KR20040108526A - 각식 이동 로봇의 동작 제어 장치 및 동작 제어 방법 및로봇 장치 - Google Patents

각식 이동 로봇의 동작 제어 장치 및 동작 제어 방법 및로봇 장치 Download PDF

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Abstract

각식 이동 로봇은, 과대한 외력 또는 외력 모멘트가 인가되어, 족부의 행동 계획이 불가능하게 되면, 통상의 보행 동작을 포기하고 전도 동작을 개시한다. 이 때, 기체의 지지 다각형의 면적 S의 시간 t당 변화량 ΔS/Δt를 최로로 함과 함께, 상면 낙하시의 지지 다각형이 최대가 되도록 하는 것에 의해, 낙하시에 상면으로부터 받는 충격을 전신으로 분산시켜, 위험을 최소한으로 억제한다. 또한, 뒤로 적히거나 부복하는 등의 마루 위 자세로부터 자율적으로 직립 자세를 회복한다.

Description

각식 이동 로봇의 동작 제어 장치 및 동작 제어 방법 및 로봇 장치{OPERATION CONTROL DEVICE FOR LEG-TYPE MOBILE ROBOT AND OPERATION CONTROL METHOD, AND ROBOT DEVICE}
전기적 혹은 자기적인 작용을 이용하여 인간의 동작을 모방한 운동을 행하는 기계 장치를 「로봇」이라고 한다. 로봇의 어원은, 슬라브어의 "ROBOTA(노예 기계)"에서 유래되었다고들 한다. 일본에서는 로봇이 보급되기 시작한 것은 1960년대말부터이지만, 그 대부분은 공장에서의 생산 작업의 자동화·무인화 등을 목적으로 한 매니퓰레이터나 반송 로봇 등의 산업용 로봇(industrial robot)이었다.
최근에는, 개나 고양이와 같이 네발로 보행하는 동물의 신체 메카니즘이나 그 동작을 모방한 페트형 로봇, 혹은 인간과 같은 두발 직립 보행을 행하는 동물의 신체 메카니즘이나 동작을 모델로 하여 디자인된 「인간 형상」 혹은 「인간형」의 로봇(humanoid robot) 등 각식 이동 로봇에 관한 연구 개발이 진전되어, 실용화에 대한 기대도 점점더 높아져 왔다.
인간 형상 혹은 인간형이라고 하는 두발 직립 보행의 각식 이동 로봇을 연구하고 개발하는 의의를, 예를 들면 이하의 두개의 시점으로부터 파악할 수 있다.
하나는, 인간 과학적인 시점이다. 즉, 인간의 하지 및/또는 상지를 닮은 구조의 로봇을 만들고, 그 제어 방법을 고안하여, 인간의 보행 동작을 시뮬레이트하는 프로세스를 통하여, 보행을 비롯한 인간의 자연스러운 동작의 메카니즘을 공학적으로 해명할 수 있다. 이러한 연구 성과는, 인간 공학, 리하빌리테이션학, 혹은 스포츠 과학 등, 인간의 운동 메카니즘을 취급하는 다른 다양한 연구 분야의 진전에 대단히 환원할 수 있을 것이다.
또 하나는, 인간의 파트너로서 생활을 지원하는, 즉 주거 환경 그 밖의 일상생활 상의 여러 장면에서의 인적 활동의 지원을 행하는 실용 로봇의 개발이다. 이러한 종류의 로봇은, 인간의 생활 환경의 여러 국면에서, 인간으로부터 배우면서 개개에 개성이 다른 인간 또는 환경에 대한 적응 방법을 학습하고, 기능면에서 더성장해 갈 필요가 있다. 이 때, 로봇이 「인간 형상」 즉 인간과 동일한 형상 또는 동일한 구조를 하고 있는 것이, 인간과 로봇과의 원활한 커뮤니케이션을 행하는 데에 있어서 유효하게 기능한다고 생각되어진다.
예를 들면, 밟으면 안되는 장해물을 피하면서 방을 빠져나가는 방법을 현장에서 로봇에게 교시하는 경우, 크롤러식이나 네발식 로봇과 같이 가르치는 상대가 자신과 전혀 다른 구조를 하고 있는 것보다도, 같은 모습을 하고 있는 두발 보행 로봇이, 사용자(작업원)는 훨씬 가르치기 쉽고, 또한 로봇도 배우기 쉽다(예를 들면, 高西 저 「두발 보행 로봇의 컨트롤」(자동차 기술회 관동지부 <高塑> No. 25, 1996 APRIL)를 참조).
두발 보행에 의한 각식 이동을 행하는 타입의 로봇에 관한 자세 제어나 안정 보행에 관한 기술은 이미 많이 제안되고 있다. 여기서 말하는 안정된 「보행」이란, 「전도되지 않고, 다리를 사용하여 이동하는 것」이라고 정의할 수 있다.
로봇의 자세 안정 제어는, 로봇의 전도를 피하는 데에 있어서 매우 중요하다. 왜냐하면, 전도는, 로봇이 실행 중인 작업을 중단하는 것을 의미하며, 또한 전도 상태로부터 일어나 작업을 재개하기 위해 상당한 노동력이나 시간이 필요하기 때문이다. 또한, 무엇보다도 전도에 의해, 로봇 본체 자체, 혹은 전도하는 로봇과 충돌하는 상대측의 물체에도, 치명적인 손상을 끼칠 위험이 있기 때문이다. 따라서, 각식 이동 로봇의 설계 및 개발에 있어서, 보행이나 그 밖의 각식 작업 시의 자세 안정 제어는 가장 중요한 기술적 과제 중 하나이다.
보행시에는, 중력과 보행 운동에 수반하여 생기는 가속도에 의해, 보행계로부터 노면에는 중력과 관성력, 및 이들 모멘트가 작용한다. 소위 「달랑베르의 원리」에 의하면, 이들은 노면으로부터 보행계의 반작용으로서의 상반력, 상반력 모멘트와 균형을 이룬다. 역학적 추론의 귀결로서, 발바닥 접지점과 노면이 형성하는 지지 다각형의 변 위 혹은 그 내측에 피치 및 롤축 모멘트가 제로가 되는 점, 즉 「ZMP (Zero Moment Point)」가 존재한다.
각식 이동 로봇의 자세 안정 제어나 보행 시의 전도 방지에 관한 제안의 대부분은, 이 ZMP를 보행의 안정도 판별의 규범으로서 이용한 것이다. ZMP 규범에 기초한 두발 보행 패턴 생성은, 발바닥 착지점을 미리 설정할 수 있어, 노면 형상에 대응한 발끝의 운동학적 구속 조건을 고려하기 쉽다는 이점이 있다. 또한, ZMP를 안정도 판별 규범으로 하는 것은, 힘이 아니라 궤도를 운동 제어 상의 목표값으로서 취급하는 것을 의미하므로, 기술적으로 실현 가능성이 높아진다. 또, ZMP의 개념 및 ZMP를 보행 로봇의 안정도 판별 규범에 적용하는 점에 대해서는, Miomir Vukobratovic 저 "LEGGED LOCOMOTION ROBOTS"(加藤一郞 외 저 『보행 로봇과 인공의 발』(니칸 공업 신문사))에 기재되어 있다.
일반적으로는, 네발 보행보다도 인조 인간과 같은 두발 보행의 로봇이, 무게 중심 위치가 더 높고, 또한 보행 시의 ZMP 안정 영역이 좁다. 따라서, 이러한 노면 상태의 변화에 수반하는 자세 변동의 문제는, 두발 보행 로봇에게 특히 중요하다.
두발 보행 로봇의 자세 안정도 판별 규범에 ZMP를 이용한 제안은 이미 몇가지가 있다.
예를 들면, 일본 특개평5-305579호 공보에 기재된 각식 이동 로봇은 ZMP가 제로로 되는 상면 위의 점을 목표값에 일치시키도록 하여 안정 보행을 행하게 되어 있다.
또한, 일본 특개평5-305581호 공보에 기재된 각식 이동 로봇은, ZMP가 지지 다면체(다각형) 내부, 또는 착지, 기상 시에 ZMP가 지지 다각형의 단부로부터 적어도 소정의 여유를 갖는 위치에 있도록 구성하였다. 이 경우, 외란 등을 받아도 소정 거리만큼 ZMP의 여유가 있어, 보행 시의 기체의 안정성이 향상한다.
또한, 일본 특개평5-305583호 공보에는, 각식 이동 로봇의 걸음 속도를 ZMP 목표 위치에 의해 제어하는 점에 대하여 개시하고 있다. 즉, 미리 설정된 보행 패턴·데이터를 이용하여, ZMP를 목표 위치에 일치시키도록 각부 관절을 구동함과 시킴과 함께, 상체의 경사를 검출하여 그 검출값에 대응하여 설정된 보행 패턴·데이터의 토출 속도를 변경한다. 미지의 요철을 밟아 로봇이 예를 들면 앞으로 기울어질 때에는, 토출 속도를 빠르게 함으로써 자세를 회복할 수 있다. 또한 ZMP를 목표 위치에 제어하므로, 양각 지지기에서 토출 속도를 변경시켜도 지장이 없다.
또한, 일본 특개평5-305585호 공보에는, 각식 이동 로봇의 착지 위치를 ZMP 목표 위치에 의해 제어하는 점에 대하여 개시하고 있다. 즉, 동 공보에 기재된 각식 이동 로봇은, ZMP 목표 위치와 실측 위치와의 편차를 검출하고, 그것을 해소하도록 각부 한쪽 또는 쌍방을 구동하거나, 또는 ZMP 목표 위치 주위에 모멘트를 검출하여 그것이 영이 되도록 각부를 구동함으로써, 안정 보행을 실현한다.
또한, 일본 특개평5-305586호 공보에는, 각식 이동 로봇의 경사 자세를 ZMP목표 위치에 의해 제어하는 점에 대하여 개시하고 있다. 즉, ZMP 목표 위치주위의 모멘트를 검출하고, 모멘트가 생겼을 때에는, 그것이 영이 되도록 각부를 구동함으로써 안정 보행을 행한다.
ZMP를 안정도 판별 규범에 이용한 로봇의 자세 안정도 제어는, 기본적으로는 발바닥 접지점과 노면이 형성하는 지지 다각형의 변 위 혹은 그 내측에 모멘트가 제로로 되는 점을 탐색하는 것에 있다.
상술한 바와 같이, 각식 이동 로봇에서는 ZMP를 자세 안정도 규범으로서 도입하는 등, 보행이나 그 밖의 동작 패턴 실행 중인 로봇이 전도하지 않도록 하기 위한 최대한의 노력이 기울어지고 있다.
물론, 전도라는 상태는 로봇이 실행중인 작업을 중단하는 것을 의미하며, 또한 전도 상태에서 기상하여 작업을 재개하기 위해 상당한 노동력이나 시간이 필요하게 된다. 또한, 무엇보다도 전도에 의해 로봇 본체 자체, 혹은 전도하는 로봇과 충돌하는 상대측의 물체에도 치명적인 손상을 끼칠 위험이 있다.
전도하지 않도록 최대한의 자세 안정 제어를 행함에도 불구하고, 제어의 부족, 혹은 예기할 수 없는 외적 요인(예를 들면 예측할 수 없는 물체와의 충돌이나, 상면 위의 돌기나 오목부 등의 노면 상황, 장해물의 출현 등) 등에 의해, 자세의 안정을 잃어버려 가동각만으로는 완벽하게 지지할 수 없게 되어, 로봇이 전도하는 경우가 있다.
특히, 인간형 등 두발에 의한 각식 이동을 행하는 로봇인 경우, 무게 중심 위치가 높아, 처음부터 직립한 정지 상태 자체가 불안정하기 때문에, 전도가 발생되기 쉽다. 로봇이 전도하면, 로봇 자체, 혹은 전도에 의해 충돌하는 상대측에도 치명적인 손상을 끼칠 위험이 있다.
예를 들면, 일본 특개평11-48170호 공보에는 각식 이동 로봇이 전도하려는 상황에서, 그 전도에 의해 로봇이 받는 손상이나, 그 전도 시에 로봇이 충돌하는 상대측의 물체의 손상을 가능한 한 경감시킬 수 있는 각식 이동 로봇의 제어 장치에 대하여 개시되어 있다.
그러나, 동일 공보는 전도에 수반하는 착상 시에 단순히 로봇의 무게 중심을 내리도록 제어하는 것만을 제안하며, 실제로 전도했을 때에 손상을 최소한으로 억제하기 위해, 각부뿐만 아니라 동체 및 완부를 포함하여 기체 전체적으로 어떻게 동작시켜야 할지의 의논은 이루어지지 않고 있다.
또한, 직립 보행형의 각식 이동 로봇의 경우, 보행 등의 기체 운동을 고려한 경우의 기준이 되는 자세는 두발로 기상한 직립 자세이다. 예를 들면, 직립 자세 중에서는 가장 안정된 상태(즉 불안정성의 극소점)를 기본 직립 자세로서 포지셔닝할 수 있다.
이러한 기본 직립 자세는, 그 자세를 안정적으로 유지하기 위해서는, 자세 안정 제어의 실행, 제어 지시에 의한 각부 등의 관절축 모터의 토크 생성이 필요하다. 즉, 무전원 상태에서는 직립 자세는 결코 안정되지 않기 때문에, 로봇은 뒤로 젖히거나 부복하는 등의 물리적으로 가장 안정된 마루 위 자세로부터 기동을 개시하는 것이 바람직하다고 사료된다.
그러나, 이들 마루 위 자세의 로봇의 전원을 투입해도, 로봇이 자율적으로일어설 수 없으면, 오퍼레이터가 손을 빌려줘 기체를 들어 올리는 등의 작업을 실시해야 하므로, 번거롭다.
또한, 로봇이 일단 직립 자세로 되어, 보행이나 그 밖의 자율적인 각식 작업을 행하는 경우, 기본적으로는 전도하지 않고, 다리를 사용하여 이동하도록 노력하지만, 어이없이 전도하는 경우도 있다. 다양한 장해물이나 예측할 수 없는 사태를 포함한 인간의 주거 환경에서 로봇이 동작하는 데에 있어서, 「전도」는 불가피하다. 원래 인간 자체가 전도한다. 이러한 경우에도, 오퍼레이터가 손을 빌려줘 기체를 들어올려야 하므로, 역시 번거롭다.
로봇이 마루 위 자세가 될 때마다, 로봇이 혼자서 일어설 수 없으면, 결국 무인 환경에서 로봇이 작업할 수 없으며, 즉 작업에 자기 완결성이 없게 되므로, 완전하게 자립된 환경에 둘 수 없다.
<발명의 개시>
본 발명의 목적은, 전도·낙하 도중에 각부뿐만 아니라 동체 및 완부를 포함하여 기체 전체의 운동 제어에 의해 로봇이 입는 손해를 최소한으로 경감시킬 수 있는, 우수한 각식 이동 로봇 및 각식 이동 로봇의 전도 시간 동작 제어 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 뒤로 젖히거나 부복하는 등의 마루 위 자세로부터 자율적으로 직립 자세를 회복할 수 있는 우수한 각식 이동 로봇의 동작 제어 장치 및 동작 제어 방법, 및 로봇 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 비교적 적은 토크로 안정된 동작에 의해 뒤로 젖히거나 부복하는 등의 마루 위 자세로부터 직립 자세를 회복할 수 있는, 우수한 각식 이동 로봇의 동작 제어 장치 및 동작 제어 방법, 및 로봇 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명은, 상기 과제를 참작하여 이루어진 것으로, 그 제1 측면은 가동각을 구비하여 직립 자세에서 각식 작업을 행하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 장치 또는 동작 제어 방법으로서,
상기 각식 이동 로봇은 복수의 자세 또는 상태를 갖고,
기체의 접지점과 노면이 형성하는 지지 다각형의 면적 S를 산출하는 제1 수단 또는 단계와,
상기 지지 다각형의 면적 S의 시간 Δt 당 변화 ΔS/Δt를 산출하는 제2 수단 또는 단계와,
상기 지지 다각형의 면적 S 또는 그 변화 속도 ΔS/Δt에 기초하여, 자세 또는 상태를 천이할 때의 기체의 동작을 결정하는 제3 수단 또는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 장치 또는 동작 제어 방법이다.
많은 각식 이동 로봇에서는 ZMP를 안정도 판별 규범에 이용하는 것에 의해, 보행 등 특정한 각식 작업의 기간에서의 기체의 자세 안정성을 유지하도록 이루어져 있다. 본 발명의 제1 측면에 따른 족식 이동 로봇의 동작 제어 장치 또는 동작 제어 방법에 의하면, 또한 보행 중이나 직립 중인 로봇이 전도하거나, 혹은 전도 후나 그 밖의 잠자는 자세로부터 일어서는 등, 로봇이 자세나 상태를 천이시킬 때에, 기체의 접지점과 노면이 형성하는 지지 다각형의 면적 S나 그 변화 속도 ΔS/Δt에 기초하여, 기체의 동작 패턴을 순차적으로 결정해 감으로써, 보다 효율적으로 부하가 적어지도록, 전도 동작이나 기상 동작을 실현할 수 있다.
여기서, 상기 제3 수단 또는 단계는 전도 시에,
기체의 접지점과 노면이 형성하는 지지 다각형의 면적 S의 시간 Δt 당 변화에 기초하여 착상 부위를 탐색하는 착상 부위 탐색 수단 또는 단계와,
기체의 접지점과 노면이 형성하는 지지 다각형의 면적 S의 시간 Δt 당 변화 ΔS/Δt가 최소로 되도록, 상기 착상 부위 탐색 수단 또는 단계에 의해 선택된 부위가 착상해야 할 목표 착상점을 설정하는 목표 착상점 설정 수단 또는 단계와,
상기 착상 부위 탐색 수단 또는 단계에 의해 선택된 부위를 상기 목표 착상점 설정 수단 또는 단계에 의해 설정된 목표 착상점에 착상시키는 부위 착상 수단을 포함해도 된다.
각식 이동 로봇은, 직립 자세에서 각식 작업을 행하는 동안, 발바닥에 배치한 상반력 센서나 가속도 센서, 혹은 동체의 허리 위치에 배치한 가속도 센서 등에 의해, 기체에 인가되는 외력을 검출하고 있다. 그리고, 이들 검출된 외력에 기초하여, ZMP 균형 방정식을 세워, 발바닥 접지점과 노면이 형성하는 지지 다각형의 변 위 혹은 그 내측에 기체에 인가되는 모멘트가 균형을 이루는 ZMP를 배치하도록, 항상 ZMP 궤도를 계획하는 것에 의해, 기체의 자세 안정 제어를 행하고 있다.
그런데, 기체에 인가된 외력이 과대하거나, 혹은 노면의 상황이 바람직하지 못한 사정에 의해, ZMP 균형 방정식 상의 모멘트·에러를 캔슬할 수 없으며, ZMP궤도 계획에 의해 지지 다각형 내에서의 ZMP의 배치가 곤란하거나 또는 불가능하게 되는 경우가 있다. 이러한 경우, 본 발명에 따른 각식 이동 로봇은 기체의 자세 안정 제어를 단념하여, 소정의 전도 동작을 실행하는 것에 의해, 상면으로의 낙하 시의 기체의 손상을 최소한으로 억제하게 되어 있다.
즉, 전도 시에, 기체의 접지점과 노면이 형성하는 지지 다각형의 면적 S의 시간 Δt 당 변화 ΔS/Δt가 최소로 되는 부위를 탐색함과 함께, 기체의 접지점과 노면이 형성하는 지지 다각형의 면적 S의 시간 Δt 당 변화 ΔS/Δt가 최소로 되도록, 선택된 부위가 착상해야 할 목표 착상점을 설정하여, 해당 부위를 착상한다. 그리고, 착상시키는 것에 의해 새롭게 형성된 지지 다각형을 더 확대해 간다.
그리고, 기체의 위치 에너지가 최소로 되어, 전도 동작이 종료하기까지의 동안, ΔS/Δt가 최소로 되는 부위를 탐색함과 함께 해당 부위를 ΔS/Δt가 최소로 되는 목표 착상점에 착상하는 동작이나, 새롭게 형성된 지지 다각형을 확대해 가는 동작을 반복하여 실행한다.
이와 같이, 지지 다각형의 면적 S의 시간 t당 변화량 ΔS/Δt를 최소로 함과 함께, 상면 낙하 시의 지지 다각형이 최대가 되도록 하는 것에 의해, 낙하 시에 상면으로부터 받는 충격을 전신으로 분산시켜, 손상을 최소한으로 억제할 수 있다. 각식 이동 로봇을 대략 평행한 관절 자유도를 갖는 복수의 관절축을 길이 방향으로 연결한 링크 구조체로 본 경우, 기상 링크 수가 최대가 되는 링크가 있는 부위를 목표로 설정함으로써, 충격력의 완화를 도모할 수 있다.
또한, 각식 이동 로봇은, 예를 들면 대략 평행한 관절 자유도를 갖는 복수의관절축을 길이 방향으로 연결한 링크 구조체로 이루어지며, 상기 제3 수단 또는 단계는 상기 각식 이동 로봇의 전도 상태로부터의 복귀 시에 있어서,
기체의 무게 중심이 되는 무게 중심 링크를 포함하는 2 이상의 링크가 접상한 마루 위 자세에서, 접상 링크가 형성하는 접지 다각형 내에서 가장 적은 링크 수로 형성되는 가장 좁은 지지 다각형을 탐색하는 수단 또는 단계와,
접지 다각형 중 상기 탐색된 지지 다각형 이외의 접상 링크를 기상시키는 수단 또는 단계와,
2 이상의 연속하는 기상 링크를 굴곡시키고, 그 링크단의 단부를 접상시켜, 보다 좁은 접지 다각형을 형성하는 수단 또는 단계와,
지지 다각형이 충분히 좁게 된 것에 응답하여, 상기 링크 구조체의 일단측으로부터 제1 소정 수 이상의 링크를 기상하여 기체를 직립시키는 수단 또는 단계
를 포함해도 된다.
여기서, 상기 링크 구조체는 적어도 어깨 관절 피치축, 체간 피치축, 허벅지 관절 피치축, 무릎 피치축이 기체의 높이 방향으로 연결되어 이루어진다. 물론, 각식 이동 로봇의 기체는 이들 이외의 관절 피치축을 구비해도 되며, 또한 각 관절 부위에서 피치축 이외의 롤축 및 요우축 주위의 회전 자유도를 구비해도 된다.
또한, 상면과 접상하는 복수의 기체의 단부가 형성하는 다각형을 접지 다각형이라고 한다. 또한, ZMP가 존재하는 접지 다각형을 지지 다각형이라고 한다. ZMP의 안정 영역은 지지 다각형 내에서 로봇의 자세 등을 안정적으로 제어 가능한 영역이다.
각식 이동 로봇은, 뒤로 젖히거나 또는 부복하는 등의 기본적인 마루 위 자세에서는, 이들 관절 피치축, 체간 피치축, 허벅지 관절 피치축, 무릎 피치축을 연결하는 모든 링크는 접상하고 있다. 또, 기본적인 직립 자세나 보행 자세에서는 이들 관절 피치축, 체간 피치축, 허벅지 관절 피치축, 무릎 피치축을 연결하는 모든 링크는 기상하여, 대략 연직 방향으로 정렬하고 있다.
마루 위 자세로부터 직립 자세로 이행하는 기상시에는, 통상적인 직립 자세를 유지하거나 보행 동작을 행하는 경우에 비하여, 관계하는 관절 액추에이터에는 높은 토크 출력이 필요하게 된다. 본 발명에 따르면, ZMP 지지 다각형이 최소로 되는 자세를 이용하여 기상 동작을 행하는 것에 의해, 보다 적은 구동 토크로 기상 동작을 실현한다.
우선, 거의 모든 링크가 접상하고 있는 마루 위 자세에서, 접상 링크가 형성하는 접지 다각형 내에서, 가장 좁은 지지 다각형을 탐색한다. 이 때, 기체의 일단측으로부터 적어도 2 이상의 링크를 기상시켰을 때의 ZMP가 계획 가능한지의 여부를 판정한다.
예를 들면, 체간 피치축 및 허벅지 관절 피치축을 연결하는 링크를 무게 중심 링크로서 접상 상태를 유지한 상태에서, 보다 좁은 지지 다각형을 탐색한다. ZMP의 계획 가능성은 링크 구조체의 가동각, 링크를 접속하는 각 관절 액추에이터의 토크, 관절력, 각속도, 각가속도 등을 고려하여 판단할 수 있다. 그리고, 어깨 관절 피치축을 포함하는 일단측으로부터 연속하는 2이상의 링크를 기상시키는 것을 시도한다.
이어서, 지지 다각형으로 되는 접상 링크를 남겨, 접지 다각형의 일단측으로부터 2 이상의 연속하는 링크를 기상한다. 그리고, 일단측으로부터 1 이상의 기상 링크를 굴곡시켜 링크단의 단부를 착상시켜, 보다 좁은 접지 다각형을 형성한다.
예를 들면, 링크 구조체의 일단측으로부터 어깨 관절을 포함하는 2 이상의 링크를 지지 다각형에 관여하지 않는 링크로서 기상한다. 그리고, 어깨 관절을 포함하는 2 이상의 링크가 기상하고 있는 상태에서, 어깨 관절 피치축에서 굴곡시켜, 그 링크단의 단부인 손끝을 접상시킨다. 그리고, 손끝을 기체 무게 중심 위치인 체간 피치축측에 서서히 접근해 가는 것에 의해, 원래의 마루 위 자세보다도 좁은 접지 다각형을 형성한다.
또한, 이 접지 다각형에서, 가장 좁은 지지 다각형을 탐색한다. 이번은 타단으로부터 적어도 2 이상의 링크를 기상시켜, ZMP가 계획 가능한지의 여부를 판정한다. ZMP의 계획 가능성은 링크 구조체의 가동각, 링크를 접속하는 각 관절 액추에이터의 토크, 관절력, 각속도, 각가속도 등을 고려하여 판단한다.
예를 들면, 체간 피치축 및 허벅지 관절 피치축을 연결하는 무게 중심 링크를 접상 상태를 유지한 상태에서, 무릎 관절 피치축을 포함하는 타단측으로부터 연속하는 2 이상의 링크를 기상시키는 것을 시도한다.
이어서, 지지 다각형으로 되는 접상 링크를 남기고, 접지 다각형의 타단측으로부터 2 이상의 연속하는 링크를 기상한다. 그리고, 타단측으로부터 1 이상의 기상 링크를 굴곡시켜 링크단의 단부를 착상시켜, 보다 좁은 접지 다각형을 형성한다.
예를 들면, 무릎 관절을 포함하는 2 이상의 링크가 기상하고 있는 상태에서, 무릎 관절 피치축에서 굴곡시켜, 그 링크단의 단부인 발바닥을 접상시킨다. 그리고, 발바닥을 기체 무게 중심 위치인 허벅지 관절 피치축측에 서서히 접근해 가는 것에 의해, 원래의 마루 위 자세보다도 좁은 접지 다각형을 형성한다.
이어서, 접지 다각형의 양 링크단의 단부를 접상한 상태에서 상기 무게 중심 링크를 기상 가능한지의 여부에 의해, 지지 다각형이 충분히 좁게 되었는지의 여부를 판단한다. 무게 중심 링크를 기상 가능한지의 여부는, 링크 구조체의 가동각, 링크를 접속하는 각 관절 액추에이터의 토크, 관절력, 각속도, 각가속도 등을 고려하여 판단한다.
예를 들면, 접지 다각형의 양 링크단의 단부로서의 손끝 및 발바닥을 접상한 상태에서, 체간 피치축 및 허벅지 관절 피치축을 연결한 상기 무게 중심 링크를 기상 가능한지의 여부에 의해 지지 다각형이 충분히 좁게 되었는지의 여부를 판단한다.
그리고, 기체의 지지 다각형이 충분히 좁게 된 것에 응답하여, 지지 다각형의 양 링크단의 단부를 접상한 상태에서 상기 무게 중심 링크를 기상하고, 양 링크단의 착상 링크에 의해 형성되는 지지 다각형 내에 ZMP를 유지하면서, 지지 다각형의 양 링크단의 단부의 간격을 좁혀, ZMP를 상기 링크 구조체의 타단측으로 이동시킨다. 이 때, ZMP를 타단측으로 이동시킬 수 있는지의 여부는 링크 구조체의 가동각, 링크를 접속하는 각 관절 액추에이터의 토크, 관절력, 각속도, 각가속도 등을 고려하여 판단한다.
예를 들면, 접지 다각형의 양 링크단의 단부로서의 손끝 및 발바닥을 접상한 상태에서 체간 피치축 및 허벅지 관절 피치축을 연결한 상기 무게 중심 링크를 기상하여, 손끝 및 발바닥의 간격을 서서히 단축해 가고, ZMP를 발바닥을 향하여 이동시켜 간다.
그리고, 상기 링크 구조체의 타단으로부터 제2 소정 수 이하의 접상 링크만으로 형성되는 접지 다각형 내에 ZMP가 돌입한 것에 응답하여, ZMP를 접지 다각형 내에 수용한 상태에서 상기 링크 구조체의 일단측으로부터 제1 소정 수 이상의 링크를 기상하여, 기상 링크를 길이 방향으로 신장시키는 것에 의해, 기상 동작을 완결시킨다.
예를 들면, 상기 발바닥으로 구성되는 접지 다각형 내에 ZMP가 돌입한 것에 응답하여, ZMP를 접지 다각형 내에 수용한 상태에서, 상기 어깨 피치축으로부터 상기 무릎 피치축에 이르기까지의 링크를 기상하여, 기상 링크를 길이 방향으로 신장시키는 것에 의해, 기상 동작을 완결시킬 수 있다.
기상의 최종 단계인, 기상 링크를 길이 방향으로 신장시킬 때에는, 질량 조작량의 보다 큰 무릎 관절 피치축을 적극적으로 사용하여 동작하는 것이 기체 동작 상의 효율이 좋다.
또, 보다 좁은 접지 다각형을 형성하기 위해, 기상 링크를 어깨 관절 피치축에서 굴곡시켜 그 링크단의 단부인 손끝을 접상시킬 때에, 이하의 식을 충족하도록 완부를 동작시켜도 된다. 단, 상완의 길이를 l1, 전완(前腕)의 길이를 l2, 어깨 롤각을 α, 팔꿈치 피치각을 β, 어깨로부터 손끝까지의 길이를 l12, 어깨부터 손끝을 연결하는 선이 이루는 것을 γ, 어깨의 높이를 h로 한다.
즉, 어깨롤축을 동작시키는 대신에 팔꿈치 피치축을 굴곡시키는 것에 의해, 보다 작은 사용 체적으로 좌우의 손끝을 동체 후방에서 착상할 수 있다.
또한, 상기 보다 좁은 접지 다각형을 생성하는 수단 또는 단계는 가장 작은 지지 다각형에 관여하지 않는 링크의 2개 이상을 기상 가능한지의 여부에 대응하여, 수부 또는 족부에서의 바꿔 딛기 동작 또는 상면과의 끌기 동작 중 어느 하나를 선택적으로 이용하여, 보다 좁은 접지 다각형을 형성하도록 해도 된다.
보다 작은 접지 다각형을 순차적으로 형성해 가는 과정에서, 수부나 족부의 바꿔 딛기 동작만을 이용하는 경우, 바꿔 딛기 동작을 실현하기 위해서는 수부 또는 족부가 기상할 필요가 있으므로, 지지 다각형에 관여하지 않는 2 이상의 링크가 있어야하며, 기체의 자세에 의해서는 바꿔 딛기 동작을 행할 수 없는 경우가 있으므로, 이 경우에는 기상 동작 그 자체가 파탄하게 된다. 이것에 대하여, 더욱 수부나 족부의 끌기 동작을 이용하는 것에 의해, 기상 동작이 파탄되는 기회를 적게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 제2 측면은, 가동각을 구비하여 직립 자세에서 각식 작업을 행하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 장치 또는 동작 제어 방법에 있어서,
전도 시의 각 단계에서 기체에 인가되는 충격 모멘트를 산출하는 수단 또는 단계와,
전도 시의 각 단계에서 기체가 상면으로부터 받는 충격력을 산출하는 수단 또는 단계와,
기체의 접지점과 노면이 형성하는 지지 다각형의 면적 S를 산출하는 수단 또는 단계와,
상기 지지 다각형의 면적 S가 최소 또는 일정해 지도록 다음의 착상 부위를 선택하는 제1 착상 부위 탐색 수단 또는 단계와,
상기 지지 다각형의 면적 S가 증대하도록 다음의 착상 부위를 선택하는 제2 착상 부위 탐색 수단 또는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 장치 또는 동작 제어 방법이다.
이러한 경우, 제1 착상 부위 탐색 수단에 의해 지지 다각형의 면적 S가 최소 또는 일정하게 되도록 함으로써, 기체에 인가되는 충격 모멘트를 받아넘길 수 있다. 이 경우, 기체가 모든 점 또는 후퇴하여, 지지면 자체는 이동해도 된다. 한편, 제2 착상 부위 탐색 수단에 의해 지지 다각형의 면적 S가 급격히 증대하도록 착상 부위를 선택함으로써, 전도 시에 기체가 상면으로부터 받는 충격력을 완화시킬 수 있다. 따라서, 기체가 상면으로부터 받는 충격력이 소정의 허용값 내에 있으면 상기 제2 착상 부위 탐색 수단 또는 단계에 의해 기체의 전도 동작을 행하고, 허용값 밖이면 상기 제1 착상 부위 탐색 수단 또는 단계에 의해 기체의 전도 동작을 행하면 된다.
또한, 본 발명의 제3 측면은, 가동각을 구비하여 직립 자세에서 각식 작업을 행하는 각식 이동 로봇에서의 기체의 전도 및 기상에 관한 일련의 동작을 제어하는 동작 제어 장치 또는 동작 제어 방법으로서, 상기 각식 이동 로봇은 대략 평행한 관절 자유도를 갖는 복수의 관절축을 길이 방향으로 연결한 링크 구조체로 이루어지며,
전도 시에, 기체의 무게 중심이 되는 무게 중심 링크를 포함하는 2 이상의 링크가 접상한 마루 위 자세에서, 접상 링크가 형성하는 접지 다각형 내에서 가장 적은 링크 수로 형성되는 가장 좁은 지지 다각형을 탐색하는 수단 또는 단계와,
상기 최소로 되는 지지 다각형에 관여하지 않는 링크 수가 최대가 되는 부위에 ZMP를 설정하여 전도 동작을 행하는 수단 또는 단계와,
기체의 전도 자세에서 기상 가능한 링크를 탐색하는 수단 또는 단계와,
기상 가능한 링크를 모두 기상시켜 기상 동작을 행하는 수단 또는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 장치 또는 동작 제어 방법이다.
기체의 무게 중심이 요부에 존재하는 경우, 가장 작아지는 지지 다각형에 관여하지 않는 링크 수가 최대가 되는 부위에 ZMP를 설정할 수 있다. 이러한 전도·착상 동작 후, 기상 가능한 링크를 모두 기상시키는, 즉 하지와 체간의 쌍방을 부상시켜, 상체와 하지를 동시에 기상하고, 족부, 수부 등을 착상시킴으로써, 보다 적은 접지 다각형을 적은 단계에서 형성할 수 있으므로, 보다 고속이고 효율적인기상 동작을 실현할 수 있다.
또한, 본 발명의 제3 측면은 체간부와, 상기 체간부와 접속되는 각부 및 상기 체간부와 접속되는 완부를 갖는 로봇 장치에서,
상기 각부, 상기 체간부, 및/또는 상기 완부가 상면과 접상하는 복수의 단부로 형성되는 제1 지지 다각형을 검출하는 지지 다각형 검출 수단과,
상기 각부를 상기 체간부 방향으로 굴곡시키는 것에 의해, 상기 제1 지지 다각형의 면적을 감소시키는 지지 다각형 변경 수단과,
상기 변경된 제1 지지 다각형 내에 있는 ZMP를, 상기 각부의 발바닥으로 형성하는 접지 다각형으로, 상기 ZMP를 이동 가능한지의 여부를 판단하는 ZMP 이동 제어 수단과,
상기 ZMP 이동 제어 수단이 상기 ZMP를 이동할 수 있다고 판단했을 때에, 상기 ZMP를 상기 제1 지지 다각형 내로부터, 상기 발바닥이 형성하는 상기 접지 다각형 내로 유지하면서 전도 자세로부터 기본 자세로 상기 로봇 장치를 천이시키는 제어 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 장치이다.
또한, 본 발명의 제4 측면은 적어도 동체와, 상기 동체의 상측에 제1 관절(어깨)을 통해 연결되는 1개 이상의 팔 링크와 상기 동체의 하방에 제2 관절(허벅지 관절)을 통하여 연결되는 제1 다리 링크와, 상기 제2 다리 링크의 선단에 제3 관절(무릎)을 통하여 연결되는 제2 다리 링크를 구비한 각식 이동 로봇에 있어서,
상기 팔 링크의 선단과 상기 제2 다리 링크 선단의 족부를 접상시켜 제1 지지 다각형을 형성하는 수단과,
상기 팔 링크의 선단과 상기 족부를 접상시킨 상태에서, 제2 관절을 제3 관절보다도 접상면 법선 방향의 상방으로 이동시킨 후, 상기 제1 지지 다각형의 면적을 감소시키고, 또한 상기 족부에 의해 형성되는 접지 다각형 내에 ZMP를 이동시키는 수단과,
상기 족부에 의해 형성되는 접지 다각형 내에 ZMP를 유지하면서, 기체를 직립시키는 수단,
을 포함하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇이다.
본 발명에 따른 로봇 장치에 따르면, 지지 다각형의 면적을 작게 하면서 전도 자세로부터 직립 자세로 복귀하므로, 각부 등의 관절 액추에이터는 비교적 토크로 기상 동작을 실현할 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적, 특징이나 이점은, 후술하는 본 발명의 실시 형태나 첨부하는 도면에 기초한 보다 상세한 설명에 의해 분명해질 것이다.
본 발명은, 다수의 관절 자유도를 갖는 각식 이동 로봇의 동작 제어 장치 및 동작 제어 방법, 및 로봇 장치에 관한 것으로, 특히 복수의 가동각(可動脚)을 구비하여 기본적인 직립 자세를 갖는 각식 이동 로봇의 동작 제어 장치 및 동작 제어 방법, 및 로봇 장치에 관한 것이다.
더 자세히 설명하면, 본 발명은 ZMP(Zero Moment Point)를 자세 안정도 판별 규범에 이용하여 운동 중인 기체의 자세를 안정화 제어하는 각식 이동 로봇을 위한 동작 제어 장치 및 동작 제어 방법에 관한 것으로, 특히 전도·낙하 도중의 기체 전체의 운동 제어에 의해 로봇이 입는 손해를 최소한으로 경감시킴과 함께, 비교적 적은 토크로 안정된 동작에 의해 뒤로 젖히거나 부복하는 등 마루 위 자세로부터 직립 자세를 회복하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 장치 및 동작 제어 방법, 및 로봇 장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 실시에 의한 각식 이동 로봇이 직립하고 있는 모습을 전방에서 조망한 모습을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 실시에 의한 각식 이동 로봇이 직립하고 있는 모습을 후방에서 조망한 모습을 도시한 도면.
도 3은 각식 이동 로봇이 구비하는 관절 자유도 구성을 모식적으로 도시한 도면.
도 4는 각식 이동 로봇(100)의 제어 시스템 구성을 모식적으로 도시한 도면.
도 5는 각식 이동 로봇(100)의 운동계가 갖는 기본 상태 천이를 도시한 도면.
도 6은 각식 이동 로봇(100)의 기본 뒤로 젖히는 자세를 도시한 도면.
도 7은 각식 이동 로봇(100)의 기본 부복 자세를 도시한 도면.
도 8은 각식 이동 로봇(100)의 기본 직립 자세를 도시한 도면.
도 9는 각식 이동 로봇(100)의 기본 보행 자세를 도시한 도면.
도 10은 각식 이동 로봇(100)의 다질점 근사 모델을 도시한 도면.
도 11은 다질점 모델의 요부 주변의 확대도를 도시한 도면.
도 12는 각식 이동 로봇(100)에서 안정 보행 가능한 기체 운동을 생성하기 위한 처리 절차를 도시한 흐름도.
도 13은 각식 이동 로봇(100)에서의 각식 작업 중인 기체의 동작 제어의 개략적인 처리 절차를 도시한 흐름도.
도 14는 기체의 전도 시에 지지 면적을 유지하는 원리를 설명하기 위한 도면.
도 15는 기체의 상면 낙하 시의 지지 다각형이 최대가 되는 원리를 설명하기 위한 도면.
도 16은 각식 이동 로봇(100)이 후방 즉 뒤로 젖힌 자세를 향하여 전도하는 경우에, 전도 시의 지지 면적을 유지하는 동작을 설명하기 위한 도면.
도 17은 각식 이동 로봇(100)이 후방 즉 뒤로 젖힌 자세를 향하여 전도하는 경우에, 전도 시의 지지 면적을 유지하는 동작을 설명하기 위한 도면.
도 18은 각식 이동 로봇(100)이 전방 즉 부복 자세를 향하여 전도하는 경우에, 전도 시의 지지 면적을 유지하는 동작을 설명하기 위한 도면.
도 19는 각식 이동 로봇(100)이 전방 즉 부복 자세를 향하여 전도하는 경우에, 전도 시의 지지 면적을 유지하는 동작을 설명하기 위한 도면.
도 20은 본 실시 형태에 따른 각식 이동 로봇(100)이 족부의 계획 불능을 위해 전도 동작을 행하기 위한 처리 절차를 도시한 흐름도.
도 21은 각식 이동 로봇(100)이 어깨 관절 피치축(4), 체간 피치축(9), 허벅지 관절 피치축(12), 무릎 관절 피치축(14) 등의 높이 방향으로 연결된 대략 평행한 복수의 관절축으로 이루어지는 링크 구조체로서 모델화하여, 각 관절 피치축을 동기 강조적으로 구동시켜 뒤로 젖힌 자세를 향하여 전도해 가는 동작을 도시한 도면.
도 22∼도 38은 각식 이동 로봇(100)이 직립 자세로부터 뒤로 젖힌 자세로 전도해 가는 모습을 도시한 측면도.
도 39∼도 55는 각식 이동 로봇(100)이 직립 자세로부터 뒤로 젖힌 자세로 전도해 가는 모습을 도시한 사시도.
도 56은 각식 이동 로봇(100)이 어깨 관절 피치축(4), 체간 피치축(9), 허벅지 관절 피치축(12), 무릎 관절 피치축(14) 등의 높이 방향으로 연결된 대략 평행한 복수의 관절축으로 이루어지는 링크 구조체로서 모델화하여, 각 관절 피치축을 동기 강조적으로 구동시켜 부복 자세를 향하여 전도해 가는 동작을 도시한 도면.
도 57∼도 73은 각식 이동 로봇(100)이 직립 자세로부터 부복 자세로 전도해가는 모습을 도시한 측면도.
도 74∼도 90은 각식 이동 로봇(100)이 직립 자세로부터 부복 자세로 전도해 가는 모습을 도시한 사시도.
도 91은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 각식 이동 로봇(100)이 어깨 관절 피치축(4), 체간 피치축(9), 허벅지 관절 피치축(12), 무릎 관절 피치축(14)을 동기 강조적으로 구동시켜 기상 동작을 행하기 위한 처리 절차를 도시한 흐름도.
도 92는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 각식 이동 로봇(100)이 어깨 관절 피치축(4), 체간 피치축(9), 허벅지 관절 피치축(12), 무릎 관절 피치축(14)을 동기 강조적으로 구동시켜 뒤로 젖힌 자세로부터 기상 동작을 행하는 모습을 관절 링크 모델로 도시한 도면.
도 93은 체간 피치축을 구비하고 있지 않은 타입의 각식 이동 로봇에서 복수의 관절 피치축의 동기 구동에 의해 뒤로 젖힌 자세로부터 기상 동작을 행하는 모습을 도시한 도면.
도 94∼도 111은 각식 이동 로봇(100)이 기본 뒤로 젖힌 자세로부터 기상하는 모습을 도시한 측면도.
도 112∼도 129는 각식 이동 로봇(100)이 기본 뒤로 젖힌 자세로부터 기상하는 모습을 도시한 사시도.
도 130은 좌우의 손끝을 동체 후방에서 착상하는 일련의 동작의 변형예를 도시한 도면.
도 131은 좌우의 손끝을 동체 후방에서 착상하는 일련의 동작의 변형예를 도시한 도면.
도 132는 도 130 및 도 131에 도시한 팔의 동작을 설명하기 위한 도면.
도 133은 도 92에 도시한 각식 이동 로봇을 링크 구조체로 치환하여 일반화하여 도시한 도면.
도 134는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 각식 이동 로봇(100)이 어깨 관절 피치축(4), 체간 피치축(9), 허벅지 관절 피치축(12), 무릎 관절 피치축(14)을 동기강조적으로 구동시켜 부복 자세로부터 기상 동작을 행하는 모습을 관절 링크·모델로 도시한 도면.
도 135는 각식 이동 로봇(100)이 기본 뒤로 젖힌 자세로부터 기상하는 모습을 도시한 측면도.
도 136∼도 153은 각식 이동 로봇(100)이 기본 뒤로 젖힌 자세로부터 기상하는 모습을 도시한 측면도.
도 154∼도 172는 각식 이동 로봇(100)이 기본 부복 자세로부터 기상하는 모습을 도시한 사시도.
도 173은 지지 다각형이 충분히 좁게 되었는지의 여부를 판단하기 위한 처리 절차를 도시한 흐름도.
도 174는 수부나 족부의 바꿔 딛기 동작과 끌기 동작을 이용한 기상 오퍼레이션을 도시한 흐름도.
도 175∼도 191은 각식 이동 로봇(100)이 수부나 족부의 바꿔 딛기 동작과 끌기 동작을 이용하면서 기본 부복 자세로부터 일어서는 모습을 도시한 측면도.
도 192∼도 198은 전도 동작과 연속하여 기상하는 경우의 기체의 일련의 동작을 도시한 도면.
도 199는 가장 적은 지지 다각형에 관여하지 않는 링크 수가 최대가 되는 링크와 그 부위를 탐색하기 위한 처리 절차를 도시한 흐름도.
<발명을 실시하기 위한 최량의 형태>
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시 형태에 대하여 상세히 설명한다.
A. 각식 이동 로봇의 기계적 구성
도 1 및 도 2에는 본 발명의 실시에 의한 「인간 형상」 또는 「인간형」의 각식 이동 로봇(100)이 직립하고 있는 모습을 전방 및 후방 각각으로부터 조망한 모습을 도시하고 있다. 도시한 바와 같이, 각식 이동 로봇(100)은 동체부와, 머리부와, 좌우의 상지부와, 각식 이동을 행하는 좌우 두발의 하지부로 구성되는데, 예를 들면 동체에 내장되어 있는 제어부(도시 생략)에 의해 기체의 동작을 통괄적으로 컨트롤하도록 되어 있다.
좌우 각각의 하지는, 대퇴부와, 무릎 관절과, 정강이부와, 발목과, 발바닥으로 구성되고, 허벅지 관절에 의해 체간부의 대략 최하단에서 연결되어 있다. 또한, 좌우 각각의 상지는 상완과, 팔꿈치 관절과, 전완으로 구성되며, 어깨 관절에 의해 체간부의 상방의 좌우 각 측연에서 연결되어 있다. 또한, 머리부는 목 관절에 의해 체간부의 대략 최상단 중앙에 연결되어 있다.
제어부는 이 각식 이동 로봇을 구성하는 각 관절 액추에이터의 구동 제어나 각 센서(후술) 등으로부터의 외부 입력을 처리하는 컨트롤러(주 제어부)나, 전원회로 그 밖의 주변 기기류를 탑재한 케이싱이다. 제어부는 그 외에 원격 조작용의 통신 인터페이스나 통신 장치를 포함해도 된다.
이와 같이 구성된 각식 이동 로봇은 제어부에 의한 전신 협조적인 동작 제어에 의해, 두발 보행을 실현할 수 있다. 이러한 두발 보행은, 일반적으로 이하에 기재하는 각 동작 기간으로 분할되는 보행 주기를 반복하는 것에 의해 행해진다. 즉,
(1) 우측 다리를 들어 올린, 좌측 다리에 의한 단각 지지기
(2) 오른발이 접지한 양각 지지기
(3) 좌측 다리를 들어 올린, 우측 다리에 의한 단각 지지기
(4) 왼발이 접지한 양각 지지기
각식 이동 로봇(100)에서의 보행 제어는 미리 하지의 목표 궤도를 계획하고, 상기의 각 기간에서 계획 궤도의 수정을 행하는 것에 의해 실현된다. 즉, 양각 지지기에서는 하지 궤도의 수정을 정지하여, 계획 궤도에 대한 총 수정량을 이용하여 허리의 높이를 일정값으로 수정한다. 또한, 단각 지지기에서는 수정을 받은 다리의 발목과 허리와의 상대 위치 관계를 계획 궤도로 복귀시키도록 수정 궤도를 생성한다.
보행 동작의 궤도 수정을 비롯하여, 기체의 자세 안정 제어에는 일반적으로 ZMP에 대한 편차를 작게 하기 위한 위치, 속도, 및 가속도가 연속이 되도록, 5차 다항식을 이용한 보간 계산에 의해 행한다. ZMP(Zero Moment Point)를 보행의 안정도 판별의 규범으로서 이용하고 있다. ZMP에 의한 안정도 판별 규범은 보행계로부터 노면에는 중력과 관성력, 및 이들의 모멘트가 노면으로부터 보행계로의 반작용으로서의 상반력 및 상반력 모멘트와 밸런스를 이루는 「달랑베르의 원리」에 기초한다. 역학적 추론의 귀결로서, 발바닥 접지점과 노면이 형성하는 지지 다각형(즉 ZMP 안정 영역)의 변 위 혹은 그 내측에 피치축 및 롤축 모멘트가 제로로 되는 점, 즉「ZMP(Zero Moment Point」가 존재한다.
도 3에는 이 각식 이동 로봇(100)이 구비하는 관절 자유도 구성을 모식적으로 도시하고 있다. 도 3에 도시한 바와 같이, 각식 이동 로봇(100)은 2개의 완부와 머리부(1)를 포함하는 상지와, 이동 동작을 실현하는 2개의 각부로 이루어지는 하지와, 상지와 하지를 연결하는 체간부로 구성된, 복수의 사지를 구비한 구조체이다.
머리부를 지지하는 목 관절(Neck)은 목 관절 요우축(1)과, 제1 및 제2 목 관절 피치축(2A 및 2B)과, 목 관절 롤축(3)이라는 4 자유도를 갖고 있다.
또한, 각 완부는 그 자유도로서, 어깨(Shoulder)에서의 어깨 관절 피치축(4)과, 어깨 관절 롤축(5)과, 상완 요우축(6), 팔꿈치(Elbow)에서의 팔꿈치 관절 피치축(7)과, 손목(Wrist)에서의 손목 관절 요우축(8)과 수부로 구성된다. 수부는 실제로는 복수개의 손가락을 포함하는 다관절·다자유도 구조체이다.
또한, 체간부(Trunk)는 체간 피치축(9)과, 체간 롤축(10)이라는 2 자유도를 갖는다.
또한, 하지를 구성하는 각각의 각부는 허벅지 관절(Hip)에서의 허벅지 관절 요우축(11)과, 허벅지 관절 피치축(12)과, 허벅지 관절 롤축(13)과, 무릎(Knee)에서의 무릎 관절 피치축(14)과, 발목(Ankle)에서의 발목 관절 피치축(15)과, 발목 관절 롤축(16)과, 족부로 구성된다.
단, 엔터테인먼트에 적합한 각식 이동 로봇(100)이 상술한 모든 자유도를 장비하거나, 혹은 이것에 한정받아야 할 이유도 없다. 설계·제작 상의 제약 조건이나 요구 사양 등에 응하여, 자유도 즉 관절 수를 적절하게 증감시킬 수도 있다.
상술한 바와 같은 각식 이동 로봇(100)이 갖는 각 자유도는 실제로는 액추에이터를 이용하여 실장된다. 외관상에서 여분의 팽창을 배제하여 인간의 자연체 형상과 근사시키는 것, 두발 보행이라는 불안정 구조체에 대하여 자세 제어를 행하는 것 등의 요청으로부터, 엑추에이터는 소형 또는 경량인 것이 바람직하다. 본 실시 형태에서는, 기어 직결형이고 또한 서보 제어계를 원 칩화하여 모터·유닛에 내장된 타입의 소형 AC 서보·액추에이터를 탑재하기로 하였다(이 종류의 AC 서보·액추에이터에 관해서는, 예를 들면 본 출원인에게 이미 양도되어 있는 일본 특개2000-299970호 공보에 개시되어 있음). 본 실시 형태에서는 직결 기어로서 저감속 기어를 채용하는 것에 의해, 인간과의 물리적 인터액션을 중시하는 타입의 로봇에 요구되고 있는 구동계 자신의 수동적 특성을 얻고 있다.
B. 각식 이동 로봇의 제어 시스템 구성
도 4에는, 각식 이동 로봇(100)의 제어 시스템 구성을 모식적으로 도시하고 있다. 도 4에 도시한 바와 같이, 각식 이동 로봇(100)은 인간의 사지를 표현한 각 기구 유닛(30, 40, 50R/L, 60R/L)과, 각 기구 유닛 사이의 협조 동작을 실현하기 위한 적응 제어를 행하는 제어 유닛(80)으로 구성된다(단, R 및 L 각각은 우측 및좌측의 각각을 도시하는 접미사임. 이하 동일).
각식 이동 로봇(100) 전체의 동작은, 제어 유닛(80)에 의해 통괄적으로 제어된다. 제어 유닛(80)은 CPU(Central Processing Unit)나 메모리 등의 주요 회로 콤포넌트(도시 생략)로 구성되는 주제어부(81)와, 전원 회로나 로봇(100)의 각 구성 요소와의 데이터나 커맨드의 수수를 행하는 인터페이스(모두 도시하지 않음) 등을 포함한 주변 회로(82)로 구성된다.
본 발명을 실현하는 데에 있어서, 이 제어 유닛(80)의 설치 장소는 특별히 한정되지 않는다. 도 4에서는 체간부 유닛(40)에 탑재되어 있지만, 머리부 유닛(30)에 탑재해도 된다. 혹은, 각식 이동 로봇(100)밖에 제어 유닛(80)을 배치하여, 각식 이동 로봇(100)의 기체와는 유선 혹은 무선으로 교신하도록 해도 된다.
도 3에 도시한 각식 이동 로봇(100) 내의 각 관절 자유도는 각각에 대응하는 액추에이터에 의해 실현된다. 즉, 머리부 유닛(30)에는 목 관절 요우축(1), 제1 및 제2 목 관절 피치축(2A 및 2B), 목 관절 롤축(3) 각각을 표현하는 목 관절 요우축 액추에이터 A1, 제1 및 제2 목 관절 피치축 액추에이터 A2A, A2B, 목 관절 롤축 액추에이터 A3이 각각 배치되어 있다.
또한, 체간부 유닛(40)에는 체간 피치축(9), 체간 롤축(10) 각각을 표현하는 체간 피치축 액추에이터 A9, 체간 롤축 액추에이터 A10이 배치되어 있다.
또한, 완부 유닛(50R/L)은, 상완 유닛(51R/L)과, 팔꿈치 관절 유닛(52R/L)과, 전완 유닛(53R/L)으로 세분화되지만, 어깨 관절 피치축(4), 어깨 관절롤축(5), 상완 요우축(6), 팔꿈치 관절 피치축(7), 손목 관절 요우축(8) 각각을 표현하는 어깨 관절 피치축 액추에이터 A4, 어깨 관절 롤축 액추에이터 A5, 상완 요우축 액추에이터 A6, 팔꿈치 관절 피치축 액추에이터 A7, 손목 관절 요우축 액추에이터 A8이 배치되어 있다.
또한, 각부 유닛(60R/L)은 대퇴부 유닛(61R/L)과, 무릎 유닛(62R/L)과, 정강이부 유닛(63R/L)으로 세분화되지만, 허벅지 관절 요우축(11), 허벅지 관절 피치축(12), 허벅지 관절 롤축(13), 무릎 관절 피치축(14), 발목 관절 피치축(15), 발목 관절 롤축(16) 각각을 표현하는 허벅지 관절 요우축 액추에이터 A11, 허벅지 관절 피치축 액추에이터 A12, 허벅지 관절 롤축 액추에이터 A13, 무릎 관절 피치축 액추에이터 A14, 발목 관절 피치축 액추에이터 A15, 발목 관절 롤축 액추에이더 A16이 배치되어 있다.
각 관절에 이용되는 액추에이터 A1, A2, A3…은, 보다 바람직하게는 기어 직결형이고 또한 서보 제어계를 원 칩화하여 모터·유닛 내에 탑재한 타입의 소형 AC 서보·액추에이터(상술)로 구성할 수 있다.
머리부 유닛(30), 체간부 유닛(40), 완부 유닛(50), 각 각부 유닛(60) 등의 각 기구 유닛마다 액추에이터 구동 제어용의 부제어부(35, 45, 55, 65)가 배치되어 있다.
기체의 체간부(40)에는 가속도 센서(95)와 자세 센서(96)가 배치되어 있다.가속도 센서(95)는 X, Y, Z 각 축방향으로 배치한다. 기체의 요부에 가속도 센서(95)를 배치하는 것에 의해, 질량 조작량이 큰 부위인 요부를 제어 목표점으로서 설정하여, 그 위치에서의 자세나 가속도를 직접 계측하여, ZMP에 기초한 자세 안정 제어를 행할 수 있다.
또한, 각 각부(60R, L)에는 접지 확인 센서(91 및 92)와, 가속도 센서(93, 94)가 각각 배치되어 있다. 접지 확인 센서(91 및 92)는, 예를 들면 발바닥에 압력 센서를 장착하는 것에 의해 구성되며, 상반력의 유무에 의해 발바닥이 착상되었는지의 여부를 검출할 수 있다. 또, 가속도 센서(93, 94)는 적어도 X 및 Y의 각 축 방향에 배치한다. 좌우의 족부에 가속도 센서(93, 94)를 배치하는 것에 의해, ZMP 위치에 가장 가까운 족부에서 직접 ZMP 방정식을 세울 수 있다.
질량 조작량이 큰 부위인 요부에만 가속도 센서를 배치한 경우, 요부만이 제어 목표점에 설정되고, 족부의 상태는 이 제어 목표점의 계산 결과에 기초하여 상대적으로 산출해야하며, 족부와 노면과의 사이에서는 이하의 조건을 충족시키는 것이, 전제로 된다.
(1) 노면은 어떤 힘이나 토크가 작용해도 움직이지 않는다.
(2) 노면에서의 병진에 대한 마찰 계수는 충분히 커서, 미끄러짐이 발생하지 않는다.
이것에 대하여, 본 실시 형태에서는 노면과의 접촉 부위인 족부에 ZMP와 힘을 직접하는 반력 센서·시스템(상반력 센서 등)을 배치함과 함께, 제어에 이용하는 로컬 좌표와 그 좌표를 직접적으로 계측하기 위한 가속도 센서를 배치한다. 이결과, ZMP 위치에 가장 가까운 족부로 직접 ZMP 방정식을 세울 수 있어, 상술한 바와 같은 전제 조건에 의존하지 않는, 보다 엄밀한 자세 안정 제어를 고속으로 실현할 수 있다. 그 결과, 힘이나 토크가 작용하면 노면이 움직이는 모래 위나 털이 긴 융단 위나, 병진의 마찰 계수를 충분히 확보할 수 없으므로 미끄러짐이 발생하기 쉬운 주거의 타일 등에서도, 기체의 안정 보행(운동)을 보증할 수 있다.
주 제어부(80)는, 각 센서(91∼96)의 출력에 응답하여 제어 목표를 동적으로 보정할 수 있다. 더 구체적으로 설명하면, 부제어부(35, 45, 55, 65) 각각에 대하여 적응적인 제어를 행하고, 각식 이동 로봇(100)의 상지, 체간, 및 하지가 협조하여 구동하는 전신 운동 패턴을 실현한다.
로봇(100)의 기체 상에서의 전신 운동은 족부 운동, ZMP(Zero Moment Point) 궤도, 체간 운동, 상지 운동, 요부 높이 등을 설정함과 함께, 이들의 설정 내용에 따른 동작을 지시하는 커맨드를 각 부제어부(35, 45, 55, 65)로 전송한다. 그리고, 각각의 부제어부(35, 45, …)에서는, 주제어부(81)로부터의 수신 커맨드를 해석하여, 각 액추에이더 A1, A2, A3, …에 대하여 구동 제어 신호를 출력한다. 여기서 말하는 「ZMP」란, 보행 중인 상반력에 의한 모멘트가 제로로 되는 상면 상의 점을 의미하며, 또한 「ZMP 궤도」란, 예를 들면 로봇(100)의 보행 동작 기간 중에 ZMP가 움직이는 궤적을 의미한다.
C. 각식 이동 로봇의 운동계 기본 상태 천이
본 실시 형태에 따른 각식 이동 로봇(100)의 제어 시스템은, 복수의 기본 자세를 정의한다. 각각의 기본 자세는 기체의 안정성이나, 소비 에너지, 다음 상태로의 천이를 고려하여 정의되며, 기본 자세 사이의 천이라고 하는 형태에 의해 기체 운동을 효율적으로 제어할 수 있다.
도 5에는 본 실시 형태에 따른 각식 이동 로봇(100)의 운동계가 갖는 기본 상태 천이를 도시하고 있다. 도 5에 도시한 바와 같이, 각식 이동 로봇은 기본 뒤로 젖힌 자세, 기본 직립 자세, 기본 보행 자세, 기본 착석 자세, 기본 부복 자세가 각각 뒤로 젖혔을 때, 입각했을 때, 보행 준비할 때, 착석할 때, 및 부복했을 때의 기체의 안정성이나, 소비 에너지, 다음 상태로의 천이를 고려하여 정의되어 있다.
이들 기본 자세는, 기체의 동작 제어 프로그램의 플랫폼에 포지셔닝된다. 또한, 각식 이동 로봇은 직립 자세 등에서 보행이나 도약, 댄스 등 전신 동작을 이용한 각종 퍼포먼스를 행하지만, 그 장치 제어 프로그램은 플랫폼상에서 동작하는 어플리케이션으로서 포지셔닝된다. 이들 어플리케이션·프로그램은 외부 기억으로부터 수시로 로드되며, 주제어부(81)에 의해 실행된다.
도 6에는 각식 이동 로봇(100)의 기본 뒤로 젖힌 자세를 도시하고 있다. 본 실시 형태에서는 기체에의 전원 투입시에는 기본 뒤로 젖힌 자세를 취하고, 전도 등의 우려없이 기계 운동적으로 가장 안정된 상태로부터의 기동을 행할 수 있다. 또한, 각식 이동 로봇은 기동 시뿐만 아니라 시스템 동작의 종료 시에도 기본 뒤로 젖힌 자세로 복귀하게 되어 있다. 따라서, 기계 운동학적으로 기체가 가장 안정된 상태에서 작업을 개시함과 함께, 가장 안정된 상태에서 작업을 종료하기 때문에,각식 이동 로봇의 동작 오퍼레이션은 자기 완결적으로 된다.
물론, 기체의 전도 시에도, 마루 위에서의 소정의 모션을 거쳐 일단 기본 뒤로 젖힌 자세로 되돌아간 후에, 규정의 기상 동작을 실행하는 것에 의해, 기본 직립 자세를 통해 작업 중단 시의 원래의 자세를 회복할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 따른 각식 이동 로봇(100)은 마루 위에서의 기본 자세로서, 기본 뒤로 젖힌 자세 외에, 도 7에 도시한 바와 같은 기본 부복 자세를 갖추고 있다. 이 기본 부복 자세는, 기본 뒤로 젖힌 자세와 마찬가지로 기계 운동학적으로 기체가 가장 안정된 상태이며, 전원이 차단된 탈력 상태에서도 자세 안정성을 유지할 수 있다. 예를 들면, 각식 작업에서 예측할 수 없는 외력 등에 의해 기체가 전도된 경우, 뒤로 젖히거나 부복하는 등 어느 한 상태에서 낙하할지 불명확하므로, 본 실시 형태에서는 이와 같이 2가지의 마루 위 기본 자세를 규정하고 있다.
기본 뒤로 젖힌 자세와 기본 부복 자세 사이에는, 각종 마루 위 자세를 거쳐 가역적으로 천이할 수 있다. 반대로 말하면, 이들 기본 뒤로 젖힌 자세와 기본 부복 자세를 기준으로 하여 각종 마루 위 자세로 원활하게 상태 천이할 수 있다.
기본 뒤로 젖히는 자세는, 기계 운동학적으로는 가장 안정된 기본 자세이지만, 각식 작업을 고려한 경우, 원활한 상태 천이를 행할 수는 없다. 따라서, 도 8에 도시한 바와 같은 기본 직립 자세가 정의되고 있다. 기본 직립 자세를 정의함으로써, 그 후의 각식 작업으로 부드럽게 이행할 수 있다.
기본 직립 자세는 직립 상태에서 가장 안정된 상태로서, 자세 안정 제어를 위한 계산기 부하나 소비 전력이 최소 또는 극소로 된 자세이며, 무릎을 펴는 것에의해 직립 상태를 유지하기 위한 모터·토크를 최소한으로 억제하고 있다. 이 기본 직립 자세로부터 각종 직립 자세로 원활하게 상태 천이하여, 예를 들면 상지를 이용한 댄스·퍼포먼스 등을 실연할 수 있다.
한편, 기본 직립 자세는 자세 안정성이 우수하지만 이대로 보행 등 각식 작업으로 이행하기 위해서는 최적화되어 있지 않다. 따라서, 본 실시 형태에 따른 각식 이동 로봇은 입각 상태의 다른 기본 자세로서, 도 9에 도시한 바와 같은 기본 보행 자세를 정의하고 있다.
기본 직립 자세에서, 허벅지 관절, 무릎 관절, 및 발목 관절의 각 피치축(12, 14, 15)을 구동하여, 기체의 무게 중심 위치를 조금 떨어뜨린 모습으로 하는 것에 의해, 기본 보행 자세로 천이한다. 기본 보행 자세에서는, 통상의 보행 동작을 비롯하여 각종 각식 동작으로의 천이를 원활하게 행할 수 있다. 단, 무릎을 굴곡시킨 만큼, 이 자세를 유지하기 위한 토크가 여분으로 필요하게 되기 때문에, 기본 보행 자세는 기본 직립 자세에 비하여 소비 전력은 증대한다.
기본 직립 자세는 기체의 ZMP 위치는 ZMP 안정 영역의 중심 부근에 있으며, 무릎의 굴곡각이 작으므로 에너지 소비량이 낮은 자세이다. 이것에 대하여, 기본 보행 자세에서는 ZMP 위치가 안정 영역의 중심 부근에 있지만, 높은 노면 적응성, 높은 외력 적응성을 확보하기 위해 무릎의 굴곡각을 비교적 크게 취하고 있다.
또한, 본 실시 형태에 따른 각식 이동 로봇(100)에서는, 흔히 기본 착석 자세가 정의되어 있다. 이 기본 착석 자세(도시 생략)에서는 소정의 의자에 걸터앉았을 때, 자세 안정 제어를 위한 계산기 부하나 소비 전력이 최소 또는 극소로 된자세이다. 상술한 바와 같이, 기본 뒤로 젖힌 자세, 기본 부복 자세, 및 기본 직립 자세로부터는 가역적으로 기본 자세로 천이할 수 있다. 또, 기본 착석 자세 및 기본 직립 자세로부터는 각종 착석 자세로 원활하게 이행할 수 있으며, 착석 자세에서 예를 들면 상태만을 이용한 각종 퍼포먼스를 실연할 수 있다.
D. 각식 이동 로봇의 자세 안정 제어
이어서, 본 실시 형태에 따른 각식 이동 로봇(100)에서의, 각식 작업시의 자세 안정화 처리, 즉 족부, 허리, 체간, 하지 운동 등으로 이루어지는 전신 협조 운동 실행 시의 자세의 안정화 처리의 절차에 대하여 설명한다.
본 실시 형태에 따른 자세 안정 제어는 ZMP를 자세 안정 제어에 이용한다. ZMP를 안정도 판별 규범에 이용한 로봇의 자세 안정도 제어는, 기본적으로는 발바닥 접지점과 노면이 형성하는 지지 다각형의 변 위 혹은 그 내측에 모멘트가 제로가 되는 점을 탐색하는 것에 있다. 즉, 로봇의 기체에 인가되는 각 모멘트의 균형 관계를 기술한 ZMP 방정식을 도출하여, 이 ZMP 방정식 상에서 나타나는 모멘트·에러를 부정하도록 기체의 목표 궤도를 수정한다.
본 실시 형태에서는, 로봇의 기체 상의 제어 목표점으로서 질량 조작량이 최대가 되는 부위, 예를 들면 요부를 로컬 좌표 원점으로 설정한다. 그리고, 이 제어 목표점에 가속도 센서 등의 계측 수단을 배치하고, 그 위치에서의 자세나 가속도를 직접 계측하여, ZMP에 기초한 자세 안정 제어를 행한다. 또한 노면과의 접촉 부위인 족부에 가속도 센서를 배치하는 것에 의해, 제어에 이용하는 로컬 좌표와 그 좌표를 직접 계측하여, ZMP 위치에 가장 가까운 족부로 직접 ZMP 방정식을 세울수 있다.
D-1. ZMP 방정식의 도입
본 실시 형태에 따른 각식 이동 로봇(100)은 무한 즉 연속적인 질점의 집합체이다. 단, 여기서는 유한수로 이산적인 질점으로 이루어지는 근사 모델로 치환하는 것에 의해, 안정화 처리를 위한 계산량을 삭감하도록 하고 있다. 더 구체적으로 설명하면 물리적으로는 도 3에 도시하는 다관절 자유도 구성을 구비하는 각식 이동 로봇(100)을 도 10에 도시한 바와 같이 다질점 근사 모델로 치환하여 취급한다. 도시한 근사 모델은, 선형이면서 또한 비간섭의 다질점 근사 모델이다.
도 10에서, O-XYZ 좌표계는 절대 좌표계에서의 롤, 피치, 요우 각 축을 나타내며, 또한 O'-X' Y' Z' 좌표계는 로봇(100)과 함께 움직이는 운동 좌표계에서의 롤, 피치, 요우 각 축을 나타내고 있다. 단, 도 10의 파라미터의 의미는 이하와 같다. 또한, 대쉬(')가 붙은 기호는 운동 좌표계를 기술하는 것으로 이해하기 바란다.
도 10에 도시하는 다질점 모델에서는, i는 i 번째로 주어진 질점을 나타내는첨자이고, mi는 i 번째의 질점의 질량, ri'은 i 번째의 질점의 위치 벡터(단 운동 좌표계)를 나타내는 것으로 한다. 본 실시 형태에 따른 각식 이동 로봇(100)의 기체 무게 중심은 요부 부근에 존재한다. 즉, 요부는 질량 조작량이 최대가 되는 질점이며, 도 10에서는 그 질량은 mh, 그 위치 벡터(단 운동 좌표계)는 r'h(r'hx, r'hy, r'hz)로 한다. 또한, 기체의 ZMP의 위치 벡터(단 운동 좌표계)를 r'zmp(r'zmpx, r'zmpy, r'zmpz)로 한다.
세계 좌표계 O-XYZ는 절대 좌표계이며, 불변이다. 본 실시 형태에 따른 각식 이동 로봇(100)은 요부와 양각의 족부에 각각 가속도 센서(93, 94, 96)가 배치되어 있고, 이들 센서 출력에 의해 요부 및 입각 각각과 세계 좌표계의 상대 위치 벡터 rq가 직접 검출된다. 이것에 대하여, 운동 좌표계 즉 기체의 로컬 좌표계는 O-X' Y' Z'는 로봇 모두 움직인다.
다질점 모델은, 말하자면 와이어 프레임·모델의 형태에서 로봇을 표현한 것이다. 도 10을 보면 알 수 있듯이, 다질점 근사 모델은 양 어깨, 양 팔꿈치, 양 손목, 체간, 요부, 및, 양 발목 각각을 질점으로서 설정한다. 도시한 비엄밀의 다질점 근사 모델에서는, 모멘트식은 선형 방정식의 형식으로 기술되며, 모멘트식은 피치축 및 룰축에 관하여 간섭하지 않는다. 다질점 근사 모델은 대강 이하의 처리 절차에 의해 생성할 수 있다.
(1) 로봇(100) 전체의 질량 분포를 구한다.
(2) 질점을 설정한다. 질점의 설정 방법은, 설계자의 메뉴얼 입력이어도 무방하며, 소정의 규칙에 따른 자동 생성의 무엇이든 무방하다.
(3) 각 영역 i마다 무게 중심을 구하고, 그 무게 중심 위치와 질량 mi를 해당하는 질점에 부여한다.
(4) 각 질점 mi를, 질점 위치 ri를 중심으로 하고, 그 질량에 비례한 반경에 갖는 구체로서 표시한다.
(5) 현실에 연결 관계가 있는 질점 즉 구체끼리 연결한다.
또, 도 10에 도시하는 다질점 모델의 요부 정보에서의 각 회전각(θhx, θhy, θhz)는 각식 이동 로봇(100)에서의 요부의 자세 즉 롤, 피치, 요우축의 회전을 규정하는 것이다(도 11에는, 다질점 모델의 요부 주변의 확대도를 도시하고 있으므로, 확인바람).
기체의 ZMP 방정식은 제어 목표점에서 인가되는 각 모멘트의 균형 관계를 기술한 것이다. 도 5에 도시한 바와 같이, 기체를 다수의 질점 mi로 나타내고, 이들을 제어 목표점으로 한 경우, 모든 제어 목표점 mi에서 인가되는 모멘트의 총 합을 구하는 식이 ZMP 방정식이다.
세계 좌표계(O-XYZ)로 기술된 기체의 ZMP 방정식, 및 기체의 로컬 좌표계(O-X'Y'Z')는 각각 이하와 같다.
세계 좌표계로 기술된 ZMP 방정식 :
로컬 좌표계로 기술된 ZMP 방정식 :
상기 식은, 각 질점 mi에서 인가된 가속도 성분에 의해 생성되는 ZMP 주위(반경 ri-rzmp)의 모멘트의 총 합과, 각 질점 mi에 인가된 외력 모멘트 Mi의 총 합과, 외력 Fk에 의해 생성되는 ZMP 주위(k 번째의 외력 Fk의 작용점을 Sk로 함)의 모멘트의 총 합이 균형을 이룬다고 기술하고 있다.
이 ZMP 균형 방정식은 총 모멘트 보상량 즉 모멘트·에러 성분 T를 포함하고 있다. 이 모멘트·에러를 제로 또는 소정의 허용 범위 내로 억제하는 것에 의해, 기체의 자세 안정성이 유지된다. 즉, 모멘트·에러를 제로 또는 허용값 이하로 되도록 기체 운동(족부 운동이나 상반신의 각 부위의 궤도)을 수정하는 것이 ZMP를 안정도 판별 규범으로 한 자세 안정 제어의 본질이다.
본 실시 형태에서는, 요부와 좌우의 족부에 가속도 센서(96, 93 및 94)가 배치되어 있으므로, 이들의 제어 목표점에서의 가속도 계측 결과를 이용하여 직접적이면서 또한 고정밀도로 상기의 ZMP 균형 방정식을 도출할 수 있다. 그 결과, 고속이면서 보다 엄밀한 자세 안정 제어를 실현할 수 있다.
D-2. 전신 협조형의 자세 안정 제어
도 12에는 각식 이동 로봇(100)에서, ZMP를 안정도 판별 규범에 이용하여 안정 보행 가능한 기체 운동을 생성하기 위한 처리 절차를 흐름도의 형식으로 도시하고 있다. 단, 이하의 설명에서는 도 10 및 도 11에 도시한 바와 같은 선형·비간섭 다질점 근사 모델을 이용하여 각식 이동 로봇(100)의 각 관절 위치나 동작을 기술한다.
우선, 족부 운동의 설정을 행한다(단계 S1). 족부 운동은 2 이상의 기체의 포즈를 시계열적으로 연결되어 이루어지는 모션·데이터이다.
모션·데이터는, 예를 들면 족부의 각 관절각의 변위를 나타낸 관절 공간 정보와, 관절 위치를 나타낸 데카르트 공간 정보로 구성된다. 모션·데이터는 컨솔 화면 상에서의 착수금 입력이나, 기체에의 다이렉트·티칭(직접 교시) 예를 들면 모션 편집용의 허가·시스템상에서 구축할 수 있다.
이어서, 설정된 족부 운동에 기초하여 ZMP 안정 영역을 산출한다(단계 S2). ZMP는 기체에 인가되는 모멘트가 제로가 되는 점이며, 기본적으로는 발바닥 접지점과 노면이 형성하는 지지 다각형의 변 위 혹은 그 내측에 존재한다. ZMP 안정 영역은, 이 지지 다각형의 더 내측에 설정된 영역이며, 영역에 ZMP를 수용시키는 것에 의해 기체를 고도로 안정된 상태로 할 수 있다.
그리고, 족부 운동과 ZMP 안정 영역에 기초하여, 족부 운동 중의 ZMP 궤도를 설정한다(단계 S3).
또한, 기체의 상반신(허벅지 관절보다 상측)의 각 부위에 대해서는, 요부, 체간부, 상지, 머리부 등과 같이 그룹 설정한다(단계 S11).
그리고, 각 부위 그룹마다 희망 궤도를 설정한다(단계 S12). 상반신의 희망 기동의 설정은 족부인 경우와 마찬가지로, 콘솔 화면 상에서의 착수금 입력이나, 기체에의 다이렉트·티칭(직접 교시) 예를 들면 모션 편집용의 허가·시스템 상에서 구축할 수 있다.
이어서, 각 부위의 그룹 설정의 조정(재그룹화)을 행하고(단계 S13), 또한 이들 그룹에 대하여 우선 순위를 제공한다(단계 S14). 여기서 말하는 우선 순위란, 기체의 자세 안정 제어를 행하기 위한 처리 연산에 투입하는 순위를 의미하며, 예를 들면 질량 조작량에 응하여 할당된다. 그 결과, 기체 상반신에 대한 각 부위에 대한 우선 순위를 붙여 희망 궤도군이 완성된다.
또한, 기체 상반신의 각 부위 그룹마다 모멘트 보상에 이용할 수 있는 질량을 산출해 둔다(단계 S15).
그리고, 족부 운동과 ZMP 궤도, 및 상반신의 각 부위 그룹마다의 희망 기동군에 기초하여, 단계 S14에 의해 설정된 우선 순위에 따라, 각 부위 그룹의 운동 패턴을 자세 안정화 처리에 투입한다.
이 자세 안정화 처리에서는, 우선 처리 변수 i에 초기값 1을 대입한다(단계 S20). 그리고, 우선 순위가 선두에서 i 번째까지의 부위 그룹에 대한 목표 궤도 설정 시의 목표 ZMP 상에서의 모멘트량 즉 총 모멘트 보상량을 산출한다(단계 S21). 목표 궤도가 산출되어 있지 않은 부위에 대해서는 희망 궤도를 이용한다.
이어서, 단계 S15에서 산출된 해당 부위의 모멘트 보상에 이용할 수 있는 질량을 이용하여, 그 모멘트 보상량을 설정하여(단계 S22), 모멘트 보상량을 산출한다(단계 S23).
이어서, 산출된 i 번째의 부위의 모멘트 보상량을 이용하여, i 번째의 부위에 대한 ZMP 방정식을 도출하여(단계 S24), 해당 부위의 모멘트 보상 운동을 산출하는 것에 의해(단계 S25), 우선 순위가 선두에서 i 번째까지의 부위에 대한 목표 궤도를 얻을 수 있다.
이러한 처리를 모든 부위 그룹에 대하여 행하는 것에 의해, 안정 운동(예를 들면 보행)이 가능한 전신 운동 패턴이 생성된다.
요부와 좌우의 족부에 각각 가속도 센서(96, 93 및 94)가 배치되어 있으므로, 이들 제어 목표점에서의 가속도 계측 결과를 이용하여 직접적으로 또한 고정밀도로 상기한 ZMP 균형 방정식을 도출할 수 있다. 그 결과, 도 12에 도시한 바와 같은 처리 절차에 따라 ZMP 안정도 판별 규범에 기초한 자세 안정 제어를 고속이면서 보다 엄밀히 실행할 수 있다.
E. 각식 이동 로봇의 전도 오퍼레이션
전항 D에서 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 각식 이동 로봇(100)은, 기본적으로는 ZMP 안정도 판별 규범에 기초하여 보행 시나 그 밖의 입각 작업 시의 자세 안정 제어를 행하여, 기체의 전도라는 사태의 발생을 최소한으로 억제하도록 하고 있다.
그러나, 만일 전도를 피할 수 없게 된 경우에는 기체에의 손상을 극력 방지하는 동작 패턴으로 이루어지는 전도 동작을 행하는 것으로 한다. 예를 들면, 상술한 ZMP 균형 방정식에서, 과대한 외력 F 또는 외력 모멘트 M이 기체에 인가된 경우, 기체 동작만 의해 모멘트·에러 성분 T를 캔슬할 수 없게 되어, 자세의 안정성을 유지할 수 없게 된다.
도 13에는, 본 실시 형태에 따른 각식 이동 로봇(100)에서의 각식 작업 중인 기체의 동작 제어의 개략적인 처리 절차를 흐름도의 형식으로 도시하고 있다.
기체 동작 중에는 좌우의 족부에 배치한 접지 확인(상반력) 센서(91 및 92), 가속도 센서(93 및 94), 요부에 배치한 가속도 센서(96)의 센서 출력을 이용하여, ZMP 균형 방정식(상술)을 세워, 요부, 하지 궤도를 항상 계산한다(단계 S31).
예를 들면, 기체에 외력이 인가되었을 때, 다음의 요부, 하지 궤도를 계획할 수 있는지의 여부, 즉 족부의 행동 계획에 의해 외력에 의한 모멘트·에러를 해소 할 수 있는지의 여부를 판별한다(단계 S32). 요부, 하지 궤도를 계획할 수 있는지의 여부는 각부의 각 관절의 가동각, 각 관절 액추에이터의 토크, 관절력, 각속도, 각가속도 등을 고려하여 판단한다. 물론, 외력이 가해졌을 때에, 다음 일보뿐만 아니라, 수보에 걸친 각식 동작에 의해 모멘트·에러를 해소하도록 해도 된다.
이 때, 족부의 계획이 가능하면, 보행이나 그 밖의 각식 동작을 계속한다(단계 S33).
한편, 과대한 외력 또는 외력 모멘트가 기체에 인가되었기 때문에, 족부의 계획이 불가능하게 된 경우에는 각식 이동 로봇(100)은 전도 동작을 개시한다(단계 S34).
도 1∼도 2에 도시한 바와 같은 직립 보행형의 각식 로봇인 경우, 무게 중심 위치가 높기 때문에, 전도 시에 부주의하게 상면에 낙하하면, 로봇 자체, 혹은 전도에 의해 충돌하는 상대측에도 치명적인 손상을 끼칠 위험이 있다.
따라서, 본 실시 형태에서는 전도 전에 계획되어 있는 기체의 궤도로부터 ZMP 지지 다각형이 최소로 된 자세로 바꿔, 소정의 전도 동작을 실행한다. 기본적으로는 이하에 도시하는 2개의 방침에 기초하여 전도 동작을 탐색해 간다.
(1) 기체의 지지 다각형의 면적 S의 시간 t당 변화량 ΔS/Δt를 최소로 한다.
(2) 상면 낙하 시의 지지 다각형이 최대가 되도록 한다.
여기서, 변화량 ΔS/Δt를 최소로 한다는 것은, 전도 시의 지지 면적을 유지하는 (혹은 감소시킴)것에 상당한다(단, 감소시키는 경우, 구동력이 필요한 경우가 있음). 기체의 전도 시에 지지 면적을 유지함으로써, 기체에 인가되는 충격 모멘트를 받아 넘길 수 있다. 도 14에는 기체의 전도 시에 지지 면적을 유지하는 원리를 도해하고 있다. 도 14에 도시한 바와 같이, 마치 볼 등이 굴러가는 형상으로, 지지면은 면적 최소인 것을 유지하면서, 충격 모멘트를 받아 넘기고 있다. 도시한 바와 같이, 지지면이 이동해도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 예를 들면, 착상 시에 위로부터 받는 충격력을 구하고, 이것이 허용값을 초과하는 경우에는 지지 다각형의 면적을 일정하게 유지하도록 기체가 굴러가는 전도 방법이 바람직하다.
또한, 상면 낙하 시의 지지 다각형이 최대로 된다는 것은, 도 15에 도시한 바와 같이 보다 넓은 지지 다각형으로 받아내는 것에 의해 충격력을 간섭하는 것에상당한다. 예를 들면, 착상 시에 상면으로부터 받는 충격력을 구하고, 이것이 허용값 이내로 되는 경우에는, 지지 다각형의 면적을 일정하게 유지하도록 기체가 굴러가는 전도 방법이 바람직하다.
도 16 및 도 17에는 각식 이동 로봇(100)이 후방 즉 뒤로 젖힌 자세를 향하여 전도하는 경우에, 지지 다각형의 변화량 ΔS/Δt를 최소 즉 전도 시의 지지 면적을 유지하는 동작을 실현한 예를 도시하고 있다. 이것은, 유도나 그 밖의 격투기에서의 낙법과 유사한 동작으로서, 전도 시의 충격력 모멘트를 적합하게 받아 넘길 수 있다. 도 17에 도시한 바와 같이, 족부를 기상시키는 것에 의해, 지지 다각형의 변화량 ΔS/Δt를 최소로 하고 있다. 기체의 무게 중심이 요부에 존재하는 경우, 가장 작아지는 지지 다각형에 관여하지 않는 링크 수가 최대가 되는 부위에 ZMP를 설정할 수 있다. 이러한 전도·착상 동작 후, 기상 가능한 링크를 모두 기상시키는, 즉 도시한 예에서는 하지와 체간의 쌍방을 부상시켜, 상체와 하지를 동시에 기상하고, 족부, 수부 등을 착상시킴으로써, 보다 작은 접지 다각형을 적은 단계에서 형성할 수 있으므로, 보다 고속이면서 효율적인 기상 동작을 실현할 수 있다.
도 18 및 도 19에는 각식 이동 로봇(100)이 전방 즉 부복 자세를 향하여 전도하는 경우에, 지지 다각형의 변화량 ΔS/Δt를 최소 즉 전도 시의 지지 면적을 유지하는 동작을 실현한 예를 각각 측면 및 대각선 우측으로 비스듬한 전방으로부터 바라본 모습을 도시하고 있다. 이것은, 기계 체조 등의 앞으로 전도하는 동작과 유사한 동작이며, 전도 시의 충격력 모멘트를 적합하게 받아 넘길 수 있다. 각도면에 도시한 바와 같이, 족부를 기상시키는 것에 의해, 지지 다각형의 변화량 ΔS/Δt를 최소로 하고 있다.
상술한 바와 같은 전도 방법을 취하는 것에 의해, 낙하 시에 상면으로부터 받는 충격을 전신으로 분산시키는 것에 의해, 손상을 최소한으로 억제할 수 있다.
도 20에는 본 실시 형태에 따른 각식 이동 로봇(100)이 족부의 계획 불능에 의해 전도 동작을 행하기 위한 처리 절차를 흐름도의 형식으로 도시하고 있다. 전도 동작은, 상술한 기본 방침에 따라, 높이 방향으로 연결된 어깨 관절 피치축(4), 체간 피치축(9), 허벅지 관절 피치축(12), 무릎 관절 피치축(14)을 동기 협조적으로 구동시키는 것에 의해 실현된다. 이러한 처리 절차는 실제로는 주제어부(81)에서 소정의 기체 동작 제어 프로그램을 실행하여, 각 부를 구동 제어하는 것에 의해 실현된다.
우선, 기체의 지지 다각형의 면적 S의 시간 t당 변화량 ΔS/Δt에 최소한 링크를 탐색한다(단계 S41).
이어서, 단계 S41에 의해 선택된 링크로 변화량 ΔS/Δt를 최소로 하는 링크의 목표 착상점을 탐색한다(단계 S42). 기체의 상면에 대한 지지 면적을 최소로 유지하는 것에 의해, 충격 모멘트를 받아 넘길 수 있다(상술 및 도 14를 참조할 것).
이어서, 선행 단계에 의해 선택된 링크를 목표 착상점에 착상하는 것이, 기체 하드웨어의 제약상(각 관절의 가동각, 각 관절 액추에이터의 토크, 관절력, 각속도, 각가속도 등), 실행 가능한지의 여부를 충격력 모멘트를 주로 판별한다(단계S43).
선행 단계에 의해 선택된 링크를 목표 착상점에 착상하는 것이 불가능하다고 판정된 경우에는, 시간의 변화량 Δt를 소정값만 증분하고나서(단계 S44), 단계 S41로 되돌아가, 링크의 재선택, 및 링크의 목표 착상점의 재설정을 행한다.
한편, 선행 단계에 의해 선택된 링크를 목표 착상점에 착상하는 것이 가능한 경우에는 선택된 링크를 목표 착상점에 착상한다(단계 S45).
이어서, 기체의 위치 에너지가 최소인지의 여부, 즉 전도 동작이 완료되었는지의 여부를 판별한다(단계 S46).
기체의 위치 에너지가 아직 최소가 아닌 경우에는, 시간의 변화량 Δt를 더 소정값만 증분하여(단계 S47), 지지 다각형을 확대하도록 다음의 목표 착상점을 설정한다(단계 S48). 지지 다각형을 확대하는 것에 의해, 착상 시에 기체에 가해지는 충격력을 경감시킬 수 있다(상술 및 도 15를 참조할 것).
이어서, 선택된 링크를 목표 착상점에 착상하는 것이, 기체 하드웨어의 제약상(각 관절의 가동각, 각 관절 액추에이터의 토크, 관절력, 각속도, 각가속도 등), 실행 가능한지의 여부를, 충격력을 주로 판별한다(단계 S49).
선행 단계에 의해 선택된 링크를 목표 착상점에 착상하는 것이 불가능하다고 판정된 경우에는, 단계 S41로 되돌아가, 링크의 재선택, 및 링크의 목표 착상점의 재설정을 행한다.
한편, 선행 단계에 의해 선택된 링크를 목표 착상점에 착상하는 것이 가능한 경우에는, 단계 S45에 진행하여, 선택된 링크를 목표 착상점에 착상한다.
그리고, 기체의 위치 에너지가 최소가 되면(단계 S46), 기체의 상면으로의 착상이 완료된 것으로 되므로, 본 처리 루틴 전체를 종료한다.
이어서, 실기 동작을 참조하면서, 각식 이동 로봇(100)의 전도 동작에 대하여 설명한다.
도 21에는 각식 이동 로봇(100)이 어깨 관절 피치축(4), 체간 피치축(9), 허벅지 관절 피치축(12), 무릎 관절 피치축(14) 등의 높이 방향으로 연결된 대략 평행한 복수의 관절축으로 이루어지는 링크 구조체로서 모델화하여, 각 관절 피치축을 동기 강조적으로 구동시켜 뒤로 젖힌 자세를 향하여 전도해 가는 동작을 도시하고 있다. 기본적으로, 기상 링크 수가 최대가 되는 링크가 있는 부위를 목표로 설정함으로써, 상면으로부터 받는 충격력을 감소하게 되어 있다.
로봇은, 링크 구조체의 링크단인 발바닥만으로 직립하고 있다(도 21(1)).
이 때, 외력 또는 외력 모멘트의 인가에 의해, ZMP 균형 방정식의 모멘트·에러항 T를 캔슬할 수 없게 되며, 발바닥만으로 형성하는 ZMP 안정 영역 밖에 ZMP가 일탈한 것에 응답하여, ZMP를 지지 다각형으로 유지한 상태에서 전도 동작을 개시한다.
전도 동작에서는, 우선 기체의 지지 다각형의 면적 S의 시간 t당 변화량 ΔS/Δt를 최소로 하는 링크를 탐색함과 함께, 손끝을 포함하는 링크로 변화량 ΔS/Δt를 최소로 하는 손끝의 목표 착상점을 탐색한다. 그리고, 선택된 링크를 목표 착상점에 착상하는 것이 기체 하드웨어의 제약상(각 관절의 가동각, 각 관절 액추에이터의 토크, 관절력, 각속도, 각가속도 등), 실행 가능한지의 여부를 판별한다.
기체 하드웨어상 실행 가능한 경우에는 이미 착상하고 있는 발바닥 링크 외에 다른 링크가 착상한다. 그리고, 이들 착상 링크로 형성되는 최소 지지 다각형 내로 ZMP를 이동한다(도 21(2)).
이어서, 기체 하드웨어가 허용하는 한, 착상점을 이동시켜, 지지 다각형을 확대해 간다(도 21(3)).
그리고, 각 관절의 가동각, 각 관절 액추에이터의 토크, 관절력, 각속도, 각가속도 등 기체 하드웨어의 제약으로부터, 더이상 착상점을 이동할 수 없게 되면, 이번에는 착상 중인 링크에 끼워져 있는 기상 링크를 착상할 수 있는지의 여부를 판별한다.
기체 하드웨어상, 착상 링크 사이의 기상 링크를 착상하는 것이 가능한 경우에는, 이들을 착상하여, 착상 링크 수를 증가시킨다(도 21(4)).
또한, 기체 하드웨어가 허용하는 한, 착상점을 이동시켜, 지지 다각형을 확대해 간다(도 21(5)).
그리고 마지막으로, 높이 방향으로 연결된 대략 평행한 복수의 관절축으로 이루어지는 링크 구조체의 일단측으로부터 1 이상의 링크와, 타단측으로부터 2이상의 링크를 기상시키고, 또한 이들 중간에 위치하는 링크를 1 이상 착상시키고, 또한 족부를 착상시킨 상태에서, ZMP를 지지 다각형 내로 유지하면서, 지지 다각형이 최대가 되는 자세를 형성한다. 이 자세에서, 기체의 위치 에너지가 최소이면, 전도 동작은 완료된다.
도 22∼도 38, 및 도 39∼도 55에는 실기가 직립 자세로부터 뒤로 젖힌 자세로 전도해 가는 모습을 도시하고 있다.
이 경우, 기체의 지지 다각형의 면적 S의 시간 t당 변화량 ΔS/Δt를 최소로 하는 링크로서, 허벅지 관절 피치축을 포함하는 동체 링크를 선택함과 함께, 목표 착상점을 탐색하여, 기체의 후방으로 전도한다(도 22∼도 31, 및 도 39∼도 48을 참조할 것). 무릎 관절을 절첩한 자세로 하여, 착상 시의 지지 다각형의 변화량을 최소, 즉 ΔS/Δt을 최소로 한다.
이어서, 기체의 지지 다각형의 면적 S의 시간 t당 변화량 ΔS/Δt를 최소로 하는 링크로서, 체간 피치축(9)과 어깨 관절 피치축(4)을 포함하는 동체 링크를 선택함과 함께, 그 목표 착상점을 탐색하여, 더 기체의 후방으로 깊게 쓰러진다. 이 때, 이미 허벅지 관절 피치축(12)이 착상하고 있기 때문에 이것을 회전 중심으로 하여 체간 피치축(9)과 어깨 관절 피치축(4)을 포함하는 동체 링크는 착상한다(도 32∼도 33, 및 도 49∼도 50을 참조할 것).
이어서, 기체의 지지 다각형의 면적 S의 시간 t당 변화량 ΔS/Δt를 최소로 하는 링크로서, 목 관절 피치축(2)으로 연결되어 있는 머리부 링크를 선택함과 함께, 그 목표 착상점을 탐색하여, 기체의 후방에 더 깊게 쓰러진다. 이 때, 이미 목 관절 피치축(2)이 착상하고 있기 때문에, 이것을 회전 중심으로 하여 머리부는 착상한다(도 34∼도 38, 및 도 51∼도 55를 참조할 것). 이 자세에서, 기체의 위치 에너지가 최소이므로, 전도 동작은 완료된다.
또한, 도 56에는 각식 이동 로봇(100)이 어깨 관절 피치축(4), 체간피치축(9), 허벅지 관절 피치축(12), 무릎 관절 피치축(14) 등의 높이 방향으로 연결된 대략 평행한 복수의 관절축으로 이루어지는 링크 구조체로서 모델화하여, 각 관절 피치축을 동기 강조적으로 구동시켜 부복 자세를 향하여 전도해 가는 동작을 도시하고 있다.
로봇은, 링크 구조체의 링크단인 발바닥만으로 직립하고 있다(도 56(1)).
이 때, 외력 또는 외력 모멘트의 인가에 의해, ZMP 균형 방정식의 모멘트·에러항 T를 캔슬할 수 없게 되어, 발바닥만으로 형성하는 ZMP 안정 영역 밖으로 ZMP가 일탈한 것에 응답하여, ZMP를 지지 다각형으로 유지한 상태에서 전도 동작을 개시한다.
전도 동작에서는, 우선 기체의 지지 다각형의 면적 S의 시간 t당 변화량 ΔS/Δt를 최소로 하는 링크를 탐색함과 함께, 손끝을 포함하는 링크에서 변화량 ΔS/Δt를 최소로 하는 손끝의 목표 착상점을 탐색한다. 그리고, 선택된 링크를 목표 착상점에 착상하는 것이 기체 하드웨어의 제약상(각 관절의 가동각, 각 관절 액추에이터의 토크, 관절력, 각속도, 각가속도 등), 실행 가능한지의 여부를 판별한다.
기체 하드웨어상 실행 가능한 경우에는, 이미 착상하고 있는 발바닥 링크 외에 다른 링크가 착상된다. 그리고, 이들 착상 링크로 형성되는 최소 지지 다각형 내로 ZMP를 이동한다(도 56(2)).
이어서, 기체 하드웨어가 허용하는 한, 착상점을 이동시켜, 지지 다각형을 확대해 간다(도 56(3)).
그리고, 각 관절의 가동각, 각 관절 액추에이터의 토크, 관절력, 각속도, 각가속도 등 기체 하드웨어의 제약으로부터, 더이상 착상점을 이동할 수 없게 되면, 이번에는 착상 중인 링크에 끼워져 있는 기상 링크를 착상할 수 있는지의 여부를 판별한다.
기체 하드웨어상, 착상 링크 사이의 기상 링크를 착상하는 것이 가능한 경우에는 이들을 착상하여, 착상 링크 수를 증가시킨다(도 56(4)).
또한, 기체 하드웨어가 허용하는 한, 착상점을 이동시켜, 지지 다각형을 확대해 간다(도 56(5)).
그리고 마지막으로, 높이 방향으로 연결된 대략 평행한 복수의 관절축으로 이루어지는 링크 구조체의 일단측으로부터 1 이상의 링크와, 타단측으로부터 2 이상의 링크를 기상시키고, 또한 이들 중간에 위치하는 링크를 1 이상 착상시키고, 또한 족부를 착상시킨 상태에서, ZMP를 지지 다각형 내로 유지하면서, 지지 다각형이 최대가 되는 자세를 형성한다. 이 자세에서, 기체의 위치 에너지가 최소이면, 전도 동작은 완료된다.
도 57∼도 73, 및 도 74∼도 90에는 실기가 직립 자세로부터 뒤로 젖힌 자세로 전도해 가는 모습을 도시하고 있다.
이 경우, 기체의 지지 다각형의 면적 S의 시간 t당 변화량 ΔS/Δt를 최소로 하는 링크로서, 어깨 관절 피치축(4)을 포함하는 팔 링크의 손끝을 선택함과 함께, 목표 착상점을 탐색하여, 기체의 전방으로 전도한다(도 57∼도 70, 및 도 74∼도 87을 참조할 것).
이 때, 최단의 시간 증분 Δt에서, 착상 시의 지지 다각형의 변화량 ΔS를 최소로 하기 위해, 무릎 관절 피치축(14)을 절첩한 자세로 하여, 손끝이 착상하는 장소를 발바닥에 더 가까운 위치로 설정한다.
이어서, 기체의 지지 다각형의 면적 S의 시간 t당 변화량 ΔS/Δ를 최소로 하는 링크로서, 무릎 관절 피치축(14)을 포함하는 각부 링크를 선택함과 함께, 그 목표 착상점을 탐색하여, 기체의 전방으로 더 깊게 쓰러진다. 이 때, 이미 족부가 착상하고 있기 때문에, 발목 피치축을 회전 중심으로 하여 하퇴부가 선회하여, 무릎이 착상한다(도 70∼도 71, 및 도 88∼도 89를 참조할 것).
또한, 착상점으로서의 손끝과 무릎을 발바닥으로부터 떨어지도록 이동하여, 기체 하드웨어가 허용하는 한, 지지 다각형을 확대한다(도 72 및 도 89을 참조할 것). 그 결과, 손끝와 무릎에 이어서 동체 링크도 착상한다(도 73 및 도 90을 참조할 것). 이 자세에서, 기체의 위치 에너지가 최소이기 때문에, 전도 동작은 완료된다.
F. 마루 위 자세로부터의 기상 오퍼레이션
뒤로 젖힌 자세나 부복 자세 등의 마루 위 자세로부터의 기동을 행하기 위해, 혹은 전도 시에 자립적으로 기상하여 작업을 재개하는 작업의 자기 완결성을 위해, 각식 이동 로봇(100)은 기상 오퍼레이션을 실현하는 것이 필요하다.
그런데, 무계획적인 궤도에 의해 기상하고자 하면, 과대한 외력 모멘트가 인가되고, 관절 액추에이터가 고출력 토크를 필요로 한다. 그 결과, 모터의 대형화가 필요하게 되고, 그 만큼 구동 소비 전력이 증대한다. 또한, 기체의 중량이 증가됨과 함께 제조 비용이 앙등한다. 중량의 증대에 의해 기상 동작이 더 곤란하게 된다. 혹은, 기상 동작의 과정에서 발생하는 외력 모멘트에 의해 자세의 안정성을 유지할 수 없으며, 애당초 일어설 수 없는 사태도 있을 수 있다.
따라서, 본 실시 형태에서는 각식 이동 로봇(100)은 외력 모멘트가 최소로 되는 동작 패턴으로 이루어지는 기상 동작을 행하는 것으로 했다. 이것은, ZMP 지지 다각형이 최소로 된 자세를 시계열적으로 조합하는 것에 의해, 실현할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 따른 각식 이동 로봇(100)은 어깨 관절 피치축(4), 체간 피치축(9), 허벅지 관절 피치축(12), 무릎 관절 피치축(14)과 같이(도 3을 참조할 것), 높이 방향으로 복수의 피치축이 직렬(단 가로 방향에서 바라 본 경우)로 연결된 링크 구조체이다. 따라서, 이들 복수의 관절 피치축(4∼14)을 소정의 시퀀스로 동기 협조적으로 구동하여, ZMP 지지 다각형이 최소로 된 동작 패턴에 의한 기상 동작을 실현하기로 하였다.
F-1. 기본 뒤로 젖힌 자세로부터의 기상 오퍼레이션
도 91에는 본 실시 형태에 따른 각식 이동 로봇(100)이 어깨 관절 피치축(4), 체간 피치축(9), 허벅지 관절 피치축(12), 무릎 관절 피치축(14)을 동기 강조적으로 구동시켜 기상 동작을 행하기 위한 처리 절차를 흐름도의 형식으로 도시하고 있다. 이러한 처리 절차는 실제로는 주제어부(81)에서 소정의 기체 동작 제어 프로그램을 실행하여, 각 부를 구동 제어하는 것에 의해 실현된다.
또한, 도 92에는 본 실시 형태에 따른 각식 이동 로봇(100)이 어깨 관절 피치축(4), 체간 피치축(9), 허벅지 관절 피치축(12), 무릎 관절 피치축(14)을 동기강조적으로 구동시켜 뒤로 젖힌 자세로부터 기상 동작을 행하는 모습을, 관절 링크·모델로 도시하고 있다. 또, 본 실시 형태에 따른 각식 이동 로봇(100)은 체간 피치축(9)을 구비하고 있지만, 체간 피치축을 구비하고 있지 않은 타입의 각식 이동 로봇에서 복수의 관절 피치축의 동기 구동에 의해 뒤로 젖힌 자세로부터 기상 동작을 행하는 모습을 도 93에 도시해 둔다. 단, 도시된 링크 구조체에서, 체간 관절과 허벅지 관절을 연결하는 링크에 기체 전체의 무게 중심 위치가 설정되어 있고, 이 링크를 이하에서는 「무게 중심 링크」라고 하기로 한다. 또, 「무게 중심 링크」는 협의로는 상기한 바와 같은 정의로 이용하지만, 광의로는 기체 전체의 무게 중심 위치가 존재하는 링크이면 된다. 예를 들면, 체간축을 갖지 않는 기체에서는, 기체 전체의 무게 중심이 위치하는 체간 선단 등을 포함하는 링크가 이것에 해당한다.
이하, 도 91에 도시한 흐름도를 참조하면서, 기본 뒤로 젖힌 자세로부터의 기체의 기상 오퍼레이션에 대하여 설명한다.
우선, 마루 위 자세에서, 위치 에너지의 가장 작은 자세를 탐색한다(단계 S1). 이것은 기본 뒤로 젖힌 자세에 상당하며, 도 92(1) 및 도 93(1)에 도시한 바와 같이, 기상 동작에 사용하는 어깨 관절 피치축(4), 체간 피치축(9), 허벅지 관절 피치축(12), 무릎 관절 피치축(14)을 각각 연결하는 링크는 모두 접상하고 있다. 이 때의 실기 상태를 도 94 및 도 112에 도시하고 있다. 위치 에너지가 가장 작은 자세를 취하는 것에 의해, 노면의 경사나 형상을 계측하여, 기상 동작이 가능한지의 여부를 확인할 수 있다.
이 기본 뒤로 젖힌 자세에서, 접상 링크가 형성하는 접지 다각형 내에서, 가장 좁은 지지 다각형을 탐색한다(단계 S52). 이 때, 기체의 일단측으로부터 적어도 2 이상의 링크를 기상시켰을 때의, ZMP 궤도가 계획 가능한지의 여부를 판정한다. ZMP의 계획 가능성은 링크 구조체의 가동각, 링크를 접속하는 각 관절 액추에이터의 토크, 관절력, 각속도, 각가속도 등을 고려하여 판단할 수 있다.
이어서, 접지 다각형 중 가장 좁은 지지 다각형에 관여하지 않는 2 이상의 링크를 기상한다(단계 S53).
단계 S53은 도 92(2) 및 도 93(2)에 상당한다. 실기상에서는, 체간 관절과 허벅지 관절을 연결하는 무게 중심 링크를 포함하는 하반신측이 지지 다각형으로서 추출되고, 그 외의 어깨 관절로부터 체간 관절에 이르는 2 이상의 링크를 지지 다각형에 관여하지 않는 링크로서 기상한다.
이 때의 실기의 동작을 도 95∼도 96, 및 도 113∼도 114에 도시하고 있다. 도시의 예에서는, 우선 좌우의 양완부를 들어 올리고나서, 체간 관절 피치축 액추에이터 A9의 구동에 의해, 상체 일으키기를 행하고 있다. 완부를 먼저 들고 있는 것에 의해, 모멘트를 작게 하여, 필요한 최대 토크를 저감시킬 수 있다.
이어서, 일단측으로부터 1 이상의 기상 링크를 굴곡시켜 링크단의 단부를 착상시켜, 보다 좁은 접지 다각형을 형성한다(단계 S54).
단계 S54는 도 92(3) 및 도 93(3)에 상당한다. 실기상에서는, 어깨 관절을 포함하는 2 이상의 링크가 기상하고 있는 상태에서, 어깨 관절 피치축에서 굴곡시키고, 그 링크단의 단부인 손끝을 접상시킨다. 그리고, 손끝을 기체 무게 중심 위치인 체간 피치축측에 서서히 접근해 가는 것에 의해, 원래의 마루 위 자세보다도 좁은 접지 다각형을 형성한다.
이 때의 실기의 동작을 도 97∼도 101, 및 도 115∼도 119에 도시하고 있다. 도시의 예에서는 좌우의 어깨 관절 롤축 A5의 구동에 의해, 좌우의 완부를 바로 옆으로 넓힌 후, 상완 요우축 A6의 구동에 의해 완부의 방향을 일단 180도 회전시키고나서(도 98∼도 99, 도 116∼도 117), 어깨 관절 피치축 A4의 구동에 의해, 완부를 서서히 강하시켜 간다. 그리고, 손끝을 착상하는 것에 의해, 보다 좁은 접지 다각형을 형성한다(도 101 및 도 119).
이와 같이 새로운 접지 다각형을 형성하면, 접지 다각형으로 ZMP를 설정할 수 있는지의 여부를 체크한다(단계 S55). 이것은, 링크 구조체의 가동각, 링크를 접속하는 각 관절 액추에이터의 토크, 관절력, 각속도, 각가속도 등을 고려하여 판단한다. 그리고, ZMP를 접지 다각형으로 이동하여, 새로운 지지 다각형을 형성한다(단계 S56).
여기서, 지지 다각형이 충분히 좁게 되었는지의 여부를 판단한다(단계 S57). 이 판단은, 체간 피치축과 허벅지 관절 피치축을 연결하는 무게 중심 링크를 기상 가능하거나, 혹은 족부만으로 형성할 수 있는 ZMP 안정 영역 내로 ZMP를 이동시킬 수 있는지의 여부를, 링크 구조체의 가동각, 링크를 접속하는 각 관절 액추에이터의 토크, 관절력, 각속도, 각가속도 등을 고려하여 판단한다. 지지 다각형이 충분히 좁게 되었는지의 여부를 판단하는 상세한 절차에 대해서는 후술하겠다.
도 101 및 도 119에 도시하는 실기의 자세에서는, 아직 지지 다각형이 충분히 좁다고는 할 수 없다. 따라서, 착상점을 이동시켜 지지 다각형을 작게 한 후(단계 S50), 단계 S52로 되돌아가, 보다 좁은 지지 다각형의 형성을 재시행한다.
도 101 및 도 119에 자세에서, 접상 링크가 형성하는 접지 다각형 내에서, 가장 좁은 지지 다각형을 탐색한다(단계 S52). 이번에는, 기체의 타단측으로부터 적어도 2 이상의 링크를 기상시켰을 때의, ZMP가 계획 가능한지의 여부를 판정한다. ZMP의 계획 가능성은 링크 구조체의 가동각, 링크를 접속하는 각 관절 액추에이터의 토크, 관절력, 각속도, 각가속도 등을 고려하여 판단할 수 있다.
이어서, 접상 다각형 중, 가장 좁은 지지 다각형에 관여하지 않는 2 이상의 링크를 기상한다(단계 S53). 이것은, 도 92(4)∼(5) 및 도 93(4)∼(5)에 상당한다. 실기상에서는, 무릎 관절 피치축을 포함하는 타단측으로부터 연속하는 2 이상의 링크를 지지 다각형에 관여하지 않는 링크로서 기상한다.
그리고, 일단측으로부터 1 이상의 기상 링크를 굴곡시켜 링크단의 단부를 착상시켜, 보다 좁은 접지 다각형을 형성한다(단계 S54).
이 때의 실기의 동작을 도 102∼도 105, 및 도 120∼도 123에 도시하고 있다. 도시한 예에서는, 우선 우측 다리의 허벅지 관절 피치축 A12의 구동에 의해 우측 다리를 들어올리고나서, 그 무릎 관절 액추에이터 A14의 구동에 의해 우측 다리를 굴곡시켜, 그 발바닥을 착상한다. 이어서, 다리의 허벅지 관절 피치축 A12의 구동에 의해 우측 다리를 들어 올리고나서, 그 무릎 관절 액추에이터 A14의 구동에 의해 좌측 다리를 굴곡시켜, 그 발바닥을 착상한다. 이와 같이 하여, 발바닥을 기체 무게 중심 위치인 허벅지 관절 피치축(12)측에 서서히 접근해가는 것에 의해, 원래의 마루 위의 자세보다도 좁은 접지 다각형을 형성할 수 있다.
이와 같이 새로운 접지 다각형을 형성하면, 접지 다각형으로 ZMP를 설정할 수 있는지의 여부를 체크한다(단계 S55). 이것은, 링크 구조체의 가동각, 링크를 접속하는 각 관절 액추에이터의 토크, 관절력, 각속도, 각가속도 등을 고려하여 판단한다. 그리고, ZMP를 접지 다각형으로 이동하여, 새로운 지지 다각형을 형성한다(단계 S56).
여기서, 지지 다각형이 충분히 좁게 되었는지의 여부를 다시 판단한다(단계 S57). 이 판단은, 체간 피치축과 허벅지 관절 피치축을 연결하는 무게 중심 링크를 기상 가능하거나, 혹은 족부만으로 형성할 수 있는 ZMP 안정 영역 내에 ZMP를 이동시킬 수 있는지의 여부를, 링크 구조체의 가동각, 링크를 접속하는 각 관절 액추에이터의 토크, 관절력, 각속도, 각가속도 등을 고려하여 판단한다. 도 105 및 도 123에 도시하는 실기의 자세에서는, 충분히 좁은 지지 다각형이 형성되어 있다고 판단된다. 지지 다각형을 축소할 때의 팔의 각도에 관해서는 어깨의 축으로부터 상면 방향으로 내린 수선과 팔의 중심축이 이루는 각도는 토크량에 기초한 소정 각도 내에 있는 것이 바람직하다.
그리고, 기체의 지지 다각형이 충분히 좁게 된 것에 응답하여, 지지 다각형의 양 링크단의 단부를 접상한 상태에서 상기 무게 중심 링크를 기상하고, 양 링크단의 착상 링크에 의해 형성되는 지지 다각형 내에 ZMP를 유지하면서, 지지 다각형을 형성하는 양 링크단의 단부의 간격을 좁혀, ZMP를 상기 링크 구조체의 타단측으로 이동시켜 간다(단계 S58). 이것은, 도 92(6)∼(7), 및 도 93(6)∼(7)에 상당한다.
실기상에서는, 접지 다각형의 양 링크단의 단부로서의 손끝 및 발바닥을 접상한 상태에서 체간 피치축 및 허벅지 관절 피치축을 연결한 상기 무게 중심 링크를 기상하고, 또한 손끝 및 발바닥의 간격을 서서히 단축해 가며, ZMP를 발바닥을 향하여 이동시켜 간다. 또한, 이 때의 실기의 동작을 도 106∼도 109, 및 도 124∼도 127에 도시하고 있다.
그리고, 상기 링크 구조체의 타단으로부터 제2 소정 수 이하의 접상 링크만으로 형성되는 접지 다각형 내에 ZMP가 돌입한 것에 응답하여, ZMP를 접지 다각형 내에 수용한 상태에서 상기 링크 구조체의 일단측으로부터 제1 소정 수 이상의 링크를 기상하여, 기상 링크를 길이 방향으로 신장시키는 것에 의해, 기상 동작을 완결시킨다(단계 S59). 이것은, 도 92(8), 및 도 93(8)에 상당한다.
실기 상에서는, 발바닥으로 구성되는 접지 다각형 내에 ZMP가 돌입한 것에 응답하여, ZMP를 접지 다각형 내에 수용한 상태에서 어깨 피치축(4)으로부터 무릎 피치축(14)에 이르기까지의 링크를 기상하여, 기상 링크를 길이 방향으로 신장시키는 것에 의해, 기상 동작을 완결시킨다. 또한, 이 때의 실기 동작을 도 110∼도 111, 및 도 128∼도 129에 도시하고 있다.
기상의 최종 단계인, 기상 링크를 길이 방향으로 신장할 때에는 질량 조작량의 보다 큰 무릎 관절 피치축을 적극적으로 사용하여 동작하는 것이, 기체 동작 상의 효율이 좋다.
또, 단계 S53에서, 가장 작은 지지 다각형에 관여하지 않는 2 이상의 링크를 기상할 수 없는 경우에는, 최대의 지지 다각형보다 내측의 2 이상의 착상 링크를 기상하는 것을 시도한다(단계 S61).
단계 S61을 실행할 수 없는 경우에는, 기상 동작을 중지한다(단계 S64). 또한, 단계 S61을 성공리에 실행할 수 있는 경우에는, 착상점을 더 이동시켜, 지지 다각형을 더 작게 한다(단계 S62).
단계 S62를 실행할 수 없는 경우에는, 기상 동작을 중지한다(단계 S64). 또한, 단계 S62를 성공리에 실행할 수 있는 경우에는 족부로 형성할 수 있는 안정 영역에 ZMP를 이동할 수 있는지의 여부를 체크한다(단계 S63). 지지 다각형이 충분히 좁게 되었는지의 여부를 판단하는 상세한 절차에 대해서는 후술하겠다. 이 안정 영역 내에 ZMP를 이동할 수 없는 경우에는, 단계 S61로 되돌아가, 지지 다각형을 작게 하기 위한 마찬가지의 처리를 반복하여 실행한다. 또한, 이 안정 영역 내에 ZMP를 이동시킬 수 있었던 경우에는 단계 S58로 진행하여, 기본 자세로의 복귀 동작을 행한다.
그런데, 단계 S53∼S54에서, 좌우의 손끝을 동체 후방에서 착상하여 보다 좁은 접지 다각형을 형성하기 위해, 도 97∼도 98 및 도 115∼도 116에 도시한 바와 같이, 어깨 롤축을 이용하여 좌우의 완부를 바로 옆으로 넓히는 동작을 거치고 있다. 이것은, 각식 이동 로봇(100)이 기상 작업을 행하기 위한 사용 체적을 쓸데없이 증대시킨다. 따라서, 도 96∼도 101 및 도 113∼도 119에 도시하는 일련의 동작을, 어깨 롤축을 동작시키지 않고, 대신에 팔꿈치 피치축을 굴곡시키는 도 130 및 도 131에 도시하는 동작으로 치환하여, 더 작은 사용 체적으로 좌우의 손끝을 동체 후방에서 착상하도록 해도 된다.
상술한 기상 동작 절차에서는, 단계 S57 및 S63에서 지지 다각형이 충분히 좁게 되었는지의 여부를 판단할 필요가 있다. 도 173에는, 지지 다각형이 충분히 좁게 되었는지의 여부를 판단하기 위한 처리 절차를 흐름도의 형식으로 도시하고 있다.
우선, ZMP 편차ε(εx, εy, εz), 즉 족부를 형성할 수 있는 안정 영역의 중심 위치(x0, y0, z0)와 현재의 ZMP 위치(x, y, z)와의 차분을 구한다(단계 S71).
이어서, 이 ZMP 편차ε(εx, εy, εz)에 소정의 게인 G(Gx, Gy, Gz)를 승산한 것을 현재의 허리의 위치 r(rhx(t), rhy(t), rhz(t)) 외에, 다음의 시각 t=t+Δt에서의 목표 허리 위치 r(rhx(t+Δt), rhy(t+Δt), rhz(t+Δt)), (=r(rhx(t), rhy(t), rhz(t))+G(Gx, Gy, Gz)×ε(εx, εy, εz)로 한다(단계 S72).
그리고, 다음의 목표 허리 위치에서 현재의 지지 다각형을 형성할 수 있는지의 여부를 판별한다(단계 S73). 이 판별은, 착상 링크의 착상점을 유지하면서, 다음의 목표 허리 위치를 계산하는 것에 의해 행해진다. 즉, 허리 위치와 착상점으로부터 역운동학 계산을 행하고, 가동 각도 이내 또한 관절 액추에이터의 허용 토크 이내이면 실현 가능하다고 판단된다.
다음의 목표 허리 위치에서 현재의 지지 다각형을 형성할 수 없으면, 족부를 형성할 수 있는 안정 영역 내에 ZMP를 이동하는 것이 불가능하게 되어, 본 처리 루틴 전체를 종료한다.
한편, 다음 목표 허리 위치에서 현재의 지지 다각형을 형성할 수 있다면, 또한 다음의 목표 허리 위치에 허리를 이동한 경우의(즉 다음) ZMP를 산출한다(단계 S74).
이어서, 족부를 형성할 수 있는 안정 영역 내에 ZMP가 존재하는지의 여부를 판별한다(단계 S75). 판별 결과가 긍정적이면, 족부가 형성할 수 있는 안정 영역 내에 ZMP를 이동할 수 있다고 판단하여(단계 S76), 본 처리 루틴 전체를 종료한다. 한편, 판별 결과가 부정적이면, 다음의 허리 위치를 현재의 허리 위치에, 다음 ZMP를 현재의 ZMP로 한 후, 단계 S71로 되돌아가 마찬가지의 처리를 반복하여 실행한다.
또, 도 130 및 도 131에 도시하는 동작 예에서는, 상완의 길이를 l1, 전완의 길이를 l2, 어깨롤각을 α, 팔꿈치 피치각을 β, 어깨로부터 손끝까지의 길이를 l12, 어깨로부터 손끝을 연결하는 선이 이루는 각을 γ, 어깨의 높이를 h로 해두면(도 132), 좌우의 손끝을 동체 후방에서 착상하는 동작 기간 내에는, 이하의 식을 충족하도록 팔꿈치 피치축(7)을 동작시키는 것에 의해, 손끝이 상면과 충돌하지는않는다.
또한, 도 92에 도시하는 기상 동작 패턴은 각식 이동 로봇의 기체가 어깨 관절 피치축, 체간 피치축, 허벅지 관절 피치축, 무릎 피치축이 기체의 높이 방향으로 연결되어 이루어지는 링크 구조체에 모델화하여 기상 동작을 도시하고 있다. 도 133에는 각식 이동 로봇을 대략 평행한 관절 자유도를 갖는 복수의 관절축을 길이 방향으로 연결한 링크 구조체에 일반화하여, 기상 동작을 도시하고 있다.
도 133에 도시하는 링크 구조체는 대략 평행한 관절 자유도를 갖는 복수의 관절축을 길이 방향으로 연결하여 구성된다. 모든 링크가 접상하고 있는 마루 위 자세로부터의 기상 동작을, 링크 A, 링크 B, 링크 C, 링크 D, 링크 E, 및 링크 F를 이용하여 실현한다.
단, 링크 A∼F는 각각 단일의 링크일 필요는 없으며, 실제로는 복수의 링크가 관절축을 통해 연결되어 있지만, 기상 동작의 기간 내에는 관절축이 작동하지 않고 링크 사이의 직진성이 유지되어, 마치 단일의 링크인 것처럼 행동하는 경우에도 포함한다. 예를 들면, 링크 A는 링크단으로부터 h 번째까지의 링크를 포함하며, 링크 B는 h 번째 이후 i 번째까지의 링크를 포함하고, 링크 C는 i 번째 이후 j 번째까지의 링크를 포함하며, 링크 D는 j 번째 이후 k 번째까지의 링크를 포함하고, 링크 E는 k 번째 이후 l번째까지의 링크를 포함하고, 링크 F는 l번째 이후 m번째(혹은 링크의 타단)까지의 링크를 포함하고 있다.
우선, F 번째 링크와 A번째 링크 사이에 접지 다각형을 형성하여, 이 접지 다각형 내에 ZMP를 설정한다(도 133(1)).
이어서, E 번째 링크와 A번째 링크 사이의 접지 다각형 내에 ZMP를 설정한다(도 133(2)). 이 때, 링크단으로부터 2 이상의 링크를 기상시키는 등 F 번째 링크의 운동을 이용해도 된다.
이어서, F 번째 링크와 A번째 링크 사이에 의해 좁은 접지 다각형을 새롭게 형성하여, 이 접지 다각형 내에 ZMP를 설정한다(도 133(3)). 예를 들면 기상 중인 F 번째 링크를 굴곡시켜 그 단부를 착상시키고, 새로운 접지 다각형을 형성한다.
이어서, F 번째 링크와 D 번째 또는 C 번째 링크 사이에서 접지 다각형을 새롭게 형성하여, 이 접지 다각형 내에 ZMP를 설정한다(도 133(4)). 이 때, 다른 쪽의 링크단으로부터 2 이상의 링크를 기상시키는 등 A번째 링크의 운동을 이용해도 된다.
이어서, D 번째 링크를 접지시켜, F 번째 링크 및 A번째 링크에서 접지 다각형을 새롭게 형성하여, 이 접지 다각형 내에 ZMP를 설정한다(도 133(5)). 예를 들면 기상 중인 A번째 링크를 굴곡시켜 그 단부를 착상시키고, 새로운 접지 다각형을 형성한다.
이어서, F 번째 링크와 A번째 링크에서 접지 다각형을 새롭게 형성하여, 이 접지 다각형 내에 ZMP를 설정한다(도 133(6)). 예를 들면, 양방의 링크단의 끝점을 착상시킨 상태에서, 착상 중인 D 번째 링크를 기상시킨다.
이어서, 양방의 링크단 F 및 A의 끝점을 일치시키는 것에 의해, A번째의 링크만이 형성되는 지지 다각형 내에 ZMP를 이동시킨다(도 133(7)).
그리고 마지막으로, A번째 링크만이 형성하는 지지 다각형 내에 ZMP를 설정하면서, 각 링크를 기본 직립 자세로 이동시킨다(도 133(8)).
F-2. 기본 부복 자세로부터의 기상 오퍼레이션
도 134에는 본 실시 형태에 따른 각식 이동 로봇(100)이 어깨 관절 피치축(4), 체간 피치축(9), 허벅지 관절 피치축(12), 무릎 관절 피치축(14)을 동기 강조적으로 구동시켜 기상 동작을 행하는 모습을 관절 링크·모델로 도시하고 있다.
본 실시 형태에 따른 각식 이동 로봇(100)은 기본적으로는 뒤로 젖힌 자세로부터 기상하는 경우와 마찬가지로, 도 91에 플로우차트의 형식으로 도시한 처리 절차에 따라, 부복 자세로부터도 일어설 수 있다. 이하, 도 91에 도시한 흐름도를 참조하면서, 기본 부복 자세로부터의 기체의 기상 오퍼레이션에 대하여 설명한다.
우선, 마루 위 자세에서, 위치 에너지가 가장 작은 자세를 취한다(단계 S51). 이것은 기본 부복 자세에 상당하며, 도 134(1)에 도시한 바와 같이 기상 동작에 사용하는 어깨 관절 피치축(4), 체간 피치축(9), 허벅지 관절 피치축(12), 무릎 관절 피치축(14)을 각각 연결하는 링크는 모두 접상하고 있다. 이 때의 실기의 상태를 도 135 및 도 154에 도시하고 있다.
이 기본 부복 자세에서, 접상 링크가 형성하는 접지 다각형 내에서, 가장 좁은 지지 다각형을 탐색한다(단계 S52). 이 때, 기체의 일단측으로부터 적어도 2이상의 링크를 기상시켰을 때의, ZMP가 계획 가능한지의 여부를 판정한다. ZMP의 계획 가능성은 링크 구조체의 가동각, 링크를 접속하는 각 관절 액추에이터의 토크, 관절력, 각속도, 각가속도 등을 고려하여 판단할 수 있다.
이어서, 접지 다각형 중 가장 좁은 지지 다각형에 관여하지 않는 2 이상의 링크를 기상한다(단계 S53). 단계 S53은 도 134(2)에 상당한다. 실기상에서는, 체간 관절과 허벅지 관절을 연결하는 무게 중심 링크를 포함하는 하반신측이 지지 다각형으로서 추출되고, 그 외의 어깨 관절로부터 체간 관절에 이르는 2 이상의 링크를 지지 다각형에 관여하지 않는 링크로서 기상한다.
이 때의 실기의 동작을 도 136∼도 144, 및 도 155∼도 163에 도시하고 있다. 도시의 예에서는, 우선 좌우의 양완부의 어깨 롤축 액추에이터 A5를 작동시켜, 상면에 끌어 어깨 롤 축 주위에 대략 90도만 선회시키고(도 136∼도 137, 및 도 155∼도 156), 이어서 상완 요우축 액추에이터 A6을 작동시켜, 각 완부를 상완 요우축주위에 대략 180도만 회전시킨다(도 138 및 도 157). 그리고, 또한 어깨 롤축 액추에이터 A5를 작동시키고, 끌어 어깨롤 축 주위에 대략 90도만 선회시켜, 각 완부를 머리부의 측면까지 이동한다(도 138∼도 141, 및 도 157∼도 160).
도 136∼도 141, 및 도 165∼도 170에 도시하는 일련의 동작에서는, 좌우의 완부는 상면 위에서 반원을 그리는 모습으로 되어 있다. 이 때, 기체 주변의 노면에서 장해물의 유무를 검출하거나, 기상 동작에 필요한 안전된 작업 영역의 확보를 행할 수 있다.
이어서, 일단측으로부터 1 이상의 기상 링크를 굴곡시켜 링크끝의 단부를 착상시켜, 보다 좁은 접지 다각형을 형성한다(단계 S54). 단계 S54는 도 134(3)에 상당한다.
그리고, 새로운 접지 다각형을 형성하면, 접지 다각형으로 ZMP를 설정할 수 있는지의 여부를 체크한다(단계 S55). 이것은, 링크 구조체의 가동각, 링크를 접속하는 각 관절 액추에이터의 토크, 관절력, 각속도, 각가속도 등을 고려하여 판단한다. 그리고, ZMP를 접지 다각형으로 이동하여, 새로운 지지 다각형을 형성한다(단계 S56).
실기상에서는, 팔꿈치 피치축(7)을 고정시켜, 좌우의 완부를 똑바로 뻗은 상태에서의 자세로, 이번에는 어깨 피치축 액추에이터 A4, 체간 피치축 액추에이터 A9, 허벅지 관절 피치축 A12, 및 무릎 관절 피치축 액추에이터 A14를 작동시켜, 손끝과 좌우의 양무릎이 접지한 폐링크 자세로 이루어지는 지지 다각형을 형성한다(도 142∼도 144, 및 도 161∼도 163).
도 144 및 도 153에 도시하는 실기의 자세에서는, 아직 지지 다각형이 충분히 좁다고는 할 수 없다. 따라서, 착상점을 이동시켜 지지 다각형을 작게 한다(단계 S60). 지지 다각형을 축소할 때의 팔의 각도에 관해서는, 어깨의 축으로부터 상면 방향으로 내린 수선과 팔의 중심축이 이루는 각도는 토크량에 기초한 소정 각도 내에 있는 것이 바람직하다.
실기상에서는, 좌우의 완부를 똑바로 유지한 상태에서, 손끝을 다른 쪽의 착상점인 발바닥측으로 서서히 접근해 가는 것에 의해, 보다 좁은 지지 다각형을 형성해 간다(도 145∼도 148, 및 도 164∼도 167).
여기서, 지지 다각형이 충분히 좁게 되었는지의 여부를 판단한다(단계 S57). 이 판단은, 체간 피치축과 허벅지 관절 피치축을 연결하는 무게 중심 링크를 기상 가능하거나, 혹은 족부만으로 형성할 수 있는 ZMP 안정 영역 내에 ZMP를 이동시킬 수 있는지의 여부를, 링크 구조체의 가동각, 링크를 접속하는 각 관절 액추에이터의 토크, 관절력, 각속도, 각가속도 등을 고려하여 판단한다. 도 148 및 도 165에 도시하는 실기의 자세에서는, 충분히 좁은 지지 다각형이 형성되어 있다고 판단된다.
그리고, 기체의 지지 다각형이 충분히 좁게 된 것에 응답하여 양 링크단의 착상 링크에 의해 형성되는 지지 다각형 내에 ZMP를 유지하면서, 지지 다각형을 형성하는 양 링크단의 단부의 간격을 좁혀, ZMP를 상기 링크 구조체의 타단측으로 이동시켜 간다(단계 S58). 이것은, 도 134(6)∼(7)에 상당한다.
실기상에서는, 접지 다각형의 양 링크단의 단부로서의 손끝 및 발바닥을 접상한 상태에서, 더 손끝 및 발바닥의 간격을 서서히 단축해 가고, ZMP를 발바닥 쪽으로 이동시켜 간다. 또한, 이 때의 실기의 동작을 도 149∼도 150, 및 도 168∼도 169에 도시하고 있다.
그리고, 상기 링크 구조체의 타단으로부터 제2 소정수 이하의 접상 링크만으로 형성되는 접지 다각형 내에 ZMP가 돌입한 것에 응답하여, ZMP를 접지 다각형 내에 수용한 상태에서 상기 링크 구조체의 일단측으로부터 제1 소정수 이상의 링크를기상하여, 기상 링크를 길이 방향으로 신장시키는 것에 의해, 기상 동작을 완결시킨다(단계 S59). 이것은, 도 134(8)에 상당한다.
실기상에서는, 발바닥으로 구성되는 접지 다각형 내에 ZMP가 돌입한 것에 응답하여, ZMP를 접지 다각형 내에 수용한 상태에서, 어깨 피치축(4)으로부터 무릎 피치축(14)에 이르기까지의 링크를 기상하여, 기상 링크를 길이 방향으로 신장시키는 것에 의해, 기상 동작을 완결시킨다. 또한, 이 때의 실기의 동작을 도 151∼도 153, 및 도 170∼도 172에 도시하고 있다.
기상의 최종 단계인, 기상 링크를 길이 방향으로 신장시킬 때에는, 질량 조작량의 보다 큰 무릎 관절 피치축을 적극적으로 사용하여 동작하는 것이, 기체 동작 상의 효율이 좋다.
F-3. 다른 기상 오퍼레이션의 예
도 91에서 도시한 기상 오퍼레이션에서는, ZMP 지지 다각형이 최소로 된 자세를 시계열적으로 조합하는 것에 의해, 외력 모멘트가 최소로 되는 동작 패턴으로 이루어지는 기상 동작을 행하기로 하였다. 이 동작에서는, 보다 작은 지지 다각형을 순차적으로 형성해 가는 과정에서, 수부나 족부의 바꿔 딛기 동작을 이용하고 있었다. 그러나, 바꿔 딛기 동작을 실현하기 위해서는, 수부 또는 족부가 기상할 필요가 있으며, 지지 다각형에 관여하지 않는 2 이상의 링크가 있어야 하며, 기체의 자세에 의해서는 바꿔 딛기 동작을 행할 수 없는 경우가 있고, 이 경우에는 기상 동작 그 자체가 파단된다(도 91의 단계 S64).
이것에 대하여, 보다 작은 지지 다각형을 순차적으로 형성해 가는 과정에서,수부나 족부의 바꿔 딛기 동작을 실현할 수 없는 경우에는, 수부나 족부의 끌기 동작을 이용하는 것에 의해, 기상 동작이 파탄되는 기회를 적게 할 수 있다. 이하에서는, 보다 작은 지지 다각형을 순차적으로 형성해 가는 과정에서, 수부나 족부의 바꿔 딛기 동작과 끌기 동작을 이용한 기상 오퍼레이션에 대하여 설명한다.
도 174에는, 수부나 족부의 바꿔 딛기 동작과 끌기 동작을 이용한 기상 오퍼레이션을 플로우차트의 형식으로 도시하고 있다. 이하, 이 기상 동작 절차에 대하여 설명한다. 도 175∼도 191에는, 기본 부복 자세로부터 수부 또는 족부의 바꿔 딛기 동작 또는 끌기 동작을 이용하면서 기체가 기상을 행하는 모습을 순서대로 도시하고 있다. 이하에서는, 각 도를 적절하게 참조한다.
우선, 마루 위 자세에서 위치 에너지의 가장 적은 자세를 취한다(단계 S81). 이것은, 기본 부복 자세에 상당하며, 이 때의 실기의 상태를 도 175에 도시하고 있다.
단, 전도 동작과 연속하여 기상하는 경우에는, 단계 S81을 생략하는 것에 의해, 단시간에 기상 동작을 완료시킬 수 있다(후술).
이 기본 부복 자세에서, 접상 링크가 형성하는 접지 다각형 내에서, 가장 좁은 지지 다각형을 탐색한다(단계 S82). 이 때, 기체의 일단측으로부터 적어도 2 이상의 링크를 기상시켰을 때의, ZMP가 계획 가능한지의 여부를 판정한다. ZMP의 계획 가능성은 링크 구조체의 가동각, 링크를 접속하는 각 관절 액추에이터의 토크, 관절력, 각속도, 각가속도 등을 고려하여 판단할 수 있다.
여기서, 가장 작은 지지 다각형에 관여하지 않는 링크의 2개 이상을 기상할수 있는지의 여부를 판단한다(단계 S83). 최소의 지지 다각형에 관여하지 않는 2 이상의 링크를 기상할 수 있는 경우에는, 다음 단계 S84로 진행하고, 수부 또는 족부의 바꿔 딛기 동작에 의한 보다 적은 접지 다각형의 형성을 행한다. 한편, 기상할 수 없는 경우에는 단계 S91로 진행하고, 수부 또는 족부의 끌기 동작을 이용하여 보다 작은 접지 다각형의 형성을 행한다.
단계 S84에서는, 가장 적은 지지 다각형에 관여하지 않는 링크의 2개 이상을 기상시키고, 또한 기상 링크를 굴곡 및 착상시켜, 보다 작은 접지 다각형을 형성한다(단계 S85).
예를 들면, 도 179∼도 181, 및 도 184∼도 186에서, 양손 양발을 접지하여 기상 도중의 로봇이 왼발과 오른발을 바꿔 딛으면서, 도 175, 도 182∼도 183, 도 185, 도 187에 도시한 바와 같이 기상 링크를 굴곡 및 착상시켜, 보다 적은 접지 다각형의 형성을 시도하고 있다.
그리고, 새로운 접지 다각형을 형성하면, 접지 다각형으로 ZMP를 설정할 수 있는지의 여부를 체크한다(단계 S86). 이것은, 링크 구조체의 가동각, 링크를 접속하는 각 관절 액추에이터의 토크, 관절력, 각속도, 각가속도 등을 고려하여 판단한다. 그리고, ZMP를 접지 다각형으로 이동하여, 새로운 지지 다각형을 형성한다(단계 S87). 접지 다각형으로 ZMP를 설정할 수 없는 경우에는, 단계 S83으로 되돌아가고, 수부나 족부의 바꿔 딛기 동작 또는 끌기 동작의 어느 하나를 실행할지 다시 체크한다.
여기서, 지지 다각형이 충분히 좁게 되었는지의 여부를 판단한다(단계 S88).이 판단은, 체간 피치축과 허벅지 관절 피치축을 연결하는 무게 중심 링크를 기상 가능하거나, 혹은 족부만으로 형성할 수 있는 ZMP 안정 영역 내에 ZMP를 이동시킬 수 있는지의 여부를, 링크 구조체의 가동각, 링크를 접속하는 각 관절 액추에이터의 토크, 관절력, 각속도, 각가속도 등을 고려하여 판단한다.
그리고, 기체의 지지 다각형이 충분히 좁게 된 것에 응답하여 양 링크단의 착상 링크에 의해 형성되는 지지 다각형 내에 ZMP를 유지하면서, 지지 다각형을 형성하는 양 링크단의 단부의 간격을 좁혀, ZMP를 상기 링크 구조체의 타단측으로 이동시켜간다(단계 S89).
실기상에서는, 접지 다각형의 양 링크단의 단부로서의 손끝 및 발바닥을 접상한 상태에서, 손끝 및 발바닥의 간격을 더 서서히 단축해가고, ZMP를 발바닥을 향하여 이동시켜간다. 또한, 이 때의 실기의 동작을 도 188∼도 189에 도시하고 있다.
그리고, 상기 링크 구조체의 타단으로부터 제2 소정 수 이하의 접상 링크만으로 형성되는 접지 다각형 내에 ZMP가 돌입된 것에 응답하여, ZMP를 접지 다각형 내에 수용한 상태에서 상기 링크 구조체의 일단측으로부터 제1 소정 수 이상의 링크를 기상하여, 기상 링크를 길이 방향으로 신장시키는 것에 의해, 기상 동작을 완결시킨다(단계 S90).
실기상에서는, 발바닥으로 구성되는 접지 다각형 내에 ZMP가 돌입된 것에 응답하여, ZMP를 접지 다각형 내에 수용한 상태에서 어깨 피치축(4)으로부터 무릎 피치축(14)에 이르기까지의 링크를 기상하여, 기상 링크를 길이 방향으로 신장시키는것에 의해, 기상 동작을 완결시킨다. 또한, 이 때의 실기의 동작을 도 190∼도 191에 도시하고 있다.
기상의 최종 단계인, 기상 링크를 길이 방향으로 신장할 때에는, 질량 조작량의 보다 큰 무릎 관절 피치축을 적극적으로 사용하여 동작하는 것이 기체 동작상의 효율이 좋다.
한편, 단계 S83에서, 가장 작은 지지 다각형에 관여하지 않는 링크의 2개 이상을 기상할 수 없다고 판단된 경우에는, 수부 또는 족부의 끌기 동작을 행하도록, 최대의 지지 다각형보다 내부의 착상 중인 링크를 2개 이상 기상할 수 있는지의 여부를 체크한다(단계 S91).
여기서, 최대의 지지 다각형보다 내부의 착상 중인 링크를 2개이상 기상할 수 없는 경우에는, 착상점을 더 이동시켜 지지 다각형을 작게 할 수 있는지의 여부를 판단한다. 지지 다각형을 작게 할 수 없는 경우에는 기상 동작을 중지한다(단계 S95). 즉, 기상 동작은 파탄된다.
한편, 최대의 지지 다각형보다 내부의 착상 중인 링크를 2개이상 기상할 수 있는 경우에는 최대의 지지 다각형보다 내부의 착상 중인 링크를 2개이상 기상하여(단계 S92), 수부 또는 족부의 끌기 동작을 이용하여, 착상점을 이동시키고, 지지 다각형을 작게 해야한다(단계 S93).
예를 들면, 도 176∼도 178, 및 도 187∼도 188에 도시한 바와 같이, 양손 양발을 접지하여 기상 도상의 로봇이 양손을 착상시킨 상태에서 발을 향하여 끄는 것에 의해 지지 다각형을 서서히 작게 해 간다.
그 후, 지지 다각형이 충분히 좁게 되었는지의 여부를 판단한다(단계 S88). 그리고, 기체의 지지 다각형이 충분히 좁게 된 것에 응답하여 양 링크단의 착상 링크에 의해 형성되는 지지 다각형 내에 ZMP를 유지하면서, 지지 다각형을 형성하는 양 링크단의 단부의 간격을 좁혀, ZMP를 상기 링크 구조체의 타단측으로 이동시켜간다(단계 S89).
그리고, 상기 링크 구조체의 타단으로부터 제2 소정 수 이하의 접상 링크만으로 형성되는 접지 다각형 내에 ZMP가 돌입한 것에 응답하여, ZMP를 접지 다각형 내에 수용한 상태에서 상기 링크 구조체의 일단측으로부터 제1 소정 수 이상의 링크를 기상하여, 기상 링크를 길이 방향으로 신장시키는 것에 의해, 기상 동작을 완결시킨다(단계 S90).
도 199에는 단계 S83에서 가장 작은 지지 다각형에 관여하지 않는 링크 수가 최대가 되는 링크와 그 부위를 탐색하기 위한 상세한 처리 절차를 흐름도의 형식으로 도시하고 있다.
우선, 단계 S101 및 S 102에서, 변수 i, j 및 배열형 변수 M을 초기화한다. 이어서, i 번째의 링크의 j 번째의 부위에 ZMP를 설정한다(단계 S103).
여기서, ZMP 공간이 안정되었는지의 여부를 판별한다(단계 S104). ZMP 공간이 안정된 경우에는 가장 적은 지지 다각형에 관여하지 않는 링크 수를 계산하여(단계 S105), i 번째의 링크의 j 번째의 부위에서의 이상협 링크 수를 L에 대입한다. 그리고, L이 M보다도 크면(단계 S106), M(A, B)에 L(i, j)을 대입한다(단계 S107).
한편, ZMP 공간이 안정되지 않은 경우, L이 M보다도 크지 않은 경우, 혹은 M(A, B)에 L(i, j)을 대입한 후, j를 1만 증분시켜(단계 S108), j가 총 부위 수 J를 초과했는지의 여부를 판별한다(단계 S109). j가 아직 총 부위 수 J에 달하지 않는 경우에는, 단계 S103으로 되돌아가, 상술한 바와 같은 처리를 반복하여 실행한다.
이어서, i를 1만 증분시키고(단계 S110), i가 총 링크 수 I를 초과했는지의 여부를 판별한다(단계 S111). i가 총 링크 수에 달하지 않는 경우에는, 단계 S102로 되돌아가, 상술한 바와 마찬가지의 처리를 반복하여 실행한다.
i가 총 링크 수 I를 초과한 경우에는, A에 링크, B에 부위를 대입하고, 본 처리 루틴을 종료한다.
상술한 바와 같이, 전도 동작과 연속하여 기상하는 경우에는, 단계 S81을 생략하는 것에 의해, 단시간에 기상 동작을 완료시킬 수 있다.
예를 들면, 기체의 무게 중심이 요부에 존재하는 경우, 가장 작아지는 지지 다각형에 관여하지 않는 링크 수가 최대가 되는 부위에 ZMP를 설정할 수 있다. 이러한 전도·착상 동작 후, 기상 가능한 링크를 모두 기상시키는, 즉 하지와 체간의 쌍방을 부상시켜, 상체와 하지를 동시에 기상하고, 족부, 수부 등을 착상시킴으로써, 보다 적은 접지 다각형을 적은 단계에서 형성할 수 있으므로, 보다 고속으로 효율적인 기상 동작을 실현할 수 있다.
도 192∼도 198에는 전도 동작과 연속하여 기상 동작을 행하는 경우의 기체의 일련의 동작을 도시하고 있다.
도 192에 도시하는 직립 자세로부터, 도 192∼도 193에 도시한 바와 같이 기체 후방을 향하여 전도 동작을 개시하고, 도 194에 도시한 바와 같이 기체 무게 중심이 존재하는 요부에서 착상한다.
도 194에 도시하는 예에서는, 가장 작은 지지 다각형에 관여하지 않는 링크 수가 최대가 되는 동체부에 ZMP가 설정되어 있다. 또한, 특징적인 것은 도 23∼도 38, 및 도 39∼도 55를 참조하면서 설명한 예와는 다르며, 기본 뒤로 젖치기가 아니라, 각부가 기상한 상태에서 전도 동작이 종료하는 점에 있다.
계속되는 기상 동작에서는, 도 195에 도시한 바와 같이, 기상 가능한 링크 즉 각부와 동체부를 모두 기상시켜, 기상 동작을 개시한다. 여기서, 허벅지 관절 및/또는 체간의 피치축 액추에이터의 구동에 의해, 도 196∼도 197에 도시한 바와 같이 상체가 기상한다. 그리고, 우측 다리의 허벅지 관절 피치축 A12의 구동에 의해 우측 다리를 들어올리고나서, 그 무릎 관절 액추에이터 A14의 구동에 의해 우측 다리를 굴곡시켜, 그 발바닥을 착상한다. 이어서, 다리의 허벅지 관절 피치축 A12의 구동에 의해 우측 다리를 들어 올리고나서, 그 무릎 관절 액추에이터 A14의 구동에 의해 좌측 다리를 굴곡시켜, 그 발바닥을 착상한다. 이와 같이 하여, 발바닥을 기체 무게 중심 위치인 허벅지 관절 피치축(12)측으로 서서히 접근해 가는 것에 의해, 도 198에 도시한 바와 같이, 원래의 마루 위 자세보다도 좁은 접지 다각형을 형성할 수 있다.
전도 동작과 연속하여 기상 동작을 행하는 경우, 도 23∼도 38, 및 도 39∼도 55를 참조하면서 설명한 예와 비교하면서, 보다 작은 접지 다각형을 적은 단계로 형성할 수 있다. 즉, 이 실시 형태에 따르면 보다 효율적으로 좁은 접지 다각형을 형성 할 수 있는, 기상 동작이 고속화되는 점을 충분히 이해하기 바란다.
추가 보충
이상, 특정한 실시예를 참조하면서, 본 발명에 대하여 상해해 왔다. 그러나, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 당업자가 실시예의 수정이나 대용할 수 있는 것은 자명하다.
본 발명의 요지는, 반드시 「로봇」이라고 칭해지는 제품에 한정되지는 않는다. 즉, 전기적 혹은 자기적인 작용을 이용하여 인간의 동작을 닮은 운동을 행하는 기계 장치이면, 예를 들면 완구 등과 같은 다른 산업 분야에 속하는 제품이라도, 마찬가지로 본 발명을 적용할 수 있다.
결국, 예시라는 형태에서 본 발명을 개시한 것으로, 본 명세서의 기재 내용을 한정적으로 해석해서는 안된다. 본 발명의 요지를 판단하기 위해서는, 첫머리에 기재한 특허 청구의 범위의 란을 참작해야 한다.
본 발명에 따르면, 전도·낙하 도중의 각부뿐만 아니라 동체 및 완부를 포함하여 기체 전체의 운동 제어에 의해 로봇이 입은 손해를 최소한으로 경감시킬 수 있는, 우수한 각식 이동 로봇 및 각식 이동 로봇의 전도시 동작 제어 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 뒤로 젖히거나 부복하는 등의 마루 위 자세로부터자율적으로 직립 자세를 회복할 수 있는, 우수한 각식 이동 로봇의 동작 제어 장치 및 동작 제어 방법, 및 로봇 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 비교적 적은 토크로 안정된 동작에 의해 뒤로 젖히거나 부복하는 등의 마루 위 자세로부터 직립 자세를 회복할 수 있는, 우수한 각식 이동 로봇의 동작 제어 장치 및 동작 제어 방법, 및 로봇 장치를 제공할 수 있다.

Claims (56)

  1. 가동각을 갖춘 직립 자세에 있어서 각식 작업을 행하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 장치에 있어서,
    상기 각식 이동 로봇은 복수의 자세 또는 상태를 갖고,
    기체의 접지점과 노면이 형성하는 지지 다각형의 면적 S를 산출하는 제1 수단과,
    상기 지지 다각형의 면적 S의 시간 Δt당 변화ΔS/Δt를 산출하는 제2 수단과,
    상기 지지 다각형의 면적 S 또는 그 변화 속도 ΔS/Δt에 기초하여, 자세 또는 상태를 천이할 때의 기체의 동작을 결정하는 제3 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제3 수단은, 전도 시에 있어서,
    기체의 접지점과 노면이 형성하는 지지 다각형의 면적 S의 시간 Δt당 변화에 기초하여 착상 부위를 탐색하는 착상 부위 탐색 수단과,
    기체의 접지점과 노면이 형성하는 지지 다각형의 면적 S의 시간 Δt당 변화 ΔS/Δt가 최소로 되도록, 상기 착상 부위 탐색 수단에 의해 선택된 부위가 착상해야할 목표 착상점을 설정하는 목표 착상점 설정 수단과,
    상기 착상 부위 탐색 수단에 의해 선택된 부위를 상기 목표 착상점 설정 수단에 의해 설정된 목표 착상점에 착상시키는 부위 착상 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 부위 착상 수단에 의해 상기 선택된 부위를 착상시키는 것에 의해 새롭게 형성된 지지 다각형을 더 확대하도록 착상 부위를 이동시키는 지지 다각형 확대 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    기체의 위치 에너지가 최소로 되고, 전도 동작이 종료하기까지 동안, 상기 착상 부위 탐색 수단 및 목표 착상점 설정 수단에 의한 부위의 착상 동작, 및/또는 상기 지지 다각형 확대 수단에 의한 지지 다각형의 확대 동작을 반복하여 행하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 각식 이동 로봇은 대략 평행한 관절 자유도를 갖는 복수의 관절축을 길이 방향으로 연결한 링크 구조체로 이루어지며,
    상기 목표 착상점 설정 수단은 기상 링크 수가 최대가 되는 링크가 있는 부위를 목표로 설정하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 각식 이동 로봇은 대략 평행한 관절 자유도를 갖는 복수의 관절축을 길이 방향으로 연결한 링크 구조체로 이루어지며,
    상기 제3 수단은, 상기 각식 이동 로봇의 전도 상태로부터의 복귀 시에 있어서,
    기체의 무게 중심이 되는 무게 중심 링크를 포함하는 2 이상의 링크가 접상한 마루 위 자세에 있어서, 접상 링크가 형성하는 접지 다각형 내에서 가장 적은 링크 수로 형성되는 가장 좁은 지지 다각형을 탐색하는 수단과,
    접지 다각형 중 상기 탐색된 지지 다각형 이외의 접상 링크를 기상시키는 수단과,
    2 이상의 연속하는 기상 링크를 굴곡시키고, 그 링크단의 단부를 접상시켜, 보다 좁은 접지 다각형을 형성하는 수단과,
    지지 다각형이 충분히 좁게 된 것에 응답하여, 상기 링크 구조체의 일단측으로부터 제1 소정 수 이상의 링크를 기상하여 기체를 직립시키는 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기한 지지 다각형을 탐색하는 수단은, 기상시켜도 ZMP의 계획이 가능한 접상 링크를 추출하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 지지 다각형을 탐색하는 수단은, 상기 무게 중심 링크를 접상 상태를 유지한 상태에서 보다 좁은 지지 다각형을 탐색하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기한 기체를 직립시키는 수단은, 접지 다각형의 양 링크단의 단부를 접상한 상태에서 상기 무게 중심 링크를 기상 가능한지의 여부에 의해 지지 다각형이 충분히 좁게 되었는지의 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 기체를 직립시키는 수단은,
    지지 다각형의 양 링크단의 단부를 접상한 상태에서 상기 무게 중심 링크를 기상하는 수단과,
    상기 무게 중심 링크가 기상한 상태에서 지지 다각형의 양 링크단의 단부의 간격을 좁혀, ZMP를 상기 링크 구조체의 타단측으로 이동시키는 수단과,
    상기 링크 구조체의 타단으로부터 제2 소정 수 이하의 접상 링크만으로 형성되는 접지 다각형 내에 ZMP가 돌입한 것에 응답하여, ZMP를 상기 접지 다각형 내에수용한 상태에서 상기 링크 구조체의 일단측으로부터 제1 소정 수 이상의 링크를 기상하여, 상기 기상 링크를 길이 방향으로 신장시키는 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 기상 링크를 길이 방향으로 신장시키는 수단은, 질량 조작량의 보다 큰 관절 자유도를 적극적으로 사용하여 동작하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 장치.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 링크 구조체는 적어도 어깨 관절 피치축, 체간 피치축, 허벅지 관절 피치축, 무릎 피치축이 기체의 높이 방향으로 연결되어 이루어진 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 지지 다각형을 탐색하는 수단은, 기상시켜도 ZMP의 계획이 가능한 링크로서 적어도 어깨 관절 피치축을 포함하는 일단측으로부터 연속하는 2이상의 링크를 추출하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 지지 다각형을 탐색하는 수단은, 체간 피치축 및 허벅지 관절 피치축을 연결하는 링크를 무게 중심 링크로서 접상 상태를 유지한 상태에서, 보다 좁은 지지 다각형을 탐색하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 장치.
  15. 제12항에 있어서,
    보다 좁은 접지 다각형을 형성하는 수단은, 기상 링크를 어깨 관절 피치축에서 굴곡시켜, 그 링크단의 단부인 손끝을 접상시키는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상완의 길이를 l1, 전완(前腕)의 길이를 l2, 어깨 롤각을 α, 팔꿈치 피치각을 β, 어깨로부터 손끝까지의 길이를 l12, 어깨로부터 손끝을 연결하는 선이 이루는 각을 γ, 어깨의 높이를 h로 두면, 이하의 식
    을 충족하도록 완부를 동작시키는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 장치.
  17. 제12항에 있어서,
    상기 지지 다각형을 탐색하는 수단은, 기상시켜도 ZMP의 계획이 가능한 링크로서 적어도 무릎 관절 피치축을 포함하는 타단측으로부터 연속하는 2 이상의 링크를 추출하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 장치.
  18. 제12항에 있어서,
    보다 좁은 접지 다각형을 형성하는 수단은, 기상 링크를 무릎 관절 피치축에서 굴곡시켜, 그 링크단의 단부인 발바닥을 접상시키는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 장치.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 기체를 직립시키는 수단은, 접지 다각형의 양 링크단의 단부로서의 손끝 및 발바닥을 접상한 상태에서, 체간 피치축 및 허벅지 관절 피치축을 연결한 상기 무게 중심 링크를 기상 가능한지의 여부에 의해 지지 다각형이 충분히 좁게 되었는지의 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 장치.
  20. 제12항에 있어서,
    상기 기체를 직립시키는 수단은,
    접지 다각형의 양 링크단의 단부로서의 손끝 및 발바닥을 접상한 상태에서 체간 피치축 및 허벅지 관절 피치축을 연결한 상기 무게 중심 링크를 기상하는 수단과,
    상기 무게 중심 링크가 기상한 상태에서 접지 다각형의 양 링크단의 단부로서의 손끝 및 발바닥의 간격을 좁혀, ZMP를 발바닥으로 이동시키는 수단과,
    상기 발바닥으로 구성되는 접지 다각형 내에 ZMP가 돌입한 것에 응답하여, ZMP를 상기 접지 다각형 내에 수용한 상태에서 상기 어깨 피치축으로부터 상기 무릎 피치축에 이르기까지의 링크를 기상하여, 상기 기상 링크를 길이 방향으로 신장시키는 것에 의해, 기체를 직립시키는 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 기상 링크를 길이 방향으로 신장시키는 수단은, 질량 조작량의 보다 큰 무릎 관절 피치축을 적극적으로 사용하여 동작하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 장치.
  22. 제6항에 있어서,
    상기 보다 좁은 접지 다각형을 생성하는 수단은, 가장 적은 지지 다각형에 관여하지 않는 링크의 2개 이상을 기상 가능한지의 여부에 대응하여, 수부 또는 족부에서의 바꿔 딛기 동작 또는 상면과의 끌기 동작 중 어느 하나를 선택적으로 이용하여, 보다 좁은 접지 다각형을 형성하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 장치.
  23. 가동각을 구비하여 직립 자세에서 각식 작업을 행하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 방법에 있어서,
    상기 각식 이동 로봇은 복수의 자세 또는 상태를 갖고,
    기체의 접지점과 노면이 형성하는 지지 다각형의 면적 S를 산출하는 제1 단계와,
    상기 지지 다각형의 면적 S의 시간 Δt당 변화ΔS/Δt를 산출하는 제2 단계와,
    상기 지지 다각형의 면적 S 또는 그 변화 속도 ΔS/Δt에 기초하여, 자세 또는 상태를 천이할 때의 기체의 동작을 결정하는 제3 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 제3 단계에서는 전도 시에 있어서,
    기체의 접지점과 노면이 형성하는 지지 다각형의 면적 S의 시간 Δt당 변화를 탐색하는 착상 부위 탐색 단계와,
    기체의 접지점과 노면이 형성하는 지지 다각형의 면적 S의 시간 Δt당 변화ΔS/Δt가 최소로 되도록, 상기 착상 부위 탐색 단계에 있어서 선택된 부위가 착상해야할 목표 착상점을 설정하는 목표 착상점 설정 단계와,
    상기 착상 부위 탐색 단계에 있어서 선택된 부위를 상기 목표 착상점 설정 단계에 있어서 설정된 목표 착상점에 착상시키는 부위 착상 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 부위 착상 단계에 있어서 상기 선택된 부위를 착상시키는 것에 의해 새롭게 형성된 지지 다각형을 더 확대하도록 착상 부위를 이동시키는 지지 다각형 확대 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 방법.
  26. 제24항에 있어서,
    기체의 위치 에너지가 최소로 되고, 전도 동작이 종료되기까지 동안, 상기 착상 부위 탐색 수단 및 목표 착상점 설정 단계에 의한 부위의 착상 동작, 및/또는 상기 지지 다각형 확대 수단에 의한 지지 다각형의 확대 동작을 반복하여 행하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 방법.
  27. 제24항에 있어서,
    상기 각식 이동 로봇은 대략 평행한 관절 자유도를 갖는 복수의 관절축을 길이 방향으로 연결한 링크 구조체로 이루어지며,
    상기 목표 착상점 설정 수단은 기상 링크 수가 최대가 되는 링크가 있는 부위를 목표로 설정하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 방법.
  28. 제23항에 있어서,
    상기 각식 이동 로봇은 대략 평행한 관절 자유도를 갖는 복수의 관절축을 길이 방향으로 연결한 링크 구조체로 이루어지며,
    상기 제3 단계는 상기 각식 이동 로봇의 전도 상태로부터의 복귀 시에 있어서,
    기체의 무게 중심이 되는 무게 중심 링크를 포함하는 2 이상의 링크가 접상한 마루 위 자세에 있어서, 접상 링크가 형성하는 접지 다각형 내에서 가장 적은 링크 수로 형성되는 가장 좁은 지지 다각형을 탐색하는 단계와,
    접지 다각형 중 상기 탐색된 지지 다각형 이외의 접상 링크를 기상시키는 단계와,
    2 이상의 연속하는 기상 링크를 굴곡시켜, 그 링크단의 단부를 접상시켜, 보다 좁은 접지 다각형을 형성하는 단계와,
    지지 다각형이 충분히 좁게 된 것에 응답하여, 상기 링크 구조체의 일단측으로부터 제1 소정 수 이상의 링크를 기상하여 기체를 직립시키는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 방법.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 지지 다각형을 탐색하는 단계에서는 기상시켜도 ZMP의 계획이 가능한 접상 링크를 추출하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 방법.
  30. 제28항에 있어서,
    상기 지지 다각형을 탐색하는 단계에서는, 상기 무게 중심 링크를 접상 상태를 유지한 상태에서 보다 좁은 지지 다각형을 탐색하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 방법.
  31. 제28항에 있어서,
    상기 기체를 직립시키는 단계에서는, 접지 다각형의 양 링크단의 단부를 접상한 상태에서 상기 무게 중심 링크를 기상 가능한지의 여부에 의해 지지 다각형이 충분히 좁게 되었는지의 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 방법.
  32. 제28항에 있어서,
    상기 기체를 직립시키는 단계에서는,
    지지 다각형의 양 링크단의 단부를 접상한 상태에서 상기 무게 중심 링크를 기상하고, 지지 다각형의 양 링크단의 단부의 간격을 좁혀 ZMP를 상기 링크 구조체의 타단측으로 이동시키고,
    상기 링크 구조체의 타단으로부터 제2 소정 수 이하의 링크만으로 형성되는 접지 다각형 내에 ZMP가 돌입한 것에 응답하여, ZMP를 상기 접지 다각형 내에 수용한 상태에서 상기 링크 구조체의 일단측으로부터 제1 소정 수 이상의 링크를 기상하여, 상기 기상 링크를 길이 방향으로 신장시키는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 방법.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 기상 링크를 길이 방향으로 신장시키는 단계에서는 질량 조작량의 보다 큰 관절 자유도를 적극적으로 사용하여 동작하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 방법.
  34. 제28항에 있어서,
    상기 링크 구조체는 적어도 어깨 관절 피치축, 체간 피치축, 허벅지 관절 피치축, 무릎 피치축이 기체의 높이 방향으로 연결되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 방법.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 지지 다각형을 탐색하는 단계에서는 기상시켜도 ZMP의 계획이 가능한 링크로서 적어도 어깨 관절 피치축을 포함하는 일단측으로부터 연속하는 2 이상의 링크를 추출하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 방법.
  36. 제34항에 있어서,
    상기 지지 다각형을 탐색하는 단계에서는, 체간 피치축 및 허벅지 관절 피치축을 연결하는 링크를 무게 중심 링크로서 접상 상태를 유지한 상태에서 보다 좁은 지지 다각형을 탐색하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 방법.
  37. 제34항에 있어서,
    보다 좁은 접지 다각형을 형성하는 단계에서는, 기상 링크를 어깨 관절 피치축에서 굴곡시키고, 그 링크단의 단부인 손끝을 접상시키는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 방법.
  38. 제37항에 있어서,
    상완의 길이를 l1, 전완의 길이를 l2, 어깨 롤각을 α, 팔꿈치 피치각을 β, 어깨로부터 손끝까지의 길이를 l12, 어깨로부터 손끝을 연결하는 선이 이루는 각을 γ, 어깨의 높이를 h로 두면, 이하의 식
    을 충족하도록 완부를 동작시키는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 방법.
  39. 제34항에 있어서,
    상기 지지 다각형을 탐색하는 단계에서는, 기상시켜도 ZMP의 계획이 가능한 링크로서 적어도 무릎 관절 피치축을 포함하는 타단측으로부터 연속하는 2 이상의 링크를 추출하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 방법.
  40. 제34항에 있어서,
    보다 좁은 접지 다각형을 형성하는 단계에서는 기상 링크를 무릎 관절 피치축에서 굴곡시켜, 그 링크단의 단부인 발바닥을 접상시키는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 방법.
  41. 제34항에 있어서,
    상기 기체를 직립시키는 단계에서는, 접지 다각형의 양 링크단의 단부로서의 손끝 및 발바닥을 접상한 상태에서, 체간 피치축 및 허벅지 관절 피치축을 연결한 상기 무게 중심 링크를 기상 가능한지의 여부에 의해 지지 다각형이 충분히 좁게 되었는지의 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 방법.
  42. 제34항에 있어서,
    상기 기체를 직립시키는 단계에서는,
    접지 다각형의 양 링크단의 단부로서의 손끝 및 발바닥을 접상한 상태에서 체간 피치축 및 허벅지 관절 피치축을 연결한 상기 무게 중심 링크를 기상하고, 접지 다각형의 양 링크단으로서의 손끝 및 발바닥의 간격을 좁혀, ZMP를 상기 다리의 말단의 발바닥으로 이동시키고,
    상기 발바닥으로 구성되는 접지 다각형 내에 ZMP가 돌입한 것에 응답하여,ZMP를 상기 접지 다각형 내에 수용한 상태에서 상기 어깨 피치축으로부터 상기 무릎 피치축에 이르기까지의 링크를 기상하여, 기체를 직립시키는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 방법.
  43. 제42항에 있어서,
    상기 기상 링크를 길이 방향으로 신장시키는 단계에서는 질량 조작량의 보다 큰 무릎 관절 피치축을 적극적으로 사용하여 동작하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 방법.
  44. 제28항에 있어서,
    상기 보다 좁은 접지 다각형을 생성하는 단계에서는, 가장 작은 지지 다각형에 관여하지 않는 링크의 2개 이상을 기상 가능한지의 여부에 대응하여, 수부 또는 족부에서의 바꿔 딛기 동작 또는 상면과의 끌기 동작 중 어느 하나를 선택적으로 이용하여, 보다 좁은 접지 다각형을 형성하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 장치.
  45. 가동각을 구비하여 직립 자세에 있어서 각식 작업을 행하는 각식 이동 로봇에 있어서,
    기체에 대한 외력의 인가를 검출하는 외력 검출 수단과,
    상기 외력 검출 수단에 의한 검출 결과에 기초하여, 발바닥 접지점과 노면이형성하는 지지 다각형의 변 위 혹은 그 내측에 기체에 인가되는 모멘트가 균형을 이루는 ZMP를 배치하는 ZMP 궤도 계획 수단과,
    기체에 인가된 외력 때문에 상기 ZMP 궤도 계획 수단에 의한 상기 지지 다각형 내에서의 ZMP의 배치가 곤란하거나 또는 불가능하게 된 것에 응답하여, 기체의 전도 동작을 실행하는 전도 동작 실행 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇.
  46. 제45항에 있어서,
    상기 외력 검출 수단은, 발바닥에 배치한 상반력 센서나 가속도 센서, 혹은 동체의 허리 위치에 배치한 가속도 센서 등에 의해, 기체에 인가되는 외력을 검출하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇.
  47. 가동각을 구비하여 직립 자세에 있어서 각식 작업을 행하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 방법에 있어서,
    기체에 대한 외력의 인가를 검출하는 외력 검출 단계와,
    상기 외력 검출 단계에 있어서의 검출 결과에 기초하여, 발바닥 접지점과 노면이 형성하는 지지 다각형의 내측에 기체에 인가되는 외력에 의해 발생하는 모멘트가 균형을 이루는 ZMP를 배치하는 ZMP 궤도 계획 단계와,
    기체에 인가된 외력 때문에 상기 ZMP 궤도 계획 단계에 의한 상기 지지 다각형 내에서의 ZMP의 배치가 곤란하거나 또는 불가능하게 된 것에 응답하여, 기체의전도 동작을 실행하는 전도 동작 실행 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 방법.
  48. 제47항에 있어서,
    상기 외력 검출 단계에서는 발바닥에 배치한 상반력 센서나 가속도 센서, 혹은 동체의 허리 위치에 배치한 가속도 센서 등에 의해 기체에 인가되는 외력을 검출하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 방법.
  49. 가동각을 구비하여 직립 자세에 있어서 각식 작업을 행하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 장치에 있어서,
    전도 시의 각 단계에서 기체에 인가되는 충격 모멘트를 산출하는 수단과,
    전도 시의 각 단계에서 기체가 상면으로부터 받는 충격력을 산출하는 수단과,
    기체의 접지점과 노면이 형성하는 지지 다각형의 면적 S를 산출하는 수단과,
    상기 지지 다각형의 면적 S가 최소 또는 일정하게 되도록 다음의 착상 부위를 선택하는 제1 착상 부위 탐색 수단과,
    상기 지지 다각형의 면적 S가 증대하도록 다음의 착상 부위를 선택하는 제2 착상 부위 탐색 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 장치.
  50. 제49항에 있어서,
    기체가 상면으로부터 받는 충격력이 소정의 허용값 내에 있으면 상기 제2 착상 부위 탐색 수단에 의해 기체의 전도 동작을 행하고, 허용값 밖이면 상기 제1 착상 부위 탐색 수단에 의해 기체의 전도 동작을 행하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 장치.
  51. 가동각을 구비하여 직립 자세에 있어서 각식 작업을 행하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 방법에 있어서,
    전도 시의 각 단계에서 기체에 인가되는 충격 모멘트를 산출하는 단계와,
    전도 시의 각 단계에서 기체가 상면으로부터 받는 충격력을 산출하는 단계와,
    기체의 접지점과 노면이 형성하는 지지 다각형의 면적 S를 산출하는 단계와,
    상기 지지 다각형의 면적 S가 최소 또는 일정해 지도록 다음의 착상 부위를 선택하는 제1 착상 부위 탐색 단계와,
    상기 지지 다각형의 면적 S가 증대하도록 다음의 착상 부위를 선택하는 제2 착상 부위 탐색 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 방법.
  52. 제51항에 있어서,
    기체가 상면으로부터 받는 충격력이 소정의 허용값 내에 있으면 상기 제2 착상 부위 탐색 단계에 의해 기체의 전도 동작을 행하고, 허용값 밖이면 상기 제1 착상 부위 탐색 단계에 의해 기체의 전도 동작을 행하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 방법.
  53. 가동각을 구비하여 직립 자세에 있어서 각식 작업을 행하는 각식 이동 로봇에 있어서의 기체의 전도 및 기상에 관한 일련의 동작을 제어하는 동작 제어 장치에 있어서, 상기 각식 이동 로봇은 대략 평행한 관절 자유도를 갖는 복수의 관절축을 길이 방향으로 연결한 링크 구조체로 이루어지며,
    전도 시에 있어서, 기체의 무게 중심이 되는 무게 중심 링크를 포함하는 2 이상의 링크가 접상한 마루 위 자세에 있어서, 접상 링크가 형성하는 접지 다각형 내에서 가장 적은 링크 수로 형성되는 가장 좁은 지지 다각형을 탐색하는 수단과,
    상기 최소로 되는 지지 다각형에 관여하지 않는 링크 수가 최대가 되는 부위로 ZMP를 설정하여 전도 동작을 행하는 수단과,
    기체의 전도 자세에 있어서 기상 가능한 링크를 탐색하는 수단과,
    기상 가능한 링크를 모두 기상시켜 기상 동작을 행하는 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 장치.
  54. 가동각을 구비하여 직립 자세에 있어서 각식 작업을 행하는 각식 이동 로봇에 있어서의 기체의 전도 및 기상에 관한 일련의 동작을 제어하는 동작 제어 방법에 있어서, 상기 각식 이동 로봇은 대략 평행한 관절 자유도를 갖는 복수의 관절축을 길이 방향으로 연결한 링크 구조체로 이루어지며,
    전도 시에 있어서, 기체의 무게 중심이 되는 무게 중심 링크를 포함하는 2 이상의 링크가 접상한 마루 위 자세에 있어서, 접상 링크가 형성하는 접지 다각형 내에서 가장 적은 링크 수로 형성되는 가장 좁은 지지 다각형을 탐색하는 단계와,
    상기 최소로 되는 지지 다각형에 관여하지 않는 링크 수가 최대가 되는 부위에 ZMP를 설정하여 전도 동작을 행하는 단계와,
    기체의 전도 자세에 있어서 기상 가능한 링크를 탐색하는 단계와,
    기상 가능한 링크를 모두 기상시켜 기상 동작을 행하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 각식 이동 로봇의 동작 제어 방법.
  55. 체간부와, 상기 체간부에 접속되는 각부 및 상기 체간부와 접속되는 완부를 갖는 로봇 장치에 있어서,
    상기 각부, 상기 체간부, 및/또는 상기 완부가 상면과 접상하는 복수의 단부로 형성되는 제1 지지 다각형을 검출하는 지지 다각형 검출 수단과,
    상기 각부를 상기 체간부 방향으로 굴곡시키는 것에 의해, 상기 제1 지지 다각형의 면적을 감소시키는 지지 다각형 변경 수단과,
    상기 변경된 제1 지지 다각형 내에 있는 ZMP를, 상기 각부의 발바닥으로 형성하는 접지 다각형으로, 상기 ZMP를 이동 가능한지의 여부를 판단하는 ZMP 이동 제어 수단과,
    상기 ZMP 이동 제어 수단이 상기 ZMP를 이동할 수 있다고 판단했을 때에, 상기 ZMP를 상기 제1 지지 다각형 내로부터, 상기 발바닥이 형성하는 상기 접지 다각형 내로 유지하면서 전도 자세로부터 기본 자세로 상기 로봇 장치를 천이시키는 제어 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 장치.
  56. 적어도 동체와, 상기 동체의 상방에 제1 관절(어깨)을 통하여 연결되는 1개 이상의 팔 링크와 상기 동체의 하방에 제2 관절(허벅지 관절)을 통하여 연결되는 제1 다리 링크와, 상기 제2 다리 링크의 선단에 제3 관절(무릎)을 통하여 연결되는 제2 다리 링크를 구비한 로봇 장치에 있어서,
    상기 팔 링크의 선단과 상기 제2 다리 링크 선단의 족부를 접상시켜 제1 지지 다각형을 형성하는 수단과,
    상기 팔 링크의 선단과 상기 족부를 접상시킨 상태에서, 제2 관절을 제3 관절보다도 접상면 법선 방향 상방으로 이동시킨 후, 상기 제1 지지 다각형의 면적을 감소시키고, 또한 상기 족부에 의해 형성되는 접지 다각형 내로 ZMP를 이동시키는 수단과,
    상기 족부에 의해 형성되는 접지 다각형 내에 ZMP를 유지하면서, 기체를 직립시키는 수단
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 장치.
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