JP2001129775A - Robot and gravity center position control method for robot - Google Patents

Robot and gravity center position control method for robot

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JP2001129775A
JP2001129775A JP31181399A JP31181399A JP2001129775A JP 2001129775 A JP2001129775 A JP 2001129775A JP 31181399 A JP31181399 A JP 31181399A JP 31181399 A JP31181399 A JP 31181399A JP 2001129775 A JP2001129775 A JP 2001129775A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To set a gravity center position suitable for cooperative exercise of the whole body of a robot. SOLUTION: This human type robot generally comprises lower limbs for executing leg type movement, and an upper body disposed above the lower limbs. The upper body is classified into a truck connected with the lower limbs through a hip joint, upper limbs and a head. As a driving battery for driving at least one part of the robot, a relatively heavy battery pack comprising nickel type battery cells capable of supplying inrush current of actuators is used. By installing the battery pack to the upper body, the gravity center position of the whole robot is shifted upward to regard the whole robot as an inverted pendulum, so that a dynamic walking control of the robot is easily performed. By installing the battery pack movably in the Z-axis direction, the gravity center position adjustable to various exercise patterns can be set.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、生体のメカニズム
や動作を模した構造を有するリアリスティックなロボッ
トのメカニズムに係り、特に、例えばヒトやサルなどの
直立歩行型の身体メカニズムや動作を模した構造を有す
る脚式移動型ロボットのメカニズムに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a mechanism of a realistic robot having a structure imitating the mechanism and operation of a living body, and more particularly to an upright walking type body mechanism and operation of, for example, a human or a monkey. The present invention relates to a mechanism of a legged mobile robot having a structure.

【0002】更に詳しくは、本発明は、2足直立歩行に
よる脚式移動を行うとともに下肢の上には体幹や上肢、
頭部などのいわゆる上半身が搭載されてなる直立歩行・
脚式移動型ロボットのメカニズムに係り、特に、歩行運
動や、その他体幹や上肢などを含んだ全身協調運動時に
おいて好適な重心位置を設定可能な、直立歩行・脚式移
動型ロボットのメカニズムに関する。
More specifically, the present invention provides a leg-type movement by bipedal upright walking, and a trunk, an upper limb,
Upright walking with a so-called upper body such as the head
The present invention relates to the mechanism of a legged mobile robot, and more particularly, to a mechanism of an upright walking / legged mobile robot capable of setting a suitable center of gravity position in a walking motion and other whole body cooperative motion including a trunk and an upper limb. .

【0003】[0003]

【従来の技術】ロボットの語源は、スラブ語のROBO
TA(奴隷機械)に由来するといわれている。わが国で
は、ロボットが普及し始めたのは1960年代末からで
あるが、その多くは、工場における生産作業の自動化・
無人化などを目的としたマニピュレータや搬送ロボット
などの産業用ロボット(industrial rob
ot)であった。
2. Description of the Related Art The origin of a robot is ROBO in Slavic language.
It is said to be derived from TA (slave machine). In Japan, robots began to spread in the late 1960's, but most of them were based on automation of production work in factories.
Industrial robots such as manipulators and transfer robots for the purpose of unmanned operation
ot).

【0004】最近では、ヒトやサルなどの2足直立歩行
を行う動物の身体メカニズムや動作を模した脚式移動ロ
ボットに関する研究開発が進展し、実用化への期待も高
まってきている。2足直立による脚式移動は、クローラ
式や4足若しくは6足式に比し不安定で姿勢制御や歩行
制御が難しくなるが、階段の昇降や障害物の乗り越え
等、柔軟な歩行・走行動作を実現できるという点で優れ
ている。
Recently, research and development on legged mobile robots that imitate the body mechanisms and movements of animals such as humans and monkeys that walk upright on two legs have progressed, and expectations for their practical use have increased. Leg-based movement by two-legged upright is unstable compared to crawler-type or four-legged or six-legged type, making posture control and walking control difficult, but flexible walking and running operations such as climbing stairs and climbing over obstacles. It is excellent in that it can be realized.

【0005】脚式移動ロボットは、直立する五体全てを
装備した形態ではなく、要素技術としての下肢部分のみ
による脚式移動に関する研究からスタートしたという歴
史的経緯がある。
[0005] The legged mobile robot has a history of starting from research on legged movement using only the lower limbs as an elemental technology, instead of a form equipped with all five standing bodies.

【0006】例えば、特開平3−184782号公報に
は、脚式歩行ロボットのうち、胴体より下に相当する構
造体に適用される関節構造について開示している。
For example, Japanese Patent Laying-Open No. 3-184772 discloses a joint structure applied to a structure corresponding to a structure below a trunk of a legged walking robot.

【0007】また、特開平5−305579号公報に
は、脚式移動ロボットの歩行制御装置について開示して
いる。同公報に記載の歩行制御装置は、ZMP(Zer
o Moment Point)すなわち歩行するとき
の床反力によるモーメントがゼロとなる床面上の点を目
標値に一致させるように制御するものである。但し、同
公報に記載の図1を見ても判るように、モーメントを作
用する胴体24はブラックボックス化されており、五体
全てが完成した状態ではなく、要素技術としての脚式移
動の提案にとどまる。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-305579 discloses a walking control device for a legged mobile robot. The walking control device described in the publication is a ZMP (Zer
o Moment Point), that is, control is performed so that a point on the floor at which the moment due to the floor reaction force when walking becomes zero coincides with the target value. However, as can be seen from FIG. 1 described in the publication, the body 24 acting a moment is formed as a black box, and not all five bodies are in a completed state. Stay.

【0008】しかしながら、脚式移動ロボットの究極目
的は、言うまでもなく、下肢単体による歩行動作にとど
まらず、五体を完備した構造体による全身強調型の様々
な動作パターンの実現である。すなわち、2足歩行を行
う下肢と、腕などからなる上肢と、これら下肢と上肢を
連結する体幹部とで構成された構造体により、2足によ
る直立歩行を行うことにある。五体が完成したロボット
は、2足を用いた直立・脚式移動作業を前提とし、各場
面において、上肢、下肢、及び体幹部を所定の優先順位
に従って協調的に動作するように姿勢安定制御する必要
がある。
However, it is needless to say that the ultimate purpose of the legged mobile robot is not limited to the walking motion by the lower limb alone, but also to realize various motion patterns of a whole body emphasized type by a structure having five complete bodies. That is, an upright gait with two legs is performed by a structure including a lower limb that walks on two legs, an upper limb including an arm, and a trunk connecting the lower limb and the upper limb. The robot with five completed bodies is premised on upright and leg-type moving work using two feet, and in each scene, posture stabilization control is performed so that the upper limb, lower limb, and trunk are operated cooperatively according to a predetermined priority order. There is a need.

【0009】ヒトの生体メカニズムや動作をエミュレー
トした脚式移動ロボットのことを、特に、「人間形」、
若しくは「人間型」のロボット(humanoid r
obot)と呼ぶ。人間型ロボットは、例えば、生活支
援、すなわち住環境その他の日常生活上の様々な場面に
おける人的活動の支援などを行うことができる。
[0009] A legged mobile robot emulating human body mechanisms and movements is referred to as a "humanoid",
Or a "humanoid" robot (humanoid r)
obot). The humanoid robot can perform, for example, life support, that is, support of human activities in various situations in a living environment and other daily lives.

【0010】人間形若しくは人間型と呼ばれるロボット
を研究・開発する意義を、例えば以下の2つの視点から
把握することができよう。
The significance of researching and developing a humanoid or a robot called a humanoid can be understood from, for example, the following two viewpoints.

【0011】1つは、人間科学的な視点である。すなわ
ち、人間の下肢及び/又は上肢に似た構造のロボットを
作り、その制御方法を考案して、人間の歩行動作をシミ
ュレートするというプロセスを通じて、歩行を始めとす
る人間の自然な動作のメカニズムを工学的に解明するこ
とができる。このような研究成果は、人間工学、リハビ
リテーション工学、あるいはスポーツ科学など、人間の
運動メカニズムを扱う他の研究分野の進展に多いに還元
することができるであろう。
One is a human science perspective. That is, through the process of creating a robot having a structure similar to a human lower limb and / or upper limb, devising a control method thereof, and simulating a human walking motion, a mechanism of natural human motion such as walking can be achieved. Can be elucidated by engineering. These findings could be greatly reduced to the development of other research fields dealing with human movement mechanisms, such as ergonomics, rehabilitation engineering, or sports science.

【0012】もう1つは、人間のパートナーとして、生
活支援、すなわち住環境その他の日常生活上の様々な場
面における人的活動の支援を行うロボットの開発であ
る。この種のロボットは、人間の生活環境のさまざまな
局面において、人間から教わりながら個々に個性の相違
する人間又は環境への適応方法を学習し、機能面でさら
に成長していく必要がある。このときロボットが、「人
間形」、すなわち、人間と同じ形又は同じ構造をしてい
る方が、人間とロボットとのスムースなコミュニケーシ
ョンを行う上で有効に機能するものと考えられる。
The other is the development of a robot that, as a human partner, supports living activities, that is, supports human activities in various situations in a living environment and other daily lives. In various aspects of a human living environment, this type of robot needs to learn from humans how to adapt to humans or environments with different personalities while learning from humans, and further grow in terms of functionality. At this time, it is considered that the robot having the “human form”, that is, the same shape or the same structure as a human, functions effectively in performing smooth communication between the human and the robot.

【0013】例えば、踏んでは行けない障害物を避けな
がら部屋を通り抜ける方法を実地でロボットに教示する
ような場合、クローラ式や4足式ロボットのように教え
る相手が自分と全く違う構造をしているよりも、同じよ
うな格好をしている2足歩行ロボットの方がはるかに教
え易く、またロボットにとっても教わり易い筈であろう
(例えば、高西著「2足歩行ロボットのコントロール」
(自動車技術会関東支部<高塑>No.25,1996
APRIL)を参照のこと)。そもそも、人間の住環境
のほとんどは人間が持つ形態や行動様式に合わせて形成
されたものであるから、ロボットが人間型の形態を有し
ていることは人間の住環境との親和性を高める上で必須
であるとも言える。
For example, when teaching a robot on-the-spot how to pass through a room while avoiding obstacles that cannot be stepped on, the partner to be taught, such as a crawler type or quadruped type robot, has a completely different structure from itself. A biped robot with the same appearance should be much easier to teach, and it should be easier for the robot to learn (for example, Takanishi, "Control of Biped Robots").
(Japan Society of Automotive Engineers of Japan Kanto Branch <High Plastics> No. 25, 1996
APRIL)). In the first place, most of the human living environment is formed according to the form and behavior style of human beings, so having a humanoid form of the robot enhances the affinity with the human living environment It can be said that it is essential above.

【0014】人間型ロボットの用途の1つとして、産業
活動・生産活動等における各種の難作業の代行が挙げら
れる。例えば、原子力発電プラントや火力発電プラン
ト、石油化学プラントにおけるメンテナンス作業、製造
工場における部品の搬送・組立作業、高層ビルにおける
清掃、火災現場その他における救助といったような危険
作業・難作業の代行などである。但し、この種の産業利
用に特化したロボットは、特定の用途若しくは機能を実
現することが設計・製作上の至上の主題であり、2足歩
行を前提とはするものの、ヒトやサルなど直立歩行動物
が本来持つ身体メカニズムや動作を機械装置として忠実
に再現する必要は必ずしもない。例えば、特定用途を実
現するために手先の自由度や動作機能を強化する一方
で、用途には比較的関係が低いとされる頭部や腰部など
の自由度を制限し又は省略される。この結果、2足歩行
と謂えども、ロボットの作業や動作の外観上で、ヒトと
しては不自然さが残ることがあるが、かかる点は妥協せ
ざるを得ない。
One of the uses of the humanoid robot is to represent various difficult tasks in industrial activities and production activities. For example, maintenance work in nuclear power plants, thermal power plants, petrochemical plants, transport and assembly of parts in manufacturing factories, cleaning in high-rise buildings, rescue work in fire spots and other dangerous and difficult tasks, etc. . However, the realization of a specific application or function of this type of robot specialized in industrial use is the ultimate theme in design and manufacture. It is not always necessary to faithfully reproduce the physical mechanisms and movements of a walking animal as mechanical devices. For example, the degree of freedom of the hands and the movement functions are strengthened to realize a specific application, while the degrees of freedom of the head and the waist, which are relatively low in the application, are limited or omitted. As a result, the appearance of the work and operation of the robot may be unnatural as a human even in the case of bipedal walking, but such a point has to be compromised.

【0015】また、人間型ロボットの他の用途として、
難作業の代行などの生活支援というよりも、生活密着
型、すなわち人間との「共生」という用途が挙げられ
る。この種のロボットは、ヒトやサルなどの2足の直立
歩行を行う動物が本来持つ、全身協調型の動作メカニズ
ムを忠実に再現し、その自然に円滑な動作を実現するこ
とを至上の目的とする。また、ヒトやサルなどの知性の
高い直立動物をエミュレートする以上、四肢を用いた動
作の表現力が豊かであることが望ましい。さらに、予め
入力された動作パターンを単に忠実に実行するだけでは
なく、相手の言葉や態度(「褒める」とか「叱る」、
「叩く」など)に呼応した、生き生きとした動作表現を
実現することも要求される。この意味において、ヒトを
模したエンターティンメント・ロボットは、まさに「人
間型ロボット」と呼ぶに相応しい。
[0015] Further, as another application of the humanoid robot,
Rather than living support such as substituting for difficult work, there are applications that are closely related to life, that is, "symbiosis" with humans. The ultimate purpose of this type of robot is to faithfully reproduce the whole body cooperative movement mechanism inherent to animals that walk upright on two legs, such as humans and monkeys, and realize its natural smooth operation. I do. In addition, it is desirable that the expressiveness of the movement using the limbs be rich as long as the animal erects a highly intelligent upright animal such as a human or a monkey. Furthermore, not only do the operation patterns input in advance be faithful, but also the words and attitudes of the opponent (such as “praise” or “scold”
It is also required to realize lively motion expression in response to "hitting". In this sense, entertainment robots that imitate humans are exactly what we call “humanoid robots”.

【0016】既に周知のように、人体は数百の関節すな
わち数百に上る自由度を備えている。限りなくヒトに近
い動作を脚式移動ロボットに付与するためには、ほぼ同
じ自由度を与えることが好ましいが、これは技術的には
極めて困難である。何故ならば、1つの自由度に対して
少なくとも各1つのアクチュエータを配設する必要があ
るが、数百のアクチュエータをロボットという機械装置
上に実装することは、製造コストの点からも、重量やサ
イズなど設計の観点からも不可能に等しい。また、自由
度が多いと、その分だけ位置・動作制御や姿勢安定制御
等のための計算量が指数関数的に増大してしまう。この
ため、人体よりもはるかに少ない数十程度の関節自由度
で人間型ロボットを構成するのが一般的である。したが
って、少ない自由度を用いてより自然な動作を如何にし
て実現するかが、人間型ロボットの設計・制御において
重要な課題の1つといえる。
As is well known, the human body has hundreds of joints or hundreds of degrees of freedom. In order to give the legged mobile robot an action as close as possible to a human, it is preferable to give almost the same degree of freedom, but this is technically very difficult. It is necessary to arrange at least one actuator for each degree of freedom. However, mounting hundreds of actuators on a mechanical device such as a robot requires weight and weight in terms of manufacturing cost. It is almost impossible from a design point of view such as size. Also, if the degree of freedom is large, the amount of calculation for position / motion control, attitude stabilization control, and the like increases exponentially. For this reason, it is common to construct a humanoid robot with several tens of degrees of freedom of joint, which is much smaller than that of a human body. Therefore, how to achieve a more natural motion using a small number of degrees of freedom is one of the important issues in designing and controlling a humanoid robot.

【0017】また、2足直立歩行を行う脚式移動ロボッ
トは、柔軟な歩行・走行動作(例えば階段の昇降や障害
物の乗り越え等)を実現できる点で優れている反面、重
心位置が高くなるため、その分だけ姿勢制御や安定歩行
制御が難しくなる。特に、生活密着型のロボットの場
合、ヒトやサルなどの知性動物における自然な動作や感
情を豊かに表現しながら姿勢や安定歩行を制御しなけれ
ばならない。動作による感情表現の多くは、上肢や頭部
などの上半身を利用するものであり、かかる動さ期間中
のロボットの重心位置はダイナミックに変動する。
A legged mobile robot that walks two feet upright is excellent in that it can realize flexible walking and running operations (for example, going up and down stairs and climbing over obstacles), but has a high center of gravity. Therefore, posture control and stable walking control become difficult by that much. In particular, in the case of a living-type robot, the posture and stable walking must be controlled while richly expressing natural movements and emotions of intelligent animals such as humans and monkeys. Most of emotional expressions by movement use the upper body such as the upper limb and the head, and the position of the center of gravity of the robot during the movement period dynamically fluctuates.

【0018】2足歩行による脚式移動を行うタイプのロ
ボットに関する姿勢制御や安定歩行に関する技術は既に
数多提案されている。ここで言う安定な「歩行」とは、
転倒することなく、脚を使って移動すること、と定義す
ることができよう。歩行時には、重力と歩行運動に伴な
って生じる加速度によって、歩行系から路面には重力と
慣性力、並びにこれらのモーメントが作用する。いわゆ
る「ダランベールの原理」によると、それらは路面から
歩行系への反作用としての床反力、床反力モーメントと
バランスする。力学的推論の帰結として、足底接地点と
路面の形成する支持多角形の辺上あるいはその内側にピ
ッチ及びロール軸モーメントがゼロとなる点、すなわち
「ZMP(Zero Moment Point)」が
存在する。
There have already been proposed a number of techniques relating to posture control and stable walking for a robot of the type that performs legged movement by bipedal walking. Stable "walk" here means
It could be defined as moving with the legs without falling. During walking, gravity, inertial force, and these moments act on the road surface from the walking system due to gravity and acceleration generated by the walking motion. According to the so-called "Dalambert principle", they balance the floor reaction force and the floor reaction force moment as a reaction from the road surface to the walking system. As a consequence of the mechanical inference, there is a point where the pitch and roll axis moments are zero on or inside the sides of the supporting polygon formed by the sole and the road surface, that is, "ZMP (Zero Moment Point)".

【0019】ロボットの安定歩行に関する提案の多く
は、このZMPを歩行の安定度判別の規範として用いて
いる。ZMP規範に基づく2足歩行パターン生成は、足
底着地点を予め設定でき、路面形状に応じた足先の運動
学的拘束条件を考慮し易いなどの利点がある。
Many proposals relating to stable walking of a robot use this ZMP as a criterion for determining walking stability. The bipedal walking pattern generation based on the ZMP standard has advantages such that the sole landing point can be set in advance, and it is easy to consider the kinematic constraint condition of the toe according to the road surface shape.

【0020】例えば、特開平5−305579号公報に
記載の脚式移動ロボットは、ZMPがゼロとなる床面上
の点を目標値に一致させるようにして安定歩行を行うよ
うになっている。
For example, the legged mobile robot described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-305579 is designed to perform stable walking by matching a point on the floor where ZMP becomes zero with a target value.

【0021】また、特開平5−305581号公報に記
載の脚式移動ロボットは、ZMPが支持多面体(多角
形)内部、又は、着地、離床時にZMPが支持多面体
(多角形)の端部から少なくとも所定の余裕を有する位
置にあるように構成した。この結果、外乱などを受けて
も所定距離だけZMPの余裕があり、歩行の安定性の向
上を図 ることができる。
Further, in the legged mobile robot described in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 5-305581, the ZMP is provided at least from the inside of the supporting polyhedron (polygon) or from the end of the supporting polyhedron (polygon) when landing or leaving the floor. It was configured to be at a position having a predetermined margin. As a result, there is room for the ZMP for a predetermined distance even when a disturbance or the like is received, and walking stability can be improved.

【0022】また、特開平5−305583号公報に
は、脚式移動ロボットの歩き速度をZMP目標位置によ
って制御する点について開示している。すなわち、同公
報に記載の脚式移動ロボットは、予め設定された歩行パ
ターン・データを用い、ZMPを目標位置に一致させる
ように脚部関節を駆動するとともに、上体の傾斜を検出
してその検出値に応じて設定された歩行パターン・デー
タの吐き出し速度を変更するようにしている。この結
果、予期しない凹凸を踏んでロボットが例えば前傾する
ときは吐き出し速度を速めることで姿勢を回復できる。
またZMPが目標位置に制御できるので、両脚支持期に
おいて吐き出し速度を変更しても支障がない。
Further, Japanese Patent Laid-Open Publication No. Hei 5-305558 discloses that the walking speed of a legged mobile robot is controlled by a ZMP target position. That is, the legged mobile robot described in the publication uses the previously set walking pattern data, drives the leg joints so that the ZMP matches the target position, detects the inclination of the upper body, and The discharge speed of the walking pattern data set according to the detected value is changed. As a result, when the robot leans forward on unexpected irregularities, for example, the posture can be recovered by increasing the discharge speed.
Further, since the ZMP can be controlled to the target position, there is no problem even if the discharge speed is changed during the two-leg supporting period.

【0023】また、特開平5−305585号公報に
は、脚式移動ロボットの着地位置をZMP目標位置によ
って制御する点について開示している。すなわち、同公
報に記載の脚式移動ロボットは、ZMP目標位置と実測
位置とのずれを検出して、それを解消する様に脚部の一
方または双方を駆動するか、又は、ZMP目標位置まわ
りにモーメントを検出してそれが零になる様に脚部を駆
動することで安定歩行を行うようになっている。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-305585 discloses that the landing position of a legged mobile robot is controlled by a ZMP target position. That is, the legged mobile robot described in the publication detects a deviation between the ZMP target position and the actually measured position, and drives one or both of the legs so as to eliminate the deviation. Then, a stable walking is performed by detecting the moment and driving the legs so that the moment becomes zero.

【0024】また、特開平5−305586号公報に
は、脚式移動ロボットの傾斜姿勢をZMP目標位置によ
って制御する点について開示している。すなわち、同公
報に記載の脚式移動ロボットは、ZMP目標位置まわり
のモーメントを検出し、モーメントが生じているとき
は、それが零になるように脚部を駆動することで安定歩
行を行うようになっている。
Japanese Patent Laid-Open Publication No. Hei 5-305586 discloses that the inclination posture of a legged mobile robot is controlled by a ZMP target position. That is, the legged mobile robot described in the publication detects a moment around the ZMP target position, and when a moment is generated, drives the legs so that the moment becomes zero to perform stable walking. It has become.

【0025】2足歩行ロボットの安定歩行制御を考えた
場合、ロボットが実行する動作が、ロボットの重心が常
に歩行中の足底の接地範囲にある「静歩行」であるか、
あるいは、ロボットの重心が足底の外に外れるような
「動歩行」であるかは重要な問題である。すなわち、2
足歩行ロボットが安定に歩行するときは静歩行であれば
系の重心を支持脚足裏におく必要がある。また、動歩行
において、例えばZMPを安定歩行規範として用いる制
御方式であれば、ZMPが目標軌道をたどるように制御
しなければならない。
In consideration of stable walking control of a bipedal walking robot, whether the operation performed by the robot is “static walking” in which the center of gravity of the robot is always in the ground contact area of the sole during walking,
Alternatively, it is an important issue whether it is “dynamic walking” in which the center of gravity of the robot is out of the sole. That is, 2
When the foot-walking robot walks stably, the center of gravity of the system needs to be placed on the sole of the supporting leg if the walking is static. In the dynamic walking, for example, if the control method uses ZMP as a stable walking norm, it is necessary to control the ZMP to follow a target trajectory.

【0026】前者の静歩行時には、ロボットの重心を歩
行中の足底の接地範囲内に収めるという要請から、ロボ
ットの構成要素のうち重量物をできる限り下方に配設し
て重心位置を低くした方が、歩行の安定制御が容易とな
る。これに対し、後者の動歩行時には、いわゆる「倒立
振子」の概念が導入される。倒立振子は、転倒方向に支
持点を強く加速することで姿勢回復を図ることができ
る。歩行系においては、目標ZMPを転倒方向に強く加
速することに相当する。倒立振子制御を行う場合、ロボ
ットの重心位置はむしろ高い方が、重心バランスを失っ
てから転倒するまでの時間すなわち倒立振子の周期が長
いため、歩行制御の安定化には有利である。
In the former case of the quiet walking, since the robot's center of gravity is required to be within the ground contact area of the sole during walking, a heavy object among the components of the robot is arranged as low as possible to lower the position of the center of gravity. This facilitates stable walking control. On the other hand, in the latter case of dynamic walking, the concept of a so-called “inverted pendulum” is introduced. The inverted pendulum can achieve a posture recovery by strongly accelerating the support point in the falling direction. In the walking system, this corresponds to strongly accelerating the target ZMP in the falling direction. In the case of performing the inverted pendulum control, it is advantageous to stabilize the walking control when the position of the center of gravity of the robot is rather high because the time from the loss of the balance of the center of gravity to the fall, that is, the period of the inverted pendulum is long.

【0027】ところで、ロボットは、トルク重量比の大
きいアクチュエータと、比較的軽量な構造部材とで構成
されるので、質量の大半はアクチュエータに集中する。
言うまでもなく、各アクチュエータはロボットの関節自
由度に相当し、その設置場所はほぼ固定的であり、重心
位置の調整に利用することはできない。
By the way, since the robot is composed of an actuator having a large torque-to-weight ratio and a relatively lightweight structural member, most of the mass is concentrated on the actuator.
Needless to say, each actuator corresponds to the degree of freedom of the joint of the robot, and its installation location is almost fixed and cannot be used for adjusting the position of the center of gravity.

【0028】システム系に対する設置場所がロボットの
構造に特に依存しない構成要素としては、例えば、アク
チュエータの駆動制御等を行う制御ボードや、アクチュ
エータや制御ボードなど各種電気系統に給電するための
電源装置などが挙げられる。
Components that are installed in the system system independently of the structure of the robot include, for example, a control board for controlling the drive of the actuator, and a power supply for supplying power to various electric systems such as the actuator and the control board. Is mentioned.

【0029】制御ボードには、通常、米インテル社の”
Pentium”などのCPU(Central Pr
ocessing Unit)チップや、メモリ・チッ
プその他の計算機の主要回路コンポーネントを搭載して
なる「マザーボード」が利用される。マザーボードはせ
いぜい数百グラム程度の重量しかなく、重心位置の調整
にはあまり寄与しない。
The control board is usually provided by Intel Corporation
CPU such as “Pentium” (Central Pr
(Processing Unit) chip, a memory chip, and a “motherboard” mounted with other main circuit components of a computer are used. The motherboard weighs at most a few hundred grams and does not contribute much to adjusting the center of gravity.

【0030】これに対し、電源装置は、AC電源(一般
商用電源)に頼るか、又は、バッテリを用いた自立駆動
型かで、重量は多いに相違する。前者であれば、直交変
換器や変圧器などの回路コンポーネントを略1枚の印刷
配線ボード上に実装されるので、ロボット全体の重心位
置を左右する重量物を構成しない。これに対し、後者の
場合、電源装置は十数本〜数十本のバッテリ・セルを包
含するため、ロボット全体の重心位置を左右する重量物
となり得る。特に、アクチュエータの初期駆動時には過
大なインラッシュ電流を要するので、重量エネルギ密度
が高いリチウム・イオン電池よりも、むしろ瞬時の供給
電流量が大きいニッケル・カドミウム電池の方が優れて
いる。ニッケル・カドミウム電池を用いた電源装置は、
数キログラム程度の重量を有する。これは、小型の2足
歩行ロボットにおける重量の1〜2割程度を占めること
になる。
On the other hand, the power supply device is different in weight depending on whether it depends on an AC power supply (general commercial power supply) or a self-sustaining drive type using a battery. In the former case, since circuit components such as an orthogonal transformer and a transformer are mounted on substantially one printed wiring board, a heavy object that determines the position of the center of gravity of the entire robot is not formed. On the other hand, in the latter case, since the power supply device includes ten to several tens of battery cells, it may be a heavy object that determines the position of the center of gravity of the entire robot. In particular, since an excessive inrush current is required at the time of initial driving of the actuator, a nickel-cadmium battery having a large instantaneous supply current is superior to a lithium-ion battery having a high weight energy density. Power supplies using nickel-cadmium batteries
It has a weight of several kilograms. This accounts for about 10 to 20% of the weight of the small bipedal walking robot.

【0031】バッテリを用いた自立駆動型であれば、人
間型ロボットの物理的な行動半径は、電源ケーブルによ
る制限を受けず、自由に歩行することができる。また、
歩行やその他の上肢を含めた各種の運動時に、ロボット
の上肢や下肢と電源ケーブルとの干渉を考慮する必要が
なくなり、動作制御が容易になる。
In the case of a self-drive type using a battery, the physical radius of movement of the humanoid robot is not restricted by the power cable, and can walk freely. Also,
At the time of walking and other various exercises including the upper limb, it is not necessary to consider the interference between the upper limb and the lower limb of the robot and the power cable, and the motion control is facilitated.

【0032】[0032]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、例え
ばヒトやサルなどの直立歩行型の身体メカニズムや動作
を模した構造を有する、優れた脚式移動型ロボットを提
供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an excellent legged mobile robot having a structure simulating an upright walking type body mechanism or operation of, for example, a human or a monkey.

【0033】本発明の更なる目的は、2足直立歩行によ
る脚式移動を行うとともに下肢の上には体幹や上肢、頭
部などのいわゆる上半身が搭載されてなり、歩行運動
や、その他体幹や上肢などを含んだ全身協調運動時にお
いて好適な重心位置を設定することができる、優れた直
立歩行・脚式移動型ロボットを提供することにある。
A further object of the present invention is to carry out leg-type movement by bipedal upright walking and to mount a so-called upper body such as a trunk, an upper limb, and a head on a lower limb, and to perform a walking motion and other body movements. An object of the present invention is to provide an excellent upright walking / legged mobile robot capable of setting a suitable center of gravity position during a whole-body cooperative exercise including a trunk and upper limbs.

【0034】[0034]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を参
酌してなされたものであり、その第1の側面は、少なく
とも下肢と、該下肢の上方に配設された上体とで構成さ
れ、下肢の運動により移動自在なロボットであって、前
記ロボット全体の重心位置に影響を及ぼす重量物を前記
上体に変位自在に取り付けたことを特徴とするロボット
である。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in consideration of the above problems, and has a first aspect including at least a lower limb and an upper body disposed above the lower limb. A robot movable by the movement of the lower limb, wherein a heavy object which affects the position of the center of gravity of the entire robot is displaceably mounted on the upper body.

【0035】また、本発明の第2の側面は、少なくとも
下肢と、該下肢の上方に配設された上体とで構成され、
下肢の運動により移動自在なロボットであって、前記ロ
ボットの少なくとも一部を駆動するための駆動電源を供
給可能であるとともに、前記ロボット全体の重心位置に
影響を及ぼす重量を有する電源手段と、前記電源手段を
前記上体に変位自在に取り付ける電源取付手段と、を具
備することを特徴とするロボットである。
A second aspect of the present invention comprises at least a lower limb and an upper body disposed above the lower limb,
A robot movable by the movement of the lower limbs, capable of supplying drive power for driving at least a part of the robot, and having a weight that influences the position of the center of gravity of the entire robot; And a power supply mounting means for displaceably mounting the power supply means to the upper body.

【0036】本発明の第2の側面に係るロボットにおい
て、前記電源手段は、例えば、1以上のニッケル系バッ
テリ・セルで構成される。ニッケル系バッテリとは、例
えば、ニッケル・カドミウム・バッテリや、ニッケル水
素バッテリのことを指す。この種のニッケル系バッテリ
は、重量エネルギ密度が低い(すなわち比較的大重量を
有する)ものの、インラッシュ電流を供給可能な出力特
性を持ち、アクチュエータの駆動には適している。
In the robot according to the second aspect of the present invention, the power supply means includes, for example, one or more nickel-based battery cells. The nickel-based battery refers to, for example, a nickel-cadmium battery or a nickel-metal hydride battery. Although this type of nickel-based battery has a low weight energy density (that is, has a relatively large weight), it has an output characteristic capable of supplying an inrush current and is suitable for driving an actuator.

【0037】また、前記電源取付手段は、前記電源手段
すなわちバッテリ・パックをロボットのヨー軸又はロー
ル軸のうち少なくとも一方に変位可能に取り付けるよう
になっている。ここで言うヨー軸とはすなわちZ軸のこ
とであり、重量物としてのパッテリ・パックの設置位置
を上方に移動させることにより、ロボットを倒立振子に
見立てることができる。倒立振子は、転倒方向に支持点
を強く加速することで姿勢回復を図ることができる。歩
行系においては、目標ZMPを転倒方向に強く加速する
ことに相当する。
The power supply attaching means is adapted to displaceably attach the power supply means, that is, the battery pack, to at least one of the yaw axis and the roll axis of the robot. Here, the yaw axis is the Z axis. By moving the installation position of the battery pack as a heavy object upward, the robot can be regarded as an inverted pendulum. The inverted pendulum can achieve a posture recovery by strongly accelerating the support point in the falling direction. In the walking system, this corresponds to strongly accelerating the target ZMP in the falling direction.

【0038】また、本発明の第3の側面は、少なくとも
下肢と、該下肢の上方に配設された上体とで構成され、
下肢の運動により移動自在なロボットであって、前記ロ
ボットの少なくとも一部を駆動するための駆動用バッテ
リを前記上体に取り付けることによって、前記ロボット
全体の重心位置を上方に移動させたことを特徴とするロ
ボットである。
Further, a third aspect of the present invention comprises at least a lower limb and an upper body disposed above the lower limb,
A robot movable by the movement of the lower limbs, wherein a drive battery for driving at least a part of the robot is attached to the upper body, thereby moving the center of gravity of the entire robot upward. Robot.

【0039】また、本発明の第4の側面は、少なくとも
下肢と、該下肢の上方に配設された上体とで構成され、
下肢の運動により移動自在なロボットのための重心位置
制御方法であって、(a)前記ロボットのZ軸又はX軸
方向のうち少なくとも一方の重心位置を設定するステッ
プと、(b)前記ロボットの目標全身運動パターンを設
定するステップと、(c)前記目標全身運動パターンを
基に前記ロボットの全身運動パターンを算出するステッ
プと、(d)該算出された全身運動パターンが前記目標
全身運動パターンとの誤差が許容範囲内である場合に
は、該設定された重心位置を最適な重心位置として決定
するステップと、を具備することを特徴とするロボット
の重心位置制御方法である。
Further, a fourth aspect of the present invention comprises at least a lower limb and an upper body disposed above the lower limb,
A method of controlling the position of the center of gravity for a robot movable by the movement of the lower limb, comprising: (a) setting the position of the center of gravity of at least one of the Z-axis direction and the X-axis direction of the robot; Setting a desired whole body movement pattern; (c) calculating a whole body movement pattern of the robot based on the desired whole body movement pattern; and (d) calculating the calculated whole body movement pattern with the desired whole body movement pattern. Determining the set position of the center of gravity as an optimum position of the center of gravity when the error of the robot is within an allowable range.

【0040】本発明の第4の側面に係るロボットの重心
位置制御方法は、該算出された全身運動パターンが前記
目標全身運動パターンとの誤差が許容範囲外である場合
には、前記ロボットの重心位置を再設定して全身運動パ
ターンを再算出するステップをさらに含んでもよい。
The method of controlling the position of the center of gravity of a robot according to a fourth aspect of the present invention is the method of controlling the center of gravity of the robot when the calculated whole-body movement pattern is out of an allowable range from the target whole-body movement pattern. The method may further include resetting the position and recalculating the whole body movement pattern.

【0041】また、前記ロボットは前記ロボット全体の
重心位置に影響を及ぼす重量物を前記上体に変位自在に
取り付けており、前記ステップ(d)により決定された
最適重心位置を形成するように該重量物の取付位置を決
定するようにしてもよい。
Further, the robot has a heavy object which affects the position of the center of gravity of the entire robot displaceably attached to the body, and forms the optimum position of the center of gravity determined in the step (d). The attachment position of the heavy object may be determined.

【0042】また、前記ロボットは、前記ロボットの少
なくとも一部を駆動するための駆動電源を供給可能であ
るとともに、前記ロボット全体の重心位置に影響を及ぼ
す重量を有する電源手段と、前記電源手段を前記上体に
変位自在に取り付ける電源取付手段と、を具備し、前記
ステップ(d)により決定された最適重心位置を形成す
るように前記電源取付手段による前記電源手段の取付位
置を決定するようにしてもよい。
Further, the robot can supply a driving power for driving at least a part of the robot, and has a power source having a weight that influences the position of the center of gravity of the entire robot; And a power supply mounting means for movably mounting the power supply means on the upper body, wherein a mounting position of the power supply means by the power supply mounting means is determined so as to form an optimum center of gravity determined in the step (d). You may.

【0043】[0043]

【作用】人間型ロボットは、通常、脚式移動を行うため
の下肢と、下肢の上方に配設された上体とで構成され
る。上体は、さらに、下肢と股関節で連結する体幹部
と、上肢と、頭部とに区分される。
The humanoid robot is generally composed of a lower limb for performing legged movement and an upper body disposed above the lower limb. The upper body is further divided into a trunk connecting the lower limbs and the hip joint, an upper limb, and a head.

【0044】ロボットの少なくとも一部を駆動するため
の駆動用電源としては、アクチュエータのインラッシュ
電流を供給可能なニッケル系のバッテリ・セルからなる
バッテリ・パックを用いるが、これは比較的大重量とな
り、小型ロボットの総重量の1〜2割程度を占める。
As a driving power supply for driving at least a part of the robot, a battery pack composed of a nickel-based battery cell capable of supplying an inrush current of an actuator is used. Occupies about 10 to 20% of the total weight of the small robot.

【0045】このようなバッテリ・パックを、ロボット
の下肢ではなく上体に取り付けることによって、ロボッ
ト全体の重心位置を上方に移動させ、倒立振子とみなし
た動歩行制御が容易になる(倒立振子は、転倒方向に支
持点を強く加速することで姿勢回復を図ることができ
る)。さらに、バッテリ・パックをZ軸方向に可変に取
り付けることにより、歩行、走行、ダンスなどさまざま
な運動パターンに順応した重心位置を設定・再設定する
ことが可能となる。
By attaching such a battery pack to the upper body of the robot instead of the lower limbs, the position of the center of gravity of the entire robot is moved upward, and dynamic walking control regarded as an inverted pendulum is facilitated. The posture can be recovered by strongly accelerating the support point in the falling direction). Further, by variably attaching the battery pack in the Z-axis direction, it is possible to set and reset the position of the center of gravity adapted to various exercise patterns such as walking, running, and dancing.

【0046】本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、
後述する本発明の実施例や添付する図面に基づくより詳
細な説明によって明らかになるであろう。
Still other objects, features and advantages of the present invention are:
It will become apparent from the following more detailed description based on the embodiments of the present invention and the accompanying drawings.

【0047】[0047]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施例を詳解する。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

【0048】図1及び図2には本発明の実施に供される
人間形又は人間型ロボット100を前方及び後方の各々
から眺望した様子を示している。さらに、図3には、こ
の人間型ロボット100が具備する関節自由度構成を模
式的に示している。
FIGS. 1 and 2 show the humanoid or humanoid robot 100 used in the embodiment of the present invention viewed from the front and the rear, respectively. Further, FIG. 3 schematically shows the configuration of the degrees of freedom of the joints included in the humanoid robot 100.

【0049】図3に示すように、人間型ロボット100
は、2本の腕部と頭部1を含む上体と、移動動作を実現
する2本の脚部からなる下肢と、上肢と下肢とを連結す
る体幹部とで構成される。
As shown in FIG. 3, the humanoid robot 100
Is composed of an upper body including two arms and a head 1, a lower limb including two legs for realizing a movement operation, and a trunk connecting the upper limb and the lower limb.

【0050】頭部1を支持する首関節は、首関節ヨー軸
2と、首関節ピッチ軸3と、首関節ロール軸4という3
自由度を有している。
The neck joint supporting the head 1 includes a neck joint yaw axis 2, a neck joint pitch axis 3, and a neck joint roll axis 4.
It has a degree of freedom.

【0051】また、各腕部は、肩関節ピッチ軸8と、肩
関節ロール軸9と、上腕ヨー軸10と、肘関節ピッチ軸
11と、前腕ヨー軸12と、手首関節ピッチ軸13と、
手首関節ロール軸14と、手部15とで構成される。手
部15は、実際には、複数本の指を含む多関節・多自由
度構造体である。但し、手部15の動作はロボット10
0の姿勢制御や歩行制御に対する寄与や影響が少ないの
で、本明細書ではゼロ自由度と仮定する。したがって、
各腕部は7自由度を有するとする。
Each arm has a shoulder joint pitch axis 8, a shoulder joint roll axis 9, an upper arm yaw axis 10, an elbow joint pitch axis 11, a forearm yaw axis 12, a wrist joint pitch axis 13,
It is composed of a wrist joint roll shaft 14 and a hand 15. The hand portion 15 is actually a multi-joint / multi-degree-of-freedom structure including a plurality of fingers. However, the operation of the hand part 15 is
Since there is little contribution or influence on the posture control and the walking control of 0, in this specification, it is assumed that the degree of freedom is zero. Therefore,
Each arm has seven degrees of freedom.

【0052】また、体幹部は、体幹ピッチ軸5と、体幹
ロール軸6と、体幹ヨー軸7という3自由度を有する。
The trunk has three degrees of freedom: a trunk pitch axis 5, a trunk roll axis 6, and a trunk yaw axis 7.

【0053】また、下肢を構成する各々の脚部は、股関
節ヨー軸16と、股関節ピッチ軸17と、股関節ロール
軸18と、膝関節ピッチ軸19と、足首関節ピッチ軸2
0と、あくび関節ロール軸21と、足部(足底)22と
で構成される。股関節ピッチ軸17と股関節ロール軸1
8の交点は、本実施例に係るロボット100の股関節位
置を定義するものとする。人体の足部(足底)22は、
実際には多関節・多自由度の足底を含んだ構造体である
が、本実施例に係る人間型ロボット100の足底はゼロ
自由度とする。したがって、各脚部は6自由度で構成さ
れる。
Each leg constituting the lower limb has a hip joint yaw axis 16, a hip joint pitch axis 17, a hip joint roll axis 18, a knee joint pitch axis 19, and an ankle joint pitch axis 2.
0, a yawning joint roll shaft 21, and a foot (sole) 22. Hip pitch axis 17 and hip roll axis 1
The intersection of 8 defines the hip joint position of the robot 100 according to the present embodiment. The human foot (sole) 22
Although the actual structure is a structure including a sole with multiple joints and multiple degrees of freedom, the sole of the humanoid robot 100 according to the present embodiment has zero degrees of freedom. Therefore, each leg has six degrees of freedom.

【0054】以上を総括すれば、本実施例に係る人間型
ロボット100全体としては、合計で3+7×2+3+
6×2=32自由度を有することになる。但し、エンタ
ーティンメント向けの人間型ロボット100が必ずしも
32自由度に限定される訳ではない。設計・製作上の制
約条件や要求仕様等に応じて、自由度すなわち関節数を
適宜増減することができることは言うまでもない。
To summarize the above, the total of the humanoid robot 100 according to the present embodiment is 3 + 7 × 2 + 3 +
It will have 6 × 2 = 32 degrees of freedom. However, the humanoid robot 100 for entertainment is not necessarily limited to 32 degrees of freedom. It goes without saying that the degree of freedom, that is, the number of joints, can be appropriately increased or decreased in accordance with design and manufacturing constraints, required specifications, and the like.

【0055】上述したような人間型ロボット100が持
つ各自由度は、実際にはアクチュエータを用いて実装さ
れる。外観上で余分な膨らみを排してヒトの自然体形状
に近似させること、2足歩行という不安定構造体に対し
て姿勢制御を行うことなどの要請から、アクチュエータ
は小型且つ軽量であることが好ましい。本実施例では、
ギア直結型で且つサーボ制御系をワンチップ化してモー
タ・ユニットに内蔵したタイプの小型ACサーボ・アク
チュエータを搭載することとした。なお、この種のAC
サーボ・アクチュエータに関しては、例えば本出願人に
既に譲渡されている特願平11−33386号明細書に
開示されている。
The degrees of freedom of the humanoid robot 100 as described above are actually implemented using actuators. It is preferable that the actuator is small and lightweight in view of requirements such as removing excess swelling on the appearance to approximate the human body shape and performing posture control on an unstable structure called bipedal walking. . In this embodiment,
A small AC servo actuator that is directly connected to the gear and built into the motor unit with the servo control system integrated into one chip is mounted. Note that this type of AC
The servo actuator is disclosed, for example, in Japanese Patent Application No. 11-33386 already assigned to the present applicant.

【0056】図4には、人間型ロボット100の制御シ
ステム構成を模式的に示している。同図に示すように、
人間型ロボット100は、ヒトの四肢を表現した各機構
ユニット30,40,50R/L,60R/Lと、各機
構ユニット間の協調動作を実現するための適応制御を行
う制御ユニット80とで構成される(但し、R及びLの
各々は、右及び左の各々を示す接尾辞である。以下同
様)。
FIG. 4 schematically shows a control system configuration of the humanoid robot 100. As shown in the figure,
The humanoid robot 100 includes each of the mechanical units 30, 40, 50 R / L, and 60 R / L representing human limbs, and a control unit 80 that performs adaptive control for realizing a cooperative operation between the mechanical units. (However, each of R and L is a suffix indicating each of right and left. The same applies hereinafter).

【0057】人間型ロボット100全体の動作は、制御
ユニット80によって統括的に制御される。制御ユニッ
ト80は、CPU(Central Processi
ngUnit)チップやメモリ・チップ等の主要回路コ
ンポーネント(図示しない)で構成される主制御部81
と、電源装置やロボット100の各構成要素とのデータ
やコマンドの授受を行うインターフェース(いずれも図
示しない)などを含んだ周辺回路82とで構成される。
The operation of the entire humanoid robot 100 is totally controlled by the control unit 80. The control unit 80 has a CPU (Central Process)
ngUnit) A main control unit 81 including main circuit components (not shown) such as a chip and a memory chip.
And a peripheral circuit 82 including an interface (not shown) for transmitting and receiving data and commands to and from the power supply device and each component of the robot 100.

【0058】本実施例では、電源装置は、ロボット10
0を自立的に駆動するためのバッテリを含んだ構成(図
4には図示しない)となっている。自立駆動型であれ
ば、人間型ロボット100の物理的な行動半径は、電源
ケーブルによる制限を受けず、自由に歩行することがで
きる。また、歩行やその他の上肢を含めた各種の運動時
に、電源ケーブルとの干渉を考慮する必要がなくなり、
動作制御が容易になる。
In this embodiment, the power supply device is the robot 10
It has a configuration (not shown in FIG. 4) including a battery for independently driving 0. If it is a self-sustaining drive type, the physical radius of action of the humanoid robot 100 is not restricted by the power cable, and can walk freely. In addition, it is not necessary to consider the interference with the power cable during various exercises including walking and other upper limbs,
Operation control becomes easy.

【0059】また、本実施例では、バッテリは、各アク
チュエータA2,A3…のインラッシュ電流を供給可能
な、ニッケル・カドミウム電池セルなどで構成される。
このため、電源装置は、ロボット100全体の1〜2割
程度の重量を占める。
In this embodiment, the battery is constituted by a nickel-cadmium battery cell capable of supplying an inrush current to each of the actuators A 2 , A 3 .
For this reason, the power supply device occupies about 10 to 20% of the entire robot 100.

【0060】重量物である電源装置をロボット100上
半身、すなわち股関節より上方に配設することで、ロボ
ット100の重心位置をその上半身に設定した点は、特
筆に価する。何故ならば、動歩行などの動作中は、ロボ
ット100という構造体をいわゆる倒立振子とみなして
制御することが可能となるからである。倒立振子は、転
倒方向に支持点を強く加速することで姿勢回復を図るこ
とができる。歩行系においては、目標ZMPを転倒方向
に強く加速することに相当する。倒立振子制御を行う場
合、ロボットの重心位置はむしろ高い方が、重心バラン
スを失ってから転倒するまでの時間すなわち倒立振子の
周期が長いため、歩行制御の安定化には有利である。
The point that the position of the center of gravity of the robot 100 is set in the upper body by disposing the power supply device, which is a heavy object, in the upper body of the robot 100, that is, above the hip joint is particularly noteworthy. This is because, during an operation such as dynamic walking, the structure of the robot 100 can be controlled as a so-called inverted pendulum. The inverted pendulum can achieve a posture recovery by strongly accelerating the support point in the falling direction. In the walking system, this corresponds to strongly accelerating the target ZMP in the falling direction. In the case of performing the inverted pendulum control, it is advantageous to stabilize the walking control when the position of the center of gravity of the robot is rather high because the time from the loss of the balance of the center of gravity to the fall, that is, the period of the inverted pendulum is long.

【0061】図3に示したロボット100内の各関節自
由度は、それぞれに対応するアクチュエータによって実
現される。すなわち、頭部ユニット30には、首関節ヨ
ー軸2、首関節ピッチ軸3、首関節ロール軸4の各々を
表現する首関節ヨー軸アクチュエータA2、首関節ピッ
チ軸アクチュエータA3、首関節ロール軸アクチュエー
タA4が配設されている。
Each joint degree of freedom in the robot 100 shown in FIG. 3 is realized by a corresponding actuator. That is, the head unit 30 includes a neck joint yaw axis actuator A 2 , a neck joint pitch axis actuator A 3 that expresses each of the neck joint yaw axis 2, the neck joint pitch axis 3, and the neck joint roll axis 4, and the neck joint roll. axis actuator A 4 is disposed.

【0062】また、体幹部ユニット40には、体幹ピッ
チ軸5、体幹ロール軸6、体幹ヨー軸7の各々を表現す
る体幹ピッチ軸アクチュエータA5、体幹ロール軸アク
チュエータA6、体幹ヨー軸アクチュエータA7が配備さ
れている。
The trunk unit 40 includes a trunk pitch axis actuator A 5 , a trunk roll axis actuator A 6 , and a trunk pitch axis actuator A 5 representing each of the trunk pitch axis 5, the trunk roll axis 6, and the trunk yaw axis 7. trunk yaw axis actuator A 7 is deployed.

【0063】また、腕部ユニット50R/Lは、上腕ユ
ニット51R/Lと、肘関節ユニット52R/Lと、前
腕ユニット53R/Lに細分化されるが、肩関節ピッチ
軸8、肩関節ロール軸9、上腕ヨー軸10、肘関節ピッ
チ軸11、肘関節ロール軸12、手首関節ピッチ軸1
3、手首関節ロール軸14の各々を表現する肩関節ピッ
チ軸アクチュエータA8、肩関節ロール軸アクチュエー
タA9、上腕ヨー軸アクチュエータA10、肘関節ピッチ
軸アクチュエータA11、肘関節ロール軸アクチュエータ
12、手首関節ピッチ軸アクチュエータA13、手首関節
ロール軸アクチュエータA14が配備されている。
The arm unit 50R / L is subdivided into an upper arm unit 51R / L, an elbow joint unit 52R / L, and a forearm unit 53R / L. 9, upper arm yaw axis 10, elbow joint pitch axis 11, elbow joint roll axis 12, wrist joint pitch axis 1
3. Shoulder joint pitch axis actuator A 8 , shoulder joint roll axis actuator A 9 , upper arm yaw axis actuator A 10 , elbow joint pitch axis actuator A 11 , elbow joint roll axis actuator A 12 representing each of the wrist joint roll axes 14 , A wrist joint pitch axis actuator A 13 and a wrist joint roll axis actuator A 14 are provided.

【0064】また、脚部ユニット60R/Lは、大腿部
ユニット61R/Lと、膝ユニット62R/Lと、脛部
ユニット63R/Lに細分化されるが、股関節ヨー軸1
6、股関節ピッチ軸17、股関節ロール軸18、膝関節
ピッチ軸19、足首関節ピッチ軸20、足首関節ロール
軸21の各々を表現する股関節ヨー軸アクチュエータA
16、股関節ピッチ軸アクチュエータA17、股関節ロール
軸アクチュエータA18、膝関節ピッチ軸アクチュエータ
19、足首関節ピッチ軸アクチュエータA20、足首関節
ロール軸アクチュエータA21が配備されている。
The leg unit 60R / L is subdivided into a thigh unit 61R / L, a knee unit 62R / L, and a shin unit 63R / L.
6. Hip joint yaw axis actuator A representing each of hip joint pitch axis 17, hip joint roll axis 18, knee joint pitch axis 19, ankle joint pitch axis 20, and ankle joint roll axis 21
16 , a hip joint pitch axis actuator A 17 , a hip joint roll axis actuator A 18 , a knee joint pitch axis actuator A 19 , an ankle joint pitch axis actuator A 20 , and an ankle joint roll axis actuator A 21 .

【0065】各アクチュエータA2,A3…は、より好ま
しくは、ギア直結型で且つサーボ制御系をワンチップ化
してモータ・ユニット内に搭載したタイプの小型ACサ
ーボ・アクチュエータ(前述)である。
Each of the actuators A 2 , A 3 ... Is more preferably a small AC servo actuator (described above) of the type directly connected to a gear and of a type in which a servo control system is integrated into one chip and mounted in a motor unit.

【0066】頭部ユニット30、体幹部ユニット40、
腕部ユニット50、各脚部ユニット60などの各機構ユ
ニット毎に、アクチュエータ駆動制御用の副制御部3
5,45,55,65が配備されている。さらに、各脚
部60R,Lの足底が着床したか否かを検出する接地確
認センサ91及び92を装着するとともに、体幹部ユニ
ット40内には、姿勢を計測する姿勢センサ93を装備
している。これら各センサ91〜93の出力により、足
底22の着床及び離床期間、体幹部分の傾きなどを検出
して、制御目標をダイナミックに補正することができ
る。
The head unit 30, the trunk unit 40,
For each mechanism unit such as the arm unit 50 and each leg unit 60, a sub-control unit 3 for actuator drive control is provided.
5, 45, 55 and 65 are provided. Further, grounding confirmation sensors 91 and 92 for detecting whether or not the soles of the legs 60R and L have landed are mounted, and a posture sensor 93 for measuring a posture is provided in the trunk unit 40. ing. Based on the outputs of the sensors 91 to 93, the control target can be dynamically corrected by detecting the landing and leaving periods of the sole 22, the inclination of the trunk, and the like.

【0067】主制御部80は、各センサ91〜93の出
力に応答して副制御部35,45,55,65に対して
適応的な制御を行い、人間型ロボット100の上肢、体
幹、及び下肢の協調した動作を実現する。主制御部81
は、ユーザ・コマンド等に従って、足部運動、ZMP
(Zero Moment Point)軌道、体幹運
動、上肢運動、腰部高さなどを設定するとともに、これ
らの設定内容に従った動作を指示するコマンドを各副制
御部35,45,55,65に転送する。
The main control unit 80 performs adaptive control on the sub-control units 35, 45, 55, 65 in response to the outputs of the sensors 91 to 93, and controls the upper limbs, trunk, And realize the coordinated movement of the lower limbs. Main controller 81
Is a foot exercise, ZMP according to a user command, etc.
(Zero Moment Point) The trajectory, the trunk movement, the upper limb movement, the waist height, and the like are set, and a command instructing an operation according to the set contents is transferred to each of the sub-control units 35, 45, 55, and 65. .

【0068】そして、各々の副制御部35,45…で
は、主制御部81からの受信コマンドを解釈して、各ア
クチュエータA2,A3…に対して駆動制御信号を出力す
る。ここで言う「ZMP」とは、歩行中の床反力による
モーメントがゼロとなる床面上の点のことであり、ま
た、「ZMP軌道」とは、例えばロボット100の歩行
動作期間中などにZMPが動く軌跡を意味する。
Each of the sub-control units 35, 45... Interprets the received command from the main control unit 81 and outputs a drive control signal to each of the actuators A 2 , A 3 . The “ZMP” referred to here is a point on the floor where the moment due to the floor reaction force during walking becomes zero, and the “ZMP trajectory” is, for example, during the walking operation of the robot 100. The trajectory of ZMP movement.

【0069】次に、上述した人間型ロボット100にお
ける、バッテリの位置調整機構について説明する。図5
には、バッテリの位置調整機構に関する第1の例を図解
している。
Next, the battery position adjusting mechanism in the humanoid robot 100 will be described. FIG.
1 illustrates a first example of a battery position adjusting mechanism.

【0070】図示のバッテリ位置調整機構200は、ロ
ボット100の上半身部分に取り付けられており、好ま
しくは体幹部ユニット40内に収容されている。
The illustrated battery position adjusting mechanism 200 is attached to the upper body of the robot 100, and is preferably housed in the trunk unit 40.

【0071】バッテリ・パック210は、例えばニッケ
ル・カドミウム電池セル数本〜数十本からなり、数キロ
グラム程度の重量を持つ。このバッテリ・パック210
は、バッテリ・パック搭載板215の上に固設されてい
る。
The battery pack 210 is composed of, for example, several to several tens of nickel-cadmium battery cells and has a weight of about several kilograms. This battery pack 210
Are fixed on the battery pack mounting plate 215.

【0072】バッテリ・パック搭載板215の左右略両
端には、それぞれ長穴221a,221b、及び長穴2
21c,221dが形設されている。図5に示すように
各長穴221a…に螺子を貫挿させることにより、バッ
テリ・パック搭載板215の左右端にL字板203A及
び203Bを固定することができる。このとき、各長穴
221a…は、X軸すなわちロボット100のロール軸
方向に伸びるので、L字板203A,203Bに対する
バッテリ搭載板215のX軸方向設置位置を、長穴22
1a…の長軸寸法の範囲内で調整することができる。
At the substantially left and right ends of the battery pack mounting plate 215, the long holes 221a and 221b and the long holes
21c and 221d are formed. As shown in FIG. 5, the L-shaped plates 203A and 203B can be fixed to the left and right ends of the battery pack mounting plate 215 by inserting screws through the long holes 221a. At this time, since each of the long holes 221a extends in the X axis, that is, the roll axis direction of the robot 100, the installation position of the battery mounting plate 215 in the X axis direction with respect to the L-shaped plates 203A and 203B is determined.
1a can be adjusted within the range of the major axis dimension.

【0073】他方、一対の支持板201A及び201B
は、一対の連結板205A及び205Bを介して所定間
隔を保って連結されている。図5には示していないが、
支持板201A,201Bは、ロボット100の体幹ユ
ニット40に一体的に取り付けられている(若しくは体
幹ユニット40の一部を形成する)ものと理解された
い。
On the other hand, a pair of support plates 201A and 201B
Are connected at a predetermined interval via a pair of connecting plates 205A and 205B. Although not shown in FIG. 5,
It should be understood that the support plates 201A and 201B are integrally attached to the trunk unit 40 of the robot 100 (or form a part of the trunk unit 40).

【0074】各支持板201A,201Bには、それぞ
れ4個の長穴225a〜225dが形設されており、各
長穴に螺子を貫挿させることにより、L字板203A,
203Bを固定することができる。このとき、各長穴2
25a…は、Z軸すなわちロボット100のヨー軸方向
に伸びるので、支持板201A,201Bに対するL字
板203A,203BのZ軸方向設置位置を、長穴22
5a…の長軸寸法の範囲内で調整することができる。
Four elongate holes 225a to 225d are formed on each of the support plates 201A and 201B, and a screw is inserted through each of the elongate holes to form an L-shaped plate 203A,
203B can be fixed. At this time, each slot 2
25a extend in the Z-axis direction, that is, in the yaw axis direction of the robot 100.
5a ... can be adjusted within the range of the major axis dimension.

【0075】以上を要約すれば、支持板201A,20
1Bすなわち体幹ユニット40に対するバッテリ・パッ
ク210の搭載位置をX軸及びZ軸の各方向で調整する
ことができる。バッテリ・パック210は、ロボット1
00の総重量の数パーセント乃至数十パーセントを占め
るので、該搭載位置の調整により、ロボット100の重
心位置を設定することができるという点を理解された
い。
To summarize the above, the support plates 201A, 201
1B, that is, the mounting position of the battery pack 210 with respect to the trunk unit 40 can be adjusted in each of the X-axis and Z-axis directions. The battery pack 210 includes the robot 1
It should be understood that since the weight of the robot 100 occupies several percent to several tens of percent of the total weight, the position of the center of gravity of the robot 100 can be set by adjusting the mounting position.

【0076】また、図6には、バッテリの位置調整機構
に関する第2の例を図解している。以下、同図を参照し
ながら説明する。但し、図示のバッテリ位置調整機構3
00は、ロボット100の上半身部分に取り付けられて
おり、好ましくは体幹部ユニット40内に収容されてい
るものと理解されたい(同上)。
FIG. 6 illustrates a second example of the battery position adjusting mechanism. Hereinafter, description will be made with reference to FIG. However, the illustrated battery position adjusting mechanism 3
It should be understood that 00 is attached to the upper body of the robot 100 and is preferably housed within the torso unit 40 (ibid.).

【0077】バッテリ・パック310は、例えばニッケ
ル・カドミウム電池セル数本〜数十本からなり、数キロ
グラム程度の重量を持つ。このバッテリ・パック210
は、バッテリ・パック搭載板315の上に固設されてい
る。
The battery pack 310 includes, for example, several to several tens of nickel-cadmium battery cells and has a weight of about several kilograms. This battery pack 210
Are fixed on the battery pack mounting plate 315.

【0078】図示の通り、バッテリ・パック搭載位置3
15は、4本のガイド・レール321a〜321bによ
ってZ軸方向の移動が規制されている。これらガイド・
レール321a〜321bは、対向する一対の支持板3
41及び342に取り付けられている。支持板341,
342は、ロボット100の体幹ユニット40に一体的
に取り付けられている(若しくは体幹ユニット40の一
部を形成する)ものと理解されたい。
As shown, the battery pack mounting position 3
15, the movement in the Z-axis direction is restricted by four guide rails 321a to 321b. These guides
The rails 321a to 321b are formed by a pair of opposing support plates 3
41 and 342. Support plate 341,
It should be understood that 342 is integrally attached to (or forms a part of) trunk unit 40 of robot 100.

【0079】また、バッテリ・パック搭載位置315
は、ボール螺子331を貫挿させた軸受332を備えて
いる。したがって、駆動モータ333によってボール螺
子331を回転させることにより、バッテリ・パック支
持板315すなわちバッテリ・パック310のZ軸方向
位置を移動させることができる。駆動モータ333の駆
動制御は、例えば主制御部80において行われる。
The battery pack mounting position 315
Is provided with a bearing 332 through which a ball screw 331 is inserted. Therefore, by rotating the ball screw 331 by the drive motor 333, the Z-axis position of the battery pack support plate 315, that is, the battery pack 310 can be moved. The drive control of the drive motor 333 is performed by, for example, the main control unit 80.

【0080】バッテリ・パック310は、ロボット10
0の総重量の数パーセント乃至数十パーセントを占める
(同上)ので、駆動モータ333を用いて該搭載位置を
調整することにより、ロボット100の重心位置を動的
に設定・再設定することができるという点を理解された
い。
The battery pack 310 is connected to the robot 10
Since it occupies several to several tens of percent of the total weight of zero (as described above), the position of the center of gravity of the robot 100 can be dynamically set and reset by adjusting the mounting position using the drive motor 333. Please understand that.

【0081】図5又は図6に示すようなバッテリ位置調
整機構によれば、上半身に重心を持つ人間型ロボット1
00の重心位置をさらに適応的に制御することができ
る。但し、最適な重心位置は、ロボット100が行う全
身運動パターン(例えば、「歩く」、「走る」、「飛び
跳ねる」、「ダンスする」など)に応じて決定される。
以下では、重心位置(言い換えればバッテリの搭載位
置)の決定方法について説明する。
According to the battery position adjusting mechanism as shown in FIG. 5 or FIG. 6, the humanoid robot 1 having the center of gravity in the upper body
00 can be further adaptively controlled. However, the optimal center of gravity position is determined according to the whole body movement pattern performed by the robot 100 (for example, “walk”, “run”, “jump”, “dance”, etc.).
Hereinafter, a method of determining the position of the center of gravity (in other words, the position where the battery is mounted) will be described.

【0082】図7には、ロボット100の重心位置(バ
ッテリの搭載位置)を決定するための処理手順をフロー
チャートの形式で示している。以下、このフローチャー
トの各ステップについて説明する。
FIG. 7 is a flowchart showing a processing procedure for determining the position of the center of gravity of the robot 100 (the mounting position of the battery). Hereinafter, each step of this flowchart will be described.

【0083】まず、ロボット100のZ軸(ヨー軸)及
びX軸(ロール軸)方向の重心位置を設定する(ステッ
プS11)とともに、ロボット100の目標全身運動パ
ターンを設定する(ステップS12)。
First, the position of the center of gravity of the robot 100 in the Z-axis (yaw axis) and X-axis (roll axis) directions is set (step S11), and a target whole body motion pattern of the robot 100 is set (step S12).

【0084】[従来の技術]の欄でも既に述べたよう
に、ロボット100は、トルク重量比の大きいアクチュ
エータA2,A3…と、比較的軽量な構造部材とで構成さ
れるので、質量の大半はアクチュエータに集中する。但
し、各アクチュエータは関節自由度に相当し、設置場所
はほぼ固定となるので重心位置の調整に利用することは
できない。したがって、ここで言うステップS11で言
う重心位置の設定は、バッテリ・パックの搭載位置を設
定することと略同義である。バッテリ・パックのZ軸及
びX軸方向の搭載位置を調整可能であることは、図5又
は図6を参照しながら既に説明した通りである。
As already described in the section of [Prior Art], the robot 100 is composed of actuators A 2 , A 3 ... Having a large torque-to-weight ratio and relatively lightweight structural members. Most concentrate on actuators. However, since each actuator corresponds to the degree of freedom of the joint, and the installation location is almost fixed, it cannot be used for adjusting the position of the center of gravity. Therefore, setting the position of the center of gravity referred to in step S11 here is substantially the same as setting the mounting position of the battery pack. The ability to adjust the mounting position of the battery pack in the Z-axis and X-axis directions has already been described with reference to FIG. 5 or FIG.

【0085】また、目標全身運動パターンとは、「歩
く」、「走る」、「飛び跳ねる」、「ダンスする」など
の運動パターンのことであり、例えば、ティーチング・
プレイバックやオフライン教示などの方式により、ロボ
ット100の主制御部80に入力される。
The target whole body movement pattern is a movement pattern such as “walk”, “run”, “jump”, “dance” and the like.
The data is input to the main control unit 80 of the robot 100 by a method such as playback or offline teaching.

【0086】次いで、ステップS13では、先行ステッ
プS11において設定されたバッテリ・パックの搭載位
置を基にして、ロボット100の現在における質量分布
データの算出を行う。このステップで求められた質量分
布データは、後続のステップS16などの計算処理等に
おいて利用される。また、質量分布データは、ロボット
100の多質点近似モデルを用いて算出することができ
るが、この点は後に詳解する。
Next, in step S13, the current mass distribution data of the robot 100 is calculated based on the mounting position of the battery pack set in the preceding step S11. The mass distribution data obtained in this step is used in calculation processing in the subsequent step S16 and the like. The mass distribution data can be calculated using a multi-mass point approximation model of the robot 100, which will be described in detail later.

【0087】次いで、ステップS14では、運動パター
ンの実現のためにロボット100の各関節において必要
とされる運動性能を算出する。ここで言う運動性能に
は、関節の可動角、最大トルク、最大速度などが含まれ
る。
Next, in step S14, the motion performance required at each joint of the robot 100 for realizing the motion pattern is calculated. The exercise performance mentioned here includes the movable angle of the joint, the maximum torque, the maximum speed, and the like.

【0088】但し、各関節で使用されるアクチュエータ
2,A3…には、許容運動性能又は定格運動性能が規定
されている。ステップS14において求められた必要運
動性能が、許容運動性能を越える場合には、判断ブロッ
クS15の分岐Noに抜けて、ロボット100の重心位
置(すなわちバッテリ・パックの搭載位置)を再設定し
てから(ステップS21)、上記と同様の処理を繰り返
し実行する。
However, the allowable motion performance or rated motion performance is defined for the actuators A 2 , A 3 ... Used for each joint. If the required kinetic performance obtained in step S14 exceeds the allowable kinetic performance, the process goes to branch No in decision block S15, and the center of gravity of the robot 100 (that is, the mounting position of the battery pack) is reset. (Step S21), the same processing as described above is repeatedly executed.

【0089】次いで、ステップS16では、先行ステッ
プS12にて入力された目標全身運動パターンを用い
て、ロボット100の全身運動パターンを算出する。該
全身運動パターンは、例えばロボット100の多質点近
似モデルを用いて算出することができるが、詳細につい
ては後述に譲る。
Next, in step S16, the whole body movement pattern of the robot 100 is calculated using the target whole body movement pattern input in the preceding step S12. The whole body movement pattern can be calculated using, for example, a multi-mass point approximation model of the robot 100, but details will be described later.

【0090】次いで、判断ブロックS17では、算出さ
れた全身運動パターンが、各関節すなわちアクチュエー
タ等の許容運動性能の範囲内で実現可能か否かを判断す
る。許容運動性能を逸脱する場合には、該判断ブロック
の分岐Noに抜けて、ロボット100の重心位置(すな
わちバッテリ・パックの搭載位置)を再設定してから
(ステップS21)、上記と同様の処理を繰り返し実行
する。
Next, in a decision block S17, it is determined whether or not the calculated whole body motion pattern can be realized within the range of the allowable motion performance of each joint, that is, the actuator or the like. If it deviates from the permissible motion performance, the process goes to the branch No of the judgment block, the center of gravity of the robot 100 (that is, the mounting position of the battery pack) is reset (step S21), and the same processing as described above is performed. Is repeatedly executed.

【0091】次いで、ステップS18では、目標全身運
動パターンと算出全身運動パターンとの誤差Eを算出す
る。
Next, in step S18, an error E between the target whole body movement pattern and the calculated whole body movement pattern is calculated.

【0092】そして、判断ブロックS19では、この誤
差Eが許容範囲内か否かを判断する。許容範囲を逸脱す
る場合には、該判断ブロックの分岐Noに抜けて、ロボ
ット100の重心位置(すなわちバッテリ・パックの搭
載位置)を再設定してから(ステップS21)、上記と
同様の処理を繰り返し実行する。
Then, in a decision block S19, it is determined whether or not the error E is within an allowable range. If it deviates from the allowable range, the process goes to the branch No of the determination block, the center of gravity of the robot 100 (that is, the mounting position of the battery pack) is reset (step S21), and the same processing as described above is performed. Execute repeatedly.

【0093】他方、誤差Eが許容範囲内であれば、設定
された重心位置をロボット100の最適な重心位置とし
て出力し(ステップS21)、当該処理ルーチン全体を
終了する。
On the other hand, if the error E is within the allowable range, the set center of gravity is output as the optimum center of gravity of the robot 100 (step S21), and the entire processing routine ends.

【0094】このようにして求められたロボット100
の最適な重心位置に基づいて、バッテリ・パックの最適
な搭載位置を逆算することができる。この逆算された結
果に従って、バッテリ・パックの位置を調整すればよ
い。該位置調整機構については、図5又は図6を参照さ
れたい。
The robot 100 obtained as described above
, The optimal mounting position of the battery pack can be calculated backward. The position of the battery pack may be adjusted according to the result of this back calculation. See FIG. 5 or FIG. 6 for the position adjustment mechanism.

【0095】次いで、図7に示したフローチャートのス
テップS13における質量分布データの算出処理につい
て詳解する。
Next, the calculation processing of the mass distribution data in step S13 of the flowchart shown in FIG. 7 will be described in detail.

【0096】力学等の分野において既に周知のように、
構造物の重心位置Rは、以下の式で算出することができ
る(但し、同式中で、ρ(x,y,z)は点(x,y,
z)における重量密度を指す)。
As is well known in the field of dynamics and the like,
The position of the center of gravity R of the structure can be calculated by the following equation (where ρ (x, y, z) is the point (x, y,
z)).

【0097】[0097]

【数1】 (Equation 1)

【0098】厳密解を求める上では、ロボット100を
質点系ではなく剛体系として厳密にモデリングすること
が好ましいが、その分だけ計算時間を要する。他方、ロ
ボット100は、トルク重量比の大きいアクチュエータ
と軽量の構造部材を使用している結果として、その質量
の大半はアクチュエータすなわち関節部分に集中する。
したがって、ロボット100を多質点近似モデルとして
扱っても、ほとんど支障がない(多質点近似モデルの詳
細に関しては、後述に譲る)。
In order to obtain an exact solution, it is preferable that the robot 100 is strictly modeled as a rigid system instead of a mass system, but it requires a corresponding amount of calculation time. On the other hand, the robot 100 uses an actuator having a large torque-to-weight ratio and a lightweight structural member, so that most of its mass is concentrated on the actuator, that is, the joint.
Therefore, even if the robot 100 is treated as a multi-mass point approximation model, there is almost no problem (the details of the multi-mass point approximation model will be described later).

【0099】図8には、多質点近似モデルを用いた場合
における質量分布データの算出処理手順の詳細をフロー
チャートの形式で示している。このフローチャート全体
で、前述のステップS13を構成するものと理解された
い。以下、このフローチャートの各ステップについて説
明する。
FIG. 8 shows, in the form of a flowchart, details of the procedure for calculating the mass distribution data when the multi-mass point approximation model is used. It should be understood that the entirety of this flowchart constitutes the aforementioned step S13. Hereinafter, each step of this flowchart will be described.

【0100】まず、ステップS31では、ロボット10
0の全軸角度情報、全関節配置情報、及び全質点配置情
報を入力する。これらの角度情報や配置情報は、ロボッ
ト100の設計仕様によって定まる静的・固定的なデー
タであり、例えばロボット100の設計時に作成したC
ADデータベースから供給を受けることができる。
First, in step S31, the robot 10
0, all the axis angle information, all joint arrangement information, and all mass point arrangement information are input. These angle information and arrangement information are static and fixed data determined by the design specifications of the robot 100.
It can be supplied from the AD database.

【0101】次いで、ステップS32では、ロボット1
00の左右股関節の中点を原点に設定した場合におけ
る、全関節位置情報、及び全質点位置情報を算出する。
Next, in step S32, the robot 1
When the midpoint of the right and left hip joints of 00 is set as the origin, all joint position information and all mass point position information are calculated.

【0102】次いで、ステップS33では、原点と左右
各々の足底平面までの距離を算出し、判断ブロックS3
4では、左右の足底平面のうちどちらが原点から離れて
いるかを判断する。本実施例では、原点から離れている
方の足底が、現在着床している足であるとする。
Next, in step S33, the distance between the origin and each of the left and right sole planes is calculated.
At 4, it is determined which of the left and right sole planes is far from the origin. In the present embodiment, it is assumed that the sole that is farther from the origin is the foot that is currently landing.

【0103】右足底平面の方が離れている場合には、右
足底平面がX−Y平面となるように全質点位置を座標変
換し(ステップS35R)、他方、左足底平面の方が離
れている場合には、左足底平面がX−Y平面となるよう
に全質点位置を座標変換する(ステップS35L)。
If the right sole plane is farther away, the coordinates of all mass points are transformed so that the right sole plane becomes the XY plane (step S35R), while the left sole plane is farther away. If so, the coordinates of all mass points are converted so that the left sole plane becomes the XY plane (step S35L).

【0104】このように座標変換した後、全質点におけ
る質量と位置とから、ロボット100の重心位置を算出
することができる(ステップS36)。
After such coordinate conversion, the position of the center of gravity of the robot 100 can be calculated from the mass and position at all mass points (step S36).

【0105】図8において算出された重心位置の例を図
9に示しておくので参照されたい。同図の例では、ロボ
ット100の重心位置は、腰部すなわち下肢よりも上方
に設定されているので、ロボット100を倒立振子とみ
なして動歩行時の安定姿勢制御を好適に行うことができ
る。倒立振子は、転倒方向に支持点を強く加速すること
で姿勢回復を図ることができる。歩行系においては、目
標ZMPを転倒方向に強く加速することに相当する。倒
立振子制御を行う場合、ロボットの重心位置はむしろ高
い方が、重心バランスを失ってから転倒するまでの時間
すなわち倒立振子の周期が長いため、歩行制御の安定化
には有利である。
An example of the position of the center of gravity calculated in FIG. 8 is shown in FIG. 9 for reference. In the example shown in the drawing, the position of the center of gravity of the robot 100 is set above the lower back, that is, above the lower limbs. Therefore, the robot 100 can be regarded as an inverted pendulum, and stable posture control during dynamic walking can be suitably performed. The inverted pendulum can achieve a posture recovery by strongly accelerating the support point in the falling direction. In the walking system, this corresponds to strongly accelerating the target ZMP in the falling direction. In the case of performing the inverted pendulum control, it is advantageous to stabilize the walking control when the position of the center of gravity of the robot is rather high because the time from the loss of the balance of the center of gravity to the fall, that is, the period of the inverted pendulum is long.

【0106】次いで、図7に示したフローチャートのス
テップS16におけるロボット100の全身運動パター
ンの算出処理について詳解する。ロボット100は、通
常動作する前に予め定められた全身運動パターンに従っ
て各関節すなわちアクチュエータA2,A3…を駆動制御
することによって、所定の動作を実現するようになって
いる。
Next, the process of calculating the whole body movement pattern of the robot 100 in step S16 of the flowchart shown in FIG. 7 will be described in detail. The robot 100 realizes a predetermined operation by controlling the driving of each joint, that is, the actuators A 2 , A 3 ... According to a predetermined whole-body movement pattern before normal operation.

【0107】ロボット100自体は、無限すなわち連続
的な質点の集合体である。但し、本実施例では、ロボッ
ト100を有限数で離散的な質点からなる近似モデルに
置き換えることにより、全身運動パターン算出の計算量
の削減を図っている。ロボット100は、トルク重量比
の大きいアクチュエータと軽量の構造部材を使用してい
る結果として、その質量の大半はアクチュエータすなわ
ち関節部分に集中するので、多質点近似モデルとして扱
っても、ほとんど支障がない
The robot 100 itself is a set of infinite, ie, continuous mass points. However, in the present embodiment, the amount of calculation of the whole-body motion pattern calculation is reduced by replacing the robot 100 with an approximate model composed of a finite number of discrete mass points. Since the robot 100 uses an actuator having a large torque-to-weight ratio and a lightweight structural member, most of its mass is concentrated on the actuator, that is, the joint portion.

【0108】図10には、全身運動パターン算出のため
に導入される、ロボット100の非干渉多質点近似モデ
ルを図解している。
FIG. 10 illustrates a non-interfering multi-mass point approximation model of the robot 100 introduced for calculating the whole-body motion pattern.

【0109】図10において、O−XYZ座標系は絶対
座標系におけるロール、ピッチ、ヨー各軸を表し、ま
た、O’−X’Y’Z’座標系はロボット100ととも
に動く運動座標系におけるロール、ピッチ、ヨー各軸を
表している。同図に示す多質点モデルでは、iはi番目
に与えられた質点を表す添え字であり、miはi番目の
質点の質量、r’iはi番目の質点の位置ベクトル(但
し運動座標系)を表すものとする。また、後述する腰部
運動制御において特に重要な腰部質点の質量はmh、そ
の位置ベクトルはr’h(r’hx,r’hy,r’hz)と
し、また、ZMPの位置ベクトルをr’zmpとする。
In FIG. 10, the O-XYZ coordinate system represents the roll, pitch, and yaw axes in the absolute coordinate system, and the O'-X'Y'Z 'coordinate system represents the roll in the motion coordinate system that moves with the robot 100. , Pitch, and yaw axes. The multi-mass point model shown in FIG, i is a subscript representing a mass given to i-th, m i is the i-th material point mass, r 'i is the i-th material point of the position vector (where motion coordinates System). In addition, the mass of the waist mass, which is particularly important in waist motion control described later, is m h , its position vector is r ′ h (r ′ hx , r ′ hy , r ′ hz ), and the ZMP position vector is r ′. zmp .

【0110】図10に示す非厳密の非干渉多質点近似モ
デルにおいては、モーメント式は線形方程式の形式で記
述され、該モーメント式はピッチ軸及びロール軸に関し
て干渉しない、という点を充分理解されたい。
In the inexact non-interfering multi-mass point approximation model shown in FIG. 10, the moment equation is described in the form of a linear equation, and it should be understood that the moment equation does not interfere with the pitch axis and the roll axis. .

【0111】このような多質点近似モデルは、概ね以下
の処理手順により生成することができる。
Such a multi-mass point approximation model can be generally generated by the following processing procedure.

【0112】(1)ロボット100全体の質量分布を求
める。 (2)ロボット100を複数の領域に分割する。領域は
質点を設定するためのものである。領域の分割方法は、
設計者のマニュアル入力であっても、所定の規則に従っ
た自動生成のいずれでも構わない。 (3)各領域i毎に、重心を求め、その重心位置と質量
iを該当する質点に付与する。 (4)各質点miを、質点位置riを中心とし、その質量
に比例した半径に持つ球体として表示する。 (5)現実に連結関係のある質点すなわち球体同士をワ
イヤーで連結する。
(1) The mass distribution of the entire robot 100 is obtained. (2) Divide the robot 100 into a plurality of areas. The area is for setting a mass point. How to divide the area
Any of manual input by the designer or automatic generation according to a predetermined rule may be used. (3) for each of the regions i, obtains the center of gravity, is applied to the mass to the appropriate position of the center of gravity and mass m i. (4) the mass points m i, centered on the mass point position r i, to display as a sphere having a radius proportional to its mass. (5) The masses that are actually connected, that is, the spheres are connected by wires.

【0113】多質点近似モデルは、言わば、ワイヤフレ
ーム・モデルの形態でロボットを表現したものである。
本実施例では、図10を見ても判るように、この多質点
近似モデルは、両肩、両肘、両手首、体幹、腰部、及
び、両足首の各々を質点として設定したものである。
The multi-mass point approximation model is a representation of a robot in the form of a wire frame model.
In the present embodiment, as can be seen from FIG. 10, this multi-mass point approximation model is one in which both shoulders, both elbows, both wrists, trunk, waist, and both ankles are set as mass points. .

【0114】なお、図10に示す多質点モデルの腰部情
報における各回転角(θhx,θhy,θhz)は、人間型ロ
ボット100における腰部の姿勢すなわちロール、ピッ
チ、ヨー軸の回転を規定するものである(図11には、
多質点モデルの腰部周辺の拡大図を示しているので、確
認されたい)。
The rotation angles (θ hx , θ hy , θ hz ) in the waist information of the multi-mass model shown in FIG. 10 define the posture of the waist of the humanoid robot 100, that is, the rotation of the roll, pitch, and yaw axes. (In FIG. 11,
An enlarged view around the waist of the multi-mass model is shown, so please check it.)

【0115】図12には、ロボット100の全身運動パ
ターンを算出するための処理手順をフローチャートの形
式で示している。但し、以下では、図10に示すような
線形・非干渉多質点近似モデルを用いてロボット100
の各関節位置や動作を記述するものとし、且つ、計算に
際し以下のようなパラメータを用いることとする。但
し、ダッシュ(´)付きの記号は運動座標系を記述する
ものと理解されたい。
FIG. 12 is a flowchart showing a processing procedure for calculating the whole body movement pattern of the robot 100. However, in the following, the robot 100 will be described using a linear / non-interfering multi-mass point approximation model as shown in FIG.
Are described, and the following parameters are used in the calculation. However, it should be understood that symbols with a dash (') describe the motion coordinate system.

【0116】[0116]

【数2】 (Equation 2)

【0117】また、ロボット100の腰部高さが一定
(r’hz+rqz=const)で、且つ、膝部質点がゼ
ロであることを前提とする。
[0117] Further, at a certain waist height of the robot 100 (r 'hz + r qz = const), and assumes that knee mass point is zero.

【0118】本実施例に係るロボット100の場合、任
意の足部運動パターン、ZMP軌道、体幹運動パター
ン、上肢運動パターン等に基づいて、安定歩行を可能と
する腰部運動パターンを生成するようになっている。こ
こで言うZMP(Zero Moment Poin
t)軌道とは、歩行ロボットにおいて、足底(若しくは
足裏)をある一点で床面に固定したとき、歩行動作中に
モーメントが発生しないような点すなわちZMPの軌道
ことを言う(前述)。
In the case of the robot 100 according to this embodiment, a waist movement pattern enabling stable walking is generated based on an arbitrary foot movement pattern, ZMP trajectory, trunk movement pattern, upper limb movement pattern, and the like. Has become. ZMP (Zero Moment Point)
t) The trajectory refers to a point at which no moment is generated during walking when the sole (or sole) of the walking robot is fixed to the floor at a certain point, that is, the trajectory of the ZMP (described above).

【0119】本実施例のように片足が6自由度を持つ2
足歩行型ロボット(図3を参照のこと)の場合、各足部
22R/Lの位置と腰部の水平位置及び高さによって両
脚の姿勢が一意に定まる。したがって、腰部運動パター
ンを生成することは、脚の姿勢すなわち下肢の「歩容」
を決定することに他ならない(「歩容」とは、当業界に
おいて「関節角度の時系列変化」を意味する技術用語で
ある)。
As shown in this embodiment, one foot has six degrees of freedom.
In the case of a foot-walking robot (see FIG. 3), the posture of both legs is uniquely determined by the position of each foot 22R / L and the horizontal position and height of the waist. Therefore, generating the waist movement pattern is based on the posture of the legs, ie, the “gait” of the lower limbs
("Gait" is a technical term meaning "chronological change of joint angle" in the art).

【0120】まず、ステップS41では、ステップS1
2において設定された目標全身運動パターンに基づい
て、足部(より具体的には足底)運動、足部運動から導
出されるZMP軌道、体幹運動、上肢運動、腰部の姿勢
や高さなど、各部の駆動・動作を実際に決定するための
パターンが設定される。より具体的には、まず足部運動
パターン、次いでZMP軌道、体幹運動パターン、そし
て上肢運動パターンを設定する。また、腰部の運動に関
しては、Z’方向のみ設定し、X’及びY’の各方向に
ついては未知とする。
First, in step S41, step S1
Based on the target whole body movement pattern set in 2, the foot (more specifically, the sole) movement, the ZMP trajectory derived from the foot movement, the trunk movement, the upper limb movement, the posture and height of the waist, etc. , A pattern for actually determining the drive / operation of each unit is set. More specifically, a foot motion pattern, a ZMP trajectory, a trunk motion pattern, and an upper limb motion pattern are set first. Also, regarding the motion of the waist, only the Z ′ direction is set, and the X ′ and Y ′ directions are unknown.

【0121】次に、線形・非干渉多質点近似モデルを用
いて、足部、体幹、そして上肢運動により発生する設定
ZMP上でのピッチ軸、ロール軸まわりの各モーメント
(Mx,My)を算出する(ステップS42)。
[0121] Next, using the linear and non-interfering multi-mass point approximate model, foot, trunk, and the pitch axis on setting ZMP generated by the upper limb, the moment about the roll axis (M x, M y ) Is calculated (step S42).

【0122】次いで、線形・非干渉多質点近似モデルを
用いて、腰部水平面内運動(r’hx,r’hy)によって
発生する設定ZMP上でのモーメントを算出する(ステ
ップS43)。
Next, using the linear / non-interfering multi-mass point approximation model, the moment on the set ZMP generated by the motion in the waist horizontal plane (r ′ hx , r ′ hy ) is calculated (step S43).

【0123】次いで、設定ZMP上におけるモーメント
に関する釣り合い式を、ロボットとともに動く運動座標
系O’−X’Y’Z’上で導出する(ステップS4
4)。より具体的には、足部、体幹、そして上肢運動に
より発生するモーメント(Mx,My)を既知変数の項と
して右辺に、腰部質点の水平運動に関する項(rhx,r
hy)を未知変数の項として左辺にまとめ、下式に示すよ
うな線形・非干渉なZMP方程式(1)を導出する。
Next, a balance equation relating to the moment on the set ZMP is derived on the motion coordinate system O'-X'Y'Z 'that moves with the robot (step S4).
4). More specifically, foot, trunk, and moments generated by the upper limb (M x, M y) on the right side as terms of known variables, section on horizontal movement of the lumbar mass point (r hx, r
hy ) are collected on the left side as terms of unknown variables, and a linear and non-interfering ZMP equation (1) as shown in the following equation is derived.

【0124】[0124]

【数3】 (Equation 3)

【0125】但し、以下が成立するものとする。It is assumed that the following holds.

【0126】[0126]

【数4】 (Equation 4)

【0127】次いで、上記のZMP方程式(1)を解い
て、腰部水平面内軌道を算出する(ステップS45)。
例えば、オイラー法やルンゲ・クッタ法などの数値的解
法(周知)を用いてZMP方程式(1)を解くことで、
未知変数としての腰部の水平絶対位置(rhx,rhy)の
数値解を求めることができる(ステップS46)。ここ
で求められる数値解は、安定歩行可能な腰部運動パター
ンの近似解であり、より具体的にはZMPが目標位置に
入るような腰部水平絶対位置である。ZMP目標位置
は、通常(例えば静歩行時)、着床した足底に設定され
る。
Next, the above-mentioned ZMP equation (1) is solved to calculate the trajectory in the waist horizontal plane (step S45).
For example, by solving the ZMP equation (1) using a numerical solution (well-known) such as the Euler method or the Runge-Kutta method,
A numerical solution of the horizontal absolute position ( rhx , rhy ) of the waist as an unknown variable can be obtained (step S46). The numerical solution obtained here is an approximate solution of the waist movement pattern that enables stable walking, and more specifically, the waist horizontal absolute position where the ZMP enters the target position. The ZMP target position is normally set (for example, during quiet walking) on the sole that has landed.

【0128】算出された近似解上では予め設定した体幹
・上肢運動が実現できない場合には、体幹・上肢運動パ
ターンの再設定・修正を行う(ステップS47)。この
際、膝部の軌道を算出してもよい。
If the previously set trunk / upper limb movement cannot be realized on the calculated approximate solution, the trunk / upper limb movement pattern is reset / corrected (step S47). At this time, the trajectory of the knee may be calculated.

【0129】次いで、上述のようにして得られた全身運
動パターンを代入して、厳密モデル(すなわち、剛体、
若しくは非常に多くの質点からなるロボット100の精
密なモデル)における設定ZMP上のモーメント(eM
x,eMy)を算出する(ステップS48)。非厳密モデ
ルでは上記の[数4]が成立することを前提としたが、
厳密ではかかる前提を要しない(すなわち時間の変化に
対して一定である必要はない)。
Next, the strict model (that is, rigid body,
Alternatively, a moment (eM) on the set ZMP in the robot 100 (a precise model of a large number of mass points)
x, eM y) is calculated (step S48). The inexact model assumes that the above [Equation 4] holds,
Strictly, such an assumption is not required (ie, it need not be constant over time).

【0130】厳密モデルにおけるモーメント(eMx
eMy)は、腰部運動の発生するモーメント誤差であ
る。続くステップS49では、このモーメント(e
x,eMy)が非厳密モデルにおける近似モーメントの
許容値(εMx,εMy)未満か否かを判定する。許容値
ε未満であれば、腰部安定運動パターンの厳密解及び安
定歩行を実現できる全身運動パターンを得ることができ
たので(ステップS50)、本処理ルーチン全体を終了
する。
The moment (eM x ,
eM y ) is the moment error generated by the waist motion. In a succeeding step S49, this moment (e
It is determined whether or not (M x , eM y ) is less than the allowable value (εM x , εM y ) of the approximate moment in the inexact model. If it is less than the allowable value ε, it is possible to obtain the exact solution of the stable waist movement pattern and the whole body movement pattern that can realize the stable walking (step S50), and the entire processing routine ends.

【0131】他方、厳密モデルにおけるモーメント(e
x,eMy)が近似モデルにおけるモーメントの許容値
(εMx,εMy)以上であった場合には、厳密モデルに
おけるモーメント(eMx,eMy)を用いて近似モデル
における既知発生モーメント(Mx,My)を修正する
(ステップS51)。そして、再びZMP方程式の導出
を行い、許容値ε未満に収束するまで、腰部運動パター
ンの近似解の算出と修正を繰り返し実行する。
On the other hand, the moment (e
M x, eM y) are allowable moment in approximate model (εM x, when was εM y) above, moment in strict model (eM x, known generator moment in the approximation model using eM y) ( M x, modifies the M y) (step S51). Then, the ZMP equation is derived again, and the calculation and correction of the approximate solution of the waist movement pattern are repeatedly executed until the ZMP equation converges to less than the allowable value ε.

【0132】また、図13には、本実施例に係るロボッ
ト100において目標運動パターンを基に全身運動パタ
ーンを算出するための処理手順に関する他の例をフロー
チャートの形式で示している。但し、上述と同様に、線
形・非干渉多質点近似モデルを用いてロボット100の
各関節位置や動作を記述するものとする(同上)。以
下、このフローチャートの各ステップについて説明す
る。
FIG. 13 is a flowchart showing another example of a processing procedure for calculating a whole body movement pattern based on a target movement pattern in the robot 100 according to the present embodiment. However, in the same manner as described above, each joint position and motion of the robot 100 are described using a linear / non-interfering multi-mass point approximation model (same as above). Hereinafter, each step of this flowchart will be described.

【0133】まず、ステップS61では、ステップS1
2において設定された目標全身運動パターンに基づい
て、足部(より具体的には足底)運動、足部運動から導
出されるZMP軌道、体幹運動、上肢運動、腰部の姿勢
や高さなど、各部の駆動・動作を実際に決定するための
パターンが設定される。より具体的には、まず足部運動
パターン、次いでZMP軌道、体幹運動パターン、そし
て上肢運動パターンを設定する。また、腰部の運動に関
しては、Z’方向のみ設定し、X’及びY’の各方向に
ついては未知とする。
First, in step S61, step S1
Based on the target whole body movement pattern set in 2, the foot (more specifically, the sole) movement, the ZMP trajectory derived from the foot movement, the trunk movement, the upper limb movement, the posture and height of the waist, etc. , A pattern for actually determining the drive / operation of each unit is set. More specifically, a foot motion pattern, a ZMP trajectory, a trunk motion pattern, and an upper limb motion pattern are set first. Also, regarding the motion of the waist, only the Z ′ direction is set, and the X ′ and Y ′ directions are unknown.

【0134】次に、線形・非干渉多質点近似モデルを用
いて、足部、体幹、そして上肢運動により発生する設定
ZMP上でのピッチ軸、ロール軸まわりの各モーメント
(Mx,My)を算出する(ステップS62)。
Next, using the linear / non-interfering multi-mass point approximation model, each moment (M x , M y) around the pitch axis and the roll axis on the set ZMP generated by the foot, trunk and upper limb movements ) Is calculated (step S62).

【0135】次いで、腰部水平面内運動(r’hx,r’
hy)をフーリエ級数展開する(ステップS63)。当業
界において既に周知のように、フーリエ級数展開するこ
とにより、時間軸成分を周波数成分に置き換えて演算す
ることができる。すなわち、この場合には腰部の動きを
周期的な動きとして捉えることができる。また、フーリ
エ展開することにより、FFT(高速フーリエ変換)を
適用することができるので、計算速度を大幅に向上させ
ることができる。
Next, the motion in the waist horizontal plane (r ′ hx , r ′)
hy ) is subjected to Fourier series expansion (step S63). As is well known in the art, by performing Fourier series expansion, it is possible to replace the time axis component with the frequency component and perform the calculation. That is, in this case, the movement of the waist can be regarded as a periodic movement. Also, by performing Fourier expansion, FFT (Fast Fourier Transform) can be applied, so that the calculation speed can be greatly improved.

【0136】次いで、設定ZMP上でのピッチ軸、ロー
ル軸まわりの各モーメント(Mx,My)についてもフー
リエ級数展開する(ステップS64)。
[0136] Then, the pitch axis on the setting ZMP, to Fourier series expansion also each moment about the roll axis (M x, M y) (step S64).

【0137】次いで、腰部水平面内軌道のフーリエ係数
を算出し、さらに逆フーリエ級数展開することで(ステ
ップS65)、腰部運動の近似解が求まる(ステップS
66)。ここで求められる近似解は、安定歩行可能な腰
部運動パターンを規定する腰部の水平絶対位置の近似解
(rhx,rhy)であり、より具体的にはZMPが目標位
置に入るような腰部水平絶対位置である。ZMP目標位
置は、通常(例えば静歩行時)、着床した足底に設定さ
れる。
Next, the approximate solution of the lumbar movement is obtained by calculating the Fourier coefficient of the trajectory in the horizontal plane of the lumbar region and further developing the inverse Fourier series (step S65).
66). The approximate solution obtained here is an approximate solution (r hx , rhy ) of the horizontal absolute position of the waist defining a waist movement pattern capable of stable walking, and more specifically, the waist such that the ZMP enters the target position. The absolute horizontal position. The ZMP target position is normally set (for example, during quiet walking) on the sole that has landed.

【0138】算出された近似解によって予め設定した体
幹・上肢運動が実現できない場合には、体幹・上肢運動
パターンの再設定・修正を行う(ステップS67)。こ
の際、膝部の軌道を算出してもよい。
If the calculated trunk / upper limb movement cannot be realized by the calculated approximate solution, the trunk / upper limb movement pattern is reset / corrected (step S67). At this time, the trajectory of the knee may be calculated.

【0139】次いで、上述のようにして得られた全身運
動パターンを代入して、厳密モデル(すなわち、剛体、
若しくは非常に多くの質点からなるロボット100の精
密なモデル)における設定ZMP上のモーメント(eM
x,eMy)を算出する(ステップS68)。非厳密モデ
ルでは上記の[数4]が成立することを前提としたが、
厳密モデルではかかる前提を要しない(すなわち時間の
変化に対して一定である必要はない)。
Next, the strict model (that is, rigid body,
Alternatively, a moment (eM) on the set ZMP in the robot 100 (a precise model of a large number of mass points)
x, eM y) is calculated (step S68). The inexact model assumes that the above [Equation 4] holds,
Exact models do not require such assumptions (ie, they need not be constant over time).

【0140】厳密モデルにおけるモーメント(eMx
eMy)は、腰部運動の発生するモーメント誤差であ
る。続くステップS69では、このモーメント(e
x,eMy)が近似モデルにおけるモーメントの許容値
(εMx,εMy)未満か否かを判定する。許容値ε未満
であれば、腰部安定運動パターンの厳密解及び安定歩行
を実現できる全身運動パターンを得ることができたので
(ステップS70)、本処理ルーチン全体を終了する。
The moment (eM x ,
eM y ) is the moment error generated by the waist motion. In a succeeding step S69, this moment (e
It is determined whether or not (M x , eM y ) is less than the allowable value (εM x , εM y ) of the moment in the approximate model. If it is less than the allowable value ε, the exact solution of the stable waist movement pattern and the whole body movement pattern that can realize the stable walking can be obtained (step S70), and the entire processing routine ends.

【0141】他方、厳密モデルにおけるモーメント(e
x,eMy)が近似モデルにおけるモーメントの許容値
(εMx,εMy)以上であった場合には、厳密モデルに
おけるモーメント(eMx,eMy)を用いて非厳密モデ
ルにおける既知発生モーメント(Mx,My)を修正して
(ステップS71)、再びフーリエ級数展開して、許容
値ε未満に収束するまで、腰部運動パターンの近似解の
算出と修正を繰り返し実行する。
On the other hand, the moment (e
M x, eM y) are allowable moment in approximate model (εM x, when was εM y) above, moment in strict model (eM x, known generator moment in inexact model using eM y) (M x, M y) by modifying the (step S71), and Fourier series expansion again, to converge to less than the allowable value epsilon, repeatedly executes the correction and calculation of the approximate solution of the waist motion patterns.

【0142】図16には、ロボット100の重心位置
(バッテリの搭載位置)を決定する処理手順の他の例を
フローチャートの形式で示している。以下、このフロー
チャートの各ステップについて説明する。
FIG. 16 is a flowchart showing another example of the processing procedure for determining the position of the center of gravity of the robot 100 (the mounting position of the battery). Hereinafter, each step of this flowchart will be described.

【0143】まず、ステップS81では、ロボット10
0のZ軸方向重心位置の存在可能範囲を算出する。
First, in step S81, the robot 10
A possible range of the Z-axis direction center of gravity of 0 is calculated.

【0144】ロボット100の重心位置の可動範囲はバ
ッテリ・パックの搭載位置によって決定されることは既
に述べた通りである。例えは図5に示す例では、長穴2
25a〜225dの長軸寸法によってZ軸方向の存在範
囲が決定される。また、図6に示す例では、ボール螺子
331のストローク範囲に応じて重心位置のZ軸方向の
存在範囲が決定される。
As described above, the movable range of the position of the center of gravity of the robot 100 is determined by the mounting position of the battery pack. For example, in the example shown in FIG.
The existence range in the Z-axis direction is determined by the major axis dimensions of 25a to 225d. In the example shown in FIG. 6, the range of the center of gravity in the Z-axis direction is determined according to the stroke range of the ball screw 331.

【0145】次いで、ステップS82では、先行ステッ
プS81において求められた存在可能なZ軸方向の重心
位置の各々において、ロボット100の最大歩行速度と
最小基本パターン数を算出する。
Next, in step S82, the maximum walking speed and the minimum number of basic patterns of the robot 100 are calculated at each possible position of the center of gravity in the Z-axis direction obtained in the preceding step S81.

【0146】次いで、ステップS83では、最大歩行速
度と最小基本パターン数で構成される評価関数を基にし
て、各Z軸方向重心位置における評価値を算出する。
Next, in step S83, an evaluation value at each position of the center of gravity in the Z-axis direction is calculated based on an evaluation function composed of the maximum walking speed and the minimum number of basic patterns.

【0147】次いで、ステップS84では、評価値が最
も低くなるようなZ軸方向重心位置を選択して、これを
ロボット100の最適なZ軸方向重心位置として出力す
る(ステップS85)。
Next, in step S84, the position of the center of gravity in the Z-axis direction having the lowest evaluation value is selected and output as the optimum position of the center of gravity in the Z-axis direction of the robot 100 (step S85).

【0148】このようにして求められたロボット100
の最適な重心位置に基づいて、バッテリ・パックの最適
な搭載位置を逆算することができる。この逆算された結
果に従って、バッテリ・パックの位置を調整すればよ
い。該位置調整機構については、図5又は図6を参照さ
れたい。
The robot 100 obtained as described above
, The optimal mounting position of the battery pack can be calculated backward. The position of the battery pack may be adjusted according to the result of this back calculation. See FIG. 5 or FIG. 6 for the position adjustment mechanism.

【0149】[追補]以上、特定の実施例を参照しなが
ら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発
明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施例の修正や
代用を成し得ることは自明である。すなわち、例示とい
う形態で本発明を開示してきたのであり、限定的に解釈
されるべきではない。本発明の要旨を判断するために
は、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきで
ある。
[Supplement] The present invention has been described in detail with reference to the specific embodiments. However, it is obvious that those skilled in the art can modify or substitute the embodiment without departing from the spirit of the present invention. That is, the present invention has been disclosed by way of example, and should not be construed as limiting. In order to determine the gist of the present invention, the claims described at the beginning should be considered.

【0150】なお、本発明の要旨を判断する上で、2足
歩行のロボット100についての関節等の呼び名は、図
3を厳格に適用するのは妥当ではなく、現実のヒトやサ
ルなどの2足直立歩行動物の身体メカニズムとの対比に
より柔軟に解釈されたい。
In determining the gist of the present invention, it is not appropriate to strictly apply FIG. 3 to the names of the joints and the like of the bipedal walking robot 100. Please be interpreted more flexibly in comparison with the body mechanism of an animal with an upright leg.

【0151】参考のため、人間型ロボットの関節モデル
構成を図14に図解しておく。同図に示す例では、肩関
節5から上腕、肘関節6、前腕、手首7及び手部8から
なる部分を「上肢」と呼ぶ。また、肩関節5から股関節
11までの範囲を「体幹部」と呼び、ヒトの胴体に相当
する。また、体幹部のうち特に股関節11から体幹関節
10までの範囲を「腰部」と呼ぶ。体幹関節10は、ヒ
トの背骨が持つ自由度を表現する作用を有する。また、
股関節11より下の大腿部12、膝関節14、下腿部1
3、足首15及び足部16からなる部分を「下肢」と呼
ぶ。一般には、股関節より上方を「上体」と呼び、それ
より下方を「下体」と呼ぶ
FIG. 14 illustrates a joint model configuration of a humanoid robot for reference. In the example shown in the figure, the part consisting of the shoulder joint 5 to the upper arm, the elbow joint 6, the forearm, the wrist 7, and the hand 8 is referred to as "upper limb". Further, a range from the shoulder joint 5 to the hip joint 11 is called a “trunk” and corresponds to a human torso. In addition, a range from the hip joint 11 to the trunk joint 10 in the trunk is particularly referred to as a “lumbar region”. The trunk joint 10 has an action of expressing the degree of freedom of the human spine. Also,
Thigh 12, knee 14, and lower leg 1 below hip joint 11
3. The part consisting of the ankle 15 and the foot 16 is referred to as "lower limb". Generally, the upper part of the hip joint is called "upper body" and the lower part is called "lower body"

【0152】また、図15には、人間型ロボットの他の
関節モデル構成を図解している。同図に示す例は、体幹
関節10を有しない点で図14に示した例とは相違す
る。各部の名称については図を参照されたい。背骨に相
当する体幹関節が省略される結果として人間型ロボット
の上体の動きは表現力を失う。但し、危険作業やなお作
業の代行など、産業目的の人間型ロボットの場合、上体
の動きを要しない場合がある。なお、図14及び図15
で用いた参照番号は、それ以外の図面とは一致しない点
を理解されたい。
FIG. 15 illustrates another joint model configuration of the humanoid robot. The example shown in FIG. 11 differs from the example shown in FIG. See the figure for the names of each part. As a result of omitting the trunk joint corresponding to the spine, the movement of the upper body of the humanoid robot loses its expressive power. However, in the case of a humanoid robot for industrial purposes, such as a dangerous operation or a surrogate operation, there is a case where the body does not need to move. 14 and FIG.
It should be understood that the reference numbers used in are not consistent with the other drawings.

【0153】[0153]

【発明の効果】以上詳記したように、本発明によれば、
例えばヒトやサルなどの直立歩行型の身体メカニズムや
動作を模した構造を有する、優れた脚式移動型ロボット
を提供することができる。
As described above in detail, according to the present invention,
For example, it is possible to provide an excellent legged mobile robot having a structure simulating an upright walking type body mechanism or operation of a human or a monkey.

【0154】また、本発明によれば、2足直立歩行によ
る脚式移動を行うとともに下肢の上には体幹や上肢、頭
部などのいわゆる上半身が搭載されてなり、歩行運動
や、その他体幹や上肢などを含んだ全身協調運動時にお
いて好適な重心位置を設定することができる、優れた直
立歩行・脚式移動型ロボットを提供することができる。
Further, according to the present invention, a so-called upper body such as a trunk, an upper limb, and a head is mounted on the lower limb while performing a leg-type movement by bipedal upright walking. It is possible to provide an excellent upright walking / legged mobile robot capable of setting a suitable center of gravity position during a whole-body coordinated exercise including a trunk, an upper limb, and the like.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施に供される人間型ロボット100
を前方から眺望した様子を示た図である。
FIG. 1 shows a humanoid robot 100 used for carrying out the present invention.
It is the figure which showed a mode that looked at from the front.

【図2】本発明の実施に供される人間型ロボット100
を後方から眺望した様子を示た図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating a humanoid robot 100 according to an embodiment of the present invention.
It is the figure which showed the mode that looked at from the back.

【図3】本実施例に係る人間型ロボット100が具備す
る自由度構成モデルを模式的に示した図である。
FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a degree-of-freedom configuration model included in the humanoid robot 100 according to the present embodiment.

【図4】本実施例に係る人間型ロボット100の制御シ
ステム構成を模式的に示した図である。
FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a control system configuration of the humanoid robot 100 according to the present embodiment.

【図5】バッテリの位置調整機構に関する第1の例を示
した図である。
FIG. 5 is a diagram showing a first example of a battery position adjustment mechanism.

【図6】バッテリの位置調整機構に関する第2の例を示
した図である。
FIG. 6 is a diagram showing a second example of the battery position adjustment mechanism.

【図7】ロボット100の重心位置(バッテリの搭載位
置)を決定するための処理手順を示したフローチャート
である。
FIG. 7 is a flowchart showing a processing procedure for determining the position of the center of gravity of the robot 100 (the mounting position of the battery).

【図8】多質点近似モデルを用いた場合の質量分布デー
タの算出処理手順を示したフローチャートである。
FIG. 8 is a flowchart illustrating a procedure of calculating mass distribution data when a multi-mass point approximation model is used.

【図9】図8に示すフローチャートに従って算出された
ロボット100の重心位置を例示した図である。
9 is a diagram exemplifying the position of the center of gravity of the robot 100 calculated according to the flowchart shown in FIG. 8;

【図10】全身運動パターン算出のために導入される、
ロボット100の非干渉多質点近似モデルを示した図で
ある。
FIG. 10 is introduced for calculating a whole body movement pattern;
FIG. 3 is a diagram illustrating a non-interfering multi-mass point approximation model of the robot 100.

【図11】図10に示したロボット100の多質点近似
モデルにおける腰部周辺の拡大図である。
11 is an enlarged view of the vicinity of the waist in the multi-mass approximate model of the robot 100 shown in FIG.

【図12】ロボット100の全身運動パターンを算出す
るための処理手順を示したフローチャートである。
FIG. 12 is a flowchart showing a processing procedure for calculating a whole body movement pattern of the robot 100.

【図13】ロボット100の全身運動パターンを算出す
るための処理手順の他の例を示したフローチャートであ
る。
FIG. 13 is a flowchart showing another example of the processing procedure for calculating the whole body movement pattern of the robot 100.

【図14】人間型ロボットについての関節モデル構成の
一例を模式的に示した図である。
FIG. 14 is a diagram schematically illustrating an example of a joint model configuration of a humanoid robot.

【図15】人間型ロボットについての関節モデル構成の
他の例を模式的に示した図である。
FIG. 15 is a diagram schematically illustrating another example of the joint model configuration of the humanoid robot.

【図16】ロボット100の重心位置(バッテリの搭載
位置)を決定する処理手順の他の例を示したフローチャ
ートである。
FIG. 16 is a flowchart showing another example of the processing procedure for determining the position of the center of gravity of the robot 100 (the mounting position of the battery).

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…頭部,2…首関節ヨー軸 3…首関節ピッチ軸,4…首関節ロール軸 5…体幹ピッチ軸,6…体幹ロール軸 7…体幹ヨー軸,8…肩関節ピッチ軸 9…肩関節ロール軸,10…上腕ヨー軸 11…肘関節ピッチ軸,12…前腕ヨー軸 13…手首関節ピッチ軸,14…手首関節ロール軸 15…手部,16…股関節ヨー軸 17…股関節ピッチ軸,18…股関節ロール軸 19…膝関節ピッチ軸,20…足首関節ピッチ軸 21…足首関節ロール軸,22…足部(足底) 30…頭部ユニット,40…体幹部ユニット 50…腕部ユニット,51…上腕ユニット 52…肘関節ユニット,53…前腕ユニット 60…脚部ユニット,61…大腿部ユニット 62…膝関節ユニット,63…脛部ユニット 80…制御ユニット,81…主制御部 82…周辺回路 91,92…接地確認センサ 93…姿勢センサ 100…人間型ロボット DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Head, 2 ... Neck joint yaw axis 3 ... Neck joint pitch axis, 4 ... Neck joint roll axis 5 ... Trunk pitch axis, 6 ... Trunk roll axis 7 ... Trunk yaw axis, 8 ... Shoulder joint pitch axis 9 ... shoulder joint roll axis, 10 ... upper arm yaw axis 11 ... elbow joint pitch axis, 12 ... forearm yaw axis 13 ... wrist joint pitch axis, 14 ... wrist joint roll axis 15 ... hand, 16 ... hip joint yaw axis 17 ... hip joint Pitch axis, 18: Hip joint roll axis 19: Knee joint pitch axis, 20: Ankle joint pitch axis 21: Ankle joint roll axis, 22: Foot (plantar) 30: Head unit, 40: Trunk unit 50: Arm Upper unit 52, elbow joint unit 53, forearm unit 60 leg unit, 61 thigh unit 62 knee unit, 63 shin unit 80 control unit 81 main control unit 82: Peripheral round 91, 92 ... ground check sensor 93 ... attitude sensor 100 ... humanoid robot

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西條 弘樹 東京都品川区北品川6丁目7番35号 ソニ ー株式会社内 (72)発明者 黒木 義博 東京都品川区北品川6丁目7番35号 ソニ ー株式会社内 (72)発明者 石田 健蔵 東京都品川区北品川6丁目7番35号 ソニ ー株式会社内 (72)発明者 山口 仁一 東京都日野市多摩平5−14−38 Fターム(参考) 3F060 BA07 CA14 HA00 HA02 HA22 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Hiroki Saijo 6-7-35 Kita-Shinagawa, Shinagawa-ku, Tokyo Inside Sony Corporation (72) Inventor Yoshihiro Kuroki 6-7-35 Kita-Shinagawa, Shinagawa-ku, Tokyo Inside Sony Corporation (72) Inventor Kenzo Ishida 6-7-35 Kita-Shinagawa, Shinagawa-ku, Tokyo Sony Corporation Inside (72) Inventor Jinichi Yamaguchi 5-14-38 Tamadaira, Hino-shi, Tokyo F-term (Reference) 3F060 BA07 CA14 HA00 HA02 HA22

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】少なくとも下肢と、該下肢の上方に配設さ
れた上体とで構成され、下肢の運動により移動自在なロ
ボットであって、 前記ロボット全体の重心位置に影響を及ぼす重量物を前
記上体に変位自在に取り付けたことを特徴とするロボッ
ト。
1. A robot comprising at least a lower limb and an upper body disposed above the lower limb, the robot being movable by the movement of the lower limb. A robot which is displaceably mounted on the upper body.
【請求項2】少なくとも下肢と、該下肢の上方に配設さ
れた上体とで構成され、下肢の運動により移動自在なロ
ボットであって、 前記ロボットの少なくとも一部を駆動するための駆動電
源を供給可能であるとともに、前記ロボット全体の重心
位置に影響を及ぼす重量を有する電源手段と、 前記電源手段を前記上体に変位自在に取り付ける電源取
付手段と、を具備することを特徴とするロボット。
2. A robot comprising at least a lower limb and an upper body disposed above the lower limb, the robot being movable by the movement of the lower limb, and a drive power source for driving at least a part of the robot. And a power supply unit having a weight that influences the position of the center of gravity of the entire robot, and a power supply attachment unit that displaces the power supply unit to the upper body in a displaceable manner. .
【請求項3】前記電源取付手段は、前記電源手段をロボ
ットのヨー軸又はロール軸のうち少なくとも一方に変位
可能に取り付けることを特徴とする請求項2に記載のロ
ボット。
3. The robot according to claim 2, wherein said power supply mounting means mounts said power supply means movably on at least one of a yaw axis and a roll axis of the robot.
【請求項4】少なくとも下肢と、該下肢の上方に配設さ
れた上体とで構成され、下肢の運動により移動自在なロ
ボットであって、 前記ロボットの少なくとも一部を駆動するための駆動用
バッテリを前記上体に取り付けることによって、前記ロ
ボット全体の重心位置を上方に移動させたことを特徴と
するロボット。
4. A robot comprising at least a lower limb and an upper body disposed above the lower limb, the robot being movable by the movement of the lower limb, for driving at least a part of the robot. A robot wherein the position of the center of gravity of the entire robot is moved upward by attaching a battery to the upper body.
【請求項5】少なくとも下肢と、該下肢の上方に配設さ
れた上体とで構成され、下肢の運動により移動自在なロ
ボットのための重心位置制御方法であって、(a)前記
ロボットのZ軸又はX軸方向のうち少なくとも一方の重
心位置を設定するステップと、(b)前記ロボットの目
標全身運動パターンを設定するステップと、(c)前記
目標全身運動パターンを基に前記ロボットの全身運動パ
ターンを算出するステップと、(d)該算出された全身
運動パターンが前記目標全身運動パターンとの誤差が許
容範囲内である場合には、該設定された重心位置を最適
な重心位置として決定するステップと、を具備すること
を特徴とするロボットの重心位置制御方法。
5. A method of controlling a center of gravity of a robot, which comprises at least a lower limb and an upper body disposed above the lower limb, and is movable by movement of the lower limb, wherein: Setting the position of the center of gravity of at least one of the Z-axis and X-axis directions; (b) setting the target whole-body motion pattern of the robot; and (c) setting the whole body of the robot based on the target whole-body motion pattern. Calculating an exercise pattern; and (d) determining the set center-of-gravity position as an optimal center-of-gravity position if the calculated whole-body exercise pattern has an error from the target whole-body exercise pattern within an allowable range. Controlling the position of the center of gravity of the robot.
【請求項6】該算出された全身運動パターンが前記目標
全身運動パターンとの誤差が許容範囲外である場合に
は、前記ロボットの重心位置を再設定して全身運動パタ
ーンを再算出するステップをさらに含むことを特徴とす
る請求項5に記載のロボットの重心位置制御方法。
6. A step of resetting the position of the center of gravity of the robot and re-calculating the whole-body motion pattern when the calculated whole-body motion pattern is out of an allowable range with respect to the target whole-body motion pattern. The method of controlling the position of the center of gravity of a robot according to claim 5, further comprising:
【請求項7】前記ロボットは前記ロボット全体の重心位
置に影響を及ぼす重量物を前記上体に変位自在に取り付
けており、 前記ステップ(d)により決定された最適重心位置を形
成するように該重量物の取付位置を決定する、 ことを特徴とする請求項5に記載のロボットの重心位置
制御方法。
7. The robot has a weight that affects the position of the center of gravity of the entire robot displaceably attached to the upper body, and forms an optimum center of gravity determined in step (d). The method of controlling the position of the center of gravity of the robot according to claim 5, wherein a mounting position of the heavy object is determined.
【請求項8】前記ロボットは、 前記ロボットの少なくとも一部を駆動するための駆動電
源を供給可能であるとともに、前記ロボット全体の重心
位置に影響を及ぼす重量を有する電源手段と、 前記電源手段を前記上体に変位自在に取り付ける電源取
付手段と、を具備し、 前記ステップ(d)により決定された最適重心位置を形
成するように前記電源取付手段による前記電源手段の取
付位置を決定する、ことを特徴とする請求項5に記載の
ロボットの重心位置制御方法。
8. The robot, comprising: a power supply unit capable of supplying a driving power supply for driving at least a part of the robot; and a weight unit having a weight that affects a position of a center of gravity of the entire robot. Power supply mounting means that is displaceably attached to the body, and determines the mounting position of the power supply means by the power supply mounting means so as to form the optimal center of gravity position determined in step (d). 6. The method of controlling the position of the center of gravity of a robot according to claim 5, wherein
【請求項9】前記電源取付手段は、前記電源手段をロボ
ットのヨー軸又はロール軸のうち少なくとも一方に変位
可能に取り付けることを特徴とする請求項8に記載のロ
ボットの重心位置制御方法。
9. The method according to claim 8, wherein the power supply attaching means attaches the power supply means to at least one of a yaw axis and a roll axis of the robot so as to be displaceable.
【請求項10】少なくとも下肢と、該下肢の上方に配設
された上体とで構成され、下肢の運動により移動自在な
ロボットのための重心位置制御方法であって、 前記ロボットの少なくとも一部を駆動するための駆動用
バッテリを前記上体に取り付けることによって、前記ロ
ボット全体の重心位置を上方に移動させたことを特徴と
するロボットの重心位置制御方法。
10. A method of controlling the position of the center of gravity of a robot, which comprises at least a lower limb and an upper body disposed above the lower limb, and is movable by the movement of the lower limb, wherein at least a part of the robot A center of gravity position control method for a robot, wherein a center of gravity position of the entire robot is moved upward by attaching a drive battery for driving the robot to the upper body.
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