JP2009190122A - Legged robot and method of controlling the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は脚式ロボット、及びその制御方法に関する。 The present invention relates to a legged robot and a control method thereof.
脚式ロボットが安定して歩行するための歩行軌道を生成する技術が数多く提案されている。例えば特許文献1には、高速に歩行ロボットのZMP(ゼロモーメント・ポイント)を計算して、少ない計算量で歩容データを計算可能な歩容データ作成装置が開示されている。特許文献1記載の歩容データ作成装置は、ロボットのフルモデルを6つの質点に近似して、それら質点を適切に配分することにより、ZMP計算を高速化するものである。尚、本明細書で「軌道」とは、位置・姿勢の経時的な変化を記述するデータのことを言う。
しかしながら、従来技術により作成された理想的な軌道データであっても、実際にロボットで当該軌道データを再生した場合には、必ずしも安定した歩行/走行動作を実現することができないという問題点があった。作成した軌道をロボットで実際に再生した場合に、ロボットが安定して歩行/走行できない理由としては以下の原因が想定される。 However, even with the ideal trajectory data created by the prior art, there is a problem that a stable walking / running operation cannot always be realized when the trajectory data is actually reproduced by a robot. It was. When the created trajectory is actually reproduced by the robot, the following reasons are assumed as the reason why the robot cannot stably walk / run.
まず、ロボットの関節部に発生する摩擦、アクチュエータ性能、ゲイン設定などに起因する、軌道データに対する追従性や応答性の劣化が挙げられる。摩擦特性は、ロボットの組み直しや、時間経過によっても、その特性が変化する。通常、ロボットの組みつけ具合はその都度異なるため、摩擦もその都度変化する。時間経過についても、グリスが少なくなるなどの原因で、摩擦の変化をもたらす。また、歩行/走行動作パターンや、安定化制御などによっては、目標軌道が不連続となる。このため、関節によっては、指令されたトルクがアクチュエータの仕様を上回る場合があり、アクチュエータの最大仕様範囲を超えるトルクや速度では、アクチュエータを正常に動作させることができない。 First, there is a deterioration in the followability and responsiveness to the trajectory data due to friction generated in the joint portion of the robot, actuator performance, gain setting, and the like. The frictional characteristics change with the reassembly of the robot and the passage of time. Usually, since the degree of assembly of the robot differs each time, the friction also changes each time. Even with the passage of time, the friction changes due to less grease. Further, the target trajectory is discontinuous depending on the walking / running motion pattern, stabilization control, and the like. For this reason, depending on the joint, the commanded torque may exceed the specification of the actuator, and the actuator cannot be operated normally at a torque or speed exceeding the maximum specification range of the actuator.
また、ロボットの低剛性部位(足裏の衝撃吸収部材や、関節などに設ける減速機など)が撓むことによる重心位置追従性の劣化が原因として挙げられる。このような低剛性部位は衝撃吸収効果を備える反面、ロボットの姿勢が崩れる原因にもなりうる。サーボ追従性がよく、メカ(リンク、関節部、減速機など)の剛性を十分高くし、かつ、外乱が存在しない場合には、ロボットは略目標値(重心、関節角度などの目標値の時系列データ)に対して良好に追従することができ、安定した動作が可能となる。しかし現実的には、サーボ追従性は調整が難しく、メガの剛性も低い部分が撓みやすい。サーボに関しては、実験によりある程度の調整は可能であるものの、メカに関しては、剛性を高めると、重量増加や、設計変更や、組み直しのための時間を要するという問題が生じる。 Another cause is the deterioration of the center-of-gravity position followability due to the bending of a low-rigidity part of the robot (such as a shock absorbing member on the sole or a speed reducer provided at a joint). Such a low-rigidity part has an impact absorbing effect, but can also cause the robot to lose its posture. If the servo tracking is good, the mechanism (link, joint, reducer, etc.) is sufficiently rigid, and there is no disturbance, the robot will be at the target value (center of gravity, joint angle, etc.). (Sequential data) can be satisfactorily followed, and stable operation is possible. However, in reality, it is difficult to adjust the servo following ability, and a portion having a low mega rigidity is likely to bend. With regard to the servo, although some adjustment is possible by experiment, when the rigidity is increased with respect to the mechanism, there is a problem that it takes time for weight increase, design change, and reassembly.
さらにまた、アクチュエータのハイゲインな位置制御や安定化制御に起因する、目標ZMPと実ZMPの大きなズレが原因として挙げられる。従来技術では、関節を駆動させるために必要なトルク指令値を計算し、そのトルク指令値に正確に追従させるため、制御におけるゲインを高くすることで、トルク指令値への応答性を高めている。しかし、このようにトルク指令値を出力している状況において、ロボットの足裏などが撓んだことに起因して、タイミングを間違えて着地してしまう場合がある。この場合には、着地の瞬間には足裏の剛性を局所的に高くして制御しているため、足裏が路面を蹴ってしまうおそれがある。このため、着地時における衝撃吸収を実現するためには、ゲインを小さくして、アクチュエータに与えるトルク指令値を小さくすることが好ましい。また、ゲインが高いと、制御が不安定になりやすいという問題もある。一方で、着地時の立脚を除いては、トルク指令への応答性が悪い場合には、ロボットが目標通りの軌道(姿勢)を実現することができずに、不安定になりやすいという問題がある。 Furthermore, there is a large deviation between the target ZMP and the actual ZMP due to high gain position control and stabilization control of the actuator. In the prior art, the torque command value required to drive the joint is calculated, and the response to the torque command value is enhanced by increasing the gain in the control in order to accurately follow the torque command value. . However, in such a situation where the torque command value is output, there is a case where the landing is made at a wrong timing due to the fact that the sole of the robot is bent. In this case, since the rigidity of the sole is controlled by locally increasing at the moment of landing, there is a possibility that the sole kicks the road surface. For this reason, in order to realize shock absorption at the time of landing, it is preferable to reduce the gain and reduce the torque command value applied to the actuator. There is also a problem that control is likely to become unstable when the gain is high. On the other hand, if the response to the torque command is inferior except for the stance when landing, the robot cannot achieve the target trajectory (posture) and tends to become unstable. is there.
特許文献1では、歩容データ作成の過程で作成されるデータ(質点の位置や、加速度)を、軌道データ作成の高速化のためにのみ使用しており、作成された軌道の追従性については考慮がなされていないものであった。
In
また、特許文献2には、脚部の関節と脚部接地端との間をバネ機構で連結し、目標荷重を発生させるのに必要なバネ機構体の変形角度を求め、求めた変形角度によって関節角度指令値を補正する脚式移動ロボットの歩行制御装置が開示されている。特許文献2記載の脚式移動ロボットの歩行制御装置では、脚部先端を床の凹凸や傾斜に柔軟に接地させ、踏破性を高めて外乱トルクを緩和し、また着地時の衝撃も効果的に緩和すると共に、初期の床を蹴る力を確保して歩行に支障を来たさない様にすることを目標とする。しかし、特許文献2記載の技術では、脚部の関節と脚部接地端との間にバネ機構体を設け、目標荷重を発生させるのに必要なバネ機構体の変形角度を求めるため、目標荷重検出に複雑な計算が必要となり、短時間で目標荷重を検出することができない。
In
このように、従来技術では、作成された理想的な軌道データであっても、実際にロボットで当該軌道データを再生した場合には、軌道の追従性を良好に維持することができず、安定した歩行/走行動作を実現することができないという問題点があった。 As described above, in the prior art, even if the created trajectory data is ideal, when the trajectory data is actually reproduced by the robot, the trackability of the trajectory cannot be maintained satisfactorily. There is a problem that the walking / running operation cannot be realized.
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、軌道の追従性を良好に維持することで安定して歩行/走行動作を実現可能な脚式ロボット、及びその制御方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and provides a legged robot capable of stably realizing walking / running operation by maintaining good track followability, and a control method thereof. For the purpose.
本発明に係る脚式ロボットは、脚式ロボットの、左足平位置姿勢と右足平位置姿勢と体幹位置姿勢を示すデータと、前記位置姿勢を実現する体幹位置を示すデータを入力して記憶する手段と、前記データ群から、前記脚式ロボットをモデル化した「胴体と左膝位置と右膝位置と左足平近傍位置と右足平近傍位置に質量が集中して存在する力学系」を用いて、前記脚式ロボットの関節の目標トルクを計算する手段と、前記データ群から、前記位置姿勢を実現するのに必要な各関節の目標回転量を計算する手段と、計算された前記目標回転量と、検出される実回転量の偏差とに基づいて、アクチュエータのモータに加える指令トルクを調整する手段を備え、前記調整手段が、計算された前記目標トルクを前記指令トルクに加算するものである。 The legged robot according to the present invention inputs and stores data indicating the left foot position / posture, right foot position / posture, and trunk position / posture of the legged robot, and data indicating the trunk position realizing the position / posture. And a "dynamic system in which mass is concentrated at the body, left knee position, right knee position, left foot position, and right foot position" that models the legged robot from the data group. Means for calculating a target torque of a joint of the legged robot, means for calculating a target rotation amount of each joint necessary for realizing the position and orientation from the data group, and the calculated target rotation Means for adjusting the command torque applied to the motor of the actuator based on the detected amount and the deviation of the detected actual rotation amount, and the adjusting means adds the calculated target torque to the command torque. is there.
このように、実回転量を目標回転量に一致するようにフィードバック制御する際に、その操作量であるトルク指令値に対して、計算された目標トルクをフィードフォワードトルクとして入力(加算)することで、制御ゲインを小さくした場合においても、目標回転量の追従性を良好に維持することができる。尚、歩容データの作成に際しては、左足平姿勢を示すベクトルと、右足平姿勢を示すベクトルを入力することが多いが、後記するように、足平姿勢の変化パターンを規格化することができ、左足平姿勢ベクトルと右足平姿勢ベクトルの入力は不可欠でない。 In this way, when feedback control is performed so that the actual rotation amount matches the target rotation amount, the calculated target torque is input (added) to the torque command value that is the operation amount as feedforward torque. Thus, even when the control gain is reduced, the followability of the target rotation amount can be maintained satisfactorily. When creating gait data, a vector indicating the left foot posture and a vector indicating the right foot posture are often input. However, as will be described later, the foot posture change pattern can be standardized. The input of the left foot posture vector and the right foot posture vector is not indispensable.
本発明に係る脚式ロボットの他の態様は、脚式ロボットの、左足平位置姿勢と右足平位置姿勢と体幹位置姿勢を示すデータと、前記位置姿勢を実現する体幹位置を示すデータを入力して記憶する手段と、前記データ群から、前記脚式ロボットをモデル化した「胴体と左膝位置と右膝位置と左足平近傍位置と右足平近傍位置に質量が集中して存在する力学系」を用いて、前記脚式ロボットの関節の目標トルクを計算する手段と、前記データ群から、前記位置姿勢を実現するのに必要な各関節の目標回転量を計算する手段と、計算された前記目標回転量と、検出される実回転量の偏差とに基づいて、アクチュエータのモータに加える指令トルクを調整する手段と、前記アクチュエータの実トルクを検出する手段と、計算された前記目標トルクと前記指令トルクを比較するか、又は計算された前記目標トルクと検出された前記実トルクを比較する手段と、比較結果に基づいて、前記アクチュエータの摩擦特性値を推定する手段を備えるものである。 In another aspect of the legged robot according to the present invention, data indicating a left foot position / posture, a right foot position / posture, and a trunk position / posture of the legged robot, and data indicating a trunk position that realizes the position / posture are provided. "Mechanism in which mass is concentrated at the body, left knee position, right knee position, left foot position, and right foot position" Means for calculating a target torque of a joint of the legged robot using a system, and means for calculating a target rotation amount of each joint necessary to realize the position and orientation from the data group. Further, a means for adjusting a command torque applied to the motor of the actuator based on the target rotation amount and a deviation of the detected actual rotation amount, a means for detecting the actual torque of the actuator, and the calculated target torque And before It means for comparing whether Compare command torque, or calculated the actual torque which the detected and target torque, based on the comparison result, in which comprises means for estimating the frictional characteristic value of the actuator.
これにより、時間経過、温度変化、オーバーホールなどによって摩擦特性が変化した場合においても、摩擦特性値の同定を任意のタイミングで実施することで、計算される目標トルクの精度を良好に維持することができる。 As a result, even when the friction characteristics change due to the passage of time, temperature change, overhaul, etc., the accuracy of the calculated target torque can be maintained satisfactorily by identifying the friction characteristic values at any timing. it can.
また、前記比較手段が、遊脚時におけるトルクデータを用いて比較を行うようにしてもよい。遊脚時におけるトルクデータは、床からの反力を受けず、摩擦や慣性の成分が顕著なものとなるため、摩擦特性値をより容易に推定することができるからである。 The comparison means may perform comparison using torque data at the time of a free leg. This is because the torque data at the time of the free leg does not receive the reaction force from the floor, and the friction and inertia components become remarkable, so that the friction characteristic value can be estimated more easily.
本発明に係る脚式ロボットの他の態様は、脚式ロボットの部位の剛性を局所的に低減させ、前記低剛性部位がバネ要素として作用する脚式ロボットであって、前記脚式ロボットの、左足平位置姿勢と右足平位置姿勢と体幹位置姿勢を示すデータと、前記位置姿勢を実現する体幹位置を示すデータを入力して記憶する手段と、前記データ群から、前記脚式ロボットをモデル化した「胴体と左膝位置と右膝位置と左足平近傍位置と右足平近傍位置に質量が集中して存在する力学系」を用いて、前記脚式ロボットの関節の目標トルクを計算する手段と、前記データ群から、前記位置姿勢を実現するのに必要な各関節の目標回転量を計算する手段と、計算された前記目標回転量と、検出される実回転量の偏差とに基づいて、アクチュエータのモータに加える指令トルクを調整する手段と、前記アクチュエータの実トルクを検出する手段と、計算された前記目標トルクと検出された前記実トルクの偏差と、前記バネ要素のバネ定数とに基づいて、前記低剛性部位を駆動するアクチュエータの前記目標回転量を補正するのに必要な補正量を計算する手段と、前記調整手段が、計算された前記補正量を前記目標回転量に加算するものである。 Another aspect of the legged robot according to the present invention is a legged robot in which the rigidity of a part of the legged robot is locally reduced, and the low-rigidity part acts as a spring element, Means for inputting and storing data indicating left foot position / posture, right foot position / posture and trunk position / posture, data indicating the trunk position realizing the position / posture, and the legged robot from the data group; Calculate the target torque of the joint of the legged robot using the modeled "dynamic system with mass concentrated at the torso, left knee position, right knee position, left foot position and right foot position" Means, a means for calculating a target rotation amount of each joint necessary to realize the position and orientation from the data group, a calculated target rotation amount, and a deviation of the detected actual rotation amount. The actuator motor On the basis of the calculated target torque, the deviation of the detected actual torque, and the spring constant of the spring element. Means for calculating a correction amount necessary for correcting the target rotation amount of the actuator that drives the rigid portion, and the adjustment means add the calculated correction amount to the target rotation amount.
このように、低剛性部位の撓み分を、目標トルクと実トルクの関係から関節角度レベルで補正することで、低剛性部位による衝撃吸収効果を損ねることなく、重心の位置追従性を改善することができる。 In this way, by correcting the deflection of the low-rigidity part at the joint angle level based on the relationship between the target torque and the actual torque, the position followability of the center of gravity can be improved without impairing the impact absorption effect of the low-rigidity part. Can do.
また、前記脚式ロボットの足裏部が前記バネ要素として作用するようにしてもよい。さらにまた、前記アクチュエータの減速機が前記バネ要素として作用するようにしてもよい。また、前記低剛性部位を駆動するアクチュエータが前記脚式ロボットの足首関節を駆動するアクチュエータであるようにしてもよい。 Further, the foot sole portion of the legged robot may act as the spring element. Furthermore, a reduction gear of the actuator may act as the spring element. The actuator that drives the low rigidity portion may be an actuator that drives an ankle joint of the legged robot.
さらにまた、前記指令トルクに対するリミット値を設定して記憶する手段と、前記指令トルクと前記リミット値とを比較して、前記指令トルクが前記リミット値を超えた場合に、前記リミット値に応じた駆動信号を前記アクチュエータのモータに出力する手段を更に備えるようにしてもよい。指令トルクにリミット値を設定することで、関節部に過大なトルクが発生することを防止し、且つ、足平が床から剥がれることを防止することができるからである。 Furthermore, the means for setting and storing a limit value for the command torque is compared with the command torque and the limit value, and when the command torque exceeds the limit value, the limit value is determined. A means for outputting a drive signal to the motor of the actuator may further be provided. This is because, by setting a limit value for the command torque, it is possible to prevent excessive torque from being generated in the joint portion and to prevent the foot from being peeled off the floor.
また、立脚時における前記脚式ロボットの足裏部において、ZMPを許容可能な許容範囲を計算し、計算された前記許容範囲に基づいて、前記指令トルクに対するリミット値を設定するようにしてもよい。 Further, an allowable range in which ZMP can be allowed is calculated at the sole portion of the legged robot at the time of standing, and a limit value for the command torque may be set based on the calculated allowable range. .
さらにまた、前記目標トルク計算手段が、前記データ群から、前記位置姿勢を実現するのに必要な各関節の目標回転量を計算する手段と、前記脚式ロボットをモデル化した「胴体と左膝位置と右膝位置と左足平近傍位置と右足平近傍位置に質量が集中して存在する力学系」を用いて、計算された各関節の前記目標回転量の時間的変化から各質点の位置及び加速度を計算して、前記脚式ロボットの関節の目標トルクを計算する手段を備えるようにしてもよい。 Furthermore, the target torque calculation means calculates from the data group a means for calculating a target rotation amount of each joint necessary for realizing the position and orientation, and “a trunk and a left knee modeled on the legged robot” Position, right knee position, left foot vicinity position, and right foot position near the position of the mass point from the temporal change of the target rotation amount calculated for each joint A means for calculating acceleration and calculating a target torque of the joint of the legged robot may be provided.
また、前記脚式ロボットの脚部が立脚である場合には、前記立脚の注目する関節からそのつま先方向に存在する質点を除いた他の質点を用いて、前記注目関節の目標トルクを計算するようにしてもよい。 Further, when the leg portion of the legged robot is a standing leg, the target torque of the target joint is calculated using another mass point excluding the mass point existing in the toe direction from the target joint of the standing leg. You may do it.
さらにまた、前記脚式ロボットの脚部が遊脚である場合には、前記遊脚の注目する関節からそのつま先方向に存在する質点を用いて、前記注目関節の目標トルクを計算するようにしてもよい。 Furthermore, when the leg portion of the legged robot is a free leg, the target torque of the target joint is calculated using the material point existing in the toe direction from the target joint of the free leg. Also good.
また、前記脚式ロボットが空中に浮いている空中相である場合には、前記脚部の注目する関節からそのつま先方向に存在する質点を用いて、前記注目関節の目標トルクを計算するようにしてもよい。 Further, when the legged robot is in an aerial phase floating in the air, the target torque of the target joint is calculated using a mass point existing in the toe direction from the target joint of the leg. May be.
さらにまた、前記アクチュエータを駆動可能な所定値を設定して記憶する手段と、前記目標トルクと前記所定値とを比較して、前記目標トルクが前記所定値を超えた場合に、前記目標トルクを前記所定値に変更する手段を更に備えるようにしてもよい。 Furthermore, the means for setting and storing a predetermined value capable of driving the actuator and the target torque are compared with the predetermined value, and the target torque is calculated when the target torque exceeds the predetermined value. You may make it further provide the means to change to the said predetermined value.
また、前記アクチュエータが駆動可能な最大トルク値を前記所定値として設定するようにしてもよい。 Further, a maximum torque value that can be driven by the actuator may be set as the predetermined value.
さらにまた、前記目標トルク計算手段が、前記データ群から、左膝位置と右膝位置を示すデータを計算する手段と、胴体と前記左膝位置と前記右膝位置と前記左足平近傍位置と前記右足平近傍位置に質量が集中して存在する力学系と、前記左足平位置姿勢と前記右足平位置姿勢と前記体幹位置と前記体幹位置姿勢と前記左膝位置と前記右膝位置を示すデータから、前記脚式ロボットの関節の目標トルクを計算する手段を備えるようにしてもよい。この目標トルク計算では、ロボットの寸法データから幾何学的に計算することができるため、各関節の関節角を算出するよりもはるかに少ない計算量で済ませることができる。ロボットの位置と姿勢と運動状態から目標トルクを計算するにあたって、従来の「12関節13リンク」という複雑な力学系を用いず、代わって胴体と左膝位置と右膝位置と左足平近傍位置と右足平近傍位置に質量が集中して存在する力学系を用いる。集中した質量が上記位置に存在するとした力学系を用いることによって、ロボットの目標トルクを少ない計算量で正確に計算できる。従って、少ない計算量で精度良く目標トルクを計算することができる。 Further, the target torque calculating means calculates data indicating the left knee position and the right knee position from the data group, the torso, the left knee position, the right knee position, the position near the left foot, and the A dynamic system in which mass is concentrated in the vicinity of the right foot, the left foot position / posture, the right foot position / posture, the trunk position, the trunk position / posture, the left knee position, and the right knee position. A means for calculating a target torque of the joint of the legged robot from the data may be provided. In this target torque calculation, since it can be calculated geometrically from the dimension data of the robot, the calculation amount can be much less than the calculation of the joint angle of each joint. In calculating the target torque from the position, posture, and motion state of the robot, instead of using the conventional complex system of “12 joints 13 links”, the body, left knee position, right knee position, and left foot position A dynamic system in which mass is concentrated near the right foot is used. By using a dynamic system in which concentrated mass exists at the above position, the target torque of the robot can be accurately calculated with a small amount of calculation. Therefore, the target torque can be calculated accurately with a small amount of calculation.
また、前記目標トルク計算手段で利用する力学系が、胴体と左膝位置と右膝位置と左足平近傍位置と右足平近傍位置と体幹下部基準点と体幹上部基準点に質量が集中して存在する力学系であるようにしてもよい。このように、目標トルクを計算する際には、胴体と左膝位置と右膝位置と左足平近傍位置と右足平近傍位置と体幹下部基準点と体幹上部基準点に質量が集中して存在する6質点の力学系を用いて、目標トルクを示すデータを計算することが好ましい。体幹に対して1つの質点を与える力学系を用いることが可能であり、体幹下部基準点と体幹上部基準点に分けることが必ずしも必要ではないが、体幹下部基準点と体幹上部基準点に分けることによって体幹位置姿勢を正確に反映することができるために、目標トルクの計算精度が向上する。 Further, the dynamic system used in the target torque calculating means concentrates the mass on the trunk, left knee position, right knee position, left foot vicinity position, right foot vicinity position, trunk lower reference point, and trunk upper reference point. The dynamic system may exist. Thus, when calculating the target torque, mass is concentrated on the trunk, left knee position, right knee position, left foot vicinity position, right foot vicinity position, trunk lower reference point, and trunk upper reference point. It is preferable to calculate data indicating the target torque using an existing six-mass dynamic system. It is possible to use a dynamic system that gives one mass point to the trunk, and it is not always necessary to divide it into a lower trunk reference point and an upper trunk reference point, but a lower trunk reference point and an upper trunk Since the trunk position / posture can be accurately reflected by dividing the reference points, the calculation accuracy of the target torque is improved.
さらにまた、前記力学系が、左足平近傍位置に左脛下半分質量と左足首質量と左足平質量の合計質量が集中して存在し、右足平近傍位置に右脛下半分質量と右足首質量と右足平質量の合計質量が集中して存在し、左膝位置に左脛上半分質量と左膝関節質量と左腿下半分質量の合計質量が集中して存在し、右膝位置に右脛上半分質量と右膝関節質量と右腿下半分質量の合計質量が集中して存在し、体幹下部基準点に左腿上半分質量と左股関節質量と右腿上半分質量と右股関節質量と体幹下半分質量の合計質量が集中して存在し、体幹上部基準点に体幹上半分質量が集中して存在する力学系であるようにしてもよい。図2に模式的に示すように、左足平近傍位置に、左脛下半分324の質量と左足首322の質量と左足平320の質量の合計質量M1が集中して存在し、右足平近傍位置に、右脛下半分340の質量と右足首338の質量と右足平336の質量の合計質量M3が集中して存在し、左膝位置に、左脛上半分326の質量と左膝関節328の質量と左腿下半分330の質量の合計質量M2が集中して存在し、右膝位置に、右脛上半分342の質量と右膝関節344の質量と右腿下半分346の質量の合計質量M4が集中して存在し、体幹下部基準点に、左腿上半分332の質量と左股関節334の質量と右腿上半分348の質量と右股関節350の質量と体幹下半分352の質量の合計質量M5が集中して存在し、体幹上部基準点に、体幹上半分354の質量M6が集中して存在する力学系を用いて、目標トルクを示すデータを計算することが好ましい。この力学系は、簡単でありながらロボットを精度よくモデル化しており、計算の簡単化を損ねることなく目標トルクの計算精度を向上させる。
Furthermore, the dynamic system is such that the total mass of the left shin lower half mass, the left ankle mass, and the left foot mass is concentrated at a position near the left foot, and the right shin lower half mass and the right ankle mass are located near the right foot. And the total mass of the right foot mass is concentrated, the total mass of the upper left shin, the mass of the left knee joint and the mass of the lower left thigh are concentrated at the left knee position, and the right shin is positioned at the right knee position. The total mass of the upper half mass, right knee joint mass, and right lower leg half mass is concentrated, and the upper left thigh mass, left hip mass, right upper thigh mass, and right hip mass are The dynamic mass system may be configured such that the total mass of the lower half of the trunk is concentrated and the upper half of the trunk is concentrated at the upper reference point. As schematically shown in FIG. 2, the total mass M1 of the mass of the left
また、体幹下部基準点と体幹上部基準点の高さが、水平軸回りの体幹の慣性モーメントの大きさを維持する高さに設定されているようにしてもよい。特に、体幹下部基準点と体幹上部基準点の高さが、水平軸回りの体幹の慣性モーメントの大きさを維持する高さに設定されていることが好ましい。体幹は質量が大きく、目標トルクの計算にあたって慣性モーメントを加味することが好ましい。特に、垂直軸回りの慣性に比して水平軸回りの慣性が目標トルクに大きく影響する。体幹下部基準点と体幹上部基準点の高さが、水平軸回りの体幹の慣性モーメントの大きさを維持する高さ、即ち、体幹の実際の慣性モーメントをもたらす高さに設定されていると、水平軸回りの体幹の慣性モーメントを正確に考慮して目標トルクを計算することができる。 Further, the height of the trunk lower reference point and the trunk upper reference point may be set to a height that maintains the magnitude of the trunk inertia moment around the horizontal axis. In particular, the heights of the lower trunk reference point and the upper trunk reference point are preferably set to a height that maintains the magnitude of the trunk inertia moment about the horizontal axis. The trunk has a large mass, and it is preferable to consider the moment of inertia in calculating the target torque. In particular, the inertia around the horizontal axis greatly affects the target torque as compared to the inertia around the vertical axis. The height of the lower trunk reference point and upper trunk reference point is set to a height that maintains the magnitude of the trunk inertia moment around the horizontal axis, that is, the height that provides the actual trunk inertia moment. Therefore, the target torque can be calculated in consideration of the moment of inertia of the trunk around the horizontal axis.
本発明に係る脚式ロボットの制御方法は、脚式ロボットをモデル化した「胴体と左膝位置と右膝位置と左足平近傍位置と右足平近傍位置に質量が集中して存在する力学系」を用いて、前記脚式ロボットの関節の目標トルクを計算するステップと、前記脚式ロボットの位置姿勢を実現するのに必要な各関節の目標回転量を計算するステップと、計算された前記目標回転量と、検出される実回転量の偏差とに基づいて、アクチュエータのモータに加える指令トルクを調整するステップを備え、前記調整ステップでは、計算された前記目標トルクを前記指令トルクに加算するものである。 The control method of the legged robot according to the present invention is a model of the legged robot "dynamic system in which mass is concentrated at the body, the left knee position, the right knee position, the position near the left foot, and the position near the right foot" A step of calculating a target torque of a joint of the legged robot, a step of calculating a target rotation amount of each joint necessary for realizing the position and orientation of the legged robot, and the calculated target A step of adjusting a command torque to be applied to the motor of the actuator based on a rotation amount and a detected deviation of the actual rotation amount, and in the adjustment step, the calculated target torque is added to the command torque It is.
また、本発明に係る脚式ロボットの制御方法の他の態様は、脚式ロボットをモデル化した「胴体と左膝位置と右膝位置と左足平近傍位置と右足平近傍位置に質量が集中して存在する力学系」を用いて、前記脚式ロボットの関節の目標トルクを計算するステップと、前記脚式ロボットの位置姿勢を実現するのに必要な各関節の目標回転量を計算するステップと、計算された前記目標回転量と、検出される実回転量の偏差とに基づいて、アクチュエータのモータに加える指令トルクを調整するステップと、計算された前記目標トルクと前記指令トルクを比較するか、又は計算された前記目標トルクと検出される実トルクを比較するステップと、比較結果に基づいて、前記アクチュエータの摩擦特性値を推定するステップを備えるものである。 Further, another aspect of the legged robot control method according to the present invention is a model of a legged robot. “Mass is concentrated on the body, left knee position, right knee position, left foot vicinity position, and right foot position. Calculating the target torque of the joint of the legged robot using the existing dynamic system, and calculating the target rotation amount of each joint necessary to realize the position and orientation of the legged robot; Adjusting the command torque to be applied to the motor of the actuator based on the calculated target rotation amount and the detected deviation of the actual rotation amount, and comparing the calculated target torque with the command torque Or comparing the calculated target torque with the detected actual torque, and estimating a friction characteristic value of the actuator based on the comparison result.
さらにまた、本発明に係る脚式ロボットの制御方法の他の態様は、脚式ロボットの部位の剛性を局所的に低減させ、前記低剛性部位がバネ要素として作用する脚式ロボットの制御方法であって、前記脚式ロボットをモデル化した「胴体と左膝位置と右膝位置と左足平近傍位置と右足平近傍位置に質量が集中して存在する力学系」を用いて、前記脚式ロボットの関節の目標トルクを計算するステップと、前記脚式ロボットの位置姿勢を実現するのに必要な各関節の目標回転量を計算するステップと、計算された前記目標回転量と、検出される実回転量の偏差とに基づいて、アクチュエータのモータに加える指令トルクを調整するステップと、計算された前記目標トルクと検出される実トルクの偏差と、前記バネ要素のバネ定数とに基づいて、前記低剛性部位を駆動するアクチュエータの前記目標回転量を補正するのに必要な補正量を計算するステップと、前記調整ステップでは、計算された前記補正量を前記目標回転量に加算するものである。 Furthermore, another aspect of the legged robot control method according to the present invention is a legged robot control method in which the rigidity of a part of the legged robot is locally reduced and the low rigidity part acts as a spring element. The legged robot is modeled using the “dynamic system in which mass is concentrated at the body, left knee position, right knee position, left foot vicinity position, and right foot position”. Calculating a target torque of each joint, calculating a target rotation amount of each joint necessary to realize the position and orientation of the legged robot, the calculated target rotation amount, and the detected actual amount Based on the rotation amount deviation, the step of adjusting the command torque applied to the motor of the actuator, the calculated target torque, the deviation of the detected actual torque, and the spring constant of the spring element, Calculating a correction amount required to correct the target rotation amount of the actuator for driving the low-rigidity portion, the adjustment step is a calculated said correction amount intended to be added to the target rotation amount.
本発明によれば、軌道の追従性を良好に維持することで安定して歩行/走行動作を実現可能な脚式ロボット、及びその制御方法を提供することを目的とする。
即ち、本発明は、制御ゲインを小さくした場合においても、軌道の追従性を良好に維持することができる脚式ロボット、及びその制御方法を提供することを第一の目的とする。
また、本発明は、時間経過などによって摩擦特性が変化した場合においても、摩擦特性値の同定を任意のタイミングで実施することで、計算される目標トルクの精度を良好に維持することができる脚式ロボット、及びその制御方法を提供することを第二の目的とする。
さらにまた、本発明は、低剛性部位による衝撃吸収効果を損ねることなく、重心の位置追従性を改善することができる脚式ロボット、及びその制御方法を提供することを第三の目的とする。
According to the present invention, it is an object of the present invention to provide a legged robot capable of stably realizing walking / running operation by maintaining good track followability, and a control method thereof.
That is, the first object of the present invention is to provide a legged robot that can maintain good track followability even when the control gain is reduced, and a control method therefor.
In addition, the present invention provides a leg that can maintain the accuracy of the calculated target torque satisfactorily by identifying the friction characteristic value at an arbitrary timing even when the friction characteristic changes over time. A second object of the present invention is to provide a robot and its control method.
Furthermore, a third object of the present invention is to provide a legged robot capable of improving the position followability of the center of gravity without impairing the impact absorbing effect by the low rigidity portion, and a control method thereof.
以下に説明する本発明に係る脚式ロボットについて、その主な特徴を最初に説明する。図1は、本発明に係る脚式ロボットの主要な特徴を示す制御ブロック図である。図1に示すように、本発明に係る脚式ロボットは、アクチュエータのモータ8を駆動して移動する。脚式ロボットのモータドライバ6は、各関節に与える目標トルクデータ及び目標関節角度データに基づいて、モータ8を駆動する。
The main features of the legged robot according to the present invention described below will be described first. FIG. 1 is a control block diagram showing main features of a legged robot according to the present invention. As shown in FIG. 1, the legged robot according to the present invention moves by driving an
より詳細には、脚式ロボットは、左足平位置姿勢と右足平位置姿勢と体幹位置姿勢を示すデータと、その位置姿勢を実現する体幹位置を示すデータを入力して記憶する。そして、データ群から、脚式ロボットをモデル化した「胴体と左膝位置と右膝位置と左足平近傍位置と右足平近傍位置に質量が集中して存在する力学系」を用いて、脚式ロボットの関節の目標トルクを計算する。また、脚式ロボットは、データ群から、位置姿勢を実現するのに必要な各関節の目標回転量を計算する。目標回転量として、例えば、目標関節角度を計算する。尚、上述した力学系を用いて、関節の目標トルク及び目標関節角度を計算する方法については後述する。 More specifically, the legged robot inputs and stores data indicating the left foot position / posture, right foot position / posture, and trunk position / posture, and data indicating the trunk position that realizes the position / posture. Then, from the data group, a legged robot was modeled using a "dynamic system in which mass is concentrated at the torso, left knee position, right knee position, left foot position, and right foot position". Calculate the target torque of the robot joint. Further, the legged robot calculates the target rotation amount of each joint necessary to realize the position and orientation from the data group. For example, a target joint angle is calculated as the target rotation amount. A method for calculating the target torque and target joint angle of the joint using the dynamic system described above will be described later.
実施の形態1に係る脚式ロボットは、計算された目標回転量と、検出される実回転量の偏差(62、64)とに基づいて、アクチュエータのモータ8に加える指令トルクを調整する。ここで、計算された目標トルクを指令トルクに加算(66)することを特徴とする。尚、実回転量として、例えば、実角度や実角速度が検出される。これらの実回転量はエンコーダ10等により検出される。
The legged robot according to the first embodiment adjusts the command torque to be applied to the
実施の形態2に係る脚式ロボットは、アクチュエータの実トルクを検出する。実トルクは、モータ8に通電する電流計12等により検出する。そして、計算された目標トルクと指令トルクを比較するか、又は計算された目標トルクと検出された実トルクを比較する。脚式ロボットは、比較結果に基づいて、アクチュエータの摩擦特性値を推定する。
The legged robot according to the second embodiment detects the actual torque of the actuator. The actual torque is detected by an
実施の形態3に係る脚式ロボットは、脚式ロボットの部位の剛性を局所的に低減させ、低剛性部位がバネ要素として作用する脚式ロボットである。脚式ロボットは、計算された目標トルクと検出された実トルクの偏差(68)と、バネ要素のバネ定数とに基づいて、低剛性部位を駆動するアクチュエータの目標回転量を補正するのに必要な補正量を計算する。ここで、補正量を目標回転量に加算(70)することを特徴とする。 The legged robot according to the third embodiment is a legged robot in which the rigidity of the part of the legged robot is locally reduced and the low-rigidity part acts as a spring element. The legged robot is required to correct the target rotation amount of the actuator that drives the low rigidity portion based on the deviation (68) between the calculated target torque and the detected actual torque and the spring constant of the spring element. Calculate the correct correction amount. Here, the correction amount is added to the target rotation amount (70).
実施の形態4に係る脚式ロボットは、指令トルクに対するリミット値を設定して記憶する。そして、脚式ロボットは、指令トルクとリミット値とを比較して、指令トルクがリミット値を超えた場合に、リミット値に応じた駆動信号をアクチュエータのモータ8に出力(72)する。
The legged robot according to the fourth embodiment sets and stores a limit value for the command torque. Then, the legged robot compares the command torque with the limit value, and when the command torque exceeds the limit value, outputs (72) a drive signal corresponding to the limit value to the
実施の形態5に係るロボットは、アクチュエータを駆動可能な所定値を予め設定して記憶しておき、目標トルクとその所定値とを比較して、目標トルクが所定値を超えた場合には、目標トルクを所定値に変更する。 The robot according to the fifth embodiment presets and stores a predetermined value that can drive the actuator, compares the target torque with the predetermined value, and if the target torque exceeds the predetermined value, The target torque is changed to a predetermined value.
本発明によれば、軌道の追従性を良好に維持することで安定して歩行/走行を実現することができる。特に、従来技術と比して、サーボの追従性と、着地時の衝撃緩和という点に優位性を有するものである。また、本発明では、軌道の追従性を高めるため、図2に示す力学系を用いて目標トルクを計算する。このような単純な力学系を用いることで、短時間で軌道及び目標トルクを計算することができる。 According to the present invention, walking / running can be realized stably by maintaining good trackability. In particular, it is superior to the prior art in terms of servo follow-up and impact mitigation at landing. Further, in the present invention, the target torque is calculated using the dynamic system shown in FIG. By using such a simple dynamic system, the trajectory and the target torque can be calculated in a short time.
続いて、関節の目標トルク及び目標関節角度を計算する方法について説明する。図3を参照して、2足歩行ロボットが2足で歩行するために必要とする制御用データ(歩容データ)の作成方法を説明する。この歩容データ作成装置290は、2足歩行ロボットを実際に歩行させるのに先立って用いられ、2足歩行ロボットを実際に歩行させるために必要な制御用データを作成する。この歩容データ作成装置290で作成された歩容データは、2足歩行ロボットに伝達される。2足歩行ロボットは、伝達された歩容データに従って動作することによって歩行する。歩容データ作成装置290は、十分に高速に歩容データを作成することができ、実質上リアルタイムで歩容データを作成することができる。歩行ロボットが歩行している様子を見ながら、人がジョイスティック等を使って次の一歩の足の運びを指定してから、次の一歩を実際に実施するまでの短時間の間に、次の一歩のための歩容データを作成することができるために、実質的にはリアルタイムで歩容データを作成することができる。
Next, a method for calculating the target torque and target joint angle of the joint will be described. A method for creating control data (gait data) necessary for a biped robot to walk with two legs will be described with reference to FIG. This gait
オペレータが、歩行指令データ(歩容データ)作成装置290に、歩行ロボットを歩行させたいコース等のデータを入力する。具体的には、図3の左下の(A)に示される、5個のベクトルと1個のスカラ量を入力する。ベクトルCは左足平位置ベクトルであり、座標原点Oから見たロボットの左足平位置を示す。ベクトルDは左足平姿勢ベクトルであり、左足平の向きを示す。ベクトルEは右足平位置ベクトルであり、座標原点Oから見たロボットの右足平位置を示す。ベクトルFは右足平姿勢ベクトルであり、右足平の向きを示す。ベクトルRは体幹姿勢ベクトルであり、ロボットの体幹の向きを示す。人間の背骨に相当する部材が伸びる方向を示す。ロボットの胴部が腰部(下胴部)と上胴部に分離されている場合には、腰部が体幹に相当し、体幹姿勢ベクトルRは腰部に垂直な方向を定義する。Qは、体幹高さであり、人間で言う腰位置の高さに相当する。オペレータは、これらの5種のベクトルと1種のスカラ量を時系列に従って次々に入力する。尚、このためのデータ入力支援ソフトが開発されており、主要タイミングでのデータを指定することで、時系列での中間データが補完計算されるようになっている。また、一歩分の入力データを繰り返して利用するように指示することで、入力量を低減することができる。
The operator inputs data such as a course that the walking robot wants to walk into the walking command data (gait data)
また、オペレータがジョイスティック等で歩行コースや歩行速度等を指示することもある。一歩分の標準的な足平姿勢ベクトルの変化パターンと体幹姿勢ベクトルの変化パターンと体幹高さの変化パターンを記憶しておくと、オペレータがジョイスティック等で歩行コースや歩行速度を指示するによって、一歩分の5種ベクトルC(t),D(t),E(t),F(t),R(t)と1種スカラ量Q(t)を生成して記憶することができる。歩容データを作成するのに必要な5種のベクトルC(t),D(t),E(t),F(t),R(t)と1の種スカラ量Q(t)は、歩容データ作成装置290に入力されて記憶装置292に記憶される。
In addition, the operator may instruct the walking course, walking speed, etc. with a joystick or the like. By storing the standard foot posture vector change pattern, trunk posture vector change pattern, and trunk height change pattern for one step, the operator can specify the walking course and walking speed with a joystick, etc. The one-step five-type vector C (t), D (t), E (t), F (t), R (t) and one-type scalar quantity Q (t) can be generated and stored. Five types of vectors C (t), D (t), E (t), F (t), R (t) and a seed scalar quantity Q (t) of 1 necessary for creating gait data are: The data is input to the gait
オペレータは、更に、目標ZMP位置ベクトルを時系列に従って入力する。この場合、ベクトルC乃至Fによって、左足接地状態・両足接地状態・右足接地状態の別がわかっていることから、左足接地状態では左足接地面内の位置を指定し、右足接地状態では右足接地面内の位置を指定する。ベクトルC乃至Fを用いることによって、目標ZMP位置ベクトル(ZMP*ベクトル)を指定することができる。歩行時に観測される実際ZMPが目標ZMPに一致するように制御することによって、ロボットは転倒しないで歩行することが可能となる。 The operator further inputs a target ZMP position vector according to a time series. In this case, since the distinction between the left foot contact state, the two foot contact state, and the right foot contact state is known from the vectors C to F, the position in the left foot contact surface is specified in the left foot contact state, and the right foot contact surface in the right foot contact state. Specify the position within. By using the vectors C to F, a target ZMP position vector (ZMP * vector) can be designated. By controlling so that the actual ZMP observed at the time of walking coincides with the target ZMP, the robot can walk without falling down.
図3に示す歩容データ作成装置290は、オペレータが入力した5種のベクトルと1種のスカラ量に基づいて、実際に生じるであろうZMPを計算して目標ZMPとの偏差を求め、そのZMP偏差から目標ZMPをもたらす体幹位置ベクトルPを計算して歩容データを作成する。更に、歩容データ作成装置290は、オペレータが入力した5種のベクトルと1種のスカラ量に基づいて、各関節の目標トルクを計算して歩容データを作成する。手段294は、5種のベクトルと1種のスカラ量で定義されるロボットの位置と姿勢を実現する一つの体幹位置を示すデータを生成する。5種のベクトルと1種のスカラ量で定義されるロボットの位置と姿勢を実現する体幹位置は複数存在するので一意に決定することができない。ここでは任意の一個を採用する。体幹位置ベクトルPを生成すると、6種のベクトルC,D,E,F,P,Rが揃うので、ロボットの位置と姿勢が一意に決定される。
The gait
ここで用いる体幹ベクトルPは、仮に用いられるものであり、後述する手段310によって補正されるので、ラフなものでよい。人が指定して歩容データ作成装置290に入力して記憶してもよいし、歩容データ作成装置290で生成してもよい。
The trunk vector P used here is temporarily used and is corrected by the
体幹位置ベクトルPに対する、体幹姿勢ベクトルRや足先位置ベクトルC,Eや足先姿勢ベクトルD,Fや体幹高さQや目標ZMPベクトルの変化パターンを規格化しておくことができる。一歩分の変化パターンが規格化されていれば、人が体幹位置ベクトルPを指定することによって、歩容データ作成装置290が必要とする5種のベクトルと1種のスカラ量を入力することができる。体幹位置ベクトルPはジョイスティック等を利用して指定することができる。歩行するロボットを観測しながらジョイスティック等を操作して体幹位置ベクトルPをリアルタイムで入力することが可能である。体幹位置ベクトルPをリアルタイムで入力することができ、歩容データ作成装置290が必要とする5種のベクトルと1個のスカラ量をリアルタイムで入力することができ、歩容デー作成装置290がリアルタイムの制御に間に合うほど高速に歩容データを作成できれば、2足歩行ロボットの歩行をリアルタイムで指定することができる。
The trunk posture vector R, the toe position vectors C and E, the toe posture vectors D and F, the trunk height Q, and the target ZMP vector can be standardized with respect to the trunk position vector P. If the change pattern for one step is standardized, the person inputs the five types of vectors and one type of scalar required by the gait
体幹の位置Pと姿勢Rが決定されれば、左右の股関節の位置が決定する。左足平位置Cと左足平姿勢Dが決定されれば、左足首の位置が決定する。左股関節の位置と左足首の位置が決定されれば、左膝の位置Gが決定される。左腿の長さと左脛の長さが既知であり、左膝関節の回転自由度が1自由度しかないことから、左股関節の位置と左足首の位置が決まれば左膝の位置Gが一意に決定される。同様に、右足平位置Eと右足平姿勢Fから、右足首の位置が決定する。右股関節の位置と右足首の位置から、右膝の位置Hが決定される。手段296は、上記の幾何学的関係を利用して、左膝位置ベクトルGと右膝位置ベクトルHを計算する。手段298では、ロボットのZMP位置を計算する。ここでは、図2に示した6質点系モデルを用いる。
If the trunk position P and posture R are determined, the positions of the left and right hip joints are determined. If the left foot position C and the left foot posture D are determined, the position of the left ankle is determined. If the position of the left hip joint and the position of the left ankle are determined, the position G of the left knee is determined. Since the length of the left thigh and the length of the left shin are known and the left knee joint has only one degree of freedom of rotation, the position of the left knee is unique if the position of the left hip joint and the position of the left ankle are determined. To be determined. Similarly, the position of the right ankle is determined from the right foot position E and the right foot posture F. The right knee position H is determined from the position of the right hip joint and the position of the right ankle. The means 296 calculates the left knee position vector G and the right knee position vector H using the above geometric relationship. In
6質点を持つ力学系では、左足平近傍位置に、左脛下半分324の質量と左足首322の質量と左足平320の質量の合計質量M1が集中して存在する。右足平近傍位置に、右脛下半分340の質量と右足首338の質量と右足平336の質量の合計質量M3が集中して存在する。左膝位置に、左脛上半分326の質量と左膝関節328の質量と左腿下半分330の質量の合計質量M2が集中して存在する。右膝位置に、右脛上半分342の質量と右膝関節344の質量と右腿下半分346の質量の合計質量M4が集中して存在する。体幹下部基準点に、左腿上半分332の質量と左股関節334の質量と右腿上半分348の質量と右股関節350の質量と体幹下半分352の質量の合計質量M5が集中して存在する。体幹上部基準点に、体幹上半分354の質量M6が集中して存在するものとする。
In the dynamic system having six mass points, the total mass M1 of the mass of the lower
質点M1の位置は、左足平近傍位置にあればよく、左足首関節位置からずれていてもよく、左足平位置ベクトルCの終点からずれていてもよい。質点M3の位置は、右足平近傍位置にあればよく、右足首関節位置からずれていてもよく、右足平位置ベクトルEの終点からずれていてもよい。これに対し、質点M2の位置は、左膝関節位置にあるとするのが極めて効果的であり、左膝関節位置に質量が集中して存在しているとすることによって、ZMP位置の計算が極めて簡単化され、体幹位置の補正量の計算が極めて簡単化される。同様に、質点M4の位置は、右膝関節位置にあるとするのが極めて効果的である。質点M5とM6は人間の背骨上に存在している。その高さは、集中質量M5とM6を用いて体幹の水平軸回りの慣性モーメントを計算した値と、実際の体幹の水平軸回りの慣性モーメントが一致する高さに設定しておくことが好ましい。 The position of the mass point M1 may be in the vicinity of the left foot, may be deviated from the left ankle joint position, or may be deviated from the end point of the left foot position vector C. The position of the mass point M3 may be in the vicinity of the right foot, may be deviated from the right ankle joint position, or may be deviated from the end point of the right foot position vector E. On the other hand, it is extremely effective that the position of the mass point M2 is at the position of the left knee joint. By assuming that the mass is concentrated at the position of the left knee joint, the calculation of the ZMP position is possible. This greatly simplifies the calculation of the trunk position correction amount. Similarly, it is extremely effective that the position of the mass point M4 is at the right knee joint position. The mass points M5 and M6 exist on the human spine. The height should be set so that the value obtained by calculating the moment of inertia around the horizontal axis of the trunk using the concentrated masses M5 and M6 matches the actual moment of inertia around the horizontal axis of the trunk. Is preferred.
図3の手段298では、手段296で決定されるロボットの位置と姿勢の変化から、質点M1乃至M6の速度と加速度と、集中質量M5とM6による水平軸回りの慣性モーメントを利用して、ロボットに生じるZMP位置を計算する。
The means 298 in FIG. 3 uses the velocity and acceleration of the mass points M1 to M6 and the moment of inertia around the horizontal axis due to the concentrated masses M5 and M6 based on the change in the position and posture of the robot determined by the
図3に示す歩容データ作成装置290は、目標ZMP位置を示すデータを入力して記憶する手段292を備えており、手段298で計算されたZMP位置と、手段292に記憶されている目標ZMP位置との偏差を計算することができる(手段300)。
The gait
歩容データ作成装置290は、手段300で計算されたZMP偏差を解消するのに必要な体幹位置ベクトルの補正量を計算して、目標ZMP位置と等しいZMP位置が計算される体幹位置ベクトルPを計算する手段310を備えている。手段310は、体幹位置を示すデータをどれだけ補正すると左膝位置と右膝位置を示すデータがどれだけ変化してZMP位置を示すデータがどれだけ変化するか示関係を利用して体幹位置を示すデータの補正量を求める。補正手段310によると、繰返し計算して補正量を収束させる必要がなく、一度の補正でZMP偏差を解消することができる。体幹位置の補正量から左膝位置と右膝位置の移動量を計算するにあたって、体幹位置の補正量ΔPに係数をかけることによって左膝位置と右膝位置の移動量を計算するようにすると計算が一層に簡単化される。体幹高さと膝位置高さの比例係数を利用することによって、体幹位置の補正量ΔPから左膝位置と右膝位置の移動量を簡単に計算することができる。
The gait
上述したようにして、目標ZMP位置にほぼ一致するZMP位置が計算されるが、体幹位置ベクトルPを1回補正しただけでは、なおもZMP偏差が十分に解消されない場合がある。この場合、手段298以降を再度活用して2回補正すると、ZMP偏差をさらに解消することができる。このように、目標ZMPによく追従する歩容データを、少ない計算量で短時間で計算できることが検証されている。 As described above, a ZMP position that substantially coincides with the target ZMP position is calculated. However, there is a case where the ZMP deviation is not sufficiently solved by correcting the trunk position vector P once. In this case, the ZMP deviation can be further eliminated if the means 298 and the subsequent steps are used again and corrected twice. Thus, it has been verified that gait data that closely follows the target ZMP can be calculated in a short time with a small amount of calculation.
続いて、各関節の目標トルク計算方法について説明する。図3の手段312では、手段310で決定されるロボットの位置と姿勢の変化から、質点M1乃至M6の速度と加速度と、集中質量M5とM6による水平軸回りの慣性モーメントを利用して、ロボットの各関節の目標トルクを計算する。各関節の目標トルクを計算するに際しては、ロボットの歩行/走行動作パターンに応じて目標トルクを計算することができる。本発明では、ロボットの脚が、立脚時であるか、遊脚時であるか、空中相であるかに応じて、関節の目標トルクを計算する。歩容データ作成装置290に入力されるデータから、ロボットの脚が、立脚時であるか、遊脚時であるか、空中相であるかを判定することができる。
Then, the target torque calculation method of each joint is demonstrated. The means 312 in FIG. 3 uses the speed and acceleration of the mass points M1 to M6 and the moment of inertia around the horizontal axis due to the concentrated masses M5 and M6 based on the change in the position and posture of the robot determined by the
図4(a)は、ロボットの脚が立脚時である場合に、立脚側に設けられた関節の目標トルク計算方法を例示する図である。ロボットの脚部が立脚である場合には、立脚の注目する関節からそのつま先方向に存在する質点を除いた他の質点を用いて、ロボットの立脚の関節の目標トルクを計算する。ここで、手段312は、支持脚となっている脚の足首関節338は固定しているものとし、目標トルクの計算対象とはしない。従って、立脚側に設けられた右膝関節344と右股関節350の目標トルクを計算する。以下では、目標トルク計算対象となる関節を注目関節と称す。
FIG. 4A is a diagram illustrating a target torque calculation method for a joint provided on the stance side when the robot leg is in the stance state. When the leg of the robot is a stance, the target torque of the joint of the stance leg of the robot is calculated using another mass point excluding the mass point existing in the toe direction from the joint of interest of the stance. Here, the
より詳細には、まず、手段312では、手段310で決定されるロボットの位置と姿勢の変化から、質点M1乃至M6の速度と加速度と、集中質量M5とM6による水平軸回りの慣性モーメントを利用して、各質点M1乃至6に発生する力F(慣性力及び重力)を計算する。ここで、手段312は、注目関節が右膝関節344と右股関節350である場合には、4個の質点M1、2、5、6に発生する力F(F1、F2、F5、F6)を計算する。尚、ロボットが右足平につま先関節(不図示)を備えている場合には、手段312は、つま先関節の目標トルクを計算するため、6個の質点M1乃至6に発生する力F(F1乃至6)を計算する。
More specifically, first, the
次いで、手段312は、各質点から注目関節に働くモーメントTを計算する。次式を用いて、動いている質点からの力Fが(遊脚・胴体側の質点からの力Fが)、注目関節(立脚側の関節)にもたらすモーメントを計算する。ここで、Tは注目関節に働くモーメントであり、Rは注目関節から質点への(相対)位置ベクトルであり、Fは質点に作用する力(慣性、重力)を示す。R及びFは、x、y、z方向の値を持つベクトルであり、これらベクトルR及びFの外積を計算することで、ベクトルTを計算する。
次いで、手段312は、モーメントTについて、計算対象となる全ての質点について総和をとり、その合計値を注目関節でのモータのトルク値に変換する。このときの目標トルク値[N・m]を次式に示す。ここで、inrtはアクチュエータのモータや、モータに使用している減速機の慣性であり、fricはモータや減速機の摩擦である。目標トルクとは、例えば図4(a)に示すようにロボットが前進しようとしているときに、その前進をするために必要なトルクである。また、目標トルクはロボットの自重を支えるために必要なトルクでもある。inrt(inertia)は、物(その質量や形状)によって決まる物理的な値であり、アクチュエータのモータについて、スペック表等から決定することができる。fric(friction)に関しても、基本的には、スペック表等から決定することができる。尚、fricについては、後述する推定方法により推定される摩擦特性値を用いて計算することもできる。
図4(b)は、ロボットの脚が遊脚時である場合に、遊脚側に設けられた関節の目標トルク計算方法を例示する図である。ロボットの脚部が遊脚である場合には、遊脚の注目する関節からそのつま先方向に存在する質点を用いて、ロボットの遊脚の関節の目標トルクを計算する。手段312は、遊脚側に設けられた左股関節334と、左膝関節328と、左足首関節322の目標トルクを計算する。遊脚時の脚部には2つの質点を配置しているのみである。手段312は、例えば、注目関節が左股関節334である場合には、2個の質点M1及び2に発生する力F(F1、F2)を計算する。以下、上述した立脚時の場合と同様にして、左股関節334の目標トルクを計算する。
FIG. 4B is a diagram illustrating a target torque calculation method for a joint provided on the free leg side when the leg of the robot is at the free leg. When the leg portion of the robot is a free leg, the target torque of the joint of the free leg of the robot is calculated using the mass points existing in the toe direction from the joint of interest of the free leg. The means 312 calculates target torques of the left hip joint 334, the left knee joint 328, and the left ankle joint 322 provided on the free leg side. Only two mass points are arranged on the leg portion at the time of the free leg. For example, when the target joint is the left hip joint 334, the
図4(c)は、ロボットの脚が空中相である場合に、各関節の目標トルク計算方法を例示する図である。ロボットが空中に浮いている空中相である場合には、脚部の注目する関節からそのつま先方向に存在する質点を用いて、ロボットの注目関節の目標トルクを計算する。空中相での各関節の目標トルクは、注目関節よりつま先側に存在する質点の個数について、その個数が少ない方向から計算することが計算上好ましい。即ち、注目関節よりつま先方向に存在する質点を考慮して、目標トルクを計算する。ニュートン・オイラー法では、どちらかの端部を固定端とした上で、自由端へと向かって、力の伝達を考慮してトルクを算出する。空中相では固定されている部分が存在しないため、ニュートン・オイラー法をそのまま適用しては、各関節の目標トルクを計算できないとも考えられる。しかし、上述した力学系を用いて、動力学を考慮して各質点に作用する力Fが計算されるため、空中相においても、立脚時、遊脚時と同様に、一端が固定されているものと想定して計算することができる。このため、固定端が存在せずとも、各関節の目標トルクを計算することができる。尚、空中相とは、ロボットが走行している際の状況であるため、例えば、ロボットはその走行時に股関節を前方へと大きく振り出す必要がある。即ち、空中相での関節の目標トルクとは、例えば股関節をそのように駆動するのに必要となるトルクである。 FIG. 4C is a diagram illustrating a target torque calculation method for each joint when the leg of the robot is in the aerial phase. When the robot is in the aerial phase floating in the air, the target torque of the target joint of the robot is calculated using the mass points existing in the toe direction from the target joint of the leg. The target torque of each joint in the aerial phase is preferably calculated from the direction in which the number of mass points existing on the toe side of the target joint is smaller. That is, the target torque is calculated in consideration of the mass point existing in the toe direction from the target joint. In the Newton-Euler method, either end is set as a fixed end, and torque is calculated in consideration of force transmission toward the free end. Since there is no fixed part in the aerial phase, it is considered that the target torque of each joint cannot be calculated if the Newton-Euler method is applied as it is. However, since the force F acting on each mass point is calculated in consideration of the dynamics using the dynamic system described above, one end is fixed even in the aerial phase as in the case of standing and swinging. It can be calculated assuming that. For this reason, even if there is no fixed end, the target torque of each joint can be calculated. The aerial phase is a situation when the robot is traveling. For example, the robot needs to largely swing the hip joint forward during the traveling. In other words, the target torque of the joint in the aerial phase is, for example, the torque required to drive the hip joint as such.
続いて、図5を参照して2足歩行ロボットの制御装置を説明する。図5は、ロボットの2足歩行を制御する制御装置の構成を示し、歩行指令データ作成装置290で作成された、体幹位置ベクトルP(これは歩行指令データ作成装置290によってオペレータが入力したものから修正されている)と、体幹姿勢ベクトルRと、左足先位置ベクトルCと、左足先姿勢ベクトルDと、右足先位置ベクトルEと、右足先姿勢ベクトルFを入力し、逆キネマティクス計算する計算装置304を備えている。但し、体幹位置ベクトルPについては、歩行指令データ作成装置290によって修正されるのみならず、後述する「倒立振子制御」と「ならい制御」を実施するために、更に修正されて計算装置304に入力される。また、体幹姿勢ベクトルRについても、実際の体幹姿勢ベクトルが目標体幹姿勢ベクトルに一致するように、目標体幹姿勢ベクトルを補正する処理が実施されて計算装置304に入力される。
Next, a control device for a biped robot will be described with reference to FIG. FIG. 5 shows a configuration of a control device that controls biped walking of the robot, and the trunk position vector P created by the walking command data creation device 290 (this is input by the operator using the walking command data creation device 290). ), A trunk posture vector R, a left foot tip position vector C, a left foot tip posture vector D, a right foot tip position vector E, and a right foot tip posture vector F are input, and inverse kinematics calculation is performed. A
計算装置304は、入力された体幹位置ベクトルP(これは修正されている)と、体幹姿勢ベクトルR(これも補正されている)と、左足先位置ベクトルCと、左足先姿勢ベクトルDと、右足先位置ベクトルEと、右足先姿勢ベクトルFに基づいて、入力した各ベクトルで記述される位置と姿勢を実現するのに必要な各関節の回転角θを計算する。回転角は、各関節を回転させるモータの回転量で計算される。図5では、1個のアクチュエータ分しか表示されていないが、すべてのアクチュエータのモータ回転量が計算される。この計算では、逆キネマティクス演算が実施される。アクチュエータ毎に計算された目標回転量θは、各アクチュエータのためのドライバ306に入力される。各ドライバは、目標回転量と実際回転量の偏差に基づいて各アクチュエータのモータ308に加えるトルクを調整する。実際回転量は、アクチュエータのモータ毎に設けられているエンコーダ310で検出される。このフィードバック制御によって、アクチュエータのモータ308は、実際回転量が目標回転量に一致するようにフィードバック制御される。
The
目標ZMPは、倒立振子モデル334に入力される。倒立振子モデル334には、実際の体幹位置ベクトルPも入力される。実際の体幹位置ベクトルPは、ロボットの体幹に設けられているジャイロ328の信号を演算装置330で演算して求められる。
The target ZMP is input to the
倒立振子モデル334は、目標ZMPと実際の体幹位置ベクトルPを用いて、目標ZMPから体幹位置ベクトルPに向かう傾斜線の垂直からの傾きφを計算する。計算されたφは、ZMPの修正量算出装置336に入力される。ZMPの修正量算出装置336は、ΔZMP=k1×φ+k2×dφ/dtの式によって、ZMPの修正量を算出する。即ち、前記した傾斜角φに比例する値と、傾斜角φの時間微分に比例する値を加算してZMPの修正量を算出する。算出されたZMPの修正量ΔZMPは、入力された目標ZMPに加算され、目標ZMPはΔZMPだけ修正される。以上のように、目標ZMPをΔZMPだけ修正する処理を、通常は倒立振子制御と称している。
The
人間は、歩行する場合、とくに高速で走行する場合には顕著なように、体幹を前方に傾けて走行しやすくする。体幹を前方に傾斜させることで重心を前方に移動させ、前方に移動した重心に追従するように足を前方に移動させる。倒立振子制御は、人間のこの種の制御に対応するものであり、体幹位置を前方に傾ける制御をする。 When a person walks, particularly when traveling at a high speed, the human body makes it easier to travel by tilting the trunk forward. The center of gravity is moved forward by tilting the trunk forward, and the foot is moved forward so as to follow the center of gravity moved forward. Inverted pendulum control corresponds to this kind of human control, and controls to tilt the trunk position forward.
倒立振子モデルで修正された目標ZMP(340)は、実際のZMP(326)と比較され、その偏差(342)が算出される。実際のZMP(326)は、ロボットの足の裏に設けられている複数の力センサ322の出力を演算装置324によって演算することで演算される。偏差342にはゲインk3が乗じられて体幹位置ベクトルPのディメンジョンに変換される。体幹位置ベクトルPのディメンジョンに変換された偏差ΔPは、体幹位置ベクトルPに足し合わされる。目標ZMP(340)と実際ZMP(326)の偏差(342)を体幹位置ベクトルPのディメンジョンに変換して体幹位置ベクトルPに足し合わせる処理を、通常は「ならい制御処理」と称している。
The target ZMP (340) corrected by the inverted pendulum model is compared with the actual ZMP (326), and the deviation (342) is calculated. The actual ZMP (326) is calculated by calculating the outputs of a plurality of
ロボットが歩行する面には、体幹位置ベクトルPと、体幹姿勢ベクトルRと、左足先位置ベクトルCと、左足先姿勢ベクトルDと、右足先位置ベクトルEと、右足先姿勢ベクトルFと、目標ZMPを決定する段階では、予期していない凹凸が存在し、ロボットの足が例えば凸を踏むことがある。これは、人間であれば蹴躓くことに相当する。人間はそのとき、膝を曲げて腰の位置を前方に送ることによって転倒しないようにする。ならい制御処理は、人間のこの種の制御に対応するものであり、体幹を前方に平行移動する制御をする。膝を曲げて体幹を前方に平行移動することによって転倒を防止する場合、そのままでは歩行を続けることができない。転倒を防止した後には、膝を伸ばして通常の歩行姿勢に復帰することが必要である。倒立振子モデルは、それに相当する制御を実行する。比喩的に言えば、ならいモデルは体の柔軟性に相当し、倒立振子モデルは歩行姿勢の維持力に相当する。 On the surface on which the robot walks, a trunk position vector P, a trunk posture vector R, a left foot tip position vector C, a left foot tip posture vector D, a right foot tip position vector E, a right foot tip posture vector F, At the stage of determining the target ZMP, unexpected irregularities exist, and the robot's feet may step, for example. This is equivalent to kicking a person. At that time, the human is prevented from falling by bending the knee and sending the position of the waist forward. The profile control process corresponds to this kind of human control, and controls to move the trunk forward. When the fall is prevented by bending the knee and translating the trunk forward, it is not possible to continue walking. After preventing a fall, it is necessary to extend the knee and return to the normal walking posture. The inverted pendulum model executes control corresponding to it. Figuratively speaking, the follow model is equivalent to body flexibility, and the inverted pendulum model is equivalent to the ability to maintain walking posture.
尚、倒立振子制御系334で目標ZMPを修正し、ならい制御系で目標ZMPと実際ZMPの偏差(342)によって目標体幹位置ベクトルPを修正するにあたって、修正量制限装置346を組み込むことによって修正量を制限するようにしてもよい。
It should be noted that the target ZMP is corrected by the inverted
ならい制御は、体の柔軟性に相当する。ならい制御のためのゲインk3(変換装置344)が大きいほど、ロボットの肢体は柔軟に姿勢を変え、受けるショックを和らげる。従って、着地時等のようにショックを受ける場合には、ならい制御が強く働くことが好ましい。反面ならい制御が常時に強く働いていると、片足立脚時に慣性力で姿勢が乱れ、着地予定でないタイミングで着地して着地ショックが大きくなることがある。ならい制御のためのゲインk3の値の設定には、上述した相反する要素があり、最適値に調整することが難しい。この相反関係を解決するために、ならい制御のためのゲインk3の値をロボットの状態に合わせて増減するようにしてもよい。 Follow-up control corresponds to body flexibility. The greater the gain k3 (conversion device 344) for the profile control, the more flexible the limb of the robot changes its posture, and the received shock is reduced. Therefore, it is preferable that the profile control works strongly when receiving a shock such as when landing. On the other hand, if the profile control is working strongly at all times, the posture may be disturbed by inertial force when standing on one foot, and landing may occur at a timing that is not scheduled to land, resulting in a large landing shock. The setting of the value of the gain k3 for the profile control has the above-mentioned conflicting elements, and it is difficult to adjust to the optimum value. In order to solve this reciprocal relationship, the value of the gain k3 for follow-up control may be increased or decreased in accordance with the state of the robot.
発明の実施の形態1.
本実施の形態1に係るロボットは、図6に示すように、計算された目標回転量と、検出される実回転量の偏差(62、64)とに基づいて、アクチュエータのモータ8に加える指令トルクを調整する。ここで、計算された目標トルクを指令トルクに加算(66)することを特徴とする。尚、実回転量として、例えば、実角度や実各速度が検出される。これらの実回転量はエンコーダ10等により検出される。
As shown in FIG. 6, the robot according to the first embodiment gives a command to be applied to the
従来技術では、目標関節角度に対して、エンコーダ10等からの角度偏差、角速度偏差をフィードバックし(位置ループ、速度ループ)、それら偏差をトルク指令値に変換した後、トルク指令値をモータ8に与えて駆動させていた。このとき、着地時の衝撃吸収実現するため、図のゲイン(Kp、Kv)を小さくして、モータ8へ与える指令トルクを小さくし(即ち、関節を柔らかくして)、目標角度と実角度の偏差を許容するように制御していた。しかし、着地時の立脚を除いては、目標関節角度に対してモータ8の追従性が悪い場合には、ロボットは目標通りの軌道(姿勢)を実現することができずに不安定になりやすいものであった。尚、ゲインKpは、位置偏差(角度偏差)をトルク値に変換するためのゲインであり、ゲインKvは、速度偏差(角速度偏差)をトルク値に変換するためのゲインである。
In the prior art, the angle deviation and angular velocity deviation from the
本実施の形態1に係るロボットは、図6に示すように、位置・速度制御ループの最終出力に対して、上述した目標トルクをフィードフォワードトルクとして入力(加算66)することで、ゲイン(Kp、Kv)を下げた場合でも、目標関節角度の追従性を良好に維持することができる。言い換えると、目標トルクを加算することで、ゲインKpの値を必要以上に大きな値とせず、小さな値に設定することができる。ゲインを小さな値に設定できるということは、剛性を低くし、関節を柔らかく制御可能であることを意味する。これによって、着地時に衝撃を吸収しやすくなる。但し、ゲインを必要以上に小さな値とした場合には、関節が不要に柔らかくなり転倒するおそれがあるため、その分を目標トルクで補償するものとする。 As shown in FIG. 6, the robot according to the first embodiment inputs the above target torque as a feed forward torque (addition 66) to the final output of the position / speed control loop, thereby obtaining a gain (Kp , Kv) can be maintained, the followability of the target joint angle can be maintained well. In other words, by adding the target torque, the value of the gain Kp can be set to a small value without making it larger than necessary. The fact that the gain can be set to a small value means that rigidity can be lowered and the joint can be controlled softly. This makes it easier to absorb the impact when landing. However, if the gain is set to a value smaller than necessary, the joint becomes unnecessarily soft and may fall over, so that the amount is compensated with the target torque.
発明の実施の形態2.
本実施の形態2に係るロボットは、アクチュエータの実トルクを検出する。実トルクは、モータ8に通電する電流計12等により検出する。そして、計算された目標トルクと指令トルクを比較するか、又は計算された目標トルクと検出された実トルクを比較する。ロボットは、比較結果に基づいて、アクチュエータの摩擦特性値を推定する。
The robot according to the second embodiment detects the actual torque of the actuator. The actual torque is detected by an
アクチュエータの摩擦特性は、ロボットを組み直した場合やオーバーホール、時間経過によって、その特性が変化する。オーバーホールにより、組みつけ具合が前回と異なるため、例えば、摩擦が大きくなっていたりする。時間経過によっても、グリスが少なくなるなどの原因で摩擦が変化する。本実施の形態2に係るロボットによれば、オーバーホール、時間経過、温度変化等によって摩擦特性が変化した場合においても、摩擦特性値の同定を任意のタイミングで実施することで、常に正常な摩擦の値(摩擦トルク)を決定することができ、計算される目標トルクの精度を良好に維持することができる。 The friction characteristics of the actuator change when the robot is reassembled, overhauled, or over time. Due to the overhaul, the degree of assembly is different from the previous one, so for example, the friction is increased. Even with the passage of time, friction changes due to factors such as less grease. According to the robot according to the second embodiment, even when the friction characteristic changes due to overhaul, time lapse, temperature change, etc., the identification of the friction characteristic value is performed at an arbitrary timing, so that the normal friction is always maintained. The value (friction torque) can be determined, and the accuracy of the calculated target torque can be maintained well.
以下、図7乃至8を参照して、摩擦特性値の推定方法について説明する。図7は、摩擦特性パラメタ推定処理を説明するフローチャートである。まず、ロボットは、歩容データ作成装置290により作成された歩容データに基づいて、通常の歩行/走行動作を実施する(ステップS101)。このときロボットは、歩行/走行動作中のトルクデータを取得して記憶しておく。取得するトルクデータとしては、モータ8を駆動するための指令トルクでもよいし、実際に検出される実トルクでもよい。次いで、ロボットは、上述したようにして、目標トルクを計算する(ステップS103)。ここで、目標トルクの計算においては、上述したモータや減速機の摩擦fricについては、図8に示す非線形摩擦特性モデルを用いて計算する。図8は、モータの角速度(ω)に応じて、減速機に生じる摩擦トルク(T)を示す図である。Kcは静止摩擦係数であり、Kvは粘性摩擦係数である。ここで、角速度ωが0以上の範囲においては、T=Kv×ω+Kcの関係が成立する。尚、摩擦特性パラメタKc及びKvの初期値としては、カタログのスペック表の値を用いることができる。
Hereinafter, a friction characteristic value estimation method will be described with reference to FIGS. FIG. 7 is a flowchart for explaining the friction characteristic parameter estimation processing. First, the robot performs a normal walking / running operation based on the gait data created by the gait data creation device 290 (step S101). At this time, the robot acquires and stores torque data during the walking / running operation. The acquired torque data may be a command torque for driving the
これら摩擦特性パラメタKc及びKvは、上述したように様々な要因の影響を受けて変化するため、ロボットは、計算された目標トルクとトルクデータ(指令トルク又は実トルク)を比較し(ステップS104)、比較結果に基づいて、アクチュエータの摩擦特性パラメタを決定する(ステップS105)。図9は、計算された目標トルクと、取得されたトルクデータの変化を例示する図である。目標トルクとトルクデータの差が、角速度ωに起因するものであれば粘性摩擦係数Kvを変更すればよいし、角速度ωが0の場合に差が生じていれば、静止摩擦係数Kcを変更すればよい。即ち、目標トルクとトルクデータの時系列比較において、角速度ωが0の場合の差は、静止摩擦係数Kcを示し、それ以外の時点での差はKvに比例することを利用して、摩擦特性パラメタKc及びKvを決定する。例えば、偏差の二乗和を最小にするパラメタを選定することで、摩擦特性パラメタKc及びKvを決定することができる。 Since these friction characteristic parameters Kc and Kv change under the influence of various factors as described above, the robot compares the calculated target torque with torque data (command torque or actual torque) (step S104). Based on the comparison result, the friction characteristic parameter of the actuator is determined (step S105). FIG. 9 is a diagram illustrating changes in the calculated target torque and acquired torque data. If the difference between the target torque and the torque data is due to the angular velocity ω, the viscous friction coefficient Kv may be changed. If the difference occurs when the angular velocity ω is zero, the static friction coefficient Kc may be changed. That's fine. That is, in the time series comparison of the target torque and the torque data, the difference when the angular velocity ω is 0 indicates the static friction coefficient Kc, and the difference at other time points is proportional to Kv. Parameters Kc and Kv are determined. For example, the friction characteristic parameters Kc and Kv can be determined by selecting a parameter that minimizes the sum of squared deviations.
目標トルクとトルクデータの比較は、遊脚時におけるデータを用いて比較することが好ましい。立脚時には、トルクデータとの比較においては、床からの外力まで考慮しなければならず、場合によっては、角速度ω以上に床反力からの成分が大きくなり、摩擦の影響が相対的に著減するおそれがある。このため、計算が複雑化するという問題がある。一方で、遊脚時では床からの外力を考慮せずに済むため、摩擦や慣性の影響が大きく、それら成分が相対的に顕著となるため、より容易に摩擦特性パラメタを決定することができる。 The comparison between the target torque and the torque data is preferably performed using data at the time of the free leg. When standing, when comparing with torque data, the external force from the floor must be taken into account, and in some cases, the component from the floor reaction force becomes larger than the angular velocity ω, and the influence of friction is relatively marked. There is a risk. For this reason, there exists a problem that calculation becomes complicated. On the other hand, since it is not necessary to consider the external force from the floor at the time of the free leg, the influence of friction and inertia is large, and those components become relatively remarkable, so the friction characteristic parameter can be determined more easily. .
尚、摩擦特性パラメタの推定処理は、上述したように、予めパラメタ決定プログラムをロボットに実装しておき、ロボットの動作中にリアルタイムにパラメタ決定処理を実行するようにしてもよいし、実験終了後に、オフラインにて2つのデータを比較して、摩擦特性パラメタを決定するようにしてもよい。リアルタイムに摩擦特性パラメタの推定処理を実行する構成とすることで、任意のタイミングで摩擦パラメタ決定処理を実行することができ、目標トルク計算精度を高いレベルに維持しつつ、効率的に摩擦特性パラメタ推定処理を実行することができる。また、パラメタ推定処理はオペレータがトルクデータと目標トルクとを見比べ、両者が大きくずれてきた場合に決定するようにしてもよい。 In addition, as described above, the friction characteristic parameter estimation process may be implemented in advance by installing a parameter determination program in the robot and executing the parameter determination process in real time during the operation of the robot. The friction characteristic parameter may be determined by comparing the two data offline. By configuring the friction characteristic parameter estimation process in real time, the friction parameter determination process can be executed at any timing, and the friction characteristic parameter is efficiently maintained while maintaining the target torque calculation accuracy at a high level. An estimation process can be executed. The parameter estimation process may be determined when the operator compares the torque data with the target torque and the two are greatly deviated.
発明の実施の形態3.
本実施の形態3に係るロボットは、図12に示すように、ロボットの部位の剛性を局所的に低減させ、低剛性部位がバネ要素として作用するロボットである。ロボットは、計算された目標トルクと検出された実トルクの偏差(68)と、バネ要素のバネ定数とに基づいて、低剛性部位を駆動するアクチュエータの目標回転量を補正するのに必要な補正量を計算する。ここで、補正量を目標回転量に加算(70)することを特徴とする。
As shown in FIG. 12, the robot according to the third embodiment is a robot in which the rigidity of the robot part is locally reduced and the low rigidity part acts as a spring element. The robot performs correction necessary to correct the target rotation amount of the actuator that drives the low rigidity portion, based on the deviation (68) between the calculated target torque and the detected actual torque, and the spring constant of the spring element. Calculate the quantity. Here, the correction amount is added to the target rotation amount (70).
ロボットのサーボ追従性が良く、メカ(リンク、関節部、減速機など)の剛性を十分に高くすることでき、さらに外乱がなければ、ロボットは略目標値(重心、関節角度など)に追従し、安定した動作が可能である。しかし、現実的には、サーボ追従性も調整が難しく、また、メカの剛性が低い部分も撓みやすいという問題がある。サーボに関しては、実験によりある程度調整可能ではあるが、メカに関しては、剛性の向上は重量増加を招き、更に、設計変更や組み直しのために余計な時間を要するという問題が生じる。そのため、低剛性部位は衝撃吸収の効果がある反面、ロボットの姿勢が崩れる原因にもなりうる。 The servo tracking of the robot is good, the rigidity of the mechanism (link, joint, reducer, etc.) can be made sufficiently high, and if there is no disturbance, the robot will follow the target value (center of gravity, joint angle, etc.). Stable operation is possible. However, in reality, it is difficult to adjust the servo following ability, and there is a problem that a portion having low mechanical rigidity is easily bent. As for the servo, it can be adjusted to some extent by experiments. However, with respect to the mechanism, the improvement in rigidity leads to an increase in weight, and there is a problem that extra time is required for design change and reassembly. For this reason, the low-rigidity part has an effect of absorbing the impact, but can also cause the posture of the robot to collapse.
例えば、図10(a)に示す目標姿勢に対して、図10(b)に示すように、ロボットの低剛性部位(例えば、足裏部であり、図において斜線で示す部分。)が撓み、重心位置Gがずれることがある。そこで、本実施の形態3に係るロボットは、図10(c)に示すように、低剛性部位付近の関節(例えば足首関節)に対して、フィードフォワード的に角度補正を加えることで、重心の追従性を向上させるものである。 For example, with respect to the target posture shown in FIG. 10 (a), as shown in FIG. 10 (b), the low-rigidity part of the robot (for example, the part of the sole, which is indicated by hatching in the figure) bends. The gravity center position G may be shifted. Therefore, as shown in FIG. 10C, the robot according to the third embodiment adds the angle correction in a feed-forward manner to a joint (for example, an ankle joint) near the low-rigidity portion, thereby This improves the followability.
図11は、ロボットの足裏部(図において斜線で示す部分)が撓む状況を例示する図である。図11では、1質点と片足のみの例を示すが、ロボットのフルモデルの場合も同様の現象が発生する。図11(a)は、ZMPが足裏部の略中心に位置する場合を例示する図である。一方、図11(b)は、質点の慣性力によってZMPが足裏部の端部へと移動したため、荷重のバランスが偏り、低剛性部位が撓む場合を例示する図である。 FIG. 11 is a diagram exemplifying a situation in which the sole portion of the robot (the portion indicated by hatching in the drawing) is bent. FIG. 11 shows an example of only one mass point and one foot, but the same phenomenon occurs in the case of a full model of the robot. FIG. 11A is a diagram illustrating a case where the ZMP is located substantially at the center of the sole. On the other hand, FIG. 11B is a diagram exemplifying a case where the load balance is biased and the low-rigidity portion is bent because the ZMP moves to the end portion of the sole due to the inertial force of the mass point.
ZMPの移動が足裏部の低剛性に主に起因する場合には、図11(c)に示すように、足裏部の撓みを、足裏部に最も近い関節により補正することができる。即ち、低剛性部位に最も近い足首関節をバネモデルで仮定し、低剛性部位の撓みを補正するための補正角度θを次式により計算する。ここで、Trefは上述したようにして計算した目標トルクであり、Tmesは上述したようにして検出される実トルクであり、Kはバネ定数である。バネ定数Kは、実機やシミュレーションによる検討で、予め又はリアルタイムに決定することができる。
本実施の形態3に係るロボットは、図12に示すように、計算された目標トルクと検出された実トルクの偏差(68)に応じた補正角度θを、目標関節角度に加算(70)する。このように、低剛性部位の撓み分を、目標トルクと実トルクの関係から関節角度レベルで補正することで、低剛性部位による衝撃吸収効果を損ねることなく、重心の位置追従性を改善することができる。 As shown in FIG. 12, the robot according to the third embodiment adds (70) the correction angle θ corresponding to the deviation (68) between the calculated target torque and the detected actual torque to the target joint angle. . In this way, by correcting the deflection of the low-rigidity part at the joint angle level based on the relationship between the target torque and the actual torque, the position followability of the center of gravity can be improved without impairing the impact absorption effect of the low-rigidity part. Can do.
発明の実施の形態4.
本実施の形態4に係るロボットは、指令トルクに対するリミット値を設定して記憶する。そして、ロボットは、指令トルクとリミット値とを比較して、指令トルクがリミット値を超えた場合に、リミット値に応じた駆動信号をアクチュエータのモータ8に出力(72)する。
The robot according to the fourth embodiment sets and stores a limit value for the command torque. Then, the robot compares the command torque with the limit value, and when the command torque exceeds the limit value, outputs a drive signal corresponding to the limit value to the
上述した実施の形態1及び3において、ロボットは目標関節角度及び目標トルクに基づいてトルク指令値を計算し、そのトルク指令値を与えることでアクチュエータのモータを駆動する。アクチュエータのモータを駆動する場合に、例えば、ロボットの胴体が前方に傾いた場合には、その姿勢を元に戻すため、ロボットは足裏を踏ん張る必要がある。しかし、胴体に作用する慣性は足裏を押す力より大きいため、足裏を押す力が大きくなりすぎる場合には、足裏が剥がれてしまうという問題がある。そこで、本実施の形態3に係るロボットは、モータに与えるトルク指令値にトルクリミットを設け、足裏が剥がれる前に、足首関節に与えるトルクについて事前に制限して、必要以上のトルクが発生することを防止する。 In the first and third embodiments described above, the robot calculates a torque command value based on the target joint angle and the target torque, and drives the motor of the actuator by giving the torque command value. When driving the motor of the actuator, for example, when the body of the robot is tilted forward, the robot needs to step on the sole of the foot in order to restore its posture. However, since the inertia acting on the trunk is greater than the force pushing the sole, there is a problem that if the force pushing the sole becomes too large, the sole peels off. Therefore, the robot according to the third embodiment provides a torque limit for the torque command value given to the motor, restricts the torque given to the ankle joint in advance before the sole is peeled off, and generates more torque than necessary. To prevent that.
図13を参照して、足首関節に与えるトルク指令値の制限値について説明する。図に示すように、まず、足首関節に与えるトルクτ*について、次式で示すつりあいの式が成立する。足首周りのモーメントを考慮して、ZMP*がZMPmaxとなる場合に、ZMPmaxを支点に足平が回転する(足平が剥がれる)場合のトルクτmaxを計算する。ここで、トルクは反時計回りの方向を正の値とし、時計回りの方向を負の値とする。F1とF2は重心に作用する慣性力と略等しい。重心位置軌道は既知であるため、その値を微分することでF1とF2を計算することができる。また、Dmaxとhは、図に示す足首関節とZMPmaxとの位置関係を表すものであり、メカの機構から決定することができる。許容ZMP範囲(Dmax,Dmin)は、足裏においてZMPが存在可能な範囲を示すものであり、実機の特性を見て決定する。Dmaxは足平の前方部が剥がれないようにする場合における、ZMPが存在可能な足平後方部までの範囲を示す。Dminは足平の後方部が剥がれないようにする場合における、ZMPが存在可能な足平前方部までの範囲を示す。
図14は、計算したトルク指令値の制限値(τmax、τmin)を例示する図である。図では、横軸は計算した目標トルクであり、縦軸は実際に与えるトルク(トルク指令値)である。即ち、目標トルクがτmaxを超えないようにトルク指令値を制限すると共に、目標トルクがτminを下回らないようにトルク指令値を制限する。 FIG. 14 is a diagram illustrating calculated torque command value limit values (τmax, τmin). In the figure, the horizontal axis is the calculated target torque, and the vertical axis is the actually applied torque (torque command value). That is, the torque command value is limited so that the target torque does not exceed τmax, and the torque command value is limited so that the target torque does not fall below τmin.
本実施の形態4に係るロボットは、図1に示すように、トルク指令値についてトルクリミット72を設定することで、立脚時の足平が床から剥がれることを防止することができる。
As shown in FIG. 1, the robot according to the fourth embodiment can prevent the foot from being detached from the floor by setting the
尚、上述した実施の形態においては、ZMPの許容範囲Dを予め計算するものとしたが、ZMPの許容範囲Dは、歩行/走行動作中にリアルタイムに変更するものとしてもよい。また、トルクリミットを設定する関節は床面に近い関節のトルク指令値に限定されず、脚部に設けられた任意の関節に与えるトルク指令値について、トルクリミットを設定するようにしてもよい。 In the embodiment described above, the ZMP allowable range D is calculated in advance, but the ZMP allowable range D may be changed in real time during the walking / running operation. Further, the joint for setting the torque limit is not limited to the torque command value of the joint close to the floor surface, and the torque limit may be set for the torque command value given to an arbitrary joint provided on the leg.
発明の実施の形態5.
上述した実施の形態においては、計算した目標トルクをそのまま使用する構成としたが、本発明はこれに限定されない。即ち、本実施の形態5に係るロボットは、アクチュエータを駆動可能な所定値を予め設定して記憶しておき、目標トルクとその所定値とを比較して、目標トルクが所定値を超えた場合には、目標トルクを所定値に変更するようにしてもよい。ここで、アクチュエータが駆動可能な最大トルク値を所定値として設定することができる。
In the above-described embodiment, the calculated target torque is used as it is, but the present invention is not limited to this. That is, the robot according to the fifth embodiment sets and stores a predetermined value that can drive the actuator in advance, compares the target torque with the predetermined value, and the target torque exceeds the predetermined value. Alternatively, the target torque may be changed to a predetermined value. Here, the maximum torque value that the actuator can drive can be set as a predetermined value.
ロボットの歩行/走行動作パターンや、安定化制御などにより、目標軌道が不連続となる場合がある。かかる場合に、関節によっては、目標トルクがアクチュエータ(モータ)の仕様を上回る可能性がある。モータの最大仕様範囲を超えるトルクや角速度ではアクチュエータを動作させることはできないため、軌道追従性が劣化するという問題がある。本実施の形態5に係るロボットは、計算された目標トルクの大きさを確認して、モータの仕様範囲に収まるように変更する。アクチュエータ仕様は、一般的に、図15に示すトルク線図を用いて表現される。図において、縦軸はモータの回転数を示し、横軸はモータのトルクを示す。モータの最大仕様が、回転数とトルクに応じて決定されている。図15に示すように、計算された目標トルク(図において実線で示す)が最大仕様の範囲内である場合には、目標トルクをそのまま出力する。一方で、計算された目標トルク(図において破線線で示す)が最大仕様の範囲内に収まらない場合には、目標トルクの値を変更して出力する。 The target trajectory may be discontinuous depending on the robot walking / running motion pattern, stabilization control, and the like. In such a case, depending on the joint, the target torque may exceed the specification of the actuator (motor). Since the actuator cannot be operated at a torque or angular velocity exceeding the maximum specification range of the motor, there is a problem that the track following ability deteriorates. The robot according to the fifth embodiment checks the magnitude of the calculated target torque and changes it so as to be within the motor specification range. The actuator specifications are generally expressed using a torque diagram shown in FIG. In the figure, the vertical axis represents the motor speed, and the horizontal axis represents the motor torque. The maximum specification of the motor is determined according to the rotation speed and torque. As shown in FIG. 15, when the calculated target torque (shown by a solid line in the figure) is within the maximum specification range, the target torque is output as it is. On the other hand, when the calculated target torque (indicated by a broken line in the figure) does not fall within the range of the maximum specification, the target torque value is changed and output.
目標トルクの変更方法としては、例えば以下の2通りを採用することができる。まず、図16(a)に示すように目標トルクが最大仕様を超えた場合には、図16(b)に示すように、最大仕様、若しくは最大仕様よりも小さな所定値で、目標トルクの値を変更することができる。最大仕様よりも小さな所定値は、オペレータが与えることができる。また、図17(a)に示すように、目標トルクが最大仕様を超えた場合には、図17(b)に示すように、1計算周期前の目標トルク値(過去データ)を、新たなトルクデータ(最新のデータ)として置き換えることもできる。 As a method for changing the target torque, for example, the following two methods can be adopted. First, when the target torque exceeds the maximum specification as shown in FIG. 16A, the target torque value is set to the maximum specification or a predetermined value smaller than the maximum specification as shown in FIG. Can be changed. A predetermined value smaller than the maximum specification can be given by the operator. Also, as shown in FIG. 17A, when the target torque exceeds the maximum specification, the target torque value (past data) one calculation cycle before is newly set as shown in FIG. It can be replaced with torque data (latest data).
その他の実施の形態.
上述した実施の形態では2の脚リンクを備える脚式ロボットについて説明したが、本発明は3以上の脚リンクを備える脚式ロボットとして具現化することもできるし、1の脚リンクのみを備える脚式ロボットとして具現化することもできる。
Other embodiments.
In the above-described embodiment, a legged robot having two leg links has been described. However, the present invention can also be embodied as a legged robot having three or more leg links, or a leg having only one leg link. It can also be embodied as a type robot.
また、本発明は上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、既に述べた本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは勿論である。 In addition, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention described above.
6 モータドライバ、8 モータ、10 エンコーダ、12 電流計、
290 歩容データ作成装置、
328 左膝関節、334 左股関節、344 右膝関節、350 右股関節、
320 左足平、322 左足首、324 左脛下半分、326 左脛上半分、
330 左腿下半分、332 左腿上半分、336 右足平、338 右足首、
340 右脛下半分、342 右脛上半分、346 右腿下半分、348 右腿上半分、
352 体幹下半分、354 体幹上半分
6 Motor driver, 8 Motor, 10 Encoder, 12 Ammeter,
290 Gait data creation device,
328 Left knee joint, 334 Left hip joint, 344 Right knee joint, 350 Right hip joint,
320 left foot, 322 left ankle, 324 left shin lower half, 326 left shin upper half,
330 left lower thigh, 332 left upper thigh, 336 right foot, 338 right ankle,
340 Lower right shin half, 342 Upper right shin upper half, 346 Lower right thigh half, 348 Upper right thigh half,
352 Lower trunk half, 354 Upper trunk half
Claims (38)
前記データ群から、前記脚式ロボットをモデル化した「胴体と左膝位置と右膝位置と左足平近傍位置と右足平近傍位置に質量が集中して存在する力学系」を用いて、前記脚式ロボットの関節の目標トルクを計算する手段と、
前記データ群から、前記位置姿勢を実現するのに必要な各関節の目標回転量を計算する手段と、
計算された前記目標回転量と、検出される実回転量の偏差とに基づいて、アクチュエータのモータに加える指令トルクを調整する手段を備え、
前記調整手段が、計算された前記目標トルクを前記指令トルクに加算する
ことを特徴とする脚式ロボット。 Means for inputting and storing data indicating the left foot position / posture, right foot position / posture and trunk position / posture of the legged robot, and data indicating the trunk position realizing the position / posture;
From the data group, the leg robot is modeled using the “mechanical system in which mass concentrates at the torso, left knee position, right knee position, left foot position, and right foot position”. Means for calculating the target torque of the joint of the robot,
Means for calculating a target rotation amount of each joint necessary to realize the position and orientation from the data group;
Means for adjusting a command torque applied to the motor of the actuator based on the calculated target rotation amount and a deviation of the detected actual rotation amount;
The legged robot, wherein the adjusting means adds the calculated target torque to the command torque.
前記データ群から、前記脚式ロボットをモデル化した「胴体と左膝位置と右膝位置と左足平近傍位置と右足平近傍位置に質量が集中して存在する力学系」を用いて、前記脚式ロボットの関節の目標トルクを計算する手段と、
前記データ群から、前記位置姿勢を実現するのに必要な各関節の目標回転量を計算する手段と、
計算された前記目標回転量と、検出される実回転量の偏差とに基づいて、アクチュエータのモータに加える指令トルクを調整する手段と、
前記アクチュエータの実トルクを検出する手段と、
計算された前記目標トルクと前記指令トルクを比較するか、又は計算された前記目標トルクと検出された前記実トルクを比較する手段と、
比較結果に基づいて、前記アクチュエータの摩擦特性値を推定する手段
を備えた脚式ロボット。 Means for inputting and storing data indicating the left foot position / posture, right foot position / posture and trunk position / posture of the legged robot, and data indicating the trunk position realizing the position / posture;
From the data group, the leg robot is modeled using the “mechanical system in which mass concentrates at the torso, left knee position, right knee position, left foot position, and right foot position”. Means for calculating the target torque of the joint of the robot,
Means for calculating a target rotation amount of each joint necessary to realize the position and orientation from the data group;
Means for adjusting a command torque to be applied to the motor of the actuator based on the calculated target rotation amount and a deviation of the detected actual rotation amount;
Means for detecting the actual torque of the actuator;
Means for comparing the calculated target torque with the command torque, or comparing the calculated target torque with the detected actual torque;
A legged robot comprising means for estimating a friction characteristic value of the actuator based on a comparison result.
ことを特徴とする請求項2記載の脚式ロボット。 3. The legged robot according to claim 2, wherein the comparison means performs comparison using torque data at the time of a free leg.
前記脚式ロボットの、左足平位置姿勢と右足平位置姿勢と体幹位置姿勢を示すデータと、前記位置姿勢を実現する体幹位置を示すデータを入力して記憶する手段と、
前記データ群から、前記脚式ロボットをモデル化した「胴体と左膝位置と右膝位置と左足平近傍位置と右足平近傍位置に質量が集中して存在する力学系」を用いて、前記脚式ロボットの関節の目標トルクを計算する手段と、
前記データ群から、前記位置姿勢を実現するのに必要な各関節の目標回転量を計算する手段と、
計算された前記目標回転量と、検出される実回転量の偏差とに基づいて、アクチュエータのモータに加える指令トルクを調整する手段と、
前記アクチュエータの実トルクを検出する手段と、
計算された前記目標トルクと検出された前記実トルクの偏差と、前記バネ要素のバネ定数とに基づいて、前記低剛性部位を駆動するアクチュエータの前記目標回転量を補正するのに必要な補正量を計算する手段と、
前記調整手段が、計算された前記補正量を前記目標回転量に加算する
ことを特徴とする脚式ロボット。 A legged robot that locally reduces the rigidity of a legged robot part, and the low-rigidity part acts as a spring element,
Means for inputting and storing data indicating the left foot position / posture, right foot position / posture and trunk position / posture of the legged robot, and data indicating the trunk position realizing the position / posture;
From the data group, the leg robot is modeled using the “mechanical system in which mass concentrates at the torso, left knee position, right knee position, left foot position, and right foot position”. Means for calculating the target torque of the joint of the robot,
Means for calculating a target rotation amount of each joint necessary to realize the position and orientation from the data group;
Means for adjusting a command torque to be applied to the motor of the actuator based on the calculated target rotation amount and a deviation of the detected actual rotation amount;
Means for detecting the actual torque of the actuator;
A correction amount necessary to correct the target rotation amount of the actuator that drives the low-rigidity portion based on the calculated deviation between the target torque and the detected actual torque, and the spring constant of the spring element A means of calculating
The legged robot characterized in that the adjusting means adds the calculated correction amount to the target rotation amount.
ことを特徴とする請求項4記載の脚式ロボット。 The legged robot according to claim 4, wherein a sole portion of the legged robot acts as the spring element.
ことを特徴とする請求項4記載の脚式ロボット。 The legged robot according to claim 4, wherein the actuator reduction gear acts as the spring element.
ことを特徴とする請求項4乃至6いずれか1項記載の脚式ロボット。 The legged robot according to any one of claims 4 to 6, wherein the actuator that drives the low rigidity portion is an actuator that drives an ankle joint of the legged robot.
前記指令トルクと前記リミット値とを比較して、前記指令トルクが前記リミット値を超えた場合に、前記リミット値に応じた駆動信号を前記アクチュエータのモータに出力する手段
を更に備えたことを特徴とする請求項1、2、4のいずれか1項記載の脚式ロボット。 Means for setting and storing a limit value for the command torque;
The apparatus further comprises means for comparing the command torque with the limit value and outputting a drive signal corresponding to the limit value to the motor of the actuator when the command torque exceeds the limit value. The legged robot according to any one of claims 1, 2, and 4.
ことを特徴とする請求項8記載の脚式ロボット。 The allowable range in which ZMP can be allowed is calculated at the sole portion of the legged robot when standing, and a limit value for the command torque is set based on the calculated allowable range. 8. The legged robot according to 8.
前記データ群から、前記位置姿勢を実現するのに必要な各関節の目標回転量を計算する手段と、
前記脚式ロボットをモデル化した「胴体と左膝位置と右膝位置と左足平近傍位置と右足平近傍位置に質量が集中して存在する力学系」を用いて、計算された各関節の前記目標回転量の時間的変化から各質点の位置及び加速度を計算して、前記脚式ロボットの関節の目標トルクを計算する手段
を備えることを特徴とする請求項1、2、4のいずれか1項記載の脚式ロボット。 The target torque calculating means is
Means for calculating a target rotation amount of each joint necessary to realize the position and orientation from the data group;
Modeling the legged robot, using the "mechanical system in which mass is concentrated at the torso, left knee position, right knee position, left foot position, and right foot position" 5. The apparatus according to claim 1, further comprising means for calculating a target torque of a joint of the legged robot by calculating a position and acceleration of each mass point from a temporal change in the target rotation amount. The legged robot described in the section.
ことを特徴とする請求項10記載の脚式ロボット。 When the leg portion of the legged robot is a standing leg, the target torque of the target joint is calculated using another mass point excluding the mass point existing in the toe direction from the target joint of the standing leg. The legged robot according to claim 10.
ことを特徴とする請求項10又は11記載の脚式ロボット。 When the leg portion of the legged robot is a free leg, a target torque of the target joint is calculated using a mass point existing in the toe direction from the target joint of the free leg. Item 12. The legged robot according to item 10 or 11.
ことを特徴とする請求項10乃至12いずれか1項記載の脚式ロボット。 When the legged robot is in the aerial phase floating in the air, the target torque of the target joint is calculated using a mass point existing in the toe direction from the target joint of the leg. The legged robot according to any one of claims 10 to 12.
前記目標トルクと前記所定値とを比較して、前記目標トルクが前記所定値を超えた場合に、前記目標トルクを前記所定値に変更する手段
を更に備えたことを特徴とする請求項1、2、4のいずれか1項記載の脚式ロボット。 Means for setting and storing a predetermined value capable of driving the actuator;
2. The apparatus according to claim 1, further comprising means for comparing the target torque with the predetermined value and changing the target torque to the predetermined value when the target torque exceeds the predetermined value. The legged robot according to any one of 2 and 4.
ことを特徴とする請求項14記載の脚式ロボット。 15. The legged robot according to claim 14, wherein a maximum torque value that can be driven by the actuator is set as the predetermined value.
前記データ群から、左膝位置と右膝位置を示すデータを計算する手段と、
胴体と前記左膝位置と前記右膝位置と前記左足平近傍位置と前記右足平近傍位置に質量が集中して存在する力学系と、前記左足平位置と前記右足平位置と前記体幹位置と前記体幹位置姿勢と前記左膝位置と前記右膝位置を示すデータから、前記脚式ロボットの関節の目標トルクを計算する手段
を備えることを特徴とする請求項1、2、4のいずれか1項記載の脚式ロボット。 The target torque calculating means is
Means for calculating data indicating a left knee position and a right knee position from the data group;
A torso, a left knee position, a right knee position, a position near the left foot and a position near the right foot, a dynamic system in which mass is concentrated, the left foot position, the right foot position, and the trunk position; 5. The apparatus according to claim 1, further comprising means for calculating a target torque of a joint of the legged robot from data indicating the trunk position / posture, the left knee position, and the right knee position. The legged robot according to item 1.
ことを特徴とする請求項16記載の脚式ロボット。 The dynamic system used in the target torque calculation means has mass concentrated on the trunk, left knee position, right knee position, left foot vicinity position, right foot vicinity position, trunk lower reference point, and trunk upper reference point. The legged robot according to claim 16, wherein the legged robot is a dynamic system.
ことを特徴とする請求項17記載の脚式ロボット。 The dynamic system is such that the total mass of the left shin lower half mass, the left ankle mass, and the left foot mass is concentrated in the vicinity of the left foot, and the right shin lower half mass, the right ankle mass, and the right foot are positioned in the vicinity of the right foot. The total mass of the mass is concentrated, the mass of the upper left shin, the mass of the left knee joint, and the mass of the left knee joint, and the mass of the lower left thigh are concentrated, and the mass of the upper right shin is at the right knee position. And the total mass of the right knee joint mass and the right lower thigh mass is concentrated, and the upper left thigh mass, the left hip mass, the right upper thigh mass, the right hip joint mass and the lower trunk mass at the lower trunk reference point 18. The legged robot according to claim 17, wherein the half-mass is a dynamic system in which the total mass of the half mass is concentrated and the half mass on the trunk is concentrated on the upper trunk reference point.
ことを特徴とする請求項18記載の脚式ロボット。 The leg type according to claim 18, wherein the height of the lower trunk reference point and the upper trunk reference point is set to a height that maintains the magnitude of the trunk inertia moment about the horizontal axis. robot.
前記脚式ロボットの位置姿勢を実現するのに必要な各関節の目標回転量を計算するステップと、
計算された前記目標回転量と、検出される実回転量の偏差とに基づいて、アクチュエータのモータに加える指令トルクを調整するステップを備え、
前記調整ステップでは、計算された前記目標トルクを前記指令トルクに加算する
ことを特徴とする脚式ロボットの制御方法。 Using the "legal robot model of the legged robot" using the "mechanical system in which mass is concentrated at the torso, left knee position, right knee position, left foot position and right foot position" Calculating the torque;
Calculating a target rotation amount of each joint necessary to realize the position and orientation of the legged robot;
Adjusting the command torque applied to the motor of the actuator based on the calculated target rotation amount and the deviation of the detected actual rotation amount;
In the adjustment step, the calculated target torque is added to the command torque.
前記脚式ロボットの位置姿勢を実現するのに必要な各関節の目標回転量を計算するステップと、
計算された前記目標回転量と、検出される実回転量の偏差とに基づいて、アクチュエータのモータに加える指令トルクを調整するステップと、
計算された前記目標トルクと前記指令トルクを比較するか、又は計算された前記目標トルクと検出される実トルクを比較するステップと、
比較結果に基づいて、前記アクチュエータの摩擦特性値を推定するステップ
を備えた脚式ロボットの制御方法。 Using the "legal robot model of the legged robot" using the "mechanical system in which mass is concentrated at the torso, left knee position, right knee position, left foot position and right foot position" Calculating the torque;
Calculating a target rotation amount of each joint necessary to realize the position and orientation of the legged robot;
Adjusting a command torque applied to the motor of the actuator based on the calculated target rotation amount and a deviation of the detected actual rotation amount;
Comparing the calculated target torque with the command torque, or comparing the calculated target torque with a detected actual torque;
A legged robot control method comprising a step of estimating a friction characteristic value of the actuator based on a comparison result.
ことを特徴とする請求項21記載の脚式ロボットの制御方法。 The method of controlling a legged robot according to claim 21, wherein in the comparison step, the comparison is performed using torque data at the time of a free leg.
前記脚式ロボットをモデル化した「胴体と左膝位置と右膝位置と左足平近傍位置と右足平近傍位置に質量が集中して存在する力学系」を用いて、前記脚式ロボットの関節の目標トルクを計算するステップと、
前記脚式ロボットの位置姿勢を実現するのに必要な各関節の目標回転量を計算するステップと、
計算された前記目標回転量と、検出される実回転量の偏差とに基づいて、アクチュエータのモータに加える指令トルクを調整するステップと、
計算された前記目標トルクと検出される実トルクの偏差と、前記バネ要素のバネ定数とに基づいて、前記低剛性部位を駆動するアクチュエータの前記目標回転量を補正するのに必要な補正量を計算するステップと、
前記調整ステップでは、計算された前記補正量を前記目標回転量に加算する
ことを特徴とする脚式ロボットの制御方法。 A legged robot control method in which the rigidity of a part of a legged robot is locally reduced, and the low rigidity part acts as a spring element,
Modeling the legged robot using the "mechanical system in which mass is concentrated at the torso, left knee position, right knee position, left foot position, and right foot position" Calculating a target torque;
Calculating a target rotation amount of each joint necessary to realize the position and orientation of the legged robot;
Adjusting a command torque applied to the motor of the actuator based on the calculated target rotation amount and a deviation of the detected actual rotation amount;
Based on the calculated deviation between the target torque and the detected actual torque, and the spring constant of the spring element, a correction amount necessary to correct the target rotation amount of the actuator that drives the low-rigidity portion is calculated. A calculating step;
In the adjusting step, the calculated correction amount is added to the target rotation amount.
ことを特徴とする請求項23記載の脚式ロボットの制御方法。 24. The method of controlling a legged robot according to claim 23, wherein a sole portion of the legged robot acts as the spring element.
ことを特徴とする請求項23記載の脚式ロボットの制御方法。 The legged robot control method according to claim 23, wherein the actuator speed reducer acts as the spring element.
ことを特徴とする請求項23乃至25いずれか1項記載の脚式ロボットの制御方法。 The method for controlling a legged robot according to any one of claims 23 to 25, wherein the actuator that drives the low-rigidity portion is an actuator that drives an ankle joint of the legged robot.
を更に備えたことを特徴とする請求項20、21、23のいずれか1項記載の脚式ロボットの制御方法。 The apparatus further comprises means for comparing the command torque with the limit value for the command torque and outputting a drive signal corresponding to the limit value to the motor of the actuator when the command torque exceeds the limit value. 24. The method for controlling a legged robot according to any one of claims 20, 21, and 23.
ことを特徴とする請求項27記載の脚式ロボットの制御方法。 The allowable range in which ZMP can be allowed is calculated at the sole portion of the legged robot when standing, and a limit value for the command torque is set based on the calculated allowable range. 27. A method for controlling a legged robot according to 27.
前記脚式ロボットの位置姿勢を実現するのに必要な各関節の目標回転量を計算するステップと、
前記脚式ロボットをモデル化した「胴体と左膝位置と右膝位置と左足平近傍位置と右足平近傍位置に質量が集中して存在する力学系」を用いて、計算された各関節の前記目標回転量の時間的変化から各質点の位置及び加速度を計算して、前記脚式ロボットの関節の目標トルクを計算するステップ
を備えることを特徴とする請求項20、21、23のいずれか1項記載の脚式ロボットの制御方法。 The target torque calculation step includes:
Calculating a target rotation amount of each joint necessary to realize the position and orientation of the legged robot;
Modeling the legged robot, using the "mechanical system in which mass is concentrated at the torso, left knee position, right knee position, left foot position, and right foot position" 24. The method according to claim 20, further comprising a step of calculating a target torque of a joint of the legged robot by calculating a position and an acceleration of each mass point from a temporal change of the target rotation amount. A control method for the legged robot according to the item.
ことを特徴とする請求項29記載の脚式ロボットの制御方法。 When the leg portion of the legged robot is a standing leg, the target torque of the target joint is calculated using another mass point excluding the mass point existing in the toe direction from the target joint of the standing leg. 30. A method of controlling a legged robot according to claim 29, wherein:
ことを特徴とする請求項29又は30記載の脚式ロボットの制御方法。 When the leg portion of the legged robot is a free leg, a target torque of the target joint is calculated using a mass point existing in the toe direction from the target joint of the free leg. Item 29. A method for controlling a legged robot according to item 29 or 30.
ことを特徴とする請求項29乃至31いずれか1項記載の脚式ロボットの制御方法。 When the legged robot is in the aerial phase floating in the air, the target torque of the target joint is calculated using a mass point existing in the toe direction from the target joint of the leg. The method for controlling a legged robot according to any one of claims 29 to 31.
を更に備えたことを特徴とする請求項20、21、23のいずれか1項記載の脚式ロボットの制御方法。 The step of comparing the target torque with a predetermined value for the actuator and further changing the target torque to the predetermined value when the target torque exceeds the predetermined value. The method for controlling a legged robot according to any one of 20, 21, and 23.
ことを特徴とする請求項33記載の脚式ロボットの制御方法。 34. The control method for a legged robot according to claim 33, wherein a maximum torque value that can be driven by the actuator is set as the predetermined value.
左膝位置と右膝位置を示すデータを計算するステップと、
胴体と前記左膝位置と前記右膝位置と前記左足平近傍位置と前記右足平近傍位置に質量が集中して存在する力学系と、前記左足平位置姿勢と前記右足平位置姿勢と前記体幹位置と前記体幹位置姿勢と前記左膝位置と前記右膝位置を示すデータから、前記脚式ロボットの関節の目標トルクを計算するステップ
を備えることを特徴とする請求項20、21、23のいずれか1項記載の脚式ロボットの制御方法。 The target torque calculation step includes:
Calculating data indicating left knee position and right knee position;
A torso, a left knee position, a right knee position, a position near the left foot and a position near the right foot, a dynamic system in which mass is concentrated, the left foot position / posture, the right foot position / posture, and the trunk 24. The step of calculating a target torque of a joint of the legged robot from data indicating the position, the trunk position and posture, the left knee position, and the right knee position. The method for controlling a legged robot according to any one of the preceding claims.
ことを特徴とする請求項35記載の脚式ロボットの制御方法。 The dynamic system used in the target torque calculation means has mass concentrated on the trunk, left knee position, right knee position, left foot vicinity position, right foot vicinity position, trunk lower reference point, and trunk upper reference point. 36. A control method for a legged robot according to claim 35, wherein the control system is a dynamic system.
ことを特徴とする請求項36記載の脚式ロボットの制御方法。 The dynamic system is such that the total mass of the left shin lower half mass, the left ankle mass, and the left foot mass is concentrated in the vicinity of the left foot, and the right shin lower half mass, the right ankle mass, and the right foot are positioned in the vicinity of the right foot. The total mass of the mass is concentrated, the mass of the upper left shin, the mass of the left knee joint, and the mass of the left knee joint, and the mass of the lower left thigh are concentrated, and the mass of the upper right shin is at the right knee position. And the total mass of the right knee joint mass and the right lower thigh mass is concentrated, and the upper left thigh mass, the left hip mass, the right upper thigh mass, the right hip joint mass and the lower trunk mass at the lower trunk reference point 37. The control method for a legged robot according to claim 36, wherein the half-mass total mass is concentrated and the trunk half-mass is concentrated at the upper trunk reference point.
ことを特徴とする請求項37記載の脚式ロボットの制御方法。 The leg type according to claim 37, wherein the height of the lower trunk reference point and the upper trunk reference point is set to a height that maintains the magnitude of the inertia moment of the trunk about the horizontal axis. Robot control method.
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