JP3536084B2 - Gait control method for walking robot - Google Patents

Gait control method for walking robot

Info

Publication number
JP3536084B2
JP3536084B2 JP25404199A JP25404199A JP3536084B2 JP 3536084 B2 JP3536084 B2 JP 3536084B2 JP 25404199 A JP25404199 A JP 25404199A JP 25404199 A JP25404199 A JP 25404199A JP 3536084 B2 JP3536084 B2 JP 3536084B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
zmp
equation
control
expression
target
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
JP25404199A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2001079788A (en
Inventor
裕喜 竹内
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST filed Critical National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority to JP25404199A priority Critical patent/JP3536084B2/en
Publication of JP2001079788A publication Critical patent/JP2001079788A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3536084B2 publication Critical patent/JP3536084B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、歩行ロボットの最適
歩行技術に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optimal walking technique for a walking robot.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、脚式ロボットの脚運動の目標軌道
は、予めZMPを満足するようにオフラインで計算して
おき、軌道追従制御をかけるのが一般的であった。
2. Description of the Related Art Conventionally, a target trajectory of leg motion of a legged robot has been generally calculated offline in advance so as to satisfy ZMP, and trajectory tracking control is generally performed.

【0003】[0003]

【解決すべき課題】しかし、オフラインで予め目標軌道
を計算するためには、設計者はZMPを満足するような
軌道を考え出さなければならない。ZMPが(2)式,
または(3)式のように書けるとき、ZMPに対する入
力は一意には定まらないし、最適であるとは限らない。
これはXZMPを決めるために、
However, in order to calculate the target trajectory in advance offline, the designer must come up with a trajectory that satisfies ZMP. ZMP is the formula (2),
Or when it can write like (3) type | formula, the input with respect to ZMP is not decided uniquely, and is not necessarily optimal.
This is to determine XZMP

【0004】[0004]

【数1】 [Expression 1]

【0005】を決めなければならないからである。This is because it is necessary to decide.

【0006】ここで従来のZMPを安定化する手法を考
えてみよう。一般に、n個のリンクを持つときの、x軸
上のZMPは次式のように表される。
Here, let us consider a conventional technique for stabilizing ZMP. In general, ZMP on the x-axis when there are n links is represented by the following equation.

【0007】[0007]

【数2】 [Expression 2]

【0008】ここでロボット全体の重心位置で代表すれ
ば上式は簡単に
Here, the above equation can be easily expressed by representing the center of gravity of the entire robot.

【0009】[0009]

【数3】 [Equation 3]

【0010】とかける。(3)式の1質点系モデルで考
えると物理的意味がわかり易い。ここで、例えば重心位
置を一定高度ref に保つと仮定すると、
[0010] The physical meaning is easy to understand when considering the one-mass system model of equation (3). Here, for example, assuming that the position of the center of gravity is kept at a constant altitude h ref ,

【0011】[0011]

【数4】 [Expression 4]

【0012】となり、(3)式は、(3) is

【数5】 となる。よって重心加速度を、[Equation 5] It becomes. Therefore, the center of gravity acceleration

【0013】[0013]

【数6】 [Formula 6]

【0014】のように入力することができれば実全床反
力が目標ZMPに収束するような復元トルクが得られ
る。このようなロボットの制御手法は従来最近まで考え
られている。しかし、このように重心高度を一定に保つ
というところで設計者の意思が入り込んでしまってい
る。これは、(3)式で高度一定としないとZMPが一
意に定まらないからである。結局、従来手法では、高度
一定保持のような疑似的な手法によってZMPを導出し
ていた。
If the input can be made as in the above, a restoring torque is obtained so that the actual total floor reaction force converges to the target ZMP. Such a robot control method has been considered until recently. However, the intention of the designer has entered the place where the height of the center of gravity is kept constant. This is because the ZMP cannot be uniquely determined unless the altitude is constant in equation (3). After all, in the conventional method, the ZMP is derived by a pseudo method such as maintaining a constant altitude.

【0015】この発明は上記の如き事情に鑑みてなされ
たものであって、リアルタイム最適化手法によって、リ
アルタイムにZMP最適脚運動が可能となる歩行ロボッ
トの歩容制御方法を目的とするものである。
The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object thereof is a gait control method for a walking robot that enables ZMP optimum leg movement in real time by a real time optimization method. .

【0016】[0016]

【課題を解決するための手段】この目的に対応して、こ
の発明の歩行ロボットの歩容制御方法は、ゼロモーメン
ト点(Zero moment point)の制御を
レシーディング ホライズン制御(Receding
Horizon Control)の手法によって行っ
てリアルタイムに目標軌道を生成することを特徴として
いる。
In response to this object, the gait control method for a walking robot according to the present invention provides zero moment point control by receiving horizon control (Receeding).
Horizon Control) is used to generate a target trajectory in real time.

【0017】[0017]

【発明の実施の形態】以下この発明の詳細を一実施例を
示す図面について説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will be described in detail with reference to the drawings showing an embodiment.

【0018】歩行ロボットの目標軌道はゼロモーメント
点(Zero monent pont−ZMP)をレ
シーディング ホライズン制御(Receding H
orizon Control−RHC)の手法によっ
て行って生成する。
The target trajectory of the walking robot is a zero moment point (ZMP) received by a receiving horizon control (Receding H).
orizon control-RHC).

【0019】RHCはリアルタイム最適制御手法であ
り、そのアルゴリズム等については文献(竹内、大塚:
Receding Horizon Controlを
用いた機械的リンク系の最適化計算−連続変形法を用い
た数値解に関する検討−、日本ロボット学会誌、vo
l.17,No.3,1999)等を参照するとよい。
RHCによらない従来の最適化手法(代表的なものとし
ては勾配法等)では、勾配を使用するためにリアルタイ
ムに最適解を導出することができない。例えば5秒の制
御をするのにその最適軌道を求めるのに何時間、何十時
間もかかることがある。最適制御問題の定式化は、評価
する時間区間が無限(従来手法)か、有限で且つ評価区
間が移動していく(RHC)かが異なる点である。従っ
て、評価関数としては、(9)式を設定し、系の状態方
程式としては(7)式、これに始点の初期状態と終点の
状態の条件があるのが一般的な最適制御問題である。本
発明では、これに等式拘束条件(10)式を加える。こ
れにより、ZMPが目標ZMPに厳密な意味で追従させ
ることができる。これは、(10)式が(11)式のよ
うにハミルトニアンの中に含まれるためである。(1
0)式内第1項は目標ZMPを表し、第2項以降は現在
のZMPを表す。この2つを等しいとおいたとき等式拘
束条件となる。
RHC is a real-time optimal control technique, and its algorithm and the like are described in the literature (Takeuchi, Otsuka:
Optimization calculation of mechanical link system using Receding Horizon Control -Study on numerical solution using continuous deformation method-, Journal of the Robotics Society of Japan, vo
l. 17, no. 3, 1999).
Conventional optimization methods (typically gradient methods) that do not rely on RHC cannot use real gradients to derive optimal solutions in real time. For example, in order to control for 5 seconds, it may take many hours or tens of hours to obtain the optimum trajectory. The formulation of the optimal control problem is that the time interval to be evaluated is infinite (conventional method) or is finite and the evaluation interval moves (RHC). Therefore, the equation (9) is set as the evaluation function, the equation (7) is set as the state equation of the system, and the general optimal control problem is that there are conditions of the initial state of the start point and the state of the end point. . In the present invention, the equation constraint condition (10) is added to this. As a result, the ZMP can follow the target ZMP in a strict sense. This is because the expression (10) is included in the Hamiltonian like the expression (11). (1
0) The first term in the equation represents the target ZMP, and the second and subsequent terms represent the current ZMP. When these two are equal, it becomes an equality constraint condition.

【0020】脚式ロボットを図1及び図2のようにモデ
ル化し、
A legged robot is modeled as shown in FIGS.

【0021】[0021]

【数7】 但し、[Expression 7] However,

【数8】 [Equation 8]

【0022】である。θは関節の回転角、uは関節トル
ク、Xは状態変数、Uは入力変数、tは時間である。評
価関数として、
It is. θ is the rotation angle of the joint, u is the joint torque, X is a state variable, U is an input variable, and t is time. As an evaluation function,

【0023】[0023]

【数9】 [Equation 9]

【0024】ととる。φ(Tf)は終端拘束である。更
に、ZMPが、(3)式のような代表重心でかけると
き、
Suppose that φ (Tf) is a terminal constraint. Furthermore, when ZMP is applied with a representative center of gravity as in equation (3),

【数10】 [Expression 10]

【0025】[0025]

【数11】 ## EQU11 ##

【0026】このようにして、最適入力Uより、In this way, from the optimum input U,

【0027】[0027]

【数12】 [Expression 12]

【0028】が導出できる。これは、最適解から得られ
る理想的な並進加速度である。
Can be derived. This is the ideal translational acceleration obtained from the optimal solution.

【0029】[0029]

【数16】 [Expression 16]

【0030】[0030]

【数13】 [Formula 13]

【0031】の式だけではx軸とz軸があり一意に決定
されない。そこで、
Only the equation (1) has an x-axis and a z-axis and is not uniquely determined. there,

【0032】[0032]

【数14】 z=h(一定) (14)とすれ
ば、
If z = h (constant) (14),

【0033】[0033]

【数15】 [Expression 15]

【0034】となり上式は、Then the above equation becomes

【0035】[0035]

【数16】 [Expression 16]

【0036】となる。そこで、例えばThen, So, for example

【0037】[0037]

【数17】 [Expression 17]

【0038】のとき、図4(a)に示すようにAt that time, as shown in FIG.

【0039】[0039]

【数18】 [Formula 18]

【0040】により、重心を前方へ加速してやればXzm
pが増加する。逆に、
Thus, if the center of gravity is accelerated forward, Xzm
p increases. vice versa,

【0041】[0041]

【数19】 [Equation 19]

【0042】のとき、図4(b)に示すように(数1
8)により、後方へ減速してやればXzmpは減少する。
この2つの効果を使ってZMPを目標ZMP軌道に追従
させるのが、最も新しいZMP制御の方法である。
At this time, as shown in FIG.
According to 8), Xzmp decreases if the vehicle is decelerated backward.
The latest ZMP control method is to make the ZMP follow the target ZMP trajectory using these two effects.

【0043】しかし、この方法ではZ=h(一定)とい
う疑似的な策によって操作入力
However, in this method, operation input is performed by a pseudo measure of Z = h (constant).

【数18】を得ているため、本質的な解とはなっていな
いのが問題である。 (2)提案する本発明の方法 提案する方法では、Z=h(一定)という条件を使って
いないため、等式拘束を満足する最適解を得ることがで
きる。この方法によれば、以下の2項目を達成できる。
The problem is that it is not an essential solution because ## EQU18 ## is obtained. (2) Proposed method of the present invention In the proposed method, the condition that Z = h (constant) is not used, so that an optimal solution satisfying the equality constraint can be obtained. According to this method, the following two items can be achieved.

【0044】[0044]

【数20】 [Expression 20]

【0045】の最適解を導出できるので、これを図5に
示すように始点〜終点間の最適目標軌道の生成及び
各時刻においてRHCの最適状態フィードバックを利用
する制御をすることができる。 始点〜終点間の最適目標軌道の生成 これは、オフラインのコンピュータ上でいっぺんに計算
することもできるし、リアルタイムに逐次的に計算して
いくこともできる。
As shown in FIG. 5, the optimum target trajectory between the start point and the end point can be generated, and control using the optimum state feedback of the RHC can be performed at each time. Generation of optimal target trajectory between start point and end point This can be calculated all at once on an off-line computer, or can be sequentially calculated in real time.

【0046】[0046]

【数21】 [Expression 21]

【0047】が求まるので、例えば、For example, for example,

【0048】[0048]

【数22】 [Expression 22]

【0049】というような追従制御系を組むことによっ
てロボットを動かすことができる。各時刻においてR
HCの最適状態フィードバックを利用する。
The robot can be moved by constructing the following control system. R at each time
Use HC optimal state feedback.

【0050】これは、図6に示すように、RHCをリア
ルタイム制御にすることである。従来手法では(数1
8)を過減速していただけに対して、RHCの最適状態
フィードバック則は、(数20)を満足する関節トルク
を出力する。これを直接アクチュエータへ入力をするわ
けである。従来手法ではx軸の1次元で処理していたこ
とをここでは、x,zの2次元に処理できる。
This is to make the RHC real-time control as shown in FIG. In the conventional method (Equation 1
In response to the over-deceleration of 8), the optimal state feedback law of RHC outputs a joint torque that satisfies (Equation 20). This is input directly to the actuator. In the conventional method, processing in one dimension of the x axis can be processed in two dimensions of x and z.

【0051】このRHCを利用するときの評価関数とし
ては、種々のものが考えられるが、代表的かつ簡潔なも
のとしては、
Various evaluation functions can be considered when this RHC is used. Typical and simple functions are as follows:

【0052】[0052]

【数23】 [Expression 23]

【0053】である。つまり、各関節トルクの2乗和を
とっている。
. That is, the sum of squares of each joint torque is taken.

【0054】[0054]

【発明の効果】このようにこの発明によれば、リアルタ
イム最適目標軌道生成が可能となること及びZMPのリ
アルタイム最適制御が可能となる歩行ロボットの歩容制
御方法を得ることができる。
As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a gait control method for a walking robot that enables real-time optimal target trajectory generation and ZMP real-time optimal control.

【0055】[0055]

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

【図1】ZMPの定義を示す図。FIG. 1 is a diagram showing the definition of ZMP.

【図2】脚のモデルを示す図。FIG. 2 is a diagram showing a leg model.

【図3】片脚支持期のゼロモーメント点と目標ゼロモー
メント点の位置を示す説明図。
FIG. 3 is an explanatory diagram showing positions of a zero moment point and a target zero moment point in a single leg support period.

【図4】ゼロモーメント点と目標ゼロモーメント点の位
置を示す説明図。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing positions of a zero moment point and a target zero moment point.

【図5】最適目標軌道を示す説明図。FIG. 5 is an explanatory diagram showing an optimum target trajectory.

【図6】各時刻におけるRHCの最適状態フィードバッ
クを利用した制御を示す説明図。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing control using optimum state feedback of the RHC at each time.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−305581(JP,A) 特開 平4−201186(JP,A) 竹内,大塚:Receding Ho rizon Controlを用いた機 械的リンク系の最適化計算−連続変形法 を用いた数値解に関する検討−、日本ロ ボット学会誌,Vol.17,No.3, 1999   ──────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page       (56) References JP-A-5-305581 (JP, A)                 JP 4-201186 (JP, A)                 Takeuchi, Otsuka: Receding Ho               Machine using rison Control               Optimal calculation of mechanical link system-continuous deformation method               On numerical solution using GIS               Journal of the Bot Society, Vol. 17, no. 3,               1999

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 歩行ロボットの脚運動の目標軌道を、ゼ
ロモーメント点(Zero moment point:ZMP)の制御をレ
シーディングホライズン制御によって行って、リアルタ
イムに生成するロボット歩容制御方法において、 上記レシーディングホライズン制御では、目標ZMPとZMP
現在値を等しいとおいた等式拘束条件である下記数式1
が下記数式2のようにハミルトニアンの中に含まれるよ
うにすることにより、ZMP現在地が目標ZMPに追従させる
ことを可能とすることを特徴とするロボット歩容制御方
法。 【数1】 【数2】
1. A robot gait control method for generating a target trajectory of a leg motion of a walking robot in real time by performing zero moment point (ZMP) control by receiving horizon control, wherein: For horizon control, target ZMP and ZMP
Equation 1 below, which is the equality constraint condition where the current values are equal
Is included in the Hamiltonian as shown in Equation 2 below, thereby enabling the ZMP current location to follow the target ZMP. [Expression 1] [Expression 2]
JP25404199A 1999-09-08 1999-09-08 Gait control method for walking robot Expired - Lifetime JP3536084B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP25404199A JP3536084B2 (en) 1999-09-08 1999-09-08 Gait control method for walking robot

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP25404199A JP3536084B2 (en) 1999-09-08 1999-09-08 Gait control method for walking robot

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2001079788A JP2001079788A (en) 2001-03-27
JP3536084B2 true JP3536084B2 (en) 2004-06-07

Family

ID=17259424

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP25404199A Expired - Lifetime JP3536084B2 (en) 1999-09-08 1999-09-08 Gait control method for walking robot

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3536084B2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108237531A (en) * 2016-12-26 2018-07-03 电子科技大学中山学院 A kind of humanoid robot gait's Learning Control Method
CN110962958A (en) * 2019-12-10 2020-04-07 胡钢墩 Crescent wheel leg for robot, bionic robot and motion control method of bionic robot

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20050005995A (en) 2003-07-08 2005-01-15 삼성전자주식회사 Controling Method of Biped Walking Robot
US7248952B2 (en) * 2005-02-17 2007-07-24 Northrop Grumman Corporation Mixed integer linear programming trajectory generation for autonomous nap-of-the-earth flight in a threat environment
JP5251253B2 (en) * 2008-05-20 2013-07-31 株式会社安川電機 Stabilization control device for legged walking robot
CN104723340B (en) * 2015-03-07 2016-06-22 哈尔滨工业大学 Based on the impedance adjustment connecting and damping the flexible joint mechanical arm configured

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
竹内,大塚:Receding Horizon Controlを用いた機械的リンク系の最適化計算−連続変形法を用いた数値解に関する検討−、日本ロボット学会誌,Vol.17,No.3,1999

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108237531A (en) * 2016-12-26 2018-07-03 电子科技大学中山学院 A kind of humanoid robot gait's Learning Control Method
CN110962958A (en) * 2019-12-10 2020-04-07 胡钢墩 Crescent wheel leg for robot, bionic robot and motion control method of bionic robot

Also Published As

Publication number Publication date
JP2001079788A (en) 2001-03-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Feng et al. Optimization‐based full body control for the darpa robotics challenge
Fang et al. Trajectory tracking control of farm vehicles in presence of sliding
CA2735262C (en) Inverse kinematics
Kim et al. Designing a robust adaptive dynamic controller for nonholonomic mobile robots under modeling uncertainty and disturbances
US20020079857A1 (en) Robot, servo circuit, actuator, robot control method, and actuator driving method
JP2003241836A (en) Control method and apparatus for free-running mobile unit
Bae et al. Biped robot state estimation using compliant inverted pendulum model
Maruki et al. Adaptive backstepping control of wheeled inverted pendulum with velocity estimator
Sun et al. Fuzzy adaptive recursive terminal sliding mode control for an agricultural omnidirectional mobile robot
JPH10309684A (en) Compliance control method of manipulator
Su et al. Hybrid adaptive/robust motion control of rigid-link electrically-driven robot manipulators
Kwek et al. Application of active force control and iterative learning in a 5-link biped robot
JP3536084B2 (en) Gait control method for walking robot
JP6781101B2 (en) Non-linear system control method, biped robot control device, biped robot control method and its program
Bae et al. Novel state estimation framework for humanoid robot
Katayama et al. Whole-body model predictive control with rigid contacts via online switching time optimization
Ando et al. Reference ZMP generation for teleoperated bipedal robots walking on non-flat terrains
JP3677623B2 (en) Real-time optimal control method for legged robot
US20230173671A1 (en) Slip handling and ground friction estimation for robots
CN111353119A (en) Biped walking stability analysis method based on track mechanical energy
Sugihara et al. Whole-body cooperative COG control through ZMP manipulation for humanoid robots
CN116141329A (en) Space closed-loop double-arm robot motion control method based on self-correction control
CN112975965B (en) Decoupling control method and device of humanoid robot and humanoid robot
JP2021036390A (en) Nonlinear model prediction control device
JPH08252787A (en) Method for estimating control parameter of robot

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20040116

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 3536084

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

S533 Written request for registration of change of name

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

EXPY Cancellation because of completion of term