JP4848686B2 - Legged robot and its motion adjustment method - Google Patents

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本発明は、脚式ロボットの動作を制御する技術に関する。特に、外部等からの指令に追従して、脚式ロボットの動作を調節する技術に関する。   The present invention relates to a technique for controlling the operation of a legged robot. In particular, the present invention relates to a technique for adjusting the operation of a legged robot following an external command or the like.

体幹と、体幹に揺動可能に連結されている脚リンクを備え、体幹と脚リンク群の相対的姿勢(単に姿勢ということがある)を変化させることによって歩行する脚式ロボット(単にロボットと記すことがある)が開発されている。
脚式ロボットが歩行するためには、体幹と脚リンク群の相対的姿勢の経時的変化を記述するデータを必要とする。体幹と脚リンク群の相対的姿勢は、例えば各足先と体幹の位置の経時的変化によって記述することができる。このとき、体幹位置の経時的変化は、各足先位置の経時的変化に対して適当な値である必要があり、その値が適当でなければロボットは転倒してしまう。
脚式ロボットが転倒しない体幹位置の経時的変化を得るためには、ロボットのダイナミクスを考慮に入れた複雑な計算を必要とする。以下に、二足歩行ロボットの場合の一例を説明する。
(1)ロボットの左足先と右足先の位置を指示する経時的データを指定する。
(2)足先の接地位置を考慮してロボットのZMPが存在しなければならない位置を指定する。ZMP(zero moment point)は、ロボットに作用する重力や床反力や慣性力の合力のモーメントがゼロになる床上の点をいう。ZMPが接地脚の足平内にあればロボットは転倒しない。逆にいうと、ロボットが転倒しないためには、ZMPが接地脚の足平内になければならない。そこで接地脚の足先の位置と姿勢を考慮し、下記の関係を満たす目標ZMPを指定する。即ち、一方の脚リンク(例えば左脚)が遊脚になっている間は接地脚(右脚)の足平内に存在し、その一方の脚(左脚)が接地して両足接地状態になった時に新たに接地した脚(左脚)の足平内に向けて移動開始し、それまでに接地していた脚(右脚)が遊脚となる前に新たに接地した脚(左脚)の足平内に移動し終えるZMPを指定する。このようにして指定されたZMPの軌道は、目標ZMP軌道と呼ばれる。実際のZMP軌道が目標ZMP軌道に一致すれば、ロボットは転倒することなく歩行し続ける。
(3)足先の接地位置の変化とそれに追従して変化する目標ZMPが指定されると、体幹位置の経時的変化を仮定してロボットのダイナミクスを計算する。計算する時点で、足先位置の経時的変化が指定されているために、ロボットの体幹位置の経時的変化を仮定すると、ロボットの全身の姿勢やその変化速度が決まる。ロボットの全身の姿勢が決まると、その姿勢におけるZMPの位置を計算することが可能となる。ZMPの位置を計算するためには、静的な要素に加えて、ロボットに作用する慣性力の影響を織り込まなければならない。仮定した体幹位置の経時的変化を計算に含めることで、ロボットのダイナミクスまで考慮してZMPの位置を計算することが可能となる。体幹位置の経時的変化を仮定するとZMPの位置を計算することができることから、目標ZMPに一致するZMPを実現する体幹の位置と姿勢の経時的変化を探求することができる。
A legged robot that has a trunk and a leg link that is swingably coupled to the trunk, and that walks by changing the relative posture (sometimes referred to simply as posture) of the trunk and the leg link group (simply simply Have been developed).
In order for a legged robot to walk, data describing changes over time in the relative postures of the trunk and leg link groups is required. The relative posture of the trunk and the leg link group can be described by, for example, a change with time of the positions of the feet and the trunk. At this time, the temporal change in the trunk position needs to be an appropriate value with respect to the temporal change in each toe position, and if the value is not appropriate, the robot falls.
In order to obtain the time-dependent change in the trunk position where the legged robot does not fall down, a complicated calculation that takes into account the dynamics of the robot is required. Below, an example in the case of a bipedal walking robot is demonstrated.
(1) Designate temporal data indicating the positions of the left and right foot tips of the robot.
(2) Designate a position where the ZMP of the robot must be present in consideration of the ground contact position of the foot. ZMP (zero moment point) refers to a point on the floor where the moment of the resultant force of gravity, floor reaction force and inertial force acting on the robot becomes zero. If the ZMP is within the foot of the grounded leg, the robot will not tip over. Conversely, in order for the robot not to fall, the ZMP must be in the foot of the grounding leg. Therefore, a target ZMP that satisfies the following relationship is designated in consideration of the position and posture of the foot of the grounding leg. That is, while one leg link (for example, the left leg) is a free leg, it exists in the foot of the ground leg (right leg), and the one leg (left leg) is grounded and both legs are grounded. At the time of movement, it starts to move toward the foot of the newly grounded leg (left leg), and before the leg (right leg) that was grounded before becomes a free leg, Specify the ZMP to finish moving in the foot. The ZMP trajectory specified in this way is called a target ZMP trajectory. If the actual ZMP trajectory matches the target ZMP trajectory, the robot continues to walk without falling.
(3) When a change in the ground contact position of the toe and a target ZMP that changes following the change are specified, the dynamics of the robot is calculated on the assumption that the trunk position changes with time. Since the temporal change in the toe position is specified at the time of calculation, assuming the temporal change in the trunk position of the robot, the posture of the whole body of the robot and the change speed thereof are determined. When the posture of the whole body of the robot is determined, the position of the ZMP in that posture can be calculated. In order to calculate the position of the ZMP, in addition to static elements, the influence of inertial force acting on the robot must be taken into account. By including the temporal change of the assumed trunk position in the calculation, it becomes possible to calculate the position of the ZMP in consideration of the dynamics of the robot. Since it is possible to calculate the position of the ZMP assuming a temporal change in the trunk position, it is possible to search for a temporal change in the position and posture of the trunk that realizes the ZMP that matches the target ZMP.

上記によって探求された体幹位置の経時的変化を示すデータを体幹歩容データといい、もともと指定されている足先位置の経時的変化を示すデータを足先歩容データといい、両者を総称して歩容データという。歩容データに従ってロボットが歩行すれば、実際のZMPが目標ZMPに一致し、ロボットは転倒せずに歩行し続けることができる。
歩容データは、時間に対する位置の経時的変化で与えられる。位置と速度と加速度は関連しており、そのうちの一つの量から他の量を計算することができることから、位置の代わりに速度または加速度の経時的変化を扱ってもよい。足先や体幹の位置は、例えば体幹に定められている基準点の位置と基準方向の向きによって記述することができる。足平位置は、足平に固定されている基準点の位置と足平に固定されている基準線の方向によって特定され、体幹位置は、体幹に固定されている基準点の位置と体幹に固定されている基準線の方向によって特定される。
The data indicating the temporal change of the trunk position searched for by the above is called trunk gait data, the data showing the temporal change of the originally specified foot position is called the foot gait data, and both Collectively called gait data. If the robot walks according to the gait data, the actual ZMP matches the target ZMP, and the robot can continue walking without falling.
Gait data is given as a change in position over time over time. Since position, velocity, and acceleration are related, and other quantities can be calculated from one of these quantities, changes over time in speed or acceleration may be handled instead of position. The positions of the toes and the trunk can be described by, for example, the position of the reference point defined on the trunk and the direction of the reference direction. The foot position is specified by the position of the reference point fixed to the foot and the direction of the reference line fixed to the foot, and the trunk position is the position and body of the reference point fixed to the trunk. It is specified by the direction of the reference line fixed to the trunk.

外部からの指令に追従して、歩行動作を逐次変更するロボットの研究が進められている。例えば非特許文献1には、外部からの指令に基づいて所定期間の歩容データを作成し、以前に作成した歩容データに、新たに作成した歩容データを順次接続していくことによって、外部からの指令に追従する一連の歩容データを作成する技術が記載されている。
西脇光一、「人間型ロボットの歩行システム構築と動作のオンライン生成制御」、東京大学工学系研究科博士課程論文、平成13年12月14日
Research on robots that sequentially change walking motion following external commands is ongoing. For example, in Non-Patent Document 1, gait data for a predetermined period is created based on an external command, and newly created gait data is sequentially connected to previously created gait data, A technique for creating a series of gait data following external commands is described.
Koichi Nishiwaki, “Walking System Construction and Online Generation Control of Humanoid Robot”, Doctoral Dissertation, Graduate School of Engineering, The University of Tokyo, December 14, 2001

予定していた歩行動作から新たな歩行動作に変更する際には、変更時点における足先の位置と速度ならびに体幹の位置と速度の連続性を確保する必要がある。しかしながら、変更後の歩行動作の開始時点における足先の位置と速度ならびに体幹の位置と速度を、変更前の歩行動作の終了時点における足先の位置と速度ならびに体幹の位置と速度に強制的に合わせてしまうと、変更後の歩行動作の開始直後においてZMPが目標ZMPから大きく外れてしまうことがある。
そのことから、非特許文献1の技術では、歩行動作の変更時点を、ロボットが両脚立脚状態で安定している時間帯に限定している。あるいは、歩行動作を変更する度合を制限するようにしている。
本発明は、脚式ロボットが外部等から与えられる指令に追従して歩行動作をより自由に変更することができる技術を提供する。
When changing from a planned walking motion to a new walking motion, it is necessary to ensure the continuity of the position and speed of the toes and the position and speed of the trunk at the time of the change. However, the position and speed of the toes at the start of the walking movement after the change and the position and speed of the trunk are forced to the position and speed of the toes and the position and speed of the trunk at the end of the walking movement before the change. Therefore, the ZMP may deviate significantly from the target ZMP immediately after the start of the walking operation after the change.
Therefore, in the technique of Non-Patent Document 1, the time point when the walking motion is changed is limited to the time zone in which the robot is stable in the state of both legs standing. Alternatively, the degree of changing the walking motion is limited.
The present invention provides a technique that allows a legged robot to change a walking motion more freely following a command given from the outside or the like.

本発明は、体幹に揺動可能に連結されている脚リンクを備える脚式ロボットに具現化することができる。この脚式ロボットは、予定の歩行動作を実施するときの体幹位置の時系列データを記憶している手段と、指令に基づいて予定の歩行動作からの変更時点を決定する手段と、指令に基づいて変更時点以降の目標ZMP軌道を作成する手段と、変更時点以降の体幹位置の時系列データを仮定する手段と、変更時点の直前の二以上の時点に対して記憶している体幹位置の二以上のデータ、仮定した変更時点以降の体幹位置の時系列データを接続することによって時系列データを作成し、その時系列データから、変更時点以降の仮のZMP軌道を計算する手段と、計算した仮のZMP軌道と目標ZMP軌道とのZMP偏差の二乗和が最小となるように、仮定した体幹位置の時系列データを修正する修正手段と、記憶している変更時点以降の体幹位置の時系列データを修正後の体幹位置の時系列データに更新する手段とを備えている。 The present invention can be embodied in a legged robot including a leg link that is swingably connected to the trunk. This legged robot has means for storing time-series data of trunk positions when carrying out a scheduled walking motion, means for determining a change time point from a planned walking motion based on the command, Based on the means for creating a target ZMP trajectory after the change time, means for assuming time-series data of the trunk position after the change time, and the trunk stored for two or more time points immediately before the change time Means for creating time series data by connecting time series data of the trunk position after the assumed change time to two or more data of positions, and calculating a temporary ZMP trajectory after the change time from the time series data Correction means for correcting the time-series data of the assumed trunk position so that the sum of squares of the ZMP deviation between the calculated temporary ZMP trajectory and the target ZMP trajectory is minimized; Trunk position And means for updating the time-series data of the torso position of the corrected time series data.

この脚式ロボットは、指令に基づいて、予定の歩行動作からの変更時点を決定するとともに、変更時点以降の目標ZMP軌道を作成する。この目標ZMP軌道は、指令に対応する歩行動作を可能とするものである。ここでいう指令とは、例えばロボットの外部から与えられる指令や、ロボットの内部から与えられる指令等がある。ロボットの外部からの指令には、例えばオペレータ等がロボットに逐次与える指令や挙げられる。ロボットの内部からの指令には、例えばロボット自身が障害物の存在を検出し、それに対応する動作変更の指令を、ロボット自身が自律的に生成することが挙げられる。あるいは、オペレータ等が予め用意した一連の指令や、ロボット自身が以前の動作時に学習した情報から作成した一連の指令等を、ロボット自身が予め記憶していてもよい。
変更時点以降の体幹位置の経時的変化を仮定すると、仮のZMP軌道を計算することができる。このとき、変更時点の直前の二以上の時点に対して記憶している体幹位置の二以上のデータを併せて用いることにより、変更時点の直前時点の体幹位置とその変化速度をも加味して、仮のZMP軌道を計算する。ZMPの計算にはロボットの動的挙動を加味する必要があり、変更時点の直前時点以降の体幹位置の経時的変化を計算に含めることによって、変更時点以降の仮のZMP軌道を計算することができる。
仮定した体幹位置の経時的変化から計算した仮のZMP軌道と、目標ZMP軌道との偏差に基づいて、仮定した体幹位置を修正することができる。通常は、ZMP偏差をゼロとする体幹位置の経時的変化が得られるまで体幹位置の修正作業を繰返す。しかしながら、歩行動作を予定外に変更する場合には、変更前の体幹位置から変更後の体幹位置に修正する動的動作が加わることから、変更時点から変更後にかけて、ZMP偏差をゼロとすることはできない。変更直後からのZMP偏差をゼロに維持しようとすると、変更時点でのZMP偏差が大きくなってしまう。
そのことから、本発明の脚式ロボットでは、所定期間に亘るZMP偏差の二乗和に基づいて、仮定した体幹位置を修正する。即ち、歩行動作の変更時点において生じるはずのZMP偏差を、経時的に分散させる。
検証実験によって、ZMP偏差を経時的に分散させる体幹位置に修正すると、歩行動作を比較的に大きく変更した場合でも、歩行動作の変更時点において、実際のZMPが目標ZMPから大きく外れることがないことが確認されている。それにより、例えば歩行動作の変更時点をより自由に設定したり、歩行動作を比較的に大きく変更したりすることが可能となる。
この脚式ロボットによると、指令に追従して、歩行動作をより自由に変更することが可能となる。
The legged robot determines a change time point from the scheduled walking motion based on the command and creates a target ZMP trajectory after the change time point. This target ZMP trajectory enables a walking motion corresponding to the command. The command here includes, for example, a command given from the outside of the robot, a command given from the inside of the robot, or the like. Examples of commands from outside the robot include commands that an operator or the like sequentially gives to the robot. The command from the inside of the robot includes, for example, that the robot itself detects the presence of an obstacle and the robot itself autonomously generates a corresponding operation change command. Alternatively, the robot itself may previously store a series of commands prepared in advance by an operator or the like, a series of commands created from information learned by the robot itself during a previous operation, and the like.
Assuming a temporal change in the trunk position after the change time, a temporary ZMP trajectory can be calculated. At this time, by using two or more data of the trunk position stored for two or more time points immediately before the change time point, the trunk position and the change speed immediately before the change time point are also taken into account. Then, a temporary ZMP trajectory is calculated. The calculation of ZMP requires the dynamic behavior of the robot to be taken into account, and the temporal ZMP trajectory after the change time is calculated by including the temporal change in the trunk position after the time immediately before the change time. Can do.
The assumed trunk position can be corrected based on the deviation between the temporary ZMP trajectory calculated from the temporal change in the assumed trunk position and the target ZMP trajectory. Usually, the work for correcting the trunk position is repeated until a change with time of the trunk position in which the ZMP deviation is zero is obtained. However, when changing the walking motion to an unexpected time, a dynamic motion for correcting the trunk position before the change from the trunk position before the change is added, so the ZMP deviation is set to zero from the time of the change to after the change. I can't do it. If the ZMP deviation immediately after the change is to be maintained at zero, the ZMP deviation at the time of the change becomes large.
Therefore, in the legged robot of the present invention, the assumed trunk position is corrected based on the sum of squares of the ZMP deviation over a predetermined period. That is, the ZMP deviation that should occur when the walking motion is changed is dispersed over time.
If the ZMP deviation is corrected to a trunk position that disperses with time by a verification experiment, even when the walking motion is changed relatively large, the actual ZMP does not deviate significantly from the target ZMP at the time of changing the walking motion. It has been confirmed. Thereby, for example, it is possible to set the change time of the walking motion more freely or to change the walking motion relatively large.
According to this legged robot, the walking motion can be changed more freely following the command.

修正手段は、仮定した体幹位置の経時的変化を修正する際に、ZMPの偏差の二乗和が最小となるように修正することが好ましい。
それにより、生じるはずのZMP偏差をより適切に分散することができる。
Preferably, the correction means corrects the assumed sum of the trunk position with time so that the sum of squares of the deviation of the ZMP is minimized.
Thereby, the ZMP deviation that should occur can be more appropriately distributed.

本発明は、脚式ロボットの歩行動作を調節する方法にも具現化することができる。この方法は、予定の歩行動作を実施するときの体幹位置の時系列データを脚式ロボットに記憶させる工程と、指令に基づいて予定の歩行動作からの変更時点を決定する工程と、指令に基づいて変更時点以降の目標ZMP軌道を作成する工程と、変更時点以降の体幹位置の時系列データを仮定する工程と、変更時点の直前の二以上の時点に対して脚式ロボットが記憶している体幹位置の二以上のデータ、仮定した変更時点以降の体幹位置の時系列データを接続することによって時系列データを作成し、その時系列データから、変更時点以降の仮のZMP軌道を計算する工程と、計算した仮のZMP軌道と目標ZMP軌道との偏差の二乗和が最小となるように、仮定した姿勢の時系列データを修正する工程と、脚式ロボットが記憶している変更時点以降の姿勢の時系列データを、修正後の体幹位置の時系列データに更新する工程とを備えている。
この方法によると、指令に追従して、脚式ロボットの歩行動作をより自由に変更することが可能となる。
The present invention can also be embodied in a method for adjusting the walking motion of a legged robot. This method includes a step of storing time series data of a trunk position when performing a scheduled walking motion in a legged robot, a step of determining a change time point from a planned walking motion based on a command, and a command The legged robot memorizes the step of creating the target ZMP trajectory after the change time based on the step, assuming the time-series data of the trunk position after the change time, and two or more time points immediately before the change time. Time series data is created by connecting time series data of the trunk position after the assumed change time to two or more data of the current trunk position, and the temporary ZMP trajectory after the change time is created from the time series data The legged robot stores the step of calculating the time series data of the assumed posture so that the sum of squares of the deviation between the calculated temporary ZMP trajectory and the target ZMP trajectory is minimized. Change The time series data of a point subsequent orientation, and a step of updating the time-series data of the torso position after correction.
According to this method, the walking motion of the legged robot can be changed more freely following the command.

本発明によると、予定の歩行動作から予定外の歩行動作を変更して歩行し続けるロボットの自由度が向上する。臨機応変に対応するロボットの実現に貢献するものである。   According to the present invention, the degree of freedom of a robot that continues walking by changing an unplanned walking motion from a planned walking motion is improved. It contributes to the realization of robots that can adapt to occasions.

最初に、以下に説明する実施例の主要な特徴を列記する。
(形態1) ロボットは、オペレータが歩行動作の変更指令を入力する指示装置を備えている。
(形態2) ロボットは、指示装置からの指令信号に基づいて、目標とする遊脚の接地位置や接地方向や接地目標時間等を記述する歩行パターンデータを作成する。
(形態3) ロボットは、歩行パターンデータに基づいて、目標ZMP軌道を作成する。
First, the main features of the embodiments described below are listed.
(Embodiment 1) The robot includes an instruction device for an operator to input a walking motion change command.
(Embodiment 2) The robot creates walking pattern data describing the target grounding position, grounding direction, target grounding time, etc. of the target leg based on a command signal from the pointing device.
(Mode 3) The robot creates a target ZMP trajectory based on the walking pattern data.

図面を参照しながら、本発明の一実施例である脚式ロボットについて説明する。
図1は本実施例のロボット2の概要を示している。ロボット2は体幹4と左脚リンク6と右脚リンク8と制御部10を備えている。また、オペレータ等がロボット2に動作指令を与える指示装置12が用意されている。
本実施例では、図1に示すように、ロボット2の外部の床に固定されている絶対座標系(x,y,z)が定義されている。絶対座標系(x,y,z)では、x軸方向とy軸方向が水平方向を向いており、z軸方向が鉛直方向を向いている。また、ロボット2の支持脚の基準点に固定されている相対座標系(x’,y’,z’)が定義されている。相対座標系(x’,y’,z’)は、ロボット2が右脚リンク8を支持脚としているときは基準点R0に固定されており、ロボット2が左脚リンク6を支持脚としているときは、基準点L0に固定されている。相対座標系(x’,y’,z’)では、足平リンク、48に沿って踵から爪先へと伸びる方向をx’軸とし、足平リンク38、48に沿ってx’軸と直交する方向をy’軸とし、足平リンク38、48に垂直な方向をz’軸とする。通常は、x’軸はロボット2が歩行する方向に相当し、y’軸はロボット2の体側方向に相当し、z’軸はロボット2の高さ方向に相当する。
A legged robot according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows an outline of the robot 2 of this embodiment. The robot 2 includes a trunk 4, a left leg link 6, a right leg link 8, and a control unit 10. In addition, an instruction device 12 for providing an operation command to the robot 2 by an operator or the like is prepared.
In this embodiment, as shown in FIG. 1, an absolute coordinate system (x, y, z) fixed to the floor outside the robot 2 is defined. In the absolute coordinate system (x, y, z), the x-axis direction and the y-axis direction are in the horizontal direction, and the z-axis direction is in the vertical direction. Further, a relative coordinate system (x ′, y ′, z ′) fixed to the reference point of the support leg of the robot 2 is defined. The relative coordinate system (x ′, y ′, z ′) is fixed to the reference point R0 when the robot 2 uses the right leg link 8 as a supporting leg, and the robot 2 uses the left leg link 6 as a supporting leg. When it is fixed to the reference point L0. In the relative coordinate system (x ′, y ′, z ′), the direction extending from the heel to the toes along the foot link 48 is the x ′ axis, and is orthogonal to the x ′ axis along the foot links 38, 48. The direction to be taken is the y ′ axis, and the direction perpendicular to the foot links 38 and 48 is the z ′ axis. Normally, the x ′ axis corresponds to the direction in which the robot 2 walks, the y ′ axis corresponds to the body side direction of the robot 2, and the z ′ axis corresponds to the height direction of the robot 2.

左脚リンク6は一方の端部を股関節を介して体幹4に揺動可能に接続されている。左脚リンク6は膝関節や足首関節を備えており、先端には左足平7を備えている。右脚リンク8は股関節を介して体幹4に揺動可能に接続されている。右脚リンク8は膝関節や足首関節を備えており、先端には右足平9を備えている。ロボット2の各関節はアクチュエータ(図示されない)を備えており、それらのアクチュエータは制御部10からの指示によって回転駆動する。左脚リンク6の左足平7の略中心には、基準点L0が設けられている。右脚リンク8の右足平9の略中心には、基準点R0が設けられている。基準点L0、R0は、ロボット2の動作パターンを作成する際に基準となる点である。図中Gは、ロボット2の体幹4の基準点であり、歩行動作を実行するときのロボット2の重心の位置に略一致する。ロボット2では、体幹4の基準点Gを、ロボット2の重心点として扱うことができる。
制御部10はCPU、ROM、RAM、ハードディスク等を有するコンピュータ装置である。制御部10は指示装置12と通信可能であり、オペレータが指示装置12に入力した指令は、ロボット2の制御部10に教示される。制御部10は、指示装置12から入力した指令信号に基づいて、ロボット2の動作を制御する。制御部10の詳細については、後段において詳細に説明する。
The left leg link 6 is swingably connected to the trunk 4 at one end via a hip joint. The left leg link 6 has a knee joint and an ankle joint, and has a left foot 7 at the tip. The right leg link 8 is swingably connected to the trunk 4 via the hip joint. The right leg link 8 has a knee joint and an ankle joint, and has a right foot 9 at the tip. Each joint of the robot 2 includes actuators (not shown), and these actuators are rotationally driven by instructions from the control unit 10. A reference point L0 is provided at the approximate center of the left foot 7 of the left leg link 6. A reference point R0 is provided at the approximate center of the right foot 9 of the right leg link 8. The reference points L0 and R0 are points that serve as a reference when creating the motion pattern of the robot 2. In the figure, G is a reference point of the trunk 4 of the robot 2 and substantially coincides with the position of the center of gravity of the robot 2 when the walking motion is executed. In the robot 2, the reference point G of the trunk 4 can be handled as the center of gravity of the robot 2.
The control unit 10 is a computer device having a CPU, ROM, RAM, hard disk and the like. The control unit 10 can communicate with the instruction device 12, and a command input by the operator to the instruction device 12 is taught to the control unit 10 of the robot 2. The control unit 10 controls the operation of the robot 2 based on the command signal input from the pointing device 12. Details of the control unit 10 will be described in detail later.

図1、2を参照して、ロボット2が実行する動作を説明する。ロボット2は、指示装置12からの指令信号に従い、左右の脚リンク6、8を交互に振り出して、歩行動作を実施する。このとき、足平が接地している方の脚リンクを支持脚といい、足平が空中を移動する方の脚リンクを遊脚という。ロボット2は、指示装置12から入力される指令信号に基づいて、遊脚の足平を接地させる目標位置や方向を決定し、接地目標位置へと遊脚を振り出して、歩行動作を実施する。足平を接地させる方向とは、足平の踵から爪先へと伸びる方向をいう。この足平の接地方向は、x’軸がx軸となす角度で特定される。   The operation performed by the robot 2 will be described with reference to FIGS. The robot 2 performs a walking motion by alternately swinging the left and right leg links 6 and 8 in accordance with a command signal from the pointing device 12. At this time, the leg link on which the foot is grounded is called a support leg, and the leg link on which the foot moves in the air is called a free leg. The robot 2 determines a target position and direction for grounding the foot of the free leg based on a command signal input from the pointing device 12, swings the free leg to the ground target position, and performs a walking motion. The direction in which the foot is grounded refers to the direction extending from the foot heel to the toe. The ground contact direction of the foot is specified by an angle formed by the x ′ axis and the x axis.

図2に、指示装置12からの指令信号に基づいて、ロボット2が決定する目標接地位置を例示する。指示装置12には、例えばジョイスティック等を用いることができる。最初、右足平9が位置P1において接地しており、左足平7が位置P2において接地しており、ロボット2は静止しているとする。指示装置12から「前進せよ」という指令信号が入力されると、例えば右脚リンク8を遊脚に決定し、右足平9の目標とする接地位置P3と接地方向D3と接地時間を決定する。右足平9の目標接地位置P3と方向D3を決定すると、決定した右足平9の目標接地位置P3と方向D3に沿うように、次ぎに遊脚となる左脚リンク6の左足平7の目標とする接地位置P4と接地方向と接地時間を決定する。即ち、ロボット2は、一度の指令信号に対して、一歩分だけ移動し、足平7、9を揃えて静止する歩行動作を計画して実行する。この歩行動作を実行している間に、再び指令信号が入力されると、新たに左足平7の目標接地位置P6と方向D6を決定するとともに、右足平9の目標接地位置P5を決定する。ロボット2は、オペレータの指示に基づいて2歩分の歩行計画を作成し、実行している歩行計画に接続して、一連の歩行計画を作成していく。
目標とする接地位置や接地方向や接地時間は、オペレータが指示装置12に入力した指示に基づく。ロボット2は、オペレータの指示に追従して、歩行方向や歩行速度や歩幅等を変更しながら、一連の歩行動作を実行する。後記するように、オペレータが連続的に指示すると、ロボット2は、右足平9を目標接地位置P3に方向D3で接地し、左足平7を目標接地位置P6に方向D6で接地する歩行計画を立案して実行し、足平7、9を揃えて静止する歩行動作は実施されない。
遊脚の目標とする接地位置や接地方向や接地時間等を順に記述するデータを、歩行パターンデータということがある。
FIG. 2 illustrates a target ground contact position determined by the robot 2 based on a command signal from the pointing device 12. As the pointing device 12, for example, a joystick or the like can be used. Initially, it is assumed that the right foot 9 is grounded at the position P1, the left foot 7 is grounded at the position P2, and the robot 2 is stationary. When a command signal “move forward” is input from the pointing device 12, for example, the right leg link 8 is determined as a free leg, and the target grounding position P3, the grounding direction D3, and the grounding time of the right foot 9 are determined. When the target ground contact position P3 and the direction D3 of the right foot 9 are determined, the target of the left foot 7 of the left leg link 6 to be the next free leg along the target ground position P3 and the direction D3 of the right foot 9 is determined. A grounding position P4, a grounding direction, and a grounding time are determined. That is, the robot 2 plans and executes a walking motion that moves by one step in response to a single command signal, and stands still with the feet 7 and 9 aligned. When a command signal is input again while executing this walking motion, the target grounding position P6 and the direction D6 of the left foot 7 are newly determined, and the target grounding position P5 of the right foot 9 is determined. The robot 2 creates a walking plan for two steps based on an instruction from the operator, and connects to the running walking plan to create a series of walking plans.
The target grounding position, grounding direction, and grounding time are based on an instruction input to the pointing device 12 by the operator. The robot 2 performs a series of walking actions while changing the walking direction, the walking speed, the stride, etc. following the instructions of the operator. As will be described later, when the operator continuously instructs, the robot 2 makes a walking plan in which the right foot 9 is grounded to the target grounding position P3 in the direction D3 and the left foot 7 is grounded to the target grounding position P6 in the direction D6. Thus, the walking motion is not performed in which the feet 7 and 9 are aligned and stationary.
Data that sequentially describes the ground contact position, the ground contact direction, the ground contact time, etc. that are the target of the free leg may be referred to as walking pattern data.

次に、ロボット2の制御部10について説明する。図3に示すように、制御部10は、機能的に、歩容データ作成装置54と、歩容データ補正装置56と、関節角群計算装置58と、アクチュエータ制御部60と、実際運動計算装置62等を備えている。
制御部10は、全体が物理的に1つの装置に含まれていてもよいし、物理的に分離された装置ごとに分けて収容されていてもよい。また制御部10の各要素は、必ずしもロボット2に搭載されていなくてもよい。ロボット2外に配備され、ロボット2に無線又は有線で指示するようにしてもよい。
Next, the control unit 10 of the robot 2 will be described. As shown in FIG. 3, the control unit 10 functionally includes a gait data creation device 54, a gait data correction device 56, a joint angle group calculation device 58, an actuator control unit 60, and an actual motion calculation device. 62 etc. are provided.
The entire control unit 10 may be physically included in one device, or may be accommodated separately for each physically separated device. Each element of the control unit 10 does not necessarily have to be mounted on the robot 2. It may be arranged outside the robot 2 and instruct the robot 2 wirelessly or by wire.

歩容データ作成装置54は、指示装置12から入力する指令信号に基づいて、足先歩容データと体幹歩容データを備える歩容データを作成して記憶する。足先歩容データとは、ロボット2の左右の脚リンク6、8の足平7、9の基準点L0、R0(足先)の軌道を記述するデータである。体幹歩容データとは、体幹4の基準点Gの軌道を記述するデータである。軌道とは、位置の経時的変化を意味している。各基準点L0、R0、Gの軌道は、絶対座標(x,y,z)と絶対時刻で記述してもよいし、1歩あるいは複数歩毎に相対座標(x’,y’,z’)と相対時刻で記述することもできる。歩容データ作成装置54については、後段において詳細に説明する。歩容データ作成装置54が記憶している歩容データは、歩容データ補正装置56に入力される。
歩容データ補正装置56は、歩容データ作成装置54から入力した歩容データを、ロボット2の実際の運動に基づいて補正する。必要に応じて補正された歩容データは、関節角群計算装置58に入力される。
関節角群計算装置58は、入力した歩容データに基づいて、いわゆる逆キネマティクスを解くことでロボット2の各関節角を計算する。計算された関節角群データは、アクチュエータ制御部60に入力される。
アクチュエータ制御装置60は、入力した関節角群データに基づいて、ロボット2に搭載されているアクチュエータ群を制御する。アクチュエータ制御装置60がアクチュエータ群を制御することによって、ロボット2の機械系64が歩行動作を実施する。
The gait data creation device 54 creates and stores gait data including foot gait data and trunk gait data based on a command signal input from the instruction device 12. The toe gait data is data describing the trajectories of the reference points L0 and R0 (toe) of the feet 7 and 9 of the left and right leg links 6 and 8 of the robot 2. The trunk gait data is data describing the trajectory of the reference point G of the trunk 4. The trajectory means a change in position over time. The trajectory of each reference point L0, R0, G may be described by absolute coordinates (x, y, z) and absolute time, or relative coordinates (x ′, y ′, z ′) for each step or multiple steps. ) And relative time. The gait data creation device 54 will be described in detail later. The gait data stored in the gait data creation device 54 is input to the gait data correction device 56.
The gait data correction device 56 corrects the gait data input from the gait data creation device 54 based on the actual motion of the robot 2. The gait data corrected as necessary is input to the joint angle group calculation device 58.
The joint angle group calculation device 58 calculates each joint angle of the robot 2 by solving so-called inverse kinematics based on the input gait data. The calculated joint angle group data is input to the actuator control unit 60.
The actuator control device 60 controls the actuator group mounted on the robot 2 based on the input joint angle group data. When the actuator control device 60 controls the actuator group, the mechanical system 64 of the robot 2 performs a walking motion.

ロボット2が実際に行う歩行動作は、予期しない路面の凹凸や、ロボット2の構造上のたわみなどによる外乱力の影響を受ける。ロボット2が実際に行っている歩行動作は、ロボット2に搭載されているセンサ群66によって検出される。
実際運動計算装置62は、センサ群66の出力信号に基づいて、ロボット2の実際の運動を計算する。実際運動計算装置62は、例えば左脚リンク6の実際運動や、右脚リンク8の実際運動や、体幹4の実際運動を計算することができる。実際運動計算装置62で計算されたロボット2の実際運動は、歩容データ補正装置56に入力される。
先に説明したように、歩容データ補正装置56は、実際運動計算装置62で計算されたロボット2の実際運動に基づいて、歩容データ作成装置54から入力した歩容データを補正する。ロボット2の歩行動作は、ロボット2の実際運動に基づいてフィードバック制御される。
The walking motion actually performed by the robot 2 is affected by disturbance forces due to unexpected road surface unevenness and structural deflection of the robot 2. The walking motion actually performed by the robot 2 is detected by a sensor group 66 mounted on the robot 2.
The actual motion calculation device 62 calculates the actual motion of the robot 2 based on the output signal of the sensor group 66. The actual motion calculation device 62 can calculate the actual motion of the left leg link 6, the actual motion of the right leg link 8, and the actual motion of the trunk 4, for example. The actual motion of the robot 2 calculated by the actual motion calculation device 62 is input to the gait data correction device 56.
As described above, the gait data correction device 56 corrects the gait data input from the gait data creation device 54 based on the actual motion of the robot 2 calculated by the actual motion calculation device 62. The walking motion of the robot 2 is feedback controlled based on the actual motion of the robot 2.

次に、歩容データ作成装置54について詳細に説明する。図4に示すように、歩容データ作成装置54は、機能的に、更新時点決定装置102と、歩行パターン作成装置104と、目標ZMP軌道作成装置106と、足先起動作成装置108と、体幹起動作成装置110と、データ記憶装置112等を備えている。データ記憶装置112は、歩行パターンデータ122や、目標ZMP軌道データ124や、足先歩容データ126や、体幹歩容データ128等を記憶することができる。
更新時点決定装置102は、指示装置12から指令信号を入力したときに、ロボット2の歩行動作を更新する時点を決定する。更新時点決定装置102は、歩容データ作成装置54が必要とする演算時間に基づいて、歩行動作の更新時点を決定する。
歩行パターン作成装置104は、更新時点決定装置102が決定した更新時点と、指示装置12からの指令信号に基づいて、データ記憶装置112に記憶されている歩行パターンデータ122を更新する。
目標ZMP軌道作成装置106は、データ記憶装置112に記憶されている歩行パターンデータ112に基づいて、目標とするZMP(Zero Moment Point)の軌道を作成する。ZMPは、ロボット2に作用する外力(慣性力を含む)によるモーメントの総和が0となる床上の点を意味する。接地している足平7、9が形成する多角形範囲内にZMPが維持されれば、ロボット2は転倒することなく歩行し続けることが可能となる。そのための目標とするZMPの軌道ZMP(t)は、脚リンク6、8の足平7、9の接地位置の経時的変化(歩行パターン)に基づいて決定することができる。目標ZMP軌道は、絶対座標(x,y,z)と絶対時刻で記述してもよいし、1歩あるいは複数歩毎に相対座標(x’,y’,z’)と相対時刻で記述することもできる。作成された目標ZMP軌道は、離散化された目標ZMP軌道データ124として、データ記憶装置112に記憶される。また、目標ZMP軌道作成装置106は、歩行パターンデータ122が更新されると、データ記憶装置112に記憶されている目標ZMP軌道データ124を更新する。
Next, the gait data creation device 54 will be described in detail. As shown in FIG. 4, the gait data creation device 54 functionally includes an update time determination device 102, a walking pattern creation device 104, a target ZMP trajectory creation device 106, a foot start activation creation device 108, and a body. A stem activation creation device 110 and a data storage device 112 are provided. The data storage device 112 can store walking pattern data 122, target ZMP trajectory data 124, foot gait data 126, trunk gait data 128, and the like.
The update time determination device 102 determines a time point at which the walking motion of the robot 2 is updated when a command signal is input from the pointing device 12. The update time determination device 102 determines the update time of the walking motion based on the calculation time required by the gait data creation device 54.
The walking pattern creation device 104 updates the walking pattern data 122 stored in the data storage device 112 based on the update time determined by the update time determination device 102 and the command signal from the instruction device 12.
The target ZMP trajectory creation device 106 creates a target ZMP (Zero Moment Point) trajectory based on the walking pattern data 112 stored in the data storage device 112. ZMP means a point on the floor where the sum of moments due to external forces (including inertial force) acting on the robot 2 becomes zero. If the ZMP is maintained within the polygonal range formed by the feet 7 and 9 that are in contact with the ground, the robot 2 can continue to walk without falling. The target ZMP trajectory ZMP (t) for this purpose can be determined based on the temporal change (walking pattern) of the ground contact position of the feet 7 and 9 of the leg links 6 and 8. The target ZMP trajectory may be described in absolute coordinates (x, y, z) and absolute time, or in relative coordinates (x ′, y ′, z ′) and relative time for each step or steps. You can also. The created target ZMP trajectory is stored in the data storage device 112 as discretized target ZMP trajectory data 124. Further, the target ZMP trajectory creation device 106 updates the target ZMP trajectory data 124 stored in the data storage device 112 when the walking pattern data 122 is updated.

足先軌道作成装置108は、データ記憶装置112に記憶されている歩行パターンデータ122に基づいて、左右の脚リンク6、8の足平7、9の基準点L0、R0の軌道(足先軌道)を作成する。作成された足先軌道は、足先歩容データ126として、データ記憶装置112に記憶される。また、足先軌道作成装置108は、歩行パターンデータ122が更新されると、データ記憶装置112に記憶されている足先歩容データ126を更新する。
体幹軌道作成装置110は、データ記憶装置112に記憶されている目標ZMP軌道データ124や足先歩容データ126に基づいて、体幹4の基準点Gの軌道を作成する。作成された体幹軌道は、離散化された体幹歩容データ128として、データ記憶装置112に記憶される。また、体幹軌道作成装置110は、目標ZMP軌道データ124が更新されると、データ記憶装置112に記憶されている体幹歩容データ128を更新する。
Based on the walking pattern data 122 stored in the data storage device 112, the foot tip trajectory creation device 108 uses the trajectories (foot tip trajectories) of the reference points L 0 and R 0 of the feet 7 and 9 of the left and right leg links 6 and 8. ). The created toe trajectory is stored in the data storage device 112 as the toe gait data 126. In addition, when the walking pattern data 122 is updated, the toe trajectory creation device 108 updates the toe gait data 126 stored in the data storage device 112.
The trunk trajectory creation device 110 creates a trajectory of the reference point G of the trunk 4 based on the target ZMP trajectory data 124 and the toe gait data 126 stored in the data storage device 112. The created trunk trajectory is stored in the data storage device 112 as discrete trunk gait data 128. Further, the trunk trajectory creation device 110 updates the trunk gait data 128 stored in the data storage device 112 when the target ZMP trajectory data 124 is updated.

ロボット2は、歩容データ作成装置54のデータ記憶装置112に記憶されている足先歩容データ126と体幹歩容データ128に従って、足先と体幹を移動することによって、歩行動作を実行する。オペレータが指示装置12から指令を入力すると、歩容データ作成装置54が、現に実行している足先歩容データ126と体幹歩容データ128に、オペレータの指令に基づいて作成した足先歩容データ126と体幹歩容データ128を接続して、一連の歩容データを作成していく。
図5は、歩容データ作成装置54が実行する処理の流れを示している。図5に示すフローに沿って、歩容データ作成装置54が、動作指令に追従して一連の歩容データを作成していく処理手順を説明する。
The robot 2 executes a walking motion by moving the toes and the trunk according to the toes' gait data 126 and the torso gait data 128 stored in the data storage device 112 of the gait data creation device 54. To do. When the operator inputs a command from the pointing device 12, the gait data creation device 54 creates the footstep data created based on the command of the operator in the currently executed foot gait data 126 and trunk gait data 128. The gait data 126 and the trunk gait data 128 are connected to create a series of gait data.
FIG. 5 shows the flow of processing executed by the gait data creation device 54. A processing procedure in which the gait data creation device 54 creates a series of gait data following the operation command will be described along the flow shown in FIG.

ステップS2では、指示装置12からの指令信号が入力されるまで待機状態となる。この間、ロボット2は、歩容データ作成装置54のデータ記憶装置112に記憶されている歩容データ126、128を実行している。指示装置12からの指令が入力されない場合は、所定時間毎に、ロボット2が静止し続ける軌道データを作成して記憶するようにしてもよい。指示装置12からの指令信号が入力されると、ステップS4に進む。
ステップS4では、更新時点決定装置102が、歩行動作の更新(変更)時点を決定する。図6に示すように、更新時点は、動作指令の信号を入力した時点から、後述の処理に要する時間を考慮した余裕時間だけ遅延させた時点(例えばk)に決定される。図6のkは、時系列データにおけるデータの順番を示しており、例えばQは実行中のデータにおけるk番目のデータを意味している。更新時点kが決定すると、実行中の時系列データ(Q、Q・・・Qk−1、Q)に、新たに作成する更新データ(R、R・・)を接続するデータ位置(図6ではQk−1)が決まる。なお、実行中の時系列データにおいてデータQ以降のデータは破棄される。
図5のステップS6では、歩行パターン作成装置104が、指示装置12からの指令信号と、決定された更新時点に基づいて歩行パターンデータ122を更新する。例えば図2に示すように、左脚リンク6の左足平7の接地位置P4と方向(D3に等しい)が、接地位置P6と方向D6に更新される。
In step S2, it will be in a standby state until the command signal from the instruction device 12 is input. During this time, the robot 2 executes the gait data 126 and 128 stored in the data storage device 112 of the gait data creation device 54. When a command from the instruction device 12 is not input, trajectory data in which the robot 2 is kept stationary may be created and stored every predetermined time. When the command signal from the instruction device 12 is input, the process proceeds to step S4.
In step S4, the update time determination device 102 determines the update (change) time of the walking motion. As shown in FIG. 6, the update time point is determined at a time point (for example, k) delayed from the time point when the operation command signal is input by a margin time considering the time required for processing described later. K in FIG. 6 indicates the order of data in the time-series data. For example, Q k means the k-th data in the data being executed. When the update time point k is determined, newly created update data (R 2 , R 3 ...) Is connected to the time-series data (Q 0 , Q 1 ... Q k−1 , Q k ) being executed. The data position (Q k-1 in FIG. 6) is determined. The data after the data Q k in the time series data in execution is discarded.
In step S6 of FIG. 5, the walking pattern creation device 104 updates the walking pattern data 122 based on the command signal from the instruction device 12 and the determined update time. For example, as shown in FIG. 2, the contact position P4 and the direction (equal to D3) of the left foot 7 of the left leg link 6 are updated to the contact position P6 and the direction D6.

図5のステップS8では、足先軌道作成装置108が、更新された歩行パターンデータ122に基づいて、データ記憶装置112に記憶されている足先歩容データ126を更新する。図6に示す時系列データを、足先歩容データ126とすると、実行中の足先歩容データ126の時点k−1のデータQk−1に、新たに作成する更新後の足先歩容データ(R,R,・・)を接続して、一連の足先歩容データを作成する。このとき、更新後の歩容データの最初のデータRを決定する際に、実行中の歩容データの更新時点から遡及した複数のデータ(例えばQk−2、Qk−1)を加味することによって、連続的な足先軌道を記述する一連の足先歩容データを作成することができる。
ステップS10では、目標ZMP軌道作成装置106が、更新された歩行パターンデータ122に基づいて、データ記憶装置112に記憶されている目標ZMP軌道データ124を更新する。例えば図2に示すように、左脚リンク6の左足平7の接地位置P4と方向(D3に等しい)が、接地位置P6と方向D6に更新されると、点PA−点P2−点P3−点PBを結ぶ目標ZMP軌道が、点PA−点P2−点P3−点P6−点PCと結ぶ軌道に更新される。
In step S <b> 8 of FIG. 5, the toe trajectory creation device 108 updates the toe gait data 126 stored in the data storage device 112 based on the updated walking pattern data 122. If the time-series data shown in FIG. 6 is the toe gait data 126, the updated toe step newly created in the data Q k-1 at the time point k-1 of the toe gait data 126 being executed. A series of foot gait data is created by connecting the condition data (R 2 , R 3 ,...). At this time, when the first data R 2 of the updated gait data is determined, a plurality of data (for example, Q k−2 and Q k−1 ) retroactive from the update time of the gait data being executed are taken into consideration. By doing so, a series of toe gait data describing a continuous toe trajectory can be created.
In step S <b> 10, the target ZMP trajectory creation device 106 updates the target ZMP trajectory data 124 stored in the data storage device 112 based on the updated walking pattern data 122. For example, as shown in FIG. 2, when the ground contact position P4 and direction (equal to D3) of the left foot 7 of the left leg link 6 are updated to the ground contact position P6 and the direction D6, point PA-point P2-point P3- The target ZMP trajectory connecting point PB is updated to a trajectory connecting point PA-point P2-point P3-point P6-point PC.

図5のステップS12〜ステップS18の処理によって、体幹軌道作成装置110が、データ記憶装置112に記憶されている体幹歩容データ128を更新する。体幹軌道作成装置110は体幹歩容データ128を更新することによって、オペレータによって逐次更新された歩行パターンを、ロボット2は一連の歩行動作として実施することができる。
ステップS12では、更新時点k以降の体幹軌道を仮定し、仮定した体幹歩容データから計算する仮のZMP軌道と、目標ZMP軌道データ124が記述するZMP軌道とのZMP偏差を計算する。図6に示す時系列データを、離散化した体幹軌道(即ち体幹歩容データ)とすると、更新時点k以降に接続する体幹歩容データは、(R,R,・・,Rn−1)からなるn−2個の時系列データとなる。仮定する体幹軌道は、例えば目標ZMP軌道を、所定の高さだけz軸方向に移動させた軌道とすることができる。
一般に、体幹(重心)軌道(x(t),y(t),z(t))に対するZMP軌道(Px(t),Py(t))は、下記のZMP方程式から計算することができる。
The trunk trajectory creation device 110 updates the trunk gait data 128 stored in the data storage device 112 by the processing in steps S12 to S18 in FIG. The trunk trajectory creation device 110 updates the trunk gait data 128 so that the robot 2 can implement the walking patterns sequentially updated by the operator as a series of walking motions.
In step S12, a trunk trajectory after the update time k is assumed, and a ZMP deviation between the temporary ZMP trajectory calculated from the assumed trunk gait data and the ZMP trajectory described by the target ZMP trajectory data 124 is calculated. If the time series data shown in FIG. 6 is a discretized trunk trajectory (ie trunk gait data), trunk gait data connected after the update time point k is (R 2 , R 3 ,. R−2 time series data consisting of R n−1 ). The assumed trunk trajectory may be, for example, a trajectory obtained by moving the target ZMP trajectory by a predetermined height in the z-axis direction.
In general, the ZMP trajectory (Px (t), Py (t)) for the trunk (centroid) trajectory (x (t), y (t), z (t)) can be calculated from the following ZMP equation. .

Figure 0004848686
Figure 0004848686

ここで、mはロボット2の質量である。fzは支持脚の足平に作用する床反力である。Ix・dωx/dtとI・dω/dtは、体幹4の基準点Gの回転に関する慣性の影響を示す。本実施例では、水平軸まわりのロボット2の角運動量を0(ゼロ)としているので、Ix・dωx/dtとI・dω/dtは0(ゼロ)となる。
上記したZMP方程式を離散化することによって、例えばx軸方向に関して、下記の三項方程式を得ることができる。
Here, m is the mass of the robot 2. fz is a floor reaction force acting on the foot of the support leg. I x · dω x / dt and I y · dω y / dt indicate the influence of inertia on the rotation of the reference point G of the trunk 4. In this embodiment, since the angular momentum of the robot 2 around the horizontal axis is set to 0 (zero), I x · dω x / dt and I y · dω y / dt become 0 (zero).
By discretizing the above ZMP equation, for example, the following ternary equation can be obtained in the x-axis direction.

Figure 0004848686
Figure 0004848686

ここでxとPxiは、それぞれ体幹軌道x(t)と、x方向のZMP軌道px(t)を離散化したものである。iは単位時間Δtで区分した時系列データの順序を示す。上記の数式2は、時点iにおけるZMPのx方向座標Pxiが、直前のx方向座標xi−1と、そのときのx方向座標xと、直後のx方向座標xi+1から計算できることを示している。係数a、b,cは、下記によって算出される係数である。なお床反力fzについては、ロボット2のz軸方向に関する運動方程式:m・dz/dt=−mg+fzが成り立つ。 Here, x i and P xi are discretizations of the trunk trajectory x (t) and the ZMP trajectory px (t) in the x direction, respectively. i indicates the order of the time-series data divided by the unit time Δt. Equation 2 above, ZMP in the x-direction coordinate P xi at time i is the x-direction coordinate x i-1 immediately preceding, the x-direction coordinate x i at that time, that can be calculated from the x-direction coordinate x i + 1 immediately after the Show. The coefficients a i , b i and c i are coefficients calculated as follows. For the floor reaction force fz, the equation of motion of the robot 2 in the z-axis direction: m · d 2 z / dt 2 = −mg + fz holds.

Figure 0004848686
Figure 0004848686

上記の数式2と図6から理解されるように、仮定した体幹歩容データ(R,R,・・,Rn−1)と、実行中の体幹歩容データ128において更新時点kから遡及した2つのデータ(Qk−2,Qk−1)を用いることによって、ZMP偏差dは、
=ZMP−a・Qk−2+b・Qk−1+c・R
から、
n−2=ZMPn−2−an−2・Rn−3+bn−2・Rn−2+cn−2・Rn−1
まで、n−2個の時系列データとして得ることができる。ここで、ZMPは、目標ZMP軌道データ124が記述している離散化された目標ZMP軌道である。ZMP偏差dは、更新時点kの直前時点に対するZMP偏差である。更新時点kから遡及した2つのデータ(Qk−2,Qk−1)を用いることによって、更新時点kの直前時点における体幹位置とその変化速度を拘束条件として加味することができる。
As can be understood from Equation 2 above and FIG. 6, the updated time points of the assumed trunk gait data (R 2 , R 3 ,..., R n-1 ) and the trunk gait data 128 being executed are updated. By using two pieces of data (Q k−2 , Q k−1 ) retroactive from k, the ZMP deviation d i is
d 1 = ZMP 1 −a 1 · Q k−2 + b 1 · Q k−1 + c 1 · R 2
From
d n−2 = ZMP n−2 −a n−2 · R n−3 + b n−2 · R n−2 + c n−2 · R n−1
Up to n−2 time series data can be obtained. Here, ZMP i is a discretized target ZMP trajectory described by the target ZMP trajectory data 124. The ZMP deviation d 1 is a ZMP deviation with respect to the time immediately before the update time k. By using two pieces of data (Q k−2 , Q k−1 ) retroactive from the update time point k, it is possible to take into account the trunk position and the speed of change at the time point immediately before the update time point k as constraints.

図5のステップS14では、ステップS12で計算したZMP偏差の時系列データ(d,d,・・,dn−2)に基づいて、ステップS12で仮定した体幹歩容データ(R,R,・・,Rn−1)の各修正量(r,r,・・,rn−1)を決定する。ただし、最終時点n−1において、ロボット2を安定して(位置と速度を連続にして)静止させる必要があることから、最終の2つの時点n−2、n−1のデータRn−2、Rn−1については修正せず、その修正量rn−2、rn−1をゼロとする。
数式1に示したZMP方程式から、一般に、ZMP偏差d(t):(d(t),d(t))と、そのZMP偏差をゼロに減じるのに要する体幹(重心)軌道の水平方向の補正量r(t):(r(t),r(t))の関係は、次式で表すことができる。
In step S14 of FIG. 5, the trunk gait data (R 2 ) assumed in step S12 based on the time-series data (d 1 , d 2 ,..., D n−2 ) of the ZMP deviation calculated in step S12. , R 3 ,..., R n-1 ) are determined (r 2 , r 3 ,..., R n-1 ). However, since it is necessary to stabilize the robot 2 at the final time point n−1 (with the position and speed being continuous), the data R n−2 of the final two time points n−2 and n−1. , R n-1 is not corrected, and the correction amounts r n-2 , r n-1 are set to zero.
From the ZMP equation shown in Equation 1, in general, the ZMP deviation d (t): (d x (t), dy (t)) and the trunk (center of gravity) trajectory required to reduce the ZMP deviation to zero. The relationship of the horizontal correction amount r (t) :( r x (t), r y (t)) can be expressed by the following equation.

Figure 0004848686
Figure 0004848686

上記の修正量r(t)に関するZMP方程式についても、離散化することによって三項方程式に書き換えることができる。体幹軌道作成装置110は、数式4を離散化した三項方程式に、ステップS12で計算したZMP偏差(d,d,・・,dn−2)を代入して、修正量(r,r,・・,rn−3)に関する下記の連立方程式を導出する。先に説明したように、最終の2つの修正量rn−2、rn−1については既にゼロに設定されている。なお、下記の式ではx,y軸方向を区別していないが、実際にはx,y軸方向のそれぞれについて導出する。 The ZMP equation relating to the correction amount r (t) can also be rewritten into a ternary equation by discretization. The trunk trajectory creation device 110 substitutes the ZMP deviation (d 1 , d 2 ,..., D n−2 ) calculated in step S12 for the ternary equation obtained by discretizing the mathematical formula 4, and the correction amount (r 1 , r 2 ,..., Rn -3 ), the following simultaneous equations are derived. As described above, the final two correction amounts r n−2 and r n−1 are already set to zero. In the following formula, the x and y axis directions are not distinguished, but in actuality, the x and y axis directions are derived.

Figure 0004848686
Figure 0004848686


上記の数式5を満たす修正量(r,r,・・,rn−3)を導出することができれば、動作の変更時点(更新時点k)においても、ロボット2の実際のZMPが目標ZMPと一致する体幹歩容データを得ることできる。しかしながら、上記の数式5は、データ数がn−4個である修正量(r,r,・・,rn−3)に対して、n−2個の条件式が与えられており、不定な連立方程式となっている。これは、本実施例では、更新時点の直前時点k−1におけるZMP偏差を考慮しているためである。
よく知られているように、目標ZMP軌道に追従する体幹(重心)軌道を作成する場合、軌道端点の位置と速度を拘束すると、軌道端点のZMPを補償することができなくなる。従来の技術では、事前に準備されている体幹軌道に、新たに作成する重心軌道を接続する場合に、接続(更新)時点においてはZMPを補償しないようにしている。即ち、上記の数式5を解く際に、ZMP偏差dを無視する(ゼロとする)ようにしている。この手法では、動作を大きく変更する場合などに、変更時点におけるZMP偏差が許容範囲を超えてしまい、場合によってはロボット2が転倒してしまうことがある。そのことから、従来技術では、動作の変更時点を両脚立脚時に限定したり、動作を変更する度合に制限を設けたりしている。
If the correction amount (r 1 , r 2 ,..., R n-3 ) that satisfies the above mathematical formula 5 can be derived, the actual ZMP of the robot 2 can be the target even at the time of change of operation (update time point k). Trunk gait data consistent with ZMP can be obtained. However, in Equation 5 above, n−2 conditional expressions are given for the correction amount (r 1 , r 2 ,..., R n−3 ) where the number of data is n−4. It is an indefinite simultaneous equation. This is because in this embodiment, the ZMP deviation at the time point k−1 immediately before the update time is taken into consideration.
As is well known, when a trunk (center of gravity) trajectory that follows a target ZMP trajectory is created, if the position and speed of the trajectory end point are constrained, the ZMP of the trajectory end point cannot be compensated. In the conventional technique, when a newly created center of gravity trajectory is connected to a trunk trajectory prepared in advance, ZMP is not compensated at the time of connection (update). In other words, the ZMP deviation d 1 is ignored (set to zero) when solving the above Equation 5. In this method, when the operation is greatly changed, the ZMP deviation at the time of the change exceeds the allowable range, and the robot 2 may fall down in some cases. For this reason, in the prior art, the time point at which the motion is changed is limited to the time when both legs are standing, or the degree of change in the motion is limited.

本実施例のロボット2では、動作を変更する前後において極大化するZMP偏差を、変更時点以降の動作時に分散するという思想に基づいて、上記の数式5に示す不定な連立方程式を、最小二乗法を用いて解法する。それにより、従来の技術では不可能であった動作の大幅な変更についても、ZMP偏差が増大することがなく、許容できるレベルに抑制することができる。
体幹軌道作成装置110は、最小二乗法を用いて、上記の数式5から下記の数式6、7を導出する。
In the robot 2 of the present embodiment, based on the idea that the ZMP deviation that maximizes before and after the motion change is dispersed during the motion after the time of the change, the indefinite simultaneous equations shown in the above formula 5 are expressed by the least square method. Use to solve the problem. As a result, a significant change in the operation that is impossible with the conventional technique can be suppressed to an acceptable level without increasing the ZMP deviation.
The trunk trajectory creation device 110 derives the following formulas 6 and 7 from the above formula 5 using the least square method.

Figure 0004848686
Figure 0004848686
Figure 0004848686
Figure 0004848686

上記の数式6において、行列の右肩に付すTの符号は転置行列であることを示している。数式6を解くことによって、ZMP偏差(d,d,・・,dn−2)の二乗和を最小にする修正量(r,r,・・,rn−3)を算出することができる。なお数式6は、変数である修正量(r,r,・・,rn−3)のデータ数と、条件式の数が一致していることから、一意に解くことができる。 In Equation 6 above, the sign of T attached to the right shoulder of the matrix indicates that it is a transposed matrix. By solving Equation 6, a correction amount (r 1 , r 2 ,..., Rn -3 ) that minimizes the sum of squares of the ZMP deviation (d 1 , d 2 ,..., Dn -2 ) is calculated. can do. Note that Equation 6 can be uniquely solved because the number of data of the correction amount (r 1 , r 2 ,..., Rn -3 ), which is a variable, matches the number of conditional expressions.

ステップS16では、ステップS12で仮定した体幹軌道(R,R,・・,Rn−3)を、ステップS14で算出した修正量(r,r,・・,rn−3)だけ修正することによって、更新後の目標とする体幹軌道を作成する。
ステップS18では、データ記憶手段112に記憶されている体幹歩容データ128を、ステップS16で作成した更新後の体幹軌道(体幹歩容データ)を接続することによって、新たな一連の体幹歩容データ128に更新する。
ロボット2は、以上に説明したステップS2〜S18間での処理を、動作終了の指令が入力されるまで繰り返し実行する。データ記憶装置112に記憶されている歩容データ126、128は、ロボット2によって実行されながら、外部からの指令に基づいて逐次更新、接続されていく。
In step S16, torso trajectory assumed in step S12 (R 1, R 2, ··, R n-3) a correction amount calculated in step S14 (r 1, r 2, ··, r n-3 ) Only by correcting, the updated trunk trajectory is created.
In step S18, the trunk gait data 128 stored in the data storage unit 112 is connected to the updated trunk trajectory (trunk gait data) created in step S16, thereby creating a new series of body gait. Update to trunk gait data 128.
The robot 2 repeatedly executes the process between steps S2 to S18 described above until an operation end command is input. The gait data 126 and 128 stored in the data storage device 112 are sequentially updated and connected based on an external command while being executed by the robot 2.

図7に示すように、本実施例のロボット2では、動作の更新時点以降において、実際のZMP軌道Bが目標ZMP軌道Aに対して許容レベルの偏差を保ちながら追従していく。従来のロボット(図中のA)のように、動作の変更(データの更新)時点においてZMP偏差が急激に増大することがない。オペレータの指示に追従して、より自由に動作を変更することができる。このとき、ロボット2の姿勢や、その変化速度や、その変化加速度は連続性が確保されている。   As shown in FIG. 7, in the robot 2 of the present embodiment, the actual ZMP trajectory B follows the target ZMP trajectory A while maintaining an allowable level deviation after the operation update time. Unlike the conventional robot (A in the figure), the ZMP deviation does not increase abruptly when the operation is changed (data update). The operation can be changed more freely following the instructions of the operator. At this time, the continuity of the posture of the robot 2, its changing speed, and its changing acceleration is ensured.

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
上記では、体幹4の基準点Gを、ロボット2の重心点として扱っているが、基準点Gを重心点に近似できない場合には、上述の手法によって重心点の軌道を求めた後に、体幹4の基準点Gや左右の足平7、9の基準点L0、R0の軌道を求めるとよい。
また、ロボットへ動作の変更指令を入力する指示装置は、例えば歩行路面に存在する障害物等を検知するセンサ等に変更してもよい。それにより、歩行する環境に対応して、ロボット自身が動作変更の指令を生成することができる。即ち、ロボットの内部から動作変更の指令を与えもよい。様々な環境に対応して、臨機応変に歩行することができるロボットを具現化することもできる。
本実施例のロボットでは、外部からの指令(あるいは内部からの指令でもよい)に基づいて、歩行パターンデータを逐次作成していく。そのことから、歩行パターンデータは、外部から与えられた一連の指令を記述するデータといえる。また、歩行パターンデータを予め用意してロボットに教示しておくことは、一連の指令を予めロボットに教示しておくことに相当する。いずれにしても、本実施例のロボットは、歩行パターンデータに基づいて、所定歩数分の歩容データを逐次作成し、一連の歩容データを作成することができる。
Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
In the above description, the reference point G of the trunk 4 is treated as the center of gravity of the robot 2, but if the reference point G cannot be approximated to the center of gravity, the trajectory of the center of gravity is obtained by the above-described method. The trajectories of the reference point G of the trunk 4 and the reference points L0 and R0 of the left and right foot 7 and 9 may be obtained.
Further, the instruction device that inputs an operation change command to the robot may be changed to, for example, a sensor that detects an obstacle or the like present on the walking road surface. Accordingly, the robot itself can generate an operation change command corresponding to the walking environment. That is, an operation change command may be given from the inside of the robot. A robot that can walk in a flexible manner can be realized in response to various environments.
In the robot of this embodiment, the walking pattern data is sequentially generated based on an external command (or an internal command). Therefore, it can be said that the walking pattern data describes a series of commands given from the outside. Also, preparing walking pattern data in advance and teaching the robot corresponds to teaching a series of commands to the robot in advance. In any case, the robot according to the present embodiment can sequentially generate gait data for a predetermined number of steps based on the walking pattern data and generate a series of gait data.

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。   The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology illustrated in the present specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.

実施例1のロボットを模式的に示す図。FIG. 3 is a diagram schematically illustrating the robot according to the first embodiment. ロボットの歩行パターンを説明する図。The figure explaining the walking pattern of a robot. ロボットが搭載しているコンピュータ装置の機能的な構成を示す。The functional structure of the computer apparatus with which the robot is mounted is shown. 歩容データ作成装置の機能的な構成を示す図。The figure which shows the functional structure of a gait data creation apparatus. 歩容データ作成装置が実行する処理の流れを示すフローチャート。The flowchart which shows the flow of the process which a gait data creation apparatus performs. 実行中のデータと更新後のデータの経時的な関係を模式的に示す図。The figure which shows typically the temporal relationship between the data in execution and the data after an update. 目標ZMP軌道と実際ZMP軌道を比較して示す図。The figure which compares and shows a target ZMP track and an actual ZMP track.

符号の説明Explanation of symbols

2:ロボット
4:体幹
6:左脚リンク
7:左足平
8:右脚リンク
9:右足平
10:制御部
12:指示装置
54:歩容データ作成装置
56:歩容データ補正装置
58:関節角群計算装置
60:アクチュエータ制御装置
62:実際運動計算装置
64:ロボットの機械系
66:各種センサ
102:更新時点決定装置
104:歩行パターン作成装置
106:目標ZMP軌道作成装置
108:足先軌道作成装置
110:体幹軌道作成装置
112:データ記憶装置
122:歩行パターンデータ
124:目標ZMP軌道データ
126:足先歩容データ
128:体幹歩容データ
2: Robot 4: Trunk 6: Left leg link 7: Left foot 8: Right leg link 9: Right foot 10: Control unit 12: Instruction device 54: Gait data creation device 56: Gait data correction device 58: Joint Angle group calculation device 60: Actuator control device 62: Actual motion calculation device 64: Robot mechanical system 66: Various sensors 102: Update point determination device 104: Walking pattern creation device 106: Target ZMP trajectory creation device 108: Toe trajectory creation Device 110: Trunk trajectory creation device 112: Data storage device 122: Walking pattern data 124: Target ZMP trajectory data 126: Toe gait data 128: Trunk gait data

Claims (2)

体幹に揺動可能に連結されている脚リンクを備える脚式ロボットであって、
予定の歩行動作を実施するときの体幹位置の時系列データを記憶している手段と、
指令に基づいて、予定の歩行動作からの変更時点を決定する手段と、
指令に基づいて、変更時点以降の目標ZMP軌道を作成する手段と、
変更時点以降の体幹位置の時系列データを仮定する手段と、
変更時点の直前の二以上の時点に対して記憶している体幹位置の二以上のデータ、仮定した変更時点以降の体幹位置の時系列データを接続することによって時系列データを作成し、その時系列データから、変更時点以降の仮のZMP軌道を計算する手段と、
計算した仮のZMP軌道と目標ZMP軌道との偏差の二乗和が最小となるように、仮定した体幹位置の時系列データを修正する修正手段と、
記憶している変更時点以降の体幹位置の時系列データを、修正後の体幹位置の時系列データに更新する手段と、
を備える脚式ロボット。
A legged robot having a leg link that is swingably connected to the trunk,
Means for storing time-series data of trunk positions when carrying out scheduled walking movements;
Means for determining a change point from the scheduled walking motion based on the command;
Means for creating a target ZMP trajectory after the change point based on the command;
Means for assuming time-series data of the trunk position after the time of change;
Create time-series data by connecting the time-series data of the trunk positions after the assumed modification time to two or more data of the trunk positions stored for the two or more time points immediately before the modification time. , A means for calculating a temporary ZMP trajectory after the change time from the time series data ;
Correction means for correcting time series data of the assumed trunk position so that the sum of squares of the deviation between the calculated temporary ZMP trajectory and the target ZMP trajectory is minimized;
Means for updating the time-series data of the trunk position after the stored change time to the time-series data of the trunk position after correction;
Legged robot with
脚式ロボットの歩行動作を調節する方法であって、
予定の歩行動作を実施するときの体幹位置の時系列データを脚式ロボットに記憶させる工程と、
指令に基づいて、予定の歩行動作からの変更時点を決定する工程と、
指令に基づいて、変更時点以降の目標ZMP軌道を作成する工程と、
変更時点以降の体幹位置の時系列データを仮定する工程と、
変更時点の直前の二以上の時点に対して脚式ロボットが記憶している体幹位置の二以上のデータ、仮定した変更時点以降の体幹位置の時系列データを接続することによって時系列データを作成し、その時系列データから、変更時点以降の仮のZMP軌道を計算する工程と、
計算した仮のZMP軌道と目標ZMP軌道との偏差の二乗和が最小となるように、仮定した体幹位置の時系列データを修正する工程と、
脚式ロボットが記憶している変更時点以降の体幹位置の時系列データを、修正後の体幹位置の時系列データに更新する工程と、
を備える脚式ロボットの動作調節方法。
A method for adjusting the walking motion of a legged robot,
Storing the time-series data of the trunk position in the legged robot when performing the scheduled walking motion;
A step of determining a point of change from the scheduled walking motion based on the command;
Creating a target ZMP trajectory after the change time based on the command;
Assuming time series data of the trunk position after the change time,
Time series by connecting time series data of trunk positions after the assumed change time to two or more data of the trunk positions stored by the legged robot for two or more time points immediately before the change time A process of creating data and calculating a temporary ZMP trajectory after the change time from the time series data ;
Correcting the time-series data of the assumed trunk position so that the sum of squares of the deviation between the calculated temporary ZMP trajectory and the target ZMP trajectory is minimized;
Updating the time series data of the trunk position after the change time stored in the legged robot to the time series data of the trunk position after correction;
For adjusting the movement of a legged robot.
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