JP2011041995A - Robot, bipedal walking robots and method for controlling the same - Google Patents

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JP2011041995A JP2009190317A JP2009190317A JP2011041995A JP 2011041995 A JP2011041995 A JP 2011041995A JP 2009190317 A JP2009190317 A JP 2009190317A JP 2009190317 A JP2009190317 A JP 2009190317A JP 2011041995 A JP2011041995 A JP 2011041995A
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Satoshi Ichihashi
慧 市橋
Takumi Shibata
匠 柴田
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Honda Motor Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a robot capable of solving a problem that attitude becomes unstable due to the existence of backlash. <P>SOLUTION: A bipedal walking robot 1 includes a direct-acting actuator 11 coupled with a thigh link 6 and a lower link 8 through a knee joint part 7 and swinging the lower link 8 to the thigh link 6 and an MR damper 12 for applying a damping force to the action of the lower link 8. The damping force is generated at the MR damper 12, when direction of a force acting on the lower link 8 is changed during the swing action of the lower link 8 by the direct-acting actuator 11. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、ロボット、特に2つのリンクが関節部を介して連結されたロボット及びその制御方法に関する。   The present invention relates to a robot, in particular, a robot in which two links are connected via a joint portion, and a control method thereof.

第1リンクと第2リンクとが関節部を介して連結され、第1リンクに対して第2リンクを揺動動作させるアクチュエータを備えたロボットが知られている。   A robot is known that includes a first link and a second link that are connected via a joint, and an actuator that swings the second link with respect to the first link.

例えば、特許文献1から3には、左右対称の脚部と胴体部とを備え、各脚部は胴体部に、股関節部を介して連結される大腿リンク(第1リンクに相当)と、該大腿リンクの下端に膝関節部(関節部に相当)を介して連結される下腿リンク(第2リンクに相当)と、各脚部における、大腿リンクと下腿リンクとを膝関節部から離間した部分で連結する直動アクチュエータと、下腿リンクの下端に足首関節部を介して連結される足平部とを備えた2足歩行ロボットが開示されている。これらの2足歩行ロボットは、直動アクチュエータの小型化や大腿リンクと下腿リンクの慣性モーメントの低減により、運動性能の向上が図られている。   For example, Patent Documents 1 to 3 include symmetrical leg portions and a trunk portion, and each leg portion is connected to the trunk portion via a hip joint portion (corresponding to a first link), The leg link (corresponding to the second link) connected to the lower end of the thigh link via the knee joint part (corresponding to the joint part), and the part where the thigh link and the leg link are separated from the knee joint part in each leg part A biped walking robot is disclosed that includes a linear motion actuator that is connected to the lower leg link and a foot that is connected to the lower end of the lower leg link via an ankle joint. These biped walking robots have improved motion performance by reducing the size of the linear actuator and reducing the moment of inertia of the thigh link and the lower leg link.

特開2009−103204号公報JP 2009-103204 A 特開2009−101455号公報JP 2009-101455 A 特開2009−101456号公報JP 2009-101456 A

しかしながら、上記特許文献1から3に開示された2足歩行ロボットを含め、ロボットの構造物間には、製造誤差等を考慮して、必然的にガタが存在する。ガタの存在により、他の構造物に依存しないガタ内の自由な動作が許容されるため、制御性が悪化し、ロボットの姿勢が不安定となるという問題がある。   However, there is inevitably play between the robot structures including the biped robots disclosed in Patent Documents 1 to 3 in consideration of manufacturing errors and the like. Due to the presence of play, free movement within the play that does not depend on other structures is allowed, and there is a problem that the controllability deteriorates and the posture of the robot becomes unstable.

なお、ガタを小さくすると、関節部の軸受として滑り軸受を採用できないなど軸受構成が制約される等の要因により、製造コストが上昇し、軽量化にも反するという欠点がある。また、摩擦の増加を招き、エネルギー効率が劣るという欠点もある。   If the backlash is made small, there is a disadvantage that the manufacturing cost increases due to the restriction of the bearing configuration, such as the fact that a sliding bearing cannot be adopted as the bearing of the joint, and it is contrary to the weight reduction. In addition, there is a drawback that the friction is increased and the energy efficiency is inferior.

本発明は、以上の点に鑑み、ガタの存在により姿勢が不安定になることを解消可能なロボット、2足歩行ロボット、及びその制御方法を提供することを目的とする。   In view of the above points, an object of the present invention is to provide a robot, a biped walking robot, and a control method thereof that can eliminate the unstable posture caused by the presence of play.

本発明のロボットは、第1リンクと第2リンクとが関節部を介して連結されたロボットであって、前記第1リンクに対して前記第2リンクを揺動駆動するアクチュエータと、前記第2リンクの動作に減衰力を付与するダンパーと、前記アクチュエータによる前記第2リンクの揺動動作中に、該第2リンクに作用する力の方向が変わるとき、前記ダンパーが減衰力を発生するように制御する制御手段とを備えることを特徴とする。   The robot of the present invention is a robot in which a first link and a second link are connected via a joint portion, and an actuator that swings and drives the second link with respect to the first link; A damper that applies a damping force to the operation of the link and a damper that generates a damping force when the direction of the force acting on the second link changes during the swinging operation of the second link by the actuator. And a control means for controlling.

本発明のロボットによれば、アクチュエータによる第2リンクの揺動動作中に、第2リンクに作用する力の方向が変わるとき、ダンパーが減衰力を発生し、第2リンクの動作を減衰させる。アクチュエータによる第2リンクの揺動動作中には、適切なガタ寄せがなされた状態となっている。この状態において、第2リンクに作用する力の方向が変わると、該力の作用により第2リンクが、第1リンクやアクチュエータと関係なく自由にガタ内を移動可能となり、ロボットの姿勢が不安定化する。そこで、このような力が作用したとき、ダンパーに減衰力を発生させ、第2リンクの動作を減衰させる。これにより、第2リンクのガタ内の自由な動作が抑制され、ロボットが不安定な姿勢となる期間を短縮させることが可能となる。   According to the robot of the present invention, when the direction of the force acting on the second link changes during the swinging motion of the second link by the actuator, the damper generates a damping force to attenuate the operation of the second link. During the swinging operation of the second link by the actuator, an appropriate backlash is achieved. In this state, if the direction of the force acting on the second link changes, the second link can move freely in the play regardless of the first link or actuator due to the action of the force, and the posture of the robot is unstable. Turn into. Therefore, when such a force is applied, a damping force is generated in the damper to attenuate the operation of the second link. As a result, free movement within the play of the second link is suppressed, and the period during which the robot is in an unstable posture can be shortened.

また、本発明のロボットにおいて、前記制御手段は、前記アクチュエータによる前記第2リンクの揺動動作中に、該第2リンクが揺動動作する方向と逆方向に当該第2リンクが揺動動作するよう、前記アクチュエータが前記第2リンクに力を作用させるとき、前記ダンパーが減衰力を発生するように制御することが好ましい。   In the robot according to the aspect of the invention, the control unit may cause the second link to swing in a direction opposite to the swinging direction of the second link during the swinging operation of the second link by the actuator. As described above, when the actuator applies a force to the second link, the damper is preferably controlled to generate a damping force.

アクチュエータによる第2リンクの揺動動作中に、第2リンクが揺動動作する方向と逆方向に第2リンクが揺動動作するよう、アクチュエータが第2リンクに力を作用させると、アクチュエータが反転動作を開始することになる。しかし、ガタの存在のため、アクチュエータの反転動作に第2リンクは即時的に追従できず、第2リンクはガタ内を自由移動可能な状態となるので、ロボットの姿勢が不安定化する。そこで、このような力が作用したとき、ダンパーに減衰力を発生させて、第2リンクの動作を減衰させる。これにより、第2リンクのガタ内の自由な動作が抑制され、ロボットが不安定な姿勢となる期間を短縮させることが可能となる。   When the actuator exerts a force on the second link so that the second link swings in the direction opposite to the swinging direction of the second link during the swinging motion of the second link by the actuator, the actuator reverses. The operation will start. However, due to the presence of backlash, the second link cannot immediately follow the reversing operation of the actuator, and the second link can move freely within the backlash, so the posture of the robot becomes unstable. Therefore, when such a force is applied, a damping force is generated in the damper to attenuate the operation of the second link. As a result, free movement within the play of the second link is suppressed, and the period during which the robot is in an unstable posture can be shortened.

また、本発明のロボットにおいて、前記制御手段は、前記アクチュエータによる前記第2リンクの揺動動作中に、該第2リンクが揺動動作する方向と同方向に当該第2リンクに外力が作用するとき、前記ダンパーが減衰力を発生するように制御することが好ましい。   In the robot according to the aspect of the invention, during the swing operation of the second link by the actuator, the control means applies an external force to the second link in the same direction as the second link swings. In some cases, the damper is preferably controlled so as to generate a damping force.

アクチュエータによる第2リンクの揺動動作中に、第2リンクが揺動動作する方向と同方向に第2リンクに外力が作用すると、ガタの存在のため、第2リンクがガタ内を自由に移動し、ロボットの姿勢が不安定化する。そこで、このような力が作用したとき、ダンパーに減衰力を発生させて、第2リンクの動作を減衰させる。これにより、第2リンクのガタ内の自由な動作が抑制され、ロボットが不安定な姿勢となる期間を短縮させることが可能となる。   When an external force acts on the second link in the same direction as the second link swings during the swinging motion of the second link by the actuator, the second link moves freely in the backlash due to the presence of backlash. However, the posture of the robot becomes unstable. Therefore, when such a force is applied, a damping force is generated in the damper to attenuate the operation of the second link. As a result, free movement within the play of the second link is suppressed, and the period during which the robot is in an unstable posture can be shortened.

また、本発明のロボットにおいて、前記制御手段は、前記アクチュエータによる前記第2リンクの揺動動作中に、該第2リンクに前記関節部方向に外力が作用するとき、前記ダンパーが減衰力を発生するように制御することが好ましい。   In the robot according to the aspect of the invention, the control unit may cause the damper to generate a damping force when an external force is applied to the second link in the direction of the joint during the swinging operation of the second link by the actuator. It is preferable to control so as to.

アクチュエータによる第2リンクの揺動動作中に、第2リンクに関節部方向に外力が作用すると、ガタの存在のため、第2リンクがガタ内を関節部方向に自由に移動し、ロボットの姿勢が不安定化する。そこで、このような力が作用したとき、ダンパーに減衰力を発生させて、第2リンクの動作を減衰させる。これにより、第2リンクのガタ内の自由な動作が抑制され、ロボットが不安定な姿勢となる期間を短縮させることが可能となる。   If an external force is applied to the second link in the direction of the joint during the swinging motion of the second link by the actuator, the presence of the backlash causes the second link to move freely in the backlash in the direction of the joint. Becomes unstable. Therefore, when such a force is applied, a damping force is generated in the damper to attenuate the operation of the second link. As a result, free movement within the play of the second link is suppressed, and the period during which the robot is in an unstable posture can be shortened.

また、本発明のロボットにおいて、前記ダンパーは、磁界により磁気粘性流体の粘度を可変する磁気粘性流体ダンパーであることが好ましい。   In the robot of the present invention, it is preferable that the damper is a magnetorheological fluid damper that varies the viscosity of the magnetorheological fluid by a magnetic field.

磁気粘性流体ダンパーは、コイル等の磁気生成手段に印加する電流値に応じて粘度が変化するので、減衰力が可変容易であり、応答性が優れている。そのため、第2リンクの動作を減衰させるに適した値の減衰力を即時的に発生させることが可能である。また、磁気粘性流体ダンパーは、小型化が可能であり、ロボットへの搭載に適している。   Since the viscosity of the magnetorheological fluid damper changes according to the current value applied to the magnetism generating means such as a coil, the damping force can be easily changed and the response is excellent. Therefore, it is possible to immediately generate a damping force having a value suitable for attenuating the operation of the second link. The magnetorheological fluid damper can be reduced in size and is suitable for mounting on a robot.

また、本発明のロボットにおいて、前記アクチュエータは、前記第1リンクと前記第2リンクとを前記関節部から離間した部分で連結する直動アクチュエータであることが好ましい。   In the robot according to the aspect of the invention, it is preferable that the actuator is a linear motion actuator that connects the first link and the second link at a portion separated from the joint portion.

直動アクチュエータは、小型化が可能であるので、ロボットへの搭載に適している。また、ダンパーが発生した減衰力により第2リンクを介して外力が入力しても、直動アクチュエータは破損するおそれがない。   Since the linear actuator can be reduced in size, it is suitable for mounting on a robot. Further, even if an external force is input via the second link due to the damping force generated by the damper, the linear motion actuator is not likely to be damaged.

本発明のロボットの制御方法は、第1リンクと第2リンクとが関節部を介して連結され、前記第1リンクに対して前記第2リンクを揺動駆動するアクチュエータと、前記第2リンクの揺動動作に減衰力を付与するダンパーとを備えたロボットの制御方法であって、前記アクチュエータによる前記第2リンクの揺動動作中に、該第2リンクに作用する力の方向が変わるとき、前記ダンパーが減衰力を発生するように制御することを特徴とする。   According to the robot control method of the present invention, the first link and the second link are connected via a joint portion, the actuator that swings and drives the second link with respect to the first link, and the second link A control method of a robot including a damper that applies a damping force to a swinging operation, wherein the direction of the force acting on the second link changes during the swinging operation of the second link by the actuator. The damper is controlled so as to generate a damping force.

本発明のロボットの制御方法によれば、アクチュエータによる第2リンクの揺動動作中に、第2リンクに作用する力の方向が変わるとき、ダンパーが減衰力を発生し、第2リンクの動作を減衰させる。アクチュエータによる第2リンクの揺動動作中には、適切なガタ寄せがなされた状態となっている。この状態において、第2リンクに作用する力の方向が変わると、該力の作用により第2リンクが、第1リンクやアクチュエータと関係なく自由にガタ内を移動可能となり、ロボットの姿勢が不安定化する。そこで、このような力が作用したとき、ダンパーに減衰力を発生させて、第2リンクの動作を減衰させる。これにより、第2リンクのガタ内の自由な動作が抑制され、ロボットが不安定な姿勢となる期間を短縮させることが可能となる。   According to the robot control method of the present invention, when the direction of the force acting on the second link changes during the swinging motion of the second link by the actuator, the damper generates a damping force, and the second link operates. Attenuate. During the swinging operation of the second link by the actuator, an appropriate backlash is achieved. In this state, if the direction of the force acting on the second link changes, the second link can move freely in the play regardless of the first link or actuator due to the action of the force, and the posture of the robot is unstable. Turn into. Therefore, when such a force is applied, a damping force is generated in the damper to attenuate the operation of the second link. As a result, free movement within the play of the second link is suppressed, and the period during which the robot is in an unstable posture can be shortened.

本発明の2足歩行ロボットは、左右対称の脚部と胴体部とを備え、各脚部は、胴体部に股関節部を介して連結される大腿リンクと、該大腿リンクの下端に膝関節部を介して連結される下腿リンクと、該下腿リンクの下端に足首関節部を介して連結される足平部とを有する2足歩行ロボットであって、各前記脚部における、前記大腿リンクと前記下腿リンクとを、膝関節部から離間した部分で連結する直動アクチュエータと、前記大腿リンクに対する前記下腿リンクの揺動動作に減衰力を付与するダンパーと、前記直動アクチュエータの伸縮動作による前記下腿リンクの揺動動作中に、該下腿リンクに作用する力の方向が変わるとき、前記ダンパーが減衰力を発生するように制御する制御手段とを備えることを特徴とする。   The biped walking robot of the present invention includes a symmetrical leg and a torso, each leg having a thigh link connected to the torso via a hip joint, and a knee joint at the lower end of the thigh link. A biped walking robot having a crus link connected via a leg and a foot connected to the lower end of the crus link via an ankle joint, wherein the thigh link and the A linear motion actuator that connects the crus link at a portion spaced from the knee joint, a damper that applies a damping force to the swinging motion of the crus link relative to the thigh link, and the crus by the expansion and contraction motion of the linear motion actuator And a control means for controlling the damper to generate a damping force when the direction of the force acting on the lower leg link changes during the swinging motion of the link.

本発明の2足歩行ロボットによれば、直動アクチュエータによる下腿リンクの揺動動作中に、下腿リンクに作用する力の方向が変わるとき、ダンパーが減衰力を発生し、下腿リンクの動作を減衰させる。直動アクチュエータによる下腿リンクの揺動動作中には、適切なガタ寄せがなされた状態となっている。この状態において、下腿リンクに作用する力の方向が変わると、該力の作用により下腿リンクが、大腿リンクや直動アクチュエータと関係なく自由にガタ内を移動可能となり、2足歩行ロボットの姿勢が不安定化する。そこで、このような力が作用したとき、ダンパーに減衰力を発生させて、下腿リンクの動作を減衰させる。これにより、下腿リンクのガタ内の自由な動作が抑制され、2足歩行ロボットが不安定な姿勢となる期間を短縮させることが可能となる。   According to the biped walking robot of the present invention, when the direction of the force acting on the lower leg link changes during the swinging movement of the lower leg link by the linear actuator, the damper generates a damping force to attenuate the lower leg link movement. Let During the swinging motion of the crus link by the linear actuator, an appropriate backlash is achieved. In this state, if the direction of the force acting on the crus link changes, the crus link can move freely in the play regardless of the thigh link and the linear motion actuator due to the action of the force, and the posture of the biped walking robot is It becomes unstable. Therefore, when such a force is applied, a damping force is generated in the damper to attenuate the operation of the lower leg link. As a result, the free movement of the lower leg link is suppressed, and the period during which the biped robot is in an unstable posture can be shortened.

本発明の2足歩行ロボットの制御方法は、左右対称の脚部と胴体部とを備え、各脚部は、胴体部に股関節部を介して連結される大腿リンクと、該大腿リンクの下端に膝関節部を介して連結される下腿リンクと、各前記脚部における、前記大腿リンクと前記下腿リンクとを膝関節部から離間した部分で連結する直動アクチュエータと、前記大腿リンクに対する前記下腿リンクの揺動動作に減衰力を付与するダンパーと、該下腿リンクの下端に足首関節部を介して連結される足平部とを備えた2足歩行ロボットの制御方法であって、前記直動アクチュエータの伸縮動作による前記下腿リンクの揺動動作中に、該下腿リンクに作用する力の方向が変わるとき、前記ダンパーにが減衰力を発生するように制御することを特徴とする。   A biped walking robot control method according to the present invention includes symmetrical leg portions and a torso portion, each leg portion being connected to the torso portion via a hip joint portion, and a lower end of the thigh link. A crus link connected via a knee joint part, a linear motion actuator for connecting the thigh link and the crus link in each leg part at a portion spaced from the knee joint part, and the crus link to the thigh link A biped walking robot control method comprising: a damper that applies a damping force to a swinging motion of a leg; and a foot portion that is coupled to a lower end of the lower leg link via an ankle joint portion, wherein the linear actuator When the direction of the force acting on the crus link changes during the swinging operation of the crus link by the telescopic movement, the damper is controlled so as to generate a damping force.

本発明の2足歩行ロボットの制御方法によれば、直動アクチュエータによる下腿リンクの揺動動作中に、下腿リンクに作用する力の方向が変わるとき、ダンパーが減衰力を発生し、下腿リンクの動作を減衰させる。直動アクチュエータによる下腿リンクの揺動動作中には、適切なガタ寄せがなされた状態となっている。この状態において、下腿リンクに作用する力の方向が変わると、該力の作用により下腿リンクが、大腿リンクや直動アクチュエータと関係なく自由にガタ内を移動可能となり、2足歩行ロボットの姿勢が不安定化する。そこで、このような力が作用したとき、ダンパーに減衰力を発生させて、下腿リンクの動作を減衰させる。これにより、下腿リンクのガタ内の自由な動作が抑制され、2足歩行ロボットが不安定な姿勢となる期間を短縮させることが可能となる。   According to the control method of the biped walking robot of the present invention, when the direction of the force acting on the lower leg link is changed during the swinging movement of the lower leg link by the linear actuator, the damper generates a damping force, Damping movement. During the swinging motion of the crus link by the linear actuator, an appropriate backlash is achieved. In this state, if the direction of the force acting on the crus link changes, the crus link can move freely in the play regardless of the thigh link and the linear motion actuator due to the action of the force, and the posture of the biped walking robot is It becomes unstable. Therefore, when such a force is applied, a damping force is generated in the damper to attenuate the operation of the lower leg link. As a result, the free movement of the lower leg link is suppressed, and the period during which the biped robot is in an unstable posture can be shortened.

本発明の実施形態に係る2足歩行ロボットを示す構成図。The block diagram which shows the bipedal walking robot which concerns on embodiment of this invention. 制御ユニットの機能的構成を示すブロック図。The block diagram which shows the functional structure of a control unit. MRダンパーの制御を示すフローチャート。The flowchart which shows control of MR damper. MRダンパーの他の制御を示すフローチャート。The flowchart which shows other control of MR damper. MRダンパーのさらに他の制御を示すフローチャート。The flowchart which shows other control of MR damper.

本発明の実施形態に係る2足歩行ロボット(ロボット)1を図面を参照して説明する。   A biped robot (robot) 1 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1を参照して、この2足歩行ロボット1は、胴体部2と左右一対の脚部3を備えている。なお、図面では、一本の脚部3のみが示されている。   Referring to FIG. 1, the biped walking robot 1 includes a body portion 2 and a pair of left and right legs 3. In the drawing, only one leg 3 is shown.

各脚部3は、胴体部2の下端に股関節部5を介して連結される大腿リンク(第1リンク)6と、大腿リンク6の下端に膝関節部(関節部)7を介して連結される下腿リンク(第2リンク)8と、下腿リンク8の下端に足首関節部9を介して連結される足平部10とから構成されている。そして、各脚部3における、大腿リンク6と下腿リンク8とを、膝関節部7から離間した部分で連結する直動アクチュエータ(アクチュエータ)11及びMRダンパー(ダンパー)12を備えている。なお、胴体部2と大腿リンク6、及び下腿リンク8と足平部10も、図略した直動アクチュエータによって、それぞれ連結されている。   Each leg portion 3 is connected to a lower end of the body portion 2 via a hip joint portion 5 and a lower end of the thigh link 6 via a knee joint portion (joint portion) 7. A lower leg link (second link) 8 and a foot part 10 connected to the lower end of the lower leg link 8 via an ankle joint part 9. Each leg portion 3 includes a linear motion actuator (actuator) 11 and an MR damper (damper) 12 that connect the thigh link 6 and the crus link 8 at a portion separated from the knee joint portion 7. The torso part 2 and the thigh link 6 and the crus link 8 and the foot part 10 are also connected by a linear actuator not shown.

膝関節部7は、横方向のY軸回りの回転自由度を有する1軸ジョイントで構成されている。具体的には、下腿リンク8の上端部に設けられた支軸13が、大腿リンク6の下端部にY軸に平行な軸線を有して形成された軸穴14にベアリングを介して揺動自在に支持されている。これにより、下腿リンク8は大腿リンク6に対しY軸を中心にして前後方向に揺動自在となっている。なお、以下、下腿リンク8が揺動動作するとは、下腿リンク8が大腿リンク6に対して相対的に揺動動作することを意味する。また、股関節部4と足首関節部9は、共に2軸ジョイントで構成されている。   The knee joint portion 7 is composed of a uniaxial joint having a degree of freedom of rotation about the lateral Y axis. Specifically, the support shaft 13 provided at the upper end portion of the crus link 8 swings through a bearing in a shaft hole 14 formed at the lower end portion of the thigh link 6 and having an axis parallel to the Y axis. It is supported freely. Thereby, the lower leg link 8 is swingable in the front-rear direction with respect to the thigh link 6 about the Y axis. Hereinafter, the swinging motion of the crus link 8 means that the crus link 8 swings relative to the thigh link 6. Moreover, both the hip joint part 4 and the ankle joint part 9 are comprised by the biaxial joint.

膝関節部7には、下腿リンク8のY軸回りの揺動角度を検出する歪センサ等から構成される揺動角度センサ15が設けられている。また、足平部10に作用する反力(前後、左右、上下の3軸方向の並進力及び3軸回りのモーメント)を検出する6軸力センサ(床反力センサ)16を介して、足首関節部9と足平部10とが連結されている。また、下腿リンク8には、該下腿リンク8に作用する外力の値と作用方向を検出する外力センサ17(図2参照)が設けられている。   The knee joint portion 7 is provided with a swing angle sensor 15 including a strain sensor that detects a swing angle of the lower leg link 8 around the Y axis. Further, the ankle is connected via a six-axis force sensor (floor reaction force sensor) 16 that detects reaction forces (translational forces in the three axial directions of front and rear, left and right, and upper and lower directions, and moments about three axes) acting on the foot portion 10. The joint part 9 and the foot part 10 are connected. The crus link 8 is provided with an external force sensor 17 (see FIG. 2) that detects the value and direction of the external force that acts on the crus link 8.

直動アクチュエータ11は、詳細は図示しないが、電動モータ18によりベルトを介して回転駆動されるナット部材と、このナット部材に保持されるボールを介して当該ナット部材と螺合するねじ軸とを有するボールねじ機構で構成される。ナット部材は、ナットケース内にベアリングを介して軸支されている。なお、電動モータ18は、電動モータの実回転角度を検出するエンコーダ19(図2参照)を備えている。   Although not shown in detail, the linear actuator 11 includes a nut member that is rotated by an electric motor 18 via a belt, and a screw shaft that is screwed to the nut member via a ball held by the nut member. It has a ball screw mechanism. The nut member is pivotally supported in the nut case via a bearing. The electric motor 18 includes an encoder 19 (see FIG. 2) that detects the actual rotation angle of the electric motor.

ナットケースと一体化された支軸20が、大腿リンク6の上部にY軸に平行な軸線を有して形成された軸穴21にベアリングを介して揺動自在に軸支されている。そして、ねじ軸に連結されたロッド軸22の先端に設けられた支軸23が、下腿リンク8にY軸に平行な軸線を有して形成された軸穴24にベアリングを介して揺動自在に支持されている。これにより、電動モータ18の回転に伴うねじ軸の軸方向移動により、ねじ軸に連結されたロッド軸22が伸縮して、下腿リンク8の大腿リンク6に対する揺動動作が行われる。   A support shaft 20 integrated with the nut case is pivotally supported via a bearing in a shaft hole 21 formed in the upper portion of the thigh link 6 with an axis parallel to the Y axis. A support shaft 23 provided at the tip of the rod shaft 22 connected to the screw shaft can swing through a bearing in a shaft hole 24 formed in the crus link 8 having an axis parallel to the Y axis. It is supported by. Thereby, the axial movement of the screw shaft accompanying the rotation of the electric motor 18 causes the rod shaft 22 connected to the screw shaft to expand and contract, and the swinging motion of the crus link 8 relative to the thigh link 6 is performed.

MRダンパー12は、磁気粘性流体(MRF:Magneto-Rheological Fluid)を用いた減衰力可変ダンパーである。MRダンパー12は、シリンダ25を磁気粘性流体で充填し、シリンダ25内を摺動するピストン26にコイルを設け、このコイルに通電して発生した磁界によってピストン26のポート内を通過する磁気粘性流体の粘性を変化させて減衰力(抵抗力)を制御する。   The MR damper 12 is a damping force variable damper using a magneto-rheological fluid (MRF). The MR damper 12 fills the cylinder 25 with a magnetorheological fluid, provides a coil on a piston 26 that slides within the cylinder 25, and passes through the port of the piston 26 by a magnetic field generated by energizing the coil. The damping force (resistance force) is controlled by changing the viscosity of the.

胴体部2には、コントロールボックス27が内蔵されている。コントロールボックス27には、図2を参照して、各脚部3の各関節部4,6,8の動作制御等を行う制御ユニット(制御手段)31、各直動アクチュエータ11の電動モータ18の通電を制御するモータ駆動回路32、MRダンパー12の通電を制御するダンパー駆動回路33等が収容されている。制御ユニット31は、マイクロコンピュータ等を含む電子回路により構成されたものであり、その機能的構成として、歩容生成部34、モータ制御部35、ダンパー制御部36を備えている。   A control box 27 is built in the body portion 2. With reference to FIG. 2, the control box 27 includes a control unit (control means) 31 that controls the operation of the joints 4, 6, and 8 of each leg 3, and the electric motor 18 of each linear actuator 11. A motor drive circuit 32 for controlling energization, a damper drive circuit 33 for controlling energization of the MR damper 12, and the like are accommodated. The control unit 31 is configured by an electronic circuit including a microcomputer or the like, and includes a gait generator 34, a motor controller 35, and a damper controller 36 as functional components.

歩容生成部34は、2足歩行ロボット1の脚部3の目標歩容を規定する歩容パラメータ(歩幅、歩行周期等)を、外部からの指令、あるいは予め設定されたティーチングデータ等に応じて、目標歩容を作成する。   The gait generator 34 determines gait parameters (step length, walking cycle, etc.) that define the target gait of the leg 3 of the biped walking robot 1 in accordance with an external command or preset teaching data. To create a goal gait.

モータ制御部35は、膝関節部7の直動アクチュエータ11の電動モータ18を含め、各関節部4,6,8の直動アクチュエータの電動モータを制御する。モータ制御部35は、歩容生成部34により生成された目標歩容、揺動角度センサ15等により検出される各関節部4,6,8の実揺動角度、6軸力センサ16により検出される足平部10の実床反力、エンコーダ19等により検出される電動モータ18等の実回転角度などに基づいて、各電動モータに通電させる通電電流の指令値を生成する。そして、モータ制御部35は、生成した指令値をモータ駆動回路32に出力し、該モータ駆動回路32を介して指令値に応じた電流を各電動モータに通電させる。   The motor control unit 35 controls the electric motors of the linear actuators of the joints 4, 6, 8, including the electric motor 18 of the linear actuator 11 of the knee joint 7. The motor control unit 35 detects the target gait generated by the gait generation unit 34, the actual swing angle of each joint 4, 6, 8 detected by the swing angle sensor 15, and the six-axis force sensor 16. Based on the actual floor reaction force of the foot portion 10 to be performed, the actual rotation angle of the electric motor 18 and the like detected by the encoder 19 and the like, a command value for energizing current to be supplied to each electric motor is generated. Then, the motor control unit 35 outputs the generated command value to the motor drive circuit 32 and energizes each electric motor with a current corresponding to the command value via the motor drive circuit 32.

ダンパー制御部36は、MRダンパー12を制御する。ダンパー制御部36は、歩容生成部34により生成された目標歩容、揺動角度センサ15等により検出される各関節部4,6,8の実揺動角度、6軸力センサ16により検出される足平部10の実床反力、エンコーダ19等により検出される電動モータ18等の実回転角度、モータ制御部35により生成された指令値、外力センサ17により検出される下腿リンク8に作用する外力等に基づいて、MRダンパー12に通電させる電流の指令値を生成する。そして、ダンパー制御部36は、生成した指令値をダンパー駆動回路33に出力し、該ダンパー駆動回路33を介して指令値に応じた電流をMRダンパー12に通電させる。   The damper control unit 36 controls the MR damper 12. The damper control unit 36 detects the target gait generated by the gait generation unit 34, the actual swing angle of each joint 4, 6, 8 detected by the swing angle sensor 15, and the six-axis force sensor 16. The actual floor reaction force of the foot portion 10 to be detected, the actual rotation angle of the electric motor 18 detected by the encoder 19, the command value generated by the motor control unit 35, the crus link 8 detected by the external force sensor 17 A command value for a current to be supplied to the MR damper 12 is generated based on an external force that acts on the MR damper 12. Then, the damper control unit 36 outputs the generated command value to the damper drive circuit 33, and causes the MR damper 12 to pass a current corresponding to the command value via the damper drive circuit 33.

ところで、製造誤差等を考慮して、構造物間には必然的にガタ(隙間、遊び、backlash、playなどの意味概念を含む)が存在する。ここでは、具体的なガタとして、大腿リンク6と直動アクチュエータ11と間のガタ(即ち、軸穴21と支軸20との間のガタ)、電動モータ18とナット部材との間のベルトを介してのガタ、直動アクチュエータ11内部のナット部材、ボール、ねじ軸間でのガタ、下腿リンク8と直動アクチュエータ11とのガタ(即ち、軸穴24と支軸23との間のガタ)、大腿リンク6と下腿リンク8との間(即ち、軸穴14と支軸13との間のガタ)などが挙げられる。   By the way, in consideration of manufacturing errors and the like, there is inevitably play (including semantic concepts such as gap, play, backlash, play) between structures. Here, as specific play, a play between the thigh link 6 and the linear motion actuator 11 (that is, play between the shaft hole 21 and the support shaft 20), and a belt between the electric motor 18 and the nut member are used. , Looseness between the nut member in the linear actuator 11, ball, screw shaft, looseness between the crus link 8 and the linear actuator 11 (that is, looseness between the shaft hole 24 and the support shaft 23). And between the thigh link 6 and the crus link 8 (that is, play between the shaft hole 14 and the support shaft 13).

ガタを形成する2つの構造物の相対的な動作が一定方向に減速を伴うことなく行われている間は、ガタによる悪影響はなく、2つの構造物の動作は安定している。しかし、ガタを形成する2つの構造物の相対的な動作が方向変換する、又は減速を伴う場合、一方の構造物が移動してガタ寄せが行われるため、2つの構造物の動作は不安定になる。   While the relative movement of the two structures forming the backlash is performed without decelerating in a certain direction, there is no adverse effect due to the backlash, and the movement of the two structures is stable. However, when the relative movement of the two structures forming the backlash changes direction or involves deceleration, the movement of the two structures is unstable because one of the structures moves to cause backlash. become.

そこで、直動アクチュエータ11による下腿リンク8の揺動動作中に、下腿リンク8に作用する力の方向が変わるとき、MRダンパー12が下腿リンク8の動作を適切に減衰させるよう、ダンパー制御部36はMRダンパー12に通電する電流の指令値を生成する。   Therefore, when the direction of the force acting on the crus link 8 changes during the swinging motion of the crus link 8 by the linear actuator 11, the damper controller 36 causes the MR damper 12 to appropriately attenuate the operation of the crus link 8. Generates a command value of a current to be supplied to the MR damper 12.

直動アクチュエータ11による下腿リンク8の定常継続的な揺動動作中には、適切なガタ寄せがなされた状態となっている。この状態において、下腿リンク8に作用する力の方向が変わると、該力の作用により下腿リンク8が、大腿リンク6や直動アクチュエータ11と関係なく自由にガタ内を移動可能となり、2足歩行ロボット1の姿勢が不安定化する。そこで、このような力が作用したとき、MRダンパー12に減衰力を発生させて、下腿リンク8の動作を減衰させる。これにより、ガタ内の自由な動作が抑制され、2足歩行ロボット1が不安定な姿勢となる期間を短縮させることが可能となる。さらに、ガタ内の自由な動作が抑制されるので、ガタの許容範囲が大きくなり、2足歩行ロボット1の製造コストを削減することが可能となる。   While the crus link 8 is steadily and continuously swinging by the linear actuator 11, an appropriate backlash is achieved. In this state, if the direction of the force acting on the crus link 8 changes, the crus link 8 can move freely in the play regardless of the thigh link 6 or the linear motion actuator 11 due to the action of the force. The posture of the robot 1 becomes unstable. Therefore, when such a force is applied, a damping force is generated in the MR damper 12 to attenuate the operation of the lower leg link 8. As a result, free movement within the play is suppressed, and the period during which the biped robot 1 is in an unstable posture can be shortened. Furthermore, since free movement within the play is suppressed, the allowable range of play is increased, and the manufacturing cost of the biped walking robot 1 can be reduced.

次に、このような2足歩行ロボット1の制御例について、図面を参照して説明する。下腿リンク8に反転動作が生じるとき、図3に示すフローチャートの処理を実行する。   Next, a control example of such a biped walking robot 1 will be described with reference to the drawings. When the reversal operation occurs in the crus link 8, the process of the flowchart shown in FIG. 3 is executed.

まず、直動アクチュエータ11による下腿リンク8の揺動動作中に(STEP1:YES)に、モータ制御部35が新たに生成した電流指令値がそれまでの電流指令値に対して正負逆方向の差分を有すると、直動アクチュエータ11の伸縮動作に減速作用(ブレーキ)が生じることになる。具体的には、例えば、モータ制御部35が生成する指令値が一定の正の電流値であったとき、負の差分を有する電流指令値、即ち、電流値を減少させた指令値が新たに生成されると、電動モータ18の回転が減速し、これに伴い、ロッド軸22が伸びる動作に負の加速度が生じて、ロッド軸22の伸びが減速する。そして、このとき、下腿リンク8は、自身の慣性動作とガタの存在によりロッド軸22の減速に即時的に追従できないので、ガタ内を自由に運動する。そのため、ガタ寄せが完了するまで、下腿リンク8の動作が不安定となり、2足歩行ロボット1の姿勢が不安定となる。   First, during the swinging motion of the lower leg link 8 by the linear actuator 11 (STEP 1: YES), the current command value newly generated by the motor control unit 35 is the difference between the positive and negative directions with respect to the current command value so far. If there is, a deceleration action (brake) occurs in the expansion / contraction operation of the linear motion actuator 11. Specifically, for example, when the command value generated by the motor control unit 35 is a constant positive current value, a current command value having a negative difference, that is, a command value with a reduced current value is newly added. When generated, the rotation of the electric motor 18 is decelerated. Along with this, a negative acceleration occurs in the operation of extending the rod shaft 22, and the elongation of the rod shaft 22 is decelerated. At this time, the crus link 8 cannot immediately follow the deceleration of the rod shaft 22 due to its inertial motion and the presence of backlash, and thus freely moves in the backlash. Therefore, the operation of the lower leg link 8 becomes unstable until the play is completed, and the posture of the biped walking robot 1 becomes unstable.

そこで、モータ制御部35が正負逆方向の差分を有する電流指令値を生成したとき(STEP2:YES)、MRダンパー12に通電する(STEP3)。具体的には、ダンパー制御部36が、前記差分の大きさに応じた電流指令値を生成し、ダンパー駆動回路33を介して、該指令値に基づく電流をMRダンパー12に通電させる。これにより、MRダンパー12は通電された電流値に応じた減衰力を発生させ、下腿リンク8の動作を減速させる(STEP4)。   Therefore, when the motor control unit 35 generates a current command value having a difference between the positive and negative directions (STEP 2: YES), the MR damper 12 is energized (STEP 3). Specifically, the damper control unit 36 generates a current command value corresponding to the magnitude of the difference, and energizes the MR damper 12 with a current based on the command value via the damper drive circuit 33. Thereby, the MR damper 12 generates a damping force corresponding to the energized current value, and decelerates the operation of the lower leg link 8 (STEP 4).

その後、膝関節部7の角速度が反転したとき(STEP5:YES)、MRダンパー12への通電を停止する(STEP6)。膝関節部7の角速度が反転したことは、ガタ寄せが完了して、下腿リンク8がロッド軸22の伸縮動作に再び追従する揺動動作を開始したことを意味する。そして、その後は、MRダンパー12による減衰力は下腿リンク8の動作の抵抗となるため、MRダンパー12への通電を停止する。   Thereafter, when the angular velocity of the knee joint portion 7 is reversed (STEP 5: YES), the energization to the MR damper 12 is stopped (STEP 6). The fact that the angular velocity of the knee joint portion 7 has been reversed means that the backlash has been completed and the crus link 8 has started a swinging motion that follows the expansion and contraction motion of the rod shaft 22 again. Then, since the damping force by the MR damper 12 becomes a resistance to the operation of the crus link 8, the energization to the MR damper 12 is stopped.

このように、下腿リンク8の揺動動作中(STEP1:YES)に、直動アクチュエータ11が減速動作を開始する(STEP2:YES)と、下腿リンク8は、この減速動作に即時的に追従できず、ガタ内を自由に移動可能な状態となる。しかし、このとき、MPダンパー12により下腿リンク8の動作を減衰させる(STEP4)ので、下腿リンク8のガタ内の自由な動作が抑制され、2足歩行ロボット1が不安定な姿勢となる期間を短縮させることが可能となる。   Thus, when the linear motion actuator 11 starts a deceleration operation (STEP 2: YES) during the swinging motion of the crus link 8 (STEP 1: YES), the crus link 8 can immediately follow this deceleration operation. It will be in the state which can move freely in the backlash. However, at this time, since the operation of the lower leg link 8 is attenuated by the MP damper 12 (STEP 4), the free movement in the play of the lower leg link 8 is suppressed, and the bipedal walking robot 1 is in an unstable posture. It can be shortened.

なお、STEP2で、モータ制御部35が正負逆方向の差分を有する電流指令値を生成したことを判別基準とし、直動アクチュエータ11の減速動作を予測した。しかしながら、直動アクチュエータ11が実際に減速動作を開始したことを、STEP2での判別基準としてもよい。これは、例えば、エンコーダ19により電動モータ18の実角加速度の反転を検出、電動モータ18に実際に通電される電流値の減少を検出することにより判別可能である。また、ガタ内の自由な運動が開始されたことを、STEP2での判別基準としてもよい。これは、例えば、揺動角度センサ15による膝関節部7の揺動角度変化や、下腿リンク8等に搭載した図示しないジャイロセンサによる下腿リンク8の揺れ変化を検出することにより判別可能である。   In STEP 2, the deceleration operation of the linear motion actuator 11 is predicted based on the fact that the motor control unit 35 generates a current command value having a difference between positive and negative directions. However, the fact that the linear motion actuator 11 has actually started a deceleration operation may be used as a determination criterion in STEP2. This can be determined, for example, by detecting the reversal of the actual angular acceleration of the electric motor 18 by the encoder 19 and detecting a decrease in the current value actually supplied to the electric motor 18. Moreover, it is good also as a discrimination | determination reference | standard in STEP2 that the free exercise | movement in the backlash was started. This can be determined, for example, by detecting a swing angle change of the knee joint portion 7 by the swing angle sensor 15 or a swing change of the lower leg link 8 by a gyro sensor (not shown) mounted on the lower leg link 8 or the like.

また、STEP5で、膝関節部7の角速度が反転したときを判別基準とし、ガタ寄せが完了したと判断している。しかしながら、直動アクチュエータ11が逆方向に動作を開始したことを、STEP5での判別基準としてもよい。これは、例えば、エンコーダ19により電動モータ18の実角速度の増加を検出することや、電動モータ18に実際に通電される電流値の増加を検出することにより判別可能である。また、ガタ寄せが完了するまでの時間は略一定であるので、所定時間が経過したことを、STEP5での判別基準としてもよい。   Further, in STEP 5, it is determined that the rattling has been completed, with the time when the angular velocity of the knee joint portion 7 is reversed as a criterion. However, the fact that the linear motion actuator 11 has started to operate in the reverse direction may be used as a determination criterion in STEP 5. This can be determined, for example, by detecting an increase in the actual angular velocity of the electric motor 18 with the encoder 19 or detecting an increase in the current value that is actually energized in the electric motor 18. In addition, since the time until the play is completed is substantially constant, the elapse of the predetermined time may be used as a determination criterion in STEP5.

下腿リンク8の揺動方向と同方向に、下腿リンク8を揺動動作させる外力が下腿リンク8に作用したとき、図4に示すフローチャートの処理を実行する。   When an external force that swings the crus link 8 is applied to the crus link 8 in the same direction as the swinging direction of the crus link 8, the process of the flowchart shown in FIG.

まず、直動アクチュエータ11による下腿リンク8の揺動動作中(STEP11:YES)に、下腿リンク8の揺動方向と同方向に、下腿リンク8を揺動動作させる外力が下腿リンク8に作用すると、下腿リンク8の揺動動作が加速する。具体的には、例えば、下腿リンク8が時計回転方向回りに一定速度で揺動していたとき、足平部10が着床するなどにより、下腿リンク8に外力が生じ、かつ該外力の作用方向が下腿リンク8を時計回転方向回りに揺動させる方向であると、下腿リンク8の揺動動作が加速する。そして、このとき、下腿リンク8は、自身の加速動作により、ガタ内を自由運動する。そのため、ガタ寄せが完了するまで、下腿リンク8の動作が不安定となり、2足歩行ロボット1の姿勢が不安定となる。   First, during an oscillating operation of the crus link 8 by the linear actuator 11 (STEP 11: YES), when an external force that oscillates the crus link 8 acts on the crus link 8 in the same direction as the oscillating direction of the crus link 8. The swinging motion of the lower leg link 8 is accelerated. Specifically, for example, when the crus link 8 swings around the clockwise direction at a constant speed, an external force is generated in the crus link 8 due to the foot 10 landing, and the action of the external force When the direction is the direction in which the lower leg link 8 is swung clockwise, the swinging motion of the lower leg link 8 is accelerated. At this time, the crus link 8 freely moves in the backlash by its own acceleration operation. Therefore, the operation of the lower leg link 8 becomes unstable until the play is completed, and the posture of the biped walking robot 1 becomes unstable.

そこで、下腿リンク8の揺動方向と同方向に、下腿リンク8を揺動動作させる外力が下腿リンク8に作用したことを外力センサ17が検出したとき(STEP12:YES)、MRダンパー12に通電する(STEP13)。具体的には、ダンパー制御部36が、前記外力の揺動方向モーメント成分に応じた電流指令値を生成し、ダンパー駆動回路33を介して、該指令値に基づく電流をMRダンパー12に通電させる。これにより、MRダンパー12は通電された電流値に応じた減衰力を発生させ、下腿リンク8の急激な加速動作を抑制する(STEP14)。   Therefore, when the external force sensor 17 detects that an external force that swings the lower leg link 8 is applied to the lower leg link 8 in the same direction as the swing direction of the lower leg link 8 (STEP 12: YES), the MR damper 12 is energized. (STEP 13). Specifically, the damper control unit 36 generates a current command value corresponding to the swing direction moment component of the external force, and causes the MR damper 12 to pass a current based on the command value via the damper drive circuit 33. . Thereby, the MR damper 12 generates a damping force corresponding to the energized current value, and suppresses the rapid acceleration operation of the lower leg link 8 (STEP 14).

その後、電動モータ18の電流値が増加したとき(STEP15:YES)、MRダンパー12への通電を停止する(STEP16)。下腿リンク8の揺動動作が外力により加速されると、ロッド軸22の伸縮動作の加速に伴い、電動モータ18の実回転角度とモータ制御部35が生成した電流指令値による回転角度と差が大きくなる。この差を解消するため、モータ制御部35は指令値を変更させるので、電流モータ18の電流値は増加する。このとき、外力による下腿リンク8の加速動作に対応する制御をモータ制御部35が開始したこととなり、ガタ寄せも完了する。そして、その後は、MRダンパー12による減衰力は下腿リンク8の動作の抵抗となるため、MRダンパー12への通電を停止する。   Thereafter, when the current value of the electric motor 18 increases (STEP 15: YES), the energization to the MR damper 12 is stopped (STEP 16). When the swinging motion of the lower leg link 8 is accelerated by an external force, the difference between the actual rotational angle of the electric motor 18 and the rotational angle based on the current command value generated by the motor control unit 35 is increased with the acceleration of the expansion / contraction operation of the rod shaft 22. growing. In order to eliminate this difference, the motor control unit 35 changes the command value, so that the current value of the current motor 18 increases. At this time, the motor control unit 35 has started the control corresponding to the acceleration operation of the crus link 8 by the external force, and the backlashing is also completed. Then, since the damping force by the MR damper 12 becomes a resistance to the operation of the crus link 8, the energization to the MR damper 12 is stopped.

このように、下腿リンク8の揺動動作中(STEP11:YES)に、下腿リンク8が揺動動作する方向と同方向に下腿リンク8に外力が作用する(STEP12:YES)と、下腿リンク8がガタ内を自由に移動し、その揺動動作が加速され得る。そこで、このような力が作用したとき、MRダンパー12に減衰力を発生させて(STEP13)、下腿リンク8の加速動作を抑制する(STEP14)。これにより、下腿リンク8のガタ内の自由な動作が抑制され、2足歩行ロボット1が不安定な姿勢となる期間を短縮させることが可能となる。   Thus, during the swinging motion of the lower leg link 8 (STEP 11: YES), if an external force acts on the lower leg link 8 in the same direction as the swinging motion of the lower leg link 8 (STEP 12: YES), the lower leg link 8 Can move freely in the backlash, and its swinging motion can be accelerated. Therefore, when such a force is applied, a damping force is generated in the MR damper 12 (STEP 13), and the acceleration operation of the lower leg link 8 is suppressed (STEP 14). As a result, the free movement of the lower leg link 8 within the play is suppressed, and the period during which the biped walking robot 1 is in an unstable posture can be shortened.

なお、STEP12で、下腿リンク8を揺動動作させる外力が下腿リンク8に作用したことを外力センサ17が検出したときを判別基準とし、下腿リンク8の加速動作を判別した。しかしながら、例えば、エンコーダ19により検出される電動モータ18の実角速度の減少、電動モータ18に実際に通電される電流値の減少によって判別してもよい。また、ガタ内の自由な運動が開始されたことを、STEP12での判別基準としてもよい。これは、例えば、揺動角度センサ15による膝関節部7の揺動角度変化や、下腿リンク8等に搭載した図示しないジャイロセンサによる下腿リンク8の揺れ変化から判別可能である。また、下腿リンク8を揺動動作させる外力が下腿リンク8に作用することが予測されることを、STEP2での判別基準としてもよい。これは、例えば、歩容生成部34が生成した歩容パラメータ等から足平部10が着地するときを予測することにより判別可能である。   In STEP 12, the acceleration operation of the lower leg link 8 was determined based on the determination criterion when the external force sensor 17 detected that an external force that swings the lower leg link 8 was applied to the lower leg link 8. However, for example, the determination may be made based on a decrease in the actual angular velocity of the electric motor 18 detected by the encoder 19 or a decrease in a current value that is actually energized in the electric motor 18. Moreover, it is good also as a discrimination | determination reference | standard in STEP12 that the free exercise | movement in the backlash was started. This can be determined from, for example, a swing angle change of the knee joint portion 7 by the swing angle sensor 15 or a swing change of the lower leg link 8 by a gyro sensor (not shown) mounted on the lower leg link 8 or the like. Moreover, it is good also considering that it is estimated that the external force which rocks the crus link 8 acts on the crus link 8 in STEP2. This can be determined, for example, by predicting when the foot 10 has landed from the gait parameters generated by the gait generator 34.

また、STEP15で、膝関節部7の角速度が反転したことを判別基準とし、ガタ寄せが完了したと判断している。しかしながら、ガタ寄せが完了するまでの時間は略一定であるので、所定時間が経過したことを、STEP15での判別基準としてもよい。   Further, in STEP 15, it is determined that the rattling has been completed based on the determination criterion that the angular velocity of the knee joint portion 7 is reversed. However, since the time until the play is completed is substantially constant, the elapse of the predetermined time may be used as the determination criterion in STEP15.

膝関節部7方向に向う外力が下腿リンク8に作用したとき、図5に示すフローチャートの処理を実行する。   When an external force directed toward the knee joint 7 acts on the crus link 8, the process of the flowchart shown in FIG. 5 is executed.

まず、直動アクチュエータ11による下腿リンク8の揺動動作中(STEP21)に、膝関節部7方向に向う外力が下腿リンク8に外力が作用すると、下腿リンク8が膝関節部7方向に向って移動する。下腿リンク8の揺動動作中は、図1に示すように、下腿リンク8の支軸13は大腿リンク6の軸穴14に対して足平部10側が接触している。このとき、膝関節部7方向に向う外力が下腿リンク8に外力が作用すると、下腿リンク8の支軸13は軸穴14とのガタ内を股関節部5側に移動しようとする。そのため、支軸13が軸穴14の股関節部5側に接触してガタ寄せが完了するまで、下腿リンク8の動作が不安定となり、2足歩行ロボット1の姿勢が不安定となる。   First, when the external force acting on the knee joint portion 7 is applied to the lower leg link 8 during the swinging motion of the lower leg link 8 by the linear motion actuator 11 (STEP 21), the lower leg link 8 faces the knee joint portion 7 direction. Moving. During the swinging motion of the crus link 8, the support shaft 13 of the crus link 8 is in contact with the shaft hole 14 of the thigh link 6 at the foot 10 side as shown in FIG. 1. At this time, when an external force acting in the direction of the knee joint portion 7 acts on the crus link 8, the support shaft 13 of the crus link 8 tends to move to the hip joint portion 5 side in the backlash with the shaft hole. Therefore, the operation of the crus link 8 becomes unstable and the posture of the biped walking robot 1 becomes unstable until the support shaft 13 comes into contact with the hip joint 5 side of the shaft hole 14 and the rattling is completed.

そこで、膝関節部7方向に向う外力が下腿リンク8に外力が作用したことを6軸力センサ16が検出したとき(STEP22:YES)、MRダンパー12に通電する(STEP23)。具体的には、ダンパー制御部36が、前記外力の値に応じた電流指令値を生成し、ダンパー駆動回路33を介して、該指令値に基づく電流をMRダンパー12に通電させる。これにより、MRダンパー12は通電された電流値に応じた減衰力を発生させ、下腿リンク8の膝関節部7方向への移動を抑制する(STEP24)。   Therefore, when the 6-axis force sensor 16 detects that the external force acting on the knee joint portion 7 is applied to the crus link 8 (STEP 22: YES), the MR damper 12 is energized (STEP 23). Specifically, the damper control unit 36 generates a current command value corresponding to the value of the external force, and energizes the MR damper 12 with a current based on the command value via the damper drive circuit 33. Thereby, the MR damper 12 generates a damping force corresponding to the energized current value, and suppresses the movement of the crus link 8 in the direction of the knee joint portion 7 (STEP 24).

その後、下腿リンク8の揺動動作が正常に復帰したとき(STEP25:YES)、MRダンパー12への通電を停止する(STEP26)。下腿リンク8が膝関節部7方向に移動すると、電動モータ18への電流指令値と揺動角度センサ15が検出した膝関節部7の揺動角度との正常な対応が崩れ、下腿リンク8の揺動動作が異常状態となる。しかし、その後、下腿リンク8のガタ寄せが行われ、下腿リンク8の揺動動作が正常状態に復帰する。そして、その後は、MRダンパー12による減衰力は下腿リンク8の動作の抵抗となるため、MRダンパー12への通電を停止する。   Thereafter, when the swinging motion of the lower leg link 8 returns to normal (STEP 25: YES), the energization to the MR damper 12 is stopped (STEP 26). When the lower leg link 8 moves in the direction of the knee joint 7, the normal correspondence between the current command value to the electric motor 18 and the swing angle of the knee joint 7 detected by the swing angle sensor 15 is lost, and The swing operation becomes abnormal. However, after that, the crus link 8 is loosened, and the swinging motion of the crus link 8 returns to the normal state. Then, since the damping force by the MR damper 12 becomes a resistance to the operation of the crus link 8, the energization to the MR damper 12 is stopped.

このように、下腿リンク8の揺動動作中(STEP21:YES)に、下腿リンク8に膝関節部7方向に外力が作用する(STEP22:YES)と、下腿リンク8がガタ内を膝関節部7方向に自由に移動する。そこで、このような外力が作用したとき、MRダンパー12に減衰力を発生させて(STEP23)、下腿リンク8の移動動作を抑制する(STEP24)。これにより、下腿リンク8のガタ内の自由な動作が抑制され、2足歩行ロボット1が不安定な姿勢となる期間を短縮させることが可能となる。   As described above, when an external force acts on the lower leg link 8 in the direction of the knee joint portion 7 (STEP 22: YES) during the swinging motion of the lower leg link 8 (STEP 21: YES), the lower leg link 8 moves in the back of the knee joint portion. Move freely in 7 directions. Therefore, when such an external force is applied, a damping force is generated in the MR damper 12 (STEP 23), and the movement operation of the crus link 8 is suppressed (STEP 24). As a result, the free movement of the lower leg link 8 within the play is suppressed, and the period during which the biped walking robot 1 is in an unstable posture can be shortened.

なお、STEP22で、膝関節部7方向に向う外力が下腿リンク8に外力が作用したことを検出したことを判別基準とし、直動アクチュエータ11の移動動作を予測した。しかしながら、例えば、エンコーダ19により検出される電動モータ18の実角速度の減少、電動モータ18に通電される電流値の減少によって判別してもよい。また、ガタ内の自由な運動が開始されたことを、STEP22での判別基準としてもよい。これは、例えば、揺動角度センサ15による膝関節部7の揺動角度変化や、下腿リンク8等に搭載した図示しないジャイロセンサによる下腿リンク8の揺れ変化から判別可能である。また、膝関節部7方向に向う外力が下腿リンク8に外力が作用することが予測されることを、STEP22での判別基準としてもよい。これは、例えば、歩容生成部34が生成した歩容パラメータ等から足平部10が着地するときを予測することにより判別可能である。   In STEP 22, the moving operation of the linear actuator 11 is predicted based on the fact that an external force directed in the direction of the knee joint 7 detects that an external force is applied to the crus link 8. However, for example, the determination may be made based on a decrease in the actual angular velocity of the electric motor 18 detected by the encoder 19 or a decrease in the current value supplied to the electric motor 18. Moreover, it is good also as a discrimination | determination reference | standard in STEP22 that the free exercise | movement in the backlash was started. This can be determined from, for example, a swing angle change of the knee joint portion 7 by the swing angle sensor 15 or a swing change of the lower leg link 8 by a gyro sensor (not shown) mounted on the lower leg link 8 or the like. Further, it may be determined that the external force in the direction of the knee joint portion 7 is predicted to be applied to the crus link 8 in STEP 22. This can be determined, for example, by predicting when the foot 10 has landed from the gait parameters generated by the gait generator 34.

また、STEP25で、下腿リンク8の揺動動作が正常に復帰したときを判別基準とし、ガタ寄せが完了したと判断している。しかしながら、例えば、エンコーダ19により電動モータ18の実角速度の増加を検出、電動モータ18に通電される電流値の増加を検出することにより判別可能である。また、ガタ寄せが完了するまでの時間は略一定であるので、所定時間が経過したことを、STEP25での判別基準としてもよい。   Further, in STEP 25, when the swinging motion of the crus link 8 has returned to normal, it is determined that the rattling has been completed with the criterion of discrimination. However, it can be determined, for example, by detecting an increase in the actual angular velocity of the electric motor 18 by the encoder 19 and detecting an increase in the current value supplied to the electric motor 18. Further, since the time until the loosening is completed is substantially constant, the elapse of a predetermined time may be used as a determination criterion in STEP25.

なお、本発明は、上述したものに限定されない。例えば、実施形態では、2足歩行ロボット1の大腿リンク6と下腿リンク8との間を連結したMRダンパー12を設ける場合について説明した。しかし、胴体部2と大腿リンク6との間、下腿リンク8と足平部10との間を連結するMRダンパーを設けてもよい。   In addition, this invention is not limited to what was mentioned above. For example, in the embodiment, the case where the MR damper 12 that connects the thigh link 6 and the crus link 8 of the biped walking robot 1 is provided has been described. However, an MR damper may be provided that connects between the torso part 2 and the thigh link 6 and between the crus link 8 and the foot part 10.

また、MRダンパー12を設ける場合について説明した。しかし、MRダンパー12の替わりに、磁性流体を用いたものやオリフェス径が可変の減衰力可変ダンパーを設けてもよい。また、減衰力が一定のダンパーを設けてもよい。ただし、MRダンパー12は、コイル等の磁気生成手段に印加する電流値に応じて粘度が変化するので、減衰力が可変容易であり、応答性に優れるという利点がある。   Further, the case where the MR damper 12 is provided has been described. However, in place of the MR damper 12, a magnetic fluid or a variable damping force damper having a variable orifice diameter may be provided. A damper having a constant damping force may be provided. However, since the MR damper 12 changes its viscosity according to the current value applied to the magnetism generating means such as a coil, the damping force can be easily changed, and there is an advantage that the response is excellent.

さらに、実施形態では、ロボットが2足歩行ロボット1である場合について説明した。しかし、2つのリンクが関節部を介して連結され、一方のリンクに対して他方のリンクを揺動駆動するアクチュエータを備えたロボットであれば、ロボットの構成や形態については限定されない。本発明を、例えば、人型ロボットの腕部に本発明を適用してもよい。   Furthermore, in the embodiment, the case where the robot is the biped walking robot 1 has been described. However, the configuration and form of the robot are not limited as long as the robot includes two links connected via a joint portion and includes an actuator that swings and drives the other link with respect to one link. For example, the present invention may be applied to the arm portion of a humanoid robot.

1…2足歩行ロボット(ロボット)、 3…脚部、 6…大腿リンク(第1リンク)、 7…膝関節部(関節部)、 8…下腿リンク(第2リンク)、 9…足首関節部、 10…足平部、 11…直動アクチュエータ(アクチュエータ)、 12…MRダンパー(ダンパー)、 13,20,23…支軸、 14,21,24…軸穴、 15…揺動角度センサ、 16…6軸力センサ、 17…外力センサ、 18…電動モータ、 19…エンコーダ、 22…ロッド軸、 27…コントロールボックス、 31…制御ユニット(制御手段)、 32…モータ駆動回路、 33…ダンパー駆動回路、 35…モータ制御部、 36…ダンパー制御部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Biped walking robot (robot), 3 ... Leg part, 6 ... Thigh link (1st link), 7 ... Knee joint part (joint part), 8 ... Lower leg link (2nd link), 9 ... Ankle joint part , 10 ... Foot part, 11 ... Linear motion actuator (actuator), 12 ... MR damper (damper), 13, 20, 23 ... Support shaft, 14, 21, 24 ... Shaft hole, 15 ... Swing angle sensor, 16 ... 6-axis force sensor, 17 ... External force sensor, 18 ... Electric motor, 19 ... Encoder, 22 ... Rod shaft, 27 ... Control box, 31 ... Control unit (control means), 32 ... Motor drive circuit, 33 ... Damper drive circuit 35 ... Motor control unit, 36 ... Damper control unit.

Claims (9)

第1リンクと第2リンクとが関節部を介して連結されたロボットであって、
前記第1リンクに対して前記第2リンクを揺動駆動するアクチュエータと、
前記第2リンクの揺動動作に減衰力を付与するダンパーと、
前記アクチュエータによる前記第2リンクの揺動動作中に、該第2リンクに作用する力の方向が変わるとき、前記ダンパーが減衰力を発生するように制御する制御手段とを備えることを特徴とするロボット。
A robot in which a first link and a second link are connected via a joint,
An actuator that swings and drives the second link with respect to the first link;
A damper for applying a damping force to the swinging motion of the second link;
Control means for controlling the damper to generate a damping force when the direction of the force acting on the second link changes during the swinging motion of the second link by the actuator. robot.
前記制御手段は、前記アクチュエータによる前記第2リンクの揺動動作中に、該第2リンクが揺動動作する方向と逆方向に当該第2リンクが揺動動作するよう、前記アクチュエータが前記第2リンクに力を作用させるとき、前記ダンパーが減衰力を発生するように制御することを特徴とする請求項1に記載のロボット。   The control means is configured so that the second link swings in a direction opposite to the swinging direction of the second link during the swinging operation of the second link by the actuator. The robot according to claim 1, wherein when the force is applied to the link, the damper is controlled so as to generate a damping force. 前記制御手段は、前記アクチュエータによる前記第2リンクの揺動動作中に、該第2リンクが揺動動作する方向と同方向に当該第2リンクに外力が作用するとき、前記ダンパーが減衰力を発生するように制御することを特徴とする請求項1に記載のロボット。   When the external force is applied to the second link in the same direction as the direction in which the second link swings during the swing operation of the second link by the actuator, the control unit applies a damping force to the damper. The robot according to claim 1, wherein the robot is controlled so as to be generated. 前記制御手段は、前記アクチュエータによる前記第2リンクの揺動動作中に、該第2リンクに前記関節部方向に外力が作用するとき、前記ダンパーが減衰力を発生するように制御することを特徴とする請求項1に記載のロボット。   The control means controls the damper to generate a damping force when an external force acts on the second link in the direction of the joint during the swinging operation of the second link by the actuator. The robot according to claim 1. 前記ダンパーは、磁界により磁気粘性流体の粘度を可変する磁気粘性流体ダンパーであることを特徴とする請求項1から4の何れか1項に記載のロボット。   The robot according to any one of claims 1 to 4, wherein the damper is a magnetorheological fluid damper that varies the viscosity of the magnetorheological fluid by a magnetic field. 前記アクチュエータは、前記第1リンクと前記第2リンクとを前記関節部から離間した部分で連結する直動アクチュエータであることを特徴とする請求項1から5の何れか1項に記載のロボット。   6. The robot according to claim 1, wherein the actuator is a linear motion actuator that connects the first link and the second link at a portion spaced from the joint portion. 6. 第1リンクと第2リンクとが関節部を介して連結され、前記第1リンクに対して前記第2リンクを揺動駆動するアクチュエータと、前記第2リンクの揺動動作に減衰力を付与するダンパーとを備えたロボットの制御方法であって、
前記アクチュエータによる前記第2リンクの揺動動作中に、該第2リンクに作用する力の方向が変わるとき、前記ダンパーが減衰力を発生するように制御することを特徴とするロボットの制御方法。
The first link and the second link are connected via a joint portion, and an actuator that swings the second link with respect to the first link, and a damping force is applied to the swing operation of the second link. A control method for a robot equipped with a damper,
A control method for a robot, wherein the damper is controlled to generate a damping force when the direction of a force acting on the second link changes during the swinging motion of the second link by the actuator.
左右対称の脚部と胴体部とを備え、各脚部は、胴体部に股関節部を介して連結される大腿リンクと、該大腿リンクの下端に膝関節部を介して連結される下腿リンクと、該下腿リンクの下端に足首関節部を介して連結される足平部とを有する2足歩行ロボットであって、
各前記脚部における、前記大腿リンクと前記下腿リンクとを、膝関節部から離間した部分で連結する直動アクチュエータと、
前記大腿リンクに対する前記下腿リンクの揺動動作に減衰力を付与するダンパーと、
前記直動アクチュエータの伸縮動作による前記下腿リンクの揺動動作中に、該下腿リンクに作用する力の方向が変わるとき、前記ダンパーが減衰力を発生するように制御する制御手段とを備えることを特徴とする2足歩行ロボット。
Each leg includes a thigh link connected to the torso via a hip joint, and a lower leg link connected to the lower end of the thigh link via a knee joint. A biped robot having a foot connected to the lower end of the lower leg link via an ankle joint,
A linear motion actuator that connects the thigh link and the crus link at each leg portion at a portion spaced from the knee joint portion;
A damper for applying a damping force to the swinging motion of the lower leg link with respect to the thigh link;
Control means for controlling the damper to generate a damping force when the direction of the force acting on the crus link changes during the swinging operation of the crus link by the expansion / contraction operation of the linear actuator. A featured biped robot.
左右対称の脚部と胴体部とを備え、各脚部は、胴体部に股関節部を介して連結される大腿リンクと、該大腿リンクの下端に膝関節部を介して連結される下腿リンクと、各前記脚部における、前記大腿リンクと前記下腿リンクとを膝関節部から離間した部分で連結する直動アクチュエータと、前記大腿リンクに対する前記下腿リンクの揺動動作に減衰力を付与するダンパーと、該下腿リンクの下端に足首関節部を介して連結される足平部とを備えた2足歩行ロボットの制御方法であって、
前記直動アクチュエータの伸縮動作による前記下腿リンクの揺動動作中に、該下腿リンクに作用する力の方向が変わるとき、前記ダンパーが減衰力を発生するように制御することを特徴とする2足歩行ロボットの制御方法。
Each leg includes a thigh link connected to the torso via a hip joint, and a lower leg link connected to the lower end of the thigh link via a knee joint. A linear motion actuator that connects the thigh link and the crus link in each leg at a portion spaced from the knee joint, and a damper that applies a damping force to the swinging motion of the crus link with respect to the thigh link; , A control method for a biped walking robot comprising a foot part connected to the lower end of the lower leg link via an ankle joint part,
Two legs that control the damper to generate a damping force when the direction of the force acting on the crus link changes during the swinging movement of the crus link by the expansion / contraction operation of the linear actuator Control method for walking robot.
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