JPWO2007139135A1 - Robot and control device - Google Patents

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相昊 玄
相昊 玄
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Abstract

運動に必要な作用力を空間上の任意の複数接触点に最適に配分し,各連結部のトルクを発生するロボット及び制御装置。本発明のロボットが備える駆動制御装置3は、目標運動情報の入力を受け付け(ステップS1)、受け付けた目標運動情報が示す目標とする運動に従って、目標とするZMP及び目標とする作用力を導出し(ステップS2)、導出した作用力がノルム最小規範に基づき最適配分される様に各接触部に掛かる力を導出し(ステップS3)、各接触部に掛かる力に配分した作用力から、各連結部を駆動する各アクチュエータの夫々の制御目標値としてトルク値を算出し(ステップS4)、算出したトルク値を制御目標値として、連結部を駆動する夫々のアクチュエータへ出力する(ステップS5)。そして各アクチュエータは、制御目標値としてトルク値を受け付け、受け付けたトルク値に基づいて作動する。A robot and control device that optimally distributes the force required for movement to any number of contact points in the space and generates torque for each connecting part. The drive control device 3 included in the robot of the present invention receives the input of the target motion information (step S1), and derives the target ZMP and the target acting force according to the target motion indicated by the received target motion information. (Step S2), the force applied to each contact portion is derived so that the derived applied force is optimally distributed based on the norm minimum norm (Step S3), and each connection is determined from the applied force distributed to the force applied to each contact portion. A torque value is calculated as each control target value of each actuator that drives the unit (step S4), and the calculated torque value is output as a control target value to each actuator that drives the connecting unit (step S5). Each actuator receives a torque value as a control target value and operates based on the received torque value.

Description

本発明は、駆動可能な複数の連結部を備えるロボット、及び該ロボットの動作を制御する制御装置に関し、特に安定した運動を実現するロボット及び制御装置に関する。   The present invention relates to a robot including a plurality of drivable connecting portions, and a control device that controls the operation of the robot, and more particularly, to a robot and a control device that realize stable motion.

人間の歩行形態を模すことが可能な二足歩行ロボット等のロボットの研究及び開発が様々な企業及び研究機関にて進められており、運動中に安定した姿勢を保つための様々な制御方法が提案されている。 Research and development of robots such as biped robots that can imitate human walking forms are being promoted by various companies and research institutions, and various control methods for maintaining a stable posture during exercise Has been proposed.

例えば特許文献1では、力学モデルを追従する様にロボットの関節を駆動し、力学モデルと実際のロボットの姿勢との間に差異が生じた場合、力学モデルの床反力を調整すべく足首関節及び股関節を駆動することにより、力学モデルと実際のロボットとの差異を吸収して姿勢を安定させる。   For example, in Patent Document 1, when a robot joint is driven so as to follow a dynamic model, and there is a difference between the dynamic model and the actual robot posture, an ankle joint is used to adjust the floor reaction force of the dynamic model. In addition, by driving the hip joint, the posture is stabilized by absorbing the difference between the dynamic model and the actual robot.

この様な二足歩行ロボットでは、ロボットが床から受ける床反力を、床反力センサにて検出し、検出した床反力に基づいて脚部の関節の角速度又は角度の目標値を算出し、算出した目標値に基づいて関節を駆動するアクチュエータを制御することにより、様々な運動制御を行う。なお関節の角速度及び角度の目標値の算出は、倒立振子の原理に基づいて、ロボットのZMP(ゼロモーメントポイント)を、目標とするZMPに追従させるべく、ロボットの腰部及び胴体部の目標軌道を導出するために行う。ロボットの腰部及び胴体部の目標軌道を導出するためには、腰部及び胴体部の目標軌道から、各関節の目標軌道、即ち角速度及び角度の目標値を逆運動学計算により計算することになる。   In such a biped robot, the floor reaction force received from the floor by the robot is detected by a floor reaction force sensor, and the target value of the angular velocity or angle of the leg joint is calculated based on the detected floor reaction force. Various motion control is performed by controlling the actuator that drives the joint based on the calculated target value. The joint angular velocity and angle target values are calculated based on the principle of the inverted pendulum by determining the target trajectories of the robot waist and torso parts so that the ZMP (zero moment point) of the robot follows the target ZMP. Do to derive. In order to derive the target trajectories of the waist and torso of the robot, the target trajectories of each joint, that is, the target values of angular velocity and angle, are calculated by inverse kinematic calculation from the target trajectories of the waist and torso.

またロボットに関する技術として下記の非特許文献1がある。
特開平5−337849号公報 ジェフン パク、オサマ カティーブ、「ア ホール ボディ コントロール フレイムワーク フォー ヒューマノイド オペレイティング イン ヒューマン エンバイロメンツ」プロシーディング オブ アイトリプルイー インターナショナル カンファレンス オン ロボティクス オートメイション、アメリカ合衆国、アイトリプルイー インターナショナル カンファレンス オン ロボティクス オートメイション (Jaeheung Park,Oussama Khatib、「A whole-body control framework for humanoids operating in human environments」、Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation、United States of America、IEEE International Conference on Robotics and Automation、2006年5月15日、p.1963−1969)
Further, there is the following Non-Patent Document 1 as a technology related to robots.
JP-A-5-337849 Jaeheung Park, Osama Katie, “A Whole Body Control Framework for Humanoid Operating in Human Environment” Proceeding of ITriple International Conference on Robotics Automation, USA, Itripe International Conference on Robotics Automation (Jaeheung Park, Oussama Khatib, “A whole-body control framework for humanoids operating in human environments”, Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation, United States of America, IEEE International Conference on Robotics and Automation, May 15, 2006, p. (1963-1969)

しかしながら前述した様に角速度又は角度を目標値としてアクチュエータを制御する従来のロボットでは、床反力センサが検出した床反力をフィードバックし、床反力を調整すべく関節の角速度又は角度を目標値としてアクチュエータを制御する構成となっているため、床反力を、力の一階積分である角速度又は二階積分である角度で制御することになり、角速度又は角度の位置と、力とに関する因果律が満たされないことに起因する遅延が生じるという問題がある。これらの遅延は、例えば外乱として加わる外力に対する対応時間に、力から角度への変換に要する時間が遅延となって生じる。さらに床反力センサを用いたフィードバック制御を行うため、センサフィードバックによる遅延が生じるという問題がある。これらの遅延は、制御の遅れに繋がるため、安全な動作を行う上で様々な制限が加えられるという弊害に繋がる可能性がある。また高精度の床反力センサを要するため、コスト高になるという問題がある。さらに逆運動学計算は、逆行列を用いるため、解が発散する可能性があり、一意の目標値を算出することができない場合があるという問題がある。   However, as described above, in the conventional robot that controls the actuator with the angular velocity or angle as the target value, the floor reaction force detected by the floor reaction force sensor is fed back, and the angular velocity or angle of the joint is adjusted to the target value to adjust the floor reaction force. Therefore, the floor reaction force is controlled by the angular velocity that is the first order integral of the force or the angle that is the second order integral, and the causality concerning the angular velocity or the position of the angle and the force is There is a problem that a delay is caused due to not being satisfied. These delays are caused by, for example, a time required for converting force to angle in response time for an external force applied as a disturbance. Furthermore, since feedback control using a floor reaction force sensor is performed, there is a problem that a delay due to sensor feedback occurs. Since these delays lead to a delay in control, there is a possibility that various restrictions are added to perform a safe operation. Further, since a highly accurate floor reaction force sensor is required, there is a problem that the cost is increased. Furthermore, since inverse kinematics calculation uses an inverse matrix, there is a possibility that the solution may diverge and there is a case where a unique target value cannot be calculated.

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、必ずしも床反力センサを必要とせず、各関節に用いるアクチュエータの制御目標値としてトルク値を算出することにより、遅延を抑制し、安定した姿勢制御を実現することが可能で、またセンサに起因するコスト上昇を抑制することが可能で、しかも逆運動学計算を必要としないため目標値を一意に決定して安定した姿勢制御を実現することが可能なロボット、該ロボットの動作を制御する制御装置の提供を目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and does not necessarily require a floor reaction force sensor. By calculating a torque value as a control target value of an actuator used for each joint, delay is suppressed and stable. It is possible to realize attitude control, and it is possible to suppress the cost increase caused by the sensor, and because it does not require inverse kinematics calculation, the target value is uniquely determined to realize stable attitude control. It is an object of the present invention to provide a robot that can control the operation of the robot.

第1発明に係るロボットは、駆動可能な複数の連結部を備えるロボットにおいて、制御目標値として受け付けたトルク値に基づいて連結部を駆動する複数のアクチュエータと、想定された外部との接触部に作用させるべく設定された目標作用力に基づいて、各連結部を駆動する夫々のアクチュエータのトルク値を算出する算出手段と、算出したトルク値を制御目標値として各アクチュエータに出力する手段とを備えることを特徴とする。   A robot according to a first aspect of the present invention is a robot including a plurality of drivable coupling parts, and a plurality of actuators that drive the coupling parts based on a torque value received as a control target value, and an assumed external contact part Calculation means for calculating the torque value of each actuator that drives each connecting portion based on a target acting force set to act, and means for outputting the calculated torque value to each actuator as a control target value It is characterized by that.

本発明では、トルク値を目標値として各アクチュエータを制御することにより、外力を測定するセンサを必ずしも必要とせず、また逆運動学計算を全く必要としないため、逆行列を用いる必要が無く、解の発散を防止して一意の目標値を算出することが可能であり、しかも力の次元で示されるトルク値に基づいてアクチュエータを制御することにより、因果律を破ることなく外力に対して速やかに対応することが可能である。しかもセンサに起因するコスト上昇を抑制することが可能である。   In the present invention, by controlling each actuator using the torque value as a target value, a sensor for measuring the external force is not necessarily required, and no inverse kinematic calculation is required. It is possible to calculate a unique target value by preventing the divergence of the force, and by responding to external force without breaking the causality by controlling the actuator based on the torque value indicated by the force dimension Is possible. In addition, it is possible to suppress an increase in cost caused by the sensor.

第2発明に係るロボットは、第1発明において、前記アクチュエータは、連結部を伸縮させる直動型アクチュエータ及び/又は連結部を回動させる回動型アクチュエータであることを特徴とする。   A robot according to a second invention is characterized in that, in the first invention, the actuator is a direct-acting actuator that expands and contracts the connecting part and / or a rotary actuator that rotates the connecting part.

本発明では、油圧シリンダ等の直動型アクチュエータ、回動型モータ等の様々なアクチュエータを用いて様々な形態に展開することが可能である。   The present invention can be developed in various forms using various actuators such as a direct acting actuator such as a hydraulic cylinder and a rotary motor.

第3発明に係るロボットは、第1発明又は第2発明において、前記目標作用力の設定を受け付ける手段を更に備え、前記算出手段は、受け付けた目標作用力に基づいて、夫々のアクチュエータのトルク値を算出する様に構成してあることを特徴とする。 A robot according to a third invention further comprises means for receiving the setting of the target acting force in the first invention or the second invention, wherein the calculating means is a torque value of each actuator based on the received target acting force. It is comprised so that it may calculate.

本発明では、目標作用力の設定として、外部から操作を受け付けることが可能である。   In the present invention, it is possible to accept an operation from outside as the setting of the target acting force.

第4発明に係るロボットは、第1発明又は第2発明において、目標となる運動を示す目標運動情報を受け付ける手段と、受け付けた目標運動情報に基づいて、設定する目標作用力を導出する導出手段とを更に備え、前記算出手段は、導出した目標作用力に基づいて、夫々のアクチュエータのトルク値を算出する様に構成してあることを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the robot according to the first or second aspect, wherein the means for receiving the target motion information indicating the target motion and the derivation means for deriving the target acting force to be set based on the received target motion information The calculation means is configured to calculate a torque value of each actuator based on the derived target acting force.

本発明では、バランス、歩行、停止等の運動を示す目標運動情報として、外部から操作を受け付けることが可能である。   In the present invention, it is possible to accept an operation from the outside as target exercise information indicating exercise such as balance, walking, and stopping.

第5発明に係るロボットは、第4発明において、前記算出手段は、順運動学モデルに基づいて、目標作用力から夫々のアクチュエータのトルク値を算出する様に構成してあることを特徴とする。   A robot according to a fifth invention is characterized in that, in the fourth invention, the calculating means is configured to calculate a torque value of each actuator from a target acting force based on a forward kinematic model. .

本発明では、計算が容易な順運動学モデルに基づいて、目標作用力をトルク値に変換することにより、トルク値の算出に要する計算負荷を軽減し、処理速度を高速化して、遅延を抑制することが可能である。   In the present invention, based on a forward kinematic model that is easy to calculate, the target acting force is converted into a torque value, thereby reducing the calculation load required to calculate the torque value, increasing the processing speed, and suppressing delay. Is possible.

第6発明に係るロボットは、第5発明において、前記算出手段は、慣性力、コリオリ力及び遠心力の中の少なくとも一の力を加味して夫々のアクチュエータのトルク値を算出する様に構成してあることを特徴とする。   A robot according to a sixth aspect of the present invention is the robot according to the fifth aspect, wherein the calculating means calculates the torque value of each actuator in consideration of at least one of inertia force, Coriolis force, and centrifugal force. It is characterized by being.

本発明では、順運動学モデルに加えて、動力学モデルを用いることにより、高精度な制御を行うことが可能である。   In the present invention, it is possible to perform highly accurate control by using a dynamic model in addition to a forward kinematic model.

第7発明に係るロボットは、第1発明乃至第6発明のいずれかにおいて、外部から受ける力を検出する検出手段を更に備え、前記算出手段は、検出手段が検出した力を加味して夫々のアクチュエータのトルク値を算出する様に構成してあることを特徴とする。   A robot according to a seventh aspect of the present invention is the robot according to any one of the first to sixth aspects, further comprising detection means for detecting a force received from the outside, wherein the calculation means takes into account the force detected by the detection means. The present invention is characterized in that the torque value of the actuator is calculated.

本発明では、床反力を検出する床反力センサ等の検出手段を併用することにより、更に高精度に制御を行うことが可能である。   In the present invention, it is possible to perform control with higher accuracy by using a detection means such as a floor reaction force sensor for detecting a floor reaction force.

第8発明に係るロボットは、第1発明乃至第7発明のいずれかにおいて、前記接触部は、複数の接触点の集合であり、前記算出手段は、目標作用力をノルム最小規範に基づいて算出した各接触点に配分する力に基づいて、夫々のアクチュエータのトルク値を算出する様に構成してあることを特徴とする。   A robot according to an eighth invention is the robot according to any one of the first to seventh inventions, wherein the contact portion is a set of a plurality of contact points, and the calculation means calculates a target acting force based on a norm minimum norm. The torque value of each actuator is calculated based on the force distributed to each contact point.

本発明では、爪先、踵等の脚部の複数の接触点に掛ける力を、ノルム最小規範、特に重み付きノルム最小規範に基づいて適正に配分し、相殺し合う大きな力の発生を防止することが可能である。   In the present invention, the force applied to the contact points of the legs such as the toe and the heel is appropriately distributed based on the norm minimum norm, particularly the weighted norm minimum norm, and generation of a large force that cancels each other is prevented. Is possible.

第9発明に係るロボットは、第1発明乃至第8発明のいずれかにおいて、前記算出手段は、重心に掛かる重力を補償すべく、目標作用力に基づいて、夫々のアクチュエータのトルク値を算出する様に構成してあることを特徴とする。   The robot according to a ninth aspect is the robot according to any one of the first to eighth aspects, wherein the calculation means calculates a torque value of each actuator based on the target acting force so as to compensate for gravity applied to the center of gravity. It is configured as described above.

本発明では、自身に掛かる重力を補償するトルク値を算出することにより、接地を条件として無重力の状態を実現するので、外力に対して反発するのではなく、外力方向に追従して外力を緩和することが可能である。   In the present invention, by calculating a torque value that compensates for gravity applied to itself, a zero-gravity state is realized under the condition of ground contact, so that the external force is relaxed by following the direction of the external force rather than repelling the external force. Is possible.

第10発明に係るロボットは、第1発明乃至第9発明のいずれかにおいて、複数の連結部に係る冗長自由度に起因する内部運動を抑制する抑制力に基づいて、夫々のアクチュエータのトルク値を算出する様に構成してあることを特徴とする。   The robot according to a tenth aspect of the present invention is the robot according to any one of the first to ninth aspects, wherein the torque value of each actuator is determined based on the restraining force that suppresses the internal motion caused by the redundant degrees of freedom related to the plurality of connecting portions. It is configured to calculate.

本発明では、内部運動を抑制力にて抑制することにより、意に反した関節の動作を防止し、関節の可動角限界への到達等の弊害を防止することが可能である。   In the present invention, by suppressing the internal movement with the suppression force, it is possible to prevent the operation of the joint against the intention, and to prevent adverse effects such as reaching the movable angle limit of the joint.

第11発明に係るロボットは、第1発明乃至第10発明のいずれかにおいて、前記連結部を駆動することで動作する複数の脚部を備えることを特徴とする。   A robot according to an eleventh aspect is characterized in that, in any one of the first to tenth aspects, the robot includes a plurality of legs that operate by driving the connecting portion.

本発明では、二足歩行ロボット等の脚式ロボットに適用することが可能である。   The present invention can be applied to legged robots such as bipedal walking robots.

第12発明に係るロボットは、第1発明又は第2発明において、生物体が装着可能に構成してあり、生物体から受ける力を検出する手段と、検出した力に基づいて、設定する目標作用力を導出する手段とを更に備え、前記算出手段は、導出した目標作用力に基づいて、夫々のアクチュエータのトルク値を算出する様に記録する様に構成してあることを特徴とする。   A robot according to a twelfth aspect of the present invention is the robot according to the first or second aspect of the present invention, wherein the biological body is configured to be wearable, and means for detecting the force received from the biological body and a target action set based on the detected force And a means for deriving a force, wherein the calculating means is configured to record so as to calculate a torque value of each actuator based on the derived target acting force.

本発明では、人物、人物以外の動物等の生物体が装着し、重量物の運搬、障害者の運動等の動作を支援する運動補助具に適用することが可能である。   The present invention can be applied to an exercise assisting tool that is worn by a living organism such as a person or an animal other than a person and supports operations such as carrying heavy objects and exercising a handicapped person.

第13発明に係る制御装置は、アクチュエータにより駆動可能な複数の連結部を備えるロボットの動作を制御する制御装置において、想定された外部との接触部に作用させるべく設定された目標作用力に基づいて、各連結部を駆動する夫々のアクチュエータのトルク値を算出する手段と、算出したトルク値を制御目標値として各アクチュエータに出力する手段とを備えることを特徴とする。   A control device according to a thirteenth aspect of the present invention is a control device that controls the operation of a robot having a plurality of connecting portions that can be driven by an actuator, and is based on a target acting force that is set to act on an assumed external contact portion. And a means for calculating a torque value of each actuator for driving each connecting portion, and a means for outputting the calculated torque value to each actuator as a control target value.

本発明では、ロボットの動作の制御に適用し、トルク値を目標値として各アクチュエータを制御することにより、外力を測定するセンサを必ずしも必要とせず、また逆運動学計算を必ずしも必要としないため、逆行列を用いる必要が無く、解の発散を防止して一意の目標値を算出することが可能であり、しかも力の次元で示されるトルク値に基づいてアクチュエータを制御することにより、因果律を破ることなく外力に対して速やかに対応することが可能である。しかもセンサに起因するコスト上昇を抑制することが可能である。   In the present invention, it is applied to control of the operation of the robot, and by controlling each actuator with the torque value as a target value, a sensor for measuring external force is not necessarily required, and inverse kinematics calculation is not necessarily required. It is not necessary to use an inverse matrix, it is possible to calculate a unique target value by preventing divergence of the solution, and break the causality by controlling the actuator based on the torque value indicated by the force dimension It is possible to respond quickly to external forces without any problems. In addition, it is possible to suppress an increase in cost caused by the sensor.

本発明に係るロボット及び制御装置は、想定された外部との接触部に作用させるべく設定された目標作用力に基づいて、連結部を伸縮させる直動型アクチュエータ、連結部を回動させる回動型アクチュエータ等の連結部を駆動するアクチュエータのトルク値を算出し、算出したトルク値を制御目標値として各アクチュエータに出力し、アクチュエータを制御する。   The robot and the control device according to the present invention include a linear motion actuator that expands and contracts the connecting portion based on a target acting force that is set to act on an assumed external contact portion, and a rotation that rotates the connecting portion. A torque value of an actuator that drives a connecting portion such as a mold actuator is calculated, and the calculated torque value is output to each actuator as a control target value to control the actuator.

この構成により、本発明では、制御の目標値となるトルク値の計算に逆行列を用いる必要がないので、計算の条件に関わらず、目標値となる解が発散することが無く、一意の目標値を算出することが可能であり、安定した姿勢制御を実現することが可能である等、優れた効果を奏する。しかも外力と同じく力の次元で示されるトルク値に基づいてアクチュエータを制御することにより、角速度又は角度の位置と、力とに関する因果律を破ることがなく、外力に対して速やかに対応することができるので、外乱に強く安定した姿勢制御を行うことが可能である等、優れた効果を奏する。そして速やかな制御は、対人及び対物に対する衝突の回避等の安全な制御を行う上でも有利になる。しかも外力を検出するセンサを必ずしも必要としないため、センサに起因するコスト上昇を抑制することが可能である等、優れた効果を奏する。   With this configuration, in the present invention, it is not necessary to use an inverse matrix for calculation of the torque value that is the control target value, so that the solution that becomes the target value does not diverge regardless of the calculation conditions, and the unique target It is possible to calculate the value, and there are excellent effects such as being able to realize stable posture control. Moreover, by controlling the actuator based on the torque value shown in the force dimension as well as the external force, it is possible to respond quickly to the external force without breaking the causality concerning the angular velocity or the position of the angle and the force. As a result, excellent effects such as being able to perform stable posture control that is strong against disturbances are obtained. Prompt control is advantageous in performing safe control such as avoiding collisions with people and objects. And since the sensor which detects external force is not necessarily required, there exists an outstanding effect that the cost rise resulting from a sensor can be suppressed.

本発明に係るロボット等は、外部から受け付けた目標作用力を設定することにより、外部から操作することが可能であり、また外部からバランス、歩行、停止等の運動を示す目標運動情報を受け付け、受け付けた目標運動情報に基づいて設定する目標作用力を導出することにより、外部から操作することが可能である等、優れた効果を奏する。   The robot or the like according to the present invention can be operated from the outside by setting the target acting force received from the outside, and accepts the target motion information indicating the exercise of balance, walking, stop, etc. from the outside, By deriving the target acting force that is set based on the received target exercise information, it is possible to obtain an excellent effect such as being able to be operated from the outside.

特に本発明に係るロボット等は、例えばヤコビ行列を用いた順運動学モデルに基づいて、目標作用力から夫々のアクチュエータに配分するトルク値を算出する。   In particular, the robot or the like according to the present invention calculates a torque value to be distributed to each actuator from a target acting force based on, for example, a forward kinematic model using a Jacobian matrix.

この構成により、本発明では、計算が容易な順運動学モデルを用いてトルク値を算出するので、トルク値の算出に要する計算負荷を軽減し、処理速度を高速化して、遅延を抑制することが可能である等、優れた効果を奏する。更に順運動学モデルに加え、慣性力、コリオリ力、遠心力等の動力学モデルを加味してアクチュエータのトルク値を算出することにより、高精度な制御を行うことが可能である等、優れた効果を奏する。   With this configuration, in the present invention, since the torque value is calculated using a forward kinematic model that is easy to calculate, the calculation load required for calculating the torque value is reduced, the processing speed is increased, and the delay is suppressed. It is possible to achieve an excellent effect. Furthermore, in addition to the forward kinematic model, it is possible to perform highly accurate control by calculating the torque value of the actuator taking into account the dynamic model such as inertia force, Coriolis force, centrifugal force, etc. There is an effect.

本発明に係るロボット等は、外部から受ける力を検出する外力センサ、例えば床反力を検出する床反力センサ等の検出手段を併用することにより、更に高精度に制御を行うことが可能であり、しかも検出手段は、補助的に用いるため比較的低精度であっても使用可能であるので、安価な検出手段で、高精度の制御を行うことが可能である等、優れた効果を奏する。   The robot or the like according to the present invention can be controlled with higher accuracy by using an external force sensor that detects a force received from the outside, for example, a detection means such as a floor reaction force sensor that detects a floor reaction force. In addition, since the detection means is used as an auxiliary, it can be used even with relatively low accuracy. Therefore, it is possible to perform high-accuracy control with an inexpensive detection means. .

本発明に係るロボット等は、床作用力を、ノルム最小規範、特に重み付きノルム最小規範に基づいて、爪先、踵等の注目接触点に最適配分することにより、相殺し合う大きな力の発生を防止することが可能である等、優れた効果を奏する。また例えば人間型ロボットに適用する場合、爪先、踵等の脚部、肘、手先、掌等の腕部を接触点として見なすことにより、腕部を用いたバランス制御等の人間と同様の様々な動作に適用することが可能である等、優れた効果を奏する。   The robot or the like according to the present invention generates a large force to cancel each other by optimally allocating the floor acting force to the contact points of interest such as toes and heels based on the norm minimum norm, particularly the weighted norm minimum norm. It has excellent effects such as being able to prevent. In addition, for example, when applied to a humanoid robot, various parts similar to those of humans such as balance control using the arm part are considered by considering the leg part such as the toe and the heel, and the arm part such as the elbow, the hand, and the palm as contact points. It has excellent effects such as being applicable to operation.

本発明に係るロボット等は、自身に掛かる重力を保証する目標作用力を、トルク値を算出する数式に設けることにより、接地を条件として無重力の状態を模した動作を実現する。また重力を補償する構成とすることにより、外力に対して反発するのではなく、外力に従い外力方向に追従する動作を行うことで外力を緩和するため、対人及び対物に対する衝突時の安全性を高めることが可能であり、またロボットに対して人が外力を加えることにより、動作方向を誘導することが可能である等、優れた効果を奏する。そして重力を補償する構成とすることにより、ロボットの地面に対する接触部である床接触点から地面に対して力を掛ける状態を維持しようとするため、想定外の接触部に対してもプログラムを何等変更することなく良好な接地状態を保つことが可能である等、優れた効果を奏する。例えば未知の凹凸路面に対しても、安定した状態となる様に接触部に掛ける力を制御することが容易である。   A robot or the like according to the present invention realizes an operation simulating a weightless condition on the condition of grounding by providing a target acting force that guarantees gravity applied to the robot in a mathematical expression for calculating a torque value. In addition, by adopting a configuration that compensates for gravity, the external force is mitigated by performing an operation that follows the direction of the external force according to the external force, rather than repelling the external force. In addition, there is an excellent effect such that a human can apply an external force to the robot to guide the operation direction. In addition, by adopting a configuration that compensates for gravity, the program tries to maintain a state in which a force is applied to the ground from the floor contact point that is the contact portion of the robot with respect to the ground. There are excellent effects such as being able to maintain a good grounding state without changing. For example, it is easy to control the force applied to the contact portion even on an unknown uneven road surface so as to be in a stable state.

なお床反力センサが検出した床反力をフィードバックし、床反力を調整すべく関節の角速度又は角度を目標値としてアクチュエータを制御する従来のロボットにて本発明の重力補償を実現する場合、床反力以外にも、外部から加えられるあらゆる外力を検出しなければならない。無数の検出手段をロボットのあらゆる部位に配置することで外力を検出することは、技術的及び経済的の両面から現実的ではない。   In the case of realizing the gravity compensation of the present invention with a conventional robot that feeds back the floor reaction force detected by the floor reaction force sensor and controls the actuator with the angular velocity or angle of the joint as a target value to adjust the floor reaction force, In addition to the floor reaction force, any external force applied from the outside must be detected. It is impractical to detect an external force by arranging an infinite number of detection means in every part of the robot from both technical and economic viewpoints.

また床反力を正確に実現するためにロボット及び外部環境の正確なモデルに基づいて運動方程式を導出し、その非線形ダイナミクスを全て制御入力で補償する試みは前述の非特許文献1で一部示されている。しかしモデル化誤差、センサノイズ、計算コスト等の様々な面で実用的ではない。これに対し、本発明では、モデル化誤差及びノイズの影響が少ない重力成分のみを補償することが可能である。即ち本発明のロボットは、従来の方法では容易に成し得なかった重力補償をも含む動力学補償を実用的な動作範囲で簡単に実現することが可能である等、優れた効果を奏する。   Further, in order to accurately realize the floor reaction force, an equation of motion is derived based on an accurate model of the robot and the external environment, and an attempt to compensate all the nonlinear dynamics with the control input is partially shown in Non-Patent Document 1 described above. Has been. However, it is not practical in various aspects such as modeling error, sensor noise, and calculation cost. On the other hand, in the present invention, it is possible to compensate for only the gravity component that is less affected by modeling errors and noise. That is, the robot according to the present invention has excellent effects such that it is possible to easily realize dynamic compensation including gravitational compensation, which cannot be easily achieved by the conventional method, within a practical operating range.

本発明に係るロボット等は、複数の関節に基づく冗長自由度に起因する内部運動を、関節のダンピング等の抑制力にて抑制する。冗長自由度が存在する場合、制御目標に寄与しない関節のトルク値がゼロ又はゼロに近い値となる利点があるが、外乱によって意に反して関節が動作する内部運動が発生し、例えば関節が可動角の限界に到達するという様な異常に繋がる虞がある。本発明では、抑制力項を設けることにより、内部運動を抑制し、意に反した関節の動作及び該動作に基づく異常の発生を防止することが可能である等、優れた効果を奏する。   The robot or the like according to the present invention suppresses internal motion caused by redundant degrees of freedom based on a plurality of joints with a suppression force such as joint damping. When there is a redundant degree of freedom, there is an advantage that the torque value of the joint that does not contribute to the control target becomes zero or a value close to zero. There is a possibility that it may lead to an abnormality such as reaching the limit of the movable angle. In the present invention, by providing the suppression force term, it is possible to suppress the internal movement, and it is possible to prevent an unexpected joint operation and occurrence of an abnormality based on the operation.

本発明のロボットは、複数の脚部を備える脚式ロボット、例えば人型の二足歩行ロボットに適用するだけでなく、人物、人物以外の動物等の生物体が装着し、重量物の運搬、障害者の運動等の動作を支援する運動補助具に展開することも可能であり、また凹凸の激しい路面を走行する車両の駆動輪の懸架システムとして用いることも可能であり、更には人が容易に進入することができない災害現場、火山、深海等の地域、更には他の天体等を探査する探査機等の様々な分野で稼動する様々な形状のロボットに適用することも可能である等、優れた効果を奏する。また探査だけではなく、車輪と、支持及び駆動機構として機能する脚状体とを備える複合型の移動ロボットに適用し、不整地において安定して作業を行う建築作業に用いることも可能である。   The robot of the present invention is not only applied to a legged robot having a plurality of legs, for example, a humanoid bipedal walking robot, but also a human being or a living organism such as an animal other than a person is attached to carry a heavy object, It can be deployed to exercise assistive tools that support movements of people with disabilities, and can also be used as a suspension system for driving wheels of vehicles that run on uneven roads. It can also be applied to various types of robots that operate in various fields such as disaster sites that cannot enter the area, volcanoes, deep seas, etc., as well as explorers that explore other celestial bodies, etc. Excellent effect. In addition to exploration, the present invention can be applied to a complex mobile robot including wheels and legs that function as a support and drive mechanism, and can be used for building work that stably performs work on rough terrain.

本発明の実施の形態1に係るロボットを示す外観図である。It is an external view which shows the robot which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1に係るロボットの骨格及び関節を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the frame | skeleton and joint of the robot which concern on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1に係るロボットの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the robot which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1に係るロボット及びロボットの制御に係る座標系を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the coordinate system which concerns on the robot which concerns on Embodiment 1 of this invention, and control of a robot. 本発明の実施の形態1に係るロボット及びロボットに係る床作用力を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the floor acting force which concerns on the robot which concerns on Embodiment 1 of this invention, and a robot. 本発明の実施の形態1に係るロボット及びロボットに係る仮想的な接触力を模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the virtual contact force which concerns on the robot which concerns on Embodiment 1 of this invention, and a robot. 本発明のロボットが備える駆動制御装置の処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process of the drive control apparatus with which the robot of this invention is provided. 本発明の実施の形態1に係るロボットの屈伸運動を模式的に示す外観図である。It is an external view which shows typically the bending movement of the robot which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1に係るロボットの模擬実験において屈伸運動の動作を示す値の経時変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time-dependent change of the value which shows the operation | movement of bending and stretching movement in the simulation experiment of the robot which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1に係るロボットの模擬実験において屈伸運動中の重心及びZMPの経時変化を示すグラフである。6 is a graph showing temporal changes in the center of gravity and ZMP during bending and stretching movements in the simulation experiment of the robot according to Embodiment 1 of the present invention. 本発明の実施の形態1に係るロボットの脚上げ運動を模式的に示す外観図である。It is an external view which shows typically the leg raising motion of the robot which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1に係るロボットの模擬実験において脚上げ運動中の脚の位置の経時変化を示すグラフである。7 is a graph showing a change with time of the position of the leg during the leg raising exercise in the simulation experiment of the robot according to the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態1に係るロボットの模擬実験において脚上げ運動を示す値の経時変化を示すグラフである。It is a graph which shows a time-dependent change of the value which shows leg raising exercise | movement in the simulation experiment of the robot which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1に係るロボットの模擬実験において歩行運動を示す値の経時変化を示すグラフである。It is a graph which shows the time-dependent change of the value which shows walking motion in the simulation experiment of the robot which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態2に係るロボットを示す外観図である。It is an external view which shows the robot which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態3に係るロボットを示す外観図である。It is an external view which shows the robot which concerns on Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態4に係るロボットを示す外観図である。It is an external view which shows the robot which concerns on Embodiment 4 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 ロボット
10 脚部
2 連結部
20 アクチュエータ
3 駆動制御装置
30 制御手段
31 記録手段
32 記憶手段
33 計測手段
34 出力手段
35 入力手段
4 駆動機構
5 検出機構
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Robot 10 Leg part 2 Connection part 20 Actuator 3 Drive control apparatus 30 Control means 31 Recording means 32 Storage means 33 Measuring means 34 Output means 35 Input means 4 Drive mechanism 5 Detection mechanism

実施の形態1.
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。図1は、本発明の実施の形態1に係るロボットを示す外観図であり、図2は、本発明の実施の形態1に係るロボットの骨格及び関節を模式的に示すブロック図である。実施の形態1では、少なくとも一対の脚部を備え、歩行、屈伸、脚上げ等の様々な動作を行う脚式ロボットに本発明を適用した形態について例示する。
Embodiment 1 FIG.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings illustrating embodiments thereof. FIG. 1 is an external view showing a robot according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. 2 is a block diagram schematically showing a skeleton and joints of the robot according to Embodiment 1 of the present invention. The first embodiment exemplifies a form in which the present invention is applied to a legged robot that includes at least a pair of leg portions and performs various operations such as walking, bending and stretching, and leg raising.

図1及び図2中1は、ロボットであり、ロボット1の左右の脚部10,10は、腰、膝及び足首に関節等の連結部2,2,…を備え、各連結部2,2,…は、回動型モータ等のアクチュエータ20,20,…にて駆動される。アクチュエータ20,20,…にて駆動することにより、各連結部2,2,…は、前後、左右等の複数の方向に対して屈曲可能である。またロボット1は、脚部10,10だけでなく、首、胸、肩、肘、手首等の様々な箇所に関節等の連結部2,2,…を駆動するアクチュエータ20,20,…を備えている。   1 and 2, reference numeral 1 denotes a robot. The left and right legs 10, 10 of the robot 1 are provided with connecting portions 2, 2... Such as joints on the waist, knees, and ankles. ,... Are driven by actuators 20, 20,. By being driven by the actuators 20, 20,..., The connecting portions 2, 2,... Can be bent in a plurality of directions such as front and rear, left and right. The robot 1 includes not only the legs 10 and 10 but also actuators 20, 20,... That drive the joints 2, 2, etc. at various locations such as the neck, chest, shoulders, elbows, and wrists. ing.

アクチュエータ20としては、制御目標値となるトルク値を駆動信号として受け付け、受け付けたトルク値に基づいて制御する機能を有していれば、サーボモータ、油圧モータ等の様々なアクチュエータを用いることが可能である。例えば電流制御が可能な駆動回路を有し、電流に比例したトルクを発生させるサーボモータでは、制御目標値として入力されたトルク値に、ギヤ比により決定されるトルク定数を乗じて駆動回路に指令することで入力されたトルクを発生させるトルク制御を実現する。特に連結部2にトルクセンサを配設し、トルクセンサにより検出した値を駆動回路にフィードバックすることにより、高精度のトルク制御が可能となる。また回動型に限らず、油圧シリンダ等の直動型のアクチュエータ20を用いることも可能である。即ち図2に示したロボット1の連結部2,2,…の個数及び配置は、あくまでも一例であり、回動型、直動型等の様々な種類のアクチュエータ20,20,…を備える連結部2,2,…を様々な箇所に配置することが可能である。   As the actuator 20, various actuators such as a servo motor and a hydraulic motor can be used as long as the actuator 20 has a function of receiving a torque value as a control target value as a drive signal and performing control based on the received torque value. It is. For example, in a servo motor that has a drive circuit capable of current control and generates torque proportional to the current, the torque value input as the control target value is multiplied by a torque constant determined by the gear ratio, and a command is sent to the drive circuit. Thus, torque control for generating the input torque is realized. In particular, by providing a torque sensor in the connecting portion 2 and feeding back the value detected by the torque sensor to the drive circuit, highly accurate torque control is possible. Further, not limited to the rotary type, it is also possible to use a direct acting actuator 20 such as a hydraulic cylinder. That is, the number and arrangement of the connecting portions 2, 2,... Of the robot 1 shown in FIG. 2 is merely an example, and the connecting portions including various types of actuators 20, 20,. 2, 2, ... can be arranged in various places.

図3は、本発明の実施の形態1に係るロボット1の構成を示すブロック図である。ロボット1は、連結部2,2,…を駆動する各アクチュエータ20,20,…に信号を出力する駆動制御装置3と、駆動制御装置3から出力された信号に基づいて、実際のトルクが制御目標値に一致する様に各アクチュエータ20,20,…を駆動するサーボアンプ等の駆動機構4,4,…と、角度センサ、姿勢センサ、外力センサ等の様々な検出機構5,5,…とを備えている。なお駆動機構4,4,…は、駆動制御装置3が備える駆動手段として実装する様にしても良く、またアクチュエータ20と一体化したインテリジェントモータを実装する様にしても良い。   FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of the robot 1 according to the first embodiment of the present invention. The robot 1 controls the actual torque based on the drive control device 3 that outputs signals to the actuators 20, 20,... That drive the connecting portions 2, 2,. .. Such as servo amplifiers for driving the actuators 20, 20,... To drive the actuators 20,..., And various detection mechanisms 5, 5,. It has. The drive mechanisms 4, 4,... May be mounted as drive means provided in the drive control device 3, or an intelligent motor integrated with the actuator 20 may be mounted.

角度センサとは、連結部2,2,…として備える各関節の角度を検出するセンサであり、例えばアナログ式のポテンションメータ、デジタル式のロータリエンコーダ等のセンサが用いられる。姿勢センサとは、慣性座標系におけるロボット1の絶対姿勢を検出するセンサであり、例えばロボット1の胴体部に取り付けられたジャイロセンサが用いられる。外力センサとしては、例えばロボット1の足裏に取り付けられる床反力センサが用いられる。なお本発明のロボット1では、必ずしも外力センサを必要としないが、外力センサを併用することにより、実際の接触状態に応じて外部に作用させる力の制御を行うことが可能となる。即ち実際の接触状況に応じて夫々の接触点に作用させる作用力を配分するか否かを決定する際に有効である。さらに外部との摩擦状況に応じて重みを設定する場合にも、外力センサによる外力の検出は有効である。   The angle sensor is a sensor that detects the angle of each joint provided as the connecting portions 2, 2,..., And for example, a sensor such as an analog potentiometer or a digital rotary encoder is used. The attitude sensor is a sensor that detects the absolute attitude of the robot 1 in the inertial coordinate system. For example, a gyro sensor attached to the body of the robot 1 is used. As the external force sensor, for example, a floor reaction force sensor attached to the sole of the robot 1 is used. Note that the robot 1 of the present invention does not necessarily require an external force sensor, but by using the external force sensor together, it is possible to control the force applied to the outside according to the actual contact state. That is, it is effective in determining whether or not to distribute the acting force to be applied to each contact point according to the actual contact situation. Furthermore, detection of an external force by an external force sensor is also effective when setting a weight according to the state of friction with the outside.

駆動制御装置3は、制御目標値の算出等の様々な演算を行うCPU等の制御手段30と、制御に要するプログラム及びデータ等の情報を記録するROM、EPROM、ハードディスク等の記録手段31と、プログラムの実行により発生するデータを一時的に記憶するRAM等の記憶手段32と、検出機構5,5,…から検出結果を示す様々な信号の入力を受け付ける計測手段33と、アクチュエータ20へ出力する信号を駆動機構4に対応した形式に変換して出力する出力手段34と、外部からの入力を受け付ける入力手段35とを備えている。   The drive control device 3 includes a control unit 30 such as a CPU that performs various calculations such as calculation of a control target value, a recording unit 31 such as a ROM, EPROM, and hard disk that records information such as programs and data required for control, A storage means 32 such as a RAM for temporarily storing data generated by the execution of the program, a measurement means 33 for receiving input of various signals indicating detection results from the detection mechanisms 5, 5,. An output unit 34 that converts a signal into a format corresponding to the drive mechanism 4 and outputs the signal and an input unit 35 that receives an input from the outside are provided.

駆動制御装置3が、駆動機構4を介して各アクチュエータ20,20,…へ出力する信号とは、例えば制御目標値としてトルク値を示す制御信号である。各連結部2,2,…を駆動するアクチュエータ20,20,…は、駆動制御装置3から入力されたトルク値等の制御信号に基づいて作動する。入力手段35とは、ロボット1のバランス、歩行、停止等の目標となる運動を示す目標運動情報、又は目標となる運動を行うための目標作用力を受け付ける機構であり、有線又は無線により外部のコントローラから送信される目標運動情報等の情報が含まれる命令を受け付ける。また操作者から直接命令を受け付けるキーボード、各種釦、スイッチ等の操作部を入力手段35として用いる様にしても良い。なお駆動制御装置3が、目標運動情報を受け付けた場合、目標となる運動から設定すべき目標作用力及び目標とするゼロモーメントポイント(以降、ZMP:Zero Moment Point という)を導出し、導出した目標作用力及び目標ZMPに基づいて後述する様にロボット1を制御する。また駆動制御装置3が、目標作用力を受け付けた場合、受け付けた目標作用力及び目標作用力から導出した目標ZMPに基づいてロボット1を制御する。   The signal output from the drive control device 3 to each actuator 20, 20,... Via the drive mechanism 4 is a control signal indicating a torque value as a control target value, for example. The actuators 20, 20,... That drive the connecting portions 2, 2,... Operate based on a control signal such as a torque value input from the drive control device 3. The input means 35 is a mechanism for receiving target motion information indicating a target motion such as balance, walking, or stopping of the robot 1 or a target acting force for performing the target motion. A command including information such as target exercise information transmitted from the controller is received. Further, an operation unit such as a keyboard, various buttons, or a switch that directly receives a command from the operator may be used as the input unit 35. When the drive control device 3 accepts the target motion information, it derives a target acting force to be set and a target zero moment point (hereinafter referred to as ZMP: Zero Moment Point) from the target motion, and derives the target Based on the acting force and the target ZMP, the robot 1 is controlled as described later. In addition, when the drive control device 3 receives the target acting force, the drive control device 3 controls the robot 1 based on the received target acting force and the target ZMP derived from the target acting force.

なお本願で説明する接地点等の接触部が接触する対象とは、地面に限るものではなく、ロボット1が自らを支持するために自重を掛ける外部の環境一般を指す。具体的には、地面及び床に加えて、スロープのある床、段差の有る階段等の平面以外の外部環境をも含み、また脚部の足裏だけでなく、膝、手、腕部等の足裏以外の箇所を用いて自らを支持する姿勢をとる場合、手摺、壁等の外部環境をも含む。従って上半身を用いて自らを支持する四つん這い等の姿勢をとる場合、掌等の手部(前脚部)も接触部となりうる。同様にして本願で説明する床反力とは、必ずしも床から受ける反力に限定されるものではなく、接触部が接触している外部環境から受ける反力を示す。   In addition, the object which contact parts, such as a grounding point demonstrated in this application, contact is not restricted to the ground, but refers to the general external environment where the robot 1 applies its own weight to support itself. Specifically, in addition to the ground and the floor, it also includes external environments other than planes such as sloped floors and steps with steps, etc. In addition to the soles of legs, knees, hands, arms, etc. When taking a posture to support itself using a part other than the sole of the foot, it includes external environments such as handrails and walls. Therefore, when taking a posture such as a crawl that supports itself using the upper body, a hand portion (front leg portion) such as a palm can also be a contact portion. Similarly, the floor reaction force described in the present application is not necessarily limited to the reaction force received from the floor, but indicates the reaction force received from the external environment in contact with the contact portion.

次に本発明のロボット1の制御について説明する。図4は、本発明の実施の形態1に係るロボット1及びロボット1の制御に係る座標系を模式的に示す説明図である。図4中CoMは、ロボットの重心(Center of Mass)であり、重心CoMを、x座標、y座標及びz座標を用いた三次元の座標系Σにおいて下記の式1で定義される位置ベクトルrC で定義する。なお図4に示す座標系Σでは、ロボット1の外部の点を基準点とする位置ベクトルrC にて重心CoMを示しているが、ロボット1内に基準点をとる座標系を定義する様にしても良い。Next, control of the robot 1 of the present invention will be described. FIG. 4 is an explanatory diagram schematically showing the robot 1 according to the first embodiment of the present invention and a coordinate system related to the control of the robot 1. CoM in FIG. 4 is the center of mass of the robot, and the position vector r defined by the following equation 1 in the three-dimensional coordinate system Σ using the x, y, and z coordinates. Define in C. In the coordinate system Σ shown in FIG. 4, the center of gravity CoM is indicated by a position vector r C with a point outside the robot 1 as a reference point. However, a coordinate system that takes the reference point in the robot 1 is defined. May be.

C =[xC ,yC ,zCT ∈R3 …(式1)
但し、rC :重心CoMの位置ベクトル
T :ベクトル又は行列に対する転置演算子
3 :3次元の数ベクトル空間
r C = [x C , y C , z C ] T ∈ R 3 (Equation 1)
Where r C : position vector of the center of gravity CoM
T : Transpose operator for vector or matrix
R 3 : three-dimensional number vector space

説明を簡単にするために、先ずはロボット1が、足裏の任意の一点が外部の環境と接触している状況について説明する。この接触点の重心CoMからの位置ベクトルをrP として示し、x座標、y座標及びz座標による三次元の座標系を用いた下記の式2にて定義する。In order to simplify the explanation, first, the situation where the robot 1 is in contact with an external environment at an arbitrary point on the sole will be described. A position vector from the center of gravity CoM of the contact point is indicated as r P , and is defined by the following Expression 2 using a three-dimensional coordinate system based on x, y, and z coordinates.

P =[xP ,yP ,zPT ∈R3 …(式2)
但し、rP :接触点の位置ベクトル
r P = [x P , y P , z P ] T ∈ R 3 (Equation 2)
Where r P : contact point position vector

また重心CoMに掛かる力は、重力、接触点から受ける床反力、及び外乱等の他の外力を用いた下記の式3にて示すことができる。なおロボット1がこの接触点でのみ外部、ここでは床に接触している場合、接触点はZMPに一致する。   The force applied to the center of gravity CoM can be expressed by the following Equation 3 using other external forces such as gravity, a floor reaction force received from the contact point, and a disturbance. In addition, when the robot 1 is in contact with the outside, here the floor, only at this contact point, the contact point coincides with ZMP.

Md2C /dt2 =Mg+fR +fE …(式3)
但し、M:ロボット1の質量
2C /dt2 :重心に掛かる加速度
g:[0,0,−9.81]T と示される重力加速度
R :fR ∈R3 である床反力
E :fE ∈R3 である重力及び床反力以外の外力
Md 2 r C / dt 2 = Mg + f R + f E (Formula 3)
Where M is the mass of the robot 1
d 2 r C / dt 2 : acceleration applied to the center of gravity
g: Gravity acceleration indicated as [0, 0, −9.81] T
f R : floor reaction force with f R ∈R 3
f E : external force other than gravity and floor reaction force where f E ∈R 3

式2に示したCoM、ZMP等の点の位置ベクトルは、検出機構5である角度センサ及び姿勢センサが検出した検出値に基づいて導出することができる。駆動制御装置3は、ロボット1が接触点から受ける床反力に対し、ロボット1から接触点に対して床反力と大きさが同じで方向が正反対となる床作用力(GAF:Ground Applied Force)をロボット1の動作のタスク目標に応じた所望の値となるように決定し、決定した床作用力をロボット1から接触点に対して加える様にロボット1を制御する。この制御により、ロボット1は、例えば自身のバランスをとったり、安定した姿勢制御を行ったりという様々な追従動作を行うことができる。なお床作用力は、x座標、y座標及びz座標による三次元の座標系を用いた下記の式4にて定義される。   The position vector of the points such as CoM and ZMP shown in Expression 2 can be derived based on the detection values detected by the angle sensor and the attitude sensor that are the detection mechanism 5. The drive control device 3 has a floor applied force (GAF: Ground Applied Force) that is the same in magnitude and opposite to the floor reaction force from the robot 1 to the contact point. ) Is set to a desired value according to the task target of the operation of the robot 1, and the robot 1 is controlled so that the determined floor action force is applied from the robot 1 to the contact point. By this control, the robot 1 can perform various follow-up operations such as balancing itself and performing stable posture control. The floor acting force is defined by the following equation 4 using a three-dimensional coordinate system based on x, y, and z coordinates.

P =[fxP,fyP,fzpT =−fR ∈R3 …(式4)
但し、fP :床作用力
f P = [f xP , f yP , f zp ] T = −f R ∈R 3 (Formula 4)
Where fP: floor force

駆動制御装置3は、下記の式5に示す様に、目標とする床作用力を、ヤコビ行列にて規定される順運動学モデルに基づいて、各関節2,2,…を駆動する夫々のアクチュエータ20,20,…の夫々のトルク値に変換し、変換した夫々のトルク値を各アクチュエータ20,20,…に制御目標値として出力する。そして各アクチュエータ20,20,…は、入力を受け付けたトルク値に基づいて作動する。   The drive control device 3 drives each joint 2, 2,... Based on the forward kinematic model specified by the Jacobian matrix, as shown in the following equation (5). The torque values of the actuators 20, 20,... Are converted, and the converted torque values are output to the actuators 20, 20,. And each actuator 20, 20, ... operates based on the torque value which received the input.

Figure 2007139135
Figure 2007139135

式5に示す様に各関節の夫々のアクチュエータ20,20,…の制御目標値となるトルク値は、転置行列を用いて算出することができる。また算出の過程で逆行列の計算を用いていないため、解が発散することがない。実際の床反力が式5にて算出される目標とする床作用力の逆方向の力に一致する場合、本発明のロボット1は、非常に簡単な計算で所望の運動を達成することができ、また例えば自身のバランスを取ったり、安定した姿勢制御を行ったりという様々な追従動作を行うことができる。なお実際に床反力が床作用力の逆方向の力に一致するか否かの議論は、本願発明者らが既に検討し、公開している。   As shown in Equation 5, the torque value that is the control target value of each actuator 20, 20,... Of each joint can be calculated using a transpose matrix. Further, since the inverse matrix is not used in the calculation process, the solution does not diverge. When the actual floor reaction force matches the force in the reverse direction of the target floor action force calculated by Equation 5, the robot 1 of the present invention can achieve a desired motion with a very simple calculation. It is also possible to perform various following operations such as balancing itself and performing stable posture control. The inventors of the present application have already examined and disclosed whether or not the floor reaction force actually matches the force in the direction opposite to the floor action force.

ロボット1は、歩行等の様々な動作を行うので、常にZMPの一点で床と接触している訳ではない。そこで次に複数の接触点で床と接触している状況下での本発明のロボット1の制御について説明する。図5は、本発明の実施の形態1に係るロボット1及びロボット1に係る床作用力を模式的に示す説明図である。図5に例示したロボット1において、床作用力fP は、重心CoMからZMPの方向へのベクトルとして示されている。図5において床等の外部環境に接触する点の集合を考える。脚部10の接触部を、床面に接触する複数の接触点の集合とみなし、脚部10の接触部の中の特定のa個の接触点に注目し、各接触点の位置ベクトルを、x座標、y座標及びz座標による三次元の座標系を用いた下記の式6にて定義する。Since the robot 1 performs various operations such as walking, it is not always in contact with the floor at one point of the ZMP. Then, control of the robot 1 of the present invention under the situation where it is in contact with the floor at a plurality of contact points will be described next. FIG. 5 is an explanatory diagram schematically showing the robot 1 according to the first embodiment of the present invention and the floor acting force according to the robot 1. In the robot 1 illustrated in FIG. 5, the floor acting force f P is shown as a vector from the center of gravity CoM to the direction of ZMP. In FIG. 5, a set of points in contact with an external environment such as a floor is considered. The contact part of the leg 10 is regarded as a set of a plurality of contact points that contact the floor surface, attention is paid to specific a contact points in the contact part of the leg 10, and the position vector of each contact point is It is defined by the following expression 6 using a three-dimensional coordinate system based on x, y and z coordinates.

S =[rS1,rS2,…,rSaT ∈R3a …(式6)
但し、rSj:各接触点Sj (j=1,2,…,a)の位置ベクトル
r S = [r S1 , r S2 ,..., r Sa ] T ∈ R 3a (Formula 6)
Where r Sj : position vector of each contact point Sj (j = 1, 2,..., A)

そして接触点の集合の中の特定の接触点に注目し、床作用力を注目した接触点に掛かる力の合力と見なすことにより、床作用力fP は、下記の式7にて定義することができる。Then, paying attention to a specific contact point in the set of contact points, and considering the floor acting force as a resultant force of the force applied to the focused contact point, the floor acting force f P is defined by the following Expression 7. Can do.

Figure 2007139135
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例えば図5に示すロボット1は、踵から爪先までが直方体状をなす足先部の足裏に相当する部位を脚部の接触部としており、脚部の接触部の中で、右脚部の足先部の右先端S1 、左先端S2 、右後端S3 及び左後端S4 、並びに左脚部の足先部の右先端S5 、左先端S6 、右後端S7 及び左後端S8 を注目した接触点としている。For example, in the robot 1 shown in FIG. 5, a portion corresponding to the sole of the toe portion having a rectangular parallelepiped shape from the heel to the toe is used as a contact portion of the leg portion. Right tip S 1 , left tip S 2 , right rear end S 3 and left rear end S 4 of the foot tip, and right tip S 5 , left tip S 6 , right rear end S 7 of the foot tip of the left leg The left rear end S 8 is a contact point of interest.

なお歩行等の運動を行うロボット1の接触点の個数は常に一定ではない。例えばロボット1が歩行運動を行う場合、遊脚は、床面に接触していないので、支持脚側の接触点のみに床作用力が分配される。さらに床面に接触していない遊脚についても、支持脚と同様に仮想的な接触点を式8に示す様に定義する。   Note that the number of contact points of the robot 1 that performs movements such as walking is not always constant. For example, when the robot 1 performs a walking motion, since the free leg is not in contact with the floor surface, the floor acting force is distributed only to the contact point on the support leg side. Further, for the free leg that is not in contact with the floor surface, the virtual contact point is defined as shown in Equation 8 as in the case of the support leg.

F =[rF1,rF2,…,rFbT ∈R3b …(式8)
但し、rFj:各接触点Fj (j=1,2,…,b)の位置ベクトル
r F = [r F 1 , r F 2 ,..., r Fb ] T ∈ R 3b (Equation 8)
Where r Fj : position vector of each contact point F j (j = 1, 2,..., B)

これらの仮想的な接触点は、実際に外部環境に接触する点又は外部環境に接触しないが空間上を運動する点の座標を用いる。例えば図5に示す様に両方の脚部10,10で床に接触しているロボット1では、a=8,b=0であるが、一方の脚部10が遊脚となると、a=4,b=4となる。また爪先、踵等の脚部10の一部のみが外部環境と接触している場合は、更に変化する。また掌にも足裏と同様に仮想的な接触点を想定すると、b=8となる。またZMPの位置ベクトルのx座標及びy座標は、下記の式9及び式10にて示すことができる。なおロボット1が平坦な床面上で外部環境と接触している場合、ZMPの位置ベクトルのz座標はゼロである。   These virtual contact points use the coordinates of a point that actually contacts the external environment or a point that does not contact the external environment but moves in space. For example, as shown in FIG. 5, in the robot 1 that is in contact with the floor with both legs 10 and 10, a = 8 and b = 0, but when one leg 10 becomes a free leg, a = 4 , B = 4. Further, when only a part of the leg portion 10 such as a toe or a heel is in contact with the external environment, it further changes. Assuming a virtual contact point on the palm as well as the sole, b = 8. Further, the x-coordinate and y-coordinate of the ZMP position vector can be expressed by the following equations 9 and 10. When the robot 1 is in contact with the external environment on a flat floor surface, the z coordinate of the ZMP position vector is zero.

Figure 2007139135
Figure 2007139135

なお上述した式7、式9及び式10は、Z方向の力関係式として下記の式11に纏めることが可能である。またX方向及びY方向の力関係として下記の式12及び式13を仮定する。これはZ方向の力が大きい接触点ほど相応に大きい水平接触力、即ち摩擦力が割り当てられるにするための処置である。   In addition, the above-mentioned Formula 7, Formula 9, and Formula 10 can be put together into the following Formula 11 as a force relational expression in the Z direction. Further, the following formulas 12 and 13 are assumed as the force relationship in the X direction and the Y direction. This is a treatment for assigning a correspondingly large horizontal contact force, that is, a frictional force, to a contact point having a larger force in the Z direction.

Figure 2007139135
Figure 2007139135

また床反力に対する床作用力を各接触点に配分する際、各接触点に配分する目標となる力は、下記の式14、式15及び式16を用いてノルム最小規範に基づき最適配分される様に決定する。これにより相殺し合う大きな力の発生を防止する。なおロボット1が、踵又は爪先立ち、逆立ち、四つん這い等の姿勢をとる場合、姿勢に基づく接触状態に応じて各接触点に床反力が配分される。即ち下記の式14、式15及び式16を用いた演算により、目標となるZMP及び目標となる床作用力に基づいて、各接触点に作用させる目標作用力を算出する。   Further, when the floor acting force with respect to the floor reaction force is distributed to each contact point, the target force to be distributed to each contact point is optimally distributed based on the norm minimum criterion using the following formulas 14, 15, and 16. To be decided. This prevents the generation of large forces that cancel each other. When the robot 1 takes a posture such as a heel or toe standing, standing upright, or all fours, a floor reaction force is distributed to each contact point according to a contact state based on the posture. That is, by using the following Expression 14, Expression 15, and Expression 16, the target action force that is applied to each contact point is calculated based on the target ZMP and the target floor action force.

Figure 2007139135
Figure 2007139135

なお各接触点に作用させる目標作用力に対し、例えば右脚の爪先に80%及び左足の踵に20%という様に任意の重みを設定することも可能である。具体的には、式14、式15及び式16にて用いられている行列Ai #を、下記の式17にて示す様に任意の重み係数行列の逆行列を用いて定義し、式14、式15及び式16を変形することにより、重み付きノルム最小規範に基づく目標作用力の配分を行うことが可能である。It is also possible to set arbitrary weights such as 80% for the toe of the right leg and 20% for the heel of the left foot with respect to the target acting force applied to each contact point. Specifically, the matrix A i # used in Expression 14, Expression 15, and Expression 16 is defined using an inverse matrix of an arbitrary weight coefficient matrix as shown in Expression 17 below, and Expression 14 By modifying Equations 15 and 16, it is possible to distribute the target acting force based on the weighted norm minimum criterion.

i #=(Ai T-1i-1i T-1 …(式17)
但し、W:重み係数行列
A i # = (A i T W −1 A i ) −1 A i T W −1 (Expression 17)
W: Weight coefficient matrix

なお重み係数行列を使用する場合、接触点Sに掛かる目標接触力の転置行列、重み係数行列及び目標接触力を示す行列の積として示される最適評価関数の値が、最小となる様に目標接触力が定義される。目標接触力は行行列であり、その転置行列は列行列であるため、最適評価関数の値はスカラー量である。   When the weight coefficient matrix is used, the target contact is set so that the value of the optimum evaluation function shown as the product of the transposed matrix of the target contact force applied to the contact point S, the weight coefficient matrix, and the matrix indicating the target contact force is minimized. Force is defined. Since the target contact force is a row matrix and the transpose matrix is a column matrix, the value of the optimum evaluation function is a scalar quantity.

そして駆動制御装置3は、上述した式7、式9及び式10並びに式14、式15及び式16に基づいて、床作用力がノルム最小規範に基づき最適配分される様に各接触点に掛かる力を導出し、各接触点に掛かる力に配分した床作用力を、ヤコビ行列にて規定される順運動学モデルに基づいて、下記の式18に示す様に各関節を駆動する各アクチュエータ20,20,…の夫々のトルク値に変換し、変換した夫々のトルク値を、駆動機構4を介して各アクチュエータ2,2,…に制御目標値として出力する。そして各アクチュエータ20,20,…は、入力を受け付けたトルク値に基づいて作動する。   Then, the drive control device 3 is applied to each contact point so that the floor acting force is optimally distributed based on the norm minimum norm based on the above-described Expression 7, 9, 9 and 10, 14, 14, 15 and 16. Based on the forward kinematic model defined by the Jacobian matrix, the actuator 20 that drives each joint as shown in the following equation 18 is based on the floor action force that is derived from the force and distributed to the force applied to each contact point. , 20,..., And the converted torque values are output as control target values to the actuators 2, 2,. And each actuator 20, 20, ... operates based on the torque value which received the input.

Figure 2007139135
Figure 2007139135

各アクチュエータ20,20,…が入力を受け付けたトルク値に基づいて作動することにより、本発明のロボット1は、歩行等の運動時に安定した動作を行う。   Each actuator 20, 20,... Operates based on a torque value that has received an input, whereby the robot 1 of the present invention performs a stable operation during exercise such as walking.

次に本発明のロボット1において、内部運動を抑制する制御方法について説明する。関節等の連結部2,2,…の数が多いロボット1に対して式5又は式18を用いて各アクチュエータ20,20,…のトルク値を算出する場合、関節の冗長自由度が高くなるため、幾つかの関節の目標トルクがゼロ又はゼロの近似値をとり、意に反して関節が稼動する内部運動が発生する可能性がある。そこで本発明の駆動制御装置3は、内部運動を抑制する抑制力項を設けた下記の式19を用いて各アクチュエータ20,20,…のトルク値を算出する。   Next, a control method for suppressing internal movement in the robot 1 of the present invention will be described. When the torque values of the actuators 20, 20,... Are calculated using Equation 5 or Equation 18 for the robot 1 having a large number of joints 2, 2,. Therefore, the target torque of some joints takes zero or an approximate value of zero, and there is a possibility that an internal motion in which the joints operate unexpectedly occurs. Therefore, the drive control device 3 of the present invention calculates the torque value of each actuator 20, 20,... Using the following equation 19 provided with a suppression force term that suppresses internal motion.

Figure 2007139135
Figure 2007139135

式19は、上述の式18に抑制力項を設けた式であり、右辺の第1項が式18であり、第2項が抑制力項となる。なお抑制力項として最も単純なものは関節毎にダンピングを設けたものであり、関節毎のダンピング係数を行列として示した下記の式20にて示される。   Expression 19 is an expression in which the suppression force term is provided in the above-described Expression 18, the first term on the right side is Expression 18, and the second term is the suppression force term. The simplest suppression force term is one in which damping is provided for each joint, and is expressed by the following equation 20 in which the damping coefficient for each joint is shown as a matrix.

Figure 2007139135
Figure 2007139135

式20に示す様に、ダンピング係数として各アクチュエータ20,20,…に対して任意の摩擦係数を設定することにより、動作を意図しないアクチュエータ20,20,…の自由運動に基づく内部運動を抑制する。τa は、トルク値の目標値を補正すべく必要に応じて任意の値を設定することが可能な値であり、例えば局所的な姿勢及び角度を指定したい場合に用いられる。この様にして抑制力項を設けた数式にて算出した各アクチュエータ20,20,…のトルク値に基づいて駆動制御装置3が制御することにより、本発明のロボット1は、内部運動が抑制され、操作者の意図に従った動作を行う。なお上述の式5に抑制力項を設けた式を用いる様にしても良い。As shown in Expression 20, by setting an arbitrary friction coefficient for each actuator 20, 20,... As a damping coefficient, the internal movement based on the free movement of the actuators 20, 20,. . τ a is a value that can be set to an arbitrary value as necessary to correct the target value of the torque value, and is used, for example, when it is desired to specify a local posture and angle. In this way, the drive control device 3 controls based on the torque values of the actuators 20, 20,. , Perform the action according to the operator's intention. In addition, you may make it use the formula which provided the suppression force term in the above-mentioned Formula 5. FIG.

次に本発明のロボット1において、外力に対して柔軟に動作する制御方法について説明する。本発明の駆動制御装置3は、下記の式21に示す様に、ロボット1の重心に掛かる重力を補償すべく、床作用力の目標値に重力を加味する項を設けてロボット1を制御する。重力を補償する制御を行うことにより、ロボット1は、床に接触していることを条件として無重力の状態を模した動作を実現する。即ち本発明のロボット1は、外力に対して反発するのではなく、外力に従い外力方向に追従する動作を行う。   Next, a control method that operates flexibly with respect to external force in the robot 1 of the present invention will be described. The drive control device 3 according to the present invention controls the robot 1 by providing a term that adds gravity to the target value of the floor acting force in order to compensate for the gravity applied to the center of gravity of the robot 1 as shown in the following Expression 21. . By performing control to compensate for gravity, the robot 1 realizes an operation simulating a weightless condition on condition that the robot 1 is in contact with the floor. That is, the robot 1 of the present invention does not repel the external force but performs an operation of following the direction of the external force according to the external force.

Figure 2007139135
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式21において、任意設定力とは、ロボット1の動作を制御すべく任意に設定することが可能な目標作用力であり、例えば目標運動情報として、ロボット1に重心を下げる動作を行わせる情報を受け付けた場合、下向きの力として任意設定力を設定する。   In Equation 21, the arbitrarily set force is a target acting force that can be arbitrarily set to control the operation of the robot 1. For example, information that causes the robot 1 to perform an operation of lowering the center of gravity is used as target motion information. If accepted, an arbitrarily set force is set as the downward force.

式21及び前述の式3に基づいて、下記の式22を導出することができる。   Based on Equation 21 and Equation 3 above, the following Equation 22 can be derived.

Md2C /dt2 =fD +fE +fu …(式22)
但し、fD :式19右辺第2項に基づく抑制力項
Md 2 r C / dt 2 = f D + f E + f u (Equation 22)
Where f D : restraining force term based on the second term on the right side of Equation 19

式22に示す様に式21を考慮すると、見かけ上の重力の影響を排除することができる。駆動制御装置3は、式21に示した様に重力を補償する床作用力を用いて算出したアクチュエータ20,20,…の目標となるトルク値に基づいてロボット1の制御を行うことにより、ロボット1は、外力に反発するのではなく、外力に従って動作するので、外力を緩和し、対人及び対物に対する衝突時の安全性を高め、例えばロボット1に対して人が外力を加えることにより動作方向を誘導することが可能となる。   Considering Equation 21 as shown in Equation 22, the apparent influence of gravity can be eliminated. The drive control device 3 controls the robot 1 based on the target torque value of the actuators 20, 20,. 1 is not repelled by an external force, but operates according to the external force. Therefore, the external force is relaxed and safety at the time of a collision with a person and an object is improved. For example, when a person applies an external force to the robot 1, It is possible to guide.

式22に示した任意設定力は、上述した様にロボット1が目標運動情報として受け付けた情報から導出される目標作用力である。目標作用力の導出方法は、様々な方法が提案されているが、例えば目標運動情報にて示される三次元空間におけるロボット1の重心の目標位置及び目標速度から下記の式23を用いて目標作用力を導出することができる。   The arbitrary setting force shown in Expression 22 is a target acting force derived from information received by the robot 1 as target motion information as described above. Various methods for deriving the target action force have been proposed. For example, the target action force is calculated from the target position and target speed of the center of gravity of the robot 1 in the three-dimensional space indicated by the target motion information using the following Expression 23. Force can be derived.

Figure 2007139135
Figure 2007139135

式23は、簡単な線形フィードバック則を用いた導出方法であるが、本発明の駆動制御装置3は、式23以外の様々な導出方法にて任意設定力として扱われる目標作用力を導出することが可能である。更に本発明の駆動制御装置3は、任意設定力となる目標作用力から下記の式24に基づいて目標ZMPを導出することができる。   Equation 23 is a derivation method using a simple linear feedback law, but the drive control device 3 of the present invention derives a target acting force that is treated as an arbitrarily set force by various derivation methods other than Equation 23. Is possible. Furthermore, the drive control device 3 of the present invention can derive the target ZMP based on the following formula 24 from the target acting force that is an arbitrarily set force.

Figure 2007139135
Figure 2007139135

なお式24にて導出される目標ZMPが接地、即ち外部環境に接触していない場合、外部環境に接触する無数の接触点の集合の中で最も近い接触点を目標ZMPとして再導出し、再導出した目標ZMPに基づいて、目標作用力を導出する。但し、目標作用力の水平方向の力がゼロの場合、即ち単なる重力補償又は重心の垂直運動のみの場合、目標ZMPの重心CoMから見たx座標及びy座標はいずれもゼロとなる。   When the target ZMP derived by Equation 24 is in contact with the ground, that is, not in contact with the external environment, the closest contact point among the infinite number of contact points in contact with the external environment is re-derived as the target ZMP, A target acting force is derived based on the derived target ZMP. However, when the horizontal force of the target acting force is zero, that is, when only the gravity compensation or the vertical movement of the center of gravity is performed, both the x coordinate and the y coordinate viewed from the center of gravity CoM of the target ZMP are zero.

次に本発明のロボット1において、床反力を更に高精度に制御する方法として、ロボット1に対する慣性力項、コリオリ力項、遠心力項等の非線形項を考慮した逆動力学計算を行う方法がある。ロボット1に対する非線形項を重心座標系で示したものが下記の式25である。   Next, in the robot 1 of the present invention, as a method for controlling the floor reaction force with higher accuracy, a method of performing inverse dynamics calculation in consideration of nonlinear terms such as an inertial force term, a Coriolis force term, a centrifugal force term, etc. with respect to the robot 1 There is. A non-linear term for the robot 1 is shown in the barycentric coordinate system as shown in Equation 25 below.

Figure 2007139135
Figure 2007139135

上記の式25から床作用力は、下記の式26を用いて計算することが可能である。   From the above equation 25, the floor acting force can be calculated using the following equation 26.

Figure 2007139135
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駆動制御装置3は、式26をu^ (uの上方に^記号)について解くことにより、床作用力の目標値から各関節の夫々のアクチュエータ20,20,…のトルク値を算出することができる。但し、全ての非線形項、特にノイズの多い速度の二乗を含む項を正確に計算することは困難であるため、適当なフィルタを用いて算出した推定値を用いる様にしても良い。なお前述した様に重力補償がなされているため、重力補償以外の動力学計算に誤差が含まれている場合でも、高い追従性を期待することができる。   The drive control device 3 can calculate the torque value of each actuator 20, 20,... Of each joint from the target value of the floor action force by solving Equation 26 for u ^ (^ symbol above u). it can. However, since it is difficult to accurately calculate all the nonlinear terms, particularly terms including the square of the noisy speed, an estimated value calculated using an appropriate filter may be used. Since gravity compensation is performed as described above, high followability can be expected even when an error is included in dynamics calculation other than gravity compensation.

次に本発明のロボット1において、外部環境に接触していない手部、脚部10等の四肢を使って様々な動作を行う場合における全身運動の制御方法について説明する。図6は、本発明の実施の形態1に係るロボット1及びロボット1に係る仮想的な接触力を模式的に示す説明図である。駆動制御装置3は、入力を受け付けた目標運動情報が示す運動等の目標とする運動として、例えば腕部又は脚部10を空間上の所望の位置に動かす到達運動を行う場合、例えばPD制御を施すことによって、ロボット1の仮想接触点を想定し、各仮想接触点に対して作用させる目標仮想接触力を導出する。図6では、目標とする運動に基づく仮想接触点rFj及び目標仮想接触力fFjを示している。そして駆動制御装置3は、求められた目標仮想接触力fFjから、例えば下記の式27に基づいて各アクチュエータ20,20,…のトルク値を算出することができる。Next, in the robot 1 of the present invention, a whole body motion control method when various operations are performed using the extremities such as the hand portion and the leg portion 10 that are not in contact with the external environment will be described. FIG. 6 is an explanatory diagram schematically showing the robot 1 according to Embodiment 1 of the present invention and the virtual contact force related to the robot 1. The drive control device 3 performs, for example, PD control as a target motion such as the motion indicated by the target motion information that has received the input, for example, when performing a reaching motion that moves the arm or leg 10 to a desired position in space. As a result, a virtual contact point of the robot 1 is assumed, and a target virtual contact force to be applied to each virtual contact point is derived. FIG. 6 shows a virtual contact point r Fj and a target virtual contact force f Fj based on the target motion. The drive control device 3 can calculate the torque values of the actuators 20, 20,... Based on the calculated target virtual contact force f Fj based on, for example, the following equation 27.

Figure 2007139135
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但し、このように定めた仮想接触力の総和は重心に対して反作用力となるため、バランスに対して悪影響をもたらす可能性がある。そこでこの力を補償しなくてはならない。そのためには、式21の目標床作用力からこの仮想作用力の総和を引き算したものを改めて目標作用力とする。なお図6に示した仮想接触点rFjという概念を導入し、式27に示したヤコビ行列を用いて計算するのではなく、前述した接触点rSjが接触していると仮定して、接触点rSjに係る数式を用いて計算する様にしても良く、その場合、式27に示したヤコビ行列を用いた計算は不要となる。However, since the sum of the virtual contact forces determined in this way becomes a reaction force with respect to the center of gravity, there is a possibility that the balance will be adversely affected. So this force must be compensated. For this purpose, a value obtained by subtracting the total sum of the virtual acting forces from the target floor acting force of Expression 21 is again used as the target acting force. Note that the concept of the virtual contact point r Fj shown in FIG. 6 is introduced and calculation is not performed using the Jacobian matrix shown in Expression 27, but the contact point r Sj described above is assumed to be in contact. The calculation may be performed using a mathematical expression related to the point r Sj , and in that case, the calculation using the Jacobian matrix shown in Expression 27 is not necessary.

またロボット1が歩行運動等の運動を行う場合、支持脚の接触力は並進力に相当する床作用力のみならず、回転力に相当する床作用モーメントを発生させる際にも利用できる。なぜなら接触力は複数あるのでこれらを対に組合せてモーメントを発生させることができるからである。接触部に対してモーメントを適切に発生させることによって、例えばロボット1の方位を制御することができる。   When the robot 1 performs a motion such as a walking motion, the contact force of the support leg can be used not only to generate a floor acting force corresponding to a translational force but also to generate a floor acting moment corresponding to a rotational force. Because there are a plurality of contact forces, a moment can be generated by combining them in pairs. For example, the orientation of the robot 1 can be controlled by appropriately generating a moment with respect to the contact portion.

次に本発明の実施の形態1に係る駆動制御装置3を用いたロボット1の制御処理について説明する。図7は、本発明の実施の形態1に係るロボット1が備える駆動制御装置3の処理を示すフローチャートである。ロボット1に対する操作を行う操作者は、倒れない様に姿勢を維持するバランス運動、屈伸動作、手先又は足先を目標物に到達させるリーチングタスク運動等の運動を示す目標運動情報をロボット1の駆動制御装置3に入力する。目標運動情報の入力は、例えば操作者がロボット1用のコントローラを操作し、コントローラから有線又は無線の通信にて、目標運動情報を駆動制御装置3へ送信することにより行われる。本発明のロボット1が備える駆動制御装置3は、制御手段30の制御により、入力手段35にて目標運動情報の入力を受け付ける(ステップS1)。ステップS1では、例えばコントローラから無線通信にて送信される目標運動情報を、入力手段35にて受信することにより、入力の受付が行われる。駆動制御装置3は、受け付けた目標運動情報が示す屈伸運動等の情報から、予め記録されている運動の対応関係を示す設定に基づいて、ロボット1の各部位の動きを示す情報に変換することで、運動に係る動作を認識する。なお目標運動情報ではなく、目標作用力及び目標ZMPをロボット1に入力し、ステップS1において、入力手段35は、入力された目標作用力及び目標ZMPを受け付ける様にしても良い。   Next, control processing of the robot 1 using the drive control device 3 according to Embodiment 1 of the present invention will be described. FIG. 7 is a flowchart showing processing of the drive control device 3 provided in the robot 1 according to Embodiment 1 of the present invention. An operator who operates the robot 1 drives the robot 1 with target motion information indicating a motion such as a balance motion that maintains a posture so as not to fall down, a bending / extending motion, and a reaching task motion that causes a hand or a tip to reach a target. Input to the control device 3. The input of the target motion information is performed, for example, when the operator operates the controller for the robot 1 and transmits the target motion information to the drive control device 3 from the controller through wired or wireless communication. The drive control device 3 provided in the robot 1 of the present invention receives input of target motion information by the input means 35 under the control of the control means 30 (step S1). In step S <b> 1, for example, the input unit 35 receives target exercise information transmitted from the controller through wireless communication, thereby receiving input. The drive control device 3 converts information such as the flexion / extension motion indicated by the received target motion information into information indicating the motion of each part of the robot 1 based on the setting indicating the correspondence relationship of the motion recorded in advance. Then, the motion related motion is recognized. Note that instead of the target motion information, the target acting force and the target ZMP may be input to the robot 1, and in step S1, the input unit 35 may receive the input target acting force and the target ZMP.

ロボット1が備える駆動制御装置3は、制御手段30の制御により、受け付けた目標運動情報が示す目標とする運動に従って、目標とする作用力及び目標とするZMPを導出する(ステップS2)。ステップS2では、例えば前述の式23に基づいて目標とする作用力、ここでは床作用力を導出し、また式24に基づいて目標とするZMPを導出する。なお式8或いは図6を用いた説明に示す様に仮想的な接触点を想定し、目標ZMP及び目標作用力を導出する様にしても良い。なお前述した様に目標作用力の導出方法は、式23以外の方法を用いても良く、目標ZMPの導出方法は、式24以外の方法を用いても良い。また目標作用力の算出に際しては、必要に応じて前述の式21に基づく重力補償、式22に基づく任意設定力、更には式25及び式26に基づく慣性力、コリオリ力、遠心力等の非線形項に係る力が加味される。なお導出した目標作用力及び目標ZMPは、記憶手段32に設定値として記憶される。ステップS1で入力手段35が、目標作用力及び目標ZMPを受け付けている場合、ステップS2の処理は、受け付けた目標作用力及び目標ZMPから、以降の処理で取扱可能な形式のデータを導出する処理となる。また目標作用力のみを受け付け、目標作用力から式24を用いて目標ZMPを導出する様にしても良い。   The drive control device 3 included in the robot 1 derives a target acting force and a target ZMP according to the target motion indicated by the received target motion information under the control of the control unit 30 (step S2). In step S2, for example, a target acting force, in this case, a floor acting force is derived based on Equation 23 described above, and a target ZMP is derived based on Equation 24. In addition, as shown in the description using Formula 8 or FIG. 6, a virtual contact point may be assumed and the target ZMP and the target acting force may be derived. As described above, the method for deriving the target acting force may use a method other than Equation 23, and the method for deriving the target ZMP may use a method other than Equation 24. In calculating the target acting force, if necessary, gravity compensation based on the above-described equation 21, arbitrary setting force based on the equation 22, and nonlinear forces such as inertial force, Coriolis force, and centrifugal force based on the equations 25 and 26 are used. The power related to the term is taken into account. The derived target acting force and target ZMP are stored in the storage means 32 as set values. When the input means 35 accepts the target applied force and the target ZMP in step S1, the process of step S2 is a process of deriving data in a format that can be handled in the subsequent processes from the received target applied force and target ZMP. It becomes. Alternatively, only the target acting force may be received and the target ZMP may be derived from the target acting force using Equation 24.

そして本発明のロボット1が備える駆動制御装置3は、制御手段30の制御により、前述の式5、更には、式7、式9及び式10並びに式14、式15及び式16に基づいて、設定した作用力がノルム最小規範に基づき最適配分される様に各接触部に掛かる力を導出し(ステップS3)、前述の式18に基づいて、各接触部に掛かる力に配分した作用力から、各連結部2,2,…を駆動する各アクチュエータ20,20,…の夫々の制御目標値としてトルク値を算出する(ステップS4)。   And the drive control apparatus 3 with which the robot 1 of this invention is equipped is based on the above-mentioned Formula 5, Furthermore, Formula 7, Formula 9, and Formula 10, Formula 14, Formula 15 and Formula 16 by control of the control means 30. A force applied to each contact portion is derived so that the set acting force is optimally distributed based on the norm minimum norm (step S3), and the applied force is distributed to the force applied to each contact portion based on Equation 18 described above. The torque values are calculated as control target values for the actuators 20, 20,... That drive the connecting portions 2, 2,.

そして本発明のロボット1が備える駆動制御装置3は、制御手段30の制御により、算出したトルク値を制御目標値として、出力手段34から駆動機構4,4,…を介して夫々のアクチュエータ20,20,…へ出力する(ステップS5)。そして各アクチュエータ20,20,…は、制御目標値としてトルク値を受け付け、受け付けたトルク値に基づいて作動する。   Then, the drive control device 3 provided in the robot 1 of the present invention controls the actuators 20 through the drive mechanisms 4, 4,. 20,... (Step S5). Each actuator 20, 20,... Receives a torque value as a control target value and operates based on the received torque value.

次に本発明のロボットに関する模擬実験結果について説明する。図8は、本発明の実施の形態1に係るロボットの屈伸運動を模式的に示す外観図である。図8は、本発明の模擬実験として想定した屈伸運動を示しており、ロボットは、図8(a)、図8(b)、図8(c)、図8(d)、そして図8(e)の順で繰り返し動作する。   Next, a simulation experiment result regarding the robot of the present invention will be described. FIG. 8 is an external view schematically showing the bending and stretching motion of the robot according to the first embodiment of the present invention. FIG. 8 shows the bending / extending motion assumed as a simulation experiment of the present invention. The robot is shown in FIG. 8 (a), FIG. 8 (b), FIG. 8 (c), FIG. 8 (d), and FIG. The operation is repeated in the order of e).

図9は、本発明の実施の形態1に係るロボットの模擬実験において屈伸運動の動作を示す値の経時変化を示すグラフである。図9(a)は、図8に示す屈伸運動において、ロボットの重心の高さZC の経時変化を示すグラフであり、図9(b)は、直立時を基準としたロボットの体幹の前後方向の角度φp 及び左右方向の角度φr の経時変化を示すグラフである。図9(a)に示す様に、ロボットは、重心の高さが正弦曲線に基づいて変化する屈伸運動を行う様に制御されており、また図9(b)に示す様に、ロボットは、体幹の前後及び左右の角度が正弦曲線に基づいて変化する屈伸運動を行う様に制御されている。なお図9に示した模擬実験において制御に係る各関節の目標値は、夫々の関節の可動範囲内で任意に設定される。FIG. 9 is a graph showing a change with time of a value indicating the bending / extending motion in the simulation experiment of the robot according to the first embodiment of the present invention. FIG. 9A is a graph showing a change with time in the height Z C of the center of gravity of the robot in the bending and stretching movement shown in FIG. 8, and FIG. 9B is a graph showing the trunk of the robot based on the upright position. it is a graph showing temporal changes in the longitudinal direction of the angle phi p and the left-right direction of the angle phi r. As shown in FIG. 9 (a), the robot is controlled to perform a bending / extending motion in which the height of the center of gravity changes based on a sine curve, and as shown in FIG. 9 (b), the robot The body is controlled to perform bending and stretching movements in which the front and rear and left and right angles of the trunk change based on a sine curve. In the simulation experiment shown in FIG. 9, the target value of each joint related to control is arbitrarily set within the movable range of each joint.

図10は、本発明の実施の形態1に係るロボットの模擬実験において屈伸運動中の重心及びZMPの経時変化を示すグラフである。図10(a)は、図8に示す屈伸運動において、両脚の中心を原点としたロボットの重心のx座標xC の経時変化及びZMPのx座標xP の経時変化を示すグラフであり、図10(b)は、両脚の中心を原点とした重心のy座標yC の経時変化及びZMPのy座標yP の経時変化を示すグラフである。x座標は、ロボットの前後方向を示す座標であり、y座標は、ロボットの左右方向を示す座標である。図10は、図9に示す屈伸運動を行った場合の重心及びZMPの変化を示している。図9及び図10からロボットが屈伸運動中、ZMPは前後左右に揺れ動くが、重心はほぼ一定していることが読み取れる。これは本発明のロボットが、屈伸運動中に前後左右に荷重を掛けることで重心が安定する様に制御されているためである。FIG. 10 is a graph showing temporal changes in the center of gravity and ZMP during bending and stretching movements in the simulation experiment of the robot according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 10A is a graph showing the time-dependent change of the x-coordinate x C of the center of gravity of the robot and the time-dependent change of the x-coordinate x P of the ZMP in the bending and stretching movement shown in FIG. 10 (b) is a graph showing changes with time and aging of the y-coordinate y P of ZMP y coordinate y C of the center of gravity whose origin is the center of the legs. The x coordinate is a coordinate indicating the front-rear direction of the robot, and the y coordinate is a coordinate indicating the left-right direction of the robot. FIG. 10 shows changes in the center of gravity and ZMP when the bending and stretching movement shown in FIG. 9 is performed. 9 and 10 that the ZMP swings back and forth and right and left while the robot is bending and extending, but it can be seen that the center of gravity is substantially constant. This is because the robot of the present invention is controlled so that the center of gravity is stabilized by applying a load to the front, rear, left and right during bending and stretching movements.

図11は、本発明の実施の形態1に係るロボットの脚上げ運動を模式的に示す外観図である。図11は、本発明の模擬実験として想定した脚上げ運動を示しており、ロボットは、図11(a)に示す様に自らの右前方に片脚を上げた後、図11(b)、図11(c)、そして図11(d)の順で上げた脚を降ろす動作を繰り返し行う。なお図11に示した模擬実験において制御に係る各関節の目標値は、夫々の関節の可動範囲内で任意に設定される。   FIG. 11 is an external view schematically showing the leg raising motion of the robot according to the first embodiment of the present invention. FIG. 11 shows a leg raising motion assumed as a simulation experiment of the present invention. The robot raises one leg to the front right of itself as shown in FIG. The operation of lowering the legs raised in the order of FIG. 11 (c) and FIG. 11 (d) is repeated. In the simulation experiment shown in FIG. 11, the target value of each joint related to the control is arbitrarily set within the movable range of each joint.

図12は、本発明の実施の形態1に係るロボットの模擬実験において脚上げ運動中の脚の位置の経時変化を示すグラフである。図12は、図11に示す脚上げ運動において、支持脚の足裏を原点として遊脚側の足先のx座標xF 、y座標yF 及びz座標zF の経時変化を示すグラフである。図12に示す様に、ロボットは、足先の位置が滑らかな曲線に基づいて移動する様に脚上げ運動を行う。FIG. 12 is a graph showing temporal changes in the position of the legs during the leg raising exercise in the robot simulation experiment according to the first embodiment of the present invention. FIG. 12 is a graph showing temporal changes in the x-coordinate x F , y-coordinate y F, and z-coordinate z F of the toe on the free leg side with the sole of the supporting leg as the origin in the leg raising motion shown in FIG. . As shown in FIG. 12, the robot performs a leg raising motion so that the position of the foottip moves based on a smooth curve.

図13は、本発明の実施の形態1に係るロボットの模擬実験において脚上げ運動を示す値の経時変化を示すグラフである。図13(a)は、図11に示す脚上げ運動において、支持脚の足裏を原点としたロボットの重心のx座標xC 及びy座標yC の経時変化を示すグラフであり、図13(b)は、重心のz座標zC の経時変化を示すグラフであり、図13(c)は、体幹の前後方向の角度φp 、左右方向の角度φr 及びヨー軸姿勢角度φy の経時変化を示すグラフである。図13は、図12に示す脚上げ運動を行った場合の各種値の変化を示しており、本発明のロボットは、脚上げ運動中においても安定した制御を行うことが可能である。FIG. 13 is a graph showing a change with time of a value indicating the leg raising motion in the simulation experiment of the robot according to the first embodiment of the present invention. FIG. 13A is a graph showing temporal changes in the x-coordinate x C and y-coordinate y C of the center of gravity of the robot with the sole of the support leg as the origin in the leg raising motion shown in FIG. b) is a graph showing a change with time of the z-coordinate z C of the center of gravity, and FIG. 13C is a graph showing the trunk angle Φ p , the horizontal angle φ r, and the yaw axis posture angle φ y . It is a graph which shows a time-dependent change. FIG. 13 shows changes in various values when the leg raising exercise shown in FIG. 12 is performed, and the robot of the present invention can perform stable control even during the leg raising exercise.

図14は、本発明の実施の形態1に係るロボットの模擬実験において歩行運動を示す値の経時変化を示すグラフである。図14(a)は、ロボットの重心のx座標方向の速度dxC /dt、y座標方向の速度dyC /dt及びz座標方向の速度dzC /dtの経時変化を示しており、図14(b)は、ロボットの体幹の前後方向の角度φp 、左右方向の角度φr 及びヨー軸姿勢角度φy の経時変化を示すグラフである。図14に示すグラフは、重力補償制御を行っている本発明のロボットが歩行中に外力を受けた場合の動作を重心の速度及び体幹の傾きとして示している。ロボットは、実験開始から2秒後に後方へ1500Nの外力を0.1秒間受け、4秒後に前方へ1500Nの外力を0.1秒間受け、5秒後に右方向へ500Nの外力を0.1秒間受け、そして6秒後に500Nの外力を0.1秒間受けている。図14に示す様にロボットは、外力に対して反発するのではなく、外力に従い転倒することなく歩行運動を継続する。FIG. 14 is a graph showing a change with time of a value indicating walking motion in the simulation experiment of the robot according to Embodiment 1 of the present invention. FIG. 14A shows changes over time of the velocity dx C / dt in the x coordinate direction, the velocity dy C / dt in the y coordinate direction, and the velocity dz C / dt in the z coordinate direction of the center of gravity of the robot. (B) is a graph showing temporal changes in the front-rear direction angle φ p , the left-right direction angle φ r, and the yaw axis posture angle φ y of the trunk of the robot. The graph shown in FIG. 14 shows the operation when the robot of the present invention performing gravity compensation control receives an external force during walking as the speed of the center of gravity and the inclination of the trunk. The robot receives an external force of 1500 N backward for 0.1 second 2 seconds after the start of the experiment, receives an external force of 1500 N forward for 0.1 second after 4 seconds, and receives an external force of 500 N rightward for 0.1 second after 5 seconds. 6 seconds later and receiving an external force of 500 N for 0.1 seconds. As shown in FIG. 14, the robot does not repel external force but continues walking motion without falling down according to the external force.

本発明のロボットは、上述した例に限らず、床作用力から算出されるトルク値に基づいてロボットが備える各関節のアクチュエータを制御する様々な形態に展開することが可能である。例えば前記実施の形態1では、1対、即ち2本の脚部を有するロボットについて説明したが、本発明はこれに限らず、腕部により逆立ち歩行をするロボット、4本、6本等の多数の脚部を有するロボットに適用する等、様々な形態に展開することが可能である。   The robot of the present invention is not limited to the above-described example, and can be developed into various forms for controlling the actuators of each joint included in the robot based on the torque value calculated from the floor acting force. For example, in the first embodiment, a robot having a pair, that is, two legs has been described. However, the present invention is not limited to this, and there are a large number of robots such as four, six, and the like that perform a handstand walking with arms. It can be developed in various forms, for example, applied to a robot having a leg portion.

実施の形態2.
実施の形態2は、本発明のロボットを運動補助装置に適用した形態である。図15は、本発明の実施の形態2に係るロボットを示す外観図である。図15中1は、本発明の実施の形態2に係るロボットであり、ロボット1は、人物が装着できる様に構成してあり、図15では、運動補助装置であるロボット1を装着した人物が、重量物を運搬している状況を示している。ロボット1は、直動型のアクチュエータ20,20,…にて駆動される伸縮可能な連結部2,2,…を夫々備える棒状の補助用外骨格により、人物の腕部、胴体部及び脚部の運動を補助している。また人物の背中にはロボット1の電源を含む駆動制御装置3が装着されている。
Embodiment 2. FIG.
The second embodiment is an embodiment in which the robot of the present invention is applied to a motion assisting device. FIG. 15 is an external view showing a robot according to Embodiment 2 of the present invention. In FIG. 15, reference numeral 1 denotes a robot according to Embodiment 2 of the present invention, and the robot 1 is configured to be worn by a person. In FIG. 15, a person wearing the robot 1 that is an exercise assisting device is shown. This shows the situation where heavy objects are being transported. The robot 1 has human arms, trunks, and legs by means of rod-like auxiliary exoskeletons that are provided with extendable connecting parts 2, 2,... Driven by direct acting actuators 20, 20,. Is helping to exercise. A drive control device 3 including a power source of the robot 1 is attached to the back of the person.

ロボット1の構成は、図3のブロック図に示される実施の形態1の構成と実質的に同様であり、連結部2,2,…、アクチュエータ20,20,…、及び駆動制御装置3、並びに駆動機構及び検出機構を備えている。また駆動制御装置3は、制御手段、記録手段、記憶手段、計測手段、出力手段及び入力手段を備えている。   The configuration of the robot 1 is substantially the same as the configuration of the first embodiment shown in the block diagram of FIG. 3, and includes the connecting portions 2, 2,..., The actuators 20, 20,. A drive mechanism and a detection mechanism are provided. The drive control device 3 includes control means, recording means, storage means, measurement means, output means, and input means.

実施の形態2に係るロボット1の駆動制御装置3による処理は、図7を用いて説明した実施の形態1と実質的に同様であり、図7のステップS1に対応する処理として、入力手段は、人物の腕部、胴体部及び脚部における力を検出し、検出した力を目標運動情報の入力として受け付ける。   The processing by the drive control device 3 of the robot 1 according to the second embodiment is substantially the same as that of the first embodiment described with reference to FIG. 7, and the input means is a process corresponding to step S1 in FIG. The force in the person's arm, torso and leg is detected, and the detected force is received as input of the target exercise information.

そしてロボット1の駆動制御装置3は、ステップS2に対応する処理として、検出した力に基づく目標運動情報から、実施の形態1にて説明した各種算出方法により、目標ZMP及び目標作用力を導出し、ステップS3に対応する処理として、導出した作用力がノルム最小規範に基づき最適配分される様に各接触部に掛かる力を導出する。図15に示す例では、本発明のロボット1は、重心CoMから位置ベクトルrS1,rS2,rS3,rS4で示される各接触点の方向に配分する床作用力を導出すると共に、重量物を持ち上げるべく位置ベクトルrF1,rF2,rF3で示される各仮想接触点の方向に配分する作用力を導出する。Then, as a process corresponding to step S2, the drive control device 3 of the robot 1 derives the target ZMP and the target acting force from the target motion information based on the detected force by the various calculation methods described in the first embodiment. As a process corresponding to step S3, a force applied to each contact portion is derived so that the derived acting force is optimally distributed based on the norm minimum norm. In the example shown in FIG. 15, the robot 1 of the present invention derives the floor action force distributed in the direction of each contact point indicated by the position vectors r S1 , r S2 , r S3 , and r S4 from the center of gravity CoM, and weights. The acting force distributed in the direction of each virtual contact point indicated by the position vectors r F1 , r F2 , r F3 in order to lift the object is derived.

さらにロボット1の駆動制御装置3は、ステップS4に対応する処理として、各アクチュエータ20,20,…の制御目標値としてトルク値を夫々算出し、ステップS5に対応する処理として、算出した各制御目標値を、夫々のアクチュエータ20,20,…へ出力する。この様な処理により、運動補助装置として構成されたロボット1を装着した人物は、図15に示す様に少ない力で重量物を運搬することが可能となる。なお入力手段は、人物の力を検出する機能を有することから、検出機構及び入力手段の機能の一部を共用することも可能である。   Further, the drive control device 3 of the robot 1 calculates a torque value as a control target value of each actuator 20, 20,... As a process corresponding to step S4, and each calculated control target as a process corresponding to step S5. The value is output to each actuator 20, 20,. By such processing, a person wearing the robot 1 configured as an exercise assisting device can carry a heavy object with a small force as shown in FIG. Since the input means has a function of detecting the force of the person, it is possible to share part of the functions of the detection mechanism and the input means.

ロボット1の駆動制御装置3の制御について更に詳述する。ステップS2において、算出する目標ZMPを、重心CoMを地面に投影した重心投影点となる様に設定し、実施の形態1にて説明した重力補償を行うことにより、ロボット1を装着した人物は、移動等の簡単な運動であれば、特に操作方法を意識することなく容易にロボット1を操作することが可能となる。   The control of the drive control device 3 of the robot 1 will be further described in detail. In step S2, the target ZMP to be calculated is set to be the center of gravity projection point obtained by projecting the center of gravity CoM on the ground, and by performing the gravity compensation described in the first embodiment, the person wearing the robot 1 If it is a simple motion such as movement, the robot 1 can be easily operated without being aware of the operation method.

そしてロボット1の駆動制御装置3は、目的に応じて様々なモードで制御することが可能である。先ず自動的に水平方向のバランスを維持するバランスモードについて説明する。バランスモードでは、地面と接触する接触部である接触面の重心に、ロボット1の重心投影点がくる様に目標ZMPを設定する。この様な設定に基づいて制御することにより、運動補助装置としてロボット1を装着した人物は、重量物を運搬する場合でもバランスを特に意識することなく、運搬作業を行うことができる。また駆動制御装置3の設定として、重み係数行列、式23を用いる場合においてフィードバックゲインを示す定数KPC及び定数KDC、アクチュエータ20,20,…に対するPID値等の加減速に係るパラメータを適宜調整することにより、目標ZMPに対する追従性を制御し、バランスの強弱を制御することが可能となる。The drive control device 3 of the robot 1 can be controlled in various modes according to the purpose. First, the balance mode for automatically maintaining the balance in the horizontal direction will be described. In the balance mode, the target ZMP is set so that the center-of-gravity projection point of the robot 1 comes to the center of gravity of the contact surface that is a contact portion that contacts the ground. By performing control based on such settings, a person wearing the robot 1 as an exercise assisting device can perform a transport operation without being particularly conscious of balance even when transporting heavy objects. Further, as the setting of the drive control device 3, when the weighting coefficient matrix, Equation 23 is used, parameters relating to acceleration / deceleration such as constants K PC and constants K DC indicating feedback gain, PID values for the actuators 20, 20,. By doing so, it is possible to control the followability to the target ZMP and to control the balance strength.

次に三次元空間内での人物の重心の加減速を補助する移動補助モードについて説明する。移動補助モードでは、検出機構による検出結果に基づいて実際の床反力及びZMPを検出又は算出し、床反力に基づき算出される重心投影点及びZMPの距離を補助すべき加減速のパラメータとして用いる。この様なパラメータを用いた制御を行うことにより、運動補助装置としてロボット1を装着した人物は、例えば直立した状態で、重量物を右から左へ移動させる作業を容易に行うことができる。また駆動制御装置3の設定として、加減速のパラメータを追従性に係る制御目標に乗じることにより、移動補助の強弱を制御することができる。   Next, a movement assist mode for assisting acceleration / deceleration of the center of gravity of the person in the three-dimensional space will be described. In the movement assist mode, the actual floor reaction force and ZMP are detected or calculated based on the detection result by the detection mechanism, and the center of gravity projection point calculated based on the floor reaction force and the ZMP distance are used as acceleration / deceleration parameters to be assisted. Use. By performing control using such parameters, a person wearing the robot 1 as an exercise assisting device can easily perform an operation of moving a heavy object from right to left in an upright state, for example. Further, as the setting of the drive control device 3, the strength of movement assistance can be controlled by multiplying the acceleration / deceleration parameter by the control target related to the followability.

次に人物の力を制御に用いない自律モードについて説明する。自律モードでは、入力手段が受け付けた目標運動情報及び/又は目標作用力等の設定値に基づいて作動する。自律モードでは、ロボット1を装着した人物は、完全に力を抜くことができ、目標移動速度、移動地点等の目標運動情報の設定のみを行う。以上のバランスモード、移動補助モード及び自律モードは、夫々独立して機能させることができるだけでなく、操作者がモードの強弱に係るパラメータを重みとして、各モードで算出されるトルク値にその重みを掛けたものを重ね合わせることにより、同時に機能させることも可能である。   Next, an autonomous mode that does not use human power for control will be described. In the autonomous mode, it operates based on set values such as target motion information and / or target acting force received by the input means. In the autonomous mode, the person wearing the robot 1 can completely remove the power and only sets the target motion information such as the target moving speed and the moving point. The balance mode, the movement assist mode, and the autonomous mode described above can be made to function independently, and the operator assigns the weight to the torque value calculated in each mode, with the parameter relating to the strength of the mode as a weight. It is also possible to function simultaneously by superimposing the multiplied ones.

前記実施の形態2では、人物が装着可能な運動補助具としてロボットを用いる形態を示したが、本発明はこれに限らず、人物以外の生物に装着させる様にしても良い。また運動に係る力を抑制し、細やかな力の制御が必要な作業を補助する様にすることも可能である。   In Embodiment 2 described above, a robot is used as an exercise assisting tool that can be worn by a person. However, the present invention is not limited to this and may be worn by a living organism other than a person. It is also possible to suppress the force related to the exercise and assist the work that requires fine control of the force.

実施の形態3.
実施の形態3は、本発明のロボットを車両に適用した形態である。図16は、本発明の実施の形態3に係るロボットを示す外観図である。図16中1は、本発明の実施の形態3に係るロボットであり、ロボット1は、前輪が二輪で後輪が一輪の三輪バギー型の車両として構成されている。前輪及び後輪は全て駆動輪となっており、駆動輪を支持する懸架システムとして直動型のアクチュエータ20,20,…にて駆動される伸縮可能な連結部2,2,…を備える棒状体が用いられている。なお駆動制御装置等の他の構成要素は、車体内部に組み込まれている。
Embodiment 3 FIG.
In the third embodiment, the robot of the present invention is applied to a vehicle. FIG. 16 is an external view showing a robot according to Embodiment 3 of the present invention. In FIG. 16, reference numeral 1 denotes a robot according to Embodiment 3 of the present invention, and the robot 1 is configured as a three-wheel buggy type vehicle having two front wheels and one rear wheel. The front wheels and the rear wheels are all drive wheels, and a rod-like body provided with extendable connecting portions 2, 2,... Driven by direct acting actuators 20, 20,. Is used. Other components such as a drive control device are incorporated in the vehicle body.

ロボット1の構成は、図3のブロック図に示される実施の形態1の構成と実質的に同様であり、連結部2,2,…及びアクチュエータ20,20,…、並びに駆動制御装置、駆動機構及び検出機構を備えている。また駆動制御装置は、制御手段、記録手段、記憶手段、計測手段、出力手段及び入力手段を備えている。   The configuration of the robot 1 is substantially the same as the configuration of the first embodiment shown in the block diagram of FIG. 3, and the connecting portions 2, 2,... And the actuators 20, 20,. And a detection mechanism. The drive control apparatus includes a control unit, a recording unit, a storage unit, a measurement unit, an output unit, and an input unit.

実施の形態3に係るロボット1の駆動制御装置による処理は、図7を用いて説明した実施の形態1と実質的に同様であり、図7のステップS1に対応する処理として、入力手段は、車両のハンドル等の操舵機構、アクセル等の加速機構及びブレーキ等の制動機構から搭乗者の操作を目標運動情報の入力として受け付ける。   The processing by the drive control device for the robot 1 according to the third embodiment is substantially the same as that of the first embodiment described with reference to FIG. 7. As processing corresponding to step S1 in FIG. A passenger's operation is received as input of target motion information from a steering mechanism such as a vehicle handle, an acceleration mechanism such as an accelerator, and a braking mechanism such as a brake.

そしてロボット1の駆動制御装置は、ステップS2に対応する処理として、受け付けた目標運動情報から、実施の形態1にて説明した各種算出方法により、目標ZMP及び目標作用力を導出し、ステップS3に対応する処理として、導出した作用力がノルム最小規範に基づき最適配分される様に各接触部に掛かる力を導出する。図16に示す例では、本発明のロボット1は、重心CoMから位置ベクトルrS1,rS2,rS3で示される各接触点の方向に配分する床作用力を導出する。Then, as a process corresponding to step S2, the drive control device of the robot 1 derives the target ZMP and the target acting force from the received target motion information by the various calculation methods described in the first embodiment, and proceeds to step S3. As a corresponding process, a force applied to each contact portion is derived so that the derived acting force is optimally distributed based on the norm minimum criterion. In the example shown in FIG. 16, the robot 1 of the present invention derives the floor acting force distributed in the direction of each contact point indicated by the position vectors r S1 , r S2 and r S3 from the center of gravity CoM.

さらにロボット1の駆動制御装置は、ステップS4に対応する処理として、各アクチュエータ20,20,…の制御目標値としてトルク値を夫々算出し、ステップS5に対応する処理として、算出した各制御目標値を、夫々のアクチュエータ20,20,…へ出力する。この様な処理により、三輪バギー等の車両として構成されたロボット1は、走行時の上下動及び操舵に対応する姿勢を定め、加重を分散して路面からの衝撃及び振動を弾力的に吸収し、車体及び搭乗者を安定的に懸架する。   Further, as a process corresponding to step S4, the drive control device of the robot 1 calculates a torque value as a control target value of each actuator 20, 20,..., And as a process corresponding to step S5, each calculated control target value. Are output to the respective actuators 20, 20,. By such processing, the robot 1 configured as a vehicle such as a three-wheel buggy determines the posture corresponding to the vertical movement and steering during traveling, disperses the weight, and elastically absorbs the impact and vibration from the road surface. Suspend the vehicle body and passengers stably.

前記実施の形態3では、三輪バギーとしてロボットを用いる形態を示したが、本発明はこれに限らず、車輪の数を変更し、更には一部の車輪又は全部の車輪を、車輪以外の無限軌道、脚状体等の支持及び駆動機構に代替する様に構成しても良い。   In the third embodiment, a robot is used as a three-wheel buggy. However, the present invention is not limited to this, and the number of wheels is changed, and some or all of the wheels are infinite other than wheels. You may comprise so that it may replace with support and drive mechanisms, such as a track | orbit, a leg-shaped body.

実施の形態4.
実施の形態4は、本発明のロボットを可変多面体型の移動装置に適用した形態である。図17中1は、本発明の実施の形態4に係るロボットであり、ロボット1は、八個の三角形を組み合わせた八面体状をなす外骨格にて構成されている。八面体の各辺は、直動型のアクチュエータ20,20,…にて駆動される伸縮可能な連結部2,2,…を備える棒状体にて構成されており、各頂点は、着脱可能な球状関節として構成されている。なお球状関節に回動型のアクチュエータを組み込むことも可能である。駆動制御装置等の他の構成要素は、球状関節及び/又は連結部2,2,…の内部に組み込まれている。
Embodiment 4 FIG.
In the fourth embodiment, the robot of the present invention is applied to a variable polyhedron type moving device. In FIG. 17, reference numeral 1 denotes a robot according to Embodiment 4 of the present invention, and the robot 1 is configured by an exoskeleton having an octahedral shape formed by combining eight triangles. Each side of the octahedron is composed of a rod-like body having extendable connecting portions 2, 2,... Driven by direct acting actuators 20, 20,. It is configured as a spherical joint. It is also possible to incorporate a rotary actuator into the spherical joint. Other components such as the drive control device are incorporated in the spherical joints and / or the connecting portions 2, 2,.

ロボット1は、図17(a)の様に八面体状をなす形態から、図17(b)に示す様に連結部2を備える任意の棒状体の一端を、球状関節から離脱させて接地することにより、離脱した棒状体が支軸となり、八面体の任意の頂点と共に地面に接触することで、様々な凹凸の地面上での静止を可能とし、更には棒状体の伸縮及び着脱により、移動が可能となる。   The robot 1 is grounded by disengaging one end of an arbitrary rod-shaped body having the connecting portion 2 from the spherical joint as shown in FIG. 17 (b) from an octahedral shape as shown in FIG. 17 (a). This allows the detached rod-shaped body to become a support shaft and to contact the ground with an arbitrary apex of the octahedron, allowing various irregularities to rest on the ground, and further, moving by extending and retracting the rod-shaped body Is possible.

ロボット1の構成は、図3のブロック図に示される実施の形態1の構成と実質的に同様であり、連結部2,2,…及びアクチュエータ20,20,…、並びに駆動制御装置、駆動機構及び検出機構を備えている。また駆動制御装置は、制御手段、記録手段、記憶手段、計測手段、出力手段及び入力手段を備えている。   The configuration of the robot 1 is substantially the same as the configuration of the first embodiment shown in the block diagram of FIG. 3, and the connecting portions 2, 2,... And the actuators 20, 20,. And a detection mechanism. The drive control apparatus includes a control unit, a recording unit, a storage unit, a measurement unit, an output unit, and an input unit.

実施の形態4に係るロボット1の駆動制御装置による処理は、図7を用いて説明した実施の形態1と実質的に同様であり、図7のステップS1に対応する処理として、コントローラから無線通信にて送信された目標運動情報を、入力手段にて受け付ける。   The process performed by the drive control device for the robot 1 according to the fourth embodiment is substantially the same as that of the first embodiment described with reference to FIG. 7, and the controller performs wireless communication as a process corresponding to step S1 in FIG. The target exercise information transmitted at is received by the input means.

そしてロボット1の駆動制御装置は、ステップS2に対応する処理として、受け付けた目標運動情報から、実施の形態1にて説明した各種算出方法により、目標ZMP及び目標作用力を導出し、ステップS3に対応する処理として、導出した作用力がノルム最小規範に基づき最適配分される様に各接触部に掛かる力を導出する。図17に示す例では、本発明のロボット1は、重心CoMから位置ベクトルrS1,rS2,rS3,rS4で示される各接触点の方向に配分する床作用力を導出する。Then, as a process corresponding to step S2, the drive control device of the robot 1 derives the target ZMP and the target acting force from the received target motion information by the various calculation methods described in the first embodiment, and proceeds to step S3. As a corresponding process, a force applied to each contact portion is derived so that the derived acting force is optimally distributed based on the norm minimum criterion. In the example shown in FIG. 17, the robot 1 of the present invention derives the floor acting force distributed in the direction of each contact point indicated by the position vectors r S1 , r S2 , r S3 , and r S4 from the center of gravity CoM.

さらにロボット1の駆動制御装置は、ステップS4に対応する処理として、各アクチュエータ20,20,…の制御目標値としてトルク値を夫々算出し、ステップS5に対応する処理として、算出した各制御目標値を、夫々のアクチュエータ20,20,…へ出力する。この様な処理により、可変多面体型の装置として構成されたロボット1は、様々な運動を行う。   Further, as a process corresponding to step S4, the drive control device of the robot 1 calculates a torque value as a control target value of each actuator 20, 20,..., And as a process corresponding to step S5, each calculated control target value. Are output to the respective actuators 20, 20,. By such processing, the robot 1 configured as a variable polyhedron type apparatus performs various motions.

前記実施の形態1乃至4は、本発明のロボットの無数に存在する実現形態の中の一部を示したに過ぎず、本発明のロボットは、上述した形態に限らず、様々な形態に展開することが可能である。   The first to fourth embodiments are merely a part of the infinite number of realizations of the robot of the present invention, and the robot of the present invention is not limited to the above-described form, and can be developed in various forms. Is possible.

Claims (13)

駆動可能な複数の連結部を備えるロボットにおいて、
制御目標値として受け付けたトルク値に基づいて連結部を駆動する複数のアクチュエータと、
想定された外部との接触部に作用させるべく設定された目標作用力に基づいて、各連結部を駆動する夫々のアクチュエータのトルク値を算出する算出手段と、
算出したトルク値を制御目標値として各アクチュエータに出力する手段と
を備えることを特徴とするロボット。
In a robot having a plurality of drivable connecting parts,
A plurality of actuators for driving the connecting portion based on the torque value received as the control target value;
Calculation means for calculating a torque value of each actuator that drives each connecting portion based on a target acting force set to act on an assumed contact portion with the outside;
Means for outputting the calculated torque value to each actuator as a control target value.
前記アクチュエータは、連結部を伸縮させる直動型アクチュエータ及び/又は連結部を回動させる回動型アクチュエータであることを特徴とする請求項1に記載のロボット。   The robot according to claim 1, wherein the actuator is a direct-acting actuator that expands and contracts a connecting portion and / or a rotating actuator that rotates the connecting portion. 前記目標作用力の設定を受け付ける手段を更に備え、
前記算出手段は、受け付けた目標作用力に基づいて、夫々のアクチュエータのトルク値を算出する様に構成してある
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のロボット。
Means for receiving a setting of the target acting force;
The robot according to claim 1, wherein the calculation unit is configured to calculate a torque value of each actuator based on the received target acting force.
目標となる運動を示す目標運動情報を受け付ける手段と、
受け付けた目標運動情報に基づいて、設定する目標作用力を導出する導出手段と
を更に備え、
前記算出手段は、導出した目標作用力に基づいて、夫々のアクチュエータのトルク値を算出する様に構成してある
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のロボット。
Means for receiving target exercise information indicating the target exercise;
A derivation means for deriving a target acting force to be set based on the received target exercise information;
The robot according to claim 1, wherein the calculation unit is configured to calculate a torque value of each actuator based on the derived target acting force.
前記算出手段は、順運動学モデルに基づいて、目標作用力から夫々のアクチュエータのトルク値を算出する様に構成してあることを特徴とする請求項4に記載のロボット。   The robot according to claim 4, wherein the calculating unit is configured to calculate a torque value of each actuator from a target acting force based on a forward kinematic model. 前記算出手段は、慣性力、コリオリ力及び遠心力の中の少なくとも一の力を加味して夫々のアクチュエータのトルク値を算出する様に構成してあることを特徴とする請求項5に記載のロボット。   The said calculating means is comprised so that the torque value of each actuator may be calculated in consideration of at least one force in inertia force, Coriolis force, and centrifugal force. robot. 外部から受ける力を検出する検出手段を更に備え、
前記算出手段は、検出手段が検出した力を加味して夫々のアクチュエータのトルク値を算出する様に構成してある
ことを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれかに記載のロボット。
It further comprises detection means for detecting the force received from the outside,
The robot according to any one of claims 1 to 6, wherein the calculation unit is configured to calculate a torque value of each actuator in consideration of the force detected by the detection unit.
前記接触部は、複数の接触点の集合であり、
前記算出手段は、目標作用力をノルム最小規範に基づいて算出した各接触点に配分する力に基づいて、夫々のアクチュエータのトルク値を算出する様に構成してある
ことを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれかに記載のロボット。
The contact portion is a set of a plurality of contact points,
The said calculating means is comprised so that the torque value of each actuator may be calculated based on the force allocated to each contact point calculated based on the norm minimum norm. The robot according to any one of claims 1 to 7.
前記算出手段は、重心に掛かる重力を補償すべく、目標作用力に基づいて、夫々のアクチュエータのトルク値を算出する様に構成してあることを特徴とする請求項1乃至請求項8のいずれかに記載のロボット。   9. The method according to claim 1, wherein the calculating means is configured to calculate a torque value of each actuator based on a target acting force so as to compensate for gravity applied to the center of gravity. Crab robot. 複数の連結部に係る冗長自由度に起因する内部運動を抑制する抑制力に基づいて、夫々のアクチュエータのトルク値を算出する様に構成してあることを特徴とする請求項1乃至請求項9のいずれかに記載のロボット。   10. The torque value of each actuator is calculated based on a restraining force that suppresses internal motion caused by redundant degrees of freedom related to a plurality of connecting portions. The robot according to any one of the above. 前記連結部を駆動することで動作する複数の脚部を備えることを特徴とする請求項1乃至請求項10のいずれかに記載のロボット。   The robot according to claim 1, further comprising a plurality of legs that operate by driving the connecting portion. 生物体が装着可能に構成してあり、
生物体から受ける力を検出する手段と、
検出した力に基づいて、設定する目標作用力を導出する手段と
を更に備え、
前記算出手段は、導出した目標作用力に基づいて、夫々のアクチュエータのトルク値を算出する様に記録する様に構成してある
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のロボット。
The organism is configured to be wearable,
Means for detecting the force received from the organism,
Means for deriving a target acting force to be set based on the detected force; and
The robot according to claim 1, wherein the calculating unit is configured to record so as to calculate a torque value of each actuator based on the derived target acting force.
アクチュエータにより駆動可能な複数の連結部を備えるロボットの動作を制御する制御装置において、
想定された外部との接触部に作用させるべく設定された目標作用力に基づいて、各連結部を駆動する夫々のアクチュエータのトルク値を算出する手段と、
算出したトルク値を制御目標値として各アクチュエータに出力する手段と
を備えることを特徴とする制御装置。
In a control device for controlling the operation of a robot having a plurality of connecting portions that can be driven by an actuator,
Means for calculating a torque value of each actuator for driving each connecting portion based on a target acting force set to act on an assumed external contact portion;
And a means for outputting the calculated torque value to each actuator as a control target value.
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