JP2006026828A - Robot motion planning method - Google Patents
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Abstract
【課題】 本発明の目的は、ロボットの初期姿勢から最終姿勢までの安定した動作を計画することのできるロボットの動作計画方法を提供することにある。
【解決手段】 本発明のロボットの動作計画方法は、ロボットの初期及び最終姿勢に基づいて、初期姿勢と最終姿勢とをつなぐ動作を確率を用いて計画するもので、重力によってロボット各部に作用する複数のモーメントの釣合条件に基づいて、動作中のある時点での停止状態でロボットが転倒するか否かを静的に判定する静的転倒判定工程と、静的転倒判定工程において、ロボットが動作の間に静的に転倒しないと判定された場合に、重力及び動作による慣性力によって該ロボットに作用する複数のモーメントのつり合い条件を考慮して動作中にロボットが転倒しないと動的に判定されるように、該ロボット各部の速度及び/又は加速度を設定する速度/加速度変更工程とを備えていることを特徴としている。
【選択図】 図1An object of the present invention is to provide a robot motion planning method capable of planning a stable motion from the initial posture to the final posture of the robot.
According to the robot motion planning method of the present invention, the motion connecting the initial posture and the final posture is planned based on the initial and final postures of the robot using probability, and acts on each part of the robot by gravity. In a static overturn determination step and a static overturn determination step that statically determine whether or not the robot falls over in a stopped state at a certain point in time based on a balance condition of a plurality of moments, When it is determined that the robot does not fall statically during the movement, it is dynamically determined that the robot will not fall during the movement considering the balance condition of multiple moments acting on the robot due to gravity and inertial force due to the movement. As described above, a speed / acceleration changing step for setting the speed and / or acceleration of each part of the robot is provided.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、与えられた初期姿勢及び最終姿勢に基づいて、初期姿勢から最終姿勢までのロボットの動作を計画するロボットの動作計画方法に関する。 The present invention relates to a robot motion planning method for planning a robot motion from an initial posture to a final posture based on a given initial posture and final posture.
二足歩行型のロボットの歩行制御において、ZMP規範が良く知られている([特許文献1],[非特許文献1])。ZMP(Zero Morment Point)とは、ロボットが位置する床面上において、このロボットの各部材の重力によるモーメントと慣性力によるモーメントと(もし外力が作用していれば、さらに外力によるモーメントと)の総和がゼロとなる点のことである。ZMP規範とは、このZMPがロボットの接地面が形成する支持多角形(安定領域と呼ばれる)の辺上又は内部にあればロボットは転倒せずに安定に移動することが可能であるとする規範である([非特許文献2])。 The ZMP norm is well known in walking control of a biped robot ([Patent Document 1], [Non-Patent Document 1]). ZMP (Zero Moment Point) means the moment of gravity and the moment of inertia of each member of this robot on the floor where the robot is located (if the external force is applied, the moment by the external force) This is the point where the sum is zero. The ZMP norm is a norm that the robot can move stably without falling if the ZMP is on or inside a support polygon (called a stable region) formed by the ground contact surface of the robot. ([Non-Patent Document 2]).
なお、ZMP規範は、二足歩行ロボットに対してのみ適用されるものではなく、車輪などによって移動するロボットなどに対しても有効である。また、ロボット自体やロボットの腕などを操作する際には、その経路を設定する必要が生じる。下記[非特許文献3]には、確率機構を用いた経路計画について記載されている。[非特許文献3]の方法では、スタート位置(初期姿勢)とゴール位置(最終姿勢)とが設定され、この間に一つ以上の中間点を経由する経路が設定される。 Note that the ZMP norm is not only applied to biped robots, but is also effective for robots that move by wheels or the like. In addition, when operating the robot itself or the arm of the robot, it is necessary to set the route. [Non-Patent Document 3] below describes route planning using a probability mechanism. In the method of [Non-Patent Document 3], a start position (initial posture) and a goal position (final posture) are set, and a route passing through one or more intermediate points is set between them.
上述した文献などでの経路生成では、何れもロボットの安定した動作を補償することが十分に検討されていない。このため、ロボットが決定された経路でその一部(ロボットアーム)や全体を移動させたときに転倒してしまうなどのおそれがあった。ロボットがその一部や全体を移動させる際には、重力に対するバランスだけでなく、慣性力によるバランスなども考慮する必要があり、これらを十分に考慮しないと転倒してしまう。従って、本発明の目的は、ロボットの初期姿勢から最終姿勢までの安定した動作を計画することのできるロボットの動作計画方法を提供することにある。 None of the path generations in the above-mentioned literature has been sufficiently studied to compensate for the stable operation of the robot. For this reason, there is a possibility that the robot may fall over when a part (robot arm) or the whole of the robot is moved along the determined route. When the robot moves part or all of it, it is necessary to consider not only the balance against gravity but also the balance due to inertial force. If these are not fully considered, the robot will fall. Therefore, an object of the present invention is to provide a robot motion planning method capable of planning a stable motion from the initial posture to the final posture of the robot.
請求項1に記載のロボットの動作計画方法は、ロボットの初期姿勢及び最終姿勢に基づいて、初期姿勢と最終姿勢とをつなぐ動作を確率を用いて計画するもので、重力によってロボット各部に作用する複数のモーメントの釣り合い条件に基づいて、動作中のある時点での停止状態でロボットが転倒するか否かを静的に判定する静的転倒判定工程と、静的転倒判定工程において、ロボットが動作の間に静的に転倒しないと判定された場合に、重力及び動作による慣性力によって該ロボットに作用する複数のモーメントのつり合い条件を考慮して動作中にロボットが転倒しないと動的に判定されるように、該ロボット各部の速度及び/又は加速度を設定する速度/加速度変更工程とを備えていることを特徴としている。
The robot motion planning method according to
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のロボットの動作計画方法において、速度/加速度変更工程における動的転倒判定時に、ZMP規範に基づいてロボットが動的に転倒しないようにロボットの各部の速度及び/又は加速度を設定することを特徴としている。 According to a second aspect of the present invention, in the robot motion planning method according to the first aspect, when the dynamic overturn determination is performed in the speed / acceleration changing step, the robot is prevented from dynamically overturning based on the ZMP norm. The speed and / or acceleration of each part is set.
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載のロボットの動作計画方法において、ロボットの各部について許容し得る上限値となる最大速度及び/又は最大加速度が予め決定されており、速度/加速度変更工程においては、最大速度及び/又は最大加速度を減少させることを特徴としている。 According to a third aspect of the present invention, in the robot motion planning method according to the first or second aspect, a maximum speed and / or maximum acceleration that is an upper limit value allowable for each part of the robot is determined in advance. In the / acceleration changing step, the maximum speed and / or the maximum acceleration is reduced.
請求項1に記載のロボットの動作計画方法における速度/加速度変更工程において行われる「重力及び動作による慣性力によってロボットに作用する複数のモーメントのつり合い条件を考慮して動作中にロボットが転倒しないと動的に判定(動的転倒判定)」する工程を、以下、動的転倒判定工程と言うこととする。即ち、動的転倒判定工程は、速度/加速度変更工程に含まれている。請求項1に記載のロボットの動作計画方法によれば、静的には転倒しないと判断されるときには、動的にも転倒しないようにロボット各部の速度(加速度)を設定する。このようにすることで、動的にも転倒しない経路を決定でき、ロボットを安定して動作させることができる。
The robot motion planning method according to
なお、速度/加速度変更工程においては、速度だけで動的に転倒しないようにしても良いし、加速度だけで動的に転倒しないようにしても良いし、速度と加速度の双方を制御して動的に転倒しないようにしても良い。このようにすれば、静的には転倒しないが動的には転倒するような場合を確実に回避することができる。また、動的転倒判定工程においては、ロボットに作用する重力及び慣性力を考慮するが、ロボットに作用する重力・慣性力以外の力(例えば外力)を考慮する事を除外しているわけではないことは言うまでもない。 In the speed / acceleration changing process, the vehicle may not fall over dynamically only with the speed, may not fall over dynamically only with the acceleration, or may be controlled by controlling both the speed and the acceleration. You may make it not fall down. In this way, it is possible to reliably avoid a case where the vehicle does not fall down statically but falls down dynamically. In addition, in the dynamic fall determination process, gravity and inertial force acting on the robot are considered, but it is not excluded to consider forces other than gravity and inertial force acting on the robot (for example, external force). Needless to say.
請求項2に記載のロボットの動作計画方法によれば、ZMP規範に基づいて動的転倒判定を行うため、転倒判定を迅速かつ的確に判定することができる。この結果、経路決定を迅速かつ確実に行うことができる。 According to the robot motion planning method of the second aspect, since the dynamic overturn determination is performed based on the ZMP norm, the overturn determination can be quickly and accurately determined. As a result, route determination can be performed quickly and reliably.
請求項3に記載のロボットの動作計画方法によれば、ロボット各部(例えばロボットアームの関節部など)毎に予め設定される最大速度や最大加速度を引き下げることで、慣性力を低減し、ロボットの動作を安定化させる。このようにすることで、経路はそのままにしつつもロボットの動作を安定化させることが可能となり、動作計画を迅速かつ確実に行うことができる。 According to the robot motion planning method of the third aspect, the inertia force is reduced by lowering the maximum speed and maximum acceleration set in advance for each part of the robot (for example, a joint part of the robot arm). Stabilize operation. By doing so, it becomes possible to stabilize the operation of the robot while keeping the path as it is, and it is possible to perform the operation plan quickly and reliably.
本発明の動作計画方法の一実施形態について以下に説明する。動作計画によってロボットの移動経路が計画される。まず、本実施形態の動作計画方法を実行(演算)する装置(安定動作計画手段)の構成を図1に示す。安定動作計画手段1は、具体的にはコンピュータによって構成されている。図1に示されるように、安定動作計画手段1は外部環境情報を入力する手段である外部環境情報入力手段2と、生成過程にある経路や最終的に生成した(設定した)経路を出力する経路出力手段3とを有している。
An embodiment of the operation planning method of the present invention will be described below. The movement path of the robot is planned by the motion plan. First, FIG. 1 shows the configuration of an apparatus (stable operation planning means) that executes (calculates) the operation planning method of the present embodiment. Specifically, the stable operation planning means 1 is constituted by a computer. As shown in FIG. 1, the stable
外部環境情報入力手段2は、移動経路を生成する自動機械(ロボット自体やロボットアームなど)周辺の情報、特に障害物情報を外部環境として取得する手段であり、カメラや各種センサなどの情報取得デバイスが例として挙げられる。あるいは、外部環境情報入力手段2は、キーボードや光ディスクドライブなどであっても良く、オペレータが手動で外部環境情報を入力しても良いし、すでにデータ化されて光ディスクに格納されている外部環境情報を入力しても良い。経路出力手段3は、具体的には、モニタやプリンタ、記憶可能な媒体を扱うドライブなどである。 The external environment information input means 2 is a means for acquiring information around an automatic machine (such as a robot itself or a robot arm) that generates a movement route, particularly obstacle information as an external environment, and is an information acquisition device such as a camera or various sensors. Is given as an example. Alternatively, the external environment information input means 2 may be a keyboard, an optical disk drive, etc., and the operator may input the external environment information manually, or the external environment information already converted into data and stored on the optical disk May be entered. The route output means 3 is specifically a monitor, a printer, a drive for handling a storable medium, or the like.
外部環境情報入力手段2から入力された外部環境情報は、環境情報記憶手段4に蓄積される。環境情報記憶手段4は、具体的にはハードディスクやRAMなどである。環境情報記憶手段4には、知識としての環境情報(すでに知識として保持している情報)と、上述したような、外部環境情報入力手段2によって新たに入力された環境情報とを保持する。外部環境情報入力手段2によって新たに入力された環境情報は、その後は知識としての環境情報として蓄積される。安定動作計画手段1は、ロボットの初期姿勢と最終姿勢とを入力する初期・最終姿勢入力手段5や、初期姿勢と最終姿勢との間に中間姿勢を設定する中間姿勢生成手段6や、速度設定手段7、加速度設定手段8、衝突判定手段9、転倒判定手段10なども有している。
The external environment information input from the external environment
速度設定手段7は、ある中間姿勢から次の中間姿勢までの動作にかかる時間を設定することで、ロボット各部の速度を設定する。即ち、ここでは、ある中間姿勢から次の中間姿勢までの単なる位置の変化だけでなく、動作にかかる時間をも考慮している。同様に、加速度設定手段8は、上述した速度の時間変化を考慮することで、ロボット各部の加速度を設定する。なお、速度や加速度は、関節部であれば角速度や角加速度が用いられる場合もありえる。 The speed setting means 7 sets the speed of each part of the robot by setting the time required for the operation from one intermediate posture to the next intermediate posture. That is, here, not only a simple change in position from one intermediate posture to the next intermediate posture, but also the time required for the operation is considered. Similarly, the acceleration setting unit 8 sets the acceleration of each part of the robot by considering the above-described change in speed with time. For the speed and acceleration, angular velocity and angular acceleration may be used in the joint portion.
衝突判定手段9は、環境情報記憶手段4に記憶された障害物に関する情報に基づいて、生成中の動作経路が障害物と干渉するかどうかを判定するものである。動作経路が障害物と干渉するようであれば、中間姿勢生成手段6によって障害物と干渉する姿勢が修正される。転倒判定手段10は、障害物と干渉しないものとして生成された動作経路に沿ってロボットを動作させたときに、ロボットが転倒するか否かを静的及び動的に判定する。静的に転倒すると判定されるようであれば、中間姿勢生成手段6によって中間姿勢が修正される(動作経路が修正される)。
The collision determination unit 9 determines whether or not the operation path being generated interferes with the obstacle based on the information regarding the obstacle stored in the environment
静的には転倒しない場合は、動的に転倒しないように動作(経路だけでなく速度や加速度を含む)が設定される。このとき、まず、経路のみ(速度や加速度を含まない)を決定し、この経路が静的に転倒しないと判定された場合に、動的に転倒しないように速度や加速度を設定する事が考えられる。なお、静的に転倒すると判断される場合は、中間姿勢生成手段6によって経路(中間姿勢)自体が修正あるいは再生成される。 If the vehicle does not fall statically, an action (including not only the path but also the speed and acceleration) is set so as not to fall dynamically. At this time, first, only the route (not including speed and acceleration) is determined, and if it is determined that this route does not fall statically, the speed and acceleration may be set so that they do not fall over dynamically. It is done. When it is determined that the vehicle falls over statically, the route (intermediate posture) itself is corrected or regenerated by the intermediate posture generation means 6.
あるいは、動作(経路だけでなく速度や加速度を含む)を生成し、この動作が静的に転倒しないと判定できる場合に、動的転倒判定を行うようにしても良い。この場合に、動的判定で転倒すると判定される場合には、中間姿勢生成手段6によって経路(中間姿勢)を変更しても良いし、速度や加速度だけを修正しても良い。この場合も、静的に転倒すると判断される場合は、経路(中間姿勢)自体が修正あるいは再生成される。 Alternatively, when a motion (including not only a route but also speed and acceleration) is generated and it can be determined that this motion does not fall statically, the dynamic fall determination may be performed. In this case, when it is determined to fall by dynamic determination, the route (intermediate posture) may be changed by the intermediate posture generation means 6, or only the speed and acceleration may be corrected. Also in this case, when it is determined that the vehicle falls over statically, the route (intermediate posture) itself is corrected or regenerated.
速度や加速度を修正する場合は、速度設定手段7や加速度設定手段8によって速度や加速度を低減させて(動作経路自体は変わらない)転倒しないようにする。速度や加速度を制御しても転倒を防止できないような場合は、中間姿勢生成手段6によって中間姿勢が修正される(動作経路が修正される)。これらの中間姿勢生成手段6〜転倒判定手段10などは、ハードディスク内やROM内に格納されたプログラムとこれを実行するCPUなどによって実現されている。 When correcting the speed and acceleration, the speed setting means 7 and the acceleration setting means 8 reduce the speed and acceleration (the operation path itself does not change) so as not to fall. If the fall cannot be prevented by controlling the speed and acceleration, the intermediate posture is corrected by the intermediate posture generation means 6 (the operation path is corrected). The intermediate posture generation means 6 to the fall determination means 10 are realized by a program stored in a hard disk or a ROM and a CPU that executes the program.
次に、動作経路計画の手順について順を追って説明する。図2は、台車101上に人型の上体を取り付けたロボット100を模式的に示した図である。台車101には、四つの車輪102が取り付けられている。ロボット100は、これら車輪102を内部のモータで駆動して移動することができる。上体は、胴体103と左右の腕104L,104Rと頭部105とからなっている。頭部105には、上述した外部環境取得手段としてのカメラが人間の目を模して内蔵されている。
Next, the procedure of the operation path planning will be described in order. FIG. 2 is a diagram schematically showing a
胴体103には、1B〜4Bの関節ジョイントが配設されている。関節ジョイント1B,2B,4Bは、紙面に平行でかつ図中左右に伸びる回転軸を持つ関節である。関節ジョイント3Bは、紙面に平行でかつ図中上下に伸びる回転軸を持つ関節である。関節ジョイント1B,2B,4Bによって前のめりや後のめりの体勢を作り、関節ジョイント3Bによって腰をまわすのと同様に上体をまわした体勢を作る。
The
左右の腕104L,104Rは、左右対称なので右腕104Rを例に説明する。また、便宜上ここに言う腕には肩も含むものとする。右腕104Rには、5R〜11Rの関節ジョイントが配設されている。また、図示されていないが、手先部には、対象物を把持するために、指関節に相当する小さな関節ジョイントが配設されている。関節ジョイント5Rは、紙面に平行でかつ図中左右に伸びる回転軸を持つ関節であり、腕を前方に上げる際に用いられる。関節ジョイント6Rは、紙面に垂直な回転軸を持つ関節であり、腕を側方に上げる際に用いられる。関節ジョイント7R,9Rは、紙面に平行でかつ図中上下に伸びる回転軸を持つ関節であり、腕をねじる際に用いられる。関節ジョイント8R,11Rは、紙面に平行でかつ図中左右に伸びる回転軸を持つ関節であり、手先を肩につけるように曲げる際に用いられる。関節ジョイント10Rは、紙面に垂直な回転軸を持つ関節であり、手先部を動かす際に用いられる。
Since the left and
即ち、このロボット100の上体は、胴体が4自由度(4DOF:Degree Of Freedom)、腕部が7自由度(7DOF)、手先部が13自由度(13DOF)の自由度を有している。また、台車101を底面側から見た図を図3に示す。図3に示されるように、台車101は4つの車輪102を備えており、車輪102の回転方向や回転速度を制御することで、移動やその場での方向転換が可能である。また、図3中には、車輪102と床面との接点を結んだ多角形(支持多角形)によって囲まれたハッチングを施した領域(安定領域α:辺上を含む)が示されている。この安定領域については、後述する転倒判定時にさらに説明する。
That is, the upper body of the
次に、上述したロボット100の動作計画について説明する。動作計画では、ロボット100の全体あるいは一部(腕104R,104Lなど)の移動経路とそのときの移動速度及び移動加速度を決定する。ロボット100が存在する実際の作業空間に対してx,y,z座標軸を設定し、同時に、ロボット100の姿勢を変えるパラメータとなり得る情報量(ここでは、関節1B〜4B,5R〜11R,5L〜11Lの各角度θ1B〜θ4B,θ5R〜θ11R,θ5L〜θ11L)を各座標軸の座標として設定可能な多次元座標軸(ここでは18次元となる)を設定する。即ち、ロボット100(ここではロボットアームのみで説明しているが)のある姿勢は、多次元座標軸上の一点で示すことができる。このようにすると、実際の作業空間での手首位置Xの座標(x,y,z)は、多次元座標軸上に示されるベクトル(θ1B,…,θ4B,θ5R,…,θ11R,θ5L,…,θ11L)の値[ベクトル先端の座標位置]を座標変換することで容易に得ることができる。なお、ここでは、説明の便宜上、人間の指に相当する手先部の動きと、台車101の移動は考えないことする。
Next, the operation plan of the
ロボット100の動作計画に際しては、まず、外部環境情報入力手段2によって外部環境情報が入力される。すでに入力され、環境情報記憶手段4に蓄積された情報のみで不足がない場合は、新たな外部環境情報の入力は必ずしも必要ない。次に、ロボット100の初期姿勢と最終姿勢とをオペレータがセットする。これらの姿勢があらかじめプリセットされているのであれば、オペレータによる入力は必要ない。入力は、キーボードから座標位置を入力するなどして設定することができる。あるいは、安定動作計画手段1にロボット100を接続し、ロボット100を実際に初期姿勢及び最終姿勢をとらせて安定動作計画手段1に読み込ませるようにしても良い。また、装置に組み込まれたカメラや各種センサによって外部環境情報が自動又は半自動で取得されるようにしても良い。初期姿勢及び最終姿勢は、最終的には上述した多次元座標空間上の座標に変換される。
When planning the operation of the
初期・最終姿勢入力手段5は、環境情報記憶手段4に蓄積された情報と照らし合わせて、入力された初期姿勢及び最終姿勢が障害物と衝突していないか(干渉していないか)を判断し、衝突していない場合はこれらを初期姿勢及び最終姿勢として決定する。衝突判定時には、多次元座標軸上の一点の座標として表された姿勢を実際の作業空間に反映させ、そこで外部環境情報として蓄積されている障害物に関する情報と照らし合わせて衝突しているか否かが判定される。このような衝突判定は既存の手法を用いることができる。 The initial / final posture input means 5 determines whether or not the input initial posture and final posture collide with an obstacle (whether they interfere with each other) by comparing with the information stored in the environment information storage means 4. If there is no collision, these are determined as the initial posture and the final posture. At the time of collision determination, the posture expressed as one point coordinate on the multi-dimensional coordinate axis is reflected in the actual work space, and it is checked whether or not there is a collision against the information about the obstacle accumulated as external environment information. Determined. Such a collision determination can use an existing method.
なお、もし、入力された初期姿勢及び/又は最終姿勢が障害物と衝突している場合はオペレータに対して再入力を促し、再入力された初期姿勢及び/又は最終姿勢について同様の判定を行い、初期姿勢及び最終姿勢が決定されるまで反復される。次に、公知の手法によって、初期姿勢と最終姿勢との間に中間姿勢が仮設定される(中間姿勢設定工程)。この中間姿勢の仮設定は、中間姿勢生成手段6によって行われる。この中間姿勢の設定方法としては、例えば、上述した多次元座標軸上に中間姿勢に対応する座標をランダムに発生させればよい。 If the input initial posture and / or final posture collides with an obstacle, the operator is prompted to re-input, and the same determination is performed for the re-input initial posture and / or final posture. Iterate until the initial and final postures are determined. Next, an intermediate posture is provisionally set between the initial posture and the final posture by a known method (intermediate posture setting step). This temporary setting of the intermediate posture is performed by the intermediate posture generation means 6. As an intermediate posture setting method, for example, coordinates corresponding to the intermediate posture may be randomly generated on the above-described multidimensional coordinate axes.
初期姿勢と最終姿勢との間には、順番を含めて複数の中間姿勢が設定される。このとき、中間姿勢が仮設定された状態では、姿勢(空間的位置)のみが仮設定されただけであり、動作速度のような時間的な要素は設定されていない。そこで、次に、時間的要素を決定するため、各関節毎に設定されている最大速度(最大角速度)を超えないように、各中間姿勢の間に必要な時間が決定される(時間設定工程)。この時間設定は、速度設定手段7によって行われる。具体的には、各関節毎に時間−関節角のグラフが生成され、このグラフ上に各中間姿勢に相当する関節角が座標としてプロットされたときに、各座標を順に結ぶ線分の傾きとして表される角速度が最大角速度を超えないように設定される。 A plurality of intermediate postures including the order are set between the initial posture and the final posture. At this time, in the state where the intermediate posture is temporarily set, only the posture (spatial position) is temporarily set, and no temporal element such as the operation speed is set. Therefore, next, in order to determine the time factor, the time required between each intermediate posture is determined so as not to exceed the maximum speed (maximum angular speed) set for each joint (time setting step) ). This time setting is performed by the speed setting means 7. Specifically, a time-joint angle graph is generated for each joint, and when the joint angle corresponding to each intermediate posture is plotted as coordinates on this graph, the slope of the line segment connecting the coordinates in turn is used. The expressed angular velocity is set so as not to exceed the maximum angular velocity.
可能である場合は最大角速度で設定されるが、このような時間設定はすべての関節において同時に行われるため、最も条件の厳しい関節に合わせてすべての関節についての中間姿勢間の時間、即ち、関節角速度が設定される。なお、速度(角速度)だけでなく、加速度(角加速度)についても同様のことが行われ、各関節における角加速度が予め設定された最大角加速度を超えないように設定される。なお、時間−角加速度のグラフは、時間−角速度のグラフを一階微分すれば容易に得られる。この角加速度に関する時間設定は、加速度設定手段8によって行われる。 If possible, the maximum angular velocity is set, but since this time setting is performed simultaneously for all joints, the time between intermediate postures for all joints, i.e. Angular velocity is set. The same applies to not only the speed (angular speed) but also the acceleration (angular acceleration), and the angular acceleration at each joint is set so as not to exceed a preset maximum angular acceleration. The time-angular acceleration graph can be easily obtained by first-order differentiation of the time-angular velocity graph. The time setting regarding the angular acceleration is performed by the acceleration setting means 8.
上述した時間に関する要素の決定について、ある関節ジョイント部分を例にして説明する。ある関節ジョイントの角度について、初期姿勢での角度をθs、最終姿勢の角度をθgとする。そして、上述した中間姿勢生成時に、この関節ジョイント部分に関して仮設定された中間姿勢での関節ジョイントの角度をθ1,θ2,…,θnと表すものとする。例えば、ここで、時間設定が行われる以前には、θsとθ1,θiとθi+1,θnとθgの間の移動にかかる時間を一定時間tであると仮定して、関節ジョイントの角度の時間変化をグラフにして示すと図4のようになる。 The determination of the time-related element described above will be described by taking a certain joint joint portion as an example. Regarding an angle of a joint joint, an angle in the initial posture is θ s and an angle in the final posture is θ g . At the time of intermediate positions generated as described above, angle theta 1 of articulated joint in an intermediate position which is temporarily set with respect to the articulation joints, theta 2, ..., and represents a theta n. For example, before the time is set, it is assumed that the time required to move between θ s and θ 1 , θ i and θ i + 1 , θ n and θ g is a fixed time t. FIG. 4 is a graph showing the temporal change of the joint angle.
図4から分かるように、図4の角度変化を示す折れ線の傾きが角速度を表すことになる。ここでは、角速度は時間に対して一定の割合で増減するため、角加速度はゼロである。しかし、ロボット100を実際に駆動する場合には、関節ジョイント部分のアクチュエータ(モータなど)の機械的性能などから、角速度や角加速度には上述した最大角速度や最大角加速度といった制限を設ける必要が生じる。これらの条件は予め安定動作計画手段1にインプットされており、これらの制約を考慮して時間設定が行われる。即ち、図4のように、単純に中間姿勢間の移動にかかる時間を決めてしまうと、アクチュエータなどの機械的性能などのために実現し得ない経路設計がなされてしまう場合や、アクチュエータの駆動に不都合がある場合などがある。
As can be seen from FIG. 4, the inclination of the broken line indicating the angle change in FIG. 4 represents the angular velocity. Here, since the angular velocity increases and decreases at a constant rate with respect to time, the angular acceleration is zero. However, when the
そこで、各関節ジョイントに関する上述した制約を考慮した最大角速度ωmaxが予め設定される。そして、θiからθi+1までの時間間隔を(ti+1−ti)として、|(θi+1−θi)/ωmax|で定義される時間を設定すれば、角速度が許容範囲内となる時間設定を行える。二つの関節ジョイント部分における角度・角速度の時間変化の例を図5に示す。なお、各中間姿勢の間の時間(例えば、図5中のΔt1の長さ)は全ての関節ジョイント部で一致させる必要がある。図5では、関節Aと関節Bとにおける各中間姿勢での制御タイミングがすでに一致されている状態が示されている。 Therefore, the maximum angular velocity ω max is set in advance in consideration of the above-described restrictions regarding each joint joint. Then, assuming that the time interval from θ i to θ i + 1 is (t i + 1 −t i ) and the time defined by | (θ i + 1 −θ i ) / ω max | is set, the angular velocity is within the allowable range. Time can be set. FIG. 5 shows an example of the time change of the angle / angular velocity at the two joint portions. It should be noted that the time between the intermediate postures (for example, the length of Δt 1 in FIG. 5) needs to be matched in all joint joints. FIG. 5 shows a state in which the control timings in the intermediate postures of the joint A and the joint B are already matched.
そこで、次に、このΔt1の長さの求め方、即ち、複数の関節ジョイント部分での中間姿勢の制御タイミングを合わせる方法について説明する。関節Aに関しては、Δt1の前後で角度がθ1Aからθ2Aに変化したとし、関節Bに関しては、Δt1の前後で角度がθ1Bからθ2Bに変化したとする。このとき、上述したように、関節Aに関しては、最大角速度ωAmaxが設定されていたとすると、関節Aでの角速度を許容範囲内とするには、Δt1は|θ2A−θ1A|/ωAmax以上とする必要がある。同様に、関節Bに関しては、最大角速度ωBmaxが設定されていたとすると、関節Bでの角速度を許容範囲内とするには、Δt1は|θ2B−θ1B|/ωBmax以上とする必要がある。そこで、Δt1=max{|θ2A−θ1A|/ωAmax,|θ2B−θ1B|/ωBmax}とし、各関節で必要な時間の中で最長の時間を選択してΔt1として決定する。ここでは、二つの関節を例にして説明しているが、関節が複数でも同様に行えば良い。また、Δt1以降の各時間間隔についても同様にタイミングを一致させる。これで、時間設定が終了する(後述するが、さらに修正される場合もある)。 Therefore, next, a method for obtaining the length of Δt 1 , that is, a method of matching the control timings of the intermediate postures at a plurality of joint joint portions will be described. Assume that for the joint A, the angle changes from θ 1A to θ 2A before and after Δt 1 , and for the joint B, the angle changes from θ 1B to θ 2B before and after Δt 1 . At this time, as described above, assuming that the maximum angular velocity ω Amax is set for the joint A, Δt 1 is | θ 2A −θ 1A | / ω so that the angular velocity at the joint A is within the allowable range. It is necessary to set Amax or more. Similarly, regarding the joint B, if the maximum angular velocity ω Bmax is set, Δt 1 needs to be equal to or greater than | θ 2B −θ 1B | / ω Bmax in order to keep the angular velocity at the joint B within the allowable range. There is. Therefore, Δt 1 = max {| θ 2A −θ 1A | / ω Amax , | θ 2B −θ 1B | / ω Bmax } and select the longest time required for each joint as Δt 1. decide. Here, two joints are described as an example, but the same may be performed even when there are a plurality of joints. In addition, the timing is similarly matched for each time interval after Δt 1 . This completes the time setting (which will be described later, but may be further corrected).
この後、設定された中間姿勢のうち、省略できる姿勢を省略して動作(経路)を単純化する平坦化が行われ(平坦化工程:これについては詳述しない)、その後、動作(経路)を滑らかにする平滑化が行われる(平滑化工程)。平滑化について簡単に説明する。平坦化が終了した時点での経路は、各中間姿勢において急激に動作方向が変わるものとなっている。このような急激に方向の変わる動作を、滑らかな軌跡を描くように修正してロボット100の動きを滑らかにするのが平滑化である。ここでは、平滑化後の経路を無限回微分可能な関数によって近似する。このため、経路自体の滑らかさに加えて、その経路上の移動速度及び加速度の滑らかさも保証される。さらに、平滑化後の経路についても障害物と衝突するか検証し、衝突する場合は回避されるまで平滑化が再履行される。
After this, flattening is performed to simplify an operation (path) by omitting an omissible attitude among the set intermediate attitudes (flattening step: this will not be described in detail), and thereafter an operation (path) Is smoothed (smoothing step). The smoothing will be briefly described. The path at the time when the flattening is completed is such that the operation direction changes suddenly in each intermediate posture. Smoothing is a process in which the movement of the
平滑化後のある関節についての平滑化後の時間−角度曲線の一例を図6(a)に示す。また、図6(a)に対応する時間−角速度曲線を図6(b)に、時間−角加速度曲線を図6(c)に示す。平滑化は、直線で構成されている平滑化前の時間−角度曲線における節(ノード)部分を滑らかにする。このため、平滑化前に角速度が最大加速度以下となっていれば、平滑化後も角速度は最大角速度以下となる。しかし、角加速度に関しては、平滑化後に、許容し得る最大角加速度を超えないことは保証されていない。そこで、角速度の最大許容角速度ωmaxと同様に、角加速度についても最大角加速度amaxが予め設定され、角加速度がこの最大角加速度amaxを超えないように平滑化後の経路が修正される(時間修正工程)。この経路修正工程では、時間スケールが局所的に修正され、これによって角加速度が許容範囲内に納められる。 An example of the time-angle curve after smoothing for a joint after smoothing is shown in FIG. Further, a time-angular velocity curve corresponding to FIG. 6A is shown in FIG. 6B, and a time-angular acceleration curve is shown in FIG. 6C. Smoothing smoothes a node portion in a time-angle curve before smoothing, which is composed of straight lines. For this reason, if the angular velocity is equal to or less than the maximum acceleration before smoothing, the angular velocity is equal to or less than the maximum angular velocity even after smoothing. However, with respect to angular acceleration, it is not guaranteed that the maximum allowable angular acceleration will not be exceeded after smoothing. Therefore, similarly to the maximum allowable angular velocity ω max of the angular velocity, the maximum angular acceleration a max is set in advance for the angular acceleration, and the smoothed path is corrected so that the angular acceleration does not exceed the maximum angular acceleration a max. (Time correction process). In this path correction process, the time scale is corrected locally, thereby keeping the angular acceleration within an allowable range.
なお、以下、ある関節を例にして説明するが、最終的には全ての関節について同様のことが行われる。図6中、点線が平坦化後・平滑化前の経路についての角度・角速度・角加速度を示しており、実線が平滑化後の経路についての角度・角速度・角加速度を示している(角加速度に関しては、平滑化前の経路ではつねに0であるので図示を省略する)。図6からも分かるように、上述したノードを提示する時刻で角加速度は極大値・極小値をとる。すべてのノードでの角加速度のなかから、上述した最大角加速度amaxを超えるものを抽出する。そして、最大角加速度amaxを超えているノードに関しては、その部分時間軸を局所的に引き伸ばして角加速度を許容範囲内に修正する。 Hereinafter, a certain joint will be described as an example, but the same is finally performed for all joints. In FIG. 6, the dotted line indicates the angle, angular velocity, and angular acceleration for the path after flattening and before smoothing, and the solid line indicates the angle, angular velocity, and angular acceleration for the path after smoothing (angular acceleration). Is always 0 in the path before smoothing, and is not shown). As can be seen from FIG. 6, the angular acceleration takes a maximum value and a minimum value at the time when the node is presented. Among the angular accelerations at all nodes, those exceeding the maximum angular acceleration a max described above are extracted. For a node exceeding the maximum angular acceleration a max , the partial time axis is locally extended to correct the angular acceleration within an allowable range.
なお、ある関節について、角加速度条件から時間軸の引き延ばしが行われた場合は、同時刻における他の関節における角加速度が許容範囲内であっても、全ての関節についての時間軸も引き延ばされ、全体としての制御タイミングが一致するようになされる。なお、障害物との衝突判定を、動作がある程度確定する加速度設定後に行うようにしても良い。このようにして、一旦、動作が決定されたら、この動作に関して転倒判定を行う。まず、静的転倒判定を行う(静的転倒判定工程)。静的転倒判定は、重力の影響のみを考慮してロボット100が転倒するかどうかを判定する。これは、各部の重量とロボット100の重心位置などをもとに、公知の方法で算出することで判定できる。例えば、上体を前傾させ過ぎれば、ロボット100は前方に倒れる。このようなことが起きないかを、ここまでで決定している動作の全行程で判定する。
When the time axis is extended from an angular acceleration condition for a certain joint, the time axes for all the joints are extended even if the angular acceleration at other joints is within the allowable range at the same time. Thus, the control timing as a whole is made to coincide. Note that the collision with the obstacle may be determined after setting the acceleration at which the operation is fixed to some extent. In this way, once an operation is determined, a fall determination is performed for this operation. First, static fall determination is performed (static fall determination step). In the static fall determination, it is determined whether or not the
静的に転倒すると判断される場合は、中間姿勢の生成からやり直しとなる。なお、全経路についてやり直してもよし、転倒すると判断された姿勢の前後のみをやり直してもよい。一方、静的に転倒しないと判断された場合は、今度は動的に転倒しないかどうかの判定が行われる(動的転倒判定工程)。この判定は、上述したZMP規範に則って行われる。ZMPを計算によって求めるには、まず、各関節の角度・角速度・角加速度を既知値として、各関節間のリンクの角速度・角加速度、及び、ロボット100の重心の並進加速度を計算する。
When it is determined that the vehicle falls over statically, the intermediate posture is generated again. It should be noted that all routes may be redone, or only before and after the posture determined to fall. On the other hand, if it is determined that the vehicle will not fall statically, it is determined whether or not it will fall dynamically (dynamic fall determination step). This determination is performed in accordance with the ZMP norm described above. In order to obtain ZMP by calculation, first, the angular velocity / angular acceleration of the link between the joints and the translational acceleration of the center of gravity of the
次に、各リンクの慣性力と慣性モーメントとを計算する。さらに、計算した慣性力・慣性モーメント及び重心位置を慣性座標系に変換し、最後に、ZMPが算出される。ZMPの算出方法は公知であるため、ここでのさらなる詳しい説明は省略する。そして、このZMPが図3中の安定領域α内(辺上を含む)にあれば、転倒しないで安定して動作を行えると判断できる。なお、上述した計算には、ロボットの各リンクに関するデータ、即ち、図2中のリンク長L1〜L12などの形状データや各リンクの重量などが必要となるが、これらは予め環境情報記憶手段に記憶されている。また、算出に必要な角度・角速度・角加速度は上述したものが用いられることとなる。 Next, the inertial force and moment of inertia of each link are calculated. Further, the calculated inertial force / moment of inertia and the position of the center of gravity are converted into an inertial coordinate system, and finally ZMP is calculated. Since the calculation method of ZMP is well-known, further detailed description here is abbreviate | omitted. If this ZMP is within the stable region α (including the upper side) in FIG. 3, it can be determined that the operation can be performed stably without falling. The above-described calculation requires data relating to each link of the robot, that is, shape data such as the link lengths L 1 to L 12 in FIG. 2 and the weight of each link. Stored in the means. Further, the above-described angles, angular velocities, and angular accelerations necessary for the calculation are used.
動的な転倒判定で転倒しないと判断されれば動作計画は終了する。しかし、動的転倒判定によって転倒する場合は、転倒しないように速度(角速度)及び/又は加速度(角加速度)を調整して転倒しないように動作を修正する(速度/加速度変更工程)。修正方法は、いくつか考えられるが、例えば、(1)上述した最大角加速度amaxは固定したまま、最大角速度ωmaxを一定の割合で徐減させ、更新された最大角速度ωmaxを超える角速度部分を修正し、転倒判定(静的及び動的)を行うことを繰り返す、ことが考えられる。ただし、角速度には最小角速度ωminも設定されており、最大角速度ωmaxを徐減させていったところ、最小角速度ωminに達してもまだ動的転倒判定で転倒すると判定された場合は、動作計画を最初からやり直すものとする。 If it is determined by the dynamic fall determination that the vehicle will not fall, the motion plan ends. However, when the vehicle falls by dynamic fall determination, the speed (angular velocity) and / or acceleration (angular acceleration) is adjusted so as not to fall and the operation is corrected so as not to fall (speed / acceleration changing step). There are several possible correction methods. For example, (1) The angular velocity exceeding the updated maximum angular velocity ω max is obtained by gradually decreasing the maximum angular velocity ω max at a constant rate while the maximum angular acceleration a max described above is fixed. It is conceivable to correct the part and repeat the fall determination (static and dynamic). However, the minimum angular velocity ω min is also set as the angular velocity, and when the maximum angular velocity ω max is gradually decreased, even if the minimum angular velocity ω min is reached, it is still determined that the vehicle will fall due to the dynamic overturn determination. The motion plan shall be redone from the beginning.
あるいは、(2)上述した最大角速度ωmaxは固定したまま、最大角加速度amaxを一定の割合で徐減させ、更新された最大角加速度amaxを超える角加速度部分を修正し、転倒判定(静的及び動的)を行うことを繰り返す、ことが考えられる。ただし、角加速度には最小角加速度aminも設定されており、最大角加速度amaxを徐減させていったところ、最小角加速度aminに達してもまだ動的転倒判定で転倒すると判定された場合は、動作計画を最初からやり直すものとする。 Alternatively, (2) the maximum angular acceleration ω max is fixed, the maximum angular acceleration a max is gradually decreased at a constant rate, the angular acceleration portion exceeding the updated maximum angular acceleration a max is corrected, and the fall determination ( It is conceivable to repeat (static and dynamic). However, the minimum angular acceleration a min is also set as the angular acceleration, and when the maximum angular acceleration a max is gradually decreased, it is determined that the vehicle will still fall due to the dynamic fall determination even if the minimum angular acceleration a min is reached. In the case of failure, the operation plan shall be redone from the beginning.
あるいは、(3)上述した最大角速度ωmaxと最大角加速度amaxとを同時に一定の割合で徐減させ、更新された最大角速度ωmax及び最大角加速度amaxを超える部分を修正し、転倒判定(静的及び動的)を行うことを繰り返す、ことが考えられる。ただし、この場合も、角速度には最小角速度ωminが、角加速度には最小角加速度aminが設定されており、最大角速度ωmax及び最大角加速度amaxを徐減させていったところ、何れかが最小角速度ωmin又は最小角加速度aminに達してもまだ動的転倒判定で転倒すると判定された場合は、動作計画を最初からやり直すものとする。 Alternatively, (3) The above-described maximum angular velocity ω max and maximum angular acceleration a max are gradually decreased at a constant rate at the same time, and the portion exceeding the updated maximum angular velocity ω max and maximum angular acceleration a max is corrected, and a fall determination is made. It is conceivable to repeat (static and dynamic). However, also in this case, the minimum angular velocity ω min is set for the angular velocity and the minimum angular acceleration a min is set for the angular acceleration, and the maximum angular velocity ω max and the maximum angular acceleration a max are gradually reduced. Even if it reaches the minimum angular velocity ω min or the minimum angular acceleration a min , if it is determined that the vehicle still falls due to the dynamic tipping determination, the motion plan is restarted from the beginning.
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態では、屈曲部の関節を例に説明したので、角度・角速度・角加速度で動作計画が説明された。しかし、ロボット100の姿勢を決めるものとしては、例えば、伸張可能な部分の伸張量なども挙げられる。このような場合は、伸張量・伸張速度・伸張加速度を用いて動作計画が行われる。また、上述した実施形態では、台車101を移動させない場合を例に説明したが、移動させた場合にも本発明を適用することが可能である。また、上述した実施形態は台車移動ロボット100を例にして説明したが、脚式移動ロボットなどに対しても本発明を適用することが可能である。また、一つの大きな動作をいくつかに分割し、それぞれについて動作を計画し、両者を一連の動作として扱うことも可能である。即ち、分割したはじめの計画の最終姿勢が、分割した次の計画の初期姿勢と一致することとなる。
In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above. For example, in the above-described embodiment, the joint of the bent portion has been described as an example, and thus the motion plan has been described with the angle, the angular velocity, and the angular acceleration. However, what determines the posture of the
1…安定動作計画手段、2…外部環境情報入力手段、3…経路出力手段、4…環境情報記憶手段、5…初期・最終姿勢入力手段、6…中間姿勢生成手段、7…速度設定手段、8…加速度設定手段、9…衝突判定手段、10…転倒判定手段、100…ロボット、101…台車、102…車輪、103…胴体、104R……右腕、104L……左腕、105…頭部。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
重力によって前記ロボット各部に作用する複数のモーメントのつり合い条件に基づいて、前記動作中のある時点での停止状態で前記ロボットが転倒するか否かを静的に判定する静的転倒判定工程と、
前記静的転倒判定工程において、前記ロボットが前記動作の間に静的に転倒しないと判定された場合に、重力及び動作による慣性力によって該ロボットに作用する複数のモーメントのつり合い条件を考慮して前記動作中に前記ロボットが転倒しないと動的に判定されるように、該ロボットの一部の速度及び/又は加速度を設定する速度/加速度変更工程とを備えていることを特徴とするロボットの動作計画方法。 In the robot motion planning method for planning the motion connecting the initial posture and the final posture using the probability based on the initial posture and the final posture of the robot,
A static overturn determination step for statically determining whether or not the robot overturns in a stopped state at a certain time during the operation based on a balance condition of a plurality of moments acting on each part of the robot by gravity; and
In the static fall determination step, when it is determined that the robot does not fall statically during the movement, considering a balance condition of a plurality of moments acting on the robot due to gravity and inertial force due to movement A speed / acceleration changing step for setting a speed and / or acceleration of a part of the robot so as to dynamically determine that the robot does not fall during the operation. Action planning method.
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