JP4876926B2 - Legged mobile robot and walking control method for legged mobile robot - Google Patents
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Description
本発明は、歩行するための脚部を備えた脚式移動型ロボット、脚式移動型ロボットの歩行制御方法に関するものである。 The present invention relates to a legged mobile robot having legs for walking and a walking control method for the legged mobile robot.
近年、歩行するための脚部を備え、所定の歩容データに基づいてこれらの脚部を駆動し、脚部の下端に回動するように接続された足平部分を床部上に配置することで歩行動作を行う脚式移動型のロボットが開発されている。 In recent years, leg portions for walking are provided, and these leg portions are driven based on predetermined gait data, and a foot portion connected to be rotated to the lower end of the leg portion is disposed on the floor portion. Therefore, legged mobile robots that perform walking movements have been developed.
このような脚式移動型のロボットは、まず、脚部の足平部分を床面に接触させて支持脚とし、その後に足平の裏面で床面を押して脚部全体(ロボット全体)を上げるように脚部を駆動することで、次の歩行動作を行う。駆動された脚部は遊脚となる一方、他の脚部が支持脚となり、このように、遊脚と支持脚とを交互に繰り返して切り換えることで、歩行動作を行うことが可能になる。 In such a legged mobile robot, first, the foot portion of the leg is brought into contact with the floor surface to form a supporting leg, and then the floor surface is pushed by the back of the foot to raise the entire leg portion (the entire robot). Thus, the next walking motion is performed by driving the legs. The driven leg portion is a free leg, while the other leg portion is a support leg. In this way, a walking motion can be performed by alternately switching the free leg and the support leg.
このような歩行動作を安定して行う際には、ロボット全体の重心位置を制御して、脚部を駆動する必要がある。すなわち、左右に各々脚部を有する2足歩行タイプの脚式移動型ロボットの場合、歩行する床面に接地する支持脚の足平部分の接地面内部に、ロボット全体の重心によるモーメントが作用しない点(ZMP=Zero Moment Point)を位置させる。 In order to stably perform such a walking motion, it is necessary to control the position of the center of gravity of the entire robot and drive the leg portion. That is, in the case of a biped walking type legged mobile robot having legs on the left and right, the moment due to the center of gravity of the entire robot does not act on the ground contact surface of the foot portion of the supporting leg that contacts the floor surface on which it walks. A point (ZMP = Zero Moment Point) is located.
ところで、前述のような脚式移動型のロボットが歩行動作を行う場合、歩容データに基づいて脚部を駆動すると、床面の形状や脚部自身の撓みなどにより、遊脚となっている脚部が支持脚に切り換わる際に、歩容データにより定められた接地位置と異なる位置に足平部が接触する場合がある。このように遊脚が立脚に切り換わる際において、足平部を介して床面より大きな反力を受け、この反力がロボット全体に衝撃として伝達し、歩行動作に影響を与えることとなる。 By the way, when a legged mobile robot as described above performs a walking motion, when the leg is driven based on the gait data, it becomes a free leg due to the shape of the floor or the deflection of the leg itself. When the leg portion is switched to the support leg, the foot portion may come into contact with a position different from the ground contact position determined by the gait data. In this way, when the free leg is switched to the standing leg, a large reaction force is received from the floor surface via the foot, and this reaction force is transmitted as an impact to the entire robot and affects the walking motion.
そのため、例えば特許文献1、2または3に記載のように、床面に接触する足平部の裏面に接触式の距離センサや力センサを設けることで、足平部と床面との接触を検知し、その検知した結果を脚部の駆動制御にフィードバックする歩行制御を行うことが知られている。このような歩行制御を行うことで、脚式移動型のロボットが安定した歩行動作を行うことができる。
しかしながら、前述のような距離センサや力センサを足平部に組み込むことで、足平部の重量が重くなり、足平部の接続された脚部を駆動するモータに必要なパワーを増大させる要因となる。さらに、このようなセンサからの信号に基づく歩行制御を行うと、信号の送受信に要する微小な時間差に起因する応答性の遅れが発生し、高速な歩行動作を行うための障害となりうる場合がある。 However, by incorporating the distance sensor and force sensor as described above into the foot, the weight of the foot increases and the power required for the motor that drives the leg connected to the foot increases. It becomes. Furthermore, when walking control based on signals from such sensors is performed, there may be a delay in responsiveness due to a minute time difference required for signal transmission / reception, which may be an obstacle for performing high-speed walking motions. .
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、歩行動作を行う際に足平部に接触式のセンサ等を用いることなく、足平部と床面との接触を検知して安定した歩行動作を行うことを可能とする脚式移動型ロボットおよび脚式移動型ロボットの歩行制御方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such problems, and detects contact between the foot and the floor surface without using a contact-type sensor or the like for the foot when performing a walking motion. It is an object of the present invention to provide a legged mobile robot and a legged mobile robot walking control method capable of performing a stable walking motion.
本発明にかかる脚式移動型ロボットは、歩行時に床面に接触する足平部を接続する脚部を備えるとともに、歩容データに基づいて該脚部を駆動することで歩行動作を行う脚式移動型ロボットであって、前記足平部の少なくとも一部分であって、脚部に対して回動軸周りに回動可能に構成された回動部を備えるととともに、前記回動部の形状情報を記憶する記憶部と、前記回動部の脚部に対する相対位置姿勢情報を検出する相対位置姿勢検出部と、前記回動部の形状情報と、相対位置姿勢情報とに基づいて、前記回動軸から足平部の最下点までの高さ情報を算出する高さ算出部と、前記高さ算出部により算出した高さ情報に基づいて、前記歩容データに基づく脚部の高さ方向の駆動量を補正する駆動量補正部と、を備えることを特徴とするものである。 The legged mobile robot according to the present invention includes a leg portion that connects a foot portion that contacts a floor surface during walking, and performs a walking motion by driving the leg portion based on gait data. A mobile robot, comprising: a rotation part configured to be rotatable about a rotation axis with respect to a leg part, at least part of the foot part, and shape information of the rotation part Based on the storage unit that stores the relative position and orientation information for detecting the relative position and orientation information of the rotating unit with respect to the leg, the shape information of the rotating unit, and the relative position and orientation information A height calculation unit that calculates height information from the axis to the lowest point of the foot, and a height direction of the leg based on the gait data based on the height information calculated by the height calculation unit A drive amount correction unit for correcting the drive amount of A.
このような脚式移動型ロボットによると、接触式のセンサ類を用いることなく、足平部が床面に接触したことを検知可能となるとともに、足平部の脚部との相対位置姿勢の変化から、足平部および脚部の床面に対する相対的な位置関係を把握することができる。そのため、歩容データにより定められた脚部の高さ方向についての駆動量を、足平部の裏面が床面に大きな反力を受けることなく接触するように駆動量を補正することができ、その結果、安定した歩行動作を行うことが可能となる。 According to such a legged mobile robot, it is possible to detect that the foot is in contact with the floor without using contact-type sensors, and the relative position and posture of the foot with respect to the leg. From the change, it is possible to grasp the relative positional relationship between the foot and the leg with respect to the floor surface. Therefore, the driving amount in the height direction of the leg determined by the gait data can be corrected so that the back surface of the foot part contacts the floor surface without receiving a large reaction force, As a result, a stable walking motion can be performed.
また、前記回動部は足平部全体であってもよく、足平部全体を回動する回動軸が脚部の足首関節に設けられているものであってもよい。このような脚式移動型ロボットにおいては、足平部全体を、床面に対して接触したことを検知する回動部として用いることができるため、足平部に特別な構成を付加することが不要となり、より簡単に脚式移動型ロボットを構成することが可能となる。 Further, the rotating portion may be the entire foot portion, or a rotating shaft for rotating the entire foot portion may be provided at the ankle joint of the leg portion. In such a legged mobile robot, the entire foot portion can be used as a rotating portion that detects contact with the floor surface, so a special configuration can be added to the foot portion. It becomes unnecessary, and a legged mobile robot can be configured more easily.
また、前記相対位置姿勢情報は、前記脚部に対する相対的な傾斜度合いであることが好ましい。特に、脚部の鉛直方向に対する傾斜角と、回動部の表面から鉛直方向に伸びる基準線の鉛直方向に対する傾斜角との差を求めて、この傾斜角の差分を相対的位置姿勢情報とすることが好ましい。このようにすると、例えば前記回動部が足平部全体であり、足平部全体を回動する回動軸が脚部の足首関節に設けられている場合に、足平部の先端(爪先部分)と後端部分(踵部分)とのいずれが先に床面と接触しても、前記脚部に対して足平部が回動する回動部(足首部)の床面からの高さを正確に求めることが可能となる。 Moreover, it is preferable that the relative position / posture information is a degree of inclination relative to the leg portion. In particular, the difference between the inclination angle of the leg with respect to the vertical direction and the inclination angle with respect to the vertical direction of the reference line extending in the vertical direction from the surface of the rotating portion is obtained, and the difference between the inclination angles is used as relative position and orientation information. It is preferable. In this case, for example, when the rotating part is the entire foot part and the rotating shaft for rotating the entire foot part is provided at the ankle joint of the leg part, the tip of the foot part (toe) The height from the floor surface of the rotating part (ankle part) where the foot part rotates relative to the leg part, regardless of which of the part) and the rear end part (the heel part) comes into contact with the floor surface first It is possible to obtain the accuracy accurately.
また、このような脚式移動型ロボットにおいて、前記回動部が脚部に対して回動する角速度を計測する計測部をさらに備え、該計測部により計測した角速度が所定の閾値を超えた場合に、脚部の高さ方向についての駆動量を補正するようにしてもよい。このような脚式移動型ロボットは、足平部の全体またはその一部である回動部が一定以上の角速度で回動したときのみ、足平部が床面と接触したと判定することができる。そのため、足平部が脚部の駆動時において微小な揺れ等により部分的に回動した場合に、このような回動を床面への接触と誤検出することなく歩行動作を行うことが可能となる。 In addition, in such a legged mobile robot, when the rotating unit further includes a measuring unit that measures an angular velocity at which the rotating unit rotates with respect to the leg, and the angular velocity measured by the measuring unit exceeds a predetermined threshold value In addition, the driving amount in the height direction of the leg may be corrected. Such a legged mobile robot can determine that the foot portion is in contact with the floor surface only when the entire foot portion or a rotating portion that is a part of the foot portion is rotated at an angular velocity of a certain level or more. it can. Therefore, when the foot part is partially rotated due to a slight shaking during driving of the leg part, it is possible to perform a walking operation without erroneously detecting such rotation as contact with the floor surface. It becomes.
また、このような脚式移動型ロボットは、回動部と脚部との間(回動軸)に生じる摩擦力を極力小さくして、足平部が床面に接触した際に受ける反力が脚部を介してロボット本体に伝播しないようにすることが好ましいが、その一方で、回動部が脚部に対して自由に回動できるように構成すると、該回動部が自重により床面に対する姿勢が変位し、床面に対する接触位置が安定しなくなる。 In addition, such a legged mobile robot reduces the frictional force generated between the rotating part and the leg part (rotating shaft) as much as possible, and the reaction force received when the foot part contacts the floor surface. However, if the rotating part is configured to be able to freely rotate with respect to the leg part, it is preferable that the rotating part be floored by its own weight. The posture with respect to the surface is displaced, and the contact position with respect to the floor surface becomes unstable.
そこで、このような脚式移動型ロボットにおいては、前記回動部が脚部に対して回動する際に、足平部に供給するトルクを制御するトルク制御部をさらに備え、このようなトルク制御部によって、回動部が床面から離間した状態において、回動部が脚部に対して回動する角速度に比例した大きさのトルクを足平部に供給するようにすることが好ましい。このようにすると、回動部の回動時における角速度に応じた適切なトルクが負荷され、回動部の床面に接触する際における姿勢が固定される。したがって、床面への回動部の接触位置が変化せず、安定した歩行動作を行うことが可能となる。 Therefore, such a legged mobile robot further includes a torque control unit that controls the torque supplied to the foot when the rotating unit rotates with respect to the leg. It is preferable that a torque having a magnitude proportional to an angular velocity at which the rotating unit rotates with respect to the leg portion is supplied to the foot portion by the control unit in a state where the rotating unit is separated from the floor surface. If it does in this way, the suitable torque according to the angular velocity at the time of rotation of a rotation part will be loaded, and the posture at the time of contacting the floor of a rotation part will be fixed. Therefore, the contact position of the rotating part to the floor surface does not change, and a stable walking motion can be performed.
なお、前述したように、足平部が床面に接触した際に生じる反力を、できるだけ脚部およびロボット本体に伝播しない方が好ましい。したがって、前記トルク制御部は、回動部が床面に接地した状態よりも、回動部が床面から離間した状態において、回動部により大きな大きさのトルクを供給すると、より好適である。このように回動部に供給するトルクを制御することで、歩行動作を行う際に床面から受ける衝撃をより低減することが可能となる。 As described above, it is preferable that the reaction force generated when the foot part contacts the floor is not propagated to the leg part and the robot body as much as possible. Therefore, it is more preferable that the torque control unit supplies a larger magnitude of torque to the rotating unit when the rotating unit is separated from the floor surface than when the rotating unit is grounded to the floor surface. . By controlling the torque supplied to the rotating portion in this way, it is possible to further reduce the impact received from the floor surface when performing a walking motion.
なお、前述のトルク制御部は、例えば歩容データにより回動部が床面に接触すると判断される直前に、回動部が脚部に対してほぼ自由に回動できる程度の大きさとなるように、足平部に供給されるトルクの大きさ低減するように制御してもよい。このようにすると、移動する床面がほぼ平坦である場合には、回動部が床面に接触した際に受ける反力が大幅に抑制され、さらに安定した歩行動作を行うことが可能となる。 It should be noted that the torque control unit described above is sized so that the rotation unit can rotate about the leg portion almost immediately before it is determined, for example, that the rotation unit contacts the floor surface based on gait data. In addition, it may be controlled to reduce the magnitude of the torque supplied to the foot. In this way, when the moving floor surface is substantially flat, the reaction force received when the rotating part contacts the floor surface is greatly suppressed, and a more stable walking motion can be performed. .
また、本発明は、脚式移動型ロボットの歩行制御方法をも提供するものであり、歩行時に床面に接触する足平部を回動可能に接続する脚部を備え、前記足平部の少なくとも一部分であって、脚部に対して回動軸周りに回動可能に構成された回動部を備えるととともに、歩容データに基づいて該脚部を駆動することで歩行動作を行う脚式移動型ロボットの歩行制御方法において、回動部を床面に接触させる前に、前記回動部の脚部に対する相対位置姿勢を検出するステップと、予め記憶した前記回動部の形状情報と、検出した回動部の相対位置姿勢とに基づいて、前記回動軸から足平部の最下点までの高さを算出するステップと、算出した高さに基づいて、前記歩容データに基づく脚部の高さ方向についての駆動量を補正するステップと、補正した駆動量に基づいて足平部を床面に接触させるステップと、を含むことを特徴とするものである。 The present invention also provides a walking control method for a legged mobile robot, comprising a leg portion that rotatably connects a foot portion that contacts a floor surface during walking, A leg that is at least a part and includes a rotation part configured to be rotatable around a rotation axis with respect to the leg part, and performs a walking motion by driving the leg part based on gait data In the walking control method of the mobile robot, the step of detecting the relative position and orientation of the rotating unit with respect to the legs before the rotating unit is brought into contact with the floor, and the shape information of the rotating unit stored in advance A step of calculating a height from the rotation axis to the lowest point of the foot portion based on the detected relative position and orientation of the rotation portion; and a step of calculating the gait data based on the calculated height. Correcting the driving amount in the height direction of the leg based on, and correction And the foot based on the driving amount is characterized in that comprises a step of contacting the floor surface.
このような歩行制御方法によれば、接触式のセンサ類を用いることなく、回動部が床面に接触したことを検知可能となるとともに、回動部の脚部との相対位置姿勢の変化から、回動部および脚部の床面に対する相対的な位置関係を把握することができる。そのため、歩容データにより定められた脚部の高さ方向についての駆動量を、足平部の裏面が床面に大きな反力を受けることなく接触するように駆動量を補正することができ、その結果、安定した歩行動作を行うことが可能となる。 According to such a walking control method, it is possible to detect that the rotating unit has come into contact with the floor surface without using contact-type sensors, and to change the relative position and posture of the rotating unit with respect to the legs. From this, it is possible to grasp the relative positional relationship between the rotating part and the leg part with respect to the floor surface. Therefore, the driving amount in the height direction of the leg determined by the gait data can be corrected so that the back surface of the foot part contacts the floor surface without receiving a large reaction force, As a result, a stable walking motion can be performed.
また、前記回動部は足平部全体であってもよく、足平部全体を回動する回動軸が脚部の足首関節に設けられているものであってもよい。このようにすると、足平部全体を、床面に対して接触したことを検知する回動部として用いることができるため、足平部に特別な構成を付加することが不要となる。 Further, the rotating portion may be the entire foot portion, or a rotating shaft for rotating the entire foot portion may be provided at the ankle joint of the leg portion. If it does in this way, since the whole foot part can be used as a rotation part which detects having contacted with respect to the floor surface, it becomes unnecessary to add a special structure to a foot part.
また、このような歩行制御方法においては、前記回動部が脚部に対して回動する角速度を計測するステップをさらに備え、計測した角速度が所定の閾値を超えた場合に、脚部の高さ方向についての駆動量を補正するようにしてもよい。このような歩行制御方法によれば、回動部が自重等により回動部の脚部に対する相対的な位置姿勢が微小に変位しても、その変位を床面との接触と誤検出することがなくなる。 The walking control method further includes a step of measuring an angular velocity at which the rotating portion rotates with respect to the leg portion, and when the measured angular velocity exceeds a predetermined threshold, the height of the leg portion is increased. The driving amount in the vertical direction may be corrected. According to such a walking control method, even if the relative position and orientation of the rotating part with respect to the leg part is slightly displaced due to its own weight or the like, the displacement is erroneously detected as contact with the floor surface. Disappears.
また、このような歩行制御方法は、回動部が床面から離間した状態において、計測した回動部の角速度に比例した大きさのトルクを足平部に供給するステップをさらに備えることが好ましい。このようにすると、回動部の回動時における角速度に応じた適切なトルクが負荷され、足平部の床面に接触する際における姿勢が固定される。したがって、床面への回動部の接触位置が変化せず、安定した歩行動作を行うことが可能となる。 In addition, it is preferable that the walking control method further includes a step of supplying a torque having a magnitude proportional to the measured angular velocity of the rotating part to the foot part in a state where the rotating part is separated from the floor surface. . If it does in this way, the suitable torque according to the angular velocity at the time of rotation of a rotation part will be loaded, and the posture at the time of contacting the floor of a foot part will be fixed. Therefore, the contact position of the rotating part to the floor surface does not change, and a stable walking motion can be performed.
さらに、このような歩行制御方法は、回動部が床面に接地した状態よりも、回動部が床面から離間した状態において、回動部の脚部に対してより大きいトルクを供給するように供給するトルクの大きさを制御するステップを備えることが好ましい。このように回動部に供給するトルクを制御することで、歩行動作を行う際に床面から受ける衝撃をより低減することが可能となる。 Furthermore, such a walking control method supplies a larger torque to the leg portion of the rotating portion when the rotating portion is separated from the floor surface than when the rotating portion is in contact with the floor surface. It is preferable to provide a step of controlling the magnitude of the torque to be supplied. By controlling the torque supplied to the rotating portion in this way, it is possible to further reduce the impact received from the floor surface when performing a walking motion.
さらに、このような歩行制御方法においては、前記回動部が床面に接触すると判断される直前に、回動部が脚部に対してほぼ自由に回動できる程度の大きさとなるように、回動部に供給されるトルクの大きさを低減するステップをさらに備えることが好ましい。このようにすると、移動する床面がほぼ平坦である場合には、回動部が床面に接触した際に受ける反力が大幅に抑制され、さらに安定した歩行動作を行うことが可能となる。 Furthermore, in such a walking control method, just before it is determined that the rotating part comes into contact with the floor surface, the size of the rotating part is such that the rotating part can freely rotate with respect to the leg part. It is preferable to further include a step of reducing the magnitude of the torque supplied to the rotating unit. In this way, when the moving floor surface is substantially flat, the reaction force received when the rotating part contacts the floor surface is greatly suppressed, and a more stable walking motion can be performed. .
さらに、このような歩行制御方法において、検出する相対位置姿勢が、回動部の脚部に対する相対的な傾斜度合いであることが好ましい。特に、脚部の鉛直方向に対する傾斜角と、足平部の表面から鉛直方向に伸びる基準線の鉛直方向に対する傾斜角との差を求めて、この傾斜角の差分を相対的位置姿勢情報とすることが好ましい。このようにすると、例えば前記回動部が足平部全体であり、足平部全体を回動する回動軸が脚部の足首関節に設けられている場合に、足平部の先端(爪先部分)と後端部分(踵部分)とのいずれが先に床面と接触した場合であっても、前記脚部に対して足平部が回動する回動部(足首部)の床面からの高さを正確に求めることが可能となる。 Furthermore, in such a walking control method, it is preferable that the relative position and orientation to be detected is a relative inclination degree with respect to the leg portion of the rotating portion. In particular, the difference between the inclination angle of the leg with respect to the vertical direction and the inclination angle with respect to the vertical direction of the reference line extending in the vertical direction from the surface of the foot is obtained, and the difference between the inclination angles is used as relative position and orientation information. It is preferable. In this case, for example, when the rotating part is the entire foot part and the rotating shaft for rotating the entire foot part is provided at the ankle joint of the leg part, the tip of the foot part (toe) The floor surface of the rotating part (ankle part) in which the foot part rotates relative to the leg part, regardless of which of the part) and the rear end part (the heel part) comes into contact with the floor surface first It is possible to accurately determine the height from.
以上、説明したように、本発明によると、歩行動作を行う際に足平部に接触式のセンサ等を用いることなく、足平部と床面との接触を検知して安定した歩行動作を行うことが可能になる。 As described above, according to the present invention, when a walking motion is performed, the contact between the foot and the floor surface is detected without using a contact-type sensor or the like on the foot, and a stable walking motion is achieved. It becomes possible to do.
発明の実施の形態1.
以下に、図1から図9を参照しつつ本発明の実施の形態1にかかる脚式移動型ロボット(以下、単にロボットという)について説明する。
Embodiment 1 of the Invention
A legged mobile robot (hereinafter simply referred to as a robot) according to a first embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
図1は、ロボット1を正面から見た様子を概略的に表す概略図であり、床面F上をロボット1が歩行する様子を表している。なお、図1においては、説明の便宜上、ロボット1が進行する向き(前後方向)をx軸、ロボット1が進行する方向について水平方向に直交する向き(左右方向)をy軸、移動体の移動する平面から鉛直方向に延びる向き(上下方向)をz軸とし、これらの3軸からなる座標系を用いて説明する。すなわち、図1中において、x軸は紙面の奥行方向、y軸は紙面に向かって左右方向、z軸は紙面中の上下方向を示す。 FIG. 1 is a schematic diagram schematically showing the robot 1 as viewed from the front, and shows the robot 1 walking on the floor F. FIG. In FIG. 1, for convenience of explanation, the direction in which the robot 1 travels (front-rear direction) is the x-axis, and the direction perpendicular to the horizontal direction (left-right direction) is the y-axis with respect to the direction in which the robot 1 travels. The direction (vertical direction) extending in the vertical direction from the plane to be performed is defined as the z axis, and a description will be made using a coordinate system composed of these three axes. That is, in FIG. 1, the x-axis indicates the depth direction of the paper surface, the y-axis indicates the left-right direction toward the paper surface, and the z-axis indicates the vertical direction in the paper surface.
図1に示すように、ロボット1は、頭部2と、体幹3と、体幹3に結合された腰部4と、体幹3に接続された右腕5、左腕6と、腰部4に対して回動自在に固定される脚部10と、を備えた2足歩行型の脚式移動型ロボット(以下、単にロボットという)である。以下、詳細に説明する。
As shown in FIG. 1, the robot 1 has a
頭部2は、ロボット1の周囲の環境を視覚的に撮像するための左右一対の撮像部2a、2bを備えているとともに、体幹3に対して頭部2を鉛直方向に平行な軸周りに回動させることで、周囲の環境を広く撮像する。撮像した周囲の環境を示す画像データは、後述する制御部130に送信され、ロボット1の動作を決定するための情報として用いられる。
The
体幹3は、その内部にロボット1の動作を制御する制御部130や、脚部のモータ等に電力を供給するためのバッテリー(図示せず)等を収容するものである。制御部130は、図2に示すように、脚部10を駆動し、ロボット1を動かすための歩容データ等を記憶する記憶部としての記憶領域131と、この記憶領域131に記憶された歩容データを読み出す演算処理部132と、脚部10に含まれるモータを駆動するモータ駆動部133と、を備えている。これらの各構成要素は、体幹3の内部に設けられたバッテリー(図示せず)から電力を供給されることで動作する。
The trunk 3 houses therein a
また、演算処理部132は、記憶領域131に記憶された歩容データを読み出すとともに、読み出した歩容データによって特定されるロボット1の姿勢を実現するために必要な脚部10の関節角を算出する。歩容データは、操作部113から送られる信号で特定される脚部10の移動量に対応づけて、脚部10の足平(右足平26、左足平36)の先端(足先)の位置と、移動体本体(本実施の形態においては載置部11)の位置とを、ロボット1の移動する空間を定める座標系(例えばxyz座標系)において経時的に指示するものである。そして、このように算出した関節角に基づく信号をモータ駆動部133に送信する。この演算処理部132は、後述するように、脚部10に備えられる足平部の長さや幅、厚さなどの形状情報と、この足平部の脚部に対する相対位置姿勢情報としての相対的な傾斜度合いとに基づいて、足平部の脚部に対する回動部から足平部の最下点までの高さ情報を算出する高さ算出部、および算出した高さ情報に基づいて、前記歩容データに基づく脚部の高さ方向の駆動量を補正する駆動量補正部としても作用する。演算処理部132の作用の詳細については後述する。
The
モータ駆動部133は、演算処理部132より送信された信号に基づいて、脚部を駆動するための各モータの駆動量を特定し、これらの駆動量でモータを駆動させるためのモータ駆動信号を各モータに送信する。これによって脚部10の各関節における駆動量が変更され、ロボット1の動きが制御される。
Based on the signal transmitted from the
また、演算処理部132は、読み出した歩容データに基づいてモータの駆動を行うように指令するほか、ロボット1に組み込まれたジャイロや加速度計などセンサ(図示せず)からの信号を受けて、モータの駆動量を調整する。このように、センサにより検出したロボット1に作用する外力や、ロボット1の姿勢などに応じて脚部10の関節角を調整することで、ロボット1が安定した状態を維持することができる。
The
右腕5および左腕6は、体幹3に対して回動自在に接続されており、肘部分および手首部分に設けられた関節部分を駆動することにより、人間の腕部と同様の動きを行うことができる。また、手首部分の先端に接続された手先部は、図示を省略するが物体を把持するためのハンド構造を備えており、ハンド構造に組み込まれた複数の指関節を駆動することで、様々な形状の物体を把持することが可能となる。
The right arm 5 and the
腰部4は、体幹3に対して回動するように接続されており、歩行動作を行う際に腰部4の回動動作を組み合わせることで、脚部10を駆動するために必要な駆動エネルギーを低減させることができる。
The lumbar part 4 is connected to the trunk 3 so as to rotate, and the driving energy necessary for driving the
2足歩行を行うための脚部10(右脚20、左脚30)は、右脚20と左脚30とから構成されている。詳細には、図21に示すように、右脚20は右股関節21、右上腿22、右膝関節23、右下腿24、右足首関節25、右足平26を備えている。右足平26は右脚20の先端において右足首関節部分において回動可能に接続されている。同様に、左脚30は左股関節31、左上腿32、左膝関節33、左下腿34、左足首関節35、左足平36を備え、左足平36は左足首関節に含まれる回動軸において回動可能に接続されている。すなわち、右脚および左脚において、各足首関節に含まれる回動軸は、各足平部を回動させるための回動部として作用する。
A leg 10 (
なお、本実施形態においては、脚部10(右脚20および左脚30)は、下腿を膝関節回りに前方側に持ち上げると、人間の脚部のように、上腿と下腿が後方側に向かって開いた状態(上腿の延長線よりも後方側に、下腿が膝関節回りに回転した状態)となる。また、脚部10の各関節は、前述のように、モータ駆動部133からの送信された信号に基づいて、図示しないモータによりその駆動量および駆動角速度などが制御されている。
In this embodiment, when the leg 10 (the
なお、前述した記憶領域131には、ロボット1が歩行動作を行うための歩容データと、足平部(右足平26、左足平36)の形状情報などが記憶されている。このような足平部(右足平26、左足平36)の形状情報とは、各足平部の前後方向の長さ(爪先から踵部までの長さ)や、各足平部の厚さ(床面に面接触した際の底面から上面までの距離)、および左右方向(足平部の面内において長さ方向に対して直交する方向)の長さなど、形状についての必要な情報を指すものである。なお、このような情報のうち、どの情報を記憶させるかについては、ロボットの構造上の特徴や形態に合わせて適宜変更することが可能である。
In the
次に、脚部10に備えられた足平部(右足平26、左足平36)の構造について、図3を用いて詳細に説明する。なお、右足平26、左足平36は左右対称の同様の構造を備えているため、ここでは右足平26の詳細な構造についてのみ説明するものとし、左足平36については説明を省略するものとする。なお、図3は右足平26を側方(右側方)から見た様子を示す側方図である。
Next, the structure of the foot portions (the
図3に示すように、右足平26は、右下腿24に接続された右足首関節25に対して、回動軸25aを介して接続された水平方向に伸びる略平板状の板部材により構成されている。右足平26は、その底面26aが歩行時において遊脚から立脚に切り換わる際に、最初に床面に接触する後端部261bを備えている。この後端部261bは、右足平26の底面26aの後端において左右方向に伸びるように形成されているとともに、やや弾力のある樹脂等の材質に構成されている。そして、床面F上においてロボット1が歩行動作を行う際に、床面に接触する際に適度な弾性力を右足平26に与え、床面に接地した際の衝撃の一部を吸収する。なお、説明の便宜上、後端部261bは右足平26の底面26aから突出して記載されているが、実際は右足平の底面26aからごく微小量突出するのみであり、かつ、床面Fに接地すると、その弾性力により変形し、右足平26の底面26aが床面に対して面接触する状態を妨げないように構成されている。
As shown in FIG. 3, the
そして、右足平26の先端には、その底面26aの前端において、断面が側面視で略曲面状に形成された摺動部262aが設けられており、床面に接触した際にその接触面積を低減させ、床面との間に生じる摩擦力を抑制している。なお、説明の便宜上、摺動部262aは右足平26の底面26aから突出して記載されているが、実際は右足平26の底面からごく微小量突出するのみであり、右足平26の底面26aが床面に対して面接触する状態を妨げないように構成されている。
The front end of the
また右脚20は、右足首関節25に設けられた回動軸25a周りに対して右足平26が回動する角速度を計測する計測部としてのエンコーダ(図示せず)を備えている。このエンコーダは、たとえばタコジェネレータ等の汎用機器を採用することが可能であり、これらのエンコーダから出力される右足平26の回動する角速度を計測した計測値は、前述した演算処理部132に送信される。そして、演算処理部132においては、送信された右足平の回動する角速度情報から、右足平の脚部に対する相対的な傾斜度合いを求めるとともに、この傾斜度合いから、右脚(右足首関節)の回動軸25aから足平部26の最下点までの高さ情報を算出する。そして、算出した高さ情報に基づいて、右足平の底面が床面Fから大きな反力を受けることなく接触するように、歩容データに基づいて定められる脚部の高さ方向についての駆動量を補正し、補正した駆動量に基づいて脚部を駆動する。脚部の駆動は、図示しないモータからの駆動力が、同じく図示しないプーリおよびベルトを介して伝達されることで、各関節部が所望の角度となるように動作する結果として得られる。これらの制御の詳細については後述する。
The
なお、右足平26の右足首関節25における駆動制御には、摩擦補償トルクを与えるための制御が用いられている。すなわち、右足平26に対して、右足首関節25の回動軸25aについての駆動量(回動角速度)に応じたトルクが供給されるように右足平26を駆動するモータが制御されている。このような摩擦補償トルクτは、初期状態からの右足平の回動角度をθとすると、例えば次の式1に示すように設定されている。このように右足平を駆動するトルクの供給を制御することで、右足平26の回動軸25aにおける摩擦によって、右足平26が床面Fに接触した際の衝撃が脚部に伝わる量が抑制される。
For the drive control of the
以上、説明したように、本実施形態における演算処理部132は、前記エンコーダから出力される右足平26(足平部)の角速度に基づいて足平部の回動する角速度を算出し、脚部に対する相対的な傾斜度合い(相対位置姿勢)を検出する相対位置姿勢検出部として作用する。
As described above, the
そして、演算処理部132は、記憶部としての前記記憶領域131に記憶された右足平26の形状情報と、脚部に対する相対的な傾斜度合い(相対位置姿勢情報)とに基づいて、右足平26の右脚20に対する回動軸25a(回動部)から右足平26の最下点までの高さ情報を算出する高さ算出部として作用する。以下、右足平が床面Fに接触する際に足平部の回動部から足平部の最下点までの高さ情報を算出する場合について、図4および図5を用いて説明する。
Then, the
図4に示すように、まず、ロボット1は、遊脚状態にあった脚部(右脚20)の右足平26を、所定の姿勢(本実施形態においては、足平26の底面26aの前端(爪先裏面)が最も鉛直下方に位置するように傾斜した状態)で床面Fに向けて接触させるように近づける。このとき、右足平26の姿勢を決定する、右足首関節25の回動軸25a周りについての回動量、すなわち右足平26の右脚20に対する相対的な姿勢は、予め定められた歩容データに基づいて定められている。
As shown in FIG. 4, first, the robot 1 moves the
次に、このような姿勢で床面Fに近づいた右足平26の、最下点に位置する底面26aの前端が床面Fに接触した様子を図5に示す。図5に示すように、底面26aの前端が床面Fに接地すると、この接地した前端を支点として、右足平26全体が、底面26aの後端を鉛直下方に移動させる向きに、回動軸25aを中心として回動する。このとき、右足平26に備えられたエンコーダは、この右足平26の脚部に対して回動する角速度を計測し、その計測値を演算処理部132に送信する。演算処理部132は、このエンコーダから送信された計測値から右足平の回動する角速度を求め、この角速度の値が前述の記憶領域に記憶された所定の閾値を超えた場合に右足平26が床面Fに接触したと判断する。床面への接触時における右足平26の足首関節25の床面Fからの高さは、以下の手順により求められる。
Next, FIG. 5 shows a state in which the front end of the
図6は、図4および図5に示す右足平26をさらに概略的に表した側面図である。この図6に示すように、右足平26の前端が床面Fに接触した時の、床面Fから右足首関節25の回動軸25aまでの高さをhとする。そして、右足平26の前端から回動軸25aまでの足平部の長さをa、右足平26の底面から回動軸25aまでの高さをbとする。この足平部の長さa、および高さbについては予め記憶部に記憶された足平の形状情報により特定される。さらに、側面視した際における、右下腿24の右足首関節25から鉛直方向から傾斜した度合い(傾斜角)をθ1、右足平26の上面から垂直に伸びる直線が右下腿24から傾斜した度合い(傾斜角)をθ2とすると、演算処理部132は、傾斜角を前述のようにエンコーダから送信された計測値により算出することができる。
FIG. 6 is a side view schematically showing the
そして、右足平26の底面26aの前端が床面Fに接触した時の、床面Fから右足首関節25の回動軸25aまでの高さhを、以下の式2に基づいて算出する。
Then, the height h from the floor surface F to the
なお、本実施形態では、足平部の前端から床面Fに接地した場合における高さhを求めるようにしているが、本発明はこれに限られるものではなく、踵部材から床面に接地した場合であっても、同様に右足首関節25の床面Fからの高さを求めることも可能である。また、前述の実施形態は、右足首関節25の回動軸25aが右足平26の左右方向について伸びる一軸である場合を説明しているが、右足首関節25の回動軸25aが他の方向に伸びる他の回動軸を備える場合であってもよい。例えば、右足平26の前後方向に伸びる回動軸について、右足平が左右方向に回動可能に構成されている場合、右足平の左右端のいずれかが床面Fに接地した際の足首部の高さを求めることもできる。このように、複数の回動軸について右足平が回動可能に構成されていると、これらの複数の回動軸について右足平がどの方向に回動したか(すなわち、回動した方向およびその回動する角速度)を検出することで、足平部の底面における床面と接地した箇所を判別することが可能となる。
In the present embodiment, the height h is determined when the front end of the foot is grounded to the floor surface F. However, the present invention is not limited to this, and the grounding from the heel member to the floor surface is performed. Even in this case, the height of the right ankle joint 25 from the floor surface F can be obtained in the same manner. In the above-described embodiment, the
また、演算処理部132は、算出した右足首関節の回動軸25aから右足平26の最下点までの高さ情報に基づいて、前記歩容データに基づく脚部の高さ方向の駆動量を補正する駆動量補正部する。ロボット1が床面F上を歩行する際に、前述の右足平26の右脚20に対する回動軸25a(回動部)から右足平26の最下点までの高さ情報を算出するステップ、および前記歩容データに基づく右脚の高さ方向の駆動量を補正する手順について、図7および図8を用いて詳細に説明する。
The
まず、ロボット1が歩行動作により移動を行っている際に、歩容データに基づいて定められた右足首関節の回動軸25aが目標とする高さをhref、右足平26の底面が床面Fに接触した状態を表している。この右足平26の底面が床面Fに接触したときの足首部の高さをhmesとする。図7は、右足平26が、歩容データに基づいて定められた歩行動作において、予定していたよりも早く、右足平26の底面が床面Fに接触した状態を表している。この場合、演算処理部132は、前述のように右足平の位置姿勢に基づいて右足平26の底面が床面Fに接触したときの足首部の高さhmesを算出し、右脚の足首部の高さ方向における現在位置についての補正量(Δh=href−hmes)を求める。そして、この補正量に基づいて次の右足平部を床面に対して近接させるための脚部における各関節の駆動量を決定し、遊脚である右脚を立脚に切り換える動作を行う。
First, when the robot 1 is moving by walking motion, the target height of the
同様に、右足平26が、歩容データに基づいて定められた歩行動作において、予定していた高さにおいて右足平の底面が床面に接触しない場合は、図8に示すように、右足平26の底面が床面Fに接触するまで右足平26を高さ方向について下方に移動させる。そして、右足平26の底面が床面Fに接触すると、そのときの右足平26の位置姿勢に基づいて右足平26の底面が床面Fに接触したときの足首部の高さhmesを算出し、右脚の足首部の高さ方向における現在位置についての補正量(Δh=hmes−href)を求める。そして、この補正量に基づいて次の右足平部を床面に対して近接させるための脚部における各関節の駆動量を決定し、遊脚である右脚を立脚に切り換える動作を行う。
Similarly, when the
このように構成されたロボット1は、床面への足平部底面の接触が行われる前に、足首部の実際の高さを求めることで、足平部の一部が床面に接触した際の目標高さと、実際の高さとの差(誤差)を、センサ等を用いることなく検出することが可能となる。そして、検出した高さ方向の誤差に基づいて、その差が小さくなる方向に脚部における各関節を駆動することで、足平部を介して床面から受ける衝撃を抑制し、安定した歩行を行うことが可能になるという効果が得られる。 In the robot 1 configured as described above, a part of the foot part comes into contact with the floor surface by obtaining the actual height of the ankle part before the bottom surface of the foot part comes into contact with the floor surface. The difference (error) between the target height and the actual height can be detected without using a sensor or the like. And based on the detected error in the height direction, by driving each joint in the leg in the direction that the difference becomes smaller, the impact received from the floor via the foot is suppressed, and stable walking is performed. The effect that it becomes possible to obtain is obtained.
なお、これまでの説明は、右脚に備えられた右足平および右足首関節についての構造や動作および制御に関するものであるが、左脚に備えられた左足平および左足首関節についても同様の構造、動作および制御が設けられているものとする。 The description so far relates to the structure, operation and control of the right foot and right ankle joint provided in the right leg, but the same structure applies to the left foot and left ankle joint provided in the left leg. It is assumed that operation and control are provided.
次に、このように構成された脚式移動型ロボットが歩行動作を行う際の歩行制御について、図9に示すフローチャートを用いて説明する。 Next, walking control when the legged mobile robot configured as described above performs a walking motion will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
まず、ロボット1は記憶した歩容データに基づいて右脚および左脚を駆動するが、遊脚側の脚を床面Fに向けて移動する(STEP101)。そして、各関節の回動量、各リンク(上腿、下腿など)および各関節(股関節、膝関節、足首関節など)の形状等から、遊脚側の足首関節における回動軸の高さhrefを推測する(STEP102)。推測された回動軸の高さは、記憶領域に記憶される。 First, the robot 1 drives the right leg and the left leg based on the stored gait data, but moves the leg on the free leg side toward the floor surface F (STEP 101). Then, from the amount of rotation of each joint, the shape of each link (upper thigh, lower thigh, etc.) and each joint (hip joint, knee joint, ankle joint, etc.), etc., the height h ref of the rotation axis at the ankle joint on the free leg side Is estimated (STEP 102). The estimated height of the rotating shaft is stored in the storage area.
そして、記憶された歩容データにより、遊脚が床面Fに接触する所定時間(または所定距離)だけ手前になると、遊脚側の足首関節における駆動トルクを低減する(STEP103)。この駆動トルクを低減するタイミングは、床面から十分離れた時点で行うことが好ましく、例えば、脚部が遊脚である状態の間、継続して駆動トルクを低減するようにしてもよい。このとき、前述のように、足平部と足首関節とを接続する回動軸には摩擦補償トルクが作用しているため、駆動トルクを低減しても足平部の姿勢が変化することは無い。 Then, when the gait data is stored, the drive torque at the ankle joint on the free leg side is reduced when the free leg is in front of the floor F for a predetermined time (or a predetermined distance) (STEP 103). The timing for reducing the drive torque is preferably performed at a time sufficiently away from the floor surface. For example, the drive torque may be continuously reduced while the leg portion is a free leg. At this time, as described above, since the friction compensation torque acts on the rotation shaft that connects the foot portion and the ankle joint, the posture of the foot portion does not change even if the driving torque is reduced. No.
さらに、このように足平部を床面に対して接近させる際に、足平部の回動軸周りに回動する角速度をエンコーダにより検出する(STEP104)。そして、このエンコーダにより検出された角速度が、所定の閾値以上であることを検出すると(STEP105)、そのときの足平部の姿勢をエンコーダからの検出値を積分するなどの手法により推定する(STEP106)。 Further, when the foot portion is made to approach the floor surface in this way, an angular velocity that rotates around the rotation axis of the foot portion is detected by the encoder (STEP 104). When it is detected that the angular velocity detected by the encoder is equal to or greater than a predetermined threshold (STEP 105), the posture of the foot portion at that time is estimated by a method such as integrating the detection value from the encoder (STEP 106). ).
そして、特定した足平部の姿勢から、足平部の最下点を特定し(STEP107)、前述の要領で足首関節の回動軸の実高さhmesを算出する(STEP108)。そして、STEP102で推測した回動軸の高さhrefを実高さhmesと比較し、その差に基づいて遊脚の各関節を駆動する量(高さ方向についての駆動量)を補正し(STEP109)、その補正した駆動量に基づいて遊脚を駆動し、足平部の底面を床部Fに接触させる(STEP110)。このように、足平部の一部が床面に接触することで得られる床面からの高さ情報に基づいて遊脚の駆動量を補正することで、足平部が床面に接触した際に受ける衝撃を低減させることができる。
Then, the lowest point of the foot is identified from the identified posture of the foot (STEP 107), and the actual height h mes of the rotation axis of the ankle joint is calculated in the manner described above (STEP 108). Then, the height h ref of the rotating shaft estimated in
なお、本実施形態においては、足平部の前後方向についての回動する動きを用いて脚部の高さ情報を求める場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、足平部の左右方向についての回動する動きを用いてもよく、またはこれらの前後方向および左右方向の回動する動きを共に用いるものであってもよい。このようにすると、足平部が床面に対して接触する箇所を判別することができるため、床面に凹凸がある場合などであっても、足平部に特別なセンサ等を設けることなく床面形状を推定することができるといった効果が得られる。 In the present embodiment, the case has been described where the height information of the leg portion is obtained using the rotational movement of the foot portion in the front-rear direction, but the present invention is not limited to this and the foot portion is not limited thereto. You may use the rotation motion about the left-right direction of a part, or you may use both the motion which rotates these front-back directions and left-right directions together. In this way, it is possible to determine where the foot portion contacts the floor surface, so even if the floor surface is uneven, a special sensor or the like is not provided on the foot portion. The effect that the floor surface shape can be estimated is obtained.
また、本実施形態においては、遊脚が床面に接触する直前(または遊脚状態の間)において、足平部を駆動するトルクを低減しているが、このトルクを低減する量は、必ずしも前述のような摩擦補償トルクに従うものに限られる訳ではない。すなわち、足平部がその姿勢を略一定に保つとともに、足平部が床面に接触した際に、過度の衝撃を足平部から脚部に伝達させることなく足平部が回動動作を行う程度の大きさのトルクが付与されるように構成されていればよい。 In the present embodiment, the torque for driving the foot is reduced immediately before the free leg comes into contact with the floor (or during the free leg state). The present invention is not limited to the one that complies with the friction compensation torque as described above. That is, the foot part keeps its posture substantially constant, and when the foot part contacts the floor surface, the foot part rotates without transmitting excessive shock from the foot part to the leg part. What is necessary is just to be comprised so that the torque of the magnitude | size to perform may be provided.
また、本実施形態においては、足平部の回動する角速度の値が所定の閾値を超えた場合に右足平が床面に接触したと判断するようにしているが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、足平部が所定の角度以上に回動した場合に、床面に対して接触したと判断するようにしてもよい。 Further, in the present embodiment, when the value of the angular velocity at which the foot part rotates exceeds a predetermined threshold value, it is determined that the right foot is in contact with the floor surface. However, the present invention is not limited to this. It is not something that can be done. For example, when the foot part rotates more than a predetermined angle, it may be determined that the foot part is in contact with the floor surface.
発明の実施の形態2.
次に、本発明に係る第2の実施形態について、図10から図13を用いて説明する。なお、本実施形態における脚式移動型ロボット(ロボット1')は、第1の実施形態で説明した脚式移動型ロボットと主たる構成と同一または同様の構成を備えているため、それらの構成については同一の符号を付して説明を省略するものとする。
Next, a second embodiment according to the present invention will be described with reference to FIGS. The legged mobile robot (robot 1 ′) in the present embodiment has the same or similar configuration as the main configuration of the legged mobile robot described in the first embodiment. Are denoted by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
図10において、脚部10に備えられた足平部(右足平26、左足平36)の構造について説明するために、右足平26'の構造を概略的に示す。なお、右足平および左足平は左右対称の同様の構造を備えているため、本実施形態においても右足平の詳細な構造についてのみ説明するものとし、左足平については説明を省略するものとする。なお、図10は右足平26'を側方(右側方)から見た様子を示す側方図であり、図11は、右足平26'を上方から見た様子を示す概略図を表すものとする。
In FIG. 10, the structure of the
図10および図11に示すように、右足平26'は、右下腿24に接続された右足首関節25に対して、回動軸25aを介して接続された水平方向に伸びる略板状の踵部材261と、同じく略板状の爪先部材262とを備えている。踵部材261は、その底面261aが歩行時において遊脚から立脚に切り換わる際に、最初に床面に接触する後端部261bを備えている。この後端部261bは、踵部材261の底面261aの後端において左右方向(y方向)に伸びるように形成されているとともに、やや弾力のある樹脂等の材質に構成されている。そして、床面F上においてロボット1が歩行動作を行う際に、床面に接触する際に適度な弾性力を踵部材261に与え、床面に接地した際の衝撃の一部を吸収する。なお、説明の便宜上、後端部261bは踵部材261の底面261aから突出して記載されているが、実際は踵部材の底面261aからごく微小量突出するのみであり、かつ、床面Fに接地すると、その弾性力により変形し、踵部材261の底面261aが床面に対して面接触する状態を妨げないように構成されている。
As shown in FIGS. 10 and 11, the
そして、踵部材261の先端には、図11中のy方向(紙面の左右方向)に伸びるように回動軸Pが設けられた凸部261cが形成されており、この回動軸P周りについて、爪先部材262が凸部261cに対して水平な状態から上方に向けて回動可能に構成されている。そして、図示は省略するが、爪先部材262を回動軸P周りに回動するモータと、その回動する角速度を検出するための計測部としてのエンコーダを備えている。
A
爪先部材262は、その前端底面において、断面が側面視で略曲面状に形成された摺動部262aが設けられており、床面に接触した際にその接触面積を低減させ、床面との間に生じる摩擦力を抑制している。なお、説明の便宜上、摺動部262aは爪先部材262の底面から突出して記載されているが、実際は爪先部材262の底面からごく微小量突出するのみであり、爪先部材262の底面が床面に対して面接触する状態を妨げないように構成されている。
The
さらに、爪先部材262の後端略中央部には、前述の踵部材の凸部261cに係合する凹部262bが設けられているとともに、前述の回動軸Pが、この凹部262bの内側面に固定されている。そして、前述のモータによって回転する回動軸Pの動きに併せて、爪先部材262が回動し、その姿勢を変更する。このように、本実施形態においては、右足平26の一部である爪先部材262が、回動軸P周りに回動する回動部として作用する。
Further, a
なお、本実施形態においては、爪先部材262の前端を回動軸P周りについて鉛直下方に姿勢変更する向きに、前述の摩擦補償トルクを付与するように、モータのトルク出力が制御される。この摩擦補償トルクを与えるための制御の詳細については、前述の実施形態において説明したため、ここでは詳細な説明について省略する。
In the present embodiment, the torque output of the motor is controlled so that the above-mentioned friction compensation torque is applied in a direction in which the front end of the
また、右足平は、爪先部材262が回動軸P周りに対して回動する角速度を計測する計測部としてのエンコーダ(図示せず)を備えており、これらのエンコーダから出力される角速度についての計測値は、前述した演算処理部132に送信される。そして、演算処理部132においては、送信された爪先部材262平の回動する角速度情報から、爪先部材262の脚部に対する相対的な傾斜度合いを求めるとともに、この傾斜度合いから、右脚(右足首関節)の回動軸25aから足平部の最下点までの高さ情報を算出する。そして、前述の実施形態において説明したような手法を用いて、算出した高さ情報に基づいて、右足平26の底面が床面Fから大きな反力を受けることなく接触するように、歩容データに基づいて定められる脚部の高さ方向についての駆動量を補正し、補正した駆動量に基づいて脚部を駆動する。
The right foot includes an encoder (not shown) as a measurement unit that measures an angular velocity at which the
なお、本実施形態において、爪先部材に対してトルクを出力するモータおよびモータ制御部は、足平部の内部に備えられていても、下腿などの脚部の内部に備えられていてもよい。特に、足平部分は歩行動作により衝撃を受ける回数や程度が大きいため、足平部分以外の場所に設けると、歩行動作によって受ける衝撃等によって、これらの構成が故障する可能性等を低減することができる。 In the present embodiment, the motor that outputs torque to the toe member and the motor control unit may be provided inside the foot part or inside the leg part such as the lower leg. In particular, because the foot part is subjected to a lot of impact and the number of impacts caused by walking motion, if it is installed in a place other than the foot portion, the possibility of failure of these components due to impact received by walking motion, etc. is reduced. Can do.
以上、説明したように、本実施形態においても、演算処理部132はが前記エンコーダから出力される爪先部材262(回動部)の角速度に基づいて足平部の回動する角速度を算出し、脚部に対する相対的な傾斜度合い(相対位置姿勢)を検出する相対位置姿勢検出部として作用する。
As described above, also in the present embodiment, the
そして、演算処理部132は、記憶部としての前記記憶領域131に記憶された右足平26(爪先部材262)の形状情報と、脚部に対する相対的な傾斜度合い(相対位置姿勢情報)とに基づいて、爪先部材262の右脚20に対する回動軸Pから爪先部材262の最下点までの高さ情報を算出する高さ算出部として作用する。以下、右足平が床面Fに接触する際に爪先部材(回動部)の最下点から回動軸P点までの高さ情報を算出する場合について、図12および図14を用いて説明する。
And the
図12に示すように、まず、ロボット1は、遊脚状態にあった脚部(右脚20)の右足平26を、所定の姿勢(本実施形態においては、足平26の爪先部材262の前端が最も鉛直下方に位置するように傾斜し、爪先部材262と踵部材261の底面が略同一面を形成した状態)で床面Fに向けて接触させるように近づける。このとき、右足平26の姿勢を決定する、足首関節25の回動軸25a周りについての回動量、すなわち右足平26の右脚に対する相対的な姿勢は、予め定められた歩容データに基づいて定められている。
As shown in FIG. 12, first, the robot 1 moves the
次に、このような姿勢で床面Fに近づいた右足平26の、最下点に位置する爪先部材の前端が床面に接触した様子を図13に示す。図13に示すように、爪先部材262の前端が床面Fに接地すると、この前端を支点として、右足平26全体が、踵部材261を鉛直下方に移動させる向きに、回動軸25aを中心として回動し始める。このとき、右足平に備えられたエンコーダは、この右足平26の脚部に対して回動する角速度を計測し、その計測値を演算処理部132に送信する。演算処理部132は、このエンコーダから送信された計測値が、所定の閾値を超えた場合に右足平26が床面Fに接触したと判断し、その接触時における回動軸Pの床面Fからの高さを算出する。この高さを算出する手法としては、前述の実施形態において用いたような幾何学的な算出手法や、その他の手法を用いるものであってもよい。
Next, FIG. 13 shows a state where the front end of the toe member located at the lowest point of the
そして、図14に示すように、爪先部材262の底面が床面に対して略水平となり面接触するまで爪先部材262が回動軸Pまわりに回動する。この回動動作に反する向きに、爪先部材262に対して若干のトルクをモータにより付与し、爪先部材262が床面に対して接触することによって発生する衝撃を緩衝するようにしてもよい。なお、本実施形態においては、爪先部材の回動する度合い(すなわち、脚部に対する爪先部材の相対位置姿勢)により脚部の実際の床面からの高さを算出し、脚部の駆動量を補正するための制御ステップについては、説明を省略する。また、本実施形態における説明は、右脚に備えられた右足平および右足首関節についての構造や動作および制御に関するものであるが、左脚に備えられた左足平および左足首関節についても同様の構造、動作および制御が設けられているものであることは言うまでもない。
Then, as shown in FIG. 14, the
なお、本実施形態において、爪先部材の底面と踵部材の底面とが略同一面となる状態を初期状態としているが、本発明はこれに限られるものではない。すなわち、図15に示すように、爪先部材の前端を鉛直下方に向けて若干下方に傾斜させた状態を初期状態としてもよい。そして、爪先部材の底面と踵部材の底面とが略同一面となる状態に近づくように爪先部材が回動する回動量を検出することで、爪先部材の相対位置姿勢を求めるようにしてもよい。このような場合、爪先部材が床面上に接地し、足平が床面に対して面接触するまでは爪先部材が床面上をスムーズに移動するように、爪先部材の底面に回転自由なローラを備えるようにしてもよい。このように構成した場合、足平が床面に面接触した後は、ローラを固定し、足平裏面で床面から脚部を踏切る際に、爪先部材が床面上を滑らないようにすることが好ましい。 In the present embodiment, the initial state is a state in which the bottom surface of the toe member and the bottom surface of the heel member are substantially the same surface, but the present invention is not limited to this. That is, as shown in FIG. 15, the initial state may be a state in which the front end of the toe member is slightly inclined downward in the vertical direction. Then, the relative position and posture of the toe member may be obtained by detecting the amount of rotation of the toe member so that the bottom surface of the toe member and the bottom surface of the heel member are substantially flush with each other. . In such a case, the toe member is grounded on the floor surface, and the toe member can rotate freely on the bottom surface of the toe member so that the toe member moves smoothly on the floor surface until the foot makes surface contact with the floor surface. A roller may be provided. In such a configuration, after the foot comes into surface contact with the floor surface, the roller is fixed so that the toe member does not slip on the floor surface when the foot is stepped on from the floor surface on the back surface of the foot. It is preferable to do.
また、上述の実施形態においては、爪先部材が面接触するまでにトルクを与える手段としてモータを用いた例を示しているが、これに代えて、例えば、図16に示すように、外力が付加されない状態において、爪先部材が踵部材に対して略一定の姿勢をとり得るように、踵部材に一体的に設けられた回動軸Pに一端が固定された板バネSを用いて、爪先部材に対して床面に抗するトルクを付与するようにしてもよい。これによって、板バネS等を介して回動する方向に外力が付加された際に、略一定の弾性力が反力として負荷され、外力がなくなると爪先部材が元の姿勢に復帰可能となる。 In the above-described embodiment, an example is shown in which a motor is used as means for applying torque until the toe member comes into surface contact. Instead, for example, an external force is applied as shown in FIG. The toe member using a leaf spring S having one end fixed to a rotation shaft P provided integrally with the heel member so that the toe member can assume a substantially constant posture with respect to the heel member in a state where the toe member is not Alternatively, a torque against the floor surface may be applied. As a result, when an external force is applied in the direction of rotation via the leaf spring S or the like, a substantially constant elastic force is applied as a reaction force, and when the external force disappears, the toe member can return to the original posture. .
以上、説明したように、本発明に係る脚式移動型ロボットは、歩行動作を行う際に足平部に接触式のセンサ等を用いることなく、足平部と床面との接触を検知して安定した歩行動作を行うことができる。 As described above, the legged mobile robot according to the present invention detects the contact between the foot and the floor surface without using a contact sensor or the like for the foot when performing a walking motion. And stable walking motion.
なお、上記説明した実施形態においては、いわゆる脚式移動型ロボットの例として、2足歩行型のロボットを用いて説明したが、本発明はこれに限られるものではない。すなわち、4足歩行等といった他の脚式移動型のロボットについても、本発明を適用することは可能である。 In the embodiment described above, a biped walking robot is used as an example of a so-called legged mobile robot, but the present invention is not limited to this. That is, the present invention can also be applied to other legged mobile robots such as four-legged walking.
また、このような脚式移動型ロボットとしては、操作者としての人間を搭載した状態で、移動を行うもの、いわゆる搭乗型ロボットであってもよい。このようなロボットに本発明を適用した場合、ロボットが床面から受ける衝撃が低減されるため、搭乗した人間が受ける衝撃も小さくなり、乗り心地が向上するという効果が得られる。 Such a legged mobile robot may be a so-called boarding robot that moves with a human being as an operator. When the present invention is applied to such a robot, the impact received by the robot from the floor surface is reduced, so that the impact received by the person on board is reduced, and the ride comfort is improved.
また、このような脚式移動型ロボットの脚部の構造としては、いわゆる人間と同様の構造ではなく、上腿と下腿とが前方側に向かって開いた状態(上腿の延長線よりも前方側に、下腿が膝関節回りに回転した状態)、いわゆる「鳥足状態」をとるように構成してもよい。このように脚部を構成することによって、前述のように人間を搭乗する形態のロボットを構成する場合、搭乗者が載置部に乗降するために脚部の膝関節を曲げても、上腿および下腿が載置部の後方に位置するため、曲げた脚部が下降する載置部に接触することが無くなる。したがって、載置部を搭乗者の乗降がし易い位置にまで十分下降させることができる。 In addition, the leg structure of such a legged mobile robot is not the same as that of a human, but the upper and lower legs are open toward the front side (frontward from the extension line of the upper leg). On the side, a state in which the lower leg rotates around the knee joint), a so-called “bird leg state”, may be adopted. By configuring the leg portion in this way, when configuring a robot in the form of boarding a human as described above, even if the rider bends the knee joint of the leg portion to get on and off the placing portion, Since the lower leg and the lower leg are located behind the placing portion, the bent leg portion does not come into contact with the placing portion that descends. Therefore, the mounting portion can be sufficiently lowered to a position where the passenger can easily get on and off.
1・・・脚式移動型ロボット
10・・・脚部
130・・・制御部
131・・・記憶領域(記憶部)
132・・・演算処理部(相対位置姿勢検出部、高さ検出部、駆動量補正部)
133・・・モータ駆動部
25・・・足首関節部(右足首関節)
25a・・・回動軸
26、26'・・・足平部(右足平)
26a・・・底面
261・・・踵部材
262・・・爪先部材
F・・・床面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Leg type
132... Arithmetic processing unit (relative position and orientation detection unit, height detection unit, drive amount correction unit)
133: Motor drive unit 25: Ankle joint (right ankle joint)
25a: Rotating
26a ...
Claims (14)
前記足平部の少なくとも一部分であって、前記脚部に対して回動軸周りに回動可能に構成された回動部を備えるととともに、
前記回動部の形状情報を記憶する記憶部と、
前記回動部の脚部に対する相対位置姿勢情報を検出する相対位置姿勢検出部と、
前記回動部の形状情報と、前記相対位置姿勢情報とに基づいて、前記回動軸から前記足平部の最下点までの高さ情報を算出する高さ算出部と、
前記足平部の前端が前記床面に接触した時に前記高さ算出部により算出した高さ情報に対する、前記足平部の前端が前記床面に接触した時に前記歩容データに基づいて定められた、前記回動軸が目標とする高さ情報の誤差を求めて、前記誤差が小さくなる方向に、前記歩容データに基づく脚部の高さ方向の駆動量を補正する駆動量補正部と、を備えることを特徴とする脚式移動型ロボット。 A legged mobile robot that includes a leg portion that connects a foot portion that contacts a floor surface during walking, and that performs a walking motion by driving the leg portion based on gait data,
A rotation portion that is at least a part of the foot portion and is configured to be rotatable around a rotation axis with respect to the leg portion; and
A storage unit for storing shape information of the rotating unit;
A relative position and orientation detection unit that detects relative position and orientation information with respect to the legs of the rotating unit;
A height calculation unit that calculates height information from the rotation axis to the lowest point of the foot, based on the shape information of the rotation unit and the relative position and orientation information;
It is determined based on the gait data when the front end of the foot part contacts the floor surface with respect to the height information calculated by the height calculation unit when the front end of the foot part contacts the floor surface. A driving amount correction unit that calculates an error in height information targeted by the rotation axis and corrects the driving amount in the height direction of the leg based on the gait data in a direction in which the error is reduced ; A legged mobile robot characterized by comprising:
回動部を床面に接触させる前に、前記回動部の脚部に対する相対位置姿勢を検出するステップと、
予め記憶した前記回動部の形状情報と、検出した回動部の相対位置姿勢とに基づいて、前記回動軸から足平部の最下点までの高さを算出するステップと、
前記足平部の前端が前記床面に接触した時に算出した高さ情報に対する、前記足平部の前端が前記床面に接触した時に前記歩容データに基づいて定められた、前記回動軸が目標とする高さ情報の誤差を求めて、前記誤差が小さくなる方向に、前記歩容データに基づく脚部の高さ方向の駆動量を補正するステップと、
補正した駆動量に基づいて前記脚部を駆動するステップと、を含むことを特徴とする脚式移動型ロボットの歩行制御方法。 A leg part that rotatably connects a foot part that contacts the floor surface during walking is provided, and is at least a part of the foot part, and is configured to be rotatable about a rotation axis with respect to the leg part. A walking control method for a legged mobile robot that includes a rotating unit and performs a walking motion by driving the leg based on gait data,
Detecting the relative position and orientation of the rotating unit with respect to the leg before contacting the rotating unit with the floor surface;
Calculating the height from the pivot axis to the lowest point of the foot part based on the shape information of the pivot part stored in advance and the detected relative position and orientation of the pivot part;
The rotation axis defined based on the gait data when the front end of the foot part contacts the floor surface with respect to height information calculated when the front end of the foot part contacts the floor surface. Calculating the target height information error, and correcting the driving amount of the leg in the height direction based on the gait data in a direction in which the error becomes smaller ;
And a step of driving the leg based on the corrected driving amount. A walking control method for a legged mobile robot, comprising:
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