JP5268107B2 - Hybrid control device and method for multi-legged walking device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To simultaneously execute each of an optional leg part control and an autobalance control, even in an unknown environment such as irregular ground. <P>SOLUTION: This multi-leg walking type moving device walking by a plurality of legs includes a hybrid control device for simultaneously executing the optional leg part control and the autobalance control for automatically maintaining balance. The hybrid control device statically performs non-interference of the leg part control and the autobalance control according to a grounding state of each foot part. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、複数の脚で歩行する多脚歩行式移動装置において、任意の脚部制御とオートバランス制御とのそれぞれを同時に実行可能とするためのハイブリッド制御装置及び手法に関する。   The present invention relates to a hybrid control device and method for enabling arbitrary leg control and auto balance control to be executed simultaneously in a multi-leg walking type mobile device that walks with a plurality of legs.

現在、ほとんどの多脚歩行式移動装置(歩行ロボット)の歩行制御は、軌道計画ベースで行なわれている。すなわち、ロボット自身と環境の動特性が既知であることを前提に、所望の歩行を実現する目標軌道を、ゼロモーメントポイント(ZMP:Zero Moment Point)等の安定化規範にもとづいて予め計算(軌道計画)し、実際の歩行時には、その軌道計画を再現するように関節サーボレベルで軌道制御を適用する。これはロボットの歩行における動作の計画と制御を分離する手法であり、一定の成功を収めているが、以下のような問題点も存在する。   Currently, the walking control of most multi-legged walking devices (walking robots) is performed on a trajectory plan basis. That is, on the assumption that the dynamic characteristics of the robot itself and the environment are known, a target trajectory for realizing a desired walking is calculated in advance based on a stabilization criterion such as a zero moment point (ZMP) (orbital trajectory). In the actual walking, the trajectory control is applied at the joint servo level so as to reproduce the trajectory plan. This is a method for separating the motion planning and control in walking of the robot, and has achieved some success, but there are also the following problems.

1)ロボットと環境の動特性が既知でなければならない
軌道計画を正確に行なうためには、ロボットの運動学モデルのみならず動力学モデルを、環境との相互作用を含めて正確に構築する必要がある。これは、不可能ではないが非常に困難な作業である。さらに、細心の注意を払って動力学モデルを導出しても、いわゆるモデル化誤差は不可避であり、モデル化誤差に起因する歩行制御の乱れが実行時に必ず生じる。従って,実環境における安定した歩行制御のためには、何らかの補償手段を必要とする。
1) The dynamic characteristics of the robot and the environment must be known. To accurately perform trajectory planning, it is necessary to accurately construct not only the robot kinematic model but also the dynamic model including the interaction with the environment. There is. This is a difficult but not impossible task. Furthermore, even if a dynamic model is derived with great care, a so-called modeling error is unavoidable, and disturbance of walking control due to the modeling error always occurs at the time of execution. Therefore, some compensation means is required for stable walking control in an actual environment.

2)軌道制御が正確に実現されなければならない
前述のZMPは、ロボットの位置姿勢のみではなく加速度/角加速度にも依存する量である。つまり、軌道制御において加速度/角加速度まで正確に再現されなければ、軌道計画が実現されないことを意味する。これは実際には非常に困難であり、やはり何らかの補償手段が必要である。
2) Trajectory control must be accurately realized ZMP described above is an amount that depends not only on the position and orientation of the robot but also on acceleration / angular acceleration. In other words, it means that the trajectory plan is not realized unless the acceleration / angular acceleration is accurately reproduced in the trajectory control. This is very difficult in practice and still requires some compensation means.

3)補償のために多くのセンサ情報を必要とする
前述のように、モデル化誤差や軌道制御誤差に対する補償手段が必要とされるが、これらの補償のためには、通常ロボットに設けられる関節変位センサ以外に、傾斜角センサ、加速度センサ,ジャイロセンサ、カメラ、力センサ等の付加的なセンサを必要とする。
3) A large amount of sensor information is required for compensation. As described above, compensation means for modeling errors and trajectory control errors are required. For these compensations, joints usually provided in robots are required. In addition to the displacement sensor, additional sensors such as an inclination angle sensor, an acceleration sensor, a gyro sensor, a camera, and a force sensor are required.

上記のような問題点が存在するため、現在の歩行ロボットを安定に歩行させるためには多くの情報と計算が必要であり、その構造が複雑である。さらに、整備されていない未知の不整地においては、ロバストな歩行は困難であった。   Because of the above problems, a lot of information and calculations are required to make the current walking robot walk stably, and its structure is complicated. Furthermore, robust walking was difficult on unknown rough terrain.

そこで、未知の環境においてもロバストな歩行を実現すべく、軌道計画ベースでない歩行制御が提案されている。すなわち、従来の軌道計画ベースの手法ではロボットが体全体の動きを制御することによってバランスを維持していたのに対し、足で地面に加える力を積極的に操作する(つまり、踏ん張る)ことによってバランスを維持する手法である。   Therefore, in order to realize robust walking even in unknown environments, walking control that is not based on a trajectory plan has been proposed. In other words, in the conventional trajectory planning-based method, the robot maintains the balance by controlling the movement of the whole body, but by actively manipulating the force applied to the ground with the foot (that is, stroking) This is a technique for maintaining balance.

例えば、非特許文献1〜4においては、関節サーボレベルの軌道制御ではなくロボット全体の角運動量を被制御量とする手法が提案されている。これらの手法では,ロボットの軌道計画は行なわれず、角運動量が直接フィードバック制御されるため,前記2)の軌道制御の厳密な追従性は要求されないという利点がある。   For example, Non-Patent Documents 1 to 4 propose a method that uses the amount of angular momentum of the entire robot as the controlled amount, not the trajectory control at the joint servo level. These methods have the advantage that the trajectory control of 2) above is not required because the trajectory planning of the robot is not performed and the angular momentum is directly feedback controlled.

しかし、角運動量のフィードバックを構成するためには、ロボットの関節の速度/角速度と全体の角運動量を関係づける動特性を、やはり予め正確に知っておく必要がある。さらに、これらの手法では絶対座標系から見たロボットの位置姿勢が既知であることが暗黙の前提になっており、未知の環境においては、ロボットの絶対位置姿勢を計測するための傾斜角センサ、加速度センサ、ジャイロセンサ、カメラなどが必要となる。さらに、ロボットが足以外からも外力を受ける(腕で壁を押している等)場合には、その力が角運動量に及ぼす影響も、力センサを用いるなどして陽に知っていなければならない。   However, in order to construct the angular momentum feedback, it is necessary to accurately know in advance the dynamic characteristics that relate the speed / angular velocity of the joint of the robot and the total angular momentum. Furthermore, in these methods, it is implicitly assumed that the position and orientation of the robot as seen from the absolute coordinate system are known. In an unknown environment, an inclination angle sensor for measuring the absolute position and orientation of the robot, An acceleration sensor, a gyro sensor, a camera, etc. are required. Furthermore, when the robot receives an external force from other than the legs (such as pushing a wall with an arm), the influence of the force on the angular momentum must be explicitly known by using a force sensor.

一方、特許文献1においては、ロボットの足関節トルクを操作量、足関節トルクの積分値を被制御量とする手法が提案されている。これは、多脚歩行式移動装置ではなく、単脚のみを有する装置のバランス維持のみを目的としているものの、未知の環境においてもロバストなバランス維持制御(オートバランス制御)を実現している。   On the other hand, Patent Document 1 proposes a technique in which an ankle joint torque of a robot is an operation amount and an integral value of the ankle joint torque is a controlled amount. This is intended only to maintain the balance of a device having only a single leg, not a multi-legged walking type mobile device, but realizes robust balance maintenance control (auto balance control) even in an unknown environment.

しかし、上記の制御装置をそのまま、複数の脚を有する多脚歩行式移動装置に適用することは困難である。そこで、上記制御装置を2本の脚を有する二脚歩行式移動装置(二足歩行ロボット)に拡張した方法が提案されている(非特許文献5及び非特許文献6参照)。   However, it is difficult to apply the control device as it is to a multi-legged walking type mobile device having a plurality of legs. In view of this, a method has been proposed in which the above control device is extended to a biped walking type mobile device (biped walking robot) having two legs (see Non-Patent Document 5 and Non-Patent Document 6).

上記制御手法は、ロボット全体の重心に印加する一般化力を操作量とし、二脚歩行式移動装置が両脚で接地している状態において、各脚の床反力中心(CoP:Center of Pressure)を統合すべく独自に定義したCoPを被制御量とするものである。これによって、二脚歩行式移動装置においてロバストなオートバランス制御を実現しているが、未だ次のような問題点を有する。   In the above control method, the generalized force applied to the center of gravity of the entire robot is used as the operation amount, and the floor reaction force center (CoP: Center of Pressure) of each leg in a state where the biped walking type moving device is in contact with both legs. CoP that is uniquely defined to integrate the values is used as the controlled amount. This realizes robust autobalance control in the biped walking type mobile device, but still has the following problems.

1)床反力センサによるCoP導出の困難さ
上記制御手法においては、両脚を統合するCoPを導出する際に、両脚が同一平面上に接地していることを前提としている。この場合は、床反力の垂直成分のみを計測することで導出できる。しかし、両脚が同一平面上でない不整地に接地する場合(図4参照)、床反力の全ての成分(三次元空間なら、6方向×2脚=12軸の力・トルク)を計測する必要がある。これは、両脚それぞれに、高価で壊れやすい6軸力センサを設置しなければならないことを意味する。
1) Difficulty in deriving CoP by floor reaction force sensor In the above control method, it is assumed that both legs are grounded on the same plane when deriving CoP that integrates both legs. In this case, it can be derived by measuring only the vertical component of the floor reaction force. However, when both legs are grounded on uneven ground that is not on the same plane (see Fig. 4), it is necessary to measure all components of the floor reaction force (6 directions x 2 legs = 12-axis force / torque in a three-dimensional space). There is. This means that an expensive and fragile 6-axis force sensor must be installed on each leg.

2)ハイブリッド化の困難さ
一般に、多脚歩行式移動装置が歩行するためには、「歩容生成機能」と「バランス維持機能」の二つの機能が重要である。ここで、歩容生成機能とは、現在位置から目的地までどのようなルートを通って進むのか、およびそのルートに沿って歩行するためには左右の脚部あるいは足部をどのように動かせばよいのかを計画する機能である。また、バランス維持機能とは、停止中または歩行中の転倒を防ぐための機能である。
この二つの機能のうち、バランス維持機能については、オートバランス制御として上記制御手法等の足関節トルクを操作量とする制御手法を適用することによって実現することができる。しかし、オートバランス制御だけでは歩容生成機能は実現できないので、歩容生成機能を実現する適切な脚部制御を導入し、オートバランス制御と脚部制御を同時に実行可能とするハイブリッド化を必要とする場合がある。
2) Difficulty in hybridization In general, in order for a multi-legged walking type mobile device to walk, two functions of “gait generation function” and “balance maintenance function” are important. Here, the gait generation function is what route the user takes from the current position to the destination, and how to move the left or right leg or foot to walk along that route. It is a function to plan what is good. The balance maintenance function is a function for preventing the vehicle from falling while stopped or walking.
Of these two functions, the balance maintaining function can be realized by applying a control method using the ankle joint torque as an operation amount, such as the above-described control method, as autobalance control. However, since the gait generation function cannot be realized only by auto balance control, it is necessary to introduce appropriate leg control that realizes the gait generation function and to make the hybrid capable of executing auto balance control and leg control at the same time. There is a case.

しかし、上記制御手法では、両脚を統合するCoPを被制御量とし、オートバランス制御はこのCoPの目標軌道を介して実現されているため、オートバランス制御以外の脚部制御を同時に実現したい場合には、以下の二つの方法のいずれかを用いることになる。   However, in the above control method, the CoP that integrates both legs is the controlled variable, and the auto balance control is realized through the target trajectory of this CoP. Therefore, when it is desired to simultaneously realize the leg control other than the auto balance control. Will use one of the following two methods.

一つ目は、非特許文献5および6において採用されている方法である。すなわち、CoPの目標軌道を変更することで間接的に重心の移動を操作できるので、これを利用して他の脚部制御を導入する。しかし、この方法ではオートバランス制御と他の脚部制御とを独立に扱うことができず、オートバランス制御を介して他の脚部制御を行なうことになる。   The first is a method adopted in Non-Patent Documents 5 and 6. That is, since the movement of the center of gravity can be operated indirectly by changing the target trajectory of CoP, another leg control is introduced using this. However, this method cannot handle auto balance control and other leg control independently, and performs other leg control through auto balance control.

二つ目は、脚部制御入力のうち、ロボット全体の重心移動に影響しない脚の動作のみを抽出して適用する方法である。この方法によれば、重心移動に影響しない動作のみについては、任意の脚部制御によって素早い動作が実現できる。   The second is a method of extracting and applying only the leg motion that does not affect the movement of the center of gravity of the entire robot from the leg control input. According to this method, only an operation that does not affect the movement of the center of gravity can be realized quickly by an arbitrary leg control.

以上、二つの方法を組み合わせれば、上記制御手法によっても一応のハイブリッド化は可能であるが、非特許文献5に指摘されているように、オートバランス制御を介する脚部制御は緩慢な応答とならざるを得ず、歩行の実現という観点からは十分なものではなかった。   As described above, if the two methods are combined, it is possible to achieve hybridization even by the above control method. However, as pointed out in Non-Patent Document 5, the leg control through the auto balance control has a slow response. In other words, it was not enough from the viewpoint of realizing walking.

特許第3637387号公報Japanese Patent No. 3637387

古荘,山田,「角運動量を考慮した2足歩行ロボットの動的制御(両脚支持期に蹴りを行なう歩行)」,計測自動制御学会論文集,vol.22,no.4,pp.451〜456,1986Furujo, Yamada, “Dynamic Control of Biped Robot Considering Angular Momentum (Walking with Kicking in Supporting Both Legs)”, Transactions of the Society of Instrument and Control Engineers, vol. 22, no. 4, pp. 451-456, 1986 佐野,古荘,「角運動量制御による2足歩行ロボットの3次元動歩行」,計測自動制御学会論文集,vol.26,no.4,pp.459〜466,1990Sano, Furuso, “3D dynamic walking of a biped robot by angular momentum control”, Transactions of the Society of Instrument and Control Engineers, vol. 26, no. 4, pp. 459-466, 1990 水戸部,矢島,那須,「ゼロモーメント点の操作による歩行ロボットの制御」,日本ロボット学会誌,vol.18,no.3,pp.359〜365,2000Mitobe, Yajima, Nasu, “Control of walking robot by manipulating zero moment point”, Journal of the Robotics Society of Japan, vol. 18, no. 3, pp. 359-365,2000 水戸部,益山,柴田,山野,那須,「歩行ロボットの床圧・摩擦力に基づくZMP操作および角運動量制御への応用」,日本ロボット学会誌,vol.20,no.5,pp.515〜520,2002Mitobe, Iksan, Shibata, Yamano, Nasu, “ZMP operation based on floor pressure and frictional force of walking robot and application to angular momentum control”, Journal of the Robotics Society of Japan, vol. 20, no. 5, pp. 515-520, 2002 伊藤,浅野,川崎,「床反力中心制御による2足歩行系両脚支持期の重心移動」,日本ロボット学会誌,vol.22,no.4,pp.535〜542,2004Ito, Asano, Kawasaki, “Center-of-gravity movement during bipedal support with both floor reaction force control”, Journal of the Robotics Society of Japan, vol. 22, no. 4, pp. 535-542, 2004 古田,天野,伊藤,「CoPの軌道追従による足踏み運動制御」,第8回計測自動制御学会システムインテグレーション部門講演会講演論文集,pp.817〜818,2007Furuta, Amano, Ito, "Stepping motion control by CoP trajectory tracking", Proceedings of the 8th SICE System Integration Division Annual Conference, pp. 817-818, 2007

そこで、本発明が解決しようとする課題は、不整地のような未知の環境においても、任意の脚部制御とオートバランス制御とのそれぞれを同時に実行可能とする多脚歩行式移動装置のハイブリッド制御装置及び手法を提供することである。   Therefore, the problem to be solved by the present invention is to perform hybrid control of a multi-legged walking type mobile device capable of simultaneously executing arbitrary leg control and auto balance control even in an unknown environment such as rough terrain. It is to provide an apparatus and technique.

上記課題を解決するために、本発明に係る多脚歩行式移動装置は、
複数の脚で歩行する多脚歩行式移動装置において、
脚が、任意の脚部制御と、バランス維持を自動で行なうためのオートバランス制御とを同時に実行するハイブリッド制御装置を備え、
ハイブリッド制御装置は、足部の接地状態に応じて脚部制御とオートバランス制御との非干渉化を静力学的に行なう。
In order to solve the above problems, a multi-legged walking movement device according to the present invention is
In a multi-legged walking device that walks with multiple legs,
The leg includes a hybrid control device that simultaneously executes arbitrary leg control and auto balance control for automatically maintaining balance,
The hybrid control device statically performs non-interference between the leg control and the autobalance control according to the ground contact state of the foot.

好ましくは、
脚は、脚部制御が作用する関節アクチュエータ(LCA)と、オートバランス制御が作用する関節アクチュエータ(ACA)とを、独立に備える。
Preferably,
The leg is independently provided with a joint actuator (LCA) on which leg control operates and a joint actuator (ACA) on which autobalance control operates.

好ましくは、
ハイブリッド制御装置は、単一の脚において、それぞれの足部の接地状態に応じて、足部が完全に離地している遊脚相、足部が完全に接地している立脚相、および遊脚相から立脚相に遷移する過程としての接地相、の三つの相を持ち、それらの相遷移に応じて、ACAに適用する制御をオートバランス制御と適切な制御との間で切り替える。
Preferably,
In a single leg, the hybrid control device has a free leg phase in which the feet are completely grounded, a stance phase in which the feet are completely grounded, and a free leg in accordance with the ground contact state of each foot. There are three phases, a ground phase as a process of transition from the leg phase to the stance phase, and the control applied to the ACA is switched between auto balance control and appropriate control according to the phase transition.

好ましくは、
ハイブリッド制御装置は、すべての脚のうち、遊脚相にない脚が2本以上ある場合に、LCAに適用する脚部制御の非干渉化を行ない、それ以外の場合には適切に非干渉化の有無を切り替える。
Preferably,
The hybrid control device decouples the leg control applied to the LCA when there are two or more legs that are not in the free leg phase among all legs, and appropriately decouples otherwise. Switch the presence or absence.

好ましくは、
ハイブリッド制御装置は、LCAにおける脚部制御の非干渉化の切り替えを、制御則における重み係数を適切に調整することによって行なう。
Preferably,
The hybrid control device switches the decoupling of the leg control in the LCA by appropriately adjusting the weight coefficient in the control law.

好ましくは、
ハイブリッド制御装置は、ACAにおけるオートバランス制御と適切な制御との切り替えを、制御則における重み係数とオフセット値と積分項の積分開始時刻を適切に調整することによって行なう。
Preferably,
The hybrid controller switches between auto balance control and appropriate control in ACA by appropriately adjusting the weighting factor, offset value, and integration start time of the integral term in the control law.

好ましくは、
脚の足底は、接地状態を検出するセンサを備え、接地状態を検出するセンサと、LCAおよびACAに設置された角度センサの値に応じて、脚部制御とオートバランス制御との非干渉化を行なう。
Preferably,
The sole of the leg is provided with a sensor for detecting the ground contact state, and the non-interference between the leg control and the auto balance control according to the values of the sensor for detecting the ground contact state and the angle sensor installed in the LCA and the ACA. To do.

また、本発明に係る多脚歩行式移動装置の制御手法は、
複数の脚で歩行する多脚歩行式移動装置の制御手法において、
脚が、任意の脚部制御と、バランス維持を自動で行なうためのオートバランス制御とを同時に実行するハイブリッド制御手法であって、
足部の接地状態に応じて脚部制御とオートバランス制御との非干渉化を静力学的に行なう。
In addition, the control method of the multi-legged walking device according to the present invention is as follows.
In the control method of a multi-legged walking device that walks with multiple legs,
The leg is a hybrid control method that simultaneously executes arbitrary leg control and auto balance control for automatically maintaining balance,
Non-interference between leg control and auto balance control is performed statically according to the ground contact state of the foot.

好ましくは、
脚は、脚部制御を実行する関節アクチュエータ(LCA)と、オートバランス制御を実行する関節アクチュエータ(ACA)とを、独立に備え、
単一の脚において、それぞれの足部の接地状態に応じて、足部が完全に離地している遊脚相、足部が完全に接地している立脚相、および遊脚相から立脚相に遷移する過程としての接地相、の三つの相を持ち、それらの相遷移に応じて、ACAに適用する制御をオートバランス制御と適切な制御との間で切り替える。
Preferably,
The leg is independently provided with a joint actuator (LCA) that performs leg control and a joint actuator (ACA) that performs autobalance control,
In a single leg, depending on the ground contact state of each foot, the swing leg phase in which the foot is completely grounded, the stance phase in which the foot is completely grounded, and the stance phase from the swing leg phase There are three phases of the ground phase as a process of transition to, and the control applied to ACA is switched between auto balance control and appropriate control according to the phase transition.

好ましくは、
すべての脚のうち、遊脚相にない脚が2本以上ある場合に、LCAに適用する脚部制御の非干渉化を行ない、それ以外の場合には適切に非干渉化の有無を切り替える。
Preferably,
Of all the legs, when there are two or more legs that are not in the swing phase, the leg control applied to the LCA is made non-interfering. In other cases, the presence / absence of the non-interacting is appropriately switched.

好ましくは、
LCAにおける脚部制御の非干渉化の切り替えを、制御則における重み係数を適切に調整することによって行なう。
Preferably,
The switching of the decoupling of the leg control in the LCA is performed by appropriately adjusting the weight coefficient in the control law.

好ましくは、
ACAにおけるオートバランス制御と適切な制御との切り替えを、制御則における重み係数とオフセット値と積分項の積分開始時刻を適切に調整することによって行なう。
Preferably,
Switching between auto balance control and appropriate control in ACA is performed by appropriately adjusting the weighting coefficient, offset value, and integration start time of the integral term in the control law.

本発明は、任意の脚部制御と、バランス維持を自動で行なうためのオートバランス制御とを同時に実行するハイブリッド制御装置を備え、ハイブリッド制御装置は、足部の接地状態に応じて脚部制御とオートバランス制御との非干渉化を静力学的に行なう。   The present invention includes a hybrid control device that simultaneously executes arbitrary leg control and auto balance control for automatically performing balance maintenance, and the hybrid control device performs leg control according to the ground contact state of the foot. Statically decouples from auto balance control.

これにより、多脚歩行式移動装置において、未知の環境でもロバストな歩容生成を実現する脚部制御を適用し得ると共に、ロバストなバランス維持機能を実現するオートバランス制御を同時に実行できる。本発明によれば、動力学モデル、軌道計画、軌道制御、多くのセンサ情報を必須とせずに、未知の不整地におけるロバストな歩行を実現可能である。   As a result, in the multi-leg walking type mobile device, it is possible to apply leg control that realizes robust gait generation even in an unknown environment, and simultaneously execute auto balance control that realizes a robust balance maintaining function. According to the present invention, robust walking on an unknown rough terrain can be realized without requiring a dynamic model, trajectory planning, trajectory control, and a lot of sensor information.

矢状面上における二足歩行ロボットを示すモデル図。The model figure which shows the bipedal walking robot on a sagittal plane. 制御機構の構成を示す説明図。Explanatory drawing which shows the structure of a control mechanism. 単脚支持期における二足歩行ロボットを示すモデル図。The model figure which shows the bipedal walking robot in the single leg support period. 両脚支持期における二足歩行ロボットを示すモデル図。The model figure which shows the bipedal walking robot in a both leg support period. 遊脚相において、(A)は足部を示すモデル図、(B)はオートバランス制御のフローチャート図。In the swing phase, (A) is a model diagram showing a foot, and (B) is a flowchart of auto balance control. 接地相において、(A)は足部を示すモデル図、(B)はオートバランス制御のフローチャート図。In the ground phase, (A) is a model diagram showing a foot, and (B) is a flowchart of auto balance control. 立脚相において、(A)は足部を示すモデル図、(B)はオートバランス制御のフローチャート図。In the stance phase, (A) is a model diagram showing a foot, and (B) is a flowchart of auto balance control. 足部機構を説明するモデル図。The model figure explaining a foot part mechanism.

以下、図面にもとづいて、本発明に係る多脚歩行式移動装置のハイブリッド制御装置及び手法の実施形態について説明する。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of a hybrid control device and method of a multi-leg walking type moving apparatus according to the present invention will be described based on the drawings.

[基本概念]
慣性系の絶対位置に固定された基準座標系をΣとし、多脚歩行式移動装置のボディの代表位置に原点を持ち、多脚歩行式移動装置のボディに固定されたボディ座標系をΣとする。特に断りがない限り、以下のベクトル及び行列は、基準座標系Σからではなくボディ座標系Σから見た表現とする。
[Basic concept]
The reference coordinate system fixed to the absolute position of the inertial system is Σ R , the origin is at the representative position of the body of the multi-legged walking device, and the body coordinate system fixed to the body of the multi-legged walking device is Σ B. Unless otherwise stated, the following vectors and matrices, and expressed as viewed from the body coordinate system sigma B rather than from the reference coordinate system sigma R.

本実施形態では、説明を簡単にするため、二脚歩行式移動装置(二足歩行ロボット)を採用し、矢状面(側面視)の二次元平面上の運動に限定する(図1)。但し、本実施形態の手法は、多脚歩行式移動装置の三次元空間上での運動に拡張でき、一般性を失わない。   In this embodiment, in order to simplify the explanation, a bipedal walking type movement device (bipedal walking robot) is adopted, and the movement is limited to a sagittal plane (side view) on a two-dimensional plane (FIG. 1). However, the method of the present embodiment can be extended to the movement of the multi-leg walking type moving apparatus in the three-dimensional space, and the generality is not lost.

多脚歩行式移動装置の足i(二足歩行ロボットの場合、i=a,b)が接地した状態において、足iに、実質的な足底としての「仮想足底平面」を定義する。ここで、「仮想足底平面」とは、整地あるいは不整地において地面に接地する接地点を全て含む(通る)平面をいう。   In the state where the foot i (i = a, b in the case of a bipedal walking robot) of the multi-legged walking device is in contact with the ground, a “virtual sole plane” as a substantial sole is defined for the foot i. Here, the “virtual plantar plane” refers to a plane including (passing through) all the grounding points that contact the ground on leveling or uneven ground.

各足の足底平面に固定されたそれぞれの足底座標系ΣiFについて、足底平面をxiFiF平面、足先が向く前方をxiF軸正方向、足底平面の法線上方をyiF軸正方向、ziF軸は右手系をなす方向と定義する。 For each plantar coordinate system Σ iF fixed to the plantar plane of each foot, the plantar plane is the x iF z iF plane, the front toward the foot tip is the x iF axis positive direction, and the plantar plane is above the normal line The y iF axis positive direction and the z iF axis are defined as a right-handed direction.

このとき、xiF軸まわりの回転はロール回転、ziF軸まわりの回転はピッチ回転、yiF軸まわりの回転はヨー回転となる。三次元空間上では、このうちのロール回転・ピッチ回転が足iの「オートバランス制御軸」となる。即ち、オートバランス制御軸とは、足底座標系上におけるオートバランス制御のための自由度をいう。そして、矢状面上に限定すれば、ピッチ回転のみが足iのオートバランス制御軸となる。 At this time, rotation around the x iF axis is roll rotation, rotation around the z iF axis is pitch rotation, and rotation around the y iF axis is yaw rotation. In the three-dimensional space, roll rotation and pitch rotation among these become the “auto balance control axis” of the foot i. That is, the autobalance control axis refers to a degree of freedom for autobalance control on the sole coordinate system. And if it restrict | limits on a sagittal surface, only a pitch rotation will become the auto-balance control axis | shaft of the foot i.

足底座標系ΣiFの原点は、仮想足底平面上の任意の位置に設定する(但し、できるだけ足底の中央に置くことが好ましい)。この原点は、床反力代表点として用いられ、ボディ座標系Σからみた位置姿勢は、 The origin of the plantar coordinate system Σ iF is set at an arbitrary position on the virtual plantar plane (however, it is preferable to place it at the center of the plantar as much as possible). This origin is used as the floor reaction force representative point, and the position and orientation viewed from the body coordinate system Σ B is

Figure 0005268107
と表現する。ここで、mは空間自由度を表し、三次元空間ではm=6、二次元平面ではm=3である。
Figure 0005268107
It expresses. Here, m represents the degree of freedom in space, m = 6 in the three-dimensional space, and m = 3 in the two-dimensional plane.

ここからは、運動を矢状面上に限定(m=3)した二足歩行ロボット(i=a,b)について説明する。各脚の関節数nは、最低3自由度(n≧3)必要である(三次元空間上の歩行ロボットであればn≧6である。即ち、各脚最低m=6自由度必要である。)。このとき、以下のように変数を定義する。 From here, a biped robot (i = a, b) whose motion is limited to the sagittal plane (m = 3) will be described. Joint count n i of each leg is n i ≧ 6 if at least three degrees of freedom (n i ≧ 3) must be (walking robot in a three-dimensional space. That is, each leg minimum m = 6 degrees of freedom is necessary.). At this time, variables are defined as follows.

Figure 0005268107
但し、tは現在時刻である。nACは各足のオートバランス制御軸数とし、前記の通り、二次元平面上ではnAC=1であり、三次元空間上ではnAC=2である。
Figure 0005268107
Where t is the current time. n AC is the number of autobalance control axes of each foot, and as described above, n AC = 1 on the two-dimensional plane and n AC = 2 on the three-dimensional space.

尚、上記の床反トルクτGRは、ロボットの足が地面に対して反作用として及ぼしているトルクを示す。従って、床反トルクτGRは、足底に働く床反力分布を検出する床反力センサの測定値から算出できる。 The floor reaction torque τ GR described above indicates the torque exerted by the robot's feet as a reaction against the ground. Therefore, the floor reaction torque τ GR can be calculated from the measured value of the floor reaction force sensor that detects the distribution of the floor reaction force acting on the sole.

ここからは、各脚が3自由度(n=n=3)を有する実施形態について説明する。尚、各脚がそれ以上の自由度数を有していても、三次元空間上でも以下の説明は同様に成立する。 From here, an embodiment will be described in which each leg has three degrees of freedom (n a = n b = 3). In addition, even if each leg has a higher degree of freedom, the following description holds true also in the three-dimensional space.

[制御機構]
図2にもとづき、各脚の制御機構の構成について説明する。各脚は、三つの関節アクチュエータLCA1,LCA2,ACAを備えており、各関節アクチュエータLCA1,LCA2,ACAに第1リンク部10、第2リンク部11及び足部5が連結されている。多脚歩行式移動装置は、この脚を二つ以上備えており、関節アクチュエータLCA1が胴部(ボディ)に連結される。
[Control mechanism]
The configuration of the control mechanism for each leg will be described with reference to FIG. Each leg includes three joint actuators LCA1, LCA2, and ACA, and the first link portion 10, the second link portion 11, and the foot portion 5 are connected to the joint actuators LCA1, LCA2, and ACA. The multi-legged walking type movement apparatus includes two or more legs, and the joint actuator LCA1 is connected to the trunk (body).

そして、各脚は、所定の関節アクチュエータによって、任意の脚部制御とオートバランス制御とを行なうようになっている。このように、任意の脚部制御とオートバランス制御とをそれぞれ同時に実行する制御のことを、「ハイブリッド制御」という。   Each leg performs arbitrary leg control and auto balance control by a predetermined joint actuator. Control in which arbitrary leg control and auto balance control are simultaneously executed in this way is called “hybrid control”.

例えば(下記の関節空間における制御では)、足部5における足関節(第3関節)の関節アクチュエータACAがオートバランス制御を行ない、それ以外の関節(第1関節及び第2関節)の関節アクチュエータLCA1,LCA2が任意の脚部制御を行なう。関節アクチュエータLCA1,LCA2,ACAは、関節変位センサ3,6,7によって関節変位が検出される。   For example (in the control in the joint space described below), the joint actuator ACA of the foot joint (third joint) in the foot 5 performs autobalance control, and the joint actuator LCA1 of the other joints (first joint and second joint) LCA2 performs arbitrary leg control. In joint actuators LCA1, LCA2, and ACA, joint displacement is detected by joint displacement sensors 3, 6, and 7.

関節アクチュエータLCA1,LCA2,ACAは、ハイブリッド制御装置1及び関節アクチュエータ駆動装置3,6,7によって制御される。ハイブリッド制御装置1は、コントローラ20を操作することで、例えば関節アクチュエータLCA1,LCA2を任意のトルクで駆動し、任意の脚部制御を実行できる。   The joint actuators LCA1, LCA2, and ACA are controlled by the hybrid control device 1 and joint actuator driving devices 3, 6, and 7. By operating the controller 20, the hybrid controller 1 can drive the joint actuators LCA1 and LCA2, for example, with an arbitrary torque, and execute an arbitrary leg control.

さらに、ハイブリッド制御装置1は、バランスを維持するためのオートバランス制御プログラムにもとづいて、例えば関節アクチュエータACAを制御する。   Furthermore, the hybrid control device 1 controls, for example, the joint actuator ACA based on an autobalance control program for maintaining balance.

足部5は、足底に床反力センサ4を備える。床反力センサ4は、例えばシート状の圧力センサであって、シート面の法線方向が検出軸となっている。床反力センサ4は、測定した床反力分布をハイブリッド制御装置1に出力して、この測定値にもとづいて床反トルクτGRを算出する。 The foot 5 includes a floor reaction force sensor 4 on the sole. The floor reaction force sensor 4 is, for example, a sheet-like pressure sensor, and the normal direction of the sheet surface is a detection axis. The floor reaction force sensor 4 outputs the measured floor reaction force distribution to the hybrid control device 1 and calculates the floor reaction torque τ GR based on the measured value.

[単脚支持期のオートバランス制御]
図3にもとづき、脚aが立脚(接地脚)、脚bが遊脚(非接地脚)の場合における、オートバランス制御について説明する。上記の通り、脚aのピッチ軸がオートバランス制御軸であるので、有効なオートバランス制御軸変位はθaACのみである。
[Auto balance control during single leg support period]
Based on FIG. 3, the auto balance control in the case where the leg a is a standing leg (grounding leg) and the leg b is a free leg (non-grounding leg) will be described. As described above, since the pitch axis of the leg a is the autobalance control axis, the effective autobalance control axis displacement is only θaAC .

単脚支持期におけるオートバランス制御の目的は、床反トルクτaGR=0とすることである。この制御目的を実現するために、例えば、特許文献1に開示された制御手法を適用すると、単脚支持期のオートバランス制御トルク指令τaACsは、次の(1)式となる。 The purpose of the autobalance control in the single leg support period is to set the floor reaction torque τ aGR = 0. In order to realize this control purpose, for example, when the control method disclosed in Patent Document 1 is applied, the autobalance control torque command τ aACs in the single leg support period is expressed by the following equation (1).

Figure 0005268107
但し、次のように変数を定義する。
Figure 0005268107
However, variables are defined as follows.

Figure 0005268107
Figure 0005268107

尚、上記(1)式において、第1及び第2項は、関節変位センサで測定した角度を、予め定めた目標角度θaACdに制御するPD制御項であり、第3項は、床反トルクτaGR=0となるように制御する床反トルクの積分項である。 In the above equation (1), the first and second terms are PD control terms for controlling the angle measured by the joint displacement sensor to a predetermined target angle θ aACd , and the third term is a floor reaction torque. This is an integral term of floor reaction torque that is controlled so that τ aGR = 0.

[単脚支持期のハイブリッド制御(関節空間)]
次に、任意の脚部制御とオートバランス制御とをそれぞれ同時に実行するハイブリッド制御について説明する。ハイブリッド制御では、(1)式で定めたオートバランス制御トルク指令τaACsを、脚aのアクチュエータへτとして適切に分配する必要がある。さらに、この単脚オートバランス制御τaACsが作用しているときに、τに任意の脚部制御をも同時に作用させることがここでの目的である。任意の脚部制御によるトルク指令τaLCを次のように定める。
[Hybrid control during single leg support (joint space)]
Next, hybrid control that simultaneously executes arbitrary leg control and autobalance control will be described. In the hybrid control, it is necessary to appropriately distribute the auto balance control torque command τ aACs defined by the expression (1) as τ a to the actuator of the leg a. Furthermore, it is an object here to allow arbitrary leg control to act on τ a simultaneously when the single leg autobalance control τ aACs is acting. A torque command τ aLC by arbitrary leg control is determined as follows.

Figure 0005268107
Figure 0005268107

関節空間におけるもっとも自然な分配は、特定の関節アクチュエータによってオートバランス制御を行ない、他の関節アクチュエータによって任意の脚部制御を行なうことである。即ち、立脚(脚a)のピッチ軸と平行なピッチ軸まわりに駆動する関節アクチュエータのうちのnAC=1個のアクチュエータをオートバランス制御アクチュエータ(ACA)とし、それ以外のn−nAC=2個のアクチュエータを脚部制御アクチュエータ(LCA)とする。
例えば、脚aの第3関節(足関節)をACAに選択したとすると、(1)式における関節変位は第3関節の変位であって、θaAC=qa3となる。
The most natural distribution in the joint space is to perform auto balance control by a specific joint actuator and arbitrary leg control by another joint actuator. That is, of the joint actuators driven around the pitch axis parallel to the pitch axis of the stance leg (leg a), n AC = 1 actuator is an auto balance control actuator (ACA), and other n a −n AC = The two actuators are referred to as leg control actuators (LCA).
For example, if the third joint (ankle joint) of the leg a is selected as ACA, the joint displacement in the equation (1) is the displacement of the third joint, and θ aAC = q a3 .

単脚支持期のハイブリッド制御トルク指令τは、次の(2)式となる。 The hybrid control torque command τ a in the single leg support period is expressed by the following equation (2).

Figure 0005268107
Figure 0005268107

(2)式では、関節アクチュエータLCA1,LCA2(第1及び第2関節)に作用するトルク指令τa1、τa2は、任意の脚部制御トルク指令τaLCが適用され(右辺第2項)、関節アクチュエータACA(第3関節)に作用するトルク指令τa3は、オートバランス制御トルク指令τaACsが適用される(右辺第1項)。 In the equation (2), an arbitrary leg control torque command τ aLC is applied to the torque commands τ a1 , τ a2 acting on the joint actuators LCA1, LCA2 (first and second joints) (second term on the right side), The autobalance control torque command τ aACs is applied to the torque command τ a3 acting on the joint actuator ACA (third joint) (first term on the right side).

従って、単脚支持期において、任意の脚部制御とオートバランス制御とが、各関節アクチュエータにおいて非干渉となる。但し、(2)式より、関節アクチュエータACAへのトルク指令においてはオートバランス制御が優先され脚部制御は無視されるため、脚部制御はそれを前提に行なうことが好ましい。   Therefore, in the single leg support period, any leg control and auto balance control are non-interfering in each joint actuator. However, from equation (2), in the torque command to the joint actuator ACA, since auto balance control is prioritized and leg control is ignored, it is preferable to perform the leg control on the premise thereof.

[単脚支持期のハイブリッド制御(作業空間)]
次に、上記関節空間におけるハイブリッド制御とは別の手法について説明する。この方法では、ボディから見た脚a全体で、等価的にオートバランス制御トルク指令τaACsを発生させる。
[Hybrid control during single leg support (work space)]
Next, a method different from the hybrid control in the joint space will be described. In this method, the autobalance control torque command τ aACs is equivalently generated in the entire leg a as viewed from the body.

オートバランス制御軸は、ボディ座標系Σから見た足a仮想足底平面上の床反力代表点の一般化座標paFのうちの脚aのピッチ軸とする。即ち、(1)式におけるオートバランス制御軸変位はθaAC=θaF(ボディから見た仮想足底平面角度)となる。 Auto balance control axis, the pitch axis leg a of the generalized coordinates p aF of the floor reaction force representative points on the foot a virtual plantar plane as viewed from the body coordinate system sigma B. That is, the auto balance control shaft displacement in the equation (1) is θ aAC = θ aF (virtual sole plane angle viewed from the body).

このとき、ボディ座標系Σから見たオートバランス制御軸変位θaAC=θaFと脚a関節変位(全ての関節の変位)qと、における速度間の関係を(3)式で表す。 In this case, it represents an auto balance control shaft displacement θ aAC = θ aF and leg a joint displacement (displacement of all joints) q a as seen from the body coordinate system sigma B, the relationship between velocity in equation (3).

Figure 0005268107
但し、次のように変数を定義する。
Figure 0005268107
However, variables are defined as follows.

Figure 0005268107
Figure 0005268107

このとき、仮想仕事の原理によって、オートバランス制御トルク指令τaACsと静力学的に等価な脚aアクチュエータへの一般化力指令は、(4)式となる。 At this time, the generalized force command to the leg a actuator which is statically equivalent to the autobalance control torque command τ aACs according to the principle of virtual work is expressed by equation (4).

Figure 0005268107
但し、
Figure 0005268107
However,

Figure 0005268107
Figure 0005268107

(4)式により、単脚支持期のオートバランス制御が、立脚a全体の駆動力によって実現される。さらに、(4)式の脚a全体によるオートバランス制御に、静力学的に干渉しないように脚部制御を行なうハイブリッド制御は、(5)式のようになる。   By the equation (4), the autobalance control in the single leg support period is realized by the driving force of the entire stance leg a. Further, hybrid control for performing leg control so as not to statically interfere with the autobalance control by the entire leg a in the formula (4) is represented by the formula (5).

Figure 0005268107
(5)式において、
Figure 0005268107
In equation (5),

Figure 0005268107
であり、ある行列による写影に直交する(干渉しない)方向の写影行列を定義する。
但し、
Figure 0005268107
And defines a mapping matrix in a direction orthogonal (non-interfering) to the mapping by a certain matrix.
However,

Figure 0005268107
Figure 0005268107

上記の通り、(5)式では、直交写影行列を乗ずることにより、任意の脚部制御トルク指令τaLCのうち、オートバランス制御トルク指令τaACsに干渉しない成分のみを取り出すことになる。 As described above, in the equation (5), by multiplying the orthogonal mapping matrix, only the component that does not interfere with the autobalance control torque command τ aACs is extracted from the arbitrary leg control torque command τ aLC .

従って、単脚支持期において、任意の脚部制御とオートバランス制御とが非干渉となる。但し、(5)式より、関節アクチュエータACAへのトルク指令においてはオートバランス制御が優先され、脚部制御のうちのオートバランス制御に干渉する成分は無視されるため、脚部制御はそれを前提に行なうことが好ましい。   Therefore, in the single leg support period, any leg control and auto balance control are non-interfering. However, from equation (5), auto-balance control is prioritized in the torque command to the joint actuator ACA, and components that interfere with auto-balance control in the leg control are ignored. It is preferable to carry out.

[両脚支持期のオートバランス制御]
次に、図4にもとづき、脚a,bがともに立脚の場合のオートバランス制御について説明する。このとき、立脚a,bのピッチ軸がオートバランス制御軸であり、有効なオートバランス制御軸変位はθACである。
[Auto balance control during both leg support period]
Next, based on FIG. 4, the auto balance control when the legs a and b are both standing legs will be described. At this time, the stance a, pitch axis b is auto balance control shaft, effective auto balance control axis displacement is AC theta.

両脚支持期におけるオートバランス制御の目的は、床反トルクτGR=0とすることである。この制御目的を実現するために、例えば、特許文献1に開示された制御手法を拡張して適用すると、両脚支持期のオートバランス制御トルク指令τACdは、次の(6)式となる。 The purpose of the autobalance control in the both-leg support period is to set the floor reaction torque τ GR = 0. In order to realize this control purpose, for example, when the control method disclosed in Patent Document 1 is expanded and applied, the autobalance control torque command τ ACd in the both-leg support period is expressed by the following equation (6).

Figure 0005268107
但し、次のように変数を定義する。
Figure 0005268107
However, variables are defined as follows.

Figure 0005268107
Figure 0005268107

但し、(6)式では、ゲインを対角行列にすることで、脚a,bのそれぞれにおいて、オートバランス制御を独立に適用している。この拡張は、特許文献1の手法と異なる。   However, in equation (6), the autobalance control is independently applied to each of the legs a and b by making the gain a diagonal matrix. This extension is different from the method of Patent Document 1.

[両脚支持期のハイブリッド制御]
次に、ハイブリッド制御について説明する。ハイブリッド制御では、(6)式で定めたオートバランス制御トルク指令τACdを、脚a,bのアクチュエータへτ,τとして適切に分配する必要がある。さらに、この両脚オートバランス制御τACdが作用しているときに、τ,τに任意の脚部制御をも同時に作用させることがここでの目的である。
[Hybrid control during both leg support period]
Next, hybrid control will be described. In the hybrid control, it is necessary to appropriately distribute the auto balance control torque command τ ACd defined by the equation (6) to the actuators of the legs a and b as τ a and τ b . Furthermore, it is an object here to allow arbitrary leg control to simultaneously act on τ a and τ b when the both-leg autobalance control τ ACd is acting.

単脚支持期と同様に、その分配方法として関節空間と作業空間の二種類が挙げられるが、作業空間においてオートバランス制御を分配すると、両脚のオートバランス制御が共にボディを直接駆動しようとするので、両脚のオートバランス制御を非干渉にできず(互いに影響し合う)、バランスを維持できない。従って、両脚支持期における分配は、関節空間において行なう。   As with the single-leg support period, there are two types of distribution methods, joint space and work space. However, when auto balance control is distributed in the work space, both legs' auto balance control tries to drive the body directly. , The auto balance control of both legs cannot be made non-interfering (influencing each other), and the balance cannot be maintained. Therefore, the distribution in the both-leg support period is performed in the joint space.

例えば、脚a,bのそれぞれ第3関節(足関節)をACAに選択したとすると、(6)式における変位は、次の(7)式となる。   For example, if the third joint (ankle joint) of each of the legs a and b is selected as ACA, the displacement in the equation (6) becomes the following equation (7).

Figure 0005268107
Figure 0005268107

また、ACA変位を表わす一般化座標ベクトルをq、LCA変位を表わす一般化座標ベクトルをqとすると、次の(8)式のように定義できる。 Further, the generalized coordinate vector representing the ACA displacement q F, the generalized coordinate vector representing the LCA displacement When q L, can be defined as the following equation (8).

Figure 0005268107
Figure 0005268107

また、ACAを駆動する一般化力ベクトルをτ、LCAを駆動する一般化力ベクトルをτとすると、次の(9)式のように定義できる。 Further, when the generalized force vector for driving ACA is τ F and the generalized force vector for driving LCA is τ L , it can be defined as the following equation (9).

Figure 0005268107
Figure 0005268107

LCAに作用させる任意の脚部制御τLCを、次の(10)式のように定義する。これは、τaLC,τbLCからLCAへの制御入力のみを取り出している。 An arbitrary leg control τ LC acting on the LCA is defined as in the following equation (10). This takes out only the control input from τ aLC and τ bLC to the LCA.

Figure 0005268107
Figure 0005268107

以上の準備のもとに、関節空間におけるハイブリッド制御則を導出する。まず、運動学的拘束条件を定義する。両脚支持期においては、両脚が接地しているために、全ての脚の関節が自由に動けるわけではなく、自由度が拘束されている。すなわち、両脚の全自由度(n+n)の内、足が地面に固定されていることによりm自由度が拘束されるため、両脚支持期に脚に残されている自由度は(n+n−m)=3である。この拘束条件は、関節速度の拘束式として次の(11)式で表現できる。 Based on the above preparation, a hybrid control law in the joint space is derived. First, kinematic constraints are defined. In the both-leg support period, since both legs are grounded, not all the joints of the legs can move freely, but the degree of freedom is restricted. In other words, among the total degrees of freedom (n a + n b ) of both legs, m degrees of freedom are constrained by the foot being fixed to the ground, so the degrees of freedom left on the legs during the support period of both legs is (n a + n b -m) = 3. This constraint condition can be expressed by the following equation (11) as a joint velocity constraint equation.

Figure 0005268107
但し、次のように変数を定義する。
Figure 0005268107
However, variables are defined as follows.

Figure 0005268107
Figure 0005268107

上記の拘束条件のもとで、qを動かすことによって間接的にqを動かすことを考える。このとき、(11)式より、次の(12)式を導出できる。 Consider moving the indirectly q F by moving under the above constraints, the q L. At this time, the following equation (12) can be derived from the equation (11).

Figure 0005268107
ここで、
Figure 0005268107
here,

Figure 0005268107
Figure 0005268107

また、自由度数に関する考察によって、   Also, by considering the degree of freedom,

Figure 0005268107
Figure 0005268107

であることが分かるので、(12)式は、次の(14)式となる。 Therefore, the equation (12) becomes the following equation (14).

Figure 0005268107
但し、
Figure 0005268107
However,

Figure 0005268107
とした。仮想仕事の原理より、次の(16)式を導出できる。
Figure 0005268107
It was. From the principle of virtual work, the following equation (16) can be derived.

Figure 0005268107
Figure 0005268107

(16)式は、両脚支持期の拘束条件(11)式の下で、τと静力学的に等価なτを表す式である。 Expression (16) is an expression representing τ L which is statically equivalent to τ F under the constraint condition (11) expression in the both-leg support period.

以上の幾何学的考察をもとに、両脚支持期におけるハイブリッド制御則を導出する。   Based on the above geometric considerations, the hybrid control law in the both-leg support period is derived.

Figure 0005268107
ここで、
Figure 0005268107
here,

Figure 0005268107
但し、
Figure 0005268107
However,

Figure 0005268107
Figure 0005268107

拘束条件(11)下においては、τが幾何学的拘束を通じてτに影響するが、上記(18)式のように直交写影行列を乗ずることにより、任意の脚部制御τLCのうち、静力学的にオートバランス制御τACdに干渉しない成分のみを取り出す。 Under constraint condition (11), τ L affects τ F through geometric constraint, but by multiplying the orthogonal mapping matrix as in the above equation (18), any leg control τ LC Only components that do not statically interfere with the autobalance control τ ACd are extracted.

従って、(17)式及び(18)式を適用することにより、任意の脚部制御とオートバランス制御とが非干渉になるようにハイブリッド化できた。ACAはオートバランス制御を行ない、LCAは任意の脚部制御を、静力学的にオートバランス制御に影響を与えない範囲で実現する、というハイブリッド化が可能となった。ただし、ACAへの指令においてはオートバランス制御が優先され、脚部制御のうちのオートバランス制御に干渉する成分は無視されるので、脚部制御はそれを前提に行なうことが好ましい。   Therefore, by applying the equations (17) and (18), it was possible to make a hybrid so that an arbitrary leg control and auto balance control are non-interfering. ACA can perform a hybrid operation in which auto balance control is performed, and LCA can realize arbitrary leg control within a range that does not statically affect auto balance control. However, in the command to ACA, priority is given to auto balance control, and components of the leg control that interfere with the auto balance control are ignored. Therefore, it is preferable to perform the leg control on the premise thereof.

[歩行動作におけるハイブリッド制御]
上記では、単脚支持期及び両脚支持期において、任意の脚部制御とオートバランス制御とを同時に実行するハイブリッド制御について説明した。ここで、二足歩行の動作は、単脚支持期から両脚支持期、両脚支持期から単脚支持期への遷移であるので、上記にもとづいて、二足歩行におけるハイブリッド制御について説明する。
尚、ここでは簡単のため脚は二本(二足歩行)であるとして議論を進めるが、三本以上の脚による歩行についても以下の説明は同様に成立する。
[Hybrid control in walking motion]
In the above description, the hybrid control in which the arbitrary leg control and the auto balance control are simultaneously executed in the single leg support period and the both leg support period has been described. Here, since the biped walking operation is a transition from the single-leg support period to the both-leg support period and from the both-leg support period to the single-leg support period, hybrid control in biped walking will be described based on the above.
Here, for the sake of simplicity, the discussion will be made on the assumption that there are two legs (bipedal walking), but the following explanation is similarly applied to walking with three or more legs.

二足歩行では、単脚支持期と両脚支持期との間におけるハイブリッド制御が、スムーズに実行されることが好ましい。そこで、脚部制御とオートバランス制御とのそれぞれについて、単脚支持期、両脚支持期及びそれらの遷移の挙動を以下に定義する。   In biped walking, it is preferable that the hybrid control between the single leg support period and the both leg support period is executed smoothly. Therefore, for each of the leg control and the autobalance control, the single-leg support period, the both-leg support period, and their transition behavior are defined below.

尚、上記の通り、両脚支持期を考慮して、ハイブリッド制御は、関節空間において行われるものとする。   As described above, in consideration of the both-leg support period, the hybrid control is performed in the joint space.

[歩行動作における脚部制御]
先ず、二足歩行時の脚部制御について、両脚支持期のハイブリッド制御則(18)式を参考にして、次の(19)式を定義する。
[Leg control in walking motion]
First, for the leg control during biped walking, the following equation (19) is defined with reference to the hybrid control law (18) in the both-leg support period.

Figure 0005268107
但し、次のように変数を定義する。
Figure 0005268107
However, variables are defined as follows.

Figure 0005268107
Figure 0005268107

このとき、二足歩行を滑らかに行なうために、次のように重み係数wLCwを切り換える。 At this time, in order to perform bipedal walking smoothly, the weighting factor w LCw is switched as follows.

Figure 0005268107
Figure 0005268107

ここで、両脚支持期では、両脚a,bにおける脚部制御がオートバランス制御に干渉しないように、上記(19)式を上記(18)式と等価とするよう、両足が地面に接地した時点で既にwLCwの変化が完了し、wLCw=1となっていなければならない。 Here, in the both-leg support period, when both feet are grounded so that the above-mentioned equation (19) is equivalent to the above-mentioned equation (18) so that the leg control in both legs a and b does not interfere with the autobalance control. The change of w LCw must already be completed and w LCw = 1.

また、単脚支持期では、上記(2)式より、どのような脚部制御を行なっても静力学的にはオートバランス制御と干渉しないので、脚部制御をそのまま実行できるように、単脚支持期開始からwLCwの変化を開始させ、所定時間でwLCw=0とする(wLCw→0)。
ここで、不連続なトルク指令を与えないよう、これらの遷移におけるwLCwの変化は滑らかであることが望ましい。
尚、無脚支持期とは、両足が地面に接地していない状態(ジャンプ等)をいう。
Also, in the single leg support period, from the above equation (2), no matter what leg control is performed, it does not interfere with auto balance control statically, so that the single leg can be executed as it is. The change of w LCw is started from the start of the support period, and w LCw = 0 is set for a predetermined time (w LCw → 0).
Here, it is desirable that the change of w LCw in these transitions is smooth so as not to give a discontinuous torque command.
The no-leg support period refers to a state where both feet are not in contact with the ground (such as a jump).

[歩行動作におけるオートバランス制御]
次に、二足歩行時のオートバランス制御について、両脚支持期のオートバランス制御則(6)式を参考に、次の(20)〜(22)式のように定義する。
[Auto balance control in walking motion]
Next, the autobalance control during biped walking is defined as the following equations (20) to (22) with reference to the autobalance control law (6) in the both-leg support period.

Figure 0005268107
但し、変数を次のように定義する。
Figure 0005268107
However, variables are defined as follows.

Figure 0005268107
Figure 0005268107

(21)式及び(22)式は、(20)式の右辺第3項を脚a,bについて表したものである。(21)式及び(22)式について、右辺第2項は、(6)式の右辺第3項と同様に床反力トルクの積分項である。また、後述の通り、(21)式及び(22)式について、右辺第1項は、足部5を所定の角度に保持するための積分項であり、右辺第3項は、下記各相でトルク指令の連続性を確保するために適切に定めるオフセット項である。   Equations (21) and (22) represent the third term on the right side of equation (20) with respect to legs a and b. In the formulas (21) and (22), the second term on the right side is an integral term of the floor reaction force torque as in the third term on the right side of the formula (6). As will be described later, in Equations (21) and (22), the first term on the right side is an integral term for maintaining the foot 5 at a predetermined angle, and the third term on the right side is the following phase. This is an offset term that is appropriately determined to ensure the continuity of the torque command.

そして、以下に説明する通り、重み係数及びオフセット値を切り換えることにより、二足歩行におけるオートバランス制御を実現する。尚、上記(2)式及び(17)式の通り、オートバランス制御においては、脚部制御の切り替えと異なり、単一の脚のみに着目すればよい。以下では、脚aについて着目して説明するが、このとき脚bが(下記の三つの相のうち)どの相にあるかは、オートバランス制御についての議論には関係しない。また、脚bに着目した場合にも、以下の議論は同様に成立する。   Then, as described below, automatic balance control in biped walking is realized by switching weighting factors and offset values. Note that, as in the above formulas (2) and (17), in the auto balance control, it is only necessary to focus on a single leg, unlike the switching of the leg control. The following description focuses on the leg a, but at this time, which phase the leg b is in (out of the following three phases) is not related to the discussion on the autobalance control. Further, the following discussion is similarly established when focusing on the leg b.

二足歩行の動作において、立脚相、遊脚相、接地相の三つの相に分けてオートバランス制御を切り替える。「立脚相」とは、足部5が完全に地面に接地している状態をいう(図7(A))。「遊脚相」とは、足部5が完全に地面に接地していない(浮いている)状態をいう(図5(A))。「接地相」とは、遊脚相から遷移して足部5の一部が地面に接地している状態をいい(図6(A))、立脚相から遷移して足部5の一部が地面に接地している状態は含まない(立脚相が継続していると見なす)ものとする。   In the bipedal motion, the auto balance control is switched in three phases: the stance phase, the swing phase, and the ground phase. “Standing phase” refers to a state in which the foot 5 is completely in contact with the ground (FIG. 7A). The “free leg phase” refers to a state in which the foot 5 is not completely in contact with the ground (floating) (FIG. 5A). The “grounding phase” refers to a state in which a part of the foot 5 is in contact with the ground after transition from the free leg phase (FIG. 6A), and a part of the foot 5 is transitioned from the stance phase. Is not included in the ground contact with the ground (assuming that the stance phase continues).

[立脚相]
脚aが立脚である場合、ACAがオートバランス制御を実行するように、(21)式の重み係数を、次の(23)式とする。
[Standing phase]
When the leg a is a standing leg, the weighting coefficient of the equation (21) is set to the following equation (23) so that the ACA performs the auto balance control.

Figure 0005268107
Figure 0005268107

(23)式の重み係数によって、(20)式は、ACAにオートバランス制御を行なう。
オフセット値caACwは、現在の立脚相への遷移における最終値を保持する。つまり、このオフセット値caACwは立脚相では定数なので、トルク指令の積分項によって時間の経過とともにキャンセルされる。その積分項の積分開始時刻ta0には、現在の立脚相の開始時刻をとる。
According to the weighting coefficient of the equation (23), the equation (20) performs auto balance control on the ACA.
The offset value c aACw holds the final value in the transition to the current stance phase. That is, since this offset value caACw is a constant in the stance phase, it is canceled over time by the integral term of the torque command. The integration start time ta0 of the integral term is the start time of the current stance phase.

[遊脚相]
脚aが遊脚である場合、ACAがオートバランス制御を行なう必要はないので、代わりに例えば角度制御を適用するように、(21)式の重み係数を、次の(24)式とする。
[Swing phase]
When the leg a is a free leg, the ACA does not need to perform autobalance control. Therefore, for example, the weighting coefficient of the equation (21) is set to the following equation (24) so that angle control is applied instead.

Figure 0005268107
Figure 0005268107

(24)式の重み係数によって、(20)式では、ACAはオートバランス制御を行なわずに、遊脚のACAに対して関節変位に関するPID制御を行なうことになる。
オフセット値caACwは、現在の遊脚相への遷移における最終値を保持する。つまり、このオフセット値caACwは遊脚相では定数なので、トルク指令の積分項によって時間の経過とともにキャンセルされる。その積分項の積分開始時刻ta0には、現在の遊脚相の開始時刻をとる。
According to the weighting factor of the equation (24), in the equation (20), the ACA performs the PID control related to the joint displacement on the ACA of the free leg without performing the auto balance control.
The offset value c aACw holds the final value in the transition to the current swing phase. That is, since this offset value caACw is a constant in the swing phase, it is canceled over time by the integral term of the torque command. The start time of the current swing phase is taken as the integration start time ta0 of the integral term.

尚、この遊脚相において、脚部制御における(19)式の重み係数がwLCw≠0の場合には、例えば、前記のように、現在の遊脚相の開始時刻を脚部制御における単脚支持期への遷移開始とみなして、そこから所定の時間幅をもって滑らかにwLCw→0とすることができる。 In this swing leg phase, when the weighting coefficient of the formula (19) in the leg control is w LCw ≠ 0, for example, as described above, the start time of the current swing leg phase is simply set in the leg control. Assuming the start of the transition to the leg support period, w LCw → 0 can be smoothly set from there with a predetermined time width.

[立脚相→遊脚相]
脚aが立脚相から遊脚相へ遷移する場合(図5(B))、足部5の一部でも接地していれば立脚相が継続しているとみなされるので(上記「立脚相」の定義参照)、足部5が完全に地面から離れた瞬間に遊脚相へ遷移する。従って、この遷移は、時間的な幅を持たず、以下の変化は全て遷移の瞬間に行なわれる。
[Standing leg → swing leg phase]
When the leg a transitions from the stance phase to the swing phase (FIG. 5 (B)), it is considered that the stance phase continues if even a part of the foot 5 is in contact with the ground (the above “stance phase”). The transition to the swing phase is made at the moment when the foot part 5 completely leaves the ground. Therefore, this transition has no time width, and all the following changes are made at the moment of the transition.

この場合、ACAがオートバランス制御からPID制御に切り替わればよい(図5(B)のステップS61)ので、(21)式の重み係数は、次の(25)式のように切り替える(図5(B)のステップS60)。   In this case, ACA only needs to be switched from auto balance control to PID control (step S61 in FIG. 5B), so the weighting coefficient in equation (21) is switched as in equation (25) below (FIG. 5). (B) Step S60).

Figure 0005268107
Figure 0005268107

但し、(25)式だけでは、立脚相から遊脚相への制御則の切り替え時において、制御トルク指令τACwが不連続となる。即ち、(21)式のτaACwIFの値が、切り替え時(遷移の瞬間)において不連続となる。 However, the control torque command τ ACw is discontinuous only when the equation (25) is used, when the control law is switched from the stance phase to the swing phase. That is, the value of τ aACwIF in the equation (21) becomes discontinuous at the time of switching (transition instant).

そこで、次のように連続性を確保する(図5(B)のステップS60)。即ち、立脚相から次の遊脚相では、遷移の瞬間における(21)式のτaACwIFの値を新たなオフセット値caACwとし、次の遊脚相の間はこの新たなオフセット値を保持する。さらに、次の遊脚相では、(21)式の積分項の積分開始時刻ta0は遊脚相の開始時刻に設定されるので、遊脚相開始時の積分項の初期値は0となる。これらによって、次の遊脚相におけるτaACwIFの初期値と、前の立脚相におけるτaACwIFの最終値との連続性が確保され、ACAは滑らかにオートバランス制御からPID制御に移行できる。 Therefore, continuity is ensured as follows (step S60 in FIG. 5B). That is, in the next swing phase from the stance phase, the value of τ aACwIF in the formula (21) at the moment of transition is set as a new offset value caACw, and this new offset value is held during the next swing phase. . Further, in the next swing leg phase, the integration start time t a0 of the integral term in equation (21) is set to the start time of the swing leg phase, so the initial value of the integral term at the start of the swing leg phase is zero. . As a result, continuity between the initial value of τ aACwIF in the next swing phase and the final value of τ aACwIF in the previous stance phase is ensured, and ACA can smoothly shift from auto balance control to PID control.

そして、遊脚相においては、足5の接地状態を床反力センサ4で検知して、足底の一部でも接地していれば接地相へ遷移し、全く接地していなければ上記PID制御を継続して行なう(図5(B)のステップS62)。   Then, in the swing leg phase, the ground reaction state of the foot 5 is detected by the floor reaction force sensor 4, and the transition to the ground phase is made if even a part of the sole is grounded. Is continuously performed (step S62 in FIG. 5B).

[遊脚相→接地相]
脚aが遊脚相から接地相へ遷移する場合(図6(B))、遊脚相から足部5の一部でも接地した瞬間に接地相へ遷移する。但し、下記の通り、この遷移における変化は、瞬間では完了せずに時間幅を有することとする。
[Swing phase → Ground phase]
When the leg a transitions from the free leg phase to the ground phase (FIG. 6B), the leg a transitions to the ground phase at the moment when a part of the foot 5 is grounded. However, as described below, the change in this transition is not completed instantaneously but has a time width.

即ち、オートバランス制御トルク指令τACwが滑らかに変化するように、(21)式の重み係数及びオフセット値を、時間幅をもって次の(26)式のように変化させる(図6(B)のステップS70)。 That is, the weighting coefficient and the offset value of the equation (21) are changed with the time width as the following equation (26) so that the autobalance control torque command τ ACw changes smoothly (as shown in the following equation (26)). Step S70).

Figure 0005268107
Figure 0005268107

つまり、(21)式のτaACwIFの値を0とすることで、オートバランス制御則(20)式はPD制御(右辺第1及び第2項)に切り替わる(図6(B)のステップS71)。このPD制御により、ACAは、バネダンパ手段のように接地面に倣うことになる。そして、必要に応じてPD制御ゲインを適切に設定することで、接地相において、立脚相に遷移しやすいようにできる。積分項の積分開始時刻ta0は、前の遊脚相の開始時刻をそのまま保持するものとする。 That is, by setting the value of τ aACwIF in equation (21) to 0, the autobalance control rule (20) is switched to PD control (first and second terms on the right side) (step S71 in FIG. 6B). . With this PD control, the ACA follows the ground surface like a spring damper means. Then, by appropriately setting the PD control gain as necessary, the ground phase can be easily changed to the stance phase. The integration start time ta0 of the integral term is assumed to hold the start time of the previous swing phase as it is.

そして、接地相においては、足部5の接地状態を床反力センサ4で検知して、足底の全部が接地していれば立脚相へ遷移し、全部が接地しなければ、一部が接地しているか判定する(図6(B)のステップS72)。そして、足底の一部が接地していれば、上記のPD制御を継続して行ない、全く接地していなければ遊脚相へ遷移する(図6(B)のステップS73)。   In the grounding phase, the ground reaction state of the foot 5 is detected by the floor reaction force sensor 4, and if the entire sole is grounded, the transition is made to the stance phase. It is determined whether it is grounded (step S72 in FIG. 6B). Then, if a part of the sole is in contact with the ground, the above PD control is continued, and if not in contact with the ground at all, a transition to the swing leg phase is made (step S73 in FIG. 6B).

[接地相→立脚相]
脚aが接地相から立脚相へ遷移する場合(図7(B))、足部5の一部のみが接地した状態から、足部5が完全に接地した瞬間に立脚相へ遷移する。従って、この遷移は、時間的な幅を持たず、以下の変化は全て遷移の瞬間に行なわれる。
[Grounding phase → Standing phase]
When the leg a transitions from the ground phase to the stance phase (FIG. 7B), the leg 5 transitions from the state where only a part of the foot 5 is grounded to the stance phase when the foot 5 is completely grounded. Therefore, this transition has no time width, and all the following changes are made at the moment of the transition.

この場合、ACAをオートバランス制御に切り替えるので(図7(B)のステップS51)、(21)式の重み係数は、次の(27)式のように切り替える(図7(B)のステップS50)。   In this case, since ACA is switched to auto balance control (step S51 in FIG. 7B), the weighting coefficient in equation (21) is switched as in the following equation (27) (step S50 in FIG. 7B). ).

Figure 0005268107
Figure 0005268107

但し、(27)式だけでは、接地相から立脚相への切り替え時において、オートバランス制御トルク指令τACwが不連続となるので、次のように連続性を確保する(図7(B)のステップS50)。即ち、遷移の瞬間における(21)式のτaACwIFの値を新たなオフセット値caACwとし、次の立脚相の間はこの新たなオフセット値を保持する。さらに、次の立脚相では、(21)式の積分項の積分開始時刻ta0は立脚相の開始時刻に設定されるので、立脚相開始時の積分項の初期値は0となる。これらによって、次の立脚相におけるτaACwIFの初期値と、前の接地相におけるτaACwIFの最終値との連続性が確保され、ACAは滑らかにオートバランス制御に移行できる。 However, with the formula (27) alone, the autobalance control torque command τ ACw becomes discontinuous when switching from the ground phase to the stance phase, so that continuity is ensured as follows (FIG. 7B). Step S50). That is, the value of τ aACwIF in the equation (21) at the moment of transition is set as a new offset value caACw, and this new offset value is held during the next stance phase. Further, in the next stance phase, since the integration start time ta0 of the integral term of equation (21) is set to the start time of the stance phase, the initial value of the integral term at the start of the stance phase is zero. As a result, continuity between the initial value of τ aACwIF in the next stance phase and the final value of τ aACwIF in the previous ground phase is ensured, and ACA can smoothly shift to auto balance control.

そして、立脚相においては、足部5の接地状態を床反力センサ4で検知して、足底の一部でも接地していれば上記のオートバランス制御を継続して行ない、足底が全く接地しなければ遊脚相へ遷移する(図7(B)のステップS52)。   In the stance phase, the ground reaction state of the foot 5 is detected by the floor reaction force sensor 4, and if the part of the sole is also grounded, the above auto balance control is continued, and the sole is completely If it does not contact, it will change to a swing phase (step S52 of FIG. 7 (B)).

尚、この接地相から立脚相への遷移が、脚部制御における単脚支持期から両脚支持期への遷移となる場合には、両脚支持期の開始時には脚部制御における(19)式の重み係数wLCw=1となっている必要があるので、この直前の遊脚相から接地相への遷移において脚部制御における重み係数の変化が完了している必要がある。仮に、遊脚相から接地相への遷移の時間幅内で脚部制御の重み係数の変化wLCw→1が完了していない場合には、完了してwLCw=1となるまで、オートバランス制御における接地相から立脚相への遷移を待機させる必要がある。 If the transition from the ground phase to the stance phase is a transition from the single leg support period to the both leg support period in the leg control, the weight of the formula (19) in the leg control at the start of the both leg support period Since it is necessary that the coefficient w LCw = 1, the change in the weight coefficient in the leg control needs to be completed in the transition from the immediately preceding free leg phase to the ground phase. If the change w LCw → 1 of the leg control weight coefficient is not completed within the time width of the transition from the free leg phase to the ground phase, the auto balance is completed until w LCw = 1 is completed. It is necessary to wait for the transition from the ground phase to the stance phase in the control.

[接地相→遊脚相]
脚aが接地相から遊脚相へ遷移する場合(図5(B))、足部5の一部のみが接地した状態から、足部5が完全に地面から離れた瞬間に遊脚相へ遷移する。従って、この遷移は、時間的な幅を持たず、以下の変化は全て遷移の瞬間に行なわれる。
[Ground phase → swing leg phase]
When leg a transitions from the ground phase to the free leg phase (FIG. 5 (B)), from the state where only a part of the foot 5 is grounded, to the free leg phase at the moment when the foot 5 completely leaves the ground. Transition. Therefore, this transition has no time width, and all the following changes are made at the moment of the transition.

この場合、ACAがPID制御に切り替わればよいので(図5(B)のステップS61)、(21)式の重み係数は、次の(28)式のように切り替える(図5(B)のステップS60)。   In this case, since ACA only needs to be switched to PID control (step S61 in FIG. 5B), the weighting coefficient in equation (21) is switched as in the following equation (28) (in FIG. 5B). Step S60).

Figure 0005268107
Figure 0005268107

但し、(28)式だけでは、接地相から遊脚相への切り替え時において、制御トルク指令τACwが不連続となるので、次のように連続性を確保する(図5(B)のステップS60)。即ち、遷移の瞬間における(21)式のτaACwIFの値を新たなオフセット値caACwとし、このオフセット値を保持する。さらに、次の遊脚相では、(21)式の積分項の積分開始時刻ta0は遊脚相の開始時刻に設定されるので、遊脚相開始時の積分項の初期値は0となる。これらによって、次の遊脚相におけるτaACwIFの初期値と、前の接地相におけるτaACwIFの最終値との連続性が確保され、ACAは滑らかにPID制御に移行できる。 However, with the formula (28) alone, the control torque command τ ACw becomes discontinuous when switching from the ground phase to the free leg phase, so that continuity is ensured as follows (step of FIG. 5B). S60). That is, the value of τ aACwIF in the equation (21) at the moment of transition is set as a new offset value caACw, and this offset value is held. Further, in the next swing leg phase, the integration start time t a0 of the integral term in equation (21) is set to the start time of the swing leg phase, so the initial value of the integral term at the start of the swing leg phase is zero. . As a result, the continuity between the initial value of τ aACwIF in the next swing phase and the final value of τ aACwIF in the previous ground phase is ensured, and ACA can smoothly shift to PID control.

そして、遊脚相においては、足5の接地状態を床反力センサ4で検知して、足底の一部でも接地していれば接地相へ遷移し、全く接地していなければ上記PID制御を継続して行なう(図5(B)のステップS62)。   Then, in the swing leg phase, the ground reaction state of the foot 5 is detected by the floor reaction force sensor 4, and the transition to the ground phase is made if even a part of the sole is grounded. Is continuously performed (step S62 in FIG. 5B).

[足部機構]
次に、図8にもとづいて、足部5の機構について説明する。本実施形態では、足部5の足底に、立設する三つの接地片50が三角形状の頂点に配設された三点支持構造となっている。
接地片50は、地面に向かって窄んだ形状となっている(例えば、円錐状や半球状等)。そして、各接地片50の下端部が地面に接地することで立脚する。
[Foot mechanism]
Next, the mechanism of the foot 5 will be described with reference to FIG. In the present embodiment, a three-point support structure is provided in which three grounding pieces 50 to be erected are disposed at the apexes of the triangle on the sole of the foot 5.
The grounding piece 50 has a shape constricted toward the ground (for example, a conical shape or a hemispherical shape). Then, the lower end portion of each grounding piece 50 is grounded by being grounded to the ground.

各接地片50は、三つの接地点50aで形成される仮想足底平面5aの法線方向に作用する床反力を検出する一軸力センサ50bを備える。この構成において、オートバランス制御軸まわりの床反トルクτGRについて説明する。 Each grounding piece 50 includes a uniaxial force sensor 50b that detects a floor reaction force acting in the normal direction of the virtual sole plane 5a formed by the three grounding points 50a. In this configuration, the floor reaction torque τ GR around the autobalance control shaft will be described.

床反トルクτGRは、上記の通り、足部5が地面に対して反作用として及ぼすトルクを表す。これは、ZMPとほぼ等価な値であり、多くの二足歩行ロボットでは、これを三次元空間で測定するために、6軸力/トルクセンサを各脚の足底に配置している。しかし、一般に6軸力/トルクセンサは高価で壊れやすく取り扱い難い。 As described above, the floor reaction torque τ GR represents the torque that the foot 5 exerts as a reaction against the ground. This is a value almost equivalent to ZMP. In many biped robots, in order to measure this in a three-dimensional space, a six-axis force / torque sensor is arranged at the sole of each leg. However, in general, the 6-axis force / torque sensor is expensive, fragile and difficult to handle.

しかし、本実施形態では、オートバランス制御軸を仮想足底平面上に置くことで、床反トルクτGRの測定は簡略化され、6軸力/トルクセンサを必要としない。本発明者は、この足部機構に関して、PCT国際出願PCT/JP2008/055737およびPCT/JP2008/057247として提案している。力センサ、仮想足底平面、オートバランス制御軸は、図8のようになる。但し、以下のように変数を定義する。 However, in the present embodiment, by placing the autobalance control axis on the virtual sole plane, the measurement of the floor reaction torque τ GR is simplified, and a 6-axis force / torque sensor is not required. The inventor has proposed this foot mechanism as PCT international applications PCT / JP2008 / 055737 and PCT / JP2008 / 057247. The force sensor, the virtual plantar plane, and the autobalance control axis are as shown in FIG. However, variables are defined as follows.

Figure 0005268107
Figure 0005268107

このとき、足部5が受ける床反トルクは、次の(30)式となる。   At this time, the floor reaction torque received by the foot 5 is expressed by the following equation (30).

Figure 0005268107
Figure 0005268107

本実施形態では、力センサにおいて、仮想足底平面の法線方向の力しか必要としないので、力センサの計測値は、次の(31)式のように書ける。   In the present embodiment, the force sensor requires only the force in the normal direction of the virtual sole plane, so the measurement value of the force sensor can be written as the following equation (31).

Figure 0005268107
Figure 0005268107

(31)式を(30)式に代入すると、測定される床反トルクは、次の(32)式となる。   When the equation (31) is substituted into the equation (30), the measured floor reaction torque becomes the following equation (32).

Figure 0005268107
Figure 0005268107

オートバランス制御軸まわりの床反トルクτGRのうち、足iの床反トルク Of the floor reaction torque τ GR around the autobalance control axis, the floor reaction torque of the foot i

Figure 0005268107
について、オートバランス制御軸(ロール)まわりのトルクが第1成分、オートバランス制御軸(ピッチ)まわりのトルクが第2成分とすると、本実施形態のオートバランス制御に用いられる床反トルクは次の(33)式となる。
Figure 0005268107
When the torque around the autobalance control axis (roll) is the first component and the torque around the autobalance control axis (pitch) is the second component, the floor reaction torque used in the autobalance control of this embodiment is (33)

Figure 0005268107
負号は、床から受けるトルクに対するロボットからの反作用であることを表す。
Figure 0005268107
The negative sign represents a reaction from the robot to the torque received from the floor.

本実施形態の足部機構によれば、本発明において必要な床反トルクτGRが、三次元空間において各足三つの1軸力センサのみで測定できる。従って、この床反トルクを用いて本発明の制御を行なえば、6軸力/トルクセンサを設置することなく二足歩行できる。 According to the foot mechanism of the present embodiment, the floor reaction torque τ GR required in the present invention can be measured with only three uniaxial force sensors for each foot in a three-dimensional space. Therefore, if the control of the present invention is performed using this floor reaction torque, it is possible to walk on two legs without installing a 6-axis force / torque sensor.

1 ハイブリッド制御装置
ACA,LCA 関節アクチュエータ
3,6,7 関節変位センサおよび関節アクチュエータ駆動装置
4 床反力センサ
5 足部
50 接地片
5a 仮想足底平面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Hybrid control apparatus ACA, LCA Joint actuator 3, 6, 7 Joint displacement sensor and joint actuator drive device 4 Floor reaction force sensor 5 Foot part 50 Grounding piece 5a Virtual sole plane

Claims (12)

複数の脚で歩行する多脚歩行式移動装置において、
前記脚が、任意の脚部制御と、バランス維持を自動で行なうためのオートバランス制御とを同時に実行するハイブリッド制御装置を備え、
前記ハイブリッド制御装置は、足部の接地状態に応じて前記脚部制御と前記オートバランス制御との非干渉化を静力学的に行なうことを特徴とする多脚歩行式移動装置。
In a multi-legged walking device that walks with multiple legs,
The leg includes a hybrid control device that simultaneously executes arbitrary leg control and auto balance control for automatically performing balance maintenance;
The hybrid control device statically performs non-interference between the leg control and the autobalance control in accordance with the ground contact state of the foot.
前記脚は、前記脚部制御が作用する関節アクチュエータ(LCA)と、前記オートバランス制御が作用する関節アクチュエータ(ACA)とを、独立に備えることを特徴とする請求項1に記載の多脚歩行式移動装置。   The multi-leg walking according to claim 1, wherein the leg is independently provided with a joint actuator (LCA) on which the leg control acts and a joint actuator (ACA) on which the auto balance control acts. Mobile device. 前記ハイブリッド制御装置は、単一の前記脚において、それぞれの前記足部の接地状態に応じて、前記足部が完全に離地している遊脚相、前記足部が完全に接地している立脚相、および前記遊脚相から前記立脚相に遷移する過程としての接地相、の三つの相を持ち、それらの相遷移に応じて、前記ACAに適用する制御を前記オートバランス制御と適切な制御との間で切り替えることを特徴とする請求項2に記載の多脚歩行式移動装置。   In the hybrid control device, in the single leg, depending on the grounding state of each foot part, the free leg phase in which the foot part is completely detached, and the foot part is completely grounded There are three phases: a stance phase, and a ground phase as a process of transition from the swing phase to the stance phase, and control applied to the ACA according to the phase transition is appropriate for the auto balance control and the appropriate phase. The multi-legged walking type moving device according to claim 2, wherein switching is performed between the control and the control. 前記ハイブリッド制御装置は、すべての前記脚のうち、前記遊脚相にない前記脚が2本以上ある場合に、前記LCAに適用する前記脚部制御の前記非干渉化を行ない、それ以外の場合には適切に前記非干渉化の有無を切り替えることを特徴とする請求項3に記載の多脚歩行式移動装置。   The hybrid control device performs the decoupling of the leg control applied to the LCA when there are two or more legs that are not in the swing leg phase among all the legs, and otherwise. The multi-legged walking type moving device according to claim 3, wherein the presence or absence of the non-interference is appropriately switched. 前記ハイブリッド制御装置は、前記LCAにおける前記脚部制御の前記非干渉化の切り替えを、制御則における重み係数を適切に調整することによって行なうことを特徴とする請求項4に記載の多脚歩行式移動装置。   5. The multi-legged walking type according to claim 4, wherein the hybrid control device performs switching of the non-interference of the leg control in the LCA by appropriately adjusting a weighting factor in a control law. Mobile device. 前記ハイブリッド制御装置は、前記ACAにおける前記オートバランス制御と適切な制御との切り替えを、制御則における重み係数とオフセット値と積分項の積分開始時刻を適切に調整することによって行なうことを特徴とする請求項3に記載の多脚歩行式移動装置。   The hybrid control device performs switching between the auto balance control and the appropriate control in the ACA by appropriately adjusting a weighting factor, an offset value, and an integration start time of an integral term in a control law. The multi-legged walking type moving apparatus according to claim 3. 前記脚の足底は、前記接地状態を検出するセンサを備え、前記接地状態を検出するセンサと、前記LCAおよび前記ACAに設置された角度センサの値に応じて、前記脚部制御と前記オートバランス制御との前記非干渉化を行なうことを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の多脚歩行式移動装置。   The sole of the leg includes a sensor for detecting the grounding state, and the leg control and the auto are controlled according to the values of the sensor for detecting the grounding state and the angle sensors installed in the LCA and the ACA. The multi-legged walking type moving device according to any one of claims 1 to 6, wherein the non-interference with balance control is performed. 複数の脚で歩行する多脚歩行式移動装置の制御手法において、
前記脚が、任意の脚部制御と、バランス維持を自動で行なうためのオートバランス制御とを同時に実行するハイブリッド制御手法であって、
足部の接地状態に応じて前記脚部制御と前記オートバランス制御との非干渉化を静力学的に行なうことを特徴とする多脚歩行式移動装置のハイブリッド制御手法。
In the control method of a multi-legged walking device that walks with multiple legs,
The leg is a hybrid control method for executing arbitrary leg control and auto balance control for automatically performing balance maintenance,
A hybrid control method for a multi-legged walking type mobile device, wherein the non-interference between the leg control and the auto balance control is performed statically in accordance with the ground contact state of the foot.
前記脚は、前記脚部制御を実行する関節アクチュエータ(LCA)と、前記オートバランス制御を実行する関節アクチュエータ(ACA)とを、独立に備え、
単一の前記脚において、それぞれの前記足部の接地状態に応じて、前記足部が完全に離地している遊脚相、前記足部が完全に接地している立脚相、および前記遊脚相から前記立脚相に遷移する過程としての接地相、の三つの相を持ち、それらの相遷移に応じて、前記ACAに適用する制御を前記オートバランス制御と適切な制御との間で切り替えることを特徴とする請求項8に記載のハイブリッド制御手法。
The leg independently includes a joint actuator (LCA) that performs the leg control and a joint actuator (ACA) that performs the autobalance control,
In the single leg, depending on the ground contact state of each foot, the free leg phase in which the foot is completely grounded, the stance phase in which the foot is completely grounded, and the free leg There are three phases, a ground phase as a process of transition from the leg phase to the stance phase, and the control applied to the ACA is switched between the auto balance control and the appropriate control according to the phase transition. The hybrid control method according to claim 8.
すべての前記脚のうち、前記遊脚相にない前記脚が2本以上ある場合に、前記LCAに適用する前記脚部制御の前記非干渉化を行ない、それ以外の場合には適切に前記非干渉化の有無を切り替えることを特徴とする請求項9に記載のハイブリッド制御手法。   Of all the legs, when there are two or more legs that are not in the swing leg phase, the non-interference of the leg control applied to the LCA is performed, and in other cases, the non-interference is appropriately performed. The hybrid control method according to claim 9, wherein presence / absence of interference is switched. 前記LCAにおける前記脚部制御の前記非干渉化の切り替えを、制御則における重み係数を適切に調整することによって行なうことを特徴とする請求項10に記載のハイブリッド制御手法。   The hybrid control method according to claim 10, wherein the decoupling of the leg control in the LCA is performed by appropriately adjusting a weighting factor in a control law. 前記ACAにおける前記オートバランス制御と適切な制御との切り替えを、制御則における重み係数とオフセット値と積分項の積分開始時刻を適切に調整することによって行なうことを特徴とする請求項9に記載のハイブリッド制御手法。   The switch between the auto balance control and the appropriate control in the ACA is performed by appropriately adjusting a weighting factor, an offset value, and an integration start time of an integral term in a control law. Hybrid control method.
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