JP2004202652A - Biped robot walking with trunk twisting and method therefor - Google Patents

Biped robot walking with trunk twisting and method therefor Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve a walking speed of a biped walking robot by designating a trunk position vector P and a trunk twist vector Q. <P>SOLUTION: This robot walks while twisting a trunk in a range of an angle formed by a line for connecting left-right feet and the walking direction by preparing the trunk twist vector Q for walking command data. For example, the robot walks while maintaining the proportional relationship between the angle formed by the line for connecting the left-right feet and the walking direction and an angle formed by a line for connecting the left and right of the trunk and the walking direction. The robot walks at a high speed by securing a step larger than a case of a robot for walking without twisting the trunk. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、2足歩行ロボットの歩行速度を向上させる技術に関する。
【0002】
【従来の技術】2足歩行ロボットをオペレータが意図するように歩行させるために、通常はロボットの位置と姿勢を示す下記のベクトルを用意する。
体幹位置ベクトルP:座標原点から見たロボットの体幹位置を示す。
体幹姿勢ベクトルR:ロボットの体幹の向きを示す。人間の背骨に相当する部材が伸びる方向を示す。
左足先位置ベクトルC:座標原点から見たロボットの左足先位置を示す。体幹位置ベクトルPからのベクトルで指定することもできる。
左足先姿勢ベクトルD:左足先の向きを示す。
右足先位置ベクトルE:座標原点から見たロボットの右足先位置を示す。体幹位置ベクトルPからのベクトルで指定することもできる。
右足先姿勢ベクトルF:右足先の向きを示す。
オペレータは、これらの6種のベクトルを時系列に従って次々に指定する。このようにして作成された歩行指令データをロボットにティーチングすることによって、ロボットは、オペレータが指定したコースを指定した姿勢で歩行する。
ロボットは、歩行中に、「倒立振子制御」と通称される技術で制御され、歩行中に転倒しないように制御される。「倒立振子制御」によって、ロボットの体幹姿勢が修正される。また「ZMP補償制御」と通称される技術で制御され、予期せぬ凹凸等に遭遇したときに転倒しないように制御される。「ZMP補償制御」によって、ロボットの体幹位置が修正される。
従来技術の一例が特許文献1に記載されている。
【特許文献1】
特開平5−305579号公報
【0003】
【発明が解決しようとする課題】2足歩行ロボットの場合、前記したように、体幹位置ベクトルPと体幹姿勢ベクトルRを指定することによって歩行することが可能となる。
ロボットに搭載できるアクチュエータのパワーには限界があり、前記した歩行制御技術で歩行するロボットの歩行速度は低速であるといわざるを得ない。
本発明では、ロボットの歩行動作を制御する技術を改善することによって、ロボットの機械的構成を変えないで、ロボットを高速歩行させることのできる技術を実現することを目的に開発された。
【0004】
【課題を解決するための手段と作用】本発明のロボットは、左右の2足で歩行する。本発明のロボットは、体幹の左右を結ぶ線が、左右の足を結ぶ線と歩行方向に直交する線とがなす角度の範囲内に入るように、体幹を捩じりながら歩行することを特徴とする。ここでいう体幹とは、左右の足の基部になる部分を言い、胴部が腰部(下胴部)と胸部(上胴部)に分離されている場合には腰部が体幹に相当し、下胴部と上胴部が一体であれば胴部全体が体幹に相当する。
このロボットの場合、体幹に対する足の回転速度が同一であっても、体幹を捩じらないで歩行するロボットの場合よりも歩幅を大きく確保することができ、結局においてより高速で歩行することが可能となる。
ロボットに体幹を捩じりながら歩行させる場合に、請求項3に記載のように、歩行指令データに体幹捩じれベクトルを用意してもよいが、ロボットに教示された足先位置ベクトル等から、体幹の捩じれ角度を計算して体幹を捩じる動作を実現させてもよい。
【0005】
左右の足を結ぶ線と歩行方向に直交する線とがなす角度と、体幹の左右を結ぶ線と歩行方向に直交する線とがなす角度との間に比例関係を維持しながら歩行することが好ましい。例えば左足が着地して右足が宙に浮いて前進するときに、左足と右足を結ぶ線が進行方向に直交する線となす角がθであるときに、体幹の左右を結ぶ線と歩行方向に直交する線がなす角度をαθに調整しながら歩行する。ここでαは1未満の定数とする。この場合、足の前進移動に同期して体幹を捩じることができ、体幹を捩じらないで歩行するロボットの場合よりも歩幅を大きく確保することができる。
【0006】
2足歩行するロボットの歩行中の姿勢を指令する歩行指令データに、左右の足を結ぶ線と歩行方向に直交する線とがなす角度範囲内で体幹の左右を結ぶ線を捩じる体幹捩じれベクトルを用意することによって、ロボットに体幹を捩じりながら歩行させることが可能となる。
体幹捩じれベクトルの時系列的変化を指定するデータは、各種の態様で作成することができ、オペレータが体幹位置ベクトルや体幹姿勢ベクトルを指定するのと同時に体幹捩じれベクトルを指定してもよいし、足先位置ベクトルから体幹捩じれベクトルをコンピュータによって自動的に計算させてもよい。
【0007】
【実施例】図5は、2足で歩行するロボットにティーチングする歩行指令データを作成する装置1を示している。この歩行指令データ作成装置1は、2足歩行ロボットを実際に動作させるのに先立って用いられ、2足歩行ロボットを実際に動作させるために必要な歩行指令データを作成するために利用される。この装置1で作成された歩行指令データは、2足歩行ロボットにティーチングされる。2足歩行ロボットはティーチングされた歩行指令データに従って歩行する。
【0008】
歩行指令データ作成装置1には、オペレータが、2足歩行ロボットを歩行させたいコース等のデータを入力する。具体的には、図5の左下の(A)に示される6個のベクトルを入力する。ベクトルPは体幹位置ベクトルであり、座標原点から見たロボットの体幹位置を示す。ベクトルRは体幹姿勢ベクトルであり、ロボットの体幹の向きを示す。人間の背骨に相当する部材が伸びる方向を示す。胴部が腰部(下胴部)と上胴部に分離されている場合には、腰部が体幹に相当し、体幹位置ベクトルPは腰部の中心位置を定義し、体幹姿勢ベクトルRは腰部に垂直な方向を定義する。ベクトルCは左足先位置ベクトルであり、座標原点から見たロボットの左足先位置を示す。体幹位置ベクトルPからのベクトルで指定することもできる。ベクトルDは左足先姿勢ベクトルであり、左足先の向きを示す。ベクトルEは右足先位置ベクトルであり、座標原点から見たロボットの右足先位置を示す。体幹位置ベクトルPからのベクトルで指定することもできる。ベクトルFは右足先姿勢ベクトルであり、右足先の向きを示す。オペレータは、これらの6種のベクトルを時系列に従って次々に入力する。なお、このためのデータ入力支援ソフトが開発されており、主要タイミングでのデータを指定することで、時系列での中間データが補完計算されるようになっている。また、一歩分の歩行指令データを繰り返して利用するように指示することで、入力量を低減することができる。
【0009】
オペレータは、さらに、目標ZMP位置を時系列に従って入力する。この場合ベクトルC〜Fによって、左足接地状態・両足接地状態・右足接地状態の別がわかっていることから、左足接地状態では左足接地面内の位置を指定し、右足接地状態では右足接地面内の位置を指定する。図5の右下に示される(B)は、Y方向の目標ZMPの時系列変化の一例を示し、両足接地期間内の目標ZMPは入力の必要がない。歩行方向(X方向)の目標ZMPも同様であり、左足接地状態では左足接地面内の位置を入力し、右足接地状態では右足接地面内の位置を入力する。両足接地期間内のX方向の目標ZMPは入力する必要がない。
【0010】
図1は、目標ZMPの設定方法を示している。この場合、ロボットはX方向に歩行する。歩行方向に直交する方向をY方向とする。ロボットは、両足接地期間と片足接地期間を交互に繰り返して歩行する。片足接地期間内の目標ZMPは、接地足の接地面内になければならない。さもなければ、実際ZMPを目標ZMPに一致させてもロボットは転倒してしまう。両足接地期間内の目標ZMPは、2つの接地面を結ぶ領域にあればよい。Y方向の現象を考察すると明らかに、両足が接地している期間内に、目標ZMPは左足接地面内から右足接地面内に移動しなければならない(傾斜線C2参照)。あるいは、右足接地面内から左足接地面内に移動しなければならない(傾斜線C4参照)。水平線C1は、左足のみが接地している場合の目標ZMPを示し、目標ZMPは左足接地面内に維持されている。水平線C3は、右足のみが接地している場合の目標ZMPを示し、目標ZMPは右足接地面内に維持されている。
【0011】
X方向の目標ZMPもほぼ同様の条件を満たす必要がある。水平線C6は、左足のみが接地している場合のX方向の目標ZMPを示し、X方向の目標ZMPは左足接地面内に維持されている。水平線C8は、右足のみが接地している場合のX方向の目標ZMPを示し、X方向の目標ZMPは右足接地面内に維持されている。両足が接地している期間内に、X方向の目標ZMPは左足接地面内から右足接地面内に移動し(傾斜線C7参照)、あるいは、右足接地面内から左足接地面内に移動しなければならない(傾斜線C9参照)。水平線C10は、再び左足のみが接地している場合のX方向の目標ZMPを示し、X方向の目標ZMPは左足接地面内に維持されている。この場合、ロボットが歩行してX方向に移動するために、水平線C6のX座標と水平線C10のX座標は、歩幅分変化している。
【0012】
図1に示した目標ZMPを設定しておき、歩行時に観測される実際ZMPが目標ZMPに一致するように制御することによって、ロボットは転倒しないで歩行することが可能となる。
しかしながら、図1に示す目標ZMPは、時間に対して、静止・等速変化・静止・等速変化・・・を繰り返す。静止から等速変化に切り替わるタイミングや、等速変化から静止に切り替わるタイミングでは、無限大の加速度または減速度が必要とされ、ロボットには大きな負荷が作用する。またロボットの動作はぎこちないものとなる。これらの要素が、ロボットの最大歩行速度を低く抑えている。
【0013】
無限大の加速度または減速度が必要とされる目標ZMPの変化パターンを修正する試みがいくつかなされている。図2(B)は、図2(A)のパターンを遅延処理することによって平滑化したものであり、平滑化することによって、必要な加速度や減速度の最大値を小さく抑えることができる。
遅延処理して平滑化した目標ZMPは、歩行パターンに比して遅れるために、ロボットの歩行姿勢が安定しないという問題が生じる。図2(B)のP12は、両足接地状態から右足接地状態に移行するタイミングに相当する。このときには目標ZMPが右足接地面内になければならない。しかしながら、図2(B)に示すように、遅延処理して平滑化した目標ZMPの変化パターンは遅すぎ、例えば右足接地面内になければならないときにまだ右足接地面内にないことがあり、その遅れがロボットの歩行姿勢を不安定なものとし、ひどい場合には転倒してしまうことになる。
なお本明細書では「右足接地状態」という場合は、右足のみが接地している状態を意味する。両足接地状態でも右足は接地しているが、その場合には両足接地状態といい、右足接地状態とはいわない。左足接地状態も同様である。
【0014】
図2(C)は、目標ZMPのシャープな変化点をスムージング処理した目標ZMPを示している。スムージング処理することによって、必要な加速度や減速度の最大値を小さく抑えることができる。
スムージング処理した目標ZMPは、歩行パターンに比して、早すぎたり遅すぎたりするためにロボットの歩行姿勢が安定しないという問題が生じる。図2(C)のP13は、両足接地状態に移行する直前であって左足接地状態にまだあるタイミングに相当する。それにも係わらず、目標ZMPは左足接地面内から外れ始めている。これでは早すぎる。図2(C)のP14は、両足接地状態から右足接地状態に移行するタイミングに相当する。このときには、目標ZMPが右足接地面内になければならない。それにも係わらず、目標ZMPはまだ右足接地面内にない。これでは遅すぎる。スムージング処理した目標ZMPは、歩行パターンに比して早すぎたり遅すぎたりし、そのずれがロボットの歩行姿勢を不安定なものとし、ひどい場合には転倒してしまうことになる。
【0015】
現在の技術では、図2(A)に示した目標ZMP軌道が持つ問題点を、新たな問題が起こらないようにして解決することができず、ロボットの高速歩行を妨げる一つの要因となっている。この問題に対して、本実施例では、下記のように対応する。
【0016】
図5(B)に例示されるように、入力された目標ZMPは時間軸に沿ってみると不連続である。歩行指令データ作成装置1には、時間に対して不連続な目標ZMPを接続する軌道を計算する処理部6が用意されている。処理部6では、図5(B)に例示された時間的に不連続な期間(両足接地期間に相当する)を、図5(C)に例示するように、当加速度軌道Aと等速度軌道Bと等減速度軌道Cで接続する軌道を計算する。
等加速度軌道Aでは、2足方向ロボットが無理なく実現できる最高加速度を維持するものとする。等加速度軌道Aによって目標ZMPの移動速度は増速する。目標ZMPの移動速度が2足方向ロボットの最高速度に到達すると、以後は等速度軌道Bを採用する。反対足側の目標ZMPに接近すると、等減速度軌道Cに切り変える。等減速度軌道Cでは、2足方向ロボットが無理なく実現できる最高減速度を維持するものとする。等減速軌道Cによって目標ZMPの移動速度はゼロとなる。ゼロになったときに、目標ZMPが反対足側の目標ZMPに一致する軌道が計算される。これは、あたかも、電車が加速して最高速度を維持して減速して停止するのと同様であり、無理無駄のかからない運動パターンである。減速して所定位置に停止させる軌道を計算する様々な技術が開発されている。
図2(D)は、等加速度軌道と等減速度軌道を含む軌道で接続した目標ZMP軌道の一例を示しており、点P15に示すように、両足接地状態に移行するのを待ってから目標ZMPは他方の足側に移動するから、目標ZMPの変化が早すぎるという問題はない。一方点P16に示すように、両足接地状態から片足接地状態に変化するのに先立って、目標ZMPは片足接地面内の位置に移動しており、目標ZMPの変化が遅すぎるいう問題もない。図2(E)は、目標ZMPの移動速度の時間変化を示し、等加速度軌道で増速し、最高速度に達すれば最高速度を維持し、ついで等減速度で減速する。
【0017】
図2では、片足接地期間内の目標ZMPが静止しているとした。しかしながら片足接地期間内の目標ZMPが静止している必要はなく、例えば、踵方向から爪先方向に移動してもよい。片足接地期間内の目標ZMPは、接地している足の接地面内にあればよく、人間の場合には、踵方向から爪先方向に移動する。
図3は、片足接地期間内に踵方向から爪先方向に移動する目標ZMPの軌道(C11、C12、C13)を、等加速度軌道と最高速度の等速度軌道と等減速度軌道によって接続した軌道C14を例示している。等加速度軌道は、片足接地期間内に踵方向から爪先方向に移動する目標ZMPの移動速度で開始し、等減速度軌道は、片足接地期間内の目標ZMPの移動速度で終了する。目標ZMPの移動速度は連続的に変化し、不連続な変化が生じない。
図3のC15は、従来の技術で接続した目標ZMPの軌道を示し、速度が不連続に変動するために、ロボットは大きな加速度または減速度で動作することが求められる
【0018】
図2、図3に例示した軌道は、時間軸に対するX座標またはY座標の変化を示す。ここでは、ロボットが最高速度で歩行するものとして時間軸を設定する。等加速度軌道、等速度軌道、等減速度軌道では、ロボットの能力の範囲内で可能な最高加速度、最高速度、最高減速度で計算する。
歩行指令データ作成装置1で作成されたデータは、時間軸を引き伸ばしてロボットに教示されることがある。例えば、時間軸に対して図4(A)に例示されるパターンで設定された目標ZMP軌道を、図4(B)に示すように、徐々にゆっくりしたパターンに変換してロボットに教示することがある。この場合、ロボットの動作は徐々に緩やかになる。歩行指令データ作成装置1で作成された1秒分のデータを、2秒分のデータとしてロボットに教示すると、ロボットの動作速度は半分に低下する。あるいは、ロボットに教示された歩行指令データを実行する段階で、時間軸を引き伸ばして実行することによって動作をゆっくりさせることもある。歩行指令データ作成装置1で作成した段階では、等加速度軌道、等速度軌道、等減速度軌道であったものが、ロボットの実際の動作段階では、等加速度軌道、等速度軌道、等減速度軌道にならないことがある。本技術は、最高速度で想定する目標ZMP軌道の算出に用いられるものであり、その段階で、等加速度軌道、等速度軌道、等減速度軌道で接続することが重要であり、ロボットの実際の動作段階では、等加速度軌道、等速度軌道、等減速度軌道にならなくてもかまわない。
一歩分の、体幹姿勢ベクトルRや足先位置ベクトルC,Eや足先姿勢ベクトルD,Fや目標ZMPの変化パターンを規格化しておくことができ、一歩分の変化が規格化されていれば、体幹位置ベクトルPを指定することで歩行指令データを生成することができる。体幹位置ベクトルPはジョイスティック等を利用して指定することができる。歩行するロボットを観測しながらジョイスティックを操作して体幹位置ベクトルPをほぼリアルタイムで入力することが可能であり、歩行指令データ作成装置1が高速で歩行指令データを作成してロボットに指令することによって、2足歩行ロボットの歩行コースををほぼリアルタイムで指定することができる。
【0019】
歩行指令データ作成装置1は、オペレータが入力した6種のベクトルに基づいて2足歩行ロボットの動力学計算をして、実際に生じるであろうZMPを演算する装置2を備えている。ここでは、オペレータが入力した6種のベクトルの時系列で記述される動作を実現することによって発生する慣性力を計算し、これと重力とから、路面からロボットに作用する反力によるモーメントがゼロとなる位置を計算する。
計算されたZMPは、比較装置3によって、目標ZMPと比較される。ここで用いられる目標ZMPは、装置6によって接続されたものであり、図5(C)に例示されるように、時間に対して滑らかに変化する。
【0020】
計算されたZMPと目標ZMPが不一致であれば、オペレータが入力した6種のベクトルの時系列に無理があることになる。そこでこの実施例では、装置4によって、体幹位置ベクトルPを修正する。ここでは、計算されたZMPが目標ZMPに接近する側に体幹位置ベクトルPを修正する。ZMP演算部2は、修正された体幹位置ベクトルPを用いて、再度ZMPを演算しなおす。計算されたZMPと目標ZMPがほぼ一致するまで、上記のサイクルを繰り返す。
【0021】
計算されたZMPが目標ZMPにほぼ一致するように体幹位置ベクトルPが修正されると、修正された体幹位置ベクトルPと、入力された5ベクトルと、入力されて接続処理された目標ZMPによって、ロボットを歩行させられることになる。即ち、動力学的に成立する歩行指令データが作成されたことになる。そこで修正された体幹位置ベクトルPと、入力された5ベクトルと、入力されて接続処理された目標ZMPによって、歩行指令データが完成するので、これを記憶する(装置5)。完成された歩行指令データは、2足歩行ロボットにティーチングされる。
前記したように、一歩分の歩行姿勢を規格化しておき、ジョイスティックによってほぼリアルタイムで体幹位置ベクトルPを入力するようにすると、2足歩行ロボットにほぼリアルタイムでティーチングすることができ、2足歩行ロボットの挙動を見ながら次の歩行動作を指令することができる。
【0022】
次に2足歩行ロボットの機械的構造を、図6〜18を参照して説明する。本明細書では、足部の前後方向(ロボットの進行方向)をX軸とし、左右方向をY軸とし、垂直軸をZ軸とする。各軸は相互に直交している。図6は本実施例の2足歩行ロボットの両下肢の正面図であり、図7は左下肢の側面図であり、図8は足首関節の構造を説明するための図であり、図9はアクチュエータの詳細を説明する図であり、図10〜13は足部の動きを説明する図である。なお、左右の下肢形状は鏡対称である
【0023】
図6に示すように、本実施例のロボット10の左右の下肢12は、大腿部14と下腿部(脛)16と足部18から構成され、大腿部14と胴体部20は股関節22によって接続されており、大腿部14と下腿部16は膝関節24によって接続されており、下腿部16と足部18は足首関節26によって接続されている。
【0024】
最初に股関節22について説明する。ほぼ水平に伸びる板状の骨盤部28には、図7に示すように、Z軸回りに回転する円板36がベアリング34によって取付けられている。円板36は、図6において左右に一対設けられている。各円板36の中心には、骨盤部28側から大腿部14側に伸びる(Z軸方向に伸びる)シャフト30が固定されている。シャフト30は骨盤部28に対してZ軸回りに回転する。板状の骨盤部28には、体幹が固定されている。
シャフト30の下端に対して大腿部14の上端がユニバーサルジョイント32によって接続されている。ユニバーサルジョイント32は、十字型自在継手を備えており、シャフト30に対して大腿部14がX軸回りとY軸回りに回転することを許容する。股関節22は、骨盤部28に対してZ軸回りに回転できるシャフト30と、シャフト30に対して大腿部14がX軸回りとY軸回りに回転することを許容するユニバーサルジョイント32を持ち、X,Y,Z軸のそれぞれの回りに回転することを許容する3軸関節である。
【0025】
次に膝関節24を説明する。各大腿部14の下端にはY軸方向に平行に並ぶ2つのフランジ40が下方へ伸びており、各下腿部16を構成するシャフト42の上端にはY軸方向に平行に並ぶ2つのフランジ44が上向きに設けられている。膝関節24は、これらのフランジ40,44を貫通してY軸方向に伸びる軸46を備える。膝関節24は、大腿部14に対して下腿部16がY軸回りに回転することを許容する。
【0026】
次に足首関節26を説明する。図8は足首関節26の構造を説明するために単純化してデフォルメした図であり、実際の形状や寸法とは必ずしも一致しない。下腿部16のシャフト42の下部にはX軸方向に平行に並んだ2つのフランジ58が下方に伸びている。また、足部18の上面にはY軸方向に平行に並んだ2つのフランジ60が上方に伸びている。これら下腿部16のフランジ58と足部18のフランジ60は十字型自在継手62によって接続されてユニバーサルジョイントを成している。足首関節26は、下腿部24に対して足部18が、X軸回りとY軸回りに回転することを許容する。即ち、足首関節26はX,Y軸のそれぞれについて自由度を持つ2軸関節である。
【0027】
各関節はワイヤによって駆動される(股関節のZ軸回りの回転を除く。この回転のみはワイヤを利用せずに、モータで直接に回転される)。各ワイヤの一端は末端側部材に取付けられており、他端はモータと送りネジから構成されるアクチュエータに接続されている。モータによって送りネジ(Z方向に伸びる)が回転すると、送りネジに螺合しているナットが送りネジ方向に送られ、ナットに接続されているワイヤ先端がZ軸方向に進退する。ワイヤ先端をZ軸方向に進退させることによってワイヤによって末端側部材を引いたり緩めたりすることができる。
【0028】
最初に図7と8を参照して足首関節を回転させるワイヤ群を説明する。足部18には、図示しない取付け板によってワイヤ終端ガイド70a,70b,70cが固定されている。各ワイヤ終端ガイド70a,70b,70cは円弧形状であり、それぞれの円弧の中心軸はY軸方向に伸びており、円弧面は所定の巾(Y軸に沿って伸びる距離)を有している。ワイヤ終端ガイド70aは足首関節26のY軸よりも前方に位置し、X軸上配置されている。その円弧面はX軸前方を向いている。ワイヤ終端ガイド70b,70cは足首関節26のY軸よりも後方に位置している。ワイヤ終端ガイド70bは足首関節26のX軸よりも外側に位置し、ワイヤ終端ガイド70cは足首関節26のX軸よりも内側に位置している。ワイヤ終端ガイド70b,70cの円弧面はX軸後方を向いている。
3本のワイヤ66a,66b,66cの下端は、ワイヤ終端ガイド70a,70b,70cのそれぞれの下端のワイヤ接続点72a,72b,72cに固定されており、各ワイヤ66a,66b,66cの他端は、膝関節24側に伸びている。各ワイヤ終端ガイド70a,70b,70cの円弧面はワイヤ66a,66b,66cが小さな曲率半径で鋭く曲がることを禁止している。
【0029】
ワイヤ接続点72aは足首関節26のY軸よりも前方に位置しており、ワイヤ66aが膝関節24側に引かれると足部18は足首関節26のY軸回りに回転して爪先を持ち上げる。ワイヤ接続点72aは足首関節26のX軸上に配置されており、ワイヤ66aが膝関節24側に引かれても足部18のX軸回りの回転角には影響しない。ワイヤ接続点72bは足首関節26のX軸よりも外側に位置しており、ワイヤ66bが膝関節24側に引かれると足部18は足首関節26のX軸回りに回転して足部18の外側を持ち上げる。ワイヤ接続点72cは足首関節26のX軸よりも内側に位置しており、ワイヤ66cが膝関節24側に引かれると足部18は足首関節26のX軸回りに回転して足部18の内側を持ち上げる。足部18の内側を持ち上げる場合には、ワイヤ66cを引くと同時にワイヤ66bを緩めて足部18の外側が下がることを許容する。同様に、足部18の外側を持ち上げる場合には、ワイヤ66bを引くと同時にワイヤ66cを緩めて足部18の内側が下がることを許容する。足部18を足首関節26のX軸回りに回転させる場合にはワイヤ66aを操作する必要はない。ワイヤ66b、66cを同時に引くと足部18は足首関節26のY軸回りに回転してかかとを持ち上げる。この場合には、ワイヤ66aを緩めて爪先が下がるのを許容する。ワイヤ66aを引いて爪先を持ち上げるときには、ワイヤ66b、66cを緩めてかかとが下がるのを許容する。
3本のワイヤ66a、66b、66cによって、足首関節26のX軸回りの回転角とY軸回りの回転角を独立に調整することができる。
【0030】
なお、ワイヤ接続点を足首関節26のY軸よりも前方のX軸の両側と、Y軸よりも後方のX軸上に配置してもよい。このようにワイヤ接続点を配置しても、ワイヤによって足首関節26のX軸回りの回転角とY軸回りの回転角を独立して調整することができる。
【0031】
図10〜13は足部18の動きを説明するための模式図であり、図10と図11はX軸回りの回転を説明するための図である。図10は足部18の平面図であり、図11は足部18の背面図である。各ワイヤ66a,66b,66cの終端ではワイヤ終端ガイド70a,70b,70cの図示を省略し、ワイヤ接続点72a,72b,72cのみで示してある。
【0032】
図10は、ワイヤ接続点72aに接続されているワイヤ(図示省略)は中立状態を維持しながらワイヤ接続点72bに接続されているワイヤ66bの有効長を収縮させ、ワイヤ接続点72cに接続されているワイヤ66cの有効長を伸長させることを示している。このとき、足部18は図11の破線で示したようにX軸回りに矢印の方向に回転する。また、ワイヤの有効長の伸長・収縮を逆にすると、足部18は矢印とは逆方向に回転する。即ち、このようにワイヤの有効長の伸長・収縮を調整することによって、足部18をX軸の回りに自在に回転させることができる。
【0033】
図12と図13はY軸回りの回転を説明するための図である。図12は足部18の平面図であり、図13は足部18の側面図である。各ワイヤ66a,66b,66cの終端ではワイヤ終端ガイド70a,70b,70cの図示を省略し、ワイヤ接続点72a,72b,72cのみで示してある。図12はワイヤ接続点72aに接続されているワイヤ66aの有効長を収縮させ、ワイヤ接続点72b,72cに接続されているワイヤ66b,66cの有効長を共に伸長させた場合を示している。このとき、足部18は図13の破線で示すように、Y軸回りに矢印の方向に回転する。また、ワイヤの有効長の伸長・収縮を逆にすると、足部18は矢印と逆方向に回転する。このようにワイヤの有効長の伸長・収縮を調整することによって、足部18をY軸の回りに自在に回転させることができる。
なお、足部18の前側を持ち上げるのに要するワイヤの張力に比べ、足部18の後ろ側を持ち上げるのに要するワイヤの張力は大きい。このため、3点のワイヤ接続点72a,72b,72cのうちの1点を前側にし、2点を後側にし、2本のワイヤと2個のアクチュエータでかかとを持ち上げることが好ましい。この場合、各アクチュエータの能力を等しくすることができる。
【0034】
なお図示はしないが、足部18を同時にX軸回りにもY軸回りにも回転させることができる。例えば、ワイヤ66bの有効長を速度a−bで収縮させ、ワイヤ66cの有効長を速度a+bで伸長させ(即ち−a−bで収縮させる)、ワイヤ66aの有効長をbで収縮させると、足部18はX軸の回りに速度aで回転して外側が上がり、且つ、Y軸の回りに速度bで回転して前側が上がる。このように3本のワイヤの有効長を同時に調整すると、足部18をX軸の回りとY軸の回りに同時に自在に回転させることができる。またX軸回りの回転速度とY軸回りの回転速度を自在に調整することもできる。これらのことから、X,Yの2軸に対して3本のワイヤ、即ち、軸数+1本のワイヤを用いることによって、X,Y軸について互いに独立に調整することが可能である。
【0035】
図8に示すように、下腿部16のシャフト42の上部には、フランジ44を貫通するY軸方向の軸46の回りに自由回転可能な3つのプーリ64a,64b,64cが2つのフランジ44と交互に配されている。それぞれのプーリ64a,64b,64cにはワイヤ66a,66b,66cが1本ずつ巻かれている。ワイヤ66a,66b,66cは、プーリ64a,64b,64cの前側でプーリから離反している。ワイヤ66a,66b,66cは足部18に対して膝関節の前方位置から引張力を加える。このために、3本のワイヤ66a,66b,66cを同時に同一速度で収縮させると、下腿部16に対する足部18の回転角度は変えないで(足首関節26を回転させないで)、下腿部16を膝関節24の回りに前向きに回転させることができる。
【0036】
図8に明瞭に示されている3本のワイヤ66a,66b,66cの上端はアクチュエータ68a,68b,68c(図6、図7参照)に接続されている。図6と7では図示の明瞭化のためにアクチュエータが簡略化されて表示されている。図9はアクチュエータ68の詳細を模式的に示しており(すべてのアクチュエータは同様の構造を有するために、添え字を省略して共通的に説明する)、一対のフランジ102と106が3本の案内ロッド108,110,112で接続されている。一対のフランジ間には送りネジ120が回転自在で軸方向には移動不能に配置されている。送りネジ120は、モータ114とギヤ116と118によって回転させられる。可動プレート104は送りネジ120に螺合するナットを備えている。可動プレート104は案内ロッド108,110,112に案内されて軸方向に移動可能で回転不能となっている。その可動プレート104にワイヤ66の先端が固定されている。
モータ114が回転すると送りネジ120が回転して可動プレート104が案内ロッドに沿って滑り、ワイヤ66が引き込まれたり、緩められたりする。
アクチュエータ68のモ−タは114と、一対のフランジ102、106は大腿部14に固定されている。案内ロッド108,110,112は大腿部14の長手方向に伸びており、モ−タは114がアクチュエータ68を回転させることで、ワイヤ66は大腿部14の長手方向に引かれたり緩められたりする。
ワイヤ66a,66b,66cのプーリ64a,64b,64cと接続点72a、72b、72c間の距離をワイヤの有効長とすると、ワイヤ66a,66b,66cの有効長はモータ114によって伸長させられる。ワイヤ66a,66b,66cの有効長を伸長させるアクチュエータ群68a,68b,68cは、股関節22に近い大腿部14に配置されている。
【0037】
図9に示されているように、アクチュエータ68にコントローラ200が接続されている。コントローラ200には、ロボット10の動き全体を制御している別のコントローラ(図示省略)から、足首関節26の回転角と各ワイヤ(66a、66b、66c)の張力を指示する信号が入力される。コントローラ200は、モータ114の回転角及び/またはトルクを制御する。
【0038】
図7に示されているように、下腿部42には下腿部42を膝関節24の回りに後方に回転させるワイヤ66dの一端が接続されている。ワイヤ66dは膝関節に回転自在に配置されているプーリ64d(図6参照)の後方を通ってアクチュエータ68dの可動プレート104に接続されている。アクチュエータ68dの可動プレート104はモータによって進退する。可動プレート104が進退すると、ワイヤ66dは引き込まれたり、緩められたりする。
【0039】
以上によって下記の姿勢変化が実現される。
(1)アクチュエータ68aを縮めてアクチュエータ68b、68cを緩めることで爪先が上がる。アクチュエータ68aを緩めてアクチュエータ68b、68cを縮めることで爪先が下がる。
(2)アクチュエータ68bを縮めてアクチュエータ68cを緩めることで足部18の外側が上がる。アクチュエータ68bを緩めてアクチュエータ68cを縮めることで内側が上がる。
(3)アクチュエータ68a、68b、68cを縮めてアクチュエータ68dを緩めることで下腿部16が前方に回転する。アクチュエータ68a、68b、68cを緩めてアクチュエータ68dを縮めることで下腿部16が後方に回転する。
4本のアクチュエータと4本のワイヤで、足首関節26のX軸回りの回転角(前記2の回転)と、足首関節26のY軸回りの回転角(前記1の回転)と、膝関節24回りの回転角(前記3の回転)が独立に調整できる。
4本のアクチュエータで3軸回りの回転角を調整するために、アクチュエータは冗長であるように見える。しかしながら、この冗長性を利用して回転角に関する剛性を調整することができる。なおこの点については後記する。
【0040】
膝関節24のみならず足首関節26の回転角を調整するためのアクチュエータまでもが大腿部14に配置されているために、この人工下肢の先端部は軽く、股関節回りの慣性モーメントは小さい。このために、小さなトルクで股関節22の回りに高速に回転させることができる下肢が得られる。
【0041】
次に股関節22回りの回転角を調整するワイヤとアクチュエータを説明する。図6と図7に示すように、大腿部14の上部の所定位置には3個の円弧形状のワイヤ終端ガイド48a,48b,48cが3箇所に取付けられ、それぞれにワイヤ50a,50b,50cが1本ずつ掛けられている。それぞれのワイヤ50a,50b,50cの下端はそれぞれワイヤ終端ガイド48a,48b,48cの下端49a,49b,49cに固定されている。後側に取付けられたワイヤ50cの中程にはプーリ54が配置され、プーリ54は股関節22のY軸よりも後方に位置している。ワイヤ50a,50b,50cの上端はそれぞれアクチュエータ52a,52b,52cの可動プレートに接続されている。アクチュエータ52a,52bのそれぞれの送りネジはそれぞれ図示しないモータによって回転するために、送りネジに螺合している可動プレートはモータの回転によって進退する。この結果、ワイヤ50a,50b,50cの有効長が伸長・収縮する。なお、アクチュエータ52a,52b,52cとそのためのモータ56等は胴体部に配置されており、股関節22の回りに回転する下肢の慣性モーメントを全く増加させない。
【0042】
アクチュエータ52a,52bは、股関節22のY軸よりも前方に位置しており、収縮すると大腿部14を股関節22のY軸の回りに前方に回転させる。ワイヤ50cを案内するプーリ54は股関節22のY軸よりも後方に位置しており、アクチュエータ52cが収縮すると大腿部14を股関節22のY軸の回りに後方に回転させる。なお、骨盤部28に回転自在な円板36はモータ38によってZ軸の回りに回転させられる。モータ38は骨盤部28に固定されている。
【0043】
ワイヤ接続点49cは股関節22のY軸よりも後方に位置しており、ワイヤ50cが引かれると大腿部14は股関節22のY軸回りに後方に回転する。ワイヤ接続点49cは股関節22のX軸上に配置されており、ワイヤ50cが引かれても大腿部14のX軸回りの回転には影響しない。ワイヤ接続点49aは股関節22のX軸よりも外側に位置しており、ワイヤ50aが引かれると大腿部14は股関節22のX軸回りに回転して大腿部14を開ける。ワイヤ接続点49bは股関節22のX軸よりも内側に位置しており、ワイヤ50bが引かれると大腿部14は股関節22のX軸回りに回転して大腿部14を閉じる。大腿部14を閉じる場合には、ワイヤ50bを引くと同時にワイヤ50aを緩めて大腿部14が閉じることを許容する。同様に、大腿部14を開ける場合には、ワイヤ50aを引くと同時にワイヤ50bを緩めて大腿部14が開くことを許容する。大腿部14を股関節22のX軸回りに回転させる場合にはワイヤ50cを操作する必要はない。ワイヤ50a,50bを同時に引くと大腿部14は股関節22のY軸回りに前方に回転して大腿部14を持ち上げる。この場合には、ワイヤ50cを緩めて大腿部14が前方に回転するのを許容する。ワイヤ50cを引いて大腿部14を後方に回転させる場合には、同時にワイヤ50a,50bを緩めて大腿部が下がるのを許容する。
【0044】
以上によって股関節22は下記のように調整される。
(1)アクチュエータ52cを縮めてアクチュエータ52a,52bを緩めることで大腿部14は後方に回転する。アクチュエータ52cを緩めてアクチュエータ52a、52bを縮めることで大腿部14が前方に回転する。大腿部14を前方に持ち上げるには大きなトルクが必要とされるのに対し、後方に下げるには大きなトルクが要らない。大きなトルクが必要とされる側に2本のアクチュエータと2本のワイヤが利用され、小さな力しか必要とされない側に1本のアクチュエータと1本のワイヤが利用されている。
(2)アクチュエータ52aを縮めてアクチュエータ52bを緩めることで大腿部14が外向きに持ち上げられる。アクチュエータ52aを緩めてアクチュエータ52bを縮めることで大腿部14が閉じる。
3本のアクチュエータと3本のワイヤで、股関節22のX軸回りの回転角(前記2の回転)と、股関節22のY軸回りの回転角(前記1の回転)が独立に調整できる。
【0045】
股関節22の回りに大腿部14を動かすためのアクチュエータは胴体側に配置されているために、大腿部14を動かす際にはアクチュエータごとに動かす必要がない。股関節22回りの慣性モーメントは小さい。このために、小さなトルクで股関節22の回りに下肢を高速に回転させることができる。
【0046】
図8に明瞭に示されている3本のワイヤ66a,66b,66c等の中間部には、図14、図15に示す非線形バネ140が挿入されている。バネ140はバネ鋼で形成されており、平板部122と一対のフランジ126,126ともう一対のフランジ対130,130を備えている。フランジ対126,126間にはシャフト128が差し渡され、フランジ対130,130間にはシャフト132が差し渡されている。平板部122には、シャフト128,132と平行に伸びる峰部124が形成されている。ワイヤ66は、屈曲しながら、シャフト128の下方、峰部124の上方、シャフト132の下方を通過している。
図16に示されるように、ワイヤ66が強く引かれると、バネ鋼製の平板部122が撓んでワイヤ66は引き伸ばされる。
【0047】
上記のバネ140がワイヤに挿入されているために、アクチュエータによってワイヤ張力を調整することができる。
図6において、アクチュエータ68bの引き込み量とアクチュエータ68cの引き込み量が等しく、足部18はX軸回りに下腿部16のシャフト42に直角に調整されているとする。この状態から、アクチュエータ68bとアクチュエータ68cを同一速度でさらに引き込むとする。この場合、ワイヤ66bとワイヤ66cは同一速度で引き込まれるために、足部18はX軸の回りに回転しない。しかしながら、ワイヤ66bとワイヤ66cが引き込まれるのに応じて、図16に示すように、バネ140が変形し、ワイヤ66bとワイヤ66cの張力は増大する。即ち、このロボットは、2本のワイヤの一方を引いて時計方向に回転させ、他方のワイヤを引いて反時計方向に回転させる方式であるために、両方のワイヤを同時に引き込むことによって、回転角を変えないで、ワイヤ張力のみを増大させることができる。同様に、両方のワイヤを同時に緩めることによって、回転角を変えないで、ワイヤ張力のみを減少させることができる。
【0048】
ワイヤ張力は関節回りの回転角の剛性を決定する。例えば、図6の足部18が地面に接地する場合、両ワイヤの張力が弱くて剛性が低ければ、接地した地面が足部の左側で高くて右側で低い場合に、足部18の右側を引き上げているワイヤが伸びて足部18が地面の傾斜に倣って傾斜して足部18の全体が接地する。剛性が低ければ外部事象に柔軟に追従する。
一方において、片側の足部18が空中にある場合、その空中姿勢を調整する両ワイヤの張力が弱くて剛性が低ければ、ロボットにわずかな外力が作用することでワイヤが伸びるために空中姿勢が不安定となる。姿勢を安定させるためには、剛性が高い方が好ましい。剛性が高い状態の方が、アクチュエータの動きと関節回りの回転角が良く一致し、関節回りに高速で回転ないし動作させることができる。
【0049】
この実施例のロボットは、2本のワイヤのうちの一方を引いて時計方向に回転させ、他方のワイヤを引いて反時計方向に回転させる方式(プルプル方式)であり、しかも、ワイヤの中間部に非線形バネを挿入しているために、ロボット姿勢とは独立に剛性を調整できる。柔軟に追従することが必要な時には低剛性とし、姿勢を安定させることが必要な時には高剛性に調整することができる。
【0050】
プルプル方式と非線形バネとによって、関節回りの剛性を調整できる理由を、図17、図18を参照しながら説明する。なお、この説明では、2本のワイヤによって足部がY軸回りに回転する簡単な例を取り上げて説明する。図17は、このような構成を模式的に図示したものである。図17に示されているように、足部302は円筒状のプーリ303と一体化されている。プーリ303は、Y軸303cの回りに回転可能に軸支されている。前方ワイヤ304と後方ワイヤ306はプーリ303に巻き付けられ、それぞれの一端はワイヤ接続点303a、303bでプーリ303に接続されている。前方ワイヤ304と後方ワイヤ306の他端は、それぞれ前方アクチュエータ312と後方アクチュエータ314に接続されている。前方アクチュエータ312と後方アクチュエータ314は、固定部材322、324に固定されている。アクチュエータ312、314は、ワイヤ304、306を引き込んだり、緩めたりする。ワイヤ304、306の途中には、前方非線形バネ305と後方非線形バネ307が装着されている。
【0051】
図18は、前方非線形バネ305と後方非線形バネ307のバネ特性を示すグラフである。縦軸(y軸)はバネ力を示し、横軸(x軸)はバネの伸び量を示している。y軸の右側のカーブが後方非線形バネ307のバネ特性を表し、y軸の左側が前方非線形バネ305のバネ特性を表している。図18から明らかなように、前方非線形バネ305と後方非線形バネ307のバネ特性は、その伸びが大きくなると急にバネ力が大きくなる(カーブの傾斜が急になる)非線形性を有している。すなわちフックの法則には従わない。
図18を用いて、足部302の回転軸303c回りの剛性が調整される様子を具体的に説明する。例えば、バネ305、307の伸び量がゼロで足部302の角度が所定位置に調整されたときのアクチュエータ312、314の作動量からアクチュエータ312、314がさらにA(mm)づつ引き込まれとする。するとバネ305、307が伸び、B(kg)のバネ力が発生する(点D、点F参照)。ワイヤ張力はB(kg)に調整される。前方ワイヤ304と後方ワイヤ306の張力は等しいので、足部302は回転せず、調整された位置を保つ。この状態で足部302に時計方向のモーメントを加えて回転させ、後方バネ307がC(mm)伸びたとする(点D→点E)。一方、後方バネ307がC(mm)伸びると、これと等しい量(C(mm))前方バネ305は縮む(点F→点G)。従って、足部302を回転させてバネ(305、307)をC(mm)伸縮させるのには、点Eと点Gのバネ力の差であるH(kg)の力をプーリ303に加える必要がある。
【0052】
アクチュエータ312、314が大きくJ(mm)づつ引き込まれたとする(点L、点M)。このときにバネ305、307が発生するバネ力はK(kg)である。この場合でも、ワイヤ304、306の張力は等しいので、足部302は回転せずにそのままの位置を保つ。この状態で足部302に時計方向のモーメントが加わって、後方バネ307がC(mm)伸びたとする(点L→点N)。前方バネ305はC(mm)縮む(点M→点P)。従って、足部302を回転させてバネ307、305をC(mm)伸縮させるのには、点Nと点Pのバネ力の差であるQ(kg)の力をプーリ303に加える必要がある。
【0053】
アクチュエータ312、314がA(mm)引き込まれて実現された張力Bの状態からバネ307、305をC(mm)伸縮させるのに必要な力は、H(kg)である。アクチュエータ312、314がJ(mm)引き込まれて実現された張力Kの状態からバネ307、305をC(mm)伸縮させるのに必要な力は、Q(kg)である。明らかにQ(kg)の方が、H(kg)よりも大きい。すなわち、アクチュエータ312、314を大きく引き込んで、大きな張力をワイヤ304、306に発生させているときの方が、足部302の剛性(足部302を所定角回転させるに要するY軸回りの回転モーメント)は高くなる。アクチュエータ312、314がワイヤ304、306を引き込む量を変化させることによって、足部302の剛性を調整することができる。
プルプル方式と非線形バネ組合せて用いると、関節の回転角と独立に、剛性を調整することができる。
【0054】
図18のバネ特性グラフの傾斜角が剛性に比例する。そこで、その傾斜角が意図した剛性に相当するバネの伸び量を求め、その伸び量を与えることで、意図した剛性に調整することができる。
ロボットの姿勢にかかわらず、回転中心からワイヤにおろした垂線の長さ、即ちモーメントの腕の長さがほぼ一定であれば、剛性から張力ないし伸び量を決定することができる。
しかしながら、回転中心からワイヤにおろした垂線の長さ、即ちモーメントの腕の長さが変化する場合には、剛性から張力を決定するまでの間にモーメントの腕の長さを考慮しなければならない。例えば、ともにワイヤ張力が1kgであるとする。このとき、回転中心からその1kgの張力の作用点までの長さが10cm(ケース1)と20cm(ケース2)とする。このとき、ケース2の方がモーメントの腕の長さが長く、モーメントも大きい。ケース2の方が、同じ張力でありながら、外力に抗して関節回転角を所定値に維持する程度は強い。剛性は、張力とモーメントの腕の長さによって決まる。
コントローラ200は、剛性が指定されたときに、指定された剛性とそのときのモーメントの腕の長さから指定された剛性に調整するのに必要な張力を計算し、次いで、その張力に調整するのに必要なワイヤの伸びの長さを計算する。ロボットの姿勢と独立して関節回りの柔軟性を指定された剛性に調整することができる。
足首関節26のX軸回りの回転角度は、アクチュエータ68bによるワイヤ66bの引き込み量によって決定され、ワイヤ66cは冗長である。本実施例では冗長な、アクチュエータ68cによるワイヤ66cの引き込量を利用して、足首関節26のX軸回りの回転に対する剛性を制御する。
足首関節26のY軸回りの回転角度は、アクチュエータ68aによるワイヤ66aの引き込み量によって決定され、ワイヤ66bとワイヤ66cは冗長である。本実施例では、冗長な、アクチュエータ68bによるワイヤ66bの引き込み量とアクチュエータ68cによるワイヤ66cの引き込量を利用して、足首関節26のY軸回りの回転に対する剛性を制御する。
膝関節24の回りの回転角度は、アクチュエータ68a、68b、68cによって決定され、ワイヤ66dは冗長である。本実施例では、冗長な、アクチュエータ68dによるワイヤ66dの引き込量を利用して、膝関節24の回りの回転に対する剛性を制御する。
股関節22のX軸回りの回転角度は、アクチュエータ52aによるワイヤ50aの引き込み量によって決定され、ワイヤ50bは冗長である。本実施例では、冗長な、アクチュエータ52bによるワイヤ50bの引き込量を利用して、股関節22のX軸回りの回転に対する剛性を制御する。
股関節22のY軸回りの回転角度は、アクチュエータ52cによるワイヤ50cの引き込み量によって決定され、ワイヤ50aとワイヤ50bは冗長である。本実施例では、冗長な、アクチュエータ52aによるワイヤ50aの引き込み量とアクチュエータ52bによるワイヤ50bの引き込量を利用して、股関節22のY軸回りの回転に対する剛性を制御する。
【0055】
本発明のロボットはワイヤ駆動であり、各関節にアクチュエータを実装する必要がない。アクチュエータを関節から離れた位置に実装することができるため、関節を小型化、軽量化することができ、アクチュエータの実装位置の自由度が上がる。また、本発明の場合、ワイヤ数は2軸の関節に対しては3本、3軸の関節に対しては4本、即ち、1関節に対して軸数+1本でよい。通常であれば、関節の1自由度について2本のワイヤを必要とする。必要なワイヤ本数とアクチュエータ数が少数化するため、四肢等のスリム化や軽量化が図れる。これらのことにより、末端側部材の動きを高速化することができ、外観的にも動作的にも人間や動物に類似したロボットを実現することが可能となる。
【0056】
アクチュエータ群は大腿部に配置されることに限られるものではない。例えば、上肢の上腕部にアクチュエータ群を配置し、個々のアクチュエータが動作して上腕に対して前腕が回転されたり、前腕に対して手部が回転されたりするように構成することができる。
上述したアクチュエータのコントローラは、関節の回転角と張力とが入力されているが、張力に代えて関節の剛性を入力するように構成してもよい。
このような構成では、コントローラは、関節の回転角から末端側部材(例えば、足部)の回転中心とワイヤの接続点との間のモーメントアームの長さを計算し、このモーメントアームの長さから関節が所望の剛性となるワイヤの張力を計算する。そして、ワイヤの張力を計算された値とするアクチュエータの作動量がアクチュエータに出力される。モーメントアームが末端側部材の回転にともなって大きく変化する構成(ワイヤ終端ガイドが存在しないような構成)においては、上記のように張力に代えて剛性をコントローラに入力し、これを計算処理することにより、関節の剛性をより正確にコントロールすることができる。
【0057】
次に、上記の機械構成を備える2足歩行ロボットの制御装置を説明する。
図19は、ロボットの2足歩行を制御する制御装置の構成を示し、歩行指令データ作成装置1で作成された、体幹位置ベクトルP(これは歩行指令データ作成装置1によってオペレータが入力したものから修正されている)と、体幹姿勢ベクトルRと、左足先位置ベクトルCと、左足先姿勢ベクトルDと、右足先位置ベクトルEと、右足先姿勢ベクトルFを入力し、逆キネマティクス計算する計算装置304を備えている。ただし、体幹位置ベクトルPについては、歩行指令データ作成装置1によって修正されるのみならず、後記する「倒立振子制御」と「ならい制御」を実施するために、さらに修正されて計算装置304に入力される。また、体幹姿勢ベクトルRについても、実際の体幹姿勢ベクトルが目標体幹姿勢ベクトルに一致するように、目標体幹姿勢ベクトルを補正する処理が実施されて計算装置304に入力される。
【0058】
計算装置304は、入力された体幹位置ベクトルP(これは修正されている)と、体幹姿勢ベクトルR(これも補正されている)と、左足先位置ベクトルCと、左足先姿勢ベクトルDと、右足先位置ベクトルEと、右足先姿勢ベクトルFに基づいて、入力した各ベクトルで記述される位置と姿勢を実現するのに必要な各関節の回転角θを計算する。回転角は、各関節を回転させるモータの回転量で計算される。図19では、2個のアクチュエータ分しか表示されていないが、すべてのアクチュエータのモータ回転量が計算される。この計算では、逆キネマティクス演算が実施される。
各アクチュエータごとに計算された目標回転量θは、各アクチュエータのためのドライバ306,316に入力される。各ドライバは、目標回転量と実際回転量の偏差に基づいて各アクチュエータのモータ308,318に加えるトルクを調整する。実際回転量は、アクチュエータのモータ毎に設けられているエンコーダ310,320で検出される。このフィードバック制御によって、アクチュエータのモータ308,318は、実際回転量が目標回転量に一致するようにフィードバック制御される。
【0059】
目標ZMPは、倒立振子モデル334に入力される。倒立振子モデル334には、実際の体幹位置ベクトルPも入力される。実際の体幹位置ベクトルPは、ロボットの体幹に設けられているジャイロ328の信号を演算装置330で演算して求められる。
倒立振子モデル334は、目標ZMPと実際の体幹位置ベクトルPを用いて、目標ZMPから体幹位置ベクトルPに向かう傾斜線の垂直からの傾きφを計算する。計算されたφは、ZMPの修正量算出装置336に入力される。ZMPの修正量算出装置336は、ΔZMP=k1×φ+k2×dφ/dtの式によって、ZMPの修正量を算出する。即ち、前記した傾斜角φに比例する値と、傾斜角φの時間微分に比例する値を加算してZMPの修正量を算出する。算出されたZMPの修正量ΔZMPは、入力された目標ZMPに加算され、目標ZMPはΔZMPだけ修正される。以上のように、目標ZMPをΔZMPだけ修正する処理を、通常は倒立振子制御と称している。
人間は、歩行する場合、とくに高速で走行する場合には顕著なように、体幹を前方に傾けて走行しやすくする。体幹を前方に傾斜させることで重心を前方に移動させ、前方に移動した重心に追従するように足を前方に移動させる。倒立振子制御は、人間のこの種の制御に対応するものであり、体幹位置を前方に傾ける制御をする。
【0060】
倒立振子モデルで修正された目標ZMP(340)は、実際のZMP(326)と比較され、その偏差(342)が算出される。実際のZMP(326)は、ロボットの足の裏に設けられている複数の力センサ322の出力を演算装置324によって演算することで演算される。偏差342にはゲインk3が乗じられて体幹位置ベクトルPのディメンジョンに変換される。体幹位置ベクトルPのディメンジョンに変換された偏差ΔPは、体幹位置ベクトルPに足し合わされる。目標ZMP(340)と実際ZMP(326)の偏差(342)を体幹位置ベクトルPのディメンジョンに変換して体幹位置ベクトルPに足し合わせる処理を、通常は「ならい制御処理」と称している。
【0061】
ロボットが歩行する面には、体幹位置ベクトルPと、体幹姿勢ベクトルRと、左足先位置ベクトルCと、左足先姿勢ベクトルDと、右足先位置ベクトルEと、右足先姿勢ベクトルFと、目標ZMPを決定する段階では、予期していない凹凸が存在し、ロボットの足が例えば凸を踏むことがある。これは、人間であれば蹴躓くことに相当する。人間はそのとき、膝を曲げて腰の位置を前方に送ることによって転倒しないようにする。ならい制御処理は、人間のこの種の制御に対応するものであり、体幹を前方に平行移動する制御をする。
膝を曲げて体幹を前方に平衡移動することによって転倒を防止する場合、そのままでは歩行を続けることができない。転倒を防止したあとには、膝を伸ばして通常の歩行姿勢に復帰することが必要である。倒立振子モデルは、それに相当する制御を実行する。
比喩的にいえば、ならいモデルは体の柔軟性に相当し、倒立振子モデルは歩行姿勢の維持力に相当する。
【0062】
本実施例では、倒立振子制御系334で目標ZMPを修正し、ならい制御系で目標ZMPと実際ZMPの偏差(342)によって目標体幹位置ベクトルPを修正するにあたって、修正量制限装置346を組み込むことによって修正量を制限している。
ならい制御モデルで算出した目標体幹位置ベクトルの修正量をΔPとする。入力された体幹位置ベクトルPに修正量ΔPをベクトル加算し、それによって逆キネマティクス計算装置304で逆キネマティクスを解いて関節角を計算すると、計算された関節角が関節の許容回転範囲を超えてしまうことがある。この場合、ロボットの機械的制約によって、図19の制御装置が演算したならい制御を実行することができない。本実施例では、ならい制御ループで算出した目標体幹位置ベクトルの修正量ΔPにαを乗じたもので体幹位置ベクトルPを修正する。ここでαは0から1の間の数であり、nは後記する回数であり、n=0,1,2,3・・・と変化する。
即ち、従来のように一律にP+ΔPの式で体幹位置ベクトルPを修正するではなく、P+α×ΔPに従って体幹位置ベクトルPを修正する。最初にn=0で対応できれば、P+α×ΔP(=P+ΔP)で修正する。2回目のn=1で対応できれば、P+α×ΔPで修正する。3回目のn=2で対応できれば、P+α×ΔPで修正する。4回目のn=3で対応できれば、P+α×ΔPで修正する。
具体的処理手順は下記のものである。
(1)ならい制御モデルで算出した目標体幹位置ベクトルの修正量をΔPとする。
(2) 最初にn=0として、P+α×ΔP(=P+ΔP)で修正する。
(3) P+ΔPで、逆キネマティクスを解いて関節角θを求めた結果、すべての関節で許容回転角内であれば、そこで処理を終了する。
(4)前記の(3)で、少なくとも一つの関節について、計算された関節角θが許容回転角外となれば、修正量を低下させる。
(5)そのために、n=1として、P+α×ΔPで修正する。αは1以下であり、修正量は低減される。
(6) P+α×ΔPで、逆キネマティクスを解いて関節角θを求めた結果、すべての関節で許容回転角内であれば、そこで処理を終了する。
(7) 前記の(6)で、少なくとも一つの関節について、計算された関節角θが許容回転角外となれば、修正量を低下させる。
(5)そのために、n=2として、P+α×ΔPで修正する。αは1以下であり、修正量は低減される。
以下n=3,4,5・・としながら、P+α×ΔPで修正された体幹位置ベクトルPを実現するすべての関節回転角θが許容回転角内となるまで、上記手順を繰り返す。
【0063】
P+α×ΔPと補正することから、n=0でない限り、ならい制御は不十分である。しかしながら、ロボットがならい制御を十分に効かせるだけの柔軟性を備えていなければ、ならい制御が不十分となってもやむをえない。ならい制御を十分に効かせた結果、関節回転角が限界まで回転し、限界となってもまだ回転角が不足していると転倒の恐れがある。本実施例のように、関節回転角が限界内で収まるようにならい制御の制御量を低減させるようにすると、ロボットが持つ柔軟性の範囲内でならい制御が実施され、ロボットが転倒する事態を著減することができる。
【0064】
ならい制御は、体の柔軟性に相当する。ならい制御のためのゲインk3(変換装置344)が大きいほど、ロボットの肢体は柔軟に姿勢を変え、受けるショックを和らげる。従って、着地時等のようにショックを受ける場合には、ならい制御が強く働くことが好ましい。
反面ならい制御が常時に強く働いていると、片足立脚時に慣性力で姿勢が乱れ、着地予定でないタイミングで着地して着地ショックが大きくなることがある。ならい制御のためのゲインk3の値の設定には、上述した相反する要素があり、最適値に調整することが難しい。
【0065】
本実施例では、この相反関係を解決するために、ならい制御のためのゲインk3の値をロボットの状態に合わせて増減する手法を取り入れた。
図20の(A)は、歩行パターンの変化等に合わせてならい制御のためのゲインk3を変化させる例を示し、片足接地状態から両足接地状態に切り替わる前後において、ならい制御のためのゲインk3を増大させ、その他のときには低く維持する。この場合、着地ショックを受ける前後ではならい制御がよく効くためにロボットの肢体は柔軟に対応して着地ショックを和らげる。その他のときには、ならい制御のためのゲインk3は小さく、姿勢維持力が高く保たれる。片足立脚時に慣性力で姿勢が乱れることがなく、着地予定でないタイミングで着地するために着地ショックが大きくなることもない。ならい制御のためのゲインk3は、歩行指令データ作成装置1で作成される6個のベクトルの時系列変化に合わせて増減させることができる。
【0066】
図20の(B)は、左足裏に設置されている力センサが受ける力を示し、(C)は、右足裏に設置されている力センサが受ける力を示し、(D)は、両センサの受ける力の合計を示している。着地時には、強い慣性力が働くために、合計した力は着地時に大きい。合計した力とならい制御のためのゲインk3を比例させれば、着地ショックを受けるときにならい制御のためのゲインk3を大きくし、その他のときには低く維持することができる。図19の力センサ322の信号を演算する装置324から、変換装置344に伸びる処理360は、力センサ322が受ける力の合計力に、ならい制御のためのゲインk3を比例させる処理を示している。
なお、ならい制御を強く働かせる場合に、倒立振子モデルのゲインk1、k2を同時に増大させてもよいが、ならい制御のためのゲインk3のみを大きくしてもよい。
【0067】
倒立振子モデルでは、目標ZMPから体幹位置ベクトルPに向かう傾斜線の垂直からの傾きφを計算する(図19の334参照)。計算されたφは、ZMPの修正量算出装置336に入力され、ΔZMP=k1×φ+k2×dφ/dtの式によって、ZMPの修正量ΔZMPを算出する。ロボットが円滑に歩行するには、ゲインk1とk2の値を適当な値に調整する必要がある。さらには、ならい制御のためのゲインk3も適当な値に調整する必要がある。
ゲインk1、k2、k3の値を歩行制御に適当な値に調整しておくと、ロボットが歩行しないで静止しているあいだにも、ロボットが体幹を前方に傾けてからそれを修正する動作を繰り返すことが生じる。ここではそれを自励振動という。自励振動が生じると、ロボットの動力が無駄に消費されて不都合である。
これを解消するために、ロボットが歩行しないで静止している間は、ZMPの修正量ΔZMPを算出するk1×φ+k2×dφ/dtの式に用いるゲインk1、k2の値を、歩行時に適当な値よりも下げることが有効であることがわかった。この場合、ならい制御のためのゲインk3も同時にさげてもよいが、ゲインk1、k2の値を下げれば、ならい制御のためのゲインk3は下げないでもすむ。ロボットが歩行しないで静止している間に、ゲインk1、k2(さらにはゲインk3)の値を下げても、ロボットは直立しつづけることが確認されている。自励振動に無駄に動力が消費されることがない。
図19では、力センサ322の信号を演算する装置324によって、ロボットが静止しているか歩行しているかを判別し、その結果によってゲインk1、k2を切替えることを図示している。
【0068】
この実施例のロボットは、2本のワイヤのうちの一方を引いて時計方向に回転させ、他方のワイヤを引いて反時計方向に回転させる方式(プルプル方式)であり、ワイヤの中間部に非線形バネを挿入しているために、ロボット姿勢とは独立に剛性を調整できる。この特性を活用し、歩行時に剛性を変化させながら歩行するのが有効である。
着地中には、予期しない凹凸を踏んでいることがあり、下肢が柔軟な方が予期しない凹凸の影響を受けにくい。剛性を高めて指示された姿勢に忠実に制御すると、予期しない凹凸の影響を吸収できないためにロボットがスリップしたり転倒したりする恐れがある。
そこで、本実施例では、歩行パターンの進行に合わせて剛性を変化させる。ここでは、左右の下肢の剛性を別々に変化させる。
図21(A)は、歩行パターンと左右の下肢の剛性の変化パターンを示し、左右の下肢とも、接地中は剛性が低く維持されて、空中移動している間は高く保たれる。左足接地状態から両足接地状態に移行する直前タイミングで右下肢の剛性が下げられ、右足接地状態から両足接地状態に移行する直前タイミングで左下肢の剛性が下げられる。左下肢の剛性と右下肢の剛性は別々に制御される。接地中の下肢の剛性が低いために、予期しない凹凸を踏んでいても、接地した下肢が柔軟に対応して凹凸の影響を吸収する。一方、空中にある足の剛性は高く維持され、姿勢維持力が高く保たれる。片足立脚時に慣性力で姿勢が乱れることがない。
剛性の変化パターンには、図21の(A)〜(C)に例示する種々のバリエーションが存在する。
(A) 左下肢の剛性を、左足接地状態と両足接地状態の間は低め、右足接地状態の間は高める。右下肢の剛性を、右足接地状態と両足接地状態の間は低め、左足接地状態の間は高める。
(B、C) 左下肢の剛性を、右足接地状態から両足接地状態に移行する直前タイミングで下げ、次の右足接地状態までの間に高める。右下肢の剛性を、左足接地状態から両足接地状態に移行する直前タイミングで下げ、次の左足接地状態までの間に高める。
(B) 下肢の剛性を連続的に上昇させる。
(C) 下肢の剛性を階段状に上昇させる。
いずれの変化パターンによっても、接地した下肢が柔軟に対応して凹凸の影響を吸収する一方、空中にある足の剛性は高く維持され、姿勢維持力が高く保たれる。
【0069】
以下では、図19の制御装置によって、経時的に変化する目標回転角と、経時的に変化する剛性に関する指示値に追従するようにアクチュエータを制御する技術を説明する。以下では、アクチュエータ68bと68cによって、足首関節26のX軸回りの回転角と剛性を、指示された回転角と剛性に追従するように制御する例について説明する。
【0070】
(第1の制御技術)
図22は、足首関節26をワイヤ66bによってX軸回りに外向きに回転させるアクチュエータ68bのためのコントローラ200bの制御ブロック図と、ワイヤ66cによって内向きに回転させるアクチュエータ68cのためのコントローラ200cの制御ブロック図を示す。これは、図19のドライバ306と316の詳細に対応する。この場合、逆キネマティクス計算装置304は、関節の回転に対する剛性も指示する。剛性の指示値は、経時的に変化する。
最初にコントローラ200bについて説明する。第1変換機2bは、足首関節26の回転角の指示値P1から、その回転角の指示値P1を実現するのに必要なモータ114bの回転角P2に変換する。ここでは、バネ140が伸びないものとして計算する。計算された回転角P2は、モータ114bの実際の回転角P7と比較されて偏差P3が求められる。モータ114bの実際の回転角P7は、モータ114bに内蔵されているエンコーダ115bから得られる。第2変換機4bは、回転角偏差P3をモータ114bの回転速度P4に変換する。ここでは、偏差P3が大きいほど大きな回転速度P4に変換する。偏差P3がゼロであれば回転速度P4もゼロである。第3変換機6bは、モータ114bの回転速度P4をモータ114bに加えるトルクP5に変換する。モータ114bは、通電する電流値と発生するトルクが比例する特性を備えている。モータ114bに加えるトルクP5は電流の単位で指令される。電流の単位で指令されるトルクP5は、指示された回転角と実際の回転角との偏差に基づいてアクチュエータのトルクをフィードバック制御するトルクの増減値に相当し、指示された回転角に対して不十分なアクチュエータのトルクを増大させ、指示された回転角に対して過大なアクチュエータのトルクを減少させる。これによって、実際の回転角が指示された回転角にフィードバック制御される。
剛性の指示値Q1は、第4変換機10bに入力される。第4変換機10bは、回転角の指示値P1からワイヤ66bの張力が足首関節26の回りのモーメントを発生させる腕の長さを計算し、剛性の指示値Q1とモーメントの腕の長さから指示された剛性Q1に調整するのに必要なワイヤ張力Q2を計算する。ここでは図18に示したバネ特性が参照され、バネ定数とモーメントの腕の長さから、指示された剛性Q1に調整できるバネ特性を実現するワイヤ張力Q2に変換する。第5変換機12bは、張力Q2をモータトルクQ3に変換する。この変換には、図9のアクチュエータの特性式が利用される。モータのトルクの全部がワイヤ張力に反映されるわけでない。モータトルクの一部は、アクチュエータ等の摩擦や慣性に費やされる。第6変換機14bは、必要なワイヤ張力を発生するモータトルクQ3に摩擦や慣性に費やされる分を補償して実際に必要とされるモータトルクQ4を算出する。
摩擦や慣性に費やされる分を補償したモータトルクQ4は、回転角のフィードバック制御によって算出されたモータトルクの増減値P5に加算される。最終的には、加算されたモータトルクP6が指令される。実際には、モータ114bのトルクは通電電流に比例するので、モータ114bに、加算されたトルクP6に比例する電流を通電する。
【0071】
コントローラ200cについても、制御ブロックは同一であり、重複説明はしない。この場合、アクチュエータ68bとアクチュエータ68cは左右対称のために、P2とQ2とQ3は、コントローラ200bと200cとで、異符号で同じ値を持つ。ただし、慣性項と摩擦項は左右対称にならないので、Q4の値は等しくならない。
【0072】
この制御ブロックによると、指示された剛性に調整するのに必要なモータトルクQ4が加算される。このために、足首関節26のX軸回りの剛性は、指示された剛性Q1に制御される。指示された剛性Q1に調整するためのモータトルクQ3(ここではワイヤ張力となるモータトルク)は、アクチュエータ68bとアクチュエータ68cによるものとがバランスし、足首関節26のX軸回りの回転角に影響しない。足首関節26のX軸回りの回転角は、剛性に調整するためのモータトルクと無関係に、指示された回転角P1にフィードバック制御される。
図22の制御ブロックによると、回転角P1と剛性Q1が独立に指示されても、指示された回転角P1と剛性Q1に制御することができる。
上記した事象は、回転角と剛性の指示値P1、Q1が時々刻々に変化する動作中常に得られ、経時的に変化する指示値P1、Q1に常に追従させることができる。
剛性の指示値Q1を歩行の状態に応じて経時的に変化させるには、歩行指令データの経時的変化に対応させてもよいし、ロボットの足の裏に接地されている力センサ322の出力に基づいて変化させてもよい。図19の場合、力センサ322が検知する力によって、モータドライバ306、316に指示する剛性の値を変化させる。
【0073】
(第2の制御技術)
図23は、第2の制御技術に係わるコントローラ200bとコントローラ200cの制御ブロック図を示す。図19のドライバ306と316に対応する。この場合、逆キネマティクス演算回路304は、関節の回転角を調整するアクチュエータについては目標回転角を演算し、関節の回転角を調整するには冗長なアクチュエータについては目標剛性値を演算する。この場合、モータ114bは関節の回転角を調整するアクチュエータであり、モータ114cは関節の回転角を調整するには冗長なアクチュエータであり、剛性を調整する。
この場合、コントローラ200bは、回転角の指示値P1に基づいてモータ114bの回転角をフィードバック制御し、コントローラ200cは、剛性の指示値に基づいてモータ114cのトルクをフィードバック制御する。モータ114cの実際のトルクQ6は、モータ114cに通電する電流を測定する電流計115cで測定される。モータは114b、114cは、電流値とトルクが比例する特性をもっている。
モータ114bの回転角のフィードバック制御のための制御ブロック図は、図22とほぼ同様であり、モータ114cのトルクのフィードバック制御のための制御ブロック図も図22とほぼ同様であり、重複説明はしない。
この制御技術によると、指示された剛性Q1に調整するために必要なトルクがモータ114cから加えられる。このトルクが働いた状態で、モータ114bは、指示された回転角P1に調整するのに必要なだけ回転される。このとき、結果的には、モータ114bのトルクも、指示された剛性Q1に調整するのに必要なトルクに調整され、モータ114cの回転角も、指示された回転角P1に調整するのに必要な回転角に調整される。
図23の制御技術は、回転角という1の自由度に対して、2個のモータを利用するという冗長性を利用して、回転角と剛性を独立に制御するものであり、ヒトに類似している。ヒトも、関節の自由度からみると冗長な数の筋肉を利用して関節の回りに回転させる。その冗長性を利用して剛性を調整している。
図23の制御ブロックによると、回転角と剛性が独立に指示されたときに、指示された回転角と剛性に制御することができる。
【0074】
図22,23の技術を用いると、歩行パターンに合わせて剛性を変化させることができ、姿勢を柔軟に変える必要があるときには柔軟にでき、姿勢を維持する必要があるときには剛性を上げて姿勢を維持することができる。本実施例では、図21で説明したように、接地した足の剛性を低くし、宙に浮いている足の剛性を高く調整しながら歩行する。
【0075】
本実施例では、歩行パターンにあわせて、ならい制御のためのゲインk3と、下肢の剛性を変化させる。ゲインの変化と剛性の変化のいずれか一方のみを用いても有用であるが、組合わせて用いることが有効であり、組合わせて用いると、ならい制御と剛性の変化の相乗作用によって、ロボットの挙動を柔軟で安定したものとできる。
【0076】
図5に示した歩行指令データ作成装置1を用いて歩行指令データを作成する場合、通常は体幹姿勢については体幹姿勢ベクトルRのみを指定する。確かに、体幹姿勢ベクトルRを指定すれば、ロボットは円滑に歩行することができる。
ただしより高速で歩行する場合、体幹を捩って歩行することが有利であり、体幹ベクトルの他に、体幹の捩れに関する姿勢も入力するのが有利である。
【0077】
図24(A)は、従来のティーチング技術による場合の歩行姿勢を示し、体幹は前方に傾くことがあっても、捩れることはない。そもそも体幹の捩れを指定するベクトルが教示されていない。
図24(B)は、体幹の左右対称軸線の方向を示す体幹ベクトルRに加えて、体幹の左右を結ぶ線の方向を示す体幹捩れベクトルQを教示することによって得られる歩行姿勢を示している。足の動きに連動して体幹を捩じると、体幹に対する足の動作速度が同じでも一歩の歩幅を伸ばすことができ、ロボットは高速で歩行することが可能となる。
図24(C)は、体幹捩れベクトルQの教示例を示し、平面視している。(1)は左右の足が揃っている状態を示し、(2)は左足を踏み出した状態を示し、(3)は左足をさらに大きく踏み出した状態を示し、(4)は右足を踏み出した状態を示している。
左足先位置ベクトルCと右足先位置ベクトルEが教示されているために、左右の足の中心同士を結ぶ線Lが進行方向Xに直交する線Yとなす角度θがわかる。そこで、体幹の左右を結ぶ体幹捩れベクトルQを、体幹捩れベクトルQと進行方向Xに直交する線Yとなす角度がαθとなるように教示する。ここではαを50%とする。体幹捩れベクトルQとY軸のなす角度が、左右の足の中心同士を結ぶ線LがY軸となす角度θの50%となるような体幹捩れベクトルQをロボットにティーチングするのである。なお前記の比率は50%に限定されるものでなく、その前後の幅を有している。比率があまりに小さいと体幹を捩る意味がなく、比率があまりに大きいと体幹に捩るのに大きなエネルギーが費やされることになるので、30〜60%くらいの範囲が好ましい。図24(C)の(1)から(4)に示すように、比率αを一定に維持してもよいが、一歩のストロークの中で比率αを変化させてもよい。
左右の足の動きに連動して捩じる体幹ベクトルQを教示すると、同じ能力のロボットの歩幅を広げることができ、高速歩行させることができる。
体幹捩じれベクトルQを指定する代わりに、左右の足の中心同士を結ぶ線LがY軸となす角度から体幹捩じれベクトルQを計算して求めるようにしてもよい。
図25に示すように、ロボットの上半身250を腰部(下胴部)254と胸部(上胴部)252に分離し、両者が人間の背骨に相当する部材を中心にして相対回転可能に構成することができる。この場合、左右の足の基部である腰部254を捩じりながら歩行し、胸部252については常時進行方向に向けておくことができる。このようにしても、体幹(腰部)に対する足の動作速度を同じにしながら歩幅を伸ばすことができる。図26の平面図に示すように、体幹254を捩じることによって歩幅を距離Dだけ大きくすることができる。この場合、胸部252は安定しており、ロボットの歩行姿勢は安定したものとなる。また歩幅が伸びることからロボットが高速で歩行することが可能となる
左右の足の踏跡が一直線256上にあると、歩行姿勢が美しいだけでなく、狭い通路を通過することが可能となる。図27は、体幹を捩じらないで条件で、左右の足を直線256上において歩行する場合の平面図を示し、体幹に対して左右の足を水平面内で角度αだけスイングしなければならない。図28は、体幹を捩じりながら左右の足を直線256上において歩行する場合の平面図を示し、体幹に対して左右の足を水平面内で角度βだけスイングすればたりる。明らかに、体幹を捩じりながら歩行すると、左右の足を直線256上において歩行するのに必要なスイング角度が小さく抑えられ、ロボットは無理なく直線上を歩行できることになる。左右の足の足跡が厳密な意味では直線上になく、2本の平行な直線上にある場合でも、その2本の直線間距離が小さいと、ロボットの歩行姿勢がきれいで安定感のあるものとなる。体幹を捩じると、2本の直線間の距離を小さくしやすく、体幹を捩じることによって歩行姿勢をきれいで安定感のあるもにしやすい。
【0078】
図19の制御装置では、体幹姿勢ベクトルRを入力し、逆キネマティクス演算し、入力された体幹姿勢ベクトルRに制御するために必要な関節角を演算し、そうして得られた関節角を目標関節角としてフィードバック制御するため、実際の体幹ベクトルRは、指示された体幹ベクトルR、即ち、歩行指令データ作成装置1(図5)で得られた体幹ベクトルRに一致するはずである。しかしながら、ロボットにジャイロを取付けて実際の体幹ベクトルを測定すると一致しないことが判明した。これは、関節のガタや部材の撓み等に起因するものと推測される。
目標体幹姿勢ベクトルと実際体幹姿勢ベクトルが一致しなければ、意図する体幹姿勢をロボットにとらせることができない。
本実施例では、図5の歩行指令データ作成装置1で作成された体幹姿勢ベクトルR(ここには、オペレータがロボットにとらせたい姿勢が記述されている)をそのままロボットに教示せず(そのまま教示すると、目標体幹姿勢ベクトルと実際体幹姿勢ベクトルが一致しなので、実際体幹姿勢ベクトルを意図したものにすることができない)、目標体幹姿勢ベクトルと実際体幹姿勢ベクトルが一致しないことを見越し、目標体幹姿勢ベクトルを人為的に補正し、補正された目標体幹姿勢ベクトルと実際体幹姿勢ベクトルが一致しないために、結果として目標体幹姿勢ベクトルと実際体幹姿勢ベクトルを一致させる手法を採用している。
【0079】
(1) 具体的は、最初に、歩行指令データ作成装置1で作成された体幹姿勢ベクトルRをロボットにティーチングする。ティーチングされたロボットを動作させて実際の体幹姿勢ベクトルRを検出する。
以下では、目標体幹姿勢ベクトルをR1とし、実際体幹姿勢ベクトルをR2とする。実際体幹姿勢ベクトルをR2はジャイロ328の出力を演算する装置330で演算される。
(2) 目標の体幹姿勢ベクトルR1と実際の体幹姿勢ベクトルR2のずれベクトルΔRを計算する(図19の装置350)。ずれベクトルΔRは、R1・R2−1で計算できる。
(3) そこで、目標体幹姿勢ベクトルをR1の方を、ずれベクトルΔRを見越して補正する。補正された目標体幹姿勢ベクトルをR1とすると、R1=R1・ΔRで計算される。
(4)ロボットは、補正された目標体幹姿勢ベクトルR1を目標として動作する。ロボットによって実現される実際体幹姿勢ベクトルはR1とならない。それからはずれる。はずれた結果、目標体幹姿勢ベクトルR1に一致する。補正された目標体幹姿勢ベクトルR1は、オペレータと意図する体幹姿勢ベクトルR1にずれベクトルΔRを見越して補正されているからである。
(5) 補正された目標体幹姿勢ベクトルをR1を計算する際に、まず、
Y=α・ΔR+(1−α)・Iを計算し、ついで、R1=R1・Yで計算してもよい。図19の補正装置352は、この処理を実行する。ここで、αは1以下の正の値であり、Iは単位ベクトルである。
この場合、ずれベクトルΔRのα%だけを見越して目標体幹姿勢ベクトルR1を補正することに相当する。
目標体幹姿勢ベクトルの補正処理は、種々の段階で実施できる。ずれベクトルΔRが判明した段階で、歩行指令データ作成装置1で作成された体幹姿勢ベクトルRを補正し、補正された目標体幹姿勢ベクトルをロボットに教示してもよい。この場合、ロボットの制御装置には、目標体幹姿勢ベクトルを補正するための装置350,352は要らない。それに代わって、ずれベクトルΔRで補正する前の目標体幹姿勢ベクトルをロボットに教示し、ロボットの動作中に次々とずれベクトルΔRを算出し、ずれベクトルΔRが算出されとき以降の目標体幹姿勢ベクトルをずれベクトルΔRで補正するようにしてもよい。
【0080】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】目標ZMPが移動する様子を説明する図。
【図2】シャープに変化する目標ZMPをスムーズにした各種のカーブを例示する図。
【図3】目標ZMPが移動する他の例を説明する図。
【図4】目標ZMPのデータを出力する速度が可変であることを説明する図。
【図5】歩行指令データ作成装置の構成を示す図。
【図6】本実施例のロボットの両下肢の正面図。
【図7】同ロボットの左下肢の側面図。
【図8】同ロボットの足首関節の構造を説明するための図。
【図9】同ロボットのアクチュエータの詳細を説明する図。
【図10】同ロボットの足部の動きを説明する図。
【図11】同ロボットの足部の動きを説明する図。
【図12】同ロボットの足部の動きを説明する図。
【図13】同ロボットの足部の動きを説明する図。
【図14】ワイヤの組込まれている非線形バネの正面図。
【図15】ワイヤの組込まれている非線形バネの側面図。
【図16】ワイヤテンションによって非線形バネが変形する様子を示す図。
【図17】同ロボットの関節回りの剛性を説明する図。
【図18】非線形ばね特性と関節回りの剛性を説明するグラフ。
【図19】制御装置の構成を示す制御ブロック図。
【図20】歩行パターンに追従してならい制御のためのゲインを増減するパターンを示す図。
【図21】歩行パターンに追従して下肢の剛性を増減するパターンを示す図。
【図22】関節回転角と剛性を独立に制御する第1の制御ブロック図。
【図23】関節回転角と剛性を独立に制御する第2の制御ブロック図。
【図24】体幹捩じれベクトルの教示方法と教示結果を模式的に示す図。
【図25】上半身が腰部(下胴部)と胸部(上胴部)に分割されたロボットが体幹を捩じりながら歩行する姿勢を示す。
【図26】体幹を捩じることで歩幅が広がることを示す平面図。
【図27】体幹を捩じらないで直線上を歩行するのに必要な足の水平面内のスイング角を示す。
【図28】体幹を捩じりながら直線上を歩行するのに必要な足の水平面内のスイング角を示す。
【符号の説明】
1:歩行指令データ作成装置
2:ZMP演算部
3:比較部
4:体幹位置ベクトル修正部
5:完成した歩行指令データ
10:ロボット
12:下肢部
14:大腿部
16:下腿部
18:足部
20:胴体部
22:股関節
24:膝関節
26:足首関節
28:骨盤部
30:シャフト
32:ユニバーサルジョイント
34:ベアリング
36:円板
38:モータ
40:フランジ
42:シャフト
44:フランジ
46:軸
48a,48b,48c:ワイヤ終端ガイド
49a,49b,49c:ワイヤ接続点
50a,50b,50c:ワイヤ
52a,52b,52c:アクチュエータ
54:プーリ
56:アクチュエータ
58:フランジ
60:フランジ
62:十字型自在継手
64a,64b,64c,64d:プーリ
66a,66b,66c,66d:ワイヤ
68a,68b,68c,68d:アクチュエータ(ボールネジ)
102:フランジ
104:可動プレート
106:フランジ
108:案内ロッド
110:案内ロッド
112:案内ロッド
114:モータ
116:ギヤ
118:ギヤ
120:送りネジ
122:平板部
124:峰部
126:フランジ
128:シャフト
130:フランジ
132:シャフト
304:逆キネマティクス計算部
334:倒立振子モデル
k1、k2、k3:ゲイン
322:力センサ
328:ジャイロ
350:ずれベクトル演算部
352:目標体幹姿勢ベクトル補正ベクトル演算装置
[0001]
The present invention relates to a technique for improving the walking speed of a biped walking robot.
[0002]
2. Description of the Related Art In order to cause a bipedal walking robot to walk as intended by an operator, usually the following vectors indicating the position and posture of the robot are prepared.
Trunk position vector P: indicates the trunk position of the robot viewed from the coordinate origin.
Trunk posture vector R: indicates the direction of the trunk of the robot. 3 shows a direction in which a member corresponding to a human spine extends.
Left toe position vector C: indicates the left toe position of the robot viewed from the coordinate origin. It can also be specified by a vector from the trunk position vector P.
Left toe posture vector D: indicates the direction of the left toe.
Right toe position vector E: Indicates the right toe position of the robot viewed from the coordinate origin. It can also be specified by a vector from the trunk position vector P.
Right toe posture vector F: indicates the direction of the right toe.
The operator specifies these six types of vectors one after another according to a time series. By teaching the walking command data created in this way to the robot, the robot walks in the posture specified by the course specified by the operator.
The robot is controlled by a technique commonly called “inverted pendulum control” during walking, and is controlled so as not to fall during walking. The “trunk posture of the robot” is corrected by “inverted pendulum control”. In addition, control is performed by a technique commonly referred to as “ZMP compensation control”, and control is performed so as not to fall when unexpected irregularities or the like are encountered. The trunk position of the robot is corrected by the “ZMP compensation control”.
An example of the prior art is described in Patent Document 1.
[Patent Document 1]
JP-A-5-305579
[0003]
In the case of a bipedal walking robot, it is possible to walk by designating the trunk position vector P and the trunk posture vector R as described above.
There is a limit to the power of the actuator that can be mounted on the robot, and it must be said that the walking speed of the robot that walks using the above-described walking control technology is low.
The present invention has been developed for the purpose of realizing a technology that allows a robot to walk at high speed without changing the mechanical configuration of the robot by improving the technology for controlling the walking motion of the robot.
[0004]
The robot of the present invention walks on the left and right legs. The robot of the present invention walks while twisting the trunk so that the line connecting the left and right sides of the trunk falls within the range of the angle formed by the line connecting the left and right feet and the line perpendicular to the walking direction. It is characterized. The trunk here refers to the portion that becomes the base of the left and right feet. When the trunk is separated into the waist (lower torso) and the chest (upper torso), the waist corresponds to the trunk. If the lower torso and the upper torso are integrated, the entire torso corresponds to the trunk.
In the case of this robot, even if the rotation speed of the foot relative to the trunk is the same, a larger stride can be ensured than in the case of a robot that walks without twisting the trunk, and in the end, it walks faster. It becomes possible.
When the robot is caused to walk while twisting the trunk, as described in claim 3, a trunk torsion vector may be prepared in the walking command data, but from the toe position vector or the like taught to the robot. Alternatively, an operation of twisting the trunk by calculating the torsion angle of the trunk may be realized.
[0005]
Walking while maintaining a proportional relationship between the angle between the line connecting the left and right feet and the line orthogonal to the walking direction and the angle between the line connecting the left and right trunk and the line orthogonal to the walking direction Is preferred. For example, when the left foot lands and the right foot floats in the air and moves forward, when the angle between the line connecting the left foot and the right foot and the line orthogonal to the traveling direction is θ, the line connecting the left and right of the trunk and the walking direction Walk while adjusting the angle formed by the line perpendicular to to αθ. Here, α is a constant less than 1. In this case, the trunk can be twisted in synchronization with the forward movement of the foot, and a longer stride can be secured than in the case of a robot that walks without twisting the trunk.
[0006]
A body that twists a line connecting the left and right of the trunk within the angle range between the line connecting the left and right legs and the line orthogonal to the walking direction in the walking command data that commands the posture of the robot walking while walking on two legs. By preparing the trunk torsion vector, the robot can walk while twisting the trunk.
Data specifying the time-series change of the trunk torsion vector can be created in various modes, and the operator specifies the trunk torsion vector at the same time as specifying the trunk position vector and the trunk posture vector. Alternatively, the torsion vector may be automatically calculated by a computer from the toe position vector.
[0007]
FIG. 5 shows an apparatus 1 for creating walking instruction data for teaching a robot walking with two feet. This walking command data creation device 1 is used prior to actually operating the biped walking robot, and is used to create walking command data necessary for actually operating the biped walking robot. The walking command data created by the device 1 is taught to the biped walking robot. The biped walking robot walks according to the taught walking command data.
[0008]
In the walking command data creating device 1, an operator inputs data of a course or the like that the biped walking robot wants to walk. Specifically, six vectors shown in the lower left part (A) of FIG. 5 are input. The vector P is a trunk position vector, and indicates the trunk position of the robot viewed from the coordinate origin. The vector R is a trunk posture vector, and indicates the direction of the trunk of the robot. 3 shows a direction in which a member corresponding to a human spine extends. When the torso is separated into the waist (lower torso) and the upper torso, the waist corresponds to the trunk, the trunk position vector P defines the center position of the waist, and the trunk posture vector R is Define the direction perpendicular to the waist. The vector C is a left toe position vector, and indicates the left toe position of the robot viewed from the coordinate origin. It can also be specified by a vector from the trunk position vector P. Vector D is a left toe posture vector, and indicates the direction of the left toe. The vector E is a right toe position vector, and indicates the right toe position of the robot viewed from the coordinate origin. It can also be specified by a vector from the trunk position vector P. The vector F is a right toe posture vector, and indicates the direction of the right toe. The operator inputs these six types of vectors one after another according to a time series. Note that data input support software has been developed for this purpose. By specifying data at the main timing, intermediate data in a time series is complementarily calculated. In addition, the input amount can be reduced by giving an instruction to repeatedly use the walking command data for one step.
[0009]
The operator further inputs the target ZMP position in time series. In this case, since it is known from the vectors C to F that the left foot contact state, the two foot contact state, and the right foot contact state are known, the position in the left foot contact plane is designated in the left foot contact state, and the position in the right foot contact plane in the right foot contact state. Specify the position of. (B) shown at the lower right of FIG. 5 shows an example of a time-series change of the target ZMP in the Y direction, and there is no need to input the target ZMP within the foot contact period. The same applies to the target ZMP in the walking direction (X direction). In the left foot contact state, the position in the left foot contact plane is input, and in the right foot contact state, the position in the right foot contact plane is input. It is not necessary to input the target ZMP in the X direction during the both-foot contact period.
[0010]
FIG. 1 shows a method of setting a target ZMP. In this case, the robot walks in the X direction. A direction orthogonal to the walking direction is defined as a Y direction. The robot walks while alternately repeating the two-foot contact period and the one-foot contact period. The target ZMP within the one foot contact period must be within the contact surface of the contact foot. Otherwise, even if the ZMP actually matches the target ZMP, the robot falls. The target ZMP in the two-foot contact period may be in a region connecting the two contact surfaces. Considering the phenomenon in the Y direction, it is clear that the target ZMP must move from the inside of the left foot contact surface to the inside of the right foot contact surface during the period in which both feet are in contact with the ground (see the slope line C2). Alternatively, it is necessary to move from the right foot contact surface to the left foot contact surface (see the inclined line C4). The horizontal line C1 indicates the target ZMP when only the left foot is in contact with the ground, and the target ZMP is maintained in the left foot contact surface. The horizontal line C3 indicates the target ZMP when only the right foot is in contact with the ground, and the target ZMP is maintained in the right foot contact surface.
[0011]
The target ZMP in the X direction needs to satisfy almost the same condition. The horizontal line C6 indicates the target ZMP in the X direction when only the left foot is in contact with the ground, and the target ZMP in the X direction is maintained in the left foot contact surface. The horizontal line C8 indicates the target ZMP in the X direction when only the right foot is in contact with the ground, and the target ZMP in the X direction is maintained in the right foot contact surface. During the period in which both feet touch the ground, the target ZMP in the X direction must move from the inside of the left foot contact plane to the inside of the right foot contact plane (see slope C7), or must move from the right foot contact plane to the left foot contact plane. (See slope C9). The horizontal line C10 indicates the target ZMP in the X direction when only the left foot is touching again, and the target ZMP in the X direction is maintained in the left foot contact surface. In this case, since the robot walks and moves in the X direction, the X coordinate of the horizontal line C6 and the X coordinate of the horizontal line C10 have changed by the stride.
[0012]
By setting the target ZMP shown in FIG. 1 and controlling the actual ZMP observed during walking to match the target ZMP, the robot can walk without falling.
However, the target ZMP shown in FIG. 1 repeats stationary / constant speed change / stationary / constant speed change... With respect to time. At the timing of switching from stationary to constant velocity change or the timing of switching from constant velocity change to stationary, infinite acceleration or deceleration is required, and a large load acts on the robot. Also, the operation of the robot becomes awkward. These factors keep the maximum walking speed of the robot low.
[0013]
Some attempts have been made to modify the target ZMP change pattern where infinite acceleration or deceleration is required. FIG. 2 (B) is obtained by smoothing the pattern of FIG. 2 (A) by delay processing. By smoothing, the required maximum values of acceleration and deceleration can be reduced.
Since the target ZMP smoothed by the delay processing is delayed compared to the walking pattern, there is a problem that the walking posture of the robot is unstable. P12 in FIG. 2B corresponds to the timing of transition from the two-foot contact state to the right-foot contact state. At this time, the target ZMP must be within the right foot contact surface. However, as shown in FIG. 2 (B), the change pattern of the target ZMP smoothed by the delay processing is too slow, and may not be in the right foot contact surface yet when it has to be in the right foot contact surface, for example. The delay makes the walking posture of the robot unstable, and in a severe case, the robot falls.
In this specification, the term “right foot contact state” means a state where only the right foot is contacted. Even when both feet are in contact, the right foot is in contact with the ground, but in that case, it is called a two-foot contact state, not a right-foot contact state. The same applies to the left foot contact state.
[0014]
FIG. 2C shows a target ZMP obtained by performing a smoothing process on a sharp change point of the target ZMP. By performing the smoothing process, the required maximum values of the acceleration and the deceleration can be kept small.
The target ZMP subjected to the smoothing processing is too early or too late as compared with the walking pattern, and thus a problem occurs in that the walking posture of the robot is not stable. P13 in FIG. 2C corresponds to a timing immediately before shifting to the both-foot contact state and still in the left-foot contact state. Nevertheless, the target ZMP has begun to deviate from within the left foot contact surface. This is too early. P14 in FIG. 2C corresponds to the timing of transition from the two-foot contact state to the right-foot contact state. At this time, the target ZMP must be within the right foot contact surface. Nevertheless, the target ZMP is not yet in the right foot contact surface. This is too late. The target ZMP subjected to the smoothing process is too early or too late compared to the walking pattern, and the deviation makes the walking posture of the robot unstable, and in a severe case, the robot falls down.
[0015]
With the current technology, the problem of the target ZMP trajectory shown in FIG. 2A cannot be solved without causing a new problem, and is one of the factors that hinders the high-speed walking of the robot. I have. In this embodiment, this problem is dealt with as follows.
[0016]
As illustrated in FIG. 5B, the input target ZMP is discontinuous when viewed along the time axis. The walking command data creating device 1 is provided with a processing unit 6 that calculates a trajectory connecting a target ZMP that is discontinuous with respect to time. In the processing unit 6, as shown in FIG. 5C, the temporally discontinuous period (corresponding to the two-foot contact period) illustrated in FIG. The trajectory connected to B at the constant deceleration trajectory C is calculated.
In the uniform acceleration trajectory A, the maximum acceleration that the bipedal robot can realize without difficulty is maintained. The moving speed of the target ZMP is increased by the constant acceleration trajectory A. When the moving speed of the target ZMP reaches the maximum speed of the bipedal robot, the constant velocity trajectory B is adopted thereafter. When approaching the target ZMP on the opposite foot side, it switches to the constant deceleration trajectory C. In the constant deceleration trajectory C, the maximum deceleration that the bipedal robot can easily realize is maintained. The moving speed of the target ZMP becomes zero by the constant deceleration trajectory C. When it reaches zero, a trajectory is calculated where the target ZMP matches the target ZMP on the opposite foot. This is the same as a train accelerating, maintaining the maximum speed, decelerating and stopping, and is a motion pattern that does not waste excessively. Various techniques for calculating a trajectory for decelerating and stopping at a predetermined position have been developed.
FIG. 2D shows an example of a target ZMP trajectory connected by a trajectory including a constant acceleration trajectory and a constant deceleration trajectory. Since the ZMP moves to the other foot side, there is no problem that the target ZMP changes too quickly. On the other hand, as shown at point P16, the target ZMP has moved to a position within the one-foot contact surface before the change from the two-foot contact state to the one-foot contact state, and there is no problem that the change of the target ZMP is too slow. FIG. 2 (E) shows the time change of the moving speed of the target ZMP. The target ZMP accelerates in a constant acceleration trajectory, maintains the maximum speed when the maximum speed is reached, and then decelerates at a constant deceleration.
[0017]
In FIG. 2, it is assumed that the target ZMP within one foot contact period is stationary. However, the target ZMP within the one foot contact period does not need to be stationary, and for example, may move from the heel direction to the toe direction. The target ZMP within the one-foot contact period only needs to be within the contact surface of the contacted foot. In the case of a human, the target ZMP moves from the heel direction to the toe direction.
FIG. 3 shows a trajectory C14 in which trajectories (C11, C12, C13) of the target ZMP moving from the heel direction to the toe direction during the one foot contact period are connected by a constant acceleration trajectory, a constant velocity trajectory having the highest speed, and a constant deceleration trajectory. Is exemplified. The constant acceleration trajectory starts at the moving speed of the target ZMP moving from the heel direction to the toe direction during the one foot contact period, and the constant deceleration trajectory ends at the moving speed of the target ZMP during the one foot contact period. The moving speed of the target ZMP changes continuously, and no discontinuous change occurs.
C15 in FIG. 3 shows the trajectory of the target ZMP connected by the conventional technique, and the robot is required to operate at a large acceleration or deceleration because the speed fluctuates discontinuously.
[0018]
The trajectories illustrated in FIGS. 2 and 3 show changes in the X coordinate or the Y coordinate with respect to the time axis. Here, the time axis is set assuming that the robot walks at the maximum speed. In a constant acceleration trajectory, a constant velocity trajectory, and a constant deceleration trajectory, calculation is performed based on a maximum acceleration, a maximum speed, and a maximum deceleration that are possible within the range of the robot ability.
The data created by the walking command data creating device 1 may be taught to the robot by extending the time axis. For example, as shown in FIG. 4B, a target ZMP trajectory set in a pattern illustrated in FIG. 4A with respect to a time axis is gradually converted into a slowly slower pattern to teach the robot. There is. In this case, the operation of the robot gradually becomes slow. When the one-second data created by the walking command data creation device 1 is taught to the robot as two-second data, the operation speed of the robot is reduced by half. Alternatively, at the stage of executing the walking instruction data taught by the robot, the operation may be slowed down by extending and executing the time axis. At the stage created by the walking command data creation device 1, the robot was a constant acceleration trajectory, a constant velocity trajectory, and a constant deceleration trajectory. May not be. This technology is used to calculate the target ZMP trajectory assumed at the maximum speed. At that stage, it is important to connect with a constant acceleration trajectory, a constant velocity trajectory, and a constant deceleration trajectory. In the operation stage, it does not have to be a constant acceleration trajectory, a constant velocity trajectory, or a constant deceleration trajectory.
The change pattern of the trunk posture vector R, the toe position vectors C, E, the toe posture vectors D, F, and the target ZMP for one step can be standardized, and the change for one step is standardized. For example, walking command data can be generated by designating the trunk position vector P. The trunk position vector P can be designated using a joystick or the like. It is possible to input the trunk position vector P almost in real time by operating the joystick while observing the walking robot, and the walking command data creating device 1 creates walking command data at high speed and instructs the robot. Thereby, the walking course of the bipedal walking robot can be specified almost in real time.
[0019]
The walking command data generating device 1 includes a device 2 that calculates the dynamics of a bipedal walking robot based on the six types of vectors input by the operator and calculates the ZMP that may actually occur. Here, the inertial force generated by realizing the operation described in the time series of the six types of vectors input by the operator is calculated, and the moment due to the reaction force acting on the robot from the road surface is calculated from this and the gravity. Is calculated.
The calculated ZMP is compared with the target ZMP by the comparison device 3. The target ZMP used here is connected by the device 6, and changes smoothly with time as illustrated in FIG. 5C.
[0020]
If the calculated ZMP does not match the target ZMP, the time series of the six types of vectors input by the operator is unreasonable. Therefore, in this embodiment, the trunk position vector P is corrected by the device 4. Here, the trunk position vector P is corrected so that the calculated ZMP approaches the target ZMP. The ZMP calculation unit 2 calculates the ZMP again using the corrected trunk position vector P. The above cycle is repeated until the calculated ZMP substantially matches the target ZMP.
[0021]
When the trunk position vector P is corrected so that the calculated ZMP substantially matches the target ZMP, the corrected trunk position vector P, the inputted five vectors, and the inputted and connected target ZMP This allows the robot to walk. That is, the walking command data that is established dynamically is created. Therefore, the walking command data is completed by the corrected trunk position vector P, the input five vectors, and the input and connected target ZMP, and these are stored (device 5). The completed walking command data is taught to the bipedal walking robot.
As described above, if the walking posture for one step is standardized, and the trunk position vector P is input almost in real time by the joystick, it is possible to teach the biped walking robot in almost real time, and it is possible to perform biped walking. The next walking operation can be commanded while observing the behavior of the robot.
[0022]
Next, the mechanical structure of the bipedal walking robot will be described with reference to FIGS. In this specification, the front-back direction of the foot (the traveling direction of the robot) is the X axis, the left-right direction is the Y axis, and the vertical axis is the Z axis. Each axis is orthogonal to each other. FIG. 6 is a front view of both lower limbs of the biped walking robot of the present embodiment, FIG. 7 is a side view of the left lower limb, FIG. 8 is a diagram for explaining the structure of the ankle joint, and FIG. It is a figure explaining the detail of an actuator, and FIGS. 10-13 is a figure explaining movement of a foot part. The left and right lower limb shapes are mirror symmetric
[0023]
As shown in FIG. 6, the left and right lower limbs 12 of the robot 10 of the present embodiment include a thigh 14, a lower thigh (shin) 16, and a foot 18, and the thigh 14 and the torso 20 are hip joints. The thigh 14 and the lower leg 16 are connected by a knee joint 24, and the lower leg 16 and the foot 18 are connected by an ankle joint 26.
[0024]
First, the hip joint 22 will be described. As shown in FIG. 7, a disk 36 that rotates around the Z-axis is attached to the plate-like pelvis 28 extending substantially horizontally by bearings 34. 6, a pair of disks 36 is provided on the left and right in FIG. A shaft 30 extending from the pelvis 28 to the thigh 14 (extending in the Z-axis direction) is fixed to the center of each disk 36. The shaft 30 rotates around the Z axis with respect to the pelvis 28. The trunk is fixed to the plate-like pelvis 28.
The upper end of the thigh 14 is connected to the lower end of the shaft 30 by a universal joint 32. The universal joint 32 includes a cross-shaped universal joint, and allows the thigh 14 to rotate around the X axis and the Y axis with respect to the shaft 30. The hip joint 22 has a shaft 30 that can rotate around the Z axis with respect to the pelvis portion 28, and a universal joint 32 that allows the thigh portion 14 to rotate around the X axis and the Y axis with respect to the shaft 30, This is a three-axis joint that allows rotation about each of the X, Y, and Z axes.
[0025]
Next, the knee joint 24 will be described. At the lower end of each thigh portion 14, two flanges 40 arranged in parallel in the Y-axis direction extend downward, and at the upper end of the shaft 42 constituting each lower leg portion 16, two flanges 40 arranged in parallel in the Y-axis direction. The flange 44 is provided upward. The knee joint 24 includes a shaft 46 extending through the flanges 40 and 44 in the Y-axis direction. The knee joint 24 allows the lower leg 16 to rotate around the Y axis with respect to the thigh 14.
[0026]
Next, the ankle joint 26 will be described. FIG. 8 is a simplified and deformed view for explaining the structure of the ankle joint 26, and does not always match the actual shape and dimensions. At the lower part of the shaft 42 of the lower leg 16, two flanges 58 arranged in parallel in the X-axis direction extend downward. Two flanges 60 arranged in parallel in the Y-axis direction extend upward on the upper surface of the foot portion 18. The flange 58 of the lower leg 16 and the flange 60 of the foot 18 are connected by a cross-shaped universal joint 62 to form a universal joint. The ankle joint 26 allows the foot 18 to rotate around the X axis and the Y axis with respect to the lower leg 24. That is, the ankle joint 26 is a two-axis joint having degrees of freedom in each of the X and Y axes.
[0027]
Each joint is driven by a wire (excluding the rotation of the hip joint about the Z axis. This rotation is directly performed by a motor without using a wire). One end of each wire is attached to a distal member, and the other end is connected to an actuator composed of a motor and a lead screw. When the feed screw (extending in the Z direction) is rotated by the motor, the nut screwed to the feed screw is fed in the feed screw direction, and the tip of the wire connected to the nut advances and retreats in the Z-axis direction. By moving the wire tip in the Z-axis direction, the distal member can be pulled or loosened by the wire.
[0028]
First, the wire group for rotating the ankle joint will be described with reference to FIGS. Wire end guides 70a, 70b, 70c are fixed to the foot 18 by a mounting plate (not shown). Each of the wire termination guides 70a, 70b, 70c has an arc shape, the center axis of each arc extends in the Y-axis direction, and the arc surface has a predetermined width (distance extending along the Y axis). . The wire end guide 70a is located forward of the Y axis of the ankle joint 26 and is arranged on the X axis. The arc surface faces forward in the X-axis. The wire end guides 70b and 70c are located behind the Y axis of the ankle joint 26. The wire end guide 70b is located outside the X axis of the ankle joint 26, and the wire end guide 70c is located inside the X axis of the ankle joint 26. The arc surfaces of the wire termination guides 70b and 70c face the rear of the X-axis.
The lower ends of the three wires 66a, 66b, 66c are fixed to the respective wire connection points 72a, 72b, 72c at the lower ends of the wire termination guides 70a, 70b, 70c, and the other ends of the wires 66a, 66b, 66c. Extend to the knee joint 24 side. The arcuate surface of each wire termination guide 70a, 70b, 70c prohibits the wires 66a, 66b, 66c from sharply bending with a small radius of curvature.
[0029]
The wire connection point 72a is located ahead of the Y axis of the ankle joint 26, and when the wire 66a is pulled toward the knee joint 24, the foot 18 rotates around the Y axis of the ankle joint 26 and lifts the toe. The wire connection point 72a is arranged on the X axis of the ankle joint 26, and does not affect the rotation angle of the foot 18 around the X axis even if the wire 66a is pulled toward the knee joint 24. The wire connection point 72b is located outside the X axis of the ankle joint 26. When the wire 66b is pulled toward the knee joint 24, the foot 18 rotates around the X axis of the ankle joint 26, and Lift outside. The wire connection point 72c is located inside the X axis of the ankle joint 26, and when the wire 66c is pulled toward the knee joint 24, the foot 18 rotates around the X axis of the ankle joint 26 and Lift the inside. When the inside of the foot 18 is lifted, the wire 66c is pulled and simultaneously the wire 66b is loosened to allow the outside of the foot 18 to go down. Similarly, when lifting the outside of the foot 18, the wire 66b is pulled and the wire 66c is loosened at the same time to allow the inside of the foot 18 to go down. When the foot 18 is rotated around the X axis of the ankle joint 26, there is no need to operate the wire 66a. When the wires 66b and 66c are simultaneously pulled, the foot 18 rotates around the Y-axis of the ankle joint 26 to lift the heel. In this case, the wire 66a is loosened to allow the toe to lower. When the toe is lifted by pulling the wire 66a, the wires 66b and 66c are loosened to allow the heel to fall.
With the three wires 66a, 66b, 66c, the rotation angle of the ankle joint 26 around the X axis and the rotation angle around the Y axis can be adjusted independently.
[0030]
Note that the wire connection points may be arranged on both sides of the X-axis in front of the Y-axis of the ankle joint 26 and on the X-axis behind the Y-axis. Even when the wire connection points are arranged in this manner, the rotation angle of the ankle joint 26 around the X axis and the rotation angle around the Y axis can be independently adjusted by the wires.
[0031]
10 to 13 are schematic diagrams for explaining the movement of the foot 18, and FIGS. 10 and 11 are diagrams for explaining rotation about the X axis. FIG. 10 is a plan view of the foot 18, and FIG. 11 is a rear view of the foot 18. At the ends of the wires 66a, 66b, 66c, the wire end guides 70a, 70b, 70c are omitted, and only the wire connection points 72a, 72b, 72c are shown.
[0032]
FIG. 10 shows that the wire (not shown) connected to the wire connection point 72a contracts the effective length of the wire 66b connected to the wire connection point 72b while maintaining the neutral state, and is connected to the wire connection point 72c. This shows that the effective length of the wire 66c is extended. At this time, the foot 18 rotates around the X axis in the direction of the arrow as shown by the broken line in FIG. When the extension / contraction of the effective length of the wire is reversed, the foot 18 rotates in the direction opposite to the arrow. That is, by adjusting the extension / contraction of the effective length of the wire in this way, the foot 18 can be freely rotated around the X axis.
[0033]
FIGS. 12 and 13 are diagrams for explaining rotation about the Y axis. FIG. 12 is a plan view of the foot 18, and FIG. 13 is a side view of the foot 18. At the ends of the wires 66a, 66b, 66c, the wire end guides 70a, 70b, 70c are omitted, and only the wire connection points 72a, 72b, 72c are shown. FIG. 12 shows a case where the effective length of the wire 66a connected to the wire connection point 72a is reduced, and the effective lengths of the wires 66b and 66c connected to the wire connection points 72b and 72c are both increased. At this time, the foot 18 rotates around the Y axis in the direction of the arrow as shown by the broken line in FIG. When the extension / contraction of the effective length of the wire is reversed, the foot 18 rotates in the direction opposite to the arrow. By adjusting the extension / contraction of the effective length of the wire in this way, the foot 18 can be freely rotated around the Y axis.
Note that the wire tension required to lift the rear side of the foot 18 is greater than the wire tension required to lift the front side of the foot 18. For this reason, it is preferable that one of the three wire connection points 72a, 72b, 72c is set to the front side and the other is set to the rear side, and the heel is raised by two wires and two actuators. In this case, the performance of each actuator can be made equal.
[0034]
Although not shown, the foot 18 can be simultaneously rotated about the X axis and the Y axis. For example, when the effective length of the wire 66b is contracted at the speed ab, the effective length of the wire 66c is extended at the speed a + b (that is, contracted at -ab), and the effective length of the wire 66a is contracted at b, The foot 18 rotates around the X axis at a speed a and rises outward, and rotates around the Y axis at a speed b and rises forward. When the effective lengths of the three wires are adjusted at the same time, the foot 18 can be freely and simultaneously rotated around the X axis and the Y axis. Also, the rotation speed around the X axis and the rotation speed around the Y axis can be freely adjusted. From these facts, it is possible to adjust the X and Y axes independently of each other by using three wires for the two axes of X and Y, that is, the number of axes plus one wire.
[0035]
As shown in FIG. 8, three pulleys 64 a, 64 b, and 64 c which can freely rotate around a Y-axis axis 46 penetrating the flange 44 are provided on the upper part of the shaft 42 of the lower leg 16. And are arranged alternately. One wire 66a, 66b, 66c is wound on each pulley 64a, 64b, 64c. The wires 66a, 66b, 66c are separated from the pulleys in front of the pulleys 64a, 64b, 64c. The wires 66a, 66b, 66c apply a pulling force to the foot 18 from a position in front of the knee joint. For this reason, when the three wires 66a, 66b, 66c are simultaneously contracted at the same speed, the rotation of the foot 18 with respect to the lower leg 16 is not changed (the ankle joint 26 is not rotated), and the lower leg is not rotated. 16 can be rotated forward about the knee joint 24.
[0036]
The upper ends of the three wires 66a, 66b, 66c clearly shown in FIG. 8 are connected to actuators 68a, 68b, 68c (see FIGS. 6, 7). 6 and 7, the actuators are simplified for clarity. FIG. 9 schematically shows the details of the actuator 68 (all the actuators have the same structure, and therefore, will be described in common with suffixes omitted). They are connected by guide rods 108, 110, 112. A feed screw 120 is arranged between the pair of flanges so as to be rotatable and immovable in the axial direction. The feed screw 120 is rotated by a motor 114 and gears 116 and 118. The movable plate 104 has a nut that is screwed into the feed screw 120. The movable plate 104 is guided by the guide rods 108, 110, 112 and is movable in the axial direction and cannot rotate. The tip of the wire 66 is fixed to the movable plate 104.
When the motor 114 rotates, the feed screw 120 rotates and the movable plate 104 slides along the guide rod, and the wire 66 is pulled in or loosened.
A motor 114 of the actuator 68 and a pair of flanges 102 and 106 are fixed to the thigh 14. The guide rods 108, 110, 112 extend in the longitudinal direction of the thigh 14, and the motor is pulled or loosened in the longitudinal direction of the thigh 14 by the actuator 114 rotating the actuator 68. Or
If the distance between the pulleys 64a, 64b, 64c of the wires 66a, 66b, 66c and the connection points 72a, 72b, 72c is the effective length of the wire, the effective length of the wires 66a, 66b, 66c is extended by the motor 114. The actuator groups 68a, 68b, 68c for extending the effective lengths of the wires 66a, 66b, 66c are arranged on the thigh 14 near the hip joint 22.
[0037]
As shown in FIG. 9, a controller 200 is connected to the actuator 68. A signal for instructing the rotation angle of the ankle joint 26 and the tension of each wire (66a, 66b, 66c) is input to the controller 200 from another controller (not shown) that controls the entire movement of the robot 10. . The controller 200 controls the rotation angle and / or torque of the motor 114.
[0038]
As shown in FIG. 7, one end of a wire 66 d for rotating the lower leg 42 backward around the knee joint 24 is connected to the lower leg 42. The wire 66d is connected to the movable plate 104 of the actuator 68d through the rear of a pulley 64d (see FIG. 6) rotatably arranged at the knee joint. The movable plate 104 of the actuator 68d moves forward and backward by a motor. When the movable plate 104 moves forward and backward, the wire 66d is pulled or loosened.
[0039]
As described above, the following posture change is realized.
(1) The toe is raised by contracting the actuator 68a and loosening the actuators 68b and 68c. By loosening the actuator 68a and contracting the actuators 68b and 68c, the toe is lowered.
(2) The outside of the foot 18 is raised by contracting the actuator 68b and loosening the actuator 68c. The inside is raised by loosening the actuator 68b and contracting the actuator 68c.
(3) The lower leg 16 rotates forward by contracting the actuators 68a, 68b, 68c and loosening the actuator 68d. By loosening the actuators 68a, 68b, 68c and contracting the actuator 68d, the lower leg 16 rotates rearward.
With four actuators and four wires, the rotation angle of the ankle joint 26 around the X axis (the second rotation), the rotation angle of the ankle joint 26 around the Y axis (the one rotation), and the knee joint 24 The rotation angle around (the above three rotations) can be adjusted independently.
The actuators appear redundant because the four actuators adjust the angle of rotation about three axes. However, the rigidity with respect to the rotation angle can be adjusted using this redundancy. This point will be described later.
[0040]
Since not only the knee joint 24 but also the actuator for adjusting the rotation angle of the ankle joint 26 is arranged on the thigh 14, the tip of the artificial leg is light and the moment of inertia around the hip joint is small. Therefore, a lower limb that can be rotated around the hip joint 22 at a high speed with a small torque is obtained.
[0041]
Next, a wire and an actuator for adjusting the rotation angle around the hip joint 22 will be described. As shown in FIGS. 6 and 7, three arc-shaped wire end guides 48a, 48b, and 48c are attached at predetermined positions on the upper portion of the thigh portion 14, and the wires 50a, 50b, and 50c are respectively provided. Are hung one by one. The lower ends of the wires 50a, 50b, 50c are fixed to the lower ends 49a, 49b, 49c of the wire end guides 48a, 48b, 48c, respectively. A pulley 54 is arranged in the middle of the wire 50c attached to the rear side, and the pulley 54 is located behind the Y-axis of the hip joint 22. The upper ends of the wires 50a, 50b, 50c are connected to the movable plates of the actuators 52a, 52b, 52c, respectively. Since the feed screws of the actuators 52a and 52b are rotated by motors (not shown), the movable plates screwed to the feed screws advance and retreat by rotation of the motors. As a result, the effective lengths of the wires 50a, 50b, 50c extend and contract. The actuators 52a, 52b, 52c and the motors 56 and the like for the actuators are arranged on the body, and do not increase the moment of inertia of the lower limb rotating around the hip joint 22 at all.
[0042]
The actuators 52a and 52b are located forward of the Y axis of the hip joint 22, and when contracted, rotate the thigh 14 forward around the Y axis of the hip joint 22. The pulley 54 that guides the wire 50c is located behind the Y axis of the hip joint 22, and when the actuator 52c contracts, rotates the thigh 14 backward about the Y axis of the hip joint 22. The disk 36 rotatable on the pelvis 28 is rotated about the Z axis by a motor 38. The motor 38 is fixed to the pelvis 28.
[0043]
The wire connection point 49c is located behind the Y axis of the hip joint 22, and when the wire 50c is pulled, the thigh 14 rotates backward around the Y axis of the hip joint 22. The wire connection point 49c is arranged on the X-axis of the hip joint 22, and does not affect the rotation of the thigh 14 around the X-axis even if the wire 50c is pulled. The wire connection point 49a is located outside the X axis of the hip joint 22, and when the wire 50a is pulled, the thigh 14 rotates around the X axis of the hip joint 22 to open the thigh 14. The wire connection point 49b is located inside the X axis of the hip joint 22, and when the wire 50b is pulled, the thigh 14 rotates around the X axis of the hip joint 22 to close the thigh 14. When closing the thigh 14, the wire 50b is pulled and simultaneously the wire 50a is loosened to allow the thigh 14 to close. Similarly, when opening the thigh 14, the wire 50a is pulled and the wire 50b is simultaneously loosened to allow the thigh 14 to open. When rotating the thigh 14 around the X-axis of the hip joint 22, there is no need to operate the wire 50c. When the wires 50a and 50b are simultaneously pulled, the thigh 14 rotates forward around the Y axis of the hip joint 22 to lift the thigh 14. In this case, the wire 50c is loosened to allow the thigh 14 to rotate forward. When the thigh 14 is rotated backward by pulling the wire 50c, the wires 50a and 50b are simultaneously loosened to allow the thigh to descend.
[0044]
Thus, the hip joint 22 is adjusted as follows.
(1) The thigh 14 rotates backward by contracting the actuator 52c and loosening the actuators 52a and 52b. By loosening the actuator 52c and contracting the actuators 52a and 52b, the thigh 14 rotates forward. While a large torque is required to raise the thigh 14 forward, a large torque is not required to lower it rearward. Two actuators and two wires are used on the side where a large torque is required, and one actuator and one wire are used on the side where only a small force is required.
(2) The thigh 14 is lifted outward by contracting the actuator 52a and loosening the actuator 52b. The thigh 14 is closed by loosening the actuator 52a and contracting the actuator 52b.
The rotation angle of the hip joint 22 around the X axis (the second rotation) and the rotation angle of the hip joint 22 around the Y axis (the first rotation) can be independently adjusted by using three actuators and three wires.
[0045]
Since the actuator for moving the thigh 14 around the hip joint 22 is arranged on the trunk side, it is not necessary to move the thigh 14 for each actuator. The moment of inertia around the hip joint 22 is small. Therefore, the lower limb can be rotated at high speed around the hip joint 22 with a small torque.
[0046]
A non-linear spring 140 shown in FIGS. 14 and 15 is inserted in the middle of the three wires 66a, 66b, 66c and the like clearly shown in FIG. The spring 140 is made of spring steel and includes a flat plate portion 122, a pair of flanges 126, 126, and another pair of flanges 130, 130. A shaft 128 extends between the pair of flanges 126 and 126, and a shaft 132 extends between the pair of flanges 130 and 130. A ridge portion 124 extending parallel to the shafts 128 and 132 is formed in the flat plate portion 122. The wire 66 passes below the shaft 128, above the ridge 124, and below the shaft 132 while bending.
As shown in FIG. 16, when the wire 66 is pulled strongly, the flat plate portion 122 made of spring steel is bent and the wire 66 is stretched.
[0047]
Since the spring 140 is inserted into the wire, the wire tension can be adjusted by the actuator.
In FIG. 6, it is assumed that the amount of retraction of the actuator 68b is equal to the amount of retraction of the actuator 68c, and the foot 18 is adjusted around the X axis at right angles to the shaft 42 of the lower leg 16. From this state, it is assumed that the actuator 68b and the actuator 68c are further retracted at the same speed. In this case, since the wire 66b and the wire 66c are drawn at the same speed, the foot 18 does not rotate around the X axis. However, as the wires 66b and 66c are pulled in, the spring 140 is deformed as shown in FIG. 16, and the tension of the wires 66b and 66c increases. That is, since the robot pulls one of the two wires and rotates it clockwise, and pulls the other wire and rotates it counterclockwise, the rotation angle is obtained by pulling both wires simultaneously. Can be changed, and only the wire tension can be increased. Similarly, by loosening both wires simultaneously, only the wire tension can be reduced without changing the rotation angle.
[0048]
Wire tension determines the stiffness of the angle of rotation about the joint. For example, when the foot 18 of FIG. 6 is grounded on the ground, if the tension of both wires is low and the rigidity is low, the right side of the foot 18 is grounded if the grounded ground is high on the left side of the foot and low on the right side. The lifting wire extends, and the foot 18 is inclined according to the inclination of the ground, so that the entire foot 18 is grounded. If the rigidity is low, it flexibly follows external events.
On the other hand, when the foot 18 on one side is in the air, if the tension of both wires for adjusting the aerial posture is weak and the stiffness is low, a slight external force acts on the robot to extend the wire and the aerial posture is adjusted. It becomes unstable. In order to stabilize the posture, it is preferable that the rigidity is high. When the rigidity is high, the movement of the actuator and the rotation angle around the joint are in good agreement, and the rotation or operation around the joint can be performed at high speed.
[0049]
The robot of this embodiment is of a type (pull-pull type) in which one of two wires is pulled and rotated clockwise, and the other wire is pulled and rotated counterclockwise (pull-pull type). , The rigidity can be adjusted independently of the robot posture. When it is necessary to flexibly follow, the rigidity can be reduced, and when it is necessary to stabilize the posture, the rigidity can be adjusted to be high.
[0050]
The reason why the rigidity around the joint can be adjusted by the pull-pull method and the non-linear spring will be described with reference to FIGS. In this description, a simple example in which a foot is rotated around the Y axis by two wires will be described. FIG. 17 schematically illustrates such a configuration. As shown in FIG. 17, the foot 302 is integrated with a cylindrical pulley 303. The pulley 303 is rotatably supported around the Y axis 303c. The front wire 304 and the rear wire 306 are wound around the pulley 303, and one end of each is connected to the pulley 303 at wire connection points 303a and 303b. The other ends of the front wire 304 and the rear wire 306 are connected to a front actuator 312 and a rear actuator 314, respectively. The front actuator 312 and the rear actuator 314 are fixed to fixing members 322, 324. Actuators 312, 314 pull in and loosen wires 304, 306. A front nonlinear spring 305 and a rear nonlinear spring 307 are mounted in the middle of the wires 304 and 306.
[0051]
FIG. 18 is a graph showing the spring characteristics of the front nonlinear spring 305 and the rear nonlinear spring 307. The vertical axis (y-axis) indicates the spring force, and the horizontal axis (x-axis) indicates the amount of extension of the spring. The curve on the right side of the y-axis represents the spring characteristic of the rear nonlinear spring 307, and the left side of the y-axis represents the spring characteristic of the front nonlinear spring 305. As is clear from FIG. 18, the spring characteristics of the front nonlinear spring 305 and the rear nonlinear spring 307 have nonlinearity in which the spring force suddenly increases (the curve becomes steeper) as the elongation increases. . That is, it does not follow Hooke's law.
The manner in which the rigidity of the foot 302 around the rotation axis 303c is adjusted will be specifically described with reference to FIG. For example, it is assumed that the actuators 312 and 314 are further retracted by A (mm) from the operation amounts of the actuators 312 and 314 when the expansion amounts of the springs 305 and 307 are zero and the angle of the foot portion 302 is adjusted to a predetermined position. Then, the springs 305 and 307 are extended, and a spring force of B (kg) is generated (see points D and F). The wire tension is adjusted to B (kg). Since the tensions of the front wire 304 and the rear wire 306 are equal, the foot 302 does not rotate and maintains the adjusted position. In this state, it is assumed that a clockwise moment is applied to the foot 302 and the foot 302 is rotated to extend the rear spring 307 by C (mm) (point D → point E). On the other hand, when the rear spring 307 extends by C (mm), the front spring 305 contracts by the same amount (C (mm)) (point F → point G). Accordingly, in order to rotate the foot 302 to expand and contract the springs (305, 307) by C (mm), it is necessary to apply a force of H (kg), which is the difference between the spring force of the point E and the point G, to the pulley 303. There is.
[0052]
It is assumed that the actuators 312 and 314 are greatly retracted by J (mm) (points L and M). At this time, the spring force generated by the springs 305 and 307 is K (kg). Even in this case, since the tension of the wires 304 and 306 is equal, the foot portion 302 keeps its position without rotating. It is assumed that a clockwise moment is applied to the foot 302 in this state, and the rear spring 307 is extended by C (mm) (point L → point N). The front spring 305 contracts by C (mm) (point M → point P). Accordingly, in order to rotate the foot 302 to expand and contract the springs 307 and 305 by C (mm), it is necessary to apply a force of Q (kg), which is the difference between the spring force between the point N and the point P, to the pulley 303. .
[0053]
The force required to expand and contract the springs 307 and 305 by C (mm) from the state of tension B realized by the actuators 312 and 314 being retracted by A (mm) is H (kg). The force required to expand and contract the springs 307 and 305 by C (mm) from the state of tension K realized by the actuators 312 and 314 being retracted by J (mm) is Q (kg). Obviously, Q (kg) is larger than H (kg). That is, when the actuators 312 and 314 are largely retracted to generate a large tension on the wires 304 and 306, the rigidity of the foot 302 (the rotational moment about the Y axis required to rotate the foot 302 by a predetermined angle) is better. ) Will be higher. By changing the amount by which the actuators 312, 314 draw the wires 304, 306, the rigidity of the foot 302 can be adjusted.
When used in combination with the pull-pull method and the nonlinear spring, the rigidity can be adjusted independently of the rotation angle of the joint.
[0054]
The inclination angle of the spring characteristic graph of FIG. 18 is proportional to the rigidity. Therefore, the amount of elongation of the spring whose inclination angle corresponds to the intended rigidity is obtained, and the intended rigidity can be adjusted by giving the amount of elongation.
Regardless of the posture of the robot, if the length of the perpendicular from the rotation center to the wire, that is, the length of the moment arm is substantially constant, the tension or the amount of elongation can be determined from the rigidity.
However, when the length of the perpendicular from the rotation center to the wire, that is, the length of the moment arm, changes, the length of the moment arm must be considered before the tension is determined from the rigidity. . For example, it is assumed that the wire tension is 1 kg. At this time, the length from the rotation center to the point of application of the 1 kg tension is 10 cm (case 1) and 20 cm (case 2). At this time, the arm of the moment is longer in the case 2 and the moment is also larger. Case 2 has a greater degree of maintaining the joint rotation angle at a predetermined value against external force, even though the tension is the same. Stiffness is determined by the length of the arm of tension and moment.
When the stiffness is specified, the controller 200 calculates the tension required to adjust the specified stiffness and the moment of the moment to the specified stiffness from the arm length, and then adjusts the tension. Calculate the length of wire elongation required for The flexibility around the joint can be adjusted to the specified rigidity independently of the posture of the robot.
The rotation angle of the ankle joint 26 about the X axis is determined by the amount of pulling of the wire 66b by the actuator 68b, and the wire 66c is redundant. In this embodiment, the rigidity of the ankle joint 26 against rotation around the X axis is controlled by using the redundant amount of pulling in the wire 66c by the actuator 68c.
The rotation angle of the ankle joint 26 about the Y axis is determined by the amount of the wire 66a pulled by the actuator 68a, and the wire 66b and the wire 66c are redundant. In the present embodiment, the rigidity of the ankle joint 26 against rotation around the Y axis is controlled using the redundant amount of the wire 66b pulled by the actuator 68b and the amount of wire 66c pulled by the actuator 68c.
The rotation angle around the knee joint 24 is determined by the actuators 68a, 68b, 68c, and the wire 66d is redundant. In the present embodiment, the rigidity with respect to the rotation around the knee joint 24 is controlled using the redundant amount of pulling in the wire 66d by the actuator 68d.
The rotation angle of the hip joint 22 about the X axis is determined by the amount of the wire 50a pulled by the actuator 52a, and the wire 50b is redundant. In the present embodiment, the rigidity of the hip joint 22 against rotation about the X-axis is controlled by using the redundant amount of pull-in of the wire 50b by the actuator 52b.
The rotation angle of the hip joint 22 around the Y axis is determined by the amount of pulling of the wire 50c by the actuator 52c, and the wire 50a and the wire 50b are redundant. In the present embodiment, the rigidity of the hip joint 22 against rotation around the Y axis is controlled using the redundant amount of pulling in the wire 50a by the actuator 52a and the amount of pulling in the wire 50b by the actuator 52b.
[0055]
The robot of the present invention is driven by a wire, and there is no need to mount an actuator on each joint. Since the actuator can be mounted at a position away from the joint, the joint can be reduced in size and weight, and the degree of freedom of the mounting position of the actuator increases. Also, in the case of the present invention, the number of wires may be three for a two-axis joint, four for a three-axis joint, that is, the number of axes +1 for one joint. Normally, two wires are required for one degree of freedom of the joint. Since the required number of wires and the number of actuators are reduced, the limbs and the like can be made slimmer and lighter. As a result, the movement of the distal member can be accelerated, and a robot similar in appearance and operation to a human or animal can be realized.
[0056]
The actuator group is not limited to being arranged on the thigh. For example, an actuator group may be arranged on the upper arm of the upper limb, and the individual actuators may be operated to rotate the forearm with respect to the upper arm or to rotate the hand with respect to the forearm.
The controller of the above-described actuator receives the rotation angle and the tension of the joint, but may be configured to input the rigidity of the joint instead of the tension.
In such a configuration, the controller calculates the length of the moment arm between the rotation center of the distal member (eg, foot) and the connection point of the wire from the rotation angle of the joint, and calculates the length of the moment arm. Then, the wire tension at which the joint has the desired rigidity is calculated from the following equation. Then, the actuation amount of the actuator, which makes the wire tension a calculated value, is output to the actuator. In a configuration in which the moment arm changes greatly with the rotation of the distal member (a configuration in which there is no wire end guide), the rigidity is input to the controller instead of the tension as described above, and the calculation is performed. Thereby, the rigidity of the joint can be controlled more accurately.
[0057]
Next, a control device of a bipedal walking robot having the above-described mechanical configuration will be described.
FIG. 19 shows a configuration of a control device for controlling bipedal walking of the robot, and a trunk position vector P created by the walking command data creating device 1 (this is input by an operator through the walking command data creating device 1). ), The trunk posture vector R, the left toe position vector C, the left toe posture vector D, the right toe position vector E, and the right toe posture vector F, and calculate the inverse kinematics. A computing device 304 is provided. However, the torso position vector P is not only corrected by the walking command data generating device 1 but also further corrected by the calculating device 304 in order to execute “inverted pendulum control” and “tracing control” described later. Is entered. Also, regarding the trunk posture vector R, a process of correcting the target trunk posture vector is performed so that the actual trunk posture vector matches the target trunk posture vector, and is input to the calculation device 304.
[0058]
The calculation device 304 calculates the input trunk position vector P (which has been corrected), the trunk posture vector R (which has also been corrected), the left toe position vector C, and the left toe posture vector D Then, based on the right toe position vector E and the right toe posture vector F, the rotation angle θ of each joint necessary to realize the position and posture described by the input vectors is calculated. The rotation angle is calculated based on the rotation amount of a motor that rotates each joint. Although only two actuators are displayed in FIG. 19, the motor rotation amounts of all the actuators are calculated. In this calculation, an inverse kinematics operation is performed.
The target rotation amount θ calculated for each actuator is input to drivers 306 and 316 for each actuator. Each driver adjusts the torque applied to the motors 308 and 318 of each actuator based on the deviation between the target rotation amount and the actual rotation amount. The actual rotation amount is detected by encoders 310 and 320 provided for each motor of the actuator. By this feedback control, the motors 308 and 318 of the actuator are feedback-controlled so that the actual rotation amounts coincide with the target rotation amounts.
[0059]
The target ZMP is input to the inverted pendulum model 334. The actual trunk position vector P is also input to the inverted pendulum model 334. The actual trunk position vector P is obtained by computing the signal of the gyro 328 provided on the trunk of the robot by the computing device 330.
The inverted pendulum model 334 uses the target ZMP and the actual trunk position vector P to calculate the inclination φ from the vertical of the inclination line from the target ZMP to the trunk position vector P. The calculated φ is input to the ZMP correction amount calculation device 336. The ZMP correction amount calculating device 336 calculates the ZMP correction amount according to the following equation: ΔZMP = k1 × φ + k2 × dφ / dt. That is, a value proportional to the inclination angle φ and a value proportional to the time derivative of the inclination angle φ are added to calculate the ZMP correction amount. The calculated ZMP correction amount ΔZMP is added to the input target ZMP, and the target ZMP is corrected by ΔZMP. The process of correcting the target ZMP by ΔZMP as described above is usually called inverted pendulum control.
When walking, particularly when running at high speed, humans lean forward on the trunk to facilitate running. By tilting the trunk forward, the center of gravity is moved forward, and the feet are moved forward so as to follow the center of gravity moved forward. Inverted pendulum control corresponds to this type of control by a human, and performs control to incline the trunk position forward.
[0060]
The target ZMP (340) corrected by the inverted pendulum model is compared with the actual ZMP (326), and the deviation (342) is calculated. The actual ZMP (326) is calculated by calculating the outputs of the plurality of force sensors 322 provided on the soles of the robot by the calculation device 324. The deviation 342 is multiplied by a gain k3 and converted into a dimension of the trunk position vector P. The deviation ΔP converted into the dimension of the trunk position vector P is added to the trunk position vector P. The process of converting the deviation (342) between the target ZMP (340) and the actual ZMP (326) into a dimension of the trunk position vector P and adding the same to the trunk position vector P is usually called "tracing control process". .
[0061]
On the plane on which the robot walks, a trunk position vector P, a trunk posture vector R, a left toe position vector C, a left toe posture vector D, a right toe position vector E, a right toe posture vector F, At the stage of determining the target ZMP, unexpected irregularities may be present, and the robot's foot may step on a convex, for example. This is equivalent to a human being knocked down. The human then bends his knees and forwards his waist position to keep him from falling. The profile control process corresponds to this type of human control, and performs control to translate the trunk forward.
When the knee is bent and the trunk is moved forward in equilibrium to prevent the fall, the walking cannot be continued as it is. After the fall is prevented, it is necessary to extend the knee and return to the normal walking posture. The inverted pendulum model executes control corresponding to it.
Metaphorically speaking, the following model corresponds to the flexibility of the body, and the inverted pendulum model corresponds to the ability to maintain the walking posture.
[0062]
In the present embodiment, the target ZMP is corrected by the inverted pendulum control system 334, and the correction amount limiting device 346 is incorporated in correcting the target trunk position vector P by the deviation (342) between the target ZMP and the actual ZMP by the copying control system. This limits the amount of correction.
The correction amount of the target trunk position vector calculated by the following control model is defined as ΔP. When the correction amount ΔP is added to the input trunk position vector P by vector, and the inverse kinematics is solved by the inverse kinematics calculation device 304 to calculate the joint angle, the calculated joint angle indicates the allowable rotation range of the joint. May exceed. In this case, due to mechanical restrictions of the robot, the control device in FIG. 19 cannot execute the control as calculated. In this embodiment, the correction amount ΔP of the target torso position vector calculated in the following control loop is α n To correct the trunk position vector P. Here, α is a number between 0 and 1, n is the number of times described below, and changes as n = 0, 1, 2, 3,.
That is, instead of correcting the trunk position vector P uniformly by the equation of P + ΔP as in the related art, P + α n Correct the trunk position vector P according to × ΔP. First, if n = 0, P + α 0 Correct by × ΔP (= P + ΔP). If the second n = 1 can be used, P + α 1 Correct with × ΔP. If n = 2 for the third time, P + α 2 Correct with × ΔP. If n = 3 for the fourth time, P + α 3 Correct with × ΔP.
The specific processing procedure is as follows.
(1) The correction amount of the target trunk position vector calculated by the following control model is defined as ΔP.
(2) First, assuming n = 0, P + α 0 Correct by × ΔP (= P + ΔP).
(3) As a result of solving the inverse kinematics with P + ΔP to obtain the joint angle θ, if the rotation angles are within the allowable rotation angles for all the joints, the processing is ended there.
(4) In the above (3), if the calculated joint angle θ is out of the allowable rotation angle for at least one joint, the correction amount is reduced.
(5) For that purpose, n = 1, and correction is made by P + α × ΔP α is 1 or less, and the correction amount is reduced.
(6) As a result of solving the inverse kinematics at P + α × ΔP to obtain the joint angle θ, if all the joints are within the permissible rotation angles, the process is terminated.
(7) In the above (6), if the calculated joint angle θ of at least one joint is out of the allowable rotation angle, the correction amount is reduced.
(5) Therefore, assuming that n = 2, P + α 2 Correct with × ΔP. α is 1 or less, and the correction amount is reduced.
Hereinafter, P + α while n = 3, 4, 5,... n The above procedure is repeated until all the joint rotation angles θ that realize the trunk position vector P corrected by × ΔP are within the allowable rotation angle.
[0063]
P + α n Since the correction is made as xΔP, the copying control is insufficient unless n = 0. However, if the robot does not have enough flexibility to effectively apply the copying control, it is inevitable that the copying control becomes insufficient. As a result of sufficiently applying the following control, the joint rotation angle rotates to the limit, and even if the rotation angle reaches the limit, if the rotation angle is still insufficient, there is a risk of falling. As in this embodiment, if the control amount of the control is reduced so that the joint rotation angle falls within the limit, the control is performed within the flexibility of the robot, and the robot may fall. Can be significantly reduced.
[0064]
Following control corresponds to body flexibility. The larger the gain k3 (conversion device 344) for the profile control, the more flexibly the posture of the limb of the robot changes, and the less shock it receives. Therefore, when a shock is received such as at the time of landing, it is preferable that the copying control works strongly.
On the other hand, if the copying control is always strong, the posture may be disturbed by the inertial force when one foot is standing, and the landing may be performed at a timing not scheduled to land, resulting in a large landing shock. The setting of the value of the gain k3 for the profile control involves the above-mentioned conflicting factors, and it is difficult to adjust the value to the optimum value.
[0065]
In the present embodiment, in order to solve this reciprocal relation, a method of increasing or decreasing the value of the gain k3 for the tracking control in accordance with the state of the robot is adopted.
FIG. 20A shows an example in which the gain k3 for the following control is changed in accordance with a change in the walking pattern and the like. Increase, otherwise keep low. In this case, the limb of the robot flexibly responds to the landing shock because the tracing control is effective before and after receiving the landing shock. At other times, the gain k3 for following control is small, and the posture maintaining force is kept high. The posture is not disturbed by the inertial force when one foot is standing, and the landing shock does not increase since the landing is performed at a timing not scheduled to land. The gain k3 for the following control can be increased or decreased in accordance with the time series change of the six vectors created by the walking command data creating device 1.
[0066]
(B) of FIG. 20 shows the force received by the force sensor installed on the left sole, (C) shows the force received by the force sensor installed on the right sole, and (D) shows both sensors. Shows the total force received by At the time of landing, the total force is large at the time of landing because of strong inertial force. If the total force and the gain k3 for the tracing control are made proportional, the gain k3 for the tracing control can be increased when a landing shock is received, and kept low at other times. A process 360 extending from the device 324 for calculating the signal of the force sensor 322 in FIG. 19 to the conversion device 344 indicates a process for making the gain k3 for the copying control proportional to the total force received by the force sensor 322. .
When the copying control is performed strongly, the gains k1 and k2 of the inverted pendulum model may be increased at the same time, but only the gain k3 for the copying control may be increased.
[0067]
In the inverted pendulum model, the inclination φ from the vertical of the inclination line from the target ZMP to the trunk position vector P is calculated (see 334 in FIG. 19). The calculated φ is input to the ZMP correction amount calculation device 336, and the ZMP correction amount ΔZMP is calculated by the equation of ΔZMP = k1 × φ + k2 × dφ / dt. In order for the robot to walk smoothly, it is necessary to adjust the values of the gains k1 and k2 to appropriate values. Further, it is necessary to adjust the gain k3 for the copying control to an appropriate value.
If the values of the gains k1, k2, and k3 are adjusted to appropriate values for walking control, even when the robot is stationary without walking, the robot tilts the trunk forward and corrects it. Is repeated. Here, it is called self-excited vibration. When self-excited vibration occurs, the power of the robot is wastefully consumed, which is inconvenient.
In order to solve this, while the robot is stationary without walking, the values of the gains k1 and k2 used in the equation of k1 × φ + k2 × dφ / dt for calculating the correction amount ΔZMP of the ZMP are set at the time of walking. It has been found that it is effective to lower the value below an appropriate value. In this case, the gain k3 for the copying control may be reduced at the same time. However, if the values of the gains k1 and k2 are reduced, the gain k3 for the copying control need not be reduced. It has been confirmed that even if the values of the gains k1 and k2 (and further the gain k3) are reduced while the robot is stationary without walking, the robot continues to stand upright. Power is not wasted on self-excited vibration.
FIG. 19 illustrates that the device 324 that calculates the signal of the force sensor 322 determines whether the robot is stationary or walking, and switches the gains k1 and k2 based on the result.
[0068]
The robot of this embodiment is of a type (pull-pull type) in which one of two wires is pulled and rotated clockwise, and the other wire is pulled and rotated counterclockwise. Since the spring is inserted, the rigidity can be adjusted independently of the posture of the robot. It is effective to take advantage of this characteristic while walking while changing the rigidity during walking.
During landing, unexpected irregularities may be stepped on, and the lower limbs are more susceptible to unexpected irregularities. If the rigidity is increased and faithfully controlled to the commanded posture, the robot may slip or fall because the influence of unexpected irregularities cannot be absorbed.
Therefore, in this embodiment, the rigidity is changed in accordance with the progress of the walking pattern. Here, the rigidity of the left and right lower limbs is changed separately.
FIG. 21 (A) shows a walking pattern and a change pattern of the rigidity of the left and right lower limbs. The rigidity of both the left and right lower limbs is maintained low during the contact with the ground, and is maintained high while moving in the air. The rigidity of the right lower limb is reduced immediately before the transition from the left foot contact state to the both foot contact state, and the rigidity of the left lower limb is reduced immediately before the transition from the right foot contact state to the both foot contact state. The stiffness of the left leg and the stiffness of the right leg are controlled separately. Because the rigidity of the lower limb during landing is low, even when stepping on an unexpected unevenness, the grounded lower limb flexibly responds to the influence of the unevenness. On the other hand, the rigidity of the foot in the air is kept high, and the posture maintaining force is kept high. Posture is not disturbed by inertia force when standing on one foot.
There are various variations in the rigidity change pattern illustrated in FIGS. 21A to 21C.
(A) The rigidity of the left lower leg is reduced between the left foot contact state and the both foot contact state, and increased during the right foot contact state. The rigidity of the right lower limb is reduced between the right foot contact state and the both foot contact state, and increased during the left foot contact state.
(B, C) The stiffness of the left lower limb is reduced immediately before the transition from the right foot contact state to the double foot contact state, and is increased until the next right foot contact state. The rigidity of the right lower limb is reduced immediately before the transition from the left foot contact state to the both foot contact state, and is increased until the next left foot contact state.
(B) The rigidity of the lower limb is continuously increased.
(C) Raise the rigidity of the lower limbs stepwise.
With any of the change patterns, the lower limb in contact with the ground flexibly absorbs the influence of unevenness, while the rigidity of the foot in the air is kept high, and the posture maintaining force is kept high.
[0069]
In the following, a description will be given of a technique of controlling the actuator by the control device of FIG. 19 so as to follow an instruction value related to a target rotation angle that changes over time and a rigidity that changes over time. Hereinafter, an example will be described in which the rotation angles and rigidity of the ankle joint 26 around the X axis are controlled by the actuators 68b and 68c so as to follow the specified rotation angle and rigidity.
[0070]
(First control technology)
FIG. 22 is a control block diagram of a controller 200b for an actuator 68b that rotates the ankle joint 26 outward around the X axis by a wire 66b, and a control of the controller 200c for an actuator 68c that rotates inward by a wire 66c. FIG. This corresponds to the details of the drivers 306 and 316 in FIG. In this case, the inverse kinematics calculation device 304 also indicates the rigidity of the joint against rotation. The indicated value of the stiffness changes over time.
First, the controller 200b will be described. The first converter 2b converts the rotation angle instruction value P1 of the ankle joint 26 into the rotation angle P2 of the motor 114b necessary to realize the rotation angle instruction value P1. Here, the calculation is performed assuming that the spring 140 does not expand. The calculated rotation angle P2 is compared with the actual rotation angle P7 of the motor 114b to obtain a deviation P3. The actual rotation angle P7 of the motor 114b is obtained from an encoder 115b built in the motor 114b. The second converter 4b converts the rotation angle deviation P3 into a rotation speed P4 of the motor 114b. Here, the larger the deviation P3 is, the larger the rotation speed P4 is. If the deviation P3 is zero, the rotation speed P4 is also zero. The third converter 6b converts the rotation speed P4 of the motor 114b into a torque P5 applied to the motor 114b. The motor 114b has a characteristic in which a current value to be supplied and a generated torque are proportional. The torque P5 applied to the motor 114b is commanded in units of current. The torque P5 commanded in the unit of current is equivalent to a torque increase / decrease value for feedback-controlling the actuator torque based on the deviation between the designated rotation angle and the actual rotation angle. Increase insufficient actuator torque and reduce excessive actuator torque for the indicated angle of rotation. As a result, the actual rotation angle is feedback-controlled to the specified rotation angle.
The stiffness instruction value Q1 is input to the fourth converter 10b. The fourth converter 10b calculates the arm length at which the tension of the wire 66b generates a moment around the ankle joint 26 from the rotation angle indicated value P1, and calculates the arm length from the rigidity indicated value Q1 and the moment arm length. Calculate the wire tension Q2 required to adjust to the indicated stiffness Q1. Here, the spring characteristic shown in FIG. 18 is referred to convert the spring constant and the arm length of the moment into the wire tension Q2 that realizes the spring characteristic that can be adjusted to the specified rigidity Q1. The fifth converter 12b converts the tension Q2 into a motor torque Q3. For this conversion, the characteristic formula of the actuator shown in FIG. 9 is used. Not all of the motor torque is reflected in wire tension. Part of the motor torque is spent on friction and inertia of the actuator and the like. The sixth converter 14b calculates the actually required motor torque Q4 by compensating for the motor torque Q3 that generates the required wire tension by the amount consumed for friction and inertia.
The motor torque Q4 that compensates for the amount spent for friction and inertia is added to the increase / decrease value P5 of the motor torque calculated by the feedback control of the rotation angle. Finally, the added motor torque P6 is commanded. Actually, since the torque of the motor 114b is proportional to the energizing current, a current proportional to the added torque P6 is applied to the motor 114b.
[0071]
The control block is the same for the controller 200c as well, and will not be described again. In this case, since the actuator 68b and the actuator 68c are symmetrical, P2, Q2, and Q3 have the same value with the same sign in the controllers 200b and 200c. However, since the inertia term and the friction term are not symmetrical, the value of Q4 is not equal.
[0072]
According to this control block, the motor torque Q4 necessary for adjusting to the specified rigidity is added. Therefore, the rigidity of the ankle joint 26 around the X axis is controlled to the designated rigidity Q1. The motor torque Q3 for adjusting to the instructed stiffness Q1 (here, the motor torque that becomes the wire tension) is balanced between the actuator 68b and the actuator 68c, and does not affect the rotation angle of the ankle joint 26 around the X axis. . The rotation angle of the ankle joint 26 about the X axis is feedback-controlled to the designated rotation angle P1 irrespective of the motor torque for adjusting the rigidity.
According to the control block of FIG. 22, even if the rotation angle P1 and the rigidity Q1 are independently specified, the control can be performed to the specified rotation angle P1 and the rigidity Q1.
The above-described event is always obtained during the operation in which the indicated values P1 and Q1 of the rotation angle and the rigidity change every moment, and can always follow the indicated values P1 and Q1 that change over time.
In order to change the stiffness instruction value Q1 with time according to the state of walking, it may be made to correspond to the change with time of the walking command data, or the output of the force sensor 322 grounded on the sole of the robot. May be changed based on the In the case of FIG. 19, the value of the rigidity instructed to the motor drivers 306 and 316 is changed by the force detected by the force sensor 322.
[0073]
(Second control technology)
FIG. 23 is a control block diagram of the controller 200b and the controller 200c according to the second control technique. This corresponds to the drivers 306 and 316 in FIG. In this case, the inverse kinematics calculation circuit 304 calculates the target rotation angle for the actuator that adjusts the joint rotation angle, and calculates the target stiffness value for the redundant actuator to adjust the joint rotation angle. In this case, the motor 114b is an actuator for adjusting the rotation angle of the joint, and the motor 114c is a redundant actuator for adjusting the rotation angle of the joint, and adjusts the rigidity.
In this case, the controller 200b performs feedback control of the rotation angle of the motor 114b based on the rotation angle instruction value P1, and the controller 200c performs feedback control of the torque of the motor 114c based on the rigidity instruction value. The actual torque Q6 of the motor 114c is measured by an ammeter 115c that measures a current flowing through the motor 114c. The motors 114b and 114c have a characteristic that the current value is proportional to the torque.
The control block diagram for the feedback control of the rotation angle of the motor 114b is substantially the same as that in FIG. 22, and the control block diagram for the feedback control of the torque of the motor 114c is also substantially the same as that in FIG. .
According to this control technique, a torque required to adjust the rigidity Q1 to the specified one is applied from the motor 114c. With this torque applied, the motor 114b is rotated as necessary to adjust to the designated rotation angle P1. At this time, as a result, the torque of the motor 114b is also adjusted to the torque necessary for adjusting to the specified rigidity Q1, and the rotation angle of the motor 114c is also adjusted to the required rotation angle P1. It is adjusted to an appropriate rotation angle.
The control technique of FIG. 23 uses the redundancy of using two motors for one degree of freedom of the rotation angle, and independently controls the rotation angle and the rigidity. ing. Humans also rotate around joints using a redundant number of muscles in view of the degree of freedom of the joints. The rigidity is adjusted using the redundancy.
According to the control block of FIG. 23, when the rotation angle and the rigidity are independently specified, the control can be performed to the specified rotation angle and the rigidity.
[0074]
22 and 23, the stiffness can be changed in accordance with the walking pattern. The stiffness can be changed when the posture needs to be changed flexibly, and the stiffness can be increased when the posture needs to be maintained. Can be maintained. In the present embodiment, as described with reference to FIG. 21, walking is performed while the rigidity of the grounded foot is reduced and the rigidity of the foot floating in the air is increased.
[0075]
In the present embodiment, the gain k3 for following control and the rigidity of the lower limb are changed according to the walking pattern. It is useful to use only one of the change in gain and the change in stiffness, but it is effective to use it in combination. Behavior can be flexible and stable.
[0076]
When the walking command data is created using the walking command data creating device 1 shown in FIG. 5, usually only the trunk posture vector R is specified for the trunk posture. Indeed, if the trunk posture vector R is specified, the robot can walk smoothly.
However, when walking at a higher speed, it is advantageous to walk while twisting the trunk, and it is advantageous to input not only the trunk vector but also the posture related to the torsion of the trunk.
[0077]
FIG. 24A shows a walking posture in the case of using the conventional teaching technique, and the trunk does not twist even though it may lean forward. In the first place, a vector specifying the torsion of the trunk is not taught.
FIG. 24B shows a walking posture obtained by teaching a trunk torsion vector Q indicating the direction of a line connecting the left and right of the trunk, in addition to the trunk vector R indicating the direction of the left-right symmetry axis of the trunk. Is shown. When the trunk is twisted in conjunction with the movement of the foot, the step length of one step can be increased even if the movement speed of the foot relative to the trunk is the same, and the robot can walk at high speed.
FIG. 24C shows a teaching example of the trunk torsion vector Q, and is viewed in plan. (1) shows a state in which the left and right feet are aligned, (2) shows a state in which the left foot is stepped, (3) shows a state in which the left foot is stepped further, and (4) shows a state in which the right foot is stepped. Is shown.
Since the left toe position vector C and the right toe position vector E are taught, the angle θ formed by the line L connecting the centers of the left and right feet with the line Y orthogonal to the traveling direction X can be obtained. Therefore, the torsion vector Q connecting the left and right sides of the trunk is taught so that the angle between the torsion vector Q and the line Y orthogonal to the traveling direction X is αθ. Here, α is set to 50%. The robot is to be taught with a trunk torsion vector Q in which the angle formed by the trunk torsion vector Q and the Y axis is 50% of the angle θ formed by the line L connecting the centers of the right and left feet with the Y axis. Note that the above ratio is not limited to 50%, but has a width before and after. If the ratio is too small, there is no point in twisting the trunk, and if the ratio is too large, a large amount of energy is consumed for twisting the trunk. Therefore, a range of about 30 to 60% is preferable. As shown in (1) to (4) of FIG. 24C, the ratio α may be kept constant, or the ratio α may be changed in one stroke.
By teaching the torso vector Q to be twisted in conjunction with the movement of the left and right legs, the stride of a robot having the same ability can be increased, and the robot can be walked at high speed.
Instead of specifying the trunk torsion vector Q, the trunk torsion vector Q may be calculated and calculated from the angle formed by the line L connecting the centers of the right and left feet with the Y axis.
As shown in FIG. 25, the upper body 250 of the robot is separated into a waist (lower torso) 254 and a chest (upper torso) 252, and both are configured to be relatively rotatable about a member corresponding to a human spine. be able to. In this case, it is possible to walk while twisting the waist 254, which is the base of the left and right feet, and keep the chest 252 in the traveling direction at all times. Also in this case, the stride length can be extended while keeping the movement speed of the foot relative to the trunk (lumbar region) the same. As shown in the plan view of FIG. 26, the stride can be increased by the distance D by twisting the trunk 254. In this case, the chest 252 is stable, and the walking posture of the robot is stable. In addition, since the stride length increases, it becomes possible for the robot to walk at high speed
When the footprints of the right and left feet are on a straight line 256, not only the walking posture is beautiful, but also it is possible to pass through a narrow passage. FIG. 27 is a plan view showing a case where the left and right feet are walking on a straight line 256 without twisting the trunk, and the left and right feet must swing at an angle α in a horizontal plane with respect to the trunk. Must. FIG. 28 shows a plan view in the case where the left and right feet are walking on a straight line 256 while twisting the trunk. When the left and right feet swing relative to the trunk by an angle β in a horizontal plane. Obviously, when walking while twisting the trunk, the swing angle required to walk the left and right feet on the straight line 256 is reduced, and the robot can walk on the straight line without difficulty. Even if the footprints of the left and right feet are not on a straight line in the strict sense, but on two parallel straight lines, if the distance between the two straight lines is small, the walking posture of the robot will be clear and stable It becomes. By twisting the trunk, the distance between the two straight lines can be easily reduced, and by twisting the trunk, the walking posture can be made clean and stable.
[0078]
In the control device of FIG. 19, a trunk posture vector R is input, inverse kinematics calculation is performed, a joint angle necessary for controlling the input trunk posture vector R is calculated, and a joint obtained in this manner is calculated. In order to perform feedback control using the angle as a target joint angle, the actual trunk vector R matches the instructed trunk vector R, that is, the trunk vector R obtained by the walking command data creating device 1 (FIG. 5). Should be. However, when a gyro was attached to the robot and the actual trunk vector was measured, it was found that they did not match. This is presumed to be caused by play of the joints, bending of the members, and the like.
If the target trunk posture vector does not match the actual trunk posture vector, the robot cannot take the intended trunk posture.
In the present embodiment, the trunk posture vector R (here, the posture that the operator wants the robot to take) created by the walking command data creation device 1 of FIG. If the teaching is performed as it is, the desired trunk posture vector and the actual trunk posture vector match, so that the actual trunk posture vector cannot be made as intended.) Therefore, the target trunk posture vector does not match the actual trunk posture vector. In anticipation of this, the target trunk posture vector is artificially corrected, and the corrected target trunk posture vector does not match the actual trunk posture vector. A matching method is adopted.
[0079]
(1) Specifically, first, the trunk posture vector R created by the walking command data creating device 1 is taught to the robot. The teached robot is operated to detect the actual trunk posture vector R.
Hereinafter, the target trunk posture vector is R1 and the actual trunk posture vector is R2. The actual trunk posture vector R2 is calculated by the device 330 for calculating the output of the gyro 328.
(2) The deviation vector ΔR between the target trunk posture vector R1 and the actual trunk posture vector R2 is calculated (the device 350 in FIG. 19). The displacement vector ΔR is R1 · R2 -1 Can be calculated by
(3) Therefore, the target trunk posture vector R1 is corrected in anticipation of the deviation vector ΔR. The corrected desired trunk posture vector is R1 * Then R1 * = R1 ・ ΔR.
(4) The robot calculates the corrected target trunk posture vector R1. * It works with the goal. The actual trunk posture vector realized by the robot is R1 * Does not. Deviate from that. As a result, it matches the desired trunk posture vector R1. Corrected target trunk posture vector R1 * Is corrected in anticipation of the deviation vector ΔR from the trunk posture vector R1 intended by the operator.
(5) The corrected desired trunk posture vector is R1 * When calculating
Y = α · ΔR + (1−α) · I is calculated, and then R1 * = R1 · Y. The correction device 352 of FIG. 19 performs this processing. Here, α is a positive value of 1 or less, and I is a unit vector.
In this case, this corresponds to correcting the target trunk posture vector R1 in anticipation of only α% of the deviation vector ΔR.
The correction process of the desired trunk posture vector can be performed at various stages. When the deviation vector ΔR is found, the trunk posture vector R created by the walking command data creation device 1 may be corrected, and the corrected target trunk posture vector may be taught to the robot. In this case, the robot control device does not require the devices 350 and 352 for correcting the target trunk posture vector. Instead, the robot teaches the target trunk posture vector before correction with the deviation vector ΔR, calculates the deviation vector ΔR one after another during the operation of the robot, and calculates the target trunk posture after the deviation vector ΔR is calculated. The vector may be corrected by the shift vector ΔR.
[0080]
As mentioned above, although the specific example of this invention was demonstrated in detail, these are only illustrations and do not limit a claim. The technology described in the claims includes various modifications and alterations of the specific examples illustrated above.
The technical elements described in the present specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. The technology illustrated in the present specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view for explaining how a target ZMP moves.
FIG. 2 is a diagram illustrating various curves in which a target ZMP that changes sharply is smoothed;
FIG. 3 is a diagram illustrating another example in which a target ZMP moves.
FIG. 4 is a view for explaining that the speed of outputting data of a target ZMP is variable.
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a walking command data creating device.
FIG. 6 is a front view of both lower limbs of the robot according to the embodiment.
FIG. 7 is a side view of the left lower leg of the robot.
FIG. 8 is a view for explaining the structure of the ankle joint of the robot.
FIG. 9 is a diagram illustrating details of an actuator of the robot.
FIG. 10 is a view for explaining movement of a foot of the robot.
FIG. 11 is a view for explaining the movement of the foot of the robot.
FIG. 12 is a view for explaining the movement of the feet of the robot.
FIG. 13 is a view for explaining the movement of the foot of the robot.
FIG. 14 is a front view of a nonlinear spring in which a wire is incorporated.
FIG. 15 is a side view of a non-linear spring incorporating a wire.
FIG. 16 is a diagram illustrating a state where a nonlinear spring is deformed by wire tension.
FIG. 17 is a view for explaining rigidity around joints of the robot.
FIG. 18 is a graph illustrating non-linear spring characteristics and rigidity around a joint.
FIG. 19 is a control block diagram illustrating a configuration of a control device.
FIG. 20 is a diagram showing a pattern for increasing or decreasing a gain for following control following a walking pattern.
FIG. 21 is a diagram showing a pattern in which the rigidity of the lower limb is increased or decreased following a walking pattern.
FIG. 22 is a first control block diagram for independently controlling the joint rotation angle and the rigidity.
FIG. 23 is a second control block diagram for independently controlling the joint rotation angle and the rigidity.
FIG. 24 is a diagram schematically showing a method of teaching a trunk torsion vector and a teaching result.
FIG. 25 shows a posture in which a robot whose upper body is divided into a waist (lower torso) and a chest (upper torso) walks while twisting the trunk.
FIG. 26 is a plan view showing that the step length is widened by twisting the trunk.
FIG. 27 shows a swing angle in a horizontal plane of a foot necessary for walking on a straight line without twisting the trunk.
FIG. 28 shows a swing angle in a horizontal plane of a foot required for walking on a straight line while twisting the trunk.
[Explanation of symbols]
1: Walking command data creation device
2: ZMP operation unit
3: Comparison section
4: Trunk position vector correction unit
5: Completed walking command data
10: Robot
12: Lower limb
14: Thigh
16: Lower leg
18: foot
20: body
22: Hip joint
24: Knee joint
26: Ankle joint
28: Pelvic part
30: Shaft
32: Universal joint
34: Bearing
36: disk
38: Motor
40: Flange
42: Shaft
44: Flange
46: axis
48a, 48b, 48c: Wire termination guide
49a, 49b, 49c: wire connection points
50a, 50b, 50c: wire
52a, 52b, 52c: Actuator
54: Pulley
56: Actuator
58: Flange
60: Flange
62: Cross-shaped universal joint
64a, 64b, 64c, 64d: Pulley
66a, 66b, 66c, 66d: Wire
68a, 68b, 68c, 68d: Actuator (ball screw)
102: Flange
104: movable plate
106: Flange
108: Guide rod
110: Guide rod
112: Guide rod
114: Motor
116: Gear
118: Gear
120: Lead screw
122: flat part
124: Mine
126: flange
128: Shaft
130: Flange
132: Shaft
304: reverse kinematics calculation unit
334: Inverted pendulum model
k1, k2, k3: gain
322: Force sensor
328: Gyro
350: shift vector operation unit
352: Target trunk posture vector correction vector calculation device

Claims (3)

左右の足を結ぶ線と歩行方向に直交する線とがなす角度範囲内に体幹の左右を結ぶ線が入るように体幹を捩じりながら歩行する2足ロボット。A bipedal robot that walks while twisting the trunk so that the line connecting the left and right sides of the trunk falls within the angle range defined by the line connecting the left and right feet and the line perpendicular to the walking direction. 左右の足を結ぶ線と歩行方向に直交する線とがなす角度と、体幹の左右を結ぶ線と歩行方向に直交する線とがなす角度との間に比例関係を維持しながら歩行する2足ロボット。Walk while maintaining a proportional relationship between an angle formed by a line connecting the left and right feet and a line orthogonal to the walking direction and an angle formed by a line connecting the left and right sides of the trunk and a line orthogonal to the walking direction 2 Foot robot. 2足歩行するロボットの歩行中の姿勢を指令する歩行指令データに、左右の足を結ぶ線と歩行方向に直交する線とがなす角度範囲内で体幹の左右を結ぶ線を捩じる体幹捩じれベクトルを用意することによって、ロボットに体幹を捩じりながら歩行させる方法。The body that twists the line connecting the left and right of the trunk within the angle range between the line connecting the left and right legs and the line perpendicular to the walking direction in the walking command data that commands the posture of the robot walking while walking on two legs. A method in which the robot walks while twisting the trunk by preparing a trunk twist vector.
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