JP2005088189A - Program for generating motion pattern of robot, motion pattern generating device, and robot using it - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To adopt a state of a knee joint part being completely stretched like human walking action during the walking action. <P>SOLUTION: In a program for generating a motion pattern of a robot, one of joint angles on at least one of leg parts is arbitrarily preset, and a joint angle except the preset joint angle is obtained by adding change to at least a part of a toe track and/or a waist track based on a prescribed restraint condition in a state where the toe track which is the track of a toe part, and the waist track which is the track of a waist part, are temporarily set, and thereafter calculating reverse kinematic analysis concerning the arbitrary toe track and/or waist track. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、ロボットの運動パターン作成用プログラム、並びに運動パターン作成装置及びそれを用いたロボットに係り、更に詳しくは、二足歩行型ロボット等の脚式ロボットに対し、脚を使って歩行する人間の歩行動作等の各種運動を行えるようにするロボットの運動パターン作成用プログラム、並びに運動パターン作成装置及びそれを用いたロボットに関する。   The present invention relates to a robot motion pattern creation program, a motion pattern creation device, and a robot using the same, and more particularly, to a legged robot such as a bipedal walking robot. The present invention relates to a robot motion pattern creation program, a motion pattern creation device, and a robot using the same.

近時における殆どの二足歩行型ロボットは、関節部が複数設けられた左右一対の脚部と、これら脚部の下端側に連なる左右一対の足先部と、前記脚部の上端側に配置された腰部とを下肢部分に備え、当該下肢部分が左右それぞれ6自由度に設定されている。前記各関節部における各関節角度は、足先部と腰部との相対位置及び姿勢に基づき、立脚、遊脚問わず、6自由度の逆運動学解を算出することで得られる。この場合、膝関節部が完全に伸展する時、すなわち、膝関節部を挟んだ上下両側の脚部領域が相互に略一直線状となる時は、膝関節部の角速度が無限になる特異点になるため、逆運動学解の算出に際し、膝関節部が完全に伸展しない範囲で、歩行パターンが作成されるように調整される(非特許文献1及び2参照)。
広瀬茂男著、「ロボット工学(改定版)−機械システムのベクトル解析」、第1版、裳華房、1987年12月、p.157−187 吉川恒夫著、「ロボット制御基礎論」、初版、コロナ社、1988年11月、p.11−68
Most recent bipedal robots are arranged on a pair of left and right legs with a plurality of joints, a pair of left and right toes connected to the lower ends of these legs, and the upper ends of the legs. The lower limb portion is provided with a lower waist portion, and the lower limb portion is set to 6 degrees of freedom on the left and right. Each joint angle in each joint part is obtained by calculating an inverse kinematic solution with 6 degrees of freedom regardless of a standing leg or a free leg based on the relative position and posture of the toe part and the waist part. In this case, when the knee joint part is fully extended, that is, when the leg regions on both the upper and lower sides sandwiching the knee joint part are substantially straight with each other, the angular velocity of the knee joint part becomes an infinite point. Therefore, when calculating the inverse kinematic solution, adjustment is made so that the walking pattern is created within a range in which the knee joint portion does not extend completely (see Non-Patent Documents 1 and 2).
Hirose Shigeo, “Robot Engineering (Revised Edition)-Vector Analysis of Mechanical Systems”, 1st Edition, Hanafusa, December 1987, p. 157-187 Yoshikawa Tsuneo, “Robot Control Basics”, First Edition, Corona, November 1988, p. 11-68

しかしながら、前記従来の二足歩行型ロボットにあっては、前記特異点回避の目的により、常時、膝関節部が屈曲した状態で歩行動作を行わなければならず、人間の歩行動作と異なり、膝関節部が完全に伸展した状態を歩行動作の一部に採り入れることができない。これにより、膝関節部に作用するトルクが増してエネルギー消費が増大する他、人間よりも可動範囲が狭くなるという不都合がある。   However, in the conventional biped robot, for the purpose of avoiding the singular point, it is necessary to always perform a walking motion with the knee joint bent, and unlike a human walking motion, The state where the joint part is fully extended cannot be taken as a part of the walking motion. As a result, the torque acting on the knee joint portion increases and energy consumption increases, and the movable range is narrower than that of humans.

本発明は、このような不都合に着目して案出されたものであり、その目的は、脚部を構成する一部の関節部の角度を制限なく自由に設定できる運動パターンを作成することができ、特に、人間等の歩行動作のように、膝関節部が完全に伸展した状態を歩行動作中に採り入れ可能にするロボットの運動パターン作成用プログラム、並びに運動パターン作成装置及びそれを用いたロボットを提供することにある。   The present invention has been devised by paying attention to such inconveniences, and an object of the present invention is to create an exercise pattern in which the angles of some joint portions constituting the leg portion can be freely set without limitation. In particular, a motion pattern creation program for a robot, and a motion pattern creation device and a robot using the same, which can adopt a state in which the knee joint portion is completely extended like a walking motion of a human or the like during a walking motion Is to provide.

(1)前記目的を達成するため、複数の関節部からなる複数の脚部と、当該脚部の下端側にそれぞれ連なる足先部と、前記脚部の上端側に連なる腰部と、所定の運動パターンに基づいて前記各関節部の動作を制御する制御装置とを備えた脚式ロボットに対し、前記運動パターンをコンピュータで作成するプログラムにおいて、
少なくとも一部の脚部における関節角度の一部を予め任意に設定しておき、前記足先部の軌道である足先軌道と前記腰部の軌道である腰軌道とが仮設定された状態で、所定の拘束条件に基づき、前記足先軌道及び/又は腰軌道の少なくとも一部に変更を加えた上、これら任意の足先軌道及び/又は腰軌道に関する逆運動学解を算出することにより、予め設定された関節角度を除く関節角度を求める、という構成を採っている。
(1) In order to achieve the above object, a plurality of leg portions including a plurality of joint portions, a toe portion continuous to the lower end side of the leg portion, a waist portion continuous to the upper end side of the leg portion, and a predetermined exercise For a legged robot provided with a control device that controls the operation of each joint based on a pattern, in a program for creating the movement pattern by a computer,
In a state in which a part of the joint angle in at least some of the legs is arbitrarily set in advance, and a foot trajectory that is the trajectory of the foot tip and a waist trajectory that is the trajectory of the waist are provisionally set, Based on a predetermined restraint condition, a change is made to at least a part of the toe trajectory and / or the waist trajectory, and by calculating an inverse kinematic solution related to any of the toe trajectory and / or the waist trajectory in advance, A configuration is adopted in which the joint angle excluding the set joint angle is obtained.

(2)また、股関節部及び膝関節部を含む複数の脚部と、これら脚部の下端側にそれぞれ連なる足先部と、前記脚部の上端側に連なる腰部と、所定の運動パターンに基づいて前記各関節部の動作を制御する制御装置とを備えた脚式ロボットに対し、前記運動パターンを所定のコンピュータで作成するプログラムにおいて、
前記足先部の軌道である足先軌道、高さ方向の座標を除く前記腰部の軌道である5自由度腰軌道、及び立脚側の膝関節角度を含む各種条件が初期設定された状態で、
所定時間における前記各脚部に対し、立脚か遊脚かを判定するステップと、
立脚と判定された脚部に対し、前記足先軌道、前記5自由度腰軌道、及び前記膝関節角度から、逆運動学解を算出することにより、前記膝関節角度を除く前記立脚側の各関節角度及び股関節部の高さを求める立脚側決定ステップと、
遊脚と判定された脚部に対し、前記立脚側決定ステップで決定された立脚側の股関節部の位置及び姿勢と、前記足先軌道及び前記5自由度腰軌道とから、逆運動学解を算出することにより、前記遊脚側の各関節角度を求める遊脚側決定ステップとを、
前記コンピュータに実行させる、という構成をも採っている。
(2) Further, based on a predetermined motion pattern, a plurality of leg portions including a hip joint portion and a knee joint portion, a foot portion continuous to the lower end side of each leg portion, a waist portion continuous to the upper end side of the leg portion, and With respect to a legged robot provided with a control device that controls the operation of each joint part, a program for creating the motion pattern with a predetermined computer,
In the state where various conditions including a foot tip trajectory that is the foot tip trajectory, a 5-degree-of-freedom waist trajectory that is the trajectory of the waist excluding coordinates in the height direction, and knee joint angles on the stance side are initially set,
Determining whether each leg is a standing leg or a free leg for a predetermined time;
By calculating an inverse kinematic solution from the foot tip trajectory, the 5-degree-of-freedom hip trajectory, and the knee joint angle for each leg determined to be a stance leg, each of the leg side excluding the knee joint angle is calculated. A step of determining the stance side to obtain the joint angle and the height of the hip joint,
For the leg determined to be a free leg, an inverse kinematic solution is obtained from the position and posture of the hip joint on the stance side determined in the stance side determination step, the foot tip trajectory and the 5-degree-of-freedom waist trajectory. By calculating, the free leg side determining step for obtaining each joint angle on the free leg side,
The computer is also configured to execute.

(3)ここで、前記膝関節部の動作に関する物理量の制限域が更に初期設定された状態で、
前記立脚側決定ステップは、遊脚から立脚への移行に際し、予め設定された立脚側の膝関節角度に変位する際に前記物理量が制限域外となる場合、前記物理量が制限域内となる立脚側の膝関節角度に補正した上で、当該補正後の膝関節角度、前記足先軌道、及び前記5自由度腰軌道から逆運動学解を算出することにより、前記立脚側の各関節角度及び股関節部の高さを決定する、という構成を採ることが好ましい。
(3) Here, in a state where the physical quantity limit area related to the operation of the knee joint is further initialized,
In the step of determining the stance side, the transition from the free leg to the stance leg is performed when the physical quantity is out of the limit area when the limb is displaced to a preset knee joint angle on the stance side. After correcting to the knee joint angle, by calculating an inverse kinematic solution from the corrected knee joint angle, the toe trajectory, and the 5-degree-of-freedom waist trajectory, each joint angle and hip joint on the stance side It is preferable to adopt a configuration in which the height of the is determined.

(4)また、前記膝関節部の動作に関する物理量の制限域が更に初期設定された状態で、
前記遊脚側決定ステップは、遊脚側の膝関節部の物理量が制限域外となる場合に、前記遊脚側の膝関節角度を、前記物理量が制限域内となる所定値に固定した上で、前記腰部の運動をも考慮した逆運動学解を算出することにより、前記遊脚側の各関節角度を決定する、という構成を好ましくは採用する。
(4) In addition, in a state where the physical quantity limit area related to the motion of the knee joint is further initialized,
In the step of determining the free leg side, when the physical quantity of the knee joint part on the free leg side is outside the restriction area, the knee joint angle on the free leg side is fixed to a predetermined value where the physical quantity is within the restriction area, A configuration is preferably employed in which each joint angle on the free leg side is determined by calculating an inverse kinematic solution that also takes into account the movement of the waist.

(5)更に、膝関節部を含む複数の脚部と、これら脚部の下端側にそれぞれ連なる足先部と、前記脚部の上端側に連なる腰部と、所定の歩行パターンに基づいて前記各関節部の動作を制御する制御装置とを備えた脚式ロボットに対し、前記運動パターンを所定のコンピュータで作成するプログラムにおいて、
前記足先部の軌道である足先軌道と、ロール方向の姿勢及び高さ方向の座標を除く前記腰部の軌道である4自由度腰軌道と、各膝関節角度とを含む各種条件が初期設定された状態で、
前記足先軌道と前記4自由度腰軌道と前記各膝関節角度とから、各足先部を基準に計算した前記腰部の高さが相互に同一になることを利用して、前記ロール方向の姿勢及び高さ方向の座標を計算により求めるステップと、
前記足先軌道と前記各膝関節角度と前記ロール方向の姿勢及び高さ方向の座標を含む前記腰軌道とから、逆運動学解を算出することにより、予め設定した膝関節角度を除く各関節角度を求めるステップとを、
前記コンピュータに実行させる、という構成を採っている。
(5) Further, a plurality of leg portions including knee joint portions, a foot tip portion connected to the lower end side of each of the leg portions, a waist portion continuous to the upper end side of the leg portion, and each of the above-mentioned based on a predetermined walking pattern For a legged robot provided with a control device for controlling the operation of the joint part, in a program for creating the movement pattern by a predetermined computer,
Various conditions including a foot tip trajectory that is the foot tip trajectory, a four-degree-of-freedom waist trajectory that is a trajectory of the waist except for the posture and height coordinate in the roll direction, and various knee joint angles are initially set. In the state
By using the fact that the height of the waist calculated from the foot tip, the 4-degree-of-freedom waist track, and the knee joint angles on the basis of each foot is mutually the same, Calculating the posture and height coordinates by calculation;
Each joint excluding a preset knee joint angle is calculated by calculating an inverse kinematic solution from the foot trajectory, the knee joint angles, and the waist trajectory including the posture in the roll direction and the coordinates in the height direction. The step of determining the angle,
The computer is configured to be executed.

(6)また、前記目的を達成するため、本発明に係る運動パターン作成装置は、前記運動パターン作成用プログラムが記憶され、当該運動パターン作成用プログラムに基づいて、前記運動パターンを作成する、という構成を採っている。   (6) Further, in order to achieve the above object, the exercise pattern creation device according to the present invention stores the exercise pattern creation program, and creates the exercise pattern based on the exercise pattern creation program. The composition is taken.

(7)更に、本発明に係るロボットは、前記運動パターン作成用プログラムが記憶され、当該運動パターン作成用プログラムに基づいて、前記運動パターンを作成する運動パターン作成装置を備えた、という構成を採っている。   (7) Furthermore, the robot according to the present invention has a configuration in which the motion pattern creation program is stored, and the motion pattern creation device that creates the motion pattern based on the motion pattern creation program is provided. ing.

なお、本明細書において、「立脚」とは、接地している方の脚部を意味し、「遊脚」とは、接地していない方の脚部を意味する。   In this specification, “standing leg” means a leg part that is in contact with the ground, and “free leg” means a leg part that is not in contact with the ground.

また、本明細書において、「X軸」、「Y軸」、「Z軸」とは、図1に示された座標における各軸線、つまり、二足歩行型ロボットの前後方向に延びる軸線、同左右方向に延びる軸線、同上下方向に延びる軸線を意味する。   In this specification, “X axis”, “Y axis”, and “Z axis” are axes in the coordinates shown in FIG. 1, that is, axes extending in the front-rear direction of the biped robot. It means an axis extending in the left-right direction and an axis extending in the same vertical direction.

更に、「ロール方向」とは、前記X軸回りの回転方向を意味し、「ピッチ方向」とは、前記Y軸回りの回転方向を意味し、「ヨー方向」とは、前記Z軸回りの回転方向を意味する。   Further, the “roll direction” means the rotation direction around the X axis, the “pitch direction” means the rotation direction around the Y axis, and the “yaw direction” means around the Z axis. Means the direction of rotation.

また、「関節角度」は、関節部の回転角度を意味する。   The “joint angle” means the rotation angle of the joint part.

更に、「歩行パターン」とは、各関節部における回転角度を時系列的に定めてなる下肢軌道に関するデータを意味し、その他の運動をも含む運動パターンの一種である。   Furthermore, the “walking pattern” means data on the lower limb trajectory in which the rotation angle at each joint portion is determined in time series, and is a kind of movement pattern including other movements.

また、「制限域」とは、関節部を動作させるアクチュエータの出力を適正に保てる物理量の範囲を意味する。   Further, the “restricted area” means a physical quantity range in which the output of the actuator that operates the joint portion can be properly maintained.

前記(1)、(6)及び(7)の構成によれば、一部の関節角度を任意に設定し、拘束条件を使い、仮設定された足先軌道及び/又は腰軌道の少なくとも一部に変更を加え、逆運動学を使って残りの関節角度を決定するようになっているため、前記一部の関節角度の特異点回避等の制限をなくし、人間等が行う各種運動に適した運動パターンを得ることができる。   According to the configurations of (1), (6) and (7) above, at least a part of the foottip trajectory and / or the waist trajectory temporarily set by using a constraint condition by arbitrarily setting a part of joint angles. Since the remaining joint angles are determined using inverse kinematics, there are no restrictions such as avoiding singularities of the joint angles, making them suitable for various types of movements performed by humans and others. An exercise pattern can be obtained.

特に、前記(2)の構成によれば、立脚側では、股関節部の高さ方向の座標を設定しない代わりに、膝関節角度を予め設定することにより、膝関節角度を逆運動学解として算出しないため、膝関節部を完全に伸展させた状態を自由に設定することができる。従って、二足歩行型ロボット等に対し、歩行動作の過程において膝関節部が完全に伸展した状態を採用可能にすることができ、人間のような歩行動作を実現することができる。   In particular, according to the configuration of (2), the knee joint angle is calculated as an inverse kinematic solution by setting the knee joint angle in advance on the stance side instead of setting the coordinate in the height direction of the hip joint. Therefore, it is possible to freely set a state in which the knee joint portion is fully extended. Therefore, it is possible to adopt a state in which the knee joint portion is fully extended in the course of the walking motion for a biped walking robot or the like, and a walking motion like a human can be realized.

ここで、前記(3)のように構成することで、立脚側の膝関節部を構成するアクチュエータを規定範囲内で駆動させることができ、ロボットの暴走を防止することができる。   Here, with the configuration as described in (3) above, the actuator constituting the knee joint portion on the stance leg side can be driven within the specified range, and the runaway of the robot can be prevented.

また、前記(4)の構成によっても、遊脚側の膝関節部を構成するアクチュエータを規定範囲内で駆動させることができ、ロボットの暴走を防止することができる。   Also, with the configuration (4), the actuator that constitutes the knee joint portion on the free leg side can be driven within the specified range, and the robot can be prevented from running away.

更に、前記(5)の構成を採用することで、立脚期及び遊脚期の全域に亘って予め膝関節角度を設定した状態で、残りの関節角度を計算するようになっているため、立脚期と遊脚期との切替時における膝関節部の急激な角速度変化が抑制され、一層滑らかな歩行動作が実現可能となる。また、膝関節角度を予め設定するため、膝関節部に効果的な動作を行わせることができ、その結果、ロボットの歩幅を増大させることが可能になる。また、膝関節部を除く関節部の動作パターンについても滑らかなパターン生成が可能となり、ロボット全体としてより安定した運動パターンの作成が可能となる。   Furthermore, by adopting the configuration of (5) above, the remaining joint angles are calculated with the knee joint angles set in advance throughout the stance phase and the swing phase, so A sudden change in angular velocity of the knee joint at the time of switching between the period and the swing leg period is suppressed, and a smoother walking motion can be realized. Further, since the knee joint angle is set in advance, it is possible to cause the knee joint portion to perform an effective operation, and as a result, it is possible to increase the stride of the robot. Also, it is possible to generate a smooth pattern for the motion patterns of the joints excluding the knee joint, and it is possible to create a more stable motion pattern for the entire robot.

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
[第1実施例]
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[First embodiment]

図1には、本発明が適用されたロボットシステムの概念図が示されている。この図において、ロボットシステム10は、片脚6自由度に設定された脚式ロボットとしての二足歩行型ロボット11と、当該二足歩行型ロボット11の運動パターンの一つである歩行パターンを作成する運動パターン作成装置としてのコンピュータ12とを備えて構成されている。   FIG. 1 is a conceptual diagram of a robot system to which the present invention is applied. In this figure, the robot system 10 creates a biped robot 11 as a legged robot set to 6 degrees of freedom for one leg and a walking pattern that is one of the motion patterns of the biped robot 11. And a computer 12 as an exercise pattern creation device.

前記二足歩行型ロボット11は、左右一対の脚部14,14と、これら脚部14,14の下端側に連なる左右一対の足先部15,15と、脚部14,14の上端側に連なる腰部16と、この腰部16の上に配置された制御装置17とを備えて構成されている。   The biped robot 11 includes a pair of left and right leg portions 14, 14, a pair of left and right foot tip portions 15, 15 connected to the lower end sides of the leg portions 14, 14, and an upper end side of the leg portions 14, 14. A continuous waist 16 and a control device 17 disposed on the waist 16 are provided.

前記脚部14,14は、左右同一の構造をなし左右対称に配置されている。当該脚部14は、足先部15の上端側に連なる足首関節部19と、腰部16の下端側に連なる股関節部20と、これら足首関節部19と股関節部20との間に延びる脚体21と、当該脚体21の途中に設けられた膝関節部23とを備えて構成されている。   The leg portions 14, 14 have the same structure on the left and right and are arranged symmetrically. The leg portion 14 includes an ankle joint portion 19 continuous with the upper end side of the toe portion 15, a hip joint portion 20 continuous with the lower end side of the waist portion 16, and a leg body 21 extending between the ankle joint portion 19 and the hip joint portion 20. And a knee joint portion 23 provided in the middle of the leg body 21.

前記足首関節部19は、脚体21に対して足先部15をロール方向に回転可能にする足首ロール機構25と、脚体21に対して足先部15をピッチ方向に回転可能にする足首ピッチ機構26とを備えている。   The ankle joint portion 19 includes an ankle roll mechanism 25 that allows the toe portion 15 to rotate in the roll direction relative to the leg body 21, and an ankle that enables the toe portion 15 to rotate in the pitch direction relative to the leg body 21. And a pitch mechanism 26.

前記股関節部20は、腰部16に対して脚体21をロール方向に回転可能にする上脚ロール機構27と、腰部16に対して脚体21をピッチ方向に回転可能にする上脚ピッチ機構28と、腰部16に対して脚体21をヨー方向に回転可能にする上脚ヨー機構29とを備えている。   The hip joint 20 includes an upper leg roll mechanism 27 that allows the leg 21 to rotate in the roll direction with respect to the waist 16, and an upper leg pitch mechanism 28 that allows the leg 21 to rotate in the pitch direction relative to the waist 16. And an upper leg yaw mechanism 29 that allows the leg body 21 to rotate in the yaw direction with respect to the waist 16.

前記脚体21は、前記膝関節部23の上方に位置する上脚21Aと、前記膝関節部23の下方に位置する下脚21Bとからなる。   The leg body 21 includes an upper leg 21 </ b> A located above the knee joint portion 23 and a lower leg 21 </ b> B located below the knee joint portion 23.

前記膝関節部23は、上脚21A及び下脚21Bをピッチ方向に相対回転可能に連結する膝ピッチ機構30により構成されている。   The knee joint portion 23 includes a knee pitch mechanism 30 that connects the upper leg 21A and the lower leg 21B so as to be relatively rotatable in the pitch direction.

以上の各機構25〜30は、図示しないモータ等のアクチュエータ及び当該アクチュエータに繋がるベルト、プーリ、リンク等からなり、前記アクチュエータの駆動によって、前述した各動作を可能にするように構成されている。なお、ここでの構成は、公知の二足歩行型ロボットに採用されているものと実質的に同一であり、詳細な説明を省略するとともに、構造を簡略化して図示した点、了承されたい。   Each of the mechanisms 25 to 30 includes an actuator such as a motor (not shown) and a belt, a pulley, a link, and the like connected to the actuator, and is configured to enable each operation described above by driving the actuator. It should be noted that the configuration here is substantially the same as that employed in a known bipedal robot, and detailed description is omitted and the structure is simplified and illustrated.

前記制御装置17は、前記コンピュータ12によって作成された歩行パターン、すなわち、前記各関節部19,20,23における関節角度が時系列的に決定されたデータに基づいて、各関節部19,20,23を動作させる前記各機構25〜30のアクチュエータの駆動を制御するようになっている。ここで、歩行パターンは、コンピュータ12によって作成された後で、所定の記録媒体に記録され、当該記録媒体を制御装置17にセットすることで、制御装置17に記憶されるようになっている。   Based on the walking pattern created by the computer 12, that is, based on the data in which the joint angles at the joints 19, 20, and 23 are determined in time series, the control device 17 23 controls the driving of the actuators of the mechanisms 25-30. Here, the walking pattern is created by the computer 12, recorded on a predetermined recording medium, and stored in the control device 17 by setting the recording medium in the control device 17.

前記コンピュータ12は、所定の初期設定をした上で、前記歩行パターンを作成可能にするプログラムが予め記憶され、当該プログラムの実行により、二足歩行型ロボット11に対して前記初期設定に対応した所望の歩行動作を実現させる歩行パターンを作成するようになっている。ここでの初期設定は、図2に示されるように、足先軌道設定部33と、腰軌道設定部34と、膝関節角度設定部35と、膝関節部32の角速度(以下、「膝関節角速度」と称する)の制限域設定部36とで行われる。   The computer 12 stores in advance a program that makes it possible to create the walking pattern after performing a predetermined initial setting. By executing the program, a desired one corresponding to the initial setting is set for the biped walking robot 11. The walking pattern that realizes the walking motion is created. As shown in FIG. 2, the initial setting here is an angular velocity (hereinafter referred to as “knee joint”) of a foot tip trajectory setting unit 33, a waist trajectory setting unit 34, a knee joint angle setting unit 35, and a knee joint unit 32. (Referred to as “angular velocity”).

前記足先軌道設定部33では、次のようにして、足先部15の軌道(足先軌道)の設定が行われる。先ず、両足接地状態のときの足先部15のX軸方向及びY軸方向の離間距離と、左右の足先部15それぞれにつき、当該足先部15の接地点間の中間点の高さとが一歩毎に任意に指定され、コンピュータ12に入力される。すると、コンピュータ12の計算により、一歩毎の左右各足先部15の最初の座標、前記中間点の座標及び最後の座標から、5次ないしは6次関数で補完することで足先軌道が求められる。すなわち、ここでは、所定時間の間隔(以下、「層」と称する)毎に、左右の足先部15,15のX軸方向、Y軸方向、Z軸方向の座標(位置)とロール方向、ピッチ方向、ヨー方向の姿勢が求められることになる。   In the foot tip trajectory setting unit 33, the trajectory (foot tip trajectory) of the foot tip portion 15 is set as follows. First, the distance between the foot tips 15 in the X-axis direction and the Y-axis direction and the height of the midpoint between the ground tips of the foot tips 15 for each of the left and right foot tips 15 when the both feet are in the ground contact state. Each step is arbitrarily designated and input to the computer 12. Then, by calculation by the computer 12, the foot trajectory is obtained by complementing with a fifth or sixth function from the first coordinates of the left and right foot toe portions 15 for each step, the coordinates of the intermediate point, and the last coordinates. . That is, here, at every predetermined time interval (hereinafter referred to as “layer”), the coordinates (positions) and roll directions of the left and right foot tips 15, 15 in the X-axis direction, Y-axis direction, and Z-axis direction, The postures in the pitch direction and the yaw direction are required.

前記腰軌道設定部34は、前述のように求められた足先軌道に基づき、Z軸方向(高さ方向)の座標を除外した腰部16の軌道(5自由度腰軌道)が、コンピュータ12の計算により求められる。つまり、各層毎に、腰部16の重心位置が左右足先部15の中央間の中点を通るように、X軸及びY軸方向における腰部16の座標が決定される。なお、このとき、腰部16の高さ方向の座標は、コンピュータ処理上、所定のダミー数値が仮設定される。また、腰部16のロール方向、ピッチ方向、ヨー方向の姿勢は、接地面に対して傾かないように水平状態に設定される。なお、腰部16のロール方向、ピッチ方向、ヨー方向の姿勢は、ユーザによって任意に設定することも可能である。   The waist trajectory setting unit 34 determines that the trajectory of the waist portion 16 (5-degree-of-freedom waist trajectory) excluding the coordinates in the Z-axis direction (height direction) based on the toe trajectory obtained as described above. It is obtained by calculation. That is, for each layer, the coordinates of the waist 16 in the X-axis and Y-axis directions are determined so that the center of gravity of the waist 16 passes through the midpoint between the centers of the left and right toe portions 15. At this time, a predetermined dummy numerical value is temporarily set as the coordinate in the height direction of the waist 16 in terms of computer processing. Further, the postures of the waist 16 in the roll direction, pitch direction, and yaw direction are set in a horizontal state so as not to incline with respect to the ground plane. Note that the posture of the waist 16 in the roll direction, pitch direction, and yaw direction can be arbitrarily set by the user.

前記膝関節角度設定部35では、遊脚から立脚に移行した時間をt=0とした次式に基づいて、立脚側の膝関節部23の回転角度(膝関節角度)が設定される。
ここで、θは、膝関節角度を表し、Tは、歩速を表している。本実施例では、上脚21A及び下脚21Bが相互に略一直線状態となる膝関節部23の完全伸展時をθ=0(deg)とし、上脚21A及び下脚21Bが相互に略重合する状態となる膝関節部23の完全屈曲時をθ=−180(deg)とし、また、T=0.96s/stepとしている。
In the knee joint angle setting unit 35, the rotation angle (knee joint angle) of the knee joint part 23 on the stance side is set based on the following equation where the time from the free leg to the standing leg is set to t = 0.
Here, θ represents the knee joint angle, and T represents the walking speed. In this embodiment, θ = 0 (deg) is set when the knee joint 23 is fully extended so that the upper leg 21A and the lower leg 21B are in a substantially straight state, and the upper leg 21A and the lower leg 21B are substantially overlapped with each other. When the knee joint 23 is fully bent, θ = −180 (deg) and T = 0.96 s / step.

前記膝関節角速度の制限域設定部36では、膝関節部23の動作に関する物理量の制限域が設定される。具体的に、ここでの制限域は、膝関節部23を構成するアクチュエータの性能上、許容される角速度の最大値を上限として設定されている。なお、本実施例では、角速度の最大値として、約100deg/secに設定されている。   In the knee joint angular velocity limit area setting section 36, a physical quantity limit area related to the operation of the knee joint section 23 is set. Specifically, the restriction region here is set with the maximum value of the allowable angular velocity as the upper limit in terms of the performance of the actuator constituting the knee joint portion 23. In this embodiment, the maximum value of the angular velocity is set to about 100 deg / sec.

以上のような初期設定後、歩行パターン作成プログラムにおける次の手順に従って、歩行パターンが求められる。すなわち、ここでは、一層毎に、図2のステップS1〜S10を経て、前記各機構25〜30における回転角度である関節角度が決定され、全層における各関節角度が決定すると(ステップS11)、各関節角度が時系列化された歩行パターンができる(ステップS12)。   After the initial setting as described above, a walking pattern is obtained according to the following procedure in the walking pattern creation program. That is, here, for each layer, through steps S1 to S10 in FIG. 2, the joint angles that are the rotation angles in the mechanisms 25 to 30 are determined, and the joint angles in all layers are determined (step S11). A walking pattern in which each joint angle is time-series is generated (step S12).

具体的に、先ず、ステップS1では、予め設定された足先軌道から、対象層における各脚部14,14に対し、立脚か遊脚かが判定される。   Specifically, first, in step S1, it is determined whether each leg portion 14 or 14 in the target layer is a standing leg or a free leg from a preset foot tip trajectory.

次いで、ステップS2では、ステップS1で立脚と判定された脚部14について、膝関節部23を除く他の関節部19,20の関節角度が算出される。すなわち、ここでは、初期設定された足先部15及び腰部16の相対的な位置及び姿勢(拘束条件)と、初期設定された立脚側の膝関節角度とから、膝関節部23を除く5自由度の逆運動学解が算出され、膝関節部23を除く立脚側の各関節角度と、腰部16の高さに対応する立脚側の股関節部20の高さ方向(Z軸方向)の座標が求められ、先の仮設定値は変更される。このとき、前層が遊脚で、対象層で立脚に移行する際のように、前記初期設定された立脚側の膝関節角度に変位するのに必要な膝関節角速度が前記制限域内になるか否かについて判定される(ステップS3)。ここで、膝関節角速度が前記制限域内にあれば、股関節部20の高さとして、ステップS2で求められた逆運動学解が決定値とされる(ステップS4)。一方、膝関節角速度が前記制限域の上限を超える場合は、膝関節角速度が前記制限域内の所定値となるように、前記式(1)により求められた膝関節角度の値が補正される(ステップS5)。そして、再びステップS2に戻り、補正された膝関節角度を使って、逆運動学により、股関節部20の高さ方向の座標が再び算出され、当該算出された値が決定値とされる(ステップS4)。以上において、ステップS2〜S5は、立脚側決定ステップを構成する。   Next, in step S2, the joint angles of the joint portions 19 and 20 other than the knee joint portion 23 are calculated for the leg portion 14 determined to be a standing leg in step S1. That is, here, 5 freedoms excluding the knee joint portion 23 from the initially set relative positions and postures of the toe portion 15 and the waist portion 16 (restraint conditions) and the initially set knee joint angle on the stance side. The inverse kinematics solution of the degree is calculated, and each of the joint angles on the stance side excluding the knee joint portion 23 and the coordinates in the height direction (Z-axis direction) of the hip joint portion 20 on the stance side corresponding to the height of the waist portion 16 are obtained. The previous temporary setting value is changed. At this time, whether the knee joint angular velocity required for displacement to the knee joint angle on the stance side set as the initial position is within the restriction range as in the case where the front layer is a free leg and the target layer is shifted to a stance leg? It is determined whether or not (step S3). Here, if the knee joint angular velocity is within the restriction range, the inverse kinematic solution obtained in step S2 is set as the determined value as the height of the hip joint 20 (step S4). On the other hand, when the knee joint angular velocity exceeds the upper limit of the restriction region, the value of the knee joint angle obtained by the equation (1) is corrected so that the knee joint angular velocity becomes a predetermined value within the restriction region ( Step S5). Then, the process returns to step S2 again, and the coordinate in the height direction of the hip joint 20 is calculated again by inverse kinematics using the corrected knee joint angle, and the calculated value is set as the determination value (step) S4). In the above, steps S2 to S5 constitute a stance side determination step.

その後、ステップS6では、ステップS1で遊脚と判定された側の脚部14について、全関節部19,20,23の回転角度(関節角度)がそれぞれ算出される。すなわち、ここでは、初期設定された足先部15及び腰部16の位置及び姿勢と、ステップS4で決定された立脚側の股関節部20の高さ方向(Z軸方向)の座標とから、6自由度の逆運動学解が算出され、遊脚側の各関節角度が求められる。この際、腰部16のロール方向の運動が行われず、立脚側と遊脚側で股関節部20の高さが相互に同一であるとされる(拘束条件)。そして、一層前からの膝関節部23の変位に伴い、遊脚側の膝関節角速度が予め設定された制限域内になるか否かについて判定される(ステップS7)。ここで、膝関節角速度が前記制限域内であれば、ステップS6で算出された遊脚側の各関節角度が決定値とされ、立脚側及び遊脚側の全関節角度が決定する(ステップS8)。   Thereafter, in step S6, the rotation angles (joint angles) of all joint parts 19, 20, and 23 are calculated for the leg part 14 determined to be a free leg in step S1. That is, here, 6 positions are determined from the initially set positions and postures of the toe portion 15 and the waist portion 16 and the coordinates in the height direction (Z-axis direction) of the hip joint portion 20 on the stance side determined in step S4. The inverse kinematic solution of the degree is calculated, and each joint angle on the free leg side is obtained. At this time, the movement of the waist 16 in the roll direction is not performed, and it is assumed that the height of the hip joint 20 is the same on the standing leg side and the free leg side (restraint condition). Then, it is determined whether or not the knee joint angular velocity on the free leg side falls within a preset limit region with the displacement of the knee joint portion 23 from the front (step S7). Here, if the knee joint angular velocity is within the restriction range, each joint angle on the free leg side calculated in step S6 is set as a determined value, and all joint angles on the standing leg side and the free leg side are determined (step S8). .

一方、膝関節角速度が前記制限域の上限を超える場合は、膝関節角速度が前記制限域内の所定値となるように、遊脚側の膝関節角度が固定される(ステップS9)。そして、ステップS9で固定された遊脚側の膝関節角度と、足先部15及び腰部16の位置及び姿勢と、立脚側の股関節部20の位置及び姿勢とから、立脚側の股関節部20を中心とし、腰部16がロール方向に回転運動を行うとして、逆運動学により、遊脚側の各関節角度が改めて算出される(ステップS10)。すなわち、ここでは、遊脚側の各関節角度の他に、腰運動に関連する立脚側の股関節部20におけるロール方向の回転角度が算出され、初期設定により設定されたロール方向の回転角度が変更され、立脚側及び遊脚側の関節角度が最終決定される(ステップS8)。なお、以上において、ステップS6,S7,S9,S10は、遊脚側決定ステップを構成する。   On the other hand, when the knee joint angular velocity exceeds the upper limit of the restriction region, the knee joint angle on the free leg side is fixed so that the knee joint angular velocity becomes a predetermined value within the restriction region (step S9). Then, from the knee joint angle on the free leg side fixed in step S9, the position and posture of the toe portion 15 and the waist portion 16, and the position and posture of the hip joint portion 20 on the stance leg side, the hip joint portion 20 on the stance leg side is determined. Each joint angle on the free leg side is calculated anew by inverse kinematics assuming that the waist 16 rotates in the roll direction at the center (step S10). That is, here, in addition to each joint angle on the free leg side, the rotation angle in the roll direction at the hip joint portion 20 on the stance leg side related to the waist movement is calculated, and the rotation angle in the roll direction set by the initial setting is changed. Then, the joint angles on the standing leg side and the free leg side are finally determined (step S8). In the above, steps S6, S7, S9, and S10 constitute a free leg determination step.

その後、ステップS11では、1歩行周期についての計算が終了したか否かについて判断される。その結果、1歩行周期についての計算が終了していなければ、次層についても、前述と同様にしてステップS1〜S10により、立脚側及び遊脚側の各関節角度が決定される。一方、全層における各関節角度が決定したと判断されると、各層における各関節角度のデータが時系列化された歩行パターンが完成する(ステップS12)。   Thereafter, in step S11, it is determined whether or not the calculation for one walking cycle is completed. As a result, if the calculation for one walking cycle is not completed, the joint angles on the standing leg side and the free leg side are determined in the same manner as described above in steps S1 to S10 for the next layer. On the other hand, if it is determined that the joint angles in all layers have been determined, a walking pattern in which the data of the joint angles in each layer is time-series is completed (step S12).

このようにして作成された歩行パターンは、腰軌道設定部34によって任意に設定された腰軌道に基づいて作成されたものであり、ロボット11の質量及び作用するモーメントが考慮されていないため、歩行時にロボット11が転倒する可能性もある。そこで、歩行時におけるロボット11の転倒を回避するために、初期設定された腰軌道に基づいて前述のように歩行パターンを作成した後、次に説明するように、当該歩行パターンを修正するプログラムが実行される。このプログラムは、図3に示される手順で各種演算等が行われ、最終的に、歩行時にロボット11が転倒しないような歩行パターンに修正される。   The walking pattern created in this way is created based on the waist trajectory arbitrarily set by the waist trajectory setting unit 34, and does not take into account the mass of the robot 11 and the acting moment. Sometimes the robot 11 may fall. Therefore, in order to avoid the robot 11 from falling during walking, a program for correcting the walking pattern is created as described below after creating a walking pattern based on the initially set waist trajectory as described above. Executed. This program is subjected to various calculations and the like according to the procedure shown in FIG. 3, and is finally corrected to a walking pattern so that the robot 11 does not fall during walking.

すなわち、腰軌道設定部34で任意に設定された腰軌道に基づいて、前述したように歩行パターンが算出された後(ステップS100)、当該歩行パターンから、予め設定した公知のZMP(ゼロ・モーメント・ポイント)軌道上で、ロボット11の歩行によって発生するモーメントが計算される(ステップS101)。ここで、ZMP軌道は、足先軌道設定部33で設定された足先軌道に基づき、足先部15の接地部分にZMPが位置するように、コンピュータ12内のZMP軌道設定部37で設定される。   That is, after the walking pattern is calculated as described above based on the waist trajectory arbitrarily set by the waist trajectory setting unit 34 (step S100), a known ZMP (zero moment) set in advance is calculated from the walking pattern. (Point) The moment generated by the walking of the robot 11 on the trajectory is calculated (step S101). Here, the ZMP trajectory is set by the ZMP trajectory setting unit 37 in the computer 12 so that the ZMP is located at the ground contact portion of the toe portion 15 based on the toe trajectory set by the toe trajectory setting unit 33. The

次いで、ステップS101で計算されたモーメントに基づき、ロボット11が転倒しないように、X軸及びY軸方向における腰部16の座標が補正される(ステップS102)。すなわち、ここでは、線形化された二足歩行型ロボットのモデルより、高速フーリエ変換、逆高速フーリエ変換を用いて、モーメント補償腰軌道の近似解が求められる。なお、腰部16のロール方向、ピッチ方向、ヨー方向の姿勢は、腰軌道設定部34で設定された値がそのまま用いられる。   Next, based on the moment calculated in step S101, the coordinates of the waist 16 in the X-axis and Y-axis directions are corrected so that the robot 11 does not fall (step S102). In other words, an approximate solution of the moment compensated waist trajectory is obtained from the linearized biped robot model using fast Fourier transform and inverse fast Fourier transform. Note that values set by the waist trajectory setting unit 34 are used as they are for the posture of the waist part 16 in the roll direction, pitch direction, and yaw direction.

そして、モーメント補償がなされた補正後の腰軌道を使い、ステップS101と同様の計算によって、モーメント補償がなされた歩行パターンを作成する(ステップS103)。   Then, using the corrected waist trajectory with moment compensation, a walking pattern with moment compensation is created by the same calculation as in step S101 (step S103).

次に、モーメント補償がなされた歩行パターンから、前記ステップS101と同様の計算により、前記ZMP軌道上でのモーメントが計算され、設定ZMPとのモーメント誤差が求まる(ステップS104)。   Next, the moment on the ZMP trajectory is calculated from the walking pattern subjected to moment compensation by the same calculation as in step S101, and a moment error from the set ZMP is obtained (step S104).

そして、求めたモーメント誤差が、許容エラーモーメント設定部38で予め設定された許容エラーモーメントと対比される(ステップS105)。その結果、モーメント誤差が許容エラーモーメントより小さければ、最後に求めた歩行パターンがロボット11の歩行パターンとして決定され、前記記憶媒体に出力される(ステップS106)。一方、モーメント誤差が許容エラーモーメントより大きければ、前記モーメント誤差を前記ステップS101で計算されたモーメントに加え、ステップS102以下の再計算が行われる。そして、モーメント誤差が許容エラーモーメントより小さくなるまで、ステップS101〜ステップS105が繰り返し行われる。   The obtained moment error is compared with the allowable error moment preset by the allowable error moment setting unit 38 (step S105). As a result, if the moment error is smaller than the allowable error moment, the last obtained walking pattern is determined as the walking pattern of the robot 11 and output to the storage medium (step S106). On the other hand, if the moment error is larger than the allowable error moment, the moment error is added to the moment calculated in step S101, and recalculation in step S102 and subsequent steps is performed. Steps S101 to S105 are repeated until the moment error becomes smaller than the allowable error moment.

従って、このような第1実施例によれば、立脚側の膝関節角度が逆運動学によって求められるものではなく、立脚側の膝関節角度を予め設定し、その分を腰部16の高さ方向の座標で調整するようになっているため、立脚側の膝関節部23を完全に伸展させることが可能になり、ロボット11に対し、人間の歩行動作に極めて近い歩行動作をさせることできる。その結果、膝関節部23の負担が軽減されることになり、膝関節部23を構成するアクチュエータの小型化が促進され、ロボットの軽量化等から、少ないエネルギーでの歩行動作が可能になる他、従来型に比べて可動範囲を拡張できるという効果を得る。
また、遊脚側の膝関節部23が完全に伸展する若しくはその近傍の状態となる場合でも、腰部16のロール運動を併用して、足先部15を目標値に通りに位置させるように補償できるため、初期設定した遊脚側の足先軌道通りに歩行パターンを作成することができる。
Therefore, according to the first embodiment as described above, the knee joint angle on the stance side is not obtained by inverse kinematics, but the knee joint angle on the stance side is set in advance, and the corresponding amount is set in the height direction of the waist 16. Therefore, the knee joint 23 on the stance side can be completely extended, and the robot 11 can be made to perform a walking motion that is very close to a human walking motion. As a result, the burden on the knee joint portion 23 is reduced, the miniaturization of the actuator constituting the knee joint portion 23 is promoted, and the walking operation with less energy is enabled due to the weight reduction of the robot. As a result, the movable range can be expanded as compared with the conventional type.
In addition, even when the knee joint portion 23 on the free leg side is completely extended or in the vicinity thereof, the hip movement of the waist portion 16 is used in combination so that the toe portion 15 is positioned according to the target value. Therefore, it is possible to create a walking pattern according to the initially set foot leg trajectory on the free leg side.

なお、膝関節部23の制限域を構成する物理量としては、前述した角速度の他、角度、角加速度、膝関節部23を動作させるアクチュエータの電流値等、当該アクチュエータの出力に関連する物理量であれば何でもよい。   In addition to the angular velocity described above, the physical quantity constituting the restricted area of the knee joint section 23 may be a physical quantity related to the output of the actuator, such as an angle, an angular acceleration, and an electric current value of the actuator that operates the knee joint section 23. Anything is fine.

[第2実施例]
次に、本発明の第2実施例について説明する。なお、以下の説明において、前記第1実施例と同一若しくは同等の構成部分については同一符号を用いるものとし、説明を省略若しくは簡略にする。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the following description, the same reference numerals are used for the same or equivalent components as in the first embodiment, and the description is omitted or simplified.

本実施例は、前記第1実施例に対し、前記ステップS100及びステップS103で適用される歩行パターンの算出方法を変えたものである。つまり、本実施例は、立脚、遊脚の切替時に膝関節部23がスムーズに動作するように、立脚期及び遊脚期の双方で連続する膝関節角度を設定しておき、立脚、遊脚の区別なく同一のアルゴリズムで、各層における関節角度を求めるようにしたことを特徴とする。   In this embodiment, the walking pattern calculation method applied in steps S100 and S103 is changed from that in the first embodiment. That is, in this embodiment, the knee joint angle that is continuous in both the stance phase and the free leg phase is set so that the knee joint portion 23 operates smoothly when switching between the stance leg and the free leg. It is characterized in that the joint angle in each layer is obtained with the same algorithm without distinction.

本実施例では、図4に示される手順で歩行パターンが作成される。ここでの初期設定は、足先軌道設定部33と、腰軌道設定部34と、膝関節角度設定部35とで行われる。   In this embodiment, a walking pattern is created by the procedure shown in FIG. The initial setting here is performed by the toe trajectory setting unit 33, the waist trajectory setting unit 34, and the knee joint angle setting unit 35.

本実施例の足先軌道設定部33では、第1実施例と同様の手順で足先軌道、つまり、層毎に、左右の足先部15,15のX軸方向、Y軸方向、Z軸方向の座標(位置)とロール方向、ピッチ方向、ヨー方向の姿勢とが求められる。   In the foot tip trajectory setting unit 33 of the present embodiment, the foot tip trajectory, that is, the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis of the left and right foot portions 15, 15 for each layer in the same procedure as in the first embodiment. The coordinates (position) of the direction and the posture in the roll direction, the pitch direction, and the yaw direction are obtained.

一方、腰軌道設定部34では、足先軌道設定部33で求めた足先軌道に基づき、Z軸方向(高さ方向)の座標及びロール方向の姿勢を除外した腰部16の軌道(4自由度腰軌道)が、コンピュータ12の計算により求められる。つまり、本実施例では、第1実施例より1自由度少ない4自由度の腰軌道が設定される。なお、ここでは、腰部16の高さ方向の座標及びロール方向の姿勢は、コンピュータ処理上、所定のダミー数値が仮設定される。   On the other hand, in the waist trajectory setting unit 34, the trajectory (four degrees of freedom) of the waist part 16 excluding the coordinate in the Z-axis direction (height direction) and the posture in the roll direction based on the foot trajectory obtained by the foot tip trajectory setting unit 33. Waist trajectory) is obtained by calculation of the computer 12. That is, in this embodiment, a waist trajectory having 4 degrees of freedom, which is 1 degree of freedom less than that of the first embodiment, is set. Here, predetermined dummy numerical values are provisionally set for the coordinates of the waist 16 in the height direction and the posture in the roll direction in terms of computer processing.

本実施例の膝関節角度設定部35では、立脚期及び遊脚期の全域で連続的に各膝関節部23,23の角度が設定される。つまり、本実施例では、図5に示されるように、一膝関節部23おいて経過時間と膝関節角度との関係を3次スプライン曲線の関係となるように設定している。なお、経過時間と膝関節角度との関係は、3次スプライン曲線の関係に限定されるものではなく、滑らかな動きを実現できる曲線、つまり、2回微分して加速度項になったときでも連続化するような曲線(例えば、SIN曲線等)であれば何でもよい。   In the knee joint angle setting unit 35 of the present embodiment, the angles of the knee joint portions 23 and 23 are set continuously throughout the stance phase and the swing phase. That is, in this embodiment, as shown in FIG. 5, the relationship between the elapsed time and the knee joint angle is set to be a cubic spline curve relationship in the one knee joint portion 23. The relationship between the elapsed time and the knee joint angle is not limited to the relationship of the cubic spline curve, but is a curve that can realize smooth movement, that is, continuous even when it is differentiated twice and becomes an acceleration term. Any curve may be used as long as it is a curve (for example, a SIN curve).

以上のような初期設定後、次の手順に従って歩行パターンが作成される。すなわち、一層毎に、図4のステップS200〜S203を経て、前記各機構25〜30の関節角度が求められ、各関節角度が全層で求められると、各関節角度を時系列化してなる歩行パターンができる(ステップS204)。   After the initial setting as described above, a walking pattern is created according to the following procedure. That is, for each layer, the joint angles of the mechanisms 25 to 30 are obtained through steps S200 to S203 of FIG. 4, and when the joint angles are obtained for all layers, the walking is performed by chronologically categorizing the joint angles. A pattern is created (step S204).

具体的には、先ず、足先軌道設定部33で設定された足先軌道と、腰軌道設定部34で設定された4自由度腰軌道と、膝関節角度設定部35で設定された左右両膝関節部23,23の関節角度とから、次の計算によって、未だ定まっていない腰部16のロール方向の姿勢(ロール角)を決定する。
左側の足先部15を基準とした腰部16の位置Pwlは、
で表される。
ここで、
同様に、右側の足先部15を基準とした腰部16の位置Pwrは、
で表される。
Specifically, first, the toe trajectory set by the toe trajectory setting unit 33, the four-degree-of-freedom hip trajectory set by the hip trajectory setting unit 34, and the left and right both set by the knee joint angle setting unit 35 From the joint angles of the knee joint portions 23, 23, the posture (roll angle) of the lumbar portion 16 that has not yet been determined is determined by the following calculation.
The position P wl of the waist 16 with respect to the left toe 15 is
It is represented by
here,
Similarly, the position P wr of the waist 16 relative to the right foot part 15 is:
It is represented by

歩行中においてロボット11の足先部15は様々な姿勢を取ることが考えられるが、本実施例においては、常に、足先部15の接地面に対して水平を保つようにしており、これによって、左右足先部15,15の姿勢はそれぞれ次式で示される。
そして、上式(2),(3),(4)より、左脚のリンクで計算される腰部16の高さ及び右脚のリンクで計算する腰部16の高さは、次の通りとなる。
このとき、腰部16の位置及び姿勢は、基準が左右どちらであろうと同じ値を取らなければならないという拘束条件があるため、上式(5)=上式(6)となり、次式の関係が成立する。
ここで、ロール方向の姿勢行列(bx,by,bz)は、単位ベクトルであるため、bx+by+bz=1の関係が成立し、ヨー方向の姿勢が初期設定されていることから、式(7)は1変数の式となり、これによって、ロール方向の姿勢(bx,by,bz)が求められ、前述の仮設定値が変更される。なお、式(7)中、その他のパラメータの意味については図6を参照されたい。
While it is conceivable that the foot tip portion 15 of the robot 11 takes various postures during walking, in this embodiment, the foot tip portion 15 is always kept level with respect to the ground contact surface of the foot tip portion 15. The postures of the left and right foot portions 15, 15 are respectively expressed by the following equations.
From the above formulas (2), (3), and (4), the height of the waist 16 calculated with the left leg link and the height of the waist 16 calculated with the right leg link are as follows. .
At this time, the position and posture of the waist 16 have a constraint that the reference value must be the same regardless of whether the reference is left or right. Therefore, the above equation (5) = the above equation (6). To establish.
Here, since the posture matrix (bx, by, bz) in the roll direction is a unit vector, the relationship of bx 2 + by 2 + bz 2 = 1 is established, and the posture in the yaw direction is initially set. Equation (7) is a one-variable equation, whereby the posture (bx, by, bz) in the roll direction is obtained, and the above-described temporary setting value is changed. For the meaning of the other parameters in equation (7), refer to FIG.

そして、上式(5)又は(6)を使って腰部16の高さが求められ、前述した仮設定値が変更される(ステップS201)。   And the height of the waist | hip | lumbar part 16 is calculated | required using the said Formula (5) or (6), and the temporary setting value mentioned above is changed (step S201).

以上の計算を行った後、足先部15及び腰部16の位置及び姿勢が定まり、第1実施例の場合と同様に、逆運動学解の算出により、膝関節角度を除く両脚の各関節角度が求められる(ステップS202)。   After performing the above calculation, the positions and postures of the toe portion 15 and the waist portion 16 are determined. Similar to the case of the first embodiment, by calculating the inverse kinematic solution, the joint angles of both legs excluding the knee joint angle are calculated. Is obtained (step S202).

そして、1歩行周期全ての計算が終了したか否かについて判断される(ステップS203)。その結果、1歩行周期についての計算が終了していなければ、次層についても、前述と同様にステップS200〜S202により、膝関節角度を除く両脚の各関節角度が求められる。一方、各関節角度が全層で求められたと判断されると、各層における各関節角度のデータが時系列化された歩行パターンができる(ステップS204)。   Then, it is determined whether or not the calculation for all the walking cycles has been completed (step S203). As a result, if the calculation for one walking cycle has not been completed, the joint angles of both legs excluding the knee joint angle are also obtained for the next layer through steps S200 to S202 as described above. On the other hand, if it is determined that each joint angle has been obtained in all layers, a walking pattern in which the data of each joint angle in each layer is time-series is generated (step S204).

このようにして作成された歩行パターンは、第1実施例のように、図3に示される手順で、歩行時にロボット11が転倒しないような歩行パターンに修正される。   The walking pattern created in this way is corrected to a walking pattern in which the robot 11 does not fall during walking in the procedure shown in FIG. 3 as in the first embodiment.

このような第2実施例によれば、立脚期及び遊脚期の双方で一連となる膝関節角度を予め設定した状態で歩行パターンを求めるため、立脚期と遊脚期の切替時に膝関節部23の急激な速度変化が抑制でき、立脚期と遊脚期との間でのスムーズな移行動作が実現するとともに、歩幅が増大して、人間に一層近い歩行動作を得ることができる。   According to the second embodiment, since the walking pattern is obtained in a state in which a knee joint angle that is a series in both the stance phase and the swing phase is set in advance, the knee joint portion is switched at the time of switching between the stance phase and the swing phase. 23 can be suppressed, a smooth transition operation between the stance phase and the swing phase can be realized, and the stride can be increased to obtain a walking motion closer to that of a human.

なお、前記各実施例では、コンピュータ12で作成された歩行パターンが記録媒体を介して制御装置17に記憶されるようにしたが、有線通信或いは無線通信により、コンピュータ12から制御装置17に歩行パターンを送信するようにしてもよい。また、コンピュータ12は、制御装置17に一体化すること等により、二足歩行型ロボット11側に設けることもできる。   In each of the above embodiments, the walking pattern created by the computer 12 is stored in the control device 17 via a recording medium. However, the walking pattern is transferred from the computer 12 to the control device 17 by wired communication or wireless communication. May be transmitted. The computer 12 can also be provided on the biped walking robot 11 side by being integrated with the control device 17 or the like.

また、足首関節部19には、脚体21に対して足先部15をヨー方向に回転可能にする足首ヨー機構を更に設けてもよい。   Further, the ankle joint portion 19 may be further provided with an ankle yaw mechanism that allows the foot tip portion 15 to rotate in the yaw direction with respect to the leg body 21.

更に、前記各実施例では、本発明を二足歩行型ロボット11に適用した例を図示説明したが、本発明はこれに限らず、動物型や昆虫等に擬似させた多足歩行型の脚式ロボットにも適用可能である。   Furthermore, in each of the above-described embodiments, the example in which the present invention is applied to the biped robot 11 has been illustrated and described. However, the present invention is not limited to this, and a multi-legged walking leg that is simulated by an animal type or an insect. It can also be applied to a robot.

また、前記各実施例のアルゴリズムは、膝関節部23を自由に動かせるようにするものであるが、前記アルゴリズムにおける初期設定関節部を足首関節部19若しくは股関節部20に置換して適用することも可能である。すなわち、この場合のアルゴリズムでは、足首関節部19若しくは股関節部20が初期設定された状態で、拘束条件を使って他の関節部の関節角度が求められるようになる。   In addition, the algorithm of each of the above embodiments allows the knee joint portion 23 to move freely. However, the initial setting joint portion in the algorithm may be replaced with the ankle joint portion 19 or the hip joint portion 20 and applied. Is possible. That is, according to the algorithm in this case, the joint angle of the other joint portion is obtained using the constraint condition in the state where the ankle joint portion 19 or the hip joint portion 20 is initially set.

更に、前記各実施例では、腰軌道のうち、高さ方向の座標やロール方向の姿勢を仮設定しているが、他の座標や姿勢を仮設定してもよい。また、腰軌道に代え、または、腰軌道とともに、足首軌道の一部座標や姿勢を仮設定し、各実施例と同様のアルゴリズムで各関節角度を求めるようにしてもよい。   Further, in each of the above embodiments, the coordinates in the height direction and the posture in the roll direction are provisionally set in the waist trajectory, but other coordinates and postures may be provisionally set. Further, instead of the waist trajectory, or together with the waist trajectory, partial coordinates and postures of the ankle trajectory may be temporarily set, and each joint angle may be obtained by the same algorithm as in each embodiment.

また、前記各実施例でのアルゴリズムは、ロボットの歩行パターンの作成に適用しているが、一部要素の変更により、同じ位置でロボットが屈伸運動やジャンプ等を行う運動パターンの作成に適用することも可能である。   Moreover, although the algorithm in each said Example is applied to creation of the walking pattern of a robot, it applies to creation of the movement pattern in which a robot performs bending motion, jumping, etc. in the same position by changing some elements. It is also possible.

その他、本発明における装置各部の構成は図示構成例に限定されるものではなく、実質的に同様の作用を奏する限りにおいて、種々の変更が可能である。   In addition, the configuration of each part of the apparatus in the present invention is not limited to the illustrated configuration example, and various modifications are possible as long as substantially the same operation is achieved.

ロボットシステムの概念図。The conceptual diagram of a robot system. 第1実施例に係る歩行パターンの作成手順を示すフローチャート。The flowchart which shows the preparation procedure of the walking pattern which concerns on 1st Example. 歩行パターンの修正手順を示すフローチャート。The flowchart which shows the correction procedure of a walking pattern. 第2実施例に係る歩行パターンの作成手順を示すフローチャート。The flowchart which shows the preparation procedure of the walking pattern which concerns on 2nd Example. 経過時間と膝関節角度との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between elapsed time and a knee joint angle. 数式中のパラメータの意味を説明するための模式図。The schematic diagram for demonstrating the meaning of the parameter in numerical formula.

符号の説明Explanation of symbols

11 二足歩行型ロボット(脚式ロボット)
12 コンピュータ(運動パターン作成装置)
14 脚部
15 足先部
16 腰部
17 制御装置
20 股関節部
23 膝関節部
11 Biped robot (legged robot)
12 Computer (Exercise pattern creation device)
14 Legs 15 Toes 16 Lumbars 17 Control Device 20 Hip Joint 23 Knee Joint

Claims (7)

複数の関節部からなる複数の脚部と、当該脚部の下端側にそれぞれ連なる足先部と、前記脚部の上端側に連なる腰部と、所定の運動パターンに基づいて前記各関節部の動作を制御する制御装置とを備えた脚式ロボットに対し、前記運動パターンをコンピュータで作成するプログラムにおいて、
少なくとも一部の脚部における関節角度の一部を予め任意に設定しておき、前記足先部の軌道である足先軌道と前記腰部の軌道である腰軌道とが仮設定された状態で、所定の拘束条件に基づき、前記足先軌道及び/又は腰軌道の少なくとも一部に変更を加えた上、これら任意の足先軌道及び/又は腰軌道に関する逆運動学解を算出することにより、予め設定された関節角度を除く関節角度を求めることを特徴とするロボットの運動パターン作成用プログラム。
A plurality of leg portions composed of a plurality of joint portions, a foot tip portion continuous to the lower end side of the leg portion, a waist portion continuous to the upper end side of the leg portion, and an operation of each joint portion based on a predetermined motion pattern In a program for creating the movement pattern by a computer for a legged robot provided with a control device for controlling
In a state in which a part of the joint angle in at least some of the legs is arbitrarily set in advance, and a foot trajectory that is the trajectory of the foot tip and a waist trajectory that is the trajectory of the waist are provisionally set, Based on a predetermined restraint condition, a change is made to at least a part of the toe trajectory and / or the waist trajectory, and by calculating an inverse kinematic solution related to any of the toe trajectory and / or the waist trajectory in advance, A robot motion pattern creation program characterized by obtaining joint angles excluding a set joint angle.
股関節部及び膝関節部を含む複数の脚部と、これら脚部の下端側にそれぞれ連なる足先部と、前記脚部の上端側に連なる腰部と、所定の運動パターンに基づいて前記各関節部の動作を制御する制御装置とを備えた脚式ロボットに対し、前記運動パターンを所定のコンピュータで作成するプログラムにおいて、
前記足先部の軌道である足先軌道、高さ方向の座標を除く前記腰部の軌道である5自由度腰軌道、及び立脚側の膝関節角度を含む各種条件が初期設定された状態で、
所定時間における前記各脚部に対し、立脚か遊脚かを判定するステップと、
立脚と判定された脚部に対し、前記足先軌道、前記5自由度腰軌道、及び前記膝関節角度から、逆運動学解を算出することにより、前記膝関節角度を除く前記立脚側の各関節角度及び股関節部の高さを求める立脚側決定ステップと、
遊脚と判定された脚部に対し、前記立脚側決定ステップで決定された立脚側の股関節部の位置及び姿勢と、前記足先軌道及び前記5自由度腰軌道とから、逆運動学解を算出することにより、前記遊脚側の各関節角度を求める遊脚側決定ステップとを、
前記コンピュータに実行させることを特徴とするロボットの運動パターン作成用プログラム。
A plurality of leg parts including a hip joint part and a knee joint part, a toe part connected to the lower end side of each leg part, a waist part connected to the upper end side of the leg part, and each joint part based on a predetermined motion pattern In a program for creating the motion pattern with a predetermined computer for a legged robot provided with a control device for controlling the operation of
In the state where various conditions including a foot tip trajectory that is the foot tip trajectory, a 5-degree-of-freedom waist trajectory that is the trajectory of the waist excluding coordinates in the height direction, and knee joint angles on the stance side are initially set,
Determining whether each leg is a standing leg or a free leg for a predetermined time;
By calculating an inverse kinematic solution from the foot tip trajectory, the 5-degree-of-freedom hip trajectory, and the knee joint angle for each leg determined to be a stance leg, each of the leg side excluding the knee joint angle is calculated. A step of determining the stance side to obtain the joint angle and the height of the hip joint,
For the leg determined to be a free leg, an inverse kinematic solution is obtained from the position and posture of the hip joint on the stance side determined in the stance side determination step, the foot tip trajectory and the 5-degree-of-freedom waist trajectory. By calculating, the free leg side determining step for obtaining each joint angle on the free leg side,
A program for creating a movement pattern of a robot, which is executed by the computer.
前記膝関節部の動作に関する物理量の制限域が更に初期設定された状態で、
前記立脚側決定ステップは、遊脚から立脚への移行に際し、予め設定された立脚側の膝関節角度に変位する際に前記物理量が制限域外となる場合、前記物理量が制限域内となる立脚側の膝関節角度に補正した上で、当該補正後の膝関節角度、前記足先軌道、及び前記5自由度腰軌道から逆運動学解を算出することにより、前記立脚側の各関節角度及び股関節部の高さを決定することを特徴とする請求項2記載のロボットの運動パターン作成用プログラム。
In a state where the limit range of the physical quantity related to the movement of the knee joint is further initialized,
In the step of determining the stance side, the transition from the free leg to the stance leg is performed when the physical quantity is out of the limit area when the limb is displaced to a preset knee joint angle on the stance side. After correcting to the knee joint angle, by calculating an inverse kinematic solution from the corrected knee joint angle, the toe trajectory, and the 5-degree-of-freedom waist trajectory, each joint angle and hip joint on the stance side The robot motion pattern creation program according to claim 2, wherein the height of the robot is determined.
前記膝関節部の動作に関する物理量の制限域が更に初期設定された状態で、
前記遊脚側決定ステップは、遊脚側の膝関節部の物理量が制限域外となる場合に、前記遊脚側の膝関節角度を、前記物理量が制限域内となる所定値に固定した上で、前記腰部の運動をも考慮した逆運動学解を算出することにより、前記遊脚側の各関節角度を決定することを特徴とする請求項2又は3記載のロボットの運動パターン作成用プログラム。
In a state where the limit range of the physical quantity related to the movement of the knee joint is further initialized,
In the step of determining the free leg side, when the physical quantity of the knee joint part on the free leg side is outside the restriction area, the knee joint angle on the free leg side is fixed to a predetermined value where the physical quantity is within the restriction area, 4. The program for creating a robot motion pattern according to claim 2, wherein each joint angle on the free leg side is determined by calculating an inverse kinematic solution that also takes into account the motion of the waist.
膝関節部を含む複数の脚部と、これら脚部の下端側にそれぞれ連なる足先部と、前記脚部の上端側に連なる腰部と、所定の歩行パターンに基づいて前記各関節部の動作を制御する制御装置とを備えた脚式ロボットに対し、前記運動パターンを所定のコンピュータで作成するプログラムにおいて、
前記足先部の軌道である足先軌道と、ロール方向の姿勢及び高さ方向の座標を除く前記腰部の軌道である4自由度腰軌道と、各膝関節角度とを含む各種条件が初期設定された状態で、
前記足先軌道と前記4自由度腰軌道と前記各膝関節角度とから、各足先部を基準に計算した前記腰部の高さが相互に同一になることを利用して、前記ロール方向の姿勢及び高さ方向の座標を計算により求めるステップと、
前記足先軌道と前記各膝関節角度と前記ロール方向の姿勢及び高さ方向の座標を含む前記腰軌道とから、逆運動学解を算出することにより、予め設定した膝関節角度を除く各関節角度を求めるステップとを、
前記コンピュータに実行させることを特徴とするロボットの運動パターン作成用プログラム。
A plurality of legs including knee joints, a foot part connected to the lower end side of each leg part, a waist part connected to the upper end side of the leg part, and an operation of each joint part based on a predetermined walking pattern For a legged robot provided with a control device for controlling, in a program for creating the movement pattern by a predetermined computer,
Various conditions including a foot tip trajectory that is the foot tip trajectory, a four-degree-of-freedom waist trajectory that is a trajectory of the waist except for the posture in the roll direction and the coordinate in the height direction, and various knee joint angles are initially set. In the state
By using the fact that the height of the waist calculated from the foot tip, the 4-degree-of-freedom waist track, and the knee joint angles on the basis of each foot is mutually the same, Calculating the posture and height coordinates by calculation;
Each joint excluding a preset knee joint angle is calculated by calculating an inverse kinematic solution from the foot trajectory, the knee joint angles, and the waist trajectory including the posture in the roll direction and the coordinates in the height direction. The step of determining the angle,
A program for creating a movement pattern of a robot, which is executed by the computer.
請求項1〜5の何れかに記載された運動パターン作成用プログラムが記憶され、当該運動パターン作成用プログラムに基づいて、前記運動パターンを作成することを特徴とする運動パターン作成装置。   An exercise pattern creation apparatus, wherein the exercise pattern creation program according to any one of claims 1 to 5 is stored, and the exercise pattern is created based on the exercise pattern creation program. 請求項1〜5の何れかに記載された運動パターン作成用プログラムが記憶され、当該運動パターン作成用プログラムに基づいて、前記運動パターンを作成する運動パターン作成装置を備えたことを特徴とするロボット。   6. A robot comprising the motion pattern creating apparatus according to claim 1, wherein the motion pattern creating program is stored, and the motion pattern creating device creates the motion pattern based on the motion pattern creating program. .
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