JP4408616B2 - Motion control device and motion control method for legged mobile robot - Google Patents

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

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも複数本の可動脚を備えた脚式移動ロボットの動作制御装置及び動作制御方法に係り、特に、さまざまな環境下での使用が想定される脚式移動ロボットの動作制御装置及び動作制御方法に関する。
【０００２】
さらに詳しくは、本発明は、所定の運用条件下での動作を保証する脚式移動ロボットの動作制御装置及び動作制御方法に係り、特に、運用条件からの逸脱を未然に防止して制御系全体の性能を高める脚式移動ロボットの歩行制御装置及び歩行制御方法に関する。
【０００３】
【従来の技術】
電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行う機械装置のことを「ロボット」という。ロボットの語源は、スラブ語の"ＲＯＢＯＴＡ（奴隷機械）"に由来すると言われている。わが国では、ロボットが普及し始めたのは１９６０年代末からであるが、その多くは、工場における生産作業の自動化・無人化などを目的としたマニピュレータや搬送ロボットなどの産業用ロボット（industrial robot）であった。
【０００４】
最近では、ヒトやサルなどの２足直立歩行を行う動物の身体メカニズムや動作を模した脚式移動ロボットに関する研究開発が進展し、実用化への期待も高まってきている。２足直立による脚式移動は、クローラ式や、４足又は６足式などに比し不安定で姿勢制御や歩行制御が難しくなるが、不整地や障害物など作業経路上に凹凸のある歩行面や、階段や梯子の昇降など不連続な歩行面に対応することができるなど、柔軟な移動作業を実現できるという点で優れている。
【０００５】
また、ヒトの生体メカニズムや動作を再現した脚式移動ロボットのことを、特に、「人間形」、若しくは「人間型」のロボット（humanoid robot）と呼ぶ。人間型ロボットは、例えば、生活支援、すなわち住環境その他の日常生活上のさまざまな場面における人的活動の支援などを行なうことができる。
【０００６】
人間の作業空間や居住空間のほとんどは、２足直立歩行という人間が持つ身体メカニズムや行動様式に合わせて形成されおり、車輪その他の駆動装置を移動手段とした現状の機械システムが移動するのには多くの障壁が存在する。したがって、機械システムすなわちロボットがさまざまな人的作業を代行し、さらに人間の住空間に深く浸透していくためには、ロボットの移動可能範囲が人間のそれとほぼ同じであることが好ましい。これが、脚式移動ロボットの実用化が大いに期待されている所以でもある。
【０００７】
高い脚式移動ロボットは、整地・不整地を問わず、あらゆる環境下での使用が想定され、機体の制御系が保証する運用条件を逸脱するような場面が多々存在する。
【０００８】
一般に、制御系が保証する運用条件を逸脱した場合のシステムの挙動は予測が困難であり、その挙動によっては脚式移動ロボット、若しくは運用環境（動作環境）に損傷を与える可能性もある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、さまざまな環境下での使用が想定される、優れた脚式移動ロボットの動作制御装置及び動作制御方法を提供することにある。
【００１０】
本発明のさらなる目的は、所定の運用条件下での動作を保証する、優れた脚式移動ロボットの動作制御装置及び動作制御方法を提供することにある。
【００１１】
本発明のさらなる目的は、運用条件からの逸脱を未然に防止して制御系全体の性能を高めることができる、優れた脚式移動ロボットの動作制御装置及び動作制御方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段及び作用】
本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、少なくとも複数本の可動脚を備えた脚式移動ロボットの動作制御装置又は動作制御方法であって、
機体の運用状態が制御系が保証する運用条件を保っているかどうかを監視する運用状態監視部又はステップと、
運用状態の監視結果に応じて運用状態逸脱を未然に回避するための抑制動作を実行する抑制動作部又はステップと、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットの動作制御装置又は動作制御方法である。
【００１３】
本発明の第１の側面に係る脚式移動ロボットの動作制御装置又は動作制御方法は、前記抑制動作部又はステップにおいて運用状態逸脱を未然に回避することが困難で、運用状態を逸脱した場合における、機体並びに動作環境に対する保護動作を実行する保護動作部又はステップをさらに備えていてもよい。
【００１４】
また、前記運用状態監視部は、前記脚式移動ロボットの脚部に作用する床反力から算出されるＺＭＰを基に運用状態を監視するようにしてもよい。
【００１５】
本発明に係る脚式移動ロボットは、足部に作用する床反力から算出したＺＭＰを基に運用状態を監視する運用状態監視部を備え、その運用状態に応じて運用状態の逸脱を未然に回避するための抑制動作を実行する。抑制動作を行なうことで、運用条件を良好に満足する領域にＺＭＰを操作する効果を持ち、あるいは安定領域を拡大又は移動する効果を持つ。
【００１６】
さらに、抑制動作により脚式移動ロボットに加わる衝撃力を吸収する衝撃吸収動作を併用することにより、運用状態を良好に保ち、なお且つ脚式移動ロボット及びその運用環境への影響を緩和する機能を有する。脚式移動ロボットは、運用状態を逸脱した場合の制御機能も備え、システムの挙動による脚式移動ロボット及び運用環境への影響を最小限に低減することができる。
【００１７】
前記運用状態監視部又はステップは、足部足底面に幾つかの位置に関する閾値を設けることで運用領域を分割し、ＺＭＰ位置が現在どの運用領域に収容されているかによって運用状態を管理するようにしてもよい。
【００１８】
また、前記抑制動作部又はステップは、運用状態に応じて運用状態逸脱を未然に回避するための抑制動作を切り換える抑制動作判別手段又はステップを備えていてもよい。これにより効率的且つ的確な運用状態の回復、又は運用状態逸脱の回避を実現することが可能である。
【００１９】
また、前記抑制動作部又はステップは、所定期間ＺＭＰが留まる状態が継続した場合に運用領域に応じた抑制動作を発動するようにしてもよい。あるいは、前記抑制動作部又はステップは、所定期間のＺＭＰの変化速度が所定値よりも小さい場合に運用領域に応じた抑制動作を発動する
【００２０】
また、前記抑制動作部又はステップは、機体の上体運動の停止、及び／又は各部の位置姿勢操作により、運用状況がさらに悪化することを未然に防止するようにしてもよい。
【００２１】
また、前記抑制動作部又はステップは、蹴り力を発生することにより、発生した床反力を用いてＺＭＰを操作することで、運用状態を回復させるようにしてもよい。
【００２２】
また、前記抑制動作部又はステップは、動作目的以外の部位の動作を停止し、又は動作目的以外の部位を用いてＺＭＰを操作するようにしてもよい。
【００２３】
また、前記抑制動作部又はステップは、運用状態に応じて操作部位を決定してＺＭＰを操作するようにしてもよい。
【００２４】
また、前記抑制動作部又はステップは、安定領域を拡大又は移動するように機体を操作するようにしてもよい。
【００２５】
また、前記抑制動作部又はステップは、遊脚が着床可能かどうかに応じて安定領域の操作方法を決定するようにしてもよい。
【００２６】
また、前記抑制動作部又はステップは、機体の急停止に応答して、関節アクチュエータのサーボ・ゲインを低下させるようにしてもよい。
【００２７】
また、前記抑制動作部又はステップは、機体の急停止に応答して、膝を曲げて衝撃吸収するようにしてもよい。
【００２８】
また、前記抑制動作部又はステップは、運用条件を逸脱する可能性が高まってきた場合に、動作目的に応じて、衝撃吸収動作を行なう部位を判別するようにしてもよい。
【００２９】
また、前記抑制動作部又はステップは、運用条件を逸脱する可能性が高まってきた場合に、運用状態に応じて操作部位を決定してＺＭＰを操作するようにしてもよい。
【００３０】
また、前記抑制動作部又はステップは、撃力に対するセンサの反応に応答して、アクチュエータの応答により撃力をリアルタイムで吸収するようにしてもよい。
【００３１】
また、前記抑制動作部又はステップは、所定のモーションの再生により衝撃吸収動作を行なうようにしてもよい。
【００３２】
また、前記抑制動作判別部又はステップは、実ＺＭＰが存在する領域に基づいて抑制動作を判別するようにしてもよい。あるいは、前記抑制動作判別部又はステップは、床反力に基づいて抑制動作を判別するようにしてもよい。あるいは、前記抑制動作判別部は、抑制動作による結果を基に次の抑制動作を判別するようにしてもよい。
【００３３】
また、前記抑制動作判別部又はステップは、実ＺＭＰが存在する領域に基づいて保護動作を発動するようにしてもよい。あるいは、前記抑制動作判別部又はステップは、床反力に基づいて保護動作を発動するようにしてもよい。あるいは、前記抑制動作判別部又はステップは、抑制動作による結果を基に保護動作を発動するようにしてもよい。
【００３４】
また、前記保護動作部又はステップは、関節アクチュエータのサーボ・ゲイン・ダウン、受身姿勢への移行、電源オフ、関節サーボの停止のうちいずれかを実行するようにしてもよい。
【００３５】
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。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。
【００３７】
図１には、本発明の実施に供される脚式移動ロボットの自由度構成を模式的に示している。
【００３８】
同図に示すロボットは、二脚二腕を有する人間型ロボットである。本ロボットは、機体に四肢が取り付けられ、肩関節ピッチ軸、肩関節ロール軸、上腕ヨー軸、肘関節ピッチ軸、前腕ヨー軸、手首ロール軸、手首ピッチ軸という７自由度からなる左右の腕部と、股関節ヨー軸、股関節ロール軸、股関節ピッチ軸、膝ピッチ軸、足首ピッチ軸、足首ロール軸という６自由度からなる左右の脚部で構成されている。
【００３９】
これらの各関節自由度は、実際にはアクチュエータ・モータにより実現される。本実施形態では、ギア直結型で且つサーボ制御系をワンチップ化してモータ・ユニットに内蔵したタイプの小型ＡＣサーボ・アクチュエータを搭載する。なお、この種のＡＣサーボ・アクチュエータに関しては、例えば本出願人に既に譲渡されている特開２０００−２９９９７０号公報（特願平１１−３３３８６号明細書）に開示されている。
【００４０】
機体には、加速度センサＡ１及びジャイロＧ１が搭載されている。また、左右の足底四隅には、足底面垂直方向の床反力を検出する１軸ロードセル（Ｆ１〜Ｆ８）と、床面までの距離を測定する赤外線測距センサ（Ｄ１〜Ｄ８）がそれぞれ４つ取り付けられている。また、左右の足底中央部には、それぞれ加速度センサ（Ａ２，Ａ３）及びジャイロ（Ｇ２，Ｇ３）が取り付けられている。
【００４１】
本実施形態に係る脚式移動ロボットは、ＺＭＰ（Zero Moment Point）を歩行の安定度判別の規範として用いている。ＺＭＰによる安定度判別規範は、歩行系から路面には重力と慣性力、並びにこれらのモーメントが路面から歩行系への反作用としての床反力並びに床反力モーメントとバランスするという「ダランベールの原理」に基づく。
【００４２】
この力学的推論の帰結として、足底接地点と路面の形成する支持多角形（すなわちＺＭＰ安定領域）の辺上あるいはその内側にピッチ軸及びロール軸モーメントがゼロとなる点、すなわち「ＺＭＰ（Zero Moment Point）」が存在する。
【００４３】
要約すれば、ＺＭＰ規範とは、「歩行のあらゆる瞬間において、ＺＭＰが足部と路面とが形成する支持多角形の内側に存在し、且つ、ロボットが路面に押す方向の力が作用すれば、ロボットが転倒（機体が回転運動）することなく安定に歩行できる」とするものである。
【００４４】
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。また、ＺＭＰを安定度判別規範とすることは、力ではなく軌道を運動制御上の目標値として扱うことを意味するので、技術的に実現可能性が高まる。
【００４５】
なお、ＺＭＰの概念並びにＺＭＰを歩行ロボットの安定度判別規範に適用する点については、Miomir Vukobratovic著"LEGGED LOCOMOTION ROBOTS"（加藤一郎外著『歩行ロボットと人工の足』（日刊工業新聞社））に記載されている。
【００４６】
図２には、本実施形態に係る脚式移動ロボットに適用される動作制御システムの機能構成を模式的に示している。
【００４７】
図示の通り、この歩行制御システムは、ロボット状態観測部２１と、環境形状観測部２２と、外力・外モーメント観測部２３と、上肢・下肢要求運動入力部２４と、運用状況監視部２５と、抑制動作部２６と、保護動作部２７と、歩容生成部２８と、全身関節駆動部２９により構成される。
【００４８】
ロボット状態観測部２１は、機体の各部に装備された種々のセンサ（前述）からの情報を基に、実際のロボットの運動状態を計測し、その結果を運用状況監視部２５へと出力する。
【００４９】
環境形状観測部２２は、種々のセンサ（前述）からの情報を基に、路面傾斜・段差高さなどの環境形状を算出し、その結果を運用状況監視部２５へと出力する。
【００５０】
外力・外モーメント観測部２３は、主にロボット上に搭載された力センサ並びに加速度センサ情報を基に、ロボットに対して外界から作用する外力・外モーメントを算出し、その結果を運用状況監視部２５へ反映する。
【００５１】
上肢・下肢要求運動入力部２４は、ユーザ・プログラムに従って時々刻々と決定される上肢への運動要求と、歩幅・歩行周期・旋回角などの下肢への要求運動に関る歩容パラメータを入力し、歩容生成部２８へと出力する。
【００５２】
運用状況監視部２５は、脚部に作用する床反力から算出したＺＭＰを基に、機体の運用状態を監視し、その監視結果を抑制動作部２６に出力する。
【００５３】
抑制動作部２６は、運用状態の監視結果に応じて運用状態逸脱を未然に回避するための抑制動作を生成して、歩容生成部２８へと出力する。
【００５４】
保護動作部２７は、抑制動作部２７において運用状態逸脱を未然に回避することが困難で、運用状態を逸脱した場合における、機体並びに動作環境に対する保護動作を生成して、歩容生成部２８へと出力する。
【００５５】
歩容生成部２８は、通常は上肢・下肢運動変更要求を満足することができる次時刻のロボットの運動状態を決定し、全身の関節角参照値を出力するが、運用状態の逸脱を未然に回避するための歩容、あるいは、運用状態を逸脱したときの歩容を生成して、全身の関節角参照値を出力する。
【００５６】
全身関節駆動部２９は、歩容生成部２８の出力した関節角参照値を実現するよう、各関節の自由度を構成するアクチュエータ・モータ（前述）をサーボ・コントローラ（図示しない）により駆動する。
【００５７】
本実施形態に係る脚式移動ロボットは、足部に作用する床反力から算出したＺＭＰを基に運用状態を監視する運用状態監視部２５を備え、その運用状態に応じて運用状態逸脱を未然に回避するための抑制動作を実行する。抑制動作を行なうことで、運用条件を良好に満足する領域にＺＭＰを操作する効果を持ち、あるいは安定領域を拡大又は移動する効果を持つ。
【００５８】
さらに、抑制動作により脚式移動ロボットに加わる衝撃力を吸収する衝撃吸収動作を併用することにより、運用状態を良好に保ち、なお且つ脚式移動ロボット及びその運用環境への影響を緩和する機能を有する。
【００５９】
また、脚式移動ロボットは運用状態に応じて運用状態逸脱を未然に回避するための抑制動作を切り換える抑制動作判別を行なう機能を備え、これにより効率的且つ的確な運用状態の回復、又は運用状態逸脱の回避を実現することが可能である。
【００６０】
これらに加え、脚式移動ロボットは、運用状態を逸脱した場合の制御機能も備え、システムの挙動による脚式移動ロボット及び運用環境への影響を最小限に低減することができる。
【００６１】
運用状態監視部：
運用状態監視部２５は、ＺＭＰ及び床反力の監視を行なう。ＺＭＰの監視では、支持多角形を領域分割することにより、運用状態を閾値などを用いて管理する。また、足底に搭載した力センサ（Ｆ１〜Ｆ８）の出力である床反力（又は衝撃力）を基に、運用状態を監視する。目標床反力と実床反力との偏差から運用状態を管理する。あるいは、単純にある閾値と実床反力の比較から運用状態を管理する。
【００６２】
図３には、ＺＭＰを監視するための方法の一例を示している。足部に搭載した力センサ（Ｆ１〜Ｆ８）からのセンサ情報を基に運用状態を監視するが、同図に示すように、足部足底面に幾つかの位置に関する閾値(thresh1_ZMP_x〜thresh6_ZMP_x, thresh1_ZMP_y〜thresh6_ZMP_y)を設けることで領域を分割し、運用状態を管理する。ここで、支持脚の足部足底面を領域Ａ、領域Ｂ、領域Ｃに分割して、ＺＭＰ位置(ZMP_x, ZMP_y)が現在どの領域に収容されているかによって、運用状態を監視する。
【００６３】
領域Ａ：運用状態が良好な領域
【数１】
thresh1_ZMP_x < ZMP_x < thresh4_ZMP_x
thresh1_ZMP_y < ZMP_y < thresh4_ZMP_y
【００６４】
領域Ｂ：行動・動作目的の続行を最大限に考慮しつつ、運用状態が良好な領域（領域Ａ）にＺＭＰを戻す抑制動作を発動する領域
【数２】
thresh2_ZMP_x < ZMP_x < thresh1_ZMP_x
thresh4_ZMP_x < ZMP_x < thresh5_ZMP_x
thresh2_ZMP_y < ZMP_y < thresh1_ZMP_y
thresh4_ZMP_y < ZMP_y < thresh5_ZMP_y
【００６５】
領域Ｃ：安定領域を拡大又は移動することを目的とした抑制動作を発動する領域
【数３】
thresh2_ZMP_x < ZMP_x < thresh3_ZMP_x
thresh5_ZMP_x < ZMP_x < thresh6_ZMP_xthresh2_ZMP_y < ZMP_y < thresh3_ZMP_y
thresh5_ZMP_y < ZMP_y < thresh6_ZMP_y
【００６６】
これら各領域にある一定期間ＺＭＰが留まる状態が継続した場合に、運用領域に応じた抑制動作を発動する。あるいは、ＺＭＰの時間変化（速度）の監視も併用してもよい。ある一定期間（時間）変化速度がある値よりも小さい場合に、運用領域に応じた抑制動作を発動する。
【００６７】
抑制動作部：
抑制動作部２６は、システムに作用する外乱情報に基づき，運用可能条件外での運用を未然に回避し、制御系が未対応な状態への遷移を未然に抑制することで，制御系全体の性能を高める。
【００６８】
本実施形態では、抑制動作部２６は、後述する抑制動作判別の結果に基づいて、以下の抑制動作を切り換えて発動する。
【００６９】
▲１▼運用条件を良好に満足する領域にＺＭＰを操作する。この前提として、良好な足部と床面（環境）との接地状態が確保されている。
▲２▼安定領域を拡大又は移動する（支持多角形の移動）。
▲３▼急停止時の衝撃吸収
【００７０】
以下、これらの各抑制動作について詳解する。
【００７１】
（１）運用条件を良好に満足する領域にＺＭＰを操作する抑制動作
運用条件を良好に満足する領域にＺＭＰを操作する抑制動作として、上体運動の停止と、各部位置姿勢操作を挙げることができる。
【００７２】
上体が動作することにより、運用状況がさらに悪化することを未然に防止することができる。
【００７３】
図４には、上体運動を抑止動作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。同図に示す例では、運用条件を逸脱する可能性が高まってきた場合に、動作目的に応じて、上体運動を停止するようになっている。
【００７４】
ここで言う「動作目的」とは、例えば頭部に搭載したカメラを利用して対象物をトラッキングしているような思考動作を行なっている場合には首から上の動きを継続するような形態で上体運動を停止することである。また、モーション・データ中にモーションが持つ意味を埋め込むことによって、このような処理を効率的に行なうことができる。
【００７５】
図４に示すように、運用条件を逸脱する可能性が高まってきたときに、頭部の運動を主とする行動をとっていたときには、頭部以外の上体運動を停止する。同様に、腕部の運動を主とする行動をとっていたときには、腕部以外の上体運動を停止し、脚部の運動を主とする行動をとっていたときには全上体運動を停止する。
【００７６】
また、各部の位置姿勢操作を行なうことにより、運用状況がさらに悪化することを未然に防止することができる。
【００７７】
例えば、蹴り力を発生することにより、発生した床反力を用いてＺＭＰを操作することで、運用状態を回復させることができる。
【００７８】
図５には、各部位置姿勢を操作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。同図に示す例では、運用条件を逸脱する可能性が高まってきた場合に、動作目的に応じて、優先度を決定し操作部位を判別するようになっている。
【００７９】
図５に示すように、運用条件を逸脱する可能性が高まってきたときに、頭部の運動を主とする行動をとっていたときには、頭部以外の部位を用いてＺＭＰを操作する。同様に、腕部の運動を主とする行動をとっていたときには、腕部以外の部位を用いてＺＭＰを操作し、脚部の運動を主とする行動をとっていたときには、脚部以外の部位を用いてＺＭＰを操作し、上肢の運動を主とする行動をとっていたときには下肢を用いてＺＭＰを操作し、主とする行動がないときには全部位を用いてＺＭＰを操作する。
【００８０】
図６には、システム状態に応じて操作部位を判別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。本実施形態では、図３に示すように、支持脚の足部足底面を領域Ａ、領域Ｂ、領域Ｃに分割して、ＺＭＰ位置が現在どの領域に収容されているかによって、運用状態を監視する。ＺＭＰが領域Ａにあるときには何もしないが、ＺＭＰが領域Ｂにあるときには上肢を用いてＺＭＰを操作し、ＺＭＰが領域Ｃにあるときには全身を用いてＺＭＰを操作する。
【００８１】
以下、各部位を操作した場合の作用について詳解する。
【００８２】
（１）骨盤部（腰部、上体）姿勢を操作
骨盤部姿勢を操作することで、蹴り力を発生し、ＺＭＰを操作して、運用状態をより良好な状態に回復させる。実ＺＭＰの足底内での位置に従い、骨盤部姿勢操作量を決定する。操作量決定方法の一例を以下に示す（図３を参照のこと）。
【００８３】
足底中心点からのＺＭＰの距離に所定の係数Ｋを乗じて、操作量を決定する。
【００８４】
【数４】
【００８５】
図７には、Ｘの−方向へ運用状態が逸脱する可能性が高まってきた場合に、機体の骨盤部姿勢をピッチ軸＋方向に動作させることでＺＭＰを操作する様子を示している。
【００８６】
また、図８には、Ｙの＋方向へ運用状態が逸脱する可能性が高まってきた場合に、骨盤部姿勢をロール軸−方向に動作させることでＺＭＰを操作する様子を示している。
【００８７】
▲２▼重心（腰部、骨盤部）位置を操作
重心（腰部、骨盤部）位置を操作することで、蹴り力を発生し、ＺＭＰを操作して、運用状態をよりよい状態に回復させる（重心を上げる）。例えば、下式に示すように、抑制動作発動時の床反力に従い操作量を決定する。
【００８８】
【数５】
【００８９】
また、下式に示すように、抑制動作発動時の運用領域（分割した足部領域：図３を参照のこと）に従い操作量を決定して、ＺＭＰの足底中心点からの距離に応じて操作量を決定するようにしてもよい。
【００９０】
【数６】
【００９１】
あるいは、上記の２式に重み付けをして、合わせて操作量を決定するようにしてもよい。
【００９２】
【数７】
【００９３】
図９には、Ｘの＋方向へ運用状態が逸脱する可能性が高まってきた場合に、機体の重心位置をＺ軸＋方向に動作させることでＺＭＰを操作する様子を示している。
【００９４】
重心位置によりＺＭＰを操作する際、目標値床反力と実床反力の偏差にある係数を乗じて操作量としてもよい。
【００９５】
その他、以下の部位もＺＭＰ操作のための操作部位として利用することができる。
【００９６】
▲３▼腕部位置姿勢を操作
▲４▼頭部位置姿勢を操作
▲５▼腰部関節（体幹関節）を操作
【００９７】
（２）安定領域を拡大又は移動する（支持多角形の移動）
立脚姿勢状態で最大の安定領域を実現可能な状態は、両脚支持状態である。上述したような抑制動作を行なったにもかかわらず、運用状態が改善できない場合には、運用条件を逸脱する可能性が高い。また、実床反力の値がある値よりも大きい場合も、運用条件を逸脱する可能性が高い。そこで、安定領域を拡大又は移動することにより、より安定度の高い（すなわち、運用条件に適した）状態を確保するようにする。
【００９８】
安定領域を拡大又は移動する抑制動作として、速やかに両脚支持状態へ移行する動作（安定領域（支持多角形）の拡大）と、飛ぶ又ははねるという動作（安定領域（支持多角形）の移動）を挙げることができる。
【００９９】
図１０には、遊脚が着床可能かどうかに応じて安定領域の操作方法を決定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。すなわち、遊脚が着床可能であれば、安定領域（運用領域）を拡大する動作を選択し、遊脚が着床可能でなければ、安定領域（運用領域）を移動する動作を選択する。
【０１００】
単脚支持状態にあり、遊脚を着床可能な状態であれば、安定領域を最大限確保するように、歩幅を拡大して、可能な限り安定領域を拡大して、速やかに両脚支持状態へ移行する。
【０１０１】
このときの歩幅操作量は、抑制動作発動時の床反力にしたがって決定することができる。
【０１０２】
【数８】
【０１０３】
また、抑制動作発動時の運用領域（分割した足部領域：図３を参照のこと）に従い、歩幅操作量を決定してもよい。
【０１０４】
【数９】
【０１０５】
あるいは、上述した２式に重み付けをし、合わせて歩幅操作量を決定するようにしてもよい。
【０１０６】
【数１０】
【０１０７】
図１１には、片脚をピッチ方向へ操作して安定領域を拡大する様子を示している。また、図１２には、片脚をロール方向へ操作して安定領域を拡大する様子を示している。
【０１０８】
一方、単脚支持状態にあるが、遊脚を着床不能な状態であれば、安定領域を確保するために、飛ぶ、はねることにより安定領域を移動し、運用条件からの逸脱を回避することができる。例えば、右足支持期にある状態で、さらに右側に安定領域を拡大したい場合、左足を床面に着床したい状態であるが、物理的に不可能であれば、右方向に跳ねる。
【０１０９】
図１３には、Ｙ軸＋方向に遊脚である左足を着床して安定領域を拡大したいが、物理的に遊脚を望む位置に移動することができないため、安定領域を移動することにより運用条件からの逸脱を回避する様子を示している。
【０１１０】
（３）急停止時の衝撃吸収動作
機体が急停止した場合には、関節アクチュエータのサーボ・ゲインを低下させる。このとき、全関節のサーボ・ゲインを同時に低下させてもよいが、部位に応じてサーボ・ゲインの目標値を異なる値に設定してもよいし、部位に応じてサーボ・ゲインを異なるタイミングで低下させるようにしてもよい。
【０１１１】
また、機体が急停止した場合には、膝を曲げて衝撃吸収するようにしてもよい。このような抑制動作により、足部に加わる衝撃力を緩和すことができる。また、重心位置に限らず、例えば腕部、頭部、腰関節など、その他の部位を動作させることにより衝撃吸収動作を行なう。
【０１１２】
図１４には、衝撃吸収動作を発動させる部位を判別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。同図に示す例では、運用条件を逸脱する可能性が高まってきた場合に、動作目的に応じて、衝撃吸収動作を行なう部位を判別するようになっている。
【０１１３】
頭部の運動を主とする行動をとっていた場合には、頭部以外の部位を用いて衝撃吸収動作を行なう。また、腕部の運動を主とする行動をとっていた場合には、腕部以外の部位を用いて衝撃吸収動作を行なう。また、脚部の運動を主とする行動をとっていた場合には、脚部以外の部位を用いて衝撃吸収動作を行なう。また、上肢の運動を主とする行動をとっていた場合には、下肢を用いて衝撃吸収動作を行なう。また、主とする行動がない場合には、全部位を用いて衝撃吸収動作を行なう。
【０１１４】
また、図１５には、システムの運用状態に応じて衝撃吸収動作を発動させる部位を判別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。本実施形態では、図３に示すように、支持脚の足部足底面を領域Ａ、領域Ｂ、領域Ｃに分割して、ＺＭＰ位置が現在どの領域に収容されているかによって、運用状態を監視する。ＺＭＰが領域Ａにあるときには何もしないが、ＺＭＰが領域Ｂにあるときには上肢を用いて衝撃吸収動作をし、ＺＭＰが領域Ｃにあるときには全身を用いて衝撃吸収動作をする。
【０１１５】
腰部位置を下げることで、床反力を減少させることが可能である。
【０１１６】
また、床反力などの撃力に対するセンサに応答して、アクチュエータの応答性能を確保できる場合には、撃力をリアルタイムで吸収することができる。
【０１１７】
また、撃力に対するセンサの応答やアクチュエータの応答性能を確保することができない場合には、モーションを発動して、現在値から目標値への遷移を行なう。例えば、重心を下げるのであれば、現在重心位置から目標重心位置への遷移を行なうことになる。
【０１１８】
図１６には、モーションの再生により衝撃吸収動作を行なう様子を示している。同図に示す例では、腰部位置をＺ方向に下げることにより、撃力としての床反力を減少させている。このような衝撃吸収動作を行なうことにより、ロボットの機体の電気的及び機械的な損傷や、運用環境の損傷を低減することができるとともに、運用条件からの逸脱を回避することができる。
【０１１９】
抑制動作判別部：
既に述べたように、本実施形態に係る脚式移動ロボットは運用状態（運用条件からの逸脱状態やセンサ情報）に基づいて運用状態逸脱を未然に回避するための抑制動作を切り換える抑制動作判別を行なう機能を備え、これにより効率的且つ的確な運用状態の回復、又は運用状態逸脱の回避を実現することが可能である。また、抑制動作部２６は、この判別結果に基づいて、抑制動作の組み合わせを変えることで、さまざまな状況への対応が可能になる。ここで言う抑制動作は、上述した個々の抑制動作を指す訳ではなく、１以上の抑制動作を組み合わせてなる抑制動作セットを意味する。
【０１２０】
抑制動作判別部は、実ＺＭＰが存在する領域、床反力Ｆｚの大きさ、抑制動作による結果などから、抑制動作を判別する。
【０１２１】
図１７には、実ＺＭＰが存在する領域に基づいて抑制動作を判別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。本実施形態では、図３に示すように、支持脚の足部足底面を領域Ａ、領域Ｂ、領域Ｃに分割して、ＺＭＰ位置が現在どの領域に収容されているかによって、運用状態を監視する。抑制動作判別部は、ＺＭＰが領域Ａにあるときには何もしないが、ＺＭＰが領域Ｂにあるときには抑制動作セットＡ（後述）を選択し、ＺＭＰが領域Ｃにあるときには抑制動作セットＢ（後述）を選択する。
【０１２２】
後述する抑制動作を、そのＺＭＰが一定期間停滞した領域に応じ、効率的且つ的確に切り換える。
【０１２３】
また、図１８には、実ＺＭＰが存在する領域、及び床反力Ｆｚの大きさを考慮し、運用状態をレベル分けして抑制動作を判別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。
【０１２４】
抑制動作判別部は、ＺＭＰが領域Ａにあるときには、運用状態レベルをレベル１にセットする。また、ＺＭＰが領域Ｂにあるときには、さらに床反力が所定の閾値ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ_Ｆｚを越えるかどうかを判断し、越えない場合は運用状態レベルをレベル２にセットし、越える場合は運用状態レベルをレベル３にセットする。また、ＺＭＰが領域Ｃにあるときには運用状態レベルをレベル３にセットする。
【０１２５】
そして、抑制動作判別部は、上述のようにして判定された運用状態レベルに応じて抑制動作セットを選択する。すなわち、運用状態レベルがレベル１にあるときには何もしないが、レベル２にあるときには抑制動作セットＡ（後述）を選択し、レベル３にあるときには抑制動作セットＢ（後述）を選択する。
【０１２６】
運用状態監視部２５より得た領域にＺＭＰがある一定期間停滞した場合に、抑制動作を発動する。また、同時にそのときの床反力Ｆｚの大きさも考慮し、抑制動作の種類を切り換える。
【０１２７】
また、図１９には、実ＺＭＰが存在する領域、及び抑制動作による結果（連続抑制動作発動回数）を考慮し、運用状態をレベル分けして抑制動作を判別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。
【０１２８】
抑制動作判別部は、ＺＭＰが領域Ａにあるときには、運用状態レベルをレベル１にセットする。また、ＺＭＰが領域Ｂにあるときには、さらに抑制動作連続発動回数が所定値ｎを越えるかどうかを判断し、越えない場合は運用状態レベルをレベル２にセットし、越える場合は運用状態レベルをレベル３にセットする。また、ＺＭＰが領域Ｃにあるときには運用状態レベルをレベル３にセットする。
【０１２９】
そして、抑制動作判別部は、上述のようにして判定された運用状態レベルに応じて抑制動作セットを選択する。すなわち、運用状態レベルがレベル１にあるときには何もしないが、レベル２にあるときには抑制動作セットＡ（後述）を選択し、レベル３にあるときには抑制動作セットＢ（後述）を選択する。
【０１３０】
運用状態監視部２５より得た領域にＺＭＰがある一定期間停滞した場合に、抑制動作を発動する。また、同時に、そのときの抑制動作による結果（連続抑制動作発動回数）を合わせて考慮し、抑制動作の種類を切り換える。
【０１３１】
その他、図１７〜図１９に示した各抑制動作判別処理を同時に考慮して、運用状態をレベル分けし、抑制動作を決定するようにしてもよい。
【０１３２】
抑制動作の組み合わせは自由であり、さまざまな状況に合わせて抑制動作の組み合わせを用意する。したがって、図４〜図６以外の判別方法も考えられる。
【０１３３】
ここで、抑制動作セットの例を挙げておく。
【０１３４】
●抑制動作セット例１
◇抑制動作Ａ：
・上肢運動の停止
・骨盤部姿勢操作によるＺＭＰ操作
・重心位置操作によるＺＭＰ操作
◇抑制動作Ｂ：
・安定領域の拡大（速やかに両脚支持状態へ）
・関節サーボ・ゲイン操作（衝撃吸収）
・重心位置（腰部位置）による衝撃吸収動作
【０１３５】
●抑制動作セット例２
◇抑制動作Ａ：
・上肢運動の停止
・骨盤部姿勢操作によるＺＭＰ操作
◇抑制動作Ｂ：
・安定領域の拡大又は移動
・関節サーボ・ゲイン操作により衝撃吸収動作
【０１３６】
なお、本明細書で示した抑制動作セットはあくまで一例であり、抑制動作をさまざまな形態で組み合わせることが可能であり、目的に適った設計を行なうようにすればよい。
【０１３７】
保護動作部（運用状態を逸脱した場合の制御）：
保護動作部２７は、抑制動作部２７において運用状態逸脱を未然に回避することが困難で、運用状態を逸脱した場合における、機体並びに動作環境に対する保護動作を生成する。
【０１３８】
保護動作部２７は、運用状況判別の領域（図３を参照のこと）に従って発動する。さらに逸脱領域を設け、逸脱状態となった場合に発動する。また、抑制動作を行なったにも拘らず、状況が改善しない場合に発動する（抑制動作連続発動回数による判断）。
【０１３９】
図２０には、実ＺＭＰが存在する領域に基づいて抑制動作を判別し、さらに保護動作を発動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。本実施形態では、図３に示すように、支持脚の足部足底面を領域Ａ、領域Ｂ、領域Ｃ、領域Ｄに分割して、ＺＭＰ位置が現在どの領域に収容されているかによって、運用状態を監視する。抑制動作判別部は、ＺＭＰが領域Ａにあるときには何もしないが、ＺＭＰが領域Ｂにあるときには抑制動作セットＡを選択し、ＺＭＰが領域Ｃにあるときには抑制動作Ｃを選択し、ＺＭＰがさらのその外側の領域Ｄにあるときは保護動作を選択する。
【０１４０】
また、図２１には、実ＺＭＰが存在する領域、及び床反力Ｆｚの大きさを考慮し、運用状態をレベル分けして抑制動作を判別し、保護動作を発動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。
【０１４１】
抑制動作判別部は、ＺＭＰが領域Ａにあるときには、運用状態レベルをレベル１にセットする。また、ＺＭＰが領域Ｂにあるときには、さらに床反力が所定の閾値ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ１_Ｆｚを越えるかどうかを判断し、越えない場合は運用状態レベルをレベル２にセットし、越える場合は運用状態レベルをレベル３にセットする。また、ＺＭＰが領域Ｃにあるときには、さらに床反力が所定の閾値ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ２_Ｆｚを越えるかどうかを判断し、越えない場合は運用状態レベルをレベル３にセットし、越える場合は運用状態レベルをレベル４にセットする。また、ＺＭＰがさらにその外側の領域Ｄにあるときには、運用状態レベルをレベル４にセットする。
【０１４２】
そして、抑制動作判別部は、上述のようにして判定された運用状態レベルに応じて抑制動作セットを選択する。すなわち、運用状態レベルがレベル１にあるときには何もしないが、レベル２にあるときには抑制動作セットＡを選択し、レベル３にあるときには抑制動作セットＢを選択し、レベル４にあるときには保護動作を実行する。
【０１４３】
また、図２２には、実ＺＭＰが存在する領域、及び抑制動作による結果（連続抑制動作発動回数）を考慮し、運用状態をレベル分けして抑制動作を判別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。
【０１４４】
抑制動作判別部は、ＺＭＰが領域Ａにあるときには、運用状態レベルをレベル１にセットする。また、ＺＭＰが領域Ｂにあるときには、さらに抑制動作連続発動回数が所定値ｎ１を越えるかどうかを判断し、越えない場合は運用状態レベルをレベル２にセットし、越える場合は運用状態レベルをレベル３にセットする。また、ＺＭＰが領域Ｃにあるときには、さらに抑制動作連続発動回数が所定値ｎ２を越えるかどうかを判断し、越えない場合は運用状態レベルをレベル３にセットし、越える場合は運用状態レベルをレベル４にセットする。また、ＺＭＰがさらにその外側の領域Ｄにあるときには、運用状態レベルをレベル４にセットする。
【０１４５】
そして、抑制動作判別部は、上述のようにして判定された運用状態レベルに応じて抑制動作セットを選択する。すなわち、運用状態レベルがレベル１にあるときには何もしないが、レベル２にあるときには抑制動作セットＡを選択し、レベル３にあるときには抑制動作セットＢを選択し、レベル４にあるときには保護動作を発動する。
【０１４６】
保護動作の具体例としては、関節アクチュエータのサーボ・ゲイン・ダウン、受身姿勢への移行、電源オフ、関節サーボの停止などを挙げることができる。電源オフさせた場合、関節アクチュエータ自身のバック・ドライブ・アビリティにより、サーボ・ゲインをダウンさせたのと同等の効果が得られる。
【０１４７】
関節サーボ・ゲインをダウンする場合、サーボ・ゲインを小さくする順番を操作対象とする。ゲインをダウンさせる順番を部位により変化させる（部位により異なるタイミングでゲイン・ダウンする）。そのダウンさせる軌道を部位毎に変える。これによって、転倒姿勢を操作することにつながる。また、全部位のサーボ・ゲインを小さく又はゼロにする。
【０１４８】
受身姿勢へ移行（関節角度操作）する場合、現在姿勢から目標姿勢への遷移動作を利用する。例えば手の床面へのつき方を場合に応じて変化させる。
【０１４９】
また、機体の電源をオフにする場合、オフする順番を部位により変化させる。これによって、転倒姿勢を操作することにつながる。
【０１５０】
また、関節サーボをオフにする場合、オフにする順番を部位により変化させる。これによって、転倒姿勢を操作することにつながる。
【０１５１】
関節サーボ・ゲイン操作：
最後に、抑制動作及び保護動作手段の一つである関節サーボ・ゲイン操作について説明する。
【０１５２】
脚式移動ロボットと運用環境との接触時（衝突時）に発生する機械的損傷の大きさを示す指標として、脚式移動ロボット内部及び被衝突物体内部に発生する応力を用いることができる。応力εは以下の式で近似することができる。
【０１５３】
【数１１】
【０１５４】
ここで、ΔＬは衝突時の運動量変化、Ｓは応力発生部の断面積、Δｔは衝突に要する時間である。上式によれば、衝突に要する時間Δｔが極力大きくなるように脚式移動ロボットを制御することにより、衝突時に発生する応力を小さくすることができ、衝突力による機械的損傷を軽減することが可能であることが分かる。この衝突時間Δｔ長くするための脚式移動ロボットの動作制御方法を提供する。
【０１５５】
脚式移動ロボットの関節サーボ・ゲインの値を操作し、機械剛性を仮想的に変化させることで、衝突にようする時間を増大させ、脚式移動ロボット及び運用環境に作用する衝撃力を緩和させる。
【０１５６】
上肢及び下肢の関節が位置制御されている場合、一般に各関節に発生させるトルクは以下の式で表現される。
【０１５７】
【数１２】
【０１５８】
ここでτは発生トルク、Δθは関節角偏差、Ｋp、Ｋd、Ｋiはそれぞれ比例ゲイン、速度ゲイン、積分ゲインを表している。
【０１５９】
例えば，図２３のように，保護動作開始時（ゲインダウン開始時）に比例ゲインＫpをステップ状に減少させ、関節剛性を低下させることで、図２４に示すような関節にばね定数の低いばねが挿入されているのと同等の特性を与えることができることから、高ゲインのまま衝突する場合に比べて、衝突時間を長くすることができる。
【０１６０】
すなわち、ゲインを下げなかった場合は、図２５の実線に示すように、衝突時間は短く発生衝撃力の最大値も大きくなる。これに対し、ゲインを下げることで図２５の破線のように衝突に要する時間を長くすることができ、その結果として発生衝撃力の最大値を小さく抑えることができる。
【０１６１】
さらに、図２６に示すように、保護動作時に速度ゲインを負の値に設定することで、図２７に示すように、関節にダンパとばねが挿入されているのと同等の特性を得ることができ、着床時の振動に減衰効果を与えるようにしてもよい。
【０１６２】
あるいは、上記のサーボ・ゲインはステップ状の変化のみならず、運用条件逸脱の可能性があると判断された後、任意の時間的変化をするように設定しても良い。例えば、図２８に示すように、比例ゲインを減少から増加へ、速度ゲインを負の値で減少するように変化させることで、関節に非線形なばね及びダンパが挿入されているのと同様の特性を与え、衝撃力を軽減するとともに、減衰効果を与え、なお且つ、関節目標値に復帰する効果を与えることが可能になる。
【０１６３】
あるいは、ゲインを変更する時刻を全ての関節において同一とするのではなく、関節部位毎にサーボ・ゲインの変更開始時刻、変更速度を設定するようにしてもよい。例えば、図２９に示すように、足首関節、膝関節、股関節の順に比例ゲインを低下させることで、衝突部位付近の衝撃力を軽減するとともに、ゲインが未だ低下していない関節に関しては計画軌道を維持させる効果を得ることができる。
【０１６４】
あるいは、ゲインの変更方法は、転倒状況に応じたゲイン変更方法をテーブル方式で記憶しておき、テーブルを参照してゲインを変更するようにしてもよい。例えば、ロボットに保護動作発動方向手段を装備し、保護動作発動方向毎に関節部位のゲイン値の時刻列をテーブル上に記憶しておき、上記保護動作発動方向手段の出力結果に応じてテーブルをルックアップし、ゲインの変更方法を決定するようにすることで、保護動作発動方向毎に衝撃を吸収するのに最適なゲイン変更を行なうことができる。
【０１６５】
あるいは、ゲインの値を零としてもよい。ゲインの値をゼロにすることで、保護動作発動時に機械的損傷を生じ易いギヤ部の破損を軽減することができる。
【０１６６】
その他、上述した例ではサーボ・ゲインを操作量としたのに対し、関節角（角速度，角加速度を含む）の目標値を操作量として、脚式移動ロボットの機械剛性を仮想的に変化させることで、脚式移動ロボット及び運用環境に作用する衝撃力を緩和することも可能である。
【０１６７】
［追補］
以上、特定の実施例を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施例の修正や代用を成し得ることは自明である。
【０１６８】
本発明の要旨は、必ずしも「ロボット」と称される製品には限定されない。すなわち、電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行う機械装置であるならば、例えば玩具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。
【０１６９】
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。
【発明の効果】
以上詳記したように、本発明によれば、運用条件からの逸脱を未然に防止して制御系全体の性能を高める、優れた脚式移動ロボットの動作制御装置及び動作制御方法を提供することができる。
【０１７０】
また、本発明によれば、機体の制御系が保証する運用条件を逸脱した場合において、システムの挙動が与える機体及び運用環境への影響を最小限に抑えることができる、優れた脚式移動ロボットの動作制御装置及び動作制御方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施に供される脚式移動ロボットの自由度構成を模式的に示した図である。
【図２】 本発明の一実施形態に係る脚式移動ロボットに適用される動作制御システムの機能構成を模式的に示した図である
【図３】 ＺＭＰを監視するための方法の一例を示した図である。
【図４】 上体運動を抑止動作するための処理手順を示したフローチャートである。
【図５】 各部位置姿勢を操作するための処理手順を示したフローチャートである。
【図６】 システム状態に応じて操作部位を判別するための処理手順を示したフローチャートである。
【図７】 Ｘの−方向へ運用状態が逸脱する可能性が高まってきた場合に、機体の骨盤部姿勢をピッチ軸＋方向に動作させることでＺＭＰを操作する様子を示した図である。
【図８】 Ｙの＋方向へ運用状態が逸脱する可能性が高まってきた場合に、骨盤部姿勢をロール軸＋方向に動作させることでＺＭＰを操作する様子を示した図である。
【図９】 Ｘの＋方向へ運用状態が逸脱する可能性が高まってきた場合に、機体の重心位置をＺ軸＋方向に動作させることでＺＭＰを操作する様子を示した図である。
【図１０】 遊脚が着床可能かどうかに応じて安定領域の操作方法を決定するための処理手順を示したフローチャートである。
【図１１】 片脚をピッチ方向へ操作して安定領域を拡大する様子を示した図である。
【図１２】 片脚をロール方向へ操作して安定領域を拡大する様子を示した図である。
【図１３】 安定領域を移動することにより運用条件からの逸脱を回避する様子を示した図である。
【図１４】 衝撃吸収動作を発動させる部位を判別するための処理手順を示したフローチャートである。
【図１５】 システムの運用状態に応じて衝撃吸収動作を発動させる部位を判別するための処理手順を示したフローチャートである。
【図１６】 モーションの再生により衝撃吸収動作を行なう様子を示した図である。
【図１７】 実ＺＭＰが存在する領域に基づいて抑制動作を判別するための処理手順を示したフローチャートである。
【図１８】 実ＺＭＰが存在する領域、及び床反力Ｆｚの大きさを考慮し、運用状態をレベル分けして抑制動作を判別するための処理手順を示したフローチャートである。
【図１９】 実ＺＭＰが存在する領域、及び抑制動作による結果（連続抑制動作発動回数）を考慮し、運用状態をレベル分けして抑制動作を判別するための処理手順を示したフローチャートである。
【図２０】 実ＺＭＰが存在する領域に基づいて保護動作を発動するための処理手順を示したフローチャートである。
【図２１】 実ＺＭＰが存在する領域、及び床反力Ｆｚの大きさを考慮し、運用状態をレベル分けして保護動作を発動するための処理手順を示したフローチャートである。
【図２２】 実ＺＭＰが存在する領域、及び抑制動作による結果（連続抑制動作発動回数）を考慮し、運用状態をレベル分けして保護動作を発動するための処理手順を示したフローチャートである。
【図２３】 保護動作開始時（ゲインダウン開始時）に比例ゲインＫpをステップ状に減少させ、関節剛性を低下させる様子を示した図である。
【図２４】 保護動作開始時（ゲインダウン開始時）に比例ゲインＫpをステップ状に減少させ、関節剛性を低下させることで、関節にばね定数の低いばねが挿入されている効果が得られる様子を示した図である。
【図２５】 衝突開始からの時間と衝突力との関係を示した図である。
【図２６】 保護動作時に速度ゲインを負の値に設定する様子を示した図である。
【図２７】 保護動作時に速度ゲインを負の値に設定することで、関節にダンパとばねが挿入されている効果を得る様子を示した図である。
【図２８】 比例ゲインを減少から増加へ、速度ゲインを負の値で減少するように変化させる様子を示した図である。
【図２９】 足首関節、膝関節、股関節の順に比例ゲインを低下させる様子を示した図である。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a motion control device and a motion control method for a legged mobile robot including at least a plurality of movable legs, and more particularly to a motion control device for a legged mobile robot assumed to be used in various environments, and The present invention relates to an operation control method.
[0002]
More particularly, the present invention relates to a motion control device and a motion control method for a legged mobile robot that guarantees the operation under a predetermined operation condition, and in particular, prevents the deviation from the operation condition before the entire control system. The present invention relates to a walking control apparatus and a walking control method for a legged mobile robot that improves the performance of the legged mobile robot.
[0003]
[Prior art]
A mechanical device that uses an electrical or magnetic action to perform a movement resembling human movement is called a “robot”. It is said that the word “robot” comes from the Slavic word “ROBOTA (slave machine)”. In Japan, robots began to spread from the end of the 1960s, but many of them are industrial robots such as manipulators and transfer robots for the purpose of automating and unmanned production operations in factories. Met.
[0004]
Recently, research and development on legged mobile robots simulating the body mechanisms and movements of biped upright walking such as humans and monkeys has progressed, and expectations for practical use are also increasing. Leg type movement with two legs standing up is unstable and difficult to control posture and walking, compared to crawler type, four or six legs type, etc., but walking with irregularities on the work path such as rough terrain and obstacles It is excellent in that it can realize flexible movement work, such as being able to cope with discontinuous walking surfaces such as up and down of surfaces and stairs and ladders.
[0005]
A legged mobile robot that reproduces a human biological mechanism and movement is particularly called a “humanoid” or “humanoid robot”. The humanoid robot can provide, for example, life support, that is, support for human activities in various situations in daily life such as a living environment.
[0006]
Most of the human working space and living space are formed according to the human body mechanism and behavioral style of biped upright walking, and the current mechanical system using wheels and other driving devices as moving means moves. There are many barriers. Therefore, in order for the mechanical system, that is, the robot to perform various human tasks and penetrate deeply into the human living space, it is preferable that the movable range of the robot is substantially the same as that of the human. This is also why the practical application of legged mobile robots is highly expected.
[0007]
High-legged mobile robots are expected to be used in any environment, regardless of whether they are leveled or rough, and there are many situations that deviate from the operating conditions guaranteed by the control system of the aircraft.
[0008]
In general, it is difficult to predict the behavior of the system when it deviates from the operating conditions guaranteed by the control system, and depending on the behavior, the legged mobile robot or the operating environment (operating environment) may be damaged.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide an excellent motion control device and motion control method for a legged mobile robot that can be used in various environments.
[0010]
A further object of the present invention is to provide an excellent motion control apparatus and motion control method for a legged mobile robot that guarantees motion under predetermined operating conditions.
[0011]
A further object of the present invention is to provide an excellent motion control apparatus and motion control method for a legged mobile robot capable of preventing the deviation from operating conditions and improving the performance of the entire control system.
[0012]
[Means and Actions for Solving the Problems]
The present invention has been made in view of the above problems, and is an operation control device or an operation control method for a legged mobile robot including at least a plurality of movable legs,
An operational status monitoring unit or step for monitoring whether the operational status of the aircraft maintains operational conditions guaranteed by the control system;
A suppression operation unit or step for executing a suppression operation for avoiding an operational state deviation according to the monitoring result of the operational state;
An operation control apparatus or an operation control method for a legged mobile robot.
[0013]
The motion control device or the motion control method for a legged mobile robot according to the first aspect of the present invention is difficult when it is difficult to avoid an operation state deviation in the suppression operation unit or step, and when the operation state deviates. Further, a protection operation unit or a step for performing a protection operation for the machine body and the operating environment may be further provided.
[0014]
Further, the operation state monitoring unit may monitor the operation state based on ZMP calculated from a floor reaction force acting on a leg portion of the legged mobile robot.
[0015]
The legged mobile robot according to the present invention includes an operation state monitoring unit that monitors the operation state based on the ZMP calculated from the floor reaction force acting on the foot, and the deviation of the operation state according to the operation state is performed in advance. Perform suppression action to avoid. By performing the suppression operation, there is an effect of operating the ZMP in a region that satisfies the operating conditions well, or an effect of expanding or moving the stable region.
[0016]
In addition, by using the shock absorbing operation that absorbs the impact force applied to the legged mobile robot by the restraining operation, it has a function to keep the operating state good and to reduce the influence on the legged mobile robot and its operating environment. Have. The legged mobile robot also has a control function in the case of deviating from the operation state, and the influence of the system behavior on the legged mobile robot and the operation environment can be reduced to the minimum.
[0017]
The operation state monitoring unit or step divides the operation area by providing threshold values related to several positions on the foot sole, and manages the operation state depending on which operation area the ZMP position is currently accommodated in. May be.
[0018]
The suppression operation unit or step may include suppression operation determination means or a step for switching a suppression operation for avoiding an operation state deviation in advance according to the operation state. As a result, it is possible to realize efficient and accurate recovery of the operation state or avoidance of the operation state deviation.
[0019]
The suppression operation unit or step may activate a suppression operation according to the operation area when the state where the ZMP remains for a predetermined period continues. Alternatively, the suppression operation unit or step activates the suppression operation according to the operation area when the change rate of the ZMP in the predetermined period is smaller than the predetermined value.
[0020]
In addition, the suppression operation unit or step may prevent the operational status from further worsening by stopping the upper body motion of the aircraft and / or operating the position and orientation of each unit.
[0021]
The suppression operation unit or step may generate a kicking force and operate the ZMP using the generated floor reaction force to restore the operation state.
[0022]
Further, the suppression operation unit or step may stop the operation of a part other than the operation purpose or operate the ZMP using a part other than the operation purpose.
[0023]
In addition, the suppression operation unit or step may operate the ZMP by determining an operation part according to an operation state.
[0024]
Further, the suppression operation unit or step may operate the aircraft so as to expand or move the stable region.
[0025]
Further, the suppression operation unit or step may determine a method for operating the stable region depending on whether the free leg can be landed.
[0026]
The suppression operation unit or step may reduce the servo gain of the joint actuator in response to a sudden stop of the aircraft.
[0027]
Further, the suppression operation unit or step may absorb the shock by bending the knee in response to the sudden stop of the aircraft.
[0028]
Further, when the possibility of deviating from the operation condition is increased, the suppression operation unit or step may determine a part where the shock absorbing operation is performed according to the operation purpose.
[0029]
Further, when the possibility of deviating from the operation condition increases, the suppression operation unit or step may operate the ZMP by determining the operation part according to the operation state.
[0030]
Further, the suppression operation unit or step may absorb the impact force in real time by the response of the actuator in response to the response of the sensor to the impact force.
[0031]
The suppression operation unit or step may perform an impact absorbing operation by reproducing a predetermined motion.
[0032]
The suppression operation determination unit or step may determine the suppression operation based on a region where the actual ZMP exists. Alternatively, the suppression operation determination unit or step may determine the suppression operation based on the floor reaction force. Alternatively, the suppression operation determination unit may determine the next suppression operation based on the result of the suppression operation.
[0033]
In addition, the suppression operation determination unit or step may activate the protection operation based on a region where the actual ZMP exists. Alternatively, the suppression operation determination unit or step may activate a protection operation based on a floor reaction force. Alternatively, the suppression operation determination unit or step may activate a protection operation based on a result of the suppression operation.
[0034]
The protection operation unit or step may execute any one of servo gain down of the joint actuator, transition to a passive posture, power off, and joint servo stop.
[0035]
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.
[0036]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0037]
FIG. 1 schematically shows a configuration of the degree of freedom of a legged mobile robot that is used to implement the present invention.
[0038]
The robot shown in the figure is a humanoid robot having two legs and two arms. This robot has limbs attached to the airframe, and the left and right arms have 7 degrees of freedom: shoulder joint pitch axis, shoulder joint roll axis, upper arm yaw axis, elbow joint pitch axis, forearm yaw axis, wrist roll axis, wrist pitch axis. And left and right leg portions having six degrees of freedom, that is, a hip joint yaw axis, a hip joint roll axis, a hip joint pitch axis, a knee pitch axis, an ankle pitch axis, and an ankle roll axis.
[0039]
Each of these joint degrees of freedom is actually realized by an actuator / motor. In the present embodiment, a small AC servo actuator of the type that is directly connected to the gear and that is built into the motor unit with the servo control system made into one chip is mounted. This type of AC servo actuator is disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-299970 (Japanese Patent Application No. 11-33386) already assigned to the present applicant.
[0040]
An acceleration sensor A1 and a gyro G1 are mounted on the airframe. Also, at the four corners of the left and right soles, there are uniaxial load cells (F1 to F8) for detecting the floor reaction force in the vertical direction of the sole and infrared ranging sensors (D1 to D8) for measuring the distance to the floor, respectively. Four are attached. An acceleration sensor (A2, A3) and a gyroscope (G2, G3) are attached to the center of the left and right soles, respectively.
[0041]
The legged mobile robot according to the present embodiment uses ZMP (Zero Moment Point) as a standard for determining the stability of walking. The standard for discriminating the stability by ZMP is the principle of D'Alembert that gravity and inertia force from the walking system to the road surface, and these moments balance with the floor reaction force and the floor reaction force moment as a reaction from the road surface to the walking system. based on.
[0042]
As a result of this mechanical reasoning, the point where the pitch axis and roll axis moments become zero on or inside the side of the support polygon (that is, the ZMP stable region) formed by the sole contact point and the road surface, that is, “ZMP (Zero Moment Point) ”.
[0043]
In summary, the ZMP norm is: “At every moment of walking, the ZMP exists inside the support polygon formed by the foot and the road surface, and the force in the direction in which the robot pushes the road surface acts. "The robot can walk stably without falling down (the body turns)".
[0044]
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 a kinematic constraint condition of a foot according to the road surface shape. In addition, using ZMP as a stability determination criterion means that a trajectory is treated as a target value in motion control instead of force, and thus technically feasible.
[0045]
Regarding the concept of ZMP and the application of ZMP to the stability criteria for walking robots, "LEGGED LOCOMOTION ROBOTS" written by Miomir Vukobratovic (Ichiro Kato's "Walking Robots and Artificial Feet" (Nikkan Kogyo Shimbun)) It is described in.
[0046]
FIG. 2 schematically shows a functional configuration of the motion control system applied to the legged mobile robot according to the present embodiment.
[0047]
As illustrated, the walking control system includes a robot state observation unit 21, an environmental shape observation unit 22, an external force / external moment observation unit 23, an upper limb / lower limb request motion input unit 24, an operation status monitoring unit 25, The suppression operation unit 26, the protection operation unit 27, the gait generation unit 28, and the whole body joint drive unit 29 are configured.
[0048]
The robot state observation unit 21 measures the actual movement state of the robot based on information from various sensors (described above) installed in each part of the machine body, and outputs the result to the operation state monitoring unit 25.
[0049]
The environmental shape observation unit 22 calculates an environmental shape such as road surface inclination and step height based on information from various sensors (described above), and outputs the result to the operation status monitoring unit 25.
[0050]
The external force / external moment observation unit 23 calculates an external force / external moment acting on the robot from the outside based mainly on the force sensor and acceleration sensor information mounted on the robot, and the result is an operation status monitoring unit. 25.
[0051]
The upper limb / lower limb required motion input unit 24 inputs the gait parameters related to the required motion to the lower limb such as the stride / walking cycle / turning angle and the motion request to the upper limb determined every moment according to the user program. And output to the gait generator 28.
[0052]
The operation state monitoring unit 25 monitors the operation state of the aircraft based on the ZMP calculated from the floor reaction force acting on the legs, and outputs the monitoring result to the suppression operation unit 26.
[0053]
The suppression operation unit 26 generates a suppression operation for avoiding the deviation of the operation state according to the monitoring result of the operation state, and outputs it to the gait generation unit 28.
[0054]
The protection operation unit 27 is difficult to avoid the operation state deviation in the suppression operation unit 27 in advance, and generates a protection operation for the aircraft and the operation environment when the operation state deviates, to the gait generation unit 28. Is output.
[0055]
The gait generator 28 normally determines the motion state of the robot at the next time that can satisfy the upper limb / lower limb motion change request, and outputs a joint angle reference value for the whole body. A gait for avoiding or a gait when deviating from the operation state is generated, and a joint angle reference value for the whole body is output.
[0056]
The whole body joint drive unit 29 drives an actuator motor (described above) constituting the degree of freedom of each joint by a servo controller (not shown) so as to realize the joint angle reference value output from the gait generator 28.
[0057]
The legged mobile robot according to the present embodiment includes an operation state monitoring unit 25 that monitors an operation state based on the ZMP calculated from the floor reaction force acting on the foot, and the operation state deviation is caused according to the operation state. The suppression operation for avoiding this is executed. By performing the suppression operation, there is an effect of operating the ZMP in a region that satisfies the operating conditions well, or an effect of expanding or moving the stable region.
[0058]
In addition, by using the shock absorbing operation that absorbs the impact force applied to the legged mobile robot by the restraining operation, it has a function to keep the operating state good and to reduce the influence on the legged mobile robot and its operating environment. Have.
[0059]
In addition, the legged mobile robot has a function of performing a suppression operation discrimination that switches a suppression operation for avoiding a deviation from the operation state according to the operation state, thereby enabling efficient and accurate recovery of the operation state or the operation state. It is possible to avoid deviations.
[0060]
In addition to these, the legged mobile robot also has a control function in the case of deviating from the operating state, and the influence of the system behavior on the legged mobile robot and the operating environment can be reduced to a minimum.
[0061]
Operation status monitoring unit:
The operation state monitoring unit 25 monitors ZMP and floor reaction force. In ZMP monitoring, the operation state is managed using a threshold value or the like by dividing the support polygon into regions. In addition, the operational state is monitored based on the floor reaction force (or impact force) that is the output of the force sensors (F1 to F8) mounted on the sole. The operational state is managed from the deviation between the target floor reaction force and the actual floor reaction force. Alternatively, the operational state is managed simply by comparing a certain threshold value with the actual floor reaction force.
[0062]
  FIG. 3 shows an example of a method for monitoring ZMP. The operational status is monitored based on the sensor information from the force sensors (F1 to F8) mounted on the foot, but as shown in FIG. ~ Thresh6_ZMP_y) is provided to divide the area and manage the operation state. Here, the foot bottom surface of the support leg is divided into region A, region B, and region C, and the ZMP position(ZMP_x, ZMP_y)The operational status is monitored depending on which area is currently accommodated.
[0063]
Area A: Area with good operational status
[Expression 1]
thresh1_ZMP_x <ZMP_x <thresh4_ZMP_x
thresh1_ZMP_y <ZMP_y <thresh4_ZMP_y
[0064]
Region B: A region that activates a suppression operation that returns ZMP to a region (region A) in which the operational state is good while taking into account the continuation of the action / operation purpose to the maximum extent
[Expression 2]
thresh2_ZMP_x <ZMP_x <thresh1_ZMP_x
thresh4_ZMP_x <ZMP_x <thresh5_ZMP_x
thresh2_ZMP_y <ZMP_y <thresh1_ZMP_y
thresh4_ZMP_y <ZMP_y <thresh5_ZMP_y
[0065]
Region C: a region that activates a suppression operation for the purpose of expanding or moving the stable region
[Equation 3]
thresh2_ZMP_x <ZMP_x <thresh3_ZMP_x
thresh5_ZMP_x <ZMP_x <thresh6_ZMP_xthresh2_ZMP_y <ZMP_y <thresh3_ZMP_y
thresh5_ZMP_y <ZMP_y <thresh6_ZMP_y
[0066]
When the state where the ZMP stays for a certain period in each of these areas continues, the suppression operation corresponding to the operation area is activated. Alternatively, monitoring of time change (speed) of ZMP may be used together. When the rate of change for a certain period (time) is smaller than a certain value, a suppression operation corresponding to the operation area is activated.
[0067]
Suppression operation part:
Based on disturbance information acting on the system, the suppression operation unit 26 avoids the operation outside the operable condition and suppresses the transition to a state that the control system does not support. Increase performance.
[0068]
In the present embodiment, the suppression operation unit 26 is activated by switching the following suppression operation based on the result of the suppression operation determination described below.
[0069]
(1) The ZMP is operated in an area where the operation conditions are satisfactorily satisfied. As a precondition for this, a good contact between the foot and the floor (environment) is ensured.
(2) Enlarge or move the stable region (moving the support polygon).
(3) Shock absorption during sudden stop
[0070]
Hereinafter, each of these suppression operations will be described in detail.
[0071]
(1) Suppressing operation to operate ZMP in a region that satisfies the operating conditions well
Examples of the restraining operation for operating the ZMP in a region that satisfies the operational conditions satisfactorily include stop of upper body motion and position / posture operation of each part.
[0072]
By operating the upper body, it is possible to prevent the operation status from further deteriorating.
[0073]
FIG. 4 shows a processing procedure for suppressing upper body movement in the form of a flowchart. In the example shown in the figure, when the possibility of deviating from the operation condition has increased, the upper body motion is stopped according to the operation purpose.
[0074]
The term “motion purpose” as used herein refers to a form in which, for example, the movement up from the neck is continued when a thinking action is performed such as tracking an object using a camera mounted on the head. Is to stop upper body movement. Further, by embedding the meaning of motion in the motion data, such processing can be performed efficiently.
[0075]
As shown in FIG. 4, when the possibility of deviating from the operating conditions has increased, if the user is taking action mainly of head movement, the upper body movement other than the head is stopped. Similarly, when taking an action mainly on the arm part, the upper body movement other than the arm part is stopped, and when taking an action mainly on the leg part, the whole body movement is stopped. .
[0076]
Further, by performing the position / posture operation of each part, it is possible to prevent the operation status from further deteriorating.
[0077]
For example, by generating a kicking force, the operating state can be recovered by operating the ZMP using the generated floor reaction force.
[0078]
FIG. 5 shows a processing procedure for operating the position and orientation of each part in the form of a flowchart. In the example shown in the figure, when the possibility of deviating from the operation condition increases, priority is determined and the operation part is discriminated according to the operation purpose.
[0079]
As shown in FIG. 5, when the possibility of deviating from the operating conditions has increased, if the action is mainly the movement of the head, the ZMP is operated using a part other than the head. Similarly, when taking an action mainly based on the movement of the arm, the ZMP is operated using a part other than the arm, and when taking an action mainly based on the movement of the leg, The ZMP is operated using the region, and the ZMP is operated using the lower limbs when the behavior is mainly the movement of the upper limb, and the ZMP is operated using the entire region when there is no main behavior.
[0080]
FIG. 6 shows a processing procedure for determining the operation site according to the system state in the form of a flowchart. In this embodiment, as shown in FIG. 3, the foot bottom surface of the support leg is divided into region A, region B, and region C, and the operation state is monitored depending on which region the ZMP position is currently accommodated in. To do. When ZMP is in region A, nothing is done, but when ZMP is in region B, ZMP is operated using the upper limbs, and when ZMP is in region C, ZMP is operated using the whole body.
[0081]
Hereinafter, the operation when each part is operated will be described in detail.
[0082]
(1) Manipulate the posture of the pelvis (lumbar, upper body)
  By operating the pelvic posture, the kicking force is generated and the ZMP is operated and operated.StatusTo a better state. The pelvic posture operation amount is determined according to the position of the actual ZMP in the sole. An example of the operation amount determination method is shown below (see FIG. 3).
[0083]
The operation amount is determined by multiplying the ZMP distance from the sole center point by a predetermined coefficient K.
[0084]
[Expression 4]
[0085]
FIG. 7 shows how the ZMP is operated by operating the pelvic posture of the airframe in the + direction of the pitch axis when the possibility of the operation state deviating in the negative direction of X has increased.
[0086]
FIG. 8 shows how the ZMP is operated by operating the pelvic posture in the roll axis-direction when the possibility that the operation state deviates in the + direction of Y has increased.
[0087]
(2) Operate the center of gravity (waist, pelvis) position
By operating the position of the center of gravity (waist, pelvis), a kicking force is generated, and the ZMP is operated to restore the operational state to a better state (raise the center of gravity). For example, as shown in the following equation, the operation amount is determined according to the floor reaction force when the suppression operation is activated.
[0088]
[Equation 5]
[0089]
In addition, as shown in the following formula, the operation amount is determined according to the operation area (divided foot area: see FIG. 3) when the restraining operation is activated, and according to the distance from the sole center point of the ZMP. The operation amount may be determined.
[0090]
[Formula 6]
[0091]
Alternatively, the operation amount may be determined by weighting the above two formulas together.
[0092]
[Expression 7]
[0093]
FIG. 9 shows how the ZMP is operated by moving the center of gravity of the aircraft in the positive direction of the Z-axis when the possibility that the operation state deviates in the positive direction of X has increased.
[0094]
When operating the ZMP according to the position of the center of gravity, the operation amount may be obtained by multiplying a coefficient in the deviation between the target value floor reaction force and the actual floor reaction force.
[0095]
In addition, the following parts can also be used as operation parts for the ZMP operation.
[0096]
(3) Operate arm position / posture
▲ 4 ▼ Control the head position and posture
▲ 5 ▼ Operate the lumbar joint (trunk joint)
[0097]
(2) Enlarge or move the stable region (moving the support polygon)
The state in which the maximum stable region can be realized in the standing posture state is the both-leg supporting state. If the operation state cannot be improved despite the above-described suppression operation, there is a high possibility of deviating from the operation condition. Also, when the actual floor reaction force value is larger than a certain value, there is a high possibility of deviating from the operation conditions. Therefore, by expanding or moving the stable region, a state of higher stability (that is, suitable for operating conditions) is ensured.
[0098]
As a restraining operation to expand or move the stable region, an operation to quickly shift to the both-leg support state (enlargement of the stable region (support polygon)) and an operation of flying or splashing (movement of the stable region (support polygon)) Can be mentioned.
[0099]
FIG. 10 shows a processing procedure for determining the operation method of the stable region according to whether or not the free leg can be landed in the form of a flowchart. That is, if the free leg can be landed, an operation for expanding the stable area (operating area) is selected, and if the free leg cannot be landed, an operation for moving the stable area (operating area) is selected.
[0100]
If you are in a single-leg support state and are ready to land on the free leg, expand the stride to maximize the stable area, expand the stable area as much as possible, and quickly support both legs. Migrate to
[0101]
The stride manipulating amount at this time can be determined according to the floor reaction force when the restraining operation is activated.
[0102]
[Equation 8]
[0103]
Further, the stride operation amount may be determined in accordance with the operation area at the time when the restraining operation is activated (divided foot area: see FIG. 3).
[0104]
[Equation 9]
[0105]
Alternatively, the above-described two formulas may be weighted together to determine the stride operation amount.
[0106]
[Expression 10]
[0107]
FIG. 11 shows how the stable region is expanded by operating one leg in the pitch direction. Further, FIG. 12 shows a state in which the stable region is enlarged by operating one leg in the roll direction.
[0108]
On the other hand, if you are in a single-leg support state but are unable to land on the free leg, in order to secure a stable area, move the stable area by flying and splashing to avoid deviations from operating conditions. Can do. For example, in a state where the right foot is in a support period, when it is desired to further expand the stable region to the right side, it is a state where the left foot is desired to be landed on the floor surface.
[0109]
In FIG. 13, the left leg, which is a free leg in the Y-axis + direction, wants to be expanded to expand the stable area, but it cannot physically move to the position where the free leg is desired. It shows how to avoid deviations from operating conditions.
[0110]
(3) Shock absorbing operation during sudden stop
When the aircraft suddenly stops, the servo gain of the joint actuator is reduced. At this time, the servo gains of all the joints may be decreased at the same time, but the servo gain target value may be set to a different value depending on the part, or the servo gain may be set at a different timing depending on the part. It may be lowered.
[0111]
Further, when the aircraft suddenly stops, the knee may be bent to absorb the impact. By such a suppression operation, the impact force applied to the foot can be relaxed. Further, not only the position of the center of gravity, but also the shock absorbing operation is performed by operating other parts such as an arm, a head, and a hip joint.
[0112]
FIG. 14 shows a processing procedure for discriminating a site where the shock absorbing operation is activated in the form of a flowchart. In the example shown in the figure, when the possibility of deviating from the operation condition is increased, the part for performing the shock absorbing operation is determined according to the operation purpose.
[0113]
In the case of taking an action mainly of head movement, a shock absorbing operation is performed using a part other than the head. Further, when an action mainly involving the movement of the arm portion is taken, the shock absorbing operation is performed using a portion other than the arm portion. Further, in the case of taking an action mainly of leg movement, an impact absorbing operation is performed using a part other than the leg. In addition, when an action is mainly performed on an upper limb, an impact absorbing operation is performed using the lower limb. When there is no main action, the shock absorbing operation is performed using all parts.
[0114]
FIG. 15 is a flowchart showing a processing procedure for determining a site where the shock absorbing operation is activated in accordance with the operating state of the system. In this embodiment, as shown in FIG. 3, the foot bottom surface of the support leg is divided into region A, region B, and region C, and the operation state is monitored depending on which region the ZMP position is currently accommodated in. To do. When the ZMP is in the region A, nothing is done, but when the ZMP is in the region B, the shock absorbing operation is performed using the upper limbs, and when the ZMP is in the region C, the shock absorbing operation is performed using the whole body.
[0115]
By lowering the waist position, it is possible to reduce the floor reaction force.
[0116]
In addition, when the response performance of the actuator can be ensured in response to a sensor for a striking force such as a floor reaction force, the striking force can be absorbed in real time.
[0117]
Further, when the response of the sensor to the impact force or the response performance of the actuator cannot be ensured, a motion is activated to make a transition from the current value to the target value. For example, if the center of gravity is lowered, a transition from the current center of gravity position to the target center of gravity position is performed.
[0118]
FIG. 16 shows how the shock absorbing operation is performed by reproducing the motion. In the example shown in the figure, the floor reaction force as the striking force is reduced by lowering the waist position in the Z direction. By performing such an impact absorbing operation, it is possible to reduce electrical and mechanical damage to the robot body and damage to the operating environment, and to avoid deviation from operating conditions.
[0119]
Suppression operation discrimination unit:
As already described, the legged mobile robot according to the present embodiment performs the suppression operation determination for switching the suppression operation for avoiding the operation state deviation based on the operation state (deviation state from the operation condition and sensor information). It is possible to realize an efficient and accurate recovery of the operation state or avoiding an operation state deviation. Further, the suppression operation unit 26 can cope with various situations by changing the combination of the suppression operations based on the determination result. The suppression operation mentioned here does not mean the individual suppression operations described above, but means a suppression operation set formed by combining one or more suppression operations.
[0120]
The suppression operation determination unit determines the suppression operation from the region where the actual ZMP exists, the magnitude of the floor reaction force Fz, the result of the suppression operation, and the like.
[0121]
FIG. 17 shows a processing procedure for determining the suppression operation based on the region where the actual ZMP exists in the form of a flowchart. In this embodiment, as shown in FIG. 3, the foot bottom surface of the support leg is divided into region A, region B, and region C, and the operation state is monitored depending on which region the ZMP position is currently accommodated in. To do. The suppression operation determination unit does nothing when ZMP is in region A, but selects suppression operation set A (described later) when ZMP is in region B, and suppression operation set B (described later) when ZMP is in region C. Select.
[0122]
The suppression operation to be described later is switched efficiently and accurately in accordance with the region where the ZMP has stagnated for a certain period.
[0123]
Further, FIG. 18 shows a processing procedure for discriminating the suppression operation by classifying the operation state in consideration of the area where the actual ZMP exists and the magnitude of the floor reaction force Fz in the form of a flowchart. .
[0124]
The suppression operation determination unit sets the operation state level to level 1 when the ZMP is in the region A. When the ZMP is in the region B, it is further determined whether or not the floor reaction force exceeds a predetermined threshold value threshold_Fz. If not, the operation state level is set to level 2, and if it exceeds, the operation state level is set to level 3. Set to. When the ZMP is in the area C, the operation state level is set to level 3.
[0125]
Then, the suppression operation determination unit selects a suppression operation set according to the operation state level determined as described above. That is, nothing is done when the operation state level is level 1, but when it is level 2, suppression action set A (described later) is selected, and when it is level 3, suppression action set B (described later) is selected.
[0126]
When the ZMP stays for a certain period in the area obtained from the operation state monitoring unit 25, the suppression operation is activated. At the same time, the type of the suppression operation is switched in consideration of the magnitude of the floor reaction force Fz at that time.
[0127]
FIG. 19 is a flowchart showing a processing procedure for discriminating the suppression operation by classifying the operation state in consideration of the region where the actual ZMP exists and the result of the suppression operation (the number of continuous suppression operation activations). Is shown.
[0128]
The suppression operation determination unit sets the operation state level to level 1 when the ZMP is in the region A. Further, when ZMP is in region B, it is further determined whether or not the number of continuous activations of the suppression operation exceeds a predetermined value n. If not, the operation state level is set to level 2; Set to 3. When the ZMP is in the area C, the operation state level is set to level 3.
[0129]
Then, the suppression operation determination unit selects a suppression operation set according to the operation state level determined as described above. That is, nothing is done when the operation state level is level 1, but when it is level 2, suppression action set A (described later) is selected, and when it is level 3, suppression action set B (described later) is selected.
[0130]
When the ZMP stays for a certain period in the area obtained from the operation state monitoring unit 25, the suppression operation is activated. At the same time, the result of the suppression operation at that time (the number of times of continuous suppression operation is activated) is also considered and the type of the suppression operation is switched.
[0131]
In addition, considering each suppression operation determination process shown in FIGS. 17 to 19, the operation state may be divided into levels and the suppression operation may be determined.
[0132]
Combinations of suppression operations are free, and combinations of suppression operations are prepared according to various situations. Therefore, other determination methods than those shown in FIGS.
[0133]
Here, an example of the suppression operation set is given.
[0134]
● Inhibition action set example 1
◇ Inhibition action A:
・ Stop arm movement
・ ZMP operation by pelvic posture operation
・ ZMP operation by center of gravity position operation
◇ Inhibition action B:
・ Expansion of stable area (promptly support both legs)
・ Joint servo / gain operation (shock absorption)
・ Impact-absorbing operation based on the center of gravity (waist position)
[0135]
● Inhibition action set example 2
◇ Inhibiting action A:
・ Stop arm movement
・ ZMP operation by pelvic posture operation
◇ Inhibition action B:
・ Enlargement or movement of stable area
-Shock absorption by joint servo / gain operation
[0136]
Note that the suppression operation set shown in the present specification is merely an example, and the suppression operation can be combined in various forms, and a design suitable for the purpose may be performed.
[0137]
Protection operation part (control when the operation status is deviated):
The protection operation unit 27 is difficult to avoid the operation state deviation in the suppression operation unit 27, and generates a protection operation for the machine body and the operation environment when the operation state deviates.
[0138]
The protection operation unit 27 is activated in accordance with an operation status determination area (see FIG. 3). Furthermore, a departure area is provided, and is activated when a departure state occurs. It is activated when the situation does not improve despite the suppression operation (judgment based on the number of consecutive suppression operations).
[0139]
FIG. 20 shows a processing procedure for discriminating the suppression operation based on the area where the actual ZMP exists and for invoking the protection operation in the form of a flowchart. In this embodiment, as shown in FIG. 3, the foot bottom surface of the support leg is divided into region A, region B, region C, and region D, and the operation depends on which region the ZMP position is currently accommodated in. Monitor status. The suppression operation determination unit does nothing when the ZMP is in the region A, but selects the suppression operation set A when the ZMP is in the region B, and selects the suppression operation C when the ZMP is in the region C. If it is in the region D outside the area, the protection operation is selected.
[0140]
Further, FIG. 21 is a flowchart illustrating a processing procedure for determining the suppression operation by classifying the operation state in consideration of the area where the actual ZMP exists and the magnitude of the floor reaction force Fz, and invoking the protection operation. It is shown in the form of
[0141]
The suppression operation determination unit sets the operation state level to level 1 when the ZMP is in the region A. When ZMP is in the region B, it is further determined whether or not the floor reaction force exceeds a predetermined threshold value threshold1_Fz. If not, the operation state level is set to level 2, and if it exceeds, the operation state level is set to level 3. Set to. When ZMP is in the region C, it is further determined whether or not the floor reaction force exceeds a predetermined threshold value threshold2_Fz. If not, the operation state level is set to level 3, and if it exceeds, the operation state level is set to level 4. Set to. When the ZMP is further in the outer region D, the operation state level is set to level 4.
[0142]
Then, the suppression operation determination unit selects a suppression operation set according to the operation state level determined as described above. That is, nothing is done when the operation state level is at level 1, but when it is at level 2, the suppression operation set A is selected, when it is at level 3, suppression operation set B is selected, and when it is at level 4, protection operation is performed. Execute.
[0143]
FIG. 22 is a flowchart showing a processing procedure for discriminating the suppression operation by classifying the operation state in consideration of the region where the actual ZMP exists and the result of the suppression operation (number of times of continuous suppression operation invocation). Is shown.
[0144]
The suppression operation determination unit sets the operation state level to level 1 when the ZMP is in the region A. Further, when ZMP is in region B, it is further determined whether or not the number of continuous suppression action activations exceeds a predetermined value n1, and if not, the operation state level is set to level 2, otherwise the operation state level is set to level. Set to 3. Further, when ZMP is in region C, it is further determined whether or not the number of consecutive suppression action activations exceeds a predetermined value n2, and if not, the operation state level is set to level 3, and if it exceeds, the operation state level is set to level 3. Set to 4. When the ZMP is further in the outer region D, the operation state level is set to level 4.
[0145]
Then, the suppression operation determination unit selects a suppression operation set according to the operation state level determined as described above. That is, nothing is done when the operation state level is at level 1, but when it is at level 2, the suppression operation set A is selected, when it is at level 3, suppression operation set B is selected, and when it is at level 4, protection operation is performed. Activate.
[0146]
Specific examples of the protective operation include joint actuator servo gain down, transition to passive posture, power off, joint servo stop, and the like. When the power is turned off, the effect equivalent to lowering the servo gain can be obtained by the back drive ability of the joint actuator itself.
[0147]
When lowering the joint servo gain, the operation order is the order in which the servo gain is decreased. The order in which the gain is reduced is changed depending on the part (gain down at different timings depending on the part). Change the trajectory to be lowered for each part. This leads to operating the falling posture. Also, the servo gain of all parts is made small or zero.
[0148]
When shifting to a passive posture (joint angle operation), a transition operation from the current posture to the target posture is used. For example, how the hand touches the floor is changed according to the case.
[0149]
Further, when turning off the power of the aircraft, the turn-off order is changed depending on the part. This leads to operating the falling posture.
[0150]
When the joint servo is turned off, the turn-off order is changed depending on the part. This leads to operating the falling posture.
[0151]
Joint servo gain operation:
Finally, the joint servo gain operation which is one of the suppression operation and protection operation means will be described.
[0152]
As an index indicating the magnitude of mechanical damage that occurs when the legged mobile robot is in contact with the operating environment (at the time of a collision), stress generated in the legged mobile robot and in the collision target object can be used. The stress ε can be approximated by the following equation.
[0153]
## EQU11 ##
[0154]
Here, ΔL is a momentum change at the time of collision, S is a cross-sectional area of the stress generating portion, and Δt is a time required for the collision. According to the above equation, by controlling the legged mobile robot so that the time Δt required for the collision becomes as long as possible, the stress generated at the time of the collision can be reduced and the mechanical damage due to the collision force can be reduced. It turns out that it is possible. An operation control method for a legged mobile robot for extending the collision time Δt is provided.
[0155]
By manipulating the joint servo gain value of the legged mobile robot and changing the mechanical rigidity virtually, the time for collision is increased and the impact force acting on the legged mobile robot and the operational environment is mitigated. .
[0156]
When the positions of the joints of the upper limb and the lower limb are controlled, generally the torque generated in each joint is expressed by the following expression.
[0157]
[Expression 12]
[0158]
Where τ is the generated torque, Δθ is the joint angle deviation, Kp, Kd, KiRepresents a proportional gain, a speed gain, and an integral gain, respectively.
[0159]
For example, as shown in FIG. 23, the proportional gain K at the start of protection operation (at the start of gain reduction)pBy reducing the joint stepwise and lowering the joint rigidity, it is possible to give the same characteristics as a spring with a low spring constant inserted into the joint as shown in FIG. Compared to the case, the collision time can be lengthened.
[0160]
That is, when the gain is not lowered, as shown by the solid line in FIG. 25, the collision time is short and the maximum value of the generated impact force is also large. On the other hand, by reducing the gain, the time required for the collision can be lengthened as shown by the broken line in FIG. 25, and as a result, the maximum value of the generated impact force can be kept small.
[0161]
Furthermore, as shown in FIG. 26, by setting the speed gain to a negative value during the protection operation, it is possible to obtain the same characteristics as when a damper and a spring are inserted into the joint as shown in FIG. It may be possible to give a damping effect to the vibration when landing.
[0162]
Alternatively, the servo gain described above may be set not only to change stepwise, but also to change arbitrarily over time after it is determined that there is a possibility of deviation from operating conditions. For example, as shown in FIG. 28, by changing the proportional gain from decreasing to increasing and decreasing the speed gain by a negative value, the same characteristics as when a nonlinear spring and damper are inserted into the joint It is possible to reduce the impact force, to provide a damping effect, and to return to the joint target value.
[0163]
Alternatively, the time for changing the gain may not be the same for all joints, but the servo gain change start time and the change speed may be set for each joint part. For example, as shown in FIG. 29, by reducing the proportional gain in the order of the ankle joint, the knee joint, and the hip joint, the impact force in the vicinity of the collision site is reduced, and the planned trajectory is set for the joint for which the gain has not yet decreased. The effect to maintain can be acquired.
[0164]
Alternatively, as a gain changing method, a gain changing method corresponding to a fall situation may be stored in a table format, and the gain may be changed with reference to the table. For example, a robot is equipped with a protection action activation direction means, a time sequence of gain values of joint parts is stored on the table for each protection action activation direction, and the table is set according to the output result of the protection action activation direction means. By performing a look-up and determining a method for changing the gain, it is possible to perform an optimum gain change for absorbing an impact in each protection operation activation direction.
[0165]
Alternatively, the gain value may be zero. By setting the gain value to zero, it is possible to reduce the breakage of the gear portion that is likely to cause mechanical damage when the protective operation is activated.
[0166]
In addition, while the servo gain is used as the operation amount in the above example, the mechanical stiffness of the legged mobile robot is virtually changed using the target value of the joint angle (including angular velocity and angular acceleration) as the operation amount. Thus, it is also possible to mitigate the impact force acting on the legged mobile robot and the operating environment.
[0167]
[Supplement]
The present invention has been described in detail above with reference to specific embodiments. However, it is obvious that those skilled in the art can make modifications and substitutions of the embodiments without departing from the gist of the present invention.
[0168]
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 a movement resembling human movement using an electrical or magnetic action, the present invention similarly applies to products belonging to other industrial fields such as toys. Can be applied.
[0169]
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.
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, it is possible to provide an excellent legged mobile robot motion control device and motion control method that can prevent deviation from operating conditions and improve the performance of the entire control system. Can do.
[0170]
In addition, according to the present invention, an excellent legged mobile robot capable of minimizing the influence of the system behavior on the aircraft and the operational environment when the operational conditions guaranteed by the aircraft control system are deviated. The operation control apparatus and the operation control method can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a degree of freedom of a legged mobile robot used for carrying out the present invention.
FIG. 2 is a diagram schematically showing a functional configuration of an operation control system applied to a legged mobile robot according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 shows an example of a method for monitoring ZMP.
FIG. 4 is a flowchart showing a processing procedure for performing an operation of suppressing upper body movement.
FIG. 5 is a flowchart showing a processing procedure for operating each part position and orientation;
FIG. 6 is a flowchart showing a processing procedure for determining an operation site according to a system state.
[Figure 7] Operation in the negative X directionStatusFIG. 6 is a diagram showing how the ZMP is operated by moving the pelvic posture of the airframe in the pitch axis + direction when the possibility of deviating increases.
FIG. 8 is a diagram showing a state in which the ZMP is operated by moving the pelvic posture in the roll axis + direction when the possibility that the operation state deviates in the + direction of Y increases.
FIG. 9 is a diagram showing how the ZMP is operated by moving the center of gravity position of the aircraft in the positive direction of the Z axis when the possibility that the operation state deviates in the positive direction of X increases.
FIG. 10 is a flowchart showing a processing procedure for determining a stable region operation method according to whether or not the free leg can be landed.
FIG. 11 is a diagram showing a state in which a stable region is enlarged by operating one leg in the pitch direction.
FIG. 12 is a diagram showing a state in which a stable region is enlarged by operating one leg in the roll direction.
FIG. 13 is a diagram illustrating a situation in which a deviation from an operation condition is avoided by moving a stable region.
FIG. 14 is a flowchart showing a processing procedure for discriminating a site where an impact absorbing operation is activated.
FIG. 15 is a flowchart showing a processing procedure for discriminating a site where a shock absorbing operation is activated according to the operating state of the system.
FIG. 16 is a diagram illustrating a state in which an impact absorbing operation is performed by reproducing a motion.
FIG. 17 is a flowchart showing a processing procedure for determining a suppression operation based on a region where an actual ZMP exists.
FIG. 18 is a flowchart showing a processing procedure for discriminating a suppression operation by classifying operation states in consideration of an area where an actual ZMP exists and the magnitude of the floor reaction force Fz.
FIG. 19 is a flowchart showing a processing procedure for discriminating the suppression operation by classifying the operation state in consideration of the area where the actual ZMP exists and the result of the suppression operation (number of continuous suppression operation activation times).
FIG. 20 is a flowchart showing a processing procedure for invoking a protection operation based on an area where an actual ZMP exists.
FIG. 21 is a flowchart showing a processing procedure for invoking a protection operation by classifying operation states in consideration of an area where an actual ZMP exists and the magnitude of the floor reaction force Fz.
FIG. 22 is a flowchart showing a processing procedure for invoking a protection operation by classifying an operation state in consideration of a region where an actual ZMP exists and a result (number of times of continuous suppression operation invocation) by the suppression operation.
FIG. 23 is a diagram showing a state in which the proportional gain Kp is decreased stepwise at the start of the protection operation (at the time of gain reduction start) to decrease the joint rigidity.
FIG. 24 shows a state where a spring having a low spring constant is inserted into the joint by reducing the proportional gain Kp stepwise at the start of the protective operation (at the start of gain reduction) and reducing the joint stiffness. FIG.
FIG. 25 is a diagram showing the relationship between the time from the start of collision and the collision force.
FIG. 26 is a diagram showing how the speed gain is set to a negative value during the protection operation.
FIG. 27 is a diagram illustrating a state in which a damper and a spring are inserted into the joint by setting the speed gain to a negative value during the protection operation.
FIG. 28 is a diagram showing a state in which the proportional gain is changed from decreasing to increasing and the speed gain is decreased with a negative value.
FIG. 29 is a diagram illustrating a state in which the proportional gain is decreased in the order of the ankle joint, the knee joint, and the hip joint.

Claims (32)

複数本の可動脚を備えた脚式移動ロボットの動作制御装置であって、
前記脚式移動ロボットの支持脚の足部に作用する床反力から算出されるＺＭＰ位置で表される運用状態が、前記足部足底が路面と接地する点により形成される支持多角形の領域で表される前記脚式移動ロボットが転倒しない運用条件を逸脱しないか否かを監視する運用状態監視部と、
前記運用状態が前記運用条件から逸脱してしまう事態を未然に回避するために、機体の上体運動の停止及び各部の位置姿勢の操作の少なくとも一方を含んだ抑制動作を、あらかじめ記憶されている複数の抑制動作の中から前記運用状態に基づいて選択し、実行する抑制動作部と、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボットの動作制御装置。A motion control device for a legged mobile robot having a plurality of movable legs,
The operational state represented by the ZMP position calculated from the floor reaction force acting on the foot of the leg of the legged mobile robot is a support polygon formed by the point where the foot sole contacts the road surface. An operation state monitoring unit that monitors whether or not the legged mobile robot represented by the region does not deviate from the operation condition that does not fall ;
To avoid a situation where the operation state will deviate from the operational conditions in advance, the comprising at least one suppressing operation of the operation of the body movement of the position and orientation of the stop and each part of the body, it is stored in advance A suppression operation unit that selects and executes from a plurality of suppression operations based on the operation state ;
An operation control apparatus for a legged mobile robot, comprising: 前記抑制動作部が前記の選択した抑制動作を実行して前記運用状態が前記運用条件から逸脱してしまう事態を未然に回避することが困難で、前記運用状態を逸脱した場合における、機体並びに動作環境に対する保護動作を実行する保護動作部をさらに備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボットの動作制御装置。It is difficult to avoid a situation where the suppression operation section the selected suppression operation is executed by the operation state will deviate from the operational conditions in advance, in the case of deviating the operational state, the machine body and operation A protection operation unit that performs a protection operation on the environment;
The motion control apparatus for a legged mobile robot according to claim 1. 前記抑制動作部は、所定期間ＺＭＰが前記脚式移動ロボットが転倒しない運用条件を逸脱する前記支持多角形の領域に留まる状態が継続した場合に、ＺＭＰが収容されている前記支持多角形の領域に応じた抑制動作を選択し、実行する、
ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボットの動作制御装置。 The restraining operation unit is configured such that the support polygon region in which the ZMP is accommodated when the state in which the ZMP stays in the support polygon region that deviates from the operation condition in which the legged mobile robot does not fall is continued for a predetermined period. Select and execute the suppression action according to
The motion control apparatus for a legged mobile robot according to claim 1. 前記抑制動作部は、所定期間におけるＺＭＰの変化速度が継続的に所定値よりも小さい場合に、ＺＭＰが収容されている前記支持多角形の領域に応じた抑制動作を選択し、実行する、
ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボットの動作制御装置。The suppression operation unit selects and executes a suppression operation according to the region of the support polygon in which the ZMP is accommodated when the change rate of the ZMP in the predetermined period is continuously smaller than the predetermined value.
The motion control apparatus for a legged mobile robot according to claim 1 . 前記抑制動作部は、前記運用状態に基づいて、蹴り力を発生する動作を選択し、実行することにより、発生した床反力を用いてＺＭＰを操作して、運用状態を回復させる、
ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボットの動作制御装置。The suppression operation unit selects and executes an operation that generates a kick force based on the operation state, and operates the ZMP using the generated floor reaction force to recover the operation state.
The motion control apparatus for a legged mobile robot according to claim 1 . 前記抑制動作部は、前記運用状態に基づいて、動作に目的が割り当てられていない前記脚式移動ロボットの部位の動作を停止し、又は動作に目的が割り当てられていない前記脚式移動ロボットの部位を用いた動作を選択し、実行することにより、ＺＭＰを操作する、
ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボットの動作制御装置。The suppressing operation part, based on the operation state, stops the operation of portions of the legged mobile robot purposes operation has not been assigned, or is not assigned purpose operation portions of the legged mobile robot Select and execute an action using, to operate the ZMP.
The motion control apparatus for a legged mobile robot according to claim 1. 前記抑制動作部は、前記運用状態に基づいて決定した前記脚式移動ロボットの操作部位を操作する動作を選択し、実行することにより、ＺＭＰを操作する、
ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボットの動作制御装置。The suppression operation unit operates the ZMP by selecting and executing an operation for operating the operation part of the legged mobile robot determined based on the operation state .
The motion control apparatus for a legged mobile robot according to claim 1. 前記抑制動作部は、前記運用状態に基づいて、前記支持多角形を拡大又は移動するように機体を操作する動作を選択し、実行する、
ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボットの動作制御装置。The suppression operation unit selects and executes an operation of operating the aircraft so as to expand or move the support polygon based on the operation state.
The motion control apparatus for a legged mobile robot according to claim 1 . 前記抑制動作部は、遊脚が着床可能かどうかに応じて前記支持多角形の操作方法を決定する、
ことを特徴とする請求項８に記載の脚式移動ロボットの動作制御装置。The suppression operation unit determines an operation method of the support polygon according to whether the free leg can be landed.
The motion control apparatus for a legged mobile robot according to claim 8 . 前記抑制動作部は、前記運用状態に基づいて、機体を急停止するとともに関節アクチュエータのサーボ・ゲインを低下させる動作を選択し、実行する、
ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボットの動作制御装置。The suppression operation unit selects and executes an operation for suddenly stopping the aircraft and lowering the servo gain of the joint actuator based on the operation state.
The motion control apparatus for a legged mobile robot according to claim 1 . 前記抑制動作部は、前記運用状態に基づいて、機体を急停止するとともに膝を曲げて衝撃吸収する動作を選択し、実行する、
ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボットの動作制御装置。The suppression operation unit selects and executes an operation of suddenly stopping the aircraft and bending the knee to absorb shocks based on the operational state.
The motion control apparatus for a legged mobile robot according to claim 1. 前記抑制動作部は、前記運用状態が前記運用条件を逸脱する可能性が高まってきた場合に、動作目的に応じて判別した前記脚式移動ロボットの部位を用いた衝撃吸収動作を選択し、実行する、
ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボットの動作制御装置。The suppression operation unit selects and executes an impact absorption operation using the legged mobile robot part determined according to the operation purpose when the operation state is likely to deviate from the operation condition. To
The motion control apparatus for a legged mobile robot according to claim 1. 前記運用状態監視部は、前記脚式移動ロボットの足部に作用する床反力で表される運用状態が、前記運用条件を逸脱する撃力に相当するか否かをさらに監視し、
前記抑制動作部は、床反力が撃力に達する運用状態に応答して、アクチュエータの応答により撃力をリアルタイムで吸収する動作を選択し、実行する、
ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボットの動作制御装置。 The operation state monitoring unit further monitors whether or not the operation state represented by the floor reaction force acting on the foot of the legged mobile robot corresponds to a striking force that deviates from the operation condition,
In response to the operation state where the floor reaction force reaches the impact force , the suppression operation unit selects and executes an operation that absorbs the impact force in real time by the response of the actuator.
The motion control apparatus for a legged mobile robot according to claim 1. 前記抑制動作部は、前記運用状態に基づいて、所定のモーションの再生により衝撃吸収動作を行なう動作を選択し、実行する、
ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボットの動作制御装置。The suppression operation unit selects and executes an operation for performing an impact absorbing operation by reproducing a predetermined motion based on the operation state.
The motion control apparatus for a legged mobile robot according to claim 1. 前記抑制動作部は、抑制動作の連続発動回数を基に次の抑制動作を選択し、実行する、
ことを特徴とする請求項１に記載の脚式移動ロボットの動作制御装置。The suppression operation unit selects and executes the next suppression operation based on the number of continuous activations of the suppression operation,
The motion control apparatus for a legged mobile robot according to claim 1. 前記保護動作部は、関節アクチュエータのサーボ・ゲインの低下、受身姿勢への移行、電源オフ、関節サーボの停止のうちいずれかを前記保護動作として実行する、
ことを特徴とする請求項２に記載の脚式移動ロボットの動作制御装置。 The protection operation unit executes any one of a decrease in servo gain of a joint actuator, a transition to a passive posture, power off, and stop of a joint servo as the protection operation.
The motion control device for a legged mobile robot according to claim 2. 複数本の可動脚を備えた脚式移動ロボットの動作制御方法であって、An operation control method for a legged mobile robot having a plurality of movable legs,
前記脚式移動ロボットの支持脚の足部に作用する床反力から算出されるＺＭＰ位置で表される運用状態が、前記足部足底が路面と接地する点により形成される支持多角形の領域で表される前記脚式移動ロボットが転倒しない運用条件を逸脱しないか否かを監視する運用状態監視ステップと、The operational state represented by the ZMP position calculated from the floor reaction force acting on the foot of the leg of the legged mobile robot is a support polygon formed by the point where the foot sole contacts the road surface. An operation state monitoring step for monitoring whether or not the legged mobile robot represented by the region does not deviate from the operation condition that does not fall;
前記運用状態が前記運用条件から逸脱してしまう事態を未然に回避するために、機体の上体運動の停止及び各部の位置姿勢の操作の少なくとも一方を含んだ抑制動作を、あらかじめ記憶されている複数の抑制動作の中から前記運用状態に基づいて選択し、実行する抑制動作ステップと、In order to avoid a situation in which the operation state deviates from the operation condition, a restraining operation including at least one of the stop of the body motion of the aircraft and the operation of the position and orientation of each part is stored in advance. A suppression operation step to select and execute from a plurality of suppression operations based on the operational state,
を有することを特徴とする脚式移動ロボットの動作制御方法。An operation control method for a legged mobile robot characterized by comprising: 前記抑制動作ステップにおいて前記の選択した抑制動作を実行して前記運用状態が前記運用条件から逸脱してしまう事態を未然に回避することが困難で、前記運用状態を逸脱した場合における、機体並びに動作環境に対する保護動作を実行する保護動作ステップをさらに有する、It is difficult to avoid the situation in which the operation state deviates from the operation condition by executing the selected suppression operation in the suppression operation step, and the aircraft and the operation in the case of deviating from the operation state Further comprising a protection action step for performing a protection action on the environment
ことを特徴とする請求項１７に記載の脚式移動ロボットの動作制御方法。The operation control method for a legged mobile robot according to claim 17. 前記抑制動作ステップでは、所定期間ＺＭＰが前記脚式移動ロボットが転倒しない運用条件を逸脱する前記支持多角形の領域に留まる状態が継続した場合に、ＺＭＰが収容されている前記支持多角形の領域に応じた抑制動作を選択し、実行する、In the restraining operation step, the region of the support polygon in which the ZMP is accommodated when the state in which the ZMP stays in the region of the support polygon that deviates from the operating condition in which the legged mobile robot does not fall is continued for a predetermined period. Select and execute the suppression action according to
ことを特徴とする請求項１７に記載の脚式移動ロボットの動作制御方法。The operation control method for a legged mobile robot according to claim 17. 前記抑制動作ステップでは、所定期間におけるＺＭＰの変化速度が継続的に所定値よりも小さい場合に、ＺＭＰが収容されている前記支持多角形の領域に応じた抑制動作を選択し、実行する、In the suppression operation step, when the change rate of ZMP in a predetermined period is continuously smaller than a predetermined value, the suppression operation according to the region of the support polygon in which the ZMP is accommodated is selected and executed.
ことを特徴とする請求項１７に記載の脚式移動ロボットの動作制御方法。The operation control method for a legged mobile robot according to claim 17. 前記抑制動作ステップでは、前記運用状態に基づいて、蹴り力を発生する動作を選択し、実行することにより、発生した床反力を用いてＺＭＰを操作することで、運用状態を回復させる、In the suppression operation step, the operation state is recovered by operating the ZMP using the generated floor reaction force by selecting and executing an operation that generates a kick force based on the operation state.
ことを特徴とする請求項１７に記載の脚式移動ロボットの動作制御方法。The operation control method for a legged mobile robot according to claim 17. 前記抑制動作ステップでは、前記運用状態に基づいて、動作に目的が割り当てられていない前記脚式移動ロボットの部位の動作を停止し、又は動作に目的が割り当てられていない前記脚式移動ロボットの部位を用いた動作を選択し、実行することにより、ＺＭＰを操作する、In the restraining operation step, based on the operation state, the operation of the part of the legged mobile robot that is not assigned a purpose to the action or the part of the legged mobile robot that is not assigned a purpose to the action Operate ZMP by selecting and executing an action using
ことを特徴とする請求項１７に記載の脚式移動ロボットの動作制御方法。The operation control method for a legged mobile robot according to claim 17. 前記抑制動作ステップでは、前記運用状態に基づいて決定した前記脚式移動ロボットの操作部位を操作する動作を選択し、実行することにより、ＺＭＰを操作する、In the suppression operation step, the ZMP is operated by selecting and executing an operation for operating the operation part of the legged mobile robot determined based on the operation state.
ことを特徴とする請求項１７に記載の脚式移動ロボットの動作制御方法。The operation control method for a legged mobile robot according to claim 17. 前記抑制動作ステップでは、前記運用状態に基づいて、前記支持多角形を拡大又は移動するように機体を操作する動作を選択し、実行する、
ことを特徴とする請求項１７に記載の脚式移動ロボットの動作制御方法。 In the suppression operation step, based on the operational state, select and execute an operation for operating the aircraft to enlarge or move the support polygon,
The operation control method for a legged mobile robot according to claim 17 . 前記抑制動作ステップでは、遊脚が着床可能かどうかに応じて前記支持多角形の操作方法を決定する、
ことを特徴とする請求項２４に記載の脚式移動ロボットの動作制御方法。In the restraining operation step , an operation method of the support polygon is determined according to whether the free leg can be landed.
25. The operation control method for a legged mobile robot according to claim 24. 前記抑制動作ステップでは、前記運用状態に基づいて、機体を急停止するとともに関節アクチュエータのサーボ・ゲインを低下させる動作を選択し、実行する、
ことを特徴とする請求項１７に記載の脚式移動ロボットの動作制御方法。 In the suppression operation step, based on the operation state, the operation of suddenly stopping the aircraft and reducing the servo gain of the joint actuator is selected and executed.
The operation control method for a legged mobile robot according to claim 17 . 前記抑制動作ステップでは、前記運用状態に基づいて、機体を急停止するとともに膝を曲げて衝撃吸収する動作を選択し、実行する、
ことを特徴とする請求項１７に記載の脚式移動ロボットの動作制御方法。In the suppression operation step, based on the operational state, select and execute an operation for suddenly stopping the aircraft and bending the knees to absorb shocks,
The operation control method for a legged mobile robot according to claim 17 . 前記抑制動作ステップでは、前記運用状態が前記運用条件を逸脱する可能性が高まってきた場合に、動作目的に応じて判別した前記脚式移動ロボットの部位を用いた衝撃吸収動作を選択し、実行する、
ことを特徴とする請求項１７に記載の脚式移動ロボットの動作制御方法。In the suppression operation step, when the possibility that the operation state deviates from the operation condition is increased, an impact absorbing operation using the part of the legged mobile robot determined according to the operation purpose is selected and executed. To
The operation control method for a legged mobile robot according to claim 17 . 前記運用状態監視ステップでは、前記脚式移動ロボットの足部に作用する床反力で表される運用状態が、前記運用条件を逸脱する撃力に相当するか否かをさらに監視し、
前記抑制動作ステップでは、床反力が撃力に達する運用状態に応答して、アクチュエータの応答により撃力をリアルタイムで吸収する動作を選択し、実行する、
ことを特徴とする請求項１７に記載の脚式移動ロボットの動作制御方法。 In the operation state monitoring step, it is further monitored whether the operation state represented by the floor reaction force acting on the foot portion of the legged mobile robot corresponds to a striking force that deviates from the operation condition,
In the suppression operation step, in response to the operation state in which the floor reaction force reaches the impact force, an operation for absorbing the impact force in real time by the response of the actuator is selected and executed.
The operation control method for a legged mobile robot according to claim 17 . 前記抑制動作ステップでは、前記運用状態に基づいて、所定のモーションの再生により衝撃吸収動作を行なう動作を選択し、実行する、
ことを特徴とする請求項１７に記載の脚式移動ロボットの動作制御方法。In the suppression operation step, based on the operation state, an operation for performing an impact absorbing operation by playing a predetermined motion is selected and executed.
The operation control method for a legged mobile robot according to claim 17 . 前記抑制動作ステップでは、抑制動作の連続発動回数を基に次の抑制動作を判別する、
ことを特徴とする請求項１７に記載の脚式移動ロボットの動作制御方法。In the suppression operation step, the next suppression operation is determined based on the number of continuous activations of the suppression operation.
The operation control method for a legged mobile robot according to claim 17 . 前記保護動作ステップでは、関節アクチュエータのサーボ・ゲインの低下、受身姿勢への移行、電源オフ、関節サーボの停止のうちいずれかを前記保護動作として実行する、
ことを特徴とする請求項１８に記載の脚式移動ロボットの動作制御方法。 In the protection operation step, one of a decrease in servo gain of the joint actuator, transition to a passive posture, power off, and joint servo stop is executed as the protection operation.
The operation control method for a legged mobile robot according to claim 18 .
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JP2006000966A (en) * 2004-06-17 2006-01-05 Sony Corp Robot device and its control method
JP4810880B2 (en) * 2005-05-10 2011-11-09 トヨタ自動車株式会社 Robot and its control method
JP4243309B2 (en) 2006-07-04 2009-03-25 パナソニック株式会社 Robot arm control device
JP4940905B2 (en) * 2006-11-24 2012-05-30 トヨタ自動車株式会社 Joint drive robot and control method thereof
KR20090126038A (en) * 2008-06-03 2009-12-08 삼성전자주식회사 Walking robot and method of controlling the same
CN101847009B (en) * 2010-05-28 2011-12-14 广东工业大学 Biped robot gait energy efficiency optimization method
JP5978028B2 (en) * 2012-06-28 2016-08-24 本田技研工業株式会社 Mobile robot controller
CN111208809B (en) * 2018-11-21 2024-02-06 深圳市优必选科技有限公司 Robot gait planning method and terminal equipment
CN110244791B (en) * 2019-07-11 2020-05-15 北京理工大学 Foot force and moment following control method for biped robot
CN114911221B (en) * 2021-02-09 2023-11-28 北京小米机器人技术有限公司 Robot control method and device and robot

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