JP2006095648A - Leg-type moving robot and control method thereof - Google Patents

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太郎 高橋
Keisuke Kato
恵輔 加藤
Satoru Shimizu
悟 清水
Kenichiro Nagasaka
憲一郎 長阪
Masakuni Nagano
雅邦 永野
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To realize efficient gliding by suitably utilizing a support leg replacement time. <P>SOLUTION: Basically similarly to a control algorithm in the bipedal case, support legs are switched alternately between right and left movable legs through the both-leg support period. When the one-leg gliding period and switching between the gliding legs occurs, the locus of ZMP is controlled to keep the contact between the passive wheel and the floor surface in a stable surface contact. In switching the support legs, it is necessary to keep the consistency about the gliding speed and the gliding direction at the foot part and the position relationship between both soles at the floor surface between the supporting leg and the grounding leg. It is, however, possible to eliminate the need of keeping the consistency by instantaneously replacing the support legs. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、複数の可動脚を備えた脚式移動ロボット及びその制御方法に係り、特に、脚式の移動と車輪型の移動という双方の特質を兼ね備えた脚及び車輪ハイブリッド型の脚式移動ロボット及びその制御方法に関する。   The present invention relates to a legged mobile robot having a plurality of movable legs and a method for controlling the legged mobile robot, and more particularly to a leg and a wheel hybrid type legged mobile robot having both characteristics of a legged movement and a wheel type movement. And a control method thereof.

さらに詳しくは、本発明は、2足歩行ロボットの各可動脚の足部に車輪を装着することで脚による対地適応性に加え走行性能を向上させる脚式移動ロボット及びその制御方法に係り、特に、支持脚交換期を好適に活用して効率的若しくは安定した滑走を実現する脚式移動ロボット及びその制御方法に関する。   More specifically, the present invention relates to a legged mobile robot and a control method thereof, which improve running performance in addition to ground adaptability by legs by attaching wheels to the feet of each movable leg of a biped walking robot. The present invention relates to a legged mobile robot that suitably utilizes a support leg replacement period to realize efficient or stable sliding and a control method thereof.

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のことを「ロボット」という。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。   A mechanical device that performs a movement resembling human movement using an electrical or magnetic action is called a “robot”. Many of them were industrial robots such as manipulators and transfer robots for the purpose of automating and unmanned production work in factories.

今後、ロボットがさまざまな人的作業を代行し、さらに人間の住空間に深く浸透していくためには、ロボットの移動可能範囲が人間のそれとほぼ同じであることが好ましい。ところが、人間の作業空間や居住空間のほとんどは、2足直立歩行という人間が持つ身体メカニズムや行動様式に合わせて形成されおり、車輪その他の駆動装置を移動手段とした現状の機械システムが移動するには多くの障壁が存在する。そこで、最近では、ヒトなどの2足直立歩行を行なう動物の身体メカニズムや動作を模した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(例えば、特許文献1を参照のこと)。   In the future, in order for the robot to perform various human tasks and further penetrate deeply into the human living space, it is preferable that the movable range of the robot is substantially the same as that of the human. However, most of the human work space and living space are formed according to the human body mechanism and behavioral style of biped upright walking, and the current mechanical system using wheels and other driving devices as moving means moves. There are many barriers. Therefore, recently, research and development on legged mobile robots that imitate the body mechanism and movement of animals such as humans who perform biped upright walking are progressing, and the expectation for practical use is also increasing (for example, Patent Document 1). checking).

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、以下のような脚式動作により、複雑な移動面を移動することができる。   Leg-type movement with two legs standing upright is unstable and difficult to control posture and walking, compared to crawler type, four-legged or six-legged type, etc. Can move.

(1)移動面上に形成された凹凸に対する足先位置の高い選択性
(2)不連続接地による選択的接地や移動
(3)踏み変え動作による接地状態の自在な変更
(1) High selectivity of the toe position with respect to the unevenness formed on the moving surface (2) Selective grounding or movement by discontinuous grounding (3) Flexible change of grounding state by stepping action

すなわち、脚式移動ロボットは、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、対地適応性に優れ、柔軟な移動作業を実現することができる。これが、脚式移動ロボットの実用化が大いに期待されている所以でもある。   In other words, the legged mobile robot can cope with uneven walking surfaces such as rough terrain and obstacles on the work path, and discontinuous walking surfaces such as stairs and ladders, etc. Flexible movement work can be realized. This is also why the practical application of legged mobile robots is highly expected.

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。ここで言う「ZMP」とは、歩行中の床反力によるモーメントがゼロとなる床面上の点のことである。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)。また、支持多角形が広くなる姿勢において、ロボットの姿勢はより安定化する。   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. “ZMP” as used herein refers to a point on the floor where the moment due to floor reaction force during walking is zero. 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 inside the support polygon formed by the sole contact point and the road surface, that is, ZMP (for example, see Non-Patent Document 1). ). In addition, the posture of the robot becomes more stable in the posture where the support polygon becomes wide.

目標ZMP制御は、すべての瞬間において、動的釣り合いを取るように運動を計画することにより、実機上で成功を収めている。ZMP規範に基づく2足歩行パターン生成は、足底着地点をあらかじめ設定することができ、路面形状に応じた足先の運動学的拘束条件を考慮し易いなどの利点がある。また、ZMPを安定度判別規範とすることは、力ではなく軌道を運動制御上の目標値として扱うことを意味するので、技術的に実現可能性が高まる。   Target ZMP control has been successful on a real machine by planning the motion to be in dynamic balance at every moment. The biped walking pattern generation based on the ZMP norm has advantages such that a foot landing point can be set in advance and it is easy to consider the kinematic constraint conditions of the foot according to the road surface shape. In addition, using ZMP as a stability determination criterion means that a trajectory is treated as a target value in motion control instead of force, and thus technically feasible.

他方、脚式移動ロボットは高い対地適応性が得られる反面、移動速度や効率の面で、車輪型移動ロボットよりも劣るという問題がある。何故ならば、歩行動作には各脚の往復運動を伴い、エネルギ変換効率があまり高くなく、アクチュエータなどによる強力な駆動系の割に十分な速度が得られないからである。脚式移動ロボットに関し、比較的平坦路を移動する際に移動速度については、以前から議論がなされてきた。このような理由から、脚式移動と車輪型移動の双方の特質を兼ね備えた、いわば脚車輪ハイブリッド型の移動体に関する研究が行なわれている。   On the other hand, a legged mobile robot has high ground adaptability, but has a problem that it is inferior to a wheeled mobile robot in terms of moving speed and efficiency. This is because the walking motion involves reciprocation of each leg, energy conversion efficiency is not so high, and a speed sufficient for a powerful drive system such as an actuator cannot be obtained. Regarding legged mobile robots, the speed of movement when moving on a relatively flat road has been discussed previously. For this reason, research is being conducted on a so-called hybrid type of a leg-wheel hybrid that has the characteristics of both leg-type movement and wheel-type movement.

車輪を利用した移動ロボットとして、例えば、災害現場への進入を行う極限作業用の6脚走行車(例えば、非特許文献2を参照のこと)や移動体(例えば、非特許文献3を参照のこと)、またクローラも連続的な無限軌道を用いるという観点から広義の車輪と捉えれば、地雷撤去を目的として開発されたCOMET−III(例えば、非特許文献4を参照のこと)などが挙げられる。   As a mobile robot using wheels, for example, a six-leg traveling vehicle for extreme work (for example, see Non-Patent Document 2) or a moving body (for example, see Non-Patent Document 3) for entering a disaster site. In addition, if the crawler is also regarded as a wheel in a broad sense from the viewpoint of using a continuous endless track, COMET-III (for example, see Non-Patent Document 4) developed for the purpose of removing landmines can be cited. .

これらの移動体は車輪として駆動力を持つ能動車輪を用いている。これに対し、脚式による歩行機械は一般に歩行を行なうための多くの自由度を有し、機体質量は増大しがちである。その上、車輪駆動のためのアクチュエータを搭載するとなると、いたずらに質量増加を招き、その結果、歩行機械としての運動性能を逆に制約する。   These moving bodies use active wheels having driving force as wheels. On the other hand, a legged walking machine generally has many degrees of freedom for walking, and the body mass tends to increase. In addition, when an actuator for driving the wheel is mounted, the mass increases unnecessarily, and as a result, the performance of the walking machine is constrained.

そこで、簡素な機構で質量増加も少ない受動車輪を用いた歩行機械のハイブリッド化手法が提案されている。   Therefore, a hybrid method for walking machines using passive wheels with a simple mechanism and a small increase in mass has been proposed.

例えば、ローラースケート靴を履くことにより、通常の歩行動作時よりもダイナミックで高速な移動作業を実現することができる脚式移動ロボットについて提案がなされている(例えば、特許文献2を参照のこと)。この場合のロボット装置は、2本の可動脚と上体で構成される2足歩行型の移動ロボットで、下肢と上体を用いた全身運動を動作制御することにより各種の動作パターンを実現することができる。この種のローラースケート靴を履いたロボット装置の場合、以下の事柄が前提となる。すなわち、   For example, there has been proposed a legged mobile robot that can realize a moving work that is more dynamic and faster than normal walking motion by wearing roller skates (see, for example, Patent Document 2). . The robot apparatus in this case is a biped walking type mobile robot composed of two movable legs and an upper body, and realizes various operation patterns by controlling the whole body motion using the lower limbs and the upper body. be able to. In the case of a robot apparatus wearing this type of roller skates, the following matters are assumed. That is,

(1)受動車輪は脚関節ピッチ軸と常に平行である。
(2)滑走方法は歩行のように交互に脚を遊脚化する。
(1) The passive wheel is always parallel to the leg joint pitch axis.
(2) In the sliding method, the legs are made to swing freely like walking.

脚式移動ロボットの各可動脚の足底には、所定の滑走方向を持つ滑走ユニットが着脱自在に取り付けられる。滑走ユニットの受動車輪が脚関節ピッチ軸と平行に保持されている場合、両足支持期には進行方向を変更することができないため、推進方向の変更は支持脚切り替え時にのみ行なうことができ、連続ではない。したがって、滑走ユニットを滑走方向に一致させながら移動速度を維持するとともに、滑走ユニットを滑走方向と異ならせることにより制動することができる。例えば、両脚接地期においてスキーのボーゲンのように車輪をハの字に傾けることにより制動することができる。   A sliding unit having a predetermined sliding direction is detachably attached to the bottom of each movable leg of the legged mobile robot. If the passive wheel of the sliding unit is held parallel to the leg joint pitch axis, the direction of travel cannot be changed during the support period for both feet, so the propulsion direction can only be changed when the support leg is switched, is not. Accordingly, the moving speed can be maintained while matching the sliding unit with the sliding direction, and braking can be performed by making the sliding unit different from the sliding direction. For example, braking can be performed by tilting the wheel into a C-shape like a ski bogen in the ground contact period of both legs.

受動車輪は、比較的簡単な機構で構成され、軽量で且つ安価であるが、それ自体は推進力を持たない。足先に取り付けられた受動車輪に推進力を与える手法として、ローラースケートと同様の原理を利用した「ローラーウォーカー」を挙げることができる(例えば、非特許文献5を参照のこと)。   A passive wheel is composed of a relatively simple mechanism and is lightweight and inexpensive, but it does not have propulsion power itself. As a method for imparting a propulsive force to a passive wheel attached to a foot tip, a “roller walker” using a principle similar to that of roller skate can be cited (for example, see Non-Patent Document 5).

受動車輪による推進は、車輪の転がり方向は摩擦係数が少なく、軸方向は摩擦が大きい。このような抗力の異方性を利用することにより、受動車輪による推進を実現する。例えば、左右の各脚の付け根におけるヨー軸回りの回転を利用することにより、左右の車輪がそれぞれX方向に対して傾きを持ちながら、左右の車輪間における軸方向の距離が伸縮する。このとき、軸方向の摩擦が大きいことから、車輪の軸方向に発生する摩擦力が車輪の転がりによって解放されて、X方向への推進力に変換される。   In the propulsion by the passive wheel, the rolling direction of the wheel has a small coefficient of friction, and the friction in the axial direction is large. By using such anisotropy of the drag, propulsion by passive wheels is realized. For example, by using the rotation around the yaw axis at the base of the left and right legs, the distance in the axial direction between the left and right wheels expands and contracts while the left and right wheels each have an inclination in the X direction. At this time, since the friction in the axial direction is large, the frictional force generated in the axial direction of the wheel is released by the rolling of the wheel and is converted into a propulsive force in the X direction.

ここで、車輪の軸方向の摩擦力を車輪の回転に変換するには、車輪の転がり方向をヨー軸回りに回転させる機構を持ち、車輪に印加される摩擦力に対し転がり方向が非直交である必要がある。また、車輪の転がり方向と推進方向(若しくはロボットの主たる進行方向)のなす角θG(グライド角と呼ぶことにする)は言わばギアの減速比に相当する。したがって、グライド角θGにより大きな角度をつければ低速となることから装置の推進方向に大きな推進力を発生することができる。逆に、グライド角θGにより小さな角度を与えることにより、小さな推進力であるが、ロボットを高速に推進することができる(例えば、非特許文献6及び非特許文献7を参照のこと)。 Here, in order to convert the frictional force in the axial direction of the wheel into rotation of the wheel, it has a mechanism for rotating the rolling direction of the wheel around the yaw axis, and the rolling direction is non-orthogonal with respect to the frictional force applied to the wheel. There must be. Further, the angle θ G (referred to as the glide angle) formed by the rolling direction of the wheel and the propulsion direction (or the main traveling direction of the robot) corresponds to the reduction ratio of the gear. Therefore, it is possible to generate a large driving force to the propulsion direction of the device from becoming slow I mean a large angle by the glide angle theta G. Conversely, by providing a small angle with the glide angle theta G, it is a small driving force, it is possible to promote the robot at a high speed (e.g., see non-patent document 6 and non-patent document 7).

このように、ローラーウォーカーによれば、足先が出す最大速度以上の高速な推進や、脚軌道を変更することによる減速比調整などを実現することができる。   As described above, according to the roller walker, it is possible to realize high-speed propulsion that exceeds the maximum speed that the tip of the foot produces, adjustment of the reduction ratio by changing the leg trajectory, and the like.

しかしながら、ローラーウォーカーの手法は、基本的には4脚歩行ロボットを前提としており、この手法を2足歩行ロボットに適用することができない。また、常に両脚による支持を前提とし、支持脚の切り替えを含まないことから、移動路面は比較的平坦路に限定され、脚式ロボットであるにも拘らず、対地適応性を十分発揮できなくなる。   However, the roller walker method basically assumes a quadruped walking robot, and this method cannot be applied to a biped robot. In addition, since support by both legs is always assumed and switching of the support legs is not included, the moving road surface is limited to a relatively flat road, and even though it is a legged robot, the ground adaptability cannot be sufficiently exhibited.

特開2001−129775号公報JP 2001-129775 A 特開2001−138272号公報JP 2001-138272 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))"Legged LOCATION ROBOTS" written by Miomir Vukobratovic (Ichiro Kato's "Walking Robot and Artificial Feet" (Nikkan Kogyo Shimbun)) N.Kimura, T.Kamigaki, N.Suzuki, A.Nishikawa and N.Yamamoto: "Locomotion Mechanism and Control Architecture for Disaster Preventing Robot" '91 ISART pp.375-380(1991)N. Kimura, T. Kamigaki, N. Suzuki, A. Nishikawa and N. Yamamoto: "Locomotion Mechanism and Control Architecture for Disaster Preventing Robot" '91 ISART pp.375-380 (1991) H.Adachi, N.Koyachi, T.Arai, A.SHimizu and Y.Nogami: "Mechanism and Control of a Leg-Wheel Hybrid Mobile Robot", International Conference on Intelligent Robots and Systems Proc., pp.1792-1797(1999)H.Adachi, N.Koyachi, T.Arai, A.SHimizu and Y.Nogami: "Mechanism and Control of a Leg-Wheel Hybrid Mobile Robot", International Conference on Intelligent Robots and Systems Proc., Pp.1792-1797 ( 1999) http://mec2.tm.chiba-u.jp/~nonami/http://mec2.tm.chiba-u.jp/~nonami/ G.Endo, S.Hirose: "Study on Roller-Walker(Multi-mode Steering Control and Self-contained Locomotion", IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp.2808-2814(2000)G. Endo, S. Hirose: "Study on Roller-Walker (Multi-mode Steering Control and Self-contained Locomotion", IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 2808-2814 (2000) 遠藤玄:“索状能動体と脚車輪ハイブリッド移動体におけるグライド推進の研究”,東京工業大学大学院理工学研究科機械物理工学専攻学位論文,pp.8-10(2000)Gen Endo: “Study on glide propulsion in cord-like active vehicle and leg-wheel hybrid vehicle”, Tokyo Institute of Technology Graduate School of Science and Engineering, Department of Mechanical Physics Engineering, pp.8-10 (2000) 遠藤玄:“索状能動体と脚車輪ハイブリッド移動体におけるグライド推進の研究”,東京工業大学大学院理工学研究科機械物理工学専攻学位論文,pp.80-87(2000)Gen Endo: “Study on Glide Propulsion in Active Active Vehicles and Leg-Wheel Hybrid Vehicles”, Tokyo Institute of Technology Graduate School of Science and Engineering, Department of Mechanical Physics Engineering, pp.80-87 (2000)

本発明の目的は、脚式の移動と車輪型の移動という双方の特質を兼ね備えた脚及び車輪ハイブリッド型の優れた脚式移動ロボット及びその制御方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide an excellent leg-type mobile robot of a leg and wheel hybrid type having both characteristics of a leg-type movement and a wheel-type movement, and a control method thereof.

本発明のさらなる目的は、2足歩行ロボットの各可動脚の足部に車輪を装着することで脚による対地適応性に加え走行性能を向上させることができる、優れた脚式移動ロボット及びその制御方法を提供することにある。   A further object of the present invention is to provide an excellent legged mobile robot capable of improving running performance in addition to ground adaptability by legs by attaching wheels to the feet of each movable leg of a biped walking robot and its control. It is to provide a method.

本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、体幹部と前記体幹部に連結された左右の可動脚を備えた脚式移動ロボットであって、
前記可動脚の足底に取り付けられた、回転可能に支持された複数の受動車輪からなる受動車輪機構と、
少なくとも可動脚の動作を制御する動作制御手段とを備え、
前記動作制御手段は、前記左右の可動脚の間で支持脚を交互に切り替えながら前記受動車輪機構を用いた滑走時における滑走速度と滑走方向を制御する滑走制御と、滑走中における前記脚式移動ロボットの姿勢安定性を所定の安定度判別規範に基づいて制御する姿勢安定制御を実行する、
ことを特徴とする脚式移動ロボットである。
The present invention has been made in consideration of the above problems, and is a legged mobile robot including a trunk and left and right movable legs connected to the trunk,
A passive wheel mechanism comprising a plurality of rotatably supported passive wheels attached to the sole of the movable leg;
An operation control means for controlling at least the operation of the movable leg,
The motion control means includes a sliding control for controlling a sliding speed and a sliding direction during sliding using the passive wheel mechanism while alternately switching a supporting leg between the left and right movable legs, and the legged movement during the sliding. Execute posture stability control that controls the posture stability of the robot based on a predetermined stability criterion,
This is a legged mobile robot.

脚式移動ロボットは、優れた対地適応性を有し、特に不整地においては、他の移動気候形態では実現不可能な移動能力を発揮することができる。ところが、平坦な移動面において、速度に対するエネルギ効率の低さに問題がある。   The legged mobile robot has excellent ground adaptability, and particularly on rough terrain, it can exhibit a movement capability that cannot be realized in other mobile climate forms. However, there is a problem of low energy efficiency with respect to speed on a flat moving surface.

これに対し、本発明に係る脚式移動ロボットは、足部に受動車輪機構を着脱自在に取り付けることにより、脚式の移動と車輪型の移動という双方の特質を兼ね備えたハイブリッド型の移動を実現することができる。また、車輪は足部の動作により受動的に推進力を得ることができ、車輪駆動用のアクチュエータを搭載しないことから、総重量を増大させずに済む。   On the other hand, the legged mobile robot according to the present invention realizes a hybrid type movement having both characteristics of a leg type movement and a wheel type movement by detachably attaching a passive wheel mechanism to the foot. can do. Further, the wheel can passively obtain a propulsive force by the operation of the foot and does not include an actuator for driving the wheel, so that the total weight does not need to be increased.

可動脚の足先には、単数又は複数の車輪からなる車輪機構が装着される。車輪機構はすべて受動支持された車輪で構成され、各回転軸は摩擦特性が調整されているとする。車輪構成に基づいて、足部におけるX、Y、ヨー軸回りの摩擦特性を調整することができる。また、車輪の断面形状と物性を調整するとともに、車輪の本体に対する姿勢を調整することで、摩擦特性以外に接地面に対する幾何的接地状態を調整し、推進性能、旋回性能などロボット装置の運動性能を改善することができる。受動車輪機構は、2以上の受動車輪が移動面に接地する面接地が可能となるように各受動車輪を取り付けている。   A wheel mechanism composed of one or a plurality of wheels is attached to the tip of the movable leg. It is assumed that all wheel mechanisms are composed of passively supported wheels, and the friction characteristics of each rotating shaft are adjusted. Based on the wheel configuration, the frictional characteristics of the foot around the X, Y, and yaw axes can be adjusted. In addition to adjusting the cross-sectional shape and physical properties of the wheel, and adjusting the attitude of the wheel to the main body, in addition to the friction characteristics, the geometric grounding state with respect to the grounding surface is adjusted, and the motion performance of the robot device such as propulsion performance and turning performance Can be improved. The passive wheel mechanism attaches each passive wheel so that surface contact is possible in which two or more passive wheels contact the moving surface.

足部に受動車輪機構を配設して滑走動作を行なう場合、基本的には2足歩行の場合の制御アルゴリズムと同様に、両脚支持期間を経由して前記左右の可動脚の間で支持脚を交互に切り替える。片足滑走期間や滑走脚の切り替えがある場合はZMPの軌跡を制御することにより、受動車輪と床面との間の接触を安定した面接触に保つようにする。   When a passive wheel mechanism is provided on the foot to perform a sliding motion, basically, the support leg is supported between the left and right movable legs via a both-leg support period, as in the control algorithm for biped walking. Switch alternately. When there is a one-leg sliding period or sliding leg switching, the trajectory of the ZMP is controlled to keep the contact between the passive wheel and the floor surface in a stable surface contact.

両脚支持期における支持脚交換時において、支持脚と着地脚の間では、足部における滑走速度と滑走方向、床面での両足底の位置関係についての整合性を保つ必要がある。両脚間で滑走速度又は滑走方向の少なくとも一方が極端に相違すると、転倒を招来する。   When the support legs are exchanged in the both-leg support period, it is necessary to maintain consistency between the support legs and the landing legs in terms of the sliding speed and direction of the foot, and the positional relationship between the soles on the floor. If at least one of the sliding speed or the sliding direction is extremely different between the two legs, a fall is caused.

ところが、この整合性を図る処理は演算負荷が高く、コスト増大を招来する。そこで、瞬間的に支持脚を交換する、すなわち両脚支持期間を経由しないか又は極めて短い両脚支持期間を経由して左右の可動脚の間で支持脚を交互に切り替えることにより、足部における滑走速度と滑走方向、床面での両足底の位置関係についての整合性を保つ必要をなくすようにしてもよい。   However, the processing for achieving this consistency has a high calculation load and causes an increase in cost. Therefore, by changing the support legs instantaneously, i.e., by switching the support legs alternately between the left and right movable legs without passing through the both-leg support period or via the extremely short both-leg support period, It is also possible to eliminate the need to maintain consistency in the sliding direction and the positional relationship between the soles on the floor.

また、支持脚交換期において、体幹の高さがなるべく低くならないようにすることで、比較的狭い関節可動範囲を以って大きな蹴り動作のストロークを得るようにしてもよい。この場合、大きな関節可動範囲が必要なくなり、関節可動範囲が制限されている場合でも大きな蹴り動作が可能となる。   Further, in the support leg replacement period, a large kicking stroke may be obtained with a relatively narrow joint movable range by making the trunk height as low as possible. In this case, a large joint movable range is not necessary, and a large kicking operation is possible even when the joint movable range is limited.

足底の受動車輪機構は、2以上の受動車輪が移動面に接地する面接地と、滑走方向に配置された一部の受動車輪のみが移動面に接地する線接地又は点接地が可能となるように各受動車輪を取り付けている。支持脚交換期において支持脚が遊脚に切り替わる際に線接地又は点接地を経由して離床させるようにすることで、関節可動範囲が制限されている場合であっても、より大きなストロークを得ることができる。   The passive wheel mechanism of the sole enables surface grounding in which two or more passive wheels touch the moving surface, and line grounding or point grounding in which only some passive wheels arranged in the sliding direction touch the moving surface. So that each passive wheel is attached. When the support leg is switched to the free leg during the support leg replacement period, a larger stroke can be obtained even when the range of motion of the joint is limited by leaving the floor via line contact or point contact. be able to.

また、スケートにおいて蹴り動作のストロークを大きくするために、遊脚(蹴り脚)の膝を完全に伸ばす、すなわち支持脚交換期において支持脚が遊脚に切り替わる際に膝を最大限に伸ばすようにすることが有効である。この場合、膝を曲げたままでは届かない範囲にも着地させることができるようになる。   Also, to increase the kicking stroke in skating, fully extend the knee of the free leg (kick leg), that is, to extend the knee to the maximum when the support leg is switched to the free leg during the support leg replacement period. It is effective to do. In this case, it is possible to land on a range that cannot be reached with the knee bent.

また、受動車輪機構などの滑走手段を適用した脚式移動ロボットにおいては、単に立ち姿勢を実行しただけでは停止状態を維持することができず、立ち姿勢のまま滑走する可能性がある。そこで、滑走動作の停止又は制動時において、前記受動車輪機構による移動の制止制御と、所定の安定度判別規範に基づいた姿勢安定制御を同時に行なうようにする。   In addition, in a legged mobile robot to which a sliding means such as a passive wheel mechanism is applied, it is not possible to maintain a stopped state simply by executing a standing posture, and there is a possibility of sliding in a standing posture. Therefore, when the sliding operation is stopped or braked, the movement stopping control by the passive wheel mechanism and the posture stability control based on a predetermined stability determination criterion are simultaneously performed.

左右の可動脚の足底にそれぞれ取り付けられた受動車輪機構は、転がり方向に摩擦力がかからないが、その直交方向に高い摩擦力がかかる(すなわち、転がり方向の摩擦力がその直交方向と比較して小さくなるように構成されている)。そこで、制止動作時に前記左右の可動脚の受動車輪機構の転がり方向が非平行となるようにすることで、受動車輪機構による移動の制止を行なうことができる。   The passive wheel mechanism attached to the soles of the left and right movable legs does not apply a frictional force in the rolling direction, but a high frictional force is applied in the orthogonal direction (that is, the frictional force in the rolling direction is compared with the orthogonal direction. Configured to be smaller). Therefore, the movement of the passive wheel mechanism can be restrained by making the rolling directions of the passive wheel mechanisms of the left and right movable legs non-parallel during the restraining operation.

受動車輪機構は、例えば、前後及び左右の四箇所に、前後方向が転がり方向となるように受動車輪を回転可能に支持している。この場合、左右の可動脚において足平の姿勢を制御して、四箇所の受動車輪に加わる垂直床反力の配分を調整することにより主として滑走する受動車輪を決定することができる。   The passive wheel mechanism, for example, supports the passive wheel rotatably at four locations, front and rear, and left and right, such that the front and rear direction is the rolling direction. In this case, it is possible to determine a passive wheel that mainly slides by controlling the posture of the foot on the left and right movable legs and adjusting the distribution of the vertical floor reaction force applied to the four passive wheels.

爪先側の受動車輪に加わる垂直床反力を踵側の受動車輪に加わる垂直床反力よりも大きくして爪先側の受動車輪により滑走する爪先滑走を行なったり、あるいは踵側の受動車輪に加わる垂直床反力を爪先側の受動車輪に加わる垂直床反力よりも大きくして踵側の受動車輪により滑走する踵滑走を行なったりすることができる。   The vertical floor reaction force applied to the passive wheel on the toe side is made larger than the vertical floor reaction force applied to the passive wheel on the heel side to perform toe sliding that slides on the passive wheel on the toe side, or applied to the passive wheel on the heel side The vertical floor reaction force can be made larger than the vertical floor reaction force applied to the toe-side passive wheel, and the kite can be slid by the passive wheel on the heel side.

また、左右の可動脚をともに爪先滑走又は踵滑走を行なわせ、滑走する左右の受動車輪の回転軸同士が所望の旋回中心で交わるようにする(あるいは、前記旋回中心を遠心力による横滑りを考慮して修正した点で滑走する左右の受動車輪の回転軸同士が交わるようにする)ことで、両脚接地したまま旋回動作を行なうことができる。片脚接地による旋回と比べ、支持多角形が広いので、旋回時における姿勢安定性を維持し易くなる。   In addition, the left and right movable legs are toed or toe-slided together so that the rotating shafts of the left and right passive wheels cross each other at the desired turning center (or the side turning due to centrifugal force is taken into consideration) The rotating shafts of the left and right passive wheels that slide at the corrected points cross each other), so that the turning operation can be performed while both legs are grounded. Compared with turning by one-leg grounding, the support polygon is wider, so that posture stability during turning can be easily maintained.

本発明によれば、脚式の移動と車輪型の移動という双方の特質を兼ね備えた脚及び車輪ハイブリッド型の優れた脚式移動ロボット及びその制御方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the leg-type mobile robot which has the characteristics of both a leg-type movement and a wheel-type movement, and the leg-wheel hybrid type excellent leg-type mobile robot, and its control method can be provided.

また、本発明によれば、2足歩行ロボットの各可動脚の足部に車輪を装着することで脚による対地適応性に加え走行性能を向上させることができる、優れた脚式移動ロボット及びその制御方法を提供することができる。   Further, according to the present invention, an excellent legged mobile robot capable of improving running performance in addition to ground adaptability by legs by attaching wheels to the legs of each movable leg of a biped walking robot and its A control method can be provided.

また、本発明によれば、支持脚交換期を好適に活用して効率的若しくは安定した滑走を実現することができる、優れた脚式移動ロボット及びその制御方法を提供することができる。   Further, according to the present invention, it is possible to provide an excellent legged mobile robot and its control method that can realize efficient or stable sliding by suitably utilizing the support leg replacement period.

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.

A.ロボット装置の構成
本発明では、胴体部に繋がった複数の関節を持ち、ロボット装置内部の制御周期毎に静的なモーション及びリアルタイムな動作生成による目標指令値(角度やトルク、アクチュエータ・ゲインなど)を各関節アクチュエータ(若しくは関節駆動に対応するデバイス)に与えることができるロボット装置を想定としている。
A. Configuration of Robot Device In the present invention, a target command value (angle, torque, actuator gain, etc.) is generated by generating a static motion and real-time motion for each control cycle inside the robot device, having a plurality of joints connected to the body. Is assumed to be provided to each joint actuator (or a device corresponding to joint drive).

図1及び図2には本発明の実施に供される「人間形」又は「人間型」のロボット装置100が直立している様子を前方及び後方の各々から眺望した様子を示している。図示の通り、ロボット装置100は、胴体部と、腰部と、頭部と、左右の上肢部と、脚式移動を行なう左右2足の下肢部とで構成され、例えば胴体に内蔵されている制御部(図示しない)によりロボット装置の動作を統括的にコントロールするようになっている。   FIG. 1 and FIG. 2 show a state in which the “humanoid” or “humanoid” robot apparatus 100 used for carrying out the present invention is viewed from the front and the rear. As shown in the figure, the robot apparatus 100 includes a torso, a waist, a head, left and right upper limbs, and left and right lower limbs that perform legged movement, for example, a control built in the torso. The operation of the robot apparatus is comprehensively controlled by a unit (not shown).

左右各々の下肢は、大腿部と、膝関節と、脛部と、足首と、足平とで構成され、股関節によって体幹部の略最下端にて連結されている。また、左右各々の上肢は、上腕と、肘関節と、前腕とで構成され、肩関節によって体幹部の上方の左右各側縁にて連結されている。また、頭部は、首関節によって体幹部の略最上端中央に連結されている。   Each of the left and right lower limbs is composed of a thigh, a knee joint, a shin, an ankle, and a foot, and is connected by a hip joint at the substantially lower end of the trunk. The left and right upper limbs are composed of an upper arm, an elbow joint, and a forearm, and are connected to the left and right side edges above the trunk by shoulder joints. The head is connected to the substantially uppermost center of the trunk by a neck joint.

このように構成されたロボット装置100は、制御部(図1及び図2には図示しない)による全身協調的な動作制御により、2足歩行を実現することができる。かかる2足歩行は、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。すなわち、   The robot apparatus 100 configured as described above can realize bipedal walking by whole body cooperative operation control by a control unit (not shown in FIGS. 1 and 2). Such biped walking is generally performed by repeating a walking cycle divided into the following operation periods. That is,

(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

制御部は、このロボット装置100を構成する各関節アクチュエータの駆動制御や各センサ(後述)などからの外部入力を処理するコントローラ(主制御部)や、電源回路その他の周辺機器類を搭載した筐体である。制御部は、その他、遠隔操作用の通信インターフェースや通信装置を含んでいてもよい。   The control unit includes a controller (main control unit) that processes drive control of each joint actuator constituting the robot device 100 and external input from each sensor (described later), and a housing in which a power supply circuit and other peripheral devices are mounted. Is the body. In addition, the control unit may include a communication interface and a communication device for remote operation.

脚式移動ロボット100における歩行制御は、例えばZMPを安定度判別規範として、あらかじめ下肢の目標軌道を計画し、上記の各期間において計画軌道の修正を行なうことによっても実現される。この場合、両脚支持期では、下肢軌道の修正を停止して、計画軌道に対する総修正量を用いて腰の高さを一定値で修正する。また、単脚支持期では、修正を受けた脚の足首と腰との相対位置関係を計画軌道に復帰させるように修正軌道を生成する。   The walking control in the legged mobile robot 100 is also realized by, for example, planning a target trajectory of the lower limb in advance using ZMP as a stability determination criterion and correcting the planned trajectory in each of the above-described periods. In this case, in the both-leg support period, the correction of the lower limb trajectory is stopped, and the waist height is corrected at a constant value using the total correction amount with respect to the planned trajectory. In the single leg support period, a corrected trajectory is generated so that the relative positional relationship between the corrected ankle and waist of the leg is returned to the planned trajectory.

あるいは、脚式移動ロボット100の左右の脚部など、全身の可動部のうち少なくとも一部を物理振動子として捉え、センサ出力などに基づいて得られる内部状態と外部環境に応じて物理振動子の位相を数学的に操作により発生させて、機体の大局的な安定性を実現するとともに、未知の外乱に適応的に対応することができる。   Alternatively, at least a part of the movable parts of the whole body, such as the left and right legs of the legged mobile robot 100, is regarded as a physical vibrator, and the physical vibrator is changed according to the internal state and the external environment obtained based on the sensor output. The phase can be generated mathematically by operation to achieve global stability of the aircraft and to adaptively handle unknown disturbances.

図3には、このロボット装置100が具備する関節自由度構成を模式的に示している。同図に示すように、ロボット装置100は、2本の腕部と頭部1を含む上肢と、移動動作を実現する2本の脚部からなる下肢と、上肢と下肢とを連結する体幹部と、腰部で構成された、複数の肢を備えた構造体である。   FIG. 3 schematically shows the joint degree-of-freedom configuration of the robot apparatus 100. As shown in the figure, the robot apparatus 100 includes an upper limb that includes two arms and a head 1, a lower limb that includes two legs that realize a moving operation, and a trunk that connects the upper limb and the lower limb. And a structure having a plurality of limbs composed of the waist.

頭部を支持する首関節(Neck)は、首関節ヨー軸101と、首関節ピッチ軸102A、頭ピッチ軸102B、首関節ロール軸3という4自由度を有している。   The neck joint (Neck) that supports the head has four degrees of freedom: a neck joint yaw axis 101, a neck joint pitch axis 102A, a head pitch axis 102B, and a neck joint roll axis 3.

また、各腕部は、その自由度として、肩(Shoulder)における肩関節ピッチ軸104と、肩関節ロール軸105と、上腕ヨー軸6、肘(Elbow)における肘関節ピッチ軸107と、手首(Wrist)における手首関節ヨー軸108と、手部とで構成される。手部は、実際には、複数本の指を含む多関節・多自由度構造体である。   In addition, each arm portion has, as degrees of freedom, a shoulder joint pitch axis 104 in the shoulder (Shoulder), a shoulder joint roll axis 105, an upper arm yaw axis 6, an elbow joint pitch axis 107 in the elbow (Elbow), and a wrist ( Wrist) is composed of a wrist joint yaw axis 108 and a hand portion. The hand part is actually a multi-joint / multi-degree-of-freedom structure including a plurality of fingers.

また、体幹部(Trunk)は、体幹ピッチ軸109と、体幹ロール軸110という2自由度を有する。   The trunk (Trunk) has two degrees of freedom: a trunk pitch axis 109 and a trunk roll axis 110.

また、下肢を構成する各々の脚部は、股関節(Hip)における股関節ヨー軸111と、股関節ピッチ軸112と、股関節ロール軸113と、膝(Knee)における膝関節ピッチ軸114と、足首(Ankle)における足首関節ピッチ軸115と、足首関節ロール軸116と、足部とで構成される。   In addition, each leg constituting the lower limb includes a hip joint yaw axis 111 at the hip joint (Hip), a hip joint pitch axis 112, a hip joint roll axis 113, a knee joint pitch axis 114 at the knee (Knee), and an ankle (Ankle). The ankle joint pitch axis 115, the ankle joint roll axis 116, and the foot portion.

但し、ロボット装置100が上述したすべての自由度を装備しなければならない訳でも、あるいはこれに限定される訳でもない。設計・製作上の制約条件や要求仕様などに応じて、自由度すなわち関節数を適宜増減することができることは言うまでもない。   However, the robot apparatus 100 does not have to be equipped with all the above-described degrees of freedom or is not limited to this. It goes without saying that the degree of freedom, that is, the number of joints, can be increased or decreased as appropriate in accordance with design / manufacturing constraints and required specifications.

上述したようなロボット装置100が持つ各自由度は、実際には回転型アクチュエータを用いて実装され、これらの回転位置制御に基づいて運動制御を行なうようになっている。外観上で余分な膨らみを排してヒトの自然体形状に近似させること、2足歩行という不安定構造体に対して姿勢制御を行なうことなどの要請から、これら関節アクチュエータは小型且つ軽量であることが好ましい。   Each degree of freedom of the robot apparatus 100 as described above is actually mounted using a rotary actuator, and motion control is performed based on these rotational position controls. These joint actuators must be small and light because of the need to eliminate extra bulges in appearance and approximate human body shape, and to perform posture control on unstable structures such as biped walking. Is preferred.

本実施形態では、ギア直結型で、且つサーボ制御系、電源系、並びにセンサ系の回路を搭載した制御基板をモータ・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こととした。モータ・ユニット内のセンサには、サーボ制御のための回転位置若しくは関節位置を検出する角度・位置センサ、姿勢安定制御(例えばZMP方程式のパラメータ取得)のための加速度センサやジャイロ・センサ、異常状態検出のためのトルク・センサや電流検出センサなどが含まれる。また、アクチュエータ・モータの直結ギアとして低減速ギアを採用することにより、人間との物理的インタラクションを重視するタイプのロボット100に求められている駆動系自身の受動的特性を得ている。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号公報や特開2004−181613号公報などに開示されている。   In the present embodiment, a small AC servo actuator of a type directly connected to a gear and having a control board on which a servo control system, a power supply system, and a sensor system circuit are mounted in a motor unit is mounted. The sensor in the motor unit includes an angle / position sensor for detecting the rotational position or joint position for servo control, an acceleration sensor or gyro sensor for posture stability control (eg, ZMP equation parameter acquisition), abnormal state Examples include a torque sensor for detection and a current detection sensor. Further, by adopting a reduced speed gear as a direct connection gear of the actuator / motor, the passive characteristics of the drive system required for the robot 100 of the type that places importance on physical interaction with humans are obtained. This type of AC servo actuator is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2000-299970 and 2004-181613, which have already been assigned to the present applicant.

図4には、ロボット装置100の制御システム構成を模式的に示している。同図に示すように、ロボット装置100は、ヒトの四肢を表現した各機構ユニット130、140、141、150R/L、160R/Lと、各機構ユニット間の協調動作を実現するための適応制御を行なう制御ユニット180とで構成される(但し、R及びLの各々は、右及び左の各々を示す接尾辞である。以下同様)。   FIG. 4 schematically shows a control system configuration of the robot apparatus 100. As shown in the figure, the robot apparatus 100 includes each of the mechanism units 130, 140, 141, 150R / L, and 160R / L expressing human limbs, and adaptive control for realizing a cooperative operation between the mechanism units. (Where R and L are suffixes indicating right and left, and so on).

ロボット装置100全体の動作は、制御ユニット180によって統括的に制御される。制御ユニット180は、CPU(Central Processing Unit)やメモリなどの主要回路コンポーネント(図示しない)で構成される主制御部181と、電源回路やロボット100の各構成要素とのデータやコマンドの授受を行なうインターフェース(いずれも図示しない)などを含んだ周辺回路182とで構成される。   The overall operation of the robot apparatus 100 is comprehensively controlled by the control unit 180. The control unit 180 exchanges data and commands between the main control unit 181 including main circuit components (not shown) such as a CPU (Central Processing Unit) and a memory, and each component of the power supply circuit and the robot 100. The peripheral circuit 182 includes an interface (none of which is shown).

ここで言う周辺回路182は、ロボット装置に搭載される周辺機器類の他、ケーブルや無線を通して接続される外付けの周辺機器、充電ステーション(図示しない)やその他の周辺機器を接続するためのインターフェース・コネクタなどを含むものとする。   The peripheral circuit 182 referred to here is an interface for connecting an external peripheral device, a charging station (not shown), and other peripheral devices connected via a cable or radio in addition to peripheral devices mounted on the robot apparatus.・ Include connectors.

本発明を実現する上で、この制御ユニット180の設置場所は特に限定されない。図4では体幹部ユニット140に搭載されているが、頭部ユニット130に搭載してもよい。あるいは、ロボット装置100外に制御ユニット180を配設して、ロボット装置100本体とは有線若しくは無線で交信するようにしてもよい。   In realizing the present invention, the installation location of the control unit 180 is not particularly limited. Although it is mounted on the trunk unit 140 in FIG. 4, it may be mounted on the head unit 130. Alternatively, the control unit 180 may be disposed outside the robot apparatus 100 so as to communicate with the robot apparatus 100 main body by wire or wirelessly.

図3に示したロボット装置100内の各関節自由度は、それぞれに対応するアクチュエータによって実現される。すなわち、頭部ユニット30には、首関節ヨー軸101、首関節ピッチ軸102、首関節ロール軸103の各々の関節自由度を表現する首関節ヨー軸アクチュエータM1、首関節ピッチ軸アクチュエータM2A、頭ピッチ軸アクチュエータM2B、首関節ロール軸アクチュエータM3が配設されている。 Each degree of freedom of joint in the robot apparatus 100 shown in FIG. 3 is realized by a corresponding actuator. That is, the head unit 30 includes a neck joint yaw axis actuator M 1 representing the degree of joint freedom of the neck joint yaw axis 101, neck joint pitch axis 102, and neck joint roll axis 103, and neck joint pitch axis actuator M 2A. A head pitch axis actuator M 2B and a neck joint roll axis actuator M 3 are provided.

また、体幹部ユニット140には、体幹ピッチ軸109、体幹ロール軸110の各々の関節自由度を表現する体幹ピッチ軸アクチュエータM9、体幹ロール軸アクチュエータM10が配設されている。 The trunk unit 140 is provided with a trunk pitch axis actuator M 9 and a trunk roll axis actuator M 10 that express the degree of freedom of joints of the trunk pitch axis 109 and the trunk roll axis 110. .

また、腕部ユニット150R/Lは、上腕ユニット151R/Lと、肘関節ユニット152R/Lと、前腕ユニット153R/Lに細分化されるが、肩関節ピッチ軸104、肩関節ロール軸105、上腕ヨー軸106、肘関節ピッチ軸107、手首関節ヨー軸108の各々の関節自由度を表現する肩関節ピッチ軸アクチュエータM4、肩関節ロール軸アクチュエータM5、上腕ヨー軸アクチュエータM6、肘関節ピッチ軸アクチュエータM7、手首関節ヨー軸アクチュエータM8が配設されている。 Further, the arm unit 150R / L is subdivided into an upper arm unit 151R / L, an elbow joint unit 152R / L, and a forearm unit 153R / L, but the shoulder joint pitch axis 104, shoulder joint roll axis 105, upper arm Shoulder joint pitch axis actuator M 4 , shoulder joint roll axis actuator M 5 , upper arm yaw axis actuator M 6 , elbow joint pitch representing the degree of freedom of each of the yaw axis 106, elbow joint pitch axis 107, and wrist joint yaw axis 108. An axis actuator M 7 and a wrist joint yaw axis actuator M 8 are provided.

また、脚部ユニット160R/Lは、大腿部ユニット161R/Lと、膝ユニット162R/Lと、脛部ユニット163R/Lに細分化されるが、股関節ヨー軸111、股関節ピッチ軸112、股関節ロール軸113、膝関節ピッチ軸114、足首関節ピッチ軸115、足首関節ロール軸116の各々の関節自由度を表現する股関節ヨー軸アクチュエータM11、股関節ピッチ軸アクチュエータM12、股関節ロール軸アクチュエータM13、膝関節ピッチ軸アクチュエータM14、足首関節ピッチ軸アクチュエータM15、足首関節ロール軸アクチュエータM16が配設されている。 The leg unit 160R / L is subdivided into a thigh unit 161R / L, a knee unit 162R / L, and a shin unit 163R / L, but the hip joint yaw axis 111, hip joint pitch axis 112, hip joint The hip joint yaw axis actuator M 11 , the hip joint pitch axis actuator M 12 , and the hip joint roll axis actuator M 13 representing the joint degrees of freedom of the roll axis 113, knee joint pitch axis 114, ankle joint pitch axis 115, and ankle joint roll axis 116. A knee joint pitch axis actuator M 14 , an ankle joint pitch axis actuator M 15 , and an ankle joint roll axis actuator M 16 are provided.

頭部ユニット130、体幹部ユニット140、腕部ユニット150、各脚部ユニット160などの機構ユニット毎に、アクチュエータ駆動制御用の副制御部135、145、155、165が配設されている。   For each mechanism unit such as the head unit 130, the trunk unit 140, the arm unit 150, and each leg unit 160, sub-control units 135, 145, 155, and 165 for actuator drive control are disposed.

腰部141には、加速度センサ196と姿勢センサ195が配設されている。加速度センサ196は、XYZの各軸方向に配置する。また、腰部141に加速度センサ196を配設することによって、質量操作量が大きな部位である腰部を制御対象点として設定して、その位置における姿勢や加速度を直接計測して、ZMPに基づく姿勢安定制御を行なうことができる。加速度センサ96と姿勢センサ95は、図3中ではそれぞれ加速度センサA1及びジャイロ・センサG1として構成されている。   An acceleration sensor 196 and a posture sensor 195 are disposed on the waist 141. The acceleration sensor 196 is disposed in each XYZ axial direction. Further, by providing an acceleration sensor 196 on the waist 141, the waist, which is a part with a large mass manipulated variable, is set as a control target point, and the posture and acceleration at that position are directly measured, and posture stabilization based on ZMP is performed. Control can be performed. The acceleration sensor 96 and the attitude sensor 95 are configured as an acceleration sensor A1 and a gyro sensor G1, respectively, in FIG.

また、左右の各脚部160R及び160Lには、接地確認センサ191及び192と、加速度センサ193及び194がそれぞれ配設されている。接地確認センサ191及び192は、例えば足底に圧力センサを装着することにより構成され、床反力の有無により足底が着床したか否かを検出することができる。また、加速度センサ193及び194は、少なくともX及びYの各軸方向に配置する。左右の足部に加速度センサ193及び194を配設することにより、ZMP位置に最も近い足部で直接ZMP方程式を組み立てることができる。図3中では、左右の足首に、足平における加速度を計測するセンサA2及びA2と、足平の姿勢を計測するジャイロ・センサG2及びG3がそれぞれ配設されている。また、左右の足底の四隅に、接地並びに床反力を計測する力センサF1〜F4、F5〜F8が配設されている。   Also, ground check sensors 191 and 192 and acceleration sensors 193 and 194 are disposed on the left and right legs 160R and 160L, respectively. The ground contact confirmation sensors 191 and 192 are configured by, for example, mounting a pressure sensor on the sole, and can detect whether or not the sole has landed based on the presence or absence of a floor reaction force. The acceleration sensors 193 and 194 are arranged at least in the X and Y axial directions. By disposing the acceleration sensors 193 and 194 on the left and right feet, the ZMP equation can be directly assembled with the feet closest to the ZMP position. In FIG. 3, sensors A2 and A2 for measuring acceleration at the foot and gyro sensors G2 and G3 for measuring the posture of the foot are arranged on the left and right ankles, respectively. In addition, force sensors F1 to F4 and F5 to F8 for measuring ground contact and floor reaction force are disposed at the four corners of the left and right soles.

本実施形態では、路面との接触部位である足部にZMPと力を直接する反力センサ・システム(床反力センサなど)を配設するとともに、制御に用いるローカル座標とその座標を直接的に計測するための加速度センサを配設している。したがって、ZMP位置に最も近い足部で直接的にZMP釣合い方程式を組み立てることによって、より厳密な姿勢安定化制御を高速で実現することができる。   In the present embodiment, a reaction force sensor system (such as a floor reaction force sensor) that directly applies ZMP and force is disposed on a foot that is a contact portion with a road surface, and local coordinates used for control and the coordinates thereof are directly set. An acceleration sensor for measurement is provided. Therefore, more precise posture stabilization control can be realized at high speed by assembling the ZMP balance equation directly at the foot closest to the ZMP position.

主制御部180は、各センサA1〜A3、G1〜G3、F1〜F8の出力に応答して制御目標をダイナミックに補正することができる。より具体的には、副制御部135、145、155、165の各々に対して適応的な制御を行ない、ロボット装置100の上肢、体幹、及び下肢が協調して駆動する全身運動パターンを実現する。   The main control unit 180 can dynamically correct the control target in response to the outputs of the sensors A1 to A3, G1 to G3, and F1 to F8. More specifically, adaptive control is performed on each of the sub-control units 135, 145, 155, and 165 to realize a whole body movement pattern in which the upper limbs, trunk, and lower limbs of the robot device 100 are driven in cooperation. To do.

ロボット装置100の全身運動は、足部運動、ZMP軌道、体幹運動、上肢運動、腰部高さなどを設定するとともに、これらの設定内容に従った動作を指示するコマンドを各副制御部135、145、155、165に転送する。そして、各々の副制御部135、145…では、主制御部181からの受信コマンドを解釈して、各アクチュエータM1、M2、M3…に対して駆動制御信号を出力する。 The whole body movement of the robot apparatus 100 sets foot movement, ZMP trajectory, trunk movement, upper limb movement, waist height, and the like, and commands for instructing movement according to these setting contents to each sub-control section 135, 145, 155, and 165. Then, in each of the sub-control unit 135 and 145 ..., interprets the command received from the main control unit 181 outputs a drive control signal to each actuator M 1, M 2, M 3 ....

B.受動車輪機構
脚式移動ロボットは、優れた対地適応性を有し、特に不整地においては、他の移動機構形態では実現不可能な移動能力を発揮することができるが、平坦な移動面において、速度に対するエネルギ効率の低さに問題がある。これに対し、本実施形態に係るロボット装置は、足部に受動車輪機構を着脱自在に取り付けることにより、脚式移動と車輪型移動の双方の特質を兼ね備えたハイブリッド型の移動を実現することができる。また、車輪は足部の動作により受動的に推進力を得ることができ、車輪駆動用のアクチュエータを搭載しないことから、総重量を増大させずに済む。
B. Passive wheel mechanism legged mobile robot has excellent ground adaptability, especially on rough terrain, it can exhibit movement ability that can not be realized with other movement mechanism forms, but on a flat moving surface, There is a problem with low energy efficiency with respect to speed. On the other hand, the robot apparatus according to the present embodiment can realize a hybrid type movement having both characteristics of a legged movement and a wheel type movement by detachably attaching a passive wheel mechanism to the foot. it can. Further, the wheel can passively obtain a propulsive force by the operation of the foot and does not include an actuator for driving the wheel, so that the total weight does not need to be increased.

具体的には、可動脚の足先には、単数又は複数の車輪からなる車輪機構が装着される。車輪機構はすべて受動支持された車輪で構成され、各回転軸は摩擦特性が調整されているとする。車輪構成に基づいて、足部におけるX、Y、ヨー軸回りの摩擦特性を調整することができる。また、車輪の断面形状と物性を調整するとともに、車輪の本体に対する姿勢を調整することで、摩擦特性以外に接地面に対する幾何的接地状態を調整し、推進性能、旋回性能などロボット装置の運動性能を改善することができる。   Specifically, a wheel mechanism composed of one or a plurality of wheels is mounted on the tip of the movable leg. It is assumed that all wheel mechanisms are composed of passively supported wheels, and the friction characteristics of each rotating shaft are adjusted. Based on the wheel configuration, the frictional characteristics of the foot around the X, Y, and yaw axes can be adjusted. In addition to adjusting the cross-sectional shape and physical properties of the wheel, and adjusting the attitude of the wheel to the main body, in addition to the friction characteristics, the geometric grounding state with respect to the grounding surface is adjusted, and the motion performance of the robot device such as propulsion performance and turning performance Can be improved.

従来の脚式ロボット用受動車輪機構では、図5に示すように、車輪のX軸方向(車輪自体が転がる進行方向)とY軸方向の摩擦力を用いた推進原理を議論するものであった。この場合、車輪の転がり方向は摩擦係数が少なく軸方向は摩擦が大きいという抗力の異方性を利用することにより、足先の進行方向に対し非平行な方向への運動を車輪の回転運動に変換してロボット装置の推進方向に対する推進力を得ることができる。そして、車輪の転がり方向と推進方向(若しくはロボットの主たる進行方向)のなすグライド角θGがギアの減速比に相当し、グライド角θGにより大きな角度をつければ低速となることから装置の推進方向に大きな推進力を発生することができる。逆に、グライド角θGにより小さな角度を与えることにより、小さな推進力であるが、ロボットを高速に推進することができる In the conventional passive wheel mechanism for legged robots, as shown in FIG. 5, the propulsion principle using the frictional force in the X-axis direction of the wheel (the traveling direction in which the wheel itself rolls) and the Y-axis direction was discussed. . In this case, by utilizing the anisotropy of the drag force that the rolling direction of the wheel has a small friction coefficient and the friction in the axial direction is large, the movement in a direction non-parallel to the direction of travel of the foot is changed to the rotational movement of the wheel. It is possible to obtain the propulsive force in the propulsion direction of the robot apparatus by converting. The glide angle θ G formed by the rolling direction of the wheel and the propulsion direction (or the main direction of movement of the robot) corresponds to the gear reduction ratio, and if a larger angle is set by the glide angle θ G, the speed is reduced. A big driving force can be generated in the direction. Conversely, by giving a small angle to the glide angle θ G , it is possible to propel the robot at a high speed although it has a small propulsive force.

これに対し、本実施形態では、その車輪構成を考慮することで、X軸方向並びにY軸方向に加え、ヨー軸回りの摩擦特性も調整する。仮に一脚当たり1輪であっても、図6に示すように摩擦特性を調整することができる。   On the other hand, in the present embodiment, by considering the wheel configuration, the friction characteristic about the yaw axis is adjusted in addition to the X axis direction and the Y axis direction. Even if there is one wheel per leg, the friction characteristics can be adjusted as shown in FIG.

また、1足当たり4輪で構成される場合には、図7に示すように調整された摩擦力とトルクとなる。この場合、4輪からなる車輪機構において車輪毎に異なる特性を利用して、車輪機構全体としての摩擦特性を調整する。また、車輪毎の摩擦特性分布に応じてヨー軸回りの回転中心が変わることがある。   In the case of four wheels per foot, the frictional force and torque are adjusted as shown in FIG. In this case, in the wheel mechanism composed of four wheels, the friction characteristics of the entire wheel mechanism are adjusted by using different characteristics for each wheel. Further, the center of rotation about the yaw axis may change depending on the friction characteristic distribution for each wheel.

また、足毎の車輪機構を複数の車輪機構で構成するときには、図8に示すように、足底の隅毎に車輪を配置する場合の他に、ライン上にすべての車輪を配置する場合や、ライン上の車輪数を変える場合などが挙げられる。   Further, when the wheel mechanism for each foot is composed of a plurality of wheel mechanisms, as shown in FIG. 8, in addition to the case where wheels are arranged for each corner of the sole, And changing the number of wheels on the line.

車輪に関しては、車輪断面形状と物性を調整すること、車輪の本体に対する姿勢を調整することで、上述した摩擦特性の他に、接地面に対する幾何的接地状態を調整し、推進性能や旋回性能などの運動性能を改善することができる。例えば、車輪形状を図9に示すように工夫することで、足底での接地部位や接地状態(形状や面積や摩擦特性)を変化させることができる。こうした車輪断面の効果として、以下を挙げることができる。   Regarding wheels, by adjusting the wheel cross-sectional shape and physical properties, and adjusting the attitude of the wheel to the main body, in addition to the above-mentioned friction characteristics, the geometric grounding state with respect to the grounding surface is adjusted, and propulsion performance, turning performance, etc. Can improve athletic performance. For example, by devising the wheel shape as shown in FIG. 9, it is possible to change the ground contact portion and the ground contact state (shape, area and friction characteristics) at the sole. Examples of such wheel cross-sectional effects include the following.

(1)地面への引っ掛かりの防止(静摩擦、同摩擦の摩擦特性の急激な変化の防止)
(2)傾斜接地させることによる旋回運動の実現
(3)接地部位の調整
(1) Prevention of catching on the ground (static friction, prevention of sudden changes in friction characteristics)
(2) Realization of swivel motion by inclining ground contact (3) Adjustment of ground contact area

図10には、図9(c)に示した車輪を利用して4輪からなる車輪機構を構成した例を示している。図示のように、車輪断面形状により各車輪の接地部位を調整することができる。この場合、各車輪の接地部位は足平の外側に近づけることにより、接地点を結ぶ多角形の面積を大きく確保して安定性を確保し、センサ特性とのマッチングから特定の部位で接地し易くすることができる。   FIG. 10 shows an example in which a wheel mechanism composed of four wheels is configured using the wheels shown in FIG. As shown in the drawing, the ground contact portion of each wheel can be adjusted by the wheel cross-sectional shape. In this case, by bringing the grounding part of each wheel close to the outside of the foot, a large polygonal area connecting the grounding points is secured to ensure stability, and it is easy to ground at a specific part from matching with sensor characteristics. can do.

また、図10に示すように脚毎の車輪機構を多輪ではなく1輪で構成する場合であっても、図11に示すように、車輪の材質を考慮し、接地時における変形を利用することによって、ヨー軸摩擦トルクを生成することができる。   Further, even if the wheel mechanism for each leg is configured with one wheel instead of multiple wheels as shown in FIG. 10, the deformation at the time of grounding is used in consideration of the material of the wheels as shown in FIG. Thus, the yaw axis friction torque can be generated.

図7には、4輪からなる車輪機構について図解したが、各車輪の特性を変化させることで、接地状態を変化させることができる。車輪の特性を変化させることで得られる効果として、以下の事柄を挙げることができる。   FIG. 7 illustrates a four-wheel wheel mechanism, but the ground contact state can be changed by changing the characteristics of each wheel. The following can be mentioned as an effect obtained by changing the characteristic of a wheel.

(1)路面の凹凸への適応性向上
(2)路面の段差への適応性向上
(3)旋回性能の向上
(1) Improved adaptability to road surface irregularities (2) Improved adaptability to road surface steps (3) Improved turning performance

図12には、車輪機構が路面の段差へ適応する様子を示している。図示のように、段差などの凸地形を乗り越える滑走能力を向上するために、前後左右の4輪からなる車輪機構のうち前輪を柔らかい(変形し易い)素材にし、段に接触したときの干渉と地形への倣い特性を向上することができる。   FIG. 12 shows a state in which the wheel mechanism adapts to the road surface level difference. As shown in the figure, in order to improve the sliding ability over the convex terrain such as steps, the front wheel of the wheel mechanism consisting of four wheels on the front, rear, left and right is made of soft (easy to deform) material, and interference when contacting the step The copying characteristics of the terrain can be improved.

また、図13には、旋回特性に着目して車輪の変形し易さ、表面の滑り易さを調整した例を示している。旋回時には、爪先(あるいは踵)荷重を減らすことで、Y軸方向に滑らす(すなわちスキッドステアを行なう)場合、車輪表面は滑り易い特性を持たせるとよい。このように、段差・凹凸への対応や、旋回特性に着目して車輪の変形のし易さ、表面の滑り易さを調整することができる。   FIG. 13 shows an example in which the ease of deformation of the wheel and the ease of slipping of the surface are adjusted by paying attention to the turning characteristics. At the time of turning, if the toe (or heel) load is reduced, when sliding in the Y-axis direction (that is, performing skid steer), the wheel surface is preferably provided with a slippery characteristic. In this way, it is possible to adjust the ease of deformation of the wheels and the ease of slipping of the surface by paying attention to the steps and unevenness and the turning characteristics.

本実施形態に係る車輪機構は、すべて受動支持された車輪で構成され、各回転軸は摩擦特性が調整されている。すなわち、駆動輪ではなく、摩擦特性を調整(方向性などを持たせる)するために受動車輪を取り付ける。このような車輪機構における移動原理は、脚(足)の軌道、若しくはロボット装置本体の慣性力を生成するなどのことを行なうことにより進力を発生するというものである。   All the wheel mechanisms according to the present embodiment are composed of passively supported wheels, and the friction characteristics of each rotating shaft are adjusted. That is, not a driving wheel but a passive wheel is attached in order to adjust a friction characteristic (to give directionality etc.). The principle of movement in such a wheel mechanism is to generate an advancing force by generating a trajectory of a leg (foot) or an inertial force of a robot apparatus body.

極小摩擦で車輪を支持することができる軸受けを使用することを含め、摩擦トルクを適宜調整することによって、加減速をさらに行ない易くすることができると考えられる。特に、静止時からの蹴り出し加速を行なうには、条件によって空振りになる、若しくは不用意な移動が起こり得るため、移動面状態などの条件に応じて軸の摩擦を調整することが効果的である。   It is considered that acceleration / deceleration can be further facilitated by appropriately adjusting the friction torque, including using a bearing that can support the wheel with minimal friction. In particular, in order to perform kicking acceleration from a standstill, it may be swung or unintentional movement may occur depending on conditions, so it is effective to adjust the shaft friction according to conditions such as the moving surface state. is there.

図14及び図15には、足平の前後及び左右の4輪で構成される場合の車輪機構の構成を示している。各図において、ブラケットは、脚式移動ロボットの足部に取り付けるための部材であり、形状は脚構造によって任意に設計することができる。以下の構造は、YZ平面に対して対称とする。   FIG. 14 and FIG. 15 show the configuration of the wheel mechanism in the case of four wheels on the front and rear of the foot and on the left and right. In each figure, the bracket is a member for attaching to the foot portion of the legged mobile robot, and the shape can be arbitrarily designed by the leg structure. The following structure is symmetric with respect to the YZ plane.

前後のホイル・ステーがブラケットに取り付けられている。そして、前後の各ホイル・ステーの左右両端には、各車輪が車軸回りに回転自在に軸支されている。前後の各ホイル・ステーではそれぞれ、左右の車軸はほぼ同軸となるように配設されている。   Front and rear foil stays are attached to the bracket. The wheels are pivotally supported at the left and right ends of the front and rear wheel stays so as to be rotatable about the axle. The front and rear wheel stays are arranged so that the left and right axles are substantially coaxial.

さらに、車輪機構に対し補助的なセンサ・システムを搭載することができる。設置スペースやコスト、その他実装上の制約から、すべての車輪にセンサを取り付けることができない場合には、内足(人間で言うところの土踏まず側)を優先し、且つ、蹴り出し状態を把握できる前縁側を優先して接地する。   Furthermore, an auxiliary sensor system for the wheel mechanism can be mounted. If sensors cannot be installed on all wheels due to installation space, cost, and other mounting restrictions, give priority to the inner foot (the arch side in human terms) and before grasping the kicked-out state Prioritize the edge side.

移動面の状態に応じて車輪の特性を調整する必要があるため、車輪を取り付ける機構は交換可能であることが好ましい。   Since it is necessary to adjust the characteristics of the wheel according to the state of the moving surface, the mechanism for attaching the wheel is preferably exchangeable.

図16には、車輪機構にセンサを搭載した様子を示している。それぞれの足部において足座標のX軸速度のみ分かれば十分である場合には、図示のように、内足前輪に角速度センサを設置すればよい。   FIG. 16 shows a state in which a sensor is mounted on the wheel mechanism. If it is sufficient to know only the X-axis velocity of the foot coordinates at each foot, an angular velocity sensor may be installed on the inner foot front wheel as shown.

また、足底に接地状態を計測するセンサが搭載されている場合には、その計測方法と設置位置を考慮して、車輪の設置状態を決定する。例えば、図3に示したように足機構に4点の計測点(足底の接地状態を計測するセンサ)がある場合には、図17に示すように、車輪の計測点を一致させることも分解能、計測レンジを充分に利用する上で効果的である。   Further, when a sensor for measuring the ground contact state is mounted on the sole, the installation state of the wheel is determined in consideration of the measurement method and the installation position. For example, when the foot mechanism has four measurement points (sensors for measuring the ground contact state of the sole) as shown in FIG. 3, the wheel measurement points may be matched as shown in FIG. This is effective in fully utilizing the resolution and measurement range.

また、人間用のローラースケートのように、補助的に蹴り出し動作や減速動作に役立てるために、ゴムブロックを取り付けてもよい。この場合、以下のような構成を採用する。   Further, like a human roller skate, a rubber block may be attached in order to assist in kicking out operation and deceleration operation. In this case, the following configuration is adopted.

(1)車輪機構本体に合成のある取り付けはせず、ある程度の自由度を許容する。
(2)ゴムが移動面に対して相対速度を有しているときに接地しても、引っ掛かりにくくするための支持機構を構成する。
(3)ゴムの支持は線形又は非線形とする。
(1) The wheel mechanism main body is not attached with a composition, and a certain degree of freedom is allowed.
(2) A support mechanism is provided for preventing the rubber from being caught even if the rubber has a relative speed with respect to the moving surface even if it is grounded.
(3) Rubber support should be linear or non-linear.

図18には、車輪機構にゴムストッパを取り付けた例を示している。図示の例では、前後左右の4隅に車輪を支持したブラケットの前端縁に、断面略くの字をなすばね要素を有したゴムストッパ支持部の一端が取り付けられ、この支持部の他端にゴムストッパが支持されている。このような支持部の構成によれば、ゴムストッパが接地してばね弾性が作用する際には、くの字の屈曲部を回転中心としてゴムストッパ支持部が変形することから、爪先位置決めの精度が十分でなくとも、地面に引っ掛からず、引き摺るように作用することができる。   FIG. 18 shows an example in which a rubber stopper is attached to the wheel mechanism. In the illustrated example, one end of a rubber stopper support portion having a spring element having a substantially U-shaped cross section is attached to the front end edge of the bracket that supports the wheels at the four corners of the front, rear, left, and right. A rubber stopper is supported. According to such a structure of the support portion, when the rubber stopper is grounded and spring elasticity is applied, the rubber stopper support portion is deformed with the bent portion of the dogleg as the center of rotation. Even if it is not sufficient, it can act so as not to be caught on the ground and to be dragged.

図19には、図18に示したゴムストッパ付きの車輪機構が傾斜して、ゴムストッパが地面に対して作用する様子を示している。図示の例では、車輪機構の全長120に対し、車輪の直径が25である。そして、車輪機構本体が路面に対し5〜30゜だけ傾斜すると、ゴムストッパか路面について作用する。このとき、車輪の接地部とゴムストッパの接地部分との距離は10〜20程度である。   FIG. 19 shows a state in which the wheel mechanism with the rubber stopper shown in FIG. 18 is tilted and the rubber stopper acts on the ground. In the illustrated example, the wheel diameter is 25 with respect to the total length 120 of the wheel mechanism. When the wheel mechanism main body is inclined by 5 to 30 ° with respect to the road surface, it acts on the rubber stopper or the road surface. At this time, the distance between the ground contact portion of the wheel and the ground contact portion of the rubber stopper is about 10-20.

図20には、爪先接地時にゴムストッパが作用する様子を示している。この場合、地面に対する爪先相対速度により、ゴムストッパ支持部が跳ね上げられる方向に変形し、ゴムストッパの摩擦力は小さくなる。すなわち、接地時にはトレーリング(引き摺り方向)の関係となって必要以上に摩擦が出ないようになっている。   FIG. 20 shows how the rubber stopper acts when the toe touches down. In this case, the rubber stopper support portion is deformed in a direction to be flipped up by the relative speed of the toe relative to the ground, and the frictional force of the rubber stopper is reduced. That is, at the time of grounding, a relationship of trailing (drag direction) is established so that friction is not generated more than necessary.

また、図21には、蹴り出し動作時にゴムストッパが作用する様子を示している。この場合、地面に対する爪先相対速度により、ゴムストッパ支持部は引き込まれる方向に変形するので摩擦力は大きくなる。すなわち、蹴り出しのときはリーディング(引っ掛かり方向)の位置となって、摩擦力が増大するような幾何的配置になる。   FIG. 21 shows a state in which the rubber stopper acts during the kicking-out operation. In this case, the frictional force increases because the rubber stopper support portion is deformed in the pull-in direction due to the relative speed of the toe relative to the ground. That is, when kicking out, it becomes a leading (hooking direction) position, and the geometrical arrangement increases the frictional force.

C.受動車輪機構を用いた脚式移動ロボットによる滑走動作
脚式移動ロボットは、優れた対地適応性を有し、特に不整地においては、他の移動機構形態では実現不可能な移動能力を発揮することができる。さらに本実施形態では、足部に受動車輪機構(前述)を着脱自在に取り付けることにより、脚式移動と車輪型移動の双方の特質を兼ね備えたハイブリッド型の移動を実現することができる。
C. Sliding motion by a legged mobile robot using a passive wheel mechanism The legged mobile robot has excellent ground adaptability, especially on rough terrain, exhibiting a moving ability that cannot be realized by other moving mechanism forms. Can do. Furthermore, in the present embodiment, a passive type wheel mechanism (described above) is detachably attached to the foot, thereby realizing a hybrid type movement having both characteristics of a leg type movement and a wheel type movement.

図22には、受動車輪機構を足部に備えた脚式移動ロボットによる滑走動作を行なうための滑走動作制御システム1の機能構成を模式的に示している。図示のシステム1は、滑走動作時における脚式移動ロボットの歩容(若しくはモーション)を生成若しくは編集する歩容生成部10と、生成された歩容を実機上で再生する際のロボットの姿勢安定性を得るための姿勢安定処理部20と、姿勢安定処理が施された後の歩容すなわちモーション・データを実機に投入して脚部を始めとする全身の関節駆動を制御して滑走動作を行なわせる運動制御部30で構成される。   FIG. 22 schematically shows a functional configuration of the sliding motion control system 1 for performing a sliding motion by a legged mobile robot having a passive wheel mechanism at the foot. The illustrated system 1 includes a gait generator 10 that generates or edits a gait (or motion) of a legged mobile robot during a sliding motion, and a robot posture stabilization when the generated gait is reproduced on an actual machine. The posture stabilization processing unit 20 for obtaining the stability, and the gait after the posture stabilization processing, that is, the motion data is input to the actual machine to control the joint drive of the whole body including the leg part to perform the sliding motion. It is comprised by the exercise | movement control part 30 to be performed.

歩容生成部10では、例えば本出願人に既に譲渡されている特開2003−266347号公報に記載されている動作編集装置を用いてモーション・データの編集を行なうことができる。この場合、ロボットのポーズを形成するための姿勢データとして、各関節角データを直接入力したり、あるいは3Dキャラクタ上でポーズ変更操作し、そのポーズから逆キネマティクス演算により各関節角データを求めたりすることができる。そして、時間軸上に配置されたポーズ間を補間することでロボットのモーションすなわち歩容が生成される。   The gait generator 10 can edit motion data using, for example, a motion editing apparatus described in Japanese Patent Laid-Open No. 2003-266347 already assigned to the present applicant. In this case, each joint angle data is directly input as posture data for forming a robot pose, or a pose change operation is performed on a 3D character, and each joint angle data is obtained from the pose by inverse kinematics calculation. can do. Then, the motion of the robot, that is, the gait is generated by interpolating between the poses arranged on the time axis.

姿勢安定処理部20では、生成した歩容を実機上で再現する際の姿勢安定性をZMPあるいはその他の安定度判別規範に基づいて検証し、安定性を確保できない場合には歩容に適宜修正を加える処理を施す。この安定化処理の際には、ZMP方程式や運動方程式、あるいはその他の安定度判別方程式を形成するために、実機上の各関節角の可動範囲や出力トルク、部位毎の重量やその他の物理データなどからなるパラメータを用いる。例えば、本出願人に既に譲渡されている特開2001−157973号公報には、ZMP安定度判別規範に基づく姿勢安定制御を行なうロボットの歩行制御装置について開示されているが、本発明に係る滑走動作時の姿勢安定制御に適用することができる。   The posture stabilization processing unit 20 verifies the posture stability when reproducing the generated gait on an actual machine based on ZMP or other stability determination norms, and corrects the gait as appropriate when stability cannot be secured. The process which adds is performed. During this stabilization process, in order to form ZMP equations, equations of motion, or other stability discriminants, the movable range and output torque of each joint angle on the actual machine, the weight of each part, and other physical data The parameter consisting of etc. is used. For example, Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2001-157793 already assigned to the present applicant discloses a walking control device for a robot that performs posture stability control based on a ZMP stability determination criterion. It can be applied to posture stability control during operation.

本実施形態では、歩容生成部10は、受動車輪機構を足部に備えた脚式移動ロボットに関する滑走動作を生成又は編集する際に、滑走速度や姿勢安定性、関節可動角の制約など、滑走動作に起因するさまざまな問題を解決し、姿勢安定処理部20において安定化処理を行ない易くなる歩容を生成するための手法を提供することができる。   In the present embodiment, the gait generator 10 generates or edits a sliding motion related to a legged mobile robot equipped with a passive wheel mechanism on the foot, such as the sliding speed, posture stability, and restrictions on joint movable angles. Various problems caused by the sliding motion can be solved, and a method for generating a gait that facilitates the stabilization process in the posture stabilization processing unit 20 can be provided.

C−1.基本滑走動作の生成
2足の脚式移動ロボットによる歩行動作は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(前述)。
C-1. Generation of basic sliding motion The walking motion by the two-legged mobile robot is performed by repeating the walking cycle divided into the following motion periods (described above).

(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

歩行動作における姿勢安定制御にZMP安定度判別規範を用いた場合、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軸及びロール軸モーメントがゼロとなるZMPが収容されるように、ZMP軌跡制御を行なうようにする。足部に受動車輪機構を配設して滑走動作を行なう場合も、基本的には2足歩行の場合の制御アルゴリズムと同様に、片足滑走期間や滑走脚の切り替えがある場合はZMPの軌跡を制御することによりローラと床面との間の接触を安定した面接触に保つようにする。   When the ZMP stability criterion is used for posture stability control in walking motion, ZMP with zero pitch axis and roll axis moment is accommodated inside the support polygon formed by the ground contact point and the road surface. ZMP trajectory control is performed. When performing a sliding motion with a passive wheel mechanism on the foot, basically the ZMP trajectory is used when there is a one-leg sliding period or a sliding leg switching, as in the control algorithm for bipedal walking. By controlling, the contact between the roller and the floor surface is kept in a stable surface contact.

一方、滑走時には比較的平坦な路面上で移動速度を増大させるという目的がある。加速のためには足の軌道や重心の軌道も重要であるが、これに関してはスケート滑走と2足歩行とは考え方が異なる。本実施形態では、パラメータの設定しそれを変化させることによって、両者に対応させ統一的に制御するようにしている。これによりプログラム量の減少や開発期間短縮などのメリットもある。   On the other hand, there is an object of increasing the moving speed on a relatively flat road surface during sliding. For acceleration, the trajectory of the foot and the trajectory of the center of gravity are also important, but in this regard, skating and bipedal walking are different. In the present embodiment, by setting parameters and changing them, they are controlled in a unified manner corresponding to both. This also has the merit of reducing the amount of programs and shortening the development period.

図23には、標準的な歩行動作をベースにした滑走モーションを図解している。図示の場合、両脚支持期を隔てて、左右それぞれの脚による単脚支持が交互に繰り返される。ここで、両脚支持期における支持脚交換時において、支持脚と着地脚の間では、足部における滑走速度と滑走方向、床面での両足底の位置関係についての整合性を保つ必要がある。両脚間で滑走速度又は滑走方向の少なくとも一方が極端に相違すると、転倒を招来する。   FIG. 23 illustrates a sliding motion based on a standard walking motion. In the case of illustration, the single leg support by the left and right legs is alternately repeated with the both leg support periods being separated. Here, when the support legs are exchanged during the both-leg support period, it is necessary to maintain consistency between the support legs and the landing legs in terms of the sliding speed and direction of the foot, and the positional relationship between the soles on the floor. If at least one of the sliding speed or the sliding direction is extremely different between the two legs, a fall is caused.

なお、滑走時加減速によって生じる加速度の影響は、重力加速度と比較して小さいことから、無視することも可能である。   It should be noted that the influence of acceleration caused by acceleration / deceleration during sliding is small as compared with gravitational acceleration, and can be ignored.

C−2.支持脚の交換動作
図23に示した滑走動作では、両脚支持期を隔てて、左右それぞれの脚による単脚支持が交互に繰り返され、両脚支持期における支持脚交換時において、支持脚と着地脚の間では、足部における滑走速度と滑走方向、床面での両足底の位置関係についての整合性を保つ必要がある。ところが、この整合性を図る処理は演算負荷が高く、コスト増大を招来する。
C-2. In the sliding operation shown in FIG. 23, single-leg support by the left and right legs is alternately repeated with the both-leg support period separated, and the support leg and the landing leg are exchanged when the support leg is exchanged in the both-leg support period. It is necessary to maintain consistency between the sliding speed and the sliding direction in the foot and the positional relationship between the soles on the floor. However, the processing for achieving this consistency has a high calculation load and causes an increase in cost.

そこで、瞬間的に支持脚を交換することにより、支持脚と着地脚の間では、足部における滑走速度と滑走方向、床面での両足底の位置関係についての整合性を保つ必要をなくすことができる。図24には、両脚支持期間のない、若しくは極端に短い滑走モーションを図解している。通常の歩行動作では、全体の期間のうち両脚支持期間が30%程度を占める。これに対し、図24に示した例では、両脚支持期間はせいぜい0.1%と、限りなく0%に近い。この場合、滑走速度を厳密に考慮する必要が無くなり軌道計画を単純化することができる。   Therefore, by instantaneously replacing the support legs, it is not necessary to maintain consistency between the support legs and the landing legs regarding the sliding speed and direction of the foot, and the positional relationship between the soles on the floor. Can do. FIG. 24 illustrates a gliding motion with no or extremely short support period for both legs. In normal walking motion, the both-leg support period accounts for about 30% of the entire period. On the other hand, in the example shown in FIG. 24, the both-leg support period is at most 0.1%, which is as close to 0% as possible. In this case, it is not necessary to strictly consider the sliding speed, and the trajectory plan can be simplified.

C−3.蹴り出す動作
滑走時には、後脚が離床する際に床面を蹴り出す動作を行なうことにより、推進力若しくは加速度を得ることができる。
C-3. At the time of kicking and sliding, a propulsive force or acceleration can be obtained by performing an action of kicking the floor surface when the rear leg leaves the floor.

蹴り動作のストロークが大きくなれば、大きな加速が得られるが、その分だけ脚の各関節では大きな関節可動範囲が必要になる。一般的に、脚部を始めとして主要な関節駆動部では関節可動範囲が制限されている場合が多く、十分に大きな関節可動範囲をとることができない。   If the stroke of the kicking action becomes large, a large acceleration can be obtained, but a large joint movable range is required for each joint of the leg accordingly. In general, the joint movable range is often limited in the main joint drive unit including the leg portion, and a sufficiently large joint movable range cannot be taken.

そこで、本実施形態では、体幹の高さを標準姿勢より高くした状態とすることにより、比較的狭い関節可動範囲を以って大きな蹴り動作のストロークを得ることができる。何故ならば、足首の可動角が小さいと、腰が高い方がより大きなストロークを得ることができるからである。   Therefore, in the present embodiment, by setting the trunk height to be higher than the standard posture, a large kicking stroke can be obtained with a relatively narrow joint movable range. This is because, when the movable angle of the ankle is small, a larger stroke can be obtained with a higher waist.

図25並びに図26には、通常の蹴り動作の場合と、体幹の高さを標準姿勢より高くした状態で蹴り動作を行なう様子とをそれぞれ示している。両図を比較して判るように、両脚支持期では体幹の高さの違いはほとんどないが、支持脚後退期において体幹の高さがあまり沈まないように歩容が生成されている。同図からも分かるように、大きな関節可動範囲が必要なくなり、関節可動範囲が制限されている場合でも大きな蹴り動作が可能となる。   FIG. 25 and FIG. 26 show a case of a normal kicking action and a state of performing the kicking action in a state where the trunk height is higher than the standard posture. As can be seen by comparing the two figures, there is almost no difference in the height of the trunk in the support period of both legs, but the gait is generated so that the height of the trunk does not sink much in the support leg retraction period. As can be seen from the figure, a large joint movable range is not necessary, and a large kicking operation is possible even when the joint movable range is limited.

C−4.線接地又は点接地を含む蹴り動作
上述した蹴り出す加速動作を行なう際に、支持脚交換期においてさらに後脚が離床して蹴り出す際に、線接地又は点接地を利用することにより、関節可動範囲が制限されている場合であっても、より大きなストロークを得ることができる。
C-4. Kicking operation including line grounding or point grounding When performing the acceleration operation to kick out as described above, the joint can be moved by using line grounding or point grounding when the rear leg leaves and kicks out during the support leg replacement period. Even when the range is limited, larger strokes can be obtained.

図27には、後脚が離床して蹴り出す際に、線接地を利用して蹴り動作を行なう様子を図解している。また、図28には、線接地を利用した蹴り出し動作と線接地を行なわない蹴り動作の比較を示している。図28左では、右足首のロール軸回りの可動範囲が10度という制約下での最も大きな蹴り幅を示している。これに対し、図28右では、同じ可動範囲において線接地を利用した場合の最も大きな蹴り幅を示している。同図からも判るように、線接地又は点接地を利用することにより、関節可動範囲が制限されている場合であっても、より大きなストロークを得ることができる。   FIG. 27 illustrates a state in which a kicking operation is performed using line grounding when the rear leg leaves the floor and kicks out. FIG. 28 shows a comparison between a kicking operation using line grounding and a kicking operation without line grounding. FIG. 28 left shows the largest kick width under the constraint that the movable range of the right ankle around the roll axis is 10 degrees. On the other hand, the right side of FIG. 28 shows the largest kick width when line grounding is used in the same movable range. As can be seen from the figure, by using line grounding or point grounding, a larger stroke can be obtained even when the joint movable range is limited.

C−5.膝を伸ばした状態を含む蹴り動作
スケートにおいて蹴り動作のストロークを大きくするために、遊脚(蹴り脚)の膝を完全に伸ばすことが有効である。膝を曲げたままでは届かない範囲にも着地させることができるようになる。
C-5. It is effective to fully extend the knee of the free leg (kick leg) in order to increase the kicking stroke in the kicking skating including the state where the knee is extended . You will be able to land on areas that cannot be reached with your knees bent.

図29には、後脚が離床して蹴り出す際に、遊脚(蹴り脚)の膝を完全に伸ばす蹴り動作を行なう様子を図解している。また、図30には、同じ可動範囲の制約下で遊脚(蹴り脚)の膝を完全に伸ばす蹴り出し動作と遊脚(蹴り脚)の膝を完全に伸ばさない蹴り動作の比較を示している。図30からも判るように、遊脚(蹴り脚)の膝を完全に伸ばす蹴り動作を利用することにより、関節可動範囲が制限されている場合であっても、より大きなストロークを得ることができる。   FIG. 29 illustrates a state in which a kicking operation for completely extending the knee of the free leg (kick leg) is performed when the rear leg leaves and kicks out. Further, FIG. 30 shows a comparison between a kicking action in which the knee of the free leg (kick leg) is fully extended and a kick action in which the knee of the free leg (kick leg) is not fully extended under the same restriction of the movable range. Yes. As can be seen from FIG. 30, a larger stroke can be obtained even when the range of motion of the joint is limited by using the kicking action that fully extends the knee of the free leg (kick leg). .

C−6.停止動作
受動車輪機構などの滑走手段を足底に用いない通常の脚式移動ロボットにおいては、ZMPやその他の安定度判別規範を用いることにより、静止した基本立ち姿勢を比較的容易に形成することができる。
C-6. For ordinary legged mobile robots that do not use sliding means such as a stop motion passive wheel mechanism for the sole of the foot, a stationary basic standing posture can be formed relatively easily by using ZMP and other stability criteria. Can do.

これに対し、受動車輪機構などの滑走手段を適用した脚式移動ロボットにおいては、単に立ち姿勢を実行しただけでは停止状態を維持することができず、立ち姿勢のまま滑走する可能性がある。   On the other hand, a legged mobile robot to which a sliding means such as a passive wheel mechanism is applied cannot maintain a stopped state simply by executing a standing posture, and may slide in a standing posture.

そこで、本実施形態では、ZMP若しくはその他の安定度判別規範に基づいてロボットが転倒しない姿勢制御を行なうとともに、受動車輪機構における滑走が生じないような制動動作を並行して行なうことで、停止動作を実現するようにしている。   Therefore, in the present embodiment, the stop operation is performed by performing a posture control that prevents the robot from toppling over based on the ZMP or other stability determination norms and performing a braking operation that does not cause sliding in the passive wheel mechanism in parallel. Is to be realized.

受動車輪機構に対する制動動作は、受動車輪機構は移動方向すなわち車輪の転がり方向には大きな摩擦力は働かないが、この移動方向に直交する方向には大きな摩擦力が働くという性質を利用し、左右の足部における受動車輪機構の移動方向が交差するようにすることで実行される。   The braking operation for the passive wheel mechanism uses the property that the passive wheel mechanism does not work with a large frictional force in the direction of movement, that is, the rolling direction of the wheel, but a large frictional force acts in the direction perpendicular to the moving direction. This is executed by causing the moving directions of the passive wheel mechanism at the feet of the legs to intersect.

この制動動作は、具体的には、図31に示すように足先を開いた足平姿勢で実現される。両足接地状態で左右の脚が平行でないようにすれば、減速したり停止したりすることが可能である。また、既に停止している場合には、床面の傾斜や外力が生じた場合でも停止し続けることができる。   Specifically, this braking operation is realized in a foot posture with the feet open as shown in FIG. If the left and right legs are not parallel when both feet are in contact with the ground, it is possible to decelerate and stop. In addition, when the vehicle has already stopped, the vehicle can continue to stop even when the floor surface is inclined or an external force is generated.

図32には、足先を開いた状態で停止する原理について図解している。同図に示すように足先が開いている場合、各足は受動車輪機構の進行方向には自由に移動可能であるが、それに垂直な方向へ移動しようとすると摩擦力が働く。一方の足が受動車輪機構の進行方向へ移動しようとすると、もう一方の足にとっては摩擦力が働く方向へも移動することになり、この摩擦力によって減速したり停止したりすることができる。   FIG. 32 illustrates the principle of stopping with the feet open. As shown in the figure, when the foot tip is open, each foot can freely move in the traveling direction of the passive wheel mechanism, but frictional force acts when moving in a direction perpendicular thereto. If one foot tries to move in the direction of travel of the passive wheel mechanism, the other foot will also move in the direction in which the frictional force acts, and can be decelerated or stopped by this frictional force.

D.両脚接地を利用した滑走
前項Cで説明した支持脚交換を利用した滑走動作では、支持脚を交換してから次に交換するまでの間は、滑らかな滑走を行なう。これは2つに分類することができ、1つは片足での滑走で、もう1つは両足での滑走である。
D. In the sliding operation using the support leg exchange described in the preceding section C using the both-leg ground contact , smooth sliding is performed during the period from the replacement of the support leg to the next replacement. This can be categorized into two, one is sliding on one foot and the other is sliding on both feet.

図33には、脚式移動ロボットが片足で滑走する様子を示している。この場合、支持脚側では足底の車輪の位置が固定されているために、ロボットは直進する。   FIG. 33 shows a state where the legged mobile robot slides with one leg. In this case, since the position of the wheel on the sole is fixed on the support leg side, the robot goes straight.

また、図34には、脚式移動ロボットが両足で滑走する様子を示している。この場合、例えば左右の足の進行方向を平行にすれば直進するが、一般的には左右の足はそれぞれ車輪の移動方向に直進しようとするため、この拘束条件に合うように軌道計画する必要がある。   FIG. 34 shows a state where the legged mobile robot slides with both feet. In this case, for example, if the left and right feet travel in parallel, they go straight, but in general, the left and right feet try to go straight in the direction of wheel movement, so it is necessary to plan a trajectory to meet this constraint. There is.

これに対し、左右それぞれの足底の受動車輪機構を構成する4個の車輪に対する加重配分を制御することによって、図35に示すように、直進だけでなく旋回動作が可能である。   On the other hand, by controlling the weight distribution for the four wheels constituting the passive wheel mechanism on the left and right soles, as shown in FIG.

例えば、図36に示すように、右足を前に出してその爪先を空中に浮かせるとともに、左足を後ろに移動し爪先を浮かせ、そして前に出した右足のみヨー軸回りに回転させる。このような場合、左右の足部ではそれぞれ後方(踵)の2個(合計4個)の車輪のみによって支持され、旋回する。この旋回中心は、左右それぞれで使用される後輪が持つ回転軸の交点となる。あるいは、旋回中心を遠心力による横滑りを考慮して修正した点で滑走する左右の受動車輪の回転軸同士が交わるようにする。   For example, as shown in FIG. 36, the right foot is put forward and its toes are floated in the air, the left foot is moved backward to lift the toes, and only the right foot that is put forward is rotated around the yaw axis. In such a case, the left and right foot portions are supported by only two wheels (four in total) at the rear (heel) and turn. This turning center is the intersection of the rotation axes of the rear wheels used on the left and right. Alternatively, the rotational axes of the left and right passive wheels that slide at the point where the turning center is corrected in consideration of the side slip due to the centrifugal force are made to intersect.

図36に示す例において、爪先部のローラは完全に空中に浮かせずに接地していたとしても、踵との垂直反力と比較して爪先の垂直反力が小さくなるよう加重配分を行なうことにより、爪先部の車輪には図37に示すような横滑りを生じ、同様に旋回が実現することができる。   In the example shown in FIG. 36, even if the roller at the toe portion is completely grounded without floating in the air, weight distribution is performed so that the vertical reaction force at the toe becomes smaller than the vertical reaction force at the toe. As a result, a side slip as shown in FIG. 37 occurs in the wheel of the toe portion, and the turning can be realized in the same manner.

このように加重配分を行なえば横滑りが生じる理由について以下に示す。説明のため、図38には矢状面に限定した受動車輪機構を装着した脚式移動ロボットを示している。足底に印加される床反力を以下のように定義する。   The reason why skidding occurs if weighted distribution is performed in this way will be described below. For the sake of explanation, FIG. 38 shows a legged mobile robot equipped with a passive wheel mechanism limited to a sagittal plane. The floor reaction force applied to the sole is defined as follows.

z_RFootToe: 右足爪先に加わる垂直床反力
z_RFootHeel: 右足踵に加わる垂直床反力
z_LFootToe: 左足爪先に加わる垂直床反力
z_LFootHeel: 左足踵に加わる垂直床反力
f z_RFootToe: vertical ground reaction force acting on the right foot toes f z_RFootHeel: vertical ground reaction force acting on the right foot heel f z_LFootToe: vertical ground reaction force acting on the left foot toes f z_LFootHeel: vertical floor reaction force applied to the left foot heel

左足・左足ともに爪先の垂直床反力が踵の垂直床反力より小さいとすると、以下の通りとなる。   Assuming that the vertical floor reaction force of the toes is smaller than the vertical floor reaction force of the heel for both the left foot and the left foot, it is as follows.

z_RFootToe<fz_RFootHeel 且つ fz_LFootToe<fz_LFootHeel f z_RFootToe <f z_RFootHeel and f z_LFootToe <f z_LFootHeel

一方で、車輪は自由に回転し進行方向に対しては摩擦力は働かないとすると、横方向(進行方向に垂直な方向)への摩擦力Fyは右足に関して下式の通りとなり、横方向の静止摩擦力の小さいつま先側が横滑りする。ここで、μは静止摩擦係数である。 On the other hand, the wheels when freely against the rotating direction of travel and does not act frictional force, the frictional force F y in the lateral direction (direction perpendicular to the traveling direction) becomes as the following equation with respect to the right foot, lateral The toes with small static friction force slide sideways. Here, μ is a coefficient of static friction.

z_RFootToe<fz_RFootHeel
⇔ μfz_RFootToe<μfz_RFootHeel
⇔ Fy_RFootToe<Fy_RFootHeel
f z_RFootToe <f z_RFootHeel
⇔ μf z_RFootToe <μf z_RFootHeel
⇔ F y_RFootToe <F y_RFootHeel

同様に、左足に関しても下式の通りとなり、横方向の静止摩擦力の小さい爪先側が横滑りする。   Similarly, the left foot is expressed by the following formula, and the toe side having a small lateral frictional force slides sideways.

z_LFootToe<fz_LFootHeel
⇔ μfz_LFootToe<μfz_LFootHeel
⇔ Fy_LFootToe<Fy_LFootHeel
f z_LFootToe <f z_LFootHeel
⇔ μf z_LFootToe <μf z_LFootHeel
⇔ F y_LFootToe <F y_LFootHeel

なお、加重配分は今回の例のようにかかと部のローラへの加重を大きくすることに限定されず、横滑りを起こさせたくない3個所以上のローラを指定することができる。   The weight distribution is not limited to increasing the load on the heel roller as in the present example, and three or more rollers that do not want to cause skidding can be designated.

上述したような両脚支持による旋回動作の制御は、以下の手順により行なうことができる。   The control of the turning motion by supporting both legs as described above can be performed by the following procedure.

ステップ1)横滑りを起こさせる車輪と、起こさせない車輪を決定する。
ステップ2)横滑りを起こさせる車輪に対する加重を小さく、横滑りを起こさせない車輪に対する加重を大きくするように設定する。
Step 1) Decide which wheels will cause skidding and which wheels will not.
Step 2) The weight for the wheel causing the side slip is set small, and the weight for the wheel not causing the side slip is set large.

ステップ2における制御を行なう際には、力制御を行っている場合は直接加重を制御すればよい。また位置制御を行なう場合は重心の制御、ZMP制御、各足底の圧力中心点のいずれか(複数でも可)の制御を行なうことによって加重を制御すればよい。   When performing the control in step 2, if force control is performed, the weight may be directly controlled. When position control is performed, the weight may be controlled by controlling the center of gravity, ZMP control, or the pressure center point (or a plurality of pressure points) of each sole.

但し、図39に示すように静止時の摩擦力より滑り状態での摩擦力のほうが小さいため、一旦横滑りを始めた車輪を静止させ、同時に静止状態の接地点を横滑り状態にする場合は、加重配分を大きく変化させる必要がある。また、図40に示すように摩擦係数は滑り速度に依存する曲線を描くことが指摘されている。そこで、この特性を考慮することによりさらに、横滑りをより正確に制御することができる。   However, as shown in FIG. 39, since the frictional force in the sliding state is smaller than the frictional force in the stationary state, if the wheel that has started to skid is stationary and the grounding point in the stationary state at the same time is in a skidding state, the load is applied. Allocation needs to change significantly. Further, as shown in FIG. 40, it is pointed out that the friction coefficient draws a curve depending on the sliding speed. Therefore, by considering this characteristic, it is possible to more accurately control the side slip.

また、摩擦係数の変化やごく小さな段差によって横滑りが計画通りにならない可能性がある。そこで、センサから得られる横滑り速度をフィードバックさせることによって、これらの外乱に対するロバスト性を向上させることが可能である。この横滑り速度はスリップ率でもよく、またセンサから得られた実測値でなく推定値でもよい。   In addition, there is a possibility that the skid does not become as planned due to a change in the friction coefficient and a very small step. Therefore, it is possible to improve the robustness against these disturbances by feeding back the skid speed obtained from the sensor. The skid speed may be a slip ratio, or may be an estimated value instead of an actual value obtained from a sensor.

以上、特定の実施形態を参照しながら、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形態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 embodiment 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.

また、本明細書では、2足ロボットに本発明を適用した実施形態について説明してきたが、勿論、4足などの多足の移動ロボットに対して本発明を適用することも可能である。   In the present specification, the embodiment in which the present invention is applied to a biped robot has been described. However, the present invention can also be applied to a multi-legged mobile robot such as a quadruped.

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、特許請求の範囲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 should be taken into consideration.

図1は、本発明の実施に供される「人間形」又は「人間型」のロボット装置100が直立している様子を前方から眺望した様子を示した図である。FIG. 1 is a view showing a state in which a “humanoid” or “humanoid” robot apparatus 100 used for carrying out the present invention is viewed from the front. 図2は、本発明の実施に供される「人間形」又は「人間型」のロボット装置100が直立している様子を後方から眺望した様子を示した図である。FIG. 2 is a view showing a state in which the “humanoid” or “humanoid” robot apparatus 100 used for carrying out the present invention is viewed from the rear. 図3は、ロボット装置100が具備する関節自由度構成を模式的に示した図である。FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a joint degree-of-freedom configuration included in the robot apparatus 100. 図4は、ロボット装置100の制御システム構成を模式的に示した図である。FIG. 4 is a diagram schematically showing a control system configuration of the robot apparatus 100. 図5は、車輪のX軸方向(車輪自体が転がる進行方向)とY軸方向の摩擦力を用いた推進原理を説明するための図である。FIG. 5 is a diagram for explaining a propulsion principle using frictional forces in the X-axis direction of the wheel (the traveling direction in which the wheel itself rolls) and the Y-axis direction. 図6は、一脚当たり1輪で構成される場合には、摩擦力とトルクを調整する仕組みを説明するための図である。FIG. 6 is a diagram for explaining a mechanism for adjusting the frictional force and torque in the case of one wheel per leg. 図7は、1足当たり4輪で構成される場合には、摩擦力とトルクを調整する仕組みを説明するための図である。FIG. 7 is a diagram for explaining a mechanism for adjusting the frictional force and torque in the case of four wheels per foot. 図8は、車輪機構の車輪の配置例を示した図である。FIG. 8 is a diagram illustrating an arrangement example of wheels of the wheel mechanism. 図9は、車輪形状の構成例を示した図である。FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration example of a wheel shape. 図10は、図9(c)に示した車輪を利用して4輪からなる車輪機構を構成した例を示した図である。FIG. 10 is a diagram illustrating an example in which a wheel mechanism including four wheels is configured using the wheels illustrated in FIG. 図11は、車輪機構を1輪で構成する場合に、接地時における変形を利用してヨー軸摩擦トルクを生成する作用を説明するための図である。FIG. 11 is a diagram for explaining the operation of generating the yaw axis friction torque using the deformation at the time of ground contact when the wheel mechanism is constituted by one wheel. 図12は、車輪機構が路面の段差へ適応する様子を示した図である。FIG. 12 is a diagram illustrating a state in which the wheel mechanism adapts to a step on the road surface. 図13は、旋回特性に着目して車輪の変形し易さ、表面の滑り易さを調整した例を示した図である。FIG. 13 is a diagram showing an example in which the ease of deformation of the wheel and the ease of slipping of the surface are adjusted by paying attention to the turning characteristics. 図14は、本発明の一実施形態に係る車輪機構の構成を示した図である。FIG. 14 is a diagram showing a configuration of a wheel mechanism according to an embodiment of the present invention. 図15は、本発明の一実施形態に係る車輪機構の構成を示した図である。FIG. 15 is a diagram showing a configuration of a wheel mechanism according to an embodiment of the present invention. 図16は、車輪機構にセンサを搭載した様子を示した図である。FIG. 16 is a diagram illustrating a state in which a sensor is mounted on the wheel mechanism. 図17は、足機構に4点の計測点がある場合に、車輪の計測点を一致させる様子を示した図である。FIG. 17 is a diagram illustrating a state in which the measurement points of the wheels are matched when there are four measurement points in the foot mechanism. 図18は、車輪機構にゴムストッパを取り付けた例を示した図である。FIG. 18 is a view showing an example in which a rubber stopper is attached to the wheel mechanism. 図19は、図18に示したゴムストッパ付きの車輪機構が傾斜して、ゴムストッパが地面に対して作用する様子を示した図である。FIG. 19 is a view showing a state where the wheel mechanism with the rubber stopper shown in FIG. 18 is tilted and the rubber stopper acts on the ground. 図20は、爪先接地時にゴムストッパが作用する様子を示した図である。FIG. 20 is a diagram illustrating a state in which the rubber stopper acts when the toe touches down. 図21は、蹴り出し動作時にゴムストッパが作用する様子を示した図である。FIG. 21 is a diagram showing a state in which the rubber stopper acts during the kicking-out operation. 図22は、受動車輪機構を足部に備えた脚式移動ロボットによる滑走動作を行なうための滑走動作制御システム1の機能構成を模式的に示した図である。FIG. 22 is a diagram schematically showing a functional configuration of the sliding motion control system 1 for performing a sliding motion by a legged mobile robot having a passive wheel mechanism at the foot. 図23は、標準的な歩行動作をベースにした滑走モーションを示した図である。FIG. 23 is a diagram showing a sliding motion based on a standard walking motion. 図24は、両脚支持期間のない、若しくは極端に短い滑走モーションを示した図である。FIG. 24 is a diagram showing a sliding motion without a both-leg support period or extremely short. 図25は、通常の蹴り動作を示した図である。FIG. 25 is a diagram illustrating a normal kicking operation. 図26は、体幹の高さを標準姿勢より高くした状態で蹴り動作を行なう様子を、通常の蹴り動作の場合と比較して示した図である。FIG. 26 is a diagram illustrating a state in which the kicking motion is performed in a state where the height of the trunk is higher than the standard posture in comparison with the case of the normal kicking motion. 図27は、後脚が離床して蹴り出す際に、線接地を利用して蹴り動作を行なう様子を示した図である。FIG. 27 is a diagram illustrating a state in which a kicking operation is performed using line grounding when the rear leg leaves the floor and kicks out. 図28は、線接地を利用した蹴り出し動作と線接地を行なわない蹴り動作の比較を示した図である。FIG. 28 is a diagram showing a comparison between a kicking operation using line grounding and a kicking operation without line grounding. 図29は、後脚が離床して蹴り出す際に、遊脚(蹴り脚)の膝を完全に伸ばす蹴り動作を行なう様子を示した図である。FIG. 29 is a diagram illustrating a state in which a kicking operation for completely extending the knee of the free leg (kick leg) is performed when the rear leg leaves the floor and kicks out. 図30は、同じ可動範囲の制約下で遊脚(蹴り脚)の膝を完全に伸ばす蹴り出し動作と遊脚(蹴り脚)の膝を完全に伸ばさない蹴り動作の比較を示した図である。FIG. 30 is a diagram showing a comparison between a kicking action in which the knee of the free leg (kick leg) is fully extended and a kick action in which the knee of the free leg (kick leg) is not fully extended under the restriction of the same movable range. . 図31は、受動車輪機構を適用した脚式移動ロボットが足先を開いた足平姿勢で停止している様子を示した図である。FIG. 31 is a diagram showing a state in which a legged mobile robot to which a passive wheel mechanism is applied is stopped in a foot posture with its feet open. 図32は、足先を開いた状態で停止する原理を説明するための図である。FIG. 32 is a diagram for explaining the principle of stopping with the foottip open. 図33は、脚式移動ロボットが片足で滑走する様子を示した図である。FIG. 33 is a diagram showing a legged mobile robot sliding on one leg. 図34は、脚式移動ロボットが両足で滑走する様子を示した図である。FIG. 34 is a diagram showing a legged mobile robot sliding on both legs. 図35は、脚式移動ロボットが両足で滑走する様子を示した図である。FIG. 35 is a diagram showing a legged mobile robot sliding with both feet. 図36は、脚式移動ロボットが右足を前に出してその爪先を空中に浮かせるとともに、左足を後ろに移動し爪先を浮かせ、そして前に出した右足のみヨー軸回りに回転させて、両足支持により旋回する動作を説明するための図である。Fig. 36 shows a legged mobile robot with its right foot forward and its toes floating in the air, as well as moving the left foot back to lift the toes, and rotating only the right foot forward to rotate around the yaw axis. It is a figure for demonstrating the operation | movement which turns by this. 図37は、爪先部の車輪に横滑りを生じて、旋回する動作を説明するための図である。FIG. 37 is a view for explaining an operation of causing a side slip to turn and turning. 図38は、矢状面に限定した受動車輪機構を装着した脚式移動ロボットの左右の足底に加わる床反力を示した図である。FIG. 38 is a diagram showing the floor reaction force applied to the left and right soles of a legged mobile robot equipped with a passive wheel mechanism limited to the sagittal plane. 図39は、車輪の横滑り速度と摩擦力の関係(但し、滑り速度に依存しない場合)を示した図である。FIG. 39 is a diagram showing the relationship between the side slip speed of the wheel and the frictional force (however, it does not depend on the slip speed). 図40は、車輪の横滑り速度と摩擦力の関係(但し、滑り速度に依存する場合)を示した図である。FIG. 40 is a diagram showing the relationship between the side slip speed of the wheel and the frictional force (however, depending on the slip speed).

符号の説明Explanation of symbols

100…脚式移動ロボット
101…首関節ヨー軸
102A…第1の首関節ピッチ軸
102B…第2の首関節(頭)ピッチ軸
103…首関節ロール軸
104…肩関節ピッチ軸
105…肩関節ロール軸
106…上腕ヨー軸
107…肘関節ピッチ軸
108…手首関節ヨー軸
109…体幹ピッチ軸
110…体幹ロール軸
111…股関節ヨー軸
112…股関節ピッチ軸
113…股関節ロール軸
114…膝関節ピッチ軸
115…足首関節ピッチ軸
116…足首関節ロール軸
130…頭部ユニット
140…体幹部ユニット
141…腰部ユニット
150…腕部ユニット,151…上腕ユニット
152…肘関節ユニット,153…前腕ユニット
160…脚部ユニット,161…大腿部ユニット
162…膝関節ユニット,163…脛部ユニット
180…制御ユニット,181…主制御部
182…周辺回路
191,192…接地確認センサ
193,194…加速度センサ
195…姿勢センサ
196…加速度センサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Leg type mobile robot 101 ... Neck joint yaw axis 102A ... First neck joint pitch axis 102B ... Second neck joint (head) pitch axis 103 ... Neck joint roll axis 104 ... Shoulder joint pitch axis 105 ... Shoulder joint roll Axis 106 ... Upper arm yaw axis 107 ... Elbow joint pitch axis 108 ... Wrist joint yaw axis 109 ... Trunk pitch axis 110 ... Trunk roll axis 111 ... Hip joint yaw axis 112 ... Hip joint pitch axis 113 ... Hip joint roll axis 114 ... Knee joint pitch Axis 115 ... Ankle joint pitch axis 116 ... Ankle joint roll axis 130 ... Head unit 140 ... Trunk unit 141 ... Lumbar unit 150 ... Arm unit, 151 ... Upper arm unit 152 ... Elbow joint unit, 153 ... Forearm unit 160 ... Leg Unit 161, thigh unit 162, knee joint unit, 163, shin unit 1 DESCRIPTION OF SYMBOLS 80 ... Control unit, 181 ... Main control part 182 ... Peripheral circuit 191, 192 ... Grounding confirmation sensor 193, 194 ... Acceleration sensor 195 ... Attitude sensor 196 ... Acceleration sensor

Claims (26)

体幹部と前記体幹部に連結された左右の可動脚を備えた脚式移動ロボットであって、
前記可動脚の足底に取り付けられた、回転可能に支持された複数の受動車輪からなる受動車輪機構と、
少なくとも可動脚の動作を制御する動作制御手段とを備え、
前記動作制御手段は、前記左右の可動脚の間で支持脚を交互に切り替えながら前記受動車輪機構を用いた滑走時における滑走速度と滑走方向を制御する滑走制御と、滑走中における前記脚式移動ロボットの姿勢安定性を所定の安定度判別規範に基づいて制御する姿勢安定制御を実行する、
ことを特徴とする脚式移動ロボット。
A legged mobile robot comprising a trunk and left and right movable legs connected to the trunk,
A passive wheel mechanism comprising a plurality of rotatably supported passive wheels attached to the sole of the movable leg;
An operation control means for controlling at least the operation of the movable leg,
The motion control means includes a sliding control for controlling a sliding speed and a sliding direction during sliding using the passive wheel mechanism while alternately switching a supporting leg between the left and right movable legs, and the legged movement during the sliding. Execute posture stability control that controls the posture stability of the robot based on a predetermined stability criterion,
This is a legged mobile robot.
前記動作制御手段は、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軸及びロール軸モーメントがゼロとなるZMPが存在するように、ZMP安定度判別規範に基づいて姿勢安定制御を実行する、
ことを特徴とする請求項1に記載の脚式移動ロボット。
The motion control means performs posture stability control based on the ZMP stability determination standard so that there is a ZMP in which the pitch axis and roll axis moments are zero inside the support polygon formed by the sole contact point and the road surface. Execute,
The legged mobile robot according to claim 1.
前記受動車輪機構は、2以上の受動車輪が移動面に接地する面接地が可能となるように各受動車輪を取り付けている、
ことを特徴とする請求項1に記載の脚式移動ロボット。
The passive wheel mechanism has each passive wheel attached so that surface contact is possible where two or more passive wheels contact the moving surface.
The legged mobile robot according to claim 1.
前記動作制御手段は、両脚支持期間を経由して前記左右の可動脚の間で支持脚を交互に切り替える、
ことを特徴とする請求項1に記載の脚式移動ロボット。
The operation control means switches the support legs alternately between the left and right movable legs via both leg support periods.
The legged mobile robot according to claim 1.
前記動作制御手段は、単脚支持から両脚支持に移行する際に、支持脚側の滑走速度及び滑走方向と整合するように遊脚を着地させる、
ことを特徴とする請求項4に記載の脚式移動ロボット。
The movement control means lands the free leg so as to match the sliding speed and the sliding direction on the supporting leg side when shifting from the single-leg support to the both-leg support.
The legged mobile robot according to claim 4.
前記動作制御手段は、両脚支持期間を経由しないか又は極めて短い両脚支持期間を経由して前記左右の可動脚の間で支持脚を交互に切り替える、
ことを特徴とする請求項1に記載の脚式移動ロボット。
The motion control means alternately switches the support legs between the left and right movable legs without going through both leg support periods or through an extremely short both leg support period,
The legged mobile robot according to claim 1.
前記受動車輪機構は、2以上の受動車輪が移動面に接地する面接地と、滑走方向に配置された一部の受動車輪のみが移動面に接地する線接地又は点接地が可能となるように各受動車輪を取り付けており、
前記動作制御手段は、支持脚交換期において支持脚が遊脚に切り替わる際に前記線接地又は点接地を経由して離床させる、
ことを特徴とする請求項1に記載の脚式移動ロボット。
The passive wheel mechanism is capable of surface grounding in which two or more passive wheels are grounded on the moving surface and line grounding or point grounding in which only some of the passive wheels arranged in the sliding direction are grounded on the moving surface. Each passive wheel is attached,
The operation control means leaves the floor via the line grounding or point grounding when the support leg is switched to the free leg in the support leg replacement period.
The legged mobile robot according to claim 1.
前記可動脚は膝ピッチ軸回りの関節自由度を含み、
前記動作制御手段は、支持脚交換期において支持脚が遊脚に切り替わる際に前記膝を最大限に伸ばすようにする、
ことを特徴とする請求項1に記載の脚式移動ロボット。
The movable leg includes a degree of freedom of joint around the knee pitch axis,
The motion control means is configured to extend the knee to the maximum when the support leg is switched to the free leg in the support leg replacement period.
The legged mobile robot according to claim 1.
前記動作制御手段は、滑走動作の停止又は制動時において、前記受動車輪機構による移動の制止制御と、所定の安定度判別規範に基づいた姿勢安定制御を同時に行なう、
ことを特徴とする請求項1に記載の脚式移動ロボット。
The motion control means simultaneously performs stop control of movement by the passive wheel mechanism and posture stability control based on a predetermined stability determination criterion when stopping or braking the sliding motion.
The legged mobile robot according to claim 1.
前記左右の可動脚の足底にそれぞれ取り付けられた受動車輪機構は、転がり方向の摩擦力がその直交方向と比較して小さくなるように構成され、
前記動作制御手段は、制止動作時に前記左右の可動脚の受動車輪機構の転がり方向が非平行となるようにする、
ことを特徴とする請求項9に記載の脚式移動ロボット。
The passive wheel mechanisms attached to the soles of the left and right movable legs are configured such that the frictional force in the rolling direction is smaller than that in the orthogonal direction,
The operation control means is configured so that the rolling direction of the passive wheel mechanism of the left and right movable legs is non-parallel during the stopping operation.
The legged mobile robot according to claim 9.
前記受動車輪機構は、前後及び左右の四箇所に、前後方向が転がり方向となるように受動車輪を回転可能に支持し、
前記動作制御手段は、前記左右の可動脚において足平の姿勢を制御して、四箇所の受動車輪に加わる垂直床反力の配分を調整することにより主として滑走する受動車輪を決定する、
ことを特徴とする請求項1に記載の脚式移動ロボット。
The passive wheel mechanism supports the passive wheel rotatably at four locations on the front and rear and on the left and right so that the front and rear direction is the rolling direction,
The motion control means controls the posture of the foot on the left and right movable legs, and determines the passive wheels to be slid mainly by adjusting the distribution of vertical floor reaction forces applied to the four passive wheels.
The legged mobile robot according to claim 1.
前記動作制御手段は、爪先側の受動車輪に加わる垂直床反力を踵側の受動車輪に加わる垂直床反力よりも大きくして爪先側の受動車輪により滑走する爪先滑走、又は踵側の受動車輪に加わる垂直床反力を爪先側の受動車輪に加わる垂直床反力よりも大きくして踵側の受動車輪により滑走する踵滑走を行なう、
ことを特徴とする請求項11に記載の脚式移動ロボット。
The motion control means includes a toe sliding that makes the vertical floor reaction force applied to the passive wheel on the toe side larger than the vertical floor reaction force applied to the passive wheel on the heel side, The vertical floor reaction force applied to the wheel is made larger than the vertical floor reaction force applied to the toe side passive wheel, and the heel sliding is performed by the passive wheel on the heel side.
The legged mobile robot according to claim 11.
前記動作制御手段は、旋回動作を行なう際に、前記左右の可動脚をともに爪先滑走又は踵滑走を行なわせるとともに、滑走する左右の受動車輪の回転軸同士が所望の旋回中心で交わるようにするか、又は前記旋回中心を遠心力による横滑りを考慮して修正した点で滑走する左右の受動車輪の回転軸同士が交わるようにする、
ことを特徴とする請求項11に記載の脚式移動ロボット。
The motion control means causes the left and right movable legs to perform toe sliding or heel sliding when performing a turning operation, and causes the rotation axes of the left and right passive wheels to slide at a desired turning center. Or the rotation axes of the left and right passive wheels that slide at a point where the turning center is corrected in consideration of a side slip due to centrifugal force,
The legged mobile robot according to claim 11.
体幹部と前記体幹部に連結された左右の可動脚を備えた脚式移動ロボットの制御方法であって、前記可動脚の足底には回転可能に支持された複数の受動車輪からなる受動車輪機構が取り付けられており、
前記左右の可動脚の間で支持脚を交互に切り替えながら前記受動車輪機構を用いた滑走速度と滑走方向を制御する滑走制御ステップと、
滑走中における前記脚式移動ロボットの姿勢安定性を所定の安定度判別規範に基づいて制御する姿勢安定制御を実行する姿勢安定制御ステップと、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットの制御方法。
A control method for a legged mobile robot having a trunk and a left and right movable leg connected to the trunk, the passive wheel comprising a plurality of passive wheels rotatably supported on the sole of the movable leg The mechanism is attached,
A sliding control step for controlling a sliding speed and a sliding direction using the passive wheel mechanism while alternately switching support legs between the left and right movable legs;
A posture stabilization control step for performing posture stability control for controlling posture stability of the legged mobile robot during sliding based on a predetermined stability criterion;
A control method for a legged mobile robot, comprising:
前記姿勢安定制御ステップでは、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軸及びロール軸モーメントがゼロとなるZMPが存在するように、ZMP安定度判別規範に基づいて姿勢安定制御を実行する、
ことを特徴とする請求項14に記載の脚式移動ロボットの制御方法。
In the posture stability control step, posture stability control is performed based on the ZMP stability determination standard so that there is a ZMP in which the pitch axis and roll axis moments are zero inside the support polygon formed by the sole contact point and the road surface. Run the
The method for controlling a legged mobile robot according to claim 14.
前記受動車輪機構は、2以上の受動車輪が移動面に接地する面接地が可能となるように各受動車輪を取り付けている、
ことを特徴とする請求項14に記載の脚式移動ロボットの制御方法。
The passive wheel mechanism has each passive wheel attached so that surface contact is possible where two or more passive wheels contact the moving surface.
The method for controlling a legged mobile robot according to claim 14.
前記滑走制御ステップでは、両脚支持期間を経由して前記左右の可動脚の間で支持脚を交互に切り替える、
ことを特徴とする請求項14に記載の脚式移動ロボットの制御方法。
In the sliding control step, the support legs are alternately switched between the left and right movable legs via both leg support periods.
The method for controlling a legged mobile robot according to claim 14.
前記滑走制御ステップでは、単脚支持から両脚支持に移行する際に、支持脚側の滑走速度及び滑走方向と整合するように遊脚を着地させる、
ことを特徴とする請求項17に記載の脚式移動ロボットの制御方法。
In the sliding control step, when shifting from single-leg support to both-leg support, the free leg is landed so as to match the sliding speed and the sliding direction on the supporting leg side.
The method for controlling a legged mobile robot according to claim 17.
前記滑走制御ステップでは、両脚支持期間を経由しないか又は極めて短い両脚支持期間を経由して前記左右の可動脚の間で支持脚を交互に切り替える、
ことを特徴とする請求項14に記載の脚式移動ロボットの制御方法。
In the sliding control step, the support legs are alternately switched between the left and right movable legs without passing through the both-leg support period or through the extremely short both-leg support period.
The method for controlling a legged mobile robot according to claim 14.
前記受動車輪機構は、2以上の受動車輪が移動面に接地する面接地と、滑走方向に配置された一部の受動車輪のみが移動面に接地する線接地又は点接地が可能となるように各受動車輪を取り付けており、
前記滑走制御ステップでは、支持脚交換期において支持脚が遊脚に切り替わる際に前記線接地又は点接地を経由して離床させる、
ことを特徴とする請求項14に記載の脚式移動ロボットの制御方法。
The passive wheel mechanism is capable of surface grounding in which two or more passive wheels are grounded on the moving surface and line grounding or point grounding in which only some of the passive wheels arranged in the sliding direction are grounded on the moving surface. Each passive wheel is attached,
In the sliding control step, when the support leg is switched to the free leg in the support leg exchange period, the floor is left via the line grounding or the point grounding.
The method for controlling a legged mobile robot according to claim 14.
前記可動脚は膝ピッチ軸回りの関節自由度を含み、
前記滑走制御ステップでは、支持脚交換期において支持脚が遊脚に切り替わる際に前記膝を最大限に伸ばすようにする、
ことを特徴とする請求項14に記載の脚式移動ロボットの制御方法。
The movable leg includes a degree of freedom of joint around the knee pitch axis,
In the sliding control step, when the support leg is switched to the free leg in the support leg exchange period, the knee is extended to the maximum extent;
The method for controlling a legged mobile robot according to claim 14.
滑走動作の停止又は制動時において、前記滑走制御ステップによる前記受動車輪機構による移動の制止制御と、前記姿勢安定制御ステップによる所定の安定度判別規範に基づいた姿勢安定制御を同時に行なう、
ことを特徴とする請求項14に記載の脚式移動ロボットの制御方法。
At the time of stopping or braking the sliding operation, simultaneously performing the movement stopping control by the passive wheel mechanism by the sliding control step and the posture stability control based on a predetermined stability determination criterion by the posture stability control step.
The method for controlling a legged mobile robot according to claim 14.
前記左右の可動脚の足底にそれぞれ取り付けられた受動車輪機構は、転がり方向の摩擦力がその直交方向と比較して小さくなるように構成され、
前記滑走制御ステップでは、制止動作時に前記左右の可動脚の受動車輪機構の転がり方向が非平行となるようにする、
ことを特徴とする請求項22に記載の脚式移動ロボットの制御方法。
The passive wheel mechanisms attached to the soles of the left and right movable legs are configured such that the frictional force in the rolling direction is smaller than that in the orthogonal direction,
In the sliding control step, the rolling direction of the passive wheel mechanism of the left and right movable legs is made non-parallel during the stopping operation.
The method for controlling a legged mobile robot according to claim 22.
前記受動車輪機構は、前後及び左右の四箇所に、前後方向が転がり方向となるように受動車輪を回転可能に支持し、
前記滑走制御ステップでは、前記左右の可動脚において足平の姿勢を制御して、四箇所の受動車輪に加わる垂直床反力の配分を調整することにより主として滑走する受動車輪を決定する、
ことを特徴とする請求項14に記載の脚式移動ロボットの制御方法。
The passive wheel mechanism supports the passive wheel rotatably at four locations on the front and rear and on the left and right so that the front and rear direction is the rolling direction,
In the sliding control step, the posture of the foot is controlled in the left and right movable legs, and the passive wheels to be mainly slid are determined by adjusting the distribution of vertical floor reaction forces applied to the four passive wheels.
The method for controlling a legged mobile robot according to claim 14.
前記滑走制御ステップでは、爪先側の受動車輪に加わる垂直床反力を踵側の受動車輪に加わる垂直床反力よりも大きくして爪先側の受動車輪により滑走する爪先滑走、又は踵側の受動車輪に加わる垂直床反力を爪先側の受動車輪に加わる垂直床反力よりも大きくして踵側の受動車輪により滑走する踵滑走を行なう、
ことを特徴とする請求項22に記載の脚式移動ロボットの制御方法。
In the sliding control step, the vertical floor reaction force applied to the passive wheel on the toe side is made larger than the vertical floor reaction force applied to the passive wheel on the heel side, and the toe sliding that slides on the passive wheel on the toe side, or passive on the heel side The vertical floor reaction force applied to the wheel is made larger than the vertical floor reaction force applied to the toe side passive wheel, and the heel sliding is performed by the passive wheel on the heel side.
The method for controlling a legged mobile robot according to claim 22.
前記滑走制御ステップでは、旋回動作を行なう際に、前記左右の可動脚をともに爪先滑走又は踵滑走を行なわせるとともに、滑走する左右の受動車輪の回転軸同士が所望の旋回中心で交わるようにするか、又は前記旋回中心を遠心力による横滑りを考慮して修正した点で滑走する左右の受動車輪の回転軸同士が交わるようにする、
ことを特徴とする請求項25に記載の脚式移動ロボットの制御方法。
In the sliding control step, when the turning operation is performed, both the left and right movable legs are caused to perform tiptoe sliding or heel sliding, and the rotational axes of the left and right passive wheels that slide are crossed at a desired turning center. Or the rotation axes of the left and right passive wheels that slide at a point where the turning center is corrected in consideration of a side slip due to centrifugal force,
The method for controlling a legged mobile robot according to claim 25.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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