JP5463991B2 - Biped walking robot - Google Patents
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Description
本発明は、2脚歩行ロボット(Biped Robot)に関する。 The present invention relates to a biped robot.
2脚歩行ロボットを歩行させるためのデータは歩容データと呼ばれる。歩容データは、通常、重心(或いは体幹)目標位置と足目標位置の時系列データで表される。歩容データの各時点のデータから脚の各関節の目標角が算出され、その目標角に追従するように各関節が制御される。なお、本明細書では、「時系列データ」を「軌道」と称することがある。また、歩容データは重心と足の目標軌道で表されるものとする。 Data for making the biped walking robot walk is called gait data. Gait data is usually represented by time-series data of a center of gravity (or trunk) target position and a foot target position. A target angle of each joint of the leg is calculated from the data at each time point of the gait data, and each joint is controlled so as to follow the target angle. In this specification, “time-series data” may be referred to as “trajectory”. The gait data is represented by the center of gravity and the target trajectory of the foot.
2脚歩行ロボットは、適切な歩容データを用いないと転倒してしまう。転倒するか否かは、ロボットが現実に歩行して初めて確認できる事項であるので、本明細書では、理論上転倒せずに歩行することが予想できることを便宜上、「安定に歩行することができる」と表現する。さらに、理論上で安定な歩行を実現することができる歩容データを便宜上「安定な歩容データ」と称する。また、以下では簡単のため「2脚歩行ロボット」を単に「ロボット」と称する。 A biped robot would fall over without proper gait data. Whether or not the robot falls is a matter that can be confirmed only after the robot actually walks. Therefore, in this specification, for the sake of convenience, it can be predicted that the robot can walk without falling down. ". Further, gait data that can realize a theoretically stable walking is referred to as “stable gait data” for convenience. In the following, for the sake of simplicity, the “biped walking robot” is simply referred to as “robot”.
安定な歩容データを生成する一つの手法は、ZMP方程式に基づいてロボットの重心軌道(時系列データ)を生成し、重心軌道から脚各関節の目標角を求めることである。転倒するか否かは、ロボットの重心軌道が支配的な要素だからである。多くの2脚歩行ロボットがZMP方程式に基づいて歩容データを生成している。 One method for generating stable gait data is to generate a center of gravity trajectory (time-series data) of the robot based on the ZMP equation and obtain a target angle for each leg joint from the center of gravity trajectory. Whether or not the robot falls is because the center of gravity trajectory of the robot is the dominant factor. Many biped walking robots generate gait data based on the ZMP equation.
歩容データに予定されているとおりに各足が離地・着地すればよいが、外乱等によって実際には歩容データに予定されているとおりには動かない場合がある。ここで、「外乱」とは、例えば2脚歩行ロボットが他の物体と接触したときに当該他の物体から受ける接触力や、路面の想定外の起伏によって生じる2脚歩行ロボット全体の傾きなどである。 Each foot should just take off and land as planned in the gait data, but may not actually move as planned in the gait data due to disturbance or the like. Here, the “disturbance” is, for example, a contact force received from another object when the biped walking robot comes into contact with another object, or an inclination of the entire biped walking robot caused by unexpected undulations on the road surface. is there.
外乱等によって足が離地することがある。そのような場合は通常、足の一部(例えばつま先)が接地したまま他の一部(例えばかかと)が浮き出す。即ち、足平が予定外に路面に対して傾く。足平が路面に対して傾くと、足平を通じて体幹に床反力によるモーメントを加えることができなくなり、転倒に繋がる可能性が高くなる。そのため、足平が予定外に傾くことは避けなければならない。路面に対する足平の傾きを是正する技術が例えば特許文献1に開示されている。以下、路面に対する足平の傾きを単に足平の傾きと称する。 Legs may take off due to disturbance. In such a case, the other part (for example, heel) usually protrudes while the part (for example, toe) of the foot is grounded. That is, the foot tilts with respect to the road surface unexpectedly. When the foot is inclined with respect to the road surface, it becomes impossible to apply a moment due to the floor reaction force to the trunk through the foot, and the possibility of falling is increased. Therefore, it is necessary to avoid the foot tilting unscheduled. For example, Patent Literature 1 discloses a technique for correcting the inclination of the foot with respect to the road surface. Hereinafter, the inclination of the foot with respect to the road surface is simply referred to as the inclination of the foot.
特許文献1の技術は、足平が傾き始めた際、体幹の傾きを元に戻そうとする制御(特許文献1では倒立制御と称している)と、傾いた足平を再び路面に面接触させようとする制御(特許文献1では倣い制御と称している)を巧みに組み合わせる。ここで、倒立制御は足平の傾きがより大きくなる方向に作用し、倣い制御は足平の傾きを小さくするように作用する。即ち、倒立制御と倣い制御はトレードオフの関係にある。特許文献1の技術は、このトレードオフを巧みに調整する技術である。 When the foot starts to tilt, the technology of Patent Document 1 is to control the trunk to return the tilt of the trunk (referred to as inverted control in Patent Document 1), and the tilted foot again faces the road surface. The control to make contact (referred to as copying control in Patent Document 1) is skillfully combined. Here, the inversion control acts in a direction in which the inclination of the foot becomes larger, and the copying control acts to reduce the inclination of the foot. That is, the inversion control and the copying control are in a trade-off relationship. The technique of Patent Document 1 is a technique for skillfully adjusting this trade-off.
しかしながら、特許文献1の技術は、トレードオフを調整する技術であるため、倒立制御と倣い制御のいずれも最適とはならない。本発明は、特許文献1が開示する技術的思想とは全く異なる技術的思想に基づき、トレードオフという概念を要さずに、歩行安定性を確保しながら足平の傾きを元に戻す技術を提供する。 However, since the technique of Patent Document 1 is a technique for adjusting a trade-off, neither the inversion control nor the copying control is optimal. The present invention is based on a technical idea that is completely different from the technical idea disclosed in Patent Document 1, and does not require a concept of trade-off, and a technique for restoring the inclination of the foot while ensuring walking stability. provide.
特許文献1における倒立制御とは、体幹の傾きを当初の目標角度に戻すという技術的思想に基づいている。本明細書が開示する新規な技術は、体幹の傾きを目標角度に戻すのではなく、体幹が傾いていく方向(即ち足平の傾きが増大する方向)の重心の加速度を脚の各関節の目標角に取り込むことによって、体幹を加速する慣性力の反力で足平の傾きを元に戻す。歩行安定性は、その加速度で安定して歩行ができるようにZMP方程式を使って重心軌道を作成し直すことによって確保する。別言すれば、この方法は、直近の期間(例えば数十msecの間)は体幹が傾いていく方向へ体幹を加速するように脚の関節を制御することによって足平の傾きを抑えるとともに、長期的(例えば現在の遊脚が着地するまでの間)なスパンで歩行が安定するように脚の関節を制御する。本発明は以上のように、時間軸方向で短期的には足平の傾きを抑えるように、そして、長期的には歩行を安定させるように、脚の目標関節角を決定する。そのような技術思想によって、トレードオフという概念を導入することなく、足平の傾きの抑制と歩行安定性を両立する。なお、本発明は、足平の傾きを抑える期間と歩行を安定させるための期間を時間軸上で明示的に分けるものではない。重心の軌道を定めるZMP方程式において、直近の重心の軌跡を支配するパラメータ(現在時刻における重心の加速度)と所定時間後の重心軌道全体を支配するパラメータ(所定時間後の重心速度)の2つに着目することによって、短期的には足平の傾きを抑えるように、長期的に軌道全体としては歩行安定性が保たれるように重心軌道を生成する。 The inversion control in Patent Document 1 is based on a technical idea of returning the trunk inclination to the original target angle. The novel technique disclosed in the present specification does not return the trunk inclination to the target angle, but the acceleration of the center of gravity in the direction in which the trunk tilts (that is, the direction in which the inclination of the foot increases) By taking in the target angle of the joint, the inclination of the foot is restored by the reaction force of the inertial force that accelerates the trunk. Walking stability is ensured by recreating the center of gravity trajectory using the ZMP equation so that walking can be stably performed at the acceleration. In other words, this method suppresses the inclination of the foot by controlling the joints of the legs so as to accelerate the trunk in the direction in which the trunk tilts during the most recent period (for example, for several tens of milliseconds). At the same time, the leg joints are controlled so that walking is stable over a long-term span (for example, until the current free leg lands). As described above, the present invention determines the target joint angle of the leg so as to suppress the inclination of the foot in the short-term in the time axis direction and stabilize the walking in the long-term. With such a technical idea, both the suppression of foot inclination and walking stability are achieved without introducing the concept of trade-off. The present invention does not explicitly separate the period for suppressing the inclination of the foot and the period for stabilizing the walking on the time axis. In the ZMP equation that defines the trajectory of the center of gravity, there are two parameters: the parameter that governs the trajectory of the most recent center of gravity (acceleration of the center of gravity at the current time) and the parameter that governs the entire center of gravity trajectory after a predetermined time (the center of gravity speed after a predetermined time). By paying attention, the center-of-gravity trajectory is generated so that the walking stability of the entire trajectory is maintained over the long term so that the inclination of the foot is suppressed in the short term.
本明細書が開示する新規な2脚歩行ロボットは、各脚に複数の距離センサを備えている。距離センサは、足裏の前後少なくとも2箇所に配置されており、路面までの距離を計測する。コントローラは、足の目標軌道から脚の各関節の目標角の時系列データを算出するとともに算出した時系列データに追従するように脚の各関節を制御する。コントローラは、足の予定外の傾きを検知すると目標関節角の時系列データを再計算する。再計算する処置は以下の通りである。重心加速度算出ステップ:距離センサによって予定外(足の目的軌道上で予定されている離地タイミング以外)に足平が路面に対して傾いたことを検知したときに、そのときの重心の加速度を算出する。重心軌道決定ステップ:算出した重心の加速度により実現される重心の速度を初期値とし、予め定められた期間の終端で予め定められた重心の速度を有することを終端条件としてZMP方程式を解いて重心の軌道を算出する。関節目標角算出ステップ:算出された重心の軌道から脚関節の目標角の時系列データを再計算する。そしてコントローラは、関節目標角算出ステップで再計算された目標角の時系列データに追従するように脚の各関節を制御する。 The novel biped robot disclosed in this specification includes a plurality of distance sensors on each leg. The distance sensors are arranged at least two places before and after the sole, and measure the distance to the road surface. The controller calculates time series data of the target angles of the joints of the legs from the target trajectory of the legs and controls the joints of the legs so as to follow the calculated time series data. When the controller detects an unplanned inclination of the foot, the controller recalculates time series data of the target joint angle. The recalculation procedure is as follows. Center-of-gravity acceleration calculation step: When the distance sensor detects that the foot has tilted with respect to the road surface outside the schedule (other than the scheduled takeoff timing on the foot trajectory), the acceleration of the center of gravity at that time is calculated. calculate. Center of gravity trajectory determination step: The center of gravity is obtained by solving the ZMP equation using the velocity of the center of gravity realized by the calculated acceleration of the center of gravity as an initial value and having the velocity of the center of gravity determined in advance at the end of a predetermined period. The trajectory of is calculated. Joint target angle calculation step: recalculate time-series data of target angles of the leg joints from the calculated trajectory of the center of gravity. Then, the controller controls each joint of the leg so as to follow the time series data of the target angle recalculated in the joint target angle calculation step.
ここで、「予定外に足平が路面に対して傾いたとき」とは、歩容データ(足の目標軌道)上で予定されている離地タイミング以外に足平が路面に対して傾いたとき」という意味である。歩容データ上で予定されている離地の際、即ち、予定されているとおりに足平が傾いたときには、特別な処理をすることなく、元々の歩容データに従って脚の各関節を制御すればよいからである。 Here, “when the foot tilts with respect to the road surface unexpectedly” means that the foot tilts with respect to the road surface in addition to the scheduled takeoff timing on the gait data (target foot trajectory). It means "when". When taking off as planned on the gait data, that is, when the foot tilts as planned, each joint of the leg is controlled according to the original gait data without any special processing. It is because it is good.
上記コントローラが実行する処理の特徴は、特に、重心軌道決定ステップにある。安定な歩行を実現するための重心の軌道は、ZMP方程式で与えられる。ZMP方程式は、重心位置の加速度を与える方程式である。発明の実施形態の欄で説明するように、ZMP方程式は、現在注目する期間について、重心軌道の初期速度と終端速度を境界条件として与えると、重心軌道を一意に決定することができる。上記の重心軌道決定ステップでは、足平が傾いたときの重心加速度によって定まる現時点での重心速度を初期値として与える。これによって、予定していなかった重心の加速度を新しい重心軌道に取り込み、その加速度を実現する重心軌道を決定する。新たな加速度を実現するように脚の各関節を制御することによって、重心を加速する力の反力で足平の傾きを抑制する。初期値を上記のとおりに与えることによって、直近の期間(例えば数十msecの間)は体幹が傾いていく方向へ重心を加速する重心軌道が求まり、そのような重心軌道に基づいて脚関節を制御することによって足平の傾きが抑えられる。他方、重心軌道の終端では、過大とならない適切な終端速度を境界条件として与える。この終端速度条件によって、重心軌道の終端で速度が過大とならないことが保証される。そのような終端速度条件の下で得られる重心軌道は、その終端で速度が増大しないこと、即ち、重心速度が増加の一途を辿って制御不能なまでに過大となることが回避される。即ち、歩行安定性が確保される。 The feature of the process executed by the controller is particularly the center-of-gravity trajectory determination step. The trajectory of the center of gravity for realizing stable walking is given by the ZMP equation. The ZMP equation is an equation that gives the acceleration of the center of gravity position. As will be described in the section of the embodiment of the invention, the ZMP equation can uniquely determine the center of gravity trajectory when the initial speed and the terminal speed of the center of gravity trajectory are given as boundary conditions for the current period of interest. In the center-of-gravity trajectory determination step, the current center-of-gravity speed determined by the center-of-gravity acceleration when the foot is tilted is given as an initial value. As a result, the acceleration of the center of gravity that was not scheduled is taken into a new center of gravity trajectory, and the center of gravity trajectory that realizes the acceleration is determined. By controlling each joint of the leg so as to realize a new acceleration, the inclination of the foot is suppressed by the reaction force of the force that accelerates the center of gravity. By giving the initial value as described above, the center of gravity trajectory that accelerates the center of gravity in the direction in which the trunk tilts is obtained in the most recent period (for example, for several tens of milliseconds), and the leg joint is based on such center of gravity trajectory. The inclination of the foot can be suppressed by controlling. On the other hand, at the end of the center of gravity trajectory, an appropriate end speed that does not become excessive is given as a boundary condition. This terminal speed condition ensures that the speed does not become excessive at the end of the center of gravity trajectory. It is avoided that the center of gravity trajectory obtained under such a terminal speed condition does not increase in speed at the terminal end, that is, it becomes excessive until the center of gravity speed increases and becomes uncontrollable. That is, walking stability is ensured.
本発明の2脚歩行ロボットは、予定外に足平が路面に対して傾いた場合であっても、歩行安定性を確保しつつ足平の傾きを抑えることができる。 The biped walking robot of the present invention can suppress the inclination of the foot while ensuring walking stability even when the foot is inclined relative to the road surface unexpectedly.
図1に、歩行中の2脚歩行ロボット10の側面図を示す。以下、2脚歩行ロボット10を単にロボット10と称する。脚の各関節には関節角を制御するアクチュエータと、関節角を検出するエンコーダが内蔵されている。ロボット10はコントローラ20を備えており、コントローラ20が、歩容データに基づいて脚の各関節を制御する。ここで、「各関節を制御する」とは、歩容データから得られる各関節の目標角度に追従するようにアクチュエータを制御することを意味する。コントローラ20は、通常は歩容データ(足の目標軌道と重心の目標軌道)から各関節の目標角の時系列データを算出し、算出した目標角に追従するように各関節を制御する。コントローラ20は、歩容データに予定されていない足平の傾きが検知された場合、歩容データに記述されている重心軌道に関わらず、重心の加速度に基づいて重心軌道を再計算する。歩容データの生成方法、及び、歩容データから関節目標角を生成する手法については、従来から知られている手法を用いればよいので詳しい説明は省略する。
FIG. 1 shows a side view of a
ロボット10は、足裏に2個の距離センサ16a、16bを備えており、これら距離センサによって足平の傾きを検出する。距離センサ16aはつま先に相当する位置に配置されており、距離センサ16bは踵に相当する位置に配置されている。距離センサ16a、16bは、夫々の位置で路面と足裏面との間の距離を計測する。2個の距離センサのセンサデータから、路面に対する足平の傾き角度を求めることができる。
The
歩容データ上に予定されていない足平の傾きが検知された場合の処理を説明する前に、歩行安定性を確保する重心軌道について説明する。図1において、符号10Aは現在時刻T0におけるロボットの姿勢を示しており、符号10Bは時刻T1におけるロボットの予定姿勢を示している。符号xg(T0)は、現在時刻T0における重心Gのx座標を示しており、符号zg(T0)は、現在時刻T0における重心Gのz座標を示している。符号符号qx(T0)は、現在時刻T0におけるZMPのx座標を示している。xp(T0)は、現在時刻T0における足位置のx座標を示している。ここで、足位置xpは、足のつま先に固定された点の位置で表される。
Before explaining the processing when an unplanned foot inclination is detected on the gait data, the center-of-gravity trajectory that ensures walking stability will be explained. In FIG. 1,
以下では、重心軌道のx成分xg(i)(符号「i」は時離散時間系における時刻を表す)について説明する。以下の議論はy成分についても成立する。ZMPは、足裏に分布する圧力(反力)に等価な集中反力が床面と交差する点で定義される。重心Gに作用するピッチ軸(y軸)周りのモーメントをry(i)で表すと、時刻(i)における重心Gを中心とするピッチ軸(y軸)回りの釣り合い方程式は次の(数1)で与えられる。 Hereinafter, the x component x g (i) of the barycentric trajectory (the symbol “i” represents the time in the time discrete time system) will be described. The following discussion also holds for the y component. ZMP is defined as a point at which a concentrated reaction force equivalent to a pressure (reaction force) distributed on the sole intersects the floor surface. When the moment around the pitch axis (y-axis) acting on the center of gravity G is expressed by r y (i), the balance equation around the pitch axis (y-axis) around the center of gravity G at time (i) is Given in 1).
ここで、mはロボット全体の質量を表し、gは重心加速度を表す。zg(i)は重心Gのz座標を表す。上付き文字の(2)は時間2回微分を表す。即ち、xg (2)(i)は、重心Gの加速度のx成分を表す。(数1)が、x軸方向のZMP方程式に相当する。(数1)は、時刻iにおけるZMP位置qx(i)と、重心位置xg(i)、zg(i)とそれらの加速度xg (2)(i)、zg (2)(i)の関係を示している。 Here, m represents the mass of the entire robot, and g represents the acceleration of the center of gravity. z g (i) represents the z coordinate of the center of gravity G. The superscript (2) represents twice the time differentiation. That is, x g (2) (i) represents the x component of the acceleration of the center of gravity G. (Equation 1) corresponds to the ZMP equation in the x-axis direction. (Equation 1) represents the ZMP position q x (i) at time i, the gravity center positions x g (i), z g (i) and their accelerations x g (2) (i), z g (2) ( The relationship of i) is shown.
重心Gの加速度のz成分、即ち、zg (2)(i)は予め与えられる。zg (2)(i)は、歩行時の腰の上下動にほぼ相当する。重心Gの加速度のx成分、即ち、xg (2)(i)、及び、重心Gの速度のx成分xg (1)(i)は、微小時間間隔Δtを用いたオイラー近似に基づいて次の(数2)で表される。 The z component of the acceleration of the center of gravity G, that is, z g (2) (i) is given in advance. z g (2) (i) substantially corresponds to the vertical movement of the waist during walking. The x component of the acceleration of the center of gravity G, that is, x g (2) (i) and the x component x g (1) (i) of the velocity of the center of gravity G are based on Euler approximation using a minute time interval Δt. It is expressed by the following (Equation 2).
(数2)より、重心Gの加速度のx成分xg (2)(i)は重心Gの連続する3つの時刻の位置、xg(i)、xg(i+1)、xg(i+2)によって次の(数3)で近似できる。 From (Equation 2), the x component x g (2) (i) of the acceleration of the center of gravity G is the position of three consecutive times of the center of gravity G, x g (i), x g (i + 1), x g (i + 2) Can be approximated by the following (Equation 3).
(数3)を(数1)に代入し、ry(i)=0とおくと次の(数4)が得られる。 Substituting (Equation 3) into (Equation 1) and setting r y (i) = 0, the following (Equation 4) is obtained.
(数4)は、(数1)のZMP方程式において、x軸方向の重心加速度xg (2)(i)を連続する3つの時刻の重心位置(x成分)の変数、即ち、xg(i+1)、xg(i)及び、xg(i−1)によって近似した3項方程式である。(数4)は、ZMPの位置qx(i)によって、重心位置のx成分の時間的に連続する3点xg(i+1)、xg(i)及び、xg(i−1)の位置関係が定まることを表している。 (Expression 4) is a variable of the centroid position (x component) at three consecutive times of the centroid acceleration x g (2) (i) in the x-axis direction in the ZMP equation of (Expression 1), that is, x g ( It is a ternary equation approximated by i + 1), x g (i), and x g (i−1). (Expression 4) is obtained by calculating the three consecutive points x g (i + 1), x g (i), and x g (i−1) of the x component of the centroid position in time by the position q x (i) of the ZMP This indicates that the positional relationship is determined.
i=1からnまでについて、(数4)をマトリクス表現すると次の(数5)が得られる。なお、時刻(n)は、図1において遊脚(右脚)が着地する予定時刻T1に相当する。歩行速度は予め与えられており、従って着地予定時刻T1は定まっている。現在時刻T0も検知することができるから、(数5)の時間スパンは現在時刻T0から着地予定時刻T1までの時間TSである。(数5)の次数nは、時間スパンTSを予め与えられたサンプリングタイムΔtで除した値で定まる。 When (Equation 4) is expressed in matrix for i = 1 to n, the following (Equation 5) is obtained. Time (n) corresponds to scheduled time T1 when the free leg (right leg) lands in FIG. The walking speed is given in advance, and therefore the scheduled landing time T1 is fixed. Since the current time T0 can also be detected, the time span of (Equation 5) is the time TS from the current time T0 to the scheduled landing time T1. The order n of (Expression 5) is determined by a value obtained by dividing the time span TS by a predetermined sampling time Δt.
なお、(数5)のqx(1)とqx(n)は、他のqx(i)すなわち、ZMPの位置とは別の意味を含んでいる。(数5)の第1行は、初期速度が現在時刻の重心速度に一致することを保証する初期境界条件に相当し、第n行は、遊脚が着地する予定時刻T1における重心速度が予定された速度に一致することを保証する終端境界条件に相当する。(数2)の定義から、qx(1)=v(T0)Δt、qx(n)=v(T1)Δtである。v(T0)とv(T1)は、第1図に示した通り、現在時刻T0と遊脚着地予定時刻T1における重心Gの速度のx成分である。(数5)より、重心軌道のx成分[Xg](即ち、xg(i),i=1〜n)は、次の(数6)で求めることができる。 Note that q x (1) and q x (n) in (Equation 5) have different meanings from other q x (i), that is, the position of ZMP. The first line of (Equation 5) corresponds to the initial boundary condition that guarantees that the initial speed matches the center of gravity speed at the current time. This corresponds to a terminal boundary condition that guarantees that the measured speed is met. From the definition of (Expression 2), q x (1) = v (T0) Δt and q x (n) = v (T1) Δt. As shown in FIG. 1, v (T0) and v (T1) are x components of the velocity of the center of gravity G at the current time T0 and the free leg landing scheduled time T1. From (Equation 5), the x component [Xg] (that is, x g (i), i = 1 to n) of the gravity center trajectory can be obtained by the following (Equation 6).
(数6)は、初期境界条件と終端境界条件を含むZMP軌道[Qx]を与えると重心軌道[Xg]が求まることを表している。なお、(数6)は、ZMP軌道[Qx]に対する重心軌道[Xg]を与える。即ち、得られた時刻(i)の重心位置xg(i)は、ZMP位置に対する相対位置を示している。そこで、(数6)によってZMP軌道[Qx]に対する相対的な重心軌道[Xg]を求めたのち、時刻(0)の重心位置xg(0)が図1の時刻T0における重心位置xg(T0)に一致するように、ZMP軌道[Qx]と重心軌道[Xg]を路面(XY平面)に平行にシフトする。この処理によって、(数6)によって求めた重心軌道と、それまでの重心軌道(終端における位置はxg(T0))との連続性が維持される。こうして、時刻T0からT1までの重心軌道が求まる。なお、ZMPは足平が受ける床反力の中心点であるから、ZMP位置が足平面内となるように足平位置が定められる。 (Expression 6) represents that the center-of-gravity trajectory [Xg] is obtained when the ZMP trajectory [Qx] including the initial boundary condition and the terminal boundary condition is given. (Equation 6) gives the center of gravity trajectory [Xg] with respect to the ZMP trajectory [Qx]. That is, the obtained gravity center position x g (i) at time (i) indicates a relative position with respect to the ZMP position. Therefore, (6) after it determined the relative center of gravity pathway [Xg] for ZMP trajectory [Qx] by time (0) of the center of gravity position x g (0) is the center of gravity position x g at time T0 in FIG. 1 ( The ZMP trajectory [Qx] and the gravity center trajectory [Xg] are shifted in parallel to the road surface (XY plane) so as to coincide with T0). By this process, the continuity between the center of gravity trajectory obtained by (Equation 6) and the center of gravity orbit up to that point (the position at the end is x g (T0)) is maintained. Thus, the center of gravity trajectory from time T0 to T1 is obtained. Since ZMP is the center point of the floor reaction force received by the foot, the foot position is determined so that the ZMP position is in the foot plane.
(数6)で得られる重心軌道が、歩行安定性を保証していることを説明する。(数6)の解[Xg]を得るために与える境界条件は、初期時刻における重心速度と終端時刻における重心速度である。このうち、初期時刻における重心速度は、現在時刻における実際の重心速度を与えればよい。これは、現在時刻までの過去の重心軌道と、現在時刻から将来の重心軌道の連続性を確保するためである。終端時刻における重心速度として適切な値、例えば、歩行速度に等しい速度V0、を与えると、(数6)で得られる重心軌道[Xg]は、その終端で必ず速度V0を有することが保証される。軌道終端における重心の速度(x軸方向の速度)は、ZMP位置から離れるほど大きくなる。このことは、倒立振子の先端の速度は、先端位置が支点から遠いほど早くなることから類推される。倒立振子の先端が重心に対応し、倒立振子の支点がZMPに対応する。ZMP方程式は、終端境界条件として適切な大きさの速度を与えると、その速度が実現される位置を導出する。適切な速度が実現できる位置とは、ZMPからそう遠く離れていない位置(XY平面内における位置)に他ならない。重心位置がZMPからそう遠く離れていないということは、ロボット自体が大きく傾かないことを意味する。即ち、ZMP方程式は終端境界条件として適切な大きさの速度を与えると、終端位置としてロボットが大きく傾くことのない重心位置を与える。終端において重心の速度が与えられた適切な大きさであり、重心の位置もZMPからそう遠く離れていない位置となることが、重心軌道の終端で歩行安定性が確保されることを意味する。重心軌道の終端時刻を2歩先、或いは3歩先の着地予定時刻とすることによって、2歩先、或いは3歩先まで安定して歩行できることが保証される。 The fact that the center-of-gravity trajectory obtained by (Equation 6) guarantees walking stability will be described. The boundary conditions given to obtain the solution [Xg] of (Equation 6) are the centroid speed at the initial time and the centroid speed at the end time. Of these, the center-of-gravity speed at the initial time may be the actual center-of-gravity speed at the current time. This is to ensure the continuity of the past center of gravity trajectory up to the current time and the future center of gravity orbit from the current time. When an appropriate value is given as the center of gravity speed at the end time, for example, the speed V0 equal to the walking speed, the center of gravity trajectory [Xg] obtained by (Equation 6) is guaranteed to always have the speed V0 at the end. . The speed of the center of gravity at the end of the orbit (speed in the x-axis direction) increases as the distance from the ZMP position increases. This is presumed that the speed of the tip of the inverted pendulum becomes faster as the tip position is farther from the fulcrum. The tip of the inverted pendulum corresponds to the center of gravity, and the fulcrum of the inverted pendulum corresponds to the ZMP. The ZMP equation derives a position where the velocity is realized when an appropriate magnitude of velocity is given as a terminal boundary condition. A position where an appropriate speed can be realized is nothing but a position (position in the XY plane) that is not far from the ZMP. The fact that the position of the center of gravity is not so far away from the ZMP means that the robot itself does not tilt greatly. That is, if the ZMP equation gives a speed of an appropriate magnitude as the end boundary condition, it gives a center of gravity position where the robot does not tilt greatly as the end position. If the speed of the center of gravity is an appropriate size given at the end, and the position of the center of gravity is not far from the ZMP, it means that walking stability is secured at the end of the center of gravity trajectory. By setting the end time of the center-of-gravity trajectory to be a scheduled landing time of 2 steps ahead or 3 steps ahead, it is ensured that it is possible to walk stably up to 2 steps ahead or 3 steps ahead.
脚式ロボット10は、上記(数6)によって、2歩先まで歩行安定性が確保された重心軌道を算出している。但しここでは、(数6)で考慮する時間期間(i=0〜nまでの期間)として、現在時刻から2歩目の着地予定時刻までの時間間隔を採用する。また、ロボット10の歩容データには足の目標軌道(図1におけるXp(i))も含まれている。足の目標軌道は、現在の着地位置と次の着地位置の間を予め与えられた曲線で結んで生成されている。ロボット10は、上記した重心軌道生成処理を予め与えられた周期(例えば20msec毎)に行い、結果として常に歩行安定性が確保された重心軌道に基づいて脚の各関節を制御している。なお、目標関節角の時系列データは、各時刻における重心の位置と足の位置からいわゆる逆キネマティクス(重心逆キネマティクス)によって求められる。
The
上述したように脚式ロボット10のコントローラ20は、定期的に現在時刻から2歩先までの重心軌道を生成する。コントローラ20は、通常は定期的に重心軌道(歩容データ)を更新するが、歩容データに予定されていない足平の傾きが検知された場合、歩容データに記述されている重心軌道に関わらず、重心の加速度に基づいて重心軌道を再計算する。このときのコントローラ20の処理を次に説明する。
As described above, the
図2にコントローラ20が実行する処理のフローチャートを示す。コントローラ20は、2個の距離センサ16a、16bからセンサデータを取得し(S2)、足平が予定外に路面から傾いていないかを判断する(S4)。コントローラ20は、センサデータから得られる路面に対する足の傾斜角を、歩容データによって定められる足平の予定された傾斜角を比較し、歩容データ上では傾斜角ゼロ及び距離ゼロ(即ち足平が路面に面接触している状態)であるにも関わらず、センサデータが足平の傾斜角がゼロでないことを示している場合、予定外の傾きが発生していると判断する。
FIG. 2 shows a flowchart of processing executed by the
足平に予定外の傾きが発生していない場合(S4:NO)、コントローラ20は、定期的に更新された歩容データに基づいて脚関節を制御する。即ち、コントローラ20は、歩容データに記述されている重心軌道(及び足の目標軌道)から逆キネマティクスによって各関節の目標角を算出し(S10)、実際の関節角が得られた関節目標角に追従するように各関節を制御する(S12)。
When an unscheduled inclination does not occur in the foot (S4: NO), the
他方、足平に予定外の傾きが発生している場合(S4:YES)、コントローラ20は、そのときの重心の加速度を算出する(S6)。加速度算出の手法は後述する。次いでコントローラ20は、得られた加速度によって実現される重心の速度を求める。求めた速度を初期値とし、また所定時間後の重心の速度を終端条件として与えて(数6)を解き、重心軌道を再計算する(S8)。所定時間後とは、典型的には遊脚の次の(或いは2歩先の)着地タイミングまでである。加速度の求め方は後述する。
On the other hand, when an unscheduled inclination occurs in the foot (S4: YES), the
ステップS8で重心軌道が算出された場合、コントローラ20は、それまで用いていた重心軌道に代えてステップS8で新たに得られた重心軌道に基づいて、逆キネマティクスによって各関節の目標角を算出し(S10)、実際の関節角が得られた関節目標角に追従するように各関節を制御する(S12)。ステップS8で得られる重心軌道は、足平の予定外の傾きに起因する重心の加速度から得られるものである。即ち、その重心軌道の初頭の期間はステップS6で求めた重心の加速度を反映しており、その重心軌道から得られる各脚関節の目標角の時系列データは、その重心の加速度に合わせて脚の姿勢を変化させるものとなる。即ち、そのようにして求められた脚関節の目標角の時系列データは、路面に対する足平の傾きを戻す方向に脚全体を動かす。
When the center-of-gravity trajectory is calculated in step S8, the
また、ステップS8で得られる重心軌道の終端での重心速度は、境界条件として与えられた値となる。従って終端速度として適切な値(例えば、予め定められた歩行速度)を与えれば、例え重心軌道の初期において加速度(速度)が大きくとも、終端における重心速度は必ず既知の適切な値(例えば歩行速度)となることが保証される。即ち、重心軌道の終端においては定常な歩行動作に戻ることが保証される。 Further, the center-of-gravity velocity at the end of the center-of-gravity trajectory obtained in step S8 is a value given as a boundary condition. Therefore, if an appropriate value (for example, a predetermined walking speed) is given as the terminal speed, even if the acceleration (speed) is large at the initial stage of the center of gravity trajectory, the center of gravity speed at the terminal always has a known appropriate value (for example, the walking speed). ) Is guaranteed. That is, at the end of the center of gravity trajectory, it is guaranteed to return to a steady walking motion.
以上の通り実施例の2脚歩行ロボット10は、路面に対して足平が予定外に傾いた場合、傾きに起因する重心の加速度を積極的に許容することによって足平の傾きをゼロに戻す。さらに、算出される重心軌道は、初期の期間では足平の傾きに起因する加速度の影響を受けるが、重心軌道の終端では必ず既知の速度に落ち着くので歩行の安定性が保証される。
As described above, the
足平の傾きに起因する重心加速度の求め方について説明する。図3に足平14が傾いたときのロボット10の姿勢の一例を示す。実線が傾いたロボットの姿勢を示しており、破線は元々の歩容データ上で予定されている姿勢を示している。このときの実際のZMPは足先の位置にある(なぜならば、ZMPは足平が地面から受ける反力の中心であるから、足先だけで接地している場合にはZMPは当然に足先の位置となる)。実際のZMPのx座標とz座標を(qx、qz)で表す。足平が予定外に傾いたときには、実際のZMPは目標ZMPと相違している。この相違に基づくと、重心の加速度xg d(2)は次の(数7)で求めることができる。
A method for obtaining the center-of-gravity acceleration caused by the inclination of the foot will be described. FIG. 3 shows an example of the posture of the
(数7)において、qx d、qz dは、目標ZMPを示しており、qxは実際のZMPを示している。 In (Expression 7), q x d and q z d indicate the target ZMP, and q x indicates the actual ZMP.
重心加速度の他の求め方を説明する。図3に示すように、重心加速度xg d(2)は、路面に対する足平の傾きをθを使って次の(数8)で表すこともできる。 Another method for obtaining the acceleration of the center of gravity will be described. As shown in FIG. 3, the center-of-gravity acceleration x g d (2) can also be expressed by the following (Equation 8) using θ as the slope of the foot with respect to the road surface.
(数8)において、xrは、ロボット10の回転中心、すなわち、実ZMP位置に相当する。また、k1、k2は、設定パラメータ(ゲイン)である。
In equation (8), x r is the rotational center of the
(数7)又は(数8)によって、足平が予定外に傾いたときの重心の加速度が求まる。先に示したように、重心軌道を求めるためのZMP方程式(数6)は、初期境界条件として速度を与える。現在時刻における重心速度をVg0とし、(数6)における時間間隔をΔtとすると、(数7)、又は(数8)によって得られた重心加速度xg d(2)と、(数6)の初期境界条件の速度Vg_initとの関係は、次の(数9)で表される。 From (Expression 7) or (Expression 8), the acceleration of the center of gravity when the foot tilts unscheduled is obtained. As previously indicated, the ZMP equation (Equation 6) for obtaining the center of gravity trajectory gives velocity as the initial boundary condition. Assuming that the center-of-gravity velocity at the current time is V g0 and the time interval in ( Equation 6) is Δt, the acceleration of the center of gravity x g d (2) obtained by (Equation 7) or (Equation 8 ) and (Equation 6) The relationship between the initial boundary condition Vg_init and the initial boundary condition is expressed by the following ( Equation 9).
(数9)のVg_initが、重心加速度xg d(2)を考慮したときの重心初期速度に相当する。ロボット10のコントローラ20はステップS8において、(数9)で与えられるVg_initを初期境界条件に用いて(数6)を解く。
V g_init in ( Equation 9) corresponds to the center-of-gravity initial speed when the center-of-gravity acceleration x g d (2) is considered. In step S8, the
足平が拇指球に相当する位置でピッチ軸周りの関節を有しており、踵に対してつま先が揺動する足平を有する2脚歩行ロボットの場合の接地センサの用法について説明する。図3に、つま先14aと踵14bがジョイント14cによって揺動可能に連結されている足平の側面図を示す。足平14は、3個の接地センサ16a、16b、及び、16cを備えている。接地センサ16aと16cはつま先14aの底面に取り付けられている。接地センサ16aはつま先14aの先端に配置されており、接地センサ16cはつま先14aの後端に配置されている。接地センサ16bは踵14bの底面に配置されている。図3(A)は、足平全体が接地している状況を示しており、図3(B)は踵14bに対してつま先14aが屈曲しており、つま先14aが接地している状況を示している。図3(C)は、足平の前方が段差Wから突出している状況を示している。
A method of using the ground contact sensor in the case of a biped walking robot having a foot having a joint around the pitch axis at a position corresponding to the thumb ball and a toe swinging relative to the heel will be described. FIG. 3 shows a side view of a foot in which the
図3(A)のように、足平全体が接地している場合、コントローラ20は、最先部の接地センサ16aと最後部の接地センサ16bを使って足平の傾きを計測する。図3(B)のように、踵14bは浮いているがつま先14aは接地している場合は、コントローラ20はつま先14aの前後の接地センサ16a、16cを使って足平の傾きを計測する。図3(C)のように、足平の先端が段差Wから突出している場合は、コントローラ20はつま先16aの後方の接地センサ16cと踵14bの接地センサ16bを使って足平の傾きを計測する。
As shown in FIG. 3A, when the entire foot is in contact with the ground, the
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.
10:2脚歩行ロボット
14:足平
16a、16b、16c:接地センサ
20:コントローラ
10: Biped walking robot 14:
Claims (1)
足の目標軌道から脚の各関節の目標角の時系列データを算出するとともに算出した時系列データに追従するように脚の各関節を制御するコントローラと、を備えており、コントローラは、
距離センサによって、目的軌道上で予定されている離地タイミング以外で足平が路面に対して傾いたことを検知したときに、そのときの重心の加速度を算出するステップと、
算出した重心の加速度により実現される重心の速度を初期値とし、予め定められた期間の終端で予め定められた重心の速度を有することを終端条件としてZMP方程式を解いて重心の軌道を算出するステップと、
算出された重心の軌道から脚関節の目標角の時系列データを再計算するステップと、
を実行するとともに、再計算された目標角の時系列データに追従するように脚の各関節を制御することを特徴とする2脚歩行ロボット。 A plurality of distance sensors that are disposed at least two places before and after the sole, and measure the distance to the road surface;
A time series data of the target angle of each joint of the leg from the target trajectory of the foot, and a controller for controlling each joint of the leg so as to follow the calculated time series data.
A step of calculating the acceleration of the center of gravity at that time when the distance sensor detects that the foot is tilted with respect to the road surface other than the scheduled takeoff timing on the target track;
The center-of- gravity velocity realized by the calculated center-of-gravity acceleration is set as an initial value, and the center-of- gravity trajectory is calculated by solving the ZMP equation with a predetermined center-of-gravity velocity at the end of a predetermined period as a termination condition. Steps,
Recalculating time series data of the target angle of the leg joint from the calculated trajectory of the center of gravity;
The biped walking robot is characterized by controlling each joint of the leg so as to follow the time series data of the recalculated target angle.
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