JP2006247800A - Control device for leg type movement robot - Google Patents
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Description
本発明はホームロボットや各種サービスロボット等に用いる脚式移動型の2足歩行ロボットの動作を生成したり、動作を制御する装置に関するものである。 The present invention relates to an apparatus for generating or controlling the movement of a legged mobile biped robot used for a home robot, various service robots, and the like.
従来、脚式移動ロボットの動作は、ロボットが床から受ける反力の作用中心点であるZMP(Zero-Moment Point)を規範として生成されてきた(高西、石田、山崎、加藤:日本ロボット学会誌、vol. 3、 no. 4、 pp. 325-336、 1985、 特開2002-326173)。ここで、ZMPは床反力の作用中心点であるため、床反力中心点と呼ばれる場合もある。 Conventionally, the movement of a legged mobile robot has been generated based on the ZMP (Zero-Moment Point), which is the center of action of the reaction force that the robot receives from the floor (Takanishi, Ishida, Yamazaki, Kato: Robotics Society of Japan Vol. 3, no. 4, pp. 325-336, 1985, JP 2002-326173). Here, since ZMP is an action center point of the floor reaction force, it may be called a floor reaction force center point.
脚式移動ロボットが水平な床面上を歩く場合、ZMPが足裏と床面の接触点が形成する支持多角形の内部に含まれる限り、ロボットは転倒せずに歩行を継続することが保証される。一方、ZMPが支持多角形の端に来ると、ロボットの足裏と床面との接触が離れることで、ロボットが転倒する可能性が生じる。 When a legged mobile robot walks on a horizontal floor, the robot is guaranteed to continue walking without falling, as long as the ZMP is contained within the support polygon formed by the contact point between the sole and the floor. Is done. On the other hand, when the ZMP comes to the end of the support polygon, the contact between the sole of the robot and the floor surface is separated, which may cause the robot to fall.
しかしながら、先に述べたようにZMPは床反力の作用中心点であるため、ZMPを用いても足裏と床面が滑るかどうかを判定することはできない。また、脚式移動ロボットの手先が環境と接触する場合には、接触点の間で内力が発生するが、内力の影響はZMPの位置には現れない。つまり、この場合もZMPを用いることでは、ロボットと環境の接触点で、滑りが生じたり接触が離れるといった接触状態の遷移を判定することは不可能である。 However, as described above, since ZMP is a center point of action of floor reaction force, it cannot be determined whether or not the sole and the floor surface slip even if ZMP is used. Further, when the hand of the legged mobile robot comes into contact with the environment, an internal force is generated between the contact points, but the influence of the internal force does not appear at the ZMP position. That is, in this case as well, using ZMP, it is impossible to determine the transition of the contact state such as slippage or contact at the contact point between the robot and the environment.
特許第3132156号明細書において、ZMPを規範にして脚式移動ロボットが階段を上る動作が生成されている。しかし、先に述べたように、ZMPを用いたのでは接触点が単一の面上にない場合や、接触点で滑りが生じる場合には、接触状態の遷移を判定することは出来ない。これは、ロボットは床から3次元の力と3次元のモーメントを受けるが、ZMPではモーメントのうち床面と平行な2成分のみを用いているからである。
本発明の第1の目的は、脚式移動ロボットにおいて、ロボットが環境から受ける3次元の力と3次元のモーメントを考慮し、そして、これら3次元の力と3次元のモーメントが力−モーメント空間において形成する凸錐を用いて、接触状態の遷移を判定する機能を有する脚式移動ロボットの制御装置を提供することにある。 A first object of the present invention is to consider a three-dimensional force and a three-dimensional moment that the robot receives from the environment in a legged mobile robot, and these three-dimensional force and three-dimensional moment are the force-moment space. It is an object of the present invention to provide a control device for a legged mobile robot having a function of determining a transition of a contact state using a convex cone formed in the above.
さらに、本発明の第2の目的は、脚式移動ロボットにおいて、ロボットが環境から受ける3次元の力と3次元のモーメントを考慮し、そして、これら3次元の力と3次元のモーメントが力−モーメント空間において形成する凸錐を用いて、接触状態が遷移しない脚式移動ロボットの動作を生成する装置を提供することにある。 Furthermore, the second object of the present invention is to consider a three-dimensional force and a three-dimensional moment that the robot receives from the environment in a legged mobile robot, and the three-dimensional force and the three-dimensional moment are the force − An object of the present invention is to provide an apparatus for generating a motion of a legged mobile robot in which a contact state does not change by using convex cones formed in a moment space.
さらに、本発明の第3の目的は、脚式移動ロボットにおいて、ロボットが環境から受ける3次元の力と3次元のモーメントを考慮し、ロボットの姿勢を実時間で制御する脚式移動ロボットの動作制御装置を提供することにある。 Furthermore, a third object of the present invention is to operate a legged mobile robot that controls the posture of the robot in real time in consideration of the three-dimensional force and the three-dimensional moment that the robot receives from the environment. It is to provide a control device.
上記した第1の目的を達成するために、少なくとも上体と、前記上体に連結される複数本の脚部からなる脚式移動ロボットが歩行などの動作を行うとき、環境からロボットが受ける3次元の力と3次元のモーメントを算出する手段、与えられたロボットの動作に対応して力−モーメント空間において形成される凸錐を算出する手段、前記計測された3次元の力と3次元のモーメントが凸錐の内部に含まれるかどうかを判定する手段を有するように制御装置を構成した。 In order to achieve the first object described above, when a legged mobile robot comprising at least an upper body and a plurality of legs connected to the upper body performs an action such as walking, the robot receives from the environment 3 Means for calculating a three-dimensional force and a three-dimensional moment, means for calculating a convex cone formed in a force-moment space corresponding to a given robot motion, and the measured three-dimensional force and three-dimensional force The control device was configured to have means for determining whether the moment is contained within the convex cone.
また、環境からロボットが受ける3次元の力と3次元のモーメントを計測し、与えられたロボットの姿勢に対応して力−モーメント空間において形成される凸錐を算出し、前記計測された3次元の力と3次元のモーメントが凸錐の内部に含まれるかどうかを判定する手段を有するため、ロボットと環境との接触が離れたり、接触点で滑りが生じるような、あらゆる接触状態の遷移を判定でき、脚式移動ロボットが動作する際の安定性を高めることができる。 Further, the three-dimensional force and the three-dimensional moment that the robot receives from the environment are measured, the convex cone formed in the force-moment space corresponding to the given posture of the robot is calculated, and the measured three-dimensional Because it has a means to determine whether or not the force and three-dimensional moment are contained within the convex cone, the transition of any contact state where the contact between the robot and the environment is separated or the contact point slips It can be determined, and the stability when the legged mobile robot operates can be improved.
さらに、上記した第2の目的を達成するために、少なくとも上体と、前記上体に連結される複数本の脚部からなる脚式移動ロボットが、接触状態を遷移せずに歩行などの動作を行うため、目標となる3次元の力と3次元のモーメントを計算する手段、与えられたロボットの動作に対応して力−モーメント空間において形成される凸錐を算出する手段、および、前記計算された3次元の力と3次元のモーメントの目標値が凸錐に含まれない場合は3次元の力と3次元のモーメントの目標値を修正する手段を有するように制御装置を構成した。 Furthermore, in order to achieve the second object described above, a legged mobile robot comprising at least an upper body and a plurality of legs connected to the upper body performs an operation such as walking without changing the contact state. Means for calculating a target three-dimensional force and three-dimensional moment, means for calculating a convex cone formed in a force-moment space corresponding to a given robot motion, and the calculation When the target value of the three-dimensional force and the three-dimensional moment is not included in the convex cone, the control device is configured to have means for correcting the target value of the three-dimensional force and the three-dimensional moment.
目標となる3次元の力と3次元のモーメントを計算し、与えられたロボットの姿勢に対応して力−モーメント空間において形成される凸錐を算出し、さらに、前記計算された3次元の力と3次元のモーメントの目標値が凸錐に含まれない場合は3次元の力と3次元のモーメントの目標値を修正する手段を有するため、ロボットと環境との接触が離れたり、接触点で滑りが生じるような、接触状態の遷移がない、安定な脚式移動ロボットの動作を生成することができる。 A target three-dimensional force and a three-dimensional moment are calculated, a convex cone formed in a force-moment space corresponding to a given robot posture is calculated, and the calculated three-dimensional force is further calculated. If the target value of the three-dimensional moment is not included in the convex cone, the robot has a means to correct the target value of the three-dimensional force and the three-dimensional moment. It is possible to generate a stable motion of a legged mobile robot that does not cause a transition of a contact state that causes slipping.
さらに、上記した第3の目的を達成するために、少なくとも上体と、前記上体に連結される複数本の脚部からなる脚式移動ロボットが、3次元の力と3次元のモーメントを考慮して、実時間で姿勢制御する手段を有するように制御装置を構成した。 Furthermore, in order to achieve the above third object, a legged mobile robot comprising at least an upper body and a plurality of legs connected to the upper body takes into account a three-dimensional force and a three-dimensional moment. Thus, the control device is configured to have means for controlling the posture in real time.
3次元の力と3次元のモーメントを考慮して、実時間で姿勢制御する手段を有するため、接触状態が遷移しないような、安定な脚式移動ロボットの動作制御が実時間で実現できる。 Since there is a means for controlling the posture in real time in consideration of the three-dimensional force and the three-dimensional moment, stable motion control of the legged mobile robot can be realized in real time so that the contact state does not change.
本発明は上記のように構成したので、脚式移動ロボットにおいて、あらゆるロボットと環境との接触状態の遷移を判定でき、かつ接触状態を遷移させないロボットの動作を容易に得ることができ、ロボットの姿勢を実時間で制御することが可能になる。 Since the present invention is configured as described above, in a legged mobile robot, the transition of the contact state between any robot and the environment can be determined, and the operation of the robot that does not transition the contact state can be easily obtained. The posture can be controlled in real time.
本発明は脚式移動ロボットにおいて、あらゆるロボットと環境との接触状態の遷移を判定でき、かつ接触状態を遷移させないロボットの動作を容易に得ることができ、ロボットの姿勢を実時間で制御することが可能にするため、少なくとも上体と、前記上体に連結された複数本の脚部からなる脚式移動ロボットの制御装置において、ロボットに加わる6次元の力・モーメントを算出することにより、平面上の歩行における足裏と床面との接触において、滑っていない状態から滑りが生じるとき、または少なくとも一部の接触点において接触が離れるときの接触状態の遷移を判定する手段を備えることによって実現した。 The present invention is a legged mobile robot that can determine the transition of the contact state between any robot and the environment, can easily obtain the operation of the robot without changing the contact state, and controls the posture of the robot in real time. In the control device for a legged mobile robot comprising at least the upper body and a plurality of legs connected to the upper body, by calculating the six-dimensional force / moment applied to the robot, Realized by providing means for determining the transition of the contact state when the slip occurs from the non-slip state or the contact leaves at at least some of the contact points in the contact between the sole and the floor surface during walking above did.
以下、添付図面を参照してこの発明の一つの実施の形態に係る脚式移動ロボットの制御装置を説明する。脚式移動ロボットとしては2足歩行ロボットを例にとる。 Hereinafter, a control apparatus for a legged mobile robot according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. An example of a legged mobile robot is a biped walking robot.
まず、本発明の第一の実施例として、脚式移動ロボットが歩行などの動作を行うとき、環境からロボットが受ける3次元の力と3次元のモーメントを算出する手段、与えられたロボットの姿勢に対応して力−モーメント空間において形成される凸錐を算出する手段を示す。 First, as a first embodiment of the present invention, when a legged mobile robot performs an action such as walking, a means for calculating a three-dimensional force and a three-dimensional moment received by the robot from the environment, a given robot posture The means for calculating the convex cone formed in the force-moment space corresponding to is shown.
図1は、この実施の形態に係る制御装置が適用される脚式移動ロボット、より具体的には2足歩行ロボットを全体的に示す概略図である。ΣRは基準座標系であり、ΣBはロボット腰部に固定された座標系、ΣLiは第iリンク(i=1,・・・,n)の重心に固定された座標系を表す。ΣRに関する位置ベクトルについて、PHj(=[xHjyHjzHj]T(j=1,2)は各手先、pFj(=[xFjyFjzFj]T)(j=1,2)は各足裏のリンクに固定された点、pLi(=[xLiyLizLi]T)はΣLiの原点、pB(=[xByBzB]T)はΣBの原点を表す。また、各手先の接触領域と各足裏の支持領域を構成する多角形の頂点を手先か足先かを区別せずpk(k=1,・・・,k)とし、pG(=[xGyGzG]T)はロボットの重心を表す位置ベクトルであり、
ロボットが動作する際に、慣性力および重力によりロボットが受ける力を基準座標系ΣRで表したものをfG、ロボットが受ける基準座標系まわりのモーメントをτGとする。ロボットが受ける力・モーメントは[数式1]、[数式2]により与えられる。
ここで、
here,
ロボットに力fGおよびモーメントτGが加わったとき、ロボットは接触している環境から反力・モーメントを受ける。ロボットが接触している環境から受ける反力を基準座標系で表したものをfC、ロボットが受ける基準座標系まわりのモーメントをτCとすると、これらは手先・足裏と環境との接触面の幾何学的な形状から、[数式3]、[数式4]が得られる。
さらに、各接触点がロボットに対して発生可能な力の集合は、摩擦コーンをL角錐で近似した場合、[数式5]により与えられる。
ここに、μkは各点の摩擦係数、
(fC,τC)はベクトルの非負1次結合で表されていることから、これらが力・モーメントの空間でとり得る値の集合は凸多面錐になる。この力・モーメントの集合を、接触力凸多面錐と呼ぶことにする。
When a force f G and moment τ G are applied to the robot, the robot receives a reaction force / moment from the environment in contact with the robot. When the reaction force received from the environment in contact with the robot is expressed in the reference coordinate system as f C , and the moment around the reference coordinate system received by the robot as τ C , these are the contact surfaces of the hand, sole, and environment. [Formula 3] and [Formula 4] are obtained from the geometric shape of
Furthermore, the set of forces that each contact point can generate on the robot is given by [Equation 5] when the friction cone is approximated by an L pyramid.
Where μ k is the coefficient of friction at each point,
Since (f C , τ C ) is represented by a non-negative linear combination of vectors, the set of values that these can take in the force / moment space is a convex polyhedral cone. This set of forces and moments is called a contact force convex polyhedral cone.
ロボットに力fGおよびモーメントτGが加わった場合、(−fG,−τG)が[数式6]、[数式7]によって表される接触力凸多面錐に含まれる場合、接触状態は弱安定となり、釣り合いの関係が成立する可能性が生じる。このとき、釣り合いが必ずしも成立するとは言えないが、(−fG,−τG)が凸多面錐に含まれない場合は、釣り合いの関係は成立せず、接触状態は必ず遷移する。 When a force f G and a moment τ G are applied to the robot, when the (−f G , −τ G ) is included in the contact force convex polyhedral cone represented by [Formula 6] and [Formula 7], the contact state is It becomes weakly stable, and there is a possibility that a balanced relationship is established. At this time, it cannot be said that the balance is necessarily established, but when (−f G , −τ G ) is not included in the convex polyhedral cone, the balance relationship is not established, and the contact state always changes.
次に、この発明の第2番目の実施例として、十分な摩擦のある平面上を脚式移動ロボットが歩行する場合に、接触状態の遷移を判定する手段を示す。十分に摩擦がある床面上で接触状態が遷移するのは、ある接触点において接触が離れる場合である。図2に示す様に、ロボットの足裏のみが水平面と接触している場合を考える。ロボットの足先と水平面の間には十分に大きな摩擦が働くと仮定すると、水平面方向の力と鉛直軸まわりのモーメントについては任意の反力が発生し、[数式8]、[数式9]、[数式10]の釣り合いの関係は必ず成立する。
ここで、
つまり、平らな床面の上を脚式移動ロボットが歩行する場合、ロボットの動作が与えられると、それに対応した[数式11]、[数式12]、[数式13]の左辺が計算される。そして、[数式11]、[数式12]、[数式13]が成立するためには、右辺に含まれる非負のスカラ
here,
In other words, when a legged mobile robot walks on a flat floor surface, when the robot motion is given, the left side of [Formula 11], [Formula 12], and [Formula 13] corresponding thereto is calculated. In order for [Formula 11], [Formula 12], and [Formula 13] to hold, a non-negative scalar included in the right side is used.
図3に、平らな床面上におけるロボットと床との接触領域と、これに対応する[数式11]、[数式12]、[数式13]で表された凸多面錐の適当な(fC)zの値における断面を示す。 FIG. 3 shows an appropriate contact area between the robot and the floor on a flat floor surface and the corresponding convex polyhedral cones expressed by [Formula 11], [Formula 12], and [Formula 13] (f C ) shows a cross section at the value of z.
次に、この発明の第3番目の実施例として、滑りやすい路面上を脚式移動ロボットが歩行する場合に、接触状態の遷移を判定する手段を示す。滑りやすい路面上の歩行では、接触状態が遷移する場合として、接触が離れる場合と滑りが生じる場合の両方を同時に考慮しなくてはならない。この場合、特に水平方向のモーメントに関する釣り合いの関係式は床面の摩擦が十分に働く場合と同じである。一方、力に関する釣り合いの関係式、ならびに鉛直軸まわりのモーメントに関する釣り合いの関係は、[数式14]、[数式15]、[数式16]、[数式17]のように表すことができる。
ここで、
正のスカラλ1>0,λ2>0が存在しなくてはならない。以上より、摩擦が十分に働いて滑らないという仮定をしない場合は、十分に摩擦が働く場合に加えて、水平並進2軸と鉛直回りの回転について、釣り合いの関係式を考え、接触状態の遷移の判定を行う。
Next, as a third embodiment of the present invention, means for determining a transition of a contact state when a legged mobile robot walks on a slippery road surface will be described. When walking on a slippery road surface, both the case where the contact leaves and the case where the slip occurs must be considered simultaneously as the case where the contact state transitions. In this case, the relational expression of the balance especially regarding the moment in the horizontal direction is the same as the case where the friction of the floor surface sufficiently works. On the other hand, the relational expression of the balance relating to the force and the relation of the balance relating to the moment about the vertical axis can be expressed as [Equation 14], [Equation 15], [Equation 16], and [Equation 17].
here,
There must be a positive scalar λ 1 > 0, λ 2 > 0. From the above, if it is not assumed that the friction works enough and does not slip, in addition to the case where the friction works enough, considering the balanced relational expression for the horizontal translation two axes and the rotation around the vertical, the transition of the contact state Judgment is made.
本発明の第4番目の実施例として、腕を有する脚式移動ロボットを仮定し、腕が環境と接触する場合を想定する。前項までとは異なり、この場合はロボットと環境との接触が単一の面内に含まれるとは限らない。また、この場合、手先と足先の接触点の間で働く内力の影響が顕著になる。図6に示す2次元の場合を例にとり、実施例を説明する。2次元平面内の運動を仮定するので、2次元の力と1次元のモーメントを考慮すればよい。力やモーメントの釣り合いの関係式をまとめると、[数式19]のようになる。
次に、この接触力凸多面錐に加えて、内力を考える。ロボットの手が環境と接する場合、ロボットが持つ運動量や角運動量には影響を及ぼさない接触力の成分である内力が存在する。この場合、内力の関係式は[数式20]のように表すことができる。
ここで、φは内力に関するパラメータである。[数式19]は式が三つに対して、変数が
Next, in addition to this contact force convex polyhedral cone, the internal force is considered. When the robot's hand comes into contact with the environment, there is an internal force that is a component of contact force that does not affect the momentum or angular momentum of the robot. In this case, the internal force relational expression can be expressed as [Equation 20].
Here, φ is a parameter relating to internal force. [Equation 19] has three variables and variables
本発明の第5番目の実施例として、接触状態を遷移させないような脚式移動ロボットの動作を生成する手法を示す。本発明の第1番目の実施例により与えられたロボットの動作に対して、ロボットが受ける力・モーメントを算出する手法、ならびに接触力凸多面錐を計算する手法をしめした。ここでは、算出された力・モーメントが接触力凸多面錐に含まれない場合に、動作を修正する手法を示す。 As a fifth embodiment of the present invention, a technique for generating an action of a legged mobile robot that does not change the contact state will be described. For the robot motion given by the first embodiment of the present invention, a method for calculating the force / moment received by the robot and a method for calculating a contact force convex polyhedral cone are shown. Here, a method of correcting the operation when the calculated force / moment is not included in the contact force convex polyhedral cone is shown.
接触力凸多面錐に含まれない(−fG,−τG)が与えられたとき、次のアルゴリムにより、接触力凸多面錐に含まれ、かつ、ユークリッドノルムにより定義された距離が最も近いものに変換することができる。変換後の値を
この射影を
と求めることができる。このアルゴリズムの説明図を図7に示す。
When (−f G , −τ G ) not included in the contact force convex polyhedral cone is given, the distance that is included in the contact force convex polyhedral cone and defined by the Euclidean norm is the closest by the following algorithm. Can be converted into a thing. The converted value
This projection
It can be asked. An explanatory diagram of this algorithm is shown in FIG.
[数式20]を利用した脚式移動ロボットの動作生成手法を図8に示す。つまり、最初にロボットの動作を生成しておき、[数式1]、[数式2]にもとづいてを計算する。これが接触力凸多面錐に含まれない場合は、[数式22]、[数式23]に基づいて(−fG,−τG)を射影し、動作を修正する。 FIG. 8 shows a motion generation method for a legged mobile robot using [Formula 20]. That is, the robot motion is first generated, and the calculation is performed based on [Formula 1] and [Formula 2]. If this is not included in the contact force convex polyhedral cone, (−f G , −τ G ) is projected based on [Formula 22] and [Formula 23] to correct the operation.
本発明の第2から第4の実施例において、摩擦が十分ある床面上の歩行、摩擦係数が小さい床面上の歩行、ならびに手先が環境と接触する場合について、接触状態の遷移を判定した。これら全ての場合において共通して言えることは、接触力凸多面錐を用いていることである。つまり、それぞれの場合において、本発明の第5の実施例を用いることで、接触状態が遷移しない脚式移動ロボットの動作を生成することができる。 In the second to fourth embodiments of the present invention, the transition of the contact state was determined for walking on the floor surface with sufficient friction, walking on the floor surface with a small friction coefficient, and when the hand touches the environment. . What can be said in common in all these cases is that a contact force convex polyhedral cone is used. That is, in each case, by using the fifth embodiment of the present invention, it is possible to generate an action of a legged mobile robot in which the contact state does not change.
本発明の第6番目の実施例として、ロボットの姿勢を実時間で制御する手法を示す。この手法においては、実時間で現在のロボットの関節角度情報や機体の位置姿勢の情報より、ロボットが受ける力・モーメントを算出する。そして、ロボットが受ける力・モーメントの目標値と比較をし、その目標値に収束するようにロボットの動作を制御する。 この制御系のブロック線図を図9に示す。 As a sixth embodiment of the present invention, a technique for controlling the posture of a robot in real time will be described. In this method, the force / moment received by the robot is calculated from the current joint angle information of the robot and the position and orientation information of the aircraft in real time. Then, a comparison is made with target values of the force and moment received by the robot, and the operation of the robot is controlled so as to converge to the target value. A block diagram of this control system is shown in FIG.
本発明の第2から第4の実施例において、摩擦が十分ある床面上の歩行、摩擦係数が小さい床面上の歩行、ならびに手先が環境と接触する場合について、接触状態の遷移を判定した。これら全ての場合において共通して[数式1]、[数式2]を用いている。つまり、それぞれの場合において、本発明の第6の実施例を用いることで、実時間でロボットの動作を制御することができる。 In the second to fourth embodiments of the present invention, the transition of the contact state was determined for walking on the floor surface with sufficient friction, walking on the floor surface with a small friction coefficient, and when the hand touches the environment. . In all these cases, [Formula 1] and [Formula 2] are used in common. That is, in each case, the robot operation can be controlled in real time by using the sixth embodiment of the present invention.
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