KR101214434B1 - 다리식 이동 로봇의 보용생성 장치 - Google Patents

다리식 이동 로봇의 보용생성 장치 Download PDF

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타다아키 하세가와
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혼다 기켄 고교 가부시키가이샤
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Abstract

로봇의 새로운 목표 보용을 생성할 때, 장래의 소정 시점에서 로봇?대상물간의 작용력의 궤도가 목표 궤도와 상이한 궤도로 변화되었다고 가정하여, 이 소정 시점 이후의 목표 보용을 생성한 경우에 소정의 동역학적 제약조건을 만족시킬 수 있는지 아닌지를 판단한다. 만족시킬 수 없는 경우에는, 대상물의 이동계획을 수정한 뒤에, 로봇?대상물간의 작용력의 목표 궤도 등을 재결정하고, 그것을 사용하여 새로운 목표 보용을 생성한다. 이것에 의해, 대상물을 이동시키는 작업을 로봇에게 행하게 하기 위한 보용을 장래의 로봇과 대상물 사이의 작용력이 목표값으로부터 벗어나도, 로봇의 자세의 안정성을 확보할 수 있도록 로봇의 보용을 생성한다.
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보용생성 장치, 목표 작용력 궤도, 다리체 운동 패러미터, 동역학적 제약 조선, 작용력 궤도 결정 수단, 작용력 궤도 설정 수단

Description

다리식 이동 로봇의 보용생성 장치{GAIT GENERATING DEVICE OF LEGGED MOBILE ROBOT}
본 발명은 다리식 이동 로봇에게 대상물을 이동시키는 작업을 행하게 하기 위한 목표 보용을 생성하는 장치에 관한 것이다.
2족이동 로봇 등의 다리식 이동 로봇에게 어떤 대상물을 밀어서 이동하게 하는 등의 작업을 행하게 할 경우에는, 로봇은 그 다리체의 선단부가 접촉하는 바닥으로부터 상반력(床反力)을 받을 뿐만 아니라 대상물로부터 반력을 받는다. 이와 같이 대상물로부터 로봇이 받는 반력을 본 명세서에서는 대상물 반력이라고 한다.
이와 같이 다리식 이동 로봇에 대상물 반력이 작용하는 상태에서 로봇의 보용을 생성하거나, 동작 제어를 행하는 기술로서는, 예를 들면 본원 발명자에 의한 일본 특개평 10-230485호 공보(이하, 특허문헌 1이라고 함)에 개시되는 것이 알려져 있다. 이 기술은 로봇의 운동에 의해 발생하는 관성력과 로봇에 작용하는 중력 및 대상물 반력의 합력이 목표 ZMP(목표 상반력 중심점) 주위에 발생하는 모멘트의 연직성분을 제외한 성분(수평성분)이 0이 된다(목표 상반력 중심점에 작용하는 상반력과 상기 합력이 균형을 이룬다)는 동역학적 평형 조건을 만족시키도록, 목표 보용을 생성하는 것이다. 또한, 이 기술에서는, 로봇에 작용하는 외력이 예기치 못한 외력으로 되어도(목표 외력과 실제 외력과의 편차가 어느 정도 커져도), 로봇의 중심위치가 로봇의 동적 밸런스를 유지할 수 있는 것과 같은 중심위치로 평형하게 되도록 로봇의 목표 보용을 조정하도록 하고 있다.
그런데, 상기한 바와 같이 로봇에게 대상물을 이동시키는 작업을 행하게 하는 로봇의 보용을 생성하는 경우, 로봇으로부터 대상물에의 작용력의 목표값의 궤도(시계열), 또는 상기 대상물 반력의 목표값의 궤도(시계열)을 결정해 놓을 필요가 있다. 또한, 로봇으로부터 대상물로의 작용력의 부호(방향)를 반전시킨 것이 대상물 반력이기 때문에, 본란에서의 설명에서는, 이후, 대표적으로 대상물 반력의 목표값의 궤도를 결정해 두는 것으로 한다.
이 경우, 대상물 반력의 목표값(이하, 목표 대상물 반력이라고 함)의 궤도는 예를 들면 대상물의 이동계획(어느 타이밍에 어떻게 대상물을 이동시킬지 등의 계획) 등에 기초하여 결정된다.
그렇지만, 로봇에 작용하는 실제의 대상물 반력이 목표 대상물 반력과 항상 일치한다고는 할 수 없다. 예를 들면, 어떤 예정 시각으로부터, 대상물에 로봇의 손을 걸어맞추어서 이 대상물을 이동시키는 작업을 개시하는 경우에는, 목표 대상물 반력은 그 예정 시각에서 0으로부터 어떤 값(≠0)으로 급변하게 되지만, 실제의 로봇과 대상물과의 위치 관계의 차이 등에 의해, 당해 예정 시각에서는, 실제의 대상물 반력이 변화되지 않게 되는 경우도 있다. 그리고, 이러한 경우에는, 목표 대상물 반력 궤도를 기초로 생성된 보용은 상기 예정 시각에서 대상물 반력이 변화되는 것을 예정하여 생성된 것이므로, 실제의 대상물 반력이 이 예정 시각에서 변화 되지 않았을 때에는, 로봇의 안정성이 손상 받게 되기 쉽다. 또, 이 예정 시각에서, 상기 특허문헌 1의 것과 같이, 실제의 대상물 반력과 목표 대상물 반력과의 편차에 따라 로봇의 자세의 수정을 하고자 해도, 바로 로봇의 자세를 안정한 자세로 수정할 수 없는 경우가 많이 있다.
본 발명은 이러한 배경을 감안하여 이루어진 것으로, 대상물을 이동시키는 작업을 로봇에게 행하게 하기 위한 보용을 장래의 로봇과 대상물 사이의 작용력이 목표값으로부터 벗어나는 경우를 고려하면서 생성하여, 이 작용력이 목표값으로부터 벗어나도 로봇의 자세의 안정성을 확보할 수 있도록 로봇의 보용을 생성할 수 있는 다리식 이동 로봇의 보용생성 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
발명의 개시
본 발명의 다리식 이동 로봇의 보용생성 장치의 제 1 발명은, 이러한 목적을 달성하기 위하여, 상체로부터 뻗어 설치된 복수의 다리체를 구비하는 다리식 이동 로봇에게 대상물을 이동시키는 작업을 행하게 하기 위한 이 로봇의 목표 보용을 생성하는 장치에 있어서,
새로운 목표 보용을 생성할 때, 적어도 대상물의 이동계획에 기초하여, 이 새로운 목표 보용에서의 로봇과 대상물 사이의 작용력의 목표값의 궤도인 제 1 로봇?대상물간 목표 작용력 궤도를 임시 결정하는 제 1 작용력 궤도 결정 수단과,
적어도 상기 대상물의 이동계획에 기초하여, 상기 새로운 목표 보용에서의 로봇의 다리체의 운동을 규정하는 제 1 다리체 운동 패러미터를 임시 결정하는 제 1 다리체 운동 패러미터 결정 수단과,
상기 임시 결정된 제 1 로봇?대상물간 목표 작용력 궤도에 대하여, 실제의 로봇과 대상물 사이의 작용력의 궤도가 장래의 소정 시점 이후에 이 제 1 로봇?대상물간 목표 작용력 궤도와 상이한 궤도로 변화되었다고 가정하여, 이 소정 시점 이후의 로봇과 대상물 사이의 작용력의 목표값의 궤도인 제 2 로봇?대상물간 목표 작용력 궤도를 설정하는 제 2 작용력 궤도 설정 수단과,
상기 소정 시점까지의 로봇의 목표 보용을 상기 제 1 다리체 운동 패러미터와 상기 제 1 로봇?대상물간 목표 작용력 궤도를 사용하여 생성하고, 또한 이 소정 시점까지의 목표 보용에 계속되는 이 소정 시점 이후의 로봇의 목표 보용을, 이 소정 시점 이후의 로봇의 다리체의 운동을 규정하는 다리체 운동 패러미터인 제 2 다리체 운동 패러미터를 가변적으로 설정할 수 있는 변수로 하여, 이 제 2 다리체 운동 패러미터와 상기 제 2 로봇?대상물간 작용력을 사용하여 생성한 경우에, 이 소정 시점 이후의 로봇의 목표 보용이 소정의 동역학적 제약조건을 만족시킬 수 있는 제 2 다리체 운동 패러미터를 설정할 수 있는지 아닌지를 판단하는 판단 수단을 구비하고,
이 판단 수단에 의해, 상기 소정 시점 이후의 로봇의 목표 보용이 상기 소정의 동역학적 제약조건을 만족시킬 수 있는 상기 제 2 다리체 운동 패러미터를 설정할 수 있다고 판단되었을 때에는, 상기 제 1 다리체 운동 패러미터와 제 1 로봇?대상물간 목표 작용력 궤도를 사용하여 상기 새로운 목표 보용을 생성하고, 상기 소정 시점 이후의 로봇의 목표 보용이 상기 소정의 동역학적 제약조건을 만족시킬 수 있는 상기 제 2 다리체 운동 패러미터를 설정할 수 없다고 판단되었을 때에는, 상기 대상물의 이동계획을 수정함과 아울러, 그 수정한 이동계획을 적어도 사용하여 상기 제 1 다리체 운동 패러미터와 제 1 로봇?대상물간 목표 작용력 궤도를 재결정하고, 그 재결정한 제 1 다리체 운동 패러미터와 제 1 로봇?대상물간 목표 작용력 궤도를 사용하여 상기 새로운 목표 보용을 생성하도록 한 것을 특징으로 하는 것이다.
이러한 제 1 발명에 의하면, 상기 소정 시점 이후의 로봇의 목표 보용, 즉, 이 소정 시점 이후에 로봇?대상물간의 작용력의 궤도가 상기 제 1 로봇?대상물간 목표 작용력 궤도와 상이한 제 2 로봇?대상물간 목표 작용력 궤도로 되었다고 가정하여 생성되는 로봇의 목표 보용이 상기 동역학적 제약조건을 만족시킬 수 있는 제 2 다리체 운동 패러미터(이하, 본란에서는, 이 제 2 다리체 운동 패러미터를 적정 제 2 다리체 운동 패러미터라고 하는 경우가 있음)를 설정할 수 있는지 아닌지가 상기 판단 수단에 의해 판단된다. 이 판단에서, 적정 제 2 다리체 운동 패러미터를 설정가능한 경우에는, 가령 로봇?대상물간의 실제의 작용력이 상기 소정 시점 이후에 상기 제 1 로봇?대상물간 목표 작용력과 상이한 제 2 로봇?대상물간 목표 작용력 궤도로 되었다고 해도, 다리체 운동 패러미터, 나아가서는 다리체의 운동을 조정함으로써, 상기 동역학적 제약조건을 만족시킬 수 있는 목표 보용을 생성하는 것이 가능한 것을 의미한다. 그래서, 제 1 발명에서는, 이 경우에는, 상기 제 1 다리체 운동 패러미터와 제 1 로봇?대상물간 목표 작용력 궤도를 사용하여 상기 새로운 목표 보용을 생성한다.
한편, 상기 판단 수단의 판단에서, 적정 제 2 다리체 운동 패러미터를 설정할 수 없을 경우에는, 가령 로봇?대상물간의 실제의 작용력이 상기 소정 시점 이후에 상기 제 1 로봇?대상물간 목표 작용력과 상이한 제 2 로봇?대상물간 목표 작용력 궤도로 된 경우에, 상기 동역학적 제약조건을 만족시키는 목표 보용을 생성할 수 없어, 로봇의 안정성을 확보하는 것이 곤란하게 된다. 그래서, 제 1 발명에서는, 이 경우에는, 대상물의 이동계획을 수정함과 아울러, 그 수정한 이동계획을 적어도 사용하여 상기 제 1 다리체 운동 패러미터와 제 1 로봇?대상물간 목표 작용력 궤도를 재결정한다. 그리고, 그 재결정한 제 1 다리체 운동 패러미터와 제 1 로봇?대상물간 목표 작용력 궤도를 사용하여 상기 새로운 목표 보용을 생성한다.
이것에 의해, 가령 로봇?대상물간의 실제의 작용력이 상기 소정 시점 이후에 상기 제 1 로봇?대상물간 목표 작용력과 상이한 제 2 로봇?대상물간 목표 작용력 궤도로 된 경우이어도, 다리체 운동 패러미터, 나아가서는 다리체의 운동을 조정함으로써, 상기 동역학적 제약조건을 만족시킬 수 있는 목표 보용을 생성할 수 있게 된다.
따라서, 제 1 발명에 의하면, 대상물을 이동시키는 작업을 로봇이 행하게 하기 위한 보용을 장래의 로봇과 대상물 사이의 작용력이 목표값으로부터 벗어나는 경우를 고려하면서 생성하고, 이 작용력이 목표값으로부터 벗어나도, 로봇의 자세의 안정성을 확보할 수 있도록 로봇의 보용을 생성할 수 있다.
또한, 제 1 발명에서, 새로운 목표 보용을 생성할 때에는, 예를 들면 다리체 운동 패러미터 등을 기초로, 로봇의 운동에 의해 발생하는 관성력과 로봇에 대상물로부터 작용하는 작용력과 로봇에 작용하는 중력과의 합력에 의해 발생하는 모멘트의 수평성분이 0이 되는 점인 ZMP(Zero Moment Point)의 목표 위치(목표 ZMP)의 궤도를 결정하고, 그 목표 ZMP를 만족하도록(목표 ZMP 주위의 모멘트의 수평성분이 0이 되도록) 로봇의 동역학 모델을 사용하여 목표 보용을 생성하도록 하면 된다. 이때, 목표 ZMP 궤도를 결정함에 있어서는, 새로운 목표 보용이 가상적인 주기적 보용에 수렴해 가도록 목표 ZMP 궤도를 결정하는 것이 바람직하다. 또, 다리식 이동 로봇은 2족 이상의 다리를 갖는 로봇이어도 된다.
이러한 제 1 발명에서는, 상기 소정 시점은 예를 들면 상기 제 1 작용력 궤도 결정 수단이 임시 결정한 제 1 로봇?대상물간 목표 작용력 궤도의 작용력의 크기, 또는 이 작용력의 변화속도의 크기가 소정의 임계값을 초과하는 시점이며, 상기 제 2 로봇?대상물간 목표 작용력 궤도는 상기 소정 시점 이후의 로봇과 대상물 사이의 작용력의 크기, 또는 이 작용력의 변화속도의 크기가 상기 소정의 임계값보다도 작은 값이 되는 궤도인 것이 바람직하다(제 2 발명).
즉, 제 1 로봇?대상물간 목표 작용력 궤도가 비교적 급격하게 변화되는 시점(예를 들면 로봇에 의해 대상물을 움직이기 시작하는 시점 등, 대상물의 이동속도를 비교적 급격하게 변화시키는 시점)로에서 실제의 로봇?대상물간의 작용력이 제 1 로봇?대상물간 목표 작용력 궤도대로 변화되지 않는 경우에, 상기 동역학적 제약조건을 만족시킬 수 있는 목표 보용(로봇의 안정성을 확보할 수 있는 보용)을 생성하는 것이 곤란하게 되기 쉽다. 따라서, 제 2 발명과 같이, 상기 소정 시점을 정하여, 제 2 로봇?대상물간 목표 작용력 궤도를 결정함으로써, 상기 제 1 발명에서 설명한 효과를 적합하게 얻을 수 있다.
또, 상기 제 1 발명 또는 제 2 발명에서는, 상기 소정의 동역학적 제약조건은 적어도 로봇의 목표 보용의 운동에 의해 발생하는 관성력과 이 로봇에 작용하는 중력과 이 로봇에 대상물로부터 작용하는 작용력과의 합력에 의해 정해지는 ZMP가 소정의 허용 범위 내에 존재한다고 하는 조건을 포함하는 것이 바람하다(제 3 발명).
이 제 3 발명에 의하면, ZMP(상기 합력이 발생하는 모멘트의 수평성분이 0이 되는 같은 점)의 존재 범위를 제약하므로, 로봇?대상물간의 실제의 작용력이 상기 소정 시점 이후에 상기 제 1 로봇?대상물간 목표 작용력와 다른 제 2 로봇?대상물간 목표 작용력 궤도로 된 경우에 로봇의 안정성을 확보할 수 있는 목표 보용(ZMP이 소정의 허용 범위 내에 들어가는 보용)을 생성할 수 있는지 아닌지를 적절하게 판단할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태에서의 다리식 이동 로봇으로서의 2족이동 로봇의 개략 구성을 도시하는 도면,
도 2는 도 1의 로봇에 구비한 제어 유닛의 구성을 도시하는 블럭도,
도 3은 도 2의 제어 유닛의 주요부의 기능적 구성을 도시하는 블럭도,
도 4는 실시형태에서의 로봇과 대상물과의 관계를 도시하는 도면,
도 5는 제 1 실시형태에서의 보용생성 장치의 연산처리를 도시하는 플로차트,
도 6은 제 1 실시형태에서의 보용생성 장치의 연산처리를 도시하는 플로차트,
도 7은 제 1 실시형태에서의 보용생성 장치의 연산처리를 도시하는 플로차트,
도 8은 제 1 실시형태에서의 보용생성 장치의 연산처리를 도시하는 플로차트,
도 9는 도 5의 S02에서 결정하는 이동계획의 예를 도시하는 도면,
도 10은 도 5의 S02의 처리를 도시하는 블럭도,
도 11(a)는 도 5의 S07에 관계되는 임시 목표 ZMP 궤도의 예를 도시하는 도면, 도 11(b)는 도 5의 S17에서 결정되는 ZMP 수정량의 예를 도시하는 도면, 도 11(c)는 S17에서 수정된 목표 ZMP 궤도의 예를 도시하는 도면,
도 12는 도 5의 S11에서 결정하는 족평 궤도 패러미터의 예를 도시하는 도면,
도 13(a)는 금회 보용의 대상물 상반력 모멘트 궤도의 예를 도시하는 도면, 도 13(b)는 도 5의 S11에서 결정하는 정상보용의 대상물 반력 모멘트 궤도의 예를 도시하는 도면,
도 14는 실시형태에서 사용하는 로봇 동역학 모델의 예를 도시하는 도면,
도 15는 도 14의 로봇 동역학 모델을 사용하여 상체위치를 구하는 처리를 도시하는 블럭도,
도 16은 도 16(a), (b)는 도 5의 S21의 처리를 설명하기 위한 도면,
도 17(a)는 이동계획에 의한 대상물의 속도의 시간적 변화를 예시하는 그래프, 도 17(b)는 도 17(a)에 대응하는 대상물 반력의 시간적 변화를 예시하는 그래프,
도 18은 도 6의 S47의 처리와 S45의 판단 결과가 NO일 경우의 이동계획의 수정처리와의 예를 설명하기 위한 도면,
도 19는 도 7의 S55의 처리를 설명하기 위한 도면,
도 20은 도 8의 S61의 처리를 도시하는 블럭도,
도 21은 도 21(a), (b)는 도 5의 S01의 이동계획의 수정처리를 설명하기 위한 도면,
도 22는 도 3에 도시하는 대상물 반력 평형제어 장치의 처리를 도시하는 블럭도,
도 23은 본 발명의 제 2 실시형태에서의 보용생성 장치의 주요부의 처리를 도시하는 플로차트,
도 24는 도 23의 S21'의 처리를 설명하기 위한 도면,
도 25(a), (b)는 도 23의 S21'의 처리를 설명하기 위한 도면이다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태에 따른 다리식 이동 로봇의 보용생성 장치를 설명한다. 또한, 다리식 이동 로봇으로서는 2족이동 로봇을 예로 든다.
도 1은 이 실시형태에 따른 다리식 이동 로봇으로서의 2족이동 로봇을 전체적으로 도시하는 개략도이다.
도시한 바와 같이, 2족이동 로봇(이하, 로봇이라고 함)(1)은 상체(로봇(1)의 기체(基體))(3)로부터 하방으로 뻗어 설치된 좌우 1쌍의 다리체(각부 링크)(2, 2)를 구비한다. 양다리체(2, 2)는 동일 구조이며, 각각 6개의 관절을 구비한다. 그 6개의 관절은 상체(3)측으로부터 차례로, 가랑이(허리부)의 회선(회전)용(상체(3)에 대한 요잉 방향의 회전용)의 관절(10R, 10L)(부호 R, L은 각각 우측 다리체, 좌측 다리체에 대응하는 것을 의미하는 부호이다. 이하 동일)과, 가랑이(허리부)의 롤링 방향(X축 주위)의 회전용의 관절(12R, 12L)과, 가랑이(허리부)의 피칭 방향(Y축 주위)의 회전용의 관절(14R, 14L)과, 무릎부의 피칭 방향의 회전용의 관절(16R, 16L)과, 발목의 피칭 방향의 회전용의 관절(18R, 18L)과, 발목의 롤링 방향의 회전용의 관절(20R, 20L)로 구성된다.
각 다리체(2)의 발목의 2개의 관절 18R(L), 20R(L)의 하부에는, 각 다리체(2)의 선단부를 구성하는 족평(足平)(족부) 22R(L)이 부착 고정됨과 아울러, 양다리체(2, 2)의 최상위에는, 각 다리체(2)의 가랑이의 3개의 관절10R(L), 12R(L), 14R(L)을 통하여 상기 상체(3)가 부착되어 있다. 상체(3)의 내부에는, 상세를 후술하는 제어 유닛(60) 등이 격납된다. 또한, 도 1에서는 도시의 편의상, 제어 유닛(60)을 상체(3)의 외부에 기재하고 있다.
상기 구성의 각 다리체(2)에서는, 가랑이 관절(혹은 허리 관절)은 관절 10R(L), 12R(L), 14R(L)로 구성되고, 무릎 관절은 관절 16R(L)로 구성되고, 발목 관절은 관절 18R(L), 20R(L)로 구성된다. 또 가랑이 관절과 무릎 관절은 대퇴 링크 24R(L)로 연결되고, 무릎 관절과 발목 관절은 하퇴 링크 26R(L)로 연결된다.
상체(3)의 상부의 양측부에는 좌우 1쌍의 팔체(팔 링크)(5, 5)가 부착됨과 아울러, 상체(3)의 상단부에는 머리부(4)가 배치된다. 양팔체(5, 5)는 동일 구조이고, 각각 7개의 관절을 구비한다. 즉, 각 팔체(5)는 3개의 관절 30R(L), 32R(L), 34R(L)로 구성된 어깨 관절과, 1개의 관절 36R(L)로 구성된 팔꿈치 관절과, 3개의 관절 38R(L), 40R(L), 42R(L)로 구성된 손목 관절과, 이 손목 관절에 연결된 손끝부(핸드) 44R(L)을 구비하고 있다. 또한, 머리부(4)는 본 발명의 요지와 직접적인 관련을 갖지 않기 때문에 상세한 설명을 생략한다.
상기의 구성에 의해, 각 다리체(2)의 족평 22R(L)은 상체(3)에 대하여 6개의 자유도를 부여받고 있다. 그리고, 로봇(1)의 보행 등의 이동중에, 양다리체(2, 2)를 합쳐서 6*2=12개(이 명세서에서 「*」는 스칼라에 대한 연산으로서는 승산을, 벡터 에 대한 연산으로서는 외적을 나타냄)의 관절을 적당한 각도로 구동함으로써 양 족평(22R, 22L)의 원하는 운동을 행할 수 있다. 이것에 의해 로봇(1)은 임의로 3차원 공간을 이동할 수 있다. 또, 각 팔체(5)는 상체(3)에 대해 7개의 자유도를 부여받고, 양 팔체(5, 5)를 합쳐 7*2=14개의 관절을 적당한 각도로 구동함으로써 후술하는 대차를 미는 등의 원하는 작업을 행할 수 있다.
도 1에 도시하는 바와 같이, 각 다리체(2)의 발목 관절 18R(L), 20R(L)의 하방에는 족평 22R(L)과의 사이에 공지의 6축력 센서(50)가 개재되어 있다. 이 6축력 센서(50)는 각 다리체(2)의 족평 22R(L)의 착지의 유무, 및 각 다리체(2)에 작 용하는 상반력(접지 하중) 등을 검출하기 위한 것으로, 이 상반력의 병진력의 3방향 성분 Fx, Fy, Fz 및 모멘트의 3방향 성분 Mx, My, Mz의 검출 신호를 제어 유닛(60)에 출력한다. 이 6축력 센서(50)와 같은 6축력 센서(52)가 각 팔체(5)의 손끝부(핸드) 44R(L)와 손목 관절 38R(L), 40R(L), 42R(L) 사이에 개재되고, 손끝부 44R(L)에 작용하는 외력의 병진력의 3방향 성분 및 모멘트의 3방향 성분의 검출신호가 이 6축력 센서(52)로부터 제어 유닛(60)에 출력된다. 또, 상체(3)에는, Z축(연직방향(중력방향))에 대한 상체(3)의 경사각 및 그 각속도, 및 Z축 주위의 상체(3)의 회전각(요잉각) 및 그 각속도를 검출하기 위한 자세 센서(54)가 구비되고, 그 검출신호가 이 자세 센서(54)로부터 제어 유닛(60)에 출력된다. 이 자세 센서(54)는 도시를 생략하는 3축방향의 가속도 센서 및 3축방향의 자이로 센서를 구비하고, 이들 센서의 검출신호가 상체(3)의 자세각(경사각 및 요잉각) 및 그 각속도를 검출하기 위해서 사용됨과 아울러, 로봇(1)의 자기위치 자세를 추정하기 위해서 사용된다. 또, 상세 구조의 도시는 생략하지만, 로봇(1)의 각 관절에는, 그것을 구동하기 위한 전동 모터(64)(도 2 참조)와, 그 전동 모터(64)의 회전량(각 관절의 회전각)을 검출하기 위한 인코더(로터리 인코더)(65)(도 2 참조)가 설치되고, 이 인코더(65)의 검출신호가 이 인코더(65)로부터 제어 유닛(60)에 출력된다.
또한, 도시는 생략하지만, 각 족평 22R(L)과 6축력 센서(50) 사이에는, 스프링 등의 탄성체가 개재되고, 또, 족평 22R(L)의 밑바닥면에는 고무 등의 탄성체가 첩부되어 있다. 이들 탄성체는 컴플라이언스 기구를 구성하는 것으로, 각 다리체(2)가 상반력을 받았을 때에 탄성변형 하게 되어 있다.
도 2는 제어 유닛(60)의 구성을 도시하는 블럭도이다. 이 제어 유닛(60)은 마이크로컴퓨터에 의해 구성되어 있고, CPU로 이루어지는 제 1 연산장치(90) 및 제 2 연산장치(92), A/D 변환기(80), 카운터(86), D/A 변환기(96), RAM(84), ROM(94), 및 이들 사이의 데이터 주고받음을 행하는 버스 라인(82)을 구비하고 있다. 이 제어 유닛(60)에서는, 각 다리체(2)의 6축력 센서(50), 각 팔체(5)의 6축력 센서(52), 자세 센서(54)(가속도 센서 및 레이트 자이로 센서) 등의 출력신호는 A/D 변환기(80)에서 디지털 값으로 변환된 후, 버스 라인(82)을 통하여 RAM(84)에 보내진다. 또 로봇(1)의 각 관절의 인코더(65)(로터리 인코더)의 출력은 카운터(86)를 통하여 RAM(84)에 입력된다.
상기 제 1 연산장치(90)는 후술과 같이 목표 보용을 생성함과 아울러, 관절각 변위 지령(각 관절의 변위각 혹은 각 전동 모터(64)의 회전각의 지령값)을 산출하고, RAM(84)에 송출한다. 또, 제 2 연산장치(92)는 RAM(84)으로부터 관절각 변위 지령과, 상기 인코더(65)의 출력신호에 기초하여 검출된 관절각의 실측값을 읽어내고, 각 관절의 구동에 필요한 조작량을 산출하여 D/A 변환기(96)와 서보 앰프(64a)를 통하여 각 관절을 구동하는 전동 모터(64)에 출력한다.
도 3은 본 명세서의 실시형태에 따른 다리식 이동 로봇의 제어장치의 기능적 구성을 전체적으로 도시하는 블럭도이다. 이 도 3 중의 파선으로 둘러싼 부분이 제어 유닛(60)이 실행하는 처리기능(주로 제 1 연산장치(90) 및 제 2 연산장치(92)의 기능)으로 구성되는 것이다. 또한, 이하의 설명에서는, 다리체(2) 및 팔체(5)의 좌우를 특별히 구별할 필요가 없을 때는 상기 부호 R, L을 생략한다.
이하 설명하면 제어 유닛(60)의 기능적 구성은 보용생성 장치(100), 대상물 반력 평형 제어 장치(102), 다리 메인 제어 장치(104) 및 팔 메인 제어 장치(106)로 구성되어 있다. 본 명세서의 실시형태에서는, 보용생성 장치(100)의 처리를 제외하고, 대상물 반력 평형 제어 장치(102), 다리 메인 제어 장치(104) 및 팔 메인 제어 장치(106)의 처리는 본원 출원인이 앞서 일본 특개평10-230485호 공보(상기 특허문헌 1)에서 제안한 것과 동일하다. 따라서, 이하의 실시형태의 설명에서는, 보용생성 장치(100)를 중심으로 설명하고, 대상물 반력 평형 제어 장치(102), 다리 메인 제어 장치(104) 및 팔 메인 제어 장치(106)의 설명은 개략적인 설명에 그친다.
보용생성 장치(100)는 로봇(1)의 목표 보용을 자유롭고 또한 리얼타임으로 생성하여 출력하는 것이다. 이 보용생성 장치(100)가 출력하는 목표 보용은 목표 상체위치 자세 궤도(상체(3)의 목표 위치 궤도 및 목표 자세 궤도), 목표 족평위치 자세 궤도(각 족평(22)의 목표 위치 궤도 및 목표 자세 궤도), 목표 손끝위치 자세 궤도(각 팔체(5)의 손끝부(44)의 목표 위치 궤도 및 목표 자세 궤도), 목표 전체 상반력 중심점 궤도(전체 상반력 중심점의 목표 위치의 궤도)), 목표 전체 상반력 궤도, 및 목표 대상물 반력 궤도로 구성된다. 또한, 다리체(2)나 팔체(5) 이외에 상체(3)에 대하여 가동인 부위를 구비하는 경우에는, 그 가동 부위의 목표 위치 자세 궤도가 목표 보용에 더해진다. 이하의 설명에서는, 오해를 일으킬 우려가 없는 경우에는, 종종 「목표」를 생략한다.
여기에서, 보용생성 장치(100)가 생성하는 목표 보용에 따른 용어의 의미 및 정의에 대해 설명해 둔다. 보용에서의 「궤도」는 시간적 변화의 패턴(시계열 패턴)을 의미한다.
족평위치, 상체위치 등, 로봇(1)의 각 부위의 「위치」는 그 부위에 고정적으로 설정되어 있는 대표점의 위치를 의미한다. 예를 들면, 본 실시형태에서는, 각 족평(22)의 대표점은 그 족평(22)을 갖는 다리체(2)의 발목 관절의 중심으로부터, 이 족평(22)의 밑바닥면으로 뻗은 수선이 이 밑바닥면과 교차하는 점이며, 그 대표점의 위치가 족평위치이다. 또, 「자세」는 공간적인 방향을 의미한다. 구체적으로는, 예를 들면 상체자세는 Z축(연직축)에 대한 롤링 방향(X축 주위)의 상체(3)의 경사각과 피칭 방향(Y축 주위)의 상체(3)의 경사각과 요잉 방향(Z축 주위)의 상체(3)의 회전각(요잉각)으로 표시되고, 족평 자세는 각 족평(22)에 고정적으로 설정된 2축의 공간적인 방위각으로 표시된다.
또한, 보용 중 상반력 및 대상물 반력에 관계되는 구성요소 이외의 구성요소, 즉 족평위치 자세, 상체위치 자세 등, 로봇(1)의 운동에 관계되는 보용을 총칭적으로 「운동」이라고 말한다. 또, 운동의 궤도는 일정(시간적으로 변화되지 않음) 또는 거의 일정한 것이어도 된다. 예를 들면 로봇(1)이 그 양 족평(22, 22)을 착지시킨 상태로 유지하고 이동하지 않는 상태에서는 족평위치 자세 궤도는 일정하게 된다.
보용 중 대상물 반력은 로봇(1)에게 어떤 대상물을 이동하게 할 때에 이 대상물에 로봇(1)으로부터 작용시키는 힘의 반력(대상물로부터 로봇(1)에 작용하는 힘)을 의미한다. 따라서, 목표 대상물 반력 궤도는 본 발명에서의 로봇?대상물간 목표 작용력의 궤도에 상당한다. 본 명세서의 실시형태에서는, 예를 들면 도 4에 도시하는 바와 같이, 로봇(1)이 어떤 대상물(120)(도시의 예에서는 대차)의 소정의 부위에 양팔체(5, 5)의 손끝부(44R, 44L)를 걸어맞추어지게 한 상태에서 보행 동작을 행하면서 이 대상물(120)을 미는 작업을 행하는 경우를 예로 들어서 설명한다. 이 대상물(120)로부터 로봇(1)이 받는 힘이 대상물 반력이다. 대상물 반력은, 일반적으로는, 병진력 성분과 모멘트 성분으로 구성된다. 단, 본 명세서의 실시형태에서는, 대상물 반력은 로봇(1)에 대상물(120)로부터 작용하는 병진력을 의미하는 것으로 하고, 그 병진력에 의해 로봇(1)에 작용하는 어떤 점 주위의 모멘트를 대상물 반력 모멘트라고 한다. 보충하면, 대상물 반력은 로봇(1)으로부터 대상물(120)에 작용시키는 힘의 부호(방향)를 반전시킨 것이므로, 로봇(1)으로부터 대상물(120)에의 작용력을 대상물 반력 대신에 사용해도 된다.
또한, 본 명세서에서는, 대상물(120)의 운동에 관하여, 대상물(120)의 위치는 로봇(1)의 족평위치 등과 동일하고, 대상물(120)에 고정적으로 설정된 대표점의 위치를 의미한다. 또, 대상물(120)의 자세는 로봇(1)의 족평(22)의 자세 등과 동일하고, 대상물(120)의 공간적인 방향을 의미한다. 그리고, 대상물(120)의 위치 및 자세를 총칭적으로 대상물 운동이라고 하는 경우가 있다.
또, 각 족평(22)이 작용하는 상반력(병진력 및 모멘트로 이루어지는 상반력)을 「각 족평 상반력」이라고 부르고, 로봇(1)의 모든(2개) 족평(22R, 22L)에 대한 「각 족평 상반력」의 합력을 「전체 상반력」이라고 한다. 단, 이하의 설명에서는, 각 족평 상반력은 거의 언급하지 않으므로, 특별히 예고하지 않는 한, 「상반 력」은 「전체 상반력」과 동의로서 취급한다.
목표 상반력은, 일반적으로는, 작용점과 그 점에 작용하는 병진력 및 모멘트에 의해 표현된다. 작용점은 어디에 있어도 되므로, 동일한 목표 상반력에서도 무수한 표현을 생각할 수 있지만, 특히 목표 상반력 중심점(전체 상반력 중심점의 목표 위치)을 작용점으로 하여 목표 상반력을 표현하면, 목표 상반력의 모멘트 성분은 연직성분(연직축(Z축) 주위의 모멘트)을 제외하고 0이 된다. 바꾸어 말하면, 목표 상반력 중심점 주위의 목표 상반력의 모멘트의 수평성분(수평축(X축 및 Y축) 주위의 모멘트)는 0이 된다. 그래서, 본 명세서의 실시형태에서는, 목표 상반력 중심점을 목표 전체 상반력의 작용점으로 하여, 보용생성 장치(100)에서 생성하는 것으로 했다. 또한, 목표 상반력 중심점은 목표 전체 상반력의 작용점으로서의 의미를 갖는 것이므로, 본질적으로는 목표 전체 상반력의 1개의 구성요소라고 할 수 있다. 단, 본 명세서의 실시형태에서는, 목표 상반력 중 목표 상반력 중심점이 로봇(1)의 동작 제어와 밀접하게 관련되는 것이므로, 도 3에서는, 목표 전체 상반력 중 작용점인 목표 상반력 중심점을 목표 전체 상반력과는 별도로 기재하는 것으로 했다.
또, 본 명세서에서는, ZMP(zero moment point)는 로봇의 운동에 의해 생기는 관성력과 이 로봇에 작용하는 중력과 대상물 반력과의 합력(또는 그 합력과 균형을 이루는 상반력)이 그 점 주위에 작용하는 모멘트가 연직성분을 제외하고 0이 되는 점의 의미로 사용한다. 동역학적 평형조건을 만족하는 보용에서는, 로봇의 목표 운동 궤도와 중력과 목표 대상물 반력으로부터 산출되는 ZMP와 목표 상반력 중심점 과는 일치한다. 본 명세서에서는, 대부분의 경우, 목표 상반력 중심점 대신에, 목표 ZMP라고 한다.
또, 본 명세서에서는, 목표 보용은 소정 기간분의 목표 운동과 목표 상반력(목표 ZMP를 포함함)과 목표 대상물 반력의 세트를 의미하는 것으로 한다. 특히, 본 실시형태에서는, 목표 보용(간단히 보용이라고 칭한 경우를 포함함)은, 예고하지 않는 한, 로봇(1)의 1보의 기간분의 목표 운동과 목표 상반력(목표 ZMP를 포함함)과 목표 대상물 반력의 세트를 의미하는 것으로 한다. 이 경우, 목표 보용의 「1보」는 로봇(1)의 한쪽 다리체(2)가 착지하고나서, 또 다른쪽 다리체(2)가 착지할 때까지의 의미로 사용한다. 또한, 일련의 보용은 여러개의 보용(소정 기간분의 보용)이 연결된 것으로 한다. 또, 이후의 설명에서는, 1보의 기간분의 목표 보용을 단위보용이라고 하는 경우가 있다. 또, 로봇(1)이 이동하지 않는 상태(양 족평(22, 22)의 접지를 유지하는 상태)에서의 1보의 기간은 어떤 소정의 기간(로봇(1)이 이동하는 경우의 1보의 기간에 상당하는 기간)을 의미한다.
또, 보용에 있어서의 양다리 지지기란 로봇(1)이 그 자중을 양다리체(2, 2)로 지지하는 기간(양다리체(2, 2)가 지지다리가 되는 기간), 외다리 지지기란 어느 한쪽만의 다리체(2)로 로봇(1)의 자중을 지지하는 기간(한쪽만의 다리체(2)가 지지다리가 되는 기간)을 말한다. 본 실시형태에서의 목표 보용(단위보용)은, 달리 말하면, 양다리 지지기의 개시시로부터 다음 외다리 지지기의 종료시까지의 기간분의 목표 보용이다. 로봇(1)의 자중을 지지하는 다리체(2)를 지지다리라고 부른다. 양다리 지지기에서는, 양다리체(2, 2)가 지지다리가 되고, 외다리 지지기에서는 1 개의 다리체(2)가 지지다리가 된다. 또, 외다리 지지기에 있어서 로봇(1)의 자중을 지지하지 않는 측의 다리체(2)(지지다리가 아닌 다리체(2))를 미착지 다리라고 부른다. 또한, 이후의 설명에서는, 특별히 예고하지 않는 한, 목표 보용에서의 지지다리는 양다리 지지기의 개시시에 착지하는 다리체(2)(이 양다리 지지기에 이어지는 외다리 지지기에서 지지다리가 되는 다리체(2))를 의미하는 것으로 한다. 또, 지지다리측의 다리체(2)의 족평(22), 미착지 다리측의 다리체(2)의 족평(22)을 각각 지지다리 족평(22), 미착지 다리 족평(22)이라고 한다. 또, 로봇(1)이 이동하지 않는 상태(양 족평(22, 22)의 접지를 유지하는 상태)이어도, 편의상, 한쪽 다리체(2)가 지지다리, 다른쪽의 다리체(2)가 미착지 다리라고 한다.
또, 보용생성 장치(100)에 의해 새롭게 생성하고자 하고 있는 목표 보용(단위 보용), 또는 생성하고 있는 목표 보용(단위 보용)을 금회 보용이라고 부르고, 이 금회 보용의 1보전의 목표 보용을 전회 보용, 금회 보용의 다음 1보의 목표 보용을 다음회 보용, 또한 그 다음 1보의 목표 보용을 다음다음회 보용 등으로 부른다.
또한, 목표 보용은 글로벌 좌표계로서의 지지다리 좌표계로 기술된다. 본 실시형태에서는, 지지다리 좌표계는 지지다리 족평(22)을 수평자세(보다 일반적으로는 바닥면에 평행한 자세)로 하여 이 지지다리 족평(22)의 밑바닥면의 거의 전체면을 바닥면에 접촉(밀착)시킨 상태에서, 이 지지다리의 발목 관절(18, 20)의 중심으로부터 바닥면에 뻗은 수선이 이 바닥면과 교차하는 점(이 점은 본 명세서의 실시형태의 예에서는 지지다리 족평(22)의 밑바닥면의 거의 전체면을 바닥면에 접촉 시킨 상태에서는, 이 족평(22)의 대표점과 합치함)을 원점으로 하고, 그 원점을 지나는 수평면을 XY평면으로 하는 글로벌 좌표계(바닥에 고정된 좌표계)이다. 이 경우, X축 방향, Y축 방향은 각각 지지다리 족평(22)의 전후 방향, 좌우 방향이다. 본 명세서에서는, X축, Y축, Z축은, 특별히 예고하지 않는 한, 이 지지다리 좌표계의 3축을 의미하는 것으로 한다. 또한, 지지다리 좌표계의 원점은 반드시 지지다리 족평(22)의 밑바닥면의 거의 전체면을 바닥면에 접촉시킨 상태에서의 이 족평(22)의 대표점에 합치할 필요는 없고, 이 대표점과 상이한 바닥면상의 점에 설정되어도 된다.
이상에서 설명한 사항은, 이하에 설명하는 제 1 실시형태에 한하지 않고, 본 명세서에서 설명하는 각 실시형태에서 공통의 사항이다.
[제 1 실시형태]
이하에 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 보용생성 장치(100)의 상세를 설명한다. 도 5～도 8은 보용생성 장치(100)의 처리를 도시하는 플로차트이다. 보용생성 장치(100)는 그 연산처리 기능에 따라, 본 발명에서의 제 1 작용력 궤도 결정 수단, 제 1 다리체 운동 패러미터 결정 수단, 제 2 작용력 궤도 결정 수단, 판단 수단을 구비하고 있다.
보용생성 장치(100)는 도 5～도 8의 플로차트에 나타내는 처리를 소정의 연산처리 주기로 차례차례 실행한다.
우선, S01에서 대상물(120)의 이동계획이 결정된다. 여기에서 결정되는 이동계획은 적어도 현재 시각으로부터 장래의 소정 기간분(로봇(1)의 복수보분)의 대 상물(120)의 이동계획을 포함하고 있다. 이 이동계획은 기본적으로는 대상물(120)의 이동요구(대상물(120)을 어떤 타이밍으로 어떻게 움직일 것인지 라고 하는 설계적인 요구)에 따라 결정되고, 이 대상물(120)의 위치 자세 궤도(위치 및 자세의 시계열), 또는, 그 궤도를 규정하는 패러미터 혹은 함수식 등으로부터 구성된다. 예를 들면 대상물(120)의 이동요구가 어떤 시각 t0로부터 X축 방향으로 일정 속도로 대상물(120)을 이동시킨다고 하는 요구일 경우에는, 이동계획은 도 9의 그래프 g1으로 나타낸 바와 같이 결정된다. 그래프 g1은 이동계획에서의 대상물 위치(X축 방향 위치)의 경시 변화를 나타내고 있다. 이 경우, 예를 들면 현재 시각 이후의 각 시각(어떤 일정 간격 시간 마다의 시각)에서의 대상물(120)의 위치의 시계열을 이동계획으로서 결정해도 되지만, 시각 t0와 그래프 g1의 기울기(대상물(120)의 이동속도)를 이동계획을 규정하는 요소(패러미터)로서 결정하거나, 또는 그래프 g1의 함수식을 이동계획을 규정하는 요소(패러미터)로서 결정해도 된다. 또한, 이동요구는 보용생성 장치(100)에 외부로부터 적당하게 주어지거나, 또는, 미리 제어 유닛(60)의 도시하지 않은 기억수단에 기억 보유된다.
보충하면, S01에서 결정하는 이동계획은 반드시 이동요구대로 결정되는 것은 아니고, 필요에 따라 적당하게 수정되지만, 이것에 관해서는 후술한다.
다음에 S03으로 진행되고, 상기한 바와 같이 S01에서 결정된 이동계획을 기초로, 대상물 동역학 모델을 사용하여 목표 대상물 운동 궤도(목표 대상물 위치 자세 궤도)와 목표 대상물 반력 궤도가 임시 결정된다.
여기에서, 이 S03의 처리와 이 처리에서 사용하는 대상물 동역학 모델을 도 10의 블럭도를 참조하여 설명한다. 도 10은 S03에서 목표 대상물 운동 궤도 중 목표 대상물 위치 궤도와, 목표 대상물 반력 궤도를 구하는 연산처리를 나타내는 블럭도이다. 이 블럭도 중의 파선으로 둘러싼 부분이 대상물(120)에 작용하는 힘과 대상물(120)의 운동과의 관계를 나타내는 대상물 동역학 모델로 되어 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 이해의 편의상, 대상물(120)을 거의 수평한 바닥 위에서 이동시키는 경우를 예로 들어서 설명한다.
도 10에 도시하는 대상물 동역학 모델은 대상물(120)에 작용시키는 힘(보다 상세하게는 수평방향의 병진력)을 입력으로서, 대상물(120)의 위치를 출력하는 동역학 모델(순동역학 모델)이다. 보다 상세하게는, 이 대상물 동역학 모델은 대상물(120)에 작용시키는 수평방향의 병진력의 입력값(후술의 가산부(204)에서 구해지는 값)에 대상물(120)의 질량 M의 역수 1/M을 승산부(206)에서 승산함으로써 대상물(120)의 운동가속도를 구하고, 이것을 적분기(208, 210)에서 차례로 적분함(2중적분함)으로써 대상물(120)의 위치(대상물 동역학 모델상에서의 위치)를 출력하는 것으로 되어 있다. 즉, 본 실시형태에서는, 도 10에 도시하는 대상물 동역학 모델은 대상물(120)에 작용하는 병진력이 대상물(120)의 가속도와 질량과의 적과 동일하다는 운동방정식을 기초로 구성되어 있다. 또한, 적분기(208)의 출력은 대상물 동역학 모델상에서의 대상물(120)의 이동속도를 의미하고 있고, 이하, 이것을 대상물 모델 속도라고 한다.
이러한 대상물 동역학 모델을 사용하는 S03의 연산처리를 도 10을 참조하여 구체적으로 설명한다. 우선, 상기 S01에서 결정된 이동계획에 기초하는 대상 물(120)의 순간 순간의(각 시각의) 목표 속도인 목표 대상물 속도와, 적분기(208)에서 먼저 구해진 대상물 모델 속도이 감산부(200)에 입력되고, 그것들의 편차(=목표 대상물 속도-대상물 모델 속도)가 구해진다. 여기에서, 목표 대상물 속도는 이동계획에 있어서의 대상물(120)의 위치 궤도의 1차 미분값으로서 얻어지는 값, 또는 이동계획의 구성요소이다. 또한, 상기 도 9에 도시한 이동계획의 예에서는, 그래프 g1의 경사를 그대로 목표 대상물 속도로 하면 되고, 이 경우에는, 목표 대상물 속도는 계속적으로 일정값으로 된다. 그리고, 현재 시각으로부터 장래의 소정 기간분(로봇(1)의 복수보분)의 목표 대상물 속도의 시계열이 감산부(200)에 차례로 입력된다. 또, 감산부(200)에 입력되는 대상물 모델 속도는 새롭게 입력하는 목표 대상물 속도의 하나 전의 목표 대상물 속도를 감산부(200)에 입력했을 때에 적분기(208)로부터 출력된 값이다.
이어서, 상기 편차에 소정의 게인 Kv를 승산부(202)에서 승산함으로써, 대상물(120)에 로봇(1)으로부터 작용시킬 병진력의 요구값이 구해진다. 즉, 본 실시형태에서는, 이 병진력의 요구값은 대상물 목표 속도와 대상물 모델 속도와의 편차가 0에 수렴하도록(대상물 모델 속도가 대상물 목표 속도에 추종하도록), 피드백 제어칙에 의해 결정된다. 그 피드백 제어칙으로서는 이 예에서는 비례제어칙이 사용된다. 그리고, 구해진 병진력의 요구값의 부호를 반전시킨 것의 시계열이 목표 대상물 반력 궤도로서 출력된다.
또, 구해진 병진력의 요구값과, 실제의 대상물(120)에 로봇(1) 이외로부터 작용하는 외란력(바닥으로부터 대상물(120)에 작용하는 마찰력 등)의 추정값인 추 정 외란력이 가산부(204)에 입력되고, 이 병진력의 요구값과 추정 외란력의 합이, 상기 대상물 동역학 모델에 대한 병진력의 입력값으로서 가산부(204)에 의해 구해진다. 여기에서, 추정 외란력은 보용생성 장치(100)의 연산처리 주기마다 후술의 S61의 처리에서 구해지는 것이다. 가산부(120)에 입력하는 추정 외란력으로서는, 보용생성 장치(100)의 전회의 연산처리 주기에서 구해진 값(전회값)이 사용된다. 그리고, 이렇게 구한 병진력의 입력값을 대상물 동역학 모델에 입력함으로써 상기한 바와 같이 대상물(120)의 위치가 구해지고, 이 구한 위치의 시계열이 적분기(210)로부터 목표 대상물 위치 궤도로서 출력된다.
또한, 대상물 동역학 모델의 적분기(208)의 출력의 초기값(보용생성 장치(100)의 연산처리 주기마다의 초기값)은 보용생성 장치(100)의 전회의 연산처리 주기에서 S03의 처리를 실행하여 구한 대상물 모델 속도의 시계열 중의, 전회의 연산처리 주기에 대응하는 시각(전회의 연산처리 주기에서의 현재 시각)에 있어서의 값으로 설정된다. 또, 적분기(210)의 출력의 초기값은 보용생성 장치(100)의 전회의 연산처리 주기에서 S03의 처리를 실행하여 구한 목표 대상물 위치의 시계열 중, 전회의 연산처리 주기에 대응하는 시각(전회의 연산처리 주기에서의 현재 시각)에 있어서의 값으로 설정된다.
또, 목표 대상물 운동 궤도 중 목표 대상물 자세 궤도는 예를 들면 목표 대상물 속도의 방향에 거의 일치하도록 결정된다.
보충하면, 이동계획 및 추정 외란력이 일정하게 유지되어 있는 한, 목표 대상물 운동 궤도나 목표 대상물 반력 궤도는 일정하게 되므로, S03의 처리는 반드시 보용생성 장치(100)의 연산처리 주기마다 행할 필요는 없다. 따라서, 예를 들면 S03의 처리는 로봇(1)의 1보마다 또는 보용생성 장치(100)의 연산처리 주기의 복수 주기마다 행하거나, S01에서 이동계획을 변경한 경우나, 추정 외란력이 비교적 크게 변화된 경우에 행하는 것으로 해도 된다.
이상에서 설명한 S03의 처리에 의해, 현재 시각으로부터 장래의 소정 기간분의 목표 대상물 운동 궤도와 목표 대상물 반력 궤도가 임시 결정된다.
또한, 이 S03의 처리는, 상기한 바와 같이 목표 대상물 반력 궤도를 임시 결정하므로, 본 발명에서의 제 1 작용력 궤도 결정 수단으로서의 기능을 포함하고 있다.
보충하면, 본 실시형태에서는, 대상물 동역학 모델로서 역동역학 모델을 사용했지만 순동역학 모델을 사용하여 목표 대상물 위치 궤도와 목표 대상물 반력 궤도를 임시 결정하도록 해도 된다. 이 경우에는, 예를 들면 이동계획에 기초하는 목표 대상물 속도를 적분함으로써 목표 대상물 위치 궤도를 생성함과 아울러, 이 목표 대상물 속도의 미분값(1차 미분값)에 대상물(120)의 질량을 승산한 것으로부터 추정 외란력을 감산한다. 그리고, 그 감산 결과의 부호를 반전시킨 것을 목표 대상물 반력 궤도로서 생성하도록 하면 좋다.
이어서, S05로 진행되고, 상기의 바와 같이 임시 결정된 목표 대상물 운동 궤도를 기초로, 로봇(1)의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치 자세 및 착지 예정 시각이 임시 결정된다. 여기에서 임시 결정하는 착지 예정 위치 자세 및 착지 예정 시각은, 현재, 작성하려고 하고 있는 목표 보용인 금회 보용에서의 미착지다 리 족평(22)의 착지 예정 위치 자세 및 착지 예정 시각을 포함하는, 로봇(1)의 복수보분(적어도 2보분)의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치 자세 및 착지 예정 시각이다. 즉, 임시 결정하는 착지 예정 위치 자세 및 착지 예정 시각은 적어도 금회 보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치 자세 및 착지 예정 시각과, 다음회 보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치 자세 및 착지 예정 시각을 포함한다. 이 경우, 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치 자세 및 착지 예정 시각은, 예를 들면 S03에서 결정된 목표 대상물 운동 궤도에 대하여, 착지 예정 시각에서의 미착지다리 족평(22)의 착지 위치 자세가 그 시각에서의 대상물 위치 자세와 소정의 상대적 위치 자세 관계가 되도록 결정된다.
단, 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치 자세 및 착지 예정 시각은 반드시 목표 대상물 위치 자세로 추종하는 것과 같은 형태로 결정할 필요는 없다. 예를 들면, 로봇(1)의 이동을 행하지 않는 상태(양 족평(22, 22)의 접지를 유지하는 상태)에서, 대상물(120)을 밀어서 이동시키고, 그 이동 개시 후는 대상물(120)로부터 팔체(5, 5)의 손끝부(44)를 떼는 경우에는, 각 보용에서의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치 자세는 경시적으로 일정하게 유지되게 된다. 즉, 일반적으로는, 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치 자세 및 착지 예정 시각은 목표 대상물 운동 궤도뿐만 아니라, 로봇(1)의 어떤 운동에 의해, 대상물(120)을 옮길 것인가라고 하는 설계적인 요구에 따라 결정된다.
또한, 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치 자세는, 보다 상세하게는, 미착지다리 족평(22)의 발뒤꿈치를 착지하고나서, 이 미착지다리 족평(22)을 바닥에 접촉시킨 채, 미끄러지지 않도록 피칭 방향으로 회전시켜서 이 미착지다리 족평(22)의 밑바닥면의 거의 전체면을 바닥면에 접촉시킨 상태에서의 이 미착지다리 족평(22)의 위치 자세이다. 따라서, 본 실시형태에서는, 미착지다리 족평(22R 또는 22L)의 착지 예정 위치 자세는 그 착지시부터 다음 미착지다리 족평(22L 또는 22R)의 착지까지의 단위 보용에 있어서의 지지다리 좌표계의 위치 자세를 규정하는 것이 되고, 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치 자세를 결정함으로써, 그것에 대응하여, 상기한 지지다리 좌표계의 설정수법에 따라 각 단위 보용에서의 지지다리 좌표계의 위치 자세가 결정되게 된다. 구체적으로는, 각 단위 보용에서의 지지다리 좌표계는 이 단위 보용의 하나 전의 단위 보용의 미착지다리 족평(22)을 그 착지 예정 위치 자세에 합치시킨 상태에서, 이 족평(22)을 갖는 다리체(2)의 발목 관절의 중심으로부터 바닥면으로 뻗은 수선이 이 바닥면과 교차하는 점을 원점으로 하는 좌표계가 된다.
이어서, S07로 진행되고, 금회 보용의 목표 ZMP 궤도를 규정하는 ZMP 궤도 패러미터가 임시 결정된다. 여기에서 임시 결정되는 ZMP 궤도 패러미터는, 그것에 의해 규정되는 금회 보용의 목표 ZMP(이하, 임시 목표 ZMP라고 함)가 S05에서 임시 결정된 착지 예정 위치 자세 및 착지 예정 시각(상세하게는 전회 보용 및 금회 보용에서의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치 자세 및 착지 예정 시각)에 의해 정해지는, 금회 보용에서의 지지다리 족평(22)의 접지면(양다리 지지기에서는, 양 족평(22)의 접지면을 포함하는, 소위 지지 다각형)의 거의 중앙부근에 존재하고, 또한, 급격한 변화를 하지 않도록 결정된다. 즉, 금회 보용의 임시 목표 ZMP가 로 봇(1)의 접지면 내(또는 지지다각형 내)의 로봇(1)의 안정 여유가 가능한 한 높게 되는 위치에 존재하고, 또한, 급격한 변화를 하지 않도록 ZMP 궤도 패러미터가 결정된다. 이러한 지침에서 결정되는 임시 목표 ZMP는 예를 들면 도 11(a)에서 도시하는 바와 같은 패턴의 것이 된다. 또한, 도 11(a)는 임시 목표 ZMP의 X축 방향 위치의 패턴을 도시하고 있다. 이 예의 경우에는, 임시 목표 ZMP 패턴(궤도)의 꺾임점의 위치 및 시각이 ZMP 궤도 패러미터로서 임시 결정된다.
이어서, S09로 진행되고, 현재 임시 결정되어 있는 목표 대상물 운동 궤도와 목표 대상물 반력 궤도를 기초로, 현재 임시 결정되어 있는 ZMP 궤도 패러미터에 의해 정해지는 임시 목표 ZMP 주위의 대상물 반력 모멘트 궤도(금회 보용에서의 대상물 반력 모멘트의 순시값의 시계열)이 산출된다. 보다 구체적으로는, 우선, 목표 대상물 운동 궤도를 기초로, 로봇(120)의 양팔체(5, 5)의 손끝부(44R, 44L)를 걸어맞추어지게 할 대상물(120) 부위의 운동 궤도(위치 자세 궤도)가 결정된다. 이 부위의 위치 자세는 대상물(120)의 위치 자세에 대해 소정의 위치 자세 관계를 갖는 것으로 된다. 그리고, 그 부위의 운동 궤도(위치 자세 궤도)에 합치하도록, 로봇(1)의 손끝위치 자세 궤도(이것은 로봇(1)에 대한 대상물 반력의 작용점의 궤도를 규정함)가 구해진다. 이어서, 이 구한 손끝위치 자세 궤도와 목표 대상물 반력 궤도와 임시 목표 ZMP 궤도로부터 각 시각(어떤 일정간격 시간 마다의 시각)의 임시 목표 ZMP 주위의 대상물 반력 모멘트가 산출된다. 그리고, 그 산출된 대상물 반력 모멘트의 시계열이 대상물 반력 모멘트 궤도로서 얻어진다. 또한, 대상물(120)로부터 떨어진 개소로부터 로봇(1)을 대상물(120)의 근처로 이동시키고, 그 후에 손끝부(44R, 44L)를 대상물(120)에 걸어맞추어지게 하여 이 대상물(120)을 미는 작업을 개시하는 경우에는, 대상물(120)을 손끝부(44R, 44L)를 걸어맞추어지게 하는 시각(이 시각은 적당하게 결정됨)까지의 대상물 반력 궤도, 나아가서는, 대상물 반력 모멘트 궤도는 0으로 된다.
이어서, S11로 진행되고, 금회 보용에 이어지는 주기적 보용으로서의 정상 선회보용의 보용 패러미터가 결정된다. 이 보용 패러미터는 정상 선회보용에서의 족평위치 자세 궤도를 규정하는 족평 궤도 패러미터, 목표 ZMP 궤도를 규정하는 ZMP 궤도 패러미터, 목표 대상물 반력 모멘트 궤도를 규정하는 대상물 반력 궤도 패러미터를 포함한다.
이들 보용 패러미터를 구체적으로 설명하기 전에, 정상 선회보용의 개요를 설명해 둔다. 또한, 이후의 설명에서는, 보용의 「초기」, 「종단」은 각각 보용의 개시 시각, 종료 시각 혹은 그것들의 시각에서의 순시 보용을 의미한다.
정상 선회보용은 그 보용을 반복했을 때에 보용의 경계(본 실시형태에서는 1보마다의 보용의 경계)에 있어서 로봇(1)의 운동상태(족평위치 자세, 상체위치 자세 등의 상태)에 불연속이 생기지 않는 주기적 보용을 의미한다.
주기적 보용인 정상 선회보용은, 본 실시형태에서는, 로봇(1)의 2보분의 보용, 즉 금회 보용에 이어지는 제 1 선회보용과 이 제 1 선회보용에 이어지는 제 2 선회보용으로 이루어지는 보용을 이 정상 선회보용의 1주기분의 보용으로 하고, 그 1주기분의 보용을 반복하는 보용이다. 또한, 여기에서 「선회」란 용어를 사용한 것은 선회율을 0으로 할 때는 직진을 의미하므로, 직진도 광의의 의미에서 선회에 포함시킬 수 있기 때문이다. 이후, 정상 선회보용을 정상보용이라고 약칭하는 경우도 있다.
정상보용에 대해서 보충하면, 로봇(1)으로서의 2족이동 로봇에서는, 정상보용의 1주기분은 적어도 2보분의 보용(연속되는 2개의 단위 보용)으로 구성된다. 또한, 3보 이상의 보용을 1주기분의 보용으로 하는 복잡한 정상보용을 설정하는 것도 가능하다. 단, 정상보용은, 후술과 같이, 금회 보용의 종단에 있어서의 발산성분(상세한 것은 후술함)을 결정하기 위해서만 사용된다. 이 때문에, 3보 이상의 보용을 1주기로 하는 정상보용을 사용하는 것은 보용생성의 처리가 번잡하게 됨에도 불구하고 효과는 적다. 그래서, 본 실시형태에서의 정상보용의 1주기분의 보용을 2보분의 보용(제 1 및 제 2 선회보용)에 의해 구성하도록 하고 있다. 이하의 정상보용의 설명에서는, 설명의 편의상, 2보분의 보용으로 이루어지는 정상보용을 1보의 보용으로 간주한다. 정상보용은 보용생성 장치(100)에서 금회 보용의 종단에서의 발산성분을 결정하기 위해서 잠정적으로(보용생성 장치(100)의 연산처리상에서) 상정되는 가상 보용이며, 보용생성 장치(100)로부터 그대로 출력되는 것은 아니다.
또한, 「발산」이란 2족이동 로봇(1)의 상체(3)의 수평위치가 양 족평(22, 22)의 위치로부터 멀리 떨어진 위치로 벗어나버리는 것을 의미한다. 발산성분의 값이란 2족이동 로봇(1)의 상체(3)의 수평위치가 양 족평(22, 22)의 위치(보다 구체적으로는 지지다리 족평(22)의 접지면에 설정된 지지다리 좌표계의 원점)로부터 멀리 떨어져 가는 상태를 의미하는 수치이다.
본 실시형태에서는, 목표 보용이 상기 발산을 발생하지 않고, 계속적으로 생성되도록 발산성분을 지표로 하여 보용을 생성한다. 즉, 금회 보용의 뒤에 이어지는 정상보용의 초기 발산성분을 결정하고나서, 금회 보용의 종단 발산성분을 정상보용의 초기 발산성분에 일치시키도록(보다 일반적으로는, 금회 보용의 상체위치 자세를 정상보용의 상체위치 자세에 수렴시키도록), 금회 보용을 생성한다(금회 보용을 규정하는 보용 패러미터를 결정함). 그리고, 정상보용의 초기 발산성분은 S11에서 결정한 보용 패러미터를 기초로, 이 정상보용의 초기(제 1 선회보용의 초기)와 종단(제 2 선회보용의 종단)에서 로봇(1)의 운동상태가 일치한다고 하는 정상보용의 조건(이하, 이것을 정상보용의 경계 조건이라고 함)을 로봇(1)의 동역학 모델상에서 만족시키도록 결정된다. 이러한 보용생성의 기본적인 지침은 본 출원인이 앞서 제안한 PCT 국제공개공보 WO/02/40224A1의 것과 동일하다. 따라서, 이하의 정상보용에 관한 설명에서는, PCT 국제공개공보 WO/02/40224A1의 기재사항과 상이한 기술사항을 주체로 설명하고, 동일한 기술사항에 대해서는 상세한 설명을 생략하는 경우가 있다.
S11의 설명으로 돌아와서, 정상보용의 보용 패러미터 중 족평 궤도 패러미터는 제 1 선회보용 및 제 2 선회보용의 초기 및 종단의 각각에 있어서의 지지다리 족평(22) 및 미착지다리 족평(22)의 각각의 위치 자세, 각 선회보용의 보용 주기 등으로 구성되고, 금회 보용, 제 1 선회보용, 제 2 선회보용의 순으로, 족평위치 자세 궤도가 연결되도록 결정된다. 이하에 구체적인 설정방법을 도 12를 참조하여 설명한다.
제 1 선회보용 초기 미착지다리 족평위치 자세는 다음회 보용의 지지다리 좌표계로부터 본 금회 보용 종단 지지다리 족평위치 자세로 한다. 이 금회 보용 종단 지지다리 족평위치 자세는 금회 보용 초기의 지지다리 족평(22)을 바닥에 접촉시킨 채, 미끄러지지 않도록 이 지지다리 족평(22)을 그 밑바닥면의 거의 전체면이 바닥에 접촉할 때까지 피칭 방향으로 회전시켰을 때의 이 지지다리 족평(22)의 위치 자세(이것은 전회 보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치 자세에 일함)이다. 또한, 다음회 보용 지지다리 좌표계의 위치 자세는, 도 12에 도시하는 바와 같이, 금회 보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치 자세에 대응하여 결정된다.
제 1 선회보용 초기 지지다리 족평위치 자세는 다음회 보용 지지다리 좌표계로부터 본 금회 보용 종단 미착지다리 족평 위치 자세라고 한다.
이 금회 보용 종단 미착지다리 족평 위치 자세는, 금회 보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치 자세(혹은 이것에 대응해서 정해지는 다음회 보용 지지다리 좌표계)에 대응한 위치 자세로 결정된다. 구체적으로는, 금회 보용의 미착지다리 족평(22)을 금회 보용 종단 미착지다리 족평 위치 자세로부터 바닥에 접촉시킨 채, 미끄러지지 않도록 피칭 방향으로 소정 각도, 회전시켰을 때의 위치 자세가 금회 보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치 자세가 되도록 금회 보용 종단 미착지다리 족평 위치 자세가 결정된다.
제 1 선회보용 종단 미착지다리 족평위치 자세는 다음회 보용 지지다리 좌표계로부터 본 다음회 보용 종단 미착지 다리 족평위치 자세로 한다. 이 다음회 보 용 종단 미착지 다리 족평위치 자세는, 금회 보용 종단 미착지 다리 족평위치 자세의 결정수법과 동일하게, 다음회 보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치 자세(또는 이것에 대응하여 정해지는 다음다음회 보용 지지다리 좌표계)에 대응한 위치 자세로 결정된다.
제 1 선회보용 종단 지지다리 족평위치 자세는, 다음회 보용 지지다리 좌표계에 위치 자세를 합치시킨 지지다리 족평(22)을 바닥에 접촉시킨 채, 미끄러지지 않도록 이 지지다리 족평(22)을 그 밑바닥면의 거의 전체면이 바닥에 접촉할 때까지 피칭 방향으로 회전시켰을 때의 이 지지다리 족평(22)의 위치 자세(이 위치 자세는, 금회 보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치 자세에 일치함)로 한다.
제 2 선회보용 초기 미착지다리 족평위치 자세는 다음다음회 보용 지지다리 좌표계로부터 본 제 1 선회보용 종단 지지다리 족평위치 자세로 한다. 제 2 선회보용 초기 지지다리 족평위치 자세는 다음다음회 보용 지지다리 좌표계로부터 본 제 1 선회보용 종단 미착지다리 족평위치 자세로 한다.
제 2 선회보용 종단 미착지다리 족평위치 자세는, 그것을 다음다음회 보용 지지다리 좌표계로부터 본 위치 자세가 금회 보용 지지다리 좌표계로부터 본 금회 보용 종단 미착지다리 족평 위치 자세에 일치하도록 결정된다. 제 2 선회보용 종단 지지다리 족평위치 자세는 그것을 다음다음회 보용 지지다리 좌표계로부터 본 위치 자세가 금회 보용 지지다리 좌표계로부터 본 금회 보용 종단 지지다리 족평위치 자세에 일치하도록 결정된다.
제 1 선회보용 및 제 2 선회보용의 보용 주기는 다음회 보용 주기(이것은 금 회 보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 시각과 다음회 보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 시각과의 차임)과 동일하게 설정된다. 이들 제 1 선회보용 및 제 2 선회보용의 보용 주기는 반드시 서로 동일하게 할 필요는 없지만, 어느 주기도 적어도 다음회 보용 주기에 따라 결정하는 것이 바람직하다. 한편, 금회 보용, 제 1 선회보용 및 제 2 선회보용의 상기 이외의 운동 패러미터(양다리 지지기 시간 등의 시간 패러미터를 포함함)는 상기 결정된 패러미터에 따라, 보용의 조건(액추에이터의 속도가 허용 범위에 들어 있는지, 가동각을 초과하지 않았는지, 바닥 등과 간섭하고 있지 않은지 등)을 만족하도록 적당하게 결정한다.
정상보용의 보용 패러미터 중 ZMP 궤도 패러미터는 상기 S07에서 목표 ZMP 궤도 패러미터를 임시 결정한 경우와 동일하게, 이 ZMP 궤도 패러미터에 의해 규정되는 ZMP 궤도가 로봇(1)의 안정여유가 높아지고, 또한, 급격한 변화를 하지 않도록 정상보용의 족평 궤도 패러미터(제 1 선회보용 및 제 2 선회보용의 초기 및 종단의 각각에서의 지지다리 족평(22) 및 미착지다리 족평(22)의 각각의 위치 자세, 양다리 지지기 시간 등)를 기초로 결정된다.
또, 정상보용의 대상물 반력 모멘트 궤도 패러미터는 주기성의 조건을 만족하도록 결정된다. 예를 들면, 금회 보용, 다음회 보용 및 다음다음회 보용에 대응하는 대상물 반력 모멘트 궤도가 도 13(a)에 도시하는 바와 같이 되어 있는 것으로 한다. 여기에서, 금회 보용의 대상물 반력 모멘트 궤도는 S09에서 구해진 궤도이다. 다음회 보용의 대상물 반력 모멘트 궤도는 S03에서 구한 다음회 보용의 목표 대상물 반력 궤도 및 목표 대상물 운동 궤도와 정상 선회보용의 ZMP 궤도 패러미터 에 의해 규정되는 ZMP 궤도(정상 선회보용의 제 1 번째의 제 1 선회보용에서의 ZMP 궤도)를 기초로 S09와 동일하게 산출되는 궤도이다. 다음다음회 보용의 대상물 반력 모멘트 궤도는 S03에서 구한 다음다음회 보용의 목표 대상물 반력 궤도 및 목표 대상물 운동 궤도와, 정상 선회보용의 ZMP 궤도 패러미터에 의해 규정되는 ZMP 궤도(정상 선회보용의 제 1 번째의 제 2 선회보용에서의 ZMP 궤도)를 기초로 S09와 동일하게 산출되는 궤도이다.
이때, 정상 선회보용의 대상물 반력 모멘트 궤도는, 예를 들면 도 13(b)에서 도시하는 궤도로 되도록, 정상 선회보용의 대상물 반력 모멘트 궤도 패러미터가 결정된다. 이 예에서는, 정상 선회보용의 제 1 선회보용의 초기부터 종단까지의 대상물 반력 모멘트 궤도는 금회 보용의 대상물 반력 모멘트 궤도에 연속하여, 다음회 보용의 대상물 반력 모멘트 궤도와 일치하도록 결정되어 있다. 또, 정상 선회보용의 제 2 선회보용의 대상물 반력 모멘트 궤도는 제 1 선회보용의 대상물 반력 모멘트 궤도에 연속됨과 아울러, 제 2 선회보용의 초기부터 종단 직전의 어떤 시각 tx까지는 다음다음회 보용의 대상물 반력 모멘트 궤도와 일치하고, 시각 tx부터 종단까지는, 시각 tx의 값으로부터, 제 1 선회보용의 초기(정상 선회보용의 초기)의 값과 동일한 값까지 연속적으로 변화되도록 결정되어 있다. 시각 tx는 예를 들면 정상 선회보용의 ZMP 궤도의 꺾임점의 시각에 대응한다.
또한, 다음회 보용의 초기의 대상물 반력 모멘트의 값과, 다음다음회 보용의 종단의 대상물 반력 모멘트의 값과의 차가 그다지 크지 않을 때에는, 반드시, 정상 선회보용의 초기의 대상물 반력 모멘트의 값과 종단의 대상물 반력 모멘트의 값을 동일하게 하지 않아도 된다.
이어서, S13으로 진행되고, 정상 선회보용의 초기 발산성분이 결정된다. 이 경우, 정상 선회보용은 주기적 보용이므로, 로봇(1)의 미리 정한 동역학 모델상에서, 제 1 선회보용의 운동의 초기 상태(초기 발산성분을 포함함)와 제 2 선회보용의 운동의 종단 상태(종단 발산성분을 포함함)가 일치하도록 정상 선회보용의 초기 발산성분이 결정된다.
이 S13의 처리를 상세하게 설명하기 전에, 우선, 이 S13에서의 처리에 사용하는 로봇(1)의 동역학 모델과, 이 동역학 모델을 사용하여 목표 상체위치를 결정하기 위한 동역학 연산을 설명한다. 이 동역학 모델은 S13의 처리에 사용되는 이외에, 후술의 S37까지의 처리에서 금회 보용을 결정하기 위해서 사용되고, 로봇(1)의 동역학적 거동(로봇(1)에 작용하는 힘과 운동과의 관계)을 단순화하여(근사적으로) 표현한 동역학 모델이다. 이하, 이 동역학 모델을 로봇 단순화 모델이라고 한다. 또한, 이 로봇 단순화 모델의 기본 구조는 PCT 국제공개공보 WO/02/40224A1과 동일하지만, 대상물 반력 모멘트가 가미되어 있는 점에서 동 공보의 것과 상위하다.
도 14는 로봇 단순화 모델의 구조를 도시하고 있다. 도시한 바와 같이, 이 로봇 단순화 모델은 3질점 모델이고, 다리체(2)의 동역학과 상체(3)의 동역학이 서로 비간섭으로 구성됨과 동시에, 로봇(1)의 전체의 동역학은 그것들의 선형결합으로 표시된다.
이 로봇 단순화 모델은 도립진자(A)와 2개의 다리 질점(2m, 2m)(지지다리 질 점 및 미착지 다리 질점)으로 구성된다. 각 다리 질점(2m)은 각 다리체(2)에 대응하는 질점이다. 이 각 다리 질점(2m)은 각각 대응하는 다리체(2)의 족평(22)에 임의로 고정적으로 설정된 로컬 좌표계에서의 고정점으로, 그 위치는 각 족평위치 자세에 대응하여 일의적으로 정해지는 것으로 되어 있다. 예를 들면, 각 족평 질점(2m)은 그 족평(22)의 밑바닥면의 대표점으로부터 발목 관절의 중심을 향하여 소정의 거리만큼 이 발목 관절측으로 벗어난 점에 설정된다.
도립진자(A)는 수평으로 이동하는 자유의 지지점 a와, 하나의 질점 b와, 지지점 a와 질점 b를 연결하는 질량이 없는 가변 길이의 링크 c로 구성된다. 이 경우, 링크 c가 기울어도 링크 c가 신축하여, 지지점 a로부터 본 질점 b의 높이 h가 일정값에 유지되는 것으로 한다.
이 도립진자(A)의 질점 b(이하, 단지 도립진자 질점 b라고 함)는 로봇(3)의 상체(3)의 질점에 상당하는 것으로, 이후, 도립진자 질점 b을 상체 질점 b라고 하는 경우도 있다. 도립진자 질점 b의 위치를 이후, 생략하여 도립진자 위치라고 한다. 또한, 상체 질점 b의 질량은 상체(3)의 질량과 팔체(5, 5) 및 머리부(4)의 질량을 포함하고 있다.
로봇(1)의 상체(3)의 수평위치는 도립진자 질점 b의 수평위치로부터 기하학적으로 결정된다. 구체적으로는, 예를 들면 상체(3)의 대표점의 수평위치(지지다리 좌표계에서 본 XY좌표), 즉 상체위치의 수평성분이 도립진자 질점 b의 수평위치에 일치하게 된다. 바꾸어 말하면, 도 14에 도시하는 바와 같이, 상체(3)의 대표점과 도립진자 질점 b는 동일 연직선 상에 있게 된다.
또한, 도립진자(A)의 ZMP는 자유의 지지점 a의 위치에 있으므로(지지점 a의 주위에는 모멘트가 발생하지 않음), 이후 도립진자(A)의 지지점 a의 위치를 도립진자 ZMP라고 부르고, ZMPpend라고 기술한다.
이러한 로봇 단순화 모델을 수식표현하기 위해서, 이 모델에 관한 변수 및 패러미터를 이하와 같이 정의한다.
msup: 지지다리 질점(2m)의 질량, mswg: 미착지 다리 질점(2m)의 질량, mb: 도립진자 질점 b의 질량, mtotal: 로봇(1)의 전체 질량(=msup+mswg+mb), mfeet: 양다리체(2, 2)의 총질량(=msup+mswg), xsup: 지지다리 질점(2m)의 위치, xswg: 미착지 다리 질점(2m)의 위치, xb: 도립진자 위치(상체 질점 b의 위치), h: 도립진자 높이(도립진자(A)의 지지점 a로부터 도립진자 질점 b까지의 높이)
이후, 예고하지 않는 한, xb, xsup, xswg는 3차원 벡터(XYZ 좌표 벡터)로 나타낸다. 또, X를 임의의 변수로 했을 때, dX/dt는 X의 1차 미분을 나타내고, d2X/dt2는 X의 2차 미분을 나타낸다. g는 중력가속도 정수를 나타낸다. G는 그 X성분, Y성분, Z성분이 각각 0, 0, -g인 중력가속도 벡터로 한다.
도 14의 로봇 단순화 모델에서, 양다리 질점(2m, 2m)의 총 관성력(양다리 질점(2m, 2m)의 운동에 의한 관성력과 중력과의 합력)이 어떤 작용점 P 주위에 작용하는 모멘트를 점 P 주위의 다리 총 관성력 모멘트라고 정의하고, 그 작용점 P의 좌표(위치)를 xp로 한다.
하기의 식01은, 점 P 주위의 다리 총 관성력 모멘트의 동역학적 정의식이다.
점 P 주위의 다리 총 관성력 모멘트
=msup(xsup-xp)*G-msup(xsup-xp)*d2xsup/d2
+mswg(xswg-xp)*G-mswg(xswg-xp)*d2xswg/dt2 ……식01
다리 ZMP를 ZMPfeet라고 기술하고, 식02로 정의한다. 단, 다리 ZMP의 높이(ZMPfeet의 Z성분)는 상기 점 P의 높이와 동일한 것으로 한다. 이 다리 ZMP는 양다리체(2, 2)의 운동에 의해 발생하는 관성력과 중력의 합력에 의사적으로 대응시킨 값이다.
점 P 주위의 다리 총 관성력 모멘트=mfeet*(ZMPfeet-xp)*G ……식02
또한, 상기 작용점 P는 로봇 단순화 모델의 근사정밀도가 높아지도록 설정된다. 예를 들면, 금회 보용에 관계되는 작용점 P는 전회보용의 지지다리 좌표계의 원점으로부터, 금회 보용의 지지다리 좌표계의 원점으로, 양다리 지지기 동안에 직선적으로 등속 이동하고, 이 양다리 지지기에 계속되는 외다리 지지기에서는 금회 보용 지지다리 좌표계의 원점에 유지되도록 설정된다. 이것은 정상 선회보용의 제 1 선회보용, 제 2 선회보용에 관계되는 작용점 P에 대해서도 동일하다.
또, 목표 ZMP 주위의 대상물 반력 모멘트를 로봇(1)의 전체 질량(mtotal)으로 제산한 것을 대상물 반력 ZMP라고 정의하고, 이것을 ZMPobj라고 기술한다. 즉, ZMPobj를 다음 식03으로 정의한다.
ZMPobj=목표 ZMP 주위의 대상물 반력 모멘트/mtotal ……식03
이때, 목표 ZMP와 다리 ZMP(ZMPfeet)와 도립진자 ZMP(ZMPpend)가 대상물 반력 ZMP와의 사이에는, 근사적으로 다음 식04의 선형관계가 성립된다.
ZMPpend=mtotal/mb* 목표 ZMP-mfeet/mb*ZMPfeet
-mtotal/mb*ZMPobj ……식04
또한, 식04는 사지탈 플레인(XZ평면) 상에서의 관계식으로, 래터럴 플레인(YZ 평면) 상에서는 식03의 우변 제 3 항의 부호가 「-」로부터 「+」로 반전된다.
또, 도립진자(A)의 거동을 의미하는 미분방정식은 다음 식05로 표시된다.
d2xb/dt2의 수평성분=g/h*(xb의 수평성분-ZMPpend의 수평성분) ……식05
이상의 식01～05가 도 14의 로봇 단순화 모델의 동역학을 기술하는 식이다.
이러한 로봇 단순화 모델을 사용함으로써하는 다음과 같은 동역학적 연산에 의해, 목표 족평위치 자세와 목표 ZMP 주위의 대상물 반력 모멘트와 목표 ZMP와 목표 상체자세로부터 목표 상체위치를 결정할 수 있다.
그 동역학 연산을 도 15의 블럭도를 참조하여 설명해 둔다. 도 15는 이 동역학 연산을 도시하는 블럭도이다. 목표 양 족평위치 자세(지지다리 족평(22) 및 미착지다리 족평(22)의 목표 위치 자세)의 궤도와, 상기한 바와 같이 설정되는 작용점 P로부터, 다리 ZMP 산출기(220)에 의해, 상기 식01 및 02를 사용하여 다리 ZMP(ZMPfeet)가 산출된다.
또, 목표 ZMP 주위의 대상물 반력 모멘트에 승산부(222)에서 1/mtotal을 승산함으로써 대상물 반력 ZMP(ZMPobj)가 산출된다. 그리고, 산출한 ZMPfeet에 승산부(224)에서 mfeet/mtotal을 승산한 것과 ZMPobj를 감산부(226)에서 목표 ZMP로부터 감산하고, 또한 그 감산 결과에 승산부(228)에서 mtotal/mb를 승산함으로써, 상기 식04의 우변의 연산이 행해진다. 이것에 의해 도립진자 ZMP(ZMPpend)가 산출된다. 또한, 상기의 연산처리에 의해 구해지는 ZMPpend는 사지탈 플레인상의 것이며, 래터럴 플레인상의 ZMPpend를 산출하는 경우에는, 승산부(222)의 연산결과의 부호를 반전시킨 것을 감산부(226)에 입력하면 된다.
이렇게 하여 산출된 ZMPpend를 도립진자(A)에 입력함으로써 상기 식05에 기초하여 도립진자 수평위치 xb가 산출된다. 또한, 이 도립진자 수평위치 xb와 목표 상체자세를 기초로, 상체위치 결정기(230)에 의해 목표 상체위치가 결정된다. 이 경우, 상체위치 결정기(230)는 도립진자 수평위치 xb를 목표 상체 수평위치로 한다. 또, 목표 상체 연직위치는, 예를 들면 본 출원인이 앞서 일본 특개평10-86080호 공보에서 제안한 상체높이 결정 수법에 의해 목표 상체자세 등을 기초로 결정된다. 또한, 본 실시형태에서는, 로봇(1)의 목표 상체자세는 예를 들면 연직자세로 된다.
도 5의 설명으로 되돌아와, 이하에 S13의 처리를 상세하게 설명한다.
S13의 처리에서는, 상기한 로봇 단순화 모델을 기초로, 정상보용의 초기 발산성분을 결정한다. 보용에서의 발산성분을 q로 하고, 상기 도립진자(A)의 질점 b의 수평속도(또는 상체 수평속도)를 vb로 하면, q는 본 실시형태에서는 다음 식06에 의해 정의된다.
q=xb+vb/ω0 …… 식06
단, ω0는 도립진자(A)의 고유주파수 즉 g/h의 평방근이다.
또한, 이렇게 정의되는 발산성분의 기술적 의미에 대해서는, PCT 국제공개공보 WO/02/40224A1에 상세하게 설명되어 있으므로, 여기에서의 설명은 생략한다.
이와 같이 발산성분 q를 정의했을 때, 도립진자(A)의 운동방정식(상기 식05)을 이산화하여 q에 관하여 풀고 거기에 상기 식04를 적용하면, 다음 식07이 얻어진다. 또한, 목표 ZMP를 ZMPtotal로 기술한다.
q[k]=exp(ω0k Δt)*q[0]
+exp(ω0kΔt)*(exp(-ω0Δt)-1)*Σ(exp(-iω0Δt)*mtotal/mb*ZMPtotal[i])
-exp(ω0kΔt)*(exp(-ω0Δt)-1)*Σ(exp(-iω0Δt)*mfeet/mb*ZMPfeet[i])
-exp(ω0kΔt)*(exp(-ω0Δt)-1)*Σ(exp(-iω0Δt)*mtotal/mb*ZMPobj[i])
…식07
단, exp()은 자연대수의 밑 e의 지수함수를 의미한다. 또, Δt는 이산계의 일정한 간격의 시간, k는 스텝수(kΔt가 시각을 의미함)이다. 또, 식07의 Σ()는 i=0으로부터 i=k-1까지의 누적 가산연산을 의미하고 있다.
또한, 식07은 사지탈 플레인상에서의 발산성분 q를 기술하는 식으로, 래터럴 플레인상에서의 발산성분 q를 기술하는 식은 식07의 우변의 제 4 항의 전체의 부호를 「-」로부터 「+」로 반전시킨 식이 된다.
여기에서, 정상 선회보용의 초기(제 1 선회보용의 초기)에서의 발산성분(이하, 초기 발산성분이라고 함)와 종단(제 2 선회보용의 종단)에서의 발산성분(이하, 종단 발산성분이라고 함)에 착안하고, q[0](시각 0에서의 발산성분)을 초기 발산성분, q[k](시각 kΔt에서의 발산성분)을 종단 발산성분으로 한다.
이때, 식07의 우변 제 1 항은 초기 발산성분에 의해 발생하는 종단 발산성분을 나타낸다. 우변 제 2 항은 목표 ZMP 패턴에 의해 발생하는 종단 발산성분을 나타낸다. 우변 제 3 항은 양다리체(2, 2)의 운동(양다리 질점(2m, 2m)의 운동)에 의해 발생하는 종단 발산성분을 나타낸다. 우변 제 4 항은 대상물 반력 모멘트 패턴에 의해 발생하는 종단 발산성분을 나타낸다. 이후, 우변 제 2 항을 Wzmptotal, 우변 제 3 항을 Wfeet, 우변 제 4 항을 Wobj라고 기술한다. 즉, Wzmptotal, Wfeet, Wobj를 다음 식08a, 08b, 08c로 정의한다.
Wzmptotal
=exp(ω0kΔt)*(exp(-ω0Δt)-1)*Σ(exp(-iω0Δt)*mtotal/mb*ZMPtotal[i])
……식08a
Wfeet
=-exp(ω0kΔt)*(exp(-ω0Δt)-1)*Σ(exp(-iω0Δt)*mfeet/mb*ZMPfeet[i])
……식08b
Wobj
=-exp(ω0kΔt)*(exp(-ω0Δt)-1)*Σ(exp(-iω0Δt)*mtotal/mb*ZMPobj[i])
……식08c
또한,
식08c는 사지탈 플레인상에서의 Wobj를 정의하는 식으로, 래터럴 플레인상에서의 Wobj는 식08c의 우변의 부호를 반전시킨 것이 된다.
이들 Wzmptotal, Wfeet, Wobj를 사용하여 상기 07을 바꾸어 쓰면, 다음 식09가 된다.
q[k]=exp(ω0kΔt)*q[0]+Wzmptotal+Wfeet+Wobj ……식09
본 실시형태에서는, 정상 선회보용의 경계 조건을 만족하는 초기 발산성분은 금회 보용에 계속되는 정상 선회보용의 지지다리 좌표계(도 12의 다음회 보용 지지 다리 좌표계(X'Y' 좌표계))에서 본 초기 발산성분이 이 정상 선회보용의 다음 보용의 지지다리 좌표계(도 12의 다음다음다음회 보용 지지다리 좌표계(X'''Y''' 좌표계))로부터 본 정상 선회보용(금회 보용에 계속되는 정상 선회보용)의 종단 발산성분에 일치하도록, 상기 식08a, 08b, 08c, 09에 기초하여 해석적으로 구해진다.
여기에서, 정상 선회보용의 다음 보용의 지지다리 좌표계(도 12의 다음다음다음회 보용 지지다리 좌표계(X'''Y''' 좌표계))로부터 본 이 정상 선회보용의 종단 발산성분을 q'[k]로 하면, 정상 선회보용의 경계 조건을 만족하기 위해서는, 다음 식10이 성립하지 않으면 안 된다.
q[0]=q'[k] …식10
또, 정상 선회보용의 다음 보용의 지지다리 좌표계(도 12의 다음다음다음회 보용 지지다리 좌표계(X'''Y''' 좌표계))에서 기술되는 값을 이 정상 선회보용의 지지다리 좌표계(도 12의 다음회 보용 지지다리 좌표계(X'Y' 좌표계))에서 기술되는 값으로 좌표변환 하기 위한 회전행렬을 M, 좌표 원점의 평행이동 벡터를 B로 하면, 다음 식11이 얻어진다.
q[k]=Mq'[k]+B ……식11
따라서, 이들 식10, 11로부터 다음 식12가 얻어진다.
q[k]=Mq[0]+B ……식12
이 식12는 정상보용의 경계 조건을 만족하기 위해서, 초기 발산성분 q[0]와 종단 발산성분 q[k]가 만족시켜야 할 조건이다.
그리고, 이 식12와 상기 식08a～08c 및 09로부터 다음 식13이 얻어진다.
q[0]=inv(M-exp(ω0kΔt)I)(Wzmptotal+Wfeet+Wobj-B) ……식13
또한, 식13에서, inv()는 괄호 내의 행렬의 역행열이며, I는 단위행렬이다.
본 실시형태에서는, 이 식13에 기초하여, 정상 선회보용의 경계 조건을 만족하는 초기 발산성분 q[0]를 결정한다.
구체적으로는, 상기 S11에서 결정한 정상 선회보용의 ZMP 궤도 패러미터를 기초로, 정상 선회보용의 각 시각 iΔt(i=0, 1, ……, k-1)에서의 목표 ZMP의 순시값인 ZMPtotal[i](i=0, 1, ……, k-1)를 구하고, 이것을 사용하여 상기 식08a의 우변의 연산을 행함으로써 Wzmptotal을 산출한다. 또한, Wzmptotal의 산출은 PCT 국제공개공보 WO/02/40224A1에 설명되어 있는 바와 같이, 목표 ZMP 궤도가 꺾은선 궤도인 것을 이용한 알고리즘에 의해 산출하도록 해도 된다.
또, 상기 S11에서 결정한 정상 선회보용의 족평 궤도 패러미터를 기초로, 정상 선회보용의 각 시각 iΔt(i= 0, 1, ……, k-1)에서의 각 족평위치 자세의 순시 값을 구하고, 그것을 상기 식01, 02를 이산계로 표현한 식에 적용함으로써 ZMPfeet[i]를 구한다. 또한, 족평위치 자세는, 예를 들면 본 출원인이 일본 특허 제3233450호에서 제안한 유한 시간정정 필터를 사용하여 각 족평(22)마다 산출된다. 이 경우, 산출되는 족평위치 자세의 궤도는 정상 선회보용의 제 1 선회보용 및 제 2 선회보용의 각각에서의 미착지다리 족평(22)이 외다리 지지기의 개시 시각으로부터 상승하고, 이 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치를 향해서 이동하고, 이 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 시각에서 이 미착지다리 족평(22)이 그 발뒤꿈치로 착지 예정 위치에 대응하는 위치에 착지하는 것과 같은 궤도이다. 그리고, 상기와 같이 구한 ZMPfeet[i]를 사용하여 상기 식08b의 우변의 연산을 행함으로써 Wfeet를 산출한다. 보충하면, 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치 자세가 하나 전의 보용에서의 지지다리 족평(22)의 착지 위치 자세와 동일한 경우에는, 족평위치 자세 궤도는 일정한 착지 위치 자세에 유지되는 궤도로 된다. 단, 미착지다리 족평(22)을 일단 상승시키고, 그 후, 원래의 착지 위치 자세로 되돌리는 것과 같은 족평위치 자세 궤도를 생성하도록 해도 된다.
또한, 상기 S11에서 결정한 정상 선회보용의 대상물 반력 모멘트 궤도 패러미터를 기초로, 정상 선회보용의 각 시각 iΔt(i=0, 1, ……, k-1)에서의, 목표 ZMP 주위의 대상물 반력 모멘트를 구함과 동시에, 그것을 mtotal로 제산함으로써, ZMPobj[i]를 구하고, 그 구한 ZMPobj[i]를 사용하여 상기 식08c의 우변의 연산을 행함으로써 Wobj를 산출한다.
또한, Wzmptotal, Wfeet, Wobj의 산출에서 사용하는 일정한 간격의 시간 Δt 는 보용생성 장치(100)의 연산처리 주기와 동일한 것이 바람직하지만, 그것보다도 긴 시간으로 설정하여, 연산처리 시간을 단축하도록 해도 된다.
그리고, 상기와 같이 구한 Wzmptotal, Wfeet, Wobj로부터, 상기 식12의 우변의 연산을 행함으로써 정상 선회보용의 경계 조건을 만족하는 초기 발산성분 q[0]가 산출된다.
이상이, 본 실시형태에서의 S13의 처리의 상세이다.
또한, 본 실시형태에서는, 초기 발산성분 q[0]를 해석적으로 구하도록 했지만, 예를 들면 PCT 국제공개공보 WO/02/40224A1의 제 2 실시형태에서 설명되어 있는 바와 같이, 탐색적인 수법에 의해, 금회 보용에 계속되는 정상 선회보용의 다음 보용의 지지다리 좌표계로부터 본 이 정상 선회보용의 종단 발산성분에 거의 일치하는 것과 같은 이 정상 선회보용의 초기 발산성분을 결정하도록 해도 된다.
도 5의 플로우차트의 설명으로 되돌아와, 상기한 바와 같이 S13의 처리를 실행한 후, S15로 진행되고, 금회 보용의 보용 패러미터가 임시 결정된다. 이 보용 패러미터는 금회 보용에서의 족평위치 자세 궤도를 규정하는 족평 궤도 패러미터, 목표 ZMP 궤도를 규정하는 ZMP 궤도 패러미터, 목표 대상물 반력 모멘트 궤도를 규정하는 대상물 반력 궤도 패러미터를 포함한다. 또한, 여기에서 임시 결정하는 족평 궤도 패러미터는 본 발명에서의 제 1 다리체 운동 패러미터에 상당한다. 따라서, S13의 처리는 본 발명에서의 제 1 다리체 운동 패러미터 결정 수단으로서의 기능을 갖는다.
금회 보용의 보용 패러미터 중 족평 궤도 패러미터는 금회 보용의 초기 및 종단의 각각에 있어서의 지지다리 족평(22) 및 미착지다리 족평(22)의 각각의 위치 자세, 금회 보용의 보용 주기 등으로 구성된다. 이 경우, 금회 보용 초기 미착지다리 족평위치 자세는 금회 보용 지지다리 좌표계로부터 본, 전회보용 종단에서의 금회 보용의 미착지다리 족평위치 자세(전회보용의 지지다리 족평위치 자세)로 한다. 금회 보용 초기 지지다리 족평위치 자세는 금회 보용 지지다리 좌표계로부터 본, 전회보용 종단에서의 금회 보용의 지지다리 족평위치 자세(전회보용의 미착지다리 족평위치 자세)로 한다. 금회 보용 종단 미착지다리 족평 위치 자세는 금회 보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치 자세에 대응시켜서 결정된다. 구체적으로는, 금회 보용의 미착지다리 족평(22)을 금회 보용 종단 미착지다리 족평 위치 자세로부터 바닥에 접촉시킨 채, 미끄러지지 않도록 피칭 방향으로 소정 각도, 회전시켰을 때의 위치 자세가 금회 보용의 착지 예정 위치 자세가 되도록 금회 보용 종단 미착지다리 족평 위치 자세가 결정된다. 금회 보용 종단 지지다리 족평위치 자세는 금회 보용 지지다리 좌표계에 위치 자세를 합치시킨 지지다리 족평(22)을 바닥에 접촉시킨 채, 미끄러지지 않도록 이 지지다리 족평(22)을 그 밑바닥면의 거의 전체면이 바닥에 접촉할 때까지 피칭 방향으로 회전시켰을 때의 이 지지다리 족평(22)의 위치 자세(이 위치 자세는 전회보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치 자세에 일치함)로 한다.
또한, 본 실시형태에서는, 금회 보용 종단에서의 지지다리 족평(22)은 바닥면에 거의 평행한 자세로 되지만, 반드시 이렇게 할 필요는 없다. 예를 들면 보용 종단에서, 지지다리 족평(22)의 발뒤꿈치측이 바닥면으로부터 떨어지도록 해도 된 다.
금회 보용의 보용 패러미터 중 ZMP 궤도 패러미터는 S07에서 임시 결정된 ZMP 궤도 패러미터와 동일하게 설정된다. 따라서, 이 ZMP 궤도 패러미터에 의해 규정되는 목표 ZMP 궤도는 예를 들면 상기 도 11(a)에 도시한 바와 같은 패턴의 것이다.
또, 금회 보용의 보용 패러미터 중 대상물 반력 모멘트 궤도 패러미터는 그것에 의해 규정되는 대상물 반력 모멘트 궤도가 상기 S09에서 산출한 대상물 반력 모멘트 궤도에 일치하도록 결정된다.
이어서, S17로 진행되고, 정상 선회보용에 금회 보용이 수렴하도록, S15에서 임시 결정한 보용 패러미터 중 ZMP 궤도 패러미터를 수정한다. 보다 상세하게는, 정상 선회보용의 초기 발산성분에 금회 보용의 종단 발산성분이 거의 일치하도록 ZMP 궤도 패러미터가 수정된다.
본 실시형태에서는 정상 선회보용의 초기 발산성분에 금회 보용의 종단 발산성분을 거의 일치시키도록 하기 위해서, 상기 임시 목표 ZMP에 도 11(b)에 도시하는 바와 같은 ZMP 수정량을 더함으로써, 이 임시 목표 ZMP를 수정하고, 그것에 의해, 도 11(c)에 도시하는 바와 같은 목표 ZMP를 얻는다.
이 경우, 임시 목표 ZMP의 수정처리의 기본적 지침은 PCT 국제공개공보 WO/02/40224A1와 동일하지만, 대상물 반력 모멘트가 고려되는 점에서 동 출원의 것과 상위하다. 이하에 그 상위한 점을 중심으로 S17의 처리를 구체적으로 설명한다. 또한, 이 처리에서 사용하는 변수, 기호 중, 정상보용의 초기 발산성분을 결 정하는 처리(S13)에 관해서 설명한 것과 동일한 의미를 갖는 변수에 대해서는, 정상보용에 관해서 앞서 정의한 것과 같은 변수, 기호를 사용하여 S17의 처리를 설명한다. 또, 이하의 설명에서는, 이해의 편의상, ZMP의 X축 방향 성분의 수정에 관해서 설명을 행한다.
본 실시형태에서는, ZMP 수정량은 도 11(b)에 도시하는 바와 같이 사다리꼴 형상으로 되고, 그 높이를 a로 놓는다. 또한, 사다리꼴의 꺾임점의 시각은 도시한 바와 같이, 임시 목표 ZMP 궤도의 꺾임점의 시각에 맞추어 설정된다. 본 실시형태에서는, ZMP 수정량은 금회 보용의 외다리 지지기에서 발생시킨다. 또, 상기 S13에서 결정한 초기 발산성분을 금회 보용 지지다리 좌표계로부터 본 값에 좌표변환 한 것을 q''으로 한다. 즉, 금회 보용 지지다리 좌표계에서 본 정상 선회보용의 초기 발산성분을 q''으로 한다. 또, 임시 목표 ZMP 궤도에 의해 발생하는 금회 보용의 종단 발산성분을 Wzmptmp, a=1인 경우의 ZMP 수정량 패턴에 의해 발생하는 금회 보용의 종단 발산성분을 Wtrim으로 한다.
이때, 수정 후의 목표 ZMP 궤도에 의해 발생하는 종단 발산성분을 Wzmptotal로 하면, 근사적으로 다음 식14가 얻어진다.
Wzmptotal=Wzmptmp+a*Wtrim ……식14
따라서, 목표 ZMP를 수정한 후의 금회 보용의 종단 발산성분 q''은 정상보용에 관해 설명한 상기 식09와 동일한 다음 식15에 의해 표시된다.
q''=exp(ω0kΔt)*q[0]+Wzmptmp+a*Wtrim+Wfeet+Wobj ……식15
또한, 식15에서, kΔt는 금회 보용의 종단시각, q[0]는 금회 보용의 초기 발산성분, Wfeet는 금회 보용의 양다리체(2, 2)의 운동에 의해 발생하는 종단 발산성분, Wobj는 금회 보용의 대상물 반력 모멘트 궤도에 의해 발생하는 종단 발산성분이다.
이 식15로부터, ZMP 수정량의 사다리꼴 높이 a를 결정하기 위한 다음 식16이 얻어진다.
a=(q''-exp(ω0kΔt)*q[0]-Wzmptmp-Wfeet-Wobj)/Wtrim ……식16
그래서, 본 실시형태에서는, 식16에 의해, ZMP 수정량의 사다리꼴 높이 a를 구한다. 이 경우, 초기 발산성분 q[0]는 금회 보용 초기의 도립진자 위치(또는 상체위치)와 그 변화속도로부터, 상기 식06에 의해 산출된다. 또, Wzmptmp는 S15에서 임시 결정된 ZMP 궤도 패러미터에 의해 규정되는 임시 목표 ZMP 궤도로부터, 정상 선회보용에 관계되는 Wzmptotal을 구한 경우와 동일하게 구해진다. Wtrim은 사다리꼴 높이 a를 1로 하여 정해지는 ZMP 수정량 패턴으로부터, 정상 선회보용에 관계되는 Wzmptotal을 구한 경우와 동일하게 구해진다. Wfeet는 S15에서 임시 결정된 족평 궤도 패러미터로부터, 정상 선회보용에 관계되는 Wfeet를 구한 경우와 동 일하게 상기 식08b에 기초하여 구해진다. Wobj는 S15에서 임시 결정된 대상물 반력 모멘트 궤도 패러미터로부터, 정상 선회보용에 관계되는 Wobj를 구한 경우와 동일하게 상기 식08c 에 기초하여 구해진다.
S17에서는, 이렇게 하여 구한 사다리꼴 높이 a에 의해 정해지는 ZMP 수정량을 임시 목표 ZMP 궤도에 더함으로써 ZMP 궤도 패러미터가 수정된다.
또한, 본 실시형태에서는, ZMP 수정량을 해석적으로 구하도록 했지만, 탐색적으로 구하도록 해도 된다. 이 경우에는, 사다리꼴 높이 a의 값을 적당한 값으로 설정한 ZMP 수정량에 의해 임시 목표 ZMP를 수정하여 이루어지는 목표 ZMP 궤도를 사용하고, 금회 보용을 임시로 작성하고, 그 임시 작성한 금회 보용의 종단 발산성분과 정상보용의 초기 발산성분과의 차 등에 따라, 그 차가 작아지도록 사다리꼴 높이 a의 값을 수정한다고 하는 처리를 반복한다. 그리고, 최종적으로 임시 작성한 금회 보용의 종단 발산성분과 정상보용의 초기 발산성분이 거의 일치할 때의 사다리꼴 높이 a의 값에 의해 ZMP 수정량을 결정하면 된다.
S17의 처리 후, S19로 진행되고 수정 후의 ZMP 궤도 패러미터에 의해 정해지는 목표 ZMP가 적정한지 아닌지가 판단된다. 구체적으로는, 수정 후의 목표 ZMP가 금회 보용의 지지다리 족평(22)의 접지면에서 일탈하거나, 접지면의 경계부근에 치우치거나 하지 않은 경우, 즉, 로봇(1)의 안정여유를 확보할 수 있을 경우에는, 목표 ZMP가 적정하다고 판단되고, 그렇지 않을 경우에는, 목표 ZMP가 부적정하다고 판단된다.
S19의 판단 결과가 NO일 경우에는, S21로 진행되고, 금회 보용 패러미터 중 ZMP 궤도 패러미터 이외의 패러미터에 관계되는 요소, 예를 들면 대상물 반력 모멘트 궤도 패러미터에 관계되는 목표 대상물 반력 궤도를 수정한다. 이 경우, 목표 대상물 반력 궤도는 그 수정 후에 S09～S17의 처리를 재차 실행했을 때에, ZMP 수정량이 가능한 한 작아지도록(적어도 목표 대상물 반력 궤도의 수정 전에 구한 ZMP 수정량 보다도 작아지도록) 수정된다.
이 목표 대상물 반력 궤도의 수정예를 이하에 설명한다. 예를 들면 도 16(a)의 그래프 g2로 나타내는 바와 같이 이동계획에 기초하는 목표 대상물 운동 궤도(위치 궤도)가 시각 t1으로부터 X축 방향에서 대상물(120)의 감속을 행하고, 시각 t3에서 정지시키는 것과 같은 궤도인 것으로 한다. 또한, 도 16(a)의 그래프 g3는 목표 대상물 운동 궤도에 대응하여 결정되는 목표 상체위치 궤도의 예이다. 이때, 시각 t1에서의 대상물(120)의 감속가속도가 비교적 클 경우에는, 그 시각 t1 이후의, 어떤 현재 시각 t2에서의 금회 보용에 관계되는 ZMP 수정량이 X축의 정방향으로 과대하게 되어, 지지다리 족평(22)의 접지면을 일탈하는 경우가 있다(이 경우, S19의 판단 결과가 NO가 됨). 그리고, 가령, 그대로 목표 보용을 계속해서 생성한 경우에는, 도시한 바와 같이 로봇(1)의 상체(3)가 어떤 시각 t4에서 대상물(120)에 충돌하는 것과 같은 목표 보용이 생성되어버린다.
그래서, 이러한 경우에는, 목표 대상물 반력을 상기한 바와 같이 S03에서 임시 결정된 목표 대상물 반력 궤도에 대하여, 도 16(b)에 도시하는 바와 같이, 현재 시각 t2 이후의 어떤 기간 ΔT1 내에서, X축의 부방향으로 증가시키도록 이 목표 대상물 반력 궤도를 수정한다. 바꾸어 말하면, 로봇(1)으로부터 대상물(120)에 가 하는 작용력(목표 대상물 반력의 부호를 반전시킨 힘)을 X축의 정방향으로 증가시키도록 목표 대상물 반력을 수정한다. 이 경우, 목표 대상물 반력을 증가시키는 기간 ΔT1 또는 그 증가분 ΔF1의 크기는 수정 후의 목표 대상물 반력을 기초로 상기 S09～S17의 처리에 의해 결정되는 ZMP 수정량이 가능한 한 작아져서, S19의 판단 결과가 YES가 되도록 결정된다. 이러한 ΔT1 또는 ΔF1은 해석적 또는 탐색적으로 구하는 것이 가능하다.
이와 같이 목표 대상물 반력 궤도를 수정함으로써, 로봇(1)이 적극적으로 대상물(120)을 미는 것과 같은 상체(3)의 운동이 행해지도록 금회 보용 패러미터 중 대상물 반력 모멘트 궤도 패러미터가 S15에서 결정되게 된다. 그 결과, 이 금회 보용 패러미터를 기초로 생성되는 목표 보용이 안정여유를 확보하면서, 대상물(120)에 로봇(1)의 상체(3)가 충돌하는 일이 없는 보용이 된다.
S21의 처리를 행한 후, S09～S17의 처리가 상기한 바와 같이 재차 실행된다. 이때, S17의 다음 S19의 판단 결과는 YES가 되고, 이 경우에는, 다음에 도 6의 S23으로 진행된다.
보충하면, 도시는 생략하지만, S19의 판단 결과가 YES로 되었을 때에는, S17에서 수정된 ZMP 궤도 패러미터에 의해 규정되는 금회 보용의 목표 ZMP 궤도를 사용하여, 상기 S09의 처리와 동일하게, 금회 보용의 목표 대상물 반력 모멘트 궤도가 다시 산출되고, 이것에 따라 금회 보용의 대상물 반력 모멘트 궤도 패러미터가 갱신된다.
S23에서는, 현재 설정되어 있는 목표 대상물 반력 궤도(S19의 판단 결과가 YES로 되었을 때에 설정되어 있는 목표 대상물 반력 궤도)에서, 다음회 보용의 기간 내에 목표 대상물 반력의 변화점이 있는지 아닌지가 판단된다. 여기에서, 목표 대상물 반력의 변화점은, 본 실시형태에서는, 그 변화점의 시각 전후에서 목표 대상물 반력이 비교적 크게 변화되는 포인트이다. 그리고, 그 변화점은 목표 대상물 반력의 1차 미분값(시간적 변화율)의 크기가 소정의 임계값을 초과하는 포인트, 또는 목표 대상물 반력의 크기(절대값)이 소정의 임계값을 초과하는 포인트로서 추출된다. 이하, 이와 같이 추출되는 변화점의 시각을 대상물 반력 변화 시각이라고 한다.
그리고, S23의 판단 결과가 NO일 경우에는 후술의 S49로 진행되고, YES일 경우에는 S25로 진행된다. S25에서는, 금회 보용 및 이것에 이어지는 정상 선회보용의 현재 설정되어 있는 보용 패러미터를 기초로, 현재 시각으로부터 상기 대상물 반력 변화시각까지의 로봇(1)의 목표 보용(소정의 일정 간격의 시간 마다의 목표 보용의 순시값의 시계열)이 생성된다.
보다 구체적으로는, 금회 보용의 보용 패러미터(이하, 간단히 금회 보용 패러미터라고 하는 경우가 있음) 중 족평 궤도 패러미터를 기초로, 현재 시각으로부터 금회 보용의 종료 시각까지 각 족평(22)의 목표 족평위치 자세의 순시값의 시계열을 산출하고, 또한 이것에 계속하여, 정상 선회보용의 보용 패러미터(이하, 간단히 정상보용 패러미터라고 하는 경우가 있음) 중 제 1 선회보용(금회 보용의 다음 제 1 선회보용)에 관계되는 족평 궤도 패러미터를 기초로, 금회 보용의 종료 시각부터 대상물 반력 변화시각까지의 각 족평(22)의 목표 족평위치 자세의 순시값을 시계열적으로 산출한다. 이 목표 족평위치 자세의 산출 처리는 상기 S13의 처리 중에서 ZMPfeet[i]를 산출하는 처리에 관해서 설명한 경우와 동일하고, 본 출원인이 일본 특허 제3233450호에서 제안한 유한 시간정정 필터를 사용하여 각 족평(22)마다 산출된다.
또한, 금회 보용 패러미터의 ZMP 궤도 패러미터 및 대상물 반력 모멘트 궤도 패러미터(S17의 수정 후의 궤도 패러미터)를 기초로, 각각 금회 보용의 종료 시각까지의 목표 ZMP의 순시값과 목표 대상물 반력 모멘트의 순시값을 시계열적으로 산출하고, 또한 이것에 계속하여, 정상보용 패러미터 중 제 1 선회보용(금회 보용의 다음 제 1 선회보용)에 관계되는 ZMP 궤도 패러미터 및 대상물 반력 모멘트 궤도 패러미터를 기초로, 각각 금회 보용의 종료 시각부터 대상물 반력 변화시각까지의 목표 ZMP의 순시값과 목표 대상물 반력 모멘트의 순시값이 시계열적으로 산출된다.
그리고, 상기한 바와 같이, 목표 족평위치 자세, 목표 ZMP, 및 목표 대상물 반력 모멘트의 순시값을 산출하면서, 이것들의 순시값을 사용하여, 상기 도 15의 블럭도로 나타낸 동역학적 연산에 의해, 대상물 반력 변화시각까지의 목표 상체위치 자세의 순시값이 목표 ZMP를 만족하도록 산출된다. 또한, 본 실시형태에서는, 목표 상체자세는, 예를 들면 정상적인 연직자세로 된다.
이와 같이 S25에서는, 현재 시각부터 대상물 반력 변화시각까지의 목표 보용 중 목표 족평위치 자세, 목표 ZMP, 및 목표 대상물 반력 모멘트의 순시값이 시계열적으로 산출된다. 보충하면, S25에서는 목표 손끝위치 자세의 순시값의 시계열은 산출할 필요는 없다. 이것은 로봇(1)의 팔체(5)의 운동은 ZMP에의 영향이 작기 때 문이다.
이후, 대상물 반력 변화시각을 포함하는 보용(다음회 보용)을 가상 금회 보용, 그 다음 보용을 가상 다음회 보용, 더욱 그 다음 보용을 가상 다음다음회 보용이라고 한다. 가상 금회 보용은 대상물 반력 변화시각을 현재 시각으로 간주했을 때의 금회 보용을 의미한다.
이어서 S27로 진행되고, 대상물 반력 변화 시각 이후의 가상적인 목표 대상물 반력 궤도인 가상 목표 대상물 반력 궤도를 결정한다. 이 가상 목표 대상물 반력 궤도는 상기한 S09～S21의 루프 처리에서 최종적으로 결정된 목표 대상물 반력 궤도 중 대상물 반력 변화 시각 이후의 궤도와는 상이한 가상적인 궤도이며, 본 실시형태에서는 대상물 반력 변화시각에서 목표 대상물 반력이 변화되지 않고, 이 대상물 반력 변화 시각 이후, 그 직전의 시각(예를 들면 대상물 반력 변화 시각 보다도 소정의 일정 간격의 시간 전의 시각)의 값에 계속적으로 유지되는 궤도로 결정된다. 즉, 가상 목표 대상물 반력 궤도는 대상물 반력 변화 시각에서의 대상물(120)의 실제의 위치가 목표 대상물 운동 궤도에서의 위치로부터 벗어나 있는 등의 원인에 의해, 실제의 대상물 반력이 대상물 반력 변화시각에서 목표 대상물 반력 대로 변화되지 않는 것 같은 상황을 상정하여 설정되는 대상물 반력 궤도이다. 예를 들면 도 17(a)의 실선의 그래프로 나타내는 바와 같이, 대상물(120)의 이동계획(현재의 이동계획)에 의한 대상물(120)의 이동속도(대상물 속도)가 다음회 보용 내의 시각 t1까지는 0이고, 이 시각 t1부터 시각 t2까지 증가한 후, 시각 t2부터 일정 속도로 유지되고 있는 것으로 한다. 이 경우, 목표 대상물 반력 궤도는, 개 략적으로는, 예를 들면 도 17(b)의 실선의 그래프로 나타내는 바와 같이 시각 t1부터 시각 t2 사이에 목표 대상물 반력이 어떤 값으로 증가하는 궤도로 결정되게 된다. 그리고, 이때, 가상 목표 대상물 반력 궤도는, 도 17(b)에 2점 쇄선의 그래프로 나타내는 바와 같이, 대상물 반력 변화 시각인 시각 t1부터 대상물 반력이 증가하지 않고, 대상물 반력이 시각 t1 이전과 동일한 값으로 계속적으로 유지되는 것과 같은 궤도로 결정된다.
또한, 이와 같이 결정되는 가상 목표 대상물 반력 궤도는 본 발명에서의 제 2 로봇?대상물간 목표 작용력 궤도에 상당하는 것이다. 따라서, S27의 처리는 본 발명에서의 제 2 작용력 궤도 설정 수단으로서의 기능을 갖는다.
이어서, S29로 진행되고, 대상물 반력 변화 시각 이후의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치 자세 및 착지 예정 시각이 임시 결정된다. 여기에서 임시 결정되는 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치 자세 및 착지 예정 시각은 적어도 가상 금회 보용과 가상 다음회 보용에서의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치 자세 및 착지 예정 시각이 포함된다. 이 경우, 예를 들면 가상 금회 보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치 자세 및 시각은 금회 보용에 계속되는 상기 정상 선회보용(S09～S21의 루프 처리에서 최종적으로 보용 패러미터가 결정된 정상 선회보용)의 제1번째의 제 1 선회보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치 자세 및 시각(이것은 본 실시형태에서는 S05에서 결정한 다음회 보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치 자세 및 시각임)과 동일하게 임시 결정되고, 가상 다음회 보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치 자세 및 시각은 금회 보용에 계 속되는 정상 선회보용(S09～S21의 루프 처리에서 최종적으로 보용 패러미터가 결정된 정상 선회보용)의 제 1번째의 제 2 선회보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치 자세 및 시각과 동일하게 임시 결정된다. 또한, 가상 다음회 보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치 자세 및 시각은 상기 S05에서 결정한 다음다음회 보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치 자세 및 시각과 동일하게 결정해도 되거나, 또는, 다음다음회 보용까지의 목표 대상물 운동 궤도를 기초로 결정해도 된다.
이어서, S31로 진행되고, 대상물 반력 변화 시각 이후의 가상 금회 보용의 목표 ZMP 궤도를 규정하는 ZMP 궤도 패러미터를 임시 결정한다. 이 S31의 처리에서는, 상기 S25에서 임시 생성한 가상 금회 보용의 지지다리 족평(22)의 목표 위치 자세와, 가상 금회 보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치 자세 및 시각을 기초로, 가상 금회 보용의 지지다리 족평(22)의 접지면(양다리 지지기에서는 지지 다각형)의 대강 중앙부근에 목표 ZMP가 위치하도록 대상물 반력 변화 시각 이후의 가상 금회 보용의 ZMP 궤도 패러미터가 임시 결정된다. 또한, 이 경우, 가상 금회 보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치 자세 및 시각으로서는, S29의 후에 최초에 S31의 처리를 실행할 때에는, S29에서 임시 결정된 것이 사용되고, 후술의 S47의 후에 S31의 처리를 실행할 때에는, S47에서 후술하는 바와 같이 수정된 것이 사용된다.
이어서, S33으로 진행되고, 대상물 반력 변화 시각 이후의 대상물 반력이 상기 S27에서 결정된 가상 목표 대상물 반력 궤도로 되었다고 가정하여, 이 대상물 반력 변화 시각 이후의 목표 ZMP(S31에서 임시 결정한 ZMP 궤도 패러미터에 의해 규정되는 목표 ZMP) 주위의 대상물 반력 모멘트 궤도(가상 금회 보용의 종료 시각까지의 궤도)를 산출한다. 이 산출 처리는 대상물 반력 변화 시각 이후의 목표 대상물 운동 궤도(상기 S03에서 임시 결정된 궤도 중 대상물 반력 변화 시각 이후의 궤도)와 상기 가상 목표 대상물 반력 궤도를 기초로, 상기 S09의 처리와 동일하게 행해진다.
이어서, S35로 진행되고, 상기 가상 금회 보용에 계속되는 주기적인 보용으로서의 가상 정상 선회보용의 보용 패러미터(가상 정상보용 패러미터)가 결정된다. 즉, 가상 정상 선회보용의 족평 궤도 패러미터, ZMP 궤도 패러미터, 대상물 반력 모멘트 궤도 패러미터가 결정된다.
이 경우, 가상 정상보용 패러미터의 족평 궤도 패러미터(가상 정상보용에서의 제 1 선회보용 및 제 2 선회보용의 초기 및 종단의 각각에서의 지지다리 족평(22) 및 미착지다리 족평(22)의 각각의 위치 자세 등)는 상기 S11의 처리와 마찬가지로, 가상 금회 보용, 가상 정상 선회보용의 제 1 선회보용, 제 2 선회보용의 순으로 족평위치 자세 궤도가 이어지고, 또한, 가상 정상 선회보용의 족평위치 자세 궤도가 주기성의 조건을 만족시키도록 결정된다. 또한, 이 경우, S29의 후에 S35의 처리를 최초에 실행할 때에는, 가상 금회 보용 및 가상 다음회 보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치 및 착지 예정 시각으로서는, 상기 S29에서 임시 결정한 것이 사용되고, 후술의 S47의 후에 S35의 처리를 실행할 때에는, S47에서 후술하는 바와 같이 수정된 것이 사용된다.
또, 가상 정상보용 패러미터의 ZMP 궤도 패러미터는 S07의 처리와 마찬가지로, 가상 정상보용 패러미터의 족평 궤도 패러미터를 기초로, 이 족평 궤도 패러미터에 의해 정해지는 가상 정상보용의 지지다리 족평(22)의 접지면(양다리 지지기에서는 지지다각형)의 중앙 부근에 목표 ZMP가 위치하도록 결정된다.
또, 가상 정상보용 패러미터의 대상물 반력 모멘트 궤도 패러미터는 가상 다음회 보용의 목표 대상물 운동 궤도 및 가상 목표 대상물 반력 궤도와, 가상 다음회 보용(가상 정상보용의 제 1번째의 제 1 선회보용)의 ZMP 궤도 패러미터에 의해 규정되는 ZMP 궤도를 기초로 상기 S09와 마찬가지로 구해지는 가상 다음회 보용의 대상물 반력 모멘트 궤도와, 가상 다음다음회 보용의 목표 대상물 운동 궤도 및 가상 목표 대상물 반력 궤도와, 가상 다음다음회 보용(가상 정상보용의 제 1번째의 제 2 선회보용)의 ZMP 궤도 패러미터에 의해 규정되는 ZMP 궤도를 기초로 상기 S09와 마찬가지로 구해지는 가상 다음다음회 보용의 대상물 반력 모멘트 궤도로부터, 상기 S11의 처리 와 마찬가지로 결정된다. 보충하면, 가상 다음회 보용 및 가상 다음다음회 보용의 가상 목표 대상물 반력 궤도는 가상 금회 보용의 대상물 반력 변화 시각 이후의 일정한 궤도이다.
이어서, S37로 진행되고 가상 정상 선회보용의 초기 발산성분이 결정된다. 즉, 가상 정상 선회보용의 제 1 선회보용의 초기 상태와 제 2 선회보용의 종단상태가 일치하도록 가상 정상 선회보용의 초기 상태가 결정된다. 이 처리는 상기 S13의 처리와 마찬가지로 행해진다.
이어서, S39로 진행되고, 가상 금회 보용의 보용 패러미터(족평 궤도 패러미 터, ZMP 궤도 패러미터, 대상물 반력 모멘트 궤도 패러미터)가 임시 결정된다. 이 처리에서는, 가상 금회 보용의 족평 궤도 패러미터가 상기 S15의 처리와 마찬가지로 결정된다. 또, 가상 금회 보용의 ZMP 궤도 패러미터는 상기 S31에서 임시 결정한 것과 동일하게 결정된다. 또한, 여기에서, 결정되는 가상 금회 보용의 ZMP 궤도 패러미터는 임시 값이다. 또, 가상 금회 보용의 대상물 반력 모멘트 궤도 패러미터는 그것에 의해 규정되는 가상 금회 보용의 목표 대상물 반력 모멘트 궤도가 대상물 반력 변화시각까지는, S25에서 산출한 목표 대상물 반력 모멘트 궤도에 일치하고, 또한, 대상물 반력 변화시각으로부터 가상 금회 보용의 종료 시각까지, S33에서 결정한 대상물 반력 모멘트 궤도에 일치하도록 결정된다.
보충하면, S39에서 임시 결정되는 족평 궤도 패러미터는 본 발명에서의 제 2 다리체 운동 패러미터에 상당한다.
이어서 S41로 진행되고, 가상 정상 선회보용에 가상 금회 보용이 수렴하도록(가상 정상 선회보용의 초기 발산성분에 가상 금회 보용의 종단 발산성분이 거의 일치 하도록), S39에서 임시 결정한 가상 금회 보용의 ZMP 궤도 패러미터를 수정한다. 이 처리는 상기 S17의 처리와 마찬가지로 행해진다.
이어서, S43으로 진행되고, S41에서 수정한 ZMP 궤도 패러미터에 의해 규정되는 가상 금회 보용의 목표 ZMP가 적정한지 아닌지가 판단된다. 이 판단은, 상기 S19의 경우와 동일하게 행해진다. 즉, 가상 금회 보용의 목표 ZMP가 가상 금회 보용의 지지다리 족평(22)의 접지면 내(양다리 지지기에서는 지지다각형 내)에서, 그 경계에 지나치게 근접하지 않는 위치에 존재해야 한다고 하는 동역학적인 제약조 건(이하, ZMP 제약조건이라고 함)을 만족시키는지 아닌지가 S43에서 판단된다.
그리고, S43의 판단 결과가 YES일 경우에는 후술의 S49로 진행되고, NO일 경우에는 S45로 진행된다. S45에서는, 가상 금회 보용의 목표 ZMP의 적정한 수정이 가능한지 아닌지를 판단한다. 보다 상세하게는, 후술의 S47의 처리에서 가상 금회 보용에서의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치 자세 및 착지 예정 시각을 수정하여 S31부터의 처리를 다시 실행했을 때에, S43의 판단 결과를 YES로 할 수 있는지 아닌지(가상 금회 보용의 목표 ZMP가 상기 ZMP 제약조건을 만족시킬 수 있는지 아닌지를 판단한다. 이 경우, 예를 들면 가상 금회 보용의 목표 ZMP가 가상 금회 보용의 지지다리 족평(22)의 접지면에서 일탈하고, 또한, 그 일탈량(접지면의 경계로부터의 거리 등)이 소정량 이상 클 때에는, S45의 판단 결과를 NO라고 한다. 또는, 후술의 S47의 처리에서, 가상 금회 보용에서의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치 자세 및 착지 예정 시각을 수정한 회수가 소정수를 초과한 경우에, S45의 판단 결과를 NO로 한다.
보충하면, S45의 판단 처리는 본 발명에서의 판단 수단의 처리에 상당한다.
S45의 판단 결과가 YES일 경우에는, S47로 진행되고, 대상물 반력 변화 시각 이후의 미착지다리 족평(22)(가상 금회 보용과 가상 다음회 보용에서의 미착지다리 족평(22))의 착지 예정 위치 및 시각을 수정한다. 이 경우, S41에서 수정하는 가상 금회 보용의 ZMP 궤도 패러미터에 의해 규정되는 목표 ZMP가 가상 금회 보용의 지지다리 족평(22)의 접지면 내에 보다 근접하도록 가상 금회 보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치 및 시각을 수정한다. 또한, S47에서의 수정에서는, 가 상 금회 보용과 가상 다음회 보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 시각은 수정하지 않고, 착지 예정 위치만을 수정하도록 해도 된다. 또, 가상 금회 보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치를 아울러 수정하도록 해도 된다.
S47의 수정 후에는, S31로부터의 처리가 다시 실행된다. 그리고, S43의 판단 결과가 YES로 되면, 후술의 S49로 진행된다.
한편, S45의 판단 결과가 NO일 경우, 즉, ZMP 제약조건을 만족시키는 것과 같은 가상 금회 보용의 목표 ZMP의 수정을 행할 수 없는 경우에는, 가령, 실제의 대상물 반력이 상기 S01～S21의 처리에서 최종적으로 결정된 목표 대상물 반력 궤도에 의거한 것으로 되지 않고, 상기 대상물 반력 변화시각에서, 이 목표 대상물 반력 궤도대로 변화되지 않는 것과 같은 상황이 발생하면, 이 대상물 반력 변화 시각 이후의 로봇(1)의 자세(전체적인 자세)를 안정하게 유지하는 것이 곤란하게 된다.
그래서, 이러한 경우에는, 상기 S01로 되돌아와, 대상물(120)의 이동계획을 다시 고쳐서 결정한다(이동계획을 수정함). 이 경우에 재결정하는 대상물(120)의 이동계획은 실제의 대상물 반력이 목표 대상물 반력 궤도대로는 변화되지 않는 상황이 발생해도, 로봇(1)의 자세를 안정하게 유지하는 것이 가능하게 되도록 결정된다. 이 경우, 목표 대상물 반력의 급격한 변동을 적게 하도록 이동계획이 재결정된다.
이하에, 상기 S47에서 가상 금회 보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치를 수정하는 경우의 구체적인 예와, S01에서 이동계획을 고쳐서 결정하는 경우 의 구체적인 예를 도 17과 도 18을 참조하여 설명한다. 도 18에는, 도 17(a)의 실선의 그래프로 나타낸 이동계획(현재의 이동계획)에 의한 목표 대상물 위치 궤도(X축방향의 위치 궤도)를 실선의 그래프로 나타내고 있다. 또, 금회 보용, 다음회 보용(가상 금회 보용) 및 다음다음회 보용의 각각의 종료 시각에서의 지지다리 족평(22) 및 미착지다리 족평(22)을 각각의 보용의 종료 시각에 대응하는 개소에서 도 18 중에 도시하고 있다. 이 경우, 지지다리 족평(22), 미착지다리 족평(22)은 각각 흰 직사각형, 사선이 그려진 직사각형으로 나타내고 있다. 참조부호 22L1, 22R2, 22L3를 붙이 지지다리 족평은 각각 금회 보용, 다음회 보용, 다음다음회 보용의 종료 시각에서의 지지다리 족평이며, 참조부호 22R1, 22L2, 22R3을 붙인 미착지다리 족평은 각각 금회 보용, 다음회 보용, 다음다음회 보용의 종료 시각에서의 미착지다리 족평이다. 이들 각 보용에 관계되는 미착지다리 족평의 위치는 도 18 중의 실선 그래프의 목표 대상물 위치 궤도에 따라 결정되는 위치의 예이다. 보다 상세하게는, 금회 보용에 관계되는 미착지다리 족평(22R1)의 위치는 S05에서 결정한 금회 보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치이고, 다음회 보용에 관계되는 미착지다리 족평(22L2)의 위치는 S29에서 결정한 가상 금회 보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치, 다음다음회 보용에 관련하는 미착지다리 족평(22R3)의 위치는 S29에서 결정한 가상 다음회 보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치이다. 또, 금회 보용에 관계되는 지지다리 족평(22L1) 내의 흑점은 S01～S21의 처리에서 최종적으로 결정된 금회 보용의 ZMP 궤도 패러미터에 의해 규정되는 금회 보용의 종료 시각에서의 목표 ZMP의 위치를 예시하고, 다음회 보용에 관계되는 지 지다리 족평(22R2) 내의 흑점은 S31에서 최초에 임시 결정된 ZMP 궤도 패러미터에 의해 규정되는 가상 금회 보용의 종료 시각에서의 목표 ZMP의 위치를 예시하고, 다음다음회 보용에게 관련하는 지지다리 족평(22L3) 내의 흑점은 S35에서 최초에 결정된 가상 정상 선회보용의 ZMP 궤도 패러미터에 의해 규정되는 가상 다음다음회 보용(가상 정상 선회보용의 제 1번째의 제 1 선회보용)의 종료 시각에서의 목표 ZMP의 위치를 예시하고 있다.
상기 S41의 처리에서 가상 금회 보용의 ZMP 궤도 패러미터를 수정했을 때, 그 수정 후의 ZMP 궤도 패러미터에 의해 규정되는 목표 ZMP(가상 금회 보용의 종료 시각에서의 목표 ZMP)는 가상 금회 보용의 지지다리 족평(22R2)의 접지면에서 일탈하여, 도 18중의 ○로 나타내는 점으로 되는 경우가 있다. 이것은 가상 금회 보용의 대상물 반력 변화 시각까지는, 대상물 반력이 목표 대상물 반력대로 변화되는 것으로 하여, 가상 금회 보용의 목표 보용이 S25에서 임시 생성되는 한편, 가상 정상 선회보용의 보용 패러미터 중 대상물 반력 모멘트 궤도는 대상물 반력이 대상물 반력 변화시각에서 변화되지 않고, 가상 목표 대상물 반력 궤도에 따르게 되는 것으로 가정하여 결정되기 때문이다. 즉, 가상 금회 보용의 대상물 반력 변화 시각까지는 대상물 반력 변화 시각에서 목표 대상물 반력이 급증하는 것이 예정되어 있으므로, 로봇(1)의 상체(3)이 전방으로 가속하도록 S25에서 목표 보용(특히 목표 상체위치 궤도)이 생성된다. 그런데, 대상물 반력 변화 시각 이후는 가상 목표 대상물 반력 궤도에 따라 대상물 반력이 대상물 반력 변화 시각의 직전과 같이 계속적으로 유지되는 것이 예정되어 있으므로, 가상 금회 보용을 가상 정상 선회보용에 수렴시키기 위해서는 로봇(1)의 상체(3)를 감속할 필요가 있다. 그 결과, S41의 처리에서 가상 금회 보용의 ZMP 궤도 패러미터를 수정했을 때, 그 수정 후의 ZMP 궤도 패러미터에 의해 규정되는 목표 ZMP(가상 금회 보용의 종료 시각에서의 목표 ZMP)는 가상 금회 보용의 지지다리 족평(22R2)의 접지면에서 로봇(1)의 전방측(X축의 정방향)으로 일탈하는 경우가 있다.
이러한 경우, 상기 S47의 처리에서는, 가상 금회 보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치가 도 18의 참조부호 22L2로 나타내는 위치로부터, 예를 들면 동 도면 중에 참조부호 22L2'을 붙인 파선이 그려진 직사각형으로 나타내는 바와 같이, 로봇(1)의 전방측으로 수정된다. 이렇게 함으로써 다시 S31～S41의 처리를 실행하고, 가상 금회 보용의 ZMP 궤도 패러미터를 수정했을 때, 그 수정 후의 ZMP 궤도 패러미터에 의해 규정되는 목표 ZMP가 상기 ZMP 제약조건을 만족시키는 것이 가능하게 되어, S43의 판단 결과가 YES로 되는 경우가 있다.
즉, 이 경우에는, 실제의 대상물 반력이 장래의 대상물 반력 변화시각에서 가령 목표 대상물 반력대로 변화되지 않았다고 해도, 그 대상물 반력 변화시각을 포함하는 보용에서의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치를 수정함으로써 로봇(1)의 자세의 안정성을 확보할 수 있게 된다.
한편, 상기 S41의 처리에서 가상 금회 보용의 ZMP 궤도 패러미터를 수정했을 때, 그 수정 후의 ZMP 궤도 패러미터에 의해 규정되는 목표 ZMP(가상 금회 보용의 종료 시각에서의 목표 ZMP)가 도 18중의 △로 나타내는 점과 같이, 가상 금회 보용의 지지다리 족평(22R2)의 접지면에서 크게 일탈하는 경우도 있다. 그리고, 이러 한 경우에는, 가상 금회 보용, 또는 가상 금회 보용과 가상 다음회 보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치를 미착지다리 족평(22)의 기구적인 가동 범위 내에서 어떻게 수정해도, 목표 ZMP가 ZMP 제약조건을 만족시키도록 ZMP 궤도 패러미터를 결정할 수 없는 경우가 있고, 이때 S45의 판단 결과가 NO로 된다.
이러한 경우에는, 원래의 대상물(120)의 이동계획이 로봇(1)의 안정성을 계속적으로 확보하는데 부적절하므로, S01에서, 대상물(120)의 이동계획을 재결정한다(수정함). 이 경우, 도 18에서 설명한 상기의 예에서는, 도 17(a)의 파선의 그래프로 나타내는 바와 같이, 이동계획을 수정한다. 즉, 수정 후의 이동계획에 의한 대상물(120)의 이동속도가 도 17(a)에 실선의 그래프로 나타낸 원래의 이동계획보다도 시각 t1(대상물 반력 변화 시각)부터 완만하게 증가하고, 또한 시각 t2 이후에, 원래의 이동계획보다도 작은 속도로 일정하게 유지되도록 이동계획을 고쳐서 결정한다.
이렇게 했을 때, 이 수정 후의 이동계획에 대응하는 대상물 반력은 도 17(b)에 파선의 그래프로 나타내는 바와 같이, 시각 t1부터 시각 t2의 기간에서 원래의 이동계획에 대응하는 대상물 반력보다도 작은 반력으로 억제된다. 따라서, 대상물 반력 변화 시각 t1에서의 목표 대상물 반력의 급격한 변화가 완화된다. 그 결과, 다시, S43까지의 처리를 실행했을 때에, S43의 판단 결과를 YES로 하는 것이 가능하게 된다.
즉, 전술한 S01～S47의 처리에 의해, 실제의 대상물 반력이 목표 대상물 반력대로 변화되지 않은 경우에도, 로봇(1)의 안정성을 확보할 수 있도록, 금회 보용 패러미터를 결정할 수 있게 된다.
상기 S23의 판단 결과가 NO일 경우, 또는, S43의 판단 결과가 YES일 경우에는 도7의 S49로 진행된다.
이 S49에서는, 현재의 금회 보용 패러미터와 정상보용 패러미터를 기초로, 현재 시각으로부터 정상보용의 제 2 선회보용 종단까지의(금회 보용의 1보를 포함하여 3보째까지의) 목표 상체위치 자세 궤도를 산출함과 아울러, 목표 대상물 운동 궤도를 기초로 목표 손끝위치 자세 궤도를 산출한다. 즉, S49에서는, 금회 보용을 포함하여 3보의 기간에서의 목표 보용이 임시 생성된다.
이 경우, 금회 보용, 정상 선회보용의 제 1 선회보용, 제 2 선회보용의 순으로, 각 보용의 보용 패러미터를 기초로, 상기 도 15의 블럭도를 참조하여 설명한 바와 같이, 목표 상체위치 자세 궤도를 산출한다. 보다 구체적으로는, 각 보용의 족평 궤도 패러미터를 기초로, 목표 양 족평위치 자세 궤도가 산출됨과 아울러, ZMP 궤도 패러미터 및 대상물 반력 모멘트 궤도 패러미터를 기초로, 각각 목표 ZMP 궤도, 대상물 반력 모멘트 궤도가 산출된다. 또한, 목표 양 족평위치 자세 궤도의 산출 처리는 상기 S13의 처리 중에서, ZMPfeet[i]를 산출하는 처리에 관해서 설명한 경우와 동일하게, 본 출원인이 일본 특허 제3233450호에서 제안한 유한 시간정정 필터를 사용하여 각 족평(22)마다 산출된다. 그리고, 이들 목표 양 족평위치 자세 궤도, 목표 ZMP 궤도, 및 대상물 반력 모멘트 궤도를 도 15의 블럭도의 연산처리에 사용함으로써 목표 상체위치 자세가 결정된다. 또한, 본 실시형태에서는, 목표 상체자세는 정상적으로 연직자세로 된다. 이와 같이, 목표 상체위치 자세를 산출함으로써 로봇 단순화 모델상에서, 로봇(1)의 운동이 발생하는 관성력과, 로봇(1)에 작용하는 목표 대상물 반력과 중력과의 합력이 목표 ZMP 주위의 발생하는 모멘트의 수평성분이 0이 된다고 하는 동역학적 평형 조건을 만족시키도록 로봇(1)의 목표 운동 중 목표 상체위치 자세 궤도가 산출된다.
또한, 목표 손끝위치 자세 궤도는 금회 보용, 정상 선회보용의 제 1 선회보용, 제 2 선회보용의 순으로, S09에서 구한 경우와 동일하게, 목표 대상물 운동 궤도를 기초로 산출한다. 또한, 정상 선회보용의 제 1 선회보용, 제 2 선회보용에 대응하는 목표 대상물 운동 궤도는 S03에서 임시 결정된 목표 대상물 운동 궤도 중, 다음회 보용, 다음다음회 보용에 대응하는 목표 대상물 운동 궤도이다.
이어서, S51로 진행되고, 로봇(1)과 대상물(120)과의 기하학적 제약조건을 체크한다. 여기에서, 이 기하학적 제약조건은 대상물(120)과 로봇(1)과의 간섭(상체(3)가 대상물(120)과 부딪히는 등)의 유무, 및, 각 팔체(3)의 관절의 회전각이 기구적인 제한 내에 들어가 있는지 등의 조건이다. 목표 상체위치 자세와 목표 대상물 운동 궤도로부터 로봇(1)의 상체(3)와 대상물(120)과의 간섭의 유무를 판단할 수 있다. 또, 목표 상체위치 자세와 목표 손끝위치 자세로부터, 각 팔체(3)의 관절의 회전각을 결정할 수 있으므로, 그 회전각이 기구적인 제한 내에 들어가 있는지 아닌지를 알 수 있다.
S51의 판단 처리는 현재 시각으로부터 제 2 선회보용의 종단까지, 소정의 일정한 간격의 시간간격의 목표 상체자세 등의 순시값에 대해 차례차례 행해진다. 즉, 각 순시값에 대해, S51의 판단 결과가 OK일 경우에는, S53에서, 현재 시각으로 부터 제 2 선회보용의 종단까지의 전체 시각분의 체크가 완료했는지 아닌지를 판단한다. 그리고, 이 S53의 판단 결과가 NO일 경우에는, S51의 판단 처리를 반복한다.
S51의 판단 결과가 NG일 경우에는, S55로 진행되고, NG로 된 해당 시각에서의 기하학적 제약조건을 만족시키도록 착지 예정 위치 자세와 목표 대상물 운동 궤도 중 적어도 어느 하나를 수정한다. 그 수정예를 도 19를 참조하여 설명한다.
동 도면을 참조하여, 현재 시각 t1에서의 이동계획에 기초하는 X축방향의 목표 대상물 운동 궤도(위치 궤도)가 도면 중의 그래프 g4로 나타내는 궤도(이하, 원래 궤도라고 함)라고 하고, 장래의 어떤 시각 t2에서 목표 상체위치와 목표 대상물 위치가 너무 가까워, 상체(3)와 대상물(120)과의 간섭이 발생하여, S51의 판단 결과가 NG로 된다고 한다. 이때, 그 간섭이 발생하는 시각 t2의 목표 대상물 위치를 X축의 정방향, 즉, 로봇(1)으로부터 멀리 떨어지는 방향으로 도면 중의 파선 화살표로 나타내는 바와 같이 옮겨놓음과 아울러, 시각 t2의 전후에 걸치는 기간 ΔT2에서의 목표 대상물 운동 궤도(위치 궤도)를 그래프 g5로 나타내는 수정 궤도로 변경한다. 이 수정 궤도 g5는 로봇(1)의 거동의 급변을 피하기 위해서, 그 기간 ΔT2의 양단에서 원래 궤도 g4에 매끄럽게 이어지도록 결정된다. 또, 시각 t2에서의 옮겨놓기량 ΔX는 그것에 의해, 로봇(1)의 상체(3)와 대상물(120)과의 간섭이 없어지도록(S51의 판단 결과가 OK로 되도록) 결정된다.
또한, 상기의 예에서는, 목표 대상물 운동 궤도를 수정하는 경우를 예로 들어서 설명했지만, 목표 대상물 운동 궤도를 수정하는 대신에, S51의 판단 결과가 NG가 되는 해당 시각을 포함하는 보용에서의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치 자세를 수정하도록 해도 된다. 예를 들면, 도 19의 경우와 같이 시각 t2에서 간섭이 발생하는 경우에는, 그 시각 t2를 포함하는 보용에서의 착지 예정 위치 자세를 대상물(120)로부터 X축방향에서 멀리 떨어지게 하는 것과 같은 위치 자세로 수정하면 된다. 또는, 목표 대상물 운동 궤도와 착지 예정 위치 자세의 양자를 수정하도록 해도 된다. 또는, 이동계획을 수정하도록 해도 된다.
S55의 수정처리가 종료하면, S05로 되돌아와, 이 S05로부터의 처리가 전술한 바와 같이 실행된다. 이것에 의해, 상기 기하학적 제약조건이 만족시켜지지 않을 경우에, 목표 대상물 운동 궤도 또는 착지 예정 위치 자세가 수정되고, 나아가서는, 금회 보용 패러미터 중 족평 궤도 패러미터가 수정되게 된다. 또한, S55에서 목표 대상물 운동 궤도를 수정하지 않고, 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치를 수정한 경우에는, S05의 처리를 생략하고 S07로부터의 처리를 실행하면 된다. 보충하면, 본 발명에서는, S49～S55의 처리는 반드시 필요한 것은 아니고, 생략해도 된다.
한편, S53의 판단 결과가 YES로 되면, 도 8의 S57로 진행된다. 이 S57에서는, 금회 보용 패러미터를 기초로 목표 ZMP를 만족하도록 손끝위치 자세 순시값을 제외한, 현재 시각의 금회 보용 순시값을 산출한다.
이 산출 처리는 다음과 같이 행해진다. 즉, 금회 보용 패러미터 중 족평 궤도 패러미터를 기초로 목표 족평위치 자세의 순시값이 산출된다. 이 산출 처리는 상기 S13의 처리 중에서, ZMPfeet[i]를 산출하는 처리에 관해 설명한 경우와 동일 하게, 본 출원인이 일본 특허 제3233450호에서 제안한 유한 시간정정 필터를 사용하여 각 족평(22)마다 산출된다. 또한, 정상보용에 관해 설명한 경우와 동일하게, 금회 보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치 자세가 전회 보용의 지지다리 족평(22)의 착지 위치 자세와 동일한 경우에는, 금회 보용의 각 목표 족평위치 자세의 순시값은 금회 보용 초기의 상태에 유지된다. 단, 금회 보용의 미착지다리 족평(22)을 일단 상승시키고, 원래의 착지 위치 자세로 되돌리도록 금회 보용의 미착지다리 족평(22)의 족평위치 자세 궤도의 순시값을 생성하도록 해도 된다.
또, 금회 보용 패러미터 중, ZMP 궤도 패러미터를 기초로, 목표 ZMP의 순시값이 산출됨과 아울러, 대상물 반력 모멘트 궤도 패러미터를 기초로, 목표 대상물 반력 모멘트의 순시값이 산출된다.
또한, 상기 산출된 목표 족평위치 자세의 순시값과, 목표 ZMP의 순시값과, 목표 대상물 반력 모멘트의 순시값으로부터, 상기 도 15의 동역학적 연산에 의해, 목표 상체위치 자세의 순시값이 산출된다. 또한, 본 실시형태에서는, 목표 상체자세는 예를 들면 연직자세로 된다. 단, 목표 상체자세를 연직자세로 유지할 필요는 없고, 변화시키도록 해도 된다. 목표 상체자세를 변화시키는 경우에는, 로봇 단순화 모델은 상체(3)의 자세변화에 따르는 로봇(1)의 각운동량 변화를 고려한 동역학 모델로 하는 것이 바람직하고, 예를 들면 본원 출원인이 PCT 국제공개공보 WO/03/057422A1에서 제안한 동 공보의 도 10에 도시하는 바와 같은 동역학 모델을 사용하면 된다.
이상의 S57의 처리에 의해 로봇(1)의 목표 보용의 운동 중, 목표 족평위치 자세 및 목표 상체위치 자세의 순시값이 결정된다. 본 실시형태의 로봇(1)에서는, 각 다리체(2)는 6자유도를 가지므로, 목표 상체위치 자세와 목표 족평위치 자세가 결정되면 각 다리체(2)의 각 관절의 회전각은 일의적으로 정해진다. 보충하면, 본 실시형태에서는, S57에서 구해지는 목표 상체위치 자세는 후술하는 S65의 처리에 의해 더욱 보정된다.
이어서, S59로 진행되고, 최종 수정 목표 손끝위치의 전회값(전회의 연산처리 주기에서의 값)을 기초로, 전회의 연산처리 주기(보용생성 장치(100)의 연산처리 주기)에서의 대상물(120)의 실제의 위치(이동위치)인 실대상물 위치를 추정한다. 여기에서, 최종 수정 목표 손끝위치는 후술하는 팔 메인 제어 장치(106)에서 구해지는 것이며, 로봇(1)의 실제의 손끝위치의 지령값에 상당하는 것이다. 그래서, 예를 들면 최종 수정 목표 손끝위치의 전회값을 로봇(1)의 실제의 손끝위치의 전회값으로 하고, 이것과 소정의 상대위치 관계를 갖는 위치를 실제 대상물 위치로서 추정한다. 또한, 대상물(120)에 자이로 센서나 가속도 센서를 탑재해 두고, 그것들의 검출값으로부터 실제로 대상물 위치를 추정하도록 하는 것도 가능하다.
이어서, S61로 진행되고, 상기한 바와 같이 추정한 실대상물 위치와, 목표 대상물 위치와의 편차(이하, 대상물 위치 편차라고 함)와 현재의 목표 대상물 운동 궤도를 기초로, 대상물 동역학 모델을 사용하여 목표 대상물 운동의 순시값(금회값)과 추정 외란력의 순시값(이번값)과, 목표 대상물 반력의 순시값(이번값)이 산출된다. 또한, 대상물 위치 편차를 규정하는 실제 대상물 위치와 목표 대상물 위치 중 목표 대상물 위치는 전회의 연산처리 주기에서 구한 값(전회값)이 사용된다.
여기에서, 이 S61의 처리에서 사용하는 대상물 동역학 모델과 S61의 처리를 도 20의 블럭도를 참조하여 설명한다. 도 20은, S61에서 목표 대상물 운동 중 목표 대상물 위치와 목표 대상물 반력과 추정 외란력을 구하는 연산처리를 도시하는 블럭도이며, 도면 중의 참조부호 238을 붙인 부분이 대상물(120)에 작용하는 힘과 대상물(120)의 운동과의 관계를 나타내는 대상물 동역학 모델로 되어 있다. 이 대상물 동역학 모델은 상기 도 10에 도시한 것과 일부의 구조가 상이하므로, 이하의 설명에서는, 도 20 중의 대상물 동역학 모델을 도 10의 대상물 동역학 모델과 구별하기 위해서, 대상물 동역학 모델(2)이라고 한다.
이 대상물 동역학 모델(2)의 기본 구조는 도 10의 대상물 동역학 모델과 동일하고, 대상물(120)에 작용하는 힘(보다 상세하게는 수평방향의 병진력)을 입력으로 하여, 그 입력값(후술의 승산부(242)에서 구해지는 값)에 대상물(120)의 질량 M의 역수 1/M을 승산부(244)에서 승산함으로써 대상물(120)의 운동가속도를 구하고, 이것을 적분기(246, 250)로 차례로 적분하는(2중적분 하는) 것으로 되어 있다. 단, 대상물 동역학 모델(2)에서는, 도 10의 대상물 동역학 모델과 달리, 적분기(250)에는, 적분기(246)의 출력(운동가속도의 적분값)에 더하여, 모델 속도 조작량이 추가적으로 입력되게 되어 있다. 이 모델 속도 조작량은 모델 속도 조작량 결정부(252)에 의해, 실제 대상물 위치와 목표 대상물 위치와의 편차를 0에 근접시키도록 피드백 제어칙에 의해 결정되는 속도 조작량이며, 본 실시형태에서는 다음 식17에 의해 결정된다.
모델 속도 조작량=Ke1*대상물 위치 편차+∫(Ke2*대상물 위치 편차)dt
……식17
즉, 모델 속도 조작량은 대상물 위치 편차로부터 PI제어칙(비례적분제어칙)에 의해 결정된다. 또한, 식17의 Ke1, Ke2는 소정의 게인이다. 도 20의 모델 속도 조작량 결정부(252)는 식17의 우변의 연산을 행하는 연산처리부이다. 즉, 모델 속도 조작량 결정부(252)는 실제 대상물 위치(현재의 연산처리 주기에서의 S33에서 구한 금회값)과 목표 대상물 위치(전회의 연산처리 주기에서의 S35에서 구한 전회값)으로부터, 그것들의 차인 대상물 위치 편차를 감산부(254)에서 구한다. 그리고, 구한 대상물 위치 편차에 승산부(256)에서 게인 Ke1을 승산한 것(비례항)과, 이 대상물 위치 편차에 승산부(258)에서 게인 Ke2를 승산한 것을 적분기(260)에서 더 적분한 것(적분항)을 가산부(262)에서 가산함으로써, 모델 속도 조작량을 산출한다. 또한, 산출된 모델 속도 조작량은 대상물 동역학 모델(2)의 적분기(250)의 입력측에 구비한 가산부(248)에서, 적분기(246)의 출력에 가산된 후, 적분기(250)에 입력된다. 보충하면, 도 20의 블럭도에서는, 모델 속도 조작량을 산출한 후에, 이것을 대상물 동역학 모델(2)에 추가적으로 입력하도록 되어 있는데, 모델 속도 조작량 결정부(252)의 적분기(260)를 생략하고, 상기 승산부(258)의 출력을 추가적으로 적분기(246)에 입력하면서, 이때의 적분기(246)의 출력과, 승산부(256)의 출력의 합을 적분기(250)에 입력하도록 해도 된다. 이렇게 해도, 대상물 동역학 모델(2)의 출력(적분기(250)의 출력)은 도 20의 것과 동일하게 된다.
이러한 대상물 동역학 모델(2)에서는, 가산부(248)의 출력을 적분기(250)에서 적분한 것이 목표 대상물 위치의 순시값으로서 얻어진다. 또, 가산부(248)의 출력이 이 대상물 동역학 모델(2) 상에서의 대상물(120)의 이동속도인 대상물 모델 속도가 된다.
대상물 동역학 모델(2)의 입력인 대상물(120)에의 작용력(병진력)의 요구값은 현재의 목표 대상물 운동 궤도(S53의 판단 결과가 YES로 되었을 때의 목표 대상물 운동 궤도)에 기초하는 목표 대상물 속도와 대상물 모델 속도로부터 감산부(240)에서 구해지는 그것들의 편차(목표 대상물 속도-대상물 모델 속도)에 승산부(242)에서 소정의 게인 Kv를 승산함으로써 구해진다. 즉, 대상물 동역학 모델(2)에 입력하는 병진력의 요구값은 도 10의 것과 같이 대상물 목표 속도와 대상물 모델 속도와의 편차가 0에 수렴하도록, 피드백 제어칙(이 예에서는 비례제어칙)에 의해 결정된다. 단, 이 경우의 대상물 모델 속도는 상기한 바와 같이 가산부(248)의 출력이기 때문에, 도 10의 것과 달리, 모델 속도 조작량이 가미된 것이다. 또, 목표 대상물 속도는 현재의 목표 대상물 운동 궤도 중 위치 궤도의 1차 미분값으로서 얻어진다.
그리고, 상기와 같이 구해진 병진력의 요구값의 부호를 반전시킨 것이 목표 대상물 반력의 순시값으로서 구해진다. 또, 이 병진력의 요구값이 대상물 동역학 모델(2)의 승산부(244)에 입력됨과 동시에, 상기 모델 속도 조작량이 가산부(248)에 입력되고, 이것에 의해, 이 대상물 동역학 모델(2)의 적분기(250)로부터 목표 대상물 위치의 순시값이 출력된다. 바꾸어 말하면, 대상물 동역학 모델(2) 상에서 의 대상물(120)의 운동상태량으로서의 대상물 모델 속도를 목표 대상물 위치와 실제 대상물 위치와의 편차를 0에 근접시키기 위한 모델 속도 조작량으로 수정하면서, 대상물 동역학 모델(2)의 동역학 연산에 의해 목표 대상물 위치가 차례차례 결정된다.
또, 도 20 중의 참조부호 264를 붙인 부분은, 추정 외란력을 구하는 처리를 행하는 추정 외란력 결정부이며, 이 추정 외란력 결정부(264)에는, 대상물 모델 속도와 상기 병진력의 요구값이 입력된다. 대상물 모델 속도는 M?s/(Tc?s+1)이라고 하는 형태의 전달함수로 표시되는 변환부(266)에 입력되고, 이 변환부(266)에 의해, 대상물(120)에 작용하고 있는 병진력의 추정값이 산출된다. 이 변환부(266)의 전달함수 중의 M은 대상물(120)의 질량, Tc는 소정의 시정수이다. 따라서, 변환부(266)는 대상물 모델 속도의 미분값(1차 미분값)에 대상물(120)의 질량을 승산한 것(이것은 대상물(120)에 작용하는 모든 힘의 합력의 순시값에 상당함)에, 시정수 Tc를 갖는 필터링 처리를 시행한 것을 대상물(120)에 작용하고 있는 병진력의 추정값으로서 구한다. 바꾸어 말하면, 변환부(266)에 의해 산출되는 추정값은 대상물 동역학 모델(2) 상에서의 대상물(120)의 운동가속도(대상물 모델 속도의 미분값)를 발생시키는 병진력에 시정수 Tc의 1차 지연을 동반하고 추종하는 것이다. 또한, 이 병진력의 추정 값으로부터 상기 승산부(242)의 출력인 병진력의 요구값을 감산부(268)에서 뺌으로써, 추정 외란력의 순시값이 산출된다. 여기에서 구해진 추정 외란력의 순시값은 상기한 바와 같이 S02의 연산처리(도 10을 참조)에서 사용된다.
또한, 목표 대상물 운동 중 목표 대상물 자세의 순시값은 예를 들면 목표 대상물 속도의 방향에 거의 일치하도록 결정된다.
이상이, S61의 연산처리이다. 이 S61의 연산처리에서 구해지는 추정 외란력은 실제의 대상물(120)에 작용하는 힘 중, 로봇(1) 이외로부터 작용하는 실제의 이 외란력을 리얼타임으로 추정한 것이므로, 이 추정 외란력을 상기 S02의 연산처리에서 사용함(도 10의 대상물 동역학 모델에 입력함)으로써, 상기 도 10의 대상물 동역학 모델상에서의 대상물(120)의 거동(운동상태)을 실제의 대상물(120)의 거동(운동상태)에 가까운 것으로 할 수 있다.
이어서 S63으로 진행되고, S61에서 구한 목표 대상물 운동의 순시값을 기초로, 목표 손끝위치 자세의 순시값(금회값)을 결정한다. 목표 손끝위치 자세의 순시값은 S09에서 목표 손끝위치 자세 궤도를 구한 경우와 동일하게 구해진다.
이상의 S63까지의 처리에 의해 구해지는 목표 보용의 순시값 중, 목표 상체위치 자세는 상기 로봇 단순화 모델을 사용하여, 이 로봇 단순화 모델상에서 목표 ZMP를 만족하도록(로봇(1)의 운동에 의한 관성력과 중력과 대상물 반력 모멘트와의 합력이 목표 ZMP 주위에 발생하는 모멘트의 수평성분이 0이 되도록) 구해지고 있다. 따라서, S63까지의 처리에 의해 구해지는 목표 보용은 목표 ZMP 주위의 상반력 모멘트 수평성분이 로봇 단순화 모델상에서 0이 되는 보용이다.
여기에서, 로봇 단순화 모델은 보용생성 장치(100)의 연산부하를 효과적으로 경감할 수 있는 점에서의 이점은 크지만, 동역학적 정밀도는 반드시 고정밀도라고는 할 수 없다. 그래서, 본 실시형태에서는, 또한, 동역학적 정밀도가 높은 로봇 동역학 모델(이하, 이것을 풀 모델이라고 함)을 사용하여, 목표 보용 중 일부의 구성요소(구체적으로는, 목표 상체위치 자세 순시값과 목표 ZMP 주위의 상반력 모멘트 순시값)를 보정한다. 이 보정 처리를 풀 모델 보정이라고 부르고, 이 풀 모델 보정이 S63의 처리의 다음에 S65에서 실행된다.
이 풀 모델 보정은, 예를 들면 본원 출원인이 앞서 제안한 일본 특개2002-326173호 공보에서 설명한 것과 완전히 동일하게 행해진다. 따라서, 본 명세서에서의 설명은 생략한다. 또한, 풀 모델 보정은, 예를 들면, 본원 출원인에 의한 PCT 국제공개공보 WO 03/057427A1에서 설명한 것과 동일하게 행하도록 해도 된다.
이 S65의 풀 모델 보정에 의해, 목표 상체위치 자세와 목표 ZMP 주위의 상반력 모멘트가 보정되고, 이것에 의해 최종적으로 보용생성 장치(100)가 출력하는 목표 보용의 모든 구성요소의 순시값이 얻어진다.
이상에서 설명한 S01～S65까지의 처리가 보용생성 장치(100)의 연산처리 주기마다 실행되는 처리이다.
다음에, 설명을 뒤로 미룬 S01에서의 이동계획의 수정처리(이것은 상기 S45의 판단 결과가 NO로 된 경우의 수정처리와는 상이함)에 대해 설명한다.
로봇(1)이 대상물(120)을 밀면서 이동하고 있을 때에, 현재의 이동계획(상기 이동요구대로의 이동계획 등)에서 상정하지 않은 단차(바닥의 볼록부)가 있거나, 대상물(120)에 로봇(1) 이외로부터 예기치 못한 외력이 작용한 것과 같은 경우에는, 이동계획에 기초하는 목표 대상물 운동 궤도와 실제의 대상물 운동 궤도(이하, 실제 대상물 운동 궤도라고 함)와의 벗어남이 커진다. 한편, 보용생성 장치(100) 는 목표 대상물 운동 궤도를 기초로 보용 패러미터 등을 결정하여, 보용을 생성하므로, 목표 대상물 운동 궤도와 실제 대상물 운동 궤도와의 벗어남이 과대하게 되면, 로봇(1)의 계속적 안정성을 확보할 수 있는 보용을 생성하는 것이 곤란하게 된다. 그래서, 본 실시형태에서의 S01에서는, 그 벗어남이 어느 정도 커진 경우(또는 커진다고 예측되는 경우)에는 S01에서 결정하는 이동계획을 리얼타임으로 수정한다.
이하, 이 처리의 구체적인 예를 도 21(a), (b)를 참조하여 설명한다. 예를 들면 현재(수정 전의) 이동계획이 대상물(120)을 일정 속도로 X축의 정방향으로 이동시킨다고 하는 계획이라고 한다. 이때, 이 수정 전의 이동계획(이하, 수정 전 이동계획이라고 함)을 기초로, 상기한 바와 같이 S61에서 산출되는 목표 대상물 운동 궤도(순시값의 시계열) 중 목표 대상물 위치 궤도는 거의 도 21(a)의 그래프 g6으로 나타내는 바와 같은 궤도가 된다. 여기에서, 시각 t1에서, 실제의 대상물(120)이 수정 전 이동계획에서 예기치 못한 바닥의 단차(볼록부)에 걸려, 대상물(120)이 멈추어버렸다고 한다. 이때, 실제로 대상물 위치의 궤도(S59에서 추정되는 실대상물 위치의 시계열)는 도 21(a)의 그래프 g7로 나타내는 바와 같은 궤도로 된다. 이 경우, 시각 t1 이후, 수정 전 이동계획에 기초하는 목표 대상물 위치와 실제 대상물 위치와의 편차가 시간의 경과에 따라 커져 간다.
그래서, S01에서는, 예를 들면 전회의 연산처리 주기의 S61에서 구한 대상물 위치 편차(실제 대상물 위치와 목표 대상물 위치와의 차), 즉, 도 20의 감산부(254)에서 구한 대상물 위치 편차의 크기(절대치)를 소정값과 비교하도록 하고 있다. 그리고, 그 대상물 위치 편차의 크기가 소정값보다도 커졌을 때(도 21(a)의 시각 t2)에는, 도 21(a)의 그래프 g8로 나타내는 바와 같이, 대상물 위치 편차의 증가를 억제하도록 수정 전 이동계획을 수정한다. 수정한 이동계획을 이하, 수정 후 이동계획이라고 한다. 도 21(a)의 예에서는, 수정 후 이동계획은 시각 t2 이후 대상물(120)의 이동속도가 거의 0이 될 때까지 서서히 감속하는 것과 같은 이동계획이 된다. 또한, 수정 후 이동계획은 그것에 의해 규정되는 목표 대상물 운동이 수정 전 이동계획에 대해 급격한 변화를 일으키지 않고 매끄럽게 연속되도록 결정하는 것이 바람직하다.
이와 같이 이동계획을 수정함으로써, 목표 대상물 반력이 과잉 하게 커지거나 하지 않고, 로봇(1)의 계속적인 안정성을 확보할 수 있는 보용을 생성할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서의 S01의 처리에서는, 상기한 바와 같이 이동계획을 수정한 후, 실제 대상물 위치의 상기 수정 후 이동계획에 대응하는 목표 대상물 위치 궤도에의 추종성이 좋아져, 목표 대상물 운동 궤도와 실제 대상물 운동 궤도와의 벗어남이 어느 정도 작아지면, 수정 후 이동계획을 수정 전 이동계획에 근접시키도록 이동계획을 수정한다. 이 수정 후의 이동계획을 이하, 재수정 후 이동계획이라고 한다.
도 21(a)에 도시한 바와 같이 수정 후 이동계획을 결정한 경우를 예로 들어서 설명하면, 대상물(120)이 단차를 타고 넘어가면(도 21(b)의 시각 t3), 실제 대상물 위치 궤도는 도 21(b)의 그래프 g7로 도시하는 바와 같이 수정 후 이동계획에 기초하는 목표 대상물 위치 궤도 g8에 근접시켜 간다.
이때, S01에서는, 대상물 위치 편차가 소정값보다도 작아지면(도 21(b)의 시각 t4), 도 21(b)의 그래프 g9로 나타내는 바와 같이, 대상물(120)의 이동속도가 당초의 수정 전 이동계획에 기초하는 대상물(120)의 이동속도에 근접하도록, 수정 후 이동계획을 재수정하여 재수정 후 이동계획을 결정한다. 도 21(b)의 예에서는, 재수정 후 이동계획은, 시각 t4 이후, 대상물(120)의 이동속도가 당초의 수정 전 이동계획에 기초하는 이동속도에 거의 일치할 때까지, 이 이동속도를 서서히 증가시키는 것과 같은 이동계획으로 된다. 또한, 재수정 후 이동계획은 그것에 의해 규정되는 목표 대상물 운동이 수정 후 이동계획에 대해 급감의 변화를 일으키지 않고 매끄럽게 연속되도록 결정하는 것이 바람직하다.
상기의 예에서는, 재수정 후 이동계획에 기초하는 대상물(120)의 이동속도를 수정 전 이동계획에 기초하는 이동속도에 근접시키도록 했지만, 재수정 후 이동계획에 기초하는 목표 대상물 위치 궤도를 수정 전 이동계획에 기초하는 대상물 위치 궤도에 근접시키도록 하는 것도 가능하다.
보충하면, 상기한 바와 같이 S01에서 이동계획을 수정하는 처리가 본 발명의 제 8 발명에서 이동계획을 수정하는 처리에 상당하는 것이다.
이상이 본 실시형태에서의 보용생성 장치(100)의 처리의 상세이다.
다음에, 제어 유닛(60)의 보용생성 장치(100) 이외의 처리를 이하에 설명한다. 또한, 이 처리는, 앞에서 기술한 바와 같이, 일본 특개평10-230485호 공보(상기 특허문헌 1)의 제 1 실시예에서 제안한 것과 동일하므로, 개략적인 설명에 그친 다.
보용생성 장치(100)에서 생성된 목표 보용 중, 목표 상체위치 자세 궤도와, 목표 ZMP 궤도와, 목표 대상물 반력 궤도가 대상물 반력 평형제어 장치(102)에 입력된다. 대상물 반력 평형 제어장치(102)는 목표 대상물 반력과 실제의 로봇(1)이 대상물(120)로부터 받는 반력인 실제 대상물 반력과의 편차를 해소하도록(0에 근접시키도록), 목표 ZMP 주위의 목표 상반력 모멘트를 수정하기 위한 대상물 반력 평형제어용 보상 전체 상반력을 산출함과 아울러, 목표 운동 중 목표 상체위치 자세를 수정하여 이루어지는 수정 목표 상체위치 자세를 구하는 것이다. 이 대상물 반력 평형제어 장치(102)의 처리에 대해서는 후술한다.
또, 목표 보용 중 목표 족평위치 자세 궤도, 목표 ZMP 궤도 및 목표 전체 상반력 궤도는 다리 메인 제어 장치(104)에 입력된다. 또한, 다리 메인 제어 장치(104)에는, 대상물 반력 평형제어 장치(102)로부터 수정 목표 상체위치 자세와 대상물 반력 평형제어용 보상 전체 상반력이 입력된다. 다리 메인 제어 장치(104)는 컴플라이언스 제어처리에 의해, 목표 보용의 운동(팔체(5, 5)의 운동을 제외함)과 상반력에 추종시키도록 다리체(2, 2)의 관절 액추에이터(전동 모터)를 제어한다. 보다 구체적으로는, 자세 센서(54)의 검출값(실제 상체자세)을 수정 목표 상체자세로 복원시키기 위해서, 목표 ZMP에 발생시킬 복원 전체 상반력을 산출하고, 목표 ZMP에 작용하는 실제 전체 상반력 모멘트 성분(이것은 다리체(2, 2)의 6축력 센서(50)의 검출값으로부터 구해짐)이 이 복원 전체 상반력과 목표 전체 상반력과 대상물 반력 평형제어용 보상 전체 상반력과의 합력의 모멘트 성분에 일치하도록, 목표 족평위치 자세를 수정한다. 수정된 목표 족평위치 자세를 수정 목표 족평위치 자세라고 한다. 그리고, 다리 메인 제어 장치(104)는 이 수정 목표 족평위치 자세와 수정 목표 상체위치 자세로부터 결정되는 양다리체(2, 2)의 목표 관절변위에 실제 관절변위가 추종하도록 양다리체(2, 2)의 관절 액추에이터를 제어한다(각 다리체(2)의 모터 구동 지령을 각 관절 액추에이터에 출력함).
또, 목표 보용 중 목표 손끝위치 자세 궤도와 목표 대상물 반력 궤도는 팔 메인 제어 장치(106)에 입력된다. 또한, 팔 메인 제어 장치(106)에는, 대상물 반력 평형제어 장치(102)로부터 수정 목표 상체위치 자세가 입력된다. 팔 메인 제어 장치(106)는 컴플라이언스 제어처리에 의해 목표 손끝위치 자세 궤도와 목표 대상물 반력 궤도에 추종시키도록 팔체(5, 5)의 관절 액추에이터(전동 모터)를 제어한다. 보다 구체적으로는, 6축력 센서(52)의 검출값(실제 대상물 반력)과 목표 대상물 반력과의 차에 따라 목표 손끝위치 자세를 수정한다. 수정된 목표 손끝위치 자세를 최종 수정 목표 손끝위치 자세라고 한다. 그리고 팔 메인 제어 장치(106)는 이 최종 수정 목표 손끝위치 자세와 수정 목표 상체위치 자세로부터 결정되는 양팔체(5, 5)의 목표 관절변위에 실제로 관절변위가 추종하도록 양팔체(5, 5)의 관절 액추에이터를 제어한다(각 팔체(5)의 모터 구동 지령을 각 관절 액추에이터에 출력함).
대상물 반력 평형제어 장치(102)의 처리를 보다 구체적으로 이하에 설명한다. 도 22는 대상물 반력 평형제어 장치(102)의 처리를 기능적으로 도시하는 블럭도이다.
대상물 반력 평형제어 장치(102)에서는, 우선, 목표 대상물 반력에 의한 목표 ZMP 주위의 목표 대상물 반력 모멘트와 실제 대상물 반력에 의한 목표 ZMP 주위의 실제 대상물 반력 모멘트와의 편차인 대상물 반력 모멘트 편차가 모멘트 편차 산출부(270)에 의해 산출된다. 이 경우, 목표 대상물 반력 모멘트는 보용생성 장치(100)로부터 출력된 목표 대상물 반력 및 목표 ZMP와, 팔 메인 제어 장치(106)에서 구해진 최종 수정 목표 손끝위치 자세(보다 상세하게는 전회의 제어처리 주기에서의 값)로부터 산출된다. 또, 실대상물 반력 모멘트는 6축력 센서(52)의 검출값(실제 대상물 반력)과 목표 ZMP와 최종 수정 목표 손끝위치 자세(보다 자세하게는 전회의 제어처리 주기에서의 값)로부터 산출된다.
이 대상물 반력 모멘트 편차에 따라, 중심위치 섭동량 산출부(272)에 의해 로봇(1)의 전체중심 위치의 목표 섭동량인 목표 중심위치 섭동량이 산출된다. 목표 중심위치 섭동량은 대상물 반력 모멘트 편차를 로봇(1)에 작용하는 중력에 의해 장기적으로 해소하기 위한 로봇(1)의 전체중심의 섭동량으로서의 의미를 갖고, 예를 들면 대상물 반력 모멘트에 비례한 값으로 결정된다. 이어서, 후술하는 섭동 동역학 모델에서 산출되는, 이 섭동 동역학 모델상에서의 로봇(1)의 전체중심의 섭동량인 전체중심 위치 모델 섭동량과, 상기 목표 중심위치 섭동량과의 편차가 감산부(274)에 의해 산출되고, 이 편차로부터 피드백 제어칙(276), 예를 들면 PD 제어칙에 의해, 이 편차를 0에 수렴시키기 위한, 목표 ZMP 주위의 모멘트 조작량인 대상물 반력 평형제어용 보상 전체 상반력 모멘트가 산출된다. 또한, 이 대상물 반력 평형제어용 보상 전체 상반력 모멘트와 상기 대상물 반력 모멘트 편차와의 합이 가산부(278)에 의해 산출된다. 그리고, 이 가산부(278)의 출력이 로봇(1)의 전체중심의 섭동과, 목표 ZMP 주위의 모멘트의 섭동과의 관계, 및, 전체중심의 섭동과 상체위치 자세의 섭동과의 관계를 나타내는 섭동 동역학 모델(280)에 입력되고, 이 섭동 동역학 모델에서, 상체위치 자세 섭동량이 산출된다.
이 경우, 섭동 동역학 모델은 로봇(1)의 전체중심의 섭동과, 목표 ZMP 주위의 모멘트의 섭동과의 관계(동역학적 관계)를 다음 식18에 의해 기술하는 모델이다.
mtotal*hG*d2ΔxG/dt2=ΔxG*mtotal*g+ΔMx ……식18
여기에서, hG는 목표 ZMP로부터 전체중심까지의 높이, ΔxG는 전체중심의 수평방향 섭동량, ΔMx는 목표 ZMP 주위의 모멘트 수평성분이다. 그 밖의 변수는 상기 로봇 단순화 모델에 관해서 정의한 것과 동일하다. 또한, 식18은 사지탈 플레인 상에서의 식으로, 래터럴 플레인 상에서의 관계식은 식18의 우변의 제 2 항의 부호를 반전시키면 된다.
이 식18은 로봇(1)의 전체질량(mtotal)의 질점을 갖고, 또, 그 질점의 지지점인 목표 ZMP 주위에 발생하는 모멘트 수평성분이 ΔMx로 되는 것과 같은 도립진자의 동역학적 거동을 나타내는 식이다.
또, 로봇(1)의 전체중심 위치의 섭동량 ΔxG와 상체위치의 섭동량(이하, 이것을 Δxb로 기술함)과의 관계는 다음 식19에 의해 표시된다.
Δxb=k*ΔxG ……식19
여기에서, k는 어떤 비례정수이다. 따라서, Δxb는 ΔxG에 비례하는 것으로 된다. 섭동운동에 대하여는, 식19는 근사적으로 성립한다고 생각해도 된다.
따라서, 섭동 동역학 모델(280)에서는, 식18의 우변의 ΔMx로서, 가산부(278)의 출력을 사용함으로써 전체중심의 섭동량 ΔxG가 산출되고, 또한, 이 ΔxG로부터 식19에 의해 상체위치 섭동량이 구해진다. 또한, 본 실시형태에서는, 수정 목표 상체위치 자세 중 수정 목표 상체자세는 목표 상체자세에 일치시키는 것으로 하고, 상체자세의 섭동량은 0으로 한다.
대상물 반력 평형제어 장치(102)에서는, 이렇게 하여 섭동 동역학 모델(280)로부터 출력되는 상체위치 섭동량을 목표 상체위치 자세(보용생성 장치(100)의 출력)에 가산부(282)에서 가산함으로써, 수정 목표 상체위치 자세를 산출한다.
이상이 대상물 반력 평형제어 장치(102)의 구체적인 연산처리이다.
이상에서 설명한 제 1 실시형태의 작동, 특히 보용생성 장치(100)의 처리에 의해, 대상물 반력을 고려하면서, 금회 보용이 정상보용에 수렴하도록 금회 보용이 생성된다. 이 때문에, 로봇(1)의 계속적인 안정성을 확보하면서, 로봇(1)에 의해 대상물(120)을 미는 등의 작업을 원활하게 행할 수 있다.
특히, S23～S27의 처리에서는, 다음회 보용의 기간 내에 목표 대상물 반력의 변화점이 있을 경우에, 대상물 반력 변화시각에서 대상물 반력이 목표 대상물 반력 궤도대로는 변화되지 않는 경우를 상정하고, 그러한 경우에도 ZMP 제약조건을 만족시키면서, 정상 선회보용에 수렴하는 다음회 보용(가상 금회 보용)을 생성할 수 있는지 아닌지가 확인된다. 그리고, 생성할 수 없을 때에는, 이동계획을 수정한 뒤에, 금회 보용 패러미터를 다시 새롭게 결정하고, 금회 보용 패러미터를 기초로 산출되는 목표 보용의 순시값에 따라 로봇(1)의 동작제어를 행한다. 이 때문에, 대상물 반력이 목표 대상물 반력 궤도대로 변화되지 않을 경우에도, 로봇(1)의 계속적인 안정성을 확보할 수 있도록 목표 보용을 생성할 수 있다.
[제 2 실시형태]
다음에 본 발명의 제 2 실시형태를 도 23～도 25를 참조하여 설명한다. 또한, 이 제 2 실시형태의 설명에서는, 제 1 실시형태와 동일 구성부분 또는 동일 기능부분에 대해서는 제 1 실시형태와 동일한 참조부호를 사용하여, 설명을 생략한다.
도 23은 제 2 실시형태에서의 보용생성 장치(100)의 처리 중, 제 1 실시형태에 따른 도 5의 처리에 대응하는 부분의 처리를 도시하는 플로차트이다. 동 도 23에 도시하는 바와 같이, 제 2 실시형태에서는, S19의 판단 결과가 NO일 경우의 처리만이 제 1 실시형태와 상위하다.
즉, 제 1 실시형태에서는, S19의 판단 결과가 NO일 때에, 목표 대상물 반력 궤도를 수정하도록 했지만, 제 2 실시형태에서는, 이것 대신에, S21'에서, 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치 자세 또는 착지 예정 시각을 수정한다. 이것은 금회 보용 패러미터 중 족평 궤도 패러미터를 수정하는 것을 의미한다. 이 경우, 착지 예정 위치 자세 또는 착지 예정 시각은 그 수정 후에 S07～S17의 처리를 다시 실행했을 때에, ZMP 수정량이 가능한 한 작아지도록(적어도 착지 예정 위치 자세 또는 착지 예정 시각의 수정 전에서 구한 ZMP 수정량보다도 작아지도록) 수정된다. 그리고, 그 수정 후에, S07로부터의 처리를 다시 실행한다. 이것 이외는, 제 1 실시형태와 동일하다.
S21'에서의 구체적인 수정예를 이하에 설명한다. 예를 들면 지금 현재, 금회 보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치 자세와 다음회 보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치 자세가 도 24의 실선으로 나타내는 바와 같이 결정되어 있는 것으로 한다. 또한, 도시의 예에서는, 로봇(1)을 거의 일정한 보폭으로, 금회 보용 지지다리 좌표계의 X축방향으로 직진 보행시키는 것으로 되어 있다.
그리고, 금회 보용까지는 로봇(1)이 대상물(120)에 근접하고, 다음회 보용의 도중부터, 로봇(1)이 대상물(120)을 X축의 정방향으로 미는 작업을 개시하는 것으로 한다. 이 경우, 도 25(a)에 도시하는 바와 같이, 목표 대상물 반력 궤도는 예를 들면 다음회 보용의 도중부터 기립하는 것과 같은 스텝 형상의 궤도로 된다.
이때, 도 24의 실선으로 나타내는 바와 같은 착지 예정 위치 자세를 유지한 채, S17까지의 처리를 실행하면, S17의 처리에서 결정되는 ZMP 수정량(X축방향 성분)은 예를 들면 도 25(b)에 실선으로 나타내는 바와 같이, 비교적 큰 것이 되어, S19의 판단 결과가 NO로 되는 경우가 있다.
이 경우에, S21'의 처리에서는, 예를 들면 다음회 보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치 자세를 도 24의 파선으로 나타내는 바와 같이, 금회 보용 의 지지다리 족평 22L에 X축방향에서 근접시키도록 수정한다. 즉, 다음회 보용의 보폭을 보다 작게 하도록 미착지다리 족평 22L의 착지 예정 위치 자세를 수정한다. 이와 같이 다음회 보용의 착지 예정 위치 자세를 수정한 후에, S05로부터의 처리를 다시 실행하면, S17에서 결정되는 ZMP 수정량이 도 25(b)에 파선으로 나타내는 바와 같이 작아진다. 그 결과, S19의 판단 결과가 YES로 된다. 보충하면, 다음회 보용의 미착지다리 족평 22L의 착지 예정 위치 자세를 도 24와 같이 수정했을 때, 상기한 정상보용의 족평 궤도 패러미터의 결정수법에 의해, 정상보용의 제 2 선회보용의 종단 미착지다리 족평위치도, 제 2 선회보용의 초기 미착지다리 족평위치(금회 보용의 미착지다리 족평 22R의 착지 예정 위치)에 근접하게 된다.
또한, 상기의 예에서는, 다음회 보용의 미착지다리 족평 22L의 착지 예정 위치 자세를 수정하도록 했지만, 금회 보용의 미착지다리 족평 22R의 착지 예정 위치 자세를 수정하는 여유가 있는 경우에는, 그것을 수정하도록 해도 된다. 또는, 금회 보용 및 다음회 보용의 양자의 착지 예정 위치 자세를 수정하도록 해도 된다.
또, 상기의 예에서는, 착지 예정 위치 자세를 수정하도록 했지만, 금회 보용과 다음회 보용과 중 적어도 어느 하나의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 시각을 수정하도록 해도 된다. 도 25에 도시한 상황에서는, 예를 들면 다음회 보용의 착지 예정 시각을 지연시키도록 하면 된다.
이상이 본 발명의 제 2 실시형태dl다. 이러한 제 2 실시형태에서도, 제 1 실시형태와 동일한 작용효과를 얻을 수 있다. 또한, 제 2 실시형태에서는, S19의 판단 결과가 NO일 경우에 미착지다리 족평(22)의 착지 예정 위치 자세 또는 착지 예정 시각을 수정하도록 했지만, 그것과 아울러, 제 1 실시형태와 같이, 목표 대상물 반력 궤도를 수정하도록 해도 된다.
또한, 이상에서 설명한 제 1 및 제 2 실시형태에서는, 로봇(1)에 의해 대상물(120)을 밀어서 이동시키는 경우를 예로 들어서 설명했지만, 대상물(120)을 끌어서 이동시키는 경우나, 대상물(120)을 들어올려서 이동시키는 경우 등에도 본 발명을 적용할 수 있다.
또, 상기 각 실시형태에서는, 금회 보용 패러미터를 결정할 때에, 주기적인 보용인 정상보용의 보용 패러미터를 결정한 뒤에, 이 정상보용에 금회 보용을 수렴시키도록(정상보용의 초기 발산성분에 금회 보용의 종단 발산성분을 일치시키도록) 금회 보용 패러미터를 결정하도록 했지만, 본 발명에서는, 그것을 필수로 하는 것이 아니다. 본 발명은, 기본적으로는, 최종적으로 결정된 로봇?대상물간 목표 작용력(상기 각 실시형태에서는 목표 대상물 반력)과 대상물의 목표 이동위치(상기 각 실시형태에서는 목표 대상물 운동 궤도)를 만족할 수 있도록 로봇의 동작을 제어할 수 있는 것이면, 상기 각 실시형태에서 설명한 수법과 상이한 수법으로 로봇의 동작을 제어하도록 해도 된다.
이상과 같이, 본 발명은 2족이동 로봇 등의 로봇에게 대상물을 이동시키는 작업을 행하게 하는 경우에, 로봇의 안정성을 확보하면서, 이 작업을 로봇에게 원활하게 행하게 할 수 있는 것으로서 유용하다.

Claims (3)

  1. 상체로부터 뻗어 설치된 복수의 다리체를 구비하는 다리식 이동 로봇에게 대상물을 이동시키는 작업을 행하게 하기 위한 이 로봇의 목표 보용을 생성하는 장치에 있어서,
    새로운 목표 보용을 생성할 때, 대상물의 이동계획에 기초하여, 이 새로운 목표 보용에서의 로봇과 대상물 사이의 작용력의 목표값의 궤도인 제 1 로봇?대상물간 목표 작용력 궤도를 임시 결정하는 제 1 작용력 궤도 결정 수단과,
    상기 대상물의 이동계획에 기초하여, 상기 새로운 목표 보용에서의 로봇의 다리체의 운동을 규정하는 제 1 다리체 운동 패러미터를 임시 결정하는 제 1 다리체 운동 패러미터 결정 수단과,
    상기 임시 결정된 제 1 로봇?대상물간 목표 작용력 궤도에 대하여, 실제의 로봇과 대상물 사이의 작용력의 궤도가 장래의 소정 시점 이후에 이 제 1 로봇?대상물간 목표 작용력 궤도와 상이한 궤도로 변화되었다고 가정하여, 이 소정 시점 이후의 로봇과 대상물 사이의 작용력의 목표값의 궤도인 제 2 로봇?대상물간 목표 작용력 궤도를 설정하는 제 2 작용력 궤도 설정 수단과,
    상기 소정 시점까지의 로봇의 목표 보용을 상기 제 1 다리체 운동 패러미터와 상기 제 1 로봇?대상물간 목표 작용력 궤도를 사용하여 생성하고, 또한 이 소정 시점까지의 목표 보용에 계속되는 이 소정 시점 이후의 로봇의 목표 보용을, 이 소정 시점 이후의 로봇의 다리체의 운동을 규정하는 다리체 운동 패러미터인 제 2 다리체 운동 패러미터를 가변적으로 설정할 수 있는 변수로 하여, 이 제 2 다리체 운동 패러미터와 상기 제 2 로봇?대상물간 작용력을 사용하여 생성한 경우에, 이 소정 시점 이후의 로봇의 목표 보용이 소정의 동역학적 제약조건을 만족시킬 수 있는 제 2 다리체 운동 패러미터를 설정할 수 있는지 아닌지를 판단하는 판단 수단을 구비하고,
    이 판단 수단에 의해, 상기 소정 시점 이후의 로봇의 목표 보용이 상기 소정의 동역학적 제약조건을 만족시킬 수 있는 상기 제 2 다리체 운동 패러미터를 설정할 수 있다고 판단되었을 때에는, 상기 제 1 다리체 운동 패러미터와 제 1 로봇?대상물간 목표 작용력 궤도를 사용하여 상기 새로운 목표 보용을 생성하고, 상기 소정 시점 이후의 로봇의 목표 보용이 상기 소정의 동역학적 제약조건을 만족시킬 수 있는 상기 제 2 다리체 운동 패러미터를 설정할 수 없다고 판단되었을 때에는, 상기 대상물의 이동계획을 수정함과 아울러, 그 수정한 이동계획을 사용하여 상기 제 1 다리체 운동 패러미터와 제 1 로봇?대상물간 목표 작용력 궤도를 재결정하고, 그 재결정한 제 1 다리체 운동 패러미터와 제 1 로봇?대상물간 목표 작용력 궤도를 사용하여 상기 새로운 목표 보용을 생성하도록 한 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 보용생성 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 소정 시점은 상기 제 1 작용력 궤도 결정 수단이 임시 결정한 제 1 로봇?대상물간 목표 작용력 궤도의 작용력의 크기, 또는 이 작용력의 변화속도의 크기가 소정의 임계값을 초과하는 시점이며, 상기 제 2 로봇?대 상물간 목표 작용력 궤도는 상기 소정 시점 이후의 로봇과 대상물 사이의 작용력의 크기, 또는 이 작용력의 변화속도의 크기가 상기 소정의 임계값보다도 작은 값이 되는 궤도인 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 보용생성 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 소정의 동역학적 제약조건은 로봇의 목표 보용의 운동에 의해 발생하는 관성력과 이 로봇에 작용하는 중력과 이 로봇에 대상물로부터 작용하는 작용력과의 합력에 의해 정해지는 ZMP가 소정의 허용 범위 내에 존재한다고 하는 조건을 포함하는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 보용생성 장치.
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