KR20050000411A - 다리식 이동 로봇의 제어장치 - Google Patents

Abstract

다리식 이동 로봇(1)의 소정 방향의 병진운동( 예를 들면 연직방향병진운동)에 관한 실제의 상태량과 목표 보용의 상태량과의 편차인 상태량 편차( 예를 들면 상체(3)의 연직위치의 편차)을구하고, 그 상태량 편차를 0에 근접시키도록 목표 보용의 목표 운동을 결정한다.

목표 운동은, 목표 보용을 생성하기 위한 동력학 모델에, 상태량 편차에 응해서 결정한 가상 외력을 부가적으로 입력 함으로써, 상기 동력학 모델을 이용해서 결정한다.

아울러, 상태량 편차0에 응해서 로봇(1)의 목표 상반력을 수정하고, 컴플라이언스 제어에 의해 로봇(1)의 운동과 상반력과를 목표 보용의 목표 운동과 목표 상반력과에 추종시킨다.

Description

다리식 이동 로봇의 제어장치{CONTROL DEVICE OF LEGGED MOBILE ROBOT}

다리식 이동 로봇, 예를 들면 2족이동 로봇에서는, 종래, 주로 로봇의 보행 동작을 행하게 하도록 하고 있었다. 그러나, 최근에는 다리식 이동 로봇의 개발이 진행됨에 따라서, 이 로봇에 보행뿐만아니라, 보다 고속으로의 주행, 또는 점프를 행하게 하는 것이 요망되고 있다.

로봇의 보행에서는, 항상, 어느 하나의 다리체를 접지시켜서 자체 중량을 지탱하는 것이 되지만, 로봇의 주행 또는 점프에서는 로봇에 작용하는 상반력이 0 또는 거의 0이 되는 시기가 존재한다. 따라서, 로봇의 주행이나 점프에서는 로봇에 작용시키는 상반력, 특히 병진력 연직성분의 제어도 중요하게 된다.

그래서, 본 출원인은 앞서 제안한 PCT 출원 PCT/JP02/13596호 등에서, 목표 ZMP 패턴과 목표 상반력 연직성분(병진력의 연직성분. 이하, 동일) 패턴을 명시적으로 설계하면서, 로봇의 동력학 모델을 기초로, 목표 운동 패턴을 생성하고, 실제의 로봇을 목표 운동 패턴에 추종시키면서, 컴플라이언스 제어에 의해 실제의 상반력 연직성분이 목표 상반력 연직성분 패턴에 추종하도록 제어하여, 주행 등을 실현시키는 제어장치를 제안하고 있다.

또, 상기 PCT 출원 PCT/JP02/13596호에서는, 상반력 연직성분을 제어하는 특개평 11-300661호에서 제안한, 실제 상반력 연직성분에 따라서 다리체의 선단(족평)을 로봇의 상체에 대해 연직방향으로 변위시키는(목표 보용의 다리 선단 위치로부터 비키어 놓는) 컴플라이언스 제어가 사용되고 있다. 이것을 이후, 연직방향 컴플라이언스 제어라 부른다.

연직방향 컴플라이언스 제어를 사용하지 않으면, 점프시의 차는 힘이 바닥의 딱딱함에 크게 영향받는 경향이 있었다. 예를 들면, 딱딱한 바닥에서는 적절한 점프력이 얻어져도, 융단위에서는, 점프력이 부족한 경우가 있었다. 또, 바닥의 휨 강성, 로봇의 강성 및 로봇의 질량에 의해 발생하는 고유 진동이 감쇠하기 어려운 경우가 있었다. 특히 철판 등으로 이루어진 감쇠성이 낮은 바닥에서는, 고유진동이 장기간 감쇠되지 않아, 접지성이 손상되어 슬립이 생기는 경우도 있었다.

그러나, 이 문제를 해소하기 위해서 연직방향 컴플라이언스 제어를 사용하면, 로봇의 실제의 상체 연직위치(이후, 실제 상체 연직위치라 부름)가 목표 상체 연직위치로부터 벗어나 쉬워져, 점프의 이상(離床) 타이밍이 어긋나는 경향이 있었다. 예를 들면 목표의 이상 시각에 실제 상체 연직위치가 목표 상체 연직위치보다도 낮은 경우에는, 목표의 이상 시각으로 되어도, 상반력 연직성분은 0이 되지 않아, 이상의 타이밍은 늦어진다.

반대로, 목표의 이상 시각보다 조금 전에, 실제 상체 연직위치가 목표 상체 연직위치보다도 높은 경우에는, 목표의 이상 시각으로 되기 전에, 상반력 연직성분은 0이 되어, 이상의 타이밍은 빨라진다. 보충하면, 연직방향 컴플라이언스 제어를 이용하지 않으면, 실제 상체 연직위치는 목표 상체 연직위치에 거의 일치하므로, 이상의 타이밍은 벗어나기 어렵다.

상기한 바와 같이 이상 타이밍이 빠르게 되면, 수평방향의 마찰력이 상정한 시각보다도 약간 빨리 작아지든지 0이 되므로, 슬립이나 스핀을 발생하기 쉬웠다.

반대로, 이상 타이밍이 시간이 늦어지면, 주행과 같이 이상한 직후에 미착지 다리 족평을 전방으로 이동할 때에, 미착지 다리 족평이 바닥에 걸려버릴 우려가 있었다.

또, 이상시에, 실제의 로봇의 상체 연직위치 궤도(중심궤도)가 목표 상체 연직위치 궤도로부터 벗어나면, 착지시의 중심궤도도 벗어나, 착지 타이밍이 벗어나거나 하여, 미착지 다리 족평의 착지시의 대지 속도가 과대하게 되어 큰 착지 충격이 발생할 우려도 있었다.

또, 실제의 로봇의 운동과 상반력이 목표 보용의 그것으로부터 벗어나므로, 자세안정성도 저하되었다.

본 발명은 이러한 배경을 감안하여 이루어진 것으로서, 로봇의 다리체 선단부(족평)의 바닥에 대한 궤도를 목표 보용의 다리체 선단부(족평) 궤도에 근접시킬 수 있고, 나아가서는, 로봇이 목표 보용대로의 이상의 타이밍에서 이상하도록 하여, 로봇의 슬립이나 스핀, 미착지 다리의 바닥에의 걸림 등이 발생하는 것을 방지하고, 또한 착지 충격을 저감할 수 있는 다리식 이동 로봇의 제어장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 다리식 이동 로봇의 제어장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에서의 다리식 이동 로봇으로서의 2족이동 로봇의 전체적 구성의 개략을 도시하는 개략도,

도 2는 도 1의 각 다리체의 족평부분의 구성을 개략적으로 도시하는 개략도,

도 3 및 도 4는 각각 각 다리체의 족평부분의 상세 구성을 도시하는 측면시의 단면도 및 저면도,

도 5는 도 1의 로봇에 구비한 제어 유닛의 구성을 도시하는 블록도,

도 6 및 도 7은 로봇의 머리부의 내부 구조를 각각 정면시, 측면시로 본 도면,

도 8은 도 5의 제어 유닛의 기능적 구성을 도시하는 블록도,

도 9(a), (b)는 각각 목표 보용의 상반력 연직성분, 목표 ZMP의 설정예를 나타내는 그래프,

도 10은 제 1 실시예에서의 상체 연직위치 안정화 제어부의 처리를 도시하는 플로차트,

도 11은 도 10의 처리의 상세를 도시하는 블록도,

도 12(a)∼(d)는 각각, 목표 보용의 상반력 연직성분, 목표 ZMP, 컴플라이언스 제어용 보상 연직 상반력의 최대 허용값, 보상 연직 상반력의 최소 허용값의 설정예를 도시하는 그래프,

도 13은 제 1 실시형태에서의 상체 연직위치 안정화 제어부의 처리의 다른 예를 도시하는 블록도,

도 14(a)∼(d)는 각각, 목표 보용의 상반력 연직성분, 목표 ZMP, 상체 연직위치 안정화 제어부의 처리에서의 게인(도 14(c), (d))의 설정예를 도시하는 그래프,

도 15는 제 1 실시형태의 보용 생성 처리 및 자기위치 자세추정 처리를 도시하는 플로차트,

도 16은 도 15의 주요부의 서브루틴 처리를 도시하는 플로차트,

도 17은 제 2 실시평태에 있어서의 주요부의 처리를 도시하는 플로차트,

도 18(a), (b)는 도 17의 처리를 설명하기 위한 그래프,

도 19는 제 3 실시형태에서의 보용 생성 처리 및 자기위치 자세추정 처리를 도시하는 플로차트, 그리고

도 20은 제 4 실시형태에서의 주요부의 처리를 도시하는 블록도이다.

본 발명의 다리식 이동 로봇의 제 1 발명은, 다리체의 운동에 의해 이동하는 다리식 이동 로봇의 목표 보용을 생성하고, 그 목표 보용에 추종시키도록 이 로봇의 동작을 제어하는 다리식 이동 로봇의 제어장치에 있어서, 적어도 상기 로봇의 목표 운동을 포함하는 목표 보용을 생성하는 목표 보용 생성 수단과, 상기 로봇의 소정 방향의 병진운동에 관한 상기 목표 보용의 상태량과, 상기 소정 방향의 병진운동에 관한 상기 로봇의 실제의 상태량과의 편차를 상태량 편차로서 구하는 상태량 편차 산출 수단을 갖추고, 상기 목표 보용 생성 수단은 상기 상태량 편차에 따라서 상기 상태량 편차를 0에 근접시키도록 상기 로봇의 목표 보용의 목표 운동을 결정하는 것을 특징으로 한다.

이러한 제 1 발명에서는, 상기 소정 방향의 병진운동에 관한 상기 상태량 편차를 0에 근접시키도록 로봇의 목표 보용의 목표 운동을 결정하므로, 상기 병진운동에 관한 실제의 로봇의 상태량과 목표 보용에서의 상태량과의 일치성이 높아진다. 그 결과, 로봇의 상기 소정 방향의 병진운동에 관한 실제의 동작의 타이밍을 목표 보용에서의 동작 타이밍에 합치는 것이 가능하게 되어, 로봇의 원활한 운동이 가능하게 된다.

또한, 상기 소정 방향은 예를 들면 연직방향, 또는, 로봇의 중심과 목표 보용의 목표 ZMP를 연결하는 방향 등이다. 이것은, 이하에 설명하는 어느 발명에서도 동일하다.

또, 후술의 제 21 발명, 제 22 발명과 같이, 상기 상태량은, 예를 들면 상기 로봇의 소정의 부위의 위치 또는 이 로봇의 중심의 위치인 것이 바람직하고, 특히,상기 소정의 부위는 로봇의 상체(다리체가 뻗어 설치되는 기체)인 것이 바람직하다. 이것은, 이하에 설명하는 어느 발명에서도 동일하다. 로봇의 상체의 위치, 또는, 중심의 위치에 관계되는 상기 상태량 편차(즉 위치 편차)를 0에 근접시키도록 목표 보용의 목표 운동을 결정함으로써, 다리체의 선단부(족평)의 실제의 궤도도, 목표 보용의 궤도에 근접시킬 수 있어, 상기 다리체의 이상, 착상 등의 동작의 타이밍을 원하는 타이밍(목표 보용상의 타이밍)에 맞출 수 있다. 그 결과, 슬립이나 스핀, 다리체 선단부의 바닥에의 걸림 등을 방지하고, 또, 착지시에 과대한 착지 충격이 발생하는 것을 방지하는 것이 가능하게 된다.

상기 제 1 발명에서는, 상기 목표 보용이 상기 로봇의 모든 다리체를 공중에 뜨게하는 공중기를 가지는 보용일 때, 즉, 로봇의 주행이나 점프를 행하는 보용일 때에는, 예를 들면 상기 로봇의 소정의 부위의 위치 또는 이 로봇의 중심의 위치를 상기 로봇의 대표 자기위치라고 해서 그 대표 자기위치의 상기 소정 방향의 성분을 상기 소정 방향의 병진운동에 관한 이 로봇의 실제의 상태량을 나타내는 것으로서 추정하는 자기위치 추정 수단과, 적어도 상기 공중기의 개시시까지 상기 자기위치 추정 수단에 의해 추정된 상기 대표 자기위치의 소정 방향의 성분에 기초하여 적어도 이 공중기에서의 이 대표 자기위치의 소정 방향의 성분의 예상 궤도를 구하는 예상 궤도 산출 수단을 구비하고, 상기 목표 보용 생성 수단은 상기 공중기에서 상기 목표 보용에 의해 정해지는 상기 대표 자기위치의 상기 소정 방향의 성분의 목표 궤도가 적어도 이 공중기의 종료시까지 상기 예상 궤도에 근접하도록 상기 추정된 대표 자기위치의 소정 방향의 성분과 상기 목표 보용의 대표 자기위치의 소정방향의 성분과의 편차인 상기 상태량 편차에 따라서 상기 공중기에서의 상기 목표 보용의 목표 운동을 결정하는 것이 하나의 형태로서 바람직하다(제 2 발명).

이러한 제 2 발명에 의하면, 공중기에서의 로봇의 대표 자기위치의 소정 방향의 성분의 예상 궤도를 구하고, 이 예상 궤도에, 적어도 공중기의 종료시까지 목표 보용에서의 대표 자기위치의 소정 방향(연직방향 등)의 성분의 목표 궤도가 근접하도록 목표 보용의 목표 운동이 결정된다. 그 결과, 공중기의 종료시, 즉, 로봇의 착지시에서의 실제의 대표 자기위치의 소정 방향성분과 목표 보용에서의 대표 자기위치의 소정 방향성분과의 사이의 편차(상태량 편차)를 작게 하여, 실제의 착지 타이밍과 목표 보용상에서의 착지 타이밍을 맞추는 것이 가능하게 되어, 로봇의 착지시에 과대한 착지 충격을 발생하는 것을 방지하면서, 로봇의 착지 동작을 원활하게 행할 수 있다. 또, 로봇의 착지 마다 상기 상태량 편차를 거의 0으로 하기 위해서, 로봇의 이상시(공중기의 개시시)에 있어서의 실제의 로봇의 이상 타이밍과 목표 보용에서의 이상 타이밍과의 사이의 오차도 극력 작게 할 수 있으므로, 로봇의 이상 동작도 원활하게 행하는 것이 가능하게 된다.

또, 상기 제 1 발명에서는, 상기 목표 보용 생성 수단이 상기 로봇에 작용하는 힘과 이 로봇의 운동과의 관계를 나타내는 동력학 모델에 적어도 이 로봇에 작용시켜야 할 상반력의 목표값으로서의 기준 상반력을 입력하면서, 상기 동력학 모델을 사용하여 상기 목표 운동을 결정하는 수단일 때에는, 적어도 상기 상태량 편차에 따라서 가상 외력을 결정하고, 이 가상 외력을 상기 동력학 모델에 부가적으로 입력함으로써 상기 목표 운동을 결정하는 것이 바람직하다(제 3 발명).

이것에 의하면, 상기 동력학 모델에 상기 가상 외력을 부가적으로 입력함으로써, 상기 상태량 편차를 0에 근접시키는 목표 운동이 결정된다. 또한, 상기 가상 외력은 예를 들면 상기 상태량 편차로부터 피드백 제어칙(PD 제어칙 등)에 의해 결정하면 좋다. 또, 상기 동력학 모델에는, 적어도 기준 상반력과 가상 외력이 입력되게 되기 때문에, 상기 가상 외력이 0이 아닐 때에는, 이 동력학 모델에 의해 결정되는 목표 운동은 이 동력학 모델상에서는, 상기 기준 상반력과는 균형을 이루지 못하는 것이 된다. 즉, 제 3 발명에서는, 상기 가상 외력을 동력학 모델에 부가적으로 입력함으로써, 의도적으로 상기 기준 상반력에 동력학 모델상에서 균형을 이루는 운동(이것은 이상적인 환경하에서 로봇의 본래 있어야 할 운동을 의미함)으로부터 비키어 놓은 목표 운동을 결정하고, 이것에 의해 상기 상태량 편차를 0에 근접시킨다.

상기 제 3 발명에서는, 상기 목표 보용 생성 수단은 상기 상태량 편차를 0에 근접시키기 위해서 상기 동력학 모델에 부가적으로 입력해야 할 외력조작량을 이 상태량 편차로부터 피드백 제어칙에 의해 결정하는 수단을 구비하고, 이 외력조작량의 값이 0을 포함하는 소정의 불감대역에 존재할 때에는, 상기 가상 외력을 0에 결정하고, 이 외력 조작량의 값이 상기 불감대역으로부터 일탈해 있을 때에는, 상기 가상 외력을 이 외력 조작량이 상기 불감대역으로부터 일탈한 만큼의 값으로 결정하는 것이 바람직하다(제 4 발명).

이것에 의하면, 상기 상태량 편차가 상기 불감대역에 있을 때, 즉, 상기 상태량 편차가 미소할 때에는, 상기 가상 외력을 0으로 하므로, 상기 동력학 모델에의해 결정되는 목표 운동은 상기 동력학 모델상에서 상기 기준 상반력에 균형을 이루는 운동에 상기 불감대역이 없는 경우에 비해 근접하게 된다. 그 결과, 로봇의 실제의 운동이 동력학적인 안정성이 높은(동력학적 평형 조건을 충족시킴) 본래의 운동으로부터 과잉하게 벗어나버리는 것을 방지할 수 있다.

또, 제 1 발명에서는, 상기 목표 보용이 상기 로봇에 작용하는 상반력이 대략 0에 유지되는 상반력 불작용 기간을 갖는 보용일 때에는, 상기 목표 보용 생성 수단은, 상기 상반력 불작용 기간에 있어서, 상기 상태량 편차를 0에 근접시키도록 상기 목표 운동을 결정하는 것이 바람직하다(제 5 발명).

마찬가지로, 상기 제 3 또는 제 4 발명에서는, 상기 기준 상반력이 그 값이 대략 0에 유지되는 상반력 불작용 기간을 가질 때에는, 상기 목표 보용 생성 수단은 상기 상반력 불작용 기간 이외의 기간내에서 상기 가상 외력을 대략 0으로 결정하는 것이 바람직하다(제 6 발명).

즉, 상기 상반력 불작용 기간에서는, 로봇에는 실질적으로 중력만이 작용하고, 이 로봇의 중심의 운동이 상기 중력에 의해 지배되므로, 로봇의 각 부의 상대적인 운동만을 고려하면 좋지만, 상기 상반력 불작용 기간 이외의 기간에서는, 로봇에 상반력이 작용하기 때문에, 동력학적 평형 조건을 충족시킬 필요성이 높다. 그리고, 제 5 발명에서는, 상기 상반력 불작용 기간에 있어서, 상기 상태량 편차를 0에 근접시키도록 상기 목표 운동을 결정하고, 로봇의 상기 소정 방향의 병진운동에 관한 실제의 거동과 목표 보용에 있어서의 거동을 합치시키는 한편, 이 상반력 불작용 기간 이외의 기간에서는, 로봇의 동력학적 평형 조건을 중시한 목표 운동을결정하는 것이 가능하게 된다. 또, 상기 제 6 발명에서는, 상기 상반력 불작용 기간이외의 기간내에서 상기 가상 외력을 대략 0으로 결정함으로써 제 5 발명과 동일하게, 상기 상반력 불작용 기간에서, 로봇의 상기 소정 방향의 병진운동에 관한 실제의 거동과 목표 보용에서의 거동을 합치시키는 한편, 상기 상반력 불작용 기간 이외의 기간에서는, 로봇의 동력학적 평형 조건을 중시한 목표 운동을 결정하는 것이 가능하게 된다.

또한, 상기 제 5 발명에서는, 상기 목표 보용 생성 수단은 적어도 상기 상반력 불작용 기간이외의 기간내에서, 상기 목표 운동을 소정의 기준 운동에 근접시키도록 상기 목표 운동을 결정하는 것이 바람직하다(제 7 발명).

또, 상기 제 6 발명에서는, 상기 목표 보용 생성 수단은 적어도 상기 가상 외력을 대략 0으로 결정하는 기간내에서 상기 목표 운동을 상기 기준 상반력에 상기 동력학 모델상에서 균형을 이루는 기준 운동에 근접시키도록 상기 목표 운동을 결정하는 것이 바람직하다(제 8 발명).

이들 제 7 발명 및 제 8 발명에 의하면, 상기 상반력 불작용 기간이외의 기간내(제 7 발명), 또는, 상기 가상 외력을 대략 0으로 결정하는 기간내(제 8 발명)에서, 동력학적 평형 조건을 중시한 목표 운동을 결정할 수 있다.

또, 상기 제 1 발명에서는, 상기 목표 보용 생성 수단은 상기 로봇의 목표 상반력을 결정하는 수단을 포함하고, 상기 목표 운동과 목표 상반력에 상기 로봇의 보용을 추종시키도록 이 로봇을 조작하는 컴플라이언스 제어 수단을 구비하는 것이 바람직하다(제 9 발명).

마찬가지로, 상기 제 3 발명에서는, 상기 목표 보용 생성 수단은 적어도 상기 기준 상반력을 기초로 상기 목표 운동에 상기 동력학 모델상에서 불균형으로 되는 로봇의 목표 상반력을 결정하는 수단을 포함하고, 상기 목표 운동과 목표 상반력에 이 로봇의 보용을 추종시키도록 이 로봇을 조작하는 컴플라이언스 제어 수단을 구비하는 것이 바람직하다(제 10 발명).

이들 제 9 발명 및 제 10 발명에 의하면, 상기 컴플라이언스 제어 수단을 구비함으로써 로봇의 실제의 운동과 상반력 양자를 대략 목표 운동과 목표 상반력에 추종시킬 수 있다.

특히 상기 제 9 또는 제 10 발명에서는, 상기 목표 보용 생성 수단은 적어도 상기 상태량 편차에 따라서 상기 상태량 편차를 0에 근접시키도록 상기 목표 상반력을 결정하는 것이 바람직하다(제 11 발명).

이것에 의하면, 목표 운동과 목표 상반력 양자를 조작하여 상태량 편차를 0에 근접시킬 수 있기 때문에, 이 상태량 편차의 0에의 수렴, 즉, 이 상태량 편차의 해소를 신속하게 실시할 수 있다.

또, 본 발명의 제 12 발명은 다리체의 운동에 의해 이동하는 다리식 이동 로봇의 목표 운동 및 목표 상반력으로 이루어지는 목표 보용을 생성하는 목표 보용 생성 수단과, 그 목표 보용의 목표 운동 및 목표 상반력에 상기 로봇의 보용을 추종시키도록 상기 로봇을 조작하는 컴플라이언스 제어 수단을 갖춘 다리식 이동 로봇의 제어장치에 있어서, 상기 로봇의 소정 방향의 병진운동에 관한 상기 목표 보용의 상태량과, 이 소정 방향의 병진운동에 관한 이 로봇의 실제의 상태량과의 편차를 상태량 편차로서 구하는 상태량 편차 산출 수단을 구비하고, 상기 목표 보용 생성 수단은, 적어도 상기 상태량 편차에 따라서 이 상태량 편차를 0에 근접시키도록 상기 로봇의 목표 운동과 목표 상반력과의 세트를 결정하는 것을 특징으로 하는 것이다.

이러한 제 12 발명에서는, 상기 상태량 편차를 0에 근접시키도록 로봇의 목표 운동과 목표 상반력과의 세트를 결정하므로, 바꾸어 말하면, 상태량 편차를 0에 근접시키도록 목표 운동과 목표 상반력과의 세트를 조작하므로, 상기 제 1 발명과 동일하게 상기 병진운동에 관한 실제의 로봇의 상태량과 목표 보용에서의 상태량과의 일치성이 높아지는 것에 더하여, 그것들의 상태량의 편차(상태량 편차)를 신속하게 0에 근접시킬 수 있다. 그 결과, 로봇의 상기 소정 방향의 병진운동에 관한 실제의 동작의 타이밍을 목표 보용에서의 동작 타이밍에 맞추는 것이 가능하게 되어 로봇의 원활한 운동이 가능하게 된다.

이 제 12 발명에서는, 상기 목표 보용 생성 수단은 상기 로봇에 작용하는 상반력과 상기 로봇의 운동과의 관계를 나타내는 동력학 모델에, 적어도 이 로봇에 작용시켜야 할 상반력의 기준 목표값으로서의 기준 상반력을 입력하면서 이 동력학 모델을 사용하여 상기 목표 운동을 결정하는 수단과, 적어도 상기 상태량 편차에 따라서 상기 동력학 모델에 부가적으로 입력해야 할 가상 외력과 상기 목표 상반력의 상기 기준 상반력으로부터의 수정량으로서의 목표 상반력 수정량과의 세트를 결정하는 수단을 구비하고, 그 결정된 가상 외력 및 목표 상반력 수정량중의 가상 외력을 상기 동력학 모델에 부가적으로 입력함으로써 상기 목표 운동을 결정하는 동시에, 상기 목표 상반력 수정량에 의해 상기 기준 상반력을 수정함으로써 상기 목표 상반력을 결정하는 것이 바람직하다(제 13 발명).

이러한 제 13 발명에 의하면, 상기 가상 외력을 상기 동력학 모델에 부가적으로 입력함으로써 상기 상태량 편차를 0에 근접시키도록 목표 운동이 결정되는 동시에, 상기 목표 상반력 수정량에 의해 상기 기준 상반력을 수정함으로써 상기 상태량 편차를 0에 근접시키도록 목표 상반력이 결정된다.

보다 구체적으로는, 제 13 발명에서는 상기 목표 상반력 수정량과 상기 가상 외력과의 차이분이 로봇의 상기 소정 방향의 병진운동을 조작하는 것으로 되므로, 상기 목표 보용 생성 수단은 상기 상태량 편차를 0에 근접시키도록 상기 목표 상반력 수정량과 상기 가상 외력과의 차이분의 목표값을 이 상태량 편차에 따라 결정하고, 그 결정된 차이분의 목표값을 만족하도록 상기 목표 상반력 수정량과 상기 가상 외력과의 세트를 결정하는 것이 바람직하다(제 14 발명). 이것에 의해, 상기 상태량 편차를 0에 근접시킬 수 있는 목표 운동과 목표 상반력과의 세트를 적정하게 결정할 수 있다.

또한, 제 14 발명에서는 상기 목표 보용 생성 수단은 상기 목표 상반력 수정량의 허용범위를 결정하는 수단을 구비하고, 상기 차이분의 목표값과 이 목표 상반력 수정량의 허용범위를 만족하도록 상기 목표 상반력 수정량과 가상 외력과의 세트를 결정하는 것이 바람직하다(제 15 발명). 즉, 목표 상반력은 로봇에 실제로 작용하는 상반력의 목표값이지만, 로봇에 작용시킬 수 있는 상반력에는 한계가 있다. 따라서 상기한 바와 같이 목표 상반력의 수정량의 허용범위를 결정하고, 상기차이분의 목표값과 이 목표 상반력 수정량의 허용범위를 만족하도록 상기 목표 상반력 수정량과 가상 외력과의 세트를 결정함으로써, 목표 운동 및 목표 상반력에의 로봇의 추종성을 높일 수 있고, 나아가서는, 상기 상태량 편차를 0에 근접시키는 것을 원활하게 실시할 수 있다.

상기 제 15 발명에서는, 보다 구체적으로는 상기 목표 보용 생성 수단은 상기 차이분의 목표값에 대응하는 상기 가상 외력이 0이라고 가정하여 상기 목표 상반력 수정량의 가상값을 결정하는 수단과, 상기 목표 상반력 수정량의 가상값과 상기 허용범위에 기초하여 이 가상값을 이 허용범위내의 값에 제한하여 이루어지는 목표 상반력 수정량을 결정하는 수단과, 그 결정한 목표 상반력 수정량과 상기 결정된 차이분의 목표값에 기초하여 상기 가상 외력을 결정하는 수단을 구비하는 것이 바람직하다(제 16 발명).

이것에 의하면, 상기 가상 외력을 0으로 가정하여 상기 차이분의 목표값에 따라서 결정되는 목표 상반력 수정량이 상기 허용범위내에 존재할 때에는, 상기 가상 외력이 0으로 결정되게 된다. 따라서, 상기 상태량 편차를 0에 근접시키기 위해서, 목표 운동과 목표 상반력중 목표 상반력이 우선적으로 조작되게 된다. 즉, 상태량 편차의 해소를 상반력의 조작이 가능한 범위에서는, 이 상반력의 조작에 따라 행하고, 상반력의 조작에 의한 상태량 편차의 해소가 불가능하게 되는 상태에서는, 상기 가상 외력에 의한 목표 운동의 조작과 상반력과의 조작을 병용한다. 이 결과, 목표 운동이 상기 동력학 모델상에서 상기 기준 상반력에 균형을 이루는 운동으로부터 과잉으로 벗어나는 사태를 방지할 수 있다. 또한, 제 15 발명에서의목표 상반력 수정량의 허용범위는 상기 제 4 발명에서의 가상 외력의 불감대를 규정하는 것이 된다.

또한, 제 15 또는 제 16 발명에서는, 상기 목표 보용이 상기 로봇의 전체 다리체를 공중에 뜨게하는 기간을 갖는 보용일 때는, 상기 목표 상반력 수정량의 허용범위는 적어도 상기 공중기에서 이 허용범위의 상한값과 하한값이 대략 0이 되는 범위에 결정되는 것이 바람직하다(제 17 발명). 이것에 의하면, 로봇에 상반력을 작용시킬 수 없는 상기 공중기에서는, 주로, 상기 가상 외력에 의한 목표 운동의 조작에 의해 상기 상태량 편차를 0에 근접시키게 된다. 또, 실제의 상반력이 0이 되는 공중기에서는, 당연한 바와 같이 상기 기준 상반력은 0으로 설정되는 동시에, 상기 목표 상반력 수정량도 상기 허용범위에 의해, 거의 0이 된다. 따라서 공중기에서의 실제의 상반력의 병진력 연직성분과 목표 상반력의 병진력 연직성분과의 차도 거의 0이 되므로, 상기 컴플라이언스 제어의 불필요한 동작이 없어지고, 로봇의 목표 운동에의 추종성이 높아진다.

상기 제 14 발명∼제 17 발명에서는, 상기 목표 보용 생성 수단은 상기 차이분의 목표값을 만족하면서, 상기 목표 운동을 상기 동력학 모델상에서 상기 기준 상반력에 균형을 이루는 기준 운동에 근접시키도록 상기 목표 상반력 수정량과 가상 외력과의 세트를 결정하는 것이 바람직하다(제 18 발명). 이것에 의하면, 상기 상태량 편차를 0에 근접시키는 것과, 상기 기준 상반력에 대해 동력학 모델상에서 균형을 이루는 기준 운동에 목표 운동을 근접시키는 것을 타협적으로 양립시킬 수 있다.

보다 구체적으로는, 상기 목표 보용 생성 수단은 상기 상태량 편차를 0에 근접시키기 위한 피드백 제어칙에 기초하여 제 1 상반력 조작량을 결정하는 수단과, 상기 목표 운동을 상기 동력학 모델상에서 상기 기준 상반력에 균형을 이루는 기준 운동에 근접시키기 위한 피드백 제어칙에 기초하여 제 2 상반력 조작량을 결정하는 수단과, 상기 목표 상반력 수정량의 허용범위를 결정하는 수단과, 상기 제 1 상반력 조작량과 제 2 상반력 조작량을 합성하여 이루어지는 상반력 조작량을 상기 목표 상반력 수정량의 가상값으로 하여, 그 가상값을 상기 허용범위내에 제한함으로써 목표 상반력 수정량을 결정하는 수단과, 그 목표 상반력 조작량과 상기 가상 외력과의 차이분이 상기 제 1 상반력 조작량에 합치하도록 상기 가상 외력을 결정하는 수단을 구비하는 것이 바람직하다(제 19 발명).

이러한 제 19 발명에서는, 상기 상태량 편차가 거의 0이 되면, 상기 제 1 상반력 조작량과 제 2 상반력 조작량을 합성하여 이루어지는 상반력 조작량은 목표 운동을 기준 운동에 근접시키기 위한 상기 제 2 상반력 조작량에 거의 동일하게 되므로, 이 제 2 상반력 조작량에 기초하여 목표 상반력 수정량과 가상 외력과의 세트가 결정되게 된다. 따라서, 이것들의 목표 상반력 수정량과 가상 외력과는, 목표 운동을 상기 기준 운동에 근접시키도록 결정되는 것이 된다. 또, 목표 운동이 기준 운동에 거의 일치하고 있으면, 상기 제 1 상반력 조작량과 제 2 상반력 조작량을 합성하여 이루어지는 상반력 조작량은, 상기 상태량 편차를 0에 근접시키기 위한 상기 제 1 상반력 조작량에 거의 동등하게 되므로, 이 제 1 상반력 조작량에 기초하여 목표 상반력 수정량과 가상 외력과의 세트가 결정되게 된다. 따라서 이들 목표 상반력 수정량과 가상 외력은, 상기 상태량 편차를 0에 근접시키도록 결정되게 된다. 따라서, 상기 목표 운동을 상기 기준 운동에 근접시키는 것, 즉, 동력학적인 안정성이 높은 로봇의 운동을 확보하는 것과, 상기 상태량 편차를 0에 근접시키는 것, 즉, 상기 소정 방향의 병진운동에 관한 로봇의 거동과 목표 보용의 거동과를 가능한 한 일치시키는 것을 타협적으로 양립시킬 수 있다. 또한, 제 19 발명에서는, 상기 제 16 발명과 동일하게, 상기 목표 상반력 수정량의 허용범위내에서, 목표 상반력이 우선적으로 조작된다.

이상 설명한, 제 1∼제 19 발명에서는, 상기 목표 보용 생성 수단은 소정 기간분의 목표 보용씩, 상기 소정 기간분의 목표 보용을 가상적인 주기적 보용에 근접시키도록 생성하는 것이 바람직하다(제 20 발명). 이것에 의해, 로봇의 안정성이 높은 목표 보용을 생성할 수 있다.

또, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 제 1∼제 20 발명에서는, 상기 상태량은 상기 로봇의 소정의 부위의 위치 또는 이 로봇의 중심의 위치인 것이 바람직하다(제 21 발명). 그리고 상기 소정의 부위는 상기 로봇의 상체인 것이 바람직하다(제 22 발명).

또, 본 발명의 다리식 이동 로봇의 제어장치의 제 23 발명은 다리체의 운동에 의해 이동하는 다리식 이동 로봇의 목표 보용을 생성하고, 그 목표 보용에 추종시키도록 상기 로봇의 동작을 제어하는 다리식 이동 로봇의 제어장치에 있어서, 상기 목표 보용을 생성하는 목표 보용 생성 수단과, 상기 로봇의 소정의 부위의 위치 및 이 로봇의 중심의 위치중 적어도 어느 하나의 위치를 로봇의 대표 자기위치라고하고, 이 대표 자기위치를 추정하는 자기위치 추정 수단과, 그 추정된 대표 자기위치와, 상기 목표 보용에서의 대표 자기위치와의 차중, 소정의 방향의 성분을 소정의 방향 위치 편차로서 구하는 위치 편차산출 수단과, 상기 목표 보용에서의 목표 착지점에 대응하여, 상기 로봇의 착지 동작을 행하는 다리체의 선단부가 실제로 착지한다고 예상되는 바닥상의 착지 예정점의 연직위치를 측정하는 바닥 형상 인식 수단을 구비하고, 상기 목표 보용 생성 수단은 적어도 상기 위치 편차 산출 수단에 의해 구해진 상기 소정 방향 위치 편차와 상기 바닥형상 인식 수단에 의해 측정된 상기 착지 예정점의 연직위치에 기초하여 상기 목표 보용을 수정하는 것을 특징으로 하는 것이다.

이 제 23 발명에서는, 소정의 방향 위치 편차가 상기한 제 1∼제 22 발명의 상태량 편차에 상당하는 것이다. 그리고, 제 23 발명에서는 이 소정 방향 위치 편차와, 상기 바닥형상 인식 수단에 의해 측정된 상기 착지 예정점의 연직위치에 기초하여 상기 목표 보용이 수정된다. 이것에 의해, 착지 예정점에서의 바닥의 연직위치(높이)가 당초의 목표 목표 보용에서 상정하고 있었던 연직위치로부터 벗어나 있어도, 상기 소정 방향 위치 편차를 취소하면서, 실제의 바닥의 높이에 의거한 목표 보용을 생성할 수 있다. 그 결과, 로봇의 실제의 이상 타이밍이나 착지 타이밍과 목표 보용상의 타이밍을 조정시키면서, 로봇의 원활한 이동을 행하는 것이 가능하게 된다.

또한, 상기 소정의 부위는 로봇의 상체인 것이 바람직하다.

이 제 23 발명에서는, 상기 목표 보용 생성 수단은 적어도 상기 소정 방향위치 편차에 기초하여, 이 소정 방향 위치 편차가 0에 근접하도록 상기 목표 보용중의 상기 대표 자기위치의 궤도를 규정하는 목표 운동을 수정하는 수단과, 적어도 상기 측정된 상기 착지 예정점의 연직위치에 기초하여, 상기 목표 보용중의 다리체의 선단부의 궤도를 규정하는 목표 운동을 수정하는 수단을 구비하는 것이 바람직하다(제 24 발명). 이것에 의하면, 상기 소정 방향 위치 편차는 상기 대표 자기위치의 궤도를 규정하는 목표 운동, 예를 들면 상체의 목표 운동의 수정(조작)에 의해 0에 근접하고, 착지 예정점에서의 바닥의 연직위치(높이)의 벗어남에 대해서는 다리체의 선단부의 궤도를 규정하는 목표 운동의 수정(조작)에 의해, 다리체의 착지가 원활하게 행해지게 된다.

또한, 제 24 발명에서의 상기 대표 자기위치의 궤도를 규정하는 목표 운동의 수정(조작)은, 상기 소정 방향 위치 편차를 상기 상태량 편차로 간주하고 상기한 제 1 발명∼제 19 발명과 같이 행하도록 하면 된다.

제 23 발명에서는, 상기 목표 보용 생성 수단은 적어도 상기 측정된 상기착지 예정점의 연직위치와 상기 목표 보용에서의 목표 착지점의 연직위치와의 편차와, 상기 소정 방향 위치 편차에 기초하여 이들 편차가 0에 근접하도록 상기 목표 보용중의 상기 대표 자기위치의 궤도를 규정하는 목표 운동을 수정하도록 해도 좋다(제 25 발명). 이것에 의하면, 상기 착지 예정점의 연직위치와 상기 목표 보용에서의 목표 착지점의 연직위치와의 편차와, 상기 소정 방향 위치 편차와의 양자를 0에 근접시키도록 상기 대표 자기위치의 궤도를 규정하는 목표 운동(예를 들면 상체의 목표 운동)이 수정되게 된다. 또한, 이 경우에는, 상기 대표 자기위치의 궤도를 규정하는 목표 운동의 수정(조작)은, 상기 착지 예정점의 연직위치와 상기 목표 보용에서의 목표 착지점의 연직위치와의 편차와, 상기 소정 방향 위치 편차와의 합을 상기 상태량 편차로 간주하고, 상기한 제 1 발명∼제 19 발명과 같이 행하도록 하면 된다.

또, 본 발명의 다리식 이동 로봇의 제어장치의 제 26 발명은 다리체의 운동에 의해 이동하는 다리식 이동 로봇의 목표 운동 및 목표 상반력으로 이루어지는 목표 보용에 추종시키도록 로봇의 동작을 제어하는 컴플라이언스 제어 수단을 구비하고, 상기 컴플라이언스 제어 수단이 상기 로봇에 실제로 작용하는 상반력을 파악하면서, 그 파악한 상반력과 상기 목표 상반력과의 편차인 상반력편차에 따라 상기 로봇의 상체에 대한 다리체의 선단부의 상대 위치를 상기 목표 운동에 의해 규정되는 상대 위치로부터 수정하는 다리식 이동 로봇의 제어장치에 있어서, 상기 목표 보용은 상기 로봇의 전체 다리체를 공중에 뜨게하는 공중기를 갖는 보용이며, 상기 컴플라이언스 제어 수단은 상기 상반력 편차에 대한 상기 다리체의 선단부의 상대 위치의 수정량의 게인을 적어도 상기 공중기의 개시 직전에 감소시키는 것을 특징으로 하는 것이다.

이러한 제 26 발명에 의하면, 상기 상반력 편차에 대한 상기 다리체의 선단부의 상대 위치의 수정량의 게인(컴플라이언스 제어 수단의 게인)을 적어도 상기 공중기의 개시 직전에 감소시키므로, 공중기의 개시직전에서는 컴플라이언스 제어가 어렵게 된다. 그 결과, 다리체의 선단부의 목표 보용의 목표 운동에 대한 추수성이 높아져, 다리체의 이상을 차질없이 원활하게 행할 수 있다.

또, 본 발명의 다리식 이동 로봇의 제어장치의 제 27 발명은 다리체의 운동에 의해 이동하는 다리식 이동 로봇의 목표 운동을 적어도 포함하는 목표 보용을 생성하고, 그 목표 보용에 추종시키도록 이 로봇의 동작을 제어하는 다리식 이동 로봇의 제어장치에 있어서, 적어도 상기 로봇의 전체 다리체를 공중에 뜨게하는 공중기를 포함하는 상기 목표 보용을 생성하는 목표 보용 생성 수단과, 상기 로봇의 소정의 부위의 위치 및 이 로봇의 중심의 위치중의 적어도 어느 하나의 위치를 로봇의 대표 자기위치로 하고, 이 대표 자기위치를 추정하는 자기위치 추정 수단과, 그 추정된 대표 자기위치와, 상기 목표 보용에서의 대표 자기위치와의 차중, 소정의 방향의 성분을 소정의 방향 위치 편차로서 구하는 위치 편차 산출 수단과, 적어도 상기 소정 방향 위치 편차에 따라서, 이 소정 방향 위치 편차가 0에 근접하도록 상기 로봇의 다리체의 선단부의 위치를 상기 목표 보용에 의해 규정되는 위치로부터 수정하는 다리 선단부 위치 수정 수단을 구비하고, 이 다리 선단부 위치 수정 수단은 적어도 상기 목표 보용의 공중기의 개시시까지 상기 다리체의 선단부의 위치의 수정량을 상기 소정 방향 위치 편차 에 의하지 않고 강제적으로 대략 0으로 하는 것을 특징으로 하는 것이다. 상기 소정의 부위는 예를 들면 로봇의 상체인 것이 바람직하다.

이러한 제 27 발명에서는 공중기의 개시전, 즉, 어느 하나의 다리체를 접지시키고 있는 지지 다리기에서는, 기본적으로는 상기 소정 방향 위치 편차가 0에 근접하도록 다리체 선단부의 위치가 수정(조작) 되지만, 공중기의 개시시까지는 그 수정량이 강제적으로 0으로 된다. 이 때문에, 공중기의 개시시에는 다리체 선단부의 궤도가 본래의 목표 보용에 의해 정해지는 다리체 선단부의 위치 자세, 즉, 이상 동작을 행하는데 적합한 위치 자세로 제어되게 된다. 그 결과, 다리체의 이상을 차질없이 원활하게 행할 수 있다.

또, 본 발명의 다리식 이동 로봇의 제어장치의 제 28 발명은 다리체의 운동에 의해 이동하는 다리식 이동 로봇의 목표 운동 및 목표 상반력으로 이루어지는 목표 보용을 생성하고, 그 목표 보용에 추종시키도록 상기 로봇의 동작을 제어하는 다리식 이동 로봇의 제어장치에서, 적어도 상기 로봇의 전체 다리체를 공중에 뜨게하는 공중기를 포함하는 상기 목표 보용을 생성하는 목표 보용 생성 수단과, 상기 로봇의 소정의 부위의 위치 및 이 로봇의 중심의 위치중 적어도 어느 하나의 위치를 로봇의 대표 자기위치로 하고, 이 대표 자기위치를 추정하는 자기위치 추정 수단과, 그 추정된 대표 자기위치와, 상기 목표 보용에서의 대표 자기위치와의 차중, 소정 방향의 성분을 소정 방향 위치 편차로서 구하는 위치 편차 산출 수단과, 적어도 상기 소정 방향 위치 편차에 따라서, 이 소정 방향 위치 편차가 0에 근접하도록 상기 목표 보용중 목표 상반력을 수정하는 상반력 수정 수단을 구비하고, 이 상반력 수정 수단은 적어도 상기 목표 보용의 공중기의 개시시까지 상기 목표 상반력의 수정량을 상기 소정 방향 위치 편차 에 의하지 않고 강제적으로 대략 0으로 하는 것을 특징으로 하는 것이다.

이러한 제 28 발명에서는, 공중기의 개시전, 즉, 어느 하나의 다리체를 접지시키고 있는 지지 다리기에서는 기본적으로는, 상기 소정 방향 위치 편차가 0에 근접하도록 목표 보용의 목표 상반력이 수정(조작)되지만, 공중기의 개시시까지는 그수정량이 강제적으로 0으로 된다. 이 때문에, 공중기의 개시시까지는 목표 상반력이 본래의 목표 상반력, 즉, 로봇의 이상 동작을 행하는데 적합한 목표 상반력으로 결정되고, 그 목표 상반력에 실제의 상반력을 추종시키도록 다리체의 운동 등이 제어되게 된다. 그 결과, 다리체의 이상을 차질없이 원활하게 행할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태에 관계되는 다리식 이동 로봇의 자기위치 추정 장치를 설명한다. 또한, 다리식 이동 로봇으로서는 2족이동 로봇을 예로 든다.

도 1은 이 실시형태에 관계되는 다리식 이동 로봇으로서의 2족이동 로봇을전체적으로 도시하는 개략도이다.

도시한 바와 같이, 2족이동 로봇(이하, 로봇이라고 함)(1)은 상체(로봇(1)의 기체)(3)로부터 하방으로 뻗어 설치된 좌우 한쌍의 다리체(다리부 링크)(2, 2)를 구비한다. 양 다리체(2, 2)는 동일 구조이며, 각각 6개의 관절을 구비한다. 그 6개의 관절은 상체 3측으로부터 순차적으로, 다리 가랑이(허리부)의 선회(회전)용(상체(3)에 대한 요잉 방향의 회전용)의 관절 10R, 10L(부호 R, L은 각각 우측다리체, 좌측다리체에 대응하는 것을 의미하는 부호이다. 이하 동일함)과, 다리 가랑이(허리부)의 롤링 방향(X축 둘레)의 회전용의 관절 12R, 12L과, 다리 가랑이(허리부)의 피칭 방향(Y축 둘레)의 회전용의 관절 14R, 14L, 무릎부의 피칭 방향의 회전용의 관절 16R, 16L과, 발목의 피칭 방향의 회전용의 관절 18R, 18L과, 발목의 롤링 방향의 회전용의 관절 20R, 20L로 구성된다.

각 다리체(2)의 발목의 2개의 관절 18R(L), 20R(L)의 하부에는, 각 다리체(2)의 선단부를 구성하는 족평(족부)(22R(L))가 부착되는 동시에, 양 다리체(2, 2)의 최상위에는, 각 다리체(2)의 다리 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, 고관절(또는 허리관절)은 관절 10R(L), 12R(L), 14R(L)로 구성되고, 무릎관절은 관절 16R(L)로 구성되고, 발목관절은 관절 18R(L), 20R(L)로 구성된다. 또 고관절과 무릎관절과는 대퇴 링크(24R(L))로 연결되고, 무릎관절과 발목관절과는 하퇴 링크(26R(L))로 연결된다.

또한, 상체(3)의 상부의 양 측부에는 좌우 한쌍의 팔체(5, 5)가 부착되는 동시에, 상체(3)의 상단부에는 머리부(4)가 배치된다. 이들 팔체(5, 5) 및 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 대해 6개의 자유도가 주어져 있다. 그리고 로봇(1)의 보행 등의 이동중에, 양 다리체(2, 2)를 합하여 6*2=12개(이 명세서에서 「*」은 스칼라에 대한 연산으로서는 승산을, 벡터에 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.

도 1에 도시하는 바와 같이, 각 다리체(2)의 발목관절 18R(L), 20R(L)의 하방에는 족평(22R(L))과의 사이에 공지의 6축력 센서(50)가 개장되어 있다. 이 6축력 센서(50)는, 각 다리체(2)의 족평(22R(L))의 착지의 유무, 및 각 다리체(2)에 작용하는 상반력(접지 하중) 등을 검출하기 위한 것이고, 이 상반력의 병진력의 3방향 성분 Fx, Fy, Fz 및 모멘트의 3방향 성분 Mx, My, Mz의 검출 신호를 제어 유닛(60)에 출력한다. 또, 상체(3)에는, Z축(연직방향(중력방향))에 대한 상체(3)의 경사(자세각) 및 그 각속도 등을 검출하기 위한 경사 센서(54)가 구비되고, 그 검출 신호가 이 경사 센서(54)로부터 제어 유닛(60)에 출력된다. 이 경사 센서(54)는, 도시를 생략하는 3축 방향의 가속도 센서 및 3축방향의 자이로 센서를 구비하고, 이들 센서의 검출 신호가 상체(3)의 경사 및 그 각속도를 검출하기 위해서 사용되는 동시에, 로봇(1)의 자기 위치 자세를 추정하기 위해서 사용된다. 또, 상세구조의 도시는 생략하지만, 로봇(1)의 각 관절에는, 그것을 구동하기 위한 전동 모터(64)(도 5 참조)와, 그 전동 모터(64)의 회전량(각 관절의 회전각)을 검출하기 위한 엔코더(로터리엔코더)(65)(도 5 참조)가 설치되고, 이 엔코더(65)의 검출 신호가 이 엔코더(65)로부터 제어 유닛(60)에 출력된다.

또한, 도 1에서는 도시를 생략하지만, 로봇(1)의 적당한 위치에는 조이스틱(조작기)(73)(도 5 참조)이 설치되고, 그 조이스틱(73)을 조작함으로써, 직진 이동하고 있는 로봇(1)을 선회시키는 등, 로봇(1)의 보용에 대한 요구를 필요에 따라서 제어 유닛(60)에 입력할 수 있게 구성되어 있다.

도 2는 본 실시형태에서의 각 다리체(2)의 선단부(각 족평(22R(L))을 포함함)의 기본 구성을 개략적으로 도시하는 도면이다. 동 도면에 도시하는 바와 같이, 각 족평(22R(L))의 상방에는, 상기 6축력 센서(50) 사이에 스프링 기구(70)가 장착되는 동시에, 발바닥(각 족평(22R,L)의 바닥면)에는 고무 등으로 이루어지는 발바닥 탄성체(71)가 붙여져 있다. 이들 스프링 기구(70) 및 발바닥 탄성체(71)에 의해 컴플라이언스 기구(72)가 구성되어 있다. 스프링 기구(70)는 상세한 것은 후술하지만, 족평(22R(L))의 상면부에 부착된 방형 형상의 가이드 부재(도 2에서는 도시 생략)와, 발목관절(18R(L))(도 2에서는 발목관절(20R(L))을 생략하고 있음) 및 6축력 센서(50)측에 부착되고, 상기 가이드 부재에 탄성재(고무나 스프링)를 통하여 미동하도록 수납되는 피스톤 형상 부재(도 2에서는 도시생략)로 구성되어 있다.

도 2에 실선으로 표시된 족평(22R(L))은, 상반력을 받고 있지 않을 때의 상태를 나타내고 있다. 각 다리체(2)이 상반력을 받으면, 컴플라이언스 기구(72)의 스프링 기구(70)와 발바닥 탄성체(71)가 휘고, 족평(22R(L))은 도면중에 점선으로 예시한 위치 자세로 이동한다. 이 컴플라이언스 기구(72)의 구조는, 예를 들면 본 출원인이 앞서 제안한 일본 특개평 5-305584호 공보에 상세하게 설명되어 있는 바와 같이, 착지 충격을 완화하기 위해서 뿐만아니라, 제어성을 높이기 위해서도 중요한 것이다.

상기 컴플라이언스 기구(72)를 포함한 족평(22R(L))(이하, 족평기구(22R(L))라 부르는 일이 있다.)의 보다 상세한 구성을 도 3 및 도 4를 참조하여 더욱 설명한다. 도 3은 족평기구(22R(L))의 측면에서 본 단면도, 도 4는 이 족평기구(22R(L))의 바닥면측에서 본 평면도이다.

족평기구(22R(L))는 대략 평판 형상의 족평 플레이트 부재(102)를 골격부재로서 구비하고 있다. 이 족평 플레이트 부재(102)는 그 전단부(발끝부)와 후단부(발뒤꿈치부)가 약간 상방으로 만곡되어 있는데, 다른 부분은 평탄한 평판 형상으로 되어 있다. 또, 족평 플레이트 부재(102)의 상면부에는 횡단면 방형 형상의 가이드 부재(103)가 그 축심을 상하 방향을 향하여 고정 설치되어 있다. 이 가이드 부재(103)의 내부에는, 이 가이드 부재(103)의 내주면을 따르도록 하여 대략 상하방향으로 이동할 수 있게 설치된 가동판(피스톤 형상 부재)(104)이 설치되고, 이 가동판(104)이 발목관절(18R(L), 20R(L))에 6축력 센서(50)를 통하여 연결되어 있다.

또, 가동판(104)은, 그 하면의 둘레 가장자리부가 스프링, 고무 등의 탄성재로 이루어지는 복수의 탄성부재(106)(도면에서는 스프링으로 기재되어 있음)를 통하여 족평 플레이트 부재(102)의 상면부에 연결되어 있다. 따라서, 족평 플레이트 부재(102)는, 탄성부재(106), 가동판(104) 및 6축력 센서(50)를 통하여 발목관절(18R(L))에 연결되어 있다. 또한, 가이드 부재(103)의 내부(가동판(104)의 하측의 공간)은, 도시 생략하는 구멍이나 간극을 통하여 대기측으로 개방되어 있고, 대기중의 공기가 가이드 부재(103)의 내부에 입출 자유롭게 되어 있다. 또, 상기 가이드 부재(103), 가동판(104), 및 탄성부재(106)는 상기 도 2에 도시한 스프링 기구(70)를 구성하는 것이다.

족평 플레이트 부재(102)의 바닥면(하면)에는, 상기 도 2에 도시한 발바닥 탄성체(71)로서의 접지 부재(71)가 부착되어 있다. 이 접지 부재(71)는, 족평기구(22R(L))의 접지 상태에서, 이 족평 플레이트 부재(102)와 바닥면 사이에 개재시키는 탄성부재(바닥면에 직접적으로 접촉하는 탄성부재) 이며, 본 실시형태에서는 족평 플레이트 부재(102)의 접지면의 네모퉁이(족평 플레이트 부재(102)의 발끝부의 양 측부 및 발뒤꿈치부의 양 측부)에 고착되어 있다.

또, 접지 부재(71)는, 본 실시형태에서는 비교적 연질의 고무재로 이루어지는 연질층(107a)과, 비교적 경질인 고무재로 이루어지는 경질층(107b)을 상하로 중합하여 이루어지는 2층구조로 형성되고, 경질층(107b)이, 다리체(2)의 착상시에 직접적으로 바닥면에 접촉하는 접지면부로서 최하면측에 설치되어 있다.

족평기구(22R(L))에는, 상기의 구성의 것 이외에, 착지 충격 완충장치(108)가 구비되어 있다. 이 착지 충격 완충장치(108)는, 족평 플레이트 부재(102)의 바닥면에 부착된 백 형상 부재(109)와, 이 백 형상 부재(109)의 내부에 대해 압축성 유체로서의 공기(대기중의 공기)을 출입시키기 위한 유통로(110)를 구비하고 있다.

백 형상 부재(109)는 그 주위에 상기 접지 부재(71)가 존재하도록 하고, 족평 플레이트 부재(102)의 바닥면의 대략 중앙부에 설치되어 있다. 이 백 형상 부재(109)는, 고무 등의 탄성재에 의해 변형 자유롭게 구성되어 있어, 외력에 의한 탄성변형이 생기지 않은 자연상태에서는, 도 3에 실선으로 나타내는 바와 같이, 상방으로 개구한 원통 용기형상을 보인다. 그리고 이 백 형상 부재(109)는, 그 개구단부가 전체 주위에 걸쳐 족평 플레이트 부재(102)의 바닥면에 고정되고, 이 족평 플레이트 부재(102)에 의해 덮개씌워져 있다. 또, 백 형상 부재(109)는, 원통 용기형상을 보이는 자연상태에서는, 이 백 형상 부재(109)의 바닥이 상기 접지 부재(71)보다도 하방으로 돌출하도록 설치되어 있다. 즉, 이백 형상 부재(109)의 높이(족평 플레이트 부재(102)의 하면으로부터 백 형상 부재(109)의 바닥부까지의 거리)는, 접지 부재(71)의 두께보다도 큰 것으로 되어 있다. 따라서 족평 플레이트 부재(102)가 접지 부재(71)를 통하여 접지한 상태(다리부(2)의 착상 상태)에서는, 백 형상 부재(109)는, 도 3에 가상선으로 도시하는 바와 같이, 상반력에 의해 백 형상 부재(109)의 높이 방향으로 압축된다.

또한, 본 실시형태에서는 백 형상 부재(109)가 원통 용기형상을 보이는 자연상태는 이 백 형상 부재(109)의 팽창 상태이다. 그리고, 백 형상 부재(109)는, 탄성재에 의해 구성되어 있기 때문에, 압축되었을 때, 자연상태의 형상(원통 용기형상)으로의 형상복원력을 갖는다.

상기 유통로(110)는 백 형상 부재(109)에 대한 공기의 유입·유출을 행하는 유입·유출 수단을 구성하는 것이며, 본 실시형태에서는 백 형상 부재(109)의 내부와 상기 가이드 부재(103)의 내부를 연통시키도록 족평 플레이트 부재(102)에 뚫어 설치된 유통 구멍이다. 이 경우, 상기한 바와 같이, 가이드 부재(103)의 내부는 대기측으로 개방되어 있으므로, 이 유통로(110)는, 백 형상 부재(109)의 내부를 대기측으로 연통시키고 있는 것이 된다. 따라서, 백 형상 부재(109)의 내부에는, 대기중의 공기가 유통로(110)를 통하여 출입 자유롭게 되어 있고, 이 백 형상 부재(109)의 팽창 상태(자연상태)에서는, 이 백 형상 부재(109)내에는 공기가 충전되고, 그 내부의 압력은 대기압과 동등하게 된다. 또, 유통로(110)는 좁힘 통로로 되어 있어, 백 형상 부재(109)의 내부에 공기가 출입할 때는 유체저항을 발생시키게 되어 있다.

도 5는 제어 유닛(60)의 구성을 도시하는 블록도이다. 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/A변환기(96), RAM(84), ROM(94), 및 이들간의 데이터 수수를 행하는 버스 라인(82)을 구비하고 있다. 이 제어 유닛(60)에서는, 각 다리체(2)의 6축력 센서(50), 경사 센서(54)(가속도 센서 및 레이트 자이로 센서), 조이스틱(73) 등의 출력 신호는 A/D 변환기(80)에서 디지털 값으로 변환된 후, 버스라인(82)을 통하여 RAM(84)에 보내진다. 또 로봇(1)의 각 관절의 엔코더(65)(로터리 엔코더)의 출력은, 카운터(86)을 통하여 RAM(84)에 입력된다.

상기 제 1 연산장치(90)는 후술하는 바와 같이 목표 보용을 생성하는 동시에, 관절각 변위지령(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 변위지령과, 상기 엔코더(65)의 출력신호에 기초하여 검출된 관절각의 실측값을 읽어 내고, 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 6 및 도 7은 상기 로봇(1)의 머리부(4)의 내부 구조를 나타내는 도면이다. 도 6은 정면시, 도 7은 측면시의 도면이다. 머리부(4)는 팬·틸트 방향으로 회전하는 목관절(120)을 통하여, 상기 상체(3)의 상부에 연달아 접속되어 있다.

목관절(120)에도, 다른 관절과 같이, 엔코더(관절변위 검출기)부착 모터(121, 122)와 감속기(123, 124)를 구비하고, 도시 생략하는 모터 제어장치를 통하여 상기 제어 유닛(60)으로부터의 관절변위 지령에 추종하도로 제어된다.

머리부(4)에는, 환경인식 수단으로서, 좌우 2대의 비디오 카메라(125, 125)가 구비되어, 대상물을 입체적으로 볼 수 있게 되어 있다. 상기 도 3에서는 도시 생략하고 있지만, 비디오 카메라(125, 125)의 출력(촬상정보)은 제어 유닛(60)에 입력되고, 상기 제어 유닛(60)에서 촬상정보내의 대상물까지의 거리 등이 인식된다.

또한, 좌우 2대의 비디오 카메라(125, 125) 대신에, 이하와 같은 환경인식 수단을 구비해도 좋다.

a) 3대 이상의 카메라에 의한 입체시 수단

b) 1대 카메라로 대상물의 다점을 인식하고, 삼각측량의 원리로 거리를 추정하는 수단

c) 레인지 파인더, 스캔식 레이저 거리계 등의 비접촉 다점 거리계측 장치

도 8은, 이 실시예에 관계되는 다리식 이동 로봇의 제어장치의 기능적 구성을 전체적으로 도시하는 블록도이다. 이 도 8중의 「실제 로봇」의 부분이외의 부분이 제어 유닛(60)이 실행하는 처리 기능(주로 제 1 연산장치(90) 및 제 2 연산장치(92)의 기능)에 의해 구성되는 것이다. 또한, 이하의 설명에서는, 다리체(2)의 좌우를 특별히 구별할 필요가 없을 때는, 상기 부호 R, L을 생략한다.

이하 설명하면 제어 유닛(60)은 로봇(1)의 목표 보용을 자재 또한 리얼 타임으로 생성하여 출력하는 보용 생성 장치(200)을 구비하고 있다. 이 보용 생성 장치(200)가 출력하는 목표 보용은 목표 상체위치 자세 궤도(상체(3)의 목표 위치 및 목표 자세의 궤도), 목표 족평위치 자세 궤도(각 족평(22)의 목표 위치 및 목표 자세의 궤도), 목표 팔자세 궤도(각 팔체(5)의 목표 자세의 궤도), 목표 전체 상반력 중심점(목표 ZMP)궤도, 목표 전체 상반력 궤도로 구성된다. 또한, 상기 머리부(4) 등, 다리체(2)나 팔체(5) 이외에 상체(3)에 대해 가동의 부위의 목표 위치 자세 궤도를 필요에 따라서 상기 목표 보용에 가해도 좋다.

여기에서, 본 발명의 실시예에서의 용어의 의미 또는 정의에 대하여 보충해 둔다. 상기 보용에서의 「궤도」는 시간적 변화의 패턴(시계열 패턴)을 의미하고, 이하의 설명에서는 「궤도」 대신에 「패턴」이라 부르는 경우도 있다. 또, 각 부위의 「자세」는 공간적인 방향을 의미한다. 예를 들면 상체자세는 Z축(연직축)에 대한 롤링 방향(X축 둘레)의 상체(3)의 경사각(자세각)과, Z축에 대한 피칭 방향(Y축 둘레)의 상체(3)의 경사각(자세각)과, 요잉 방향(Z축 둘레)의 상체(3)의 회전각으로 나타내어지고, 족평자세는 각 족평(22)에 고정적으로 설정된 2축의 공간적인 방위각으로 나타내어진다. 또, 목표 팔자세는 팔체(5, 5)의 모든 부위에 관한 상체(3)에 대한 상대적인 자세로 나타내어진다.

상체 위치는 상체(3)의 소정 위치, 구체적으로는 상체(3)의 미리 정한 대표점의 위치를 의미한다. 마찬가지로, 족평위치는 각 족평(22R, 22L)의 미리 정한 대표점의 위치를 의미한다. 또한, 상체속도는 상체(3)의 상기 대표점의 이동 속도를 의미하고, 족평속도는 각 족평(22R, 22L)의 상기 대표점의 이동 속도를 의미한다.

목표 상체위치 자세 등의 목표 보용에 관하여, 이하의 설명에서는, 오해를 일으킬 우려가 없는 경우에는, 종종 「목표」를 생략한다. 또, 보용중의 상반력에 관계되는 구성 요소이외의 구성 요소, 즉 족평위치 자세, 상체위치 자세등, 로봇(1)의 운동에 관계되는 보용을 총칭적으로 「운동」이라고 한다.

각 족평(22R, L)의 상반력(병진력 및 모멘트로 이루어지는 상반력)을 「각 족평 상반력」이라고 부르고, 로봇(1)의 모든(2개의) 족평(22R, 22L)의 상반력의 합력을 「전체 상반력」이라고 부른다. 단, 이하의 설명에서는, 각 족평 상반력에 관해서는 거의 언급하지 않으므로, 예고하지 않는 한 「상반력」은 「전체 상반력」과 동일한 의미로서 취급한다.

목표 상반력은 일반적으로는, 작용점과 그 점에 작용하는 힘(병진력)과 힘의 모멘트에 의해 표현된다. 작용점은 어디에 잡아도 좋으므로, 동일한 목표 상반력이라도 무수한 표현을 생각할 수 있지만, 특별히 전술의 목표 상반력 중심점을 작용점으로 하여 목표 상반력을 표현하면, 힘의 모멘트는 연직축 성분을 제외하면 0이 된다.

또한, 동력학적 평형 조건을 만족하는 보용에서는, 목표 운동 궤도로부터 산출되는 ZMP(목표 운동 궤도로부터 산출되는 로봇(1)의 관성력과 중력과의 합력이 그 점 주위에 작용하는 모멘트가, 연직축 성분을 제외하고 0이 되는 점)와 목표 전체 상반력 중심점은 일치하므로, 목표 전체 상반력 중심점 궤도 대신에 목표 ZMP 궤도를 부여한다고 해도 동일한 것이다(상세는 예를 들면 본 출원인에 의한 PCT 공개 공보 WO/02/40224를 참조).

이러한 배경으로부터, PCT공개 공보 WO/02/40224의 명세서에서는 목표 보용을 다음과 같이 정의하고 있었다.

a) 광의의 목표 보용이란 1보 또는 복수보의 기간의 목표 운동 궤도와 그 목표 상반력 궤도와의 세트이다.

b) 협의의 목표 보용이란 1보의 기간의 목표 운동 궤도와 그 ZMP 궤도와의 세트이다.

c) 일련의 보용은, 몇개의 보용이 이어진 것이라고 한다.

로봇(1)이 보행을 행하는 경우에 있어서는, 본 출원인이 앞서 일본 특개평 10-86080호 공보에서 제안한 상체 높이 결정 수법에 의해 상체 연직위치(상체 높이)가 결정되면, 상반력의 병진력 성분은 종속적으로 결정되므로, 목표 보용의 상반력에 관하여 명시적으로 설정해야 할 물리량으로서는, ZMP만으로 충분했다. 따라서 PCT공개 공보 WO/02/40224의 명세서에서는 협의의 목표 보용으로서는 상기한 b)로 충분했다. 그에 반해, 로봇(1)의 주행을 행하는 경우에는 상반력 연직성분도 제어상 중요하므로, 이 상반력 연직성분을 명시적으로 설정하는 것이 바람직하다. 그래서, 본원 출원인이 앞서 제안한 PCT 출원(PCT/JP02/13596) 등에서는, 협의의 목표 보용으로서, 다음 b')를 채용했다. b') 협의의 목표 보용이란, 1보의 기간의 목표 운동 궤도와 그 ZMP 궤도와 상반력 연직성분 궤도의 세트이다.

이 명세서에서는 이후, 특별히 예고하지 않는 한, 목표 보용은 협의의 목표 보용의 의미로 사용한다. 또, 목표 보용의 「1보」는 로봇(1)의 한쪽의 다리체(2)가 착지하고나서 또 한쪽의 다리체(2)가 착지할 때까지의 의미로 사용한다.

보용에서의 양다리 지지기란 말할 필요도 없이, 로봇(1)이 그 자체 중량을 양 다리체(2, 2)에서 지지하는 기간, 한쪽 다리 지지기란 어느쪽인가 한쪽만의 다리체(2)로 로봇(1)의 자체 중량을 지지하는 기간, 공중기란 양 다리체(2, 2)가 바닥으로부터 떨어져 있는(공중에 떠 있는) 기간을 말한다.

한쪽 다리 지지기에서 로봇(1)의 자체 중량을 지지하지 않는 측의 다리체(2)를 「미착지 다리」라고 부르고, 자체 중량을 지지하는 쪽의 다리체(2)를 「지지 다리」라고 부른다. 로봇(1)의 보행에서는, 양다리 지지기와 한쪽 다리 지지기가 번갈아 반복되고, 로봇(1)의 주행에서는 한쪽 다리 지지기와 공중기가 번갈아 반복된다. 이 경우, 주행의 공중기에서는, 양 다리체(2, 2) 모두 로봇(1)의 자체 중량을 지지하지 않는 것이 되는데, 상기 공중기의 직전의 한쪽 다리 지지기에서 미착지 다리였던 다리체(2), 지지 다리였던 다리체(2)를 각각 이 공중기에서도 미착지 다리, 지지 다리라 부른다.

또, 목표 상체자세, 목표 상체위치, 목표 족평위치 자세, 목표 팔자세 등, 목표 보용에서의 로봇(1)의 각 부의 위치 자세는 지지 다리 좌표계로 기술된다. 지지 다리 좌표계란 지지 다리 족평(22)의 접지면 근처에 원점을 갖는 바닥면에 고정된 좌표계이다. 보다 상세하게는, 지지다리 좌표계는 본 출원인의 특허 3273443호에 기재되어 있는 바와 같이, 지지 다리의 족평(22)을 접지면과의 사이에서 미끄러뜨리지 않고, 수평자세가 될 때까지 회전시켰을 때의, 상기 지지 다리의 발목 관절의 중심으로부터 접지면에의 수직 투영점을 원점으로 하고, 이 지지 다리 족평(22)의 발끝을 향하는 수평축(족평(22)의 전후방향의 축)을 X축으로 하고, 연직축을 Z축, 이들 X축, Z축에 직교하는 좌표축(족평(22)의 좌우측 방향의 축)을 Y축으로 하는 좌표계이다.

본 발명의 실시예에 관계되는 보용 생성 장치(200)는, 2보 앞까지의 미착지 다리의 족평(22)의 착지 위치 자세, 착지 시각의 요구값(목표값)을 입력으로 하고, 목표 상체위치 자세 궤도, 목표 족평위치 자세 궤도, 목표 ZMP 궤도, 목표 상반력 연직성분 궤도, 및 목표 팔자세 궤도로 구성되는 목표 보용을 생성한다. 이때, 이들 궤도를 규정하는 패러미터(이것을 보용 패러미터라 부름)의 일부는 보용의 계속성을 만족하도록 수정된다.

또, 보용 생성 장치(200)는 로봇(1)의 한쪽의 다리체(2)가 착지하고나서 다른쪽의 다리체(2)가 착지할 때까지의 1보분의 목표 보용(상기 협의의 의미에서의 목표 보용)을 단위로 하여, 그 1보분의 목표 보용을 순서대로 생성한다. 여기에서, 현재 또는 이제부터 생성하려고 하는 보용을 「금회 보용」, 그 다음 보용을 「다음회 보용」, 또 그 다음 보용을 「다음다음회 보용」이라고 부른다. 또 「금회 보용」의 하나전에 생성한 목표 보용을 「전회보용」이라고 부른다.

보용 생성 장치(200)가 생성하는 목표 보용의 일부를 예시적으로 개략적으로 설명하면, 예를 들면 목표 족평위치 자세 궤도는 본 출원인에 의한 특허 3233450호에 개시한 유한시간 정정 필터를 사용하여 생성된다. 이 유한시간 정정 필터에 의한 족평위치 자세 궤도의 생성 처리에서는, 예를 들면 족평위치 궤도는, 목표 착지 위치(착지 위치의 요구값)를 향해서 족평(22)을 서서히 가속하면서 이동을 개시하고, 목표 착지 시각(착지 시각의 요구값)까지 서서히 속도를 0 또는 거의 0에까지 감속하고, 이 목표 착지 시각에 목표 착지 위치에 도달하여 정지하도록 생성된다. 족평자세 궤도에 대해서도 동일하다. 이것에 의해 생성되는 목표 족평위치 자세 궤도는 착지 순간에서의 대지속도가 0 또는 거의 0이 되기 때문에, 특히 로봇(1)의 주행을 행하는 경우에, 상기 공중기로부터의 착지시에서의 착지 충격을 작게 할 수 있다.

또, 예를 들면 인간이 주행을 행하는 경우와 동일한 형태로 로봇(1)의 주행을 행하는 경우에는, 예를 들면 목표 상반력 연직성분 궤도 및 목표 ZMP 궤도(상세하게는 지지 다리 좌표계의 X축 방향(지지 다리 족평(22)의 전후방향)에서의 목표 ZMP 궤도)는, 각각 도 9(a), 도 9(b)에 실선으로 도시하는 패턴으로 설정된다.

로봇(1)의 주행을 행하는 경우에는, 목표 상반력 연직성분 궤도는 기본적으로는 도 9(a)의 실선으로 나타내는 바와 같이, 한쪽 다리 지지기에서는 위로 볼록한 패턴이 되고, 공중기에서는 0에 유지된다. 또한, 로봇(1)의 보행을 행하는 경우에는, 목표 상반력 연직성분 궤도는 예를 들면 도 9(a)에 2점 쇄선으로 나타내는 바와 같이 설정된다. 이 경우, 2점쇄선중 위로 볼록한 부분이 양다리 지지기에 대응하고, 아래로 볼록한 부분이 한쪽 다리 지지기에 대응한다. 또, 목표 ZMP는 주행, 보행중 어느 것이라도, 기본적으로는, 로봇(1)의 다리체(2)의 접지면 내(보다 상세하게는 소위, 지지 다각형 내)의 중앙부근에 설정된다. 이후의 설명에서는, 주로 로봇(1)의 주행을 행하는 경우를 예로 채용하여 설명한다.

도 8에 도시하는 제어 유닛(60)의 기능적 구성은, 본 출원인이 앞서 제안한 PCT 출원 PCT/JP03/00435의 제 1 실시형태와 일부가 상이한 것이다. 그 상이점은 상체 연직위치 안정화 제어 연산부(218)와 자기위치 자세추정부(216)가 새롭게 추가되어 있는 것, 보용 생성 장치(200)에 상체 연직위치 안정화 제어 연산부(218)로부터 후술하는 모델 연직 외력(Fmdlz)이 입력되고, 보용 생성 장치(200)의 보용의 생성에서, 모델 연직 외력(Fmdlz)이 고려되는 것, 및 복합 컴플라이언스 동작 결정부(204)에 상체 연직위치 안정화 제어 연산부(218)로부터 컴플라이언스 제어용 보상 연직 상반력(Fcmpnz)이 입력되고, 복합 컴플라이언스 동작 결정부(204)에서 컴플라이언스 제어용 보상 연직 상반력(Fcmpnz)이 고려되어 컴플라이언스 동작이 결정되는 것이 상이하다. 나머지의 형태에 대해서는, 상기 PCT 출원 PCT/JP03/00435의 제 1 실시예와 상이하지 않다.

이하, 주로 PCT출원 PCT/JP03/00435의 제 1 실시예와 상이한 점에 대하여 상세하게 설명하면, 자기위치 자세추정부(216)에서 로봇(1)의 상체(3)의 실제의 연직위치의 추정값인 추정 상체 연직위치를 결정하고, 그 추정 상체 연직위치와 목표 상체 연직위치와의 차인 상체 연직위치 편차를 구한다. 또한, 자기위치 자세추정부(216)에서의 추정 상체 연직위치의 결정에는, 예를 들면 본원과 같은 날의 출원(일본 특원 2002-127066 호를 우선권 주장의 기초로 하는 PCT 출원, 발명의 명칭 「다리식 이동 로봇의 자기위치 추정 장치」)에서 제안하고 있는 어느 하나의 실시예의 수법을 사용하면 좋다. 또는, 공지의 관성항법의 수법에 따라 추정 상체 연직위치를 결정하도록 해도 좋다. 기본적으로는, 추정 상체 연직위치를 가능한 한 정밀도 좋게 결정할 수 있는 수법이면 어떤 수법을 사용해도 좋다. 또, 상기 상체 연직위치 편차의 산출에 사용하는 목표 상체 연직위치는 보용 생성 장치(200)에 의해, 전회 제어 주기에 결정된 목표 보용의 상체 연직위치이다. 또, 본 실시예의 자기위치 자세추정부(216)에서는, 상체(3)의 실제의 자세의 추정값으로서의 추정 상체자세도 결정되고, 그 추정 상체자세와 목표 상체자세와의 편차중의 경사 성분(연직축에 대한 경사 성분)인 실제 상체자세각 편차도 구해진다. 그리고 자기위치 자세추정부(216)에는, 추정 상체위치 자세의 결정이나, 상체 연직위치 편차, 실제 상체 자세각 편차의 산출을 행하기 위해서, 상기 경사 센서(54)에 구비한 가속도 센서의 가속도 검출값과 자이로제 센서의 각속도 검출값이 주어지는 동시에, 보용 생성 장치(200)로부터 목표 상체위치 자세 등의 목표 보용이 주어진다.

상체 연직위치 안정화 제어 연산부(218)에서는, 상기 상체 연직위치 편차를기초로, 컴플라이언스 제어용 보상 연직 상반력(Fcmpnz)과 모델 연직 외력(Fmdlz)를 결정한다.

또한, 일반적으로는, 힘은 병진력과 힘의 모멘트의 세트로 나타내어지지만, 이후 예고가 없는 한, 힘은 병진력 성분만을 나타내는 것으로 한다.

컴플라이언스 제어용 보상 연직 상반력(Fcmpnz)은 전체 상반력 연직방향 성분에 대한 컴플라이언스 제어를 포함하는 복합 컴플라이언스 동작 결정부(204)에 입력된다. 복합 컴플라이언스 동작 결정부(204)에서는, 실제 전체 상반력(모든 족평 상반력의 합력)이 목표 각 족평 상반력의 합력인 전체 상반력과 컴플라이언스 제어용 보상 연직 상반력(Fcmpnz)의 합(합력)에 일치하도록, 기구변형 보상식 수정 목표 족평위치 자세(궤도)를 결정한다. 즉, 컴플라이언스 제어용 보상 연직 상반력(Fcmpnz)이 실제로 상반력으로서 부가적으로 발생시켜진다.

모델 연직 외력(Fmdlz)은 보용 생성 장치(200)에 보내진다. 보용 생성 장치(200)에서는, 모델 연직 외력(Fmdlz)이 로봇에 작용한다고 상정하고, 동력학적 평형 조건(뉴튼 방정식과 오일러 방정식)을 만족하는 목표 보용의 운동을 동력학 모델을 사용하여 생성한다. 즉, 동력학 모델의 중심에, 중력과 모델 연직 외력(Fmdlz)이 작용하는 것으로서, 동력학적 평형 조건을 만족하는 운동을 생성한다.

또한, 상기 동력학 모델로서는, 예를 들면 상기 PCT 공개 공보 WO/02/40224호에 기재된 단순화 모델 또는, 본 출원인이 제안한 일본 특개 2002-326173호 공보에 기재된 다질점 모델(풀 모델) 등을 사용하면 좋다.

동력학 모델을 사용하여 동력학적 평형 조건을 만족하도록 생성된, 목표 운동과 목표 상반력으로 이루어지는 목표 보용에 실제 로봇을 추종시키는 추종제어계에서는, 동력학 모델과 실제 로봇에 동일한 상반력을 작용시키는 한, 어떠한 상반력을 작용시켜도, 목표 운동과 실제 로봇의 운동과의 차이는 거의 상기 상반력의 영향을 받지 않는다.

이것은, 바꿔 말하면, 실제 로봇에 어떤 상반력(F)을 작용시키는 것과, 동력학 모델에 상기 상반력(F)의 부호를 반전한 상반력(-F)을 작용시키는 것과는, 목표 운동과 실제 로봇의 운동과의 차이에 대한 영향으로서는 등가라고 할 수 있다.

또한, 동력학 모델에 작용시키는 상반력은 반드시, 접촉하고 있는 바닥으로부터 작용하는 힘이라고는 할 수 없다. 예를 들면, 로봇과 바닥이 접촉해 있지 않아도 현실에는 발생할 수 없는 상반력을 동력학 모델에 작용시키는 경우도 있다. 따라서, 목표 상반력이라 부르는 것 보다는, 목표 외력이라 부르는 편이 보다 자연스럽다고 할 수 있지만, 어쨌든 가공인 힘이므로, 어느쪽이라도 상관없은 것이다.

상체 연직위치 안정화 제어 연산부(218)의 처리를, 그 플로차트인 도 10과 그 제어 블록도인 도 11을 사용하여 상세하게 설명하면, 먼저, 도 10의 S4000에서, 추정 상체 연직위치와 목표 상체 연직위치의 차(상체 연직위치 편차)(△h) 및 그 변화율(시상 미분값)(d△h/dt)을 구한다.

이어서 S4002로 진행하고, 도면에 나타내는 식에 따라 종합 요구 연직복원력(Fdmdz)를 결정한다. 즉, 상체 연직위치 편차로부터 피드백 제어칙(본 실시형태에서는 PD 제어칙)에 의해, Fdmdz를 결정한다.

이어서 S4004로 진행하고, 종합 요구 연직 복원력(Fdmdz)을 기초로 컴플라이언스 제어용 보상 연직 상반력(Fcmpnz)과 모델 연직 외력(Fmdlz)를 결정한다. 구체적으로는, 먼저, 컴플라이언스 제어용 보상 연직 상반력(Fcmpnz)의 최소 허용값 및 최대 허용값을 도 12(c), (d)에 도시하는 바와 같이 설정하고, 그 최소 허용값을 하한값, 최대 허용값을 상한값으로 한 제한을 거는 포화 수단(리미터)(250)에 종합 요구 연직 복원력(Fdmdz)을 통함으로써, 컴플라이언스 제어용 보상 연직 상반력(Fcmpnz)을 결정한다. 따라서 Fcmpnz는 최소 허용값≤Fdmdz≤최대 허용값이면, Fdmdz와 동일하게 되고, Fdmdz<최소 허용값, 또는 Fdmdz>최대 허용값이면, 각각 Fcmpnz는 최소 허용값, 최대 허용값에 제한된다. 그리고 이와 같이 결정된 컴플라이언스 제어용 보상 연직 상반력(Fcmpnz)으로부터 종합 요구 연직 복원력(Fdmdz)를 뺌으로써, 모델 연직 외력(Fmdlz)이 결정된다. 즉, Fcmpnz와 Fmdlz와의 차가 Fdmdz가 되도록 Fcmpnz와 Fmdlz가 결정된다.

보충하면, S4002에서의 게인(Kh) 및 게인(Kdh)은 마이너스의 값이며, 추정 상체 연직위치와 목표 상체 연직위치와의 차(△h)가 0에 근접하도록 설정된다. 한쪽 다리 지지기나 공중기 등의 시기에 따라서 게인의 값을 변경해도 좋다.

컴플라이언스 제어용 보상 연직 상반력(Fcmpnz)의 허용범위를 규정하는 상기 최소 허용값은 플러스가 아닌 값, 최대 허용값은 마이너스가 아닌 값이다. 도 12(c), (d)에 예시한 최대 허용값 및 최소 허용값은 로봇(1)의 주행을 행하는 경우의 예이며, 이 예에서는, 상기 최소 허용값과 최대 허용값 사이의 허용범위는 공중기의 직전으로부터 한쪽 다리 지지기의 개시 직후까지의 기간에서는 0으로 설정되어 있다. 또한, 도 12에는, Fcmpnz의 최소 허용값 및 최대 허용값과, 목표 상반력연직성분 및 목표 ZMP의 시기적인 관계를 나타내기 위해서, 상기 도 9(a), (b)에 도시한 목표 상반력 연직성분 및 목표 ZMP를 도 12(a), (b)로서 병기했다.

공중기에서는 컴플라이언스 제어에 의해 컴플라이언스 제어용 보상 연직 상반력(Fcmpnz)을 발생시킬 수 없으므로, 바꿔 말하면, 공중기에서는 컴플라이언스 제어에 의해 족평(22)을 섭동시켜도 상반력은 0 그대로이므로, Fcmpnz의 최소 허용값 및 최대 허용값은 0 또는 대강 0에 설정하는 것이 바람직하다.

또, 이상 직전(공중기의 개시직전)의 상반력이 작은 상태 또는 발끝밖에 접지해 있지 않은 상태에서도, 컴플라이언스 제어에 의해 족평을 섭동시켜서 상반력을 변화시키는 것은 곤란하므로, 이상 직전에서도 최소 허용값 및 최대 허용값은 0 또는 대강 0에 설정하는 것이 좋다. 또, 이상 직전에 컴플라이언스 제어용 보상 연직 상반력(Fcmpnz)이 0이외의 값이면, 상반력이 0이 되는 이상 시각(공중기의 개시시각)이 목표 이상 시각으로부터 벗어날 우려가 있는 것으로부터도, 이상 직전에서는 최소 허용값 및 최대 허용값은 대강 0에 설정하는 것이 좋다.

로봇(1)의 실제의 이상 시각이 목표 이상 시각보다도 빠르게 되면, 수평 방향의 마찰력이 상정한 시각보다도 조금 빠르게 작아지든지 0이 되므로, 슬립이나 스핀을 발생하기 쉽다. 반대로, 이상 시각이 지연되면, 주행과 같이 이상한 직후에 미착지 다리 족평(22)를 전방으로 이동할 때에, 미착지 다리 족평(22)이 바닥에 걸려버릴 우려가 있었다.

상기의 구성에 의해, 추정 상체 연직위치와 목표 상체 연직위치와의 차(상체 연직위치 편차)(△h)를 0에 점근시키기 위해서, 공중기에서는 모델 연직 외력(Fmdlz)이 작용하여, 지지 다리기에서는 주로 컴플라이언스 제어용 보상 연직 상반력(Fcmpnz)가 작용한다.

또한, 지지 다리기에서는, 게인(Kh) 및 게인(Kdh)을 0 또는 거의 0으로 해도 좋다. 컴플라이언스 제어 자신, 상체 연직위치 편차추정 상체 연직위치와 목표 상체 연직위치와의 차(△h) 및 그 미분값에 따러서, 상반력이 변화되고 추정 상체 연직위치와 목표 상체 연직위치와의 차(△h)를 0에 수렴시키는 작용을 가지고 있기 때문이다.

S4002 및 S4004 대신에, 도 13에 도시하는 바와 같이 추정 상체 연직위치와 목표 상체 연직위치의 차(상체 연직위치 편차)(△h)를 기초로, 도시하는 식을 사용하여 모델 연직 외력(Fmdlz)과 컴플라이언스 제어용 보상 연직 상반력(Fcmpnz)를 결정해도 좋다. 즉, 상기 상체 연직위치 편차(△h)로부터, 모델 연직 외력(Fmdlz)과 컴플라이언스 제어용 보상 연직 상반력(Fcmpnz)을 각각 별도로 피드백 제어칙(도 13의 예에서는 PD 제어칙)에 의해 결정해도 좋다. 단, 컴플라이언스 제어용 보상 연직 상반력(Fcmpnz)에 관계되는 게인(Khc)(비례 게인)과 모델 연직 외력(Fmdlz)에 관계되는 게인(Khm)(비례 게인)과는, 각각 도 14 (c), (d)에 도시하는 바와 같이 한쪽 다리 지지기나 공중기 등의 시기 등에 따라서 값을 변경하는 것이 좋다. 즉, 게인(Khc)은 공중기나, 그 개시직전(이상 직전), 한쪽 다리 지지기의 개시직후(착지 직후)와 같이, 상반력이 0 혹은 거의 0이 되는 시기에서는, Khc≒0으로 설정하는 것이 바람직하다. 반대로, 게인(Khm)은 지지 다리기에서 Khm≒0으로 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 도 14(a), (b)는 상기 도 9에 도시한 목표상반력 연직성분, 목표 ZMP(X축 성분)이다.

또, 안정성을 고려하면, Kdhc는 Khc와 동일한 경향을 갖게 하고, Kdhm은 Khm과 동일한 경향을 갖게 하는 것이 좋다.

또, 상체 연직위치 안정화 제어 연산부(218)는, 상기 포화 수단(250)과 같은 리미터와 가변 게인을 조합시켜도 좋다. 또는, 상체 연직위치 안정화 제어 연산부(218)에는, 로 패스 필터 등의 필터를 삽입해도 좋다. 또, 뉴로 제어나 퍼지 제어 등으로 모델 연직 외력(Fmdlz)과 컴플라이언스 제어용 보상 연직 상반력(Fcmpnz)을 결정시켜도 좋다.

어떻든, 추정 상체 연직위치와 목표 상체 연직위치의 차(△h)를 0에 근접시키도록, 공중기에서는 주로 모델 연직 외력(Fmdlz)이 작용하고, 지지 다리기에서는 주로 컴플라이언스 제어용 보상 연직 상반력(Fcmpnz)이 작용하도록 구성 하면 좋다.

보용 생성 장치(200)에서의 목표 보용 생성 처리 및 자기위치 자세추정부(216)의 자기위치 자세추정 처리의 플로차트를 도 15에 도시한다.

이 도면을 사용하여 이하에 보용 생성 장치(200) 및 자기위치 자세추정부(216)의 처리에 대해 상세하게 설명한다.

우선 S010에서 시각t를 0으로 초기화 하는 등 여러 초기화 작업을 행한다.

이어서 S012를 거쳐서 S014로 진행하고, 제어 주기마다의 타이머 인터럽션을 기다린다. 제어 주기는 △t이다.

이어서 S016으로 진행하고, 자기위치 자세추정부(216)의 처리, 즉, 로봇(1)의 실제의 상체위치 자세를 추정하는 처리(추정 상체위치 자세를 결정하는 처리)를 행한다. S016에서의 처리는 앞에서도 기술한 바와 같이, 예를 들면 본원과 같은 날의 출원(일본 특원 2002-127066호를 우선권 주장의 기초로 하는 PCT 출원, 발명의 명칭 「다리식 이동 로봇의 자기위치 추정 장치」)에서 제안하고 있는 어느 하나의 실시예의 수법을 사용하면 좋다. 또는, 종래 방식인 관성항법에 의해 자기위치(상체위치 자세)를 추정해도 좋다.

이어서 S018로 진행하고, 보용 전환차례(전회보용의 생성이 종료되고, 새로운 금회 보용의 생성을 개시해야 할 시간)인지 아닌지를 판단하고, 그 판단 결과가 YES일 경우에는, S020으로 진행한다. 또, 판단 결과가 NO일 경우에는 S032로 진행한다. 또한, 이하에 설명하는 S020부터 S030까지의 처리는, 본원 출원인이 앞서 제안한 PCT 공개 공보 WO/02/40224 또는 상기 PCT 출원 PCT/JP03/00435에 상세하게 설명되어 있으므로, 본 명세서에서는 간략적인 설명에 그친다.

S020으로 진행할 때는 시각 t를 0으로 초기화하고, 뒤이어서 S022로 진행하고, 다음회 보용 지지다리 좌표계(상세하게는 그 위치 및 방향), 다음다음회 보용 지지다리 좌표계(상세하게는 그 위치 및 방향), 금회 보용주기 및 다음회보용주기를 읽어들인다.

상기 다음회 보용 지지다리 좌표계 및 다음다음회 보용 지지다리 좌표계는, 각각, 상기 조이스틱(73)의 조작 등에 의해 지정되는 1보째의 미착지 다리 족평(22)(금회 보용의 미착지 다리 족평(22))의 착지 위치 자세의 요구값(목표 착지 위치 자세), 2보째의 미착지 다리 족평(22)(다음회 보용의 미착지 다리 족평(22))의착지 위치 자세의 요구값(목표 착지 위치 자세)에 따라서, 상기한 지지다리 좌표계의 정의에 따라서 결정된다.

또, 금회 보용주기, 다음회 보용주기는, 각각, 1보째의 미착지 다리 족평(22)의 착지 시각의 요구값(목표 착지 시각), 2보째의 미착지 다리 족평(22)의 착지 시각의 요구값(목표 착지 시각)에 따라서 결정된다.

상기한 미착지 다리 족평(22)의 착지 위치 자세의 요구값 및 착지 시각의 요구값, 또는 지지다리 좌표계의 위치 및 방향 및 보용주기는 미리 보행 스케줄로서 기억해 놓아도 좋고, 또는 조이스틱(73) 등의 조종 장치로부터의 지령(요구)과 그때까지의 보행 이력을 기초로 결정해도 좋다.

이어서 S024로 진행하고, 금회 보용에 이어지는 정상 선회 보용의 보용 패러미터가 S022에서 결정된 다음회 보용 지지다리 좌표계, 다음다음회 보용 지지다리 좌표계, 금회 보용주기 및 다음회 보용주기 등에 기초하여 결정된다. 주로, 목표 족평위치 자세 궤도를 규정하는 족평 궤도 패러미터, 목표 상체자세의 기준 궤도를 규정하는 기준 상체자세 궤도 패러미터, 목표 팔자세 궤도를 규정하는 팔자세 궤도 패러미터, 목표 ZMP 궤도를 규정하는 ZMP 궤도 패러미터, 목표 상반력 연직성분 궤도를 규정하는 상반력 연직성분 궤도 패러미터가 결정된다. 예를 들면 상반력 연직성분 궤도 패러미터에 관해 예시하면, 상기 도 9(a)에 도시한 패턴의 꺽임점의 시각이나 값이 상반력 연직성분 궤도 패러미터로서 결정된다.

여기에서, 상기 정상 선회 보용은 그 보용을 반복했을 때에 보용의 경계에서 로봇(1)의 운동 상태에 불연속이 발생하지 않는 주기적 보용을 의미한다(이후, 「정상 선회 보용」을 「정상보용」이라고 생략하는 경우도 있음).

정상 선회 보용의 1주기분의 보용은, 제 1 선회 보용과 제 2 선회 보용으로 이루어진다. 제 1 선회 보용은, 금회 보용의 지지 다리 좌표계에 대응하는 지지 다리 족평(22)을 다음 다음회 보용 지지 다리좌표계에 대응하는 위치자세까지 움직일 때의 보용에 상당하고, 제 2 선회 보용은, 다음회 보용 지지 다리좌표계에 대응하는 지지 다리 족평(22)을 다음 다음 다음회 지지 다리좌표계에 대응하는 위치 자세까지 움직일 때의 보용에 상당한다. 이 경우, 다음 다음 다음회 보용 지지 다리좌표계는, 제 2 선회 보용의 미착지 다리 족평(22)의 목표 착지위치 자세에 대응하는 것이다. 그리고 이 다음 다음 다음회 보용 지지 다리좌표계는, 다음 다음회 보용 지지 다리좌표계(제 2 선회 보용의 지지 다리좌표계)로 부터 본 이 다음 다음 다음회 보용 지지 다리좌표계의 위치 자세(위치 및 방향)이, 금회 보용 지지 다리좌표계로 부터 본 다음회 보용지지 다리좌표계(금회 보용의 미착지 다리 족평(22)의 착지 위치 자세)의 위치 자세(위치 및 방향)에 일치하도록 설정된다. 또한, 정상 선회 보용에 관해서 「선회」라는 용어를 사용한 것은, 선회율을 0으로 할 때는 직진을 의미하므로, 직진도 광의의 의미에서 선회에 포함시킬 수 있기 때문이다.

정상 선회 보용은, 보용 생성 장치(200)에서 금회 보용의 종단에 있어서의 발산 성분이나 상체 연직 위치 속도를 결정하기 위해서 잠정적으로 작성되는 가상적인 주기적 보용이며, 로봇(1)을 실제로 제어하기 위해서 보용 생성 장치(200)로 부터 그대로 출력되는 것은 아니다.

또한, 「발산」이란, 상체의 위치가 양 족부(족평)의 위치로부터 멀리 떨어진 위치로 벗어나는 것을 의미한다. 발산 성분의 값은, 2족 이동로봇의 상체의 위치가 양 족부(족평)의 위치(엄밀하게는, 지지 다리 접지면에 설정된 지지 다리좌표계의 원점)으로부터 멀리 떨어져 가는 상태를 나타내는 수치이며, 상체의 수평방향의 위치 및 그 속도의 함수로 나타난다.

본 실시형태에서는 이제부터 생성하는 금회 보용의 뒤에 이어지는 정상보용을 이동 요구(상기 2보 앞까지의 미착지 다리의 족평(22)의 착지 위치 자세, 착지 시각등의 요구값)에 따라 설정하고, 정상보용의 초기 발산 성분을 구하고 나서, 금회 보용의 종단 발산 성분을 정상보용의 초기 발산 성분에 일치하도록, 금회 보용을 생성하도록 하였다. S024의 상세한 내용은, 본 출원인이 제안한 상기 PCT공개 공보WO/02/40224, 또는 PCT/JPO3/00435에 설명되어 있으므로, 더 이상의 설명을 생략한다.

S024의 처리를 실시하여 정상보용의 보용 패러미터를 결정한 후, S026으로 진행하고, 정상 선회 보용의 초기 상태(초기 상체 수평위치 속도성분, 초기 상체 연직 위치 속도, 초기 발산 성분, 초기 상체 자세각 및 각속도)를 결정한다.

S026의 상세한 내용은, PCT공개 공보 WO/02/40224, 또는 PCT/JPO3/00435에 설명하고 있으므로, 여기에서는, 더 이상의 설명을 생략한다.

이어서, S028로 진행하고, 금회 보용의 보용 패러미터를 결정(일부 가결정)한다. 이 경우, 결정되는 금회 보용의 보용 패러미터는, 정상 선회 보용의 보용 패러미터와 동일하게, 주로, 족평 궤도 패러미터, 기준 상체자세 궤도 패러미터, 팔자세 궤도 패러미터, 목표 ZMP 궤도 패러미터, 목표 상반력 연직성분 궤도 패러미터이며, 각각의 패러미터에 의해 규정되는 궤도가, 정상 선회 보용의 궤도에 연속하도록 결정된다. 다만, 이들 패러미터 중, 목표 ZMP 궤도 패러미터는 잠정적인 것이다. 이 S028의 처리의 상세한 내용은, 상기 PCT공개 공보WO/02/40224, 또는 PCT/JPO2/13596호 등에 설명되어 있으므로, 여기에서는 더 이상의 설명을 생략한다.

이어서 S029로 진행하고, 금회 보용의 종단발산 성분이 정상보용의 초기발산 성분에 일치하도록, 금회 보용의 보용 패러미터를 수정한다. 여기에서 수정되는 보용 패러미터는, 목표 ZMP 궤도 패러미터다.

S029의 상세한 내용은, PCT공개 공보WO/02/40224, 또는 PCT/JPO2/13596호등에 설명하고 있으므로, 여기에서는, 더 이상의 설명을 생략한다.

이어서 S030으로 진행하고, 상반력 모멘트 허용범위의 패러미터를 결정한다.

S030의 상세한 내용은, PCT/JPO2/13596호에 설명하고 있으므로, 여기에서는, 더 이상의 설명을 생략한다.

S030의 처리를 실시한 후, 또는 S018의 판단 결과가 NO인 경우에는, S032로 진행하고, 금회 보용 순시값 결정한다.

S032에서는, 로봇(1)의 동력학 모델에 대하여, 목표 상반력(목표 보용의 상반력)에 더해, 목표 ZMP주위에 모델 조작 상반력 모멘트가 발생하고, 또한 모델 연직외력(Fmdlz)이 로봇(1)의 동력학 모델상에서의 전체중심에 작용하도록, 보용 순시값(수정 보용 순시값)이 결정된다.

구체적으로는, 도 16의 플로 차트에 따라서 보용 순시값가 결정된다.

이하에서 이것을 설명하겠다.

S900에서 S904까지는, 상기 S029의 처리에서 최종적으로 결정된 금회 보용 패러미터에 기초하여, 현재시각(t)에 있어서의 목표 상반력 연직성분, 목표 ZMP, 목표 양 족평 위치 자세, 기준 상체자세, 및 목표 팔자세의 순시값이 구해진다. 이들 S900∼S904까지의 처리는, 예를 들면 본 출원인이 먼저 제안한 PCT출원PCT/JPO2/13596호에서 상세하게 설명한 동 출원의 실시형태의 플로 차트의 S900에서 S904와 동일한 처리이다. 따라서 여기에서는 상세한 설명을 생략한다.

또한, S904에 있어서, 보용 패러미터를 기초로 결정되는 시각(t)의 목표 양족평 위치 자세는, 금회 보용 지지 다리좌표계(금회 보용의 지지 다리 족평(22)의 착지 위치 자세에 대응하여 상기한 바와 같이 정해지는 지지 다리좌표계)로 기술된다. 로

보충 설명하면, 목표 족평 위치 자세궤도는, 상기한 바와 같이, 본 출원인이 특허 제3233450호에서 제안한 유한시간 정정필터를 이용해서 생성된다. 이 때문에, 로봇(1)의 주행에서의 공중기로 부터의 착지 순간에 있어서, 대지속도가 0 또는 거의 0이 되도록, 상체(3)로 부터 봐서 족평(22)을 끌어 올리도록 하여 착지한다. 이에 의해, 착지 충격은 작아져, 착지 충격이 과대해지는 것을 방지할 수 있다.

또한, 상기 유한시간 정정필터를 3차 이상의 차수로 한다, 즉, 가변시정수의 1차 지연필터를 3단이상 직렬로 하는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 착지 시각(목표 착지 시각)까지 속도뿐만 아니라 가속도도 0 또는 거의 0이 되어 정지한다. 즉, 착지 순간에 있어서의 대지가속도도 0 또는 거의 0이 된다. 따라서 착지충격이 한층 더 작아진다. 특히, 실제 로봇(1)의 착지 시각이 목표의 착지 시각에서 벗어나도, 충격이 그다지 증대하지 않게 된다.

또한, 유한시간 정정필터를 이용하는 대신에, 착지 시각(도달 시각)에서의 변화속도가 O 또는 실질적으로 O이 되도록(시간미분값이 0이 되도록) 설정된 다항식등의 함수를 이용하여, 족평 위치 자세궤도를 결정하도록 하여도 좋다.

S900에서 S904의 처리를 실시한 후, 이어서 S906으로 진행하고, 목표 상반력 연직성분과, 상기한 바와 같이 상체 연직 위치 안정화 제어연산부(218)에서 결정된 모델 연직외력(Fmdlz)과의 합력에 동력학적으로 균형을 이루도록 전체 중심 연직 위치를 산출한다.

즉, 로봇(1)의 동력학 모델에 목표 상반력 연직성분과 모델 연직외력(Fmdlz)과의 합력이 작용한 경우에, 동력학(뉴턴역학)적으로 균형을 이루는 전체 중심 연직가속도를 이하의 식(1)에 의해 구한다. 또한, 그 구한 전체 중심 연직가속도를 이하의 식(2)을 이용하여 적분해서 시각(t)에 있어서의 전체 중심 연직속도를 구하고, 또한 구한 전체 중심 연직속도를 식(3)을 이용하여 적분해서 시각(t)에 있어서의 전체 중심 연직 위치를 산출한다. 다만, 여기에서 중력가속도는 마이너스 값으로 한다. 또한, 식(2), 식(3) 대신에 사다리꼴근사에 의해 전체 중심 연직 위치, 속도를 구하여도 좋다.

시각(t)에 있어서의 전체 중심 연직가속도

= 중력가속도+(목표 상반력 연직성분+모델 연직외력(Fmdlz))/전체 질량

…식1

시각(t)에 있어서의 전체 중심 연직속도

= 시각(t―△t)에 있어서의 전체 중심 연직속도

+ 시각(t)에 있어서의 전체 중심 연직가속도*△t

(단만, 중력가속도는 마이너스 값으로 한다.)

…식2

시각(t)에 있어서의 전체 중심 연직 위치

= 시각(t－△t)에 있어서의 전체 중심 연직 위치

+ 시각(t)에 있어서의 전체 중심 연직속도*△t

…식3

이어서, S908로 진행하고, 전체 중심 연직 위치속도를 만족하는 상체 연직 위치 속도를 산출한다. 구체적으로는, 상기 구한 목표 양 족평 위치 자세(시각(t)의 값), 시각(t―△t)의 목표 상체자세, 상기 구한 목표 팔자세(시각(t)의 값), 시각(t－△t)의 상체 수평위치 및 그들의 변화율(변화 속도)과 구하고 싶은 상체 연직 위치 속도로부터 결정되는 자세의 전체 중심 연직 위치 속도가, 상기 구한 전체 중심연직 위치 속도의 금회값(시각(t)의 값)에 일치하도록 상체 연직 위치 속도를 구한다.

또한, 시각(t)의 상체 자세와 상체 수평위치는, 아직 결정되어 있지 않으므로, 대신 시각(t－△t)의 값을 이용하였다. 보다 정밀도를 높이기 위해서, 시각(t)에서의 상체 자세와 상체 수평위치와 추정값를, 시각(t―△t)이전의 보용상태로 부터 외삽에 의해 구해도 좋다.

이어서 S910으로 진행하고, 보용 패러미터를 기초로 시각(t)의 상반력 수평성분 허용범위[Fxmin, Fxmax]를 구한다. 또한, 상반력 수평성분 허용범위를 규정하는 보용 패러미터는, 상기 S028에서 결정되는 것이지만, 이것에 대해서는, 본 출원인이 먼저 제안한 PCT출원PCT/JPO2/13596호에 기재되어 있으므로, 여기에서는, 더 이상의 설명을 생략한다.

이어서, S911로 진행하고, 상반력 모멘트 허용범위 패러미터를 기초로, 상반력 모멘트 허용범위의 순시값를 구한다. 또, 상반력 모멘트 허용범위는, 상기 도8에 도시된 보상 전체 상반력 모멘트 분배기(214)에 보내진다. 이 보상 전체 상반력 모멘트 분배기(214)는, 기본적으로는, 로봇(1)의 상체자세(추정 상체자세)를 목표 상체자세에 근접하도록, 컴플라이언스 제어용의 목표 상반력 모멘트와, 보용 생성 장치(200)의 동력학 모델에 입력하는 모델 조작 상반력 모멘트를 결정하는 것이다. 그 상세한 내용은, 본 출원인이 먼저 제안한 PCT/JPO3/00435에 기재되어 있으므로, 여기에서는, 더 이상의 설명을 생략한다.

이어서, S912로 진행하고, 목표 ZMP주위에 모델 조작 상반력 모멘트(이것은 보상 전체 상반력 모멘트 분배기(214)에서 결정된다)가 발생하도록, 금회 보용의 상체 수평 가속도와 상체 자세각 가속도가 결정된다. 다만, 이 때, 상체 수평 가속도 및 상체 자세각 가속도는, 상반력 수평성분(Fx)이 상반력 수평성분 허용범위[Fxmin, Fxmax]를 넘지 않도록 결정된다.

바꿔 말하면, 로봇(1)의 목표 운동에 의해 발생하는 관성력과 중력과의 합력에 의해 목표 ZMP주위에 작용하는 모멘트가, 모델 조작 상반력 모멘트의 부호를 반전한 모멘트가 되도록, 금회 보용의 상체 수평 가속도와 상체 자세각 가속과의 세트가 결정된다. 다만, 관성력의 부호를 반전한 힘이 상반력 수평성분 허용범위[Fxmin, Fxmax]를 넘지 않도록 결정한다.

이에 관해서도, 본 출원인이 먼저 제안한 PCT출원PCT/JP02/13596호에 기재되어 있으므로, 여기에서는, 더 이상의 설명을 생략한다.

이어서 S914로 진행하고, 상체 수평 가속도와 상체 자세각 가속도를 각각 적분하여, 상체 수평 속도와 상체 자세각 속도를 산출하고, 이들을 또 적분하여, 상체 수평위치와 상체 자세각이 결정된다.

이상과 같이 S032의 처리를 실시한 후, S034로 진행하고, PCT출원PCT/JPO2/13596호의 실시형태의 S032의 처리와 동일하게, 스핀력을 캔슬하기 위한 팔 흔들기 동작을 결정한다. 이어서 S036으로 진행하고, 시각(t)에 제어 주기△t를 더하고, 다시, S014로 돌아와, 제어 주기마다의 타이머 인터럽션를 기다린다.

이상이, 보용 생성 장치(200)에 있어서의 목표 보용 생성처리, 및, 자기위치 자세추정부(216)의 자기위치 자세추정처리이다.

도8을 참조해서 이 실시형태에 관한 제어 유닛(60)의 제어 처리를 더 설명하면, 보용 생성 장치(200)에 있어서, 상기한 바와 같이 목표 보용이 생성된다. 생성된 목표 보용 중, 목표 상체위치 자세(궤도) 및 목표 팔 자세궤도는, 로봇 기하학 모델(역 키네마틱스 연산부)(202)에 직접 보내진다.

또, 목표 족평 위치 자세(궤도), 목표 ZMP궤도(목표 전체 상반력 중심점궤도), 및 목표 전체 상반력(궤도)(목표 상반력 수평성분과 목표 상반력 연직성분)은, 복합 컴플라이언스 동작 결정부(204)에 직접 보내지는 한편, 목표 상반력 분배기(206)에도 보내진다. 목표 상반력 분배기(206)에서는, 목표 전상반력은 각 족평(22R, 22L)에 분배되고, 목표 각 족평 상반력 중심점 및 목표 각 족평 상반력이 결정된다. 그 결정된 목표 각 족평 상반력 중심점 및 목표 각 족평 상반력이 복합 컴플라이언스 동작 결정부(204)에 보내진다.

복합 컴플라이언스 동작 결정부(204)에서는, 기구변형 보상식 수정목표 족평 위치 자세궤도가 생성되고, 그것이 로봇 기하학 모델(2O2)에 보내진다. 로봇 기하학 모델(202)은, 목표 상체위치 자세(궤도)과 기구변형 보상식 수정목표 족평 위치 자세(궤도)가 입력되면, 그들을 만족하는 다리체(2, 2)의 12개의 관절(10R(L)등)의 관절변위지령(값)을 산출하여 변위 콘트롤러(208)에 보낸다. 변위 콘트롤러(208)는, 로봇 기하학 모델(202)에서 산출된 관절변위지령(값)을 목표값으로서 로봇(1)의 12개의 관절의 변위를 추종 제어한다.

로봇(1)에 발생한 상반력(상세하게는 실제 각 족평상반력)은 6축력 센서(50)에 의해 검출된다. 그 검출값은 상기 복합 컴플라이언스 동작 결정부(204)에 보내진다. 또, 상기 도 15의 S016에서 구해진 추정 상체자세와 보용 생성 장치(200)가 생성한 목표 상체자세와의 차 중의 기울기 성분, 즉 실제 상체 자세각편차(θerrx, θerry)가 자세안정화 제어 연산부(212)에 보내진다. 또한, θerrx는 롤링 방향(X축 둘레)의 기울기 성분이며, θerry는 피칭 방향(Y축 둘레)의 기울기 성분이다. 이 자세안정화 제어 연산부(212)에서, 로봇(1)의 상체자세의 기울기를 목표 보용의 상체자세의 기울기로 복원하기 위한 목표 전체 상반력 중심점(목표 ZMP)주위의 보상 전체 상반력 모멘트(Mdmd)가 산출되고, 이 보상 전체 상반력 모멘트(Mdmd)가 보상 전체 상반력 모멘트 분배기(214)에 주어진다. 그리고, 이 분배기(214)에서는, 보상 전체 상반력 모멘트(Mdmd)를 컴플라이언스 제어용 목표 상반력 모멘트와, 모델 조작 상반력 모멘트로 분배하고, 각각을 복합 컴플라이언스 동작 결정부(204)와, 보용 생성 장치(200)에 준다. 또, 상기 상체 연직 위치 안정화 제어 연산부(218)에서 상기한 바와 같이 결정된 컴플라이언스 제어용 보상 연직상반력(Fcmpnz)이 복합 컴플라이언스 동작 결정부(204)에 주어진다. 복합 컴플라이언스 동작 결정부(204)는, 입력값에 기초하여 목표 족평 위치 자세를 수정한다. 구체적으로는, 복합 컴플라이언스 동작 결정부(204)에서는, 실제 전체 상반력(모든 실제 족평 상반력의 합력으로, 병진력 및 모멘트 양자를 포함한다)이, 목표 각 족평 상반력의 합력인 목표 전체 상반력과 컴플라이언스 제어용 보상 연직 상반력(Fcmpnz)과 컴플라이언스 제어용 목표 상반력 모멘트와의 합력에 일치하도록, 보용 생성 장치(2O0)로부터 주어진 목표 족평 위치 자세를 수정하고, 기구변형 보상식 수정 목표 족평 위치 자세(궤도)를 결정한다. 즉, 컴플라이언스 제어용 보상 연직 상반력(Fcmpnz)이 부가적으로 발생시켜지는 동시에, 컴플라이언스 제어용 상반력 모멘트가 목표 ZMP주위에 부가적으로 발생시켜진다. 다만 모든 상태를 목표에 일치시키는 것은 사실상 불가능하므로, 이들간에 트레이드 오프 관계를 주어서 타협적으로 되도록이면 일치시킨다. 즉, 각 목표(족평 위치 자세 및 상반력의 목표)에 대한 제어 편차에 가중도를 주고, 제어 편차(또는 제어 편차의 2승)의 가중평균이 최소가 되도록 제어한다.

보충 설명하면, 기구변형 보상식 수정 목표 족평 위치 자세(궤도)는, 복합 컴플라이언스 동작 결정부(204)에 의해 수정된 상반력의 목표값을 발생시키기 위해서 필요한 족평의 변형 기구(원기둥 형상 고무, 발바닥 스폰지 및 충격흡수용 백형상의 에어 댐퍼)의 변형량을 변형 기구의 역학모델(스프링 댐퍼 모델 등)을 이용해서 구하고, 그 변형량이 발생하도록 수정한, 목표 족평 위치 자세(궤도)이다.

또한, 이상 설명한 제 1 실시형태는, 상기 제 1 발명, 제 3 발명∼제 17 발명의 1실시형태이다. 보충 설명하면, 상기 모델 연직외력(Fmdlz)이 가상 외력에 상당하고, 컴플라이언스 제어용 보상 연직 상반력(Fcmpnz)이 목표 상반력 수정량에 상당한다.

다음에 본 발명의 제 2 실시형태를 도 17 및 도 18을 참조하여 설명하겠다. 또한, 제 2 실시형태에 있어서는, 보용 생성 장치(2O0)의 처리는, 도 15의 S032의 수정 보용 순시값 결정 서브 루틴만이 제 1 실시형태와 다르다. 또, 보용 생성 장치(200)에서는 모델 연직외력(Fmdlz)을 이용하지 않으므로, 상체 연직 위치 안정화 제어 연산부(218)의 처리에서는, 컴플라이언스 제어용 보상 연직 상반력(Fcmpnz)만을 상기 제 1 실시형태의 것과 같이 결정하고, 모델 연직외력(Fmdlz)은 출력하지 않는다. 이외의 제어 유닛(60)의 처리는, 상기 제 1 실시형태와 동일하다.

도 17은 제 2 실시예에 있어서의 수정 보용 순시값(금회 보용 순시값)결정 서브루틴(도 15의 S032의 서브루틴)을 도시한 플로 차트이다.

이하, 제 2 실시예에 있어서의 수정 보용 순시값 결정 서브루틴에 대해서 상세하게 설명하면, 우선 S1000에서 S1004까지, 상기 제 1 실시형태의 도 16의 S900에서 S904와 같은 처리가 실행된다.

이어서 S1006으로 진행하고, 목표 상반력 연직성분(시각(t)의 금회값)에 동력학적으로 균형을 이루도록 전체 중심 연직 위치를 산출한다. 이 처리는, 상기 제 1 실시형태의 도 16의 S906에서, Fmdl=0으로 한 경우의 처리와 같다.

이어서 S1008로 진행하고, 공중기인지 아닌지를 판단한다. 이 판단은, 예를 들면 상기 6축력 센서(50)에 의한 상반력 검출값(실제 상반력)이 어느 소정의 값(0근방의 값)이하인지 아닌지에 의해 행해진다. 또는, 현재시각(t)이, 목표 보용의 이상 시각(공중기의 개시시각) 또는 그 전후의 소정의 시각에서, 목표 보용의 착지시각 또는 그 전후의 소정의 시각까지의 범위에 있는지 아닌지에 의해 공중기인지 아닌지의 판단을 하여도 좋다.

S1008의 판단 결과가 YES인 경우에는, S1010으로 진행하고, 현재의 추정 상체위치와 그 시간적 변화율인 추정 상체속도를 기초로, 로봇(1)의 현재의 전체 중심위치 속도의 추정치인 추정 중심위치 속도를 구하고, 그 현재의 추정 중심위치 속도를 기초로, 로봇(1)의 전체 중심이 중력에 의한 포물선운동을 행한다고 하고, 목표 착지 시각에 있어서의 추정 중심위치 속도를 구한다.

이어서, S1012로 진행하고, 이하에 설명하는 보정량 곡선에 의한 수정(공중기에서의 수정)을 하지 않았다고 한 경우의 원래의 목표 보용의 전체 중심궤도(상세하게는 전체 중심 연직성분궤도)의 현재 시각 이후의 예상 궤도와 보정량 곡선의 합의 곡선(즉 수정후의 목표 전체 중심위치의 연직성분궤도)의 위치 속도가 목표 착지 시각에 있어서 상기 추정 전체 중심위치 속도(상세하게는 그 연직성분)에 일치하도록, 보정량 곡선을 결정한다. 또한, 상기 원래의 목표 보용은, 보다 상세하게는, S1006에서 구해진 목표 전체 중심연직 위치를 그대로 이용해서(후술하는 S1016의 수정 전체 중심연직 위치를 S1006의 전체 중심 연직 위치와 동일하게 하고)결정되는 보용이며, 이 원래의 목표 보용의 전체 중심궤도의 예상 궤도는, 현재 시각의 제어 주기의 S1006에서 구해진 전체 중심연직 위치 및 그 속도(시간적 변화율)에 이어지는 포물선이다.

상기 보정량 곡선은 보다 구체적으로는 다음과 같이 결정된다. 도 18을 참조해서 설명하면, 우선, 현재시각(t)이 공중기의 개시시각(S1008의 판단 결과가 NO에서 YES로 바뀐 시각)일 때에, 도 18(a)의 하측에 도시된 바와 같이 보정량 곡선(여기에서는 제 1 보정량 곡선이라고 칭한다)이 결정된다. 이 제 1 보정량 곡선을 원래의 목표 보용의 전체중심위치 궤도(현재 시각 이후의 예상 궤도)에 더한 것이, 현재 시각 이후의 실선으로 나타난 수정 전체 중심위치 궤도(여기에서는 제 1 수정 전체 중심위치 궤도라고 칭한다)이며, 이 수정 전체 중심위치 궤도가, 공중기의 개시시각에서 원래의 목표 보용의 전체 중심위치 궤도에 매끄럽게 이어지고(전체 중심연직 위치 및 속도가 일치한다), 또한, 공중기의 종료 시각(목표 착지 시각)에서 추정 전체 중심궤도에 매끄럽게 이어지도록(연직 위치 및 속도가 일치하도록) 제 1 보정량 곡선이 결정된다.

다음에, 현재시각이 제어 주기(△t)만 진행하면, 도 18(b)에 도시된 바와 같이 새로운 보정량 곡선으로서의 제 2 보정량 곡선이 결정된다. 또한, 도면 중의 제어 주기(△t)는, 설명의 편의상, 실제보다도 긴 시각간격으로서 기재하고 있다.

여기에서, 현재 시각 이후의 추정 전체 중심위치 궤도의 예상 궤도는, 추정 상체위치 자세의 추정 오차등에 기인하여, 일반적으로는, 전회의 제어 주기의 시각에서 예상된 추정 중심위치 궤도와 동일하게는 안된다. 그래서, 본 실시형태에서는 보정량 곡선을 제어 주기마다 갱신하도록 하였다. 새로운 보정량 곡선(제 2 보정량 곡선)은, 현재시각에서 제 1 보정량 곡선(전회 제어 주기에 결정한 보정량 곡선)에 매끄럽게 이어지고(현재시각에서의 제 2 보정량 곡선의 값 및 시간미분치가 제 1 보정량 곡선과 일치한다), 또한, 이 제 2 보정량 곡선을 원래의 목표 보용의 전체 중심위치 궤도의 현재 시각이후의 예상 궤도에 가하여 이루어지는 수정 전체 중심위치 궤도(도면에서는 제 2 수정 전체 중심위치 궤도라고 칭한다)가 공중기의 종료 시각(목표 착지 시각)에서, 추정 전체 중심궤도에 매끄럽게 이어지도록, 결정된다. 이후, 같은 방법으로 하여, 보정량 곡선은, 제어 주기 마다 갱신되면서 결정된다. 또한, 보정량 곡선은, 삼각함수나 고차함수를 이용해서 매끄러운 곡선(S자 커브)으로 결정된다.

S1012의 후, 혹은 S1008의 판단 결과가 NO인 경우(공중기가 아닌 경우)에는, S1014로 진행하고, 전체 중심 연직 위치와, 현재의 보정량 곡선의 현재 순시값의 합을 수정 전체 중심 연직 위치로 한다. 또한, 공중기가 아닌 시각에서는, 보정량 곡선의 값은, 0으로 한다.

이어서 S1016으로 진행하고, 수정 전체 중심연직 위치를 만족하는 상체 연직 위치를, 현재의 목표 족평 위치나 로봇(1)의 기하학 모델을 이용해서 산출한다. 이어서 S1018에서 S1024까지, 상기 제 1 실시형태의 도 16의 S910에서 S914와 같은처리를 실시한다.

이상이, 제 2 실시형태에 있어서의 수정 보용 순시값결정 서브루틴의 처리이다. 제 2 실시형태에서는 공중기에 있어서, 목표 보용의 전체 중심 연직 위치와 추정 상체 연직 위치에 대응하는 추정 전체 중심 연직 위치와의 편차가 장래의 공중기의 종료 시각, 즉, 금회 보용의 종단에 있어서 0에 근접하도록 목표 보용의 전체 중심연직 위치 궤도가 결정(수정) 된다. 그 결과, 목표 상체 연직 위치 궤도도, 금회 보용의 종단에 있어서 추정 상체 연직 위치의 궤도에 근접하도록 결정되는 것이 된다.

또한, 이상 설명한 제 2 실시형태는, 본 발명의 제 2 발명의 1실시형태이다.

다음에 본 발명의 제 3 실시형태를 도 19를 참조하여 설명하겠다. 또한, 본 실시형태는, 보용 생성 장치(200)의 처리만이, 상기 제 1 실시형태와 상이한 것이다.

도 19은 제 3 실시형태에 있어서의 보용 생성 장치(200)의 목표 보용 생성 처리 및 자기위치 자세추정부(216)의 자기위치 자세추정 처리의 플로 차트이다.

우선 S1110에 있어서 시각(t)을 0으로 초기화하는 등 여러가지 초기화작업을 실시한다.

이어서 S1112를 거쳐 S1114로 진행하고, 제어 주기마다의 타이머 인터럽션을 기다린다. 제어 주기는 △t이다.

이어서 S1116으로 진행하고, 제 1 실시형태의 도 15의 S016과 같이, 자기위치 추정부(216)의 자기 위치 자세 추정처리를 실행하고, 상체 위치 자세의 추정(추정 상체 위치 자세의 결정)을 실시한다.

이어서 S1118로 진행하고, 보용 전환 차례인지 아닌지를 판단하고, 그 판단 결과가 YES인 경우에는, S1120으로 진행한다.

S1l20으로 진행할 때는 시각(t)을 0으로 한다.

S1118의 판단 결과가 NO인 경우, 및 S1120을 실행한 경우에는, S1122로 진행한다. S1122에서 S1128까지는, 제 1 실시예에 있어서의 도 15의 S022에서 S028까지와 같은 처리를 실시한다.

이어서 S1130으로 진행하고, 두부(4)에 탑재된 2개의 비디오 카메라(125, 125)의 화상과 현재의 추정 상체 위치 자세를 기초로, 금회 보용의 미착지 다리 족평(22)의 착지 예상점(금회 보용의 미착지 다리 족평(22)의 목표 착지 위치에 대응하는 바닥면상의 점으로, 예를 들면 금회 보용 지지 다리좌표계에서의 목표 착지 위치의 수평위치와 거의 같은 수평위치가 되는 바닥면상의 점)의 높이(연직 위치)를 구하고, 목표 보용 패러미터 중의 목표 착지 연직 위치를 수정한다. 또한, 이 S1130에서 상기 착지 예상점의 높이를 구하는 처리는, 본 발명의 제 2 3발명에 있어서의 바닥형상 인식수단에 상당하는 것이다.

즉, 비디오 카메라 화상을 기초로 구한 착지 예상점의 높이(연직 위치)의 값 또는 이것을 로우 패스 필터에 통과시킨 값을, 목표 보용 패러미터 중의 목표 착지 연직 위치(이것은 금회 보용의 미착지 다리의 족평 위치 자세궤도를 규정하는 보용 패러미터이다)에 대입한다. 비디오 카메라 화상과 추정 상체 위치 자세는, 노이즈가 크기 때문에(검출값이 크게 흩어진다), 로우 패스 필터를 통과시키지 않고, 직접, 착지 예상 점의 높이의 값을 목표 착지 연직 위치에 대입하면, 미착지 다리의 족평 위치 자세궤도가 급격히 변동할 우려가 있으므로, 로우 패스 필터에 통과시키는 편이 좋다.

로우 패스 필터 대신에, 복수의 제어 주기에 걸쳐 받아 들인 비디오 카메라 화상과 추정 상체위치 자세를 기초로 평균화 처리에 의해, 고주파수 노이즈를 저감하여도 좋다.

이어서 S1132로 진행하고, 제 1 실시형태의 도l5의 S029같이 금회 보용 패러미터를 수정하고, 이어서 S1134로 진행하여, 제 1 실시형태의 S030같이 상반력 모멘트 허용범위의 패러미터를 결정한다. 이어서 S1136으로 진행하고, 제 1 실시형태의 도 15의 S032같이 수정 보용 순시값 결정 서브루틴을 실행한다. 이어서 S1138로 진행하고, 제 1 실시형태의 S034같이, 스핀력을 캔슬하기 위한 팔흔들기 동작을 결정한다. 이어서 S1140으로 진행하고, 시각(t)에 제어 주기△t를 더하고, 다시, S1114로 돌아와, 제어 주기마다의 타이머 인터럽션를 기다린다.

이상이, 제 3 실시형태에 있어서의 보용 생성 장치(200) 및 자기위치 자세추정부(216)의 처리이다. 또한, 본 실시형태에서는 S1122에서는, 다음회 보용지지 다리좌표계의 연직 위치 및 다음 다음회 보용지지 다리좌표계의 연직 위치는, 전회의 제어 주기의 S1130에서 구해진 착지 예상점의 연직 위치로 설정된다. 다만, 다음 다음 회 보용지지 다리좌표계의 연직 위치는 반드시 이렇게 할 필요는 없다.

비디오 카메라(125,125)가 아니더라도, 레이저 렌지 파인더나 초음파 거리계(스캐너)등의 비접촉의 거리(또는 거리분포, 또는 형상)를 인식하는 센서나, 또는촉각센서를 이용해서 착지 예상점의 연직 위치를 파악하도록 하여도 좋다.

이상과 같이, 제 3 실시형태에 있어서는, 로봇(1)의 실제의 상체 연직 위치 궤도(추정 상체 연직 위치의 궤도)와 목표 상체 연직 위치 궤도의 차에 대해서는, 상기 제 1 실시예와 같이, 상기 차(상체 연직 위치 편차△h)를 0에 수렴시키도록 모델 연직외력(Fmdlz)을 동력학 모델에 가하는 동시에, 상정하고 있지 않았던 바닥의 요철에 대해서는, 비디오 카메라등, 바닥면의 높이를 비접촉으로 측정하는 바닥면 형상인식 센서(거리 센서)에 의해, 미착지 다리 족평(22)의 목표 착지 위치에 대응하는 착지 예상점에서의 바닥면 높이를 측정한다. 그리고, 그 측정한 바닥면 높이에 따라(목표 착지 연직 위치와 바닥면의 연직 위치와의 편차이분만)미착지 다리의 족평 위치 궤도를 수정한다. 즉 족평 위치 자세궤도를 규정하는 보용 패러미터 중의 목표 착지 연직 위치(패러미터)를 수정한다.

또한, 제 3 실시형태의 S1136에서는, 상기 제 1 실시형태의 도 16에 도시한 서브루틴 처리 대신에, 상기 제 2 실시형태의 도 17에 도시한 서브루틴 처리를 실행하도록 하고, 공중기에, 목표 보용의 전체 중심 연직 위치 궤도 또는 상체 연직 위치 궤도가, 추정 상체위치를 기초로 예상되는 실제의 로봇(1)의 장래(착지시)의 중심위치 또는 상체위치의 추정값에 수렴하도록, 목표 전체 중심 연직 위치 궤도 또는 목표 상체 연직 위치 궤도를 수정하도록 하여도 좋다.

또, 족평 위치 자세궤도의 수정 방법으로서는, 상기 측정한 바닥면 높이(착지 예상점의 연직 위치)와 목표 보용에서 상정하고 있던 착지 높이(목표 착지 연직 위치)와의 차에 따라 결정한 매끄러운(S자 곡선형상의) 보정 궤도를, 목표 족평 위치 자세궤도에 가함으로써, 족평 위치 자세궤도를 수정하도록 하여도 좋다.

또한, 이상 설명한 제 3 실시형태는, 제 2 3발명 및 제 2 4발명의 1실시형태이다.

이상 설명한 각 실시형태에서는 컴플라이언스 제어에 의해 족평(22)을 연직방향으로 변위시켰을 때의 관성력이나 중심위치 변화등도 고려해서 동력학 연산에 의한 보용 생성을 실시해도 좋다. 컴플라이언스 게인(상반력 연직성분에 대한 족평 섭동변위량의 비)을 가변으로 하여도 좋다. 예를 들면, 컴플라이언스 게인을, 착지 시는 컴플라이언스 제어가 원활해지고, 그 후 이상 시각에 걸쳐서 서서히 컴플라이언스 제어가 어려워지도록 결정하여도 좋다. 이에 따라, 바닥이 딱딱할 경우에는, 이상 시의 로봇(1)의 실제의 상체 위치 속도가 목표 보용의 상체위치 속도에 가까워진다. 다만, 연직방향의 컴플라이언스 제어를 이용하지 않으면(즉 연직방향의 컴플라이언스 제어가 매우 어려우면), 점프 시의 차기힘이 바닥의 딱딱함에 크게 영향을 받는 경향이 있기 때문에, 연직방향의 컴플라이언스 제어는 지나치게 어렵게 하지 않도록 해야한다.

또, 족평(22)의 위치 오차가 클 때에 급격히 컴플라이언스 게인을 바꾸면 오차가 급격하게 0으로 돌아오기 때문에 급격한 가감속이 발생하고, 다리체(2)의 무릎의 위치제어편차가 과대해져서 로봇(1)이 자세를 무너뜨리거나, 무릎 토크가 과대해져 경우에 따라서는 손상되는 우려가 있다. 따라서 컴플라이언스 게인은 서서히 바꾸어야 한다.

또한, 상기한 바와 같이 컴플라이언스 게인을 가변화하는 기술은, 본 발명의제 2 6발명의 실시형태이다.

상기 제 1 및 제 2 실시형태에 있어서는, 보용의 전환차례에 있어서만, 금회 보용 패러미터를 결정 또는 수정하고 있었지만, 이상시등의 소정의 시각 또는, 제어 주기마다 수정하여도 좋다. 다만, 금회 보용 패러미터의 수정 처리는, 보용의 전환차례가 아닌 때로는, 도 15의 S022의 처리를 실행하지 않고, S024에서 S030을 실행한다.

또한, 도 15의 S024에서 S030의 처리에 의해 금회 보용의 상반력 연직성분 패턴(상세하게는, 이것을 규정하는 보용 패러미터)도 수정된다. 이 때, 다음에 계속되는 정상보용의 상반력 연직성분 패턴도 수정하여도 좋다.

제어 주기마다 또는 보용의 전환차례에서, 추정 상체 연직 위치 속도를 기초로, 또는 추정 상체 연직 위치 속도와 목표 상체 연직 위치 속도와의 차를 기초로, 다음의 착지시의 로봇(1)의 자세를 예측하여, 그 예측한 자세가 적절한 자세가 되도록, 즉 착지시의 상체(3)가 지나치게 높거나(무릎이 너무 늘어나거나), 지나치게 낮거나(무릎이 너무 구부러지거나) 하지 않도록, 착지 시각 패러미터(목표 착지 시각)을 변경하여도 좋다. 다만 그 결과, 로봇(1)의 자세가 기우므로, 목표 ZMP나 목표 착지 위치등, 자세에 영향을 주는 패러미터등도 동시에 변경할 필요가 있다.

상기 제 1 실시형태 또는 제 3 실시형태에 있어서는, 모델 연직외력(Fmdlz)을 동력학 모델의 중심에 작용시키는 대신 목표 ZMP에 작용시켜도 좋다.

또, 상기 각 실시형태에 있어서는, 컴플라이언스 제어의 목표값으로서 부가되는 상반력은, 컴플라이언스 제어용 보상 연직상반력(Fcmpnz)과 같이 연직성분만으로 하였지만, 수평성분이 있어도 좋다. 예를 들면 로봇(1)의 전체중심과 목표 ZMP을 연결하는 선분의 방향으로, 또는 상체(3)의 어느 소정의 점과 목표 ZMP를 연결하는 선분의 방향으로 상반력을 부가하여도 좋다. 이렇게 함으로써, 컴플라이언스 동작에 의해 로봇의 자세가 어긋나는 악영향을 방지할 수 있다.

또, 상기 제 1 , 제 3 실시예에 있어서는, 동력학적 모델에 가상적으로 가하는 외력도, 모델 연직외력(Fmdlz)과 같이 연직성분만으로 하였지만, 수평성분이 있어도 좋다. 예를 들면 로봇(1)의 전체중심과 목표 ZMP를 연결하는 선분의 방향으로, 또는 상체(3)의 어느 소정의 점과 목표 ZMP를 연결하는 선분의 방향으로 상반력을 부가 하여도 좋다. 이렇게 함으로써, 모델 연직외력(Fmdlz)을 가함으로써 목표 ZMP의 어긋남이 방지된다.

또한, 전체 중심 주위에 작용하는 힘의 모멘트가 0이 되도록 가상 외력을 모델에 주는 것, 즉 동력학 모델의 전체 중심에 병진력인 모델 외력을 가상적으로 가하는 것은, 동력학 모델에 작용하는 중력의 크기 및/또는 방향을 변동시키는 것과 등가이다.

상체 연직 위치 안정화 제어 연산부(218)에서는, 상체 연직 위치 편차(추정 상체 연직 위치와 목표 상체 연직 위치의 차△h)를 기초로 컴플라이언스 제어용 보상 연직상반력(Fcmpnz)과 모델 연직외력(Fmdlz)을 결정하는 대신에, 전체 중심 연직 위치 편차(추정 전체 중심 연직 위치와 목표 전체 중심 연직 위치와의 차)를 기초로 컴플라이언스 제어용 보상 연직상반력(Fcmpnz)과 모델 연직외력(Fmdlz)을 결정하여도 좋다.

상체 연직 위치 안정화 제어 연산부(218)에서는, 추정 상체 연직 위치와 목표 상체 연직 위치와의 차를 기초로 컴플라이언스 제어용 보상 연직상반력(Fcmpnz), 모델 연직외력(Fmdlz) 또는, 목표 상체 연직 위치 궤도의 수정량을 결정하도록 하였지만, 상체(3)이외의 소정의 부위(예를 들면 두부(4)등)에 기초하여 결정해도 상관없다.

또, 상기 각 실시형태에서는 연직성분(Z성분)에 관한 제어만을 설명하였지만, 수평성분(X성분, Y성분)에 대해서도, 같은 제어를 하여도 좋다. 예를 들면, 이상시의 실제의 중심 수평위치 속도와 목표 중심 수평위치 속도와의 차에 따라, 동력학 모델의 중심에 가상적인 수평병진 외력을 가하여도 좋다.

상체 연직 위치 안정화 제어 연산부(218)에서는, 모델 연직외력(Fmdlz)만을 결정하도록 하여도 좋다.

예를 들면, 상체 연직 위치 안정화 제어 연산부(218)에 있어서, 상기 제 1 실시형태에서 설명한 바와 같이, 모델 연직외력(Fmdlz)과 컴플라이언스 제어용 보상 연직상반력(Fcmpnz)을 결정한 후, 컴플라이언스 제어용 보상 연직상반력(Fcmpnz)을 0으로 다시 결정하여도 좋다 ·

또, 상기와 반대로 상체 연직 위치 안정화 제어 연산부(218)에서는, 컴플라이언스 제어용 보상 연직상반력(Fcmpnz)만을 결정하여도 좋다.

예를 들면, 상체 연직 위치 안정화 제어 연산부(218)에 있어서, 상기 제 1 실시형태에서 설명한 바와 같이, 모델 연직외력(Fmdlz)과 컴플라이언스 제어용 보상 연직상반력(Fcmpnz)을 결정한 후, 모델 연직외력(Fmdlz)을 0으로 다시 결정하여도 좋다.

이 방식에서는, 상기 실시형태와 비교해서, 로봇(1)의 상체(3)등, 소정의 부위의 위치 편차(추정 위치와 목표위치와의 차), 또는 로봇(1)의 전체 중심위치 편차(추정 전체 중심위치와 목표 전체 중심위치와의 차)를 0에 수렴시키는 작용은 약해진다. 그러나, 상기한 바와 같이, Fcmpnz의 허용범위를 상기 도 12(c),(d)와 같이 설정하거나, 또는 Fcmpnz에 관한 게인을 도 14(c)와 같이 설정하거나 함으로써, 적어도, 목표 이상 시각(공중기의 개시 예정 시각)까지는, 컴플라이언스 제어용 보상 연직상반력(Fcmpnz)을 0으로 할 수 있다. 이 때문에, 목표 이상 시각이후에, 이상해야 할 다리체(2)가 더 바닥을 계속해서 차지 않고, 상기 다리체(2)를 내밀 때에 바닥에 간섭하는 것을 방지 할 수 있다.

또한, 상기한 바와 같이 Fcmpnz를 결정하여, 로봇(1)을 제어하는 기술은, 본 발명의 제 2 7발명, 제 2 8발명의 1실시형태이다.

자기위치 자세추정부(216)에 있어서는, 적어도 목표 보용의 관절변위와 컴플라이언스 보상량(본 출원인이 먼저 제안한 일본국 특개평10-277969호를 참조)을 기초로, 키네마틱스 연산에 의해 추정 상체위치 자세를 결정하여도 좋다. 이에 따라, 한층, 추정 상체위치의 정밀도가 높아지고, 결과적으로 로봇(1)의 실제의 족평(22)의 위치 자세궤도도, 정밀도 좋게, 목표 족평 위치 자세궤도에 추종한다.

또는, 적어도 실제 관절변위(관절변위의 검출값)를 기초로, 키네마틱스연산에 의해 추정 상체위치 자세를 결정하여도 좋다. 이에 따라, 한층, 추정 상체위치의 정밀도가 높아지고, 결과적으로 로봇(1)의 실제의 족평(22)의 위치 자세궤도도,정밀도 좋게, 목표 족평 위치 자세궤도에 추종한다.

상기 제 2 실시형태에 있어서 모델 연직외력(Fmdlz)을 가상적으로 가하도록 하여도 좋다. 한층 더 안정이 된다.

상기 제 3 실시형태와 같이 바닥면의 높이를 비접촉으로 측정하는 바닥면 형상인식 센서(거리 센서)를 구비하고, 이에 따라 목표 착지점(착지 예상점)의 바닥면높이를 측정하여, 측정한 높이가 상정하고 있던 높이와 어긋나 있으면, 이 높이의 어긋남(편차)을 추정 상체 연직 위치와 목표 상체 연직 위치의 차(상체 연직 위치 편차)로 간주하여도 좋다. 그리고, 이 높이의 어긋남에 따라, 상기 제 1 실시형태와 같이, 실제 로봇(1)의 상체 연직 위치 궤도와 목표 상체 연직 위치 궤도의 차를 0에 수렴시키도록(상기 높이의 어긋남을 포함하는 상체 연직 위치 편차를 0에 수렴시키도록) 모델 연직외력(Fmdlz)을 동력학 모델에 가상적으로 가하도록 하여도 좋다. 또는, 상기 높이의 어긋남에 따라, 상기 제 2 실시형태와 같이, 실제 로봇(1)의 장래의 상체 연직 위치 궤도에 수속하도록 목표 상체 연직 위치 궤도를 수정하여도 좋다. 또한, 상기한 바와 같이 바닥면 높이의 어긋남에 따라, 모델 연직외력(Fmdlz)을 조작하거나, 상기 목표 상체 연직 위치 궤도를 수정하는 기술은, 본 발명의 제 2 5발명의 1실시형태이다.

다만, 이 제어방식을 이용하면, 착지 예상점이 상정하고 있던 높이보다도 상당히 낮을 경우에는, 이 제어에 의해, 어느쪽의 족평(22)도 상체(3)로부터의 상대 거리가 증가한다. 즉 모든 다리체(2)가 늘어나므로, 목표 착지점에 착지하는 족평(22R 또는 22L)과 다른 족평(22L 또는 22R)이, 바닥에 걸릴 우려가 발생한다.

보용 생성 장치(200)에 있어서, 수정된 목표 보용을 생성하는 동시에, 수정하기 전의 원래의 보용도 생성하고, 상체 연직 위치 안정화 제어 연산부(218)에 있어서, 수정된 목표 보용이 가능한 범위에서(컴플라이언스 제어용 보상 연직상반력(Fcmpnz)이 최소 허용값과 최대 허용값으로 규정되는 허용범위를 넘지 않고) 원래의 보용에 수속하도록, 모델 연직외력(Fmdlz)과 컴플라이언스 제어용 보상 연직상반력(Fcmpnz)의 세트를 결정하도록 하여도 좋다. 또한, 수정된 목표 보용은, 도 15의 S032에서 순시값이 결정되는 목표 보용(보용 생성 장치(200)가 최종적으로 출력하는 목표 보용)이며, 수정하기 전의 원래의 보용은, S032에서 모델 연직외력(Fmdlz)을 0으로 하여 결정되는 보용이다.

이하에 제 4 실시형태로서 설명하면, 예를 들면, 수정된 목표 보용이 원래의 보용에 수속하기 위해서 필요한 모델 복원 요구 연직외력(Fmdlrecz)을 다음 식4에 의해 구한다.

Fmdlrecz

=Kr*(수정된 목표 보용의 상체 연직 위치－원래의 보용의 상체 연직 위치)

+Kdr*(수정된 목표 보용의 상체 연직속도―원래의 보용의 상체 연직속도)

…식4

즉, 수정된 목표 보용의 상체 연직 위치와 원래의 보용의 상체 연직 위치와의 차로 부터, 피드백 제어칙(본 예에서는 PD제어칙)에 의해 모델 복원 요구 연직외력(Fmdlrecz)을 구한다. 또한, 목표 보용과 원래의 보용과의 상체 연직 위치의 차 대신에, 로봇(1)의 전체 중심 연직 위치의 차를 이용해도 좋다.

이어서, 도 20의 블록도에 따라, 모델 연직외력(Fmdlz)과 컴플라이언스 제어용 보상 연직상반력(Fcmpnz)과의 세트를 결정한다.

즉, 상기와 같이 컴플라이언스 제어용 보상 연직상반력(Fcmpnz)에 대한 최소 허용값과 최대 허용값을 설정하고, 도 20에 도시된 바와 같이, 그 최소 허용값을 하한, 최대 허용값을 상한으로 한 제한을 거는 포화 수단(리미터) 250에 종합 요구 연직 복원력(Fdmdz)과 모델 복원 요구 연직외력(Fmdlrecz)과의 합을 통과시킨다. 이에 의해 컴플라이언스 제어용 보상 연직상반력(Fcmpnz)을 구한다. 또한, 종합 요구 연직복원력(Fdmdz)은 상기 제 1 실시형태에서 설명한 바와 같이 구해진다. 그리고, 이 구한 컴플라이언스 제어용 보상 연직상반력(Fcmpnz)으로 부터 종합 요구 연직복원력(Fdmdz)을 줄임으로써, 모델 연직외력(Fmdlz)을 결정한다.

이 제 4 실시형태에서는 컴플라이언스 제어용 보상 연직상반력(Fcmpnz)의 최소 허용값 및 최대 허용값을 상기 제 1 실시형태와 같이 설정함으로써, 공중기에서는, 모델 연직외력(Fmdlz)이 상체 연직 위치 편차(△h)를 0에 근접하도록 결정되는 한편, 지지 다리기에서는 상체 연직 위치 편차(△h), 및, 수정된 목표 보용의 상체 연직 위치와 원래의 보용의 상체 연직 위치와의 차를 모두, 0에 근접하도록 모델 연직외력(Fmdlz)과 컴플라이언스 제어용 보상 연직상반력(Fcmpnz)의 세트가 결정된다. 보다 상세하게는, 지지 다리기에서는, 종합 요구 연직복원력(Fdmdz)과 모델 복원 요구 연직외력(Fmdlrecz)의 합이, 컴플라이언스 제어용 보상 연직상반력(Fcmpnz)의 최소 허용값 및 최대 허용값 사이의 허용 범위내의 값인 한, Fcmpnz는, 상체 연직 위치 편차(△h), 및, 수정된 목표 보용의 상체 연직 위치와 원래의 보용의 상체 연직 위치와의 차의 양자를 타협적으로 O에 근접하도록 결정되는 한편, 모델 연직외력(Fmdlz)은, 수정된 목표 보용의 상체 연직 위치와 원래의 보용의 상체 연직 위치와의 차를 0에 근접하도록 결정된다.

또한, 이상 설명한 제 4 실시형태는, 본 발명의 제 1 8발명 및 제 1 9발명의 1실시형태이다.

이상 설명한 본 발명의 실시형태에 의하면, 동력학 모델에 의해 생성되는 목표 보용의 관절변위에 추종하도록 로봇(1)의 실제의 관절변위가 제어되면서, 로봇(1)의 실제의 상체 연직 위치 궤도와 목표 상체 연직 위치 궤도의 차, 또는 실제의 전체중심의 연직 위치 궤도와 목표 보용의 전체중심의 연직 위치 궤도가 0에 수속(점근)하므로, 글로벌 공간에 있어서, 로봇(1)의 실제의 족평궤도가 목표 족평궤도에 수속한다. 따라서 글로벌 공간(바닥에 고정된 좌표계)으로 부터 보아, 실제의 로봇의 운동과 상반력이 목표 보용의 운동과 상반력에, 항상 거의 일치하도록(정밀도 좋게 추종제어 되도록) 된다.

따라서 로봇(1)의 자세 안정성이 향상하는 동시에, 과대한 상반력이나 충격이 발생하는 것을 방지한다.

또, 그 결과, 실제의 이상 타이밍이 목표 보용의 이상 타이밍에 거의 일치하므로, 이상 타이밍 어긋남에 의한 슬립이나 스핀 및 미착지 다리 족평이 바닥에 걸리는 등의 문제가 해소된다.

또, 착지에 관해서는, 글로벌 공간으로 부터 보아, 착지시의 실제의 로봇(1)의 족평 위치와 속도가 목표의 위치 속도에 거의 일치하므로, 실제의 착지 타이밍이 목표 보용의 착지 타이밍에 거의 일치하고, 또한 착지시의 대지속도가 적절하게(예를 들면 0) 제어되므로, 착지 충격이 저감된다. 특히, 목표 족평궤도가, 착지시에 대지속도가 0 또는 거의 0이 되도록 설정되어 있으므로, 한층, 착지 충격이 저감된다.

보충 설명하면, 족평궤도는 글로벌 좌표계(공간)로 기술되어 있으므로, 상기 실시예와 같이 상체 연직 위치를 수정함으로써, 상체(3)와 족평(22)의 상대 위치가 변하고, 결과적으로 다리체(2)의 신축(무릎 구부림과 핌)이 발생하지만, 단순한 족평(22)의 궤도수정과는 작용이 다르다. 예를 들면, 공중기에 있어서 실제의 로봇(1)의 상체 연직 위치 궤도가 목표 보용의 상체 연직 위치 궤도로부터 벗어났을 때에, 착지 시의 대지속도가 0이 되도록 단순히 족평궤도만을 수정하면, 착지 충격은 저감되지만, 실제의 로봇(1)의 상체 연직 위치 궤도가 목표 보용 생성용 동력학 모델의 상체 연직 위치 궤도로부터 벗어난 상태이므로, 실제의 로봇(1)의 상태와 목표 보용 생성용 동력학 모델의 상태가 일치하지 않아, 착지후에 자세 안정성을 손상할 우려가 있다. 특히, 상태량 안에서도, 중심 연직속도등과 같은 속도에 관한 상태량에 불일치가 발생하면, 착지 후에 자세안정성을 크게 손상하는 경우가 있다.

이상과 같이, 본 발명은 2족 이동 로봇 등의 다리식 이동 로봇을 주행시키거나, 점프시킬 경우에 원활한 운동을 이 로봇에게 행하게 할 수 있는 것으로서 유용하다.

Claims (28)

1. 다리체의 운동에 의해 이동하는 다리식 이동 로봇의 목표 보용을 생성하고, 그 목표 보용에 추종시키도록 상기 로봇의 동작을 제어하는 다리식 이동 로봇의 제어장치에 있어서,

   적어도 상기 로봇의 목표 운동을 포함하는 목표 보용을 생성하는 목표 보용 생성 수단과,

   상기 로봇의 소정 방향의 병진운동에 관한 상기 목표 보용의 상태량과, 이 소정 방향의 병진운동에 관한 이 로봇의 실제의 상태량과의 편차를 상태량 편차로서 구하는 상태량 편차 산출 수단을 구비하고,

   상기 목표 보용 생성 수단은, 상기 상태량 편차에 따라서 상기 상태량 편차를 0에 근접시키도록 상기 로봇의 목표 보용의 목표 운동을 결정하는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 제어장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 목표 보용은 상기 로봇의 모든 다리체를 공중에 뜨게 하는 공중기를 갖는 보용이며,

   상기 로봇의 소정의 부위의 위치 또는 이 로봇의 중심의 위치를 이 로봇의 대표 자기위치로 하고, 그 대표 자기위치의 상기 소정 방향의 성분을 상기 소정 방향의 병진운동에 관한 이 로봇의 실제의 상태량을 나타내는 것으로서 추정하는 자기위치 추정 수단과,

   적어도 상기 공중기의 개시시까지 상기 자기위치 추정 수단에 의해 추정된 상기 대표 자기위치의 소정 방향의 성분에 기초하여 적어도 상기 공중기에서의 상기 대표 자기위치의 소정 방향의 성분의 예상 궤도를 구하는 예상 궤도 산출 수단을 구비하고,

   상기 목표 보용 생성 수단은, 상기 공중기에서 상기 목표 보용에 의해 정해지는 상기 대표 자기위치의 상기 소정 방향의 성분의 목표 궤도가 적어도 상기 공중기의 종료시까지 상기 예상 궤도에 근접하도록 상기 추정된 대표 자기위치의 소정 방향의 성분과 상기 목표 보용의 대표 자기위치의 소정 방향의 성분과의 편차인 상기 상태량 편차에 따라서 상기 공중기에서의 상기 목표 보용의 목표 운동을 결정하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 제어장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 목표 보용 생성 수단은 상기 로봇에 작용하는 힘과 이 로봇의 운동과의 관계를 나타내는 동력학 모델에 적어도 상기 로봇에 작용시켜야 할 상반력의 목표값으로서의 기준 상반력을 입력하면서, 이 동력학 모델을 사용하여 상기 목표 운동을 결정하는 수단이며, 적어도 상기 상태량 편차에 따라서 가상 외력을 결정하고, 이 가상 외력을 상기 동력학 모델에 부가적으로 입력함으로써 상기 목표 운동을 결정하는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 제어장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 목표 보용 생성 수단은 상기 상태량 편차를 0에 근접시키기 위해서 상기 동력학 모델에 부가적으로 입력해야 할 외력 조작량을 상기상태량 편차로부터 피드백 제어칙에 의해 결정하는 수단을 구비하고, 상기 외력 조작량의 값이 0을 포함하는 소정의 불감대역에 존재할 때에는, 상기 가상 외력을 0으로 결정하고, 이 외력조작량의 값이 상기 불감대역으로부터 일탈해 있을 때에는, 상기 가상 외력을 이 외력조작량이 상기 불감대역으로부터 일탈한 만큼의 값으로 결정하는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 제어장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 목표 보용은 상기 로봇에 작용하는 상반력이 대략 0에 유지되는 상반력 불작용 기간을 갖는 보용이며,

   상기 목표 보용 생성 수단은 상기 상반력 불작용 기간에서, 상기 상태량 편차를 0에 근접시키도록 상기 목표 운동을 결정하는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 제어장치.
6. 제 3 항에 있어서, 상기 기준 상반력은 그 값이 대략 0으로 유지되는 상반력 불작용 기간을 가지고,

   상기 목표 보용 생성 수단은 상기 상반력 불작용 기간 이외의 기간내에서 상기 가상 외력을 대략 0으로 결정하는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 제어장치.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 목표 보용 생성 수단은 적어도 상기 상반력 불작용 기간 이외의 기간내에서, 상기 목표 운동을 소정의 기준 운동에 근접시키도록 상기목표 운동을 결정하는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 제어장치.
8. 제 6 항에 있어서, 상기 목표 보용 생성 수단은 적어도 상기 가상 외력을 대략 0으로 결정하는 기간내에서 상기 목표 운동을 상기 기준 상반력에 상기 동력학 모델상에서 균형을 이루는 기준 운동에 근접시키도록 상기 목표 운동을 결정하는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 제어장치.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 목표 보용 생성 수단은 상기 로봇의 목표 상반력을 결정하는 수단을 포함하고, 상기 목표 운동과 목표 상반력에 상기 로봇의 보용을 추종시키도록 상기 로봇을 조작하는 컴플라이언스 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 제어장치.
10. 제 3 항에 있어서, 상기 목표 보용 생성 수단은 적어도 상기 기준 상반력을 기초로 상기 목표 운동과 상기 동력학 모델상에서 불균형으로 되는 로봇의 목표 상반력을 결정하는 수단을 포함하고, 상기 목표 운동과 목표 상반력에 이 로봇의 보용을 추종시키도록 상기 로봇을 조작하는 컴플라이언스 제어 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 제어장치.
11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 목표 보용 생성 수단은 적어도 상기 상태량 편차에 따라서 상기 상태량 편차를 0에 근접시키도록 상기 목표 상반력을결정하는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 제어장치.
12. 다리체의 운동에 의해 이동하는 다리식 이동 로봇의 목표 운동 및 목표 상반력으로 이루어지는 목표 보용을 생성하는 목표 보용 생성 수단과, 그 목표 보용의 목표 운동 및 목표 상반력에 상기 로봇의 보용을 추종시키도록 이 로봇을 조작하는 컴플라이언스 제어 수단을 구비한 다리식 이동 로봇의 제어장치에 있어서,

    상기 로봇의 소정 방향의 병진운동에 관한 상기 목표 보용의 상태량과, 이 소정 방향의 병진운동에 관한 상기 로봇의 실제의 상태량의 편차를 상태량 편차로서 구하는 상태량 편차 산출 수단을 구비하고,

    상기 목표 보용 생성 수단은, 적어도 상기 상태량 편차에 따라서 이 상태량 편차를 0에 근접시키도록 상기 로봇의 목표 운동과 목표 상반력과의 세트를 결정하는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 제어장치.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 목표 보용 생성 수단은 상기 로봇에 작용하는 상반력과 상기 로봇의 운동과의 관계를 나타내는 동력학 모델에, 적어도 이 로봇에 작용시켜야 할 상반력의 기준 목표값으로서의 기준 상반력을 입력하면서, 이 동력학 모델을 사용하여 상기 목표 운동을 결정하는 수단과, 적어도 상기 상태량 편차에 따라서 상기 동력학 모델에 부가적으로 입력해야 할 가상 외력과 상기 목표 상반력의 상기 기준 상반력으로부터의 수정량으로서의 목표 상반력 수정량과의 세트를 결정하는 수단을 구비하고, 그 결정된 가상 외력 및 목표 상반력 수정량중 가상 외력을 상기 동력학 모델에 부가적으로 입력함으로써 상기 목표 운동을 결정하는 동시에, 상기 목표 상반력 수정량에 의해 상기 기준 상반력을 수정함으로써 상기 목표 상반력을 결정하는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 제어장치.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 목표 보용 생성 수단은 상기 상태량 편차를 0에 근접시키도록 상기 목표 상반력 수정량과 상기 가상 외력과의 차이분의 목표값을 상기 상태량 편차에 따라서 결정하고, 그 결정된 차이분의 목표값을 만족하도록 상기 목표 상반력 수정량과 상기 가상 외력과의 세트를 결정하는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 제어장치.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 목표 보용 생성 수단은 상기 목표 상반력 수정량의 허용범위를 결정하는 수단을 구비하고, 상기 차이분의 목표값과 이 목표 상반력 수정량의 허용범위를 만족하도록 상기 목표 상반력 수정량과 가상 외력과의 세트를 결정하는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 제어장치.
16. 제 15 항에 있어서, 상기 목표 보용 생성 수단은 상기 차이분의 목표값에 대응하는 상기 가상 외력이 0이라고 가정하고 상기 목표 상반력 수정량의 가상값을 결정하는 수단과, 이 목표 상반력 수정량의 가상값과 상기 허용범위에 기초하여 이 가상값을 이 허용범위내의 값으로 제한하여 이루어지는 목표 상반력 수정량을 결정하는 수단과, 그 결정한 목표 상반력 수정량과 상기 결정된 차이분의 목표값에 기초하여 상기 가상 외력을 결정하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 제어장치.
17. 제 15 항에 있어서, 상기 목표 보용은 상기 로봇의 전체 다리체를 공중에 뜨게하는 기간을 갖는 보용이며, 상기 목표 상반력 수정량의 허용범위는 적어도 상기 공중기에서 상기 허용범위의 상한값과 하한값이 대략 0이 되는 범위로 결정되는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 제어장치.
18. 제 14 항에 있어서, 상기 목표 보용 생성 수단은 상기 차이분의 목표값을 만족하면서, 상기 목표 운동을 상기 동력학 모델상에서 상기 기준 상반력에 균형을 이루는 기준 운동에 근접시키도록 상기 목표 상반력 수정량과 가상 외력과의 세트를 결정하는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 제어장치.
19. 제 13 항에 있어서, 상기 목표 보용 생성 수단은 상기 상태량 편차를 0에 근접시키기 위한 피드백 제어칙에 기초하여 제 1 상반력 조작량을 결정하는 수단과, 상기 목표 운동을 상기 동력학 모델상에서 상기 기준 상반력에 균형을 이루는 기준 운동에 근접시키기 위한 피드백 제어칙에 기초하여 제 2 상반력 조작량을 결정하는 수단과, 상기 목표 상반력 수정량의 허용범위를 결정하는 수단과, 상기 제 1 상반력 조작량과 제 2 상반력 조작량을 합성하여 이루어지는 상반력 조작량을 상기 목표 상반력 수정량의 가상값으로 하고, 그 가상값을 상기 허용범위내로 제한함으로써 목표 상반력 수정량을 결정하는 수단과, 그 목표 상반력 조작량과 상기 가상 외력과의 차이분이 상기 제 1 상반력 조작량에 합치하도록 이 가상 외력을 결정하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 제어장치.
20. 제 1 항 또는 제 12 항에 있어서, 상기 목표 보용 생성 수단은 소정 기간분의 목표 보용씩, 이 소정 기간분의 목표 보용을 가상적인 주기적 보용에 근접시키도록 생성하는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 제어장치.
21. 제 1 항 또는 제 12 항에 있어서, 상기 상태량은 상기 로봇의 소정의 부위의 위치 또는 이 로봇의 중심의 위치인 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 제어장치.
22. 제 21 항에 있어서, 상기 소정의 부위는 상기 로봇의 상체인 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 제어장치.
23. 다리체의 운동에 의해 이동하는 다리식 이동 로봇의 목표 보용을 생성하고, 그 목표 보용에 추종시키도록 이 로봇의 동작을 제어하는 다리식 이동 로봇의 제어장치에 있어서,

    상기 목표 보용을 생성하는 목표 보용 생성 수단과,

    상기 로봇의 소정의 부위의 위치 및 이 로봇의 중심의 위치중 적어도 어느하나의 위치를 로봇의 대표 자기위치로 하고, 이 대표 자기위치를 추정하는 자기위치 추정 수단과,

    그 추정된 대표 자기위치와, 상기 목표 보용에서의 대표 자기위치와의 차이 중에서 소정의 방향의 성분을 소정의 방향 위치 편차로서 구하는 위치 편차 산출 수단과,

    상기 목표 보용에서의 목표 착지점에 대응하여, 상기 로봇의 착지 동작을 행하는 다리체의 선단부가 실제로 착지한다고 예상되는 바닥상의 착지 예정점의 연직위치를 측정하는 바닥형상 인식 수단을 구비하고,

    상기 목표 보용 생성 수단은 적어도 상기 위치 편차 산출 수단에 의해 구해진 상기 소정 방향 위치 편차와 상기 바닥형상 인식 수단에 의해 측정된 상기 착지 예정점의 연직위치에 기초하여 상기 목표 보용을 수정하는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 제어장치.
24. 제 23 항에 있어서, 상기 목표 보용 생성 수단은 적어도 상기 소정 방향 위치 편차에 기초하여 상기 소정 방향 위치 편차가 0에 근접하도록 상기 목표 보용중의 상기 대표 자기위치의 궤도를 규정하는 목표 운동을 수정하는 수단과, 적어도 상기 측정된 상기 착지 예정점의 연직위치에 기초하여 상기 목표 보용중의 다리체의 선단부의 궤도를 규정하는 목표 운동을 수정하는 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 제어장치.
25. 제 11 항에 있어서, 상기 목표 보용 생성 수단은 적어도 상기 측정된 상기 착지 예정점의 연직위치와 상기 목표 보용에서의 목표 착지점의 연직위치와의 편차와, 상기 소정 방향 위치 편차에 기초하여, 이들 편차가 0에 근접하도록 상기 목표 보용중의 상기 대표 자기위치의 궤도를 규정하는 목표 운동을 수정하는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 제어장치.
26. 다리체의 운동에 의해 이동하는 다리식 이동 로봇의 목표 운동 및 목표 상반력으로 이루어지는 목표 보용에 추종시키도록 로봇의 동작을 제어하는 컴플라이언스 제어 수단을 구비하고, 이 컴플라이언스 제어 수단이 상기 로봇에 실제로 작용하는 상반력을 파악하면서, 그 파악한 상반력과 상기 목표 상반력과의 편차인 상반력 편차에 따라서 상기 로봇의 상체에 대한 다리체의 선단부의 상대 위치를 상기 목표 운동에 의해 규정되는 상대 위치로부터 수정하는 다리식 이동 로봇의 제어장치에 있어서,

    상기 목표 보용은, 상기 로봇의 전체 다리체를 공중에 뜨게하는 공중기를 갖는 보용이며, 상기 컴플라이언스 제어 수단은 상기 상반력 편차에 대한 상기 다리체의 선단부의 상대 위치의 수정량의 게인을 적어도 상기 공중기의 개시 직전에 감소시키는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 제어장치.
27. 다리체의 운동에 의해 이동하는 다리식 이동 로봇의 목표 운동을 적어도 포함하는 목표 보용을 생성하고, 그 목표 보용에 추종시키도록 이 로봇의 동작을 제어하는 다리식 이동 로봇의 제어장치에 있어서,

    적어도 상기 로봇의 전체 다리체를 공중에 뜨게하는 공중기를 포함하는 상기 목표 보용을 생성하는 목표 보용 생성 수단과,

    상기 로봇의 소정의 부위의 위치 및 이 로봇의 중심의 위치중 적어도 어느 하나의 위치를 로봇의 대표 자기위치로 하고, 이 대표 자기위치를 추정하는 자기위치 추정 수단과,

    그 추정된 대표 자기위치와, 상기 목표 보용에서의 대표 자기위치와의 차이 중에서, 소정의 방향의 성분을 소정의 방향 위치 편차로서 구하는 위치 편차 산출 수단과,

    적어도 상기 소정 방향 위치 편차에 따라서, 상기 소정 방향 위치 편차가 0에 근접하도록 상기 로봇의 다리체의 선단부의 위치를 상기 목표 보용에 의해 규정되는 위치로부터 수정하는 다리 선단부 위치 수정 수단을 구비하고,

    이 다리 선단부 위치 수정 수단은, 적어도 상기 목표 보용의 공중기의 개시시까지 상기 다리체의 선단부의 위치의 수정량을 상기 소정 방향 위치 편차에 의하지 않고 강제적으로 대략 0으로 하는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 제어장치.
28. 다리체의 운동에 의해 이동하는 다리식 이동 로봇의 목표 운동 및 목표 상반력으로 이루어지는 목표 보용을 생성하고, 그 목표 보용에 추종시키도록 상기 로봇의 동작을 제어하는 다리식 이동 로봇의 제어장치에 있어서,

    적어도 상기 로봇의 전체 다리체를 공중에 뜨게하는 공중기를 포함하는 상기 목표 보용을 생성하는 목표 보용 생성 수단과,

    상기 로봇의 소정의 부위의 위치 및 이 로봇의 중심의 위치중 적어도 어느 하나의 위치를 로봇의 대표 자기위치로 하고, 이 대표 자기위치를 추정하는 자기위치 추정 수단과,

    그 추정된 대표 자기위치와, 상기 목표 보용에서의 대표 자기위치와의 차이 중에서, 소정의 방향의 성분을 소정의 방향 위치 편차로서 구하는 위치 편차 산출 수단과,

    적어도 상기 소정 방향 위치 편차에 따라서, 이 소정 방향 위치 편차가 0에 근접하도록 상기 목표 보용중의 목표 상반력을 수정하는 상반력 수정 수단을 구비하고,

    이 상반력 수정 수단은 적어도 상기 목표 보용의 공중기의 개시시까지 상기 목표 상반력의 수정량을 상기 소정 방향 위치 편차에 의하지 않고 강제적으로 대략 0으로 하는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 제어장치.