JP2002292585A - Control device for multi-joint robot - Google Patents

Control device for multi-joint robot

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JP2002292585A
JP2002292585A JP2001098813A JP2001098813A JP2002292585A JP 2002292585 A JP2002292585 A JP 2002292585A JP 2001098813 A JP2001098813 A JP 2001098813A JP 2001098813 A JP2001098813 A JP 2001098813A JP 2002292585 A JP2002292585 A JP 2002292585A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To control a multi-joint robot equipped with several legs having many joints so as not to interfere legs each other. SOLUTION: The control device for the multi-joint robot has the following means. When a target position of top leg Ptd is given it has a knee joint target position setting means that sets up a target position of knee joint Pmd with a specified condition. The present leg top position is denoted by Pt , the displacement of leg top position without rotating other joints except No.i joint rotated by Δθi is denoted by ΔPt (Δθi ), and the displacement of knee joint position without rotating other joints except No.i joint rotated by Δθi is denoted by ΔPm (Δθi ). The evaluation function E is defined by E=(Ptd -Pt -ΔPt (Δθi ))<2> +(Pmd -Pm -ΔPm (Δθi ))<2> . By using this evaluation function E it has a No.i joint rotation computation means that calculates the value of Δθi from the first through Nth joint sequentially. Until the value of evaluation function E becomes less than a specified threshold value, the sequential calculations of rotation angle for each joint are repeated.

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、多関節ロボットの
制御装置に係り、特に、冗長な自由度を有する複数の脚
を備えた多関節ロボットの制御装置に関する。
The present invention relates to a control device for an articulated robot, and more particularly to a control device for an articulated robot having a plurality of legs having redundant degrees of freedom.

【0002】[0002]

【従来の技術】図8は、第4回日本ロボット学会講演論
文集(1986年12月、pp383〜386)に記載されている4本
脚歩行ロボット10を示す。また、第13回日本ロボッ
ト学会講演論文集(1995年11月、pp899〜900)には、6
本脚歩行ロボットが記載されている。更に、第10回マ
イクロマシン展(1999年10月)では、8本脚の歩行ロボ
ットが展示される等、種々の本数の脚を有する歩行ロボ
ットが知られている。歩行ロボット10は、一般に、移
動面に接触している脚先端を結ぶ多角形12上にロボッ
トの重心点14が存在すれば安定である。歩行ロボット
10は、脚16の数が多いほど、この多角形12の中央
付近にロボットの重心14が位置するようになるので、
転倒しにくく、うねり面や凹凸面でも安定した歩行がで
きるようになる。また、同じ脚数でも、脚に設けられた
関節が多いほど脚先の可動範囲が広くなり、高い段差を
乗り越えることができるようになる。
2. Description of the Related Art FIG. 8 shows a four-legged walking robot 10 described in the 4th Annual Meeting of the Robotics Society of Japan (December 1986, pp. 383-386). The 13th Robotics Society of Japan (November 1995, pp899-900)
A two-legged walking robot is described. Furthermore, at the 10th Micromachine Exhibition (October 1999), walking robots having various numbers of legs are known, such as an eight-legged walking robot being exhibited. In general, the walking robot 10 is stable as long as the center of gravity 14 of the robot exists on a polygon 12 connecting the tips of the legs in contact with the moving surface. As the number of legs 16 of the walking robot 10 increases, the center of gravity 14 of the robot becomes closer to the center of the polygon 12.
It is hard to fall down, and stable walking can be performed even on undulating or uneven surfaces. In addition, even with the same number of legs, the more joints provided on the legs, the wider the movable range of the legs, so that it is possible to get over a high step.

【0003】一方、特許第3068577号公報には、多関節
ロボットの制御装置が記載されている。この制御装置
は、図9に示すように、本体Bと、この本体Bに取り付
けられたN個の関節H1、H2、・・・、HN及びN本の
リンクL1、L2、・・・、LNを有する複数本の脚と、
を有するロボットを制御するためのものである。図10
は、この制御装置の制御アルゴリズムを示す。この制御
アルゴリズムは、ロボットの脚先端の目標位置Ptd
X、Y、Z座標を(PtXd、PtYd、PtZd)、脚先端の
現在位置Ptの座標を(PtX、PtY、PtZ)、i番目の
関節をΔθ゜回転させ、他の関節を固定したときの脚先
端の各方向の移動距離を(ΔPtX(Δθi)、ΔP
tY(Δθi)、ΔPtZ(Δθi))として、次の評価関数
Eを使用して、各関節の回転角度を計算する。
On the other hand, Japanese Patent No. 3068577 discloses a control device for an articulated robot. As shown in FIG. 9, the control device includes a main body B, N joints H 1 , H 2 ,..., H N attached to the main body B and N links L 1 , L 2 , ..., a plurality of legs having L N ,
For controlling a robot having FIG.
Indicates a control algorithm of the control device. The control algorithm, X of the target position P td leg end of the robot, Y, Z coordinates (P tXd, P tYd, P tZd), the coordinates of the current position P t of the leg tip (P tX, P tY, P tZ ), rotate the i-th joint by Δθ ゜, and when the other joints are fixed, move the distance of the leg tip in each direction by (ΔP tX (Δθ i ), ΔP
The rotation angle of each joint is calculated using the following evaluation function E as tY (Δθ i ) and ΔP tZ (Δθ i )).

【数1】 E=(PtXd−PtX−ΔPtX(Δθi))2 +(PtYd−PtY−ΔPtY(Δθi))2 +(PtZd−PtZ−ΔPtZ(Δθi))2 (数式1)[Number 1] E = (P tXd -P tX -ΔP tX (Δθ i)) 2 + (P tYd -P tY -ΔP tY (Δθ i)) 2 + (P tZd -P tZ -ΔP tZ (Δθ i )) 2 (Equation 1)

【0004】この(数式1)をΔθiで偏微分し、その
値が0になるようにΔθiを決定する。即ち、
[0004] by partially differentiating the Equation 1 in [Delta] [theta] i, determining the [Delta] [theta] i to the value zero. That is,

【数2】 (∂E/(∂Δθi))=0 (数式2) の関係式によりΔθiを計算する。具体的には、図10
に示すように、ステップS101において、脚先端を移
動させるべき目標位置PtdのX、Y、Z座標が入力され
る。ここで、脚先端の各方向の移動距離は、各関節の回
転角度Δθ1、Δθ2、・・ΔθNの関数として(ΔPtX
(Δθi)、ΔPtY(Δθi)、ΔPtZ(Δθi))のよ
うに表示している。ステップS102において、第1関
節以外の回転角度Δθを定数とし、第1関節の回転角度
Δθ1を変数として、評価関数EをΔθ1で偏微分し、そ
の値を0と等置することによってΔθ1の値を計算す
る。この計算は、第1関節以外の関節の回転角度を固定
し、第1関節のみを任意に移動させて、脚先端が最も目
標位置(PtXd、PtYd、PtZd)に近くなる回転角度Δ
θ1を求めることに相当する。ここで、以下のステップ
では、計算されたΔθ1に0乃至1の間の所定の係数を
乗じた値を第1関節の回転角度Δθ1として使用する。
## EQU2 ## Δ∂ i is calculated by the relational expression of (関係 E / (∂Δθ i )) = 0 (Equation 2). Specifically, FIG.
As shown in (1), in step S101, the X, Y, and Z coordinates of the target position Ptd where the leg tip should be moved are input. Here, the moving distance of each direction of the leg tip, the rotation angle [Delta] [theta] 1 of each joint, [Delta] [theta] 2, as a function of ·· Δθ N (ΔP tX
(Δθ i ), ΔP tY (Δθ i ), ΔP tZ (Δθ i )). In step S102, [Delta] [theta] by the rotation angle [Delta] [theta] other than the first joint by a constant, the rotation angle [Delta] [theta] 1 of the first joint as a variable, by partially differentiating the evaluation function E in [Delta] [theta] 1, which enumeration the value 0 Calculate the value of 1 . In this calculation, the rotation angles of the joints other than the first joint are fixed, only the first joint is arbitrarily moved, and the rotation angle Δ at which the tip of the leg is closest to the target position ( PtXd , PtYd , PtZd ).
corresponds to obtaining a theta 1. Here, in the following steps, a value obtained by multiplying the calculated Δθ 1 by a predetermined coefficient between 0 and 1 is used as the rotation angle Δθ 1 of the first joint.

【0005】同様に、ステップS103では、第2関節
以外の回転角度Δθを定数とし、第2関節の回転角度Δ
θ2を変数として、評価関数EをΔθ2で偏微分し、その
値を0と等置することによってΔθ2の値を計算し、そ
の値に0乃至1の間の所定の係数を乗じた値を第2関節
の回転角度Δθ2とする。但し、このとき、第1関節の
回転角度Δθ1は先のステップS102で定められた値
に固定して計算を行う。同様の計算をステップS104
まで、第3、第4、・・、第N関節について行う。次
に、ステップS105において、ステップS104まで
の計算で求められた第1乃至第N関節の回転角度Δ
θ1、Δθ2、・・、ΔθNの値を(数式1)に代入し、
評価関数Eの値を計算する。求められたEの値が予め設
定したしきい値E0以下であれば処理を終了し、計算さ
れた各関節の回転角度だけ関節を回転させる。評価関数
Eの値がしきい値E0よりも大きい場合には、ステップ
S102に戻り、評価関数Eの値が、しきい値E0より
も小さくなるまで同様の処理を繰り返し、各関節の回転
角度を計算する。
Similarly, in step S103, the rotation angle Δθ of the second joint is set as a constant, and the rotation angle Δ
The theta 2 as variables, evaluated by partially differentiating the function E in [Delta] [theta] 2, the values to calculate the value of [Delta] [theta] 2 by enumeration and 0, multiplied by a predetermined factor between 0 and 1 to the value Let the value be the rotation angle Δθ 2 of the second joint. However, at this time, the calculation is performed while fixing the rotation angle Δθ 1 of the first joint to the value determined in the previous step S102. The same calculation is performed in step S104
Up to the third, fourth,..., Nth joints. Next, in step S105, the rotation angles Δ of the first to Nth joints obtained by the calculation up to step S104
Substituting the values of θ 1 , Δθ 2 ,..., Δθ N into (Equation 1),
The value of the evaluation function E is calculated. If the obtained value of E is equal to or smaller than the preset threshold value E 0 , the process is terminated, and the joint is rotated by the calculated rotation angle of each joint. When the value of the evaluation function E is greater than the threshold E 0, the process returns to step S102, the value of the evaluation function E is the same process is repeated until less than the threshold E 0, the rotation of each joint Calculate the angle.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、脚の本
数が増加し、或いは、関節の数が増加すると、上述した
従来の計算アルゴリズムによる制御では、脚同士が接触
する等、脚同士の干渉が問題となる。即ち、各脚の関節
数が少ない場合等の様に、1本の脚全体が常に鉛直な平
面内で移動する場合には、脚同士が干渉し合うことがな
いように各脚を制御することは容易であるが、関節が多
く可動範囲の広い多数の脚が、干渉し合うことのないよ
うに制御するのは困難である。また、図10に示した従
来のアルゴリズムは脚先端を所定の目標位置に移動させ
るためのものである。従って、脚の根元と先端の間の中
間部分の移動については制御が行われないため、脚の中
間部分での脚同士の干渉を防止することができないとい
う問題がある。
However, when the number of legs is increased or the number of joints is increased, interference between the legs, such as contact between the legs, is a problem in the control by the above-described conventional calculation algorithm. Becomes That is, when the entire leg always moves in a vertical plane, such as when the number of joints of each leg is small, control each leg so that the legs do not interfere with each other. However, it is difficult to control a large number of legs having many joints and a wide movable range so as not to interfere with each other. The conventional algorithm shown in FIG. 10 is for moving the leg tip to a predetermined target position. Therefore, since the movement of the intermediate portion between the root and the tip of the leg is not controlled, there is a problem that interference between the legs at the intermediate portion of the leg cannot be prevented.

【0007】一方、多数の関節を有する脚を備えた歩行
ロボットが、天井高が低い狭隘部を歩行する場合には、
脚をほぼ水平に延ばすことによって、ロボットの全高を
低くして歩行する必要がある。この場合、ロボット本体
の自重を支持するために、脚の根元付近の関節に過大な
荷重が作用するという問題がある。
On the other hand, when a walking robot having legs having a large number of joints walks in a narrow part with a low ceiling,
It is necessary to walk with the robot's overall height lowered by extending the legs almost horizontally. In this case, there is a problem that an excessive load acts on a joint near the base of the leg in order to support the weight of the robot body.

【0008】そこで、本発明は、多数の関節を有する複
数本の脚を備えた多関節ロボットを、脚同士が干渉する
ことのないように制御することができる多関節ロボット
の制御装置を提供することを目的としている。また、本
発明は、多数の関節を有する複数本の脚を備えた多関節
ロボットが天井高の低い狭隘部を歩行する際に、脚の関
節に過大な荷重を作用させることのない多関節ロボット
の制御装置を提供することを目的としている。
Accordingly, the present invention provides an articulated robot control device capable of controlling an articulated robot having a plurality of legs having a large number of joints so that the legs do not interfere with each other. It is intended to be. In addition, the present invention provides a multi-joint robot that does not apply an excessive load to a leg joint when the multi-joint robot having a plurality of legs having a large number of joints walks in a narrow part with a low ceiling height. The purpose of the present invention is to provide a control device.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明の多関節ロボットの制御装置は、リンク部材
をN個の関節で連結した複数本の脚を有する多関節ロボ
ットの制御装置であって、この制御装置が、脚の先端の
目標位置Ptdが与えられた際に、その脚の根元関節であ
る第1関節と先端関節である第N関節との間に設けられ
た膝関節である第M関節の目標位置Pmdを、所定の条件
により設定する膝関節目標位置設定手段と、現在の脚先
端位置をPtとし、第1関節をΔθ1だけ回転させ、他の
関節を回転させない場合の脚先端位置の変位量をΔPt
(Δθ1)とし、現在の膝関節位置をPmとし、第1関節
をΔθ1だけ回転させ、他の関節を回転させない場合の
膝関節位置の変位量をΔPm(Δθ1)とし、評価関数E
を、 E=(Ptd−Pt−ΔPt(Δθ1))2+(Pmd−Pm
ΔPm(Δθ1))2 として、この評価関数Eの値を最小とするΔθ1の値を
最小2乗法により計算し、このΔθ1に所定の係数を乗
じた値を第1関節の回転角とする第1関節回転角演算手
段と、同様に、第i関節をΔθiだけ回転させ、他の関
節を回転させない場合の脚先端位置の変位量をΔP
t(Δθi)とし、第i関節をΔθiだけ回転させ、他の
関節を回転させない場合の膝関節位置の変位量をΔPm
(Δθi)とし、評価関数Eを、 E=(Ptd−Pt−ΔPt(Δθi))2+(Pmd−Pm
ΔPm(Δθi))2 として、この評価関数Eの値を最小とするΔθiの値を
最小2乗法により計算し、計算されたΔθiに所定の係
数を乗じることによって第2関節から第N関節までの関
節の回転角を順次求める第i関節回転角演算手段と、を
有し、評価関数Eの値が所定のしきい値以下になるま
で、上記第1関節回転角演算手段及び第i関節回転角演
算手段が各関節の回転角度を順次反復計算することを特
徴としている。
In order to achieve this object, a control apparatus for an articulated robot according to the present invention comprises a control apparatus for an articulated robot having a plurality of legs having link members connected by N joints. When the control device receives a target position P td of the tip of the leg, the knee device provided between the first joint, which is the base joint of the leg, and the N-th joint, which is the tip joint, of the leg. the target position P md of the M joint is rheumatoid, knee joint target position setting means for setting a predetermined condition, the current leg tip position and P t, rotate the first joint by [Delta] [theta] 1, the other joint ΔP t
(Δθ 1 ), the current knee joint position is P m , the displacement amount of the knee joint position when the first joint is rotated by Δθ 1 and the other joint is not rotated is ΔP m (Δθ 1 ), and the evaluation is performed. Function E
E = (P td −P t −ΔP t (Δθ 1 )) 2 + (P md −P m
As ΔP m (Δθ 1 )) 2 , the value of Δθ 1 that minimizes the value of the evaluation function E is calculated by the least square method, and the value obtained by multiplying Δθ 1 by a predetermined coefficient is the rotation angle of the first joint. Similarly, the first joint rotation angle calculating means sets the displacement of the leg tip position when the ith joint is rotated by Δθ i and the other joints are not rotated by ΔP.
t (Δθ i ), and the displacement of the knee joint position when the ith joint is rotated by Δθ i and the other joints are not rotated is ΔP m
(Δθ i ), and the evaluation function E is E = (P td −P t −ΔP t (Δθ i )) 2 + (P md −P m
As ΔP m (Δθ i )) 2 , the value of Δθ i that minimizes the value of the evaluation function E is calculated by the least square method, and the calculated Δθ i is multiplied by a predetermined coefficient to obtain a value from the second joint. I-th joint rotation angle calculating means for sequentially calculating the rotation angles of the joints up to N joints, wherein the first joint rotation angle calculating means and the second joint rotation angle calculating means are used until the value of the evaluation function E falls below a predetermined threshold value. The i-joint rotation angle calculating means sequentially and repeatedly calculates the rotation angle of each joint.

【0010】この構成では、多関節ロボットの制御装置
は、多関節ロボットの脚先端を目標位置Ptdに移動させ
るために必要な脚の各関節の回転角度Δθの計算に用い
る評価関数Eの中で、脚中間部の膝関節の位置Pmを加
味している。この構成により、多関節ロボットの脚先端
ばかりでなく、脚中間部の膝関節の位置も制御すること
ができ、これにより、脚同士の干渉を防止することがで
きる。
In this configuration, the control device of the articulated robot includes an evaluation function E used to calculate the rotation angle Δθ of each leg joint required to move the tip of the articulated robot to the target position P td. in, and in consideration of the position P m of the knee joint of the leg middle section. With this configuration, it is possible to control not only the tip of the leg of the articulated robot but also the position of the knee joint at the middle part of the leg, thereby preventing interference between the legs.

【0011】また、目標位置Ptdは、多関節ロボットを
所定の方向に歩行させるように、目標位置Ptdを、各脚
について時系列的に与えるのが良い。
Further, the target position P td is the articulated robot so as to walk in a predetermined direction, the target position P td, good give a time series for each leg.

【0012】また、膝関節目標位置設定手段は、多関節
ロボットの歩行の進行方向にY座標を取り、脚の根元位
置のY座標成分をPrYとし、脚先端の目標位置のY座標
成分をPtYdとし、Kを0から1の間の任意定数とし
て、膝関節の目標位置のY座標成分PmYdを、 PmYd=PrY+K(PtYd−PrY) の数式により設定し、第1関節回転角演算手段が、PmY
をPmのY座標成分とし、ΔPmYを上記ΔPmのY座標成
分とし、評価関数Eを、 E=(Ptd−Pt−ΔPt(Δθ1))2+(PmYd−PmY
−ΔPmY(Δθ1))2 としてΔθ1の値を計算し、このΔθ1に所定の係数を乗
じることによって第1関節の回転角を求め、第i関節回
転角演算手段が、評価関数Eを、 E=(Ptd−Pt−ΔPt(Δθi))2+(PmYd−PmY
−ΔPmY(Δθi))2 としてΔθiの値を計算し、このΔθiに所定の係数を乗
じることによって第2乃至第N関節の回転角を求めるの
が良い。
The knee joint target position setting means takes the Y coordinate in the traveling direction of the walking of the articulated robot, sets the Y coordinate component of the base position of the leg to Pr, and sets the Y coordinate component of the target position of the tip of the leg to Yr. PtYd , K is an arbitrary constant between 0 and 1, and the Y coordinate component PmYd of the target position of the knee joint is set by the formula of PmYd = PrY + K ( PtYd- PrY ). The joint rotation angle calculation means is P mY
Was a Y coordinate components of P m, the [Delta] P mY and Y coordinate components of the [Delta] P m, the evaluation function E, E = (P td -P t -ΔP t (Δθ 1)) 2 + (P mYd -P mY
The value of Δθ 1 is calculated as −ΔP mY (Δθ 1 )) 2 , and the rotation angle of the first joint is obtained by multiplying this Δθ 1 by a predetermined coefficient. E = (P td −P t −ΔP t (Δθ i )) 2 + (P mYd −P mY
It is preferable to calculate the value of Δθ i as −ΔP mY (Δθ i ) 2 and to calculate the rotation angles of the second to N-th joints by multiplying Δθ i by a predetermined coefficient.

【0013】この構成では、膝関節の目標位置のY座標
成分PmYdが脚の根元のY座標成分PrYと脚先端の目標
位置のY座標成分PtYdとの間に設定される。これによ
り、脚の根元と膝関節と脚先端とが概ね一平面上にある
状態で脚を移動させることができ、脚同士の干渉を有効
に防止することができる。
[0013] In this configuration, Y coordinate components P MYD target position of the knee joint is established between the Y coordinate components P tyd target position of the root of the Y coordinate component P rY and leg tips of the legs. Thus, the leg can be moved in a state where the base of the leg, the knee joint, and the tip of the leg are substantially on one plane, and interference between the legs can be effectively prevented.

【0014】また、多関節ロボットが狭隘部を歩行でき
るように、第M関節が歩行路面に接地し、脚の先端位置
が歩行路面の天井の高さよりも低くなるように、目標位
置P md、Ptdを、各脚について時系列的に与えても良
い。
Further, the articulated robot can walk in a narrow part.
So that the M-th joint touches the walking road surface,
Is lower than the height of the ceiling on the walking road.
Place P md, PtdMay be given in chronological order for each leg.
No.

【0015】この構成では、多関節ロボットは、脚の膝
関節である第M関節を歩行路面に接地し、脚先端を歩行
路面から浮かせた状態で天井高が低い狭隘部を歩行す
る。これにより、多関節ロボットが天井高の低い狭隘部
を歩行する際に、脚の関節に過大な荷重が作用するのを
防止することができる。
In this configuration, the multi-joint robot walks on a narrow part with a low ceiling height in a state where the M-th joint, which is the knee joint of the leg, is grounded on the walking road surface and the leg tip is lifted off the walking road surface. Thereby, when the articulated robot walks in a narrow portion with a low ceiling height, it is possible to prevent an excessive load from acting on the leg joint.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】次に、図面を参照して、本発明の
実施形態を説明する。まず、図1乃至図5を参照して、
本発明の第1実施形態を説明する。図1は、第1実施形
態の制御装置1と、この制御装置1によって制御される
多関節ロボットRと、この多関節ロボットRを駆動する
ための電源Vと、を示す。ここでは、第1実施形態の制
御装置1によって、8本の脚を有する多関節ロボットR
を制御する場合について説明する。第1実施形態の制御
装置1は、脚の中間部の関節である膝関節の目標位置を
設定するための膝関節目標位置設定手段(図示せず)
と、脚の各関節の回転角を計算するための関節回転角演
算手段(図示せず)と、を有する。多関節ロボットR
は、中央の胴体2と、胴体2の両側から各々4本ずつ延
びる8本の脚4a乃至4hと、を有する。ここでは、脚
4の長手方向の軸をX軸、X軸と直交し路面に平行な軸
をY軸、X、Y軸と直交する鉛直軸をZ軸と定める。各
脚4は、X軸まわりに回動可能な関節6cと、Y軸まわ
りに回動可能な関節6bとを各々交互に4個ずつ備え、
更に、各関節6を連結する8つのリンク部材8を有す
る。各関節6b、6cはモータ(図示せず)を備え、制
御装置1が発生する制御信号に基づいて、電源Vによっ
て駆動される。なお、本明細書において、「脚」とはロ
ボットの歩行やロボット本体の支持以外の用途にも使用
される、多関節を有するロボットアームをも含むものと
する。
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. First, referring to FIGS. 1 to 5,
A first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 shows a control device 1 of the first embodiment, an articulated robot R controlled by the control device 1, and a power supply V for driving the articulated robot R. Here, the multi-joint robot R having eight legs is controlled by the control device 1 of the first embodiment.
Will be described. The control device 1 according to the first embodiment includes a knee joint target position setting unit (not shown) for setting a target position of a knee joint which is a joint of a middle part of a leg.
And joint rotation angle calculation means (not shown) for calculating the rotation angle of each joint of the leg. Articulated robot R
Has a central body 2 and eight legs 4a to 4h extending four each from both sides of the body 2. Here, an axis in the longitudinal direction of the leg 4 is defined as an X axis, an axis orthogonal to the X axis and parallel to the road surface is defined as a Y axis, and a vertical axis orthogonal to the X and Y axes is defined as a Z axis. Each leg 4 is provided with four joints 6c rotatable about the X axis and four joints 6b rotatable about the Y axis, respectively.
Further, it has eight link members 8 for connecting the joints 6. Each of the joints 6b and 6c includes a motor (not shown), and is driven by a power supply V based on a control signal generated by the control device 1. In this specification, the “leg” includes a robot arm having multiple joints, which is used for purposes other than walking the robot and supporting the robot body.

【0017】次に、図2乃至図5を参照して、本発明の
第1実施形態の制御装置1の作用を説明する。図2
(a)乃至(d)は、図1に示した多関節ロボットRの
各脚4を順次移動させて、ロボットRをY方向に歩行さ
せる場合の歩行パターンを示す図である。まず、図2
(a)の状態では、左側の2番目の脚4b、及び、右側
の4番目の脚4hを遊脚として歩行面から浮かせ、脚の
先端を距離λだけY方向に移動させる。同時に、遊脚以
外の歩行面に接地している脚である支持脚を動かすこと
によって、胴体2を距離λ/4だけY方向に移動させ
る。続いて、図2(b)の状態では、遊脚として左側の
3番目の脚4c及び右側の1番目の脚4eを距離λ移動
させるとともに、残りの支持脚によって胴体2を距離λ
/4前進させる。同様に、状態(c)では左側4番、右
側2番を遊脚とし、状態(d)では左側1番、右側3番
を遊脚として、夫々胴体2を距離λ/4ずつ前進させ
る。
Next, the operation of the control device 1 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG.
(A)-(d) is a figure which shows the walking pattern at the time of moving each leg 4 of the articulated robot R shown in FIG. 1 sequentially, and making the robot R walk in a Y direction. First, FIG.
In the state (a), the second leg 4b on the left and the fourth leg 4h on the right are lifted from the walking surface as a free leg, and the tip of the leg is moved in the Y direction by a distance λ. At the same time, the torso 2 is moved in the Y direction by a distance λ / 4 by moving the supporting leg, which is a leg that is in contact with a walking surface other than the free leg. Subsequently, in the state shown in FIG. 2B, the left third leg 4c and the right first leg 4e are moved by a distance λ as free legs, and the trunk 2 is moved by a distance λ by the remaining supporting legs.
/ 4 forward. Similarly, in state (c), the left side is No. 4 and the right side No. 2 is a free leg, and in state (d), the left side No. 1 and the right side No. 3 are free legs, and the body 2 is advanced by a distance λ / 4, respectively.

【0018】図2(a)乃至(d)の各ステップを経る
と、胴体2は距離λだけY方向に前進し、また、各脚の
状態は図2(a)の状態に戻る。更に、図(a)乃至
(d)の各ステップを繰り返すことにより、多関節ロボ
ットRは目標地点まで前進を続けることができる。
After the steps shown in FIGS. 2A to 2D, the body 2 advances in the Y direction by a distance λ, and the state of each leg returns to the state shown in FIG. 2A. Furthermore, the articulated robot R can continue moving forward to the target point by repeating the steps of FIGS.

【0019】図3は、脚4bの先端をY方向に距離λ移
動させる場合の脚の運動パターンの一例である。図3に
示す運動パターンは、先ず、脚4bの先端をZ方向に上
昇させ(軌道u1)、続いて、先端を斜め前方に前進さ
せ(軌道u2)、最後に、先端を−Z方向に下降させる
(軌道u3)ステップを有する。
FIG. 3 shows an example of a leg movement pattern when the tip of the leg 4b is moved by a distance λ in the Y direction. In the motion pattern shown in FIG. 3, first, the tip of the leg 4b is raised in the Z direction (trajectory u1), then, the tip is advanced diagonally forward (track u2), and finally, the tip is lowered in the −Z direction. (Trajectory u3).

【0020】図4は、図2及び図3に示した歩行パター
ンの手順をまとめたフローチャートである。まず、ステ
ップS1において、脚4b、4hの脚先端を軌道u1に
沿って持ち上げる。次に、ステップS2において、ロボ
ットの胴体2を距離λ/4前進させながら、脚4b、4
hの脚先端を軌道u2に沿って距離λ前進させる。次い
で、ステップS3において、脚4b、4hの脚先端を軌
道u3に沿って下げ接地させる。
FIG. 4 is a flowchart summarizing the procedures of the walking patterns shown in FIGS. First, in step S1, the leg tips of the legs 4b and 4h are lifted along the track u1. Next, in step S2, the legs 4b, 4
The leg tip of h is advanced by a distance λ along the trajectory u2. Next, in step S3, the leg tips of the legs 4b and 4h are lowered along the track u3 and grounded.

【0021】更に、ステップS4では、ステップS1乃
至S3と同様の手順で、脚4c、4eを前進させ、ステ
ップS5では脚4d、4fを前進させ、ステップS6で
は脚4a、4hを前進させる。以上、一周期の歩行パタ
ーンにより、ロボットRの胴体2は距離λだけY方向に
前進する。続いて、ステップS7では、胴体2が目的地
に到達したかを判断し、到達していなければステップS
1乃至S6の手順を繰り返す。
Further, in step S4, the legs 4c and 4e are advanced in the same procedure as in steps S1 to S3. In step S5, the legs 4d and 4f are advanced. In step S6, the legs 4a and 4h are advanced. As described above, the torso 2 of the robot R advances in the Y direction by the distance λ according to the one-cycle walking pattern. Subsequently, in step S7, it is determined whether or not the body 2 has reached the destination.
Steps 1 to S6 are repeated.

【0022】脚が冗長関節を有しない場合には、脚先端
の軌道が規定されることにより、各関節が回動すべき回
転角度は一意的に定まる。しかしながら、脚4は冗長関
節を有するので、同一の脚先端位置を、各関節6の種々
の回転角度で実現することができる。脚先端の目標位置
に対して、各関節6の回転角度を決定するためのアルゴ
リズムの一例が、図10に示した従来のアルゴリズムで
ある。しかし、従来のアルゴリズムは、脚先端の位置の
みを制御するものであるため、脚の中間部分での脚同士
の干渉を防止することができない。
When the leg does not have the redundant joint, the trajectory of the tip of the leg is defined, so that the rotation angle at which each joint should rotate is uniquely determined. However, since the legs 4 have redundant joints, the same leg tip position can be realized with various rotation angles of each joint 6. An example of an algorithm for determining the rotation angle of each joint 6 with respect to the target position of the leg tip is the conventional algorithm shown in FIG. However, since the conventional algorithm controls only the position of the tip of the leg, it is not possible to prevent interference between the legs at an intermediate portion of the leg.

【0023】次に、図5を参照して、第1実施形態の制
御装置1で使用されている制御アルゴリズムを説明す
る。図5のアルゴリズムを使用して、多関節ロボットR
の8本の脚4a〜4h全てについて、脚先端を所定の目
標位置に移動させるために必要な各関節6の回転角度θ
iを計算する。図5に示すアルゴリズムでは、脚4の先
端位置ばかりでなく、脚の根元と先端の中間にある関節
6である膝関節のY座標についても目標位置を定めるこ
とによって、膝関節の位置を制御し、脚同士の干渉を防
止している。位置を制御すべき膝関節として、適用に合
わせて、脚の中間部に存在する任意の関節を選択するこ
とができる。また、本実施形態において、膝関節のY座
標の値について目標値を設定して制御を行っているの
は、脚4はY方向に順次送られるため、この方向で脚同
士の干渉が起りやすいからである。
Next, a control algorithm used in the control device 1 of the first embodiment will be described with reference to FIG. Using the algorithm of FIG.
Rotation angle θ of each joint 6 necessary to move the tip of the leg to a predetermined target position for all eight legs 4a to 4h
Calculate i . In the algorithm shown in FIG. 5, the position of the knee joint is controlled by determining the target position not only for the tip position of the leg 4 but also for the Y coordinate of the knee joint which is the joint 6 between the root and the tip of the leg. , Preventing interference between the legs. As the knee joint whose position is to be controlled, any joint existing in the middle part of the leg can be selected according to the application. Further, in the present embodiment, the control is performed by setting the target value for the value of the Y coordinate of the knee joint because the legs 4 are sequentially sent in the Y direction, so that interference between the legs is likely to occur in this direction. Because.

【0024】まず、ステップS11において、現在の各
関節6の回転角度θi(t)から脚先端の座標P
t(PtX、PtY、PtZ)、及び、膝関節位置のY座標成
分PmYを計算する。次に、ステップS12において、図
2及び図3に示した歩行パターンに基づいて、脚先端の
目標位置Ptd(PtXd、PtYd、PtZd)を設定する。ス
テップS13では、膝関節のY座標の目標値PmYd
(数式3)によって計算する。
First, in step S11, the coordinates P of the tip of the leg are calculated from the current rotation angle θ i (t) of each joint 6.
t (P tX, P tY, P tZ), and calculates the Y coordinate components P mY knee joint position. Next, in step S12, based on the walking pattern shown in FIGS. 2 and 3, the target position P td leg tip (P tXd, P tYd, P tZd) setting a. In step S13, a target value PmYd of the Y coordinate of the knee joint is calculated by (Equation 3).

【数3】 PmYd=PrY+K(PtYd−PrY) (数式3) ここで、PrYは現在の脚4の根元のY座標成分であり、
Kは0乃至1の任意定数である。定数Kの値は、適用に
より任意適当に定めることができる。
P mYd = P rY + K (P tYd −P rY ) (Equation 3) where P rY is the Y coordinate component at the root of the current leg 4,
K is an arbitrary constant from 0 to 1. The value of the constant K can be arbitrarily and appropriately determined depending on the application.

【0025】ステップ14では、図10に示した従来の
制御アルゴリズムと同様の手順で各関節6の回転角Δθ
を計算するが、本実施形態では膝関節の位置も考慮され
ている。まず、第1関節をΔθ1だけ回転させ、他の関
節を回転させない場合の評価関数Eを、(数式4)のよ
うに定める。
In step 14, the rotation angle Δθ of each joint 6 is determined in the same procedure as the conventional control algorithm shown in FIG.
Is calculated, but in the present embodiment, the position of the knee joint is also considered. First, an evaluation function E in the case where the first joint is rotated by Δθ 1 and the other joints are not rotated is defined as (Equation 4).

【数4】 E=(PtXd−PtX−ΔPtX(Δθ1))2 +(PtYd−PtY−ΔPtY(Δθ1))2 +(PtZd−PtZ−ΔPtZ(Δθ1))2 +(PmYd−PmY−ΔPmY(Δθ1))2 (数式4) ここで、ΔPtX(Δθ1)、ΔPtY(Δθ1)、ΔP
tZ(Δθ1)は第1関節をΔθ1だけ回転させ、他の関節
を回転させない場合の脚先端位置の移動量のX、Y、Z
方向成分であり、ΔPmY(Δθ1)は第1関節をΔθ1
け回転させ、他の関節を回転させない場合の膝関節位置
のY方向の移動量である。
E = (P tXd −P tX −ΔP tX (Δθ 1 )) 2 + (P tYd −P tY −ΔP tY (Δθ 1 )) 2 + (P tZd −P tZ −ΔP tZ (Δθ 1) )) 2 + (P mYd −P mY −ΔP mY (Δθ 1 )) 2 (Equation 4) where ΔP tX (Δθ 1 ), ΔP tY (Δθ 1 ), ΔP
tZ (Δθ 1 ) is X, Y, Z of the movement amount of the leg tip position when the first joint is rotated by Δθ 1 and the other joints are not rotated.
ΔP mY (Δθ 1 ) is a directional component, and is the amount of movement of the knee joint position in the Y direction when the first joint is rotated by Δθ 1 and the other joints are not rotated.

【0026】(数式4)をΔθ1で偏微分し、その結果
を0と等置すると、
(Equation 4) is partially differentiated by Δθ 1 and the result is equalized to 0.

【数5】 (∂E/(∂Δθ1))=0 (数式5) が得られ、(数式5)の関係式からΔθ1を計算する。
ここで、以下のステップでは、計算されたΔθ1に0乃
至1の間の所定の係数を乗じた値を第1関節の回転角度
Δθ1として使用する。第2関節についても同様に、
(数式4)及び(数式5)中のΔθ1をΔθ2に置き換え
た式を用いてΔθ2を計算し、以下のステップで使用す
るΔθ2を定めることができる。同様の手順を、第3乃
至第8関節についても行いΔθ3乃至Δθ8を定める。な
お、0乃至1の間の所定の係数は、適用に応じて任意適
当に定めることができる。ここで、(数式5)によって
計算されたΔθiに、上記所定の係数を乗じるのは、Δ
θiの値が反復計算によって適正に収束するようにする
ためである。
(∂E / (∂Δθ 1 )) = 0 (Equation 5) is obtained, and Δθ 1 is calculated from the relational expression of (Equation 5).
Here, in the following steps, a value obtained by multiplying the calculated Δθ 1 by a predetermined coefficient between 0 and 1 is used as the rotation angle Δθ 1 of the first joint. Similarly for the second joint,
(Equation 4) and using the equation obtained by replacing the [Delta] [theta] 1 (Formula 5) in the [Delta] [theta] 2 to calculate the [Delta] [theta] 2, can be defined [Delta] [theta] 2 used in the following step. The same procedure is performed for the third to eighth joints to determine Δθ 3 to Δθ 8 . The predetermined coefficient between 0 and 1 can be arbitrarily and appropriately determined according to the application. Here, multiplying Δθ i calculated by (Equation 5) by the predetermined coefficient is ΔΔ i
This is because the value of θ i is properly converged by iterative calculation.

【0027】ステップS14では、(数式4)の評価関
数Eによって、脚先端位置の目標値からのずれをX、
Y、Zの各方向成分について考慮し、膝関節位置の目標
値からのずれをY方向成分について考慮している。しか
しながら、適用により、評価関数Eの計算に含める座標
成分の組合せを任意に選択することができる。本明細書
では、Pt、Pm等のように、添字の中に座標成分が明示
されていない位置表示記号は、その位置座標の座標成分
の任意の全ての組合せを含むものとする。従って、脚先
端位置の各座標成分、及び、膝関節位置の各座標成分を
任意に組合せた評価関数は(数式6)のような記号で記
載される。
In step S14, the deviation of the leg tip position from the target value is calculated as X,
Each of the Y and Z direction components is considered, and the deviation of the knee joint position from the target value is considered for the Y direction component. However, depending on the application, a combination of coordinate components to be included in the calculation of the evaluation function E can be arbitrarily selected. In this specification, P t, as such P m, the position display symbol coordinate component in the subscript is not specified shall include any and all combinations of coordinate components of the position coordinates. Therefore, an evaluation function obtained by arbitrarily combining each coordinate component of the leg tip position and each coordinate component of the knee joint position is described by a symbol such as (Equation 6).

【数6】 E=(Ptd−Pt−ΔPt(Δθ1))2+(Pmd−Pm−ΔPm(Δθ1))2 (数式6)E = (P td −P t −ΔP t (Δθ 1 )) 2 + (P md −P m −ΔP m (Δθ 1 )) 2 (Equation 6)

【0028】ステップS15では、各関節6をステップ
S14で求められた回転角Δθ1乃至Δθ8だけ回転させ
たとき、各関節が、その可動範囲を越えることがないか
をチェックする。即ち、第1乃至第8関節について、
[0028] In step S15, when each joint 6 is rotated by a rotation angle [Delta] [theta] 1 to [Delta] [theta] 8 obtained in step S14, each joint, checks never exceed the movable range. That is, for the first to eighth joints,

【数7】 │θi(t)+Δθi│<θimax (数式7) の関係を満たしているかがチェックされる。ここで、θ
imaxはi番目の関節6が許容可能な所定の回転角度であ
る。(数式7)の関係が満たされている関節6について
はステップS17の処理に進み、満たされていない関節
6についてはステップS16の処理を行う。
It is checked whether the relationship of | θ i (t) + Δθ i | <θ imax (Formula 7) is satisfied. Where θ
imax is a predetermined rotation angle allowable by the i-th joint 6. For the joint 6 that satisfies the relationship of (Equation 7), the process proceeds to step S17, and for the joint 6 that is not satisfied, the process of step S16 is performed.

【0029】ステップS16は、関節6が許容回転角度
を越えた場合の処理であり、回転角度Δθiを、
[0029] Step S16 is a process performed when the joint 6 has exceeded the allowable rotation angle, the rotation angle [Delta] [theta] i,

【数8】 Δθi=0 (数式8) と置き換えてステップ17に進む。ステップS17にお
いて、各関節6が、現在の回転角度θi(t)から、ス
テップS16までで計算した各関節6の回転角度Δθi
だけ回転した後の脚先端の位置Pt、及び、膝関節位置
のY座標成分PmYを計算する。
8 8 Replace with Δθ i = 0 (Equation 8) and proceed to step 17. In step S17, each joint 6 calculates the rotation angle Δθ i of each joint 6 calculated in step S16 from the current rotation angle θ i (t).
After that, the position P t of the tip of the leg after rotation and the Y coordinate component P mY of the knee joint position are calculated.

【0030】ステップS18では、ステップS17で計
算したPt(PtX、PtY、PtZ)、PmYを(数式9)に
代入して評価関数Eの値を計算する。
[0030] At step S18, P t calculated in step S17 to calculate the value of (P tX, P tY, P tZ), by substituting P mY in (Equation 9) the evaluation function E.

【数9】 E=(PtXd−PtX2+(PtYd−PtY2 +(PtZd−PtZ2+(PmYd−PmY2 (数式9) ステップS19では、ステップS18で計算したEと、
予め設定した所定のしきい値E0とを比較する。Eの値
がE0よりも小さい場合にはステップS20に進む。E
の値がE0よりも大きい場合には、ステップS14に戻
ってステップS14乃至S18の処理を繰り返す。
E = (P tXd −P tX ) 2 + (P tYd −P tY ) 2 + (P tZd −P tZ ) 2 + (P mYd −P mY ) 2 (Equation 9) E calculated in S18,
Comparing the predetermined threshold value E 0 which is set in advance. If the value of E is less than E 0, the process proceeds to step S20. E
Is larger than E 0 , the process returns to step S14 and the processes of steps S14 to S18 are repeated.

【0031】ステップS20では、各関節6の現在の回
転角度θi(t)にステップS16までで計算した各関
節6の回転角度Δθiを夫々加えた回転角度θi(t+
1)を各関節の次の目標回転角度として処理を終了す
る。即ち、
At step S20, the rotation angle θ i (t +) obtained by adding the current rotation angle θ i (t) of each joint 6 to the rotation angle Δθ i of each joint 6 calculated at step S16.
1) is set as the next target rotation angle of each joint, and the process ends. That is,

【数10】 θi(t+1)=θi(t)+Δθi (数式10) により、次の目標回転角度θi(t+1)を計算する。The next target rotation angle θ i (t + 1) is calculated by the following equation: θ i (t + 1) = θ i (t) + Δθ i (Equation 10)

【0032】多関節ロボットRの各関節6に設けられた
モータ(図示せず)を、電源Vによって駆動して、各関
節6を目標回転角度θi(t+1)まで回転させる。こ
のように、多関節ロボットRの歩行パターンに基づいて
脚先端の目標位置を順次与え、図5のアルゴリズムの処
理を各脚について行って目標回転角度を計算し、それに
従って多関節ロボットRを歩行させる。
A motor (not shown) provided at each joint 6 of the articulated robot R is driven by a power supply V to rotate each joint 6 to a target rotation angle θ i (t + 1). In this manner, the target positions of the tip of the leg are sequentially given based on the walking pattern of the articulated robot R, the processing of the algorithm in FIG. 5 is performed for each leg, the target rotation angle is calculated, and the articulated robot R is walked accordingly. Let it.

【0033】本実施形態では、脚4の関節6の回転角度
を、膝関節の位置を考慮して計算しているので、脚同士
が干渉することなく多関節ロボットを歩行させることが
できる。また、この効果は、運動機構解析ソフトWorkin
g Model 3D(MSC社製)によるシミュレーション及び
実験により確認されている。
In this embodiment, since the rotation angle of the joint 6 of the leg 4 is calculated in consideration of the position of the knee joint, the articulated robot can walk without interference between the legs. In addition, this effect is achieved by the motion mechanism analysis software Workin
g Confirmed by simulation and experiment using Model 3D (manufactured by MSC).

【0034】第1実施形態では、膝関節のY方向成分の
みを考慮して制御を行っているが、変形例として、他の
方向成分、或いは、2以上の方向成分を考慮して制御を
行っても良い。また、本実施形態では、各脚4について
1つの膝関節の位置を考慮して制御を行っているが、1
本の脚について2以上の膝関節の位置を考慮して制御を
行っても良い。さらに、第1実施形態では、(数式3)
に基づいて膝関節の目標位置を設定しているが、他の関
係式によって、或いは、予め設定された歩行パターンに
よって膝関節の目標位置を設定しても良い。
In the first embodiment, the control is performed in consideration of only the Y-direction component of the knee joint. However, as a modification, the control is performed in consideration of another direction component or two or more direction components. May be. In the present embodiment, the control is performed in consideration of the position of one knee joint for each leg 4.
The control may be performed on the two legs in consideration of the positions of two or more knee joints. Further, in the first embodiment, (Equation 3)
, The target position of the knee joint is set, but the target position of the knee joint may be set by another relational expression or by a preset walking pattern.

【0035】次に、図6及び図7を参照して、本発明の
第2実施形態について説明する。第2実施形態は、第1
実施形態で説明した多関節ロボットRに、狭隘部を歩行
させるための制御装置である。制御装置1が使用してい
る歩行パターン及び制御アルゴリズム以外の構成は、第
1実施形態と同一であるので説明を省略する。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the second embodiment, the first
This is a control device for causing the articulated robot R described in the embodiment to walk in a narrow portion. The configuration other than the walking pattern and the control algorithm used by the control device 1 is the same as that of the first embodiment, and the description is omitted.

【0036】図6(a)は、従来の制御装置によって、
多関節ロボットRに狭隘部を歩行させる場合の歩行パタ
ーンの平面図であり、同図(b)はその正面図である。
図示するように、従来の制御装置によって、多関節ロボ
ットRに天井高Hmaxの低い狭隘部を歩行させる場合に
は、各脚4を概ね水平方向に延ばし、多関節ロボットR
の全高をHmax以下にして歩行させる必要がある。多関
節ロボットRがこのような姿勢で歩行すると、脚4の接
地点間の距離W1が長くなり、ロボットRの自重を支え
るために脚4の根元付近の関節6に過大な荷重が作用す
る。
FIG. 6A shows a conventional control device.
FIG. 7 is a plan view of a walking pattern when the articulated robot R walks a narrow part, and FIG.
As shown in the figure, when the articulated robot R is caused to walk in a narrow portion having a low ceiling height Hmax by the conventional control device, each leg 4 is extended substantially in the horizontal direction, and the articulated robot R
It is necessary to make the total height of H less than or equal to H max to allow walking. When the articulated robot R walks in such a posture, the distance W 1 between the grounding points of the legs 4 increases, and an excessive load acts on the joint 6 near the base of the legs 4 to support the robot R's own weight. .

【0037】図6(c)(d)は、本発明の第2実施形
態の制御装置によって多関節ロボットRを制御した場合
の歩行パターンを示す。なお、上方から見た各脚の運び
は図2の歩行パターンと同様である。本実施形態では、
多関節ロボットRを各膝関節で路面に接地させ、脚先端
を上方に浮かせて歩行させるため、脚4の接地点間の距
離W2が短く、関節6に過大な荷重が作用することがな
い。
FIGS. 6C and 6D show walking patterns when the articulated robot R is controlled by the control device according to the second embodiment of the present invention. The movement of each leg viewed from above is the same as the walking pattern in FIG. In this embodiment,
The articulated robot R is contact with the road surface in each knee joint, in order to walk float leg tip upward, short distance W 2 between the ground point of the legs 4, an excessive load to the joint 6 does not act .

【0038】図7は、第2実施形態の制御装置が使用し
ている制御アルゴリズムである。図7のアルゴリズム
が、図5に示した第1実施形態のアルゴリズムと異なる
点は、第1実施形態では、脚先端のX、Y、Z座標及び
膝関節のY座標を考慮して制御を行っていたのに対し、
第2実施形態では、脚先端のY、Z座標及び膝関節の
X、Y、Z座標を考慮して制御を行っている点である。
FIG. 7 shows a control algorithm used by the control device of the second embodiment. The difference between the algorithm of FIG. 7 and the algorithm of the first embodiment shown in FIG. 5 is that in the first embodiment, the control is performed in consideration of the X, Y, and Z coordinates of the tip of the leg and the Y coordinate of the knee joint. While
In the second embodiment, the control is performed in consideration of the Y, Z coordinates of the tip of the leg and the X, Y, Z coordinates of the knee joint.

【0039】まず、ステップS31において、現在の各
関節の回転角度θi(t)から脚先端のY、Z座標成分
tY、PtZ、及び、膝関節位置の座標Pm(PmX
mY、Pm Z)を計算する。次に、ステップS32におい
て、図2及び図6(c)(d)に示した歩行パターンに
基づいて膝関節の目標位置Pmd(PmXd、PmYd
mZd)を設定する。更に、脚先端のZ座標の目標値P
tZdを、脚先端が天井高Hmaxよりも低くなるように設定
する。ステップS33では、脚先端のY座標の目標値P
tY dを(数式11)によって計算する。
[0039] First, in step S31, the rotation angle θ i (t) Karaashi tip of Y of each current joint, Z coordinate component P tY, P tZ, and the coordinates P m of the knee joint position (P mX,
P mY, calculates the P m Z). Next, in step S32, the knee joint target position P md (P mXd , P mYd , P mYd ,
P mZd ). Furthermore, the target value P of the Z coordinate of the tip of the leg
tZd and set to the leg tip is lower than the ceiling height H max. In step S33, the target value P of the Y coordinate of the tip of the leg
tY d is calculated by (Equation 11).

【数11】 PtYd=PrY+K(PmYd−PrY) (数式11) ここで、PrYは現在の脚根元のY座標成分であり、Kは
0乃至1の任意定数である。定数Kの値は、適用により
任意適当に定めることができる。
P tYd = P rY + K (P mYd −P rY ) (Equation 11) where P rY is the Y coordinate component of the current foot base, and K is an arbitrary constant of 0 to 1. The value of the constant K can be arbitrarily and appropriately determined depending on the application.

【0040】ステップS34では、図5のステップS1
4と同様の手順で各関節6の回転角Δθを計算するが、
第2実施形態では(数式4)に対応する評価関数Eを、
In step S34, step S1 in FIG.
The rotation angle Δθ of each joint 6 is calculated in the same procedure as in step 4.
In the second embodiment, the evaluation function E corresponding to (Equation 4) is

【数12】 E=(PtYd−PtY−ΔPtY(Δθ1))2 +(PtZd−PtZ−ΔPtZ(Δθ1))2 +(PmXd−PmX−ΔPmX(Δθ1))2 +(PmYd−PmY−ΔPmY(Δθ1))2 +(PmZd−PmZ−ΔPmZ(Δθ1))2 (数式12) として各関節6の回転角度Δθを計算している。E = (P tYd −P tY −ΔP tY (Δθ 1 )) 2 + (P tZd −P tZ −ΔP tZ (Δθ 1 )) 2 + (P mXd −P mX −ΔP mX (Δθ 1) )) 2 + (P mYd −P mY −ΔP mY (Δθ 1 )) 2 + (P mZd −P mZ −ΔP mZ (Δθ 1 )) 2 (Equation 12) to calculate the rotation angle Δθ of each joint 6. ing.

【0041】ステップS35及びS36の処理は、図5
のステップS15及びS16と同一であるので説明を省
略する。次に、ステップS37において、各関節6が、
現在の回転角度θi(t)から、ステップS36までで
計算した各関節6の回転角度Δθiだけ回転した後の脚
先端のY、Z座標成分PtY、PtZ、及び、膝関節の位置
mを計算する。
The processing in steps S35 and S36 is the same as that in FIG.
Since steps S15 and S16 are the same, description thereof will be omitted. Next, in step S37, each joint 6
From the current rotation angle θ i (t), the Y and Z coordinate components P tY and P tZ of the tip of the leg after rotation by the rotation angle Δθ i of each joint 6 calculated in step S36, and the position of the knee joint to calculate the P m.

【0042】ステップS38では、ステップS37で計
算したPtY、PtZ、Pm(PmX、Pm Y、PmZ)を(数式
13)に代入して評価関数Eの値を計算する。
[0042] At step S38, P tY calculated in step S37, to calculate the value of P tZ, P m (P mX , P m Y, P mZ) Evaluation by substituting (Equation 13) function E.

【数13】 E=(PtYd−PtY2+(PtZd−PtZ2 +(PmXd−PmX2+(PmYd−PmY2 +(PmZd−PmZ2 (数式13) ステップS39及びS40の処理は、図5のステップS
19及びS20と同一であるので説明を省略する。
[Number 13] E = (P tYd -P tY) 2 + (P tZd -P tZ) 2 + (P mXd -P mX) 2 + (P mYd -P mY) 2 + (P mZd -P mZ) 2 (Equation 13) The processing in steps S39 and S40 is performed in step S39 in FIG.
Since these are the same as 19 and S20, the description is omitted.

【0043】以上のように、図2及び図6(c)(d)
に示した歩行パターンに基づいて脚先端の目標位置を順
次与え、図7のアルゴリズムの処理を各脚について行っ
て目標回転角度を計算し、それに従って多関節ロボット
Rを歩行させる。本実施形態では、膝関節を路面に接地
させて歩行するので、多関節ロボットRが狭隘部を歩行
する際にも関節6に過大な荷重が作用することがない。
As described above, FIGS. 2 and 6C and 6D
The target positions of the leg tips are sequentially given based on the walking pattern shown in (1), the algorithm of FIG. 7 is applied to each leg to calculate the target rotation angle, and the articulated robot R is caused to walk accordingly. In the present embodiment, since the knee joint walks with the ground touching the road surface, an excessive load does not act on the joint 6 even when the articulated robot R walks in a narrow part.

【0044】以上、本発明の好ましい実施形態を説明し
たが、本発明の範囲又は精神から逸脱することなく、特
許請求の範囲に記載された技術的事項の範囲内におい
て、開示した実施形態に種々の変更をすることができ
る。特に、本実施形態は、各々8つの関節部を有する8
本の脚を備えた多関節ロボットRを制御する制御装置で
あるが、本発明の制御装置によって、任意個数の関節を
有する任意本数の脚を備えたロボットを制御することが
できる。また、ロボットの歩行パターンは上述の実施形
態で示されたパターン以外の歩行パターンであっても良
い。更に、本発明の制御装置を、多関節を有するロボッ
ト脚の歩行制御ばかりでなく、歩行以外の任意の操作を
行うロボットアームの制御を行うように構成することも
できる。
While the preferred embodiments of the present invention have been described above, various modifications may be made to the disclosed embodiments without departing from the scope or spirit of the present invention and within the technical scope described in the claims. Can be changed. In particular, the present embodiment has eight joints each having eight joints.
Although the control device controls the articulated robot R having the legs, the control device of the present invention can control a robot having an arbitrary number of legs having an arbitrary number of joints. Further, the walking pattern of the robot may be a walking pattern other than the pattern shown in the above embodiment. Furthermore, the control device of the present invention can be configured to control not only walking control of a robot leg having multiple joints, but also a robot arm that performs an arbitrary operation other than walking.

【0045】[0045]

【発明の効果】本発明の多関節ロボットの制御装置によ
り、多数の関節を有する複数本の脚を備えた多関節ロボ
ットを、脚同士が干渉することのないように制御するこ
とができる。また、本発明の多関節ロボットの制御装置
により、多数の関節を有する複数本の脚を備えた多関節
ロボットが、脚の関節に過大な荷重を作用させることな
く天井高の低い狭隘部を歩行することができる。
According to the articulated robot control apparatus of the present invention, an articulated robot having a plurality of legs having a large number of joints can be controlled so that the legs do not interfere with each other. Further, the control device of the articulated robot of the present invention allows an articulated robot having a plurality of legs having a large number of joints to walk in a narrow part with a low ceiling height without applying an excessive load to the leg joints. can do.

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

【図1】本発明の第1実施形態の制御装置、及び、この
制御装置によって制御される多関節ロボットを示す上面
図である。
FIG. 1 is a top view illustrating a control device according to a first embodiment of the present invention and an articulated robot controlled by the control device.

【図2】第1実施形態の制御装置によって制御される多
関節ロボットの歩行パターンを示す概略上面図である。
FIG. 2 is a schematic top view showing a walking pattern of the articulated robot controlled by the control device of the first embodiment.

【図3】第1実施形態の制御装置によって制御される多
関節ロボットの脚の運びを示す側面図である。
FIG. 3 is a side view showing the movement of the legs of the articulated robot controlled by the control device according to the first embodiment.

【図4】第1実施形態の制御装置によって制御される多
関節ロボットの歩行パターンを示すフローチャートであ
る。
FIG. 4 is a flowchart showing a walking pattern of the articulated robot controlled by the control device of the first embodiment.

【図5】第1実施形態の制御装置に使用されている、脚
の各関節の回転角度を計算するための計算アルゴリズム
である。
FIG. 5 is a calculation algorithm for calculating a rotation angle of each joint of a leg used in the control device of the first embodiment.

【図6】多関節ロボットの従来の制御装置による歩行パ
ターンの上面図及び正面図を(a)(b)に示し、本発
明の第2実施形態の制御装置による歩行パターンの上面
図及び正面図を(c)(d)に示す。
6A and 6B are a top view and a front view of a walking pattern by a conventional control device of an articulated robot, respectively. FIGS. 6A and 6B are top and front views of a walking pattern by a control device according to a second embodiment of the present invention. Are shown in (c) and (d).

【図7】第2実施形態の制御装置に使用されている、脚
の各関節の回転角度を計算するための計算アルゴリズム
である。
FIG. 7 is a calculation algorithm for calculating a rotation angle of each joint of a leg used in the control device of the second embodiment.

【図8】従来の4本脚歩行ロボットの上面図及び斜視図
である。
FIG. 8 is a top view and a perspective view of a conventional four-legged walking robot.

【図9】従来のロボット脚の構成を示す概略図である。FIG. 9 is a schematic diagram showing a configuration of a conventional robot leg.

【図10】従来のロボット制御装置に使用されている、
脚の各関節の回転角度を計算するための計算アルゴリズ
ムである。
FIG. 10 shows a diagram used in a conventional robot controller.
This is a calculation algorithm for calculating the rotation angle of each joint of the leg.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

E 評価関数 E0 評価関数しきい値 Pm 膝関節位置 Pmd 膝関節目標位置 Pt 脚先端位置 Ptd 脚先端目標位置 ΔPt(Δθ) 脚先端変位量 ΔPm(Δθ) 膝関節変位量 Δθ 各関節の回転角 R 多関節ロボット V 電源 1 多関節ロボットの制御装置 2 胴体 4 脚 6 関節 8 リンク部材E evaluation function E 0 evaluation function threshold P m knee position P md knee target position P t leg distal end position P td leg tip target position [Delta] P t ([Delta] [theta]) leg tip displacement [Delta] P m ([Delta] [theta]) knee joint displacement Δθ Rotation angle of each joint R Articulated robot V Power supply 1 Control device of articulated robot 2 Body 4 Legs 6 Joints 8 Link members

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 3C007 CS08 MS03 MS05 WA12 WB02 WB05  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page F term (reference) 3C007 CS08 MS03 MS05 WA12 WB02 WB05

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 リンク部材をN個の関節で連結した複数
本の脚を有する多関節ロボットの制御装置であって、こ
の制御装置が、 上記脚の先端の目標位置Ptdが与えられた際に、その脚
の根元関節である第1関節と先端関節である第N関節と
の間に設けられた膝関節である第M関節の目標位置Pmd
を、所定の条件により設定する膝関節目標位置設定手段
と、 現在の脚先端位置をPtとし、第1関節をΔθ1だけ回転
させ、他の関節を回転させない場合の脚先端位置の変位
量をΔPt(Δθ1)とし、現在の膝関節位置をPm
し、第1関節をΔθ1だけ回転させ、他の関節を回転さ
せない場合の膝関節位置の変位量をΔPm(Δθ1)と
し、評価関数Eを、 E=(Ptd−Pt−ΔPt(Δθ1))2+(Pmd−Pm
ΔPm(Δθ1))2 として、この評価関数Eの値を最小とするΔθ1の値を
最小2乗法により計算し、このΔθ1に所定の係数を乗
じた値を第1関節の回転角とする第1関節回転角演算手
段と、 同様に、第i関節をΔθiだけ回転させ、他の関節を回
転させない場合の脚先端位置の変位量をΔPt(Δθi
とし、第i関節をΔθiだけ回転させ、他の関節を回転
させない場合の膝関節位置の変位量をΔPm(Δθi)と
し、評価関数Eを、 E=(Ptd−Pt−ΔPt(Δθi))2+(Pmd−Pm
ΔPm(Δθi))2 として、この評価関数Eの値を最小とするΔθiの値を
最小2乗法により計算し、計算されたΔθiに所定の係
数を乗じることによって第2関節から第N関節までの関
節の回転角を順次求める第i関節回転角演算手段と、を
有し、 上記評価関数Eの値が所定のしきい値以下になるまで、
上記第1関節回転角演算手段及び第i関節回転角演算手
段が各関節の回転角度を順次反復計算することを特徴と
する多関節ロボットの制御装置。
1. A multi-joint robot control device having a plurality of legs in which link members are connected by N joints, the control device being configured to provide a target position P td of the tip of the leg. A target position P md of an M-th joint which is a knee joint provided between a first joint which is a root joint of the leg and an N-th joint which is a distal joint.
And a knee joint target position setting means for setting a predetermined condition, the current leg tip position and P t, rotate the first joint by [Delta] [theta] 1, the amount of displacement of the leg tip position of the case of not rotating the other joint the [Delta] P t ([Delta] [theta] 1) and then, the current of the knee joint position and P m, to rotate the first joint by [Delta] [theta] 1, [Delta] P the amount of displacement of the knee joint position of the case of not rotating the other joints m ([Delta] [theta] 1) and then, an evaluation function E, E = (P td -P t -ΔP t (Δθ 1)) 2 + (P md -P m -
As ΔP m (Δθ 1 )) 2 , the value of Δθ 1 that minimizes the value of the evaluation function E is calculated by the least square method, and the value obtained by multiplying Δθ 1 by a predetermined coefficient is the rotation angle of the first joint. Similarly, the displacement amount of the leg tip position when the ith joint is rotated by Δθ i and the other joints are not rotated is ΔP t (Δθ i )
The displacement amount of the knee joint position when the ith joint is rotated by Δθ i and the other joints are not rotated is ΔP m (Δθ i ), and the evaluation function E is E = (P td −P t −ΔP) t (Δθ i )) 2 + (P md −P m
As ΔP m (Δθ i )) 2 , the value of Δθ i that minimizes the value of the evaluation function E is calculated by the least squares method, and the calculated Δθ i is multiplied by a predetermined coefficient to obtain a value from the second joint. And i-th joint rotation angle calculating means for sequentially calculating the rotation angles of the joints up to the N joints.
A control apparatus for a multi-joint robot, wherein the first joint rotation angle calculation means and the i-th joint rotation angle calculation means sequentially and repeatedly calculate the rotation angles of the respective joints.
【請求項2】 上記多関節ロボットを所定の方向に歩行
させるように、上記目標位置Ptdを、各脚について時系
列的に与えることを特徴とする請求項1記載の多関節ロ
ボットの制御装置。
2. The control apparatus for an articulated robot according to claim 1, wherein the target position P td is given in a time series for each leg so that the articulated robot walks in a predetermined direction. .
【請求項3】 上記膝関節目標位置設定手段が、上記多
関節ロボットの歩行の進行方向にY座標を取り、脚の根
元位置のY座標成分をPrYとし、脚先端の目標位置のY
座標成分をPtYdとし、Kを0から1の間の任意定数と
して、膝関節の目標位置のY座標成分PmYdを、 PmYd=PrY+K(PtYd−PrY) の数式により設定し、 上記第1関節回転角演算手段が、PmYを上記PmのY座
標成分とし、ΔPmYを上記ΔPmのY座標成分とし、評
価関数Eを、 E=(Ptd−Pt−ΔPt(Δθ1))2+(PmYd−PmY
−ΔPmY(Δθ1))2 としてΔθ1の値を計算し、このΔθ1に所定の係数を乗
じることによって第1関節の回転角を求め、 上記第i関節回転角演算手段が、評価関数Eを、 E=(Ptd−Pt−ΔPt(Δθi))2+(PmYd−PmY
−ΔPmY(Δθi))2 としてΔθiの値を計算し、このΔθiに所定の係数を乗
じることによって第2乃至第N関節の回転角を求めるこ
とを特徴とする請求項2記載の多関節ロボットの制御装
置。
3. The knee joint target position setting means obtains a Y coordinate in a traveling direction of the walking of the articulated robot, sets a Y coordinate component of a base position of the leg to PrY, and sets a Y position of a target position of the tip end of the leg.
The coordinate component is P tYd, and K is an arbitrary constant between 0 and 1, and the Y coordinate component P mYd of the target position of the knee joint is set by a formula of P mYd = P rY + K (P tYd −P rY ). The first joint rotation angle calculating means sets P mY as the Y coordinate component of P m , sets ΔP mY as the Y coordinate component of ΔP m , and sets the evaluation function E to E = (P td −P t −ΔP t (Δθ 1 )) 2 + (P mYd −P mY
-ΔP mY (Δθ 1)) 2 the value of [Delta] [theta] 1 is calculated as to obtain the rotation angle of the first joint by multiplying a predetermined coefficient to the [Delta] [theta] 1, is the i-th joint rotation angle calculating means, the evaluation function the E, E = (P td -P t -ΔP t (Δθ i)) 2 + (P mYd -P mY
3. The method according to claim 2 , wherein a value of Δθ i is calculated as −ΔP mY (Δθ i )) 2 , and the rotation angles of the second to N-th joints are obtained by multiplying Δθ i by a predetermined coefficient. Control device for articulated robot.
【請求項4】 上記多関節ロボットが狭隘部を歩行でき
るように、上記第M関節が歩行路面に接地し、脚の先端
位置が歩行路面の天井の高さよりも低くなるように上記
目標位置Pmd、Ptdを、各脚について時系列的に与える
ことを特徴とする請求項1記載の多関節ロボットの制御
装置。
4. The target position P such that the M-th joint is in contact with a walking road surface so that the articulated robot can walk in a narrow portion, and the tip end position of the leg is lower than the height of the ceiling of the walking road surface. 2. The control device for an articulated robot according to claim 1, wherein md and Ptd are given in time series for each leg.
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