JP2017144512A - Zmp calculation method and device - Google Patents

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JP2017144512A JP2016027828A JP2016027828A JP2017144512A JP 2017144512 A JP2017144512 A JP 2017144512A JP 2016027828 A JP2016027828 A JP 2016027828A JP 2016027828 A JP2016027828 A JP 2016027828A JP 2017144512 A JP2017144512 A JP 2017144512A
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悠紀 浅野
Yuki Asano
悠紀 浅野
壮一 大久保
Soichi Okubo
壮一 大久保
慧 岡田
Kei Okada
慧 岡田
雅幸 稲葉
Masayuki Inaba
雅幸 稲葉
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a ZMP calculation method and a device not depending on a 6-axial force sensor.SOLUTION: A device comprises a single one- or more-axis force sensor provided in each of links that make contact with a floor surface, joint torque acquisition means for acquiring joint torque of each link that makes contact with the floor surface, and ZMP calculation means. In torque Tabout an x-axis acting on the links that make contact with the floor surface, torque Tabout a y-axis, x-direction force F, y-direction force Fand z-direction force F, the joint torque acquired by the joint torque acquisition means is used as the torque Tabout the x-axis and the torque Tabout the y-axis, and the force Fin the z-direction is acquired by the one- or more-axis force sensor as floor reaction. The ZMP calculation means calculates a ZMP position by using the joint torque, the z-direction force Fand a position of the force sensor while ignoring the x-direction force Fand the y-direction force F.SELECTED DRAWING: Figure 9

Description

本発明は、ZMP(ゼロモーメントポイント)の算出方法及び装置に関するものである。 The present invention relates to a method and apparatus for calculating a ZMP (zero moment point).

ZMP(ゼロモーメントポイント)は、床反力によるモーメントの水平成分が0になる点として定義され、ヒューマノイド等のバランス制御に広く用いられている(非特許文献1)。 ZMP (zero moment point) is defined as a point at which the horizontal component of the moment due to floor reaction force becomes zero, and is widely used for balance control of humanoids and the like (Non-Patent Document 1).

一般的なヒューマノイドにおいて、ZMPは、足リンクに搭載された6軸力センサの出力情報(xyzの力、xyz周りのトルク)を用いて計算される場合が多い。具体的には、床面と接触するリンクに作用するx軸周りのトルクTx、y軸周りのトルクTy、x方向の力Fx、y方向の力Fy、z方向の力Fzにおいて、Tx、Ty、Fx、Fy、Fzの全てを6軸力センサによって取得する。6軸力センサを用いたZMPの算出は、ヒューマノイドの片足毎にセンサを1つ設ければよいので構成がシンプルであるという利点がある。しかしながら、6軸力センサに依存した計測方法には、以下のような欠点がある。 In a general humanoid, ZMP is often calculated using output information (force of xyz, torque around xyz) of a six-axis force sensor mounted on a foot link. Specifically, the torque T x around the x-axis acting on the link in contact with the floor, the torque T y around the y-axis, the force F x in the x direction, the force F y in the y direction, and the force F z in the z direction , T x , T y , F x , F y , and F z are all acquired by a six-axis force sensor. The calculation of ZMP using a six-axis force sensor has an advantage that the configuration is simple because one sensor is provided for each humanoid foot. However, the measurement method depending on the 6-axis force sensor has the following drawbacks.

●ヒューマノイドに搭載するのに適した小型の6軸力センサは、ヒューマノイドの負荷に対して定格が低い(図7参照)。一方、大きな定格のモーメントを計測するためには、大きなセンサを用いる必要があり構成が大型化しやすい。
●一般に6軸力センサはヒューマノイドの足部に作用するような大きな衝撃を想定して設計されておらず、6軸力センサの主な取付部である足部は、衝撃負荷を受けるため、6軸力センサの故障が起こり得る。
●バランス制御のためのZMP計算を6軸力センサ(冗長でない集中型センサとして用いられる)に依存すると、センサの故障は制御において致命的である。
●6軸力センサは比較的高価であり、また、大きな定格のモーメントを計測し、また、衝撃負荷に耐え得るような仕様とすると、さらなる高コスト化を招く。
● Small 6-axis force sensors suitable for mounting on humanoids have a low rating for humanoid loads (see Fig. 7). On the other hand, in order to measure a moment with a large rating, it is necessary to use a large sensor, and the configuration tends to increase in size.
● In general, 6-axis force sensors are not designed with a large impact acting on the humanoid foot, and the foot, which is the main attachment of the 6-axis force sensor, is subject to impact load. A failure of the axial force sensor can occur.
● If the ZMP calculation for balance control depends on a six-axis force sensor (used as a non-redundant centralized sensor), sensor failure is fatal in control.
● The 6-axis force sensor is relatively expensive, and if it is designed to measure a moment with a large rating and withstand a shock load, the cost increases further.

6軸力センサに依存しないZMPの算出方法としては、複数個の1軸力センサないし3軸力センサ用いる手法(例えば、4つの3軸力センサを用いる)も知られているが、複数個のセンサを搭載することは構造が複雑になってしまうという不具合がある。
ヒューマノイドロボット 梶田秀司 編著 株式会社オーム社
As a ZMP calculation method that does not depend on a six-axis force sensor, a method using a plurality of one-axis force sensors or three-axis force sensors (for example, using four three-axis force sensors) is also known. The mounting of the sensor has a problem that the structure becomes complicated.
Humanoid Robot Edited by Shuji Hamada Ohm Co., Ltd.

本発明は、簡単な構成でありながら、6軸力センサに依存しないZMPの算出方法及び装置を提供することを目的とするものである。 An object of the present invention is to provide a ZMP calculation method and apparatus that does not depend on a six-axis force sensor, while having a simple configuration.

本発明が採用した技術手段は、
床面と接触するリンクに作用するx軸周りのトルクTx、y軸周りのトルクTy、x方向の力Fx、y方向の力Fy、z方向の力Fzにおいて、
前記リンクの関節トルクを取得する関節トルク取得手段によって取得した関節トルクをx軸周りのトルクTx、y軸周りのトルクTyとして用い、
前記床反力取得手段によってz方向の力Fzを取得し、
前記関節トルクと前記z方向の力Fzを必須要素とし、x方向の力Fxとy方向の力Fyを任意要素として、ZMPの位置を算出することを特徴とするZMPの算出方法、
および、
床面と接触するリンクに作用する床反力を取得する床反力取得手段と、
床面と接触するリンクの関節トルクを取得する関節トルク取得手段と、
ZMP算出手段と、
を備え、
床面と接触するリンクに作用するx軸周りのトルクTx、y軸周りのトルクTy、x方向の力Fx、y方向の力Fy、z方向の力Fzにおいて、
前記関節トルク取得手段によって取得した関節トルクをx軸周りのトルクTx、y軸周りのトルクTyとして用い、
前記床反力取得手段によってz方向の力Fzを取得し、
前記ZMP算出手段は、前記関節トルクと前記z方向の力Fzを必須要素とし、x方向の力Fxとy方向の力Fyを任意要素として、ZMPの位置を算出することを特徴とするZMPの算出装置、である。
The technical means adopted by the present invention are:
In the torque T x around the x axis acting on the link in contact with the floor surface, the torque T y around the y axis, the force F x in the x direction, the force F y in the y direction, and the force F z in the z direction,
Using a joint torque obtained by the joint torque obtaining means for obtaining the joint torque of the link torque T x around x-axis, as the torque T y around the y-axis,
The floor reaction force acquisition means acquires the force F z in the z direction,
The joint torque and the a z-direction of the force F z essential element, the x-direction of the force F x and y direction force F y as optional elements, ZMP calculation method of and calculates the position of the ZMP,
and,
Floor reaction force acquisition means for acquiring a floor reaction force acting on a link in contact with the floor surface;
A joint torque acquisition means for acquiring a joint torque of a link in contact with the floor surface;
ZMP calculation means,
With
In the torque T x around the x axis acting on the link in contact with the floor surface, the torque T y around the y axis, the force F x in the x direction, the force F y in the y direction, and the force F z in the z direction,
Using a joint torque obtained by the joint torque obtaining section torque T x around x-axis, as the torque T y around the y-axis,
The floor reaction force acquisition means acquires the force F z in the z direction,
The ZMP calculating means, and wherein the joint torque and the z-direction of the force F z essential element, the x-direction of the force F x and y direction force F y as optional elements, to calculate the position of the ZMP ZMP calculation device.

1つの態様では、前記床面と接触するリンクは、ヒューマノイドのリンク(足リンク)であるが、前記床面と接触するリンクは、二足以外の多足ロボットのリンク(足リンク)であってもよい。
後述する実施形態では、ワイヤ駆動型の筋骨格ヒューマノイドを例示するが、本発明が適用され得るロボットのタイプは限定されない。
また、本発明の内容を限定するものではないが、本明細書においては、ロボットの前後方向をx軸(正面が+)、左右方向をy軸(左が+)、上下方向をz軸(上方向が+)の右手系座標系とする。
ここで、ZMPという概念がカバーする技術範囲は、ヒューマノイドロボット等のロボットの安定化制御に限定されるものではなく、広く、物体(人体やパーソナルモビリティを含む)の転倒防止に利用可能な概念である。
1つの態様では、ZMPの位置を算出する対象は、身体装着型デバイスを装着した人体であってもよく、算出されたZMPを用いて、当該身体装着型デバイスによって、人間のバランスを維持したり、転倒を防止したりする制御を行ってもよい。例えば、身体装着型デバイスは、人体のバランス制御や転倒防止を行うアシストスーツである。
In one aspect, the link that contacts the floor is a humanoid link (foot link), but the link that contacts the floor is a link (foot link) of a multi-legged robot other than two legs. Also good.
In the embodiment described later, a wire-driven musculoskeletal humanoid is illustrated, but the type of robot to which the present invention can be applied is not limited.
Further, although the contents of the present invention are not limited, in this specification, the front-rear direction of the robot is the x-axis (the front is +), the left-right direction is the y-axis (left is +), and the up-down direction is the z-axis ( The right-handed coordinate system has an upward direction of +).
Here, the technical scope covered by the concept of ZMP is not limited to stabilization control of robots such as humanoid robots, but is a concept that can be widely used to prevent falls of objects (including human bodies and personal mobility). is there.
In one aspect, the target for calculating the position of the ZMP may be a human body wearing a body-mounted device, and the calculated ZMP may be used to maintain a human balance with the body-mounted device. In addition, control for preventing a fall may be performed. For example, a body-worn device is an assist suit that controls balance of the human body and prevents falls.

1つの態様では、前記関節トルク取得手段は、筋張力と、筋張力を関節トルクに変換する係数と、を用いて関節トルクを取得する。
1つの典型的な態様では、前記係数は、ヤコビアン(ヤコビ転置行列)である。トルクは、a(モーメントアーム) * F(筋張力)によって算出できることは当業者によく知られており、aが姿勢(関節角度)に応じて変化し、かつ、筋本数が多い場合には、ヤコビアンを用いてトルクを計算する。なお、係数はヤコビアンに限定されるものではなく、姿勢に応じてaが変化しないような場合(径一定のプーリを使うなど)や、筋本数が1本の時は、単にモーメントアームを用いて、トルクを求めてもよい。
In one aspect, the joint torque acquisition means acquires joint torque using muscle tension and a coefficient for converting muscle tension into joint torque.
In one exemplary aspect, the coefficient is a Jacobian (Jacobi transpose matrix). It is well known to those skilled in the art that torque can be calculated by a (moment arm) * F (muscle tension), and when a changes according to posture (joint angle) and the number of muscles is large, Calculate torque using Jacobian. Note that the coefficient is not limited to Jacobian. If a does not change according to the posture (such as using a pulley with a constant diameter), or if the number of muscles is one, simply use a moment arm. The torque may be obtained.

筋張力を用いて関節トルクを算出する態様においては、対象となるロボットが、筋を代用した要素(典型的にはワイヤ、)を備えていることが前提となる。このようなロボットとしては、筋骨格型ロボット、ワイヤ駆動型ロボット、空気圧駆動型ロボットを例示することができる。筋骨格型ロボットにおいては、筋アクチュエータ(モータ+ワイヤ、または、空気圧、または、直動シリンダ)が筋に対応する要素である。ワイヤ駆動型ロボットにおいては、ワイヤが筋に対応する要素である。空気圧駆動型ロボットにおいては、空気圧アクチュエータ(もしくは,空気圧アクチュエータに取り付けたワイヤ)が筋に対応する要素である。
また、上記の身体装着型デバイスを装着した人体の態様では、例えば、身体装着型デバイスを構成するワイヤ駆動機構には、関節トルク(例えば、足首関節トルク)を算出できるように張設されたワイヤが含まれており、当該ワイヤの張力を計測することで関節トルクを算出する。
In an aspect in which joint torque is calculated using muscle tension, it is assumed that the target robot includes an element (typically a wire) that substitutes muscle. Examples of such robots include musculoskeletal robots, wire drive robots, and pneumatic drive robots. In a musculoskeletal robot, a muscle actuator (motor + wire, air pressure, or linear cylinder) is an element corresponding to a muscle. In the wire driven robot, the wire is an element corresponding to the muscle. In a pneumatic drive robot, a pneumatic actuator (or a wire attached to the pneumatic actuator) is an element corresponding to a muscle.
Moreover, in the aspect of the human body wearing the body-worn device, for example, the wire driving mechanism constituting the body-worn device has a wire stretched so that joint torque (for example, ankle joint torque) can be calculated. The joint torque is calculated by measuring the tension of the wire.

1つの態様では、前記床反力取得手段は、1軸以上の力センサである。
各リンクについて、1個の1軸以上の力センサを設ければよい。
1つの態様では、前記床反力取得手段は、1軸力センサないし3軸力センサである。
床反力取得手段として、3軸力以上の力センサを用いる場合には、当該力センサによって、x方向の力Fx、y方向の力Fyが取得可能であり、この場合、ZMPの算出において、x方向の力Fx、y方向の力Fyを用いてもよく(この場合、後述する式(2)、(3)を用いることができる)、あるいは、次に述べるように、x方向の力Fx、y方向の力Fy(取得可能であるものの)を用いなくてもよい。
また、上記の身体装着型デバイスを装着した人体の態様では、例えば、人体の足部(靴)に埋め込んだ一軸力センサから垂直反力を計測してもよい。
In one aspect, the floor reaction force acquisition means is a uniaxial or more force sensor.
For each link, one force sensor with one or more axes may be provided.
In one aspect, the floor reaction force acquisition means is a uniaxial force sensor or a triaxial force sensor.
When a force sensor with three or more axial forces is used as the floor reaction force acquisition means, the force sensor can acquire the force F x in the x direction and the force F y in the y direction. In this case, the ZMP is calculated. in the force F x in the x-direction, (in this case, the formula to be described later (2), (3) can be used) y direction of the force F y may be used, or, as described below, x The direction force F x and the y direction force F y (which can be acquired) may not be used.
Further, in the aspect of the human body wearing the body-mounted device, for example, the vertical reaction force may be measured from a uniaxial force sensor embedded in a foot (shoe) of the human body.

1つの態様では、前記ZMPの位置は、x方向の力Fx、y方向の力Fyを無視して、以下の式によって算出される。
ここで、
pm,x:ZMPのx座標、
pm,y:ZMPのy座標、
pjx:各力センサのx座標、
pjy:各力センサのy座標、
fjz:各力センサでのz方向の力、
τm,jx:各関節での張力に基づくx軸周りのトルク、
τm,jy:各関節での張力に基づくy軸周りのトルク、
j(1,…,N):床面と接触するリンク番号、
である。
In one embodiment, the position of the ZMP is calculated by the following formula, ignoring the force F x in the x direction and the force F y in the y direction.
here,
p m, x : ZMP x coordinate,
p m, y : y coordinate of ZMP,
p jx : x coordinate of each force sensor,
p jy : y coordinate of each force sensor,
f jz : z direction force at each force sensor,
τ m, jx : Torque around the x axis based on the tension at each joint,
τ m, jy : Torque around y-axis based on tension at each joint,
j (1,…, N): Link number that contacts the floor,
It is.

すなわち、関節トルク取得手段で取得した各リンクの各関節トルクτm,jx、τm,jy、各1軸以上の力センサで取得したfjz、各1軸以上の力センサの位置pjx、pjy、を用いてZMPの位置pm,x、pm,y、を算出する。
1軸以上の力センサの位置pjx、pjyとしては、例えば、ヒューマノイド(N=2)において、直立姿勢における両足の中心位置を原点として、そこからの距離を測定して用いてもよい。例えば、その値を初期値として記憶部に記憶しておき、直立状態で、足の移動が無い場合には、初期値をそのまま用い、踏み出すなど、足が移動した場合には、移動後の位置を計算して(各関節角度やリンク長を用いて位置計算が可能であることが当業者に理解される)初期値を更新して用いてもよい。
1軸以上の力センサの高さ位置pjzは、床面になるべく近接した位置が望ましい。1軸以上の力センサが床面に近いほど、x方向の力Fx、y方向の力Fyを無視することの影響が少ないと考えられる。
That is, each joint torque τ m, jx , τ m, jy of each link acquired by the joint torque acquisition means, f jz acquired by a force sensor of one or more axes, position p jx of each one or more force sensor, p jy , ZMP positions p m, x and p m, y are calculated.
As the positions p jx and p jy of one or more force sensors, for example, in the humanoid (N = 2), the center position of both feet in an upright posture may be used as the origin, and the distance from there may be measured. For example, the value is stored in the storage unit as an initial value, and when the foot is moved in an upright state, the initial value is used as it is. May be used by updating the initial value (which is understood by those skilled in the art that position calculation is possible using each joint angle and link length).
The height position p jz of one or more force sensors is preferably as close as possible to the floor surface. It is considered that the closer the force sensor of one or more axes is to the floor surface, the less influence of ignoring the force F x in the x direction and the force F y in the y direction.

1つの態様では、力センサの位置情報を任意情報として用い、上記式において、pjx=0,pjy=0として、計算した値pm,x、pm,yのいずれか一方あるいは両方を用いて制御を行ってもよい。
例えば、後述する実施形態では、前後方向のpm,xについては、τm,jyが支配的であり、比較的有効な値が得られると考えられる。用いる用途をアシストスーツや簡単な前後方向の安定化制御などで考えると、前後方向のpm,xのみを用いた制御の可能性もある。
In one aspect, the position information of the force sensor is used as arbitrary information. In the above formula, p jx = 0, p jy = 0, and one or both of the calculated values p m, x , p m, y are used. It may be used to control.
For example, in the embodiments described later, with respect to pm , x in the front-rear direction, τ m, jy is dominant, and it is considered that a relatively effective value can be obtained. Considering the application to be used, such as an assist suit and simple front-rear stabilization control, there is a possibility of control using only pm, x in the front-rear direction.

1つの態様では、前記関節トルク取得手段は、関節トルクセンサである。
関節トルクセンサとしては、例えば、(ひずみゲージ型)トルクセンサ、静電容量型トルクセンサ、磁歪式トルクセンサが知られており、適宜、市販されているセンサ、あるいは、これらの原理に基づいて独自に開発したセンサを用いることができる。
ワイヤ駆動方式ではなく、関節を直接モータで駆動させる方式のロボットにおいては、関節トルクセンサを用いて関節トルクを取得する。
In one aspect, the joint torque acquisition means is a joint torque sensor.
As the joint torque sensor, for example, a (strain gauge type) torque sensor, a capacitance type torque sensor, and a magnetostrictive torque sensor are known, and a commercially available sensor or a unique one based on these principles is used. It is possible to use the newly developed sensor.
In a robot that uses a motor to directly drive a joint instead of a wire drive system, a joint torque is acquired using a joint torque sensor.

床反力取得手段は、1軸以上の力センサに限定されるものではなく、例えば、
床面に接触する第1節(足部)、第1関節を介して第1節に接続される第2節(脛部)、第2関節を介して第2節に接続する第3節(大腿部)とした時に、第1関節(足首関節)、第2関節(膝関節)、第3関節(股関節)の関節トルクと関節角度を用いて、床反力を取得してもよい。あるいは、フォースプレートが備わった環境において、フォースプレートから床反力を取得してもよい。
The floor reaction force acquisition means is not limited to a force sensor having one or more axes, for example,
The first node (foot) that contacts the floor, the second node (shin) connected to the first node via the first joint, and the third node (second portion) connected to the second node via the second joint ( The floor reaction force may be acquired using the joint torque and joint angle of the first joint (ankle joint), the second joint (knee joint), and the third joint (hip joint). Alternatively, the floor reaction force may be acquired from the force plate in an environment equipped with the force plate.

本発明によれば、これまで6軸力センサのTx、Ty、Fx、Fy、Fzを用いて求めていたZMP算出に必要な値を、別の手段(関節トルク取得手段、床反力取得手段)により求めることができる。
Tx、Tyは床面に接触するリンクに作用するモーメント負荷であり、当該リンクの関節トルクを求めることで得ることができる。関節トルク取得手段には、筋張力(ワイヤ張力)を用いる手法や関節トルクセンサがある。
Fzは垂直反力であり、1軸以上の力センサの、Fz成分を用いることができる。
According to the present invention, a value necessary for ZMP calculation, which has been obtained using T x , T y , F x , F y , F z of the six-axis force sensor so far, is obtained by another means (joint torque acquisition means, Floor reaction force acquisition means).
T x and T y are moment loads acting on the link contacting the floor surface, and can be obtained by obtaining the joint torque of the link. The joint torque acquisition means includes a technique using muscle tension (wire tension) and a joint torque sensor.
F z is a vertical reaction force, and an F z component of a force sensor having one or more axes can be used.

したがって、本発明によって、6軸力センサに依存しなZMPの算出が可能となり、
耐衝撃性能、大定格が求められる力センサとして、比較的安価かつコンパクトな1軸力センサ(6軸力センサよりも定格が大きい)を用いることができる。
1軸力センサを用いた場合には、x方向の力Fx、y方向の力Fyを無視して、ZMPの位置の算出を行うが、このZMPの位置を用いて安定化制御が可能である。
モーメント負荷計測に筋張力(ワイヤ張力)を用いる態様では、ワイヤ張力の計測は比較的容易であるため、コンパクトな構成で大モーメント負荷の計測が可能となる。
また、センサの冗長化が可能となり、故障信頼性が向上する。
Therefore, according to the present invention, ZMP can be calculated independent of the 6-axis force sensor.
A relatively inexpensive and compact uniaxial force sensor (which has a higher rating than the six-axis force sensor) can be used as a force sensor that requires impact resistance and a large rating.
In the case of using the one-axis force sensors, x-direction of the force F x, ignoring the y direction of the force F y, performs the calculation of the position of the ZMP, can be stabilized control by using the position of the ZMP It is.
In a mode in which muscle tension (wire tension) is used for moment load measurement, since measurement of wire tension is relatively easy, measurement of a large moment load is possible with a compact configuration.
In addition, the redundancy of the sensor becomes possible, and the failure reliability is improved.

本実施形態に係る筋骨格ヒューマノイドの上半身を示す図である。It is a figure which shows the upper half body of the musculoskeletal humanoid which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る筋骨格ヒューマノイドの背骨構造を示す図である。It is a figure which shows the backbone structure of the musculoskeletal humanoid which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る筋骨格ヒューマノイドの脚部の筋配置を示す図である。It is a figure which shows the muscle arrangement | positioning of the leg part of the musculoskeletal humanoid which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る筋骨格ヒューマノイドの脚部の関節配置を示す図である。It is a figure which shows joint arrangement | positioning of the leg part of the musculoskeletal humanoid which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る筋骨格ヒューマノイドの足首の筋配置を示す図である。It is a figure which shows the muscle arrangement | positioning of the ankle of the musculoskeletal humanoid which concerns on this embodiment. ZMP計算の幾何学構成を示す図である。It is a figure which shows the geometric structure of ZMP calculation. 本実施形態に係る筋張力から取得したトルクと6軸力センサから取得したトルクとを対比して示す図である。It is a figure which compares and shows the torque acquired from the muscle tension which concerns on this embodiment, and the torque acquired from the 6-axis force sensor. 本実施形態に係るZMPを導出するための足首の幾何学条件を示す。An ankle geometric condition for deriving a ZMP according to the present embodiment is shown. 本実施形態に係るZMP算出のブロック図である。It is a block diagram of ZMP calculation concerning this embodiment. 本実施形態にしたがって算出したZMPと6軸力センサを用いて算出したZMPの比較を示す図である。It is a figure which shows the comparison of ZMP computed using the 6-axis force sensor and ZMP computed according to this embodiment. 背骨スタビライザを用いた制御の考え方を示す図である。It is a figure which shows the view of the control using a spine stabilizer. 背骨スタビライザのシーケンスを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the sequence of a spine stabilizer. 本実施形態に係る筋骨格ヒューマノイドの前屈み動作を示す図である。It is a figure which shows the forward bending operation | movement of the musculoskeletal humanoid which concerns on this embodiment. 前屈み動作制御の実験データを示す図である。It is a figure which shows the experimental data of forward bending operation control. 本実施形態に係る筋骨格ヒューマノイドの後反り動作を示す図である。It is a figure which shows the back curvature operation | movement of the musculoskeletal humanoid which concerns on this embodiment. 後反り動作制御の実験データを示す図である。It is a figure which shows the experimental data of back curvature operation | movement control. 本実施形態に係る筋骨格ヒューマノイドに対する重り負荷実験を示す図である。It is a figure which shows the weight load experiment with respect to the musculoskeletal humanoid which concerns on this embodiment. 重り負荷時の制御の実験のデータを示す図である。It is a figure which shows the data of the experiment of control at the time of weight load.

[A]本実施形態に係る筋骨格ヒューマノイド
本実施形態に係る筋骨格ヒューマノイド(「腱志郎」と称する)の筋(筋ワイヤ)配置は、人体の基本動作に重要な筋を選択し、人体解剖学に基づいて人体を模倣した配置となっている。本実施形態に係るヒューマノイドの上半身の筋配置、筋名(番号、関連する関節と共に)を、それぞれ図1、表1に示す。
本実施形態に係るヒューマノイドの上半身における背骨構造を図2に示す。背骨構造は、5個の脊椎骨から構成されている。
[A] Musculoskeletal humanoid according to the present embodiment The muscle (muscle wire) arrangement of the musculoskeletal humanoid according to the present embodiment (referred to as “tenro shiro”) selects a muscle important for the basic motion of the human body, It is a layout that imitates the human body based on science. FIG. 1 and Table 1 show muscle arrangements and muscle names (with numbers and associated joints) of the upper body of the humanoid according to the present embodiment, respectively.
The spine structure in the upper half of the humanoid according to the present embodiment is shown in FIG. The spine structure is composed of five vertebrae.

本実施形態に係るヒューマノイドの脚部の筋配置、筋名(番号、関連する関節と共に)を、それぞれ図3、表2に示す。
本実施形態に係るヒューマノイドの脚部の関節配置を図4に示す。図5は本実施形態に係るヒューマノイドの足首の筋配置を示し、足首は、6つの筋(番号:7,8,9,23,24,25)と6軸力センサを備えている。
FIG. 3 and Table 2 show the muscle arrangement and name (with numbers and associated joints) of the leg of the humanoid according to the present embodiment, respectively.
FIG. 4 shows the joint arrangement of the leg portions of the humanoid according to the present embodiment. FIG. 5 shows an ankle muscle arrangement of the humanoid ankle according to the present embodiment, and the ankle includes six muscles (numbers: 7, 8, 9, 23, 24, 25) and a six-axis force sensor.

本実施形態に係るヒューマノイドは、64の自由度(顔と手を除く)を有している。各関節は、筋アクチュエータ(ワイヤとモータ)によって駆動される。アクチュエータの数は、全体で105個(上半身に55個、脚部に50個)である。関節の可動範囲を、表3に示す。
なお、本実施形態に係る筋骨格ヒューマノイドは、ワイヤ駆動型の筋骨格ヒューマノイドの例示に過ぎないものであり、本発明が適用され得る対象を限定するものではない。
The humanoid according to the present embodiment has 64 degrees of freedom (excluding the face and hands). Each joint is driven by a muscle actuator (wire and motor). The total number of actuators is 105 (55 for the upper body and 50 for the legs). Table 3 shows the movable range of the joint.
Note that the musculoskeletal humanoid according to the present embodiment is merely an example of a wire-driven musculoskeletal humanoid, and does not limit the target to which the present invention can be applied.

[B]ZMPの算出
ZMPの導出は、例えば、非特許文献1に記載されており、ヒューマノイドの足が床面に押し付けられた時の足に取り付けられた力センサの出力情報を用いてZMPの位置を計算することができる。図6に示す幾何条件にしたがい、点p=[py py pz]Tに作用するモーメントは、以下のように記述することができる。
ここで、pはZMPの位置である。pj(j=1,…,N)は力センサの位置であり、pjにおいて、力fj、モーメントτjが計測されているとする。ZMPの位置は、右辺のx,y成分を0とおいて、上記式をpx,pyについて解くことによって計算される。
[B] Calculation of ZMP
The derivation of ZMP is described in, for example, Non-Patent Document 1, and the position of ZMP can be calculated using the output information of a force sensor attached to the foot when the humanoid foot is pressed against the floor surface. it can. According to the geometric condition shown in FIG. 6, the moment acting on the point p = [p y p y p z ] T can be described as follows.
Here, p is the position of ZMP. p j (j = 1,..., N) is the position of the force sensor, and it is assumed that force f j and moment τ j are measured at p j . The position of ZMP is calculated by solving the above equation for p x and p y with the x and y components on the right side set to 0.

すなわち、ZMPの位置px,pyは、以下のように記述できる。
ここで、
px:ZMPのx座標、
py:ZMPのy座標、
pz:ZMPのz座標、
pjx:各力センサのx座標、
pjy:各力センサのy座標、
pjz:各力センサのz座標、
fjx:各力センサでのx方向の力、
fjy:各力センサでのy方向の力、
fjz:各力センサでのz方向の力、
τjx:各力センサでのx軸周りのトルク、
τjy:各力センサでのy軸周りのトルク、
j(1,…,N):床面と接触するリンク番号、
である。
That is, the positions p x and p y of ZMP can be described as follows.
here,
p x : X coordinate of ZMP,
p y : y coordinate of ZMP,
p z : z coordinate of ZMP,
p jx : x coordinate of each force sensor,
p jy : y coordinate of each force sensor,
p jz : z coordinate of each force sensor,
f jx : Force in x direction at each force sensor,
f jy : force in y direction at each force sensor,
f jz : z direction force at each force sensor,
τ jx : Torque around x axis at each force sensor,
τ jy : Torque around y-axis at each force sensor,
j (1, ..., N): Link number that contacts the floor,
It is.

一般的なヒューマノイドにおいて、ZMPは、足リンクに搭載された6軸力センサの出力情報を用いて計算される。しかしながら、6軸力センサに依存した計測方法に欠点があることは、従来技術の欄で言及した通りである。以下に、6軸力センサに依存しないZMP算出、具体的には、筋張力及び床反力を用いて算出するZMP(「筋ZMP」という)について説明する。 In a general humanoid, ZMP is calculated using output information of a six-axis force sensor mounted on a foot link. However, as mentioned in the section of the prior art, there is a drawback in the measurement method depending on the 6-axis force sensor. Hereinafter, ZMP calculation that does not depend on the six-axis force sensor, specifically, ZMP calculated using muscle tension and floor reaction force (referred to as “muscle ZMP”) will be described.

[C]筋骨格ヒューマノイドにおける筋ZMP
[C−1]筋骨格ヒューマノイドにおける関節トルク
筋骨格ヒューマノイドにおける筋張力(ワイヤ張力)に基づいた関節トルクの取得について説明する。足首関節にn個の筋を備えた筋骨格ヒューマノイドにおいて、x,y,z軸周りの関節トルクベクトルT(∈R2)は、足首における筋張力ベクトルF(∈Rn)、筋力ヤコビアンG(∈Rn×2)を用いて、以下の変換式から求められる。
ここで、
T:関節トルクベクトル、
F:ワイヤ張力ベクトル、
G:ヤコビアン(ワイヤ長−関節角度)、
τm,x:x軸周りの関節トルク、
τm,y:y軸周りの関節トルク、
fn:各ワイヤ張力、
である。
[C] Muscle ZMP in musculoskeletal humanoids
[C-1] Joint Torque in Musculoskeletal Humanoid Acquisition of joint torque based on muscle tension (wire tension) in a musculoskeletal humanoid will be described. In a musculoskeletal humanoid with n muscles at the ankle joint, the joint torque vector T (∈R 2 ) around the x, y, z axes is the muscle tension vector F (∈R n ) at the ankle, muscle Jacobian G ( ΕR n × 2 ) and is obtained from the following conversion formula.
here,
T: joint torque vector,
F: wire tension vector,
G: Jacobian (wire length-joint angle),
τ m, x : Joint torque around x axis,
τ m, y : Joint torque around y-axis,
f n : Each wire tension,
It is.

筋ヤコビアンは、筋長ベクトルLと関節角度ベクトルθを関連付けるヤコビアン行列であり、筋ヤコビアンは、
から求められる。
The muscle Jacobian is a Jacobian matrix that correlates the muscle length vector L and the joint angle vector θ, and the muscle Jacobian is
It is requested from.

図5に示すように、本実施形態に係るヒューマノイドは、足首について6つの筋(番号:7,8,9,23,24,25)を備えており、足首関節のトルクは、この6つの筋の筋張力(ワイヤ張力)から取得することができる。ワイヤ張力の取得手段としては、ロードセル等の1軸力センサを用いた張力計測機構が当業者に知られている。このような張力計測機構の具体例が、
Yuki Asano, Toyotaka Kozuki, Soichi Ookubo, Koji Kawasaki, Takuma Shirai, Kohei Kimura, Kei Okada and Masayuki Inaba: A sensor-driver integrated muscle module with high-tension measurability and flexibility for tendon-driven robots, Intelligent Robots and Systems (IROS), 2015 IEEE/RSJ International Conference, pp.5960−5965
に記載されており、適宜参照することができる。
As shown in FIG. 5, the humanoid according to the present embodiment has six muscles (numbers: 7, 8, 9, 23, 24, 25) for the ankle, and the torque of the ankle joint is the six muscles. It can be obtained from the muscle tension (wire tension). As a means for acquiring wire tension, a tension measuring mechanism using a uniaxial force sensor such as a load cell is known to those skilled in the art. A specific example of such a tension measuring mechanism is
Yuki Asano, Toyotaka Kozuki, Soichi Ookubo, Koji Kawasaki, Takuma Shirai, Kohei Kimura, Kei Okada and Masayuki Inaba: A sensor-driver integrated muscle module with high-tension measurability and flexibility for tendon-driven robots, Intelligent Robots and Systems (IROS ), 2015 IEEE / RSJ International Conference, pp. 5960-5965
Can be referred to as appropriate.

図7に、筋張力(ワイヤ張力)から求めた関節トルクと6軸力センサによって取得されたトルクを対比して示す。小型の6軸力センサは、ヒューマノイドの負荷に対して定格が低く、大きなトルクが計測できなかったことが示されている。なお、本実施形態に係るヒューマノイドは、足リンクに6軸センサを備えているが、本実施形態に係る筋ZMPの算出においては、6軸力センサは、床反力fzのみを取得するために用いられる。 FIG. 7 shows a comparison between the joint torque obtained from the muscle tension (wire tension) and the torque acquired by the six-axis force sensor. The small 6-axis force sensor has a low rating with respect to the load of the humanoid, and it has been shown that a large torque could not be measured. Incidentally, humanoid according to this embodiment is provided with the six-axis sensor to the foot link, in the calculation of the muscular ZMP according to the present embodiment, the six-axis force sensor, in order to obtain only the floor reaction force f z Used for.

[C−2]筋ZMPの計算
通常、ZMPの位置を算出するためには、床面と接触するリンクでのTx、Ty、Fx、Fy、Fzが必要である。本実施形態では、ZMPの位置を算出において、水平力Fx、Fyが及ぼす影響は少ないことを仮定して(リンクに設けられた力センサが床面に近い場合には、これらの影響は小さくなると考えられる。)、従来6軸力センサによって取得されていた水平力Fx、Fyを省くことを考えた。したがって、ZMPの位置を算出に用いる値はTx、Ty、Fzとなる。
[C-2] Calculation of muscle ZMP Normally, in order to calculate the position of ZMP, T x , T y , F x , F y , and F z at the link that contacts the floor surface are required. In this embodiment, it is assumed that the horizontal forces F x and F y have little influence on the calculation of the ZMP position (if the force sensor provided on the link is close to the floor, these influences are It is considered that the horizontal forces F x and F y which have been obtained by the conventional 6-axis force sensor are omitted. Therefore, the values used for calculating the position of ZMP are T x , T y , and F z .

Tx、Tyとして、6軸力センサにより取得されるトルクの代わりに、筋張力fmuscleから取得する関節トルクτm,xm,yを用いる。Fzとして、1軸以上の力センサ(FT sensor)により計測された床反力fzを用いる。通常のZMP計算式(2)、(3)において、fx、fyの値が微小であると仮定して、これらを無視する。式(2)、(3)を書き換えることによって、筋ZMPの位置pm,x、pm,yの算出式(5)、(6)を得る。足首の幾何条件を図8に示す。 As T x and T y , joint torques τ m, x , τ m, y acquired from the muscle tension f muscle are used instead of the torque acquired by the six-axis force sensor. As F z , a floor reaction force f z measured by a force sensor (FT sensor) having one or more axes is used. In the normal ZMP calculation formulas (2) and (3), it is assumed that the values of f x and f y are very small and are ignored. By rewriting the equations (2) and (3) , the calculation equations (5) and (6) for the positions pm , x and pm , y of the muscle ZMP are obtained. The ankle geometric conditions are shown in FIG.

[C−3]筋ZMPの計算式(一般的な場合)
ここで、
pm,x:筋ZMPのx座標、
pm,y:筋ZMPのy座標、
pjx:各力センサのx座標、
pjy:各力センサのy座標、
fjz:各力センサでのz方向の力、
τm,jx:各関節での張力に基づくx軸周りのトルク、
τm,jy:各関節での張力に基づくy軸周りのトルク、
j(1,…,N):床面と接触するリンク番号、
である。
[C-3] Calculation formula of muscle ZMP (general case)
here,
p m, x : x coordinate of muscle ZMP,
p m, y : y coordinate of muscle ZMP,
p jx : x coordinate of each force sensor,
p jy : y coordinate of each force sensor,
f jz : z direction force at each force sensor,
τ m, jx : Torque around the x axis based on the tension at each joint,
τ m, jy : Torque around y-axis based on tension at each joint,
j (1, ..., N): Link number that contacts the floor,
It is.

[D−4]筋ZMPの計算式(二脚の具体的な場合)
二脚(N=2)の場合は、以下の式によって、筋ZMPを算出する。

ここで、
pm,x:筋ZMPのx座標、
pm,y:筋ZMPのy座標、
pLx:左足力センサのx座標、
pLy:左足センサのy座標、
pRx:右足力センサのx座標、
pRy:右足力センサのy座標、
fLz:左足力センサでのz方向の力、
fRz:右足力センサでのz方向の力、
τm,Lx:左足首関節での張力に基づくx軸周りのトルク、
τm,Ly:左足首関節での張力に基づくy軸周りのトルク、
τm,Rx:右足首関節での張力に基づくx軸周りのトルク、
τm,Ry:右足首関節での張力に基づくy軸周りのトルク、
である。
[D-4] Calculation formula of muscle ZMP (specific case of bipod)
In the case of biped (N = 2), the muscle ZMP is calculated by the following formula.

here,
p m, x : x coordinate of muscle ZMP,
p m, y : y coordinate of muscle ZMP,
p Lx : x coordinate of left foot force sensor,
p Ly : y coordinate of left foot sensor
p Rx : x coordinate of right foot force sensor,
p Ry : y coordinate of the right foot force sensor,
f Lz : Force in the z direction at the left foot force sensor,
f Rz : Force in z direction with right foot force sensor,
τ m, Lx : Torque around the x-axis based on the tension at the left ankle joint,
τ m, Ly : Torque around the y-axis based on the tension at the left ankle joint,
τ m, Rx : Torque around the x axis based on the tension at the right ankle joint,
τ m, Ry : Torque around the y-axis based on the tension at the right ankle joint,
It is.

図9に本実施形態に係るZMPの位置の算出のブロック図を示す。ZMPの算出装置は、床面と接触する各リンクに設けられた床反力取得手段と、床面と接触する各リンクの関節トルク(床面と接触する第1リンクと、第1リンクに隣接する第2リンクと、を接続する関節のトルク)を取得する関節トルク取得手段と、ZMP算出手段と、とからなる。 FIG. 9 shows a block diagram for calculating the position of the ZMP according to the present embodiment. The ZMP calculation device includes a floor reaction force acquisition means provided at each link that contacts the floor surface, a joint torque of each link that contacts the floor surface (a first link that contacts the floor surface, and an adjacent first link). A joint torque acquiring means for acquiring a torque of a joint connecting the second link, and a ZMP calculating means.

本実施形態では、床反力取得手段は、各リンクついて1個の1軸以上の力センサ(図では「1軸力センサ」を例示)であり、当該センサによって床反力fizが取得される。各1軸以上の力センサの位置pjx,pjyは既知あるいは計算可能となっている。関節トルク取得手段は、筋張力と、筋張力を関節トルクに変換するヤコビアンと、を用いて関節トルクτm,jx,τm,jyを取得する。ZMPの算出手段は、fiz、pjx,pjy、τm,jx,τm,jyを用いて、筋ZMPの位置pm,x,pm,yを算出する。 In the present embodiment, the floor reaction force acquisition means is a single one-axis or more force sensor (in the figure, “one-axis force sensor” is illustrated) for each link, and the floor reaction force f iz is acquired by the sensor. The The positions p jx and p jy of each one or more force sensors are known or can be calculated. The joint torque acquisition means acquires joint torques τ m, jx and τ m, jy using muscle tension and a Jacobian that converts muscle tension into joint torque. The ZMP calculating means calculates the position P m, x , p m, y of the muscle ZMP using f iz , p jx , p jy , τ m, jx , τ m, jy .

このようなZMPの算出装置は、床反力取得手段としての1軸以上の力センサ、筋張力取得手段としての1軸力センサ(ロードセル等)、関節トルクの計算やZMP算出手段を構成するコンピュータ(少なくとも記憶部、演算部を備える)から構成することができる。 Such a ZMP calculating apparatus includes a one-axis or more force sensor as a floor reaction force acquisition means, a uniaxial force sensor (load cell or the like) as a muscle tension acquisition means, a computer constituting a joint torque calculation or ZMP calculation means. (Including at least a storage unit and a calculation unit).

図10に、本実施形態に係る筋骨格ヒューマノイドを、直立姿勢の重心軌跡が円に沿うように運動させた時の6軸力センサを用いて取得したZMPと、筋張力に基づく関節トルク及び床反力からした筋ZMPと、を対比して示す。両者の値はほぼ同じであることが確認された。なお、水平力fx,fyの影響について検証したところ、本実施形態においては、Tyの値に対してfxの値は小さく、一方、Txの値に対してfyの値は比較的大きいことがわかった。したがって、正確性においては、筋ZMPxが高く、筋ZMPyは、筋ZMPxに比べて低いと言える。 FIG. 10 shows ZMP acquired using a six-axis force sensor when the musculoskeletal humanoid according to the present embodiment is moved so that the center of gravity locus of the upright posture is along a circle, joint torque and floor based on muscle tension. This is shown in comparison with the reaction muscle ZMP. Both values were confirmed to be almost the same. Note that when the influence of the horizontal forces f x and f y was verified, in the present embodiment, the value of f x is smaller than the value of T y , while the value of f y is smaller than the value of T x. It turned out to be relatively large. Therefore, in terms of accuracy, it can be said that the muscle ZMP x is high and the muscle ZMP y is lower than the muscle ZMP x .

筋ZMPの位置pmは、安定化制御の指標として用いられ得る。1つの態様では、得られた筋ZMPを目標ZMP(転倒しない安定的な位置)に追従させる制御を行う。具体的には、筋ZMPと目標ZMPの偏差を小さくするように所定の関節(後述する実施形態では背骨関節であるが、これには限定されず、股関節や足首関節等であってもよい)を駆動することで、ヒューマノイドのバランス制御を行う。 Position p m of muscle ZMP can be used as an indicator of stability control. In one aspect, control is performed to cause the obtained muscle ZMP to follow the target ZMP (a stable position that does not fall). Specifically, a predetermined joint so as to reduce the deviation between the muscle ZMP and the target ZMP (in the embodiment described later, it is a spinal joint, but is not limited thereto, and may be a hip joint, an ankle joint, or the like). The balance of humanoid is controlled by driving.

[E]バランス制御のための背骨スタビライザ
[E−1]背骨スタビライザ
ヒューマノイドは、重心の床面への投影点がいわゆる支持多角形内にある時には転倒しない。図11左図に示すように、ヒューマノイドが直立姿勢にある時には、全身の重心の床面への投影点は支持多角形内に位置している。左図の状態から、足首及び股関節のみ運動により前傾して中央図のように姿勢が変化すると、全身の重心の床面への投影点は支持多角形その外に位置することになる。背骨スタビライザは、重心の床面への投影点が支持多角形内に位置するように全身を制御する。本実施形態に係る背骨スタビライザは、図11右図に示すように、脚の運動によって生じた全身の重心移動を、上半身の重心を移動するように背骨を制御することで補償し、全身の重心が支持多角形内に位置するようにする。すなわち、背骨スタビライザは、脚部の重心移動を、背骨の可動範囲を用いて上半身重心を移動させることで補償する。
[E] Spine stabilizer for balance control [E-1] The spine stabilizer humanoid does not fall when the projection point of the center of gravity on the floor surface is within a so-called support polygon. As shown in the left diagram of FIG. 11, when the humanoid is in an upright posture, the projection point of the center of gravity of the whole body on the floor surface is located within the support polygon. From the state shown in the left figure, when only the ankle and hip joint are tilted forward by movement and the posture changes as shown in the central figure, the projection point of the center of gravity of the whole body on the floor surface is located outside the support polygon. The spine stabilizer controls the whole body so that the projection point of the center of gravity on the floor surface is located within the support polygon. As shown in the right diagram of FIG. 11, the spine stabilizer according to the present embodiment compensates for the movement of the center of gravity of the whole body caused by the movement of the legs by controlling the spine so as to move the center of gravity of the upper body. Is located within the support polygon. That is, the spine stabilizer compensates for the movement of the center of gravity of the leg by moving the center of gravity of the upper body using the movable range of the spine.

図12に、背骨スタビライザを用いた制御のフローチャートを示す。スタビライザシーケンスの開始において、ヒューマノイドを床面上で直立した状態でセットし、筋ZMPを算出して、目標筋ZMPrefとする。次いで、各筋(ワイヤ)の筋張力(ワイヤ張力)を用いて各関節トルクを推定して、関節トルクを得る。背骨スタビライザによる制御において、筋ZMPと、このサイクルにおける目標筋ZMPrefと筋ZMPとの誤差に基づくPI制御によって決定される目標背骨角度と、を計算する。ヒューマノイドは、決定された背骨角度に基づいて動作し、筋長、筋張力、床反力が更新される。制御サイクルは、8[ms]とした。さらに、背骨スタビライザは、各関節角度を用いて生成されたヒューマノイド動作を補償する。 FIG. 12 shows a flowchart of control using the spine stabilizer. At the start of the stabilizer sequence, the humanoid is set upright on the floor, and the muscle ZMP is calculated to be the target muscle ZMP ref . Next, each joint torque is estimated using the muscle tension (wire tension) of each muscle (wire) to obtain the joint torque. In the control by the spine stabilizer, the target spine angle determined by the muscle ZMP and the PI control based on the error between the target muscle ZMP ref and the muscle ZMP in this cycle is calculated. The humanoid operates based on the determined spine angle, and the muscle length, muscle tension, and floor reaction force are updated. The control cycle was 8 [ms]. In addition, the spine stabilizer compensates for humanoid motion generated using each joint angle.

[E−2]筋ZMPに基づく背骨スタビライザ
背骨スタビライザは、背骨のロールとピッチ運動によってヒューマノイドのバランスを補償するように実行される。この運動は、目標ZMPと現在の筋ZMPの誤差に基づく背骨角度のPI制御によって生成される。すなわち、背骨は以下のように制御される。
ここで、e(t)は、各制御サイクルにおけるZMP誤差であり、px ref,py refは、目標ZMPのx要素、y要素である。目標ZMPとしては、背骨スタビライザシーケンスの初期値を用いた。
[E-2] Spine Stabilizer Based on Muscle ZMP The spine stabilizer is implemented to compensate for the balance of humanoid by spine roll and pitch motion. This motion is generated by PI control of the spine angle based on the error between the target ZMP and the current muscle ZMP. That is, the spine is controlled as follows.
Here, e (t) is a ZMP error in each control cycle, and p x ref and p y ref are x and y elements of the target ZMP. The initial value of the spine stabilizer sequence was used as the target ZMP.

[E−3]前屈み制御、後反り制御、
矢状面に沿った前屈み実験、後反り実験を行った。実験において、オペレータによって決定された足首、股関節の角度が入力され、スタビライザは、ヒューマノイドのバランスを補償する。実験において、頭部、骨盤の角度は、各リンクに搭載された慣性計測装置(IMU)によって取得した。図13は、前屈み実験の姿勢の変化を示し、図14は実験データのプロットを示す。図15は、後反り実験の姿勢の変化を示し、図16は実験データのプロットを示す。本実施形態に係る筋ZMPを用いることで、図13、図15に示すようなヒューマノイドのバランス動作が可能となった。筋ZMPで現時点のZMPを算出し、安定な目標ZMPに対してPI制御で追従させるような制御を行った。図14、図16に示すように、目標ZMPであるZMPrefに対して、現時点の筋ZMPが追従するような挙動となっており、筋ZMPがバランス制御に有効であることがわかる。
[E-3] Forward bending control, rear warpage control,
A forward bending experiment and a back warping experiment were performed along the sagittal plane. In the experiment, the ankle and hip angles determined by the operator are input, and the stabilizer compensates for the balance of the humanoid. In the experiment, the angles of the head and pelvis were acquired by an inertial measurement device (IMU) mounted on each link. FIG. 13 shows the change in posture of the forward bending experiment, and FIG. 14 shows a plot of the experimental data. FIG. 15 shows changes in the posture of the back warping experiment, and FIG. 16 shows a plot of the experimental data. By using the muscle ZMP according to the present embodiment, the humanoid balance operation as shown in FIGS. 13 and 15 is possible. The current ZMP was calculated from the muscle ZMP, and control was performed to follow the stable target ZMP with PI control. As shown in FIGS. 14 and 16, the current muscle ZMP follows the ZMP ref , which is the target ZMP, and it can be seen that the muscle ZMP is effective for balance control.

[E−4]重りを伴うバランス制御
ヒューマノイドに重りを用いて負荷を与えて検証実験を行った。ヒューマノイドのエンドエフェクタに取り付けた袋に重りを加えて実験を行った。ヒューマノイドは、15[kgf]の重りが負荷された状態で立ち続けることができた。図17は、実験の姿勢を示し(右図に15[kgf]の重りが負荷された状態を示す)、図18は実験データのプロットを示す。背骨スタビライザが適切に動作することを確認した。床反力について、床反力が0[s]で477[N]、110[s]で622[N]であったことから、15[kgf](147[N])がヒューマノイドに負荷されたことを確認した。








[E-4] A balance control humanoid with a weight was subjected to a verification experiment by applying a load using the weight. An experiment was conducted by adding a weight to a bag attached to a humanoid end effector. The humanoid was able to continue standing with a weight of 15 [kgf]. FIG. 17 shows the posture of the experiment (the right figure shows a state where a weight of 15 [kgf] is loaded), and FIG. 18 shows a plot of the experimental data. It was confirmed that the spine stabilizer works properly. Regarding floor reaction force, the floor reaction force was 477 [N] at 0 [s] and 622 [N] at 110 [s], so 15 [kgf] (147 [N]) was loaded on the humanoid. It was confirmed.








Claims (12)

床面と接触するリンクに作用するx軸周りのトルクTx、y軸周りのトルクTy、x方向の力Fx、y方向の力Fy、z方向の力Fzにおいて、
前記リンクの関節トルクを取得する関節トルク取得手段によって取得した関節トルクをx軸周りのトルクTx、y軸周りのトルクTyとして用い、
前記床反力取得手段によってz方向の力Fzを取得し、
前記関節トルクと前記z方向の力Fzを必須要素とし、x方向の力Fxとy方向の力Fyを任意要素として、ZMPの位置を算出することを特徴とするZMPの算出方法。
In the torque T x around the x axis acting on the link in contact with the floor surface, the torque T y around the y axis, the force F x in the x direction, the force F y in the y direction, and the force F z in the z direction,
Using a joint torque obtained by the joint torque obtaining means for obtaining the joint torque of the link torque T x around x-axis, as the torque T y around the y-axis,
The floor reaction force acquisition means acquires the force F z in the z direction,
The joint torque and the a z-direction of the force F z essential element, the x-direction of the force F x and y direction force F y as optional elements, ZMP calculation method of and calculates the position of the ZMP.
前記関節トルク取得手段は、筋張力と、筋張力を関節トルクに変換する係数と、を用いて関節トルクを取得する、請求項1に記載のZMPの算出方法。   The ZMP calculation method according to claim 1, wherein the joint torque acquisition unit acquires joint torque using muscle tension and a coefficient for converting muscle tension into joint torque. 前記床反力取得手段は、1軸以上の力センサである、請求項1、2いずれか1項に記載のZMPの算出方法。   The ZMP calculation method according to claim 1, wherein the floor reaction force acquisition unit is a force sensor having one or more axes. 前記1軸以上の力センサは、1軸力センサないし3軸力センサである、請求項3に記載のZMPの算出方法。   The ZMP calculation method according to claim 3, wherein the one-axis or more force sensor is a one-axis force sensor or a three-axis force sensor. 前記ZMPの位置は、x方向の力Fx、y方向の力Fyを無視して、以下の式によって算出される、請求項3、4いずれか1項に記載のZMPの算出方法。
ここで、
pm,x:ZMPのx座標、
pm,y:ZMPのy座標、
pjx:各力センサのx座標、
pjy:各力センサのy座標、
fjz:各力センサでのz方向の力、
τm,jx:各関節での張力に基づくx軸周りのトルク、
τm,jy:各関節での張力に基づくy軸周りのトルク、
j(1,…,N):床面と接触するリンク番号、
である。
5. The ZMP calculation method according to claim 3, wherein the position of the ZMP is calculated by the following formula ignoring the force F x in the x direction and the force F y in the y direction.
here,
p m, x : ZMP x coordinate,
p m, y : y coordinate of ZMP,
p jx : x coordinate of each force sensor,
p jy : y coordinate of each force sensor,
f jz : z direction force at each force sensor,
τ m, jx : Torque around the x axis based on the tension at each joint,
τ m, jy : Torque around y-axis based on tension at each joint,
j (1,…, N): Link number that contacts the floor,
It is.
前記関節トルク取得手段は、関節トルクセンサである、請求項1に記載のZMPの算出方法。   The ZMP calculation method according to claim 1, wherein the joint torque acquisition unit is a joint torque sensor. 床面と接触するリンクに作用する床反力を取得する床反力取得手段と、
床面と接触するリンクの関節トルクを取得する関節トルク取得手段と、
ZMP算出手段と、
を備え、
床面と接触するリンクに作用するx軸周りのトルクTx、y軸周りのトルクTy、x方向の力Fx、y方向の力Fy、z方向の力Fzにおいて、
前記関節トルク取得手段によって取得した関節トルクをx軸周りのトルクTx、y軸周りのトルクTyとして用い、
前記床反力取得手段によってz方向の力Fzを取得し、
前記ZMP算出手段は、前記関節トルクと前記z方向の力Fzを必須要素とし、x方向の力Fxとy方向の力Fyを任意要素として、ZMPの位置を算出することを特徴とするZMPの算出装置。
Floor reaction force acquisition means for acquiring a floor reaction force acting on a link in contact with the floor surface;
A joint torque acquisition means for acquiring a joint torque of a link in contact with the floor surface;
ZMP calculation means,
With
In the torque T x around the x axis acting on the link in contact with the floor surface, the torque T y around the y axis, the force F x in the x direction, the force F y in the y direction, and the force F z in the z direction,
Using a joint torque obtained by the joint torque obtaining section torque T x around x-axis, as the torque T y around the y-axis,
The floor reaction force acquisition means acquires the force F z in the z direction,
The ZMP calculating means, and wherein the joint torque and the z-direction of the force F z essential element, the x-direction of the force F x and y direction force F y as optional elements, to calculate the position of the ZMP ZMP calculator.
前記関節トルク取得手段は、筋張力と、筋張力を関節トルクに変換する係数と、を用いて関節トルクを取得する、請求項7に記載のZMPの算出装置。   The ZMP calculation apparatus according to claim 7, wherein the joint torque acquisition unit acquires joint torque using muscle tension and a coefficient for converting muscle tension into joint torque. 前記床反力取得手段は、1軸以上の力センサである、請求項7、8いずれか1項に記載のZMPの算出装置。   The ZMP calculation apparatus according to claim 7, wherein the floor reaction force acquisition unit is a force sensor having one or more axes. 前記1軸以上の力センサは、1軸力センサないし3軸力センサである、請求項9に記載のZMPの算出装置。   The ZMP calculation apparatus according to claim 9, wherein the one or more axis force sensor is a one-axis force sensor or a three-axis force sensor. 前記ZMP算出手段は、x方向の力Fx、y方向の力Fyを無視して、以下の式によってZMPの位置を算出する、請求項9、10いずれか1項に記載のZMPの算出装置。
ここで、
pm,x:ZMPのx座標、
pm,y:ZMPのy座標、
pjx:各力センサのx座標、
pjy:各力センサのy座標、
fjz:各力センサでのz方向の力、
τm,jx:各関節での張力に基づくx軸周りのトルク、
τm,jy:各関節での張力に基づくy軸周りのトルク、
j(1,…,N):床面と接触するリンク番号、
である。
11. The ZMP calculation according to claim 9, wherein the ZMP calculation unit calculates the position of the ZMP according to the following formula, ignoring the force F x in the x direction and the force F y in the y direction. apparatus.
here,
p m, x : ZMP x coordinate,
p m, y : y coordinate of ZMP,
p jx : x coordinate of each force sensor,
p jy : y coordinate of each force sensor,
f jz : z direction force at each force sensor,
τ m, jx : Torque around the x axis based on the tension at each joint,
τ m, jy : Torque around y-axis based on tension at each joint,
j (1,…, N): Link number that contacts the floor,
It is.
前記関節トルク取得手段は、関節トルクセンサである、請求項7に記載のZMPの算出装置。



The ZMP calculation apparatus according to claim 7, wherein the joint torque acquisition unit is a joint torque sensor.



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