JP2003117858A - Method and device for control of robot walk - Google Patents

Method and device for control of robot walk

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JP2003117858A
JP2003117858A JP2002310450A JP2002310450A JP2003117858A JP 2003117858 A JP2003117858 A JP 2003117858A JP 2002310450 A JP2002310450 A JP 2002310450A JP 2002310450 A JP2002310450 A JP 2002310450A JP 2003117858 A JP2003117858 A JP 2003117858A
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JP
Japan
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robot
motion
movement
waist
walking
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Application number
JP2002310450A
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Japanese (ja)
Inventor
Yoshihiro Kuroki
義博 黒木
Kenzo Ishida
健蔵 石田
Jinichi Yamaguchi
仁一 山口
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Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a robot walk control device and a method therefor capable of compensating or recovering the attitude stability which is lost owing to the motions to represent one's emotion made chiefly by his upper body such as a gesture with upper body and/or hand(s). SOLUTION: The method and device according to the invention generate the whole body motion patterns of a robot capable of achieving a stable walk by leading out the waist motion patterns on the basis of foot motion pattern, ZMP track, trunk motion pattern, and arm motion pattern which may be decided any as desired. The walking mode of the legs is decided so as to generate stable walking even if the robot takes various motion conditions such as at a standstill upright or walking ordinarily. If in particular, such motions as gesture with upper body and/or hand(s) are added to the standstill upright, the walking mode of the legs so as to generate stable walking is decided in accordance with the walking mode of the upper body.

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
トのための歩行制御装置及び歩行制御方法に係り、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た
めの歩行制御装置及び歩行制御方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a walking control device and a walking control method for a realistic robot having a structure imitating a mechanism or a motion of a living body, and more particularly, to an upright walking type such as a human or a monkey. The present invention relates to a walking control device and a walking control method for a legged mobile robot having a structure imitating the body mechanism and motion of the robot.

【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脚部の上には胴体や頭部、
腕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ための歩行制御装置及び歩行制御方
法に係り、特に、ヒトに近い自然な動作や豊な表現力を
維持しながら2足による安定歩行を実現するロボットの
ための歩行制御装置及び歩行制御方法に関する。
More specifically, the present invention performs legged movement by bipedal upright walking, and a torso and a head are provided on the legs.
The present invention relates to a walking control device and a walking control method for an upright walking / legged mobile robot in which a so-called upper body such as an arm is mounted, and in particular, two legs while maintaining a natural motion close to a human and abundant expressive power. The present invention relates to a walking control device and a walking control method for a robot that realizes stable walking.

【0003】[0003]

【従来の技術】電気的若しくは磁気的な作用を用いて人
間の動作に似せた運動を行う機械装置のことを「ロボッ
ト」という。ロボットの語源は、スラブ語の"ROBO
TA(奴隷機械)"に由来すると言われている。わが国
においてロボットが普及し始めたのは1960年代末か
らであるが、その多くは、工場における生産作業の自動
化・無人化などを目的としたマニピュレータや搬送ロボ
ットなどの産業用ロボット(industrial robot)であっ
た。
2. Description of the Related Art A mechanical device that makes a motion similar to a human motion by using an electrical or magnetic action is called a "robot". The origin of the robot is the Slavic word "ROBO".
It is said that it is derived from "TA (slave machine)." Robots began to spread in Japan from the end of the 1960s, but most of them were aimed at automating and unmanning production work in factories. It was an industrial robot such as a manipulator or a transfer robot.

【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、階段の昇
降や障害物の乗り越え等、柔軟な走行動作を実現できる
点で優れている。
In recent years, research and development of legged mobile robots imitating the body mechanism and motions of animals such as humans and monkeys that perform upright bipedal walking have progressed, and expectations for their practical application are increasing. The legged movement with two legs upright is excellent in that it can realize flexible running motions such as going up and down stairs and overcoming obstacles.

【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。
The legged mobile robot has a historical background that it was started from a study on legged movements using only the lower limbs as an elemental technology, rather than 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 Application Laid-Open No. 3-184782 discloses a joint structure applied to a structure corresponding to the lower part of the body 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(Zero M
omentPoint)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。
Further, Japanese Patent Laid-Open No. 5-305579 discloses a walking control device for a legged mobile robot. The walking control device described in the publication is ZMP (Zero M
omentPoint), that is, to control the point on the floor where the moment due to the floor reaction force when walking becomes zero to match the target value. However, as can be seen from FIG. 1 described in the publication, the body 24 that acts on the moment is formed into a black box, and not all five bodies are completed, but a proposal of leg type movement as an elemental technology. 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、五体を完備した構造体の完成で
ある。すなわち、2足歩行を行う下肢と、胴体や頭部、
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で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、人間の住空間上での作
業の各場面において、上肢、下肢、及び体幹部を所定の
優先順位に従って協調動作するように制御する必要があ
る。
However, needless to say, the ultimate purpose of the legged mobile robot is to complete a structure having five complete bodies. That is, the lower limbs that walk on two legs, the torso and the head,
The purpose of the present invention is to perform upright walking with two legs with a structure composed of upper limbs including arms and a trunk that connects the lower limbs to the upper limbs. The robot with the completed five bodies is supposed to perform upright / legged movement work using two legs, and in each scene of the work in the human living space, the upper limbs, the lower limbs, and the trunk are coordinated according to a predetermined priority order. Need to be controlled.

【0009】特に、ヒトの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「人間形」、若しく
は「人間型」のロボット(humanoid robot)と呼ぶ。人
間型ロボットは、例えば、生活支援、すなわち住環境そ
の他の日常生活上の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。
In particular, a legged mobile robot that emulates a human mechanism or motion is called a "humanoid" or "humanoid" robot. The humanoid robot can perform, for example, life support, that is, support for human activities in various situations in the living environment and other daily life.

【0010】脚式移動ロボットは、旧来同様の産業目的
のものと、エンターティンメント目的のものとに大別す
ることができよう。
Legged mobile robots can be roughly divided into those for industrial purposes and those for entertainment purposes, which have been used in the past.

【0011】前者の産業目的のロボットは、産業活動・
生産活動等における各種の難作業をヒトに代行して実現
することを意図する。その一例は、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、製造工場や高層ビルにおけるような危険作
業・難作業の代行である。この種のロボットは、産業上
の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
ズムや動作メカニズム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
に手先など特定の部位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するといった設計上の便宜
が施される。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。
The former industrial purpose robot is used for industrial activities.
It is intended to implement various difficult tasks in production activities on behalf of humans. An example thereof is maintenance work in a nuclear power plant, a thermal power plant, a petrochemical plant, and a dangerous work / difficult work in a manufacturing plant or a high-rise building. This type of robot is designed and manufactured with the utmost aim of achieving a specific industrial use or function, and although it is premised on bipedal locomotion, it is originally possessed by upright walking animals such as humans and monkeys. It is not always necessary to faithfully reproduce the body mechanism and the movement mechanism as a mechanical device. For example, while enhancing the degree of freedom and movement functions of specific parts such as the hand to realize a specific application, the degree of freedom of the head and waist, which are relatively unrelated to the application, is limited or omitted. A design convenience such as that is provided. As a result, although it is so-called bipedal walking, unnaturalness may remain in the appearance of the work and movement of the robot.
There is no choice but to compromise on this point.

【0012】これに対し、後者のエンターティンメント
目的の脚式移動ロボットは、難作業を代行するという生
活支援というよりも、生活そのものに密着した性質を持
す。すなわち、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、エンターティンメント・ロボット
は、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、表現力が豊かであることが望ましい。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。
On the other hand, the latter type of legged mobile robot for entertainment purposes has a property closely related to life itself, rather than life support of substituting for difficult work. In other words, the robot of this kind has as its utmost purpose to faithfully reproduce the mechanism originally possessed by an animal such as a human being or a monkey that walks upright with two legs, and realizes its naturally smooth motion. Further, it is desirable that the entertainment robot has rich expressive power as long as it emulates a highly intelligent upright animal such as a human or a monkey. In this sense, an entertainment robot that imitates a human is exactly what we call a "humanoid robot."

【0013】要するに、ひとえに脚式移動ロボットとい
っても、エンターティンメント目的のロボットは、産業
目的ロボットとは要素技術を共有する反面、究極目標や
これを実現するためのハードウェア・メカニズム、動作
の制御方法やソフトウェア構成は全く異なると言っても
過言ではない。
In short, even if a legged mobile robot is called an entertaining robot, it shares elemental technology with an industrial robot, but on the other hand, the ultimate goal and the hardware mechanism and operation for realizing it are required. It is no exaggeration to say that the control method and software configuration of are completely different.

【0014】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・動作制御やバランス制御
等のための計算量が指数関数的に増大してしまう。
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 a motion as close to a human as possible, it is preferable to give almost the same degree of freedom, but this is technically extremely difficult. For this reason, it is necessary to arrange at least one actuator for each degree of freedom. However, mounting hundreds of actuators on a mechanical device called a robot also reduces weight and weight. It is impossible from the viewpoint of design such as size. Further, if there are many degrees of freedom, the amount of calculation for position / motion control, balance control, etc. increases exponentially.

【0015】以上を要言すれば、人間型ロボットは、制
限された自由度を用いて人体メカニズムをエミュレート
しなければならない。エンターティンメント目的のロボ
ットの場合、さらに、人体よりもはるかに少ない自由度
を用いてよりヒトに近い自然な動作や、表現力豊な動作
を実現しなければならないという要件が課される訳であ
る。
In brief, the humanoid robot must emulate the human body mechanism with a limited degree of freedom. In the case of a robot for entertainment purposes, there is a further requirement that natural movements close to humans and expressive movements must be realized using far less degrees of freedom than the human body. is there.

【0016】また、2足直立歩行を行う脚式移動ロボッ
トは、柔軟な走行動作(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、エンターティンメント・タイプのロ
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。
A legged mobile robot that walks upright on two legs is excellent in that it can realize flexible running motions (for example, ascending and descending stairs and climbing over obstacles), but it has a high center of gravity. To that extent, posture control and stable walking control become difficult. In particular, in the case of an entertainment type robot, it is necessary to control the posture and stable walking while richly expressing the natural movements and emotions of intelligent animals such as humans and monkeys.

【0017】[0017]

【発明が解決しようとする課題】ところで、ヒトやサル
における動作上の「表現力」を考えた場合、腕や胴体の
などの上体の動きや姿勢は、作業の実現だけでなく、感
情の体現という側面があり、非常に重要な意味を持つ。
これが「身振り」、「手振り」と呼ばれる所以である。
By the way, when considering the "expressive power" in motion in humans and monkeys, the movements and postures of the upper body such as arms and torso are not limited to the realization of work but also the emotional It has the aspect of embodying and has a very important meaning.
This is why it is called "gesture" or "hand gesture".

【0018】日常生活において、身振りや手振りは、下
半身の停止不動状態、歩行やその他下半身の可動状態の
いずれの期間中も行われる。また、身振りや手振りによ
り、身体全体の重心位置は大幅に移動し、慣性モーメン
トが発生する。ヒトやサルなど現実の動物は、自律的に
重心バランスやモーメントを補償して、停止状態や歩行
状態を正常に維持する動作を自ずと行うように造られて
いる。
In everyday life, gestures and hand gestures are performed during the stationary state of the lower half of the body, walking and other movable states of the lower half of the body. In addition, the position of the center of gravity of the whole body is significantly moved by the gesture or hand gesture, and a moment of inertia is generated. Real animals such as humans and monkeys are designed to autonomously compensate for the balance and moment of the center of gravity, and naturally perform the operation of normally maintaining a stopped state or a walking state.

【0019】他方、人間型ロボットにおいては表現力が
豊かであることが重要課題であり(前述)、当然にして
身振りや手振りは欠かせない。したがって、身振りや手
振りという上半身主導の動作に対して適応的な姿勢制御
や安定歩行制御が必要となってくる。
On the other hand, it is an important issue for humanoid robots to have rich expressive power (described above), and of course, gestures and hand gestures are indispensable. Therefore, adaptive posture control and stable gait control are required for upper body motions such as gestures and hand gestures.

【0020】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、当
業界において既に数多提案されている。しかしながら、
これら従来の提案の多くは、ZMP(Zero Moment Poin
t)、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適
応的に制御する方式である。
A number of techniques have already been proposed in the art for posture control and stable walking relating to a robot of the type that performs legged movement by bipedal walking. However,
Many of these conventional proposals are based on ZMP (Zero Moment Poin
t), that is, a method of adaptively controlling the point on the floor where the moment due to the floor reaction force when walking becomes zero to match the target value.

【0021】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 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.

【0022】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 JP-A-5-305581, the ZMP is at least inside the supporting polyhedron (polygon), or at least from the end of the supporting polyhedron (polygon) when landing or leaving the floor. It is configured to be in a position having a predetermined margin. As a result, there is a margin of ZMP for a predetermined distance even when a disturbance or the like is received, and the stability of walking can be improved.

【0023】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 No. 5-305583 discloses that the walking speed of a legged mobile robot is controlled by the ZMP target position. That is, the legged mobile robot described in the publication uses the preset walking pattern data to drive the leg joints so as to match the ZMP with the target position and detect the inclination of the upper body to detect the inclination. The discharge speed of the walking pattern data set according to the detected value is changed. As a result, when the robot steps forward on an unexpected bump and tilts forward, 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 in the both-leg supporting period.

【0024】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。
Further, Japanese Laid-Open Patent Publication No. 5-305585 discloses that the landing position of the legged mobile robot is controlled by the ZMP target position. That is, the legged mobile robot disclosed in the publication detects a deviation between the ZMP target position and the actual measurement position and drives one or both of the legs to eliminate the deviation, or moves around the ZMP target position. By detecting the moment and driving the legs so that it becomes zero, stable walking is performed.

【0025】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。
Further, Japanese Patent Laid-Open No. 5-305586 discloses that the tilted posture of the legged mobile robot is controlled by the 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, it drives the legs so that the moment becomes zero so that stable walking is performed. It has become.

【0026】また、例えば、「2足歩行ロボット資料
集」(改訂第2版)文部省科学研究費・総合研究(A)
「2足歩行ロボットの歩行と制御の研究」研究グループ
(昭和61年2月)、及び「上体運動により3軸モーメ
ントを補償する2足歩行ロボットの開発」(第6回知能
移動ロボットシンポジウム、1992年5月21日、2
2日)などには、少なくとも上体に駆動できる上体関節
を備えるとともに、上体に連結される脚部に複数の関節
を供え、該脚部関節を駆動して歩行するタイプの脚式移
動ロボットにおいて、上体の歩容を脚部の歩容に基づい
て決定する(すなわち脚式動作による姿勢不安定を上体
の歩容で補う)という点が開示されている。
[0026] Further, for example, "Collection of Bipedal Robots" (Revised 2nd Edition) Ministry of Education Scientific Research Fund / Comprehensive Research (A)
"Study on Walking and Control of Biped Robot" Research Group (February 1986) and "Development of Biped Robot Compensating Triaxial Moment by Upper Body Motion" (6th Intelligent Mobile Robot Symposium, May 21, 1992, 2
(2nd day) and the like, at least a body joint that can be driven to the upper body is provided, and a plurality of joints are provided to the leg connected to the upper body, and the leg joint is driven to walk to walk. It is disclosed that, in a robot, the gait of the upper body is determined based on the gait of the leg (that is, the posture instability due to legged motion is compensated by the gait of the upper body).

【0027】すなわち、上記に挙げた技術は総じて、上
半身主導の動作を考慮した姿勢制御や安定歩行制御を行
うものではない。上記の技術は、2足歩行の脚式移動ロ
ボットの歩行中に、外乱などのために歩行継続が困難と
なった場合に、上半身の歩容(時間的な動き)を変更し
て歩行の安定性を回復するものである。すなわち、下半
身主導の動作中に、外乱による不安定を補償するために
上半身の歩容を変更するものであり、言い換えれば上半
身による表現力を犠牲にしていることに他ならない。ま
た、上記の各公報に記載された脚式移動ロボットは、い
ずれも身振りや手振りなど上半身主導の感情表現動作の
ために失われた安定姿勢を回復させるものではない。
In other words, the above-mentioned techniques generally do not perform posture control or stable walking control in consideration of motions led by the upper body. The above technology changes the gait (temporal movement) of the upper body and stabilizes walking when it becomes difficult to continue walking due to disturbance during walking of a bipedal legged mobile robot. It is to restore sex. That is, the gait of the upper body is changed to compensate for instability due to disturbance during the lower body-led motion, in other words, the expressive power of the upper body is sacrificed. Further, none of the legged mobile robots described in the above publications recovers the stable posture lost due to the emotional expression motions led by the upper body such as gestures and hand gestures.

【0028】本発明は、上述したような技術的課題を勘
案したものであり、その目的は、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
ための、優れた歩行制御装置及び歩行制御方法を提供す
ることにある。
The present invention has been made in consideration of the above-mentioned technical problems, and an object thereof is to provide an excellent walking control device for a realistic robot having a structure simulating the mechanism and operation of a living body, and It is to provide a walking control method.

【0029】本発明の更なる目的は、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
を有する脚式移動型ロボットのための、優れた歩行制御
装置及び歩行制御方法を提供することにある。
A further object of the present invention is to provide an excellent walking control device and walking control method for a legged mobile robot having a structure simulating an upright walking type body mechanism or motion, such as a human being or a monkey. To provide.

【0030】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脚部の上には胴体や頭部、腕
などのいわゆる上半身が搭載されてなる直立歩行・脚式
移動型ロボットのための、優れた歩行制御装置及び歩行
制御方法を提供することにある。
A further object of the present invention is an upright walking / leg-moving type in which leg movement is performed by upright walking on two legs, and so-called upper body such as torso, head and arm is mounted on the legs. An object is to provide an excellent walking control device and a walking control method for a robot.

【0031】本発明の更なる目的は、ヒトに近い自然な
動作や豊かな表現力を維持しながら安定歩行を実現する
ロボットのための、優れた歩行制御装置及び歩行制御方
法を提供することにある。
A further object of the present invention is to provide an excellent walking control device and walking control method for a robot that realizes stable walking while maintaining natural movements close to humans and rich expressiveness. is there.

【0032】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脚部の上には胴体や頭部、腕
などのいわゆる上半身が搭載されてなるロボットにおい
て、身振りや手振りなど上半身主導の感情表現動作のた
めに失われた姿勢安定性を補償若しくは回復させること
ができる、優れた歩行制御装置及び歩行制御方法を提供
することにある。
A further object of the present invention is to perform a legged movement by two-legged upright walking and a gesture in which a so-called upper body such as a torso, a head, and an arm is mounted on the legs, such as gesturing and gesturing. It is an object of the present invention to provide an excellent walking control device and a walking control method capable of compensating for or recovering the posture stability lost due to the emotion expressing motion led by the upper body.

【0033】本発明の更なる目的は、上半身の歩容に応
じて安定歩行できるような下半身の歩容を決定すること
ができる、2足直立歩行型ロボットのための優れた歩行
制御装置及び歩行制御方法を提供することにある(「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り、「運動パターン」と略同義で
ある)。
A further object of the present invention is to provide an excellent gait control device and gait for a two-leg upright walking robot capable of determining the gait of the lower body so that it can stably walk according to the gait of the upper body. It is to provide a control method ("gait" is a technical term in the art that means "time-series change of joint angle" and is synonymous with "movement pattern").

【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
とも下肢と体幹部と腰部で構成され、下肢による脚式移
動を行うタイプのロボットの歩行制御装置又は歩行制御
方法であって、任意の足部運動パターン、ZMP軌道、
体幹運動パターン、上肢運動パターンに基づいて腰部運
動パターンを導出することにより歩行時の全身運動パタ
ーンを得ることを特徴とするロボットの歩行制御装置又
は歩行制御方法である。
The present invention has been made in consideration of the above problems, and a first side surface thereof is composed of at least a lower limb, a trunk and a lower back, and performs leg type movement by the lower limb. A walking control device or a walking control method for a robot of a type, comprising an arbitrary foot movement pattern, ZMP trajectory,
A walking control device or a walking control method for a robot, characterized by obtaining a whole-body motion pattern during walking by deriving a waist motion pattern based on a trunk motion pattern and an upper limb motion pattern.

【0035】また、本発明の第2の側面は、少なくとも
下肢と体幹部と腰部で構成され、ZMPが目標位置に入
るように下肢による脚式移動を行うタイプのロボットの
歩行制御装置又は歩行制御方法であって、(a)要求さ
れた動作を実現するための足部運動、体幹運動、上肢運
動、腰部の姿勢及び高さを設定する手段又はステップ
と、(b)前記手段又はステップ(a)により設定され
た足部運動に基づいてZMP軌道を設定する手段又はス
テップと、(c)前記手段又はステップ(b)により設
定されたZMP上でモーメントが釣り合う腰部運動の解
を求める手段又はステップと、(d)腰部運動の解に基
づいて腰部運動を実行する手段又はステップと、を具備
することを特徴とするロボットの歩行制御装置又は歩行
制御方法である。
A second aspect of the present invention is a walking control device or walking control of a robot of a type which is composed of at least a lower limb, a torso and a lower back, and performs legged movement by the lower limb so that the ZMP enters a target position. A method (a) means or step for setting a foot movement, a core movement, an upper limb movement, a posture and a height of a lumbar portion to realize a requested motion, and (b) the means or step ( a) a means or step for setting a ZMP trajectory based on the foot movement set in a); and (c) means for obtaining a solution of a waist movement in which moments balance on the ZMP set in the means or step (b), or A walking control device or a walking control method for a robot, comprising: a step; and (d) means or step for executing a waist motion based on a solution of the waist motion.

【0036】また、本発明の第3の側面は、少なくとも
下肢と体幹部と腰部で構成され、ZMPが目標位置に入
るように下肢による脚式移動を行うタイプのロボットの
歩行制御装置又は歩行制御方法であって、(A)要求さ
れた動作を実現するための足部運動、体幹運動、上肢運
動、腰部の姿勢及び高さを設定する手段又はステップ
と、(B)前記手段又はステップ(A)により設定され
た足部運動に基づいてZMP軌道を設定する手段又はス
テップと、(C)前記ロボットの非厳密モデルを用い
て、前記手段又はステップ(B)により設定されたZM
P上でモーメントが釣り合う腰部運動の近似解を求める
手段又はステップと、(D)前記ロボットの厳密モデル
を用いて、前記手段又はステップ(B)により設定され
たZMP上でモーメントが釣り合う腰部運動の近似解を
求める手段又はステップと、(E)前記手段又はステッ
プ(C)、及び、手段又はステップ(D)の各近似解の
差が所定の許容値未満であれば腰部運動の解とする手段
又はステップと、(F)前記手段又はステップ(C)、
及び、手段又はステップ(D)の各近似解の差が所定の
許容値以上であれば、設定ZMP上における非厳密モデ
ルのモーメントを修正して、前記手段(C)に再投入す
る手段又はステップと、(G)腰部運動の解に基づいて
腰部運動を実行する手段又はステップと、を具備するこ
とを特徴とするロボットの歩行制御装置又は歩行制御方
法である。
A third aspect of the present invention is a walking control device or walking control of a robot of a type which is composed of at least a lower limb, a torso and a lower back, and performs legged movement by the lower limb so that the ZMP enters a target position. A method (A) means or step for setting a foot movement, a trunk movement, an upper limb movement, a posture and a height of a lower back portion to realize a required motion, and (B) the means or step ( A) means or step for setting the ZMP trajectory based on the foot movement set by A), and (C) the ZM set by the means or step (B) using an inexact model of the robot.
A means or step for obtaining an approximate solution of the waist motion in which the moment is balanced on P, and (D) using the exact model of the robot, of the waist motion in which the moment is balanced on the ZMP set by the means or step (B). Means or step for obtaining an approximate solution, and (E) means for determining a waist motion solution if the difference between the approximate solutions of the means or step (C) and the means or step (D) is less than a predetermined allowable value. Or step, and (F) the means or step (C),
And if the difference between the approximate solutions of the means or step (D) is equal to or greater than a predetermined allowable value, the means or step of correcting the moment of the inexact model on the set ZMP and re-inputting into the means (C). And (G) means or step for executing a waist motion based on a solution of the waist motion, a walking control device or a walking control method for a robot.

【0037】本発明の第3の側面に係るロボットの歩行
制御装置又は歩行制御方法において、前記非厳密モデル
は、例えば、前記ロボットに関する線形及び/又は非干
渉の多質点近似モデルである。また、前記厳密モデル
は、例えば、前記ロボットに関する剛体モデル、又は、
非線形及び/又は干渉の多質点近似モデルでよい。この
ような近似モデルを利用することにより、歩行制御のた
めの計算量を大幅に削減することができる。
In the walking control device or the walking control method for a robot according to the third aspect of the present invention, the inexact model is, for example, a linear and / or non-interfering multi-mass approximation model for the robot. The strict model is, for example, a rigid body model related to the robot, or
It may be a non-linear and / or interference multi-mass approximation model. By using such an approximate model, the amount of calculation for walking control can be significantly reduced.

【0038】また、本発明の第3の側面に係るロボット
の歩行制御装置又は歩行制御方法は、さらに、(C')
前記の非厳密モデルを用いて腰部運動の近似解を求める
手段又はステップ(C)において求めた近似解では予め
設定した体幹・上肢運動が実現できない場合に、体幹・上
肢運動パターンの再設定・修正を行う手段又はステップ
を具備していてもよい。
The walking control device or the walking control method for a robot according to the third aspect of the present invention further comprises (C ').
Resetting the trunk / upper limb movement pattern when the preset trunk / upper limb movement cannot be realized by the means for obtaining the approximate solution of the lumbar movement using the inexact model or the approximate solution obtained in step (C) -It may have means or steps for making corrections.

【0039】また、本発明の第3の側面に係るロボット
の歩行制御装置又は歩行制御方法において、前記の非厳
密モデルを用いて腰部運動の近似解を求める手段又はス
テップ(C)は、足部運動、体幹運動、上肢運動によっ
て生じる設定ZMP上のモーメントと、腰部の水平面内
運動によって生じる設定ZMP上のモーメントとの釣合
方程式を解くことによって腰部運動の近似解を求めるよ
うにしてもよい。
Also, in the robot walking control device or walking control method according to the third aspect of the present invention, the means or step (C) for obtaining an approximate solution of the waist motion using the inexact model is the foot part. An approximate solution of the lumbar movement may be obtained by solving a balance equation between the moment on the set ZMP caused by the exercise, trunk movement, and upper limb movement and the moment on the set ZMP caused by the movement of the waist in the horizontal plane. .

【0040】あるいは、前記の非厳密モデルを用いて腰
部運動の近似解を求める手段又はステップ(C)は、時
間の関数を周波数の関数に置き換えて計算するようにし
てもよい。
Alternatively, the means or step (C) for obtaining the approximate solution of the lower back movement using the inexact model may be calculated by replacing the function of time with the function of frequency.

【0041】あるいは、前記の非厳密モデルを用いて腰
部運動の近似解を求める手段又はステップ(C)は、足
部運動、体幹運動、上肢運動によって生じる設定ZMP
上のモーメントにフーリエ級数展開を適用するととも
に、腰部の水平面内運動にフーリエ級数展開を適用し
て、腰部水平面内軌道のフーリエ係数を算出して、さら
に逆フーリエ級数展開を適用することによって腰部運動
の近似解を求めるようにしてもよい。
Alternatively, the means or step (C) for obtaining the approximate solution of the lower back movement using the above inexact model is a set ZMP caused by the lower leg movement, the trunk movement, and the upper limb movement.
The Fourier series expansion is applied to the upper moment, the Fourier series expansion is applied to the lumbar horizontal plane motion, the Fourier coefficient of the waist horizontal plane trajectory is calculated, and the inverse Fourier series expansion is further applied to the lumbar motion. You may make it obtain | require the approximate solution of.

【0042】また、本発明の第4の側面は、上体の動作
を表現するための複数の関節を備えた上半身と、少なく
とも歩行動作を実現するための脚部の関節を備えた下半
身とからなる歩行型ロボットのための歩行制御装置又は
歩行制御方法であって、上半身の歩容に応じて、安定歩
行できるような下半身の歩容を決定することを特徴とす
るロボットの歩行制御装置又は歩行制御方法である。
The fourth aspect of the present invention comprises an upper half body having a plurality of joints for expressing the movement of the upper body, and a lower half body having a leg joint for realizing at least a walking movement. A walking control device or a walking control method for a walking robot, wherein the gait control device or gait of a robot is characterized by determining a gait of a lower half of the body for stable walking according to a gait of the upper half of the body. It is a control method.

【0043】[0043]

【作用】本発明に係るロボットの歩行制御装置及び歩行
制御方法によれば、足部運動の他に、体幹運動や上肢運
動の設定に基づいて安定歩行可能な腰部運動を実現する
ことができる。体幹運動や上肢運動とは、身振りや手振
りなどのロボットの上半身を用いた表現動作すなわち上
半身の歩容に相当する。
According to the walking control device and the walking control method for a robot according to the present invention, it is possible to realize a waist movement capable of stable walking based on the setting of trunk movement and upper limb movement in addition to foot movement. . The trunk movement and upper limb movement correspond to expressive movements using the upper body of the robot such as gestures and hand movements, that is, gait of the upper body.

【0044】すなわち、ロボットが直立不動時や普通歩
行時など様々な動作状態であっても、安定歩行を実現で
きるように下肢の歩容を決定することができる。特に、
直立不動時に上体すなわち上肢と体幹を用いた身振り・
手振りの動作をロボットに印加した場合には、かかる上
体の歩容に応じて、安定歩行できるような(すなわち上
体の歩容のために失われたバランスを補うような)下肢
の歩容を決定することができると言える。
That is, the gait of the lower limb can be determined so that stable walking can be realized even when the robot is in various motion states such as when the robot is immobile and walking normally. In particular,
Gesture using the upper body, that is, the upper limbs and the trunk, when standing upright
When a hand gesture is applied to the robot, the gait of the lower limbs that enables stable walking (that is, compensates for the balance lost due to the gait of the upper body) according to the gait of the upper body. It can be said that you can decide.

【0045】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。
Further objects, features and advantages of the present invention are as follows.
It will be clarified by a more detailed description based on embodiments of the present invention described below and the accompanying drawings.

【0046】[0046]

【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。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

【0047】図1及び図2には本発明の実施に供される
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 a humanoid robot 100 used for implementing the present invention as viewed from the front and the rear respectively. Further, FIG. 3 schematically shows a joint degree-of-freedom configuration included in the humanoid robot 100.

【0048】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を含む上肢と、移動動作を実現
する2本の脚部からなる下肢と、上肢と下肢とを連結す
る体幹部とで構成される。
As shown in FIG. 3, the humanoid robot 100
Is composed of an upper limb including two arms and a head 1, a lower limb composed of two legs that realize a moving motion, and a trunk that connects the upper limb and the lower limb.

【0049】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 that supports the head 1 is a neck joint yaw axis 2, a neck joint pitch axis 3, and a neck joint roll axis 4.
Have a degree of freedom.

【0050】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, and a wrist joint pitch axis 13.
It is composed of a wrist joint roll shaft 14 and a hand portion 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 portion 15 is performed by the robot 10
Since 0 has little contribution to or influence on posture control or walking control, it is assumed in this specification that the degree of freedom is zero. Therefore,
Each arm has 7 degrees of freedom.

【0051】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.

【0052】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、足首関節ロール軸21と、足部22とで構成され
る。本明細書中では、股関節ピッチ軸17と股関節ロー
ル軸18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。人体の足部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, an ankle joint roll shaft 21, and a foot portion 22. In this specification, the intersection of the hip joint pitch axis 17 and the hip joint roll axis 18 defines the hip joint position of the robot 100 according to this embodiment. The foot 22 of the human body is actually a structure including a multi-joint, multi-degree-of-freedom foot, but the foot of the humanoid robot 100 according to this embodiment has zero degrees of freedom.
Therefore, each leg has 6 degrees of freedom.

【0053】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。
In summary, the humanoid robot 100 according to the present embodiment has a total of 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 / manufacturing constraints, required specifications, and the like.

【0054】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。
Each degree of freedom of the humanoid robot 100 as described above is actually implemented by using an actuator. It is preferable that the actuator be small and lightweight in view of demands such as eliminating extra bulges in appearance and approximating the shape of a natural human body, and performing posture control for an unstable structure such as bipedal walking. . In this embodiment,
It was decided to mount a small AC servo actuator of the type directly connected to the gear and incorporating the servo control system into a single chip in the motor unit. In addition, this kind of AC
The servo actuator is disclosed, for example, in Japanese Patent Application No. 11-33386 assigned to the present applicant.

【0055】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 the control system configuration of the humanoid robot 100. As shown in the figure,
The humanoid robot 100 is composed of mechanical units 30, 40, 50R / L, 60R / L that represent human limbs, and a control unit 80 that performs adaptive control for realizing 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.)

【0056】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 Processing Unit)やメモ
リ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、電源回路やロボット100の各構
成要素とのデータやコマンドの授受を行うインターフェ
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 overall operation of the humanoid robot 100 is comprehensively controlled by the control unit 80. The control unit 80 sends and receives data and commands to and from a main control unit 81 including main circuit components (not shown) such as a CPU (Central Processing Unit) and a memory, and a power supply circuit and each component of the robot 100. Peripheral circuit 82 including an interface (neither shown)
Composed of and.

【0057】本発明を実現する上で、この制御ユニット
80の設置場所は特に限定されない。図4では体幹部ユ
ニット40に搭載されているが、頭部ユニット30に搭
載してもよい。あるいは、ロボット100外に制御ユニ
ット80を配備して、ロボット100本体とは有線若し
くは無線で交信するようにしてもよい。
In realizing the present invention, the installation place of the control unit 80 is not particularly limited. Although it is mounted on the trunk unit 40 in FIG. 4, it may be mounted on the head unit 30. Alternatively, the control unit 80 may be provided outside the robot 100 to communicate with the main body of the robot 100 by wire or wirelessly.

【0058】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。
The degree of freedom of each joint in the robot 100 shown in FIG. 3 is realized by an actuator corresponding to each joint. That is, the head unit 30 includes a neck joint yaw axis actuator A 2 , a neck joint pitch axis actuator A 3 , and a neck joint roll that respectively represent the neck joint yaw axis 2, the neck joint pitch axis 3, and the neck joint roll axis 4. A shaft actuator A 4 is provided.

【0059】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。
Further, the trunk unit 40 has a trunk pitch axis actuator A 5 , a trunk roll axis actuator A 6 , which expresses the trunk pitch axis 5, trunk roll axis 6, and trunk yaw axis 7, respectively. A trunk yaw axis actuator A 7 is provided.

【0060】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. The shoulder joint pitch axis 8 and the shoulder joint roll axis are used. 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 expressing 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.

【0061】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 are provided.

【0062】各関節に用いられるアクチュエータA2
3…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。
Actuator A 2 used for each joint,
More preferably, A 3 ... Is a small AC servo actuator (described above) of the type directly geared and having a servo control system integrated into one chip and mounted in a motor unit.

【0063】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。
Head unit 30, trunk unit 40,
For each mechanism unit such as the arm unit 50 and each leg unit 60, the sub-control unit 3 for actuator drive control is provided.
5,45,55,65 are deployed. Further, the ground contact confirmation sensors 91 and 92 for detecting whether or not the soles of the legs 60R, 60L have landed are mounted, and the trunk unit 40 is equipped with a posture sensor 93 for measuring the posture. ing.

【0064】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。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
の歩行動作期間中にZMPが動く軌跡を意味する。
The main controller 80 adaptively controls the sub-controllers 35, 45, 55, and 65 in response to the outputs of the sensors 91 to 93, and controls the upper limbs, trunk, and humanoid robot 100. And realizes coordinated movements of the lower limbs. Main controller 81
According to user command etc., foot movement, ZMP
(Zero Moment Point) Set the trajectory, core movement, upper limb movement, waist height, etc., and give commands to each sub-control unit 35, 45
55, 65. Then, each sub control unit 35,
45 interprets the received command from the main control unit 81 and outputs a drive control signal to each actuator A 2 , A 3 . The “ZMP” mentioned 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, the robot 100.
Means a locus of movement of the ZMP during the walking motion period.

【0065】本実施例では、物理的には図3に示す多関
節自由度構成を具備する人間型ロボット100を、さら
に多質点近似モデルに置き換えて歩行制御の演算処理を
行うようになっている。現実の人間型ロボット100
は、無限のすなわち連続的な質点の集合体であるが、有
限数で離散的な質点からなる近似モデルに置き換えるこ
とによって、計算量を削減することが主な目的である。
In the present embodiment, the humanoid robot 100 physically having the multi-joint degree-of-freedom configuration shown in FIG. 3 is further replaced by a multi-mass point approximation model to perform a walking control calculation process. . Real humanoid robot 100
Is a collection of infinite or continuous particles, but its main purpose is to reduce the amount of calculation by replacing it with an approximate model consisting of a finite number of discrete particles.

【0066】図5には、本実施例に係る歩行制御の計算
のために導入される、人間型ロボット100の線形且つ
非干渉の多質点近似モデルを図解している。
FIG. 5 illustrates a linear and non-interfering multi-mass point approximation model of the humanoid robot 100, which is introduced for calculating the walking control according to the present embodiment.

【0067】図5において、O−XYZ座標系は絶対座
標系におけるロール、ピッチ、ヨー各軸を表し、また、
O’−X’Y’Z’座標系はロボット100とともに動
く運動座標系におけるロール、ピッチ、ヨー各軸を表し
ている。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. 5, the O-XYZ coordinate system represents roll, pitch, and yaw axes in the absolute coordinate system, and
The O'-X'Y'Z 'coordinate system represents roll, pitch, and yaw axes in a motion coordinate system that moves together with the robot 100. In the multi-mass model shown in the figure, i is a subscript representing the i-th given mass point, m i is the mass of the i-th mass point, and r ′ i is the position vector of the i-th mass point (however, motion coordinates System). Further, the mass of the lumbar mass point, which is particularly important in the lumbar motion control described below, is m h , and its position vector is r ′ h (r ′ hx , r ′ hy , r ′ hz ),
Further, the position vector of ZMP is r'zmp .

【0068】図5に示す非厳密の多質点近似モデルにお
いては、モーメント式は線形方程式の形式で記述され、
該モーメント式はピッチ軸及びロール軸に関して干渉し
ない、という点を充分理解されたい。
In the inexact multi-mass point approximation model shown in FIG. 5, the moment equation is described in the form of a linear equation,
It should be appreciated that the moment equation does not interfere with the pitch and roll axes.

【0069】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.

【0070】(1)ロボット100全体の質量分布を求
める。 (2)質点を設定する。質点の設定方法は、設計者のマ
ニュアル入力であっても、所定の規則に従った自動生成
のいずれでも構わない。 (3)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連
結する。
(1) Obtain the mass distribution of the entire robot 100. (2) Set the mass point. The method of setting the mass point may be either manual input by the designer or automatic generation according to a predetermined rule. (3) The center of gravity is determined for each region i, and the position of the center of gravity and the mass m i are assigned to the corresponding mass point. (4) Each mass point m i is displayed as a sphere centered at the mass point position r i and having a radius proportional to its mass. (5) Connect mass points, that is, spheres, which are actually connected.

【0071】多質点モデルは、言わば、ワイヤフレーム
・モデルの形態でロボットを表現したものである。本実
施例では、図5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 model is, so to speak, a representation of a robot in the form of a wireframe model. In this embodiment, as can be seen from FIG. 5, this multi-mass point approximation model sets each of shoulders, elbows, wrists, trunk, waist, and ankles as mass points. .

【0072】なお、図5に示す多質点モデルの腰部情報
における各回転角(θhx,θhy,θ hz)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8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 waist information of the multi-mass model shown in FIG.
Each rotation angle at (θhx, Θhy, Θ hz) Is a humanoid robot
The posture of the lumbar region in
It regulates the rotation of the J and Y axes (in FIG.
Check the enlarged view of the waist area around the mass model.
I want to be).

【0073】次いで、本実施例に係る人間型ロボット1
00における歩行制御の処理手順について説明する。
Next, the humanoid robot 1 according to this embodiment.
The processing procedure of the walking control in 00 will be described.

【0074】ロボットは、通常、動作する前に予め生成
された運動パターンに従って各関節すなわちアクチュエ
ータ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。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 Point)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のことを言う(前述)。
The robot is usually designed to realize a predetermined motion by driving and controlling each joint, that is, an actuator according to a motion pattern generated in advance before the motion. In the case of the robot 100 according to the present embodiment, a waist movement pattern that enables stable walking is generated based on an arbitrary foot movement pattern, ZMP trajectory, trunk movement pattern, upper limb movement pattern, and the like. . The ZMP (Zero Moment Point) trajectory referred to here is a point at which a moment does not occur during walking motion when the sole (or sole) of a walking robot is fixed to the floor surface at a certain point. (Above).

【0075】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
あり、「運動パターン」と略同義である)。
As in the present embodiment, one leg has two degrees of freedom 2
In the case of a foot-walking robot (see FIG. 3), the postures of both legs are uniquely determined by the position of each foot 22R / L and the horizontal position and height of the waist. Therefore, generating the lumbar motion pattern is not limited to the leg posture, that is, the "gait" of the lower limbs.
(“Gait” is a technical term that means “time-series change of joint angle” in the art and is synonymous with “movement pattern”).

【0076】図6には、本実施例に係るロボット100
において安定歩行可能な腰部運動を制御するための処理
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5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. 6 shows a robot 100 according to this embodiment.
In the form of a flow chart, a processing procedure for controlling a waist motion capable of stable walking is shown in FIG. However, hereinafter, each joint position and motion of the robot 100 will be described using a linear / non-interfering multi-mass point approximation model as shown in FIG. 5, and the following parameters will be used in the calculation. . However, it should be understood that the symbol with a dash (') describes the motion coordinate system.

【0077】[0077]

【数1】 [Equation 1]

【0078】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。
[0078] Further, at a certain waist height of the robot 100 (r 'hz + r qz = const), and assumes that knee mass point is zero.

【0079】該処理手順は、ロボット100の歩行や身
振り・手振りなどの動作を指示する旨のユーザ・コマンド
等の入力に応答して開始する。ユーザ・コマンドが指示
するロボット100の動作は、例えば、直立不動時の上
肢と体幹を用いた身振り・手振り、2足による普通歩行
時、2足歩行時における上肢と体幹を用いた身振り・手
振りなど、様々である。
The processing procedure is started in response to the input of a user command or the like for instructing the robot 100 to walk or to move or gesture. The operation of the robot 100 instructed by the user command is, for example, a gesture using the upper limbs and the trunk when standing upright, a hand gesture, a normal walking with two legs, and a gesture using the upper limbs and the trunk during two-leg walking. There are various gestures.

【0080】かかるユーザ・コマンドは、主制御部81
において解釈され、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(ステップS1
1)。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。
The user command is sent to the main control unit 81.
And foot (more specifically, plantar) movement,
Patterns for actually determining drive / motion of each part such as ZMP trajectory derived from foot movement, trunk movement, upper limb movement, waist posture and height are set (step S1).
1). More specifically, first, the foot movement pattern, then the ZMP trajectory, the trunk movement pattern, and the upper limb movement pattern are set. Also, regarding the waist movement, only the Z ′ direction is set, and the X ′ and Y ′ directions are unknown.

【0081】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
(M ,M)を算出する(ステップS12)。
Next, a linear / non-interference multi-mass point approximation model is used.
Settings caused by movements of the legs, trunk, and upper limbs
Moments around pitch axis and roll axis on ZMP
(M x, My) Is calculated (step S12).

【0082】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S13)。
Then, the linear / non-interfering multi-mass point approximation model is used to calculate the moment on the set ZMP generated by the lumbar horizontal plane motion ( r'hx , r'hy ) (step S13).

【0083】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S14)。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(M,M)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,rhy)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。
Then, a balance equation regarding the moment on the set ZMP is derived on the motion coordinate system O'-X'Y'Z 'that moves together with the robot (step S14). 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) of The unknown variables are grouped on the left side to derive a linear / non-interfering ZMP equation (1) as shown in the following equation.

【0084】[0084]

【数2】 [Equation 2]

【0085】但し、以下が成立するものとする。However, the following is established.

【0086】[0086]

【数3】 [Equation 3]

【0087】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S15)。
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S16)。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、着床した足底に設定される。
Next, the above ZMP equation (1) is solved to calculate the lumbar horizontal plane trajectory (step S15).
For example, by solving the ZMP equation (1) using a numerical solution (well known) such as Euler's method or Runge-Kutta method,
A numerical solution of the horizontal absolute position (r hx , r hy ) of the waist as an unknown variable can be obtained (step S16). The numerical solution obtained here is an approximate solution of the waist motion pattern that allows stable walking, and more specifically, the waist horizontal absolute position such that the ZMP enters the target position. The ZMP target position is normally set on the planted sole.

【0088】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S17)。この
際、膝部の軌道を算出してもよい。
If the preset trunk / upper limb movement cannot be realized on the calculated approximate solution, the trunk / upper limb movement pattern is reset / corrected (step S17). At this time, the trajectory of the knee may be calculated.

【0089】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
,eM)を算出する(ステップS18)。非厳密モ
デルでは上記の[数3]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)。
Then, by substituting the whole body movement pattern obtained as described above, a strict model (ie, rigid body,
Alternatively, the moment (eM) on the set ZMP in the robot 100 having a very large number of mass points is an accurate model.
x, eM y) is calculated (step S18). In the non-rigorous model, the above [Equation 3] is assumed to hold, but in the strict model, such a premise is not required (that is, it does not need to be constant with respect to time change).

【0090】厳密モデルにおけるモーメント(eM
eM)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S19では、このモーメント(e
,eM )が非厳密モデルにおける近似モーメント
の許容値(εM,εM)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
できたことを意味するので(ステップS20)、本処理
ルーチン全体を終了する。
Moments (eM) in the exact modelx
eMy) Is the moment error generated by the waist motion.
It In the following step S19, this moment (e
Mx, EM y) Is the approximate moment in the inexact model
Allowable value of (εMx, ΕMy) Is less than or equal to. Huh
Exactly solve the lumbar stable motion pattern if the volume is less than ε
And obtain a whole body movement pattern that can achieve stable walking
Since this means that the process has been completed (step S20), this process
Finish the entire routine.

【0091】他方、厳密モデルにおけるモーメント(e
,eM)が近似モデルにおけるモーメントの許容
値(εM,εM)以上であった場合には、厳密モデ
ルにおけるモーメント(eM,eM)を用いて近似
モデルにおける既知発生モーメント(M,M)を修
正して(ステップS21)、再びZMP方程式の導出を
行う。そして、許容値ε未満に収束するまで、上述した
ような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
If M x , eM y ) is equal to or greater than the allowable value (εM x , εM y ) of the moment in the approximate model, the moment (eM x , eMy) in the exact model is used to generate the known generated moment in the approximate model (eM x , eM y ). M x , M y ) is corrected (step S21) and the ZMP equation is derived again. Then, the calculation and correction of the approximate solution of the lower back motion pattern as described above are repeatedly executed until the value converges below the allowable value ε.

【0092】要するに、図6に示す処理手順によれば、
足部運動の他に、体幹運動や上肢運動の設定に基づいて
安定歩行可能な腰部運動を実現することができる訳であ
る。体幹運動や上肢運動とは、身振りや手振りなどのロ
ボット100の上半身を用いた表現動作すなわち上半身
の歩容に相当する。また、片足6自由度からなる2足歩
行型のロボット100(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と高さで、脚の
姿勢すなわち下肢の「歩容」が一意に定まるので、腰部
運動パターンを生成することは下肢の「歩容」を決定す
ることを意味する。
In short, according to the processing procedure shown in FIG.
In addition to the leg movement, it is possible to realize a stable lower back movement based on the setting of the trunk movement and the upper limb movement. The trunk movement and the upper limb movement correspond to expressive actions using the upper body of the robot 100, such as gestures and hand movements, that is, gait of the upper body. Further, in the case of a bipedal robot 100 (see FIG. 3) having 6 degrees of freedom on one leg, the position of each foot 22R / L, the horizontal position of the waist, and the height of the leg, the posture of the leg, that is, the lower limb. Since the "gait" is uniquely determined, generating the lumbar motion pattern means determining the "gait" of the lower limb.

【0093】したがって、本実施例に係る2足直立歩行
型のロボット100によれば、直立不動時や普通歩行時
など様々な動作状態であっても、安定歩行を実現できる
ように下肢の歩容を決定することができる、と換言する
ことができよう。
Therefore, according to the bipedal upright walking type robot 100 according to the present embodiment, the gait of the lower limb can be achieved so that stable walking can be realized even in various operating states such as standing upright and normal walking. Can be paraphrased.

【0094】特に、直立不動時に上体すなわち上肢と体
幹を用いた身振り・手振りの動作をロボット100に印
加した場合には、かかる上体の歩容に応じて、安定歩行
できるような(すなわち上体の歩容に伴うアンバランス
を補うような)下肢の歩容を決定することができる。す
なわち、身振りや手振りなど上半身主導の感情表現動作
のために失われた姿勢安定性を、腰の水平位置で定義さ
れる下肢の歩容によって好適に補償若しくは回復させる
ことができる、という訳である。
Particularly, when a motion of a body / hand gesture using the upper body, that is, the upper limbs and the trunk is applied to the robot 100 when the robot 100 is not standing upright, stable walking can be performed according to the gait of the upper body (that is, The gait of the lower limbs (which compensates for the imbalance associated with the gait of the upper body) can be determined. In other words, the posture stability lost due to emotional movements led by the upper body such as gestures and hand gestures can be suitably compensated or restored by the gait of the lower limbs defined by the horizontal position of the waist. .

【0095】また、図7には、本実施例に係るロボット
100において安定歩行可能な腰部運動を制御する処理
手順の他の例をフローチャートの形式で示している。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。
Further, FIG. 7 shows another example of the processing procedure for controlling the waist movement capable of stable walking in the robot 100 according to the present embodiment in the form of a flow chart. However, similarly to the above, it is assumed that each joint position and motion of the robot 100 are described using the linear / non-interfering multi-mass point approximation model.

【0096】該処理手順は、ロボット100の歩行や身
振り・手振りなどの動作を指示する旨のユーザ・コマンド
等の入力に応答して開始する。ユーザ・コマンドが指示
するロボット100の動作は、例えば、直立不動時の上
肢と体幹を用いた身振り・手振り、2足による普通歩行
時、2足歩行時における上肢と体幹を用いた身振り・手
振りなど、様々である。
The processing procedure is started in response to the input of a user command or the like for instructing the robot 100 to walk, move, or move. The operation of the robot 100 instructed by the user command is, for example, a gesture using the upper limbs and the trunk when standing upright, a hand gesture, a normal walking with two legs, and a gesture using the upper limbs and the trunk during two-leg walking. There are various gestures.

【0097】かかるユーザ・コマンドは、主制御部81
において解釈され、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(ステップS3
1)。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。
The user command is sent to the main control unit 81.
And foot (more specifically, plantar) movement,
Patterns for actually deciding drive / motion of each part such as ZMP trajectory derived from foot motion, trunk motion, upper limb motion, posture and height of waist are set (step S3).
1). More specifically, first, the foot movement pattern, then the ZMP trajectory, the trunk movement pattern, and the upper limb movement pattern are set. Also, regarding the waist movement, only the Z ′ direction is set, and the X ′ and Y ′ directions are unknown.

【0098】次に、線形・非干渉多質点近似モデル(前
述及び図5を参照のこと)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S32)。
Next, using the linear / non-interfering multi-mass point approximation model (see above and FIG. 5), the pitch axis on the set ZMP generated by the foot, trunk, and upper limb movements,
Each moment (M x , M y ) around the roll axis is calculated (step S32).

【0099】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S33)。
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、F
FT(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 lumbar horizontal plane motion (r ′ hx ,
r'hy ) is subjected to Fourier series expansion (step S33).
As is well known in the art, by performing Fourier series expansion, the time axis component can be replaced with the frequency component for calculation. That is, in this case, the movement of the waist can be regarded as a periodic movement. Also, F
Since FT (Fast Fourier Transform) can be applied, the calculation speed can be greatly improved.

【0100】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(M,M)についてもフ
ーリエ級数展開する(ステップS34)。
[0100] Then, the pitch axis on the setting ZMP, to Fourier series expansion also each moment about the roll axis (M x, M y) (step S34).

【0101】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S35)、腰部運動の近似解が求まる(ステップS
36)。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、着床した足底に設定される。
Next, the Fourier coefficient of the waist horizontal plane trajectory is calculated, and further the inverse Fourier series expansion is performed (step S35) to obtain an approximate solution of the waist motion (step S35).
36). The approximate solution obtained here is an approximate solution (r hx , r hy ) of the horizontal absolute position of the waist that defines the waist motion pattern that allows stable walking, and more specifically, the waist where ZMP enters the target position. It is an absolute horizontal position. The ZMP target position is normally set on the planted sole.

【0102】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S37)。この
際、膝部の軌道を算出してもよい。
If the preset trunk / arm movement cannot be realized on the calculated approximate solution, the trunk / arm movement pattern is reset / corrected (step S37). At this time, the trajectory of the knee may be calculated.

【0103】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
,eM)を算出する(ステップS38)。非厳密モ
デルでは上記の[数3]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)。
Then, by substituting the whole body motion pattern obtained as described above, a strict model (ie, rigid body,
Alternatively, the moment (eM) on the set ZMP in the robot 100 having a very large number of mass points is an accurate model.
x, eM y) is calculated (step S38). In the non-rigorous model, the above [Equation 3] is assumed to hold, but in the strict model, such a premise is not required (that is, it does not need to be constant with respect to time change).

【0104】厳密モデルにおけるモーメント(eM
eM)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S39では、このモーメント(e
,eM )が近似モデルにおけるモーメントの許容
値(εM,εM)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
ことを意味するので(ステップS40)、本処理ルーチ
ン全体を終了する。
Moments in the exact model (eMx
eMy) Is the moment error generated by the waist motion.
It In the following step S39, this moment (e
Mx, EM y) Is the moment tolerance in the fitted model
Value (εMx, ΕMy) Is less than or equal to. Allowable value ε
If less than, the exact solution and stability of the lumbar stable motion pattern
I was able to obtain a whole-body exercise pattern that can realize walking
This means that this processing routine is performed (step S40).
End the whole process.

【0105】他方、厳密モデルにおけるモーメント(e
,eM)が近似モデルにおけるモーメントの許容
値(εM,εM)以上であった場合には、厳密モデ
ルにおけるモーメント(eM,eM)を用いて非厳
密モデルにおける既知発生モーメント(M,M)を
修正して(ステップS41)、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、上述したような腰部
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
If M x , eM y ) is equal to or larger than the allowable value (εM x , εM y ) of the moment in the approximate model, the moment (eM x , eM y ) in the exact model is used to generate the known moment in the inexact model. (M x, M y) by modifying the (step S41), 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 pattern as described above .

【0106】当業者であれば、図7に示す処理手順によ
っても体幹運動や上肢運動の設定に基づいて安定歩行可
能な腰部運動を実現することができる、ということを理
解できるであろう。特に、ZMP方程式の数値的解法に
頼らず、フーリエ級数展開を用いることで、周期運動を
高速に求めると同時に、FFT(高速フーリエ変換)を
適用することでモーメント計算そのものを高速化するこ
とができる。
It will be understood by those skilled in the art that it is possible to realize a stable lower back movement based on the setting of the trunk movement and the upper limb movement by the processing procedure shown in FIG. In particular, it is possible to speed up the moment calculation itself by applying FFT (Fast Fourier Transform) at the same time as obtaining the periodic motion at high speed by using Fourier series expansion without relying on the numerical solution method of the ZMP equation. .

【0107】体幹運動や上肢運動とは、身振りや手振り
などのロボットの上半身を用いた表現動作すなわち上半
身の歩容に相当する。また、片足が6個の関節自由度の
2足歩行型ロボット100(図3を参照のこと)の場
合、各足部22R/Lの位置と腰部の高さで脚の姿勢が
一意に定まるので、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」を決定することを
意味する(前述)。
The trunk movement and the upper limb movement correspond to expressive actions using the upper body of the robot such as gestures and hand movements, that is, gait of the upper body. Further, in the case of the bipedal walking robot 100 (see FIG. 3) having six joints on one leg, the posture of the leg is uniquely determined by the position of each foot 22R / L and the height of the waist. Generating a lumbar movement pattern means determining the posture of the leg, that is, the "gait" of the lower limb (described above).

【0108】したがって、本実施例に係る2足直立歩行
型のロボット100によれば、直立不動時や普通歩行時
など様々な動作状態であっても、安定歩行を実現できる
ように下肢の歩容を決定することができる、と換言する
ことができよう。
Therefore, according to the bipedal upright walking type robot 100 according to the present embodiment, the gait of the lower limb can be achieved so that stable walking can be realized even in various operating states such as when the user is standing still or walking normally. Can be paraphrased.

【0109】特に、直立不動時に上体すなわち上肢と体
幹を用いた身振り・手振りの動作を印加した場合には、
かかる上体の歩容に応じて、安定歩行できるような下肢
の歩容を決定することができる。すなわち、身振りや手
振りなど上半身主導の感情表現動作のために失われた姿
勢安定性を、腰の水平位置で定義される下肢の歩容によ
って好適に補償若しくは回復させることができる、とい
う訳である。
In particular, when a motion of a body / hand gesture using the upper body, that is, the upper limbs and the trunk is applied when the user is not standing upright,
The gait of the lower limbs that enables stable walking can be determined according to the gait of the upper body. In other words, the posture stability lost due to emotional movements led by the upper body such as gestures and hand gestures can be suitably compensated or restored by the gait of the lower limbs defined by the horizontal position of the waist. .

【0110】[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。
[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 embodiments without departing from the scope of the present invention.

【0111】本明細書中では、ロボットの体幹ピッチ軸
5と、体幹ロール軸6と、体幹ヨー軸7という3自由度
をロボットの腰部の姿勢(θhx,θhy,θhz)として扱
ったが、腰部の位置は人間型ロボット100と現実のヒ
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 this specification, three degrees of freedom, that is, the trunk pitch axis 5, the trunk roll axis 6, and the trunk yaw axis 7 of the robot are used to determine the posture of the waist of the robot (θ hx , θ hy , θ hz ). However, the position of the waist should be flexibly interpreted by comparing the humanoid robot 100 with the body mechanism of a real human or a bipedal upright walking animal such as a monkey.

【0112】また、本発明の要旨は、必ずしも「ロボッ
ト」と称される製品には限定されない。すなわち、電気
的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運
動を行う機械装置であるならば、例えば玩具等のような
他の産業分野に属する製品であっても、同様に本発明を
適用することができる。
Further, the gist of the present invention is not necessarily limited to products called "robots". That is, as long as it is a mechanical device that performs a motion similar to a human motion by using an electric or magnetic action, even if it is a product belonging to another industrial field such as a toy, the present invention is similarly applied. Can be applied.

【0113】要するに、例示という形態で本発明を開示
してきたのであり、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。
In short, the present invention has been disclosed in the form of exemplification, and should not be limitedly interpreted.
In order to determine the gist of the present invention, the section of the claims described at the beginning should be taken into consideration.

【0114】参考のため、人間型ロボットの関節モデル
構成を図9に図解しておく。同図に示す例では、肩関節
5から上腕3、肘関節6、前腕4、手首関節7及び手部
8からなる部分を「上肢部」17と呼ぶ。また、肩関節
5から体幹関節10までの範囲を「体幹部」9と呼び、
ヒトの胴体に相当する。また、股関節11から体幹関節
10までの範囲を「腰部」18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13、足首関節15及び足部16からなる部分を
「下肢部」19と呼ぶ。一般には、体幹関節10より上
方を「上体(又は上半身)」と呼び、それより下方を
「下体(又は下半身)」と呼ぶ
For reference, the joint model configuration of the humanoid robot is illustrated in FIG. In the example shown in the figure, a portion including the shoulder joint 5, the upper arm 3, the elbow joint 6, the forearm 4, the wrist joint 7, and the hand portion 8 is referred to as an “upper limb portion” 17. In addition, the range from the shoulder joint 5 to the trunk joint 10 is called a "trunk portion" 9,
Corresponds to the human torso. Further, a range from the hip joint 11 to the trunk joint 10 is referred to as a “waist portion” 18. Trunk joint 10
Has the effect of expressing the degree of freedom of the human spine.
Further, a portion including the thigh 12, knee joint 14, lower leg 13, ankle joint 15 and foot 16 below the hip joint 11 is referred to as a “lower limb portion” 19. Generally, an area above the trunk joint 10 is called an “upper body (or upper body)”, and an area below that is called a “lower body (or lower body)”.

【0115】また、図10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9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9及び図10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. 10 illustrates another joint model configuration of the humanoid robot. The example shown in the figure is different from the example shown in FIG. 9 in that the trunk joint 10 is not provided.
See the figure for the names of each part. As a result of omitting the trunk joint corresponding to the spine, the upper body movement of the humanoid robot loses its expressive power. However, in the case of a humanoid robot for industrial purposes such as dangerous work or work substitution, the upper body movement may not be required. It should be understood that the reference numerals used in FIGS. 9 and 10 do not correspond to the other drawings.

【0116】[0116]

【発明の効果】以上詳記したように、本発明によれば、
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に好適に適用される、優れた歩行制
御装置及び歩行制御方法を提供することができる。
As described above in detail, according to the present invention,
It is possible to provide an excellent walking control device and a walking control method that are suitably applied to a realistic robot having a structure that imitates the mechanism or operation of a living body.

【0117】また、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
を有する脚式移動型ロボットに好適に適用される、優れ
た歩行制御装置及び歩行制御方法を提供することができ
る。
Further, according to the present invention, an excellent walking control device and walking, which are preferably applied to a legged mobile robot having a structure simulating an upright walking type body mechanism or motion of, for example, a human or a monkey. A control method can be provided.

【0118】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脚部の上には胴体や頭部、腕
などのいわゆる上半身が搭載されてなる直立歩行・脚式
移動型ロボットに好適に適用される、優れた歩行制御装
置及び歩行制御方法を提供することができる。
Further, according to the present invention, the upright walking / legged mobile type in which the so-called upper body such as the body, head, and arm is mounted on the legs while performing the legged movement by two-leg upright walking. It is possible to provide an excellent walking control device and a walking control method that are suitably applied to a robot.

【0119】また、本発明によれば、ヒトに近い自然な
動作や豊な表現力を維持しながら安定歩行を実現するロ
ボットに好適に適用される、優れた歩行制御装置及び歩
行制御方法を提供することができる。
Further, according to the present invention, there is provided an excellent walking control device and a walking control method, which are suitably applied to a robot which realizes stable walking while maintaining natural movements close to humans and rich expressiveness. can do.

【0120】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脚部の上には胴体や頭部、腕
などのいわゆる上半身が搭載されてなるロボットにおい
て、身振りや手振りなど上半身主導の感情表現動作のた
めに失われた姿勢安定性を補償若しくは回復させること
ができる、優れた歩行制御装置及び歩行制御方法を提供
することができる。
Further, according to the present invention, in a robot in which leg movement is performed by upright walking on two legs and so-called upper body such as torso, head and arm is mounted on the legs, gestures and hand movements are performed. It is possible to provide an excellent walking control device and a walking control method capable of compensating for or recovering the posture stability lost due to the emotion expressing motion led by the upper body.

【0121】本発明に係る2足直立歩行型のロボット
は、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して、体幹部以下(あ
るいは腰部以下)すなわち下半身の安定した運動パター
ンを生成するようになっている。したがって、身振りや
手振りなど上半身主導の感情表現動作のために失われた
姿勢安定性を、下半身の運動によって好適に補償若しく
は回復させることができる。
The bipedal upright walking type robot according to the present invention generates a waist movement pattern that enables stable walking based on an arbitrary foot movement pattern, ZMP trajectory, trunk movement pattern, upper limb movement pattern, and the like. Then, a stable movement pattern of the trunk or lower part (or the waist or lower part), that is, the lower half of the body is generated. Therefore, the posture stability lost due to the emotional expression motion led by the upper body such as a gesture or a hand gesture can be appropriately compensated or restored by the exercise of the lower body.

【0122】片足が6個の関節自由度を持つ2足歩行型
ロボットの場合、各足部の位置と腰部の高さで脚の姿勢
が一意に定まるので、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」を決定することを
意味する。したがって、本発明に係る歩行制御装置及び
歩行制御方法によれば、上半身の歩容に応じて、安定歩
行できるような下半身の歩容を決定することができる訳
である。
In the case of a bipedal robot having one joint with six joint degrees of freedom, the posture of the leg is uniquely determined by the position of each foot and the height of the waist. It means determining the posture of the leg, or the "gait" of the lower limb. Therefore, according to the walking control device and the walking control method according to the present invention, it is possible to determine the gait of the lower body that allows stable walking according to the gait of the upper body.

【図面の簡単な説明】[Brief description of 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 is a humanoid robot 100 used for implementing the present invention.
It is the figure which showed the mode that it 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 humanoid robot 100 used for implementing the present invention.
It is the figure which showed a mode that it 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 showing 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 showing a control system configuration of the humanoid robot 100 according to the present embodiment.

【図5】本実施例に係る歩行制御の計算のために導入さ
れる、人間型ロボット100の線形且つ非干渉の多質点
近似モデルを示した図である。
FIG. 5 is a diagram showing a linear and non-interfering multi-mass point approximation model of the humanoid robot 100, which is introduced for calculation of walking control according to the present embodiment.

【図6】本実施例に係る人間型ロボット100における
歩行制御の処理手順を示したフローチャートである。
FIG. 6 is a flowchart showing a processing procedure of walking control in the humanoid robot 100 according to the present embodiment.

【図7】本実施例に係るロボット100において安定歩
行可能な腰部運動を制御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. 7 is a flowchart showing another example of a processing procedure for controlling a waist motion that enables stable walking in the robot 100 according to the present embodiment.

【図8】図5に示した多質点モデルの腰部周辺の拡大図
である。
FIG. 8 is an enlarged view of the waist area and its periphery of the multi-mass point model shown in FIG.

【図9】人間型ロボットの関節モデル構成を模式的に示
した図である。
FIG. 9 is a diagram schematically showing a joint model configuration of a humanoid robot.

【図10】人間型ロボットの関節モデル構成を模式的に
示した図である。
FIG. 10 is a diagram schematically showing a joint model configuration of a humanoid robot.

【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 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 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 pitch axis, 18 ... Hip roll axis 19 ... Knee joint pitch axis, 20 ... Ankle joint pitch axis 21 ... Ankle joint roll axis, 22 ... Foot 30 ... Head unit, 40 ... Trunk unit 50 ... Arm unit, 51 ... Upper arm unit 52 ... Elbow joint unit, 53 ... Forearm unit 60 ... Leg unit, 61 ... Thigh unit 62 ... knee joint unit, 63 ... shin unit 80 ... Control unit, 81 ... Main control unit 82 ... Peripheral circuit 91, 92 ... Grounding confirmation sensor 93 ... Attitude sensor 100 ... Humanoid robot

─────────────────────────────────────────────────────
─────────────────────────────────────────────────── ───

【手続補正書】[Procedure amendment]

【提出日】平成14年12月25日(2002.12.
25)
[Submission date] December 25, 2002 (2002.12.
25)

【手続補正1】[Procedure Amendment 1]

【補正対象書類名】図面[Document name to be corrected] Drawing

【補正対象項目名】全図[Correction target item name] All drawings

【補正方法】変更[Correction method] Change

【補正内容】[Correction content]

【図1】 [Figure 1]

【図2】 [Fig. 2]

【図3】 [Figure 3]

【図5】 [Figure 5]

【図8】 [Figure 8]

【図4】 [Figure 4]

【図6】 [Figure 6]

【図7】 [Figure 7]

【図9】 [Figure 9]

【図10】 [Figure 10]

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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) 3C007 CS08 WA03 WA13 WB05 WB07   ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Kenzo Ishida             6-735 Kita-Shinagawa, Shinagawa-ku, Tokyo Soni             -Inside the corporation (72) Inventor Jinichi Yamaguchi             5-14-38 Tamadaira, Hino City, Tokyo F-term (reference) 3C007 CS08 WA03 WA13 WB05 WB07

Claims (18)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】少なくとも下肢と体幹部と腰部で構成さ
れ、下肢による脚式移動を行うタイプのロボットの歩行
制御装置であって、 任意の足部運動パターン、ZMP軌道、体幹運動パター
ン、上肢運動パターンに基づいて腰部運動パターンを導
出することにより歩行時の全身運動パターンを得ること
を特徴とするロボットの歩行制御装置。
1. A walking control device for a robot of at least a lower limb, a torso and a lower back, which performs legged movements by the lower limb, wherein an arbitrary foot movement pattern, ZMP trajectory, trunk movement pattern and upper limbs are provided. A walking control device for a robot, which obtains a whole-body motion pattern during walking by deriving a waist motion pattern based on the motion pattern.
【請求項2】少なくとも下肢と体幹部と腰部で構成さ
れ、ZMPが目標位置に入るように下肢による脚式移動
を行うタイプのロボットの歩行制御装置であって、
(a)要求された動作を実現するための足部運動、体幹
運動、上肢運動、腰部の姿勢及び高さを設定する手段
と、(b)前記手段(a)により設定された足部運動に
基づいてZMP軌道を設定する手段と、(c)前記手段
(b)により設定されたZMP上でモーメントが釣り合
う腰部運動の解を求める手段と、(d)腰部運動の解に
基づいて腰部運動を実行する手段と、を具備することを
特徴とするロボットの歩行制御装置。
2. A walking control device for a robot of a type which comprises at least a lower limb, a trunk and a lower back, and which performs legged movements by the lower limb so that the ZMP enters a target position.
(A) means for setting foot movements, trunk movements, upper limb movements, waist postures and heights for realizing the required movements, and (b) foot movements set by the means (a). Means for setting the ZMP trajectory based on the above, (c) means for obtaining a solution for the waist movement in which the moments balance on the ZMP set by the means (b), and (d) a waist movement based on the solution for the waist movement A walking control device for a robot, comprising:
【請求項3】少なくとも下肢と体幹部と腰部で構成さ
れ、ZMPが目標位置に入るように下肢による脚式移動
を行うタイプのロボットの歩行制御装置であって、
(A)要求された動作を実現するための足部運動、体幹
運動、上肢運動、腰部の姿勢及び高さを設定する手段
と、(B)前記手段(A)により設定された足部運動に
基づいてZMP軌道を設定する手段と、(C)前記ロボ
ットの非厳密モデルを用いて、前記手段(B)により設
定されたZMP上でモーメントが釣り合う腰部運動の近
似解を求める手段と、(D)前記ロボットの厳密モデル
を用いて、前記手段(B)により設定されたZMP上で
モーメントが釣り合う腰部運動の近似解を求める手段
と、(E)前記手段(C)及び手段(D)の各近似解の
差が所定の許容値未満であれば腰部運動の解とする手段
と、(F)前記手段(C)及び手段(D)の各近似解の
差が所定の許容値以上であれば、設定ZMP上における
非厳密モデルのモーメントを修正して、前記手段(C)
に再投入する手段と、(G)腰部運動の解に基づいて腰
部運動を実行する手段と、を具備することを特徴とする
ロボットの歩行制御装置。
3. A walking control device for a robot which is composed of at least a lower limb, a trunk and a lower back, and which performs a legged movement by the lower limb so that the ZMP enters a target position.
(A) means for setting foot movements, trunk movements, upper limb movements, waist postures and heights to realize the required movements, and (B) foot movements set by the means (A). A means for setting a ZMP trajectory based on the above, and (C) means for using the inexact model of the robot to obtain an approximate solution for the waist motion in which the moments are balanced on the ZMP set by the means (B), D) Using the exact model of the robot, means for obtaining an approximate solution of the waist motion in which the moments are balanced on the ZMP set by the means (B), and (E) the means (C) and the means (D). If the difference between the approximate solutions is less than a predetermined allowable value, the difference between the means for determining the solution of the lumbar movement and (F) the approximate solutions of the means (C) and the means (D) is equal to or more than the predetermined allowable value. For example, the non-exact model Correct bets, said means (C)
A walking control device for a robot, comprising: (G) a means for performing a waist movement based on a solution of the waist movement.
【請求項4】前記非厳密モデルは前記ロボットに関する
線形及び/又は非干渉の多質点近似モデルであり、 前記厳密モデルは前記ロボットに関する剛体モデル、又
は、非線形及び/又は干渉の多質点近似モデルである、
ことを特徴とする請求項3に記載のロボットの歩行制御
装置。
4. The non-exact model is a linear and / or non-interfering multi-mass point approximation model for the robot, and the exact model is a rigid body model for the robot or a non-linear and / or interfering multi-mass point approximation model. is there,
The robot walking control device according to claim 3, wherein the walking control device is a robot.
【請求項5】さらに、 (C')前記の非厳密モデルを用いて腰部運動の近似解
を求める手段(C)において求めた近似解では予め設定
した体幹・上肢運動が実現できない場合に、体幹・上肢運
動パターンの再設定・修正を行う手段、を備えることを
特徴とする請求項3に記載のロボットの歩行制御装置。
5. (C ′) Further, when the approximate solution obtained by the means (C) for obtaining an approximate solution of the lumbar movement using the inexact model cannot realize a preset trunk / upper limb movement, The robot walking control device according to claim 3, further comprising means for resetting / correcting a trunk / upper limb movement pattern.
【請求項6】前記の非厳密モデルを用いて腰部運動の近
似解を求める手段(C)は、足部運動、体幹運動、上肢
運動によって生じる設定ZMP上のモーメントと、腰部
の水平面内運動によって生じる設定ZMP上のモーメン
トとの釣合方程式を解くことによって腰部運動の近似解
を求める、ことを特徴とする請求項3に記載のロボット
の歩行制御装置。
6. A means (C) for obtaining an approximate solution of a waist motion using the inexact model is a moment on a set ZMP caused by a foot motion, a trunk motion, and an upper limb motion, and a motion of a waist in a horizontal plane. 4. The robot walking control device according to claim 3, wherein an approximate solution of the waist motion is obtained by solving a balance equation with a moment on the set ZMP caused by.
【請求項7】前記の非厳密モデルを用いて腰部運動の近
似解を求める手段(C)は、時間の関数を周波数の関数
に置き換えて計算することを特徴とする請求項3に記載
のロボットの歩行制御装置。
7. The robot according to claim 3, wherein the means (C) for obtaining an approximate solution of the waist motion using the inexact model replaces a function of time with a function of frequency. Walking control device.
【請求項8】前記の非厳密モデルを用いて腰部運動の近
似解を求める手段(C)は、足部運動、体幹運動、上肢
運動によって生じる設定ZMP上のモーメントにフーリ
エ級数展開を適用するとともに、腰部の水平面内運動に
フーリエ級数展開を適用して、腰部水平面内軌道のフー
リエ係数を算出して、さらに逆フーリエ級数展開を適用
することによって腰部運動の近似解を求める、ことを特
徴とする請求項3に記載のロボットの歩行制御装置。
8. A means (C) for obtaining an approximate solution of a waist motion using the inexact model applies a Fourier series expansion to a moment on a set ZMP caused by a foot motion, a trunk motion and an upper limb motion. At the same time, the Fourier series expansion is applied to the horizontal motion of the waist, the Fourier coefficient of the waist horizontal plane trajectory is calculated, and the inverse solution of the inverse Fourier series expansion is applied to obtain the approximate solution of the waist motion. The walking control device for a robot according to claim 3.
【請求項9】上体の動作を表現するための複数の関節を
備えた上半身と、少なくとも歩行動作を実現するための
脚部の関節を備えた下半身とからなる歩行型ロボットの
ための歩行制御装置であって、上半身の歩容に応じて、
安定歩行できるような下半身の歩容を決定することを特
徴とするロボットの歩行制御装置。
9. A walking control for a walking robot comprising an upper body having a plurality of joints for expressing a motion of the upper body and a lower body having a joint of a leg for realizing at least a walking motion. The device, depending on the gait of the upper body,
A walking control device for a robot, which is characterized by determining a gait of a lower half of the body so that the robot can walk stably.
【請求項10】少なくとも下肢と体幹部と腰部で構成さ
れ、下肢による脚式移動を行うタイプのロボットの歩行
制御方法であって、 任意の足部運動パターン、ZMP軌道、体幹運動パター
ン、上肢運動パターンに基づいて腰部運動パターンを導
出することにより歩行時の全身運動パターンを得ること
を特徴とするロボットの歩行制御方法。
10. A walking control method for a robot of at least a lower limb, a torso and a lower back, which performs legged movements by the lower limb, wherein an arbitrary foot movement pattern, ZMP trajectory, trunk movement pattern and upper limbs are provided. A walking control method for a robot, characterized in that a whole-body motion pattern during walking is obtained by deriving a waist motion pattern based on the motion pattern.
【請求項11】少なくとも下肢と体幹部と腰部で構成さ
れ、ZMPが目標位置に入るように下肢による脚式移動
を行うタイプのロボットの歩行制御方法であって、
(a)要求された動作を実現するための足部運動、体幹
運動、上肢運動、腰部の姿勢及び高さを設定するステッ
プと、(b)前記ステップ(a)により設定された足部
運動に基づいてZMP軌道を設定するステップと、
(c)前記ステップ(b)により設定されたZMP上で
モーメントが釣り合う腰部運動の解を求めるステップ
と、(d)腰部運動の解に基づいて腰部運動を実行する
ステップと、を具備することを特徴とするロボットの歩
行制御方法。
11. A walking control method for a robot of at least a lower limb, a torso and a lower back, and performing legged movement by the lower limb so that the ZMP enters a target position.
(A) a step of setting a foot movement, a trunk movement, an upper limb movement, a waist posture and a height for realizing a required motion, and (b) a foot movement set in the step (a) Setting a ZMP trajectory based on
(C) a step of obtaining a solution of a waist motion in which moments are balanced on the ZMP set in the step (b), and (d) a step of performing a waist motion based on the solution of the waist motion. A characteristic robot walking control method.
【請求項12】少なくとも下肢と体幹部と腰部で構成さ
れ、ZMPが目標位置に入るように下肢による脚式移動
を行うタイプのロボットの歩行制御方法であって、
(A)要求された動作を実現するための足部運動、体幹
運動、上肢運動、腰部の姿勢及び高さを設定するステッ
プと、(B)前記ステップ(A)により設定された足部
運動に基づいてZMP軌道を設定するステップと、
(C)前記ロボットの非厳密モデルを用いて、前記ステ
ップ(B)により設定されたZMP上でモーメントが釣
り合う腰部運動の近似解を求めるステップと、(D)前
記ロボットの厳密モデルを用いて、前記ステップ(B)
により設定されたZMP上でモーメントが釣り合う腰部
運動の近似解を求めるステップと、(E)前記ステップ
(C)及びステップ(D)の各近似解の差が所定の許容
値未満であれば腰部運動の解とするステップと、(F)
前記ステップ(C)及びステップ(D)の各近似解の差
が所定の許容値以上であれば、設定ZMP上における非
厳密モデルのモーメントを修正して、前記ステップ
(C)に再投入するステップと、(G)腰部運動の解に
基づいて腰部運動を実行するステップと、を具備するこ
とを特徴とするロボットの歩行制御方法。
12. A walking control method for a robot of at least a lower limb, a torso and a lower back, and performing legged movement by the lower limb so that the ZMP enters a target position.
(A) a step of setting a foot movement, a trunk movement, an upper limb movement, a waist posture and a height to achieve the requested motion; and (B) a foot movement set in the step (A). Setting a ZMP trajectory based on
(C) using an inexact model of the robot, obtaining an approximate solution of a waist motion in which the moments are balanced on the ZMP set in step (B), and (D) using the exact model of the robot, Step (B)
If a difference between the approximate solution of the waist motion in which the moments are balanced on the ZMP set by the step (E) and the approximate solutions of the steps (C) and (D) is less than a predetermined allowable value, the waist motion And the step (F)
If the difference between the approximate solutions in step (C) and step (D) is greater than or equal to a predetermined allowable value, the moment of the inexact model on the set ZMP is corrected and the step is reentered in step (C). And (G) a step of executing a waist motion based on a solution of the waist motion, the walking control method of the robot.
【請求項13】前記非厳密モデルは前記ロボットに関す
る線形及び/又は非干渉の多質点近似モデルであり、 前記厳密モデルは前記ロボットに関する剛体モデル、又
は、非線形及び/又は干渉の多質点近似モデルである、
ことを特徴とする請求項12に記載のロボットの歩行制
御方法。
13. The non-exact model is a linear and / or non-interfering multi-mass point approximation model for the robot, and the exact model is a rigid body model or non-linear and / or interfering multi-mass point approximation model for the robot. is there,
The walking control method for a robot according to claim 12, wherein.
【請求項14】さらに、 (C')前記非厳密モデルを用いて腰部運動の近似解を
求めるステップ(C)において求めた近似解では予め設
定した体幹・上肢運動が実現できない場合に、体幹・上肢
運動パターンの再設定・修正を行うステップ、を備える
ことを特徴とする請求項12に記載のロボットの歩行制
御方法。
14. (C ′) If the approximate solution obtained in the step (C) of obtaining an approximate solution of the lower back movement using the inexact model cannot realize a preset trunk / upper limb movement, The robot walking control method according to claim 12, further comprising a step of resetting / correcting a trunk / upper limb movement pattern.
【請求項15】前記の非厳密モデルを用いて腰部運動の
近似解を求めるステップ(C)は、足部運動、体幹運
動、上肢運動によって生じる設定ZMP上のモーメント
と、腰部の水平面内運動によって生じる設定ZMP上の
モーメントとの釣合方程式を解くことによって腰部運動
の近似解を求める、ことを特徴とする請求項12に記載
のロボットの歩行制御方法。
15. The step (C) for obtaining an approximate solution of the lumbar movement using the inexact model includes the moment on the set ZMP caused by the foot movement, the trunk movement, and the upper limb movement, and the movement of the lower back in the horizontal plane. 13. The walking control method for a robot according to claim 12, wherein an approximate solution of the waist motion is obtained by solving a balance equation with a moment on the set ZMP caused by.
【請求項16】前記の非厳密モデルを用いて腰部運動の
近似解を求めるステップ(C)は、時間の関数を周波数
の関数に置き換えて計算することを特徴とする請求項1
2に記載のロボットの歩行制御方法。
16. The step (C) for obtaining an approximate solution of the lower back movement using the inexact model is calculated by replacing a function of time with a function of frequency.
2. A robot walking control method according to item 2.
【請求項17】前記の非厳密モデルを用いて腰部運動の
近似解を求めるステップ(C)は、足部運動、体幹運
動、上肢運動によって生じる設定ZMP上のモーメント
にフーリエ級数展開を適用するとともに、腰部の水平面
内運動にフーリエ級数展開を適用して、腰部水平面内軌
道のフーリエ係数を算出して、さらに逆フーリエ級数展
開を適用することによって腰部運動の近似解を求める、
ことを特徴とする請求項12に記載のロボットの歩行制
御方法。
17. A step (C) for obtaining an approximate solution of a waist motion using the inexact model applies Fourier series expansion to a moment on a set ZMP caused by a foot motion, a trunk motion and an upper limb motion. At the same time, applying Fourier series expansion to the horizontal motion of the waist, calculating the Fourier coefficient of the waist horizontal trajectory, and further applying the inverse Fourier series expansion to obtain an approximate solution of the waist motion,
The walking control method for a robot according to claim 12, wherein.
【請求項18】上体の動作を表現するための複数の関節
を備えた上半身と、少なくとも歩行動作を実現するため
の脚部の関節を備えた下半身とからなる歩行型ロボット
のための歩行制御方法であって、上半身の歩容に応じ
て、安定歩行できるような下半身の歩容を決定すること
を特徴とするロボットの歩行制御方法。
18. A walking control for a walking robot, which comprises an upper body having a plurality of joints for expressing a motion of the upper body and a lower body having a joint of a leg for realizing at least a walking motion. A gait control method for a robot, characterized in that the gait of the lower half of the body is determined so as to allow stable walking according to the gait of the upper half of the body.
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