JP2005074528A - Leg type mechanism and control method for leg type mechanism - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、脚式機構および脚式機構の制御方法に関するものである。 The present invention relates to a leg type mechanism and a method for controlling the leg type mechanism.
近年、各種の脚式2足歩行ロボットが提案されている。脚式2足歩行ロボットは、胴体部の下端に股関節を介して一対の脚が取り付けられ、各脚の動作を制御することにより階段の昇降、障害物の乗り越え等を円滑に行なうことができるように構成されている。
脚式2足歩行ロボットの各脚は、胴体部に股関節を介して連結される大腿部と、大腿部に膝関節を介して連結される下腿部と、下腿部に足首関節を介して連結される足部とを備えている。
In recent years, various legged biped robots have been proposed. A legged biped robot has a pair of legs attached to the lower end of the torso via a hip joint, and by controlling the movement of each leg, it is possible to smoothly move up and down stairs and get over obstacles. It is configured.
Each leg of the legged biped robot has a thigh connected to the torso via a hip joint, a lower leg connected to the thigh via a knee joint, and an ankle joint to the lower leg. And a foot portion connected via the foot.
股関節、膝関節および足首関節には、それらを駆動させるアクチュエータ、減速機、各種のセンサがそれぞれ組み込まれ、各関節のアクチュエータの駆動を制御して各脚を所定のパターンで駆動せることにより、ロボットに歩行、走行等の動作を行なわせることができる。
上記のような構成の脚式2足歩行ロボットにおいては、遊脚(空中に浮いている脚)が着床する場合に、床面と足部の足裏面とを平行にして足裏面全体を着床させるパターン、または足部の足裏面の踵から着床させ、能動的に脚の各関節(股関節、膝関節、足首関節)の角度を調整して足裏面全体を着床させるパターンのいずれかの動作パターンが採用されている(例えば、特許文献1参照)。
The hip joint, knee joint, and ankle joint incorporate actuators, speed reducers, and various sensors that drive them, and control the actuator actuators to drive each leg in a predetermined pattern. Can be operated such as walking and running.
In the legged biped robot configured as described above, when the free leg (leg floating in the air) is landing, the entire bottom surface of the foot is worn with the floor surface parallel to the bottom surface of the foot. Either a pattern to be floored or a pattern to land from the heel on the sole of the foot and to adjust the angle of each leg joint (hip joint, knee joint, ankle joint) to land the entire sole of the foot (See, for example, Patent Document 1).
しかし、計算によって能動的に足裏面全体を着床させる上記のような動作パターンにおいては、特にロボットに走行等の高速歩行を行なわせる場合に、計算速度が間に合わなくなったり、また、関節駆動目標値や駆動速度の誤差が生じ易く、適正な制御値を求めることが非常に困難になる。このため、適正な制御理論値と実際の制御値とに差が生じ、足裏面内での急激な荷重移動等により衝撃、振動等が発生し、ロボットの姿勢制御に悪影響を及ぼしてしまう。 However, in the above-mentioned motion pattern in which the entire foot sole is actively landed by calculation, especially when the robot performs high speed walking such as running, the calculation speed may not be in time, and the joint drive target value And an error in driving speed is likely to occur, and it is very difficult to obtain an appropriate control value. For this reason, a difference occurs between an appropriate control theoretical value and an actual control value, and an impact, vibration, or the like is generated due to a sudden load movement or the like in the back of the foot, which adversely affects the posture control of the robot.
本発明の目的は、安定した歩行や走行動作を行なうことができる脚式機構および脚式機構の制御方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a leg-type mechanism and a control method for the leg-type mechanism that can perform stable walking and running operations.
このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の脚式機構は、少なくとも足部、足首関節および該足首関節を駆動するアクチュエータを有する脚を少なくとも1つ備え、前記脚による歩行・走行の動作時に、前記足部の足裏面の爪先と踵とのいずれか一方から着床するように構成される脚式機構であって、
前記足部の足裏面の爪先と踵とのいずれか一方の着床を検出する着床検出手段と、該着床検出手段により前記一方の着床が検出されたときに、前記アクチュエータのサーボゲインを定常値から低減または0にする制御部とを備えていることを特徴とする。
Such an object is achieved by the present invention described below.
The leg-type mechanism of the present invention includes at least one leg having at least a foot, an ankle joint, and an actuator for driving the ankle joint, and a toe on the back surface of the foot of the foot during a walking / running operation by the leg. A legged mechanism configured to land from either one of the heels,
Landing detection means for detecting the landing of either one of the toe or the heel on the back surface of the foot, and when the one landing is detected by the landing detection means, the servo gain of the actuator And a control unit for reducing the value from a steady value to zero.
これにより、足部の足裏面の爪先と踵とのいずれか一方が着床したときに、アクチュエータによる位置固定力を弱くして、床反力により自然に(受動的に)足裏面全体が着床するように足首関節を駆動させることができる。従って、着床時に足裏面の着床角度に関係なく、最適な足首関節角度が得られるので、急激な荷重によって姿勢が悪影響を受けるようなことはなく、安定した歩行や走行(高速歩行)動作が可能となる。 As a result, when either the toes or the heel on the foot sole of the foot is landed, the position fixing force by the actuator is weakened, and the entire foot sole is naturally (passively) worn by the floor reaction force. The ankle joint can be driven to floor. Therefore, the optimal ankle joint angle can be obtained regardless of the landing angle of the sole of the foot when landing, so that the posture is not adversely affected by a sudden load, and stable walking and running (high-speed walking) motion Is possible.
本発明の脚式機構は、少なくとも足部、足首関節および該足首関節を駆動するアクチュエータを有する脚を少なくとも1つ備え、前記脚による歩行・走行の動作時に、前記足部の足裏面の爪先と踵とのいずれか一方から着床するように構成される脚式機構であって、
前記足部の足裏面の爪先と踵とのいずれか一方の着床を検出する第1の着床検出手段と、他方の着床を検出する第2の着床検出手段と、該第1の着床検出手段により前記一方の着床が検出されたときに、前記アクチュエータのサーボゲインを定常値から低減または0にする制御部とを備えていることを特徴とする。
The leg-type mechanism of the present invention includes at least one leg having at least a foot, an ankle joint, and an actuator for driving the ankle joint, and a toe on the back surface of the foot of the foot during a walking / running operation by the leg. A legged mechanism configured to land from either one of the heels,
A first landing detecting means for detecting the landing of one of the toes and the heel on the sole of the foot of the foot; a second landing detecting means for detecting the other landing; and the first And a controller that reduces or zeros the servo gain of the actuator from a steady value when the one landing is detected by the landing detecting means.
これにより、足部の足裏面の爪先と踵とのいずれか一方が着床したときに、アクチュエータによる位置固定力を弱くして、床反力により自然に(受動的に)足裏面全体が着床するように足首関節を駆動させることができる。従って、着床時に足裏面の着床角度に関係なく、最適な足首関節角度が得られるので、急激な荷重によって姿勢が悪影響を受けるようなことはなく、安定した歩行や走行(高速歩行)動作が可能となる。 As a result, when either the toes or the heel on the foot sole of the foot is landed, the position fixing force by the actuator is weakened, and the entire foot sole is naturally (passively) worn by the floor reaction force. The ankle joint can be driven to floor. Therefore, the optimal ankle joint angle can be obtained regardless of the landing angle of the sole of the foot when landing, so that the posture is not adversely affected by a sudden load, and stable walking and running (high-speed walking) motion Is possible.
本発明の脚式機構では、前記第1の着床検出手段により前記一方の着床が検出され、その後に前記第2の着床検出手段により前記他方の着床が検出されたときに、前記アクチュエータのサーボゲインを定常値に戻すよう構成されているのが好ましい。
これにより、受動的な動作の次の能動的な動作に備えることができる。従って、安定した歩行や走行(高速歩行)動作を連続して行なうことができる。
In the legged mechanism of the present invention, when the one landing detection is detected by the first landing detection means and then the other landing is detected by the second landing detection means, It is preferable that the servo gain of the actuator is returned to a steady value.
As a result, it is possible to prepare for the next active operation after the passive operation. Therefore, stable walking and running (high speed walking) can be performed continuously.
本発明の脚式機構では、前記第2の着床検出手段により前記他方の着床が検出されたときから、所定時間遅延させて、前記アクチュエータのサーボゲインを定常値に戻すよう構成されているのが好ましい。
これにより、歩行(走行)形態に応じて、安定した歩行や走行(高速歩行)動作を行なうことができる。
The leg type mechanism of the present invention is configured to delay the servo gain of the actuator to a steady value by delaying a predetermined time from when the other landing is detected by the second landing detection means. Is preferred.
Accordingly, stable walking and running (high-speed walking) can be performed according to the walking (running) mode.
本発明の脚式機構では、前記足首関節のトルクを検出するトルク検出手段を有し、該トルク検出手段により、前記一方が着床したときの前記足首関節のトルクを検出し、この検出値に基いて、該一方が着床したときに変更する前記アクチュエータのサーボゲインを定めるよう構成されているのが好ましい。
これにより、足部の足裏面の爪先と踵とのいずれか一方が着床したときに、そのときの足首関節のトルクに応じてアクチュエータによる位置固定力を調節して、床反力により自然に(受動的に)足裏面全体が着床するように足首関節を駆動させることができる。従って、着床時に足裏面の着床角度に関係なく、最適な足首関節角度が得られるので、急激な荷重によって姿勢が悪影響を受けるようなことはなく、安定した歩行や走行(高速歩行)動作が可能となる。
In the leg type mechanism of the present invention, it has a torque detecting means for detecting the torque of the ankle joint, and the torque detecting means detects the torque of the ankle joint when the one of the two is landing, Therefore, it is preferable that the servo gain of the actuator to be changed when the one of the two reaches the ground is determined.
As a result, when either one of the toes or the heel on the back of the foot of the foot is landed, the position fixing force by the actuator is adjusted according to the torque of the ankle joint at that time, and the floor reaction force naturally The ankle joint can be driven (passively) so that the entire sole is landed. Therefore, the optimal ankle joint angle can be obtained regardless of the landing angle of the sole of the foot when landing, so that the posture is not adversely affected by a sudden load, and stable walking and running (high-speed walking) motion Is possible.
本発明の脚式機構では、前記アクチュエータは、ピッチ用のアクチュエータとロール用のアクチュエータとを有し、前記一方が着床したときに、前記ピッチ用のアクチュエータと前記ロール用のアクチュエータとの少なくとも一方のサーボゲインを定常値から低減または0にするよう構成されているのが好ましい。
これにより、足部の足裏面の爪先と踵とのいずれか一方が着床したときに、ピッチ用のアクチュエータやロール用のアクチュエータのサーボゲインを定常値から低減または0にすることにより、そのアクチュエータによる位置固定力を弱くして、床反力により自然に(受動的に)足裏面全体が着床するように足首関節を駆動させることができる。従って、着床時に足裏面の着床角度に関係なく、最適な足首関節角度が得られるので、急激な荷重によって姿勢が悪影響を受けるようなことはなく、安定した歩行や走行(高速歩行)動作が可能となる。
In the leg type mechanism of the present invention, the actuator includes a pitch actuator and a roll actuator, and when one of the actuators is landed, at least one of the pitch actuator and the roll actuator. It is preferable that the servo gain is reduced from a steady value to zero.
As a result, when either the toe or the heel on the foot sole of the foot is landed, the servo gain of the actuator for the pitch or the actuator for the roll is reduced from the steady value or is reduced to 0, so that the actuator The ankle joint can be driven so that the entire back surface of the foot is naturally (passively) landed by the floor reaction force by weakening the position fixing force due to. Therefore, the optimal ankle joint angle can be obtained regardless of the landing angle of the sole of the foot when landing, so that the posture is not adversely affected by a sudden load, and stable walking and running (high-speed walking) motion Is possible.
本発明の脚式機構では、前記足首関節のピッチ軸におけるトルクおよびロール軸におけるトルクをそれぞれ検出するトルク検出手段を有し、
前記アクチュエータは、ピッチ用のアクチュエータとロール用のアクチュエータとを有し、
前記トルク検出手段により、前記一方が着床したときの前記足首関節のピッチ軸におけるトルクおよびロール軸におけるトルクをそれぞれ検出し、この検出値に基いて、前記一方が着床したときに変更する前記ピッチ用のアクチュエータおよび前記ロール用のアクチュエータのサーボゲインをそれぞれ定め、前記一方が着床したときに、前記ピッチ用のアクチュエータおよび前記ロール用のアクチュエータのサーボゲインをそれぞれ定常値から低減または0にするよう構成されているのが好ましい。
これにより、さらに安定した歩行や走行(高速歩行)動作を行なうことができる。
本発明の脚式機構では、前記着床検出手段は、圧力センサであるのが好ましい。
これにより、簡易な構成で、目的部位の着床を検出することができる。
In the leg type mechanism of the present invention, the leg type mechanism has torque detecting means for detecting the torque on the pitch axis of the ankle joint and the torque on the roll axis, respectively.
The actuator has a pitch actuator and a roll actuator,
The torque detecting means detects the torque at the pitch axis and the torque at the roll shaft of the ankle joint when the one is landed, and changes when the one is landed based on the detected value. Servo gains of the pitch actuator and the roll actuator are respectively determined, and when the one of the actuators reaches the floor, the servo gains of the pitch actuator and the roll actuator are respectively reduced from a steady value or made zero. It is preferable that it is comprised.
Thereby, more stable walking and running (high-speed walking) can be performed.
In the leg type mechanism of the present invention, the landing detection means is preferably a pressure sensor.
Thereby, the landing of the target site can be detected with a simple configuration.
本発明の脚式機構の制御方法は、少なくとも足部、足首関節および該足首関節を駆動するアクチュエータを有する脚を少なくとも1つ備え、前記脚による歩行・走行の動作時に、前記足部の足裏面の爪先と踵とのいずれか一方から着床するように制御される脚式機構の制御方法であって、
前記足部の足裏面の爪先と踵とのいずれか一方が着床したときに、前記アクチュエータのサーボゲインを定常値から低減または0にすることを特徴とする。
The method for controlling a leg-type mechanism according to the present invention includes at least one leg having at least a foot, an ankle joint, and an actuator for driving the ankle joint. A control method for a legged mechanism that is controlled to land from either one of the toes or the heel of
The servo gain of the actuator is reduced from a steady value or is reduced to zero when any one of a toe and a heel on the foot sole of the foot is landed.
これにより、足部の足裏面の爪先と踵とのいずれか一方が着床したときに、アクチュエータによる位置固定力を弱くして、床反力により自然に(受動的に)足裏面全体が着床するように足首関節を駆動させることができる。従って、着床時に足裏面の着床角度に関係なく、最適な足首関節角度が得られるので、急激な荷重によって姿勢が悪影響を受けるようなことはなく、安定した歩行や走行(高速歩行)動作が可能となる。 As a result, when either the toes or the heel on the foot sole of the foot is landed, the position fixing force by the actuator is weakened, and the entire foot sole is naturally (passively) worn by the floor reaction force. The ankle joint can be driven to floor. Therefore, the optimal ankle joint angle can be obtained regardless of the landing angle of the sole of the foot when landing, so that the posture is not adversely affected by a sudden load, and stable walking and running (high-speed walking) motion Is possible.
本発明の脚式機構の制御方法では、前記足部の足裏面の爪先または踵のいずれか一方が着床したときの前記足首関節のトルクを検出し、この検出値に基いて、該一方が着床したときに変更する前記アクチュエータのサーボゲインを定めるのが好ましい。
これにより、足部の足裏面の爪先と踵とのいずれか一方が着床したときに、そのときの足首関節のトルクに応じてアクチュエータによる位置固定力を調節して、床反力により自然に(受動的に)足裏面全体が着床するように足首関節を駆動させることができる。従って、着床時に足裏面の着床角度に関係なく、最適な足首関節角度が得られるので、急激な荷重によって姿勢が悪影響を受けるようなことはなく、安定した歩行や走行(高速歩行)動作が可能となる。
In the control method of the leg type mechanism of the present invention, the torque of the ankle joint when either the toe or the heel on the foot sole of the foot is landed is detected, and based on this detection value, It is preferable to determine the servo gain of the actuator that is changed when landing.
As a result, when either one of the toes or the heel on the back of the foot of the foot is landed, the position fixing force by the actuator is adjusted according to the torque of the ankle joint at that time, and the floor reaction force naturally The ankle joint can be driven (passively) so that the entire sole is landed. Therefore, the optimal ankle joint angle can be obtained regardless of the landing angle of the sole of the foot when landing, so that the posture is not adversely affected by a sudden load, and stable walking and running (high-speed walking) motion Is possible.
本発明の脚式機構の制御方法では、前記足部の足裏面の爪先と踵とのいずれか一方が着床し、その後に他方が着床したときに、前記アクチュエータのサーボゲインを定常値に戻すのが好ましい。
これにより、受動的な動作の次の能動的な動作に備えることができる。従って、安定した歩行や走行(高速歩行)動作を連続して行なうことができる。
In the control method of the leg type mechanism according to the present invention, when one of the toe and the heel on the foot sole of the foot is landed and then the other is landed, the servo gain of the actuator is set to a steady value. It is preferable to return.
As a result, it is possible to prepare for the next active operation after the passive operation. Therefore, stable walking and running (high speed walking) can be performed continuously.
以下、本発明の脚式機構および脚式機構の制御方法を添付図面に示す好適実施形態に基づいて詳細に説明する。
図1〜図4には、本発明による脚式機構および脚式機構の制御方法の実施形態が示されていて、図1は、脚式機構の全体を示す概略図、図2は、脚式機構の駆動制御系を示すブロック図、図3は、脚式機構のサーボ制御系を示すブロック図、図4は、脚式機構の動作パターンを示す説明図である。
Hereinafter, the leg type mechanism and the control method of the leg type mechanism of the present invention will be described in detail based on preferred embodiments shown in the accompanying drawings.
1 to 4 show an embodiment of a leg-type mechanism and a control method of the leg-type mechanism according to the present invention. FIG. 1 is a schematic view showing the entire leg-type mechanism, and FIG. FIG. 3 is a block diagram showing a drive control system of the mechanism, FIG. 3 is a block diagram showing a servo control system of the leg type mechanism, and FIG. 4 is an explanatory diagram showing an operation pattern of the leg type mechanism.
これらの図に示す実施形態は、リンク機構を用いた脚式2足歩行ロボット1の右脚3および左脚13の一対の脚3、13に本発明による脚式機構を適用したものであって、図1の矢印A方向が脚式2足歩行ロボット1の前方(前側)であり、図1の左側が脚式2足歩行ロボット1の右側であり、図1の右側が脚式2足歩行ロボット1の左側である。
脚式機構である右脚3は、右大腿部4と右下腿部5と右足部6とをリンク要素とするリンク機構であって、右大腿部4は右股関節7を介して胴体部2に連結され、右下腿部5は右膝関節8を介して右大腿部4に連結され、右足部6は右足首関節9を介して右下腿部5に連結されている。
In the embodiments shown in these drawings, the leg mechanism according to the present invention is applied to the pair of
The
右股関節7は、右足ヨー角アクチュエータ(コントロールモータ)R1と、右足ピッチ角アクチュエータ(コントロールモータ)R2と、右足ロール角アクチュエータ(コントロールモータ)R3と、これらのコントロールモータR1〜R3の動力を右大腿部4に伝達させる減速機等からなる動力機構(図示せず)と、右股関節7の角度、角速度を検出する位置センサ、速度センサ等のセンサ(エンコーダ、ポテンショメータ等)S1〜S3とを有し、前記コントロールモータR1〜R3の駆動により動力伝達機構を介して右大腿部4が胴体部2に対して駆動される。
The
右膝関節8は、右足膝ピッチ角アクチュエータ(コントロールモータ)R4と、このコントロールモータR4の動力を右下腿部5に伝達させる減速機等からなる動力伝達機構(図示せず)と、右膝関節8の角度、角速度を検出する位置センサ、速度センサ等のセンサ(エンコーダ、ポテンショメータ等)S4とを有し、前記コントロールモータR4の駆動により動力伝達機構を介して右下腿部5が右大腿部4に対して駆動される。
The
右足首関節9は、右足平ピッチ角アクチュエータ(コントロールモータ)R5と、右足平ロール角アクチュエータ(コントロールモータ)R6と、これらのコントロールモータR5、R6の動力を右足部6に伝達させる減速機等からなる動力伝達機構(図示せず)と、右足首関節9の角度、角速度を検出する位置センサ、速度センサ等のセンサ(エンコーダ、ポテンショメータ等)S5、S6と、右足部6の踵に設けられる踵用圧力センサ(第1の着床検出手段)S13と、右足部6の爪先に設けられる爪先用圧力センサ(第2の着床検出手段)S14と、右足平ピッチ角アクチュエータ(コントロールモータ)R5のトルク(ピッチ軸におけるトルク)を検出するピッチ用トルクセンサ(トルク検出手段)S15と、右足平ロール角アクチュエータ(コントロールモータ)R6のトルク(ロール軸におけるトルク)を検出するロール用トルクセンサ(トルク検出手段)S16とを有し、前記コントロールモータR5、R6の駆動により動力伝達機構を介して右足部6が右下腿部5に対して駆動される。
The
脚式機構である左脚13は、左大腿部14と左下腿部15と左足部16とをリンク要素とするリンク機構であって、左大腿部14は左股関節17を介して胴体部2に連結され、左下腿部15は左膝関節18を介して左大腿部14に連結され、左足部16は左足首関節19を介して左下腿部15に連結されている。
左股関節17は、左足ヨー角アクチュエータ(コントロールモータ)L1と、左足ピッチ角アクチュエータ(コントロールモータ)L2と、左足ロール角アクチュエータ(コントロールモータ)L3と、これらのコントロールモータL1〜L3の動力を左大腿部14に伝達させる減速機等からなる動力機構(図示せず)と、左股関節17の角度、角速度を検出する位置センサ、速度センサ等のセンサ(エンコーダ、ポテンショメータ等)S7〜S9とを有し、前記コントロールモータL1〜L3の駆動により動力伝達機構を介して左大腿部14が胴体部2に対して駆動される。
The
The left hip joint 17 has a left foot yaw angle actuator (control motor) L1, a left foot pitch angle actuator (control motor) L2, a left foot roll angle actuator (control motor) L3, and the power of these control motors L1 to L3. A power mechanism (not shown) including a speed reducer to be transmitted to the
左膝関節18は、左足膝ピッチ角アクチュエータ(コントロールモータ)L4と、このコントロールモータL4の動力を左下腿部15に伝達させる減速機等からなる動力伝達機構(図示せず)と、左膝関節18の角度、角速度を検出する位置センサ、速度センサ等のセンサ(エンコーダ、ポテンショメータ等)S10とを有し、前記コントロールモータL14の駆動により動力伝達機構を介して左下腿部15が左大腿部14に対して駆動される。
The left knee joint 18 includes a left foot knee pitch angle actuator (control motor) L4, a power transmission mechanism (not shown) including a reduction gear for transmitting the power of the control motor L4 to the left
左足首関節19は、左足平ピッチ角アクチュエータ(コントロールモータ)L5と、左足平ロール角アクチュエータ(コントロールモータ)L6と、これらのコントロールモータL5、L6の動力を左足部16に伝達させる減速機等からなる動力伝達機構(図示せず)と、左足首関節19の角度、角速度を検出する位置センサ、速度センサ等のセンサ(エンコーダ、ポテンショメータ等)S11、S12と、左足部16の踵に設けられる踵用圧力センサ(第1の着床検出手段)S13と、左足部16の爪先に設けられる爪先用圧力センサ(第2の着床検出手段)S14と、左足平ピッチ角アクチュエータ(コントロールモータ)L5のトルク(ピッチ軸におけるトルク)を検出するピッチ用トルクセンサ(トルク検出手段)S15と、左足平ロール角アクチュエータ(コントロールモータ)L6のトルク(ロール軸におけるトルク)を検出するロール用トルクセンサ(トルク検出手段)S16とを有し、前記コントロールモータL5、L6の駆動により動力伝達機構を介して左足部16が右下腿部15に対して駆動される。
The left ankle joint 19 includes a left foot pitch angle actuator (control motor) L5, a left foot roll angle actuator (control motor) L6, and a speed reducer that transmits the power of these control motors L5 and L6 to the
図2は、前述した右脚3および左脚13の駆動制御系を示すブロック図、図3はサーボ制御系のブロック図である。
この駆動制御系は、右脚3および左脚13の各関節7〜9、17〜19の作動を制御する制御部20を有し、この制御部20は、図示しないCPU(Central Processing Unit)と、脚式2足歩行ロボット1の脚式機構である脚3、13の制御動作を実行するためのプログラム等の各種プログラムおよび各種データを記憶(格納)する図示しない記憶部と、位置制御器21と、速度制御器22とを有している。位置制御器21および速度制御器22としては、それぞれ、特に限定されず、例えば、PID制御器等を用いることができる。
FIG. 2 is a block diagram showing the drive control system of the
The drive control system includes a
制御部20は、目標値(位置指令、速度指令)および各関節7〜9、17〜19やその近傍に設けられている位置センサ、速度センサ等のセンサ(エンコーダ、ポテンショメータ等)S1〜S12からの入力信号(検出信号)(位置情報、その時間微分値)に基づいて、ドライバD1〜D12を介して各コントロールモータR1〜R6、L1〜L6に駆動電流(駆動電圧)を出力し、各コントロールモータR1〜R6、L1〜L6の駆動を制御する。
The
また、制御部20は、足部6、16の踵に設けられている踵用圧力センサS13、爪先に設けられている爪先用圧力センサS14からの入力信号(検出信号)、および足首関節9、19のピッチ軸、ロール軸の減速機(図示せず)に設けられているピッチ用トルクセンサS15、ロール用トルクセンサS16からの入力信号(検出信号)に基づいて、足首関節9、19の足平ピッチ角コントロールモータR5、L5および足平ロール角コントロールモータR6、L6のサーボゲインをそれぞれ制御する。
The
すなわち、足首関節9、19の足平ピッチ角コントロールモータR5、L5および足平ロール角コントロールモータR6、L6のそれぞれについて、位置指令、速度指令を入力として位置情報をフィードバックするPWM(Pulse Width Mdulation)制御系により、エンコーダ、ポテンショメータ等からの位置情報を基に位置制御、速度制御を行なう各制御の制御パラメータ値(各制御のサーボゲイン)のうちの少なくとも1つを小さくしたり、また、0にすることにより、制御系(サーボ制御系)全体のサーボゲインを定常値(通常値)から低減または0にする。具体的には、本実施形態では、図3の位置制御器21のKpと速度制御器22のKdとの少なくとも一方のパラメータ値を小さい値に変更したり、また、0にすることにより、制御系全体のサーボゲインを定常値から低減または0にする。なお、制御系全体のサーボゲインを0にすると、その制御対象のコントロールモータは、フリー(フリー状態)となる。
以下、制御パラメータ値やサーボゲインを低減または0にすることを、単に「低減する」または「小さくする」等と省略して言う場合もある。
That is, for each of the foot pitch angle control motors R5 and L5 and the foot roll angle control motors R6 and L6 of the
Hereinafter, reducing or setting the control parameter value or the servo gain to 0 is sometimes simply referred to as “reducing” or “decreasing”.
次に、脚式2足歩行ロボット1の各脚3、13の動作について、代表的に、右脚3を用いて具体的に説明する。
この脚式2足歩行ロボット1では、制御部20からドライバD1を介して右股関節7の右足ヨー角コントロールモータR1に駆動電流が出力されると、右足ヨー角コントロールモータR1の回転力が伝達機構(図示せず)を介して右脚3に伝達され、右脚3が胴体部2に対して左右方向に旋回する。
Next, the operation of the
In this legged
また、制御部20からドライバD2を介して右股関節7の右足ピッチ角コントロールモータR2に駆動電流が出力されると、右足ピッチ角コントロールモータR2の回転力が伝達機構(図示せず)を介して右大腿部4に伝達され、右大腿部4が前後に揺動する。
さらに、制御部20からドライバD3を介して右股関節7の右足ロール角コントロールモータR3に駆動電流が出力されると、右足ロール角コントロールモータR3の回転力が伝達機構(図示せず)を介して右大腿部4に伝達され、右大腿部3が左右に揺動する。
When a drive current is output from the
Further, when a drive current is output from the
さらに、制御部20からドライバD4を介して右膝関節8の右足膝ピッチ角コントロールモータR4に駆動電流が出力されると、右足膝ピッチ角コントロールモータR4の回転力が伝達機構(図示せず)を介して右下腿部5に伝達され、右下腿部5が前後に揺動する。
さらに、制御部20からドライバD5を介して右足首関節9の右足平ピッチ角コントロールモータR5に駆動電流が出力されると、右足平ピッチ角コントロールモータR5の回転力が伝達機構(図示せず)を介して右足部6に伝達され、右足部6が前後に揺動する。
Further, when a drive current is output from the
Further, when a driving current is output from the
さらに、制御部20からドライバD6を介して右足首関節9の右足平ロール角コントロールモータR6に駆動電流が出力されると、右足平ロール角コントロールモータR6の回転力が伝達機構(図示せず)を介して右足部6に伝達され、右足部6が左右に揺動する。
なお、左脚13の動作については、右脚3と同様であるので、その詳細な説明は省略するものとする。
Further, when a drive current is output from the
Since the operation of the
上記のような構成の脚式2足歩行ロボット1においては、目標歩行速度(目標走行速度)等の目標値が決定されると、ドライバD1〜D12を介し、コントロールモータR1〜R6、L1〜L6のうちの所定のコントロールモータR1〜R6、L1〜L6を駆動する。この場合、センサS1〜S12からの入力信号に基づいて、右脚3および左脚13の各関節7〜9、17〜19の駆動量や駆動速度を検出(算出)し、この検出値および目標値に基づいて、コントロールモータR1〜R6、L1〜L6の駆動を制御する。例えば、低速歩行では足部6、16を略水平に保った状態で行うことも可能であるが、高速歩行(走行)では足部6、16の足裏面の踵から着床し、最後に足裏面の爪先を離床する形態が採られる。
In the legged
高速歩行(走行)においては、図4に示すように、以下のSTEP1〜STEP3の動作が、右脚3と左脚13とで交互に繰り返される。なお、以下のSTEP1〜STEP3では、代表的に、右脚3の動作のみを説明する。
(STEP1)
遊脚(空中に浮いている脚)である右脚3の足部6が踵から着床し、そのときの床反力(足部6の踵にかかる圧力)が踵用圧力センサS13により検出され、足首関節9のピッチ用トルクセンサS15およびロール用トルクセンサS16により着床衝撃トルクが検出される。この場合、踵用圧力センサS13により検出される検出値が予め設定されているしきい値を超えると、踵が着床したものと判断し、ピッチ用トルクセンサS15およびロール用トルクセンサS16の検出値に基いて、足首関節9の各コントロールモータ(ピッチ、ロール)R5、R6の制御パラメータが小さく変更され、これらのコントロールモータR5、R6のサーボゲインが瞬時(例えば1〜3msec程度)に低減される。
In high-speed walking (running), as shown in FIG. 4, the following
(STEP1)
The
すなわち、ピッチ用トルクセンサS15の検出値に基いて、足首関節9のコントロールモータR5の各制御パラメータ(サーボゲイン)を定め(求め)、コントロールモータR5の各制御パラメータを、それぞれ、その値に設定する。これにより、コントロールモータR5の各制御パラメータが定常時より小さい値に変更され、このコントロールモータR5の制御系全体のサーボゲインが低減される。なお、ピッチ用トルクセンサS15の検出値が大きいほど、コントロールモータR5の制御系全体のサーボゲインは、大きく設定される。
That is, each control parameter (servo gain) of the control motor R5 of the
また、ロール用トルクセンサS16の検出値に基いて、足首関節9のコントロールモータR6の各制御パラメータ(サーボゲイン)を定め(求め)、コントロールモータR6の各制御パラメータを、それぞれ、その値に設定する。これにより、コントロールモータR6の各制御パラメータが定常時より小さい値に変更され、このコントロールモータR6の制御系全体のサーボゲインが低減される。なお、ロール用トルクセンサS16の検出値が大きいほど、コントロールモータR6の制御系全体のサーボゲインは、大きく設定される。
Further, based on the detection value of the roll torque sensor S16, each control parameter (servo gain) of the control motor R6 of the
ここで、前記コントロールモータR5およびR6のそれぞれにおいて、制御系全体のサーボゲインは、定常値(通常値)の80%以下とされるのが好ましく、定常値の50%以下とされるのがより好ましく、定常値の5〜50%程度とされるのがさらに好ましい。
なお、その他の関節7、8については、それぞれ、定常(通常)のサーボゲインのまま駆動する。
Here, in each of the control motors R5 and R6, the servo gain of the entire control system is preferably 80% or less of the steady value (normal value), and more preferably 50% or less of the steady value. Preferably, it is more preferably about 5 to 50% of the steady value.
The
(SETP2)
着床による床反力によって、足部6は、下腿部5に対して相対的に、足首関節9のピッチ軸およびロール軸を中心に受動的に回動、すなわち、足部6の爪先が着床(足裏面全体が着床)する方向へ受動的に駆動され、足部6の足裏面全体で着床する。そのときの床反力(足部6の爪先にかかる圧力)が爪先用圧力センサS14により検出され、この爪先用圧力センサS14により検出される検出値が予め設定されているしきい値を超えると、爪先が着床、すなわち、足部6の足裏面全体が着床したものと判断する。この場合、前記受動回動中も各位置情報は、それぞれ、制御部20に入力される。
(SETP2)
Due to the floor reaction force caused by the landing, the
(SETP3)
足部6の爪先が着床、すなわち、足部6の足裏面全体が着床すると、コントロールモータR5の制御系全体のサーボゲインおよびコントロールモータR6の制御系全体のサーボゲインを、それぞれ定常値に戻し、受動駆動から能動駆動へ復帰させる。このとき、受動駆動により変更された位置(関節角度)を現在位置として、次の能動駆動の目標値を計算する。
(SETP3)
When the toes of the
この場合、爪先用圧力センサS14により足部6の爪先の着床が検出されると、瞬時に前記サーボゲインを定常値に戻してもよく、また、爪先用圧力センサS14により足部6の爪先の着床が検出されたときから、所定時間遅延させて、前記サーボゲインを定常値に戻してもよい。この遅延時間を設けるか否かや、遅延時間の値は、歩行(走行)形態に応じて決定される。
この後、次の能動的な動作パターンを実行する。
上記のようなSTEP1〜SETP3を、右脚3と左脚13とで交互に繰り返すことにより、歩行や走行(高速歩行)が可能となる。
In this case, when the toe pressure sensor S14 detects the landing of the toe of the
Thereafter, the next active operation pattern is executed.
By repeating the above STEP1 to SETP3 alternately with the
以上述べたように、この脚式2足歩行ロボット1(本実施形態の脚式機構および脚式機構の制御方法)によれば、脚(遊脚)3、13の足部6、16の踵が着床する瞬間に、足首関節9、19のピッチ用トルクセンサS15およびロール用トルクセンサS16からの信号に応じて、足首関節9、19のコントロールモータ(ピッチ軸、ロール軸)R1〜R6、L1〜L6のサーボゲインを定常値から低減するように構成したので、サーボゲインが低減されたコントロールモータR1〜R6、L1〜L6は、位置固定力が弱くなり、床反力によって受動的に足裏面全体が着床するように足首関節9、19が駆動される。そして、足部6、16の爪先(足裏面全体)が着床すると、前記サーボゲインを定常値へ戻すように構成したので、次の能動的な動作に備えることができる。
As described above, according to this legged bipedal walking robot 1 (the legged mechanism and the control method of the legged mechanism of the present embodiment), the heels of the
従って、足部6、16の足裏面の一部より着床するような歩行や走行を行なう場合、歩行速度(走行速度)や足裏面着床角度に関係なく、着床時に足裏面に掛かる力(床反力)を利用して、自然に(受動的に)、足首関節角度を着床時の最適な足首関節角度をなすように変化させることができるので、着床から離床までのステップにおいて、急激な荷重変動を防止(または抑制)することができ、また、衝撃や振動等も防止(または抑制)することができる。また、衝撃トルクに見合った(応じた)サーボゲインの設定(コントロール)を行なうので、衝撃や振動等をより確実に防止(または抑制)することができる。これにより、円滑な着床、荷重移動がなされ、安定した歩行や走行(高速歩行)動作を行なうことができる。
Therefore, when walking or running such as landing from a part of the soles of the
以上、本発明の脚式機構および脚式機構の制御方法を、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。
なお、前記実施形態においては、足部の足裏面の踵から着床するように構成されているが、本発明では、これに限らず、足部の足裏面の爪先から着床するように構成されていてもよい。爪先から着床する動作パターンにおいても、前記踵から着床する動作パターンと同様の作用、効果を奏する。
As mentioned above, although the leg type mechanism and the control method of the leg type mechanism of the present invention have been described based on the illustrated embodiment, the present invention is not limited to this, and the configuration of each part has the same function. Any configuration can be substituted. In addition, any other component may be added to the present invention.
In addition, in the said embodiment, although comprised so that it may land from the heel of the foot sole of a foot part, in this invention, not only this but it is comprised so that it may land from the toe of the foot sole of a foot part. May be. Also in the operation pattern of landing from the toe, the same operation and effect as the operation pattern of landing from the heel are obtained.
また、前記実施形態においては、足首関節のアクチュエータのサーボゲインのみを低減または0にしたが、本発明では、これに限らず、足首関節のアクチュエータとともに、他の間接のアクチュエータ、例えば、膝関節のアクチュエータや股関節のアクチュエータのサーボゲインを低減または0にしてもよい。
また、本発明の用途は、前記脚式2足歩行ロボットに限定されず、本発明は、例えば、少なくとも1つの脚(例えば、4つの脚)を有する各種ロボットや、儀足等に適用することができる。
In the above embodiment, only the servo gain of the ankle joint actuator is reduced or set to 0. However, the present invention is not limited to this. In addition to the ankle joint actuator, other indirect actuators such as the knee joint The servo gain of the actuator or the hip joint actuator may be reduced or made zero.
The application of the present invention is not limited to the legged biped robot, and the present invention is applied to, for example, various robots having at least one leg (for example, four legs), limbs, and the like. Can do.
1 脚式2足歩行ロボット、2 胴体部、3 右脚、4 右大腿部、5 右下腿部、6 右足部、7 右股関節、8 右膝関節、9 右足首関節、13 左脚、14 左大腿部、15 左下腿部、16 左足部、17 左股関節、18 左膝関節、19 左足首関節、20 制御部、21 位置制御器、22 速度制御器、R1 右足ヨー角アクチュエータ、R2 右足ピッチ角アクチュエータ、R3 右足ロール角アクチュエータ、R4 右足膝ピッチ角アクチュエータ、R5 右足平ピッチ角アクチュエータ、R6 右足平ロール角アクチュエータ、L1 左足ヨー角アクチュエータ、L2 左足ピッチ角アクチュエータ、L3 左足ロール角アクチュエータ、L4 左足膝ピッチ角アクチュエータ、L5 左足平ピッチ角アクチュエータ、L6 左足平ロール角アクチュエータ、S1〜S12 センサ、S13 踵用圧力センサ、S14 爪先用圧力センサ、S15 ピッチ用トルクセンサ、S16 ロール用トルクセンサ、D1〜D12 ドライバ 1 legged biped robot, 2 torso, 3 right leg, 4 right thigh, 5 right lower leg, 6 right foot, 7 right hip joint, 8 right knee joint, 9 right ankle joint, 13 left leg, 14 left thigh, 15 left lower leg, 16 left foot, 17 left hip joint, 18 left knee joint, 19 left ankle joint, 20 control unit, 21 position controller, 22 speed controller, R1 right foot yaw angle actuator, R2 Right foot pitch angle actuator, R3 Right foot roll angle actuator, R4 Right foot knee pitch angle actuator, R5 Right foot pitch angle actuator, R6 Right foot roll angle actuator, L1 Left foot yaw angle actuator, L2 Left foot pitch angle actuator, L3 Left foot roll angle actuator, L4 Left foot knee pitch angle actuator, L5 Left foot pitch angle actuator, L6 Left foot low Angular actuator, S1 to S12 sensor, S13 heel pressure sensor, S14 toe pressure sensor, a torque sensor S15 pitch, torque sensor S16 roll, D1 to D12 driver
Claims (11)
前記足部の足裏面の爪先と踵とのいずれか一方の着床を検出する着床検出手段と、該着床検出手段により前記一方の着床が検出されたときに、前記アクチュエータのサーボゲインを定常値から低減または0にする制御部とを備えていることを特徴とする脚式機構。 At least one leg having at least a foot, an ankle joint, and an actuator for driving the ankle joint is provided, and the foot can be worn from one of the toes and the heel on the back surface of the foot when walking or running with the leg. A legged mechanism configured to floor,
Landing detection means for detecting the landing of either one of the toe or the heel on the back surface of the foot, and when the one landing is detected by the landing detection means, the servo gain of the actuator And a control unit that reduces the value from a steady value to zero.
前記足部の足裏面の爪先と踵とのいずれか一方の着床を検出する第1の着床検出手段と、他方の着床を検出する第2の着床検出手段と、該第1の着床検出手段により前記一方の着床が検出されたときに、前記アクチュエータのサーボゲインを定常値から低減または0にする制御部とを備えていることを特徴とする脚式機構。 At least one leg having at least a foot, an ankle joint, and an actuator for driving the ankle joint is provided, and the foot can be worn from one of the toes and the heel on the back surface of the foot when walking or running with the leg. A legged mechanism configured to floor,
A first landing detecting means for detecting the landing of one of the toes and the heel on the sole of the foot of the foot; a second landing detecting means for detecting the other landing; and the first And a control unit that reduces the servo gain of the actuator from a steady value or zero when the one landing is detected by the landing detecting means.
前記アクチュエータは、ピッチ用のアクチュエータとロール用のアクチュエータとを有し、
前記トルク検出手段により、前記一方が着床したときの前記足首関節のピッチ軸におけるトルクおよびロール軸におけるトルクをそれぞれ検出し、この検出値に基いて、前記一方が着床したときに変更する前記ピッチ用のアクチュエータおよび前記ロール用のアクチュエータのサーボゲインをそれぞれ定め、前記一方が着床したときに、前記ピッチ用のアクチュエータおよび前記ロール用のアクチュエータのサーボゲインをそれぞれ定常値から低減または0にするよう構成されている請求項1ないし4のいずれかに記載の脚式機構。 Torque detecting means for detecting the torque on the pitch axis and the torque on the roll axis of the ankle joint,
The actuator has a pitch actuator and a roll actuator,
The torque detecting means detects the torque at the pitch axis and the torque at the roll shaft of the ankle joint when the one is landed, and changes when the one is landed based on the detected value. Servo gains of the pitch actuator and the roll actuator are respectively determined, and when the one of the actuators reaches the floor, the servo gains of the pitch actuator and the roll actuator are respectively reduced from a steady value or made zero. The leg type mechanism according to any one of claims 1 to 4, which is configured as described above.
前記足部の足裏面の爪先と踵とのいずれか一方が着床したときに、前記アクチュエータのサーボゲインを定常値から低減または0にすることを特徴とする脚式機構の制御方法。 At least one leg having at least a foot, an ankle joint, and an actuator for driving the ankle joint is provided, and the foot can be worn from one of the toes and the heel on the back surface of the foot when walking or running with the leg. A control method for a legged mechanism that is controlled to floor,
A control method for a legged mechanism, wherein the servo gain of the actuator is reduced from a steady value or is reduced to zero when any one of a toe and a heel on the foot sole of the foot is landed.
The leg type according to claim 9 or 10, wherein the servo gain of the actuator is returned to a steady value when one of a toe and a heel on the foot sole of the foot is landed and the other is subsequently landed. Mechanism control method.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2010058253A (en) * | 2008-09-08 | 2010-03-18 | Waseda Univ | Control device and method for biped walking robot |
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- 2003-08-28 JP JP2003304573A patent/JP2005074528A/en not_active Withdrawn
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