JP3674779B2 - Motion control device and motion control method for legged mobile robot, and robot device - Google Patents

Motion control device and motion control method for legged mobile robot, and robot device Download PDF

Info

Publication number
JP3674779B2
JP3674779B2 JP2001350855A JP2001350855A JP3674779B2 JP 3674779 B2 JP3674779 B2 JP 3674779B2 JP 2001350855 A JP2001350855 A JP 2001350855A JP 2001350855 A JP2001350855 A JP 2001350855A JP 3674779 B2 JP3674779 B2 JP 3674779B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
motion
movement
upper limb
mobile robot
moment
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
JP2001350855A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2002210681A (en
Inventor
義博 黒木
健蔵 石田
仁一 山口
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.)
Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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 Sony Corp filed Critical Sony Corp
Priority to JP2001350855A priority Critical patent/JP3674779B2/en
Publication of JP2002210681A publication Critical patent/JP2002210681A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3674779B2 publication Critical patent/JP3674779B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Images

Description

【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模した構造を有するリアリスティックなロボットのための動作制御装置及び動作制御方法、並びにロボット装置に係り、特に、ヒトやサルなどの直立歩行型の身体メカニズムや動作を模した構造を有する脚式移動ロボットのための動作制御装置及び動作制御方法、並びにロボット装置に関する。
【0002】
さらに詳しくは、本発明は、高速歩行などの脚式作業を安定且つ正確に実現する脚式移動ロボットのための動作制御装置及び動作制御方法、並びにロボット装置に係り、特に、歩行などの脚式作業時に機体に印加されるロール、ピッチ、ヨー各軸回りのモーメントの影響をキャンセルしながら安定且つ正確に駆動する脚式移動ロボットのための動作制御装置及び動作制御方法、並びにロボット装置に関する。
【0003】
【従来の技術】
電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行う機械装置のことを「ロボット」という。ロボットの語源は、スラブ語の"ROBOTA(奴隷機械)"に由来すると言われている。わが国において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 robot)であった。
【0004】
アーム式ロボットのように、ある特定の場所に植設して用いるような据置きタイプのロボットは、部品の組立・選別作業など固定的・局所的な作業空間でのみ活動する。これに対し、移動式のロボットは、作業空間は非限定的であり、所定の経路上または無経路上を自在に移動して、所定の若しくは任意の人的作業を代行したり、ヒトやイヌあるいはその他の生命体に置き換わる種々の幅広いサービスを提供することができる。なかでも脚式の移動ロボットは、クローラ式やタイヤ式の移動ロボットに比し不安定で姿勢制御や歩行制御が難しくなるが、階段や梯子の昇降や障害物の乗り越えや、整地・不整地の区別を問わない柔軟な歩行・走行動作を実現できるという点で優れている。
【0005】
最近では、イヌやネコのように4足歩行の動物の身体メカニズムやその動作を模したペット型ロボット、あるいは、ヒトのような2足直立歩行を行う動物の身体メカニズムや動作をモデルにしてデザインされた「人間形」若しくは「人間型」のロボット(humanoid robot)など、脚式移動ロボットに関する研究開発が進展し、実用化への期待もますます高まってきている。
【0006】
人間形若しくは人間型と呼ばれる2足直立歩行の脚式移動ロボットを研究・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。
【0007】
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】
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実用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。
【0009】
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る(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, 1996 APRIL)を参照のこと)。
【0010】
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る。
【0011】
ロボットの姿勢安定制御は、ロボットの転倒を回避する上で非常に重要である。何故ならば、転倒は、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からである。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からである。したがって、脚式移動ロボットの設計・開発において、歩行やその他の脚式作業時における姿勢安定制御は最も重要な技術的課題の1つである。
【0012】
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。
【0013】
脚式移動ロボットの姿勢安定制御や歩行時の転倒防止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たものである。ZMP規範に基づく2足歩行パターン生成は、足底着地点をあらかじめ設定することができ、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。また、ZMPを安定度判別規範とすることは、力ではなく軌道を運動制御上の目標値として扱うことを意味するので、技術的に実現可能性が高まる。なお、ZMPの概念並びにZMPを歩行ロボットの安定度判別規範に適用する点については、Miomir Vukobratovic著"LEGGED LOCOMOTION ROBOTS"(加藤一郎外著『歩行ロボットと人工の足』(日刊工業新聞社))に記載されている。
【0014】
一般には、4足歩行よりもヒューマノイドのような2足歩行のロボットの方が、重心位置が高く、且つ、歩行時のZMP安定領域が狭い。したがって、このような路面状態の変化に伴う姿勢変動の問題は、2足歩行ロボットにおいてとりわけ重要となる。
【0015】
2足歩行ロボットの姿勢安定度判別規範にZMPを用いた提案は既に幾つかある。
【0016】
例えば、特開平5−305579号公報に記載の脚式移動ロボットは、ZMPがゼロとなる床面上の点を目標値に一致させるようにして安定歩行を行うようになっている。
【0017】
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。この場合、外乱などを受けても所定距離だけZMPの余裕があり、歩行時の機体の安定性が向上する。
【0018】
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、あらかじ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。未知の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することができる。またZMPを目標位置に制御するので、両脚支持期で吐き出し速度を変更しても支障がない。
【0019】
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、それを解消するように脚部の一方又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、安定歩行を実現する。
【0020】
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、ZMP目標位置まわりのモーメントを検出し、モーメントが生じたときは、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。
【0021】
上述したように、ZMPを安定度判別規範に用いたロボットの姿勢安定度制御は、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を探索することにある。
【0022】
しかしながら、本発明者等の先験的な検証の結果、ロボットが高速に脚式動作する際には、機体に対してはピッチ軸並びにロール軸回りのモーメントだけでなく、ヨー軸すなわちZ軸回りにもモーメントが発生することが判明した。
【0023】
図11には、2足脚式移動ロボットの歩行速度[秒/歩]とヨー軸方向に発生するモーメントNmとの関係(例)を表している。同図からも判るように、脚式移動ロボットが1歩当りに要する時間が短くなる、すなわち歩行速度が増加するにつれて、ヨー軸モーメントは著しく増大していく。
【0024】
このようなヨー軸モーメントは、やがて機体を旋回させるような作用を及ぼし、ロボットの足底と路面間にヨー軸回りの滑りが生じ、これが歩行の安定性に大きく影響するなど、期待された脚式作業を安定且つ正確に実現する上で障害となる。さらに、このヨー軸モーメントの影響が甚だしくなると、ロボットを転倒へと導き、期待や衝突物の損壊という事態も招きかねない。
【0025】
例えば、本出願人に既に譲渡されている特願2000−206531号明細書には、任意の足部運動パターン、ZMP軌道、体幹運動パターン、上肢運動パターンに基づいて腰部運動パターンを導出することによって、2足脚式移動ロボットの安定歩行を実現した全身運動パターンを得る点について開示されている。同明細書に記載のロボットの歩行制御装置及び歩行制御方法によれば、ロボットが直立不動時や普通歩行時など様々な動作状態であっても、安定歩行するように下肢の歩容を決定することができる。特に、直立不動時に上体を用いた身振り・手振りの動作を印加した場合には、かかる上体の歩容に応じて、安定歩行できるような下肢の歩容を決定することができる。
【0026】
しかしながら、同明細書では、足部、体幹、そして上肢の運動によってロボットの機体に生じる設定ZMP上のロール軸並びにピッチ軸回りのモーメントMx,Myをキャンセルすることによって安定歩行可能な全身協調運動を導出する点について記載されているものの、かかる全身協調運動の際に発生するヨー軸回りのモーメントMzについては考慮していない。
【0027】
センサなどにより機体のヨー軸回りの滑りを検知した後に、腕を振るなどのヨー軸回りのモーメントを打ち消すための補正制御を行う方法も考えられる。しかしながら、この場合は事後的に補正制御を行うので、どうしても多少滑ってしまうという問題点がある。
【0028】
また、腕を振るなどの動作は、重力と無関係な面の運動なので、モーメントを打ち消した後、さらに腕を所望の位置へ戻す制御が必要になる。
【0029】
さらに、Z方向の運動を共有してしまう回転型の関節で構成された人間形の腕を用いる場合には、ヨー軸回りのモーメントを打ち消すために腕を振ると、同時に、ロボットの安定性を損なう、ピッチ軸回り、ロール軸回りのモーメントをも発生してしまいがちである。
【0030】
つまり、ヨー軸の滑りを抑制するために事後的に腕を振ると、ヨー軸回りの滑りは治るものの、歩行そのものが不安定になってしまうという問題が生じる。
【0031】
この現象は、特に高速で運動する程大きくなり、高速運動(走行)を行うロボットには好ましい制御ではない。
【0032】
さらに付言すれば、人間形の腕を用いて、ヨー軸回りのモーメントのみを発生させるには非人間的で不自然な運動になり易く(例えば、Z方向に運動が発生しないように、水平面内でバーベルを回すような運動)、表現力が重要視されるエンターテイメント用のロボットとしては致命的である。
【0033】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、直立歩行型の身体メカニズムや動作を模した構造を有する脚式移動ロボットのための、優れた動作制御装置及び動作制御方法、並びにロボット装置、並びにロボット装置を提供することにある。
【0034】
本発明のさらなる目的は、高速歩行などの脚式作業を安定且つ正確に実現することができる、脚式移動ロボットのための優れた動作制御装置及び動作制御方法、並びにロボット装置を提供することにある。
【0035】
本発明のさらなる目的は、脚式作業時に印加されるロール、ピッチ、ヨー各軸回りのモーメントの影響をキャンセルしながら機体を安定且つ正確に駆動することができる、脚式移動ロボットのための優れた動作制御装置及び動作制御方法、並びにロボット装置を提供することにある。
【0036】
【課題を解決するための手段及び作用】
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、少なくとも上肢と体幹部と下肢で構成され、下肢による脚式移動を行うタイプのロボットの動作制御装置又は動作制御方法であって、
少なくとも上肢、体幹、下肢のいずれかについての運動を設定する手段又はステップと、
該設定された上肢、体幹部、下肢の運動によって生じる設定ZMP上におけるロボットの機体のヨー軸モーメントを算出する手段又はステップと、
該ヨー軸モーメントを打ち消す上肢運動を算出する手段又はステップと、
該算出された上肢運動に従って、該設定された上肢、体幹、下肢の運動を修正する手段又はステップと、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットのための動作制御装置又は動作制御方法である。
【0037】
[従来の技術]欄でも説明したように、とりわけ2足歩行型の足式移動ロボットにおいては、歩行速度の増加とともに機体に加わるヨー軸モーメントが著しく増大していく。このようなヨー軸モーメントは、機体の旋回や路面に対するヨー軸回りの滑り、さらにはバランスを失うことに伴う機体の転倒など、安定且つ正確な脚式作業を実現する上で障害となる。
【0038】
本発明の第1の側面に係る脚式移動ロボットの動作制御装置並びに動作制御方法によれば、下肢、体幹部、上肢の運動の組み合わせからなる機体の運動パターンを実行する際に設定ZMP上で機体に生じるヨー軸モーメントを上肢運動によって打ち消すことができる。
【0039】
本発明の第1の側面に係る脚式移動ロボットの動作制御装置並びに動作制御方法によれば、ZMP上のヨー軸モーメントがほぼゼロとなるヨー軸回りに極めて滑りにくい運動を前以って生成するため、機体はヨー軸回りにはほとんど滑らない。特に、動きそのものが重要なエンターティンメント用途のロボットには、なくてはならない技術である。なお、ロボットにヨー軸回りのモーメントが印加された場合には、ピッチ軸、ロール軸、ヨー軸の3面の運動を同時に解くため、ヨー軸回りのモーメントを打ち消すための動作によって、ピッチ軸、ロール軸回りのモーメントを発生させることもない。
【0040】
したがって、下肢や体幹部による脚式作業を継続しつつ、上肢の運動によって歩行やその他の脚式作業時における安定性を維持することができる。
【0041】
上肢の運動は、より具体的には、肩関節や肘関節の駆動を利用した運動である。勿論、左右の各上肢は一般的には逆位相の動きであるが、本発明を実現する上で特にこれに限定する必要はない。
【0042】
一般的な直立2足歩行型のロボットの機体設計によれば、体幹部(例えば体幹ヨー軸)よりも肩関節や肘関節の方が広い可動角を持つので、このような上肢の運動により、機体のヨー軸モーメントを効率的且つ高精度に打ち消して、高度な姿勢安定性を実現することができる。
【0043】
また、このような上肢運動は、ロボットの上半身の動作を表現力豊かに見せるといった演出効果がある。
【0044】
また、本発明の第2の側面は、少なくとも上肢と体幹部と下肢で構成され、下肢による脚式移動を行うタイプのロボットの動作制御装置又は動作制御方法であって、
少なくとも上肢、体幹、下肢のいずれかについての運動を設定する手段又はステップと、
該設定された上肢、体幹部、下肢の運動によって生じる設定ZMP上におけるロボットの機体のピッチ軸及び/又はロール軸モーメントを算出する手段又はステップと、
該ピッチ軸及び/又はロール軸モーメントを打ち消す下肢、体幹部の運動を算出する手段又はステップと、
該算出された下肢、体幹の運動によって生じる設定ZMP上におけるロボットの機体のヨー軸モーメントを算出する手段又はステップと、
該ヨー軸モーメントを打ち消す上肢運動を算出する手段又はステップと、
該算出された上肢、体幹部、下肢の運動に従って、該設定された上肢、体幹、下肢の運動を修正する手段又はステップと、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットのための動作制御装置又は動作制御方法である。
【0045】
2足歩行型の脚式移動ロボットが、上肢、体幹部、下肢の運動からなる全身運動を行う場合、ロボットの機体には、ピッチ軸、ロール軸、並びにヨー軸の各軸回りにモーメントが発生する。
【0046】
本発明の第2の側面に係る脚式移動ロボットのための動作制御装置又は動作制御方法によれば、下肢、体幹部、上肢の運動の組み合わせからなる機体の運動パターンを実行する際に設定ZMP上で機体に生じるピッチ軸及びロール軸回りの各モーメントを打ち消す下肢及び体幹の運動を算出した後、さらに、この下肢及び体幹の運動によって設定ZMP上において機体に生じるヨー軸回りのモーメントを打ち消すような上肢の運動を算出することができる。したがって、歩行などの脚式作業時に機体に印加されるロール、ピッチ、ヨー各軸回りのモーメントの影響をキャンセルしながら安定且つ正確な全身協調運動を実現することができる。
【0047】
とりわけ2足歩行型の脚式移動ロボットにおいては、歩行速度の増加とともに機体に加わるヨー軸モーメントが著しく増大していくが、このようなヨー軸モーメントは、機体の旋回や路面に対するヨー軸回りの滑りや機体の転倒など機体動作の障害となるが、本発明の第2の側面によれば、これを好適に取り除くことができる。
【0048】
また、本発明の第2の側面に係る脚式移動ロボットの動作制御装置並びに動作制御方法によれば、ZMP上のヨー軸モーメントがほぼゼロとなるヨー軸回りに極めて滑りにくい運動を前以って生成するため、機体はヨー軸回りにはほとんど滑らない。ロボットにヨー軸回りのモーメントが印加された場合には、ピッチ軸、ロール軸、ヨー軸の3面の運動を同時に解くため、ヨー軸回りのモーメントを打ち消すための動作によって、ピッチ軸、ロール軸回りのモーメントを発生させることもない。
【0049】
したがって、下肢や体幹部による脚式作業を継続しつつ、上肢の運動によって歩行やその他の脚式作業時における安定性を維持することができる。
【0050】
上肢の運動は、より具体的には、肩関節や肘関節の駆動を利用した運動である。勿論、本発明の要旨を、左右の各上肢が逆位相又は対称的な動きに限定する必要はない。
【0051】
一般的な直立2足歩行型のロボットの機体設計によれば、体幹部(例えば体幹ヨー軸)よりも肩関節や肘関節の方が広い可動角を持つので、このような上肢の運動により、機体のヨー軸モーメントを効率的且つ高精度に打ち消して、高度な姿勢安定性を実現することができる。また、このような上肢運動は、ロボットの上半身の動作を表現力豊かに見せるといった演出効果がある。
【0052】
また、本発明の第3の側面は、少なくとも上肢と体幹部と下肢で構成され、下肢による脚式移動を行うタイプのロボットの動作制御装置又は動作制御方法であって、
(a)要求された動作を実現するための少なくとも足部運動、体幹運動、上肢運動、腰部の姿勢及び高さのうちいずれかを設定する手段又はステップと、
(b)前記手段又はステップ(a)により設定された足部運動に基づいてZMP軌道を設定する手段又はステップと、
(c)前記手段又はステップ(a)により設定された足部、体幹、上肢の運動によって前記手段又はステップ(b)により設定されたZMP上で生じる前記脚式移動ロボットのピッチ軸及びロール軸回りのモーメントを算出する手段又はステップと、
(d)前記手段又はステップ(c)により算出されたピッチ軸及びロール軸回りのモーメントを打ち消す腰部運動の解を求める手段又はステップと、
(e)前記手段又はステップ(d)により求められた腰部運動によって前記手段又はステップ(b)により設定されたZMP上で前記脚式移動ロボットのヨー軸回りに生じるモーメントを算出する手段又はステップと、
(f)前記手段又はステップ(e)により算出されたヨー軸回りのモーメントを打ち消す上肢運動の解を求める手段又はステップと、
(g)前記手段又はステップ(d)及び前記手段又はステップ(f)により求められた腰部運動及び上肢運動に基づいて前記脚式移動ロボットの全身運動を導出する手段又はステップと、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットのための動作制御装置又は動作制御方法である。
【0053】
本発明の第3の側面に係る脚式移動ロボットのための動作制御装置又は動作制御方法によれば、下肢、体幹部、上肢の運動の組み合わせからなる機体の運動パターンを実行する際に設定ZMP上で機体に生じるピッチ軸及びロール軸回りの各モーメントを打ち消す下肢及び体幹の運動を算出した後、さらに、この下肢及び体幹の運動によって設定ZMP上において機体に生じるヨー軸回りのモーメントを打ち消すような上肢の運動を算出することによって、脚式作業時に機体に印加されるロール、ピッチ、ヨー各軸回りのモーメントの影響をキャンセルしながら安定且つ正確な全身協調運動を実現することができる。
【0054】
また、本発明の第3の側面に係る脚式移動ロボットの動作制御装置並びに動作制御方法によれば、ZMP上のヨー軸モーメントがほぼゼロとなるヨー軸回りに極めて滑りにくい運動を前以って生成するため、機体はヨー軸回りにはほとんど滑らない。ロボットにヨー軸回りのモーメントが印加された場合には、ピッチ軸、ロール軸、ヨー軸の3面の運動を同時に解くため、ヨー軸回りのモーメントを打ち消すための動作によって、ピッチ軸、ロール軸回りのモーメントを発生させることもない。
【0055】
また、本発明の第4の側面は、少なくとも上肢と体幹部と下肢で構成され、下肢による脚式移動を行うタイプのロボットの動作制御装置又は動作制御方法であって、
(A)要求された動作を実現するための少なくとも足部運動、体幹運動、上肢運動、腰部の姿勢及び高さのうちいずれかを設定する手段又はステップと、
(B)前記手段又はステップ(A)により設定された足部運動に基づいてZMP軌道を設定する手段又はステップと、
(C)前記脚式移動ロボットの非厳密モデルを用いて、前記手段又はステップ(A)により設定された足部、体幹、上肢の運動によって前記手段又はステップ(B)により設定されたZMP上で生じる前記脚式移動ロボットのピッチ軸及びロール軸回りのモーメントを算出する手段又はステップと、
(D)前記手段又はステップ(C)により算出されたピッチ軸及びロール軸回りのモーメントを打ち消す腰部運動の近似解を求める手段又はステップと、
(E)前記脚式移動ロボットの非厳密モデルを用いて、前記手段又はステップ(D)により求められた腰部運動の近似解によって前記手段又はステップ(B)により設定されたZMP上で前記脚式移動ロボットのヨー軸回りに生じるモーメントを算出する手段又はステップと、
(F)前記手段又はステップ(E)により算出されたヨー軸回りのモーメントを打ち消す上肢運動の近似解を求める手段又はステップと、
(G)前記脚式移動ロボットの厳密モデルを用いて、前記手段又はステップ(D)及び前記手段又はステップ(F)により算出された全身運動実行時における前記手段又はステップ(B)により設定されたZMP上で生じる前記脚式移動ロボットのピッチ軸、ロール軸、及びヨー軸回りのモーメントを算出する手段又はステップと、
(H)前記手段又はステップ(G)により算出されたピッチ軸、ロール軸、及びヨー軸回りのモーメントが所定の許容値未満であれば全身運動の解とする手段又はステップと、
(I)前記手段又はステップ(G)により算出されたピッチ軸、ロール軸、及びヨー軸回りのモーメントが所定の許容値以上であれば、設定ZMP上における非厳密モデルのモーメントを修正して、前記手段又はステップ(D)又は前記手段又はステップ(F)に再投入する手段又はステップと、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットのための動作制御装置又は動作制御方法である。
【0056】
本発明の第4の側面に係る脚式移動ロボットのための動作制御装置又は動作制御方法によれば、下肢、体幹部、上肢の運動の組み合わせからなる機体の運動パターンを実行する際に設定ZMP上で機体に生じるピッチ軸及びロール軸回りの各モーメントを打ち消す下肢及び体幹の運動を算出した後、さらに、この下肢及び体幹の運動によって設定ZMP上において機体に生じるヨー軸回りのモーメントを打ち消すような上肢の運動を算出することによって、脚式作業時に機体に印加されるロール、ピッチ、ヨー各軸回りのモーメントの影響をキャンセルしながら安定且つ正確な全身協調運動を実現することができる。
【0057】
また、本発明の第4の側面に係る脚式移動ロボットの動作制御装置並びに動作制御方法によれば、ZMP上のヨー軸モーメントがほぼゼロとなるヨー軸回りに極めて滑りにくい運動を前以って生成するため、機体はヨー軸回りにはほとんど滑らない。ロボットにヨー軸回りのモーメントが印加された場合には、ピッチ軸、ロール軸、ヨー軸の3面の運動を同時に解くため、ヨー軸回りのモーメントを打ち消すための動作によって、ピッチ軸、ロール軸回りのモーメントを発生させることもない。
【0058】
本発明の第4の側面に係る脚式移動ロボットのための動作制御装置又は動作制御方法において、非厳密モデルは前記脚式移動ロボットに関する線形及び/又は非干渉の多質点近似モデルであってもよい。また、厳密モデルは前記ロボットに関する剛体モデル、又は、非線形及び/又は干渉の多質点近似モデルであってもよい。
【0059】
また、(F')腰部運動の近似解を求める前記手段又はステップ(D)及び/又は上肢運動の近似解を求める前記手段又はステップ(F)において求めた近似解ではあらかじめ設定した体幹・上肢運動が実現できない場合に、体幹・上肢運動パターンの再設定・修正を行う手段又はステップをさらに備えていてもよい。
【0060】
また、前記の腰部運動の近似解を求める手段又はステップ(D)は、足部運動、体幹運動、上肢運動によって生じる設定ZMP上のモーメントと、腰部の水平面内運動によって生じる設定ZMP上のモーメントとの釣合方程式を解くことによって腰部運動の近似解を求めるようにしてもよい。
【0061】
また、前記の腰部運動の近似解を求める手段又はステップ(D)は、時間の関数を周波数の関数に置き換えて計算するようにしてもよい。より具体的に言えば、足部運動、体幹運動、上肢運動によって生じる設定ZMP上のモーメントにフーリエ級数展開を適用するとともに、腰部の水平面内運動にフーリエ級数展開を適用して、腰部水平面内軌道のフーリエ係数を算出して、さらに逆フーリエ級数展開を適用することによって腰部運動の近似解を求めるようにしてもよい。
【0062】
また、前記の上肢運動の近似解を求める手段又はステップ(F)は、足部運動、体幹運動によって生じる設定ZMP上のモーメントの釣合方程式を解くことによって上肢運動の近似解を求めるようにしてもよい。
【0063】
また、前記の上肢運動の近似解を求める手段(F)は、時間の関数を周波数の関数に置き換えて計算するようにしてもよい。より具体的に言えば、前記の上肢運動の近似解を求める手段(F)は、足部運動、体幹運動によって生じる設定ZMP上のモーメントにフーリエ級数展開を適用してフーリエ係数を算出して、さらに逆フーリエ級数展開を適用することによって上肢運動の近似解を求めるようにしてもよい。
【0064】
また、本発明の第5の側面は、少なくとも上肢と体幹部と下肢で構成され、下肢による脚式移動を行うロボット装置において、
前記ロボットの運動パターンを設定する運動パターン設定手段と、
該設定された運動パターンにより生じる設定ZMP上における前記ロボットの機体のヨー軸回りモーメントを算出するモーメント算出手段と、
該算出されたヨー軸回りモーメントを減少させる上肢運動パターンを算出する運動パターン算出手段と、
該算出された上肢運動パターンに基づいて、上記設定された運動パターンを修正する運動パターン修正手段と、
を具備することを特徴とするロボット装置である。
【0065】
ここで、前記運動パターン設定手段は、少なくとも前記ロボットの上肢又は体幹部又は下肢のうちいずれかの運動パターンを設定するものとする。
【0066】
2足歩行型の脚式移動ロボットが、上肢、体幹部、下肢の運動からなる全身運動を行う場合、ロボットの機体には、ピッチ軸、ロール軸、並びにヨー軸の各軸回りにモーメントが発生する。
【0067】
本発明の第5の側面に係るロボット装置によれば、下肢、体幹部、上肢の運動の組み合わせからなる機体の運動パターンを実行する際に設定ZMP上で機体に生じるヨー軸回りのモーメントを打ち消すような上肢運動パターンを算出して運動パターンを修正することができる。したがって、歩行などの脚式作業時に機体に印加されるヨー軸回りのモーメントの影響をキャンセルしながら安定且つ正確な全身協調運動を実現することができる。
【0068】
とりわけ2足歩行型の脚式移動ロボットにおいては、歩行速度の増加とともに機体に加わるヨー軸モーメントが著しく増大していくが、このようなヨー軸モーメントは、機体の旋回や路面に対するヨー軸回りの滑りや機体の転倒など機体動作の障害となるが、本発明の第5の側面によれば、これを好適に取り除くことができる。
【0069】
また、本発明の第5の側面に係るロボット装置によれば、ZMP上のヨー軸モーメントがほぼゼロとなるヨー軸回りに極めて滑りにくい運動を前以って生成するため、機体はヨー軸回りにはほとんど滑らない。
【0070】
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形態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。
【0071】
【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形態について詳解する。
【0072】
図1及び図2には本発明の実施に供される脚式移動ロボット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、この脚式移動ロボット100が具備する関節自由度構成を模式的に示している。
【0073】
図3に示すように、脚式移動ロボット100は、2本の腕部と頭部1を含む上肢と、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。
【0074】
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。
【0075】
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の動作はロボット100の姿勢制御や歩行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。
【0076】
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。
【0077】
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20と、足首関節ロール軸21と、足部22とで構成される。本明細書中では、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。人体の足部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、本実施例に係る脚式移動ロボット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。
【0078】
以上を総括すれば、本実施例に係る脚式移動ロボット100全体としては、合計で3+7×2+3+6×2=32自由度を有することになる。但し、エンターティンメント向けの脚式移動ロボット100が必ずしも32自由度に限定される訳ではない。設計・製作上の制約条件や要求仕様等に応じて、自由度すなわち関節数を適宜増減することができることは言うまでもない。
【0079】
上述したような脚式移動ロボット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開2000−299970号公報(特願平11−33386号明細書)に開示されている。
【0080】
図4には、脚式移動ロボット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、脚式移動ロボット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)。
【0081】
脚式移動ロボット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 Processing Unit)やメモリ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、電源回路やロボット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。
【0082】
本発明を実現する上で、この制御ユニット80の設置場所は特に限定されない。図4では体幹部ユニット40に搭載されているが、頭部ユニット30に搭載してもよい。あるいは、脚式移動ロボット100外に制御ユニット80を配備して、脚式移動ロボット100の機体とは有線若しくは無線で交信するようにしてもよい。
【0083】
図3に示した脚式移動ロボット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が配設されている。
【0084】
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が配備されている。
【0085】
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13、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A12、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が配備されている。
【0086】
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16、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A16、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A19、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が配備されている。
【0087】
各関節に用いられるアクチュエータ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)で構成することができる。
【0088】
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35,45,55,65が配備されている。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93を装備している。
【0089】
接地確認センサ91及び92は、例えば足底に設置された近接センサ又はマイクロ・スイッチなどで構成される。また、姿勢センサ93は、例えば、加速度センサとジャイロ・センサの組み合わせによって構成される。
【0090】
接地確認センサ91及び92の出力によって、歩行・走行などの動作期間中において、左右の各脚部が現在立脚又は遊脚いずれの状態であるかを判別することができる。また、姿勢センサ93の出力により、体幹部分の傾きや姿勢を検出することができる。
【0091】
主制御部80は、各センサ91〜93の出力に応答して制御目標をダイナミックに補正することができる。より具体的には、副制御部35,45,55,65の各々に対して適応的な制御を行い、脚式移動ロボット100の上肢、体幹、及び下肢が協調して駆動する全身運動パターンを実現することができる。
【0092】
ロボット100の機体上での全身運動は、足部運動、ZMP(Zero Moment Point)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。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の歩行動作期間中にZMPが動く軌跡を意味する(前述)。
【0093】
次いで、本実施形態に係る脚式移動ロボット100における、脚式作業時すなわち足部、腰、体幹、下肢運動などからなる全身協調運動パターンの実行時における姿勢の安定化処理の手順について説明する。
【0094】
本実施形態に係る脚式移動ロボット100は無限のすなわち連続的な質点の集合体である。但し、ここでは有限数で離散的な質点からなる近似モデルに置き換えることによって、安定化処理のための計算量を削減するようにしている。より具体的には物理的には図3に示す多関節自由度構成を具備する脚式移動ロボット100を、図5に示すように多質点近似モデルに置き換えて取り扱う。図示の近似モデルは、線形且つ非干渉の多質点近似モデルである。
【0095】
図5において、O−XYZ座標系は絶対座標系におけるロール、ピッチ、ヨー各軸を表し、また、O'−X'Y'Z'座標系はロボット100とともに動く運動座標系におけるロール、ピッチ、ヨー各軸を表している。同図に示す多質点モデルでは、iはi番目に与えられた質点を表す添え字であり、miはi番目の質点の質量、r'iはi番目の質点の位置ベクトル(但し運動座標系)を表すものとする。また、後述する腰部運動制御において特に重要な腰部質点の質量はmh、その位置ベクトルはr'h(r'hx,r'hy,r'hz)とし、また、ZMPの位置ベクトルをr'zmp(r'zmpx,r'zmpy,r'zmpz)とする。
【0096】
多質点モデルは、言わば、ワイヤフレーム・モデルの形態でロボットを表現したものである。図5を見ても判るように、多質点近似モデルは、両肩、両肘、両手首、体幹、腰部、及び、両足首の各々を質点として設定される。図示の非厳密の多質点近似モデルにおいては、モーメント式は線形方程式の形式で記述され、該モーメント式はピッチ軸及びロール軸に関して干渉しない。多質点近似モデルは、概ね以下の処理手順により生成することができる。
【0097】
(1)ロボット100全体の質量分布を求める。
(2)質点を設定する。質点の設定方法は、設計者のマニュアル入力であっても、所定の規則に従った自動生成のいずれでも構わない。
(3)各領域i毎に、重心を求め、その重心位置と質量miを該当する質点に付与する。
(4)各質点miを、質点位置riを中心とし、その質量に比例した半径に持つ球体として表示する。
(5)現実に連結関係のある質点すなわち球体同士を連結する。
【0098】
なお、図5に示す多質点モデルの腰部情報における各回転角(θhx,θhy,θhz)は、脚式移動ロボット100における腰部の姿勢すなわちロール、ピッチ、ヨー軸の回転を規定するものである(図6には、多質点モデルの腰部周辺の拡大図を示しているので、確認されたい)。
【0099】
次いで、本実施例に係る脚式移動ロボット100における姿勢安定化処理、すなわち腰、体幹、下肢などの運動により発生するモーメントをキャンセルした全身協調運動パターンの生成処理の手順について説明する。
【0100】
図7及び図8には、脚式移動ロボット100において安定歩行可能な腰、体幹、下肢運動を生成するための処理手順の一例をフローチャートの形式で示している。但し、以下の説明では、図5に示すような線形・非干渉多質点近似モデルを用いて脚式移動ロボット100の各関節位置や動作を記述するものとし、且つ、計算に際して以下のようなパラメータを用いることとする。但し、ダッシュ(´)付きの記号は運動座標系を記述するものと理解されたい。
【0101】
【数1】

Figure 0003674779
【0102】
また、脚式移動ロボット100の腰部高さが一定(r'hz+rqz=const)で、且つ、膝部質点がゼロであることを前提とする。
【0103】
まず、足部(より具体的には足底)運動、足部運動から導出されるZMP軌道、体幹運動、上肢運動、腰部の姿勢や高さなど、各部の駆動・動作を実際に決定するためのパターンが設定される(ステップS11)。より具体的には、まず足部運動パターン、次いでZMP軌道、体幹運動パターン、そして上肢運動パターンを設定する。また、後述するヨー軸モーメント補償に用いる未知変数(上肢運動に関する)を、ここで設定しておく。また、腰部の運動に関しては、Z'方向のみ設定し、X'及びY'の各方向については未知とする。
【0104】
次に、線形・非干渉多質点近似モデルを用いて、足部、体幹、そして上肢運動により発生する設定ZMP上でのピッチ軸回りのモーメントMy、並びにロール軸回りのモーメントMxを算出する(ステップS12)。
【0105】
次いで、線形・非干渉多質点近似モデルを用いて、腰部水平面内運動(r'hx,r'hy)によって発生する設定ZMP上でのピッチ軸回りのモーメントMy、並びにロール軸回りのモーメントMxを算出する(ステップS13)。
【0106】
次いで、設定ZMP上におけるピッチ軸及びロール軸回りのモーメントに関する釣り合い式を、ロボット100(あるいはその多質点近似モデル)とともに動く運動座標系O'−X'Y'Z'上で導出する(ステップS14)。より具体的には、足部、体幹、そして上肢運動により発生するピッチ軸回りのモーメントMy、並びにロール軸回りのモーメントMxを既知変数の項として右辺に、腰部質点の水平運動に関する項(r'hx,r'hy)を未知変数の項として左辺にまとめ、下式に示すような線形・非干渉なZMP方程式(1)を導出する。
【0107】
【数2】
Figure 0003674779
【0108】
但し、以下が成立するものとする。
【0109】
【数3】
Figure 0003674779
【0110】
次いで、上記のZMP方程式(1)を解いて、腰部水平面内軌道を算出する(ステップS15)。例えば、オイラー法やルンゲ・クッタ法などの数値的解法(周知)を用いてZMP方程式(1)を解くことで、未知変数としての腰部の水平絶対位置(r'hx,r'hy)の数値解を求めることができる(ステップS16)。ここで求められる数値解は、安定歩行可能な腰部運動パターンの近似解であり、より具体的にはZMPが目標位置に入るような腰部水平絶対位置である。ZMP目標位置は、通常、着床した足底に設定される。
【0111】
ここで求められる近似解は、安定歩行可能な腰部運動パターンを規定する腰部の水平絶対位置の近似解(r'hx,r'hy)であり、より具体的にはZMPが目標位置に入るような腰部水平絶対位置である。但し、足部、体幹、上肢、腰部などの運動により発生するピッチ軸回りのモーメントMy、並びにロール軸回りのモーメントMxをキャンセルしたことになるが、まだヨー軸回りのモーメントMzがキャンセルされずに残されている。そこで、後続のステップでは、ヨー軸回りのモーメントMzのキャンセルするための上肢運動パターンの生成処理を行う。
【0112】
ステップS17において、腰部運動の近似解によって生じる設定ZMP上のヨー軸モーメント(但し、腰部に発生するヨー軸モーメント)Mzhを、下式(2)を用いて算出する。
【0113】
【数4】
Figure 0003674779
【0114】
次に、線形・非干渉多質点近似モデルを用いて、足部、体幹の運動によって発生する設定ZMP上でのヨー軸回りのモーメントMzを算出する(ステップS18)。
【0115】
次いで、設定ZMP上におけるヨー軸回りのモーメントMzに関する釣り合い式を、ロボット100(あるいはその多質点近似モデル)とともに動く運動座標系O'−X'Y'Z'上で導出する(ステップS19)。より具体的には、足部、体幹の運動により発生するヨー軸回りのモーメントMzと腰部運動の近似解によって生じるヨー軸モーメントMzhを既知変数の項として右辺に、上肢質点の運動により発生するヨー軸回りのモーメントMarmを未知変数の項として左辺にまとめることで、下式に示すような線形・非干渉なZMP方程式(3)を導出する。
【0116】
【数5】
Figure 0003674779
【0117】
さらに、オイラー法やルンゲ・クッタ法などの数値的解法(周知)を用いて、ZMP方程式(3)を解くことによって(ステップS20)、ヨー軸モーメントMzとMzhを補償して安定歩行を可能とするのに必要な上肢運動パターンを算出する(ステップS21)。数値的解法による上肢運動パターンの算出時には、あらかじめ与えられているヨー軸モーメント補償用の未知変数を適用する。
【0118】
上式(3)において、未知変数θの取り方として、上肢関節のどの関節角を未知変数として利用してもよい。より具体的に言えば、図3に示した関節自由度のうち、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、前腕ヨー軸12、手首関節ピッチ軸13、手首関節ロール軸14のうち1以上の関節の組み合わせて上式(3)を成立させるようにしてもよい。
【0119】
また、上式(3)を成立させる上で、右上肢と左上肢とが対称又は逆位相で動かすことを前提としていなくてもよい。未知変数θの取り方としては、大きなモーメントの発生量が期待できるものとして、肩関節のピッチ軸回りの関節角(θarm_shoulder)を未知変数として用いることが挙げられる。あるいは、より人間の生体メカニズムに近いモーメント発生動作を期待できるものとしては、肩関節のピッチ軸回りの関節角(θarm_shoulder)を未知変数にし、さらに肘関節角(θarm_elbow)を(θarm_elbow=G×θarm_shoulder:Gはゲイン)とすることで、未知変数を1つにしたままで(すなわち計算量を変えずに)肩関節と肘関節の協調動作によるヨー軸補償運動パターンの算出を行うことができる。
【0120】
勿論、ロボット100の上体の一部である体幹ヨー軸7を利用して上式(3)を成立させることも、理論式上は可能であるが、可動角が広い肩関節や肘関節などの上肢の駆動を用いて上式(3)を成立させる方が機体での実現が容易であり、且つ、高精度な制御が可能となる。
【0121】
上記のステップS21までで算出された近似解上ではあらかじめ設定した体幹・上肢運動が実現できない場合には、体幹・上肢運動パターンの再設定・修正を行う(ステップS22)。この際、膝部の軌道を算出してもよい。
【0122】
次いで、上述のようにして得られた全身運動パターンを代入して、厳密モデル(すなわち、剛体、若しくは非常に多くの質点からなる脚式移動ロボット100の精密なモデル)における設定ZMP上におけるロール軸、ピッチ軸、及びヨー軸の各軸回りのモーメント(eMx,eMy,eMz)を算出する(ステップS23)。非厳密モデルでは上記の[数3]が成立することを前提としたが、厳密モデルにおいてはかかる前提を要しない(すなわち時間の変化に対して一定である必要はない)。
【0123】
厳密モデルにおけるモーメント(eMx,eMy,eMz)は、腰部運動においてロール、ピッチ、ヨーそれぞれの軸回りに発生するモーメント誤差である。続くステップS24では、これら各軸回りのモーメント(eMx,eMy,eMz)が許容値(εMx,εMy,εMz)未満か否かを判定する。許容値ε未満であれば、ロボット100の機体上の腰、体幹、下肢の各部における安定運動パターンの厳密解、並びに機体(腰部)のヨー軸回りに発生するモーメントMzとMzhをキャンセルしたロボット100の全身運動パターンを得ることができたことを意味するので(ステップS25)、本処理ルーチン全体を終了する。
【0124】
他方、厳密モデルにおけるモーメント(eMx,eMy,eMz)が許容値(εMx,εMy,εMz)以上であった場合には、厳密モデルにおけるロール軸並びにピッチ軸回りのモーメント(eMx,eMy)を用いて近似モデルにおけるロール軸並びにピッチ軸回りのモーメント(Mx,My)を修正して(ステップS27)、再びZMP方程式の導出を行う。あるいは、厳密モデルにおけるヨー軸回りのモーメント既知発生モーメントeMzを用いて近似モデルにおけるヨー軸回りの既知発生モーメントMzを修正して(ステップS26)、再びZMP方程式の導出を行う。そして、許容値ε未満に収束するまで、上述したような腰、体幹、下肢の運動パターンの近似解の算出と修正を繰り返し実行することにより、腰部並びに上肢運動パターンの厳密解、並びに、安定歩行を実現できる全身運動パターンを得ることができる。
【0125】
すなわち、図7及び図8に示した処理ルーチンによれば、脚式作業時に印加されるロール、ピッチ、ヨー各軸回りのモーメントの影響をキャンセルしながら機体を安定且つ正確に正確に駆動することができる、脚式移動ロボットのための全身運動パターンを生成することができる。また、相互に干渉しているロール、ピッチ、ヨーの各軸回りの運動を安定に算出することができる。
【0126】
また、図7及び図8に示した処理ルーチンによれば、ZMP上のヨー軸モーメントがほぼゼロとなるヨー軸回りに極めて滑りにくい運動を前以って生成するため、機体はヨー軸回りにはほとんど滑らない。特に、動きそのものが重要なエンターティンメント用途のロボットには、なくてはならない技術である。なお、ロボットにヨー軸回りのモーメントが印加された場合には、ピッチ軸、ロール軸、ヨー軸の3面の運動を同時に解くため、ヨー軸回りのモーメントを打ち消すための動作によって、ピッチ軸、ロール軸回りのモーメントを発生させることもない。
【0127】
また、図7及び図8に示した処理ルーチンにおいて、ステップS21において得られたヨー軸モーメントを補償する上肢運動とは、人間の場合における両腕の振りや腰の回転を利用した運動によって実現することができる。このような上肢運動は、特に高速な歩行動作において姿勢安定性の維持に大きく寄与する他、機体の上半身の動作を表現力豊かに見せるといった演出効果がある。
【0128】
ヒトやサルにおける動作上の「表現力」を考えた場合、腕や胴体のなどの上体の動きや姿勢は、作業の実現だけでなく、感情の体現という側面があり、非常に重要な意味を持つ。これが「身振り」、「手振り」と呼ばれる所以である。したがって、身振りや手振りという上半身主導の動作を活用してヨー軸モーメントを補償することにより、機体の動作表現力が豊かになり、とりわけエンターティンメント指向の高いロボットにおいては好ましい。
【0129】
また、図9及び図10には、脚式移動ロボット100において安定歩行可能な腰、体幹、下肢運動を生成するための処理手順の他の例をフローチャートの形式で示している。但し、上述と同様に、図5に示した線形・非干渉多質点近似モデルを用いてロボット100の各関節位置や動作を記述するものとする。
【0130】
まず、足部(より具体的には足底)運動、足部運動から導出されるZMP軌道、体幹運動、上肢運動、腰部の姿勢や高さなど、各部の駆動・動作を実際に決定するためのパターンが設定される(ステップS31)。より具体的には、まず足部運動パターン、次いでZMP軌道、体幹運動パターン、そして上肢運動パターンを設定する。また、後述するヨー軸モーメント補償に用いる未知変数(上肢運動に関する)を、ここで設定しておく。また、腰部の運動に関しては、Z'方向のみ設定し、X'及びY'の各方向については未知とする。
【0131】
次に、線形・非干渉多質点近似モデルを用いて、足部、体幹、そして上肢運動により発生する設定ZMP上でのピッチ軸回りのモーメントMy、並びにロール軸回りのモーメントMxを算出する(ステップS32)。
【0132】
次いで、線形・非干渉多質点近似モデルを用いて、腰部水平面内運動(r'hx,r'hy)によって発生する設定ZMP上でのピッチ軸回りのモーメントMy、並びにロール軸回りのモーメントMxを算出する(ステップS33)。
【0133】
次いで、設定ZMP上におけるピッチ軸及びロール軸回りのモーメントに関する釣り合い式を、ロボット100(あるいはその多質点近似モデル)とともに動く運動座標系O'−X'Y'Z'上で導出する(ステップS34)。より具体的には、足部、体幹、そして上肢運動により発生するピッチ軸回りのモーメントMy、並びにロール軸回りのモーメントMxを既知変数の項として右辺に、腰部質点の水平運動に関する項(r'hx,r'hy)を未知変数の項として左辺にまとめ、線形・非干渉なZMP方程式(1)を導出する(同上)。
【0134】
次いで、腰部水平面内運動(r'hx,r'hy)をフーリエ級数展開し、次いで、設定ZMP上でのピッチ軸回りのモーメントMy、並びにロール軸回りのモーメントMxの各々についてもフーリエ級数展開し、次いで、腰部水平面内軌道のフーリエ係数を算出し、さらに逆フーリエ級数展開することで(ステップS35)、腰部運動の近似解が求まる(ステップS36)。
【0135】
当業界において既に周知のように、フーリエ級数展開することにより、時間軸成分を周波数成分に置き換えて演算することができる。すなわち、この場合には腰部の動きを周期的な動きとして捉えることができる。また、FFT(高速フーリエ変換)を適用することができるので、計算速度を大幅に向上させることができる。
【0136】
ここで求められる近似解は、安定歩行可能な腰部運動パターンを規定する腰部の水平絶対位置の近似解(r'hx,r'hy)であり、より具体的にはZMPが目標位置に入るような腰部水平絶対位置である。但し、足部、体幹、上肢、腰部などの運動により発生するピッチ軸回りのモーメントMy、並びにロール軸回りのモーメントMxをキャンセルしたことになるが、まだヨー軸回りのモーメントMzがキャンセルされずに残されている。そこで、後続のステップでは、ヨー軸回りのモーメントMzとMzhをキャンセルするための上肢運動パターンの生成処理を行う。
【0137】
ステップS17において、腰部運動の近似解によって生じる設定ZMPモーメント上のヨー軸モーメント(但し、腰部に発生するヨー軸モーメント)Mzhを、上式(2)を用いて算出する。
【0138】
次に、線形・非干渉多質点近似モデルを用いて、足部運動と体幹運動によって発生する設定ZMP上でのヨー軸回りのモーメントMzを算出する(ステップS38)。
【0139】
次いで、設定ZMP上におけるヨー軸回りのモーメントに関する釣り合い式を、ロボット100(あるいはその多質点近似モデル)とともに動く運動座標系O'−X'Y'Z'上で導出する(ステップS39)。より具体的には、足部、体幹の運動により発生するヨー軸回りのモーメントMzと腰部運動の近似解によって生じるヨー軸回りのモーメンチMzhを既知変数の項として右辺に、上肢質点の運動により発生するヨー軸回りのモーメントMarmを未知変数の項として左辺にまとめることで、上式に示したような線形・非干渉なZMP方程式(3)を導出する。
【0140】
次いで、ステップS35と同様に、ZMP方程式の周波数領域におけるフーリエ係数の比較法により(ステップS40)、上肢運動パターンを算出する(ステップS41)。上肢運動パターンの算出時には、あらかじめ与えられているヨー軸モーメント補償用の未知変数を適用する。
【0141】
上式(3)において、未知変数θの取り方として、上肢関節のどの関節角を未知変数として利用してもよい。より具体的に言えば、図3に示した関節自由度のうち、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、前腕ヨー軸12、手首関節ピッチ軸13、手首関節ロール軸14のうち1以上の関節の組み合わせて上式(3)を成立させるようにしてもよい。
【0142】
また、上式(3)を成立させる上で、右上肢と左上肢とが対称又は逆位相で動かすことを前提としていなくてもよい。未知変数θの取り方の例としては、大きなモーメントの発生量が期待できるものとして、肩関節のピッチ軸回りの関節角(θarm_shoulder)を未知変数として用いることが挙げられる。あるいは、より人間の生体メカニズムに近いモーメント発生動作を期待できるものとしては、肩関節のピッチ軸回りの関節角(θarm_shoulder)を未知変数にし、さらに肘関節角(θarm_elbow)を(θarm_elbow=G×θarm_shoulder:Gはゲイン)とすることで、未知変数を1つにしたままで(すなわち計算量を変えずに)肩関節と肘関節の協調動作によるヨー軸補償運動パターンの算出を行うことができる。
【0143】
勿論、ロボット100の上体の一部である体幹ヨー軸7を利用して上式(3)を成立させることも、理論式上は可能であるが、可動角が広い肩関節や肘関節などの上肢の駆動を用いて上式(3)を成立させる方が機体での実現が容易であり、且つ、高精度な制御が可能となる。
【0144】
上記のステップS21までで算出された近似解上ではあらかじめ設定した体幹・上肢運動が実現できない場合には、体幹・上肢運動パターンの再設定・修正を行う(ステップS42)。この際、膝部の軌道を算出してもよい。
【0145】
次いで、上述のようにして得られた全身運動パターンを代入して、厳密モデル(すなわち、剛体、若しくは非常に多くの質点からなる脚式移動ロボット100の精密なモデル)における設定ZMP上におけるロール軸、ピッチ軸、及びヨー軸の各軸回りのモーメント(eMx,eMy,eMz)を算出する(ステップS43)。非厳密モデルでは上記の[数3]が成立することを前提としたが、厳密モデルにおいてはかかる前提を要しない(すなわち時間の変化に対して一定である必要はない)。
【0146】
厳密モデルにおけるモーメント(eMx,eMy,eMz)は、腰部運動においてロール、ピッチ、ヨーそれぞれの軸回りに発生するモーメント誤差である。続くステップS44では、これら各軸回りのモーメント(eMx,eMy,eMz)が許容値(εMx,εMy,εMz)未満か否かを判定する。許容値ε未満であれば、ロボット100の機体上の腰、体幹、下肢の各部における安定運動パターンの厳密解、並びにロボットの機体のヨー軸回りに発生するモーメントをキャンセルしたロボット100の全身運動パターンを得ることができたことを意味するので(ステップS45)、本処理ルーチン全体を終了する。
【0147】
他方、厳密モデルにおけるモーメント(eMx,eMy,eMz)が許容値(εMx,εMy,εMz)以上であった場合には、厳密モデルにおけるロール軸並びにピッチ軸回りのモーメント(eMx,eMy)を用いて近似モデルにおけるロール軸並びにピッチ軸回りのモーメント(Mx,My)を修正して(ステップS47)、再びZMP方程式の導出を行う。あるいは、厳密モデルにおけるヨー軸回りのモーメント既知発生モーメントeMzを用いて近似モデルにおけるヨー軸回りの既知発生モーメントMzを修正して(ステップS46)、再びZMP方程式の導出を行う。そして、許容値ε未満に収束するまで、上述したような腰、体幹、下肢の運動パターンの近似解の算出と修正を繰り返し実行することにより、腰部並びに上肢運動パターンの厳密解、並びに、安定歩行を実現できる全身運動パターンを得ることができる。
【0148】
すなわち、図9及び図10に示した処理ルーチンによれば、脚式作業時に印加されるロール、ピッチ、ヨー各軸回りのモーメントの影響をキャンセルしながら機体を安定且つ正確に正確に駆動することができる、足式移動ロボットのための全身運動パターンを生成することができる。また、相互に干渉しているロール、ピッチ、ヨーの各軸回りの運動を安定に算出することができる。
【0149】
また、図9及び図10に示した処理ルーチンによれば、ZMP上のヨー軸モーメントがほぼゼロとなるヨー軸回りに極めて滑りにくい運動を前以って生成するため、機体はヨー軸回りにはほとんど滑らない。特に、動きそのものが重要なエンターティンメント用途のロボットには、なくてはならない技術である。なお、ロボットにヨー軸回りのモーメントが印加された場合には、ピッチ軸、ロール軸、ヨー軸の3面の運動を同時に解くため、ヨー軸回りのモーメントを打ち消すための動作によって、ピッチ軸、ロール軸回りのモーメントを発生させることもない。
【0150】
また、図9及び図10に示した処理ルーチンにおいて、ステップS41において得られたヨー軸モーメントを補償する上肢運動とは、人間の場合における両腕の振りや腰の回転を利用した運動によって実現することができる。このような上肢運動は、特に高速な歩行動作において姿勢安定性の維持に大きく寄与する他、機体の上半身の動作を表現力豊かに見せるといった演出効果がある。
【0151】
ヒトやサルにおける動作上の「表現力」を考えた場合、腕や胴体のなどの上体の動きや姿勢は、作業の実現だけでなく、感情の体現という側面があり、非常に重要な意味を持つ。これが「身振り」、「手振り」と呼ばれる所以である。したがって、身振りや手振りという上半身主導の動作を活用してヨー軸モーメントを補償することにより、機体の動作表現力が豊かになり、とりわけエンターティンメント指向の高いロボットにおいては好ましい。
【0152】
[追補]
以上、特定の実施形態を参照しながら、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形態の修正や代用を成し得ることは自明である。
【0153】
また、本発明の要旨は、必ずしも「ロボット」と称される製品には限定されない。すなわち、電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行う機械装置であるならば、例えば玩具などのような他の産業分野に属する製品であっても、同様に本発明を適用することができる。
【0154】
要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。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。
【0155】
【発明の効果】
以上詳記したように、本発明によれば、高速歩行などの脚式作業を安定且つ正確に実現することができる、脚式移動型ロボットのための優れた動作制御装置及び動作制御方法、並びにロボット装置を提供することができる。
【0156】
また、本発明によれば、上肢の運動を用いて機体のヨー軸回りに印加されるモーメントを低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動作制御装置及び動作制御方法、並びにロボット装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施に供される脚式移動ロボット100を前方から眺望した様子を示た図である。
【図2】本発明の実施に供される脚式移動ロボット100を後方から眺望した様子を示た図である。
【図3】本実施例に係る脚式移動ロボット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。
【図4】本実施例に係る脚式移動ロボット100の制御システム構成を模式的に示した図である。
【図5】本実施例に係る歩行制御の計算のために導入される、脚式移動ロボット100の線形且つ非干渉の多質点近似モデルを示した図である。
【図6】図5に示した多質点モデルの腰部周辺の拡大図である。
【図7】脚式移動ロボット100において安定歩行可能な腰、体幹、下肢運動を生成するための処理手順の一例を示したフローチャートである。
【図8】脚式移動ロボット100において安定歩行可能な腰、体幹、下肢運動を生成するための処理手順の一例を示したフローチャートである。
【図9】脚式移動ロボット100において安定歩行可能な腰、体幹、下肢運動を生成するための処理手順の他の例を示したフローチャートである。
【図10】脚式移動ロボット100において安定歩行可能な腰、体幹、下肢運動を生成するための処理手順の他の例を示したフローチャートである。
【図11】2足脚式移動ロボットの歩行速度[秒/歩]とヨー軸方向に発生するモーメントNmとの関係(例)を表した図である。
【符号の説明】
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
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…脚式移動ロボット[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a motion control device and a motion control method for a realistic robot having a structure simulating the mechanism and motion of a living body, and a robot device, and more particularly to an upright walking type body mechanism such as a human or a monkey, The present invention relates to a motion control device and a motion control method for a legged mobile robot having a structure simulating motion, and a robot device.
[0002]
More particularly, the present invention relates to a motion control device and a motion control method for a legged mobile robot that realizes legged work such as high-speed walking stably and accurately, and to a robot apparatus, and in particular, legged such as walking. The present invention relates to a motion control device and a motion control method for a legged mobile robot that stably and accurately drives while canceling the influence of moments around each axis of roll, pitch, and yaw applied to a machine body during work, and a robot device.
[0003]
[Prior art]
A mechanical device that uses an electrical or magnetic action to perform a movement resembling human movement is called a “robot”. It is said that the word “robot” comes from the Slavic word “ROBOTA (slave machine)”. Robots began to spread in Japan from the end of the 1960s, but most of them were industrial robots such as manipulators and transfer robots for the purpose of automating and unmanned production work in factories. there were.
[0004]
A stationary type robot such as an arm type robot that is implanted and used in a specific place operates only in a fixed / local work space such as an assembly / sorting operation of parts. In contrast, a mobile robot has a non-restricted working space, and can freely move on a predetermined route or a non-route to perform a predetermined or arbitrary human work, or a human or dog. Alternatively, various wide-ranging services that can replace other life forms can be provided. In particular, legged mobile robots are more unstable than crawler and tire type mobile robots, making posture control and walking control difficult, but they are difficult to control stairs and ladders, climb over obstacles, It is excellent in that it can realize flexible walking / running operation regardless of distinction.
[0005]
Recently, the model is based on the body mechanism and movement of a four-legged animal such as a dog or a cat, or a pet-type robot that mimics its movement, or a human-like animal that walks upright on two legs. Research and development on legged mobile robots such as the “humanoid” or “humanoid robot” has been progressed, and the expectation for practical use is also increasing.
[0006]
The significance of researching and developing a legged mobile robot with two legs standing upright, called a human form or a human form, can be understood from the following two viewpoints, for example.
[0007]
One is a human scientific viewpoint. In other words, through the process of creating a robot with a structure resembling human lower limbs and / or upper limbs, devising its control method and simulating human walking motion, the mechanism of human natural motion including walking Can be elucidated in engineering. Such research results can be greatly reduced to the progress of various other research fields dealing with human movement mechanisms, such as ergonomics, rehabilitation engineering, or sports science.
[0008]
The other is the development of a practical robot that supports life as a human partner, that is, supports human activities in various situations in the living environment and other daily lives. This kind of robot needs to learn how to adapt to a person or an environment with different personalities while learning from humans in various aspects of the human living environment, and needs to grow further in terms of functionality. At this time, it is considered that the robot having the “human shape”, that is, the same shape or the same structure as the human, functions effectively for smooth communication between the human and the robot.
[0009]
For example, when teaching the robot how to get through the room while avoiding obstacles that should not be stepped on, rather than having a completely different structure than the one you are teaching, such as a crawler type or quadruped type robot, A biped robot with the same appearance is much easier for the user (worker) to teach and for the robot (for example, “Control of biped robot” by Takanishi). (Refer to Automobile Engineering Society Kanto Branch <High Plastics> No.25, 1996 APRIL).
[0010]
Numerous techniques related to posture control and stable walking have been proposed for robots of the type that perform legged movement by biped walking. Stable “walking” as used herein can be defined as “moving with legs without falling down”.
[0011]
Robot posture stabilization control is very important in avoiding robot overturning. This is because a fall means that the robot is interrupting the work being executed, and a considerable amount of labor and time are spent to get up from the fall state and resume the work. Above all, it is because there is a danger of causing fatal damage to the robot body itself or the object on the other side colliding with the falling robot. Therefore, in the design and development of legged mobile robots, posture stability control during walking and other legged work is one of the most important technical issues.
[0012]
At the time of walking, gravity, inertial force, and these moments act on the road surface from the walking system due to gravity and acceleration caused by walking motion. According to the so-called “Dalambert principle”, they balance with the floor reaction force and the floor reaction force moment as a reaction from the road surface to the walking system. As a result of the dynamic reasoning, there is a point where the pitch and roll axis moment become zero, that is, “ZMP (Zero Moment Point)” on or inside the side of the support polygon formed by the sole contact point and the road surface.
[0013]
Many of the proposals related to posture stability control of legged mobile robots and prevention of falls during walking use this ZMP as a norm for determining the stability of walking. The biped walking pattern generation based on the ZMP norm has advantages such that a foot landing point can be set in advance and it is easy to consider the kinematic constraint conditions of the foot according to the road surface shape. In addition, using ZMP as a stability determination criterion means that a trajectory is treated as a target value in motion control instead of force, and thus technically feasible. Regarding the concept of ZMP and the application of ZMP to walking robot stability criteria, "LEGGED LOCOMOTION ROBOTS" written by Miomir Vukobratovic (Ichiro Kato's "Walking Robot and Artificial Feet" (Nikkan Kogyo Shimbun)) It is described in.
[0014]
In general, a biped walking robot such as a humanoid has a higher center of gravity and a smaller ZMP stability area during walking than a quadruped walking. Therefore, the problem of posture change accompanying such a change in road surface condition is particularly important in a biped robot.
[0015]
There are already some proposals using ZMP as a posture stability criterion for biped robots.
[0016]
For example, the legged mobile robot described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-305579 is designed to perform stable walking so that a point on the floor surface where ZMP becomes zero coincides with a target value.
[0017]
In the legged mobile robot described in JP-A-5-305581, the ZMP has a support polyhedron (polygon) or a position where the ZMP has at least a predetermined margin from the end of the support polygon when landing or getting off the floor. It was configured to be. In this case, even if a disturbance or the like is received, there is a ZMP margin for a predetermined distance, and the stability of the aircraft during walking is improved.
[0018]
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, using the walking pattern data set in advance, the leg joint is driven so that the ZMP matches the target position, the inclination of the upper body is detected, and the walking pattern set according to the detected value Change the data discharge rate. When the robot leans forward, for example, by stepping on unknown irregularities, the posture can be recovered by increasing the discharge speed. Further, since the ZMP is controlled to the target position, there is no problem even if the discharge speed is changed during the both-leg support period.
[0019]
Japanese Patent Laid-Open No. 5-305585 discloses that the landing position of a legged mobile robot is controlled by the ZMP target position. That is, the legged mobile robot described in the publication detects a deviation between the ZMP target position and the actually measured position and drives one or both of the legs so as to eliminate it, or a moment around the ZMP target position. Is detected, and the leg is driven so that it becomes zero, thereby realizing stable walking.
[0020]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-305586 discloses that the tilting posture of a legged mobile robot is controlled by the ZMP target position. That is, a moment around the ZMP target position is detected, and when the moment is generated, the leg is driven so that the moment becomes zero, thereby performing stable walking.
[0021]
As described above, the posture stability control of a robot using ZMP as a stability determination criterion is such that the pitch and roll axis moment are zero on or inside the support polygon formed by the sole contact point and the road surface. The point is to search for points.
[0022]
However, as a result of a priori verification by the present inventors, when the robot is legged at high speed, not only the moment about the pitch axis and roll axis but also the yaw axis, that is, the Z axis It was also found that a moment was generated.
[0023]
FIG. 11 shows the relationship (example) between the walking speed [second / step] of the biped legged mobile robot and the moment Nm generated in the yaw axis direction. As can be seen from the figure, the time required for the legged mobile robot to take one step is shortened, that is, as the walking speed increases, the yaw moment increases significantly.
[0024]
Such a yaw-axis moment will eventually cause the aircraft to turn, causing slipping around the yaw axis between the bottom of the robot and the road surface, which greatly affects the stability of walking. This is an obstacle to realizing the formula work stably and accurately. Furthermore, if the influence of this yaw axis moment becomes significant, it may lead the robot to fall, leading to the expectation and damage of colliding objects.
[0025]
For example, in Japanese Patent Application No. 2000-206531, which has already been assigned to the present applicant, a lumbar motion pattern is derived based on an arbitrary foot motion pattern, ZMP trajectory, trunk motion pattern, and upper limb motion pattern. Discloses a whole body motion pattern that realizes stable walking of a bipedal mobile robot. According to the robot walking control device and the walking control method described in the specification, the gait of the lower limb is determined so as to stably walk even when the robot is in various motion states such as when the robot is not standing upright or during normal walking. be able to. In particular, when a gesture or hand gesture using the upper body is applied when the body is standing upright, the lower limb gait that enables stable walking can be determined according to the gait of the upper body.
[0026]
However, in this specification, the moment M about the roll axis and the pitch axis on the set ZMP generated in the robot body by the movement of the foot, trunk, and upper limbs. x , M y Is described in terms of deriving a whole body coordinated motion that can be stably walked by canceling, but the moment M about the yaw axis generated during the whole body coordinated motion is described z Is not considered.
[0027]
A method of performing correction control for canceling the moment around the yaw axis, such as shaking the arm, after detecting slipping around the yaw axis of the airframe by a sensor or the like is also conceivable. However, in this case, since correction control is performed after the fact, there is a problem that it will slip somewhat.
[0028]
In addition, since an operation such as shaking an arm is a movement of a surface unrelated to gravity, it is necessary to control the arm to a desired position after canceling the moment.
[0029]
In addition, when using a humanoid arm composed of a rotary joint that shares movement in the Z direction, swinging the arm to counteract the moment around the yaw axis can simultaneously improve robot stability. It tends to generate moments around the pitch axis and roll axis that are damaged.
[0030]
That is, if the arm is swung afterward to suppress the slip of the yaw axis, the problem is that the walking itself becomes unstable although the slip around the yaw axis is cured.
[0031]
This phenomenon becomes particularly large as the robot moves at high speed, and is not preferable control for a robot that performs high-speed movement (running).
[0032]
In addition, using a humanoid arm to generate only a moment around the yaw axis is likely to be an inhuman and unnatural movement (for example, in a horizontal plane so that no movement occurs in the Z direction). This is a fatal robot for entertainment that emphasizes expressive power.
[0033]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide an excellent motion control device and motion control method, a robot device, and a robot device for a legged mobile robot having a structure simulating an upright walking type body mechanism and motion. is there.
[0034]
A further object of the present invention is to provide an excellent motion control device and motion control method for a legged mobile robot, and a robot device capable of stably and accurately realizing a legged work such as high-speed walking. is there.
[0035]
A further object of the present invention is to provide an excellent for a legged mobile robot that can stably and accurately drive the airframe while canceling the influence of moments around the roll, pitch, and yaw axes applied during legged work. Another object of the present invention is to provide an operation control apparatus, an operation control method, and a robot apparatus.
[0036]
[Means and Actions for Solving the Problems]
The present invention has been made in consideration of the above problems, and the first side of the present invention is composed of at least an upper limb, a trunk, and a lower limb, and is an operation control device or operation of a robot that performs legged movement by the lower limb. A control method,
Means or step for setting exercise on at least one of the upper limbs, trunk and lower limbs;
Means or step for calculating a yaw moment of the robot body on the set ZMP generated by the movement of the set upper limb, trunk, and lower limb;
Means or step for calculating upper limb movement to cancel the yaw moment;
Means or step for modifying the set upper limb, trunk, lower limb movements according to the calculated upper limb movements;
A motion control device or a motion control method for a legged mobile robot.
[0037]
As described in the “Prior Art” column, in particular, in a biped walking type mobile robot, the yaw moment applied to the airframe increases remarkably as the walking speed increases. Such a yaw-axis moment is an obstacle to realizing a stable and accurate leg work such as turning of the aircraft, slipping around the yaw axis with respect to the road surface, and falling of the aircraft due to loss of balance.
[0038]
According to the motion control apparatus and the motion control method of the legged mobile robot according to the first aspect of the present invention, when executing the motion pattern of the airframe composed of the motions of the lower limbs, the trunk, and the upper limbs, on the set ZMP The yaw axis moment generated in the aircraft can be canceled out by upper limb movement.
[0039]
According to the motion control apparatus and motion control method for a legged mobile robot according to the first aspect of the present invention, a motion that is extremely difficult to slip around the yaw axis where the yaw moment on the ZMP is almost zero is generated in advance. Therefore, the aircraft hardly slides around the yaw axis. In particular, it is an indispensable technology for entertainment robots where movement itself is important. In addition, when a moment around the yaw axis is applied to the robot, the pitch axis, roll axis, and yaw axis are solved simultaneously by the action to cancel the moment around the yaw axis. No moment around the roll axis is generated.
[0040]
Therefore, the stability during walking and other legged work can be maintained by the movement of the upper limb while continuing the legged work by the lower limbs and the trunk.
[0041]
More specifically, the movement of the upper limb is a movement using driving of a shoulder joint and an elbow joint. Of course, the left and right upper limbs generally move in opposite phases, but it is not necessary to limit to this in order to realize the present invention.
[0042]
According to the body design of a general upright biped robot, the shoulder joints and elbow joints have a wider movable angle than the trunk (eg trunk yaw axis). It is possible to achieve high attitude stability by canceling the yaw moment of the aircraft efficiently and with high accuracy.
[0043]
Further, such an upper limb movement has an effect of showing the motion of the upper body of the robot with rich expressive power.
[0044]
Further, the second aspect of the present invention is an operation control device or an operation control method for a robot that is composed of at least an upper limb, a trunk, and a lower limb, and performs a legged movement by the lower limb,
Means or step for setting exercise on at least one of the upper limbs, trunk and lower limbs;
Means or step for calculating the pitch axis and / or roll axis moment of the robot body on the set ZMP generated by the movement of the set upper limb, trunk, and lower limb;
Means or step for calculating the movement of the lower limbs and trunk to cancel the pitch axis and / or roll axis moments;
Means or step for calculating the yaw moment of the robot body on the set ZMP caused by the movement of the calculated lower limbs and trunk;
Means or step for calculating upper limb movement to cancel the yaw moment;
Means or step for modifying the set upper limb, trunk, lower limb movements according to the calculated upper limb, trunk, lower limb movements;
A motion control device or a motion control method for a legged mobile robot.
[0045]
When a bipedal legged mobile robot performs whole body movement consisting of upper limb, trunk, and lower limb movements, moments are generated around the pitch axis, roll axis, and yaw axis in the robot body. To do.
[0046]
According to the motion control apparatus or the motion control method for the legged mobile robot according to the second aspect of the present invention, the ZMP is set when executing the motion pattern of the airframe composed of the motions of the lower limbs, the trunk, and the upper limbs. After calculating the lower limb and trunk movements that cancel the moments around the pitch axis and roll axis generated in the aircraft above, the moments around the yaw axis generated in the aircraft on the set ZMP by the lower limb and trunk movements are further calculated. The motion of the upper limb that cancels out can be calculated. Accordingly, it is possible to realize a stable and accurate whole body cooperative movement while canceling the influence of moments around the roll, pitch and yaw axes applied to the body during leg-type work such as walking.
[0047]
In particular, in a bipedal legged mobile robot, the yaw axis moment applied to the aircraft increases remarkably as the walking speed increases. Such yaw axis moments are caused by the rotation of the aircraft and around the yaw axis relative to the road surface. Although it hinders the airframe operation such as slipping or overturning the airframe, according to the second aspect of the present invention, this can be suitably removed.
[0048]
In addition, according to the motion control device and motion control method for a legged mobile robot according to the second aspect of the present invention, a motion that is extremely difficult to slip around the yaw axis where the yaw axis moment on the ZMP is almost zero is obtained in advance. Therefore, the aircraft hardly slides around the yaw axis. When a moment around the yaw axis is applied to the robot, the pitch axis, roll axis, and roll axis are solved by the action to cancel the moment around the yaw axis, since the three axes of the pitch axis, roll axis, and yaw axis are solved simultaneously. No moment of rotation is generated.
[0049]
Therefore, the stability during walking and other legged work can be maintained by the movement of the upper limb while continuing the legged work by the lower limbs and the trunk.
[0050]
More specifically, the movement of the upper limb is a movement using driving of a shoulder joint and an elbow joint. Of course, the gist of the present invention need not be limited to movements in which the left and right upper limbs are in antiphase or symmetrical.
[0051]
According to the body design of a general upright biped robot, the shoulder joints and elbow joints have a wider movable angle than the trunk (eg trunk yaw axis). It is possible to achieve high attitude stability by canceling the yaw moment of the aircraft efficiently and with high accuracy. Further, such an upper limb movement has an effect of showing the motion of the upper body of the robot with rich expressive power.
[0052]
Further, the third aspect of the present invention is an operation control device or an operation control method for a robot that is composed of at least an upper limb, a trunk, and a lower limb, and performs a legged movement by the lower limb,
(A) means or step for setting at least one of foot movement, trunk movement, upper limb movement, posture of the waist and height for realizing the requested movement;
(B) means or step for setting a ZMP trajectory based on the foot movement set by the means or step (a);
(C) The pitch axis and roll axis of the legged mobile robot generated on the ZMP set by the means or step (b) by the movement of the foot, trunk, or upper limb set by the means or step (a) Means or step for calculating the moment of rotation;
(D) means or step for obtaining a solution of a waist motion that cancels out the moment about the pitch axis and roll axis calculated by the means or step (c);
(E) means or step for calculating a moment generated around the yaw axis of the legged mobile robot on the ZMP set by the means or step (b) by the waist movement obtained by the means or step (d); ,
(F) means or step for obtaining a solution of the upper limb motion that cancels the moment about the yaw axis calculated by the means or step (e);
(G) means or step for deriving the whole body movement of the legged mobile robot based on the lumbar motion and upper limb movement determined by the means or step (d) and the means or step (f);
A motion control device or a motion control method for a legged mobile robot.
[0053]
According to the motion control apparatus or the motion control method for the legged mobile robot according to the third aspect of the present invention, the ZMP is set when executing the motion pattern of the airframe composed of the motions of the lower limbs, the trunk, and the upper limbs. After calculating the movements of the lower limbs and trunk that cancel each moment around the pitch axis and roll axis generated in the aircraft above, the moment around the yaw axis generated in the aircraft on the set ZMP by the movement of the lower limbs and trunk is further calculated By calculating the movement of the upper limb that cancels out, stable and accurate whole body coordinated movement can be realized while canceling the influence of the moments around the roll, pitch, and yaw axes applied to the aircraft during legged work. .
[0054]
In addition, according to the motion control device and motion control method for a legged mobile robot according to the third aspect of the present invention, a motion that is extremely difficult to slip around the yaw axis where the yaw moment on the ZMP is almost zero is obtained in advance. Therefore, the aircraft hardly slides around the yaw axis. When a moment around the yaw axis is applied to the robot, the pitch axis, roll axis, and roll axis are solved by the action to cancel the moment around the yaw axis, since the three axes of the pitch axis, roll axis, and yaw axis are solved simultaneously. No moment of rotation is generated.
[0055]
Further, the fourth aspect of the present invention is an operation control device or an operation control method for a robot that is composed of at least an upper limb, a trunk, and a lower limb, and performs a legged movement by the lower limb,
(A) means or step for setting at least one of foot motion, trunk motion, upper limb motion, waist posture and height for realizing the requested motion;
(B) means or step for setting a ZMP trajectory based on the foot movement set by the means or step (A);
(C) Using an inexact model of the legged mobile robot, on the ZMP set by the means or step (B) by the movement of the foot, trunk, or upper limb set by the means or step (A) Means or step for calculating moments about the pitch axis and roll axis of the legged mobile robot generated in
(D) means or step for obtaining an approximate solution of waist motion that cancels the moments about the pitch axis and roll axis calculated by the means or step (C);
(E) Using the inexact model of the legged mobile robot, the legged formula on the ZMP set by the means or step (B) by the approximate solution of the waist movement obtained by the means or step (D) Means or step for calculating a moment generated around the yaw axis of the mobile robot;
(F) means or step for obtaining an approximate solution of upper limb movement that cancels the moment about the yaw axis calculated by the means or step (E);
(G) Using the exact model of the legged mobile robot, set by the means or step (B) when performing the whole body motion calculated by the means or step (D) and the means or step (F) Means or step for calculating moments around the pitch axis, roll axis and yaw axis of the legged mobile robot generated on the ZMP;
(H) a means or step for determining a whole body motion if the moments about the pitch axis, roll axis, and yaw axis calculated by the means or step (G) are less than a predetermined allowable value;
(I) If the moment about the pitch axis, roll axis, and yaw axis calculated by the means or step (G) is equal to or greater than a predetermined allowable value, the moment of the non-strict model on the set ZMP is corrected, Means or step for reintroducing said means or step (D) or said means or step (F);
A motion control device or a motion control method for a legged mobile robot.
[0056]
According to the motion control apparatus or the motion control method for the legged mobile robot according to the fourth aspect of the present invention, the ZMP is set when executing the motion pattern of the airframe composed of the motions of the lower limbs, the trunk, and the upper limbs. After calculating the lower limb and trunk movements that cancel the moments around the pitch axis and roll axis generated in the aircraft above, the moments around the yaw axis generated in the aircraft on the set ZMP by the lower limb and trunk movements are further calculated. By calculating the movement of the upper limb that cancels out, stable and accurate whole body coordinated movement can be realized while canceling the influence of the moments around the roll, pitch, and yaw axes applied to the aircraft during legged work. .
[0057]
In addition, according to the motion control apparatus and motion control method for a legged mobile robot according to the fourth aspect of the present invention, a motion that is extremely difficult to slip around the yaw axis where the yaw axis moment on the ZMP is almost zero is obtained in advance. Therefore, the aircraft hardly slides around the yaw axis. When a moment around the yaw axis is applied to the robot, the pitch axis, roll axis, and roll axis are solved by the action to cancel the moment around the yaw axis, since the three axes of the pitch axis, roll axis, and yaw axis are solved simultaneously. No moment of rotation is generated.
[0058]
In the motion control apparatus or the motion control method for a legged mobile robot according to the fourth aspect of the present invention, the inexact model may be a linear and / or non-interference multi-mass point approximate model related to the legged mobile robot. Good. The exact model may be a rigid model related to the robot or a multi-mass point approximation model of nonlinear and / or interference.
[0059]
(F ′) The means or the step (D) for obtaining an approximate solution for the waist movement and / or the approximate solution obtained in the means or the step (F) for obtaining an approximate solution for the upper limb movement is a trunk / upper limb set in advance. If the exercise cannot be realized, a means or step for resetting / correcting the trunk / upper limb exercise pattern may be further provided.
[0060]
In addition, the means or step (D) for obtaining an approximate solution of the lumbar motion includes the moment on the set ZMP caused by the foot motion, the trunk motion, and the upper limb motion, and the moment on the set ZMP caused by the motion of the lumbar in the horizontal plane. An approximate solution of the waist motion may be obtained by solving the balance equation.
[0061]
Further, the means or step (D) for obtaining the approximate solution of the waist motion may be calculated by replacing the time function with the frequency function. More specifically, the Fourier series expansion is applied to the moment on the set ZMP caused by the foot movement, trunk movement, and upper limb movement, and the Fourier series expansion is applied to the movement in the horizontal plane of the lumbar region. An approximate solution of the waist motion may be obtained by calculating the Fourier coefficient of the trajectory and further applying inverse Fourier series expansion.
[0062]
Further, the means or step (F) for obtaining the approximate solution of the upper limb motion obtains the approximate solution of the upper limb motion by solving the balance equation of the moment on the set ZMP generated by the foot motion and the trunk motion. May be.
[0063]
The means (F) for obtaining an approximate solution of the upper limb motion may be calculated by replacing the time function with the frequency function. More specifically, the means (F) for obtaining an approximate solution of the upper limb motion calculates a Fourier coefficient by applying a Fourier series expansion to the moment on the set ZMP generated by the foot motion and the trunk motion. Further, an approximate solution of upper limb motion may be obtained by applying inverse Fourier series expansion.
[0064]
Further, a fifth aspect of the present invention is a robot apparatus that is composed of at least an upper limb, a trunk, and a lower limb, and performs legged movement by the lower limb.
An exercise pattern setting means for setting an exercise pattern of the robot;
Moment calculating means for calculating a moment about the yaw axis of the robot body on the set ZMP generated by the set motion pattern;
An exercise pattern calculating means for calculating an upper limb exercise pattern for reducing the calculated moment about the yaw axis;
A movement pattern correcting means for correcting the set movement pattern based on the calculated upper limb movement pattern;
A robot apparatus comprising:
[0065]
Here, the movement pattern setting means sets at least one movement pattern of the upper limb, the trunk, or the lower limb of the robot.
[0066]
When a bipedal legged mobile robot performs whole body movement consisting of upper limb, trunk, and lower limb movements, moments are generated around the pitch axis, roll axis, and yaw axis in the robot body. To do.
[0067]
According to the robot apparatus of the fifth aspect of the present invention, the moment about the yaw axis generated in the airframe on the set ZMP is canceled when executing the motion pattern of the airframe composed of the motion of the lower limbs, the trunk, and the upper limb. Such an upper limb motion pattern can be calculated to correct the motion pattern. Accordingly, it is possible to realize a stable and accurate whole body cooperative movement while canceling the influence of the moment about the yaw axis applied to the airframe during legged work such as walking.
[0068]
In particular, in a bipedal legged mobile robot, the yaw axis moment applied to the aircraft increases remarkably as the walking speed increases. Such yaw axis moments are caused by the rotation of the aircraft and around the yaw axis relative to the road surface. Although it hinders the operation of the aircraft, such as slipping and falling, according to the fifth aspect of the present invention, this can be suitably removed.
[0069]
Further, according to the robot apparatus of the fifth aspect of the present invention, since the motion that is extremely difficult to slip around the yaw axis where the yaw axis moment on the ZMP is almost zero is generated in advance, Hardly slips.
[0070]
Other objects, features, and advantages of the present invention will become apparent from more detailed descriptions based on embodiments of the present invention described later and the accompanying drawings.
[0071]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0072]
FIG. 1 and FIG. 2 show a state in which the legged mobile robot 100 used for carrying out the present invention is viewed from the front and the rear. Further, FIG. 3 schematically shows the joint degree-of-freedom configuration of the legged mobile robot 100.
[0073]
As shown in FIG. 3, the legged mobile robot 100 connects an upper limb including two arms and a head 1, a lower limb including two legs that realize a moving operation, and an upper limb and a lower limb. Consists of the trunk.
[0074]
The neck joint that supports the head 1 has three degrees of freedom: a neck joint yaw axis 2, a neck joint pitch axis 3, and a neck joint roll axis 4.
[0075]
Each arm portion includes 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, a wrist joint pitch axis 13, and a wrist joint roll. It comprises a 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 movement of the hand portion 15 has little contribution or influence on the posture control or walking control of the robot 100, it is assumed in this specification that the degree of freedom is zero. Therefore, it is assumed that each arm portion has seven degrees of freedom.
[0076]
The trunk has three degrees of freedom: a trunk pitch axis 5, a trunk roll axis 6, and a trunk yaw axis 7.
[0077]
In addition, each leg part constituting the lower limb includes a hip joint yaw axis 16, a hip joint pitch axis 17, a hip joint roll axis 18, a knee joint pitch axis 19, an ankle joint pitch axis 20, and an ankle joint roll axis 21. , And the foot portion 22. In the present specification, 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 human foot 22 is actually a structure including a multi-joint / multi-degree-of-freedom sole, but the bottom of the legged mobile robot 100 according to this embodiment has zero degrees of freedom. Accordingly, each leg is configured with 6 degrees of freedom.
[0078]
In summary, the legged mobile robot 100 according to the present embodiment has a total of 3 + 7 × 2 + 3 + 6 × 2 = 32 degrees of freedom. However, the legged mobile robot 100 for entertainment is not necessarily limited to 32 degrees of freedom. It goes without saying that the degree of freedom, that is, the number of joints, can be increased or decreased as appropriate in accordance with design and manufacturing constraints and required specifications.
[0079]
Each degree of freedom of the legged mobile robot 100 as described above is actually implemented using an actuator. It is preferable that the actuator be small and light in light of demands such as eliminating the appearance of extra bulges on the appearance and approximating the shape of a human body, and performing posture control on an unstable structure such as biped walking. . In this embodiment, a small AC servo actuator of a gear direct connection type and a servo control system of a single chip built in a motor unit is mounted. This type of AC servo actuator is disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-299970 (Japanese Patent Application No. 11-33386) already assigned to the present applicant.
[0080]
FIG. 4 schematically shows a control system configuration of the legged mobile robot 100. As shown in the figure, the legged mobile robot 100 includes each of the mechanism units 30, 40, 50R / L, 60R / L expressing human limbs, and adaptive control for realizing a cooperative operation between the mechanism units. (Where R and L are suffixes indicating right and left, and so on).
[0081]
The entire operation of the legged mobile robot 100 is controlled by the control unit 80 in an integrated manner. The control unit 80 exchanges data and commands between a main control unit 81 including main circuit components (not shown) such as a CPU (Central Processing Unit) and a memory, and each component of the power supply circuit and the robot 100. The peripheral circuit 82 includes an interface (none of which is shown).
[0082]
In realizing the present invention, the installation location of the control unit 80 is not particularly limited. Although it is mounted on the trunk unit 40 in FIG. 4, it may be mounted on the head unit 30. Alternatively, the control unit 80 may be provided outside the legged mobile robot 100 so as to communicate with the body of the legged mobile robot 100 by wire or wirelessly.
[0083]
Each joint degree of freedom in the legged mobile robot 100 shown in FIG. 3 is realized by a corresponding actuator. That is, the head unit 30 includes a neck joint yaw axis actuator A that represents the neck joint yaw axis 2, the neck joint pitch axis 3, and the neck joint roll axis 4. 2 , Neck joint pitch axis actuator A Three , Neck joint roll axis actuator A Four Is arranged.
[0084]
The trunk unit 40 includes a trunk pitch axis actuator A that represents the trunk pitch axis 5, the trunk roll axis 6, and the trunk yaw axis 7. Five , Trunk roll axis actuator A 6 , Trunk yaw axis actuator A 7 Is deployed.
[0085]
Further, 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, but the shoulder joint pitch axis 8, the shoulder joint roll axis 9, and the upper arm Shoulder joint pitch axis actuator A representing the yaw axis 10, the elbow joint pitch axis 11, the elbow joint roll axis 12, the wrist joint pitch axis 13, and the wrist joint roll axis 14. 8 , Shoulder joint roll axis actuator A 9 , Upper arm yaw axis actuator A Ten , Elbow joint pitch axis actuator A 11 , Elbow joint roll axis actuator A 12 , Wrist joint pitch axis actuator A 13 Wrist joint roll axis actuator A 14 Is deployed.
[0086]
The leg unit 60R / L is subdivided into a thigh unit 61R / L, a knee unit 62R / L, and a shin unit 63R / L, but the hip joint yaw axis 16, the hip joint pitch axis 17, the hip joint Hip joint yaw axis actuator A representing each of roll axis 18, knee joint pitch axis 19, ankle joint pitch axis 20, and ankle joint roll axis 21 16 Hip joint pitch axis actuator A 17 , Hip joint roll axis actuator A 18 , Knee joint pitch axis actuator A 19 , Ankle joint pitch axis actuator A 20 , Ankle joint roll axis actuator A twenty one Is deployed.
[0087]
Actuator A used for each joint 2 , A Three More preferably, it can be constituted by a small AC servo actuator (described above) of a gear direct coupling type and a servo control system that is mounted on a motor unit in a single chip.
[0088]
For each mechanism unit such as the head unit 30, trunk unit 40, arm unit 50, and leg unit 60, sub-control units 35, 45, 55, and 65 for actuator drive control are provided. Furthermore, grounding confirmation sensors 91 and 92 for detecting whether or not the soles of the legs 60R and L have landed are mounted, and the trunk unit 40 is equipped with a posture sensor 93 for measuring posture. ing.
[0089]
The grounding confirmation sensors 91 and 92 are configured by, for example, proximity sensors or micro switches installed on the soles of the feet. In addition, the posture sensor 93 is configured by, for example, a combination of an acceleration sensor and a gyro sensor.
[0090]
Based on the outputs of the ground contact confirmation sensors 91 and 92, it is possible to determine whether the left and right legs are currently standing or swinging during an operation period such as walking or running. Further, the inclination and posture of the trunk can be detected by the output of the posture sensor 93.
[0091]
The main control unit 80 can dynamically correct the control target in response to the outputs of the sensors 91 to 93. More specifically, an adaptive control is performed on each of the sub-control units 35, 45, 55, and 65, and a whole body motion pattern in which the upper limbs, trunk, and lower limbs of the legged mobile robot 100 are driven in cooperation. Can be realized.
[0092]
The whole body movement on the body of the robot 100 sets a foot movement, a ZMP (Zero Moment Point) trajectory, a trunk movement, an upper limb movement, a waist height, and the like, and instructs an operation according to these setting contents. The command is transferred to each sub-control unit 35, 45, 55, 65. And each sub-control part 35, 45 ... interprets the received command from the main control part 81, and each actuator A 2 , A Three A drive control signal is output to. Here, “ZMP” refers to a point on the floor where the moment due to floor reaction force during walking is zero, and “ZMP trajectory” refers to, for example, ZMP during the walking motion period of the robot 100. Means the trajectory that moves (see above).
[0093]
Next, in the legged mobile robot 100 according to the present embodiment, the procedure of posture stabilization processing at the time of legged work, that is, at the time of executing the whole body cooperative movement pattern including the foot, waist, trunk, lower limb movement, etc. will be described. .
[0094]
The legged mobile robot 100 according to the present embodiment is an infinite or continuous collection of mass points. However, here, the calculation amount for the stabilization processing is reduced by substituting with an approximate model composed of a finite number of discrete mass points. More specifically, the legged mobile robot 100 having the multi-joint degree-of-freedom configuration shown in FIG. 3 is handled by replacing it with a multi-mass point approximation model as shown in FIG. The approximate model shown is a linear and non-interfering multi-mass point approximate model.
[0095]
In FIG. 5, the O-XYZ coordinate system represents roll, pitch, and yaw axes in the absolute coordinate system, and the O′-X′Y′Z ′ coordinate system represents the roll, pitch, Each axis of yaw is represented. In the multi-mass model shown in the figure, i is a subscript representing the i-th given mass, m i Is the mass of the i-th mass point, r ' i Represents the position vector of the i-th mass point (however, the motion coordinate system). The mass of the lumbar mass point, which is particularly important in lumbar motion control described later, is m h The position vector is r ′ h (R ' hx , R ' hy , R ' hz ) And the position vector of ZMP is r ′ zmp (R ' zmpx , R ' zmpy , R ' zmpz ).
[0096]
The multi-mass model is a representation of a robot in the form of a wire frame model. As can be seen from FIG. 5, the multi-mass point approximation model is set with each shoulder, both elbows, both wrists, trunk, waist, and both ankles as mass points. In the illustrated inexact multi-mass point approximation model, the moment formula is described in the form of a linear equation that does not interfere with the pitch and roll axes. The multi-mass point approximation model can be generated by the following processing procedure.
[0097]
(1) The mass distribution of the entire robot 100 is obtained.
(2) Set the mass point. The mass point setting method may be either manual input by the designer or automatic generation according to a predetermined rule.
(3) The center of gravity is obtained for each region i, the center of gravity position and the mass m i Is assigned to the relevant mass point.
(4) Each mass point m i , The mass position r i Is displayed as a sphere with a radius proportional to its mass.
(5) The mass points that are actually connected, that is, the spheres are connected.
[0098]
Note that each rotation angle (θ in the waist information of the multi-mass model shown in FIG. hx , Θ hy , Θ hz ) Regulates the posture of the waist in the legged mobile robot 100, that is, the rotation of the roll, pitch, and yaw axis (FIG. 6 shows an enlarged view of the multi-mass model around the waist). Wanna)
[0099]
Next, the procedure of the posture stabilization process in the legged mobile robot 100 according to the present embodiment, that is, the generation process of the whole body cooperative movement pattern in which the moments generated by the movements of the waist, trunk, and lower limbs are canceled will be described.
[0100]
7 and 8 show an example of a processing procedure for generating waist, trunk, and lower limb movements that can be stably walked by the legged mobile robot 100 in the form of a flowchart. However, in the following description, each joint position and operation of the legged mobile robot 100 are described using a linear / non-interference multi-mass point approximation model as shown in FIG. Will be used. However, it should be understood that symbols with a dash (') describe a motion coordinate system.
[0101]
[Expression 1]
Figure 0003674779
[0102]
In addition, the waist height of the legged mobile robot 100 is constant (r ′ hz + R qz = Const) and the knee mass point is zero.
[0103]
First, actually determine the driving and movement of each part such as foot (more specifically, plantar) movement, ZMP trajectory derived from foot movement, trunk movement, upper limb movement, waist posture and height, etc. A pattern for this is set (step S11). More specifically, first, a foot movement pattern, then a ZMP trajectory, a trunk movement pattern, and an upper limb movement pattern are set. Also, an unknown variable (related to upper limb movement) used for yaw axis moment compensation described later is set here. Regarding the movement of the waist, only the Z ′ direction is set, and the X ′ and Y ′ directions are unknown.
[0104]
Next, the moment M around the pitch axis on the set ZMP generated by the foot, trunk, and upper limb movements using the linear / non-interference multi-mass approximation model y , And moment M around the roll axis x Is calculated (step S12).
[0105]
Next, the motion in the lumbar horizontal plane (r ′ hx , R ' hy ) Moment M about the pitch axis on the setting ZMP y , And moment M around the roll axis x Is calculated (step S13).
[0106]
Next, a balance equation regarding the moment about the pitch axis and the roll axis on the set ZMP is derived on the motion coordinate system O′-X′Y′Z ′ that moves with the robot 100 (or its multi-mass point approximate model) (step S14). ). More specifically, the moment M about the pitch axis generated by the foot, trunk, and upper limb movements y , And moment M around the roll axis x On the right side as a term of a known variable, a term (r ′ hx , R ' hy ) As unknown variable terms on the left side, and a linear and non-interfering ZMP equation (1) as shown in the following equation is derived.
[0107]
[Expression 2]
Figure 0003674779
[0108]
However, the following shall hold.
[0109]
[Equation 3]
Figure 0003674779
[0110]
Next, the above-mentioned ZMP equation (1) is solved to calculate the waist horizontal plane trajectory (step S15). For example, by solving the ZMP equation (1) using a numerical solution (well known) such as the Euler method or the Runge-Kutta method, the horizontal absolute position of the waist (r ′ hx , R ' hy ) Can be obtained (step S16). The numerical solution obtained here is an approximate solution of a waist motion pattern that enables stable walking, and more specifically, a waist horizontal absolute position where ZMP enters the target position. The ZMP target position is usually set at the planted sole.
[0111]
The approximate solution obtained here is an approximate solution (r ′ of the horizontal absolute position of the waist that defines the waist motion pattern capable of stable walking. hx , R ' hy More specifically, it is the waist horizontal absolute position where ZMP enters the target position. However, the moment M about the pitch axis generated by the movement of the foot, trunk, upper limbs, waist, etc. y , And moment M around the roll axis x Is canceled, but the moment M around the yaw axis is still z Is left without cancellation. Therefore, in the subsequent steps, the moment M around the yaw axis z An upper limb motion pattern generation process for canceling the above is performed.
[0112]
In step S17, the yaw axis moment on the set ZMP generated by the approximate solution of the waist motion (however, the yaw axis moment generated in the waist) M zh Is calculated using the following equation (2).
[0113]
[Expression 4]
Figure 0003674779
[0114]
Next, using a linear / non-interference multi-mass point approximation model, moment M about the yaw axis on the set ZMP generated by the motion of the foot and trunk z Is calculated (step S18).
[0115]
Next, moment M about the yaw axis on the set ZMP z Is derived on a motion coordinate system O′-X′Y′Z ′ that moves with the robot 100 (or its multi-mass point approximation model) (step S19). More specifically, the moment M about the yaw axis generated by the movement of the foot and trunk z And yaw moment M generated by approximate solution of lumbar motion zh Is the term of the known variable, and the moment M around the yaw axis generated by the motion of the upper limb mass point arm Are combined on the left side as terms of unknown variables to derive a linear and non-interfering ZMP equation (3) as shown in the following equation.
[0116]
[Equation 5]
Figure 0003674779
[0117]
Further, by solving the ZMP equation (3) using a numerical solution (well-known) such as the Euler method or the Runge-Kutta method (step S20), the yaw axis moment M z And M zh To calculate the upper limb movement pattern necessary to enable stable walking (step S21). When calculating the upper limb motion pattern by a numerical solution, an unknown variable for compensating the yaw axis moment given in advance is applied.
[0118]
In the above equation (3), any joint angle of the upper limb joint may be used as the unknown variable as a method of taking the unknown variable θ. More specifically, among the joint degrees of freedom shown in FIG. 3, the shoulder joint pitch axis 8, the shoulder joint roll axis 9, the upper arm yaw axis 10, the elbow joint pitch axis 11, the forearm yaw axis 12, the wrist joint pitch axis. 13. The above equation (3) may be established by combining one or more of the wrist joint roll shafts 14.
[0119]
In establishing the above equation (3), it is not necessary to assume that the upper right limb and the left upper limb move symmetrically or in opposite phases. As the method of taking the unknown variable θ, it is assumed that a large moment generation amount can be expected, and the joint angle (θ arm_shoulder ) As an unknown variable. Alternatively, the moment generation operation closer to the human biological mechanism can be expected as the joint angle around the pitch axis of the shoulder joint (θ arm_shoulder ) Is an unknown variable, and the elbow joint angle (θ arm_elbow ) To (θ arm_elbow = G x θ arm_shoulder : G is a gain), it is possible to calculate the yaw axis compensation motion pattern by the cooperative operation of the shoulder joint and the elbow joint while keeping one unknown variable (that is, without changing the calculation amount).
[0120]
Of course, the above equation (3) can be established by using the trunk yaw axis 7 which is a part of the upper body of the robot 100, but it is theoretically possible, but a shoulder joint or elbow joint with a wide movable angle. It is easier to realize the above-described expression (3) using the driving of the upper limbs such as the above, and high-precision control is possible.
[0121]
If the preset trunk / upper limb movement cannot be realized on the approximate solution calculated up to step S21, the trunk / upper limb movement pattern is reset / corrected (step S22). At this time, the knee trajectory may be calculated.
[0122]
Next, the whole body motion pattern obtained as described above is substituted, and the roll axis on the setting ZMP in the exact model (that is, the precise model of the legged mobile robot 100 composed of a rigid body or a large number of mass points). , Moment about each axis of pitch axis and yaw axis (eM x , EM y , EM z ) Is calculated (step S23). In the inexact model, it is assumed that the above [Equation 3] holds, but in the exact model, such an assumption is not required (that is, it is not necessary to be constant with respect to a change in time).
[0123]
Moment in exact model (eM x , EM y , EM z ) Is a moment error generated around the roll, pitch, and yaw axes in the waist movement. In subsequent step S24, moments (eM x , EM y , EM z ) Is the allowable value (εM x , ΕM y , ΕM z ) It is determined whether it is less than. If it is less than the allowable value ε, the exact solution of the stable motion pattern in each part of the waist, trunk, and lower limbs on the body of the robot 100, and the moment M generated around the yaw axis of the body (waist) z And M zh This means that the whole body motion pattern of the robot 100 that has been canceled can be obtained (step S25), and the entire processing routine is terminated.
[0124]
On the other hand, the moment in the exact model (eM x , EM y , EM z ) Is the allowable value (εM x , ΕM y , ΕM z ) Or more, the moment (eM around the roll axis and pitch axis in the strict model) x , EM y ) To the moment about the roll axis and pitch axis in the approximate model (M x , M y ) Is corrected (step S27), and the ZMP equation is derived again. Alternatively, the moment moment eM about the yaw axis in the exact model z The known generated moment M around the yaw axis in the approximate model using z Is corrected (step S26), and the ZMP equation is derived again. Then, until the convergence to below the allowable value ε, by repeatedly executing the calculation and correction of the approximate solution of the waist, trunk, and lower limb motion patterns as described above, the strict solution of the waist and upper limb motion patterns and the stable A whole body movement pattern that can realize walking can be obtained.
[0125]
That is, according to the processing routines shown in FIGS. 7 and 8, the aircraft can be driven stably and accurately accurately while canceling the influence of the moments about the roll, pitch, and yaw axes applied during the legged work. A whole body motion pattern for a legged mobile robot can be generated. In addition, it is possible to stably calculate the movements around the roll, pitch, and yaw axes that interfere with each other.
[0126]
In addition, according to the processing routine shown in FIGS. 7 and 8, since the motion that is extremely non-slipable around the yaw axis where the yaw axis moment on the ZMP becomes almost zero is generated in advance, the aircraft moves around the yaw axis. Hardly slips. In particular, it is an indispensable technology for entertainment robots where movement itself is important. In addition, when a moment around the yaw axis is applied to the robot, the pitch axis, roll axis, and yaw axis are solved simultaneously by the action to cancel the moment around the yaw axis. No moment around the roll axis is generated.
[0127]
In the processing routines shown in FIGS. 7 and 8, the upper limb motion that compensates for the yaw moment obtained in step S21 is realized by a motion utilizing swinging of both arms or rotation of the waist in the case of a human being. be able to. Such an upper limb movement contributes greatly to maintaining posture stability, particularly in high-speed walking movements, and also has an effect of making the upper body movement of the aircraft more expressive.
[0128]
When considering the “expressive power” of movement in humans and monkeys, the movement and posture of the upper body, such as arms and torso, are not only the realization of work, but also the aspect of emotional manifestation, which is very important have. This is why it is called “gesture” or “hand gesture”. Therefore, by compensating for the yaw moment by utilizing the upper body-driven motions such as gestures and hand gestures, the motion expressive power of the aircraft is enriched, and is particularly preferable for a robot with high entertainment orientation.
[0129]
9 and 10 show other examples of processing procedures for generating waist, trunk, and lower limb motions that can be stably walked by the legged mobile robot 100 in the form of flowcharts. However, as described above, the joint positions and operations of the robot 100 are described using the linear / non-interfering multi-mass point approximation model shown in FIG.
[0130]
First, actually determine the driving and movement of each part such as foot (more specifically, plantar) movement, ZMP trajectory derived from foot movement, trunk movement, upper limb movement, waist posture and height, etc. A pattern for this is set (step S31). More specifically, first, a foot movement pattern, then a ZMP trajectory, a trunk movement pattern, and an upper limb movement pattern are set. Also, an unknown variable (related to upper limb movement) used for yaw axis moment compensation described later is set here. Regarding the movement of the waist, only the Z ′ direction is set, and the X ′ and Y ′ directions are unknown.
[0131]
Next, the moment M around the pitch axis on the set ZMP generated by the foot, trunk, and upper limb movements using the linear / non-interference multi-mass approximation model y , And moment M around the roll axis x Is calculated (step S32).
[0132]
Next, the motion in the lumbar horizontal plane (r ′ hx , R ' hy ) Moment M about the pitch axis on the setting ZMP y , And moment M around the roll axis x Is calculated (step S33).
[0133]
Next, a balance equation regarding the moment about the pitch axis and the roll axis on the set ZMP is derived on the motion coordinate system O′-X′Y′Z ′ that moves together with the robot 100 (or its multi-mass approximate model) (step S34). ). More specifically, the moment M about the pitch axis generated by the foot, trunk, and upper limb movements y , And moment M around the roll axis x On the right side as a term of a known variable, a term (r ′ hx , R ' hy ) As terms of unknown variables on the left side, and a linear and non-interfering ZMP equation (1) is derived (same as above).
[0134]
Next, exercise in the lumbar horizontal plane (r ′ hx , R ' hy ) In the Fourier series, and then the moment M around the pitch axis on the set ZMP y , And moment M around the roll axis x For each of these, a Fourier series expansion is performed, then a Fourier coefficient of the orbit in the lumbar horizontal plane is calculated, and further an inverse Fourier series expansion is performed (step S35), whereby an approximate solution of the lumbar motion is obtained (step S36).
[0135]
As already well known in the art, the time series component can be replaced with the frequency component for calculation by expanding the Fourier series. That is, in this case, the movement of the waist can be regarded as a periodic movement. Moreover, since FFT (Fast Fourier Transform) can be applied, the calculation speed can be greatly improved.
[0136]
The approximate solution obtained here is an approximate solution (r ′ of the horizontal absolute position of the waist that defines the waist motion pattern capable of stable walking. hx , R ' hy More specifically, it is the waist horizontal absolute position where ZMP enters the target position. However, the moment M about the pitch axis generated by the movement of the foot, trunk, upper limbs, waist, etc. y , And moment M around the roll axis x Is canceled, but the moment M around the yaw axis is still z Is left without cancellation. Therefore, in the subsequent steps, the moment M around the yaw axis z And M zh The upper limbs movement pattern generation process for canceling is performed.
[0137]
In step S17, the yaw axis moment on the set ZMP moment generated by the approximate solution of the waist motion (however, the yaw axis moment generated in the waist) M zh Is calculated using the above equation (2).
[0138]
Next, the moment M around the yaw axis on the set ZMP generated by the foot motion and the trunk motion using the linear / non-interference multi-mass point approximation model z Is calculated (step S38).
[0139]
Next, a balance equation relating to the moment about the yaw axis on the set ZMP is derived on the motion coordinate system O′-X′Y′Z ′ that moves with the robot 100 (or its multi-mass approximate model) (step S39). More specifically, the moment M about the yaw axis generated by the movement of the foot and trunk z Moment M around the yaw axis caused by the approximate solution of the lumbar movement zh Is the term of the known variable, and the moment M around the yaw axis generated by the motion of the upper limb mass point arm Are combined on the left side as terms of unknown variables to derive a linear and non-interfering ZMP equation (3) as shown in the above equation.
[0140]
Next, as in step S35, an upper limb motion pattern is calculated (step S41) by a Fourier coefficient comparison method in the frequency domain of the ZMP equation (step S40). When calculating the upper limb motion pattern, an unknown variable for compensating the yaw axis moment given in advance is applied.
[0141]
In the above equation (3), any joint angle of the upper limb joint may be used as the unknown variable as a method of taking the unknown variable θ. More specifically, among the joint degrees of freedom shown in FIG. 3, the shoulder joint pitch axis 8, the shoulder joint roll axis 9, the upper arm yaw axis 10, the elbow joint pitch axis 11, the forearm yaw axis 12, the wrist joint pitch axis. 13. The above equation (3) may be established by combining one or more of the wrist joint roll shafts 14.
[0142]
In establishing the above equation (3), it is not necessary to assume that the upper right limb and the left upper limb move symmetrically or in opposite phases. As an example of how to take the unknown variable θ, the joint angle around the pitch axis of the shoulder joint (θ arm_shoulder ) As an unknown variable. Alternatively, the moment generation operation closer to the human biological mechanism can be expected as the joint angle around the pitch axis of the shoulder joint (θ arm_shoulder ) Is an unknown variable, and the elbow joint angle (θ arm_elbow ) To (θ arm_elbow = G x θ arm_shoulder : G is a gain), it is possible to calculate the yaw axis compensation motion pattern by the cooperative operation of the shoulder joint and the elbow joint while keeping one unknown variable (that is, without changing the calculation amount).
[0143]
Of course, the above equation (3) can be established by using the trunk yaw axis 7 which is a part of the upper body of the robot 100, but it is theoretically possible, but a shoulder joint or elbow joint with a wide movable angle. It is easier to realize the above-described expression (3) using the driving of the upper limbs such as the above, and high-precision control is possible.
[0144]
If the preset trunk / upper limb movement cannot be realized on the approximate solution calculated up to step S21, the trunk / upper limb movement pattern is reset / corrected (step S42). At this time, the knee trajectory may be calculated.
[0145]
Next, the whole body motion pattern obtained as described above is substituted, and the roll axis on the setting ZMP in the exact model (that is, the precise model of the legged mobile robot 100 composed of a rigid body or a large number of mass points). , Moment about each axis of pitch axis and yaw axis (eM x , EM y , EM z ) Is calculated (step S43). In the inexact model, it is assumed that the above [Equation 3] holds, but in the exact model, such an assumption is not required (that is, it is not necessary to be constant with respect to a change in time).
[0146]
Moment in exact model (eM x , EM y , EM z ) Is a moment error generated around the roll, pitch, and yaw axes in the waist movement. In subsequent step S44, moments (eM x , EM y , EM z ) Is the allowable value (εM x , ΕM y , ΕM z ) It is determined whether it is less than. If it is less than the allowable value ε, the robot 100's whole body motion in which the exact solution of the stable motion pattern in the waist, trunk, and lower limbs on the body of the robot 100 and the moment generated around the yaw axis of the body of the robot are canceled Since this means that the pattern has been obtained (step S45), the entire processing routine is terminated.
[0147]
On the other hand, the moment in the exact model (eM x , EM y , EM z ) Is the allowable value (εM x , ΕM y , ΕM z ) Or more, the moment (eM around the roll axis and pitch axis in the strict model) x , EM y ) To the moment about the roll axis and pitch axis in the approximate model (M x , M y ) Is corrected (step S47), and the ZMP equation is derived again. Alternatively, the moment moment eM about the yaw axis in the exact model z The known generated moment M around the yaw axis in the approximate model using z Is corrected (step S46), and the ZMP equation is derived again. Then, until the convergence to below the allowable value ε, by repeatedly executing the calculation and correction of the approximate solution of the waist, trunk, and lower limb motion patterns as described above, the strict solution of the waist and upper limb motion patterns and the stable A whole body movement pattern that can realize walking can be obtained.
[0148]
That is, according to the processing routines shown in FIGS. 9 and 10, the aircraft can be driven stably and accurately accurately while canceling the influence of the moments about the roll, pitch, and yaw axes applied during the legged work. A whole body motion pattern for a legged mobile robot can be generated. In addition, it is possible to stably calculate the movements around the roll, pitch, and yaw axes that interfere with each other.
[0149]
Further, according to the processing routines shown in FIGS. 9 and 10, since the movement that is extremely non-slipable around the yaw axis where the yaw axis moment on the ZMP becomes almost zero is generated in advance, the aircraft is rotated around the yaw axis. Hardly slips. In particular, it is an indispensable technology for entertainment robots where movement itself is important. In addition, when a moment around the yaw axis is applied to the robot, the pitch axis, roll axis, and yaw axis are solved simultaneously by the action to cancel the moment around the yaw axis. No moment around the roll axis is generated.
[0150]
In the processing routines shown in FIGS. 9 and 10, the upper limb motion that compensates for the yaw moment obtained in step S41 is realized by a motion using swinging of both arms or rotation of the waist in the case of a human. be able to. Such an upper limb movement contributes greatly to maintaining posture stability, particularly in high-speed walking movements, and also has an effect of making the upper body movement of the aircraft more expressive.
[0151]
When considering the “expressive power” of movement in humans and monkeys, the movement and posture of the upper body, such as arms and torso, are not only the realization of work, but also the aspect of emotional manifestation, which is very important have. This is why it is called “gesture” or “hand gesture”. Therefore, by compensating for the yaw moment by utilizing the upper body-driven motions such as gestures and hand gestures, the motion expressive power of the aircraft is enriched, and is particularly preferable for a robot with high entertainment orientation.
[0152]
[Supplement]
The present invention has been described in detail above with reference to specific embodiments. However, it is obvious that those skilled in the art can make modifications and substitutions of the embodiment without departing from the gist of the present invention.
[0153]
Further, the gist of the present invention is not necessarily limited to a product called “robot”. That is, as long as it is a mechanical device that performs a movement resembling human movement using an electrical or magnetic action, the present invention is similarly applied to a product belonging to another industrial field such as a toy. Can be applied.
[0154]
In short, the present invention has been disclosed in the form of exemplification, and the description of the present specification should not be interpreted in a limited manner. In order to determine the gist of the present invention, the claims section described at the beginning should be considered.
[0155]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, an excellent motion control device and motion control method for a legged mobile robot capable of stably and accurately realizing legged work such as high-speed walking, and A robotic device can be provided.
[0156]
Further, according to the present invention, an excellent motion control device and motion control method for a legged mobile robot capable of reducing the moment applied around the yaw axis of the airframe using the motion of the upper limbs, and A robotic device can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view showing a state in which a legged mobile robot 100 used for carrying out the present invention is viewed from the front.
FIG. 2 is a view showing a state in which a legged mobile robot 100 used for carrying out the present invention is viewed from behind.
FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a degree-of-freedom configuration model included in the legged mobile robot 100 according to the present embodiment.
FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a control system configuration of a legged mobile robot 100 according to the present embodiment.
FIG. 5 is a diagram showing a linear and non-interfering multi-mass point approximation model of the legged mobile robot 100 introduced for calculation of walking control according to the present embodiment.
6 is an enlarged view around the waist of the multi-mass model shown in FIG.
FIG. 7 is a flowchart showing an example of a processing procedure for generating waist, trunk, and lower limb motions capable of stable walking in the legged mobile robot 100.
FIG. 8 is a flowchart showing an example of a processing procedure for generating waist, trunk, and lower limb movements capable of stable walking in the legged mobile robot 100.
FIG. 9 is a flowchart showing another example of a processing procedure for generating waist, trunk, and lower limb movements capable of stable walking in the legged mobile robot 100.
FIG. 10 is a flowchart showing another example of a processing procedure for generating waist, trunk, and lower limb motions in which the legged mobile robot 100 can stably walk.
FIG. 11 is a diagram illustrating a relationship (example) between a walking speed [second / step] of a biped legged mobile robot and a moment Nm generated in the yaw axis direction.
[Explanation of symbols]
1 ... head, 2 ... neck 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 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
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: Legged mobile robot

Claims (30)

少なくとも上肢と体幹部と下肢で構成され、下肢による脚式移動を行うタイプのロボットの動作制御装置であって、
少なくとも下肢の運動とZMPを設定する手段と、
該設定されたZMP上で、該設定された運動によって生じる前記脚式移動ロボットの機体のヨー軸モーメントを算出する手段と、
該ヨー軸モーメントを打ち消す上肢運動を算出する手段と、
該算出された上肢運動に従って、該設定された運動を修正する手段と、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットのための動作制御装置。
It is composed of at least an upper limb, a trunk, and a lower limb, and is a motion control device for a type of robot that performs legged movement by the lower limb,
Means for setting at least leg movement and ZMP ;
Means for calculating a yaw-axis moment of the airframe of the legged mobile robot generated by the set motion on the set ZMP;
Means for calculating upper limb motion to cancel the yaw axis moment;
Means for correcting the set movement according to the calculated upper limb movement;
A motion control apparatus for a legged mobile robot, comprising:
前記の上肢は、肩関節及び肘関節にそれぞれ1以上の回転自由度を有し、
前記のヨー軸モーメントを打ち消す上肢運動は、該肩関節又は肘関節の駆動を利用した運動である、
ことを特徴とする請求項1に記載の脚式移動ロボットのための動作制御装置。
The upper limb has one or more degrees of freedom of rotation in each of the shoulder joint and the elbow joint,
The upper limb motion that cancels the yaw moment is a motion using the drive of the shoulder joint or elbow joint.
The motion control apparatus for a legged mobile robot according to claim 1.
少なくとも上肢と体幹部と下肢で構成され、下肢による脚式移動を行うタイプのロボットの動作制御装置であって、
少なくとも下肢の運動とZMPを設定する手段と、
該設定されたZMP上で、該設定された運動によって生じる前記脚式移動ロボットの機体のピッチ軸又はロール軸モーメントのうち少なくとも1つを算出する手段と、
該ピッチ軸又はロール軸モーメントを打ち消す下肢又は体幹部のうち少なくとも一方の運動を算出する第1の運動算出手段と、
該設定されたZMP上で、該算出された下肢又は体幹の運動によって生じる前記脚式移動ロボットの機体のヨー軸モーメントを算出する手段と、
該ヨー軸モーメントを打ち消す上肢運動を算出する第2の運動算出手段と、
前記第1及び第2の運動算出手段により算出された運動に従って、該設定された運動を修正する手段と、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットのための動作制御装置。
It is composed of at least an upper limb, a trunk, and a lower limb, and is a motion control device for a type of robot that performs legged movement by the lower limb,
Means for setting at least leg movement and ZMP ;
Means for calculating at least one of the pitch axis or roll axis moment of the airframe of the legged mobile robot generated by the set motion on the set ZMP;
First movement calculating means for calculating movement of at least one of a lower limb or a trunk that cancels the pitch axis or roll axis moment;
Means for calculating a yaw-axis moment of the body of the legged mobile robot generated by the calculated movement of the lower limbs or trunk on the set ZMP;
A second motion calculating means for calculating an upper limb motion that cancels the yaw axis moment;
Means for correcting the set movement according to the movement calculated by the first and second movement calculation means ;
A motion control apparatus for a legged mobile robot, comprising:
前記の上肢は、肩関節及び肘関節にそれぞれ1以上の回転自由度を有し、
前記のヨー軸モーメントを打ち消す上肢運動は、該肩関節又は肘関節の駆動を利用した運動である、
ことを特徴とする請求項3に記載の脚式移動ロボットのための動作制御装置。
The upper limb has one or more degrees of freedom of rotation in each of the shoulder joint and the elbow joint,
The upper limb motion that cancels the yaw moment is a motion using the drive of the shoulder joint or elbow joint.
The motion control apparatus for a legged mobile robot according to claim 3.
少なくとも上肢と体幹部と下肢で構成され、下肢による脚式移動を行うタイプのロボットの動作制御装置であって、
(a)要求された動作を実現するための足部運動、体幹運動、上肢運動、腰部の姿勢及び高さを設定する手段と、
(b)前記手段(a)により設定された足部運動に基づいてZMP軌道を設定する手段と、
(c)該設定されたZMP上で、前記手段(a)により設定された足部、体幹、上肢の運動によって前記手段(b)により前記脚式移動ロボットのピッチ軸及びロール軸回りのモーメントを算出する手段と、
(d)前記手段(c)により算出されたピッチ軸及びロール軸回りのモーメントを打ち消す腰部運動の解を求める手段と、
(e)前記手段(d)により求められた腰部運動によって、該設定されたZMP上で前記手段(b)により前記脚式移動ロボットのヨー軸回りに生じるモーメントを算出する手段と、
(f)前記手段(e)により算出されたヨー軸回りのモーメントを打ち消す上肢運動の解を求める手段と、
(g)前記手段(d)及び前記手段(f)により求められた腰部運動及び上肢運動に基づいて前記脚式移動ロボットの全身運動を導出する手段と、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットのための動作制御装置。
It is composed of at least an upper limb, a trunk, and a lower limb, and is a motion control device for a type of robot that performs legged movement by the lower limb,
(A) means for setting a foot motion, trunk motion, upper limb motion, waist posture and height for realizing the requested motion ;
(B) means for setting a ZMP trajectory based on the foot movement set by the means (a);
(C) On the set ZMP, the moments about the pitch axis and roll axis of the legged mobile robot by the means (b) by the movement of the foot, trunk and upper limb set by the means (a) Means for calculating
(D) means for obtaining a solution of the waist motion that cancels the moments about the pitch axis and roll axis calculated by the means (c);
(E) means for calculating a moment generated around the yaw axis of the legged mobile robot by the means (b) on the set ZMP by the waist movement obtained by the means (d);
(F) means for obtaining a solution of the upper limb motion that cancels the moment about the yaw axis calculated by the means (e);
(G) means for deriving the whole body movement of the legged mobile robot based on the waist motion and upper limb movement obtained by the means (d) and the means (f);
A motion control apparatus for a legged mobile robot, comprising:
少なくとも上肢と体幹部と下肢で構成され、下肢による脚式移動を行うタイプのロボットの動作制御装置であって、
(A)要求された動作を実現するための足部運動、体幹運動、上肢運動、腰部の姿勢及び高さを設定する手段と、
(B)前記手段(A)により設定された足部運動に基づいてZMP軌道を設定する手段と、
(C)前記手段(B)により設定されたZMP上で前記手段(A)により設定された足部、体幹、上肢の運動によって生じる前記脚式移動ロボットのピッチ軸及びロール軸回りのモーメントを、前記脚式移動ロボットの非厳密モデルを用いて算出する手段と、
(D)前記手段(C)により算出されたピッチ軸及びロール軸回りのモーメントを打ち消す腰部の水平面内運動の近似解を求める手段と、
(E)前記手段(B)により設定されたZMP上で前記手段(D)により求められた腰部の水平面内運動の近似解によって前記脚式移動ロボットのヨー軸回りに生じるモーメントを、前記脚式移動ロボットの非厳密モデルを用いて算出する手段と、
(F)前記手段(E)により算出されたヨー軸回りのモーメントを打ち消す上肢運動の近似解を求める手段と、
(G)前記手段(B)により設定されたZMP上で前記手段(D)及び前記手段(F)により算出された全身運動実行時における生じる前記脚式移動ロボットのピッチ軸、ロール軸、及びヨー軸回りのモーメントを、前記脚式移動ロボットの厳密モデルを用いて算出する手段と、
(H)前記手段(G)により算出されたピッチ軸、ロール軸、及びヨー軸回りのモーメントが所定の許容値未満であれば全身運動の解とする手段と、
(I)前記手段(G)により算出されたピッチ軸、ロール軸、及びヨー軸回りのモーメントが所定の許容値以上であれば、前記手段(B)により設定されたZMP上における非厳密モデルのモーメントを修正して、前記手段(D)又は前記手段(F)に再投入する手段と、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットのための動作制御装置。
It is composed of at least an upper limb, a trunk, and a lower limb, and is a motion control device for a type of robot that performs legged movement by the lower limb,
(A) means for setting a foot motion, trunk motion, upper limb motion, waist posture and height for realizing the requested motion ;
(B) means for setting a ZMP trajectory based on the foot movement set by the means (A);
(C) Moments about the pitch axis and roll axis of the legged mobile robot generated by the movement of the foot, trunk, and upper limb set by the means (A) on the ZMP set by the means (B) Means for calculating using an inexact model of the legged mobile robot ;
(D) means for obtaining an approximate solution of the motion in the horizontal plane of the waist that cancels out the moment about the pitch axis and roll axis calculated by the means (C);
(E) a moment generated about the yaw axis of the legged mobile robot by the approximate solution of the horizontal plane motion of the lumbar obtained by said means on set ZMP (D) of the said means (B), the legged Means for calculating using an inexact model of the mobile robot ;
(F) means for obtaining an approximate solution of upper limb movement that cancels the moment about the yaw axis calculated by the means (E);
(G) The pitch axis, roll axis, and yaw of the legged mobile robot that are generated when the whole body movement calculated by the means (D) and the means (F) is performed on the ZMP set by the means (B). Means for calculating a moment about an axis using an exact model of the legged mobile robot ;
(H) means for determining the whole body motion if the moment about the pitch axis, roll axis, and yaw axis calculated by the means (G) is less than a predetermined allowable value;
(I) If the moment about the pitch axis, roll axis, and yaw axis calculated by the means (G) is equal to or greater than a predetermined allowable value, the inexact model on the ZMP set by the means (B) Means for correcting the moment and re-injecting the means (D) or the means (F);
A motion control apparatus for a legged mobile robot, comprising:
前記非厳密モデルは前記脚式移動ロボットに関する線形又は非干渉の多質点近似モデルであり、
前記厳密モデルは前記ロボットに関する剛体モデル、又は、非線形又は干渉の多質点近似モデルである、
ことを特徴とする請求項6に記載の脚式移動ロボットのための動作制御装置。
The inexact model is a linear or non-interfering multi-mass point approximation model for the legged mobile robot;
The exact model is a rigid body model for the robot, or a nonlinear or interference multi-mass point approximation model,
The motion control apparatus for a legged mobile robot according to claim 6.
さらに、
(F')前記手段(A)において設定した腰部の姿勢及び高さと、前記手段(D)において求めた腰部の水平面内運動の近似解では前記手段(A)において設定した体幹運動及び上肢運動が実現できない場合、又は前記手段(F)において求めた上肢運動の近似解では前記手段(A)において設定した体幹運動及び上肢運動が実現できない場合に、体幹運動及び上肢運動の再設定又は修正を行う手段、
を備えることを特徴とする請求項6に記載の脚式移動ロボットのための動作制御装置。
further,
(F ′) The trunk and upper limb movements set in the means (A) in the approximate solution of the posture and height of the waist set in the means (A) and the horizontal movement of the waist determined in the means (D) If but can not be achieved, or the in the approximate solution of the upper limb motion determined in means (F) when the trunk motion and upper limb motion set in the unit (a) can not be realized, the trunk motion and resetting the upper limb or Means for making corrections,
The motion control apparatus for a legged mobile robot according to claim 6.
前記手段(D)は、前記手段(B)により設定されたZMP上で足部運動、体幹運動、上肢運動によって生じるモーメントと、前記手段(B)により設定されたZMP上で腰部の水平面内運動によって生じるモーメントとの釣合方程式を解くことによって腰部の姿勢 及び高さと水平面内運動の近似解を求める、
ことを特徴とする請求項6に記載の脚式移動ロボットのための動作制御装置。
Said means (D) is the foot motion on said set by means (B) ZMP, trunk movement, a moment generated by the upper limb, said means (B) waist in the horizontal plane on set ZMP that by Obtain an approximate solution of the posture and height of the waist and the motion in the horizontal plane by solving the balance equation with the moment generated by the motion.
The motion control apparatus for a legged mobile robot according to claim 6.
前記手段(D)は、時間の関数を周波数の関数に置き換えて計算する、
ことを特徴とする請求項6に記載の脚式移動ロボットのための動作制御装置。
The means (D) is calculated by replacing a function of time with a function of frequency.
The motion control apparatus for a legged mobile robot according to claim 6.
前記手段(D)は、前記手段(B)により設定されたZMP上で足部運動、体幹運動、上肢運動によって生じるモーメントにフーリエ級数展開を適用するとともに、腰部の水平面内運動にフーリエ級数展開を適用して、腰部水平面内軌道のフーリエ係数を算出して、さらに逆フーリエ級数展開を適用することによって腰部の姿勢及び高さと水平面内運動の近似解を求める、
ことを特徴とする請求項6に記載の脚式移動ロボットのための動作制御装置。
The means (D) applies Fourier series expansion to moments generated by foot movement, trunk movement, and upper limb movement on the ZMP set by the means (B) , and Fourier series expansion to the horizontal movement of the waist. To calculate the Fourier coefficient of the orbit in the lumbar horizontal plane, and further apply the inverse Fourier series expansion to obtain an approximate solution of the posture and height of the lumbar region and the motion in the horizontal plane ,
The motion control apparatus for a legged mobile robot according to claim 6.
前記の上肢運動の近似解を求める手段(F)は、前記手段(B)により設定されたZMP上で足部運動、体幹運動によって生じるモーメントの釣合方程式を解くことによって上肢運動の近似解を求める、
ことを特徴とする請求項6に記載の脚式移動ロボットのための動作制御装置。
The means (F) for obtaining an approximate solution of the upper limb motion is an approximate solution of the upper limb motion by solving a balance equation of moments generated by foot motion and trunk motion on the ZMP set by the means (B). Seeking
The motion control apparatus for a legged mobile robot according to claim 6.
前記の上肢運動の近似解を求める手段(F)は、時間の関数を周波数の関数に置き換えて計算する、
ことを特徴とする請求項6に記載の脚式移動ロボットのための動作制御装置。
The means (F) for obtaining an approximate solution of the upper limb movement is calculated by replacing a function of time with a function of frequency.
The motion control apparatus for a legged mobile robot according to claim 6.
前記の上肢運動の近似解を求める手段(F)は、前記手段(B)により設定されたZMP上で足部運動、体幹運動によって生じるモーメントにフーリエ級数展開を適用してフーリエ係数を算出して、さらに逆フーリエ級数展開を適用することによって上肢運動の近似解を求める、
ことを特徴とする請求項6に記載の脚式移動ロボットのための動作制御装置。
The means (F) for obtaining an approximate solution of the upper limb movement calculates a Fourier coefficient by applying a Fourier series expansion to the moment generated by the foot movement and the trunk movement on the ZMP set by the means (B). Further, an approximate solution of upper limb motion is obtained by applying inverse Fourier series expansion,
The motion control apparatus for a legged mobile robot according to claim 6.
少なくとも上肢と体幹部と下肢で構成され、下肢による脚式移動を行うタイプのロボットの動作制御方法であって、
少なくとも下肢の運動とZMPを設定するステップと、
該設定されたZMP上で、該設定された運動によって生じる前記脚式移動ロボットの機体のヨー軸モーメントを算出するステップと、
該ヨー軸モーメントを打ち消す上肢運動を算出するステップと、
該算出された上肢運動に従って、該設定された運動を修正するステップと、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットのための動作制御方法。
It is composed of at least an upper limb, a trunk, and a lower limb, and is a motion control method for a type of robot that performs legged movement by the lower limb,
Setting at least leg movement and ZMP ;
Calculating a yaw-axis moment of the body of the legged mobile robot generated by the set motion on the set ZMP;
Calculating an upper limb motion that cancels the yaw moment;
Modifying the set movement according to the calculated upper limb movement;
An operation control method for a legged mobile robot, comprising:
前記の上肢は、肩関節及び肘関節にそれぞれ1以上の回転自由度を有し、
前記のヨー軸モーメントを打ち消す上肢運動は、該肩関節又は肘関節の駆動を利用した運動である、
ことを特徴とする請求項15に記載の脚式移動ロボットのための動作制御方法。
The upper limb has one or more degrees of freedom of rotation in each of the shoulder joint and the elbow joint,
The upper limb motion that cancels the yaw moment is a motion using the drive of the shoulder joint or elbow joint.
The motion control method for a legged mobile robot according to claim 15.
少なくとも上肢と体幹部と下肢で構成され、下肢による脚式移動を行うタイプのロボットの動作制御方法であって、
少なくとも下肢の運動とZMPを設定するステップと、
該設定されたZMP上で、該設定された運動によって生じる前記脚式移動ロボットの機体のピッチ軸又はロール軸モーメントのうち少なくとも1つを算出するステップと、
該ピッチ軸又はロール軸モーメントを打ち消す下肢又は体幹部のうち少なくとも一方の運動を算出する第1の運動算出ステップと、
該設定されたZMP上で、該算出された下肢又は体幹の運動によって生じる前記脚式移動ロボットの機体のヨー軸モーメントを算出するステップと、
該ヨー軸モーメントを打ち消す上肢運動を算出する第2の運動算出ステップと、
前記第1及び第2の運動算出ステップにおいて算出された運動に従って、該設定された運動を修正するステップと、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットのための動作制御方法。
It is composed of at least an upper limb, a trunk, and a lower limb, and is a motion control method for a type of robot that performs legged movement by the lower limb,
Setting at least leg movement and ZMP ;
Calculating at least one of the pitch axis or roll axis moment of the airframe of the legged mobile robot caused by the set motion on the set ZMP;
A first motion calculating step for calculating a motion of at least one of a lower limb or a trunk that cancels the pitch axis or roll axis moment;
Calculating a yaw-axis moment of the body of the legged mobile robot generated by the calculated movement of the lower limb or trunk on the set ZMP;
A second motion calculating step for calculating an upper limb motion for canceling the yaw axis moment;
Correcting the set motion according to the motion calculated in the first and second motion calculation steps ;
An operation control method for a legged mobile robot, comprising:
前記の上肢は、肩関節及び肘関節にそれぞれ1以上の回転自由度を有し、
前記のヨー軸モーメントを打ち消す上肢運動は、該肩関節又は肘関節の駆動を利用した運動である、
ことを特徴とする請求項17に記載の脚式移動ロボットのための動作制御方法。
The upper limb has one or more degrees of freedom of rotation in each of the shoulder joint and the elbow joint,
The upper limb motion that cancels the yaw moment is a motion using the drive of the shoulder joint or elbow joint.
The motion control method for the legged mobile robot according to claim 17.
少なくとも上肢と体幹部と下肢で構成され、下肢による脚式移動を行うタイプのロボットの動作制御方法であって、
(a)要求された動作を実現するための足部運動、体幹運動、上肢運動、腰部の姿勢及び高さを設定するステップと、
(b)前記ステップ(a)により設定された足部運動に基づいてZMP軌道を設定するステップと、
(c)前記ステップ(b)により設定されたZMP上で、前記ステップ(a)により設定された足部、体幹、上肢の運動によって生じる前記脚式移動ロボットのピッチ軸及びロール軸回りのモーメントを算出するステップと、
(d)前記ステップ(c)により算出されたピッチ軸及びロール軸回りのモーメントを打ち消す腰部運動の解を求めるステップと、
(e)前記ステップ(b)により設定されたZMP上で、前記ステップ(d)により求められた腰部運動によって前記脚式移動ロボットのヨー軸回りに生じるモーメントを算出するステップと、
(f)前記ステップ(e)により算出されたヨー軸回りのモーメントを打ち消す上肢運動の解を求めるステップと、
(g)前記ステップ(d)及び前記ステップ(f)により求められた腰部運動及び上肢運動に基づいて前記脚式移動ロボットの全身運動を導出するステップと、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットのための動作制御方法。
It is composed of at least an upper limb, a trunk, and a lower limb, and is a motion control method for a type of robot that performs legged movement by the lower limb,
(A) setting a foot motion, trunk motion, upper limb motion, waist posture and height for realizing the requested motion ;
(B) setting a ZMP trajectory based on the foot movement set in step (a);
(C) On the ZMP set in step (b) , moments about the pitch axis and roll axis of the legged mobile robot generated by the movement of the foot, trunk, and upper limb set in step (a) Calculating steps,
(D) obtaining a waist motion solution that cancels the moments about the pitch axis and roll axis calculated in step (c);
(E) calculating a moment generated around the yaw axis of the legged mobile robot on the ZMP set in step (b) by the waist motion determined in step (d);
(F) obtaining an upper limb motion solution that cancels out the moment about the yaw axis calculated in step (e);
(G) deriving a whole body motion of the legged mobile robot based on the waist motion and upper limb motion determined in the steps (d) and (f);
An operation control method for a legged mobile robot, comprising:
少なくとも上肢と体幹部と下肢で構成され、下肢による脚式移動を行うタイプのロボットの動作制御方法であって、
(A)要求された動作を実現するための足部運動、体幹運動、上肢運動、腰部の姿勢及び高さを設定するステップと、
(B)前記ステップ(A)により設定された足部運動に基づいてZMP軌道を設定するステップと、
(C)前記手段(B)により設定されたZMP上で、前記ステップ(A)により設定された足部、体幹、上肢の運動によって生じる前記脚式移動ロボットのピッチ軸及びロール軸回りのモーメントを、前記脚式移動ロボットの非厳密モデルを用いて算出するステップと、
(D)前記ステップ(C)により算出されたピッチ軸及びロール軸回りのモーメントを打ち消す腰部の水平面内運動の近似解を求めるステップと、
(E)前記ステップ(B)により設定されたZMP上で、前記ステップ(D)により求められた腰部の水平面内運動の近似解によって前記脚式移動ロボットのヨー軸回りに生じるモーメントを、前記脚式移動ロボットの非厳密モデルを用いて算出するステップと、
(F)前記ステップ(E)により算出されたヨー軸回りのモーメントを打ち消す上肢運動の近似解を求めるステップと、
(G)前記ステップ(B)により設定されたZMP上で、前記ステップ(D)及び前記ステップ(F)により算出された全身運動実行時における生じる前記脚式移動ロボットのピッチ軸、ロール軸、及びヨー軸回りのモーメントを、前記脚式移動ロボットの厳密モデルを用いて算出するステップと、
(H)前記ステップ(G)により算出されたピッチ軸、ロール軸、及びヨー軸回りのモーメントが所定の許容値未満であれば全身運動の解とするステップと、
(I)前記ステップ(G)により算出されたピッチ軸、ロール軸、及びヨー軸回りのモーメントが所定の許容値以上であれば、前記ステップ(B)により設定されたZMP上における非厳密モデルのモーメントを修正して、前記ステップ(D)又は前記ステップ(F)に再投入するステップと、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットのための動作制御方法。
It is composed of at least an upper limb, a trunk, and a lower limb, and is a motion control method for a type of robot that performs legged movement by the lower limb,
(A) a step of setting a foot motion, trunk motion, upper limb motion, waist posture and height for realizing the requested motion ;
(B) setting a ZMP trajectory based on the foot movement set in step (A);
(C) On the ZMP set by the means (B) , the moments about the pitch axis and roll axis of the legged mobile robot generated by the movement of the foot, trunk, and upper limb set by the step (A) Calculating using an inexact model of the legged mobile robot ;
(D) obtaining an approximate solution of the motion in the horizontal plane of the waist that cancels out the moment about the pitch axis and roll axis calculated in step (C);
(E) On the ZMP set in step (B) , the moment generated around the yaw axis of the legged mobile robot by the approximate solution of the motion of the waist in the horizontal plane obtained in step (D) is Calculating using an inexact model of the mobile robot ,
(F) obtaining an approximate solution of upper limb movement that cancels the moment about the yaw axis calculated in step (E);
(G) On the ZMP set in the step (B) , the pitch axis, roll axis, and roll axis of the legged mobile robot that are generated when the whole body motion is calculated calculated in the steps (D) and (F), and Calculating a moment about the yaw axis using an exact model of the legged mobile robot ;
(H) If the moments about the pitch axis, roll axis, and yaw axis calculated in step (G) are less than a predetermined tolerance, the whole body motion is determined as a solution;
(I) If the moments about the pitch axis, roll axis, and yaw axis calculated in step (G) are equal to or greater than a predetermined allowable value, the inexact model on the ZMP set in step (B) Correcting the moment and re-entering step (D) or step (F);
An operation control method for a legged mobile robot, comprising:
前記非厳密モデルは前記脚式移動ロボットに関する線形又は非干渉の多質点近似モデルであり、
前記厳密モデルは前記ロボットに関する剛体モデル、又は、非線形又は干渉の多質点近似モデルである、
ことを特徴とする請求項20に記載の脚式移動ロボットのための動作制御方法。
The inexact model is a linear or non-interfering multi-mass point approximation model for the legged mobile robot;
The exact model is a rigid body model for the robot, or a nonlinear or interference multi-mass point approximation model,
The motion control method for a legged mobile robot according to claim 20.
さらに、
(F')前記ステップ(A)において設定した腰部の姿勢及び高さと、前記ステップ(D)において求めた腰部の水平面内運動の近似解では前記ステップ(A)において設定した体幹運動及び上肢運動が実現できない場合、又は前記ステップ(F)において求めた上肢運動の近似解では前記ステップ(A)において設定した体幹運動及び上肢運動が実現できない場合に、体幹運動及び上肢運動の再設定又は修正を行うステップ、
を備えることを特徴とする請求項20に記載の脚式移動ロボットのための動作制御方法。
further,
(F ′) In the approximate solution of the waist posture and height set in step (A) and the horizontal motion of the waist in the step (D), the trunk motion and upper limb motion set in step (A) If but can not be achieved, or the in the approximate solution of the upper limb motion obtained in step (F) when the trunk motion and upper limb motion set in the step (a) can not be realized, the trunk motion and resetting the upper limb or Steps to make corrections,
The operation control method for the legged mobile robot according to claim 20, comprising:
前記ステップ(D)では、前記ステップ(B)により設定されたZMP上で足部運動、体幹運動、上肢運動によって生じるZMP上のモーメントと、前記ステップ(B)により設定されたZMP上で腰部の水平面内運動によって生じるモーメントとの釣合方程式を解くことによって腰部の姿勢及び高さと水平面内運動の近似解を求める、
ことを特徴とする請求項20に記載の脚式移動ロボットのための動作制御方法。
Wherein step (D), the step (B) by the foot motion on set ZMP, trunk movement, the moment on the ZMP generated by the upper limb, lumbar on set ZMP that in the step (B) Approximate solution of posture and height of waist and motion in horizontal plane by solving balance equation with moment generated by horizontal motion of
The motion control method for a legged mobile robot according to claim 20.
前記ステップ(D)では、時間の関数を周波数の関数に置き換えて計算する、
ことを特徴とする請求項20に記載の脚式移動ロボットのための動作制御方法。
In the step (D) , the function of time is replaced with the function of frequency.
The motion control method for a legged mobile robot according to claim 20.
前記ステップ(D)では、前記ステップ(B)により設定されたZMP上で足部運動、体幹運動、上肢運動によって生じるモーメントにフーリエ級数展開を適用するとともに、腰部の水平面内運動にフーリエ級数展開を適用して、腰部水平面内軌道のフーリエ係数を算出して、さらに逆フーリエ級数展開を適用することによって腰部の姿勢及び高さと水平面内運動の近似解を求める、
ことを特徴とする請求項20に記載の脚式移動ロボットのための動作制御方法。
In the step (D) , the Fourier series expansion is applied to the moment generated by the foot movement, the trunk movement, and the upper limb movement on the ZMP set in the step (B) , and the Fourier series expansion is applied to the horizontal movement of the waist. To calculate the Fourier coefficient of the orbit in the lumbar horizontal plane, and further apply the inverse Fourier series expansion to obtain an approximate solution of the posture and height of the lumbar region and the motion in the horizontal plane ,
The motion control method for a legged mobile robot according to claim 20.
前記の上肢運動の近似解を求めるステップ(F)では、前記ステップ(B)により設定されたZMP上で足部運動、体幹運動によって生じるモーメントの釣合方程式を解くことによって上肢運動の近似解を求める、
ことを特徴とする請求項20に記載の脚式移動ロボットのための動作制御方法。
In the step (F) of obtaining an approximate solution of the upper limb motion, an approximate solution of the upper limb motion is solved by solving a balance equation of moments generated by foot motion and trunk motion on the ZMP set in the step (B). Seeking
The motion control method for a legged mobile robot according to claim 20.
前記の上肢運動の近似解を求めるステップ(F)では、時間の関数を周波数の関数に置き換えて計算する、
ことを特徴とする請求項20に記載の脚式移動ロボットのための動作制御方法。
In the step (F) of obtaining an approximate solution of the upper limb movement, a time function is replaced with a frequency function, and calculation is performed.
The motion control method for a legged mobile robot according to claim 20.
前記の上肢運動の近似解を求めるステップ(F)では、前記ステップ(B)により設定 されたZMP上で足部運動、体幹運動によって生じるモーメントにフーリエ級数展開を適用してフーリエ係数を算出して、さらに逆フーリエ級数展開を適用することによって上肢運動の近似解を求める、
ことを特徴とする請求項20に記載の脚式移動ロボットのための動作制御方法。
In the step (F) for obtaining an approximate solution of the upper limb movement, a Fourier coefficient is calculated by applying Fourier series expansion to the moment generated by the foot movement and the trunk movement on the ZMP set in the step (B). Further, an approximate solution of upper limb movement is obtained by applying inverse Fourier series expansion,
The motion control method for a legged mobile robot according to claim 20.
少なくとも上肢と体幹部と下肢で構成され、下肢による脚式移動を行うロボット装置において、
前記ロボットの運動及びZMPを設定する運動設定手段と、
該設定された運動により生じる該設定されたZMP上における前記ロボットの機体のヨー軸回りモーメントを算出するモーメント算出手段と、
該算出されたヨー軸回りモーメントを減少させる上肢運動を算出する運動算出手段と、
該算出された上肢運動に基づいて、上記設定された運動を修正する運動修正手段と、
を具備することを特徴とするロボット装置。
In a robot apparatus that is composed of at least an upper limb, a trunk, and a lower limb, and performs a legged movement by the lower limb,
A motion setting means for setting the motion and ZMP of the robot;
Moment calculating means for calculating a moment about the yaw axis of the robot body on the set ZMP generated by the set motion ;
Movement calculating means for calculating upper limb movement for reducing the calculated moment about the yaw axis;
The calculated the issued on the basis of upper limb movement, a motion correction means for correcting a movement that is the set,
A robot apparatus comprising:
前記運動設定手段により設定される運動は、少なくとも前記ロボットの上肢又は体幹部又は下肢のうちいずれかの運動である、
ことを特徴とする請求項29に記載のロボット装置。
The motion that is set by the motion setting means is any movement of the upper limbs or the trunk, or leg of at least the robot,
30. The robot apparatus according to claim 29.
JP2001350855A 2000-11-20 2001-11-15 Motion control device and motion control method for legged mobile robot, and robot device Expired - Lifetime JP3674779B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2001350855A JP3674779B2 (en) 2000-11-20 2001-11-15 Motion control device and motion control method for legged mobile robot, and robot device

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2000353249 2000-11-20
JP2000-353249 2000-11-20
JP2001350855A JP3674779B2 (en) 2000-11-20 2001-11-15 Motion control device and motion control method for legged mobile robot, and robot device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2002210681A JP2002210681A (en) 2002-07-30
JP3674779B2 true JP3674779B2 (en) 2005-07-20

Family

ID=26604299

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2001350855A Expired - Lifetime JP3674779B2 (en) 2000-11-20 2001-11-15 Motion control device and motion control method for legged mobile robot, and robot device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3674779B2 (en)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2003272981A1 (en) 2002-10-10 2004-05-04 Sony Corporation Robot device operation control device and operation control method
KR20040068438A (en) 2003-01-25 2004-07-31 삼성전자주식회사 Walking type robot and a moving method thereof
JP2006136962A (en) * 2004-11-11 2006-06-01 Hitachi Ltd Mobile robot
CN101068662B (en) * 2004-12-14 2012-03-28 本田技研工业株式会社 Legged mobile robot and control method
KR101103852B1 (en) 2009-11-25 2012-01-10 성균관대학교산학협력단 Real Time Humanoid Control System and Method Thereof
JP5807591B2 (en) * 2012-03-06 2015-11-10 トヨタ自動車株式会社 Legged walking robot and method of generating its center of gravity trajectory
JP6311153B2 (en) * 2013-11-18 2018-04-18 学校法人早稲田大学 Biped robot control system
CN113467246B (en) * 2021-07-16 2023-10-20 浙江大学 Offset moment compensation method for biped robot

Also Published As

Publication number Publication date
JP2002210681A (en) 2002-07-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100837988B1 (en) Device and method for controlling operation of legged robot, and robot device
KR100959472B1 (en) Robot device and control method of robot device
JP3443077B2 (en) Robot motion pattern generation device and motion pattern generation method, and robot
KR100937268B1 (en) Legged mobile robot and method of controlling operation of the robot
JP3615702B2 (en) Motion control device and motion control method for legged mobile robot, and legged mobile robot
EP1344612B1 (en) Device and method for controlling motion of legged mobile robot, and motion unit generating method for legged mobile robot
JP3674779B2 (en) Motion control device and motion control method for legged mobile robot, and robot device
JP2001138272A (en) Leg type mobile robot and control method for its motion
JP4660870B2 (en) Legged mobile robot and control method thereof
JP2003117858A (en) Method and device for control of robot walk
JP4770990B2 (en) Legged mobile robot and control method thereof
JP2004181613A (en) Robot device, device and method for controlling operation of legged locomotion robot, sensor system for legged locomotion robot, and moving body device
JP3568527B2 (en) Mobile device
JP3555947B2 (en) Mobile robot device, mobile robot device control method, mobile robot device motion pattern generation method, and mobile robot device motion control program
JP4707290B2 (en) Motion control device and motion control method for legged mobile robot
JP2004148491A (en) Apparatus and method for controlling operation of robot system, and its computer program
JP4481132B2 (en) Robot apparatus and control method thereof
JP2001277158A (en) System and method for controlling operation of legged locomotion robot
JP3555948B2 (en) Mobile robot device, operation control device and operation control method for mobile robot device
JP2004025434A (en) Motion control device and method for leg-type moving robot, and robot device

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20040908

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20050128

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20050328

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20050412

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20050420

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 3674779

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090513

Year of fee payment: 4

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090513

Year of fee payment: 4

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100513

Year of fee payment: 5

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110513

Year of fee payment: 6

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120513

Year of fee payment: 7

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130513

Year of fee payment: 8

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

EXPY Cancellation because of completion of term