JP4115374B2 - Robot device - 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 including a proportional gain of phase compensation and a phase compensation element. The present invention relates to a robot 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足歩行の脚式移動ロボットに係り、特に、転倒・落下の途上における機体全体の運動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の特性の2つ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脚式移動ロボットに関する。   More particularly, the present invention relates to a bipedal legged mobile robot in which each axis link is controlled by high gain PD control, and in particular, the characteristics of the actuator itself during the motion of the entire body during a fall or fall. The present invention relates to a legged mobile robot that realizes stable and highly efficient operation by dynamically or statically controlling two of the characteristics of an actuator controller.

また、本発明は、うつ伏せ又は仰向けの姿勢からの起き上がり動作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の2つ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脚式移動ロボットに関する。   In addition, the present invention dynamically or statically controls two of the characteristics of the actuator itself and the characteristics of the controller of the actuator when performing various motions, such as a rising motion from a prone or supine posture. The present invention relates to a legged mobile robot that realizes stable and highly efficient operation.

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 performs a movement resembling human movement using an electrical or magnetic action 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 assembly / sorting of parts. On the other hand, 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, Alternatively, it can provide a wide variety of services that replace other life forms. In particular, legged mobile robots are more unstable than crawler and tire type robots, making posture control and walking control more difficult. 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のロボット、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 designed “humanoid” or “humanoid” robots have progressed, and expectations for practical use are also increasing.

2足歩行による脚式移動を行なうタイプのロボットに関する姿勢制御や安定歩行に関する技術は既に数多提案されている。ここで言う安定な「歩行」とは、「転倒することなく、脚を使って移動すること」と定義することができる。4足歩行よりもヒューマノイドのような2足歩行のロボットの方が、重心位置が高く、且つ、歩行時の安定性が低い。このため、姿勢安定化の問題は、2足歩行ロボットにおいてとりわけ重要となる。   A number of techniques relating to posture control and stable walking have been proposed for robots of the type that perform legged movement by biped walking. Stable “walking” as used herein can be defined as “moving using legs without falling down”. A biped robot such as a humanoid has a higher center of gravity and a lower stability during walking than a quadruped. For this reason, the problem of posture stabilization is particularly important in a biped robot.

ロボットの姿勢安定制御は、ロボットの転倒を回避する上で非常に重要である。何故ならば、転倒は、ロボットが実行中の作業を中断することを意味し、且つ、転倒状態から起き上がって作業を再開するために相当の労力や時間が払われるからである。また、転倒時に、ロボット本体自体あるいは転倒するロボットと衝突する相手側の物体にも、致命的な損傷を与えてしまう危険があるからである。   Robot posture stabilization control is very important in avoiding robot overturning. This is because a fall means that the robot is interrupting the work being executed, and a considerable amount of labor and time are spent to get up from the fall state and resume the work. In addition, there is a risk of causing fatal damage to the robot body itself or the object on the other side that collides with the falling robot when it falls.

歩行時には、重力と歩行運動時に生じる加速度によって、歩行系から路面に対して重力と慣性力、並びにこれらのモーメントが作用する。いわゆる「ダランベールの原理」によると、これらの力やモーメントは路面から歩行系への反作用としての床反力、床反力モーメントとバランスする。力学的推論の帰結として、足底接地点と路面の形成する支持多角形の内側にピッチ及びロール軸モーメントがゼロとなる点、すなわち「ZMP(Zero Moment Point)」が存在する(例えば、非特許文献1)。脚式移動ロボットの姿勢安定制御や歩行時の転倒防止に関する提案の多くは、このZMPを歩行の安定度判別の規範として用いたものである。ZMPを安定度判別規範とすることは、力ではなく軌道を運動制御上の目標値として扱うことを意味するので、技術的に実現可能性が高まる。また、ZMP規範に基づく2足歩行パターン生成によれば、足底着地点をあらかじめ設定することができ、路面形状に応じた足先の運動学的拘束条件を考慮し易いなどの利点がある。   At the time of walking, gravity and inertial force and these moments act on the road surface from the walking system due to gravity and acceleration generated during walking motion. According to the so-called “Dalambert principle”, these forces and moments balance with the floor reaction force and the floor reaction force moment as a reaction from the road surface to the walking system. As a result of dynamic reasoning, there is a point where the pitch and roll axis moment become zero inside the support polygon formed by the sole contact point and the road surface, that is, “ZMP (Zero Moment Point)” (for example, non-patent) Reference 1). Many of the proposals related to posture stability control of legged mobile robots and prevention of falls during walking use this ZMP as a norm for determining the stability of walking. Using ZMP as a stability determination criterion means that a trajectory is treated as a target value in motion control, not a force, so that technical feasibility increases. Further, according to the biped walking pattern generation based on the ZMP norm, there is an advantage that a foot landing point can be set in advance and it is easy to consider the kinematic constraint conditions of the foot according to the road surface shape.

ZMPを安定度判別規範に用いたロボットの姿勢安定度制御は、基本的には足底接地点と路面の形成する支持多角形の内側にモーメントがゼロとなる点を探索することにある(例えば、特許文献1〜5を参照のこと)。   The posture stability control of a robot using ZMP as a stability criterion is basically to search for a point where the moment becomes zero inside the support polygon formed by the ground contact point and the road surface (for example, , See patent documents 1-5).

勿論、機体が転倒しないように最大限の姿勢安定制御を行なうにも拘らず、制御の不備、あるいは予期できない外的要因(例えば不測の物体との衝突や、床面上の突起や窪みなどの路面状況、障害物の出現など)などにより、姿勢の安定を失って可動脚のみでは支えきれなくなり、ロボットが転倒してしまうことがある。   Of course, in spite of the maximum attitude stability control to prevent the aircraft from tipping over, the control is inadequate or unforeseen external factors (such as unexpected collision with objects, floor protrusions and depressions) Depending on the road surface condition, the appearance of obstacles, etc., the posture may become unstable and cannot be supported by the movable legs alone, and the robot may fall.

例えば、脚式移動ロボットが転倒しそうな状況で、ロボットの重心を下げるように制御することで、転倒時にロボットが床面やその他の衝突物体から受ける損傷や、衝突相手となる物体への損傷を軽減することができる。しかしながら、実際に転倒してしまったときに、損傷を最小限に抑えるために、脚部だけでなく胴体や腕部を含め機体全体として如何に協調的に動作させるべきかといった議論はこれまでなされていない。   For example, in a situation where a legged mobile robot is likely to fall, control the robot to lower the center of gravity of the robot, so that the robot can be damaged from the floor and other collision objects when it falls, and damage to the object that is the collision partner. Can be reduced. However, in order to minimize damage in the event of a fall, discussions have been made on how to operate the entire aircraft, including the torso and arms, as well as the legs. Not.

また、直立歩行型の脚式移動ロボットの場合、歩行などの機体運動を考慮したとき、基準となる姿勢は、2足で立ち上がった立ち姿勢である。例えば、立ち姿勢の中では最も安定した状態(すなわち不安定性の極小点)を基本立ち姿勢にすることができる。   Further, in the case of an upright walking type legged mobile robot, when taking into account a body motion such as walking, the reference posture is a standing posture that stands up with two legs. For example, the most stable state (that is, the minimum point of instability) in the standing posture can be set as the basic standing posture.

しかしながら、基本立ち姿勢を安定に維持するためには、姿勢安定制御の実行や、制御指示による脚部など関節軸モータのトルク生成など、駆動電力が必要である。すなわち、無電源状態では立ち姿勢は決して安定ではないことから、ロボットは、仰向けやうつ伏せなどといった、物理的に最も安定した床上姿勢から起動を開始することが好ましいと思料される。ここで、床上姿勢でロボットの電源を投入したときに、ロボットが自律的に起き上がら泣ければならない、という問題が浮上する。オペレータが手を貸して、機体を持ち上げ、ロボットを立たせるなどの作業を施してあげなければならないのでは、煩わしい。   However, in order to maintain the basic standing posture stably, driving power is required for executing posture stabilization control and generating torque of a joint shaft motor such as a leg by a control instruction. That is, since the standing posture is never stable in the non-powered state, it is considered preferable that the robot starts starting from the physically most stable posture on the floor, such as lying on its back or lying down. Here, a problem arises that when the robot is turned on in a floor position, the robot must wake up autonomously and cry. It would be cumbersome for the operator to lend a hand, lift the aircraft, and raise the robot.

また、さまざまな障害物や不測の事態を包含する人間の住環境下でロボットが動作する上で、「転倒」は不可避である。そもそも人間自体が転倒する。このような場合も、オペレータが手を貸して、機体を持ち上げ、ロボットを立たせなければならないのでは、やはり煩わしい。   In addition, “falling” is inevitable when the robot operates in a human living environment that includes various obstacles and unexpected situations. In the first place, the human itself falls. Even in such a case, it is still troublesome for the operator to lend a hand, lift the aircraft, and stand the robot.

ところで、多軸駆動系の機械装置は、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。この場合、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、姿勢制御を行なうことができる。運動制御理論から見た各関節部位は、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。   By the way, a multi-axis drive system mechanical device generally has a large number of joint degrees of freedom, and the movement of the joint is realized by an actuator motor. In this case, the rotation position, rotation amount, and the like of each motor can be taken out, and a desired operation pattern can be reproduced and attitude control can be performed by servo control. In general, each joint portion viewed from the motion control theory is controlled by high gain PD control, and each axis link is operated with a certain characteristic.

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各関節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。   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 and increase or decrease the compliance (mechanical passivity) of each joint part. is important.

関節各軸の動作を位置制御系として捉えたときは、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。これに対し、関節各軸の動作を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。   When the movement of each joint axis is considered as a position control system, it is better to use a servo controller with a high gain and a high bandwidth so that the control deviation is reduced. On the other hand, when the motion of each axis of the joint is considered as a dynamic model, it is possible to lower the gain and raise / lower the frequency band for phase compensation in consideration of the action of potential energy and kinetic energy. You should do it.

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が持つ特性の2つを動的あるいは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, a function for dynamically or statically controlling the characteristics of the actuator itself and the characteristics of the actuator controller is required.

例えば、既知乃至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(例えば、特許文献7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. Is secured or recovered (for example, see Patent Document 7). 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.

特開平5−305579号公報JP-A-5-305579 特開平5−305581号公報JP-A-5-305581 特開平5−305583号公報JP-A-5-305583 特開平5−305585号公報JP-A-5-305585 特開平5−305586号公報JP-A-5-305586 特開平11−48170号公報JP-A-11-48170 特開平7−205069号公報JP-A-7-205069 Miomir Vukobratovic著“LEGGED LOCOMOTION ROBOTS”(加藤一郎外著『歩行ロボットと人工の足』(日刊工業新聞社))Miomir Vukobratovic's “LEGGED LOCATION ROBOTS” (Ichiro Kato's “Walking Robot and Artificial Foot” (Nikkan Kogyo Shimbun))

本発明の目的は、転倒又は落下の途上における脚部だけでなく胴体及び腕部を含め機体全体の運動制御によりロボットが被る損害を限りなく軽減することができる、優れた脚式移動ロボットを提供することにある。   An object of the present invention is to provide an excellent legged mobile robot that can reduce damage to the robot as much as possible by controlling the movement of the entire body including the torso and arms as well as the legs in the course of falling or falling. There is to do.

本発明のさらなる目的は、転倒・落下の途上における機体全体の運動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の2つ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ことができる、優れた脚式移動ロボットを提供することにある。   A further object of the present invention is to provide stable and highly efficient control by dynamically or statically controlling two of the characteristics of the actuator itself and the characteristics of the controller of the actuator during the movement of the entire aircraft during the fall or fall. An object is to provide an excellent legged mobile robot capable of realizing movement.

本発明のさらなる目的は、うつ伏せ又は仰向けの姿勢からの起き上がり動作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の2つ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ことができる、優れた脚式移動ロボットを提供することにある。   A further object of the present invention is to dynamically or statically control two of the characteristics of the actuator itself and the characteristics of the controller of the actuator when performing various movements, such as rising from a lying or lying posture. It is an object of the present invention to provide an excellent legged mobile robot capable of realizing stable and highly efficient operation.

本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、その第1の側面は、複数の可動脚を含む複数の関節で構成される脚式移動ロボットであって、
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を備え、
前記アクチュエータ特性制御手段は、転倒動作の段階毎に、各関節を駆動するため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、
ことを特徴とする脚式移動ロボットである。
The present invention has been made in consideration of the above problems, and the first aspect thereof is a legged mobile robot including a plurality of joints including a plurality of movable legs,
Actuator characteristic control means for combining the gain and phase compensation control of the servo controller of the actuator for driving each joint and the control of the viscous resistance of the actuator motor,
The actuator characteristic control means includes a first actuator characteristic for increasing the low-frequency gain, reducing the phase advance amount, and increasing the joint viscous resistance at each stage of the overturning operation. Switching between the second actuator characteristic that decreases the low-frequency gain, increases the phase advance amount, and decreases the viscous resistance of the joint,
This is a legged mobile robot.

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(すなわち高速な応答性)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 It is possible to obtain the frequency characteristic of the actuator that can be applied to a portion where (that is, high-speed response) and compliance are 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。したがって、転倒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, the characteristics of the actuator for driving each joint where positioning accuracy is prioritized at each stage of the overturning operation 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」、「中高域で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、転倒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 performs mechanical passive by setting the actuator characteristics to “low gain in the low band”, “large phase advance amount in the middle / high band”, and “low in the joint viscous resistance”. Therefore, high-band follow-up control can be performed while relaxing the impact force at the moment of landing. Therefore, at each stage of the overturning operation, 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。転倒動作の途上では、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 overturning 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.

ここで、脚式移動ロボットは、立位姿勢において脚式作業を行なっている間、足底に配設した床反力センサや加速度センサ、あるいは胴体の腰位置に配設した加速度センサなどにより、機体に印加される外力を検出している。そして、これら検出された外力を基に、ZMP釣合い方程式を立てて、足底接地点と路面の形成する支持多角形の辺上あるいはその内側に機体に印加されるモーメントが釣り合うZMPを配置するように、常にZMP軌道を計画することによって、機体の姿勢安定制御を行なっている。   Here, the legged mobile robot uses a floor reaction force sensor or an acceleration sensor arranged on the sole or an acceleration sensor arranged on the waist position of the trunk while performing the legged work in a standing posture. An external force applied to the aircraft is detected. Then, based on these detected external forces, a ZMP balance equation is established, and a ZMP in which the moment applied to the aircraft is balanced is arranged on or inside the side of the support polygon formed by the sole contact point and the road surface. In addition, the attitude stability control of the aircraft is performed by always planning the ZMP trajectory.

ところが、機体に印加された外力が過大であったり、あるいは路面の状況が好ましくないなどの事情により、ZMP釣合い方程式上のモーメント・エラーをキャンセルすることができず、ZMP軌道計画により支持多角形内でZMPを配置することが困難又は不可能となる場合がある。このような場合、本発明に係る脚式移動ロボットは、機体の姿勢安定制御を諦めて、所定の転倒動作を実行することによって、床面への落下時における機体の損傷を最小限に抑えるようになっている。   However, the moment error on the ZMP balance equation cannot be canceled due to excessive external force applied to the aircraft or unfavorable road surface conditions. It may be difficult or impossible to arrange the ZMP. In such a case, the legged mobile robot according to the present invention gives up the attitude stability control of the airframe and performs a predetermined overturning operation so as to minimize the damage to the airframe when falling to the floor. It has become.

すなわち、転倒時において、機体の接地点と路面の形成する支持多角形の面積Sの時間Δt当たりの変化量ΔS/Δtが最小にすることができる着床部位を探索するとともに、この着床部位が形成する支持多角形の面積Sの時間Δt当たりの変化ΔS/Δtが最小となるように、選択された部位が着床すべき目標着床点を設定して、該選択された部位を着床する。そして、部位を着床させることにより新たに形成された支持多角形をさらに拡大していく。   That is, in the event of a fall, a landing site where the change amount ΔS / Δt per unit time Δt of the area S of the support polygon formed by the ground contact point of the aircraft and the road surface can be minimized is searched. The target landing point to be landed by the selected region is set so that the change ΔS / Δt per unit time Δt of the area S of the support polygon formed by the To floor. And the support polygon newly formed by landing a site | part is further expanded.

そして、機体の位置エネルギが最小となり、転倒動作が終了するまでの間、ΔS/Δtが最小となる部位を探索するとともに、当該部位をΔS/Δtが最小となる目標着床点に着床する動作や、新たに形成された支持多角形を拡大していく動作を繰り返し実行する。   Then, until the position energy of the airframe is minimized and the overturning operation is completed, a part where ΔS / Δt is minimized is searched, and the part is landed on a target landing point where ΔS / Δt is minimized. The operation and the operation of enlarging the newly formed support polygon are repeatedly executed.

このように、支持多角形の面積Sの時間t当たりの変化量ΔS/Δtを最小にするとともに、床面落下時における支持多角形が最大となるようにするという方針に従がうことにより、落下時に床面から受ける衝撃を全身に分散させて、ダメージを最小限に抑えることができる。   In this way, by following the policy of minimizing the amount of change ΔS / Δt per time t of the area S of the support polygon and maximizing the support polygon when the floor is dropped, The impact received from the floor when falling can be dispersed throughout the body, minimizing damage.

前記アクチュエータ特性制御手段は、転倒動作の段階毎に、安定領域制御に関わ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維持することで、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。これによって、機体の転倒動作を制御する際の規範となるΔS/Δtの量を制御するための主成分となる関節の位置決め精度が確保され、動作の安定性を増すことができる。   The actuator characteristic control means maintains the characteristics of the actuator for driving each joint related to stable region control at each stage of the overturning operation, increases the low frequency gain, decreases the phase advance amount, and maintains the joint viscous resistance. By doing so, it is possible to perform highly accurate positioning control of each of these joint parts and increase the stability of the posture. As a result, the positioning accuracy of the joint, which is the main component for controlling the amount of ΔS / Δt, which is a standard for controlling the overturning motion of the aircraft, is ensured, and the stability of the operation can be increased.

また、前記アクチュエータ特性制御手段は、転倒動作の段階毎に、位置エネルギ制御に関わ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した第1のアクチュエータ特性から、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切り替えることで、これらの関節部位に機械的受動性(コンプライアンス)と速い応答性を持たせるようにする。   In addition, the actuator characteristic control means determines the characteristics of the actuator for driving each joint related to potential energy control at each stage of the overturning operation, increases the low-frequency gain, decreases the phase advance amount, and reduces the joint viscous resistance. By switching from the increased first actuator characteristics to the second actuator characteristics that reduce the low-frequency gain, increase the phase advance amount, and reduce the viscous resistance of the joints, these joint parts are mechanically passive (compliance). And fast responsiveness.

この結果、脚が位置エネルギを利用するような受動的動作を行なうときに、機械的受動性(コンプライアンス)を持ちつつ高い帯域の追従制御を行なうことが可能となる。   As a result, it is possible to perform high-band follow-up control while having mechanical passivity (compliance) when the leg performs a passive operation using potential energy.

さらに、着床時衝撃緩衝に関わ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切り替えることで、これらの関節部位に機械的受動性(コンプライアンス)と速い応答性を持たせるようにする。   Furthermore, by switching the characteristics of the actuator for driving each joint related to impact buffering at the time of landing to a second actuator characteristic that reduces the low-frequency gain, increases the phase advance amount, and decreases the viscous resistance of the joint, These joint sites should have mechanical passivity (compliance) and quick response.

この結果、着床の瞬間に機械的受動性(コンプライアンス)を持たせることで、ロボット全体が柔らかい系になるため、機体全体に加わる衝撃を緩和することができる。   As a result, by giving mechanical passivity (compliance) at the moment of landing, the entire robot becomes a soft system, so that the impact applied to the entire body can be reduced.

また、本発明の第2の側面は、複数の可動脚を含む複数の関節部位で構成される脚式移動ロボットであって、
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、
機体の寝姿勢からの起き上がり動作を制御する起き上がり動作制御手段とを備え、
前記アクチュエータ特性制御手段は、起き上がり動作の各段階毎に、各関節を駆動するため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、
ことを特徴とする脚式移動ロボットである。
The second aspect of the present invention is a legged mobile robot composed of a plurality of joint parts including a plurality of movable legs,
Actuator characteristic control means for combining the gain and phase compensation control of the servo controller of the actuator for driving each joint and the control of the viscous resistance of the actuator motor;
A rising motion control means for controlling the rising motion from the sleeping posture of the aircraft,
The actuator characteristic control means includes a first actuator characteristic for increasing the low-frequency gain, reducing the phase advance amount, and increasing the viscous resistance of the joint. Switching between the second actuator characteristic that reduces the low-frequency gain, increases the phase advance amount, and decreases the viscous resistance of the joint.
This is a legged mobile robot.

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。したがって、起き上がり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 rising 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、起き上がり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 rising 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。起き上がり動作の途上では、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 body 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 process of getting up, the link state formed by the floor portion 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.

前記リンク構造体は、少なくとも肩関節ピッチ軸、体幹ピッチ軸、股関節ピッチ軸、膝ピッチ軸が機体の高さ方向に連結されてなる。勿論、脚式移動ロボットの機体は、これら以外の関節ピッチ軸を備えていてもよいし、また、各関節部位において、ピッチ軸以外のロール軸並びにヨー軸回りの回転自由度を備えていてもよい。   The link structure is formed by connecting at least a shoulder joint pitch axis, a trunk pitch axis, a hip joint pitch axis, and a knee pitch axis in the height direction of the aircraft. Of course, the body of the legged mobile robot may have a joint pitch axis other than these, and each joint part may have a degree of freedom of rotation about the roll axis other than the pitch axis and the yaw axis. Good.

また、前記起き上がり動作制御手段は、
機体の重心となる重心リンクを含む2以上のリンクが接床した床上姿勢において、接床リンクが形成する接地多角形内において最も少ないリンク数で形成される最も狭い支持多角形を探索する手段と、
接地多角形中の前記探索された支持多角形以外の接床リンクを離床させる手段と、
2以上の連続する離床リンクを屈曲させ、そのリンク端の端部を接床させて、より狭い接地多角形を形成する手段と、
支持多角形が充分狭くなったことに応答して、前記リンク構造体の一端側から第1の所定数以上のリンクを離床して機体を直立させる手段と、
で構成することができる。ここで、床面と接床する複数の機体の端部が形成する多角形のことを接地多角形という。また、ZMPが存在する接地多角形のことを支持多角形という。ZMPの安定領域は、支持多角形内においてロボットの姿勢などを安定に制御可能な領域である。
The rising motion control means is
Means for searching for the narrowest support polygon formed with the smallest number of links in the ground contact polygon formed by the floor contact link in the above-ground posture in which two or more links including the center of gravity link serving as the center of gravity of the airframe are in contact with the floor; ,
Means for leaving the flooring link other than the searched support polygon in the ground contact polygon;
Means for bending two or more continuous bed leaving links and contacting the ends of the link ends to form a narrower ground contact polygon;
In response to the support polygon becoming sufficiently narrow, means for leaving the first predetermined number of links or more upright from one end side of the link structure,
Can be configured. Here, the polygon formed by the end portions of the plurality of aircrafts in contact with the floor is called a grounded polygon. In addition, the contact polygon in which ZMP exists is called a support polygon. The stable region of ZMP is a region in which the posture of the robot can be stably controlled within the support polygon.

脚式移動ロボットは、仰向け又はうつ伏せなどの基本的な床上姿勢においては、これら関節ピッチ軸、体幹ピッチ軸、股関節ピッチ軸、膝ピッチ軸を連結するすべてのリンクは接床している。また、基本的な立ち姿勢や歩行姿勢においては、これら関節ピッチ軸、体幹ピッチ軸、股関節ピッチ軸、膝ピッチ軸を連結するすべてのリンクは離床し、略鉛直方向に整列している。 When the legged mobile robot is in a basic position on the floor such as lying on its back or lying down, all links connecting the shoulder joint pitch axis, trunk pitch axis, hip joint pitch axis, and knee pitch axis are in contact with the floor. In the basic standing posture and walking posture, all the links connecting the joint pitch axis, trunk pitch axis, hip joint pitch axis, and knee pitch axis leave the floor and are aligned in a substantially vertical direction.

床上姿勢から立ち姿勢に移行する起き上がりの際には、通常の立ち姿勢を維持したり歩行動作を行なう場合に比し、関係する関節アクチュエータには高いトルク出力が必要とされる。このため、ZMP支持多角形が最小となる姿勢を利用して起き上がり動作を行なうことによって、より少ない駆動トルクで起き上がり動作を実現する。   When getting up from the floor posture to the standing posture, higher torque output is required for the joint actuators involved than when maintaining a normal standing posture or performing a walking motion. For this reason, the raising operation is realized with a smaller driving torque by performing the raising operation using the posture in which the ZMP support polygon is minimized.

まず、ほとんどすべてのリンクが接床している床上姿勢において、接床リンクが形成する接地多角形内で、最も狭い支持多角形を探索する。このとき、機体の一端側から少なくとも2以上のリンクを離床させたときの、ZMPが計画可能かどうかを判定する。例えば、体幹ピッチ軸及び股関節ピッチ軸を連結するリンクを重心リンクとして接床状態に保ったままで、より狭い支持多角形を探索する。そして、肩関節ピッチ軸を含む一端側から連続する2以上のリンクを離床させることを試みる。   First, in the on-floor posture in which almost all the links are in contact with the floor, the narrowest support polygon is searched for in the ground contact polygon formed by the floor contact links. At this time, it is determined whether or not ZMP can be planned when at least two or more links are removed from one end of the aircraft. For example, a narrower support polygon is searched for while maintaining the floor contact state with the link connecting the trunk pitch axis and the hip joint pitch axis as the center of gravity link. Then, two or more links that are continuous from one end side including the shoulder joint pitch axis are attempted to leave the floor.

次いで、支持多角形となる接床リンクを残し、接地多角形の一端側から2以上の連続するリンクを離床する。そして、一端側から1以上の離床リンクを屈曲させてリンク端の端部を着床させて、より狭い接地多角形を形成する。例えば、リンク構造体の一端側から肩関節を含む2以上のリンクを支持多角形に関与しないリンクとして離床する。そして、肩関節を含む2以上のリンクが離床している状態で、肩関節ピッチ軸で屈曲させて、そのリンク端の端部である手先を接床させる。そして、手先を機体重心位置である体幹ピッチ軸側に徐々に近づけていくことによって、元の床上姿勢よりも狭い接地多角形を形成する。   Next, leaving the floor contact link to be a support polygon, two or more continuous links are left from one end side of the ground contact polygon. Then, one or more leaving links are bent from one end side to land the end of the link end to form a narrower ground contact polygon. For example, two or more links including the shoulder joint are left from one end side of the link structure as links not involved in the support polygon. Then, in a state where two or more links including the shoulder joint are leaving the floor, the arm is bent along the shoulder joint pitch axis, and the hand that is the end of the link end is brought into contact with the floor. Then, by gradually approaching the hand to the trunk pitch axis side, which is the position of the center of gravity of the aircraft, a grounding polygon narrower than the original on-floor posture is formed.

さらに、この接地多角形において、最も狭い支持多角形を探索する。今度は他端から少なくとも2以上のリンクを離床させて、ZMPが計画可能かどうかを判定する。例えば、体幹ピッチ軸及び股関節ピッチ軸を連結する重心リンクを接床状態に保ったままで、膝関節ピッチ軸を含む他端側から連続する2以上のリンクを離床させることを試みる。   Further, the narrowest support polygon is searched for in this ground contact polygon. This time, at least two or more links are removed from the other end to determine whether the ZMP can be planned. For example, while maintaining the center-of-gravity link connecting the trunk pitch axis and the hip joint pitch axis in a floor contact state, an attempt is made to leave two or more continuous links from the other end side including the knee joint pitch axis.

次いで、支持多角形となる接床リンクを残し、接地多角形の他端側から2以上の連続するリンクを離床する。そして、他端側から1以上の離床リンクを屈曲させてリンク端の端部を着床させて、より狭い接地多角形を形成する。例えば、膝関節を含む2以上のリンクが離床している状態で、膝関節ピッチ軸で屈曲させて、そのリンク端の端部である足底を接床させる。そして、足底を機体重心位置である股関節ピッチ軸側に徐々に近づけていくことによって、元の床上姿勢よりも狭い接地多角形を形成する。   Next, the floor contact link that becomes the support polygon is left, and two or more continuous links are removed from the other end side of the ground contact polygon. Then, one or more floor links are bent from the other end side to land the end portion of the link end to form a narrower ground contact polygon. For example, in a state where two or more links including the knee joint are leaving the floor, the knee joint is bent along the pitch axis, and the sole which is the end of the link end is brought into contact with the floor. Then, a ground contact polygon narrower than the original on-floor posture is formed by gradually approaching the sole to the hip joint pitch axis side that is the position of the center of gravity of the aircraft.

次いで、接地多角形の両リンク端の端部を接床した状態で前記重心リンクを離床可能か否かによって、支持多角形が充分狭くなったか否かを判断する。例えば、接地多角形の両リンク端の端部としての手先及び足底を接床した状態で、体幹ピッチ軸及び股関節ピッチ軸を連結した前記重心リンクを離床可能か否かによって支持多角形が充分狭くなったか否かを判断する。   Next, it is determined whether or not the support polygon has become sufficiently narrow depending on whether or not the center-of-gravity link can be removed while the ends of both link ends of the ground contact polygon are in contact with each other. For example, the support polygon is determined depending on whether or not the center-of-gravity link connecting the trunk pitch axis and the hip joint pitch axis can be removed while the hand and the sole as the ends of both link ends of the ground polygon are in contact with the floor. Judge whether or not it is sufficiently narrow.

そして、着床部位が構成する支持多角形が充分に狭くなったことに応答して、支持多角形の両リンク端の端部を接床した状態で前記重心リンクを離床し、両リンク端の着床リンクによって形成される支持多角形内にZMPを維持しながら、支持多角形の両リンク端で端部の間隔を縮めて、ZMPを前記リンク構造体の他端側に移動させる。例えば、接地多角形の両リンク端の端部としての手先及び足底を接床した状態で体幹ピッチ軸及び股関節ピッチ軸を連結した前記重心リンクを離床し、手先及び足底の間隔を徐々に縮めていき、ZMPを足底に向かってに移動させていく。   Then, in response to the support polygon that the landing site is sufficiently narrowed, the center-of-gravity link is left in the state where the ends of both link ends of the support polygon are in contact with the floor, While maintaining the ZMP in the support polygon formed by the landing link, the distance between the end portions is reduced at both link ends of the support polygon, and the ZMP is moved to the other end side of the link structure. For example, the center-of-gravity link connecting the trunk pitch axis and the hip joint pitch axis with the hands and soles as the ends of both ends of the contact polygon in contact with the floor is removed from the floor, and the distance between the hands and the soles is gradually increased. The ZMP is moved toward the sole.

そして、前記リンク構造体の他端から第2の所定数以下の接床リンクのみで形成される接地多角形内にZMPが突入したことに応答して、ZMPを該接地多角形内に収容したまま前記リンク構造体の一端側から第1の所定数以上のリンクを離床して、該離床リンクを長さ方向に伸展することによって、起き上がり動作を完結させる。例えば、前記足底で構成される接地多角形内にZMPが突入したことに応答して、ZMPを該接地多角形内に収容したまま、前記肩ピッチ軸から前記膝ピッチ軸に至るまでのリンクを離床して、該離床リンクを長さ方向に伸展することによって、起き上がり動作を完結させることができる。   Then, in response to the ZMP having entered the ground polygon formed by only the second predetermined number of floor-contact links or less from the other end of the link structure, the ZMP is accommodated in the ground polygon. The rising operation is completed by leaving the first predetermined number of links or more from the one end side of the link structure and extending the leaving link in the length direction. For example, a link from the shoulder pitch axis to the knee pitch axis while the ZMP is accommodated in the grounding polygon in response to ZMP entering the grounding polygon formed by the sole. By lifting the floor and extending the floor link in the length direction, the rising operation can be completed.

前記アクチュエータ特性制御手段は、このような機体の起き上がり動作の各段階において、最も狭い支持多角形の探索に関与する接床リンクの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ようにしてもよい。   The actuator characteristic control means increases the low-frequency gain, the characteristics of the actuator for driving each joint of the floor contact link involved in the search for the narrowest support polygon in each stage of the rising motion of the aircraft. The first actuator characteristic may be set to reduce the phase advance amount and increase the joint viscous resistance.

このように該当する関節部位のアクチュエータの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ように設定することで、高精度な位置決めを可能にし、支持多角形の大きさの精度を確保することができる。   In this way, by setting the low gain of the actuator of the corresponding joint part to be large, the phase advance amount to be small, and the viscous resistance of the joint to be large, high-accuracy positioning is possible, and the size of the support polygon Accuracy can be ensured.

また、前記アクチュエータ特性制御手段は、より狭い接地多角形を形成するために接床するまでの期間中、支持多角形に関与しない離床リンクの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した第2のアクチュエータ特性から、接床後は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切り替えるようにしてもよい。   In addition, the actuator characteristic control means is configured to reduce the characteristics of the actuator for driving each joint of the floor link that does not participate in the support polygon during the period until the floor is touched to form a narrower ground contact polygon. From the second actuator characteristic in which the gain is reduced, the phase advance amount is increased, and the joint viscous resistance is reduced, the first low frequency gain is increased, the phase advance amount is reduced, and the joint viscous resistance is increased after the floor contact. You may make it switch to an actuator characteristic.

このように該当する関節部位に機械的受動性(コンプライアンス)と高速応答性を与えることにより、起き上がりのためにより狭い接地多角形を逐次形成していく動作の過程で、腕や脚の動作や着床動作が円滑になるとともにエネルギ消費を少なくすることができる。   In this way, by giving mechanical passivity (compliance) and high-speed response to the corresponding joint parts, the movement and wearing of arms and legs are performed in the process of successively forming narrower grounding polygons for getting up. The floor operation becomes smooth and energy consumption can be reduced.

また、前記アクチュエータ特性制御手段は、支持多角形が充分狭くなったことに応答して機体を直立させる動作に関わ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ようにしてもよい。   In addition, the actuator characteristic control means has a characteristic of an actuator for driving each joint related to an operation of erecting the airframe in response to the support polygon becoming sufficiently narrow, a large low-frequency gain, and a phase advance amount. May be set to a first actuator characteristic that increases the viscous resistance of the joint.

このように該当する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ように設定することで、高精度な位置決めを可能にし、直立姿勢に復帰したときの姿勢安定制御を実現することができる。   When the actuator of the corresponding joint part is set to increase the low frequency gain, decrease the phase advance amount, and increase the viscous resistance of the joint, enabling high-accuracy positioning and returning to the upright posture Posture stability control can be realized.

本発明によれば、転倒や落下の途上における脚部だけでなく胴体及び腕部を含め機体全体の運動制御によりロボットが被る損害を限りなく軽減することができる、優れた脚式移動ロボットを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide an excellent legged mobile robot capable of reducing damage to the robot as much as possible through motion control of the entire body including the torso and arms as well as the legs in the course of falling or dropping. can do.

また、本発明によれば、転倒や落下の途上における機体全体の運動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の2つ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ことができる、優れた脚式移動ロボットを提供することができる。   In addition, according to the present invention, stable and high efficiency can be achieved by dynamically or statically controlling the characteristics of the actuator itself and the characteristics of the actuator controller during the movement of the entire body during the fall or fall. It is possible to provide an excellent legged mobile robot capable of realizing various operations.

また、本発明によれば、仰向けやうつ伏せなどの床上姿勢から自律的に立ち姿勢を回復することができる、優れた脚式移動ロボットを提供することができる。   Further, according to the present invention, it is possible to provide an excellent legged mobile robot that can autonomously recover from a standing posture such as lying on its back or lying down.

また、本発明によれば、うつ伏せ又は仰向けの姿勢からの起き上がり動作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の2つ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ことができる、優れた脚式移動ロボットを提供することができる。   In addition, according to the present invention, two characteristics of the actuator itself and the characteristics of the actuator controller are dynamically or statically controlled during execution of various operations including a rising motion from a lying or lying posture. By doing so, it is possible to provide an excellent legged mobile robot capable of realizing a stable and highly efficient operation.

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ZMPが存在する(前述)。   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 ZMP in which the pitch axis and roll axis moments are zero inside the support polygon formed by the sole contact point and the road surface (described above).

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 degree of freedom of joint in the legged mobile robot 100 shown in FIG. 3 is realized by a motor or other type of actuator corresponding to each. 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が配備されている。 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 .

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 caused by the floor reaction force during walking is zero, and the “ZMP trajectory” mentioned here means, for example, a trajectory in which the ZMP moves during the walking operation period of the robot 100. To do.

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 standing motion from the floor posture, the link state between the landing part of the multi-link structure and the floor surface 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、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。   As a second method for optimizing the robot, the position error deviation amount is controlled by arbitrarily adjusting the open loop gain of the position servo compensator in each joint axis actuator. 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 0004115374
Figure 0004115374

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 0004115374
Figure 0004115374

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、中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高速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, as shown in FIG. 13, the open loop characteristics of the actuator position control system are set such that the gain is low in the low range and the phase advance amount is large in the middle and high ranges. Thus, it is possible to obtain characteristics suitable for a joint site that requires a higher-speed response than the position accuracy, and when a 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'をオン/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 for switching the control signals for controlling the on / off operation of the transistors A and A ′ and the arrangements B and B ′ output from the PWM control logic circuit by the additional logic is provided.

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。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。 FIG. 15 shows a specific circuit configuration of the additional logic circuit. The additional logic circuit controls the on / off operation of the signals A 0 and A 0 ′ and the rows 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. As a result, the coil is switched between the open state and the short-circuit state when the motor / coil is not energized.

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B0'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。 PWM control logic circuit and the transistors A 'signal A 0 for control' from the logical product of the transistors B 0 'signal B 0 for control', signal B 0 of the signal A 0 and the transistor B control for controlling the transistor A Is obtained, 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制御信号がハイ・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。 When a high level is input to the BRAKE_PWM control signal, the additional logic circuit switches the transistor control signal so that the coil is short-circuited when the coil is not 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, since the motor output torque T is a value obtained by multiplying the coil current by the motor torque constant Kt (T = Kt · I), as can be seen from FIG. As 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。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。   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. In other words, the viscous resistance of the motor can be dynamically controlled by the duty ratio of the BRAKE_PWM control signal.

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の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.

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17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17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. 17 corresponds to the maximum viscosity coefficient in terms of 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17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, the region indicated by B in FIG. 17 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.

C−3.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。
C-3. 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1〜3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。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・位相補償特性の基本的な制御例について、以下に詳解する。   The joint freedom degree of the legged mobile robot shown in FIGS. 1 to 3 is realized by an actuator including the servo controller described above. A basic control example of 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。   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.

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。   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.

ここで、ロボットの動作段階に応じて関節アクチュエータの特性を切り替えることによる効果を、歩行動作を例にとって説明する。   Here, the effect of switching the characteristics of the joint actuator in accordance with the operation stage of the robot will be described taking a walking operation as an example.

図18には、脚式移動ロボットが歩行動作を行なう様子を段階毎に示している。同図に示す例では、歩行動作はA〜Gの7段階に区分され、歩行動作を継続するときは、この順番で歩容を繰り返し実行するようになっている。   FIG. 18 shows a state where the legged mobile robot performs a walking motion for each stage. In the example shown in the figure, the walking motion is divided into seven stages of A to G, and when the walking motion is continued, the gait is repeatedly executed in this order.

(1)肩〜腕の部分
A〜Gで示すロボットの歩行動作中では、ロボットの基準座標のヨー軸回りの回転モーメントを補償するために、腕を振る動作を行なう。この腕を振る動作は、肩ピッチ軸を中心にした周期的な振り子運動になる。
(1) Shoulder-arm portion During the walking motion of the robot indicated by A to G, the arm is swung to compensate for the rotational moment around the yaw axis of the reference coordinates of the robot. The motion of swinging the arm is a periodic pendulum motion around the shoulder pitch axis.

このような場合、動作初期に与えたトルクによって腕を振り上げるので、位置エネルギを得る。この位置エネルギは、腕を振り下ろすときには、エネルギ保存則により運動エネルギとなる。つまり、動作初期に与えたトルクで発生する位置エネルギは、振り子が降りる原理に従って、運動エネルギに変換されるというエネルギ変換が繰り返される。   In such a case, the potential energy is obtained because the arm is lifted by the torque applied at the initial stage of the operation. This potential energy becomes kinetic energy according to the energy conservation law when the arm is swung down. That is, the energy conversion is repeated in which the potential energy generated by the torque applied in the initial stage of the operation is converted into kinetic energy according to the principle that the pendulum descends.

このような性質を積極的に利用すると、ロボットが位置制御に追従するために発生するトルク(すなわち、エネルギ消費)に力学的エネルギを加えることができるので、ロボット全体のエネルギ消費を節約することができる。   If such a property is actively used, mechanical energy can be added to the torque (ie, energy consumption) generated for the robot to follow the position control, so that the energy consumption of the entire robot can be saved. it can.

具体的には、腕部分の運動エネルギが最大になるときに腕の主要部分(例えば、肩ピッチ軸、肘ピッチ軸など)が瞬間的にトルクを発生する。このときに関節の粘性抵抗が大きいと、動作中の損失が大きくなるのでよろしくない。また、粘性抵抗が小さくても、動作中の損失はゼロにはならないので、その損失分を補充する意味でも、瞬間的にトルクを発生させる必要がある。   Specifically, when the kinetic energy of the arm portion is maximized, the main portion of the arm (for example, the shoulder pitch axis, the elbow pitch axis, etc.) instantaneously generates torque. If the joint viscous resistance is large at this time, the loss during operation increases, which is not good. Further, even if the viscous resistance is small, the loss during operation does not become zero, so it is necessary to instantaneously generate torque in order to supplement the loss.

これらを1サーボ制御で実現するには、開ループ特性で低周波数帯域のゲインが低く、且つ、中高域で位相補償量を大きくしてゲインが高くなっている系が適している。これに加えて、粘性抵抗の制御により、モータの粘性係数を実現可能な最小値に設定することで、動作中のエネルギ損失を少なくすることが好ましい。   In order to realize these with one servo control, a system in which the gain in the low frequency band is low due to the open loop characteristics and the gain is increased by increasing the phase compensation amount in the middle / high range is suitable. In addition to this, it is preferable to reduce energy loss during operation by setting the viscosity coefficient of the motor to a minimum value that can be realized by controlling the viscous resistance.

図13に示すアクチュエータの周波数特性は、このようなサーボ制御及びモータの粘性抵抗制御を実現するものである。したがって、歩行動作中の腕の動作に関わる関節部位のアクチュエータは、同図に示す特性に設定すればよい。   The frequency characteristics of the actuator shown in FIG. 13 realize such servo control and motor viscous resistance control. Therefore, the actuator of the joint part related to the movement of the arm during the walking movement may be set to the characteristics shown in FIG.

(2)脚の部分
A〜Gで示すロボットの歩行動作中では、ZMP規範の姿勢制御に則って脚の歩容を生成する。この脚の動作は、両脚支持期と、片足が支持脚で他の片足が遊脚となる片足支持期の繰り返しとなる。
(2) Leg part During the walking motion of the robot shown by A to G, a gait of the leg is generated in accordance with the posture control of the ZMP standard. This movement of the legs is repeated between the both-leg support period and the one-leg support period in which one leg is the support leg and the other leg is the free leg.

支持脚又は遊脚に関わらず、ロール軸方向はZMP軌道に追従するため、一サーボ制御系の高い位置決め精度が要求される。これはつまり、開ループ特性において、全周波数帯域において高ゲインであることが求められる。   Regardless of the support leg or the free leg, the roll axis direction follows the ZMP trajectory, so that high positioning accuracy of one servo control system is required. That is, in the open loop characteristic, a high gain is required in the entire frequency band.

支持脚の各関節のピッチ軸は、ZMP軌道に追従するため、高い位置決め精度が要求される。同時に、振動などの外乱に対してロバストであることが求められる。したがって、これら2つの要求を満たすためには、支持脚の各関節のピッチ軸は、図12に示す、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な特性が適している。また、モータの粘性抵抗を大きく設定することが適している。   Since the pitch axis of each joint of the support leg follows the ZMP trajectory, high positioning accuracy is required. At the same time, it is required to be robust against disturbances such as vibration. Therefore, in order to satisfy these two requirements, the pitch axis of each joint of the support leg is set to a large proportional gain of the servo controller shown in FIG. Characteristics that can gain gain are suitable. It is also suitable to set the motor's viscous resistance large.

一方、遊脚時の膝ピッチ軸や足首ピッチ軸は、腕部と同様に、振り上げと振り下ろしの動作を交互に行なう。したがって、関節の粘性抵抗が小さいことが好ましい。同時に、開ループ特性において、低周波数帯域で低ゲイン、中高域で位相補償量を大きくして高ゲインとなる、図13に示す特性が適している。   On the other hand, the knee pitch axis and the ankle pitch axis at the time of the free leg perform the swing-up and swing-down operations alternately like the arm portion. Therefore, it is preferable that the joint viscous resistance is small. At the same time, in the open loop characteristic, the characteristic shown in FIG. 13 is suitable, in which the gain is low in the low frequency band, and the phase compensation amount is increased in the middle / high range to increase the gain.

また、着床瞬間の足首ピッチ軸関節は、高い周波数の衝撃外乱が加わる。このときには、高周波数帯域での応答性が確保されていることが望ましい。また、このときには、低周波数帯域でのゲインが低いことが望ましい。同時に、関節粘性抵抗が小さいことが望ましい。したがって、着床瞬間の足首ピッチ軸関節は、図13に示す特性が適している。   In addition, a high frequency impact disturbance is applied to the ankle pitch shaft joint at the moment of landing. At this time, it is desirable to ensure responsiveness in a high frequency band. At this time, it is desirable that the gain in the low frequency band is low. At the same time, it is desirable that the joint viscosity resistance is small. Therefore, the characteristics shown in FIG. 13 are suitable for the ankle pitch axis joint at the moment of landing.

D.脚式移動ロボットの姿勢安定制御
次いで、本実施形態に係る脚式移動ロボット100における、脚式作業時における姿勢安定化処理、すなわち足部、腰、体幹、下肢運動などからなる全身協調運動実行時における姿勢の安定化処理の手順について説明する。
D. Posture stabilization control of legged mobile robot Next, the legged mobile robot 100 according to the present embodiment performs posture stabilization processing at the time of legged work, that is, execution of whole body coordinated motion including leg, waist, trunk, lower limb motion, etc. The procedure of the posture stabilization process at the time will be described.

姿勢安定制御には、ZMPを姿勢安定制御に用いる。本実施形態では、ロボットの機体上の制御目標点として質量操作量が最大となる部位、例えば腰部若しくは基体をローカル座標原点に設定する。そして、この制御目標点に加速度センサなどの計測手段を配置して、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。さらに路面との接触部位である足部に加速度センサを配備することにより、制御に用いるローカル座標とその座標を直接的に計測して、ZMP位置に最も近い足部で直接ZMP方程式を組み立てる。   For posture stability control, ZMP is used for posture stability control. In the present embodiment, a portion where the mass operation amount is maximum, for example, a waist or a base body, is set as a local coordinate origin as a control target point on the robot body. Then, a measuring means such as an acceleration sensor is arranged at the control target point, and the posture and acceleration at the position are directly measured to perform posture stability control based on ZMP. Further, by providing an acceleration sensor on the foot which is a contact portion with the road surface, the local coordinates used for the control and the coordinates are directly measured, and the ZMP equation is directly assembled with the foot closest to the ZMP position.

D−1.ZMP方程式の導入
本実施形態に係る脚式移動ロボット100は、無限すなわち連続的な質点の集合体である。但し、ここでは有限数で離散的な質点からなる近似モデルに置き換えることによって、安定化処理のための計算量を削減するようにしている。より具体的には物理的には図3に示す多関節自由度構成を具備する脚式移動ロボット100を、図19に示すように多質点近似モデルに置き換えて取り扱う。図示の近似モデルは、線形且つ非干渉の多質点近似モデルである。
D-1. Introduction of ZMP Equation The legged mobile robot 100 according to the present embodiment is an infinite or continuous mass collection. However, the calculation amount for the stabilization processing is reduced by substituting an approximate model composed of a finite number of discrete mass points. More specifically, the legged mobile robot 100 having the multi-joint degree-of-freedom configuration shown in FIG. 3 is physically replaced with a multi-mass point approximation model as shown in FIG. The approximate model shown is a linear and non-interfering multi-mass point approximate model.

図19において、O−XYZ座標系は絶対座標系におけるロール、ピッチ、ヨー各軸を表し、また、O'−X'Y'Z'座標系はロボット100とともに動く運動座標系におけるロール、ピッチ、ヨー各軸を表している。但し、図中におけるパラメータの意味は以下の通りである。また、ダッシュ(´)付きの記号は運動座標系を記述するものと理解されたい。   In FIG. 19, the O-XYZ coordinate system represents the roll, pitch, and yaw axes in the absolute coordinate system, and the O′-X′Y′Z ′ coordinate system represents the roll, pitch, Each axis of yaw is represented. However, the meanings of the parameters in the figure are as follows. It should also be understood that symbols with a dash (') describe a motion coordinate system.

Figure 0004115374
Figure 0004115374

図19に示す多質点モデルでは、iはi番目に与えられた質点を表す添え字であり、miはi番目の質点の質量、ri'はi番目の質点の位置ベクトル(但し運動座標系)を表すものとする。本実施形態に係る脚式移動ロボット100の機体重心は腰部付近に存在する。すなわち、腰部は、質量操作量が最大となる質点であり、図19では、その質量はmh、その位置ベクトル(但し運動座標系)はr'h(r'hx,r'hy,r'hz)とする。また、機体のZMPの位置ベクトル(但し運動座標系)をr'zmp(r'zmpx,r'zmpy,r'zmpz)とする。なお、腰部情報における各回転角(θhx,θhy,θhz)は、脚式移動ロボット100における腰部の姿勢すなわちロール、ピッチ、ヨー軸の回転を規定する。 In the multi-mass point model shown in FIG. 19, i is a subscript representing the i-th mass point, m i is the mass of the i-th mass point, r i ′ is the position vector of the i-th mass point (however, the motion coordinates) System). The center of gravity of the body of the legged mobile robot 100 according to the present embodiment exists near the waist. That is, the waist is a mass point where the mass manipulated variable is maximum. In FIG. 19, the mass is m h , and the position vector (however, the motion coordinate system) is r ′ h (r ′ hx , r ′ hy , r ′). hz ). Further, the position vector (however, the motion coordinate system) of the ZMP of the aircraft is assumed to be r ′ zmp (r ′ zmpx , r ′ zmpy , r ′ zmpz ). Each rotation angle (θ hx , θ hy , θ hz ) in the waist information defines the posture of the waist in the legged mobile robot 100, that is, the rotation of the roll, pitch, and yaw axes.

世界座標系O−XYZは絶対座標系であり、不変である。本実施形態に係る脚式移動ロボット100は、腰部と両脚の足部にそれぞれ加速度センサ93、94、96が配置されており、これらセンサ出力により腰部並びに立脚それぞれと世界座標系の相対位置ベクトルrqが直接検出される。これに対し、運動座標系すなわち機体のローカル座標系はO−X’Y’Z’は、ロボットともに動く。 The world coordinate system O-XYZ is an absolute coordinate system and is invariant. In the legged mobile robot 100 according to the present embodiment, acceleration sensors 93, 94, and 96 are arranged on the waist and the legs of both legs, respectively, and the relative position vector r in the world coordinate system with each of the waist and the stance is determined by the output of these sensors. q is detected directly. On the other hand, in the motion coordinate system, that is, the local coordinate system of the aircraft, OX'Y'Z 'moves with the robot.

機体のZMP方程式は、制御目標点において印加される各モーメントの釣合い関係を記述したものである。図19に示したように、機体を多数の質点miで表わし、これらを制御目標点とした場合、すべての制御目標点miにおいて印加されるモーメントの総和を求める式がZMP方程式である。 The ZMP equation of the airframe describes the balance relationship of each moment applied at the control target point. As shown in FIG. 19 represents the body in a number of mass points m i, when the these control target points, obtaining the sum of the moments applied at all the control target point m i Formula is ZMP equation.

世界座標系(O−XYZ)で記述された機体のZMP方程式、並びに機体のローカル座標系(O−X’Y’Z’)はそれぞれ以下の通りとなる。   The ZMP equation of the aircraft described in the world coordinate system (O-XYZ) and the local coordinate system (O-X′Y′Z ′) of the aircraft are as follows.

Figure 0004115374
Figure 0004115374

上式は、各質点miにおいて印加された加速度成分により生成されるZMP回り(半径ri−rzmp)のモーメントの総和と、各質点miに印加された外力モーメントMiの総和と、外力Fkにより生成されるZMP回り(k番目の外力Fkの作用点をskとする)のモーメントの総和が釣り合うということを記述している。 The above equation, the sum of the moments of ZMP around produced by the acceleration component applied at each mass point m i (radius r i -r ZMP), the sum of external force moment M i applied to each of the mass points m i, It is described that the sum of moments around ZMP generated by the external force F k (where the point of action of the kth external force F k is s k ) is balanced.

このZMP釣合い方程式は、総モーメント補償量すなわちモーメント・エラー成分Tを含んでいる。このモーメント・エラーをゼロ又は所定の許容範囲内に抑えることによって、機体の姿勢安定性が維持される。言い換えれば、モーメント・エラーをゼロ又は許容値以下となるように機体運動(足部運動や上半身の各部位の軌道)を修正することが、ZMPを安定度判別規範とした姿勢安定制御の本質である。   This ZMP balance equation includes a total moment compensation amount, that is, a moment error component T. By suppressing this moment error to zero or within a predetermined allowable range, the attitude stability of the aircraft is maintained. In other words, it is the essence of posture stability control using ZMP as a stability criterion to correct the body motion (foot motion and trajectory of each part of the upper body) so that the moment error is zero or below the allowable value. is there.

本実施形態では、腰部と左右の足部にそれぞれが配設されているので、これらの制御目標点における加速度計測結果を用いて直接的に且つ高精度に上記のZMP釣合い方程式を導出することができる。この結果、高速でより厳密な姿勢安定制御を実現することができる。   In the present embodiment, since the waist and the left and right feet are respectively disposed, the above ZMP balance equation can be derived directly and with high accuracy using the acceleration measurement results at these control target points. it can. As a result, high-speed and strict attitude stability control can be realized.

本実施形態では、路面との接触部位である足部足底に加速度センサ加速度センサ96、93及び94を設けていることから、世界座標系に対する実ロボットのローカル座標系を設定し、その原点としての足部足底を求め、ZMP釣合い方程式を直接的に導き出すことができる。さらに、腰部を始めとして質量操作量が大きな制御目標点にも加速度センサを配置することで、これら制御目標点毎のZMP回りのモーメント量を、加速度センサ出力値を用いて直接的に導き出すことができる。   In this embodiment, since the acceleration sensors 96, 93, and 94 are provided at the soles of the feet that are in contact with the road surface, the local coordinate system of the real robot with respect to the world coordinate system is set, and the origin thereof is set. Thus, the ZMP balance equation can be directly derived. Furthermore, by locating acceleration sensors at control target points where the mass manipulated variable is large including the waist, the moment amount around the ZMP for each control target point can be derived directly using the acceleration sensor output value. it can.

ここで、制御対象としての実ロボットは移動体装置であることから、各制御目標点における世界座標上の位置ベクトルを求めることは難しい。その代案として、ローカル座標上における制御目標点の位置ベクトルは、逆キネマティクス演算など比較的容易な計算方法により求まる。そこで、機体のローカル座標系(O−X’Y’Z’)で記述された後者のZMP釣合い方程式を用いて実際の姿勢安定化処理を行なうようにすればよい。   Here, since a real robot as a control target is a mobile device, it is difficult to obtain a position vector on the world coordinates at each control target point. As an alternative, the position vector of the control target point on the local coordinates can be obtained by a relatively easy calculation method such as inverse kinematics calculation. Therefore, the actual posture stabilization processing may be performed using the latter ZMP balance equation described in the local coordinate system (O-X′Y′Z ′) of the aircraft.

ZMP軌道を正確に世界座標系で計測することがロボットに搭載された状態検出器では困難であることから、一般には、世界座標系に固定された外部計測器が必要となり、ロボット単体での行動(歩行など)が不可能となる。これに対し、接地部に加重センサを配置してZMP軌道を計測することにより、ローカル座標でZMP軌道を正確且つ直接的に得ることができる。且つ、ローカル座標原点付近に加速度センサを配置することにより、高速運動において支配的となる情報を直接的に計測することができる。このような理由により、本実施形態では、ローカル座標系でのZMP釣合い方程式を用いている。   Since it is difficult to accurately measure the ZMP trajectory in the world coordinate system with a state detector mounted on the robot, an external measuring instrument fixed to the world coordinate system is generally required. (Walking, etc.) becomes impossible. On the other hand, a ZMP trajectory can be obtained accurately and directly in local coordinates by placing a weight sensor on the grounding portion and measuring the ZMP trajectory. In addition, by disposing the acceleration sensor near the local coordinate origin, it is possible to directly measure information that becomes dominant in high-speed motion. For this reason, in this embodiment, the ZMP balance equation in the local coordinate system is used.

D−2.全身協調型の姿勢安定制御
図20には、脚式移動ロボット100において、ZMPを安定度判別規範に用いて安定歩行可能な機体運動を生成す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。但し、以下の説明では、図19に示すような線形・非干渉多質点近似モデルを用いて脚式移動ロボット100の各関節位置や動作を記述するものとする。
D-2. Whole body cooperative posture stability control FIG. 20 shows, in the form of a flowchart, a processing procedure for generating a body motion capable of stable walking using ZMP as a stability criterion in the legged mobile robot 100. However, in the following description, each joint position and operation of the legged mobile robot 100 are described using a linear / non-interference multi-mass point approximation model as shown in FIG.

まず、足部などの接地部位における運動の設定を行なう(ステップS1)。足部運動は、2以上の機体のポーズを時系列的に連結されてなるモーション・データである。モーション・データは、例えば、モーション編集装置などを利用してあらかじめ作成・編集されたデータであり、足部の各関節角の変位を表わした関節空間情報と、関節位置を表わしたデカルト空間情報で構成される。   First, exercise is set at a ground contact portion such as a foot (step S1). The foot movement is motion data obtained by connecting two or more poses of the aircraft in time series. The motion data is data created and edited in advance using a motion editing device, for example, and includes joint space information representing the displacement of each joint angle of the foot and Cartesian space information representing the joint position. Composed.

次いで、設定された足部などの接地部位における運動を基にZMP安定領域を算出する(ステップS2)。あるいは、部位グループ毎に設定された優先順位付きの希望軌道(ステップS14:後述)を基に、ZMP安定領域を算出する。なお、床運動や逆立ち運動など、ロボットが路面と接地する点が足底でない場合には、足底以外の接地点と路面とが形成する支持多角形に基づいてZMP安定領域を算出する。   Next, the ZMP stable region is calculated based on the set motion on the ground contact part such as the foot (step S2). Alternatively, the ZMP stable region is calculated based on the desired trajectory with priority set for each part group (step S14: described later). If the point where the robot contacts the road surface, such as floor motion or handstand motion, is not the sole, the ZMP stable region is calculated based on the support polygon formed by the ground contact point other than the sole and the road surface.

ZMPは、機体に印加されるモーメントがゼロとなる点であり(前述)、基本的には足底接地点と路面の形成する支持多角形の内側に存在する。ZMP安定領域は、この支持多角形のさらに内側に設定された領域であり、該領域にZMPを収容させることによって機体を高度に安定した状態にすることができる。   ZMP is a point at which the moment applied to the aircraft becomes zero (as described above), and basically exists inside the support polygon formed by the ground contact point and the road surface. The ZMP stable region is a region set further inside the support polygon, and the aircraft can be brought into a highly stable state by accommodating the ZMP in the region.

そして、足部運動とZMP安定領域を基に、足部運動中におけるZMP軌道を設定する(ステップS3)。但し、床運動や逆立ち運動など、ロボットが路面と接地する点が足底でない場合には、足底以外の接地点と路面とが形成する支持多角形に基づいてZMP軌道を設定する。   Then, a ZMP trajectory during the foot movement is set based on the foot movement and the ZMP stable region (step S3). However, when the point where the robot touches the road surface, such as floor motion or handstand motion, is not the sole, the ZMP trajectory is set based on the support polygon formed by the grounding point other than the sole and the road surface.

また、機体の各部位については、腰部、体幹部、上肢、頭部などのようにグループ設定する(ステップS11)。   In addition, each part of the aircraft is set as a group such as a waist, a trunk, an upper limb, and a head (step S11).

図21には、機体の部位グループを設定した例を示している。同図に示す例では、腰部、体幹部、右腕部、頭部、左腕部、左脚部、右脚部の順に1〜7部の各部位グループが設定されている。各部位グループは、複数の質点で構成されている。質点の設定方法は、設計者のマニュアル入力であっても、所定の規則に従った自動生成のいずれであっても構わない(例えば、関節アクチュエータなど、質量操作量の大きな箇所が質点として設定される)。i番目の部位の質点の数をniとすると、i番目の部位グループ(i部)の総質量miは下式の通りとなる。 FIG. 21 shows an example in which the body part group is set. In the example shown in the figure, each part group of 1 to 7 parts is set in the order of waist, trunk, right arm, head, left arm, left leg, and right leg. Each part group is composed of a plurality of mass points. The mass point setting method may be either manual input by the designer or automatically generated according to a predetermined rule (for example, a part having a large mass manipulated variable such as a joint actuator is set as the mass point). ) When the number of mass points of the i-th part is n i , the total mass m i of the i-th part group (part i) is expressed by the following equation.

Figure 0004115374
Figure 0004115374

そして、各部位グループ毎に希望軌道を設定する(ステップS12)。機体の各部位グループについての希望軌道の設定は、例えばモーション編集装置を利用してオフラインで行なわれる。   Then, a desired trajectory is set for each part group (step S12). The setting of the desired trajectory for each part group of the airframe is performed offline using, for example, a motion editing device.

次いで、各部位のグループ設定の調整(再グルーピング)を行ない(ステップS13)、さらにこれらグループに対して優先順位を与える(ステップS14)。ここで言う優先順位とは、機体の姿勢安定制御のため処理演算に投入する順位のことであり、例えば質量操作量若しくはモーメント操作量に応じて割り振られる。この結果、機体の各部位についての優先順位付き希望軌道群が出来上がる。なお、このときに、各部位の接続条件(ローカル座標接続、特定部位の世界座標位置固定接続、特定部位の世界座標姿勢接続など)も設定する。また、優先順位は、時間tにおいて変化させるようにしてもよい。   Next, the group setting of each part is adjusted (regrouping) (step S13), and priority is given to these groups (step S14). The priority order mentioned here is the order of input to the processing calculation for the attitude stability control of the aircraft, and is assigned according to, for example, the mass operation amount or the moment operation amount. As a result, a desired trajectory group with priority for each part of the aircraft is completed. At this time, connection conditions for each part (local coordinate connection, world coordinate position fixed connection for a specific part, world coordinate posture connection for a specific part, etc.) are also set. The priority order may be changed at time t.

また、各部位についての優先順位は、質量操作量若しくはモーメント操作量以外に、あらかじめ立案されている行動計画を参照して決定される。例えば、歩行を始めとする脚式動作を行なっているときには接地している足部の軌道を修正することはできないので、接地している足部により低い優先順位を与える。また、物をつかむ手は軌道を修正できないので、より低い優先順位を与える。また、狭い通路を横向きで歩いている場合には、腰の軌道を修正すると壁に衝突する可能性が高いので、より低い優先順位を与える。   In addition to the mass operation amount or the moment operation amount, the priority order for each part is determined with reference to a previously planned action plan. For example, since a trajectory of a grounded foot cannot be corrected when a legged motion such as walking is performed, a lower priority is given to the grounded foot. Also, a hand grabbing an object cannot give a lower priority because it cannot correct the trajectory. Also, when walking in a narrow passage sideways, a lower priority is given because the possibility of a collision with the wall is high if the waist trajectory is corrected.

また、機体の各部位グループ毎に、モーメント補償に利用できる質量を算出しておく(ステップS15)。図21に示した例では、右脚が支持脚となり右足部にZMP位置PZMPが存在することから、各部位グループにおいてモーメント補償に利用できる質量Miは以下の通りとなる。 Further, a mass that can be used for moment compensation is calculated for each part group of the machine body (step S15). In the example shown in FIG. 21, since the right leg is the supporting leg and the ZMP position P ZMP exists in the right foot, the mass M i that can be used for moment compensation in each part group is as follows.

Figure 0004115374
Figure 0004115374

1部すなわち腰部は、腰部自体の他、支持している体幹部、右腕部、頭部、左腕部をモーメント補償に利用することができる。また、2部すなわち体幹部は、体幹部自体の他、支持している右腕部、頭部、左腕部をモーメント補償に利用することができる。また、3〜6部すなわち右腕部、頭部、左腕部、並びに遊脚としての左脚部は、他に支持している部位グループがないことから、それぞれ自部位のみがモーメント補償に利用することができる質量となる。また、立脚としての7部すなわち右脚部は、すべての部位グループを支持していることから、機体のすべての部位の質量の合計M7をモーメント補償に利用することができる。この場合の質量M7の重心位置は、足部ではなく機体の重心位置に相当する(図22を参照のこと)。 In addition to the lumbar part itself, one part, that is, the lumbar part, can use the supporting trunk, right arm part, head part, and left arm part for moment compensation. In addition, the two parts, that is, the trunk part, can use the supporting right arm part, head part, and left arm part for moment compensation in addition to the trunk part itself. Also, 3-6 parts, that is, the right arm part, the head part, the left arm part, and the left leg part as a free leg have no other supporting part group, so that only their own part should be used for moment compensation. It becomes the mass that can be. Further, since the 7 parts as the standing legs, that is, the right leg parts support all the part groups, the total mass M 7 of all the parts of the aircraft can be used for moment compensation. The gravity center position of the mass M 7 in this case corresponds to the gravity center position of the airframe, not the foot (see FIG. 22).

そして、足部などの接地部位の運動と、ZMP軌道、並びに機体の各部位グループ毎の希望軌道群を基に、ステップS14により設定された優先順位に従って、各部位グループの運動パターンを姿勢安定化処理に投入する。   Then, based on the movement of the ground contact part such as the foot, the ZMP trajectory, and the desired trajectory group for each part group of the airframe, the movement pattern of each part group is stabilized according to the priority set in step S14. Input into processing.

この姿勢安定化処理では、まず、処理変数iに初期値1を代入する(ステップS20)。そして、すべての部位グループに目標軌道を設定した場合における、目標ZMP上でのモーメント量すなわち総モーメント補償量Ωを算出する(ステップS21)。総モーメント補償量Ωには、すべての部位グループの目標ZMP上でのモーメント量の総和に、上式で同定された未知外力モーメントと未知外力が既知項として加えられる。   In this posture stabilization process, first, an initial value 1 is substituted for the process variable i (step S20). Then, the moment amount on the target ZMP, that is, the total moment compensation amount Ω when the target trajectory is set for all the part groups is calculated (step S21). To the total moment compensation amount Ω, the unknown external force moment and the unknown external force identified by the above equation are added as known terms to the sum of the moment amounts on the target ZMP of all the site groups.

Figure 0004115374
Figure 0004115374

さらに目標軌道が算出されていない部位については、希望軌道を用いる。   Further, the desired trajectory is used for a part for which the target trajectory has not been calculated.

次いで、ステップS15において算出された当該部位iのモーメント補償に利用できる質量Miを用いて、その絶対モーメント補償量係数αiを設定し(ステップS22)、当該部位グループiにおけるモーメント補償量Ωiを算出する(ステップS23)。 Next, the absolute moment compensation amount coefficient α i is set using the mass M i that can be used for moment compensation of the part i calculated in step S15 (step S22), and the moment compensation amount Ω i in the part group i is set. Is calculated (step S23).

Figure 0004115374
Figure 0004115374

次いで、算出されたi番目の部位のモーメント補償量Ωiを用いて、i部に関するZMP方程式(E1)を導出する(ステップS24)。 Next, using the calculated moment compensation amount Ω i of the i-th part, a ZMP equation (E1) relating to part i is derived (step S24).

Figure 0004115374
Figure 0004115374

ここで、上記のZMP方程式は、未知変数が非常に多いため解析的にも数値計算的にも解を求めることは困難である。そこで、i番目の部位のモーメント補償に利用できる質量の希望重心軌道rMiを既知変数に、i番目の部位のモーメント補償に利用できる質量の希望重心軌道に対する変更量ΔrMiを未知変数とする以下の近似ZMP方程式(E2)を導出することにした。但し、rMiは、i番目の部位グループにおけるモーメント補償に利用できる質量Miの重心の位置ベクトルである。 Here, since the above ZMP equation has a large number of unknown variables, it is difficult to obtain a solution both analytically and numerically. Therefore, the desired center of gravity orbit r Mi of the mass that can be used for moment compensation of the i-th part is a known variable, and the change amount Δr Mi for the desired center of gravity orbit that can be used for moment compensation of the i-th part is an unknown variable. The approximate ZMP equation (E2) is derived. Here, r Mi is a position vector of the center of gravity of the mass M i that can be used for moment compensation in the i-th region group.

Figure 0004115374
Figure 0004115374

そして、まず、この近似ZMP方程式を解くことで、i番目の部位のモーメント補償に利用できる質量の希望重心軌道に対する変更量ΔrMiを算出し、i番目の部位のモーメント補償に利用できる質量の目標重心軌道を下式により算出する。 First, by solving this approximate ZMP equation, a change amount Δr Mi for the desired center-of-gravity trajectory of the mass that can be used for moment compensation of the i-th part is calculated, and the target mass that can be used for moment compensation of the i-th part. Calculate the center of gravity trajectory using the following formula.

Figure 0004115374
Figure 0004115374

なお、回転関節により各リンクが連結されている脚式移動ロボットの場合、上式(E2)は一般にZ方向の運動を共有するため、非線形で干渉のある2階微分方程式となり、解析的に求めることは困難である。そこで、以下に示すようにZ方向の運動を共有しないものとし、式(E2)の線形・非干渉化を行なう。   In the case of a legged mobile robot in which each link is connected by a rotating joint, the above equation (E2) generally shares a motion in the Z direction, and thus becomes a nonlinear second-order differential equation with interference and is obtained analytically. It is difficult. Therefore, as shown below, it is assumed that the motion in the Z direction is not shared, and linearity / non-interference of the equation (E2) is performed.

Figure 0004115374
Figure 0004115374

そして、i番目の部位のモーメント補償に利用できる質量の目標重心軌道の近似解を算出し、この近似解から算出できるi番目の部位の各質点riの変更量Δriを厳密ZMP方程式としての式(E1)に代入し、モーメント誤差を求め、この誤差の符号を反転したものを線形・非干渉化を行なった式(E2)の右辺に蓄積し、再び近似解を求めるという操作を、誤差が所定の許容値以下になるまで繰り返すことで当該部位のモーメント補償運動を算出するこができる(ステップS25)。このようにして、優先順位が先頭からi番目までの部位についての目標軌道を得ることができる。 Then, to calculate an approximate solution of the target barycentric trajectory of the mass available for the moment compensation of the i th site of the change amount [Delta] r i of the mass points r i of the i th site can be calculated from the approximate solution as strictly ZMP equation The operation of substituting into the equation (E1) to obtain the moment error, accumulating the inverted sign of this error on the right side of the linear / decoupled equation (E2), and obtaining the approximate solution again is the error The moment compensation motion of the part can be calculated by repeating until the value becomes equal to or less than a predetermined allowable value (step S25). In this way, it is possible to obtain the target trajectory for the part from the top to the i-th priority.

なお、i番目の部位のモーメント補償に利用できる質量の目標重心軌道の近似解からi番目の部位の各質点の軌道を算出するには、i番目の任意の部位に操作点を配置し、その並進位置(X,Y,Z)若しくは回転角度(θx,θy,θz)を未知変数とする重心ベクトルC(X,Y,Z,θx,θy,θz)を導出し、この重心ベクトルC(X,Y,Z,θx,θy,θz)を未知変数として左辺に、質量Miの重心の位置ベクトルrMiを既知変数として右辺に配置した方程式C(X,Y,Z,θx,θy,θz)=riMiを導出し、この方程式の解を数値探索法などを用いて算出したり、解析的に求めたりすることで、i番目の部位の各質点の軌道を決定することができる。 In order to calculate the trajectory of each mass point of the i-th part from the approximate solution of the target gravity center trajectory of the mass that can be used for moment compensation of the i-th part, an operation point is arranged at an arbitrary i-th part, Deriving a centroid vector C (X, Y, Z, θ x , θ y , θ z ) with the translation position (X, Y, Z) or rotation angle (θ x , θ y , θ z ) as an unknown variable, This centroid vector C (X, Y, Z, θ x , θ y , θ z ) is set as an unknown variable on the left side, and the position vector r Mi of the center of mass M i is set as a known variable on the right side. Y, Z, θ x , θ y , θ z ) = r iMi, and the solution of this equation is calculated using a numerical search method or the like, or obtained analytically, so that The trajectory of each mass point can be determined.

このような処理をすべての部位グループについて行なうことにより、安定運動(例えば歩行)が可能な全身運動パターンが生成される。   By performing such processing for all the site groups, a whole body motion pattern capable of stable motion (for example, walking) is generated.

腰部と左右の足部にそれぞれ加速度センサ96、93及び94が配設されているので、これらの制御目標点における加速度計測結果を用いて直接的に且つ高精度に上記のZMP釣合い方程式を導出することができる(前述)。この結果、図20に示すような処理手順に従ってZMP安定度判別規範に基づく姿勢安定制御を高速でより厳密に実行することができる。   Since the acceleration sensors 96, 93, and 94 are disposed on the waist and the left and right feet, respectively, the above ZMP balance equation is derived directly and with high accuracy using the acceleration measurement results at these control target points. (As mentioned above). As a result, posture stability control based on the ZMP stability determination criterion can be executed more precisely at high speed in accordance with the processing procedure as shown in FIG.

E.脚式移動ロボットの転倒オペレーション
前項Dで説明したように、本実施形態に係る脚式移動ロボット100は、基本的には、ZMP安定度判別規範に基づいて、歩行時やその他の立脚作業時における姿勢安定制御を行ない、機体の転倒という事態の発生を最小限に抑えるようにしている。
E. As described in the preceding section D, the legged mobile robot 100 according to the present embodiment is basically based on the ZMP stability determination norm during walking or other stance work. Attitude control is performed to minimize the occurrence of the aircraft falling.

しかしながら、万一転倒を避けられなくなった場合には、機体へのダメージを極力防止するような動作パターンからなる転倒動作を行なうことにする。例えば、前述したZMP釣合い方程式において、過大な外力F又は外力モーメントMが機体に印加された場合、機体動作のみによってモーメント・エラー成分Tをキャンセルことができなくなり、姿勢の安定性を維持できなくなる。   However, in the unlikely event that a fall is unavoidable, a fall operation having an operation pattern that prevents damage to the aircraft as much as possible is performed. For example, in the ZMP balance equation described above, when an excessive external force F or external force moment M is applied to the aircraft, the moment error component T cannot be canceled only by the aircraft operation, and the posture stability cannot be maintained.

図23には、本実施形態に係る脚式移動ロボット100における脚式作業中の機体の動作制御の概略的な処理手順をフローチャートの形式で示している。   FIG. 23 shows a schematic processing procedure in the form of a flowchart of the operation control of the airframe during the legged work in the legged mobile robot 100 according to the present embodiment.

機体動作中は、左右の足部に配設した接地確認(床反力)センサ91及び92、加速度センサ93及び94、腰部に配設した加速度センサ96のセンサ出力を用いて、ZMP釣合い方程式(前述)を立てて、足部の接地位置を常に計算する(ステップS31)。   During the airframe operation, the ZMP balance equation (with ground contact (floor reaction force) sensors 91 and 92, acceleration sensors 93 and 94, acceleration sensors 96 arranged on the waist, and the sensor outputs of the acceleration sensors 96 arranged on the left and right feet is used. As described above, the foot contact position is always calculated (step S31).

例えば、機体に外力が印加されたとき、次の足部の接地位置を計画することができるかどうか、すなわち足部の行動計画によって外力によるモーメント・エラーを解消することができるかどうかを判別する(ステップS32)。足部の接地位置を計画可能か否かは、脚部の各関節の可動角、各関節アクチュエータのトルク、関節力、角速度、角加速度などを考慮して判断する。勿論、外力が加わったときに、次の一歩だけでなく、数歩にまたがる脚式動作によりモーメント・エラーを解消するようにしてもよい。 For example, when an external force is applied to the aircraft, it is determined whether the next foot contact position can be planned, that is, whether the moment error due to the external force can be eliminated by the foot action plan. (Step S32). Whether or not the ground contact position of the foot can be planned is determined in consideration of the movable angle of each joint of the leg, the torque of each joint actuator, the joint force, the angular velocity, the angular acceleration, and the like. Of course, when an external force is applied, the moment error may be eliminated not only by the next step but also by a legged operation over several steps.

このとき、足部の計画が可能であれば、歩行やその他の脚式動作を継続する(ステップS33)。   At this time, if the foot can be planned, walking and other legged movements are continued (step S33).

他方、過大な外力又は外力モーメントが機体に印加されたために、足部の計画が不可能になった場合には、脚式移動ロボット100は転倒動作を開始する(ステップS34)。   On the other hand, when an excessive external force or an external force moment is applied to the aircraft and the planning of the foot becomes impossible, the legged mobile robot 100 starts the overturning operation (step S34).

図1〜図2に示すような直立歩行型の脚式ロボットの場合、重心位置が高いことから、転倒時に不用意に床面に落下すると、ロボット自体、あるいは転倒により衝突する相手側にも致命的な損傷を与えてしまう危険がある。そこで、本実施形態では、転倒前に計画されている機体の軌道からZMP支持多角形が最小となるような姿勢に組み替えて、所定の転倒動作を実行する。基本的には、以下に示す2つの方針を基に転倒動作を探索していく。   In the case of an upright walking type legged robot as shown in FIGS. 1 and 2, since the center of gravity is high, if the robot falls inadvertently when it falls, it will be fatal to the robot itself or to the other party that collides due to the fall. There is a risk of damage. Therefore, in the present embodiment, a predetermined tipping operation is executed by rearranging the attitude of the airframe planned before the tipping down to a posture that minimizes the ZMP support polygon. Basically, the falling motion is searched based on the following two policies.

(1)機体の支持多角形の面積Sの時間t当たりの変化量ΔS/Δtを最小にする。
(2)床面落下時における支持多角形が最大となるようにする。
(1) The amount of change ΔS / Δt per time t of the area S of the support polygon of the airframe is minimized.
(2) The support polygon when the floor is dropped is maximized.

このような転倒方法をとることにより、落下時に床面から受ける衝撃を全身に分散させることにより、ダメージを最小限に抑えることができる。   By adopting such a fall method, it is possible to minimize damage by dispersing the impact received from the floor surface during the fall throughout the body.

図24には、本実施形態に係る脚式移動ロボット100が足部の計画不能により転倒動作を行なうための処理手順をフローチャートの形式で示している。転倒動作は、上述した基本方針に従って、高さ方向に連結された肩関節ピッチ軸4、体幹ピッチ軸9、股関節ピッチ軸12、膝関節ピッチ軸14を同期協調的に駆動させることによって実現される。このような処理手順は、実際には主制御部81において所定の機体動作制御プログラムを実行して、各部を駆動制御することによって実現される。   FIG. 24 shows, in the form of a flowchart, a processing procedure for the legged mobile robot 100 according to the present embodiment to perform a toppling operation when the foot cannot be planned. The overturning operation is realized by synchronously driving the shoulder joint pitch axis 4, the trunk pitch axis 9, the hip joint pitch axis 12, and the knee joint pitch axis 14 connected in the height direction in accordance with the basic policy described above. The Such a processing procedure is actually realized by executing a predetermined machine operation control program in the main control unit 81 and controlling the driving of each unit.

まず、機体の着床部位で構成される支持多角形の面積Sの時間t当たりの変化量ΔS/Δtを最小にするリンクを探索する(ステップS41)。   First, a link that minimizes the amount of change ΔS / Δt per time t of the area S of the support polygon formed by the landing site of the aircraft is searched (step S41).

次いで、ステップS41により選択されたリンクで変化量ΔS/Δtを最小にする該リンクの目標着床点を探索する(ステップS42)。   Next, the target landing point of the link that minimizes the change amount ΔS / Δt in the link selected in step S41 is searched (step S42).

次いで、先行ステップにより選択されたリンクを該目標着床点に着床することが、機体ハードウェアの制約上(各関節の可動角、各関節アクチュエータのトルク、関節力、角速度、角加速度など)、実行可能かどうかを判別する(ステップS43)。   Next, landing of the link selected in the preceding step at the target landing point is due to restrictions of the hardware (movable angle of each joint, torque of each joint actuator, joint force, angular velocity, angular acceleration, etc.) Then, it is determined whether or not execution is possible (step S43).

先行ステップにより選択されたリンクを該目標着床点に着床することが不可能であると判定された場合には、時間の変化量Δtを所定地だけ増分してから(ステップS44)、ステップS41に戻って、リンクの再選択、並びに該リンクの目標着床点の再設定を行なう。   If it is determined that the link selected in the preceding step cannot be landed on the target landing point, the time change amount Δt is incremented by a predetermined position (step S44), and then the step Returning to S41, the link is reselected and the target landing point of the link is reset.

一方、先行ステップにより選択されたリンクを該目標着床点に着床することが可能である場合には、選択されたリンクを該目標着床点に着床する(ステップS45)。   On the other hand, when the link selected in the preceding step can be landed on the target landing point, the selected link is landed on the target landing point (step S45).

次いで、機体の位置エネルギが最小かどうか、すなわち転倒動作が完了したかどうかを判別する(ステップS46)。   Next, it is determined whether or not the potential energy of the aircraft is minimum, that is, whether or not the overturning operation has been completed (step S46).

機体の位置エネルギがまだ最小ではない場合には、時間の変化量Δtをさらに所定地だけ増分して(ステップS47)、支持多角形を拡大するように次の目標着床点を設定する(ステップS48)。   If the potential energy of the airframe is not yet minimum, the time change amount Δt is further incremented by a predetermined location (step S47), and the next target landing point is set so as to enlarge the support polygon (step S47). S48).

次いで、選択されたリンクを該目標着床点に着床することが、機体ハードウェアの制約上(各関節の可動角、各関節アクチュエータのトルク、関節力、角速度、角加速度など)、実行可能かどうかを判別する(ステップS49)。   Next, landing the selected link at the target landing point can be executed due to restrictions of the hardware (movable angle of each joint, torque of each joint actuator, joint force, angular velocity, angular acceleration, etc.) (Step S49).

先行ステップにより選択されたリンクを該目標着床点に着床することが不可能であると判定された場合には、ステップS41に戻って、リンクの再選択、並びに該リンクの目標着床点の再設定を行なう。   If it is determined that the link selected in the preceding step cannot be landed on the target landing point, the process returns to step S41 to re-select the link, as well as the target landing point of the link. Set again.

一方、先行ステップにより選択されたリンクを該目標着床点に着床することが可能である場合には、ステップS45に進んで、選択されたリンクを該目標着床点に着床する。   On the other hand, when the link selected in the preceding step can be landed on the target landing point, the process proceeds to step S45, and the selected link is landed on the target landing point.

そして、機体の位置エネルギが最小になると(ステップS46)、機体の床面への着床が完了したことになるので、本処理ルーチン全体を終了する。   Then, when the potential energy of the aircraft is minimized (step S46), since the landing of the aircraft on the floor surface is completed, the entire processing routine is terminated.

E−1.仰向け姿勢への転倒動作
図25には、脚式移動ロボット100を肩関節ピッチ軸4、体幹ピッチ軸9、股関節ピッチ軸12、膝関節ピッチ軸14などの高さ方向に連結された略平行な複数の関節軸からなるリンク構造体としてモデル化して、各関節ピッチ軸を同期強調的に駆動させて仰向け姿勢に向かって転倒していく動作を示している。
E-1. In FIG. 25, the legged mobile robot 100 is connected substantially parallel to the height direction of the shoulder joint pitch axis 4, the trunk pitch axis 9, the hip joint pitch axis 12, the knee joint pitch axis 14, and the like. This model shows an operation of modeling as a link structure composed of a plurality of joint axes and falling down toward a supine posture by driving each joint pitch axis synchronously.

ロボットは、リンク構造体のリンク端である足底のみで立位しているとする(図25(1))。   It is assumed that the robot stands only at the sole that is the link end of the link structure (FIG. 25 (1)).

このとき、外力又は外力モーメントの印加により、ZMP釣合い方程式のモーメント・エラー項Tをキャンセルできなくなり、足底のみで形成するZMP安定領域の外にZMPが逸脱したことに応答して、ZMPを支持多角形に維持したまま転倒動作を開始する。   At this time, by applying an external force or an external force moment, the moment error term T in the ZMP balance equation cannot be canceled, and the ZMP is supported in response to the ZMP deviating outside the ZMP stable region formed only by the sole. Start the overturning operation while maintaining the polygonal shape.

転倒動作では、まず、機体の着床部位で構成される支持多角形の面積Sの時間t当たりの変化量ΔS/Δtを最小にするリンクを探索するとともに、手先を含むリンクで変化量ΔS/Δtを最小にするような手先の目標着床点を探索する。そして、選択されたリンクを目標着床点に着床することが機体ハードウェアの制約上(各関節の可動角、各関節アクチュエータのトルク、関節力、角速度、角加速度など)、実行可能かどうかを判別する。   In the overturning operation, first, a link that minimizes the change amount ΔS / Δt per time t of the area S of the support polygon formed by the landing site of the aircraft is searched, and the change amount ΔS / The target landing point of the hand that minimizes Δt is searched. Whether or not landing of the selected link at the target landing point is feasible due to restrictions of the aircraft hardware (movable angle of each joint, torque of each joint actuator, joint force, angular velocity, angular acceleration, etc.) Is determined.

機体ハードウェア上実行可能である場合には、既に着床している足底リンクに加え、他のリンクが着床する。そして、これら着床リンクで形成される最小支持多角形内にZMPを移動する(図25(2))。   If it is feasible on the aircraft hardware, other links will land in addition to the already-planted foot link. Then, the ZMP is moved into the minimum support polygon formed by these landing links (FIG. 25 (2)).

次いで、機体ハードウェアが許容する限り、着床点を移動して、支持多角形を拡大していく(図25(3))。   Next, as long as the aircraft hardware allows, the landing point is moved to expand the support polygon (FIG. 25 (3)).

そして、各関節の可動角、各関節アクチュエータのトルク、関節力、角速度、角加速度など機体ハードウェアの制約から、もはや着床点を移動することができなくなると、今度は、着床中のリンクに挟まれている離床リンクを着床することができるかどうかを判別する。   When the landing point can no longer be moved due to restrictions on the hardware such as the movable angle of each joint, torque of each joint actuator, joint force, angular velocity, and angular acceleration, this time, the link during landing It is determined whether or not the leaving link sandwiched between the two can be landed.

機体ハードウェア上、着床リンク間の離床リンクを着床することが可能である場合には、これらを着床して、着床リンク数を増やす(図25(4))。   When it is possible to land the floor link between the landing links on the machine hardware, these are landed to increase the number of landing links (FIG. 25 (4)).

さらに、機体ハードウェアが許容する限り、着床点を移動して、支持多角形を拡大していく(図25(5))。   Furthermore, as long as the machine hardware allows, the landing point is moved to expand the support polygon (FIG. 25 (5)).

そして最後に、高さ方向に連結された略平行な複数の関節軸からなるリンク構造体の一端側から1以上のリンクと、他端がわから2以上のリンクを離床させて、且つ、それらの中間に位置するリンクを1以上着床させ、さらに足部を着床させた状態で、ZMPを支持多角形内に維持しながら、支持多角形が最大となる姿勢を形成する。この姿勢において、機体の位置エネルギが最小であれば、転倒動作は完了である。   Finally, one or more links from one end side of the link structure composed of a plurality of substantially parallel joint shafts connected in the height direction and two or more links from the other end are removed from the floor, and In a state where one or more links located in the middle are landed and the feet are landed, the posture in which the support polygon is maximized is formed while maintaining the ZMP in the support polygon. If the potential energy of the airframe is minimum in this posture, the overturning operation is complete.

図26〜図31には、実機が立位姿勢から仰向け姿勢に転倒していく様子を示している。各図に示す例では、機体の前方から外力を受けて後ろ向きに転倒動作を行なう様子を示しているが、A〜Fの6段階に分けて動作状況を捉えることができる。   26 to 31 show how the actual machine falls from the standing posture to the supine posture. In the example shown in each figure, a state is shown in which an external force is applied from the front of the machine body to perform a backward-turning operation, but the operation state can be captured in six stages A to F.

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、仰向け姿勢への転倒動作の途上では、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32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33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 the legged mobile robot is composed of a multi-link structure in which multiple joint axes with approximately parallel joint degrees of freedom are connected in the length direction. The link state between the landing site of the structure and the floor surface switches between the open link state and the closed link state. FIG. 32 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. 33 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、転倒の段階毎に、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。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17Aに示すモータ特性の最大値に設定することと定義する。   In the present embodiment, the actuator for driving each joint is appropriately switched to a hard joint characteristic, a soft joint characteristic, or an intermediate joint characteristic in accordance with the switching of the link state at each fall stage. Realize a toppling action. Here, the hard joint characteristic is that the servo characteristic of the actuator / motor is high gain as shown in FIG. 12, and the phase advance amount in the high band is reduced, and the motor viscosity is shown in FIG. 17A. It is defined as setting to the maximum value of.

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17A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17B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。   Further, the intermediate joint characteristics include the servo characteristics of the actuator / motor as shown in FIG. 13, the gain is low and the gain is large, and the phase advance amount in the middle and high ranges is increased, and the motor viscosity is shown in FIG. 17A. It is defined as setting to the maximum value of. 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 the motor characteristics shown in FIG. 17B. It is defined as setting to 1/3 of the maximum value.

(A)転倒前の両脚支持の状態
両脚支持の状態は、姿勢制御されている状態であり、下肢と床面で閉リンク系を構成している(図26を参照のこと)。
(A) State of supporting both legs before falling The state of supporting both legs is a state in which the posture is controlled, and a closed link system is configured by the lower limbs and the floor surface (see FIG. 26).

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17Aに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、支持脚は高速な応答性を持ちつつ、硬い特性時以上且つ柔らかい特性時以下のコンプライアンスを得ることで、柔らかい特性時以上且つ硬い特性時以下の位置精度を持ち、閉リンク状態の安定動作に寄与する。   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 of the motor is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17A. As a result, the support legs have high-speed response, and have a compliance that is higher than hard characteristics and lower than soft characteristics. Contributes to operation.

また、首ロール・ピッチ・ヨーや他の関節部位は、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17A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る。そして、転倒動作を制御する際の規範となるΔS/Δtの量を制御するための主成分となる関節の位置決め精度が確保され、動作の安定性が増す。   Also, the neck roll, pitch, yaw and other joint parts have hard joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator and motor, as shown in FIG. At the same time, the motor viscosity is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17A. As a result, the positioning accuracy is prioritized and it is robust against disturbances such as vibration. And the positioning accuracy of the joint which is a main component for controlling the amount of ΔS / Δt which is a standard for controlling the overturning operation is ensured, and the stability of the operation is increased.

(B)転倒動作の開始(閉リンク状態)
姿勢センサの出力に基づいて、機体が転倒し始めたことを検知することができる。転倒の初期では、まだ下肢と床面で閉リンク系を構成している(図27を参照のこと)。転倒に至る外力・衝撃を受け、衝撃を最小限にするための転倒動作を開始する。
(B) Start of overturning operation (closed link state)
Based on the output of the attitude sensor, it can be detected that the aircraft has started to fall. At the beginning of the fall, the lower limb and the floor surface still constitute a closed link system (see FIG. 27). In response to an external force or impact that would cause a fall, start a fall operation to minimize the impact.

このとき、左右の腿ロール及びピッチなど安定領域制御に関わる関節部位のアクチュエータを、中間の関節特性のまま、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17Aに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、支持脚は高速な応答性を持ちつつ、硬い特性時以上且つ柔らかい特性時以下のコンプライアンスを得ることで、柔らかい特性時以上且つ硬い特性時以下の位置精度を持ち、閉リンク状態の安定動作に寄与する。   At this time, the actuators of the joint parts related to the stable region control such as the left and right thigh rolls and the pitch remain in the middle joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator / motor are low and low gain as shown in FIG. In addition, the phase advance amount in the mid-high range is increased, and the viscosity of the motor is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17A. As a result, the support legs have high-speed response, and have a compliance that is higher than hard characteristics and lower than soft characteristics. Contributes to operation.

一方、左右の足首ロール軸、足首ピッチ軸、膝ピッチ軸など位置エネルギ制御に関わる関節部位では、高速応答性とコンプライアンスが重要となる。そこで、これらの関節部位のアクチュエータを、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17Bに示すモータ特性の最大値の3分の1に設定する。 On the other hand, high-speed responsiveness and compliance are important in joint parts related to positional energy control such as left and right ankle roll axes, ankle pitch axes, and knee pitch axes. Therefore, the actuator of the joint part, a soft joint characteristics, i.e., the servo characteristics of the actuator motor with a larger amount of phase lead in the mid-high range and low-gain low-pass as shown in FIG. 13, a motor Is set to one third of the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17B.

また、首ロール・ピッチ・ヨーや他の関節部位は、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17A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る。この結果、転倒動作を制御する際の規範となるΔS/Δtの量を制御するための主成分となる関節の位置決め精度が確保され、動作の安定性が増す。   Also, the neck roll, pitch, yaw and other joint parts have hard joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator and motor, as shown in FIG. At the same time, the motor viscosity is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17A. As a result, the positioning accuracy is prioritized and it is robust against disturbances such as vibration. As a result, the positioning accuracy of the joint, which is the main component for controlling the amount of ΔS / Δt, which is a standard for controlling the overturning motion, is ensured, and the stability of the motion is increased.

(C)転倒動作の進行(開リンク状態)
転倒動作が進行すると、支持脚が離床し、機体全体で開リンクを構成する(図28を参照のこと)。例えば、足底の力センサ(又は接触センサなど)の出力により、足底が浮いて開リンクとなったことを検知することができる。
(C) Progress of overturning operation (open link state)
When the overturning operation proceeds, the support leg leaves the floor, and the entire fuselage forms an open link (see FIG. 28). For example, it is possible to detect that the sole floats and becomes an open link based on the output of the sole force sensor (or contact sensor or the like).

この場合、左右両脚のすべての関節部位が位置エネルギ制御に関わるので、高速応答性とコンプライアンスが重要となる。そこで、脚のすべての関節部位のアクチュエータを、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17Bに示すモータ特性の最大値の3分の1に設定する。   In this case, since all joint parts of the left and right legs are involved in the position energy control, high-speed response and compliance are important. Therefore, as shown in FIG. 13, the actuators of all joint parts of the legs are soft joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator motor are increased in the low range with low gain and in the middle and high range, The viscosity of the motor is set to one third of the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17B.

また、首ロール・ピッチ・ヨーや他の関節部位は、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17A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る。この結果、転倒動作を制御する際の規範となるΔS/Δtの量を制御するための主成分となる関節の位置決め精度が確保され、動作の安定性が増す。   Also, the neck roll, pitch, yaw and other joint parts have hard joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator and motor, as shown in FIG. At the same time, the motor viscosity is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17A. As a result, the positioning accuracy is prioritized and it is robust against disturbances such as vibration. As a result, the positioning accuracy of the joint, which is the main component for controlling the amount of ΔS / Δt, which is a standard for controlling the overturning motion, is ensured, and the stability of the motion is increased.

(D)着床瞬間
転倒の結果、機体が着床し、機体全体で閉リンク系を構成する(図29を参照のこと)。例えば、姿勢センサや加速度センサの出力を用いて、着床の衝撃を検知することができる。このとき、床面から受ける外力・衝撃を最小限にするための動作を開始する。
(D) Immediate landing As a result of the fall, the aircraft lands, and the entire aircraft forms a closed link system (see FIG. 29). For example, the impact of landing can be detected using the output of a posture sensor or an acceleration sensor. At this time, the operation for minimizing the external force and impact received from the floor surface is started.

この場合、左右両脚のすべての関節部位が位置エネルギ制御に関わるので、コンプライアンスが重要となる。そこで、脚のすべての関節部位のアクチュエータを、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17Bに示すモータ特性の最大値の3分の1に設定する。これによって、柔らかい系になるため、機体全体に加わる衝撃を緩和することができる。   In this case, since all joint parts of the left and right legs are involved in potential energy control, compliance is important. Therefore, as shown in FIG. 13, the actuators of all joint parts of the legs are soft joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator motor are increased in the low range with low gain and in the middle and high range, The viscosity of the motor is set to one third of the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17B. Thereby, since it becomes a soft system, the impact added to the whole body can be relieved.

また、首ロール・ピッチ・ヨーの各関節部位は、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17A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、着床の瞬間に頭部を床面から浮かせる動作を生成し、制御部など重要な部品を搭載した頭部を床面との衝突によるダメージから守ることができる。   Further, each joint portion of the neck roll, the pitch, and the yaw has a hard joint characteristic, that is, the servo characteristic of the actuator and the motor, as shown in FIG. At the same time, the motor viscosity is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17A. As a result, giving priority to positioning accuracy, it is also robust against disturbances such as vibration, and generates a motion that lifts the head from the floor at the moment of landing, and the head equipped with important parts such as the control unit is floored. You can protect against damage caused by collision with the surface.

また、他の関節部位は、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17Bに示すモータ特性の最大値の3分の1に設定する。これによって、柔らかい系になるため、機体全体に加わる衝撃を緩和することができる。 Also, other joints sites, soft joint characteristics, i.e., the servo characteristics of the actuator motor with a larger amount of phase lead in the mid-high range and low-gain low-pass as shown in FIG. 13, the motor of the viscosity Is set to one third of the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17B. Thereby, since it becomes a soft system, the impact added to the whole body can be relieved.

(E)全体着床
機体の着床動作が進行すると、機体全体が着床し、機体全体で閉リンク系を構成する(図30を参照のこと)。例えば、姿勢センサを用いて衝撃による振動が終ったことを検知することができる。
(E) Whole landing When the landing operation of the aircraft proceeds, the entire aircraft is landed, and the entire aircraft forms a closed link system (see FIG. 30). For example, it is possible to detect the end of vibration due to an impact using an attitude sensor.

この場合、左右両脚のすべての関節部位が位置エネルギ制御に関わるので、コンプライアンスが重要となる。そこで、脚のすべての関節部位のアクチュエータを、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17Bに示すモータ特性の最大値の3分の1に設定する。これによって、柔らかい系になるため、機体全体に加わる衝撃を緩和することができる。   In this case, since all joint parts of the left and right legs are involved in potential energy control, compliance is important. Therefore, as shown in FIG. 13, the actuators of all joint parts of the legs are soft joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator motor are increased in the low range with low gain and in the middle and high range, The viscosity of the motor is set to one third of the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17B. Thereby, since it becomes a soft system, the impact added to the whole body can be relieved.

また、首ロール・ピッチ・ヨーや他の関節部位は、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17A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る。   Also, the neck roll, pitch, yaw and other joint parts have hard joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator and motor, as shown in FIG. At the same time, the motor viscosity is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17A. As a result, the positioning accuracy is prioritized and it is robust against disturbances such as vibration.

(F)転倒後の定常姿勢
機体全体で閉リンク系を構成している(図31を参照のこと)。このとき、姿勢センサを用いて衝撃による振動が終り、一定時間(例えば1秒)経過し、新たに衝撃などがないことを以って、当該状態を確認することができる。
(F) Steady posture after falling The entire airframe forms a closed link system (see FIG. 31). At this time, the vibration can be confirmed by using the posture sensor, and the state can be confirmed by the fact that a certain time (for example, 1 second) has passed and there is no new shock.

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、柔らかい関節特性から中間の関節特性、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17Aに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、支持脚は高速な応答性を持ちつつ、硬い特性時以上かつ柔らかい特性時以下のコンプライアンスを得ることで位置精度を増し、起き上がり動作など転倒からの復帰動作に備える。   At this time, the actuators of all the joint parts of the left and right leg parts are changed from soft joint characteristics to intermediate joint characteristics, that is, actuator / motor servo characteristics as shown in FIG. While increasing the phase advance amount, the motor viscosity is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17A. As a result, the support legs have high-speed responsiveness, and obtain a compliance that is higher than the hard characteristic and lower than the soft characteristic, thereby increasing the positional accuracy and preparing for a return operation from a fall such as a rising operation.

また、首ロール・ピッチ・ヨーや他の関節部位は、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17A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る。   Also, the neck roll, pitch, yaw and other joint parts have hard joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator and motor, as shown in FIG. At the same time, the motor viscosity is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17A. As a result, the positioning accuracy is prioritized and it is robust against disturbances such as vibration.

E−2.うつ伏せ姿勢への転倒動作
図34には、脚式移動ロボット100が肩関節ピッチ軸4、体幹ピッチ軸9、股関節ピッチ軸12、膝関節ピッチ軸14などの高さ方向に連結された略平行な複数の関節軸からなるリンク構造体としてモデル化して、各関節ピッチ軸を同期強調的に駆動させてうつ伏せ姿勢に向かって転倒していく動作を示している。
E-2. In FIG. 34, the legged mobile robot 100 is connected substantially in parallel with the shoulder joint pitch axis 4, the trunk pitch axis 9, the hip joint pitch axis 12, the knee joint pitch axis 14, and the like. This shows a motion modeled as a link structure composed of a plurality of joint axes, and the joint pitch axes are driven in a synchronously emphasized manner and fall down toward the prone posture.

ロボットは、リンク構造体のリンク端である足底のみで立位しているとする(図34(1))。   It is assumed that the robot stands only at the sole that is the link end of the link structure (FIG. 34 (1)).

このとき、外力又は外力モーメントの印加により、ZMP釣合い方程式のモーメント・エラー項Tをキャンセルできなくなり、足底のみで形成するZMP安定領域の外にZMPが逸脱したことに応答して、ZMPを支持多角形に維持したまま転倒動作を開始する。   At this time, by applying an external force or an external force moment, the moment error term T in the ZMP balance equation cannot be canceled, and the ZMP is supported in response to the ZMP deviating outside the ZMP stable region formed only by the sole. Start the overturning operation while maintaining the polygonal shape.

転倒動作では、まず、機体の着床部位で構成される支持多角形の面積Sの時間t当たりの変化量ΔS/Δtを最小にするリンクを探索するとともに、手先を含むリンクで変化量ΔS/Δtを最小にするような手先の目標着床点を探索する。そして、選択されたリンクを目標着床点に着床することが機体ハードウェアの制約上(各関節の可動角、各関節アクチュエータのトルク、関節力、角速度、角加速度など)、実行可能かどうかを判別する。   In the overturning operation, first, a link that minimizes the change amount ΔS / Δt per time t of the area S of the support polygon formed by the landing site of the aircraft is searched, and the change amount ΔS / The target landing point of the hand that minimizes Δt is searched. Whether or not landing of the selected link at the target landing point is feasible due to restrictions of the aircraft hardware (movable angle of each joint, torque of each joint actuator, joint force, angular velocity, angular acceleration, etc.) Is determined.

機体ハードウェア上実行可能である場合には、既に着床している足底リンクに加え、他のリンクが着床する。そして、これら着床リンクで形成される最小支持多角形内にZMPを移動する(図34(2))。   If it is feasible on the aircraft hardware, other links will land in addition to the already-planted foot link. Then, the ZMP is moved into the minimum support polygon formed by these landing links (FIG. 34 (2)).

次いで、機体ハードウェアが許容する限り、着床点を移動して、支持多角形を拡大していく(図34(3))。   Next, as long as the aircraft hardware allows, the landing point is moved to expand the support polygon (FIG. 34 (3)).

そして、各関節の可動角、各関節アクチュエータのトルク、関節力、角速度、角加速度など機体ハードウェアの制約から、もはや着床点を移動することができなくなると、今度は、着床中のリンクに挟まれている離床リンクを着床することができるかどうかを判別する。   When the landing point can no longer be moved due to restrictions on the hardware such as the movable angle of each joint, torque of each joint actuator, joint force, angular velocity, and angular acceleration, this time, the link during landing It is determined whether or not the leaving link sandwiched between the two can be landed.

機体ハードウェア上、着床リンク間の離床リンクを着床することが可能である場合には、これらを着床して、着床リンク数を増やす(図34(4))。   If it is possible on the hardware of the aircraft to land the landing links between the landing links, these are landed to increase the number of landing links (FIG. 34 (4)).

さらに、機体ハードウェアが許容する限り、着床点を移動して、支持多角形を拡大していく(図34(5))。   Furthermore, as long as the machine hardware allows, the landing point is moved to expand the support polygon (FIG. 34 (5)).

そして最後に、高さ方向に連結された略平行な複数の関節軸からなるリンク構造体の一端側から1以上のリンクと、他端側から2以上のリンクを離床させて、且つ、それらの中間に位置するリンクを1以上着床させ、さらに足部を着床させた状態で、ZMPを支持多角形内に維持しながら、支持多角形が最大となる姿勢を形成する。この姿勢において、機体の位置エネルギが最小であれば、転倒動作は完了である。   Finally, one or more links from one end side and two or more links from the other end side of the link structure composed of a plurality of substantially parallel joint shafts connected in the height direction are separated from the floor, and In a state where one or more links located in the middle are landed and the feet are landed, the posture in which the support polygon is maximized is formed while maintaining the ZMP in the support polygon. If the potential energy of the airframe is minimum in this posture, the overturning operation is complete.

図35〜39には、実機が立位姿勢からうつ伏せ姿勢に転倒していく様子を示している。同図に示す例では、機体の後方から外力を受けて後ろ向きに転倒動作を行なう様子を示しているが、A〜Dの5段階に分けて動作状況を捉えることができる。   35 to 39 show how the actual machine falls from the standing posture to the prone posture. In the example shown in the figure, a state is shown in which an external force is received from the rear of the machine body and the vehicle is toppled backwards, but the operation status can be captured in five stages A to D.

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。転倒動作の途上では、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(同上)。そして、転倒の段階毎に、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。   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. In the course of the overturning operation, the link state formed by the landing site of the multi-link structure and the floor surface is switched between the open link state and the closed link state (same as above). Then, at each stage of the fall, the actuator for driving each joint according to the switching of the link state is appropriately switched to a hard joint characteristic, a soft joint characteristic, or an intermediate joint characteristic, so that the adaptive fall operation can be performed. Is realized.

(A)転倒前の両脚支持の状態
両脚支持の状態は、姿勢制御されている状態であり、下肢と床面で閉リンク系を構成している(図35を参照のこと)。
(A) State of supporting both legs before falling The state of supporting both legs is a state in which the posture is controlled, and a closed link system is configured by the lower limbs and the floor (see FIG. 35).

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17Aに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、支持脚は高速な応答性を持ちつつ、硬い特性時以上且つ柔らかい特性時以下のコンプライアンスを得ることで、柔らかい特性時以上且つ硬い特性時以下の位置精度を持ち、閉リンク状態の安定動作に寄与する。   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 of the motor is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17A. As a result, the support legs have high-speed response, and have a compliance that is higher than hard characteristics and lower than soft characteristics. Contributes to operation.

また、首ロール・ピッチ・ヨーや、左右の肘ピッチ、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17A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る。この結果、転倒動作を制御する際の規範となるΔS/Δtの量を制御するための主成分となる関節の位置決め精度が確保され、動作の安定性が増す。   The neck roll, pitch, yaw, left and right elbow pitches, and other joint parts have hard joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator and motor, as shown in FIG. In addition, the phase advance amount at is reduced, and the viscosity of the motor is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. As a result, the positioning accuracy is prioritized and it is robust against disturbances such as vibration. As a result, the positioning accuracy of the joint, which is the main component for controlling the amount of ΔS / Δt, which is a standard for controlling the overturning motion, is ensured, and the stability of the motion is increased.

(B)転倒動作の開始(閉リンク状態)
姿勢センサの出力に基づいて、機体が転倒し始めたことを検知することができる。転倒の初期では、まだ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)。転倒に至る外力・衝撃を受け、衝撃を最小限にするための転倒動作を開始する。
(B) Start of overturning operation (closed link state)
Based on the output of the attitude sensor, it can be detected that the aircraft has started to fall. At the beginning of the fall, the closed link system is still composed of the lower limbs and the floor (see FIG. 36). In response to an external force or impact that would cause a fall, start a fall operation to minimize the impact.

このとき、左右の腿ロール及びピッチなど安定領域制御に関わる関節部位のアクチュエータを、中間の関節特性のまま、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17Aに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、支持脚は高速な応答性を持ちつつ、硬い特性時以上且つ柔らかい特性時以下のコンプライアンスを得ることで、柔らかい特性時以上且つ硬い特性時以下の位置精度を持ち、閉リンク状態の安定動作に寄与する。   At this time, the actuators of the joint parts related to the stable region control such as the left and right thigh rolls and the pitch remain in the middle joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator / motor are low and low gain as shown in FIG. In addition, the phase advance amount in the mid-high range is increased, and the viscosity of the motor is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17A. As a result, the support legs have high-speed response, and have a compliance that is higher than hard characteristics and lower than soft characteristics. Contributes to operation.

一方、左右の足首ロール軸、足首ピッチ軸、膝ピッチ軸など位置エネルギ制御に関わる関節部位では、高速応答性とコンプライアンスが重要となる。そこで、これらの関節部位のアクチュエータを、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17Bに示すモータ特性の最大値の3分の1に設定する。   On the other hand, high-speed responsiveness and compliance are important in joint parts related to positional energy control such as left and right ankle roll axes, ankle pitch axes, and knee pitch axes. Therefore, the actuators of these joint parts are made to have soft joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator and motor, as shown in FIG. The viscosity is set to one third of the maximum value of the motor characteristic shown in FIG. 17B.

また、着床時に左右の腕を着いて胴体に加わる衝撃を干渉するために、左右の肘ピッチの関節部位アクチュエータを柔らかい関節特性にしておき、着床時の衝撃吸収に備える。 Also, in order to interfere with the impact applied to the torso by wearing the left and right arms when landing, the left and right elbow pitch joint part actuators have soft joint characteristics to prepare for shock absorption during landing.

また、首ロール・ピッチ・ヨーの関節部位のアクチュエータを、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17A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る。この結果、転倒動作を制御する際の規範となるΔS/Δtの量を制御するための主成分となる関節の位置決め精度が確保され、動作の安定性が増す。   In addition, the actuator of the joint part of the neck roll, pitch, and yaw has a hard joint characteristic, that is, the servo characteristic of the actuator / motor, as shown in FIG. At the same time, the motor viscosity is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17A. As a result, the positioning accuracy is prioritized and it is robust against disturbances such as vibration. As a result, the positioning accuracy of the joint, which is the main component for controlling the amount of ΔS / Δt, which is a standard for controlling the overturning motion, is ensured, and the stability of the motion is increased.

また、その他の関節部位は、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17Aに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、硬い関節特性のときよりも支持脚は位置精度を落とすが、高速な応答性とコンプライアンスを得て、転倒に備える。   Further, the other joint parts have intermediate joint characteristics, that is, servo characteristics of the actuator and motor, as shown in FIG. Is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17A. As a result, the support legs have a lower positional accuracy than in the case of the hard joint characteristics, but high-speed response and compliance are obtained to prepare for a fall.

(C)転倒動作の進行(開リンク状態)
転倒動作が進行すると、支持脚が離床し、機体全体で開リンクを構成する(図37を参照のこと)。例えば、足底の力センサ(又は接触センサなど)の出力により、足底が浮いて開リンクとなったことを検知することができる。
(C) Progress of overturning operation (open link state)
When the overturning operation proceeds, the support leg leaves the floor, and the entire fuselage forms an open link (see FIG. 37). For example, it is possible to detect that the sole floats and becomes an open link based on the output of the sole force sensor (or contact sensor or the like).

この場合、左右両脚のすべての関節部位が位置エネルギ制御に関わるので、高速応答性とコンプライアンスが重要となる。そこで、脚のすべての関節部位のアクチュエータを、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17Bに示すモータ特性の最大値の3分の1に設定する。   In this case, since all joint parts of the left and right legs are involved in the position energy control, high-speed response and compliance are important. Therefore, as shown in FIG. 13, the actuators of all joint parts of the legs are soft joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator motor are increased in the low range with low gain and in the middle and high range, The viscosity of the motor is set to one third of the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17B.

また、着床時に左右の腕を着いて胴体に加わる衝撃を干渉するために、左右の肘ピッチの関節部位アクチュエータを柔らかい関節特性にしておき、着床時の衝撃吸収に備える。 Also, in order to interfere with the impact applied to the torso by wearing the left and right arms when landing, the left and right elbow pitch joint part actuators have soft joint characteristics to prepare for shock absorption during landing.

また、首ロール・ピッチ・ヨーの関節部位のアクチュエータを、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17A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る。そして、転倒動作を制御する際の規範となるΔS/Δtの量を制御するための主成分となる関節の位置決め精度が確保され、動作の安定性が増す。   In addition, the actuator of the joint part of the neck roll, pitch, and yaw has a hard joint characteristic, that is, the servo characteristic of the actuator / motor, as shown in FIG. At the same time, the motor viscosity is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17A. As a result, the positioning accuracy is prioritized and it is robust against disturbances such as vibration. And the positioning accuracy of the joint which is a main component for controlling the amount of ΔS / Δt which is a standard for controlling the overturning operation is ensured, and the stability of the operation is increased.

また、その他の関節部位は、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17Aに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、硬い関節特性のときよりも支持脚は位置精度を落とすが、高速な応答性とコンプライアンスを得て、転倒に備える   Further, the other joint parts have intermediate joint characteristics, that is, servo characteristics of the actuator and motor, as shown in FIG. Is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17A. As a result, the support legs have a lower positional accuracy than in the case of stiff joint characteristics, but get high-speed response and compliance to prepare for a fall.

(D)着床瞬間
転倒の結果、機体が着床し、機体全体で閉リンク系を構成する(図38を参照のこと)。例えば、姿勢センサや加速度センサの出力を用いて、着床の衝撃を検知することができる。このとき、床面から受ける外力・衝撃を最小限にするための動作を開始する。
(D) Immediate landing As a result of the fall, the aircraft lands, and the entire aircraft forms a closed link system (see FIG. 38). For example, the impact of landing can be detected using the output of a posture sensor or an acceleration sensor. At this time, the operation for minimizing the external force and impact received from the floor surface is started.

この場合、左右両脚のすべての関節部位が位置エネルギ制御に関わるので、コンプライアンスが重要となる。そこで、脚のすべての関節部位のアクチュエータを、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17Bに示すモータ特性の最大値の3分の1に設定する。これによって、柔らかい系になるため、機体全体に加わる衝撃を緩和することができる。   In this case, since all joint parts of the left and right legs are involved in potential energy control, compliance is important. Therefore, as shown in FIG. 13, the actuators of all joint parts of the legs are soft joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator motor are increased in the low range with low gain and in the middle and high range, The viscosity of the motor is set to one third of the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17B. Thereby, since it becomes a soft system, the impact added to the whole body can be relieved.

また、着床時に左右の腕を着いて胴体に加わる衝撃を干渉するために、左右の肘ピッチの関節部位アクチュエータを柔らかい関節特性にしておき、着床時の衝撃吸収を行なう。 Also, in order to interfere with the impact applied to the torso by wearing the left and right arms when landing, the left and right elbow pitch joint part actuators have soft joint characteristics to absorb the impact during landing.

また、首ロール・ピッチ・ヨーの各関節部位は、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17A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、着床の瞬間に頭部を床面から浮かせる動作を生成し、制御部など重要な部品を搭載した頭部を床面との衝突によるダメージから守ることができる。   Further, each joint portion of the neck roll, the pitch, and the yaw has a hard joint characteristic, that is, the servo characteristic of the actuator and the motor, as shown in FIG. At the same time, the motor viscosity is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17A. As a result, giving priority to positioning accuracy, it is also robust against disturbances such as vibration, and generates a motion that lifts the head from the floor at the moment of landing, and the head equipped with important parts such as the control unit is floored. You can protect against damage caused by collision with the surface.

また、他の関節部位は、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17Bに示すモータ特性の最大値の3分の1に設定する。これによって、柔らかい系になるため、機体全体に加わる衝撃を緩和することができる。 Also, other joints sites, soft joint characteristics, i.e., the servo characteristics of the actuator motor with a larger amount of phase lead in the mid-high range and low-gain low-pass as shown in FIG. 13, the motor of the viscosity Is set to one third of the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17B. Thereby, since it becomes a soft system, the impact added to the whole body can be relieved.

(E)転倒後の定常姿勢
機体全体で閉リンク系を構成している(図39を参照のこと)。このとき、姿勢センサを用いて衝撃による振動が終り、一定時間(例は1秒)経過し、新たに衝撃などがないことを以って、当該状態を確認することができる。
(E) Steady posture after falling The entire body forms a closed link system (see FIG. 39). At this time, the vibration can be confirmed by using the attitude sensor, and the state can be confirmed by the fact that a certain time (for example, 1 second) has passed and there is no new impact.

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、柔らかい関節特性から中間の関節特性、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17Aに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、支持脚は速応性を持ちつつ、硬い特性時以上且つ柔らかい特性時以下のコンプライアンスを得ることで、柔らかい特性時以上且つ硬い特性時以下の位置精度を持ち、閉リンク状態の安定動作に寄与する。   At this time, the actuators of all the joint parts of the left and right leg parts are changed from soft joint characteristics to intermediate joint characteristics, that is, actuator / motor servo characteristics as shown in FIG. While increasing the phase advance amount, the motor viscosity is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17A. As a result, the support leg has a quick response, and has a compliance that is higher than the hard characteristic and lower than the soft characteristic, and has a positional accuracy that is higher than the soft characteristic and lower than the hard characteristic. Contribute.

また、左右の肘ピッチや、首ロール・ピッチ・ヨー、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17A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る。   The left and right elbow pitches, neck rolls, pitches, yaw, and other joint parts have hard joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator and motor, as shown in FIG. In addition, the phase advance amount at is reduced and the viscosity of the motor is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17A. As a result, the positioning accuracy is prioritized and it is robust against disturbances such as vibration.

F.床上姿勢からの起き上がりオペレーション
仰向け姿勢やうつ伏せ姿勢などの床上姿勢からの起動を行なうため、あるいは、転倒時に自律的に起き上がって作業を再開する、という作業の自己完結性を得るために、脚式移動ロボット100は、起き上がりオペレーションを実現することが必要である。
F. Stand-up operation from the floor position Legged movement to start from the floor position such as the supine position or the prone position, or to get the work self-contained to get up autonomously and restart the work when falling The robot 100 needs to get up and realize the operation.

このとき、無計画的な軌道により起き上がろうとすると、過大な外力モーメントが印加され、関節アクチュエータが高出力トルクを必要とする。この結果、モータの大型化が必要となり、その分だけ消費電力が増大してしまう。また、機体の重量が増すとともに製造コストが高騰してしまう。重量の増大によりさらに起き上がり動作が困難になる。あるいは、起き上がり動作の過程で発生する外力モーメントにより姿勢の安定性を維持することができず、そもそも起き上がることができない、という事態もあり得る。   At this time, if an attempt is made to get up by an unplanned trajectory, an excessive external force moment is applied, and the joint actuator requires a high output torque. As a result, it is necessary to increase the size of the motor, and the power consumption increases accordingly. In addition, the manufacturing cost increases as the weight of the aircraft increases. The increase in weight further makes it difficult to get up. Alternatively, there may be a situation in which posture stability cannot be maintained due to an external force moment generated during the process of getting up, and the person cannot get up in the first place.

そこで、本実施形態では、脚式移動ロボット100は、外力モーメントが最小となる動作パターンよりなる起き上がり動作を行なうこととした。これは、ZMP支持多角形が最小となるような姿勢を時系列的に組み合わせることによって、実現することができる。   Therefore, in the present embodiment, the legged mobile robot 100 performs the rising motion having the motion pattern that minimizes the external force moment. This can be realized by combining postures that minimize the ZMP support polygon in time series.

また、本実施形態に係る脚式移動ロボット100は、肩関節ピッチ軸4、体幹ピッチ軸9、股関節ピッチ軸12、膝関節ピッチ軸14のように(図3を参照のこと)、高さ方向に複数のピッチ軸が直列的(但し横方向から眺めた場合)に連結されたリンク構造体である。そこで、これら複数の関節ピッチ軸4〜14を所定のシーケンスで同期協調的に駆動して、ZMP支持多角形が最小となるような動作パターンによる起き上がり動作を実現することとした。   Further, the legged mobile robot 100 according to the present embodiment has a height such as the shoulder joint pitch axis 4, the trunk pitch axis 9, the hip joint pitch axis 12, and the knee joint pitch axis 14 (see FIG. 3). A link structure in which a plurality of pitch axes are connected in series in a direction (when viewed from the lateral direction). Accordingly, the plurality of joint pitch axes 4 to 14 are driven synchronously and in a predetermined sequence to realize a rising motion based on a motion pattern that minimizes the ZMP support polygon.

F−1.基本仰向け姿勢からの起き上がりオペレーション
図40には、本実施形態に係る脚式移動ロボット100が肩関節ピッチ軸4、体幹ピッチ軸9、股関節ピッチ軸12、膝関節ピッチ軸14を同期強調的に駆動させて起き上がり動作を行なうための処理手順をフローチャートの形式で示している。このような処理手順は、実際には主制御部81において所定の機体動作制御プログラムを実行して、各部を駆動制御することによって実現される。
F-1. In FIG. 40, the legged mobile robot 100 according to the present embodiment synchronously emphasizes the shoulder joint pitch axis 4, the trunk pitch axis 9, the hip joint pitch axis 12, and the knee joint pitch axis 14. A processing procedure for driving and performing a rising operation is shown in the form of a flowchart. Such a processing procedure is actually realized by executing a predetermined machine operation control program in the main control unit 81 and controlling the driving of each unit.

また、図41には、本実施形態に係る脚式移動ロボット100が肩関節ピッチ軸4、体幹ピッチ軸9、股関節ピッチ軸12、膝関節ピッチ軸14を同期強調的に駆動させて仰向け姿勢から起き上がり動作を行なう様子を、関節リンク・モデルで示している。但し、図示のリンク構造体において、体幹関節と股関節を連結するリンクに機体全体の重心位置が設定されており、このリンクを以下では「重心リンク」と呼ぶことにする。尚、「重心リンク」は狭義には上記のような定義で用いるが、広義には機体全体の重心位置が存在するリンクであればよい。例えば、体幹軸を持たないような機体においては、機体全体の重心が位置する体幹先端などを含むリンクがこれに該当する。また、図42には、実機が仰向け姿勢から起き上がっていく様子を示している。   In FIG. 41, the legged mobile robot 100 according to the present embodiment drives the shoulder joint pitch axis 4, the trunk pitch axis 9, the hip joint pitch axis 12, and the knee joint pitch axis 14 in a synchronously emphasized manner, and is in a supine posture. The joint link model shows how to get up from the beginning. However, in the illustrated link structure, the center-of-gravity position of the entire body is set to the link connecting the trunk joint and the hip joint, and this link will be referred to as a “center-of-gravity link” below. The “center of gravity link” is defined as described above in a narrow sense, but may be a link in which the center of gravity of the entire aircraft exists in a broad sense. For example, in an aircraft that does not have a trunk axis, a link including a trunk tip where the center of gravity of the entire aircraft is located corresponds to this. FIG. 42 shows a state where the actual machine gets up from the supine posture.

以下、図40に示したフローチャートを参照しながら、基本仰向け姿勢からの機体の起き上がりオペレーションについて説明する。   Hereinafter, with reference to the flowchart shown in FIG. 40, the operation for raising the aircraft from the basic posture will be described.

まず、床上姿勢において、位置エネルギの最も小さい姿勢を探索する(ステップS51)。これは、基本仰向け姿勢に相当し、図41(1)及び図42(A)に示すように、起き上がり動作に使用する肩関節ピッチ軸4、体幹ピッチ軸9、股関節ピッチ軸12、膝関節ピッチ軸14をそれぞれ連結するリンクはすべて接床している。このとき、位置エネルギの最も小さい姿勢をとることにより、路面の傾斜や形状を計測して、起き上がり動作が可能かどうかを確認することができる。   First, an attitude with the lowest potential energy is searched for on the floor (step S51). This corresponds to the basic supine posture, and as shown in FIGS. 41 (1) and 42 (A), the shoulder joint pitch axis 4, the trunk pitch axis 9, the hip joint pitch axis 12, the knee joint used for the rising motion. All the links connecting the pitch shafts 14 are in contact with each other. At this time, by taking the posture with the lowest potential energy, it is possible to measure the inclination and shape of the road surface and confirm whether or not the rising operation is possible.

この基本仰向け姿勢において、接床リンクが形成する接地多角形内で、最も狭い支持多角形を探索する(ステップS52)。このとき、機体の一端側から少なくとも2以上のリンクを離床させたときの、ZMP軌道が計画可能かどうかを判定する。ZMPの計画可能性は、リンク構造体の可動角、リンクを接続する各関節アクチュエータのトルク、関節力、角速度、角加速度などを考慮して判断することができる。   In this basic posture, the narrowest support polygon is searched for within the ground contact polygon formed by the floor contact link (step S52). At this time, it is determined whether or not a ZMP trajectory can be planned when at least two or more links are removed from one end of the aircraft. The planability of ZMP can be determined in consideration of the movable angle of the link structure, the torque of each joint actuator connecting the links, the joint force, the angular velocity, the angular acceleration, and the like.

次いで、接地多角形のうち、最も狭い支持多角形に関与しない2以上のリンクを離床する(ステップS53)。   Next, two or more links that are not involved in the narrowest support polygon among the grounded polygons are removed from the floor (step S53).

ステップS53は、図41(2)に相当する。実機上では、体幹関節と股関節を連結する重心リンクを含む下半身側が支持多角形として抽出され、それ以外の肩関節から体幹関節に至る2以上のリンクを支持多角形に関与しないリンクとして離床する。まず、図42(B)に示すように左右の両腕部を持ち上げてから、体幹関節ピッチ軸アクチュエータA9の駆動により、図42(C)に示すように上体起こしを行なっている。腕部を先に持ち上げておくことにより、モーメントを小さくして、必要な最大トルクを低減することができる。 Step S53 corresponds to FIG. On the actual machine, the lower body side including the center-of-gravity link connecting the trunk joint and the hip joint is extracted as a support polygon, and two or more links from the other shoulder joints to the trunk joint are left as links that do not participate in the support polygon. To do. First, the lift arms of the left and right as shown in FIG. 42 (B), by driving the trunk joint pitch axis actuator A 9, are subjected to raised upper body as shown in FIG. 42 (C). By lifting the arm first, the moment can be reduced and the required maximum torque can be reduced.

次いで、一端側から1以上の離床リンクを屈曲させてリンク端の端部を着床させて、より狭い接地多角形を形成する(ステップS54)。   Next, one or more floor links are bent from one end side to land the end of the link end to form a narrower grounding polygon (step S54).

ステップS54は、図1(3)及び図42(D)に相当する。実機上では、肩関節を含む2以上のリンクが離床している状態で、肩関節ピッチ軸で屈曲させて、そのリンク端の端部である手先を接床させる。そして、手先を機体重心位置である体幹ピッチ軸側に徐々に近づけていくことによって、元の床上姿勢よりも狭い接地多角形を形成する。
Step S54 corresponds to FIG. 1 (3) and FIG. 42 (D). On the actual machine, in a state where two or more links including the shoulder joint are leaving the floor, the arm is bent at the shoulder joint pitch axis and the hand which is the end of the link end is brought into contact with the floor. Then, by gradually approaching the hand to the trunk pitch axis side, which is the position of the center of gravity of the aircraft, a grounding polygon narrower than the original on-floor posture is formed.

このときの実機では、左右の肩関節ロール軸A5の駆動により、左右の腕部を真横に広げた後、上腕ヨー軸A6の駆動により腕部の向きを一旦180度回転させてから、肩関節ピッチ軸A4の駆動により、腕部を徐々に降下させていく。そして、手先を着床することによって、より狭い接地多角形を形成する。 In the actual machine at this time, the left and right arm portions are spread to the side by driving the left and right shoulder joint roll axis A 5 , and then the arm portion is once rotated 180 degrees by driving the upper arm yaw axis A 6 . The arm is gradually lowered by driving the shoulder joint pitch axis A 4 . Then, a narrower grounding polygon is formed by landing the hand.

このように新しい接地多角形を形成すると、接地多角形にZMPを設定することができるかどうかをチェックする(ステップS55)。これは、リンク構造体の可動角、リンクを接続する各関節アクチュエータのトルク、関節力、角速度、角加速度などを考慮して判断する。そして、ZMPを接地多角形に移動して、新たな支持多角形を形成する(ステップS56)。   When a new ground polygon is formed in this way, it is checked whether ZMP can be set for the ground polygon (step S55). This is determined in consideration of the movable angle of the link structure, the torque of each joint actuator connecting the links, the joint force, the angular velocity, the angular acceleration, and the like. Then, the ZMP is moved to the ground polygon and a new support polygon is formed (step S56).

ここで、支持多角形が充分狭くなったか否かを判断する(ステップS57)。この判断は、体幹ピッチ軸と股関節ピッチ軸を連結する重心リンクを離床可能であるか、若しくは、図42(E)に示すように、足部だけで形成できるZMP安定領域内にZMPを移動させることができるかどうかを、リンク構造体の可動角、リンクを接続する各関節アクチュエータのトルク、関節力、角速度、角加速度などを考慮して判断する。   Here, it is determined whether or not the support polygon is sufficiently narrow (step S57). This determination is based on whether the center-of-gravity link connecting the trunk pitch axis and the hip joint pitch axis can be removed, or, as shown in FIG. 42 (E), the ZMP is moved into a ZMP stable region that can be formed only by the foot. It is determined whether or not it is possible to take into account the movable angle of the link structure, the torque of each joint actuator connecting the links, the joint force, the angular velocity, the angular acceleration, and the like.

まだ支持多角形が充分狭いとは言えない場合には、着床点を移動して支持多角形を小さくした後(ステップS60)、ステップS52に戻って、より狭い支持多角形の形成を再試行する。そして、接床リンクが形成する接地多角形内で、最も狭い支持多角形を探索する(ステップS52)。今度は、機体の他端側から少なくとも2以上のリンクを離床させたときの、ZMPが計画可能かどうかを判定する。ZMPの計画可能性は、リンク構造体の可動角、リンクを接続する各関節アクチュエータのトルク、関節力、角速度、角加速度などを考慮して判断することができる。   If the support polygon is not sufficiently narrow yet, after moving the landing point to make the support polygon smaller (step S60), the process returns to step S52 to retry the formation of a narrower support polygon. To do. Then, the narrowest support polygon is searched for within the ground contact polygon formed by the floor contact link (step S52). Next, it is determined whether or not ZMP can be planned when at least two or more links are left from the other end of the aircraft. The planability of ZMP can be determined in consideration of the movable angle of the link structure, the torque of each joint actuator connecting the links, the joint force, the angular velocity, the angular acceleration, and the like.

次いで、接床多角形のうち、最も狭い支持多角形に関与しない2以上のリンクを離床する(ステップS53)。これは、図41(4)〜(5)に相当する。実機上では、膝関節ピッチ軸を含む他端側から連続する2以上のリンクを支持多角形に関与しないリンクとして離床する。そして、一端側から1以上の離床リンクを屈曲させてリンク端の端部を着床させて、より狭い接地多角形を形成する(ステップS54)。このとき、実機は、まず、右脚の股関節ピッチ軸A12の駆動により右脚を持ち上げてから、その膝関節アクチュエータA14の駆動により右脚を屈曲させて、その足底を着床する。次いで、脚の股関節ピッチ軸A12の駆動により右脚を持ち上げてから、その膝関節アクチュエータA14の駆動により左脚を屈曲させて、その足底を着床する。このようにして、足底を機体重心位置である股関節ピッチ軸12側に徐々に近づけていくことによって、元の床上姿勢よりも狭い接地多角形を形成することができる。 Next, two or more links that do not participate in the narrowest support polygon among the floor-contacting polygons are left (step S53). This corresponds to FIGS. 41 (4) to (5). On an actual machine, two or more links continuous from the other end side including the knee joint pitch axis are left as links that do not participate in the support polygon. Then, one or more leaving links are bent from one end side to land the end of the link end to form a narrower ground contact polygon (step S54). At this time, the actual machine first lifts the right leg by driving the hip joint pitch axis A 12 of the right leg, and then flexes the right leg by driving the knee joint actuator A 14 to land the sole of the foot. Next, the right leg is lifted by driving the leg hip joint pitch axis A 12 , the left leg is bent by driving the knee joint actuator A 14 , and the sole of the foot is landed. In this manner, by gradually approaching the sole to the hip joint pitch axis 12 side, which is the position of the center of gravity of the body, a grounding polygon narrower than the original on-floor posture can be formed.

このように新しい接地多角形を形成すると、接地多角形にZMPを設定することができるかどうかをチェックする(ステップS55)。これは、リンク構造体の可動角、リンクを接続する各関節アクチュエータのトルク、関節力、角速度、角加速度などを考慮して判断する。そして、ZMPを接地多角形に移動して、新たな支持多角形を形成する(ステップS56)。   When a new ground polygon is formed in this way, it is checked whether ZMP can be set for the ground polygon (step S55). This is determined in consideration of the movable angle of the link structure, the torque of each joint actuator connecting the links, the joint force, the angular velocity, the angular acceleration, and the like. Then, the ZMP is moved to the ground polygon and a new support polygon is formed (step S56).

ここで、支持多角形が充分狭くなったか否かを再び判断する(ステップS57)。この判断は、体幹ピッチ軸と股関節ピッチ軸を連結する重心リンクを離床可能であるか、若しくは足部だけで形成できるZMP安定領域内にZMPを移動させることができるかどうかを、リンク構造体の可動角、リンクを接続する各関節アクチュエータのトルク、関節力、角速度、角加速度などを考慮して判断する。図42(F)に示す実機の姿勢では、充分狭い支持多角形が形成されていると判断される。支持多角形を縮小する際の腕の角度に関しては、肩の軸から床面方向に下ろした垂線と腕の中心軸がなす角度は、トルク量に基づく所定角度内であることが望ましい。   Here, it is determined again whether or not the support polygon is sufficiently narrow (step S57). This determination is based on whether the center of gravity link connecting the trunk pitch axis and the hip joint pitch axis can be removed from the floor, or whether the ZMP can be moved within the ZMP stable region that can be formed only by the foot. Judgment is made in consideration of the movable angle, the torque, joint force, angular velocity, angular acceleration, etc. of each joint actuator connecting the links. In the attitude of the actual machine shown in FIG. 42 (F), it is determined that a sufficiently narrow support polygon is formed. Regarding the angle of the arm when reducing the support polygon, it is desirable that the angle formed by the perpendicular line drawn from the shoulder axis in the floor direction and the central axis of the arm is within a predetermined angle based on the torque amount.

そして、機体の支持多角形が充分に狭くなったことに応答して、支持多角形の両リンク端の端部を接床した状態で前記重心リンクを離床し、両リンク端の着床リンクによって形成される支持多角形内にZMPを維持しながら、支持多角形を形成する両リンク端の端部の間隔を縮めて、ZMPを前記リンク構造体の他端側に移動させていく(ステップS58)。これは、図41(6)〜(7)に相当する。実機上では、図42(G)〜(H)に示すように、接地多角形の両リンク端の端部としての手先及び足底を接床した状態で体幹ピッチ軸及び股関節ピッチ軸を連結した前記重心リンクを離床し、さらに、手先及び足底の間隔を徐々に縮めていき、ZMPを足底に向かって移動させていく。   And in response to the support polygon of the fuselage becoming sufficiently narrow, the center of gravity link is left with the ends of both link ends of the support polygon in contact with the floor, and the landing links at both link ends are used. While maintaining the ZMP in the formed support polygon, the distance between the ends of both link ends forming the support polygon is reduced, and the ZMP is moved to the other end of the link structure (step S58). ). This corresponds to FIGS. 41 (6) to (7). On the actual machine, as shown in FIGS. 42 (G) to (H), the trunk pitch axis and the hip joint pitch axis are connected with the hand and the sole as the ends of both link ends of the contact polygon in contact with the floor. The center-of-gravity link is removed from the floor, and the distance between the hand and the sole is gradually reduced, and the ZMP is moved toward the sole.

そして、前記リンク構造体の他端から第2の所定数以下の接床リンクのみで形成される接地多角形内にZMPが突入したことに応答して、ZMPを該接地多角形内に収容したまま前記リンク構造体の一端側から第1の所定数以上のリンクを離床して、該離床リンクを長さ方向に伸展することによって、起き上がり動作を完結させる(ステップS59)。これは、図41(8)に相当する。   Then, in response to the ZMP having entered the ground polygon formed by only the second predetermined number of floor-contact links or less from the other end of the link structure, the ZMP is accommodated in the ground polygon. The rising operation is completed by leaving the first predetermined number of links or more from the one end side of the link structure and extending the leaving link in the length direction (step S59). This corresponds to FIG. 41 (8).

実機上では、図42(H)〜(I)に示すように、足底で構成される接地多角形内にZMPが突入したことに応答して、ZMPを該接地多角形内に収容したまま、肩ピッチ軸4から膝ピッチ軸14に至までのリンクを離床して、離床リンクを長さ方向に伸展することによって、起き上がり動作を完結させる。   On the actual machine, as shown in FIGS. 42 (H) to (I), in response to the ZMP having entered the grounding polygon formed by the sole, the ZMP remains accommodated in the grounding polygon. By lifting the link from the shoulder pitch axis 4 to the knee pitch axis 14 and extending the floor link in the length direction, the rising motion is completed.

起き上がりの最終段階である、離床リンクを長さ方向に伸展する際には、質量操作量のより大きな膝関節ピッチ軸を積極的に使用して動作することが、機体動作上の効率がよい。   When extending the bed leaving link in the length direction, which is the final stage of getting up, it is efficient in operating the aircraft to operate using the knee joint pitch axis having a larger mass operation amount.

なお、ステップS53において、最も小さい支持多角形に関与しない2以上のリンクを離床することができない場合には、最大の支持多角形より内側の2以上の着床リンクを離床することを試みる(ステップS61)。   In step S53, if two or more links that do not participate in the smallest support polygon cannot be removed, an attempt is made to leave two or more landing links inside the largest support polygon (step S53). S61).

ステップS61を実行できない場合には、起き上がり動作を中止する。また、ステップS61を成功裏に実行することができる場合には、さらに、着床点を移動させて、支持多角形をさらに小さくする(ステップS62)。   If step S61 cannot be executed, the rising operation is stopped. If step S61 can be executed successfully, the landing point is further moved to further reduce the support polygon (step S62).

ステップS62を実行できない場合には、起き上がり動作を中止する。また、ステップS62を成功裏に実行することができる場合には、足部で形成できる安定領域にZMPを移動することができるかどうかをチェックする(ステップS63)。この安定領域内にZMPを移動することができない場合には、ステップS61に戻って、支持多角形を小さくするための同様の処理を繰り返し実行する。また、この安定領域内にZMPを移動させることができた場合には、ステップS58に進んで、基本姿勢への復帰動作を行なう。   If step S62 cannot be executed, the rising operation is stopped. If step S62 can be executed successfully, it is checked whether the ZMP can be moved to a stable region that can be formed by the foot (step S63). If the ZMP cannot be moved within the stable region, the process returns to step S61, and the same process for reducing the support polygon is repeated. If the ZMP can be moved within this stable region, the process proceeds to step S58 to perform a return operation to the basic posture.

以下では、仰向けの床上姿勢からの起き上がり動作を、A〜Jの10段階に分けて、図43〜図52を参照しながら説明する。   Hereinafter, the rising operation from the posture on the floor on the back will be described in 10 stages A to J with reference to FIGS. 43 to 52.

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、仰向け姿勢からの起き上がり動作の途上では、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。そして、起き上がりの段階毎に、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、適応的な起き上がり動作を実現する。   The body of a legged mobile robot is composed of a multi-link structure in which multiple joint axes with approximately parallel joint degrees of freedom are connected in the length direction. The link state between the landing site of the structure and the floor surface switches between the open link state and the closed link state. Then, at each stage of rising, the actuator for driving each joint according to the switching of the link state is appropriately switched to a hard joint characteristic, a soft joint characteristic, or an intermediate joint characteristic, thereby adaptively rising up. Is realized.

(A)仰向けの基本姿勢
姿勢制御されている状態であり、下肢、腰、体幹部が床面に対して閉リンク系を構成している(図43を参照のこと)。
(A) Basic posture on the back This is a state in which the posture is controlled, and the lower limbs, the waist, and the trunk constitute a closed link system with respect to the floor (see FIG. 43).

脚式移動ロボットは、ZMP支持多角形が最小となるような動作パターンにより仰向け姿勢からの起き上がり動作を行なうが、図42を参照しながら説明したように、左右の腕を接床させながら最小となるZMP支持多角形を探索する。このため、起き上がり動作に備えて、左右の肩ピッチ、肩ロール、肘ピッチなどの腕部の駆動に関連する関節部位のアクチュエータを硬い関節特性、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17A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る。   The legged mobile robot performs a rising motion from a supine posture with an operation pattern that minimizes the ZMP support polygon. However, as described with reference to FIG. Search for a ZMP support polygon. Therefore, FIG. 12 shows hard joint characteristics, that is, servo characteristics of the actuator and motor, for the actuator of the joint portion related to driving of the arm portion such as the left and right shoulder pitches, shoulder rolls, and elbow pitches in preparation for the rising motion As described above, the gain is high in the entire band and the phase advance amount in the high band is reduced, and the viscosity of the motor is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. As a result, the positioning accuracy is prioritized and it is robust against disturbances such as vibration.

また、左右の下肢の関節部位のアクチュエータは、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17Aに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、支持脚は高速な応答性を持ちつつ、硬い特性時以上且つ柔らかい特性時以下のコンプライアンスを得ることで、柔らかい特性時以上且つ硬い特性時以下の位置精度を持ち、閉リンク状態の安定動作に寄与する。   In addition, the actuators in the joint parts of the left and right lower limbs have an intermediate joint characteristic, that is, the servo characteristic of the actuator / motor, as shown in FIG. The viscosity of the motor is set to the maximum value of the motor characteristic shown in FIG. 17A. As a result, the support legs have high-speed response, and have a compliance that is higher than hard characteristics and lower than soft characteristics. Contributes to operation.

また、上記以外の関節部位のアクチュエータは、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17A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る。   In addition to the above, the actuator of the joint part other than the above has a hard joint characteristic, that is, the servo characteristic of the actuator and the motor, as shown in FIG. Is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17A. As a result, the positioning accuracy is prioritized and it is robust against disturbances such as vibration.

(B)両腕を上方向に上げる
体幹関節と股関節を連結する重心リンクを含む下半身側が支持多角形として抽出され、それ以外の肩関節から体幹関節に至る2以上のリンクを支持多角形に関与しないリンクとして離床する。この場合、下肢、腰、体幹部が床面に対して閉リンク系を構成している(図44を参照のこと)。
(B) Raise both arms upward The lower body side including the center of gravity link connecting the trunk joint and hip joint is extracted as a support polygon, and two or more links from the other shoulder joints to the trunk joint are supported. Leave as a link that does not involve. In this case, the lower limbs, waist, and trunk constitute a closed link system with respect to the floor (see FIG. 44).

このとき、肩ヨー軸、肘ピッチ軸など離床動作に関わる関節部位では、より狭い接地多角形を形成するために接床するまでの期間中、位置決め精度が重要となるので、これらの関節部位のアクチュエータを、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17Aに示すモータ特性の最大値に設定する。   At this time, in the joint parts related to the bed leaving movement such as the shoulder yaw axis and the elbow pitch axis, positioning accuracy becomes important during the period until the floor is touched in order to form a narrower ground contact polygon. As shown in FIG. 12, the actuator has a hard joint characteristic, that is, the servo characteristic of the actuator / motor, has a high gain in all bands and a small phase advance amount in the high band, and the motor viscosity is shown in FIG. 17A. Set to the maximum value of the characteristic.

また、左右の下肢の関節部位のアクチュエータは、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17Aに示すモータ特性を維持する。   In addition, the actuators in the joint parts of the left and right lower limbs have an intermediate joint characteristic, that is, the servo characteristic of the actuator / motor, as shown in FIG. The motor viscosity shown in FIG. 17A is maintained.

また、上記以外の関節部位のアクチュエータは、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17Aに示すモータ特性を維持する。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る。   In addition to the above, the actuator of the joint part other than the above has a hard joint characteristic, that is, the servo characteristic of the actuator and the motor, as shown in FIG. The motor characteristics shown in FIG. 17A are maintained. As a result, the positioning accuracy is prioritized and it is robust against disturbances such as vibration.

(C)両腕と体幹の相対角度を保持しながら体幹を起こす
左右の両腕部を持ち上げてから、上体起こしを行なう。この場合、下肢部が床面に対して閉リンク系を構成する(図45を参照のこと)。姿勢センサと自身の関節角度情報を用いて自身の姿勢を検知する。腕部を先に持ち上げておくことにより、モーメントを小さくして、必要な最大トルクを低減することができる。
(C) Raise the trunk while maintaining the relative angle between both arms and the trunk. Raise both the left and right arms, and then raise the body. In this case, the lower limbs constitute a closed link system with respect to the floor surface (see FIG. 45). It detects its posture using the posture sensor and its own joint angle information. By lifting the arm first, the moment can be reduced and the required maximum torque can be reduced.

これ以後、左右の両腕は接床へ向かうので、これらの関節部位のアクチュエータを、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17B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得易くする。   After this, both the left and right arms go to the floor, so that the actuators of these joints have soft joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator / motor, as shown in FIG. The phase advance amount in the region is increased, and the viscosity of the motor is set to one third of the maximum value of the motor characteristics shown in FIG.

また、左右の下肢の関節部位のアクチュエータは、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17Aに示すモータ特性を維持する。   In addition, the actuators in the joint parts of the left and right lower limbs have an intermediate joint characteristic, that is, the servo characteristic of the actuator / motor, as shown in FIG. The motor viscosity shown in FIG. 17A is maintained.

また、上記以外の関節部位のアクチュエータは、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17A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る。   In addition to the above, the actuator of the joint part other than the above has a hard joint characteristic, that is, the servo characteristic of the actuator and the motor, as shown in FIG. Is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17A. As a result, the positioning accuracy is prioritized and it is robust against disturbances such as vibration.

(D)両腕を後方に移動させる
肩関節を含む2以上のリンクが離床している状態で、肩関節ピッチ軸で屈曲させて、そのリンク端の端部である手先を接床させる。そして、手先を機体重心位置である体幹ピッチ軸側に徐々に近づけていくことによって、元の床上姿勢よりも狭い接地多角形を形成する。この結果、腕、体幹、腰、下肢部が床面に対して閉リンク系を構成した状態となる(図46を参照のこと)。姿勢センサと自身の関節角度情報を用いて腕先接地を確認することができる。
(D) Move both arms rearward In a state where two or more links including the shoulder joint are leaving the floor, the arm is bent along the shoulder joint pitch axis, and the hand which is the end of the link end is brought into contact with the floor. Then, by gradually approaching the hand to the trunk pitch axis side, which is the position of the center of gravity of the aircraft, a grounding polygon narrower than the original on-floor posture is formed. As a result, the arms, trunk, waist, and lower limbs form a closed link system with respect to the floor (see FIG. 46). Arm tip grounding can be confirmed using the posture sensor and its own joint angle information.

このとき、左右の肩ピッチ、肩ヨー、肘ピッチなどの起き上がり動作に関わる関節部位では、より狭い接地多角形を形成するために接床するまでの期間中、速応性とコンプライアンスが重要となるので、これら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17Aに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、支持脚は高速な応答性を持ちつつ、硬い特性時以上且つ柔らかい特性時以下のコンプライアンスを得ることで位置精度を増し、次の動作に備える。   At this time, in joints related to rising motion such as left and right shoulder pitch, shoulder yaw, elbow pitch, etc., speed response and compliance are important during the period until contact with the floor to form a narrower ground contact polygon. As shown in FIG. 13, the actuators of these joint parts have intermediate joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator and motor. As shown in FIG. The viscosity is set to the maximum value of the motor characteristic shown in FIG. 17A. As a result, the support legs have high-speed responsiveness, and obtain a compliance that is higher than the hard characteristic and lower than the soft characteristic, thereby increasing the positional accuracy and preparing for the next operation.

また、左右の下肢の各関節部位のアクチュエータは、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17Aに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、高速な応答性を持ちつつ、硬い特性時以上且つ柔らかい特性時以下のコンプライアンスを得ることで、柔らかい特性時以上且つ硬い特性時以下の位置精度を持ち、閉リンク状態の安定動作に寄与する。   Further, the actuators in the joint parts of the left and right lower limbs increase the phase advance amount in the middle and high ranges with intermediate joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator / motor, as shown in FIG. At the same time, the motor viscosity is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17A. As a result, it has high-speed response, and has compliance that is higher than hard characteristics and lower than soft characteristics, so it has position accuracy that is higher than soft characteristics and lower than hard characteristics, contributing to stable operation in a closed link state. To do.

また、上記以外の関節部位のアクチュエータは、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17Aに示すモータ特性の最大値に維持する。   Further, the actuator of the joint portion other than the above has an intermediate joint characteristic, that is, the servo characteristic of the actuator / motor, as shown in FIG. The viscosity of the motor is maintained at the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17A.

(E)右脚の膝を曲げて足底を体幹に近づける
支持多角形を十分狭くするために、脚部だけで形成できるZMP安定領域内にZMPを移動させる。腕部、体幹、腰、左下肢部が床面に対して閉リンク系を構成する(図47を参照のこと)。姿勢センサと自身の関節角度情報を用いて遊脚となることを確認することができる。
(E) Bend the knee of the right leg to bring the sole close to the trunk. In order to make the support polygon sufficiently narrow, the ZMP is moved into a ZMP stable region that can be formed only by the leg. The arm, trunk, waist, and left lower limb constitute a closed link system with respect to the floor (see FIG. 47). It can be confirmed that it becomes a swing leg using the posture sensor and its own joint angle information.

このとき、右脚は遊脚に転じる。そして、右腿ロールや右腿ピッチなどの離床動作に関わる各関節部位では、より狭い接地多角形を形成するために接床するまでの期間中、高速応答性とコンプライアンスが重要となるので、これらの関節部位のアクチュエータを、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中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17A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る。   At this time, the right leg turns into a free leg. And, at each joint part related to bed leaving movement such as right thigh roll and right thigh pitch, high speed response and compliance are important during the period until contacting the floor to form a narrower ground contact polygon. As shown in FIG. 12, the actuator of the joint portion of the joint part has a hard joint characteristic, that is, the servo characteristic of the actuator and motor. Set to the maximum value of the motor characteristics shown in 17A. As a result, the positioning accuracy is prioritized and it is robust against disturbances such as vibration.

また、右足首ロール、右足首ピッチなどは接床へ向かうので、これらの関節部位のアクチュエータを、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17B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得易くする。   Also, since the right ankle roll, right ankle pitch, etc. head to the floor, the actuators of these joint parts are soft joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator / motor are low and low gain as shown in FIG. In addition, the phase advance amount in the mid-high range is increased, and the viscosity of the motor is set to one third of the maximum value of the motor characteristics shown in FIG.

また、この段階では動作しない左脚、並びに上記以外の関節部位のアクチュエータは、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17Aに示すモータ特性の最大値に維持する。   In addition, the left leg that does not operate at this stage and the actuators of joints other than those described above have intermediate joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator and motor, as shown in FIG. And the viscosity of the motor is maintained at the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17A.

(F)右脚の膝を曲げて足底を体幹に近づける
支持多角形を十分狭くするために、脚部だけで形成できるZMP安定領域内にZMPを移動させる。腕部、体幹、腰、右下肢部が床面に対して閉リンク系を構成する(図48を参照のこと)。姿勢センサと自身の関節角度情報を用いて遊脚となることを確認することができる。
(F) Bend the knee of the right leg to bring the sole close to the trunk In order to make the support polygon sufficiently narrow, the ZMP is moved into a ZMP stable region that can be formed only by the leg. The arm, trunk, waist, and right lower limb constitute a closed link system with respect to the floor (see FIG. 48). It can be confirmed that it becomes a swing leg using the posture sensor and its own joint angle information.

このとき、右脚は支持脚に、左脚は遊脚に転じる。そして、左腿ロールや左腿ピッチなどの離床動作に関わる各関節部位では、より狭い接地多角形を形成するために接床するまでの期間中、高速応答性とコンプライアンスが重要となるので、これらの関節部位のアクチュエータを、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17A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る。   At this time, the right leg turns into a supporting leg and the left leg turns into a free leg. And in each joint part related to the floor leaving movement such as left thigh roll and left thigh pitch, high speed responsiveness and compliance are important during the period until contacting the floor to form a narrower ground contact polygon. As shown in FIG. 12, the actuator of the joint part has a high joint characteristic, that is, the servo characteristic of the actuator / motor. Set to the maximum value of the motor characteristics shown in 17A. As a result, the positioning accuracy is prioritized and it is robust against disturbances such as vibration.

また、左足首ロール、左足首ピッチなどは接床へ向かうので、これらの関節部位のアクチュエータを、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17B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得易くする。   Further, since the left ankle roll, the left ankle pitch, and the like are directed to the floor, the actuators of these joint parts have soft joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator motor are low in the low range and low gain as shown in FIG. In addition, the phase advance amount in the mid-high range is increased, and the viscosity of the motor is set to one third of the maximum value of the motor characteristics shown in FIG.

また、この段階では動作しない脚の関節部位のアクチュエータは、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17Aに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、左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。 The actuator of a joint part of the right leg that does not work at this stage, the joint characteristics of the intermediate, i.e., the amount of phase lead in and mid-high range at low gain servo characteristics of the actuator motor in the low range, as shown in FIG. 13 And the motor viscosity is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17A. As a result, the left leg can respond quickly and gain compliance. In addition, the viscosity of the motor increases.

また、上記以外の関節部位のアクチュエータは、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17Aに示すモータ特性の最大値に維持する。   Further, the actuator of the joint portion other than the above has an intermediate joint characteristic, that is, the servo characteristic of the actuator / motor, as shown in FIG. The viscosity of the motor is maintained at the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17A.

(G)両足の脚底が体幹に近づいた5点支持の状態にする
充分狭い支持多角形が形成されている姿勢であり、腕、体幹、腰、下肢部が床面に対して閉リンク系を構成する(図49を参照のこと)。姿勢センサ、自身の関節角度情報、足底の力センサ(又は接触センサ)を用いて自身の姿勢(接地状態)からこの状態を確認することができる。
(G) A five-point support with the bottom of both feet approaching the trunk is a posture in which a sufficiently narrow support polygon is formed, and the arms, trunk, waist and lower limbs are closed links to the floor Configure the system (see FIG. 49). This state can be confirmed from the posture (grounding state) using the posture sensor, own joint angle information, and the force sensor (or contact sensor) of the sole.

このとき、足首ロール軸及び足首ピッチ軸など最も狭い支持多角形を探索する動作を行なう関節部位のアクチュエータを、柔らかい関節特性から中間の関節特性に戻す。この結果、高速応答性を維持しながら、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 actuator of the joint part that performs an operation of searching for the narrowest support polygon such as the ankle roll axis and the ankle pitch axis is returned from the soft joint characteristic to the intermediate joint characteristic. As a result, compliance is obtained while maintaining high-speed response. In addition, the viscosity of the motor increases.

また、上記以外の関節部位のアクチュエータは、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17Aに示すモータ特性の最大値に維持する。   Further, the actuator of the joint portion other than the above has an intermediate joint characteristic, that is, the servo characteristic of the actuator / motor, as shown in FIG. The viscosity of the motor is maintained at the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17A.

(H)脚・体幹・肩を使い、腕と脚の4点支持の状態になって起き上がる
接地多角形の両リンク端の端部としての手先及び足底を接床した状態で体幹ピッチ軸及び股関節ピッチ軸を連結した前記重心リンクを離床し、さらに、手先及び足底の間隔を徐々に縮めていき、ZMPを足底に向かって移動させていく。腕、体幹、腰、下肢部が床面に対して閉リンク系を構成する(図50を参照のこと)。姿勢センサ、自身の関節角度情報、足底の力センサ(又は接触センサ)を用いて自身の姿勢(接地状態)からこの状態を確認することができる。
(H) Use the legs, trunk, and shoulders to get up with the arms and legs supported at 4 points. Trunk pitch with the hands and soles as the ends of both link ends of the contact polygon in contact with the floor The center-of-gravity link connecting the shaft and the hip joint pitch shaft is removed from the floor, and the distance between the hand tip and the sole is gradually shortened to move the ZMP toward the sole. The arms, trunk, waist, and lower limbs constitute a closed link system with respect to the floor (see FIG. 50). This state can be confirmed from the posture (grounding state) using the posture sensor, own joint angle information, and the force sensor (or contact sensor) of the sole.

このとき、足首ロール、足首ピッチなどの着床した関節部位では、より狭い接地多角形を形成するために、高速応答性とコンプライアンスが重要となるので、これらの関節部位のアクチュエータを、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17Bに示すモータ特性の最大値の3分の1に設定する。 At this time, in order to form narrower ground contact polygons in the jointed parts such as ankle roll and ankle pitch, high-speed response and compliance are important. , i.e., the servo characteristics of the actuator motor with a larger amount of phase lead in the mid-high range and low-gain low-pass as shown in FIG. 13, the maximum value of the motor characteristic indicating the viscosity of the motor in FIG. 17B Set to one third.

また、肩ピッチ、肩ロール、膝ピッチなどの支持多角形を狭めていく動作に関わる関節部位のアクチュエータは、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17Aに示すモータ特性の最大値に維持して、高速な応答性を持ちつつ、硬い特性時以上且つ柔らかい特性時以下のコンプライアンスを得ることで、柔らかい特性時以上且つ硬い特性時以下の位置精度を持ち、閉リンク状態の安定動作に寄与する。   Further, as shown in FIG. 13, the actuator of the joint portion related to the operation of narrowing the support polygon such as the shoulder pitch, the shoulder roll, and the knee pitch has a low intermediate joint characteristic, that is, the servo characteristic of the actuator / motor as shown in FIG. A low gain in the frequency range and a large phase advance amount in the middle and high frequency range, while maintaining the motor viscosity at the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. By obtaining compliance below the hour, it has a positional accuracy that is above the soft characteristic and below the hard characteristic, and contributes to stable operation in the closed link state.

また、上記以外の関節部位のアクチュエータは、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17A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る。   In addition to the above, the actuator of the joint part other than the above has a hard joint characteristic, that is, the servo characteristic of the actuator and the motor, as shown in FIG. Is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17A. As a result, the positioning accuracy is prioritized and it is robust against disturbances such as vibration.

(I)腕を離床させ、脚で2点支持の状態にする
足底で構成される接地多角形内にZMPが突入したことに応答して、ZMPを該接地多角形内に収容したまま、肩ピッチ軸4から膝ピッチ軸14に至までのリンクを離床して、離床リンクを長さ方向に伸展する。この場合、腰、下肢部が床面に対して閉リンク系を構成する(図51を参照のこと)。姿勢センサ、自身の関節角度情報、足底の力センサ(又は接触センサ)を用いて自身の姿勢(接地状態)からこの状態を確認することができる。
(I) The arm is removed from the floor, and the leg is supported at two points. In response to the ZMP entering the grounding polygon formed by the sole, the ZMP is accommodated in the grounding polygon. The link from the shoulder pitch axis 4 to the knee pitch axis 14 is removed from the floor, and the release link is extended in the length direction. In this case, the waist and lower limbs constitute a closed link system with respect to the floor (see FIG. 51). This state can be confirmed from the posture (grounding state) using the posture sensor, own joint angle information, and the force sensor (or contact sensor) of the sole.

このとき、伸展動作と2点支持状態での姿勢安定制御を強化するために、足首ロール、足首ピッチの各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17Aに示すモータ特性の最大値に設定し、高速な応答性を持ちつつ、硬い特性時以上且つ柔らかい特性時以下のコンプライアンスを得ることで位置精度を増し、次の動作に備える。   At this time, in order to reinforce the posture stability control in the extension operation and the two-point support state, the actuators of the joint parts of the ankle roll and the ankle pitch are shown as intermediate joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator / motor. As shown in Fig. 17A, the gain is low, the gain is high, and the phase advance amount in the middle and high ranges is increased, and the motor viscosity is set to the maximum value of the motor characteristics shown in Fig. 17A. By obtaining compliance above the time and below the soft characteristics, the positional accuracy is increased and prepared for the next operation.

また、肩ピッチ、肩ロール、肘ピッチなど左右の腕部の各関節部位のアクチュエータは、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17A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る。   Further, the actuators of the left and right arm parts such as shoulder pitch, shoulder roll, and elbow pitch have hard joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator / motor with high gain in the entire band as shown in FIG. The phase advance amount in the high range is reduced, and the viscosity of the motor is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17A. As a result, the positioning accuracy is prioritized and it is robust against disturbances such as vibration.

また、上記以外の関節部位のアクチュエータは、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17Aに示すモータ特性の最大値に維持する。   In addition to the above, the actuator of the joint part other than the above has a hard joint characteristic, that is, the servo characteristic of the actuator and the motor, as shown in FIG. Is maintained at the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17A.

(J)基本姿勢に移行する
基本的な立ち姿勢で姿勢制御されている状態であり、腰、下肢部が床面に対して閉リンク系を構成する(図52を参照のこと)。
(J) Transition to the basic posture The posture is controlled in a basic standing posture, and the waist and lower limbs constitute a closed link system with respect to the floor (see FIG. 52).

このとき、足首ロール、足首ピッチの各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17Aに示すモータ特性の最大値に維持し、高速な応答性を持ちつつ、硬い特性時以上且つ柔らかい特性時以下のコンプライアンスを得ることで、柔らかい特性時以上且つ硬い特性時以下の位置精度を持ち、閉リンク状態の安定動作に寄与する。   At this time, the actuator of each joint part of the ankle roll and the ankle pitch is set to the intermediate joint characteristic, that is, the servo characteristic of the actuator / motor, as shown in FIG. The motor viscosity is maintained at the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17A, and the compliance is higher than when hard characteristics and less than soft characteristics while having high-speed response. In addition, it has position accuracy below that of hard characteristics, and contributes to stable operation in a closed link state.

また、肩ピッチ、肩ロール、肘ピッチなど左右の腕部の各関節部位のアクチュエータは、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17Aに示すモータ特性の最大値に維持し、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。   Further, the actuators of the left and right arm parts such as shoulder pitch, shoulder roll, and elbow pitch have hard joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator / motor with high gain in the entire band as shown in FIG. The phase advance amount in the high region is reduced, the motor viscosity is maintained at the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17A, and positioning accuracy is prioritized to make it robust against disturbances such as vibration.

また、上記以外の関節部位のアクチュエータは、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17Aに示すモータ特性の最大値に維持する。   In addition to the above, the actuator of the joint part other than the above has a hard joint characteristic, that is, the servo characteristic of the actuator and the motor, as shown in FIG. Is maintained at the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17A.

以上説明してきたように、機体が仰向け姿勢から起き上がり動作を行なう際、アクチュエータの特性を図12に示すように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ように設定することで、高精度な位置決めが可能となる。したがって、(A)〜(J)の全般で、動作制御の精度が向上するので、支持多角形の大きさの精度を確保することができる。   As described above, when the aircraft rises from the supine posture, the actuator characteristics are set to increase the low-frequency gain, decrease the phase advance amount, and increase the joint viscous resistance as shown in FIG. By doing so, highly accurate positioning becomes possible. Therefore, since the accuracy of operation control is improved in all of (A) to (J), the accuracy of the size of the support polygon can be ensured.

また、アクチュエータの特性を図13に示すように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ように設定することで、該当する関節部位に機械的受動性(コンプライアンス)と高速応答性を与えることができる。したがって、(B)〜(D)、(E)〜(G)、(H)〜(I)の状態遷移のときに、腕や脚の動作や着床動作が円滑になるとともにエネルギ消費を少なくすることができる。   Further, the actuator characteristics are set so that the low-frequency gain is small, the phase advance amount is large, and the viscous resistance of the joint is small as shown in FIG. And can give high speed responsiveness. Therefore, during the state transition of (B) to (D), (E) to (G), and (H) to (I), the movement of the arms and legs and the landing operation are smoothed and the energy consumption is reduced. can do.

F−2.基本うつ伏せ姿勢からの起き上がりオペレーション
図53には、本実施形態に係る脚式移動ロボット100が肩関節ピッチ軸4、体幹ピッチ軸9、股関節ピッチ軸12、膝関節ピッチ軸14を同期強調的に駆動させて起き上がり動作を行なう様子を、関節リンク・モデルで示している。
F-2. 53. Operation to get up from the basic prone posture In FIG. 53, the legged mobile robot 100 according to the present embodiment synchronously emphasizes the shoulder joint pitch axis 4, the trunk pitch axis 9, the hip joint pitch axis 12, and the knee joint pitch axis 14. The joint link model shows how to drive and get up.

本実施形態に係る脚式移動ロボット100は、基本的には、仰向け姿勢から起き上がる場合と同様に、図40にフローチャートの形式で示した処理手順に従って、うつ伏せ姿勢からも起き上がることができる。以下、図40に示したフローチャートを参照しながら、基本うつ伏せ姿勢からの機体の起き上がりオペレーションについて説明する。   The legged mobile robot 100 according to the present embodiment can basically get up from the prone posture according to the processing procedure shown in the form of a flowchart in FIG. Hereinafter, with reference to the flowchart shown in FIG. 40, the operation for raising the aircraft from the basic prone posture will be described.

まず、床上姿勢において、位置エネルギの最も小さい姿勢をとる(ステップS51)。これは、基本うつ伏せ姿勢に相当し、図53(1)及び図54(A)に示すように、起き上がり動作に使用する肩関節ピッチ軸4、体幹ピッチ軸9、股関節ピッチ軸12、膝関節ピッチ軸14をそれぞれ連結するリンクはすべて接床している。   First, a posture with the lowest potential energy is taken in the posture on the floor (step S51). This corresponds to the basic prone posture, and as shown in FIGS. 53 (1) and 54 (A), the shoulder joint pitch axis 4, the trunk pitch axis 9, the hip joint pitch axis 12, and the knee joint used for the rising motion. All the links connecting the pitch shafts 14 are in contact with each other.

この基本うつ伏せ姿勢において、接床リンクが形成する接地多角形内で、最も狭い支持多角形を探索する(ステップS52)。このとき、機体の一端側から少なくとも2以上のリンクを離床させたときの、ZMPが計画可能かどうかを判定する。ZMPの計画可能性は、リンク構造体の可動角、リンクを接続する各関節アクチュエータのトルク、関節力、角速度、角加速度などを考慮して判断することができる。   In this basic prone posture, the narrowest support polygon is searched for within the ground contact polygon formed by the floor contact link (step S52). At this time, it is determined whether or not ZMP can be planned when at least two or more links are removed from one end of the aircraft. The planability of ZMP can be determined in consideration of the movable angle of the link structure, the torque of each joint actuator connecting the links, the joint force, the angular velocity, the angular acceleration, and the like.

次いで、接地多角形のうち、最も狭い支持多角形に関与しない2以上のリンクを離床する(ステップS53)。ステップS53は、図53(2)に相当する。実機上では、体幹関節と股関節を連結する重心リンクを含む下半身側が支持多角形として抽出され、それ以外の肩関節から体幹関節に至る2以上のリンクを支持多角形に関与しないリンクとして離床する。まず、左右の両腕部の肩ロール軸アクチュエータA5を作動させて、床面に摺って肩ロール軸回りに略90度だけ旋回させ、次いで、上腕ヨー軸アクチュエータA6を作動させて、各腕部を上腕ヨー軸回りに略180度だけ回転させる。そして、図54(B)に示すようにさらに肩ロール軸アクチュエータA5を作動させて、摺って肩ロール軸回りに略90度だけ旋回させて、図54(C)に示すように左右の腕部を頭部の側面まで移動する。 Next, two or more links that are not involved in the narrowest support polygon among the grounded polygons are removed from the floor (step S53). Step S53 corresponds to FIG. 53 (2). On the actual machine, the lower body side including the center-of-gravity link connecting the trunk joint and the hip joint is extracted as a support polygon, and two or more links from the other shoulder joints to the trunk joint are left as links that do not participate in the support polygon. To do. First, the shoulder roll axis actuator A 5 of both the left and right arms is operated, slid on the floor surface and rotated about 90 degrees around the shoulder roll axis, and then the upper arm yaw axis actuator A 6 is operated, Each arm is rotated about 180 degrees around the upper arm yaw axis. Then, as shown in FIG. 54 (B), the shoulder roll shaft actuator A 5 is further operated and slid and rotated about 90 degrees around the shoulder roll shaft, and as shown in FIG. Move the arm to the side of the head.

次いで、一端側から1以上の離床リンクを屈曲させてリンク端の端部を着床させて、より狭い接地多角形を形成する(ステップS54)。ステップS54は、図53(3)並びに図54(D)に相当する。   Next, one or more floor links are bent from one end side to land the end of the link end to form a narrower grounding polygon (step S54). Step S54 corresponds to FIG. 53 (3) and FIG. 54 (D).

そして、新しい接地多角形を形成すると、接地多角形にZMPを設定することができるかどうかをチェックする(ステップS55)。これは、リンク構造体の可動角、リンクを接続する各関節アクチュエータのトルク、関節力、角速度、角加速度などを考慮して判断する。そして、ZMPを接地多角形に移動して、新たな支持多角形を形成する(ステップS56)。実機上では、図54(D)に示すように、肘ピッチ軸7を固定させて、左右の腕部を真直ぐ伸ばしたままの状態で、今度は肩ピッチ軸アクチュエータA4、体幹ピッチ軸アクチュエータA9、股関節ピッチ軸A12、並びに膝関節ピッチ軸アクチュエータA14を作動させて、手先と左右の両膝が接地した閉リンク姿勢からなる支持多角形を形成する。 When a new ground polygon is formed, it is checked whether ZMP can be set for the ground polygon (step S55). This is determined in consideration of the movable angle of the link structure, the torque of each joint actuator connecting the links, the joint force, the angular velocity, the angular acceleration, and the like. Then, the ZMP is moved to the ground polygon and a new support polygon is formed (step S56). On the actual machine, as shown in FIG. 54 (D), the elbow pitch shaft 7 is fixed and the left and right arms are stretched straight, and now the shoulder pitch axis actuator A 4 , the trunk pitch axis actuator A 9 , hip joint pitch axis A 12 , and knee joint pitch axis actuator A 14 are actuated to form a support polygon having a closed link posture in which the hand and the left and right knees are grounded.

まだ支持多角形が充分狭いとは言えない場合には、着床点を移動して支持多角形を小さくする(ステップS60)。実機上では、図54(E)に示すように、左右の腕部をまっすぐに保ったまま、手先を他方の着床点である足底側に徐々に近づけていくことによって、より狭い支持多角形を形成していく。   If it cannot be said that the supporting polygon is sufficiently narrow, the landing point is moved to reduce the supporting polygon (step S60). On the actual machine, as shown in FIG. 54 (E), the left and right arms are kept straight and the hand is gradually brought closer to the sole side, which is the other landing point, so that a narrower support is provided. Form a square.

ここで、支持多角形が充分狭くなったか否かを判断する(ステップS57)。この判断は、体幹ピッチ軸と股関節ピッチ軸を連結する重心リンクを離床可能であるか、若しくは、足部だけで形成できるZMP安定領域内にZMPを移動させることができるかどうかを、リンク構造体の可動角、リンクを接続する各関節アクチュエータのトルク、関節力、角速度、角加速度などを考慮して判断する。   Here, it is determined whether or not the support polygon is sufficiently narrow (step S57). This determination is based on whether the center of gravity link that connects the trunk pitch axis and the hip joint pitch axis can be removed from the floor, or whether the ZMP can be moved within the ZMP stable region that can be formed only by the foot. Judgment is made in consideration of the movable angle of the body, the torque, joint force, angular velocity, angular acceleration, etc. of each joint actuator connecting the links.

そして、機体の支持多角形が充分に狭くなったことに応答して両リンク端の着床リンクによって形成される支持多角形内にZMPを維持しながら、支持多角形を形成する両リンク端の端部の間隔を縮めて、ZMPを前記リンク構造体の他端側に移動させていく(ステップS58)。これは、図53(6)〜(7)に相当する。実機上では、図54(D)〜(E)に示すように、接地多角形の両リンク端の端部としての手先及び足底を接床した状態で、さらに手先及び足底の間隔を徐々に縮めていき、ZMPを足底に向かって移動させていく。   Then, in response to the support polygon of the fuselage becoming sufficiently narrow, while maintaining the ZMP in the support polygon formed by the landing links at both link ends, The interval between the end portions is reduced, and the ZMP is moved to the other end side of the link structure (step S58). This corresponds to FIGS. 53 (6) to (7). On the actual machine, as shown in FIGS. 54 (D) to (E), the distance between the hand and the foot is gradually increased with the hand and the foot as the ends of the link ends of the ground contact polygon in contact with the floor. The ZMP is moved toward the sole.

そして、前記リンク構造体の他端から第2の所定数以下の接床リンクのみで形成される接地多角形内にZMPが突入したことに応答して、ZMPを該接地多角形内に収容したまま前記リンク構造体の一端側から第1の所定数以上のリンクを離床して、該離床リンクを長さ方向に伸展することによって、起き上がり動作を完結させる(ステップS59)。これは、図53(8)に相当する。   Then, in response to the ZMP having entered the ground polygon formed by only the second predetermined number of floor-contact links or less from the other end of the link structure, the ZMP is accommodated in the ground polygon. The rising operation is completed by leaving the first predetermined number of links or more from the one end side of the link structure and extending the leaving link in the length direction (step S59). This corresponds to FIG. 53 (8).

実機上では、図54(E)〜(F)に示すように、足底で構成される接地多角形内にZMPが突入したことに応答して、ZMPを該接地多角形内に収容したまま、肩ピッチ軸4から膝ピッチ軸14に至までのリンクを離床して、離床リンクを長さ方向に伸展することによって、起き上がり動作を完結させる。   On the actual machine, as shown in FIGS. 54 (E) to (F), in response to the ZMP having entered the grounding polygon formed by the sole, the ZMP remains accommodated in the grounding polygon. By lifting the link from the shoulder pitch axis 4 to the knee pitch axis 14 and extending the floor link in the length direction, the rising motion is completed.

起き上がりの最終段階である、離床リンクを長さ方向に伸展する際には、質量操作量のより大きな膝関節ピッチ軸を積極的に使用して動作することが、機体動作上の効率がよい。   When extending the bed leaving link in the length direction, which is the final stage of getting up, it is efficient in operating the aircraft to operate using the knee joint pitch axis having a larger mass operation amount.

以下では、仰向けの床上姿勢からの起き上がり動作を、A〜Gの7段階に分けて、図55〜図61を参照しながら説明する。   Hereinafter, the rising operation from the supine floor posture will be described in seven stages A to G with reference to FIGS. 55 to 61.

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、うつ伏せ姿勢からの起き上がり動作の途上では、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。そして、起き上がりの段階毎に、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、適応的な起き上がり動作を実現する。   The body of a legged mobile robot is composed of a multi-link structure in which multiple joint axes with approximately parallel joint degrees of freedom are connected in the length direction, but this multi-link is in the process of getting up from a prone posture. The link state between the landing site of the structure and the floor surface switches between the open link state and the closed link state. And at every stage of rising, the actuator for driving each joint according to the switching of the link state is switched appropriately to hard joint characteristics, soft joint characteristics, and intermediate joint characteristics, so that adaptive rising operation Is realized.

(A)うつ伏せの基本姿勢
姿勢制御されている状態であり、下肢、腰、体幹部が床面に対して閉リンク系を構成している(図55を参照のこと)。
(A) Basic posture of prone position This is a state in which the posture is controlled, and the lower limbs, the waist, and the trunk constitute a closed link system with respect to the floor (see FIG. 55).

脚式移動ロボットは、ZMP支持多角形が最小となるような動作パターンにより仰向け姿勢からの起き上がり動作を行なうが、図53を参照しながら説明したように、左右の腕を接床させながら最小となるZMP支持多角形を探索する。このため、起き上がり動作に備えて、左右の肩ピッチ、肩ロール、肘ピッチなどの腕部の駆動に関連する関節部位のアクチュエータを硬い関節特性、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17A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る。   The legged mobile robot performs a rising motion from a supine posture with an operation pattern that minimizes the ZMP support polygon. However, as described with reference to FIG. Search for a ZMP support polygon. Therefore, FIG. 12 shows hard joint characteristics, that is, servo characteristics of the actuator and motor, for the actuator of the joint portion related to driving of the arm portion such as the left and right shoulder pitches, shoulder rolls, and elbow pitches in preparation for the rising motion. As described above, the gain is high in the entire band and the phase advance amount in the high band is reduced, and the viscosity of the motor is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17A. As a result, the positioning accuracy is prioritized and it is robust against disturbances such as vibration.

また、左右の下肢の関節部位のアクチュエータは、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17Aに示すモータ特性の最大値に設定する。この結果、高速な応答性を持ちつつ、硬い特性時以上且つ柔らかい特性時以下のコンプライアンスを得ることで、柔らかい特性時以上且つ硬い特性時以下の位置精度を持ち、閉リンク状態の安定動作に寄与する。   In addition, the actuators in the joint parts of the left and right lower limbs have an intermediate joint characteristic, that is, the servo characteristic of the actuator / motor, as shown in FIG. The viscosity of the motor is set to the maximum value of the motor characteristic shown in FIG. 17A. As a result, it has high-speed response, and has compliance that is higher than hard characteristics and lower than soft characteristics, so it has position accuracy that is higher than soft characteristics and lower than hard characteristics, contributing to stable operation in a closed link state. To do.

また、体幹ロールや体幹ピッチ、上記以外の関節部位のアクチュエータは、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17A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る。   In addition, trunk rolls, trunk pitches, and actuators of joint parts other than those described above have hard joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator and motor, as shown in FIG. While the advance amount is reduced, the viscosity of the motor is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17A. As a result, the positioning accuracy is prioritized and it is robust against disturbances such as vibration.

(B)両腕を頭上方向に向けて横側から動かす
体幹関節と股関節を連結する重心リンクを含む下半身側が支持多角形として抽出され、それ以外の肩関節から体幹関節に至る2以上のリンクを支持多角形に関与しないリンクとして離床する。そして、肩ロール軸アクチュエータA5を作動させて、摺って肩ロール軸回りに略90度だけ旋回させて、各腕部を頭部の側面まで移動する。この場合、下肢、腰、体幹部が床面に対して閉リンク系を構成している(図56を参照のこと)。但し、両腕は接地していない。
(B) Move both arms from the side facing the overhead direction The lower body side including the center-of-gravity link connecting the trunk joint and the hip joint is extracted as a support polygon, and two or more from the other shoulder joints to the trunk joint Leave the link as a link that does not participate in the support polygon. Then, by operating the shoulder roll axis actuator A 5, swirled by approximately 90 degrees to the shoulder roll axis and grinded, to move the arms to the side of the head. In this case, the lower limbs, waist, and trunk constitute a closed link system with respect to the floor surface (see FIG. 56). However, both arms are not grounded.

このとき、肩ヨー軸、肩ロール軸、肩ピッチ軸など離床・旋回動作に関わる関節部位では、より狭い接地多角形を形成するために接床するまでの期間中、位置決め精度が重要となるので、これらの関節部位のアクチュエータを、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17Aに示すモータ特性の最大値に設定する。   At this time, positioning accuracy becomes important during the period until contact with the floor in order to form a narrower grounding polygon at joints related to getting off and turning, such as the shoulder yaw axis, shoulder roll axis, and shoulder pitch axis. As shown in FIG. 12, the actuators of these joint parts have a hard joint characteristic, that is, the servo characteristic of the actuator / motor, as shown in FIG. Is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17A.

また、左右の下肢の関節部位のアクチュエータは、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17Aに示すモータ特性を維持する。   In addition, the actuators in the joint parts of the left and right lower limbs have an intermediate joint characteristic, that is, the servo characteristic of the actuator / motor, as shown in FIG. The motor viscosity shown in FIG. 17A is maintained.

また、体幹ロールや体幹ピッチ、上記以外の関節部位のアクチュエータは、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17Aに示すモータ特性を維持する。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る。   In addition, trunk rolls, trunk pitches, and actuators of joint parts other than those described above have hard joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator and motor, as shown in FIG. While the advance amount is reduced, the motor viscosity shown in FIG. 17A is maintained. As a result, the positioning accuracy is prioritized and it is robust against disturbances such as vibration.

(C)両腕を頭上方向に上げる
左右の両腕部を頭部の側面まで移動する。大腿、腰、体幹、上肢部が床面に対して閉リンク系を構成する(図57を参照のこと)。姿勢センサと自身の関節角度情報を用いて自身の姿勢(接地状態)からこの状態を確認することができる。
(C) Raise both arms upwards Move both left and right arms to the side of the head. The thigh, waist, trunk, and upper limb constitute a closed link system with respect to the floor (see FIG. 57). This state can be confirmed from the posture (grounding state) using the posture sensor and own joint angle information.

このとき、左右の両脚は遊脚に転じる。そして、足首ロール、足首ピッチなどの関節部位では、より狭い接地多角形を形成するために、高速応答性とコンプライアンスが重要となるので、これらの関節部位のアクチュエータを、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17Bに示すモータ特性の最大値の3分の1に設定する。   At this time, both the left and right legs turn into swing legs. And in joint parts such as ankle roll and ankle pitch, high-speed response and compliance are important in order to form narrower ground contact polygons. Therefore, the actuators of these joint parts have soft joint characteristics, that is, actuators. As shown in FIG. 13, the servo characteristic of the motor is low, the gain is low, and the phase advance amount is increased in the middle and high ranges, and the motor viscosity is reduced to one third of the maximum value of the motor characteristic shown in FIG. 17B. Set.

また、左右の肩ピッチ、肩ロール、肩ヨー、腿ロール、腿ピッチ、膝ピッチなどの支持多角形を狭めていく動作に関わる関節部位のアクチュエータは、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17Aに示すモータ特性の最大値に維持して、高速な応答性とコンプライアンスを得て、次の動作に備える。   In addition, the actuator of the joint part related to the operation of narrowing the support polygon such as the left and right shoulder pitch, shoulder roll, shoulder yaw, thigh roll, thigh pitch, knee pitch, etc. has intermediate joint characteristics, that is, the actuator motor As shown in FIG. 13, the servo characteristic is low in the low range and low in gain, and the phase advance amount in the middle and high range is increased, and the motor viscosity is maintained at the maximum value of the motor characteristic shown in FIG. Get compliance and prepare for the next action.

また、体幹ロールや体幹ピッチ、上記以外の関節部位のアクチュエータは、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17Aに示すモータ特性を維持する。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る。   In addition, trunk rolls, trunk pitches, and actuators of joint parts other than those described above have hard joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator and motor, as shown in FIG. While the advance amount is reduced, the motor viscosity shown in FIG. 17A is maintained. As a result, the positioning accuracy is prioritized and it is robust against disturbances such as vibration.

(D)両腕を使って4点支持の状態にし、ZMPを足の接地面に近づける
肘ピッチ軸7を固定させて、左右の腕部を真直ぐ伸ばしたままの状態で、今度は肩ピッチ軸アクチュエータA4、体幹ピッチ軸アクチュエータA9、股関節ピッチ軸A12、並びに膝関節ピッチ軸アクチュエータA14を作動させて、手先と左右の両膝が接地した閉リンク姿勢からなるより狭い接地多角形を形成する。下肢、腰、体幹、上肢部が床面に対して閉リンク系を構成する(図58を参照のこと)。姿勢センサ、自身の関節角度情報、足底の力センサ(又は接触センサ)を用いて、自身の姿勢(接地状態)からこの状態を確認することができる。
(D) Use both arms to support 4 points and bring the ZMP close to the ground contact surface of the foot. Fix the elbow pitch axis 7 and keep the left and right arms straight, this time the shoulder pitch axis. Actuator A 4 , trunk pitch axis actuator A 9 , hip joint pitch axis A 12 , and knee joint pitch axis actuator A 14 are actuated to form a narrower grounding polygon having a closed link posture in which the hand and the left and right knees are grounded. Form. The lower limbs, waist, trunk, and upper limbs constitute a closed link system with respect to the floor (see FIG. 58). This state can be confirmed from the posture (grounding state) using the posture sensor, own joint angle information, and the force sensor (or contact sensor) of the sole.

このとき、体幹ロールや体幹ピッチ、左右の肩ピッチ、肩ロール、肩ヨー、腿ロール、腿ピッチ、膝ピッチなど最も狭い支持多角形を探索する動作を行なう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17Aに示すモータ特性の最大値に維持して、高速な応答性を持ちつつ、硬い特性時以上且つ柔らかい特性時以下のコンプライアンスを得ることで、柔らかい特性時以上且つ硬い特性時以下の位置精度を持ち、閉リンク状態の安定動作に寄与する。   At this time, the joint part actuator that performs the operation of searching for the narrowest support polygon such as the trunk roll, trunk pitch, left and right shoulder pitch, shoulder roll, shoulder yaw, thigh roll, thigh pitch, knee pitch, As shown in FIG. 13, the joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator and the motor are increased in the low range, the low gain and the phase advance amount in the mid-high range, and the motor viscosity is the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. Maintaining high-speed response and obtaining compliance above the hard characteristics and below the soft characteristics, the position accuracy is above the soft characteristics and below the hard characteristics, and stable operation in the closed link state Contribute to.

また、上記以外の関節部位のアクチュエータは、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17Aに示すモータ特性を維持する。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る。   In addition to the above, the actuator of the joint part other than the above has a hard joint characteristic, that is, the servo characteristic of the actuator and the motor, as shown in FIG. The motor characteristics shown in FIG. 17A are maintained. As a result, the positioning accuracy is prioritized and it is robust against disturbances such as vibration.

(E)ZMPが足の接地面で構成される支持多角形内に入るように姿勢制御する
右の腕部をまっすぐに保ったまま、手先を他方の着床点である足底側に徐々に近づけていくことによって、より狭い支持多角形を形成し、足部だけで形成できるZMP安定領域内にZMPを移動させることができるようにする。下肢、腰、体幹、上肢部が床面に対して閉リンク系を構成する(図59を参照のこと)。
(E) The posture is controlled so that the ZMP falls within the support polygon formed by the ground contact surface of the foot. While keeping the right arm straight, the hand gradually moves toward the sole, which is the other landing point. By approaching, a narrower support polygon is formed, and the ZMP can be moved into a ZMP stable region that can be formed only by the foot. The lower limbs, waist, trunk, and upper limbs constitute a closed link system with respect to the floor surface (see FIG. 59).

このとき、体幹ロールや体幹ピッチ、左右の肩ピッチ、肩ロール、肩ヨー、腿ロール、腿ピッチ、膝ピッチなど最も狭い支持多角形を探索する動作を行なう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17Aに示すモータ特性の最大値に維持して、高速な応答性を持ちつつ、硬い特性時以上且つ柔らかい特性時以下のコンプライアンスを得ることで、柔らかい特性時以上且つ硬い特性時以下の位置精度を持ち、閉リンク状態の安定動作に寄与する。   At this time, the joint part actuator that performs the operation of searching for the narrowest support polygon such as the trunk roll, trunk pitch, left and right shoulder pitch, shoulder roll, shoulder yaw, thigh roll, thigh pitch, knee pitch, As shown in FIG. 13, the joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator and the motor are increased in the low range, the low gain and the phase advance amount in the mid-high range, and the motor viscosity is the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. Maintaining high-speed response and obtaining compliance above the hard characteristics and below the soft characteristics, the position accuracy is above the soft characteristics and below the hard characteristics, and stable operation in the closed link state Contribute to.

また、上記以外の関節部位のアクチュエータは、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17Aに示すモータ特性を維持する。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る。   In addition to the above, the actuator of the joint part other than the above has a hard joint characteristic, that is, the servo characteristic of the actuator and the motor, as shown in FIG. The motor characteristics shown in FIG. 17A are maintained. As a result, the positioning accuracy is prioritized and it is robust against disturbances such as vibration.

(F)両腕を離床し2点支持の状態にする
接地多角形の両リンク端の端部としての手先及び足底を接床した状態で、さらに手先及び足底の間隔を徐々に縮めていき、ZMPを足底に向かって移動させていく。そして、足底で構成される接地多角形内にZMPが突入したことに応答して、ZMPを該接地多角形内に収容したまま、肩ピッチ軸4から膝ピッチ軸14に至までのリンクを離床して、離床リンクを長さ方向に伸展することによって、起き上がり動作を完結させる。左右の下肢が床面に対して閉リンク系を構成する(図60を参照のこと)。姿勢センサ、自身の関節角度情報、足底の力センサ(又は接触センサ)を用いて自身の姿勢(接地状態)からこの状態を確認することができる。
(F) Leave both arms to support two points. With the hands and soles as the ends of the link ends of the contact polygon in contact with the floor, gradually reduce the distance between the hands and the soles. Then, move the ZMP toward the sole. Then, in response to the ZMP entering the ground contact polygon formed by the sole, the link from the shoulder pitch axis 4 to the knee pitch axis 14 is maintained while the ZMP is accommodated in the ground contact polygon. Get up and complete the get-up action by leaving the bed and extending the bed link in the length direction. The left and right legs constitute a closed link system with respect to the floor (see FIG. 60). This state can be confirmed from the posture (grounding state) using the posture sensor, own joint angle information, and the force sensor (or contact sensor) of the sole.

このとき、左右の足首ロール、足首ピッチでは、基体を起こしていく動作に倣わせるために、高速応答性とコンプライアンスが重要となるので、こ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17Aに示すモータ特性の最大値にする。この結果、左右の足首は、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, in the right and left ankle rolls and ankle pitches, high speed response and compliance are important in order to follow the motion of raising the base body. As shown in FIG. 13, the servo characteristics of the actuator and motor are low, the gain is low, the phase advance amount is high, and the motor viscosity is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17A. As a result, the left and right ankles can respond quickly and obtain compliance. In addition, the viscosity of the motor increases.

また、左右の肩ピッチ、肩ロール、肘ピッチなどの腕部の駆動に関連する関節部位のアクチュエータを硬い関節特性、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17A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る。   Also, the actuators of the joint parts related to the arm drive such as the left and right shoulder pitches, shoulder rolls, elbow pitches, etc. have high joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator motor are high in all bands as shown in FIG. The gain and the phase advance amount in the high band are reduced, and the motor viscosity is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17A. As a result, the positioning accuracy is prioritized and it is robust against disturbances such as vibration.

また、左右の下肢の関節部位のアクチュエータは、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17Aに示すモータ特性の最大値に維持する。   In addition, the actuators in the joint parts of the left and right lower limbs have an intermediate joint characteristic, that is, the servo characteristic of the actuator / motor, as shown in FIG. The motor viscosity is maintained at the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17A.

また、体幹ロールや体幹ピッチ、上記以外の関節部位のアクチュエータは、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17A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る。   In addition, trunk rolls, trunk pitches, and actuators of joint parts other than those described above have hard joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator and motor, as shown in FIG. While the advance amount is reduced, the viscosity of the motor is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG. 17A. As a result, the positioning accuracy is prioritized and it is robust against disturbances such as vibration.

(G)基本姿勢に移行する
基本的な立ち姿勢で姿勢制御されている状態であり、左右の下肢が床面に対して閉リンク系を構成する(図61を参照のこと)。姿勢センサ、自身の関節角度情報、足底の力センサ(又は接触センサ)を用いて自身の姿勢(接地状態)からこの状態を確認することができる。
(G) Transition to the basic posture The posture is controlled in a basic standing posture, and the left and right lower limbs form a closed link system with respect to the floor surface (see FIG. 61). This state can be confirmed from the posture (grounding state) using the posture sensor, own joint angle information, and the force sensor (or contact sensor) of the sole.

このとき、肩ヨー軸、肩ピッチ軸などの関節部位では、位置決め精度が重要となるので、これらの関節部位のアクチュエータを、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17Aに示すモータ特性の最大値に設定する。   At this time, since the positioning accuracy is important in the joint parts such as the shoulder yaw axis and the shoulder pitch axis, the hard joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator / motor are shown in FIG. As described above, the gain is high in the entire band and the phase advance amount in the high band is reduced, and the viscosity of the motor is set to the maximum value of the motor characteristics shown in FIG.

また、左右の下肢の関節部位のアクチュエータは、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17Aに示すモータ特性を維持する。   In addition, the actuators in the joint parts of the left and right lower limbs have an intermediate joint characteristic, that is, the servo characteristic of the actuator / motor, as shown in FIG. The motor viscosity shown in FIG. 17A is maintained.

また、体幹ロールや体幹ピッチ、上記以外の関節部位のアクチュエータは、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17Aに示すモータ特性を維持する。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る。   In addition, trunk rolls, trunk pitches, and actuators of joint parts other than those described above have hard joint characteristics, that is, the servo characteristics of the actuator and motor, as shown in FIG. While the advance amount is reduced, the motor viscosity shown in FIG. 17A is maintained. As a result, the positioning accuracy is prioritized and it is robust against disturbances such as vibration.

以上説明してきたように、機体がうつ伏せ姿勢から起き上がり動作を行なう際、アクチュエータの特性を図12に示すように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ように設定することで、高精度な位置決めが可能となる。したがって、(A)〜(G)の全般で、動作制御の精度が向上するので、支持多角形の大きさの精度を確保することができる。   As described above, when the aircraft rises from the prone posture, the actuator characteristics are set so that the low gain is increased, the phase advance amount is decreased, and the joint viscous resistance is increased as shown in FIG. By doing so, highly accurate positioning becomes possible. Therefore, since the accuracy of the operation control is improved in all of (A) to (G), the accuracy of the size of the support polygon can be ensured.

また、アクチュエータの特性を図13に示すように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ように設定することで、該当する関節部位に機械的受動性(コンプライアンス)と高速応答性を与えることができる。したがって、(A)〜(B)、(C)〜(E)、(F)〜(G)の状態遷移のときに、腕や脚の動作や着床動作が円滑になるとともにエネルギ消費を少なくすることができる。   Further, the actuator characteristics are set so that the low-frequency gain is small, the phase advance amount is large, and the viscous resistance of the joint is small as shown in FIG. And can give high speed responsiveness. Therefore, at the time of the state transition of (A) to (B), (C) to (E), (F) to (G), the movement of the arms and legs and the landing operation are smoothed and the energy consumption is reduced. can do.

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、の図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に示したうち中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 illustrating a state in which the control of the series compensation gain is further adopted in Example C (s) -3 in which phase lead compensation is performed only in the middle and high range 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、中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。FIG. 13 is a diagram showing an example in which the open loop characteristic of the actuator position control system is set to a characteristic in which a low gain is set in a low range and a phase advance amount is increased in a 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、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. 17 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18は、脚式移動ロボットが歩行動作を行なう様子を段階毎に示した図である。FIG. 18 is a diagram illustrating a state in which the legged mobile robot performs a walking motion for each stage. 図19は、図3に示す多関節自由度構成を具備する脚式移動ロボット100の多質点近似モデルを示した図である。FIG. 19 is a diagram showing a multi-mass point approximation model of the legged mobile robot 100 having the multi-joint degree-of-freedom configuration shown in FIG. 図20は、脚式移動ロボット100において、ZMPを安定度判別規範に用いて安定歩行可能な機体運動を生成す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 generating a body motion capable of stable walking using ZMP as a stability criterion in the legged mobile robot 100. 図21は、機体の部位グループを設定した例を模式的に示した図である。FIG. 21 is a diagram schematically showing an example in which the body part group is set. 図22は、質量M7の重心位置を示した図である。FIG. 22 is a diagram showing the position of the center of gravity of the mass M 7 . 図23は、脚式移動ロボット100における脚式作業中の機体の動作制御の概略的な処理手順を示したフローチャートである。FIG. 23 is a flowchart showing a schematic processing procedure of operation control of the airframe during legged work in the legged mobile robot 100. 図24は、脚式移動ロボット100が足部の計画不能により転倒動作を行なうための処理手順を示したフローチャートである。FIG. 24 is a flowchart showing a processing procedure for the legged mobile robot 100 to perform a tipping operation when the foot cannot be planned. 図25は、脚式移動ロボット100を肩関節ピッチ軸4、体幹ピッチ軸9、股関節ピッチ軸12、膝関節ピッチ軸14などの高さ方向に連結された略平行な複数の関節軸からなるリンク構造体としてモデル化して、各関節ピッチ軸を同期強調的に駆動させて仰向け姿勢に向かって転倒していく動作を示した図である。FIG. 25 shows a legged mobile robot 100 composed of a plurality of substantially parallel joint axes connected in the height direction, such as a shoulder joint pitch axis 4, a trunk pitch axis 9, a hip joint pitch axis 12, and a knee joint pitch axis 14. It is the figure which showed the operation | movement which models as a link structure and falls down toward a supine posture by driving each joint pitch axis synchronously emphasizing. 図26は、脚式移動ロボット100が立位姿勢から仰向け姿勢に転倒していく過程を示した図である。FIG. 26 is a diagram illustrating a process in which the legged mobile robot 100 falls from a standing posture to a supine posture. 図27は、脚式移動ロボット100が立位姿勢から仰向け姿勢に転倒していく過程を示した図である。FIG. 27 is a diagram illustrating a process in which the legged mobile robot 100 falls from a standing posture to a supine posture. 図28は、脚式移動ロボット100が立位姿勢から仰向け姿勢に転倒していく過程を示した図である。FIG. 28 is a diagram illustrating a process in which the legged mobile robot 100 falls from a standing posture to a supine posture. 図29は、脚式移動ロボット100が立位姿勢から仰向け姿勢に転倒していく過程を示した図である。FIG. 29 is a diagram illustrating a process in which the legged mobile robot 100 falls from a standing posture to a supine posture. 図30は、脚式移動ロボット100が立位姿勢から仰向け姿勢に転倒していく過程を示した図である。FIG. 30 is a diagram illustrating a process in which the legged mobile robot 100 falls from a standing posture to a supine posture. 図31は、脚式移動ロボット100が立位姿勢から仰向け姿勢に転倒していく過程を示した図である。FIG. 31 is a diagram illustrating a process in which the legged mobile robot 100 falls from a standing posture to a supine posture. 図32は、脚式移動ロボット100が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. 32 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 when the legged mobile robot 100 is in a standing posture. 図33は、脚式移動ロボット100が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. 33 is a diagram illustrating a state in which an open link is configured with both legs and a floor surface by supporting a single leg when the legged mobile robot 100 is in a standing posture. 図34は、脚式移動ロボット100が肩関節ピッチ軸4、体幹ピッチ軸9、股関節ピッチ軸12、膝関節ピッチ軸14などの高さ方向に連結された略平行な複数の関節軸からなるリンク構造体としてモデル化して、各関節ピッチ軸を同期強調的に駆動させてうつ伏せ姿勢に向かって転倒していく動作を示した図である。34, the legged mobile robot 100 includes a plurality of substantially parallel joint axes connected in the height direction such as the shoulder joint pitch axis 4, the trunk pitch axis 9, the hip joint pitch axis 12, the knee joint pitch axis 14, and the like. It is the figure which showed the operation | movement which models as a link structure and falls down toward a prone posture by driving each joint pitch axis synchronously emphasizing. 図35は、脚式移動ロボット100が立位姿勢からうつ伏せ姿勢に転倒していく過程を示した図である。FIG. 35 is a diagram illustrating a process in which the legged mobile robot 100 falls from the standing posture to the prone posture. 図36は、脚式移動ロボット100が立位姿勢からうつ伏せ姿勢に転倒していく過程を示した図である。FIG. 36 is a diagram illustrating a process in which the legged mobile robot 100 falls from the standing posture to the prone posture. 図37は、脚式移動ロボット100が立位姿勢からうつ伏せ姿勢に転倒していく過程を示した図である。FIG. 37 is a diagram illustrating a process in which the legged mobile robot 100 falls from the standing posture to the prone posture. 図38は、脚式移動ロボット100が立位姿勢からうつ伏せ姿勢に転倒していく過程を示した図である。FIG. 38 is a diagram illustrating a process in which the legged mobile robot 100 falls from the standing posture to the prone posture. 図39は、脚式移動ロボット100が立位姿勢からうつ伏せ姿勢に転倒していく過程を示した図である。FIG. 39 is a diagram illustrating a process in which the legged mobile robot 100 falls from the standing posture to the prone posture. 図40は、脚式移動ロボット100が肩関節ピッチ軸4、体幹ピッチ軸9、股関節ピッチ軸12、膝関節ピッチ軸14を同期強調的に駆動させて起き上がり動作を行なうための処理手順を示したフローチャートである。FIG. 40 shows a processing procedure for the legged mobile robot 100 to get up by driving the shoulder joint pitch axis 4, the trunk pitch axis 9, the hip joint pitch axis 12, and the knee joint pitch axis 14 in a synchronously enhanced manner. It is a flowchart. 図41は、脚式移動ロボット100が肩関節ピッチ軸4、体幹ピッチ軸9、股関節ピッチ軸12、膝関節ピッチ軸14を同期強調的に駆動させて仰向け姿勢から起き上がり動作を行なう様子を、関節リンク・モデルで示した図である。FIG. 41 shows how the legged mobile robot 100 rises from a supine posture by driving the shoulder joint pitch axis 4, the trunk pitch axis 9, the hip joint pitch axis 12, and the knee joint pitch axis 14 in a synchronously enhanced manner. It is the figure shown with the joint link model. 図42は、脚式移動ロボット100が仰向け姿勢から起き上がっていく一連の動作を示した図である。FIG. 42 is a diagram showing a series of operations in which the legged mobile robot 100 gets up from the supine posture. 図43は、脚式移動ロボット100が仰向け姿勢から起き上がっていく過程を示した図である。FIG. 43 is a diagram illustrating a process in which the legged mobile robot 100 gets up from a supine posture. 図44は、脚式移動ロボット100が仰向け姿勢から起き上がっていく過程を示した図である。FIG. 44 is a diagram illustrating a process in which the legged mobile robot 100 gets up from a supine posture. 図45は、脚式移動ロボット100が仰向け姿勢から起き上がっていく過程を示した図である。FIG. 45 is a diagram illustrating a process in which the legged mobile robot 100 gets up from a supine posture. 図46は、脚式移動ロボット100が仰向け姿勢から起き上がっていく過程を示した図である。FIG. 46 is a diagram showing a process in which the legged mobile robot 100 gets up from a supine posture. 図47は、脚式移動ロボット100が仰向け姿勢から起き上がっていく過程を示した図である。FIG. 47 is a diagram showing a process in which the legged mobile robot 100 gets up from a supine posture. 図48は、脚式移動ロボット100が仰向け姿勢から起き上がっていく過程を示した図である。FIG. 48 is a diagram showing a process in which the legged mobile robot 100 gets up from a supine posture. 図49は、脚式移動ロボット100が仰向け姿勢から起き上がっていく過程を示した図である。FIG. 49 is a diagram illustrating a process in which the legged mobile robot 100 gets up from a supine posture. 図50は、脚式移動ロボット100が仰向け姿勢から起き上がっていく過程を示した図である。FIG. 50 is a diagram illustrating a process in which the legged mobile robot 100 gets up from a supine posture. 図51は、脚式移動ロボット100が仰向け姿勢から起き上がっていく過程を示した図である。FIG. 51 is a diagram illustrating a process in which the legged mobile robot 100 gets up from a supine posture. 図52は、脚式移動ロボット100が仰向け姿勢から起き上がっていく過程を示した図である。FIG. 52 is a diagram illustrating a process in which the legged mobile robot 100 gets up from a supine posture. 図53は、脚式移動ロボット100が肩関節ピッチ軸4、体幹ピッチ軸9、股関節ピッチ軸12、膝関節ピッチ軸14を同期強調的に駆動させて起き上がり動作を行なう様子を、関節リンク・モデルで示した図である。FIG. 53 shows how the legged mobile robot 100 rises by driving the shoulder joint pitch axis 4, the trunk pitch axis 9, the hip joint pitch axis 12, and the knee joint pitch axis 14 in a synchronously enhanced manner. It is the figure shown with the model. 図54は、脚式移動ロボット100がうつ伏せ姿勢から起き上がっていく様子を示した図である。FIG. 54 is a diagram showing a state where the legged mobile robot 100 gets up from a prone posture. 図55は、脚式移動ロボット100がうつ伏せ姿勢から起き上がっていく過程を示した図である。FIG. 55 is a diagram showing a process in which the legged mobile robot 100 gets up from a prone posture. 図56は、脚式移動ロボット100がうつ伏せ姿勢から起き上がっていく過程を示した図である。FIG. 56 is a diagram showing a process in which the legged mobile robot 100 gets up from the prone posture. 図57は、脚式移動ロボット100がうつ伏せ姿勢から起き上がっていく過程を示した図である。FIG. 57 is a diagram illustrating a process in which the legged mobile robot 100 gets up from a prone posture. 図58は、脚式移動ロボット100がうつ伏せ姿勢から起き上がっていく過程を示した図である。FIG. 58 is a diagram showing a process in which the legged mobile robot 100 gets up from a prone posture. 図59は、脚式移動ロボット100がうつ伏せ姿勢から起き上がっていく過程を示した図である。FIG. 59 is a diagram illustrating a process in which the legged mobile robot 100 gets up from a prone posture. 図60は、脚式移動ロボット100がうつ伏せ姿勢から起き上がっていく過程を示した図である。FIG. 60 is a diagram illustrating a process in which the legged mobile robot 100 gets up from a prone posture. 図61は、脚式移動ロボット100がうつ伏せ姿勢から起き上がっていく過程を示した図である。FIG. 61 is a diagram illustrating a process in which the legged mobile robot 100 gets up from a prone posture.

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 (25)

少なくとも胴体と可動脚を含み、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、
足部の計画が不可能となったことに応じて転倒動作を開始し、仰向け転倒時における機体動作を制御する転倒時機体動作制御手段とを備え、
前記アクチュエータ特性制御手段は、転倒動作を開始してから機体が着床するまでの段階において、少なくとも前記膝ピッチ関節を位置エネルギ制御に関わる関節に設定して、該位置エネルギ制御に関わる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 and movable legs and including a plurality of joints,
The movable leg includes at least 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;
In response to the fact that it is impossible to plan the foot part, it comprises a body motion control means at the time of the fall, which starts the fall motion, and controls the body motion at the time of the supine fall,
The actuator characteristic control means sets at least the knee pitch joint as a joint related to the position energy control and drives the joint related to the position energy control in a stage from the start of the overturning operation to the landing of the aircraft. The actuator servo controller to reduce the viscous resistance of the joint by increasing the phase advance amount in the low range and low gain and in the middle and high range, and reducing the viscous resistance of the actuator and motor,
A robot apparatus characterized by that.
前記アクチュエータ特性制御手段は、転倒動作を開始する時点において、さらに足首ピッチ関節を位置エネルギ制御に関わる関節に設定して、該位置エネルギ制御に関わる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1に記載のロボット装置。
The actuator characteristic control means further sets an ankle pitch joint as a joint related to position energy control at the time of starting the overturning operation, and lowers an actuator servo controller for driving the joint related to position energy control. In addition to increasing the phase advance amount in the middle and high range with low gain in the region, the viscous resistance of the joint is reduced by reducing the viscous resistance of the actuator motor.
The robot apparatus according to claim 1.
前記アクチュエータ特性制御手段は、機体が着床する時点において、前記可動脚のすべての関節を位置エネルギ制御に関わる関節に設定して、該位置エネルギ制御に関わる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1に記載のロボット装置。
The actuator characteristic control means sets all joints of the movable leg to joints related to position energy control at the time of landing of the airframe, and performs servo control of an actuator for driving the joints related to position energy control. Reduce the viscosity resistance of the joint by reducing the viscous resistance of the actuator and motor, while increasing the phase advance amount in the low range with low gain and medium and high range,
The robot apparatus according to claim 1.
前記胴体は1以上の関節を含み、
前記アクチュエータ特性制御手段は、前記機体が着床する時点において、前記胴体のすべての関節を位置エネルギ制御に関わる関節に設定して、該位置エネルギ制御に関わる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3に記載のロボット装置。
The torso includes one or more joints;
The actuator characteristic control means sets all joints of the fuselage as joints related to potential energy control at the time of landing of the fuselage, and performs servo control of an actuator for driving the joints related to positional energy control Reduce the viscosity resistance of the joint by reducing the viscous resistance of the actuator and motor, while increasing the phase advance amount in the low range with low gain and medium and high range,
The robot apparatus according to claim 3.
前記アクチュエータ特性制御手段は、転倒動作が完了して衝撃がなくなった段階において、前記可動脚のすべての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、
ことを特徴とする請求項1に記載のロボット装置。
The actuator characteristic control means sets a phase advance in a low range and a low gain and in a middle and high range at a stage where the overturning operation is completed and the impact is eliminated. While increasing the amount, increase the viscous resistance of the joint by increasing the viscous resistance of the actuator motor.
The robot apparatus according to claim 1.
前記ロボット装置は、首関節を介して胴体に接続される頭部をさらに備え、
前記アクチュエータ特性制御手段は、転倒動作を開始してから機体が着床するまでの段階において、前記首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関節の粘性抵抗を大きくする、
ことを特徴とする請求項1に記載のロボット装置。
The robot apparatus further includes a head connected to the trunk via a neck joint,
In the stage from the start of the overturning operation to the landing of the airframe, the actuator characteristic control means sets the actuator servo controller for driving the neck joint with a high gain in all bands and a phase advance in the high band. Increase the viscous resistance of the joint by reducing the amount and increasing the viscous resistance of the actuator and motor,
The robot apparatus according to claim 1.
少なくとも胴体と腕と可動脚を含み、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、前記腕は肘関節を含み、
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、
足部の計画が不可能となったことに応じて転倒動作を開始し、前記腕を着くうつ伏せ転倒時における機体動作を制御する転倒時機体動作制御手段とを備え、
前記アクチュエータ特性制御手段は、転倒動作を開始してから機体が着床するまでの段階において、前記肘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 a movable leg and including a plurality of joints,
The movable leg includes at least a knee pitch and an ankle pitch joint, and the arm includes 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;
In response to the fact that it is impossible to plan the foot part, it comprises a body motion control means at the time of falling, which controls the body motion at the time of lying down prone to wear the arm,
In the stage from the start of the overturning operation to the landing of the aircraft, the actuator characteristic control means sets the servo controller of the actuator for driving the elbow joint in a low range with a low gain and a phase advance in the mid-high range. Decrease the viscous resistance of the joint by increasing the amount and decreasing the viscous resistance of the actuator / motor,
A robot apparatus characterized by that.
前記アクチュエータ特性制御手段は、転倒動作を開始する時点において、前記膝ピッチ関節及び前記足首ピッチ関節を位置エネルギ制御に関わる関節に設定して、該位置エネルギ制御に関わる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7に記載のロボット装置。
The actuator characteristic control means sets the knee pitch joint and the ankle pitch joint as joints related to positional energy control at the time of starting the overturning operation, and drives an joint related to the positional energy control. Servo controller with low gain, low gain and large phase advance amount in mid-high range, and lowering the viscous resistance of the actuator and motor to reduce the viscous resistance of the joint,
The robot apparatus according to claim 7.
前記可動脚は腿ピッチ関節をさらに備え、
前記転倒時機体動作制御手段は、足底のみで形成するZMP安定領域の外にZMPが逸脱したことに応答して、ZMPを支持多角形に維持したまま転倒動作を開始するとともに、転倒動作を開始する時点において、前記腿ピッチ関節を安定領域制御に関わる関節に設定し、
前記アクチュエータ特性制御手段は、安定領域制御に関わる関節に設定された前記腿ピッチ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関節の粘性抵抗を大きくする、
ことを特徴とする請求項7に記載のロボット装置。
The movable leg further comprises a thigh pitch joint,
In response to the ZMP deviating from the ZMP stable region formed only by the sole, the body operation control means during the overturn starts the overturning operation while maintaining the ZMP in the support polygon, and performs the overturning operation. At the time of starting, the thigh pitch joint is set to a joint related to stable region control,
The actuator characteristic control means increases the phase advance amount in the low range and the low gain and the phase advance amount in the middle and high range of the servo controller of the actuator for driving the thigh pitch joint set to the joint related to the stable region control, Increase the viscous resistance of the joint by increasing the viscous resistance of the actuator motor.
The robot apparatus according to claim 7.
前記アクチュエータ特性制御手段は、転倒動作がさらに進行して支持脚となる可動脚の足部が離床した時点において、前記腿ピッチ関節を位置エネルギ制御に関わる関節に設定して、該位置エネルギ制御に関わる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小さくすることで当該関節の粘性抵抗を小さくするように切り替える、
ことを特徴とする請求項9に記載のロボット装置。
The actuator characteristic control means sets the thigh pitch joint as a joint related to potential energy control at the time when the foot of the movable leg serving as a support leg leaves the floor by further overturning motion, and performs the potential energy control. The servo controller of the actuator for driving the joints involved has a low gain in the low range and a large phase advance amount in the mid and high range, and the viscous resistance of the joint is reduced by reducing the viscous resistance of the actuator / motor. To switch,
The robot apparatus according to claim 9.
前記アクチュエータ特性制御手段は、機体が着床する時点において、前記可動脚のすべての関節を位置エネルギ制御に関わる関節に設定して、該位置エネルギ制御に関わる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小さくすることで当該関節の粘性抵抗を小さくし、前記肘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7に記載のロボット装置。
The actuator characteristic control means sets all joints of the movable leg to joints related to position energy control at the time of landing of the airframe, and performs servo control of an actuator for driving the joints related to position energy control. Of the actuator for driving the elbow joint by reducing the viscous resistance of the joint by reducing the viscous resistance of the actuator / motor, Servo controller with low gain, low gain and large phase advance amount in mid-high range, and lowering the viscous resistance of the actuator and motor to reduce the viscous resistance of the joint,
The robot apparatus according to claim 7.
前記胴体は1以上の関節を含み、
前記アクチュエータ特性制御手段は、前記機体が着床する時点において、前記胴体のすべての関節を位置エネルギ制御に関わる関節に設定して、該位置エネルギ制御に関わる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11に記載のロボット装置。
The torso includes one or more joints;
The actuator characteristic control means sets all joints of the fuselage as joints related to potential energy control at the time of landing of the fuselage, and performs servo control of an actuator for driving the joints related to positional energy control Reduce the viscosity resistance of the joint by reducing the viscous resistance of the actuator and motor, while increasing the phase advance amount in the low range with low gain and medium and high range,
The robot apparatus according to claim 11.
前記アクチュエータ特性制御手段は、転倒動作が完了して衝撃がなくなった段階において、前記可動脚のすべての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、
ことを特徴とする請求項7に記載のロボット装置。
The actuator characteristic control means sets a phase advance in a low range and a low gain and in a middle and high range at a stage where the overturning operation is completed and the impact is eliminated. While increasing the amount, increase the viscous resistance of the joint by increasing the viscous resistance of the actuator motor.
The robot apparatus according to claim 7.
前記ロボット装置は、首関節を介して胴体に接続される頭部をさらに備え、
前記アクチュエータ特性制御手段は、転倒動作を開始してから機体が着床するまでの段階において、前記首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関節の粘性抵抗を大きくする、
ことを特徴とする請求項7に記載のロボット装置。
The robot apparatus further includes a head connected to the trunk via a neck joint,
In the stage from the start of the overturning operation to the landing of the airframe, the actuator characteristic control means sets the actuator servo controller for driving the neck joint with a high gain in all bands and a phase advance in the high band. Increase the viscous resistance of the joint by reducing the amount and increasing the viscous resistance of the actuator and motor,
The robot apparatus according to claim 7.
少なくとも胴体と腕と可動脚を含み、複数の関節により連結され、重心リンクを含む複数のリンクからなるリンク構造体で構成されるロボット装置において、
前記腕は肩ピッチ、肩ロール、肘ピッチの関節を備えるとともに、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、
機体の寝姿勢からの起き上がり動作を制御する起き上がり動作制御手段とを備え、
前記起き上がり動作制御手段は、
少なくとも3以上のリンクが接床した床上姿勢において、床面と接床する複数の機体の端部が形成する接地多角形内に含まれる最も狭い支持多角形を探索する第1の手段と、
接地多角形を構成するリンクのうち該最も狭い支持多角形に関与しない2以上のリンクを離床するとともに、1以上の離床リンクを屈曲させてリンク端の端部を着床させてより狭い接地多角形を形成する第2の手段と、
前記第2の手段により形成された接地多角形にZMPを設定できるかを判断し、ZMPを設定できないと判断したときには前記第2の手段によるより狭い支持多角形の形成を再試行させる第3の手段と、
前記第3の手段によりZMPを設定できると判断したことに応答してZMPを該接地多角形に移動し、前記重心リンクを離床可能若しくは足部だけで形成できるZMP安定領域内にZMPを移動させることができる程度に新たに形成される支持多角形が充分に狭いか否かをさらに判断し、まだ支持多角形が充分狭いとは言えない場合には、着床点を移動して支持多角形を小さくした後に前記第2の手段によるより狭い支持多角形の形成を再試行させる第4の手段と、
前記第4の手段により支持多角形が充分に狭いと判断したことに応答して、支持多角形の両リンク端の端部を接床した状態で前記重心リンクを離床し、両リンク端の着床リンクによって形成される支持多角形内にZMPを維持しながら、支持多角形を形成する両リンク端の端部の間隔を縮めて、ZMPを前記リンク構造体の他端側に移動させていき、前記リンク構造体の他端から第2の所定数以下の接床リンクのみで形成される接地多角形内にZMPが突入したことに応答して、ZMPを該接地多角形内に収容したまま前記リンク構造体の一端側から第1の所定数以上のリンクを離床して、該離床リンクを長さ方向に伸展することによって、前記ロボット装置を起き上がらせる第5の手段とを備え、
前記アクチュエータ特性制御手段は、前記第1の手段が最も狭い支持多角形を探索する際に、起き上がり動作に備えて前記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 a link structure including a plurality of links including at least a trunk, an arm, and a movable leg, connected by a plurality of joints, and including a center-of-gravity link.
The arm includes a joint of shoulder pitch, shoulder roll, and elbow pitch, and the movable leg includes a joint of at least a thigh, a knee pitch, and an ankle pitch,
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 rising motion control means for controlling the rising motion from the sleeping posture of the aircraft,
The rising motion control means includes
A first means for searching for a narrowest support polygon included in a ground contact polygon formed by ends of a plurality of aircraft in contact with the floor surface in an on-floor posture in which at least three or more links are in contact with the floor;
Two or more links that do not participate in the narrowest support polygon among the links constituting the ground polygon are left and the one or more floor links are bent to end the end of the link to narrow the ground A second means for forming a square;
It is determined whether ZMP can be set for the ground polygon formed by the second means, and when it is determined that ZMP cannot be set, the third means for retrying formation of a narrower support polygon by the second means. Means,
In response to the determination that the third means can set the ZMP, the ZMP is moved to the grounding polygon, and the center of gravity link can be removed from the floor or the ZMP is moved into a stable ZMP area that can be formed by only the foot. It is further judged whether or not the newly formed support polygon is sufficiently narrow, and if the support polygon is still not sufficiently narrow, the support polygon can be moved by moving the landing point. A fourth means for retrying the formation of a narrower support polygon by the second means after reducing
In response to determining that the support polygon is sufficiently narrow by the fourth means, the center-of-gravity link is removed from the floor while the ends of both link ends of the support polygon are in contact with each other, and both link ends are attached. While maintaining the ZMP in the support polygon formed by the floor link, the distance between the ends of the link ends forming the support polygon is reduced, and the ZMP is moved to the other end of the link structure. In response to the ZMP having entered the ground polygon formed by the second predetermined number or less of the floor contact links from the other end of the link structure, the ZMP remains accommodated in the ground polygon. A fifth means for raising the robot apparatus by leaving the first predetermined number of links from one end of the link structure and extending the bed leaving link in the length direction;
When the first means searches for the narrowest support polygon, the actuator characteristic control means has a high-gain servo controller for the actuator that drives each joint of the arm in preparation for a rising motion in all bands. Increase the viscous resistance of the joint by reducing the amount of phase advance at high frequencies and increasing the viscous resistance of the actuator and motor.
A robot apparatus characterized by that.
機体の仰向け姿勢並びにうつ伏せ姿勢からの起き上がり動作時において、
前記アクチュエータ特性制御手段は、前記第2及び第4の手段が支持脚として使用する可動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。
At the time of getting up from the attitude of the aircraft and the prone position,
The actuator characteristic control means is a servo controller for an actuator that drives each joint of a movable leg used as a support leg by the second and fourth means. And increase the viscous resistance of the joint by increasing the viscous resistance of the actuator and motor.
The robot apparatus according to claim 15.
機体の仰向け姿勢からの起き上がり動作時において、
前記アクチュエータ特性制御手段は、前記第2の手段が遊脚として使用する可動脚を用いてより狭い接地多角形を形成するために接床するまでの期間中、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。
At the time of getting up from the attitude of the aircraft,
The actuator characteristic control means drives the thigh joint of the free leg during a period until the second means contacts the floor to form a narrower grounding polygon using a movable leg used as a free leg. The actuator servo controller has a high gain in the entire band and a small phase advance amount in the high band, 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.
機体の仰向け姿勢からの起き上がり動作時において、
前記アクチュエータ特性制御手段は、前記第5の手段が前記腕と前記可動脚の支持の状態にして起き上がり動作を行なう際に、支持脚となる可動脚の着床した部位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。
At the time of getting up from the attitude of the aircraft,
The actuator characteristic control means may be an actuator that drives a joint of a portion where the movable leg that becomes the support leg is landed when the fifth means performs the rising operation with the arm and the movable leg supported. Servo controller with low gain, low gain and large phase advance amount in mid-high range, and lowering the viscous resistance of the actuator and motor to reduce the viscous resistance of the joint,
The robot apparatus according to claim 15.
機体の仰向け姿勢からの起き上がり動作時において、
前記アクチュエータ特性制御手段は、前記第2の手段が接地多角形を構成するリンクのうち該最も狭い支持多角形に関与しない2以上のリンクを離床するとともに1以上の離床リンクを屈曲させてリンク端の端部を着床させてより狭い接地多角形を形成するまでの期間中、起き上がり動作に関わる部位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大きくすることで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。
At the time of getting up from the attitude of the aircraft,
The actuator characteristic control means leaves the two or more links that are not involved in the narrowest support polygon among the links in which the second means constitutes the ground polygon, and bends the one or more floor links to bend the link end. During the period from when the end of the arm is landed to form a narrower grounding polygon, the servo controller of the actuator that drives each joint of the part related to the rising motion is low gain and low gain, and the phase advance in the mid and high ranges While increasing the amount, increase the viscous resistance of the joint by increasing the viscous resistance of the actuator and motor,
The robot apparatus according to claim 15.
機体の仰向け姿勢からの起き上がり動作時において、
前記アクチュエータ特性制御手段は、前記第5の手段が前記腕を離床させ可動脚の支持の状態になって起き上がり動作を行なう際に、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18に記載のロボット装置。
At the time of getting up from the attitude of the aircraft,
The actuator characteristic control means lowers the servo controller of the actuator that drives each joint of the support leg when the fifth means gets up the arm and moves up to the support state of the movable leg. In addition to increasing the phase advance amount in the middle and high range with a low gain in the region, the viscosity resistance of the joint is increased by increasing the viscous resistance of the actuator motor.
The robot apparatus according to claim 18.
機体の仰向け姿勢並びにうつ伏せ姿勢からの起き上がり動作時において、
前記アクチュエータ特性制御手段は、前記第2の手段が接地多角形を構成するリンクのうち該最も狭い支持多角形に関与しない2以上のリンクを離床するとともに、1以上の離床リンクを屈曲させてリンク端の端部を着床させてより狭い接地多角形を形成するために使用する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。
At the time of getting up from the attitude of the aircraft and the prone position,
The actuator characteristic control means leaves the two or more links that do not participate in the narrowest support polygon among the links in which the second means constitutes the contact polygon, and bends the one or more floor links to bend the link. The servo controller of the actuator that drives the joint used to land the end of the end to form a narrower grounding polygon increases the amount of phase advance in the low range and low gain, and in the middle and high range. -Increasing the viscous resistance of the joint by increasing the viscous resistance of the motor,
The robot apparatus according to claim 15.
機体の仰向け姿勢並びにうつ伏せ姿勢からの起き上がり動作時において、
前記アクチュエータ特性制御手段は、前記第4の手段が支持多角形を狭めるために使用する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。
At the time of getting up from the attitude of the aircraft and the prone position,
The actuator characteristic control means increases the phase advance amount in the low and low gain and the medium and high ranges of the servo controller of the actuator that drives the joint used by the fourth means to narrow the support polygon. Increasing the viscous resistance of the joint by increasing the viscous resistance of the actuator motor
The robot apparatus according to claim 15.
機体の仰向け姿勢並びにうつ伏せ姿勢からの起き上がり動作時において、
前記アクチュエータ特性制御手段は、前記第2の手段がより狭い接地多角形を形成するために接床するまでの期間中、位置決めを優先して動作する肩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。
At the time of getting up from the attitude of the aircraft and the prone position,
The actuator characteristic control means includes a servo controller for an actuator that drives a shoulder joint that operates with priority on positioning during the period until the second means contacts the floor to form a narrower ground polygon. Increase the viscous resistance of the joint by increasing the viscous resistance of the actuator / motor while reducing the amount of phase advance in the high band with high gain in the band,
The robot apparatus according to claim 15.
機体の仰向け姿勢からの起き上がり動作時において、
前記アクチュエータ特性制御手段は、前記第2の手段が遊脚として使用する可動脚を用いてより狭い接地多角形を形成するために接床するまでの期間中、該遊脚の接床に向かう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。
At the time of getting up from the attitude of the aircraft,
The actuator characteristic control means includes an ankle heading toward the floor of the free leg during a period until the second means touches the floor to form a narrower grounding polygon using a movable leg used as a free leg. The servo controller of the actuator that drives the joint of the actuator has a low gain in the low range and a large phase advance amount in the middle and high ranges, 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.
前記胴体は体幹関節をさらに備え、
機体のうつ伏せ姿勢からの起き上がり動作時において、
前記アクチュエータ特性制御手段は、前記第2の手段が接地多角形を構成するリンクのうち該最も狭い支持多角形に関与しない2以上のリンクを離床するとともに、1以上の離床リンクを屈曲させてリンク端の端部を着床させてより狭い接地多角形を形成するため、又は前記第4の手段がZMPを接地多角形に移動するために前記体幹関節を使用するときには、前記体幹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 torso further comprises a trunk joint,
When getting up from the prone posture of the aircraft,
The actuator characteristic control means leaves the two or more links that do not participate in the narrowest support polygon among the links in which the second means constitutes the contact polygon, and bends the one or more floor links to bend the link. When landing the end of the end to form a narrower grounded polygon, or when the fourth means uses the trunk joint to move the ZMP to the grounded polygon, the trunk joint is with increasing amount of phase lead and the mid-high range at low gain servo controller of the actuator for driving the low range, to increase the viscous resistance of the joint by increasing the viscosity resistance of the actuator motor,
The robot apparatus according to claim 15.
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