JP4996042B2 - Robot apparatus and control method thereof, and basic attitude setting method of robot apparatus - Google Patents

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本発明は、複数の可動関節を備えたロボット装置及びその制御方法、並びにロボット装置の基本姿勢設定方法に係り、特に、各可動関節を駆動制御して装置全体としての姿勢制御を行なうロボット装置及びその制御方法、並びにロボット装置の基本姿勢設定方法に関する。   The present invention relates to a robot apparatus having a plurality of movable joints, a control method therefor, and a basic attitude setting method for the robot apparatus, and more particularly, a robot apparatus that controls the movement of each movable joint and controls the attitude of the entire apparatus. The present invention relates to a control method and a basic posture setting method of a robot apparatus.

さらに詳しくは、本発明は、所定の制御モデルを用いて姿勢制御を行なうロボット装置及びその制御方法、並びにロボット装置の基本姿勢設定方法に係り、特に、十分な剛性並びに能動特性を持つ理想的な制御モデルに対し、受動特性を持つ現実の機械モデルを適応させながら姿勢制御を行なうロボット装置及びその制御方法、並びにロボット装置の基本姿勢設定方法に関する。   More particularly, the present invention relates to a robot apparatus that performs posture control using a predetermined control model, a control method thereof, and a basic attitude setting method of the robot apparatus, and more particularly, an ideal having sufficient rigidity and active characteristics. The present invention relates to a robot apparatus that performs posture control while adapting an actual machine model having passive characteristics to a control model, a control method thereof, and a basic posture setting method of the robot apparatus.

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.

現在、2足直立歩行を始めとする脚式移動型のロボットに関する研究が盛んに行なわれている。これは、脚式移動ロボットが、不整地や障害物など作業経路上に凹凸のある歩行面や、階段や梯子の昇降など不連続な歩行面に対応することができるなど、柔軟な移動作業を実現できるというなどの理由に依る。他方、この種のロボットは姿勢が不安定で歩行制御が難しいことから、姿勢の安定性を保つ歩行制御が、最も重要な技術的課題の1つに位置付けられている。ここで言う安定な「歩行」とは、「転倒することなく、脚を使って移動すること」と定義される。   Currently, research on legged mobile robots, including biped upright walking, is being actively conducted. This is because the legged mobile robot can cope with uneven walking surfaces such as rough terrain and obstacles and discontinuous walking surfaces such as up and down stairs and ladders. It depends on the reason that it can be realized. On the other hand, since this type of robot is unstable in posture and difficult to control walking, walking control that maintains the stability of the posture is positioned as one of the most important technical issues. Stable “walking” as used herein is defined as “moving with legs without falling down”.

多くの場合、脚式移動ロボットの姿勢安定制御には、ZMP(Zero Moment Point)が歩行の安定度判別の規範として用いられている。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(例えば、非特許文献1を参照のこと)。   In many cases, ZMP (Zero Moment Point) is used as a norm for determining the stability of walking for posture stability control of a legged mobile robot. 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 mechanical reasoning, there is a point where the pitch axis and roll axis moments become zero inside the support polygon formed by the sole contact point and the road surface, that is, ZMP (for example, see Non-Patent Document 1). ).

目標ZMP制御は、すべての瞬間において、動的釣り合いを取るように運動を計画することにより、実機上で成功を収めている。ZMP規範に基づく2足歩行パターン生成は、足底着地点をあらかじめ設定することができ、路面形状に応じた足先の運動学的拘束条件を考慮し易いなどの利点がある。また、ZMPを安定度判別規範とすることは、力ではなく軌道を運動制御上の目標値として扱うことを意味するので、技術的に実現可能性が高まる。   Target ZMP control has been successful on a real machine by planning the motion to be in dynamic balance at every moment. The biped walking pattern generation based on the ZMP norm has advantages such that a foot landing point can be set in advance and it is easy to consider the kinematic constraint conditions of the foot according to the road surface shape. In addition, using ZMP as a stability determination criterion means that a trajectory is treated as a target value in motion control instead of force, and thus technically feasible.

ここで、ロボットの運動制御は、基本的にはほぼ剛体とみなされるリンクを接合する関節アクチュエータの駆動によって実現される。そして、各部位における関節角度は、関節アクチュエータに配置された位置センサにより検出され、目標値に近づくように制御が行なわれる。   Here, the motion control of the robot is basically realized by driving a joint actuator that joins links regarded as substantially rigid bodies. Then, the joint angle at each part is detected by a position sensor arranged in the joint actuator, and control is performed so as to approach the target value.

例えば、動作の開始点、分岐点、終了点など機械制御において重要な意味を持つ基本姿勢において、関節の初期化すなわちセンサの原点探索を行なう(例えば、特許文献1を参照のこと)。そして、以後は、ZMP軌道計画に基づく姿勢制御、あるいはその他の規範に基づく運動制御を行なう。   For example, in a basic posture having an important meaning in machine control, such as the start point, branch point, and end point of an operation, joint initialization, that is, origin search of a sensor is performed (for example, refer to Patent Document 1). Thereafter, attitude control based on the ZMP trajectory plan or motion control based on other standards is performed.

高精度な姿勢安定制御を実現するためには、ロボット装置の制御モデルは、十分な剛性すなわち能動特性を持つことが好ましいとされている。ところが、実際の機械モデルは、モータの減速機におけるバックラッシュや、フレームの変形などに起因する受動特性を持つ。制御に用いるモデルが実際のロボットの特性に近いほど、厳密な制御が可能である。ところが、制御に用いるモデルが複雑になるほど、計算量が指数関数的に増加してしまう。   In order to realize highly accurate posture stable control, it is preferable that the control model of the robot apparatus has sufficient rigidity, that is, active characteristics. However, the actual machine model has passive characteristics due to backlash in the motor speed reducer, deformation of the frame, and the like. The closer the model used for control is to the characteristics of the actual robot, the more precise control is possible. However, the more complex the model used for control, the more computational complexity increases exponentially.

このため、制御モデル上の理想的な関節角度を原点若しくは姿勢制御上の基準位置に設定しても、機械モデル上では受動特性のために、理想的な関節角度との間に偏差が生じてしまう。そして、この偏差のために、十分な姿勢安定制御を実現できなくなる事態を招来する。   For this reason, even if the ideal joint angle on the control model is set as the origin or the reference position for posture control, a deviation occurs between the ideal joint angle and the ideal joint angle due to passive characteristics on the machine model. End up. This deviation causes a situation in which sufficient posture stability control cannot be realized.

本発明者らは、ロボット装置の基本姿勢における制御モデル上の理想的な関節角度を、機械モデルの受動特性に応じてキャリブレーションを施す必要があると思料する。   The present inventors consider that an ideal joint angle on the control model in the basic posture of the robot apparatus needs to be calibrated according to the passive characteristics of the mechanical model.

特開2003−266338号公報JP 2003-266338 A ヴコブラトビッチ(Miomir Vukobratovic)著「脚式移動ロボット(LEGGED LOCOMOTION ROBOTS)」(加藤一郎外著『歩行ロボットと人工の足』(日刊工業新聞社))"Migir Vokobratovic" "LEGGED LOCATION ROBOTS" (Ichiro Kato's "Walking Robot and Artificial Feet" (Nikkan Kogyo Shimbun))

本発明の目的は、各可動関節を駆動制御して装置全体としての姿勢制御を行なうことができる、優れたロボット装置及びその制御方法、並びにロボット装置の基本姿勢設定方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide an excellent robot apparatus, a control method therefor, and a basic attitude setting method for the robot apparatus that can control the posture of the entire apparatus by driving and controlling each movable joint.

本発明のさらなる目的は、十分な剛性並びに能動特性を持つ理想的な制御モデルに対し、受動特性を持つ現実の機械モデルを適応させながら姿勢制御を行なうことができる、優れたロボット装置及びその制御方法、並びにロボット装置の基本姿勢設定方法を提供することにある。   A further object of the present invention is to provide an excellent robot apparatus capable of performing posture control while adapting an actual machine model having passive characteristics to an ideal control model having sufficient rigidity and active characteristics, and its control. The present invention provides a method and a basic posture setting method for a robot apparatus.

本発明のさらなる目的は、ロボット装置の基本姿勢における各関節角の制御モデル上の理想的な原点を、機械モデルの受動特性に応じてキャリブレーションを施すことができる、優れたロボット装置及びその制御方法、並びにロボット装置の基本姿勢設定方法を提供することにある。   A further object of the present invention is to provide an excellent robot apparatus capable of calibrating the ideal origin on the control model of each joint angle in the basic posture of the robot apparatus in accordance with the passive characteristics of the machine model and its control. The present invention provides a method and a basic posture setting method for a robot apparatus.

本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、複数の可動関節を備えたロボット装置において、
前記可動関節をそれぞれ駆動する駆動手段と、
前記可動関節における関節位置又はトルクを制御する駆動制御手段と、
前記可動関節における関節位置を取得する関節位置取得手段と、
前記可動関節における駆動トルクを取得するトルク取得手段と、
前記可動関節が所定の関節位置となることにより構成される前記ロボット装置の基本姿勢を管理する基本姿勢管理手段とを備え、
前記基本姿勢管理手段は、前記ロボット装置の制御モデル上の基本姿勢の関節位置を機械モデル上で再現し、前記機械モデル上で現れる受動特性成分を除去した基本姿勢を設定する、
ことを特徴とするロボット装置である。
The present invention has been made in view of the above problems, and in a robot apparatus having a plurality of movable joints,
Driving means for driving each of the movable joints;
Drive control means for controlling the joint position or torque in the movable joint;
Joint position acquisition means for acquiring a joint position in the movable joint;
Torque acquisition means for acquiring drive torque in the movable joint;
A basic posture management means for managing a basic posture of the robot apparatus configured by the movable joint being a predetermined joint position;
The basic posture management means reproduces the joint position of the basic posture on the control model of the robot apparatus on the machine model, and sets the basic posture from which passive characteristic components appearing on the machine model are removed.
It is a robot apparatus characterized by this.

ロボット装置の制御モデルは、十分な剛性すなわち能動特性を持つことが好ましい。すなわち、ロボット装置の駆動部には、バックラッシュなどの受動特性がないことがその運動制御においては望ましいと考えられている。特に、スムースな動的運動(動的歩行)の実現には、制御対象となるロボット装置の駆動部に受動特性がないことが必須条件であると考えられている。   The control model of the robot apparatus preferably has sufficient rigidity, that is, active characteristics. That is, it is considered desirable in the motion control that the drive unit of the robot apparatus does not have passive characteristics such as backlash. In particular, in order to realize a smooth dynamic motion (dynamic walking), it is considered that it is an essential condition that the drive unit of the robot apparatus to be controlled does not have passive characteristics.

ところが、実際の機械モデルは、モータの減速機におけるバックラッシュや、フレームの変形などに起因する受動特性を持つ。   However, the actual machine model has passive characteristics due to backlash in the motor speed reducer, deformation of the frame, and the like.

そこで、本発明では、ロボット装置の制御モデル上の基本姿勢の関節位置を機械モデル上で再現し、機械モデル上で現れる受動特性成分を除去した基本姿勢を設定するようにした。この結果、例えば、関節部駆動用のアクチュエータ・モータにガタを生じたり、減速機にバックラッシュがあったりするなど、可動関節が受動特性を持つ場合であっても、原点位置となる基本姿勢、若しくは基本姿勢における原点位置を好適に設定することができる。勿論、可動関節部の受動特性が経時的に変化するような場合に適用することも可能であり、脚式ロボット装置において接地情報を用いた原点自動調整を行なうこともできる。   Therefore, in the present invention, the joint position of the basic posture on the control model of the robot apparatus is reproduced on the machine model, and the basic posture is set by removing the passive characteristic component appearing on the machine model. As a result, for example, even if the movable joint has passive characteristics, such as a backlash in the actuator / motor for driving the joint, or a backlash in the speed reducer, the basic posture that is the origin position, Alternatively, the origin position in the basic posture can be suitably set. Of course, the present invention can be applied to the case where the passive characteristic of the movable joint portion changes with time, and automatic origin adjustment using ground contact information can be performed in a legged robot apparatus.

したがって、本発明によれば、ロボット装置の可動関節が受動特性を持ち、あるいは受動特性が経時的に変化する場合であっても、スムースな動的運動を実現することが可能となり、この結果、大幅なコスト削減が可能となる。   Therefore, according to the present invention, it is possible to realize a smooth dynamic motion even when the movable joint of the robot apparatus has a passive characteristic or the passive characteristic changes with time. Significant cost reduction is possible.

ここで、前記基本姿勢管理手段は、
前記可動関節が基本姿勢を形成する関節位置となるように前記駆動手段を駆動制御する基本姿勢形成手段と、
該基本姿勢を形成したときの前記可動関節の駆動トルクを取得する基本姿勢時駆動トルク取得手段と、
前記ロボット装置を制御モデル上の理想的な基本姿勢に固定する基本姿勢固定装置と、
前記ロボット装置が前記基本姿勢固定装置に固定されている状態で、前記の基本姿勢時に取得された駆動トルクを前記可動関節に発生させる駆動トルク発生手段と、
前記ロボット装置が前記基本姿勢固定装置に固定されている状態で、前記駆動トルクを発生させたときの前記可動関節の現在関節位置を、理想基本姿勢を構成する理想関節位置に設定する理想関節位置設定手段と、
前記の基本姿勢時に取得された駆動トルクを前記可動関節に発生させた状態で前記基本姿勢固定装置から前記ロボット装置を解除したときの、前記可動関節の関節位置を機械モデル上の現実の姿勢として取得する現実基本姿勢取得手段と、
で構成することができる。そして、前記現実基本姿勢との誤差が所定の許容値以下となる理想基本姿勢を前記ロボット装置の基本姿勢として設定するようにすればよい。
Here, the basic attitude management means is
Basic posture forming means for driving and controlling the drive means so that the movable joint is at a joint position forming the basic posture;
Basic posture driving torque acquisition means for acquiring the driving torque of the movable joint when the basic posture is formed;
A basic posture fixing device for fixing the robot device to an ideal basic posture on a control model;
Drive torque generation means for generating the drive torque acquired in the basic posture in the movable joint in a state where the robot device is fixed to the basic posture fixing device;
An ideal joint position that sets the current joint position of the movable joint when the driving torque is generated in a state where the robot apparatus is fixed to the basic posture fixing apparatus to an ideal joint position constituting an ideal basic posture Setting means;
The joint position of the movable joint as the actual posture on the machine model when the robot device is released from the basic posture fixing device in a state where the drive torque acquired in the basic posture is generated in the movable joint. A real basic posture acquisition means for acquiring;
Can be configured. Then, an ideal basic posture in which an error from the actual basic posture is a predetermined allowable value or less may be set as the basic posture of the robot apparatus.

前記理想関節位置設定手段によれば、前記可動関節が持つバックラッシュなどの受動特性成分をトルク印加により除去して、理想関節位置を設定することができる。   According to the ideal joint position setting means, the ideal joint position can be set by removing passive characteristic components such as backlash of the movable joint by applying torque.

前記ロボット装置は、1以上の制御対象点と、制御対象点を設定する制御対象点設定リンクと、ローカル座標原点と、ローカル座標原点を設置するローカル座標原点設置リンクで構成することができる。このような場合には、前記基本姿勢固定装置は、前記ロボット装置が理想基本姿勢となるように前記制御対象点設定リンク及び前記ローカル座標原点設置リンクを固定し、前記現実基本姿勢取得手段は、前記基本姿勢固定装置から前記ロボット装置を解除したときの、前記制御対象点及び前記ローカル座標原点の姿勢を取得するようにしてもよい。   The robot apparatus can be configured by one or more control target points, a control target point setting link for setting a control target point, a local coordinate origin, and a local coordinate origin setting link for setting a local coordinate origin. In such a case, the basic posture fixing device fixes the control target point setting link and the local coordinate origin setting link so that the robot device is in an ideal basic posture, and the actual basic posture acquisition unit includes: You may make it acquire the attitude | position of the said control object point and the said local coordinate origin when the said robot apparatus is cancelled | released from the said basic attitude fixing apparatus.

また、前記ロボット装置は、少なくとも腰部、足部、腕部、頭部を備えた脚式移動ロボットとして構成することができる。このような場合には、前記基本姿勢固定装置は、前記ロボット装置が理想基本姿勢となるように前記腰部、前記足部、前記腕部、前記頭部を固定し、前記現実基本姿勢取得手段は、前記基本姿勢固定装置から前記ロボット装置を解除したときの、前記腰部、前記足部、前記腕部、前記頭部の姿勢をそれぞれ取得するようにしてもよい。   The robot apparatus can be configured as a legged mobile robot having at least a waist, a foot, an arm, and a head. In such a case, the basic posture fixing device fixes the waist, the foot, the arm, and the head so that the robot device is in an ideal basic posture, and the actual basic posture acquisition means is The posture of the waist, the foot, the arm, and the head when the robot device is released from the basic posture fixing device may be acquired.

また、脚式移動ロボットにおいて、基本立ち姿勢では、股関節ヨー軸など中立が求められる関節においては、理想関節位置において駆動トルクがほぼゼロとなる。このような場合、前記理想関節位置設定手段は、理想関節位置における前記可動関節の駆動トルクがゼロ近傍となる場合には、駆動トルクを±各方向に所定値だけ振ったときの関節位置の略中点(すなわち、正負それぞれの方向にギアを寄せたときの中点)を理想関節位置に設定するようにしてもよい。   Further, in a legged mobile robot, in a basic standing posture, in a joint that requires neutrality such as a hip joint yaw axis, the driving torque is substantially zero at an ideal joint position. In such a case, when the driving torque of the movable joint at the ideal joint position is close to zero, the ideal joint position setting unit is an approximate joint position when the driving torque is shaken by a predetermined value in each direction ±. The midpoint (that is, the midpoint when the gears are moved in the positive and negative directions) may be set as the ideal joint position.

また、前記基本姿勢管理手段は、
前記ロボット装置を制御モデル上の理想的な基本姿勢に固定するように前記可動関節を駆動制御する基本姿勢駆動制御手段と、
前記ロボット装置が前記基本姿勢駆動制御手段により理想的な基本姿勢に固定されている状態における前記可動関節の現在関節位置を、理想基本姿勢を構成する理想関節位置に設定する理想関節位置設定手段と、
前記基本姿勢駆動制御手段による駆動制御を解除した状態で、基本姿勢となるように駆動制御された前記可動関節の関節位置を機械モデル上の現実の姿勢として取得する現実基本姿勢取得手段と、
で構成することができる、そして、前記現実基本姿勢との誤差が所定の許容値以下となる理想基本姿勢を前記ロボット装置の基本姿勢として設定するようにすればよい。
The basic attitude management means includes
Basic posture drive control means for driving and controlling the movable joint so as to fix the robot apparatus to an ideal basic posture on a control model;
Ideal joint position setting means for setting a current joint position of the movable joint in a state in which the robot apparatus is fixed to an ideal basic posture by the basic posture drive control means to an ideal joint position constituting an ideal basic posture; ,
Real basic posture acquisition means for acquiring the joint position of the movable joint that has been drive-controlled to be in a basic posture as an actual posture on a machine model in a state in which the drive control by the basic posture drive control means is cancelled;
The ideal basic posture in which an error from the actual basic posture is equal to or less than a predetermined allowable value may be set as the basic posture of the robot apparatus.

上述した基本姿勢管理手段では、基本姿勢固定装置がロボット装置を機械的に保持することで理想的な基本姿勢を形成するようにしている。これに対し、基本姿勢駆動制御手段は、制御モデル上の理想的な基本姿勢となるように前記可動関節を駆動制御することで、ロボット装置を基本姿勢に形成するようにしている。   In the basic posture management means described above, the basic posture fixing device forms an ideal basic posture by mechanically holding the robot device. On the other hand, the basic posture drive control means drives the movable joint so as to have an ideal basic posture on the control model, thereby forming the robot apparatus in the basic posture.

より具体的には、前記ロボット装置の部位の位置関係を計測するためのセンサなどの計測手段を備え、前記計測手段による計測結果が一定となるように、前記可動関節を駆動制御することで、特定の姿勢を固定する。例えば、手先やその他の部位に、床面からの距離を測定する測距センサを搭載し、この測距センサ出力が一定となるように可動関節を駆動制御することで、ロボット装置は特定の姿勢に固定される。   More specifically, it comprises a measuring means such as a sensor for measuring the positional relationship of the parts of the robot apparatus, and by driving and controlling the movable joint so that the measurement result by the measuring means becomes constant, Fix a specific posture. For example, by installing a distance measuring sensor that measures the distance from the floor surface at the hand or other part, and driving the movable joint so that the output of the distance measuring sensor is constant, the robot apparatus can be in a specific posture. Fixed to.

このような方法によれば、ロボット装置を機械的に固定する固定装置が不要となり、原点基本姿勢の設定や自動調整作業が簡易となる。   According to such a method, a fixing device for mechanically fixing the robot apparatus is not required, and the setting of the origin basic posture and the automatic adjustment work are simplified.

本発明によれば、十分な剛性並びに能動特性を持つ理想的な制御モデルに対し、受動特性を持つ現実の機械モデルを適応させながら姿勢制御を行なうことができる、優れたロボット装置及びその制御方法、並びにロボット装置の基本姿勢設定方法を提供することができる。   According to the present invention, an excellent robot apparatus capable of performing posture control while adapting an actual machine model having passive characteristics to an ideal control model having sufficient rigidity and active characteristics, and its control method In addition, a basic posture setting method for the robot apparatus can be provided.

また、本発明によれば、ロボット装置の基本姿勢における各関節角の制御モデル上の理想的な原点を、機械モデルの受動特性に応じてキャリブレーションを施すことができる、優れたロボット装置及びその制御方法、並びにロボット装置の基本姿勢設定方法を提供することができる。   Further, according to the present invention, an excellent robot apparatus capable of calibrating the ideal origin on the control model of each joint angle in the basic posture of the robot apparatus according to the passive characteristics of the machine model, and its A control method and a basic posture setting method for a robot apparatus can be provided.

本発明によれば、ロボット装置の制御モデル上の基本姿勢の関節位置を機械モデル上で再現し、機械モデル上で現れる受動特性成分を除去した基本姿勢を設定することができる。この結果、関節部駆動用のアクチュエータ・モータにガタを生じたり、減速機にバックラッシュがあったりするなど、可動関節が受動特性を持つ場合であっても、原点位置となる基本姿勢、若しくは基本姿勢における原点位置を好適に設定することができる。勿論、可動関節部の受動特性が経時的に変化するような場合に適用することも可能であり、脚式ロボット装置において接地情報を用いた原点自動調整を行なうこともできる。   According to the present invention, the joint position of the basic posture on the control model of the robot apparatus can be reproduced on the machine model, and the basic posture can be set with the passive characteristic component appearing on the machine model removed. As a result, even if the movable joint has passive characteristics such as rattling in the actuator / motor for driving the joint, backlash in the speed reducer, etc., the basic posture or basic The origin position in the posture can be suitably set. Of course, the present invention can be applied to the case where the passive characteristic of the movable joint portion changes with time, and automatic origin adjustment using ground contact information can be performed in a legged robot apparatus.

したがって、本発明によれば、ロボット装置の可動関節が受動特性を持ち、あるいは受動特性が経時的に変化する場合であっても、スムースな動的運動を実現することが可能となり、この結果、大幅なコスト削減が可能となる。   Therefore, according to the present invention, it is possible to realize a smooth dynamic motion even when the movable joint of the robot apparatus has a passive characteristic or the passive characteristic changes with time. Significant cost reduction is possible.

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.

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.ロボットの構成
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」のロボット装置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、ロボット装置100は、体幹部と、腰部と、頭部と、左右の上肢部と、脚式移動を行なう左右2足の下肢部とで構成され、例えば体幹部に内蔵されている制御部(図示しない)によりロボット装置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. Robot Configuration FIGS. 1 and 2 show a state in which the “humanoid” or “humanoid” robot device 100 used for carrying out the present invention is viewed from the front and rear, respectively. Yes. As shown in the figure, the robot apparatus 100 includes a trunk, a waist, a head, left and right upper limbs, and left and right lower limbs that perform legged movement, and is built in, for example, the trunk. The operation of the robot apparatus is comprehensively controlled by a control unit (not shown).

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、股関節によって腰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、首関節によって腰部の略最上端中央に連結されている。   Each of the left and right lower limbs is composed of a thigh, a knee joint, a shin part, an ankle, and a foot, and is connected to the lowermost part of the waist by a hip joint. 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 waist by a neck joint.

このように構成されたロボット装置100は、制御部(図1及び図2には図示しない)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なわれる。すなわち、   The robot apparatus 100 configured as described above can realize bipedal walking by whole body cooperative operation control by a control unit (not shown in FIGS. 1 and 2). 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

制御部は、このロボット装置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 includes a controller (main control unit) that processes external inputs from the joint actuators and sensors (described later) constituting the robot device 100, a power circuit, and other peripheral devices. Is the body. In addition, the control unit may include a communication interface and a communication device for remote operation.

ロボット装置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なうことによって実現される。例えば、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 robot apparatus 100 is realized by planning a target trajectory of the lower limb in advance and correcting the planned trajectory in each of the above periods. For example, 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、ロボット装置の姿勢安定制御には、ZMPを歩行の安定度判別の規範として用いている。このため、ZMP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なう。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。当該原理の力学的推論の帰結として、足底接地点と路面の形成する支持多角形(すなわちZMP安定領域)の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。   ZMP is used as a norm for determining the stability of walking for posture stability control of the robot apparatus including correction of walking motion trajectory. For this reason, interpolation calculation using a fifth-order polynomial is performed so that the position, speed, and acceleration for reducing the deviation from ZMP are continuous. 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 of the principle, there is a point where the pitch axis and roll axis moments become zero, that is, ZMP, inside the support polygon (that is, the ZMP stable region) formed by the sole contact point and the road surface.

図3には、このロボット装置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、ロボット装置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、腰部とで構成された、複数の肢を備えた構造体である。   FIG. 3 schematically shows the joint degree-of-freedom configuration of the robot apparatus 100. As shown in the figure, the robot apparatus 100 includes an upper limb that includes two arms and a head 1, a lower limb that includes two legs that realize a moving operation, and a trunk that connects the upper limb and the lower limb. And a structure having a plurality of limbs composed of the waist.

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4自由度を有している。   The neck joint (Neck) that supports the head has four degrees of freedom: a neck joint yaw axis 1, first and second neck joint pitch axes 2 a and 2 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、ロボット装置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 robot apparatus 100 does not have to be equipped with all the above-described 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.

上述したようなロボット装置100が持つ各自由度は、実際には回転型アクチュエータを用いて実装され、これらの回転位置制御に基づいて運動制御を行なうようになっている。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なうことなどの要請から、これら関節アクチュエータは小型且つ軽量であることが好ましい。   Each degree of freedom of the robot apparatus 100 as described above is actually mounted using a rotary actuator, and motion control is performed based on these rotational position controls. These joint actuators must be small and light because of the need to eliminate extra bulges in appearance and approximate human body shape, and to perform posture control on unstable structures such as biped walking. Is preferred.

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。各関節アクチュエータには、モータ・トルクを検出するトルク・センサや、回転位置若しくは関節位置を検出する角度・位置センサがそれぞれ配設されているものとする。   In this embodiment, a small AC servo actuator of a gear direct connection type and a servo control system of a single chip built in a motor unit is mounted. This type of AC servo actuator is disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-299970 already assigned to the present applicant. Each joint actuator is provided with a torque sensor for detecting motor torque and an angle / position sensor for detecting a rotational position or a joint position.

また、本実施形態では、アクチュエータ・モータの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。   Further, in this embodiment, by adopting a reduced speed gear as the direct connection gear of the actuator / motor, the passive characteristic of the drive system required for the robot 100 of the type that places importance on physical interaction with humans is obtained. ing.

図4には、ロボット装置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、ロボット装置100は、ヒトの四肢を表現した各機構ユニット30、40、41、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なう制御ユニット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)。   FIG. 4 schematically shows a control system configuration of the robot apparatus 100. As shown in the figure, the robot apparatus 100 is adapted to each mechanism unit 30, 40, 41, 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, respectively, and so on).

ロボット装置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な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 overall operation of the robot apparatus 100 is comprehensively controlled by the control unit 80. The control unit 80 exchanges data and commands with a 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).

ここで言う周辺回路82は、ロボット装置に搭載される周辺機器類の他、ケーブルや無線を通して接続される外付けの周辺機器、充電ステーション(図示しない)やその他の周辺機器を接続するためのインターフェース・コネクタなどを含むものとする。   The peripheral circuit 82 referred to here is an interface for connecting external peripheral devices, charging stations (not shown), and other peripheral devices connected through cables and radio, in addition to peripheral devices mounted on the robot apparatus.・ Include connectors.

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、ロボット装置100外に制御ユニット80を配備して、ロボット装置100本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, a control unit 80 may be provided outside the robot apparatus 100 to communicate with the robot apparatus 100 main body by wire or wirelessly.

図3に示したロボット装置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、首関節ピッチ軸2、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M1、首関節ピッチ軸アクチュエータM2、首関節ロール軸アクチュエータM3が配設されている。 Each degree of freedom of joint in the robot apparatus 100 shown in FIG. 3 is realized by a corresponding actuator. That is, the head unit 30 includes a neck joint yaw axis actuator M 1 , neck joint pitch axis actuator M 2 , neck joint roll representing the neck joint yaw axis 1, neck joint pitch axis 2, and neck joint roll axis 3. axis actuator M 3 is disposed.

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M9、体幹ロール軸アクチュエータM10が配設されている。 The trunk unit 40 is provided with a trunk pitch axis actuator M 9 and a trunk roll axis actuator M 10 that represent the trunk pitch axis 9 and the trunk roll axis 10, respectively.

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M4、肩関節ロール軸アクチュエータM5、上腕ヨー軸アクチュエータM6、肘関節ピッチ軸アクチュエータM7、手首関節ヨー軸アクチュエータM8が配設されている。 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 M 4 , shoulder joint roll axis actuator M 5 , upper arm yaw axis actuator M 6 , elbow joint pitch axis actuator M 7 representing each of yaw axis 6, elbow joint pitch axis 7, and wrist joint yaw axis 8. , wrist joint yaw axis actuator M 8 is arranged.

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、足首ユニット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M12、股関節ロール軸アクチュエータM13、膝関節ピッチ軸アクチュエータM14、足首関節ピッチ軸アクチュエータM15、足首関節ロール軸アクチュエータM16が配設されている。 The leg unit 60R / L is subdivided into a thigh unit 61R / L, a knee unit 62R / L, and an ankle unit 63R / L, but the hip joint yaw axis 11, hip joint pitch axis 12, hip joint roll Hip joint yaw axis actuator A 11 , hip joint pitch axis actuator M 12 , hip joint roll axis actuator M 13 , knee joint pitch axis representing the axis 13, knee joint pitch axis 14, ankle joint pitch axis 15, and ankle joint roll axis 16. An actuator M 14 , an ankle joint pitch axis actuator M 15 , and an ankle joint roll axis actuator M 16 are provided.

各関節に用いられるアクチュエータM1、M2、M3…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 M 1 , M 2 , M 3 ... Used for each joint are more preferably a small AC servo actuator of the type directly mounted on a gear and mounted in a motor unit with a 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などの機構ユニット毎に、アクチュエータ駆動制御用の副制御部35、45、55、65が配設されている。   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 disposed.

体幹部40には、姿勢センサ95と加速度センサ96が配設されている。加速度センサ96は、XYZの各軸方向に配置する。また、腰部41に加速度センサ96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41を制御対象点として設定して、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。姿勢センサ95と加速度センサ96は、図3中ではそれぞれ加速度センサA1及びジャイロ・センサG1として構成されている。   A posture sensor 95 and an acceleration sensor 96 are disposed on the trunk 40. The acceleration sensor 96 is arranged in each XYZ axial direction. Further, by providing an acceleration sensor 96 on the waist 41, the waist 41, which is a part with a large mass operation amount, is set as a control target point, and the posture and acceleration at that position are directly measured, and the posture based on ZMP Stable control can be performed. The attitude sensor 95 and the acceleration sensor 96 are configured as an acceleration sensor A1 and a gyro sensor G1, respectively, in FIG.

また、各脚部60R及び60Lには、接地確認センサ91及び92と、加速度センサ93及び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及び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及び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。図3中では、左右の足首に、足平における加速度を計測するセンサA2及びA3と、足平の姿勢を計測するジャイロ・センサG2及びG3がそれぞれ配設されている。また、左右の足底の四隅に、接地並びに床反力を計測する力センサF1〜F4、F5〜F8が配設されている。   In addition, ground check sensors 91 and 92 and acceleration sensors 93 and 94 are disposed on the legs 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 at least in 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. In FIG. 3, sensors A2 and A3 for measuring acceleration at the foot and gyro sensors G2 and G3 for measuring the posture of the foot are arranged on the left and right ankles, respectively. In addition, force sensors F1 to F4 and F5 to F8 for measuring ground contact and floor reaction force are disposed at the four corners of the left and right soles.

ここで、質量操作量が大きな部位である腰部41にのみ加速度センサを配置した場合、腰部41のみが制御対象点に設定され、足部の状態は、この制御対象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。   Here, when the acceleration sensor is arranged only on the waist 41 that is a part where the mass operation amount is large, only the waist 41 is set as the control target point, and the state of the foot is relative to the calculation result of the control target point. Therefore, the following condition must be satisfied 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、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的にZMP釣合い方程式を組み立てることができる。したがって、より厳密な姿勢安定化制御を高速で実現することができる。この結果、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、ロボット装置の安定歩行(運動)を保証することができる。   On the other hand, in the present embodiment, a reaction force sensor system (such as a floor reaction force sensor) that directly applies a force to the ZMP is provided on a foot that is a contact portion with the road surface, and local coordinates used for control and the coordinates thereof are used. An acceleration sensor for directly measuring is provided. As a result, the ZMP balance equation can be assembled directly at the foot closest to the ZMP position. Therefore, more rigorous posture stabilization control can be realized at high speed. As a result, even on a gravel where the road surface moves when force or torque is applied, on a carpet with long bristle feet, or on a residential tile that cannot easily secure a sufficient translational friction coefficient, it can easily slide. The stable walking (motion) of the device can be guaranteed.

主制御部80は、各センサA1〜A3、G1〜G3、F1〜F8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ない、ロボット装置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 A1 to A3, G1 to G3, and F1 to F8. More specifically, adaptive control is performed on each of the sub-control units 35, 45, 55, and 65 to realize a whole body movement pattern in which the upper limbs, trunk, and lower limbs of the robot apparatus 100 are driven in cooperation. To do.

ロボット装置100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M1、M2、M3…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。 The whole body movement of the robot apparatus 100 sets foot movements, ZMP trajectories, trunk movements, upper limb movements, waist heights, etc., and commands for instructing movements according to these setting contents to the sub-control units 35, Forward to 45, 55, 65. Then, in each of the sub-control section 35, 45 ... interprets the command received from the main control unit 81 outputs a drive control signal to each actuator M 1, M 2, M 3 .... 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. It means the trajectory that moves.

脚式移動ロボットは、ZMPを歩行の安定度判別の規範として用いることができる。ZMPによる安定度判別規範は、系が適切なZMP空間を形成し、支持多角形の内側にZMPがある場合は、系に回転運動や並進運動が発生せず、回転や並進に関する運動方程式を解く必要がない。これに対し、支持多角形の内側にZMPがない場合や、外界に対する支持作用点が存在しない場合は、ZMP方程式に代えて、運動方程式を解く必要がある。例えば、ジャンプしたときや高台から飛び降りたときなど離床時には支持多角形が存在しないので、ZMP方程式に代えて運動方程式を解くようにすればよい。   The legged mobile robot can use ZMP as a norm for determining the stability of walking. The stability criterion for ZMP is that the system forms an appropriate ZMP space, and if there is ZMP inside the support polygon, the system does not generate rotational or translational motion, and solves the equations of motion related to rotation and translation. There is no need. On the other hand, when there is no ZMP inside the support polygon or when there is no support action point for the outside world, it is necessary to solve the equation of motion instead of the ZMP equation. For example, since a support polygon does not exist at the time of getting off, such as when jumping or jumping off a hill, the equation of motion may be solved instead of the ZMP equation.

ZMP方程式は、目標ZMP上での各モーメントの釣合い関係を記述したものである。ロボット装置を多数の質点miで表わし、これらを制御対象点とした場合、すべての制御対象点miにおいて発生する目標ZMP上でのモーメントの総和がゼロとなる各制御点の軌道を求める式がZMP釣合い方程式である。 The ZMP equation describes the balance relationship of each moment on the target ZMP. Represents robotic device in a number of mass points m i, when the these control target points to determine the trajectory of the respective control points the sum becomes zero moment in all of the controlled object point on the target ZMP generated in m i Formula Is the ZMP balance equation.

世界座標系(O−XYZ)で記述されたZMP釣合い方程式、並びにロボット装置のローカル座標系(O−X’Y’Z’)で記述されたZMP釣合い方程式はそれぞれ以下の通りとなる。   The ZMP balance equation described in the world coordinate system (O-XYZ) and the ZMP balance equation described in the local coordinate system (O-X′Y′Z ′) of the robot apparatus are as follows.

Figure 0004996042
Figure 0004996042

Figure 0004996042
Figure 0004996042

上記の各式は、各質点(又は制御対象点)miにおいて印加された加速度成分により生成されるZMP回り(半径ri−Pzmp)のモーメントの総和と、印加されたj番目の外力モーメントMjの総和と、外力Fkにより生成されるZMP回り(k番目の外力Fkの作用点をSkとする)のモーメントの総和が釣り合うということを記述している。 Each of the above equations represents the sum of moments around the ZMP (radius r i −P zmp ) generated by the acceleration component applied at each mass point (or control target point) m i and the applied j-th external force moment. the sum of M j, describes that the sum of the moments of ZMP around produced by an external force F k (a point of action of k-th external force F k and S k) is balanced.

このZMP釣合い方程式は、目標ZMPにおける床反力モーメント(モーメント・エラー成分)Tを含んでいる。このモーメント・エラーをゼロ又は所定の許容範囲内に抑えることによって、ロボット装置の姿勢安定性が維持される。言い換えれば、モーメント・エラーをゼロ又は許容値以下となるように運動(足部運動や上半身の各部位の軌道など)を修正することが、ZMPを安定度判別規範とした姿勢安定化制御の本質である。   This ZMP balance equation includes a floor reaction force moment (moment error component) T in the target ZMP. By suppressing this moment error to zero or within a predetermined allowable range, the posture stability of the robot apparatus is maintained. In other words, correcting the movement (such as the foot movement and the trajectory of each part of the upper body) so that the moment error is zero or less than the allowable value is the essence of posture stabilization control using ZMP as a stability criterion. It is.

上述したように、路面との接触部位である足部足底に加速度センサを設けている場合には、世界座標系に対する実ロボットのローカル座標系を設定し、その原点としての足部足底を求め、ZMP釣合い方程式を直接的に導き出すことができる。さらに、腰部41を始めとして質量操作量が大きな制御目標点にも加速度センサを配置することで、これら制御対象点毎のZMP回りのモーメント量を、加速度センサ出力値を用いて直接的に導き出すことができる。   As described above, when the acceleration sensor is provided on the foot sole that is the contact portion with the road surface, the local coordinate system of the real robot with respect to the world coordinate system is set, and the foot sole as the origin is set. And the ZMP balance equation can be derived directly. Furthermore, by arranging an acceleration sensor at a control target point having a large mass manipulated variable including the waist 41, the moment amount around the ZMP for each control target point can be directly derived using the acceleration sensor output value. Can do.

ここで、制御対象としての実ロボットは移動体装置であることから、各制御目標点における世界座標上の位置ベクトルを求めることは難しい。その代案として、ローカル座標上における制御対象点の位置ベクトルは、逆キネマティクス演算など比較的容易な計算方法により求まる。そこで、ロボット装置のローカル座標系(O−X’Y’Z’)で記述された後者のZMP釣合い方程式を用いて実際の姿勢安定化処理を行なうようにすればよい。(ZMP軌道を正確に世界座標系で計測することがロボットに搭載された状態検出器では困難であることから、一般には、世界座標系に固定された外部計測器が必要となり、ロボット単体での行動(歩行など)が不可能となる。これに対し、接地部に荷重センサF1〜F8を配置してZMP軌道を計測することにより、ローカル座標でZMP軌道を正確且つ直接的に得ることができる。且つ、ローカル座標原点付近に加速度センサを配置することにより、高速運動において支配的となる情報を直接的に計測することができる。このような理由により、本実施形態では、ローカル座標系でのZMP釣合い方程式を用いている。)   Here, since a real robot as a control target is a mobile device, it is difficult to obtain a position vector on the world coordinates at each control target point. As an alternative, the position vector of the control target point on the local coordinates is obtained by a relatively easy calculation method such as inverse kinematics calculation. Therefore, the actual posture stabilization process may be performed using the latter ZMP balance equation described in the local coordinate system (O-X′Y′Z ′) of the robot apparatus. (Since it is difficult to accurately measure the ZMP trajectory in the world coordinate system with the state detector mounted on the robot, an external measuring instrument fixed to the world coordinate system is generally required. On the other hand, the ZMP trajectory can be obtained accurately and directly in local coordinates by measuring the ZMP trajectory by placing the load sensors F1 to F8 on the ground contact portion. In addition, in the present embodiment, in the local coordinate system, it is possible to directly measure information that is dominant in high-speed motion by arranging an acceleration sensor near the local coordinate origin. ZMP balance equation is used.)

なお、本実施形態に係るロボット装置100は、腰部位置に重心が設定されており、姿勢安定制御の重要な制御対象点であるとともに、装置の「基体」を構成する。   Note that the robot apparatus 100 according to the present embodiment has a center of gravity set at the waist position, is an important control target point for posture stability control, and constitutes a “base” of the apparatus.

B.ロボット装置の基本姿勢の設定、基本姿勢の調整
ロボット装置の制御モデルは、十分な剛性すなわち能動特性を持つことが好ましい。すなわち、ロボット装置の駆動部には、バックラッシュなどの受動特性がないことがその運動制御においては望ましいと考えられている。特に、スムースな動的運動(動的歩行)の実現には、制御対象となるロボット装置の駆動部に受動特性がないことが必須条件であると考えられている。
B. The setting of the basic posture of the robot device and the adjustment of the basic posture The control model of the robot device preferably has sufficient rigidity, that is, active characteristics. That is, it is considered desirable in the motion control that the drive unit of the robot apparatus does not have passive characteristics such as backlash. In particular, in order to realize a smooth dynamic motion (dynamic walking), it is considered that it is an essential condition that the drive unit of the robot apparatus to be controlled does not have passive characteristics.

ところが、実際の機械モデルは、モータの減速機におけるバックラッシュや、フレームの変形などに起因する受動特性を持つ。   However, the actual machine model has passive characteristics due to backlash in the motor speed reducer, deformation of the frame, and the like.

また、制御に用いるモデルが実際のロボットの特性に近いほど、厳密な制御が可能になるが、制御に用いるモデルが複雑になるほど、計算量が指数関数的に増加してしまう。   Further, the closer the model used for control is to the characteristics of the actual robot, the more precise control becomes possible. However, the more complicated the model used for control, the more computational complexity increases.

干渉・非線形演算を苦手とする現在のデジタル計算機技術を考慮すると、高い実時間制御性が望まれるロボット・システムには、制御に用いるモデルは非干渉で線形性が高い簡単なモデル(すなわち、どんな力が印加されても変形しない剛体モデル)が実用的である。   Considering the current digital computer technology that is not good at interference and non-linear operations, for robot systems where high real-time controllability is desired, the model used for control is a simple model with no interference and high linearity (that is, A rigid body model that does not deform even when a force is applied is practical.

対象とするロボットの剛性が高く、振動減衰性が高いほど、より高い周波数領域まで能動的な制御が可能となるが、それには、制御周期をより高くする必要があり、ある周期(例えば4ミリ秒程度)から汎用部品が使用できなくなるため、急激にコストが上昇してくる。そこで、制御周期は4ミリ秒程度にとどめる方が、コストが抑えられる。厳密には、未知となる歩行路面に対して、開閉リンクの高速切り替え動作や、衝突動作を伴う脚式移動ロボットの制御には、0.1ミリ秒以上の制御周期が望まれる。   The higher the rigidity of the target robot and the higher the vibration damping property, the more active control is possible up to a higher frequency range. For this purpose, it is necessary to increase the control cycle, and a certain cycle (for example, 4 mm). Since general-purpose parts can no longer be used from about a second), the cost increases rapidly. Therefore, the cost can be reduced if the control period is limited to about 4 milliseconds. Strictly speaking, a control cycle of 0.1 milliseconds or more is desired for the control of a legged mobile robot with a high-speed switching operation of an open / close link or a collision operation on an unknown walking road surface.

以上の考察から、本実施形態に係るロボット・システムでは、能動・受動制御システムを採用している。具体的には、   From the above consideration, the robot system according to the present embodiment employs an active / passive control system. In particular,

(1)制御に用いるモデルには剛体モデル、質点系モデルを用い、より安価な計算機システムでの実時間性を確保する。
(2)制御システム全体のコストの関係から、能動的な制御周期を4ミリ秒程度にとどめる。
(3)4ミリ秒以上の制御周期が望まれる帯域に関しては、ZMP挙動空間配置による受動的制御(例えば、本出願人に既に譲渡されている特開2003−157696号公報を参照のこと)を行なう。
(1) The model used for the control is a rigid body model or a mass system model, and secures real-time performance in a cheaper computer system.
(2) Due to the cost of the entire control system, the active control period is limited to about 4 milliseconds.
(3) For a band in which a control period of 4 milliseconds or more is desired, passive control based on the ZMP behavior space arrangement (for example, see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-157696 already assigned to the present applicant). Do.

しかしながら、このままでは受動制御と能動制御の支配率が大きく切り替わる姿勢において、制御に用いているモデルと実際のロボットの状態に大きな誤差が不連続に生じ易く、それによりロボットの動作が不安定となり易い。そこで,そのような姿勢(本明細書では、「基本姿勢」と呼ぶ)において、用いている制御モデルとの整合を、以下で説明する原点設定方法により厳密にとる。これによって、非現実的な制御周期を必要とせずに、安定な制御を低コストで実現することができる。   However, in an attitude where the control ratio of passive control and active control is largely switched as it is, a large error is likely to occur discontinuously between the model used for control and the actual robot state, thereby making the robot operation unstable. . Therefore, in such an attitude (referred to as “basic attitude” in this specification), matching with the control model used is strictly taken by the origin setting method described below. As a result, stable control can be realized at low cost without requiring an unrealistic control cycle.

本実施形態では、ロボット装置の制御モデル上の基本姿勢の関節位置を機械モデル上で再現し、機械モデル上で現れる受動特性成分を除去した基本姿勢を設定するようにした。この結果、例えば、関節部駆動用のアクチュエータ・モータにガタを生じたり、減速機にバックラッシュがあったりするなど、可動関節が受動特性を持つ場合であっても、原点位置となる基本姿勢、若しくは基本姿勢における原点位置を好適に設定することができる。勿論、可動関節部の受動特性が経時的に変化するような場合に適用することも可能であり、脚式ロボット装置において接地情報を用いた原点自動調整を行なうこともできる。ここで言う原点位置は、例えば,アクチュエータ・モータに取り付けられている光学原点センサの原点位置に相当する。また、基本姿勢は、原点調査時の基本姿勢に相当する。   In the present embodiment, the joint position of the basic posture on the control model of the robot apparatus is reproduced on the machine model, and the basic posture is set by removing the passive characteristic component appearing on the machine model. As a result, for example, even if the movable joint has passive characteristics, such as a backlash in the actuator / motor for driving the joint, or a backlash in the speed reducer, the basic posture that is the origin position, Alternatively, the origin position in the basic posture can be suitably set. Of course, the present invention can be applied to the case where the passive characteristic of the movable joint portion changes with time, and automatic origin adjustment using ground contact information can be performed in a legged robot apparatus. The origin position referred to here corresponds to, for example, the origin position of the optical origin sensor attached to the actuator / motor. The basic posture corresponds to the basic posture at the time of origin search.

本実施形態に係るロボット装置が複数の関節自由度を備えていることは、図3を参照しながら既に説明した通りである。各可動関節は基準位置を持つ。本明細書では、関節の基準位置を原点と呼び、基準位置を決定する一連の作業を「原点調査」と呼ぶことにする。原点調査とは、部位毎に以下のように大別することができる。ここで言う関節の基準位置は、間接のホームポジジョン(事実上0度)に相当する。   The robot apparatus according to the present embodiment has a plurality of joint degrees of freedom as already described with reference to FIG. Each movable joint has a reference position. In this specification, the reference position of the joint is referred to as the origin, and a series of operations for determining the reference position is referred to as “origin investigation”. The origin investigation can be roughly classified as follows for each part. The joint reference position mentioned here corresponds to an indirect home position (effectively 0 degrees).

(1)体幹部、脚部、腕部の原点調査
(2)頭部の原点調査
(3)手首の原点調査
(1) Origin survey of trunk, legs, and arms (2) Origin survey of head (3) Origin survey of wrist

以下では、(1)体幹部、脚部、腕部の原点調査を中心に説明する。   The following description will focus on (1) investigation of the origin of the trunk, legs, and arms.

B−1.原点調査の思想
原点調査とは、各関節の基準位置を決定することであるが、以下に示す2通りの決定方法に大別される。
B-1. Thought of origin investigation Origin origin investigation is to determine the reference position of each joint, and is roughly divided into the following two determination methods.

(1)関節毎に絶対的な角度を決める方法
(2)根元と末端を固定し、相対的に角度を決める方法
(1) Method of determining an absolute angle for each joint (2) Method of fixing the root and end and determining the angle relatively

図5には、関節毎に絶対的な角度を決める方法の例を図解している。この場合、関節で接合されるリンクが持つ関節位置(θ1、θ3)や、同じ関節で接合される2つのリンクがなす角度θ2によって基準位置を表す。   FIG. 5 illustrates an example of a method for determining an absolute angle for each joint. In this case, the reference position is represented by the joint position (θ1, θ3) possessed by the link joined by the joint and the angle θ2 formed by the two links joined by the same joint.

この方法によれば、それぞれの関節の角度を正確に決めることはできるが、実際のロボット装置にはさまざまな誤差があり、リンクの長さが異なる可能性もある。この場合、2つのロボット装置で同じ角度を取らせても違う位置にリンクの末端がきてしまうことになる。すなわち、ロボット装置同士で対応する各関節の角度は同じであるが、リンクの長さの相違により末端は違う位置になる(図6を参照のこと)。   According to this method, the angle of each joint can be accurately determined, but there are various errors in the actual robot apparatus, and the link length may be different. In this case, even if the two robot devices have the same angle, the end of the link comes to a different position. That is, the angles of the joints corresponding to each other between the robot apparatuses are the same, but the end positions are different due to the difference in the link length (see FIG. 6).

また、図7には、根元と末端を固定し、相対的に角度を決める方法の例を図解している。この方法は、ロボットがある姿勢を取ったとき、その末端を理論的に来るべき場所に強制的に固定し、そのときの関節の角度を理論的な角度とみなす方法である。したがって、リンクの長さが理論値と異なる場合には、得られる基準は真の角度とは相違する(図8を参照のこと)。しかし、どのロボット装置においても、同じ姿勢をとったときには末端がすべて同じ位置に来る、という利点がる。すなわち、ロボット装置同士で対応する各関節の真の角度は相違するが、末端は同じ位置になる。 FIG. 7 illustrates an example of a method of fixing the root and end and relatively determining the angle. In this method, when the robot takes a certain posture, its end is forcibly fixed at a place where it should theoretically come, and the angle of the joint at that time is regarded as a theoretical angle. Thus, if the link length is different from the theoretical value, the resulting criterion is different from the true angle (see FIG. 8). However, in any robotic device, end all come to the same position, advantage states that your Oh when the took the same attitude. That is, the true angles of the corresponding joints differ between the robot apparatuses, but the ends are at the same position.

本実施形態では、動作の起点となる基本姿勢を最重要視するという観点から、後者の原点調査方法を採用する。ちなみに、体幹部や脚部の基本姿勢は歩行動作の基点となる姿勢とし、腕部はカメラ・キャリブレーションの姿勢とする。   In this embodiment, the latter origin investigation method is adopted from the viewpoint of placing the highest priority on the basic posture that is the starting point of the motion. By the way, the basic posture of the trunk and legs is the posture that becomes the base point of walking motion, and the arm is the posture of camera calibration.

B−2.原点調査の原理
図7に示したように、左右の末端の関節と、これら末端関節に接合するリンクと、これらリンクの他方の端部を接合する中央の関節からなるリンク機構を例にとる。そして、それぞれの末端に対してリンクがなす角をθ1及びθ3とし、中央の関節を介してリンク同士のなす角をθ2とおく。この場合、3つの関節のうち、両端の関節を固定することで、3辺が等しいという3角形の合同条件に基づき、自動的にθ1〜θ3が決まる。
B-2. Principle of Origin Investigation As shown in FIG. 7, a link mechanism comprising left and right end joints, links joined to these end joints, and a central joint joining the other ends of these links is taken as an example. The angles formed by the links with respect to the respective ends are θ1 and θ3, and the angle formed by the links via the central joint is θ2. In this case, among the three joints, by fixing the joints at both ends, θ1 to θ3 are automatically determined based on the triangular congruence condition that the three sides are equal.

この原理を応用し、例えば、ロボット装置の脚部の原点調査を行なうことができる。図3にも示したように、脚部は、股関節(ヨー軸、ピッチ軸、ロール軸)と、大腿部リンクと、膝関節(ピッチ軸)と、脛部フレームと、足首関節(ピッチ軸、ロール軸)からなり、図7に示したものと同じリンク機構となる。ここで、図9に示すように、足部の足平を床面上のフット・パネルで固定するとともに、股関節をベース・フレームで支持し、さらにベース・フレームとフット・パネルを相対的に位置決めすることで、リンク機構の根元と末端を固定することになり、相対的に角度θ1〜θ3が決定される。   By applying this principle, for example, the origin of the leg of the robot apparatus can be investigated. As shown in FIG. 3, the leg includes a hip joint (yaw axis, pitch axis, roll axis), a thigh link, a knee joint (pitch axis), a shin frame, and an ankle joint (pitch axis). , Roll shaft), and the same link mechanism as that shown in FIG. Here, as shown in FIG. 9, the foot of the foot is fixed by the foot panel on the floor, the hip joint is supported by the base frame, and the base frame and the foot panel are relatively positioned. By doing so, the root and the end of the link mechanism are fixed, and the angles θ1 to θ3 are relatively determined.

但し、図9の変形例として、ベース・フレームを利用する代わりに、フット・パネルに足平を載せた状態で、床面から股関節までの高さを測距する距離センサを利用し、この距離が一定に保つように姿勢制御することで、ベース・フレームを用いた場合と同様の効果を得ることができる。   However, as a modified example of FIG. 9, instead of using the base frame, a distance sensor that measures the height from the floor surface to the hip joint with a foot placed on the foot panel is used. By controlling the posture so as to keep constant, it is possible to obtain the same effect as when the base frame is used.

図21にはその一例を示している。図示の例では、腰部41に2つの測距センサを搭載し、それぞれにおいて床面までの距離を計測し、腰部41の高さと腰部41の姿勢を算出する。そして、これらの値が一定となるようにすることで脚部の姿勢を固定することができる。   An example is shown in FIG. In the example shown in the figure, two distance measuring sensors are mounted on the waist part 41, the distance to the floor surface is measured in each, and the height of the waist part 41 and the posture of the waist part 41 are calculated. The posture of the leg can be fixed by making these values constant.

また、図22に示す例では、腰部41の2箇所に測距センサと測角センサをそれぞれ搭載している。一方の測距センサ及び測角センサは、床面までの距離及び傾斜を計測する。また、他方の測距センサ及び測角センサは、腕部など他の部位に取り付けられたターゲットに対する距離及び傾斜を計測する。そして、これらの計測結果並びに逆キネマティクス演算に基づいて、腰部41の高さと腰部41の姿勢を算出し、これらの値が一定となるようにすることで脚部の姿勢を固定することができる。   In the example shown in FIG. 22, a distance measuring sensor and an angle measuring sensor are mounted at two locations of the waist 41. One distance measurement sensor and angle measurement sensor measure the distance to the floor and the inclination. The other distance measuring sensor and angle measuring sensor measure a distance and an inclination with respect to a target attached to another part such as an arm. Based on these measurement results and inverse kinematics calculation, the height of the waist 41 and the posture of the waist 41 are calculated, and the posture of the leg can be fixed by making these values constant. .

図10には、ロボット装置を構成する各リンク機構の根元と末端を固定して相対的に角度を決定するために使用される、ロボット装置の固定装置の構成例を示している。   FIG. 10 shows a configuration example of the fixing device of the robot apparatus that is used to fix the base and end of each link mechanism constituting the robot apparatus and relatively determine the angle.

図示の固定装置は、リンク機構の根元と末端の固定により相対的に関節角度を決定するという原理に基づいて、体幹部、脚部、及び腕部の原点調査を行なえるように構成されている。   The illustrated fixing device is configured to be able to perform the origin investigation of the trunk, leg, and arm based on the principle of determining the joint angle relatively by fixing the base and end of the link mechanism. .

台座上には、足部足平を固定するフット・パネルと、股関節部において台座若しくはフット・パネルとの相対位置を規制するベース・フレームが配設され、股関節(ヨー軸、ピッチ軸、ロール軸)と、大腿部リンクと、膝関節(ピッチ軸)と、脛部フレームと、足首関節(ピッチ軸、ロール軸)からなるリンク機構の根元に相当する股関節と末端に相当する足首関節の固定を実現することができ、当該部位における原点調査が可能となる。   On the pedestal, a foot panel that fixes the foot of the foot and a base frame that regulates the relative position of the pedestal or the foot panel at the hip joint are arranged. The hip joint (yaw axis, pitch axis, roll axis) ), Thigh link, knee joint (pitch axis), shin frame, hip joint corresponding to the root of the link mechanism consisting of ankle joint (pitch axis, roll axis) and ankle joint corresponding to the end This makes it possible to investigate the origin at the relevant part.

また、ショルダー・フレームとリスト・フレームは、台座上に配設された、平行な移動方向を持つ2本のガイド・レールに案内され、前後方向に進行又は後退することができる。したがって、股関節をベース・フレームに固定し、さらにショルダー・フレームをロボット装置側に前進させて肩部を固定することにより、肩関節と、体幹関節と、股関節で構成される体幹部リンク機構において、その根元に相当する股関節と末端に相当する肩関節の固定を実現することができ、当該部位における原点調査が可能となる。   Further, the shoulder frame and the wrist frame are guided by two guide rails disposed on the pedestal and having parallel movement directions, and can advance or retract in the front-rear direction. Therefore, in the trunk link mechanism composed of the shoulder joint, trunk joint, and hip joint, the hip joint is fixed to the base frame, and the shoulder frame is further advanced to the robot apparatus side to secure the shoulder. The hip joint corresponding to the root and the shoulder joint corresponding to the end can be fixed, and the origin of the part can be investigated.

また、ロボット装置の腕部は、肩関節と、上腕リンクと、肘関節と、前腕リンクと手首、並びに手の甲で構成されるリンク機構であるが、ショルダー・フレームに型部を固定子,リスト・フレームに手首を固定することで、リンク機構の根元に相当する肩関節と末端に相当する手首関節の固定を実現することができ、当該部位における原点調査が可能となる。   The arm part of the robot device is a link mechanism composed of a shoulder joint, an upper arm link, an elbow joint, a forearm link, a wrist, and a back of a hand. By fixing the wrist to the frame, the shoulder joint corresponding to the base of the link mechanism and the wrist joint corresponding to the end can be fixed, and the origin can be investigated at the site.

ここで、可動関節の駆動を実現するためにアクチュエータ・モータが利用されるが、より高出力トルクを得るために、モータの出力端に減速機を設けるのが一般的である。減速機には、例えば遊星歯車機構が適用される。遊星歯車機構は、恒星としての太陽歯車と、惑星としての遊星歯車と、遊星歯車の公転軌道を規定する内歯歯車で構成される歯車構造であり、この他に、遊星歯車の軸中心をつなぐ遊星キャリアを備えている。遊星歯車機構を用いた減速機によれば、駆動軸と同軸上で減速をすることが可能なため、複段数の連結により強力な減速比を得ることができる。   Here, an actuator / motor is used to realize the drive of the movable joint, but in order to obtain a higher output torque, a reduction gear is generally provided at the output end of the motor. For example, a planetary gear mechanism is applied to the speed reducer. The planetary gear mechanism is a gear structure composed of a sun gear as a star, a planetary gear as a planet, and an internal gear that defines the revolution orbit of the planetary gear. In addition, the planetary gear mechanism connects the axis centers of the planetary gears. Has a planetary carrier. According to the speed reducer using the planetary gear mechanism, it is possible to reduce the speed on the same axis as the drive shaft, so that a strong reduction ratio can be obtained by connecting multiple stages.

いずれの減速機構造にせよ、モータ側の歯車と出力側の歯車でモデル化され、これらの噛合関係によりトルクが伝達される(図11を参照のこと)。当業者には周知のように、トルクを伝達する歯車間にはバックラッシュと呼ばれるガタがあり、これが実ロボットにおける受動特性の一因となる。   Regardless of the speed reducer structure, the motor-side gear and the output-side gear are modeled, and torque is transmitted by their meshing relationship (see FIG. 11). As is well known to those skilled in the art, there is a backlash called backlash between the gears that transmit torque, which contributes to the passive characteristics of an actual robot.

バックラッシュのような受動特性がある状態で、上述したような関節角度を決めても、固定したときの状態により受動特成分のばらつきが発生するため、原点位置が定まらない、という問題がある。   Even if the joint angle as described above is determined in a state having passive characteristics such as backlash, there is a problem in that the origin position cannot be determined because variations in the passive characteristic component occur depending on the fixed state.

そこで、本実施形態では、図12に示すように、原点調査時において、モータ側の歯車に所定方向のトルクを印加して歯を寄せる(すなわち、出力側の歯車の対向面に当接させる)ことで、受動特性によるバラツキが極めて小さい安定した位置決めを行なうようにしている。   Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 12, during the origin investigation, a torque in a predetermined direction is applied to the gear on the motor side to bring the teeth closer (that is, contact with the opposing surface of the gear on the output side). Thus, stable positioning with very little variation due to passive characteristics is performed.

実際の原点調査では、基本姿勢時に各関節に発生するトルクの方向と大きさ考慮し、回転軸に対し歯車をどちらの方向にどれくらいのトルクを適用すべきかを設定するようにしている。また、股関節のヨー軸のように、中立性が求められる関節では、正負それぞれの方向に歯車を寄せてみて、その中点を基準として採用する。原点の調査方法の詳細については後述に譲る。 In the actual origin investigation, the direction and magnitude of the torque generated in each joint in the basic posture is taken into consideration, and the amount of torque applied to the rotating shaft in which direction and how much torque should be applied is set. For joints that require neutrality, such as the yaw axis of a hip joint, the gears are moved toward the positive and negative directions, and the midpoint is used as a reference. Details of the origin investigation method will be described later.

B−3.原点復帰
各部位における関節角度は、関節アクチュエータに位置センサを設置して検出される。絶対座標系ではなく相対座標系を採用するアクチュエータの方がより高精度を実現することができるとされている。ここで、相対位置センサを用いた場合、起動時に関節の初期化すなわちセンサの原点探索を行なう必要がある。本明細書では、原点の探索を(狭義の)「原点復帰」と呼ぶことにする。
B-3. The joint angle at each part of the origin return is detected by installing a position sensor on the joint actuator. It is said that an actuator that employs a relative coordinate system rather than an absolute coordinate system can achieve higher accuracy. Here, when the relative position sensor is used, it is necessary to initialize the joint, that is, search for the origin of the sensor at the time of activation. In this specification, the search for the origin is referred to as “origin return” (in a narrow sense).

また、各関節の基準位置(関節の0度)は、例えば基本姿勢により定義されるが、これが関節アクチュエータにおいて定義される上記の原点から何度離れているか(以下では、これを「原点データ」と呼ぶ)も必要である。実際のロボット装置の姿勢制御においては、原点データを基にアクチュエータ・モータを回転させ、各関節の基準位置へ移動させる。本明細書では、これら一連の動作を(広義の)「原点復帰」と呼ぶことにする。   Further, the reference position (0 degrees of the joint) of each joint is defined by, for example, the basic posture, but how many distances it is from the origin defined in the joint actuator (hereinafter referred to as “origin data”) Also called). In the actual posture control of the robot apparatus, the actuator / motor is rotated based on the origin data and moved to the reference position of each joint. In this specification, these series of operations will be referred to as “return to origin” (in a broad sense).

図13には、関節アクチュエータの原点復帰の手順を図解している。   FIG. 13 illustrates a procedure for returning the origin of the joint actuator.

起動時においては、相対位置センサを使用するため、関節アクチュエータの現在角が判らない。そこで、まずアクチュエータ・モータを回転駆動し、まず、アクチュエータ・モータ自身の基準となる原点位置を探索する。すなわち、狭義の原点復帰を実行する。   Since the relative position sensor is used at startup, the current angle of the joint actuator is unknown. Therefore, the actuator / motor is first rotationally driven, and first, the origin position serving as a reference for the actuator / motor itself is searched. That is, origin return in a narrow sense is executed.

続いて、原点データ、すなわち関節の基準位置とアクチュエータ・モータ自身の原点位置との変位θに基づいて、関節を基準位置まで回転させる。すなわち、広義の原点復帰を実行する。   Subsequently, the joint is rotated to the reference position based on the origin data, that is, the displacement θ between the reference position of the joint and the origin position of the actuator motor itself. That is, the origin return in a broad sense is executed.

以下では、1つの関節アクチュエータについての原点調査の手順について、2つのリンクが関節アクチュエータで回動可能に接合されている単純なモデルを用い、図14〜図18を参照しながら説明する。   In the following, the origin investigation procedure for one joint actuator will be described with reference to FIGS. 14 to 18 using a simple model in which two links are rotatably joined by the joint actuator.

アクチュエータ・モータの駆動装置に原点調査用の原点復帰コマンドが入力されると、まず、原点調査対象となる関節の原点データが消去される。続いて、アクチュエータが回転し、アクチュエータの原点センサを探索する(図14を参照のこと)。これは、狭義の原点復帰に相当する。   When an origin return command for origin investigation is input to the actuator / motor drive device, first, origin data of the joint to be origin investigation is erased. Subsequently, the actuator rotates and searches for the origin sensor of the actuator (see FIG. 14). This corresponds to narrow-point origin return.

そして、原点センサが発見された後に、両リンクの他端を固定する原点調査用の固定装置を利用して、ロボット装置の基本姿勢に合わせて固定する(図15を参照のこと)。このときの関節角度はロボット装置の基本姿勢を実現する関節角度に相当し、固定装置により当該関節が基本姿勢を実現する関節角度に維持されたことになる。 And after an origin sensor is discovered, it fixes according to the basic attitude | position of a robot apparatus using the fixing device for an origin investigation which fixes the other end of both links (refer FIG. 15). The joint angle at this time corresponds to the joint angle that realizes the basic posture of the robot device, and the joint is maintained at the joint angle that realizes the basic posture by the fixing device.

この間、アクチュエータが原点センサによる原点位置から基本姿勢に移行するのに回転した角度αを記憶しておく。   During this time, the angle α rotated for the actuator to shift from the origin position by the origin sensor to the basic posture is stored.

原点調査用の固定装置に固定した後、原点調査コマンドを実行すると、対象関節となるアクチュエータ・モータは順番に所定のトルクと方向で回転し、バックラッシを詰める。このときに加えたトルクにより、さらにどれだけ回転したかを記憶し(β)、αとβを足した角度が原点センサによる原点位置から基本姿勢までの理想の角度(ψ)となる。あとは、ロボットでの関節の基準位置と基本姿勢の理論的な角度を用いて、原点センサによる原点位置から関節の基準位置までの角度(θ)を求める。   When the origin investigation command is executed after fixing the origin investigation fixing device, the actuator motor serving as the target joint rotates in order with a predetermined torque and direction to reduce backlash. The amount of further rotation is stored by the torque applied at this time (β), and the angle obtained by adding α and β becomes the ideal angle (ψ) from the origin position to the basic posture by the origin sensor. After that, the angle (θ) from the origin position to the joint reference position by the origin sensor is obtained using the theoretical angle between the joint reference position and the basic posture of the robot.

θ−ψ = γ−ε より
θ = ψ+(γ−ε)
From θ−ψ = γ−ε θ = ψ + (γ−ε)

但し、θは原点センサによる原点位置から関節の基準位置までの角度、ψは原点センサによる原点位置から基本姿勢までの角度、γはロボットでの関節の基準位置の理論的角度、εはロボットでの基本姿勢の理論的角度である。   Where θ is the angle from the origin position by the origin sensor to the joint reference position, ψ is the angle from the origin position to the basic posture by the origin sensor, γ is the theoretical angle of the joint reference position in the robot, and ε is the robot This is the theoretical angle of the basic posture.

続いて、歯車のバックラッシュ量やガタなどに起因する関節の受動特性の調査を行なう。図12に示したように、モータ側の歯車に所定方向のトルクを印加して歯を寄せる(すなわち、出力側の歯車の対向面に当接させる)ことで、受動特性によるバラツキの極めて小さい安定した位置決めを行なう。   Next, the passive characteristics of the joints due to gear backlash and backlash are investigated. As shown in FIG. 12, by applying a torque in a predetermined direction to the gear on the motor side and bringing the teeth closer (that is, contacting the opposite surface of the gear on the output side), stability with very little variation due to passive characteristics is achieved. Positioning is performed.

この際、基本姿勢時に各関節に発生するトルクの方向と大きさを考慮し、回転軸に対し歯車をどちらの方向にどれくらいのトルクを適用すべきかを設定する。また、バックラッシュをつめる際に、定められた方向だけでなく、逆方向にもトルクを印加する。   At this time, in consideration of the direction and magnitude of the torque generated in each joint during the basic posture, it is set how much torque should be applied to the rotating shaft in which direction. Further, when the backlash is filled, torque is applied not only in a predetermined direction but also in the reverse direction.

この逆方向に加えたトルクにより回転した角度δを、その関節のガタ量若しくは受動特性値と定義し、関節の受動特性データとして記録する(図17を参照のこと)。   The angle δ rotated by the torque applied in the opposite direction is defined as the backlash amount or passive characteristic value of the joint, and is recorded as the passive characteristic data of the joint (see FIG. 17).

なお、股関節のヨー軸のように、中立性が求められる関節では、正負それぞれの方向に歯車を寄せてみて、その中点を基準として採用する。   For joints that require neutrality, such as the yaw axis of a hip joint, the gears are moved toward the positive and negative directions, and the midpoint is used as a reference.

このような一連の手順に従って、関節の基準位置が決定され、原点データ並びに受動特性データが作成され、原点調査が完了する。そして、得られた原点データと受動特性データは、同じファイルに関連付けて記録され、あるいはそれぞれ別のファイルとして対応付けて記録される。   According to such a series of procedures, the joint reference position is determined, origin data and passive characteristic data are created, and the origin survey is completed. The obtained origin data and passive characteristic data are recorded in association with the same file, or are recorded in association with each other as separate files.

図18には、原点復帰の動作手順をまとめている。   FIG. 18 summarizes the operation procedure for returning to the origin.

相対座標系を採用するため、起動時には、アクチュエータの現在角度は判らない。   Since the relative coordinate system is adopted, the current angle of the actuator is not known at startup.

ここで、狭義の原点復帰を行なう。すなわち、アクチュエータが回転し、当該アクチュエータの原点センサの探索を開始する。   Here, origin return in a narrow sense is performed. That is, the actuator rotates and starts searching for the origin sensor of the actuator.

そして、関節の基準位置はアクチュエータの原点からθ度だけ回転したところ、という原点データに基づいて、関節を基準位置まで回転させる。   Then, based on the origin data that the reference position of the joint is rotated by θ degrees from the origin of the actuator, the joint is rotated to the reference position.

B−4.ロボット装置全体の原点調査
通常の原点調査は、上述したような関節アクチュエータ毎の原点調査処理を基本としながら、ロボット装置全体すなわち全身の関節アクチュエータに対し、同時並行して行なわれる。
B-4. Origin search of the entire robot apparatus Normal origin investigation is performed in parallel on the entire robot apparatus, that is, the joint actuators of the whole body, based on the origin investigation process for each joint actuator as described above.

既に述べたように、図10に示した固定装置は、リンク機構の根元と末端の固定により相対的に関節角度を決定するという原理に基づいて、ロボット装置を構成する各リンク機構の根元と末端を固定して相対的に角度を決定するものであり、体幹部、脚部、及び腕部の原点調査に利用することができる。   As described above, the fixing device shown in FIG. 10 is based on the principle that the joint angle is relatively determined by fixing the root and end of the link mechanism, and the root and end of each link mechanism constituting the robot apparatus. The angle is fixed and the angle is relatively determined, and can be used for the origin investigation of the trunk, legs, and arms.

すなわち、台座上には、足部足平を固定するフット・パネルと、股関節部において台座若しくはフット・パネルとの相対位置を規制するベース・フレームが配設され、股関節と、大腿部リンクと、膝関節と、脛部フレームと、足首関節からなるリンク機構の根元に相当する股関節と末端に相当する足首関節を固定し、当該部位における原点調査が可能となる。   That is, on the pedestal, a foot panel that fixes the foot of the foot and a base frame that regulates a relative position of the pedestal or the foot panel at the hip joint part are disposed, and the hip joint, the thigh link, The hip joint corresponding to the base of the link mechanism including the knee joint, the shin part frame, and the ankle joint and the ankle joint corresponding to the end are fixed, and the origin can be investigated at the site.

また、ショルダー・フレームとリスト・フレームは、台座上に配設された、平行な移動方向を持つ2本のガイド・レールに案内され、前後方向に進行又は後退することができる。したがって、股関節をベース・フレームに固定し、さらにショルダー・フレームをロボット装置側に前進させて肩部を固定することにより、肩関節と、体幹関節と、股関節で構成される体幹部リンク機構において、その根元に相当する股関節と末端に相当する肩関節の固定を実現することができ、当該部位における原点調査が可能となる。   Further, the shoulder frame and the wrist frame are guided by two guide rails disposed on the pedestal and having parallel movement directions, and can advance or retract in the front-rear direction. Therefore, in the trunk link mechanism composed of the shoulder joint, trunk joint, and hip joint, the hip joint is fixed to the base frame, and the shoulder frame is further advanced to the robot apparatus side to secure the shoulder. The hip joint corresponding to the root and the shoulder joint corresponding to the end can be fixed, and the origin of the part can be investigated.

また、ショルダー・フレームに肩部を固定し、リスト・フレームに手首を固定することで、肩関節と、上腕リンクと、肘関節と、前腕リンクと手首、並びに手の甲で構成されるリンク機構の根元に相当する肩関節と末端に相当する手首関節の固定を実現することができ、当該部位における原点調査が可能となる。 Also, by fixing the shoulder to the shoulder frame and the wrist to the wrist frame, the root of the link mechanism consisting of the shoulder joint, upper arm link , elbow joint, forearm link and wrist, and back of the hand It is possible to realize the fixation of the shoulder joint corresponding to and the wrist joint corresponding to the end, and the origin investigation at the part can be performed.

図19には、図10に示した固定装置を利用してロボット装置の原点調査処理を行なうための処理手順をフローチャートの形式で示している。   FIG. 19 shows a processing procedure for performing the origin investigation processing of the robot apparatus using the fixing device shown in FIG. 10 in the form of a flowchart.

まず、原点調査の対象となる基本姿勢を選択し(ステップS1)、当該基本姿勢における各関節アクチュエータの発生トルクの計測を行なう(ステップS2)。これによって、基本姿勢におけるアクチュエータのトルク情報を取得することができる。   First, a basic posture to be subjected to origin investigation is selected (step S1), and a torque generated by each joint actuator in the basic posture is measured (step S2). Thereby, the torque information of the actuator in the basic posture can be acquired.

続いて、ロボット装置を例えば図10に示すような固定装置により取り付け、腰部、足部、腕部、頭部をそれぞれ理想基本姿勢となるように、機械的に固定する(ステップS3)。   Subsequently, the robot apparatus is attached by, for example, a fixing apparatus as shown in FIG. 10, and the waist, legs, arms, and head are mechanically fixed so that the ideal basic posture is obtained (step S3).

ここで、ロボット装置を1以上の制御対象点と、制御対象点を設定する制御対象点設定リンクと、ローカル座標原点と、ローカル座標原点を設置するローカル座標原点設置リンクで構成されるとみなした場合、ステップS3は、制御対象点設定リンクとローカル座標原点設置リンクを固定装置により固定することに相当する(ステップS8)。   Here, the robot apparatus is considered to be composed of one or more control target points, a control target point setting link for setting the control target point, a local coordinate origin, and a local coordinate origin setting link for setting the local coordinate origin. In this case, step S3 corresponds to fixing the control target point setting link and the local coordinate origin setting link by the fixing device (step S8).

そして、ステップS2により計測された、基本姿勢における各関節アクチュエータのトルク情報を用いて、各関節アクチュエータにトルクを発生させる(ステップS4)。   Then, using the torque information of each joint actuator in the basic posture measured in step S2, torque is generated in each joint actuator (step S4).

次いで、関節アクチュエータを現在角度から理想関節角度に設定する(ステップS5)。すなわち、バックラッシュなどの関節の受動特性に起因する成分を、トルクの印加によりキャンセルする。   Next, the joint actuator is set from the current angle to the ideal joint angle (step S5). That is, components caused by the passive characteristics of the joint such as backlash are canceled by applying torque.

ここで、ステップS2において得られたトルク情報がゼロ近傍であった場合には、発生トルクを±各方向に振り、それぞれにおける関節角度の中を理想関節角度に設定する。例えば、股関節のヨー軸のように、中立性が求められる関節では、正負それぞれの方向に歯車を寄せてみて、その中点を基準として採用する。 Here, the torque information obtained in step S2 is the case was near zero, shaking generated torque ± in each direction, to set a medium point of the joint angles in the respective ideal joint angle. For example, in a joint that requires neutrality, such as the yaw axis of a hip joint, the gear is moved in both positive and negative directions, and the midpoint is used as a reference.

そして、ロボット装置を固定装置から解除し、基本姿勢における腰部、足部、頭部、腕部それぞれの姿勢を計測する(ステップS6)。   Then, the robot device is released from the fixed device, and the postures of the waist, feet, head, and arms in the basic posture are measured (step S6).

ロボット装置を1以上の制御対象点と、制御対象点を設定する制御対象点設定リンクと、ローカル座標原点と、ローカル座標原点を設置するローカル座標原点設置リンクで構成されるとみなした場合、ステップS6は、基本姿勢における制御対象点設定リンクとローカル座標原点設置リンクの姿勢を計測することに相当する(ステップS9)。   If the robot apparatus is considered to be composed of one or more control target points, a control target point setting link for setting the control target point, a local coordinate origin, and a local coordinate origin setting link for setting the local coordinate origin, S6 corresponds to measuring the postures of the control target point setting link and the local coordinate origin setting link in the basic posture (step S9).

そして、ステップS3において得られた制御モデル上の理想基本姿勢と、ステップS6により得られた機械モデル上の基本姿勢との偏差を比較し、許容値以下であれば、関節アクチュエータの現在角度を、理想基本姿勢を実現するための理想関節角度に設定し、本処理ルーチン全体を終了する。 Then, the ideal basic attitude on the obtained control model in step S3, the deviation comparing the basic position on the resulting machine model in step S6, if the allowable value or less, the current angle of the joint actuator, The ideal joint angle for realizing the ideal basic posture is set, and the entire processing routine ends.

他方、制御モデルと機械モデルとの偏差が許容値を超える場合には、ステップS2に戻り、偏差が許容値以下に収まるまで、上述と同様の処理を繰り返し実行する。   On the other hand, if the deviation between the control model and the machine model exceeds the allowable value, the process returns to step S2, and the same processing as described above is repeatedly executed until the deviation falls below the allowable value.

また、既に説明したように、ベース・フレームなどの固定装置を利用する代わりに、床面から股関節までの高さを測距する距離センサやその他の計測装置を利用し、距離などの計測値が一定に保つように姿勢制御することで、固定装置を用いた場合と同様の効果を得ることができる。   In addition, as described above, instead of using a fixing device such as a base frame, a distance sensor that measures the height from the floor to the hip joint or other measuring device is used, and the measured value such as the distance is By controlling the posture so as to keep it constant, it is possible to obtain the same effect as when the fixing device is used.

図20には、距離センサなどの計測機構を用いて制御モデル上の理想的な基本姿勢に固定するように各関節アクチュエータを駆動制御することを利用して、ロボット装置の原点調査処理を行なうための処理手順をフローチャートの形式で示している。   In FIG. 20, the origin search processing of the robot apparatus is performed using the drive control of each joint actuator so as to be fixed to an ideal basic posture on the control model using a measurement mechanism such as a distance sensor. The processing procedure is shown in the form of a flowchart.

まず、ロボット装置に搭載されている接地確認センサや傾斜センサ、ジャイロ・センサ、加速度センサなどを用いて環境を認識する(ステップS11)。   First, the environment is recognized using a grounding confirmation sensor, a tilt sensor, a gyro sensor, an acceleration sensor or the like mounted on the robot apparatus (step S11).

そして、認識された現在の物理的な外部環境が、以降行なわれる原点調査処理に適しているかどうかを判別する(ステップS12)。例えば、ロボット装置が現在不整地に立たされているなど、相応しくない環境下にある場合には、場所を移動するなど環境を変更し(ステップS13)、再度環境認識を行なう。   Then, it is determined whether or not the recognized physical external environment is suitable for the origin search process to be performed thereafter (step S12). For example, when the robot apparatus is currently in an unsuitable environment such as standing on rough terrain, the environment is changed by moving the place (step S13), and the environment is recognized again.

そして、適当な物理環境下において、原点調査の対象となる基本姿勢を選択する(ステップS14)。   Then, in a suitable physical environment, a basic posture that is a subject of origin investigation is selected (step S14).

続いて、床面から股関節までの高さを測距する距離センサやその他の計測装置を利用し、距離などの計測値が一定に保つように姿勢制御することで、ロボット装置の腰部、足部、腕部、頭部をそれぞれ理想基本姿勢となるように固定する(ステップS15)。   Next, by using a distance sensor that measures the height from the floor to the hip joint and other measurement devices, posture control is performed so that measured values such as distance are kept constant, so that the waist and feet of the robotic device The arm part and the head part are each fixed so as to have the ideal basic posture (step S15).

ここで、ロボット装置を1以上の制御対象点と、制御対象点を設定する制御対象点設定リンクと、ローカル座標原点と、ローカル座標原点を設置するローカル座標原点設置リンクで構成されるとみなした場合、ステップS15は、制御対象点設定リンクとローカル座標原点設置リンクを姿勢制御により固定することに相当する(ステップS16)。   Here, the robot apparatus is considered to be composed of one or more control target points, a control target point setting link for setting the control target point, a local coordinate origin, and a local coordinate origin setting link for setting the local coordinate origin. In this case, step S15 corresponds to fixing the control target point setting link and the local coordinate origin setting link by posture control (step S16).

次いで、関節アクチュエータを現在角度から理想関節角度に設定する(ステップS17)。すなわち、バックラッシュなどの関節の受動特性に起因する成分を、トルクの印加によりキャンセルする。   Next, the joint actuator is set from the current angle to the ideal joint angle (step S17). That is, components caused by the passive characteristics of the joint such as backlash are canceled by applying torque.

そして、計測値が一定に保つようにする姿勢制御による固定を解除し、基本姿勢における腰部、足部、頭部、腕部それぞれの姿勢を計測する(ステップS18)。   Then, the fixation by the posture control that keeps the measurement value constant is released, and the postures of the waist, feet, head, and arms in the basic posture are measured (step S18).

ロボット装置を1以上の制御対象点と、制御対象点を設定する制御対象点設定リンクと、ローカル座標原点と、ローカル座標原点を設置するローカル座標原点設置リンクで構成されるとみなした場合、ステップS18は、基本姿勢における制御対象点設定リンクとローカル座標原点設置リンクの姿勢を計測することに相当する(ステップS19)。   If the robot apparatus is considered to be composed of one or more control target points, a control target point setting link for setting the control target point, a local coordinate origin, and a local coordinate origin setting link for setting the local coordinate origin, S18 corresponds to measuring the attitudes of the control target point setting link and the local coordinate origin setting link in the basic attitude (step S19).

そして、ステップS17において得られた制御モデル上の理想基本姿勢と、ステップS18により得られた機械モデル上の基本姿勢との偏差を比較し、許容値以下であれば、関節アクチュエータの現在角度を、理想基本姿勢を実現するための理想関節角度に設定し、本処理ルーチン全体を終了する。
Then, the ideal basic attitude on the obtained control model in step S17, the deviation comparing the basic position on the resulting machine model by step S18, if less than the allowable value, the current angle of the joint actuator, The ideal joint angle for realizing the ideal basic posture is set, and the entire processing routine ends.

他方、制御モデルと機械モデルとの偏差が許容値を超える場合には、ステップS15に戻り、偏差が許容値以下に収まるまで、上述と同様の処理を繰り返し実行する。あるいは、ステップS14に戻り、基本姿勢を選び直す。   On the other hand, if the deviation between the control model and the machine model exceeds the allowable value, the process returns to step S15, and the same processing as described above is repeatedly executed until the deviation falls below the allowable value. Or it returns to step S14 and reselects a basic posture.

なお、ロボット装置の原点調査は、ロボット装置全体すなわち全身のすべての関節アクチュエータを対象とする必要は必ずしもない。例えば、デモンストレーションやメンテナンスの作業の簡易化のため、脚部のみ、腕部のみなど、部位を限定して原点調査処理を行なうようにすることもできる。   The origin investigation of the robot apparatus does not necessarily need to cover all joint actuators of the entire robot apparatus, that is, the whole body. For example, in order to simplify the work of demonstration and maintenance, it is possible to perform the origin investigation process by limiting the parts such as only the legs and only the arms.

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な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 an exercise resembling human movement using an electrical or magnetic action, the present invention can be applied 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、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきである。   In short, the present invention has been disclosed in the form of exemplification, and the description of the present specification should not be interpreted in a limited manner. In order to determine the gist of the present invention, the claims section described at the beginning should be considered.

図1は、本発明の実施に供される「人間形」又は「人間型」のロボット装置100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。FIG. 1 is a view showing a state in which a “humanoid” or “humanoid” robot apparatus 100 used for carrying out the present invention is viewed from the front. 図2は、本発明の実施に供される「人間形」又は「人間型」のロボット装置100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。FIG. 2 is a view showing a state in which the “humanoid” or “humanoid” robot apparatus 100 used for carrying out the present invention is viewed from the rear. 図3は、ロボット装置100が具備する関節自由度構成を模式的に示した図である。FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a joint degree-of-freedom configuration included in the robot apparatus 100. 図4は、ロボット装置100の制御システム構成を模式的に示した図である。FIG. 4 is a diagram schematically showing a control system configuration of the robot apparatus 100. 図5は、関節の基準位置を決定する方法を説明するための図である。FIG. 5 is a diagram for explaining a method of determining the joint reference position. 図6は、関節の基準位置を決定する方法を説明するための図である。FIG. 6 is a diagram for explaining a method of determining the joint reference position. 図7は、関節の基準位置を決定する方法を説明するための図である。FIG. 7 is a diagram for explaining a method of determining the joint reference position. 図8は、関節の基準位置を決定する方法を説明するための図である。FIG. 8 is a diagram for explaining a method of determining the joint reference position. 図9は、ロボット装置を構成するリンク機構の根元と末端を固定して相対的に角度を決定する方法を説明するための図である。FIG. 9 is a diagram for explaining a method of fixing the base and end of the link mechanism constituting the robot apparatus and relatively determining the angle. 図10は、ロボット装置を構成する各リンク機構の根元と末端を固定して相対的に角度を決定するために使用される、ロボット装置の固定装置を示した図である。FIG. 10 is a diagram showing a fixing device of the robot device used for fixing the base and end of each link mechanism constituting the robot device and relatively determining the angle. 図11は、関節駆動用のアクチュエータ・モータの減速機構のモデルを示した図である。FIG. 11 is a diagram illustrating a model of a reduction mechanism of an actuator / motor for joint driving. 図12は、減速機の受動特性のある状態で原点調査を行なう方法を説明するための図である。FIG. 12 is a diagram for explaining a method of conducting an origin investigation in a state where the reduction gear has passive characteristics. 図13は、関節アクチュエータの原点復帰の手順を説明するための図である。FIG. 13 is a diagram for explaining a procedure for returning to the origin of the joint actuator. 図14は、1つの関節アクチュエータについての原点調査の手順を説明するための図である。FIG. 14 is a diagram for explaining a procedure of origin investigation for one joint actuator. 図15は、1つの関節アクチュエータについての原点調査の手順を説明するための図である。FIG. 15 is a diagram for explaining a procedure of origin investigation for one joint actuator. 図17は、1つの関節アクチュエータについての原点調査の手順を説明するための図である。FIG. 17 is a diagram for explaining the procedure of origin investigation for one joint actuator. 図17は、1つの関節アクチュエータについての原点調査の手順を説明するための図である。FIG. 17 is a diagram for explaining the procedure of origin investigation for one joint actuator. 図18は、1つの関節アクチュエータについての原点復帰の手順を説明するための図である。FIG. 18 is a diagram for explaining a procedure for returning to the origin for one joint actuator. 図19は、図10に示した固定装置を利用してロボット装置の原点調査処理を行なうための処理手順を示したフローチャートである。FIG. 19 is a flowchart showing a processing procedure for performing the origin investigation processing of the robot apparatus using the fixing device shown in FIG. 図20は、距離センサなどの計測機構を用いて制御モデル上の理想的な基本姿勢に固定するように各関節アクチュエータを駆動制御することを利用して、ロボット装置の原点調査処理を行なうための処理手順を示したフローチャートである。FIG. 20 is a diagram for performing the origin investigation process of the robot apparatus by using the drive control of each joint actuator so as to fix the ideal basic posture on the control model using a measurement mechanism such as a distance sensor. It is the flowchart which showed the processing procedure. 図21は、測距センサを用いて原点調査を行なう仕組みを説明するための図である。FIG. 21 is a diagram for explaining a mechanism for conducting an origin investigation using a distance measuring sensor. 図22は、測距センサ及び測角センサを用いて原点調査を行なう仕組みを説明するための図である。FIG. 22 is a diagram for explaining a mechanism for conducting an origin investigation using a distance measuring sensor and an angle measuring sensor.

符号の説明Explanation of symbols

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,41…腰部ユニット
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…足首ユニット
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 joint roll axis 14 ... Knee joint pitch axis 15 ... Ankle joint pitch Axis 16 ... Ankle joint roll axis 30 ... Head unit, 40 ... Trunk unit, 41 ... Lumbar 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 ... ankle unit 80 ... control unit, 81 ... main control unit 82 ... peripheral circuit 91, 92 ... grounding confirmation sensor 93, 94 ... acceleration sensor 95: Posture sensor 96 ... Acceleration sensor 100 ... Legged mobile robot

Claims (7)

1以上の制御対象点と、制御対象点を設定する制御対象点設定リンクと、ローカル座標原点と、ローカル座標原点を設置するローカル座標原点設置リンクと、複数の可動関節を備えたロボット装置において、
前記可動関節をそれぞれ駆動する駆動手段と、
前記可動関節における関節位置又はトルクのいずれかを制御する駆動制御手段と、
前記可動関節における関節位置を取得する関節位置取得手段と、
前記可動関節における駆動トルクを取得するトルク取得手段と、
前記制御対象点設定リンク及び前記ローカル座標原点設置リンクの姿勢を取得する姿勢取得手段と、
前記可動関節が所定の関節位置となることにより形成される前記制御対象点設定リンク及び前記ローカル座標原点設置リンクの基本姿勢を管理する基本姿勢管理手段とを備え、
前記基本姿勢管理手段は、
前記制御対象点設定リンク及び前記ローカル座標原点設置リンクを前記基本姿勢に固定する基本姿勢固定装置に取り付けない状態で、前記制御対象点設定リンク及び前記ローカル座標原点設置リンクが基本姿勢を形成するように前記可動関節を理想関節位置に駆動制御する基本姿勢形成手段と、
前記基本姿勢を形成したときの前記可動関節の駆動トルクを取得する基本姿勢時駆動トルク取得手段と、
前記基本姿勢固定装置に前記制御対象点設定リンク及び前記ローカル座標原点設置リンクが固定されている状態で、前記基本姿勢時駆動トルク取得手段が取得した駆動トルクを前記可動関節に発生させる駆動トルク発生手段と、
前記制御対象点設定リンク及び前記ローカル座標原点設置リンクが前記基本姿勢固定装置に固定されている状態で、前記基本姿勢時駆動トルク取得手段が取得した駆動トルクを発生させたときの前記可動関節の現在関節位置を、前記基本姿勢を形成するための理想関節位置に設定する理想関節位置設定手段と、
前記基本姿勢固定装置から前記制御対象点設定リンク及び前記ローカル座標原点設置リンクを解除した状態で、前記可動関節が前記理想関節位置となるように前記駆動手段を駆動制御したときの前記制御対象点設定リンク及び前記ローカル座標原点設置リンクの姿勢を機械モデル上の現実基本姿勢として取得する現実基本姿勢取得手段とを備え、
前記現実基本姿勢と前記基本姿勢との誤差が所定の許容値以下となるまで、前記基本姿勢形成手段、前記基本姿勢時駆動トルク取得手段、前記駆動トルク発生手段、前記理想関節位置設定手段、及び、前記現実基本姿勢取得手段による処理を繰り返し実行し、前記現実基本姿勢との誤差が所定の許容値以下となるときに、理想基本姿勢を実現する理想関節位置として設定する、
ことを特徴とするロボット装置。
In a robot apparatus including one or more control target points, a control target point setting link for setting a control target point, a local coordinate origin, a local coordinate origin setting link for setting a local coordinate origin, and a plurality of movable joints,
Driving means for driving each of the movable joints;
Drive control means for controlling either the joint position or torque in the movable joint;
Joint position acquisition means for acquiring a joint position in the movable joint;
Torque acquisition means for acquiring drive torque in the movable joint;
Attitude acquisition means for acquiring the attitude of the control target point setting link and the local coordinate origin setting link;
Basic attitude management means for managing basic attitudes of the control target point setting link and the local coordinate origin setting link formed by the movable joint becoming a predetermined joint position;
The basic posture management means includes
Said controlled object point setting link and the local coordinate origin established link with no attached to the basic position fixing device for fixing the basic position, so that the control target point setting link and the local coordinate origin established link to form a basic position Basic posture forming means for driving and controlling the movable joint to an ideal joint position ;
Basic posture driving torque acquisition means for acquiring the driving torque of the movable joint when the basic posture is formed;
Driving torque generation that causes the movable joint to generate the driving torque acquired by the driving torque acquisition means in the basic posture in a state where the control target point setting link and the local coordinate origin setting link are fixed to the basic posture fixing device. Means,
The movable joint when the driving torque acquired by the basic posture driving torque acquisition means is generated in a state where the control target point setting link and the local coordinate origin setting link are fixed to the basic posture fixing device. An ideal joint position setting means for setting a current joint position to an ideal joint position for forming the basic posture;
The control target point when the driving means is driven and controlled so that the movable joint is at the ideal joint position in a state where the control target point setting link and the local coordinate origin setting link are released from the basic posture fixing device. A real basic posture acquisition means for acquiring the setting link and the posture of the local coordinate origin setting link as a real basic posture on a machine model;
Until the error between the actual basic posture and the basic posture becomes a predetermined allowable value or less, the basic posture forming means, the basic posture driving torque obtaining means, the driving torque generating means, the ideal joint position setting means, and , the real basic posture acquisition means repeatedly by the processing executed when the error between the real reference posture is equal to or less than a predetermined allowable value is set as an ideal joint positions to achieve the ideal reference position,
A robot apparatus characterized by that.
少なくとも腰部、足部、腕部、頭部と、複数の可動関節を備えたロボット装置において、
前記可動関節をそれぞれ駆動する駆動手段と、
前記可動関節における関節位置又はトルクのいずれかを制御する駆動制御手段と、
前記可動関節における関節位置を取得する関節位置取得手段と、
前記可動関節における駆動トルクを取得するトルク取得手段と、
前記腰部、前記足部、前記腕部、前記頭部の姿勢を取得する姿勢取得手段と、
前記可動関節が所定の関節位置となることにより形成される前記腰部、前記足部、前記腕部、前記頭部の基本姿勢を管理する基本姿勢管理手段とを備え、
前記基本姿勢管理手段は、
前記腰部、前記足部、前記腕部、前記頭部を前記基本姿勢に固定する基本姿勢固定装置に取り付けない状態で、前記腰部、前記足部、前記腕部、前記頭部が基本姿勢を形成するように前記可動関節を理想関節位置に駆動制御する基本姿勢形成手段と、
前記基本姿勢を形成したときの前記可動関節の駆動トルクを取得する基本姿勢時駆動トルク取得手段と、
前記基本姿勢固定装置に前記腰部、前記足部、前記腕部、前記頭部が固定されている状態で、前記基本姿勢時駆動トルク取得手段が取得した駆動トルクを前記可動関節に発生させる駆動トルク発生手段と、
前記腰部、前記足部、前記腕部、前記頭部が前記基本姿勢固定装置に固定されている状態で、前記基本姿勢時駆動トルク取得手段が取得した駆動トルクを発生させたときの前記可動関節の現在関節位置を、前記基本姿勢を形成するための理想関節位置に設定する理想関節位置設定手段と、
前記基本姿勢固定装置から前記腰部、前記足部、前記腕部、前記頭部を解除した状態で、前記可動関節が前記理想関節位置となるように前記駆動手段を駆動制御したときの前記腰部、前記足部、前記腕部、前記頭部の姿勢を機械モデル上の現実基本姿勢として取得する現実基本姿勢取得手段とを備え、
前記現実基本姿勢と前記基本姿勢との誤差が所定の許容値以下となるまで、前記基本姿勢形成手段、前記基本姿勢時駆動トルク取得手段、前記駆動トルク発生手段、前記理想関節位置設定手段、及び、前記現実基本姿勢取得手段による処理を繰り返し実行し、前記現実基本姿勢との誤差が所定の許容値以下となるときに、理想基本姿勢を実現する理想関節位置として設定する、
ことを特徴とするロボット装置。
In a robot apparatus having at least a waist, a foot, an arm, a head, and a plurality of movable joints,
Driving means for driving each of the movable joints;
Drive control means for controlling either the joint position or torque in the movable joint;
Joint position acquisition means for acquiring a joint position in the movable joint;
Torque acquisition means for acquiring drive torque in the movable joint;
Posture acquisition means for acquiring postures of the waist, the foot, the arm, and the head;
A basic posture management means for managing a basic posture of the waist, the foot, the arm, and the head formed by the movable joint becoming a predetermined joint position;
The basic posture management means includes
The waist, the foot, the arm, and the head form a basic posture without being attached to the basic posture fixing device that fixes the waist, the foot, the arm, and the head to the basic posture. Basic posture forming means for driving and controlling the movable joint to an ideal joint position ,
Basic posture driving torque acquisition means for acquiring the driving torque of the movable joint when the basic posture is formed;
Drive torque that causes the movable joint to generate the drive torque acquired by the drive torque acquisition means in the basic posture in a state where the waist, the foot, the arm, and the head are fixed to the basic posture fixing device. Generating means;
The movable joint when the driving torque acquired by the basic posture driving torque acquisition means is generated in a state where the waist, the foot, the arm, and the head are fixed to the basic posture fixing device. Ideal joint position setting means for setting the current joint position to an ideal joint position for forming the basic posture;
The waist when the drive means is driven and controlled so that the movable joint is in the ideal joint position in a state where the waist, the foot, the arm, and the head are released from the basic posture fixing device, Real basic posture acquisition means for acquiring the posture of the foot, the arm, and the head as a real basic posture on a machine model,
Until the error between the actual basic posture and the basic posture becomes a predetermined allowable value or less, the basic posture forming means, the basic posture driving torque obtaining means, the driving torque generating means, the ideal joint position setting means, and , the real basic posture acquisition means repeatedly by the processing executed when the error between the real reference posture is equal to or less than a predetermined allowable value is set as an ideal joint positions to achieve the ideal reference position,
A robot apparatus characterized by that.
前記理想関節位置設定手段は、理想関節位置における前記可動関節の駆動トルクがゼロとなる場合には、駆動トルクを±各方向に所定値だけ振ったときの関節位置の中点を理想関節位置に設定する、
ことを特徴とする請求項1又は2のいずれかに記載のロボット装置。
When the driving torque of the movable joint at the ideal joint position becomes zero, the ideal joint position setting means sets the midpoint of the joint position when the driving torque is shaken by a predetermined value in each direction as the ideal joint position. Set,
The robot apparatus according to claim 1, wherein the robot apparatus is characterized.
1以上の制御対象点と、制御対象点を設定する制御対象点設定リンクと、ローカル座標原点と、ローカル座標原点を設置するローカル座標原点設置リンクと、複数の可動関節を備えたロボット装置の前記制御対象点設定リンク及び前記ローカル座標原点設置リンクの基本姿勢を管理するためのロボット装置の制御方法において、The robot apparatus having one or more control target points, a control target point setting link for setting a control target point, a local coordinate origin, a local coordinate origin setting link for setting a local coordinate origin, and a plurality of movable joints In the control method of the robot apparatus for managing the basic posture of the control target point setting link and the local coordinate origin setting link,
前記制御対象点設定リンク及び前記ローカル座標原点設置リンクが基本姿勢となるように前記制御対象点設定リンク及び前記ローカル座標原点設置リンクを固定する基本姿勢固定装置に取り付けない状態で、前記制御対象点設定リンク及び前記ローカル座標原点設置リンクが基本姿勢を形成するように前記可動関節を理想関節位置に駆動制御する基本姿勢形成ステップと、In a state where the control target point setting link and the local coordinate origin setting link are not attached to the basic posture fixing device for fixing the control target point setting link and the local coordinate origin setting link so that the control target point setting link and the local coordinate origin setting link are in a basic posture. A basic posture forming step for driving and controlling the movable joint to an ideal joint position so that the setting link and the local coordinate origin setting link form a basic posture;
前記基本姿勢を形成したときの前記可動関節の駆動トルクを取得する基本姿勢時駆動トルク取得ステップと、A basic posture driving torque acquisition step of acquiring the driving torque of the movable joint when the basic posture is formed;
前記基本姿勢固定装置に前記制御対象点設定リンク及び前記ローカル座標原点設置リンクが固定されている状態で、前記基本姿勢時駆動トルク取得ステップで取得した駆動トルクを前記可動関節に発生させる駆動トルク発生ステップと、Drive torque generation that causes the movable joint to generate the drive torque acquired in the basic posture drive torque acquisition step in a state where the control target point setting link and the local coordinate origin setting link are fixed to the basic posture fixing device. Steps,
前記制御対象点設定リンク及び前記ローカル座標原点設置リンクが前記基本姿勢固定装置に固定されている状態で、前記基本姿勢時駆動トルク取得ステップで取得した駆動トルクを発生させたときの前記可動関節の現在関節位置を、前記基本姿勢を形成するための理想関節位置に設定する理想関節位置設定ステップと、In a state where the control target point setting link and the local coordinate origin setting link are fixed to the basic posture fixing device, the movable joint when the driving torque acquired in the basic posture driving torque acquisition step is generated is generated. An ideal joint position setting step for setting the current joint position to an ideal joint position for forming the basic posture;
前記基本姿勢固定装置から前記制御対象点設定リンク及び前記ローカル座標原点設置リンクを解除した状態で、前記可動関節が前記理想関節位置となるように駆動制御したときの前記制御対象点設定リンク及び前記ローカル座標原点設置リンクの姿勢を機械モデル上の現実基本姿勢として取得する現実基本姿勢取得ステップとを有し、The control target point setting link when the movable joint is controlled to be the ideal joint position in a state where the control target point setting link and the local coordinate origin setting link are released from the basic posture fixing device, and A real basic posture acquisition step of acquiring the posture of the local coordinate origin setting link as a real basic posture on the machine model;
前記現実基本姿勢と前記基本姿勢との誤差が所定の許容値以下となるまで、前記基本姿勢形成ステップ、前記基本姿勢時駆動トルク取得ステップ、前記駆動トルク発生ステップ、前記理想関節位置設定ステップ、及び、前記現実基本姿勢取得ステップの各処理を繰り返し実行し、前記現実基本姿勢との誤差が所定の許容値以下となるときに、理想基本姿勢を実現する理想関節位置として設定する、Until the error between the actual basic posture and the basic posture becomes a predetermined allowable value or less, the basic posture forming step, the basic posture driving torque acquisition step, the driving torque generation step, the ideal joint position setting step, and , Repeatedly executing each process of the actual basic posture acquisition step, and setting an ideal joint position that realizes the ideal basic posture when an error from the actual basic posture is a predetermined allowable value or less,
ことを特徴とするロボット装置の制御方法。A method for controlling a robot apparatus, comprising:
少なくとも腰部、足部、腕部、頭部と、複数の可動関節を備えたロボット装置の基本姿勢を管理するためのロボット装置の制御方法において、In a control method of a robot apparatus for managing a basic posture of a robot apparatus having at least a waist, a foot, an arm, a head, and a plurality of movable joints,
前記腰部、前記足部、前記腕部、前記頭部が前記基本姿勢となるように前記腰部、前記足部、前記腕部、前記頭部を固定する基本姿勢固定装置に取り付けない状態で、前記腰部、前記足部、前記腕部、前記頭部が基本姿勢を形成するように前記可動関節を理想関節位置に駆動制御する基本姿勢形成ステップと、In a state where the waist, the foot, the arm, and the head are not attached to the basic posture fixing device that fixes the waist, the foot, the arm, and the head so that the head is in the basic posture. A basic posture forming step of driving and controlling the movable joint to an ideal joint position so that the waist, the foot, the arm, and the head form a basic posture;
前記基本姿勢を形成したときの前記可動関節の駆動トルクを取得する基本姿勢時駆動トルク取得ステップと、A basic posture driving torque acquisition step of acquiring the driving torque of the movable joint when the basic posture is formed;
前記基本姿勢固定装置に前記腰部、前記足部、前記腕部、前記頭部が固定されている状態で、前記基本姿勢時駆動トルク取得ステップで取得した駆動トルクを前記可動関節に発生させる駆動トルク発生ステップと、Driving torque that causes the movable joint to generate the driving torque acquired in the driving torque acquisition step in the basic posture in a state where the waist, the foot, the arm, and the head are fixed to the basic posture fixing device. Generation step,
前記腰部、前記足部、前記腕部、前記頭部が前記基本姿勢固定装置に固定されている状態で、前記基本姿勢時駆動トルク取得ステップで取得した駆動トルクを発生させたときの前記可動関節の現在関節位置を、前記基本姿勢を形成するための理想関節位置に設定する理想関節位置設定ステップと、The movable joint when the driving torque acquired in the basic posture driving torque acquisition step is generated in a state where the waist, the foot, the arm, and the head are fixed to the basic posture fixing device. An ideal joint position setting step for setting the current joint position to an ideal joint position for forming the basic posture;
前記基本姿勢固定装置から前記腰部、前記足部、前記腕部、前記頭部を解除した状態で、前記可動関節が前記理想関節位置となるように駆動制御したときの前記腰部、前記足部、前記腕部、前記頭部の姿勢を機械モデル上の現実基本姿勢として取得する現実基本姿勢取得ステップとを有し、The waist portion, the foot portion, when the drive control is performed so that the movable joint is in the ideal joint position in a state where the waist portion, the foot portion, the arm portion, and the head portion are released from the basic posture fixing device. A real basic posture acquisition step of acquiring the posture of the arm and the head as a real basic posture on a machine model;
前記現実基本姿勢と前記基本姿勢との誤差が所定の許容値以下となるまで、前記基本姿勢形成ステップ、前記基本姿勢時駆動トルク取得ステップ、前記駆動トルク発生ステップ、前記理想関節位置設定ステップ、及び、前記現実基本姿勢取得ステップの各処理を繰り返し実行し、前記現実基本姿勢との誤差が所定の許容値以下となるときに、理想基本姿勢を実現する理想関節位置として設定する、Until the error between the actual basic posture and the basic posture becomes a predetermined allowable value or less, the basic posture forming step, the basic posture driving torque acquisition step, the driving torque generation step, the ideal joint position setting step, and , Repeatedly executing each process of the actual basic posture acquisition step, and setting an ideal joint position that realizes the ideal basic posture when an error from the actual basic posture is a predetermined allowable value or less,
ことを特徴とするロボット装置の制御方法。A method for controlling a robot apparatus, comprising:
1以上の制御対象点と、制御対象点を設定する制御対象点設定リンクと、ローカル座標原点と、ローカル座標原点を設置するローカル座標原点設置リンクと、複数の可動関節を備えたロボット装置の前記制御対象点設定リンク及び前記ローカル座標原点設置リンクの基本姿勢を管理するためのロボット装置の基本姿勢設定方法において、The robot apparatus having one or more control target points, a control target point setting link for setting a control target point, a local coordinate origin, a local coordinate origin setting link for setting a local coordinate origin, and a plurality of movable joints In the basic posture setting method of the robot apparatus for managing the basic posture of the control target point setting link and the local coordinate origin setting link,
前記制御対象点設定リンク及び前記ローカル座標原点設置リンクが前記基本姿勢となるように前記制御対象点設定リンク及び前記ローカル座標原点設置リンクを固定する基本姿勢固定装置に取り付けない状態で、前記制御対象点設定リンク及び前記ローカル座標原点設置リンクが基本姿勢を形成するように前記可動関節を理想関節位置に駆動制御する基本姿勢形成ステップと、In a state where the control target point setting link and the local coordinate origin setting link are not attached to the basic posture fixing device that fixes the control target point setting link and the local coordinate origin setting link so that the basic coordinate origin setting link is the basic posture. A basic posture forming step for driving and controlling the movable joint to an ideal joint position so that the point setting link and the local coordinate origin setting link form a basic posture;
前記基本姿勢を形成したときの前記可動関節の駆動トルクを取得する基本姿勢時駆動トルク取得ステップと、A basic posture driving torque acquisition step of acquiring the driving torque of the movable joint when the basic posture is formed;
前記基本姿勢固定装置に前記制御対象点設定リンク及び前記ローカル座標原点設置リンクが固定されている状態で、前記基本姿勢時駆動トルク取得ステップで取得した駆動トルクを前記可動関節に発生させる駆動トルク発生ステップと、Drive torque generation that causes the movable joint to generate the drive torque acquired in the basic posture drive torque acquisition step in a state where the control target point setting link and the local coordinate origin setting link are fixed to the basic posture fixing device. Steps,
前記制御対象点設定リンク及び前記ローカル座標原点設置リンクが前記基本姿勢固定装置に固定されている状態で、前記基本姿勢時駆動トルク取得ステップで取得した駆動トルクを発生させたときの前記可動関節の現在関節位置を、前記基本姿勢を形成するための理想関節位置に設定する理想関節位置設定ステップと、In a state where the control target point setting link and the local coordinate origin setting link are fixed to the basic posture fixing device, the movable joint when the driving torque acquired in the basic posture driving torque acquisition step is generated is generated. An ideal joint position setting step for setting the current joint position to an ideal joint position for forming the basic posture;
前記基本姿勢固定装置から前記制御対象点設定リンク及び前記ローカル座標原点設置リンクを解除した状態で、前記可動関節が前記理想関節位置となるように駆動制御したときの前記制御対象点設定リンク及び前記ローカル座標原点設置リンクの姿勢を機械モデル上の現実基本姿勢として取得する現実基本姿勢取得ステップとを有し、The control target point setting link when the movable joint is controlled to be the ideal joint position in a state where the control target point setting link and the local coordinate origin setting link are released from the basic posture fixing device, and A real basic posture acquisition step of acquiring the posture of the local coordinate origin setting link as a real basic posture on the machine model;
前記現実基本姿勢と前記基本姿勢との誤差が所定の許容値以下となるまで、前記基本姿勢形成ステップ、前記基本姿勢時駆動トルク取得ステップ、前記駆動トルク発生ステップ、前記理想関節位置設定ステップ、及び、前記現実基本姿勢取得ステップの各処理を繰り返し実行し、前記現実基本姿勢との誤差が所定の許容値以下となるときに、理想基本姿勢を実現する理想関節位を前記ロボット装置の基本姿勢として設定する、Until the error between the actual basic posture and the basic posture becomes a predetermined allowable value or less, the basic posture forming step, the basic posture driving torque acquisition step, the driving torque generation step, the ideal joint position setting step, and The actual basic posture acquisition step is repeatedly executed, and when the error from the actual basic posture becomes a predetermined allowable value or less, the ideal joint position that realizes the ideal basic posture is set as the basic posture of the robot apparatus. Set,
ことを特徴とするロボット装置の基本姿勢設定方法。A basic posture setting method for a robot apparatus.
少なくとも腰部、足部、腕部、頭部と、複数の可動関節を備えたロボット装置の基本姿勢を管理するためのロボット装置の基本姿勢設定方法において、In the basic posture setting method of the robot apparatus for managing the basic posture of the robot apparatus having at least the waist, legs, arms, head, and a plurality of movable joints,
前記腰部、前記足部、前記腕部、前記頭部が前記基本姿勢となるように前記腰部、前記足部、前記腕部、前記頭部を固定する基本姿勢固定装置に取り付けない状態で、前記腰部、前記足部、前記腕部、前記頭部が基本姿勢を形成するように前記可動関節を理想関節位置に駆動制御する基本姿勢形成ステップと、In a state where the waist, the foot, the arm, and the head are not attached to the basic posture fixing device that fixes the waist, the foot, the arm, and the head so that the head is in the basic posture. A basic posture forming step of driving and controlling the movable joint to an ideal joint position so that the waist, the foot, the arm, and the head form a basic posture;
前記基本姿勢を形成したときの前記可動関節の駆動トルクを取得する基本姿勢時駆動トルク取得ステップと、A basic posture driving torque acquisition step of acquiring the driving torque of the movable joint when the basic posture is formed;
前記基本姿勢固定装置に前記腰部、前記足部、前記腕部、前記頭部が固定されている状態で、前記基本姿勢時駆動トルク取得ステップで取得した駆動トルクを前記可動関節に発生させる駆動トルク発生ステップと、Driving torque that causes the movable joint to generate the driving torque acquired in the driving torque acquisition step in the basic posture in a state where the waist, the foot, the arm, and the head are fixed to the basic posture fixing device. Generation step,
前記腰部、前記足部、前記腕部、前記頭部が前記基本姿勢固定装置に固定されている状態で、前記基本姿勢時駆動トルク取得ステップで取得した駆動トルクを発生させたときの前記可動関節の現在関節位置を、前記基本姿勢を形成するための理想関節位置に設定する理想関節位置設定ステップと、The movable joint when the driving torque acquired in the basic posture driving torque acquisition step is generated in a state where the waist, the foot, the arm, and the head are fixed to the basic posture fixing device. An ideal joint position setting step for setting the current joint position to an ideal joint position for forming the basic posture;
前記基本姿勢固定装置から前記腰部、前記足部、前記腕部、前記頭部を解除した状態で、前記可動関節が前記理想関節位置となるように駆動制御したときの前記腰部、前記足部、前記腕部、前記頭部の姿勢を機械モデル上の現実基本姿勢として取得する現実基本姿勢取得ステップとを有し、The waist portion, the foot portion, when the drive control is performed so that the movable joint is in the ideal joint position in a state where the waist portion, the foot portion, the arm portion, and the head portion are released from the basic posture fixing device. A real basic posture acquisition step of acquiring the posture of the arm and the head as a real basic posture on a machine model;
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