JP4372816B2 - Leg joint drive device for legged robot and control method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、たとえば2足歩行ロボットといった脚式ロボットの脚関節駆動装置及びその制御方法に関する。 The present invention relates to a leg joint drive device for a legged robot such as a biped robot and a control method therefor.
2足歩行ロボット、4足歩行ロボットまたは5足以上の脚式ロボットが多く研究されている。脚式ロボットの歩行の実現には2通りある。即ち、受動歩行(passive walking)および能動歩行(active walking)である(たとえば、非特許文献1参照)。受動歩行は、ロボットにアクチュエータを一切搭載せず或いは搭載されたアクチュエータを使用することなしに、緩やかな下り坂を下ってくる歩行形態である。この歩行は自然の中で観察できる歩行に最も近く、少ない消費エネルギで歩行を可能にする歩行形態であり、エネルギ消費量をロボットの重量と移動距離の積で除した比機械的移動コストcmtが0.1以下である(非特許文献2、1083頁参照)。しかしながら、エネルギ供給がないため平地での持続歩行が不可能であり、また制御が行われていないために、荒れ地での歩行ができない。
Many researches have been conducted on biped robots, quadruped robots, or legged robots with five or more legs. There are two ways to implement legged robot walking. That is, they are passive walking and active walking (for example, refer nonpatent literature 1). Passive walking is a walking form that moves down a gentle downhill without mounting any actuator on the robot or using any mounted actuator. This walking is closest to walking that can be observed in nature, and is a walking form that enables walking with less energy consumption, and the specific mechanical movement cost c mt obtained by dividing the energy consumption by the product of the weight of the robot and the movement distance. Is 0.1 or less (see Non-Patent
一方、現在、歩行ロボットで最も一般的に行われている歩行は、能動的歩行である(たとえば、特許文献1、特許文献2参照)。これらの特許文献に開示のロボットにあっては、関節と駆動モータが常に結合されていて常時関節が駆動され、制御されている。その結果、消費エネルギが増大し、トータルエネルギ/(ロボット重量×移動距離)で表される移動用エネルギコストが3以上になる(非特許文献2、1083頁参照)。
On the other hand, the most commonly performed walking with a walking robot is active walking (see, for example,
他方、近年の研究(カーネギーメロン大学(米国)、MIT(米国)、Delft大学(オランダ)))では、従来、緩やかな下り坂歩行しかできなかった受動歩行機構に、平地での歩行に必要なエネルギを供給し、平地でも受動歩行に近い「受動動的歩行」(passive dynamic walking)の実験結果が発表されている(たとえば、非特許文献3、非特許文献4参照)。
On the other hand, in recent studies (Carnegie Mellon University (USA), MIT (USA), Delft University (Netherlands)), a passive walking mechanism that has traditionally been capable of only gentle downhill walking is necessary for walking on flat ground. Experimental results of “passive dynamic walking” that supplies energy and is close to passive walking even on flat ground have been published (see, for example, Non-Patent
しかしながら、非特許文献3、非特許文献4に開示の技術においては、特許文献1、特許文献2に開示されているロボットのような駆動技術、即ちサーボモータと減速機の組み合わせ或いは人工筋肉(たとえば、McKibben muscles,(非特許文献4、p.118、Fig.9)を使用しているため、受動歩行を実現するために必要なモータと関節の分離を行うための専用の装置が必要となり、而して、ロボットの関節が大きくかつ複雑になる。また、人工筋肉(たとえば、McKibben muscles,)の場合、エネルギ源が圧縮ガスであるので、制御が困難であるのみならず性能面、コスト面で問題がある。
However, in the technologies disclosed in
本発明は、簡単な構造でありながら緩やかな下り坂における受動歩行(関節と駆動モータを駆動系として完全に分離する)、平地や緩やかな上り坂での受動動的歩行(必要なエネルギのみを供給する)、さらには、急坂や階段の上り下りといった能動的歩行(駆動モータと関節とを常時結合する)の3種類の歩行を、特別な付加装置や切り換え機構を用いることなく、駆動モータの制御のみで実現することができる脚式ロボットの脚関節駆動装置及びその制御方法を提供することを目的とする。 The present invention has a simple structure and a passive walking on a gentle downhill (completely separating the joint and the drive motor as a drive system), and a passive dynamic walking on a flat ground and a gentle uphill (only the necessary energy is consumed). Supply), and active walking (steeply connecting the drive motor and the joint) such as steep slopes and up and down stairs, without using any additional device or switching mechanism. It is an object of the present invention to provide a leg joint drive device for a legged robot that can be realized only by control and a control method thereof.
上記課題を解決するための請求項1に記載の発明は、少なくとも2本の線・条の一端を回転運動出力軸端の軸心部に固定するとともに、該線・条の他端を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の、前記回転運動出力軸の軸心に関し対称となるとともに該軸心から所定距離A離隔する部位に固定し、また、該所定距離A、前記線・条の長さL、前記線・条の半径R、前記回転運動出力軸の回転角度αを前記運動体の運動変位量xのパラメータとするとともに駆動モータのトルクTと前記運動体を前記回転運動出力軸の方向に変位せしめる引張り力Fとの関係を律するパラメータとして、前記回転運動出力軸の回転によって前記少なくとも2本の線・条に捩りを生ぜしめて前記回転運動出力軸の回転運動を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の変位に変換し、また、前記運動体の変位を前記回転運動出力軸の回転運動に変換するよう構成してなる運動変換装置を、脚式ロボットの腰関節、膝関節、および足首関節の少なくとも1つに装着したことを特徴とする脚式ロボットの脚関節駆動装置である。
The invention according to
請求項2に記載の発明は、少なくとも2本の線・条の一端を回転運動出力軸端の軸心部に固定し、該線・条の他端を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の、前記回転運動出力軸の軸心に関し対称となるとともに該軸心から所定距離A離隔する部位に固定し、前記所定距離A、前記線・条の長さL、前記線・条の半径R、前記回転運動出力軸の回転角度αを前記運動体の運動変位量xのパラメータとするとともに駆動モータのトルクTと前記運動体を前記回転運動出力軸の方向に変位せしめる引張り力Fとの関係を律するパラメータとして、前記回転運動出力軸の回転によって前記少なくとも2本の線・条に捩りを生じさせ、前記回転運動出力軸の回転運動を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の変位に変換し、また、前記運動体の変位を前記回転運動出力軸の回転運動に変換するよう構成してなる運動変換装置を、脚式ロボットの腰関節、膝関節、および足首関節の少なくとも1つに装着し、前記運動変換装置が、前記引張り力Fと前記被装着関節の回動角度の少なくとも1つを検出し、該検出結果に基づいて前記引張り力F、および/または、前記被装着関節の回動角度が所望の制御量となるよう、前記回転角度αおよび前記トルクTの何れか一方または双方を制御することを特徴とする脚式ロボットの脚関節駆動装置の制御方法である。 According to the second aspect of the present invention, at least one end of at least two wires / strips is fixed to the axial center of the rotary motion output shaft end, and the other end of the wire / strip is moved along the rotational motion output shaft direction. The moving body to be performed is fixed to a portion which is symmetric with respect to the axis of the rotary motion output shaft and is separated from the axis by a predetermined distance A, and the predetermined distance A, the length L of the line / strip, the line / strip And the rotational angle α of the rotary motion output shaft as parameters of the motion displacement amount x of the moving body, and the torque T of the drive motor and the tensile force F that displaces the moving body in the direction of the rotary motion output shaft. As a parameter governing the relationship between the rotational motion output shaft, the rotation of the rotational motion output shaft causes twisting of the at least two lines / strips, and the rotational motion of the rotational motion output shaft moves along the rotational motion output shaft direction. Converted to displacement of the moving body, and A motion conversion device configured to convert the displacement of the moving body into a rotational motion of the rotational motion output shaft is attached to at least one of a hip joint, a knee joint, and an ankle joint of a legged robot, and the motion The conversion device detects at least one of the pulling force F and the rotation angle of the mounted joint, and the pulling force F and / or the rotation angle of the mounted joint is desired based on the detection result. A control method for a leg joint drive device of a legged robot, wherein either one or both of the rotation angle α and the torque T is controlled so as to obtain a control amount of
請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の脚式ロボットの脚関節駆動装置を用いて、前記回転運動出力軸の回転角度を前記線・条を捩り込んでいない状態として前記駆動モータと前記被装着関節が駆動系として分離された状態を作り、脚式ロボットに受動歩行を行わしめ、前記脚式ロボットの歩行サイクルの所定範囲においてのみ前記駆動モータによって前記被装着関節にトルクを加え、該脚式ロボットに受動動的歩行を行わしめ、さらに、前記駆動モータと前記被装着関節を前記線・条を介して駆動系として結合状態として能動歩行を行わしめることを特徴とする脚式ロボットの脚関節駆動装置の制御方法である。
Invention of
本発明によれば、簡単な構造で、受動歩行、受動動的歩行、および能動的歩行の3種類の歩行を、特別な付加装置や切り換え機構を要することなく駆動モータの制御のみで実現できる脚式ロボットの脚関節駆動装置及びその制御方法を提供できる。また、低消費エネルギの歩行が可能である。さらに、駆動モータの逆回転によって線・条を弛めることによってロボット脚の関節と駆動モータを駆動系として分離して関節をフリーな状態とすることができ、人間とロボットが予期しない状況で接触したときにも人間への危害に対する安全性を高めることができるとともに、ロボットが転倒したときもロボットの故障を防げる確率を高め得る。 According to the present invention, a leg that can realize three types of walking, that is, passive walking, passive dynamic walking, and active walking, by simply controlling the drive motor without requiring a special additional device or switching mechanism, with a simple structure. A leg joint drive device for a robot and a control method therefor can be provided. In addition, walking with low energy consumption is possible. Furthermore, by loosening the line / strip by reverse rotation of the drive motor, the joint of the robot leg and the drive motor can be separated as the drive system to make the joint free, and humans and the robot contacted in unexpected situations Sometimes it is possible to increase the safety against human harm, and it is possible to increase the probability of preventing a robot failure even when the robot falls.
先ず、従来の脚式ロボットの脚関節駆動機構を説明すると、平地で受動動的歩行を実現する場合、腰の関節を駆動し膝にロック機構を搭載して足首を固くし足裏は、たとえば非特許文献3の611頁、Fig.5に見られるように、円形にする。歩行を持続するためには、支持脚が遊脚に変わる瞬間にその脚のロックを外し遊脚になった脚を前の方向に蹴るように腰関節に一時的にトルクを加える。しかし、従来のサーボモータとギヤの組合せからなる関節駆動装置では、専用のクラッチ機構などを搭載しない限り遊脚を前の方向に自由に振ることができず、モータが常に能動的に遊脚の運動に追従する必要がある。これによって、エネルギの消費が大きくなる。
First, the leg joint drive mechanism of a conventional legged robot will be described. When passive dynamic walking is realized on a flat ground, the hip joint is driven and a lock mechanism is mounted on the knee to fix the ankle and the sole is, for example, As shown in Fig. 5 on page 611 of Non-Patent
また、空気圧式人工筋肉の場合、足を自由に振ることができるけれども、正確かつ迅速な制御が困難であるため、安定した歩行を実現することが難しく性能的に劣っている。 In the case of pneumatic artificial muscles, the legs can be freely shaken, but accurate and quick control is difficult, so that it is difficult to realize a stable walking and performance is inferior.
本発明において、関節を駆動するための駆動機構を説明する。関節の駆動機構の基本形を図1に示す。駆動モータ11の回転運動出力軸12端部の軸心部に少なくとも2本の線・条13の一端を固定し、他端を直線運動体14に、回転運動出力軸12の軸心から半径方向にそれぞれ所定距離Aだけ離隔せしめて固定する。回転運動出力軸12が角度αだけ回転すると線・条13は互いに捩り込み、直線運動体14が回転運動出力軸12の軸心方向に沿ってxだけ変位する。この変位は、直線方向又は、たとえば関節を回動せしめるときのように弧状の変位である。
In the present invention, a drive mechanism for driving the joint will be described. The basic form of the joint drive mechanism is shown in FIG. One end of at least two wires /
ここで、最小のスペースで十分なストロークを得るために、設計パラメータである線・条13の他端を直線運動体14に固定するときの回転運動出力軸12の軸心からの半径方向への所定距離A及び線・条13の長さLを適切に選ぶ必要がある。また、モータ(回転駆動源)11のトルクTと、線・条13の捩り込みによる駆動モータの軸方向へ運動体14を変位させる引張り力Fの関係は線・条13の太さ(直径)によって左右されるから、モータ(回転駆動源)11のトルクTを大きな引張り力に変換するためには、細い線・条13を使うことが望ましい。
Here, in order to obtain a sufficient stroke in a minimum space, the radial direction from the axial center of the rotary
2本の線・条13を使う場合、回転運動出力軸12の回転角度α(rad)と、直線運動体14の運動変位量xの関係は、
When two lines /
で与えられる。ここで、Lは線・条13を完全に解いたときの線・条13の長さ、Aは線・条13の、直線運動体14における固定部位の回転運動出力軸12の軸心から半径方向の離隔距離、Rは線・条13の半径である。但し、R<<LかつR<<Aである。
Given in. Here, L is the length of the wire /
選んだ線・条13の長さLと半径R、回転運動出力軸12の軸心から半径方向の離隔距離Aとから理論的最大ストロークxmaxおよびそのときの最大回転角度αmax(rad)は、
The theoretical maximum stroke x max and the maximum rotation angle α max (rad) at that time are determined from the length L and radius R of the selected wire /
で与えられる。 Given in.
また、モータ11のトルクTと引張り力Fの関係は、
Further, the relationship between the torque T of the
で示される。 Indicated by
線・条13としては、可撓性を有するとともに引張り強度に優れ適切な剛性をもちかつ繰り返し曲げに対する十分な耐久性をもつ高強度繊維たとえば、炭素繊維、Kevlar、ザイロン、ナイロン等を用いることができる。
また、線・条13の断面形状としては、円、多角形、または長方形(リボン)とすることができる。長方形(リボン)にすると、同じトルク対引張り力変換率でより大きな断面積とすることができ、伝達可能な力容量を増大させ得る。
As the wire /
In addition, the cross-sectional shape of the wire /
さらに、線・条13の耐久性を増すために、四弗化エチレン樹脂(登録商標:テフロン)、ナイロンなど摩擦係数の小さな材料でコーティングを線・条13に施し、線・条同士の摩擦および素線同士の摩擦を減少させるとよい。また、線・条13の耐久性(寿命)を向上させる目的で、線・条同士の摩擦を減少せしめるべく、適切な潤滑剤(グリース、オイル、粉末材およびこれらの組み合わせ)を線・条13に適用することができる。たとえば、有機、無機グリース、オイル、四弗化エチレン樹脂(登録商標:テフロン)粉、ナイロン粉、モリコート等およびこれらの組み合わせを用いることができる。
Furthermore, in order to increase the durability of the wire /
本発明の脚式ロボットの脚関節駆動装置及びその制御方法においては、足の構造を従来通りとし、腰関節に、図1に示す基本形を応用した、図2に示す駆動装置を搭載する。この駆動装置は、ロボットの脚6を駆動するために、ロボットの胴体5に固定された駆動モータ1と駆動モータ1の回転出力軸2の軸心部にその一端を固定されるとともに他端をロボットの脚5に回転出力軸2の軸心から半径方向に距離Aだけ離隔して直接固定されるか或いは弾性変形可能な直線運動体4を介して固定される少なくとも2本の線・条3から構成される。弾性変形可能な直線運動体4は、衝撃を和らげ、線・条3の切断を防ぎまた、必要に応じて力の検出を可能にする。駆動モータ1の回転によって少なくとも2本の線・条3が捩り込まれ、脚6または直線運動体4に引張り力が働き、関節の回転を生ずる。
In the leg joint drive device and control method thereof for the legged robot of the present invention, the foot structure is the same as the conventional one, and the drive device shown in FIG. In order to drive the
本発明の脚式ロボットの脚関節駆動装置の特徴は、駆動モータ1の制御を行うことのみで、ロボットの脚の関節と駆動モータを駆動系として分離できる点にある。駆動モータ1の回転角度を制御して少なくとも2本の線・条3を捩り込んでいない状態におくと、関節7が可動範囲内で自由に動くようになる。即ち、ロボットの脚の関節と駆動モータが駆動系として分離された状態となる。
The feature of the leg joint drive device of the legged robot according to the present invention is that the joint of the leg of the robot and the drive motor can be separated as a drive system only by controlling the
ロボットの関節の回動角度と駆動モータ1の回転角度αをそれぞれ検出し、適切なプログラムが搭載されたコンピュータCUを用いて駆動モータ1を制御すれば、必要に応じて関節をフリーな状態にすることができる。さらに、直線運動体4に力の検出手段たとえばロードセルを付設すれば、関節の駆動トルクの検出および制御も可能になる。
If the rotation angle α of the joint of the robot and the rotation angle α of the
この制御システムを図3に示す。図3に示すように、関節駆動装置における直線運動体4即ち回転運動出力軸2の軸方向に沿う運動を行う運動体に作用する力Fおよび関節7の回動角度117Aならびに駆動モータ1の回転角度αを検出し、その検出結果を制御装置CUに入力して関節7に所望の回動角度と回動トルクTを付与すべく、所与の駆動モータ1の回転角度α、トルクTが操作量として駆動モータ1から出力される。図3において、113はワイヤ式駆動装置、117ASは関節角度センサである。
This control system is shown in FIG. As shown in FIG. 3, the force F acting on the
本発明の脚式ロボットの脚関節駆動装置及びその制御方法の一実施例を説明する。図4に、2足歩行ロボットの片足を例に取り上げて、腰関節7に本発明の脚式ロボットの脚関節駆動装置を搭載したものを示す。図4に示すように、本発明の脚式ロボットの脚関節駆動装置を制御することによって、クラッチ機構などがなくとも遊脚が自由に運動でき、かつ脚が支持脚から遊脚に変わる瞬間から関節にトルクを一時的に加えその慣性力により遊脚を自由運動させることができる。遊脚が自由に運動する間には駆動モータが停止することになるので、無駄なエネルギ消費を避けることができる。図4において、TM、θMは駆動モータのトルクおよび回転角度であり、THは腰関節の駆動トルクである。
An embodiment of a leg joint driving apparatus and control method for a legged robot according to the present invention will be described. FIG. 4 shows a case where one leg of a biped robot is taken as an example, and the leg joint driving device of the legged robot of the present invention is mounted on the
遊脚が地面に接触する瞬間(図4において、「支持脚が遊脚に切り替わる時点1」と呼ぶ。)を足裏の接触スイッチや隣接センサなどの検出手段を用いて検出する。この検出された瞬間から膝がロックされているなら膝のロックを解除して腰関節の駆動モータ1に電流を流し、腰関節7にトルクを加える。腰関節7の角度センサ117ASで遊脚の運動を検出し、目標の運動に達すれば遊脚の駆動を終了して駆動モータを初期位置に戻す。この時点からは、外乱補償や歩幅の変更などの必要がなければ、駆動モータ1が停止し、次の「支持脚が遊脚に切り替わる時点1」までは駆動モータ1の消費エネルギがゼロになり、ロボットが受動歩行を行う。図4に示す他方の足(破線で示す)も同様に駆動および制御を加えることによって、平地や緩やかな坂で最も簡単なロボットの受動動的歩行を実現できる。
The moment when the free leg comes into contact with the ground (referred to as “
図4に示す脚の駆動方法では、ロボットの胴体5の傾き(姿勢)の制御が不可能である。そこで、胴体5の傾き制御と歩行を同時に行うためには、それぞれの脚の腰関節7の前方(F)と後方(B)それぞれに本発明の駆動装置を装着する。前方と後方の駆動モータ1の制御によって胴体5の傾き(姿勢)の制御を行う。図5に示すように、たとえば、支持脚(L)が遊脚に変わる瞬間から歩行のためにこの脚の腰関節7に前方の駆動モータLHFを使ってトルクTHLを加える。同時に胴体5が前に傾くので、この傾きを制御するために、同時に支持脚に変わったR脚の後方の駆動モータRHBを使って腰関節に反対方向のトルクTHRを加える。このトルクはロボットの歩行にもエネルギを供給するので、歩行速度(歩幅)および胴体5の傾き(姿勢)を2つの駆動モータ1で同時に制御することが可能になる。また、本発明の脚式ロボットの脚関節駆動装置及びその制御方法は、膝7Nの回転方式や図6に示すような伸縮方式の実現に関係なく適用できる。
With the leg driving method shown in FIG. 4, it is impossible to control the tilt (posture) of the
ロボットは平地だけでなく、多少の段差がある床などの上でも歩ける必要がある。特に、荒れ地での歩行や階段の上り下りをするときには、膝関節7Nの駆動が必要不可欠である。そこで、本発明の装置をロボットの膝関節7Nにも装着し、必要に応じて膝関節7Nを能動的に制御する。また、膝関節7Nの駆動が必要ないときは、駆動モータを初期状態に戻すことによって、膝関節7Nが自由に動くようにする。膝関節駆動装置と該膝関節駆動装置を備えたロボットの脚を図7に示す。
Robots need to be able to walk not only on flat ground but also on floors with slight steps. In particular, when walking in a wasteland or going up and down stairs, it is essential to drive the knee joint 7N. Therefore, the apparatus of the present invention is also mounted on the knee joint 7N of the robot, and the knee joint 7N is actively controlled as necessary. Further, when it is not necessary to drive the knee joint 7N, the
従来の受動動的歩行ロボットは足首が固く、足裏が円形である例が多く見受けられる。その理由の1つは、省エネルギ歩行を実現するためにアクチュエータの数をできるだけ減らすことにあるが、もう1つの理由は、従来の駆動技術を用いたロボット関節が重く高価であることである。しかし、足首を固くすることによってロボットの歩行が不安定になりやすく、僅かな段差や外乱によってロボットが転倒する。
本発明の脚関節駆動装置を用いることによって軽量かつ安価な足首の関節駆動が可能であるので、段差や外乱に対して強い受動動的歩行が可能になる。図8に、この実施例になる、腰関節7と足首関節7Aに本発明の脚関節駆動装置を備えたロボットの脚を示す。
Many conventional passive dynamic walking robots have a hard ankle and a circular sole. One of the reasons is to reduce the number of actuators as much as possible in order to realize energy-saving walking. Another reason is that the robot joint using the conventional driving technique is heavy and expensive. However, when the ankle is hardened, the robot's walking tends to become unstable, and the robot falls due to a slight step or disturbance.
By using the leg joint driving device of the present invention, it is possible to drive ankle joints that are light and inexpensive, and thus passive dynamic walking that is strong against steps and disturbances is possible. FIG. 8 shows a leg of a robot provided with the leg joint driving device of the present invention at the
足首の制御と腰関節7の制御によって、従来の、緩やかな坂を下る受動歩行ロボットにこの2つの関節を介してエネルギを供給し、平地でも歩行可能な、より安定した受動動的歩行を実現する。遊脚と支持脚の入れ替わりの瞬間の少し前に足首7Aで床を蹴る動作で下り坂の傾きに相当する効果を得て、腰関節の駆動では歩幅および胴体5の傾き(姿勢)を制御する。平地であれば膝7Nの駆動は不要であり、より消費エネルギの少ない安定的かつロバストな歩行を実現できる。また、もっと軽量かつ安価な足首7Aを実現するために、図9に示すように、後方の駆動装置のみを搭載し、前方の駆動を引張りばね8によって行うこともできる。
By controlling the ankle and the
膝が駆動されていない実施例4におけるロボットの場合、階段の上り下りが不可能である。而して、階段の上り下りも可能な高性能ロボットには、膝関節7Nの駆動も必要である。腰、膝、および足首の全関節を駆動またはフリーにできるロボット脚を、図10に示す。従来のロボット脚駆動方式と比較すると駆動モータの数が増えるが、歯車等の減速機構が必要ないため価格的に有利又は同等である。本発明の脚関節駆動装置及びその制御方法による場合、従来、困難であった各関節における駆動モータと関節を駆動系として簡単に分離できる優れた機能があり、従来のロボット脚駆動方式に比し卓越した優位性をもつ。 In the case of the robot in the fourth embodiment in which the knee is not driven, it is impossible to ascend and descend the stairs. Thus, a high-performance robot capable of going up and down stairs also needs to drive the knee joint 7N. A robot leg that can drive or free all hip, knee and ankle joints is shown in FIG. Compared with the conventional robot leg drive system, the number of drive motors is increased, but since a speed reduction mechanism such as a gear is not required, it is advantageous or equivalent in price. According to the leg joint driving device and the control method thereof according to the present invention, there is an excellent function that can easily separate the driving motor and the joint at each joint, which has been difficult in the past, as a driving system. Has an excellent advantage.
本発明の脚式ロボットの脚関節駆動装置及びその制御方法によれば、歯車等の減速機構がないため少ない消費エネルギでの歩行が可能である。さらに、ロボットの関節をフリーにできることによって、人間とロボットが予期しない状況で接触したときにも人間への危害に対する安全性を高めることができるとともに、ロボットが転倒したときもロボットの故障を防げる確率を高め得る。人間とロボットが予期しない状況で接触したときにも人間への危害に対する安全性を高めることができるとともに、ロボットが転倒したときもロボットの故障を防げる確率を高め得る。 According to the leg joint drive device and control method for a legged robot according to the present invention, since there is no speed reduction mechanism such as a gear, walking with less energy consumption is possible. Furthermore, the ability to make the robot's joints free increases the safety against human injury even when humans and robots come into contact in unexpected situations, and the probability of preventing robot failure when the robot falls. Can increase. When humans and robots come into contact with each other in an unexpected situation, safety against human harm can be increased, and even when a robot falls, the probability of preventing robot failure can be increased.
1 駆動モータ
2 回転運動出力軸
3 線・条
4 直線運動体
5 胴体
6 脚
7 関節
11 駆動モータ
12 回転運動出力軸
13 線・条
14 直線運動体
17 関節
A 直線運動体における線・条固定端の離隔距離
DESCRIPTION OF
Claims (3)
該線・条の他端を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の、前記回転運動出力軸の軸心に関し対称となるとともに該軸心から所定距離A離隔する部位に固定し、
前記所定距離A、前記線・条の長さL、前記線・条の半径R、前記回転運動出力軸の回転角度αを前記運動体の運動変位量xのパラメータとするとともに駆動モータのトルクTと前記運動体を前記回転運動出力軸の方向に変位せしめる引張り力Fとの関係を律するパラメータとして、
前記回転運動出力軸の回転によって前記少なくとも2本の線・条に捩りを生じさせ、
前記回転運動出力軸の回転運動を前記回転運動出力軸方向に沿う運動を行う運動体の変位に変換し、また、前記運動体の変位を前記回転運動出力軸の回転運動に変換するよう構成してなる運動変換装置を、脚式ロボットの腰関節、膝関節、および足首関節の少なくとも1つに装着し、
前記運動変換装置が、前記引張り力Fと前記被装着関節の回動角度の少なくとも1つを検出し、該検出結果に基づいて前記引張り力F、および/または、前記被装着関節の回動角度が所望の制御量となるよう、前記回転角度αおよび前記トルクTの何れか一方または双方を制御することを特徴とする脚式ロボットの脚関節駆動装置の制御方法。 Fix one end of at least two wires / strips to the shaft center of the rotary motion output shaft end,
The other end of the wire / strip is fixed to a portion of the moving body that moves along the direction of the rotary motion output axis, symmetrical with respect to the axis of the rotary motion output shaft and separated from the axis by a predetermined distance A,
The predetermined distance A, the length L of the wire / strip, the radius R of the wire / strip, and the rotation angle α of the rotary motion output shaft are used as parameters of the motion displacement amount x of the moving body and the torque T of the drive motor. As a parameter governing the relationship between the tension force F that displaces the moving body in the direction of the rotary motion output axis,
Causing the at least two wires / strips to twist by rotation of the rotary motion output shaft;
The rotary motion of the rotary motion output shaft is converted into the displacement of a moving body that moves along the direction of the rotary motion output axis, and the displacement of the mobile body is converted into the rotational motion of the rotary motion output shaft. The motion conversion device is attached to at least one of a hip joint, a knee joint, and an ankle joint of a legged robot,
The motion conversion device detects at least one of the tensile force F and the rotation angle of the attached joint , and based on the detection result, the tensile force F and / or the rotation angle of the attached joint . A method for controlling a leg joint drive device of a legged robot, wherein either or both of the rotation angle α and the torque T are controlled so that a desired control amount is obtained.
前記脚式ロボットの歩行サイクルの所定範囲においてのみ前記駆動モータによって前記被装着関節にトルクを加え、該脚式ロボットに受動動的歩行を行わしめ、さらに、
前記駆動モータと前記被装着関節を前記線・条を介して駆動系として結合状態として能動歩行を行わしめることを特徴とする脚式ロボットの脚関節駆動装置の制御方法。 With leg joint drive device of the legged robot according to claim 1, as the rotary motion output shaft the mating attachment joint and the drive motor rotation angle in a state where no crowded twisting Clause the line-of drive system Create a separated state, let the legged robot perform passive walking ,
The legged torque to the mating attachment joint by the drive motor only in a predetermined range of the walking cycle of the robot added, tighten performed passive dynamic walking to the legged robot, further,
The method of the leg joint driving device of a legged robot, characterized in that, which accounts made active walking the mating attachment joint and the drive motor as a coupling state as the driving system via the Article the line-.
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