore, by sequentially repeating such addition processing according to the connection path, when the calculation result reaches the central controller, the moment term constituting the ZMP equation or the translation force term constituting the motion equation has already been obtained. Therefore, stable attitude control of the aircraft using these equations can be realized efficiently and at high speed.

本発明によれば、ZMPを姿勢安定度判別規範に用いて運動中の機体の姿勢を安定化制御することができる、優れた移動体装置を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the outstanding mobile body apparatus which can stabilize and control the attitude | position of the body at the time of exercise | movement using ZMP as attitude | position stability determination criteria can be provided.

また、本発明によれば、ZMP方程式又は運動方程式を高速且つ高精度に導き出すことによってより厳密な姿勢安定制御を行なうことを可能にする、優れた移動体装置を提供することができる。   Further, according to the present invention, it is possible to provide an excellent moving body device that can perform more precise posture stability control by deriving a ZMP equation or a motion equation with high speed and high accuracy.

また、本発明によれば、機体上の各部に設置されたセンサからの計測値に基づいて導入されたZMP方程式又は運動方程式を用いて未知外力モーメント及び未知外力を同定して運動制御を好適に行なうことができる、優れた移動体装置を提供することができる。   Further, according to the present invention, it is preferable to identify the unknown external force moment and the unknown external force using the ZMP equation or the equation of motion introduced based on the measurement values from the sensors installed in the various parts on the body, and to suitably perform the motion control. It is possible to provide an excellent mobile device capable of performing the operation.

本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。   Further objects, features, and advantages of the present invention will become apparent from more detailed descriptions based on embodiments of the present invention described below and the accompanying drawings.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

A.脚式移動ロボットの機械的構成
図1及び図2には本発明の実施に供される「人間形」又は「人間型」の脚式移動ロボット100が直立している様子を前方及び後方の各々から眺望した様子を示している。図示の通り、脚式移動ロボット100は、胴体部と、頭部と、左右の上肢部と、脚式移動を行なう左右2足の下肢部とで構成され、例えば胴体に内蔵されている制御部(図示しない)により機体の動作を統括的にコントロールするようになっている。
A. Mechanical Structure of Legged Mobile Robot FIG. 1 and FIG. 2 show that the “humanoid” or “humanoid” legged mobile robot 100 used in the embodiment of the present invention is standing upright and forward. The view from above is shown. As shown in the figure, the legged mobile robot 100 includes a torso, a head, left and right upper limbs, and two left and right lower limbs performing legged movement. For example, a control unit built in the torso (Not shown) controls the operation of the aircraft in a comprehensive manner.

左右各々の下肢は、大腿部と、膝関節と、脛部と、足首と、足平とで構成され、股関節によって体幹部の略最下端にて連結されている。また、左右各々の上肢は、上腕と、肘関節と、前腕とで構成され、肩関節によって体幹部の上方の左右各側縁にて連結されている。また、頭部は、首関節によって体幹部の略最上端中央に連結されている。   Each of the left and right lower limbs includes a thigh, a knee joint, a shin, an ankle, and a foot, and is connected at a substantially lowermost end of the trunk by a hip joint. Each of the left and right upper limbs is composed of an upper arm, an elbow joint, and a forearm, and is connected at the left and right side edges above the trunk by a shoulder joint. The head is connected to the center of the uppermost end of the trunk by a neck joint.

制御部は、この脚式移動ロボット100を構成する各関節アクチュエータの駆動制御や各センサ(後述)などからの外部入力を処理するコントローラ(主制御部)や、電源回路その他の周辺機器類を搭載した筐体である。制御部は、その他、遠隔操作用の通信インターフェースや通信装置を含んでいてもよい。   The control unit includes a controller (main control unit) that processes drive control of each joint actuator constituting the legged mobile robot 100 and processes an external input from each sensor (described later) and a power supply circuit and other peripheral devices. It is the case which did. The control unit may include a communication interface and a communication device for remote control.

このように構成された脚式移動ロボット100は、制御部による全身協調的な動作制御により、2足歩行を実現することができる。かかる2足歩行は、一般に、以下に示す各動作期間に分割される歩行周期を繰り返すことによって行なわれる。すなわち、   The legged mobile robot 100 configured as described above can realize bipedal walking by controlling the whole body cooperatively by the control unit. Such bipedal walking is generally performed by repeating a walking cycle divided into the following operation periods. That is,

(1)右脚を持ち上げた、左脚による単脚支持期
(2)右足が接地した両脚支持期
(3)左脚を持ち上げた、右脚による単脚支持期
(4)左足が接地した両脚支持期
(1) Right leg lifted, left leg supports single leg (2) Right leg touches both legs support period (3) Left leg lifts, right leg supports single leg period (4) Left leg touches left leg Support period

脚式移動ロボット100における歩行制御は、あらかじめ下肢の目標軌道を計画し、上記の各期間において計画軌道の修正を行なうことによって実現される。すなわち、両脚支持期では、下肢軌道の修正を停止して、計画軌道に対する総修正量を用いて腰の高さを一定値で修正する。また、単脚支持期では、修正を受けた脚の足首と腰との相対位置関係を計画軌道に復帰させるように修正軌道を生成する。   Walking control in the legged mobile robot 100 is realized by planning a target trajectory of the lower limb in advance and correcting the planned trajectory in each of the above periods. That is, in the two-leg support period, the correction of the lower limb trajectory is stopped, and the waist height is corrected to a constant value using the total correction amount for the planned trajectory. In the single leg support period, a corrected trajectory is generated so that the relative positional relationship between the ankle and the waist of the corrected leg is returned to the planned trajectory.

歩行動作の軌道修正を始めとして、機体の姿勢安定制御には、一般に、ZMPに対する偏差を小さくするための位置、速度、及び加速度が連続となるように、5次多項式を用いた補間計算により行なう。ZMPを歩行の安定度判別の規範として用いている。ZMPによる安定度判別規範は、歩行系から路面には重力と慣性力、並びにこれらのモーメントが路面から歩行系への反作用としての床反力並びに床反力モーメントとバランスするという「ダランベールの原理」に基づく。力学的推論の帰結として、足底接地点と路面の形成する支持多角形の内側にピッチ軸及びロール軸モーメントがゼロとなるZMPが存在する。   In general, the attitude stabilization control of the fuselage, including the correction of the trajectory of the walking motion, is performed by interpolation calculation using a fifth-order polynomial so that the position, velocity, and acceleration for reducing the deviation from ZMP are continuous. . ZMP is used as a criterion for determining the stability of walking. The stability discrimination standard based on ZMP is based on the principle of “Dallambert” that gravity and inertia force from the walking system to the road surface and these moments balance the floor reaction force and the floor reaction force moment as a reaction from the road surface to the walking system. based on. As a result of the mechanical inference, there is a ZMP in which the pitch axis and the roll axis moment become zero inside the supporting polygon formed by the sole contact point and the road surface.

図3には、この脚式移動ロボット100が具備する関節自由度構成を模式的に示している。同図に示すように、脚式移動ロボット100は、2本の腕部と頭部1を含む上肢と、移動動作を実現する2本の脚部からなる下肢と、上肢と下肢とを連結する体幹部とで構成された、複数の肢を備えた構造体である。   FIG. 3 schematically shows a configuration of the degrees of freedom of the joints included in the legged mobile robot 100. As shown in the figure, the legged mobile robot 100 connects an upper limb including two arms and a head 1, a lower limb including two legs for realizing a moving operation, and an upper limb and a lower limb. This is a structure including a plurality of limbs and a trunk.

頭部を支持する首関節(Neck)は、首関節ヨー軸1と、第1及び第2の首関節ピッチ軸2a及び2bと、首関節ロール軸3という3自由度を有している。   The neck joint (Neck) that supports the head has three degrees of freedom: a neck joint yaw axis 1, first and second neck joint pitch axes 2a and 2b, and a neck joint roll axis 3.

また、各腕部は、その自由度として、肩(Shoulder)における肩関節ピッチ軸4と、肩関節ロール軸5と、上腕ヨー軸6、肘(Elbow)における肘関節ピッチ軸7と、手首(Wrist)における手首関節ヨー軸8と、手部とで構成される。手部は、実際には、複数本の指を含む多関節・多自由度構造体である。   Each arm has, as its degrees of freedom, a shoulder joint pitch axis 4 at the shoulder (Shoulder), a shoulder joint roll axis 5, an upper arm yaw axis 6, an elbow joint pitch axis 7 at the elbow (Elbow), and a wrist ( (Wrist) and a hand part. The hand is actually a multi-joint / multi-degree-of-freedom structure including a plurality of fingers.

また、体幹部(Trunk)は、体幹ピッチ軸9と、体幹ロール軸10という2自由度を有する。   The trunk (Trunk) has two degrees of freedom: a trunk pitch axis 9 and a trunk roll axis 10.

また、下肢を構成する各々の脚部は、股関節(Hip)における股関節ヨー軸11と、股関節ピッチ軸12と、股関節ロール軸13と、膝(Knee)における膝関節ピッチ軸14と、足首(Ankle)における足首関節ピッチ軸15と、足首関節ロール軸16と、足部とで構成される。   Further, each leg constituting the lower limb includes a hip joint yaw axis 11, a hip joint pitch axis 12, a hip joint roll axis 13, a knee joint pitch axis 14 in a knee (Knee), and an ankle (Ankle) in a hip joint (Hip). ), An ankle joint pitch axis 15, an ankle joint roll axis 16, and a foot.

但し、エンターティンメント向けの脚式移動ロボット100が上述したすべての自由度を装備しなければならない訳でも、あるいはこれに限定される訳でもない。設計・製作上の制約条件や要求仕様などに応じて、自由度すなわち関節数を適宜増減することができることは言うまでもない。   However, it does not mean that the legged mobile robot 100 for entertainment must be equipped with all the degrees of freedom described above, or that the present invention is not limited to this. It goes without saying that the degree of freedom, that is, the number of joints, can be appropriately increased or decreased according to design / manufacturing constraints and required specifications.

上述したような脚式移動ロボット100が持つ各自由度は、実際にはアクチュエータを用いて実装される。外観上で余分な膨らみを排してヒトの自然体形状に近似させること、2足歩行という不安定構造体に対して姿勢制御を行なうことなどの要請から、アクチュエータは小型且つ軽量であることが好ましい。本実施形態では、ギア直結型で且つサーボ制御系をワンチップ化してモータ・ユニットに内蔵したタイプの小型ACサーボ・アクチュエータを搭載することとした(この種のACサーボ・アクチュエータに関しては、例えば本出願人に既に譲渡されている特開2000−299970号公報に開示されている)。本実施形態では、直結ギアとして低減速ギアを採用することにより、人間との物理的インタラクションを重視するタイプのロボット100に求められている駆動系自身の受動的特性を得ている。   Each degree of freedom of the legged mobile robot 100 as described above is actually implemented using an actuator. It is preferable that the actuator is small and light because of requirements such as removing excess bulges from the appearance and approximating the human body shape, and performing posture control on an unstable structure such as bipedal walking. . In this embodiment, a small AC servo actuator of a type directly connected to a gear and of a type in which the servo control system is integrated into a single motor control unit and incorporated in a motor unit is mounted (for this type of AC servo actuator, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-299970, which has already been assigned to the applicant). In the present embodiment, the passive characteristics of the drive system itself required for the robot 100 of the type that attaches importance to physical interaction with humans are obtained by adopting the reduced speed gear as the directly connected gear.

B.脚式移動ロボットの制御システム構成
図4には、脚式移動ロボット100の制御システム構成を模式的に示している。同図に示すように、脚式移動ロボット100は、ヒトの四肢を表現した各機構ユニット30、40、50R/L、60R/Lと、各機構ユニット間の協調動作を実現するための適応制御を行なう制御ユニット80とで構成される(但し、R及びLの各々は、右及び左の各々を示す接尾辞である。以下同様)。
B. Control System Configuration of Legged Mobile Robot FIG. 4 schematically shows a control system configuration of the legged mobile robot 100. As shown in the figure, the legged mobile robot 100 has mechanism units 30, 40, 50R / L and 60R / L representing human limbs and adaptive control for realizing a cooperative operation between the mechanism units. (Where R and L are suffixes indicating right and left, respectively. The same applies hereinafter).

脚式移動ロボット100全体の動作は、制御ユニット80によって統括的に制御される。制御ユニット80は、CPU(Central Processing Unit)やメモリなどの主要回路コンポーネント(図示しない)で構成される主制御部81と、電源回路やロボット100の各構成要素とのデータやコマンドの授受を行なうインターフェース(いずれも図示しない)などを含んだ周辺回路82とで構成される。   The operation of the entire legged mobile robot 100 is totally controlled by the control unit 80. The control unit 80 transmits and receives data and commands to and from a main control unit 81 composed of main circuit components (not shown) such as a CPU (Central Processing Unit) and a memory, and a power supply circuit and each component of the robot 100. A peripheral circuit 82 including an interface (both not shown) is provided.

本発明を実現する上で、この制御ユニット80の設置場所は特に限定されない。図4では体幹部ユニット40に搭載されているが、頭部ユニット30に搭載してもよい。あるいは、脚式移動ロボット100外に制御ユニット80を配備して、脚式移動ロボット100の機体とは有線若しくは無線で交信するようにしてもよい。   In realizing the present invention, the installation location of the control unit 80 is not particularly limited. In FIG. 4, it is mounted on the trunk unit 40, but may be mounted on the head unit 30. Alternatively, the control unit 80 may be provided outside the legged mobile robot 100 to communicate with the body of the legged mobile robot 100 by wire or wirelessly.

図3に示した脚式移動ロボット100内の各関節自由度は、それぞれに対応するアクチュエータによって実現される。すなわち、頭部ユニット30には、首関節ヨー軸1、首関節ピッチ軸2、首関節ロール軸3の各々を表現する首関節ヨー軸アクチュエータA1、首関節ピッチ軸アクチュエータA2、首関節ロール軸アクチュエータA3が配設されている。 Each joint degree of freedom in the legged mobile robot 100 shown in FIG. 3 is realized by an actuator corresponding to each joint. That is, the head unit 30 includes a neck joint yaw axis actuator A 1 , a neck joint pitch axis actuator A 2 expressing each of the neck joint yaw axis 1, the neck joint pitch axis 2 and the neck joint roll axis 3, a neck joint roll. axis actuator A 3 is arranged.

また、体幹部ユニット40には、体幹ピッチ軸9、体幹ロール軸10の各々を表現する体幹ピッチ軸アクチュエータA9、体幹ロール軸アクチュエータA10が配設されている。 Further, the trunk unit 40 is provided with a trunk pitch axis actuator A 9 and a trunk roll axis actuator A 10 representing the trunk pitch axis 9 and the trunk roll axis 10, respectively.

また、腕部ユニット50R/Lは、上腕ユニット51R/Lと、肘関節ユニット52R/Lと、前腕ユニット53R/Lに細分化されるが、肩関節ピッチ軸4、肩関節ロール軸5、上腕ヨー軸6、肘関節ピッチ軸7、手首関節ヨー軸8の各々を表現する肩関節ピッチ軸アクチュエータA4、肩関節ロール軸アクチュエータA5、上腕ヨー軸アクチュエータA6、肘関節ピッチ軸アクチュエータA7、手首関節ヨー軸アクチュエータA8が配設されている。 The arm unit 50R / L is subdivided into an upper arm unit 51R / L, an elbow joint unit 52R / L, and a forearm unit 53R / L. The shoulder joint pitch axis 4, shoulder joint roll axis 5, upper arm The shoulder pitch axis actuator A 4 , the shoulder roll axis actuator A 5 , the upper arm yaw axis actuator A 6 , and the elbow joint pitch axis actuator A 7 representing the yaw axis 6, the elbow joint pitch axis 7 and the wrist joint yaw axis 8, respectively. , wrist joint yaw axis actuator A 8 is arranged.

また、脚部ユニット60R/Lは、大腿部ユニット61R/Lと、膝ユニット62R/Lと、脛部ユニット63R/Lに細分化されるが、股関節ヨー軸11、股関節ピッチ軸12、股関節ロール軸13、膝関節ピッチ軸14、足首関節ピッチ軸15、足首関節ロール軸16の各々を表現する股関節ヨー軸アクチュエータA11、股関節ピッチ軸アクチュエータA12、股関節ロール軸アクチュエータA13、膝関節ピッチ軸アクチュエータA14、足首関節ピッチ軸アクチュエータA15、足首関節ロール軸アクチュエータA16が配設されている。 The leg unit 60R / L is subdivided into a thigh unit 61R / L, a knee unit 62R / L, and a shin unit 63R / L. The hip joint yaw axis 11, the hip joint pitch axis 12, and the hip joint A hip joint yaw axis actuator A 11 , a hip joint pitch axis actuator A 12 , a hip joint roll axis actuator A 13 that expresses each of the roll axis 13, the knee joint pitch axis 14, the ankle joint pitch axis 15, and the ankle joint roll axis 16, the knee joint pitch An axis actuator A 14 , an ankle joint pitch axis actuator A 15 , and an ankle joint roll axis actuator A 16 are provided.

各関節に用いられるアクチュエータA1、A2、A3…は、より好ましくは、ギア直結型で且つサーボ制御系をワンチップ化してモータ・ユニット内に搭載したタイプの小型ACサーボ・アクチュエータ(前述)で構成することができる。 The actuators A 1 , A 2 , A 3 ... Used for the respective joints are more preferably small-sized AC servo actuators of the type directly connected to a gear and integrated in a motor unit with a single-chip servo control system (described above). ).

頭部ユニット30、体幹部ユニット40、腕部ユニット50、各脚部ユニット60などの機構ユニット毎に、アクチュエータ駆動制御用の副制御部35、45、55、65が配設されている。   Sub-control units 35, 45, 55, and 65 for actuator drive control are provided for each mechanism unit such as the head unit 30, the trunk unit 40, the arm unit 50, and each leg unit 60.

機体の体幹部40には、加速度センサ95と姿勢センサ96が配設されている。加速度センサ95は、X、Y、Z各軸方向に配置する。機体の腰部に加速度センサ95を配設することによって、質量操作量が大きな部位である腰部を制御対象点として設定して、その位置における姿勢や加速度を直接計測して、ZMPに基づく姿勢安定制御を行なうことができる。   An acceleration sensor 95 and a posture sensor 96 are provided on the trunk 40 of the body. The acceleration sensor 95 is disposed in each of the X, Y, and Z axis directions. By arranging the acceleration sensor 95 on the waist of the body, the waist, which is a part where the mass operation amount is large, is set as the control target point, and the posture and acceleration at that position are directly measured, and the posture stability control based on ZMP is performed. Can be performed.

また、各脚部60R及び60Lには、接地確認センサ91及び92と、加速度センサ93及び94がそれぞれ配設されている。接地確認センサ91及び92は、例えば足底に圧力センサを装着することにより構成され、床反力の有無により足底が着床したか否かを検出することができる。また、加速度センサ93及び94は、少なくともX及びYの各軸方向に配置する。左右の足部に加速度センサ93及び94を配設することにより、ZMP位置に最も近い足部で直接ZMP方程式を組み立てることができる。   In addition, grounding confirmation sensors 91 and 92 and acceleration sensors 93 and 94 are disposed on the legs 60R and 60L, respectively. The ground contact confirmation sensors 91 and 92 are configured by attaching a pressure sensor to the sole, for example, and can detect whether the sole has landed on the basis of the presence or absence of a floor reaction force. The acceleration sensors 93 and 94 are arranged at least in the X and Y axis directions. By arranging the acceleration sensors 93 and 94 on the left and right feet, the ZMP equation can be assembled directly with the feet closest to the ZMP position.

質量操作量が大きな部位である腰部にのみ加速度センサを配置した場合、腰部のみが制御対象点に設定され、足部の状態は、この制御対象点の計算結果を基に相対的に算出しなければならず、足部と路面との間では以下の条件を満たすことが、前提となってしまう。   When the acceleration sensor is placed only on the waist, which is a part where the mass operation amount is large, only the waist is set as the control target point, and the state of the foot must be calculated relatively based on the calculation result of this control target point. It is necessary to satisfy the following conditions between the foot and the road surface.

(1)路面はどんな力やトルクが作用しても動くことがない。
(2)路面での並進に対する摩擦係数は充分に大きく、滑りが生じない。
(1) The road surface does not move under any force or torque.
(2) The coefficient of friction against translation on the road surface is sufficiently large and no slip occurs.

これに対し、本実施形態では、路面との接触部位である足部にZMPと力を直接計測する反力センサ・システム(床反力センサなど)を配備するとともに、制御に用いるローカル座標とその座標を直接的に計測するための加速度センサを配設する。この結果、ZMP位置に最も近い足部で直接ZMP方程式を組み立てることができ、上述したような前提条件に依存しない、より厳密な姿勢安定制御を高速で実現することができる。この結果、力やトルクが作用すると路面が動いてしまう砂利上や毛足の長い絨毯上や、並進の摩擦係数が充分に確保できずに滑りが生じ易い住居のタイルなどであっても、機体の安定歩行(運動)を保証することができる。   On the other hand, in the present embodiment, a reaction force sensor system (a floor reaction force sensor or the like) for directly measuring ZMP and force is provided on a foot portion that is a contact portion with a road surface, and the local coordinates used for control and the An acceleration sensor for directly measuring coordinates is provided. As a result, the ZMP equation can be assembled directly with the foot closest to the ZMP position, and more precise posture stabilization control that does not depend on the preconditions described above can be realized at high speed. As a result, even on a gravel or a carpet with long fluff that the road surface moves when force or torque is applied, or on a residential tile where slippage tends to occur due to a lack of sufficient friction coefficient for translation, Stable walking (exercise) can be guaranteed.

主制御部80は、各センサ91〜93の出力に応答して制御目標をダイナミックに補正することができる。より具体的には、副制御部35、45、55、65の各々に対して適応的な制御を行ない、脚式移動ロボット100の上肢、体幹、及び下肢が協調して駆動する全身運動パターンを実現する。   The main control unit 80 can dynamically correct the control target in response to the outputs of the sensors 91 to 93. More specifically, a whole body motion pattern in which the upper limb, the trunk, and the lower limb of the legged mobile robot 100 are driven in a coordinated manner by performing adaptive control on each of the sub-control units 35, 45, 55, and 65. To achieve.

ロボット100の機体上での全身運動は、足部運動、軌道、体幹運動、上肢運動、腰部高さなどを設定するとともに、これらの設定内容に従った動作を指示するコマンドを各副制御部35、45、55、65に転送する。そして、各々の副制御部35、45…では、主制御部81からの受信コマンドを解釈して、各アクチュエータA1、A2、A3…に対して駆動制御信号を出力する。ここで、ZMPは歩行中の床反力によるモーメントがゼロとなる床面上の点のことであり、「ZMP軌道」とは、例えばロボット100の歩行動作期間中にZMPが動く軌跡を意味する。 The whole body movement on the body of the robot 100 sets foot movement, trajectory, trunk movement, upper limb movement, waist height, and the like, and issues a command for instructing an operation in accordance with these setting contents to each sub-control unit. Transfer to 35, 45, 55, 65. Then, in each of the sub-control section 35, 45 ... interprets the command received from the main control unit 81 outputs a drive control signal to the actuators A 1, A 2, A 3 .... Here, the ZMP is a point on the floor at which the moment due to the floor reaction force during walking becomes zero, and the “ZMP trajectory” means, for example, a trajectory where the ZMP moves during the walking operation of the robot 100. .

C.脚式移動ロボットの姿勢安定制御
次いで、本実施形態に係る脚式移動ロボット100における、脚式作業時すなわち足部、腰、体幹、下肢運動などからなる全身協調運動の実行時における姿勢の安定化処理の手順について説明する。
C. Posture stability control of the legged mobile robot Next, in the legged mobile robot 100 according to the present embodiment, the posture stability during the legged work, that is, the execution of the whole body cooperative movement including the foot, waist, trunk, and lower limb movements. The procedure of the conversion process will be described.

本実施形態に係る姿勢安定制御は、ZMPを安定度判別規範に用いる。ZMPを安定度判別規範に用いたロボットの姿勢安定度制御は、基本的には足底接地点と路面の形成する支持多角形の内側にモーメントがゼロとなる点を探索することにある。すなわち、ロボットの機体に印加される各モーメントの釣合い関係を記述したZMP方程式を導出して、このZMP方程式上で現れるモーメント・エラーを打ち消すように機体の目標軌道を修正する。   The posture stability control according to the present embodiment uses ZMP as a stability determination criterion. The posture stability control of a robot using ZMP as a stability discrimination criterion basically consists in searching for a point where the moment becomes zero inside a support polygon formed by a sole and a road surface. That is, a ZMP equation describing a balance relationship of each moment applied to the robot body is derived, and the target trajectory of the body is corrected so as to cancel a moment error appearing on the ZMP equation.

本実施形態では、ロボットの機体上の制御対象点として質量操作量が最大となる部位、例えば腰部をローカル座標原点に設定する。そして、この制御対象点に加速度センサなどの計測手段を配置して、その位置における姿勢や加速度を直接計測して、ZMPに基づく姿勢安定制御を行なう。さらに路面との接触部位である足部に加速度センサを配備することにより、制御に用いるローカル座標とその座標を直接的に計測して、ZMP位置に最も近い足部で直接ZMP方程式を組み立てる。   In the present embodiment, a region where the mass operation amount is maximum, for example, a waist, is set as a local coordinate origin as a control target point on the robot body. Then, a measuring means such as an acceleration sensor is arranged at the control target point, and the posture and acceleration at that position are directly measured to perform posture stability control based on ZMP. Further, by arranging an acceleration sensor on the foot which is a contact portion with the road surface, the local coordinates used for control and the coordinates are directly measured, and the ZMP equation is directly assembled with the foot closest to the ZMP position.

C−1.ZMP方程式の導入
本実施形態に係る脚式移動ロボット100は無限のすなわち連続的な質点の集合体である。但し、ここでは有限数で離散的な質点からなる近似モデルに置き換えることによって、安定化処理のための計算量を削減するようにしている。より具体的には物理的には図3に示す多関節自由度構成を具備する脚式移動ロボット100を、図5に示すように多質点近似モデルに置き換えて取り扱う。図示の近似モデルは、線形且つ非干渉の多質点近似モデルである。
C-1. Introduction of ZMP Equation The legged mobile robot 100 according to the present embodiment is an aggregate of infinite, that is, continuous mass points. In this case, however, the amount of calculation for stabilization processing is reduced by replacing the model with an approximate model having a finite number of discrete mass points. More specifically, the legged mobile robot 100 physically having the multi-joint degree of freedom configuration shown in FIG. 3 is handled by replacing it with a multi-mass point approximation model as shown in FIG. The illustrated approximation model is a linear and non-interfering multi-mass approximation model.

図5において、O−XYZ座標系は絶対座標系におけるロール、ピッチ、ヨー各軸を表し、また、O'−X'Y'Z'座標系はロボット100とともに動く運動座標系におけるロール、ピッチ、ヨー各軸を表している。但し、図中におけるパラメータの意味は以下の通りである。また、ダッシュ(´)付きの記号は運動座標系を記述するものと理解されたい。   In FIG. 5, the O-XYZ coordinate system represents the roll, pitch, and yaw axes in the absolute coordinate system, and the O′-X′Y′Z ′ coordinate system represents the roll, pitch, Each yaw axis is shown. However, the meanings of the parameters in the figure are as follows. It should also be understood that symbols with a dash (') describe a motion coordinate system.

Figure 0003568527
Figure 0003568527

同図に示す多質点モデルでは、iはi番目に与えられた質点を表す添え字であり、miはi番目の質点の質量、r'iはi番目の質点の位置ベクトル(但し運動座標系)を表すものとする。本実施形態に係る脚式移動ロボット100の機体重心は腰部付近に存在する。すなわち、腰部は、質量操作量が最大となる質点であり、図5では、その質量はmh、その位置ベクトル(但し運動座標系)はr'h(r'hx,r'hy,r'hz)とする。また、機体のZMPの位置ベクトル(但し運動座標系)をr'zmp(r'zmpx,r'zmpy,r'zmpz)とする。 The multi-mass point model shown in FIG, i is a subscript representing a mass given to i-th, m i is the i-th material point mass, r 'i is the i-th material point of the position vector (where motion coordinates System). The machine center of gravity of the legged mobile robot 100 according to the present embodiment exists near the waist. That is, the waist is a mass point where the mass operation amount becomes the maximum, in FIG. 5, the mass m h, its position vector (although moving coordinate system) is r 'h (r' hx, r 'hy, r' hz ). The ZMP position vector (movement coordinate system) of the aircraft is r ′ zmp (r ′ zmpx , r ′ zmpy , r ′ zmpz ).

世界座標系O−XYZは絶対座標系であり、不変である。本実施形態に係る脚式移動ロボット100は、腰部と両脚の足部にそれぞれ加速度センサ93、94、96が配置されており、これらセンサ出力により腰部並びに立脚それぞれと世界座標系の相対位置ベクトルrqが検出される。これに対し、運動座標系すなわち機体のローカル座標系はO−X’Y’Z’は、ロボットともに動く。 The world coordinate system O-XYZ is an absolute coordinate system and is invariable. In the legged mobile robot 100 according to the present embodiment, acceleration sensors 93, 94, and 96 are disposed on the lower back and the legs of both legs, respectively. q is detected. On the other hand, in the motion coordinate system, that is, in the local coordinate system of the body, OX'Y'Z 'moves with the robot.

多質点モデルは、言わば、ワイヤフレーム・モデルの形態でロボットを表現したものである。図5を見ても判るように、多質点近似モデルは、両肩、両肘、両手首、体幹、腰部、及び、両足首の各々を質点として設定される。図示の非厳密の多質点近似モデルにおいては、モーメント式は線形方程式の形式で記述され、該モーメント式はピッチ軸及びロール軸に関して干渉しない。多質点近似モデルは、概ね以下の処理手順により生成することができる。   The multi-mass model is a representation of a robot in the form of a wireframe model. As can be seen from FIG. 5, the multi-mass point approximation model is set with each of the shoulders, both elbows, both wrists, trunk, waist, and both ankles as mass points. In the illustrated non-rigid multi-mass approximation model, the moment equation is described in the form of a linear equation, which does not interfere with the pitch and roll axes. The multi-mass point approximation model can be generally generated by the following processing procedure.

(1)ロボット100全体の質量分布を求める。
(2)質点を設定する。質点の設定方法は、設計者のマニュアル入力であっても、所定の規則に従った自動生成のいずれでも構わない。
(3)領域i毎に、重心を求め、その重心位置と質量miを該当する質点に付与する。
(4)各質点miを、質点位置riを中心とし、その質量に比例した半径に持つ球体として表示する。
(5)現実に連結関係のある質点すなわち球体同士を連結する。
(1) The mass distribution of the entire robot 100 is obtained.
(2) Set a mass point. The method of setting the mass may be either manual input by a designer or automatic generation according to a predetermined rule.
(3) for each region i, obtains the center of gravity, it is applied to the mass to the appropriate position of the center of gravity and mass m i.
(4) the mass points m i, centered on the mass point position r i, to display as a sphere having a radius proportional to its mass.
(5) The masses that are actually connected, that is, the spheres are connected.

なお、図6に示す多質点モデルにおいて、基体すなわち腰部情報における各回転角(θhx,θhy,θhz)は、脚式移動ロボット100における腰部の姿勢すなわちロール、ピッチ、ヨー軸の回転を規定するものである。 In the multi-mass model shown in FIG. 6, each rotation angle (θ hx , θ hy , θ hz ) in the base, that is, the waist information, indicates the posture of the waist in the legged mobile robot 100, that is, the rotation of the roll, pitch, and yaw axes. It is specified.

機体のZMP方程式は、制御対象点において印加される各モーメントの釣合い関係を記述したものである。図6に示したように、機体を多数の質点miで表わし、これらを制御対象点とした場合、すべての制御対象点miにおいて印加されるモーメントの総和を求める式がZMP方程式である。 The ZMP equation of the fuselage describes the balance of each moment applied at the control target point. As shown in FIG. 6 represents the body in a number of mass points m i, when the these control target points, obtaining the sum of the moments applied at all the controlled object points m i Formula is ZMP equation.

世界座標系(O−XYZ)で記述された機体のZMP方程式、並びに機体のローカル座標系(O−X’Y’Z’)はそれぞれ以下の通りとなる。   The ZMP equation of the aircraft described in the world coordinate system (O-XYZ) and the local coordinate system (O-X'Y'Z ') of the aircraft are as follows.

Figure 0003568527
Figure 0003568527

上式は、各質点miにおいて印加された加速度成分により生成されるZMP回り(半径ri−rzmp)のモーメントの総和と、各質点miに印加された外力モーメントMiの総和と、外力Fkにより生成されるZMP回り(k番目の外力Fkの作用点をskとする)のモーメントの総和が釣り合うということを記述している。 The above equation, the sum of the moments of ZMP around produced by the acceleration component applied at each mass point m i (radius r i -r ZMP), the sum of external force moment M i applied to each of the mass points m i, It describes that the sum of moments around the ZMP generated by the external force F k (the point of action of the k-th external force F k is s k ) is balanced.

このZMP釣合い方程式は、総モーメント補償量すなわちモーメント・エラー成分Tを含んでいる。このモーメント・エラーをゼロ又は所定の許容範囲内に抑えることによって、機体の姿勢安定性が維持される。言い換えれば、モーメント・エラーをゼロ又は許容値以下となるように機体運動(足部運動や上半身の各部位の軌道)を修正することが、ZMPを安定度判別規範とした姿勢安定制御の本質である。   This ZMP balance equation includes a total moment compensation amount, that is, a moment error component T. By keeping this moment error at zero or within a predetermined tolerance, the attitude stability of the aircraft is maintained. In other words, correcting the body motion (foot motion or the trajectory of each part of the upper body) so that the moment error becomes zero or less than the allowable value is the essence of the posture stability control using the ZMP as a stability determination criterion. is there.

本実施形態では、腰部と左右の足部にそれぞれ加速度センサ96、93及び94が配設されているので、これらの制御対象点における加速度計測結果を用いて直接的に且つ高精度に上記のZMP釣合い方程式を導出することができる。この結果、高速でより厳密な姿勢安定制御を実現することができる。   In the present embodiment, since the acceleration sensors 96, 93 and 94 are provided on the waist and the left and right feet, respectively, the ZMP is directly and accurately performed using the acceleration measurement results at these control target points. A balance equation can be derived. As a result, high-speed and more strict posture stability control can be realized.

C−2.全身協調型の姿勢安定制御
図7には、脚式移動ロボット100において安定歩行可能な機体運動を生成するための処理手順をフローチャートの形式で示している。但し、以下の説明では、図5及び図6に示すような線形・非干渉多質点近似モデルを用いて脚式移動ロボット100の各関節位置や動作を記述するものとする。
C-2. Whole Body Cooperative Posture Stability Control FIG. 7 is a flowchart showing a processing procedure for generating a body motion capable of stably walking in the legged mobile robot 100. However, in the following description, the joint positions and motions of the legged mobile robot 100 are described using a linear / non-interfering multi-mass point approximation model as shown in FIGS.

まず、足部運動の設定を行なう(ステップS1)。足部運動は、2以上の機体のポーズを時系列的に連結されてなるモーション・データである。   First, the foot motion is set (step S1). The foot motion is motion data in which two or more aircraft poses are connected in chronological order.

モーション・データは、例えば、足部の各関節角の変位を表わした関節空間情報と、関節位置を表わしたデカルト空間情報で構成される。モーション・データは、コンソール画面上での手付け入力や、機体へのダイレクト・ティーチング(直接教示)、あるいはモーション編集用のオーサリング・システム上で構築したりすることができる。   The motion data is composed of, for example, joint space information indicating displacement of each joint angle of the foot and Cartesian space information indicating joint positions. Motion data can be manually input on a console screen, direct teaching (direct teaching) to an airframe, or constructed on an authoring system for motion editing.

次いで、設定された足部運動を基にZMP安定領域を算出する(ステップS2)。ZMPは、機体に印加されるモーメントがゼロとなる点であり、基本的には足底接地点と路面の形成する支持多角形の内側に存在する。ZMP安定領域は、この支持多角形のさらに内側に設定された領域であり、該領域にZMPを収容させることによって機体を高度に安定した状態にすることができる。   Next, a ZMP stable area is calculated based on the set foot motion (step S2). The ZMP is a point where the moment applied to the airframe becomes zero, and basically exists inside the support polygon formed by the sole contact point and the road surface. The ZMP stable region is a region set further inside the supporting polygon, and the ZMP can be accommodated in this region to make the aircraft highly stable.

そして、足部運動とZMP安定領域を基に、足部運動中におけるZMP軌道を設定する(ステップS3)。   Then, a ZMP trajectory during the foot motion is set based on the foot motion and the ZMP stable area (step S3).

また、機体の上半身(股関節より上側)の各部位については、腰部、体幹部、上肢、頭部などのようにグループ設定する(ステップS11)。   In addition, for each part of the upper body (above the hip joint) of the body, a group is set such as a waist, a trunk, an upper limb, and a head (step S11).

そして、部位グループ毎に希望軌道を設定する(ステップS12)。上半身における希望軌道の設定は、足部の場合と同様に、コンソール画面上での手付け入力や、機体へのダイレクト・ティーチング(直接教示)、あるいはモーション編集用のオーサリング・システム上で構築したりすることができる。   Then, a desired trajectory is set for each part group (step S12). The desired trajectory for the upper body is set, as in the case of the feet, by manual input on the console screen, direct teaching (direct teaching) to the fuselage, or on an authoring system for motion editing. be able to.

次いで、各部位のグループ設定の調整(再グルーピング)を行ない(ステップS13)、さらにこれらグループに対して優先順位を与える(ステップS14)。   Next, the group setting of each part is adjusted (re-grouping) (step S13), and priorities are given to these groups (step S14).

ここで言う優先順位とは、機体を姿勢安定制御するための処理演算に投入する順位のことであり、例えば質量操作量に応じて割り振られる。この結果、機体上半身についての各部位についての優先順位付き希望軌道群が出来上がる。ロボットの姿勢に応じて、目標軌道間での優先順位の変更を行なうようにしてもよい。   Here, the priority refers to the order of input to the processing calculation for stabilizing the attitude of the aircraft, and is assigned according to, for example, the mass operation amount. As a result, a desired trajectory group with priority for each part of the upper body of the aircraft is completed. The priority may be changed between the target trajectories according to the posture of the robot.

また、機体上半身の各部位グループ毎に、モーメント補償に利用できる質量を算出しておく(ステップS15)。   In addition, a mass that can be used for moment compensation is calculated for each of the body groups of the upper body (step S15).

そして、足部運動とZMP軌道、並びに上半身の各部位グループ毎の希望軌道群を基に、ステップS14により設定された優先順位に従って、各部位グループの運動パターンを姿勢安定化処理に投入する。   Then, based on the foot motion, the ZMP trajectory, and the desired trajectory group for each upper body part group, the exercise pattern of each part group is input to the posture stabilization process in accordance with the priority set in step S14.

この姿勢安定化処理では、まず、処理変数iに初期値1を代入する(ステップS20)。そして、優先順位が先頭からi番目までの部位グループについての目標軌道設定時における、目標ZMP上でのモーメント量すなわち総モーメント補償量を算出する(ステップS21)。目標軌道が算出されていない部位については、希望軌道を用いる。   In this posture stabilization processing, first, an initial value 1 is substituted for a processing variable i (step S20). Then, the moment amount on the target ZMP, that is, the total moment compensation amount at the time of setting the target trajectory for the i-th part group from the top is calculated (step S21). For a part for which the target trajectory has not been calculated, the desired trajectory is used.

次いで、ステップS15において算出された当該部位のモーメント補償に利用できる質量を用いて、そのモーメント補償量を設定して(ステップS22)、モーメント補償量を算出する(ステップS23)。   Next, the amount of moment compensation is set using the mass that can be used for the moment compensation of the part calculated in step S15 (step S22), and the moment compensation amount is calculated (step S23).

次いで、算出されたi番目の部位のモーメント補償量を用いて、i番目の部位についてのZMP方程式を導出して(ステップS24)、当該部位のモーメント補償運動を算出することにより(ステップS25)、優先順位が先頭からi番目までの部位についての目標軌道を得ることができる。   Next, using the calculated moment compensation amount of the i-th part, a ZMP equation for the i-th part is derived (step S24), and the moment compensation movement of the part is calculated (step S25). It is possible to obtain the target trajectory for the i-th part from the top in the priority order.

このような処理をすべての部位グループについて行なうことにより、安定運動(例えば歩行)が可能な全身運動パターンが生成される。すなわち、ZMP方程式(あるいは運動方程式(後述))の解と各部位に与えられた優先順位に従がって、各目標軌道の全部又は一部に対して修正を行なうことで、全身運動パターンが生成される。   By performing such processing for all the part groups, a whole body movement pattern capable of stable movement (for example, walking) is generated. That is, by correcting all or a part of each target trajectory according to the solution of the ZMP equation (or the equation of motion (to be described later)) and the priority given to each part, the whole body motion pattern becomes Generated.

図7に示した機体運動パターン生成の処理手順では、まず足部運動を設定し安定領域を算出しZMP軌道の設定を行なってから、上半身の各部位における希望軌道の優先順位の設定を行なうように構成されているが、処理順序はこれに限定されない。例えば、上半身の各部位における希望軌道の優先順位を先に設定してから、ZMP安定領域の算出並びにZMP軌道の設定を行なうようにしてもよい。前者の場合、先に設定したZMP軌道に従がって上半身の各部位における希望軌道の優先順位が設定されるのに対し、後者の場合、先に設定された上半身の各部位の希望軌道を維持するように安定領域の算出並びにZMP軌道が設定される。   In the processing procedure for generating the body motion pattern shown in FIG. 7, first, the foot motion is set, the stable region is calculated, the ZMP trajectory is set, and then the priority order of the desired trajectory in each part of the upper body is set. , But the processing order is not limited to this. For example, the priority of the desired trajectory in each part of the upper body may be set first, and then the calculation of the ZMP stable area and the setting of the ZMP trajectory may be performed. In the former case, the priority order of the desired trajectory in each part of the upper body is set according to the previously set ZMP trajectory, whereas in the latter case, the desired trajectory of each part of the upper body set earlier is determined. The calculation of the stable region and the ZMP trajectory are set so as to be maintained.

図8には、各部位の希望軌道の優先順位を先に設定してから、ZMP安定領域の算出並びにZMP軌道の設定を行なう機体運動の生成処理手順をフローチャートの形式で示している。   FIG. 8 shows, in the form of a flowchart, a processing procedure for generating a body motion for calculating the ZMP stable area and setting the ZMP trajectory after setting the priority order of the desired trajectory of each part first.

まず、機体の上半身(股関節より上側)の各部位については、腰部、体幹部、上肢、頭部などのようにグループ設定する(ステップS31)。   First, for each part of the upper body of the body (above the hip joint), a group is set such as a waist, a trunk, an upper limb, and a head (step S31).

そして、部位グループ毎に希望軌道を設定する(ステップS32)。上半身における希望軌道の設定は、足部の場合と同様に、コンソール画面上での手付け入力や、機体へのダイレクト・ティーチング(直接教示)、あるいはモーション編集用のオーサリング・システム上で構築したりすることができる。   Then, a desired trajectory is set for each part group (step S32). The desired trajectory for the upper body is set, as in the case of the feet, by manual input on the console screen, direct teaching (direct teaching) to the fuselage, or on an authoring system for motion editing. be able to.

次いで、各部位のグループ設定の調整(再グルーピング)を行ない(ステップS33)、さらにこれらグループに対して優先順位を与える(ステップS34)。   Next, the group setting of each part is adjusted (re-grouping) (step S33), and priorities are given to these groups (step S34).

ここで言う優先順位とは、機体を姿勢安定制御するための処理演算に投入する順位のことであり、例えば質量操作量に応じて割り振られる。この結果、機体上半身についての各部位についての優先順位付き希望軌道群が出来上がる。   Here, the priority refers to the order of input to the processing calculation for stabilizing the attitude of the aircraft, and is assigned according to, for example, the mass operation amount. As a result, a desired trajectory group with priority for each part of the upper body of the aircraft is completed.

次いで、設定された上半身における希望軌道の優先順位を基に、ZMP安定領域を算出する(ステップS35)。そして、ZMP安定領域を基に、足部運動中におけるZMP軌道を設定する(ステップS36)。   Next, a ZMP stable area is calculated based on the set priority order of the desired orbit in the upper body (step S35). Then, a ZMP trajectory during the foot motion is set based on the ZMP stable region (step S36).

また、機体上半身の各部位グループ毎に、モーメント補償に利用できる質量を算出しておく(ステップS45)。   In addition, a mass that can be used for moment compensation is calculated for each of the body groups of the upper body (step S45).

そして、上半身の各部位グループ毎の希望軌道群とZMP軌道を基に、ステップS34により設定された優先順位に従って、各部位グループの運動パターンを姿勢安定化処理に投入する。   Then, based on the desired trajectory group and the ZMP trajectory for each upper body part group, the motion pattern of each part group is input to the posture stabilization processing in accordance with the priority set in step S34.

この姿勢安定化処理では、まず、処理変数iに初期値1を代入する(ステップS37)。そして、優先順位が先頭からi番目までの部位グループについての目標軌道設定時における、目標ZMP上でのモーメント量すなわち総モーメント補償量を算出する(ステップS38)。目標軌道が算出されていない部位については、希望軌道を用いる。   In this posture stabilization processing, first, an initial value 1 is substituted for a processing variable i (step S37). Then, the moment amount on the target ZMP, that is, the total moment compensation amount when the target trajectory is set for the i-th part group from the top is calculated (step S38). For a part for which the target trajectory has not been calculated, the desired trajectory is used.

次いで、ステップS45において算出された当該部位のモーメント補償に利用できる質量を用いて、そのモーメント補償量を設定して(ステップS39)、モーメント補償量を算出する(ステップS40)。   Next, the moment compensation amount is set using the mass that can be used for the moment compensation of the part calculated in step S45 (step S39), and the moment compensation amount is calculated (step S40).

次いで、算出されたi番目の部位のモーメント補償量を用いて、i番目の部位についてのZMP方程式を導出して(ステップS41)、当該部位のモーメント補償運動を算出することにより(ステップS42)、優先順位が先頭からi番目までの部位についての目標軌道を得ることができる。   Next, the ZMP equation for the i-th part is derived using the calculated moment compensation amount for the i-th part (step S41), and the moment compensation movement for the part is calculated (step S42). It is possible to obtain the target trajectory for the i-th part from the top in the priority order.

ここで、図7中のステップS14における希望軌道の優先順位の設定方法について説明する。   Here, a method of setting the priority order of the desired trajectory in step S14 in FIG. 7 will be described.

総モーメント補償量をΩ[Nm]とし、i部のモーメント補償に利用できる質量をMi[N]とすると(i=1,2,3,…,n)、i部のモーメント補償量はαi×Ω[Nm]となる。但し、αiは絶対モーメント補償量係数であり、相対モーメント補償量係数βiを用いて、下式のように表される。 The total moment compensation amount is Ω [Nm], the mass available for the moment compensation of the i portion and M i [N] (i = 1,2,3, ..., n), the moment compensation amount of i portions α i × Ω [Nm]. Here, α i is an absolute moment compensation amount coefficient, and is expressed by the following equation using the relative moment compensation amount coefficient β i .

Figure 0003568527
Figure 0003568527

補償量係数が0より離れるほど希望軌道の優先順位が下がる。正方向が運動の安定化に作用し、負方向が運動の安定化と逆方向に作用する。   The priority of the desired trajectory decreases as the compensation amount coefficient becomes larger than 0. The positive direction affects the motion stabilization, and the negative direction acts in the opposite direction to the motion stabilization.

以下、上半身における希望軌道の優先順位の設定方法について、具体例を参照しながら説明する。   Hereinafter, a method of setting the priority order of the desired trajectory in the upper body will be described with reference to specific examples.

図9に示すように、手で台車を運ぶような運動パターンにおいては、手部の軌道の優先度が高まる。優先度の設定例として、手部のα=0.0とし、残りの部位のαの合計を1.0とする。   As shown in FIG. 9, in a movement pattern in which a cart is carried by hand, the priority of the hand trajectory increases. As an example of setting the priority, α of the hand portion is set to 0.0 and the sum of α of the remaining portions is set to 1.0.

図10に示すように、ゴルフ・クラブ(あるいは野球のバット)を両手で持ってスイングするような運動パターンにおいては、手部、足部の軌道の順で優先度が設定される。優先度の設定例として、手部のα=0.0とし、足部のα=0.1とし、残りの部位のαの合計を0.9とする。   As shown in FIG. 10, in an exercise pattern in which a golf club (or a baseball bat) is swung with both hands, the priorities are set in the order of the trajectory of the hand and the foot. As an example of the setting of the priority, α of the hand is set to 0.0, α of the foot is set to 0.1, and the sum of α of the remaining parts is set to 0.9.

図11に示すように、機械体操におけるあん馬競技を行なうような運動パターンにおいては、両手のみで身体を支持することと脚部の姿勢が重要視されることから、手部と、体幹部と下肢の相対関係の軌道についての優先度が高く設定される。優先度の設定例として、手部のα=0.0とし、体幹と下肢(肩部における軌道)のα=0.0とし、残りの部位のαの合計を1.0とする。   As shown in FIG. 11, in an exercise pattern such as performing an horse competition in mechanical exercises, since the body is supported only by both hands and the posture of the legs is regarded as important, the hands, the trunk, and the lower limbs are emphasized. The priority of the trajectory of the relative relationship is set high. As an example of setting the priority, α of the hand is set to 0.0, α of the trunk and the lower limb (trajectory at the shoulder) is set to 0.0, and the sum of α of the remaining parts is set to 1.0.

図12に示すように、瓶やグラスなどを載せたトレイを片手で持ってバランスをとりながら歩行するような運動パターンにおいては、手部、体幹部、腰部、足部の軌道の順で優先度が設定される。   As shown in FIG. 12, in an exercise pattern in which a tray on which bottles, glasses, and the like are placed with one hand and walking while maintaining a balance, priority is given in the order of the trajectories of the hand, trunk, waist, and foot. Is set.

図13に示すように、逆立ちをするような運動パターンにおいては、両手で全身を支持し姿勢安定を図ることから、手部、体感部、腰部の軌道の順で優先度が設定される。優先度の設定例として、手部のα=0.0とし、体幹のα=0.2とし、腰部のα=0.3とし、残りの部位のαの合計を0.5とする。   As shown in FIG. 13, in the exercise pattern in which a handstand is performed, the priority is set in the order of the trajectory of the hand, the bodily sensation, and the waist because the body is supported by both hands and the posture is stabilized. As an example of setting the priority, α of the hand is set to 0.0, α of the trunk is set to 0.2, α of the waist is set to 0.3, and the sum of α of the remaining parts is set to 0.5.

図14に示すように、複数のコップを載せたトレイの底に棒を立てて、さらに棒の下端を額に載せてバランスをとるという運動パターンにおいては、頭部の起動の優先度が高く設定される。優先度の設定例として、頭部のα=0.0とし、残りの部位のαの合計を1.0とする。   As shown in FIG. 14, in the exercise pattern in which a bar is placed on the bottom of a tray on which a plurality of cups are placed, and the lower end of the bar is placed on the forehead for balancing, the priority of starting the head is set high. Is done. As an example of setting the priority, it is assumed that α of the head is 0.0 and the sum of α of the remaining parts is 1.0.

図15に示すように、複数のフラフープを腰部・体幹部の回転運動で支持するような運動パターンにおいては、体幹部の軌道の優先度が高く設定される。優先度の設定例として、体幹部のα=0.0とし、残りの部位のαの合計を1.0とする。   As shown in FIG. 15, in a motion pattern in which a plurality of hula hoops are supported by the rotation motion of the waist and trunk, the priority of the trajectory of the trunk is set high. As an example of setting the priority, α of the trunk is set to 0.0, and the sum of α of the remaining parts is set to 1.0.

図16に示すように、長い棒を持って走り、高所に設定されたバーを越える棒高跳び競技を行なうような運動パターンにおいては、時間の経過とともに、下肢、腰部、体幹部、上肢…と優先度が変化していく。優先度の設定例として、試技の前記において足部のα=0.0とし、中期において腰部及び体幹部のα=0.0とし、後期において上肢のα=0.0とし、各時期における残りの部位のαの合計を1.0とする。   As shown in FIG. 16, in an exercise pattern of running with a long pole and performing a pole vault over a bar set at a high place, the lower limb, the waist, the trunk, the upper limb, etc. are given priority over time. The degree changes. As an example of setting the priority, α of the foot is set to 0.0 in the above-mentioned trial, α of the waist and the trunk is set to 0.0 in the middle stage, α of the upper limb is set to 0.0 in the second half, and the rest in each period is set. Is set to 1.0.

図17に示すように、リボンを持って踊る新体操、球乗り、バレエのような運動パターンにおいては、すべての部位における軌道の優先度が一様に高く設定される。優先度の設定例として、各部のαを共通とし、αの合計を1.0とする。   As shown in FIG. 17, in exercise patterns such as rhythmic gymnastics, ball riding, and ballet dancing with a ribbon, the trajectory of all parts is set to have a higher priority. As an example of setting the priority, it is assumed that α of each unit is common and the sum of α is 1.0.

図18に示すように、両腕を広げてバランスをとりながら綱渡りを行なうような運動パターンにおいては、足部、上肢・体幹部の軌道の順で優先度が設定される。優先度の設定例として、足部のα=0.0とし、上肢及び体幹部のα=0.1とし、残りの部位のαの合計を0.9とする。   As shown in FIG. 18, in an exercise pattern in which a tightrope is stretched while keeping balance by spreading both arms, the priority is set in order of the trajectory of the foot, the upper limb and the trunk. As an example of setting the priority, α of the foot is set to 0.0, α of the upper limb and the trunk is set to 0.1, and the sum of α of the remaining parts is set to 0.9.

図19に示すように、工事中のビルの外壁に沿って組まれた足場を歩くような運動パターンにおいては、上肢・体幹部、足部の軌道の順で優先度が設定される。優先度の設定例として、上肢および体幹部のα=0.1とし、足部のα=0.2とし、残りの部位のαの合計を0.7とする。   As shown in FIG. 19, in the exercise pattern of walking on a scaffold assembled along the outer wall of the building under construction, the priority is set in the order of the upper limb / trunk and foot trajectory. As an example of setting the priority, α of the upper limb and the trunk is set to 0.1, α of the foot is set to 0.2, and the sum of α of the remaining parts is set to 0.7.

D.機械ハードウェアの変形を考慮した運動制御
これまでの脚式移動ロボット及びその力学的取り扱いは、外力やトルクを受けても変形が非常に小さく、ロボット全体の運動に対して無視できることを前提としていた。つまり、ロボットの各関節間の距離は変化しないことを前提としていたので、ロボット・システムの状態検出センサは、各要素に関して各1つの構成で十分であった。
D. Motion control in consideration of mechanical hardware deformation Previous legged mobile robots and their mechanical handling were premised on that the deformation was very small even when subjected to external force or torque, and could be ignored for the entire robot motion. . That is, since it is assumed that the distance between the joints of the robot does not change, one configuration is sufficient for each element of the state detection sensor of the robot system.

しかしながら、今後、走行やより加速度を継続的且つ積極的に用いたダイナミクス・レベルの高い運動を実現しようとすると機械ハードウェア自身の変形をも利用した衝撃緩衝機能が必要となるとともに、より高次の方程式を実時間で高速に解くことが必要になる。   However, in the future, in order to realize high-dynamic-level motion using running and acceleration more continuously and more aggressively, a shock-absorbing function that utilizes the deformation of mechanical hardware itself will be required, and higher Must be solved in real time and at high speed.

そこで、この項では、ロボットの各関節間の距離は変化しないという前提条件が不要なセンサ・システム構成方法及びそれを用いた分散型の高速運動制御システムについて提案する。   Therefore, this section proposes a sensor system configuration method that does not require the precondition that the distance between the joints of the robot does not change, and a distributed high-speed motion control system using the same.

なお、本明細書中では、以下の定義に従うものとする(例えば、日本機械学会編「機械系の動力学」(p.31−33、オーム社、平成3年3月25日)を参照のこと)。   In this specification, the following definitions are used (see, for example, “Dynamics of Mechanical System” edited by The Japan Society of Mechanical Engineers, pp. 31-33, Ohmsha, March 25, 1991). thing).

並進運動: 慣性力=−(重量/重力加速度)×加速度
回転運動: 慣性モーメント=−極慣性モーメント×角加速度
極慣性モーメント: 回転軸における慣性モーメント
Translational motion: Inertial force =-(weight / gravity acceleration) x acceleration Rotational motion: Moment of inertia =-polar moment of inertia x angular acceleration Polar moment of inertia: moment of inertia at the axis of rotation

本実施形態に係る脚式移動ロボットは、ZMPを歩行の安定度判別の規範として用いている。ZMPによる安定度判別規範は、系が適切なZMP空間を形成し、支持多角形の内側にZMPがある場合は、系に回転運動や並進運動が発生せず、回転や並進に関する運動方程式を解く必要がない。なお、支持多角形の内側にZMPがない場合や、外界に対する支持作用点が存在しない場合は、ZMP方程式に代えて、運動方程式を解く必要がある。   The legged mobile robot according to the present embodiment uses ZMP as a criterion for determining the stability of walking. The stability discrimination criterion by ZMP is that if the system forms an appropriate ZMP space and there is a ZMP inside the supporting polygon, no rotational or translational motion occurs in the system, and the equation of motion for rotation or translation is solved. No need. When there is no ZMP inside the supporting polygon or when there is no supporting action point with respect to the external world, it is necessary to solve a motion equation instead of the ZMP equation.

機体のZMP方程式は、制御対象点において印加される各モーメントの釣合い関係を記述したものである。機体を多数の質点miで表わし、これらを制御対象点とした場合、すべての制御対象点miにおいて印加されるモーメントの総和を求める式がZMP釣合い方程式である。 The ZMP equation of the fuselage describes the balance of each moment applied at the control target point. Represents aircraft in a number of mass points m i, when the these control target points, obtaining the sum of the moments applied at all the controlled object points m i Formula is ZMP equilibrium equation.

世界座標系(O−XYZ)で記述された機体のZMP釣合い方程式、並びに機体のローカル座標系(O−X’Y’Z’)で記述された機体のZMP釣合い方程式はそれぞれ以下の通りとなる。   The ZMP balance equation of the aircraft described in the world coordinate system (O-XYZ) and the ZMP balance equation of the aircraft described in the local coordinate system of the aircraft (OX-Y'Z ') are as follows. .

Figure 0003568527
Figure 0003568527

上記の各式は、各質点(又は制御点)miにおいて印加された加速度成分により生成されるZMP回り(半径ri−Pzmp)のモーメントの総和と、各質点miに印加された外力モーメントMiの総和と、外力Fkにより生成されるZMP回り(k番目の外力Fkの作用点をSkとする)のモーメントの総和が釣り合うということを記述している。 Each the above formula, the sum of the moments of the mass points (or control point) ZMP around produced by the acceleration component applied at m i (radius r i -P ZMP), was applied to the mass points m i external force the sum of the moments M i, describes that the sum of the moments of ZMP around produced by an external force F k (a point of action of k-th external force F k and S k) is balanced.

このZMP釣合い方程式は、総モーメント補償量すなわちモーメント・エラー成分Tを含んでいる。このモーメント・エラーをゼロ又は所定の許容範囲内に抑えることによって、機体の姿勢安定性が維持される。言い換えれば、モーメント・エラーをゼロ又は許容値以下となるように機体運動(足部運動や上半身の各部位の軌道)を修正することが、ZMPを安定度判別規範とした姿勢安定制御の本質である。   This ZMP balance equation includes a total moment compensation amount, that is, a moment error component T. By keeping this moment error at zero or within a predetermined tolerance, the attitude stability of the aircraft is maintained. In other words, correcting the body motion (foot motion or the trajectory of each part of the upper body) so that the moment error becomes zero or less than the allowable value is the essence of the posture stability control using the ZMP as a stability determination criterion. is there.

本実施形態に係る脚式移動ロボットは、外界との接触部位にZMPと力を直接計測する反力センサ・システムを配置するとともに、運動制御に用いるローカル座標とその座標を直接的に計測するための加速度センサや角速度センサを配置し、さらに計算モデルで用いている各ベクトル位置に加速度センサと姿勢センサを配置することで、ZMP方程式(又は運動方程式)を導入するために必要な制御パラメータを直接的に計測することを可能とすることで、機体が剛体で外力などの印加で変形しないという条件を前提としないで厳密な運動制御を応答性よく実現する。   The legged mobile robot according to the present embodiment is provided with a reaction force sensor system for directly measuring ZMP and force at a contact portion with the outside world, and for directly measuring local coordinates used for motion control and the coordinates. By disposing the acceleration sensor and angular velocity sensor, and by arranging the acceleration sensor and the attitude sensor at each vector position used in the calculation model, the control parameters necessary to introduce the ZMP equation (or motion equation) can be directly calculated. By making the measurement possible, strict motion control is realized with good responsiveness without assuming the condition that the body is rigid and does not deform due to the application of external force or the like.

本実施形態に係る反力センサ・システムの配置例を以下に挙げておく。   An example of the arrangement of the reaction sensor system according to the present embodiment will be described below.

(1)質量が集中している部位に、加速度センサ、角加速度センサ、角速度センサを搭載する。
(2)各リンクの重心付近に、加速度センサ、角加速度センサ、角速度センサを搭載する。
(3)各アクチュエータの重心付近に、加速度センサ、角加速度センサ、角速度センサを搭載する。
(4)各アクチュエータの重心付近及びアクチュエータを除いたリンクの重心付近に、加速度センサ、角加速度センサ、角速度センサを搭載する。
(5)各アクチュエータの重心付近、バッテリの重心付近、バッテリとアクチュエータを除いたリンクの重心付近に、加速度センサと角加速度センサと角速度センサを搭載する。
(1) An acceleration sensor, an angular acceleration sensor, and an angular velocity sensor are mounted on a portion where mass is concentrated.
(2) An acceleration sensor, an angular acceleration sensor, and an angular velocity sensor are mounted near the center of gravity of each link.
(3) An acceleration sensor, an angular acceleration sensor, and an angular velocity sensor are mounted near the center of gravity of each actuator.
(4) An acceleration sensor, an angular acceleration sensor, and an angular velocity sensor are mounted near the center of gravity of each actuator and near the center of gravity of the link excluding the actuator.
(5) An acceleration sensor, an angular acceleration sensor, and an angular velocity sensor are mounted near the center of gravity of each actuator, near the center of gravity of the battery, and near the center of gravity of the link excluding the battery and the actuator.

(1)によれば、質量が集中している部位を制御点として、各制御点において印加される加速度成分を制御点毎に直接計測し、これにより生成される制御点におけるZMP回りのモーメント項、制御点に印加される外力モーメント項、制御点に印加される外力により生成されるZMP回りのモーメント項を、各部位毎に直接算出することができる。そして、中央の制御ユニットにおいては、各制御点から集められたこれらモーメント項を順次加算してその総和をとることで、より厳密なZMP釣合い方程式を直接的に導入することができる。また、各制御点毎にモーメント項を直接計測していることから、機体が剛体で外力などの印加で変形しないという条件を前提としないで厳密な運動制御を応答性よく実現することができる。   According to (1), an acceleration component applied at each control point is directly measured for each control point, with a portion where mass is concentrated as a control point, and a moment term around the ZMP at the control point generated thereby is generated. The external force moment term applied to the control point and the moment term around the ZMP generated by the external force applied to the control point can be directly calculated for each part. Then, in the central control unit, these moment terms collected from each control point are sequentially added and their sum is taken, whereby a more exact ZMP balance equation can be directly introduced. Further, since the moment term is directly measured for each control point, strict motion control can be realized with good responsiveness without assuming the condition that the body is rigid and does not deform due to application of external force or the like.

ここで言う質量が集中している部位とは、バッテリ重心、制御ユニット重心、リンク重心、アクチュエータ重心、関節軸、その他の質量集中物などが該当する。図20には、脚式移動ロボットの機体上の質量が集中している部位に加速度、角加速度、角速度センサを搭載している様子を示している。同図に示すように、主要な外界との接触部位として、手のひらと足底に外力センサ及び外力モーメント・センサを搭載している。   Here, the portion where the mass is concentrated corresponds to the center of gravity of the battery, the center of gravity of the control unit, the center of gravity of the link, the center of gravity of the actuator, the joint axis, and other mass concentrated objects. FIG. 20 shows a state in which acceleration, angular acceleration, and angular velocity sensors are mounted on a portion of the body of the legged mobile robot where the mass is concentrated. As shown in the figure, an external force sensor and an external force moment sensor are mounted on a palm and a sole as main contact portions with the outside world.

また、(2)によれば、関節を接続する各リンクの重心付近を制御点として、各制御点において印加される加速度成分を制御点毎に直接計測し、これにより生成される制御点におけるZMP回りのモーメント項、制御点に印加される外力モーメント項、制御点に印加される外力により生成されるZMP回りのモーメント項を、各部位毎に直接算出することができる。そして、中央の制御ユニットにおいては、各制御点から集められたこれらモーメント項を順次加算してその総和をとることで、より厳密なZMP釣合い方程式を直接的に導入することができる。また、制御点毎にモーメント項を直接計測していることから、機体が剛体で外力などの印加で変形しないという条件を前提としないで厳密な運動制御を応答性よく実現することができる。   According to (2), the acceleration component applied at each control point is directly measured for each control point, with the vicinity of the center of gravity of each link connecting the joints as a control point, and the ZMP at the control point generated by this is measured. The surrounding moment term, the external force moment term applied to the control point, and the ZMP moment term generated by the external force applied to the control point can be directly calculated for each part. Then, in the central control unit, these moment terms collected from each control point are sequentially added and their sum is taken, whereby a more exact ZMP balance equation can be directly introduced. Further, since the moment term is directly measured for each control point, strict motion control can be realized with good responsiveness without assuming the condition that the body is rigid and does not deform due to application of external force or the like.

図21には、脚式移動ロボットの機体上の各リンクの重心付近に加速度、角加速度、角速度センサを搭載している様子を示している。同図に示すように、主要な外界との接触部位として、手のひらと足底に外力センサ及び外力モーメント・センサを搭載している。   FIG. 21 shows a state in which acceleration, angular acceleration, and angular velocity sensors are mounted near the center of gravity of each link on the body of the legged mobile robot. As shown in the figure, an external force sensor and an external force moment sensor are mounted on a palm and a sole as main contact portions with the outside world.

また、(3)によれば、機体上の主な質量集中部位としての各アクチュエータの重心付近を制御点として、各制御点において印加される加速度成分を制御点毎に直接計測し、これにより生成される制御点におけるZMP回りのモーメント項、制御点に印加される外力モーメント項、制御点に印加される外力により生成されるZMP回りのモーメント項を、各部位毎に直接算出することができる。そして、中央の制御ユニットにおいては、各制御点から集められたこれらモーメント項を順次加算してその総和をとることで、より厳密なZMP釣合い方程式を直接的に導入することができる。また、各制御点毎にモーメント項を直接計測していることから、機体が剛体で外力などの印加で変形しないという条件を前提としないで厳密な運動制御を応答性よく実現することができる。   Also, according to (3), the acceleration component applied at each control point is directly measured for each control point, with the vicinity of the center of gravity of each actuator as a main mass concentration portion on the fuselage as a control point. The moment term around the ZMP at the controlled point, the external force moment term applied to the control point, and the ZMP moment term generated by the external force applied to the control point can be directly calculated for each part. Then, in the central control unit, these moment terms collected from each control point are sequentially added and their sum is taken, whereby a more exact ZMP balance equation can be directly introduced. Further, since the moment term is directly measured for each control point, strict motion control can be realized with good responsiveness without assuming the condition that the body is rigid and does not deform due to application of external force or the like.

図22には、脚式移動ロボットの機体上の各アクチュエータの重心付近に加速度、角加速度、角速度センサを搭載している様子を示している。同図に示すように、主要な外界との接触部位として、手のひらと足底に外力センサ及び外力モーメント・センサを搭載している。   FIG. 22 shows a state in which acceleration, angular acceleration, and angular velocity sensors are mounted near the center of gravity of each actuator on the body of the legged mobile robot. As shown in the figure, an external force sensor and an external force moment sensor are mounted on a palm and a sole as main contact portions with the outside world.

なお、上述の(1)〜(5)に示したような分散配置型の反力センサ・システムによれば、各制御点で計測された加速度センサからのセンサ情報に基づいて、実際の回転中心を測定することができる。したがって、機体の設計情報から一意に求まる重心の場合とは相違し、リンクなど機体が外力などによって変形をきたした場合であっても、より正確な機体の重心位置を動的に算出することができる。   According to the distributed force sensor system as described in the above (1) to (5), the actual rotation center is determined based on the sensor information from the acceleration sensor measured at each control point. Can be measured. Therefore, unlike the case of the center of gravity uniquely determined from the design information of the aircraft, even when the aircraft such as a link is deformed by external force, it is possible to dynamically calculate a more accurate center of gravity position of the aircraft. it can.

図23には、本実施形態に係る脚式移動ロボットの運動制御の概略的な処理手順をフローチャートの形式で示している。   FIG. 23 is a flowchart illustrating a schematic processing procedure of motion control of the legged mobile robot according to the present embodiment.

まず、脚式移動ロボットの機体の安定度判別を行なう(ステップS51)。安定度は、機体の支持多角形を参照して、ZMP位置が安定領域にあるかどうかで判断することができる。   First, the stability of the body of the legged mobile robot is determined (step S51). The stability can be determined based on whether the ZMP position is in the stable region with reference to the support polygon of the fuselage.

支持多角形の内側にZMPがある場合は、系に回転運動や並進運動が発生せず、回転や並進に関する運動方程式を解く必要がない。そこで、ステップS52に進み、系が形成する適切なZMP空間を用いてZMP方程式を解くことにより、姿勢安定制御を行なう(後述)。   When the ZMP is inside the supporting polygon, no rotational motion or translational motion occurs in the system, and there is no need to solve the equation of motion related to rotation and translation. Then, the process proceeds to step S52, in which posture stability control is performed by solving the ZMP equation using an appropriate ZMP space formed by the system (described later).

一方、支持多角形の内側にZMPがない場合や、外界に対する支持作用点が存在しない場合は、ZMP方程式に代えて、運動方程式を解くことにより(ステップS53)、姿勢安定制御を行なう(後述)。   On the other hand, when there is no ZMP inside the support polygon or when there is no support action point with respect to the external world, posture stability control is performed by solving a motion equation instead of the ZMP equation (step S53) (described later). .

なお、跳躍を伴うダンスなど、すべての部位の軌道についての優先度が一様に高く設定される場合には、ZMP方程式と運動方程式の両方を解く場合がある。   If the priorities of the trajectories of all parts are set to be uniformly high, such as in a dance involving jumping, both the ZMP equation and the equation of motion may be solved.

図24には、ステップS52における、ZMP方程式の解法に基づく機体の安定制御の処理手順をフローチャートの形式で示している。   FIG. 24 is a flowchart showing the procedure of the aircraft body stability control based on the solution of the ZMP equation in step S52.

まず、質量集中部位や各リンクの重心付近、各アクチュエータの重心付近など、制御点毎に配置された加速度センサ、角加速度センサ、角速度センサからのセンサ情報を基に、ZMPを測定し、又は重心を測定する(ステップS61)。外力などの影響で、機体が変形したときには、加速度センサの実測値を基に重心を動的に測定する必要がある。   First, ZMP is measured based on sensor information from acceleration sensors, angular acceleration sensors, and angular velocity sensors arranged at each control point, such as near the center of gravity of each link, near the center of gravity of each link, and near the center of gravity of each actuator. Is measured (step S61). When the body is deformed due to an external force or the like, it is necessary to dynamically measure the center of gravity based on the measured value of the acceleration sensor.

次いで、ステップS62〜ステップS69により形成される処理ループにおいて、ZMP近傍又は重心近傍から順に、各制御点についてのZMP回りのモーメント項、制御点に印加される外力モーメント項、並びに制御点に印加される外力により生成されるZMP回りのモーメント項を、制御点に配設されたセンサからの情報に基づいて直接算出するとともに、これらのモーメント項を順次加算していき、これらの総和を求める。   Next, in the processing loop formed by steps S62 to S69, the moment terms around the ZMP for each control point, the external force moment term applied to the control point, and the A moment term around the ZMP generated by the external force is directly calculated based on information from a sensor disposed at the control point, and these moment terms are sequentially added to obtain a total sum of the moment terms.

この結果、ZMP方程式を用いて、モーメント・エラーTを算出することができる(ステップS70)。   As a result, the moment error T can be calculated using the ZMP equation (step S70).

次いで、計測された各部の状態量と同定された外力モーメントを初期値として、ZMP軌道又は重心の回転軌道、そして各部の軌道を再計画する(ステップS71)。   Next, the ZMP trajectory or the rotational trajectory of the center of gravity and the trajectory of each part are re-planned using the measured state quantities of the respective parts and the identified external force moment as initial values (step S71).

そして、アクチュエータ・システム群に再計画結果に基づく目標値を送信して、本処理ルーチンを終了する。   Then, the target value based on the replanning result is transmitted to the actuator system group, and the present processing routine ends.

なお、図24に示す処理手順では、制御点における発生モーメントを算出するi系の処理と、制御点において印加される外力モーメントを算出するj系の処理と、制御点において外力により生成されるZMP回りのモーメントを算出するk系の処理を含み、i、j、k系の処理がシリアルに進行しているが、パラレルに進行するようにしてもよい(後述)。   In the processing procedure shown in FIG. 24, i-series processing for calculating the generated moment at the control point, j-series processing for calculating the external force moment applied at the control point, and ZMP generated by the external force at the control point Including the k-system processing for calculating the surrounding moment, the i, j, and k-system processing proceeds serially, but may proceed in parallel (described later).

また、図25には、ステップS53における、運動方程式の解法に基づく機体の安定制御の処理手順をフローチャートの形式で示している。   FIG. 25 is a flowchart illustrating a processing procedure of aircraft stability control based on the solution of the equation of motion in step S53.

まず、ZMP上の床反力Frを測定する(ステップS81)。 First, measure the ground reaction force F r of the ZMP (step S81).

次いで、ステップS82〜ステップS89により形成される処理ループにおいて、ZMP近傍又は重心近傍から順に、各制御点に印加される並進力、ZMP回りのモーメントにより印加される並進力、並びに外力を、制御点に配設されたセンサからの情報に基づいて直接算出するとともに、これらの並進力項を順次加算して、これらの総和を求める。   Next, in the processing loop formed by steps S82 to S89, the translational force applied to each control point, the translational force applied by the moment around the ZMP, and the external force are sequentially determined from the vicinity of the ZMP or the center of gravity. Is calculated directly based on the information from the sensors disposed in the, and these translational force terms are sequentially added to obtain the sum of these.

この結果、ダランベールの原理から、未知外力Fを算出することができる(ステップS90)。   As a result, the unknown external force F can be calculated based on the d'Alembert principle (step S90).

次いで、計測された各部の情報量と同定された未知外力を初期値として、ZMP軌道又は重心軌道、そして各部の軌道を再計画する(ステップS91)。   Next, the ZMP trajectory or the center of gravity trajectory and the trajectory of each part are re-planned using the measured information amount of each part and the identified unknown external force as initial values (step S91).

そして、アクチュエータ・システム群に再計画結果に基づく目標値を送信して、本処理ルーチンを終了する。   Then, the target value based on the replanning result is transmitted to the actuator system group, and the present processing routine ends.

なお、図25に示す処理手順では、制御点における並進力を算出するi系の処理と、制御点の外力モーメントにより生成される並進力を算出するj系の処理と、制御点において印加される外力を算出するk系の処理を含み、i、j、k系の処理がシリアルに進行しているが、パラレルに進行するようにしてもよい(後述)。   In the processing procedure shown in FIG. 25, the i-system processing for calculating the translational force at the control point, the j-system processing for calculating the translational force generated by the external force moment at the control point, and the processing applied at the control point Including the k-system processing for calculating the external force, the i, j, and k-system processing proceeds serially, but may proceed in parallel (described later).

図24に示したフローチャートにおけるステップS62〜ステップS69で形成される処理ループでは、ZMP近傍又は重心近傍から順に、各制御点についてのZMP回りのモーメント項、制御点に印加される外力モーメント項、並びに制御点に印加される外力により生成されるZMP回りのモーメント項を、制御点毎に配設されたセンサからの情報に基づいて直接算出するとともに、これらのモーメント項を順次加算していき、これらの総和を求めることによって、ZMP方程式を効率的に導入することができる。   In the processing loop formed in steps S62 to S69 in the flowchart shown in FIG. 24, the moment terms around ZMP for each control point, the external force moment term applied to the control point, and A moment term around the ZMP generated by an external force applied to the control point is directly calculated based on information from a sensor disposed for each control point, and these moment terms are sequentially added. , The ZMP equation can be efficiently introduced.

同様に、図25に示したフローチャートにおけるステップS82〜ステップS89で形成される処理ループでは、ZMP近傍又は重心近傍から順に、各制御点に印加される並進力、ZMP回りのモーメントにより印加される並進力、並びに外力を、制御点毎に配設されたセンサからの情報に基づいて直接算出するとともに、これらの並進力項を順次加算して、これらの総和を求めることにより、並進・回転の運動方程式を効率的に導入することができる。   Similarly, in the processing loop formed in steps S82 to S89 in the flowchart shown in FIG. 25, the translation force applied to each control point and the translation applied by the moment around the ZMP in order from the vicinity of the ZMP or the vicinity of the center of gravity. The force and the external force are directly calculated based on the information from the sensors arranged for each control point, and these translational force terms are sequentially added to obtain the sum of the translational force terms to obtain the translational / rotational motion. Equations can be introduced efficiently.

図20〜図22を参照しながら説明したように、本実施形態に係る脚式移動ロボットにおいては、制御に用いるローカル座標とその座標を直接的に計測するための加速度センサや角速度センサを制御点毎に配置し、さらに計算モデルで用いる各ベクトル位置に加速度センサと姿勢センサを配置することで、ZMP方程式(又は運動方程式)の導入に必要な制御パラメータ値を直接的に計測するように構成されている。   As described with reference to FIGS. 20 to 22, in the legged mobile robot according to the present embodiment, the local coordinates used for control and the acceleration sensor or the angular velocity sensor for directly measuring the coordinates are controlled by the control points. It is configured to directly measure the control parameter values required for introducing the ZMP equation (or equation of motion) by arranging the acceleration sensor and the attitude sensor at each vector position used in the calculation model and further arranging the acceleration sensor and the attitude sensor. ing.

これら機体上に分散配置されたセンサ同士が直列的に接続されている場合、個々の制御点においてセンサ情報を基に算出されるモーメント項や外力項を、接続経路に従って各制御点において順次加算していくことによって、これらの総和を効率的に計算することができる。   When sensors distributed on these aircraft are connected in series, moment terms and external force terms calculated based on sensor information at each control point are sequentially added at each control point according to the connection path. By going, the sum of these can be calculated efficiently.

図22には、脚式移動ロボットの機体上の各アクチュエータの重心付近に加速度、角加速度、角速度センサを搭載している様子を示したが(前述)、図26には、この場合のセンサ同士を直列的に接続するための一例を示している。   FIG. 22 shows a state in which acceleration, angular acceleration, and angular velocity sensors are mounted near the center of gravity of each actuator on the body of the legged mobile robot (described above). FIG. Are connected in series.

同図に示すように、左右の上肢、並びに左右の下肢に配設されたセンサ間がそれぞれ独立して、中央の制御ユニットが始点及び終点となるように直列的に接続されている。このような場合、肢毎に、制御点のセンサ情報に基づく計算結果が順次加算され、これらが中央の制御ユニットに戻されて総和が得られ、ここで方程式を導入することができる。   As shown in the figure, the sensors disposed on the left and right upper limbs and the left and right lower limbs are independently connected in series so that the central control unit becomes the start point and the end point. In such a case, the calculation results based on the sensor information of the control points are sequentially added for each limb, and these are returned to the central control unit to obtain the sum, where the equations can be introduced.

また、図27には、センサ同士を直列的に接続するための他の例を示している。同図に示す例では、全身に配設されたセンサ間が、いわば「一筆書き」の形態で、中央の制御ユニットが始点及び終点となるように一列に接続されている。このような配線形態の場合、各制御点におけるセンサ情報に基づく計算結果が制御対象点毎に順次加算されていき、中央の制御ユニットにデータが戻された時点で各項の総和が既に求まっており、制御ユニットでは、容易に方程式を導入することができる。   FIG. 27 shows another example for connecting sensors in series. In the example shown in the figure, the sensors arranged on the whole body are connected in a line so that the central control unit is a start point and an end point in a so-called "one-stroke" form. In the case of such a wiring configuration, the calculation result based on the sensor information at each control point is sequentially added for each control target point, and when the data is returned to the central control unit, the sum of each term has already been obtained. Thus, the control unit can easily introduce equations.

また、制御に用いるローカル座標とその座標を直接的に計測するための加速度センサや角速度センサを制御対象点毎に配置し、さらに計算モデルで用いる各ベクトル位置に加速度センサと姿勢センサを配置する一例として、質量が集中する各アクチュエータの重心付近に、加速度、角加速度、角速度センサを搭載するという実装例を既に紹介した。   Also, an example in which local coordinates used for control and an acceleration sensor or angular velocity sensor for directly measuring the coordinates are arranged for each control target point, and an acceleration sensor and a posture sensor are arranged at each vector position used in the calculation model As an example, we have already introduced an implementation example in which acceleration, angular acceleration, and angular velocity sensors are mounted near the center of gravity of each actuator where mass is concentrated.

図28には、ユニットの重心付近に加速度、角加速度、角速度センサを搭載した関節アクチュエータの構成例を示している。   FIG. 28 shows a configuration example of a joint actuator having an acceleration, angular acceleration, and angular velocity sensor mounted near the center of gravity of the unit.

同図に示す関節アクチュエータは、回転子マグネットと、複数相の磁気コイルからなる固定子で構成されるモータ部と、モータ部の出力する回転を加減速するギア・ユニット(GU)と、モータ部への供給電力を制御する制御部で構成される。   The joint actuator shown in FIG. 1 includes a motor unit including a rotor magnet, a stator having a plurality of phases of magnetic coils, a gear unit (GU) for accelerating and decelerating rotation output from the motor unit, and a motor unit. It is composed of a control unit that controls the power supplied to the power supply.

制御部は例えば印刷配線板で構成され、その略中央には、センサ・ユニットが搭載されている。   The control unit is formed of, for example, a printed wiring board, and a sensor unit is mounted substantially at the center thereof.

センサ・ユニットは、アクチュエータ・ユニットの2次元重心位置近傍に配置されている。   The sensor unit is arranged near the position of the two-dimensional center of gravity of the actuator unit.

センサ・ユニットは、1軸〜3軸の加速度センサと、1〜2軸の角速度センサと、3軸の角速度センサの組み合わせで構成される。   The sensor unit includes a combination of a one-axis to three-axis acceleration sensor, a one- or two-axis angular velocity sensor, and a three-axis angular velocity sensor.

図29には、図に示した関節アクチュエータの機能構成を模式的に示している。同図に示すように、アクチュエータ10は、インターフェース部11と、コマンド処理部12と、モータ制御部13と、センサ信号処理部14を備えている。   FIG. 29 schematically shows the functional configuration of the joint actuator shown in the figure. As shown in FIG. 1, the actuator 10 includes an interface unit 11, a command processing unit 12, a motor control unit 13, and a sensor signal processing unit 14.

インターフェース部11は、ホスト・コントローラとの間でインターフェース・プロトコルを実現する。   The interface unit 11 implements an interface protocol with the host controller.

コマンド処理部12は、インターフェース部12を介して受け取ったホスト・コマンドを処理してモータ制御部13に伝達したり、モータ制御部13やセンサ信号処理部14からのセンサ情報を演算処理してインターフェース部12経由でホスト・コントローラに返したりする。   The command processing unit 12 processes the host command received via the interface unit 12 and transmits the processed host command to the motor control unit 13, or performs arithmetic processing on sensor information from the motor control unit 13 and the sensor signal processing unit 14 to perform interface processing. The data is returned to the host controller via the unit 12.

モータ制御部13は、ホスト・コマンドに従ったモータの回転を実現するための電流信号をモータ・コイル15にPWM(Pulse Width Modulation)出力し、また、回転子(図示しない)の回転位置を検出する一センサ16からの角度情報を取得する。   The motor control unit 13 outputs a current signal for realizing the rotation of the motor according to the host command to the motor coil 15 by PWM (Pulse Width Modulation), and detects the rotational position of a rotor (not shown). The angle information from one sensor 16 is acquired.

センサ信号処理部14は、センサ・ユニットに含まれる加速度センサ(X〜Y)、ジャイロ・センサ(ピッチ、ロール、ヨー)からのセンサ情報を処理する。   The sensor signal processing unit 14 processes sensor information from acceleration sensors (X to Y) and gyro sensors (pitch, roll, yaw) included in the sensor unit.

本実施形態においては、制御点毎に配設されたセンサからの情報に基づいて、ZMP近傍又は重心近傍から順に、各制御点についてのZMP回りのモーメント項、制御点に印加される外力モーメント項、並びに制御点に印加される外力により生成されるZMP回りのモーメント項を直接算出することができる。同様に、制御点毎に配設されたセンサからの情報に基づいて、ZMP近傍又は重心近傍から順に、各制御点に印加される並進力、ZMP回りのモーメントにより印加される並進力、並びに外力を直接算出することができる。   In the present embodiment, based on information from a sensor disposed for each control point, a moment term around the ZMP for each control point and an external force moment term applied to the control point in order from near the ZMP or near the center of gravity. , And the moment term around the ZMP generated by the external force applied to the control point can be directly calculated. Similarly, a translation force applied to each control point, a translation force applied by a moment around the ZMP, and an external force, in order from the vicinity of the ZMP or the center of gravity, based on information from sensors provided for each control point. Can be calculated directly.

さらに、機体上に分散配置されたセンサ同士が直列的に接続されている場合、個々の制御点においてセンサ情報を基に算出されるモーメント項や外力項を、接続経路に従って各制御点において順次加算していくことによって、これらの総和を効率的に計算することができる。   Furthermore, when sensors distributed on the aircraft are connected in series, the moment term and the external force term calculated based on the sensor information at each control point are sequentially added at each control point according to the connection path. By doing so, the sum of these can be calculated efficiently.

図28及び図29を参照しながら説明したセンサ内蔵型の関節アクチュエータにおいては、コマンド処理部12が、センサ信号処理部14によって信号処理された加速度センサ(X〜Y)、ジャイロ・センサ(ピッチ、ロール、ヨー)からのセンサ情報を利用して、モーメント項や外力項を、接続経路に従って各制御点において順次加算していくことができる。   In the joint actuator with a built-in sensor described with reference to FIGS. 28 and 29, the command processing unit 12 includes an acceleration sensor (X to Y), a gyro sensor (pitch, Using the sensor information from the roll and yaw, the moment term and the external force term can be sequentially added at each control point according to the connection path.

図30には、各制御点の関節アクチュエータ内で、ZMP回りのモーメント項、制御点に印加される外力モーメント項、並びに制御点に印加される外力により生成されるZMP回りのモーメント項を順次加算していく構成を図解している。   FIG. 30 shows, in the joint actuator of each control point, a moment term around the ZMP, an external force moment term applied to the control point, and a moment term around the ZMP generated by the external force applied to the control point are sequentially added. The following figure illustrates the configuration.

同図に示すように、関節アクチュエータには、接続経路の上位の関節アクチュエータから、i−1番目までの制御点におけるZMP回りのモーメント項の総和、j−1番目までの制御点における外力モーメント項の総和、並びにk−1番目までの制御点における外力により生成されるZMP回りのモーメント項の総和が入力される。そして、関節アクチュエータ内で検出されたセンサ情報に基づいて、当該制御点におけるZMP回りのモーメント項、制御点に印加される外力モーメント項、並びに制御点に印加される外力により生成されるZMP回りのモーメント項を算出するとともに、これらをそれぞれの総和に加算処理して、i番目までの制御点におけるZMP回りのモーメント項の総和、j番目までの制御点における外力モーメント項の総和、並びにk番目までの制御点における外力により生成されるZMP回りのモーメント項の総和として、接続経路の下位の関節アクチュエータに出力する。したがって、接続経路に従がって、このような加算処理を逐次繰り返していくことにより、中央コントローラに演算結果が到達するときには、ZMP釣合い方程式を構成する各モーメント項が既に求められているので、ZMP安定度判別規範に基づく機体の姿勢安定制御を効率的且つ高速に実現することができる。   As shown in the figure, the joint actuator includes, from the joint actuator at a higher rank in the connection path, the sum of the moment terms around the ZMP at the (i-1) th control point and the external force moment term at the j-1th control point. And the sum of moment terms around the ZMP generated by the external force at the (k-1) th control points. Then, based on the sensor information detected in the joint actuator, a moment term around the ZMP at the control point, an external force moment term applied to the control point, and a ZMP around the ZMP generated by the external force applied to the control point The moment terms are calculated and added to the respective sums, so that the sum of the moment terms around the ZMP at the i-th control point, the sum of the external force moment terms at the j-th control point, and the k-th control point Is output to the lower joint actuator of the connection path as the sum of the moment terms around the ZMP generated by the external force at the control point. Therefore, by sequentially repeating such addition processing according to the connection path, when the calculation result reaches the central controller, since each moment term constituting the ZMP balancing equation has already been obtained, The attitude stabilization control of the aircraft based on the ZMP stability determination standard can be realized efficiently and at high speed.

ZMP釣合い方程式の導入には、制御点における発生モーメントを算出するi系の処理と、制御点において印加される外力モーメントを算出するj系の処理と、制御点において外力により生成されるZMP回りのモーメントを算出するk系の処理が含まれるが、図示の例ではi、j、k系の処理がパラレルに進行する。i、j、k系の処理がパラレルに進行するシステムでは、配線が少なくて済むというメリットがある。なお、特に各制御点においてi、j、k系すべての要素が備わっている必要はなく、i系の演算のみ、あるいはi系の演算がなくてi−1系までの演算をパススルーするだけといったデザインも可能である。   The introduction of the ZMP balance equation includes the processing of the i-system for calculating the generated moment at the control point, the processing of the j-system for calculating the external force moment applied at the control point, and the ZMP around the ZMP generated by the external force at the control point. A k-system process for calculating a moment is included, but in the illustrated example, i-, j-, and k-system processes proceed in parallel. In a system in which i, j, and k processes proceed in parallel, there is an advantage that the number of wirings is small. In particular, it is not necessary for each control point to have all the elements of the i, j, and k systems, and only the operation of the i system or the operation of the i-1 system without the operation of the i system is simply passed through. Design is also possible.

また、図31には、各制御点の関節アクチュエータ内で、制御点に印加される並進力項、ZMP回りのモーメントにより印加される並進力項、並びに外力項を順次加算していく構成を図解している。   FIG. 31 illustrates a configuration in which a translation force term applied to a control point, a translation force term applied by a moment around ZMP, and an external force term are sequentially added in the joint actuator at each control point. are doing.

同図に示すように、関節アクチュエータには、接続経路の上位の関節アクチュエータから、i−1番目までの制御点に印加される並進力項の総和、j−1番目までの制御点におけるZMP回りのモーメントにより印加される並進力項の総和、並びにk−1番目までの制御点に印加される外力項の総和が入力される。そして、関節アクチュエータ内で検出されたセンサ情報に基づいて、当該制御点に印加される並進力項、ZMP回りのモーメントにより印加される並進力項、並びに外力項を算出するとともに、これらをそれぞれの総和に加算処理して、i番目までの制御点に印加される並進力項の総和、j番目までの制御点におけるZMP回りのモーメントにより印加される並進力項の総和、並びにk番目までの制御点に印加される外力項の総和として、接続経路の下位の関節アクチュエータに出力する。したがって、接続経路に従がって、このような加算処理を逐次繰り返していくことにより、中央コントローラに演算結果が到達するときには、運動方程式を構成する各並進力項が既に求められているので、運動方程式を利用した機体の姿勢安定制御を効率的且つ高速に実現することができる。   As shown in the figure, the joint actuator includes, from the joint actuator on the upper side of the connection path, the sum of the translational force terms applied to the (i-1) th control points, the ZMP rotation at the j-1th control points. , And the sum of the external force terms applied to the (k−1) th control points. Then, based on the sensor information detected in the joint actuator, a translation force term applied to the control point, a translation force term applied by a moment around the ZMP, and an external force term are calculated, and these are respectively calculated. The summation is performed on the summation, and the summation of the translational force terms applied to the i-th control point, the summation of the translational force terms applied by the moment around ZMP at the jth control point, and the control up to the kth control point The sum of the external force terms applied to the points is output to the lower joint actuator of the connection path. Therefore, by sequentially repeating such addition processing according to the connection path, when the calculation result reaches the central controller, since each translational force term constituting the equation of motion has already been obtained, It is possible to realize efficient and high-speed attitude stabilization control of the aircraft using the equation of motion.

運動方程式の導入には、制御点における並進力を算出するi系の処理と、制御点の外力モーメントにより生成される並進力を算出するj系の処理と、制御点において印加される外力を算出するk系の処理が含まれるが、図示の例ではi、j、k系の処理がパラレルに進行する。i、j、k系の処理がパラレルに進行するシステムでは、配線が少なくて済むというメリットがある。なお、特に各制御点においてi、j、k系すべての要素が備わっている必要はなく、i系の演算のみ、あるいはi系の演算がなくてi−1系までの演算をパススルーするだけといったデザインも可能である。   To introduce the equation of motion, i-system processing for calculating the translation force at the control point, j-system processing for calculating the translation force generated by the external force moment at the control point, and calculation of the external force applied at the control point However, in the illustrated example, the i, j, and k processes proceed in parallel. In a system in which i, j, and k processes proceed in parallel, there is an advantage that the number of wirings is small. In particular, it is not necessary for each control point to have all the elements of the i, j, and k systems, and only the operation of the i system or the operation of the i-1 system without the operation of the i system is simply passed through. Design is also possible.

以上、特定の実施例を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施例の修正や代用を成し得ることは自明である。   The present invention has been described in detail with reference to the specific embodiments. However, it is obvious that those skilled in the art can modify or substitute the embodiment without departing from the spirit of the present invention.

本発明の要旨は、必ずしも「ロボット」と称される製品には限定されない。すなわち、電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行なう機械装置あるいはその他の一般的な移動体装置であるならば、例えば玩具などのような他の産業分野に属する製品であっても、同様に本発明を適用することができる。   The gist of the present invention is not necessarily limited to products called “robots”. That is, if it is a mechanical device or other general mobile device that performs a motion similar to a human motion by using an electric or magnetic action, a product belonging to another industrial field such as a toy, for example. However, the present invention can be similarly applied.

要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。   In short, the present invention has been disclosed by way of example, and the contents described in this specification should not be interpreted in a limited manner. In order to determine the gist of the present invention, the claims described at the beginning should be considered.

図1は、本発明の実施に供される脚式移動ロボットが直立している様子を前方から眺望した様子を示した図である。FIG. 1 is a view showing a state in which a legged mobile robot provided for carrying out the present invention stands upright, as viewed from the front. 図2は、本発明の実施に供される脚式移動ロボットが直立している様子を後方から眺望した様子を示した図である。FIG. 2 is a view showing a state in which the legged mobile robot provided for carrying out the present invention stands upright, as viewed from the rear. 図3は、脚式移動ロボットが具備する関節自由度構成を模式的に示した図である。FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a joint degree of freedom configuration included in the legged mobile robot. 図4は、脚式移動ロボット100の制御システム構成を模式的に示した図である。FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a control system configuration of the legged mobile robot 100. 図5は、脚式移動ロボット100の多質点近似モデルを示した図である。FIG. 5 is a diagram illustrating a multi-mass approximation model of the legged mobile robot 100. 図6は、多質点モデルの腰部周辺の拡大図を示した図である。FIG. 6 is an enlarged view of the periphery of the waist of the multi-mass model. 図7は、脚式移動ロボット100において安定歩行可能な機体運動を生成するための処理手順を示したフローチャートである。FIG. 7 is a flowchart illustrating a processing procedure for generating a body motion capable of stably walking in the legged mobile robot 100. 図8は、脚式移動ロボット100において安定歩行可能な機体運動を生成するための処理手順の変形例を示したフローチャートである。FIG. 8 is a flowchart illustrating a modified example of a processing procedure for generating a body motion capable of stably walking in the legged mobile robot 100. 図9は、上半身における希望軌道の優先順位の設定方法を説明するための図である。FIG. 9 is a diagram for explaining a method of setting the priority order of the desired trajectory in the upper body. 図10は、上半身における希望軌道の優先順位の設定方法を説明するための図である。FIG. 10 is a diagram for explaining a method of setting the priority order of the desired trajectory in the upper body. 図11は、上半身における希望軌道の優先順位の設定方法を説明するための図である。FIG. 11 is a diagram for explaining a method of setting the priority order of the desired trajectory in the upper body. 図12は、上半身における希望軌道の優先順位の設定方法を説明するための図である。FIG. 12 is a diagram for explaining a method of setting the priority order of the desired trajectory in the upper body. 図13は、上半身における希望軌道の優先順位の設定方法を説明するための図である。FIG. 13 is a diagram for explaining a method of setting the priority order of the desired trajectory in the upper body. 図14は、上半身における希望軌道の優先順位の設定方法を説明するための図である。FIG. 14 is a diagram for explaining a method of setting the priority order of the desired trajectory in the upper body. 図15は、上半身における希望軌道の優先順位の設定方法を説明するための図である。FIG. 15 is a diagram for explaining a method of setting the priority order of the desired trajectory in the upper body. 図16は、上半身における希望軌道の優先順位の設定方法を説明するための図である。FIG. 16 is a diagram for explaining a method of setting the priority order of the desired trajectory in the upper body. 図17は、上半身における希望軌道の優先順位の設定方法を説明するための図である。FIG. 17 is a diagram for explaining a method of setting the priority order of the desired trajectory in the upper body. 図18は、上半身における希望軌道の優先順位の設定方法を説明するための図である。FIG. 18 is a diagram for explaining a method of setting the priority order of the desired trajectory in the upper body. 図19は、上半身における希望軌道の優先順位の設定方法を説明するための図である。FIG. 19 is a diagram for explaining a method of setting the priority order of the desired trajectory in the upper body. 図20は、脚式移動ロボットの機体上の質量が集中している部位に加速度、角加速度、角速度センサを搭載している様子を示した図である。FIG. 20 is a diagram illustrating a state in which acceleration, angular acceleration, and angular velocity sensors are mounted on a portion of the body of the legged mobile robot where the mass is concentrated. 図21は、脚式移動ロボットの機体上の各リンクの重心付近に加速度、角加速度、角速度センサを搭載している様子を示した図である。FIG. 21 is a diagram showing a state in which acceleration, angular acceleration, and angular velocity sensors are mounted near the center of gravity of each link on the body of the legged mobile robot. 図22は、脚式移動ロボットの機体上の各アクチュエータの重心付近に加速度、角加速度、角速度センサを搭載している様子を示した図である。FIG. 22 is a diagram illustrating a state in which acceleration, angular acceleration, and angular velocity sensors are mounted near the center of gravity of each actuator on the body of the legged mobile robot. 図23は、脚式移動ロボットの運動制御の概略的な処理手順をフローチャートの形式で示した図である。FIG. 23 is a diagram showing a schematic processing procedure of the motion control of the legged mobile robot in the form of a flowchart. 図24は、ZMP方程式の解法に基づく機体の安定制御の処理手順を示したフローチャートである。FIG. 24 is a flowchart showing a processing procedure of aircraft stability control based on the solution of the ZMP equation. 図25は、運動方程式の解法に基づく機体の安定制御の処理手順を示したフローチャートである。FIG. 25 is a flowchart showing a processing procedure of the aircraft stability control based on the solution of the equation of motion. 図26は、脚式移動ロボットの機体上の各アクチュエータの重心付近に配置されたセンサ同士を直列的に接続する構成例を示した図である。FIG. 26 is a diagram showing a configuration example in which sensors arranged near the center of gravity of each actuator on the body of the legged mobile robot are connected in series. 図27は、脚式移動ロボットの機体上の各アクチュエータの重心付近に配置されたセンサ同士を直列的に接続する構成例を示した図である。FIG. 27 is a diagram showing a configuration example in which sensors arranged near the center of gravity of each actuator on the body of the legged mobile robot are connected in series. 図28は、ユニットの重心付近に加速度、角加速度、角速度センサを搭載した関節アクチュエータの構成例を示した図である。FIG. 28 is a diagram illustrating a configuration example of a joint actuator having an acceleration, an angular acceleration, and an angular velocity sensor mounted near the center of gravity of the unit. 図29は、図28に示した関節アクチュエータの機能構成を模式的に示した図である。FIG. 29 is a diagram schematically showing a functional configuration of the joint actuator shown in FIG. 図30は、各制御点の関節アクチュエータ内で、ZMP回りのモーメント項、制御点に印加される外力モーメント項、並びに制御点に印加される外力により生成されるZMP回りのモーメント項を順次加算していく構成を示した図である。FIG. 30 shows that the moment term around ZMP, the external force moment term applied to the control point, and the ZMP moment term generated by the external force applied to the control point are sequentially added in the joint actuator at each control point. FIG. 4 is a diagram showing a configuration for performing the operation. 図31は、各制御点の関節アクチュエータ内で、制御点に印加される並進力項、ZMP回りのモーメントにより印加される並進力項、並びに外力項を順次加算していく構成を示した図である。FIG. 31 is a diagram illustrating a configuration in which a translational force term applied to a control point, a translational force term applied by a moment around ZMP, and an external force term are sequentially added in the joint actuator at each control point. is there.

符号の説明Explanation of reference numerals

1…首関節ヨー軸
2A…第1の首関節ピッチ軸
2B…第2の首関節(頭)ピッチ軸
3…首関節ロール軸
4…肩関節ピッチ軸
5…肩関節ロール軸
6…上腕ヨー軸
7…肘関節ピッチ軸
8…手首関節ヨー軸
9…体幹ピッチ軸
10…体幹ロール軸
11…股関節ヨー軸
12…股関節ピッチ軸
13…股関節ロール軸
14…膝関節ピッチ軸
15…足首関節ピッチ軸
16…足首関節ロール軸
30…頭部ユニット,40…体幹部ユニット
50…腕部ユニット,51…上腕ユニット
52…肘関節ユニット,53…前腕ユニット
60…脚部ユニット,61…大腿部ユニット
62…膝関節ユニット,63…脛部ユニット
80…制御ユニット,81…主制御部
82…周辺回路
91,92…接地確認センサ
93,94…加速度センサ
95…姿勢センサ
96…加速度センサ
100…脚式移動ロボット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Neck joint yaw axis 2A ... 1st neck joint pitch axis 2B ... 2nd neck joint (head) pitch axis 3 ... Neck joint roll axis 4 ... Shoulder joint pitch axis 5 ... Shoulder joint roll axis 6 ... Upper arm yaw axis 7: Elbow joint pitch axis 8: Wrist joint yaw axis 9 ... Trunk pitch axis 10 ... Trunk roll axis 11 ... Hip joint yaw axis 12 ... Hip joint pitch axis 13 ... Hip joint roll axis 14 ... Knee joint pitch axis 15 ... Ankle joint pitch Axis 16: Ankle joint roll axis 30: Head unit, 40: Trunk unit 50: Arm unit, 51: Upper arm unit 52: Elbow joint unit, 53: Forearm unit 60: Leg unit, 61: Thigh unit 62: Knee joint unit, 63: Shin unit 80: Control unit, 81: Main control unit 82: Peripheral circuit 91, 92: Ground contact confirmation sensor 93, 94: Acceleration sensor 95: Attitude sensor 9 ... acceleration sensor 100 ... legged mobile robot

Claims (13)

1以上の可動部を有する移動体装置であって、
前記移動体装置にローカル座標系を設定し、前記ローカル座標系原点の加速度を計測する第1の加速度センサと、
前記ローカル座標系における1以上の制御対象点に設置された第2の加速度センサと、
少なくとも前記第1の加速度センサ及び前記第2の加速度センサから得られる加速度情報に基づいて、前記ローカル座標系原点の加速度に対する前記制御対象点の相対加速度を算出する相対加速度算出手段と、
前記相対加速度に基づいて前記制御対象点を制御する制御手段と、
を具備することを特徴とする移動体装置。
A mobile device having one or more movable parts,
A first acceleration sensor that sets a local coordinate system on the mobile device and measures an acceleration at the origin of the local coordinate system;
A second acceleration sensor installed at one or more control target points in the local coordinate system;
Relative acceleration calculating means for calculating a relative acceleration of the control target point with respect to an acceleration of the origin of the local coordinate system, based on acceleration information obtained from at least the first acceleration sensor and the second acceleration sensor;
Control means for controlling the control target point based on the relative acceleration,
A mobile device comprising:
前記ローカル座標系と前記第1の加速度センサを前記移動体装置と路面との接触部位に設ける、
ことを特徴とする請求項1に記載の移動体装置。
Providing the local coordinate system and the first acceleration sensor at a contact portion between the mobile device and a road surface;
The mobile device according to claim 1, wherein:
前記移動体装置は足部を有するロボット装置であり、
前記ローカル座標系と前記第1の加速度センサを前記足部に設ける、
ことを特徴とする請求項1に記載の移動体装置。
The mobile device is a robot device having a foot,
Providing the local coordinate system and the first acceleration sensor on the foot;
The mobile device according to claim 1, wherein:
前記移動体装置は腰部を有するロボット装置であり、
前記ローカル座標系と前記第1の加速度センサを前記腰部に設ける、
ことを特徴とする請求項1に記載の移動体装置。
The mobile device is a robot device having a waist,
Providing the local coordinate system and the first acceleration sensor on the waist;
The mobile device according to claim 1, wherein:
少なくとも前記第1の加速度センサ及び前記第2の加速度センサから得られる加速度情報に基づいて導出されるZMP方程式又は運動方程式を用いて、前記移動体装置に印加される未知モーメント又は未知外力を算出する手段をさらに備え、
前記制御手段は、該算出された未知モーメント又は未知外力に基づいて前記制御対象点を制御する、
ことを特徴とする請求項1に記載の移動体装置。
An unknown moment or unknown external force applied to the mobile device is calculated using a ZMP equation or a motion equation derived based on acceleration information obtained from at least the first acceleration sensor and the second acceleration sensor. Further comprising means,
The control means controls the control target point based on the calculated unknown moment or unknown external force,
The mobile device according to claim 1, wherein:
前記移動体装置は、少なくとも上肢、下肢、及び体幹部を含んだ可動部を備えたロボット装置であり、
少なくとも前記上肢、前記下肢、前記体幹部毎に制御対象点が設けられている、
ことを特徴とする請求項1に記載の移動体装置。
The mobile device is a robot device having a movable portion including at least upper limb, lower limb, and trunk,
At least the upper limb, the lower limb, a control target point is provided for each torso,
The mobile device according to claim 1, wherein:
前記移動体装置上に分散配置された前記加速度センサ同士が直列的に接続され、個々の制御点において前記加速度センサの加速度情報に基づいて算出される前記ZMP方程式又は運動方程式上のモーメント項や外力項を、接続経路に従って各制御対象点において順次加算していく、
ことを特徴とする請求項6に記載の移動体装置。
The acceleration sensors distributed and arranged on the mobile device are connected in series, and a moment term and an external force on the ZMP equation or the equation of motion calculated at each control point based on acceleration information of the acceleration sensor. Term is sequentially added at each control target point according to the connection path,
The mobile device according to claim 6, wherein:
1以上の可動部を有する移動体装置の制御方法であって、
前記移動体装置にローカル座標系を設定し、前記ローカル座標系原点における第1の加速度を計測する第1の加速度計測ステップと、
前記ローカル座標系に設置された1以上の制御対象点における第2の加速度を計測する第2の加速度計測ステップと、
少なくとも前記第1の加速度及び前記第2の加速度に基づいて、前記ローカル座標系原点の加速度に対する前記制御対象点の相対加速度を算出する相対加速度算出ステップと、
前記相対加速度に基づいて前記制御対象点を制御する制御ステップと、
を具備することを特徴とする移動体装置の制御方法。
A method of controlling a mobile device having one or more movable parts,
A first acceleration measurement step of setting a local coordinate system on the mobile device and measuring a first acceleration at the local coordinate system origin;
A second acceleration measurement step of measuring a second acceleration at one or more control target points installed in the local coordinate system;
A relative acceleration calculating step of calculating a relative acceleration of the control target point with respect to an acceleration of the local coordinate system origin based on at least the first acceleration and the second acceleration;
A control step of controlling the control target point based on the relative acceleration,
A method for controlling a mobile device, comprising:
前記第1の加速度計測ステップでは、前記移動体装置と路面との接触部位に前記ローカル座標系を設定して前記第1の加速度を計測する、
ことを特徴とする請求項8に記載の移動体装置の制御方法。
In the first acceleration measuring step, the first acceleration is measured by setting the local coordinate system at a contact portion between the mobile device and a road surface,
The method of controlling a mobile device according to claim 8, wherein:
前記移動体装置は足部を有するロボット装置であり、
前記第1の加速度計測ステップでは、前記ローカル座標系を前記足部に設けて前記第1の加速度を計測する、
ことを特徴とする請求項8に記載の移動体装置の制御方法。
The mobile device is a robot device having a foot,
In the first acceleration measuring step, the local coordinate system is provided on the foot to measure the first acceleration,
The method of controlling a mobile device according to claim 8, wherein:
前記移動体装置は腰部を有するロボット装置であり、
前記第1の加速度計測ステップでは、前記ローカル座標系を前記腰部に設けて前記第1の加速度を計測する、
ことを特徴とする請求項8に記載の移動体装置の制御方法。
The mobile device is a robot device having a waist,
In the first acceleration measurement step, the local coordinate system is provided on the waist to measure the first acceleration,
The method of controlling a mobile device according to claim 8, wherein:
少なくとも前記第1の加速度及び前記第2の加速度に基づいて導出されるZMP方程式又は運動方程式を用いて、前記移動体装置に印加される未知モーメント又は未知外力を算出する未知モーメント又は未知外力算出ステップをさらに備え、
前記制御ステップでは、該算出された未知モーメント又は未知外力に基づいて前記制御対象点を制御する、
ことを特徴とする請求項8に記載の移動体装置の制御方法。
An unknown moment or unknown external force calculating step of calculating an unknown moment or unknown external force applied to the mobile device by using a ZMP equation or an equation of motion derived based on at least the first acceleration and the second acceleration. Further comprising
In the control step, the control target point is controlled based on the calculated unknown moment or unknown external force,
The method of controlling a mobile device according to claim 8, wherein:
前記移動体装置は、少なくとも上肢、下肢、及び体幹部を含んだ可動部を備えたロボット装置であり、
少なくとも前記上肢、前記下肢、前記体幹部毎に制御対象点が設けられている、
ことを特徴とする請求項8に記載の移動体装置の制御方法。
The mobile device is a robot device having a movable portion including at least upper limb, lower limb, and trunk,
At least the upper limb, the lower limb, a control target point is provided for each torso,
The method of controlling a mobile device according to claim 8, wherein:
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