JP3528171B2 - Mobile robot apparatus and overturn control method for mobile robot apparatus - Google Patents

Mobile robot apparatus and overturn control method for mobile robot apparatus

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JP3528171B2
JP3528171B2 JP32284899A JP32284899A JP3528171B2 JP 3528171 B2 JP3528171 B2 JP 3528171B2 JP 32284899 A JP32284899 A JP 32284899A JP 32284899 A JP32284899 A JP 32284899A JP 3528171 B2 JP3528171 B2 JP 3528171B2
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robot
landing
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悟 清水
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【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、生体のメカニズム
や動作をモデル化して構成されるリアリスティックなロ
ボットのメカニズムに係り、特に、ヒトやサルなどの脚
式移動型動物の身体メカニズムをモデル化した脚式移動
型ロボットのメカニズムに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a mechanism of a realistic robot configured by modeling a mechanism or a motion of a living body, and particularly modeling a body mechanism of a legged mobile animal such as a human or a monkey. The mechanism of the legged mobile robot.

【0002】更に詳しくは、本発明は、可動脚により歩
行、走行、ジャンプなどの動作パターンを実行する最中
に脚式移動型ロボットが安定状態を失って転倒する際の
ための制御メカニズムに係り、特に、転倒時にロボット
が被る損害を限りなく軽減することができる脚式移動型
ロボットのための制御方法メカニズムに関する。
More specifically, the present invention relates to a control mechanism for a legged mobile robot to lose its stable state and to fall down while executing a motion pattern such as walking, running or jumping with its movable legs. In particular, the present invention relates to a control method mechanism for a legged mobile robot capable of reducing damages to the robot when it falls.

【0003】[0003]

【従来の技術】ロボットの語源は、スラブ語のROBO
TA(奴隷機械)に由来するといわれている。わが国で
は、ロボットが普及し始めたのは1960年代末からで
あるが、その多くは、工場における生産作業の自動化・
無人化などを目的としたマニピュレータや搬送ロボット
などの産業用ロボット(industrial rob
ot)であった。
2. Description of the Related Art The origin of the word robot is Slavic ROBO.
It is said that it comes from TA (slave machine). In Japan, robots began to be popular since the end of the 1960s, but most of them were automated and automated in the factory.
Industrial robots (industrial robots) such as manipulators and transfer robots for the purpose of unmanned operation
ot).

【0004】最近では、ヒトやサルなどの2足直立歩行
を行う動物の身体メカニズムや動作を模した脚式移動ロ
ボットに関する研究開発が進展し、実用化への期待も高
まってきている。2足直立による脚式移動は、クローラ
式や、4足又は6足式などに比し不安定で姿勢制御や歩
行制御が難しくなるが、階段の昇降や障害物の乗り越え
など、柔軟な歩行・走行動作を実現できるという点で優
れている。
In recent years, research and development of legged mobile robots imitating the body mechanism and motions of animals such as humans and monkeys that perform upright bipedal walking have progressed, and expectations for their practical application are increasing. Leg-type movement with two feet upright is more unstable than crawler type, four-legged or six-legged type, and posture control and walking control are difficult, but flexible walking, such as stair climbing and climbing over obstacles, It is excellent in that it can realize running motion.

【0005】例えば、特開平3−184782号公報に
は、脚式歩行ロボットのうち、胴体より下に相当する構
造体に適用される関節構造について開示している。
For example, Japanese Patent Laid-Open No. 3-184782 discloses a joint structure applied to a structure corresponding to a lower part of a body of a legged walking robot.

【0006】ヒトの生体メカニズムや動作をエミュレー
トした脚式移動ロボットのことを、特に、「人間形」、
若しくは「人間型」のロボット(humanoid r
obot)と呼ぶ。人間型ロボットは、例えば、生活支
援、すなわち住環境その他の日常生活上の様々な場面に
おける人的活動の支援などを行うことができる。
[0006] A legged mobile robot that emulates the human biological mechanism and movement is referred to as "humanoid",
Or a "humanoid" robot (humanoid r
bot). The humanoid robot can perform, for example, life support, that is, support for human activities in various situations in the living environment and other daily life.

【0007】人間形若しくは人間型と呼ばれるロボット
を研究・開発する意義を、例えば以下の2つの視点から
把握することができよう。
The significance of researching and developing a humanoid or a robot called humanoid can be understood from the following two viewpoints, for example.

【0008】1つは、人間科学的な視点である。すなわ
ち、人間の下肢及び/又は上肢に似た構造のロボットを
作り、その制御方法を考案して、人間の歩行動作をシミ
ュレートするというプロセスを通じて、歩行を始めとす
る人間の自然な動作のメカニズムを工学的に解明するこ
とができる。このような研究成果は、人間工学、リハビ
リテーション工学、あるいはスポーツ科学など、人間の
運動メカニズムを扱う他のさまざまな研究分野の進展に
大いに還元することができるであろう。
[0008] One is a human science point of view. That is, a mechanism of a human's natural motion including walking is created through a process of creating a robot having a structure similar to that of a human lower limb and / or an upper limb, devising a control method thereof, and simulating a human walking motion. Can be elucidated by engineering. Such research results can be greatly contributed to the progress of various other research fields dealing with human movement mechanisms, such as ergonomics, rehabilitation engineering, and sports science.

【0009】もう1つは、人間のパートナーとして生活
を支援する、すなわち住環境その他の日常生活上の様々
な場面における人的活動の支援を行うロボットの開発で
ある。この種のロボットは、人間の生活環境のさまざま
な局面において、人間から教わりながら個々に個性の相
違する人間又は環境への適応方法を学習し、機能面でさ
らに成長していく必要がある。このとき、ロボットが
「人間形」すなわち人間と同じ形又は同じ構造をしてい
る方が、人間とロボットとのスムースなコミュニケーシ
ョンを行う上で有効に機能するものと考えられる。
The other is the development of a robot that supports life as a human partner, that is, supports human activities in various situations in daily life such as living environment. In various aspects of human living environments, this kind of robot needs to learn from humans how to adapt to humans or environments with different personalities, and to further grow in terms of functions. At this time, it is considered that the robot having the “human form”, that is, the same shape or the same structure as that of the human functions effectively in performing smooth communication between the human and the robot.

【0010】例えば、踏んではならない障害物を避けな
がら部屋を通り抜ける方法を実地においてロボットに教
示するような場合、クローラ式や4足式ロボットのよう
に教える相手が自分と全く違う構造をしているよりも、
同じような格好をしている2足歩行ロボットの方がユー
ザ(作業員)ははるかに教え易く、またロボットにとっ
ても教わり易い筈であろう(例えば、高西著「2足歩行
ロボットのコントロール」(自動車技術会関東支部<高
塑>No.25,1996APRIL)を参照のこ
と)。そもそも、人間の住環境のほとんどは人間が持つ
形態や行動様式に合わせて形成されたものであるから、
ロボットが人間型の形態を有していることは人間の住環
境との親和性を高める上で必須であるとも言える。
For example, when teaching a robot how to pass through a room while avoiding obstacles that should not be stepped on, the person to be taught, such as a crawler type or four-legged type robot, has a completely different structure from oneself. than,
A user (worker) should be much easier to teach a bipedal robot that has the same appearance, and it should be easier for the robot to learn (eg, Takanishi, "Control of a bipedal robot"). (See Automotive Engineering Association Kanto Branch <High Plastics> No. 25, 1996 APRIL). In the first place, most of the human living environment is formed according to the form and behavior of human beings,
It can be said that the robot has a humanoid form in order to improve affinity with the human living environment.

【0011】人間型ロボットの用途の1つとして、産業
活動・生産活動等における各種の難作業の代行が挙げら
れる。例えば、原子力発電プラントや火力発電プラン
ト、石油化学プラントにおけるメンテナンス作業、製造
工場における部品の搬送・組立作業、高層ビルにおける
清掃、火災現場その他における救助といったような危険
作業・難作業の代行などである。但し、この種の産業利
用に特化したロボットは、特定の用途若しくは機能を実
現することが設計・製作上の至上の主題であり、2足歩
行を前提とはするものの、ヒトやサルなど直立歩行動物
が本来持つ身体メカニズムや動作を機械装置として忠実
に再現する必要は必ずしもない。例えば、特定用途を実
現するために手先の自由度や動作機能を強化する一方
で、用途には比較的関係が低いとされる頭部や体幹部
(脊椎など)、腰部などの自由度を制限し又を省略する
ことはある程度許容すべきである。この結果、2足歩行
と謂えども、ロボットの作業や動作の外観上で、ヒトと
しては不自然さが残ることがあるが、かかる点は妥協せ
ざるを得ない。
One of the uses of the humanoid robot is to perform various difficult tasks in industrial activities, production activities, etc. For example, maintenance work in nuclear power plants, thermal power plants, and petrochemical plants, parts transportation / assembly work in manufacturing plants, cleaning in high-rise buildings, agency of dangerous work / difficult work such as rescue at fire sites and the like. . However, a robot specialized in this kind of industrial use is the supreme subject in designing and manufacturing to realize a specific use or function, and although it is premised on bipedal walking, it stands upright for humans and monkeys. It is not always necessary to faithfully reproduce the physical mechanism and movement of a walking animal as a mechanical device. For example, while strengthening the flexibility and movement function of the hand to realize a specific application, the degree of freedom of the head, trunk (spine, etc.), waist, etc., which are relatively unrelated to the application, is limited. It should be allowed to some extent to omit the margin. As a result, although it is a so-called bipedal locomotion, human appearance may remain unnatural for the appearance of the work and motion of the robot, but such a point must be compromised.

【0012】また、人間型ロボットの他の用途として、
難作業の代行などの生活支援というよりも、生活密着
型、すなわち人間との「共生」という用途が挙げられ
る。この種のロボットは、ヒトやサルなどの2足の直立
歩行を行う動物が本来持つ、全身協調型の動作メカニズ
ムを忠実に再現し、その自然に円滑な動作を実現するこ
とを至上の目的とする。また、ヒトやサルなどの知性の
高い直立動物をエミュレートする以上、四肢を用いた動
作の表現力が豊かであることが望ましい。さらに、予め
入力された動作パターンを単に忠実に実行するだけでは
なく、相手の言葉や態度(「褒める」とか「叱る」、
「叩く」など)に呼応した、生き生きとした動作表現を
実現することも要求される。この意味において、ヒトを
模したエンターティンメント・ロボットは、まさに「人
間型ロボット」と呼ぶに相応しい。
As another application of the humanoid robot,
Rather than being a life support such as acting for difficult tasks, it can be used for life-oriented type, that is, for "symbiosis" with humans. This kind of robot faithfully reproduces the whole-body coordinated movement mechanism originally possessed by animals such as humans and monkeys that walk upright on two legs, with the ultimate aim of achieving that movement smoothly. To do. Moreover, since it emulates a highly intelligent upright animal such as a human being or a monkey, it is desirable that the expressiveness of the motion using the limbs be rich. In addition to simply faithfully executing the pre-entered movement pattern, the other person's words and attitudes (“praise” or “scold”,
It is also required to realize lively motion expressions in response to "striking" and the like. In this sense, an entertainment robot that imitates a human is exactly what we call a "humanoid robot."

【0013】既に周知のように、人体は数百の関節すな
わち数百に上る自由度を備えている。限りなくヒトに近
い動作を脚式移動ロボットに付与するためには、ほぼ同
じ自由度を与えることが好ましいが、これは技術的には
極めて困難である。何故ならば、1つの自由度に対して
少なくとも各1つのアクチュエータを配設する必要があ
るが、数百のアクチュエータをロボットという機械装置
上に実装することは、製造コストの点からも、重量やサ
イズなど設計の観点からも不可能に等しい。また、自由
度が多いと、その分だけロボットの位置・動作パターン
制御や姿勢安定制御等のための計算量が指数関数的に増
大してしまう。
As is well known, the human body has hundreds of joints, or hundreds of degrees of freedom. In order to give the legged mobile robot a motion as close to a human as possible, it is preferable to give almost the same degree of freedom, but this is technically extremely difficult. For this reason, it is necessary to arrange at least one actuator for each degree of freedom. However, mounting hundreds of actuators on a mechanical device called a robot also reduces weight and weight. It is impossible from the viewpoint of design such as size. Further, if there are many degrees of freedom, the amount of calculation for position / motion pattern control, posture stabilization control, etc. of the robot increases exponentially.

【0014】このため、人体よりもはるかに少ない数十
程度の関節自由度で人間型ロボットを構成するのが一般
的である。したがって、少ない自由度を用いてより自然
な動作を如何にして実現するかが、人間型ロボットの設
計・制御において重要な課題の1つといえる。
Therefore, it is general to construct a humanoid robot with a degree of freedom of about tens of joints, which is far smaller than that of the human body. Therefore, it can be said that how to realize a more natural motion using a small degree of freedom is one of the important issues in the design and control of a humanoid robot.

【0015】例えば、脊椎などのように柔軟性を持つ機
構が人間の生活の場で多様で複雑な動作をするために重
要であることは、人間工学などの観点から既に明らかで
ある。脊椎を意味する体幹関節自由度は、産業的な用途
上は存在価値が低いが、エンターティンメントやその他
の生活密着型の人間型ロボットには重要である。なお且
つ、状況に応じて柔軟さを能動的に調節できることが求
められている。
It is already clear from the viewpoint of ergonomics, that a flexible mechanism such as the spine is important for performing various complex movements in human life. The degree of freedom of the trunk joint, which means the spine, has little existence value for industrial use, but is important for entertainment and other humanoid robots closely attached to daily life. Furthermore, it is required that the flexibility can be actively adjusted according to the situation.

【0016】また、2足直立歩行を行う脚式移動ロボッ
トは、柔軟な歩行・走行動作(例えば階段の昇降や障害
物の乗り越え等)を実現できる点で優れている反面、重
心位置が高くなるため、その分だけ姿勢制御や安定歩行
制御が難しくなる。特に、生活密着型のロボットの場
合、ヒトやサルなどの知性動物における自然な動作や感
情を豊かに表現しながら姿勢や安定歩行を制御しなけれ
ばならない。
A legged mobile robot that walks upright on two legs is excellent in that it can realize flexible walking / running movements (for example, ascending / descending stairs and climbing over obstacles), but has a high center of gravity. Therefore, the posture control and the stable walking control become difficult accordingly. In particular, in the case of a robot closely attached to life, it is necessary to control the posture and stable walking while richly expressing the natural motions and emotions of intelligent animals such as humans and monkeys.

【0017】2足歩行による脚式移動を行うタイプのロ
ボットに関する姿勢制御や安定歩行に関する技術は既に
数多提案されている。ここで言う安定な「歩行」とは、
「転倒することなく、脚を使って移動すること」と定義
することができよう。
A number of techniques have already been proposed for posture control and stable walking of a robot of the type that performs legged movement by bipedal walking. The stable "walking" referred to here is
It could be defined as "moving with your legs, without falling".

【0018】歩行時には、重力と歩行運動に伴なって生
じる加速度によって、歩行系から路面には重力と慣性
力、並びにこれらのモーメントが作用する。いわゆる
「ダランベールの原理」によると、それらは路面から歩
行系への反作用としての床反力、床反力モーメントとバ
ランスする。力学的推論の帰結として、足底接地点と路
面の形成する支持多角形の辺上あるいはその内側にピッ
チ及びロール軸モーメントがゼロとなる点、すなわち
「ZMP(Zero Moment Point)」が
存在する。
At the time of walking, gravity, an inertial force, and these moments act on the road surface from the walking system due to gravity and acceleration generated by the walking motion. According to the so-called "D'Alembert's principle", they balance the floor reaction force and floor reaction force moment as a reaction from the road surface to the walking system. As a result of the mechanical inference, there is a point where the pitch and roll axial moment become zero, that is, "ZMP (Zero Moment Point)" on or inside the side of the supporting polygon formed by the plantar ground contact point and the road surface.

【0019】ロボットの安定歩行に関する提案の多く
は、このZMPを歩行の安定度判別の規範として用いて
いる。ZMP規範に基づく2足歩行パターン生成は、足
底着地点を予め設定でき、路面形状に応じた足先の運動
学的拘束条件を考慮し易いなどの利点がある。
Many proposals for stable walking of robots use this ZMP as a criterion for determining the stability of walking. The bipedal walking pattern generation based on the ZMP standard has an advantage that a foot landing point can be set in advance and it is easy to consider a kinematic constraint condition of the toes according to a road surface shape.

【0020】例えば、特開平5−305579号公報に
は、脚式移動ロボットの歩行制御装置について開示して
いる。同公報に記載の歩行制御装置は、ZMP(Zer
oMoment Point)すなわち歩行するときの
床反力によるモーメントがゼロとなる床面上の点を目標
値に一致させるように制御するものである。
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-305579 discloses a walking control device for a legged mobile robot. The walking control device described in the publication is ZMP (Zer
o Moment Point), that is, the point on the floor where the moment due to the floor reaction force when walking is zero is controlled to match the target value.

【0021】また、特開平5−305581号公報に記
載の脚式移動ロボットは、ZMPが支持多面体(多角
形)内部、又は、着地、離床時にZMPが支持多面体
(多角形)の端部から少なくとも所定の余裕を有する位
置にあるように構成した。この結果、外乱などを受けて
も所定距離だけZMPの余裕があり、歩行の安定性の向
上を図ることができる。
Further, in the legged mobile robot described in JP-A-5-305581, the ZMP is at least inside the supporting polyhedron (polygon), or at least from the end of the supporting polyhedron (polygon) at the time of landing and leaving the floor. It is configured to be in a position having a predetermined margin. As a result, there is a ZMP margin for a predetermined distance even when a disturbance or the like is received, and the stability of walking can be improved.

【0022】また、特開平5−305583号公報に
は、脚式移動ロボットの歩き速度をZMP目標位置によ
って制御する点について開示している。すなわち、同公
報に記載の脚式移動ロボットは、予め設定された歩行パ
ターン・データを用い、ZMPを目標位置に一致させる
ように脚部関節を駆動するとともに、上体の傾斜を検出
して、その検出値に応じて設定された歩行パターン・デ
ータの吐き出し速度を変更するようにしている。この結
果、予期しない凹凸を踏んでロボットが例えば前傾する
ときは吐き出し速度を速めることで姿勢を回復できる。
またZMPが目標位置に制御できるので、両脚支持期に
おいて吐き出し速度を変更しても支障がない。
Further, Japanese Patent Laid-Open No. 5-305583 discloses that the walking speed of a legged mobile robot is controlled by the ZMP target position. That is, the legged mobile robot described in the publication uses the preset walking pattern data to drive the leg joints so as to match the ZMP with the target position, and detect the inclination of the upper body, The discharge speed of the walking pattern data set according to the detected value is changed. As a result, when the robot steps forward on an unexpected bump and tilts forward, the posture can be recovered by increasing the discharge speed.
Further, since the ZMP can be controlled to the target position, there is no problem even if the discharge speed is changed in the both-leg supporting period.

【0023】また、特開平5−305585号公報に
は、脚式移動ロボットの着地位置をZMP目標位置によ
って制御する点について開示している。すなわち、同公
報に記載の脚式移動ロボットは、ZMP目標位置と実測
位置とのずれを検出して、それを解消する様に脚部の一
方または双方を駆動するか、又は、ZMP目標位置まわ
りにモーメントを検出してそれが零になる様に脚部を駆
動することで安定歩行を行うようになっている。
Further, Japanese Patent Laid-Open No. 5-305585 discloses that the landing position of the legged mobile robot is controlled by the ZMP target position. That is, the legged mobile robot disclosed in the publication detects a deviation between the ZMP target position and the actual measurement position and drives one or both of the legs to eliminate the deviation, or moves around the ZMP target position. By detecting the moment and driving the legs so that it becomes zero, stable walking is performed.

【0024】また、特開平5−305586号公報に
は、脚式移動ロボットの傾斜姿勢をZMP目標位置によ
って制御する点について開示している。すなわち、同公
報に記載の脚式移動ロボットは、ZMP目標位置まわり
のモーメントを検出し、モーメントが生じているとき
は、それが零になるように脚部を駆動することで安定歩
行を行うようになっている。
Further, Japanese Patent Laid-Open No. 5-305586 discloses that the tilted posture of the legged mobile robot is controlled by the ZMP target position. That is, the legged mobile robot described in the publication detects a moment around the ZMP target position, and when a moment is generated, it drives the legs so that the moment becomes zero so that stable walking is performed. It has become.

【0025】[0025]

【発明が解決しようとする課題】上述したように、脚式
移動ロボットにおいては、ZMPを姿勢安定度規範とし
て導入するなどして、歩行、走行、ジャンプその他の動
作パターン実行中にロボットが転倒しないようにするた
めの最大限の努力が注がれている。言うまでもなく、転
倒という状態はロボットが実行中の作業を中断すること
を意味し、且つ、転倒状態から起き上がって作業を再開
するために相当の労力や時間が払われる。ロボットのメ
カニズムによっては、転倒状態から起き上がる動作パタ
ーンがサポートされていないことさえある。また、何よ
りも、転倒によって、ロボット本体自体、あるいは転倒
するロボットと衝突する相手側の物体にも、致命的な損
傷を与えてしまう危険がある。
As described above, in legged mobile robots, ZMP is introduced as a posture stability criterion so that the robot does not fall down while walking, running, jumping or performing other motion patterns. Every effort is made to ensure that. Needless to say, the state of falling means that the robot suspends the work in progress, and a considerable amount of labor and time is required to get up from the falling state and restart the work. Depending on the robot's mechanism, it may even not support the movement pattern that rises from a fall state. Above all, there is a risk that the fall may cause fatal damage to the robot body itself or the object on the other side that collides with the falling robot.

【0026】転倒しないように最大限の姿勢安定制御を
行うにも拘らず、制御の不備、あるいは予期できない外
的要因(例えば不測の物体との衝突や、床面上の突起や
窪み、障害物の出現など)などにより、姿勢の安定を失
って可動脚のみでは支えきれなくなり、ロボットが転倒
してしまうことがある。特に、人間型など2足による脚
式移動を行うロボットの場合、重心位置が高く、そもそ
も直立した静止状態自体が不安定であるため、転倒を生
じ易い。ロボットが転倒すると、ロボット自体、あるい
は転倒により衝突する相手側にも致命的な損傷を与えて
しまう危険がある。
Despite the maximum posture stability control so as not to fall, the control is deficient or an unexpected external factor (for example, collision with an unexpected object, protrusions or depressions on the floor, obstacles, etc.). Etc.), etc., and lose the stability of the posture and can not be supported only by the movable legs, and the robot may fall. In particular, in the case of a robot such as a humanoid that performs bipedal movement with two legs, the center of gravity is high, and the upright stationary state itself is unstable, so that it is likely to fall. If the robot falls, there is a danger that the robot itself or the other party colliding due to the fall may be fatally damaged.

【0027】例えば、特開平11−48170号公報に
は、脚式移動ロボットが転倒しそうな状況で、その転倒
によりロボットが受ける損傷や、その転倒時にロボット
が衝突する相手側の物体の損傷を可能な限り軽減するこ
とができる脚式移動ロボットの制御装置について開示さ
れている。
For example, in Japanese Patent Laid-Open No. 11-48170, in a situation where a legged mobile robot is likely to fall, it is possible for the robot to be damaged by the fall and to be damaged by the object on the other side with which the robot collides during the fall. A control device for a legged mobile robot that can be reduced as much as possible is disclosed.

【0028】しかしながら、同公報は、転倒に伴なう着
床時に単にロボットの重心を下げるように制御すること
を提案するのみであり、実際に転倒してしまったときに
如何にして損傷を最小限に抑えるかといった議論はなさ
れていない。
However, this publication only proposes control so that the center of gravity of the robot is simply lowered when landing due to a fall, and how damage is minimized when an actual fall occurs. There is no debate about how to limit it.

【0029】ロボットは、多数の部品・部材ユニット等
で構成される機械装置であり、強度的に弱い部位もあれ
ば、比較的耐性に富む部位もある。例えば、カメラなど
のような精密な測定装置を搭載した頭部ユニットや、制
御ボードを搭載した胴体背面のような部位は、当然にし
て衝撃に弱い。転倒時に、このような部位から最初に着
床してしまうと、ロボットは多大な損害を被ってしま
い、システム全体が大破しかねない。
The robot is a mechanical device composed of a large number of parts / member units, etc., and there are some parts that are weak in strength and some parts that are relatively rich in resistance. For example, a head unit equipped with a precise measuring device such as a camera and a body rear surface equipped with a control board are naturally susceptible to impact. If you land on such a part first when you fall, the robot will suffer a great deal of damage and the entire system may be destroyed.

【0030】本発明は上記したような技術的課題に鑑み
たものであり、その目的は、可動脚により歩行、走行、
ジャンプなどの動作パターンを実行する最中に脚式移動
型ロボットが安定状態を失って転倒する際のための、優
れた制御メカニズムを提供することにある。
The present invention has been made in view of the above technical problems, and its object is to walk, run, and
An object of the present invention is to provide an excellent control mechanism for a legged mobile robot to lose its stable state and fall while executing a motion pattern such as a jump.

【0031】本発明の更なる目的は、転倒時にロボット
が被る損害を限りなく軽減することができる、脚式移動
型ロボットのための優れた制御方法メカニズムを提供す
ることにある。
A further object of the present invention is to provide an excellent control method mechanism for a legged mobile robot which can reduce the damage inflicted on the robot during a fall.

【0032】本発明の更なる目的は、転倒時にロボット
が被る損害を限りなく軽減することができるように動作
パターンを生成することができる、脚式移動型ロボット
のための優れた制御方法メカニズムを提供することにあ
る。
A further object of the present invention is to provide an excellent control method mechanism for a legged mobile robot capable of generating a motion pattern so that the damage to the robot during a fall can be reduced as much as possible. To provide.

【0033】本発明の更なる目的は、転倒時に強度的に
弱い部位が着床するのを回避して、ロボットが被る損害
を限りなく軽減することができるように動作パターンを
生成することができる、脚式移動型ロボットのための優
れた制御方法メカニズムを提供することにある。
A further object of the present invention is to generate a motion pattern so as to avoid the landing of a weakly strong part at the time of a fall and to reduce the damage to the robot as much as possible. , Providing an excellent control method mechanism for legged mobile robots.

【0034】[0034]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を参
酌してなされたものであり、その第1の側面は、少なく
とも下肢と、該下肢の上方に配設された上体とで構成さ
れ、下肢の運動により移動自在なロボットであって、他
の部位よりも高強度に形成され若しくは緩衝部材を含ん
だ優先着床部位と、前記ロボットが転倒しそうか否かを
判断する転倒判断手段と、前記転倒判断手段が転倒する
と判断したことに応答して、前記優先着床部位にて最初
に着床するような前記下肢及び上体の動作パターンを生
成する動作パターン生成手段と、前記動作パターン手段
によって生成された動作パターンに従って前記下肢及び
上体の駆動を制御する制御手段と、を具備することを特
徴とする脚式移動ロボットである。
The present invention has been made in consideration of the above problems, and a first side surface thereof is composed of at least a lower limb and an upper body disposed above the lower limb. A movable robot by the movement of the lower limbs, a priority landing site formed to have a higher strength than other sites or containing a cushioning member, and a fall determination means for determining whether the robot is likely to fall. And a motion pattern generation unit that generates a motion pattern of the lower limb and upper body such that the user first lands at the priority landing site in response to the fall determination unit deciding to fall. A legged mobile robot, comprising: a control unit that controls the drive of the lower limbs and the upper body in accordance with the motion pattern generated by the pattern unit.

【0035】本発明の第1の側面に係る脚式移動ロボッ
トは、前記脚式移動ロボットの上体の傾斜及び/又は姿
勢を検出する傾斜・姿勢検出手段と、床面から受ける床
反力を算出する床反力算出手段と、前記下肢の足底が着
床又は離床のいずれの状態かを判別する着床/離床検出
手段とをさらに備え、前記転倒判断手段は、前記傾斜・
姿勢検出手段、前記床反力算出手段、又は、着床/離床
検出手段のうち少なくとも1つの出力に基づいて転倒す
るか否かを判断するようにしてもよい。
The legged mobile robot according to the first aspect of the present invention comprises a tilt / posture detection means for detecting the tilt and / or posture of the upper body of the legged mobile robot, and a floor reaction force received from the floor. A floor reaction force calculating means for calculating, and a landing / leaving detection means for determining whether the sole of the lower limb is in a landing state or a bed leaving state, and the fall determination means includes the tilt /
It may be possible to determine whether or not to fall over based on the output of at least one of the posture detection unit, the floor reaction force calculation unit, and the landing / bed leaving detection unit.

【0036】また、前記転倒判断手段は、前記脚式移動
ロボットが転倒するか否かとともに、その転倒方向を判
断するようにしてもよい。
Further, the fall judging means may judge whether or not the legged mobile robot falls, and judge the falling direction.

【0037】また、脚式移動ロボットは前記優先着床部
位を2以上含み、前記転倒判断手段は、前記脚式移動ロ
ボットが転倒するか否か及びその転倒方向を判断すると
ともに、該転倒方向に従って使用する優先着床部位を選
択し、前記動作パターン生成手段は該選択された優先着
床部位にて最初に着床する動作パターンを生成するよう
にしてもよい。
Further, the legged mobile robot includes two or more priority landing sites, and the overturn determination means determines whether or not the legged mobile robot will overturn and the overturning direction, and according to the overturning direction. You may make it select the priority landing site | part to be used, and the said operation pattern production | generation means may produce | generate the operation pattern which is initially landed in this selected priority landing site.

【0038】また、前記優先着床部位は、例えば前記脚
式移動ロボットの掌、背面部、臀部、膝のうち少なくと
も1つに配設されている。
Further, the preferential landing site is provided, for example, on at least one of the palm, back surface, buttocks, and knees of the legged mobile robot.

【0039】また、前記優先着床部位は、前記脚式移動
ロボットの掌、背面部、臀部、膝のうち少なくとも1つ
に配設され、前記転倒判断手段が前方向及び/又は横方
向に転倒すると判断したことに応答して、前記動作パタ
ーン生成手段は、掌で最初に着床するような前記下肢及
び上体の動作パターンを生成するようにしてもよい。こ
の結果、脚式移動ロボットは、人間に似た自然な転倒動
作を行うことで、転倒によって被る衝撃を緩和し、損害
を好適に軽減することができる。
Further, the priority landing site is disposed on at least one of the palm, back surface, buttocks, and knees of the legged mobile robot, and the fall determining means falls forward and / or laterally. In response to the determination, the motion pattern generation means may generate a motion pattern of the lower limbs and the upper body such that the palm is first landed. As a result, the legged mobile robot can perform a natural fall motion similar to that of a human, thereby alleviating the impact caused by the fall and suitably reducing the damage.

【0040】あるいは、前記優先着床部位は、前記脚式
移動ロボットの掌、背面部、臀部、膝のうち少なくとも
1つに配設され、前記転倒判断手段が後ろ方向に転倒す
ると判断したことに応答して、前記動作パターン生成手
段は、背面部で最初に着床するような前記下肢及び上体
の動作パターンを生成するようにしてもよい。この結
果、脚式移動ロボットは、人間に似た自然な転倒動作を
行うことで、転倒によって被る衝撃を緩和し、損害を好
適に軽減することができる。
Alternatively, the priority landing site is disposed on at least one of the palm, the back surface, the buttocks, and the knees of the legged mobile robot, and the overturn determination means determines that the vehicle falls over backward. In response, the motion pattern generation means may generate a motion pattern of the lower limbs and upper body such that the back is first landed. As a result, the legged mobile robot can perform a natural fall motion similar to that of a human, thereby alleviating the impact caused by the fall and suitably reducing the damage.

【0041】あるいは、前記優先着床部位は、前記脚式
移動ロボットの掌、背面部、臀部、膝のうち少なくとも
1つに配設され、前記転倒判断手段が後ろ方向に転倒す
ると判断したことに応答して、前記動作パターン生成手
段は、臀部で最初に着床するような前記下肢及び上体の
動作パターンを生成するようにしてもよい。この結果、
脚式移動ロボットは、人間に似た自然な転倒動作を行う
ことで、転倒によって被る衝撃を緩和し、損害を好適に
軽減することができる。
Alternatively, the priority landing site is disposed on at least one of the palm, the back surface, the buttocks, and the knees of the legged mobile robot, and the overturn determination means determines that the vehicle falls down backward. In response, the motion pattern generation means may generate a motion pattern of the lower limb and upper body such that the user will first land on the buttocks. As a result,
The legged mobile robot can perform a natural fall motion similar to that of a human, thereby alleviating an impact caused by a fall and suitably reducing damage.

【0042】あるいは、前記優先着床部位は、前記脚式
移動ロボットの掌、背面部、臀部、膝のうち少なくとも
1つに配設され、前記転倒判断手段が前方向に転倒する
と判断したことに応答して、前記動作パターン生成手段
は、膝で最初に着床するような前記下肢及び上体の動作
パターンを生成するようにしてもよい。この結果、脚式
移動ロボットは、人間に似た自然な転倒動作を行うこと
で、転倒によって被る衝撃を緩和し、損害を好適に軽減
することができる。
Alternatively, the priority landing site is disposed on at least one of the palm, the back surface, the buttocks, and the knees of the legged mobile robot, and the fall judging means judges that the person falls forward. In response, the motion pattern generation means may generate a motion pattern of the lower limbs and upper body such that the knee is first landed. As a result, the legged mobile robot can perform a natural fall motion similar to that of a human, thereby alleviating the impact caused by the fall and suitably reducing the damage.

【0043】また、本発明の第2の側面は、少なくとも
下肢と、該下肢の上方に配設された上体とで構成され、
下肢の運動により移動自在な脚式移動ロボットであっ
て、所定の非優先着床部位と、前記ロボットが転倒しそ
うか否かを判断する転倒判断手段と、前記転倒判断手段
が転倒すると判断したことに応答して、前記非優先着床
部位が最初に着床するのを避けるような前記下肢及び上
体の動作パターンを生成する動作パターン生成手段と、
前記動作パターン手段によって生成された動作パターン
に従って前記下肢及び上体の駆動を制御する制御手段
と、を具備することを特徴とする脚式移動ロボットであ
る。
The second aspect of the present invention comprises at least a lower limb and an upper body arranged above the lower limb,
A legged mobile robot that can move by lower leg movements, a predetermined non-priority landing site, a fall determination means for determining whether the robot is likely to fall, and the fall determination means determined to fall. In response to, a motion pattern generation means for generating a motion pattern of the lower limbs and upper body to avoid the non-priority implantation site from landing first,
A legged mobile robot comprising: a control unit that controls the drive of the lower limbs and the upper body according to the motion pattern generated by the motion pattern unit.

【0044】非優先着床部位は、例えば制御ボードや、
カメラその他のセンサなど、比較的低強度若しくは衝撃
に弱い部品が配備されている場所である。
The non-priority implantation site is, for example, a control board,
It is a place where relatively low-strength parts or parts susceptible to impact such as sensors such as cameras are installed.

【0045】また、本発明の第3の側面は、少なくとも
下肢と、該下肢の上方に配設された上体とで構成され、
下肢の運動により移動自在な脚式移動ロボットのための
転倒時動作制御方法であって、前記脚式移動ロボットは
他の部位よりも高強度に形成された優先着床部位を有
し、(a)前記脚式移動ロボットが転倒しそうか否かを
判断するステップと、(b)転倒すると判断したことに
応答して、前記優先着床部位にて最初に着床するような
前記下肢及び上体の動作パターンを生成するステップ
と、(c)生成された動作パターンに従って前記下肢及
び上体の駆動を制御するステップと、を具備することを
特徴とする脚式移動ロボットの転倒時動作制御方法であ
る。
The third aspect of the present invention comprises at least a lower limb and an upper body disposed above the lower limb,
A motion control method for a legged mobile robot that can move freely by lower leg movements, wherein the legged mobile robot has a priority landing site formed to have a higher strength than other sites. ) A step of determining whether or not the legged mobile robot is likely to fall, and (b) the lower limbs and the upper body which are to be landed first at the priority landing site in response to the decision to fall. And a step of (c) controlling the drive of the lower limbs and the upper body according to the generated motion pattern. is there.

【0046】前記優先着床部位は、例えば、他の部位に
比し高強度に形成され、若しくは、緩衝部材を含んでい
る。
The priority implantation site is formed to have higher strength than other sites, for example, or includes a cushioning member.

【0047】本発明の第3の側面に係る脚式移動ロボッ
トの転倒時動作制御方法において、前記ステップ(a)
は、前記脚式移動ロボットの上体の傾斜及び/又は姿勢
を検出する傾斜・姿勢検出サブステップ、床面から受け
る床反力を算出する床反力算出サブステップ、前記下肢
の足底が着床又は離床のいずれの状態かを判別する着床
/離床検出サブステップのうち少なくとも1つを備え、
該サブステップからの出力に基づいて転倒するか否かを
判断するようにしてもよい。
In the fall motion control method for a legged mobile robot according to the third aspect of the present invention, the step (a) is performed.
Is a tilt / posture detection sub-step for detecting the tilt and / or posture of the upper body of the legged mobile robot, a floor reaction force calculation sub-step for calculating the floor reaction force received from the floor surface, and the soles of the lower limbs are worn. At least one of the landing / leaving detection sub-steps for discriminating whether the state is the floor or the floor leaving,
It may be possible to determine whether to fall or not based on the output from the sub-step.

【0048】また、前記ステップ(a)では、前記脚式
移動ロボットが転倒するか否かとともに、その転倒方向
を判断するようにしてもよい。
In the step (a), it may be determined whether or not the legged mobile robot falls, and the direction of the fall.

【0049】また、前記脚式移動ロボットは前記優先着
床部位を2以上含み、前記ステップ(a)では、前記脚
式移動ロボットが転倒するか否か及びその転倒方向を判
断するとともに、該転倒方向に従って使用する優先着床
部位を選択し、前記ステップ(b)では、該選択された
優先着床部位にて最初に着床する動作パターンを生成す
るようにしてもよい。
Further, the legged mobile robot includes two or more priority landing sites, and in the step (a), it is determined whether the legged mobile robot falls, and the falling direction thereof. The priority landing site to be used may be selected according to the direction, and in the step (b), an operation pattern for first landing at the selected priority landing site may be generated.

【0050】また、前記優先着床部位は、前記脚式移動
ロボットの掌、背面部、臀部、膝のうち少なくとも1つ
に配設され、前記判断するステップ(a)において前方
向及び/又は横方向に転倒すると判断したことに応答し
て、前記動作パターンを生成するステップ(b)では、
掌で最初に着床するような前記下肢及び上体の動作パタ
ーンを生成するようにしてもよい。この結果、脚式移動
ロボットは、人間に似た自然な転倒動作を行うことで、
転倒によって被る衝撃を緩和し、損害を好適に軽減する
ことができる。
The priority landing site is provided on at least one of a palm, a back surface, a buttocks, and a knee of the legged mobile robot, and in the determining step (a), the forward and / or lateral direction. In the step (b) of generating the motion pattern in response to the determination that the vehicle falls in the direction,
A motion pattern of the lower limbs and the upper body may be generated such that the palm is first implanted. As a result, the legged mobile robot performs a natural fall motion similar to humans,
It is possible to mitigate the impact caused by the fall and appropriately reduce the damage.

【0051】あるいは、前記優先着床部位は、前記脚式
移動ロボットの掌、背面部、臀部、膝のうち少なくとも
1つに配設され、前記判断するステップ(a)において
後ろ方向に転倒すると判断したことに応答して、前記動
作パターンを生成するステップ(b)では、背面部で最
初に着床するような前記下肢及び上体の動作パターンを
生成するようにしてもよい。この結果、脚式移動ロボッ
トは、人間に似た自然な転倒動作を行うことで、転倒に
よって被る衝撃を緩和し、損害を好適に軽減することが
できる。
Alternatively, the preferential landing site is provided on at least one of the palm, the back, the buttocks, and the knee of the legged mobile robot, and it is determined to fall backward in the determining step (a). In response to this, in the step (b) of generating the motion pattern, the motion pattern of the lower limbs and the upper body such that the first landing is performed on the back surface may be generated. As a result, the legged mobile robot can perform a natural fall motion similar to that of a human, thereby alleviating the impact caused by the fall and suitably reducing the damage.

【0052】あるいは、前記優先着床部位は、前記脚式
移動ロボットの掌、背面部、臀部、膝のうち少なくとも
1つに配設され、前記判断するステップ(a)において
後ろ方向に転倒すると判断したことに応答して、前記動
作パターンを生成するステップ(b)では、臀部で最初
に着床するような前記下肢及び上体の動作パターンを生
成するようにしてもよい。この結果、脚式移動ロボット
は、人間に似た自然な転倒動作を行うことで、転倒によ
って被る衝撃を緩和し、損害を好適に軽減することがで
きる。
Alternatively, the priority landing site is provided on at least one of the palm, the back surface, the buttocks, and the knees of the legged mobile robot, and it is determined that the person falls down backward in the determining step (a). In response to this, in the step (b) of generating the motion pattern, the motion pattern of the lower limb and the upper body such that the user may land on the buttocks first may be generated. As a result, the legged mobile robot can perform a natural fall motion similar to that of a human, thereby alleviating the impact caused by the fall and suitably reducing the damage.

【0053】あるいは、前記優先着床部位は、前記脚式
移動ロボットの掌、背面部、臀部、膝のうち少なくとも
1つに配設され、前記判断するステップ(a)において
前方向に転倒すると判断したことに応答して、前記動作
パターンを生成するステップ(b)では、膝で最初に着
床するような前記下肢及び上体の動作パターンを生成す
るようにしてもよい。この結果、脚式移動ロボットは、
人間に似た自然な転倒動作を行うことで、転倒によって
被る衝撃を緩和し、損害を好適に軽減することができ
る。
Alternatively, the priority landing site is provided on at least one of the palm, the back surface, the buttocks, and the knees of the legged mobile robot, and it is determined in the determination step (a) that the vehicle falls down forward. In response to this, in the step (b) of generating the motion pattern, a motion pattern of the lower limb and the upper body such that the knee is first landed may be generated. As a result, the legged mobile robot
By performing a natural fall motion similar to that of a human being, it is possible to mitigate the impact caused by the fall and appropriately reduce the damage.

【0054】また、本発明の第4の側面は、少なくとも
下肢と、該下肢の上方に配設された上体とで構成され、
下肢の運動により移動自在な脚式移動ロボットのための
転倒時動作制御方法であって、前記脚式移動ロボットは
所定の非優先着床部位を有し、(a)前記脚式移動ロボ
ットが転倒しそうか否かを判断するステップと、(b)
転倒すると判断したことに応答して、前記非優先着床部
位が最初に着床するのを避けるような前記下肢及び上体
の動作パターンを生成するステップと、(c)生成され
た動作パターンに従って前記下肢及び上体の駆動を制御
するステップと、を具備することを特徴とする脚式移動
ロボットの転倒時動作制御方法である。
The fourth aspect of the present invention comprises at least a lower limb and an upper body disposed above the lower limb,
A method for controlling a motion during a fall for a legged mobile robot that can move freely by lower leg movements, wherein the legged mobile robot has a predetermined non-priority landing site, and (a) the legged mobile robot falls over. And (b) determining whether or not
Responsive to the decision to fall, generating a motion pattern of the lower limbs and upper body that avoids the non-priority implantation site from landing first, and (c) according to the generated motion pattern. A step of controlling the drive of the lower limbs and the upper body, and a motion control method of a legged mobile robot during a fall.

【0055】[0055]

【作用】本発明に係る脚式移動ロボットによれば、姿勢
センサ出力や接地確認センサ出力による傾斜や着床・離
床検出、さらには床反力の算出結果に基づいて、ロボッ
トが転倒する際の転倒方向を早めに検出して、体幹部、
下肢部、上肢部などの各関節部アクチュエータを制御す
ることで、優先着床部位から着床するような動作パター
ンを生成し且つ動作パターンを実行することができる。
According to the legged mobile robot of the present invention, when the robot falls down based on the inclination and the landing / exiting detection by the posture sensor output and the ground contact confirmation sensor output, and the calculation result of the floor reaction force. The fall direction is detected early, the trunk,
By controlling each joint actuator such as the lower limb portion and the upper limb portion, it is possible to generate a motion pattern for landing from the priority landing site and execute the motion pattern.

【0056】優先着床部位は、他の部位に比し強度が充
分確保され、あるいは、緩衝部材を含んでいるので、転
倒に伴ないロボットが被る損傷を最小限に抑えることが
できる。
The priority landing site has a sufficient strength as compared with other sites, or includes a cushioning member, so that damage to the robot due to a fall can be minimized.

【0057】また、本発明に係る脚式移動ロボットによ
れば、姿勢センサ出力や接地確認センサ出力による傾斜
や着床・離床検出、さらには床反力の算出結果に基づい
て、ロボットが転倒する際の転倒方向を早めに検出し
て、体幹部、下肢部、上肢部などの各関節部アクチュエ
ータを制御することで、非優先着床部位を避けながら着
床するような動作パターンを生成し且つ動作パターンを
実行することができる。
Further, according to the legged mobile robot of the present invention, the robot falls over on the basis of the results of the inclination and the landing / leaving detection by the output of the posture sensor and the ground contact confirmation sensor, and the calculation result of the floor reaction force. By detecting the fall direction at the early stage and controlling each joint actuator such as the trunk, lower limbs, and upper limbs, it is possible to generate a motion pattern such as landing while avoiding non-priority landing sites and A motion pattern can be executed.

【0058】非優先着床部位は、例えば制御ボードや、
カメラその他のセンサなど、比較的低強度若しくは衝撃
に弱い部品が配備されている場所である。このような非
優先着床部位を避けながら転倒することにより、転倒に
伴ないロボットが被る損傷を最小限に抑えることができ
る。
The non-priority implantation site is, for example, a control board or
It is a place where relatively low-strength parts or parts susceptible to impact such as sensors such as cameras are installed. By avoiding such a non-priority landing site and falling, the damage to the robot due to the fall can be minimized.

【0059】本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、
後述する本発明の実施例や添付する図面に基づくより詳
細な説明によって明らかになるであろう。
Further objects, features and advantages of the present invention are as follows.
It will be clarified by a more detailed description based on embodiments of the present invention described below and the accompanying drawings.

【0060】[0060]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施例を詳解する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.

【0061】図1及び図2には本発明の実施に供される
人間形又は人間型ロボット100を前方及び後方の各々
から眺望した様子を示している。さらに、図3には、こ
の人間型ロボット100が具備する関節自由度構成を模
式的に示している。
1 and 2 show a humanoid or humanoid robot 100 used for carrying out the present invention as viewed from the front and the rear respectively. Further, FIG. 3 schematically shows a joint degree-of-freedom configuration included in the humanoid robot 100.

【0062】図3に示すように、人間型ロボット100
は、2本の腕部と頭部1を含む上体と、移動動作を実現
する2本の脚部からなる下肢と、上肢と下肢とを連結す
る体幹部とで構成される。
As shown in FIG. 3, the humanoid robot 100
Is composed of an upper body including two arms and a head 1, a lower limb composed of two legs that realize a moving motion, and a trunk that connects the upper limb and the lower limb.

【0063】頭部1を支持する首関節は、首関節ヨー軸
2と、首関節ピッチ軸3と、首関節ロール軸4という3
自由度を有している。
The neck joint that supports the head 1 is a neck joint yaw axis 2, a neck joint pitch axis 3, and a neck joint roll axis 4.
Have a degree of freedom.

【0064】また、各腕部は、肩関節ピッチ軸8と、肩
関節ロール軸9と、上腕ヨー軸10と、肘関節ピッチ軸
11と、前腕ヨー軸12と、手首関節ピッチ軸13と、
手首関節ロール軸14と、手部15とで構成される。手
部15は、実際には、複数本の指を含む多関節・多自由
度構造体である。但し、手部15の動作自体は、ロボッ
ト100の姿勢安定制御や歩行動作制御に対する寄与や
影響が少ないので、本明細書ではゼロ自由度と仮定す
る。したがって、各腕部は7自由度を有するとする。
Each arm has a shoulder joint pitch axis 8, a shoulder joint roll axis 9, an upper arm yaw axis 10, an elbow joint pitch axis 11, a forearm yaw axis 12, and a wrist joint pitch axis 13.
It is composed of a wrist joint roll shaft 14 and a hand portion 15. The hand portion 15 is actually a multi-joint / multi-degree-of-freedom structure including a plurality of fingers. However, since the motion itself of the hand portion 15 has little contribution or influence to the posture stabilization control and the walking motion control of the robot 100, it is assumed in this specification that the degree of freedom is zero. Therefore, each arm has seven degrees of freedom.

【0065】また、体幹部は、体幹ピッチ軸5と、体幹
ロール軸6と、体幹ヨー軸7という3自由度を有する。
The trunk has three degrees of freedom: trunk pitch axis 5, trunk roll axis 6, and trunk yaw axis 7.

【0066】また、下肢を構成する各々の脚部は、股関
節ヨー軸16と、股関節ピッチ軸17と、股関節ロール
軸18と、膝関節ピッチ軸19と、足首関節ピッチ軸2
0と、関節ロール軸21と、足部(足底)22とで構成
される。股関節ピッチ軸17と股関節ロール軸18の交
点は、本実施例に係るロボット100の股関節位置を定
義するものとする。人体の足部(足底)22は、実際に
は多関節・多自由度の足底を含んだ構造体であるが、本
実施例に係る人間型ロボット100の足底はゼロ自由度
とする。したがって、各脚部は6自由度で構成される。
Further, each leg constituting the lower limb has a hip joint yaw axis 16, a hip joint pitch axis 17, a hip joint roll axis 18, a knee joint pitch axis 19, and an ankle joint pitch axis 2.
0, a joint roll shaft 21, and a foot (sole) 22. The intersection of the hip joint pitch axis 17 and the hip joint roll axis 18 defines the hip joint position of the robot 100 according to the present embodiment. The foot portion (foot sole) 22 of the human body is actually a structure including a multi-joint, multi-degree-of-freedom foot sole, but the foot sole of the humanoid robot 100 according to the present embodiment has zero degrees of freedom. . Therefore, each leg has 6 degrees of freedom.

【0067】上述したような人間型ロボット100が持
つ各自由度は、実際にはアクチュエータを用いて実装さ
れる。外観上で余分な膨らみを排してヒトの自然体形状
に近似させること、2足歩行という不安定構造体に対し
て姿勢制御を行うことなどの要請から、アクチュエータ
は小型且つ軽量であることが好ましい。本実施例では、
ギア直結型で且つサーボ制御系をワンチップ化してモー
タ・ユニットに内蔵したタイプの小型ACサーボ・アク
チュエータを搭載することとした。なお、この種のAC
サーボ・アクチュエータに関しては、例えば本出願人に
既に譲渡されている特願平11−33386号明細書に
開示されている。
Each degree of freedom of the humanoid robot 100 as described above is actually implemented by using an actuator. It is preferable that the actuator be small and lightweight in view of demands such as eliminating extra bulges in appearance and approximating the shape of a natural human body, and performing posture control for an unstable structure such as bipedal walking. . In this embodiment,
It was decided to mount a small AC servo actuator of the type directly connected to the gear and incorporating the servo control system into a single chip in the motor unit. In addition, this kind of AC
The servo actuator is disclosed, for example, in Japanese Patent Application No. 11-33386 assigned to the present applicant.

【0068】なお、図3には図示しないが、本実施例に
係る人間型ロボット100は、臀部、膝部、両手(又は
片手)の掌など、所定の部位を特に強度が充分確保され
た堅牢な部位を備えている。これら高強度の部位は、後
述するように、ロボット100の転倒時に「優先着床部
位」として作用し、他の部位が最初に着床した場合に比
し、ロボット100が受ける損傷を軽減することができ
る。
Although not shown in FIG. 3, the humanoid robot 100 according to the present embodiment is a robust robot in which a predetermined portion such as a buttocks, knees, palms of both hands (or one hand) is sufficiently strong. It has various parts. As will be described later, these high-strength parts act as “priority landing parts” when the robot 100 falls, and reduce damage to the robot 100 compared to when other parts first land. You can

【0069】優先着床部位は、例えばラバーやクッショ
ンなどの緩衝部材を備えてもよい。緩衝部材は、転倒時
において、ロボット100だけでなくロボット100と
衝突する相手側の物体の損傷も軽減することができる。
The priority landing site may be provided with a cushioning member such as rubber or cushion. The cushioning member can reduce damage to not only the robot 100 but also an object on the other side colliding with the robot 100 when the robot 100 falls.

【0070】優先着床部位を堅牢に構成し、さらに緩衝
部材を含むことで、その外観は他の部位に比し自ずと膨
らんでしまう。但し、膝部や臀部、掌のように、生命体
において膨らみのある場所を優先着床部位として設定す
ることにより、ロボット100全体の外観の均整は人間
本来の形状を逸脱することはない。
By constructing the priority landing site robustly and further including the cushioning member, its appearance naturally swells as compared with other sites. However, by setting a place where there is a bulge in the living body as a priority implantation site, such as a knee, a buttock, or a palm, the proportion of the appearance of the entire robot 100 does not deviate from the original human form.

【0071】図4には、人間型ロボット100の制御シ
ステム構成を模式的に示している。同図に示すように、
人間型ロボット100は、ヒトの四肢を表現した各機構
ユニット30,40,50R/L,60R/Lと、各機
構ユニット間の協調動作を実現するための適応制御を行
う制御ユニット80とで構成される(但し、R及びLの
各々は、右及び左の各々を示す接尾辞である。以下同
様)。
FIG. 4 schematically shows the control system configuration of the humanoid robot 100. As shown in the figure,
The humanoid robot 100 is composed of mechanical units 30, 40, 50R / L, 60R / L that represent human limbs, and a control unit 80 that performs adaptive control for realizing cooperative operation between the mechanical units. (However, each of R and L is a suffix indicating each of right and left. The same applies hereinafter.)

【0072】人間型ロボット100全体の動作は、制御
ユニット80によって統括的に制御される。制御ユニッ
ト80は、CPU(Central Processi
ngUnit)チップやメモリ・チップ等の主要回路コ
ンポーネント(図示しない)で構成される主制御部81
と、電源装置やロボット100の各構成要素とのデータ
やコマンドの授受を行うインターフェース(いずれも図
示しない)などを含んだ周辺回路82とで構成される。
The overall operation of the humanoid robot 100 is controlled by the control unit 80. The control unit 80 is a CPU (Central Process).
ngUnit) chip, memory chip, and other main circuit components (not shown) 81
And a peripheral circuit 82 including an interface (not shown) for exchanging data and commands with the power supply device and each component of the robot 100.

【0073】本実施例では、電源装置は、ロボット10
0を自立的に駆動するためのバッテリを含んだ構成(図
4には図示しない)となっている。自立駆動型であれ
ば、人間型ロボット100の物理的な行動半径は、電源
ケーブルによる制限を受けず、自由に歩行することがで
きる。また、歩行やその他の上肢を含めた各種の運動時
に、電源ケーブルとの干渉を考慮する必要がなくなり、
移動などの動作制御が容易になる。
In this embodiment, the power supply unit is the robot 10
It has a configuration (not shown in FIG. 4) including a battery for driving 0 independently. If it is a self-sustaining drive type, the physical action radius of the humanoid robot 100 is not limited by the power cable and can walk freely. In addition, it is no longer necessary to consider interference with the power cable during various exercises including walking and other upper limbs,
Operation control such as movement becomes easy.

【0074】図3に示したロボット100内の各関節自
由度は、それぞれに対応するアクチュエータによって実
現される。すなわち、頭部ユニット30には、首関節ヨ
ー軸2、首関節ピッチ軸3、首関節ロール軸4の各々を
表現する首関節ヨー軸アクチュエータA2、首関節ピッ
チ軸アクチュエータA3、首関節ロール軸アクチュエー
タA4がそれぞれ配設されている。
The degree of freedom of each joint in the robot 100 shown in FIG. 3 is realized by an actuator corresponding to each joint. That is, the head unit 30 includes a neck joint yaw axis actuator A 2 , a neck joint pitch axis actuator A 3 , and a neck joint roll that respectively represent the neck joint yaw axis 2, the neck joint pitch axis 3, and the neck joint roll axis 4. Axial actuators A 4 are provided respectively.

【0075】また、体幹部ユニット40には、体幹ピッ
チ軸5、体幹ロール軸6、体幹ヨー軸7の各々を表現す
る体幹ピッチ軸アクチュエータA5、体幹ロール軸アク
チュエータA6、体幹ヨー軸アクチュエータA7がそれぞ
れ配備されている。
Further, the trunk unit 40 includes a trunk pitch axis actuator A 5 , a trunk roll axis actuator A 6 , which expresses the trunk pitch axis 5, trunk roll axis 6, and trunk yaw axis 7, respectively. Trunk yaw axis actuators A 7 are provided respectively.

【0076】また、腕部ユニット50R/Lは、上腕ユ
ニット51R/Lと、肘関節ユニット52R/Lと、前
腕ユニット53R/Lに細分化されるが、肩関節ピッチ
軸8、肩関節ロール軸9、上腕ヨー軸10、肘関節ピッ
チ軸11、肘関節ロール軸12、手首関節ピッチ軸1
3、手首関節ロール軸14の各々を表現する肩関節ピッ
チ軸アクチュエータA8、肩関節ロール軸アクチュエー
タA9、上腕ヨー軸アクチュエータA10、肘関節ピッチ
軸アクチュエータA11、肘関節ロール軸アクチュエータ
12、手首関節ピッチ軸アクチュエータA13、手首関節
ロール軸アクチュエータA14がそれぞれ配備されてい
る。
The arm unit 50R / L is subdivided into an upper arm unit 51R / L, an elbow joint unit 52R / L, and a forearm unit 53R / L. The shoulder joint pitch axis 8 and the shoulder joint roll axis are used. 9, upper arm yaw axis 10, elbow joint pitch axis 11, elbow joint roll axis 12, wrist joint pitch axis 1
3. Shoulder joint pitch axis actuator A 8 , shoulder joint roll axis actuator A 9 , upper arm yaw axis actuator A 10 , elbow joint pitch axis actuator A 11 , elbow joint roll axis actuator A 12 expressing each of the wrist joint roll axes 14. , A wrist joint pitch axis actuator A 13 and a wrist joint roll axis actuator A 14 are provided, respectively.

【0077】また、脚部ユニット60R/Lは、大腿部
ユニット61R/Lと、膝ユニット62R/Lと、脛部
ユニット63R/Lに細分化されるが、股関節ヨー軸1
6、股関節ピッチ軸17、股関節ロール軸18、膝関節
ピッチ軸19、足首関節ピッチ軸20、足首関節ロール
軸21の各々を表現する股関節ヨー軸アクチュエータA
16、股関節ピッチ軸アクチュエータA17、股関節ロール
軸アクチュエータA18、膝関節ピッチ軸アクチュエータ
19、足首関節ピッチ軸アクチュエータA20、足首関節
ロール軸アクチュエータA21がそれぞれ配備されてい
る。
The leg unit 60R / L is subdivided into a thigh unit 61R / L, a knee unit 62R / L, and a shin unit 63R / L.
6. Hip joint yaw axis actuator A representing each of hip joint pitch axis 17, hip joint roll axis 18, knee joint pitch axis 19, ankle joint pitch axis 20, and ankle joint roll axis 21.
16 , a hip joint pitch axis actuator A 17 , a hip joint roll axis actuator A 18 , a knee joint pitch axis actuator A 19 , an ankle joint pitch axis actuator A 20 , and an ankle joint roll axis actuator A 21 are provided, respectively.

【0078】各アクチュエータA2,A3…は、より好ま
しくは、ギア直結型で且つサーボ制御系をワンチップ化
してモータ・ユニット内に搭載したタイプの小型ACサ
ーボ・アクチュエータ(前述)である。
Each of the actuators A 2 , A 3, ... Is more preferably a small AC servo actuator of the type which is directly connected to a gear and has a servo control system formed into one chip and mounted in a motor unit (described above).

【0079】頭部ユニット30、体幹部ユニット40、
腕部ユニット50、各脚部ユニット60などの各機構ユ
ニット毎に、アクチュエータ駆動制御用の副制御部3
5,45,55,65がそれぞれ配備されている。さら
に、各脚部60R,Lの足底が着床したか否かを検出す
る接地確認センサ91及び92を装着するとともに、体
幹部ユニット40内には、姿勢を計測する姿勢センサ9
3を装備している。本実施例では、姿勢センサ93とし
て加速度センサを用いるものとする。接地確認センサ9
1及び92のセンサ出力に従って、ロボット100の着
床及び離床を検出することができる。また、姿勢センサ
93のセンサ出力に従って、ロボット100の胴体など
の傾斜を検出することができる。主制御部81は、これ
ら各センサ91〜93の出力により、制御目標をダイナ
ミックに補正することができる。
Head unit 30, trunk unit 40,
For each mechanism unit such as the arm unit 50 and each leg unit 60, the sub-control unit 3 for actuator drive control is provided.
5, 45, 55 and 65 are provided respectively. Furthermore, the ground contact confirmation sensors 91 and 92 for detecting whether or not the soles of the legs 60R, 60L have landed are attached, and the posture sensor 9 for measuring the posture is provided in the trunk unit 40.
Equipped with 3. In this embodiment, an acceleration sensor is used as the attitude sensor 93. Grounding confirmation sensor 9
The landing and leaving of the robot 100 can be detected according to the sensor outputs of 1 and 92. Further, according to the sensor output of the attitude sensor 93, the inclination of the body of the robot 100 or the like can be detected. The main control unit 81 can dynamically correct the control target based on the outputs of the sensors 91 to 93.

【0080】主制御部80は、各センサ91〜93の出
力に応答して副制御部35,45,55,65の各々に
対して適応的な制御を行い、人間型ロボット100の上
肢、体幹、及び下肢の協調した動作を実現することがで
きる。主制御部81は、ユーザ・コマンド等に従って、
足部運動、ZMP(Zero Moment Poin
t)軌道、体幹運動、上肢運動、腰部高さなどを設定す
るとともに、これらの設定内容に従った動作を指示する
コマンドを各副制御部35,45,55,65に転送す
る。
The main control unit 80 adaptively controls each of the sub control units 35, 45, 55 and 65 in response to the outputs of the sensors 91 to 93, and the upper limbs and body of the humanoid robot 100. It is possible to realize coordinated movements of the trunk and the lower limbs. The main control unit 81 follows the user command, etc.
Foot movement, ZMP (Zero Moment Point)
t) Trajectory, trunk movement, upper limb movement, waist height, etc. are set, and commands instructing movements according to these settings are transferred to the sub-control units 35, 45, 55, 65.

【0081】そして、各々の副制御部35,45…で
は、主制御部81からの受信コマンドを解釈して、各ア
クチュエータA2,A3…に対して駆動制御信号を出力す
る。ここで言う「ZMP」とは、歩行中の床反力による
モーメントがゼロとなる床面上の点のことであり、ま
た、「ZMP軌道」とは、例えばロボット100の歩行
動作期間中などにZMPが動く軌跡を意味する。
The sub-control units 35, 45 ... Interpret the received command from the main control unit 81 and output drive control signals to the actuators A 2 , A 3 ,. The "ZMP" referred to here is a point on the floor where the moment due to the floor reaction force during walking becomes zero, and the "ZMP trajectory" is, for example, during the walking motion of the robot 100. It means the trajectory of ZMP movement.

【0082】次に、上述した人間型ロボット100の転
倒時に実行する処理手順について説明する。
Next, a processing procedure executed when the above-described humanoid robot 100 falls down will be described.

【0083】図5には、ロボット100の転倒時の損傷
軽減処理を実現するための機能ブロック図を模式的に示
している。
FIG. 5 schematically shows a functional block diagram for realizing damage reduction processing when the robot 100 falls.

【0084】バッテリ電圧/電流検出手段151は、ロ
ボット100の駆動電源であるバッテリの端子電圧や放
電電流、充電電流などを常時監視する機能ブロックであ
り、例えば周辺回路82(前述)の一部として実装され
ている。例えば、バッテリの端子電圧の低下や、放電電
流の積算量等を基にして、バッテリの残存容量を常時モ
ニタすることができる。
The battery voltage / current detecting means 151 is a functional block that constantly monitors the terminal voltage, discharge current, charging current, etc. of the battery that is the driving power source of the robot 100, and is, for example, as a part of the peripheral circuit 82 (described above). It is implemented. For example, the remaining capacity of the battery can be constantly monitored based on the decrease in the terminal voltage of the battery, the integrated amount of the discharge current, and the like.

【0085】傾斜・姿勢検出手段152は、ロボット1
00の上体の傾斜や姿勢を検出する機能モジュールであ
る。より具体的には、ロボット100の体幹部ユニット
40内に配備された姿勢センサ93で構成され、ロボッ
ト100の姿勢やその傾斜の度合いを検出することがで
きる。
The inclination / posture detecting means 152 is the robot 1
00 is a functional module for detecting the inclination and posture of the upper body. More specifically, the posture sensor 93 provided in the torso unit 40 of the robot 100 can detect the posture of the robot 100 and the degree of its inclination.

【0086】床反力算出手段153は、歩行など、ロボ
ット100が所定の動作パターンを行っているときに、
足底が床面から受ける反力を算出する機能ブロックであ
る。例えば、ロボット100の多質点近似モデルを用い
て床反力を求めることができる。
The floor reaction force calculating means 153, when the robot 100 is performing a predetermined motion pattern such as walking,
It is a functional block that calculates the reaction force that the sole receives from the floor. For example, the floor reaction force can be obtained using the multi-mass point approximation model of the robot 100.

【0087】着床/離床検出手段154は、ロボット1
00が着床又は離床いずれの期間中であるかを検出する
ための機能モジュールであり、例えば左右両足の足底に
配備された接地確認センサ91及び92で構成すること
ができる。
The landing / leaving detection means 154 is the robot 1
00 is a functional module for detecting whether it is during landing or leaving the floor, and can be composed of, for example, ground contact confirmation sensors 91 and 92 provided on the soles of the left and right feet.

【0088】各アクチュエータ1,2,…,Nは、各関
節のロール、ピッチ、ヨー各軸の自由度を実現する駆動
装置である。駆動制御装置1,2,…,Nは、各アクチ
ュエータ1,2,…,Nの変位量や変位速度などの駆動
制御を行い、変位検出部1,2,,Nは、各アクチュエ
ータ1,2,…,Nの変位量等を検出してフィードバッ
ク信号を出力する。特願平11−33386号明細書に
開示されているACサーボ・アクチュエータは、アクチ
ュエータと駆動制御装置と変位検出部が一体的に構成さ
れた小型サーボ・アクチュエータである(前述)。
Each of the actuators 1, 2, ..., N is a drive device that realizes the degree of freedom of roll, pitch, and yaw axes of each joint. The drive control devices 1, 2, ..., N perform drive control of the displacement amount and displacement speed of the actuators 1, 2, ..., N, and the displacement detectors 1, 2 ,. , ..., N, etc. are detected to output a feedback signal. The AC servo actuator disclosed in Japanese Patent Application No. 11-33386 is a small servo actuator in which an actuator, a drive control device, and a displacement detector are integrally formed (described above).

【0089】転倒判断手段155、動作パターン生成手
段156、及び、ロボット制御装置157の各々は、実
際には、主制御部81と、各副制御部35,45,5
5,65の協働的動作によって構成される機能モジュー
ルである。
Each of the fall determination means 155, the motion pattern generation means 156, and the robot control device 157 is actually a main control part 81 and each sub control part 35, 45, 5.
It is a functional module configured by cooperative operation of 5,65.

【0090】転倒判断手段155は、バッテリ電圧/電
流検出手段151、傾斜・姿勢検出手段152、床反力
算出手段153、及び、着床/離床検出手段154の各
々の出力に基づいてロボットが転倒しそうな状態か否か
を判定する。転倒しそうな状態と判断すると、「転倒検
出」信号を付勢する。
The fall determining means 155 causes the robot to fall based on the outputs of the battery voltage / current detecting means 151, the inclination / posture detecting means 152, the floor reaction force calculating means 153, and the landing / leaving detection means 154. It is determined whether or not it is likely to occur. When it is judged that the vehicle is likely to fall, the "fall detection" signal is activated.

【0091】以下のような事態の少なくとも1つが発生
したときに、転倒判断手段155は転倒しそうな状態と
して判断する。
When at least one of the following situations occurs, the overturn determination means 155 determines that the vehicle is about to fall.

【0092】(1)駆動用バッテリの残存容量が所定値
以下に低下したとき (2)傾斜・姿勢検出手段152により検出された傾斜
角と目標傾斜角との偏差が所定量以上になったとき (3)傾斜・姿勢検出手段152により検出された傾斜
角の時間的変化が所定量以上になったとき (4)床反力算出手段153により求められた床反力が
所定量を越えたとき (5)着床/離床検出手段154により検出された状態
が、動作パターン生成手段155が出力した目標軌道の
状態を逸脱したとき
(1) When the remaining capacity of the drive battery drops below a predetermined value (2) When the deviation between the tilt angle detected by the tilt / posture detecting means 152 and the target tilt angle exceeds a predetermined amount (3) When the temporal change in the inclination angle detected by the inclination / posture detecting means 152 becomes a predetermined amount or more (4) When the floor reaction force obtained by the floor reaction force calculating means 153 exceeds a predetermined amount (5) When the state detected by the landing / leaving detection means 154 deviates from the state of the target trajectory output by the motion pattern generation means 155.

【0093】ロボット制御装置157は、転倒検出の通
知に応答して、傾斜姿勢、床反力、着床/離床それぞれ
の検出結果、及び、各変位検出部からのアクチュエータ
変位量に基づいて、所望の「優先着床部位」から着床す
るような動作パターンすなわち目標軌道を動作パターン
生成手段156に生成させる。そして、ロボット100
が転倒に至るまでの動作が目標軌道に追従するように、
体幹部、下肢部、上肢部の各関節アクチュエータ1,
2,…,Nを駆動制御する。
In response to the notification of the fall detection, the robot control device 157 determines the desired position based on the tilt posture, the floor reaction force, the detection results of each of landing / leaving, and the actuator displacement amount from each displacement detection unit. The motion pattern generation means 156 is caused to generate a motion pattern, that is, a target trajectory, for landing from the "prioritized landing site". And the robot 100
So that the movements of the robot will follow the target trajectory,
Joint actuators for the trunk, lower limbs, and upper limbs 1,
2, ..., N are drive-controlled.

【0094】なお、多脚ロボットの動作パターンのう
ち、特に歩行時における下肢の動作パターン(例えば、
足の浮かせ方の順序やそのタイミングなどについてのパ
ターン)のことを、当業界では「歩容」(gait)と
呼ぶ。多脚ロボットの歩容は、脚の位相差およびデュー
ティ比を用いて表される(日本ロボット学会のロボット
学術用語集による)。
Among the movement patterns of the multi-legged robot, the movement patterns of the lower limbs, especially during walking (for example,
The pattern regarding the order of lifting the legs and the timing thereof is called “gait” in the art. The gait of a multi-legged robot is expressed using the phase difference and duty ratio of the legs (according to the Robotics Glossary of the Robotics Society of Japan).

【0095】図6には、ロボット100の転倒時に実行
する損傷軽減処理手順の一例をフローチャートの形式で
図解している。以下、このフローチャートの各ステップ
について説明する。
FIG. 6 illustrates, in the form of a flowchart, an example of a damage reduction processing procedure executed when the robot 100 falls. Hereinafter, each step of this flowchart will be described.

【0096】まず、ステップS10では、転倒判断手段
155が、バッテリ電圧/電流検出手段151、傾斜・
姿勢検出手段152、床反力算出手段153、及び、着
床/離床検出手段154の各出力に基づいて(前述)、
ロボット100が転倒しそうか否かを判断する。
First, in step S10, the overturn determination means 155 determines that the battery voltage / current detection means 151 and the inclination /
Based on the outputs of the posture detection unit 152, the floor reaction force calculation unit 153, and the landing / bed leaving detection unit 154 (described above),
It is determined whether the robot 100 is likely to fall.

【0097】「転倒する」と判断した場合には、さら
に、ロボット100の正面を基準方向として、前後左右
のうちいずれの方向に向かってロボット100が転倒し
そうかを算出する。
When it is determined that the robot 100 falls, it is further calculated in which of the front, back, left and right directions the robot 100 is likely to fall with the front of the robot 100 as the reference direction.

【0098】図7には、転倒方向を算出するための概念
的なブロック図を示している。同図に示すように、ピッ
チ軸(Y軸)及びロール軸(X軸)それぞれの軸まわり
の回転角速度を検出する手段301、302が、例えば
ロボット100の体幹部などに取り付けられている。こ
れら検出手段から出力されるピッチ軸及びロール軸まわ
りの回転角速度を基に、転倒方向算出手段303は転倒
方向を算出することができる。
FIG. 7 shows a conceptual block diagram for calculating the falling direction. As shown in the figure, means 301 and 302 for detecting the rotational angular velocities around the pitch axis (Y axis) and the roll axis (X axis) are attached to the trunk of the robot 100, for example. The falling direction calculating means 303 can calculate the falling direction based on the rotational angular velocities around the pitch axis and the roll axis output from these detecting means.

【0099】図8には、転倒方向を算出するメカニズム
をより具体的に図解している。各検出手段301、30
2は、実際には一対のジャイロ・スコープ311及び3
12で構成される。ジャイロ・スコープ311及び31
2は、姿勢センサ93を兼ねてもよい。各ジャイロ・ス
コープが出力する角速度情報は、A/D変換器313及
び314によりデジタル信号に変換されてから、主制御
部81に入力される。主制御部81では、以下の式に従
い、転倒方向θを算出する。
FIG. 8 more specifically illustrates the mechanism for calculating the falling direction. Each detecting means 301, 30
2 is actually a pair of gyroscopes 311 and 3
It consists of 12. Gyroscope 311 and 31
2 may also serve as the posture sensor 93. The angular velocity information output from each gyroscope is converted into a digital signal by the A / D converters 313 and 314 and then input to the main control unit 81. The main controller 81 calculates the falling direction θ according to the following formula.

【0100】[0100]

【数1】 [Equation 1]

【0101】図9には、ロール軸及びピッチ軸各方向の
角速度と転倒方向θとの関係を示している。ステップS
10にて算出された転倒方向θは、後続のステップS3
0において動作パターンを生成する際に利用される。
FIG. 9 shows the relationship between the angular velocity in each direction of the roll axis and the pitch axis and the falling direction θ. Step S
The fall direction θ calculated in 10 is obtained in the subsequent step S3.
It is used when generating an operation pattern at 0.

【0102】再び図7に戻って、転倒時における損傷軽
減のための処理手順について説明する。
Returning to FIG. 7, a processing procedure for reducing damage at the time of falling will be described.

【0103】転倒判断手段155が転倒しそうであると
いう状態とその転倒方向を検出すると、これをロボット
制御装置157に通知する(ステップS20)。
When the fall judging means 155 detects a state in which it is about to fall and the fall direction thereof, it notifies the robot controller 157 of this (step S20).

【0104】ロボット制御装置157は、通知された転
倒方向に応じて、ロボット100の現在の姿勢から優先
着床部位で最初に着床することができる動作パターンを
動作パターン生成手段156に生成させる(ステップS
30)。そして、この動作パターンを実現するように、
各関節アクチュエータの駆動を指示する(ステップS4
0)。
The robot control device 157 causes the motion pattern generation means 156 to generate a motion pattern capable of first landing at the priority landing site from the current posture of the robot 100 in accordance with the notified tipping direction (( Step S
30). And to realize this operation pattern,
Instruct to drive each joint actuator (step S4)
0).

【0105】優先着床部位は、例えば右掌などロボット
100の全身のうち1箇所に固定してもよい。但し、こ
の場合、転倒開始時の姿勢によっては無理な動作パター
ンを強いることになる。このため、掌以外に、背面部、
臀部、膝など、複数箇所を優先着床部位に設定し、転倒
開始時の姿勢や転倒方向に応じて優先着床部位を選択す
るようにしてもよい。このような場合、ロボット制御装
置157は、動作パターン生成手段156に対して、転
倒方向だけでなく、優先着床部位も指定する。動作パタ
ーン生成手段156は、転倒前の姿勢から優先着床部位
が最初に着床するまでの流暢な動作パターンを生成する
ことができる。
The priority landing site may be fixed to one part of the whole body of the robot 100 such as the right palm. However, in this case, an unreasonable movement pattern is forced depending on the posture at the start of the fall. Therefore, in addition to the palm,
A plurality of places such as a buttocks and knees may be set as the priority landing site, and the priority landing site may be selected according to the posture at the start of the fall and the falling direction. In such a case, the robot control device 157 specifies not only the falling direction but also the priority landing site for the motion pattern generation unit 156. The motion pattern generation means 156 can generate a fluent motion pattern from the posture before falling to the time when the priority landing site first landes.

【0106】そして、優先着床部位の着床が検出される
までは、上記の処理手順を繰り返し実行する(ステップ
S50)。
Then, the above-described processing procedure is repeatedly executed until the landing of the priority landing site is detected (step S50).

【0107】上述した実施例では、傾斜姿勢検出手段1
52、床反力算出手段153、着床/離床検出手段15
4の各出力やロボット100の姿勢すなわち各関節アク
チュエータの変位角度に基づいて、所定の優先着床部位
で最初に着床するような目標軌道を動作パターン生成手
段156により生成して、その目標軌道に追従させた動
作パターンを実行するようにした。
In the embodiment described above, the tilt posture detecting means 1
52, floor reaction force calculation means 153, landing / leaving detection means 15
Based on each output of No. 4 and the posture of the robot 100, that is, the displacement angle of each joint actuator, the motion pattern generating means 156 generates a target trajectory for first landing at a predetermined priority landing site, and the target trajectory. The operation pattern that follows is executed.

【0108】但し、傾斜姿勢や床反力などの出力によ
り、自ずと所定の優先着床部位で着床することが判明し
た場合には、目標軌道を生成してそれに追従させる必要
は必ずしもなく、単に、各関節アクチュエータのサーボ
・ゲインを段階的に減衰させるなどの制御を行うだけで
もよいし、あるいはアクチュエータの制御を停止するだ
けでもよい。
However, if it is found that the vehicle will land at a predetermined priority landing site due to the output of the inclination posture, floor reaction force, etc., it is not always necessary to generate a target trajectory and follow it. Alternatively, control such as stepwise damping of the servo gain of each joint actuator may be performed, or control of the actuator may be stopped.

【0109】図10〜図14には、ロボット100が転
倒する際における、動作パターン生成手段156が生成
する目標軌道を例示している。
10 to 14 exemplify the target trajectory generated by the motion pattern generating means 156 when the robot 100 falls.

【0110】図10は、右手の掌を優先着床部位として
設定した場合であって、転倒方向がロボット100の正
面に対し右側にある場合の動作パターンを図解してい
る。
FIG. 10 illustrates an operation pattern in the case where the palm of the right hand is set as the priority landing site, and the falling direction is on the right side with respect to the front surface of the robot 100.

【0111】安定姿勢を維持した状態(図10(a)を
参照のこと)において、不測の外乱を被るなどして、ロ
ボット100が正面右側に転倒しそうな状態と判定され
る(図10(b)を参照のこと)。
In the state where the stable posture is maintained (see FIG. 10A), it is determined that the robot 100 is likely to fall to the front right side due to an unexpected disturbance or the like (FIG. 10B). )checking).

【0112】すると、右肩関節ピッチ軸アクチュエータ
を駆動させる。さらに、右股関節及び右膝関節ピッチ軸
の各アクチュエータを先に、次いで左股関節及び左膝関
節ピッチ軸の各アクチュエータを駆動させることにより
(図10(c)を参照のこと)、右掌が最も先に着床す
るような姿勢を形成する。
Then, the right shoulder joint pitch axis actuator is driven. Further, the right hip joint and the right knee joint pitch axis actuators are driven first, and then the left hip joint and the left knee joint pitch axis actuators are driven (see FIG. 10C). Form the posture of landing first.

【0113】無事、優先着床部位としての右掌が最初に
着床すると(図10(d)を参照のこと)、優先着床部
位において衝撃力はほとんど吸収され、その後、各関節
アクチュエータのサーボ・ゲインを段階的に減衰させ
る、あるいはアクチュエータの制御を停止するなどし
て、ロボット100が自然に倒れ込み、全身が軟着床す
ることができる(図10(e)を参照のこと)。
When the right palm as the priority landing site first landed safely (see FIG. 10 (d)), most of the impact force was absorbed at the priority landing site, and then the servo of each joint actuator was moved. The robot 100 can naturally fall down by softening the gain stepwise, or stopping the control of the actuator, and the whole body can softly implant (see FIG. 10 (e)).

【0114】図11は、右手の掌を優先着床部位として
設定した場合であって、転倒方向がロボット100の正
面に対し左側にある場合の動作パターンを図解してい
る。
FIG. 11 illustrates an operation pattern in the case where the palm of the right hand is set as the priority landing site and the falling direction is on the left side with respect to the front surface of the robot 100.

【0115】安定姿勢を維持した状態(図11(a)を
参照のこと)において、不測の外乱を被るなどして、ロ
ボット100が正面左側に転倒しそうな状態と判定され
る(図11(b)を参照のこと)。
In the state where the stable posture is maintained (see FIG. 11A), it is determined that the robot 100 is likely to tip over to the left side in the front due to unexpected disturbance or the like (FIG. 11B). )checking).

【0116】すると、体幹関節ヨー軸アクチュエータを
反時計回りに回転させるなどして、身体を旋回させて右
腕を左側に向かわせるとともに、左膝関節ピッチ軸アク
チュエータを回転させて腰を落とし、転倒に備える(図
11(c)を参照のこと)。このとき、身体の軸が円滑
に旋回するように、右股関節ピッチ軸アクチュエータを
回転させるなどして、右足平を離床させておくとよい。
Then, the trunk joint yaw axis actuator is rotated counterclockwise to rotate the body to move the right arm to the left side, and the left knee joint pitch axis actuator is rotated to lower the waist and fall. (See FIG. 11C). At this time, it is advisable to keep the right foot off the floor by rotating the right hip joint pitch axis actuator or the like so that the axis of the body turns smoothly.

【0117】身体を旋回させた結果、転倒方向に対して
ロボット100の左右が逆転し、ロボット100は仰向
け状態で転倒動作に突入する。このとき、右肩関節ピッ
チ軸及び右肘関節ピッチ軸の各アクチュエータを回転さ
せ、右掌を可能な限り低い位置に移動させる(図11
(d)を参照のこと)。
As a result of the turning of the body, the left and right of the robot 100 are reversed with respect to the falling direction, and the robot 100 plunges into the falling motion while lying on its back. At this time, each actuator of the right shoulder joint pitch axis and the right elbow joint pitch axis is rotated to move the right palm to the lowest possible position (FIG. 11).
(See (d)).

【0118】無事、優先着床部位としての右掌が最初に
着床すると、転倒時の衝撃力は優先着床部位によってほ
とんど吸収される。その後、各関節アクチュエータのサ
ーボ・ゲインを段階的に減衰させる、あるいはアクチュ
エータの制御を停止するなどして、ロボット100が自
然に倒れ込み、全身が軟着床することができる(図11
(e)を参照のこと)。
When the right palm, which is the priority landing site, lands first, the impact force at the time of falling is almost absorbed by the priority landing site. Thereafter, the servo gain of each joint actuator is gradually attenuated, or the control of the actuator is stopped, so that the robot 100 naturally falls and the whole body can softly implant (FIG. 11).
(See (e)).

【0119】図11に示す動作パターンは図10に比し
不自然である。但し、優先着床部位が右掌に固定されて
いる場合には、そうせざるを得ない。
The operation pattern shown in FIG. 11 is more unnatural than that in FIG. However, if the priority implantation site is fixed to the right palm, this is unavoidable.

【0120】図12は、背面部を優先着床部位として設
定した場合にロボット100が後方に転倒する動作パタ
ーンを図解している。例えば、ステップS10において
転倒方向がロボット100の後方であると判定され、且
つ、背面部を優先着床部位に選択した場合に、同図に示
す動作パターンに従って転倒動作を実行する。
FIG. 12 illustrates an operation pattern in which the robot 100 falls backward when the back surface is set as the priority landing site. For example, when it is determined in step S10 that the falling direction is behind the robot 100 and the back surface is selected as the priority landing site, the falling motion is performed according to the motion pattern shown in FIG.

【0121】安定姿勢を維持した状態(図12(a)を
参照のこと)において、不測の外乱を被るなどして、ロ
ボット100が後方に転倒しそうな状態と判定される
(図12(b)を参照のこと)。
In the state where the stable posture is maintained (see FIG. 12A), it is determined that the robot 100 is likely to fall backward due to unexpected disturbance or the like (FIG. 12B). checking).

【0122】すると、両脚の股関節ピッチ軸アクチュエ
ータを回転させるなどして、胴体ユニットが後方に転倒
するような姿勢を形成し(図12(c)を参照のこ
と)、さらに、両足の膝関節ピッチ軸及び足首関節ピッ
チ軸の各アクチュエータを回転させて、胴体ユニットが
仰向けで略水平になるような姿勢を形成する(図12
(d)を参照のこと)。このとき、両腕の肩関節ピッチ
軸及び肘関節ピッチ軸の各アクチュエータを回転させ
て、左右の上腕ユニット、前腕ユニットなど優先着床部
位以外の構成ユニットが最初に着床しないようにする。
Then, the hip joint pitch axis actuators of both legs are rotated to form a posture in which the body unit falls backward (see FIG. 12C), and further, the knee joint pitch of both feet is set. By rotating each of the actuators of the axis and the ankle joint pitch axis, the posture of the torso unit is oriented so that it is almost horizontal (FIG. 12).
(See (d)). At this time, each actuator of the shoulder joint pitch axis and the elbow joint pitch axis of both arms is rotated so that the constituent units other than the preferential landing site, such as the left and right upper arm units and the forearm unit, do not land first.

【0123】その後、各関節アクチュエータのサーボ・
ゲインを段階的に減衰させる、あるいはアクチュエータ
の制御を停止するなどして、ロボット100が自然に倒
れ込むことで、無事、優先着床部位としての背面部が最
初に着床して、転倒時の衝撃力は優先着床部位によって
ほとんど吸収される。次いで、その他の部位が順次着床
して、全身が軟着床することができる(図12(e)を
参照のこと)。
After that, the servo of each joint actuator
When the robot 100 naturally falls down by gradually reducing the gain or stopping the control of the actuator, the rear surface as the priority landing site is first landed safely, and the impact at the time of falling The force is mostly absorbed by the priority implantation site. Then, the other parts are sequentially implanted, and the whole body can be softly implanted (see FIG. 12 (e)).

【0124】図13は、臀部を優先着床部位として設定
した場合にロボット100が後方に転倒する動作パター
ンを図解している。例えば、ステップS10において転
倒方向がロボット100の後方であると判定され、且
つ、臀部を優先着床部位に選択した場合に、同図に示す
動作パターンに従って動作する。
FIG. 13 illustrates an operation pattern in which the robot 100 falls backward when the buttocks are set as the priority landing site. For example, when it is determined in step S10 that the falling direction is behind the robot 100 and the buttocks are selected as the priority landing site, the operation is performed according to the operation pattern shown in FIG.

【0125】安定姿勢を維持した状態(図13(a)を
参照のこと)において、不測の外乱を被るなどして、ロ
ボット100が後方に転倒しそうな状態と判定される
(図13(b)を参照のこと)。
While the stable posture is maintained (see FIG. 13A), it is determined that the robot 100 is likely to fall backward due to unexpected disturbance or the like (FIG. 13B). checking).

【0126】すると、両脚の股関節ピッチ軸アクチュエ
ータを回転させるなどして、上体をくの字状に屈曲させ
て、臀部を後方に突き出した姿勢を形成する(図13
(c)を参照のこと)。さらに、両脚の膝関節ピッチ軸
アクチュエータを回転させるなどして、臀部を下方に移
動させる(図13(d)を参照のこと)。
Then, the hip joint pitch axis actuators of both legs are rotated to bend the upper body in a dogleg shape to form a posture in which the buttocks are projected rearward (FIG. 13).
(See (c)). Further, the hip joint is moved downward by rotating the knee joint pitch axis actuators of both legs (see FIG. 13D).

【0127】その後、各関節アクチュエータのサーボ・
ゲインを段階的に減衰させる、あるいはアクチュエータ
の制御を停止するなどして、ロボット100が自然に倒
れ込むことで、無事、優先着床部位としての臀部が最初
に着床して、転倒時の衝撃力は優先着床部位によってほ
とんど吸収される。次いで、その他の部位が順次着床し
て、全身が軟着床することができる(図13(e)を参
照のこと)。
After that, the servo of each joint actuator
When the robot 100 naturally falls down by gradually reducing the gain or stopping the control of the actuator, the buttocks as the priority landing site first land on the ground safely, and the impact force at the time of the fall is obtained. Are mostly absorbed by the priority implantation sites. Then, the other parts are sequentially implanted, and the whole body can be softly implanted (see FIG. 13 (e)).

【0128】図14は、両脚膝を優先着床部位として設
定した場合にロボット100が前方に転倒する動作パタ
ーンを図解している。例えば、ステップS10において
転倒方向がロボット100の前方であると判定され、且
つ、両膝を優先着床部位に選択した場合に、同図に示す
動作パターンに従って動作する。
FIG. 14 illustrates an operation pattern in which the robot 100 falls forward when the both knees are set as the priority landing site. For example, when it is determined that the falling direction is the front of the robot 100 in step S10 and both knees are selected as the priority landing site, the robot operates according to the motion pattern shown in FIG.

【0129】安定姿勢を維持した状態(図14(a)を
参照のこと)において、不測の外乱を被るなどして、ロ
ボット100が前方に転倒しそうな状態と判定される
(図14(b)を参照のこと)。
In the state where the stable posture is maintained (see FIG. 14A), it is determined that the robot 100 is likely to fall forward due to unexpected disturbance or the like (FIG. 14B). checking).

【0130】すると、両脚の膝関節ピッチ軸アクチュエ
ータを回転させるなどして、両脚をくの字状に屈曲させ
て、両膝を前方に突き出した姿勢を形成する(図14
(c)を参照のこと)。
Then, the knee joint pitch axis actuators of both legs are rotated to bend both legs in a dogleg shape to form a posture in which both knees are projected forward (FIG. 14).
(See (c)).

【0131】その後、各関節アクチュエータのサーボ・
ゲインを段階的に減衰させる、あるいはアクチュエータ
の制御を停止するなどして、ロボット100が自然に倒
れ込むことで、無事、優先着床部位としての両膝が最初
に着床して(図14(d)を参照のこと)、転倒時の衝
撃力は優先着床部位によってほとんど吸収される。
After that, the servo of each joint actuator
The robot 100 naturally collapses by gradually reducing the gain or stopping the control of the actuator, so that both knees as the preferential landing site first land safely (FIG. 14 (d). )), The impact force at the time of fall is mostly absorbed by the priority landing site.

【0132】両膝が床に着いた状態であって、前方に倒
れ込むときの慣性などにより、図14(d)に示した姿
勢であっても未だ安定しないこともある。このような場
合には、さらに、両脚の股関節ピッチ軸アクチュエータ
を回転させるなどして、上体を前傾姿勢に移行させ、且
つ、左右の肩関節ピッチ軸及び肘関節ピッチ軸の各アク
チュエータを回転させて、両掌を着床させ、四つん這い
の姿勢で静止するようにしてもよい(図14(e)を参
照のこと)。
Even if the posture shown in FIG. 14 (d) is still not stable, both knees may be on the floor and inertia may occur when the user falls down forward. In such a case, the hip joint pitch axis actuators of both legs are further rotated to shift the upper body to the forward leaning posture, and the left and right shoulder joint pitch axis and elbow joint pitch axis actuators are rotated. Then, both palms may be landed on the floor, and the palms may be stationary on all fours (see FIG. 14 (e)).

【0133】上述した各実施形態では、脚式移動ロボッ
ト100の1以上の部位を高強度若しくは緩衝部材を含
んだ構造に形成して、優先着床部位として設定すること
によって、転倒時に被る衝撃による損害を軽減するよう
にした。
In each of the above-described embodiments, one or more parts of the legged mobile robot 100 are formed to have a high strength or a structure including a cushioning member, and are set as the priority landing parts, so that the impact caused by a fall may occur. I tried to reduce the damage.

【0134】これらの実施形態とは逆に、脚式移動ロボ
ット100の他の部位よりも低強度に形成された部位
や、衝撃に弱い部品が配備されている場所を「非優先着
床部位」に指定して、このような非優先着床部位から最
初に着床しないような動作パターンを生成して転倒動作
を実行することによっても、同様に、ロボット100が
転倒により被る損害を軽減することができる。このよう
な非優先着床部位としては、制御ボードや、カメラその
他の精密機器を搭載した頭部やその周辺を指定するべき
である。
Contrary to these embodiments, a "non-prioritized landing site" is defined as a site formed to have a lower strength than the other sites of the legged mobile robot 100 or a site where parts susceptible to impact are provided. Similarly, by reducing the damage that the robot 100 suffers from a fall, it is also possible to generate a motion pattern that does not land first from such a non-priority landing site and execute the fall motion. You can As such a non-priority landing site, a control board, a head equipped with a camera or other precision equipment, and its periphery should be designated.

【0135】[追補]以上、特定の実施例を参照しなが
ら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発
明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施例の修正や
代用を成し得ることは自明である。すなわち、例示とい
う形態で本発明を開示してきたのであり、限定的に解釈
されるべきではない。本発明の要旨を判断するために
は、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきで
ある。
[Supplement] The present invention has been described in detail with reference to the specific embodiments. However, it is obvious that those skilled in the art can modify or substitute the embodiments without departing from the scope of the present invention. That is, the present invention has been disclosed in the form of exemplification, and should not be limitedly interpreted. In order to determine the gist of the present invention, the section of the claims described at the beginning should be taken into consideration.

【0136】なお、本発明の要旨を判断する上で、2足
歩行のロボット100についての関節等の呼び名は、図
3を厳格に適用するのは妥当ではなく、現実のヒトやサ
ルなどの2足直立歩行動物の身体メカニズムとの対比に
より柔軟に解釈されたい。
In determining the gist of the present invention, it is not appropriate to strictly apply FIG. 3 to the names of joints and the like for the bipedal robot 100, and it is not appropriate to apply the strictness of FIG. It should be flexibly interpreted by comparison with the physical mechanism of foot-walking walking animals.

【0137】参考のため、人間型ロボットの関節モデル
構成を図15に図解しておく。同図に示す例では、肩関
節5から上腕、肘関節6、前腕、手首7及び手部8から
なる部分を「上肢」と呼ぶ。また、肩関節5から股関節
11までの範囲を「体幹部」と呼び、ヒトの胴体に相当
する。また、体幹部のうち特に股関節11から体幹関節
10までの範囲を「腰部」と呼ぶ。体幹関節10は、ヒ
トの背骨が持つ自由度を表現する作用を有する。また、
股関節11より下の大腿部12、膝関節14、下腿部1
3、足首15及び足部16からなる部分を「下肢」と呼
ぶ。一般には、股関節より上方を「上体」と呼び、それ
より下方を「下体」と呼ぶ
For reference, the joint model configuration of the humanoid robot is illustrated in FIG. In the example shown in the figure, a portion including the shoulder joint 5 to the upper arm, the elbow joint 6, the forearm, the wrist 7 and the hand portion 8 is referred to as “upper limb”. Further, the range from the shoulder joint 5 to the hip joint 11 is called a "trunk portion" and corresponds to a human torso. In addition, the range from the hip joint 11 to the trunk joint 10 in the trunk is particularly referred to as “waist”. The trunk joint 10 has a function of expressing the degree of freedom of the human spine. Also,
Thigh 12, knee joint 14, lower leg 1 below hip joint 11
3, the part consisting of the ankle 15 and the foot 16 is called "lower limb". Generally, the area above the hip joint is called the "upper body" and the area below it is called the "lower body".

【0138】また、図16には、人間型ロボットの他の
関節モデル構成を図解している。同図に示す例は、体幹
関節10を有しない点で図15に示した例とは相違す
る。各部の名称については図を参照されたい。背骨に相
当する体幹関節が省略される結果として人間型ロボット
の上体の動きは表現力を失う。但し、危険作業や難作業
の代行など、産業目的の人間型ロボットの場合、上体の
動きを要しない場合がある。なお、図15及び図16で
用いた参照番号は、それ以外の図面とは一致しない点を
理解されたい。
Further, FIG. 16 illustrates another joint model configuration of the humanoid robot. The example shown in the figure is different from the example shown in FIG. 15 in that the trunk joint 10 is not provided. See the figure for the names of each part. As a result of omitting the trunk joint corresponding to the spine, the upper body movement of the humanoid robot loses its expressive power. However, in the case of a humanoid robot for industrial purposes such as performing dangerous work or difficult work, it may not be necessary to move the upper body. It should be understood that the reference numerals used in FIGS. 15 and 16 are not the same as those in the other drawings.

【0139】[0139]

【発明の効果】以上詳記したように、本発明によれば、
転倒時にロボットが被る損害を限りなく軽減することが
できる、脚式移動型ロボットのための優れた制御方法メ
カニズムを提供することができる。
As described above in detail, according to the present invention,
It is possible to provide an excellent control method mechanism for a legged mobile robot, which can reduce damages that the robot suffers when it falls.

【0140】また、本発明によれば、転倒時にロボット
が被る損害を限りなく軽減することができるように動作
パターンを生成することができる、脚式移動型ロボット
のための優れた制御方法メカニズムを提供することがで
きる。
Further, according to the present invention, there is provided an excellent control method mechanism for a legged mobile robot capable of generating a motion pattern so as to reduce damage to the robot at the time of falling. Can be provided.

【0141】また、本発明によれば、転倒時に強度的に
弱い部位が着床するのを回避して、ロボットが被る損害
を限りなく軽減することができるように動作パターンを
生成することができる、脚式移動型ロボットのための優
れた制御方法メカニズムを提供することができる。
Further, according to the present invention, it is possible to avoid the landing of a weakly strong portion at the time of a fall and to generate a motion pattern so that the damage to the robot can be reduced as much as possible. An excellent control method mechanism for a legged mobile robot can be provided.

【0142】本発明によれば、姿勢センサ出力や接地確
認センサ出力による傾斜や着床・離床検出、さらには床
反力の算出結果に基づいて、ロボットが転倒する際の転
倒方向を早めに検出して、体幹部、下肢部、上肢部など
の各関節部アクチュエータを制御することで、優先着床
部位から着床するような動作パターンを生成し且つ動作
パターンを実行することができる。優先着床部位は、他
の部位に比し強度が充分確保されているので、転倒に伴
なうロボット100が被る損傷を最小限に抑えることが
できる。
According to the present invention, the tilt direction when the robot falls is detected earlier based on the inclination, floor landing / bed leaving detection based on the posture sensor output and ground contact confirmation sensor output, and the floor reaction force calculation result. Then, by controlling each joint actuator such as the trunk, the lower limbs, and the upper limbs, it is possible to generate an operation pattern for landing from the priority landing site and execute the operation pattern. Since the priority landing site has sufficient strength as compared with other sites, it is possible to minimize damage to the robot 100 caused by a fall.

【0143】また、本発明によれば、着床の方位を制御
することも可能であるので、転倒不可能な方位がある場
合や、次の動作にスムースに移行できるような姿勢で着
床させたい場合など、所望の方向に転倒させたいときに
も有効に適用することができる。
Further, according to the present invention, it is possible to control the direction of landing, so that there is a direction in which it cannot be overturned, or when the operator is allowed to land in a posture that allows a smooth transition to the next operation. It can be effectively applied even when it is desired to turn over in a desired direction.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施に供される人間型ロボット100
を前方から眺望した様子を示た図である。
FIG. 1 is a humanoid robot 100 used for implementing the present invention.
It is the figure which showed the mode that it looked at from the front.

【図2】本発明の実施に供される人間型ロボット100
を後方から眺望した様子を示た図である。
FIG. 2 is a humanoid robot 100 used for implementing the present invention.
It is the figure which showed a mode that it looked at from the back.

【図3】本実施例に係る人間型ロボット100が具備す
る自由度構成モデルを模式的に示した図である。
FIG. 3 is a diagram schematically showing a degree-of-freedom configuration model included in the humanoid robot 100 according to the present embodiment.

【図4】本実施例に係る人間型ロボット100の制御シ
ステム構成を模式的に示した図である。
FIG. 4 is a diagram schematically showing a control system configuration of the humanoid robot 100 according to the present embodiment.

【図5】ロボット100の転倒時の損傷軽減処理を実現
するための機能ブロック図である。
FIG. 5 is a functional block diagram for implementing damage reduction processing when the robot 100 falls.

【図6】ロボット100が転倒する際に実行する損傷軽
減処理手順の一例を示したフローチャートである。
FIG. 6 is a flowchart showing an example of a damage reduction processing procedure executed when the robot 100 falls.

【図7】ロボット100の転倒方向を算出する機能ブロ
ック図である。
FIG. 7 is a functional block diagram for calculating the falling direction of the robot 100.

【図8】ロボット100の転倒方向を算出する機能ブロ
ック図である。
FIG. 8 is a functional block diagram for calculating the falling direction of the robot 100.

【図9】ロール軸及びピッチ軸各方向の角速度と転倒方
向θとの関係を示した図である。
FIG. 9 is a diagram showing a relationship between an angular velocity in each direction of a roll axis and a pitch axis and a falling direction θ.

【図10】ロボット100が転倒する際における、動作
パターン生成手段156が生成する目標軌道の一例を示
した図であり、より具体的には、右手の掌を優先着床部
位として設定した場合にロボット100が転倒する様子
をシミュレートした図である。
FIG. 10 is a diagram showing an example of a target trajectory generated by the motion pattern generation means 156 when the robot 100 falls, more specifically, when the palm of the right hand is set as the priority landing site. It is a figure which simulated a mode that the robot 100 falls.

【図11】右手の掌を優先着床部位として設定した場合
にロボット100が転倒する様子の他の例をシミュレー
トした図であり、より具体的には、右手の掌を優先着床
部位として設定した場合にであってロボット100が左
側に転倒する様子をシミュレートした図である。
FIG. 11 is a diagram simulating another example in which the robot 100 falls when the right-hand palm is set as the priority implantation site. More specifically, the right-hand palm is defined as the priority implantation site. FIG. 8 is a diagram simulating a situation in which the robot 100 falls over to the left even when it is set.

【図12】ロボット100が転倒する際における、動作
パターン生成手段156が生成する目標軌道の一例を示
した図であり、より具体的には、背面部を優先着床部位
として設定した場合にロボット100が転倒する様子を
シミュレートした図である。
FIG. 12 is a diagram showing an example of a target trajectory generated by the motion pattern generation means 156 when the robot 100 falls, and more specifically, the robot when the back surface is set as the priority landing site. It is a figure which simulated a mode that 100 falls.

【図13】ロボット100が転倒する際における、動作
パターン生成手段156が生成する目標軌道の一例を示
した図であり、より具体的には、臀部を優先着床部位と
して設定した場合にロボット100が転倒する様子をシ
ミュレートした図である。
FIG. 13 is a diagram showing an example of a target trajectory generated by the motion pattern generation means 156 when the robot 100 falls, and more specifically, the robot 100 when the buttocks are set as the priority landing site. It is a figure simulating a situation in which a person falls.

【図14】ロボット100が転倒する際における、動作
パターン生成手段156が生成する目標軌道の一例を示
した図であり、より具体的には、膝部を優先着床部位と
して設定した場合にロボット100が転倒する様子をシ
ミュレートした図である。
FIG. 14 is a diagram showing an example of a target trajectory generated by the motion pattern generation means 156 when the robot 100 falls, and more specifically, the robot when the knee is set as the priority landing site. It is a figure which simulated a mode that 100 falls.

【図15】人間型ロボットについての関節モデル構成の
一例を模式的に示した図である。
FIG. 15 is a diagram schematically showing an example of a joint model configuration for a humanoid robot.

【図16】人間型ロボットについての関節モデル構成の
他の例を模式的に示した図である。
FIG. 16 is a diagram schematically showing another example of the joint model configuration for the humanoid robot.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…頭部,2…首関節ヨー軸 3…首関節ピッチ軸,4…首関節ロール軸 5…体幹ピッチ軸,6…体幹ロール軸 7…体幹ヨー軸,8…肩関節ピッチ軸 9…肩関節ロール軸,10…上腕ヨー軸 11…肘関節ピッチ軸,12…前腕ヨー軸 13…手首関節ピッチ軸,14…手首関節ロール軸 15…手部,16…股関節ヨー軸 17…股関節ピッチ軸,18…股関節ロール軸 19…膝関節ピッチ軸,20…足首関節ピッチ軸 21…足首関節ロール軸,22…足部(足底) 30…頭部ユニット,40…体幹部ユニット 50…腕部ユニット,51…上腕ユニット 52…肘関節ユニット,53…前腕ユニット 60…脚部ユニット,61…大腿部ユニット 62…膝関節ユニット,63…脛部ユニット 80…制御ユニット,81…主制御部 82…周辺回路 91,92…接地確認センサ 93…姿勢センサ 100…人間型ロボット 1 ... Head, 2 ... Neck joint yaw axis 3 ... Neck joint pitch axis, 4 ... Neck joint roll axis 5 ... Trunk pitch axis, 6 ... Trunk roll axis 7 ... Trunk yaw axis, 8 ... Shoulder joint pitch axis 9 ... Shoulder joint roll axis, 10 ... Upper arm yaw axis 11 ... Elbow joint pitch axis, 12 ... Forearm yaw axis 13 ... Wrist joint pitch axis, 14 ... Wrist joint roll axis 15 ... Hand, 16 ... Hip joint yaw axis 17 ... Hip pitch axis, 18 ... Hip roll axis 19 ... Knee joint pitch axis, 20 ... Ankle joint pitch axis 21 ... Ankle joint roll axis, 22 ... Foot (sole) 30 ... Head unit, 40 ... Trunk unit 50 ... Arm unit, 51 ... Upper arm unit 52 ... Elbow joint unit, 53 ... Forearm unit 60 ... Leg unit, 61 ... Thigh unit 62 ... knee joint unit, 63 ... shin unit 80 ... Control unit, 81 ... Main control unit 82 ... Peripheral circuit 91, 92 ... Grounding confirmation sensor 93 ... Attitude sensor 100 ... Humanoid robot

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B25J 5/00 B25J 13/00 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) B25J 5/00 B25J 13/00

Claims (12)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】移動ロボット装置において、前記移動ロボット装置の動作を制御する制御手段と、 前記移動ロボット装置の転倒方向を検出する転倒検出手
段と、前記移動ロボット装置の部位のうち、前記移動ロボット
装置が転倒する際に、最初に着床する部位を優先着床部
位として設定する優先着床部位設定手段と、 前記転倒検出手段により検出された転倒方向に応じて、
前記優先着床部位設定手段が設定した優先着床部位が最
初に床面に着床することができる前記移動ロボット装置
の動作パターンを生成する動作パターン生成手段とを備
え、 前記移動ロボット装置が転倒する際に、前記制御手段
は、前記移動ロボット装置の動作が前記動作パターンの
目標軌道に追従するように制御する、 ことを特徴とする移動ロボット装置。
1. In a mobile robot apparatus, a control means for controlling the operation of the mobile robot apparatus, a fall detection means for detecting a fall direction of the mobile robot apparatus, and the mobile robot among the parts of the mobile robot apparatus.
When the device falls down, the first landing area is the priority landing area.
Priority landing site setting means to be set as a position , depending on the fall direction detected by the fall detection means,
The priority landing site set by the priority landing site setting means is the highest.
The mobile robot device capable of landing on the floor for the first time
And an operation pattern generation means for generating the operation pattern of
For example, when the mobile robot device falls down, the control means
Indicates that the operation of the mobile robot device is
A mobile robot apparatus characterized by controlling so as to follow a target trajectory .
【請求項2】前記移動ロボット装置は臀部を備え、 前記優先着床部位設定手段は前記臀部を前記優先着床部
位に設定する、 ことを特徴とする請求項1に記載の移動ロボット装置。
2. The mobile robot device includes a buttock, and the priority landing site setting means sets the buttock to the priority landing part.
The mobile robot device according to claim 1, wherein the mobile robot device is set to a position .
【請求項3】前記移動ロボット装置は背面部を備え、 前記優先着床部位設定手段は前記背面部を前記優先着床
部位に設定する、 ことを特徴とする請求項1に記載の移動ロボット装置。
3. The mobile robot apparatus includes a back surface portion, and the priority landing site setting means sets the back surface portion to the priority landing portion.
The mobile robot device according to claim 1, wherein the mobile robot device is set to a part .
【請求項4】前記優先着床部位設定手段は前記移動ロボ
ット装置の複数の箇所を前記優先着床部位に設定し、 前記複数の優先着床部位の中から転倒方向に応じた優先
着床部位を選択する選択手段をさらに備える、 ことを特徴とする請求項1に記載の移動ロボット装置。
4. The priority landing site setting means is the mobile robot.
Set a plurality of places on the parking device as the priority landing site, and prioritize among the plurality of priority landing sites according to the falling direction.
The mobile robot apparatus according to claim 1, further comprising selection means for selecting a landing site .
【請求項5】移動ロボット装置において、前記移動ロボット装置の動作を制御する制御手段と、 前記移動ロボット装置の転倒を検出する転倒検出手段
と、前記移動ロボット装置の部位のうち、前記移動ロボット
装置が転倒する際に、最初に着床させない部位を非優先
着床部位として設定する非優先着床部位設定手段と、 前記転倒検出手段により転倒が検出されたことに応じ
て、前記非優先着床部位設定手段が設定した非優先着床
部位が最初に床面に着床しない前記移動ロボット装置の
動作パターンを生成する動作パターン生成手段とを備
え、 前記制御手段は、前記移動ロボット装置の動作が前記動
作パターンの目標軌道に追従するように制御する、 ことを特徴とする移動ロボット装置。
5. In a mobile robot apparatus, a control means for controlling the operation of the mobile robot apparatus, a fall detection means for detecting a fall of the mobile robot apparatus, and the mobile robot among the parts of the mobile robot apparatus.
When the device falls over, non-priority is given to the parts that are not initially implanted.
Depending on the non-priority landing site setting means set as the landing site and the fall detected by the fall detection means.
The non-priority landing set by the non-priority landing site setting means
The part of the mobile robot device that does not land on the floor first
Equipped with operation pattern generation means for generating an operation pattern
If the operation of the mobile robot apparatus is the movement,
A mobile robot apparatus , which is controlled so as to follow a target trajectory of a work pattern .
【請求項6】前記移動ロボット装置は頭部を備え、 前記非優先着床部位設定手段は前記頭部を前記非優先着
床部位に設定する、 ことを特徴とする請求項1に記載の移動ロボット装置。
6. The mobile robot device comprises a head, and the non-priority landing site setting means attaches the head to the non-priority landing part.
The mobile robot device according to claim 1, wherein the mobile robot device is set on a floor portion .
【請求項7】移動ロボット装置の転倒制御方法におい
て、 前記移動ロボット装置の転倒方向を検出する転倒検出ス
テップと、前記移動ロボット装置の部位のうち、前記移動ロボット
装置が転倒する際に、最初に着床する部位を優先着床部
位として設定する優先着床部位設定ステップと、 前記転倒ステップにおいて検出された転倒方向に応じ
て、前記優先着床部位設定ステップにおいて設定した優
先着床部位が最初に床面に着床することができる前記移
動ロボット 装置の動作パターンを生成する動作パターン
生成ステップと、 前記移動ロボット装置の動作が前記動作パターンの目標
軌道に追従するように制御する制御ステップと、 を具備することを特徴とする移動ロボット装置の転倒制
御方法。
7. A fall control method for a mobile robot device, comprising: a fall detection step of detecting a fall direction of the mobile robot device; and the mobile robot among the parts of the mobile robot device.
When the device falls down, the first landing area is the priority landing area.
Depending on the priority landing site setting step that is set as a position and the fall direction detected in the fall step,
The priority set in the priority implantation site setting step above.
The transfer which allows the first landing site to land on the floor first
A motion pattern that generates a motion pattern for a mobile robot device
The generation step and the operation of the mobile robot device are the targets of the operation pattern.
And a control step of performing control so as to follow the trajectory, a fall control method for a mobile robot apparatus.
【請求項8】前記移動ロボット装置は臀部を備え、 前記優先着床部位設定ステップでは前記臀部を前記優先
着床部位に設定する、 ことを特徴とする請求項7に記載の移動ロボット装置の
転倒制御方法。
8. The mobile robot apparatus includes a buttock, and the buttock is prioritized in the priority landing site setting step.
The mobile robot apparatus according to claim 7, wherein the mobile robot apparatus is set at a landing site.
Fall control method.
【請求項9】前記移動ロボット装置は背面部を備え、 前記優先着床部位設定ステップでは前記背面部を前記優
先着床部位に設定する、 ことを特徴とする請求項7に記載の移動ロボット装置の
転倒制御方法。
9. The mobile robot apparatus includes a back surface portion, and the back surface portion is set in the priority landing site setting step.
The mobile robot apparatus according to claim 7, wherein the mobile robot apparatus is set to a first floor area.
Fall control method.
【請求項10】前記優先着床部位設定ステップでは前記
移動ロボット装置の複数の箇所を前記優先着床部位に設
定し、 前記複数の優先着床部位の中から転倒方向に応じた優先
着床部位を選択する選択ステップをさらに備える、 ことを特徴とする請求項7に記載の移動ロボット装置の
転倒制御方法。
10. In the step of setting the priority implantation site,
Set up multiple locations of the mobile robot device at the priority landing site.
And prioritize according to the falling direction from the above-mentioned multiple priority implantation sites
The mobile robot apparatus according to claim 7, further comprising a selection step of selecting a landing site.
Fall control method.
【請求項11】移動ロボット装置の転倒制御方法におい
て、 前記移動ロボット装置の転倒を検出する転倒検出ステッ
プと、前記ロボット装置の部位のうち、前記移動ロボット装置
が転倒する際に、最初に着床させない部位を非優先着床
部位として設定する非優先着床部位設定ステップと、 前記転倒検出ステップにおいて転倒が検出されたことに
応じて、前記非優先着床部位設定ステップにおいて設定
した非優先着床部位が最初に床面に着床しない前記移動
ロボット装置の動作パターンを生成する動作パターン生
成ステップと、 前記移動ロボット装置の動作が前記動作パターンの目標
軌道に追従するように制御する制御ステップと、 を具備することを特徴とする移動ロボット装置の転倒制
御方法。
11. A fall control method for a mobile robot device, comprising: a fall detection step of detecting a fall of the mobile robot device; and the mobile robot device among the parts of the robot device.
When a person falls, non-prioritized landing on the part that should not be landed first
The fall is detected in the non-priority implantation site setting step to be set as the site and the fall detection step
Accordingly, set in the non-priority landing site setting step
The non-prioritized landing site does not land on the floor first
Motion pattern generation that generates motion patterns for robot devices
And the operation of the mobile robot device is a target of the operation pattern.
And a control step of performing control so as to follow the trajectory, a fall control method for a mobile robot apparatus.
【請求項12】前記移動ロボット装置は頭部を備え、 前記非優先着床部位設定ステップでは前記頭部を前記非
優先着床部位に設定する、 ことを特徴とする請求項11に記載の移動ロボット装置
の転倒制御方法。
12. The mobile robot apparatus includes a head, and the non-prioritized landing site setting step sets the head to the non-head.
The mobile robot apparatus according to claim 11, wherein the mobile robot apparatus is set as a priority landing site.
Fall control method.
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