JPH0994784A - Gait generating method for leg type walking robot and walking controller - Google Patents

Gait generating method for leg type walking robot and walking controller

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JPH0994784A
JPH0994784A JP7276486A JP27648695A JPH0994784A JP H0994784 A JPH0994784 A JP H0994784A JP 7276486 A JP7276486 A JP 7276486A JP 27648695 A JP27648695 A JP 27648695A JP H0994784 A JPH0994784 A JP H0994784A
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foot
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walking
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Katsutoshi Tagami
勝俊 田上
Yuji Haikawa
有二 配川
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Honda Motor Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To quantitatively design an output of an actuator and an action speed and to facilitate generation of a gait by estimating a position of an upper body in a finish of kicking and deciding a lifting quantity of a heel part in a foot fin so as to position the upper body in the estimated position at least. SOLUTION: Revolute joints 10R, 10L for leg part rotation in a crotch, revolute joints 12R, 12L for the roll direction in the crotch, revolute joints 14R, 14L for the pitch direction in the crotch, revolute joints 16R, 16L for the roll direction in knee parts, revolute joints 18R, 18L for the roll direction in foot parts, and revolute joints 20R, 20L for the pitch direction in the foot parts are individually arranged in this order from the upper sides to the lower sides in respective leg part links 2 on the left side and the right side. Foot fins 22R, 22L are mounted in the foot parts, while a control unit 26 is stored inside an upper body 24 arranged in the uppermost part. By means of the control unit 26, the position of the upper body 24 in a finish of kicking is estimated, and a heel part lifting quantity for each of the foot fins 22R, 22L is decided so that the upper body 24 reach the estimated position at least, and on the basis of the lifting quantity, a gait is generated.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は脚式歩行ロボット
の歩容生成方法および歩行制御装置(以下「脚式歩行ロ
ボットの歩容生成方法など」と言う)に関し、より詳し
くは、ヒト(人間)並みのサイズを持つ自立型の2足歩
行ロボットの関節のアクチュエータを最適に設計すると
共に、ロボットの機械的強度やアクチュエータ能力など
のロボットを有効に活用するための歩容生成方法などに
関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gait generating method and a walking control device for a legged walking robot (hereinafter referred to as "a gait generating method for a legged walking robot"), and more specifically, a human (human). The present invention relates to a gait generating method and the like for optimally designing an actuator of a joint of a self-supporting bipedal walking robot having a similar size and effectively utilizing the robot such as mechanical strength and actuator ability of the robot.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の2足歩行ロボットは、実用化目的
というよりも制御研究を目的としたものがほとんどであ
り、制御用のコンピュータや動力源としての油圧源や駆
動用バッテリーを外部に持つものが大部分であった。サ
イズ的にも重量的にも小型のものが多く、その結果、床
面(接地面)からの衝撃力の緩和やエネルギー効率向上
というような実用的観点からみた歩容設計を詳しく検討
した例は少なく、物理的な歩行可能条件、例えばZMP
が足の接地面内にあるというような理論的な最低条件は
満足させるものの、細部の条件はあまり厳密には設計せ
ずに歩行を実現しているものが多い。このような方法で
もロボットが小型軽量であれば大きな問題は起こらな
い。
2. Description of the Related Art Most conventional bipedal robots are intended for control research rather than for practical use, and have a control computer, a hydraulic power source as a power source, and a drive battery outside. The things were mostly. Many of them are small both in terms of size and weight, and as a result, examples of detailed examination of gait design from a practical point of view, such as mitigating impact force from the floor surface (ground contact surface) and improving energy efficiency, Less physical walkability, eg ZMP
Although it satisfies the theoretical minimum condition such as being in the ground contact plane of the foot, many of them realize walking without designing the detailed conditions very strictly. Even with such a method, if the robot is small and lightweight, no big problem occurs.

【0003】尚、ZMP(Zero Moment Point )は、
「歩行のあらゆる瞬間において足底接地点と路面とが形
成する支持多角形の辺上あるいはその内側の、ピッチ軸
(左右面frontal plane 内の軸)およびロール軸(矢状
面sagittal plane内の軸)モーメントが零となる点」を
意味する。
Incidentally, ZMP (Zero Moment Point) is
“Pitch axis (axis in the frontal plane on the left and right sides) and roll axis (axis in the sagittal plane on the sagittal plane) on or inside the sides of the supporting polygon formed by the foot contact point and the road surface at every moment of walking. ) The point at which the moment becomes zero. "

【0004】実用的観点を含むと思われる従来技術とし
ては、特公平6−88218号公報が提案するものがあ
る。これは、アクチュエータの発生トルクの最適化に着
目したものであるが、足平を持つ脚式歩行ロボットに特
有の発生トルクの最適化や床面からの衝撃力の緩和まで
考慮した最適化に関する検討については記述していな
い。
As a conventional technique that is considered to include a practical point of view, there is a technique proposed in Japanese Patent Publication No. 6-88218. This is focused on the optimization of the torque generated by the actuator, but the optimization of the generated torque peculiar to a legged walking robot with a foot and the optimization considering the relaxation of the impact force from the floor surface are also examined. Is not described.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ヒト並
みのサイズを持つ自立型の2足歩行ロボットは、重量が
通常のヒトのそれよりもかなり大きくなることが多く、
床面(接地面)からの衝撃力を緩和しなければ機械強度
上の支障となったり、連続稼働時間を延ばすためにエネ
ルギー効率向上が必要になるなどの、実用的システムの
成立性において重要な課題が新たに発生する。
However, the weight of an autonomous bipedal robot having a size comparable to that of a human is often much larger than that of a normal human,
It is important for the feasibility of a practical system, such as the mechanical strength being hindered unless the impact force from the floor surface (ground contact surface) is mitigated, and the need to improve energy efficiency in order to extend continuous operation time. New challenges arise.

【0006】このような条件まで考慮した歩容設計ない
し生成は、単に物理的な歩行可能条件、例えばZMPが
足の接地面内にあるというような条件を満たすだけでは
十分ではなく、アクチュエータの出力や動作速度のよう
なハードウェア的な条件や床面からの衝撃力を一定レベ
ル以下にさせるというような条件を同時に満足させるこ
とが必要になる。
The gait design or generation in consideration of such conditions is not enough to satisfy only the physical walking condition, for example, the condition that the ZMP is in the ground contact plane of the foot, and the output of the actuator. It is necessary to simultaneously satisfy the hardware conditions such as and the operation speed, and the conditions such that the impact force from the floor surface is kept below a certain level.

【0007】ところが、物理的に歩行可能な歩容は無数
にあるが、それらの全てが必ずしも上記した実用的な制
約を考慮している訳でない。従って、その中からそのよ
うな条件まで満足する歩容を選択して設計するのは容易
ではない。まして、様々な分野で利用される2足歩行ロ
ボットはサイズが異なり、歩行速度も均一ではない。そ
のようなサイズ、歩行速度などで異なる2足歩行ロボッ
トの最適な歩容を設計することは更に困難である。
However, although there are countless gaits that can physically walk, all of them do not necessarily take into consideration the practical constraints described above. Therefore, it is not easy to select and design a gait satisfying such conditions from among them. Moreover, the bipedal robots used in various fields have different sizes and the walking speed is not uniform. It is more difficult to design an optimal gait for a bipedal walking robot that differs in such size and walking speed.

【0008】しかし、ロボットのアクチュエータの出力
や動作速度等を設計する上では、この実際に歩行すると
きの歩容を考慮せざるを得ない。このために、あらゆる
使用形態を考慮して最適な歩容を事前に検討することも
原理的には可能であるが、現実には実機による実験を繰
り返しながら最適化を進めることが多く、多大な労力と
時間が必要になる。
However, in designing the output of the actuator of the robot, the operation speed, etc., the gait at the time of actually walking must be taken into consideration. For this reason, it is theoretically possible to study the optimal gait in advance in consideration of all usage patterns, but in reality, it is often the case that optimization is advanced by repeating experiments using an actual machine, which is a great deal. It takes effort and time.

【0009】実用的に妥当な歩容の設計がオフラインに
しろリアルタイムにしろ可能になり、更に、ロボットの
用途が決定された場合、それを実行するアクチュエータ
の出力や動作速度の仕様は、その用途の中で最も厳しい
条件を満足するように決定することになる。しかし、そ
の場合でも、物理的にもシステムコスト的にも、性能の
良いアクチュエータを使用したり、やみくもに機械的強
度を増せば良いという訳にはいかない。そのため、極力
無理のない歩行形態が望まれるのは、当然である。
A practically valid gait design can be made offline or in real time, and when the application of the robot is determined, the specifications of the output and operating speed of the actuator that executes the robot are determined by the application. Will be decided to satisfy the most severe conditions. However, even in that case, it is not enough to use an actuator having a good performance and to increase the mechanical strength blindly in terms of physical and system costs. Therefore, it is natural that a walking form that is as comfortable as possible is desired.

【0010】従って、この発明の目的は、実用的な2足
歩行ロボットを実現する場合に、複雑な歩容の詳細設計
をすることなく、物理的な歩行可能条件だけを満足する
無数の歩容の中から、アクチュエータの出力や動作速度
の定量的設計が可能で、かつ、実用的に妥当な歩容を限
定して歩容生成を容易にする脚式歩行ロボットの歩容生
成方法などを提供することにある。
Therefore, an object of the present invention is to realize a practical bipedal walking robot without the detailed design of complicated gaits, and to countless gaits satisfying only a physical walkable condition. Among them, we provide a gait generation method for legged walking robots that enables quantitative design of actuator output and motion speed, and limits gaits that are practically appropriate to facilitate gait generation. To do.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】請求項1項においては、
少なくとも上体と、前記上体に股関節を介して連結され
る2本の脚部リンクとを備え、前記2本の脚部リンクが
それぞれ大腿リンクと、前記大腿リンクに膝関節を介し
て連結される下腿リンクと、前記下腿リンクに足関節を
介して連結される足平とからなり、その2本の脚部リン
クで交互に床面を蹴って移動する2足歩行の脚式歩行ロ
ボットの歩容生成方法において、蹴り終わった時点の前
記上体の位置を推定し、前記上体が少なくともその位置
に到達するように前記足平のかかと部の上げ量を決定
し、それに基づいて歩容を生成する如く構成した。
According to the first aspect of the present invention,
At least an upper body and two leg links connected to the upper body via hip joints, the two leg links being respectively connected to the thigh links and the thigh links via knee joints. Walking of a bipedal legged walking robot, which comprises a lower leg link and a foot connected to the lower leg via an ankle joint, and the two leg links alternately kick the floor to move. In the volume generating method, the position of the upper body at the time of finishing the kick is estimated, the amount of raising the heel of the foot is determined so that the upper body reaches at least that position, and the gait is calculated based on the position. It was configured to generate.

【0012】請求項2項においては、前記蹴り終わった
時点において、前記上体が前足と後ろ足の中間点より所
定距離前方に移動していると推定し、前記上体が少なく
ともその推定位置に到達するように前記足平のかかと部
の上げ量を決定し、それに基づいて歩容を生成する如く
構成した。
According to a second aspect of the present invention, it is estimated that the upper body has moved a predetermined distance forward from the midpoint between the front foot and the rear foot at the time when the kick is finished, and the upper body reaches at least the estimated position. As described above, the amount of raising the heel of the foot is determined, and the gait is generated based on the amount.

【0013】請求項3項においては、前記足平のかかと
部の上げ量を上げ量の下限値とすると共に、前記股関節
と前記足関節と前記足平の先端部とがほぼ同一線上に位
置する、かかと部の上げ量を上げ量の上限値とし、前記
下限値と上限値の範囲内で前記足平のかかと部の上げ量
を決定する如く構成した。
According to a third aspect of the present invention, the raising amount of the heel portion of the foot is set to the lower limit value of the raising amount, and the hip joint, the ankle joint, and the tip portion of the foot are located on substantially the same line. The amount of increase of the heel portion is set as an upper limit value of the amount of increase, and the amount of increase of the heel portion of the foot is determined within the range of the lower limit value and the upper limit value.

【0014】請求項4項においては、前記下限値と上限
値の平均値から前記足平のかかと部の上げ量を決定する
如く構成した。
According to a fourth aspect of the present invention, the amount of raising the heel of the foot is determined from the average value of the lower limit value and the upper limit value.

【0015】請求項5項においては、前記足平がその先
端付近で底面が円弧状に形成される、および/または前
記足平が爪先関節を備えるものであり、前記円弧状底面
を接地させ、および/または前記爪先関節を介して、前
記足平のかかと部を上げる如く構成した。
According to a fifth aspect of the present invention, the foot has a bottom surface formed in an arc shape near its tip, and / or the foot has a toe joint, and the arc bottom surface is grounded. And / or the heel of the foot is raised via the toe joint.

【0016】請求項6項においては、上体と、前記上体
に股関節を介して連結される、少なくとも並列した2本
の脚部リンクを備え、前記脚部リンクの端部に足関節を
介して連結されて重力方向に傾動可能な足平を有する脚
式歩行ロボットにおいて、前記ロボットの歩容を基本的
に片足(脚)支持期と両足(脚)支持期とから構成し、
歩行がこの2つの支持期を所定のピッチでもって交互に
連続的に継続することから成り立つものとすると共に、
両足支持期から片足支持期への移行が、一方の足関節を
回動させて足平の傾動を開始する如く構成した。
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided an upper body and at least two leg links that are connected to the upper body via hip joints and are arranged in parallel, and the leg joints are provided at the ends of the leg links. In a legged walking robot having a foot that can be tilted in the direction of gravity connected to each other, the gait of the robot is basically composed of one leg (leg) supporting period and both legs (leg) supporting period,
Walking shall consist of continuing these two support periods alternately at a predetermined pitch, and
The transition from the two-leg supporting period to the one-leg supporting period is configured such that one of the ankle joints is rotated to start tilting of the foot.

【0017】請求項7項にあっては、前記足平の傾動量
の制御を、 thH=f(PS,ST) の関係式(但し、thH:傾動量(角度)、PS:両足
支持期の時間割合、ST:歩幅)を用いて行う如く構成
した。
According to a seventh aspect of the present invention, the control of the amount of tilting of the foot is performed by a relational expression of thH = f (PS, ST) (where thH: amount of tilting (angle), PS: both feet supporting period). The time ratio, ST: step length) is used.

【0018】請求項8項にあっては、前記足平の傾動量
の制御を、 thH=π−thA−thB−thC の関係式(但し、thH:傾動量(角度)、thA,
B,C:前記ロボットの姿勢から決定される所定の傾動
量(角度))を用いて行う如く構成した。
In the eighth aspect, the control of the amount of tilt of the foot is performed by the following relational expression of thH = π-thA-thB-thC (where thH: tilt amount (angle), thA,
B, C: It is configured to be performed using a predetermined tilt amount (angle) determined from the posture of the robot.

【0019】[0019]

【作用】重心軌道の高い、すなわちエネルギ効率の高い
歩容を実現できる適切な蹴り足のかかと部の上げ量を予
め決定できるので、歩容の候補をその分絞り込めて歩容
設計を大幅に簡略化することができる。
[Advantage] Since it is possible to determine in advance the amount of raising of the heel part of the kicking foot that can realize a gait with a high center of gravity trajectory, that is, a high energy efficiency, it is possible to narrow down the gait candidates and significantly design the gait. It can be simplified.

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】最初にこの発明に係る歩容生成方
法などが前提とした2足歩行ロボットを説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION First, a bipedal walking robot based on the gait generating method according to the present invention will be described.

【0021】図1はそのロボット1を全体的に示す説明
スケルトン図であり、左右それぞれの脚部リンク2に6
個の関節を備える(理解の便宜のために各関節をそれを
駆動する電動モータで示す)。6個の関節は上から順
に、股の脚部回旋用の関節10R,10L(右側をR、
左側をLとする。以下同じ)、股のロール方向(y軸ま
わり。矢状面sagittal plane内の運動)の関節12R,
12L、同ピッチ方向(x軸まわり。左右面frontal pl
ane 内の運動)の関節14R,14L、膝部のロール方
向の関節16R,16L、足部のロール方向の関節18
R,18L、同ピッチ方向の関節20R,20Lから構
成される。
FIG. 1 is an explanatory skeleton diagram showing the robot 1 as a whole.
Provided with individual joints (each joint is indicated by an electric motor driving it for the sake of convenience). The six joints are, in order from the top, joints 10R and 10L for rotating the legs of the crotch (R on the right side,
The left side is L. The same shall apply hereinafter), joint 12R in the crotch roll direction (around the y axis, movement within the sagittal plane of the sagittal plane),
12L, same pitch direction (around x axis. Left and right frontal pl
(motion in the ane) joints 14R, 14L, knee joints 16R, 16L in the roll direction, foot joints 18 in the roll direction
R, 18L and joints 20R, 20L in the same pitch direction.

【0022】足部には足平22R,22Lが取着される
と共に、最上位には上体(基体)24が設けられ、その
内部に図3に関して後述するマイクロコンピュータから
なる制御ユニット26などが格納される。上記において
股関節は関節10R(L),12R(L),14R
(L)から、足関節は関節18R(L),20R(L)
から構成される。また股関節と膝関節とは大腿リンク2
8R,28L、膝関節と足関節とは下腿リンク30R,
30Lで連結される。
Foots 22R and 22L are attached to the feet, and an upper body (base) 24 is provided at the top, and a control unit 26 including a microcomputer, which will be described later with reference to FIG. Is stored. In the above, the hip joint is joint 10R (L), 12R (L), 14R
From (L), the ankle joint is joint 18R (L), 20R (L)
Consists of Also, the hip and knee joints are thigh links 2
8R, 28L, lower leg link 30R for knee joint and ankle joint,
It is connected with 30L.

【0023】上記の構成により、脚部リンク2は左右の
足についてそれぞれ6つの自由度を与えられ、歩行中に
これらの6×2=12個の関節を適宜な角度で駆動する
ことで、足全体に所望の動きを与えることができ、任意
に3次元空間を歩行する。
With the above structure, the leg link 2 is provided with six degrees of freedom for each of the left and right feet, and by driving these 6 × 2 = 12 joints at an appropriate angle during walking, A desired motion can be given to the whole, and the robot arbitrarily walks in a three-dimensional space.

【0024】図2は足部の断面図(矢状面で切断)であ
る。前記した足関節18を駆動する電動モータ(図2で
図示省略)の出力はハーモニック減速機(商品名。図2
で図示省略)の入力端に入力され、周知の如く適宜な倍
率で減速して増力され、下腿リンク30に取着される固
定部材32とその下部の回転部材34とを軸線36(足
関節18R(L)の軸線に同じ)を中心として歩行進行
方向(sagittal plane内)に相対回転(回動)させ、足
平22R(L)をその方向に傾動させる。
FIG. 2 is a sectional view of the foot portion (cut along the sagittal plane). The output of the electric motor (not shown in FIG. 2) that drives the ankle joint 18 is a harmonic speed reducer (trade name. FIG. 2).
Is input to the input end of the fixed member 32 attached to the lower leg link 30 and the rotating member 34 below the axis 36 (the ankle joint 18R). The foot 22R (L) is relatively rotated (rotated) in the walking direction (in the sagittal plane) about the axis of (L), and the foot 22R (L) is tilted in that direction.

【0025】その軸線36と直交する位置には、前記し
た足関節20を駆動する電動モータ20Mが配置され、
その出力は第2のハーモニック減速機40に入力され、
前記固定部材32と回転部材34とを第2の軸線42
(足関節20R(L)の軸線に同じ)を中心として進行
方向に直交する左右方向(frontal plane 内)に相対回
転させ、足平22R(L)をその方向に傾動させる。
尚、足関節を含む上記したロボットの構成の詳細は本出
願人が先に提案した出願(特開平3−184,782
号)などに述べられているので、これ以上の説明は省略
する。
An electric motor 20M for driving the above-mentioned ankle joint 20 is arranged at a position orthogonal to the axis 36,
The output is input to the second harmonic speed reducer 40,
The fixed member 32 and the rotating member 34 are connected to each other by a second axis 42
The foot 22R (L) is tilted in that direction relative to the horizontal direction (in the frontal plane) orthogonal to the traveling direction about the same as the axis of the ankle joint 20R (L).
The details of the configuration of the robot including the ankle joint are previously proposed by the present applicant (Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-184,782).
No.) etc., so further explanation is omitted.

【0026】回転部材34の下方には公知の6軸力セン
サ44が取着され、力の3方向成分Fx,Fy,Fzと
モーメントの3方向成分Mx,My,Mzとを測定し、
足部の着地の有無ないしは接地荷重などを検出する。6
軸力センサ44の下部には、前記した足平22R(L)
を構成する、平板状のフレーム46が固定される。フレ
ーム46の下面(足底)は大略平坦に形成され、爪先部
46aとかかと部46bには、着地時の衝撃を吸収する
弾性体50,52が張りつけられる。
A well-known 6-axis force sensor 44 is attached below the rotary member 34 to measure the three-direction components Fx, Fy, Fz of force and the three-direction components Mx, My, Mz of moment,
Detects the presence or absence of landing on the foot or ground load. 6
The foot 22R (L) described above is provided below the axial force sensor 44.
The flat plate-shaped frame 46 constituting the above is fixed. The lower surface (sole) of the frame 46 is formed to be substantially flat, and elastic bodies 50 and 52 that absorb the impact at the time of landing are attached to the toe portion 46a and the heel portion 46b.

【0027】また、図1に示すロボットにおいて、上体
24には傾斜センサ60が設置され、左右面内のz軸
(重力方向)に対する傾きとその角速度、同様に矢状面
内のz軸に対する傾きとその角速度を検出する。また各
関節の電動モータには、その回転量を検出するロータリ
エンコーダが設けられる。更に、図1では図示を省略す
るが、ロボット1の適宜な位置には傾斜センサ60の出
力を補正するための原点スイッチ62と、フェール対策
用のリミットスイッチ64が設けられる。これらの出力
は前記した上体24内の制御ユニット26に送られる。
Further, in the robot shown in FIG. 1, an inclination sensor 60 is installed on the body 24, and the inclination and its angular velocity with respect to the z axis (gravitational direction) in the left and right planes, as well as with respect to the z axis in the sagittal plane. The tilt and its angular velocity are detected. The electric motor of each joint is provided with a rotary encoder that detects the amount of rotation. Although not shown in FIG. 1, an origin switch 62 for correcting the output of the tilt sensor 60 and a limit switch 64 for fail protection are provided at appropriate positions of the robot 1. These outputs are sent to the control unit 26 in the body 24 described above.

【0028】図3は制御ユニット26の詳細を示すブロ
ック図であり、マイクロ・コンピュータから構成され
る。そこにおいて傾斜センサ60などの出力はA/D変
換器70でデジタル値に変換され、その出力はバス72
を介してRAM74に送られる。また各電動モータに隣
接して配置されるエンコーダの出力はカウンタ76を介
してRAM74内に入力されると共に、原点スイッチな
どの出力は波形整形回路78を経て同様にRAM74内
に格納される。
FIG. 3 is a block diagram showing the details of the control unit 26, which comprises a microcomputer. There, the output of the tilt sensor 60 and the like is converted into a digital value by the A / D converter 70, and the output is output by the bus 72.
Is sent to the RAM 74 via. The output of the encoder arranged adjacent to each electric motor is input into the RAM 74 via the counter 76, and the output of the origin switch and the like is also stored in the RAM 74 via the waveform shaping circuit 78.

【0029】制御ユニット内にはCPUからなる第1、
第2の演算装置80,82が設けられており、第1の演
算装置80は後述の如く生成されROM84に格納され
ている歩容パラメータを読み出して目標関節角度を算出
し、RAM74に送出する。また第2の演算装置82は
後述の如くRAM74からその目標値と検出された実測
値とを読み出し、各関節の駆動に必要な制御値を算出し
てD/A変換器86とサーボアンプを介して各関節を駆
動する電動モータに出力する。
The control unit includes a first CPU,
Second computing devices 80 and 82 are provided, and the first computing device 80 reads gait parameters generated as described below and stored in the ROM 84 to calculate a target joint angle, and sends the target joint angle to the RAM 74. Further, the second arithmetic unit 82 reads out the target value and the detected actual value from the RAM 74 as will be described later, calculates the control value necessary for driving each joint, and outputs the control value via the D / A converter 86 and the servo amplifier. Output to an electric motor that drives each joint.

【0030】上記のような2足歩行ロボットを前提と
し、以下、この発明に係る歩容生成(歩容設計)方法な
どを説明する。
Based on the bipedal robot as described above, a gait generating (gait design) method and the like according to the present invention will be described below.

【0031】1)2足歩行ロボットの歩容設計の一般論 歩容設計では、歩行速度と歩幅と足の運び方と重心の移
動のしかたを決める必要がある。
1) General Theory of Gait Design of Biped Robot In gait design, it is necessary to determine the walking speed, the stride, the way of walking and the way of moving the center of gravity.

【0032】先に述べた通り、物理的に可能な歩容の制
約条件としてZMPを足の接地面内に存在させる必要が
あることは良く知られている。
As described above, it is well known that the ZMP must be present in the ground contact plane of the foot as a physically possible gait constraint.

【0033】更に、実用的なロボットを開発するために
は、関節のアクチュエータの出力や動作速度を適切に設
定したり、床面からの衝撃力を小さくしたり、歩行全体
のエネルギ効率を高くしたりする配慮が必要である。
Further, in order to develop a practical robot, the output of the actuator of the joint and the operation speed are appropriately set, the impact force from the floor surface is reduced, and the energy efficiency of the entire walking is increased. It is necessary to consider that

【0034】重心を低くした歩行にすると、膝が曲がっ
た歩行になるため、常時大きな保持トルクが必要にな
る。よって、重心の軌道はできる限り高い方が、エネル
ギー効率の点からは有利である。つまり、竹馬のように
支持点の周りに円弧状に移動して、支持脚を切り替える
のが有利である。
When the walking is performed with a low center of gravity, the knee will be bent, so that a large holding torque is always required. Therefore, it is advantageous in terms of energy efficiency that the trajectory of the center of gravity is as high as possible. That is, it is advantageous to move the support legs by moving in an arc around the support point like a stilt.

【0035】一方、そのように重心の軌道をあまり高く
すると、支持脚が倒れるにつれて必然的に重心が下がる
ために、重心の上下動が発生する。上下動が大きいと、
床面反力の上下成分が増えるので、床面との接地性が悪
くなったり、床面からの衝撃力が増加したりする。
On the other hand, if the trajectory of the center of gravity is made too high, the center of gravity is inevitably lowered as the supporting legs fall, so that the center of gravity moves up and down. If the vertical movement is large,
Since the upper and lower components of the floor surface reaction force increase, the ground contact with the floor surface becomes poor and the impact force from the floor surface increases.

【0036】更に、アクチュエータの小型軽量化のため
には、アクチュエータの出力を極力小さくする必要があ
り、そのためには、各関節に要求される最大トルクや最
大角速度が極力小さくなるように歩容を設計しなければ
いけない。実用的な歩容設計では、この相反する条件を
考慮しながら妥協点を見つけることになる。
Furthermore, in order to reduce the size and weight of the actuator, it is necessary to minimize the output of the actuator. For that purpose, the gait should be set so that the maximum torque and the maximum angular velocity required for each joint are minimized. You have to design. Practical gait design involves finding a compromise while considering these conflicting conditions.

【0037】2)アクチュエータの仕様設計手順 アクチュエータの仕様設計には、最大トルクと最高回転
数を決める必要がある。最大トルクなどが決定されれ
ば、それに基づいて最大出力や減速機の要否も含めた仕
様を決めることができる。
2) Actuator Specification Design Procedure In designing the actuator specifications, it is necessary to determine the maximum torque and the maximum rotation speed. If the maximum torque and the like are determined, the specifications including the maximum output and the necessity of the speed reducer can be determined based on the determined maximum torque.

【0038】最大トルクは歩容によって決まり、厳密に
は動的に計算すべきだが、歩容と自重から静的な計算を
行って概算しても問題ないことが多い。支持脚の股関節
の最大角速度は、片足支持期に次の一歩を踏み出さなけ
ればいけないことから、歩行速度と片足支持期の長さで
ほぼ決まる。
The maximum torque is determined by the gait, and strictly speaking, it should be calculated dynamically. However, there is often no problem even if it is roughly calculated by performing static calculation from the gait and its own weight. The maximum angular velocity of the hip joint of the supporting leg is almost determined by the walking speed and the length of the one-leg supporting period because the next step must be taken during the one-leg supporting period.

【0039】このためには、歩行における歩幅と歩調
(歩行周期(ピッチ)、一歩踏み出す周期)を決める必
要がある。歩行速度が決まっていれば、歩行速度=歩幅
×歩調なので、歩幅と歩調の一方を決めれば良いことに
なる。歩幅は股関節の最大トルクと、歩調は関節の最大
角速度と、関係が深い。
For this purpose, it is necessary to determine the stride length and gait (walking cycle (pitch), stepping cycle) in walking. If the walking speed is determined, the walking speed = step length × step, so it is sufficient to decide one of the step and the step. The stride is closely related to the maximum torque of the hip joint, and the gait is closely related to the maximum angular velocity of the joint.

【0040】膝関節の最大角速度は、遊脚を床からどの
程度上げるかとか、足を早めに出すか遅めに出すかとい
うような遊脚の足平22R(L)の運び方に大きく依存
する。
The maximum angular velocity of the knee joint largely depends on how much the free leg is lifted from the floor and how the foot 22R (L) of the free leg is carried, such as whether the leg is put out early or late. To do.

【0041】同様に、足関節18,20R(L)の最大
角速度も遊脚の足平の運び方に大きく依存する。また、
遊脚の股関節10,12,14R(L)も膝の動きに伴
って影響を受ける。そのため、足平22R(L)の運び
方の検討、即ち、歩容の設計とその評価が必要になる。
設計すべき歩容とは、アクチュエータの性能を最大限に
生かした最適なものであることが望ましい。
Similarly, the maximum angular velocities of the ankle joints 18 and 20R (L) greatly depend on how the foot of the idle leg is carried. Also,
The hip joints 10, 12, 14R (L) of the free leg are also affected by the movement of the knee. Therefore, it is necessary to consider how to carry the foot 22R (L), that is, to design and evaluate the gait.
It is desirable that the gait to be designed is the optimum one that maximizes the performance of the actuator.

【0042】その歩容が決定できれば、各関節の最大角
速度はその歩容から自動的に決まり、必要なトルクやア
クチュエータの最大出力も前に述べたように概算するこ
とができるので、アクチュエータの仕様設計が可能にな
る。
If the gait can be determined, the maximum angular velocity of each joint is automatically determined from the gait, and the required torque and the maximum output of the actuator can be estimated as described above. Design becomes possible.

【0043】以下、具体的に説明する。A detailed description will be given below.

【0044】3)歩容の設計手順を含めたアクチュエー
タの設計手順 上記の如く歩容設計の最終的な目的は関節アクチュエー
タの仕様を決定し、その歩容によってロボットの機械的
強度やアクチュエータ能力を有効に活用してロボットを
歩行させることになるが、この発明においてはその関節
アクチュエータ仕様の決定までは、図4に示すようにな
る。以下、同図に沿って説明する。
3) Actuator Design Procedure Including Gait Design Procedure As described above, the final purpose of gait design is to determine the specifications of the joint actuator, and determine the mechanical strength and actuator capacity of the robot according to the gait. Although the robot can be effectively used to walk, in the present invention, the determination of the joint actuator specifications is as shown in FIG. Hereinafter, description will be given with reference to FIG.

【0045】ここで説明する歩容の設計手順では、まず
最初にS10において歩行速度と歩幅を選定する。
In the gait design procedure described here, first, the walking speed and the stride are selected in S10.

【0046】実際の歩行では、この歩行速度と歩幅は歩
行目的によって様々である。また設計者が任意に選定で
きず、状況から決めなければいけない場合もある。例え
ば、歩行が困難な場所で歩行速度を上げられなかった
り、足平の着地位置が限定されて歩幅が決まってしまう
ような場合がそれである。
In actual walking, the walking speed and the stride vary depending on the purpose of walking. There are also cases where the designer cannot arbitrarily select and must decide based on the situation. For example, there are cases where the walking speed cannot be increased in a place where walking is difficult, or where the foot landing position is limited and the stride is determined.

【0047】関節アクチュエータ仕様の決定において
は、実際に歩行に使用する可能性のあるものの中で、最
も厳しいもの、すなわち最高歩行速度と最大歩幅を選定
すれば良い。例えば、最高歩行速度5km/h、最大歩
幅750mmというように設定する。
In determining the joint actuator specifications, the most severe one, that is, the maximum walking speed and the maximum stride, may be selected from those that may actually be used for walking. For example, the maximum walking speed is set to 5 km / h and the maximum stride is set to 750 mm.

【0048】ヒトの歩行形態に関する研究(例えば「正
常歩行における歩調歩幅の歩行パラメータへの影響」、
飯田他、整形外科バイオメカニクス、Vol.5,19
83.)によれば、両足支持期が1歩行期間に占める割
合は15%程度であるが、これは、1歩踏み出すのに要
する時間の約30%が両足支持期であることを意味す
る。
Studies on human walking morphology (for example, “Influence of gait stride on gait parameters in normal gait”)
Iida et al., Orthopedic Biomechanics, Vol. 5,19
83. According to (), the ratio of both feet supporting period to one walking period is about 15%, which means that about 30% of the time required to take one step is the both feet supporting period.

【0049】しかしながら、この歩行は、蹴り足の離床
時にかかとが垂直付近まで上がるというヒト特有の歩行
の特徴に関係している。即ち、2足歩行ロボットは必ず
しもヒトと同様の歩行形態をとる必要はない。後で述べ
る足関節18,20R(L)の動作速度などへの影響を
考慮すれば、ヒトよりもかなり少ない約20%程度が実
用上望ましいことが実験から分かっている。
However, this walking is related to the characteristic of human walking that the heel rises up to near the vertical when the kicking foot leaves the floor. That is, the biped robot does not necessarily have to take the same walking form as a human. Experiments have shown that about 20%, which is considerably smaller than that of humans, is practically desirable in consideration of the influence on the operation speed of the ankle joints 18 and 20R (L) described later.

【0050】このような事実を踏まえ、S12において
両脚支持期の歩行周期に対する時間割合を設定する。
Based on the above facts, in S12, the time ratio to the walking cycle in the both-leg supporting period is set.

【0051】次にS14に進み、このようにして決まる
歩幅と両脚支持期の歩行周期に対する時間割合から、次
に両脚支持期の遊脚の離床時の遊脚の足平22R(L)
を重力方向に傾動させる、即ち、足平22R(L)のか
かと部46bの上げ量を決定し、続いてS16に進んで
足平を上げる量などの足の運び方の条件を設定する。
Next, in S14, the foot 22R (L) of the free leg at the time of leaving the free leg in the two-leg supporting period is next determined from the step length thus determined and the time ratio to the walking cycle in the two-leg supporting period.
Is tilted in the direction of gravity, that is, the amount of lifting of the heel portion 46b of the foot 22R (L) is determined, and the process proceeds to step S16 to set conditions for carrying the foot such as the amount of lifting the foot.

【0052】足平22R(L)の軌道は、その軌道条件
の満たす範囲で滑らかな軌道をスプライン関数や、その
他の滑らかな曲線を発生させる手段によって生成すれば
良いが、いずれにしても、足平22R(L)の軌道で
は、両脚支持期の支持脚の離床時にかかと部46bを上
げる量も重要な歩容のパラメータである。
The trajectory of the foot 22R (L) may be generated by a spline function or other means for generating a smooth curve within a range satisfying the trajectory condition, but in any case, In the trajectory of the flat 22R (L), the amount of raising the heel portion 46b at the time of leaving the supporting legs during the two-leg supporting period is also an important gait parameter.

【0053】このかかと部46bの上げ量を決定する必
要性とその方法について以下説明すると、2足歩行ロボ
ットの歩容としては、エネルギ的には遊脚の足平を上げ
ずに床をすりながら歩行することが一番効率が良いが、
そのような歩容では実際の歩行路面上に存在する凹凸の
ような様々な外乱形状に対してつまづきやすくなってし
まう。そのため、状況によって量は変えるが、少なくと
も必要最低限は遊脚を上げるのが望ましい。この上げる
量は路面の凹凸等の状況次第なので、それに応じた値を
適当に設定すれば良い。
The necessity and method of determining the amount of raising of the heel portion 46b will be described below. As a gait of a bipedal walking robot, in terms of energy, while sliding on the floor without raising the foot of the free leg. Walking is the most efficient way,
In such a gait, various disturbance shapes such as unevenness existing on the actual walking road surface are likely to trip. Therefore, although the amount varies depending on the situation, it is desirable to raise the free leg to at least the minimum required. The amount to be raised depends on the situation such as the unevenness of the road surface, so a value corresponding to it may be set appropriately.

【0054】遊脚を高く上げれば膝も大きく曲げること
になり、膝関節16R(L)の最大角速度は、当然大き
くなる。また関係する股関節10,12,14R(L)
の角速度も増大する。よって、実用上考えられる使用条
件のなかで一番厳しいものに対して十分となる最小の高
さを選ぶことが実用的である。例えば「幅100mm高
さ30mmのブロックをまたげるような高さまでは上げ
る」というような軌道条件を設定すれば良い。
If the free leg is raised high, the knee is also bent greatly, and the maximum angular velocity of the knee joint 16R (L) naturally increases. Also related hip joints 10, 12, 14R (L)
Also increases the angular velocity of. Therefore, it is practical to select the minimum height that is sufficient for the severest of the practical use conditions. For example, an orbital condition such as “raise at a height such that a block having a width of 100 mm and a height of 30 mm is straddled” may be set.

【0055】足平を持たない竹馬のようなロボットもあ
るように、力学的にはかかと部を上げなくても歩行は可
能である。またヒトの歩容では、先に述べたヒトの歩行
形態に関する研究にもあるように、かなりの量かかとを
上げていることが分かっている。
Like some stilt-like robots that do not have a foot, it is possible to walk mechanically without raising the heel. In addition, it is known that the human gait raises a considerable amount of heels as described in the above-mentioned research on human walking morphology.

【0056】ロボットでヒトと同じ歩行形態をとると、
足部のかかと部を垂直付近まで上げることになり、可動
角度や最大関節角速度が増加して、結果としてアクチュ
エータ出力の増大につながり設計上は好ましくない。特
に、両足支持期の時間が短くなる速い歩行では足関節の
角速度が増大して問題となる。
When a robot takes the same walking form as a human,
This raises the heel of the foot to the vicinity of the vertical position, which increases the movable angle and the maximum joint angular velocity, resulting in an increase in the actuator output, which is not preferable in terms of design. In particular, in a fast walk in which the time for supporting both feet is shortened, the angular velocity of the ankle joint increases, which is a problem.

【0057】このような観点からのみ考えると、ロボッ
トによる2足歩行では、かかと部を上げる量を小さくし
た方が定性的には良い歩容であるといえる。
Considering only from such a point of view, it is qualitatively good to say that in the case of bipedal walking by a robot, it is qualitatively good to reduce the amount of raising the heel.

【0058】ところが、かかと部を全く上げないと、上
体の重心軌道が重力方向高さにおいて低い、膝の曲がっ
た歩行形態となることは容易に想像できる。同時に、足
を上げる動作においても、両足支持期にかかと部が上が
っていない分だけ、足部をより速く引き上げることにな
り、結果として遊脚の膝を曲げる速さを増大させる場合
もある。
However, it can be easily imagined that if the heel part is not raised at all, the trajectory of the center of gravity of the upper body is low in the height in the direction of gravity and the knee has a bent walking form. At the same time, even in the operation of raising the foot, the foot portion is pulled up faster by the amount that the heel portion is not raised during the both-foot supporting period, and as a result, the bending speed of the knee of the free leg may be increased.

【0059】また2足歩行ロボットの歩容では、上体2
4の上下動(重力方向の運動)の量も、重要な歩容パラ
メータである。膝関節16R(L)の屈伸によって脚部
リンクの長さは変わるので脚部リンク長などだけでは一
意的には決まらない。しかし、例えば「幾何学的に可能
な最も高い上体軌道を選択する」などの制約条件によっ
て決定することは可能である。
In the gait of a bipedal walking robot, the upper body 2
The amount of vertical movement of 4 (movement in the direction of gravity) is also an important gait parameter. Since the length of the leg link changes depending on the bending and stretching of the knee joint 16R (L), it cannot be uniquely determined only by the leg link length or the like. However, it is possible to determine by a constraint condition such as “select the highest geometrically possible body trajectory”.

【0060】上体軌道はそれよりも低ければ、幾何学的
には任意に設定できることになる。上体の上下動は着地
衝撃などに影響が大きいので、実際にはその振幅を縮小
した軌道に設定する。当然、その縮小は上体軌道を下げ
ることで実現することになる。
If the body trajectory is lower than that, it can be geometrically set arbitrarily. Since the vertical movement of the upper body has a large effect on landing impact, etc., it is actually set to a trajectory with its amplitude reduced. Naturally, the reduction will be realized by lowering the body trajectory.

【0061】4)かかと部を上げる量の適正な範囲の決
定 まず、上下G(z方向(重力方向)の変位加速度)を一
定値以下に保つという制約条件でかかと部を上げる量を
変えながら、上体24の重心軌道の高さがどのように変
化していくかの関係を図5に示す。これから、かかと部
を上げる量がある角度よりも小さくなると、極端に軌道
の高さが低くなることが分かる。これは、かかと部が上
がらないため後ろ足が届かず、上体が低くなっていると
理解できる。
4) Determining the Appropriate Range of the Amount of Raising the Heel First, changing the amount of raising the heel while changing the amount of raising the heel under the constraint that the vertical G (displacement acceleration in the z direction (gravitational direction)) is kept below a certain value. FIG. 5 shows the relationship of how the height of the center of gravity trajectory of the upper body 24 changes. From this, it can be seen that the height of the track becomes extremely low when the amount of raising the heel portion becomes smaller than a certain angle. It can be understood that this is because the upper part of the body is low because the back of the foot cannot reach because the heel does not rise.

【0062】このような結果を踏まえて、実施の形態に
係る方法では、上体の重心軌道を高く維持するのに十分
な量だけ上げるという考え方に基づいて、かかと部を上
げる量の適正な範囲を決定することにした。即ち、上体
の重心軌道を高く維持した軌道で、歩行時の後ろ足とな
る蹴り足が上体を支えることができるように、かかと部
を上げるようにした。
Based on these results, in the method according to the embodiment, based on the idea of raising the center of gravity of the upper body by an amount sufficient to maintain a high trajectory, the appropriate range of the amount of raising the heel portion is determined. Decided to decide. That is, the heel portion was raised so that the kicking foot, which is the hind foot during walking, can support the upper body while maintaining a high center of gravity trajectory.

【0063】この考え方に基づいて決定するために、蹴
り終わった時点での上体の位置を予め推定しておく必要
がある。即ち、上体24の重心軌道の重力方向高さを所
望の値に設定し、蹴り終わった時点の上体24の位置を
推定することとする。
In order to make a decision based on this idea, it is necessary to estimate in advance the position of the upper body at the time when the kick is finished. That is, the height of the center of gravity trajectory of the body 24 in the direction of gravity is set to a desired value, and the position of the body 24 at the time when the kick is finished is estimated.

【0064】先に述べたように歩行形態は極めて大きな
自由度を持っているために、上体の厳密な位置は一意的
には決定できない。しかしながら、多数の歩行形態につ
いて検討した結果によれば、以下のように簡単に近似計
算することができる。
As described above, since the walking form has an extremely large degree of freedom, the exact position of the upper body cannot be uniquely determined. However, according to the result of examining a large number of walking forms, the approximate calculation can be easily performed as follows.

【0065】5)蹴り終わった時点(両脚支持期の最
後)での上体の位置の近似計算 ここでは、前記したロボットにおいて、大腿リンク28
R(L)と下腿リンク30R(L)の長さを400mm
とし、歩行速度1〜4km/hとした場合に基づいて説
明する。この程度の速度になると静歩行で歩行すること
はできないことから、完全な動歩行の領域になるので、
動歩行における歩行形態の検討には十分である。
5) Approximate calculation of the position of the upper body at the time of finishing the kick (the end of both legs supporting period) Here, in the robot described above, the thigh link 28 is used.
The length of R (L) and lower leg link 30R (L) is 400 mm.
And a walking speed of 1 to 4 km / h will be described. Since it is not possible to walk statically at this speed, it becomes a region of complete dynamic walking,
This is sufficient for studying the walking form in dynamic walking.

【0066】問題を簡単に説明するため、3次元運動を
する2足歩行ロボットの左右方向の運動(frontal plan
e内の運動)は、この問題にはあまり関係しないので、
ここでは考えない。
In order to briefly explain the problem, the bidirectional movement of the bipedal walking robot (three-dimensional movement) (frontal plan
motion in e) is not very relevant to this problem, so
I don't think here.

【0067】また、2足歩行の前後方向の運動(sagitt
al plane内の運動)においては、足平の加重中心(ZM
P)の動かし方も歩行形態に影響を与えてくる。
In addition, the bidirectional walking motion (sagitt
in the al plane), the weighted center of the foot (ZM
The way of moving P) also affects the walking form.

【0068】通常のヒトの歩行形態での足平の加重中心
は、不規則に変動しているとはいえ、平均的には足平の
中心付近になっている。図示のロボットも同じにする必
要は必ずしもないが、足平の加重中心を、足平22R
(L)の幾何学的な中心付近になるようにすれば、外乱
に対する復元力の発生余裕を大きくするという効果があ
るので、実用上は、ロボットにおいても有効な歩行形態
と考えられる。
Although the weighted center of the foot in a normal human walking form varies irregularly, it is on the average near the center of the foot. The robot shown in the figure does not necessarily have to be the same, but the weighted center of the foot should be the foot 22R.
If the geometrical center of (L) is set near the geometrical center, there is an effect of increasing the generation margin of the restoring force against the disturbance, and therefore, in practice, it is considered to be an effective walking form even for a robot.

【0069】この実施の形態ではこのように考えて、基
本的には、足平22R(L)の幾何学的な中心付近に、
より具体的には足関節18,20R(L)の交点(軸線
36,42の交点)の投影点より30mm進行方向寄り
に足平の加重中心(図2にPで示す)を設定する。尚、
凹凸路面や狭い着地点上の歩行のように足平全体を路面
に接地させることが困難な場合は、当然この限りではな
い。
In this embodiment, in this way, basically, in the vicinity of the geometric center of the foot 22R (L),
More specifically, the weighted center of the foot (shown by P in FIG. 2) is set 30 mm closer to the traveling direction than the projection point of the intersection of the ankle joints 18 and 20R (L) (the intersection of the axes 36 and 42). still,
Of course, this is not the case when it is difficult to ground the entire foot on the road surface, such as walking on an uneven road surface or a narrow landing point.

【0070】このような条件で、様々な歩行形態を検討
した結果、次のような結果が得られた。
As a result of examining various walking forms under such conditions, the following results were obtained.

【0071】上体24の重心移動軌跡は、倒立振子とし
てモデル化されることもあるように、z方向の上下動を
伴っている。その結果、上体のx,y方向の移動速度も
変動する。通常の歩行では両脚支持期は上体の高さが低
くなっており、移動速度は全体の平均歩行速度よりも速
くなっている。図6に示すように移動速度の変動は低速
歩行で著しく、高速歩行では小さくなる。この実施の形
態のロボットの大きさにおいて、2km/hでは約2
割、3km/hでは約1割ほど平均歩行速度(等速歩
行)よりも速い。
The locus of movement of the center of gravity of the body 24 is accompanied by vertical movement in the z direction, as is sometimes modeled as an inverted pendulum. As a result, the moving speed of the body in the x and y directions also fluctuates. In normal walking, the height of the upper body is low during the period of supporting both legs, and the moving speed is higher than the average walking speed of the whole body. As shown in FIG. 6, the fluctuation of the moving speed is remarkable in the low speed walking and is small in the high speed walking. The size of the robot of this embodiment is about 2 at 2 km / h.
However, at 3 km / h, about 10% is faster than the average walking speed (constant speed walking).

【0072】このロボットの大きさとしては低速歩行と
いえる1km/hでは7割近くも速くなっている。しか
し、低速歩行での極端な速度変動は、静歩行的な歩行形
態に近くなるからである。そのような歩行形態の領域で
は、かかと部を上げる量も静歩行的に設計が可能であ
り、それが上下Gやエネルギー効率に影響することもほ
とんどないので、この発明による設計手法を適用する必
要はない。よって、速度変動が著しく大きくない歩行速
度領域においては、上体の平均移動速度である歩行速度
で近似できる。
As for the size of this robot, it is nearly 70% faster at 1 km / h, which can be said to be low-speed walking. However, extreme speed fluctuations during low-speed walking are close to static walking. In such a walking mode region, the amount of raising the heel can be designed in a static walking manner, and it hardly affects the vertical G and the energy efficiency. Therefore, it is necessary to apply the design method according to the present invention. There is no. Therefore, in a walking speed region where the speed fluctuation is not significantly large, the walking speed, which is the average moving speed of the upper body, can be approximated.

【0073】両脚支持期には、後ろ足から前足に重心が
移動していくことになる。図7に、歩行速度1〜4km
/hにおける両脚支持期の上体24の位置を示す。この
ときの両足支持期の上体24の位置は、前足と後ろ足の
足関節18,20R(L)のほぼ中間点付近にあり、歩
行速度との関係も小さいことが分かる。
During the period of supporting both legs, the center of gravity moves from the hind legs to the front legs. In Figure 7, walking speed 1-4km
The position of the upper body 24 at the time of supporting both legs at / h is shown. At this time, the position of the upper body 24 in the supporting period for both feet is near the midpoint between the ankle joints 18 and 20R (L) of the forefoot and hindfoot, and it can be seen that the relationship with the walking speed is small.

【0074】更に、この上体の位置について詳しく調べ
ると、支持脚期における足平の加重中心の位置や、蹴り
足である後ろ足の足平のかかと部46bを上げる角度に
若干依存することが分かる。
Further detailed examination of the position of the upper body shows that the position of the weighted center of the foot during the supporting leg period and the angle at which the heel 46b of the foot of the hind foot, which is a kicking foot, are raised are slightly dependent. .

【0075】図8に、歩行速度2km/h、歩幅500
mmとしたときの、足平22R(L)の加重中心を、足
平の幾何学的中心から前後に動かした場合の上体の重心
位置の変化を示す。足平の幾何学的な中心は前記の如
く、足関節の位置より30mm前方(図2のP点)とな
っている。加重中心を前に動かした場合には、上体24
も前に移動する傾向があることが分かる。上体の位置の
移動量は、加重中心を前に動かす量に比例して移動する
傾向が読みとれる。しかし、移動量は同じではなく、上
体の位置の方が小さい。
FIG. 8 shows a walking speed of 2 km / h and a stride of 500.
The change in the position of the center of gravity of the upper body when the weighted center of the foot 22R (L) is moved back and forth from the geometric center of the foot in mm is shown. The geometric center of the foot is, as described above, 30 mm ahead of the position of the ankle joint (point P in FIG. 2). If you move the weighted center forward,
It turns out that there is a tendency to move forward. It can be read that the amount of movement of the position of the upper body moves in proportion to the amount of movement of the weighted center forward. However, the amount of movement is not the same, and the position of the upper body is smaller.

【0076】加重中心を前記した点Pに設定した場合に
は、上体24は、着床時に中間点より50mm手前、離
床時に70mm先に移動している。両足支持期の上体2
4の位置は、平均すれば10mmほど中間点より先にず
れていることになる。
When the weighted center is set to the above-mentioned point P, the upper body 24 moves 50 mm before the midpoint when landing and 70 mm ahead when leaving the floor. Upper body 2 for both legs
On the average, the position of 4 is shifted by about 10 mm before the middle point.

【0077】また、かかと部46bを上げる角度でも、
上体24の位置は移動する。図9に歩行速度2km/
h、歩幅500mmにおける、足平22R(L)のかか
と部46bを上げる角度と上体の位置の関係を示す。か
かと部を全く上げないものから0.9(rad)上げる
ものまで検討した結果、かかと部を上げるにつれて、両
脚支持期における上体24の位置は後方にずれる傾向が
あること、および、その量は10mm強であることが分
かった。
Also, at the angle of raising the heel portion 46b,
The position of the upper body 24 moves. Fig. 9 shows walking speed of 2 km /
The relationship between the angle of raising the heel portion 46b of the foot 22R (L) and the position of the upper body at a step length of 500 mm is shown. As a result of investigating from one in which the heel part is not raised to one in which the heel part is raised by 0.9 (rad), as the heel part is raised, the position of the upper body 24 in the both-leg supporting period tends to shift rearward, and its amount is It was found to be a little over 10 mm.

【0078】この2つの知見から、両脚支持期の終了時
点、つまり、後ろ足の離床時点には、上体24は、前足
と後ろ足の中間点よりその時の歩行速度で両脚支持期の
時間の半分だけ移動したところに到達していると近似し
ても、その誤差は最大でも前方側に30mm程度で収ま
ることが分かる。
From these two findings, at the end of the both-leg supporting period, that is, at the time of leaving the hind legs, the upper body 24 moves from the midpoint of the front legs and the hind legs to the walking speed at that time for half of the both-leg supporting period. Even if it is approximated that it has reached the position where it has moved, it can be seen that the maximum error is within about 30 mm on the front side.

【0079】この誤差は、ロボットの大きさや歩行速度
などのパラメータである程度補正することが可能と思わ
れるが、先に述べたようにあまり複雑な補正式ではその
パラメータを定めること自体が困難になり、結果として
アクチュエータを具体的に設計するためには役立たない
ことが多い。
It is considered that this error can be corrected to some extent by parameters such as the size of the robot and walking speed. However, as described above, it is difficult to set the parameters by using a too complicated correction formula. As a result, it is often not useful for specifically designing the actuator.

【0080】このような判断から、両脚支持期の終了時
点、つまり、後ろ足の離床時点には、上体は、前足と後
ろ足の中間点より、そのときの歩行速度で両脚支持期の
時間の半分だけ移動したところに到達していると、単純
に近似することが実用的には妥当である。
From such a judgment, at the end of the two-leg supporting period, that is, at the time of leaving the hind legs, the upper body starts from the midpoint between the front legs and the hind legs and is half the time of the two-leg supporting period at the walking speed at that time. When it has reached the point where it has moved, it is practically appropriate to make a simple approximation.

【0081】6)かかと部を上げる量 このようにして近似的に推定される上体の重心位置に対
して、蹴り足が届くようにするためのかかと部を上げる
べき最低限の量は、図10に示すように計算するように
した。
6) Amount of raising the heel part The minimum amount of raising the heel part in order to reach the kicking foot with respect to the position of the center of gravity of the upper body which is estimated approximately in this way is as follows: The calculation was made as shown in 10.

【0082】ここで、L:大腿リンク長(L1)と下腿
リンク長(L2)の合計(脚を延ばした軌道を意味す
る)、ST:歩幅、PS:両足支持期の時間割合、L
T:足関節18,20R(L)の交点の足裏面への投影
点から爪先部46bまでの長さ、LA:足平裏底面から
足関節18,20R(L)の交点までの長さ、LD:両
脚支持期に上体が移動する距離、LH、LP、thA、
thB、thC:図10参照、thHmin:かかと部
46bを最低限上げる角度、とした場合、以下のように
なる。
Here, L: total thigh link length (L1) and crus link length (L2) (meaning a trajectory with the legs extended), ST: step length, PS: time ratio of both legs supporting period, L
T: the length from the projection point of the intersection of the ankle joints 18 and 20R (L) to the back of the foot to the toe 46b, LA: the length from the bottom of the sole of the foot to the intersection of the ankle joints 18 and 20R (L), LD: Distance traveled by the upper body during both legs, LH, LP, thA,
When thB and thC are shown in FIG. 10, and thHmin is the angle at which the heel portion 46b is raised to the minimum, the following is obtained.

【0083】LD=ST×PS LS=0.5×(ST−LD) LH=LA+√(L×L−LS×LS) LP=ST−LS−LT thC=tan-1(LH/LP) thA=tan-1(LA/LT) LB=√(LT×LT+LA×LA) LX=√(LP×LP+LH×LH) thB=cos-1(LB×LB+LX×LX−L×L)
/2.0/LB/LX) thHmin=π−thA−thB−thC
LD = ST × PS LS = 0.5 × (ST-LD) LH = LA + √ (L × L-LS × LS) LP = ST-LS-LT thC = tan −1 (LH / LP) thA = Tan −1 (LA / LT) LB = √ (LT × LT + LA × LA) LX = √ (LP × LP + LH × LH) thB = cos −1 (LB × LB + LX × LX-L × L)
/2.0/LB/LX) thHmin = π-thA-thB-thC

【0084】上記において、上体24の重心がそのとき
の歩行速度で両脚支持期の時間の半分だけ移動した位置
(上記LS)に到達するのに必要な、蹴り足のかかと部
46bの上げ量thHminを下限値とし、その姿勢と
なるように歩容を生成する。
In the above, the amount of raising of the heel portion 46b of the kicking foot required to reach the position (LS above) in which the center of gravity of the upper body 24 has moved by half the time during the two-leg supporting period at the walking speed at that time. With thHmin as the lower limit value, a gait is generated so as to have that posture.

【0085】上記を概括すれば、足平の傾動量の制御
を、 thH=f(PS,ST) なる関係式、あるいは thH=π−thA−thB−thC なる関係式を用いて行うと言うことができる。
To summarize the above, the control of the amount of tilt of the foot is performed by using the relational expression thH = f (PS, ST) or the relational expression thH = π-thA-thB-thC. You can

【0086】尚、実施の形態に係るロボットのように、
足部において爪先部46aが円弧状に反っていると共
に、その円弧の半径が小さく、単に先端部に追加された
程度なので、近似的にその部分を無視してLTとしても
支障ない。
As in the robot according to the embodiment,
In the foot portion, the toe portion 46a is curved in an arc shape, and the radius of the arc is small and it is merely added to the tip portion, so that there is no problem even if that portion is neglected approximately as LT.

【0087】上記について、幾つかの歩幅と両脚支持期
の割合について計算した結果を図11に示す。
FIG. 11 shows the results of calculation of the above-mentioned steps and the ratios of the two-leg supporting period.

【0088】また、かかと部46bを上げる量の上限値
thHmaxを考えると、上体の重心軌道の重力方向高
さを可能な限りを高くするという観点では、図12に示
すように、爪先部46aと足関節18R(L)と股関節
12R(L)が一直線に並ぶような姿勢以上にかかと部
46bを上げても効果がないといえる。よって、 thHmax=π−thA−thC とする。
Considering the upper limit value thHmax for raising the heel portion 46b, from the viewpoint of increasing the gravity direction height of the center of gravity orbit of the upper body as much as possible, as shown in FIG. It can be said that there is no effect even if the heel portion 46b is raised beyond the posture in which the ankle joint 18R (L) and the hip joint 12R (L) are aligned. Therefore, thHmax = π-thA-thC.

【0089】かかと部46bを上げる量の上限値と下限
値が求まったので、かかと部46bを上げる量の設計値
は、原理的にその間にあれば良い。しかし、下限値は上
体の重心軌道を所望の高さとするための必要最小量であ
り、より高く上げれば上体の高さはある程度まで高くす
ることはできる(図5)。よって、アクチュエータの駆
動能力が許せば、それ以上に上げることには大きな問題
はない。
Since the upper limit value and the lower limit value of the amount by which the heel portion 46b is raised are obtained, the design value of the amount by which the heel portion 46b is raised may be in principle between them. However, the lower limit value is the minimum amount required to set the center of gravity trajectory of the upper body to a desired height, and the height of the upper body can be increased to some extent by raising it to a higher level (FIG. 5). Therefore, if the driving capability of the actuator allows it, there is no big problem in raising it further.

【0090】この実施の形態では、下限値からのマージ
ンを確保して、かつ、不必要にかかと部を上げないとい
う観点から、両者の中間値である平均値をかかと部を上
げる量の設計値とした。
In this embodiment, from the viewpoint of ensuring a margin from the lower limit value and not unnecessarily raising the heel portion, an average value which is an intermediate value between the two is a design value for raising the heel portion. And

【0091】7)アクチュエータの設計手順のつづき かかと部の上げ量が決まった後で、S18,S20に進
んで歩容の探索による最適化を行う。即ち、S20に進
んで関節角速度と上体24の変位加速度(x,y方向に
おける)が最小となるように歩容の最適化を行い、次い
でS22に進んで最適歩容の候補を決定する。
7) Continuing the actuator design procedure After determining the amount of raising of the heel, the process proceeds to S18 and S20 to perform optimization by searching for a gait. That is, the gait is optimized so that the joint angular velocity and the displacement acceleration (in the x and y directions) of the body 24 are minimized in S20, and then the candidate of the optimal gait is determined in S22.

【0092】歩容の最適化に先立つ力学的な歩容生成の
手法としては、これまでいくつかの方法(例、ロボット
学会誌11巻3号「上体の運動によりモーメントを補償
する2足歩行ロボット」)が公開されており、それらを
応用すれば可能である。この例の文献では、上体の重心
位置の高さを一定として遊脚軌道とZMP軌道から歩容
を生成する方法が示されているが、膝を曲げないように
上体を高くするような滑らかな軌道を設定しても問題は
ない。軌道設定は、直接軌道を指定しても良いし、別に
拘束条件を定めて、遊脚軌道やZMP軌道に従属して決
定するようにしても良い。
As a method of generating a mechanical gait prior to gait optimization, several methods have been used so far (eg, bipedal locomotion that compensates moments by body movements, Vol. 11, No. 3 of the Robotics Society). Robots ”) are open to the public and can be applied by applying them. In the literature of this example, a method of generating a gait from a free leg trajectory and a ZMP trajectory with the height of the center of gravity of the upper body kept constant is shown, but the upper body is raised so as not to bend the knee. There is no problem in setting a smooth trajectory. In the trajectory setting, the trajectory may be designated directly, or a constraint condition may be separately set and determined depending on the free leg trajectory or the ZMP trajectory.

【0093】S22までの処理で生成された歩容は、そ
の時点では未だ、上体の上下加速度(z方向の変位加速
度)の点では着地衝撃力が許容範囲内にあるかなどの条
件を満たしているとは限らない。このため、続いてS2
4に進んで上体の上下加速度の最大値を設定し、上下加
速度をその範囲内に押さえることとする。以下説明す
る。
The gait generated by the processing up to S22 still satisfies the conditions such as whether the landing impact force is within the allowable range in terms of the vertical acceleration (displacement acceleration in the z direction) of the upper body. Not necessarily. For this reason, S2 continues
Proceeding to step 4, the maximum value of the vertical acceleration of the upper body is set, and the vertical acceleration is suppressed within that range. This will be described below.

【0094】8)歩行速度と上体の上下動の大きさの関
係 図1に示す自立型2足歩行ロボット1において、上体2
4の重さは、ロボット全体の重さの中でもかなりの部分
を占め、その上体の重心の上下動の大きさが脚に対する
力学的負荷や床面からの衝撃力に直接関係することか
ら、その上体重心軌道の設計は重要な項目である。
8) Relationship between walking speed and magnitude of vertical movement of upper body In the independent bipedal walking robot 1 shown in FIG.
The weight of 4 occupies a considerable part of the total weight of the robot, and since the magnitude of the vertical movement of the center of gravity of its upper body is directly related to the mechanical load on the legs and the impact force from the floor, In addition, the design of body weight center trajectory is an important item.

【0095】即ち、上下動によって発生する慣性力は、
ロボットを支える脚部リンクのアクチュエータへの出力
設計に関わるだけでなく、脚部リンクの強度やその力を
直接受ける床反力計測用の6軸力センサ44の強度、更
には、歩行制御の観点からは床面との接地性にも関係し
ている。この点では、上下動が少ないほうが望ましい
が、そうすると上体重心軌道の低いエネルギ効率の悪い
歩行形態になる。よって、ある程度の上下動を伴うこと
になる。
That is, the inertial force generated by the vertical movement is
Not only related to the output design of the leg link supporting the robot to the actuator, but also the strength of the leg link and the strength of the 6-axis force sensor 44 for directly measuring the floor reaction force, and the viewpoint of gait control. Is also related to the ground contact with the floor. From this point, it is desirable that the vertical movement is small, but if this is done, a walking form with a low body weight trajectory and low energy efficiency will result. Therefore, a certain amount of vertical movement is involved.

【0096】その場合も脚の負荷を一定レベル以下に抑
えるには、上下動を制限する必要がある。上下加速度が
1Gを越えなければ原理的にはロボットが床から跳ねる
ことはないはずであるが、実際には床の凹凸や制御誤差
等の影響でそれよりもかなり小さな上下加速度でも接地
性が悪くなることがある。図示のロボットの構造では、
実験的には0.2G程度に抑えれば実用上問題ないこと
が分かった。
Also in this case, in order to keep the load on the legs below a certain level, it is necessary to limit the vertical movement. In principle, if the vertical acceleration does not exceed 1G, the robot should not bounce off the floor, but in reality, due to the unevenness of the floor, control errors, etc., even if the vertical acceleration is much smaller than that, the ground contact is poor. May be. In the illustrated robot structure,
Experimentally, it has been found that there is no practical problem if it is suppressed to about 0.2G.

【0097】しかし、このレベルに上下加速度を低く抑
えることは、歩行形態においては大きな制約となる。よ
って、上下加速度が問題とならない低速歩行を除いて、
主として機械的強度で決まる上下加速度の制限いっぱい
まで使う歩行形態が最適な歩行形態となることが多い。
そのように、歩行速度によらず上下加速度の制限いっぱ
いまで使う歩行形態を実現するためには、2足歩行ロボ
ットの歩行速度と上下加速度に関する性質を明らかにす
る必要がある。
However, keeping the vertical acceleration low at this level is a great limitation in the walking form. Therefore, except for low-speed walking where vertical acceleration is not a problem,
The optimum walking form is often the one that is used up to the maximum vertical acceleration limit, which is mainly determined by mechanical strength.
As described above, in order to realize a walking mode in which the vertical acceleration is fully used regardless of the walking speed, it is necessary to clarify the properties of the bipedal walking robot regarding the walking speed and the vertical acceleration.

【0098】一般的に歩行に伴う上下動の軌道形状が同
じならば、上下動の速度は歩行速度に比例して、上下加
速度は歩行速度の2乗に比例して増加する。簡単のため
上下動の軌道が振幅がAで波長がLの正弦波であると仮
定すれば、歩行速度Vで移動する場合の上体の高さH
は、 H=Asin(2πV/Lt) となる(t:時間)。
In general, if the trajectory shape of the vertical movement accompanying walking is the same, the speed of the vertical movement increases in proportion to the walking speed, and the vertical acceleration increases in proportion to the square of the walking speed. For the sake of simplicity, assuming that the vertical trajectory is a sine wave with an amplitude A and a wavelength L, the height H of the upper body when moving at a walking speed V
Becomes H = Asin (2πV / Lt) (t: time).

【0099】このとき、上下動の加速度DDHはtにつ
いて2回微分することによって、 DDH=−A(2πV/L)2 sin(2πV/Lt) となる。この式によれば、上下動の加速度DDHは歩行
速度Vの2乗に比例することが分かる。
At this time, the vertical acceleration DDH is differentiated twice with respect to t to obtain DDH = -A (2πV / L) 2 sin (2πV / Lt). According to this equation, it can be seen that the vertical acceleration DDH is proportional to the square of the walking speed V.

【0100】もちろん実際の上下動の軌道は正弦波では
ないが、周期関数なのでフーリエ級数展開が可能であ
り、その各項の加速度が同様に歩行速度Vの2乗に比例
することから、先の仮定のように、歩行速度によらず上
下動の軌道形状が完全に同じならば、上下動に伴う上下
加速度の大きさは、歩行速度Vの2乗に比例することは
明らかである。
Of course, the actual vertical trajectory is not a sine wave, but since it is a periodic function, Fourier series expansion is possible, and the acceleration of each term is also proportional to the square of the walking speed V. As is assumed, if the trajectory shape of the vertical movement is completely the same regardless of the walking speed, the magnitude of the vertical acceleration accompanying the vertical movement is obviously proportional to the square of the walking speed V.

【0101】ところが、2足歩行ロボットの運動は、運
動方程式によって大きな制約を受けており、歩行速度を
変えてなお上体の上下動の軌道を完全に同じに保つこと
は困難である。よって、厳密には歩行速度Vの2乗に比
例すると言い切ることはできない。
However, the motion of the bipedal walking robot is greatly restricted by the equation of motion, and it is difficult to change the walking speed and still keep the vertical motion trajectory of the upper body completely the same. Therefore, strictly speaking, it cannot be said to be proportional to the square of the walking speed V.

【0102】工学的にこの性質を用いるためには、その
誤差がどの程度かを評価しておく必要がある。多くの条
件で歩容を設計して分析した結果、定性的には歩行速度
Vの2乗に比例すると近似できることが分かった。
In order to use this property in engineering, it is necessary to evaluate how much the error is. As a result of designing and analyzing a gait under many conditions, it was found that it can be qualitatively approximated to be proportional to the square of the walking speed V.

【0103】図1のロボットにおいて大腿リンク28R
(L)および下腿リンク30R(L)400mm、足関
節高さ(前記LA)140mm、自重100kgとし、
歩行速度2km/h、3km/h、4km/h、5km
/hで、上体24の重心の上下動の振幅を一定(22m
m)に保った場合の、上体24の重心軌道と上下加速度
のシミュレーションデータを図13から図16に示す。
In the robot of FIG. 1, the thigh link 28R
(L) and lower leg link 30R (L) 400 mm, ankle joint height (LA) 140 mm, own weight 100 kg,
Walking speed 2km / h, 3km / h, 4km / h, 5km
/ H, the amplitude of vertical movement of the center of gravity of the upper body 24 is constant (22 m
13 to 16 show simulation data of the center-of-gravity trajectory and vertical acceleration of the body 24 when held at m).

【0104】歩行速度の増大に伴って、上下動の軌道形
状は歩行速度によって時間軸が変わるものの、見た目に
はかなり類似しており、上下加速度も予想通り増大する
ことが理解できよう。また、歩行速度と最大上下加速度
の関係を図17に実線で示す。同図で破線は2km/h
での加速度を基準にして歩行速度の2乗に比例するとし
た場合の算出値を示すが、その破線との比較から、厳密
に歩行速度の2乗に比例しているわけではないが、近似
的には成り立っていることが見てとれよう。
It can be understood that, as the walking speed increases, the trajectory shape of the vertical movement changes in time axis depending on the walking speed, but the appearance is quite similar, and the vertical acceleration increases as expected. The relationship between the walking speed and the maximum vertical acceleration is shown by the solid line in FIG. In the figure, the broken line is 2 km / h.
The calculated value is shown in the case of being proportional to the square of the walking speed with reference to the acceleration at, but from the comparison with the broken line, it is not strictly proportional to the square of the walking speed. You can see that is true of.

【0105】上記の如く、歩行速度を変えることができ
る2足歩行ロボットでは、上体の上下加速度の要件は、
脚強度やセンサ強度などによって決まっており、歩行速
度にあまり依存しない。
As described above, in the biped robot capable of changing the walking speed, the requirement for the vertical acceleration of the upper body is
It depends on the strength of the legs and the strength of the sensor, and does not depend much on walking speed.

【0106】このことから、上下加速度の制限いっぱい
まで使う歩行形態を実現するためには、上下動の振幅が
歩行速度によらず一定で、かつ上下加速度の制限いっぱ
いとなるように上下動の振幅を決めれば良いことにな
る。
From this, in order to realize a walking mode in which the vertical acceleration is used up to the maximum limit, the vertical motion amplitude is kept constant regardless of the walking speed and the vertical motion amplitude is full. It will be good to decide.

【0107】即ち、上下動の振幅を歩行速度Vの2乗に
反比例させて小さくすることにより実際の上下加速度を
ほぼ一定とすることができる。この結果、すべての歩行
速度で、ロボットの脚強度やセンサ強度などの機械性能
を最大限活かした歩行形態を実現することができる。
That is, the actual vertical acceleration can be made substantially constant by reducing the amplitude of the vertical movement in inverse proportion to the square of the walking speed V. As a result, at all walking speeds, it is possible to realize a walking pattern that maximizes mechanical performance such as the leg strength and sensor strength of the robot.

【0108】上記をより具体的に敷衍すると、前記した
手法に基づいて、大腿リンク、下腿リンク400mm、
足関節高さ140mm、自重100kgの2足歩行ロボ
ットが、歩行速度2km/hで、上下加速度2000m
m/sec2 以下の条件で歩行する歩容が得られる。こ
のときの上下動の振幅は22mmである。
If the above is applied more specifically, based on the above-mentioned method, the thigh link, the lower leg link 400 mm,
A biped robot with an ankle height of 140 mm and a weight of 100 kg, has a walking speed of 2 km / h and a vertical acceleration of 2000 m.
A gait for walking under a condition of m / sec 2 or less can be obtained. The amplitude of the vertical movement at this time is 22 mm.

【0109】この歩容を基準に、上体の上下動の振幅を
歩行速度の2乗に反比例するように変えて歩容設計を行
う。歩行速度3km/hで上下動の振幅22mmを、歩
行速度2km/hの歩容の(2/3)2 =4/9倍の
9.7mmとした歩容の、ロボット全体の上下加速度を
図18に示す。同様に、歩行速度5km/hにおける上
下動の振幅を3.5mmとした場合のロボット全体の上
下加速度を図19に示す。
Based on this gait, the gait is designed by changing the amplitude of the vertical movement of the upper body so as to be inversely proportional to the square of the walking speed. The vertical acceleration of the entire robot with a walking speed of 3 km / h and an amplitude of vertical motion of 22 mm is set to 9.7 mm, which is (2/3) 2 = 4/9 times the gait of walking speed of 2 km / h. Shown in 18. Similarly, FIG. 19 shows the vertical acceleration of the entire robot when the amplitude of vertical movement at a walking speed of 5 km / h is 3.5 mm.

【0110】3km/hでは、予想通り上下加速度が抑
えられているが、5km/hでは、抑えられているとは
いえ、やや上下加速度の増加が見られる。この点を細か
く見るために、上体24のみの上下加速度を図20に示
す。上体のみの上下加速度をみれば、上下加速度は良く
抑えられていることが分かる。つまり、5km/h程度
の歩行速度になると、低速歩行では無視することができ
た脚部リンク(遊脚)の慣性力(Z軸成分)による上下
加速度が無視できなくなっていることを意味する。
At 3 km / h, the vertical acceleration is suppressed as expected, but at 5 km / h, the vertical acceleration is slightly increased although it is suppressed. In order to see this point in detail, the vertical acceleration of only the upper body 24 is shown in FIG. Looking at the vertical acceleration of only the upper body, it can be seen that the vertical acceleration is well suppressed. That is, at a walking speed of about 5 km / h, it means that the vertical acceleration due to the inertial force (Z-axis component) of the leg link (free leg) that could be ignored during low-speed walking cannot be ignored.

【0111】しかし、これに対しては当然のことながら
上体24の上下動を小さくしても関係ないので、高速歩
行が必要な場合には、このような上下加速度の増加要因
を考慮してあらかじめ設計強度に余裕を持たせるなどの
対策などを併用することになる。このように、上体の上
下動の振幅を歩行速度の2乗に反比例させることによっ
て、広い歩行速度の範囲で、ロボット全体の上下加速度
による床面からの衝撃力の主要な成分を抑えることがで
き極端な床面からの衝撃力を緩和することができる。
However, of course, it does not matter if the vertical movement of the upper body 24 is reduced. Therefore, when high-speed walking is required, such a factor of increase in vertical acceleration should be taken into consideration. It will be necessary to use measures such as giving a margin to the design strength beforehand. In this way, by making the amplitude of the vertical movement of the upper body inversely proportional to the square of the walking speed, it is possible to suppress the main component of the impact force from the floor surface due to the vertical acceleration of the entire robot within a wide walking speed range. It is possible to reduce the extreme impact force from the floor.

【0112】より具体的には、上体の最大上下加速度の
設定においては、ロボットの力学的強度や歩行路面の剛
性、更には、路面との接地性を考慮する必要がある。条
件にもよるが、実験的には、±2000mm/sec2
程度ならば路面との接地性は問題にならない。
More specifically, in setting the maximum vertical acceleration of the upper body, it is necessary to consider the mechanical strength of the robot, the rigidity of the walking road surface, and the ground contact property with the road surface. Depending on the conditions, experimentally ± 2000 mm / sec 2
As far as the degree is concerned, the ground contact with the road surface does not matter.

【0113】図4フロー・チャートの説明に戻ると、S
26,S28,S20,S22,S24とループし、先
に述べたように上体軌道の上下動の振幅を縮小して軌道
について再度歩容生成を行い、最適化する。この結果の
上下動が設定値と同程度になれば、それが現実的に歩行
可能な最適歩容となる(S30)。
Returning to the explanation of the flow chart of FIG. 4, S
26, S28, S20, S22, and S24 are looped, and the amplitude of the vertical motion of the body trajectory is reduced as described above, and the gait is generated again for the trajectory to optimize. If the vertical movement as a result of this is approximately the same as the set value, that is the optimal gait that allows walking realistically (S30).

【0114】このようにして最適歩容を決定し、次いで
S32に進んで各関節の角速度を、その歩容での関節の
動きとして直接的に決定し、S34に進んで関節トルク
Tを、各時点のZMPの位置ベクトルZと関節アクチュ
エータの位置ベクトルPと重心運動から決まる床面から
の力ベクトルFから T=(P−Z)×F として決定する。
In this way, the optimum gait is determined, then the process proceeds to S32, the angular velocity of each joint is directly determined as the motion of the joint in the gait, and the process proceeds to S34 to determine the joint torque T. From the position vector Z of the ZMP at the time point, the position vector P of the joint actuator, and the force vector F from the floor surface determined by the motion of the center of gravity, T = (P−Z) × F is determined.

【0115】関節アクチュエータに必要な最大角速度と
最大トルクの仕様がこのように決定できたことから、次
いでS36に進んでその最大値を満足する関節アクチュ
エータの仕様を決定する。
Since the specifications of the maximum angular velocity and the maximum torque required for the joint actuator have been determined in this way, the process proceeds to S36, and the specifications of the joint actuator satisfying the maximum values are determined.

【0116】[0116]

【実施例】以下、この発明の実施例を説明する。Embodiments of the present invention will be described below.

【0117】図1に示すロボット1のパラメータは、図
21に示す通りとする。また、自重100kg、一歩を
踏み出す時間の中の両脚支持期の割合(前記したPS)
を20%とする。このロボットが移動速度2km/h、
歩幅500mmで歩行する場合のかかと部46bを上げ
る量の決定と、それに基づいた最適歩容によるアクチュ
エータ仕様の決定方法を、より具体的に、説明する。
The parameters of the robot 1 shown in FIG. 1 are as shown in FIG. Also, the weight of 100 kg, the ratio of both legs supporting period in the time to take a step (PS mentioned above)
Is 20%. This robot has a moving speed of 2 km / h,
The method of determining the amount of raising the heel portion 46b when walking with a stride of 500 mm and the method of determining actuator specifications based on the optimal gait based on the determination will be described more specifically.

【0118】これらのデータを前に述べたかかと部46
bを上げる量を求める関係式に適用して、図22フロー
チャートのS100からS110に示すような手順で、
角度の上限値thHmax(56.29度)と下限値t
hHmin(9.64度)を求め、その平均値thHと
して32.96度を、かかと部46bを上げる量の設計
値とする。
These data are described above in the heel part 46.
Applying to the relational expression for obtaining the amount to increase b, the procedure as shown in S100 to S110 of the flowchart in FIG.
Angle upper limit thHmax (56.29 degrees) and lower limit t
hHmin (9.64 degrees) is obtained, and 32.96 degrees as the average value thH thereof is set as the design value of the amount by which the heel portion 46b is raised.

【0119】次に、離床時のかかと部46bを上げる角
度を32.96度とする条件で、遊脚軌道を生成する。
この軌道は歩行周期の間に滑らかに前に踏み出すような
軌道にする。このとき、路面の凹凸へのロバスト性を確
保するために遊脚の足平22R(L)をある程度、例え
ば40mm上げるような軌道を選ぶ。ZMP軌道も力学
的条件を考慮して定める。
Next, a free leg trajectory is generated under the condition that the angle of raising the heel portion 46b at the time of leaving the bed is 32.96 degrees.
This trajectory should be such that it smoothly steps forward during the walking cycle. At this time, in order to ensure robustness against unevenness of the road surface, a trajectory is selected such that the foot 22R (L) of the free leg is raised to some extent, for example, 40 mm. The ZMP trajectory is also determined in consideration of mechanical conditions.

【0120】具体的には、歩行の安定性を確保するため
に、基本的にはZMPは足平22R(L)の中央付近に
あるように設定し、両足支持期に前方の足平に滑らかに
移動するように設定する。両足支持期と片足支持期の移
行の前後ではZMP足平の端点から中央まで滑らかに移
動するように移行期間を設ける。上体重心軌道は拘束条
件によって極力高く維持するように決定する。
Specifically, in order to secure the stability of walking, basically, the ZMP is set to be near the center of the foot 22R (L), and the front foot is smoothed in the both foot support period. Set to move to. Before and after the transition between the two-leg support period and the one-leg support period, a transition period is provided so that the ZMP foot moves smoothly from the end point to the center. The upper body center trajectory is determined to be kept as high as possible depending on the restraint conditions.

【0121】この条件のもとで、遊脚軌道の探索によっ
てアクチュエータ設計で望ましい関節角速度が極力小さ
い歩容を先ず求める。このようにして求められた歩容
は、まだ、床面の衝撃力等に関する条件である上下加速
度の条件を満たしていない。ここでは上下加速度の条件
を±2000mm/sec2 としている。この歩容と上
体の上下動の軌道と上下加速度を、図23、図24、図
25に示す。
Under this condition, a gait with a joint angular velocity that is as small as possible in actuator design is first obtained by searching for a free leg trajectory. The gait thus obtained does not yet satisfy the condition of vertical acceleration, which is a condition related to the impact force of the floor surface and the like. Here, the condition of vertical acceleration is ± 2000 mm / sec 2 . The gait, the vertical motion trajectory of the upper body, and the vertical acceleration are shown in FIGS. 23, 24, and 25.

【0122】図25から分かるように、上下加速度の条
件を越えているので、この歩容に対して上下加速度に対
して支配的な影響を与える上体の上下動の振幅が小さく
なるような上体軌道の修正を行い、再度歩容を生成す
る。この結果が図26、図27、図28である。図28
によれば、この歩容は上下加速度の条件を満足している
ことが分かる。
As can be seen from FIG. 25, since the condition of vertical acceleration is exceeded, the amplitude of vertical movement of the upper body that exerts a dominant influence on the vertical acceleration on this gait is reduced. Correct the body trajectory and generate the gait again. The results are shown in FIGS. 26, 27 and 28. FIG.
According to this, it is understood that this gait satisfies the condition of vertical acceleration.

【0123】このようにして、上下加速度まで考慮した
歩容を求めることができる。
In this way, the gait considering the vertical acceleration can be obtained.

【0124】この歩容から直接各関節の角速度を求める
ことができる。この歩容における足関節18R(L)の
角速度を図29に、膝関節16R(L)を図30に、股
関節12R(L)を図31に示す。次に、先に述べた簡
単な計算によって関節トルクを求める。
The angular velocity of each joint can be directly obtained from this gait. The angular velocity of the ankle joint 18R (L) in this gait is shown in FIG. 29, the knee joint 16R (L) in FIG. 30, and the hip joint 12R (L) in FIG. Next, the joint torque is obtained by the simple calculation described above.

【0125】この歩容における足関節18R(L)のト
ルクを図32に、膝関節16R(L)のトルクを図33
に、股関節12R(L)のトルクを図34に示す。但
し、遊脚を駆動するトルクは計算に入れていない。尚、
ロボットの自重を1kgとして規格化した計算値である
ので、自重100kgの場合にはこの100倍のトルク
が必要である。
FIG. 32 shows the torque of the ankle joint 18R (L) and FIG. 33 shows the torque of the knee joint 16R (L) in this gait.
FIG. 34 shows the torque of the hip joint 12R (L). However, the torque for driving the free leg is not included in the calculation. still,
Since the calculated value is standardized with the robot's own weight being 1 kg, 100 times the torque is required when the own weight is 100 kg.

【0126】これらの結果から、アクチュエータに必要
となるの最大角速度と最大トルクは、足関節18R
(L)において24rpm、15kgm、膝関節16R
(L)において32rpm、17kgm、股関節12R
(L)において32rpm、11kgmが必要であるこ
とが分かる。
From these results, the maximum angular velocity and maximum torque required for the actuator are determined by the ankle joint 18R.
(L) 24 rpm, 15 kgm, knee joint 16R
(L) 32 rpm, 17 kgm, hip joint 12R
It can be seen that (L) requires 32 rpm and 11 kgm.

【0127】次いで、上記の如くして生成された歩容に
基づいて図示のロボットの歩行を制御する場合につい
て、図35フロー・チャートを参照して簡単に説明す
る。
Next, a case where the walking of the illustrated robot is controlled based on the gait generated as described above will be briefly described with reference to the flow chart of FIG.

【0128】まず、S200で装置各部をイニシャライ
ズしてS202に進み、そこで歩容パラメータを前記し
たROM84からロードする。前記の如くして生成され
たロボットの歩容は、歩容パラメータとしてROM84
に記憶される。続いてS204に進んでスタート信号を
待機し、スタート信号が生じるとS206に進んでカウ
ンタをインクリメントする。
First, in S200, each part of the apparatus is initialized, and the process proceeds to S202, in which gait parameters are loaded from the ROM 84 described above. The gait of the robot generated as described above is stored in the ROM 84 as a gait parameter.
Is stored. Then, the process proceeds to S204 to wait for the start signal, and when the start signal is generated, the process proceeds to S206 to increment the counter.

【0129】続いてS208に進んで姿勢パラメータを
計算する。これは前記した歩容パラメータの中に補間演
算を必要とするものがあるため、ここでそれを求め、S
206のカウンタで指定される時刻の姿勢パラメータを
計算する。続いてS210に進んでそれから12個の関
節の角度を計算し、S212に進んで同期信号を待機
し、同期が取れたところでS214に進んで算出した関
節角度を出力し、S216に進んで歩行終了と判断され
ない限り、同様の作業を繰り返すと共に、終了と判断さ
れるときはS218に進んでカウンタをリセットして終
わる。
Then, the process proceeds to S208 to calculate the posture parameter. This is because some of the above-mentioned gait parameters require an interpolation calculation, so that it is obtained here, and S
The posture parameter at the time designated by the counter 206 is calculated. Next, in S210, the angles of twelve joints are calculated, and in S212, the synchronization signal is waited for. When the synchronization is achieved, the process proceeds to S214 to output the calculated joint angle, and the process proceeds to S216 to end walking. Unless it is determined that the same operation is repeated, when it is determined to end, the process proceeds to S218, resets the counter, and ends.

【0130】またS214で出力された関節角度に基づ
き、その関節角度となるように前記した第2の演算装置
82においては図36に示すフロー・チャートに従って
サーボ制御が並行的に行われるが、この作業は公知であ
るので、説明は省略する。
Further, based on the joint angle output in S214, the second arithmetic unit 82 described above performs the servo control in parallel according to the flow chart shown in FIG. 36 so that the joint angle becomes the joint angle. Since the work is publicly known, a description thereof will be omitted.

【0131】この実施の形態は上記の如く構成したの
で、重心軌道の高い、すなわちエネルギ効率の高い歩容
を実現できる適切な蹴り足のかかと部の上げ量を予め決
定できるので、無数にある物理的な歩行可能条件だけを
満足する歩容の中から、歩容の候補をその分絞り込める
ことができ、歩容設計を大幅に簡略化することができ
る。
Since this embodiment is configured as described above, it is possible to determine in advance an appropriate amount of raising the heel portion of the kicking foot that can realize a gait with a high center of gravity trajectory, that is, a high energy efficiency. The gait candidates can be narrowed down accordingly, from among the gaits that satisfy only the typical walkable condition, and the gait design can be greatly simplified.

【0132】更には、重心の上下動の振幅から床面から
の衝撃力に関係する上下動の加速度の目安を得ること
で、更に、歩容設計を簡略にすることができる。
Further, the gait design can be further simplified by obtaining the standard of the vertical motion acceleration related to the impact force from the floor surface from the amplitude of the vertical motion of the center of gravity.

【0133】図37ないし図39は、この発明に係る2
足歩行ロボットの歩容生成方法などが前提とする2足歩
行ロボットの足部の別の例を示す、説明図である。
FIGS. 37 to 39 show a second embodiment of the present invention.
It is explanatory drawing which shows another example of the foot part of the biped walking robot which the gait generation method etc. of a legged walking robot presuppose.

【0134】図示の如く、足部は平面大略C字状の部材
220と、平面大略矩形状の部材222とからなり、C
字状部材220と矩形状部材222とはロッド224を
介して連結される。即ち、ロッド224はC字状部材2
20と矩形状部材222に穿設された孔内に挿入され、
C字状部材220とはピン226によって固定され、爪
先関節を構成する。
As shown in the figure, the foot portion is composed of a member 220 having a substantially C-shaped plane and a member 222 having a substantially rectangular shape in a plane.
The character member 220 and the rectangular member 222 are connected via a rod 224. That is, the rod 224 is the C-shaped member 2
20 and the rectangular member 222 are inserted into the holes formed,
The C-shaped member 220 is fixed by a pin 226 to form a toe joint.

【0135】他方、矩形状部材222内に穿設された孔
の内径は、ロッド224の外径より比較的大きく形成さ
れ、矩形状部材222はロッド224を中心に回動自在
に構成される。矩形状部材222の中央位置付近には大
径の環状孔228が形成され、そこに6軸力センサ44
(図示省略)が設置され、その上部に足関節18,20
R(L)が連結される。
On the other hand, the inner diameter of the hole formed in the rectangular member 222 is formed to be relatively larger than the outer diameter of the rod 224, and the rectangular member 222 is rotatable about the rod 224. A large-diameter annular hole 228 is formed near the central position of the rectangular member 222, and the six-axis force sensor 44 is formed therein.
(Not shown) is installed, and the ankle joints 18 and 20 are provided on the upper part thereof.
R (L) is connected.

【0136】そして、ロッド224と矩形状部材222
との間にはバネ229が装着され、矩形状部材222を
上方(重力方向)に付勢する。従って、足関節18R
(L)が軸線36を介して回動すると、矩形状部材はそ
れに追随して路面から上昇する。この状態で足裏面は、
C字状部材220のみが路面に接触する。
Then, the rod 224 and the rectangular member 222
A spring 229 is mounted between and to urge the rectangular member 222 upward (in the direction of gravity). Therefore, the ankle joint 18R
When (L) rotates via the axis 36, the rectangular member follows it and ascends from the road surface. In this state, the sole of the foot is
Only the C-shaped member 220 contacts the road surface.

【0137】図2に示した足平構造について先に述べた
が、図37などに示す足平構造に対しても、爪先部まで
の長さLTを正確に決定することが困難である場合も考
えられる。しかし、その場合でも原則的にはかかと部4
6bを上げていくときに、等価的にその支点と考えられ
る長さを使えば問題はない。
Although the foot structure shown in FIG. 2 has been described above, even in the case of the foot structure shown in FIG. 37 and the like, it may be difficult to accurately determine the length LT to the toe. Conceivable. However, even in that case, in principle, the heel part 4
There is no problem if the length equivalent to the fulcrum is used when raising 6b.

【0138】図37などに示す例では爪先関節の回転軸
が機構上床面よりも若干上側になるので、厳密にはこの
軸までの距離をLTとしては正しくないが、近似的には
十分であり、極端な例を除けば、爪先部分を除いた回転
軸までの距離をLTとして問題ない。
In the example shown in FIG. 37 and the like, since the rotation axis of the toe joint is slightly above the floor surface of the mechanism, the distance to this axis is not accurate as LT, but it is approximately sufficient. Except for extreme cases, the distance to the rotation axis excluding the toe portion may be LT and there is no problem.

【0139】尚、かかる近似が成り立たないような足平
形状については、その形状の可能性が多岐にわたるた
め、全ての場合について具体的な手法を表現することは
できないが、初めに述べた原則に基づいて、両脚支持期
の離床時にあげるべきかかと部の量を収束演算等により
計算することにすれば、かかと部を上げる適正量を同様
に計算することができる。
Regarding the foot shape for which such an approximation does not hold, there are various possibilities of the shape, so it is not possible to express a concrete method in all cases, but the principle described in the beginning is used. Based on the calculation of the amount of the heel part to be raised when leaving the bed during the two-leg supporting period based on the convergence calculation or the like, the appropriate amount of raising the heel part can be calculated in the same manner.

【0140】尚、上記において、ロボットの重心を上体
のそれで近似したが、ロボット全体の重心を求めても良
いことは言うまでもない。
Although the center of gravity of the robot is approximated to that of the upper body in the above, it is needless to say that the center of gravity of the entire robot may be obtained.

【0141】尚、上記において、2足歩行脚式移動ロボ
ットの例のみ示したが、上記した構成は3足以上の脚式
移動ロボットにおいても原理的には妥当する。
In the above, only the example of the bipedal legged mobile robot is shown, but the above configuration is also applicable in principle to a legged mobile robot having three or more legs.

【0142】[0142]

【発明の効果】重心軌道の高い、すなわちエネルギ効率
の高い歩容を実現できる適切な蹴り足のかかと部の上げ
量を予め決定できるので、歩容の候補をその分絞り込め
て歩容設計を大幅に簡略化することができる。
[Effects of the Invention] Since it is possible to predetermine an appropriate amount of raising of the heel part of a kicking foot that can realize a gait having a high center of gravity trajectory, that is, a high energy efficiency, gait candidates can be narrowed down accordingly to design gait. It can be greatly simplified.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】この発明に係る脚式歩行ロボットの歩容生成方
法などが前提とする2足歩行ロボットを全体的に示すス
ケルトン図である。
FIG. 1 is an overall skeleton diagram showing a bipedal walking robot, which is premised on a gait generating method for a legged walking robot according to the present invention.

【図2】図1に示す2足歩行ロボットの足平の構造を詳
細に示す説明断面図である。
FIG. 2 is an explanatory sectional view showing in detail a structure of a foot of the bipedal walking robot shown in FIG.

【図3】図1に示す2足歩行ロボットの制御ユニットの
詳細を示すブロック図である。
3 is a block diagram showing details of a control unit of the bipedal walking robot shown in FIG. 1. FIG.

【図4】図1に示す2足歩行ロボットを前提に、この発
明に係る歩容生成方法などを示すフロー・チャートであ
る。
FIG. 4 is a flow chart showing a gait generating method and the like according to the present invention on the premise of the bipedal walking robot shown in FIG.

【図5】図1に示すロボットが上下Gを一定値以下に保
つという制約条件でかかと部を上げる量を変えながら、
上体の重心軌道の高さがどのように変化していくかの関
係を示すデータ図である。
FIG. 5 is a diagram showing a condition that the robot shown in FIG.
It is a data figure which shows the relationship of how the height of the center of gravity trajectory of an upper body changes.

【図6】図1に示すロボットの歩行速度に対する両脚支
持期の上体の移動量を示すデータ図である。
6 is a data diagram showing the amount of movement of the upper body of the robot shown in FIG.

【図7】図1に示すロボットの歩行速度に対する両脚支
持期の上体の位置を示すデータ図である。
7 is a data diagram showing the position of the upper body of the robot shown in FIG.

【図8】図1に示すロボットの足平の加重中心(ZM
P)を足平の幾何学中心から前後に動かした場合の上体
の位置の変化を示すデータ図である。
8 is a center of weight of the foot of the robot shown in FIG. 1 (ZM
It is a data figure which shows the change of the position of the upper body when P) is moved back and forth from the geometric center of a foot.

【図9】図1に示すロボットのかかと部の上げ量に対す
る上体の位置の関係を示すデータ図である。
9 is a data diagram showing the relationship between the position of the upper body and the amount of lifting of the heel of the robot shown in FIG.

【図10】図1に示すロボットについてかかと部の上げ
量の下限値の算出を示す説明図である。
10 is an explanatory diagram showing calculation of a lower limit value of a raising amount of a heel portion of the robot shown in FIG.

【図11】図1に示すロボットについて歩幅に対するか
かと部上げ量の関係を示すデータ図である。
FIG. 11 is a data diagram showing a relationship between a step length and a heel amount of the robot shown in FIG.

【図12】図1に示すロボットについてかかと部の上げ
量の上限値の算出を示す説明図である。
12 is an explanatory diagram showing calculation of an upper limit value of a lift amount of a heel portion of the robot shown in FIG.

【図13】図1に示すロボットについて歩行速度2km
/hでの上体の上下動の振幅を一定に保った場合の上体
の重心軌道と上下加速度の関係を示すデータ図である。
13 is a walking speed of 2 km for the robot shown in FIG.
It is a data figure which shows the gravity center trajectory of a body and the relationship of a vertical acceleration when the amplitude of the up-and-down movement of the body of / h is kept constant.

【図14】図1に示すロボットについて歩行速度3km
/hでの上体の上下動の振幅を一定に保った場合の上体
の重心軌道と上下加速度の関係を示すデータ図である。
14 is a walking speed of 3 km for the robot shown in FIG.
It is a data figure which shows the gravity center trajectory of a body and the relationship of a vertical acceleration when the amplitude of the up-and-down movement of the body of / h is kept constant.

【図15】図1に示すロボットについて歩行速度4km
/hでの上体の上下動の振幅を一定に保った場合の上体
の重心軌道と上下加速度の関係を示すデータ図である。
15 is a walking speed of 4 km for the robot shown in FIG.
It is a data figure which shows the gravity center trajectory of a body and the relationship of a vertical acceleration when the amplitude of the up-and-down movement of the body of / h is kept constant.

【図16】図1に示すロボットについて歩行速度5km
/hでの上体の上下動の振幅を一定に保った場合の上体
の重心軌道と上下加速度の関係を示すデータ図である。
16 is a walking speed of 5 km for the robot shown in FIG.
It is a data figure which shows the gravity center trajectory of a body and the relationship of a vertical acceleration when the amplitude of the up-and-down movement of the body of / h is kept constant.

【図17】図1に示すロボットについて歩行速度に対す
る上下加速度の関係を示すデータ図である。
FIG. 17 is a data diagram showing the relationship between the walking speed and the vertical acceleration of the robot shown in FIG.

【図18】図1に示すロボットについて歩行速度3km
/hのときの上下動の振幅を歩行速度の2乗に反比例さ
せて変えた場合の上下加速度を示すデータ図である。
18 is a walking speed of 3 km for the robot shown in FIG.
It is a data figure which shows the up-and-down acceleration when changing the amplitude of the up-and-down motion at / h in inverse proportion to the square of walking speed.

【図19】図18と同様のデータ図で歩行速度5km/
hのときの上下加速度を示すデータ図である。
FIG. 19 is a data diagram similar to FIG. 18, showing a walking speed of 5 km /
It is a data figure which shows the vertical acceleration at the time of h.

【図20】図18と同様のデータ図で歩行速度5km/
hのときの上体のみの加速度を示すデータ図である。
FIG. 20 is a data diagram similar to FIG. 18, showing a walking speed of 5 km /
It is a data figure which shows the acceleration only of the upper body at the time of h.

【図21】この発明の実施例で用いる、図1のロボット
のパラメータの説明図である。
FIG. 21 is an explanatory diagram of parameters of the robot of FIG. 1 used in the embodiment of the present invention.

【図22】この発明に実施例における、かかと部の上げ
角度の算出を示すフロー・チャートである。
FIG. 22 is a flow chart showing calculation of the raising angle of the heel portion in the embodiment of the present invention.

【図23】図22フロー・チャートで算出された歩容を
示すシミュレーションデータ図である。
FIG. 23 is a simulation data diagram showing a gait calculated by the flow chart of FIG. 22.

【図24】図23に示す歩容の上体の上下動の軌跡を示
すデータ図である。
24 is a data diagram showing a locus of vertical movement of the upper body of the gait shown in FIG. 23.

【図25】図23に示す歩容の上体の上下加速度を示す
データ図である。
25 is a data diagram showing vertical acceleration of the upper body of the gait shown in FIG. 23. FIG.

【図26】図23に示す歩容の修正例を示すシミュレー
ションデータ図である。
FIG. 26 is a simulation data diagram showing an example of correcting the gait shown in FIG. 23.

【図27】図26に示す歩容の上体の上下動の軌跡を示
すデータ図である。
27 is a data diagram showing a locus of vertical movement of the upper body of the gait shown in FIG. 26. FIG.

【図28】図26に示す歩容の上体の上下加速度を示す
シミュレーションデータ図である。
28 is a simulation data diagram showing vertical acceleration of the upper body of the gait shown in FIG. 26. FIG.

【図29】図26の歩容から求められる足関節の角速度
を示すシミュレーションデータ図である。
FIG. 29 is a simulation data diagram showing the angular velocity of the ankle joint obtained from the gait of FIG. 26.

【図30】図26の歩容から求められる膝関節の角速度
を示すシミュレーションデータ図である。
30 is a simulation data diagram showing the angular velocity of the knee joint obtained from the gait of FIG.

【図31】図26の歩容から求められる股関節の角速度
を示すシミュレーションデータ図である。
FIG. 31 is a simulation data diagram showing the angular velocity of the hip joint obtained from the gait of FIG. 26.

【図32】図26の歩容から求められる足関節の関節ト
ルクを示すシミュレーションデータ図である。
32 is a simulation data diagram showing the joint torque of the ankle joint obtained from the gait of FIG. 26. FIG.

【図33】図26の歩容から求められる膝関節の関節ト
ルクを示すシミュレーションデータ図である。
FIG. 33 is a simulation data diagram showing the joint torque of the knee joint obtained from the gait of FIG. 26.

【図34】図26の歩容から求められる股関節の関節ト
ルクを示すシミュレーションデータ図である。
FIG. 34 is a simulation data diagram showing the joint torque of the hip joint obtained from the gait of FIG. 26.

【図35】この実施の形態に係る歩容生成方法などで生
成された歩容に基づいて図1のロボットの歩行を制御す
る例を示すフロー・チャートである。
FIG. 35 is a flow chart showing an example of controlling the walking of the robot of FIG. 1 based on a gait generated by the gait generating method according to this embodiment.

【図36】図35の制御における関節角度のサーボ制御
を行う例を示すフロー・チャートである。
36 is a flow chart showing an example of performing servo control of a joint angle in the control of FIG. 35.

【図37】この発明に係る歩容生成方法などで前提とす
る2足歩行のロボットの別の例を示す足平の説明断面図
である。
FIG. 37 is an explanatory cross-sectional view of a foot showing another example of a bipedal walking robot which is premised on the gait generating method and the like according to the present invention.

【図38】図37のXXXVIII−XXXVIII線
断面図である。
38 is a sectional view taken along line XXXVIII-XXXVIII of FIG. 37. FIG.

【図39】図37の足平のかかと部を上げた場合を示す
説明側面図である。
39 is an explanatory side view showing a case where the heel portion of the foot shown in FIG. 37 is raised.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 ロボット 2 脚部リンク 10,12,14R,L 股関節 16R,L 膝関節 18,20R,L 足関節 22R,L 足平 46b かかと部 1 Robot 2 Leg links 10, 12, 14R, L Hip joint 16R, L Knee joint 18, 20R, L Ankle joint 22R, L Foot 46b Heel part

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 少なくとも上体と、前記上体に股関節を
介して連結される2本の脚部リンクとを備え、前記2本
の脚部リンクがそれぞれ大腿リンクと、前記大腿リンク
に膝関節を介して連結される下腿リンクと、前記下腿リ
ンクに足関節を介して連結される足平とからなり、その
2本の脚部リンクで交互に床面を蹴って移動する2足歩
行の脚式歩行ロボットの歩容生成方法において、蹴り終
わった時点の前記上体の位置を推定し、前記上体が少な
くともその位置に到達するように前記足平のかかと部の
上げ量を決定し、それに基づいて歩容を生成するように
構成したことを特徴とする脚式歩行ロボットの歩容生成
方法。
1. At least an upper body, and two leg links connected to the upper body via hip joints, wherein the two leg links are respectively thigh links, and the thigh links are knee joints. A leg for bipedal walking consisting of a lower leg link connected via a leg and a foot connected to the lower leg via an ankle joint, and the two leg links alternately move and kick the floor. In a gait generating method for a walking robot, the position of the upper body at the time of kicking is estimated, and the amount of lifting of the heel of the foot is determined so that the upper body reaches at least that position. A gait generation method for a legged walking robot, characterized in that the gait is generated based on the gait.
【請求項2】 前記蹴り終わった時点において、前記上
体が前足と後ろ足の中間点より所定距離前方に移動して
いると推定し、前記上体が少なくともその推定位置に到
達するように前記足平のかかと部の上げ量を決定し、そ
れに基づいて歩容を生成するように構成したことを特徴
とする請求項1項記載の脚式歩行ロボットの歩容生成方
法。
2. It is estimated that the upper body is moving forward a predetermined distance from the midpoint between the front foot and the rear foot at the time when the kick is finished, and the upper body reaches at least the estimated position. 2. The gait generating method for a legged walking robot according to claim 1, wherein the gait generating method is configured to determine a raised amount of a flat heel and generate a gait based on the determined amount.
【請求項3】 前記足平のかかと部の上げ量を上げ量の
下限値とすると共に、前記股関節と前記足関節と前記足
平の先端部とがほぼ同一線上に位置する、かかと部の上
げ量を上げ量の上限値とし、前記下限値と上限値の範囲
内で前記足平のかかと部の上げ量を決定するように構成
したことを特徴とする請求項2項記載の脚式歩行ロボッ
トの歩容生成方法。
3. The raising of the heel portion, wherein the raising amount of the heel portion of the foot is set to a lower limit value of the raising amount, and the hip joint, the ankle joint, and the tip portion of the foot are located on substantially the same line. 3. The legged walking robot according to claim 2, wherein the amount is set as an upper limit value of the raising amount, and the raising amount of the heel portion of the foot is determined within the range between the lower limit value and the upper limit value. Gait generation method.
【請求項4】 前記下限値と上限値の平均値から前記足
平のかかと部の上げ量を決定することを特徴とする請求
項3項記載の脚式歩行ロボットの歩容生成方法。
4. The gait generating method for a legged walking robot according to claim 3, wherein the raising amount of the heel portion of the foot is determined from the average value of the lower limit value and the upper limit value.
【請求項5】 前記足平がその先端付近で底面が円弧状
に形成される、および/または前記足平が爪先関節を備
えるものであり、前記円弧状底面を接地させ、および/
または前記爪先関節を介して、前記足平のかかと部を上
げるように構成したことを特徴とする請求項1ないし4
項のいずれかに記載の脚式歩行ロボットの歩容生成方
法。
5. The foot has a bottom surface formed in an arc shape near the tip thereof, and / or the foot includes a toe joint, and the arc bottom surface is grounded, and / or
Alternatively, the heel portion of the foot is raised via the toe joint.
A gait generating method for a legged walking robot according to any one of items.
【請求項6】 上体と、前記上体に股関節を介して連結
される、少なくとも並列した2本の脚部リンクを備え、
前記脚部リンクの端部に足関節を介して連結されて重力
方向に傾動可能な足平を有する脚式歩行ロボットにおい
て、前記ロボットの歩容を基本的に片足支持期と両足支
持期とから構成し、歩行がこの2つの支持期を所定のピ
ッチでもって交互に連続的に継続することから成り立つ
ものとすると共に、両足支持期から片足支持期への移行
が、一方の足関節を回動させて足平の傾動を開始するこ
とで行うことを特徴とする脚式歩行ロボットの歩行制御
装置。
6. An upper body and at least two parallel leg links connected to the upper body via a hip joint,
In a legged walking robot having a foot which is connected to an end of the leg link via an ankle joint and can tilt in the direction of gravity, the gait of the robot is basically divided into a one-leg supporting period and a two-leg supporting period. It is assumed that walking consists of continuously and alternately maintaining these two support periods at a predetermined pitch, and the transition from the two-foot support period to the one-foot support period rotates one ankle joint. A walking control device for a legged walking robot, which is characterized by performing tilting of the foot.
【請求項7】 前記足平の傾動量の制御を、 thH=f(PS,ST) の関係式(但し、thH:傾動量(角度)、PS:両足
支持期の時間割合、ST:歩幅)を用いて行うように構
成したことを特徴とする請求項6項記載の脚式歩行ロボ
ットの歩行制御装置。
7. The control of the amount of tilt of the foot is performed by a relational expression of thH = f (PS, ST) (where, thH: amount of tilt (angle), PS: time ratio of both feet supporting period, ST: stride). 7. The walking control device for a legged walking robot according to claim 6, wherein the walking control device is configured to be performed by using.
【請求項8】 前記足平の傾動量の制御を、 thH=π−thA−thB−thC の関係式(但し、thH:傾動量(角度)、thA,
B,C:前記ロボットの姿勢から決定される所定の傾動
量(角度))を用いて行うように構成したことを特徴と
する請求項6項記載の脚式歩行ロボットの歩行制御装
置。
8. The control of the tilting amount of the foot is performed by a relational expression of thH = π-thA-thB-thC (where thH: tilting amount (angle), thA,
B, C: The walking control device for a legged walking robot according to claim 6, wherein the walking control device is configured to perform using a predetermined tilt amount (angle) determined from the posture of the robot.
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