JP4110525B2 - Robot apparatus and operation control method thereof - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基体と前記基体に接続される複数の可動部を備えたロボット装置及びその動作制御方法に係り、特に、可動部が少なくとも上肢、下肢および体幹部を含む脚式移動ロボット及びその動作制御方法に関する。
【0002】
さらに詳しくは、本発明は、転倒や異常に伴い動作を緊急停止させた後に自立的に復帰する脚式移動ロボット及びその動作制御方法に係り、特に、可動部同士の自己干渉や周囲の物体との外部干渉に拘わらず緊急停止した状態から自立的に復帰する脚式移動ロボット及びその動作制御方法に関する。
【0003】
【従来の技術】
電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行う機械装置のことを「ロボット」という。ロボットの語源は、スラブ語の"ROBOTA(奴隷機械)"に由来すると言われている。わが国では、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。
【0004】
最近では、ヒトやサルなどの2足直立歩行を行なう動物の身体メカニズムや動作を模した脚式移動ロボットに関する研究開発が進展し、実用化への期待も高まってきている。2足直立による脚式移動は、クローラ式や、4足又は6足式などに比し不安定で姿勢制御や歩行制御が難しくなるが、不整地や障害物など作業経路上に凹凸のある歩行面や、階段や梯子の昇降など不連続な歩行面に対応することができるなど、柔軟な移動作業を実現できるという点で優れている。
【0005】
また、ヒトの生体メカニズムや動作を再現した脚式移動ロボットのことを、特に、「人間形」、若しくは「人間型」のロボット(humanoid robot)と呼ぶ。人間型ロボットは、例えば、生活支援、すなわち住環境その他の日常生活上のさまざまな場面における人的活動の支援などを行なうことができる。
【0006】
人間の作業空間や居住空間のほとんどは、2足直立歩行という人間が持つ身体メカニズムや行動様式に合わせて形成されおり、車輪その他の駆動装置を移動手段とした現状の機械システムが移動するのには多くの障壁が存在する。したがって、機械システムすなわちロボットがさまざまな人的作業を代行し、さらに人間の住空間に深く浸透していくためには、ロボットの移動可能範囲が人間のそれとほぼ同じであることが好ましい。これが、脚式移動ロボットの実用化が大いに期待されている所以でもある。
【0007】
脚式移動ロボットを始めとする多関節型ロボット、あるいはその他のロボット装置は、関節角度や関節ゲインなどの複数の制御対象を持つ。また、ロボットの装置動作は、一般に、ある動作期間の初期点と終端点における各制御対象の制御値のみを規定した動作パターンとして取り扱われ、動作期間中における各制御対象の動作はスプライン補間や線形補間などの補間処理が行なわれるというPTP(Point to Point)制御が採用されている。そして、あらかじめ多くの静的・動的な動作パターンを用意しておき、ロボット装置が、一方の終端点と他方の初期点との連続性が保証される動作パターン同士を連結して機体上で再生することにより、歩行やダンス、その他の複雑で長期的な行動を実現することができる。
【0008】
また、脚式移動ロボットは、一般に、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)に比し、冗長な自由度を含む多リンク系により構成されているという特徴がある。このような特徴を生かし、複雑な動作、あるいは移動・バランス維持・アーム作業といった複数のタスクを同時実行することができる。この反面、動作中に、姿勢の安定性を失って転倒したり、ユーザの指やその他の異物を挟み込んだり、あるいは可動部同士が自己干渉したりするなどの事象により緊急停止する可能性がある。
【0009】
無人環境下でロボットが完全に自立して動作するためには、このような緊急停止状態から自動復帰できることが好ましい。
【0010】
しかしながら、上述したようにPTP制御が行なわれる場合、これらの動作は途中から再生しても安定性が満たされるとは限らない。そのため、ロボットの転倒や人間の体の挟み込み、モータの過電流などの障害が発生して緊急停止した場合、通常の動作を再開するためには、いずれかの動作パターンの初期状態まで一旦移行し、その初期姿勢から動作を開始する必要がある。
【0011】
実際に初期姿勢に遷移する際には、意図しないロボット自身の自己干渉や、周囲環境との間の外部干渉が生じる可能性があるが、これらの干渉の発生しない動作をすべて事前に用意することは、現実的に不可能である。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、転倒や異常に伴い動作を緊急停止させた後に自立的に復帰することができる、優れた脚式移動ロボット及びその動作制御方法を提供することにある。
【0013】
本発明のさらなる目的は、可動部同士の自己干渉や周囲の物体との外部干渉に拘わらず緊急停止した状態から自立的に復帰することができる、優れた脚式移動ロボット及びその動作制御方法を提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段及び作用】
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、基体と前記基体に接続される複数の可動部を備えたロボット装置であって、
所定の障害の発生に応じて装置動作を停止させる停止手段と、
前記ロボット装置自身の自己干渉及び/又は周囲環境との間の外部干渉の問題を厳密に解くことなく該停止された装置動作を復帰させる復帰手段と、
を具備することを特徴とするロボット装置である。
【0015】
ここで、ロボット装置は例えば2脚2腕の脚式移動ロボットであり、前記複数の可動部は、少なくとも上肢、下肢および体幹部を含んでもよい。
【0016】
前記復帰手段は、自己干渉が生じた場合に、自己干渉が生じた部位における自由度を構成する関節アクチュエータで発生させるトルク又は力を一時的に制限する、あるいは干渉が生じる場合に備えてあらかじめ制限するようにしてもよい。
【0017】
このような場合、可動部同士が自己干渉を生じたときであっても、関節アクチュエータのトルク又は力が制限されているので、互いの表面に接触しながら、復帰動作を継続し、無事に完了させることができる。
【0018】
また、前記復帰手段は、前記可動部の先端から順次動作させていくようにしてもよい。例えば、上肢を復帰させるときには手先、下肢を復帰させるときには足先に近い関節から順次動作させていく。先端から緊急停止状態を解いていくことにより、肢体同士が絡まり難くなる。または、例えば脚の場合、膝関節など特徴的な関節から順次動作させていく。あるいはスタート時刻をずらして動作を行なう。
【0019】
あるいは、前記復帰手段は、前記可動部を前記基体に近い関節から順に動作させるとともに、動作が始まっていない関節アクチュエータで発生させるトルク又は力を制限するようにしてもよい。
【0020】
このような場合、前記基体に近い関節を駆動しているときに、前記基体からより遠くにある部位で自己干渉や絡み合いが生じることがあるが、関節アクチュエータのトルクが制限されているので、互いの表面に接触しながら、復帰動作を継続し、無事に完了させることができる。
【0021】
また、前記復帰手段は、干渉の生じないような動作を自律的に生成するようにしてもよい。
【0022】
また、前記停止手段は、障害発生後も、前記可動部の関節アクチュエータを小さなトルク又は力によって制御し続けるようにしてもよい。
【0023】
例えば、転倒時において、関節アクチュエータを弱いトルクで制御すると、床上に着床した時点である程度の姿勢を保つことができる。すなわち、想定外の姿勢になることを防ぐことができるとともに、その後の復帰動作の生成が容易になる。
【0024】
また、前記復帰手段は、障害が発生した時点までの動作と逆の動作を行なうようにすることにより、自己干渉を起こすことなく、復帰動作を無事完了することができる。
【0025】
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。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。
【0027】
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100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100は、胴体部と、頭部と、左右の上肢部と、脚式移動を行なう左右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。
【0028】
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。
【0029】
制御部は、この脚式移動ロボット100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。
【0030】
このように構成された脚式移動ロボット100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、
【0031】
(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
【0032】
脚式移動ロボット100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。
【0033】
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(Zero Moment Point)を歩行の安定度判別の規範として用いている。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(すなわちZMP安定領域)の辺上あるいはそ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。
【0034】
図3には、この脚式移動ロボット100が具備する関節自由度構成を模式的に示している。同図に示すように、脚式移動ロボット100は、2本の腕部と頭部1を含む上肢と、移動動作を実現する2本の脚部からなる下肢と、上肢と下肢とを連結する体幹部とで構成された、複数の肢を備えた構造体である。
【0035】
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,2bと、首関節ロール軸3という3自由度を有している。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
但し、エンターティンメント向けの脚式移動ロボット100が上述したすべての自由度を装備しなければならない訳でも、あるいはこれに限定される訳でもない。設計・製作上の制約条件や要求仕様などに応じて、自由度すなわち関節数を適宜増減することができることは言うまでもない。
【0040】
上述したような脚式移動ロボット100が持つ各自由度は、実際にはアクチュエータを用いて実装される。外観上で余分な膨らみを排してヒトの自然体形状に近似させること、2足歩行という不安定構造体に対して姿勢制御を行なうことなどの要請から、アクチュエータは小型且つ軽量であることが好ましい。本実施形態では、ギア直結型で且つサーボ制御系をワンチップ化してモータ・ユニットに内蔵したタイプの小型ACサーボ・アクチュエータを搭載することとした(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号公報に開示されている)。本実施形態では、直結ギアとして低減速ギアを採用することにより、人間との物理的インタラクションを重視するタイプのロボット100に求められている駆動系自身の受動的特性を得ている。
【0041】
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、右及び左の各々を示す接尾辞である。以下同様)。
【0042】
脚式移動ロボット100全体の動作は、制御ユニット80によって統括的に制御される。制御ユニット80は、CPU(Central Processing Unit)やメモリ等の主要回路コンポーネント(図示しない)で構成される主制御部81と、電源回路やロボット100の各構成要素とのデータやコマンドの授受を行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。
【0043】
本発明を実現する上で、この制御ユニット80の設置場所は特に限定されない。図4では体幹部ユニット40に搭載されているが、頭部ユニット30に搭載してもよい。あるいは、脚式移動ロボット100外に制御ユニット80を配備して、脚式移動ロボット100の機体とは有線若しくは無線で交信するようにしてもよい。
【0044】
図3に示した脚式移動ロボット100内の各関節自由度は、それぞれに対応するアクチュエータによって実現される。すなわち、頭部ユニット30には、首関節ヨー軸1、首関節ピッチ軸2、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、首関節ピッチ軸アクチュエータA2、首関節ロール軸アクチュエータA3が配設されている。
【0045】
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が配備されている。
【0046】
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が配備されている。
【0047】
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が配備されている。
【0048】
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(前述)で構成することができる。
【0049】
頭部ユニット30、体幹部ユニット40、腕部ユニット50、各脚部ユニット60などの各機構ユニット毎に、アクチュエータ駆動制御用の副制御部35,45,55,65が配備されている。
【0050】
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を制御対象点として設定して、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。
【0051】
また、各脚部60R,Lには、接地確認センサ91及び92と、加速度センサ93,94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93,94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93,94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。
【0052】
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、腰部のみが制御対象点に設定され、足部の状態は、この制御対象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。
【0053】
(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。
【0054】
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と力を直接計測する反力センサ・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。
【0055】
主制御部80は、ある動作期間の初期点と終端点における各制御対象の制御値のみを規定した動作パターンが投入されると、PTP制御により、動作期間中における各制御対象の動作はスプライン補間や線形補間などで補間して動作の再生を行なう。そして、一方の終端点と他方の初期点との連続性が保証される動作パターン同士を連結して機体上で再生することにより、歩行やダンス、その他の複雑で長期的な行動を実現する。
【0056】
また、主制御部80は、各センサ91〜93の出力に応答して制御目標をダイナミックに補正することができる。より具体的には、副制御部35,45,55,65の各々に対して適応的な制御を行い、脚式移動ロボット100の上肢、体幹、及び下肢が協調して駆動する全身運動パターンを実現する。
【0057】
ロボット100の機体上での全身運動は、足部運動、ZMP(Zero Moment Point)軌道、体幹運動、上肢運動、腰部高さなどを設定するとともに、これらの設定内容に従った動作を指示するコマンドを各副制御部35,45,55,65に転送する。そして、各々の副制御部35,45…では、主制御部81からの受信コマンドを解釈して、各アクチュエータA1,A2,A3…に対して駆動制御信号を出力する。ここで言う「ZMP」とは、歩行中の床反力によるモーメントがゼロとなる床面上の点のことであり、また、「ZMP軌道」とは、例えばロボット100の歩行動作期間中にZMPが動く軌跡を意味する(前述)。
【0058】
なお、本実施形態に係る脚式移動ロボット100は、腰部位置に重心が設定されており、姿勢安定制御の重要な制御対象点であるとともに、装置の「基体」を構成する。
【0059】
ロボットは、転倒や人間の体の挟み込み、モータの過電流などの障害が発生して緊急停止した場合、通常の動作を再開するためには、いずれかの動作パターンの初期状態まで一旦移行し、その初期姿勢から動作を開始する必要がある。実際に初期姿勢に遷移する際には、意図しないロボット自身の自己干渉や、周囲環境との間の外部干渉が生じる可能性があるが、これらの干渉の発生しない動作をすべて事前に用意することは、現実的に不可能である。
【0060】
このため、本発明者らは、脚式移動ロボットが緊急停止状態から自動復帰するためには、以下のいずれかの方法が必要であると思料する。すなわち、
【0061】
(A)厳密な干渉問題を解くことなく、干渉が発生した場合でも動作を続行するための方法
(B)厳密な干渉問題を解くことなく、干渉しない動作を生成する方法
(C)厳密な干渉問題を解きながら、干渉しない動作を生成する方法
【0062】
以下、図面を参照しながら、脚式移動ロボットが緊急停止状態から自動復帰する幾つかの方法について説明する。
【0063】
A.厳密な干渉問題を解くことなく復帰する方法
自律的に生成した動作を各関節の制御によって実現させる場合、意図しないロボット自身の自己干渉や周囲環境との間の外部干渉が生じる可能性がある。この場合に、厳密な干渉問題を解くことなく復帰動作を完了させるため幾つかの方法を以下に挙げる。
【0064】
A−1.関節アクチュエータを脱力する
自己干渉が生じた場合に、関節アクチュエータで発生させるトルク又は力を一時的に制限する。あるいは干渉が生じる場合に備えてあらかじめ制限する。
【0065】
図5〜図8には、直立姿勢の脚式移動ロボットの左腕を緊急停止状態から復帰させる様子を示している。
【0066】
図5に示すように胴体の前で左前腕が右前腕の上にある状態で、左前腕を下に降ろそうとすると、図6に示すように、右前腕と自己干渉してしまう。
【0067】
この例では、すべてのあるいは復帰に関連する関節アクチュエータのトルク又は力が一時的に制限されているので、左前腕が右前腕表面に接触しながら、復帰動作を継続し(図7)、左腕の復帰動作を無事に完了させることができる(図8)。
【0068】
A−2.可動部の先端から順次動作させていく
PTP制御により復帰動作を行なう場合、可動部の先端から順次動作させていく。例えば、上肢を復帰させるときには手先、下肢を復帰させるときには足先に近い関節から順次動作させていく。先端から緊急停止状態を解いていくことにより、肢体同士が絡まり難くなる。または、例えば脚の場合、膝関節など特徴的な関節から順次動作させていく。あるいはスタート時刻をずらして動作を行なう。
【0069】
図9〜図12には、脚式移動ロボット100が右脚の下に左脚が敷かれている床上姿勢で、足先に近い方から順に復帰させる動作を示している。
【0070】
脚式移動ロボット100が右脚の下に左脚が敷かれている床上姿勢において、まず、足首関節から復帰動作を開始し(図9を参照のこと)、次いで、両脚の膝関節ロール軸を駆動し(図10を参照のこと)、さらに両脚の股関節を駆動させて両脚の干渉状態を解く(図11を参照のこと)という順で復帰動作を行なうことにより、両脚が絡まり合うことなく復帰動作を無事に完了させることができる(図12を参照のこと)。
【0071】
A−3.可動部の根元から順次動作させていく
PTP制御を行なう場合、ベースリンクに近い関節から順に動作させる。この場合、動作が始まっていない関節アクチュエータで発生させるトルク又は力を制限することによって、肢体同士が絡まるのを防止する。
【0072】
図13〜図16には、脚式移動ロボット100が、右脚の下に左脚が敷かれている床上姿勢で、胴体に近い方から順に復帰させる様子を示している。
【0073】
脚式移動ロボット100が右脚の下に左脚が敷かれている床上姿勢において、まず、股関節から復帰動作を開始し(図13を参照のこと)、次いで、膝関節(図14を参照のこと)、足首関節(図15を参照のこと)の順で復帰動作を行なう。
【0074】
この場合、股関節を復帰させる時点において、両脚間の自己干渉が生じるが、膝関節以下の動作が始まっていない関節アクチュエータのトルクは制限されているので、左脚は右脚表面に接触しながら、絡まり合うことなく復帰動作を無事に完了させることができる(図16を参照のこと)。
【0075】
なお、復帰動作時にアクチュエータで発生されるトルクが増大することから、自己干渉並びに外部干渉を検出しながら、上述したA−1、A−2、A−3の各方法を選択的に適用して、復帰動作を行なうようにしてもよい。
【0076】
B.厳密な干渉問題を解くことなく干渉の生じない動作を自律的に生成する方法脚式移動ロボットにおいて、厳密な干渉問題を解くことなく、干渉の生じない動作を自律的に生成するための幾つかの方法を以下に挙げる。
【0077】
B−1.小さなトルク又は力によって制御を継続する
障害発生後も、関節アクチュエータで発生させるトルク又は力を0にせず、小さなトルク又は力によって制御し続ける。このことによって、想定外の姿勢になることを防ぐことができるとともに、その後の復帰動作の生成が容易になる。
【0078】
図17〜図18には、脚式移動ロボット100が障害発生後に関節アクチュエータの発生トルクを0にした場合の挙動を示している。図17に示す直立姿勢から、何らかの障害発生により、脚式移動ロボット100が転倒したとする。このとき、発生トルクを0にしてしまうと、図18に示すように、想定外の姿勢になり易い。
【0079】
ここで言う想定外の姿勢とは、動作パターンを作成(プログラミング)する際に、想定していなかった姿勢のことであり、例えばPTP制御においては、初期点として合致する動作パターンが少ないことを意味する。このため、復帰が困難である。
【0080】
これに対し、図19〜図21には、脚式移動ロボット100が障害発生後に関節アクチュエータを弱いトルクで制御する場合の挙動を示している。図19に示す直立姿勢から、何らかの障害発生により、脚式移動ロボット100が転倒したとする。このとき、関節アクチュエータを弱いトルクで制御すると、図20に示すように、床上に着床した時点である程度の姿勢を保つことができる。
【0081】
ここで、ある程度の姿勢とは、動作パターンを作成(プログラミング)する際に、想定することができた姿勢のことであり、例えばPTP制御においては、初期点として合致する動作パターンが比較的多く存在することを意味する。このため、復帰が容易となる。
【0082】
B−2.障害発生時まで動作を遡る
障害発生時の姿勢から復帰させるために、障害が発生した時点までの動作と逆の動作を行なう。例えば、主制御部においては、PTP制御において、順次投入された動作パターンのログを記録しており、記録された逆の順で再投入することにより、障害が発生した時点までの動作と逆の動作を再生することができる。
【0083】
図22〜図24には、直立姿勢の脚式移動ロボットの左腕の緊急停止状態からの復帰を試みる様子を示している。
【0084】
胴体の前で左前腕が右前腕の上にある通常動作状態で(図22を参照のこと)、左前腕を下に降ろそうとするとしている途上で障害が発生し、機体が緊急停止したとする(図23を参照のこと)。このとき、左右の前腕同士が近接しているので、復帰動作を誤ると、左右の前腕が自己干渉してしまい(図24を参照のこと)、2次的な障害が発生してしまい、取り返しがつかなくなる。
【0085】
これに対し、図25〜図28には、上述と同様にして障害が発生したときに、障害が発生した時点までの動作と逆の動作を行なうことにより復帰する様子を示している。
【0086】
胴体の前で左前腕が右前腕の上にある通常動作状態で(図25を参照のこと)、左前腕を下に降ろそうとするとしている途上で障害が発生し、機体が緊急停止したとする(図26を参照のこと)。このとき、左前腕を障害発生時までと逆向きに動作を行なうことにより(図27を参照のこと)、自己干渉を起こすことなく、復帰動作を無事完了することができる(図28を参照のこと)。
【0087】
B−3.復帰姿勢から通常使用する初期姿勢までの動作を用意する
PTP制御が行なわれる場合、これらの動作は途中から再生しても安定性が満たされるとは限らない。そのため、ロボットの転倒や人間の体の挟み込み、モータの過電流などの障害が発生して緊急停止した場合、通常の動作を再開するためには、いずれかの動作パターンの初期状態まで一旦移行し、その初期姿勢から動作を開始する必要がある。
【0088】
そこで、複数の復帰姿勢を用意し、復帰姿勢から通常使用する初期姿勢までの動作を用意することで、所望の動作パターンの初期姿勢までの円滑に移行できるようにする。
【0089】
このとき、ロボットが取り得るすべての姿勢からPTP制御によっていずれかの復帰姿勢へ遷移できるような複数の復帰姿勢を用意する。また、同様に複数の復帰姿勢を用意し、それらを経由して通常使用する初期姿勢までの動作を完了する(図29を参照のこと)。
【0090】
B−4.自己干渉を考慮した機体設計
ロボットの関節の関節可動範囲や関節自由度配置をPTP制御などで干渉しないように設計する。
【0091】
C.厳密な干渉問題を解いて干渉の生じない動作を自律的に生成する方法
脚式移動ロボットにおいて、厳密な干渉問題を解くことによって干渉の生じない動作を自律的に生成して復帰する。
【0092】
[追補]
以上、特定の実施例を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施例の修正や代用を成し得ることは自明である。
【0093】
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あるいはその他一般的な移動体装置であるならば、例えば玩具などのような他の産業分野に属する製品であっても、同様に本発明を適用することができる。
【0094】
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。
【0095】
【発明の効果】
以上詳記したように、本発明によれば、可動部同士の自己干渉や周囲の物体との外部干渉に拘わらず緊急停止した状態から自立的に復帰することができる、優れた脚式移動ロボット及びその動作制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施に供される脚式移動ロボット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。
【図2】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。
【図3】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。
【図4】脚式移動ロボット100の制御システム構成を模式的に示した図である。
【図5】脚式移動ロボット100が関節アクチュエータを脱力させて緊急停止状態から復帰する動作を説明するための図である。
【図6】脚式移動ロボット100が関節アクチュエータを脱力させて緊急停止状態から復帰する動作を説明するための図である。
【図7】脚式移動ロボット100が関節アクチュエータを脱力させて緊急停止状態から復帰する動作を説明するための図である。
【図8】脚式移動ロボット100が関節アクチュエータを脱力させて緊急停止状態から復帰する動作を説明するための図である。
【図9】脚式移動ロボット100が右脚の下に左脚が敷かれている床上姿勢で足先に近い方から順に復帰させる動作を説明するための図である。
【図10】脚式移動ロボット100が右脚の下に左脚が敷かれている床上姿勢で足先に近い方から順に復帰させる動作を説明するための図である。
【図11】脚式移動ロボット100が右脚の下に左脚が敷かれている床上姿勢で足先に近い方から順に復帰させる動作を説明するための図である。
【図12】脚式移動ロボット100が右脚の下に左脚が敷かれている床上姿勢で足先に近い方から順に復帰させる動作を説明するための図である。
【図13】脚式移動ロボット100が右脚の下に左脚が敷かれている床上姿勢で胴体に近い方から順に復帰させる動作を説明するための図である。
【図14】脚式移動ロボット100が右脚の下に左脚が敷かれている床上姿勢で胴体に近い方から順に復帰させる動作を説明するための図である。
【図15】脚式移動ロボット100が右脚の下に左脚が敷かれている床上姿勢で胴体に近い方から順に復帰させる動作を説明するための図である。
【図16】脚式移動ロボット100が右脚の下に左脚が敷かれている床上姿勢で胴体に近い方から順に復帰させる動作を説明するための図である。
【図17】脚式移動ロボット100が障害発生後に関節アクチュエータの発生トルクを0にした場合の挙動を説明するための図である。
【図18】脚式移動ロボット100が障害発生後に関節アクチュエータの発生トルクを0にした場合の挙動を説明するための図である。
【図19】脚式移動ロボット100が障害発生後に関節アクチュエータを弱いトルクで制御する場合の挙動を説明するための図である。
【図20】脚式移動ロボット100が障害発生後に関節アクチュエータを弱いトルクで制御する場合の挙動を説明するための図である。
【図21】脚式移動ロボット100が障害発生後に関節アクチュエータを弱いトルクで制御する場合の挙動を説明するための図である。
【図22】直立姿勢の脚式移動ロボットの左腕の緊急停止状態からの復帰を試みる様子を示した図である。
【図23】直立姿勢の脚式移動ロボットの左腕の緊急停止状態からの復帰を試みる様子を示した図である。
【図24】直立姿勢の脚式移動ロボットの左腕の緊急停止状態からの復帰を試みる様子を示した図である。
【図25】脚式移動ロボットが障害発生時までの動作と逆の動作を行なうことにより緊急停止状態から復帰する方法を説明するための図である。
【図26】脚式移動ロボットが障害発生時までの動作と逆の動作を行なうことにより緊急停止状態から復帰する方法を説明するための図である。
【図27】脚式移動ロボットが障害発生時までの動作と逆の動作を行なうことにより緊急停止状態から復帰する方法を説明するための図である。
【図28】脚式移動ロボットが障害発生時までの動作と逆の動作を行なうことにより緊急停止状態から復帰する方法を説明するための図である。
【図29】復帰姿勢から通常使用する初期姿勢までの動作を用意する方法を説明するための図である。
【符号の説明】
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
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a robot apparatus including a base body and a plurality of movable parts connected to the base body, and an operation control method thereof, and more particularly to a legged mobile robot in which the movable part includes at least an upper limb, a lower limb, and a trunk part, and an operation thereof. It relates to a control method.
[0002]
More specifically, the present invention relates to a legged mobile robot that automatically returns after an emergency stop due to a fall or abnormality, and its operation control method, and more particularly, self-interference between moving parts and surrounding objects. The present invention relates to a legged mobile robot that autonomously recovers from an emergency stop state regardless of external interference and an operation control method thereof.
[0003]
[Prior art]
A mechanical device that uses an electrical or magnetic action to perform a movement resembling human movement is called a “robot”. It is said that the word “robot” comes from the Slavic word “ROBOTA (slave machine)”. In Japan, robots began 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.
[0004]
Recently, research and development on legged mobile robots simulating the body mechanisms and movements of biped upright walking such as humans and monkeys has progressed, and expectations for practical use are also increasing. Leg type movement with two legs standing up is unstable and difficult to control posture and walking, compared to crawler type, four or six legs type, etc., but walking with irregularities on the work path such as rough terrain and obstacles It is excellent in that it can realize flexible movement work, such as being able to cope with discontinuous walking surfaces such as up and down of surfaces and stairs and ladders.
[0005]
A legged mobile robot that reproduces a human biological mechanism and movement is particularly called a “humanoid” or “humanoid robot”. The humanoid robot can provide, for example, life support, that is, support for human activities in various situations in daily life such as a living environment.
[0006]
Most of the human working space and living space are formed according to the human body mechanism and behavioral style of biped upright walking, and the current mechanical system using wheels and other driving devices as moving means moves. There are many barriers. Therefore, in order for the mechanical system, that is, the robot to perform various human tasks and penetrate deeply into the human living space, it is preferable that the movable range of the robot is substantially the same as that of the human. This is also why the practical application of legged mobile robots is highly expected.
[0007]
Articulated robots such as legged mobile robots or other robot apparatuses have a plurality of control targets such as joint angles and joint gains. In addition, the robot device operation is generally handled as an operation pattern that defines only the control values of each control object at the initial point and end point of a certain operation period, and the operation of each control object during the operation period is determined by spline interpolation or linear operation. PTP (Point to Point) control in which interpolation processing such as interpolation is performed is employed. A number of static and dynamic motion patterns are prepared in advance, and the robot device connects motion patterns that guarantee the continuity between one end point and the other initial point on the aircraft. By playing, walking, dancing, and other complicated and long-term behavior can be realized.
[0008]
Further, the legged mobile robot is generally characterized in that it is composed of a multi-link system including redundant degrees of freedom as compared to industrial robots such as manipulators and transfer robots. By taking advantage of these characteristics, it is possible to simultaneously execute a plurality of tasks such as complicated operations or movement, balance maintenance, and arm work. On the other hand, there may be an emergency stop due to an event such as losing posture stability, falling, pinching a user's finger or other foreign object, or self-interference between moving parts during operation. .
[0009]
In order for the robot to operate completely independently in an unattended environment, it is preferable that the robot can automatically recover from such an emergency stop state.
[0010]
However, when the PTP control is performed as described above, the stability of these operations is not always satisfied even if they are reproduced from the middle. Therefore, when an emergency stop occurs due to a failure such as a robot falling over, a human body being caught, or an overcurrent of the motor, it will temporarily transition to the initial state of one of the operation patterns in order to resume normal operation. It is necessary to start the operation from the initial posture.
[0011]
When actually transitioning to the initial posture, there is a possibility that unintentional self-interference of the robot itself and external interference with the surrounding environment may occur, but prepare all operations that do not cause such interference in advance. Is practically impossible.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide an excellent legged mobile robot and an operation control method thereof that can return autonomously after an emergency stop due to a fall or abnormality.
[0013]
A further object of the present invention is to provide an excellent legged mobile robot and its operation control method capable of autonomously returning from an emergency stop state regardless of self-interference between movable parts or external interference with surrounding objects. It is to provide.
[0014]
[Means and Actions for Solving the Problems]
The present invention has been made in view of the above problems, and is a robot apparatus including a base body and a plurality of movable parts connected to the base body,
Stop means for stopping the device operation in response to occurrence of a predetermined failure;
Return means for restoring the stopped device operation without strictly solving the problem of self-interference of the robot device itself and / or external interference with the surrounding environment;
A robot apparatus comprising:
[0015]
Here, the robot apparatus is, for example, a legged mobile robot having two legs and two arms, and the plurality of movable parts may include at least an upper limb, a lower limb, and a trunk.
[0016]
When the self-interference occurs, the return means temporarily limits the torque or force generated by the joint actuator that constitutes the degree of freedom at the site where the self-interference has occurred, or restricts in advance in case the interference occurs. You may make it do.
[0017]
In such a case, even if the movable parts cause self-interference, the torque or force of the joint actuator is limited, so the return operation is continued while touching each other's surface and completed safely. Can be made.
[0018]
The return means may be operated sequentially from the tip of the movable part. For example, when returning the upper limb, the hand is operated sequentially, and when returning the lower limb, the operation is performed sequentially from the joint close to the foot. Unraveling the emergency stop state from the tip makes it difficult for the limbs to get tangled. Or in the case of a leg, for example, it is operated sequentially from a characteristic joint such as a knee joint. Alternatively, the operation is performed by shifting the start time.
[0019]
Alternatively, the return means may operate the movable part in order from the joint close to the base and limit the torque or force generated by the joint actuator that has not started to operate.
[0020]
In such a case, when driving a joint close to the base body, self-interference or entanglement may occur at a position farther from the base body, but the torque of the joint actuator is limited. The return operation can be continued and completed safely while touching the surface.
[0021]
The return means may autonomously generate an operation that does not cause interference.
[0022]
The stop means may continue to control the joint actuator of the movable part with a small torque or force even after the occurrence of a failure.
[0023]
For example, if the joint actuator is controlled with a weak torque during a fall, a certain degree of posture can be maintained at the time of landing on the floor. That is, it is possible to prevent an unexpected posture and to easily generate a subsequent return operation.
[0024]
Further, the return means can successfully complete the return operation without causing self-interference by performing the reverse operation to the operation up to the time when the failure occurs.
[0025]
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.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0027]
FIG. 1 and FIG. 2 show a state in which the “human-shaped” or “human-shaped” legged mobile robot 100 used for carrying out the present invention is viewed from the front and the rear. . As shown in the figure, a legged mobile robot 100 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 built in the torso (Not shown) controls the overall operation of the aircraft.
[0028]
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.
[0029]
The control unit is equipped with a controller (main control unit) that processes the external inputs from the joint actuators and sensors (described later) that constitute the legged mobile robot 100, and a power supply circuit and other peripheral devices. It is the housing which was made. In addition, the control unit may include a communication interface and a communication device for remote operation.
[0030]
The legged mobile robot 100 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,
[0031]
(1) Single leg support period with left leg lifted right leg
(2) Supporting both legs with the right foot grounded
(3) Single leg support period with right leg lifted left leg
(4) Supporting both legs with the left foot in contact with the ground
[0032]
The walking control in the legged mobile robot 100 is realized by planning a 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.
[0033]
Starting with correction of walking motion trajectory, the attitude stability control of the aircraft is generally performed by interpolation calculation using a fifth order polynomial so that the position, speed, and acceleration for reducing the deviation from ZMP are continuous. . ZMP (Zero Moment Point) is used as a standard for determining the stability of walking. 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 the dynamic reasoning, the point where the pitch axis and roll axis moments are zero on or inside the side of the support polygon (that is, the ZMP stable region) formed by the sole contact point and the road surface, that is, “ZMP (Zero Moment Point) "exists.
[0034]
FIG. 3 schematically shows a joint degree-of-freedom configuration of the legged mobile robot 100. As shown in the figure, a legged mobile robot 100 connects an upper limb including two arms and a head 1, a lower limb including two legs that realize a moving operation, and an upper limb and a lower limb. It is a structure having a plurality of limbs, which is composed of a trunk.
[0035]
A neck joint (Neck) that supports the head has three degrees of freedom: a neck joint yaw axis 1, first and second neck joint pitch axes 2 a and 2 b, and a neck joint roll axis 3.
[0036]
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.
[0037]
The trunk (Trunk) has two degrees of freedom: a trunk pitch axis 9 and a trunk roll axis 10.
[0038]
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.
[0039]
However, the entertainment-type legged mobile robot 100 does not have to be equipped with all the above-mentioned degrees of freedom, or is not limited to this. It goes without saying that the degree of freedom, that is, the number of joints, can be increased or decreased as appropriate in accordance with design / manufacturing constraints and required specifications.
[0040]
Each degree of freedom of the legged mobile robot 100 as described above is actually implemented using an actuator. It is preferable that the actuator be small and light in light of demands such as eliminating an extra bulge on the appearance and approximating the shape of a human body and performing posture control on an unstable structure such as biped walking. . In the present embodiment, a small AC servo actuator of a gear direct connection type and a servo control system made into one chip and built in a motor unit is mounted (for this type of AC servo actuator, for example, this JP-A 2000-299970 already assigned to the applicant). In the present embodiment, by adopting a reduced speed gear as a direct connection gear, the passive characteristics of the drive system required for the robot 100 of a type that places importance on physical interaction with humans are obtained.
[0041]
FIG. 4 schematically shows a control system configuration of the legged mobile robot 100. As shown in the figure, the legged mobile robot 100 includes each of the mechanism units 30, 40, 50R / L, 60R / L expressing human limbs, and adaptive control for realizing a cooperative operation between the mechanism units. (Where R and L are suffixes indicating right and left, respectively, and so on).
[0042]
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).
[0043]
In realizing the present invention, the installation location of the control unit 80 is not particularly limited. Although it is mounted on the trunk unit 40 in FIG. 4, it may be mounted on the head unit 30. Alternatively, the control unit 80 may be provided outside the legged mobile robot 100 so as to communicate with the body of the legged mobile robot 100 by wire or wirelessly.
[0044]
Each joint degree of freedom in the legged mobile robot 100 shown in FIG. 3 is realized by a corresponding actuator. That is, the head unit 30 includes a neck joint yaw axis actuator A that represents the neck joint yaw axis 1, the neck joint pitch axis 2, and the neck joint roll axis 3.1, Neck joint pitch axis actuator A2, Neck joint roll axis actuator AThreeIs arranged.
[0045]
The trunk unit 40 includes a trunk pitch axis actuator A that represents the trunk pitch axis 9 and the trunk roll axis 10.9, Trunk roll axis actuator ATenIs deployed.
[0046]
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 representing the yaw axis 6, the elbow joint pitch axis 7, and the wrist joint yaw axis 8.Four, Shoulder joint roll axis actuator AFive, Upper arm yaw axis actuator A6, Elbow joint pitch axis actuator A7, Wrist joint yaw axis actuator A8Is deployed.
[0047]
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 representing each of roll axis 13, knee joint pitch axis 14, ankle joint pitch axis 15, and ankle joint roll axis 16.11Hip joint pitch axis actuator A12, Hip joint roll axis actuator A13, Knee joint pitch axis actuator A14, Ankle joint pitch axis actuator A15, Ankle joint roll axis actuator A16Is deployed.
[0048]
Actuator A used for each joint1, A2, AThreeMore preferably, it can be constituted by a small AC servo actuator (described above) of a gear direct connection type and of a type in which the servo control system is mounted on a motor unit in a single chip.
[0049]
For each mechanism unit such as the head unit 30, trunk unit 40, arm unit 50, and leg unit 60, sub-control units 35, 45, 55, and 65 for actuator drive control are provided.
[0050]
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 placing the acceleration sensor 95 on the waist of the airframe, the waist with a large mass manipulated variable is set as a control target point, the posture and acceleration at that position are directly measured, and posture stability control based on ZMP Can be performed.
[0051]
Further, ground check sensors 91 and 92 and acceleration sensors 93 and 94 are disposed on the leg portions 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 in at least 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.
[0052]
When the acceleration sensor is placed only on the waist where the mass manipulated variable is large, only the waist is set as the control target point, and the foot state must be relatively calculated based on the calculation result of this control target point. It is necessary to satisfy the following conditions between the foot and the road surface.
[0053]
(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.
[0054]
In contrast, in the present embodiment, a reaction force sensor system (such as a floor reaction force sensor) that directly measures ZMP and force is provided on a foot that is a contact portion with a road surface, and local coordinates used for control and An acceleration sensor for directly measuring the coordinates is provided. As a result, the ZMP equation can be directly assembled with the foot portion closest to the ZMP position, and more rigorous posture stabilization control that does not depend on the preconditions described above can be realized at high speed. 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).
[0055]
When an operation pattern that defines only control values of each control object at the initial point and end point of a certain operation period is input, the main control unit 80 performs spline interpolation on the operation of each control object during the operation period by PTP control. The motion is reproduced by interpolation using linear interpolation. Then, the movement patterns that guarantee the continuity between the one end point and the other initial point are connected to each other and reproduced on the body, thereby realizing walking, dancing, and other complicated and long-term actions.
[0056]
In addition, the main control unit 80 can dynamically correct the control target in response to the outputs of the sensors 91 to 93. More specifically, an adaptive control is performed on each of the sub-control units 35, 45, 55, and 65, and a whole body motion pattern in which the upper limbs, trunk, and lower limbs of the legged mobile robot 100 are driven in cooperation. Is realized.
[0057]
The whole body movement on the body of the robot 100 sets a foot movement, a ZMP (Zero Moment Point) trajectory, a trunk movement, an upper limb movement, a waist height, and the like, and instructs an operation according to these setting contents. The command is transferred to each sub-control unit 35, 45, 55, 65. And each sub-control part 35, 45 ... interprets the received command from the main control part 81, and each actuator A1, A2, AThreeA drive control signal is output to. Here, “ZMP” refers to a point on the floor where the moment due to floor reaction force during walking is zero, and “ZMP trajectory” refers to, for example, ZMP during the walking motion period of the robot 100. Means the trajectory that moves (see above).
[0058]
The legged mobile robot 100 according to this embodiment has a center of gravity set at the waist position, is an important control target point for posture stability control, and constitutes a “base” of the apparatus.
[0059]
When the robot stops suddenly due to a fall, pinching of the human body, an overcurrent of the motor, etc., in order to resume normal operation, the robot temporarily moves to the initial state of one of the operation patterns, It is necessary to start operation from the initial posture. When actually transitioning to the initial posture, there is a possibility that unintentional self-interference of the robot itself and external interference with the surrounding environment may occur, but prepare all operations that do not cause such interference in advance. Is practically impossible.
[0060]
For this reason, the present inventors consider that any of the following methods is necessary for the legged mobile robot to automatically return from the emergency stop state. That is,
[0061]
(A) A method for continuing operation even when interference occurs without solving a strict interference problem
(B) A method for generating a non-interfering operation without solving a strict interference problem
(C) A method for generating a non-interfering operation while solving a strict interference problem
[0062]
Hereinafter, several methods for automatically returning the legged mobile robot from the emergency stop state will be described with reference to the drawings.
[0063]
A. How to recover without solving exact interference problems
When the autonomously generated motion is realized by controlling each joint, unintended self-interference of the robot itself and external interference with the surrounding environment may occur. In this case, several methods for completing the return operation without solving a strict interference problem are listed below.
[0064]
A-1. Weak joint actuator
When self-interference occurs, the torque or force generated by the joint actuator is temporarily limited. Or it restrict | limits beforehand in case interference arises.
[0065]
5 to 8 show how the left arm of the legged mobile robot in the upright posture is returned from the emergency stop state.
[0066]
When the left forearm is lowered in the state where the left forearm is on the right forearm in front of the torso as shown in FIG. 5, self-interference with the right forearm is caused as shown in FIG.
[0067]
In this example, the torque or force of the joint actuator related to all or return is temporarily limited, so that the return operation is continued while the left forearm is in contact with the surface of the right forearm (FIG. 7). The return operation can be completed successfully (FIG. 8).
[0068]
A-2. Operate sequentially from the tip of the movable part
When the return operation is performed by PTP control, the operation is sequentially performed from the tip of the movable part. For example, when returning the upper limb, the hand is operated sequentially, and when returning the lower limb, the operation is performed sequentially from the joint close to the foot. Unraveling the emergency stop state from the tip makes it difficult for the limbs to get tangled. Or in the case of a leg, for example, it is operated sequentially from a characteristic joint such as a knee joint. Alternatively, the operation is performed by shifting the start time.
[0069]
9 to 12 show an operation in which the legged mobile robot 100 returns in order from the side closer to the foot tip in the above-ground posture in which the left leg is laid under the right leg.
[0070]
When the legged mobile robot 100 is in an on-floor posture in which the left leg is laid under the right leg, first, the return movement is started from the ankle joint (see FIG. 9), and then the knee joint roll axis of both legs is set. Drive back (see FIG. 10) and drive the hip joints of both legs to release the interference state of both legs (see FIG. 11), thereby returning the legs without entanglement. The operation can be successfully completed (see FIG. 12).
[0071]
A-3. Operate sequentially from the base of moving parts
When performing PTP control, the joints are operated in order from the joint close to the base link. In this case, the limbs are prevented from being entangled by limiting the torque or force generated by the joint actuator that has not started to move.
[0072]
FIGS. 13 to 16 show a state in which the legged mobile robot 100 returns in order from the side closer to the body in the above-ground posture in which the left leg is laid under the right leg.
[0073]
When the legged mobile robot 100 is on the floor with the left leg under the right leg, the legged mobile robot 100 first starts a return operation from the hip joint (see FIG. 13), and then the knee joint (see FIG. 14). And the return operation in the order of the ankle joint (see FIG. 15).
[0074]
In this case, when the hip joint is restored, self-interference between both legs occurs, but the torque of the joint actuator that has not started the movement below the knee joint is limited, so the left leg is in contact with the right leg surface, The return operation can be successfully completed without being entangled (see FIG. 16).
[0075]
Since the torque generated by the actuator during the return operation increases, the methods A-1, A-2, and A-3 described above are selectively applied while detecting self-interference and external interference. The return operation may be performed.
[0076]
B. A method for autonomously generating motion without interference without solving exact interference problemsIn a legged mobile robot, several methods for autonomously generating a motion without interference without solving a strict interference problem are listed below.
[0077]
B-1. Continue control with small torque or force
Even after the occurrence of a failure, the torque or force generated by the joint actuator is not set to zero, and control is continued with a small torque or force. As a result, an unexpected posture can be prevented, and the subsequent return operation can be easily generated.
[0078]
17 to 18 show the behavior when the legged mobile robot 100 sets the generated torque of the joint actuator to 0 after the occurrence of the failure. Assume that the legged mobile robot 100 falls from the upright posture shown in FIG. 17 due to some failure. At this time, if the generated torque is set to 0, as shown in FIG.
[0079]
The unexpected posture mentioned here is a posture that was not assumed when creating (programming) the motion pattern. For example, in PTP control, it means that there are few motion patterns that match the initial point. To do. For this reason, it is difficult to return.
[0080]
On the other hand, FIGS. 19 to 21 show behaviors when the legged mobile robot 100 controls the joint actuator with a weak torque after the occurrence of a failure. Assume that the legged mobile robot 100 falls from an upright posture shown in FIG. At this time, if the joint actuator is controlled with a weak torque, a certain degree of posture can be maintained at the time of landing on the floor, as shown in FIG.
[0081]
Here, a certain degree of posture is a posture that can be assumed when creating (programming) motion patterns. For example, in PTP control, there are relatively many motion patterns that match as initial points. It means to do. For this reason, the return is facilitated.
[0082]
B-2. Go back to the time of failure
In order to return from the posture at the time of the failure, an operation reverse to the operation up to the time when the failure occurs is performed. For example, the main control unit records a log of operation patterns that are sequentially input in the PTP control. By re-inputting in the reverse order of recording, the operation reverse to the operation up to the time when the failure occurred is recorded. The action can be played back.
[0083]
22 to 24 show how the left arm of the legged mobile robot in the upright posture tries to return from the emergency stop state.
[0084]
In a normal operating state where the left forearm is above the right forearm in front of the torso (see Figure 22), a failure occurred while attempting to lower the left forearm, and the aircraft was brought to an emergency stop (See FIG. 23). At this time, since the left and right forearms are close to each other, if the return operation is mistaken, the left and right forearms self-interfere (see FIG. 24), and a secondary failure occurs, which is recovered. Will not stick.
[0085]
On the other hand, FIGS. 25 to 28 show a state in which when a failure occurs in the same manner as described above, the operation is restored by performing an operation reverse to the operation up to the time of occurrence of the failure.
[0086]
In a normal operating state where the left forearm is above the right forearm in front of the torso (see Figure 25) (See FIG. 26). At this time, by performing the movement of the left forearm in the opposite direction until the time of the failure (see FIG. 27), the return operation can be completed successfully without causing self-interference (see FIG. 28). thing).
[0087]
B-3. Prepare the operation from the return posture to the initial normal posture.
When PTP control is performed, these operations do not always satisfy the stability even if they are reproduced from the middle. Therefore, when an emergency stop occurs due to a failure such as a robot falling over, a human body being caught, or an overcurrent of the motor, it will temporarily transition to the initial state of one of the operation patterns in order to resume normal operation. It is necessary to start the operation from the initial posture.
[0088]
Therefore, by preparing a plurality of return postures and preparing an operation from the return posture to the normally used initial posture, it is possible to smoothly shift to the initial posture of a desired operation pattern.
[0089]
At this time, a plurality of return postures are prepared so that all postures that the robot can take can be changed to any return posture by PTP control. Similarly, a plurality of return postures are prepared, and the operation up to the initial posture for normal use is completed via these postures (see FIG. 29).
[0090]
B-4. Aircraft design considering self-interference
It is designed so that the joint movable range and joint freedom degree arrangement of the robot joint are not interfered by PTP control or the like.
[0091]
C. A method to autonomously generate motion without interference by solving exact interference problem
The legged mobile robot autonomously generates and returns an action that does not cause interference by solving a strict interference problem.
[0092]
[Supplement]
The present invention has been described in detail above with reference to specific embodiments. However, it is obvious that those skilled in the art can make modifications and substitutions of the embodiments without departing from the gist of the present invention.
[0093]
The gist of the present invention is not necessarily limited to a product called a “robot”. That is, if it is a mechanical device or other general mobile device that performs a movement resembling human movement using electrical or magnetic action, it is a product belonging to another industrial field such as a toy. Even if it exists, this invention can be applied similarly.
[0094]
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.
[0095]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, an excellent legged mobile robot capable of autonomously returning from an emergency stop state regardless of self-interference between movable parts or external interference with surrounding objects. And an operation control method thereof.
[Brief description of the drawings]
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.
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.
FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a joint degree-of-freedom configuration included in a legged mobile robot.
4 is a diagram schematically showing a control system configuration of a legged mobile robot 100. FIG.
FIG. 5 is a diagram for explaining an operation in which the legged mobile robot 100 recovers from an emergency stop state by de-energizing a joint actuator.
FIG. 6 is a diagram for explaining an operation in which the legged mobile robot 100 recovers from an emergency stop state by de-energizing a joint actuator.
FIG. 7 is a diagram for explaining an operation in which the legged mobile robot 100 recovers from an emergency stop state by de-energizing a joint actuator.
FIG. 8 is a diagram for explaining an operation in which the legged mobile robot 100 recovers from an emergency stop state by de-energizing a joint actuator.
FIG. 9 is a diagram for explaining an operation in which the legged mobile robot 100 returns in order from the side closer to the foot tip in the above-ground posture in which the left leg is laid under the right leg.
FIG. 10 is a diagram for explaining an operation in which the legged mobile robot 100 returns in order from the side closer to the foot tip in the above-ground posture in which the left leg is laid under the right leg.
FIG. 11 is a diagram for explaining an operation in which the legged mobile robot 100 returns in order from the side closer to the foot tip in the above-ground posture in which the left leg is laid under the right leg.
FIG. 12 is a diagram for explaining an operation in which the legged mobile robot 100 returns in order from the side closer to the foot tip in the above-ground posture in which the left leg is laid under the right leg.
FIG. 13 is a diagram for explaining an operation in which the legged mobile robot 100 returns in order from the side closer to the trunk in an on-floor posture in which the left leg is laid under the right leg.
FIG. 14 is a diagram for explaining an operation in which the legged mobile robot 100 returns in order from the side closer to the trunk in the above-ground posture in which the left leg is laid under the right leg.
FIG. 15 is a diagram for explaining an operation in which the legged mobile robot 100 returns in order from the side closer to the trunk in the above-ground posture in which the left leg is laid under the right leg.
FIG. 16 is a diagram for explaining an operation in which the legged mobile robot 100 returns in order from the side closer to the trunk in the above-ground posture in which the left leg is laid under the right leg.
FIG. 17 is a diagram for explaining the behavior when the legged mobile robot 100 sets the generated torque of the joint actuator to 0 after the occurrence of a fault.
FIG. 18 is a diagram for explaining the behavior when the legged mobile robot 100 sets the generated torque of the joint actuator to 0 after the occurrence of a fault.
FIG. 19 is a diagram for explaining the behavior when the legged mobile robot 100 controls the joint actuator with a weak torque after the occurrence of a fault.
FIG. 20 is a diagram for explaining the behavior when the legged mobile robot 100 controls the joint actuator with a weak torque after a failure occurs.
FIG. 21 is a diagram for explaining the behavior when the legged mobile robot 100 controls the joint actuator with a weak torque after the occurrence of a fault.
FIG. 22 is a diagram showing a state where an attempt is made to return the left arm of the legged mobile robot in an upright posture from an emergency stop state.
FIG. 23 is a diagram showing a state where an attempt is made to return the left arm of the legged mobile robot in an upright posture from an emergency stop state.
FIG. 24 is a diagram showing a state where an attempt is made to return the left arm of the legged mobile robot in an upright posture from an emergency stop state.
FIG. 25 is a diagram for explaining a method of returning from an emergency stop state by performing an operation reverse to the operation up to the time of occurrence of the failure of the legged mobile robot.
FIG. 26 is a diagram for explaining a method of returning from an emergency stop state by performing an operation reverse to the operation up to the time when a failure occurs in the legged mobile robot.
FIG. 27 is a diagram for explaining a method of returning from an emergency stop state by performing an operation reverse to the operation performed by the legged mobile robot until a failure occurs.
FIG. 28 is a diagram for explaining a method of returning from an emergency stop state by performing an operation reverse to the operation up to the time of occurrence of the failure of the legged mobile robot.
FIG. 29 is a diagram for explaining a method of preparing an operation from a returning posture to an initial posture for normal use.
[Explanation of symbols]
1 ... Neck joint yaw axis
2A ... 1st neck joint pitch axis
2B ... Second 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 pitch axis
13 ... Hip 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 ... Attitude sensor
96 ... Acceleration sensor
100: Legged mobile robot

Claims (12)

基体と前記基体に直接接続される複数の可動部を備えたロボット装置であって、
所定の障害の発生に応じて装置動作を停止させる停止手段と、
前記停止手段により動作が停止した後、装置動作を復帰させる際に自己干渉が生じた場合に、自己干渉が生じた部位における自由度を構成する関節アクチュエータで発生させるトルク又は力を一時的に制限する、あるいは干渉が生じる場合に備えてあらかじめ制限して、該停止された装置動作を復帰させる復帰手段を備え、
前記復帰手段は、前記可動部の先端から順次動作させていく、
ことを特徴とするロボット装置。
A robot apparatus comprising a base and a plurality of movable parts directly connected to the base,
Stop means for stopping the device operation in response to occurrence of a predetermined failure;
Temporarily limit the torque or force generated by the joint actuator that constitutes the degree of freedom in the part where self-interference occurs when self-interference occurs when returning the device operation after the operation is stopped by the stop means. Including a return means for restricting in advance and recovering the operation of the stopped apparatus , in case of interference .
The return means is sequentially operated from the tip of the movable part.
A robot apparatus characterized by that.
基体と前記基体に直接接続される複数の可動部を備えたロボット装置であって、A robot apparatus comprising a base and a plurality of movable parts directly connected to the base,
所定の障害の発生に応じて装置動作を停止させる停止手段と、Stop means for stopping the device operation in response to occurrence of a predetermined failure;
前記停止手段により動作が停止した後、装置動作を復帰させる際に自己干渉が生じた場合に、自己干渉が生じた部位における自由度を構成する関節アクチュエータで発生させるトルク又は力を一時的に制限する、あるいは干渉が生じる場合に備えてあらかじめ制限して、該停止された装置動作を復帰させる復帰手段を備え、Temporarily limit the torque or force generated by the joint actuator that constitutes the degree of freedom in the part where the self-interference occurs when self-interference occurs when returning the device operation after the operation is stopped by the stop means. Including a return means for restricting in advance in case of interference or returning the stopped device operation,
前記復帰手段は、前記可動部を前記基体に近い関節から順に動作させるとともに、動作が始まっていない関節アクチュエータで発生させるトルク又は力を制限する、The return means operates the movable part in order from a joint close to the base body, and limits a torque or force generated by a joint actuator that has not started to operate,
ことを特徴とするロボット装置。A robot apparatus characterized by that.
前記複数の可動部は、少なくとも上肢、下肢及び体幹部を含む、The plurality of movable parts include at least an upper limb, a lower limb, and a trunk.
ことを特徴とする請求項1又は2のいずれかに記載のロボット装置。The robot apparatus according to claim 1, wherein the robot apparatus is characterized.
前記復帰手段は、干渉の生じないような動作を自律的に生成する、The return means autonomously generates an operation that does not cause interference,
ことを特徴とする請求項1又は2のいずれかに記載のロボット装置。The robot apparatus according to claim 1, wherein the robot apparatus is characterized.
前記停止手段は、障害発生後も、前記可動部の関節アクチュエータを小さなトルク又は力によって制御し続ける、The stop means continues to control the joint actuator of the movable part with a small torque or force even after the occurrence of a failure,
ことを特徴とする請求項4に記載のロボット装置。The robot apparatus according to claim 4, wherein:
前記復帰手段は、障害が発生した時点までの動作と逆の動作を行なう、The return means performs an operation opposite to the operation up to the time when the failure occurs.
ことを特徴とする請求項4に記載のロボット装置。The robot apparatus according to claim 4, wherein:
基体と前記基体に直接接続される複数の可動部を備えたロボット装置の動作制御方法であって、An operation control method for a robot apparatus having a base and a plurality of movable parts directly connected to the base,
所定の障害の発生に応じて装置動作を停止させる停止ステップと、A stop step for stopping the device operation in response to occurrence of a predetermined failure;
前記停止ステップにより動作が停止した後、装置動作を復帰させる際に自己干渉が生じた場合に、自己干渉が生じた部位における自由度を構成する関節アクチュエータで発生させるトルク又は力を一時的に制限する、あるいは干渉が生じる場合に備えてあらかじめ制限して、該停止された装置動作を復帰させる復帰ステップを備え、Temporarily limit the torque or force generated by the joint actuator that constitutes the degree of freedom in the part where the self-interference occurs when self-interference occurs when returning the device operation after the operation is stopped by the stop step. Or including a return step for returning the stopped device operation by limiting in advance in case of interference.
前記復帰ステップでは、前記可動部の先端から順次動作させていく、In the return step, the movable part is sequentially operated from the tip.
ことを特徴とするロボット装置の動作制御方法。An operation control method for a robot apparatus.
基体と前記基体に直接接続される複数の可動部を備えたロボット装置の動作制御方法であって、An operation control method for a robot apparatus having a base and a plurality of movable parts directly connected to the base,
所定の障害の発生に応じて装置動作を停止させる停止ステップと、A stop step for stopping the device operation in response to occurrence of a predetermined failure;
前記停止ステップにより動作が停止した後、装置動作を復帰させる際に自己干渉が生じた場合に、自己干渉が生じた部位における自由度を構成する関節アクチュエータで発生させるトルク又は力を一時的に制限する、あるいは干渉が生じる場合に備えてあらかじめ制Temporarily limit the torque or force generated by the joint actuator that constitutes the degree of freedom in the part where the self-interference occurs when self-interference occurs when returning the device operation after the operation is stopped by the stop step. In advance in case of interference or interference. 限して、該停止された装置動作を復帰させる復帰ステップを備え、Limitedly, a return step for returning the stopped device operation,
前記復帰ステップでは、前記可動部を前記基体に近い関節から順に動作させるとともに、動作が始まっていない関節アクチュエータで発生させるトルク又は力を制限する、In the return step, the movable part is operated in order from the joint close to the base body, and the torque or force generated by the joint actuator that has not started to operate is limited.
ことを特徴とするロボット装置の動作制御方法。An operation control method for a robot apparatus.
前記複数の可動部は、少なくとも上肢、下肢および体幹部を含む、The plurality of movable parts include at least an upper limb, a lower limb, and a trunk.
ことを特徴とする請求項7又は8のいずれかに記載のロボット装置の動作制御方法。9. The operation control method for a robot apparatus according to claim 7 or 8, wherein
前記復帰ステップでは、干渉の生じないような動作を自律的に生成する、In the return step, an operation that does not cause interference autonomously is generated.
ことを特徴とする請求項7又は8のいずれかに記載のロボット装置の動作制御方法。9. The operation control method for a robot apparatus according to claim 7 or 8, wherein
前記停止ステップでは、障害発生後も、前記可動部の関節アクチュエータを小さなトルク又は力によって制御し続ける、In the stop step, the joint actuator of the movable part continues to be controlled with a small torque or force even after the occurrence of a failure.
ことを特徴とする請求項10に記載のロボット装置の動作制御方法。The operation control method of the robot apparatus according to claim 10.
前記復帰ステップでは、障害が発生した時点までの動作と逆の動作を行なう、In the return step, an operation reverse to the operation up to the time of occurrence of the failure is performed.
ことを特徴とする請求項10に記載のロボット装置の動作制御方法。The operation control method of the robot apparatus according to claim 10.
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