JP4086765B2 - Robot equipment - Google Patents

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本発明は、ロボットや汎用組立機器、ロボット・ハンド機器、その他の多軸制御装置などのような多軸駆動系の機械装置に係り、特に、直列補償の比例ゲイン、位相補償要素から成り立つ位置制御系を構成するアクチュエータのサーボ制御器によって各関節部位が構成されるロボット装置に関する。   The present invention relates to a multi-axis drive system mechanical device such as a robot, a general-purpose assembly device, a robot / hand device, and other multi-axis control devices, and in particular, a position control composed of a proportional gain of phase compensation and a phase compensation element. The present invention relates to a robot apparatus in which each joint part is constituted by a servo controller of an actuator constituting the system.

さらに詳しくは、本発明は、高ゲインPD制御で各軸リンクが制御される2足歩行のロボット装置に係り、特に、ロボットの歩行を始めとしてさまざまな動作の実行時においてアクチュエータそのものの特性並びにアクチュエータの制御器が持つ特性を動的又は静的に制御することにより安定且つ高効率な動作を実現するロボット装置に関する。   More particularly, the present invention relates to a bipedal robot apparatus in which each axis link is controlled by high gain PD control, and in particular, characteristics of the actuator itself and actuators during various operations such as robot walking. The present invention relates to a robot apparatus that realizes a stable and highly efficient operation by dynamically or statically controlling the characteristics of the controller.

また、本発明は、階段の昇降を始めとしてさまざまな動作の実行時においてアクチュエータそのものの特性とアクチュエータのサーボ制御器が持つ特性をそれぞれ動的又は静的に制御することにより安定且つ高効率な動作を実現する脚式移動ロボットに関する。   In addition, the present invention provides stable and highly efficient operation by dynamically or statically controlling the characteristics of the actuator itself and the characteristics of the servo controller of the actuator during the execution of various operations such as raising and lowering stairs. The present invention relates to a legged mobile robot that realizes the above.

また、本発明は、機体の旋回を始めとしてさまざまな動作の実行時においてアクチュエータそのものの特性とアクチュエータの制御器が持つ特性をそれぞれ動的又は静的に制御することにより安定且つ高効率な動作を実現するロボット装置に関する。   The present invention also enables stable and highly efficient operation by dynamically or statically controlling the characteristics of the actuator itself and the characteristics of the actuator controller when performing various operations such as turning the aircraft. The present invention relates to a robot apparatus to be realized.

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。わが国では、ロボットが普及し始めたのは1960年代末からであるが、その多くは、工場における生産作業の自動化・無人化などを目的としたマニピュレータや搬送ロボットなどの産業用ロボット(industrial robot)であった。   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)”. In Japan, robots started to spread from the end of the 1960s, but many of them are industrial robots such as manipulators and transfer robots for the purpose of automating and unmanned production operations in factories. Met.

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したりすることができる。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。   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, a wide variety of services can be provided to replace other life forms. In particular, legged mobile robots are more unstable than crawler and tire type robots, making posture control and walking control difficult, but it is difficult to move up and down stairs and ladders, get over obstacles, and distinguish between leveling and rough terrain. It is excellent in that it can realize flexible walking / running operation regardless of the type.

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」と呼ばれるロボット(humanoid robot)など、脚式移動ロボットに関する研究開発が進展し、実用化への期待も高まってきている。   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 related to legged mobile robots such as the “humanoid” or “humanoid” robots have been progressed, and expectations for practical use are also increasing.

この種の脚式移動ロボットは、一般に、多数の関節自由度を備え、関節の動きをアクチュエータ・モータで実現するようになっている。また、各モータの回転位置、回転量などを取り出して、サーボ制御を行なうことにより、所望の動作パターンを再現するとともに、姿勢制御を行なうようになっている。   This type of legged mobile robot generally has a large number of joint degrees of freedom, and the movement of the joint is realized by an actuator motor. Further, by extracting the rotation position and rotation amount of each motor and performing servo control, a desired operation pattern is reproduced and posture control is performed.

多軸駆動系の機械装置においては、各軸の回転位置を高精度に安定に検出して、位置指令により正確に動作させる必要がある。特に、人間型ロボットのような2足直立型の脚式移動ロボットにおいては、機体に電源を投入した直後からロボットは自分の姿勢位置を自律的に確認して、安定な姿勢位置に各軸を移動させる必要がある。したがって、各関節の回転自由度を与えるサーボ・アクチュエータにおいては、より高精度で高速の位置決め制御、並びに高トルク出力を低消費電力で行なわなければならない。   In a multi-axis drive system mechanical device, it is necessary to stably detect the rotational position of each axis with high accuracy and operate it accurately according to a position command. In particular, in a biped upright legged mobile robot such as a humanoid robot, the robot autonomously confirms its posture position immediately after turning on the power supply, and sets each axis to a stable posture position. Must be moved. Therefore, in the servo actuator that gives the degree of freedom of rotation of each joint, higher-precision and higher-speed positioning control and higher torque output must be performed with lower power consumption.

脚式移動ロボットは、基本的には、回転関節で構成される「肢」を複数備えているが、安定した2足歩行や安定した双腕作業など、外界や作業対象に対して、閉リンク状態と開リンク状態の切替え動作を高速に行なうことが求められている。   Basically, legged mobile robots have multiple “limbs” composed of rotating joints, but they are closed links to the outside world and work objects such as stable bipedal walking and stable bi-arm work. The switching operation between the state and the open link state is required to be performed at high speed.

例えば、左右の可動脚による単脚支持期及び両脚支持期を交互に繰り返すことによって、歩行や階段の昇降、機体の旋回、あるいはその他のさまざまな脚式作業を実行することができる。ここで、単脚支持から両脚支持に移行する場合のように、脚式移動ロボットが床面や壁面などとの間で開リンク機構から閉リンク機構に遷移する際には、例えば着床する足先において、制御上の予測値と実測値とのギャップが発生することがしばしばある。   For example, by alternately repeating the single-leg support period and the both-leg support period with the left and right movable legs, it is possible to perform walking, raising and lowering stairs, turning the body, and various other legged operations. Here, when a legged mobile robot transitions from an open link mechanism to a closed link mechanism with a floor surface or a wall surface, as in the case of transition from single leg support to both leg support, for example, In the past, there is often a gap between the predicted value for control and the actually measured value.

このような予測と実測とのギャップにより、足先が着床すると予測された時点では未だ床面に到達していない「剥離」や、逆に足先が着床すると予測された時点よりも早く床面に到達してしまう「衝突」といった現象を招来する。これら、床面との剥離や衝突は、機体が転倒するなど、脚式移動ロボットの姿勢安定制御に大きな影響を及ぼす。   Due to the gap between the prediction and the actual measurement, “peeling” that has not yet reached the floor when the foot is predicted to land, or conversely, it is earlier than the time when the foot is predicted to land. A phenomenon such as "collision" that reaches the floor surface is invited. These separation and collision with the floor surface have a great influence on the posture stability control of the legged mobile robot, such as the aircraft falling.

従来は、肢の先に配設した力センサ情報や、関節を駆動するアクチュエータからのトルク情報などを用いて、ソフトウェアによるフィードバック制御によって、開リンク状態から閉リンク状態への切替え動作を高速に行なうことが試みられてきた。しかしながら、この方法による安定動作の実現は、非現実的と言えるほど、高速なフィードバック周期、高い関節駆動分解能、高い関節駆動速度並びに加速度が要求され、技術的に極めて困難である。   Conventionally, the switching operation from the open link state to the closed link state is performed at high speed by feedback control by software using the force sensor information arranged at the tip of the limb or the torque information from the actuator that drives the joint. It has been tried. However, the realization of stable operation by this method is extremely difficult technically because it requires a high-speed feedback cycle, high joint drive resolution, high joint drive speed, and acceleration to the extent that it is impractical.

また、2足歩行(人間型)を始めとする多軸型のロボットにおいて、運動制御理論から見た関節各部位は高ゲインPD制御で各軸リンクが制御され、それらが一定の特性のまま動作するのが一般的である。   Also, in multi-axis robots such as bipedal walking (human type), each joint link is controlled by high gain PD control in each joint part viewed from the motion control theory, and they operate with constant characteristics It is common to do.

しかしながら、人間の動作研究の結果からも分かるように、安定且つ高効率な動作を実現するには局所的に力を増減させることや関節各部位のコンプライアンス(機械的受動性)を増減させることが重要である、と本発明者らは思料する。   However, as can be seen from the results of human movement research, in order to achieve stable and highly efficient movement, it is necessary to increase or decrease the force locally or increase or decrease the compliance (mechanical passivity) of each joint part. We believe this is important.

位置制御系として関節各軸の動作を捉えたときは高ゲイン且つ高帯域なサーボ制御器を使って、制御偏差が少なくなるように制御した方がよいが、力学モデルとして捉えたときはポテンシャル・エネルギーや運動エネルギの作用を考慮してゲインを低くしたり位相補償している周波数帯を上下させたりすることも同時に行なうとよい。   When capturing the movement of each joint axis as a position control system, it is better to use a servo controller with high gain and high bandwidth to control the control deviation to be small. Considering the effects of energy and kinetic energy, it is preferable to simultaneously reduce the gain or raise or lower the frequency band for which phase compensation is performed.

ところが、ロボットの機体上でそのような制御を実現するにはアクチュエータそのものの特性と、アクチュエータの制御器の特性が持つ特性をそれぞれ動的・静的に制御する機能が必要になる。   However, in order to realize such control on the robot body, it is necessary to have a function to dynamically and statically control the characteristics of the actuator itself and the characteristics of the actuator controller.

例えば、既知ないし未知の歩行路面でも安定して歩行することができる脚式移動ロボットの歩行制御装置に関する提案がなされている。すなわち、2足歩行の脚式移動ロボットで上体に腕を備えた人体類似の構造を有するものにおいて、歩行路面で摩擦力が低下して安定性が低下したとき、状態を駆動して安定性を確保ないし回復することができる(例えば、特許文献1を参照のこと)。しかしながら、これはフィード・フォワード・ゲインを制御することによって実現するものであり、関節の粘性や周波数特性に対する言及はなく、また、コンプライアンスの有無といった概念もない。   For example, proposals have been made regarding walking control devices for legged mobile robots that can stably walk on known or unknown walking surfaces. In other words, when the bipedal legged mobile robot has a human body-like structure with arms on the upper body, when the frictional force decreases on the walking road surface and the stability decreases, the state is driven and stabilized. Can be secured or recovered (see, for example, Patent Document 1). However, this is realized by controlling the feed-forward gain, and there is no mention of joint viscosity and frequency characteristics, and there is no concept of compliance.

また、簡易な構成でありながら、階段などを安定して昇降できるとともに、高速に移動することができる移動ロボットの制御装置に関する提案がなされている。この移動ロボットの制御装置は、階段などの着地位置が制約される環境を移動するとき、歩行のある時点、例えば支持脚離床時にのみ目標着地位置と実際着地位置との誤差を検出して歩容を修正するものである(例えば、特許文献2を参照のこと)。しかしながら、これは、階段昇降などのときに着地点の位置情報から次の一歩の歩容生成を行なうものであり、階段昇降時の各関節部位の特性について言及するものではない。   In addition, a proposal has been made regarding a control device for a mobile robot that can move up and down at a high speed while being able to move up and down in a stable manner while having a simple configuration. This mobile robot controller detects the error between the target landing position and the actual landing position only at a certain time when walking, for example, when the support leg leaves the floor, when moving in an environment where the landing position is restricted, such as stairs. (For example, refer to Patent Document 2). However, this is to generate the next one-step gait based on the position information of the landing point when raising or lowering the stairs, and does not refer to the characteristics of each joint part when raising or lowering the stairs.

また、各関節の時系列的な動作からなる基本動作ユニット並びに基本動作の組み合わせからなる復号動作ユニットを用いて所定の行動シーケンスを発現する脚式移動ロボットについて提案されている。この場合、ロボットの歩行を含む動作様式を動作単位としての動作ユニットに分類し、1以上の動作ユニットを組み合わせて複雑且つ多彩な機体動作を実現することができる(例えば、特許文献3を参照のこと)。しかしながら、機体の旋回動作時における関節アクチュエータやそのサーボ制御器が発揮すべき特性に関しては特に言及がない。   Further, a legged mobile robot has been proposed that expresses a predetermined action sequence using a basic motion unit composed of time-series motions of each joint and a decoding motion unit composed of a combination of basic motions. In this case, the motion modes including walking of the robot are classified into motion units as motion units, and one or more motion units can be combined to realize complex and diverse body motions (see, for example, Patent Document 3). thing). However, there is no particular mention regarding the characteristics that should be exhibited by the joint actuator and its servo controller when the aircraft is turning.

特開平7−205069号公報JP-A-7-205069 特開平6−63876号公報JP-A-6-63876 特開2002−210680号公報JP 2002-210680 A

本発明の目的は、ロボットの歩行を始めとしてさまざまな動作の実行時において、アクチュエータそのものの特性とアクチュエータの制御器が持つ特性をそれぞれ動的又は静的に制御することにより安定且つ高効率な動作を実現することができる、優れたロボット装置を提供することにある。   The object of the present invention is to perform stable and highly efficient operation by dynamically or statically controlling the characteristics of the actuator itself and the characteristics of the actuator controller when performing various operations such as walking of the robot. It is an object of the present invention to provide an excellent robot apparatus that can realize the above.

本発明のさらなる目的は、階段の昇降動作の実行時において、アクチュエータそのものの特性とアクチュエータのサーボ制御器が持つ特性をそれぞれ動的又は静的に制御することにより安定且つ高効率な動作を実現することができる、優れた2足歩行のロボット装置を提供することにある。   A further object of the present invention is to realize stable and highly efficient operation by dynamically or statically controlling the characteristics of the actuator itself and the characteristics of the servo controller of the actuator at the time of performing the raising / lowering operation of the staircase. An object of the present invention is to provide an excellent biped walking robot device.

本発明の目的は、機体の旋回動作の実行時において、アクチュエータそのものの特性とアクチュエータの制御器が持つ特性をそれぞれ動的又は静的に制御することにより安定且つ高効率な動作を実現することができる、優れたロボット装置を提供することにある。   The object of the present invention is to realize a stable and highly efficient operation by dynamically or statically controlling the characteristics of the actuator itself and the characteristics of the controller of the actuator when performing the turning motion of the aircraft. It is to provide an excellent robot apparatus that can.

本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、複数の可動部を含むロボット装置であって、
前記の可動部を動作させるアクチュエータと、
前記アクチュエータにおける、サーボ制御器のゲイン、位相補償制御、粘性抵抗のうち少なくとも1つの制御を行なうアクチュエータ特性制御手段と、
を具備することを特徴とするロボット装置である。ここで言うロボット装置は、例えば脚式移動ロボットのような多関節型のロボット装置のことであり、アクチュエータは、関節駆動用のアクチュエータに相当する。
The present invention has been made in consideration of the above problems, and is a robot apparatus including a plurality of movable parts,
An actuator for operating the movable part;
Actuator characteristic control means for controlling at least one of gain of servo controller, phase compensation control, and viscous resistance in the actuator;
A robot apparatus comprising: The robot device referred to here is an articulated robot device such as a legged mobile robot, and the actuator corresponds to an actuator for joint drive.

本発明によれば、脚式移動ロボットの各関節部位を構成するアクチュエータのサーボ制御器において、比例ゲインと位相補償要素を調整することにより、ロボットの関節各部位において必要な位置決め精度、機械的受動性(コンプライアンス)、動作速度を任意に設定することができる。   According to the present invention, in the servo controller of the actuator that constitutes each joint part of the legged mobile robot, by adjusting the proportional gain and the phase compensation element, the positioning accuracy required for each part of the joint of the robot, mechanical passive (Compliance) and operation speed can be set arbitrarily.

また、アクチュエータ・モータのコイルへの非通電時においてコイルを間歇的に短絡状態又はオープン状態に切り替えることによって、モータの粘性抵抗を調整し振動などの外乱に対するロバスト性を変更することができる。   In addition, when the coil of the actuator / motor is not energized, the coil is intermittently switched to a short circuit state or an open state, thereby adjusting the viscous resistance of the motor and changing the robustness against disturbances such as vibration.

さらに、これらアクチュエータのサーボ制御器におけるゲイン及び位相補償制御とアクチュエータ・モータの粘性抵抗の制御とを組み合わせることによって、位置決め精度が重要な部分に適用することができるアクチュエータの周波数特性、あるいは高速応答性とコンプライアンスが重要となる部分に適用することができるアクチュエータの周波数特性を得ることができる。   Furthermore, by combining the gain and phase compensation control in the servo controller of these actuators with the control of the viscous resistance of the actuator and motor, the frequency characteristics of the actuator that can be applied to the parts where positioning accuracy is important, or high-speed response Thus, it is possible to obtain the frequency characteristics of the actuator that can be applied to a portion where compliance is important.

ここで、前記アクチュエータ特性制御手段は、アクチュエータの特性を「低域ゲインを大きく」、「高い周波数領域で位相進み量を小さく」、「関節の粘性抵抗を大きく」する設定を行なうことで、高精度な位置決め制御が可能となり、姿勢の安定性が増す。また、前記アクチュエータ特性制御手段は、アクチュエータの特性を「低域ゲインを小さく」、「位相進み量を大きく」、「関節の粘性抵抗を小さく」する設定を行なうことで、機械的受動性と速い応答性を持たせることができるので、着床の瞬間の衝撃力を緩和しつつ高い帯域の追従制御を行なうことができる。   Here, the actuator characteristic control means sets the actuator characteristics to “large low-frequency gain”, “small phase advance amount in high-frequency region”, and “large joint viscous resistance”. Accurate positioning control is possible, and posture stability is increased. In addition, the actuator characteristic control means can set the characteristics of the actuator to “low gain in the low band”, “increase the phase advance amount”, and “decrease the viscous resistance of the joint”, so that the mechanical passivity is fast. Since responsiveness can be provided, high-band follow-up control can be performed while reducing the impact force at the moment of landing.

例えば、遊脚にこのようなアクチュエータ特性を適用することで、脚に機械的受動性を与えることができるので、歩行動作中に脚を振り上げたときの位置エネルギを次の振り下ろす動作時に動作補助のエネルギとして使い易くなる。これによって、エネルギ消費が少なくなり、機体駆動用のバッテリの消耗を抑えることができる。   For example, by applying such actuator characteristics to the free leg, it is possible to impart mechanical passivity to the leg. Therefore, when the leg is swung up during the walking movement, the potential energy is moved down to assist the movement. It becomes easy to use as energy. As a result, energy consumption is reduced, and consumption of the battery for driving the aircraft can be suppressed.

また、前記アクチュエータ特性制御手段は、脚式移動作業の段階毎に、各関節部位のアクチュエータを、低域ゲインを大きく、位相進み量を小さく、関節の粘性抵抗を大きくする第1のアクチュエータ特性と、低域ゲインを小さく、位相進み量を大きく、関節の粘性抵抗を小さくする第2のアクチュエータ特性との間で切り替えるようにしてもよい。   The actuator characteristic control means includes a first actuator characteristic that increases the low-frequency gain, decreases the phase advance amount, and increases the joint viscous resistance at each stage of the legged movement operation. Alternatively, the low-pass gain may be decreased, the phase advance amount may be increased, and the second actuator characteristic may be switched to decrease the joint viscous resistance.

例えば、前記アクチュエータ特性制御手段は、歩行動作を開始する段階において、膝関節ピッチ軸、足首ロール軸及びピッチ軸、体幹ロール軸、ピッチ軸及びヨー軸、股関節ロール軸及びピッチ軸、首ピッチ軸の各関節部位のアクチュエータの特性に対して、低域ゲインを大きく、高い周波数領域で位相進み量を小さく、関節の粘性抵抗を大きくする設定を行ない、これらの各関節部位を高精度な位置決め制御が可能とし、姿勢の安定性を増すようにする。また、肩ピッチ軸及び肘ピッチ軸の各関節のアクチュエータの特性に対して、低域ゲインを小さく、位相進み量を大きく、関節の粘性抵抗を小さくする設定を行ない、機械的受動性と速い応答性を持たせるようにする。   For example, in the stage of starting the walking motion, the actuator characteristic control means includes a knee joint pitch axis, an ankle roll axis and a pitch axis, a trunk roll axis, a pitch axis and a yaw axis, a hip joint roll axis and a pitch axis, and a neck pitch axis. The actuator characteristics of each joint part are set to increase the low-frequency gain, reduce the phase advance amount in the high-frequency region, and increase the joint viscous resistance, and control each joint part with high accuracy. To improve posture stability. In addition, with regard to the characteristics of the joint actuators of the shoulder pitch axis and elbow pitch axis, the low-frequency gain is set small, the phase advance amount is set large, and the viscous resistance of the joint is set small. Try to have sex.

また、前記アクチュエータ特性制御手段は、遊脚が持ち上げられその足底が受ける床反力がゼロとなった段階において、該遊脚側の膝関節ピッチ軸並びに足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータの特性に対して、低域ゲインを小さく、位相進み量を大きく、関節の粘性抵抗を小さくする設定を行なうことで、機械的受動性と速い応答性を持たせ、着床の瞬間の衝撃力を緩和しつつ高い帯域の追従制御を行なうことができるようにする。   Further, the actuator characteristic control means is configured such that when the free leg is lifted and the floor reaction force received by the sole becomes zero, the knee joint pitch axis on the free leg side, the ankle roll axis, and the actuator of the pitch axis are controlled. By setting the low-frequency gain, increasing the phase advance amount, and reducing the joint's viscous resistance to the characteristics, mechanical passiveness and quick response are provided, and the impact force at the moment of landing is reduced. It is possible to perform high-band follow-up control while relaxing.

また、前記アクチュエータ特性制御手段は、遊脚の歩行動作が進行して該遊脚が着床しその足底が受ける床反力が両脚支持期のそれとほぼ同じになった段階において、該遊脚側の膝関節ピッチ軸並びに足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータの特性に対して、低域ゲインを大きく、高い周波数領域で位相進み量を小さく、関節の粘性抵抗を大きく設定を行なうことで、着床時の遊脚の高精度な位置決め制御を可能にする。   Further, the actuator characteristic control means may be configured such that when the walking motion of the free leg progresses and the free leg is landed and the floor reaction force received by the sole becomes substantially the same as that during the both-leg support period, For the characteristics of each actuator of the knee joint pitch axis and ankle roll axis and pitch axis on the side, by setting the gain in the low range, decreasing the phase advance amount in the high frequency range, and increasing the viscous resistance of the joint, Enables high-precision positioning control of the free leg when landing.

また、肩〜遊脚にこのようなアクチュエータ特性を適用することで、脚に機械的受動性を与えることができるので、歩行動作中に脚を振り上げたときの位置エネルギを次の振り下ろす動作時に動作補助のエネルギとして使い易くなる。これによって、エネルギ消費が少なくなり、機体駆動用のバッテリの消耗を抑えることができる。   In addition, by applying such actuator characteristics to the shoulder to the free leg, it is possible to impart mechanical passivity to the leg, so that the potential energy when the leg is swung up during the walking movement is lowered during the next movement. It becomes easy to use as energy for operation assistance. As a result, energy consumption is reduced, and consumption of the battery for driving the aircraft can be suppressed.

ここで、前記アクチュエータ特性制御手段は、アクチュエータの特性を「低域ゲインを大きく」、「高い周波数領域で位相進み量を小さく」、「関節の粘性抵抗を大きく」する設定を行なうことで、高精度な位置決め制御が可能となり、姿勢の安定性が増す。したがって、歩行動作の各段階において、位置決め精度が優先される各関節を駆動するためのアクチュエータの特性を、低域ゲインを大きく、位相進み量を小さく、関節の粘性抵抗を大きくする第1のアクチュエータ特性に設定するとよい。   Here, the actuator characteristic control means sets the actuator characteristics to “large low-frequency gain”, “small phase advance amount in high-frequency region”, and “large joint viscous resistance”. Accurate positioning control is possible, and posture stability is increased. Therefore, in each stage of the walking motion, the first actuator that increases the low-frequency gain, the phase advance amount, and the joint viscous resistance increases the characteristics of the actuator for driving each joint for which positioning accuracy is prioritized. It is good to set to the characteristic.

また、前記アクチュエータ特性制御手段は、アクチュエータの特性を「低域ゲインを小さく」、「位相進み量を大きく」、「関節の粘性抵抗を小さく」する設定を行なうことで、機械的受動性と速い応答性を持たせることができるので、着床の瞬間の衝撃力を緩和しつつ高い帯域の追従制御を行なうことができる。したがって、歩行動作の各段階において、機械的受動性又は高速応答性が優先される各関節を駆動するためのアクチュエータの特性を、低域ゲインを小さく、位相進み量を大きく、関節の粘性抵抗を小さくする第2のアクチュエータ特性に設定するとよい。   In addition, the actuator characteristic control means can set the characteristics of the actuator to “low gain in the low band”, “increase the phase advance amount”, and “decrease the viscous resistance of the joint”, so that the mechanical passivity is fast. Since responsiveness can be provided, high-band follow-up control can be performed while reducing the impact force at the moment of landing. Therefore, at each stage of walking motion, the characteristics of the actuator for driving each joint where mechanical passiveness or high-speed response is prioritized, the low-frequency gain is reduced, the phase advance amount is increased, and the joint viscous resistance is increased. It is preferable to set the second actuator characteristic to be reduced.

前記脚式移動ロボットの機体は、略平行な関節自由度を持つ複数の関節軸を長さ方向に連結した多リンク構造体で構成される。歩行動作の途上では、この多リンク構造体の着床部位と床面がなすリンク状態が開リンク状態と閉リンク状態との間で数回切り替わる。このようにリンク状態が切り替わる各段階において、各関節を駆動するためのアクチュエータに優先される特性が、位置決め精度、機械的受動性又は高速応答性の間で切り替わるので、これに応じて第1のアクチュエータ特性と第2のアクチュエータ特性との間で切り替えるようにすればよい。   The airframe of the legged mobile robot is composed of a multi-link structure in which a plurality of joint axes having substantially parallel joint degrees of freedom are connected in the length direction. During the walking operation, the link state formed by the landing site of the multi-link structure and the floor surface is switched several times between the open link state and the closed link state. In each stage where the link state is switched in this way, the characteristics prioritized by the actuator for driving each joint are switched among positioning accuracy, mechanical passivity or high-speed response, and accordingly, the first Switching between the actuator characteristic and the second actuator characteristic may be performed.

また、前記アクチュエータ特性制御手段は、階段昇降作業上で階段を昇る又は降りる前の両脚支持の段階において、すべての関節部位のアクチュエータの特性に対して、低域ゲインを大きく、高い周波数領域で位相進み量を小さく、関節の粘性抵抗を大きくする設定を行なう。   Further, the actuator characteristic control means has a large low-frequency gain and a phase in a high frequency region with respect to the characteristics of the actuators of all joint parts at the stage of supporting both legs before ascending or descending the stairs in the stair ascending / descending operation. A setting is made to decrease the advance amount and increase the viscous resistance of the joint.

次いで、階段を昇る又は降りるために一歩目を踏み出した段階において、遊脚側の膝関節ピッチ軸並びに足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータの特性に対して、低域ゲインを小さく、位相進み量を大きく、関節の粘性抵抗を小さくする設定を行なう。   Next, at the stage where the first step is taken to ascend or descend the stairs, the low range gain is reduced and the phase advance amount is reduced with respect to the characteristics of the knee joint pitch axis on the free leg side and the ankle roll axis and pitch axis actuators. To increase the joint viscosity resistance.

次いで、階段の一段上又は下に一歩目の足が着床した段階において、すべての関節部位のアクチュエータの特性に対して、低域ゲインを大きく、高い周波数領域で位相進み量を小さく、関節の粘性抵抗を大きくする設定を行なう。   Next, at the stage where the foot of the first step is landed one step above or below the stairs, the low-frequency gain is increased and the phase advance amount is reduced in the high-frequency region with respect to the characteristics of the actuators of all joint parts. Set to increase viscous resistance.

次いで、一段上又は下に着床している足が支持脚となり、支持脚だった2歩目を引き上げた段階において、遊脚側の足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータの特性に対して、低域ゲインを小さく、位相進み量を大きく、関節の粘性抵抗を小さくする設定を行なう。   Next, the foot that is landing one step above or below becomes the support leg, and at the stage where the second step, which was the support leg, is pulled up, for the characteristics of each actuator of the ankle roll axis and pitch axis on the free leg side, A setting is made to reduce the low-frequency gain, increase the phase advance amount, and reduce the joint viscous resistance.

次いで、一段上又は下に着床している足が支持脚となり、支持脚だった2歩目を引き上げた段階において、遊脚側の足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータの特性に対して、低域ゲインを小さく、位相進み量を大きく、関節の粘性抵抗を小さくする設定を行なう。   Next, the foot that is landing one step above or below becomes the support leg, and at the stage where the second step, which was the support leg, is pulled up, for the characteristics of each actuator of the ankle roll axis and pitch axis on the free leg side, A setting is made to reduce the low-frequency gain, increase the phase advance amount, and reduce the joint viscous resistance.

ここで、前記アクチュエータ特性制御手段は、アクチュエータの特性を「低域ゲインを大きく」、「高い周波数領域で位相進み量を小さく」、「関節の粘性抵抗を大きく」する設定を行なうことで、高精度な位置決め制御が可能となり、姿勢の安定性が増す。したがって、階段昇降動作の各段階において、位置決め精度が優先される各関節を駆動するためのアクチュエータの特性を、低域ゲインを大きく、位相進み量を小さく、関節の粘性抵抗を大きくする第1のアクチュエータ特性に設定するとよい。   Here, the actuator characteristic control means sets the actuator characteristics to “large low-frequency gain”, “small phase advance amount in high-frequency region”, and “large joint viscous resistance”. Accurate positioning control is possible, and posture stability is increased. Therefore, in each stage of the stair ascending / descending operation, the characteristics of the actuator for driving each joint where positioning accuracy is given priority are as follows: the low-frequency gain is increased, the phase advance amount is decreased, and the joint viscous resistance is increased. Set to actuator characteristics.

また、前記アクチュエータ特性制御手段は、アクチュエータの特性を「低域ゲインを小さく」、「位相進み量を大きく」、「関節の粘性抵抗を小さく」する設定を行なうことで、機械的受動性と速い応答性を持たせることができるので、着床の瞬間の衝撃力を緩和しつつ高い帯域の追従制御を行なうことができる。したがって、階段昇降動作の各段階において、機械的受動性又は高速応答性が優先される各関節を駆動するためのアクチュエータの特性を、低域ゲインを小さく、位相進み量を大きく、関節の粘性抵抗を小さくする第2のアクチュエータ特性に設定するとよい。   In addition, the actuator characteristic control means can set the characteristics of the actuator to “low gain in the low band”, “increase the phase advance amount”, and “decrease the viscous resistance of the joint”, so that the mechanical passivity is fast. Since responsiveness can be provided, high-band follow-up control can be performed while reducing the impact force at the moment of landing. Therefore, at each stage of the stair climbing operation, the characteristics of the actuator for driving each joint where mechanical passiveness or high-speed response is prioritized, the low-frequency gain is small, the phase advance amount is large, the joint viscous resistance is It is good to set to the 2nd actuator characteristic which makes small.

前記脚式移動ロボットの機体は、略平行な関節自由度を持つ複数の関節軸を長さ方向に連結した多リンク構造体で構成される。階段昇降動作の途上では、この多リンク構造体の着床部位と床面がなすリンク状態が開リンク状態と閉リンク状態との間で数回切り替わる。このようにリンク状態が切り替わる各段階において、各関節を駆動するためのアクチュエータに優先される特性が、位置決め精度、機械的受動性又は高速応答性の間で切り替わるので、これに応じて第1のアクチュエータ特性と第2のアクチュエータ特性との間で切り替えるようにすればよい。   The airframe of the legged mobile robot is composed of a multi-link structure in which a plurality of joint axes having substantially parallel joint degrees of freedom are connected in the length direction. In the course of the stair ascending / descending operation, the link state formed by the landing part of the multi-link structure and the floor surface is switched several times between the open link state and the closed link state. In each stage where the link state is switched in this way, the characteristics prioritized by the actuator for driving each joint are switched among positioning accuracy, mechanical passivity or high-speed response, and accordingly, the first Switching between the actuator characteristic and the second actuator characteristic may be performed.

また、前記アクチュエータ特性制御手段は、機体の旋回動作を開始する段階において、機体を構成するすべての関節部位のアクチュエータの特性に対して低域ゲインを大きく、高い周波数領域で位相進み量を小さく、関節の粘性抵抗を大きくする設定を行ない、これらの各関節部位を高精度な位置決め制御が可能とし、姿勢の安定性を増すようにする。   Further, the actuator characteristic control means, at the stage of starting the turning motion of the aircraft, increases the low-frequency gain with respect to the characteristics of the actuators of all joint parts constituting the aircraft, and reduces the phase advance amount in the high-frequency region, A setting is made to increase the viscous resistance of the joints, and each of these joint parts can be positioned with high accuracy, and posture stability is increased.

また、前記アクチュエータ特性制御手段は、遊脚が持ち上げられその足底が受ける床反力がゼロとなった段階において、該遊脚側の膝関節ピッチ軸並びに足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータの特性に対して、低域ゲインを小さく、位相進み量を大きく、関節の粘性抵抗を小さくする設定を行なうことで、機械的受動性と速い応答性を持たせ、着床の瞬間の衝撃力を緩和しつつ高い帯域の追従制御を行なうことができるようにする。   Further, the actuator characteristic control means is configured such that when the free leg is lifted and the floor reaction force received by the sole becomes zero, the knee joint pitch axis on the free leg side, the ankle roll axis, and the actuator of the pitch axis are controlled. By setting the low-frequency gain, increasing the phase advance amount, and reducing the joint's viscous resistance to the characteristics, mechanical passiveness and quick response are provided, and the impact force at the moment of landing is reduced. It is possible to perform high-band follow-up control while relaxing.

また、前記アクチュエータ特性制御手段は、旋回動作が進行して該遊脚が着床しその足底が受ける床反力が両脚支持期のそれとほぼ同じになった段階において、該遊脚側の膝関節ピッチ軸並びに足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータの特性に対して、低域ゲインを大きく、高い周波数領域で位相進み量を小さく、関節の粘性抵抗を大きく設定を行なうことで、着床時の遊脚の高精度な位置決め制御を可能にする。   In addition, the actuator characteristic control means may be configured such that when the swinging motion proceeds and the free leg is landed and the floor reaction force received by the sole becomes substantially the same as that during the both-leg support period, At the time of landing, the joint pitch axis and ankle roll axis and pitch axis actuator characteristics are set by increasing the gain in the low range, decreasing the phase advance amount in the high frequency range, and increasing the viscous resistance of the joint. Enables high-precision positioning control of the free leg.

また、遊脚にこのようなアクチュエータ特性を適用することで、脚に機械的受動性を与えることができるので、旋回動作中に脚を振り上げたときの位置エネルギを次の振り下ろす動作時に動作補助のエネルギとして使い易くなる。これによって、エネルギ消費が少なくなり、機体駆動用のバッテリの消耗を抑えることができる。   In addition, by applying such actuator characteristics to the free leg, it is possible to give mechanical leg to the leg, so that it assists the operation when the potential energy when the leg is swung up during the swiveling motion is swung down next time. It becomes easy to use as energy. As a result, energy consumption is reduced, and consumption of the battery for driving the aircraft can be suppressed.

ここで、前記アクチュエータ特性制御手段は、アクチュエータの特性を「低域ゲインを大きく」、「高い周波数領域で位相進み量を小さく」、「関節の粘性抵抗を大きく」する設定を行なうことで、高精度な位置決め制御が可能となり、姿勢の安定性が増す。したがって、旋回動作の各段階において、位置決め精度が優先される各関節を駆動するためのアクチュエータの特性を、低域ゲインを大きく、位相進み量を小さく、関節の粘性抵抗を大きくする第1のアクチュエータ特性に設定するとよい。   Here, the actuator characteristic control means sets the actuator characteristics to “large low-frequency gain”, “small phase advance amount in high-frequency region”, and “large joint viscous resistance”. Accurate positioning control is possible, and posture stability is increased. Therefore, at each stage of the turning operation, the characteristics of the actuator for driving each joint where positioning accuracy is given priority are the first actuator that increases the low-frequency gain, decreases the phase advance amount, and increases the joint viscous resistance. It is good to set to the characteristic.

また、前記アクチュエータ特性制御手段は、アクチュエータの特性を「低域ゲインを小さく」、「位相進み量を大きく」、「関節の粘性抵抗を小さく」する設定を行なうことで、機械的受動性と速い応答性を持たせることができるので、着床の瞬間の衝撃力を緩和しつつ高い帯域の追従制御を行なうことができる。したがって、旋回動作の各段階において、機械的受動性又は高速応答性が優先される各関節を駆動するためのアクチュエータの特性を、低域ゲインを小さく、位相進み量を大きく、関節の粘性抵抗を小さくする第2のアクチュエータ特性に設定するとよい。   In addition, the actuator characteristic control means can set the characteristics of the actuator to “low gain in the low band”, “increase the phase advance amount”, and “decrease the viscous resistance of the joint”, so that the mechanical passivity is fast. Since responsiveness can be provided, high-band follow-up control can be performed while reducing the impact force at the moment of landing. Therefore, at each stage of the turning motion, the characteristics of the actuator for driving each joint where mechanical passiveness or high-speed response is prioritized, the low-frequency gain is reduced, the phase advance amount is increased, and the joint viscous resistance is increased. It is preferable to set the second actuator characteristic to be reduced.

前記脚式移動ロボットの機体は、略平行な関節自由度を持つ複数の関節軸を長さ方向に連結した多リンク構造体で構成される。旋回動作の途上では、この多リンク構造体の着床部位と床面がなすリンク状態が開リンク状態と閉リンク状態との間で数回切り替わる。このようにリンク状態が切り替わる各段階において、各関節を駆動するためのアクチュエータに優先される特性が、位置決め精度、機械的受動性又は高速応答性の間で切り替わるので、これに応じて第1のアクチュエータ特性と第2のアクチュエータ特性との間で切り替えるようにすればよい。   The airframe of the legged mobile robot is composed of a multi-link structure in which a plurality of joint axes having substantially parallel joint degrees of freedom are connected in the length direction. In the course of the turning operation, the link state formed by the landing part of the multi-link structure and the floor surface is switched several times between the open link state and the closed link state. In each stage where the link state is switched in this way, the characteristics prioritized by the actuator for driving each joint are switched among positioning accuracy, mechanical passivity or high-speed response, and accordingly, the first Switching between the actuator characteristic and the second actuator characteristic may be performed.

本発明によれば、ロボットの歩行を始めとしてさまざまな動作の実行時においてアクチュエータそのものの特性とアクチュエータの制御器が持つ特性をそれぞれ動的又は静的に制御することにより安定且つ高効率な動作を実現することができる、優れたロボット装置を提供することができる。   According to the present invention, stable and highly efficient operation can be achieved by dynamically or statically controlling the characteristics of the actuator itself and the characteristics of the actuator controller when performing various operations such as walking of the robot. An excellent robot apparatus that can be realized can be provided.

また、本発明によれば、ロボットの歩行動作の各段階において、各関節部位のアクチュエータを、低域ゲインを大きく、位相進み量を小さく、関節の粘性抵抗を大きくする第1のアクチュエータ特性と、低域ゲインを小さく、位相進み量を大きく、関節の粘性抵抗を小さくする第2のアクチュエータ特性との間で動的に切り替えることによって、歩行動作中に脚を振り上げたときの位置エネルギを次の振り下ろす動作時に動作補助のエネルギとして使い易くなる。その結果、エネルギ消費が少なくなり、機体駆動用電源としてのバッテリの消費量も少なくなる。   According to the present invention, in each stage of the robot's walking motion, the actuator of each joint part has a first actuator characteristic that increases the low-frequency gain, decreases the phase advance amount, and increases the joint viscous resistance; By dynamically switching between the second actuator characteristics that reduce the low-frequency gain, increase the phase advance amount, and decrease the viscous resistance of the joint, the potential energy when the leg is swung up during the walking motion is It becomes easy to use as energy for assisting operation during the swing-down operation. As a result, energy consumption is reduced, and the consumption of the battery as the power source for driving the body is also reduced.

また、本発明によれば、階段の昇降動作の各段階において、各関節部位のアクチュエータを、低域ゲインを大きく、位相進み量を小さく、関節の粘性抵抗を大きくする第1のアクチュエータ特性と、低域ゲインを小さく、位相進み量を大きく、関節の粘性抵抗を小さくする第2のアクチュエータ特性との間で動的に切り替えることによって、昇降動作中に脚を振り上げたときの位置エネルギを次の振り下ろす動作時に動作補助のエネルギとして使い易くなる。これによって、エネルギ消費が少なくなり、機体駆動用のバッテリの消耗を抑えることができる。   According to the present invention, in each stage of the stair ascending / descending operation, the actuator of each joint part has a first actuator characteristic that increases the low-frequency gain, decreases the phase advance amount, and increases the joint viscous resistance; By dynamically switching between the second actuator characteristics that reduce the low-frequency gain, increase the phase advance amount, and decrease the viscous resistance of the joint, the potential energy when the leg is swung up during the lifting operation is It becomes easy to use as energy for assisting operation during the swing-down operation. As a result, energy consumption is reduced, and consumption of the battery for driving the aircraft can be suppressed.

また、本発明によれば、機体の旋回動作の各段階において、各関節部位のアクチュエータを、低域ゲインを大きく、位相進み量を小さく、関節の粘性抵抗を大きくする第1のアクチュエータ特性と、低域ゲインを小さく、位相進み量を大きく、関節の粘性抵抗を小さくする第2のアクチュエータ特性との間で動的に切り替えることによって、旋回動作中に脚を振り上げたときの位置エネルギを次の振り下ろす動作時に動作補助のエネルギとして使い易くなる。その結果、エネルギ消費が少なくなり、機体駆動用電源としてのバッテリの消費量も少なくなる。   Further, according to the present invention, at each stage of the turning motion of the airframe, the first actuator characteristics for increasing the low-frequency gain, decreasing the phase advance amount, and increasing the joint viscous resistance, By dynamically switching between the second actuator characteristics that reduce the low-frequency gain, increase the phase advance amount, and decrease the viscous resistance of the joint, the potential energy when the leg is swung up during the turning motion is It becomes easy to use as energy for assisting operation during the swing-down operation. As a result, energy consumption is reduced, and the consumption of the battery as the power source for driving the body is also reduced.

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。   Other objects, features, and advantages of the present invention will become apparent from more detailed description based on embodiments of the present invention described later and the accompanying drawings.

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

A.脚式移動ロボットの機械的構成
図1及び図2には本発明の実施に供される「人間形」又は「人間型」の脚式移動ロボットが直立している様子を前方及び後方の各々から眺望した様子を示している。図示の通り、脚式移動ロボットは、胴体部と、頭部と、左右の上肢部と、脚式移動を行う左右2足の下肢部とで構成され、例えば胴体に内蔵されている制御部(図示しない)により機体の動作を統括的にコントロールするようになっている。
A. From the front and rear of each how the legged mobile robot is upright is subjected to an "humanoid" or "human-type" of the present invention the mechanical configuration diagram 1 and 2 of the legged mobile robot It shows a view. As shown in the figure, the legged mobile robot includes a torso, a head, left and right upper limbs, and left and right lower limbs that perform legged movement. For example, a control unit ( (Not shown) is designed to control the overall operation of the aircraft.

左右各々の下肢は、大腿部と、膝関節と、脛部と、足首と、足平とで構成され、股関節によって体幹部の略最下端にて連結されている。また、左右各々の上肢は、上腕と、肘関節と、前腕とで構成され、肩関節によって体幹部の上方の左右各側縁にて連結されている。また、頭部は、首関節によって体幹部の略最上端中央に連結されている。   Each of the left and right lower limbs is composed of a thigh, a knee joint, a shin, an ankle, and a foot, and is connected by a hip joint at the substantially lower end of the trunk. The left and right upper limbs are composed of an upper arm, an elbow joint, and a forearm, and are connected to the left and right side edges above the trunk by shoulder joints. The head is connected to the substantially uppermost center of the trunk by a neck joint.

制御部は、この脚式移動ロボットを構成する各関節アクチュエータの駆動制御や各センサ(後述)などからの外部入力を処理するコントローラ(主制御部)や、電源回路その他の周辺機器類を搭載した筐体である。制御部は、その他、遠隔操作用の通信インターフェースや通信装置を含んでいてもよい。ここで言う、関節アクチュエータの駆動制御には、関節角の角度位置制御や角速度制御、角加速度の他に、アクチュエータのサーボ・ゲインのコントロール、粘性のコントロールを含むものとする。   The control unit is equipped with a controller (main control unit) that processes the external inputs from each joint actuator and sensors (described later) that constitute this legged mobile robot, and a power supply circuit and other peripheral devices. It is a housing. In addition, the control unit may include a communication interface and a communication device for remote operation. The drive control of the joint actuator mentioned here includes control of the servo gain of the actuator and viscosity control in addition to the angular position control, angular velocity control, and angular acceleration of the joint angle.

このように構成された脚式移動ロボットは、制御部による全身協調的な動作制御により、2足歩行を実現することができる。かかる2足歩行は、一般に、以下に示す各動作期間に分割される歩行周期を繰り返すことによって行なわれる。すなわち、   The legged mobile robot configured as described above can realize bipedal walking by whole body cooperative operation control by the control unit. Such biped walking is generally performed by repeating a walking cycle divided into the following operation periods. That is,

(1)右脚を持ち上げた、左脚による単脚支持期
(2)右足が接地した両脚支持期
(3)左脚を持ち上げた、右脚による単脚支持期
(4)左足が接地した両脚支持期
(1) Single leg support period with left leg lifted right leg (2) Both leg support period with right leg grounded (3) Single leg support period with right leg lifted with left leg (4) Both legs with left leg grounded Support period

脚式移動ロボットにおける歩行制御は、あらかじめ下肢の目標軌道を計画し、上記の各期間において計画軌道の修正を行なうことによって実現される。すなわち、両脚支持期では、下肢軌道の修正を停止して、計画軌道に対する総修正量を用いて腰の高さを一定値で修正する。また、単脚支持期では、修正を受けた脚の足首と腰との相対位置関係を計画軌道に復帰させるように修正軌道を生成する。   The walking control in the legged mobile robot is realized by planning the target trajectory of the lower limb in advance and correcting the planned trajectory in each of the above periods. That is, in the both-leg support period, the correction of the lower limb trajectory is stopped, and the waist height is corrected at a constant value using the total correction amount with respect to the planned trajectory. In the single leg support period, a corrected trajectory is generated so that the relative positional relationship between the corrected ankle and waist of the leg is returned to the planned trajectory.

歩行動作の軌道修正を始めとして、機体の姿勢安定制御には、一般に、ZMPを歩行の安定度判別の規範として用いる。すなわち、ZMPに対する偏差を小さくするための位置、速度、及び加速度が連続となるように、5次多項式を用いた補間計算により行なう。ZMPによる安定度判別規範は、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路面から歩行系への反作用としての床反力並びに床反力モーメントとバランスするという「ダランベールの原理」に基づく。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内側にピッチ軸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。   In general, ZMP is used as a norm for determining the stability of walking for posture stability control of the aircraft, including correction of walking motion trajectory. That is, the calculation is performed by interpolation calculation using a fifth-order polynomial so that the position, velocity, and acceleration for reducing the deviation from ZMP are continuous. The standard for discriminating the stability by ZMP is the principle of d'Alembert that gravity and inertia force from the walking system to the road surface, and these moments balance with the floor reaction force and the floor reaction force moment as a reaction from the road surface to the walking system. based on. As a result of dynamic reasoning, there is a point where the pitch axis and roll axis moments become zero, that is, ZMP (Zero Moment Point) inside the support polygon formed by the sole contact point and the road surface.

図3には、この脚式移動ロボットが具備する関節自由度の構成例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た、複数の肢を備えた構造体である。   FIG. 3 schematically shows an example of the configuration of the joint degrees of freedom that the legged mobile robot has. As shown in the figure, a legged mobile robot is a body that connects an upper limb including two arms and a head 1, a lower limb comprising two legs that realize a moving operation, and an upper limb and a lower limb. It is a structure provided with a plurality of limbs composed of a trunk.

頭部を支持する首関節(Neck)は、首関節ヨー軸1と、第1及び第2の首関節ピッチ軸2A及び2Bと、首関節ロール軸3という4自由度を有している。   The neck joint (Neck) that supports the head has four degrees of freedom: a neck joint yaw axis 1, first and second neck joint pitch axes 2 </ b> A and 2 </ b> B, and a neck joint roll axis 3.

また、各腕部は、その自由度として、肩(Shoulder)における肩関節ピッチ軸4と、肩関節ロール軸5と、上腕ヨー軸6、肘(Elbow)における肘関節ピッチ軸7と、手首(Wrist)における手首関節ヨー軸8と、手部とで構成される。手部は、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。   Each arm portion has a degree of freedom as a shoulder joint pitch axis 4 at the shoulder, a shoulder joint roll axis 5, an upper arm yaw axis 6, an elbow joint pitch axis 7 at the elbow, and a wrist ( Wrist) is composed of a wrist joint yaw axis 8 and a hand portion. The hand part is actually a multi-joint / multi-degree-of-freedom structure including a plurality of fingers.

また、体幹部(Trunk)は、体幹ピッチ軸9と、体幹ロール軸10という2自由度を有する。   The trunk (Trunk) has two degrees of freedom: a trunk pitch axis 9 and a trunk roll axis 10.

また、下肢を構成する各々の脚部は、股関節(Hip)における股関節ヨー軸11と、股関節ピッチ軸12と、股関節ロール軸13と、膝(Knee)における膝関節ピッチ軸14と、足首(Ankle)における足首関節ピッチ軸15と、足首関節ロール軸16と、足部とで構成される。   In addition, each leg constituting the lower limb includes a hip joint yaw axis 11 at the hip joint (Hip), a hip joint pitch axis 12, a hip joint roll axis 13, a knee joint pitch axis 14 at the knee (Knee), and an ankle (Ankle). ), An ankle joint pitch axis 15, an ankle joint roll axis 16, and a foot.

左右の股関節を繋ぐ骨盤に相当する腰部付近の部位のことを、「基体」と呼ぶ。基体は、質量操作量が大きいことから、脚式移動ロボットの姿勢安定性制御における重要な制御目標点となる。   A portion near the waist corresponding to the pelvis that connects the left and right hip joints is called a “base”. Since the mass operation amount is large, the base body is an important control target point in the posture stability control of the legged mobile robot.

B.脚式移動ロボットの制御システム構成
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なう制御ユニット80とで構成される(但し、R及びLの各々は、右及び左をそれぞれ示す接尾辞である。以下同様)。
B. Control System Configuration of Legged Mobile Robot 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 representing human limbs, and adaptive control for realizing a cooperative operation between the mechanism units. (Where R and L are suffixes indicating right and left, respectively, and so on).

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)やメモリなど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なうインターフェース(いずれも図示しない)などを含んだ周辺回路82とで構成される。   The 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 configured by 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).

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に示す例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。   In realizing the present invention, the installation location of the control unit 80 is not particularly limited. In the example shown in FIG. 4, it is mounted on the trunk unit 40, but 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.

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モータ又はその他のタイプの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1、第1及び第2の首関節ピッチ軸2A及び2B、首関節ロール軸3の各々を表現する首関節ヨー軸アクチュエータA1、第1及び第2の首関節ピッチ軸アクチュエータA2A、A2B、首関節ロール軸アクチュエータA3がそれぞれ配設されている。 Each joint degree of freedom in the legged mobile robot 100 shown in FIG. 3 is realized by a motor or other type of actuator corresponding thereto. That is, the head unit 30 includes a neck joint yaw axis actuator A 1 representing the neck joint yaw axis 1, the first and second neck joint pitch axes 2 A and 2 B, and the neck joint roll axis 3. Second neck joint pitch axis actuators A 2A and A 2B and neck joint roll axis actuators A 3 are respectively disposed.

また、体幹部ユニット40には、体幹ピッチ軸9、体幹ロール軸10の各々を表現する体幹ピッチ軸アクチュエータA9、体幹ロール軸アクチュエータA10が配設されている。 The trunk unit 40 is provided with a trunk pitch axis actuator A 9 and a trunk roll axis actuator A 10 that represent the trunk pitch axis 9 and the trunk roll axis 10, respectively.

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4、肩関節ロール軸5、上腕ヨー軸6、肘関節ピッチ軸7、手首関節ヨー軸8の各々の自由度を表現する肩関節ピッチ軸アクチュエータA4、肩関節ロール軸アクチュエータA5、上腕ヨー軸アクチュエータA6、肘関節ピッチ軸アクチュエータA7、手首関節ヨー軸アクチュエータA8が配設されている。 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 a shoulder joint pitch axis 4, a shoulder joint roll axis 5, an upper arm Shoulder joint pitch axis actuator A 4 , shoulder joint roll axis actuator A 5 , upper arm yaw axis actuator A 6 , elbow joint pitch axis expressing the degrees of freedom of yaw axis 6, elbow joint pitch axis 7, and wrist joint yaw axis 8 An actuator A 7 and a wrist joint yaw axis actuator A 8 are provided.

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11、股関節ピッチ軸12、股関節ロール軸13、膝関節ピッチ軸14、足首関節ピッチ軸15、足首関節ロール軸16の各々の自由度を表現する股関節ヨー軸アクチュエータA11、股関節ピッチ軸アクチュエータA12、股関節ロール軸アクチュエータA13、膝関節ピッチ軸アクチュエータA14、足首関節ピッチ軸アクチュエータA15、足首関節ロール軸アクチュエータA16が配設されている。 The leg unit 60R / L is subdivided into a thigh unit 61R / L, a knee unit 62R / L, and a shin unit 63R / L, but the hip joint yaw axis 11, hip joint pitch axis 12, hip joint Hip joint yaw axis actuator A 11 expressing the degree of freedom of each of the roll axis 13, knee joint pitch axis 14, ankle joint pitch axis 15, and ankle joint roll axis 16, hip joint pitch axis actuator A 12 , hip roll axis actuator A 13 , A knee joint pitch axis actuator A 14 , an ankle joint pitch axis actuator A 15 , and an ankle joint roll axis actuator A 16 are provided.

各関節に用いられるアクチュエータA1、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・アクチュエータで構成することができる。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。 The actuators A 1 , A 2 , A 3 ... Used for each joint are more preferably composed of small AC servo actuators of a gear direct connection type and a servo control system mounted on a motor unit in a single chip. can do. This type of AC servo actuator is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-299970 (Japanese Patent Application No. 11-33386) already assigned to the present applicant.

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が配設されている。   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 disposed.

機体の体幹部40には、加速度センサ95と姿勢センサ96が配設されている。加速度センサ95は、X、Y、Z各軸方向に配置する。機体の腰部に加速度センサ95を配設することによって、質量操作量が大きな部位である腰部すなわち基体を制御目標点として設定して、その位置における姿勢や加速度を直接計測して、ZMPに基づく姿勢安定制御を行なうことができる。   An acceleration sensor 95 and a posture sensor 96 are disposed on the trunk 40 of the body. The acceleration sensor 95 is disposed in the X, Y, and Z axial directions. By locating the acceleration sensor 95 on the waist of the airframe, setting the waist, that is, the base body, which is a part with a large amount of mass operation as the control target point, directly measuring the posture and acceleration at that position, the posture based on ZMP Stable control can be performed.

また、各脚部60R並びに60Lには、接地確認センサ91及び92と、加速度センサ93及び94がそれぞれ配設されている。接地確認センサ91及び92は、例えば足底に圧力センサを装着することにより構成され、床反力の有無により足底が着床したか否かを検出することができる。また、加速度センサ93及び94は、少なくともX及びYの各軸方向に配置する。左右の足部に加速度センサ93及び94を配設することにより、ZMP位置に最も近い足部で直接ZMP方程式を組み立てることができる。   In addition, ground check sensors 91 and 92 and acceleration sensors 93 and 94 are disposed on the legs 60R and 60L, respectively. The ground contact confirmation sensors 91 and 92 are configured by, for example, mounting a pressure sensor on the sole, and can detect whether the sole has landed based on the presence or absence of a floor reaction force. The acceleration sensors 93 and 94 are arranged at least in the X and Y axial directions. By disposing the acceleration sensors 93 and 94 on the left and right feet, the ZMP equation can be directly assembled with the feet closest to the ZMP position.

質量操作量が大きな部位である腰部にのみ加速度センサを配置した場合、腰部すなわち基体のみが直接的な制御目標点になり、足部の状態は、この制御目標点の計算結果を基に相対的に算出しなければならず、足部と路面との間では以下の条件を満たすことが、前提となってしまう。   When the acceleration sensor is placed only on the waist where the mass manipulated variable is large, only the waist, that is, the base, is the direct control target point, and the foot state is relative based on the calculation result of this control target point. Therefore, the following condition must be satisfied between the foot and the road surface.

(1)路面はどんな力やトルクが作用しても動くことがない。
(2)路面での並進に対する摩擦係数は充分に大きく、滑りが生じない。
(1) The road surface does not move no matter what force or torque is applied.
(2) The friction coefficient with respect to translation on the road surface is sufficiently large, and no slip occurs.

これに対し、本実施形態では、路面との接触部位である足部にZMPと力を直接する反力センサ・システム(床反力センサなど)を配備するとともに、制御に用いるローカル座標とその座標を直接的に計測するための加速度センサを配設する。この結果、ZMP位置に最も近い足部で直接ZMP釣合い方程式を組み立てることができ、上述したような前提条件に依存しない、より厳密な姿勢安定制御を高速で実現することができる。この結果、力やトルクが作用すると路面が動いてしまう砂利上や毛足の長い絨毯上や、並進の摩擦係数が充分に確保できずに滑りが生じ易い住居のタイルなどであっても、機体の安定歩行(運動)を保証することができる。   On the other hand, in the present embodiment, a reaction force sensor system (such as a floor reaction force sensor) that directly applies a force to the ZMP is provided on a foot that is a contact portion with the road surface, and local coordinates used for control and the coordinates thereof An acceleration sensor for directly measuring is provided. As a result, the ZMP balance equation can be directly assembled with the foot portion closest to the ZMP position, and more rigorous posture stabilization control can be realized at high speed without depending on the preconditions described above. As a result, the fuselage can be used on gravel where the road surface moves when force or torque is applied, on carpets with long bristle feet, or in residential tiles where sliding friction cannot be secured sufficiently. Can guarantee stable walking (movement).

主制御部80は、各センサ91〜96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の各々に対してそれぞれ適応的な制御を行ない、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。   The main control unit 80 can dynamically correct the control target in response to the outputs of the sensors 91 to 96. More specifically, whole body motion in which each of the sub-control units 35, 45, 55, and 65 is adaptively controlled and the upper limbs, trunk, and lower limbs of the legged mobile robot 100 are cooperatively driven. Realize the pattern.

ロボット100の機体上での全身運動は、足部運動、ZMP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A1、A2、A3…に対して駆動制御信号を出力する。ZMP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、ここで言う「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。 The whole body movement on the body of the robot 100 sets the foot movement, the ZMP trajectory, the trunk movement, the upper limb movement, the waist height, and the like, and commands for instructing the movement in accordance with these setting contents. Forward to the units 35, 45, 55, 65. Then, in each of the sub-control section 35, 45 ... interprets the command received from the main control unit 81 outputs a drive control signal to the actuators A 1, A 2, A 3 .... ZMP is a point on the floor where the moment due to the floor reaction force during walking is zero, and the “ZMP trajectory” mentioned here means a trajectory in which the ZMP moves during the walking motion period of the robot 100, for example. .

C.アクチュエータ特性の制御
C−1.アクチュエータの動作速度、機械的受動性
脚式移動ロボットの機体を、略平行な関節自由度を持つ複数の関節軸を長さ方向に連結した多リンク構造体として捉えることができる。歩行動作や、転倒動作、床上姿勢からの起き上がり動作などの各脚式動作の途上では、この多リンク構造体の着床部位と床面がなすリンク状態が開リンク状態と閉リンク状態との間で数回切り替わる。
C. Control of actuator characteristics
C-1. Actuation speed of the actuator, mechanically passive legged mobile robot body can be regarded as a multi-link structure in which a plurality of joint axes having approximately parallel joint degrees of freedom are connected in the length direction. In the course of each leg type motion such as walking motion, falling motion, and rising motion from the floor posture, the link state between the landing part and the floor surface of this multi-link structure is between the open link state and the closed link state. To switch several times.

本出願人に既に譲渡されている特願2001−233691号明細書には、外界や作業対象に対して、閉リンク状態と開リンク状態の繰り替え動作を高速に行なう脚式移動ロボットについて開示されている。すなわち、1以上の回転型関節(1関節当り2自由度以上備えていてもよい)で構成される肢を持つロボットにおいて、各肢に動的閉合誤差を除去するに最低限必要な受動自由度(減速機のバックラッシュなど)を配し、さらに各肢の可動範囲を適切に管理する。たとえ、関節部を駆動するアクチュエータがトルク情報を取得する手段を持たない場合であっても、閉リンク状態と開リンク状態の高速切替え動作を安定に実現する。このような閉リンク状態と開リンク状態の高速切替え動作は、2足歩行ロボットにおいて、腰部基準座標に近い部位にバックラッシュ量が少ないギアードモータを配置する一方、手先・足先に近い部位にバックラッシュ量が多いギアードモータを配置し最適な特性を得ることにより実現し、ロボットのデザインを最適化することができる。   Japanese Patent Application No. 2001-233691 already assigned to the present applicant discloses a legged mobile robot that performs high-speed repetitive operations between a closed link state and an open link state with respect to the outside world and work objects. Yes. That is, in a robot having limbs composed of one or more rotary joints (which may have two or more degrees of freedom per joint), the minimum number of passive degrees of freedom necessary to remove the dynamic closure error for each limb. (Decelerator backlash, etc.) and manage the range of movement of each limb appropriately. Even if the actuator that drives the joint does not have a means for acquiring torque information, a high-speed switching operation between the closed link state and the open link state is stably realized. Such a high-speed switching operation between the closed link state and the open link state is performed by placing a geared motor with a small backlash amount in a part close to the waist reference coordinates in a biped walking robot, and back in a part close to the hand / tip. This can be realized by arranging geared motors with a large amount of rush and obtaining optimum characteristics, so that the robot design can be optimized.

また、動作期間中におけるリンク状態の切り替わりに対してロボットを最適化する第2の方法として、各関節軸アクチュエータにおける位置サーボ補償器の開ループ・ゲインを任意に調整することで、位置エラー偏差量を制御する。すなわち、バックラッシュ量が均一の場合にはサーボ・ゲインの大小によるサーボ偏差をバックラッシュ量に見立て、それを制御することで、動的閉合誤差を除去するための受動自由度を得ることができる。   In addition, as a second method for optimizing the robot with respect to the switching of the link state during the operation period, the position error deviation amount can be adjusted by arbitrarily adjusting the open loop gain of the position servo compensator in each joint axis actuator. To control. In other words, when the backlash amount is uniform, the servo deviation due to the servo gain is considered as the backlash amount, and by controlling it, a passive degree of freedom for removing the dynamic closing error can be obtained. .

本実施形態では、後者の最適化方法をさらに拡張し、サーボ制御器の比例ゲインだけでなく位相補償要素も関節各部位で調整する。   In the present embodiment, the latter optimization method is further expanded to adjust not only the proportional gain of the servo controller but also the phase compensation element at each joint part.

図5には、アクチュエータのサーボ制御器の構成を示している。同図に示すように、サーボ制御器は、直列補償の比例ゲインKと位相補償要素C(s)という2つの制御要素を持ち、比例ゲインだけでなく位相補償要素も関節各部位で調整する。また、図6には、図5に示したモータと減速機についての伝達関数表現モデルのゲイン及び位相の周波数特性を示している。   FIG. 5 shows the configuration of the servo controller of the actuator. As shown in the figure, the servo controller has two control elements, a proportional gain K for series compensation and a phase compensation element C (s), and adjusts not only the proportional gain but also the phase compensation element at each joint part. FIG. 6 shows the frequency characteristics of the gain and phase of the transfer function expression model for the motor and reducer shown in FIG.

ここで、位相補償要素は以下の式で表される。但し、n、mは任意の自然数であり、また、ai、biは任意の実数であり、状態変数を表現した場合はフィードバック・ゲインに相当する。また、sはラプラス演算子である。 Here, the phase compensation element is expressed by the following equation. However, n and m are arbitrary natural numbers, and a i and b i are arbitrary real numbers. When state variables are expressed, they correspond to feedback gains. S is a Laplace operator.

Figure 0004086765
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また、モータと減速器の伝達関数表現モデルG(s)は以下の式で表される。但し、Kはモータ・ゲインであり、Jはモータの慣性モーメントであり、Dはモータの粘性抵抗係数である。   Moreover, the transfer function expression model G (s) of the motor and the speed reducer is expressed by the following expression. Where K is the motor gain, J is the moment of inertia of the motor, and D is the viscous resistance coefficient of the motor.

Figure 0004086765
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まず、図5に示したサーボ制御器において、位相補償型制御の設計例として位相補償帯域を任意に選択する例(位相補償量が一定で周波数帯域を任意に選ぶ)について、図7を参照しながら説明する。同図において、   First, in the servo controller shown in FIG. 5, as an example of designing the phase compensation type control, the phase compensation band is arbitrarily selected (the phase compensation amount is constant and the frequency band is arbitrarily selected) with reference to FIG. While explaining. In the figure,

(1)C(s)−1:1.0〜100Hzの帯域で約+5.6dBのゲイン増幅、約+18degの位相進みを与えている。
(2)C(s)−2:0.1〜10Hzの帯域で約+5.6dBのゲイン増幅、約+18degの位相進みを与えている。
(3)C(s)−3:10〜1kHzの帯域で約+5.6dBのゲイン増幅、約+18degの位相進みを与えている。
(1) C (s) -1: A gain amplification of about +5.6 dB and a phase advance of about +18 deg are given in a band of 1.0 to 100 Hz.
(2) C (s) -2: A gain amplification of about +5.6 dB and a phase advance of about +18 deg are given in a band of 0.1 to 10 Hz.
(3) C (s) -3: gain amplification of about +5.6 dB and phase advance of about +18 deg in a band of 10 to 1 kHz.

このように、位相補償を施す周波数帯域を任意に選択することで、アクチュエータの周波数特性を自在に設定することができる。したがって、このようなアクチュエータで構成されるロボットの関節軸は、機体の姿勢や動作の局面に応じて、周波数特性を動的に調整することができる。   As described above, the frequency characteristics of the actuator can be freely set by arbitrarily selecting the frequency band to which the phase compensation is performed. Therefore, the joint axis of the robot constituted by such an actuator can dynamically adjust the frequency characteristics according to the posture of the airframe and the situation of the operation.

なお、図7に示す例では、位相進み補償の例を示したが、位相遅れ補償場合も同様に任意の周波数帯域で任意の位相遅れ量を設定することができる。   In the example shown in FIG. 7, an example of phase lead compensation is shown. However, in the case of phase delay compensation, any phase delay amount can be set in any frequency band.

次いで、図5に示したサーボ制御器において、位相補償型制御の設計例として位相補償を施す量を任意に選択する例(周波数帯域が一定で位相補償量を任意に選ぶ)について、図8を参照しながら説明する。同図において、   Next, in the servo controller shown in FIG. 5, as an example of designing the phase compensation type control, the amount of phase compensation is arbitrarily selected (the frequency compensation is constant and the phase compensation amount is arbitrarily selected). The description will be given with reference. In the figure,

(4)C(s)−4:4.0〜70Hzの帯域で約+3.5dBのゲイン増幅、約+12degの位相進みを与えている。
(5)C(s)−5:2.0〜70Hzの帯域で約+5.6dBのゲイン増幅、約+18degの位相進みを与えている。
(6)C(s)−6:1.0〜70Hzの帯域で約+6.5dBのゲイン増幅、約+21degの位相進みを与えている。
(4) C (s) -4: Gain amplification of about +3.5 dB and a phase advance of about +12 deg in a band of 4.0 to 70 Hz.
(5) C (s) -5: A gain amplification of about +5.6 dB and a phase advance of about +18 deg are given in the band of 2.0 to 70 Hz.
(6) C (s) -6: A gain amplification of about +6.5 dB and a phase advance of about +21 deg are given in the band of 1.0 to 70 Hz.

このように、位相補償を施す量を任意に選択することで、アクチュエータの周波数特性を自在に設定することができる。したがって、このようなアクチュエータで構成されるロボットの関節軸は、機体の姿勢や動作の局面に応じて、周波数特性を動的に調整することができる。   Thus, the frequency characteristic of the actuator can be freely set by arbitrarily selecting the amount of phase compensation. Therefore, the joint axis of the robot constituted by such an actuator can dynamically adjust the frequency characteristics according to the posture of the airframe and the situation of the operation.

なお、図8に示す例では、位相進み補償の例を示したが、位相遅れ補償の場合も同様に任意の周波数帯域で任意の位相遅れ量を設定することができる。   In the example shown in FIG. 8, an example of phase lead compensation is shown. However, in the case of phase delay compensation, any phase delay amount can be set in any frequency band.

次いで、図5に示したサーボ制御器において、Kで示した直列補償ゲインの大小を変更する制御器の設計例について、図9を参照しながら説明する。同図は、図9において、Kを±3dBだけ上下させたことに相当する。図示の通り、直列補償ゲインの大小も任意に設定することができる。   Next, a design example of a controller that changes the magnitude of the series compensation gain indicated by K in the servo controller shown in FIG. 5 will be described with reference to FIG. This figure corresponds to the fact that K is raised and lowered by ± 3 dB in FIG. As shown in the figure, the magnitude of the series compensation gain can be arbitrarily set.

図7〜図9に示した内容をロボットの関節軸駆動用のアクチュエータに適用するためには、これらの制御器を構成するパラメータを動的又は静的に変更するための通信プロトコルを実装する。これによって、ロボットの各関節軸にさまざまな特性を与えることができる。   In order to apply the contents shown in FIGS. 7 to 9 to the actuator for driving the joint axis of the robot, a communication protocol for dynamically or statically changing the parameters constituting these controllers is implemented. Thereby, various characteristics can be given to each joint axis of the robot.

次いで、これらの特性を備えたアクチュエータのサーボ制御器を実装したときのアクチュエータの特性について説明する。   Next, the characteristics of the actuator when the servo controller for the actuator having these characteristics is mounted will be described.

図10には、図7に示したように位相補償量が一定で周波数帯域を任意に選ぶようにアクチュエータのサーボ制御器を実装したときの開ループ特性を示している。   FIG. 10 shows an open loop characteristic when the servo controller of the actuator is mounted so as to arbitrarily select the frequency band with a constant phase compensation amount as shown in FIG.

(1)C(s)−1:1.0〜100Hzの帯域で約+5.6dBのゲイン増幅、約+18degの位相進みを与える。これによって、全体的にゲインが高めとなるので、位置決め精度と追従性がよくなるが、エネルギ・ロスとなり易い。また、負荷が大きくなると不安定になる可能性がある。
(2)C(s)−2:0.1〜10Hzの帯域で約+5.6dBのゲイン増幅、約+18degの位相進みを与える。この場合、C(s)−1とC(s)−2の中間的な特性を持つ。
(3)C(s)−3:10〜1kHzの帯域で約+5.6dBのゲイン増幅、約+18degの位相進みを与える。この場合、高域でのみ位相進み補償をしていることになるので、ゆっくりした動作時にはあまり効果が見られないが、走る、飛ぶ、踊るといった速い動作には効果がある。
(1) C (s) -1: Gives a gain amplification of about +5.6 dB and a phase advance of about +18 deg in a band of 1.0 to 100 Hz. As a result, the gain is increased overall, so that positioning accuracy and followability are improved, but energy loss is likely to occur. Moreover, it may become unstable when the load increases.
(2) C (s) -2: Gain amplification of about +5.6 dB and phase advance of about +18 deg in a band of 0.1 to 10 Hz. In this case, it has an intermediate characteristic between C (s) -1 and C (s) -2.
(3) C (s) -3: Gives a gain amplification of about +5.6 dB and a phase advance of about +18 deg in a band of 10 to 1 kHz. In this case, phase lead compensation is performed only in the high frequency range, so that the effect is not so much seen during slow operation, but it is effective for fast operation such as running, flying, and dancing.

このように、位相補償を施す周波数帯域を任意に選択することで、アクチュエータの周波数特性を自在に設定することができる。したがって、このようなアクチュエータで構成されるロボットの関節軸は、機体の姿勢や動作の局面に応じて、周波数特性を動的に調整することができる。   As described above, the frequency characteristics of the actuator can be freely set by arbitrarily selecting the frequency band to which the phase compensation is performed. Therefore, the joint axis of the robot constituted by such an actuator can dynamically adjust the frequency characteristics according to the posture of the airframe and the situation of the operation.

また、図11には、図10に示したうち高域でのみ位相進み補償を施した例C(s)−3においてさらに直列補償ゲインの制御を採り入れた様子を示している。この場合、図5に示した例と同様に、同位相においてゲインが上下する。   Further, FIG. 11 shows a state in which the control of the series compensation gain is further adopted in Example C (s) -3 in which the phase lead compensation is performed only in the high frequency region shown in FIG. In this case, as in the example shown in FIG. 5, the gain increases and decreases in the same phase.

図10に示した例では、位相補償例C(s)−3ではゆっくりした動作時にはあまり効果が見られないが、図11に示すように、低周波数帯域においてゲインを増やすことにより、低周波数帯域での制御偏差を少なくすることができる。この結果、ゆっくりした動作時でも指令値に対して少ない遅れで応答することが可能となる。   In the example shown in FIG. 10, the phase compensation example C (s) -3 is not very effective during a slow operation, but as shown in FIG. 11, by increasing the gain in the low frequency band, The control deviation can be reduced. As a result, it is possible to respond to the command value with a small delay even during slow operation.

これらをまとめると、まず、アクチュエータの位置制御系の開ループ特性に対し、図12に示すように、全体で高いゲインとし、高域で位相進み量を小さくするような特性に設定することにより、支持脚などの位置精度が必要な部位や関節を硬くして、コンプライアンスをなくすことができる。   To summarize these, first, with respect to the open-loop characteristics of the actuator position control system, as shown in FIG. 12, by setting the characteristics so as to increase the overall gain and reduce the phase advance amount in the high range, It is possible to harden the parts and joints that require positional accuracy, such as support legs, and eliminate compliance.

これに対し、アクチュエータの位置制御系の開ループ特性に対し、図13に示すように、低域で低ゲインとし、高域で位相進み量を大きくするような特性に設定することにより、遊脚などの位置精度よりも拘束応答が必要な関節部位や、関節にコンプライアンスが必要なときに適合した特性を得ることができる。 In contrast, with respect to the open loop characteristic of the position control system of the actuator, as shown in FIG. 13, by setting the characteristics as in the low range and low gain, increases the amount of phase lead in the mid-high range, Yu It is possible to obtain a joint part that requires a restraint response rather than the position accuracy of the leg or the like, or a characteristic that is suitable when the joint requires compliance.

以上、アクチュエータのサーボ制御器においてサーボ制御器の比例ゲインだけでなく、位相補償要素も関節各部位で調整するメカニズムについて説明してきた。これによって、安定且つ高効率な動作を実現するには局所的に力を増減させることや関節各部位のコンプライアンス(機械的受動性)を増減させることが可能となる。   As described above, the mechanism for adjusting not only the proportional gain of the servo controller but also the phase compensation element in each part of the joint in the servo controller of the actuator has been described. Thus, in order to realize a stable and highly efficient operation, it is possible to increase or decrease the force locally and increase or decrease the compliance (mechanical passivity) of each joint part.

例えば、位置制御系として関節各軸の動作を捉えたときは高ゲイン且つ高帯域なサーボ制御器を使って、制御偏差が少なくなるように制御した方がよいが、力学モデルとして捉えたときはポテンシャル・エネルギや運動エネルギの作用を考慮してゲインを低くしたり位相補償している周波数帯を上下させたりすることも同時に行なうとよい。   For example, when capturing the motion of each joint axis as a position control system, it is better to use a high gain and high bandwidth servo controller to control the control deviation to be small, but when capturing as a dynamic model In consideration of the action of potential energy and kinetic energy, it is preferable to lower the gain or raise and lower the frequency band for phase compensation.

C−2.アクチュエータ・モータの粘性抵抗
上記のC−1項で説明したようなアクチュエータの動作速度や動作時の機械的受動性という特性に加え、アクチュエータの粘性抵抗を可変に制御するという方式を採り入れることができる。
C-2. Viscous resistance of actuator / motor In addition to the characteristics of actuator operating speed and mechanical passivity during operation as described in the above section C-1, a method of variably controlling the viscous resistance of the actuator can be adopted. .

例えば、コイルへの供給電流を制御して所定の磁束分布を形成することにより回転トルクを発生させるタイプのモータは、一般に、コイル端子を電源電圧に接続する第1のトランジスタ・スイッチ群と、コイル端子を接地する第2のトランジスタ・スイッチ群からなるスイッチング動作回路をPWM制御により駆動することによって、コイル電流を制御し、所望のトルク又は回転位置、回転速度などを得るようになっている。   For example, a motor of a type that generates rotational torque by controlling a current supplied to a coil to form a predetermined magnetic flux distribution generally includes a first transistor switch group that connects a coil terminal to a power supply voltage, and a coil A switching operation circuit composed of a second transistor / switch group that grounds a terminal is driven by PWM control, thereby controlling a coil current to obtain a desired torque, rotational position, rotational speed, or the like.

ここで、モータ・コイルが非通電の期間においてオープン状態となるタイミングにおいて、モータ・コイルに通電された電流(厳密には電荷)が抜けてしまうため、トルクのロスになる。またコギングによるトルクむらの影響を受け易くなる。   Here, at the timing when the motor coil is in the open state during the non-energized period, the current (strictly charge) energized to the motor coil is lost, resulting in a torque loss. Further, it is easily affected by torque unevenness due to cogging.

このような場合、モータ・コイルが非通電の期間においても、コイルがオープン状態とならない短絡(ショート)状態を形成することにより、モータ・コイルに通電された電流(厳密には電荷)が抜けないようにすることができる。このとき、モータのコイルには、永久磁石側からの磁束密度により逆起電力が発生する。この逆起電力により、モータの回転方向の逆方向に力が作用するので、外力による回転に対する粘性抵抗を作り出すことができ、ブレーキに類似した効果を得ることができる。このようなモータへの粘性抵抗により、トルク・ロスがなくコギングによるトルクむらの影響が軽減される。   In such a case, even when the motor / coil is not energized, the current (electrically charged) energized to the motor / coil cannot be removed by forming a short-circuit state in which the coil is not open. Can be. At this time, a counter electromotive force is generated in the motor coil due to the magnetic flux density from the permanent magnet side. Since the counter electromotive force causes a force in the direction opposite to the rotation direction of the motor, a viscous resistance against rotation by an external force can be created, and an effect similar to a brake can be obtained. By such viscous resistance to the motor, there is no torque loss and the influence of torque unevenness due to cogging is reduced.

一方、モータの非通電時において、このようなコイルの短絡状態を形成した場合、上述したように、モータに一種の粘性抵抗を与えることができるが、このようなモータをロボットに使用した場合、コイル・ショートによるブレーキの影響のため、コンプライアンス(機械的受動性)がなくなってしまうという問題を招来する。   On the other hand, when a short circuit state of such a coil is formed when the motor is de-energized, as described above, a kind of viscous resistance can be given to the motor, but when such a motor is used for a robot, Due to the influence of the brake due to the coil short, there is a problem that compliance (mechanical passivity) is lost.

そこで、モータ・コイルの非通電時におけるコイルのオープン状態と短絡状態の期間の比率を、所望の機械的特性に応じて調整することにより、モータ・コイルがオープン状態となるタイミングにおけるモータ・コイルに通電された電流(厳密には電荷)が抜けてしまうことによるトルクのロスやコギングによるトルクむらの問題と、モータ・コイルの非通電時におけるコイル・ショートによるブレーキの影響のためコンプライアンス(機械的受動性)がなくなるという問題を、ともに解決することができる。   Therefore, by adjusting the ratio of the coil open state and short-circuit state period when the motor coil is not energized according to the desired mechanical characteristics, the motor coil at the timing when the motor coil is opened Compliance (mechanically passive) due to torque loss due to loss of energized current (strictly charge), torque unevenness due to cogging, and brake effect due to coil short when motor / coil is not energized The problem of disappearing) can be solved together.

ここで、モータ・コイルの通電及び非通電状態の比率はPWM制御により実現することができるが、さらに、モータ・コイルの非通電状態におけるコイルのオープン状態と短絡状態の期間の比率も、同様にPWM制御を用いて実現することができる。   Here, the ratio of energization and de-energization of the motor / coil can be realized by PWM control, but the ratio of the open / short-circuit period of the coil in the de-energization of the motor / coil is also the same. It can be realized using PWM control.

図14には、コイル電流の制御メカニズムを適用したDCモータにおけるコイル電流供給用の電流制御回路の等価回路についての構成例を示している。   FIG. 14 shows a configuration example of an equivalent circuit of a current control circuit for supplying coil current in a DC motor to which a coil current control mechanism is applied.

同図に示す電流制御回路は、フルブリッジ構成であり、pnp型のトランジスタA'とnpn型のトランジスタAを順方向接続した回路と、同じくpnp型のトランジスタB'とnpn型のトランジスタBを順方向接続した回路を電源電圧VccとグランドGNDの間に並列接続し、さらにトランジスタA'及びAの中間点とトランジスタB'及びBの中間点を固定子の単相コイルで接続している。 The current control circuit shown in the figure has a full-bridge configuration, and a circuit in which a pnp transistor A ′ and an npn transistor A are connected in a forward direction, and a pnp transistor B ′ and an npn transistor B are sequentially connected. The direction-connected circuits are connected in parallel between the power supply voltage Vcc and the ground GND, and the intermediate points of the transistors A ′ and A and the intermediate points of the transistors B ′ and B are connected by a single-phase coil of the stator.

トランジスタA'及びBをオンにするとともに、トランジスタA及びB'をオフにすることによって、モータ・コイルには、図示の矢印方向の電流Imが流れる。また、トランジスタA'及びBをオフにすることによって、コイルはオープン状態となって、電流Imは流れなくなる。また、トランジスタA'及びBをオフにするとともに、トランジスタA'及びB'をオンにすることによって、モータ・コイルは短絡(ショート)状態となる。   When the transistors A ′ and B are turned on and the transistors A and B ′ are turned off, the current Im flows in the motor coil in the direction indicated by the arrow. Further, by turning off the transistors A ′ and B, the coil is opened and the current Im does not flow. Further, by turning off the transistors A ′ and B and turning on the transistors A ′ and B ′, the motor coil is short-circuited.

PWM制御論理回路は、図示しない中央制御部からの電流軸電流指令(又はトルク指令)に基づいてコイルへの電流指令を生成し、これら電流指令に基づいて各トランジスタをPWM方式にてスイッチング制御する。すなわち、トランジスタA'及びBをオンにするとともにトランジスタA及びB'をオフにしてコイル電流Imを流す通電期間と、トランジスタA'及びBをオフにしてコイルを非通電にする非通電期間を交互に生成する。   The PWM control logic circuit generates a current command to the coil based on a current axis current command (or torque command) from a central control unit (not shown), and performs switching control of each transistor by the PWM method based on the current command. . That is, the energizing period in which the transistors A ′ and B are turned on and the transistors A and B ′ are turned off to flow the coil current Im and the non-energizing period in which the transistors A ′ and B are turned off and the coil is de-energized are alternated. To generate.

本実施形態では、さらにPWM制御論理回路が出力する各トランジスタA及びA'、並びB及びB'のオン/オフ動作を制御する制御信号を付加論理により切り替える付加論理回路が配設されている。   In the present embodiment, an additional logic circuit is provided for switching the control signals for controlling the on / off operations of the transistors A and A ′ and the arrangements B and B ′ output from the PWM control logic circuit using the additional logic.

付加論理回路は、PWM制御論理回路から出力されるBRAKE_PWM制御信号に基づいて、PWM制御論理回路が出力する信号A0及びA0'、並びにB0及びB0'のオン/オフ動作を制御する制御論理を付加論理により切り替える。これによって、モータ・コイルの非通電状態におけるコイルのオープン状態と短絡状態の切替動作を行なう。図15には、付加論理回路の具体的な回路構成を示している。 The additional logic circuit controls the on / off operation of the signals A 0 and A 0 ′ and B 0 and B 0 ′ output from the PWM control logic circuit based on the BRAKE_PWM control signal output from the PWM control logic circuit. The control logic is switched by additional logic. Thus, the switching operation between the open state and the short-circuit state of the coil in the non-energized state of the motor / coil is performed. FIG. 15 shows a specific circuit configuration of the additional logic circuit.

PWM制御論理回路からのトランジスタA'制御用の信号A0'とトランジスタB'制御用の信号B0'の論理積と、トランジスタA制御用の信号A0とトランジスタB制御用の信号B0の排他的論理和がとられ、さらにこれらの論理演算値の論理積を反転したものがBRAKE_PWM制御信号の反転信号と論理和される。この論理和の結果を元の各トランジスタ制御用信号との間で論理積を取ったものが、最終的なそれぞれのトランジスタ制御用信号となる。 A transistor A 'signal A 0 for control' from PWM control logic and the logical product of the transistor B 'signal B 0 for control', signal A 0 of the control transistor A and the transistor B control signal B 0 of An exclusive OR is taken, and the logical product of these logical operation values is inverted and logically ORed with the inverted signal of the BRAKE_PWM control signal. A logical product of the result of the logical sum with the original transistor control signals is the final transistor control signal.

付加論理回路は、BRAKE_PWM制御信号ハイ・レベルが入力されると、コイル非通電時にコイルを短絡させるようにトランジスタ制御用信号を切り替える。通常のコイル非通電時において、PWM制御論理回路からは、制御信号A0'及びB0'をハイ、A0及びB0をローにするトランジスタ制御用信号が出力される。これに対し、付加論理回路は、ハイ・レベルのBRAKE_PWM制御信号が入力されると、ハイ状態のA1'及びB1'をローに転じて、コイルの短絡状態を形成する。 Additional logic circuit, when a high level is input to the BRAKE_PWM control signal switches the transistor control signal so as to short the coil when the coil is de-energized. When the coil is not normally energized, the PWM control logic circuit outputs a transistor control signal that makes the control signals A 0 ′ and B 0 ′ high and A 0 and B 0 low. On the other hand, when a high level BRAKE_PWM control signal is input, the additional logic circuit turns A 1 ′ and B 1 ′ in the high state to low to form a short circuit state of the coil.

一方、付加論理回路は、BRAKE_PWM制御信号がロー状態のときには、コイル非通電時において、PWM制御論理回路からのトランジスタ制御用信号をそのまま出力するので、非通電時におけるコイルはオープン状態となる。   On the other hand, when the BRAKE_PWM control signal is in the low state, the additional logic circuit outputs the transistor control signal from the PWM control logic circuit as it is when the coil is not energized, so that the coil is in the open state when deenergized.

図16には、PWM制御により所定のデューティ比を持つBRAKE_PWM制御信号が入力されたときの、付加論理回路の各トランジスタ制御用信号についての出力特性を、コイル電流波形特性及びトルク出力特性とともに示している。   FIG. 16 shows the output characteristics of each transistor control signal of the additional logic circuit together with the coil current waveform characteristics and torque output characteristics when a BRAKE_PWM control signal having a predetermined duty ratio is input by PWM control. Yes.

コイル非通電時にコイルを短絡状態にすると、過渡応答により、コイル電流がゼロに戻るまでの時間が長くなるが、コイルをオープン状態にするとその時間は短くなる。コイル非通電時の過渡応答特性は、BRAKE_PWM制御信号のデューティ比に従って、これらの特性が混合されたものとなる。   When the coil is short-circuited when the coil is not energized, the time until the coil current returns to zero becomes longer due to the transient response, but when the coil is opened, the time becomes shorter. The transient response characteristics when the coil is not energized are a mixture of these characteristics according to the duty ratio of the BRAKE_PWM control signal.

したがって、同図に示すように、コイル通電とコイル短絡というスイッチング動作を繰り返した場合、コイル非通電時にコイル電流がゼロに戻る前に次の通電が開始される。このときのコイルの最大電流は、コイル通電及び非通電の動作の度に逐次上昇していくが、その上昇傾向はデューティ比すなわちBRAKE_PWM制御信号がハイ・レベルとなる比率にほぼ比例する。同様に、コイル電流の実効値は図示の通り徐々に増加していくことになるが、その上昇傾向はデューティ比すなわちBRAKE_PWM制御信号がハイ・レベルとなる比率にほぼ比例する。   Therefore, as shown in the figure, when the switching operation of coil energization and coil short circuit is repeated, the next energization is started before the coil current returns to zero when the coil is not energized. At this time, the maximum current of the coil gradually increases every time the coil is energized and de-energized, and the increasing tendency is almost proportional to the duty ratio, that is, the ratio at which the BRAKE_PWM control signal becomes high level. Similarly, the effective value of the coil current gradually increases as shown in the figure, but the increasing tendency is substantially proportional to the duty ratio, that is, the ratio at which the BRAKE_PWM control signal becomes high level.

また、モータの出力トルクTは、コイル電流にモータのトルク定数Ktを乗じた値となるので(T=Kt・I)、同図からも判るように、コイル通電及び非通電を繰り返したとき、コイル電流の増大に伴って、モータ・トルクの実効値は増大していく。したがって、モータ・コイルが非通電時に短絡状態となることにより、モータ・コイルに通電された電流(厳密には電荷)が抜けてしまうことがなくなり、トルクのロスがなくなる。また、コギングによるトルクむらの影響を受けにくくなる。 Further, the output torque T of the motor, since a value obtained by multiplying the torque constant K t of the motor coil current (T = K t · I) , as can be seen from the figure, repeated coil energization and non-energization When the coil current increases, the effective value of the motor torque increases. Therefore, when the motor coil is not energized, a short-circuit state occurs, so that the current (strictly charge) energized to the motor coil is not lost and torque loss is eliminated. Further, it is less susceptible to torque unevenness due to cogging.

コイル通電及び非通電を繰り返したときの上昇傾向は、BRAKE_PWM制御信号のデューティ比すなわち同制御信号がハイ・レベルとなる比率にほぼ比例する。モータ・トルクの出力が上昇していく特性が、モータの粘性係数に相当する。   The upward trend when the coil energization and the non-energization are repeated is substantially proportional to the duty ratio of the BRAKE_PWM control signal, that is, the ratio at which the control signal becomes high level. The characteristic that the output of the motor torque increases corresponds to the viscosity coefficient of the motor.

モータの非通電時において、このようなコイルの短絡状態を形成した場合、上述したように、モータに一種の粘性抵抗を与えることができる。一方、このようなモータをロボットに使用した場合、コイル・ショートによるブレーキの影響のため、コンプライアンス(機械的受動性)がなくなってしまうという問題を招来する。   When such a short circuit state of the coil is formed when the motor is not energized, as described above, a kind of viscous resistance can be given to the motor. On the other hand, when such a motor is used for a robot, there is a problem that compliance (mechanical passivity) is lost due to the influence of a brake caused by a coil short circuit.

そこで、PWM制御論理回路は、付加論理回路に入力するBRAKE_PWM制御信号をPWM制御することにより、モータ・コイルの非通電状態におけるコイルのオープン状態と短絡状態の期間の比率を制御する。   Therefore, the PWM control logic circuit controls the ratio of the period between the open state of the coil and the short-circuit state in the non-energized state of the motor coil by performing PWM control on the BRAKE_PWM control signal input to the additional logic circuit.

モータ・コイルの非通電状態におけるコイルのオープン状態と短絡状態の期間をPWM制御した場合、そのコイル電流の特性は、コイル非通電時にコイルをオープン状態にしたときのコイル電流の過渡応答特性とコイルを短絡状態にしたときにおけるコイル電流の過渡応答特性の特性がデューティ比に応じて混合されたものとなる。   When PWM control is performed for the open and shorted periods of the coil when the motor / coil is not energized, the coil current characteristics are the transient response characteristics of the coil current and the coil when the coil is opened when the coil is not energized. The characteristics of the transient response characteristics of the coil current when the is short-circuited are mixed according to the duty ratio.

図17には、PWM制御により所定のデューティ比を持つBRAKE_PWM制御信号が入力されたときの、付加論理回路の各トランジスタ制御用信号の出力特性を、コイル電流波形特性及びトルク出力特性とともに示している。   FIG. 17 shows the output characteristics of each transistor control signal of the additional logic circuit together with the coil current waveform characteristics and torque output characteristics when a BRAKE_PWM control signal having a predetermined duty ratio is input by PWM control. .

コイル非通電時にコイルを短絡状態にすると、過渡応答により、コイル電流がゼロに戻るまでの時間が長くなるが、コイルをオープン状態にするとその時間は短くなる。コイル非通電時の過渡応答特性は、BRAKE_PWM制御信号のデューティ比に従って、これらの特性が混合されたものとなる。   When the coil is short-circuited when the coil is not energized, the time until the coil current returns to zero becomes longer due to the transient response, but when the coil is opened, the time becomes shorter. The transient response characteristics when the coil is not energized are a mixture of these characteristics according to the duty ratio of the BRAKE_PWM control signal.

したがって、同図に示すように、コイル通電とコイル短絡というスイッチング動作を繰り返した場合、コイル非通電時にコイル電流がゼロに戻る前に次の通電が開始される。このときのコイルの最大電流は、コイル通電及び非通電の動作の度に逐次上昇していくが、その上昇傾向はデューティ比すなわちBRAKE_PWM制御信号がハイ・レベルとなる比率にほぼ比例する。同様に、コイル電流の実効値は図示の通り徐々に増加していくことになるが、その上昇傾向はデューティ比すなわちBRAKE_PWM制御信号がハイ・レベルとなる比率にほぼ比例する。   Therefore, as shown in the figure, when the switching operation of coil energization and coil short circuit is repeated, the next energization is started before the coil current returns to zero when the coil is not energized. At this time, the maximum current of the coil gradually increases every time the coil is energized and de-energized, and the increasing tendency is almost proportional to the duty ratio, that is, the ratio at which the BRAKE_PWM control signal becomes high level. Similarly, the effective value of the coil current gradually increases as shown in the figure, but the increasing tendency is substantially proportional to the duty ratio, that is, the ratio at which the BRAKE_PWM control signal becomes high level.

また、モータの出力トルクTは、コイル電流にモータのトルク定数Ktを乗じた値となるので(T=Kt・I)、同図からも判るように、コイル通電及び非通電を繰り返したとき、コイル電流の増大に伴って、モータ・トルクの実効値は増大していく。このときの上昇傾向はBRAKE_PWM制御信号のデューティ比すなわち同制御信号がハイ・レベルとなる比率にほぼ比例する。モータ・トルクの出力が上昇していく特性が、モータの粘性係数に相当する。言い換えれば、BRAKE_PWM制御信号のデューティ比によってモータの粘性抵抗を動的に制御することが可能である。 Further, the output torque T of the motor, since a value obtained by multiplying the torque constant Kt of the motor coil current (T = K t · I) , as can be seen from the figure, when repeated coil energization and non-energization As the coil current increases, the effective value of the motor torque increases. The upward tendency at this time is substantially proportional to the duty ratio of the BRAKE_PWM control signal, that is, the ratio at which the control signal becomes high level. The characteristic that the output of the motor torque increases corresponds to the viscosity coefficient of the motor. In other words, the viscous resistance of the motor can be dynamically controlled by the duty ratio of the BRAKE_PWM control signal.

このようにPWM制御論理回路が付加論理回路へ供給するBRAKE_PWM制御信号のデューティ比をPWM制御することにより、モータ・コイルの非通電時におけるコイルのオープン状態と短絡状態の期間の比率を、所望の機械的特性に応じて調整することができる。   In this way, the duty ratio of the BRAKE_PWM control signal supplied from the PWM control logic circuit to the additional logic circuit is PWM controlled, so that the ratio of the open state and the shorted state of the coil when the motor / coil is not energized can be set to a desired value. It can be adjusted according to the mechanical properties.

したがって、モータ・コイルがオープン状態となるタイミングにおけるモータ・コイルに通電された電流(厳密には電荷)が抜けてしまうことによるトルクのロスやコギングによるトルクむらの問題と、モータ・コイルの非通電時におけるコイル・ショートによるブレーキの影響のためコンプライアンス(機械的受動性)がなくなるという問題を、ともに解決することができる。   Therefore, there is a problem of torque loss due to loss of current (electrically, electric charge) applied to the motor coil at the timing when the motor coil is in an open state, torque unevenness due to cogging, and deenergization of the motor coil. The problem of loss of compliance (mechanical passivity) due to the effect of braking due to a coil short at the time can be solved together.

また、上述したように、BRAKE_PWM制御信号のデューティ比によってモータの粘性抵抗を動的に制御することが可能である。その制御の関係を図18に示している。同図において、粘性抵抗は、粘性係数[mN−m・s/rad]と動作時の回転角速度[rad/s]の積で表される。   Further, as described above, the viscous resistance of the motor can be dynamically controlled by the duty ratio of the BRAKE_PWM control signal. The control relationship is shown in FIG. In the figure, the viscous resistance is represented by the product of the viscosity coefficient [mN−m · s / rad] and the rotational angular velocity [rad / s] during operation.

図18中Aで示される領域では、モータ特性上で最大となる粘性係数に相当し、図示の例では0.9mN−m・s/radである。この領域にアクチュエータ特性を設定すると、関節の粘性が大きくなる。この結果、コンプライアンスは得られなくなるが、外部からの振動などの外乱に対してロバストな制御特性を実現することができる。   The area indicated by A in FIG. 18 corresponds to the maximum viscosity coefficient in the motor characteristics, and is 0.9 mN-m · s / rad in the illustrated example. When the actuator characteristics are set in this region, the joint viscosity increases. As a result, although compliance cannot be obtained, it is possible to realize control characteristics that are robust against disturbances such as external vibrations.

一方、図18中Bで示される領域は、モータ特性上の最大値に対し3分の1以下となる粘性係数に相当し、図示の例では0.15mN−m・s/radである。この領域にアクチュエータ特性を設定すると、関節の粘性が小さくなる。この結果、外乱に対して弱くなるが、機械的受動性(コンプライアンス)を得ることができる。   On the other hand, a region indicated by B in FIG. 18 corresponds to a viscosity coefficient that is 1/3 or less of the maximum value on the motor characteristics, and is 0.15 mN-m · s / rad in the illustrated example. When the actuator characteristics are set in this region, the joint viscosity becomes small. As a result, it becomes weak against disturbance, but mechanical passivity (compliance) can be obtained.

なお、コンプライアンスを得るための領域Bとしては、基本的にはモータ特性上の最大値以下であればよいが、図示の通り、0.3〜0.8mN−m・s/rad辺りの傾きが急峻な部分では温度などの環境変化の影響を受け易く、コントロールが難しくなる。このため、上述したようにモータ特性上の最大値に対し3分の1以下で傾きが緩やかとなる領域を機械的受動性領域に設定することが妥当であると思料され、また本発明者らによる実験により立証されている。   The region B for obtaining the compliance may basically be equal to or less than the maximum value on the motor characteristics, but as shown in the drawing, the inclination around 0.3 to 0.8 mN-m · s / rad is Steep portions are easily affected by environmental changes such as temperature, making control difficult. For this reason, as described above, it is considered appropriate to set the region where the inclination is gentle at a third or less of the maximum value on the motor characteristics as the mechanical passive region. Has been proved by experiments.

なお、上記の説明ではDCモータを例にとって説明したが、3相モータやその他のコイルへの供給電流を制御して所定の磁束分布を形成することにより回転トルクを発生させるタイプのモータにおいても同様に、非通電時のモータ・コイルを間歇的にオープン状態及び短絡状態に切り替えることによって、モータの所望の粘性抵抗を得ることができる。   In the above description, a DC motor has been described as an example, but the same applies to a three-phase motor and other types of motors that generate rotational torque by forming a predetermined magnetic flux distribution by controlling the current supplied to other coils. In addition, a desired viscous resistance of the motor can be obtained by intermittently switching the motor coil during non-energization between an open state and a short-circuit state.

D.脚式移動ロボットへの適用
次いで、本実施形態に係るアクチュエータのサーボ制御器の特性制御、並びにアクチュエータ自体の特性制御のメカニズムを各関節部位に適用した2足歩行の脚式移動ロボットについて説明する。
D. Application to Legged Mobile Robot Next, a bipedal legged mobile robot in which the characteristics control mechanism of the actuator servo controller and the actuator characteristic control mechanism according to this embodiment is applied to each joint part will be described.

上述したように、アクチュエータのサーボ制御器において、比例ゲインと位相補償要素を調整することにより、ロボットの関節各部位において必要な位置決め精度、機械的受動性(コンプライアンス)、動作速度を任意に設定することができる。また、アクチュエータ・モータのコイルへの非通電時においてコイルを間歇的に短絡状態又はオープン状態に切り替えることによって、モータの粘性抵抗を調整し振動などの外乱に対するロバスト性を変更することができる。   As described above, in the servo controller of the actuator, by adjusting the proportional gain and the phase compensation element, the positioning accuracy, mechanical passivity (compliance), and operation speed required for each part of the robot joint are arbitrarily set. be able to. In addition, when the coil of the actuator / motor is not energized, the coil is intermittently switched to a short circuit state or an open state, thereby adjusting the viscous resistance of the motor and changing the robustness against disturbances such as vibration.

さらに、これらアクチュエータのサーボ制御器におけるゲイン及び位相補償制御とアクチュエータ・モータの粘性抵抗の制御とを組み合わせることによって、位置決め精度が重要な部分に適用することができるアクチュエータの周波数特性、あるいは高速応答性とコンプライアンスが重要となる部分に適用することができるアクチュエータの周波数特性を得ることができる。   Furthermore, by combining the gain and phase compensation control in the servo controller of these actuators with the control of the viscous resistance of the actuator and motor, the frequency characteristics of the actuator that can be applied to the parts where positioning accuracy is important, or high-speed response Thus, it is possible to obtain the frequency characteristics of the actuator that can be applied to a portion where compliance is important.

位置決め精度が重要な部分に適用することができるアクチュエータの周波数特性は、図12に示した通りである。この場合、サーボ制御器の比例ゲインを大きくとって、系全体のゲインを大きくし、低周波数帯域までゲインを取れるようにする。また、周波数特性を同図に示すように高域で位相進み量が小さくなるようにし、高速応答性にはあまり寄与しないが安定性を保証できるようにする。また、モータの粘性抵抗を大きくし、振動などの外乱にもロバストになるようにする。要言すれば、図示の特性は、位置決め精度を優先して振動などの外乱にもロバストな特性である。   The frequency characteristics of the actuator that can be applied to a portion where positioning accuracy is important are as shown in FIG. In this case, the proportional gain of the servo controller is increased to increase the gain of the entire system so that the gain can be obtained up to the low frequency band. Further, as shown in the figure, the frequency characteristic is such that the amount of phase advance is reduced in the high frequency range, so that stability is ensured although it does not contribute much to high-speed response. In addition, the viscous resistance of the motor is increased so that it is robust against disturbances such as vibration. In short, the characteristics shown in the figure are robust to disturbances such as vibrations with priority given to positioning accuracy.

また、高速応答性とコンプライアンスが重要となる部分に適用することができるアクチュエータの周波数特性は、図13に示した通りである。この場合、比例ゲインを小さくして、系全体のゲインを小さくすることで、低周波数帯域のゲインを小さくし、機械的受動性(コンプライアンス)を得易くする。また、周波数特性を同図に示すように中高域で位相進み量が大きくなるようにし、高速応答性を得るようにする。また、モータの粘性抵抗を小さくし、機械的受動性(コンプライアンス)を得易いようにする。要言すれば、図示の特性は、機械的受動性(コンプライアンス)と高速応答性を優先した特性である。   Further, the frequency characteristics of the actuator that can be applied to a portion where high-speed response and compliance are important are as shown in FIG. In this case, by reducing the proportional gain and reducing the gain of the entire system, the gain in the low frequency band is reduced, and mechanical passivity (compliance) is easily obtained. Further, as shown in the figure, the frequency characteristic is set so that the phase advance amount becomes large in the middle and high range so as to obtain high-speed response. In addition, the viscous resistance of the motor is reduced to facilitate obtaining mechanical passivity (compliance). In short, the characteristics shown in the figure are characteristics giving priority to mechanical passivity (compliance) and high-speed response.

図1〜図3に示した脚式移動ロボットの関節自由度は、上述したサーボ制御器を備えたアクチュエータによって実現される。すなわち、ロボットは、2脚2腕を有する人間型ロボットである。本ロボットは、機体に四肢が取り付けられ、首ロール軸、第1及び第2の首ピッチ軸、首ヨー軸という4自由度からなる頭部と、肩関節ピッチ軸、肩関節ロール軸、肩関節ヨー軸、肘関節ピッチ軸という少なくとも4自由度からなる左右の腕部と、体幹ロール軸及び体幹ピッチ軸という2自由度からなる体幹部と、股関節ヨー軸、股関節ロール軸、股関節ピッチ軸、膝ピッチ軸、足首ピッチ軸、足首ロール軸という少なくとも6自由度からなる左右の脚部で構成されている。   The joint degrees of freedom of the legged mobile robot shown in FIGS. 1 to 3 are realized by an actuator including the servo controller described above. That is, the robot is a humanoid robot having two legs and two arms. This robot has limbs attached to the body, a head composed of four degrees of freedom: a neck roll axis, first and second neck pitch axes, and a neck yaw axis, a shoulder joint pitch axis, a shoulder joint roll axis, and a shoulder joint. Left and right arm parts having at least four degrees of freedom, ie, yaw axis and elbow joint pitch axis, trunk part having two degrees of freedom, trunk roll axis and trunk pitch axis, hip joint yaw axis, hip roll axis, hip joint pitch axis The left and right leg portions having at least six degrees of freedom, that is, a knee pitch axis, an ankle pitch axis, and an ankle roll axis.

これらの各関節自由度は、上述したサーボ制御器を備えたアクチュエータによって実現される。各関節部位において使用されるアクチュエータのゲイン・位相補償特性の制御例について、以下に詳解する。   Each of these joint degrees of freedom is realized by an actuator including the servo controller described above. An example of controlling the gain / phase compensation characteristics of the actuator used in each joint part will be described in detail below.

(1)首部分に適用されるアクチュエータの特性
首部分では、位置決め精度を優先させるため、比例ゲインを高く設定する。また、動作速度を保持しつつ、比例ゲインを上げた分の安定性を損なわないように、位相進み量を少なく設定する。また、胴体より下の部分の動作時に発生する振動外乱に対してロバスト性を得るため、関節の粘性抵抗を大きく設定する。
(1) Characteristics of the actuator applied to the neck portion In the neck portion, the proportional gain is set high in order to prioritize positioning accuracy. Further, the phase advance amount is set to be small so as not to impair the stability of the increased proportional gain while maintaining the operation speed. Further, in order to obtain robustness against vibration disturbance generated during the operation of the portion below the body, the joint viscous resistance is set large.

(2)肩・肘部分に適用されるアクチュエータの特性
歩行やダンスなどの連続動作を行なうときは、位置決め特性よりも機械的受動性が高くなるような特性をアクチュエータに与える。動作に受動性を持たせるため、関節の粘性抵抗を小さくする。また、動作に受動性を持たせるとともに、エネルギ消費量を減らすため、比例ゲインを低く設定する。また、動作速度を大きくするため、中高域で位相進み量を大きく設定する。動作によっては振り子のように往復運動を行なうだけのときもある。そのときは、関節の粘性抵抗と比例ゲインを最小にして機械的受動性(コンプライアンス)を得るようにし、力学的なエネルギを動作のために用い易くする。
(2) Characteristics of the actuator applied to the shoulder and elbow parts When performing continuous motions such as walking and dancing, the actuator is given characteristics that make it more mechanically passive than the positioning characteristics. To make the motion passive, reduce the viscous resistance of the joint. In addition, the proportional gain is set low in order to make the operation passive and reduce energy consumption. In order to increase the operation speed, the phase advance amount is set large in the middle and high range. Some operations only reciprocate like a pendulum. In that case, the mechanical resistance (compliance) is obtained by minimizing the viscous resistance and the proportional gain of the joint, and the mechanical energy is easily used for the operation.

一方、物を押したり引っ張ったりするなどの力を使う動作を行なうときには、負荷トルク値により、位置決め精度優先の特性と、機械的受動性の特性を動的に入れ替えるように制御する。負荷トルク値に対してさらに力を発生させたいときは比例ゲインを高く、関節の粘性抵抗を大きくする。また、負荷トルク値に対して定負荷となるように倣わせる動作をする場合には、上位からの位置指令値による調整に加え、アクチュエータ内部トルク・センサで検知した負荷トルクに応じて比例ゲインを低く、関節の粘性抵抗を小さくして、機械的受動性(コンプライアンス)を得るようにする。   On the other hand, when an operation using force such as pushing or pulling an object is performed, control is performed so that the positioning accuracy priority characteristic and the mechanical passive characteristic are dynamically switched according to the load torque value. To generate more force with respect to the load torque value, increase the proportional gain and increase the joint viscous resistance. In addition, when performing an operation that makes the load torque value follow a constant load, in addition to the adjustment by the position command value from the upper level, a proportional gain according to the load torque detected by the actuator internal torque sensor To reduce the viscous resistance of the joints to obtain mechanical passivity (compliance).

(3)体幹部分に適用されるアクチュエータの特性
自分自身の動作による振動外乱にロバスト性を得るため、関節の粘性抵抗を大きくする。あるいは、位置決め精度を優先させるため、比例ゲインを高く設定する。あるいは、動作速度を保持しつつ比例ゲインを上げた分の安定性を損なわないように、位相進み量を少なく設定する。
(3) Characteristics of the actuator applied to the trunk part In order to obtain robustness against vibration disturbance due to own movement, the viscous resistance of the joint is increased. Alternatively, the proportional gain is set high in order to prioritize positioning accuracy. Alternatively, the phase advance amount is set to be small so as not to impair the stability of increasing the proportional gain while maintaining the operation speed.

(4)股関節部分に適用されるアクチュエータの特性
自分自身の動作による振動外乱にロバスト性を得るため、関節の粘性抵抗を大きくする。あるいは、位置決め精度を優先させるため、比例ゲインを高く設定する。あるいは、動作速度を保持しつつ比例ゲインを上げた分の安定性を損なわないように、位相進み量を少なく設定する。
(4) Characteristics of the actuator applied to the hip joint portion In order to obtain robustness against vibration disturbance due to its own movement, the viscous resistance of the joint is increased. Alternatively, the proportional gain is set high in order to prioritize positioning accuracy. Alternatively, the phase advance amount is set to be small so as not to impair the stability of increasing the proportional gain while maintaining the operation speed.

(5)膝部分に適用されるアクチュエータの特性
遊脚時及び着床瞬間時においては、位置決め精度よりも機械的受動性が高くなるような特性に制御する。動作に受動性を持たせるため、関節の粘性抵抗を小さくする。また、動作に受動性を持たせるとともにエネルギ消費量を減らすため、比例ゲインを低く設定する。また、動作速度を大きくするため、中高域で位相進み量を大きく設定する。
(5) Characteristics of the actuator applied to the knee portion Control is made so that the mechanical passivity is higher than the positioning accuracy at the time of the free leg and at the moment of landing. To make the motion passive, reduce the viscous resistance of the joint. In addition, the proportional gain is set low in order to make the operation passive and reduce energy consumption. In order to increase the operation speed, the phase advance amount is set large in the middle and high range.

一方、支持脚時においては、機械的受動性よりも位置決め精度が高くなるような特性に制御する。自分自身の動作による振動外乱にロバスト性を得るため、関節の粘性抵抗を大きくする。あるいは、位置決め精度を優先させるため、比例ゲインを高く設定する。あるいは、動作速度を保持しつつ比例ゲインを上げた分の安定性を損なわないように、位相進み量を少なく設定する。   On the other hand, at the time of the support leg, control is performed so that the positioning accuracy is higher than the mechanical passivity. In order to obtain robustness against vibration disturbance caused by one's own movement, the viscous resistance of the joint is increased. Alternatively, the proportional gain is set high in order to prioritize positioning accuracy. Alternatively, the phase advance amount is set to be small so as not to impair the stability of increasing the proportional gain while maintaining the operation speed.

(6)足首部分に適用されるアクチュエータの特性
遊脚時及び着床瞬間時においては、位置決め精度よりも機械的受動性が高くなるような特性に制御する。足首部分着床による衝撃を緩和するため、関節粘性を小さく設定し、機械的受動性(コンプライアンス)を得るようにする。また、足首部分着床による衝撃を緩和するため、比例ゲインを低く設定し、機械的受動性(コンプライアンス)を得るようにする。また、動作速度を大きくとるため、中高域で位相進み量を大きく設定する。
(6) Characteristics of the actuator applied to the ankle portion Control is made so that the mechanical passivity is higher than the positioning accuracy at the time of the free leg and at the moment of landing. In order to mitigate the impact caused by the landing of the ankle part, the joint viscosity should be set small to obtain mechanical passivity (compliance). In addition, in order to mitigate the impact caused by the landing of the ankle part, the proportional gain is set low to obtain mechanical passivity (compliance). In order to increase the operation speed, the phase advance amount is set large in the middle and high range.

一方、支持脚時において、足首部分の発生トルクを大きくとり、且つ自分自身の動作による振動外乱にロバスト性を得るため、関節の粘性抵抗を大きくとる。また、足首部分の位置決め精度を向上させるため、比例ゲインを高く設定する。また、動作速度を保持しつつ、比例ゲインを上げた分の安定性を損なわないように位相進み量を少なく設定する。   On the other hand, at the time of the supporting leg, the joint resistance resistance is increased in order to increase the torque generated at the ankle portion and to obtain robustness against vibration disturbance caused by the movement of itself. Further, in order to improve the positioning accuracy of the ankle portion, the proportional gain is set high. Further, the phase advance amount is set to be small so as not to impair the stability of the increased proportional gain while maintaining the operation speed.

E.歩行動作時におけるロボットの関節各部位のアクチュエータ特性の配置例
上述したように、各関節アクチュエータのサーボ制御器が持つ特性並びにアクチュエータ自体の特性をそれぞれ制御することによって、以下に述べるような結果を得ることができる。
E. Example of arrangement of actuator characteristics of each part of the joint of the robot during walking motion As described above, by controlling the characteristics of the servo controller of each joint actuator and the characteristics of the actuator itself, the following results are obtained. be able to.

すなわち、図12に示したアクチュエータ特性のように、「低域ゲインを大きく」、「高い周波数領域で位相進み量を小さく」するとともに、図18Aに示したように「関節の粘性抵抗を大きく」する設定を行なうことで、高精度な位置決め制御が可能となり、姿勢の安定性が増す。一方、図13に示したアクチュエータ特性のように、「低域ゲインを小さく」、「位相進み量を大きく」するとともに、図18Bに示したように「関節の粘性抵抗を小さく」する設定を行なうことで、機械的受動性と速い応答性を持たせることができるので、着床の瞬間の衝撃力を緩和しつつ高い帯域の追従制御を行なうことができる。   That is, as in the actuator characteristics shown in FIG. 12, “increase the low frequency gain” and “decrease the phase advance amount in the high frequency region”, and “increase the joint viscous resistance” as shown in FIG. 18A. By performing the setting, high-accuracy positioning control is possible, and the stability of the posture is increased. On the other hand, the actuator characteristics shown in FIG. 13 are set to “lower the low-frequency gain” and “increase the phase advance amount” and “to reduce the joint viscous resistance” as shown in FIG. 18B. As a result, it is possible to provide mechanical passivity and quick responsiveness, so that high-band follow-up control can be performed while relaxing the impact force at the moment of landing.

例えば、遊脚に図13に示すアクチュエータ特性を適用することで、脚に機械的受動性を与えることができるので、歩行動作中に脚を振り上げたときの位置エネルギを次の振り下ろす動作時に動作補助のエネルギとして使い易くなる。これによって、エネルギ消費が少なくなり、機体駆動用のバッテリの消耗を抑えることができる。   For example, by applying the actuator characteristics shown in FIG. 13 to the free leg, it is possible to impart mechanical passivity to the leg. It becomes easy to use as auxiliary energy. As a result, energy consumption is reduced, and consumption of the battery for driving the aircraft can be suppressed.

ここで、ロボットが歩行動作を行なうときの各関節部位におけるアクチュエータの制御器並びにアクチュエータ自体の特性の配置について、図19を参照しながら説明する。   Here, the arrangement of the characteristics of the actuator controller and the actuator itself in each joint part when the robot performs a walking motion will be described with reference to FIG.

ロボットが歩行動作を行なうとき、首ピッチ軸、体幹ロール軸、体幹ピッチ軸、体幹ヨー軸、股関節ロール及びピッチ軸、並びに、支持脚側となる膝ピッチ軸や足首ロール及びピッチ軸の各関節部位において、高い位置決め精度が要求される。   When the robot performs a walking motion, the neck pitch axis, trunk roll axis, trunk pitch axis, trunk yaw axis, hip roll and pitch axis, knee pitch axis on the support leg side, ankle roll and pitch axis High positioning accuracy is required at each joint site.

したがって、これらの関節部位のアクチュエータにおいて、サーボ制御器の比例ゲインを大きくとって、系全体のゲインを大きくし、低周波数帯域までゲインを取れるようにする。また、周波数特性を図12に示すように高域で位相進み量が小さくなるようにし、高速応答性にはあまり寄与しないが安定性を保証できるようにする。また、図18Aに示すようにモータの粘性抵抗を大きくし、振動などの外乱にもロバストになるようにする。   Accordingly, in the actuators at these joint sites, the proportional gain of the servo controller is increased to increase the gain of the entire system so that the gain can be obtained up to the low frequency band. As shown in FIG. 12, the frequency characteristic is such that the amount of phase advance is reduced at a high frequency, so that stability is ensured although it does not contribute much to high-speed response. Further, as shown in FIG. 18A, the viscous resistance of the motor is increased so as to be robust against disturbances such as vibration.

一方、肩ピッチ軸、肘ピッチ軸や、歩行動作中に遊脚側となる膝ピッチ軸や足首ロール及びピッチ軸の各関節部位において、高速応答性とコンプライアンスが重要となる。   On the other hand, high-speed responsiveness and compliance are important in each joint part of the shoulder pitch axis, the elbow pitch axis, and the knee pitch axis, the ankle roll, and the pitch axis on the swing leg side during walking motion.

そこで、これらの関節部位のアクチュエータにおいて、比例ゲインを小さくして、系全体のゲインを小さくすることで、低周波数帯域のゲインを小さくし、機械的受動性(コンプライアンス)を得易くする。また、周波数特性(位相補償特性)を図13に示すように中高域で位相進み量が大きくなるようにし、高速応答性を得るようにする。また、図18Bに示すようにモータの粘性抵抗を小さくし、機械的受動性(コンプライアンス)を得易いようにする。   Therefore, by reducing the proportional gain and reducing the gain of the entire system in the actuators at these joint parts, the gain in the low frequency band is reduced, and mechanical passivity (compliance) is easily obtained. Further, as shown in FIG. 13, the frequency characteristic (phase compensation characteristic) is set so that the phase advance amount becomes large in the middle and high range so as to obtain high-speed response. In addition, as shown in FIG. 18B, the viscous resistance of the motor is reduced to facilitate obtaining mechanical passivity (compliance).

肩〜遊脚に図13に示すようなアクチュエータの制御器が持つ特性及びアクチュエータ自体の特性を適用することで、腕や脚に機械的受動性(コンプライアンス)を得ることができる。これによって、歩行動作中に脚を振り上げたときの位置エネルギを次の振り下ろす動作時に動作補助のエネルギとして使い易くなる。その結果、エネルギ消費が少なくなり、機体駆動用電源としてのバッテリの消費量も少なくなる。   By applying the characteristics of the controller of the actuator as shown in FIG. 13 and the characteristics of the actuator itself to the shoulder to the free leg, mechanical passivity (compliance) can be obtained for the arms and legs. As a result, the potential energy when the leg is swung up during the walking motion can be easily used as motion assist energy during the next swinging motion. As a result, energy consumption is reduced, and the consumption of the battery as the power source for driving the body is also reduced.

図20には、ロボットが歩行動作を行なうときの各関節部位のアクチュエータ特性を切り替えるための処理手順をフローチャートの形式で示している。   FIG. 20 shows a processing procedure for switching the actuator characteristics of each joint part when the robot performs a walking motion in the form of a flowchart.

まず、膝ピッチ軸や足首ロール及びピッチ軸の各関節部位を構成する関節部位のアクチュエータに対して、図12に示すような、低域ゲインを大きく、高い周波数領域で位相進み量を小さく、且つ図18Aに示すように関節の粘性抵抗を大きくする設定を行なう。また、肩ピッチ軸、肘ピッチ軸の各関節部位を構成する関節部位のアクチュエータに対して、図13に示すような、比例ゲインを小さくして、系全体のゲインを小さくすることで、低周波数帯域のゲインを小さくし、機械的受動性(コンプライアンス)を得易くする。また、体幹ロール軸、体幹ピッチ軸、体幹ヨー軸、股関節ロール及びピッチ軸、並びに、首第1の首ピッチ軸の各関節部位を構成する関節部位のアクチュエータに対して、図12に示すような、低域ゲインを大きく、高い周波数領域で位相進み量を小さく、図18Aに示すように関節の粘性抵抗を大きくする設定を行なう。(ステップS1)。   First, with respect to the actuators of the joint parts constituting the joint parts of the knee pitch axis, the ankle roll and the pitch axis, as shown in FIG. 12, the low-frequency gain is large, the phase advance amount is small in the high-frequency region, and As shown in FIG. 18A, setting is made to increase the viscous resistance of the joint. Further, by reducing the proportional gain and reducing the overall gain of the system as shown in FIG. 13 for the actuators of the joint parts constituting the joint parts of the shoulder pitch axis and the elbow pitch axis, the low frequency The gain of the band is reduced, and mechanical passivity (compliance) is easily obtained. FIG. 12 shows the actuators of the joint parts constituting the joint parts of the trunk roll axis, the trunk pitch axis, the trunk yaw axis, the hip joint roll and the pitch axis, and the first neck pitch axis. As shown in FIG. 18A, the low-frequency gain is increased, the phase advance amount is decreased in the high-frequency region, and the joint viscous resistance is increased as shown in FIG. 18A. (Step S1).

次いで、片脚を持ち上げる動作を実行する(ステップS2)。   Next, an operation of lifting one leg is executed (step S2).

ここで、持ち上げる方の脚の足底で受ける床反力が0になったときには(ステップS3)、支持脚は遊脚を支持して歩行動作を行なう(ステップS4)。   Here, when the floor reaction force received at the sole of the leg to be lifted becomes zero (step S3), the support leg supports the free leg and performs a walking motion (step S4).

また、遊脚側では、遊脚側の膝関節ピッチ軸並びに足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータに対して、図13に示すような、低域ゲインを小さく、位相進み量を大きく、且つ図18Bに示すように関節の粘性抵抗を小さくする設定を行なう(ステップS5)。   Further, on the free leg side, the low-frequency gain is small and the phase advance amount is large as shown in FIG. 13 with respect to the knee joint pitch axis and the ankle roll axis and pitch axis actuators on the free leg side. As shown in 18B, a setting is made to reduce the viscous resistance of the joint (step S5).

次いで、遊脚としての歩行動作を実行し(ステップS6)、さらにその着床動作を実行する(ステップS7)。   Next, a walking action as a free leg is executed (step S6), and further, the landing action is executed (step S7).

ここで、足底で検知する床反力の値が両脚支持期の値の近傍になったとき(ステップS8)、遊脚の着床動作を完了する(ステップS9)。   Here, when the value of the floor reaction force detected at the sole becomes close to the value of the both-leg support period (step S8), the landing operation of the free leg is completed (step S9).

そして、遊脚側の膝関節ピッチ軸並びに足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータに対して、図12に示すような、低域ゲインを大きく、高い周波数領域で位相進み量を小さく、且つ図18Aに示すように関節の粘性抵抗を大きくする設定を行なう(ステップS10)。   Then, with respect to the knee joint pitch axis on the free leg side and the ankle roll axis and pitch axis actuators, as shown in FIG. 12, the low-frequency gain is large, the phase advance amount is small in the high-frequency region, and FIG. As shown in FIG. 8, the setting is made to increase the viscous resistance of the joint (step S10).

歩行動作をこのまま継続する場合には(ステップS11)、遊脚を支持脚に、支持脚を遊脚に切り替え(ステップS12)、ステップS2に戻り、上記と同様の処理を繰り返し実行する。   When the walking motion is continued as it is (step S11), the free leg is switched to the support leg and the support leg is switched to the free leg (step S12), the process returns to step S2, and the same processing as described above is repeatedly executed.

一方、歩行動作をこれで終了する場合には(ステップS11)、本処理ルーチン全体を終了する。   On the other hand, when the walking motion is finished (step S11), the entire processing routine is finished.

脚式移動ロボットの機体は、略平行な関節自由度を持つ複数の関節軸を長さ方向に連結した多リンク構造体で構成されるが、歩行動作の途上では、この多リンク構造体の着床部位と床面がなすリンク状態が開リンク状態と閉リンク状態との間で切り替わる。図21には、立ち姿勢時において、両脚支持により両脚と床面とで閉リンク系を構成している様子を示している。また、図22には、立ち姿勢時において、単脚支持により両脚と床面で開リンクを構成している様子を示している。   The body of a legged mobile robot is composed of a multi-link structure in which a plurality of joint axes having approximately parallel joint degrees of freedom are connected in the length direction. The link state formed by the floor portion and the floor surface is switched between the open link state and the closed link state. FIG. 21 shows a state in which a closed link system is constituted by both legs and the floor surface by supporting both legs in the standing posture. FIG. 22 shows a state in which an open link is constituted by both legs and the floor surface by supporting a single leg in a standing posture.

本実施形態では、歩行動作の段階毎に、リンク状態の切り替わりに応じて、該当する関節アクチュエータの特性を、硬い関節特性、柔らかい関節特性、その中間の関節特性に適宜切り替えることにより、適応的な転倒動作を実現する。ここで、硬い関節特性は、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図12に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくするとともに、モータの粘性を図18Aに示すモータ特性の最大値に設定することと定義する。また、中間の関節特性は、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図13に示したように低域で低ゲインで且つ高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図18Aに示すモータ特性の最大値に設定することと定義する。また、柔らかい関節特性は、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図13に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図18Bに示すモータ特性の最大値の3分の1に設定することと定義する。 In this embodiment, at each stage of the walking motion, according to the switching of the link state, the characteristic of the corresponding joint actuator is appropriately switched to a hard joint characteristic, a soft joint characteristic, and an intermediate joint characteristic, thereby being adaptive. Achieves a falling motion. Here, a hard joint characteristics, as well as reduce the amount of phase lead in and high range servo characteristics of the actuator motor with high gain over the entire band, as shown in FIG. 12, a motor characteristic indicating the viscosity of the motor in FIG. 18A It is defined as setting to the maximum value of. Further, the joint characteristics of the intermediate indicates the servo characteristics of the actuator motor with a larger amount of phase lead in and middle high frequency with low gain in the low range, as shown in FIG. 13, the viscosity of the motor in FIG. 18A motor It is defined as setting to the maximum value of the characteristic. As shown in FIG. 13, the soft joint characteristics are such that the servo characteristics of the actuator and the motor are low gain, low gain, and the phase advance amount is high in the middle and high ranges, and the motor viscosity is shown in FIG. 18B. It is defined as setting to 1/3 of the maximum value.

図23〜図28には、ロボットが歩行動作を行なう様子を示している。各図に示す例では、A〜Fの6段階に分けて動作状況を捉えることができる。   23 to 28 show how the robot performs a walking motion. In the example shown in each figure, an operation state can be grasped by dividing into 6 stages of A to F.

(A)両脚支持期
両脚支持の状態では、下肢と床面で閉リンク系を構成している(図23を参照のこと)。自身の関節角度情報、足底の力センサ(又は接触センサ)、姿勢センサを用いて、自身の姿勢と接地状態と運動状態(各軸の速度・加速度)から両脚支持を確認することができる。
(A) Both-legs support period In the both-legs support state, the lower limbs and the floor form a closed link system (see FIG. 23). By using own joint angle information, sole force sensor (or contact sensor), and posture sensor, it is possible to confirm both-leg support from its own posture, ground contact state, and motion state (speed / acceleration of each axis).

このとき、左右両脚部のすべての関節部位のアクチュエータを、中間の関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図13に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図18Aに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、左右の支持脚は高速応答が可能になるとともに、硬い特性以上且つ柔らかい特性以下のコンプライアンスを得る。   At this time, the actuators of all the joint parts of the left and right legs are set to the intermediate joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator / motor, as shown in FIG. While increasing the viscosity, the motor viscosity is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 18A. As a result, the left and right support legs are capable of high-speed response, and obtain a compliance that is higher than hard characteristics and lower than soft characteristics.

また、左右の肩ピッチや肘ピッチ、その他の関節部位は、硬い関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図12に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくするとともに、モータの粘性を図18Aに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになる。   Also, the left and right shoulder pitches, elbow pitches, and other joint parts have hard joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator and motor, as shown in FIG. While decreasing, the viscosity of the motor is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 18A. As a result, the positioning accuracy is prioritized over the compliance, and it is robust against disturbances such as vibration.

(B)離床瞬間
例えば、左足が前方に踏み込んだ両脚支持に続いて、後方の右足で地面を蹴り上げて、右脚が離床を開始する。自身の関節角度情報、足底の力センサ(又は接触センサ)、姿勢センサを用いて、自身の姿勢と接地状態と運動状態(各軸の速度・加速度)から離床瞬間を確認することができる。この状態では、機体(脚・体幹・腕部)と床面で開リンク系を構成している(図24を参照のこと)。
(B) Moment of getting off For example, following the support of both legs with the left foot stepping forward, the right leg kicks up the ground with the right rear foot, and the right leg starts to leave the floor. By using own joint angle information, plantar force sensor (or contact sensor), and posture sensor, it is possible to confirm the moment of getting out of bed from its own posture, ground contact state, and motion state (speed / acceleration of each axis). In this state, the airframe (leg, trunk, arm) and the floor form an open link system (see FIG. 24).

このとき、左右両脚部のすべての関節部位のアクチュエータを、中間の関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図13に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図18Aに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、支持脚は高速応答が可能になるとともに、硬い特性以上且つ柔らかい特性以下のコンプライアンスを得る。   At this time, the actuators of all the joint parts of the left and right legs are set to the intermediate joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator / motor, as shown in FIG. While increasing the viscosity, the motor viscosity is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 18A. As a result, the support legs can respond at a high speed, and obtain a compliance that is higher than hard characteristics and lower than soft characteristics.

また、左右の肩ピッチや肘ピッチ、その他の関節部位は、硬い関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図12に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくするとともに、モータの粘性を図18Aに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになる。   Also, the left and right shoulder pitches, elbow pitches, and other joint parts have hard joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator and motor, as shown in FIG. While decreasing, the viscosity of the motor is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 18A. As a result, the positioning accuracy is prioritized over the compliance, and it is robust against disturbances such as vibration.

(C)単脚支持期(持ち上げ時)
後方の脚の離床に続いて、これを持ち上げるという単脚支持期の前半の動作を行なう。自身の関節角度情報、足底の力センサ(又は接触センサ)、姿勢センサを用いて自身の姿勢と接地状態と運動状態(各軸の速度・加速度)で、単脚支持期に移行したことを確認することができる。この状態では、機体(脚・体幹・腕部)と床面で開リンク系を構成している(図25を参照のこと)。
(C) Single leg support period (when lifting)
Following the removal of the rear leg, the first half of the single leg support period of lifting it is performed. Using the joint angle information, sole force sensor (or contact sensor), and posture sensor, the posture, ground contact state, and motion state (speed / acceleration of each axis), and the transition to the single leg support period Can be confirmed. In this state, the airframe (leg, trunk, arm) and the floor form an open link system (see FIG. 25).

支持脚となる左脚のすべての関節アクチュエータを硬いアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図12に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくするとともに、モータの粘性を図18Aに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになり、機体を支持することが可能となる。   As shown in FIG. 12, the hard joint characteristics of all joint actuators of the left leg, which is the support leg, that is, the servo characteristics of the actuator and motor are high gain in all bands and the phase advance amount in high bands is reduced. The viscosity of the motor is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 18A. As a result, the positioning accuracy is prioritized and it is robust against disturbances such as vibrations, and the airframe can be supported.

また、遊脚となる右脚の腿ロール及び腿ピッチも硬いアクチュエータ特性にし、遊脚の持ち上げ動作を実行可能にする。   Also, the thigh roll and thigh pitch of the right leg, which is the free leg, are made to have a hard actuator characteristic, and the lifting operation of the free leg can be executed.

また、左右の肩ピッチ、肘ピッチなどの上肢の各関節アクチュエータを柔らかいアクチュエータ特性、すなわち、柔らかい関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図13に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図18Bに示すモータ特性の最大値の3分の1に設定し、コンプライアンスを与えるとともに、高速応答性を増して姿勢安定化のための協調動作を可能にしつつ、腕振り動作時に位置エネルギーや運動エネルギーを利用し易くする。   Further, each joint actuator of the upper limbs such as the left and right shoulder pitches and elbow pitches has soft actuator characteristics, that is, soft joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator / motor as shown in FIG. In addition to increasing the phase advance amount in the mid-high range, the motor viscosity is set to one third of the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 18B to provide compliance and increase high-speed response to stabilize posture. While enabling the cooperative operation, the position energy and the kinetic energy are easily used during the arm swinging operation.

また、遊脚である右脚の足首ロール及び足首ピッチの各アクチュエータも柔らかいアクチュエータ特性にし、着床時の衝撃に備える。   In addition, the ankle roll and ankle pitch actuators of the right leg, which is a free leg, also have soft actuator characteristics to prepare for impact when landing.

また、その他の関節部位は、硬い関節特性に設定し、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストにする。   In addition, the other joint parts are set to have hard joint characteristics, and positioning accuracy is given priority over compliance, and robustness against disturbances such as vibration is also made.

(D)単脚支持期(振り下ろし時)
後方の脚を持ち上げる単脚支持の前期に続いて、持ち上げた足を前方に振り出しさらにこれを振り下ろすという単脚支持期の後半の動作を行なう。自身の関節角度情報、足底の力センサ(又は接触センサ)、姿勢センサを用いて自身の姿勢と接地状態と運動状態(各軸の速度・加速度)で、単脚支持の後半に移行したことを確認することができる。この状態では、機体(脚・体幹・腕部)と床面で開リンク系を構成している(図26を参照のこと)。
(D) Single leg support period (when swinging down)
Following the first period of single leg support for lifting the rear leg, the latter part of the single leg support period is performed by swinging the lifted leg forward and swinging it down. Transition to the second half of single-leg support using own joint angle information, plantar force sensor (or contact sensor), posture sensor with own posture, ground contact state and motion state (speed / acceleration of each axis) Can be confirmed. In this state, the airframe (leg, trunk, arm) and the floor form an open link system (see FIG. 26).

支持脚となる左脚のすべての関節アクチュエータを硬いアクチュエータ特性に維持し、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図12に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくするとともに、モータの粘性を図18Aに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになり、機体を支持することが可能となる。   Maintain all the joint actuators of the left leg, which is the support leg, with hard actuator characteristics, and the servo characteristics of the actuator / motor with high gain in all bands and a small phase advance amount in the high band as shown in FIG. The viscosity of the motor is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 18A. As a result, the positioning accuracy is prioritized and it is robust against disturbances such as vibrations, and the airframe can be supported.

また、遊脚となる右脚の腿ロール及び腿ピッチも硬いアクチュエータ特性にし、遊脚の振り下ろし動作を実行可能にする。   In addition, the thigh roll and thigh pitch of the right leg, which is the free leg, also have a hard actuator characteristic, and the swing-down operation of the free leg can be executed.

また、遊脚となる右脚の膝ピッチ、足首ロール、足首ピッチなど着床にかかわる各関節アクチュエータを柔らかいアクチュエータ特性に設定する。すなわち、柔らかい関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図13に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図18Bに示すモータ特性の最大値の3分の1に設定し、コンプライアンスを与え、着床時の衝撃に備える。   In addition, the joint actuators related to landing such as knee pitch, ankle roll, and ankle pitch of the right leg as a free leg are set to soft actuator characteristics. That is, the soft joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator / motor, as shown in FIG. 13, the low gain is low and the phase advance amount in the middle / high range is increased, and the motor viscosity is shown in FIG. 18B. Set to one-third of the maximum value of to give compliance and prepare for impact when landing.

また、左右の肩ピッチ、肘ピッチなどの上肢の各関節アクチュエータを柔らかいアクチュエータ特性、すなわち、柔らかい関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図13に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図18Bに示すモータ特性の最大値の3分の1に設定し、コンプライアンスを与えるとともに、高速応答性を増して姿勢安定化のための協調動作を可能にしつつ、腕振り動作時に位置エネルギーや運動エネルギーを利用し易くする。   Further, each joint actuator of the upper limbs such as the left and right shoulder pitches and elbow pitches has soft actuator characteristics, that is, soft joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator / motor as shown in FIG. In addition to increasing the phase advance amount in the mid-high range, the motor viscosity is set to one third of the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 18B to provide compliance and increase high-speed response to stabilize posture. While enabling the cooperative operation, the position energy and the kinetic energy are easily used during the arm swinging operation.

また、その他の関節部位は、硬い関節特性に設定し、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストにする。   In addition, the other joint parts are set to have hard joint characteristics, and positioning accuracy is given priority over compliance, and robustness against disturbances such as vibration is also made.

(E)着床瞬間
単脚支持に続いて、振り下ろした遊脚が床面に着床する。自身の関節角度情報、足底の力センサ(又は接触センサ)、姿勢センサを用いて自身の姿勢と接地状態と運動状態(各軸の速度・加速度)で、着床瞬間を確認することができる。下肢が床面に対して閉リンク系を構成する(図27を参照のこと)。
(E) Immediate landing Following support for a single leg, the swinging swinging leg will land on the floor. You can check the moment of landing using your own joint angle information, plantar force sensor (or contact sensor), and posture sensor based on your posture, ground contact and motion (speed / acceleration of each axis). . The lower limb constitutes a closed link system with respect to the floor (see FIG. 27).

支持脚である左脚のすべての関節アクチュエータを硬いアクチュエータ特性に維持し、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図12に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくするとともに、モータの粘性を図18Aに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになり、機体を支持することが可能となる。   All joint actuators of the left leg, which is the support leg, are maintained in the hard actuator characteristics, and the servo characteristics of the actuator / motor are high in all bands as shown in FIG. The viscosity of the motor is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 18A. As a result, the positioning accuracy is prioritized and it is robust against disturbances such as vibrations, and the airframe can be supported.

また、遊脚となる右脚の腿ロール及び腿ピッチも硬いアクチュエータ特性にし、遊脚の着床動作を実行可能にする。   In addition, the thigh roll and thigh pitch of the right leg, which is the free leg, are also set to have a hard actuator characteristic, so that the landing action of the free leg can be executed.

また、遊脚となる右脚の膝ピッチ、足首ロール、足首ピッチなど着床にかかわる各関節アクチュエータを柔らかいアクチュエータ特性に設定する。すなわち、柔らかい関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図13に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図18Bに示すモータ特性の最大値の3分の1に設定し、コンプライアンスを与え、着床時の衝撃を吸収する。   In addition, the joint actuators related to landing such as knee pitch, ankle roll, and ankle pitch of the right leg as a free leg are set to soft actuator characteristics. That is, the soft joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator / motor, as shown in FIG. 13, the low gain is low and the phase advance amount in the middle / high range is increased, and the motor viscosity is shown in FIG. 18B. Set to one third of the maximum value of, giving compliance and absorbing impact when landing.

また、左右の肩ピッチ、肘ピッチなどの上肢の各関節アクチュエータを柔らかいアクチュエータ特性、すなわち、柔らかい関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図13に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図18Bに示すモータ特性の最大値の3分の1に設定し、コンプライアンスを与えるとともに、高速応答性を増して姿勢安定化のための協調動作を可能にしつつ、腕振り動作時に位置エネルギーや運動エネルギーを利用し易くする。   Further, each joint actuator of the upper limbs such as the left and right shoulder pitches and elbow pitches has soft actuator characteristics, that is, soft joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator / motor as shown in FIG. In addition to increasing the phase advance amount in the mid-high range, the motor viscosity is set to one third of the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 18B to provide compliance and increase high-speed response to stabilize posture. While enabling the cooperative operation, the position energy and the kinetic energy are easily used during the arm swinging operation.

また、その他の関節部位は、硬い関節特性に設定し、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストにする。   In addition, the other joint parts are set to have hard joint characteristics, and positioning accuracy is given priority over compliance, and robustness against disturbances such as vibration is also made.

(F)両脚支持
遊脚が着床すると、左右の脚が入れ替わった状態で、両脚支持期に戻る。この状態では、下肢と床面で閉リンク系を構成している(図28を参照のこと)。自身の関節角度情報、足底の力センサ(又は接触センサ)、姿勢センサを用いて、自身の姿勢と接地状態と運動状態(各軸の速度・加速度)から両脚支持を確認することができる。
(F) Support for both legs When the free leg is landed, it returns to the support period for both legs with the left and right legs interchanged. In this state, a closed link system is constituted by the lower limbs and the floor (see FIG. 28). By using own joint angle information, sole force sensor (or contact sensor), and posture sensor, it is possible to confirm both-leg support from its own posture, ground contact state, and motion state (speed / acceleration of each axis).

このとき、左右両脚部のすべての関節部位のアクチュエータを、中間の関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図13に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図18Aに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、支持脚は高速応答が可能になるとともに、硬い特性以上且つ柔らかい特性以下のコンプライアンスを得る。   At this time, the actuators of all the joint parts of the left and right legs are set to the intermediate joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator / motor, as shown in FIG. While increasing the viscosity, the motor viscosity is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 18A. As a result, the support legs can respond at a high speed, and obtain a compliance that is higher than hard characteristics and lower than soft characteristics.

また、左右の肩ピッチや肘ピッチ、その他の関節部位は、硬い関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図12に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくするとともに、モータの粘性を図18Aに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになる。   Also, the left and right shoulder pitches, elbow pitches, and other joint parts have hard joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator and motor, as shown in FIG. While decreasing, the viscosity of the motor is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 18A. As a result, the positioning accuracy is prioritized over the compliance, and it is robust against disturbances such as vibration.

歩行動作を継続する場合には、(A)〜(F)の姿勢を繰り返し実行する。   When the walking motion is continued, the postures (A) to (F) are repeatedly executed.

F.階段昇降時におけるロボットの関節各部位のアクチュエータ特性の配置例
この項では、階段昇降時におけるロボットの各関節部位のアクチュエータ特性の制御方法について説明する。
F. Example of Arrangement of Actuator Characteristic of Each Part of Robot Joint at Stair Ascending / Lowering In this section, a method for controlling the actuator characteristic of each joint part of robot at the time of stair ascending / descending will be described.

脚式移動ロボットの機体は、略平行な関節自由度を持つ複数の関節軸を長さ方向に連結した多リンク構造体で構成されるが、階段昇降動作の途上では、この多リンク構造体の着床部位と床面がなすリンク状態が開リンク状態と閉リンク状態との間で切り替わる。   The body of the legged mobile robot is composed of a multi-link structure in which a plurality of joint axes having approximately parallel joint degrees of freedom are connected in the length direction. The link state between the landing site and the floor surface is switched between the open link state and the closed link state.

本実施形態では、階段昇降動作の段階毎に、リンク状態の切り替わりに応じて、各関節を駆動するためのアクチュエータを、硬い関節特性、柔らかい関節特性、その中間の関節特性に適宜切り替えることにより、適応的な転倒動作を実現する。   In this embodiment, for each stage of the stair climbing operation, according to the switching of the link state, the actuator for driving each joint is appropriately switched to a hard joint characteristic, a soft joint characteristic, and an intermediate joint characteristic, Realizes adaptive tipping action.

F−1.階段を昇る動作
まず、ロボットが階段を昇る動作を行なうときの各関節部位におけるアクチュエータの制御器及びアクチュエータ自体の特性の配置について、図29〜図34を参照しながら説明する。各図に示す例では、A〜Fの6段階に分けて動作状況を捉えることができる。
F-1. Operation climb stairs First, the arrangement of the controller and the actuator itself characteristics of the actuator at each joint portion when performing an operation of the robot climbing stairs, will be described with reference to FIGS. 29 to 34. In the example shown in each figure, an operation state can be grasped by dividing into 6 stages of A to F.

(A)両脚支持期
両脚支持の状態では、下肢と床面で閉リンク系を構成している(図29を参照のこと)。自身の関節角度情報、足底の力センサ(又は接触センサ)、姿勢センサを用いて、自身の姿勢と接地状態と運動状態(各軸の速度・加速度)から両脚支持を確認することができる。
(A) Both-leg support period In the both-leg support state, the lower limb and the floor form a closed link system (see FIG. 29). By using own joint angle information, sole force sensor (or contact sensor), and posture sensor, it is possible to confirm both-leg support from its own posture, ground contact state, and motion state (speed / acceleration of each axis).

このとき、左右両脚部のすべての関節部位のアクチュエータを、中間の関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図13に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図18Aに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、左右の支持脚は高速応答が可能になるとともに、硬い特性以上且つ柔らかい特性以下のコンプライアンスを得る。   At this time, the actuators of all the joint parts of the left and right legs are set to the intermediate joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator / motor, as shown in FIG. While increasing the viscosity, the motor viscosity is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 18A. As a result, the left and right support legs are capable of high-speed response, and obtain a compliance that is higher than hard characteristics and lower than soft characteristics.

また、その他の関節部位は、硬い関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図12に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくするとともに、モータの粘性を図18Aに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになる。   The other joint parts have hard joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator / motor, as shown in FIG. The maximum value of the motor characteristic shown in FIG. 18A is set. As a result, the positioning accuracy is prioritized over the compliance, and it is robust against disturbances such as vibration.

(B)離床瞬間
例えば、右足が一段上に踏み込んだ両脚支持に続いて、後方の左脚が一段下から離床を開始する。自身の関節角度情報、足底の力センサ(又は接触センサ)、姿勢センサを用いて、自身の姿勢と接地状態と運動状態(各軸の速度・加速度)から離床瞬間を確認することができる。この状態では、機体全体で閉リンク系から開リンク系へ移行し、機体(脚・体幹・腕部)と床面で開リンク系を構成している(図30を参照のこと)。
(B) The moment of getting off For example, following the support of both legs with the right foot stepped up one step, the rear left leg starts getting out of the step from one step below. By using own joint angle information, plantar force sensor (or contact sensor), and posture sensor, it is possible to confirm the moment of getting out of bed from its own posture, ground contact state, and motion state (speed / acceleration of each axis). In this state, the entire airframe moves from the closed link system to the open link system, and the airframe (leg, trunk, and arm) and the floor surface constitute the open link system (see FIG. 30).

このとき、左右両脚部のすべての関節部位のアクチュエータを、中間の関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図13に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図18Aに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、左右の支持脚は高速応答が可能になるとともに、硬い特性以上且つ柔らかい特性以下のコンプライアンスを得る。   At this time, the actuators of all the joint parts of the left and right legs are set to the intermediate joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator / motor, as shown in FIG. While increasing the viscosity, the motor viscosity is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 18A. As a result, the left and right support legs are capable of high-speed response, and obtain a compliance that is higher than hard characteristics and lower than soft characteristics.

また、その他の関節部位は、硬い関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図12に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくするとともに、モータの粘性を図18Aに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになる。   The other joint parts have hard joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator / motor, as shown in FIG. The maximum value of the motor characteristic shown in FIG. 18A is set. As a result, the positioning accuracy is prioritized over the compliance, and it is robust against disturbances such as vibration.

(C)単脚支持期(持ち上げ時)
後方の左脚の離床に続いて、これを持ち上げるという単脚支持期の前半の動作を行なう。自身の関節角度情報、足底の力センサ(又は接触センサ)、姿勢センサを用いて自身の姿勢と接地状態と運動状態(各軸の速度・加速度)で、単脚支持期に移行したことを確認することができる。この状態では、機体(脚・体幹・腕部)と床面で開リンク系を構成している(図31を参照のこと)。
(C) Single leg support period (when lifting)
Following the flooring of the rear left leg, the first half of the single leg support period is lifted. Using the joint angle information, sole force sensor (or contact sensor), and posture sensor, the posture, ground contact state, and motion state (speed / acceleration of each axis), and the transition to the single leg support period Can be confirmed. In this state, the airframe (leg, trunk, arm) and the floor form an open link system (see FIG. 31).

支持脚となる右脚のすべての関節アクチュエータと遊脚となる左脚の腿ロールを硬いアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図12に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくするとともに、モータの粘性を図18Aに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになり、機体を支持することが可能となる。   As shown in FIG. 12, all the joint actuators of the right leg that is the support leg and the thigh roll of the left leg that is the free leg are hard actuator characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator motor are high gain and high in all bands. The phase advance amount in the region is reduced, and the viscosity of the motor is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 18A. As a result, the positioning accuracy is prioritized and it is robust against disturbances such as vibrations, and the airframe can be supported.

また、遊脚となる左脚の腿ピッチ、膝ピッチを中間のアクチュエータ特性に維持し、遊脚の持ち上げ動作を実行可能にする。   Further, the thigh pitch and knee pitch of the left leg, which is the free leg, are maintained at intermediate actuator characteristics, and the free leg lifting operation can be executed.

また、遊脚である左脚の足首ロール及び足首ピッチの各アクチュエータを柔らかいアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図13に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図18Bに示すモータ特性の最大値の3分の1に設定し、コンプライアンスを与えるとともに、高速応答性を増して、着床時の衝撃に備える。   In addition, each of the left leg ankle roll and ankle pitch actuator, which is a free leg, has soft actuator characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator motor, as shown in FIG. While increasing the amount, the viscosity of the motor is set to one third of the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 18B to provide compliance and increase high-speed response to prepare for impact at landing.

また、その他の関節部位は、硬い関節特性に設定し、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストにする。   In addition, the other joint parts are set to have hard joint characteristics, and positioning accuracy is given priority over compliance, and robustness against disturbances such as vibration is also made.

(D)単脚支持期(振り下ろし時)
後方の左脚を持ち上げる単脚支持の前期に続いて、持ち上げた左足を振り出しさらに一段上に降ろすという単脚支持期の後半の動作を行なう。自身の関節角度情報、足底の力センサ(又は接触センサ)、姿勢センサを用いて自身の姿勢と接地状態と運動状態(各軸の速度・加速度)で、単脚支持の後半に移行したことを確認することができる。この状態では、機体(脚・体幹・腕部)と床面で開リンク系を構成している機体(脚・体幹・腕部)と床面で開リンク系を構成している(図32を参照のこと)。
(D) Single leg support period (when swinging down)
Following the first half of the single leg support that lifts the rear left leg, the second leg operation of the single leg support stage is performed in which the lifted left foot is swung out and lowered one step further. Transition to the second half of single-leg support using own joint angle information, plantar force sensor (or contact sensor), posture sensor with own posture, ground contact state and motion state (speed / acceleration of each axis) Can be confirmed. In this state, the open link system is composed of the aircraft (legs, trunk, arms) and the floor, and the fuselage (legs, trunk, arms) and the floor (Fig. 32).

支持脚となる右脚のすべての関節アクチュエータと遊脚となる左脚の腿ロールを硬いアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図12に示したように全帯域で高ゲインで且つ中高域における位相進み量を小さく、モータの粘性を図18Aに示すモータ特性の最大値に維持する。この結果、位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになり、機体を支持することが可能となる。   All joint actuators of the right leg that is the support leg and the thigh roll of the left leg that is the free leg are hard actuator characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator motor are high gain and medium high in all bands as shown in FIG. The phase advance amount in the region is small, and the viscosity of the motor is maintained at the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 18A. As a result, the positioning accuracy is prioritized and it is robust against disturbances such as vibrations, and the airframe can be supported.

また、遊脚となる左脚の腿ピッチを中間のアクチュエータ特性に維持し、遊脚の振り下ろし動作を実行可能にする。   Further, the thigh pitch of the left leg as a free leg is maintained at an intermediate actuator characteristic, and the swing-down operation of the free leg can be executed.

また、遊脚である左脚の膝ピッチ、足首ロール及び足首ピッチの各アクチュエータを柔らかいアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図13に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図18Bに示すモータ特性の最大値の3分の1に設定し、コンプライアンスを与えるとともに、高速応答性を増して、着床時の衝撃に備える。   Further, the actuators of the knee leg, ankle roll, and ankle pitch of the left leg, which is a free leg, have soft actuator characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator / motor, as shown in FIG. In addition to increasing the amount of phase advance in the motor, the motor viscosity is set to one third of the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 18B to provide compliance and increase high-speed response to prepare for impact at landing. .

また、その他の関節部位は、硬い関節特性に設定し、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストにする。   In addition, the other joint parts are set to have hard joint characteristics, and positioning accuracy is given priority over compliance, and robustness against disturbances such as vibration is also made.

(E)着床瞬間
単脚支持に続いて、振り下ろした遊脚が一段上の床面に着床する。自身の関節角度情報、足底の力センサ(又は接触センサ)、姿勢センサを用いて自身の姿勢と接地状態と運動状態(各軸の速度・加速度)で、着床瞬間を確認することができる。下肢が床面に対して閉リンク系を構成する(図33を参照のこと)。
(E) Immediate landing Following the support of a single leg, the swinging-down free leg lands on the upper floor. You can check the moment of landing using your own joint angle information, plantar force sensor (or contact sensor), and posture sensor based on your posture, ground contact and motion (speed / acceleration of each axis). . The lower limb constitutes a closed link system with respect to the floor (see FIG. 33).

支持脚となる右脚のすべての関節アクチュエータを硬いアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図12に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さく、モータの粘性を図18Aに示すモータ特性の最大値に維持する。この結果、位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになり、機体を支持することが可能となる。   As shown in FIG. 12, all the joint actuators of the right leg as the support leg have hard actuator characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator and motor. As shown in FIG. The viscosity is maintained at the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 18A. As a result, the positioning accuracy is prioritized and it is robust against disturbances such as vibrations, and the airframe can be supported.

また、遊脚となる左脚の腿ロール及び腿ピッチを中間のアクチュエータ特性に維持し、遊脚の振り下ろし動作を実行可能にする。   Further, the thigh roll and thigh pitch of the left leg, which is the free leg, are maintained at intermediate actuator characteristics, and the swing-down operation of the free leg can be executed.

また、遊脚である左脚の膝ピッチ、足首ロール及び足首ピッチの各アクチュエータを柔らかいアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図13に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きく、モータの粘性を図18Bに示すモータ特性の最大値の3分の1に維持し、コンプライアンスを与えるとともに、高速応答性を増して、着床時の衝撃を吸収する。   Further, the actuators of the knee leg, ankle roll, and ankle pitch of the left leg, which is a free leg, have soft actuator characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator / motor, as shown in FIG. The phase advance amount is increased, the motor viscosity is maintained at one-third of the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 18B, compliance is given, high-speed response is increased, and impact during landing is absorbed.

また、その他の関節部位は、硬い関節特性に設定し、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストにする。   In addition, the other joint parts are set to have hard joint characteristics, and positioning accuracy is given priority over compliance, and robustness against disturbances such as vibration is also made.

(F)両脚支持
遊脚が着床すると、左右の脚が入れ替わった状態で、両脚支持期に戻る。この状態では、下肢と床面で閉リンク系を構成している(図34を参照のこと)。自身の関節角度情報、足底の力センサ(又は接触センサ)、姿勢センサを用いて、自身の姿勢と接地状態と運動状態(各軸の速度・加速度)から両脚支持を確認することができる。
(F) Support for both legs When the free leg is landed, it returns to the support period for both legs with the left and right legs interchanged. In this state, a closed link system is configured by the lower limbs and the floor (see FIG. 34). By using own joint angle information, sole force sensor (or contact sensor), and posture sensor, it is possible to confirm both-leg support from its own posture, ground contact state, and motion state (speed / acceleration of each axis).

このとき、左右両脚部のすべての関節部位のアクチュエータを、中間の関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図13に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図18Aに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、支持脚は高速応答が可能になるとともに、コンプライアンスを得る。また、モータの粘性が高くなる。   At this time, the actuators of all the joint parts of the left and right legs are set to the intermediate joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator / motor, as shown in FIG. While increasing the viscosity, the motor viscosity is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 18A. As a result, the support leg can respond at high speed and obtain compliance. In addition, the viscosity of the motor increases.

また、その他の関節部位は、硬い関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図12に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくするとともに、モータの粘性を図18Aに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになる。   The other joint parts have hard joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator / motor, as shown in FIG. The maximum value of the motor characteristic shown in FIG. 18A is set. As a result, the positioning accuracy is prioritized over the compliance, and it is robust against disturbances such as vibration.

階段を昇る動作を継続する場合には、(A)〜(F)の姿勢を繰り返し実行する。   When continuing the operation of ascending the stairs, the postures (A) to (F) are repeatedly executed.

図35には、階段を昇るときのロボットの各関節部位のアクチュエータ特性を切り替えるための処理手順をフローチャートの形式で示している。   FIG. 35 shows a processing procedure for switching the actuator characteristics of each joint part of the robot when going up the stairs in the form of a flowchart.

まず、機体を構成するすべての関節部位のアクチュエータに対して、図12に示すような、低域ゲインを大きく、高い周波数領域で位相進み量を小さくするとともに、図18Aに示すように関節の粘性抵抗を大きくする設定を行なう(ステップS21)。   First, with respect to the actuators of all joint parts constituting the airframe, the low gain as shown in FIG. 12 is increased, the phase advance amount is reduced in the high frequency region, and the joint viscosity is shown as shown in FIG. 18A. Setting is made to increase the resistance (step S21).

次いで、片脚を持ち上げる動作を実行する(ステップS22)。   Next, an operation of lifting one leg is executed (step S22).

ここで、持ち上げる方の脚の足底で受ける床反力が0になったときには(ステップS23)、支持脚は遊脚を支持する動作を行なう(ステップS24)。   Here, when the floor reaction force received at the sole of the leg to be lifted becomes zero (step S23), the support leg performs an operation of supporting the free leg (step S24).

また、遊脚側では、遊脚側の膝関節ピッチ軸並びに足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータに対して、図13に示すような、低域ゲインを小さく、中高域の位相進み量を大きくするとともに、図18Bに示すように関節の粘性抵抗を小さくする設定を行なう(ステップS25)。   On the free leg side, the low-frequency gain is small and the phase advance amount in the mid-high frequency is large, as shown in FIG. 13, for the knee joint pitch axis and the ankle roll axis and pitch axis actuators on the free leg side. At the same time, as shown in FIG. 18B, a setting is made to reduce the viscous resistance of the joint (step S25).

次いで、遊脚を一段上の階段の床面へ進める動作を実行し(ステップS26)、さらにその着床動作を実行する(ステップS27)。   Next, an operation of advancing the free leg to the floor of the stairs one step above is executed (step S26), and further, the landing operation is executed (step S27).

ここで、足底で検知する床反力の値と方向が両脚支持期の値の近傍になったとき(ステップS28)、遊脚の着床動作を完了する(ステップS29)。そして、遊脚側の膝関節ピッチ軸並びに足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータに対して、図12に示すような、低域ゲインを大きく、高い周波数領域で位相進み量を小さくするとともに、図18Aに示すように関節の粘性抵抗を大きくする設定を行なう(ステップS30)。   Here, when the value and direction of the floor reaction force detected at the sole of the foot are in the vicinity of the value of the both-leg support period (step S28), the landing operation of the free leg is completed (step S29). Then, with respect to the knee joint pitch axis on the free leg side and the actuators of the ankle roll axis and the pitch axis, as shown in FIG. 12, the low-frequency gain is increased and the phase advance amount is decreased in the high-frequency region. As shown in 18A, a setting is made to increase the viscous resistance of the joint (step S30).

階段を昇る動作をこのまま継続する場合には(ステップS31)、遊脚を支持脚に、支持脚を遊脚に切り替え(ステップS32)、ステップS22に戻り、上記と同様の処理を繰り返し実行する。   When the operation of climbing the stairs is continued as it is (step S31), the free leg is switched to the support leg, the support leg is switched to the free leg (step S32), the process returns to step S22, and the same processing as described above is repeatedly executed.

一方、階段を昇る動作をこれで終了する場合には(ステップS31)、支持脚だった足が遊脚となり、一段上の階段床面に進める(ステップS33)。このとき、遊脚だった脚の足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータに対して、図12に示すような、低域ゲインを大きく、高い周波数領域で位相進み量を小さくするとともに、図18Aに示すように関節の粘性抵抗を大きくする設定を行なう。そして、遊脚だった脚は支持脚となり、遊脚を支持する動作を行なう。   On the other hand, when the operation of ascending the stairs is completed (step S31), the foot that was the support leg becomes a free leg and is advanced to the stepped floor surface (step S33). At this time, for each of the leg ankle roll axis and pitch axis actuators that were free legs, as shown in FIG. 12, the low-frequency gain is increased, the phase advance amount is decreased in the high-frequency region, and FIG. As shown, the joint is set to increase the viscous resistance. And the leg which was a free leg turns into a support leg, and the operation | movement which supports a free leg is performed.

次いで、遊脚の着床動作を実行する(ステップS34)。このとき、支持脚は遊脚を指示する動作を行なう。   Next, the landing operation of the free leg is executed (step S34). At this time, the support leg performs an operation of instructing the free leg.

次いで、遊脚の足底で検知する床反力の値と方向が両脚支持期の値の近傍になると(ステップS35)、遊脚の着床動作を完了する(ステップS36)。このとき、遊脚側の膝関節ピッチ軸並びに足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータに対して、図12に示すような、低域ゲインを大きく、高い周波数領域で位相進み量を小さくするとともに、図18Aに示すように関節の粘性抵抗を大きくする設定を行なう。この結果、両脚が揃い、両脚支持となり、階段昇り動作を完了することができる。   Next, when the value and direction of the floor reaction force detected at the sole of the free leg is close to the value of the both-leg support period (step S35), the landing operation of the free leg is completed (step S36). At this time, for each of the knee joint pitch axis and the ankle roll axis and the pitch axis actuator on the free leg side, as shown in FIG. 12, the low-frequency gain is increased, and the phase advance amount is decreased in the high-frequency region, As shown in FIG. 18A, setting is made to increase the viscous resistance of the joint. As a result, both legs are aligned, both legs are supported, and the stairs climbing operation can be completed.

F−2.階段を降りる動作
続いて、ロボットが階段を降りるときの各関節部位におけるアクチュエータが持つ制御器及びアクチュエータ自体の特性の配置について、図36〜図41を参照しながら説明する。各図に示す例では、A〜Fの6段階に分けて動作状況を捉えることができる。
F-2. And operating subsequently down the stairs, the robot the arrangement characteristics of the controller and the actuator itself actuator has at each joint portion when descending the stairs will be described with reference to FIGS. 36 41. In the example shown in each figure, an operation state can be grasped by dividing into 6 stages of A to F.

(A)両脚支持期
両脚支持の状態では、下肢と床面で閉リンク系を構成している(図36を参照のこと)。自身の関節角度情報、足底の力センサ(又は接触センサ)、姿勢センサを用いて、自身の姿勢と接地状態と運動状態(各軸の速度・加速度)から両脚支持を確認することができる。
(A) Both-leg support period In the both-leg support state, the lower limb and the floor form a closed link system (see FIG. 36). By using own joint angle information, sole force sensor (or contact sensor), and posture sensor, it is possible to confirm both-leg support from its own posture, ground contact state, and motion state (speed / acceleration of each axis).

このとき、左右両脚部のすべての関節部位のアクチュエータを、中間の関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図13に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図18Aに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、左右の支持脚は高速応答が可能になるとともに、硬い特性以上且つ柔らかい特性以下のコンプライアンスを得る。   At this time, the actuators of all the joint parts of the left and right legs are set to the intermediate joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator / motor, as shown in FIG. While increasing the viscosity, the motor viscosity is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 18A. As a result, the left and right support legs are capable of high-speed response, and obtain a compliance that is higher than hard characteristics and lower than soft characteristics.

また、その他の関節部位は、硬い関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図12に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくするとともに、モータの粘性を図18Aに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになる。   The other joint parts have hard joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator / motor, as shown in FIG. The maximum value of the motor characteristic shown in FIG. 18A is set. As a result, the positioning accuracy is prioritized over the compliance, and it is robust against disturbances such as vibration.

(B)離床瞬間
例えば、左足が一段下に踏み込んだ両脚支持に続いて、後方の右脚が一段上から離床を開始する。自身の関節角度情報、足底の力センサ(又は接触センサ)、姿勢センサを用いて、自身の姿勢と接地状態と運動状態(各軸の速度・加速度)から離床瞬間を確認することができる。この状態では、機体全体で閉リンク系から開リンク系へ移行し、機体(脚・体幹・腕部)と床面で開リンク系を構成している(図37を参照のこと)。
(B) The moment of getting off For example, following the support of both legs with the left foot stepped down one step, the right rear leg starts to leave the step from the top. By using own joint angle information, plantar force sensor (or contact sensor), and posture sensor, it is possible to confirm the moment of getting out of bed from its own posture, ground contact state, and motion state (speed / acceleration of each axis). In this state, the entire airframe shifts from the closed link system to the open link system, and the airframe (leg, trunk, arm) and the floor surface constitute the open link system (see FIG. 37).

このとき、左右両脚部のすべての関節部位のアクチュエータを、中間の関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図13に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図18Aに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、左右の支持脚は高速応答が可能になるとともに、硬い特性以上且つ柔らかい特性以下のコンプライアンスを得る。   At this time, the actuators of all the joint parts of the left and right legs are set to the intermediate joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator / motor, as shown in FIG. While increasing the viscosity, the motor viscosity is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 18A. As a result, the left and right support legs are capable of high-speed response, and obtain a compliance that is higher than hard characteristics and lower than soft characteristics.

また、その他の関節部位は、硬い関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図12に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくするとともに、モータの粘性を図18Aに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになる。   The other joint parts have hard joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator / motor, as shown in FIG. The maximum value of the motor characteristic shown in FIG. 18A is set. As a result, the positioning accuracy is prioritized over the compliance, and it is robust against disturbances such as vibration.

(C)単脚支持期(持ち上げ時)
後方の右脚の離床に続いて、これを持ち上げるという単脚支持期の前半の動作を行なう。自身の関節角度情報、足底の力センサ(又は接触センサ)、姿勢センサを用いて自身の姿勢と接地状態と運動状態(各軸の速度・加速度)で、単脚支持期に移行したことを確認することができる。この状態では、機体(脚・体幹・腕部)と床面で開リンク系を構成している(図38を参照のこと)。
(C) Single leg support period (when lifting)
Following the flooring of the right rear leg, the first half of the single leg support period is lifted. Using the joint angle information, sole force sensor (or contact sensor), and posture sensor, the posture, ground contact state, and motion state (speed / acceleration of each axis), and the transition to the single leg support period Can be confirmed. In this state, the airframe (legs, trunk, arms) and the floor form an open link system (see FIG. 38).

支持脚となる左脚のすべての関節アクチュエータを硬いアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図12に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくするとともに、モータの粘性を図18Aに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになり、機体を支持することが可能となる。   As shown in FIG. 12, the hard joint characteristics of all joint actuators of the left leg, which is the support leg, that is, the servo characteristics of the actuator and motor are high gain in all bands and the phase advance amount in high bands is reduced. The viscosity of the motor is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 18A. As a result, the positioning accuracy is prioritized and it is robust against disturbances such as vibrations, and the airframe can be supported.

また、遊脚となる右脚の腿ロール及び腿ピッチも硬いアクチュエータ特性にし、遊脚の持ち上げ動作を実行可能にする。また、右脚の膝ピッチを中間のアクチュエータ特性に維持する。   Also, the thigh roll and thigh pitch of the right leg, which is the free leg, are made to have a hard actuator characteristic, and the lifting operation of the free leg can be executed. In addition, the knee pitch of the right leg is maintained at an intermediate actuator characteristic.

また、遊脚である右脚の足首ロール及び足首ピッチの各アクチュエータを柔らかいアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図13に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図18Bに示すモータ特性の最大値の3分の1に設定し、コンプライアンスを与えるとともに、高速応答性を増して、着床時の衝撃に備える。   In addition, each of the ankle roll and ankle pitch actuators of the right leg, which is a free leg, has soft actuator characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator motor, as shown in FIG. While increasing the amount, the viscosity of the motor is set to one third of the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 18B to provide compliance and increase high-speed response to prepare for impact at landing.

また、その他の関節部位は、硬い関節特性に設定し、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストにする。   In addition, the other joint parts are set to have hard joint characteristics, and positioning accuracy is given priority over compliance, and robustness against disturbances such as vibration is also made.

(D)単脚支持期(振り下ろし時)
後方の右脚を持ち上げる単脚支持の前期に続いて、持ち上げた右脚をさらに一段下に降ろすという単脚支持期の後半の動作を行なう。自身の関節角度情報、足底の力センサ(又は接触センサ)、姿勢センサを用いて自身の姿勢と接地状態と運動状態(各軸の速度・加速度)で、単脚支持の後半に移行したことを確認することができる。この状態では、機体(脚・体幹・腕部)と床面で開リンク系を構成している(図39を参照のこと)。
(D) Single leg support period (when swinging down)
Following the first half of the single leg support for lifting the rear right leg, the latter half of the single leg support stage is performed in which the right leg is further lowered. Transition to the second half of single-leg support using own joint angle information, plantar force sensor (or contact sensor), posture sensor with own posture, ground contact state and motion state (speed / acceleration of each axis) Can be confirmed. In this state, the airframe (leg, trunk, arm) and the floor form an open link system (see FIG. 39).

支持脚となる左脚のすべての関節アクチュエータを硬いアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図12に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さく、モータの粘性を図18Aに示すモータ特性の最大値に維持する。この結果、位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになり、機体を支持することが可能となる。   As shown in FIG. 12, all the joint actuators of the left leg, which is the support leg, have hard actuator characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator and the motor, as shown in FIG. The viscosity is maintained at the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 18A. As a result, the positioning accuracy is prioritized and it is robust against disturbances such as vibrations, and the airframe can be supported.

また、遊脚となる右脚の腿ロール及び腿ピッチも硬いアクチュエータ特性にし、遊脚の振り下ろし動作を実行可能にする。   In addition, the thigh roll and thigh pitch of the right leg, which is the free leg, also have a hard actuator characteristic, and the swing-down operation of the free leg can be executed.

また、遊脚である右脚の膝ピッチ、足首ロール及び足首ピッチの各アクチュエータを柔らかいアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図13に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図18Bに示すモータ特性の最大値の3分の1に設定し、コンプライアンスを与えるとともに、高速応答性を増して、着床時の衝撃に備える。   Further, the knee pitch, ankle roll, and ankle pitch actuators of the right leg, which is a free leg, have soft actuator characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator motor are low in the low range and low in gain as shown in FIG. In addition to increasing the amount of phase advance in the motor, the motor viscosity is set to one third of the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 18B to provide compliance and increase high-speed response to prepare for impact at landing. .

また、その他の関節部位は、硬い関節特性に設定し、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストにする。   In addition, the other joint parts are set to have hard joint characteristics, and positioning accuracy is given priority over compliance, and robustness against disturbances such as vibration is also made.

(E)着床瞬間
単脚支持に続いて、振り下ろした遊脚が一段下の床面に着床する。自身の関節角度情報、足底の力センサ(又は接触センサ)、姿勢センサを用いて自身の姿勢と接地状態と運動状態(各軸の速度・加速度)で、着床瞬間を確認することができる。下肢が床面に対して閉リンク系を構成する(図40を参照のこと)。
(E) Immediate landing Following support for a single leg, the swinging swinging leg will land on the floor surface one step below. You can check the moment of landing using your own joint angle information, plantar force sensor (or contact sensor), and posture sensor based on your posture, ground contact and motion (speed / acceleration of each axis). . The lower limb constitutes a closed link system with respect to the floor surface (see FIG. 40).

支持脚となる左脚のすべての関節アクチュエータを硬いアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図12に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さく、モータの粘性を図18Aに示すモータ特性の最大値に維持する。この結果、位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになり、機体を支持することが可能となる。   As shown in FIG. 12, all the joint actuators of the left leg, which is the support leg, have hard actuator characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator and the motor, as shown in FIG. The viscosity is maintained at the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 18A. As a result, the positioning accuracy is prioritized and it is robust against disturbances such as vibrations, and the airframe can be supported.

また、遊脚となる右脚の腿ロール及び腿ピッチも硬いアクチュエータ特性にし、遊脚の着床動作を実行可能にする。   In addition, the thigh roll and thigh pitch of the right leg, which is the free leg, are also set to have a hard actuator characteristic, so that the landing action of the free leg can be executed.

また、遊脚である右脚の膝ピッチ、足首ロール及び足首ピッチの各アクチュエータを柔らかいアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図13に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きく、モータの粘性を図18Bに示すモータ特性の最大値の3分の1に維持し、コンプライアンスを与えるとともに、高速応答性を増して、着床時の衝撃を吸収する。   Further, the knee pitch, ankle roll, and ankle pitch actuators of the right leg, which is a free leg, have soft actuator characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator motor are low in the low range and low in gain as shown in FIG. The phase advance amount is increased, the motor viscosity is maintained at one-third of the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 18B, compliance is given, high-speed response is increased, and impact during landing is absorbed.

また、その他の関節部位は、硬い関節特性に設定し、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストにする。   In addition, the other joint parts are set to have hard joint characteristics, and positioning accuracy is given priority over compliance, and robustness against disturbances such as vibration is also made.

(F)両脚支持
遊脚が着床すると、左右の脚が入れ替わった状態で、両脚支持期に戻る。この状態では、下肢と床面で閉リンク系を構成している(図41を参照のこと)。自身の関節角度情報、足底の力センサ(又は接触センサ)、姿勢センサを用いて、自身の姿勢と接地状態と運動状態(各軸の速度・加速度)から両脚支持を確認することができる。
(F) Support for both legs When the free leg is landed, it returns to the support period for both legs with the left and right legs interchanged. In this state, a closed link system is configured by the lower limbs and the floor (see FIG. 41). By using own joint angle information, sole force sensor (or contact sensor), and posture sensor, it is possible to confirm both-leg support from its own posture, ground contact state, and motion state (speed / acceleration of each axis).

このとき、左右両脚部のすべての関節部位のアクチュエータを、中間の関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図13に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図18Aに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、支持脚は高速応答が可能になるとともに、硬い特性以上且つ柔らかい特性以下のコンプライアンスを得る。   At this time, the actuators of all the joint parts of the left and right legs are set to the intermediate joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator / motor, as shown in FIG. While increasing the viscosity, the motor viscosity is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 18A. As a result, the support legs can respond at a high speed, and obtain a compliance that is higher than hard characteristics and lower than soft characteristics.

また、その他の関節部位は、硬い関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図12に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくするとともに、モータの粘性を図18Aに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになる。   The other joint parts have hard joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator / motor, as shown in FIG. The maximum value of the motor characteristic shown in FIG. 18A is set. As a result, the positioning accuracy is prioritized over the compliance, and it is robust against disturbances such as vibration.

階段を降りる動作を継続する場合には、(A)〜(F)の姿勢を繰り返し実行する。   When continuing the operation of going down the stairs, the postures (A) to (F) are repeatedly executed.

図42には、階段を昇るときのロボットの各関節部位のアクチュエータ特性を切り替えるための処理手順をフローチャートの形式で示している。   FIG. 42 shows a processing procedure for switching the actuator characteristics of each joint part of the robot when climbing the stairs in the form of a flowchart.

まず、機体を構成するすべての関節部位のアクチュエータに対して、図12に示すような、低域ゲインを大きく、高い周波数領域で位相進み量を小さくするとともに、図18Aに示すように関節の粘性抵抗を大きくする設定を行なう(ステップS41)。   First, with respect to the actuators of all joint parts constituting the airframe, the low gain as shown in FIG. 12 is increased, the phase advance amount is reduced in the high frequency region, and the joint viscosity is shown as shown in FIG. 18A. Setting to increase the resistance is performed (step S41).

次いで、片脚を持ち上げる動作を実行する(ステップS42)。   Next, an operation of lifting one leg is executed (step S42).

ここで、持ち上げる方の脚の足底で受ける床反力が0になったときには(ステップS43)、支持脚は遊脚を支持する動作を行なう(ステップS44)。   Here, when the floor reaction force received at the sole of the leg to be lifted becomes zero (step S43), the support leg performs an operation of supporting the free leg (step S44).

また、遊脚側では、遊脚側の膝関節ピッチ軸並びに足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータに対して、図13に示すような、低域ゲインを小さく、中高域で位相進み量を大きくするとともに、図18Bに示すように関節の粘性抵抗を小さくする設定を行なう(ステップS45)。   On the free leg side, the low-frequency gain is small and the phase advance amount is large in the mid-high range, as shown in FIG. 13, for the knee joint pitch axis and the ankle roll axis and pitch axis actuators on the free leg side. At the same time, as shown in FIG. 18B, a setting is made to reduce the viscous resistance of the joint (step S45).

次いで、遊脚を一段下の階段の床面へ進める動作を実行し(ステップS46)、さらにその着床動作を実行する(ステップS47)。   Next, an operation of advancing the swing leg to the floor of the stairs one step below is executed (step S46), and further, the landing operation is executed (step S47).

ここで、足底で検知する床反力の値と方向が両脚支持期の値の近傍になったとき(ステップS48)、遊脚の着床動作を完了する(ステップS49)。そして、遊脚側の膝関節ピッチ軸並びに足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータに対して、図12に示すような、低域ゲインを大きく、高い周波数領域で位相進み量を小さくするとともに、図18Aに示すように関節の粘性抵抗を大きくする設定を行なう(ステップS50)。   Here, when the value and direction of the floor reaction force detected at the sole becomes close to the value of the both-leg support period (step S48), the landing operation of the free leg is completed (step S49). Then, with respect to the knee joint pitch axis on the free leg side and the actuators of the ankle roll axis and the pitch axis, as shown in FIG. 12, the low-frequency gain is increased and the phase advance amount is decreased in the high-frequency region. As shown in 18A, a setting is made to increase the viscous resistance of the joint (step S50).

階段を降りる動作をこのまま継続する場合には(ステップS51)、遊脚を支持脚に、支持脚を遊脚に切り替え(ステップS52)、ステップS42に戻り、上記と同様の処理を繰り返し実行する。   When the operation of going down the stairs is continued as it is (step S51), the free leg is switched to the support leg, the support leg is switched to the free leg (step S52), the process returns to step S42, and the same processing as described above is repeatedly executed.

一方、階段を降りる動作をこれで終了する場合には(ステップS51)、支持脚だった足が遊脚となり、一段上の階段床面に進める(ステップS53)。このとき、遊脚だった脚の足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータに対して、図12に示すような、低域ゲインを大きく、高い周波数領域で位相進み量を小さくするとともに、図18Aに示すように関節の粘性抵抗を大きくする設定を行なう。そして、遊脚だった脚は支持脚となり、遊脚を支持する動作を行なう。   On the other hand, when the operation of descending the stairs is completed (step S51), the foot that was the support leg becomes a free leg and is advanced to the upper stair floor (step S53). At this time, for each of the leg ankle roll axis and pitch axis actuators that were free legs, as shown in FIG. 12, the low-frequency gain is increased, the phase advance amount is decreased in the high-frequency region, and FIG. As shown, the joint is set to increase the viscous resistance. And the leg which was a free leg turns into a support leg, and the operation | movement which supports a free leg is performed.

次いで、遊脚の着床動作を実行する(ステップS54)。このとき、支持脚は遊脚を指示する動作を行なう。   Next, the landing operation of the free leg is executed (step S54). At this time, the support leg performs an operation of instructing the free leg.

次いで、遊脚の足底で検知する床反力の値と方向が両脚支持期の値の近傍になると(ステップS55)、遊脚の着床動作を完了する(ステップS56)。このとき、遊脚側の膝関節ピッチ軸並びに足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータに対して、図12に示すように、低域ゲインを大きく、高い周波数領域で位相進み量を小さくするとともに、図18Aに示すように関節の粘性抵抗を大きくする設定を行なう。この結果、両脚が揃い、両脚支持となり、階段降り動作を完了することができる。   Next, when the value and direction of the floor reaction force detected at the sole of the free leg is close to the value of the both-leg support period (step S55), the landing operation of the free leg is completed (step S56). At this time, for the knee joint pitch axis on the free leg side and the actuators of the ankle roll axis and the pitch axis, as shown in FIG. 12, the low-frequency gain is increased and the phase advance amount is decreased in the high-frequency region, As shown in FIG. 18A, setting is made to increase the viscous resistance of the joint. As a result, both legs are aligned and both legs are supported, and the stairs descending operation can be completed.

G.旋回時におけるロボットの関節各部位のアクチュエータ特性の配置例
この項では、機体の旋回時におけるロボットの各関節部位のアクチュエータ特性の制御方法について説明する。
G. Example of Arrangement of Actuator Characteristics of Each Joint Part of Robot During Turning In this section, a method for controlling the actuator characteristics of each joint part of the robot during turning of the airframe will be described.

脚式移動ロボットの機体は、略平行な関節自由度を持つ複数の関節軸を長さ方向に連結した多リンク構造体で構成されるが、階段昇降動作の途上では、この多リンク構造体の着床部位と床面がなすリンク状態が開リンク状態と閉リンク状態との間で切り替わる。   The body of the legged mobile robot is composed of a multi-link structure in which a plurality of joint axes having approximately parallel joint degrees of freedom are connected in the length direction. The link state between the landing site and the floor surface is switched between the open link state and the closed link state.

本実施形態では、機体の旋回動作の段階毎に、リンク状態の切り替わりに応じて、各関節を駆動するためのアクチュエータを、硬い関節特性、柔らかい関節特性、その中間の関節特性に適宜切り替えることにより、適応的な転倒動作を実現する。   In this embodiment, the actuator for driving each joint is appropriately switched to a hard joint characteristic, a soft joint characteristic, and an intermediate joint characteristic in accordance with the switching of the link state at each stage of the turning motion of the aircraft. Realize adaptive tipping motion.

ここで、機体が旋回するときのロボットの各関節部位におけるアクチュエータが持つ制御器及びアクチュエータ自体の特性の配置について、図43を参照しながら説明する。   Here, the arrangement of the characteristics of the controller and the actuator of the actuator in each joint part of the robot when the machine turns will be described with reference to FIG.

機体が旋回するとき、首ピッチ軸、肩ピッチ軸、肘ピッチ軸、体幹ロール軸、体幹ピッチ軸、体幹ヨー軸、股関節ロール及びピッチ軸、並びに、支持脚側となる膝ピッチ軸や足首ロール及びピッチ軸の各関節部位において、高い位置決め精度が要求される。   When the aircraft turns, neck pitch axis, shoulder pitch axis, elbow pitch axis, trunk roll axis, trunk pitch axis, trunk yaw axis, hip roll and pitch axis, and knee pitch axis on the support leg side High positioning accuracy is required at each joint portion of the ankle roll and the pitch axis.

したがって、これらの関節部位のアクチュエータにおいて、サーボ制御器の比例ゲインを大きくとって、系全体のゲインを大きくし、低周波数帯域までゲインを取れるようにする。また、周波数特性を図12に示すように高域で位相進み量が小さくなるようにし、高速応答性にはあまり寄与しないが安定性を保証できるようにする。また、図18Aに示すようにモータの粘性抵抗を大きくし、振動などの外乱にもロバストになるようにする。   Accordingly, in the actuators at these joint sites, the proportional gain of the servo controller is increased to increase the gain of the entire system so that the gain can be obtained up to the low frequency band. As shown in FIG. 12, the frequency characteristic is such that the amount of phase advance is reduced at a high frequency, so that stability is ensured although it does not contribute much to high-speed response. Further, as shown in FIG. 18A, the viscous resistance of the motor is increased so as to be robust against disturbances such as vibration.

一方、機体の旋回時において、遊脚側となる膝ピッチ軸や足首ロール及びピッチ軸の各関節部位において、高速応答性とコンプライアンスが重要となる。   On the other hand, at the time of turning of the airframe, high speed responsiveness and compliance are important in each joint part of the knee pitch axis, the ankle roll and the pitch axis on the free leg side.

そこで、これらの関節部位のアクチュエータにおいて、比例ゲインを小さくして、系全体のゲインを小さくすることで、低周波数帯域のゲインを小さくし、機械的受動性(コンプライアンス)を得易くする。また、周波数特性(位相補償特性)を図13に示すように中高域で位相進み量が大きくなるようにし、高速応答性を得るようにする。また、図18Bに示すようにモータの粘性抵抗を小さくし、機械的受動性(コンプライアンス)を得易いようにする。   Therefore, by reducing the proportional gain and reducing the gain of the entire system in the actuators at these joint sites, the gain in the low frequency band is reduced, and mechanical passivity (compliance) is easily obtained. Further, as shown in FIG. 13, the frequency characteristic (phase compensation characteristic) is set so that the phase advance amount becomes large in the middle and high range so as to obtain high-speed response. In addition, as shown in FIG. 18B, the viscous resistance of the motor is reduced to facilitate obtaining mechanical passivity (compliance).

遊脚に図13に示すようなアクチュエータの制御器が持つ特性及びアクチュエータ自体の特性を適用することで、腕や脚に機械的受動性(コンプライアンス)を得ることができる。これによって、旋回動作中に脚を振り上げたときの位置エネルギを次の振り下ろす動作時に動作補助のエネルギとして使い易くなる。その結果、エネルギ消費が少なくなり、機体駆動用電源としてのバッテリの消費量も少なくなる。   By applying the characteristics of the actuator controller as shown in FIG. 13 and the characteristics of the actuator itself to the free leg, mechanical passivity (compliance) can be obtained for the arms and legs. Accordingly, it becomes easy to use the potential energy when the leg is swung up during the turning operation as energy for assisting the operation in the next operation of swinging down. As a result, energy consumption is reduced, and the consumption of the battery as the power source for driving the body is also reduced.

続いて、ロボットが旋回する動作を行なうときの各関節部位におけるアクチュエータが持つ制御器及びアクチュエータ自体の特性の配置について、図44〜図51を参照しながら説明する。各図に示す例では、A〜Hの8段階に分けて動作状況を捉えることができる。   Subsequently, the arrangement of the characteristics of the controller and the actuator itself of the actuator in each joint part when the robot performs a turning motion will be described with reference to FIGS. 44 to 51. In the example shown in each figure, an operation state can be grasped in eight stages A to H.

(A)両脚支持期
両脚支持の状態では、下肢と床面で閉リンク系を構成している(図44を参照のこと)。自身の関節角度情報、足底の力センサ(又は接触センサ)、姿勢センサを用いて、自身の姿勢と接地状態と運動状態(各軸の速度・加速度)から両脚支持を確認することができる。
(A) Both-leg support period In the both-leg support state, the lower limb and the floor form a closed link system (see FIG. 44). By using own joint angle information, sole force sensor (or contact sensor), and posture sensor, it is possible to confirm both-leg support from its own posture, ground contact state, and motion state (speed / acceleration of each axis).

このとき、左右両脚部のすべての関節部位のアクチュエータを、中間の関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図13に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図18Aに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、左右の支持脚は高速応答が可能になるとともに、硬い特性以上且つ柔らかい特性以下のコンプライアンスを得る。   At this time, the actuators of all the joint parts of the left and right legs are set to the intermediate joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator / motor, as shown in FIG. While increasing the viscosity, the motor viscosity is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 18A. As a result, the left and right support legs are capable of high-speed response, and obtain a compliance that is higher than hard characteristics and lower than soft characteristics.

また、その他の関節部位は、硬い関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図12に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくするとともに、モータの粘性を図18Aに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになる。   The other joint parts have hard joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator / motor, as shown in FIG. The maximum value of the motor characteristic shown in FIG. 18A is set. As a result, the positioning accuracy is prioritized over the compliance, and it is robust against disturbances such as vibration.

(B)単脚支持期(持ち上げ時)
右脚を持ち上げるという単脚支持期の前半の動作を行なう。自身の関節角度情報、足底の力センサ(又は接触センサ)、姿勢センサを用いて自身の姿勢と接地状態と運動状態(各軸の速度・加速度)で、単脚支持期に移行したことを確認することができる。この状態では、機体(脚・体幹・腕部)と床面で開リンク系を構成している(図45を参照のこと)。
(B) Single leg support period (when lifting)
Perform the first half of the single leg support period by lifting the right leg. Using the joint angle information, sole force sensor (or contact sensor), and posture sensor, the posture, ground contact state, and motion state (speed / acceleration of each axis), and the transition to the single leg support period Can be confirmed. In this state, the airframe (leg, trunk, and arm) and the floor form an open link system (see FIG. 45).

支持脚となる左脚のすべての関節アクチュエータを硬いアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図12に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さく、モータの粘性を図18Aに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、支持脚としての左脚は、位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになり、旋回時の回転軸として機体を支持することが可能となる。   As shown in FIG. 12, all the joint actuators of the left leg, which is the support leg, have hard actuator characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator and the motor, as shown in FIG. The viscosity is set to the maximum value of the motor characteristic shown in FIG. 18A. As a result, the left leg as the support leg gives priority to positioning accuracy, and is robust against disturbances such as vibration, and can support the aircraft as a rotating shaft during turning.

また、遊脚となる右脚の腿ヨー、腿ロール及び腿ピッチも硬いアクチュエータ特性に設定し、遊脚の持ち上げ動作を実行可能にする。   In addition, the right leg thigh yaw, thigh roll, and thigh pitch, which are free legs, are also set to have a hard actuator characteristic so that the lifting action of the free leg can be executed.

また、遊脚である右脚足首ロール及び足首ピッチの各アクチュエータを柔らかいアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図13に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図18Bに示すモータ特性の最大値の3分の1に設定し、コンプライアンスを与えるとともに、硬い特性以上且つ柔らかい特性以下のコンプライアンスを得る。 In addition, each of the ankle roll and ankle pitch actuators of the right leg, which is a free leg, has soft actuator characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator motor, as shown in FIG. While increasing the amount, the motor viscosity is set to one third of the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 18B to give compliance, and to obtain compliance that is higher than hard characteristics and lower than soft characteristics.

また、その他の関節部位は、硬い関節特性に設定し、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストにする。   In addition, the other joint parts are set to have hard joint characteristics, and positioning accuracy is given priority over compliance, and robustness against disturbances such as vibration is also made.

(C)単脚支持期
右脚を持ち上げる単脚支持の前期に続いて、支持脚である左脚を回転軸にして持ち上げた右脚を旋回させるという単脚支持期の後半の動作を行なう。自身の関節角度情報、足底の力センサ(又は接触センサ)、姿勢センサを用いて自身の姿勢と接地状態と運動状態(各軸の速度・加速度)で、単脚支持の後半に移行したことを確認することができる。この状態では、機体(脚・体幹・腕部)と床面で開リンク系を構成している(図46を参照のこと)。
(C) Single leg support period Following the first period of the single leg support in which the right leg is lifted, an operation in the latter half of the single leg support period is performed in which the lifted right leg is turned with the left leg, which is the support leg, as the rotation axis. Transition to the second half of single-leg support using own joint angle information, plantar force sensor (or contact sensor), posture sensor with own posture, ground contact state and motion state (speed / acceleration of each axis) Can be confirmed. In this state, the airframe (leg, trunk, arm) and the floor form an open link system (see FIG. 46).

支持脚となる左脚のすべての関節アクチュエータを硬いアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図12に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さく、モータの粘性を図18Aに示すモータ特性の最大値に維持する。この結果、旋回時の回転軸として左脚の位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになり、機体を支持することが可能となる。   As shown in FIG. 12, all the joint actuators of the left leg, which is the support leg, have hard actuator characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator and the motor, as shown in FIG. The viscosity is maintained at the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 18A. As a result, priority is given to the positioning accuracy of the left leg as the rotation axis during turning, and it is robust against disturbances such as vibrations, and the airframe can be supported.

また、遊脚となる右脚の腿ヨー、腿ロール及び腿ピッチも硬いアクチュエータ特性に設定し、左脚を回転軸とした遊脚の旋回動作を実行可能にする。   Also, the right leg thigh yaw, thigh roll, and thigh pitch, which are free legs, are set to have a hard actuator characteristic, and the swing movement of the free leg with the left leg as the rotation axis can be executed.

また、遊脚である右脚の膝ピッチ、足首ロール及び足首ピッチの各アクチュエータを柔らかいアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図13に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図18Bに示すモータ特性の最大値の3分の1に設定し、コンプライアンスを与えるとともに、硬い特性以上且つ柔らかい特性以下のコンプライアンスを得る。   Further, the knee pitch, ankle roll and ankle pitch actuators of the right leg, which is a free leg, have soft actuator characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator motor are low in the low range and low in gain as shown in FIG. In addition to increasing the phase advance amount at, the motor viscosity is set to one third of the maximum value of the motor characteristics shown in FIG.

また、その他の関節部位は、硬い関節特性に設定し、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストにする。   In addition, the other joint parts are set to have hard joint characteristics, and positioning accuracy is given priority over compliance, and robustness against disturbances such as vibration is also made.

(D)両脚支持
旋回動作が終わり遊脚としての右脚が着床すると、左右の脚が入れ替わった状態で、両脚支持期に戻る。この状態では、下肢と床面で閉リンク系を構成している(図47を参照のこと)。自身の関節角度情報、足底の力センサ(又は接触センサ)、姿勢センサを用いて、自身の姿勢と接地状態と運動状態(各軸の速度・加速度)から両脚支持を確認することができる。
(D) Supporting both legs When the right leg as the free leg is landed after the turning motion is finished, the left and right legs are interchanged, and the both leg support period is resumed. In this state, a closed link system is configured by the lower limbs and the floor (see FIG. 47). By using own joint angle information, sole force sensor (or contact sensor), and posture sensor, it is possible to confirm both-leg support from its own posture, ground contact state, and motion state (speed / acceleration of each axis).

このとき、左右両脚部のすべての関節部位のアクチュエータを、中間の関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図13に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図18Aに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、左右の支持脚は高速応答が可能になるとともに、硬い特性以上且つ柔らかい特性以下のコンプライアンスを得る。   At this time, the actuators of all the joint parts of the left and right legs are set to the intermediate joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator / motor, as shown in FIG. While increasing the viscosity, the motor viscosity is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 18A. As a result, the left and right support legs are capable of high-speed response, and obtain a compliance that is higher than hard characteristics and lower than soft characteristics.

また、その他の関節部位は、硬い関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図12に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくするとともに、モータの粘性を図18Aに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになる。   The other joint parts have hard joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator / motor, as shown in FIG. The maximum value of the motor characteristic shown in FIG. 18A is set. As a result, the positioning accuracy is prioritized over the compliance, and it is robust against disturbances such as vibration.

(E)単脚支持期(持ち上げ時)
今度は、左脚を持ち上げるという単脚支持期の前半の動作を行なう。自身の関節角度情報、足底の力センサ(又は接触センサ)、姿勢センサを用いて自身の姿勢と接地状態と運動状態(各軸の速度・加速度)で、単脚支持期に移行したことを確認することができる。この状態では、機体(脚・体幹・腕部)と床面で開リンク系を構成している(図48を参照のこと)。
(E) Single leg support period (when lifting)
This time, the first half of the single leg support period is performed by lifting the left leg. Using the joint angle information, sole force sensor (or contact sensor), and posture sensor, the posture, ground contact state, and motion state (speed / acceleration of each axis), and the transition to the single leg support period Can be confirmed. In this state, the airframe (legs, trunk, arms) and the floor form an open link system (see FIG. 48).

支持脚となる右脚のすべての関節アクチュエータを硬いアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図12に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さく、モータの粘性を図18Aに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、支持脚としての右脚は、位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになり、旋回時の回転軸として機体を支持することが可能となる。   As shown in FIG. 12, all the joint actuators of the right leg, which is the support leg, have hard actuator characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator and the motor, as shown in FIG. The viscosity is set to the maximum value of the motor characteristic shown in FIG. 18A. As a result, the right leg as the support leg gives priority to positioning accuracy, is robust against disturbances such as vibration, and can support the airframe as a rotating shaft during turning.

また、遊脚となる左脚の腿ヨー、腿ロール及び腿ピッチも硬いアクチュエータ特性に設定し、遊脚の持ち上げ動作を実行可能にする。   In addition, the left leg thigh yaw, thigh roll and thigh pitch, which are free legs, are also set to have a hard actuator characteristic so that the free leg can be lifted.

また、遊脚である左脚の足首ロール及び足首ピッチの各アクチュエータを柔らかいアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図13に示したように低域で低ゲインで且つ高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図18Bに示すモータ特性の最大値の3分の1に設定し、コンプライアンスを与えるとともに、高速応答性を増して、右脚回りの旋回動作に順応させる。 Further, the soft actuator characteristics of each actuator of the left leg ankle roll and ankle pitch is free leg, i.e., the phase in the low gain and high and high band servo characteristics of the actuator motor in the low range, as shown in FIG. 13 While increasing the advance amount, the viscosity of the motor is set to one third of the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 18B to give compliance and increase high-speed response to adapt to the turning motion around the right leg. .

また、その他の関節部位は、硬い関節特性に設定し、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストにする。   In addition, the other joint parts are set to have hard joint characteristics, and positioning accuracy is given priority over compliance, and robustness against disturbances such as vibration is also made.

(F)単脚支持期
左脚を持ち上げる単脚支持の前期に続いて、支持脚である右脚を回転軸にして持ち上げた左脚を旋回させる。自身の関節角度情報、足底の力センサ(又は接触センサ)、姿勢センサを用いて自身の姿勢と接地状態と運動状態(各軸の速度・加速度)で、単脚支持の後半に移行したことを確認することができる。この状態では、機体(脚・体幹・腕部)と床面で開リンク系を構成している(図49を参照のこと)。
(F) Single leg support period Following the first period of single leg support in which the left leg is lifted, the lifted left leg is turned with the right leg, which is the support leg, as the rotation axis. Transition to the second half of single-leg support using own joint angle information, plantar force sensor (or contact sensor), posture sensor with own posture, ground contact state and motion state (speed / acceleration of each axis) Can be confirmed. In this state, the airframe (leg, trunk, arm) and the floor form an open link system (see FIG. 49).

支持脚となる右脚のすべての関節アクチュエータを硬いアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図12に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さく、モータの粘性を図18Aに示すモータ特性の最大値に維持する。この結果、旋回時の回転軸として右脚の位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになり、機体を支持することが可能となる。   As shown in FIG. 12, all the joint actuators of the right leg as the support leg have hard actuator characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator and motor. As shown in FIG. The viscosity is maintained at the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 18A. As a result, priority is given to the positioning accuracy of the right leg as the rotation axis during turning, and it is robust against disturbances such as vibrations, and the airframe can be supported.

また、遊脚となる左脚の腿ヨー、腿ロール及び腿ピッチも硬いアクチュエータ特性に設定し、右脚を回転軸とした遊脚の旋回動作を実行可能にする。   Further, the left leg thigh yaw, thigh roll and thigh pitch, which are free legs, are also set to have a hard actuator characteristic so that the swing movement of the free leg with the right leg as the rotation axis can be executed.

また、遊脚である左脚の足首ロール及び足首ピッチの各アクチュエータを柔らかいアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図13に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図18Bに示すモータ特性の最大値の3分の1に設定し、コンプライアンスを与えるとともに、硬い特性以上且つ柔らかい特性以下のコンプライアンスを得る。   In addition, each of the left leg ankle roll and ankle pitch actuator, which is a free leg, has soft actuator characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator motor, as shown in FIG. While increasing the amount, the motor viscosity is set to one third of the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 18B to give compliance, and to obtain compliance that is higher than hard characteristics and lower than soft characteristics.

また、その他の関節部位は、硬い関節特性に設定し、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストにする。   In addition, the other joint parts are set to have hard joint characteristics, and positioning accuracy is given priority over compliance, and robustness against disturbances such as vibration is also made.

(G)単脚支持期
支持脚である右脚を回転軸にして持ち上げた左脚を旋回させる動作を継続して、単脚支持期の後半の動作を行なう。自身の関節角度情報、足底の力センサ(又は接触センサ)、姿勢センサを用いて自身の姿勢と接地状態と運動状態(各軸の速度・加速度)で、単脚支持の後半に移行したことを確認することができる。この状態では、機体(脚・体幹・腕部)と床面で開リンク系を構成している(図50を参照のこと)。
(G) Single leg support period The operation of turning the left leg lifted with the right leg, which is the support leg as the rotation axis, is continued to perform the latter half of the single leg support period. Transition to the second half of single-leg support using own joint angle information, plantar force sensor (or contact sensor), posture sensor with own posture, ground contact state and motion state (speed / acceleration of each axis) Can be confirmed. In this state, the airframe (legs, trunk, arms) and the floor form an open link system (see FIG. 50).

支持脚となる右脚のすべての関節アクチュエータを硬いアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図12に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さく、モータの粘性を図18Aに示すモータ特性の最大値に維持する。この結果、旋回時の回転軸として右脚の位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになり、機体を支持することが可能となる。   As shown in FIG. 12, all the joint actuators of the right leg as the support leg have hard actuator characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator and motor. As shown in FIG. The viscosity is maintained at the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 18A. As a result, priority is given to the positioning accuracy of the right leg as the rotation axis during turning, and it is robust against disturbances such as vibrations, and the airframe can be supported.

また、遊脚となる左脚の腿ヨー、腿ロール及び腿ピッチも硬いアクチュエータ特性に設定し、右脚を回転軸とした遊脚の旋回動作を継続可能にする。   In addition, the left leg thigh yaw, thigh roll and thigh pitch, which are free legs, are also set to have a hard actuator characteristic so that the swing movement of the free leg with the right leg as the rotation axis can be continued.

また、遊脚である左脚の足首ロール及び足首ピッチの各アクチュエータを柔らかいアクチュエータ特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図13に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図18Bに示すモータ特性の最大値の3分の1に設定し、コンプライアンスを与えるとともに、高速応答性を増して、右脚回りの旋回動作に順応させる。   In addition, the left leg ankle roll and ankle pitch actuators, which have soft actuator characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator / motor, as shown in FIG. While increasing the amount, the viscosity of the motor is set to one-third of the maximum value of the motor characteristics shown in FIG.

また、その他の関節部位は、硬い関節特性に設定し、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストにする。   In addition, the other joint parts are set to have hard joint characteristics, and positioning accuracy is given priority over compliance, and robustness against disturbances such as vibration is also made.

(H)両脚支持
旋回動作が終わり遊脚としての右脚が着床すると、両脚支持期に戻る。この状態では、下肢と床面で閉リンク系を構成している(図51を参照のこと)。自身の関節角度情報、足底の力センサ(又は接触センサ)、姿勢センサを用いて、自身の姿勢と接地状態と運動状態(各軸の速度・加速度)から両脚支持を確認することができる。
(H) Support for both legs When the swinging motion is finished and the right leg as a free leg is landed, the both leg support period is resumed. In this state, a closed link system is configured by the lower limbs and the floor (see FIG. 51). By using own joint angle information, sole force sensor (or contact sensor), and posture sensor, it is possible to confirm both-leg support from its own posture, ground contact state, and motion state (speed / acceleration of each axis).

このとき、左右両脚部のすべての関節部位のアクチュエータを、中間の関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図13に示したように低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、モータの粘性を図18Aに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、左右の支持脚は高速応答が可能になるとともに、硬い特性以上且つ柔らかい特性以下のコンプライアンスを得る。   At this time, the actuators of all the joint parts of the left and right legs are set to the intermediate joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator / motor, as shown in FIG. While increasing the viscosity, the motor viscosity is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 18A. As a result, the left and right support legs are capable of high-speed response, and obtain a compliance that is higher than hard characteristics and lower than soft characteristics.

また、その他の関節部位は、硬い関節特性、すなわち、アクチュエータ・モータのサーボ特性を図12に示したように全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくするとともに、モータの粘性を図18Aに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、コンプライアンスよりも位置決め精度を優先して、振動などの外乱にもロバストになる。   The other joint parts have hard joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator / motor, as shown in FIG. The maximum value of the motor characteristic shown in FIG. 18A is set. As a result, the positioning accuracy is prioritized over the compliance, and it is robust against disturbances such as vibration.

図52には、機体が旋回するときのロボットの各関節部位のアクチュエータ特性を切り替えるための処理手順をフローチャートの形式で示している。   FIG. 52 shows a processing procedure for switching the actuator characteristics of each joint portion of the robot when the airframe turns in the form of a flowchart.

まず、機体を構成するすべての関節部位のアクチュエータに対して、図12に示すように、低域ゲインを大きく、高い周波数領域で位相進み量を小さく、且つ図18Aに示すように関節の粘性抵抗を大きくする設定を行なう。(ステップS61)。   First, as shown in FIG. 12, the low-frequency gain is large, the phase advance amount is small in the high-frequency region, and the joint viscous resistance as shown in FIG. Set to increase. (Step S61).

次いで、片脚を持ち上げる動作を実行する(ステップS62)。   Next, an operation of lifting one leg is executed (step S62).

ここで、持ち上げる方の脚の足底で受ける床反力が0になったときには(ステップS63)、支持脚は遊脚を支持して機体の旋回動作を行なう(ステップS64)。   Here, when the floor reaction force received at the sole of the leg to be lifted becomes zero (step S63), the support leg supports the free leg and performs the turning motion of the body (step S64).

また、遊脚側では、遊脚側の膝関節ピッチ軸並びに足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータに対して、図13に示すように、低域ゲインを小さく、中高域で位相進み量を大きく、且つ、図18Bに示すように関節の粘性抵抗を小さくする設定を行なう(ステップS65)。   On the free leg side, as shown in FIG. 13, with respect to the knee joint pitch axis and the ankle roll axis and pitch axis actuators on the free leg side, the low gain is reduced and the phase advance amount is increased in the middle and high ranges. In addition, as shown in FIG. 18B, a setting is made to reduce the viscous resistance of the joint (step S65).

次いで、遊脚としての旋回動作を実行し(ステップS66)、さらにその着床動作を実行する(ステップS67)。   Next, a swing operation as a free leg is executed (step S66), and the landing operation is further executed (step S67).

ここで、足底で検知する床反力の値が両脚支持期の値の近傍になったとき(ステップS68)、遊脚の着床動作を完了する(ステップS69)。   Here, when the value of the floor reaction force detected by the sole becomes close to the value of the both-leg support period (step S68), the landing operation of the free leg is completed (step S69).

そして、遊脚側の膝関節ピッチ軸並びに足首ロール軸及びピッチ軸の各アクチュエータに対して、図12に示すように、低域ゲインを大きく、高い周波数領域で位相進み量を小さく、且つ、図18Aに示すように関節の粘性抵抗を大きくする設定を行なう(ステップS70)。   Then, for the knee joint pitch axis on the free leg side and the actuators of the ankle roll axis and the pitch axis, as shown in FIG. 12, the low gain is increased, the phase advance amount is decreased in the high frequency range, and As shown in 18A, a setting is made to increase the viscous resistance of the joint (step S70).

旋回動作をこのまま継続する場合には(ステップS71)、遊脚を支持脚に、支持脚を遊脚に切り替え(ステップS72)、ステップS62に戻り、上記と同様の処理を繰り返し実行する。   When the turning operation is continued as it is (step S71), the free leg is switched to the support leg and the support leg is switched to the free leg (step S72), the process returns to step S62, and the same processing as described above is repeatedly executed.

一方、旋回動作をこれで終了する場合には(ステップS71)、本処理ルーチン全体を終了する。   On the other hand, when the turning operation is finished (step S71), the entire processing routine is finished.

以上、特定の実施例を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施例の修正や代用を成し得ることは自明である。   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 embodiments without departing from the gist of the present invention.

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なう機械装置であるならば、例えば玩具等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。   The gist of the present invention is not necessarily limited to a product called a “robot”. That is, as long as it is a mechanical device that performs an exercise resembling human movement using an electrical or magnetic action, the present invention can be applied to products belonging to other industrial fields such as toys. Can be applied.

本明細書中では、ロボットの関節駆動用のアクチュエータとしてモータ・アクチュエータを中心にして説明してきたが、本発明の要旨はこれに限定されるものではない。関節角を直接駆動する回転軸を持ったモータ・アクチュエータ以外に、筋肉のように関節を接続するリンクの距離の伸縮によって関節を駆動するタイプのアクチュエータであっても、同様にサーボ・ゲインのコントロール並びに粘性のコントロールにより、本発明の効果を好適に奏することができる。後者の関節駆動アクチュエータとして、例えば形状記憶合金アクチュエータや、流体アクチュエータ、高分子アクチュエータなどを挙げることができる。   In the present specification, the description has been made centering on the motor / actuator as the actuator for driving the joint of the robot, but the gist of the present invention is not limited to this. In addition to motors and actuators that have a rotation axis that directly drives the joint angle, servo gain control is also applied to actuators that drive joints by expanding and contracting the distance of links that connect joints like muscles. In addition, the effects of the present invention can be suitably achieved by controlling the viscosity. Examples of the latter joint drive actuator include a shape memory alloy actuator, a fluid actuator, and a polymer actuator.

また、本明細書中では、モータ・アクチュエータのコイルへのコイル電流のスイッチング制御にバイポーラ・トランジスタからなるスイッチング素子を用いて構成される回路例について説明したが、MOS−FETやその他の半導体素子を用いてこの種の制御回路を実装することができることは、当業者には自明である。   Further, in this specification, a circuit example configured by using a switching element made of a bipolar transistor for switching control of a coil current to a coil of a motor / actuator has been described. However, a MOS-FET or other semiconductor element is used. Those skilled in the art will appreciate that this type of control circuit can be implemented using.

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。   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.

図1は、本発明の実施に供される脚式移動ロボットが直立している様子を前方から眺望した様子を示した図である。FIG. 1 is a view showing a state in which a legged mobile robot used for carrying out the present invention is viewed from the front. 図2は、本発明の実施に供される脚式移動ロボットが直立している様子を後方から眺望した様子を示した図である。FIG. 2 is a view showing a state in which a legged mobile robot used for carrying out the present invention is viewed from the rear. 図3は、脚式移動ロボットが具備する関節自由度構成を模式的に示した図である。FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a joint degree-of-freedom configuration included in the legged mobile robot. 図4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た図である。FIG. 4 is a diagram schematically showing a control system configuration of the legged mobile robot 100. 図5は、アクチュエータのサーボ制御器の構成を示した図である。FIG. 5 is a diagram showing the configuration of the servo controller of the actuator. 図6は、図5に示したモータと減速機の伝達関数表現モデルゲイン及び位相の周波数特性を示した図である。FIG. 6 is a diagram showing the frequency characteristics of the transfer function expression model gain and phase of the motor and the speed reducer shown in FIG. 図7は、図5に示したサーボ制御器において、位相補償型制御の設計例として位相補償帯域を任意に選択する例を説明するための図である。FIG. 7 is a diagram for explaining an example in which a phase compensation band is arbitrarily selected as a design example of phase compensation control in the servo controller shown in FIG. 図8は、図5に示したサーボ制御器において、位相補償型制御の設計例として位相補償を施す量を任意に選択する例を説明するための図である。FIG. 8 is a diagram for explaining an example in which the amount of phase compensation is arbitrarily selected as a design example of the phase compensation control in the servo controller shown in FIG. 図9は、図5に示したサーボ制御器において、Kで示した直列補償ゲインの大小を変更する制御器の設計例を説明するための図である。FIG. 9 is a diagram for explaining a design example of a controller that changes the magnitude of the series compensation gain indicated by K in the servo controller shown in FIG. 図10は、図7に示したように位相補償量が一定で周波数帯域を任意に選ぶようにアクチュエータのサーボ制御器を実装したときの開ループ特性を示した図である。FIG. 10 is a diagram showing open loop characteristics when the servo controller of the actuator is mounted so as to arbitrarily select the frequency band with a constant phase compensation amount as shown in FIG. 図11は、図10に示したうち高域でのみ位相進み補償を施した例C(s)−3においてさらに直列補償ゲインの制御を採り入れた様子を示した図である。FIG. 11 is a diagram showing a state in which control of the series compensation gain is further adopted in Example C (s) -3 in which the phase lead compensation is performed only in the high frequency region shown in FIG. 図12は、アクチュエータの位置制御系の開ループ特性に対し、全体で高いゲインとし、高域で位相進み量を小さくするような特性に設定した例を示した図である。FIG. 12 is a diagram showing an example in which the gain is set to be high as a whole with respect to the open loop characteristic of the actuator position control system, and the characteristic is set so as to reduce the phase advance amount in a high range. 図13は、アクチュエータの位置制御系の開ループ特性に対し、低域で低ゲインとし、高域で位相進み量を大きくするような特性に設定した例を示した図である。13, with respect to open-loop characteristic of the position control system of the actuator, a view in the low range and low gain, showing an example of setting the characteristic such as to increase the amount of phase lead in the mid-high range. 図14は、コイル電流の制御メカニズムを適用したDCモータのコイル電流供給用の電流制御回路の等価回路の構成例を示した図である。FIG. 14 is a diagram illustrating a configuration example of an equivalent circuit of a current control circuit for supplying a coil current of a DC motor to which a coil current control mechanism is applied. 図15は、付加論理回路の具体的な回路構成を示した図である。FIG. 15 is a diagram showing a specific circuit configuration of the additional logic circuit. 図16は、ハイ・レベルのBRAKE_PWM制御信号が入力されたときの付加論理回路の各トランジスタ制御用信号の出力特性を、コイル電流波形特性及びトルク出力特性とともに示した図である。FIG. 16 is a diagram showing the output characteristics of each transistor control signal of the additional logic circuit when the high-level BRAKE_PWM control signal is input, together with the coil current waveform characteristics and the torque output characteristics. 図17は、PWM制御により所定のデューティ比を持つBRAKE_PWM制御信号が入力されたときの付加論理回路の各トランジスタ制御用信号の出力特性を、コイル電流波形特性及びトルク出力特性とともに示した図である。FIG. 17 is a diagram showing the output characteristics of each transistor control signal of the additional logic circuit together with the coil current waveform characteristics and torque output characteristics when a BRAKE_PWM control signal having a predetermined duty ratio is input by PWM control. . 図18は、BRAKE_PWM制御信号のデューティ比によってモータの粘性抵抗を動的に制御する制御領域の関係を示した図である。FIG. 18 is a diagram showing the relationship of control areas in which the viscous resistance of the motor is dynamically controlled by the duty ratio of the BRAKE_PWM control signal. 図19は、ロボットが歩行動作を行なうときの各関節部位におけるアクチュエータの制御器及びアクチュエータ自体の特性の配置を説明するための図である。FIG. 19 is a diagram for explaining the arrangement of the characteristics of the actuator controller and the actuator itself at each joint site when the robot performs a walking motion. 図20は、ロボットが歩行動作を行なうときの各関節部位のアクチュエータ特性を切り替えるための処理手順を示したフローチャートである。FIG. 20 is a flowchart showing a processing procedure for switching the actuator characteristics of each joint part when the robot performs a walking motion. 図22は、立ち姿勢時において、両脚支持により両脚と床面とで閉リンク系を構成している様子を示した図である。FIG. 22 is a diagram illustrating a state in which a closed link system is configured by both legs and the floor surface by supporting both legs in the standing posture. 図22は、立ち姿勢時において、単脚支持により両脚と床面で開リンクを構成している様子を示した図である。FIG. 22 is a diagram showing a state in which an open link is configured by both legs and the floor surface by supporting a single leg in a standing posture. 図23は、ロボットが歩行動作を行なう過程を示した図である。FIG. 23 is a diagram illustrating a process in which the robot performs a walking motion. 図24は、ロボットが歩行動作を行なう過程を示した図である。FIG. 24 is a diagram illustrating a process in which the robot performs a walking motion. 図25は、ロボットが歩行動作を行なう過程を示した図である。FIG. 25 is a diagram illustrating a process in which the robot performs a walking motion. 図26は、ロボットが歩行動作を行なう過程を示した図である。FIG. 26 is a diagram illustrating a process in which the robot performs a walking motion. 図27は、ロボットが歩行動作を行なう過程を示した図である。FIG. 27 is a diagram illustrating a process in which the robot performs a walking motion. 図28は、ロボットが歩行動作を行なう過程を示した図である。FIG. 28 is a diagram illustrating a process in which the robot performs a walking motion. 図29は、ロボットが階段を昇る動作を行なう過程を示した図である。FIG. 29 is a diagram illustrating a process in which the robot performs an operation of ascending the stairs. 図30は、ロボットが階段を昇る動作を行なう過程を示した図である。FIG. 30 is a diagram illustrating a process in which the robot performs an operation of ascending the stairs. 図31は、ロボットが階段を昇る動作を行なう過程を示した図である。FIG. 31 is a diagram illustrating a process in which the robot performs an operation of ascending the stairs. 図32は、ロボットが階段を昇る動作を行なう過程を示した図である。FIG. 32 is a diagram illustrating a process in which the robot performs an operation of ascending the stairs. 図33は、ロボットが階段を昇る動作を行なう過程を示した図である。FIG. 33 is a diagram illustrating a process in which the robot performs an operation of ascending the stairs. 図34は、ロボットが階段を昇る動作を行なう過程を示した図である。FIG. 34 is a diagram illustrating a process in which the robot performs an operation of ascending the stairs. 図35は、階段を昇るときのロボットの各関節部位のアクチュエータ特性を切り替えるための処理手順を示したフローチャートである。FIG. 35 is a flowchart showing a processing procedure for switching the actuator characteristics of each joint part of the robot when going up the stairs. 図36は、ロボットが階段を降りる動作を行なう過程を示した図である。FIG. 36 is a diagram illustrating a process in which the robot performs an operation to go down the stairs. 図37は、ロボットが階段を降りる動作を行なう過程を示した図である。FIG. 37 is a diagram illustrating a process in which the robot performs an operation to go down the stairs. 図38は、ロボットが階段を降りる動作を行なう過程を示した図である。FIG. 38 is a diagram illustrating a process in which the robot performs an operation to go down the stairs. 図39は、ロボットが階段を降りる動作を行なう過程を示した図である。FIG. 39 is a diagram illustrating a process in which the robot performs an operation to go down the stairs. 図40は、ロボットが階段を降りる動作を行なう過程を示した図である。FIG. 40 is a diagram illustrating a process in which the robot performs an operation to go down the stairs. 図41は、ロボットが階段を降りる動作を行なう過程を示した図である。FIG. 41 is a diagram illustrating a process in which the robot performs an operation to go down the stairs. 図42は、階段を降りるときのロボットの各関節部位のアクチュエータ特性を切り替えるための処理手順を示したフローチャートである。FIG. 42 is a flowchart showing a processing procedure for switching the actuator characteristics of each joint portion of the robot when going down the stairs. 図43は、機体が旋回するときのロボットの各関節部位におけるアクチュエータが持つ制御器及びアクチュエータ自体の特性の配置を説明するための図である。FIG. 43 is a diagram for explaining the arrangement of the characteristics of the controller and the actuator of the actuator in each joint part of the robot when the airframe turns. 図44は、ロボットが旋回する動作を行なう過程を示した図である。FIG. 44 is a diagram illustrating a process in which the robot performs a turning operation. 図45は、ロボットが旋回する動作を行なう過程を示した図である。FIG. 45 is a diagram illustrating a process in which the robot performs a turning motion. 図46は、ロボットが旋回する動作を行なう過程を示した図である。FIG. 46 is a diagram illustrating a process in which the robot performs a turning motion. 図47は、ロボットが旋回する動作を行なう過程を示した図である。FIG. 47 is a diagram illustrating a process in which the robot performs a turning motion. 図48は、ロボットが旋回する動作を行なう過程を示した図である。FIG. 48 is a diagram illustrating a process in which the robot performs a turning motion. 図49は、ロボットが旋回する動作を行なう過程を示した図である。FIG. 49 is a diagram illustrating a process in which the robot performs a turning motion. 図50は、ロボットが旋回する動作を行なう過程を示した図である。FIG. 50 is a diagram illustrating a process in which the robot performs a turning motion. 図51は、ロボットが旋回する動作を行なう過程を示した図である。FIG. 51 is a diagram illustrating a process in which the robot performs a turning motion. 図52は、機体が旋回するときのロボットの各関節部位のアクチュエータ特性を切り替えるための処理手順を示したフローチャートである。FIG. 52 is a flowchart showing a processing procedure for switching the actuator characteristics of each joint portion of the robot when the aircraft turns.

符号の説明Explanation of symbols

1…首関節ヨー軸
2A…第1の首関節ピッチ軸
2B…第2の首関節(頭)ピッチ軸
3…首関節ロール軸
4…肩関節ピッチ軸
5…肩関節ロール軸
6…上腕ヨー軸
7…肘関節ピッチ軸
8…手首関節ヨー軸
9…体幹ピッチ軸
10…体幹ロール軸
11…股関節ヨー軸
12…股関節ピッチ軸
13…股関節ロール軸
14…膝関節ピッチ軸
15…足首関節ピッチ軸
16…足首関節ロール軸
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
93,94…加速度センサ
95…姿勢センサ
96…加速度センサ
100…脚式移動ロボット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Neck joint yaw axis 2A ... 1st neck joint pitch axis 2B ... 2nd neck joint (head) pitch axis 3 ... Neck joint roll axis 4 ... Shoulder joint pitch axis 5 ... Shoulder joint roll axis 6 ... Upper arm yaw axis 7 ... Elbow joint pitch axis 8 ... Wrist joint yaw axis 9 ... Trunk pitch axis 10 ... Trunk roll axis 11 ... Hip joint yaw axis 12 ... Hip joint pitch axis 13 ... Hip joint roll axis 14 ... Knee joint pitch axis 15 ... Ankle joint pitch Axis 16 ... Ankle joint roll axis 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, 94 ... acceleration sensor 95 ... posture sensor 9 ... acceleration sensor 100 ... legged mobile robot

Claims (17)

少なくとも胴体と腕と2以上の可動脚を含み、複数の関節で構成されるロボット装置において、
前記可動脚は少なくとも腿と膝ピッチと足首ピッチの関節を備えるとともに、前記腕は肩及び肘の関節を含み、
各関節を駆動するアクチュエータの位置制御系のサーボ制御器は、低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくした状態と、全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくした状態を有し、アクチュエータ・モータは粘性抵抗が小さい状態と大きい状態を有し、
前記ロボット装置は、
各関節を駆動するためのアクチュエータの位置制御系のサーボ制御器のゲイン及び位相補償制御とアクチュエータ・モータの粘性抵抗の制御とを組み合わせて行なうアクチュエータ特性制御手段と、
前記の可動脚を用いた歩行時における機体動作を制御する歩行動作制御手段を備え、
前記アクチュエータ特性制御手段は、歩行時において2以上の可動脚が支持脚となり該支持脚と床面で閉リンク系を構成するときに、該支持脚の各関節を駆動するためのアクチュエータのサーボ制御器を低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、アクチュエータ・モータの粘性抵抗を大きくすることで当該関節の粘性抵抗を大きくする、
ことを特徴とするロボット装置。
In a robot apparatus including at least a torso, an arm, and two or more movable legs and including a plurality of joints,
The movable leg includes at least a thigh, a knee pitch, and an ankle pitch joint, and the arm includes a shoulder and an elbow joint,
The servo controller for the position control system of the actuator that drives each joint has a low gain in the low range and a large phase advance amount in the middle and high range, and a high gain in the entire range and a small phase advance amount in the high range. The actuator motor has a state where the viscous resistance is small and a state where it is large,
The robot apparatus is:
Actuator characteristic control means for combining the gain and phase compensation control of the servo controller of the actuator position control system for driving each joint and the control of the viscous resistance of the actuator motor;
A walking motion control means for controlling the airframe motion during walking using the movable legs,
The actuator characteristic control means is a servo control of an actuator for driving each joint of the support leg when two or more movable legs become support legs during walking to form a closed link system with the support legs and the floor surface. Increase the amount of phase advance in the low range, low gain and mid-high range, and increase the viscous resistance of the actuator and motor to increase the viscous resistance of the joint.
A robot apparatus characterized by that.
少なくとも胴体と腕と2以上の可動脚を含み、複数の関節で構成されるロボット装置において、
前記可動脚は少なくとも腿と膝ピッチと足首ピッチの関節を備えるとともに、前記腕は肩及び肘の関節を含み、
各関節を駆動するアクチュエータの位置制御系のサーボ制御器は、低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくした状態と、全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくした状態を有し、アクチュエータ・モータは粘性抵抗が小さい状態と大きい状態を有し、
前記ロボット装置は、
各関節を駆動するためのアクチュエータの位置制御系のサーボ制御器のゲイン及び位相補償制御とアクチュエータ・モータの粘性抵抗の制御とを組み合わせて行なうアクチュエータ特性制御手段と、
前記の可動脚を用いた歩行時における機体動作を制御する歩行動作制御手段を備え、
前記アクチュエータ特性制御手段は、2以上の支持脚のうち後方の脚を離床した後、該遊脚を持ち上げ、前方に振り出し、さらに振り下ろして床面に着床するまでの間において、腕振り動作を行なう腕の各関節を駆動するアクチュエータのサーボ制御器を低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、アクチュエータ・モータの粘性抵抗を小さくすることで当該関節の粘性抵抗を小さくする、
ことを特徴とするロボット装置。
In a robot apparatus including at least a torso, an arm, and two or more movable legs and including a plurality of joints,
The movable leg includes at least a thigh, a knee pitch, and an ankle pitch joint, and the arm includes a shoulder and an elbow joint,
The servo controller for the position control system of the actuator that drives each joint has a low gain in the low range and a large phase advance amount in the middle and high range, and a high gain in the entire range and a small phase advance amount in the high range. The actuator motor has a state where the viscous resistance is small and a state where it is large,
The robot apparatus is:
Actuator characteristic control means for combining the gain and phase compensation control of the servo controller of the actuator position control system for driving each joint and the control of the viscous resistance of the actuator motor;
A walking motion control means for controlling the airframe motion during walking using the movable legs,
The actuator characteristic control means swings the arm between the two or more supporting legs after leaving the rear leg, lifting the swinging leg forward, swinging it down, and swinging it down on the floor. The servo controller of the actuator that drives each joint of the arm performing low-frequency, low-gain, large phase advance amount in the middle-high range, and lowering the viscous resistance of the actuator and motor, the viscous resistance of the joint Make it smaller,
A robot apparatus characterized by that.
少なくとも胴体と腕と2以上の可動脚を含み、複数の関節で構成されるロボット装置において、
前記可動脚は少なくとも腿と膝ピッチと足首ピッチの関節を備えるとともに、前記腕は肩及び肘の関節を含み、
各関節を駆動するアクチュエータの位置制御系のサーボ制御器は、低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくした状態と、全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくした状態を有し、アクチュエータ・モータは粘性抵抗が小さい状態と大きい状態を有し、
前記ロボット装置は、
各関節を駆動するためのアクチュエータの位置制御系のサーボ制御器のゲイン及び位相補償制御とアクチュエータ・モータの粘性抵抗の制御とを組み合わせて行なうアクチュエータ特性制御手段と、
前記の可動脚を用いた歩行時における機体動作を制御する歩行動作制御手段を備え、
前記アクチュエータ特性制御手段は、2以上の支持脚のうち後方の脚を離床した後、該遊脚を持ち上げ、前方に振り出し、さらに振り下ろして床面に着床するまでの間において、該支持脚の各関節を駆動するアクチュエータのサーボ制御器を全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくするとともに、アクチュエータ・モータの粘性抵抗を大きくすることで当該関節の粘性抵抗を大きくする、
ことを特徴とするロボット装置。
In a robot apparatus including at least a torso, an arm, and two or more movable legs and including a plurality of joints,
The movable leg includes at least a thigh, a knee pitch, and an ankle pitch joint, and the arm includes a shoulder and an elbow joint,
The servo controller for the position control system of the actuator that drives each joint has a low gain in the low range and a large phase advance amount in the middle and high range, and a high gain in the entire range and a small phase advance amount in the high range. The actuator motor has a state where the viscous resistance is small and a state where it is large,
The robot apparatus is:
Actuator characteristic control means for combining the gain and phase compensation control of the servo controller of the actuator position control system for driving each joint and the control of the viscous resistance of the actuator motor;
A walking motion control means for controlling the airframe motion during walking using the movable legs,
The actuator characteristic control means, after leaving the rear leg of the two or more support legs, lifting the swing leg forward, swinging it forward, swinging it down, and landing on the floor surface. The servo controller of the actuator that drives each joint of the above has a high gain in all bands and a small phase advance amount in the high band, and increases the viscous resistance of the actuator and motor, thereby increasing the viscous resistance of the joint.
A robot apparatus characterized by that.
少なくとも胴体と腕と2以上の可動脚を含み、複数の関節で構成されるロボット装置において、
前記可動脚は少なくとも腿と膝ピッチと足首ピッチの関節を備えるとともに、前記腕は肩及び肘の関節を含み、
各関節を駆動するアクチュエータの位置制御系のサーボ制御器は、低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくした状態と、全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくした状態を有し、アクチュエータ・モータは粘性抵抗が小さい状態と大きい状態を有し、
前記ロボット装置は、
各関節を駆動するためのアクチュエータの位置制御系のサーボ制御器のゲイン及び位相補償制御とアクチュエータ・モータの粘性抵抗の制御とを組み合わせて行なうアクチュエータ特性制御手段と、
前記の可動脚を用いた歩行時における機体動作を制御する歩行動作制御手段を備え、
前記アクチュエータ特性制御手段は、2以上の支持脚のうち後方の脚を離床した後、該遊脚を持ち上げ、前方に振り出し、さらに振り下ろして床面に着床するまでの間において、該遊脚の腿関節を駆動するアクチュエータのサーボ制御器を全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくするとともに、アクチュエータ・モータの粘性抵抗を大きくすることで当該関節の粘性抵抗を大きくする、
ことを特徴とするロボット装置。
In a robot apparatus including at least a torso, an arm, and two or more movable legs and including a plurality of joints,
The movable leg includes at least a thigh, a knee pitch, and an ankle pitch joint, and the arm includes a shoulder and an elbow joint,
The servo controller for the position control system of the actuator that drives each joint has a low gain in the low range and a large phase advance amount in the middle and high range, and a high gain in the entire range and a small phase advance amount in the high range. The actuator motor has a state where the viscous resistance is small and a state where it is large,
The robot apparatus is:
Actuator characteristic control means for combining the gain and phase compensation control of the servo controller of the actuator position control system for driving each joint and the control of the viscous resistance of the actuator motor;
A walking motion control means for controlling the airframe motion during walking using the movable legs,
The actuator characteristic control means includes the step of lifting the free leg, swinging it forward, swinging it down and landing on the floor after leaving the rear leg of the two or more support legs. The servo controller of the actuator that drives the thigh joint has high gain in all bands and the phase advance amount in the high range is reduced, and the viscous resistance of the actuator motor is increased to increase the viscous resistance of the joint.
A robot apparatus characterized by that.
少なくとも胴体と腕と2以上の可動脚を含み、複数の関節で構成されるロボット装置において、
前記可動脚は少なくとも腿と膝ピッチと足首ピッチの関節を備えるとともに、前記腕は肩及び肘の関節を含み、
各関節を駆動するアクチュエータの位置制御系のサーボ制御器は、低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくした状態と、全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくした状態を有し、アクチュエータ・モータは粘性抵抗が小さい状態と大きい状態を有し、
前記ロボット装置は、
各関節を駆動するためのアクチュエータの位置制御系のサーボ制御器のゲイン及び位相補償制御とアクチュエータ・モータの粘性抵抗の制御とを組み合わせて行なうアクチュエータ特性制御手段と、
前記の可動脚を用いた歩行時における機体動作を制御する歩行動作制御手段を備え、
前記アクチュエータ特性制御手段は、2以上の支持脚のうち後方の脚を離床した後の持ち上げている間、該遊脚の足首の関節を駆動するアクチュエータのサーボ制御器を低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、アクチュエータ・モータの粘性抵抗を小さくすることで当該関節の粘性抵抗を小さくする、
ことを特徴とするロボット装置。
In a robot apparatus including at least a torso, an arm, and two or more movable legs and including a plurality of joints,
The movable leg includes at least a thigh, a knee pitch, and an ankle pitch joint, and the arm includes a shoulder and an elbow joint,
The servo controller for the position control system of the actuator that drives each joint has a low gain in the low range and a large phase advance amount in the middle and high range, and a high gain in the entire range and a small phase advance amount in the high range. The actuator motor has a state where the viscous resistance is small and a state where it is large,
The robot apparatus is:
Actuator characteristic control means for combining the gain and phase compensation control of the servo controller of the actuator position control system for driving each joint and the control of the viscous resistance of the actuator motor;
A walking motion control means for controlling the airframe motion during walking using the movable legs,
The actuator characteristic control means is a low-frequency and low-gain servo controller for the actuator that drives the ankle joint of the free leg while the rear leg of the two or more support legs is lifted after leaving the floor. And while increasing the amount of phase advance in the mid-high range , the viscous resistance of the joint is reduced by reducing the viscous resistance of the actuator motor .
A robot apparatus characterized by that.
少なくとも胴体と腕と2以上の可動脚を含み、複数の関節で構成されるロボット装置において、
前記可動脚は少なくとも腿と膝ピッチと足首ピッチの関節を備えるとともに、前記腕は肩及び肘の関節を含み、
各関節を駆動するアクチュエータの位置制御系のサーボ制御器は、低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくした状態と、全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくした状態を有し、アクチュエータ・モータは粘性抵抗が小さい状態と大きい状態を有し、
前記ロボット装置は、
各関節を駆動するためのアクチュエータの位置制御系のサーボ制御器のゲイン及び位相補償制御とアクチュエータ・モータの粘性抵抗の制御とを組み合わせて行なうアクチュエータ特性制御手段と、
前記の可動脚を用いた歩行時における機体動作を制御する歩行動作制御手段を備え、
前記アクチュエータ特性制御手段は、支持脚よりも後方で持ち上げた遊脚を前方に振り出し、さらに振り下ろして床面に着床するまでの間において、該遊脚の膝並びに足首の関節を駆動するアクチュエータのサーボ制御器を低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、アクチュエータ・モータの粘性抵抗を小さくすることで当該関節の粘性抵抗を小さくする、
ことを特徴とするロボット装置。
In a robot apparatus including at least a torso, an arm, and two or more movable legs and including a plurality of joints,
The movable leg includes at least a thigh, a knee pitch, and an ankle pitch joint, and the arm includes a shoulder and an elbow joint,
The servo controller for the position control system of the actuator that drives each joint has a low gain in the low range and a large phase advance amount in the middle and high range, and a high gain in the entire range and a small phase advance amount in the high range. The actuator motor has a state where the viscous resistance is small and a state where it is large,
The robot apparatus is:
Actuator characteristic control means for combining the gain and phase compensation control of the servo controller of the actuator position control system for driving each joint and the control of the viscous resistance of the actuator motor;
A walking motion control means for controlling the airframe motion during walking using the movable legs,
The actuator characteristic control means is an actuator that drives the knee and ankle joint of the swing leg until the swing leg lifted behind the support leg is swung forward and then swung down to land on the floor. The servo controller of the low-frequency and low-gain and the phase advance amount in the middle-high range is increased, and the viscous resistance of the actuator motor is reduced to reduce the viscous resistance of the joint.
A robot apparatus characterized by that.
少なくとも胴体と2以上の可動脚を含み、複数の関節で構成されるロボット装置において、
前記可動脚は少なくとも腿と膝ピッチと足首ピッチの関節を備え、
各関節を駆動するアクチュエータの位置制御系のサーボ制御器は、低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくした状態と、全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくした状態を有し、アクチュエータ・モータは粘性抵抗が小さい状態と大きい状態を有し、
前記ロボット装置は、
各関節を駆動するためのアクチュエータの位置制御系のサーボ制御器のゲイン及び位相補償制御とアクチュエータ・モータの粘性抵抗の制御とを組み合わせて行なうアクチュエータ特性制御手段と、
前記の可動脚を用いた階段昇降時における機体動作を制御する階段昇降動作制御手段を備え、
前記アクチュエータ特性制御手段は、階段昇降時において2以上の可動脚が支持脚となり該支持脚と床面で閉リンク系を構成するときに、該支持脚の各関節を駆動するためのアクチュエータのサーボ制御器を低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、アクチュエータ・モータの粘性抵抗を大きくすることで当該関節の粘性抵抗を大きくする、
ことを特徴とするロボット装置。
In a robot apparatus including at least a torso and two or more movable legs and including a plurality of joints,
The movable leg comprises at least a thigh, a knee pitch and an ankle pitch joint;
The servo controller for the position control system of the actuator that drives each joint has a low gain in the low range and a large phase advance amount in the middle and high range, and a high gain in the entire range and a small phase advance amount in the high range. The actuator motor has a state where the viscous resistance is small and a state where it is large,
The robot apparatus is:
Actuator characteristic control means for combining the gain and phase compensation control of the servo controller of the actuator position control system for driving each joint and the control of the viscous resistance of the actuator motor;
Stair ascending / descending operation control means for controlling the airframe operation during stairs ascending / descending using the movable legs,
The actuator characteristic control means is a servo of an actuator for driving each joint of the support legs when two or more movable legs become support legs when the stairs are moved up and down to form a closed link system with the support legs and the floor surface. Increase the controller 's viscous resistance by increasing the phase advance amount in the low / low gain and medium / high range, and increasing the viscous resistance of the actuator / motor ,
A robot apparatus characterized by that.
少なくとも胴体と2以上の可動脚を含み、複数の関節で構成されるロボット装置において、
前記可動脚は少なくとも腿と膝ピッチと足首ピッチの関節を備え、
各関節を駆動するアクチュエータの位置制御系のサーボ制御器は、低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくした状態と、全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくした状態を有し、アクチュエータ・モータは粘性抵抗が小さい状態と大きい状態を有し、
前記ロボット装置は、
各関節を駆動するためのアクチュエータの位置制御系のサーボ制御器のゲイン及び位相補償制御とアクチュエータ・モータの粘性抵抗の制御とを組み合わせて行なうアクチュエータ特性制御手段と、
前記の可動脚を用いた階段昇降時における機体動作を制御する階段昇降動作制御手段を備え、
前記アクチュエータ特性制御手段は、2以上の支持脚のうち後方の脚を離床した後、該遊脚を持ち上げ、前方に振り出し、さらに振り下ろして床面に着床するまでの間において、該支持脚の各関節を駆動するアクチュエータのサーボ制御器を全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくするとともに、アクチュエータ・モータの粘性抵抗を大きくすることで当該関節の粘性抵抗を大きくする、
ことを特徴とするロボット装置。
In a robot apparatus including at least a torso and two or more movable legs and including a plurality of joints,
The movable leg comprises at least a thigh, a knee pitch and an ankle pitch joint;
The servo controller for the position control system of the actuator that drives each joint has a low gain in the low range and a large phase advance amount in the middle and high range, and a high gain in the entire range and a small phase advance amount in the high range. The actuator motor has a state where the viscous resistance is small and a state where it is large,
The robot apparatus is:
Actuator characteristic control means for combining the gain and phase compensation control of the servo controller of the actuator position control system for driving each joint and the control of the viscous resistance of the actuator motor;
Stair ascending / descending operation control means for controlling airframe operation at the time of ascending / descending using the movable legs,
The actuator characteristic control means, after leaving the rear leg of the two or more support legs, lifting the swing leg forward, swinging it forward, swinging it down, and landing on the floor surface. The servo controller of the actuator that drives each joint of the above has a high gain in all bands and a small phase advance amount in the high band, and increases the viscous resistance of the actuator and motor, thereby increasing the viscous resistance of the joint.
A robot apparatus characterized by that.
前記アクチュエータ特性制御手段は、階段を昇る際、2以上の支持脚のうち後方の脚を離床して該遊脚を持ち上げている間において、該支持脚の腿ロールの関節を駆動するアクチュエータのサーボ制御器を全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくするとともに、アクチュエータ・モータの粘性抵抗を大きくすることで当該関節の粘性抵抗を大きくし、該遊脚の腿ピッチ及び膝の関節を駆動するアクチュエータのサーボ制御器を低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、当該関節の粘性抵抗を大きくし、該遊脚の足首の関節を駆動するアクチュエータのサーボ制御器を低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、アクチュエータ・モータの粘性抵抗を小さくすることで当該関節の粘性抵抗を小さくする、
ことを特徴とする請求項8に記載のロボット装置。
The actuator characteristic control means is a servo for an actuator that drives a thigh roll joint of the support leg while lifting the free leg by lifting the rear leg of the two or more support legs when climbing the stairs. The controller has a high gain in the entire band and a small phase advance amount in the high band, and also increases the viscous resistance of the joint by increasing the viscous resistance of the actuator and motor, and the thigh pitch and knee of the free leg. The servo controller of the actuator that drives the joint increases the phase advance amount in the low range and the low gain and in the middle and high range, increases the viscous resistance of the joint, and drives the servo of the actuator that drives the ankle joint of the free leg the controller as well as increasing the amount of phase lead in and mid-high range at low gain in the low range, to reduce the viscosity resistance of the actuator motor To reduce the viscosity resistance of the joint,
The robot apparatus according to claim 8.
前記アクチュエータ特性制御手段は、階段を昇る際、該持ち上げた遊脚を前方に振り出してから振り下ろすまでの間において、該遊脚の腿ロールの関節を駆動するアクチュエータのサーボ制御器を全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくするとともに、当該関節の粘性抵抗を大きくし、該遊脚の腿ピッチの関節を駆動するアクチュエータのサーボ制御器を低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、当該関節の粘性抵抗を大きくし、該遊脚の膝及び足首の関節を駆動するアクチュエータのサーボ制御器を低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、アクチュエータ・モータの粘性抵抗を小さくすることで当該関節の粘性抵抗を小さくする、
ことを特徴とする請求項9に記載のロボット装置。
When the ascending stairs, the actuator characteristic control means sets the servo controller of the actuator that drives the joint of the thigh roll of the swinging leg in the entire band during the period from swinging the lifted swinging leg forward to swinging it down. High gain and small phase advance amount in the high range, increase the viscous resistance of the joint and increase the servo controller of the actuator that drives the joint of the thigh pitch of the free leg in the low range and the low gain and the mid-high range In addition to increasing the phase advance amount at the same time, the viscous resistance of the joint is increased, and the servo controller of the actuator that drives the knee and ankle joint of the free leg has a low gain in the low range and the phase advance amount in the mid-high range. While increasing the size , the viscosity resistance of the joint is reduced by decreasing the viscosity resistance of the actuator / motor .
The robot apparatus according to claim 9.
前記アクチュエータ特性制御手段は、階段を昇る際、該振り下ろした遊脚が着床する瞬間において、該遊脚の腿の関節を駆動するアクチュエータのサーボ制御器を低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともにアクチュエータ・モータの粘性抵抗を大きくすることで当該関節の粘性抵抗を大きくし、該遊脚の膝及び足首の関節を駆動するアクチュエータのサーボ制御器を低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、アクチュエータ・モータの粘性抵抗を小さくすることで当該関節の粘性抵抗を小さくする、
ことを特徴とする請求項10に記載のロボット装置。
It said actuator characteristic control means, when climbing stairs, at the moment when the swing-down was the free leg is landed, and a mid-high range at low gain servo controller of the actuator in the low range for driving the thigh joints of該遊Ashi In addition to increasing the phase advance amount and increasing the viscous resistance of the actuator and motor, the viscous resistance of the joint is increased, and the servo controller of the actuator that drives the knee and ankle joint of the free leg is reduced in the low range. Increase the phase advance amount in the middle and high range with gain, and reduce the viscous resistance of the joint by reducing the viscous resistance of the actuator motor .
The robot apparatus according to claim 10.
前記アクチュエータ特性制御手段は、階段を降りる際、2以上の支持脚のうち後方の脚を離床した後、該遊脚を持ち上げ、前方に振り出し、さらに振り下ろして床面に着床する瞬間までの間において、該遊脚の腿の関節を駆動するアクチュエータのサーボ制御器を全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくするとともに、アクチュエータ・モータの粘性抵抗を大きくすることで当該関節の粘性抵抗を大きくする、
ことを特徴とする請求項8に記載のロボット装置。
When the actuator characteristic control means goes down the stairs, after leaving the rear leg of the two or more support legs, lift up the swing leg, swing it forward, and swing it down until the moment of landing on the floor. In the meantime, the servo controller of the actuator that drives the joint of the thigh of the swing leg has a high gain in all bands and a small amount of phase advance in the high band, and also increases the viscous resistance of the actuator and motor to increase the joint resistance Increase the viscous resistance of the
The robot apparatus according to claim 8.
前記アクチュエータ特性制御手段は、階段を降りる際、該遊脚を振り下ろした後の床面に着床する瞬間において、該遊脚の膝及び足首の関節を駆動するアクチュエータのサーボ制御器を低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、アクチュエータ・モータの粘性抵抗を小さくすることで当該関節の粘性抵抗を小さくする、
ことを特徴とする請求項12に記載のロボット装置。
The actuator characteristic control means lowers the servo controller of the actuator that drives the knee and ankle joint of the free leg at the moment of landing on the floor after swinging down the free leg when going down the stairs. In addition to increasing the phase advance amount in the middle and high range with low gain, and reducing the viscous resistance of the actuator and motor, the viscous resistance of the joint is reduced.
The robot apparatus according to claim 12, wherein:
少なくとも胴体と2以上の可動脚を含み、複数の関節で構成されるロボット装置において、
前記可動脚は少なくとも腿と膝ピッチと足首ピッチの関節を備え、
各関節を駆動するアクチュエータの位置制御系のサーボ制御器は、低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくした状態と、全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくした状態を有し、アクチュエータ・モータは粘性抵抗が小さい状態と大きい状態を有し、
前記ロボット装置は、
各関節を駆動するためのアクチュエータの位置制御系のサーボ制御器のゲイン及び位相補償制御とアクチュエータ・モータの粘性抵抗の制御とを組み合わせて行なうアクチュエータ特性制御手段と、
前記の可動脚を用いた旋回動作時における機体動作を制御する旋回動作制御手段を備え、
前記アクチュエータ特性制御手段は、旋回動作時において2以上の可動脚が支持脚となり該支持脚と床面で閉リンク系を構成するときに、該支持脚の各関節を駆動するためのアクチュエータのサーボ制御器を低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、アクチュエータ・モータの粘性抵抗を大きくすることで当該関節の粘性抵抗を大きくする、
ことを特徴とするロボット装置。
In a robot apparatus including at least a torso and two or more movable legs and including a plurality of joints,
The movable leg comprises at least a thigh, a knee pitch and an ankle pitch joint;
The servo controller for the position control system of the actuator that drives each joint has a low gain in the low range and a large phase advance amount in the middle and high range, and a high gain in the entire range and a small phase advance amount in the high range. The actuator motor has a state where the viscous resistance is small and a state where it is large,
The robot apparatus is:
Actuator characteristic control means for combining the gain and phase compensation control of the servo controller of the actuator position control system for driving each joint and the control of the viscous resistance of the actuator motor;
A turning motion control means for controlling the airframe motion during the turning motion using the movable leg,
The actuator characteristic control means is a servo of an actuator for driving each joint of the support leg when two or more movable legs become a support leg during a turning operation and the support leg and the floor surface constitute a closed link system. Increase the controller 's viscous resistance by increasing the phase resistance in the low range, low gain and medium / high range, and increasing the viscous resistance of the actuator / motor ,
A robot apparatus characterized by that.
少なくとも胴体と2以上の可動脚を含み、複数の関節で構成されるロボット装置において、
前記可動脚は少なくとも腿と膝ピッチと足首ピッチの関節を備え、
各関節を駆動するアクチュエータの位置制御系のサーボ制御器は、低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくした状態と、全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくした状態を有し、アクチュエータ・モータは粘性抵抗が小さい状態と大きい状態を有し、
前記ロボット装置は、
各関節を駆動するためのアクチュエータの位置制御系のサーボ制御器のゲイン及び位相補償制御とアクチュエータ・モータの粘性抵抗の制御とを組み合わせて行なうアクチュエータ特性制御手段と、
前記の可動脚を用いた旋回動作時における機体動作を制御する旋回動作制御手段を備え、
前記アクチュエータ特性制御手段は、2以上の支持脚のうちいずれかの脚を離床した後、該遊脚を持ち上げ、振り出し、さらに振り下ろして床面に着床するまでの間において、該支持脚の各関節を駆動するアクチュエータのサーボ制御器を全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくするとともに、アクチュエータ・モータの粘性抵抗を大きくすることで当該関節の粘性抵抗を大きくする、
ことを特徴とするロボット装置。
In a robot apparatus including at least a torso and two or more movable legs and including a plurality of joints,
The movable leg comprises at least a thigh, a knee pitch and an ankle pitch joint;
The servo controller for the position control system of the actuator that drives each joint has a low gain in the low range and a large phase advance amount in the middle and high range, and a high gain in the entire range and a small phase advance amount in the high range. The actuator motor has a state where the viscous resistance is small and a state where it is large,
The robot apparatus is:
Actuator characteristic control means for combining the gain and phase compensation control of the servo controller of the actuator position control system for driving each joint and the control of the viscous resistance of the actuator motor;
A turning motion control means for controlling the airframe motion during the turning motion using the movable leg,
The actuator characteristic control means, after leaving one of the two or more support legs, lifting the swing leg, swinging it out, swinging it down, and landing on the floor surface. The servo controller of the actuator that drives each joint has high gain in all bands and the phase advance amount in the high range is reduced, and the viscous resistance of the actuator motor is increased to increase the viscous resistance of the joint.
A robot apparatus characterized by that.
前記アクチュエータ特性制御手段は、2以上の支持脚のうちいずれかの脚を離床した後、該遊脚を持ち上げ、振り出し、さらに振り下ろして床面に着床するまでの間において、該遊脚の腿の関節を駆動するアクチュエータのサーボ制御器を全帯域で高ゲインで且つ高域における位相進み量を小さくするとともに、アクチュエータ・モータの粘性抵抗を大きくすることで当該関節の粘性抵抗を大きくする、
ことを特徴とする請求項15に記載のロボット装置。
The actuator characteristic control means, after leaving one of the two or more supporting legs, lifting the swinging leg, swinging it out, swinging it down, and landing on the floor surface. The servo controller of the actuator that drives the thigh joint has high gain in all bands and the phase advance amount in the high range is reduced, and the viscous resistance of the actuator motor is increased to increase the viscous resistance of the joint.
The robot apparatus according to claim 15.
前記アクチュエータ特性制御手段は、2以上の支持脚のうちいずれかの脚を離床した後、該遊脚を持ち上げ、振り出し、さらに振り下ろして床面に着床するまでの間において、該遊脚の足首の関節を駆動するアクチュエータのサーボ制御器を低域で低ゲインで且つ中高域における位相進み量を大きくするとともに、アクチュエータ・モータの粘性抵抗を小さくすることで当該関節の粘性抵抗を小さくする、
ことを特徴とする請求項15に記載のロボット装置。
The actuator characteristic control means, after leaving one of the two or more supporting legs, lifting the swinging leg, swinging it out, swinging it down, and landing on the floor surface. The servo controller of the actuator that drives the ankle joint has a low gain in the low range and a large phase advance amount in the middle and high range, and the viscous resistance of the joint is reduced by reducing the viscous resistance of the actuator motor .
The robot apparatus according to claim 15.
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