JP2006247800A - Control device for leg type movement robot - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method, an action production method and an attitude control method at a real time capable of being applied even when finger tips make contact with the environment in addition to walking on a flat surface and internal force is acted between contact points and determining transition in the any contact state that the contact is left and slip is generated at the contact points in a leg type movement robot. <P>SOLUTION: In the leg type movement robot, three-dimensional force and three-dimensional moment received from the environment by the robot are calculated. Further, projection cone formed in a force-moment space according to the given action of the robot is calculated. Further, it is determined whether or not the calculated three-dimensional force and the three-dimensional moment are included at the inside of the projection cone. Thereby, a determination method applicable to the transition in the any contact state is led. Further, the action of the leg type movement robot taking into consideration to the transition in the contact state is produced based on the method. Further, attitude control at the real time is realized. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

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。
特開2002-326173号公報 特許第3132156号明細書
In the specification of Japanese Patent No. 3132156, a motion in which a legged mobile robot climbs stairs is generated based on ZMP. However, as described above, when ZMP is used, when the contact point is not on a single surface or when slip occurs at the contact point, the transition of the contact state cannot be determined. This is because the robot receives a three-dimensional force and a three-dimensional moment from the floor, but ZMP uses only two components of the moment parallel to the floor surface.
JP 2002-326173 A Japanese Patent No. 3132156

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。Σは基準座標系であり、Σ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。Σに関する位置ベクトルについて、PHj(=[xHjHjHj(j=1,2)は各手先、pFj(=[xFjFjFj)(j=1,2)は各足裏のリンクに固定された点、pLi(=[xLiLiLi)はΣLiの原点、p(=[x)はΣ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p(k=1,・・・,k)とし、p(=[x)はロボットの重心を表す位置ベクトルであり、

Figure 2006247800
のように定義されるとする。さらに、zはロボットが水平面上を歩行する場合の床面の高さを表すものとする。fHi(=[(fHi)x(fHi)y(fHi)z])、τHj(j=1,2)は各手先が受ける力・モーメント、fFj,τFj(j=1,2)は各足裏が受ける力・モーメントである。同様に、fは点pで受ける力とする。なお、図ではモーメントを太矢印で表している。nは、点pにおける単位拘束法線ベクトルを表す。I、ωはそれぞれ第iリンクの基準座標系に関する慣性テンソル、角速度ベクトルを表す。以上述べた位置ベクトル、力、モーメントは、全て基準座標系Σで表すものとする。 FIG. 1 is a schematic diagram generally showing a legged mobile robot, more specifically a biped walking robot, to which the control device according to this embodiment is applied. Σ R is a reference coordinate system, Σ B is a coordinate system fixed to the robot waist, and Σ Li is a coordinate system fixed to the center of gravity of the i-th link (i = 1,..., N). The position vector for Σ R, P Hj (= [ x Hj y Hj z Hj] T (j = 1,2) Each hand, p Fj (= [x Fj y Fj z Fj] T) (j = 1, 2) is a point fixed to each sole link, p Li (= [x Li y Li z Li ] T ) is the origin of Σ Li , p B (= [x B y B z B ] T ) is Σ It represents the origin of B. Also, p k (k = 1,..., K) without distinguishing the vertexes of the polygons constituting the contact area of each hand and the support area of each sole from the hand or the foot. And p G (= [x G y G z G ] T ) is a position vector representing the center of gravity of the robot,
Figure 2006247800
Is defined as follows. Further, z 0 represents the height of the floor surface when the robot walks on a horizontal plane. f Hi (= [(f Hi ) x (f Hi ) y (f Hi ) z] T ), τ Hj (j = 1, 2) is the force / moment received by each hand, f Fj , τ Fj (j = 1, 2) are the force and moment that each sole receives. Similarly, f k is the force applied at the point p k. In the figure, moments are indicated by thick arrows. n k represents a unit constraint normal vector at the point p k . I i and ω i represent an inertia tensor and an angular velocity vector related to the reference coordinate system of the i-th link, respectively. Above mentioned position vectors, forces, moments, is intended to refer in all the reference coordinate system sigma R.

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Σで表したものをf、ロボットが受ける基準座標系まわりのモーメントをτ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。

Figure 2006247800
・・・・・(1)
Figure 2006247800
・・・・・(2)
ここで、
Figure 2006247800
はロボットの質量、g=[0 0 −g]Tは重力ベクトルを表す。また、
Figure 2006247800
は重心まわりの角運動量を表す。 When the robot is operated, inertial and those representing the forces robot receives the reference coordinate system sigma R by gravity f G, the moment about the reference coordinate system in which the robot is subjected to tau G. The force / moment received by the robot is given by [Equation 1] and [Equation 2].
Figure 2006247800
(1)
Figure 2006247800
(2)
here,
Figure 2006247800
Is the mass of the robot, and g = [0 0 -g] T is the gravity vector. Also,
Figure 2006247800
Represents the angular momentum around the center of gravity.

ロボットに力fおよびモーメントτ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f、ロボットが受ける基準座標系まわりのモーメントをτ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。

Figure 2006247800
・・・・・(3)
Figure 2006247800
・・・・・(4)
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。
Figure 2006247800
・・・・・(5)
ここに、μは各点の摩擦係数、
Figure 2006247800
が各点の摩擦コーンを近似するL角錐の側辺となる様な単位ベクトルで、
Figure 2006247800
は各点に加わる接線方向の力の大きさにより定まる非負のスカラーである。[数式5]を[数式3]、[数式4]に代入すると、(f,τ)がとり得る値の集合は、[数式6]、[数式7]のとおり得られる。
Figure 2006247800
・・・・・(6)
Figure 2006247800
・・・・・(7)
(f,τ)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
Figure 2006247800
(3)
Figure 2006247800
(4)
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.
Figure 2006247800
(5)
Where μ k is the coefficient of friction at each point,
Figure 2006247800
Is a unit vector that is the side of an L pyramid that approximates the friction cone of each point,
Figure 2006247800
Is a non-negative scalar determined by the magnitude of the tangential force applied to each point. By substituting [Formula 5] into [Formula 3] and [Formula 4], a set of values that (f C , τ C ) can take is obtained as [Formula 6] and [Formula 7].
Figure 2006247800
(6)
Figure 2006247800
(7)
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fおよびモーメントτが加わった場合、(−f,−τ)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、(−f,−τ)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。

Figure 2006247800
・・・・・(8)
Figure 2006247800
・・・・・(9)
Figure 2006247800
・・・・・(10)
ここで、
Figure 2006247800
は任意の非負数である。一方、鉛直方向の力と水平方向のモーメントは、[数式11]、[数式12]、[数式13]で表されるが、これらは常に釣り合いが成立するとは限らない。
Figure 2006247800
・・・・・(11)
Figure 2006247800
・・・・・(12)
Figure 2006247800
・・・・・(13)
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
Figure 2006247800
が存在しなくてはならない。 逆に言うと、与えられたロボットの動作に対して、非負のスカラ
Figure 2006247800
が存在するかどうかによって、接触状態が遷移するかどうかが判定される。 Next, as a second embodiment of the present invention, means for determining transition of the contact state when a legged mobile robot walks on a plane with sufficient friction is shown. The contact state transitions on a floor surface having sufficient friction is when the contact leaves at a certain contact point. Consider the case where only the sole of the robot is in contact with the horizontal plane as shown in FIG. Assuming that a sufficiently large friction acts between the robot foot and the horizontal plane, an arbitrary reaction force is generated for the force in the horizontal plane direction and the moment about the vertical axis, [Equation 8], [Equation 9], The balanced relationship in [Equation 10] always holds.
Figure 2006247800
(8)
Figure 2006247800
(9)
Figure 2006247800
(10)
here,
Figure 2006247800
Is any non-negative number. On the other hand, the force in the vertical direction and the moment in the horizontal direction are expressed by [Equation 11], [Equation 12], and [Equation 13], but these are not always balanced.
Figure 2006247800
(11)
Figure 2006247800
(12)
Figure 2006247800
(13)
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.
Figure 2006247800
Must exist. Conversely, a non-negative scalar for a given robot motion
Figure 2006247800
It is determined whether or not the contact state transitions depending on whether or not there exists.

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(f)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。

Figure 2006247800
・・・・・(14)
Figure 2006247800
・・・・・(15)
Figure 2006247800
・・・・・(16)
Figure 2006247800
・・・・・(17)
ここで、
Figure 2006247800
である。((f)z,(f)y,(f)z)部分空間で考えると、これらの式で表される凸多面錐のl番目の側辺とf=ε断面の交点は
Figure 2006247800
となることに注意すると、凸多面錐は断面上では凸多角形となる。これを図4に示す。
Figure 2006247800
がこの凸多角形の要素であれば、水平方向の力については接触状態の遷移は必ずしも起こらない。それに対して、この凸多角形の要素に含まれない場合は、接触状態の遷移が必ず起こる。一方、[数式17]のz軸まわりのモーメントの釣合式は、
Figure 2006247800
の最小値を(τmin、最大値を(τmaxとかくと、凸多面錐の(f)z(τ)z断面は、図5の様になる。接触状態が遷移しないためには、[数18]において、

Figure 2006247800
・・・・・(18)
正のスカラλ>0,λ>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].
Figure 2006247800
(14)
Figure 2006247800
(15)
Figure 2006247800
(16)
Figure 2006247800
(17)
here,
Figure 2006247800
It is. Considering the ((f C ) z, (f C ) y, (f C ) z) subspace, the intersection of the l-th side of the convex polyhedral cone represented by these equations and the f C = ε cross section is
Figure 2006247800
Note that the convex polyhedral cone becomes a convex polygon on the cross section. This is shown in FIG.
Figure 2006247800
If is an element of this convex polygon, the transition of the contact state does not necessarily occur for the force in the horizontal direction. On the other hand, if it is not included in this convex polygon element, a transition of the contact state always occurs. On the other hand, the balance equation of the moment about the z-axis in [Equation 17] is
Figure 2006247800
If the minimum value is (τ z ) min and the maximum value is (τ z ) max , the (f C ) z (τ C ) z cross section of the convex polyhedral cone will be as shown in FIG. In order for the contact state not to change, in [Equation 18],

Figure 2006247800
(18)
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。

Figure 2006247800
・・・・・(19)
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。
Figure 2006247800
・・・・・(20)
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
Figure 2006247800
の四つである。しかしながら、[数式19]に加えて式[数式20]を考えることで、式の数と変数の数が合い、変数を一意に求めることができる。このとき、これらの変数に負のものが含まれるならば、接触状態が遷移することを判定できる。つまり、手先が環境と接触する場合は、接触力凸多面錐に加えて内力の関係式を用いることで、接触状態の遷移を判定する。 As a fourth embodiment of the present invention, a legged mobile robot having an arm is assumed, and a case where the arm is in contact with the environment is assumed. Unlike the previous section, in this case, the contact between the robot and the environment is not necessarily included in a single plane. In this case, the influence of the internal force that acts between the contact points of the hand and the toe becomes significant. The embodiment will be described by taking the two-dimensional case shown in FIG. 6 as an example. Since a motion in a two-dimensional plane is assumed, a two-dimensional force and a one-dimensional moment may be considered. Summarizing the relational expression of balance of force and moment, [Formula 19] is obtained.
Figure 2006247800
(19)
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].
Figure 2006247800
(20)
Here, φ is a parameter relating to internal force. [Equation 19] has three variables and variables
Figure 2006247800
There are four. However, by considering the expression [Expression 20] in addition to [Expression 19], the number of expressions matches the number of variables, and the variable can be uniquely obtained. At this time, if these variables include negative values, it can be determined that the contact state transitions. That is, when the hand touches the environment, the transition of the contact state is determined by using the internal force relational expression in addition to the contact force convex polyhedral cone.

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(−f,−τ)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

Figure 2006247800
と表記する。(f,τ)を[数式20]の連立不等式で表される凸多面錐に正射影する。
Figure 2006247800
・・・・・(21)
この射影を
Figure 2006247800
とすると、所望の射影は、
Figure 2006247800
・・・・・(22)
Figure 2006247800
・・・・・(23)
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
Figure 2006247800
Is written. (F G , τ G ) is orthogonally projected onto the convex polyhedral cone represented by the simultaneous inequality of [Equation 20].
Figure 2006247800
(21)
This projection
Figure 2006247800
Then the desired projection is
Figure 2006247800
(22)
Figure 2006247800
(23)
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(−f,−τ)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.

脚式移動ロボットが床面上に立ち、手先で環境と接している図である。FIG. 2 is a diagram showing a legged mobile robot standing on the floor and touching the environment with a hand. 脚式移動ロボットの足裏と床面との接触を表す図である。It is a figure showing the contact of the sole of a legged mobile robot and a floor surface. 摩擦が十分ある平らな床面上での歩行における、足裏支持領域と、力・モーメントの領域を示す図である。It is a figure which shows the sole support area | region and the area | region of a force and a moment in the walk on the flat floor surface with sufficient friction. 滑りやすい床面上の歩行における、力の領域を示す図である。It is a figure which shows the area | region of force in the walk on the floor surface which is slippery. 滑りやすい床面上の歩行における、鉛直軸まわりのモーメントの範囲を示す図である。It is a figure which shows the range of the moment of the surroundings of a vertical axis in the walk on a slippery floor surface. 2次元平面内で脚式移動ロボットが対象物を押しながら歩く図である。It is a figure where a legged mobile robot walks while pushing an object in a two-dimensional plane. 接触力凸多面体に含まれない力・モーメントの凸多面体への正射影を示す図である。It is a figure which shows the orthogonal projection to the convex polyhedron of the force and moment which are not contained in a contact force convex polyhedron. 接触力凸多面錐を用いた脚式移動ロボットの動作生成を示す図である。It is a figure which shows the operation | movement production | generation of the legged mobile robot using a contact force convex polyhedral cone. 力・モーメントを考慮した実時間制御系の図である。It is a figure of the real-time control system which considered force and moment.

Claims (13)

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たことを特徴とする脚式移動ロボットの制御装置。 In a control device for a legged mobile robot comprising at least an upper body and a plurality of legs connected to the upper body, a sole in walking on a plane is calculated by calculating a six-dimensional force / moment applied to the robot. A legged movement comprising means for determining a transition of a contact state when a slip occurs from a non-slip state or a contact leaves at at least some contact points in contact with a floor surface Robot control device. 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、歩行を制御する制御装置において、ロボットと環境の複数の接触点が単一の面上にない場合において、ロボットに加わる6次元の力・モーメントを考慮することにより、前記接触状態の遷移を判定することを特徴とする請求項1記載の脚式移動ロボットの制御装置。 In a control device for controlling walking of a legged mobile robot composed of at least an upper body and a plurality of legs connected to the upper body, when a plurality of contact points between the robot and the environment are not on a single surface 2. The control apparatus for a legged mobile robot according to claim 1, wherein the transition of the contact state is determined by considering a six-dimensional force / moment applied to the robot. 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、ロボットと環境の複数の接触点の間で内力が生じる場合に、ロボットに加わる6次元の力・モーメントを考慮することにより、前記接触状態の遷移を判定する手段を備えたことを特徴とする請求項1記載の脚式移動ロボットの制御装置。 In a control device for a legged mobile robot comprising at least an upper body and a plurality of legs connected to the upper body, when an internal force is generated between the robot and a plurality of contact points of the environment, 6-dimensional 2. The control apparatus for a legged mobile robot according to claim 1, further comprising means for determining the transition of the contact state by considering the force / moment of the robot. 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、平面上の歩行において、ロボットに加わる6次元の力・モーメントを考慮することにより、前記接触状態が遷移しないロボットの動作を生成する手段を備えたことを特徴とする請求項1記載の脚式移動ロボットの制御装置。 In a control device for a legged mobile robot comprising at least an upper body and a plurality of legs connected to the upper body, in consideration of a six-dimensional force and moment applied to the robot during walking on a plane, 2. The control device for a legged mobile robot according to claim 1, further comprising means for generating a motion of the robot whose contact state does not change. 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、歩行などを制御する制御装置において、ロボットと環境の複数の接触点が単一の面上にない場合において、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、前記接触状態が遷移しないロボットの動作を生成する手段を備えたことを特徴とする請求項1記載の脚式移動ロボットの制御装置。 In a control device for controlling walking or the like of a legged mobile robot including at least an upper body and a plurality of legs connected to the upper body, a plurality of contact points between the robot and the environment are not on a single surface. 2. The control of a legged mobile robot according to claim 1, further comprising means for generating a motion of the robot in which the contact state does not change by calculating a six-dimensional force / moment applied to the robot. apparatus. 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、ロボットと環境の複数の接触点の間で内力が生じる場合に、ロボットに加わる6次元の力・モーメントを考慮することにより、前記接触状態が遷移しないロボットの動作を生成する手段を備えたことを特徴とする請求項1記載の脚式移動ロボットの制御装置。 In a control device for a legged mobile robot comprising at least an upper body and a plurality of legs connected to the upper body, when an internal force is generated between the robot and a plurality of contact points of the environment, 6-dimensional The legged mobile robot control device according to claim 1, further comprising means for generating a motion of the robot in which the contact state does not change by considering a force and a moment of the robot. 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・モーメントを考慮することにより、平面上の歩行において、実時間でロボットの姿勢を制御する手段を備えたことを特徴とする脚式移動ロボットの制御装置。 In a legged mobile robot control device consisting of at least the upper body and a plurality of legs connected to the upper body, it is possible to perform the walking on a plane by taking into account the six-dimensional force and moment applied to the robot. A control device for a legged mobile robot, characterized by comprising means for controlling the posture of the robot over time. 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、歩行を制御する制御装置において、ロボットと環境の複数の接触点が単一の面上にないにおいて、ロボットに加わる6次元の力・モーメントを考慮することにより、実時間でロボットの姿勢を制御する手段を備えたことを特徴とする脚式移動ロボットの制御装置。 In a control device for controlling walking of a legged mobile robot composed of at least an upper body and a plurality of legs connected to the upper body, a plurality of contact points between the robot and the environment are not on a single plane An apparatus for controlling a legged mobile robot, comprising means for controlling the posture of the robot in real time by taking into account the six-dimensional force and moment applied to the robot. 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、ロボットと環境の複数の接触点の間で内力が生じる場合に、ロボットに加わる6次元の力・モーメントを考慮することにより、実時間でロボットの姿勢を制御する手段を備えたことを特徴とする脚式移動ロボットの制御装置。 In a control device for a legged mobile robot comprising at least an upper body and a plurality of legs connected to the upper body, when an internal force is generated between the robot and a plurality of contact points of the environment, 6-dimensional An apparatus for controlling a legged mobile robot comprising means for controlling the posture of the robot in real time by taking into account the force and moment of the robot. 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の制御装置において、該ロボットが動作を行うとき、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と、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と、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判定手段とを有することを特徴とする脚式移動ロボットの制御装置。 In a control device for a legged mobile robot comprising at least an upper body and a plurality of legs connected to the upper body, when the robot operates, a three-dimensional force and a three-dimensional moment received by the robot from the environment Means for calculating a convex cone formed in a force-moment space corresponding to the motion of a given robot, and the measured three-dimensional force and three-dimensional moment are inside the convex cone. A control device for a legged mobile robot, comprising: a determination unit configured to determine whether the mobile device is included in the legged mobile robot. 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する計測手段と、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と、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判定手段とを有することを特徴とする脚式移動ロボットの制御装置。 A measuring means for measuring a three-dimensional force and a three-dimensional moment received by the robot from the environment; a means for calculating a convex cone formed in a force-moment space corresponding to a given posture of the robot; And a control means for determining whether a three-dimensional force and a three-dimensional moment are included in the convex cone. 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の制御装置において、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と、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と、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るかどうかを判定する判定手段と、前記判定手段で凸錐に含まれないと判断したときに前記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とを有することを特徴とする脚式移動ロボットの制御装置。 In a control apparatus for a legged mobile robot comprising at least an upper body and a plurality of legs connected to the upper body, means for calculating a target three-dimensional force and a three-dimensional moment, and a given robot A means for calculating a convex cone formed in the force-moment space corresponding to the movement of the, and a determination to determine whether the calculated three-dimensional force and the target value of the three-dimensional moment are included in the convex cone And a control device for a legged mobile robot, comprising: means for correcting the target value of the three-dimensional force and the three-dimensional moment when it is determined by the determining means that it is not included in the convex cone. . 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と、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と、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るかどうかを判定する判定手段と、前記判定手段で凸錐に含まれないと判断したときに前記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とを有することを特徴とする脚式移動ロボットの制御装置。 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 posture of the robot, and the calculated three-dimensional Determining means for determining whether or not the target value of the force and the three-dimensional moment are included in the convex cone, and the three-dimensional force and the three-dimensional moment when the determining means determines that the target value is not included in the convex cone And a means for correcting the target value of the legged mobile robot.
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