JP2004188530A

JP2004188530A - Walking type movable apparatus, and device and method for controlling its movement

Info

Publication number: JP2004188530A
Application number: JP2002358414A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Furuta; 貴之古田; Tetsuo Tawara; 哲雄田原; Hisashi Okumura; 悠奥村; Masaharu Shimizu; 正晴清水; Hiroaki Kitano; 宏明北野
Original assignee: Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2002-12-10
Filing date: 2002-12-10
Publication date: 2004-07-08

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a walking type movable apparatus, which carries out the zero setting by detecting a mechanical drive limit position of each articulation with a simple configuration, particularly to provide a biped walking type humanoid robot and a device, and also to provide a method for controlling its movement. <P>SOLUTION: The robot 10 is provided with driving means for swing its respective articulations, and a movement control apparatus for controllably driving the respective driving means. The movement control apparatus 40 comprises a movement planning section 41, a movement generating section 42, a compensating section 43, a control section 44, an angle sensor for serving as a detecting section for detecting the angle of each articulation of the robot, i.e., an angle measuring unit 45 and a ZMP detecting sensor provided in both leg portions, and a movement monitoring section 46. When a power switch is switched on, the movement control apparatus 40 drives each articulation up to its mechanical drive limit position in both swing directions, and detects the limit positions by means of the angle sensor 45, a force sensor or a current sensor provided on the articulation, and thus carries out the zero setting of the articulation. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、二脚歩行式人型ロボット及びその動作制御装置そして動作制御方法に関し、特に低コストで且つ正確な各関節部の原点出しを実現するようにした動作制御に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、所謂二脚歩行式人型ロボットは、胴体部と、胴体部の下部両側にて揺動可能な中間に膝部，下端に足部を備えた脚部と、胴体部の上部両側にて揺動可能な中間に肘部，下端に手部を備えた腕部と、胴体部の上端に取り付けられた頭部とを備えており、上記脚部の足部，下腿部，大腿部そして上記腕部の手部，下腕部及び上腕部の揺動可能な関節部をそれぞれ揺動させる駆動手段と、各駆動手段をそれぞれ駆動制御する動作制御装置とを備えることにより構成されている。
【０００３】
このように構成された二脚歩行式人型ロボットによれば、動作制御装置が、歩行を含む種々の動作を実現するための動作パターンに従って、各関節部に対応する駆動手段をそれぞれ駆動制御して、各関節部を適宜に揺動させることにより、二脚歩行あるいは全身運動を実現するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような二脚歩行式ロボットにおける各関節部は、駆動手段として位置制御のためのアクチュエータを備えており、これらのアクチュエータは、電源投入時には、動作制御装置によって、それぞれ各関節部の初期状態としての目標角度位置まで瞬時に駆動制御されるようになっている。このため、電源オフ時から各関節部が揺動しない状態では、電源投入時には各関節部は殆ど揺動しない。
【０００５】
しかしながら、各関節部の組立直後や、電源オフ時に関節部が外力により強制的に揺動された場合などにおいては、各関節部の角度は、初期状態としての目標角度位置から大きくずれることがある。このような場合に、電源を投入すると、動作制御装置は、上述したように各関節部の角度位置を、それぞれ初期状態としての目標角度位置まで瞬時に駆動制御することになる。このため、各関節部の瞬時の揺動によって、人型ロボットが姿勢を崩して倒れたり、場合によっては人型ロボットが損傷してしまったり、あるいは例えば腕部の大きな揺動などによって人型ロボットの周囲の人間や動物あるいは器物等に当たってしまい、これらの損傷，破壊等を招くおそれがある。
【０００６】
他方、各関節部は、その揺動に際して、人型ロボットの構造上の制限による機械的な駆動限界を有している。そして、この機械的な駆動限界が、駆動手段による駆動範囲に対して狭く設定されている場合、駆動制御の誤りにより、関節部が駆動限界を越えて駆動されてしまうと、駆動手段が損傷してしまうことがある。従って、電源投入の際には、動作制御装置は、各関節部の原点位置および動作可能範囲を認識するため、所謂原点出しを行なう必要がある。
【０００７】
このため、従来の人型ロボットにおいては、各関節部に関して、それぞれ上述した駆動限界付近に、機械的，電気的あるいは光学的等のセンサがリミットスイッチとして設けられており、動作制御装置が、電源投入時に各関節部について双方の揺動方向に機械的駆動限界位置まで駆動して、その限界位置をリミットスイッチにより特定して当該関節部の原点出しを行なうと共に、各関節部が駆動限界を超えて駆動されないようにしている。
【０００８】
しかしながら、このような関節部毎にセンサを設ける構成は、関節数が少ないロボットにおいては効果的であるが、人型ロボットのような多関節のロボットにおいては、関節部毎にそれぞれ双方向の駆動限界付近にセンサを設けなければならず、センサの検出信号を取り出すための複雑な配線も必要になってしまう。従って、部品点数が多くなり、コストが増大してしまうと共に、センサへの配線が関節部の駆動を妨げてしまったり、関節部の駆動により配線が損傷，断線するおそれがある。さらに、小型のロボットにおいては、上述したセンサを設けるスペースを確保することが困難になってくる。
【０００９】
この発明は、以上の点にかんがみて、簡単な構成により各関節部の機械的駆動限界位置を検出して、原点出しを行なうようにした歩行式移動装置、特に二脚歩行式人型ロボットと、その動作制御装置及び動作制御方法を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明の第一の構成によれば、本体と、本体に対してそれぞれ関節部を介して揺動可能に取り付けた複数本の脚部と、各脚部を関節部の周りに揺動させる駆動手段と、各駆動手段をそれぞれ駆動制御する動作制御装置とを有する歩行式移動装置において、上記動作制御装置が、電源投入時に、各関節部について、双方の揺動方向に機械的駆動限界位置まで揺動させて、その限界位置を角度センサ、力センサ又は電流センサにより検出して、当該関節部の原点出しを行なうことを特徴としている。
【００１１】
また、上記目的を達成するため、この発明の第二の構成によれば、胴体部と、胴体部の下部両側にて揺動可能な中間に膝部，下端に足部を備えた二本の脚部と、胴体部の上部両側にて揺動可能な中間に肘部，下端に手部を備えた腕部と、胴体部の上端に取り付けた頭部とを備えており、上記脚部の足部，下腿部，大腿部と上記腕部の手部，下腕部及び上腕部そして胴体部及び頭部の揺動可能な各関節部をそれぞれ揺動させる駆動手段と、各駆動手段をそれぞれ駆動制御する動作制御装置とを有する二脚歩行式人型ロボットにおいて、上記動作制御装置が、電源投入時に、各関節部について、双方の揺動方向に機械的駆動限界位置まで駆動して、その限界位置を当該関節部に設けられた角度センサ、力センサ又は電流センサにより検出して、当該関節部の原点出しを行なうことを特徴としている。
【００１２】
本発明による二脚歩行式人型ロボットは、好ましくは、上記動作制御装置が、各関節部について、駆動手段をトルク制御モードにより駆動制御して、最小トルクで駆動させることにより、機械的駆動限界位置に当接してトルクが増大したとき又は角度変化がある一定範囲内に収まったとき、機械的駆動限界位置を検出する。
【００１３】
本発明による二脚歩行式人型ロボットは、好ましくは、各関節部が、それぞれ揺動部分を機械的駆動限界位置で抑止するためのストッパ機構を備えている。
【００１４】
本発明による二脚歩行式人型ロボットは、好ましくは、上記ストッパ機構が、ロボットの各部のフレームに設けられている。
【００１５】
本発明による二脚歩行式人型ロボットは、好ましくは、上記ストッパ機構が、関節部の外形により構成されている。
【００１６】
本発明による二脚歩行式人型ロボットは、好ましくは、上記動作制御装置が、当該関節部の原点出しがロボットの各部と干渉しないように、他の関節部を駆動制御して、ロボットの各部を退避させておく。
【００１７】
また、上記目的を達成するため、この発明の第三の構成によれば、胴体部と、胴体部の下部両側にて揺動可能な中間に膝部，下端に足部を備えた二本の脚部と、胴体部の上部両側にて揺動可能な中間に肘部，下端に手部を備えた腕部と、胴体部の上端に取り付けられた頭部とを備えており、上記脚部の足部，下腿部，大腿部と上記腕部の手部，下腕部及び上腕部そして胴体部及び頭部の揺動可能な各関節部をそれぞれ揺動させる駆動手段とを含む二脚歩行式人型ロボットに関して、各駆動手段をそれぞれ駆動制御する二脚歩行式人型ロボットの動作制御装置において、上記動作制御装置が、電源投入時に、各関節部について、双方の揺動方向に機械的駆動限界位置まで駆動して、その限界位置を当該関節部に設けられた角度センサ、力センサ又は電流センサにより検出して、当該関節部の原点出しを行なうことを特徴とするものである。
【００１８】
本発明による二脚歩行式人型ロボットの動作制御装置は、好ましくは、上記動作制御装置が、各関節部について、駆動手段をトルク制御モードにより駆動制御して、最小トルクで駆動させることにより、機械的駆動限界位置に当接してトルクが増大したとき又は角度変化がある一定範囲内に収まったとき、機械的駆動限界位置を検出する。
【００１９】
本発明による二脚歩行式人型ロボットの動作制御装置は、好ましくは、各関節部が、それぞれ揺動部分を機械的駆動限界位置で抑止するためのストッパ機構を備えている。
【００２０】
本発明による二脚歩行式人型ロボットの動作制御装置は、好ましくは、上記ストッパ機構がロボットの各部のフレームに設けられている。
【００２１】
本発明による二脚歩行式人型ロボットの動作制御装置は、好ましくは、上記ストッパ機構が関節部の外形により構成されている。
【００２２】
本発明による二脚歩行式人型ロボットは、好ましくは、上記動作制御装置が、当該関節部の原点出しがロボットの各部と干渉しないように他の関節部を駆動制御して、ロボットの各部を退避させておく。
【００２３】
さらに、上記目的を達成するため、この発明の第四の構成によれば、胴体部と、胴体部の下部両側にて揺動可能な中間に膝部，下端に足部を備えた二本の脚部と、胴体部の上部両側にて揺動可能な中間に肘部，下端に手部を備えた腕部と、胴体部の上端に取り付けられた頭部とを備えており、上記脚部の足部，下腿部，大腿部と上記腕部の手部，下腕部及び上腕部そして胴体部及び頭部の揺動可能な各関節部をそれぞれ揺動させる駆動手段とを含む二脚歩行式人型ロボットに関して、各駆動手段をそれぞれ駆動制御する二脚歩行式人型ロボットの動作制御方法において、上記動作制御方法が、電源投入時に、各関節部について、双方の揺動方向に機械的駆動限界位置まで駆動して、その限界位置を当該関節部に設けられた角度センサ、力センサ又は電流センサにより検出して、当該関節部の原点出しを行なうことを特徴とするものである。
【００２４】
上記構成によれば、上記動作制御装置が、電源投入時に、各関節部に対応する駆動手段を駆動制御することによって、当該各関節部の揺動部分を一方向に揺動させて、第一の機械的駆動限界位置まで移動させる。そして、動作制御装置が、この第一の機械的駆動限界位置の角度を、各関節部の駆動制御のために設けられた角度センサ、力センサ又は電流センサにより検出して、当該関節部の一方向に関する機械的駆動限界位置とする。
その後、動作制御装置が、同様にして、当該各関節部の揺動部分を逆方向に揺動させて、第二の機械的駆動限界位置まで移動させる。そして、動作制御装置が、この第二の機械的駆動限界位置の角度を、各関節部の駆動制御のための角度センサ、力センサ又は電流センサにより検出して、当該関節部の逆方向に関する機械的駆動限界位置とする。これにより、動作制御装置は、各関節部について、それぞれ双方向の機械的駆動限界位置を検出することにより、当該関節部の原点出しを行なう。
【００２５】
従って、電源投入時に行なう原点出しが、各関節部の双方向の機械的駆動限界位置までの揺動により、当該関節部の角度位置を検出する角度センサ、力センサ又は電流センサを利用して行なわれるので、従来のように、各関節部について双方向の限界位置を検出するためのリミットスイッチが不要になり、さらに各リミットスイッチへの配線が不要となる。これにより、部品点数が少なくて済むと共に、組立作業が容易になり、また各関節部の駆動が余分な配線によって妨げられたり、各関節部の駆動によってセンサの配線が損傷，断線して限界を超えるようなことがない。さらに、小型のロボットにおいてもリミットスイッチが不要であることから、容易に各関節部の機械的駆動限界位置を検出して、原点出しを行なうことができる。
【００２６】
上記動作制御装置が、各関節部について、駆動手段をトルク制御モードにより駆動制御して、最小トルクで駆動させることにより、機械的駆動限界位置に当接してトルクが増大したとき又は角度変化がある一定範囲内に収まったとき、機械的駆動限界位置を検出する場合には、揺動部分が機械的駆動限界位置に当接すると、トルクが急激に増大するので、このトルクの急激な増大を検出することにより、容易に機械的駆動限界位置を検出することができる。なお、関節角度の変化が生じない状態を機械的駆動限界位置とみなしてよい。
【００２７】
各関節部が、それぞれ揺動部分を機械的駆動限界位置で抑止するためのストッパ機構を備えている場合には、揺動部分がストッパ機構により確実に機械的駆動限界位置で停止されることになり、当該関節部が機械的駆動限界位置を越えて揺動して、破壊するようなことがない。
【００２８】
上記ストッパ機構がロボットの各部のフレームに設けられている場合には、ロボット毎のストッパ機構による停止位置のバラツキが低減される。
【００２９】
上記ストッパ機構が関節部の外形により構成されている場合には、新たに関節部にストッパ機構のための凸部等を形成する必要がなく、関節部の外形を利用して、関節部の機械低駆動限界での揺動を抑止させることができる。
【００３０】
上記動作制御装置が、当該関節部の原点出しがロボットの各部と干渉しないように、他の関節部を駆動制御してロボットの各部を退避させておく場合には、当該関節部の原点出しの際に、当該関節部の揺動部分が揺動の途中でロボットの各部と干渉することがなく、確実に原点出しが行なわれる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示した実施の形態に基づいて、この発明を詳細に説明する。
図１乃至図２は、この発明による二脚歩行式人型ロボットの一実施形態の構成を示している。図１において、二脚歩行式人型ロボット１０は、胴体部１１と、胴体部１１の下部両側に取り付けられた脚部１２Ｌ，１２Ｒと、胴体部の上部両側に取り付けられた腕部１３Ｌ，１３Ｒと、胴体部の上端に取り付けられた頭部１４と、を含んでいる。
【００３２】
上記胴体部１１は、上方の胸部１１ａと下方の腰部１１ｂとに分割され、胸部１１ａが、前屈部１１ｃにて腰部１１ｂに対して前後方向に揺動可能に、特に前方に前屈可能に、そして左右方向に旋回可能に支持されている。さらに、上記胴体部１１の胸部１１ａには、後述する歩行制御装置５０が内蔵されている。尚、上記前屈部１１ｃは、前後揺動用の関節部１１ｄ及び左右旋回用の関節部１１ｅを備えており、各関節部１１ｄ及び１１ｅは、それぞれ関節駆動用モータ（図２参照）により構成されている。
【００３３】
上記脚部１２Ｌ，１２Ｒは、それぞれ大腿部１５Ｌ，１５Ｒ，下腿部１６Ｌ，１６Ｒ及び足部１７Ｌ，１７Ｒと、から構成されている。
ここで、上記脚部１２Ｌ，１２Ｒは、図２に示すように、それぞれ六個の関節部、即ち上方から順に、胴体部１１の腰部１１ｂに対する脚部旋回用の関節部１８Ｌ，１８Ｒ、脚部のロール方向（ｘ軸周り）の関節部１９Ｌ，１９Ｒ、脚部のピッチ方向（ｙ軸周り）の関節部２０Ｌ，２０Ｒ、大腿部１５Ｌ，１５Ｒと下腿部１６Ｌ，１６Ｒの接続部分である膝部２１Ｌ，２１Ｒのピッチ方向の関節部２２Ｌ，２２Ｒ、足部１７Ｌ，１７Ｒに対する足首部のピッチ方向の関節部２３Ｌ，２３Ｒ、足首部のロール方向の関節部２４Ｌ，２４Ｒを備えている。尚、各関節部１８Ｌ，１８Ｒ乃至２４Ｌ，２４Ｒは、それぞれ関節駆動用モータにより構成されている。
【００３４】
このようにして、腰関節は、上記関節部１１ｄ，１１ｅから構成され、股関節は、上記関節部１８Ｌ，１８Ｒ，１９Ｌ，１９Ｒ，２０Ｌ，２０Ｒから構成され、また足関節は、関節部２３Ｌ，２３Ｒ，２４Ｌ，２４Ｒから構成されることになる。これにより、二脚歩行式人型ロボット１０の左右両側の脚部１２Ｌ，１２Ｒは、それぞれ６自由度を与えられることになり、各種動作中にこれらの１２個の関節部をそれぞれ駆動モータにより適宜の角度に駆動制御することにより、脚部１２Ｌ，１２Ｒ全体に所望の動作を与えて、例えば任意に三次元空間を歩行することができるように構成されている。
【００３５】
上記腕部１３Ｌ，１３Ｒは、それぞれ上腕部２５Ｌ，２５Ｒ，下腕部２６Ｌ，２６Ｒ及び手部２７Ｌ，２７Ｒと、から構成されている。
ここで、上記腕部１３Ｌ，１３Ｒの上腕部２５Ｌ，２５Ｒ，下腕部２６Ｌ，２６Ｒ及び手部２７Ｌ，２７Ｒは、上述した脚部１２Ｌ，１２Ｒと同様にして、図２に示すように、それぞれ五個の関節部、即ち上方から順に、肩部にて、胴体部１１に対する上腕部２５Ｌ，２５Ｒのピッチ方向の関節部２８Ｌ，２８Ｒ、ロール方向の関節部２９Ｌ，２９Ｒ、そして左右方向の関節部３０Ｌ，３０Ｒ、上腕部２５Ｌ，２５Ｒと下腕部２６Ｌ，２６Ｒの接続部分である肘部３１Ｌ，３１Ｒにてピッチ方向の関節部３２Ｌ，３２Ｒ、手首部にて下腕部２６Ｌ，２６Ｒに対する手部２７Ｌ，２７Ｒのピッチ方向の関節部３３Ｌ，３３Ｒを備えている。なお、各関節部２８Ｌ，２８Ｒ乃至３３Ｌ，３３Ｒは、それぞれ関節駆動用モータにより構成されている。
【００３６】
このようにして、二脚歩行式人型ロボット１０の左右両側の腕部１３Ｌ，１３Ｒはそれぞれ５自由度を与えられ、各種動作中にこれらの１２個の関節部をそれぞれ駆動モータにて適宜の角度に駆動制御して、腕部１３Ｌ，１３Ｒ全体に所望の動作を与えることができるように構成されている。ここで、上記肩部におけるピッチ方向の関節部２８Ｌ，２８Ｒは、ロール方向の関節部２９Ｌ，２９Ｒ及び左右方向の関節部３０Ｌ，３０Ｒに対して回転軸が前方にずれて配設されており、前方への腕部１３Ｌ，１３Ｒの振り角度が大きく設定されている。
【００３７】
上記頭部１４は、胴体部１１の上部１１ａの上端に取り付けられており、例えば視覚としてのカメラや聴覚としてのマイクが搭載されている。また、上記頭部１４は、図２に示すように、首のピッチ方向の関節部３５及び左右方向の関節部３６を備えている。なお、各関節部３５，３６は、それぞれ関節駆動用モータで構成されている。
【００３８】
このようにして、二脚歩行式人型ロボット１０の頭部１４は、２自由度を与えられ、各種動作中にこれらの２個の関節部３５，３６をそれぞれ駆動モータにて適宜の角度に駆動制御して、頭部１４を左右方向または前後方向に動かすことができるように構成されている。上記ピッチ方向の関節部３５は、左右方向の関節部３６に対して回転軸が前方にずれて配設されており、前方への頭部１４の揺動角度が大きく設定されている。
【００３９】
さらに、上記二脚歩行式人型ロボット１０においては、胴体部１１の前屈部１１ｃの関節部１１ｄと、脚部１２Ｌ，１２Ｒの前後方向の関節部、即ち股間節の関節部２０Ｌ，２０Ｒ，膝部の関節部２２Ｌ，２２Ｒ，足首部の関節部２３Ｌ，２３Ｒは、図３及び図４に示す角度範囲で揺動可能に支持されている。
【００４０】
即ち、足首部の関節部２３Ｌ，２３Ｒは、その揺動角度θ１が−２０乃至＋２０度以上の角度範囲で揺動可能である。また、膝部の関節部２２Ｌ，２２Ｒは、その揺動角度θ２が−１２０乃至０度以上の角度範囲で揺動可能である。さらに、腰関節の関節部２０Ｌ，２０Ｒは、その揺動角度θ３が−４５乃至＋６０度以上の角度範囲で揺動可能である。また、胴体部１１の前屈部１１ｃは、その揺動角度θ４が、−１０乃至＋６０度以上の角度範囲で揺動可能である。
【００４１】
これに対して、胴体部１１の前屈部１１ｃの関節部１１ｅは、図５に示す角度範囲で揺動可能に支持されている。即ち、前屈部１１ｃの関節部１１ｅは、その揺動角度θ５が図５（Ａ）に示す左方に関して−４５度以上、そして図５（Ｂ）に示す右方に関して＋４５度以上の角度範囲で旋回可能である。
【００４２】
図６は、図１乃至図５に示した二脚歩行式人型ロボット１０の電気的構成を示している。図６において、二脚歩行式人型ロボット１０は、駆動手段、即ち上述した各関節部即ち関節駆動用モータ１１ｄ，１１ｅ，１８Ｌ，１８Ｒ乃至３６を駆動制御する動作制御装置４０を備えている。
【００４３】
上記動作制御装置４０は、動作計画部４１と、動作生成部４２と、補償部４３と、制御部４４と、検出部としてのロボットの各関節部の角度を検出する角度センサ、即ち角度計測ユニット４５及び両足部１７Ｌ，１７Ｒに備えられたＺＭＰ検出センサ（図示せず）と、動作監視部４６と、を備えている。なお、二脚歩行式ロボット１０の座標系として、前後方向をｘ方向（前方＋），横方向をｙ方向（内方＋）そして上下方向をｚ方向（上方＋）とするｘｙｚ座標系を使用する。
【００４４】
上記動作計画部４１は、外部から入力された次の動作指令に基づいて当該動作指令に対応する動作を計画する。即ち、動作計画部４１は、当該動作指令に対応する動作を行なうために必要なロボットの各部の角運動量を計算して、ロボットの動作軌道すなわち動作計画を生成する。なお、この動作計画部４１は、後述するように動作監視部４６からロボットの現在の姿勢等が入力されており、動作計画の生成の際に、このロボットの現在の姿勢等を参照する。
【００４５】
上記動作生成部４２は、動作データとして、二脚歩行式人型ロボット１０の動作に必要な各関節部１５Ｌ，１５Ｒ乃至３６の角度データを生成する。その際、この動作生成部４２は、後述する補償部４３からの指令に基づいて、内部のパラメータ及び角度データを修正するようになっている。
【００４６】
上記補償部４３は、動作生成部４２からの各関節部の角度データθｒｅｆに基づいてＺＭＰ目標値を計算すると共に、角度計測ユニット４５からの姿勢情報及び前記ＺＭＰ検出センサからの検出出力に基づいて、ＺＭＰ実際値を計算する。そして、この補償部４３は、このＺＭＰ実際値をＺＭＰ目標値と比較して、その差に基づいてＺＭＰ補償量を計算して、動作生成部４２に出力する。これにより動作生成部４２は、補償部４３からのＺＭＰ補償量がフィードバックされ、このＺＭＰ補償量に基づいて動作データを修正して、モード信号と共に制御部４４へ出力する。
【００４７】
また、上記制御部４４は、動作生成部４２からの修正された動作データ及びモード信号に基づいて各関節駆動用モータの制御信号を生成し、力制御モードまたは位置制御モードにて、各関節駆動用モータを駆動制御するようになっている。なお、この制御部４４は、力制御モード時には各関節駆動用モータに対して所定のトルクで駆動制御を行なう。また、制御部４４は、位置制御モード時には各関節駆動用モータに対して所定の角度位置まで駆動制御を行なう。
【００４８】
ここで、制御部４４は、電源投入時には各関節部の原点出しを行なうようになっている。即ち、制御部４４は、電源投入時に、ロボットの各関節部について、双方の揺動方向に機械的駆動限界位置まで駆動して、その限界位置を当該関節部に設けられた角度検出ユニット４５により角度情報として検出して、原点位置として記憶することにより、所謂原点出しを行なう。その際、制御部４４は、一つの関節部の原点出しを行なう際に、当該関節部の双方向の機械的駆動限界位置への揺動がロボットの各部と干渉しないように、他の関節部を前もって決められたパラメータで駆動制御するようにしている。これにより、ロボットの各部は、当該関節部の原点出しの動作と干渉するようなことはなく、当該関節部の原点出しが確実に行なわれ得ることになる。そして、制御部４４は、このような原点出しにより検出した各関節部の原点位置を記憶する。
【００４９】
上記原点出しを、各関節部に設けられた角度センサとしての角度検出ユニット４５ではなく、各関節部に設けられた駆動モータのトルクを検出する力センサ、或いは駆動モータの駆動電流を検出する電流センサによって検出するようにしてもよい。
【００５０】
上記関節部は、図７に図式的に示すように、ストッパ機構を備えている。図７において、関節部５０は、固定部分５１と固定部分５１に対して回転軸５２の周りに揺動可能な揺動部分５３とから構成されている。さらに、関節部５０は、揺動部分５３の機械的駆動限界位置を規制するためのストッパ機構として、固定部分５１に設けられた突起５１ａと揺動部分５３に設けられた突起５３ａとを備えている。
これにより、関節部５０にて、揺動部分５３が矢印Ａ方向に揺動したとき、揺動部分５３の突起５３ａが固定部分５１の突起５１ａに当接することにより、揺動部分５３の揺動が第一の機械的駆動限界位置にて規制される。また、揺動部分５３が矢印Ａと反対方向に揺動したときには、揺動部分５３の突起５３ａが固定部分５１の図示しない第二の突起に当接することにより、同様にして、揺動部分５３の揺動が第一の機械的駆動限界位置にて規制される。この場合、各突起５１ａ，５３ａを、それぞれ固定部分５１及び揺動部分５３と一体に構成すれば、固定部分５１及び揺動部分５３の形成の際に同時に形成することができ、容易に且つ低コストで備えられる。
【００５１】
また、上記関節部は、図８に図式的に示すようなストッパ機構を備えていてもよい。即ち、図８において、関節部６０は、固定部分６１と固定部分６１に対して回転軸６２の周りに揺動可能な揺動部分６３とから構成されている。さらに、関節部６０は、揺動部分６３の機械的駆動限界位置を規制するためのストッパ機構として、固定部分６１の外形として形成された当接部６１ａ，６１ｂと、揺動部分６３の外形として形成された当接部６３ａ，６３ｂと、を備えている。
これにより、関節部６０にて、揺動部分６３が矢印Ａ方向に揺動したとき、揺動部分６３の当接部６３ａが固定部分６１の当接部６１ａに当接して、揺動部分６３の揺動が第一の機械的駆動限界位置にて規制される。また、揺動部分６３が矢印Ａと反対方向に揺動したときには、揺動部分６３の当接部６３ｂが固定部分６１の当接部６１ｂに当接することにより、同様にして、揺動部分６３の揺動が第一の機械的駆動限界位置にて規制される。この場合、各当接部６１ａ，６１ｂ，６３ａ，６３ｂは、それぞれ固定部分６１及び揺動部分６３の一部として構成されているので、固定部分６１及び揺動部分６３の形成の際に同時に形成されることにより、容易に且つ低コストで備えられる。
【００５２】
本発明実施形態による二脚歩行式ロボット１０は以上のように構成されており、動作制御装置４０は以下のように動作する。
まず、電源投入時には、上記制御部４４は、図９のフローチャートに示すように、各関節部の原点出しを行なう。図９のフローチャートにて、制御部４４は、ステップＳＴ１にて、ｉ＝１として、関節部ｉに関して原点出しを行なう。即ち、制御部４４は、ステップＳＴ２にて、各関節部を位置制御モードに設定して、ステップＳＴ３にて、各関節部を前もって決められたパラメータＰ（ｉ，ｊ）で位置制御し、他の関節部ｊ（関節部ｉを除く他の関節部）を位置制御して、関節部ｉの原点出しに関してロボットの各部が干渉しないように設定する。
【００５３】
続いて、制御部４４は、ステップＳＴ４にて、関節部ｉを力制御モードに設定して、ステップＳＴ５にて、当該関節部ｉの揺動部分を一方向に揺動させる。ここで、ステップＳＴ６にて、当該関節部ｉの揺動部分が第一の機械的駆動限界位置に当接することにより、当該関節部ｉの関節駆動用モータの負荷（トルク）が急激に増大すると又は角度変化がある一定範囲内に収まると、ステップＳＴ７にて、制御部４４は、そのときの当該関節部ｉに関連する角度計測ユニット４５からの角度情報に基づいて原点位置（第一の機械的駆動限界位置）を検出する。
【００５４】
次に、制御部４４は、ステップＳＴ８にて、当該関節部ｉの揺動部分を逆方向に揺動させる。ここで、ステップＳＴ９にて、当該関節部ｉの揺動部分が第二の機械的駆動限界位置に当接することにより、当該関節部ｉの関節駆動用モータの負荷（トルク）が急激に増大すると又は角度変化がある一定範囲内に収まると、ステップＳＴ１０にて、制御部４４は、そのときの当該関節部ｉに関連する角度計測ユニット４５からの角度情報に基づいて、原点位置（第二の機械的駆動限界位置）を検出する。これにより、制御部４４は、ステップＳＴ１１にて、双方向の機械的駆動限界位置を検出して記憶することにより、当該関節部ｉの駆動範囲を取得することができる。
【００５５】
その後、制御部４４は、ステップＳＴ１２にて、ｉ＝ｉ＋１を演算し、さらにステップＳＴ１３にて、ｉ＜ｎ（全関節部の数）であれば、ステップＳＴ２に戻って上記動作を繰り返す。そして、ステップＳＴ１３にて、ｉ＝ｎとなったら、すべての関節部の原点出しが完了したので、制御部４４は処理を終了する。
【００５６】
このようにして、各関節部の原点出しが終了した後、動作計画部４１が、外部から入力された次の動作指令に基づいて、当該動作指令に対応する動作を計画し、ロボットの動作計画を生成する。そして、動作生成部４２が、動作計画部４１により生成された動作計画に基づいて、二脚歩行式人型ロボット１０の動作に必要な各関節部の角度データを生成すると共に、補償部４３により計算されたＺＭＰ補償量に基づいて角度データを修正して、制御部４４に出力する。
【００５７】
これにより制御部４４は、動作生成部４２からの修正された動作データに基づいて各関節駆動用モータの制御信号を生成し、各関節駆動用モータを駆動制御する。その際、制御部４４は、前もって記憶している各関節部の機械的駆動限界位置の角度位置と、角度計測ユニット４５からのそのときの角度位置とを比較して、常にそのときの角度位置が駆動限界内に収まるように制御信号を生成する。これにより、各関節部は、その駆動限界を越えて揺動されることがないので、駆動限界を越える駆動制御によって各関節駆動用モータが破壊することもない。
【００５８】
このようにして、二脚歩行式人型ロボット１０は、動作制御装置４０の動作によって要求動作を実行することになる。その際、制御部４４が、各関節部を駆動限界内に収まるように各関節駆動用モータを駆動制御するので、各関節部がその駆動限界を越えて揺動されることがない。従って、駆動限界を越える駆動制御によって、各関節駆動用モータが破壊することがない。また、従来のように、各関節部に対して、その駆動限界付近にリミットスイッチを設ける必要がないので、リミットスイッチに対する配線も不要となり、部品点数が少なくて済み、部品コストが低減されると共に、各関節部の揺動が配線により制限されたり、各関節部の揺動により配線が損傷，断線することもない。
【００５９】
上述した実施形態においては、動作制御装置４０は、ＺＭＰ規範の動作制御を行なうようになっているが、これに限らず、他の任意の方法によってロボットの動作制御を行なうようにしてもよいことは明らかである。また、上述した実施形態においては二脚歩行式人型ロボット１０について説明したが、これに限らず、関節部を備えた少なくとも複数本の脚部を有する歩行式移動装置に対して本発明を適用し得ることは明らかである。
【００６０】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、上記動作制御装置が、電源投入時に、各関節部に対応する駆動手段を駆動制御することによって、当該各関節部の揺動部分を一方向に揺動させて第一の機械的駆動限界位置まで移動させる。そして、動作制御装置が、この第一の機械的駆動限界位置の角度を、各関節部の駆動制御のために設けられた角度センサ、力センサ又は電流センサにより検出して、当該関節部の一方向に関する機械的駆動限界位置とする。その後、動作制御装置が、同様にして、当該各関節部の揺動部分を逆方向に揺動させて、第二の機械的駆動限界位置まで移動させる。そして、動作制御装置が、この第二の機械的駆動限界位置の角度を、各関節部の駆動制御のための角度センサ、力センサ又は電流センサにより検出して、当該関節部の逆方向に関する機械的駆動限界位置とする。これにより、動作制御装置は、各関節部についてそれぞれ双方向の機械的駆動限界位置を検出することにより当該関節部の原点出しを行なう。
【００６１】
従って、電源投入時に行なう原点出しが、各関節部の双方向の機械的駆動限界位置までの揺動により、当該関節部の角度位置を検出する角度センサ等を利用して行なわれるので、従来のように、各関節部について双方向の限界位置を検出するためのリミットスイッチが不要になり、さらに各リミットスイッチへの配線が不要となる。したがって、部品点数が少なくて済むと共に、組立作業が容易になり、また各関節部の駆動が余分な配線によって妨げられたり、各関節部の駆動によってセンサの配線が損傷，断線して限界を超えるようなことがない。さらに、小型のロボットにおいても、リミットスイッチが不要であることから、容易に各関節部の機械的駆動限界位置を検出して、原点出しを行なうことができる。
このようにして、本発明によれば、簡単な構成により各関節部の機械的駆動限界位置を検出して、原点出しを行なうようにした歩行式移動装置、特に二脚歩行式人型ロボットと、その動作制御装置及び動作制御方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による二脚歩行式人型ロボットの一実施形態の外観を示し、（Ａ）は概略正面図、（Ｂ）は概略側面図である。
【図２】図１の二脚歩行式人型ロボットの機械的構成を示す概略図である。
【図３】図１の二脚歩行式人型ロボットの前屈部及び脚部の各関節部の前方への揺動限界を示す概略図である。
【図４】図１の二脚歩行式人型ロボットの前屈部及び脚部の各関節部の後方への揺動限界を示す概略図である。
【図５】図１の二脚歩行式人型ロボットの前屈部の各関節部の、（Ａ）左方向への旋回限界及び（Ｂ）右方向への旋回限界をそれぞれ示す概略図である。
【図６】図１の二脚歩行式人型ロボットの電気的構成を示すブロック図である。
【図７】図１の二脚歩行式人型ロボットの各関節部のストップ機構の第一の構成例を示す概略図である。
【図８】図１の二脚歩行式人型ロボットの各関節部のストップ機構の第二の構成例を示す概略図である。
【図９】図１に示す二脚歩行式人型ロボットの原点出しの動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０二脚歩行式人型ロボット
１１胴体部
１１ａ上部
１１ｂ下部
１１ｃ前屈部
１１ｄ，１１ｅ関節部（関節駆動用モータ）
１２Ｌ，１２Ｒ脚部
１３Ｌ，１３Ｒ腕部
１４頭部
１５Ｌ，１５Ｒ大腿部
１６Ｌ，１６Ｒ下腿部
１７Ｌ，１７Ｒ足部
１８Ｌ，１８Ｒ乃至２４Ｌ，２４Ｒ関節部（関節駆動用モータ）
２１Ｌ，２１Ｒ膝部
２５Ｌ，２５Ｒ上腕部
２６Ｌ，２６Ｒ下腕部
２７Ｌ，２７Ｒ手部
２８Ｌ，２８Ｒ乃至３３Ｌ，３３Ｒ関節部（関節駆動用モータ）
３１Ｌ，３１Ｒ肘部
３５，３６関節部（関節駆動用モータ）
４０動作制御装置
４１動作計画部
４２動作生成部
４３補償部
４４制御部
４５角度計測ユニット
４６動作監視部
５０，６０関節部
５１，６１固定部分
５２，６２揺動部分
５１ａ，６１ａ突起
６１ａ，６１ｂ，６２ａ，６２ｂ当接部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a biped walking humanoid robot, an operation control device thereof, and an operation control method, and more particularly to an operation control for realizing low-cost and accurate origin search of each joint.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, a so-called biped walking humanoid robot has a torso part, a leg part having a knee part and a foot part at a lower end, which can swing at both lower parts of the torso part, and two parts at the upper parts of the torso part. It has an arm part having an elbow part, a hand part at the lower end, and a head attached to the upper end of the body part, which can swing, and the foot part, the lower leg part, and the thigh part of the leg part. The drive unit is configured to include a drive unit that swings the swingable joints of the hand unit, the lower arm unit, and the upper arm unit of the arm unit, and an operation control device that drives and controls each drive unit. .
[0003]
According to the biped walking humanoid robot configured as described above, the motion control device drives and controls the driving means corresponding to each joint in accordance with the motion pattern for realizing various motions including walking. By swinging each joint appropriately, biped walking or whole body exercise is realized.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, each joint in such a bipedal walking robot is provided with actuators for position control as driving means, and these actuators are initially turned on by the operation control device when the power is turned on. The drive control is instantaneously performed up to the target angular position as the state. For this reason, in a state where the joints do not swing from the power-off, the joints hardly swing when the power is turned on.
[0005]
However, immediately after assembling the joints or when the joints are forcibly rocked by external force when the power is turned off, the angles of the joints may greatly deviate from the target angle positions as the initial state. . In such a case, when the power is turned on, the operation control device instantaneously drives and controls the angular position of each joint to the target angular position as the initial state, as described above. Therefore, the humanoid robot loses its posture due to instantaneous swinging of each joint, falls down in some cases, or the humanoid robot is damaged, or for example, the humanoid robot shakes due to a large swing of the arm, etc. And may hit humans, animals, objects, and the like in the vicinity, causing damage, destruction, and the like.
[0006]
On the other hand, each joint has a mechanical drive limit due to the structural limitation of the humanoid robot when swinging. If the mechanical drive limit is set narrower than the drive range of the drive unit, the drive unit is damaged if the joint is driven beyond the drive limit due to drive control error. Sometimes. Therefore, when the power is turned on, the operation control device needs to perform a so-called origin search to recognize the origin position and the operable range of each joint.
[0007]
For this reason, in the conventional humanoid robot, a mechanical, electrical or optical sensor is provided as a limit switch near each of the above-described drive limits for each joint, and the operation control device is provided with a power supply. At the time of insertion, each joint is driven to the mechanical drive limit position in both swinging directions, the limit position is specified by the limit switch, the origin of the joint is determined, and each joint exceeds the drive limit. Not to be driven.
[0008]
However, such a configuration in which a sensor is provided for each joint is effective in a robot having a small number of joints, but in a multi-joint robot such as a humanoid robot, bidirectional driving is performed for each joint. A sensor must be provided near the limit, and complicated wiring for extracting a detection signal of the sensor is also required. Therefore, the number of parts increases, the cost increases, and the wiring to the sensor may hinder the driving of the joint, or the wiring may be damaged or disconnected by the driving of the joint. Further, in a small robot, it becomes difficult to secure a space for providing the above-described sensor.
[0009]
In view of the above points, the present invention detects a mechanical drive limit position of each joint with a simple configuration, and performs a home-based movement device that performs origin search, particularly a bipedal walking humanoid robot. , An operation control device and an operation control method thereof.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the first configuration of the present invention, a main body, a plurality of legs respectively swingably attached to the main body via joints, and each leg is connected to a joint. In a walking type moving device having a driving means for swinging around and an operation control device for drivingly controlling each of the driving means, when the power supply is turned on, each of the joints has a swinging direction of both joints. In this case, the joint is pivoted to a mechanical drive limit position, the limit position is detected by an angle sensor, a force sensor, or a current sensor, and the origin of the joint is determined.
[0011]
In order to achieve the above object, according to the second configuration of the present invention, two parts each having a torso part and a knee part and a foot part at a lower end which can swing at both lower sides of the torso part. It has a leg, an arm with an elbow in the middle that can swing on both upper sides of the body, an arm with a hand at the lower end, and a head attached to the upper end of the body. Driving means for swinging the swingable joints of the foot, lower leg, thigh and hand of the arm, lower arm and upper arm, and torso and head, and each driving means In a biped walking humanoid robot having an operation control device for driving and controlling each of the joints, when the power is turned on, each joint is driven to a mechanical drive limit position in both swing directions in both swing directions. The limit position is detected by an angle sensor, force sensor, or current sensor provided at the joint, and And characterized by performing the origin initialization of the joint portion.
[0012]
In the biped walking humanoid robot according to the present invention, preferably, the motion control device controls the driving of each joint by a torque control mode to drive the joint with a minimum torque so that a mechanical drive limit is obtained. When the torque increases due to contact with the position or when the angle change falls within a certain range, the mechanical drive limit position is detected.
[0013]
In the biped walking humanoid robot according to the present invention, each joint preferably includes a stopper mechanism for suppressing the swinging portion at the mechanical drive limit position.
[0014]
In the biped humanoid robot according to the present invention, preferably, the stopper mechanism is provided on a frame of each part of the robot.
[0015]
In the two-legged walking humanoid robot according to the present invention, preferably, the stopper mechanism is constituted by an outer shape of a joint.
[0016]
In the biped walking humanoid robot according to the present invention, preferably, the motion control device controls the driving of the other joints so that the origin search of the joint does not interfere with the robot. Evacuation.
[0017]
In order to achieve the above object, according to the third configuration of the present invention, two parts each having a torso part, a knee part, and a foot part at a lower end that can swing at both lower sides of the torso part. A leg, an arm having an elbow in the middle which can swing on both upper sides of the body, an arm having a hand at the lower end, and a head attached to the upper end of the body. Drive means for swinging the legs, lower legs, thighs, and the arms of the arms, the lower arms and the upper arms, and the swingable joints of the torso and the head. Regarding a legged humanoid robot, in a motion control device of a bipedal humanoid robot that drives and controls each drive unit, the motion control device is configured such that, when power is turned on, for each joint part, in both swing directions. An angle sensor and a force sensor that are driven to the mechanical drive limit position and the limit position is provided at the joint. Is detected by the current sensor, and wherein the performing home search of the joints.
[0018]
The motion control device of the biped walking humanoid robot according to the present invention is preferably such that the motion control device drives and controls the driving means in the torque control mode with respect to each joint so as to be driven with the minimum torque. When the torque increases due to contact with the mechanical drive limit position or when the angle change falls within a certain range, the mechanical drive limit position is detected.
[0019]
In the motion control device for a biped humanoid robot according to the present invention, preferably, each joint has a stopper mechanism for restraining the swinging portion at the mechanical drive limit position.
[0020]
In the motion control device for a biped humanoid robot according to the present invention, preferably, the stopper mechanism is provided on a frame of each part of the robot.
[0021]
In the motion control device for a biped humanoid robot according to the present invention, preferably, the stopper mechanism is formed by an outer shape of a joint.
[0022]
In the bipedal walking humanoid robot according to the present invention, preferably, the operation control device controls driving of other joints so that the origin search of the joint does not interfere with each part of the robot, and controls each part of the robot. Evacuate.
[0023]
Furthermore, in order to achieve the above object, according to the fourth configuration of the present invention, there are provided a torso portion and two knee portions having a knee portion and a foot portion at a lower end, which can swing at both lower sides of the torso portion. A leg, an arm having an elbow in the middle which can swing on both upper sides of the body, an arm having a hand at the lower end, and a head attached to the upper end of the body. Drive means for swinging the legs, lower legs, thighs, and the arms of the arms, the lower arms and the upper arms, and the swingable joints of the torso and the head. Regarding the legged humanoid robot, in the operation control method of the bipedal humanoid robot that drives and controls each driving means, the operation control method includes the steps of: It is driven to the mechanical drive limit position, and the limit position is set to an angle sensor and a force sensor provided at the joint. Or detected by a current sensor, and wherein the performing home search of the joints.
[0024]
According to the above configuration, when the power is turned on, the operation control device drives and controls the driving means corresponding to each joint, thereby causing the swinging portion of each joint to swing in one direction. To the mechanical drive limit position. Then, the operation control device detects the angle of the first mechanical drive limit position using an angle sensor, a force sensor, or a current sensor provided for drive control of each joint, and detects the angle of the joint. It is a mechanical drive limit position in the direction.
Thereafter, the movement control device similarly swings the swinging portions of the respective joints in the opposite direction to move the joints to the second mechanical drive limit position. Then, the operation control device detects the angle of the second mechanical drive limit position by an angle sensor, a force sensor, or a current sensor for drive control of each joint, and detects the angle of the second mechanical drive limit position in the opposite direction of the joint. The target drive limit position. As a result, the motion control device detects the bidirectional mechanical drive limit position for each joint, thereby performing the origin search of the joint.
[0025]
Therefore, the origin search performed when the power is turned on is performed by using an angle sensor, a force sensor, or a current sensor that detects the angular position of the joint by swinging the joint to the bidirectional mechanical drive limit position. Therefore, unlike the related art, there is no need for a limit switch for detecting a bidirectional limit position of each joint, and further, wiring for each limit switch is not required. As a result, the number of parts can be reduced and the assembling work can be facilitated. In addition, the drive of each joint is hindered by extra wiring, and the drive of each joint damages or disconnects the sensor wiring, thereby limiting the limit. There is no such thing. Furthermore, since a small robot does not require a limit switch, it is possible to easily detect the mechanical drive limit position of each joint and find the origin.
[0026]
The motion control device drives and controls the driving means in the torque control mode for each of the joints and drives the driving means with the minimum torque. When the mechanical drive limit position is detected when it falls within a certain range, when the swinging portion comes into contact with the mechanical drive limit position, the torque increases sharply. By doing so, the mechanical drive limit position can be easily detected. A state in which the joint angle does not change may be regarded as the mechanical drive limit position.
[0027]
When each joint is provided with a stopper mechanism for suppressing the swinging portion at the mechanical drive limit position, the swinging portion is surely stopped at the mechanical drive limit position by the stopper mechanism. In other words, the joint does not swing beyond the mechanical drive limit position and break.
[0028]
When the stopper mechanism is provided on the frame of each part of the robot, the variation in the stop position of the stopper mechanism for each robot is reduced.
[0029]
When the stopper mechanism is constituted by the outer shape of the joint, there is no need to newly form a projection or the like for the stopper mechanism in the joint. Swing at the low drive limit can be suppressed.
[0030]
In the case where the motion control device drives and controls other joints to retract each part of the robot so that the origin search of the joint does not interfere with each part of the robot, the origin search of the joint is performed. At this time, the swinging portion of the joint does not interfere with each part of the robot during the swinging, and the origin is reliably found.
[0031]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the drawings.
1 and 2 show the configuration of an embodiment of a bipedal walking humanoid robot according to the present invention. In FIG. 1, a bipedal walking humanoid robot 10 includes a body 11, legs 12 L and 12 R attached to lower sides of the body 11, and arms 13 L and 13 R attached to upper sides of the body. And a head 14 attached to the upper end of the body.
[0032]
The body 11 is divided into an upper chest portion 11a and a lower waist portion 11b, and the chest portion 11a can swing forward and backward with respect to the waist portion 11b at the forward bending portion 11c, and can particularly bend forward. , And is supported so as to be able to turn left and right. Further, a walking control device 50, which will be described later, is built in the chest portion 11a of the body portion 11. The forward bending portion 11c includes a joint portion 11d for swinging back and forth and a joint portion 11e for turning left and right, and each of the joint portions 11d and 11e is constituted by a joint driving motor (see FIG. 2). ing.
[0033]
The legs 12L and 12R include thighs 15L and 15R, lower legs 16L and 16R, and feet 17L and 17R, respectively.
As shown in FIG. 2, the legs 12L and 12R are respectively provided with six joints, that is, joints 18L and 18R for turning the legs with respect to the waist 11b of the body 11 in order from the top, and the legs. Are the joints 19L and 19R in the roll direction (around the x axis), the joints 20L and 20R in the pitch direction of the legs (around the y axis), and the connecting portions of the thighs 15L and 15R and the lower legs 16L and 16R. There are joints 22L and 22R in the pitch direction of the knees 21L and 21R, joints 23L and 23R in the pitch direction of the ankle with respect to the feet 17L and 17R, and joints 24L and 24R in the roll direction of the ankle. Each of the joints 18L, 18R to 24L, 24R is constituted by a joint driving motor.
[0034]
Thus, the hip joint is constituted by the joints 11d and 11e, the hip joint is constituted by the joints 18L, 18R, 19L, 19R, 20L and 20R, and the ankle joint is constituted by the joints 23L and 23R. , 24L, 24R. Thus, the left and right legs 12L and 12R of the bipedal walking humanoid robot 10 are given 6 degrees of freedom, respectively, and these various 12 joints are appropriately driven by the drive motor during various operations. By controlling the drive to the angle described above, a desired motion is given to the entire leg portions 12L and 12R, and for example, it is possible to arbitrarily walk in a three-dimensional space.
[0035]
The arms 13L and 13R include upper arms 25L and 25R, lower arms 26L and 26R, and hands 27L and 27R, respectively.
Here, the upper arms 25L and 25R, the lower arms 26L and 26R, and the hands 27L and 27R of the arms 13L and 13R are respectively similar to the legs 12L and 12R, as shown in FIG. Five joints, that is, joints 28L, 28R in the pitch direction of the upper arms 25L, 25R with respect to the body 11, shoulders 29L, 29R in the roll direction, and joints in the left-right direction at the shoulders in order from the top. 30L, 30R, pitched joints 32L, 32R at elbows 31L, 31R, which are connecting portions of upper arms 25L, 25R and lower arms 26L, 26R, and hands to lower arms 26L, 26R at wrists. 27L and 27R pitch joints 33L and 33R are provided. Each of the joints 28L, 28R to 33L, 33R is constituted by a joint driving motor.
[0036]
In this manner, the left and right arms 13L, 13R of the bipedal walking humanoid robot 10 are given five degrees of freedom, respectively, and during various operations, these twelve joints are each appropriately driven by the drive motor. It is configured such that a desired operation can be given to the entire arm portions 13L and 13R by driving control to the angle. Here, the joints 28L and 28R in the pitch direction of the shoulder are arranged such that the rotation axes are shifted forward with respect to the joints 29L and 29R in the roll direction and the joints 30L and 30R in the left and right directions. The swing angle of the arms 13L and 13R forward is set large.
[0037]
The head 14 is attached to the upper end of the upper part 11a of the body 11, and is equipped with, for example, a visual camera or a hearing microphone. Further, as shown in FIG. 2, the head 14 includes a joint 35 in the pitch direction of the neck and a joint 36 in the left-right direction. Each of the joints 35 and 36 is composed of a joint driving motor.
[0038]
In this way, the head 14 of the bipedal walking humanoid robot 10 is given two degrees of freedom, and these two joints 35 and 36 are each set to an appropriate angle by the drive motor during various operations. It is configured such that the head 14 can be moved in the left-right direction or the front-back direction by drive control. The joints 35 in the pitch direction are arranged such that the rotation axis is shifted forward with respect to the joints 36 in the left-right direction, and the swing angle of the head 14 forward is set to be large.
[0039]
Further, in the bipedal walking humanoid robot 10, the joint 11d of the forward bending portion 11c of the body 11 and the joints in the front-rear direction of the legs 12L, 12R, that is, the joints 20L, 20R of the crotch joints. The joints 22L and 22R of the knee and the joints 23L and 23R of the ankle are swingably supported in the angle ranges shown in FIGS.
[0040]
That is, the joints 23L and 23R of the ankle can swing in the range of the swing angle θ1 of −20 to +20 degrees or more. The knee joints 22L and 22R can swing in an angle range where the swing angle θ2 is −120 to 0 degrees or more. Further, the joints 20L and 20R of the hip joint can swing in an angle range where the swing angle θ3 is −45 to +60 degrees or more. Further, the forward bending portion 11c of the body portion 11 can swing in a swing angle range of -10 to +60 degrees or more.
[0041]
On the other hand, the joint portion 11e of the forward bending portion 11c of the body portion 11 is swingably supported in the angle range shown in FIG. That is, the joint portion 11e of the forward bending portion 11c has an angle range where the swing angle θ5 is −45 degrees or more with respect to the left side shown in FIG. 5A and +45 degrees or more with respect to the right side shown in FIG. 5B. Can be turned.
[0042]
FIG. 6 shows an electrical configuration of the bipedal walking humanoid robot 10 shown in FIGS. In FIG. 6, the bipedal walking humanoid robot 10 includes a driving means, that is, an operation control device 40 that drives and controls each of the above-described joints, ie, the joint driving motors 11d, 11e, 18L, 18R to 36.
[0043]
The motion control device 40 includes a motion planning unit 41, a motion generation unit 42, a compensation unit 43, a control unit 44, and an angle sensor that detects the angle of each joint of the robot as a detection unit, that is, an angle measurement unit. 45 and a ZMP detection sensor (not shown) provided on both feet 17L and 17R, and an operation monitoring unit 46. As a coordinate system of the bipedal walking robot 10, an xyz coordinate system is used in which the front-rear direction is the x direction (forward +), the lateral direction is the y direction (inward +), and the up-down direction is the z direction (upward +). I do.
[0044]
The operation planning unit 41 plans an operation corresponding to the operation command based on a next operation command input from the outside. That is, the motion planning unit 41 calculates the angular momentum of each part of the robot necessary for performing the motion corresponding to the motion command, and generates a motion trajectory, that is, a motion plan of the robot. The motion planning unit 41 receives the current posture of the robot from the motion monitoring unit 46 as described later, and refers to the current posture of the robot when generating the motion plan.
[0045]
The motion generation unit 42 generates, as motion data, angle data of the joints 15L, 15R to 36 required for the motion of the biped humanoid robot 10. At this time, the operation generation unit 42 corrects internal parameters and angle data based on a command from a compensation unit 43 described later.
[0046]
The compensating unit 43 calculates the ZMP target value based on the angle data θref of each joint from the motion generating unit 42, and based on the posture information from the angle measuring unit 45 and the detection output from the ZMP detection sensor. , ZMP actual value. Then, the compensation unit 43 compares the actual ZMP value with the ZMP target value, calculates a ZMP compensation amount based on the difference, and outputs the ZMP compensation amount to the operation generation unit 42. As a result, the operation generating unit 42 feeds back the ZMP compensation amount from the compensating unit 43, corrects the operation data based on the ZMP compensation amount, and outputs it to the control unit 44 together with the mode signal.
[0047]
Further, the control unit 44 generates a control signal of each joint driving motor based on the corrected operation data and the mode signal from the operation generation unit 42, and controls each joint driving motor in the force control mode or the position control mode. The drive of the motor is controlled. In the force control mode, the control unit 44 controls the drive of each joint driving motor with a predetermined torque. In the position control mode, the control unit 44 controls the drive of each joint driving motor to a predetermined angular position.
[0048]
Here, when the power is turned on, the control unit 44 determines the origin of each joint. That is, when the power is turned on, the control unit 44 drives each joint of the robot to the mechanical drive limit position in both swinging directions, and sets the limit position by the angle detection unit 45 provided in the joint. By detecting the angle information and storing it as the origin position, a so-called origin is obtained. At this time, the control unit 44 determines the origin of one joint so that the swing of the joint to the bidirectional mechanical drive limit position does not interfere with each part of the robot. Is driven and controlled by a predetermined parameter. Thereby, each part of the robot does not interfere with the operation of finding the origin of the joint, and the origin of the joint can be reliably found. Then, the control unit 44 stores the origin position of each joint detected by such origin finding.
[0049]
The origin search is performed not by the angle detection unit 45 as an angle sensor provided at each joint, but by a force sensor that detects the torque of a drive motor provided at each joint or a current that detects the drive current of the drive motor. You may make it detect by a sensor.
[0050]
The joint has a stopper mechanism, as schematically shown in FIG. In FIG. 7, the joint portion 50 includes a fixed portion 51 and a swing portion 53 that can swing around a rotation axis 52 with respect to the fixed portion 51. Further, the joint portion 50 includes a projection 51 a provided on the fixed portion 51 and a projection 53 a provided on the swing portion 53 as a stopper mechanism for regulating the mechanical drive limit position of the swing portion 53. I have.
Thus, when the swinging portion 53 swings in the direction of arrow A at the joint portion 50, the projection 53 a of the swinging portion 53 comes into contact with the projection 51 a of the fixed portion 51, thereby swinging the swinging portion 53. Is regulated at the first mechanical drive limit position. Further, when the swinging portion 53 swings in the direction opposite to the arrow A, the projection 53a of the swinging portion 53 comes into contact with a second projection (not shown) of the fixed portion 51. Is regulated at the first mechanical drive limit position. In this case, if the projections 51a and 53a are formed integrally with the fixed portion 51 and the swinging portion 53, respectively, the projections 51a and 53a can be formed simultaneously when the fixed portion 51 and the swinging portion 53 are formed. Provided at cost.
[0051]
Further, the joint may include a stopper mechanism as schematically shown in FIG. That is, in FIG. 8, the joint portion 60 includes a fixed portion 61 and a swing portion 63 that can swing around the rotation axis 62 with respect to the fixed portion 61. Further, the joint portion 60 serves as a stopper mechanism for restricting the mechanical drive limit position of the swing portion 63, as contact portions 61 a and 61 b formed as the outer shape of the fixed portion 61 and the outer shape of the swing portion 63. And formed contact portions 63a and 63b.
Thus, when the swing portion 63 swings in the direction of arrow A at the joint 60, the contact portion 63 a of the swing portion 63 contacts the contact portion 61 a of the fixed portion 61, and the swing portion 63 Is regulated at the first mechanical drive limit position. When the swing portion 63 swings in the direction opposite to the arrow A, the contact portion 63b of the swing portion 63 contacts the contact portion 61b of the fixed portion 61. Is regulated at the first mechanical drive limit position. In this case, each of the contact portions 61a, 61b, 63a, 63b is formed as a part of the fixed portion 61 and the swinging portion 63, respectively, and thus is formed simultaneously when the fixed portion 61 and the swinging portion 63 are formed. By doing so, it can be provided easily and at low cost.
[0052]
The bipedal walking robot 10 according to the embodiment of the present invention is configured as described above, and the operation control device 40 operates as follows.
First, when the power is turned on, the control unit 44 finds the origin of each joint as shown in the flowchart of FIG. In the flowchart of FIG. 9, in step ST1, the control unit 44 sets i = 1 and performs origin search for the joint i. That is, in step ST2, the control unit 44 sets each joint to the position control mode, and in step ST3, controls the position of each joint with a predetermined parameter P (i, j). Is set so that each part of the robot does not interfere with the origin search of the joint i.
[0053]
Subsequently, the control unit 44 sets the joint unit i to the force control mode in step ST4, and swings the swinging portion of the joint unit i in one direction in step ST5. Here, in step ST6, the load (torque) of the joint driving motor of the joint i suddenly increases due to the swinging portion of the joint i contacting the first mechanical drive limit position. Alternatively, when the angle change falls within a certain range, in step ST7, the control unit 44 determines the origin position (the first machine position) based on the angle information from the angle measurement unit 45 associated with the joint i at that time. Drive limit position).
[0054]
Next, in step ST8, the control unit 44 swings the swing part of the joint i in the reverse direction. Here, in step ST9, when the swinging portion of the joint i comes into contact with the second mechanical drive limit position, the load (torque) of the joint driving motor of the joint i rapidly increases. Alternatively, when the angle change falls within a certain range, in step ST10, the control unit 44 determines the origin position (the second position) based on the angle information from the angle measurement unit 45 related to the joint i at that time. Mechanical drive limit position). Thereby, the control unit 44 can acquire the drive range of the joint i by detecting and storing the bidirectional mechanical drive limit position in step ST11.
[0055]
Thereafter, the control unit 44 calculates i = i + 1 in step ST12, and if i <n (the number of all joints) in step ST13, returns to step ST2 and repeats the above operation. Then, when i = n in step ST13, since the origin search for all the joints has been completed, the control unit 44 ends the processing.
[0056]
In this way, after the origin search of each joint is completed, the operation planning unit 41 plans the operation corresponding to the operation command based on the next operation command input from the outside, and Generate Then, based on the motion plan generated by the motion planning unit 41, the motion generating unit 42 generates angle data of each joint necessary for the motion of the biped humanoid robot 10, and the compensation unit 43 The angle data is corrected based on the calculated ZMP compensation amount and output to the control unit 44.
[0057]
Accordingly, the control unit 44 generates a control signal for each joint driving motor based on the corrected operation data from the operation generation unit 42, and controls the driving of each joint driving motor. At this time, the control unit 44 compares the previously stored angular position of the mechanical drive limit position of each joint with the current angular position from the angle measurement unit 45, and always determines the current angular position. Generates a control signal so as to fall within the driving limit. As a result, each joint does not swing beyond its drive limit, so that each joint drive motor does not break due to drive control exceeding the drive limit.
[0058]
In this way, the biped walking humanoid robot 10 executes the requested operation by the operation of the operation control device 40. At this time, since the control unit 44 controls the drive of each joint driving motor so that each joint falls within the drive limit, each joint does not swing beyond its drive limit. Therefore, the joint drive motors are not destroyed by the drive control exceeding the drive limit. Further, unlike the related art, there is no need to provide a limit switch near the drive limit for each joint, so that wiring for the limit switch is unnecessary, the number of parts is reduced, and the cost of parts is reduced. Also, the swing of each joint is not limited by the wiring, and the wiring is not damaged or disconnected due to the swing of each joint.
[0059]
In the above-described embodiment, the motion control device 40 performs the motion control according to the ZMP standard. However, the motion control device 40 may perform the motion control of the robot by any other method. Is clear. In the above-described embodiment, the description has been given of the bipedal humanoid robot 10. However, the present invention is not limited to this, and the present invention is applied to a walking type mobile device having at least a plurality of legs with joints. It is clear that this can be done.
[0060]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, when the power is turned on, the operation control device drives and controls the driving means corresponding to each joint, thereby swinging the swinging portion of each joint in one direction. To the first mechanical drive limit position. Then, the operation control device detects the angle of the first mechanical drive limit position using an angle sensor, a force sensor, or a current sensor provided for drive control of each joint, and detects the angle of the joint. It is a mechanical drive limit position in the direction. Thereafter, the movement control device similarly swings the swinging portions of the respective joints in the opposite direction to move the joints to the second mechanical drive limit position. Then, the operation control device detects the angle of the second mechanical drive limit position by an angle sensor, a force sensor, or a current sensor for drive control of each joint, and detects the angle of the second mechanical drive limit position in the opposite direction of the joint. The target drive limit position. As a result, the motion control device finds the origin of the joint by detecting the bidirectional mechanical drive limit position for each joint.
[0061]
Therefore, the origin search performed when the power is turned on is performed by using an angle sensor or the like that detects the angular position of the joint by swinging each joint to the bidirectional mechanical drive limit position. As described above, the limit switch for detecting the bidirectional limit position for each joint becomes unnecessary, and further, the wiring to each limit switch becomes unnecessary. Therefore, the number of parts can be reduced, and the assembling work is facilitated. Further, the driving of each joint is hindered by extra wiring, or the driving of each joint damages or disconnects the sensor wiring and exceeds the limit. There is no such thing. Further, even in a small robot, since no limit switch is required, the mechanical drive limit position of each joint can be easily detected and the origin can be determined.
In this way, according to the present invention, a walking type moving device that detects the mechanical drive limit position of each joint with a simple configuration and performs origin search, particularly a biped walking humanoid robot, , An operation control device and an operation control method thereof are provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows the appearance of an embodiment of a biped walking humanoid robot according to the present invention, wherein (A) is a schematic front view and (B) is a schematic side view.
FIG. 2 is a schematic diagram showing a mechanical configuration of the biped walking humanoid robot of FIG. 1;
FIG. 3 is a schematic diagram showing a forward swing limit of each joint of a forward bending portion and a leg of the biped walking humanoid robot of FIG. 1;
FIG. 4 is a schematic diagram showing a swing limit of each joint of a forward bending portion and a leg portion of the biped walking humanoid robot of FIG.
5A and 5B are schematic diagrams respectively showing (A) a leftward turning limit and (B) a rightward turning limit of each joint of the forward bending portion of the bipedal walking humanoid robot of FIG. .
FIG. 6 is a block diagram showing an electrical configuration of the biped humanoid robot of FIG. 1;
FIG. 7 is a schematic diagram showing a first configuration example of a stop mechanism of each joint of the biped humanoid robot of FIG. 1;
FIG. 8 is a schematic diagram showing a second configuration example of a stop mechanism of each joint of the bipedal walking humanoid robot of FIG. 1;
FIG. 9 is a flowchart showing an origin finding operation of the biped walking humanoid robot shown in FIG. 1;
[Explanation of symbols]
10 Biped humanoid robot
11 Body
11a Upper part
11b lower part
11c Forward bending
11d, 11e Joint (motor for driving joint)
12L, 12R leg
13L, 13R arm
14 head
15L, 15R thigh
16L, 16R lower leg
17L, 17R foot
18L, 18R to 24L, 24R Joints (motors for driving joints)
21L, 21R knee
25L, 25R Upper arm
26L, 26R Lower arm
27L, 27R Hand
28L, 28R to 33L, 33R Joint (motor for driving joint)
31L, 31R elbow
35, 36 Joint (motor for driving joint)
40 Operation control device
41 Operation Planning Department
42 Motion generator
43 Compensation unit
44 control unit
45 Angle measurement unit
46 Operation monitoring unit
50, 60 joints
51, 61 Fixed part
52, 62 swing part
51a, 61a protrusion
61a, 61b, 62a, 62b contact part

Claims

A main body, a plurality of legs each swingably attached to the main body via a joint, a driving unit for swinging each leg around the joint, and a drive control for each driving unit. And a motion control device that performs
When the power is turned on, the motion control device swings each joint to a mechanical drive limit position in both swing directions, and detects the limit position by an angle sensor, a force sensor, or a current sensor. A walking-type moving device characterized in that the origin of a joint is determined.

A torso, two legs with a knee and a foot at the lower end that can swing on both sides of the lower part of the torso, and an elbow on the middle that can swing on both upper ends of the torso; It has an arm with a hand at the lower end, and a head attached to the upper end of the body,
Drive means for swinging the legs, lower legs, thighs of the legs, the hands of the arms, the lower arms and the upper arms, and the swingable joints of the torso and head; , An operation control device that drives and controls each driving means, and a biped walking humanoid robot having:
When the power is turned on, the motion control device drives each joint to a mechanical drive limit position in both swinging directions, and sets the limit position to an angle sensor, a force sensor, or a current sensor provided in the joint. A two-legged walking humanoid robot that detects the position of the joint and determines the origin of the joint.

The motion control device drives and controls the driving unit in the torque control mode for each joint, and drives the driving unit with the minimum torque, so that when the torque increases due to the contact with the mechanical driving limit position or the angle changes. The humanoid robot according to claim 2, wherein a mechanical drive limit position is detected when the robot falls within a certain range.

The humanoid robot according to claim 2, wherein each of the joints includes a stopper mechanism for restraining the swinging portion at the mechanical drive limit position.

The humanoid robot according to claim 4, wherein the stopper mechanism is provided on a frame of each part of the robot.

The biped walking humanoid robot according to claim 5, wherein the stopper mechanism is constituted by an outer shape of a joint.

The method according to claim 2, wherein the motion control device drives and controls other joints so that the origin of the joint does not interfere with each part of the robot and retracts each part of the robot. 7. The biped walking humanoid robot according to any one of 6.

A torso, two legs with a knee and a foot at the lower end that can swing on both sides of the lower part of the torso, and an elbow on the middle that can swing on both upper ends of the torso; An arm with a hand at the lower end, and a head attached to the upper end of the torso; a leg, a lower leg, a thigh, and a hand of the arm; A biped walking humanoid robot including a lower arm, an upper arm, and a drive unit for swinging each of the swingable joints of the torso and the head. In a motion control device for a walking humanoid robot,
When the power is turned on, the motion control device drives each joint to a mechanical drive limit position in both swinging directions, and sets the limit position to an angle sensor, a force sensor, or a current sensor provided in the joint. A motion control device for a biped walking humanoid robot, wherein the motion control device detects the origin of the joint and determines the origin of the joint.

The motion control device drives and controls the driving unit in the torque control mode for each joint, and drives the driving unit with the minimum torque, so that when the torque increases due to the contact with the mechanical driving limit position or the angle changes. The motion control device of a biped walking humanoid robot according to claim 7, wherein a mechanical drive limit position is detected when the position falls within a certain range.

9. The motion control device for a two-legged humanoid robot according to claim 8, wherein each joint has a stopper mechanism for restraining the swinging portion at the mechanical drive limit position.

The operation control device for a biped walking humanoid robot according to claim 10, wherein the stopper mechanism is provided on a frame of each part of the robot.

12. The motion control device for a biped walking humanoid robot according to claim 11, wherein the stopper mechanism is constituted by an outer shape of a joint.

13. The robot according to claim 8, wherein the motion control device drives and controls other joints to retract each part of the robot so that the origin of the joint does not interfere with each part of the robot. The motion control device for a biped walking humanoid robot according to any one of the above.

A torso, two legs with a knee and a foot at the lower end that can swing on both sides of the lower part of the torso, and an elbow on the middle that can swing on both upper ends of the torso; An arm with a hand at the lower end, and a head attached to the upper end of the torso; a leg, a lower leg, a thigh, and a hand of the arm; A biped walking humanoid robot including a lower arm, an upper arm, and a drive unit for swinging each of the swingable joints of the torso and the head. In the operation control method of the walking humanoid robot,
When the power is turned on, the above-described operation control method drives each joint to a mechanical drive limit position in both swinging directions, and sets the limit position to an angle sensor, a force sensor, or a current sensor provided in the joint. A method for controlling the operation of a bipedal walking humanoid robot, comprising: