JP2005177918A - Robot device and compliance device for robot device - Google Patents

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Keisuke Kato
恵輔 加藤
Yoshihiro Kuroki
義博 黒木
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To realize impact absorption and dynamic operation in performing sudden operation such as running or jumping. <P>SOLUTION: A movable leg of a robot is composed of a linear motion mechanism of one degree of freedom combining a mixed control system comprising an active servo control system and a passive mechanism control system. A mechanism system passive and capable of responding in a wide band is arranged in series between a driving system based on active control comprising a servo motor, and an output part (an effector such as a joint). The passive mechanism system is composed of preload, friction and other nonlinear elements in addition to compliance elements such as a spring and a damper. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、複数の可動脚を備え、脚式作業を行なうロボット装置に係り、特に、走行や跳躍などの急激な動作を自律的に行なうロボット装置に関する。   The present invention relates to a robot apparatus that includes a plurality of movable legs and performs legged work, and more particularly, to a robot apparatus that autonomously performs abrupt operations such as running and jumping.

さらに詳しくは、本発明は、走行や跳躍などの急激な動作を行なう際の衝撃吸収とダイナミック動作を実現するロボット装置並びにロボット装置のためのコンプライアンス装置に関する。   More particularly, the present invention relates to a robot apparatus that realizes shock absorption and dynamic operation when performing abrupt operations such as running and jumping, and a compliance device for the robot apparatus.

電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行う機械装置のことを「ロボット」という。ロボットの語源は、スラブ語の“ROBOTA(奴隷機械)”に由来すると言われている。わが国では、ロボットが普及し始めたのは1960年代末からであるが、その多くは、工場における生産作業の自動化・無人化などを目的としたマニピュレータや搬送ロボットなどの産業用ロボット(industrial robot)であった。最近では、脚式移動ロボットに関する研究開発が進展し、実用化への期待も高まってきている。ヒトの動作をモデルにした脚式移動ロボットのことを、特に、「人間形」、若しくは「人間型」のロボット(humanoid robot)と呼ぶ。   A mechanical device that uses an electrical or magnetic action to perform a movement resembling human movement is called a “robot”. It is said that the word “robot” comes from the Slavic word “ROBOTA (slave machine)”. In Japan, robots started to spread from the end of the 1960s, but many of them are industrial robots such as manipulators and transfer robots for the purpose of automating and unmanned production operations in factories. Met. Recently, research and development on legged mobile robots has progressed, and expectations for practical use have also increased. A legged mobile robot modeled on human movement is particularly called a “humanoid” or “humanoid robot”.

2足直立による脚式移動は、クローラ式や、4足又は6足式などに比し不安定で姿勢制御や歩行制御が難しくなるが、不整地や障害物など作業経路上に凹凸のある歩行面や、階段や梯子の昇降など不連続な歩行面に対応することができるなど、柔軟な移動作業を実現できるという点で優れている。   Leg type movement with two legs standing up is unstable and difficult to control posture and walking, compared to crawler type, four or six legs type, etc., but walking with irregularities on the work path such as rough terrain and obstacles It is excellent in that it can realize flexible movement work, such as being able to cope with discontinuous walking surfaces such as up and down of surfaces and stairs and ladders.

2足の脚式移動ロボットに関する姿勢制御や安定歩行に関する技術は既に数多提案されている。ここで言う安定な「歩行」とは、「転倒することなく、脚を使って移動すること」と定義される。機体の転倒は、ロボットが実行中の作業を中断することを意味し、且つ、転倒状態から起き上がって作業を再開するために相当の労力や時間が払われる。また、転倒によって、ロボット本体自体、あるいは転倒するロボットと衝突する相手側の物体にも、致命的な損傷を与えてしまう危険がある。このため、転倒を回避するための姿勢安定制御は、脚式移動ロボットの開発上、最も重要な課題の1つに位置付けられている。   Many techniques relating to posture control and stable walking related to a biped legged mobile robot have already been proposed. Stable “walking” as used herein is defined as “moving with legs without falling down”. The overturning of the airframe means that the robot is interrupting the work being executed, and considerable effort and time are spent to get up from the overturned state and resume the work. In addition, there is a risk that the robot body itself or the object on the other side colliding with the falling robot may be fatally damaged by the fall. For this reason, posture stability control for avoiding falls is positioned as one of the most important issues in the development of legged mobile robots.

直立歩行を行なうロボットは基本姿勢としての通常の直立姿勢がそもそも不安定である。多くの場合、脚式移動ロボットの姿勢安定制御には、ZMP(Zero Moment Point)が歩行の安定度判別の規範として用いられている。ZMPによる安定度判別規範は、歩行系から路面には重力と慣性力、並びにこれらのモーメントが路面から歩行系への反作用としての床反力並びに床反力モーメントとバランスするという「ダランベールの原理」に基づく。力学的推論の帰結として、足底接地点と路面の形成する支持多角形(すなわちZMP安定領域)のの内側にピッチ軸及びロール軸モーメントがゼロとなる点、すなわちZMPが存在する(例えば、非特許文献1を参照のこと)。   In a robot that performs upright walking, the normal upright posture as a basic posture is unstable in the first place. In many cases, ZMP (Zero Moment Point) is used as a norm for determining the stability of walking for posture stability control of a legged mobile robot. The standard for discriminating the stability by ZMP is the principle of D'Alembert that gravity and inertia force from the walking system to the road surface, and these moments balance with the floor reaction force and the floor reaction force moment as a reaction from the road surface to the walking system. based on. As a result of mechanical reasoning, there is a point where the pitch axis and roll axis moments become zero, that is, ZMP (for example, non-MPM) inside the support polygon (that is, the ZMP stable region) formed by the plantar contact point and the road surface. (See Patent Document 1).

2足歩行型のロボットの場合、一般に、以下に示す各動作期間に分割される歩行周期を繰り返すことによって行なわれる。   In the case of a biped robot, the robot is generally performed by repeating a walking cycle divided into the following operation periods.

(1)右脚を持ち上げた、左脚による単脚支持期
(2)右足が接地した両脚支持期
(3)左脚を持ち上げた、右脚による単脚支持期
(4)左足が接地した両脚支持期
(1) Single leg support period with left leg lifted right leg (2) Both leg support period with right leg grounded (3) Single leg support period with right leg lifted with left leg (4) Both legs with left leg grounded Support period

このように、脚式移動ロボットは環境との離散的な接地運動を繰り返し行なうことから、ロボットの挙動を安定化するためには、接地時の衝撃を緩和することが極めて重要である。足が路面に接地している限り、路面から常に反力を受けている。このため、脚式移動ロボットにおける脚式作業時の安定性・制御性は、四肢の動作パターンだけでなく、歩行など脚式作業を行なう路面(地面、床面)の状態の影響を受ける。   As described above, since the legged mobile robot repeatedly performs discrete ground contact movements with the environment, it is extremely important to reduce the impact at the time of ground contact in order to stabilize the behavior of the robot. As long as your feet are in contact with the road surface, you will always receive reaction force from the road surface. For this reason, the stability and controllability at the time of the legged work in the legged mobile robot is affected not only by the movement pattern of the limbs but also by the state of the road surface (ground, floor surface) where the legged work such as walking is performed.

ここで、ロボットの可動部の自由度は、一般には、関節軸に相当するモータ・アクチュエータの回転角度や角速度をサーボ制御系により駆動制御することによって実現される。サーボ制御系は、特性を明確に決定して制御可能な点で優れており、このため、安定性の確保や運用面での安全性の確保といった多くの利点を有する。   Here, the degree of freedom of the movable part of the robot is generally realized by driving and controlling the rotation angle and angular velocity of the motor / actuator corresponding to the joint axis by a servo control system. The servo control system is superior in that the characteristics can be clearly determined and controlled, and thus has many advantages such as ensuring stability and ensuring safety in terms of operation.

これまでのロボットの歩行技術では、比較的安定な歩行が中心であり、仮に制御工学の観点からは「動歩行」と呼ばれる場合であっても、その動作は視覚的には穏やかなものであり、およそ駆け回るという状態からかけ離れたものである。こうした動作においては、サーボ制御による駆動制御がよく適合しており、高性能を機体に与えることができるであろう。   Conventional robot walking technology has been centered on relatively stable walking, and even if it is called “dynamic walking” from the viewpoint of control engineering, its motion is visually gentle. It ’s far from running around. In such operations, drive control by servo control is well suited and can provide high performance to the aircraft.

一方、高速な走行をロボットに行なわせることは、これまで不可能とされてきた。通常のモータ・アクチュエータでは、十分な速度、加速度を得ることが難しく、いわゆる飛んだり跳ねたりといった急激な動作には不向きだからである。   On the other hand, it has been impossible until now to make a robot run at high speed. This is because it is difficult to obtain sufficient speed and acceleration with a normal motor / actuator, and it is not suitable for abrupt operations such as so-called flying and jumping.

従来、跳躍が可能なロボットとして、例えば“3D One Leg Hopper”を挙げることができる(例えば、非特許文献2を参照のこと)。この種のロボットは、脚に空気圧直動シリンダを装備するとともに、これをジンバル機構にて支持し、任意の方向に力を伝達するというものである。ジンバル角はロール軸並びにピッチ軸に可変である。空気圧のシリンダの特性から比較的大きな力でしかも高速に動かすことが可能であり、Hoppingすなわち跳躍を実現することができる。   Conventionally, as a robot capable of jumping, for example, “3D One Leg Hopper” can be cited (for example, see Non-Patent Document 2). This type of robot is equipped with a pneumatic direct acting cylinder on a leg and supports it with a gimbal mechanism to transmit force in an arbitrary direction. The gimbal angle is variable on the roll axis and the pitch axis. Due to the characteristics of the pneumatic cylinder, it can be moved with a relatively large force and at a high speed, and Hopping, that is, jumping can be realized.

しかしながら、空気圧シリンダを駆動するためには、充分な能力を持ったコンプレッサなどの動力源が必要である。このような動力源を、自由な経路を探索するロボット本体に搭載することは現実的ではない。   However, in order to drive the pneumatic cylinder, a power source such as a compressor having sufficient capacity is required. It is not realistic to mount such a power source in a robot body that searches for a free path.

また、ロボット装置が走行したり跳躍したりする場合には、接地時の衝撃を緩和することがとりわけ重要となる。   Further, when the robot apparatus travels or jumps, it is particularly important to reduce the impact at the time of ground contact.

例えば、足部に軟質部材を充填することで着地時の衝撃吸収・緩和と着地後の姿勢安定化を実現した2足歩行ロボットについて提案がなされている(例えば、特許文献1を参照のこと)。しかしながら、これは走行や跳躍を行なうロボットではない。   For example, a biped walking robot has been proposed in which a foot is filled with a soft member to achieve shock absorption / relaxation at landing and stabilization of posture after landing (see, for example, Patent Document 1). . However, this is not a robot that runs or jumps.

モータ・サーボ系を利用してロボット装置の走行や跳躍などの急激な動作の実現を考慮した場合、極端に巨大なモータの利用と、かかるモータの駆動に必要な動力源の確保という悪循環を繰り返すことになる。何故ならば、モータの持つ速度や加速度の能力に限界があり、モータだけの能力で跳躍若しくは走行の動作を行なうことは困難だからである。   Considering the realization of rapid movements such as running and jumping of robot devices using a motor / servo system, the vicious cycle of using an extremely large motor and securing the power source necessary to drive the motor is repeated. It will be. This is because the speed and acceleration capabilities of the motor are limited, and it is difficult to perform jumping or running with the capability of the motor alone.

特開2001−129774号公報JP 2001-129774 A ヴコブラトビッチ(Miomir Vukobratovic)著「脚式移動ロボット(LEGGED LOCOMOTION ROBOTS)」(加藤一郎外著『歩行ロボットと人工の足』(日刊工業新聞社))"Migir Vokobratovic" "LEGGED LOCATION ROBOTS" (Ichiro Kato's "Walking Robot and Artificial Feet" (Nikkan Kogyo Shimbun)) マーク・H・レイバート(Marc H.Raibert)外2名著「3次元単脚ホッピング・マシンを用いたバランスに関する実験(Experiments In Balance with a 3D one−Legged Hopping Machine)」(ロボット研究に関する国際機関誌(the International Journal of Robotics Research)、1984年、Vol.3、 No.2,pp.75−92)Two authors, Mark H. Raibert, “Experiments in Balance with a 3D one-legged hopping machine” (International Journal of Robotics Research) the International Journal of Robotics Research), 1984, Vol. 3, No. 2, pp. 75-92).

本発明の目的は、走行や跳躍などの急激な動作を自律的に行なうことができる、優れたロボット装置を提供することにある。   An object of the present invention is to provide an excellent robot apparatus capable of autonomously performing a rapid operation such as running or jumping.

本発明のさらなる目的は、走行や跳躍などの急激な動作を行なう際の衝撃吸収とダイナミック動作を実現するロボット装置並びにロボット装置のためのコンプライアンス装置を提供することにある。   It is a further object of the present invention to provide a robot apparatus and a compliance apparatus for the robot apparatus that realize shock absorption and dynamic operation when performing abrupt operations such as running and jumping.

本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、少なくとも可動脚を備えたロボット装置であって、
前記可動脚のリンク又は関節部位に、ばね要素と、ダンパ要素と、摩擦要素とで構成され、前記の各要素は可変で非線形特性を持つ可変式非線形コンプライアンス機構を備える、
ことを特徴とするロボット装置である。
The present invention has been made in consideration of the above problems, and is a robot apparatus having at least a movable leg,
The link or joint part of the movable leg is composed of a spring element, a damper element, and a friction element, and each element includes a variable nonlinear compliance mechanism that is variable and has nonlinear characteristics.
It is a robot apparatus characterized by this.

本発明に係るロボットの可動脚は、能動的なサーボ制御系と受動的な機構制御系からなる混合制御系を組み合わせた1自由度の直動機構で構成される。サーボ・モータからなる能動制御による駆動系と出力部(関節などの効果器)の間には、受動的で広帯域で応答することができる機構系が直列的に配置されている。この受動的な機構系は、例えばばねやダンパなどのコンプライアンスの他、プリロードや摩擦その他の非線形要素により構成することができる。   The movable leg of the robot according to the present invention is composed of a linear motion mechanism with one degree of freedom combining a mixed control system composed of an active servo control system and a passive mechanism control system. A mechanism system that is passive and capable of responding in a wide band is arranged in series between a drive system based on active control including a servo motor and an output unit (effector such as a joint). This passive mechanism system can be configured by non-linear elements such as preload, friction and the like in addition to compliance such as springs and dampers.

ここで、受動的なコンプライアンス機構を実現するには、単純なばねでは充分な性能を出すことは困難であり、非線形の機構要素を備えていることが好ましい。この部位に関しては、その定数などをアクチュエータなどによって変更することもできる。受動的制御系は、基本的には機械要素で実現しているが、それを補助するための制御手段を組み合わせるようにしてもよい。   Here, in order to realize a passive compliance mechanism, it is difficult to achieve a sufficient performance with a simple spring, and it is preferable to include a nonlinear mechanism element. With respect to this part, the constant or the like can be changed by an actuator or the like. The passive control system is basically realized by machine elements, but may be combined with control means for assisting the passive control system.

本発明によれば、ロボット装置の脛又は足首付近において、伸縮若しくは曲げの可能なコンプライアンス機構をリンク又は関節に導入することにより、走行や跳躍などのダイナミックな動作が実現可能となる。   According to the present invention, a dynamic operation such as running or jumping can be realized by introducing a compliance mechanism that can be expanded or contracted or bent into a link or a joint near the shin or ankle of the robot apparatus.

本発明に係るロボット装置は、前記ロボット装置の状態を検出するセンサと、 前記センサ出力に応じて前記可変式非線形コンプライアンス機構の作動を停止、制動、又は係止する切替機構とをさらに備えていてもよい。   The robot apparatus according to the present invention further includes a sensor that detects a state of the robot apparatus, and a switching mechanism that stops, brakes, or locks the operation of the variable nonlinear compliance mechanism according to the sensor output. Also good.

例えば、受動的な機構系の作動をオン/オフするためのソレノイドなどの切り替え器を配置し、受動的な機構系のロック、解放、コントロールを行なう。この場合、制御処理系からの切替機構制御信号によって受動的機構系における高周波応答作用を付勢又は減勢することができる。   For example, a switching device such as a solenoid for turning on / off the operation of the passive mechanism system is arranged to lock, release, and control the passive mechanism system. In this case, the high frequency response action in the passive mechanism system can be energized or reduced by the switching mechanism control signal from the control processing system.

前記可変式非線形コンプライアンス機構は、その直動機構が前記可動脚のリンク方向と一致するように取り付けるようにしてもよいし、あるいは、前記可動脚のリンク方向と一致しないように取り付けるようにしてもよい。   The variable nonlinear compliance mechanism may be attached so that its linear motion mechanism matches the link direction of the movable leg, or may be attached so as not to match the link direction of the movable leg. Good.

例えば、本発明に係るコンプライアンス機構を脛に配置した場合を考えてみる。ロボット装置が標準姿勢をとったときには、脛は多少なりとも前傾することから、著駆動機構の伸縮方向が適当でないと、コンプライアンスが十分に機能しないことがある。ロボット装置本体は軽量化する必要があり、各フレームの変形が最小となるように剛性を持たせることは現実的ではない。そこで、必要とする直同要素は必ずしもリンク方向に一致させず、むしろ、運動形態に適した配置とすることが重要であると思料される。   For example, consider the case where the compliance mechanism according to the present invention is arranged on the shin. When the robot apparatus takes the standard posture, the shin tilts somewhat forward, so compliance may not function sufficiently if the extension / contraction direction of the driving mechanism is not appropriate. It is necessary to reduce the weight of the robot apparatus body, and it is not realistic to provide rigidity so that the deformation of each frame is minimized. Therefore, it is thought that it is important that the necessary direct elements do not necessarily coincide with the link direction, but rather are arranged in accordance with the motion form.

また、前記可変式非線形コンプライアンス機構は、ロボット装置の接地部により近い部位に配置した方が効果的と考えられることから、足裏若しくは足首付近など、前記ロボット装置の接地部付近に配置するようにしてもよい。   In addition, since the variable nonlinear compliance mechanism is considered to be more effective when placed near the grounding portion of the robot apparatus, it should be placed near the grounding portion of the robot apparatus, such as the sole of the foot or the ankle. May be.

あるいは、ロボット装置の移動モーションによっては、ある程度のストロークを必要とすることもある。あるいは足機構は概して小さく設計する必要があり、収容スペースが極端に狭いことがある。このような場合、前記可変式非線形コンプライアンス機構は、前記ロボット装置の脛付近あるいはそれよりも上方に配置するようにしてもよい。   Alternatively, a certain amount of stroke may be required depending on the movement motion of the robot apparatus. Alternatively, the foot mechanism generally needs to be designed to be small and the storage space may be extremely narrow. In such a case, the variable nonlinear compliance mechanism may be disposed near or above the shin of the robot apparatus.

また、1箇所に複数軸のコンプライアンス機構を導入するようにしてもよい。コンプライアンス機構は、機構的に直動の方が設計し易い場合がある。あるいは、直動成分のみならず、回転方向にもある程度のコンプライアンス要素を持たせたい場合もある。例えば、直動方向に対向する2枚の3角形の各頂点を結ぶように3軸のコンプライアンス機構を取り付けた3自由度コンプライアンス機構を構成することができる。この場合、3角形の各辺の寸法バランスにより必要な特性を導出することができる。勿論、1箇所に配置するコンプライアンス機構は3軸に限定されず、軸数をさらに増やすことで異方性を小さくしたり、あるいは配置バランスに応じて任意の異方性(方向依存性)を設定したりすることができる。また、このような特性を必ずしも1自由度のみに適用するのではなく、足首など対地適応性に影響する部位に多自由度コンプライアンス機構を実装してもよい。   Also, a multi-axis compliance mechanism may be introduced at one location. In some cases, the compliance mechanism is easier to design in terms of mechanical movement. Alternatively, there are cases where it is desired to have a certain degree of compliance element not only in the linear motion component but also in the rotational direction. For example, it is possible to configure a three-degree-of-freedom compliance mechanism in which a triaxial compliance mechanism is attached so as to connect two vertexes of two triangles facing each other in the linear motion direction. In this case, necessary characteristics can be derived from the dimensional balance of each side of the triangle. Of course, the compliance mechanism placed at one location is not limited to three axes, and by further increasing the number of axes, the anisotropy can be reduced, or any anisotropy (direction dependency) can be set according to the placement balance. You can do it. In addition, such a characteristic is not necessarily applied to only one degree of freedom, but a multi-degree-of-freedom compliance mechanism may be mounted on a part that affects ground adaptability such as an ankle.

また、前記可変式非線形コンプライアンス機構を回転部付近に配置するようにしてもよいし、あるいは前記可変式非線形コンプライアンス機構をリンク部に配置するようにしてもよい。前者の場合、単軸でも効果はあるが、直動的衝撃に対応するため、複数の軸に配置することで、上体に不要なモーメントが加わらないようにすることができる。   In addition, the variable nonlinear compliance mechanism may be disposed near the rotating portion, or the variable nonlinear compliance mechanism may be disposed in the link portion. In the former case, a single axis is effective, but in order to cope with a direct dynamic impact, it is possible to prevent an unnecessary moment from being applied to the upper body by arranging it on a plurality of axes.

また、本発明に係る可変式非線形コンプライアンス機構を構成する前記ばね要素は、非線形特性、プリロード、リミッタを備えていてもよい。   Further, the spring element constituting the variable nonlinear compliance mechanism according to the present invention may include a nonlinear characteristic, a preload, and a limiter.

ばねの荷重(変位)が小さい場合、ばねが柔らか過ぎると、変位が大きくなり過ぎ、充分な支持モーメントを発生することが困難である。逆に、徒にばね定数を上げると、緩衝に適応できない特性となる。そこで、低荷重領域では作動せず所定荷重を超えた時点で弾性特性が作動するプリロード機構と、変位量が所定値に到達した時点で弾性変形が停止するリミッタ機構をばねに適用する。このような場合、例えば通常時にはほぼ剛体として作用し非常時のみ作動する、あるいは、足先接地時に荷重とともに変位する。さらに、意図的に非線形性を与えることで、移動性能と制御特性の整合性を向上させることができる。   When the load (displacement) of the spring is small, if the spring is too soft, the displacement becomes too large and it is difficult to generate a sufficient support moment. On the other hand, if the spring constant is increased, the characteristic cannot be adapted to the buffer. Therefore, a preload mechanism that does not operate in a low load region and that operates with elastic characteristics when a predetermined load is exceeded, and a limiter mechanism that stops elastic deformation when the amount of displacement reaches a predetermined value are applied to the spring. In such a case, for example, it normally acts as a rigid body and operates only in an emergency, or is displaced with a load when the toes touch the ground. Furthermore, the intentionality of the nonlinearity can improve the consistency between the movement performance and the control characteristics.

また、本発明に係る可変式非線形コンプライアンス機構を構成する前記ダンパ要素は、非線形特性で、圧縮・伸展で特性を変化、あるいは速度に対し負特性を備えていてもよい。   Further, the damper element constituting the variable nonlinear compliance mechanism according to the present invention may have nonlinear characteristics, change characteristics by compression / extension, or have a negative characteristic with respect to speed.

ダンパとして単純な線形粘性を持つ減衰要素を適用すると、速い外乱入力に対して抵抗力が大きくなり過ぎてしまう。すなわち、高速な応答に対しての抵抗力が大きくなり、歩行機械で考えると、急激な力に対しては剛体として作用する。そこで、本発明では、第一に、伸び方向と縮み方向で特性が変わる特性を導入し、衝撃を受けるときは減衰力を小さくして素早く吸収し、伸展するときは減衰力を大きく設定し、飛び跳ねによる転倒モーメントの発生を抑えるようにする。さらに、高速な入力に対して追従性を挙げた負特性とするという速度依存性を導入し、衝撃力による挙動は極めて速く、速度が上がったときに抵抗力が小さくなって、素早く変位させることで、上体の変位、衝撃を少なくする。   When a damping element having a simple linear viscosity is applied as a damper, the resistance force becomes too large against a fast disturbance input. That is, the resistance force to a high-speed response becomes large, and when considered with a walking machine, it acts as a rigid body against a sudden force. Therefore, in the present invention, firstly, a characteristic that changes the characteristics in the extension direction and the contraction direction is introduced, and when receiving an impact, the damping force is reduced and absorbed quickly, and when extending, the damping force is set large. Try to suppress the occurrence of overturning moments due to jumping. In addition, it introduces a speed dependency that makes it a negative characteristic with high follow-up characteristics for high-speed input, and the behavior by impact force is extremely fast, and when the speed increases, the resistance force becomes small and quickly displaces. In order to reduce the displacement and impact of the upper body.

これら方向依存性と速度依存性という2種類のダンパ特性を自在に組み合わせることで、衝撃力を逃がし、且つ、支持するための力を適切に発生することができる。これをさらに拡張し、機体の持つ固有振動数の影響を小さくするなどの工夫を行ない、且つ急峻な変化を誘発しないための非線形特性を与えることができる。   By freely combining these two types of damper characteristics of direction dependency and speed dependency, the impact force can be released and the force for supporting can be appropriately generated. This can be further expanded, and it is possible to give a non-linear characteristic in order to reduce the influence of the natural frequency of the airframe and to induce a steep change.

また、本発明に係る可変式非線形コンプライアンス機構を構成する前記摩擦要素は、速度依存性が小さい成分であってもよい。例えば、摩擦要素が非線形な弾性特性を得た場合、加重が減じても変形が残るので、そのヒステリシス性により摩擦を得ることができる。   Further, the friction element constituting the variable nonlinear compliance mechanism according to the present invention may be a component having a small speed dependency. For example, when the friction element obtains a non-linear elastic characteristic, the deformation remains even if the load is reduced, so that the friction can be obtained by the hysteresis property.

本発明によれば、走行や跳躍などの急激な動作を自律的に行なうことができる、優れたロボット装置を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the outstanding robot apparatus which can autonomously perform rapid operation | movements, such as driving | running | working and jumping, can be provided.

また、本発明によれば、走行や跳躍などの急激な動作を行なう際の衝撃吸収とダイナミック動作を実現するロボット装置並びにロボット装置のためのコンプライアンス装置を提供することができる。   In addition, according to the present invention, it is possible to provide a robot apparatus and a compliance apparatus for the robot apparatus that realize shock absorption and dynamic operation when abrupt operations such as running and jumping are performed.

本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。   Other objects, features, and advantages of the present invention will become apparent from more detailed description based on embodiments of the present invention described later and the accompanying drawings.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1には、本発明の実施に供される脚式移動ロボットの自由度構成を模式的に示している。   FIG. 1 schematically shows a configuration of the degree of freedom of a legged mobile robot that is used to implement the present invention.

2足直立歩行を行なう脚式移動ロボットは、基本的には、基体に四肢が取り付けられた構造体である。ここで言う基体は、胴体部のうち、左右の股関節をつなぐ骨盤リンク若しくは体幹付近に設定された、ロボット装置全体の重心位置、あるいは質量操作量が最大となる制御対象点である。また、質量操作量は、ロボット装置内において、同じときに移動させることが可能となる部位の質量のことである。そして、質量操作量が最大の部位とは、ロボット装置内の部位のうち、移動可能で、且つ質量が最大に部位に相当する(たとえ質量が最大であっても、移動不可能であれば質量操作量が最大の部位とはならない)。   A legged mobile robot that performs biped upright walking is basically a structure in which limbs are attached to a base. The base body here is a control target point that is set near the pelvic link or the trunk that connects the left and right hip joints in the torso portion, or the center of gravity position of the entire robot apparatus or the mass manipulation amount is maximized. The mass operation amount is the mass of a part that can be moved at the same time in the robot apparatus. The part with the maximum mass manipulated variable is the part that can move among the parts in the robot apparatus and corresponds to the part with the maximum mass (even if the mass is the maximum, if the mass cannot be moved, the mass The amount of operation is not the maximum part).

図1に示すロボットは、基体に四肢が取り付けられ、肩関節ピッチ軸、肩関節ロール軸、上腕ヨー軸、肘関節ピッチ軸、前腕ヨー軸、手首ロール軸、手首ピッチ軸という7自由度からなる左右の腕部と、股関節ヨー軸、股関節ロール軸、股関節ピッチ軸、膝ピッチ軸、足首ピッチ軸、足首ロール軸という6自由度からなる左右の脚部で構成されている。左右の股関節を繋ぐ骨盤B1が基体リンクに相当し、上体は3自由度(ロール、ピッチ、ヨー)の腰部関節を介して基体リンクB1に接続され、基体リンクB1に二肢の6自由度脚部と上体が接続されている。   The robot shown in FIG. 1 has four limbs attached to a base, and has seven degrees of freedom: a shoulder joint pitch axis, a shoulder joint roll axis, an upper arm yaw axis, an elbow joint pitch axis, a forearm yaw axis, a wrist roll axis, and a wrist pitch axis. It is composed of left and right arm portions and left and right leg portions having six degrees of freedom: a hip joint yaw axis, a hip joint roll axis, a hip joint pitch axis, a knee pitch axis, an ankle pitch axis, and an ankle roll axis. The pelvis B1 that connects the left and right hip joints corresponds to the body link, and the upper body is connected to the body link B1 via the lumbar joint of 3 degrees of freedom (roll, pitch, yaw), and the body link B1 has 6 degrees of freedom for the two limbs. Legs and upper body are connected.

これらの各関節自由度は、実際にはアクチュエータ・モータにより実現される。本実施形態では、ギア直結型で且つサーボ制御系をワンチップ化してモータ・ユニットに内蔵したタイプの小型ACサーボ・アクチュエータを搭載する。なお、この種のACサーボ・アクチュエータに関しては、例えば本出願人に既に譲渡されている特開2000−299970号公報(特願平11−33386号明細書)に開示されている。   Each of these joint degrees of freedom is actually realized by an actuator / motor. In the present embodiment, a small AC servo actuator of a gear direct connection type and a servo control system integrated into one chip and built in a motor unit is mounted. This type of AC servo actuator is disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-299970 (Japanese Patent Application No. 11-33386) already assigned to the present applicant.

機体の骨盤部には、加速度センサA1及びジャイロG1が搭載されている。また、左右の足底四隅には、足底面垂直方向の床反力を検出する1軸ロードセル(F1〜F8)と、床面までの距離を測定する赤外線測距センサ(D1〜D8)がそれぞれ4つ取り付けられている。また、左右の足底中央部には、それぞれ加速度センサ(A2,A3)及びジャイロ(G2,G3)が取り付けられている。   An acceleration sensor A1 and a gyro G1 are mounted on the pelvis of the airframe. Also, at the four corners of the left and right soles, there are uniaxial load cells (F1 to F8) for detecting the floor reaction force in the vertical direction of the sole and infrared ranging sensors (D1 to D8) for measuring the distance to the floor, respectively. Four are attached. An acceleration sensor (A2, A3) and a gyroscope (G2, G3) are attached to the center of the left and right soles, respectively.

図2には、脚式移動ロボット100の駆動制御のために導入されている制御システムの構成の概略を示している。主制御ユニット(制御手段)300は、CPU(Central Processing Unit)301、RAM(Random Access Memory)302、動作パターンなどが格納されているROM(Read Only Memory)303、脚式移動ロボット100に搭載される各種センサ306の出力としてのアナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換器305、及び、これらを相互に接続するバス304を備えている。   FIG. 2 shows an outline of a configuration of a control system introduced for driving control of the legged mobile robot 100. The main control unit (control means) 300 is mounted on a CPU (Central Processing Unit) 301, a RAM (Random Access Memory) 302, a ROM (Read Only Memory) 303 in which operation patterns are stored, and the legged mobile robot 100. An A / D converter 305 that converts an analog signal as an output of various sensors 306 into a digital signal, and a bus 304 that connects these to each other are provided.

CPU301は、ROM303に記憶されている情報や各種センサ306の出力に基づいて、脚式移動ロボット100の動作を決定し、各関節に配置されたACサーボ・アクチュエータ307への動作指令値を含む制御信号を生成する。そして、CPU301は、生成した各関節に対する制御信号を、バス304を介して主制御ユニット300に接続されているACサーボ・アクチュエータ307に印加する。これにより、各ACサーボ・アクチュエータ307は、制御信号に含まれる動作指令値に基づいて作動され、脚式移動ロボット100は、歩行動作を含むさまざまな動作の制御を行なう。   The CPU 301 determines the operation of the legged mobile robot 100 based on the information stored in the ROM 303 and the output of the various sensors 306, and includes the operation command value to the AC servo actuator 307 disposed at each joint. Generate a signal. Then, the CPU 301 applies the generated control signal for each joint to the AC servo actuator 307 connected to the main control unit 300 via the bus 304. Accordingly, each AC servo actuator 307 is operated based on the operation command value included in the control signal, and the legged mobile robot 100 controls various operations including a walking operation.

本実施形態に係る制御システムは、ZMPを安定度判別規範に用いたし背院安定制御を行なう。ここで、ZMPによる安定度判別規範は、歩行系から路面には重力と慣性力、並びにこれらのモーメントが路面から歩行系への反作用としての床反力並びに床反力モーメントとバランスするという「ダランベールの原理」に基づく。力学的推論の帰結として、足底接地点と路面の形成する支持多角形の内側にピッチ及びロール軸モーメントがゼロとなる点、すなわちZMPが存在する。この場合、ZMPに対する偏差を小さくするための位置、速度、及び加速度が連続となるように、5次多項式を用いた補間計算により歩行パターンの生成・修正を行なう。   The control system according to the present embodiment uses the ZMP as a stability criterion and performs back-house stability control. Here, the stability determination criterion by ZMP is that the gravity and inertial force from the walking system to the road surface and these moments balance with the floor reaction force and the floor reaction force moment as a reaction from the road surface to the walking system. Based on "the principle of". As a result of the dynamic reasoning, there is a point where the pitch and roll axis moment become zero, that is, ZMP, inside the support polygon formed by the sole contact point and the road surface. In this case, a walking pattern is generated / corrected by interpolation calculation using a fifth-order polynomial so that the position, velocity, and acceleration for reducing the deviation from ZMP are continuous.

また、制御システムは、ロボットの可動部の運動を周期運動と捉え、その位相を調整することで大局的な姿勢安定制御を行なうこともできる。ロボット・システムに1以上の位相発生器を用い、その位相に応じて複数の制御器の中から1つを選択する。制御器は連続的内装情報に基づいて可動部の駆動を制御する。また、物理系から実際の位相を推定し、この推定値を用いて位相発生器の振動数や位相を調節し、物理の位相とロボット・システムの位相発生器間で相互引き込みを行ない、結果としてロボットのダイナミクスを有効に用いた運動制御を実現する。   In addition, the control system can perform global posture stability control by regarding the motion of the movable part of the robot as a periodic motion and adjusting the phase thereof. One or more phase generators are used in the robot system, and one of a plurality of controllers is selected according to the phase. The controller controls the driving of the movable part based on the continuous interior information. In addition, the actual phase is estimated from the physical system, the frequency and phase of the phase generator are adjusted using this estimated value, and mutual pulling is performed between the physical phase and the phase generator of the robot system. Realize motion control using robot dynamics effectively.

本実施形態では、ロボット装置の脛又は足首付近において、伸縮若しくは曲げの可能なコンプライアンス機構をリンク又は関節に導入することにより、走行や跳躍などのダイナミックな動作が実現可能となる。   In this embodiment, by introducing a compliance mechanism that can be expanded or contracted into the link or joint near the shin or ankle of the robot apparatus, a dynamic operation such as running or jumping can be realized.

このようなコンプライアンス機構は、基本的には、ばねと、ダンパと、摩擦という3つの要素で構成され、各要素は可変で且つ非線形特性を持つ。ここで、ばねは、非線形特性、プリロード、リミッタなどを含むものとする。また、ダンパは、非線形特性で、圧縮・伸展で特性を変化、あるいは速度に対し負特性などを持つものとする。また、摩擦は、速度依存性が小さい成分であるとする。非線形な弾性特性を得た場合、加重が減じても変形が残るので、そのヒステリシス性により摩擦を得ることができる。   Such a compliance mechanism basically includes three elements, that is, a spring, a damper, and friction, and each element is variable and has a nonlinear characteristic. Here, the spring includes a non-linear characteristic, a preload, a limiter, and the like. The damper is assumed to have nonlinear characteristics, change characteristics by compression / extension, or have negative characteristics with respect to speed. In addition, it is assumed that friction is a component having a small speed dependency. When non-linear elastic characteristics are obtained, deformation remains even when the load is reduced, and friction can be obtained by the hysteresis property.

本実施形態に係る可変式非線形コンプライアンス機構は、さらに受動的機構制御系を備えることができる。この受動的機構制御系は、当該コンプライアンス機構のロックやロックの解除、ロックをコントロールする手段などをさらに備えている。   The variable nonlinear compliance mechanism according to the present embodiment can further include a passive mechanism control system. This passive mechanism control system further includes means for locking and unlocking the compliance mechanism, and means for controlling the lock.

図3には、本実施形態に係る可変式非線形コンプライアンス機構の仕組みを概念的に示している。同図に示すコンプライアンス機構は、能動的なサーボ制御系と受動的な機構制御系からなる混合制御系を組み合わせた1自由度の直動機構で構成される。サーボ・モータからなる能動制御による駆動系と出力部(関節などの効果器)の間には、受動的で広帯域で応答することができる機構系が直列的に配置されている。この受動的な機構系は、例えば、ばねやダンパなどのコンプライアンスの他、プリロードや摩擦その他の非線形要素により構成することができる。   FIG. 3 conceptually shows the mechanism of the variable nonlinear compliance mechanism according to the present embodiment. The compliance mechanism shown in the figure is composed of a linear motion mechanism with one degree of freedom that combines a mixed control system composed of an active servo control system and a passive mechanism control system. A mechanism system that is passive and capable of responding in a wide band is arranged in series between a drive system based on active control including a servo motor and an output unit (effector such as a joint). This passive mechanism system can be constituted by non-linear elements such as preload, friction and the like in addition to compliance such as a spring and a damper.

図4には、本実施形態に係る可変式非線形コンプライアンス機構をロボット装置の足周辺に取り入れた例を示している。また、図5には、同コンプライアンス機構を脚に取り入れた例を示している。   FIG. 4 shows an example in which the variable nonlinear compliance mechanism according to the present embodiment is incorporated around the legs of the robot apparatus. FIG. 5 shows an example in which the compliance mechanism is incorporated in the leg.

可変式非線形コンプライアンス機構をロボット装置の接地部により近い部位に配置した方が効果的と考えられることから、図4に示すように、足裏若しくは足首付近に配置すればよい。   Since it is considered that it is more effective to arrange the variable nonlinear compliance mechanism at a position closer to the grounding portion of the robot apparatus, it may be arranged near the sole or ankle as shown in FIG.

また、ロボット装置の移動モーションによっては、ある程度のストロークを必要とすることもある。あるいは足機構は概して小さく設計する必要があり、収容スペースが極端に狭いことがある。このような場合、図5に示したように、コンプライアンス機構を脛付近あるいはそれよりも上方に配置することがよい場合もある。   In addition, a certain amount of stroke may be required depending on the movement motion of the robot apparatus. Alternatively, the foot mechanism generally needs to be designed to be small and the storage space may be extremely narrow. In such a case, as shown in FIG. 5, it may be desirable to arrange the compliance mechanism in the vicinity of or above the shin.

図4並びに図5に示す例では、可変式非線形コンプライアンス機構の作動方向は、回転及び並進のいずれも想定している。また、同コンプライアンス機構をロボット装置の該当部位に取り付けるに際し、その作動方向は必ずしもリンク軸方向に限定されない。例えば、図6に示すように、リンク軸に対し任意の方向に取り付けることで、ロボット装置の運用目的や寸法関係に適合させることが可能である。   In the example shown in FIGS. 4 and 5, the operation direction of the variable nonlinear compliance mechanism is assumed to be both rotation and translation. Further, when the compliance mechanism is attached to a corresponding part of the robot apparatus, the operation direction is not necessarily limited to the link axis direction. For example, as shown in FIG. 6, it can be adapted to the operational purpose and dimensional relationship of the robot apparatus by being attached in an arbitrary direction with respect to the link shaft.

例えば、本発明に係るコンプライアンス機構を脛に配置した場合を考えてみる。ロボット装置が標準姿勢をとったときには、脛は多少なりとも前傾することから、著駆動機構の伸縮方向が適当でないと、コンプライアンスが十分に機能しないことがある。ロボット装置本体は軽量化する必要があり、各フレームの変形が最小となるように剛性を持たせることは現実的ではない。そこで、必要とする直同要素は必ずしもリンク方向に一致させず、むしろ、運動形態に適した配置とすることが重要であると思料される。   For example, consider the case where the compliance mechanism according to the present invention is arranged on the shin. When the robot apparatus takes the standard posture, the shin tilts somewhat forward, so compliance may not function sufficiently if the extension / contraction direction of the driving mechanism is not appropriate. It is necessary to reduce the weight of the robot apparatus body, and it is not realistic to provide rigidity so that the deformation of each frame is minimized. Therefore, it is thought that it is important that the necessary direct elements do not necessarily coincide with the link direction, but rather are arranged in accordance with the motion form.

また、1箇所の取り付け部位において単軸のコンプライアンス機構のみが取り付けられるとは限らない。例えば図7に示すように、1箇所に複数軸のコンプライアンス機構を導入することも可能である。   In addition, only a single-axis compliance mechanism is not necessarily attached at one attachment site. For example, as shown in FIG. 7, it is also possible to introduce a multi-axis compliance mechanism at one location.

コンプライアンス機構は、機構的に直動の方が設計し易い場合がある。あるいは、直動成分のみならず、回転方向にもある程度のコンプライアンス要素を持たせたい場合もある。図7に示す例では、3角形の各辺の寸法バランスにより必要な特性を導出することができる。勿論、1箇所に配置するコンプライアンス機構は3軸に限定されず、軸数をさらに増やすことで異方性を小さくしたり、あるいは配置バランスに応じて任意の異方性(方向依存性)を設定したりすることができる。また、このような特性を必ずしも1自由度のみに適用するのではなく、足首など対地適応性に影響する部位に多自由度コンプライアンス機構を実装してもよい。   In some cases, the compliance mechanism is easier to design in terms of mechanical movement. Alternatively, there are cases where it is desired to have a certain degree of compliance element not only in the linear motion component but also in the rotational direction. In the example shown in FIG. 7, necessary characteristics can be derived from the dimensional balance of each side of the triangle. Of course, the compliance mechanism placed at one location is not limited to three axes, and by further increasing the number of axes, the anisotropy can be reduced, or any anisotropy (direction dependency) can be set according to the placement balance. You can do it. In addition, such a characteristic is not necessarily applied to only one degree of freedom, but a multi-degree-of-freedom compliance mechanism may be mounted on a part that affects ground adaptability such as an ankle.

また、本発明に係る可変式非線形コンプライアンス機構を可動脚上で複数導入することができる。   A plurality of variable nonlinear compliance mechanisms according to the present invention can be introduced on the movable leg.

図8には、可変式非線形コンプライアンス機構を回転部付近に配置した例として、股関節、膝、足首など、可動脚を構成する関節毎に可変式非線形コンプライアンス機構を導入した様子を示している。この場合、単軸でも効果はあるが、直動的衝撃に対応するため、複数の軸に配置することで、上体に不要なモーメントが加わらないようにすることができる。   FIG. 8 shows a state in which the variable nonlinear compliance mechanism is introduced for each joint constituting the movable leg, such as the hip joint, the knee, and the ankle, as an example in which the variable nonlinear compliance mechanism is arranged near the rotating portion. In this case, although a single axis is effective, in order to cope with a direct dynamic impact, it is possible to prevent an unnecessary moment from being applied to the upper body by arranging it on a plurality of axes.

また、図9には、可変式非線形コンプライアンス機構をリンク部に配置した例として、大腿部、下腿部、足部など可動脚を構成するリンク軸毎に同コンプライアンス機構を導入した様子を示している。   In addition, FIG. 9 shows a state in which the compliance mechanism is introduced for each link shaft constituting the movable leg such as the thigh, the lower leg, and the foot as an example in which the variable nonlinear compliance mechanism is arranged in the link part. ing.

図8並びに図9のいずれに示した場合であっても、ロボット装置が歩行やその他の脚式動作を行なう場合に要求される特性を考慮すると、足先若しくは接地面により近い部位にコンプライアンス機構を配置した方が緩衝効果やその他の対地適応性が向上する。一方、慣性力の低減という観点から考慮すると、重量物を少しでも先端部に配置しない方がよいので、ロボットの移動状態や規模に応じてコンプライアンス機構を適宜分産して配置する必要がある。   8 and 9, in consideration of the characteristics required when the robot apparatus performs walking or other legged movements, the compliance mechanism is provided at a position closer to the foot tip or the ground contact surface. Arrangement improves the buffer effect and other ground adaptability. On the other hand, from the viewpoint of reducing the inertial force, it is better not to place a heavy object at the tip as much as possible. Therefore, it is necessary to appropriately distribute and arrange the compliance mechanism according to the movement state and scale of the robot.

図3に示した可変式非線形コンプライアンス機構は、能動的なサーボ制御系と受動的な機構制御系からなる混合制御系の概念を実現した直動機構である。   The variable nonlinear compliance mechanism shown in FIG. 3 is a linear motion mechanism that realizes the concept of a mixed control system including an active servo control system and a passive mechanism control system.

同図に示した例では、サーボ・モータからなる能動制御による駆動系と出力部(関節などの効果器)の間には、受動的で広帯域で応答することができる機構系が直列的に配置されている。この受動的な機構系は、例えば、ばねやダンパなどのコンプライアンスの他、プリロードや摩擦その他の非線形要素により構成することができる。また、受動的な機構系と出力部の間に、さらに他のリンクや関節などを含んでいてもよい。また、機構要素は、コイルなどの電気系であってもよい。   In the example shown in the figure, a mechanism system that can respond passively and in a wide band is arranged in series between the active control system consisting of a servo motor and the output section (effector such as a joint). Has been. This passive mechanism system can be constituted by non-linear elements such as preload, friction and the like in addition to compliance such as a spring and a damper. Further, another link or joint may be included between the passive mechanism system and the output unit. The mechanism element may be an electric system such as a coil.

ここで、受動的なコンプライアンス機構を実現するには、単純なばねでは充分な性能を出すことは困難であり、非線形の機構要素を備えていることが好ましい。この部位に関しては、その定数などをアクチュエータなどによって変更することもできる。受動的制御系は、基本的には機械要素で実現しているが、それを補助するための制御手段を組み合わせることも想定している。   Here, in order to realize a passive compliance mechanism, it is difficult to achieve a sufficient performance with a simple spring, and it is preferable to include a nonlinear mechanism element. With respect to this part, the constant or the like can be changed by an actuator or the like. The passive control system is basically realized by machine elements, but it is also assumed that a control means for assisting the passive control system is combined.

図3に示した例では、受動的な機構系の作動をオン/オフするためのソレノイドなどの切り替え器を配置しており、受動的な機構系のロック、解放、コントロールを行なう。すなわち、制御処理系からの切替機構制御信号によって受動的機構系における高周波応答作用を付勢又は減勢することができるようになっている。   In the example shown in FIG. 3, a switching device such as a solenoid for turning on / off the operation of the passive mechanism system is arranged, and the passive mechanism system is locked, released, and controlled. That is, the high frequency response action in the passive mechanism system can be energized or deenergized by the switching mechanism control signal from the control processing system.

勿論、上述したような受動的な機構制御系と組み合わせなくとも、本発明の所望の作用効果を達成することはできるが、さらに高性能で、緻密な制御を可能にすることができる。   Of course, the desired operation and effect of the present invention can be achieved without being combined with the passive mechanism control system as described above, but it is possible to perform fine control with higher performance.

以下では、ばねやダンパなど、受動的な機構制御系を構成する各要素について説明する。   Below, each element which comprises a passive mechanism control system, such as a spring and a damper, is demonstrated.

ばね
図10には通常の線形ばねの弾性特性を示している。このような単純ばねを適用するのは、安定性を確保する上では不適切である。何故ならば、必要な支持モーメントを発生しようとしても、その変位が小さい場合は充分に伝わらず、転倒につながる可能性があるからである。この場合、ばねの荷重(変位)が小さい場合、ばねが柔らか過ぎると、変位が大きくなり過ぎ、充分な支持モーメントを発生することが困難である。逆に、ばね定数を上げると、緩衝に適応できない特性となる。すなわち、脚式移動ロボットへ直接利用することは困難であり、いたずらにストロークが大きくなるか、振動を起こすなどの問題が考えられる。また、位置を決定するのに、ばね要素が入ることは一般に制御が難しくなる。
Spring FIG. 10 shows the elastic characteristics of a normal linear spring. Applying such a simple spring is inappropriate for ensuring stability. This is because even if an attempt is made to generate the necessary support moment, if the displacement is small, it is not sufficiently transmitted and may cause a fall. In this case, when the load (displacement) of the spring is small, if the spring is too soft, the displacement becomes too large and it is difficult to generate a sufficient support moment. On the contrary, when the spring constant is increased, the characteristics cannot be adapted to the buffer. That is, it is difficult to directly use it for a legged mobile robot, and there may be problems such as an unnecessarily large stroke or vibration. Also, the spring element is generally difficult to control to determine the position.

そこで、本実施形態では、低荷重領域では作動せず所定荷重を超えた時点で弾性特性が作動するプリロード機構と、変位量が所定値に到達した時点で弾性変形が停止するリミッタ機構をばねに適用している。この場合のばね特性は図11に示す通りとなり、ばね定数を適度に抑え、且つ、低荷重域の特性を改善するためのオフセット(バイアス)が与えられている。   Therefore, in this embodiment, the preload mechanism that operates when the predetermined load is exceeded without operating in the low load region and the limiter mechanism that stops elastic deformation when the displacement reaches a predetermined value are used as springs. Applicable. The spring characteristics in this case are as shown in FIG. 11, and an offset (bias) is given to moderately suppress the spring constant and improve the characteristics in the low load region.

図11に示すようなばね特性を得ることにより、例えば通常時にはほぼ剛体として作用し非常時のみ作動する、あるいは、足先接地時に荷重とともに変位するようにすることができる。   By obtaining a spring characteristic as shown in FIG. 11, for example, it can act as a substantially rigid body at normal times and operate only in an emergency, or can be displaced with a load at the time of ground contact with the foot.

また、機構的な位置関係でなく、切替機構のようなものを制御することにより同様の特性を実現した場合には、図12のようになることを含んでいる。若しくは、意図的に非線形性を与えることで、移動性能と制御特性の整合性を向上させることができる。   In addition, when similar characteristics are realized by controlling a mechanism such as a switching mechanism instead of a mechanical positional relationship, it includes that shown in FIG. Alternatively, it is possible to improve the consistency between the movement performance and the control characteristics by intentionally imparting non-linearity.

機能に、プリロード、変位ストッパ、非線形特性ばねなどを組み合わせると効果的である。また、これらの要素のつながりに極端な段(不連続)のついたものは、挙動を乱す原因になるので滑らかに変化するような特性を考慮しておく必要がある。   Combining functions with preload, displacement stopper, non-linear characteristic spring, etc. is effective. In addition, if the connection of these elements has an extreme step (discontinuity), the behavior is disturbed, so it is necessary to consider characteristics that change smoothly.

ダンパ
図13には、基本モデルとなるダンパの特性を示している。図示のダンパは、線形粘性を持つ減衰要素である。このような単純な特性のものを適用すると、速い外乱入力に対して抵抗力が大きくなり過ぎてしまう。すなわち、高速な応答に対しての抵抗力が大きくなり、歩行機械で考えると、急激な力に対しては剛体として作用する。このため、結局のところ、転倒モーメントを発生させる原因となる。この対策として、以下の2つの方法を導入する。
Damper FIG. 13 shows the characteristics of a damper serving as a basic model. The damper shown is a damping element with linear viscosity. If such a simple characteristic is applied, the resistance force becomes too large against a fast disturbance input. That is, the resistance force to a high-speed response becomes large, and when considered with a walking machine, it acts as a rigid body against a sudden force. For this reason, after all, it causes a fall moment. The following two methods are introduced as countermeasures.

(1)伸び方向と縮み方向で特性が変わる
(2)高速な入力に対して追従性を挙げた負特性とする。
(1) The characteristics change in the extension direction and the contraction direction. (2) A negative characteristic with high follow-up characteristics for high-speed input.

図14には、1番目の方法を導入し、方向による異特性を与えたダンパの特性を示している。すなわち、荷重が加わる方向に応じて減衰率を変えることが有効であり、衝撃を受けるときは減衰力を小さくして素早く吸収し、伸展するときは減衰力を大きく設定し、飛び跳ねによる転倒モーメントの発生を抑えるようにする。   FIG. 14 shows the characteristics of the damper that has introduced the first method and has given different characteristics depending on the direction. In other words, it is effective to change the damping rate according to the direction in which the load is applied. When receiving an impact, the damping force is reduced to absorb quickly, and when extending, the damping force is set to be large, and the falling moment of jumping is reduced. Try to suppress the occurrence.

また、図15には、2番目の方法を導入し、系が作動する速度に応じて特性が切り替わるという速度依存型のダンパ特性を示している。衝撃力による挙動はきわめて速く、速度が上がったときに抵抗力が小さくなって、素早く変位させることで、上体の変位、衝撃を少なくすることが望ましい。図15に示したように、ダンパに負特性を与えることでこの機能を実現することができる。   FIG. 15 shows a speed-dependent damper characteristic in which the second method is introduced and the characteristic is switched according to the speed at which the system operates. The behavior due to the impact force is extremely fast, and it is desirable to reduce the displacement and impact of the upper body by quickly displacing the resistance force as the speed increases. As shown in FIG. 15, this function can be realized by giving a negative characteristic to the damper.

図14並びに図15に示したダンパ特性を自在に組み合わせることで、衝撃力を逃がし、且つ、支持するための力を適切に発生することができる。これをさらに拡張し、機体の持つ固有振動数の影響を小さくするなどの工夫を行ない、且つ急峻な変化を誘発しないための非線形特性を与える。図16には、この場合のダンパ特性例を示している。コンプライアンス機構に対し、方向による異特性と、速度による負特性と、非線形減衰機構を組み合わせることで、より効果的となる。但し、これらの要素のつながりに極端な段の付いたものは挙動を乱す原因となるので、滑らかに変化するような特性を考慮しておく必要がある。   By freely combining the damper characteristics shown in FIG. 14 and FIG. 15, it is possible to release an impact force and appropriately generate a support force. This is further expanded to give non-linear characteristics in order to reduce the influence of the natural frequency of the aircraft and to prevent abrupt changes. FIG. 16 shows an example of the damper characteristic in this case. For the compliance mechanism, it becomes more effective by combining a different characteristic depending on the direction, a negative characteristic due to speed, and a nonlinear damping mechanism. However, since an extreme step in the connection of these elements causes disturbance in behavior, it is necessary to consider characteristics that change smoothly.

また、ばねやダンパ以外に、摩擦などの要素を適宜導入することにより、特性改善を行なうことができる。   In addition to the spring and the damper, characteristics can be improved by appropriately introducing factors such as friction.

切替機構
受動的機構制御系の特性を切り替えるために、プリロード、ラッチ又はソレノイド、ブレーキ機構など、あるいはこれらの組み合わせを導入することができる。
To switch the characteristics of the switching mechanism passive mechanism control system, a preload, a latch or solenoid, a brake mechanism, etc., or a combination thereof can be introduced.

荷重や速度が大きくなると受動的に動作開始したり、制御を与えることで切り替え動作を明確にしたりする。あるいは、特性自体を作り出したりすることに利用することもできる。   When the load or speed increases, the operation starts passively or the switching operation is clarified by giving control. Alternatively, it can be used to create the characteristics themselves.

図17には、上述した、ばね、ダンパ、切替機構を有機的に組み合わせた機構ユニットの構成例を示している。   FIG. 17 shows a configuration example of a mechanism unit that organically combines the above-described spring, damper, and switching mechanism.

非線形ばね要素は、不定ピッチや多重ばねなどで構成される。リミット機構は緩衝部を有し、ストッパで急激に停止させるのではなく、緩衝材を用いておくことが好ましい。ばねには、プリロード機構が作用している。ロック機構としてプレーキやラッチなどを用いる。受動的及び能動的制御系のいずれにもロック機構を装備する。   The non-linear spring element is composed of an indefinite pitch, multiple springs, or the like. The limit mechanism has a buffer portion, and it is preferable to use a buffer material instead of stopping it suddenly with a stopper. A preload mechanism acts on the spring. A brake or a latch is used as a locking mechanism. Both passive and active control systems are equipped with a locking mechanism.

また、ダンパは、往路と復路とで抵抗が変わる。往路と復路で非対称となる特性は、例えば、歩行のように支持脚時のみ高い負荷が掛かり、遊脚時にはほとんど負荷が掛からない。非線形ダンピング機構には、流体の他、固体摩擦、コイルなどの電気系を利用することができる。   In addition, the resistance of the damper varies between the forward path and the return path. The characteristic of being asymmetric between the forward path and the return path is, for example, a high load applied only when the supporting leg is used, such as walking, and hardly any load is applied during the swinging leg. For the nonlinear damping mechanism, an electric system such as solid friction or a coil can be used in addition to a fluid.

図18には、本実施形態に係る可変式非線形コンプライアンス機構を可動脚の下腿部(脛)に実装した様子を示している。   FIG. 18 shows a state where the variable nonlinear compliance mechanism according to the present embodiment is mounted on the lower leg (shin) of the movable leg.

図示の場合、脛リンクなどの方向軸に対し、ピッチ又はロール方向に±30度程度の範囲で曲げて配置することが、設計面から可能である。2足歩行のロボット装置の場合、リンク構成を持つ以上、完全に進展することが現実的でないので、こうした配置を行なう必要がある。   In the case of illustration, it is possible from a design surface to bend and arrange | position in the range of about ± 30 degree | times to a pitch or a roll direction with respect to direction axes, such as a shin link. In the case of a biped walking robot apparatus, it is not realistic to advance completely as long as it has a link configuration, so such an arrangement is necessary.

また、図19には、本実施形態に係る可変式非線形コンプライアンス機構を、可動脚の下腿部において、任意のリンク機構と組み合わせて実装した様子を示している。図示の場合、同コンプライアンス機構の実効的な動作方向や回転軸を設定、調整することができる。   FIG. 19 shows a state in which the variable nonlinear compliance mechanism according to this embodiment is mounted in combination with an arbitrary link mechanism in the lower leg portion of the movable leg. In the case of illustration, the effective operation direction and rotation axis of the compliance mechanism can be set and adjusted.

直動要素又は極めて大きな曲率半径のコンプライアンス気候を実現したい場合には、図示のような平行リンク機構を構成することが考えられる。この場合、リンク長を変更するだけで、任意の位置に回転中心を配置することが可能であり、且つ、比較的強固な機構系を実現することができる。   If it is desired to realize a compliance climate with a linear motion element or an extremely large radius of curvature, it is conceivable to construct a parallel link mechanism as shown in the figure. In this case, the rotation center can be arranged at an arbitrary position by simply changing the link length, and a relatively strong mechanism system can be realized.

図20には、本実施形態に係る可変式非線形コンプライアンス機構を各可動脚の下腿部(脛)に導入した2足歩行型の脚式移動ロボットが歩行動作を行なう様子を示している。また、図21には、同コンプライアンス機構を各可動脚の足部に導入した脚式移動ロボットが歩行動作を行なう様子を示している。   FIG. 20 shows a state in which a biped walking type legged mobile robot in which the variable nonlinear compliance mechanism according to the present embodiment is introduced into the lower leg (shin) of each movable leg performs a walking motion. FIG. 21 shows a state in which a legged mobile robot in which the compliance mechanism is introduced to the foot of each movable leg performs a walking motion.

ロボット装置の規模が小さくなるほど、機構的に収容スペースの制約が厳しくなる。また、足裏と足首軸の距離はできる限り小さくした方がよい。そこで、図20に示したように、比較的余裕のある脛や腿にコンプライアンス機構を配置することで、十分なストロークと必要な動作軸を確保することが可能となる。脚が着地すると、その1次衝撃を吸収するためにコンプライアンス機構が作動し、収縮限界近傍でロック機構が作動し、その位置が保持される。これによって、機体のふらつきによる転倒モーメントの発生を抑制し、支持モーメントを確保することができる。また、足が離反する際には、そのロック機構が解除され、次の着地に対処する。ロック機構の解放の仕方により、走行や歩行の補助となり得る。完全に遊脚になってからでもよく、あるいは離反する瞬間にロック機構の解除を利用すると、運動の制御に役立てることができる。   The smaller the scale of the robot apparatus, the more severely limited the storage space mechanically. Also, the distance between the sole and the ankle shaft should be as small as possible. Therefore, as shown in FIG. 20, it is possible to secure a sufficient stroke and a necessary operation axis by arranging the compliance mechanism on the shin or thigh having a relatively large margin. When the leg lands, the compliance mechanism operates to absorb the primary impact, and the lock mechanism operates near the contraction limit, and the position is maintained. As a result, it is possible to suppress the occurrence of a tipping moment due to the wobbling of the airframe and to secure a support moment. Further, when the foot is separated, the lock mechanism is released to deal with the next landing. Depending on how the lock mechanism is released, it can be an aid to running and walking. It can be used for the movement control by using the release of the lock mechanism at the moment when it is completely free or when it is separated.

一方、コンプライアンス機構を小型且つ軽量に設計した場合、図21に示したように、移動面からより近い部位に配置することで、衝撃を効率的に吸収することができる。足や足首付近にコンプライアンス機構を取り付けた場合、足の着地時にその1次衝撃を吸収するためにコンプライアンス機構が作動し、その収縮限界付近でロックが作動し、その位置が保持される。これによって、機体のふらつきによる転倒モーメントの発生を抑制し、支持モーメントを確保することができる。また、足が離反する際には、そのロック機構が解除され、次の着地に対処する。ロック機構の解放の仕方により、走行や歩行の補助となり得る。完全に遊脚になってからでもよく、あるいは離反する瞬間にロック機構の解除を利用すると、運動の制御に役立てることができる。   On the other hand, when the compliance mechanism is designed to be small and light, as shown in FIG. 21, the impact can be efficiently absorbed by disposing the compliance mechanism closer to the moving surface. When the compliance mechanism is attached in the vicinity of the foot or ankle, the compliance mechanism is activated to absorb the primary impact when the foot is landed, the lock is activated near the contraction limit, and the position is maintained. As a result, it is possible to suppress the occurrence of a tipping moment due to the wobbling of the airframe and to secure a support moment. Further, when the foot is separated, the lock mechanism is released to deal with the next landing. Depending on how the lock mechanism is released, it can be an aid to running and walking. It can be used for the movement control by using the release of the lock mechanism at the moment when it is completely free or when it is separated.

但し、本実施形態に係る可変式非線形コンプライアンス機構の受動特性は、変位ストッパの作動により得られる。また、同コンプライアンス機構の能動特性は上記の切替機構により得られる。   However, the passive characteristic of the variable nonlinear compliance mechanism according to the present embodiment can be obtained by operating the displacement stopper. Further, the active characteristic of the compliance mechanism can be obtained by the above switching mechanism.

各図に示すように、まず足先が接地するとともに、荷重が大きくなるため、ある条件を超えた付近から変位する。荷重が充分に乗ると、充分な支持モーメントと位置並びに姿勢精度が必要になるので、ロック機構が作動する。   As shown in the drawings, first, the foot tip comes in contact with the ground, and the load increases, so that it is displaced from the vicinity exceeding a certain condition. When the load is sufficiently applied, sufficient support moment, position and posture accuracy are required, and the lock mechanism is activated.

歩行動作時の後ろ足が路面を蹴り出す動作では、これらが解放されることで、蹴り出す力を発生することができる。   In an operation in which the hind leg kicks off the road surface during the walking motion, a force to kick out can be generated by releasing them.

本発明によれば、ロボット装置の可動脚に、特性を任意に設定・調整できる非線形コンプライアンス機構要素を導入することで、移動性能が飛躍的に向上することができる。   According to the present invention, by introducing a non-linear compliance mechanism element whose characteristics can be arbitrarily set / adjusted to the movable leg of the robot apparatus, the movement performance can be dramatically improved.

高速移動
本発明によれば、ロボット装置の高速移動が可能となる。具体的には、走行動作や跳躍動作などである。このような動作には、歩行とは全く異なる制御概念を導入する必要がある。前述した通り、高速な応答、特に高い振動数(高速な)入力に対応できるモータ・サーボ系は現在のところ存在しないので、本発明に係る可変式非線形コンプライアンス機構は有効であると考えられる。
High-speed movement According to the present invention, the robot apparatus can be moved at high speed. Specifically, it is a running operation or a jumping operation. For such an operation, it is necessary to introduce a completely different control concept from walking. As described above, there is no motor / servo system that can respond to a high-speed response, in particular, a high frequency (high-speed) input, so the variable nonlinear compliance mechanism according to the present invention is considered to be effective.

凹凸への適応能力向上
ロボット装置が移動する路面の凹凸の変化が激しくなると、移動速度が遅くても、脚の各関節、特に末端部において、高速に動かなければならなくなる。関節の動作が路面の変化に追いつかない場合、機体自ら転倒するなど不安定な状態になるモーメントを発生することとなってしまう。これに対し、本発明に係る可変式非線形コンプライアンス機構を関節又はリンクに適用した場合、予期せぬ移動面における外乱に対し有効に適応することができる。
Improving the ability to adapt to unevenness If the unevenness of the road surface on which the robot apparatus moves becomes severe, even if the moving speed is slow, it is necessary to move at high speeds at each joint of the leg, particularly at the end. If the movement of the joint cannot keep up with the change in the road surface, a moment that causes an unstable state, such as the aircraft falling over, will be generated. On the other hand, when the variable nonlinear compliance mechanism according to the present invention is applied to a joint or a link, it can be effectively adapted to an unexpected disturbance on the moving surface.

優れた歩行動作の実現
従来の剛性のある脚機構は、正確に状態を検出し、正確に位置決めを行なうことでその性能を発揮する。このため、高速な外乱に対処できないという側面がある。これに対し、本発明によれば、コンプライアンス要素を取り入れることで、制御手法自体が大きく変わる。例えば、コンプライアンス機構がラッチ機構またはこれに類似する機構を装備した場合、地面に足を押し付けるように歩くことで、不整地での安定性を向上させるような歩行を実現することができる。
Realization of excellent walking motion The conventional rigid leg mechanism exhibits its performance by accurately detecting the state and positioning accurately. For this reason, there is an aspect in which high-speed disturbance cannot be dealt with. On the other hand, according to the present invention, the control method itself is greatly changed by incorporating the compliance element. For example, when the compliance mechanism is equipped with a latch mechanism or a similar mechanism, walking that improves stability on rough terrain can be realized by walking to press the foot against the ground.

歩行動作
従来の剛性のある脚機構は、正確に状態を検出し、正確に位置決めを行なうことで、その性能を発揮していた。この場合、制御系が高速な外乱に対処できないという側面がある。これに対し、本発明によれば、制御系にコンプライアンス要素を導入することで、制御手法自体が大きく変わる。例えば、ラッチ機構のようなものを装備し、地面に足を押し付けるように歩くことで、不整地での安定性を向上させることができる。
Walking motion Conventional rigid leg mechanisms have demonstrated their performance by accurately detecting the state and positioning accurately. In this case, there is an aspect that the control system cannot cope with high-speed disturbance. On the other hand, according to the present invention, the control method itself is greatly changed by introducing the compliance element into the control system. For example, it is possible to improve the stability on rough terrain by equipping a latch mechanism and walking so as to press the foot against the ground.

各種の移動形態に対応
本発明に係る可変式非線形コンプライアンス機構は、受動的、能動的な動作が切り替わる要素を備えている。例えば、通常の歩行時はほぼリジッドに動作するが、力が大きく速度が上がる走行時にはコンプライアンス要素が作動する。これらの制御動作は、根本的に異なるものであり、同一の機構モデルで対応することは一般には困難であるが、本発明によれば、場面毎に適した機構モデルに再構成することができる。
Corresponding to various types of movements The variable nonlinear compliance mechanism according to the present invention includes elements for switching between passive and active operations. For example, it operates almost rigidly during normal walking, but the compliance element is activated during traveling when the force is large and the speed is increased. These control operations are fundamentally different, and it is generally difficult to cope with the same mechanism model. However, according to the present invention, it is possible to reconfigure a mechanism model suitable for each scene. .

表現力の向上
現在、ロボット装置の性能はいまだ発展段階にあり、さまざまな性能を示す必要がある。動作の表現力もその1つであるが、コンプライアンス要素を持たせることで,緻密な力制御でなくても足裏の接地状態を選択することができる。例えば、人間形のロボット装置に舞踏的な動作をさせる場合、設計上の理由からロボットの関節自由度は概して不足気味になるが、コンプライアンス要素を利用して摺り足のような動作を可能とすることから、冗長でない脚機構であっても冗長的な動作を実現することができ、表現力の幅が拡がる。
Improving expressiveness Currently, the performance of robotic devices is still in the development stage, and it is necessary to show various performances. The expressive power of the movement is one of them, but by providing a compliance element, it is possible to select the ground contact state of the sole without using precise force control. For example, when making a humanoid robot device perform a choreographic movement, the degree of freedom of joints of the robot is generally insufficient for design reasons, but it is possible to operate like a sliding foot using a compliance element. Therefore, even if the leg mechanism is not redundant, a redundant operation can be realized, and the range of expressive power is expanded.

緩衝
本発明に係る可変式非線形コンプライアンス機構は、衝撃吸収の効果を備えている。衝撃吸収効果は、ロボット装置のほぼすべての動作にわたり、有効に作用する。しかも、コンプライアンス要素として単純にばねを導入しただけとは異なり、制御性を損なわない特性を与えることができるので、機構の保護が必要となる条件下で優先的、選択的に動作させることも可能である。
Buffering The variable nonlinear compliance mechanism according to the present invention has an impact absorbing effect. The shock absorbing effect works effectively over almost all operations of the robot apparatus. Moreover, unlike simply introducing a spring as a compliance element, it can be given a characteristic that does not impair controllability, so it can be operated preferentially and selectively under conditions that require protection of the mechanism. It is.

エネルギ変換効率の改善
本発明に係る可変式非線形コンプライアンス機構系ではエネルギを散逸させる要素が導入されているが、必ずしもエネルギ消費が多くなるとは限らない。何故ならば、上記に挙げたことを実現できる手法であるにも拘らず、重量軽減、ピーク・パワーの分散などが期待できるからである。まず、高速移動に関して述べると、すべての仕事をアクチュエータがまかなう訳ではなく、コンプライアンス要素がそれを一時的に受け止めたり、あるいはダンピング要素が重力方向の力を受け持ったりすることが可能であることから、制御動作そのものを変更できる。例えばモータを小型に設定することができる。この結果、動力源の規模も小さくでき、駆動能力に余裕が出るという相乗効果が得られる。したがって、エネルギ面で効率のよい、高性能なロボット装置を実現できる。付言すれば、小型のアクチュエータは概して高速な応答性に優れ、ロボット装置がダイナミックな動作の実現には大変有利である。
Improvement of energy conversion efficiency In the variable nonlinear compliance mechanism system according to the present invention, an element for dissipating energy is introduced, but energy consumption is not necessarily increased. This is because weight reduction and dispersion of peak power can be expected in spite of the technique capable of realizing the above. First, when it comes to high-speed movement, the actuator does not do all the work, but the compliance element can accept it temporarily, or the damping element can handle the force in the direction of gravity. The control operation itself can be changed. For example, the motor can be set small. As a result, the scale of the power source can be reduced, and a synergistic effect can be obtained in that there is a margin in drive capability. Therefore, a high-performance robot apparatus that is efficient in terms of energy can be realized. In other words, a small actuator is generally excellent in high-speed response, and the robot apparatus is very advantageous for realizing dynamic operation.

以上、特定の実施例を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施例の修正や代用を成し得ることは自明である。   The present invention has been described in detail above with reference to specific embodiments. However, it is obvious that those skilled in the art can make modifications and substitutions of the embodiments without departing from the gist of the present invention.

本発明の要旨は、必ずしも「ロボット」と称される製品には限定されない。すなわち、電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行なう機械装置あるいはその他一般的な移動体装置であるならば、例えば玩具などのような他の産業分野に属する製品であっても、同様に本発明を適用することができる。   The gist of the present invention is not necessarily limited to a product called a “robot”. That is, if it is a mechanical device or other general mobile device that performs a movement resembling human movement using electrical or magnetic action, it is a product belonging to another industrial field such as a toy. Even if it exists, this invention can be applied similarly.

要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。   In short, the present invention has been disclosed in the form of exemplification, and the description of the present specification should not be interpreted in a limited manner. In order to determine the gist of the present invention, the claims section described at the beginning should be considered.

図1は、本発明の実施に供される脚式移動ロボットの自由度構成を模式的に示した図である。FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a degree of freedom of a legged mobile robot used for carrying out the present invention. 図2は、脚式移動ロボット100の制御システムの構成の概略を示した図である。FIG. 2 is a diagram showing an outline of the configuration of the control system of the legged mobile robot 100. 図3は、本発明の一実施形態に係る可変式非線形コンプライアンス機構の仕組みを概念的に示した図である。FIG. 3 is a diagram conceptually showing the mechanism of the variable nonlinear compliance mechanism according to one embodiment of the present invention. 図4は、本発明に係る可変式非線形コンプライアンス機構をロボット装置の足周辺に取り入れた例を示した図である。FIG. 4 is a view showing an example in which the variable nonlinear compliance mechanism according to the present invention is incorporated around the legs of the robot apparatus. 図5は、本発明に係る可変式非線形コンプライアンス機構をロボット装置の脚に取り入れた例を示した図である。FIG. 5 is a view showing an example in which the variable nonlinear compliance mechanism according to the present invention is incorporated in the leg of the robot apparatus. 図6は、本発明に係る可変式非線形コンプライアンス機構をリンク軸に対し任意の方向に取り付けた様子を示した図である。FIG. 6 is a view showing a state where the variable nonlinear compliance mechanism according to the present invention is attached to the link shaft in an arbitrary direction. 図7は、1箇所に複数軸のコンプライアンス気候を導入した様子を示したずである。FIG. 7 does not show a state where a multi-axis compliance climate is introduced at one location. 図8は、可動脚を構成する関節毎に可変式非線形コンプライアンス機構を導入した様子を示した図である。FIG. 8 is a diagram showing a state where a variable nonlinear compliance mechanism is introduced for each joint constituting the movable leg. 図9は、可動脚を構成するリンク軸毎に可変式非線形コンプライアンス機構を導入した様子を示した図である。FIG. 9 is a diagram showing a state where a variable nonlinear compliance mechanism is introduced for each link shaft constituting the movable leg. 図10は、通常のばねの弾性特性を示した図である。FIG. 10 is a diagram showing the elastic characteristics of a normal spring. 図11は、リミッタ機構とプリロード機構を適用した場合のばねの弾性特性を示した図である。FIG. 11 is a diagram showing the elastic characteristics of the spring when the limiter mechanism and the preload mechanism are applied. 図12は、リミッタ機構とプリロード機構を適用した場合のばねの弾性特性を示した図である。FIG. 12 is a diagram showing the elastic characteristics of the spring when the limiter mechanism and the preload mechanism are applied. 図13は、基本モデルとなるダンパの特性を示した図である。FIG. 13 is a diagram illustrating the characteristics of a damper serving as a basic model. 図14は、方向による異特性を与えたダンパの特性を示した図である。FIG. 14 is a diagram showing the characteristics of the damper given different characteristics depending on the direction. 図15は、速度依存型のダンパ特性を示した図である。FIG. 15 is a diagram showing a speed-dependent damper characteristic. 図16は、急峻な変化を誘発しないための非線形特性が付与されたダンパ特性を示した図である。FIG. 16 is a diagram showing a damper characteristic to which a nonlinear characteristic for preventing a steep change is given. 図17は、ばね、ダンパ、切替機構を有機的に組み合わせた機構ユニットの構成例を示した図である。FIG. 17 is a diagram illustrating a configuration example of a mechanism unit in which a spring, a damper, and a switching mechanism are organically combined. 図18は、本発明に係る可変式非線形コンプライアンス機構を可動脚の下腿部に実装した様子を示した図である。FIG. 18 is a diagram showing a state where the variable nonlinear compliance mechanism according to the present invention is mounted on the lower leg of the movable leg. 図19は、本発明に係る可変式非線形コンプライアンス機構を、可動脚の下腿部において、任意のリンク機構と組み合わせて実装した様子を示した図である。FIG. 19 is a diagram showing a state in which the variable nonlinear compliance mechanism according to the present invention is mounted on the lower leg of the movable leg in combination with an arbitrary link mechanism. 図20は、本発明に係る可変式非線形コンプライアンス機構を各可動脚の下腿部に導入した2足歩行型の脚式移動ロボットが歩行動作を行なう様子を示した図である。FIG. 20 is a diagram showing a state in which a biped walking type legged mobile robot in which the variable nonlinear compliance mechanism according to the present invention is introduced into the lower leg of each movable leg performs a walking motion. 図21は、本発明に係る可変式非線形コンプライアンス機構を各可動脚の足部に導入した2足歩行型の脚式移動ロボットが歩行動作を行なう様子を示した図である。FIG. 21 is a diagram showing a state in which a biped walking type legged mobile robot in which the variable nonlinear compliance mechanism according to the present invention is introduced to the foot of each movable leg performs a walking motion.

符号の説明Explanation of symbols

100…脚式移動ロボット
300…主制御ユニット
301…CPU
302…RAM
303…ROM
304…バス
307…ACサーボ・アクチュエータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Leg type mobile robot 300 ... Main control unit 301 ... CPU
302 ... RAM
303 ... ROM
304 ... Bus 307 ... AC servo actuator

Claims (24)

少なくとも可動脚を備えたロボット装置であって、
前記可動脚のリンク又は関節部位に、ばね要素と、ダンパ要素と、摩擦要素とで構成され、前記の各要素は可変で非線形特性を持つ可変式非線形コンプライアンス機構を備える、
ことを特徴とするロボット装置。
A robot apparatus having at least movable legs,
The link or joint part of the movable leg is composed of a spring element, a damper element, and a friction element, and each element includes a variable nonlinear compliance mechanism that is variable and has nonlinear characteristics.
A robot apparatus characterized by that.
前記ロボット装置の状態を検出するセンサと、
前記センサ出力に応じて前記可変式非線形コンプライアンス機構の作動を停止、制動、又は係止する切替機構と、
をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載のロボット装置。
A sensor for detecting a state of the robot device;
A switching mechanism for stopping, braking, or locking the operation of the variable nonlinear compliance mechanism according to the sensor output;
The robot apparatus according to claim 1, further comprising:
前記可変式非線形コンプライアンス機構は、その直動機構が前記可動脚のリンク方向と一致するように取り付けられている、
ことを特徴とする請求項1に記載のロボット装置。
The variable nonlinear compliance mechanism is attached so that its linear motion mechanism matches the link direction of the movable leg.
The robot apparatus according to claim 1.
前記可変式非線形コンプライアンス機構は、その直動機構が前記可動脚のリンク方向と一致しないように取り付けられている、
ことを特徴とする請求項1に記載のロボット装置。
The variable nonlinear compliance mechanism is attached so that its linear motion mechanism does not coincide with the link direction of the movable leg.
The robot apparatus according to claim 1.
前記可変式非線形コンプライアンス機構は、前記ロボット装置の接地部付近に配置される、
ことを特徴とする請求項1に記載のロボット装置。
The variable nonlinear compliance mechanism is disposed near a grounding portion of the robot apparatus.
The robot apparatus according to claim 1.
前記可変式非線形コンプライアンス機構は、前記ロボット装置の脛付近あるいはそれよりも上方に配置される、
ことを特徴とする請求項1に記載のロボット装置。
The variable nonlinear compliance mechanism is disposed near or above the shin of the robot apparatus,
The robot apparatus according to claim 1.
1箇所に複数軸のコンプライアンス機構を導入する、
ことを特徴とする請求項1に記載のロボット装置。
Introducing a multi-axis compliance mechanism in one location,
The robot apparatus according to claim 1.
前記可変式非線形コンプライアンス機構を回転部付近に配置する、
ことを特徴とする請求項1に記載のロボット装置。
Arranging the variable nonlinear compliance mechanism in the vicinity of the rotating part;
The robot apparatus according to claim 1.
前記可変式非線形コンプライアンス機構をリンク部に配置する、
ことを特徴とする請求項1に記載のロボット装置。
Arranging the variable nonlinear compliance mechanism in the link part;
The robot apparatus according to claim 1.
前記ばね要素は、非線形特性、プリロード、リミッタを持つ、
ことを特徴とする請求項1に記載のロボット装置。
The spring element has non-linear characteristics, preload, limiter,
The robot apparatus according to claim 1.
前記ダンパ要素は、非線形特性で、圧縮・伸展で特性を変化、あるいは速度に対し負特性を持つ、
ことを特徴とする請求項1に記載のロボット装置。
The damper element has non-linear characteristics, changes characteristics by compression / extension, or has negative characteristics with respect to speed.
The robot apparatus according to claim 1.
前記摩擦要素は、速度依存性が小さい成分である、
ことを特徴とする請求項1に記載のロボット装置。
The friction element is a component having a small speed dependency,
The robot apparatus according to claim 1.
少なくとも可動脚を備えたロボット装置のためのコンプライアンス装置であって、
前記可動脚のリンク又は関節部位に配置され、ばね要素と、ダンパ要素と、摩擦要素とで構成され、前記の各要素は可変で非線形特性を持つ、
ことを特徴とするロボット装置のためのコンプライアンス装置。
A compliance device for a robotic device having at least movable legs,
It is arranged at the link or joint part of the movable leg, and is composed of a spring element, a damper element, and a friction element, and each element is variable and has a non-linear characteristic.
A compliance device for a robot device characterized by that.
前記ロボット装置の状態を検出するセンサと、
前記センサ出力に応じて前記各要素の作動を停止、制動、又は係止する切替機構と、
をさらに備えることを特徴とする請求項13に記載のロボット装置のためのコンプライアンス装置。
A sensor for detecting a state of the robot device;
A switching mechanism for stopping, braking, or locking the operation of each element according to the sensor output;
The compliance device for a robotic device according to claim 13, further comprising:
前記コンプライアンス装置の直動機構が前記可動脚のリンク方向と一致するように取り付けられている、
ことを特徴とする請求項13に記載のロボット装置のためのコンプライアンス装置。
The linear motion mechanism of the compliance device is attached so as to coincide with the link direction of the movable leg,
A compliance device for a robotic device according to claim 13.
前記コンプライアンス装置の直動機構が前記可動脚のリンク方向と一致しないように取り付けられている、
ことを特徴とする請求項13に記載のロボット装置のためのコンプライアンス装置。
It is attached so that the linear motion mechanism of the compliance device does not coincide with the link direction of the movable leg,
A compliance device for a robotic device according to claim 13.
前記ロボット装置の接地部付近に配置される、
ことを特徴とする請求項13に記載のロボット装置のためのコンプライアンス装置。
It is arranged near the grounding part of the robot device,
A compliance device for a robotic device according to claim 13.
前記ロボット装置の脛付近あるいはそれよりも上方に配置される、
ことを特徴とする請求項13に記載のロボット装置のためのコンプライアンス装置。
Arranged near or above the shin of the robotic device,
A compliance device for a robotic device according to claim 13.
前記ロボット装置の1箇所に複数軸同時に導入される、
ことを特徴とする請求項13に記載のロボット装置のためのコンプライアンス装置。
A plurality of axes are simultaneously introduced into one place of the robot apparatus;
A compliance device for a robotic device according to claim 13.
前記ロボット装置の可動脚の回転部付近に配置される、
ことを特徴とする請求項13に記載のロボット装置のためのコンプライアンス装置。
It is arranged near the rotating part of the movable leg of the robot device,
A compliance device for a robotic device according to claim 13.
前記ロボット装置の可動脚のリンク部に配置される、
ことを特徴とする請求項13に記載のロボット装置のためのコンプライアンス装置。
Arranged in the link portion of the movable leg of the robot apparatus,
A compliance device for a robotic device according to claim 13.
前記ばね要素は、非線形特性、プリロード、リミッタを持つ、
ことを特徴とする請求項13に記載のロボット装置のためのコンプライアンス装置。
The spring element has non-linear characteristics, preload, limiter,
A compliance device for a robotic device according to claim 13.
前記ダンパ要素は、非線形特性で、圧縮・伸展で特性を変化、あるいは速度に対し負特性を持つ、
ことを特徴とする請求項13に記載のロボット装置のためのコンプライアンス装置。
The damper element has non-linear characteristics, changes characteristics by compression / extension, or has negative characteristics with respect to speed.
A compliance device for a robotic device according to claim 13.
前記摩擦要素は、速度依存性が小さい成分である、
ことを特徴とする請求項13に記載のロボット装置のためのコンプライアンス装置。
The friction element is a component having a small speed dependency,
A compliance device for a robotic device according to claim 13.
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