JP4981074B2 - Legged mobile robot - Google Patents

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Description

本発明は、多軸の関節自由度を備えたロボットに係り、特に、可動脚を備えて直立するタイプの脚式移動ロボットに関する。   The present invention relates to a robot having multi-axis joint degrees of freedom, and more particularly to a legged mobile robot of an upright type with movable legs.

さらに詳しくは、本発明は、姿勢安定制御や基本姿勢の維持などの観点から機体が最適に設計された脚式移動ロボットに係り、特に、姿勢安定制御や基本姿勢の維持などの観点から機体の各部位毎の質量分布が最適化された脚式移動ロボットに関する。   More specifically, the present invention relates to a legged mobile robot in which the aircraft is optimally designed from the viewpoint of posture stability control and basic posture maintenance, and in particular, from the viewpoint of posture stability control and basic posture maintenance. The present invention relates to a legged mobile robot in which the mass distribution for each part is optimized.

電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行う機械装置のことを「ロボット」という。ロボットの語源は、スラブ語の“ROBOTA(奴隷機械)”に由来すると言われている。わが国では、ロボットが普及し始めたのは1960年代末からであるが、その多くは、工場における生産作業の自動化・無人化などを目的としたマニピュレータや搬送ロボットなどの産業用ロボット(industrial robot)であった。   A mechanical device that uses an electrical or magnetic action to perform a movement resembling human movement is called a “robot”. It is said that the word “robot” comes from the Slavic word “ROBOTA (slave machine)”. In Japan, robots started to spread from the end of the 1960s, but many of them are industrial robots such as manipulators and transfer robots for the purpose of automating and unmanned production operations in factories. Met.

最近では、イヌやネコのように4足歩行の動物の身体メカニズムやその動作を模したペット型ロボット、あるいは、ヒトのような2足直立歩行を行う動物の身体メカニズムや動作をモデルにしてデザインされた「人間形」若しくは「人間型」と呼ばれるロボット(humanoid robot)など、脚式移動ロボットに関する研究開発が進展し、実用化への期待も高まってきている。   Recently, the model is based on the body mechanism and movement of a four-legged animal such as a dog or a cat, or a pet-type robot that mimics its movement, or a human-like animal that walks upright on two legs. Research and development related to legged mobile robots such as the “humanoid” or “humanoid” robots have been progressed, and expectations for practical use are also increasing.

脚式移動ロボットは、多数の関節自由度を備え、関節の動きをアクチュエータ・モータで実現し、各関節アクチュエータをフレームで連結することによって構成される。このようなアクチュエータ・モータとしては、取扱いが容易で、小型・高トルクで、しかも応答性に優れたサーボ・モータが利用される。特に、ACサーボ・モータは、ブラシがなく、メンテナンス・フリーであることから、自ら行動計画を立案して自由歩行を行う脚式ロボットの関節アクチュエータなどに適用することができる。   A legged mobile robot has a large number of joint degrees of freedom, and is configured by realizing joint movement with an actuator motor and connecting each joint actuator with a frame. As such an actuator / motor, a servo motor that is easy to handle, small in size, high torque, and excellent in responsiveness is used. In particular, since the AC servo motor has no brush and is maintenance-free, it can be applied to a joint actuator of a legged robot that makes an action plan by itself and performs free walking.

通常のロボット構成では、1つの関節自由度を1つのアクチュエータ・モータで実現する。一方、犬や猫、熊などの4足歩行の動物、あるいは人間のように2足歩行の動物の動作メカニズムに近似したリアリステッィクな脚式ロボットを構成するためには、可能な限り生体に近似した関節自由度を供えていることが好ましい。   In a normal robot configuration, one degree of freedom of joint is realized by one actuator / motor. On the other hand, in order to construct a realistic legged robot that approximates the movement mechanism of a quadruped animal such as a dog, cat, or bear, or a biped animal such as a human, it is as close to a living body as possible. It is preferable that the degree of freedom of joint is provided.

ロボットの機体上には、関節アクチュエータ、駆動電源としてのバッテリ、制御回路基板などさまざまな重量物が存在する。   Various heavy objects such as a joint actuator, a battery as a driving power source, and a control circuit board exist on the body of the robot.

ロボットの機構設計を行なう上で、機体の質量分布を充分に考慮しないと、姿勢安定制御や消費電力の点で不利となる。例えば、基本的な姿勢である直立状態やその他の静的な姿勢において余計な負荷がかかるような質量分布をとっていると、次の姿勢遷移まで待機しているだけの期間であっても、常に姿勢安定制御を実行しなければならず、計算機への負荷は過大である。また、基本姿勢においても、常に姿勢維持のために関節軸アクチュエータがトルクを発生しなければならなくなり、消費電力の浪費になる。   In designing the robot mechanism, if the mass distribution of the airframe is not fully taken into account, it will be disadvantageous in terms of posture stability control and power consumption. For example, if you have a mass distribution that takes an extra load in an upright state or other static posture that is the basic posture, even if you are just waiting for the next posture transition, Attitude stability control must always be executed, and the load on the computer is excessive. Further, even in the basic posture, the joint axis actuator must always generate torque in order to maintain the posture, resulting in wasted power consumption.

特に、2足直立歩行の脚式ロボットの場合、基本的な立ち姿勢においても常に姿勢安定制御を行なうとともに、姿勢維持するために膝関節アクチュエータのトルクを生成しなければならず、計算機負荷と装置駆動電力を消耗する。さらに質量分布のバランスがとれていない場合には、姿勢安定制御は複雑さを増すとともにアクチュエータの駆動電力はさらに増大してしまう。   In particular, in the case of a legged robot with two legs standing upright, it is necessary to always perform posture stability control even in a basic standing posture, and to generate torque of the knee joint actuator in order to maintain the posture. Consumes drive power. Further, when the mass distribution is not balanced, the posture stability control increases the complexity and the driving power of the actuator further increases.

また、多くの場合、脚式移動ロボットの姿勢安定制御には、足底接地点と路面の形成する支持多角形の辺上あるいはその内側にモーメントがゼロとなる点を探索するというZMP安定度判別規範を用いる。このような場合、ロボットの機体に印加される各モーメントの釣合い関係を記述したZMP方程式を導出して、このZMP方程式上で現れるモーメント・エラーを打ち消すように機体の目標軌道を修正する。   Also, in many cases, posture stability control for legged mobile robots involves ZMP stability determination by searching for a point where the moment is zero on or inside the side of the support polygon formed by the sole contact point and the road surface. Use norms. In such a case, a ZMP equation describing the balance relationship of each moment applied to the robot body is derived, and the target trajectory of the body is corrected so as to cancel the moment error appearing on the ZMP equation.

ところが、上肢や下肢、頭部など、機体の各部位について質量分布が最適化されていないと、単に特定の部位だけを動作させただけでもモーメントが生成して、機体全体に作用を及ぼし、ZMP釣合い方程式に余分な項を作ってしまうことになる。この結果、姿勢安定制御を複雑にしてしまい、計算機コストの増大を招来してしまう。   However, if the mass distribution is not optimized for each part of the aircraft, such as the upper limbs, lower limbs, and head, a moment is generated even if only a specific part is operated, acting on the entire aircraft, This creates an extra term in the balance equation. As a result, posture stability control is complicated, and the computer cost increases.

従来のロボット設計では、駆動系の配置が重視してなされており、質量分布の最適化は充分なされていなかった。例えば、アクチュエータ・モータ、伝達用ベルト、高減速器の順で関節軸に駆動力が付加されるという構成が一般に採用されている。この場合、アクチュエータ・モータの他に、高減速比を得るための高減速器も重量物となる。したがって、多数の関節からなる脚式移動ロボットにおいては、バランスよく重量物を配置することはますます困難となる。   In conventional robot design, the arrangement of the drive system is emphasized, and the mass distribution has not been optimized sufficiently. For example, a configuration is generally adopted in which driving force is applied to the joint shaft in the order of an actuator / motor, a transmission belt, and a high speed reducer. In this case, in addition to the actuator / motor, a high speed reducer for obtaining a high speed reduction ratio is also heavy. Therefore, in a legged mobile robot composed of a large number of joints, it becomes increasingly difficult to place a heavy object in a balanced manner.

質量の大きな第1の電動モータを脚部側に取り付けることを避けて慣性質量を防止するとともに、軸線に比較的近接して配置し垂直軸回りの慣性モーメントを低減する脚式歩行ロボットについて提案がなされている(例えば、特許文献1を参照のこと)。   Proposed a legged walking robot that prevents the inertial mass by avoiding mounting the first electric motor with a large mass on the leg side, and reduces the moment of inertia around the vertical axis by placing it relatively close to the axis. (For example, see Patent Document 1).

また、重力に起因する膝関節を曲げるモーメントが発生しないように、起立したロボット全体の重心Gから下ろした鉛直線が膝関節の回転軸と交わるように構成したロボットの関節装置について提案がなされている(例えば、特許文献2を参照のこと)。
Also, a robot joint device has been proposed in which a vertical line drawn from the center of gravity G of the entire standing robot intersects with the rotation axis of the knee joint so that a moment to bend the knee joint due to gravity does not occur. (For example, see Patent Document 2).

特開平3−184782号公報Japanese Patent Laid-Open No. 3-184782 特開2002−36153号公報JP 2002-36153 A

本発明は上述したような技術的課題を鑑みたものであり、その主な目的は、機体の質量分布が最適化された、優れた脚式移動ロボットを提供することにある。   The present invention has been made in view of the technical problems as described above, and its main object is to provide an excellent legged mobile robot in which the mass distribution of the airframe is optimized.

本発明のさらなる目的は、機体の姿勢安定制御の観点から機体の各部位毎の質量分布が最適化された、優れた脚式移動ロボットを提供することにある。   A further object of the present invention is to provide an excellent legged mobile robot in which the mass distribution of each part of the airframe is optimized from the viewpoint of attitude stability control of the airframe.

本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、可動脚を備えて直立するタイプの脚式移動ロボットであって、
機体本体部と、前記機体本体部に対して所定の関節軸回りの自由度を以って取り付けられた機体末端部とを備え、
前記機体末端部の重心は前記関節軸上に設定されている、
ことを特徴とする脚式移動ロボットである。
The present invention has been made in consideration of the above problems, and is a legged mobile robot of a type that includes a movable leg and stands upright,
A fuselage main body, and a fuselage end attached to the fuselage main body with a degree of freedom around a predetermined joint axis;
The center of gravity of the machine body end is set on the joint axis,
This is a legged mobile robot.

このように前記機体末端部の重心は前記関節軸上に設定することによって、前記機体末端部の関節回りの回転運動による関節軸回りのモーメントの発生量を軽減することにより、機体全体のZMP姿勢安定制御が前記機体末端部の運動からの影響を受けないようにすることができる。この結果、ZMP釣合い方程式に余分な項を作ることがなくなり、姿勢安定制御が簡単化される。   Thus, by setting the center of gravity of the end of the fuselage on the joint axis, the amount of generation of the moment around the joint axis due to the rotational motion around the joint of the end of the fuselage is reduced, so that the ZMP posture of the entire fuselage Stability control can be prevented from being affected by the movement of the airframe end. As a result, no extra term is created in the ZMP balance equation, and posture stability control is simplified.

また、本発明に係る脚式移動ロボットは、股関節ピッチ軸及び股関節ロール軸回りの自由度を以って前記機体胴体部に取り付けられた左右の可動脚をさらに備えていてもよい。このような場合、機体全体の重心が前記股関節ピッチ軸上で左右の前記股関節ロール軸の略中点上に設定することにより、主として安定な起動、起き上がり動作を確保することができる。   The legged mobile robot according to the present invention may further include left and right movable legs attached to the fuselage body with degrees of freedom around the hip joint pitch axis and the hip joint roll axis. In such a case, by setting the center of gravity of the entire aircraft on the hip joint pitch axis substantially on the midpoint of the left and right hip roll axes, stable start-up and rising operations can be mainly ensured.

また、本発明に係る脚式移動ロボットは、前記機体胴体部において体幹ロール軸回りの自由度を備えていてもよい。このような場合、直立状態、基本立ち姿勢、並びに基本歩行姿勢において(対応路面が傾斜している場合を含む)、機体全体の重心を前記股関節ロール軸と前記体幹ロール軸の間に設定することにより、主として安定な起動、起き上がり動作を確保することができる。   The legged mobile robot according to the present invention may have a degree of freedom around the trunk roll axis in the body fuselage. In such a case, in the upright state, the basic standing posture, and the basic walking posture (including the case where the corresponding road surface is inclined), the center of gravity of the entire body is set between the hip joint roll shaft and the trunk roll shaft. As a result, it is possible to ensure mainly stable start-up and rising operation.

また、本発明に係る脚式移動ロボットは、頭ロール軸回りの自由度を以って前記機体胴体部に取り付けられた頭部をさらに備えていてもよい。このような場合、前記頭部の重心を前記頭ロール軸上に設定することにより、直立状態において基本立ち上げ姿勢と抱き上げ状態を経る間における安定な姿勢遷移を実現することができる。また、首ロール運動によるロール軸モーメントの発生量を軽減することにより、機体全体のZMP姿勢安定制御が首ロール運動からの影響を受けないようにすることができる。   The legged mobile robot according to the present invention may further include a head attached to the body fuselage with a degree of freedom around the head roll axis. In such a case, by setting the center of gravity of the head on the head roll axis, it is possible to realize a stable posture transition during the basic standing posture and the lifting state in the upright state. Further, by reducing the amount of roll axis moment generated by the neck roll motion, it is possible to prevent the ZMP posture stability control of the entire aircraft from being affected by the neck roll motion.

また、頭部が頭ヨー軸回りの自由度を以って前記機体胴体部に取り付けられている場合には、前記頭部の重心を前記頭ヨー軸上に設定することにより、首関節ヨー軸回りのモーメントの発生量を軽減して、機体全体のZMP姿勢安定制御が該ピッチ軸運動からの影響を受けないようにすることができる。   Further, when the head is attached to the fuselage body with a degree of freedom around the head yaw axis, by setting the center of gravity of the head on the head yaw axis, the neck joint yaw axis The generation amount of the turning moment can be reduced, so that the ZMP attitude stability control of the entire airframe is not affected by the pitch axis motion.

また、頭部が頭ピッチ軸及び首ピッチ軸回りの自由度を以って前記機体胴体部に取り付けられている場合には、直立状態、基本立ち姿勢、並びに基本歩行姿勢において(対応路面が傾斜している場合を含む)、前記頭部の重心を前記頭ピッチ軸と重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定することにより、直立状態において基本立ち上げ姿勢と抱き上げ状態を経る間における安定な姿勢遷移を実現することができる。   In addition, when the head is attached to the body fuselage with a degree of freedom around the head pitch axis and the neck pitch axis, the corresponding road surface is inclined in an upright state, a basic standing posture, and a basic walking posture. By setting the center of gravity of the head on the plane composed of the head pitch axis and the gravitational acceleration vector, the head is stable during the basic standing posture and the lifting state in the upright state. Posture transition can be realized.

また、直立状態、基本立ち姿勢、並びに基本歩行姿勢において(対応路面が傾斜している場合を含む)、前記頭部ピッチ軸及び前記ピッチ軸間の部位の重心を前記頭ピッチ軸と重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定することにより、直立状態において基本立ち上げ姿勢と抱き上げ状態を経る間における安定な姿勢遷移を実現することができる。   Further, in the upright state, the basic standing posture, and the basic walking posture (including the case where the corresponding road surface is inclined), the head pitch axis and the gravity center of the portion between the pitch axes are represented by the head pitch axis and the gravitational acceleration vector. By setting it on the plane constituted by, it is possible to realize a stable posture transition between the basic standing posture and the lifting state in the upright state.

また、頭部が頭ピッチ軸及び頭ロール軸回りの自由度を以って前記機体胴体部に取り付けられている場合には、前記頭ピッチ軸及び前記頭ロール軸間の部位の重心を前記頭ピッチ軸上に設定することにより、前記頭ピッチ軸回りの運動による前記頭ピッチ軸回りのモーメントの発生を軽減して、機体全体のZMP姿勢安定制御が該ピッチ軸運動からの影響を受けないようにすることができる。   Further, when the head is attached to the fuselage body with a degree of freedom around the head pitch axis and the head roll axis, the center of gravity of the portion between the head pitch axis and the head roll axis is determined as the head. By setting on the pitch axis, the generation of moment around the head pitch axis due to the movement around the head pitch axis is reduced, so that the ZMP attitude stability control of the entire aircraft is not affected by the pitch axis movement. Can be.

また、頭部が頭ヨー軸及び頭ピッチ軸回りの自由度を以って前記機体胴体部に取り付けられている場合には、前記頭ヨー軸及び前記頭ピッチ軸間の部位の重心を前記頭ヨー軸上に設定することにより、頭ヨー軸回りの運動によるヨー軸モーメントの発生を軽減して、機体全体のZMP姿勢安定制御が該ヨー軸運動からの影響を受けないようにすることができる。   Further, when the head is attached to the fuselage body with a degree of freedom around the head yaw axis and the head pitch axis, the center of gravity of the portion between the head yaw axis and the head pitch axis is determined as the head. By setting on the yaw axis, the generation of yaw moment due to the movement around the head yaw axis can be reduced, and the ZMP attitude stabilization control of the entire aircraft can be prevented from being affected by the yaw axis movement. .

また、頭部が首ピッチ軸及び頭ヨー軸回りの自由度を以って前記機体胴体部に取り付けられている場合には、前記首ピッチ軸及び前記頭ヨー軸間の部位の重心は前記首ピッチ軸上に設定することにより、前記首ピッチ軸回りの運動による前記首ピッチ軸回りのモーメントの発生を軽減することにより、機体全体のZMP姿勢安定制御が該ピッチ軸運動からの影響を受けないようにすることができる。   When the head is attached to the fuselage body with a degree of freedom around the neck pitch axis and the head yaw axis, the center of gravity of the portion between the neck pitch axis and the head yaw axis is the neck By setting on the pitch axis, the occurrence of moments around the neck pitch axis due to movement around the neck pitch axis is reduced, so that the ZMP attitude stability control of the entire aircraft is not affected by the pitch axis movement. Can be.

また、本発明に係る脚式移動ロボットは、前記機体胴体部には腕部が取り付けられているとともに、前記腕部の略末端には手首ヨー軸回りの自由度を以って手部が取り付けられていてもよい。このような場合、前記手部の重心を前記手首ヨー軸上に設定することにより、手首ヨー軸回りの運動時において、該ヨー軸回りのモーメントの発生を軽減して、機体全体のZMP姿勢安定制御が該ピッチ軸運動からの影響を受けないようにすることができる。   In the legged mobile robot according to the present invention, an arm portion is attached to the fuselage body portion, and a hand portion is attached to a substantially end of the arm portion with a degree of freedom around a wrist yaw axis. It may be done. In such a case, by setting the center of gravity of the hand portion on the wrist yaw axis, during the movement around the wrist yaw axis, the generation of moment around the yaw axis is reduced, and the ZMP posture stability of the entire aircraft is stabilized. Control can be made unaffected by the pitch axis motion.

また、本発明に係る脚式移動ロボットは、股関節ピッチ軸及び膝ピッチ軸回りの自由度を備えた脚部が前記機体胴体部に取り付けられていてもよい。このような場合、基本立ち姿勢と抱き上げ(直立状態)姿勢間における前記股関節ピッチ軸と前記ピッチ軸間の部位の重心を前記股関節ピッチ軸と重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定することにより、直立状態において基本立ち上げ姿勢と抱き上げ状態を経る間における安定な姿勢遷移を実現することができる。   In the legged mobile robot according to the present invention, legs having degrees of freedom around the hip joint pitch axis and the knee pitch axis may be attached to the body fuselage. In such a case, by setting the hip joint pitch axis and the center of gravity of the portion between the pitch axes between the basic standing posture and the lifting (upright state) posture on a plane composed of the hip joint pitch axis and the gravitational acceleration vector. In the upright state, stable posture transition between the basic standing posture and the lifting state can be realized.

また、前記脚部はさらに股関節ロール軸回りの自由度を備えていてもよい。このような場合、前記股関節ロール軸と前記股関節ピッチ軸間の部位の重心を前記股関節ロール軸上に設定することにより、股関節ロール軸回りの運動時において、該ヨー軸回りのモーメントの発生を軽減して、機体全体のZMP姿勢安定制御が該ピッチ軸運動からの影響を受けないようにすることができる。   The leg may further have a degree of freedom around the hip roll axis. In such a case, by setting the center of gravity of the portion between the hip joint roll axis and the hip joint pitch axis on the hip joint roll axis, the generation of moment about the yaw axis is reduced during the movement around the hip joint roll axis. Thus, the ZMP attitude stability control of the entire aircraft can be prevented from being affected by the pitch axis motion.

また、前記脚部の略下端には足首ピッチ軸回りの自由度を以って足部が取り付けられていてもよい。このような場合、基本立ち姿勢と抱き上げ(直立状態)姿勢間における前記膝ピッチ軸と前記足首ピッチ軸間の部位の重心を前記膝関節ピッチ軸と重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定することにより、直立状態において基本立ち上げ姿勢と抱き上げ状態を経る間における安定な姿勢遷移を実現することができる。   Further, a foot portion may be attached to a substantially lower end of the leg portion with a degree of freedom around an ankle pitch axis. In such a case, the center of gravity of the portion between the knee pitch axis and the ankle pitch axis between the basic standing posture and the lifting (upright state) posture is set on a plane composed of the knee joint pitch axis and the gravitational acceleration vector. This makes it possible to realize stable posture transition during the basic standing posture and the lifting state in the upright state.

また、前記足部はさらに足首ロール軸回りの自由度を備えていてもよい。このような場合、基本立ち姿勢と抱き上げ(直立状態)姿勢間における前記股関節ロール軸と前記足首ロール軸間の部位の重心を前記股関節ロール軸と重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定することにより、直立状態において基本立ち上げ姿勢と抱き上げ状態を経る間における安定な姿勢遷移を実現することができる。   The foot may further have a degree of freedom around the ankle roll axis. In such a case, the center of gravity of the portion between the hip joint roll axis and the ankle roll axis between the basic standing posture and the lifting (upright state) posture is set on a plane composed of the hip joint roll axis and the gravitational acceleration vector. Thus, stable posture transition can be realized during the basic standing posture and the lifting state in the upright state.

また、前記足首ピッチ軸と前記足首ロール軸間の部位の重心を前記足首ピッチ軸上に設定することにより、足首ピッチ軸回りの運動時において、該ピッチ軸回りのモーメントの発生を軽減して、機体全体のZMP姿勢安定制御が該ピッチ軸運動からの影響を受けないようにすることができる。   Further, by setting the center of gravity of the portion between the ankle pitch axis and the ankle roll axis on the ankle pitch axis, during the movement around the ankle pitch axis, the occurrence of moments around the pitch axis is reduced, It is possible to prevent the ZMP attitude stability control of the entire aircraft from being affected by the pitch axis motion.

また、基本立ち姿勢と抱き上げ(直立状態)姿勢間における前記足首ロール軸より末端の部位の重心を前記足首ロール軸と重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定することにより、直立状態において基本立ち上げ姿勢と抱き上げ状態を経る間における安定な姿勢遷移を実現することができる。   In addition, by setting the center of gravity of the portion distal to the ankle roll axis between the basic standing posture and the lifting (upright state) posture on the plane composed of the ankle roll axis and the gravitational acceleration vector, A stable posture transition between the raised posture and the lifted state can be realized.

また、前記足首ロール軸より末端の部位の重心を前記足首ロール軸上に設定することにより、足首ロール軸回りの運動時において該ロール軸回りのモーメントの発生を軽減して、機体全体のZMP姿勢安定制御が該ピッチ軸運動からの影響を受けないようにすることができる。   In addition, by setting the center of gravity of the portion distal to the ankle roll axis on the ankle roll axis, the generation of moments around the roll axis during movement around the ankle roll axis is reduced, and the ZMP posture of the entire aircraft is reduced. Stability control can be prevented from being affected by the pitch axis motion.

また、基本立ち姿勢と抱き上げ(直立状態)姿勢間における前記足首ピッチ軸より末端の部位の重心を前記足首ピッチ軸と重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定することにより、直立状態において基本立ち上げ姿勢と抱き上げ状態を経る間における安定な姿勢遷移を実現することができる。   In addition, by setting the center of gravity of the portion distal to the ankle pitch axis between the basic standing posture and the lifted (upright standing) posture on the plane composed of the ankle pitch axis and the gravitational acceleration vector, the basic standing posture in the upright state is set. A stable posture transition between the raised posture and the lifted state can be realized.

また、前記足首ピッチ軸より末端の部位の重心を前記足首ピッチ軸上に設定することにより、足首ピッチ軸回りの運動時における該ピッチ軸回りのモーメントの発生を軽減して、機体全体のZMP姿勢安定制御が該ピッチ軸運動からの影響を受けないようにすることができる。   In addition, by setting the center of gravity of the portion distal to the ankle pitch axis on the ankle pitch axis, the occurrence of moments around the pitch axis during movement around the ankle pitch axis is reduced, and the ZMP posture of the entire aircraft Stability control can be prevented from being affected by the pitch axis motion.

本発明によれば、機体の姿勢安定制御の観点から機体の各部位毎の質量分布が最適化された、優れた脚式移動ロボットを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide an excellent legged mobile robot in which the mass distribution of each part of the airframe is optimized from the viewpoint of posture stability control of the airframe.

本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。   Other objects, features, and advantages of the present invention will become apparent from more detailed description based on embodiments of the present invention described later and the accompanying drawings.

本発明の実施に供される脚式移動ロボットが直立している様子を前方から眺望した様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the state which the leg type mobile robot provided for implementation of this invention looked up from the front was seen. 本発明の実施に供される脚式移動ロボットが直立している様子を後方から眺望した様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the state which the leg type mobile robot provided for implementation of this invention looked up from the back was seen. 脚式移動ロボットが具備する関節自由度構成を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the joint freedom degree structure which a leg type mobile robot comprises. 脚式移動ロボット100の制御システム構成を模式的に示した図である。2 is a diagram schematically showing a control system configuration of a legged mobile robot 100. FIG. 本実施形態に係る脚式移動ロボットの運動系が持つ基本状態遷移を示した図である。It is the figure which showed the basic state transition which the motion system of the legged mobile robot which concerns on this embodiment has. 脚式移動ロボット100の基本仰向け姿勢を示した図である。FIG. 3 is a view showing a basic supine posture of the legged mobile robot 100. 脚式移動ロボット100の基本うつ伏せ姿勢を示した図である。It is the figure which showed the basic prone posture of the legged mobile robot. 脚式移動ロボット100の基本立ち姿勢を示した図である。FIG. 2 is a view showing a basic standing posture of a legged mobile robot 100. 脚式移動ロボット100の基本歩行姿勢を示した図である。FIG. 3 is a diagram showing a basic walking posture of a legged mobile robot 100. 脚式移動ロボット100の機体重心の位置を示した図である。FIG. 4 is a diagram showing the position of the center of gravity of the body of the legged mobile robot 100. 脚式移動ロボット100が基本仰向け姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the leg-type mobile robot 100 was getting up from the basic back posture. 脚式移動ロボット100が基本仰向け姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the leg-type mobile robot 100 was getting up from the basic back posture. 脚式移動ロボット100が基本仰向け姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the leg-type mobile robot 100 was getting up from the basic back posture. 脚式移動ロボット100が基本仰向け姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the leg-type mobile robot 100 was getting up from the basic back posture. 脚式移動ロボット100が基本仰向け姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the leg-type mobile robot 100 was getting up from the basic back posture. 脚式移動ロボット100が基本仰向け姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the leg-type mobile robot 100 was getting up from the basic back posture. 脚式移動ロボット100が基本仰向け姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the leg-type mobile robot 100 was getting up from the basic back posture. 脚式移動ロボット100が基本仰向け姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the leg-type mobile robot 100 was getting up from the basic back posture. 脚式移動ロボット100が基本仰向け姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the leg-type mobile robot 100 was getting up from the basic back posture. 脚式移動ロボット100が基本仰向け姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the leg-type mobile robot 100 was getting up from the basic back posture. 脚式移動ロボット100が基本仰向け姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the leg-type mobile robot 100 was getting up from the basic back posture. 脚式移動ロボット100が基本仰向け姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the leg-type mobile robot 100 was getting up from the basic back posture. 脚式移動ロボット100が基本仰向け姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the leg-type mobile robot 100 was getting up from the basic back posture. 脚式移動ロボット100が基本仰向け姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the leg-type mobile robot 100 was getting up from the basic back posture. 脚式移動ロボット100が基本仰向け姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the leg-type mobile robot 100 was getting up from the basic back posture. 脚式移動ロボット100が基本仰向け姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the leg-type mobile robot 100 was getting up from the basic back posture. 脚式移動ロボット100が基本仰向け姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the leg-type mobile robot 100 was getting up from the basic back posture. 脚式移動ロボット100が基本仰向け姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the leg-type mobile robot 100 was getting up from the basic back posture. 脚式移動ロボット100が基本うつ伏せ姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the leg-type mobile robot 100 was getting up from the basic prone posture. 脚式移動ロボット100が基本うつ伏せ姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the leg-type mobile robot 100 was getting up from the basic prone posture. 脚式移動ロボット100が基本うつ伏せ姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the leg-type mobile robot 100 was getting up from the basic prone posture. 脚式移動ロボット100が基本うつ伏せ姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the leg-type mobile robot 100 was getting up from the basic prone posture. 脚式移動ロボット100が基本うつ伏せ姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the leg-type mobile robot 100 was getting up from the basic prone posture. 脚式移動ロボット100が基本うつ伏せ姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the leg-type mobile robot 100 was getting up from the basic prone posture. 脚式移動ロボット100が基本うつ伏せ姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the leg-type mobile robot 100 was getting up from the basic prone posture. 脚式移動ロボット100が基本うつ伏せ姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the leg-type mobile robot 100 was getting up from the basic prone posture. 脚式移動ロボット100が基本うつ伏せ姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the leg-type mobile robot 100 was getting up from the basic prone posture. 脚式移動ロボット100が基本うつ伏せ姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the leg-type mobile robot 100 was getting up from the basic prone posture. 脚式移動ロボット100が基本うつ伏せ姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the leg-type mobile robot 100 was getting up from the basic prone posture. 脚式移動ロボット100が基本うつ伏せ姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the leg-type mobile robot 100 was getting up from the basic prone posture. 脚式移動ロボット100が基本うつ伏せ姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the leg-type mobile robot 100 was getting up from the basic prone posture. 脚式移動ロボット100が基本うつ伏せ姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the leg-type mobile robot 100 was getting up from the basic prone posture. 脚式移動ロボット100が基本うつ伏せ姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the leg-type mobile robot 100 was getting up from the basic prone posture. 脚式移動ロボット100が基本うつ伏せ姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the leg-type mobile robot 100 was getting up from the basic prone posture. 脚式移動ロボット100が基本うつ伏せ姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the leg-type mobile robot 100 was getting up from the basic prone posture. 脚式移動ロボット100が基本うつ伏せ姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the leg-type mobile robot 100 was getting up from the basic prone posture. 脚式移動ロボット100が基本うつ伏せ姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the leg-type mobile robot 100 was getting up from the basic prone posture. 首関節ロール軸3より上の部位における重心の所在を示した図である。It is the figure which showed the location of the gravity center in the site | part above the neck joint roll axis | shaft 3. FIG. 首関節ヨー軸1よりも上の部位における重心の所在を示した図である。It is the figure which showed the location of the gravity center in the site | part above the neck joint yaw axis | shaft 1. FIG. 第1の首関節ピッチ軸2Aよりも上の部位における重心の所在を示した図である。It is the figure which showed the location of the gravity center in the site | part above the 1st neck joint pitch axis | shaft 2A. 第1の首関節ピッチ軸2Aと第2の首関節ピッチ軸2Bの間の部位における重心の所在を示した図である。It is the figure which showed the location of the gravity center in the site | part between the 1st neck joint pitch axis | shaft 2A and the 2nd neck joint pitch axis | shaft 2B. 第2の首関節ピッチ軸2Bと首関節ロール軸3の間の部位における重心の所在を示した図である。It is the figure which showed the location of the gravity center in the site | part between the 2nd neck joint pitch axis | shaft 2B and the neck joint roll axis | shaft 3. FIG. 首関節ヨー軸1から第2の首関節ピッチ軸2Bの間の部位における重心の所在を示した図である。It is the figure which showed the location of the gravity center in the site | part between the neck joint yaw axis | shaft 1 and the 2nd neck joint pitch axis | shaft 2B. 第1の首関節ピッチ軸2Aと首関節ヨー軸1の間の部位における重心の所在を示した図である。It is the figure which showed the location of the gravity center in the site | part between the 1st neck joint pitch axis | shaft 2A and the neck joint yaw axis | shaft 1. FIG. 第1の首関節ピッチ軸2A回りに頭部が運動する様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the head moved around the 1st neck joint pitch axis | shaft 2A. 第1の首関節ピッチ軸2A回りに頭部が運動する様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the head moved around the 1st neck joint pitch axis | shaft 2A. 第1の首関節ピッチ軸2A回りに頭部が運動する様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the head moved around the 1st neck joint pitch axis | shaft 2A. 表2に示したような質量分布に従ってモータやフレーム、電子回路基板が配置されたロボット頭部の内部構成を示した図である。It is the figure which showed the internal structure of the robot head by which a motor, a flame | frame, and an electronic circuit board are arrange | positioned according to mass distribution as shown in Table 2. FIG. 図25からフレームのみを抽出して描いた図である。It is the figure which extracted and extracted only the flame | frame from FIG. 図25から首関節ヨー軸1、第1の首関節ピッチ軸2A、第2の首関節(頭)ピッチ軸2B、及び首関節ロール軸3の各関節軸駆動用モータのみを抽出して描いた図である。Only the motors for driving the respective joint axes of the neck joint yaw axis 1, the first neck joint pitch axis 2A, the second neck joint (head) pitch axis 2B, and the neck joint roll axis 3 are drawn from FIG. FIG. 手首ヨー軸8よりも先端の部位における重心の所在を示した図である。FIG. 6 is a diagram showing the location of the center of gravity at the tip of the wrist yaw axis 8. 上腕ヨー軸6と手首ヨー軸の間の部位における重心の所在を示した図である。It is the figure which showed the location of the gravity center in the site | part between the upper arm yaw axis | shaft 6 and a wrist yaw axis | shaft. 肩ロール軸5より先端の部位における重心の所在を示した図である。It is the figure which showed the location of the gravity center in the site | part of the front-end | tip from the shoulder roll axis | shaft 5. FIG. 肘ピッチ軸7より先端の部位における重心の所在を示した図である。It is the figure which showed the location of the gravity center in the site | part of the front-end | tip from the elbow pitch axis | shaft 7. FIG. 肩ピッチ軸4と肘ピッチ軸7の間の部位における重心の所在を示した図である。It is the figure which showed the location of the gravity center in the site | part between the shoulder pitch axis | shaft 4 and the elbow pitch axis | shaft 7. FIG. 肘ピッチ軸7と手首ヨー軸8の間の部位における重心の所在を示した図である。It is the figure which showed the location of the gravity center in the site | part between the elbow pitch axis | shaft 7 and the wrist yaw axis | shaft 8. FIG. 上腕ヨー軸6と肘ピッチ軸7の間の部位における重心の所在を示した図である。It is the figure which showed the location of the gravity center in the site | part between the upper arm yaw axis | shaft 6 and the elbow pitch axis | shaft 7. FIG. 肩ロール軸5と上腕ヨー軸6の間の部位における重心の所在を示した図である。It is the figure which showed the location of the gravity center in the site | part between the shoulder roll axis | shaft 5 and the upper arm yaw axis | shaft 6. FIG. 肩ピッチ軸4と肩ロール軸5の間の部位における重心の所在を示した図である。It is the figure which showed the location of the gravity center in the site | part between the shoulder pitch axis | shaft 4 and the shoulder roll axis | shaft 5. FIG. 表3に示したような質量分布に従ってモータやフレームが配置された腕部の内部構成を示した図である。It is the figure which showed the internal structure of the arm part by which a motor and a flame | frame are arrange | positioned according to mass distribution as shown in Table 3. FIG. 図37から腕部のフレームのみ(手先を含む)を抽出して描いた図である。It is the figure which extracted and extracted only the flame | frame (including a hand) of an arm part from FIG. 図37から肩関節ロール軸5、上腕ヨー軸6、肘ピッチ軸7、手首関節ヨー軸8の各関節軸駆動用モータ、並びに手先を抽出して描いた図である。It is the figure which extracted each joint axis drive motor of the shoulder joint roll axis | shaft 5, the upper arm yaw axis | shaft 6, the elbow pitch axis | shaft 7, and the wrist joint yaw axis | shaft 8, and the hand from FIG. 体幹ピッチ軸9と第1の首関節ピッチ軸2Aの間の部位における重心の所在を示した図である。It is the figure which showed the location of the gravity center in the site | part between the trunk pitch axis | shaft 9 and the 1st neck joint pitch axis | shaft 2A. 体幹ピッチ軸9と第1の首関節ピッチ軸2Aの間の部位における重心の所在を示した図である。It is the figure which showed the location of the gravity center in the site | part between the trunk pitch axis | shaft 9 and the 1st neck joint pitch axis | shaft 2A. 体幹ロール軸10と体幹ピッチ軸9の間の部位における重心の所在を示した図である。FIG. 5 is a diagram showing the location of the center of gravity in a portion between the trunk roll shaft 10 and the trunk pitch shaft 9. 股関節ピッチ軸12と膝ピッチ軸14の間の部位における重心の所在を示した図である。It is the figure which showed the location of the gravity center in the site | part between the hip joint pitch axis | shaft 12 and the knee pitch axis | shaft 14. FIG. 股関節ロール軸13と股関節ピッチ軸12の間の部位における重心の所在を示した図である。It is the figure which showed the location of the gravity center in the site | part between the hip joint roll axis | shaft 13 and the hip joint pitch axis | shaft 12. FIG. 膝関節ピッチ軸14と足首ピッチ軸15の間の部位における重心の所在を示した図である。It is the figure which showed the location of the gravity center in the site | part between the knee joint pitch axis | shaft 14 and the ankle pitch axis | shaft 15. FIG. 股関節ロール軸13と足首関節ロール軸16の間の部位における重心の所在を示した図である。It is the figure which showed the location of the gravity center in the site | part between the hip joint roll axis | shaft 13 and the ankle joint roll axis | shaft 16. FIG. 足首ピッチ軸15と足首ロール軸16の間の部位における重心の所在を示した図である。It is the figure which showed the location of the gravity center in the site | part between the ankle pitch axis | shaft 15 and the ankle roll axis | shaft 16. FIG. 足首ロール軸16より先端の部位における重心の所在を示した図である。FIG. 5 is a diagram showing the location of the center of gravity at the tip of the ankle roll shaft 16. 足首ロール軸16より先端の部位における重心の所在を示した図である。FIG. 5 is a diagram showing the location of the center of gravity at the tip of the ankle roll shaft 16. 足首ピッチ軸15より先端の部位における重心の所在を示した図である。FIG. 5 is a diagram showing the location of the center of gravity at the tip of the ankle pitch axis 15; 足首ピッチ軸15より先端の部位における重心の所在を示した図である。FIG. 5 is a diagram showing the location of the center of gravity at the tip of the ankle pitch axis 15; 表5に示したような質量分布に従ってモータやフレームが配置された脚部の内部構成を示した図である。It is the figure which showed the internal structure of the leg part by which the motor and the flame | frame are arrange | positioned according to mass distribution as shown in Table 5. 図52から脚部のフレームのみを抽出して描いた図である。It is the figure which extracted and extracted only the flame | frame of the leg part from FIG. 図52から股関節ピッチ軸12、股関節ロール軸13、膝ピッチ軸14、足首ピッチ軸15、足首ロール軸16の各関節軸駆動用モータを抽出して描いた図である。It is the figure which extracted and extracted each joint axis drive motor of the hip joint pitch axis | shaft 12, the hip joint roll axis | shaft 13, the knee pitch axis | shaft 14, the ankle pitch axis | shaft 15, and the ankle roll axis | shaft 16 from FIG.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

A.脚式移動ロボットの機械的構成
図1及び図2には本発明の実施に供される「人間形」又は「人間型」の脚式移動ロボット100が直立している様子を前方及び後方の各々から眺望した様子を示している。図示の通り、脚式移動ロボット100は、胴体部と、頭部と、左右の上肢部と、脚式移動を行う左右2足の下肢部とで構成され、例えば胴体に内蔵されている制御部(図示しない)により機体の動作を統括的にコントロールするようになっている。
A. Each how the legged mobile robot 100 is standing upright front and rear of is subjected to an "humanoid" or "human-type" of the present invention the mechanical configuration diagram 1 and 2 of the legged mobile robot It shows a view from the top. As shown in the figure, the legged mobile robot 100 includes a torso, a head, left and right upper limbs, and left and right lower limbs that perform legged movement. For example, a control unit built in the torso. (Not shown) controls the overall operation of the aircraft.

左右各々の下肢は、大腿部と、膝関節と、脛部と、足首と、足平とで構成され、股関節によって体幹部の略最下端にて連結されている。また、左右各々の上肢は、上腕と、肘関節と、前腕とで構成され、肩関節によって体幹部の上方の左右各側縁にて連結されている。また、頭部は、首関節によって体幹部の略最上端中央に連結されている。   The left and right lower limbs are each composed of a thigh, a knee joint, a shin part, an ankle, and a foot, and are connected by a hip joint at the substantially lower end of the trunk. The left and right upper limbs are composed of an upper arm, an elbow joint, and a forearm, and are connected to the left and right side edges above the trunk by shoulder joints. The head is connected to the substantially uppermost center of the trunk by a neck joint.

制御部は、この脚式移動ロボット100を構成する各関節アクチュエータの駆動制御や各センサ(後述)などからの外部入力を処理するコントローラ(主制御部)や、電源回路その他の周辺機器類を搭載した筐体である。制御部は、その他、遠隔操作用の通信インターフェースや通信装置を含んでいてもよい。   The control unit is equipped with a controller (main control unit) that processes the external inputs from the joint actuators and sensors (described later) that constitute the legged mobile robot 100, and a power supply circuit and other peripheral devices. It is the housing which was made. In addition, the control unit may include a communication interface and a communication device for remote operation.

このように構成された脚式移動ロボット100は、制御部による全身協調的な動作制御により、2足歩行を実現することができる。かかる2足歩行は、一般に、以下に示す各動作期間に分割される歩行周期を繰り返すことによって行われる。すなわち、   The legged mobile robot 100 configured as described above can realize bipedal walking by whole body cooperative operation control by the control unit. Such biped walking is generally performed by repeating a walking cycle divided into the following operation periods. That is,

(1)右脚を持ち上げた、左脚による単脚支持期
(2)右足が接地した両脚支持期
(3)左脚を持ち上げた、右脚による単脚支持期
(4)左足が接地した両脚支持期
(1) Single leg support period with left leg lifted right leg (2) Both leg support period with right leg grounded (3) Single leg support period with right leg lifted with left leg (4) Both legs with left leg grounded Support period

脚式移動ロボット100における歩行制御は、あらかじめ下肢の目標軌道を計画し、上記の各期間において計画軌道の修正を行うことによって実現される。すなわち、両脚支持期では、下肢軌道の修正を停止して、計画軌道に対する総修正量を用いて腰の高さを一定値で修正する。また、単脚支持期では、修正を受けた脚の足首と腰との相対位置関係を計画軌道に復帰させるように修正軌道を生成する。   The walking control in the legged mobile robot 100 is realized by planning the target trajectory of the lower limb in advance and correcting the planned trajectory in each of the above periods. That is, in the both-leg support period, the correction of the lower limb trajectory is stopped, and the waist height is corrected at a constant value using the total correction amount with respect to the planned trajectory. In the single leg support period, a corrected trajectory is generated so that the relative positional relationship between the corrected ankle and waist of the leg is returned to the planned trajectory.

歩行動作の軌道修正を始めとして、機体の姿勢安定制御には、一般に、ZMP(Zero Moment Point)に対する偏差を小さくするための位置、速度、及び加速度が連続となるように、5次多項式を用いた補間計算により行う。ZMPを歩行の安定度判別の規範として用いている。ZMPによる安定度判別規範は、歩行系から路面には重力と慣性力、並びにこれらのモーメントが路面から歩行系への反作用としての床反力並びに床反力モーメントとバランスするという「ダランベールの原理」に基づく。力学的推論の帰結として、足底接地点と路面の形成する支持多角形(すなわちZMP安定領域)の辺上あるいはその内側にピッチ軸及びロール軸モーメントがゼロとなる点、すなわちZMPが存在する。   In general, the fifth-order polynomial is used for posture stability control of the aircraft, including correction of walking motion trajectory, so that the position, speed, and acceleration for reducing deviation from ZMP (Zero Moment Point) are continuous. Performed by interpolation calculation. ZMP is used as a norm for determining the stability of walking. The standard for discriminating the stability by ZMP is the principle of d'Alembert that gravity and inertia force from the walking system to the road surface, and these moments balance with the floor reaction force and the floor reaction force moment as a reaction from the road surface to the walking system. based on. As a result of the dynamic reasoning, there is a point where the pitch axis and roll axis moments become zero, that is, ZMP, on or inside the side of the support polygon (that is, the ZMP stable region) formed by the sole contact point and the road surface.

図3には、この脚式移動ロボット100が具備する関節自由度構成を模式的に示している。同図に示すように、脚式移動ロボット100は、2本の腕部と頭部1を含む上肢と、移動動作を実現する2本の脚部からなる下肢と、上肢と下肢とを連結する体幹部とで構成された、複数の肢を備えた構造体である。   FIG. 3 schematically shows a joint degree-of-freedom configuration of the legged mobile robot 100. As shown in the figure, a legged mobile robot 100 connects an upper limb including two arms and a head 1, a lower limb including two legs that realize a moving operation, and an upper limb and a lower limb. It is a structure having a plurality of limbs, which is composed of a trunk.

頭部を支持する首関節(Neck)は、首関節ヨー軸1と、第1及び第2の首関節ピッチ軸2A及び2Bと、首関節ロール軸3という3自由度を有している。   The neck joint (Neck) that supports the head has three degrees of freedom: a neck joint yaw axis 1, first and second neck joint pitch axes 2 </ b> A and 2 </ b> B, and a neck joint roll axis 3.

また、各腕部は、その自由度として、肩(Shoulder)における肩関節ピッチ軸4と、肩関節ロール軸5と、上腕ヨー軸6、肘(Elbow)における肘関節ピッチ軸7と、手首(Wrist)における手首関節ヨー軸8と、手部とで構成される。手部は、実際には、複数本の指を含む多関節・多自由度構造体である。   Each arm portion has a degree of freedom as a shoulder joint pitch axis 4 at the shoulder, a shoulder joint roll axis 5, an upper arm yaw axis 6, an elbow joint pitch axis 7 at the elbow, and a wrist ( Wrist) is composed of a wrist joint yaw axis 8 and a hand portion. The hand part is actually a multi-joint / multi-degree-of-freedom structure including a plurality of fingers.

また、体幹部(Trunk)は、体幹ピッチ軸9と、体幹ロール軸10という2自由度を有する。   The trunk (Trunk) has two degrees of freedom: a trunk pitch axis 9 and a trunk roll axis 10.

また、下肢を構成する各々の脚部は、股関節(Hip)における股関節ヨー軸11と、股関節ピッチ軸12と、股関節ロール軸13と、膝(Knee)における膝関節ピッチ軸14と、足首(Ankle)における足首関節ピッチ軸15と、足首関節ロール軸16と、足部とで構成される。   Further, each leg part constituting the lower limb includes a hip joint yaw axis 11 at the hip joint (Hip), a hip joint pitch axis 12, a hip joint roll axis 13, a knee joint pitch axis 14 at the knee (Knee), and an ankle (Ankle). ), An ankle joint pitch axis 15, an ankle joint roll axis 16, and a foot.

但し、エンターティンメント向けの脚式移動ロボット100が上述したすべての自由度を装備しなければならない訳でも、あるいはこれに限定される訳でもない。設計・製作上の制約条件や要求仕様などに応じて、自由度すなわち関節数を適宜増減することができることは言うまでもない。   However, the entertainment-type legged mobile robot 100 does not have to be equipped with all the above-mentioned degrees of freedom, or is not limited to this. It goes without saying that the degree of freedom, that is, the number of joints, can be increased or decreased as appropriate in accordance with design / manufacturing constraints and required specifications.

上述したような脚式移動ロボット100が持つ各自由度は、実際にはアクチュエータを用いて実装される。外観上で余分な膨らみを排してヒトの自然体形状に近似させること、2足歩行という不安定構造体に対して姿勢制御を行うことなどの要請から、アクチュエータは小型且つ軽量であることが好ましい。本実施形態では、ギア直結型で且つサーボ制御系をワンチップ化してモータ・ユニットに内蔵したタイプの小型ACサーボ・アクチュエータを搭載することとした(この種のACサーボ・アクチュエータに関しては、例えば本出願人に既に譲渡されている特開2000−299970号公報に開示されている)。本実施形態では、直結ギアとして低減速ギアを採用することにより、人間との物理的インタラクションを重視するタイプのロボット100に求められている駆動系自身の受動的特性を得ている。また、低減速器は高減速器に比し軽量であることから、質量分布の調整・管理が容易になるという利点もある。   Each degree of freedom of the legged mobile robot 100 as described above is actually implemented using an actuator. It is preferable that the actuator be small and light in light of demands such as eliminating the appearance of extra bulges on the appearance and approximating the shape of a human body, and performing posture control on an unstable structure such as biped walking. . In the present embodiment, a small AC servo actuator of a gear direct connection type and a servo control system made into one chip and built in a motor unit is mounted (for this type of AC servo actuator, for example, this JP-A 2000-299970 already assigned to the applicant). In the present embodiment, by adopting a reduced speed gear as a direct connection gear, the passive characteristics of the drive system required for the robot 100 of a type that places importance on physical interaction with humans are obtained. Further, since the reduction speed reducer is lighter than the high speed reducer, there is an advantage that the mass distribution can be easily adjusted and managed.

B.脚式移動ロボットの制御システム構成
図4には、脚式移動ロボット100の制御システム構成を模式的に示している。同図に示すように、脚式移動ロボット100は、ヒトの四肢を表現した各機構ユニット30,40,50R/L,60R/Lと、各機構ユニット間の協調動作を実現するための適応制御を行う制御ユニット80とで構成される(但し、R及びLの各々は、右及び左の各々を示す接尾辞である。以下同様)。
B. Control System Configuration of Legged Mobile Robot FIG. 4 schematically shows a control system configuration of the legged mobile robot 100. As shown in the figure, the legged mobile robot 100 includes each of the mechanism units 30, 40, 50R / L, 60R / L expressing human limbs, and adaptive control for realizing a cooperative operation between the mechanism units. (Where R and L are suffixes indicating right and left, and so on).

脚式移動ロボット100全体の動作は、制御ユニット80によって統括的に制御される。制御ユニット80は、CPU(Central Processing Unit)やメモリ等の主要回路コンポーネント(図示しない)で構成される主制御部81と、電源回路やロボット100の各構成要素とのデータやコマンドの授受を行うインターフェース(いずれも図示しない)などを含んだ周辺回路82とで構成される。   The entire operation of the legged mobile robot 100 is controlled by the control unit 80 in an integrated manner. The control unit 80 exchanges data and commands between the main control unit 81 including main circuit components (not shown) such as a CPU (Central Processing Unit) and a memory, and each component of the power supply circuit and the robot 100. The peripheral circuit 82 includes an interface (none of which is shown).

本発明を実現する上で、この制御ユニット80の設置場所は特に限定されない。図4では体幹部ユニット40に搭載されているが、頭部ユニット30に搭載してもよい。あるいは、脚式移動ロボット100外に制御ユニット80を配備して、脚式移動ロボット100の機体とは有線若しくは無線で交信するようにしてもよい。   In realizing the present invention, the installation location of the control unit 80 is not particularly limited. Although it is mounted on the trunk unit 40 in FIG. 4, it may be mounted on the head unit 30. Alternatively, the control unit 80 may be provided outside the legged mobile robot 100 so as to communicate with the body of the legged mobile robot 100 by wire or wirelessly.

図3に示した脚式移動ロボット100内の各関節自由度は、それぞれに対応するアクチュエータによって実現される。すなわち、頭部ユニット30には、首関節ヨー軸1、第1及び第2の首関節ピッチ軸2A及び2B、首関節ロール軸3の各々を表現する首関節ヨー軸アクチュエータA1、第1の首関節ピッチ軸アクチュエータA2A、第2の首関節ピッチ軸アクチュエータA2B、首関節ロール軸アクチュエータA3が配設されている。 Each joint degree of freedom in the legged mobile robot 100 shown in FIG. 3 is realized by a corresponding actuator. That is, the head unit 30 includes a neck joint yaw axis actuator A 1 representing the neck joint yaw axis 1, the first and second neck joint pitch axes 2 A and 2 B, and the neck joint roll axis 3. A neck joint pitch axis actuator A 2A , a second neck joint pitch axis actuator A 2B , and a neck joint roll axis actuator A 3 are provided.

また、体幹部ユニット40には、体幹ピッチ軸9、体幹ロール軸10の各々を表現する体幹ピッチ軸アクチュエータA9、体幹ロール軸アクチュエータA10が配備されている。 The trunk unit 40 is provided with a trunk pitch axis actuator A 9 and a trunk roll axis actuator A 10 that represent the trunk pitch axis 9 and the trunk roll axis 10 .

また、腕部ユニット50R/Lは、上腕ユニット51R/Lと、肘関節ユニット52R/Lと、前腕ユニット53R/Lに細分化されるが、肩関節ピッチ軸4、肩関節ロール軸5、上腕ヨー軸6、肘関節ピッチ軸7、手首関節ヨー軸8の各々を表現する肩関節ピッチ軸アクチュエータA4、肩関節ロール軸アクチュエータA5、上腕ヨー軸アクチュエータA6、肘関節ピッチ軸アクチュエータA7、手首関節ヨー軸アクチュエータA8が配備されている。 Further, the arm unit 50R / L is subdivided into an upper arm unit 51R / L, an elbow joint unit 52R / L, and a forearm unit 53R / L, but a shoulder joint pitch axis 4, a shoulder joint roll axis 5, an upper arm Shoulder joint pitch axis actuator A 4 representing the yaw axis 6, elbow joint pitch axis 7 and wrist joint yaw axis 8, shoulder joint roll axis actuator A 5 , upper arm yaw axis actuator A 6 , elbow joint pitch axis actuator A 7 , wrist joint yaw axis actuator A 8 is deployed.

また、脚部ユニット60R/Lは、大腿部ユニット61R/Lと、膝ユニット62R/Lと、脛部ユニット63R/Lに細分化されるが、股関節ヨー軸11、股関節ピッチ軸12、股関節ロール軸13、膝関節ピッチ軸14、足首関節ピッチ軸15、足首関節ロール軸16の各々を表現する股関節ヨー軸アクチュエータA11、股関節ピッチ軸アクチュエータA12、股関節ロール軸アクチュエータA13、膝関節ピッチ軸アクチュエータA14、足首関節ピッチ軸アクチュエータA15、足首関節ロール軸アクチュエータA16が配備されている。 The leg unit 60R / L is subdivided into a thigh unit 61R / L, a knee unit 62R / L, and a shin unit 63R / L, but the hip joint yaw axis 11, hip joint pitch axis 12, hip joint The hip joint yaw axis actuator A 11 , the hip joint pitch axis actuator A 12 , the hip joint roll axis actuator A 13 , the knee joint pitch representing the roll axis 13, the knee joint pitch axis 14, the ankle joint pitch axis 15, and the ankle joint roll axis 16. An axis actuator A 14 , an ankle joint pitch axis actuator A 15 , and an ankle joint roll axis actuator A 16 are provided.

各関節に用いられるアクチュエータA1,A2,A3…は、より好ましくは、ギア直結型で且つサーボ制御系をワンチップ化してモータ・ユニット内に搭載したタイプの小型ACサーボ・アクチュエータ(前述)で構成することができる。 The actuators A 1 , A 2 , A 3 ... Used for each joint are more preferably a small AC servo actuator of the type directly mounted on the gear and mounted in the motor unit with the servo control system integrated into a single chip. ).

頭部ユニット30、体幹部ユニット40、腕部ユニット50、各脚部ユニット60など各機構ユニットに対して、アクチュエータ駆動制御用の副制御部35,45,55,65が配備されている。   For each mechanism unit such as the head unit 30, the trunk unit 40, the arm unit 50, and each leg unit 60, sub-control units 35, 45, 55, and 65 for actuator drive control are provided.

機体の体幹部40には、加速度センサ95と姿勢センサ96が配設されている。加速度センサ95は、X,Y,Z各軸方向に配置する。機体の腰部に加速度センサ95を配設することによって、質量操作量が大きな部位である腰部を制御目標点として設定して、その位置における姿勢や加速度を直接計測して、ZMPに基づく姿勢安定制御を行なうことができる。   An acceleration sensor 95 and a posture sensor 96 are disposed on the trunk 40 of the body. The acceleration sensor 95 is disposed in the X, Y, and Z axial directions. By placing the acceleration sensor 95 on the waist of the airframe, the waist where the mass manipulated variable is large is set as a control target point, and the posture and acceleration at that position are directly measured, and posture stability control based on ZMP Can be performed.

また、各脚部60R,Lには、接地確認センサ91及び92と、加速度センサ93,94がそれぞれ配設されている。接地確認センサ91及び92は、例えば足底に圧力センサを装着することにより構成され、床反力の有無により足底が着床したか否かを検出することができる。また、加速度センサ93,94は、少なくともX及びYの各軸方向に配置する。左右の足部に加速度センサ93,94を配設することにより、ZMP位置に最も近い足部で直接ZMP方程式を組み立てることができる。   Further, ground check sensors 91 and 92 and acceleration sensors 93 and 94 are disposed on the leg portions 60R and 60L, respectively. The ground contact confirmation sensors 91 and 92 are configured by, for example, mounting a pressure sensor on the sole, and can detect whether the sole has landed based on the presence or absence of a floor reaction force. The acceleration sensors 93 and 94 are arranged in at least the X and Y axial directions. By disposing the acceleration sensors 93 and 94 on the left and right feet, the ZMP equation can be directly assembled with the feet closest to the ZMP position.

質量操作量が大きな部位である腰部にのみ加速度センサを配置した場合、腰部のみが制御目標点に設定され、足部の状態は、この制御目標点の計算結果を基に相対的に算出しなければならず、足部と路面との間では以下の条件を満たすことが、前提となってしまう。   When an acceleration sensor is placed only on the waist where the mass manipulated variable is large, only the waist is set as the control target point, and the foot state must be relatively calculated based on the calculation result of this control target point. It is necessary to satisfy the following conditions between the foot and the road surface.

(1)路面はどんな力やトルクが作用しても動くことがない。
(2)路面での並進に対する摩擦係数は充分に大きく、滑りが生じない。
(1) The road surface does not move no matter what force or torque is applied.
(2) The friction coefficient with respect to translation on the road surface is sufficiently large, and no slip occurs.

これに対し、本実施形態では、上述したように、路面との接触部位である足部にZMPと力を直接する反力センサ・システム(床反力センサなど)を配備するとともに、制御に用いるローカル座標とその座標を直接的に計測するための加速度センサを配設する。この結果、ZMP位置に最も近い足部で直接ZMP方程式を組み立てることができ、上述したような前提条件に依存しない、より厳密な姿勢安定制御を高速で実現することができる。したがって、力やトルクが作用すると路面が動いてしまう砂利上や毛足の長い絨毯上や、並進の摩擦係数が充分に確保できずに滑りが生じ易い住居のタイルなどであっても、機体の安定歩行(運動)を保証することができる。   On the other hand, in the present embodiment, as described above, a reaction force sensor system (such as a floor reaction force sensor) that directly applies a force to the ZMP is provided on the foot, which is a contact portion with the road surface, and used for control. An acceleration sensor for directly measuring the local coordinates and the coordinates is provided. As a result, the ZMP equation can be directly assembled with the foot portion closest to the ZMP position, and more rigorous posture stabilization control that does not depend on the preconditions described above can be realized at high speed. Therefore, even on a gravel where the road surface moves when force or torque is applied, on a carpet with long bristle feet, or in a residential tile where the translational friction coefficient cannot be sufficiently secured and slipping easily occurs. Stable walking (motion) can be guaranteed.

主制御部80は、各センサ91〜93の出力に応答して制御目標をダイナミックに補正することができる。より具体的には、副制御部35、45、55、65の各々に対して適応的な制御を行い、脚式移動ロボット100の上肢、体幹、及び下肢が協調して駆動する全身運動パターンを実現する。   The main control unit 80 can dynamically correct the control target in response to the outputs of the sensors 91 to 93. More specifically, the whole body movement pattern in which adaptive control is performed on each of the sub-control units 35, 45, 55, and 65, and the upper limbs, trunk, and lower limbs of the legged mobile robot 100 are driven in cooperation. Is realized.

ロボット100の機体上での全身運動は、足部運動、ZMP軌道、体幹運動、上肢運動、腰部高さなどを設定するとともに、これらの設定内容に従った動作を指示するコマンドを各副制御部35、45、55、65に転送する。そして、各々の副制御部35、45、…では、主制御部81からの受信コマンドを解釈して、各アクチュエータA1、A2、A3、…に対して駆動制御信号を出力する。ここで言う「ZMP」とは、歩行中の床反力によるモーメントがゼロとなる床面上の点のことであり、また、「ZMP軌道」とは、例えばロボット100の歩行動作期間中にZMPが動く軌跡を意味する(前述)。 The whole body movement on the body of the robot 100 sets the foot movement, the ZMP trajectory, the trunk movement, the upper limb movement, the waist height, and the like, and commands for instructing the movement in accordance with these setting contents. Forward to the units 35, 45, 55, 65. Each of the sub-control section 35, 45, ... In, interprets the command received from the main control unit 81, the actuators A 1, A 2, A 3 , and outputs a drive control signal to .... Here, “ZMP” refers to a point on the floor where the moment due to floor reaction force during walking is zero, and “ZMP trajectory” refers to, for example, ZMP during the walking motion period of the robot 100. Means the trajectory that moves (see above).

C.脚式移動ロボットの運動系基本状態遷移
本実施形態に係る脚式移動ロボットの制御システムは、複数の基本姿勢を定義する。各々の基本姿勢は、機体の安定性や、消費エネルギ、次の状態への遷移を考慮して定義されており、基本姿勢間の遷移という形態により機体運動を効率的に制御することができる。
C. Motion System Basic State Transition of Legged Mobile Robot The legged mobile robot control system according to the present embodiment defines a plurality of basic postures. Each basic posture is defined in consideration of the stability of the airframe, energy consumption, and transition to the next state, and the motion of the airframe can be efficiently controlled by a form of transition between basic postures.

図5には、本実施形態に係る脚式移動ロボットの運動系が持つ基本状態遷移を示している。同図に示すように、脚式移動ロボットは、基本仰向け姿勢、基本立ち姿勢、基本歩行姿勢、基本座り姿勢、基本うつ伏せ姿勢がそれぞれ仰向け時、立脚時、歩行準備時、着席時、及びうつ伏せ時における機体の安定性や、消費エネルギ、次の状態への遷移を考慮して定義されている。   FIG. 5 shows basic state transitions of the motion system of the legged mobile robot according to the present embodiment. As shown in the figure, the legged mobile robot has a basic supine posture, basic standing posture, basic walking posture, basic sitting posture, and basic prone posture. Is defined taking into account the stability of the aircraft, energy consumption, and transition to the next state.

これら基本姿勢は、機体の動作制御プログラムのプラットフォームに位置付けられる。また、脚式移動ロボットは、立ち姿勢などにおいて、歩行や跳躍、ダンスなど全身動作を利用した各種のパフォーマンスを行なうが、その装置制御プログラムは、プラットフォーム上で動作するアプリケーションとして位置付けられる。これらアプリケーション・プログラムは、外部記憶から随時ロードされ、主制御部81によって実行される。   These basic attitudes are positioned on the platform of the aircraft motion control program. In addition, the legged mobile robot performs various performances using the whole body motion such as walking, jumping and dancing in a standing posture, etc., and its device control program is positioned as an application that operates on the platform. These application programs are loaded from the external storage as needed, and are executed by the main control unit 81.

図6には、脚式移動ロボット100の基本仰向け姿勢を示している。本実施形態では、機体への電源投入時には基本仰向け姿勢をとり、転倒などの心配がなく機械運動的に最も安定した状態からの起動を行うことができる。また、脚式移動ロボットは、起動時だけでなくシステム動作の終了時も基本仰向け姿勢に復帰するようになっている。したがって、機械運動学的に機体が最も安定した状態で作業を開始するとともに、最も安定した状態で作業を終了することから、脚式移動ロボットの動作オペレーションは自己完結的となる。   FIG. 6 shows the basic supine posture of the legged mobile robot 100. In this embodiment, when the power to the airframe is turned on, the posture is in the basic supine position, and it is possible to start from the most stable state in terms of mechanical motion without fear of falling. In addition, the legged mobile robot returns to the basic supine posture not only at the start but also at the end of the system operation. Accordingly, the operation starts with the machine kinematically most stable and finishes the operation with the most stable state, so that the operation operation of the legged mobile robot becomes self-contained.

勿論、機体の転倒時においても、床上での所定のモーションを経て一旦基本仰向け姿勢に戻った後に、規定の立ち上がり動作を実行することにより、基本立ち姿勢を介して、作業中断時の元の姿勢を回復することができる。   Of course, even when the aircraft falls, after returning to the basic supine posture after performing a predetermined motion on the floor, the original posture at the time of work interruption through the basic standing posture by executing the specified standing up motion Can be recovered.

また、本実施形態に係る脚式移動ロボットは、床上での基本姿勢として、基本仰向け姿勢の他に、図7に示したような基本うつ伏せ姿勢を備えている。この基本うつ伏せ姿勢は、基本仰向け姿勢と同様に、機械運動学的に機体が最も安定した状態であり、電源が遮断された脱力状態においても姿勢安定性を維持することができる。例えば、脚式作業において不測の外力などにより機体が転倒した場合、仰向け又はうつ伏せのいずれの状態で落下するか不明なので、本実施形態では、このように2通りの床上基本姿勢を規定している。   Moreover, the legged mobile robot according to the present embodiment has a basic prone posture as shown in FIG. 7 in addition to the basic supine posture as a basic posture on the floor. This basic prone posture, like the basic supine posture, is a state in which the airframe is most stable mechanically, and posture stability can be maintained even in a weak state where the power is cut off. For example, in the case of a legged work, when the aircraft falls down due to an unexpected external force or the like, it is unclear whether it will fall in the supine or prone state, so in this embodiment, two basic positions on the floor are defined in this way. .

基本仰向け姿勢と基本うつ伏せ姿勢の間は、各種の床上姿勢を経て可逆的に遷移することができる。逆に言えば、これら基本仰向け姿勢と基本うつ伏せ姿勢を基準にして各種の床上姿勢へ円滑に状態遷移することができる。   It is possible to reversibly transition between the basic supine posture and the basic prone posture through various on-floor postures. In other words, it is possible to smoothly make a state transition to various on-floor postures based on these basic supine postures and basic prone postures.

基本仰向け姿勢は、機械運動学的には最も安定した基本姿勢であるが、脚式作業を考慮した場合、円滑な状態遷移を行うことはできない。そこで、図8に示すような基本立ち姿勢が定義されている。基本立ち姿勢を定義することで、その後の脚式作業へ滞りなく移行することができる。   The basic supine posture is the most stable basic posture in terms of mechanical kinematics, but when taking into account legged work, smooth state transition cannot be performed. Therefore, a basic standing posture as shown in FIG. 8 is defined. By defining the basic standing posture, it is possible to move to subsequent legged work without delay.

基本立ち姿勢は、立ち状態で最も安定した状態であり、姿勢安定制御のための計算機負荷や消費電力が最小又は極小となるような姿勢であり、膝を伸展させることにより直立状態を保つためのモータ・トルクを最小限に抑えている。この基本立ち姿勢から各種の立ち姿勢へ円滑に状態遷移して、たとえば上肢を利用したダンス・パフォーマンスなどを実演することができる。   The basic standing posture is the most stable state in the standing state, and is a posture that minimizes or minimizes the computer load and power consumption for posture stabilization control, and is used to maintain an upright state by extending the knee. Motor torque is kept to a minimum. The state transitions smoothly from the basic standing posture to various standing postures, and for example, a dance performance using the upper limbs can be demonstrated.

他方、基本立ち姿勢は、姿勢安定性に優れているがこのまま歩行など脚式作業に移行するためには最適化されていない。そこで、本実施形態に係る脚式移動ロボットは、立脚状態の他の基本姿勢として、図9に示すような基本歩行姿勢を定義している。   On the other hand, the basic standing posture is excellent in posture stability, but is not optimized for shifting to legged work such as walking. Therefore, the legged mobile robot according to the present embodiment defines a basic walking posture as shown in FIG. 9 as another basic posture in the standing state.

基本立ち姿勢において、股関節、膝関節、並びに足首関節の各ピッチ軸12、14、15を駆動して、機体の重心位置を少し落とす格好にすることによって、基本歩行姿勢に遷移する。基本歩行姿勢では、通常の歩行動作を始めとして各種の脚式動作への遷移を円滑に行なうことができる。但し、膝を屈曲させた分だけ、この姿勢を維持するためのトルクが余分に必要とならことから、基本歩行姿勢は、基本立ち姿勢に比し消費電力は増大する。   In the basic standing posture, the pitch axes 12, 14, and 15 of the hip joint, the knee joint, and the ankle joint are driven so that the center of gravity of the airframe is slightly lowered, thereby shifting to the basic walking posture. In the basic walking posture, it is possible to smoothly transition to various legged motions including normal walking motions. However, since extra torque is required to maintain this posture as much as the knee is bent, the basic walking posture consumes more power than the basic standing posture.

基本立ち姿勢は、機体のZMP位置はZMP安定領域の中心付近にあり、膝の曲げ角が小さくエネルギ消費量が低い姿勢である。これに対し、基本歩行姿勢では、ZMP位置が安定領域の中心付近にあるが、高い路面適応性、高い外力適応性を確保するために膝の曲げ角を比較的大きくとっている。   The basic standing posture is a posture in which the ZMP position of the aircraft is near the center of the ZMP stable region, the knee bending angle is small, and the energy consumption is low. In contrast, in the basic walking posture, the ZMP position is near the center of the stable region, but the knee bending angle is relatively large in order to ensure high road surface adaptability and high external force adaptability.

また、本実施形態に係る脚式移動ロボットでは、さらに基本座り姿勢が定義されている。この基本座り姿勢(図示しない)では、所定の椅子に腰掛けたときに、姿勢安定制御のための計算機負荷や消費電力が最小又は極小となるような姿勢である。前述した、基本仰向け姿勢、基本うつ伏せ姿勢、並びに基本立ち姿勢からは、可逆的に基本姿勢へ遷移することができる。また、基本座り姿勢並びに基本立ち姿勢からは、各種の座り姿勢へと円滑に移行することができ、座り姿勢で例えば状態のみを用いた各種のパフォーマンスを実演することができる。   In the legged mobile robot according to the present embodiment, a basic sitting posture is further defined. In this basic sitting posture (not shown), the computer load and power consumption for posture stability control are minimized or minimized when sitting on a predetermined chair. From the above-described basic supine posture, basic prone posture, and basic standing posture, it is possible to reversibly transition to the basic posture. Further, from the basic sitting posture and the basic standing posture, it is possible to smoothly shift to various sitting postures, and various performances using only the state, for example, can be demonstrated in the sitting posture.

D.機体の質量分布
ロボットの機構設計を行なう上で、機体の質量分布を充分に考慮しないと、姿勢安定制御や消費電力の点で不利となる。例えば、基本的な姿勢である直立状態やその他の静的な姿勢において余計な負荷がかかるような質量分布をとっていると、姿勢安定制御が困難となり、消費電力の増大にもなる。
D. Mass distribution of the airframe When designing the mechanism of the robot, if the mass distribution of the airframe is not fully considered, it will be disadvantageous in terms of posture stability control and power consumption. For example, if the mass distribution is such that an extra load is applied in an upright state that is a basic posture or other static postures, posture stable control becomes difficult and power consumption increases.

また、上肢や下肢、頭部など、機体の各部位について質量分布が最適化されていないと、単に特定の部位だけを動作させただけでもモーメントが生成して、機体全体に作用を及ぼし、ZMP釣合い方程式に余分な項を作ってしまうことになる。この結果、姿勢安定制御を複雑にしてしまい、計算機コストの増大を招来してしまう。   In addition, if the mass distribution is not optimized for each part of the aircraft, such as the upper limbs, lower limbs, and head, a moment is generated even if only a specific part is operated, acting on the entire aircraft, This creates an extra term in the balance equation. As a result, posture stability control is complicated, and the computer cost increases.

そこで、本実施形態に係る脚式移動ロボット100においては、基本姿勢間の円滑な移行や、各部位の動作時におけるモーメントの発生などを考慮して、機体全体、並びに各部位についての質量分布を最適化している。   In view of this, in the legged mobile robot 100 according to the present embodiment, the mass distribution of the entire body and each part is calculated in consideration of smooth transition between basic postures and generation of moments during the operation of each part. Optimized.

D−1.機体全体の質量分布
機体全体の重心は、直立状態、基本立ち姿勢、並びに基本歩行姿勢において(対応路面が傾斜している場合を含む)、X軸座標は股関節ピッチ軸12に、Y軸座標は左右の股関節ロール軸13の中点に、Z軸座標は股関節ロール軸13と体幹ロール軸10の間に設定している(図10を参照のこと)。
D-1. Mass distribution of the entire aircraft The center of gravity of the entire aircraft is in the upright state, basic standing posture, and basic walking posture (including when the corresponding road surface is inclined), the X-axis coordinate is the hip joint pitch axis 12, and the Y-axis coordinate is The Z-axis coordinate is set between the hip roll axis 13 and the trunk roll axis 10 at the midpoint of the left and right hip roll axes 13 (see FIG. 10).

このような機体全体の重心位置の配置は、主として安定な起動、起き上がり動作を確保するためである。   The arrangement of the center of gravity position of the entire aircraft is mainly for ensuring stable start-up and rising operation.

図11〜図13には、脚式移動ロボット100が基本仰向け姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示している。また、図14〜図16には、脚式移動ロボット100が基本うつ伏せ姿勢から起き上がり動作を行なっている様子を示している。   FIGS. 11 to 13 show a state in which the legged mobile robot 100 gets up from the basic supine posture. FIGS. 14 to 16 show a state in which the legged mobile robot 100 is getting up from the basic prone posture.

脚式移動ロボット100は、外力モーメントが最小となる動作パターンよりなる起き上がり動作を行なう。これは、図示の通りZMP支持多角形が最小となるような姿勢を時系列的に組み合わせることによって実現する。   The legged mobile robot 100 performs a rising motion having an operation pattern that minimizes the external force moment. This is realized by combining the postures that minimize the ZMP support polygon in time series as illustrated.

また、図示の起き上がり動作は、体幹部を姿勢安定制御の目標位置にして動作シーケンスが組まれている。したがって、表1に示すような位置の機体重心を設定することにより、安定な起動と起き上がり動作を確保することができる。   In addition, the rising motion shown in the drawing has a motion sequence with the trunk as the target position for posture stabilization control. Therefore, by setting the center of gravity of the vehicle body at the position shown in Table 1, stable start-up and rising operation can be ensured.

D−2.頭部の質量分布
頭部における質量分布を以下に示す。
D-2. Mass distribution of the head The mass distribution in the head is shown below.

首関節ロール軸3より上の部位の重心は、首関節ロール軸3上に設定している(図17を参照のこと)。これによって、直立状態において基本立ち上げ姿勢と抱き上げ状態を経る間における安定な姿勢遷移を実現することができる。また、首ロール運動によるロール軸モーメントの発生量を軽減することにより、機体全体のZMP姿勢安定制御が首ロール運動からの影響を受けないようにすることができる。   The center of gravity of the portion above the neck joint roll shaft 3 is set on the neck joint roll shaft 3 (see FIG. 17). This makes it possible to realize stable posture transition during the basic standing posture and the lifting state in the upright state. Further, by reducing the amount of roll axis moment generated by the neck roll motion, it is possible to prevent the ZMP posture stability control of the entire aircraft from being affected by the neck roll motion.

また、首関節ヨー軸1より上の部位の重心は、首関節ヨー軸1上に設定している(図18を参照のこと)。これによって、首関節ヨー軸回りのモーメントの発生量を軽減することにより、機体全体のZMP姿勢安定制御が該ピッチ軸運動からの影響を受けないようにすることができる。   The center of gravity of the portion above the neck joint yaw axis 1 is set on the neck joint yaw axis 1 (see FIG. 18). Thus, by reducing the amount of moment generated around the neck joint yaw axis, the ZMP posture stability control of the entire aircraft can be prevented from being affected by the pitch axis motion.

また、第1の首関節ピッチ軸2Aよりも上の部位の重心は、直立状態、基本立ち姿勢、並びに基本歩行姿勢において(対応路面が傾斜している場合を含む)、頭関節ピッチ軸2Bと重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定している(図19を参照のこと)。これによって、直立状態において基本立ち上げ姿勢と抱き上げ状態を経る間における安定な姿勢遷移を実現することができる。   Further, the center of gravity of the portion above the first neck joint pitch axis 2A is in the upright state, the basic standing posture, and the basic walking posture (including the case where the corresponding road surface is inclined) and the head joint pitch axis 2B. It is set on a plane composed of gravitational acceleration vectors (see FIG. 19). This makes it possible to realize stable posture transition during the basic standing posture and the lifting state in the upright state.

また、第1の首関節ピッチ軸2Aと第2の首関節ピッチ軸2B間の部位の重心は、直立状態、基本立ち姿勢、又は基本歩行姿勢において(対応路面が傾斜している場合を含む)、頭関節ピッチ軸2Bと重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定している(図20を参照のこと)。これによって、直立状態において基本立ち上げ姿勢と抱き上げ状態を経る間における安定な姿勢遷移を実現することができる。   The center of gravity of the portion between the first neck joint pitch axis 2A and the second neck joint pitch axis 2B is in an upright state, a basic standing posture, or a basic walking posture (including a case where the corresponding road surface is inclined). The head joint pitch axis 2B and the gravitational acceleration vector are set on a plane (see FIG. 20). This makes it possible to realize stable posture transition during the basic standing posture and the lifting state in the upright state.

また、第2の首関節ピッチ軸2Bと首関節ロール軸3間の部位の重心は、首関節ピッチ軸2B上に設定している(図21を参照のこと)。これによって、第2の首関節ピッチ軸2B回りの運動時において、該ピッチ軸回りのモーメントの発生を軽減することにより、機体全体のZMP姿勢安定制御が該ピッチ軸運動からの影響を受けないようにすることができる。   The center of gravity of the portion between the second neck joint pitch axis 2B and the neck joint roll axis 3 is set on the neck joint pitch axis 2B (see FIG. 21). As a result, during the movement around the second neck joint pitch axis 2B, the generation of moments around the pitch axis is reduced, so that the ZMP attitude stability control of the entire aircraft is not affected by the pitch axis movement. Can be.

また、首関節ヨー軸1から第2の首関節ピッチ軸2B間の部位の重心は、該首関節ピッチ軸2B上に設定している(図22を参照のこと)。これによって、首関節ヨー軸1回りの運動によるヨー軸モーメントの発生を軽減することにより、機体全体のZMP姿勢安定制御が該ヨー軸運動からの影響を受けないようにすることができる。   The center of gravity of the portion between the neck joint yaw axis 1 and the second neck joint pitch axis 2B is set on the neck joint pitch axis 2B (see FIG. 22). Thus, by reducing the generation of the yaw axis moment due to the movement around the neck joint yaw axis 1, it is possible to prevent the ZMP posture stability control of the entire aircraft from being affected by the yaw axis movement.

また、第1の首関節ピッチ軸2Aと首関節ヨー軸1間の部位の重心は、該首関節ピッチ軸2A上に設定している(図23を参照のこと)。これによって、第1の首関節ピッチ軸2A回りに頭部が運動するときに(図24を参照のこと)、該ピッチ軸回りのモーメントの発生を軽減することにより、機体全体のZMP姿勢安定制御が該ピッチ軸運動からの影響を受けないようにすることができる。   In addition, the center of gravity of the portion between the first neck joint pitch axis 2A and the neck joint yaw axis 1 is set on the neck joint pitch axis 2A (see FIG. 23). As a result, when the head moves around the first neck joint pitch axis 2A (see FIG. 24), the ZMP attitude stability control of the entire aircraft is reduced by reducing the generation of moments around the pitch axis. Can be prevented from being affected by the pitch axis motion.

図25には、表2に示したような質量分布に従ってモータやフレーム、電子回路基板などの各重量物が好適に配置されたロボット頭部の内部構成を図解している。   FIG. 25 illustrates an internal configuration of a robot head in which heavy objects such as a motor, a frame, and an electronic circuit board are suitably arranged according to the mass distribution shown in Table 2.

また、図26には、図25からフレームのみを抽出して描いている。また、図27には、図25から首関節ヨー軸1、第1の首関節ピッチ軸2A、第2の首関節(頭)ピッチ軸2B、及び首関節ロール軸3の各関節軸駆動用モータのみを抽出して描いている。これらの部品が配置される位置関係は、表2に示した質量分布に従って決定されている点に充分留意されたい。   In FIG. 26, only the frame is extracted from FIG. FIG. 27 shows the joint axis drive motors of the neck joint yaw axis 1, the first neck joint pitch axis 2A, the second neck joint (head) pitch axis 2B, and the neck joint roll axis 3 from FIG. Only extracted and drawn. It should be noted that the positional relationship in which these components are arranged is determined according to the mass distribution shown in Table 2.

D−3.腕部の質量分布
腕部における質量分布を以下に示す。
D-3. Mass distribution of arm The mass distribution in the arm is shown below.

手首ヨー軸8よりも先端の部位の重心は、手首ヨー軸8上に設定している(図28を参照のこと)。これによって、手首ヨー軸8回りの運動時において、該ヨー軸回りのモーメントの発生を軽減することにより、機体全体のZMP姿勢安定制御が該ピッチ軸運動からの影響を受けないようにすることができる。   The center of gravity at the tip of the wrist yaw axis 8 is set on the wrist yaw axis 8 (see FIG. 28). As a result, during the movement around the wrist yaw axis 8, the generation of moments around the yaw axis is reduced, so that the ZMP attitude stability control of the entire aircraft is not affected by the pitch axis movement. it can.

また、上腕ヨー軸6と手首ヨー軸間の部位の重心は、上腕ヨー軸6上に設定している(図29を参照のこと)。これによって、上腕ヨー軸6回りの運動時において、該ヨー軸回りのモーメントの発生を軽減することにより、機体全体のZMP姿勢安定制御が該ピッチ軸運動からの影響を受けないようにすることができる。   The center of gravity of the portion between the upper arm yaw axis 6 and the wrist yaw axis is set on the upper arm yaw axis 6 (see FIG. 29). As a result, during the movement around the upper arm yaw axis 6, the generation of moments around the yaw axis is reduced, so that the ZMP attitude stability control of the entire aircraft is not affected by the pitch axis movement. it can.

また、肩ロール軸5より先端の部位の重心は、直立状態、基本立ち姿勢、又は基本歩行姿勢において(対応路面が傾斜している場合を含む)、肩ロール軸5と重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定している(図30を参照のこと)。これによって、直立状態において基本立ち上げ姿勢と抱き上げ状態を経る間における安定な姿勢遷移を実現することができる。   Further, the center of gravity at the tip of the shoulder roll shaft 5 is composed of the shoulder roll shaft 5 and the gravitational acceleration vector in an upright state, a basic standing posture, or a basic walking posture (including a case where the corresponding road surface is inclined). (See FIG. 30). This makes it possible to realize stable posture transition during the basic standing posture and the lifting state in the upright state.

また、肘ピッチ軸7より先端の部位の重心は、直立状態、基本立ち姿勢、又は基本歩行姿勢において(対応路面が傾斜している場合を含む)、肘ピッチ軸7と重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定している(図31を参照のこと)。これによって、直立状態において基本立ち上げ姿勢と抱き上げ状態を経る間における安定な姿勢遷移を実現することができる。   Further, the center of gravity at the tip of the elbow pitch axis 7 is composed of the elbow pitch axis 7 and the gravitational acceleration vector in an upright state, a basic standing posture, or a basic walking posture (including when the corresponding road surface is inclined). (See FIG. 31). This makes it possible to realize stable posture transition during the basic standing posture and the lifting state in the upright state.

また、肩ピッチ軸4と肘ピッチ軸7の間の部位の重心は、直立状態、基本立ち姿勢、又は基本歩行姿勢において(対応路面が傾斜している場合を含む)、肩ピッチ軸4と重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定している(図32を参照のこと)。これによって、直立状態において基本立ち上げ姿勢と抱き上げ状態を経る間における安定な姿勢遷移を実現することができる。   The center of gravity of the portion between the shoulder pitch axis 4 and the elbow pitch axis 7 is in the upright state, the basic standing posture, or the basic walking posture (including the case where the corresponding road surface is inclined) and the gravity center. It is set on a plane composed of acceleration vectors (see FIG. 32). This makes it possible to realize stable posture transition during the basic standing posture and the lifting state in the upright state.

また、肘ピッチ軸7と手首ヨー軸8の間の部位の重心は、肘ピッチ軸7上に設定している(図33を参照のこと)。これによって、肘ピッチ軸7回りの運動時において、該ピッチ軸回りのモーメントの発生を軽減することにより、機体全体のZMP姿勢安定制御が該ピッチ軸運動からの影響を受けないようにすることができる。   The center of gravity of the portion between the elbow pitch axis 7 and the wrist yaw axis 8 is set on the elbow pitch axis 7 (see FIG. 33). This reduces the generation of moments around the pitch axis during movement around the elbow pitch axis 7 so that the ZMP attitude stability control of the entire aircraft is not affected by the pitch axis movement. it can.

また、上腕ヨー軸6と肘ピッチ軸7の間の部位の重心は、上腕ヨー軸6上に設定している(図34を参照のこと)。これによって、上腕ヨー軸6回りの運動時において、該ヨー軸回りのモーメントの発生を軽減することにより、機体全体のZMP姿勢安定制御が該ピッチ軸運動からの影響を受けないようにすることができる。   The center of gravity of the portion between the upper arm yaw axis 6 and the elbow pitch axis 7 is set on the upper arm yaw axis 6 (see FIG. 34). As a result, during the movement around the upper arm yaw axis 6, the generation of moments around the yaw axis is reduced, so that the ZMP attitude stability control of the entire aircraft is not affected by the pitch axis movement. it can.

また、肩ロール軸5と上腕ヨー軸6の間の部位の重心は、直立状態、基本立ち姿勢、又は基本歩行姿勢において(対応路面が傾斜している場合を含む)、肩ロール軸5と重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定している(図35を参照のこと)。これによって、直立状態において基本立ち上げ姿勢と抱き上げ状態を経る間における安定な姿勢遷移を実現することができる。   The center of gravity of the portion between the shoulder roll shaft 5 and the upper arm yaw shaft 6 is in the upright state, the basic standing posture, or the basic walking posture (including the case where the corresponding road surface is inclined) and the gravity of the shoulder roll shaft 5. It is set on a plane composed of acceleration vectors (see FIG. 35). This makes it possible to realize stable posture transition during the basic standing posture and the lifting state in the upright state.

また、肩ピッチ軸4と肩ロール軸5の間の部位の重心は、肩ピッチ軸4上に設定している(図36を参照のこと)。これによって、肩ピッチ軸4回りの運動時において、該ピッチ軸回りのモーメントの発生を軽減することにより、機体全体のZMP姿勢安定制御が該ピッチ軸運動からの影響を受けないようにすることができる。   Further, the center of gravity of the portion between the shoulder pitch axis 4 and the shoulder roll axis 5 is set on the shoulder pitch axis 4 (see FIG. 36). As a result, during the movement around the shoulder pitch axis 4, the generation of moments around the pitch axis is reduced, so that the ZMP attitude stabilization control of the entire aircraft is not affected by the pitch axis movement. it can.

図37には、表3に示したような質量分布に従ってモータやフレームが配置された腕部の内部構成を図解している。   FIG. 37 illustrates the internal configuration of the arm portion in which the motor and the frame are arranged according to the mass distribution as shown in Table 3.

また、図38には、図37から腕部のフレームのみ(手先を含む)を抽出して描いている。また、図39には、図37から肩関節ロール軸5、上腕ヨー軸6、肘ピッチ軸7、手首関節ヨー軸8の各関節軸駆動用モータ、並びに手先を抽出して描いている。これらの部品が配置される位置関係は、表3に示した質量分布に従って決定されている点に充分留意されたい。   In FIG. 38, only the frame of the arm portion (including the hand) is extracted from FIG. In FIG. 39, the motors for driving the respective joint axes of the shoulder joint roll axis 5, the upper arm yaw axis 6, the elbow pitch axis 7, and the wrist joint yaw axis 8 and the hand are extracted from FIG. It should be noted that the positional relationship in which these components are arranged is determined according to the mass distribution shown in Table 3.

D−4.胴体部の質量分布
胴体部における質量分布を以下に示す。
D-4. Mass distribution of body part The mass distribution in the body part is shown below.

体幹ピッチ軸9と第1の首関節ピッチ軸2Aの間の部位の重心は、取っ手と重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定している(図40を参照のこと)。これによって、直立状態において基本立ち上げ姿勢と抱き上げ状態を経る間における安定な姿勢遷移を実現することができる。   The center of gravity of the portion between the trunk pitch axis 9 and the first neck joint pitch axis 2A is set on a plane composed of a handle and a gravitational acceleration vector (see FIG. 40). This makes it possible to realize stable posture transition during the basic standing posture and the lifting state in the upright state.

また、体幹ピッチ軸9と第1の首関節ピッチ軸2Aの間の部位の重心は、直立状態、基本立ち姿勢、又は基本歩行姿勢において(対応路面が傾斜している場合を含む)、第1の首関節ピッチ軸2Aと重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定している(図41を参照のこと)。これによって、X方向における外乱適応と移動機能の股関節と体幹ピッチ軸可動角度を最大限に活用することが可能となる。   Further, the center of gravity of the portion between the trunk pitch axis 9 and the first neck joint pitch axis 2A is in the upright state, the basic standing posture, or the basic walking posture (including the case where the corresponding road surface is inclined). 1 is set on a plane composed of a neck joint pitch axis 2A and a gravitational acceleration vector (see FIG. 41). As a result, the hip joint and trunk pitch axis movable angle of disturbance adaptation and movement function in the X direction can be utilized to the maximum extent.

また、体幹ロール軸10と体幹ピッチ軸9の間の部位の重心は、体幹ロール軸10上に設定している(図42を参照のこと)。これによって、体幹ロール軸10回りの運動時において、該ロール軸回りのモーメントの発生を軽減することにより、機体全体のZMP姿勢安定制御が該ピッチ軸運動からの影響を受けないようにすることができる。   Further, the center of gravity of the portion between the trunk roll axis 10 and the trunk pitch axis 9 is set on the trunk roll axis 10 (see FIG. 42). As a result, during the movement around the trunk roll axis 10, the generation of moments around the roll axis is reduced, so that the ZMP posture stability control of the entire body is not affected by the pitch axis movement. Can do.

D−5.脚部の質量分布
脚部における質量分布を以下に示す。
D-5. Mass distribution of legs The mass distribution in the legs is shown below.

股関節ピッチ軸12と膝ピッチ軸14の間の部位の重心は、基本立ち姿勢と抱き上げ(直立状態)姿勢間で、股関節ピッチ軸と重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定されている(図43を参照のこと)。これによって、直立状態において基本立ち上げ姿勢と抱き上げ状態を経る間における安定な姿勢遷移を実現することができる。   The center of gravity of the region between the hip joint pitch axis 12 and the knee pitch axis 14 is set on a plane composed of the hip joint pitch axis and the gravitational acceleration vector between the basic standing posture and the lifting (upright state) posture (see FIG. 43). This makes it possible to realize stable posture transition during the basic standing posture and the lifting state in the upright state.

また、股関節ロール軸13と股関節ピッチ軸12の間の部位の重心は、股関節ロール軸13上に設定されている(図44を参照のこと)。これによって、股関節ロール軸13回りの運動時において、該ヨー軸回りのモーメントの発生を軽減することにより、機体全体のZMP姿勢安定制御が該ピッチ軸運動からの影響を受けないようにすることができる。   The center of gravity of the portion between the hip joint roll shaft 13 and the hip joint pitch shaft 12 is set on the hip joint roll shaft 13 (see FIG. 44). This reduces the generation of moments around the yaw axis during the movement around the hip roll axis 13 so that the ZMP posture stability control of the entire aircraft is not affected by the pitch axis movement. it can.

また、膝関節ピッチ軸14と足首ピッチ軸15の間の部位の重心は、基本立ち姿勢と抱き上げ(直立状態)姿勢間で、膝関節ピッチ軸14と重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定している(図45を参照のこと)。これによって、直立状態において基本立ち上げ姿勢と抱き上げ状態を経る間における安定な姿勢遷移を実現することができる。   The center of gravity of the portion between the knee joint pitch axis 14 and the ankle pitch axis 15 is set on a plane composed of the knee joint pitch axis 14 and the gravitational acceleration vector between the basic standing posture and the lifting (upright) posture. (See FIG. 45). This makes it possible to realize stable posture transition during the basic standing posture and the lifting state in the upright state.

また、股関節ロール軸13と足首関節ロール軸16の間の部位の重心は、基本立ち姿勢と抱き上げ(直立状態)姿勢間で、股関節ロール軸13と重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定している(図46を参照のこと)。これによって、直立状態において基本立ち上げ姿勢と抱き上げ状態を経る間における安定な姿勢遷移を実現することができる。   The center of gravity of the portion between the hip joint roll shaft 13 and the ankle joint roll shaft 16 is set on a plane composed of the hip joint roll shaft 13 and the gravitational acceleration vector between the basic standing posture and the lifting (upright) posture. (See FIG. 46). This makes it possible to realize stable posture transition during the basic standing posture and the lifting state in the upright state.

また、足首ピッチ軸15と足首ロール軸16の間の部位の重心は、足首ピッチ軸15上に設定している(図47を参照のこと)。これによって、足首ピッチ軸15回りの運動時において、該ピッチ軸回りのモーメントの発生を軽減することにより、機体全体のZMP姿勢安定制御が該ピッチ軸運動からの影響を受けないようにすることができる。   Further, the center of gravity of the portion between the ankle pitch axis 15 and the ankle roll axis 16 is set on the ankle pitch axis 15 (see FIG. 47). As a result, during the movement around the ankle pitch axis 15, the generation of moments around the pitch axis is reduced, so that the ZMP attitude stability control of the entire aircraft is not affected by the pitch axis movement. it can.

また、足首ロール軸16より先端の部位の重心は、基本立ち姿勢と抱き上げ(直立状態)姿勢間で、足首ロール軸16と重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定している(図48を参照のこと)。これによって、直立状態において基本立ち上げ姿勢と抱き上げ状態を経る間における安定な姿勢遷移を実現することができる。   Further, the center of gravity at the tip of the ankle roll shaft 16 is set on a plane composed of the ankle roll shaft 16 and the gravitational acceleration vector between the basic standing posture and the lifting (upright) posture (see FIG. 48). See This makes it possible to realize stable posture transition during the basic standing posture and the lifting state in the upright state.

また、足首ロール軸16より先端の部位の重心は、足首ロール軸16上に設定している(図49を参照のこと)。これによって、足首ロール軸16回りの運動時において、該ロール軸回りのモーメントの発生を軽減することにより、機体全体のZMP姿勢安定制御が該ピッチ軸運動からの影響を受けないようにすることができる。   In addition, the center of gravity of the tip of the ankle roll shaft 16 is set on the ankle roll shaft 16 (see FIG. 49). As a result, during the movement around the ankle roll axis 16, the generation of moments around the roll axis is reduced, so that the ZMP posture stability control of the entire aircraft is not affected by the pitch axis movement. it can.

また、足首ピッチ軸15より先端の部位の重心は、基本立ち姿勢と抱き上げ(直立状態)姿勢間で、足首ピッチ軸15と重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定している(図50を参照のこと)。これによって、直立状態において基本立ち上げ姿勢と抱き上げ状態を経る間における安定な姿勢遷移を実現することができる。   Further, the center of gravity at the tip of the ankle pitch axis 15 is set on a plane composed of the ankle pitch axis 15 and the gravitational acceleration vector between the basic standing posture and the lifting (upright) posture (see FIG. 50). See This makes it possible to realize stable posture transition during the basic standing posture and the lifting state in the upright state.

また、足首ピッチ軸15より先端の部位の重心は、足首ピッチ軸15上に設定している(図51を参照のこと)。これによって、足首ピッチ軸15回りの運動時において、該ピッチ軸回りのモーメントの発生を軽減することにより、機体全体のZMP姿勢安定制御が該ピッチ軸運動からの影響を受けないようにすることができる。   In addition, the center of gravity at the tip of the ankle pitch axis 15 is set on the ankle pitch axis 15 (see FIG. 51). As a result, during the movement around the ankle pitch axis 15, the generation of moments around the pitch axis is reduced, so that the ZMP attitude stability control of the entire aircraft is not affected by the pitch axis movement. it can.

図52には、表5に示したような質量分布に従ってモータやフレームが配置された脚部の内部構成を図解している。   FIG. 52 illustrates the internal configuration of the leg portion on which the motor and the frame are arranged according to the mass distribution as shown in Table 5.

また、図53には、図52から脚部のフレームのみを抽出して描いている。また、図54には、図52から股関節ピッチ軸12、股関節ロール軸13、膝ピッチ軸14、足首ピッチ軸15、足首ロール軸16の各関節軸駆動用モータを抽出して描いている。これらの部品が配置される位置関係は、表5に示した質量分布に従って決定されている点に充分留意されたい。   53 shows only the leg frame extracted from FIG. Further, in FIG. 54, the joint axis driving motors of the hip joint pitch axis 12, the hip joint roll axis 13, the knee pitch axis 14, the ankle pitch axis 15, and the ankle roll axis 16 are extracted from FIG. It should be noted that the positional relationship in which these components are arranged is determined according to the mass distribution shown in Table 5.

以上、特定の実施例を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施例の修正や代用を成し得ることは自明である。   The present invention has been described in detail above with reference to specific embodiments. However, it is obvious that those skilled in the art can make modifications and substitutions of the embodiments without departing from the gist of the present invention.

本発明の要旨は、必ずしも「ロボット」と称される製品には限定されない。すなわち、電気的若しくは磁気的な作用を用いて人間の動作に似せた運動を行う機械装置であるならば、例えば玩具等のような他の産業分野に属する製品であっても、同様に本発明を適用することができる。   The gist of the present invention is not necessarily limited to a product called a “robot”. That is, as long as it is a mechanical device that performs a movement resembling human movement using an electrical or magnetic action, the present invention similarly applies to products belonging to other industrial fields such as toys. Can be applied.

要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、特許請求の範囲の記載を参酌すべきである。   In short, the present invention has been disclosed in the form of exemplification, and the description of the present specification should not be interpreted in a limited manner. In order to determine the gist of the present invention, the description of the scope of claims should be considered.

1…首関節ヨー軸
2A…第1の首関節ピッチ軸、2B…第2の首関節(頭)ピッチ軸
3…首関節ロール軸、4…肩関節ピッチ軸、5…肩関節ロール軸
6…上腕ヨー軸、7…肘関節ピッチ軸、8…手首関節ヨー軸
9…体幹ピッチ軸、10…体幹ロール軸、11…股関節ヨー軸
12…股関節ピッチ軸、13…股関節ロール軸、14…膝関節ピッチ軸
15…足首関節ピッチ軸、16…足首関節ロール軸
30…頭部ユニット、40…体幹部ユニット
50…腕部ユニット、51…上腕ユニット
52…肘関節ユニット、53…前腕ユニット
60…脚部ユニット、61…大腿部ユニット
62…膝関節ユニット、63…脛部ユニット
80…制御ユニット、81…主制御部、82…周辺回路
91、92…接地確認センサ
93、94…加速度センサ
95…姿勢センサ、96…加速度センサ、100…脚式移動ロボット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Neck joint yaw axis 2A ... 1st neck joint pitch axis, 2B ... 2nd neck joint (head) pitch axis 3 ... Neck joint roll axis, 4 ... Shoulder joint pitch axis, 5 ... Shoulder joint roll axis 6 ... Upper arm yaw axis, 7 ... elbow joint pitch axis, 8 ... wrist joint yaw axis, 9 ... trunk pitch axis, 10 ... trunk roll axis, 11 ... hip joint yaw axis, 12 ... hip joint pitch axis, 13 ... hip roll axis, 14 ... Knee joint pitch axis 15 ... Ankle joint pitch axis, 16 ... Ankle joint roll axis 30 ... Head unit, 40 ... Trunk unit 50 ... Arm unit, 51 ... Upper arm unit 52 ... Elbow joint unit, 53 ... Forearm unit 60 ... Leg unit 61 ... Thigh unit 62 ... Knee joint unit 63 ... Tibial unit 80 ... Control unit 81 ... Main control unit 82 ... Peripheral circuit 91, 92 ... Earth contact confirmation sensor 93, 94 ... Acceleration sensor 95 Orientation sensor, 96 ... acceleration sensor, 100 ... legged mobile robot

Claims (9)

機体胴体部と、
前記機体胴体部に取り付けられ、股関節ピッチ軸及び膝関節ピッチ軸回りの自由度をそれぞれ備えた左右の可動脚と、
前記機体に印加される各モーメントの釣合い関係を記述したZMP方程式を導出し、該ZMP方程式上で現れるモーメント・エラーを打ち消すように前記機体の目標軌道を修正することによって、前記可動脚の足底接地点と路面の形成する支持多角形の辺上あるいはその内側にピッチ軸及びロール軸モーメントがゼロなるZMPを存在させて前記機体の姿勢安定制御を行なう姿勢安定制御手段と、
直立状態、基本立ち姿勢、又は直立状態と基本立ち姿勢間で、前記股関節ピッチ軸と重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定することによって前記ZMP方程式の項数を削減した、前記股関節ピッチ軸と前記膝ピッチ軸間の部位の重心と、
を具備することを特徴とする脚式移動ロボット。
The fuselage body,
Left and right movable legs attached to the fuselage body and having degrees of freedom around the hip joint pitch axis and the knee joint pitch axis;
By deriving a ZMP equation describing the balance relationship of each moment applied to the aircraft, and correcting the target trajectory of the aircraft so as to cancel the moment error appearing on the ZMP equation, Attitude stability control means for performing attitude stability control of the airframe by causing ZMP having zero pitch axis and roll axis moments on or inside the side of the support polygon formed by the ground contact point and the road surface;
The hip joint pitch axis in which the number of terms of the ZMP equation is reduced by setting on the plane composed of the hip joint pitch axis and the gravitational acceleration vector between the upright state, the basic standing posture, or between the standing state and the basic standing posture And the center of gravity of the portion between the knee pitch axes,
A legged mobile robot comprising:
前記脚部はさらに股関節ロール軸回りの自由度を備え、
前記股関節ロール軸と前記股関節ピッチ軸間部位の重心は前記股関節ロール軸上に設定されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の脚式移動ロボット。
The leg further comprises a degree of freedom about the hip roll axis,
The center of gravity of the portion between the hip joint roll axis and the hip joint pitch axis is set on the hip joint roll axis,
The legged mobile robot according to claim 1.
前記脚部の略下端には足首ピッチ軸回りの自由度を以って足部が取り付けられており、
前記膝ピッチ軸と前記足首ピッチ軸間の部位の重心は前記膝関節ピッチ軸と重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定されている、
ことを特徴とする請求項1に記載の脚式移動ロボット。
The foot is attached to the substantially lower end of the leg with a degree of freedom around the ankle pitch axis,
The center of gravity of the portion between the knee pitch axis and the ankle pitch axis is set on a plane composed of the knee joint pitch axis and a gravitational acceleration vector.
The legged mobile robot according to claim 1.
前記足部はさらに足首ロール軸回りの自由度を備え、
前記股関節ロール軸と前記足首ロール軸間の部位の重心は前記股関節ロール軸と重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定されている、
ことを特徴とする請求項3に記載の脚式移動ロボット。
The foot further comprises a degree of freedom around the ankle roll axis,
The center of gravity of the portion between the hip joint roll axis and the ankle roll axis is set on a plane composed of the hip joint roll axis and the gravitational acceleration vector,
The legged mobile robot according to claim 3.
前記足首ピッチ軸と前記足首ロール軸間の部位の重心は前記足首ピッチ軸上に設定されている、
ことを特徴とする請求項4に記載の脚式移動ロボット。
The center of gravity of the portion between the ankle pitch axis and the ankle roll axis is set on the ankle pitch axis,
The legged mobile robot according to claim 4.
前記足首ロール軸より末端の部位の重心は前記足首ロール軸と重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定されている、
ことを特徴とする請求項4に記載の脚式移動ロボット。
The center of gravity of the portion distal to the ankle roll axis is set on a plane composed of the ankle roll axis and a gravitational acceleration vector.
The legged mobile robot according to claim 4.
前記足首ロール軸より末端の部位の重心は前記足首ロール軸上に設定されている、
ことを特徴とする請求項4に記載の脚式移動ロボット。
The center of gravity of the portion that is distal to the ankle roll axis is set on the ankle roll axis,
The legged mobile robot according to claim 4.
前記足首ピッチ軸より末端の部位の重心は前記足首ピッチ軸と重力加速度ベクトルで構成される平面上に設定されている、
ことを特徴とする請求項3に記載の脚式移動ロボット。
The center of gravity of the portion distal to the ankle pitch axis is set on a plane composed of the ankle pitch axis and a gravitational acceleration vector,
The legged mobile robot according to claim 3.
前記足首ピッチ軸より末端の部位の重心は前記足首ピッチ軸上に設定されている、
ことを特徴とする請求項3に記載の脚式移動ロボット。
The center of gravity of the portion distal to the ankle pitch axis is set on the ankle pitch axis,
The legged mobile robot according to claim 3.
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