JP2012245573A - Floor surface estimating device - Google Patents

Floor surface estimating device Download PDF

Info

Publication number
JP2012245573A
JP2012245573A JP2011117463A JP2011117463A JP2012245573A JP 2012245573 A JP2012245573 A JP 2012245573A JP 2011117463 A JP2011117463 A JP 2011117463A JP 2011117463 A JP2011117463 A JP 2011117463A JP 2012245573 A JP2012245573 A JP 2012245573A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
reaction force
floor reaction
contact surface
joint
posture
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2011117463A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP5616289B2 (en
Inventor
Toyoo Oda
豊生 織田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Honda Motor Co Ltd
Original Assignee
Honda Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Honda Motor Co Ltd filed Critical Honda Motor Co Ltd
Priority to JP2011117463A priority Critical patent/JP5616289B2/en
Priority to US13/479,885 priority patent/US8670869B2/en
Priority to US13/479,894 priority patent/US8504208B2/en
Priority to DE201210208905 priority patent/DE102012208905B4/en
Publication of JP2012245573A publication Critical patent/JP2012245573A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5616289B2 publication Critical patent/JP5616289B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To properly estimate the position and posture of an actual floor surface in an operating environment of a moving body while properly controlling the motion of the moving body in such a manner that the total floor reaction force actually acting on the moving body follows a target total floor reaction force.SOLUTION: The required correction amount of the total floor reaction force designed for bringing deviation between an observation value of the total floor reaction force acting on the moving body 101 and the target total floor reaction force close to zero is converted into the springy displacement of a position and a posture of a representative contact surface representing a ground contact surface of the moving body 101, the correction amount of the displacement of each joint of the moving body 101 is determined by multiplying this springy displacement by a pseudo inverse matrix Jcof a Jacobian matrix Jc representing a relationship between variations of the position and posture of the representative contact surface per unit time and variations of a generalization variable vector of the moving body 101 per unit time, thereby correcting the target displacement of each joint. The displacement of each joint is controlled according to the corrected target joint displacement. The position and posture of the actual floor surface are estimated by correcting a supposed floor surface according to a value obtained by integrating the deviation.

Description

本発明は、脚式移動ロボット等の移動体の運動を行なう床面の位置及び姿勢を推定する装置に関する。   The present invention relates to an apparatus for estimating the position and posture of a floor surface that moves a moving body such as a legged mobile robot.

基体に連結された複数の脚リンクの運動(各脚リンクの着床及び離床を繰り返す運動)によって床面上を移動する脚式移動ロボット等の移動体の動作制御では、基本的には、移動体の目標運動に実際の運動を追従させるように各脚リンクの関節が駆動される。   In motion control of a moving body such as a legged mobile robot that moves on the floor surface by movement of multiple leg links connected to the base (movement that repeats landing and leaving of each leg link), basically the movement The joints of the leg links are driven so that the actual movement follows the target movement of the body.

上記目標運動は、一般に、実際の床面を表すものとして設定された想定床面上で動力学的な必要要件(ZMPが支持多角形内に存在する等の要件)を満足するように生成されるものの、目標運動を生成するために使用した想定床面の実際の床面に対する形状誤差等に起因して、移動体の実際の運動が目標運動からずれる場合がある。そして、このような場合には、移動体の姿勢が崩れやすい。   The above target motion is generally generated so as to satisfy the dynamic requirements (requirements such as the presence of the ZMP in the support polygon) on the assumed floor surface set to represent the actual floor surface. However, the actual motion of the moving body may deviate from the target motion due to a shape error of the assumed floor surface used to generate the target motion with respect to the actual floor surface. In such a case, the posture of the moving body tends to collapse.

これを防止するための技術として、従来、例えば特許文献1にて本願出願人が提案したコンプライアンス制御の技術が知られている。このコンプライアンス制御の技術では、2足歩行ロボットに実際に作用する床反力を観測しつつ、目標全床反力中心点周りに発生する実際の床反力モーメントを、2足歩行ロボットの上体の姿勢を目標姿勢に復元させるための目標モーメントに追従させるように、各脚リンクの先端部(足平部)の目標位置及び姿勢が修正され、その修正後の目標位置及び姿勢に応じて該脚リンクの関節の変位量が制御される。   As a technique for preventing this, conventionally, for example, a compliance control technique proposed by the present applicant in Patent Document 1 is known. In this compliance control technology, the actual floor reaction force moment generated around the center point of the total floor reaction force is observed while observing the floor reaction force that actually acts on the biped walking robot. The target position and posture of the tip portion (foot portion) of each leg link are corrected so as to follow the target moment for restoring the posture to the target posture, and depending on the corrected target position and posture, The displacement amount of the joint of the leg link is controlled.

また、脚式移動ロボットの移動環境の実際の床面の傾斜角を推定する技術として、例えば特許文献2に見られる技術が本願出願人により提案されている。   Further, as a technique for estimating the actual inclination angle of the floor surface of the moving environment of the legged mobile robot, for example, a technique found in Patent Document 2 has been proposed by the present applicant.

特許第3629133号Patent No. 3629133 特許第3024028号Japanese Patent No. 3024028

ところで、上記の如きコンプライアンス制御を行う移動体の動作時において、該移動体に実際に作用する全床反力と、目標全床反力との定常的な偏差は、移動体の目標運動を作成するときに使用した想定床面の位置や姿勢の実際の床面に対する誤差に起因するものと考えられる。従って、特許文献1に見られる如きコンプライアンス制御を行いつつ、実際の全床反力の観測値と、目標全床反力との偏差を基に、特許文献2に見られる如き手法によって、実際の床面の位置や姿勢を推定することが考えられる。   By the way, during the operation of a moving body that performs compliance control as described above, the steady deviation between the total floor reaction force actually acting on the moving body and the target total floor reaction force creates the target motion of the moving body. This is considered to be caused by an error in the position and posture of the assumed floor surface used for the actual floor surface. Therefore, while performing compliance control as seen in Patent Document 1, based on the deviation between the actual observed value of the total floor reaction force and the target total floor reaction force, It is conceivable to estimate the position and posture of the floor.

しかるに、この場合、次のような不都合を生じる恐れがある。   However, in this case, the following inconvenience may occur.

すなわち、特許文献1に見られる如き従来のコンプライアンス制御の技術では、目標全床反力中心点周りに発生する実際の床反力モーメントを、目標モーメントに追従させるための各脚リンクの先端部(足平部)の目標位置及び姿勢の修正は、両脚リンクの先端部の上下方向の位置を互いに逆向きに変化させる修正(以降、本欄では第1の修正という)と、各脚リンクの先端部の姿勢を変化させる修正(以降、本欄では第2の修正という)とを合成したものとされる。   That is, in the conventional compliance control technique as seen in Patent Document 1, the actual floor reaction force moment generated around the target total floor reaction force center point is the tip of each leg link (following the target moment) ( The target position and posture of the foot part) are corrected by changing the vertical positions of the tip ends of both leg links in opposite directions (hereinafter referred to as the first correction in this section), and the tip of each leg link. It is assumed that a correction for changing the posture of the part (hereinafter referred to as a second correction in this column) is synthesized.

この場合、第1の修正における各脚リンクの先端部の位置の修正量と、第2の修正における各脚リンクの先端部の姿勢の修正量とは各別に決定される。   In this case, the correction amount of the position of the tip portion of each leg link in the first correction and the correction amount of the posture of the tip portion of each leg link in the second correction are determined separately.

しかるに、かかる従来のコンプライアン制御の技術では、第1の修正に起因して生じる床反力の変化と、第2の修正に起因する床反力の変化とが相互に干渉しやすい。このため、第1の修正と第2の修正とを合成してなる各脚リンクの先端部の位置及び姿勢の修正によって実際に生じる床反力モーメントの変化が、目標モーメントに対して過不足を生じやすいという不都合がある。   However, in the conventional compliance control technique, the change in the floor reaction force caused by the first correction and the change in the floor reaction force caused by the second correction are likely to interfere with each other. For this reason, the change in the floor reaction force moment actually caused by the correction of the position and posture of the tip portion of each leg link formed by combining the first correction and the second correction is excessive or insufficient with respect to the target moment. There is an inconvenience that it easily occurs.

その結果、実際の全床反力の観測値と、目標全床反力との偏差を基に、特許文献2に見られる如き手法によって、実際の床面の位置や姿勢を推定した場合には、その推定精度を十分に高めることが困難となる恐れがある。   As a result, when the actual position and posture of the floor surface are estimated by a technique as shown in Patent Document 2 based on the deviation between the actual measured value of the total floor reaction force and the target total floor reaction force. Therefore, it may be difficult to sufficiently increase the estimation accuracy.

また、上記過不足の発生を極力抑制するためには、第1の修正による各脚リンクの先端部の位置の修正量を決定するためのゲイン(第1の修正によって目標全床反力中心点周りに発生させようとするモーメントの目標モーメントに対する度合いを規定するゲイン)と、第2の修正による各脚リンクの先端部の姿勢の修正量を決定するためのゲイン(第2の修正によって目標全床反力中心点周りに発生させようとするモーメントの目標モーメントに対する度合いを規定するゲイン)とを適切に調整しておく必要がある。そして、その調整作業には、一般に多大な工数を必要とするという不都合がある。   In addition, in order to suppress the occurrence of the excess or deficiency as much as possible, a gain for determining the correction amount of the position of the tip portion of each leg link by the first correction (the target total floor reaction force central point by the first correction) A gain that defines the degree of the moment to be generated around the target moment) and a gain for determining the amount of correction of the posture of the tip of each leg link by the second correction It is necessary to appropriately adjust the gain that defines the degree of the moment to be generated around the center point of the floor reaction force with respect to the target moment. The adjustment work generally has the disadvantage of requiring a large number of man-hours.

また、特許文献1に見られる如き技術に特許文献2に見られる如き技術を適用する場合には、特許文献1に見られるコンプライアンス制御の技術とは別に、床面推定用のコンプライアンスモデルの設定が必要となる。このため、移動体の制御処理が煩雑なものとなるとという不都合もある。   In addition, when applying the technique shown in Patent Document 2 to the technique shown in Patent Document 1, a compliance model for floor surface estimation is set apart from the compliance control technique shown in Patent Document 1. Necessary. For this reason, there is also an inconvenience that the control process of the moving body becomes complicated.

本発明にかかる背景に鑑みてなされたものであり、移動体に実際に作用する全床反力を目標全床反力に追従させるように該移動体の運動を制御することを、各脚リンクの先端部の位置や姿勢の目標運動からの修正量をそれぞれ決定する処理を必要とせずに適切に行うようにしつつ、移動体の動作環境の実際の床面の位置や姿勢を適切に推定することができる床面推定装置を提供することを目的とする。   Each leg link is made in view of the background of the present invention, and controls the movement of the moving body so that the total floor reaction force actually acting on the moving body follows the target total floor reaction force. Appropriately estimate the actual floor surface position and posture of the moving environment while not performing the process of determining the amount of correction of the position and posture of the tip from the target motion. An object of the present invention is to provide a floor surface estimation device capable of performing the above.

まず、本発明の基礎となる技術事項を、以下に一般化して説明する。   First, technical matters that form the basis of the present invention will be generalized and described below.

図1に示す如く、基体102にN個(N≧2)の脚リンク103_1〜103_Nが連結された移動体101を想定する。この移動体101の脚リンク103_1〜103_Nのそれぞれは、複数の関節を備えており、これらの関節の変位によって、空間的な運動が可能である。なお、各関節は、回転型又は直動型の関節である。   As shown in FIG. 1, a moving body 101 in which N (N ≧ 2) leg links 103_1 to 103_N are connected to a base body 102 is assumed. Each of the leg links 103_1 to 103_N of the moving body 101 includes a plurality of joints, and spatial movement is possible by displacement of these joints. Each joint is a rotary or direct acting joint.

そして、移動体101は、N個の脚リンク103_1〜103_Nのうちのいずれか1つ又は複数の脚リンクを支持脚として、その支持脚の先端部を接地(床面に接触)させることで移動体101の自重を該支持脚を介して床面に支えることが可能であると共に、脚リンク103_1〜103_Nの空間的な運動を行なうことによって、移動体101が床面上で移動可能である。以降、これらの脚リンク103_1〜103_Nのそれぞれを総称的に第i脚リンク103_i(i=1,2,…,N)、又は、脚リンク103_iという。   Then, the moving body 101 moves by grounding (contacting the floor) the tip of the supporting leg with any one or more of the N leg links 103_1 to 103_N as the supporting leg. The weight of the body 101 can be supported on the floor surface through the support legs, and the mobile body 101 can move on the floor surface by performing spatial movement of the leg links 103_1 to 103_N. Hereinafter, each of the leg links 103_1 to 103_N is generically referred to as an i-th leg link 103_i (i = 1, 2,..., N) or a leg link 103_i.

この移動体101の任意の運動状態において、床面から移動体101に作用するトータルの床反力である全床反力(ベクトル)を↑FMt、この↑FMtのうちの並進力ベクトルである全並進床反力を↑Ft、↑FMtのうちのモーメントベクトルである全床反力モーメントを↑Mtと表記する。   In an arbitrary motion state of the moving body 101, the total floor reaction force (vector), which is the total floor reaction force acting on the moving body 101 from the floor surface, is ↑ FMt, and all of the translational force vectors of ↑ FMt are The translational floor reaction force is represented by ↑ Ft, and the total floor reaction force moment, which is the moment vector of ↑ FMt, is represented by ↑ Mt.

これらの全並進床反力↑Ft及び全床反力モーメント↑Mtは、それぞれ慣性座標系(床に対して固定された座標系)で見た3成分の縦ベクトルとして表現されるものとする。そして、全床反力↑FMtは、↑Ft及び↑Mtの各成分を並べた6成分の縦ベクトル(=[↑Ft,↑Mt]T)として表現されるものとする。また、全床反力↑FMtの作用点Ptは床面上の点とする。 These total translational floor reaction force ↑ Ft and total floor reaction force moment ↑ Mt are each expressed as a three-component vertical vector viewed in an inertial coordinate system (a coordinate system fixed to the floor). The total floor reaction force ↑ FMt is expressed as a six-component vertical vector (= [↑ Ft, ↑ Mt] T ) in which the components ↑ Ft and ↑ Mt are arranged. The action point Pt of the total floor reaction force ↑ FMt is a point on the floor surface.

なお、本明細書では、“↑”は、ベクトル(縦ベクトル)を表現する記号として用いる。また、上付き添え字“T”は、転置を意味する。また、本明細書では、理解の便宜上、並進力、モーメント、位置、姿勢等を表現する慣性座標系としては、例えば移動体101の前後方向の水平軸をX軸、鉛直方向をZ軸、これらのX軸及びZ軸に直交する方向(移動体101の左右方向)をY軸とする3軸直交座標系が用いられるものとする。   In this specification, “↑” is used as a symbol representing a vector (vertical vector). The superscript “T” means transposition. Further, in this specification, for convenience of understanding, as an inertial coordinate system that expresses translational force, moment, position, posture, etc., for example, the horizontal axis in the front-rear direction of the moving body 101 is the X axis, and the vertical direction is the Z axis. It is assumed that a three-axis orthogonal coordinate system in which the direction perpendicular to the X axis and the Z axis (the horizontal direction of the moving body 101) is the Y axis is used.

また、第i脚リンク103_i(i=1,2,…,N)に床面から作用する床反力(以下、脚床反力という)を↑FM_i、この↑FM_iのうちの並進力ベクトルである並進床反力を↑F_i、↑FM_iのうちのモーメントベクトルである床反力モーメントを↑M_iと表記する。   Further, the floor reaction force (hereinafter referred to as the leg floor reaction force) acting on the i-th leg link 103_i (i = 1, 2,..., N) from the floor is represented by ↑ FM_i, and the translational force vector of the ↑ FM_i. A translational floor reaction force is expressed as ↑ F_i, and a floor reaction force moment which is a moment vector of ↑ FM_i is expressed as ↑ M_i.

これらの並進床反力↑F_i及び床反力モーメント↑M_iは、全床反力↑FMtの場合と同様に、それぞれ慣性座標系で見た3成分の縦ベクトルとして表現されるものとする。そして、第i脚床反力↑FM_iは、↑F_i及び↑M_iの各成分を並べた6成分の縦ベクトル(=[↑F_i,↑M_i]T)として表現されるものとする。また、第i脚床反力↑FM_iの作用点P_iは、第i脚リンク103_iの接地面内(第i脚リンク103_iの先端部と床面との接触面内)の床面上の点とする。 These translational floor reaction force ↑ F_i and floor reaction force moment ↑ M_i are respectively expressed as three-component vertical vectors viewed in the inertial coordinate system, as in the case of the total floor reaction force ↑ FMt. The i-th floor reaction force ↑ FM_i is expressed as a six-component vertical vector (= [↑ F_i, ↑ M_i] T ) in which the components ↑ F_i and ↑ M_i are arranged. In addition, the action point P_i of the i-th leg floor reaction force ↑ FM_i is a point on the floor surface in the ground contact surface of the i-th leg link 103_i (in the contact surface between the tip of the i-th leg link 103_i and the floor surface). To do.

補足すると、第i脚リンク103_iが非接地状態である場合(↑FM_i=ゼロベクトルとなる場合)には、第i脚床反力↑FM_iの作用点P_iは存在しないこととなるが、便宜上、該作用点P_iは任意に設定された点(例えば第i脚リンク103_iの先端部の代表点など)とする。   Supplementally, when the i-th leg link 103_i is in a non-grounding state (↑ FM_i = zero vector), the point of action P_i of the i-th floor reaction force ↑ FM_i does not exist. The action point P_i is an arbitrarily set point (for example, a representative point at the tip of the i-th leg link 103_i).

このとき、全床反力↑FMtと脚床反力↑FM__i(i=1,2,…,N)との間の関係は一般的に、次式(1)により表される。   At this time, the relationship between the total floor reaction force ↑ FMt and the leg floor reaction force ↑ FM__i (i = 1, 2,..., N) is generally expressed by the following equation (1).

なお、式(1)のただし書きにおいて、行列AA_iの成分“I”、“0”はそれぞれ、単位行列、零行列である。また、“×”は外積(ベクトル積)を表す算術符号である。 In the proviso of equation (1), the components “I” and “0” of the matrix AA_i are a unit matrix and a zero matrix, respectively. “×” is an arithmetic code representing an outer product (vector product).

ここで、第i脚床反力↑FM_iの作用点P_iに摂動分の床反力↑ΔFM_i(=[↑ΔF_i,↑ΔM_i]T)を付加し、それによって、全床反力↑FMtの作用点Ptに摂動分の床反力↑ΔFMt(=[↑ΔFt,↑ΔMt]T)を付加することを想定する。なお、作用点P_iに摂動分の床反力↑ΔFM_iを付加するということは、作用点P_iに作用する床反力を↑FM_iから↑FM_i+↑ΔFM_iに変更することを意味する。同様に、作用点Ptに摂動分の床反力↑ΔFMtを付加するということは、作用点Ptに作用する床反力を↑FMtから↑FMt+↑ΔFMtに変更することを意味する。 Here, the floor reaction force ↑ ΔFM_i (= [↑ ΔF_i, ↑ ΔM_i] T ) for the perturbation is added to the action point P_i of the i-th floor reaction force ↑ FM_i, whereby the action of the total floor reaction force ↑ FMt. It is assumed that the floor reaction force ↑ ΔFMt (= [↑ ΔFt, ↑ ΔMt] T ) for the perturbation is added to the point Pt. The addition of the perturbation floor reaction force ↑ ΔFM_i to the action point P_i means that the floor reaction force acting on the action point P_i is changed from ↑ FM_i to ↑ FM_i + ↑ ΔFM_i. Similarly, adding the floor reaction force ↑ ΔFMt for the perturbation to the action point Pt means changing the floor reaction force acting on the action point Pt from ↑ FMt to ↑ FMt + ↑ ΔFMt.

以降、↑ΔFM_iを第i脚摂動床反力、↑ΔFM_iのうちの並進力ベクトル↑ΔF_i及びモーメントベクトル↑ΔM_iをそれぞれ、第i脚摂動並進床反力、第i脚摂動床反力モーメントという。また、↑ΔFMtを摂動全床反力、↑ΔFMtのうちの並進力ベクトル↑ΔFt及びモーメントベクトル↑ΔMtをそれぞれ、摂動全並進床反力、摂動全床反力モーメントという。   Hereinafter, ↑ ΔFM_i is referred to as the i-th leg perturbed floor reaction force, and the translation force vector ↑ ΔF_i and the moment vector ↑ ΔM_i of the ↑ ΔFM_i are referred to as the i-th leg perturbation translational floor reaction force and the i-th leg perturbation floor reaction force moment, respectively. Further, ↑ ΔFMt is called a perturbation total floor reaction force, and a translation force vector ↑ ΔFt and moment vector ↑ ΔMt of ↑ ΔFMt are called a perturbation total translation floor reaction force and a perturbation total floor reaction force moment, respectively.

上記摂動全床反力↑ΔFMtと、第i脚摂動床反力↑ΔFM_i(i=1,2,…,N)との間の関係は、上記式(1)に基づいて、次式(2)により与えられる。   The relationship between the perturbation total floor reaction force ↑ ΔFMt and the i-th leg perturbation floor reaction force ↑ ΔFM_i (i = 1, 2,..., N) is expressed by the following equation (2 ).

この式(2)におけるAA_i(i=1,2,…,N)は、式(1)のただし書きで定義したものと同じである。 AA_i (i = 1, 2,..., N) in the equation (2) is the same as that defined in the proviso of the equation (1).

また、第i脚摂動床反力↑ΔFM_iが、第i脚リンク103_iの接地面(以降、第i脚接地面という)の位置及び姿勢のばね性変位によって発生するものと仮定する。より詳しくは、第i脚接地面の位置のばね性変位(並進変位)によって、第i脚摂動並進床反力↑ΔF_iが発生し、第i脚接地面の姿勢のばね性変位(回転変位)によって、第i脚摂動床反力モーメント↑M_iが発生するものと仮定する。なお、第i脚接地面の位置及び姿勢のばね性変位は、第i脚接地面での床の弾性変形又は第i脚リンク103_iの先端部の弾性変形による並進変位及び回転変位にそれぞれ相当する。   Further, it is assumed that the i-th leg perturbed floor reaction force ↑ ΔFM_i is generated by the spring displacement of the position and posture of the ground contact surface (hereinafter referred to as the i-th contact surface) of the i-th leg link 103_i. More specifically, the i-th leg perturbation translational floor reaction force ↑ ΔF_i is generated by the spring-like displacement (translational displacement) of the position of the i-th ground contact surface, and the spring-like displacement (rotational displacement) of the posture of the i-th ground contact surface. Suppose that the i-th perturbed floor reaction force moment ↑ M_i is generated. Note that the spring displacement of the position and posture of the i-th ground contact surface corresponds to translational displacement and rotational displacement due to elastic deformation of the floor at the i-th ground contact surface or elastic deformation of the tip of the i-th leg link 103_i, respectively. .

このばね性変位による第i脚接地面の位置の変位量(第i脚接地面の3軸方向の並進変位量のベクトル。以降、ばね性並進変位量という)と姿勢の変位量(第i脚接地面の3軸周りの回転変位量のベクトル。以降、ばね性回転変位量という)とをそれぞれ↑Xorg_i、↑Xrot_iと表記する。このとき、↑Xorg_iと↑ΔF_iとの間の関係、及び↑Xrot_iと↑ΔM_iとの間の関係は、それぞれ、次式(3)、(4)により表されることとなる。   The displacement amount of the position of the i-th leg ground contact surface due to this spring displacement (a vector of translational displacement amounts in the three-axis directions of the i-th contact surface). Vectors of rotational displacement amounts around the three axes of the contact surface (hereinafter referred to as spring rotational displacement amounts) are denoted as ↑ Xorg_i and ↑ Xrot_i, respectively. At this time, the relationship between ↑ Xorg_i and ↑ ΔF_i and the relationship between ↑ Xrot_i and ↑ ΔM_i are expressed by the following equations (3) and (4), respectively.


↑ΔF_i=Korg_i・↑Xorg_i ……(3)
↑ΔM_i=Krot_i・↑Xrot_i ……(4)

式(3)のKorg_iは、第i脚接地面のばね性並進変位量↑Xorg_iの各成分毎のばね定数を対角成分として構成される3次の対角行列(以下、並進ばね定数行列Korg_iという)、式(4)のKrot_iは、第i脚接地面のばね性回転変位量↑Xrot_iの各成分毎のばね定数を対角成分として構成される3次の対角行列(以下、回転ばね定数行列Krot_iという)である。

↑ ΔF_i = Korg_i ・ ↑ Xorg_i (3)
↑ ΔM_i = Krot_i ・ ↑ Xrot_i (4)

Korg_i in the equation (3) is a cubic diagonal matrix (hereinafter referred to as a translational spring constant matrix Korg_i) configured with a spring constant for each component of the springy translational displacement amount ↑ Xorg_i of the i-th contact surface as a diagonal component. Krot_i in equation (4) is a cubic diagonal matrix (hereinafter referred to as a rotary spring) having a spring constant for each component of the spring-like rotational displacement amount ↑ Xrot_i of the i-th leg ground contact surface as a diagonal component. Constant matrix Krot_i).

また、移動体101と床面との全ての接触面(接地状態の全ての脚リンク103の接地面)を代表する単一の仮想的な接触面としての代表接触面を想定し、この代表接触面にて全床反力↑FMtが移動体101に作用するものとする。該代表接触面は、所謂、支持多角形に相当するものである。   Further, a representative contact surface is assumed as a single virtual contact surface that represents all contact surfaces between the moving body 101 and the floor surface (the contact surfaces of all the leg links 103 in a grounded state). It is assumed that the total floor reaction force ↑ FMt acts on the moving body 101 on the surface. The representative contact surface corresponds to a so-called support polygon.

そして、第i脚接地面の場合と同様の考え方によって、摂動全床反力↑ΔFMtが、代表接触面の位置及び姿勢のばね性変位によって発生するものと仮定する。より詳しくは、代表接触面の位置のばね性変位(並進変位)によって、摂動全並進床反力↑ΔFtが発生し、代表接触面の姿勢のばね性変位(回転変位)によって、摂動全床反力モーメント↑ΔMtが発生するものと仮定する。   Then, it is assumed that the perturbation total floor reaction force ↑ ΔFMt is generated by the spring displacement of the position and posture of the representative contact surface in the same way as in the case of the i-th leg ground contact surface. More specifically, a perturbation total translation floor reaction force ↑ ΔFt is generated by the spring displacement (translation displacement) of the representative contact surface, and the perturbation total floor reaction is caused by the spring displacement (rotational displacement) of the posture of the representative contact surface. Assume that a force moment ↑ ΔMt is generated.

従って、代表接触面の位置のばね性並進変位量(ばね性変位による3軸方向の並進変位量のベクトル)と姿勢のばね性回転変位量(ばね性変位による3軸周りの回転変位量のベクトル)とをそれぞれ↑Xc_org、↑Xc_rotとすると、↑Xc_orgと↑ΔFtとの間の関係、及び↑Xc_rotと↑ΔMtとの間の関係は、それぞれ、次式(5)、(6)により表されることとなる。   Therefore, the amount of spring translational displacement at the position of the representative contact surface (vector of translational displacement in three axes due to springiness displacement) and the amount of posture springiness rotational displacement (vector of rotational displacement about three axes due to springiness displacement) ) Is represented by ↑ Xc_org and ↑ Xc_rot, respectively, and the relationship between ↑ Xc_org and ↑ ΔFt and the relationship between ↑ Xc_rot and ↑ ΔMt are expressed by the following equations (5) and (6), respectively. The Rukoto.


↑ΔFt=Kc_org・↑Xc_org ……(5)
↑ΔMt=Kc_rot・↑Xc_rot ……(6)

式(5)のKc_orgは、代表接触面のばね性並進変位量↑Xc_orgの各成分毎のばね定数を対角成分として構成される3次の対角行列(以下、並進ばね定数行列Kc_orgという)、式(6)のKc_rotは、代表接触面のばね性回転変位量↑Xc_rotの各成分毎のばね定数を対角成分として構成される3次の対角行列(以下、回転ばね定数行列Kc_rotという)である。

↑ ΔFt = Kc_org ・ ↑ Xc_org ...... (5)
↑ ΔMt = Kc_rot ・ ↑ Xc_rot (6)

Kc_org in the equation (5) is a cubic diagonal matrix (hereinafter referred to as a translational spring constant matrix Kc_org) composed of the spring constant of each component of the springy translational displacement amount ↑ Xc_org of the representative contact surface as a diagonal component. Kc_rot in equation (6) is a third-order diagonal matrix (hereinafter referred to as a rotational spring constant matrix Kc_rot) composed of the spring constant of each component of the spring-like rotational displacement amount ↑ Xc_rot of the representative contact surface as a diagonal component. ).

補足すると、上記代表接触面は、移動体101の単一の脚リンク103_iが接地している状態では、代表接触面は、その単一の脚リンク103_iの接地面(第i脚接地面)に一致するものとされる。そして、この状態では、代表接触面の位置及び姿勢のばね性変位は、第i脚接地面の位置及び姿勢のばね性変位と同じであり、第i脚接地面での床の弾性変形又は第i脚リンク103_iの先端部の弾性変形による並進変位及び回転変位にそれぞれ相当する。   Supplementally, in the state where the single leg link 103_i of the moving body 101 is grounded, the representative contact surface is the ground contact surface (i-th leg ground contact surface) of the single leg link 103_i. It shall be matched. In this state, the spring displacement of the position and posture of the representative contact surface is the same as the spring displacement of the position and posture of the i-th contact surface, and the elastic deformation of the floor on the i-th contact surface or the second displacement. This corresponds to translational displacement and rotational displacement due to elastic deformation of the tip of the i-leg link 103_i.

また、移動体101の2つ以上の脚リンク103が接地している状態では、上記代表接触面は、接地している全ての脚リンク103の接地部分をひとまとめにした単一の仮想的な接地部の接地面としての意味を持つ。そして、この状態での代表接触面の位置及び姿勢のばね性変位は、当該仮想的な接地部の接地面での床の弾性変形あるいは当該仮想的な接地部の弾性変形による並進変位及び回転変位にそれぞれ相当する。   In the state where two or more leg links 103 of the moving body 101 are grounded, the representative contact surface is a single virtual grounding that combines the grounded portions of all the leg links 103 that are grounded. It has a meaning as a ground contact surface. The spring displacement of the position and posture of the representative contact surface in this state is the translational displacement and the rotational displacement due to the elastic deformation of the floor at the ground contact surface of the virtual ground contact portion or the elastic deformation of the virtual ground contact portion. Respectively.

前記式(2)において、第i脚床反力↑FM_i(i=1,2,…,N)の作用点P_iにそれぞれ付加する第i脚摂動並進床反力↑ΔF_iによって全床反力↑FMtの作用点Ptに付加される摂動全並進床反力↑ΔFtに着目すると、次式(7)が得られる。   In the equation (2), the total floor reaction force ↑ by the i-th leg perturbation translational floor reaction force ↑ ΔF_i added to the action point P_i of the i-th floor reaction force ↑ FM_i (i = 1, 2,..., N), respectively. When attention is paid to the perturbation total translational floor reaction force ↑ ΔFt added to the action point Pt of FMt, the following equation (7) is obtained.


↑ΔFt=↑ΔF_1+↑ΔF_2+……+↑ΔF_N ……(7)

この式(7)と、前記式(3),(5)とから次式(8)が得られる。

↑ ΔFt = ↑ ΔF_1 + ↑ ΔF_2 + …… + ↑ ΔF_N (7)

From this equation (7) and the above equations (3) and (5), the following equation (8) is obtained.


Kc_org・↑Xc_org=Korg_1・↑Xorg_1+Korg_2・↑Xorg_2
+……+Korg_N・↑Xorg_N ……(8)

一方、摂動全床反力↑ΔFMtの付加前の全床反力↑FMtの作用点Ptを、全床反力中心点(COP)とし、第i脚摂動床反力↑ΔFM_iの付加前の第i脚床反力↑FM_iの作用点P_iを第i脚接地面の床反力中心点としたとき、任意の基準点に対する作用点Ptの位置ベクトル(これを↑Ptと表記する)と、作用点P_i(i=1,2,…,N)のそれぞれの位置ベクトル(これを↑P_iと表記する)との間の関係は、次式(9)により与えられる。

Kc_org ・ ↑ Xc_org = Korg_1 ・ ↑ Xorg_1 + Korg_2 ・ ↑ Xorg_2
+ …… + Korg_N ・ ↑ Xorg_N …… (8)

On the other hand, the action point Pt of the total floor reaction force ↑ FMt before the addition of the perturbation total floor reaction force ↑ ΔFMt is defined as the total floor reaction force central point (COP), and the i th leg perturbation floor reaction force ↑ ΔFM_i before the addition. When the action point P_i of the i-leg floor reaction force ↑ FM_i is the floor reaction force center point of the i-th leg ground contact surface, the position vector of the action point Pt with respect to an arbitrary reference point (this is expressed as ↑ Pt), the action The relationship between each position vector of points P_i (i = 1, 2,..., N) (this is expressed as ↑ P_i) is given by the following equation (9).

なお、全床反力中心点は、全床反力↑FMtの作用点であって、その点周りの全床反力モーメント↑Mtの水平成分(水平軸周り成分)がゼロとなるような点である。同様に、第i脚接地面の床反力中心点は、第i脚床反力↑FM_iの作用点であって、その点周りの床反力モーメント↑M_iの水平成分(水平軸周り成分)がゼロとなるような点である。   The center point of the total floor reaction force is the point of action of the total floor reaction force ↑ FMt, and the horizontal component (the component around the horizontal axis) of the total floor reaction force moment ↑ Mt around that point is zero. It is. Similarly, the floor reaction force central point of the i-th leg ground contact surface is the point of action of the i-th floor reaction force ↑ FM_i, and the horizontal component (horizontal axis component) of the floor reaction force moment ↑ M_i around that point. Is such that is zero.


↑Pt=r_1・↑P_1+r_2・↑P_2+……+r_N・↑P_N ……(9)

この式(9)におけるr_i(i=1,2,…,N)は、r_i≡Fn_i/Fntにより定義される重み係数である。ここで、Fn_i(i=1,2,…,N)は、第i脚並進床反力↑F_iのうちの床面に垂直な垂直抗力成分の絶対値(以降、床面垂直抗力成分という)、Fntは全並進床反力↑Ftのうちの床面に垂直な垂直抗力成分の絶対値(床面垂直抗力成分)であり、Fnt=Fn_1+Fn_2+……+Fn_Nである。従って、重み係数r_iは、全並進床反力↑Ftの床面垂直抗力成分Fntに対する、第i脚床反力↑F_iの床面垂直抗力成分Fn_iの比率であり、その値は、0≦r_i≦1の範囲内の値である。

↑ Pt = r_1 ・ ↑ P_1 + r_2 ・ ↑ P_2 + …… + r_N ・ ↑ P_N …… (9)

In this equation (9), r_i (i = 1, 2,..., N) is a weighting coefficient defined by r_i≡Fn_i / Fnt. Here, Fn_i (i = 1, 2,..., N) is an absolute value of the vertical drag component perpendicular to the floor surface of the i-th translational floor reaction force ↑ F_i (hereinafter referred to as floor vertical drag component). , Fnt is the absolute value of the vertical drag component perpendicular to the floor surface of the total translational floor reaction force ↑ Ft (floor surface vertical drag component), and Fnt = Fn_1 + Fn_2 +... + Fn_N. Accordingly, the weighting factor r_i is the ratio of the floor surface vertical force component Fn_i of the i-th floor reaction force ↑ F_i to the floor surface vertical force component Fnt of the total translational floor reaction force ↑ Ft, and its value is 0 ≦ r_i. It is a value within the range of ≦ 1.

なお、本明細書では、Fn_i,Fntは、それぞれ、↑F_iの鉛直成分(Z軸成分)、↑Ftの鉛直成分(Z軸成分)に一致又はほぼ一致するものとする。   In the present specification, Fn_i and Fnt are assumed to coincide with or substantially coincide with the vertical component (Z-axis component) of ↑ F_i and the vertical component (Z-axis component) of ↑ Ft, respectively.

そして、この式(9)と同様の関係が、代表接触面の位置のばね性並進変位量↑Xc_orgと、第i脚接地面の位置のばね性並進変位量↑Xorg_iとの間にも成立するものと仮定する。すなわち、次式(10)が成立するものと仮定する。   The relationship similar to this equation (9) is also established between the springy translational displacement amount ↑ Xc_org at the position of the representative contact surface and the springy translational displacement amount ↑ Xorg_i at the position of the i-th contact surface. Assume that That is, it is assumed that the following formula (10) holds.


↑Xc_org=r_1・↑Xorg_1+r_2・↑Xorg_2+……+r_N・↑Xorg_N ……(10)

このとき、この式(10)と前記式(8)とから、次式(11)が得られる。

↑ Xc_org = r_1 ・ ↑ Xorg_1 + r_2 ・ ↑ Xorg_2 + …… + r_N ・ ↑ Xorg_N (10)

At this time, the following expression (11) is obtained from the expression (10) and the expression (8).


Korg_i=r_i・Kc_org ……(11)

本発明では、上記式(10)が、代表接触面のばね性並進変位量↑Xc_orgと第i脚接地面(i=1,2,…,N)のばね性並進変位量↑Xorg_iとの間の関係を表す基本式、式(11)が、代表接触面の並進ばね定数行列Kc_orgと第i脚接地面(i=1,2,…,N)の並進ばね定数行列Korg_iとの関係を表す基本式とされる。

Korg_i = r_i ・ Kc_org (11)

In the present invention, the above expression (10) is calculated between the springy translational displacement amount ↑ Xc_org of the representative contact surface and the springy translational displacement amount ↑ Xorg_i of the i-th leg ground contact surface (i = 1, 2,..., N). (11), which represents the relationship between the representative contact surface and the translation spring constant matrix Korg_i of the i-th contact surface (i = 1, 2,..., N). The basic formula.

従って、第i脚接地面の並進ばね定数行列Korg_iの各対角成分(3軸方向のそれぞれの並進変位に関するばね定数)は、重み係数r_iに比例し、重み係数r_iの値が大きいほど(“1”に近いほど)、すなわち、全並進床反力↑Ftの床面垂直抗力成分Fntに対する第i脚並進床反力↑F_iの床面垂直抗力成分Fn_iの比率が大きいほど、大きくなるものとされる。換言すれば、Fntに対するFn_iの比率が大きいほど、要求される第i脚摂動並進床反力に対する第i脚接地面のばね性並進変位量↑Xorg_iの変化の感度が高くなるものとされる。   Therefore, each diagonal component of the translation spring constant matrix Korg_i of the i-th leg contact surface (spring constant related to translational displacement in each of the three axes) is proportional to the weighting factor r_i, and the larger the value of the weighting factor r_i (“ 1)), that is, the larger the ratio of the floor vertical drag component Fn_i of the i-th translational floor reaction force ↑ F_i to the floor vertical drag component Fnt of the total translational floor reaction force ↑ Ft, the larger it becomes. Is done. In other words, the greater the ratio of Fn_i to Fnt, the higher the sensitivity of the change in the springy translational displacement amount ↑ Xorg_i of the i-th contact surface with respect to the required i-th leg perturbation translational floor reaction force.

また、単一の第i脚リンク103_iだけが接地している場合(r_i=1となる場合)には、第i脚接地面と代表接触面とが一致することに対応して、第i脚接地面の並進ばね定数行列Korg_iと、代表接触面の並進ばね定数行列Kc_orgとが互いに一致する。さらにこの場合、↑ΔF_i=↑ΔFtとなるので、第i脚接地面のばね性並進変位量↑Xorg_iと、代表接触面のばね性並進変位量↑Xc_orgとが互いに一致することとなる。   Further, when only the single i-th leg link 103_i is grounded (when r_i = 1), the i-th leg link corresponds to the fact that the i-th leg ground contact surface matches the representative contact surface. The translation spring constant matrix Korg_i of the ground contact surface and the translation spring constant matrix Kc_org of the representative contact surface coincide with each other. Further, in this case, since ↑ ΔF_i = ↑ ΔFt, the springy translational displacement amount ↑ Xorg_i of the i-th leg ground contact surface and the springy translational displacement amount ↑ Xc_org of the representative contact surface coincide with each other.

そして、2つ以上の脚リンク103が接地している場合には、代表接触面のばね性並進変位量↑Xc_orgは、非接地状態の脚リンクを除く各脚リンク103_iに対応する第i脚接地面のばね性並進変位量↑Xorg_iの重み付き平均値(r_iを重み係数とする重み付き平均値)となる。   When two or more leg links 103 are in contact with the ground, the spring-like translational displacement amount ↑ Xc_org of the representative contact surface is the i-th leg contact corresponding to each leg link 103_i excluding the non-grounded leg link. The weighted average value of the spring-like translational displacement amount ↑ Xorg_i of the ground (weighted average value using r_i as a weighting factor).

次に、前記式(2)において、第1〜第N脚床反力↑FM_1〜↑FM_Nのそれぞれの並進床反力↑F_1〜↑F_Nを一定に保持した状態で、第i脚床反力↑FM_i(i=1,2,…,N)の作用点P_iに第i脚摂動床反力モーメント↑ΔM_iを付加することによって全床反力↑FMtの作用点Ptに付加される摂動全床反力モーメント↑ΔMtに着目すると、次式(12)が得られる。   Next, in the above formula (2), the i-th floor reaction force ↑ F_1 to ↑ F_N of each of the first to N-th floor reaction forces ↑ FM_1 to ↑ FM_N is held constant. ↑ Perturbation whole bed added to action point Pt of total floor reaction force ↑ FMt by adding i-th leg perturbation floor reaction force moment ↑ ΔM_i to action point P_i of FM_i (i = 1, 2,..., N) Focusing on the reaction force moment ↑ ΔMt, the following equation (12) is obtained.


↑ΔMt=↑ΔM_1+↑ΔM_2+……+↑ΔM_N ……(12)

そして、この式(12)と、前記式(4),(6)とから次式(13)が得られる。

↑ ΔMt = ↑ ΔM_1 + ↑ ΔM_2 + …… + ↑ ΔM_N (12)

Then, the following equation (13) is obtained from the equation (12) and the equations (4) and (6).


Kc_rot・↑Xc_rot=Krot_1・↑Xrot_1+Krot_2・↑Xrot_2
+……+Krot_N・↑Xrot_N ……(13)

一方、第i脚床反力↑FM_iの作用点P_iを第i脚接地面の床反力中心点としたとき、第1〜第N脚床反力↑FM_1〜↑FM_Nのそれぞれの並進床反力↑F_1〜↑F_Nを一定に保持した状態で、第i脚床反力↑FM_iの作用点P_i(床反力中心点)に第i脚摂動床反力モーメント↑ΔM_iを付加するということは、第i脚接地面での床反力中心点の水平方向位置を点P_iからずらすことと等価である。同様に、全床反力↑FMtの作用点Ptを全床反力中心点(COP)としたとき、全床反力↑FMtの作用点Ptに摂動全床反力モーメント↑ΔMtが付加されるということは、全床反力中心点の水平方向位置が点Ptからずれることと等価である。

Kc_rot ・ ↑ Xc_rot = Krot_1 ・ ↑ Xrot_1 + Krot_2 ・ ↑ Xrot_2
+ …… + Krot_N ・ ↑ Xrot_N (13)

On the other hand, when the action point P_i of the i-th floor reaction force ↑ FM_i is the center point of the floor reaction force of the i-th ground contact surface, each of the first to Nth floor reaction forces ↑ FM_1 to ↑ FM_N Adding the i-th perturbed floor reaction force moment ↑ ΔM_i to the action point P_i (floor reaction force central point) of the i-th floor reaction force ↑ FM_i with the forces ↑ F_1 to ↑ F_N held constant This is equivalent to shifting the horizontal position of the floor reaction force center point on the i-th ground contact surface from the point P_i. Similarly, when the action point Pt of the total floor reaction force ↑ FMt is defined as the total floor reaction force central point (COP), the perturbation total floor reaction force moment ↑ ΔMt is added to the action point Pt of the total floor reaction force ↑ FMt. This is equivalent to the fact that the horizontal position of the center point of the total floor reaction force deviates from the point Pt.

この場合、第i脚接地面での床反力中心点の水平方向位置の変位量(2成分の変位量ベクトル)を↑ΔRpt_i、全床反力中心点の水平方向位置の変位量(2成分の変位量ベクトル)を↑ΔCOPとすると、↑ΔCOP・Fnt≒↑ΔMtの水平軸周り成分(X軸及びY軸周り成分)、↑ΔRpt_i・Fn_i≒↑ΔM_iの水平軸周り成分(X軸及びY軸周り成分)となる。このため、上記式(12)から、次式(14)が得られる。   In this case, the horizontal position displacement amount (two component displacement vector) of the floor reaction force center point on the i-th leg contact surface is ↑ ΔRpt_i, and the horizontal position displacement amount of all floor reaction force center points (two components). ↑ ΔCOP is the horizontal axis component of ↑ ΔCOP · Fnt≈ ↑ ΔMt (X-axis and Y-axis component), and ↑ ΔRpt_i · Fn_i≈ ↑ ΔM_i is the horizontal axis component (X-axis and Y-axis). Component around the axis). Therefore, the following equation (14) is obtained from the above equation (12).


↑ΔCOP=r_1・↑ΔRpt_1+r_2・↑ΔRpt_2
+……+r_N・↑ΔRpt_N ……(14)

なお、式(14)のr_i(i=1,2,…,N)は、前記した重み係数r_i(≡Fn_i/Fnt)である。

↑ ΔCOP = r_1 ・ ↑ ΔRpt_1 + r_2 ・ ↑ ΔRpt_2
+ …… + r_N ・ ↑ ΔRpt_N ...... (14)

In the equation (14), r_i (i = 1, 2,..., N) is the above-described weight coefficient r_i (≡Fn_i / Fnt).

また、第1〜第N脚接地面は、共通の床面上の部分であるから、第1〜第N脚接地面のそれぞれに作用する垂直抗力Fn_iが互いに同じである場合、第i脚接地面の床反力中心点の水平方向位置の変位量↑ΔRpt_iに対応する摂動床反力モーメント(=↑ΔRpt_i・Fn_i)と、第i脚接地面のばね性変位による回転変位量↑Xrot_iの水平軸周り成分との間の関係は、いずれの第i脚接地面についても同じになると考ええられる。   In addition, since the first to Nth leg ground contact surfaces are portions on the common floor surface, when the normal drag Fn_i acting on each of the first to Nth leg ground contact surfaces is the same, the i th leg contact is made. Perturbation floor reaction force moment (= ↑ ΔRpt_i · Fn_i) corresponding to the displacement amount ↑ ΔRpt_i of the horizontal position of the floor reaction force center point of the ground and the horizontal displacement amount ↑ Xrot_i due to the spring displacement of the i-th leg contact surface It can be considered that the relationship between the components around the axis is the same for any i-th leg contact surface.

そこで、第1〜第N脚接地面のそれぞれに作用する床面垂直抗力成分Fn_iが互いに同じ値(これをFnaとおく)である場合、次式(15)が成立すると考えられる。   Therefore, when the floor surface normal force component Fn_i acting on each of the first to Nth leg ground contact surfaces has the same value (this is referred to as Fna), it is considered that the following equation (15) is established.


↑ΔRpt_i・Fna=Krot・↑Xrot_i_xy ……(15)

なお、↑Xrot_i_xyは、第i脚接地面のばね性回転変位量↑Xrot_iの水平軸周り成分(X軸及びY軸周り成分)であり、Krotは、2次の対角行列(X軸周り及びY軸周りの回転に関するばね定数行列)である。

↑ ΔRpt_i ・ Fna = Krot ・ ↑ Xrot_i_xy ...... (15)

↑ Xrot_i_xy is a component around the horizontal axis (X-axis and Y-axis component) of the spring-like rotational displacement amount ↑ Xrot_i of the i th leg contact surface, and Krot is a quadratic diagonal matrix (X-axis and (Spring constant matrix related to rotation around the Y axis).

そして、上記式(15)が、代表接触面についても同様に成立するものと仮定すると、次式(16)が得られる。   Assuming that the above equation (15) holds true for the representative contact surface as well, the following equation (16) is obtained.


↑ΔCOP・Fna=Krot・↑Xc_rot_xy ……(16)

なお、↑Xc_rot_xyは、代表接触面のばね性回転変位量↑Xc_rotの水平軸周り成分(X軸及びY軸周り成分)である。

↑ ΔCOP ・ Fna = Krot ・ ↑ Xc_rot_xy …… (16)

Note that ↑ Xc_rot_xy is a component around the horizontal axis (component around the X axis and Y axis) of the spring-like rotational displacement amount ↑ Xc_rot of the representative contact surface.

上記式(14)〜(16)により、次式(17)が得られる。   The following formula (17) is obtained from the above formulas (14) to (16).


Krot・↑Xc_rot_xy=r_1・Krot・↑Xrot_1_xy+r_2・Krot・↑Xrot_2_xy
+……+r_N・Krot・↑Xrot_N_xy ……(17)

さらに、この式(17)から次式(18)が得られる。

Krot ・ ↑ Xc_rot_xy = r_1 ・ Krot ・ ↑ Xrot_1_xy + r_2 ・ Krot ・ ↑ Xrot_2_xy
+ …… + r_N ・ Krot ・ ↑ Xrot_N_xy …… (17)

Furthermore, the following equation (18) is obtained from this equation (17).


↑Xc_rot_xy=r_1・↑Xrot_1_xy+r_2・↑Xrot_2_xy
+……+r_N・↑Xrot_N_xy ……(18)

そこで、本実施形態では、代表接触面のばね性回転変位量↑Xc_orgと、第i脚接地面のばね性回転変位量↑Xorg_iとの間に、それらの全ての成分(3成分)について、上記式(18)と同じ関係が成立するものと仮定する。すなわち、次式(19)が成立するものと仮定する。

↑ Xc_rot_xy = r_1 ・ ↑ Xrot_1_xy + r_2 ・ ↑ Xrot_2_xy
+ …… + r_N ・ ↑ Xrot_N_xy …… (18)

Therefore, in this embodiment, between the spring-like rotational displacement amount ↑ Xc_org of the representative contact surface and the spring-like rotational displacement amount ↑ Xorg_i of the i-th ground contact surface, all of those components (three components) are described above. Assume that the same relationship as in equation (18) holds. That is, it is assumed that the following formula (19) is established.


↑Xc_rot=r_1・↑Xrot_1+r_2・↑Xrot_2
+……+r_N・↑Xrot_N ……(19)

このとき、この式(19)と前記式(13)とから、次式(20)が得られる。

↑ Xc_rot = r_1 ・ ↑ Xrot_1 + r_2 ・ ↑ Xrot_2
+ …… + r_N ・ ↑ Xrot_N (19)

At this time, the following equation (20) is obtained from the equation (19) and the equation (13).


Krot_i=r_i・Kc_rot ……(20)

本実施形態では、上記式(19)が、代表接触面のばね性回転変位量↑Xc_rotと第i脚接地面(i=1,2,…,N)のばね性回転変位量↑Xrot_iとの間の関係を表す基本式、式(20)が、代表接触面の回転ばね定数行列Kc_rotと第i脚接地面(i=1,2,…,N)の回転ばね定数行列Krot_iとの関係を表す基本式とされる。

Krot_i = r_i ・ Kc_rot (20)

In the present embodiment, the above equation (19) is obtained from the spring-like rotational displacement amount ↑ Xc_rot of the representative contact surface and the spring-like rotational displacement amount ↑ Xrot_i of the i-th leg ground contact surface (i = 1, 2,..., N). Equation (20) that expresses the relationship between the rotation spring constant matrix Kc_rot of the representative contact surface and the rotation spring constant matrix Krot_i of the i-th contact surface (i = 1, 2,..., N). It is a basic formula to represent.

従って、第i脚接地面の回転ばね定数行列Krot_iの各対角成分(3軸周りのそれぞれの回転変位に関するばね定数)は、重み係数r_iに比例し、重み係数r_iの値が大きいほど(“1”に近いほど)、すなわち、全並進床反力↑Ftの床面垂直抗力成分Fntに対する第i脚並進床反力↑F_iの床面垂直抗力成分Fn_iの比率が大きいほど、大きくなるものとされる。換言すれば、Fntに対するFn_iの比率が大きいほど、要求される第i脚摂動床反力モーメントに対する第i脚接地面のばね性回転変位量↑Xrot_iの変化の感度が高くなるものとされる。   Accordingly, each diagonal component of the rotation spring constant matrix Krot_i of the i-th leg ground contact surface (spring constant relating to the respective rotational displacements around the three axes) is proportional to the weight coefficient r_i, and the larger the value of the weight coefficient r_i (“ 1)), that is, the larger the ratio of the floor vertical drag component Fn_i of the i-th translational floor reaction force ↑ F_i to the floor vertical drag component Fnt of the total translational floor reaction force ↑ Ft, the larger it becomes. Is done. In other words, the greater the ratio of Fn_i to Fnt, the higher the sensitivity of the change in the springy rotational displacement amount ↑ Xrot_i of the i-th contact surface with respect to the required i-th leg perturbed floor reaction force moment.

また、単一の第i脚リンク100_iだけが接地している場合(r_i=1となる場合)には、第i脚接地面と代表接触面とが一致することに対応して、第i脚接地面の回転ばね定数行列Krot_iと、代表接触面の回転ばね定数行列Kc_rotとが互いに一致する。さらにこの場合、↑ΔM_i=↑ΔMtとなるので、第i脚接地面のばね性回転変位量↑Xrot_iと、代表接触面のばね性回転変位量↑Xc_rotとが互いに一致することとなる。   Further, when only the single i-th leg link 100_i is grounded (when r_i = 1), the i-th leg link corresponds to the coincidence of the i-th leg ground contact surface and the representative contact surface. The rotation spring constant matrix Krot_i of the ground contact surface and the rotation spring constant matrix Kc_rot of the representative contact surface coincide with each other. Further, in this case, since ↑ ΔM_i = ↑ ΔMt, the spring-like rotational displacement amount ↑ Xrot_i of the i-th leg ground contact surface and the spring-like rotational displacement amount ↑ Xc_rot of the representative contact surface coincide with each other.

そして、2つ以上の脚リンク103が接地している場合には、代表接触面のばね性回転変位量↑Xc_rotは、非接地状態の脚リンクを除く各脚リンク103_iに対応する第i脚接地面のばね性回転変位量↑Xrot_iの重み付き平均値(r_iを重み係数とする重み付き平均値)となる。   When two or more leg links 103 are grounded, the spring-like rotational displacement amount ↑ Xc_rot of the representative contact surface is the i-th leg contact corresponding to each leg link 103_i excluding the non-grounded leg link. This is a weighted average value of the spring-like rotational displacement amount ↑ Xrot_i of the ground (weighted average value with r_i as a weighting factor).

次に、前記式(2)に式(3)〜(6)を適用し、さらに、式(11),(20)を適用することによって、次式(21)が得られる。   Next, the following formula (21) is obtained by applying the formulas (3) to (6) to the formula (2) and further applying the formulas (11) and (20).

なお、前記式(11)、(20)は、全床反力↑FMtの作用点Ptが全床反力中心点、第i脚床反力↑FM_iの作用点P_iが第i脚接地面の床反力中心点であることを前提としているので、式(21)におけるVV_i(i=1,2,…,N)は、全床反力中心点としての作用点Ptに対する第i脚接地面の床反力中心点の位置ベクトルを改めて↑V_iとしたとき、次のように定義される行列である。   In addition, in the above equations (11) and (20), the action point Pt of the total floor reaction force ↑ FMt is the center point of the total floor reaction force, and the action point P_i of the i-th floor reaction force ↑ FM_i is the i-th leg ground contact surface. Since it is assumed that it is a floor reaction force center point, VV_i (i = 1, 2,..., N) in Equation (21) is the i-th leg ground contact surface with respect to the action point Pt as the total floor reaction force center point. When the position vector of the center point of the floor reaction force is again ↑ V_i, the matrix is defined as follows.


VV_i:VV_i・↑F_i=V_i×↑F_iとなる行列
ただし、↑V_i:全床反力中心点に対する第i脚接地面の床反力中心点の位置ベクトル

なお、この場合、上記全床反力中心点は、より詳しくは、摂動全床反力↑ΔFMtが付加される前の全床反力↑FMtに対応する全床反力中心点であり、第i脚接地面の床反力中心点は、第i脚摂動床反力↑ΔFM_iが付加される前の第i脚床反力↑FM_iに対応する床反力中心点である。

VV_i: VV_i · ↑ F_i = V_i x ↑ F_i matrix where ↑ V_i: Position vector of the floor reaction force center point of the i-th ground contact surface with respect to the center point of all floor reaction force

In this case, more specifically, the total floor reaction force central point is the total floor reaction force central point corresponding to the total floor reaction force ↑ FMt before the perturbation total floor reaction force ↑ ΔFMt is added. The floor reaction force central point of the i-leg ground contact surface is the floor reaction force central point corresponding to the i-th leg floor reaction force ↑ FM_i before the i-th perturbation floor reaction force ↑ ΔFM_i is added.

さらに、上記式(21)から、次式(22)が得られる。   Further, the following equation (22) is obtained from the above equation (21).

ここで、移動体101の基体102の位置(3軸方向の位置)及び姿勢(3軸周りの姿勢角)と移動体101の各関節の変位量とを成分として構成される一般化変数ベクトルを↑q、代表接触面の位置のばね性並進変位量↑Xc_org及び姿勢のばね性回転変位量↑Xc_rotから成る変位量ベクトル(=[↑Xc_org,↑Xc_rot]T)を↑Xc、第i脚接地面の位置のばね性並進変位量↑Xorg_i及び姿勢のばね性回転変位量↑Xrot_iから成る変位量ベクトル(=[↑Xorg_i,↑Xrot_i]T)を↑X_iと表記する。以降、↑Xcを代表接触面のばね性並進・回転変位量、↑X_iを第i脚接地面のばね性並進・回転変位量という。なお、上記一般化変数ベクトル↑qは、より詳しくは、基体102の位置及び姿勢の6個の成分と、移動体101の各関節の変位量とを並べた縦ベクトルである。 Here, a generalized variable vector configured with the position (position in the three-axis direction) and posture (posture angle around three axes) of the moving body 101 and the displacement amount of each joint of the moving body 101 as components is represented. ↑ q, the displacement vector (= [↑ Xc_org, ↑ Xc_rot] T ) consisting of the spring-like translational displacement amount ↑ Xc_org at the position of the representative contact surface and the spring-like rotational displacement amount ↑ Xc_rot of the posture ↑ Xc, i-th leg contact A displacement vector (= [↑ Xorg_i, ↑ Xrot_i] T ) composed of a springy translational displacement amount ↑ Xorg_i of the ground position and a springy rotational displacement amount ↑ Xrot_i of the posture is expressed as ↑ X_i. Hereinafter, ↑ Xc is referred to as springiness translation / rotation displacement amount of the representative contact surface, and ↑ X_i is referred to as springiness translation / rotation displacement amount of the i-th leg ground contact surface. More specifically, the generalized variable vector ↑ q is a vertical vector in which six components of the position and orientation of the base body 102 and the displacement amount of each joint of the moving body 101 are arranged.

この場合、代表接触面のばね性並進・回転変位量↑Xcを代表接触面の位置及び姿勢の単位時間あたりの変位量(時間的変化率)とみなすと、代表接触面の位置及び姿勢の単位時間あたりの変位量と、一般化変数ベクトル↑qの単位時間当たりの変化量(時間的変化率)↑Δqとの間の関係を表現するヤコビアン行列は、↑Xcと↑Δqとの間の関係を次式(23)により表す行列Jcとして表現される。なお、↑Δqは、一般化変数ベクトル↑qの各成分の単位時間当たりの変化量を並べた縦ベクトルである。   In this case, if the amount of springy translational / rotational displacement ↑ Xc of the representative contact surface is regarded as the displacement (time change rate) per unit time of the position and posture of the representative contact surface, the unit of the position and posture of the representative contact surface The Jacobian matrix that expresses the relationship between the amount of displacement per time and the amount of change per unit time (temporal rate of change) ↑ Δq of the generalized variable vector ↑ q is the relationship between ↑ Xc and ↑ Δq Is expressed as a matrix Jc expressed by the following equation (23). Note that ↑ Δq is a vertical vector in which the amount of change per unit time of each component of the generalized variable vector ↑ q is arranged.


↑Xc=Jc・↑Δq ……(23)

同様に、第i脚接地面のばね性並進・回転変位量↑X_iを第i脚接地面の位置及び姿勢の単位時間あたりの変位量(時間的変化率)とみなすと、第i脚接地面の位置及び姿勢の単位時間あたりの変位量と、一般化変数ベクトル↑qの単位時間当たりの変化量(時間的変化率)↑Δqとの間の関係を表現するヤコビアン行列は、↑X_iと↑Δqとの間の関係を次式(24)により表す行列J_iとして表現される。

↑ Xc = Jc ・ ↑ Δq (23)

Similarly, when the amount of springy translational / rotational displacement ↑ X_i of the i-th leg ground contact surface is regarded as the displacement (time change rate) per unit time of the position and posture of the i-th contact surface, The Jacobian matrix that expresses the relationship between the amount of displacement per unit time of the position and posture of the general variable vector ↑ q per unit time (time change rate) ↑ Δq is ↑ X_i and ↑ The relationship between Δq is expressed as a matrix J_i expressed by the following equation (24).


↑X_i=J_i・↑Δq ……(24)

補足すると、代表接触面の位置の単位時間当たりの変位量と↑Δqとの間の関係を表現するヤコビアン行列(↑Xc_orgと↑Δqとの間の関係を次式(25a)により表現する行列)をJc_org、代表接触面の姿勢の単位時間当たりの変位量と↑Δqとの間の関係を表現するヤコビアン行列(↑Xc_rotと↑Δqとの間の関係を次式(25b)により表現する行列)をJc_rotと表記すると、式(25c)に示す如くJc=[Jc_org,Jc_rot]Tとなる。

↑ X_i = J_i ・ ↑ Δq (24)

Supplementally, a Jacobian matrix expressing the relationship between the displacement amount per unit time of the position of the representative contact surface and ↑ Δq (matrix expressing the relationship between ↑ Xc_org and ↑ Δq by the following equation (25a)) Jc_org, a Jacobian matrix expressing the relationship between the displacement per unit time of the posture of the representative contact surface and ↑ Δq (matrix expressing the relationship between ↑ Xc_rot and ↑ Δq by the following equation (25b)) Is expressed as Jc_rot, Jc = [Jc_org, Jc_rot] T as shown in equation (25c).


↑Xc_org=Jc_org・↑Δq ……(25a)
↑Xc_rot=Jc_rot・↑Δq ……(25b)
Jc=[Jc_org,Jc_rot]T ……(25c)

同様に、第i脚接地面の位置の単位時間当たりの変位量と↑Δqとの間の関係を表現するヤコビアン行列(↑Xorg_iと↑Δqとの間の関係を次式(26a)により表す行列)をJorg_i、第i脚接地面の姿勢の単位時間当たりの変位量と↑Δqとの間の関係を表現するヤコビアン行列(↑Xrot_iと↑Δqとの間の関係を次式(26b)により表す行列)をJrot_iと表記すると、式(26c)に示す如くJ_i=[Jorg_i,Jrot_i]Tとなる。

↑ Xc_org = Jc_org ・ ↑ Δq (25a)
↑ Xc_rot = Jc_rot · ↑ Δq (25b)
Jc = [Jc_org, Jc_rot] T (25c)

Similarly, a Jacobian matrix that expresses the relationship between the displacement amount per unit time of the position of the i-th ground contact surface and ↑ Δq (the matrix that expresses the relationship between ↑ Xorg_i and ↑ Δq by the following equation (26a): ) Is Jorg_i, the Jacobian matrix (↑ Xrot_i and ↑ Δq is represented by the following equation (26b)) that expresses the relationship between the displacement amount per unit time of the posture of the i-th leg contact surface and ↑ Δq. When the matrix is expressed as Jrot_i, J_i = [Jorg_i, Jrot_i] T as shown in the equation (26c).


↑Xorg_i=Jorg_i・↑Δq ……(26a)
↑Xrot_i=Jrot_i・↑Δq ……(26b)
J_i=[Jorg_i,Jrot_i]T ……(26c)

前記式(22)の両辺を微分し、前記式(23)、(24)を適用することで、次式(27)が得られる。

↑ Xorg_i = Jorg_i ・ ↑ Δq (26a)
↑ Xrot_i = Jrot_i ・ ↑ Δq (26b)
J_i = [Jorg_i, Jrot_i] T (26c)

The following equation (27) is obtained by differentiating both sides of the equation (22) and applying the equations (23) and (24).

従って、代表接触面の位置及び姿勢の変位に関するヤコビアン行列Jc(以降、代表接触面ヤコビアン行列Jcという)は、各脚接地面の位置及び姿勢の変位に関するヤコビアン行列J_i(i=1,2,…,N)から、上記の式(27)に基づいて決定できることとなる。 Therefore, the Jacobian matrix Jc (hereinafter referred to as the representative contact surface Jacobian matrix Jc) relating to the displacement of the position and orientation of the representative contact surface is the Jacobian matrix J_i (i = 1, 2,... , N) can be determined based on the above equation (27).

この場合、第i脚接地面の位置及び姿勢は、第i脚リンク103_iの先端部の位置及び姿勢であるから、ヤコビアン行列J_i(以降、脚リンクヤコビアン行列J_iという)は、換言すれば、第i脚リンク103_iの先端部の位置及び姿勢の単位時間当たりの変化量と、↑Δqとの間の関係を表現するヤコビアン行列である。そして、このようなヤコビアン行列J_iは、移動体101の各関節の実際の変位量の観測値及びその時間的変化率を基に特定できる。   In this case, since the position and posture of the i-th leg contact surface are the position and posture of the tip of the i-th leg link 103_i, the Jacobian matrix J_i (hereinafter referred to as the leg link Jacobian matrix J_i) is, in other words, It is a Jacobian matrix expressing the relationship between the amount of change per unit time of the position and orientation of the tip of the i-leg link 103_i and ↑ Δq. Such a Jacobian matrix J_i can be specified based on the observed value of the actual displacement amount of each joint of the moving body 101 and its temporal change rate.

そして、このように各脚リンクヤコビアン行列J_i(i=1,2,…,N)を特定すれば、それらのJ_iを用いて、上記式(27)により、代表接触面ヤコビンア行列Jcを決定できることとなる。   Then, if each leg link Jacobian matrix J_i (i = 1, 2,..., N) is specified in this way, the representative contact surface Jacobian matrix Jc can be determined by the above equation (27) using those J_i. It becomes.

一方、移動体101の所要の状態を実現するための要求操作量として、ある値の摂動全床反力↑ΔFMtが与えられたとき、この↑ΔFMtは前記式(5),(6)に基づいて、代表接触面のばね性並進・回転変位量↑Xc(=[↑Xc_org,↑Xc_rot]T)の要求値に変換できることとなる。この変換は、次式(28)により与えられる。 On the other hand, when a certain value of perturbation total floor reaction force ↑ ΔFMt is given as a required operation amount for realizing the required state of the moving body 101, this ↑ ΔFMt is based on the above equations (5) and (6). Thus, it can be converted into the required value of the springy translational / rotational displacement amount ↑ Xc (= [↑ Xc_org, ↑ Xc_rot] T ) of the representative contact surface. This conversion is given by the following equation (28).

そして、代表接触面ヤコビアン行列Jcの擬似逆行列をJc-1とおくと、代表接触面のばね性並進・回転変位量変位量↑Xcの要求値から、次式(29)により、摂動全床反力↑ΔFMtの要求値を実現するための、移動体101の各関節の変位量の修正量を決定できることとなる。 If the pseudo-inverse matrix of the representative contact surface Jacobian matrix Jc is set to Jc −1 , the perturbation whole floor can be calculated from the required value of the spring translational / rotational displacement amount of displacement ↑ Xc of the representative contact surface by the following equation (29). The correction amount of the displacement amount of each joint of the moving body 101 for realizing the required value of the reaction force ↑ ΔFMt can be determined.


↑Δq=Jc-1・↑Xc ……式(29)

そこで、移動体101の任意の運動状態において、移動体101に作用する全床反力を制御するための要求操作量として、摂動全床反力↑ΔFMtの要求値が与えられたとき、前記式(27)に基づいて代表接触面ヤコビアン行列Jcを求めると共に、このJcの擬似逆行列Jc-1を決定する。さらに、前記式(28)に基づいて、↑ΔFMtの要求値に対応する代表接触面の変位量ベクトル↑Xcを求める。そして、この↑Xcと、Jc-1とから式(29)によって、摂動全床反力↑ΔFMtの要求値を実現するための各関節の変位量の修正量を決定できることとなる。

↑ Δq = Jc −1・ ↑ Xc ...... Formula (29)

Therefore, when the required value of the perturbation total floor reaction force ↑ ΔFMt is given as the required operation amount for controlling the total floor reaction force acting on the moving body 101 in an arbitrary motion state of the moving body 101, the above formula Based on (27), a representative contact surface Jacobian matrix Jc is obtained, and a pseudo inverse matrix Jc -1 of this Jc is determined. Further, the displacement vector ↑ Xc of the representative contact surface corresponding to the required value of ↑ ΔFMt is obtained based on the equation (28). Then, from this ↑ Xc and Jc− 1 , the correction amount of the displacement amount of each joint for realizing the required value of the perturbation total floor reaction force ↑ ΔFMt can be determined by the equation (29).

ひいては、各脚リンク103_iの先端部の位置及び姿勢の修正量自体をそれぞれ決定することなく、一括的に、各関節の変位量を決定できることとなる。   As a result, the displacement amount of each joint can be determined collectively without determining the correction amount itself of the position and posture of the tip portion of each leg link 103_i.

次に、移動体101に実際に作用する全床反力を、該移動体101の目標運動を実現するための目標全床反力に追従させるようにように、上記摂動全床反力↑ΔFMtの要求値を決定することを想定する。そして、この場合、↑ΔFMtの要求値を、実際の全床反力の観測値と、目標全床反力との偏差を積分したものとして決定し、あるいは、少なくとも該偏差を積分してなる積分項と、該偏差に比例する比例項とを合成することによって決定するものとする。   Next, the perturbation total floor reaction force ↑ ΔFMt so that the total floor reaction force actually acting on the moving body 101 follows the target total floor reaction force for realizing the target motion of the moving body 101. It is assumed that the required value is determined. In this case, the required value of ↑ ΔFMt is determined as an integral of the deviation between the actual observed value of the total floor reaction force and the target total floor reaction force, or at least an integration obtained by integrating the deviation. It is determined by combining a term and a proportional term proportional to the deviation.

この場合、実際の全床反力の観測値と、目標全床反力との偏差を積分したもの(以降、これを↑ΔFMt_intと表記する)は、移動体101の目標運動で想定されている想定床面の位置及び姿勢と、実際の床面の位置及び姿勢との定常的な差分に応じたものとなる。このため、当該偏差の積分値↑ΔFMt_intを、前記式(28)により変換することで算出される↑Xc、すなわち、↑ΔFMt_intから、次式(28−1)により算出される↑Xc_intは、想定床面の位置及び姿勢と、実際の床面の位置及び姿勢との定常的な誤差分に相当するものとなると考えられる。   In this case, an integral of the deviation between the actual observed value of the total floor reaction force and the desired total floor reaction force (hereinafter referred to as ↑ ΔFMt_int) is assumed as the target motion of the moving body 101. This corresponds to a steady difference between the position and posture of the assumed floor surface and the actual position and posture of the floor surface. Therefore, ↑ Xc calculated by converting the integral value ↑ ΔFMt_int of the deviation by the above equation (28), that is, ↑ Xc_int calculated by the following equation (28-1) from ↑ ΔFMt_int is assumed This is considered to correspond to a steady error between the position and posture of the floor surface and the actual position and posture of the floor surface.

なお、式(28−1)においては、↑Xc_intのうちの並進変位量の成分、回転変位量の成分をそれぞれ↑Xc_org_int、↑Xc_rot_intと表記し、↑ΔFMt_intのうちの並進力成分、モーメント成分をそれぞれ↑ΔFt_int、↑ΔMt_intと表記している。 In Equation (28-1), the translational displacement component and the rotational displacement component of ↑ Xc_int are represented as ↑ Xc_org_int and ↑ Xc_rot_int, respectively, and the translational force component and moment component of ↑ ΔFMt_int are represented by They are written as ↑ ΔFt_int and ↑ ΔMt_int, respectively.

従って、想定床面の位置及び姿勢を上記↑Xc_intにより補正することで、実際の床面の位置及び姿勢を推定できることとなる。   Therefore, the actual position and orientation of the floor surface can be estimated by correcting the position and orientation of the assumed floor surface with the above-mentioned ↑ Xc_int.

以上が、本発明の基礎とする技術事項である。   The above is the technical matter on which the present invention is based.

以上説明したことを基礎として、以下に本発明を説明する。   The present invention will be described below on the basis of what has been described above.

本発明の第1の態様は、基体と、基体に連結された複数の脚リンクと、各脚リンクの関節を駆動する関節アクチュエータとを備え、前記複数の脚リンクの運動によって床面上を移動する移動体の動作を、該移動体の目標運動と、該目標運動を実現するために該移動体に作用させるべき全床反力の目標値である目標全床反力とに応じて制御する移動体の制御装置において該移動体が移動する実際の床面の位置及び姿勢を推定する床面推定装置であって、
前記移動体に実際に作用する全床反力の観測値と、前記目標全床反力との偏差を積分してなる値を、該偏差をゼロに近づけるために該移動体に付加的に作用させるべき全床反力の修正量である全床反力要求修正量として決定する全床反力要求修正量決定手段と、
前記全床反力要求修正量が前記移動体と床面との全ての接触面を代表する単一の仮想的な接触面としての代表接触面の位置及び姿勢のばね性変位によって発生するものと仮定して、前記決定された全床反力要求修正量と前記代表接触面のあらかじめ定められたばね定数とから、該全床反力要求修正量に対応する該代表接触面の位置及び姿勢の要求変位量を算出する代表接触面位置姿勢変位量算出手段と、
前記代表接触面の位置及び姿勢の時間的変化率と、前記基体の位置及び姿勢と前記移動体の各関節の変位量とを成分として構成される一般化変数ベクトルの時間的変化率との間の関係を表すヤコビアン行列である代表接触面ヤコビアン行列Jcを、各脚リンクの先端部の位置の時間的変化率又は各脚リンクの先端部の位置及び姿勢の時間的変化率と前記一般化変数ベクトルの時間的変化率との間の関係を表すヤコビアン行列である各脚リンクヤコビアン行列J_iと、前記ばね定数と、前記移動体に実際に作用する全床反力の作用点としての全床反力中心点に対する各脚リンクの先端部の実際の床反力中心点の相対位置と、各脚リンクに実際に作用する床反力の値とから、前記式(27)により算出する代表接触面ヤコビアン行列算出手段と、
前記算出された前記代表接触面の位置及び姿勢の要求変位量に前記算出された代表接触面ヤコビアン行列Jcの擬似逆行列Jc-1を乗じることにより前記代表接触面の位置及び姿勢の要求変位量を実現するための前記移動体の各関節の変位量の修正量である関節変位修正量を決定する関節変位修正量決定手段と、
前記移動体の目標運動により規定される該移動体の各関節の変位量である目標関節変位量を、前記決定された関節変位修正量により修正してなる修正後目標関節変位量に応じて前記関節アクチュエータを制御する関節変位制御手段とを備え、
前記目標運動で想定されている床面である想定床面の位置及び姿勢を、前記代表接触面位置姿勢変位量算出手段により算出された前記要求変位量に応じて補正することにより実際の床面の位置及び姿勢を推定することを特徴とする(第1発明)。
A first aspect of the present invention includes a base body, a plurality of leg links connected to the base body, and a joint actuator that drives a joint of each leg link, and moves on the floor surface by the movement of the plurality of leg links. The movement of the moving body is controlled according to the target motion of the moving body and the target total floor reaction force that is a target value of the total floor reaction force to be applied to the moving body in order to realize the target motion. A floor surface estimation device for estimating a position and posture of an actual floor surface to which the mobile body moves in a control device for a mobile body,
The value obtained by integrating the deviation between the observed value of the total floor reaction force actually acting on the moving body and the target total floor reaction force is additionally applied to the moving body in order to bring the deviation close to zero. A total floor reaction force request correction amount determining means for determining a total floor reaction force request correction amount that is a correction amount of the total floor reaction force to be caused;
The total floor reaction force required correction amount is generated by a spring displacement of the position and posture of the representative contact surface as a single virtual contact surface representing all the contact surfaces of the movable body and the floor surface. Assuming that the position and orientation of the representative contact surface corresponding to the total floor reaction force required correction amount are determined from the determined total floor reaction force required correction amount and a predetermined spring constant of the representative contact surface. Representative contact surface position / posture displacement amount calculating means for calculating the displacement amount;
Between the temporal change rate of the position and posture of the representative contact surface, and the temporal change rate of the generalized variable vector composed of the position and posture of the base body and the displacement amount of each joint of the moving body as components. The representative contact surface Jacobian matrix Jc, which is a Jacobian matrix representing the relationship of the above, is obtained by changing the temporal change rate of the position of the tip portion of each leg link or the temporal change rate of the position and posture of the tip portion of each leg link and the generalized variable. Each floor link Jacobian matrix J_i, which is a Jacobian matrix representing the relationship between the temporal change rate of the vector, the spring constant, and the total floor reaction as the action point of the total floor reaction force that actually acts on the moving body The representative contact surface calculated by the above equation (27) from the relative position of the actual floor reaction force center point of the tip of each leg link with respect to the force center point and the value of the floor reaction force actually acting on each leg link A Jacobian matrix calculating means;
The calculated required displacement amount of the position and orientation of the representative contact surface is multiplied by the pseudo inverse matrix Jc −1 of the calculated representative contact surface Jacobian matrix Jc to obtain the required displacement amount of the position and orientation of the representative contact surface. A joint displacement correction amount determining means for determining a joint displacement correction amount that is a correction amount of a displacement amount of each joint of the moving body for realizing
The target joint displacement amount, which is the displacement amount of each joint of the mobile body defined by the target motion of the mobile body, is corrected according to the corrected target joint displacement amount obtained by correcting the determined joint displacement correction amount. A joint displacement control means for controlling the joint actuator,
The actual floor surface is corrected by correcting the position and posture of the assumed floor surface, which is the floor surface assumed in the target motion, according to the required displacement amount calculated by the representative contact surface position / posture displacement amount calculating means. The position and orientation of the head are estimated (first invention).

あるいは、本発明の第2の態様は、基体と、基体に連結された複数の脚リンクと、各脚リンクの関節を駆動する関節アクチュエータとを備え、前記複数の脚リンクの運動によって床面上を移動する移動体の動作を、該移動体の目標運動と、該目標運動を実現するために該移動体に作用させるべき全床反力の目標値である目標全床反力とに応じて制御する移動体の制御装置において該移動体が移動する実際の床面の位置及び姿勢を推定する床面推定装置であって、
前記移動体に実際に作用する全床反力の観測値と、前記目標全床反力との偏差をゼロに近づけるために該移動体に付加的に作用させるべき全床反力の修正量である全床反力要求修正量を、少なくとも該偏差に比例する比例項と、該偏差を積分してなる積分項とを合成することにより決定する全床反力要求修正量決定手段と、
前記全床反力要求修正量が前記移動体と床面との全ての接触面を代表する単一の仮想的な接触面としての代表接触面の位置及び姿勢のばね性変位によって発生するものと仮定して、前記決定された全床反力要求修正量と前記代表接触面のあらかじめ定められたばね定数とから、該全床反力要求修正量に対応する該代表接触面の位置及び姿勢の要求変位量を算出する代表接触面位置姿勢変位量算出手段と、
前記代表接触面の位置及び姿勢の時間的変化率と、前記基体の位置及び姿勢と前記移動体の各関節の変位量とを成分として構成される一般化変数ベクトルの時間的変化率との間の関係を表すヤコビアン行列である代表接触面ヤコビアン行列Jcを、各脚リンクの先端部の位置の時間的変化率又は各脚リンクの先端部の位置及び姿勢の時間的変化率と前記一般化変数ベクトルの時間的変化率との間の関係を表すヤコビアン行列である各脚リンクヤコビアン行列J_iと、前記ばね定数と、前記移動体に実際に作用する全床反力の作用点としての全床反力中心点に対する各脚リンクの先端部の実際の床反力中心点の相対位置と、各脚リンクに実際に作用する床反力の値とから、前記式(27)により算出する代表接触面ヤコビアン行列算出手段と、
前記算出された前記代表接触面の位置及び姿勢の要求変位量に前記算出された代表接触面ヤコビアン行列Jcの擬似逆行列Jc-1を乗じることにより前記代表接触面の位置及び姿勢の要求変位量を実現するための前記移動体の各関節の変位量の修正量である関節変位修正量を決定する関節変位修正量決定手段と、
前記移動体の目標運動により規定される該移動体の各関節の変位量である目標関節変位量を、前記決定された関節変位修正量により修正してなる修正後目標関節変位量に応じて前記関節アクチュエータを制御する関節変位制御手段と、
前記全床反力要求修正量のうちの前記積分項と前記代表接触面のばね定数とから、該積分項に対応する該代表接触面の位置及び姿勢の変位量である代表接触面定常変位量を算出する代表接触面定常変位量算出手段とを備え、
前記目標運動で想定されている床面である想定床面の位置及び姿勢を、前記代表接触面定常変位量算出手段により算出された前記代表接触面定常変位量に応じて補正することにより実際の床面の位置及び姿勢を推定することを特徴とする(第2発明)。
Alternatively, a second aspect of the present invention includes a base, a plurality of leg links coupled to the base, and a joint actuator that drives a joint of each leg link, and the floor link is moved by the movement of the plurality of leg links. In accordance with a target motion of the mobile body and a target total floor reaction force that is a target value of the total floor reaction force to be applied to the mobile body in order to realize the target motion. A floor surface estimation device for estimating a position and posture of an actual floor surface on which the mobile body moves in a control device for the mobile body to be controlled,
A correction amount of the total floor reaction force to be additionally applied to the moving body in order to bring the deviation between the observed value of the total floor reaction force actually acting on the moving body and the target total floor reaction force close to zero. A total floor reaction force request correction amount determining means for determining a total floor reaction force request correction amount by combining at least a proportional term proportional to the deviation and an integral term obtained by integrating the deviation;
The total floor reaction force required correction amount is generated by a spring displacement of the position and posture of the representative contact surface as a single virtual contact surface representing all the contact surfaces of the movable body and the floor surface. Assuming that the position and orientation of the representative contact surface corresponding to the total floor reaction force required correction amount are determined from the determined total floor reaction force required correction amount and a predetermined spring constant of the representative contact surface. Representative contact surface position / posture displacement amount calculating means for calculating the displacement amount;
Between the temporal change rate of the position and posture of the representative contact surface, and the temporal change rate of the generalized variable vector composed of the position and posture of the base body and the displacement amount of each joint of the moving body as components. The representative contact surface Jacobian matrix Jc, which is a Jacobian matrix representing the relationship of the above, is obtained by changing the temporal change rate of the position of the tip portion of each leg link or the temporal change rate of the position and posture of the tip portion of each leg link and the generalized variable. Each floor link Jacobian matrix J_i, which is a Jacobian matrix representing the relationship between the temporal change rate of the vector, the spring constant, and the total floor reaction as the action point of the total floor reaction force that actually acts on the moving body The representative contact surface calculated by the above equation (27) from the relative position of the actual floor reaction force center point of the tip of each leg link with respect to the force center point and the value of the floor reaction force actually acting on each leg link A Jacobian matrix calculating means;
The calculated required displacement amount of the position and orientation of the representative contact surface is multiplied by the pseudo inverse matrix Jc −1 of the calculated representative contact surface Jacobian matrix Jc to obtain the required displacement amount of the position and orientation of the representative contact surface. A joint displacement correction amount determining means for determining a joint displacement correction amount that is a correction amount of a displacement amount of each joint of the moving body for realizing
The target joint displacement amount, which is the displacement amount of each joint of the mobile body defined by the target motion of the mobile body, is corrected according to the corrected target joint displacement amount obtained by correcting the determined joint displacement correction amount. Joint displacement control means for controlling the joint actuator;
A representative contact surface steady displacement amount that is a displacement amount of the position and orientation of the representative contact surface corresponding to the integral term from the integral term of the total floor reaction force required correction amount and the spring constant of the representative contact surface. A representative contact surface steady-state displacement amount calculating means for calculating
By correcting the position and orientation of the assumed floor surface, which is the floor surface assumed in the target motion, according to the representative contact surface steady displacement amount calculated by the representative contact surface steady displacement amount calculating means, The position and orientation of the floor surface are estimated (second invention).

ここで、前記式(27)と、この式(27)の変数の意味とを改めて記載すると、次の通りである。   Here, the expression (27) and the meaning of the variable of the expression (27) are described again as follows.

なお、本発明において、「床面」は、屋内の通常の床面に限らず、屋外の地面もしくは路面であってもよい。また、想定床面、あるいは、実際の床面の位置及び姿勢は、移動体の各脚リンクの先端部の接地面もしくはその近辺の床面の位置及び姿勢を意味する。 In the present invention, the “floor surface” is not limited to a normal indoor floor surface, but may be an outdoor ground surface or a road surface. Further, the assumed floor surface or the actual position and posture of the floor surface means the position and posture of the ground contact surface at the front end of each leg link of the movable body or the floor surface in the vicinity thereof.

上記第1発明及び第2発明によれば、前記移動体に実際に作用する全床反力(以降、実全床反力ということがある)の観測値と、前記目標全床反力との偏差をゼロに近づけるためのフィードバック操作量(制御入力)としての前記全床反力要求修正量が、該偏差に応じて決定される。   According to the first and second aspects of the present invention, the observed value of the total floor reaction force actually acting on the moving body (hereinafter, sometimes referred to as the actual total floor reaction force) and the target total floor reaction force The total floor reaction force request correction amount as a feedback operation amount (control input) for bringing the deviation close to zero is determined according to the deviation.

この場合、第1発明では、該偏差を積分してなる値(積分項)が、そのまま全床反力要求修正量として決定される。また、第2発明では、少なくとも該偏差に比例する比例項(該偏差に所定値のゲインを乗じてなる値)と、該偏差を積分してなる積分とを合成することにより前記全床反力要求修正量が決定される。   In this case, in the first invention, a value (integral term) obtained by integrating the deviation is determined as the total floor reaction force required correction amount as it is. In the second invention, the total floor reaction force is synthesized by synthesizing at least a proportional term proportional to the deviation (a value obtained by multiplying the deviation by a gain of a predetermined value) and an integral obtained by integrating the deviation. The required correction amount is determined.

このように決定される全床反力要求修正量は、第1発明及び第2発明のいずれにおいても、前記摂動全床波力↑ΔFMtの要求値に相当するものである。   The total floor reaction force requirement correction amount determined in this way corresponds to the required value of the perturbation total floor wave force ↑ ΔFMt in both the first and second inventions.

なお、第2発明では、比例項及び積分項だけを合成したものを前記全床反力要求修正量としてもよいが、比例項及び積分項以外の項、例えば微分項をさらに合成することで、前記全床反力要求修正量を決定してもよい。   In the second invention, the total floor reaction force requirement correction amount may be a combination of only the proportional term and the integral term, but by further synthesizing a term other than the proportional term and the integral term, for example, a differential term, The total floor reaction force request correction amount may be determined.

また、第1発明及び第2発明における前記目標全床反力としては、例えば、実際の床面のモデルとしての想定床面上で、前記移動体の目標運動に対して適宜の動力学モデルの動力学的関係が成立するように作成されたものを採用できる。あるいは、移動体の目標運動に対して上記動力学的関係が成立するように作成した基準の全床反力を、移動体の運動に関する所定の状態量(移動体の特定の部位(基体等)もしくは全体重心点の位置、姿勢、又はそれらの変化速度等の状態量)の目標値と実際の値との偏差に応じて、該偏差をゼロに近づけるように補正したものであってもよい。   In addition, as the target total floor reaction force in the first invention and the second invention, for example, on an assumed floor surface as an actual floor surface model, an appropriate dynamic model for a target motion of the moving body is used. Those created so as to establish a dynamic relationship can be adopted. Alternatively, a reference total floor reaction force created so that the above dynamic relationship is established with respect to the target motion of the moving body is used as a predetermined state quantity relating to the motion of the moving body (a specific part of the moving body (base, etc.)) Alternatively, the deviation may be corrected so as to be close to zero according to the deviation between the target value and the actual value of the state value such as the position, posture, or change rate of the center of gravity point).

第1発明及び第2発明では、上記の如く決定された全床反力要求修正量に対応する代表接触面の位置及び姿勢の要求変位量が代表接触面位置姿勢変位量算出手段により算出される。   In the first and second inventions, the representative contact surface position and posture required displacement amount corresponding to the total floor reaction force required correction amount determined as described above is calculated by the representative contact surface position and posture displacement amount calculating means. .

これにより、実全床反力を目標全床反力に追従させるためのフィードバック操作量(制御入力)としての全床反力要求修正量が、単一の仮想面たる代表接触面の位置及び姿勢の要求変位量に変換される。   As a result, the total floor reaction force required correction amount as a feedback operation amount (control input) for causing the actual total floor reaction force to follow the target total floor reaction force is the position and orientation of the representative contact surface as a single virtual surface. Is converted to the required displacement amount.

ここで、代表接触面の位置及び姿勢の変位量は、前記ばね性並進・回転変位量↑Xcに相当するものであり、前記一般化変数ベクトル↑qの単位時間当たりの変化量↑Δqに対して、代表接触面ヤコビアン行列Jcによって表現される前記式(23)の関係を有する。   Here, the displacement amount of the position and orientation of the representative contact surface corresponds to the spring translational / rotational displacement amount ↑ Xc, and the amount of change ↑ Δq per unit time of the generalized variable vector ↑ q. Thus, the relationship of the above formula (23) expressed by the representative contact surface Jacobian matrix Jc is satisfied.

従って、全床反力要求修正量に対応する代表接触面の位置及び姿勢の要求変位量に、代表接触面ヤコビアン行列Jcの擬似逆行列Jc-1を乗じることによって(すなわち、前記式(29)によって)、当該要求変位量を実現するための(ひいては、全床反力要求修正量を実現するための)移動体の関節変位修正量を決定できることとなる。 Therefore, by multiplying the required displacement amount of the representative contact surface corresponding to the total floor reaction force required correction amount by the pseudo inverse matrix Jc −1 of the representative contact surface Jacobian matrix Jc (ie, the equation (29)). Therefore, the joint displacement correction amount of the moving body for realizing the required displacement amount (and thus for realizing the total floor reaction force required correction amount) can be determined.

そこで、本発明では、前記代表接触面ヤコビアン行列算出手段によって、代表接触面ヤコビアン行列Jcを算出する。この場合、代表接触面ヤコビアン行列Jcは、各脚リンクの先端部の位置の時間的変化率又は各脚リンクの先端部の位置及び姿勢の時間的変化率と前記一般化変数ベクトルの時間的変化率との間の関係を表すヤコビアン行列である各脚リンクヤコビアン行列J_i(i=1,2,…,N)と、前記ばね定数と、前記移動体に実際に作用する全床反力の作用点としての全床反力中心点に対する各脚リンクの先端部の実際の床反力中心点の相対位置と、各脚リンクに実際に作用する床反力の値とから、前記式(27)によって算出される。   Therefore, in the present invention, the representative contact surface Jacobian matrix Jc is calculated by the representative contact surface Jacobian matrix calculating means. In this case, the representative contact surface Jacobian matrix Jc represents the temporal change rate of the position of the tip portion of each leg link or the temporal change rate of the position and posture of the tip portion of each leg link and the temporal change of the generalized variable vector. Each link Jacobian matrix J_i (i = 1, 2,..., N), which is a Jacobian matrix representing the relationship between the ratio, the spring constant, and the action of the total floor reaction force that actually acts on the moving body From the relative position of the actual floor reaction force center point at the tip of each leg link with respect to the total floor reaction force center point as a point, and the value of the floor reaction force actually acting on each leg link, the above equation (27) Is calculated by

なお、式(27)の演算を行なうために用いる各脚リンクに実際に作用する床反力の値や、その床反力作用点の位置、全床反力作用点の位置は、移動体に搭載した力センサ等により計測した観測値でよいことはもちろんであるが、実際の値を精度よく近似し得るものであれば、前記目標床反力や適当なモデル等を基に、近似的に推定もしくは予測した値であってもよい。   It should be noted that the value of the floor reaction force actually acting on each leg link used for the calculation of Expression (27), the position of the floor reaction force action point, and the position of the total floor reaction force action point are Obviously, the observed value measured by the installed force sensor may be sufficient, but if the actual value can be approximated accurately, it can be approximated based on the target floor reaction force or an appropriate model. It may be an estimated or predicted value.

また、上記脚リンクヤコビアン行列に関して補足すると、本発明では、各脚リンクは、その先端部を接地させた状態で、該先端部に作用する床反力モーメントを変化させることができる構造の脚リンク(例えば、先端部がアクチュエータにより姿勢を変化させることができる足平部により構成され、該先端部と床面との接触が面接触状態となる脚リンク)と、該先端部に作用する床反力モーメントを変化させることができない構造の脚リンク(例えば該先端部と床面との接触状態が点状となる脚リンク)とのいずれの構造の脚リンクであってもよい。   Further, supplementing the above-mentioned leg link Jacobian matrix, in the present invention, each leg link has a structure that can change the floor reaction force moment acting on the tip portion with the tip portion grounded. (For example, a leg link in which the tip portion is configured by a foot portion whose posture can be changed by an actuator, and the contact between the tip portion and the floor surface is in a surface contact state) and the floor reaction acting on the tip portion. The leg link may have any structure such as a leg link having a structure in which the force moment cannot be changed (for example, a leg link in which a contact state between the tip portion and the floor surface is dotted).

この場合、各脚リンクが、その先端部での床反力モーメントを変化させることができる構造のものである場合には、脚リンクヤコビアン行列は、該脚リンクの先端部の位置及び姿勢の時間的変化率と前記一般化変数ベクトルの時間的変化率との間の関係を表すヤコビアン行列となる。また、各脚リンクが、その先端部での床反力モーメントを変化させることができない構造のものである場合には、脚リンクヤコビアン行列は、該脚リンクの先端部の位置の時間的変化率と前記一般化変数ベクトルの時間的変化率との間の関係を表すヤコビアン行列となる。   In this case, when each leg link has a structure that can change the floor reaction force moment at the tip, the leg link Jacobian matrix is the time of the position and posture of the tip of the leg link. A Jacobian matrix representing the relationship between the rate of change and the rate of change of the generalized variable vector over time. In addition, when each leg link has a structure that cannot change the floor reaction force moment at its tip, the leg link Jacobian matrix is the rate of temporal change in the position of the tip of the leg link. And a Jacobian matrix representing the relationship between the generalized variable vector and the temporal change rate.

これらの脚リンクヤコビアン行列は、移動体の各関節の実際の変位量の観測値を基に、公知の手法によって求めることができる。   These leg link Jacobian matrices can be obtained by a known method based on the observed values of the actual displacement amount of each joint of the moving body.

そして、本発明においては、前記関節変位修正量決定手段が、上記の如く算出された代表接触面ヤコビアン行列Jcの擬似逆行列Jc-1を、代表接触面の位置及び姿勢の要求変位量に乗じることによって、前記関節変位修正量が決定される。これにより、結果的に、前記全床反力要求修正量を実現するための関節変位修正量が決定されることとなる。 In the present invention, the joint displacement correction amount determining means multiplies the required displacement amount of the position and orientation of the representative contact surface by the pseudo inverse matrix Jc −1 of the representative contact surface Jacobian matrix Jc calculated as described above. Thus, the joint displacement correction amount is determined. As a result, the joint displacement correction amount for realizing the total floor reaction force required correction amount is determined.

さらに、前記関節変位制御手段が、前記移動体の目標運動により規定される該移動体の各関節の変位量である目標関節変位量を、上記の如く決定された関節変位修正量により修正してなる修正後目標関節変位量に応じて前記関節アクチュエータを制御する。   Further, the joint displacement control means corrects the target joint displacement amount, which is the displacement amount of each joint of the moving body, defined by the target motion of the moving body, using the joint displacement correction amount determined as described above. The joint actuator is controlled in accordance with the corrected target joint displacement amount.

これにより、実全床反力を目標全床反力に追従させるように、移動体の各関節の変位量の制御が行われ、所謂、コンプライアンス制御が実現される。   Thereby, the displacement amount of each joint of the moving body is controlled so that the actual total floor reaction force follows the target total floor reaction force, and so-called compliance control is realized.

かかる第1発明及び第2発明によれば、全床反力要求修正量を代表接触面の位置及び姿勢の要求変位量に変換し、この要求変位量に応じて移動体の各関節の関節変位修正量を求めることにより、個々の脚リンクの先端部の位置や姿勢の修正と実全床反力の変化との関係やそれらの相互の関係を考慮して各脚リンクの先端部の位置や姿勢の修正量を決定するような処理を実行することなく、実全床反力を目標全床反力に追従させるための移動体の各関節の変位量の修正量(関節変位修正量)を一括的に決定できる。そのため、関節変位修正量を決定する処理を効率よく短時間で行なうことができる。   According to the first invention and the second invention, the total floor reaction force required correction amount is converted into the required displacement amount of the position and orientation of the representative contact surface, and the joint displacement of each joint of the moving body according to the required displacement amount. By calculating the amount of correction, the position of the tip of each leg link can be determined in consideration of the relationship between the correction of the position and posture of each leg link and the change in the actual total floor reaction force and their mutual relationship. The amount of correction of each joint displacement (joint displacement correction amount) to make the actual total floor reaction force follow the target total floor reaction force without executing a process that determines the posture correction amount. Can be determined collectively. Therefore, the process for determining the joint displacement correction amount can be performed efficiently and in a short time.

この場合、前記式(27)における各脚リンクの重み係数r_iは、床反力の垂直抗力成分が相対的に大きい脚リンクほど、より大きい値(“1”に近い値)に設定されることとなるため、全床反力要求修正量に対する各脚リンクの負担分は、結果的に、床反力の垂直抗力成分が相対的に大きい脚リンクほど、大きくなる。従って、床反力の垂直抗力成分が相対的に小さい脚リンクの先端部の位置や姿勢を不必要に修正したりすることなく、全床反力要求修正量を確実に実現し得るような関節変位修正量を決定できる。   In this case, the weight coefficient r_i of each leg link in the equation (27) is set to a larger value (a value closer to “1”) as the leg link has a relatively large vertical reaction force component. Therefore, as a result, the leg link with respect to the total floor reaction force required correction amount becomes larger as the leg link having a relatively large vertical reaction force component of the floor reaction force. Therefore, a joint that can surely achieve the required amount of floor reaction force correction without unnecessarily correcting the position and posture of the tip of the leg link where the vertical reaction force component of the floor reaction force is relatively small. The amount of displacement correction can be determined.

また、各脚リンクの重み係数r_iは連続的に変化するので、代表接触面ヤコビアン行列Jcが、不連続的な変化を生じることがない。このため、移動体の各関節の変位量を滑らかに連続的に変化させることができる。ひいては、移動体の運動を滑らかに行なうことができる。   Further, since the weight coefficient r_i of each leg link changes continuously, the representative contact surface Jacobian matrix Jc does not change discontinuously. For this reason, the displacement amount of each joint of the moving body can be changed smoothly and continuously. As a result, the movement of the moving body can be performed smoothly.

よって、第1発明及び第2発明によれば、移動体に実際に作用する全床反力を目標全床反力に追従させるように該移動体の運動を制御することを、各脚リンクの先端部の位置や姿勢の目標運動からの修正量をそれぞれ決定する処理を必要とせずに適切に行うことができる。   Therefore, according to the first invention and the second invention, the movement of the moving body is controlled so that the total floor reaction force actually acting on the moving body follows the target total floor reaction force. It is possible to appropriately perform the processing without determining the amount of correction of the position and posture of the tip from the target motion.

一方、第1発明において、上記の如く移動体のコンプライアンス制御が行われている状態において、前記全床反力要求修正量決定手段により決定される全床反力要求修正量は、実全床反力の観測値と、目標全床反力との偏差を積分してなる値(積分項)であるから、該全床反力要求修正量と前記ばね定数とから、前記代表接触面位置姿勢変位量算出手段により算出される代表接触面の位置及び姿勢の要求変位量は、前記目標運動で想定されている床面である想定床面の位置及び姿勢と、実際の床面の位置及び姿勢と間の定常的な差分に相当するものとなる。すなわち、該要求変位量は、前記式(28−1)における↑Xc_intに相当するものである。   On the other hand, in the first invention, in the state where the compliance control of the moving body is performed as described above, the total floor reaction force required correction amount determined by the total floor reaction force required correction amount determining means is the actual total floor reaction force. Since it is a value (integral term) obtained by integrating the deviation between the observed force value and the desired total floor reaction force, the representative contact surface position / posture displacement is calculated from the total floor reaction force required correction amount and the spring constant. The required displacement amount of the position and orientation of the representative contact surface calculated by the amount calculation means is calculated based on the assumed floor surface position and orientation that are assumed in the target motion, and the actual floor surface position and orientation. It corresponds to a steady difference between the two. That is, the required displacement amount corresponds to ↑ Xc_int in the equation (28-1).

また、第2発明においては、上記の如く移動体のコンプライアンス制御が行われている状態において、前記全床反力要求修正量決定手段により決定される全床反力要求修正量のうちの積分項と前記ばね定数とから、前記代表接触面位置姿勢変位量算出手段と同様の演算によって算出される代表接触面の位置及び姿勢の変位量(全床反力要求修正量の代わりに前記積分項を用いて算出される代表接触面の位置及び姿勢の変位量)は、前記想定床面の位置及び姿勢と、実際の床面の位置及び姿勢と間の定常的な差分に相当するもの、すなわち、前記式(28−1)における↑Xc_intに相当するものとなる。   In the second invention, in the state where the compliance control of the moving body is performed as described above, the integral term of the total floor reaction force request correction amount determined by the total floor reaction force request correction amount determination means. And the spring constant, the displacement of the position and orientation of the representative contact surface calculated by the same calculation as the representative contact surface position / posture displacement amount calculating means (instead of the total floor reaction force request correction amount, the integral term is The amount of displacement of the representative contact surface position and posture calculated using the above-mentioned is equivalent to a steady difference between the assumed floor surface position and posture and the actual floor surface position and posture, that is, This corresponds to ↑ Xc_int in the equation (28-1).

そこで、第1発明においては、前記想定床面の位置及び姿勢から、前記代表接触面位置姿勢変位量算出手段により算出された前記要求変位量だけ修正してなる位置及び姿勢を実際の床面の位置及び姿勢として推定する。   Therefore, in the first invention, the position and posture obtained by correcting the required displacement amount calculated by the representative contact surface position and posture displacement amount calculating means from the position and posture of the assumed floor surface are changed to those of the actual floor surface. Estimated as position and orientation.

また、第2発明においては、前記代表接触面定常変位量算出手段によって、前記全床反力要求修正量のうちの前記積分項と前記代表接触面のばね定数とから、該積分項に対応する該代表接触面の位置及び姿勢の変位量である代表接触面定常変位量を算出する。そして、前記想定床面の位置及び姿勢から、前記代表接触面定常変位量算出手段により算出された前記代表接触面定常変位量だけ修正してなる位置及び姿勢を実際の床面の位置及び姿勢として推定する。   In the second aspect of the invention, the representative contact surface steady displacement calculating means corresponds to the integral term from the integral term of the total floor reaction force required correction amount and the spring constant of the representative contact surface. A representative contact surface steady displacement amount that is a displacement amount of the position and orientation of the representative contact surface is calculated. Then, the position and posture obtained by correcting the representative contact surface steady displacement amount calculated by the representative contact surface steady displacement amount calculation means from the assumed floor surface position and posture are set as the actual floor surface position and posture. presume.

これにより、第1発明及び第2発明によれば、実際の床面の位置及び姿勢を推定することができる。この場合、前記のコンプライアンス制御によって、前記全床反力要求修正量を確実に実現し得るような関節変位修正量を決定して、前記移動体の動作を制御できることから、第1発明における全床反力要求修正量、又は第2発明における代表接触面定常変位量は、想定床面の位置及び姿勢と、実際の床面の位置及び姿勢と間の定常的な差分に相当するものとしての信頼性が高いものとなる。従って、実際の床面の位置及び姿勢を精度よく推定することができることとなる。   Thereby, according to 1st invention and 2nd invention, the position and attitude | position of an actual floor surface can be estimated. In this case, it is possible to determine the joint displacement correction amount that can surely realize the total floor reaction force required correction amount by the compliance control, and to control the operation of the moving body. The reaction force requirement correction amount, or the representative contact surface steady displacement amount in the second invention is a reliability that corresponds to a steady difference between the assumed floor surface position and posture and the actual floor surface position and posture. It becomes a thing with high property. Therefore, the actual position and orientation of the floor surface can be estimated with high accuracy.

よって第1発明及び第2発明によれば、移動体に実際に作用する全床反力を目標全床反力に追従させるように該移動体の運動を制御することを、各脚リンクの先端部の位置や姿勢の目標運動からの修正量をそれぞれ決定する処理を必要とせずに適切に行うようにしつつ、移動体の動作環境の実際の床面の位置や姿勢を適切に推定することができる。   Therefore, according to the first invention and the second invention, the movement of the moving body is controlled so that the total floor reaction force actually acting on the moving body follows the target total floor reaction force. It is possible to properly estimate the actual floor surface position and posture of the moving body's operating environment while properly performing the process without determining the amount of correction from the target movement of the position and posture of each part. it can.

なお、第2発明においては、前記全床反力要求修正量は、少なくとも前記比例項と積分項とを合成したものであるので、想定床面の位置及び姿勢の実際の床面に対する定常的な誤差の影響だけでなく、想定床面で想定されていない実際の床面の局所的な凹凸等に起因して生じる、実全床反力の観測値と目標全床反力との一時的な偏差の影響を補償するよにして、実全床反力を目標全床反力に追従させるための関節変位修正量を決定できる。   In the second invention, since the total floor reaction force requirement correction amount is a combination of at least the proportional term and the integral term, the position and posture of the assumed floor surface are steady with respect to the actual floor surface. Temporary observation value of actual total floor reaction force and target total floor reaction force caused by local unevenness of actual floor surface that is not assumed on the assumed floor surface as well as the effect of errors By compensating for the influence of the deviation, the joint displacement correction amount for causing the actual total floor reaction force to follow the target total floor reaction force can be determined.

上記第1発明又は第2発明において、前記代表接触面ヤコビアン行列Jcの擬似逆行列Jc-1は、公知の適宜の手法により算出することができる。 In the first invention or the second invention, the pseudo inverse matrix Jc −1 of the representative contact surface Jacobian matrix Jc can be calculated by a known appropriate method.

ただし、前記算出された代表接触面ヤコビアン行列の擬似逆行列Jc-1は、あらかじめ設定された重み行列Wと前記算出された代表接触面ヤコビアン行列Jcとから次式(30)により算出される行列であると共に、該式(28)におけるkの値(実数値)を、次式(31)により表される行列式DETが所定の正の閾値以上の値になるように決定する擬似逆行列演算用パラメータ決定手段を備えており、

Jc-1=W-1・JcT・(Jc・W-1・JcT+k・I)-1 ……(30)
DET=det(Jc・W-1・JcT+k・I) ……(31)
ただし、W:あらかじめ定められた重み行列(対角行列)

前記擬似逆行列演算用パラメータ決定手段は、kの暫定値を所定の初期値から段階的に増加させていくように設定することと、設定した各暫定値を用いて前記行列式DETの値を算出することと、算出した行列式DETの絶対値が前記所定の閾値以上の値であるか否かを判断することとを繰り返し、該判断結果が肯定的となったときのkの暫定値を、前記式(30)により擬似逆行列を算出するために用いるkの値として決定する手段であると共に、前記判断結果が否定的である場合のkの暫定値の増加量を、その増加前の暫定値を用いて算出した行列式DETの絶対値と前記所定の閾値との偏差の絶対値のn乗根(n:Jc・W-1・JcTの次数)に比例する値に設定することが好ましい(第3発明)。
However, the pseudo inverse matrix Jc −1 of the calculated representative contact surface Jacobian matrix is a matrix calculated by the following equation (30) from the preset weight matrix W and the calculated representative contact surface Jacobian matrix Jc. And a pseudo inverse matrix operation for determining the value (real value) of k in the equation (28) so that the determinant DET represented by the following equation (31) is equal to or greater than a predetermined positive threshold value. Parameter setting means,

Jc -1 = W -1 · Jc T · (Jc · W -1 · Jc T + k · I) -1 ...... (30)
DET = det (Jc ・ W −1・ Jc T + k ・ I) (31)
W: Predetermined weight matrix (diagonal matrix)

The pseudo inverse matrix calculation parameter determining means sets the provisional value of k so as to increase stepwise from a predetermined initial value, and uses the set provisional values to determine the value of the determinant DET. Repeatedly calculating and determining whether or not the absolute value of the calculated determinant DET is equal to or greater than the predetermined threshold, and the provisional value of k when the determination result is affirmative , A means for determining the value of k to be used for calculating the pseudo inverse matrix by the equation (30), and the increase amount of the provisional value of k when the determination result is negative, Set to a value proportional to the nth root of the absolute value of the deviation between the absolute value of the determinant DET calculated using the provisional value and the predetermined threshold (n: the order of Jc · W −1 · Jc T ). Is preferred (third invention).

なお、式(30)において、Iは単位行列である。また、重み係数行列Wは、各関節の変位量の変化に対する代表接触面の位置及び姿勢の変化の応答性等を考慮し、代表接触面の位置及び姿勢の要求変位量を実現するための各関節の変位量の修正度合いを各関節毎に調整するものである。なお、重み係数行列Wは単位行列であってもよい。   In Equation (30), I is a unit matrix. In addition, the weighting coefficient matrix W takes into account the responsiveness of the change in the position and posture of the representative contact surface with respect to the change in the displacement amount of each joint, and the like to realize the required displacement amount of the position and posture of the representative contact surface. The degree of correction of the joint displacement amount is adjusted for each joint. The weight coefficient matrix W may be a unit matrix.

また、kは、式(30)の右辺の括弧内の行列の行列式、すなわち、式(31)に示される行列式DETの大きさが小さくなり過ぎるのを防止するための調整パラメータであり、ゼロ以上の実数値である。この調整パラメータkについて補足すると、擬似逆行列Jc-1は、基本的には、k=0とした場合の上記の式(30)によって算出することができる。 Further, k is an adjustment parameter for preventing the determinant of the matrix in parentheses on the right side of Expression (30), that is, the determinant DET shown in Expression (31) from becoming too small. A real value greater than or equal to zero. Supplementing the adjustment parameter k, the pseudo inverse matrix Jc −1 can basically be calculated by the above equation (30) when k = 0.

ただし、この場合、上記行列式DETの大きさが小さくなり過ぎる(ゼロに近い値となる)場合がある。そして、このような場合には、式(30)の右辺の括弧内の行列の逆行列が発散し、適切な擬似逆行列Jc-1を決定することができなくなる。これを防止するために、式(30)では、右辺の括弧内の第1項に、単位行列Iのk倍の行列を付加するようにしている。 In this case, however, the determinant DET may be too small (a value close to zero). In such a case, the inverse matrix of the matrix in parentheses on the right side of Expression (30) diverges, making it impossible to determine an appropriate pseudo inverse matrix Jc- 1 . In order to prevent this, in Equation (30), a matrix of k times the unit matrix I is added to the first term in the parenthesis on the right side.

一方、前記行列式DETの大きさが小さくなり過ぎないようにするための適切な調整パラメータkの値はJcに応じて変化する。また、行列式DETの大きさは、kの値の変化に対して非線形な変化を呈する。   On the other hand, an appropriate value of the adjustment parameter k for preventing the determinant DET from becoming too small varies depending on Jc. Further, the magnitude of the determinant DET exhibits a non-linear change with respect to a change in the value of k.

このため、第3発明では、上記行列式DETの絶対値が前記所定の閾値以上となる(過小にならない)kの値を、前記擬似逆行列演算パラメータ決定手段により探索的に決定する。   For this reason, in the third aspect of the invention, the pseudo-inverse matrix operation parameter determining means exploratively determines the value of k at which the absolute value of the determinant DET is equal to or greater than the predetermined threshold (does not become too small).

具体的には、kの暫定値を所定の初期値から段階的に増加させていくように設定することと、設定した各暫定値を用いて前記行列式DETの値を算出することと、算出した行列式DETの絶対値が前記所定の閾値以上の値であるか否かを判断することとを繰り返し、該判断結果が肯定的となったときのkの暫定値を、前記式(30)により擬似逆行列を算出するために用いるkの値として決定する。   Specifically, the provisional value of k is set so as to increase stepwise from a predetermined initial value, the value of the determinant DET is calculated using each set provisional value, It is repeatedly determined whether or not the absolute value of the determinant DET is a value equal to or greater than the predetermined threshold, and the provisional value of k when the determination result is affirmative is expressed as the equation (30). To determine the value of k used to calculate the pseudo inverse matrix.

この場合、この処理において、kの暫定値の増加量が一定であると、kの値が最終的に決定されるまでに時間がかかりすぎたり、あるいは、移動体の制御装置の制御処理周期毎に決定されるkの値が頻繁に変動し、ひいては、算出される擬似逆行列Jc-1の不連続的な変動が生じやすい。 In this case, if the increase amount of the provisional value of k is constant in this processing, it takes too much time until the value of k is finally determined, or every control processing cycle of the control device of the mobile unit The value of k determined in (1) frequently fluctuates, and as a result, discontinuous fluctuations in the calculated pseudo inverse matrix Jc −1 tend to occur.

一方、本願発明者の知見によれば、Jc・W-1・JcTの次数をnとしたとき、行列式DETの値は、kの値のn乗に比例して変化する。 On the other hand, according to the knowledge of the present inventor, when the order of Jc · W −1 · Jc T is n, the value of the determinant DET changes in proportion to the value n of the k value.

そこで、第3発明では、前記擬似逆行列演算パラメータ決定手段の処理において、前記判断結果が否定的である場合のkの暫定値の増加量を、その増加前の暫定値を用いて算出した行列式DETの絶対値と前記所定の閾値との偏差の絶対値のn乗根(n:Jc・W-1・JcTの次数)に比例する値に設定することとした。 Therefore, in the third invention, in the processing of the pseudo inverse matrix calculation parameter determining means, a matrix calculated by using the provisional value before the increase amount of the provisional value of k when the determination result is negative. The absolute value of the deviation between the formula DET and the predetermined threshold is set to a value proportional to the nth root of the absolute value (n: the order of Jc · W −1 · Jc T ).

これにより、第3発明によれば、移動体の制御装置の制御処理周期毎に、擬似逆行列Jc-1を算出するために用いる適切なkの値(DETの絶対値が所定の閾値以上となるkの値)を効率よく短時間で決定できると共に、擬似逆行列Jc-1が滑らかに変化していくようにすることができる。ひいては、移動体の各関節の変位量を滑らかに変化させるように、関節変位修正量を決定できることとなる。 Thus, according to the third aspect of the present invention, an appropriate value of k used for calculating the pseudo inverse matrix Jc −1 (the absolute value of DET is equal to or greater than a predetermined threshold value) for each control processing cycle of the control device of the moving body. Can be determined efficiently and in a short time, and the pseudo inverse matrix Jc -1 can be changed smoothly. Eventually, the joint displacement correction amount can be determined so as to smoothly change the displacement amount of each joint of the moving body.

また、第3発明によれば、前記重み係数行列Wによって、各関節の変位量の変化に対する代表接触面の位置及び姿勢の変化の応答性等を考慮して、代表接触面の位置及び姿勢の要求変位量を実現するための各関節の変位量の修正度合いを各関節毎に調整することができる。   According to the third aspect of the present invention, the weight coefficient matrix W takes into account the responsiveness of the change in the position and posture of the representative contact surface with respect to the change in the displacement amount of each joint, and the like. The degree of correction of the displacement amount of each joint for realizing the required displacement amount can be adjusted for each joint.

本発明を説明するための移動体と、これに作用する床反力とを一般化して模式的に示す図。The figure which generalizes and shows the moving body for demonstrating this invention, and the floor reaction force which acts on this. 本発明の一実施形態における移動体の概略構成を示す図。The figure which shows schematic structure of the moving body in one Embodiment of this invention. 図2の移動体の制御に関する構成を示すブロック図。The block diagram which shows the structure regarding control of the moving body of FIG. 図2に示す制御装置の機能を示すブロック図。The block diagram which shows the function of the control apparatus shown in FIG. 図4に示す関節変位修正量決定部に関する処理を示すフローチャート。The flowchart which shows the process regarding the joint displacement correction amount determination part shown in FIG. 本発明を適用する移動体の他の構成形態の例を示す図。The figure which shows the example of the other structure form of the moving body to which this invention is applied. 本発明を適用する移動体の他の構成形態の例を示す図。The figure which shows the example of the other structure form of the moving body to which this invention is applied.

本発明の一実施形態を図2〜図5を参照して説明する。   An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図2を参照して、本実施形態で例示する移動体1は、例えば2つの脚リンクを備える脚式移動ロボットである。この移動体1は、基体としての上体2と、左右一対の脚リンク3R,3Lと、左右一対の腕リンク4R,4Lと、頭部5とを有する。   With reference to FIG. 2, the mobile body 1 illustrated in this embodiment is, for example, a legged mobile robot including two leg links. The moving body 1 includes an upper body 2 as a base, a pair of left and right leg links 3R and 3L, a pair of left and right arm links 4R and 4L, and a head 5.

なお、本実施形態の説明では、移動体1の前方に向かって右側の部材又はその部材に関連する量を示す変数に符号“R”を付加し、ロボット1の前方に向かって左側の部材又はその部材に関連する量を示す変数に符号“L”を付加する。ただし、右側、左側を特に区別する必要が無いときは、符号“R”,“L”を省略することがある。   In the description of the present embodiment, a symbol “R” is added to the variable indicating the member on the right side or the amount related to the member toward the front of the moving body 1, and the member on the left side toward the front of the robot 1 or A symbol “L” is added to a variable indicating an amount related to the member. However, when there is no need to distinguish between the right side and the left side, the symbols “R” and “L” may be omitted.

左右一対の脚リンク3R,3Lは、互いに同じ構造のものである。具体的には、各脚リンク3は、上体2に股関節部13を介して連結された大腿部14と、この大腿部14に膝関節部15を介して連結された下腿部16と、この下腿部16に足首関節部17を介して連結された足平部18とを、該脚リンク3を構成する複数の要素リンクとして備える。   The pair of left and right leg links 3R, 3L have the same structure. Specifically, each leg link 3 includes a thigh 14 connected to the upper body 2 via a hip joint 13, and a crus 16 connected to the thigh 14 via a knee joint 15. And a foot 18 connected to the lower leg 16 via an ankle joint 17 as a plurality of element links constituting the leg link 3.

各脚リンク3の先端部である足平部18の底面には弾性部材18aが取り付けられている。そして、床面上での移動体1の移動時に、各足平部18は、その弾性部材18aを介して床面に接地(着床)するようになっている。   An elastic member 18 a is attached to the bottom surface of the foot 18 that is the tip of each leg link 3. When the movable body 1 moves on the floor surface, each foot 18 is grounded (landed) on the floor surface via its elastic member 18a.

各脚リンク3の股関節部13は、ヨー軸(図2のZ軸)、ピッチ軸(図2のY軸)及びロール軸(図1のX軸)の各軸周りの回転自由度をそれぞれ有する3つの関節19,20,21により構成されている。また、膝関節部15は、ピッチ軸周りの回転自由度を有する関節22により構成されている。また、足首関節部17は、ピッチ軸周り及びロール軸周りの回転自由度をそれぞれ有する2つの関節23,24により構成されている。   The hip joint portion 13 of each leg link 3 has a degree of freedom of rotation around each of the yaw axis (Z axis in FIG. 2), pitch axis (Y axis in FIG. 2), and roll axis (X axis in FIG. 1). It is composed of three joints 19, 20, and 21. The knee joint portion 15 is constituted by a joint 22 having a degree of freedom of rotation around the pitch axis. The ankle joint portion 17 includes two joints 23 and 24 each having a degree of freedom of rotation about the pitch axis and the roll axis.

従って、各脚リンク3は、本実施形態では、上体2(基体)に対して、6自由度の運動自由度を有する。なお、上記の説明における各脚リンク3の関節19〜24の回転軸(ロール軸、ピッチ軸、ヨー軸)は、脚リンク3を上下方向に延在させた状態での回転軸を示している。   Therefore, each leg link 3 has 6 degrees of freedom of movement with respect to the upper body 2 (base body) in this embodiment. Note that the rotation axes (roll axis, pitch axis, yaw axis) of the joints 19 to 24 of each leg link 3 in the above description indicate the rotation axes in a state where the leg link 3 extends in the vertical direction. .

左右一対の腕リンク4R,4Lは、互いに同じ構造のものである。具体的には、各腕リンク4は、上体2に肩関節部25を介して連結された上腕部26と、この上腕部26に肘関節部27を介して連結された前腕部28と、この前腕部28に手首関節部29を介して連結されたハンド30とを、該腕リンク4を構成する複数の要素リンクとして備える。   The pair of left and right arm links 4R and 4L have the same structure. Specifically, each arm link 4 includes an upper arm portion 26 connected to the upper body 2 via a shoulder joint portion 25, a forearm portion 28 connected to the upper arm portion 26 via an elbow joint portion 27, A hand 30 connected to the forearm portion 28 via a wrist joint portion 29 is provided as a plurality of element links constituting the arm link 4.

この場合、肩関節部25は、ピッチ軸、ロール軸、及びヨー軸の各軸周りの回転自由度をそれぞれ有する3つの関節31,32,33により構成されている。また、肘関節部27は、ピッチ軸周りの回転自由度を有する関節34により構成されている。また、手首関節部29は、ヨー軸、ピッチ軸及びロール軸の各軸周りの回転自由度をそれぞれ有する3つの関節35,36,37により構成されている。   In this case, the shoulder joint portion 25 includes three joints 31, 32, and 33 each having a degree of freedom of rotation around each of the pitch axis, the roll axis, and the yaw axis. Further, the elbow joint 27 is constituted by a joint 34 having a degree of freedom of rotation around the pitch axis. The wrist joint portion 29 includes three joints 35, 36, and 37 each having a degree of freedom of rotation around each of the yaw axis, pitch axis, and roll axis.

従って、各腕リンク4は、本実施形態では、上体2に対して、7自由度の運動自由度を有する。なお、上記の説明における各腕リンク4の関節31〜37の回転軸(ロール軸、ピッチ軸、ヨー軸)は、腕リンク4を上下方向に延在させた状態での回転軸を示している。   Accordingly, each arm link 4 has seven degrees of freedom of movement with respect to the upper body 2 in this embodiment. In the above description, the rotation axes (roll axis, pitch axis, yaw axis) of the joints 31 to 37 of each arm link 4 indicate the rotation axis in a state where the arm link 4 extends in the vertical direction. .

頭部5は、上体2の上方に配置されており、頸関節部38を介して上体2に連結されている。この場合、頸関節部38は、ピッチ軸周り及びヨー軸周りの回転自由度をそれぞれ有する2つの関節39,40により構成されている。従って、頭部5は、上側上体6に対して、2自由度の運動自由度を有する。なお、関節31,37の上記の回転軸(ピッチ軸、ヨー軸)は、頸関節部38を上下方向に伸ばした状態での回転軸を示している。   The head 5 is disposed above the upper body 2 and is connected to the upper body 2 via the neck joint 38. In this case, the neck joint portion 38 includes two joints 39 and 40 each having a degree of freedom of rotation around the pitch axis and the yaw axis. Therefore, the head 5 has two degrees of freedom of movement with respect to the upper body 6. Note that the rotation axes (pitch axis, yaw axis) of the joints 31 and 37 are rotation axes in a state where the neck joint portion 38 is extended in the vertical direction.

図2では図示を省略するが、移動体1には、上記した各関節をそれぞれ駆動する関節アクチュエータとしての複数の電動モータ41(図3に示す)が搭載されている。各電動モータ41は、それぞれに対応する関節に、減速機を含む動力伝達機構(図示省略)を介して駆動力(回転駆動力)を伝達するように接続されている。   Although not shown in FIG. 2, a plurality of electric motors 41 (shown in FIG. 3) are mounted on the moving body 1 as joint actuators that drive the joints described above. Each electric motor 41 is connected to a corresponding joint to transmit a driving force (rotational driving force) via a power transmission mechanism (not shown) including a speed reducer.

なお、関節アクチュエータは、電動モータ以外のアクチュエータ、例えば油圧式のアクチュエータであってもよい。   The joint actuator may be an actuator other than the electric motor, for example, a hydraulic actuator.

以上の構成を有する移動体1は、各脚リンク3の6個の関節19〜24を電動モータ41により駆動することによって、各脚リンク3の空間的な運動が行なわれる。この運動によって移動体1が床上を移動することが可能となっている。例えば、人の歩行動作と同様の形態(歩容)で脚リンク3R,3Lを運動させることによって、移動体1の歩行動作を行なうことが可能である。   In the mobile body 1 having the above-described configuration, the six joints 19 to 24 of each leg link 3 are driven by the electric motor 41, so that the spatial movement of each leg link 3 is performed. This movement enables the moving body 1 to move on the floor. For example, the walking motion of the mobile body 1 can be performed by exercising the leg links 3R and 3L in the same form (gait) as a human walking motion.

補足すると、本実施形態の移動体1は、腕リンク4R,4L及び頭部5を有する人型のロボットであるが、これらの腕リンク4R,4L又は頭部5を備えないものであってもよい。また、例えば、上体2を下側上体と上側上体とで構成し、これらを関節を介して連結してもよい。   Supplementally, the moving body 1 of the present embodiment is a humanoid robot having the arm links 4R, 4L and the head 5, but even if the arm link 4R, 4L or the head 5 is not provided. Good. Further, for example, the upper body 2 may be composed of a lower upper body and an upper upper body, and these may be connected via a joint.

本実施形態では、以上の構造を有する移動体1の動作制御を行なうために、CPU、RAM、ROM等を含む電子回路ユニットにより構成された制御装置50と、各種のセンサとが備えられている。   In the present embodiment, in order to control the operation of the moving body 1 having the above structure, a control device 50 configured by an electronic circuit unit including a CPU, a RAM, a ROM, and the like, and various sensors are provided. .

この場合、センサとしては、図2に示すように、移動体1の基体である上体2の姿勢角(鉛直方向に対する傾斜角度やヨー軸周りの方位角)やその時間的変化率(角速度)等を計測するために該上体2に搭載された姿勢センサ51と、各足平部18がその接地時に受ける外力(床反力)を計測するために各脚リンク3の足首関節部24と足平部18との間に介装された力センサ52(52R,52L)と、各ハンド30がその接触対象物体から受ける外力を計測するために各腕リンク4の手首関節部29とハンド30との間に介装された力センサ53(53R,53L)とが備えられている。   In this case, as a sensor, as shown in FIG. 2, the posture angle (inclination angle with respect to the vertical direction and the azimuth angle around the yaw axis) of the upper body 2 that is the base of the moving body 1 and its temporal change rate (angular velocity). And the ankle joint 24 of each leg link 3 to measure the external force (floor reaction force) that each foot 18 receives when it touches the ground. The force sensor 52 (52R, 52L) interposed between the foot 18 and the wrist joint 29 and the hand 30 of each arm link 4 in order to measure the external force that each hand 30 receives from the contact target object. And a force sensor 53 (53R, 53L) interposed therebetween.

上記姿勢センサ51は、例えば3軸周りの角速度を検出するジャイロセンサと3軸方向の加速度を検出する加速度センサとから構成される。また、各力センサ52,53は、それぞれ、例えば3軸方向の並進力及び3軸周りのモーメントを検出する6軸力センサにより構成される。   The posture sensor 51 is composed of, for example, a gyro sensor that detects angular velocities around three axes and an acceleration sensor that detects accelerations in three axis directions. Each of the force sensors 52 and 53 is constituted by a six-axis force sensor that detects, for example, a translational force in the three-axis direction and a moment around the three axes.

なお、本実施形態で主に説明する移動体1の歩行動作においては、各腕リンク4の力センサ53(53R,53L)の出力は不要である。従って、これらの力センサ53を省略してもよい。   Note that in the walking motion of the moving body 1 mainly described in the present embodiment, the output of the force sensor 53 (53R, 53L) of each arm link 4 is not necessary. Therefore, these force sensors 53 may be omitted.

また、図2では図示を省略するが、移動体1には、各関節の変位量(回転角度)を検出するセンサとして、例えばロータリーエンコーダ54(図2に示す)が備えられている。なお、各関節の変位量(回転角度)を検出するセンサとしては、ポテンショメータ等の他のセンサを用いてもよい。   Although not shown in FIG. 2, the moving body 1 includes, for example, a rotary encoder 54 (shown in FIG. 2) as a sensor for detecting the displacement amount (rotation angle) of each joint. In addition, as a sensor which detects the displacement amount (rotation angle) of each joint, you may use other sensors, such as a potentiometer.

制御装置50には、上記の各センサの出力が入力される。そして、制御装置50は、これらの入力値から認識される移動体1の動作状態の観測値(上体2の姿勢角やその時間的変化率(角速度)の計測値、上体2の移動速度の計測値、各足平部18に作用する床反力の計測値、各関節の変位量やその時間的変化率の計測値など)を使用して、移動体1に目標とする運動を行なわせるための各関節の変位量の目標値(以下、関節変位指令という)を決定すると共に、この関節変位指令に応じて、各関節の実際の変位量(実変位量)を電動モータ41を介して制御する。さらに、制御装置50は、移動体1の動作制御と並行して、その動作制御のために算出するパラメータの値を利用して、移動体1の動作環境の実際の床面の位置及び姿勢を推定する処理も実行する。   The output of each sensor is input to the control device 50. Then, the control device 50 recognizes the observation value of the movement state of the moving body 1 recognized from these input values (measured value of the posture angle of the body 2 and its temporal change rate (angular velocity), the moving speed of the body 2). , Measured values of floor reaction force acting on each foot 18, measured values of displacement of each joint and its rate of change over time, etc.) A target value (hereinafter referred to as a joint displacement command) for determining the displacement amount of each joint is determined, and the actual displacement amount (actual displacement amount) of each joint is determined via the electric motor 41 in accordance with the joint displacement command. Control. Further, in parallel with the operation control of the moving body 1, the control device 50 uses the parameter values calculated for the operation control to determine the actual floor surface position and posture of the moving body 1. The estimation process is also executed.

かかる制御処理を実行する制御装置50は、実装されるプログラムにより実現される主要な機能として、図4に示す如く、基準歩容生成部61、姿勢安定化補償力決定部62、目標全床反力修正部63、全床反力要求修正量決定部64、代表接触面並進・回転変位量算出部65、代表接触面ヤコビアン行列算出部66、目標関節変位量決定部67、関節変位修正量決定部68、関節変位制御部69、床面推定部70を備える。   As shown in FIG. 4, the control device 50 that executes such control processing includes, as shown in FIG. 4, a reference gait generation unit 61, a posture stabilization compensation force determination unit 62, and a desired total floor reaction. Force correction unit 63, total floor reaction force request correction amount determination unit 64, representative contact surface translation / rotation displacement amount calculation unit 65, representative contact surface Jacobian matrix calculation unit 66, target joint displacement amount determination unit 67, joint displacement correction amount determination Unit 68, joint displacement control unit 69, and floor surface estimation unit 70.

そして、制御装置50は、上記基準歩容生成部61、姿勢安定化補償力決定部62、目標全床反力修正部63、全床反力要求修正量決定部64、代表接触面並進・回転変位量算出部65、代表接触面ヤコビアン行列算出部66、目標関節変位量決定部67、関節変位修正量決定部68及び関節変位制御部69の処理を所定の演算処理周期で逐次実行することにより、各関節の関節変位指令を逐次決定し、この関節変位指令に応じて、図示しないモータ駆動回路を介して電動モータ41を制御する。   Then, the control device 50 includes the reference gait generator 61, the posture stabilization compensation force determination unit 62, the target total floor reaction force correction unit 63, the total floor reaction force request correction amount determination unit 64, and the representative contact surface translation / rotation. By sequentially executing the processing of the displacement amount calculating unit 65, the representative contact surface Jacobian matrix calculating unit 66, the target joint displacement amount determining unit 67, the joint displacement correction amount determining unit 68, and the joint displacement control unit 69 at predetermined calculation processing cycles. The joint displacement command for each joint is sequentially determined, and the electric motor 41 is controlled via a motor drive circuit (not shown) in accordance with the joint displacement command.

さらに、制御装置50は、上記の制御処理と並行して、床面推定部70の処理を実行することにより、移動体1の運動を行なう実際の床面の位置及び姿勢を推定する。   Further, the control device 50 estimates the actual position and posture of the floor surface on which the moving body 1 moves by executing the processing of the floor surface estimation unit 70 in parallel with the control processing described above.

以下に、移動体1の歩行動作を行なわせる場合を例にとって、上記各機能部の詳細な処理を含めて制御装置50の処理を説明する。   Below, the process of the control apparatus 50 including the detailed process of each said function part is demonstrated taking the case where the walking motion of the mobile body 1 is performed as an example.

[基準歩容生成部61の処理]
本実施形態では、制御装置50は、基準歩容生成部61により、移動体1の基準の目標歩容としての基準歩容を生成する。
[Process of Reference Gait Generation Unit 61]
In the present embodiment, the control device 50 uses the reference gait generator 61 to generate a reference gait as a reference target gait of the moving body 1.

この基準歩容は、移動体1の各部の目標とする空間的な位置及び空間的な姿勢(空間的な向き)の軌道を規定する(ひいては移動体1の各関節の目標とする変位量の軌道を規定する)目標運動と、移動体1に床面から作用させるべきトータルの床反力(全床反力)の軌道を規定する目標全床反力とから構成される。なお、「軌道」は、瞬時値の時系列を意味する。   This reference gait defines the target spatial position and spatial trajectory (spatial orientation) of each part of the mobile body 1 (and consequently the target displacement amount of each joint of the mobile body 1). The target motion (which defines the trajectory) and the desired total floor reaction force which defines the trajectory of the total floor reaction force (total floor reaction force) to be applied to the movable body 1 from the floor surface. “Orbit” means a time series of instantaneous values.

基準歩容のうちの目標運動は、移動体1の移動環境の実際の床面の形状(床面の各所の位置及び姿勢)に合致するものとしてあらかじめ形状が定められた床面モデルである想定床面上で、移動体1を移動させ得るように生成されるものである。なお、本実施形態では、目標運動を作成するために使用する想定床面は、床面推定部70で実際の床面を表すものとして推定された床面(推定床面)に応じて定期的に(例えば移動体1の移動時に1歩毎又は複数歩毎に、あるいは、所定時間毎に)更新される。   The target motion in the reference gait is assumed to be a floor model whose shape is determined in advance as matching the actual floor surface shape (position and posture of each part of the floor surface) of the moving environment of the moving body 1 It is generated so that the moving body 1 can be moved on the floor surface. In the present embodiment, the assumed floor surface used for creating the target motion is periodically determined according to the floor surface (estimated floor surface) estimated by the floor surface estimation unit 70 as representing the actual floor surface. (For example, every time when the mobile body 1 is moved, every step, or every predetermined time).

この目標運動は、本実施形態の移動体1では、各脚リンク3の足平部18の目標位置及び目標姿勢の軌道である目標足平位置姿勢軌道と、上体2(基体)の目標位置及び目標姿勢の軌道である目標上体位置姿勢軌道と、上体2に対する各腕リンク4の全体の相対的な目標姿勢の軌道である目標腕姿勢軌道と、上体2に対する頭部5の相対的な目標姿勢の軌道である目標頭部姿勢軌道とから構成される。   In the moving body 1 of the present embodiment, this target motion is performed by using the desired foot position / posture trajectory that is the trajectory of the foot position 18 and the desired posture of each leg link 3 and the target position of the upper body 2 (base body). A target body position / posture trajectory that is a trajectory of the target posture, a target arm posture trajectory that is a trajectory of the overall relative target posture of each arm link 4 with respect to the upper body 2, and a relative relationship of the head 5 with respect to the upper body 2. And a target head posture trajectory that is a trajectory of a typical target posture.

なお、足平部18の「位置」は、足平部18の空間的な位置を代表的に示すものとして任意に定められた該足平部18の代表点の位置(例えば足平部18の底面の特定の位置の点)の位置を意味する。上体2の「位置」についても同様である。また、足平部18の「姿勢」は、該足平部18の空間的な向きを意味する。上体2の「姿勢」についても同様である。   It should be noted that the “position” of the foot 18 is a position of a representative point of the foot 18 that is arbitrarily defined as representatively indicating the spatial position of the foot 18 (for example, the foot 18 It means the position of a specific point on the bottom surface). The same applies to the “position” of the upper body 2. Further, the “posture” of the foot 18 means the spatial orientation of the foot 18. The same applies to the “posture” of the upper body 2.

また、上記の目標足平位置姿勢及び目標上体位置姿勢は、床面に対して固定された慣性座標系としてのグローバル座標系で見た位置及び姿勢として表される。このグローバル座標系としては、例えば移動体1の支持脚(移動体1の重量を床に支える脚)としての1つの脚リンク3の接地面(床との接触面)内の点を原点とし、該脚リンク3の足平部18の前後方向の水平軸をX軸、鉛直方向の軸をZ軸、これらに直交する方向の水平軸をY軸とする支持脚座標系が用いられる。   The target foot position / posture and the target body position / posture are expressed as positions and postures viewed in a global coordinate system as an inertial coordinate system fixed to the floor surface. As this global coordinate system, for example, a point on the ground contact surface (contact surface with the floor) of one leg link 3 as a support leg of the mobile body 1 (a leg that supports the weight of the mobile body 1 on the floor) is set as an origin, A supporting leg coordinate system is used in which the horizontal axis in the front-rear direction of the foot 18 of the leg link 3 is the X axis, the vertical axis is the Z axis, and the horizontal axis perpendicular to these is the Y axis.

この場合、移動体1の歩行動作においては、支持脚が切替わる毎に、グローバル座標系の原点の位置とX軸及びY軸の方向とが更新されることとなる。ただし、グローバル座標系は、床面に対して定常的に固定された座標系であってもよい。なお、以降の説明では、説明の便宜上、X軸、Y軸、Z軸は特にことわらない限り、上記支持脚座標系の3軸を意味するものとする。   In this case, in the walking motion of the moving body 1, every time the support leg is switched, the position of the origin of the global coordinate system and the directions of the X axis and the Y axis are updated. However, the global coordinate system may be a coordinate system that is constantly fixed with respect to the floor surface. In the following description, for convenience of description, the X axis, the Y axis, and the Z axis mean the three axes of the support leg coordinate system unless otherwise specified.

本実施形態では、基準歩容生成部61は、目標足平位置姿勢軌道等の目標運動の構成要素を、公知の歩容生成手法、例えば、本願出願人が特許第3726081号等に提案した手法と同様の手法によって生成する。   In this embodiment, the reference gait generator 61 uses a known gait generation method, for example, a method proposed by the applicant of the present application in Japanese Patent No. 3726081 as a component of a target motion such as a desired foot position / posture trajectory. It is generated by the same method.

具体的には、移動体1の歩行動作を行なための目標運動では、目標腕姿勢軌道と目標頭部姿勢軌道とは、例えば上体2に対する相対的な目標腕姿勢と目標頭部姿勢とを定常的に一定に保つように決定される。そして、目標足平位置姿勢軌道と、目標上体位置姿勢軌道とが、例えば、本願出願人が特許第3726081号等に提案した手法によって生成される。   Specifically, in the target motion for performing the walking motion of the moving body 1, the target arm posture trajectory and the target head posture trajectory are, for example, a target arm posture and a target head posture relative to the upper body 2. Is constantly maintained constant. Then, the desired foot position / posture trajectory and the desired body position / posture trajectory are generated, for example, by the method proposed by the present applicant in Japanese Patent No. 3726081 and the like.

この目標足平位置姿勢軌道及び目標上体位置姿勢軌道の生成処理を概略的に説明すると、各足平部18の想定床面に対する着床予定位置及び着床予定時刻等、目標足平位置姿勢軌道を規定するパラメータが、移動体1の外部から制御装置50に与えられる移動体1の移動方向や移動速度の要求、あるいは移動計画等に応じて決定される。なお、上記パラメータを制御装置50に外部から入力し、あるいは、あらかじめ制御装置50の記憶装置に記憶保持しておいてもよい。   The generation processing of the desired foot position / posture trajectory and the desired body position / posture trajectory will be described in brief. The desired foot position / posture such as the expected landing position and the expected landing time of each foot portion 18 with respect to the assumed floor surface. A parameter that defines the trajectory is determined according to a request for a moving direction and a moving speed of the moving body 1 given to the control device 50 from the outside of the moving body 1 or a moving plan. The parameters may be input to the control device 50 from the outside, or may be stored in advance in the storage device of the control device 50.

そして、このパラメータにより規定される目標足平位置姿勢軌道に応じて、ZMP(Zero Moment Point)の目標位置である目標ZMPの軌道が決定される。目標ZMP軌道は、目標ZMPが目標足平位置姿勢軌道に応じて規定される想定床面上の支持多角形内の概ね中央付近の位置に極力収まり、且つ、滑らかに(ステップ状の変化を生じることなく)変位していくように決定される。   Then, according to the desired foot position / posture trajectory defined by this parameter, the trajectory of the target ZMP which is the target position of the ZMP (Zero Moment Point) is determined. The target ZMP trajectory fits as much as possible in a position near the center of the support polygon on the assumed floor where the target ZMP is defined according to the desired foot position / posture trajectory, and is smooth (produces a step-like change). (Without any change).

さらに、移動体1の動力学(外力としての床反力と移動体1の運動との間の関係)を表現する適宜の動力学モデルを用いて、目標ZMP軌道を満足するように目標上体位置姿勢軌道が決定される。なお、目標ZMP軌道を満足するということは、移動体1の運動によって発生する慣性力と移動体1に作用する重力との合力が目標ZMP周りに発生するモーメントの水平成分(X軸周り及びY軸周りの成分)がゼロになることを意味する。   Furthermore, using an appropriate dynamic model that expresses the dynamics of the moving body 1 (the relationship between the floor reaction force as an external force and the movement of the moving body 1), the target body so as to satisfy the target ZMP trajectory. A position and orientation trajectory is determined. Satisfying the target ZMP trajectory means that the horizontal component of the moment generated around the target ZMP (the X axis and Y axis) is the resultant force of the inertial force generated by the movement of the moving body 1 and the gravity acting on the moving body 1. This means that the component around the axis becomes zero.

補足すると、目標運動を生成する手法は、想定床面上で移動体1が実現可能な目標運動を生成し得るものであれば、本願出願人が特許第3726081号等に提案した手法以外の他の公知の手法によって生成してもよい。   Supplementally, as long as the method for generating the target motion can generate the target motion that can be realized by the moving body 1 on the assumed floor surface, the method other than the method proposed by the applicant of the present application in Japanese Patent No. 3726081 or the like. It may be generated by a known method.

また、上体2に対する相対的な目標腕姿勢や目標頭部姿勢を、必要に応じて所望の形態で変化させるように決定するようにしてもよい。例えば両腕リンク4R,4Lを移動体1の歩行動作に合せて前後に振るようにしてもよい。その場合、目標腕姿勢や目標頭部姿勢の変化に伴う移動体1の全体重心の位置の変化や、該全体重心の周りの角運動量の変化を考慮した動力学モデルを用いて目標上体位置姿勢軌道を生成するようにしてもよい。   The target arm posture and the target head posture relative to the upper body 2 may be determined so as to change in a desired form as necessary. For example, both arm links 4R and 4L may be swung back and forth in accordance with the walking motion of the moving body 1. In that case, the target body position is determined using a dynamic model that takes into account changes in the position of the overall center of gravity of the moving body 1 and changes in the angular momentum around the overall center of gravity associated with changes in the target arm posture and the target head posture. A posture trajectory may be generated.

また、目標運動の構成要素は、上記のものに限られるものではない。例えば移動体1が腕リンク4R,4L、あるいは頭部5を備えない場合には、目標腕姿勢軌道や目標頭部姿勢軌道は不要である。また、腕リンク4R,4Lや頭部5とは別に、上体2に対して可動な部位が移動体1に備えられている場合には、その部位の目標位置や目標姿勢の軌道も目標運動の構成要素して付加される。また、例えば、各脚リンク3が7自由度以上の自由度を有する場合には、目標足平位置姿勢軌道に加えて、例えば各脚リンク3の中間部の部位の目標位置姿勢軌道を目標運動の構成要素として付加してもよい。   Further, the constituent elements of the target exercise are not limited to the above. For example, when the moving body 1 does not include the arm links 4R and 4L or the head 5, the target arm posture trajectory and the target head posture trajectory are unnecessary. In addition to the arm links 4R and 4L and the head 5, when the movable body 1 is provided with a portion that is movable with respect to the upper body 2, the trajectory of the target position or target posture of the portion is also the target motion. It is added as a component. For example, when each leg link 3 has a degree of freedom of 7 degrees or more, in addition to the desired foot position / posture trajectory, for example, the target position / posture trajectory of the intermediate portion of each leg link 3 is used as the target motion. You may add as a component of.

目標運動の構成要素は、それによって移動体1の各関節の変位量の軌道を規定し得るものであればよく、移動体1の構造等に応じて適宜定めればよい。   The constituent elements of the target motion are not particularly limited as long as they can define the trajectory of the displacement amount of each joint of the moving body 1 and may be appropriately determined according to the structure of the moving body 1 and the like.

基準歩容のうちの目標全床反力は、移動体1を想定床面上で目標運動に従って運動させるために、該想定床面から動力学的に移動体1に作用させることが必要となる全床反力の軌道を規定するものである。   The target total floor reaction force in the reference gait needs to be applied to the moving body 1 dynamically from the assumed floor surface in order to move the moving body 1 on the assumed floor surface according to the target motion. It defines the trajectory of the total floor reaction force.

この目標全床反力は、全床反力の作用点としての全床反力中心点(COP)の目標位置である目標全床反力中心点の軌道と、この目標全床反力中心点を作用点として想定床面から移動体1に作用させる並進力(ベクトル)の目標である目標並進床反力の軌道と、目標全床反力中心点周りに想定床面から移動体1に作用させるモーメント(ベクトル)の目標である目標床反力モーメントの軌道とから構成される。   The target total floor reaction force is calculated by calculating the trajectory of the target total floor reaction force central point, which is the target position of the total floor reaction force central point (COP) as the action point of the total floor reaction force, and the target total floor reaction force central point. Acting on the moving body 1 from the assumed floor surface around the center point of the target total floor reaction force And a trajectory of the desired floor reaction force moment, which is the target of the moment (vector) to be generated.

なお、以降の説明では、便宜上、「目標全床反力」は、特にことわらない限り、目標並進床反力と目標床反力モーメントとの組を意味するものとし、目標全床反力中心点と区別する。   In the following description, for the sake of convenience, “target total floor reaction force” means a set of target translational floor reaction force and target floor reaction force moment unless otherwise specified. Distinguish from points.

基準歩容生成部61は、目標全床反力中心点軌道を、目標ZMP軌道に一致させるように決定する。また、基準歩容生成部61は、目標並進床反力が、移動体1の目標運動における該移動体1の全体重心の並進運動によって発生する慣性力と移動体1に作用する重力との合力に釣り合うように目標並進床反力軌道を決定する。   The reference gait generator 61 determines the target total floor reaction force center point trajectory to coincide with the target ZMP trajectory. Further, the reference gait generator 61 generates a resultant force of the inertial force generated by the translational motion of the entire center of gravity of the moving body 1 in the target motion of the moving body 1 and the gravity acting on the moving body 1. The target translational floor reaction force trajectory is determined so as to balance with.

また、基準歩容生成部61は、目標全床反力中心点周りの目標床反力モーメントが、移動体1の目標運動によって発生する慣性力(全体重心の並進運動による慣性力と全体重心周りの回転運動による慣性力)と移動体1に作用する重力との合力によって目標全床反力中心点周りに発生するモーメントに釣り合うように目標床反力モーメント軌道を決定する。なお、この場合、目標床反力モーメントの水平軸周り成分(X軸周り及びY軸周りの成分)はゼロとなる。   In addition, the reference gait generator 61 generates an inertial force generated by the target motion of the moving body 1 (an inertial force due to a translational motion of the overall center of gravity and around the overall center of gravity). The target floor reaction force moment trajectory is determined so as to be balanced with the moment generated around the center point of the target total floor reaction force by the resultant force of the inertial force due to the rotational motion of the moving body 1 and the gravity acting on the moving body 1. In this case, the components around the horizontal axis (components around the X axis and the Y axis) of the desired floor reaction force moment are zero.

以降の説明では、基準歩容の目標全床反力のうちの目標並進床反力(ベクトル)を↑Ft_cmd0、目標床反力モーメント(ベクトル)を↑Mt_cmd0と表記する。本実施形態では、↑Ft_cmd0,↑Mt_cmd0は、それぞれ、X軸成分、Y軸成分、及びZ軸成分の3成分からなる縦ベクトルである。また、↑Ft_cmd0,↑Mt_cmd0を合わせたものを目標全床反力↑FMt_cmd0と表記する。この場合、↑FMt_cmd0は、↑Ft_cmd0,↑Mt_cmd0の各成分を並べた縦ベクトル(6成分の縦ベクトル)であるとする。すなわち、↑FMt_cmd0=[↑Ft_cmd0,↑Mt_cmd0]Tであるとする。 In the following description, the target translational floor reaction force (vector) of the target total floor reaction force of the standard gait is expressed as ↑ Ft_cmd0, and the target floor reaction force moment (vector) is expressed as ↑ Mt_cmd0. In this embodiment, ↑ Ft_cmd0 and ↑ Mt_cmd0 are vertical vectors composed of three components, an X-axis component, a Y-axis component, and a Z-axis component, respectively. Further, the sum of ↑ Ft_cmd0 and ↑ Mt_cmd0 is expressed as target total floor reaction force ↑ FMt_cmd0. In this case, ↑ FMt_cmd0 is a vertical vector (six-component vertical vector) in which the components ↑ Ft_cmd0 and ↑ Mt_cmd0 are arranged. That is, ↑ FMt_cmd0 = [↑ Ft_cmd0, ↑ Mt_cmd0] T.

補足すると、前記基準歩容は、移動体1の移動動作中に生成する必要はなく、該移動体1の移動開始前に事前に作成しておき、それを制御装置50の記憶装置に事前に記憶保持したり、外部から制御装置50に適宜、無線通信によって入力するようにしてもよい。このようにした場合、制御装置50に基準歩容生成部61を備える必要はない。   Supplementally, the reference gait does not need to be generated during the moving operation of the moving body 1, but is created in advance before the moving body 1 starts moving, and is stored in advance in the storage device of the control device 50. You may make it memorize | store and hold | maintain or input to the control apparatus 50 from the outside suitably by radio | wireless communication. In this case, the control device 50 does not need to include the reference gait generator 61.

[目標関節変位量決定部67の処理]
制御装置50は、前記の如く生成された基準歩容のうちの目標運動を、目標関節変位量決定部67に入力し、該目標関節変位量決定部67の処理を実行する。この目標関節変位量決定部67は、基準歩容の目標運動によって規定される移動体1の各関節の変位量である基準の目標変位量を算出する機能部である。この場合、目標関節変位量決定部67は、入力された目標運動から、逆運動学の演算処理によって移動体1の各関節の目標変位量を算出する。
[Process of Target Joint Displacement Determining Unit 67]
The control device 50 inputs the target motion of the reference gait generated as described above to the target joint displacement amount determination unit 67, and executes the processing of the target joint displacement amount determination unit 67. The target joint displacement amount determination unit 67 is a functional unit that calculates a reference target displacement amount that is a displacement amount of each joint of the moving body 1 defined by the target motion of the reference gait. In this case, the target joint displacement amount determination unit 67 calculates the target displacement amount of each joint of the moving body 1 from the input target motion by inverse kinematics calculation processing.

なお、基準歩容を事前に作成しておく場合には、この基準歩容の目標運動に対応する各関節の目標変位量も事前に作成しておいてもよい。その場合には、制御装置50に目標関節変位量決定部67を備える必要はない。   When the reference gait is created in advance, the target displacement amount of each joint corresponding to the target motion of the reference gait may be created in advance. In this case, the control device 50 does not need to include the target joint displacement amount determination unit 67.

[姿勢安定化補償力決定部62の処理]
制御装置50は、目標関節変位量決定部67の処理と並行して(又は該処理の前もしくは後に)、姿勢安定化補償力決定部62、目標全床反力修正部63、全床反力要求修正量決定部64、代表接触面位置・姿勢変位量算出部65、代表接触面ヤコビアン行列算出部66及び関節変位修正量決定部68の処理を実行する。これらの処理は、コンプライアンス制御のための操作量(制御入力)を決定するための処理であり、以降、コンプライアンス操作量決定処理という。そして、制御装置50は、このコンプライアンス操作量決定処理によって、前記基準歩容に対応する各関節の基準の目標変位量を修正するための関節変位修正量を決定する。
[Processing of Posture Stabilization Compensation Force Determination Unit 62]
In parallel with the processing of the target joint displacement amount determination unit 67 (or before or after the processing), the control device 50 performs the posture stabilization compensation force determination unit 62, the target total floor reaction force correction unit 63, and the total floor reaction force. The processing of the required correction amount determination unit 64, the representative contact surface position / posture displacement amount calculation unit 65, the representative contact surface Jacobian matrix calculation unit 66, and the joint displacement correction amount determination unit 68 is executed. These processes are processes for determining an operation amount (control input) for compliance control, and are hereinafter referred to as a compliance operation amount determination process. And the control apparatus 50 determines the joint displacement correction amount for correcting the reference | standard target displacement amount of each joint corresponding to the said reference gait by this compliance operation amount determination process.

このコンプライアンス操作量決定処理では、制御装置50は、まず、姿勢安定化補償力決定部62の処理を実行する。この姿勢安定化補償力決定部62は、基準歩容の目標上体姿勢と、移動体1の上体2の実際の姿勢(実上体姿勢)の観測値との偏差をゼロに近づけるために移動体1に付加的に作用させるべき摂動床反力である姿勢安定化補償力↑Mdmdを、基準歩容の目標全床反力を修正するための修正量として決定する機能部である。   In this compliance operation amount determination process, the control device 50 first executes the process of the posture stabilization compensation force determination unit 62. This posture stabilization compensation power determination unit 62 is designed to bring the deviation between the target body posture of the reference gait and the observed value of the actual posture (actual body posture) of the upper body 2 of the moving body 1 close to zero. This is a functional unit that determines the posture stabilization compensation force ↑ Mdmd, which is a perturbed floor reaction force to be additionally applied to the moving body 1, as a correction amount for correcting the target total floor reaction force of the reference gait.

上記姿勢安定化補償力↑Mdmdは、本実施形態では、基準歩容の目標全床反力中心点周りに付加する水平軸周り(X軸周り及びY軸周り)の摂動モーメントとされる。従って、姿勢安定化補償力↑Mdmdは、基準歩容の目標全床反力のうち、目標床反力モーメントの水平軸周り成分を修正する操作量である。換言すれば、姿勢安定化補償力↑Mdmdは、全床反力中心点の目標を基準歩容の目標全床反力中心点からずらす機能を有する操作量である。   In the present embodiment, the posture stabilization compensation force ↑ Mdmd is a perturbation moment around the horizontal axis (around the X axis and around the Y axis) added around the center point of the desired total floor reaction force of the standard gait. Accordingly, the posture stabilization compensation force ↑ Mdmd is an operation amount for correcting the component around the horizontal axis of the desired floor reaction force moment among the desired total floor reaction force of the reference gait. In other words, the posture stabilization compensation force ↑ Mdmd is an operation amount having a function of shifting the target of the total floor reaction force central point from the target total floor reaction force central point of the standard gait.

そして、姿勢安定化補償力決定部62は、姿勢安定化補償力↑Mdmdを、前記姿勢センサ51の出力により示される実上体姿勢の観測値と、基準歩容の目標上体姿勢との偏差から所定のフィードバック制御則により決定する。そのフィードバック制御則としては、例えばPD則が用いられる。   Then, the posture stabilization compensation force determination unit 62 determines the posture stabilization compensation force ↑ Mdmd between the observed value of the actual body posture indicated by the output of the posture sensor 51 and the target body posture of the reference gait. From a predetermined feedback control law. As the feedback control law, for example, the PD law is used.

すなわち、本実施形態では、実上体姿勢の観測値と目標上体姿勢との偏差に所定値のゲインを乗じた比例項と、該偏差の時間的変化率に所定値のゲインを乗じた微分項とを加え合わせることにより姿勢安定化補償力(モーメント)↑Mdmdが決定される。この場合、↑MdmdのX軸周り成分は、上記偏差のX軸周り成分に応じて決定され、↑MdmdのY軸周り成分は、上記偏差のY軸周り成分に応じて決定される。   That is, in this embodiment, a proportional term obtained by multiplying the deviation between the observed value of the actual body posture and the target body posture by a gain of a predetermined value, and a derivative obtained by multiplying the temporal change rate of the deviation by the gain of the predetermined value. The posture stabilization compensation force (moment) ↑ Mdmd is determined by adding the term. In this case, the component around the X axis of ↑ Mdmd is determined according to the component around the X axis of the deviation, and the component around the Y axis of ↑ Mdmd is determined according to the component around the Y axis of the deviation.

なお、実上体姿勢の観測値と目標上体姿勢との偏差は、移動体1の実際の全体重心と基準歩容の目標運動における全体重心との間の水平方向の位置偏差にほぼ比例する。従って、移動体1の実際の全体重心の水平位置の観測値と、基準歩容の目標運動における移動体1の全体重心の水平位置との偏差を、実上体姿勢の目標上体姿勢からのずれの程度を表す指標として用い、この偏差に応じてPD則等のフィードバック制御則により姿勢安定化補償力(モーメント)↑Mdmdを決定するようにしてもよい。この場合、移動体1の実際の全体重心の位置は、例えば、移動体1の各関節の実変位量の観測値(計測値)と、移動体1の剛体リンクモデルとを用いて推定することが可能である。   The deviation between the observed value of the actual body posture and the target body posture is substantially proportional to the horizontal position deviation between the actual overall center of gravity of the moving body 1 and the overall center of gravity in the target motion of the reference gait. . Accordingly, the deviation between the observed value of the actual horizontal center of gravity of the moving body 1 and the horizontal position of the entire center of gravity of the moving body 1 in the target motion of the reference gait is calculated from the target body posture of the actual body posture. It may be used as an index representing the degree of deviation, and the posture stabilization compensation force (moment) ↑ Mdmd may be determined by a feedback control law such as the PD law according to this deviation. In this case, the actual position of the overall center of gravity of the moving body 1 is estimated using, for example, the observed value (measured value) of the actual displacement amount of each joint of the moving body 1 and the rigid link model of the moving body 1. Is possible.

補足すると、本実施形態では、↑MdmdのX軸周り成分及びY軸周り成分の2成分であるが、Z軸周り成分をさらに含めてもよい。その場合、例えば、基準歩容の目標上体姿勢のうちのZ軸周り成分と、実上体姿勢の観測値のうちのZ軸周り成分との偏差に応じてPD則等のフィードバック制御則により、↑MdmdのZ軸周り成分を決定するようにすればよい。   Supplementally, in the present embodiment, there are two components of the ↑ Mdmd component around the X axis and the component around the Y axis, but a component around the Z axis may be further included. In this case, for example, according to a feedback control law such as a PD law according to the deviation between the Z-axis component of the target body posture of the reference gait and the Z-axis component of the observed value of the actual body posture. , ↑ Mdmd around the Z-axis may be determined.

[目標全床反力修正部63の処理]
次いで、制御装置50は、目標全床反力修正部63の処理を実行する。この目標全床反力修正部63は、上記の如く決定した姿勢安定化補償力↑Mdmdにより基準歩容の目標全床反力↑FMt_cmd0を補正する機能部である。この目標全床反力修正部63は、上記の如く決定された姿勢安定化補償力↑Mdmdを基準歩容の目標床反力に加え合わせることによって、修正後目標床反力を決定する。この場合、修正後目標床反力は、基準歩容の目標全床反力中心点周りの目標床反力モーメントのうちのX軸周り成分及びY軸周り成分だけを基準歩容の目標床反力から修正したものである。
[Processing of the target total floor reaction force correcting unit 63]
Next, the control device 50 executes processing of the target total floor reaction force correction unit 63. The target total floor reaction force correcting unit 63 is a functional unit that corrects the target total floor reaction force ↑ FMt_cmd0 of the reference gait by the posture stabilization compensation force ↑ Mdmd determined as described above. The target total floor reaction force correcting unit 63 determines the corrected target floor reaction force by adding the posture stabilization compensation force ↑ Mdmd determined as described above to the target floor reaction force of the reference gait. In this case, the corrected target floor reaction force is obtained by using only the component around the X axis and the component around the Y axis of the target floor reaction force moment around the center point of the target total floor reaction force of the reference gait. It is a correction from the power.

以降、修正後目標床反力のうちの並進床反力(3成分の縦ベクトル)及び床反力モーメント(3成分の縦ベクトル)をそれぞれ↑Ft_cmd1、↑Mt_cmd1と表記し、これらを合わせた6成分の縦ベクトル(=[↑Ft_cmd1,↑Mt_cmd1]T)を修正後目標床反力↑FMt_cmd1と表記する。この場合、↑Ft_cmd1=↑Ft_cmd0である。また、↑Mt_cmd1=↑Mt_cmd0+↑Mdmdである(ただし、本実施形態では↑MdmdのZ軸周り成分はゼロとする)。 Hereinafter, the translational floor reaction force (three-component vertical vector) and floor reaction force moment (three-component vertical vector) of the corrected target floor reaction force are expressed as ↑ Ft_cmd1 and ↑ Mt_cmd1, respectively, and these are combined. The component vertical vector (= [↑ Ft_cmd1, ↑ Mt_cmd1] T ) is expressed as a corrected target floor reaction force ↑ FMt_cmd1. In this case, ↑ Ft_cmd1 = ↑ Ft_cmd0. Further, ↑ Mt_cmd1 = ↑ Mt_cmd0 + ↑ Mdmd (however, in this embodiment, the component around the Z-axis of ↑ Mdmd is zero).

[全床反力要求修正量決定部64の処理]
次いで、制御装置50は、全床反力要求修正量決定部64の処理を実行する。この全床反力要求修正量決定部64は、上記の如く決定した修正後目標床反力↑FMt_cmd1に、移動体1に作用する実際の全床反力(実全床反力)の観測値を追従させるように全床反力の要求修正量を決定する機能部である。
[Processing of total floor reaction force request correction amount determination unit 64]
Next, the control device 50 executes processing of the total floor reaction force request correction amount determination unit 64. The total floor reaction force required correction amount determination unit 64 uses the corrected target floor reaction force ↑ FMt_cmd1 determined as described above to observe the actual total floor reaction force (actual total floor reaction force) acting on the moving body 1. Is a functional unit that determines the required correction amount of the total floor reaction force so as to follow.

この全床反力の要求修正量は、前記式(2)の摂動全床反力↑ΔFMtの要求値に相当するものであり、全床反力のうちの並進床反力の要求修正量(3成分の縦ベクトル)としての摂動全並進床反力↑ΔFtの要求値と、目標全床反力中心点周りの全床反力モーメントの要求修正量(3成分の縦ベクトル)としての摂動全床反力モーメント↑ΔMtの要求値とから構成される。以降の説明では、摂動全並進床反力↑ΔFtの要求値を↑ΔFt_dmd、摂動全床反力モーメント↑ΔMtの要求値を↑ΔMt_dmdと表記し、これらを合わせた6成分の縦ベクトルとしての摂動全床反力↑ΔFMtの要求値を↑ΔFMt_dmd(=[↑ΔFt_dmd,↑ΔMt_dmd]T)と表記する。 The required correction amount of the total floor reaction force corresponds to the required value of the perturbation total floor reaction force ↑ ΔFMt in the above formula (2), and the required correction amount of the translational floor reaction force out of the total floor reaction force ( Perturbation total translational floor reaction force as a three-component longitudinal vector) ↑ ΔFt required value and total correction of the total floor reaction force moment around the desired center point of the total floor reaction force (three-component vertical vector) It consists of the required value of the floor reaction force moment ↑ ΔMt. In the following description, the required value of the perturbation total translational floor reaction force ↑ ΔFt is expressed as ↑ ΔFt_dmd, and the required value of the perturbation total floor reaction force moment ↑ ΔMt is expressed as ↑ ΔMt_dmd. The required value of the total floor reaction force ↑ ΔFMt is expressed as ↑ ΔFMt_dmd (= [↑ ΔFt_dmd, ↑ ΔMt_dmd] T ).

また、移動体1に作用する実全床反力のうちの並進床反力の観測値(3成分の縦ベクトル)を↑Ft_act、実全床反力のうちの床反力モーメントの観測値(3成分の縦ベクトル)を↑Mt_actと表記し、さらに、これらの↑Ft_act,↑Mt_actを合わせた6成分の縦ベクトルとしての実全床反力の観測値を↑FMt_act(=[↑Ft_act,↑Mt_act]T)と表記する。 Also, the observed value of the translational floor reaction force (three-component longitudinal vector) of the actual total floor reaction force acting on the moving body 1 is ↑ Ft_act, and the observed value of the floor reaction force moment of the actual total floor reaction force ( The three-component vertical vector) is expressed as ↑ Mt_act, and the observed value of the actual total floor reaction force as a six-component vertical vector that combines these ↑ Ft_act and ↑ Mt_act is ↑ FMt_act (= [↑ Ft_act, ↑ Mt_act] T ).

全床反力要求修正量決定部64は、以下に説明する処理によって、上記摂動全床反力↑ΔFMtの要求値↑ΔFMt_dmdを決定する。   The total floor reaction force request correction amount determination unit 64 determines the required value ↑ ΔFMt_dmd of the perturbation total floor reaction force ↑ ΔFMt by the process described below.

すなわち、全床反力要求修正量決定部64は、まず、修正後目標床反力↑FMt_cmd1と、実全床反力の観測値↑FMt_actとの偏差↑Dfmt(=↑FMt_cmd1−↑FMt_act)を算出する。この場合、実全床反力の観測値↑FMt_actは、前記力センサ52R,52Lの出力により示される各脚リンク3毎の床反力(6軸力)の観測値を、目標全床反力中心点を作用点として合成することにより算出される。   That is, the total floor reaction force required correction amount determination unit 64 first calculates a deviation ↑ Dfmt (= ↑ FMt_cmd1− ↑ FMt_act) between the corrected target floor reaction force ↑ FMt_cmd1 and the observed value ↑ FMt_act of the actual total floor reaction force. calculate. In this case, the observed value ↑ FMt_act of the actual total floor reaction force is the observed value of the floor reaction force (six-axis force) for each leg link 3 indicated by the outputs of the force sensors 52R and 52L. It is calculated by combining the center point as the action point.

ただし、本実施形態では、偏差↑Dfmtが過剰に変動するのを防止するために、全床反力要求修正量決定部64は、前記力センサ52R,52Lの出力により示される各脚リンク3毎の床反力(6軸力)の観測値を合成してなる実全床反力の値に、ローパス特性のフィルタリング処理を施すことによって、目標全床反力中心点に作用する実全床反力の観測値↑FMt_actを算出する。なお、この場合、各脚リンク3毎の床反力(6軸力)の観測値に、それぞれローパス特性のフィルタリング処理を施したものを合成することによって実全床反力の観測値↑FMt_actを算出するようにしてもよい。   However, in this embodiment, in order to prevent the deviation ↑ Dfmt from fluctuating excessively, the total floor reaction force request correction amount determination unit 64 is provided for each leg link 3 indicated by the outputs of the force sensors 52R and 52L. The actual total floor reaction force acting on the center point of the target total floor reaction force by applying low-pass filtering to the actual total floor reaction force value obtained by combining the observed values of the floor reaction force (six-axis force) Force observation value ↑ FMt_act is calculated. In this case, the observation value ↑ FMt_act of the actual total floor reaction force is obtained by combining the observation value of the floor reaction force (six-axis force) for each leg link 3 with the low-pass characteristic filtering process. You may make it calculate.

次いで、全床反力要求修正量決定部64は、次式(41)に示す如く、上記偏差↑Dfmtに応じて決定した比例項(式(41)の右辺の第1項)と積分項(式(41)の右辺の第2項)と加え合わせることによって、摂動全床反力↑ΔFMtの要求値↑ΔFMt_dmdを決定する。   Next, the total floor reaction force required correction amount determination unit 64, as shown in the following equation (41), the proportional term (first term on the right side of the equation (41)) determined in accordance with the deviation ↑ Dfmt and the integral term ( The required value ↑ ΔFMt_dmd of the perturbation total floor reaction force ↑ ΔFMt is determined by adding to the second term on the right side of the equation (41).

上記比例項は、偏差↑Dfmtに所定値のゲインKcmpを乗じたものである。また、上記積分項は、偏差↑Dfmtにローパス特性のフィルタリング処理を施してなる値↑Dfmt_filtに所定値のゲインKestmを乗じてなる値を積分したものである。ここで、↑Dfmt_filtを得るためのローパス特性のフィルタリング処理は、その高周波側のカットオフ周波数が、前記偏差↑Dfmtを算出するときに用いたローパス特性のフィルタリング処理の高周波側のカットオフ周波数よりも低周波数となる特性のフィルタリング処理である。   The proportional term is obtained by multiplying the deviation ↑ Dfmt by a predetermined gain Kcmp. The integral term is obtained by integrating a value obtained by multiplying a deviation ↑ Dfmt by a low-pass characteristic filtering process ↑ Dfmt_filt and a predetermined value gain Kestm. Here, the filtering process of the low-pass characteristic to obtain ↑ Dfmt_filt is such that the cut-off frequency on the high-frequency side is higher than the cut-off frequency on the high-frequency side of the filtering process of the low-pass characteristic used when calculating the deviation ↑ Dfmt. This is a filtering process with a characteristic of low frequency.


↑ΔFMt_dmd=Kcmp・↑Dfmt+∫(Kestm・↑Dfmt_filt) ……(41)

なお、ゲインKcmp,Kestmは、スカラーでもよいが、対角行列であってもよい。

↑ ΔFMt_dmd = Kcmp ・ ↑ Dfmt + ∫ (Kestm ・ ↑ Dfmt_filt) …… (41)

The gains Kcmp and Kestm may be scalars, but may be diagonal matrices.

ここで、式(41)の積分項は、修正後目標床反力↑FMt_cmd1と、実全床反力の観測値↑FMt_actとの定常偏差に相当し、これは、実床面に対する想定床面の位置及び姿勢の誤差分に相当するものである。   Here, the integral term of the equation (41) corresponds to a steady deviation between the corrected target floor reaction force ↑ FMt_cmd1 and the observed value of the actual total floor reaction force ↑ FMt_act, which is the assumed floor surface with respect to the actual floor surface. This corresponds to an error in position and orientation.

なお、本実施形態では、上記式(41)により摂動全床反力↑ΔFMtの要求値↑ΔFMt_dmdを算出したが、比例項を省略して要求値↑ΔFMt_dmdを算出するようにしてもよい。また、積分項の演算では、↑ΔDfmt_filtの代わりに、↑Dfmtをそのまま用いるようにしてもよい。   In the present embodiment, the required value ↑ ΔFMt_dmd of the perturbation total floor reaction force ↑ ΔFMt is calculated by the above equation (41). However, the required value ↑ ΔFMt_dmd may be calculated by omitting the proportional term. Further, in the calculation of the integral term, instead of ↑ ΔDfmt_filt, ↑ Dfmt may be used as it is.

[代表接触面並進・回転変位量算出部65の処理]
以上の如く全床反力要求修正量決定部64の処理を実行した後、制御装置50は、代表接触面並進・回転変位量算出部65の処理を実行する。この代表接触面並進・回転変位量算出部65は、上記の如く決定された摂動全床反力↑ΔFMtの要求値↑ΔFMt_dmdを、前記式(28)によって、仮想的な代表接触面のばね性並進・回転変位量↑Xc(=[↑Xc_org,↑Xc_rot]T)に変換する機能部である。
[Processing of representative contact surface translation / rotation displacement calculation unit 65]
After executing the processing of the total floor reaction force request correction amount determination unit 64 as described above, the control device 50 executes the processing of the representative contact surface translation / rotation displacement amount calculation unit 65. This representative contact surface translation / rotation displacement amount calculation unit 65 calculates the required value ↑ ΔFMt_dmd of the perturbation total floor reaction force ↑ ΔFMt determined as described above from the above equation (28), and the spring property of the virtual representative contact surface. This is a functional unit for converting into translation / rotation displacement amount ↑ Xc (= [↑ Xc_org, ↑ Xc_rot] T ).

この場合、本実施形態では、移動体1の脚リンク3R,3Lの接地面を代表する代表接触面の並進ばね定数行列Kc_orgの各対角成分(代表接触面の3軸方向の並進変位に関する各成分のばね定数)と、該代表接触面の回転ばね定数行列Kc_rotの各対角成分(代表接触面の3軸周りの回転変位に関する各成分のばね定数)とはあらかじめ定められた定数値とされている。   In this case, in this embodiment, each diagonal component of the translation spring constant matrix Kc_org of the representative contact surface representing the ground contact surface of the leg link 3R, 3L of the moving body 1 (each of the translational displacements of the representative contact surface in three axial directions). The spring constant of the component) and each diagonal component of the rotational spring constant matrix Kc_rot of the representative contact surface (the spring constant of each component relating to the rotational displacement around the three axes of the representative contact surface) are predetermined constant values. ing.

そして、代表接触面並進・回転変位量算出部65は、これらのばね定数行列Kc_org,Kc_rotを用いて、前記式(28)に基づいて、代表接触面のばね性並進・回転変位量↑Xcを算出する。具体的には、式(28)の右辺の↑ΔFMtに↑ΔFMt_dmdを代入してなる次式(42)により、代表接触面のばね性並進・回転変位量↑Xcを算出する。   Then, the representative contact surface translation / rotation displacement amount calculation unit 65 uses these spring constant matrices Kc_org and Kc_rot to calculate the springiness translation / rotation displacement amount ↑ Xc of the representative contact surface based on the equation (28). calculate. Specifically, the springiness translational / rotational displacement amount ↑ Xc of the representative contact surface is calculated by the following equation (42) obtained by substituting ↑ ΔFMt_dmd for ↑ ΔFMt on the right side of the equation (28).

この式(42)におけるKc_org-1は、並進ばね定数行列Kc_orgの逆行列(Kc_orgの各対角成分の逆数値を対角成分とする行列)、Kc_rot-1は、並進ばね定数行列Kc_rotの逆行列(Kc_rotの各対角成分の逆数値を対角成分とする行列)である。これらのKc_org-1,Kc_rot-1は、それぞれ、制御装置50で並進ばね定数行列Kc_org、回転ばね定数行列Kc_rotから算出するようにしてもよいが、Kc_org-1,Kc_rot-1をあらかじめ制御装置50の記憶装置に記憶保持しておくようにしてもよい。 In this equation (42), Kc_org −1 is the inverse matrix of the translational spring constant matrix Kc_org (a matrix having the inverse value of each diagonal component of Kc_org as a diagonal component), and Kc_rot −1 is the inverse of the translational spring constant matrix Kc_rot. It is a matrix (a matrix having the inverse value of each diagonal component of Kc_rot as a diagonal component). These Kc_org -1, Kc_rot -1, respectively, translational spring constant matrix Kc_org the control device 50, but may be calculated from the rotational spring constant matrix Kc_rot, Kc_org -1, advance control device Kc_rot -1 50 It may be stored in the storage device.

[代表接触面ヤコビアン行列算出部66の処理]
コンプライアンス操作量決定処理では、制御装置50は、上記の如く代表接触面のばね性並進・回転変位量↑Xcを算出するのと並行して(又は↑Xcの算出処理の前もしくは後に)、代表接触面ヤコビアン行列算出部66の処理を実行する。
[Processing of Representative Contact Surface Jacobian Matrix Calculation Unit 66]
In the compliance operation amount determination process, the control device 50 performs the representative operation in parallel with the calculation of the springy translational / rotational displacement amount ↑ Xc of the representative contact surface as described above (or before or after the calculation process of ↑ Xc). The process of the contact surface Jacobian matrix calculation unit 66 is executed.

この代表接触面ヤコビアン行列算出部66は、前記式(23)の関係を表現する代表接触面ヤコビアン行列Jcを算出する機能部である。なお、本実施形態における一般化変数ベクトル↑qは、より詳しくは、基体としての上体2の位置及び姿勢の6個の成分と、移動体1の各関節の変位量とを並べた縦ベクトルである。そして、この↑qの各成分の単位時間当たりの変化量を並べた縦ベクトルが、式(23)の↑Δqである。   The representative contact surface Jacobian matrix calculation unit 66 is a functional unit that calculates a representative contact surface Jacobian matrix Jc that expresses the relationship of Expression (23). Note that the generalized variable vector ↑ q in the present embodiment is more specifically a vertical vector in which six components of the position and posture of the body 2 as a base and the displacement amount of each joint of the moving body 1 are arranged. It is. A vertical vector in which the amount of change per unit time of each component of ↑ q is arranged is ↑ Δq in Expression (23).

本実施形態では、代表接触面ヤコビアン行列算出部66は、前記式(27)において、N=2とした次式(43)により代表接触面ヤコビアン行列Jcを算出する。なお、本実施形態では、両脚リンク3R,3Lのうちのいずれか一方と他方とが、それぞれ式(27)における第1脚リンク、第2脚リンクに相当する。以降の説明では、便宜上、例えば脚リンク3Rを第1脚リンク、脚リンク3Lを第2脚リンクとする。   In the present embodiment, the representative contact surface Jacobian matrix calculation unit 66 calculates the representative contact surface Jacobian matrix Jc by the following equation (43) where N = 2 in the equation (27). In the present embodiment, either one of the leg links 3R, 3L and the other correspond to the first leg link and the second leg link in the equation (27), respectively. In the following description, for convenience, for example, the leg link 3R is referred to as a first leg link, and the leg link 3L is referred to as a second leg link.

この場合、式(43)の右辺の演算に必要な変数値は、次のように決定される。 In this case, the variable value necessary for the calculation of the right side of Expression (43) is determined as follows.

重み係数r_i(i=1,2)に関し、ロータリエンコーダ54の出力により示される各関節の実際の変位量(実関節変位量)の観測値(計測値)に基づいて、床面に対する各脚リンク3の足平部18の現在の実姿勢の観測値が決定される。さらに、各脚リンク3の足平部18の実姿勢の観測値と、前記力センサ52R,52Lの出力とを基に、各脚リンク3毎の現在の実際の床面垂直抗力成分Fn_1,Fn_2(実床面垂直抗力成分Fn_1,Fn_2)の観測値が求められる。そして、各脚リンク3毎の実床面垂直抗力成分Fn_1,Fn_2の観測値から、式(43−1)により示される定義式に従って、重み係数r_i(i=1,2)が決定される。なお、この場合、重み係数r_iの値が頻繁に変動するのを防止するために、Fn_iの観測値にローパスフィルタ等のフィルタリング処理を施してもよい。   Each leg link to the floor surface based on the observed value (measured value) of the actual displacement amount (actual joint displacement amount) of each joint indicated by the output of the rotary encoder 54 with respect to the weight coefficient r_i (i = 1, 2). The observed value of the current actual posture of the three foot portions 18 is determined. Further, based on the observed value of the actual posture of the foot 18 of each leg link 3 and the outputs of the force sensors 52R and 52L, the current actual floor vertical drag component Fn_1 and Fn_2 for each leg link 3 is obtained. Observed values of (actual floor normal force components Fn_1, Fn_2) are obtained. Then, the weighting factor r_i (i = 1, 2) is determined from the observed values of the actual floor surface vertical force components Fn_1 and Fn_2 for each leg link 3 according to the definition formula shown by the formula (43-1). In this case, in order to prevent the value of the weight coefficient r_i from fluctuating frequently, a filtering process such as a low-pass filter may be applied to the observed value of Fn_i.

補足すると、重み係数r_iは、各脚リンク3毎の実床面垂直抗力成分Fn_iの観測値に基づいて決定することが望ましいが、該観測値の代わりに、実床面垂直抗力成分Fn_iの近似的な推定値もしくは予測値を使用して、重み係数r_iを決定するようにしてもよい。例えば基準歩容の構成要素として、各脚リンク3毎の目標床反力を含み、且つ、各脚リンク3毎の実床反力が目標床反力に近似的に一致すると考えられる場合には、実床面垂直抗力成分Fn_iの観測値の代わりに目標値を使用して、重み係数r_iを決定するようにしてもよい。   Supplementally, the weighting factor r_i is preferably determined based on the observed value of the actual floor surface normal force component Fn_i for each leg link 3, but instead of the observed value, an approximation of the actual floor surface normal force component Fn_i is used. The weight coefficient r_i may be determined using a typical estimated value or predicted value. For example, when the target floor reaction force for each leg link 3 is included as a component of the standard gait and the actual floor reaction force for each leg link 3 is considered to approximately match the target floor reaction force The weight coefficient r_i may be determined using the target value instead of the observed value of the actual floor surface normal force component Fn_i.

また、行列A_i(i=1,2)に関する係数行列Rkは、代表接触面に関してあらかじめ定められた並進ばね定数行列Kc_orgと、回転ばね定数行列Kc_rot(又はその逆行列Kc_rot-1)とから上記式(43−3)に従って決定される。なお、係数行列Rkは、制御装置50の記憶装置にあらかじめ記憶保持しておいてもよい。 The coefficient matrix Rk related to the matrix A_i (i = 1, 2) is calculated from the above equation based on the translational spring constant matrix Kc_org determined in advance with respect to the representative contact surface and the rotational spring constant matrix Kc_rot (or its inverse matrix Kc_rot −1 ). Determined according to (43-3). The coefficient matrix Rk may be stored in advance in the storage device of the control device 50.

また、行列A_i(i=1,2)に関する行列VV_iを決定するために必要となる位置ベクトル↑V_iは、例えば、次のように決定される。   In addition, the position vector ↑ V_i necessary for determining the matrix VV_i related to the matrix A_i (i = 1, 2) is determined as follows, for example.

ロータリエンコーダ54の出力により示される各関節の現在の実変位量の観測値(計測値)と、前記力センサ52R,52Lの出力とを基に、各脚リンク3の接地面における現在の実際の床反力中心点(実床反力中心点)の位置ベクトル(以降、これを↑Va_i(i=1,2)と表記する)が特定される。なお、この位置ベクトルの基準点は任意の点でよい。   Based on the observed value (measured value) of the current actual displacement amount of each joint indicated by the output of the rotary encoder 54 and the output of the force sensors 52R and 52L, the actual actual current on the ground contact surface of each leg link 3 is determined. A position vector (hereinafter referred to as ↑ Va_i (i = 1, 2)) of the floor reaction force center point (actual floor reaction force center point) is specified. The reference point of this position vector may be an arbitrary point.

次いで、各脚リンク3に対応する実床反力中心点を結ぶ線分を前記重み係数r_i(i=1,2)の比率で内分してなる内分点の位置ベクトル↑Vc(=r_1・↑Va_1+r_2・↑Va_2)を、実全床反力中心点の位置ベクトルとして算出する。   Next, the position vector ↑ Vc (= r_1) of the internal dividing point obtained by internally dividing the line segment connecting the actual floor reaction force central points corresponding to each leg link 3 by the ratio of the weighting coefficient r_i (i = 1, 2).・ ↑ Va_1 + r_2 ・ ↑ Va_2) is calculated as the position vector of the actual center point of the total floor reaction force.

そして、↑V_i=↑Va_i−↑Vc(i=1,2)により、実全床反力中心点に対する各脚リンク3の接地面の実床反力中心点の位置ベクトル↑V_1,↑V_2がそれぞれ決定される。   Then, by ↑ V_i = ↑ Va_i− ↑ Vc (i = 1, 2), the position vectors ↑ V_1 and ↑ V_2 of the actual floor reaction force center points of the ground contact surface of each leg link 3 with respect to the actual total floor reaction force center point are obtained. Each is decided.

なお、↑V_1=↑Va_1−↑Vc=r_2・(↑Va_1−↑Va_2)、↑V_2=↑Va_2−↑Vc=r_1・(↑Va_2−↑Va_1)となるので、これらの式に基づいて、位置ベクトル↑V_1,↑V_2を決定するようにしてもよい。この場合、↑Vcを算出する必要はない。   Since ↑ V_1 = ↑ Va_1− ↑ Vc = r_2 · (↑ Va_1− ↑ Va_2) and ↑ V_2 = ↑ Va_2− ↑ Vc = r_1 · (↑ Va_2− ↑ Va_1), based on these equations, The position vectors ↑ V_1 and ↑ V_2 may be determined. In this case, it is not necessary to calculate ↑ Vc.

そして、行列A_i(i=1,2)に関する行列VV_iは、定義に従って、VV_i・↑F_i=↑V_i×↑F_iとなるように決定される。   The matrix VV_i relating to the matrix A_i (i = 1, 2) is determined so as to satisfy VV_i · ↑ F_i = ↑ V_i × ↑ F_i according to the definition.

なお、非接地状態の脚リンク3(Fn_i=0となる脚リンク3)については、実床反力中心点が存在しないので、該脚リンク3に対応する↑V_iは不定となる。この場合、Fn_i=0となる脚リンク3に対応する重み係数r_iはゼロであるので、A_iやJ_iの成分値によらずに、r_i・A_i・J_i=0となる。従って、非接地状態の脚リンク3に対応する行列VV_i(ひいては行列A_i)を決定する必要はない。このことは、以下に説明する脚リンクヤコビアン行列J_iについても同様である。   For the leg link 3 in the ungrounded state (the leg link 3 with Fn_i = 0), since there is no actual floor reaction force center point, ↑ V_i corresponding to the leg link 3 is indefinite. In this case, since the weight coefficient r_i corresponding to the leg link 3 with Fn_i = 0 is zero, r_i · A_i · J_i = 0 regardless of the component values of A_i and J_i. Therefore, it is not necessary to determine the matrix VV_i (and thus the matrix A_i) corresponding to the leg link 3 in the non-grounded state. The same applies to the leg link Jacobian matrix J_i described below.

式(43)の右辺の演算に必要な変数値のうち、第i脚リンク3に関する脚リンクヤコビアン行列J_iは、次のように決定される。脚リンクヤコビアン行列J_iは、第i脚接地面のばね性並進・回転変位量ベクトル(=[↑Xorg_i,↑Xrot_i]Tと、一般化変数ベクトル↑qの単位時間当たりの変化量↑Δqとの間の関係を前記式(24)により表現する行列である。 Of the variable values necessary for the calculation of the right side of Equation (43), the leg link Jacobian matrix J_i for the i-th leg link 3 is determined as follows. The leg link Jacobian matrix J_i is the spring translation / rotation displacement vector (= [↑ Xorg_i, ↑ Xrot_i] T ) of the i-th ground contact surface and the variation per unit time of the generalized variable vector ↑ q ↑ Δq It is a matrix expressing the relationship between them by the above equation (24).

ここで、↑X_iのうちのばね性並進変位量↑Xorg_iは、第i脚接地面の単位時間当たりの並進変位量であるとみなすと、第i脚リンク3の足平部18の現在の接地部分の位置の時間的変化率(並進速度)に一致すると考えてよい。また、↑X_iのうちのばね性回転変位量↑Xrot_iは、第i脚接地面の単位時間当たりの回転変位量であるとみなすと、第i脚リンク3の足平部18の現在の姿勢の時間的変化率(角速度)に一致すると考えてよい。   Here, if the spring-like translational displacement amount ↑ Xorg_i of ↑ X_i is regarded as the translational displacement amount per unit time of the i-th leg ground contact surface, the current grounding of the foot 18 of the i-th leg link 3 is assumed. It may be considered that it coincides with the temporal change rate (translation speed) of the position of the portion. Further, if the spring-like rotational displacement amount ↑ Xrot_i of ↑ X_i is regarded as the rotational displacement amount per unit time of the i-th leg ground contact surface, the current posture of the foot 18 of the i-th leg link 3 is determined. It can be considered that it coincides with the temporal change rate (angular velocity).

そこで、本実施形態では、第i脚リンク3の足平部18の現在の接地部分の位置及び該足平部18の姿勢(より詳しく当該位置及び姿勢を成分とする縦ベクトル)の単位時間当たりの変化量(時間的変化率)が、前記式(24)の左辺の↑X_iに一致するものとして、第i脚リンク3に関する脚リンクヤコビアン行列J_iを決定する。なお、第i脚リンク3の足平部18の現在の接地部分の位置としては、例えば、該第i脚リンク3の接地面(第i脚接地面)の実床反力中心点に相当する該足平部18の点の位置が用いられる。   Therefore, in the present embodiment, the position of the current contact portion of the foot 18 of the i-th leg link 3 and the posture of the foot 18 (more specifically, a vertical vector having the position and posture as components) per unit time. The leg link Jacobian matrix J_i related to the i-th leg link 3 is determined on the assumption that the change amount (temporal change rate) of A coincides with ↑ X_i on the left side of the equation (24). The current position of the ground contact portion of the foot 18 of the i-th leg link 3 corresponds to, for example, the center point of the actual floor reaction force of the ground contact surface (i-th leg contact surface) of the i-th leg link 3. The position of the point of the foot 18 is used.

この場合、脚リンクヤコビアン行列J_iは、移動体1の現在の動作状態(これは各関節の現在の実変位量の計測値により特定される)を↑qの微小変化(摂動)の起点として、公知の手法によって決定される。例えば、移動体1の幾何学モデル(剛体リンクモデル)を用いて、あるいは、解析的な演算によって、一般化変数ベクトル↑qの各成分の微小変化(現在状態からの微小変化)に対する第i脚リンク3の足平部18の接地部分の位置の変化と該足平部18の姿勢の変化とを算出することで、脚リンクヤコビアン行列J_iが決定される。   In this case, the leg link Jacobian matrix J_i uses the current movement state of the moving body 1 (which is specified by the measurement value of the current actual displacement amount of each joint) as the starting point of the minute change (perturbation) of ↑ q. It is determined by a known method. For example, using the geometric model (rigid body link model) of the moving body 1 or by analytical calculation, the i-th leg for a minute change (a minute change from the current state) of each component of the generalized variable vector ↑ q The leg link Jacobian matrix J_i is determined by calculating the change in the position of the ground contact portion of the foot 18 of the link 3 and the change in the posture of the foot 18.

なお、この場合、第i脚リンク3の足平部18の接地部分の現在の位置は、第i脚リンク3の接地面の現在の実床反力中心点の位置の観測値に一致するものとされる。そして、この点の位置の変化(↑qの各成分の微小変化に対する変化)が、該足平部18の接地部分の位置の変化として算出される。   In this case, the current position of the ground contact portion of the foot 18 of the i-th leg link 3 coincides with the observed value of the current center point of the actual floor reaction force on the ground contact surface of the i-th leg link 3. It is said. A change in the position of this point (change with respect to a minute change in each component of ↑ q) is calculated as a change in the position of the ground contact portion of the foot 18.

また、第i脚リンク3の足平部18の現在の姿勢は、ロータリエンコーダ54の出力が示す各関節の実変位量の観測値(計測値)を基に算出される該足平部18の現在の実姿勢の観測値に一致するものとされて、該足平部18の姿勢の変化(↑qの各成分の微小変化に対する変化)が算出される。   Further, the current posture of the foot 18 of the i-th leg link 3 is calculated based on the observed value (measured value) of the actual displacement amount of each joint indicated by the output of the rotary encoder 54. A change in the posture of the foot 18 (a change with respect to a minute change of each component of ↑ q) is calculated, which coincides with the observed value of the current actual posture.

本実施形態では、代表接触面ヤコビアン行列算出部66は、以上の如く決定した重み係数r_1,r_2、行列VV_1,VV_2、及び脚リンクヤコビアン行列J_1,J_2を用いて、前記式(43)の右辺の演算を行なうことで、代表接触面ヤコビアン行列Jcを算出する。   In the present embodiment, the representative contact surface Jacobian matrix calculation unit 66 uses the weight coefficients r_1, r_2, matrices VV_1, VV_2 and leg link Jacobian matrices J_1, J_2 determined as described above, and the right side of the equation (43). Thus, the representative contact surface Jacobian matrix Jc is calculated.

[関節変位修正量決定部68の処理]
コンプライアンス操作量決定処理では、制御装置50は、以上の如く、代表接触面のばね性並進・回転変位量↑Xcと、代表接触面ヤコビアン行列Jcとを算出した後、関節変位修正量決定部68の処理を実行する。
[Processing of Joint Displacement Correction Amount Determination Unit 68]
In the compliance operation amount determination process, the control device 50 calculates the spring translational / rotational displacement amount ↑ Xc of the representative contact surface and the representative contact surface Jacobian matrix Jc as described above, and then the joint displacement correction amount determination unit 68. Execute the process.

この関節変位修正量決定部68は、代表接触面のばね性並進・回転変位量↑Xcに対応する各関節の変位量の修正量(基準歩容の目標運動に対応する目標関節変位量からの修正量)である関節変位修正量を決定する機能部である。   This joint displacement correction amount determination unit 68 is a correction amount of the displacement amount of each joint corresponding to the spring translational / rotational displacement amount ↑ Xc of the representative contact surface (from the target joint displacement amount corresponding to the target motion of the reference gait). It is a functional unit that determines a joint displacement correction amount that is a correction amount).

この関節変位修正量決定部68の処理では、まず、代表接触面ヤコビアン行列Jcの擬似逆行列Jc-1が算出される。ここで、一般化変数ベクトル↑qの成分数、ひいては、↑Δqの成分数は、ばね性並進・回転変位量↑Xcの成分数よりも多いので、代表接触面ヤコビアン行列Jcは、正方行列ではない。従って、Jcの逆行列は存在しない。このため、関節変位修正量決定部68は、代表接触面ヤコビアン行列Jcの擬似逆行列Jc-1を算出する。 In the process of the joint displacement correction amount determination unit 68, first, a pseudo inverse matrix Jc −1 of the representative contact surface Jacobian matrix Jc is calculated. Here, since the number of components of the generalized variable vector ↑ q, and hence the number of components of ↑ Δq, is larger than the number of components of the spring translational / rotational displacement amount ↑ Xc, the representative contact surface Jacobian matrix Jc is a square matrix. Absent. Therefore, there is no inverse matrix of Jc. For this reason, the joint displacement correction amount determination unit 68 calculates a pseudo inverse matrix Jc −1 of the representative contact surface Jacobian matrix Jc.

そして、関節変位修正量決定部68は、前記式(29)で示す如く、この擬似逆行列Jc-1を代表接触面のばね性並進・回転変位量↑Xcに乗じることによって、前記一般化変数ベクトル↑qの各成分の要求修正量(要求摂動量)を構成要素とする一般化変数要求修正量ベクトル↑Δq_dmdを算出する。そして、この一般化変数要求修正量ベクトル↑Δq_dmdの成分のうち、各関節の変位量の要求修正量を示す成分が、関節変位修正量として決定される。 Then, the joint displacement correction amount determination unit 68 multiplies the pseudo-inverse matrix Jc −1 by the springy translational / rotational displacement amount ↑ Xc of the representative contact surface as shown in the equation (29), thereby obtaining the generalized variable. A generalized variable required correction amount vector ↑ Δq_dmd having the required correction amount (required perturbation amount) of each component of the vector ↑ q as a component is calculated. Of the components of the generalized variable required correction amount vector ↑ Δq_dmd, a component indicating the required correction amount of the displacement amount of each joint is determined as the joint displacement correction amount.

この場合、関節変位修正量決定部68は、前記擬似逆行列Jc-1を前記式(30)により算出する。 In this case, the joint displacement correction amount determination unit 68 calculates the pseudo inverse matrix Jc −1 by the equation (30).

すなわち、本実施形態では、擬似逆行列Jc-1は、重み付きの擬似逆行列(重み付きのSR−Inverse)として算出される。 That is, in the present embodiment, the pseudo inverse matrix Jc −1 is calculated as a weighted pseudo inverse matrix (weighted SR-Inverse).

具体的には、擬似逆行列Jc-1を算出する処理は、前記調整パラメータkの値の決定処理を含めて、図5のフローチャートに示す如く実行される。 Specifically, the process of calculating the pseudo inverse matrix Jc −1 is executed as shown in the flowchart of FIG. 5 including the process of determining the value of the adjustment parameter k.

まずSTEP1において、代表接触面ヤコビアン行列Jcの転置行列JcTと、重み係数行列Wの逆行列W-1とが算出される。なお、重み係数行列Wは、本実施形態ではその各対角成分(重み係数)の値があらかじめ定められた行列である。ただし、移動体1の動作状態に応じて適宜、重み係数行列Wの各対角成分の値を変化させるようにしてもよい。 First, in STEP 1, a transposed matrix Jc T of the representative contact surface Jacobian matrix Jc and an inverse matrix W −1 of the weight coefficient matrix W are calculated. In the present embodiment, the weighting coefficient matrix W is a matrix in which the value of each diagonal component (weighting coefficient) is determined in advance. However, the value of each diagonal component of the weighting coefficient matrix W may be changed as appropriate according to the operating state of the moving body 1.

次いで、STEP2において、調整パラメタータkの候補値の初期値として、kの値の標準値であるゼロが設定される。   Next, in STEP 2, zero that is the standard value of k is set as the initial value of the candidate value of the adjustment parameter data k.

次いで、STEP3において、調整パラメタータkの現在の候補値を用いて、前記式(31)により行列式DETの値が算出される。   Next, in STEP 3, using the current candidate value of the adjustment parameter data k, the value of the determinant DET is calculated by the equation (31).

次いで、STEP4において、この行列式DETの大きさ(絶対値)が、あらかじめ定められた所定の下限閾値DET_L(>0)よりも小さいか否か(DETの大きさが過小であるか否か)が判断される。   Next, in STEP 4, whether or not the magnitude (absolute value) of this determinant DET is smaller than a predetermined lower limit threshold DET_L (> 0) (whether the magnitude of DET is too small). Is judged.

このSTEP4の判断結果が否定的である場合(DETの大きさが過小でない適切な大きさである場合)には、STEP10の処理が実行される。この処理では、kの現在の候補値が調整パラメタータkの値として確定され、この調整パラメータkの値を用いて、前記式(30)の演算により、擬似逆行列Jc-1が算出される。 When the determination result of STEP 4 is negative (when the size of DET is an appropriate size that is not too small), the processing of STEP 10 is executed. In this process, the current candidate value of k is determined as the value of the adjustment parameter data k, and the pseudo inverse matrix Jc −1 is calculated by the calculation of the equation (30) using the value of the adjustment parameter k.

一方、STEP4の判断結果が肯定的である場合(DETの大きさが過小である場合)には、STEP5〜8の処理(詳細は後述する)によって調整パラメータkの候補値の増加量Δk(>0)が決定される。そして、STEP9において、調整パラメータkの候補値が、現在値から上記増加量Δkだけ増加させた値に更新される。以降、STEP4の判断結果が否定的となるまで、STEP3〜9の処理が繰り返される。これにより、行列式DETの大きさが所定の下限閾値DET_L以上の適切な大きさとなるような調整パラメータkの値が探索的に決定される。   On the other hand, if the determination result in STEP 4 is affirmative (when the magnitude of DET is too small), the amount of increase Δk (> 0) is determined. In STEP 9, the candidate value of the adjustment parameter k is updated to a value that is increased from the current value by the increase amount Δk. Thereafter, the processing of STEP 3 to 9 is repeated until the determination result of STEP 4 becomes negative. As a result, the value of the adjustment parameter k is determined in an exploratory manner so that the determinant DET has an appropriate size equal to or greater than the predetermined lower threshold DET_L.

ここで、上記増加量Δkの決定処理を以下に説明する。行列式DETの大きさが所定の下限閾値DET_L以上の適切な大きさとなるような調整パラメータkの値を探索的に決定する処理では、例えば、調整パラメータkの候補値の増加量Δkをあらかじめ定めた一定値として、調整パラメータkの候補値を更新することが一般的に考えられる。   Here, the determination process of the increase amount Δk will be described below. In the process of exploringly determining the value of the adjustment parameter k such that the determinant DET has an appropriate size equal to or greater than a predetermined lower threshold DET_L, for example, an increase amount Δk of the adjustment parameter k candidate value is determined in advance. It is generally considered to update the candidate value of the adjustment parameter k as a constant value.

ただし、その場合、増加量Δkを大きめの値に設定しておくと、k=0として算出した前記行列式DETの大きさが過小となる状況で、制御装置50の各演算処理周期で逐次決定されるkの値が、Δkの整数倍の刻み幅の離散的な値となるために、DET≧DET_Lとなるような最小のkの値に対して必要以上に過大な値となりやすい。このため、制御装置50の各演算処理周期で逐次決定されるkの値に対応する行列式DETの大きさと前記下限閾値DET_Lとの差のばらつきを生じやすい。ひいては、前記式(30)により決定した擬似逆行列Jc-1を用いて前記式(29)により関節変位修正量を決定した場合に、その関節変位修正量の不連続的な変動が生じやすい。その結果、移動体1の運動の滑らかさが損なわれることがある。 However, in this case, if the increase amount Δk is set to a larger value, the determinant DET calculated as k = 0 is too small, and is sequentially determined at each calculation processing cycle of the control device 50. Since the k value is a discrete value with a step size that is an integral multiple of Δk, it tends to be excessively larger than necessary for the minimum k value such that DET ≧ DET_L. For this reason, it is easy to produce the dispersion | variation in the difference of the magnitude | size of the determinant DET corresponding to the value of k sequentially determined by each arithmetic processing period of the control apparatus 50, and the said lower limit threshold value DET_L. As a result, when the joint displacement correction amount is determined by the equation (29) using the pseudo inverse matrix Jc −1 determined by the equation (30), the joint displacement correction amount is likely to vary discontinuously. As a result, the smoothness of the movement of the moving body 1 may be impaired.

一方、増加量Δkを十分に小さい値に設定することで、上記の不都合を解消することができる。ただし、その場合、前記STEP4の判断結果が否定的となる適切な調整パラメータkの値が決定されるまでに要する時間が長くなりやすい。このため、制御装置50の各演算処理周期の時間内で適切な調整パラメータkの値を決定できない場合が生じる恐れがある。   On the other hand, by setting the increase amount Δk to a sufficiently small value, the above inconvenience can be solved. However, in that case, it takes a long time to determine an appropriate value of the adjustment parameter k for which the determination result in STEP 4 is negative. For this reason, there is a possibility that an appropriate value of the adjustment parameter k cannot be determined within the time of each calculation processing cycle of the control device 50.

そこで、本実施形態では、STEP5〜8の処理において、調整パラメータkの候補値の増加量Δkを、STEP3で算出した行列式DETの大きさと、前記下限閾値DET_Lとの偏差の大きさに応じて、可変的に設定するようにした。   Therefore, in the present embodiment, in the processes of STEPs 5 to 8, the increase amount Δk of the adjustment parameter k candidate value is determined according to the magnitude of the deviation between the determinant DET calculated in STEP 3 and the lower limit threshold DET_L. It was set to be variable.

具体的には、STEP5において、次式(32)により算出される値が、調整パラメータkの増加量Δkの暫定値Δkpとして設定される。   Specifically, in STEP 5, the value calculated by the following equation (32) is set as the provisional value Δkp of the increase amount Δk of the adjustment parameter k.


Δkp=G・(DET_L−|DET|)1/n ……(32)

すなわち、前記下限閾値DET_Lから行列式DETの絶対値を差し引いてなる偏差(=DET_L−|DET|)のn乗根に、所定値のゲインG(>0)を乗じてなる値(偏差(=DET_L−|DET|)のn乗根に比例する値)が増加量Δkの暫定値Δkpとして設定される。なお、nは行列(Jc・W-1・Jc-1)の次数である。また、ゲインGの値は、あらかじめ定めれられた定数値である。

Δkp = G · (DET_L− | DET |) 1 / n (32)

That is, a value obtained by multiplying the nth root of the deviation (= DET_L− | DET |) by subtracting the absolute value of the determinant DET from the lower limit threshold DET_L (deviation (= DET_L− | DET |) is set as the provisional value Δkp of the increase amount Δk. Note that n is the order of the matrix (Jc · W −1 · Jc −1 ). The value of the gain G is a predetermined constant value.

このように増加量Δkの暫定値Δkpを決定するのは、次の理由による。行列式det(Jc・W-1・JcT)の値(k=0の場合のDETの値)と、行列式DET(=det(Jc・W-1・JcT+k・I))の値との差分は、kのn次関数(kn+a・kn-1+……という形の関数)となるので、kの値の変化に対する行列式DETの値の変化は、ほぼkn(kのn乗)に比例すると考えられる。そこで、本実施形態では、上記(32)により算出される値を、増加量Δkの暫定値Δkpとして設定する。 The provisional value Δkp of the increase amount Δk is thus determined for the following reason. The value of the determinant det (Jc · W −1 · Jc T ) (the value of DET when k = 0) and the value of the determinant DET (= det (Jc · W −1 · Jc T + k · I)) Is an n-order function of k (a function of the form k n + a · k n-1 +...), And therefore, the change in the value of the determinant DET with respect to the change in the value of k is approximately k n ( It is considered that it is proportional to k raised to the nth power. Therefore, in the present embodiment, the value calculated by the above (32) is set as the provisional value Δkp of the increase amount Δk.

そして、STEP6〜8において、増加量Δkが過剰に小さい値になるのを防止するためのリミット処理が暫定値Δkpに対して施され、これにより増加量Δkが確定される。具体的には、STEP6において、増加量Δkの暫定値Δkpと所定の下限値Δkmin(>0)とが比較され、Δkp≧Δkminである場合には、STEP7において、暫定値Δkpがそのまま増加量Δkとして決定される。また、Δkp<Δkminである場合には、STEP8において、Δkminが増加量Δkとして決定される。   In STEPs 6 to 8, limit processing for preventing the increase amount Δk from becoming excessively small is applied to the provisional value Δkp, thereby determining the increase amount Δk. Specifically, in STEP 6, the provisional value Δkp of the increase amount Δk is compared with a predetermined lower limit value Δkmin (> 0). If Δkp ≧ Δkmin, the provisional value Δkp is directly added to the increase amount Δk in STEP 7. As determined. If Δkp <Δkmin, Δkmin is determined as the increase amount Δk in STEP8.

これにより、増加量Δkは、Δkminを下限値として、行列式DETの大きさと、前記下限閾値DET_Lとの偏差の大きさに応じて前記式(32)により算出される値に決定されることとなる。   Thereby, the increase amount Δk is determined to be a value calculated by the equation (32) according to the magnitude of the deviation between the magnitude of the determinant DET and the lower limit threshold value DET_L, with Δkmin being the lower limit value. Become.

関節変位修正量決定部68は、以上説明した如く算出した擬似逆行列Jc-1を用いて、前記式(29)の右辺の演算を行なうことで、一般化変数要求修正量ベクトル↑Δq_dmdを算出する。そして、関節変位修正量決定部68は、この一般化変数要求修正量ベクトル↑Δq_dmdの成分のうち、各関節の変位量の要求修正量を示す成分を、関節変位修正量として決定する。このようにして決定される関節変位修正量が、実全床反力を修正後目標全床反力↑FMt_cmd1に近づけるための各関節の変位量の要求修正量としてのコンプライアンス操作量である。 The joint displacement correction amount determination unit 68 calculates the generalized variable request correction amount vector ↑ Δq_dmd by performing the calculation of the right side of the equation (29) using the pseudo inverse matrix Jc −1 calculated as described above. To do. Then, the joint displacement correction amount determination unit 68 determines, as a joint displacement correction amount, a component indicating the required correction amount of the displacement amount of each joint among the components of the generalized variable request correction amount vector ↑ Δq_dmd. The joint displacement correction amount determined in this way is the compliance operation amount as the required correction amount of the displacement amount of each joint to bring the actual total floor reaction force closer to the corrected target total floor reaction force ↑ FMt_cmd1.

[関節変位制御部69の処理]
以上説明したコンプラインス操作量決定処理(姿勢安定化補償力決定部62、目標全床反力修正部63、全床反力要求修正量決定部64、代表接触面並進・回転変位量算出部65、代表接触面ヤコビアン行列算出部66及び関節変位修正量決定部68の処理)とを実行した後、次に、制御装置50は、関節変位制御部69の処理を実行する。
[Processing of Joint Displacement Control Unit 69]
The compliance operation amount determination processing described above (posture stabilization compensation force determination unit 62, target total floor reaction force correction unit 63, total floor reaction force request correction amount determination unit 64, representative contact surface translation / rotation displacement amount calculation unit 65 Then, the control device 50 executes the process of the joint displacement control unit 69 after the representative contact surface Jacobian matrix calculation unit 66 and the joint displacement correction amount determination unit 68 are processed.

この関節変位制御部69は、目標関節変位量決定部67で決定した各関節の目標関節変位量(基準歩容の目標運動に対応する目標関節変位量)に、目標関節変位量修正部68で決定した関節変位修正量を加え合わせることにより、各関節の最終的な関節変位指令としての修正後目標関節変位量を決定する。   This joint displacement control unit 69 uses the target joint displacement amount correction unit 68 to set the target joint displacement amount (target joint displacement amount corresponding to the target motion of the reference gait) determined by the target joint displacement amount determination unit 67. By adding the determined joint displacement correction amount, the corrected target joint displacement amount as the final joint displacement command for each joint is determined.

そして、関節変位制御部69は、上記の如く決定した修正後目標関節変位量に各関節の実変位量を一致させるように、電動モータ41(関節アクチュエータ)を図示しないサーボアンプ等のモータ駆動回路を介して制御する。   Then, the joint displacement control unit 69 sets the electric motor 41 (joint actuator) to a motor drive circuit such as a servo amplifier (not shown) so that the actual displacement amount of each joint matches the corrected target joint displacement amount determined as described above. Control through.

[床面推定部70の処理]
制御装置50は、移動体1の各関節の駆動制御と並行して、床面推定部70の処理を実行する。この床面推定部70は、移動体1の各脚リンク3が接地する実際の床面(実床面)の位置及び姿勢の推定値である床面推定値を算出する機能部である。
[Processing of floor estimation unit 70]
The control device 50 executes the processing of the floor surface estimation unit 70 in parallel with the drive control of each joint of the moving body 1. The floor surface estimation unit 70 is a functional unit that calculates a floor surface estimated value that is an estimated value of the position and orientation of the actual floor surface (actual floor surface) to which each leg link 3 of the moving body 1 comes into contact.

この処理のために床面推定部70には、前記全床反力要求修正量決定部64から、摂動全床反力↑ΔFMtの要求値↑ΔFMt_dmdの組成成分である前記式(41)の右辺の積分項(第2項)の値、すなわち、修正後目標床反力↑FMt_cmd1と、実全床反力の観測値↑FMt_actとの偏差↑Dfmt(=↑FMt_cmd1−↑FMt_act)にローパス特性のフィルタリング処理を施してなる値↑Dfmt_filtに、所定値のゲインKestm(スカラー又は対角行列)を乗じてなる値を積分したもの(=∫(Kestm・↑Dfmt_filt))が入力される。以降、この積分項の値を次式(33)で示す如く、ΔFMt_intと表記する。   For this process, the floor surface estimation unit 70 receives from the total floor reaction force required correction amount determination unit 64 the right side of the equation (41), which is the composition component of the perturbed total floor reaction force ↑ ΔFMt required value ↑ ΔFMt_dmd. The difference between the value of the integral term (second term), ie, the corrected target floor reaction force ↑ FMt_cmd1 and the observed value of the actual total floor reaction force ↑ FMt_act ↑ Dfmt (= ↑ FMt_cmd1− ↑ FMt_act) The value obtained by multiplying the value ↑ Dfmt_filt subjected to the filtering process by a value obtained by multiplying a predetermined value gain Kestm (scalar or diagonal matrix) (= ∫ (Kestm · ↑ Dfmt_filt)) is input. Hereinafter, the value of this integral term is expressed as ΔFMt_int as shown by the following equation (33).


↑ΔFMt_int≡∫(Kestm・↑Dfmt_filt) ……(33)

ここで、前記した移動体1の各関節の駆動制御によって、各関節の変位量は、実全床反力の観測値↑FMt_actを修正後目標床反力↑FMt_cmd1に追従させるように(上記偏差↑Dfmtをゼロに近づけるように)制御されるので、上記積分項の値↑ΔFMt_intは、基準歩容の作成のために使用された想定床面の位置及び姿勢の、実床面に対する定常的な誤差に起因して発生するものとなる。

↑ ΔFMt_int≡∫ (Kestm ・ ↑ Dfmt_filt) …… (33)

Here, by the drive control of each joint of the movable body 1 described above, the displacement amount of each joint is set so that the observed value ↑ FMt_act of the actual total floor reaction force follows the corrected target floor reaction force ↑ FMt_cmd1 (the above deviation) ↑ DFMt_int is a constant value for the position and posture of the assumed floor surface used to create the reference gait relative to the actual floor surface. It is caused by an error.

従って、この↑ΔFMt_intに対応する代表接触面のばね性並進・回転変位量が基準歩容の目標運動の作成のために使用された想定床面の位置及び姿勢の、実際の床面(実床面)に対する定常的な誤差分に相当するものと考えられる。   Therefore, the actual floor surface (actual floor) of the assumed floor surface position and posture used for creating the target motion of the standard gait is the amount of spring translational / rotational displacement of the representative contact surface corresponding to ↑ ΔFMt_int. It is considered that it corresponds to a steady error with respect to the surface.

そこで、床面推定部70は、与えられた積分項の値↑ΔFMt_intを、前記式(28−1)により、ばね性並進・回転変位量に変換したものを、想定床面の位置及び姿勢の誤差分↑Xc_intとして得る。この場合、より詳しくは、積分項の値↑ΔFMt_intのうちの並進力成分↑ΔFt_intに、代表接触面の並進ばね定数行列Kc_orgの逆行列Kc_org-1を乗じたもの(=Kc_org-1・↑ΔFt_int)が想定床面の位置の誤差分↑Xc_org_intとされる。また、積分項の値↑ΔFMt_intのうちのモーメント成分↑ΔMt_intに、代表接触面の回転ばね定数行列Kc_rotの逆行列Kc_rot-1を乗じたもの(=Kc_rot-1・↑ΔMt_int)が想定床面の姿勢の誤差分↑Xc_rot_intとされる。 Therefore, the floor surface estimation unit 70 converts the given integral term value ↑ ΔFMt_int into the springy translational / rotational displacement amount according to the equation (28-1), and calculates the position and orientation of the assumed floor surface. Obtain as error ↑ Xc_int. In this case, more specifically, the translational force component ↑ ΔFt_int of the integral term value ↑ ΔFMt_int multiplied by the inverse matrix Kc_org −1 of the translational spring constant matrix Kc_org of the representative contact surface (= Kc_org −1 · ↑ ΔFt_int ) Is assumed to be the error ↑ Xc_org_int of the assumed floor surface position. Also, the moment component ↑ ΔMt_int of the integral term value ↑ ΔFMt_int multiplied by the inverse matrix Kc_rot −1 of the rotation spring constant matrix Kc_rot of the representative contact surface (= Kc_rot −1 · ↑ ΔMt_int) The posture error is set to ↑ Xc_rot_int.

そして、床面推定部70は、上記の如く算出した誤差分↑Xc_intに応じて想定床面の位置及び姿勢を補正することにより、実床面の位置及び姿勢の推定値としての床面推定値を決定する。   Then, the floor surface estimation unit 70 corrects the position and posture of the assumed floor surface according to the error ↑ Xc_int calculated as described above, thereby estimating the floor surface estimated value as the estimated value of the actual floor surface position and posture. To decide.

このように床面推定部70により決定された床面推定値は、本実施形態では、前記基準歩容生成部61に与えられる。そして、基準歩容生成部61では、床面推定値に応じて、基準歩容を作成するために使用する想定床面を定期的に(例えば、移動体1の歩行動作時の1歩毎、又は複数歩毎に)更新する。   Thus, the floor surface estimated value determined by the floor surface estimating unit 70 is given to the reference gait generating unit 61 in the present embodiment. Then, in the standard gait generator 61, the assumed floor used to create the standard gait is periodically (for example, one step at the time of the walking motion of the mobile body 1, according to the estimated floor value). (Or every multiple steps).

なお、基準歩容の作成に使用する想定床面は、床面推定値だけに応じて決定する必要はない。例えば、移動体1に搭載した視覚センサや、外部から与えられる床情報に基づいて、実床面の位置及び姿勢を推定できるような場合には、その推定された床面の位置及び姿勢の信頼性の評価や補完的な修正のために、上記床面推定値を使用するようにしてもよい。   Note that the assumed floor surface used to create the reference gait need not be determined only according to the estimated floor surface value. For example, when the position and orientation of the actual floor surface can be estimated based on a visual sensor mounted on the mobile body 1 or floor information given from outside, the reliability of the estimated floor surface position and orientation is reliable. The floor surface estimated value may be used for sex evaluation and complementary correction.

以上が、本実施形態における制御装置50の処理の詳細である。   The above is the details of the processing of the control device 50 in the present embodiment.

ここで、本実施形態と本発明との対応関係について補足しておく。本実施形態では、全床反力要求修正量決定部64によって、本発明における全床反力要求修正量決定手段が実現される。この場合において、本実施形態では、修正後目標全床反力↑FMt_cmd1が、本発明における目標全床反力に相当する。   Here, a supplementary description will be given of the correspondence between the present embodiment and the present invention. In the present embodiment, the total floor reaction force request correction amount determination unit 64 implements the total floor reaction force request correction amount determination means in the present invention. In this case, in the present embodiment, the corrected target total floor reaction force ↑ FMt_cmd1 corresponds to the target total floor reaction force in the present invention.

また、代表接触面並進・回転変位量算出部65、代表接触面ヤコビアン行列算出部66、関節変位修正量決定部68、関節変位制御部69によって、それぞれ、本発明における代表接触面位置姿勢変位量算出手段、代表接触面ヤコビアン行列算出手段、関節変位修正量決定手段、関節変位制御手段が実現される。   The representative contact surface translation / rotation displacement amount calculation unit 65, the representative contact surface Jacobian matrix calculation unit 66, the joint displacement correction amount determination unit 68, and the joint displacement control unit 69 respectively represent the representative contact surface position / posture displacement amount in the present invention. A calculation means, a representative contact surface Jacobian matrix calculation means, a joint displacement correction amount determination means, and a joint displacement control means are realized.

また、関節変位修正量決定部68において実行される処理のうち、図5のSTEP2〜9の処理によって、本発明における擬似逆行列演算用パラメータ決定手段が実現される。   Of the processes executed in the joint displacement correction amount determining unit 68, the process of STEP 2 to 9 in FIG. 5 realizes the pseudo inverse matrix operation parameter determining means in the present invention.

また、床面推定部70は、本発明(第2の態様)における代表接触面定常変位量算出手段としての機能を有する。この場合、該床面推定部70が、前記積分項の値↑ΔFMt_intから、前記式(28−1)により、想定床面の位置及び姿勢の誤差分↑Xc_intを算出する処理によって、代表接触面定常変位量算出手段が実現される。そして、この誤差分↑Xc_intが本発明における代表接触面定常変位量に相当する。   Moreover, the floor surface estimation part 70 has a function as a representative contact surface steady displacement amount calculation means in this invention (2nd aspect). In this case, the floor surface estimation unit 70 calculates the error ↑ Xc_int of the assumed floor surface position and orientation from the integral term value ↑ ΔFMt_int according to the equation (28-1). A steady displacement calculation means is realized. The error ↑ Xc_int corresponds to the representative contact surface steady displacement amount in the present invention.

以上説明した実施形態によれば、制御装置50は、各制御処理周期において、修正後目標全床反力↑FMt_cmd1に実全床反力を追従させるための操作量(制御入力)たる摂動全床反力↑ΔFMtの要求値↑ΔFMt_dmdを、代表接触面のばね性並進・回転変位量↑Xcに変換する。さらに、制御装置50は、この↑Xcに代表接触面ヤコビアン行列Jcの擬似逆行列Jc-1を乗じることによって、↑Xcを実現するための(ひいては実全床反力を修正号目標全床反力↑FMt_cmd1に追従させるための)コンプライアンス操作量である移動体1の各関節の関節変位修正量を決定する。そして、制御装置50は、基準歩容の目標運動に対応する各関節の目標関節変位量を、関節変位修正量により修正してなる修正後目標関節変位量に応じて各関節の変位量を電動モータ41(関節アクチュエータ)を介して制御する。 According to the embodiment described above, the control device 50 perturbs the entire floor as an operation amount (control input) for causing the actual total floor reaction force to follow the corrected target total floor reaction force ↑ FMt_cmd1 in each control processing cycle. The required value ↑ ΔFMt_dmd of the reaction force ↑ ΔFMt is converted into a springy translational / rotational displacement amount ↑ Xc of the representative contact surface. Further, the control device 50 multiplies the ↑ Xc by the pseudo inverse matrix Jc −1 of the representative contact surface Jacobian matrix Jc to realize the ↑ Xc (and thus the actual total floor reaction force is corrected to the target total floor reaction) A joint displacement correction amount of each joint of the moving body 1 which is a compliance operation amount (to follow the force ↑ FMt_cmd1) is determined. Then, the control device 50 electrically drives the displacement amount of each joint according to the corrected target joint displacement amount obtained by correcting the target joint displacement amount of each joint corresponding to the target motion of the reference gait with the joint displacement correction amount. Control is performed via a motor 41 (joint actuator).

これにより、本実施形態によれば、個々の脚リンク3の先端部(足平部18)の位置や姿勢の修正と実全床反力の変化との関係やそれらの相互の関係を考慮して各脚リンク3の先端部の位置や姿勢の修正量を決定するような処理を実行することなく、実全床反力を修正後目標全床反力↑FMt_cmd1に追従させるための各関節の関節変位修正量を一括的に決定できる。そのため、コンプライアンス制御用の関節変位修正量を決定する処理を効率よく短時間で行なうことができる。   Thus, according to the present embodiment, the relationship between the correction of the position and posture of the distal end portion (foot portion 18) of each leg link 3 and the change in the actual total floor reaction force and the mutual relationship thereof are taken into consideration. Thus, the actual total floor reaction force can be adjusted to follow the target total floor reaction force ↑ FMt_cmd1 after the actual total floor reaction force without executing a process for determining the correction amount of the position and posture of each leg link 3. The joint displacement correction amount can be determined collectively. Therefore, the process of determining the joint displacement correction amount for compliance control can be efficiently performed in a short time.

この場合、代表接触面ヤコビアン行列Jcを算出するための前記式(43)における各脚リンク3_iの重み係数r_iは、床面垂直抗力成分Fn_iが相対的に大きい脚リンク3_iほど、より大きい値(“1”に近い値)に設定されることとなる。   In this case, the weight coefficient r_i of each leg link 3_i in the equation (43) for calculating the representative contact surface Jacobian matrix Jc is larger as the leg link 3_i having a relatively large floor surface normal force component Fn_i ( (A value close to “1”).

このため、摂動全床反力↑ΔFMtの要求値↑ΔFMt_dmdに対する各脚リンク3_iの負担分は、結果的に、床面垂直抗力成分Fn_iが相対的に大きい脚リンク3_iほど、大きくなる。換言すれば、摂動全床反力↑ΔFMtの要求値↑ΔFMt_dmdが、できるだけ、床面垂直抗力成分Fn_iが相対的に大きい脚リンクの先端部の位置や姿勢の修正によって実現することができるように代表接触面ヤコビアン行列Jcが決定される。   For this reason, the load of each leg link 3_i with respect to the required value ↑ ΔFMt_dmd of the perturbed total floor reaction force ↑ ΔFMt increases as the leg link 3_i having a relatively large floor surface normal force component Fn_i. In other words, the required value ↑ ΔFMt_dmd of the perturbed total floor reaction force ↑ ΔFMt can be realized by correcting the position and posture of the tip of the leg link where the floor surface normal force component Fn_i is relatively large as much as possible. A representative contact surface Jacobian matrix Jc is determined.

従って、床面垂直抗力成分Fn_iが相対的に小さい脚リンク3_iの先端部の位置や姿勢を不必要に修正したりすることなく、摂動全床反力↑ΔFMtの要求値↑ΔFMt_dmdを確実に実現し得るような関節変位修正量、すなわち、実全床反力を修正後目標全床反力↑FMt_cmd1に追従させる上で適切な関節変位修正量を決定できる。   Therefore, the required value ↑ ΔFMt_dmd of the perturbation total floor reaction force ↑ ΔFMt can be reliably realized without unnecessarily correcting the position and posture of the tip of the leg link 3_i having a relatively small floor normal force component Fn_i. It is possible to determine an appropriate joint displacement correction amount in order to make the actual total floor reaction force follow the corrected target total floor reaction force ↑ FMt_cmd1.

また、各脚リンク3_iの重み係数r_iは連続的に変化するので、代表接触面ヤコビアン行列Jcが、不連続的な変化を生じることがない。このため、移動体1の各関節の変位量を滑らかに連続的に変化させることができる。ひいては、移動体1の運動を滑らかに行なうことができる。   Further, since the weight coefficient r_i of each leg link 3_i changes continuously, the representative contact surface Jacobian matrix Jc does not change discontinuously. For this reason, the displacement amount of each joint of the moving body 1 can be changed smoothly and continuously. As a result, the movement of the moving body 1 can be performed smoothly.

また、前記実施形態では、関節変位修正量決定部68で、前記行列式DETの値が過小になるのを防止するための調整パラメータkの値を探索する処理(図5のSTEP2〜9の処理)において、調整パラメータkの増加量Δkを、下限閾値DET_Lから行列式DETの絶対値を差し引いてなる偏差(=DET_L−|DET|)のn乗根に比例する値に設定する。   Further, in the embodiment, the joint displacement correction amount determination unit 68 searches for the value of the adjustment parameter k for preventing the value of the determinant DET from becoming too small (the processing of STEPs 2 to 9 in FIG. 5). ), The increase amount Δk of the adjustment parameter k is set to a value proportional to the n-th root of the deviation (= DET_L− | DET |) obtained by subtracting the absolute value of the determinant DET from the lower threshold DET_L.

これにより、制御装置50の各制御処理周期において、|DET|≧DET_Lとなるようにするための適切な調整パラメータkの値を、該kの値の不連続な変動が生じないようにしつつ、効率よく短時間で決定できる。このため、代表接触面並進・回転変位量↑Xcから関節変位修正量を決定するための擬似逆行列Jc-1を滑らかに変化させていくようにすることができる。ひいては、移動体1の各関節の変位量を滑らかに変化させるように、関節変位修正量を決定できる。 Thus, in each control processing cycle of the control device 50, an appropriate adjustment parameter k value for satisfying | DET | ≧ DET_L is set so that discontinuous fluctuation of the k value does not occur. It can be determined efficiently and in a short time. Therefore, it is possible to smoothly change the pseudo inverse matrix Jc −1 for determining the joint displacement correction amount from the representative contact surface translation / rotation displacement amount ↑ Xc. As a result, the joint displacement correction amount can be determined so that the displacement amount of each joint of the moving body 1 is smoothly changed.

また、上記の如く実全床反力を修正後目標全床反力↑FMt_cmd1に追従させるように、移動体1の各関節の駆動制御を行いつつ、前記摂動全床反力↑ΔFMtの要求値↑ΔFMt_dmdの構成要素である前記積分項の値↑ΔFMt_intに対応する代表接触面の並進・回転変位量↑Xc_intを前記式(28−1)により算出することによって、想定床面の位置及び姿勢の実床面に対する定常的な誤差分としての↑Xc_intを高い信頼性で求めることができる。このため、実床面の位置及び姿勢の推定を精度よく行なうことができる。   Further, as described above, the required value of the perturbation total floor reaction force ↑ ΔFMt is controlled while driving the joints of the moving body 1 so that the actual total floor reaction force follows the corrected target total floor reaction force ↑ FMt_cmd1. By calculating the translation / rotation displacement amount ↑ Xc_int of the representative contact surface corresponding to the integral term value ↑ ΔFMt_int, which is a constituent element of ↑ ΔFMt_dmd, by the above equation (28-1), the position and posture of the assumed floor surface are calculated. It is possible to obtain ↑ Xc_int as a steady error with respect to the actual floor surface with high reliability. For this reason, it is possible to accurately estimate the position and orientation of the actual floor surface.

次に、以上説明した実施形態の変形態様をいくつか説明する。   Next, some modifications of the embodiment described above will be described.

前記実施形態では、移動体1は、2つの脚リンク3R,3Lを備えた脚式移動ロボットであるが、3つ以上の脚リンクを備えたロボットであってもよい。その場合、制御装置50の処理のうち、代表接触面ヤコビアン行列算出部66以外の処理は前記実施形態と同じでよい。そして、代表接触面ヤコビアン行列算出部66の処理では、前記式(27)のNの値を、脚リンクの個数とした式に基づいて、代表接触面ヤコビアン行列Jcを算出すればよい。なお、この場合の演算に必要な重み係数r_i、行列A_i、脚リンクヤコビアン行列J_iの算出の仕方は、前記実施形態と同様である。   In the embodiment, the moving body 1 is a legged mobile robot including two leg links 3R and 3L, but may be a robot including three or more leg links. In that case, processes other than the representative contact surface Jacobian matrix calculation unit 66 among the processes of the control device 50 may be the same as those in the above embodiment. In the processing of the representative contact surface Jacobian matrix calculation unit 66, the representative contact surface Jacobian matrix Jc may be calculated based on an equation in which the value of N in the equation (27) is the number of leg links. Note that the calculation method of the weighting coefficient r_i, the matrix A_i, and the leg link Jacobian matrix J_i necessary for the calculation in this case is the same as that in the above embodiment.

前記実施形態の移動体1は、各脚リンク3の先端部は、これに作用する床反力モーメントを変化させる(床反力中心点を該先端部の接地面で変化させる)ことができる足平部18により構成されたものであるが、各脚リンクの先端部は、床反力モーメントを変化させることができない構造のものであってもよい。   In the moving body 1 of the embodiment, the tip of each leg link 3 can change the floor reaction force moment acting on the leg link 3 (the floor reaction force center point can be changed on the ground contact surface of the tip). Although it is configured by the flat portion 18, the end portion of each leg link may have a structure in which the floor reaction force moment cannot be changed.

例えば、図6に示す如く、各脚リンク103_i(i=1,2,…,N)の先端部が球体状のもの(より一般的には、床面との接触面が実質的に点状になるもの(該接触面が微小面積となるものを含む))であってもよい。   For example, as shown in FIG. 6, the tip of each leg link 103_i (i = 1, 2,..., N) has a spherical shape (more generally, the contact surface with the floor surface is substantially dotted. (Including those in which the contact surface has a small area).

この場合には、各脚リンク103_iの床面との点状の接触面(接地点)が床反力中心点に合致することとなるので、該脚リンク103_iに床反力モーメントを作用させること(ひいては変化させること)が実質的にできない。そして、この場合には、該脚リンク103_iに付加し得る摂動床反力モーメント↑M_iは常にゼロであるから、該脚リンク103_iの接地面のばね性回転変位量↑Xrot_i(=Krot_i・↑M_i)も常にゼロとなる。ひいては、このばね性変位量↑Xrot_iと、一般化変数ベクトル↑qの単位時間当たりの変化量↑Δqとの間の関係を表すヤコビアン行列Jrot_iも常にゼロ行列となる。   In this case, since the point-like contact surface (contact point) with the floor surface of each leg link 103_i matches the floor reaction force center point, a floor reaction force moment is applied to the leg link 103_i. (As a result, it can change) is virtually impossible. In this case, since the perturbed floor reaction force moment ↑ M_i that can be added to the leg link 103_i is always zero, the amount of spring rotation displacement of the ground contact surface of the leg link 103_i ↑ Xrot_i (= Krot_i · ↑ M_i ) Is always zero. As a result, the Jacobian matrix Jrot_i representing the relationship between the spring displacement ↑ Xrot_i and the variation ↑ Δq per unit time of the generalized variable vector ↑ q is always a zero matrix.

従って、この場合の脚リンクヤコビアン行列J_iは、前記式(26c)によって、J_i=[Jorg_i,0]Tとなる。このため、前記式(27)により代表接触面ヤコビアン行列Jcを算出する処理は、次式(27a)によりJcを算出する処理と等価である。 Therefore, the leg link Jacobian matrix J_i in this case becomes J_i = [Jorg_i, 0] T according to the equation (26c). For this reason, the process of calculating the representative contact surface Jacobian matrix Jc by the equation (27) is equivalent to the process of calculating Jc by the following equation (27a).

_ この式(27a)におけるr_i、Rk、VV_iは、それぞれ、前記式(22)に示したものと同じある。また、Jorg_iは、前記式(26a)に示したヤコビアン行列、すなわち、第i脚接地面のばね性並進変位量↑Xorg_iと、一般化変数ベクトル↑qの単位時間当たりの変化量↑Δqとの間の関係を表すヤコビアン行列である。 _ R_i, Rk, VV_i in the equation (27a) are the same as those shown in the equation (22). Jorg_i is the Jacobian matrix shown in the equation (26a), that is, the amount of springy translational displacement ↑ Xorg_i of the i-th contact surface and the amount of change per unit time ↑ Δq of the generalized variable vector ↑ q. It is a Jacobian matrix that represents the relationship between the two.

そして、この式(27a)の演算を行なうためのr_i、Rk、VV_iの値は、前記実施形態と同様の仕方で決定できる。また、J_i=[Jorg_i,0]Tであるから、前記実施形態で脚リンクヤコビアン行列J_iを算出する場合と同様の仕方でJorg_iを算出することができる。 The values of r_i, Rk, and VV_i for performing the calculation of the equation (27a) can be determined in the same manner as in the above embodiment. Since J_i = [Jorg_i, 0] T , Jorg_i can be calculated in the same manner as the leg link Jacobian matrix J_i in the above embodiment.

また、移動体は、例えば図7に示す如く、各脚リンク103_i(i=1,2,…,N)の先端部に車輪を備える構造の移動体であってもよい。   Further, the moving body may be a moving body having a structure in which a wheel is provided at the tip of each leg link 103 — i (i = 1, 2,..., N) as shown in FIG.

また、前記実施形態では、基準歩容の目標全床反力を、目標上体姿勢と実上体姿勢との偏差に応じて決定した姿勢安定化補償力(床反力モーメント)↑Mdmdにより補正して修正後目標全床反力を、実全床反力の追従目標としたが、基準歩容の目標全床反力を実床反力の追従目標としてもよい。その場合には、姿勢安定化補償力決定部62及び目標全床反力修正部63は不要となる。そして、この場合には、全床反力要求修正量決定部64において、前記修正後目標全床反力↑FMt_cmd1の代わりに、基準歩容の目標全床反力↑FMt_cmd0を用いて摂動全床反力↑ΔFMtの要求値↑ΔFMt_dmdを決定するようにすればよい。   In the above embodiment, the target total floor reaction force of the standard gait is corrected by the posture stabilization compensation force (floor reaction force moment) ↑ Mdmd determined according to the deviation between the target body posture and the actual body posture. Thus, the corrected target total floor reaction force is set as the tracking target of the actual total floor reaction force, but the target total floor reaction force of the standard gait may be set as the tracking target of the actual floor reaction force. In that case, the posture stabilization compensation force determination unit 62 and the target total floor reaction force correction unit 63 are not necessary. In this case, the total floor reaction force required correction amount determination unit 64 uses the target total floor reaction force ↑ FMt_cmd0 of the reference gait instead of the corrected target total floor reaction force ↑ FMt_cmd1 to perturb the total floor. The required value ↑ ΔFMt_dmd of the reaction force ↑ ΔFMt may be determined.

また、前記実施形態では、修正後目標床反力↑FMt_cmd1と、実全床反力の観測値↑FMt_actとの偏差↑Dfmt(=↑FMt_cmd1−↑FMt_act)に応じた比例項と積分項とを合成する(加え合わせる)ことによって、前記摂動全床反力↑ΔFMtの要求値↑ΔFMt_dmdを決定するようにしたが、積分項(=↑ΔFMt_int)をそのまま、前記式前記摂動全床反力↑ΔFMtの要求値↑ΔFMt_dmdとして決定するようにしてもよい。   In the embodiment, the proportional and integral terms corresponding to the deviation ↑ Dfmt (= ↑ FMt_cmd1− ↑ FMt_act) between the corrected target floor reaction force ↑ FMt_cmd1 and the observed value ↑ FMt_act of the actual total floor reaction force The required value ↑ ΔFMt_dmd of the perturbation total floor reaction force ↑ ΔFMt is determined by combining (adding), but the perturbation total floor reaction force ↑ ΔFMt is determined without changing the integral term (= ↑ ΔFMt_int). The required value ↑ ΔFMt_dmd may be determined.

このようにした場合には、前記代表接触面並進・回転変位量算出部65により↑ΔFMt_dmdから算出される代表接触面のばね性並進・回転変位量↑ΔXcが、想定床面の位置及び姿勢の実床面に対する定常的な誤差分↑Xc_intに相当するものとなる。   In this case, the representative contact surface translational / rotational displacement amount calculation unit 65 calculates the springiness translational / rotational displacement amount ↑ ΔXc of the representative contact surface calculated from ↑ ΔFMt_dmd by the position and orientation of the assumed floor surface. This corresponds to the steady error ↑ Xc_int for the actual floor surface.

従って、この場合には、床面推定部70においては、前記式(28−1)により↑Xc_intを改めて算出する必要はなく、前記代表接触面並進・回転変位量算出部65により算出された代表接触面のばね性並進・回転変位量↑ΔXcに応じて、想定床面の位置及び姿勢を修正することで、床面推定値を決定するようにすればよい。このようにすることで、本願発明の第1の態様の一実施形態が構築されることとなる。   Therefore, in this case, the floor surface estimation unit 70 does not need to calculate ↑ Xc_int again by the equation (28-1), and the representative contact surface translation / rotation displacement amount calculation unit 65 calculates the representative surface. The estimated floor surface value may be determined by correcting the position and orientation of the assumed floor surface in accordance with the springy translational / rotational displacement amount ↑ ΔXc of the contact surface. By doing in this way, one Embodiment of the 1st aspect of this invention will be constructed | assembled.

1,101…移動体、2,102…基体、3_i,103_i…脚リンク、50…制御装置、64…全床反力要求修正量決定部(全床反力要求修正量決定手段)、65…代表接触面並進・回転変位量算出部(代表接触面位置姿勢変位量算出手段)、66…代表接触面ヤコビアン行列算出部(代表接触面ヤコビアン行列算出手段)、68…関節変位修正量決定部(関節変位修正量決定手段)、69…関節変位制御部(関節変位制御手段、70…床面推定部(代表接触面定常変位量算出手段)、STEP2〜9…擬似逆行列演算用パラメータ決定手段。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,101 ... Mobile body, 2,102 ... Base | substrate, 3_i, 103_i ... Leg link, 50 ... Control apparatus, 64 ... Total floor reaction force request | requirement correction amount determination part (all floor reaction force request | requirement correction amount determination means), 65 ... Representative contact surface translation / rotation displacement amount calculation unit (representative contact surface position / posture displacement amount calculation unit), 66 ... representative contact surface Jacobian matrix calculation unit (representative contact surface Jacobian matrix calculation unit), 68 ... joint displacement correction amount determination unit ( (Joint displacement correction amount determining means), 69... Joint displacement control section (joint displacement control means, 70... Floor surface estimation section (representative contact surface steady displacement amount calculating means), STEP 2 to 9.

Claims (3)

基体と、基体に連結された複数の脚リンクと、各脚リンクの関節を駆動する関節アクチュエータとを備え、前記複数の脚リンクの運動によって床面上を移動する移動体の動作を、該移動体の目標運動と、該目標運動を実現するために該移動体に作用させるべき全床反力の目標値である目標全床反力とに応じて制御する移動体の制御装置において該移動体が移動する実際の床面の位置及び姿勢を推定する床面推定装置であって、
前記移動体に実際に作用する全床反力の観測値と、前記目標全床反力との偏差を積分してなる値を、該偏差をゼロに近づけるために該移動体に付加的に作用させるべき全床反力の修正量である全床反力要求修正量として決定する全床反力要求修正量決定手段と、
前記全床反力要求修正量が前記移動体と床面との全ての接触面を代表する単一の仮想的な接触面としての代表接触面の位置及び姿勢のばね性変位によって発生するものと仮定して、前記決定された全床反力要求修正量と前記代表接触面のあらかじめ定められたばね定数とから、該全床反力要求修正量に対応する該代表接触面の位置及び姿勢の要求変位量を算出する代表接触面位置姿勢変位量算出手段と、
前記代表接触面の位置及び姿勢の時間的変化率と、前記基体の位置及び姿勢と前記移動体の各関節の変位量とを成分として構成される一般化変数ベクトルの時間的変化率との間の関係を表すヤコビアン行列である代表接触面ヤコビアン行列Jcを、各脚リンクの先端部の位置の時間的変化率又は各脚リンクの先端部の位置及び姿勢の時間的変化率と前記一般化変数ベクトルの時間的変化率との間の関係を表すヤコビアン行列である各脚リンクヤコビアン行列J_iと、前記ばね定数と、前記移動体に実際に作用する全床反力の作用点としての全床反力中心点に対する各脚リンクの先端部の実際の床反力中心点の相対位置と、各脚リンクに実際に作用する床反力の値とから、次式(27)により算出する代表接触面ヤコビアン行列算出手段と、
前記算出された前記代表接触面の位置及び姿勢の要求変位量に前記算出された代表接触面ヤコビアン行列Jcの擬似逆行列Jc-1を乗じることにより前記代表接触面の位置及び姿勢の要求変位量を実現するための前記移動体の各関節の変位量の修正量である関節変位修正量を決定する関節変位修正量決定手段と、
前記移動体の目標運動により規定される該移動体の各関節の変位量である目標関節変位量を、前記決定された関節変位修正量により修正してなる修正後目標関節変位量に応じて前記関節アクチュエータを制御する関節変位制御手段とを備え、
前記目標運動で想定されている床面である想定床面の位置及び姿勢を、前記代表接触面位置姿勢変位量算出手段により算出された前記要求変位量に応じて補正することにより実際の床面の位置及び姿勢を推定することを特徴とする床面推定装置。
A base body, a plurality of leg links connected to the base body, and a joint actuator that drives a joint of each leg link, and the movement of the moving body that moves on the floor surface by the movement of the plurality of leg links In a control device for a moving body, the moving body is controlled according to a target motion of the body and a target total floor reaction force that is a target value of a total floor reaction force to be applied to the moving body to realize the target motion. Is a floor surface estimation device that estimates the position and posture of the actual floor surface on which the
The value obtained by integrating the deviation between the observed value of the total floor reaction force actually acting on the moving body and the target total floor reaction force is additionally applied to the moving body in order to bring the deviation close to zero. A total floor reaction force request correction amount determining means for determining a total floor reaction force request correction amount that is a correction amount of the total floor reaction force to be caused;
The total floor reaction force required correction amount is generated by a spring displacement of the position and posture of the representative contact surface as a single virtual contact surface representing all the contact surfaces of the movable body and the floor surface. Assuming that the position and orientation of the representative contact surface corresponding to the total floor reaction force required correction amount are determined from the determined total floor reaction force required correction amount and a predetermined spring constant of the representative contact surface. Representative contact surface position / posture displacement amount calculating means for calculating the displacement amount;
Between the temporal change rate of the position and posture of the representative contact surface, and the temporal change rate of the generalized variable vector composed of the position and posture of the base body and the displacement amount of each joint of the moving body as components. The representative contact surface Jacobian matrix Jc, which is a Jacobian matrix representing the relationship of the above, is obtained by changing the temporal change rate of the position of the tip portion of each leg link or the temporal change rate of the position and posture of the tip portion of each leg link and the generalized variable. Each floor link Jacobian matrix J_i, which is a Jacobian matrix representing the relationship between the temporal change rate of the vector, the spring constant, and the total floor reaction as the action point of the total floor reaction force that actually acts on the moving body The representative contact surface calculated by the following equation (27) from the relative position of the actual floor reaction force center point at the tip of each leg link with respect to the force center point and the value of the floor reaction force actually acting on each leg link A Jacobian matrix calculating means;
The calculated required displacement amount of the position and orientation of the representative contact surface is multiplied by the pseudo inverse matrix Jc −1 of the calculated representative contact surface Jacobian matrix Jc to obtain the required displacement amount of the position and orientation of the representative contact surface. A joint displacement correction amount determining means for determining a joint displacement correction amount that is a correction amount of a displacement amount of each joint of the moving body for realizing
The target joint displacement amount, which is the displacement amount of each joint of the mobile body defined by the target motion of the mobile body, is corrected according to the corrected target joint displacement amount obtained by correcting the determined joint displacement correction amount. A joint displacement control means for controlling the joint actuator,
The actual floor surface is corrected by correcting the position and posture of the assumed floor surface, which is the floor surface assumed in the target motion, according to the required displacement amount calculated by the representative contact surface position / posture displacement amount calculating means. A floor surface estimation device characterized by estimating the position and orientation of the floor.
基体と、基体に連結された複数の脚リンクと、各脚リンクの関節を駆動する関節アクチュエータとを備え、前記複数の脚リンクの運動によって床面上を移動する移動体の動作を、該移動体の目標運動と、該目標運動を実現するために該移動体に作用させるべき全床反力の目標値である目標全床反力とに応じて制御する移動体の制御装置において該移動体が移動する実際の床面の位置及び姿勢を推定する床面推定装置であって、
前記移動体に実際に作用する全床反力の観測値と、前記目標全床反力との偏差をゼロに近づけるために該移動体に付加的に作用させるべき全床反力の修正量である全床反力要求修正量を、少なくとも該偏差に比例する比例項と、該偏差を積分してなる積分項とを合成することにより決定する全床反力要求修正量決定手段と、
前記全床反力要求修正量が前記移動体と床面との全ての接触面を代表する単一の仮想的な接触面としての代表接触面の位置及び姿勢のばね性変位によって発生するものと仮定して、前記決定された全床反力要求修正量と前記代表接触面のあらかじめ定められたばね定数とから、該全床反力要求修正量に対応する該代表接触面の位置及び姿勢の要求変位量を算出する代表接触面位置姿勢変位量算出手段と、
前記代表接触面の位置及び姿勢の時間的変化率と、前記基体の位置及び姿勢と前記移動体の各関節の変位量とを成分として構成される一般化変数ベクトルの時間的変化率との間の関係を表すヤコビアン行列である代表接触面ヤコビアン行列Jcを、各脚リンクの先端部の位置の時間的変化率又は各脚リンクの先端部の位置及び姿勢の時間的変化率と前記一般化変数ベクトルの時間的変化率との間の関係を表すヤコビアン行列である各脚リンクヤコビアン行列J_iと、前記ばね定数と、前記移動体に実際に作用する全床反力の作用点としての全床反力中心点に対する各脚リンクの先端部の実際の床反力中心点の相対位置と、各脚リンクに実際に作用する床反力の値とから、次式(27)により算出する代表接触面ヤコビアン行列算出手段と、
前記算出された前記代表接触面の位置及び姿勢の要求変位量に前記算出された代表接触面ヤコビアン行列Jcの擬似逆行列Jc-1を乗じることにより前記代表接触面の位置及び姿勢の要求変位量を実現するための前記移動体の各関節の変位量の修正量である関節変位修正量を決定する関節変位修正量決定手段と、
前記移動体の目標運動により規定される該移動体の各関節の変位量である目標関節変位量を、前記決定された関節変位修正量により修正してなる修正後目標関節変位量に応じて前記関節アクチュエータを制御する関節変位制御手段と、
前記全床反力要求修正量のうちの前記積分項と前記代表接触面のばね定数とから、該積分項に対応する該代表接触面の位置及び姿勢の変位量である代表接触面定常変位量を算出する代表接触面定常変位量算出手段とを備え、
前記目標運動で想定されている床面である想定床面の位置及び姿勢を、前記代表接触面定常変位量算出手段により算出された前記代表接触面定常変位量に応じて補正することにより実際の床面の位置及び姿勢を推定することを特徴とする床面推定装置。
A base body, a plurality of leg links connected to the base body, and a joint actuator that drives a joint of each leg link, and the movement of the moving body that moves on the floor surface by the movement of the plurality of leg links In a control device for a moving body, the moving body is controlled according to a target motion of the body and a target total floor reaction force that is a target value of a total floor reaction force to be applied to the moving body to realize the target motion. Is a floor surface estimation device that estimates the position and posture of the actual floor surface on which the
A correction amount of the total floor reaction force to be additionally applied to the moving body in order to bring the deviation between the observed value of the total floor reaction force actually acting on the moving body and the target total floor reaction force close to zero. A total floor reaction force request correction amount determining means for determining a total floor reaction force request correction amount by combining at least a proportional term proportional to the deviation and an integral term obtained by integrating the deviation;
The total floor reaction force required correction amount is generated by a spring displacement of the position and posture of the representative contact surface as a single virtual contact surface representing all the contact surfaces of the movable body and the floor surface. Assuming that the position and orientation of the representative contact surface corresponding to the total floor reaction force required correction amount are determined from the determined total floor reaction force required correction amount and a predetermined spring constant of the representative contact surface. Representative contact surface position / posture displacement amount calculating means for calculating the displacement amount;
Between the temporal change rate of the position and posture of the representative contact surface, and the temporal change rate of the generalized variable vector composed of the position and posture of the base body and the displacement amount of each joint of the moving body as components. The representative contact surface Jacobian matrix Jc, which is a Jacobian matrix representing the relationship of the above, is obtained by changing the temporal change rate of the position of the tip portion of each leg link or the temporal change rate of the position and posture of the tip portion of each leg link and the generalized variable. Each floor link Jacobian matrix J_i, which is a Jacobian matrix representing the relationship between the temporal change rate of the vector, the spring constant, and the total floor reaction as the action point of the total floor reaction force that actually acts on the moving body The representative contact surface calculated by the following equation (27) from the relative position of the actual floor reaction force center point at the tip of each leg link with respect to the force center point and the value of the floor reaction force actually acting on each leg link A Jacobian matrix calculating means;
The calculated required displacement amount of the position and orientation of the representative contact surface is multiplied by the pseudo inverse matrix Jc −1 of the calculated representative contact surface Jacobian matrix Jc to obtain the required displacement amount of the position and orientation of the representative contact surface. A joint displacement correction amount determining means for determining a joint displacement correction amount that is a correction amount of a displacement amount of each joint of the moving body for realizing
The target joint displacement amount, which is the displacement amount of each joint of the mobile body defined by the target motion of the mobile body, is corrected according to the corrected target joint displacement amount obtained by correcting the determined joint displacement correction amount. Joint displacement control means for controlling the joint actuator;
A representative contact surface steady displacement amount that is a displacement amount of the position and orientation of the representative contact surface corresponding to the integral term from the integral term of the total floor reaction force required correction amount and the spring constant of the representative contact surface. A representative contact surface steady-state displacement amount calculating means for calculating
By correcting the position and orientation of the assumed floor surface, which is the floor surface assumed in the target motion, according to the representative contact surface steady displacement amount calculated by the representative contact surface steady displacement amount calculating means, A floor surface estimation apparatus characterized by estimating a position and a posture of a floor surface.
請求項1又は2記載の床面推定装置において、
前記算出された代表接触面ヤコビアン行列Jcの擬似逆行列Jc-1は、あらかじめ設定された重み行列Wと前記算出された代表接触面ヤコビアンJcとから次式(30)により算出される行列であると共に、該式(30)におけるkの値を、次式(31)により表される行列式DETが所定の正の閾値以上の値になるように決定する擬似逆行列演算用パラメータ決定手段を備えており、

Jc-1=W-1・JcT・(Jc・W-1・JcT+k・I)-1 ……(30)
DET=det(Jc・W-1・JcT+k・I) ……(31)
ただし、W:あらかじめ定められた重み行列(対角行列)

前記擬似逆行列演算用パラメータ決定手段は、kの暫定値を所定の初期値から段階的に増加させていくように設定することと、設定した各暫定値を用いて前記行列式DETの値を算出することと、算出した行列式DETの絶対値が前記所定の閾値以上の値であるか否かを判断することとを繰り返し、該判断結果が肯定的となったときのkの暫定値を、前記式(30)により擬似逆行列を算出するために用いるkの値として決定する手段であると共に、前記判断結果が否定的である場合のkの暫定値の増加量を、その増加前の暫定値を用いて算出した行列式DETの絶対値と前記所定の閾値との偏差の絶対値のn乗根(n:Jc・W-1・JcTの次数)に比例する値に設定することを特徴とする床面推定装置。
In the floor surface estimation apparatus according to claim 1 or 2,
The calculated pseudo inverse matrix Jc −1 of the representative contact surface Jacobian matrix Jc is a matrix calculated by the following equation (30) from the preset weight matrix W and the calculated representative contact surface Jacobian Jc. In addition, there is provided pseudo-inverse matrix operation parameter determination means for determining the value of k in the equation (30) so that the determinant DET represented by the following equation (31) is equal to or greater than a predetermined positive threshold value. And

Jc -1 = W -1 · Jc T · (Jc · W -1 · Jc T + k · I) -1 ...... (30)
DET = det (Jc ・ W −1・ Jc T + k ・ I) (31)
W: Predetermined weight matrix (diagonal matrix)

The pseudo inverse matrix calculation parameter determining means sets the provisional value of k so as to increase stepwise from a predetermined initial value, and uses the set provisional values to determine the value of the determinant DET. Repeatedly calculating and determining whether or not the absolute value of the calculated determinant DET is equal to or greater than the predetermined threshold, and the provisional value of k when the determination result is affirmative , A means for determining the value of k to be used for calculating the pseudo inverse matrix by the equation (30), and the increase amount of the provisional value of k when the determination result is negative, Set to a value proportional to the nth root of the absolute value of the deviation between the absolute value of the determinant DET calculated using the provisional value and the predetermined threshold (n: the order of Jc · W −1 · Jc T ). A floor surface estimation device characterized by the above.
JP2011117463A 2011-05-25 2011-05-25 Floor surface estimation device Active JP5616289B2 (en)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011117463A JP5616289B2 (en) 2011-05-25 2011-05-25 Floor surface estimation device
US13/479,885 US8670869B2 (en) 2011-05-25 2012-05-24 Robot controller
US13/479,894 US8504208B2 (en) 2011-05-25 2012-05-24 Mobile object controller and floor surface estimator
DE201210208905 DE102012208905B4 (en) 2011-05-25 2012-05-25 Control device of a mobile object and ground surface estimating device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011117463A JP5616289B2 (en) 2011-05-25 2011-05-25 Floor surface estimation device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2012245573A true JP2012245573A (en) 2012-12-13
JP5616289B2 JP5616289B2 (en) 2014-10-29

Family

ID=47466542

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2011117463A Active JP5616289B2 (en) 2011-05-25 2011-05-25 Floor surface estimation device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5616289B2 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017109252A (en) * 2015-12-14 2017-06-22 本田技研工業株式会社 Control device for mobile robot
JP2017113847A (en) * 2015-12-25 2017-06-29 本田技研工業株式会社 Control device for mobile robot
JP2018144149A (en) * 2017-03-03 2018-09-20 本田技研工業株式会社 Abnormal contact detection method and contact region identification method for mobile robot
CN111246979A (en) * 2018-01-10 2020-06-05 株式会社日立制作所 Moving body

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001328083A (en) * 2000-05-19 2001-11-27 Honda Motor Co Ltd Floor shape estimating device for leg type moving robot
JP2008119763A (en) * 2006-11-09 2008-05-29 Yaskawa Electric Corp Apparatus for controlling biped robot
JPWO2006064598A1 (en) * 2004-12-14 2008-06-12 本田技研工業株式会社 Legged mobile robot and its control program

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001328083A (en) * 2000-05-19 2001-11-27 Honda Motor Co Ltd Floor shape estimating device for leg type moving robot
JPWO2006064598A1 (en) * 2004-12-14 2008-06-12 本田技研工業株式会社 Legged mobile robot and its control program
JP2008119763A (en) * 2006-11-09 2008-05-29 Yaskawa Electric Corp Apparatus for controlling biped robot

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2017109252A (en) * 2015-12-14 2017-06-22 本田技研工業株式会社 Control device for mobile robot
JP2017113847A (en) * 2015-12-25 2017-06-29 本田技研工業株式会社 Control device for mobile robot
JP2018144149A (en) * 2017-03-03 2018-09-20 本田技研工業株式会社 Abnormal contact detection method and contact region identification method for mobile robot
CN111246979A (en) * 2018-01-10 2020-06-05 株式会社日立制作所 Moving body
CN111246979B (en) * 2018-01-10 2023-08-22 株式会社日立制作所 moving body

Also Published As

Publication number Publication date
JP5616289B2 (en) 2014-10-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5506617B2 (en) Robot control device
JP5506618B2 (en) Robot control device
US20120303162A1 (en) Mobile object controller and floor surface estimator
JP5506823B2 (en) Robot control device
US7873436B2 (en) Gait generator for mobile robot
JP5661023B2 (en) Gait generator for legged mobile robot and motion target generator for robot
US7715944B2 (en) Gait generating device of mobile robot
US8428780B2 (en) External force target generating device of legged mobile robot
KR101131775B1 (en) Controller of leg type moving robot
US8442680B2 (en) Motion state evaluation apparatus of legged mobile robot
WO2006013779A1 (en) Gait pattern generating device and controller of legged mobile robot
US8396593B2 (en) Gait generating device of legged mobile robot
JP5616289B2 (en) Floor surface estimation device
EP3117967A1 (en) Transparency control method for robotic devices and a control device therefor
US8442681B2 (en) Desired motion evaluation apparatus of legged mobile robot
JP5616290B2 (en) Control device for moving body
JP5616288B2 (en) Control device for moving body
JP2016093853A (en) Control system of mobile robot
JP5623375B2 (en) Gait generator for legged mobile robot
JP5623376B2 (en) Gait generator for legged mobile robot and motion target generator for robot
JP5232120B2 (en) Control device for moving body
Kim et al. Adjustment of home posture of biped humanoid robot using sensory feedback control
JP2013010166A (en) Robot controller

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20131127

TRDD Decision of grant or rejection written
A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20140814

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20140819

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20140911

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5616289

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250