KR20060127214A - 레그식 이동 로봇 및 그 제어 장치 - Google Patents

Abstract

레그식 이동 로봇(1)에 있어서, 풋(발)부(22, 222, 223, 224)가 발부 본체(22m, 222m, 223m, 224m)와, 발부 본체의 전단에 설치되고 굴곡이 자유로운 발 선단부(22t, 222t, 223t, 224t)로 이루어지는 동시에, 발 선단부의 굴곡각(θt)을 유지 자유로운 굴곡각 유지 기구(댐퍼(50), 마찰 브레이크(60))를 구비하도록 구성하였다. 또한, 레그식 이동 로봇의 제어 장치에 있어서, 레그(다리)부의 이상 시 혹은 그보다 전인 제1 타이밍(t1)에서 발 선단부의 굴곡각을 유지하고, 다리부가 이상한 후의 제2 타이밍(t2)에서 발 선단부를 초기 위치에 복귀시키도록 구성하였다. 이에 의해, 다리부의 이상 후에도 이상 시의 굴곡각을 계속 유지할 수 있고, 따라서 이상 직후에 발 선단부가 상면에 접촉하여 자세가 불안정해지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 발 선단부로 서 있을 때의 안정성도 향상시킬 수 있다.

Description

레그식 이동 로봇 및 그 제어 장치 {LEGGED MOBILE ROBOT AND CONTROL DEVICE THEREFOR}

본 발명은 레그식(각식) 이동 로봇 및 그 제어 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 발부(풋부)에 굴곡이 자유로운 발 선단부를 구비한 레그식 이동 로봇과 그 제어 장치에 관한 것이다.

종래, 레그식 이동 로봇의 발부에 굴곡이 자유로운 발 선단부를 설치한 기술이 제안되어 있다. 이런 종류의 레그식 이동 로봇의 예로서, 예를 들면 특허문헌 1에 기재되어 있는 기술을 들 수 있다. 특허문헌 1에 따른 기술에 있어서는, 발부의 전단에 설치된 상하로 회동 자유로운 발 선단부와, 발 선단부의 굴곡각이 0도(거의 수평)가 되는 위치에서 해당 발 선단부의 회동을 록(Lock)하는 록 기구를 구비하고, 다리부(레그부)가 착상(着床)하기 이전에 발 선단부의 회동을 록함으로써 착상에 필요한 접지 면적을 확보하는 동시에, 다리부가 이상(離床)하기 이전에 록을 해제함으로써 차내기 동작 시에 발 선단부를 퇴피 회동(굴곡)시키도록 구성하고 있다.

특허문헌 1 : 일본 특허 공개 공보 2003-236777호(단락 0011, 0012, 도 2, 도 10 등)

그러나, 상기한 특허문헌 1에 따른 종래 기술에 있어서는, 다리부의 이상 시에 발 선단부가 프리(회동 자유) 상태에 있기 때문에, 이상 직후에 발 선단부가 초기 위치(굴곡각이 0도인 위치)에 복귀하고, 발 선단부가 상면에 접촉하여 로봇의 자세가 불안정해질 우려가 있었다.

또한, 예컨대 계단을 오를 때와 같이, 지지 다리 후기에 발 선단부로 선 기간이 길게 발생하는 경우, 발 선단부가 프리 상태에 있으면 안정된 자세 제어를 행하는 것이 어렵다는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 과제를 해결함에 있어서, 이상 직후에 발 선단부가 상면에 접촉하여 자세가 불안정해지는 것을 방지하는 동시에, 발 선단부로 서 있을 때의 안정성을 향상시키도록 한 레그식 이동 로봇 및 그 제어 장치를 제공하는 것에 있다.

본 발명은, 상기한 과제를 해결하기 위해, 후술하는 청구항 1에 기재한 바와 같이, 상체와, 상단이 상기 상체에 연결되는 한편, 하단에 발부(풋부)가 연결되는 다리부(레그부)를 구비하고, 상기 다리부를 구동하여 이동하는 레그식(각식) 이동 로봇에 있어서, 상기 발부가, 상기 다리부에 연결되는 발부 본체와, 상기 발부 본체의 전단에 설치되고, 상기 발부 본체에 대해 굴곡이 자유로운 발 선단부로 이루어지는 동시에, 상기 발 선단부의 굴곡각을 상기 발 선단부의 가동 범위에서 유지 자유로운 굴곡각 유지 기구를 구비하도록 구성하였다.

또한, 본 발명은 후술하는 청구항 2에 기재한 바와 같이, 상기 발 선단부의 굴곡각 변화를 억제하는 굴곡각 변화 억제 기구를 구비하도록 구성하였다.

또한, 본 발명은 후술하는 청구항 3에 기재한 바와 같이, 상기 발 선단부가 상기 발부 본체에 연속하는 동시에, 휘면서 굴곡하는 탄성재로 이루어지도록 구성하였다.

또한, 본 발명은 후술하는 청구항 4에 기재한 바와 같이, 상기 발 선단부가 피치 축 둘레에 회전 자유로운 회전축을 통하여 상기 발부 본체의 전단에 연결되도록 구성하였다.

또한, 본 발명은 후술하는 청구항 5에 기재한 바와 같이, 상기 발 선단부를 초기 위치로 복귀시키는 방향으로 밀어주는 밀음 수단을 구비하도록 구성하였다.

또한, 본 발명은 후술하는 청구항 6에 기재한 바와 같이, 상기 굴곡각 유지 기구가 마찰 브레이크로 이루어지도록 구성하였다.

또한, 본 발명은 후술하는 청구항 7에 기재한 바와 같이, 상기 굴곡각 변화 억제 기구가 댐퍼로 이루어지도록 구성하였다.

또한, 본 발명은 후술하는 청구항 8에 기재한 바와 같이, 상기 굴곡각 유지 기구 및 상기 굴곡각 변화 억제 기구가 마찰력이 조절 자유로운 마찰 브레이크로 이루어지도록 구성하였다.

또한, 본 발명은 후술하는 청구항 9에 기재한 바와 같이, 상기 굴곡각 유지 기구 및 상기 굴곡각 변화 억제 기구가 댐퍼로 이루어지도록 구성하였다.

또한, 본 발명은 후술하는 청구항 10에 기재한 바와 같이, 상체와, 상단이 상기 상체에 연결되는 한편, 하단에 발부가 연결되는 다리부를 구비하고, 상기 다리부를 구동하여 이동하는 동시에, 상기 발부가 상기 다리부에 연결되는 발부 본체와, 상기 발부 본체의 전단에 설치되고, 상기 발부 본체에 대해 굴곡이 자유로운 발 선단부로 이루어진 레그식 이동 로봇의 제어 장치에 있어서, 상기 발 선단부의 굴곡각을 상기 발 선단부의 가동 범위에서 유지 자유로운 굴곡각 유지 기구와, 상기 굴곡각 유지 기구를 동작시켜 상기 발 선단부의 굴곡각의 유지와 그 해제를 제어하는 굴곡각 제어 수단을 구비하는 동시에, 상기 굴곡각 제어 수단은 상기 다리부의 이상 시 혹은 그보다 전인 제1 타이밍에서 상기 발 선단부의 굴곡각을 유지한 후, 상기 다리부의 이상 후인 제2 타이밍에서 상기 발 선단부의 굴곡각의 유지를 해제하여 상기 발 선단부를 초기 위치로 복귀시키도록 구성하였다.

또한, 본 발명은 후술하는 청구항 11에 기재한 바와 같이, 상기 레그식 이동 로봇의 보용을 생성하는 보용 생성 수단을 구비하는 동시에, 상기 굴곡각 제어 수단은 상기 생성된 보용에 의거하여 상기 제1 및 제2 타이밍을 결정하도록 구성하였다.

또한, 본 발명은 후술하는 청구항 12에 기재한 바와 같이, 상기 발 선단부의 굴곡각을 검출하는 굴곡각 검출 수단과, 상기 레그식 이동 로봇의 보용을 생성하는 보용 생성 수단을 구비하는 동시에, 상기 굴곡각 제어 수단은 상기 검출된 굴곡각에 의거하여 상기 제1 타이밍을 결정하는 한편, 상기 생성된 보용에 의거하여 상기 제2 타이밍을 결정하도록 구성하였다.

또한, 본 발명은 후술하는 청구항 13에 기재한 바와 같이, 상기 굴곡각 제어 수단은, 또한 상기 다리부의 이상 중이고 상기 제2 타이밍보다 후인 제3 타이밍에서 상기 발 선단부의 굴곡각을 유지한 후, 상기 다리부의 착상 후이고 다음 번의 상기 제1 타이밍보다 전인 제4 타이밍에서 상기 발 선단부의 굴곡각의 유지를 해제하도록 구성하였다.

또한, 본 발명은 후술하는 청구항 14에 기재한 바와 같이, 상기 레그식 이동 로봇의 보용을 생성하는 보용 생성 수단을 구비하는 동시에, 상기 굴곡각 제어 수단은 상기 생성된 보용에 의거하여 상기 제1 내지 제4 타이밍을 결정하도록 구성하였다.

또한, 본 발명은 후술하는 청구항 15에 기재한 바와 같이, 상기 발 선단부의 굴곡각을 검출하는 굴곡각 검출 수단과, 상기 레그식 이동 로봇의 보용을 생성하는 보용 생성 수단을 구비하는 동시에, 상기 굴곡각 제어 수단은 상기 검출된 굴곡각에 의거하여 상기 제1 및 제3 타이밍을 결정하는 한편, 상기 생성된 보용에 의거하여 상기 제2 및 제4 타이밍을 결정하도록 구성하였다.

또한, 본 발명은 후술하는 청구항 16에 기재한 바와 같이, 상기 발 선단부의 굴곡각 변화를 억제하는 굴곡각 변화 억제 기구를 구비하는 동시에, 상기 굴곡각 제어 수단은 상기 제2 타이밍에서 상기 발 선단부의 굴곡각의 유지를 해제하는 동시에, 상기 굴곡각 변화 억제 기구를 동작시켜 상기 굴곡각을 점차 감소시키고, 상기 발 선단부를 서서히 초기 위치로 복귀시키도록 구성하였다.

또한, 본 발명은 후술하는 청구항 17에 기재한 바와 같이, 상기 발 선단부의 굴곡각 변화를 억제하는 굴곡각 변화 억제 기구를 구비하는 동시에, 상기 굴곡각 제어 수단은 상기 제4 타이밍으로부터 다음 번의 상기 제1 타이밍까지의 동안, 상기 굴곡각 변화 억제 기구를 동작시켜 상기 발부를 통해 작용하는 상반력(바닥반력)을 제어하도록 구성하였다.

또한, 본 발명은, 후술하는 청구항 18에 기재한 바와 같이, 상기 발 선단부의 굴곡각 변화를, 그 굴곡각 속도에 대해 설정된 소정의 저항 특성에 따라 억제하는 굴곡각 변화 억제 기구를 구비하는 동시에, 상기 굴곡각 제어 수단은, 상기 제4 타이밍으로부터 다음 번의 상기 제1 타이밍까지의 동안, 상기 발부의 위치 자세를 조작하여 상기 굴곡각 속도를 조절하고, 따라서 상기 굴곡각 변화 억제 기구가 발생하는 저항의 크기를 변화시켜 상기 발부를 통해 작용하는 상반력을 제어하도록 구성하였다.

또한, 본 발명은 후술하는 청구항 19에 기재한 바와 같이, 상기 발 선단부의 굴곡각 변화를 억제하는 굴곡각 변화 억제 기구와, 상기 발 선단부의 굴곡각을 검출하는 굴곡각 검출 수단과, 적어도 상기 검출된 굴곡각에 의거하여 상기 다리부가 접지하는 바닥의 형상을 추정하는 바닥 형상 추정 수단을 구비하는 동시에, 상기 굴곡각 제어 수단은 상기 제4 타이밍으로부터 다음 번의 상기 제1 타이밍까지의 동안, 적어도 상기 추정된 바닥 형상에 의거하여 상기 굴곡각 변화 억제 기구를 동작시키고, 따라서 상기 발부를 통해 작용하는 상반력을 제어하도록 구성하였다.

발명의 효과

청구항 1에 따른 레그식 이동 로봇에 있어서, 발부가 다리부에 연결되는 발부 본체와, 발부 본체의 전단에 설치되고, 발부 본체에 대해 굴곡이 자유로운 발 선단부로 이루어지는 동시에, 발 선단부의 굴곡각을 그 가동 범위에서 유지 자유로운 굴곡각 유지 기구를 구비하도록 구성했기 때문에, 다리부의 이상 후에도 이상 시의 굴곡각을 계속 유지할 수 있고, 따라서 이상 직후에 발 선단부가 상면에 접촉하여 자세가 불안정해지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 발 선단부로 서 있을 때에도 발 선단부의 굴곡각을 유지하는(발 선단부를 록함) 것이 가능하기 때문에, 발 선단부로 선 기간의 안정성을 향상시킬 수 있다.

또한, 청구항 2에 따른 레그식 이동 로봇에 있어서는, 발 선단부의 굴곡각 변화를 억제하는 굴곡각 변화 억제 기구를 구비하도록 구성했기 때문에, 상기한 효과에 더하여 발 선단부를 초기 위치에 복귀시켰을 때에 오버 슛이나 진동이 생기는 것을 방지할 수 있다.

또한, 청구항 3에 따른 레그식 이동 로봇에 있어서는, 발 선단부가 발부 본체에 연속하는 동시에, 휘면서 굴곡하는 탄성재로 이루어지도록 구성했기 때문에, 상기한 효과에 더하여 발부의 구조를 간소화할 수 있다.

또한, 청구항 4에 따른 레그식 이동 로봇에 있어서는, 발 선단부가 피치 축 둘레에 회전 자유로운 회전축을 통하여 발부 본체의 전단에 연결되도록 구성했기 때문에, 상기한 효과에 더하여 발 선단부로 선 기간의 접지 면적을 발 선단부의 굴곡각의 많고 적음에 상관없이 일정하게 유지할 수 있다.

또한, 청구항 5에 따른 레그식 이동 로봇에 있어서는, 발 선단부를 초기 위치에 복귀시키는 방향으로 밀어주는 밀음 수단을 구비하도록 구성했기 때문에, 상기한 효과에 더하여 발 선단부의 초기 위치로의 복귀를 신속히 행할 수 있다.

또한, 청구항 6에 따른 레그식 이동 로봇에 있어서는, 굴곡각 유지 기구가 마찰 브레이크로 이루어지도록 구성했기 때문에 상기한 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 청구항 7에 따른 레그식 이동 로봇에 있어서는, 굴곡각 변화 억제 기구가 댐퍼로 이루어지도록 구성했기 때문에, 상기한 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 청구항 8에 따른 레그식 이동 로봇에 있어서는, 굴곡각 유지 기구 및 굴곡각 변화 억제 기구가 마찰력이 조절 자유로운 마찰 브레이크로 이루어지도록 구성했기 때문에, 상기한 효과에 더하여 발부의 구조를 보다 간소화할 수 있다.

또한, 청구항 9에 따른 레그식 이동 로봇에 있어서, 굴곡각 유지 기구 및 굴곡각 변화 억제 기구가 댐퍼로 이루어지도록 구성했기 때문에, 상기한 효과에 더하여 발부의 구조를 보다 간소화할 수 있다.

또한, 청구항 10에 따른 레그식 이동 로봇의 제어 장치에 있어서, 발 선단부의 굴곡각을 그 가동 범위에서 유지 자유로운 굴곡각 유지 기구와, 굴곡각 유지 기구를 동작시켜 발 선단부의 굴곡각의 유지와 그 해제를 제어하는 굴곡각 제어 수단을 구비하는 동시에, 굴곡각 제어 수단은 다리부의 이상 시 혹은 그보다 전인 제1 타이밍에서 발 선단부의 굴곡각을 유지한 후, 다리부가 이상한 후인 제2 타이밍에서 그 유지를 해제하여 발 선단부를 초기 위치로 복귀시키도록 구성했기 때문에, 다리부의 이상 후에도 이상 시의 굴곡각을 계속 유지할 수 있고, 따라서 이상 직후에 발 선단부가 상면에 접촉하여 자세가 불안정해지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 제1 타이밍을 이상 시보다 전인 타이밍으로 설정함으로써, 발 선단부로 서 있을 때에도 발 선단부의 굴곡각을 유지하는(발 선단부를 록함) 일이 가능하기 때문에, 발 선단부로 선 기간의 안정성을 향상시킬 수 있다.

또한, 청구항 11에 따른 레그식 이동 로봇의 제어 장치에 있어서는, 레그식 이동 로봇의 보용을 생성하는 보용 생성 수단을 구비하는 동시에, 굴곡각 제어 수단은 생성된 보용에 의거하여 제1 및 제2 타이밍을 결정하도록 구성했기 때문에, 상기한 효과에 더하여 발 선단부의 굴곡각의 유지 및 그 해제를 적절한 타이밍에서 실행할 수 있다.

또한, 청구항 12에 따른 레그식 이동 로봇의 제어 장치에 있어서는, 발 선단부의 굴곡각을 검출하는 굴곡각 검출 수단과, 레그식 이동 로봇의 보용을 생성하는 보용 생성 수단을 구비하는 동시에, 굴곡각 제어 수단은 검출된 굴곡각에 의거하여 제1 타이밍을 결정하는 한편, 생성된 보용에 의거하여 제2 타이밍을 결정하도록 구성했기 때문에, 상기한 효과에 더하여 발 선단부의 굴곡각의 유지 및 그 해제를 보다 적절한 타이밍에서 실행할 수 있다.

또한, 청구항 13에 따른 레그식 이동 로봇의 제어 장치에 있어서는, 굴곡각 제어 수단은 또한 다리부의 이상 중이고 제2 타이밍보다 후인 제3 타이밍에서 발 선단부의 굴곡각을 유지한 후, 다리부의 착상 후이고 다음 번의 제1 타이밍보다 전인 제4 타이밍에서 그 유지를 해제하도록 구성했기 때문에, 상기한 효과에 더하여 다리부의 착상 시에 충분한 접지 면적을 확보할 수 있다.

또한, 청구항 14에 따른 레그식 이동 로봇의 제어 장치에 있어서는, 레그식 이동 로봇의 보용을 생성하는 보용 생성 수단을 구비하는 동시에, 굴곡각 제어 수단은 생성된 보용에 의거하여 제1 내지 제4 타이밍을 결정하도록 구성했기 때문에, 상기한 효과에 더하여 발 선단부의 굴곡각의 유지 및 그 해제를 적절한 타이밍에서 실행할 수 있다.

또한, 청구항 15에 따른 레그식 이동 로봇의 제어 장치에 있어서는, 발 선단부의 굴곡각을 검출하는 굴곡각 검출 수단과 레그식 이동 로봇의 보용을 생성하는 보용 생성 수단을 구비하는 동시에, 굴곡각 제어 수단은 검출된 굴곡각에 의거하여 제1 및 제3 타이밍을 결정하는 한편, 생성된 보용에 의거하여 상기 제2 및 제4 타이밍을 결정하도록 구성했기 때문에, 상기한 효과에 더하여 발 선단부의 굴곡각의 유지 및 그 해제를 보다 적절한 타이밍에서 실행할 수 있다.

또한, 청구항 16에 따른 레그식 이동 로봇의 제어 장치에 있어서는, 발 선단부의 굴곡각 변화를 억제하는 굴곡각 변화 억제 기구를 구비하는 동시에, 굴곡각 제어 수단은 제2 타이밍에서 발 선단부의 굴곡각의 유지를 해제하는 동시에, 굴곡각 변화 억제 기구를 동작시켜 굴곡각을 점차 감소시키고, 발 선단부를 서서히 초기 위치로 복귀시키도록 구성했기 때문에, 상기한 효과에 더하여 발 선단부를 초기 위치로 복귀시켰을 때에 오버 슛이나 진동이 생기는 것을 방지할 수 있다.

또한, 청구항 17에 따른 레그식 이동 로봇의 제어 장치에 있어서, 발 선단부의 굴곡각 변화를 억제하는 굴곡각 변화 억제 기구를 구비하는 동시에, 굴곡각 제어 수단은 제4 타이밍으로부터 다음 번의 제1 타이밍까지의 동안, 굴곡각 변화 억제 기구를 동작시켜 발부를 통해 작용하는 상반력을 제어하도록 구성했기 때문에, 상기한 효과에 더하여 발 선단부로 서는 기간의 안정성을 보다 향상시킬 수 있다.

또한, 청구항 18에 따른 레그식 이동 로봇의 제어 장치에 있어서, 발 선단부의 굴곡각 변화를 그 굴곡각 속도에 대해 설정된 소정의 저항 특성에 따라서 억제하는 굴곡각 변화 억제 기구를 구비하는 동시에, 굴곡각 제어 수단은 제4 타이밍으로부터 다음 번의 제1 타이밍까지의 동안, 발부의 위치 자세를 조작하여 굴곡각 속도를 조절하고, 따라서 굴곡각 변화 억제 기구가 발생하는 저항의 크기를 변화시켜 발부를 통해 작용하는 상반력을 제어하도록 구성했기 때문에, 상기한 효과에 더하여 발 선단부로 서는 기간의 안정성을 보다 향상시킬 수 있다.

또한, 청구항 19에 따른 레그식 이동 로봇의 제어 장치에 있어서, 발 선단부의 굴곡각 변화를 억제하는 굴곡각 변화 억제 기구와, 발 선단부의 굴곡각을 검출하는 굴곡각 검출 수단과, 적어도 검출된 굴곡각에 의거하여 다리부가 접지하는 바닥의 형상을 추정하는 바닥 형상 추정 수단을 구비하는 동시에, 굴곡각 제어 수단은 제4 타이밍으로부터 다음번의 제1 타이밍까지의 동안, 적어도 추정된 바닥 형상에 의거하여 굴곡각 변화 억제 기구를 동작시키고, 따라서 발부를 통해 작용하는 상반력을 제어하도록 구성했기 때문에, 상기한 효과에 더하여 발 선단부로 서는 기간의 안정성을 보다 한층 향상시킬 수 있다.

도 1 은 본 발명의 제1 실시예에 따른 레그식 이동 로봇이다.

도 2는 도 1에 도시한 레그식 이동 로봇의 발부의 확대 단면도이다.

도 3은 마찬가지로 레그식 이동 로봇의 발부를 도시한 확대 단면도이다.

도 4는 마찬가지로 레그식 이동 로봇의 발부를 도시한 확대 단면도이다.

도 5는 마찬가지로 레그식 이동 로봇의 발부를 도시한 확대 단면도이다.

도 6은 도 1에 도시한 레그식 이동 로봇의 제어 유닛의 상세를 도시한 블록도이다.

도 7은 도 1에 도시한 레그식 이동 로봇의 제어 장치의 구성 및 동작을 기능적으로 도시한 블록도이다.

도 8은 도 1에 도시한 레그식 이동 로봇의 제어 장치의 동작을 도시한 흐름도이다.

도 9는 도 7의 복합 컴플라이언스 동작 결정부의 연산 처리를 도시한 블록도이다.

도 1O은 도 9의 보상 전상반력 모멘트 분배기의 연산 처리를 도시한 블록도이다.

도 11은 도 9의 양 레그 보상각 결정부의 연산 처리를 도시한 블록도이다.

도 12는 도 9의 발부 보상각 결정부의 연산 처리를 도시한 블록도이다.

도 13은 도 2의 댐퍼의 조임량 제어의 처리를 도시한 블록도이다.

도 14는 도 2의 댐퍼의 제어 모드 등의 천이를 도시한 타임 차트이다.

도 15는 마찬가지로 댐퍼의 제어 모드 등의 천이를 도시한 타임 차트이다.

도 16은 본 발명의 제2 실시예에 따른 레그식 이동 로봇의 발부를 도시한 확대 단면도이다.

도 17은 마찬가지로 제2 실시예에 따른 레그식 이동 로봇의 발부를 도시한 확대 단면도이다.

도 18은 본 발명의 제3 실시예에 따른 레그식 이동 로봇의 발부를 도시한 모식도이다.

도 19는 마찬가지로 제3 실시예에 따른 레그식 이동 로봇의 발부를 도시한 모식도이다.

도 20은 도 18의 마찰 브레이크의 유압 제어의 처리를 도시한 블록도이다.

도 21은 도 18의 마찰 브레이크의 제어 모드 등의 천이를 도시한 타임 차트이다.

도 22는 본 발명의 제4 실시예에 따른 레그식 이동 로봇의 발부를 도시한 모식도이다.

도 23은 마찬가지로 제4 실시예에 따른 레그식 이동 로봇의 발부를 도시한 모식도이다.

도 24는 도 22의 마찰 브레이크의 유압 제어의 처리를 도시한 블록도이다.

도 25는 도 22의 마찰 브레이크의 제어 모드 등의 천이를 도시한 타임 차트이다.

도 26은 본 발명의 제5 실시예에 따른 레그식 이동 로봇의 발부를 도시한 확대 단면도이다.

도 27은 마찬가지로 제5 실시예에 따른 레그식 이동 로봇의 발부를 도시한 확대 단면도이다.

도 28은 마찬가지로 제5 실시예에 따른 레그식 이동 로봇의 발부를 도시한 확대 단면도이다.

도 29는 마찬가지로 제5 실시예에 따른 레그식 이동 로봇의 발부를 도시한 확대 단면도이다.

도 30은 본 발명의 제6 실시예에 따른 레그식 이동 로봇의 제어 모드 등의 천이를 도시한 타임 차트이다.

도 31은 제6 실시예에 따른 레그식 이동 로봇의 제어 장치 중, 발부 보상각 결정부의 연산 처리를 도시한 블록도이다.

도 32는 제6 실시예에 따른 마찰 브레이크의 유압 제어의 처리를 도시한 블록도이다.

도 33은 본 발명의 제7 실시예에 따른 레그식 이동 로봇의 제어 모드 등의 천이를 도시한 타임 차트이다.

도 34는 제7 실시예에 따른 댐퍼의 조임량 제어의 처리를 도시한 블록도이다.

도 35는 본 발명의 제8 실시예에 따른 레그식 이동 로봇의 제어 모드 등의 천이를 도시한 타임 차트이다.

도 36은 제8 실시예에 따른 레그식 이동 로봇의 제어 장치 중, 발부 보상각 결정부의 연산 처리를 도시한 블록도이다.

도 37은 본 발명의 제9 실시예에 따른 레그식 이동 로봇의 제어 장치 중, 발부 보상각 결정부의 연산 처리를 도시한 블록도이다.

이하, 첨부 도면에 입각하여 본 발명에 따른 레그식 이동 로봇 및 그 제어 장치를 실시하기 위한 최선의 형태에 대해 설명한다.

실시예 1

도 1은 이 실시예에 따른 레그식 이동 로봇을 도시한 개략도이다.

도시와 같이, 레그식 이동 로봇(1)(이하 「로봇」이라고 함)은 좌우의 다리부(다리부 링크)(2R, 2L)(전진 방향 우측을 R, 좌측을 L로 함. 이하 동일)를 구비하는 2족 보행 로봇이다. 좌우 각각의 다리부(2R)(L)에는 6개의 회전축(자유도)이 설치된다. 6개의 회전축은 위로부터 순서대로, 넓적다리(허리부)의 다리부 선회용(Z축 둘레)의 회전축(10R, 10L), 넓적다리의 롤축 둘레(X축 둘레)의 회전축(12R, 12L), 넓적다리의 피치축 둘레(Y축 둘레)의 회전축(14R, 14L), 무릎부의 피치축 둘레의 회전축(16R, 16L), 발목의 피치축 회전의 회전축(18R, 18L), 상기 롤축 둘레의 회전축(20R, 20L)으로 구성된다.

다리부(2R)(L)의 하단에는 발부(족평)(22R, 22L)가 연결된다. 또한, 다리부(2R)(L)의 상단에는 상체(24)가 연결된다. 상체(24)의 내부에는 마이크로 컴퓨터로 이루어지는 제어 유닛(26) 등이 저장된다. 상기에 있어서 넓적다리 관절(혹은 허리 관절)은 회전축(10R)(L), 12R(L), 14R(L))으로, 무릎 관절은 회전축(16R)(L)으로, 발목 관절은 회전축(18R(L), 20R(L))으로 구성된다. 또한, 넓적다리 관절과 무릎 관절은 대퇴 링크(28R, 28L), 무릎 관절과 발목 관절은 하퇴 링크(30R, 30L)에서 연결된다.

이와 같이, 로봇(1)의 다리부(2R)(L)에는 6*2=12개의 회전축이 주어진다. 그리고, 각 회전축을 전동 모터(도시하지 않음)로 적당한 각도로 구동함으로써, 다 리부 전체에 원하는 움직임을 줄 수 있고, 따라서 로봇(1)을 임의로 보행시킬 수 있다. 한편, 로봇(1)은 상체(24)에 아암부나 헤드부를 구비하지만, 그들은 본원의 특징과 직접적인 관계를 가지지 않기 때문에 도시 및 설명을 생략한다.

발목 관절의 아래쪽에는 공지의 6축력 센서(34R, 34L)가 부착되고, 힘의 3 방향 성분(Fx, Fy, Fz)과 모멘트의 3방향 성분(Mx, My, Mz)을 측정하며, 발부(22R(L))의 접지의 유무 및 발부(22R(L))를 통해 로봇(1)에 작용하는 상반력(접지 하중) 등을 검출한다. 또한, 상체(24)에는 경사 센서(36)가 설치되고 Z축(연직 방향(중력 방향))에 대한 기울기와 그 각속도를 검출한다. 또한, 각 회전축을 구동하는 전동 모터에는 그 회전량을 검출하는 로터리 인코더가 인접하여 배치된다.

또한, 발부(22R)(L)의 접지단과 6축력 센서(34R)(L)의 사이에는 용수철 기구체(38R, 38L)가 배치되는 동시에, 발바닥에는 탄성체로 이루어지는(구체적으로는 고무제의) 솔(sole)(40R, 40L)이 붙여져 컴플라이언스 기구(42R, 42L)를 구성한다.

도 2 내지 도 5는 발부(22)의 확대 단면도이다. 한편, 좌우의 발부(22R)(L)는 좌우 대칭이기 때문에, 도 2 이후의 설명에서는 R, L을 붙인 것을 생략한다.

도 2에 도시한 바와 같이, 솔(40)은 상하로 겹쳐 배치된 2장의 고무재(바닥에 접하는 솔을 부호 40a로 나타내고, 그 상부에 배치된 솔을 부호 40b로 나타냄)로 이루어지고, 그 상부에는 발부 플레이트(46)가 배치된다. 발부 플레이트(46)는 탄성 변형 자유로운 금속 재료로 형성된다. 즉, 발부(22)의 발바닥은 탄성 변형 자유롭게 구성된다.

발부 플레이트(46)의 상부에는 상기한 용수철 기구체(38)가 배치된다. 용수 철 기구체(38)는 고강성의 금속 재료로 형성된 용수철 기구체 프레임(381)과, 용수철 기구체 프레임(381)에 의해서 규정되는 공간 내에 수용된 복수개의 고무 부시(탄성체 : 382)와, 고무 부시(382)의 상면에 부착된 용수철 기구체 플레이트(383)로 이루어진다.

용수철 기구체 플레이트(383)는 용수철 기구체 프레임(381)과 마찬가지로 고강성의 금속 재료로 형성된다. 또한, 용수철 기구체 플레이트(383)의 상부에는 6축력 센서(34)가 부착되는 동시에, 6축력 센서(34)의 상부에는 발목 관절(18, 20)을 통하여 다리부(2)의 하퇴 링크(30)가 연결된다.

로봇(1)이 상반력을 받으면, 컴플라이언스 기구(42)에 있어서 용수철 기구체(38)와 솔(40a, 40b)이 휘고, 발부(22)의 위치 자세가 변화한다. 이 구조는 착상 시의 충격을 완화하기 위해 뿐만이 아니고, 제어성을 높이기 위해도 중요한 것이다. 한편, 그 상세한 것은 본 출원인이 앞서 제안한 일본 공개특허공보 평5-305584호에 기재되어 있으므로 여기서의 설명은 생략한다.

또한, 발부(22)는 댐퍼(50)를 구비한다. 댐퍼(50)는 유체(예컨대 오일)가 봉입된 실린더(50a)와, 실린더(50a)의 내부에 슬라이딩 자유롭게 배치된 피스톤(50b)과, 피스톤(50b)을 사이에 두고 대칭하는 실린더(50a) 내의 공간끼리를 연통하는 연통로(50c)와, 연통로(50c)의 도중에 설치된 오리피스(50d)와, 오리피스(50d)의 개구 면적을 영 및 소정값(영 이외)의 어느 하나로 조절하는(환언하면, 오리피스(50d)를 폐쇄 혹은 개구시킴) 전자 솔레노이드(50e)와, 피스톤(50b)에 접속된 피스톤 로드(50f)로 구성된다. 즉, 댐퍼(50)는 오리피스(50d)를 통과하는 유체 의 유동 저항을 이용하는 것이다. 한편, 도 2는 오리피스(50d)의 개구 면적이 소정값으로 조절된 상태를 나타낸다. 또한, 전자 솔레노이드(50e)는 통전되어 있을 때 오리피스(50d)의 개구 면적을 소정값으로 조절하고, 비통전일 때에 영으로 조절한다.

댐퍼(50)의 일단(실린더 보텀)은 용수철 기구체 프레임(381)의 전단(진행 방향에서의 전단)에 피치 축 둘레로 회동 자유롭게 접속된다. 한편, 댐퍼(50)의 타단(로드 헤드)은 발부 플레이트(46)의 전단에 피치 축 둘레로 회동 자유롭게 접속된다.

여기서, 오리피스(50d)의 개구 면적이 소정값으로 조절되고 있을 때(즉, 실린더(50a)의 내부를 피스톤(50b)이 이동 자유롭고 댐퍼(50)의 신축이 가능할 때)에 발부(22)의 발꿈치가 상면으로부터 이상하면, 도 3에 도시한 바와 같이, 탄성 변형 자유로운 발부(22) 중, 고강성 부재로 이루어지는 용수철 기구체 프레임(381)이 부착된 부위보다 전의 부위가 휘면서 굴곡한다. 이하, 발부(22)에 있어서, 이 굴곡하는 부위를 「발 선단부」라고 하고 부호 22t로 나타낸다. 또한, 발부(22)에 있어서, 발 선단부(22t) 이외의 잔여의 부위를 「발부 본체」라고 하고 부호 22m으로 나타낸다.

이와 같이, 발부(22)는 용수철 기구체(38) 등을 통하여 다리부(2)에 연결된 발부 본체(22m)와, 그 전단에 설치된 발 선단부(22t)로 이루어진다. 또한, 발 선단부(22t)는 발부 본체(22m)에 연속하는 탄성체로 이루어지고, 발부 본체(22m)에 대해 굴곡 자유롭게 된다.

한편, 도 4에 도시한 바와 같이, 발 선단부(22t)가 굴곡하고 있을 때 오리피스(50d)의 개구 면적을 영으로 조절하면, 피스톤(50b)의 이동(댐퍼(50)의 신축)이 불가능해져 그 때의 발 선단부(22t)의 굴곡각(도 4에 θt로 나타냄)이 유지된다. 또한, 로봇(1)이 발 선단부로 선 상태가 아닐 때에 오리피스(50d)의 개구 면적을 소정값으로 되돌려 피스톤(50b)의 이동을 가능하게 하면, 솔(40a, 40b) 및 발부 플레이트(46)의 복원력에 의해서 발 선단부(22t)가 초기 위치(굴곡각이 영도인 위치)에 복귀한다. 또한, 도 5에 도시한 바와 같이, 발 선단부(22t)가 굴곡하고 있지 않을 때에 오리피스(50d)의 개구 면적을 영으로 조절함으로써, 발 선단부(22t)를 초기 위치로 유지하는 것도 가능하다.

즉, 댐퍼(50)의 일단을 발부 본체(22m)측에 접속하고, 타단을 발 선단부(22t)측에 접속하는 동시에, 댐퍼(50)의 조임량을 조절하여 그 신축을 금지하는, 구체적으로는, 댐퍼(50)에 설치된 전자 솔레노이드(50e)를 구동하여 오리피스(50d)의 개구 면적을 영으로 조절함으로써, 발 선단부(22t)의 굴곡각을 그 때의 각도인 채로 유지하도록 하였다. 환언하면, 발부 본체(22m)와 발 선단부(22t) 사이에 댐퍼(50)를 설치하고, 그 오리피스(50d)의 개구 면적을 영 내지 소정값 사이에서 조정 자유롭게 구성함으로써, 발 선단부(22t)의 굴곡각을 발 선단부(22t)의 가동 범위의 전역에서 유지 자유롭게 하였다. 환언하면, 발 선단부(22t)의 굴곡각을 발 선단부(22t)의 가동 범위 중의 임의의 각도(다시 환언하면, 가동 범위에 있어서 연속하는 모든 각도)로 유지할 수 있도록 하였다.

또, 댐퍼(50)는 전술한 바와 같이 오리피스(50d)를 통과하는 유체의 유동 저 항을 이용하는 것이다. 따라서, 발 선단부(22t)의 굴곡각이 유지되어 있지 않을 때에도, 굴곡각의 증감의 저항이 되고, 그 변화가 억제된다.

즉, 댐퍼(50)는 발 선단부(22t)의 굴곡각을 그 가동 범위에서 유지 자유로운 기구(이하 「굴곡각 유지 기구」라고 함)로서 기능하는 것과 동시에, 굴곡각 변화를 억제하는 기구(이하 「굴곡각 변화 억제 기구」라고 함)로서도 기능한다.

이와 같이, 발부(22)는 다리부(2)에 연결되는 발부 본체(22m)와, 발부 본체(22m)의 전단에 설치되고, 발부 본체(22)에 대해 굴곡이 자유로운 발 선단부(22t)로 이루어지는 동시에, 발 선단부(22t)의 굴곡각을 그 가동 범위에서 유지 자유로운 굴곡각 유지 기구 및 굴곡각 변화를 억제하는 굴곡각 변화 억제 기구로서 댐퍼(50)를 구비하도록 하였다.

도 6은 제어 유닛(26)의 상세를 도시한 블록도이다. 6축력 센서(34R)(L)나 경사 센서(36) 등의 출력은, 제어 유닛(26)에 있어서 A/D 변환기(60)에서 디지털값으로 변환된 후, 버스(62)를 통하여 RAM(64)에 입력된다. 또한, 각 전동 모터에 인접하여 배치되는 인코더의 출력은, 카운터(66)를 통하여 RAM(64)에 입력된다.

제어 유닛(26)의 내부에는 CPU로 이루어지는 제1, 제2 연산 장치(70, 72)가 설치되어 있고, 제1 연산 장치(70)는 후술과 같이, ROM(74)에 저장되어 있는 보용에 의거하여 각 회전축이나 발 선단부의 변위 지령을 산출하여 RAM(64)에 송출한다. 또한, 제2 연산 장치(72)는 RAM(64)으로부터 그 지령과 검출된 실측값을 독출하고, 각 회전축의 구동이나 발 선단부의 굴곡각의 조절에 필요한 제어값을 산출하여 D/A 변환기(76)와 써보 앰프를 통하여 각 관절을 구동하는 전동 모터에 출력한 다. 또한, 제어 유닛(26)에는, 유선 혹은 무선으로 조이스틱(80)이 접속되고, 로봇(1)에 대해 직진이나 선회 등의 보용에 대한 요구를 외부로부터 입력할 수 있도록 구성된다.

다음에, 이 실시예에 따른 레그식 이동 로봇의 제어 장치에 대해 상세히 설명한다. 이 실시예에 따른 제어 장치는, 개략 설명하면, 본 출원인이 앞서 제안한 일본 공개특허공보 평10-277969호에 기재되는 기술(발부의 자세 기울기를 조작하여 로봇에 작용하는 상반력을 적절히 제어하는 기술. 이하 「복합 컴플라이언스 제어」라고 함)에, 상기한 굴곡이 자유로운 발 선단부에 관련된 제어를 추가한 것이다.

한편, 이하의 설명에서 사용하는 용어의 의미는, 상기 일본 공개특허공보 평10-277969호(및 그 중에서 인용한 문헌)에서의 정의에 따르는 것으로 한다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 본원의 특징부 이외의 구성에 대해는 그 동작의 개요만을 설명하지만, 구체적으로는, 앞서 제안한 상기 문헌에 상세히 설명되는 조건이나 수식 등에 따라서 행해진다.

도 7은 이 실시예에 따른 레그식 이동 로봇의 제어 장치의 구성 및 동작을 기능적으로 도시한 블록도이다.

도 7에 도시한 바와 같이, 제어 장치는 보용 생성기(100)를 구비하고, 보용 생성기(100)는 목표 보용을 생성하여 출력한다. 목표 보용은, 목표 운동 패턴과 목표 상반력 패턴, 보다 구체적으로는 목표 상체 위치 자세 궤도, 목표 발부 위치 자세 궤도, 목표 전상반력 중심점(목표 ZMP) 궤도 및 목표 전상반력 궤도(혹은 패턴)로 이루어진다.

보용 생성기(100)가 출력하는 목표 전상반력은 목표 운동 패턴에 대해 동역학적으로 평형하는 전상반력이다. 따라서, 목표 전상반력 중심점은 목표 ZMP에 일치한다.

목표 상반력 분배기(102)는, 상기한 목표 전상반력 중심점(목표 ZMP)과 목표 발부 위치 자세를 주된 입력으로 하고, 목표 각 발부 상반력 중심점을 결정하여 출력한다. 실제로는, 보용 생성기(100)로부터 보용의 파라미터(예컨대, 양 레그 지지기의 시간이나 유각 발부의 목표 착지 위치 등)나, 보용의 시기·시각(예컨대, 현재 시각이 양 레그 지지기의 처음부터 O.1[sec]인 것 등) 등의 정보도 필요에 따라서 삽입한다.

또한, 목표 상반력 분배기(102)는 목표 각 발부 상반력도 결정하여 출력한다. 목표 각 발부 상반력은 컴플라이언스 기구(42)의 휨 보상을 위해 필요하다.

자세 안정화 제어 연산부(104)는 센서 정보에 의거하여 로봇(1) 상태를 추정하고, 보상 전상반력을 산출한다.

또한, 실 각 발부 상반력 검출기(108)는 6축력 센서(34)의 출력에 따라서 실 각 발부 상반력(그 합력이 실 전상반력)을 검출한다. 또한, 관절의 인코더에 의해서 검출되는 실변위(및/또는 변위 지령)에 의거하여, 상체(24)에 고정된 좌표계에 대한 각 발부(22R)(L)의 상대 위치 자세를 산출하고, 그에 따라 6축력 센서(34)의 검출값을 좌표 변환하여, 상체에 고정된 좌표계에서 표현된 실 각 발부 상반력을 산출한 후, 지지 레그 좌표계로 변환한다.

로봇 기하학 모델(역 운동학 연산부 : 110)은 상체 위치 자세와 발부 위치 자세가 입력되면, 그들을 만족하는 각 관절 변위를 산출한다. 여기에서는 역 운동학의 합의 식을 직접적으로 구해 두고, 식에 상체 위치 자세와 발부 위치 자세를 대입하는 것만으로 각 관절 변위를 얻도록 하였다. 즉, 로봇 기하학 모델(110)은, 목표 상체 위치 자세와 후술하는 복합 컴플라이언스 동작 결정부에서 수정된 수정 목표 발부 위치 자세 궤도(기구 변형 보상 부여 수정 목표 발부 위치 자세 궤도)를 입력하고, 그들로부터 12개의 회전축(10R(L) 등)의 변위 지령(값)을 산출한다.

변위 콘트롤러(112)(상기한 제2 연산 장치(72)에 동일)는, 로봇 기하학 모델(역 운동학 연산부 : 110)에서 산출된 관절 변위 지령(값)을 목표값으로 하여 로봇(1)의 12개의 회전축의 변위를 추종 제어한다.

또한, 복합 컴플라이언스 동작 결정부(113)는 목표 전상반력과 보상 전상반력의 합력에 실전 상반력을 일치시키도록, 목표 발부 위치 자세 궤도를 수정한다. 한편, 상기한 「전상반력」이나 「발부 상반력」은, 구체적으로는 작용점과 거기에 가해지는 힘과 힘의 모멘트에 의해서 표현되고, 실제의 연산에는 아래와 같은 그 힘 성분이나 모멘트 성분이 사용된다.

상기를 전제로 하여, 도 8 흐름도(구조화 흐름도)를 참조하여 이 장치의 동작을 설명한다. 한편, 도면의 좌단에 해당하는 처리를 행하는 도 7 블록도의 구성요소를 나타낸다.

먼저, S10에 있어서 장치를 초기화하고, S12를 거쳐 S14에 진행하여, 타이머 인터럽트를 대기한다. 타이머 인터럽트는 50[msec]마다 이루어진다. 즉, 이 장치의 제어 주기는 50[msec]이다.

계속해서, S16에 진행하여 보용의 전환, 구체적으로는 지지 레그의 전환인지 여부를 판단하고, 부정될 때에는 S22에 진행되는 동시에, 긍정될 때에는 S18에 진행되어 타이머(t)를 초기화하고, S20에 진행되어 목표 보용 파라미터를 설정한다. 상기와 같이, 보용 파라미터는 운동 파라미터와 상반력 파라미터(ZMP 궤도 파라미터)로 구성된다.

계속해서 S22에 진행하여 목표 보용의 순시값을 결정한다. 여기서 「순시값」은 제어 주기마다의 값을 의미하고, 목표 보용 순시값은 목표 상체 위치 자세, 목표 각 발부 위치 자세 및 목표 ZMP 위치로 구성된다. 한편, 여기서 「자세」란, X, Y, Z 공간에서의 「방향」을 의미한다.

계속해서 S24에 진행하여 목표 각 발부 상반력 중심점을 구하고, 다시 S26에 진행하여 목표 각 발부 상반력을 구한다.

계속해서 S28에 진행하여 상기한 경사 센서(36) 등의 출력으로부터 상체(24)의 경사 등 로봇(1) 상태를 검출한다.

계속해서 S30에 진행하여 로봇(1)의 상태 등으로부터 자세를 안정화하기 위한 (목표 전상반력 중심점(목표 ZMP) 회전의) 보상 전상반력 모멘트(Mdmdx, Mdmdy)를 구한다.

계속해서, S32에 진행하여 실 각 발부 상반력을 검출한다. 이것은 상기와 같이, 6축력 센서(34)의 출력으로부터 검출한다.

계속해서 S34에 진행하여 양 레그 보상각(θdbv) 및 각 발부 보상각(θnx(y))을 결정한다. 이것은, 상기한 복합 컴플라이언스 동작 결정부(114)가 행하 는 작업이다.

한편, 이 명세서에서 「n」이란 다리부의 일련 번호(n:1 또는 2)이며, 일정 보용의 기간에 상면에 접촉한 채로인 다리부를 「1」, 다른 한 쪽을 「2」라고 표현한다.

도 9는 복합 컴플라이언스 동작 결정부(114)의 연산 처리를 도시한 블록도이며, 동 도면을 참조하여 그 처리를 설명한다.

보상 전상반력 모멘트 분배기(114a)는 보상 전상반력 모멘트(Mdmd)를, 양 레그 보상 모멘트(Mdmddb), 각 발부 보상 모멘트(Mdmd1x, Mdmd1y, Mdmd2x, Mdmd2y)로 분배한다. 양 레그 보상 모멘트(Mdmddb)(그 V 방향 둘레의 성분을 Mdmddbv라고 기술함)는 양 레그 보상각(발부 상하량)(θdbv)을 조작함으로써 목표 전상반력 중심점(목표 ZMP) 둘레에 각 발부 상반력의 힘 성분이 만드는 모멘트의 목표값이다. 한편, 상기에서 「V」란, 목표 각 발부 상반력 중심점을 포함하고, 또한 수평면과 수직인 평면의 법선 벡터이며 그 크기는 1로 한다.

분배는, 구체적으로는, 도 10에 도시한 블록도에 따라서 행해진다. 도 10에 있어서, Wdbx, Wdby, W1x, W1y, W2x, W2y 및 Wdbint는 분배용 중량 변수이다. Vx는 벡터 V의 X성분의 값, Vy는 벡터 V의 Y성분의 값이다. 이 중에서, Wdbint는 양 레그 보상각을 조작함으로써 발생한 전상반력 모멘트를 각 발부 보상각을 조작함으로써 상쇄하기 위한 것이다.

도 9의 설명으로 돌아오면, 다음에, 실 각 발부 상반력과 분배된 보상 전상반력 모멘트 등으로부터, 양 레그 보상각 결정부(114b) 및 제n 발부(X)(Y) 보상각 결정부(114c, 114d, 114e, 114f)에 있어서 전술의 보상각(θdbv 및 θnx(y))을 결정한다.

도 11은 양 레그 보상각 결정부(114b)의 연산 처리의 블록도이며, 양 레그 보상각(θdbv)은 도시와 같이 연산된다.

도 11을 참조하여 설명하면, 목표 제1 발부 상반력 중심점(Q1)에 작용하는 실 상반력의 힘 성분(F1act)과 목표 제2 발부 상반력 중심점(Q2)에 작용하는 실상 반력의 힘 성분(F2act)에 의거하여, 목표 전상반력 중심점(P)의 둘레에 발생시키는 모멘트(Mf1f2act)를 구한다.

다음에, Mf1f2act의 벡터 V 방향 성분(Mf1f2actv)을 추출한다. 다음에, Mf1f2actv를 로 패스 필터(114i)에 통과시켜 Mf1f2actvfilt를 얻는다.

다음에, 양 레그 보상 모멘트 V 방향 성분(Mdmddbv)을 보상 필터(114j)에 통과시키고, 그것을 Mf1f2actvfilt로부터 줄여 편차 모멘트 V 방향 성분(Mdiffv)를 얻는다.

한편, 보상 필터(114j)는 양 레그 보상 모멘트 V 방향 성분(Mdmddbv)으로부터 실 전상반력 모멘트까지의 전달 함수의 주파수 응답 특성을 개선하는 것이다.

다음에, 컴플라이언스 기구(42)의 변형에 의한 양 레그 보상 모멘트 V 방향 성분(Mdmddbv)으로의 영향을 상쇄하기 위한 양 레그 기구 변형 보상각(θffdbv)을 구한다. 이것은, 이른바 피드 포워드 보상이다.

마지막으로, 편차 모멘트 V 방향 성분(Mdiffv)과 제어 게인(Kdb)의 곱에 양 레그 기구 변형 보상각(θffdbv)을 가산하여 양 레그 보상각(θdbv)을 얻는다.

다음에, 제n 발부 보상각 결정부에 대해 설명한다. 도 12는 그 중의 제1발부 X보상각 결정부(114c)의 연산 처리를 도시한 블록도이며, 제1 발부 X보상각 결정부(114c)는 제1 발부 X보상각(θ1x)을 도시와 같이 연산한다. 설명은 생략하지만, 제1 발부 Y보상각(θ1y), 제2 발부 X보상각(θ2x), 제2 발부 Y보상각(θ2y)도 마찬가지로 구한다. 여기에서는 제1 발부 X보상각(θ1x)을 구하는 알고리즘만을 설명한다.

실 제1 발부 상반력 모멘트 X 성분(M1actx)을 로 패스 필터(114k)에 통과시켜 M1actfiltx를 얻는다. 제1 발부 보상 모멘트 X 성분(Mdmdlx)을 보상 필터(114m)에 통과시키고, 그것을, M1actfiltx로부터 줄여 편차 모멘트(Mdifflx)를 얻는다. 양 레그 보상각 결정과 마찬가지로, 보상 필터(114m)는 Mdmd1x로부터 실전상반력까지의 전달 함수의 주파수 응답 특성을 개선하는 것이다.

다음에, 양 레그 보상각 결정과 마찬가지로, 컴플라이언스 기구(42)의 변형에 의한 제1 발부 보상 모멘트 X성분으로의 영향을 상쇄하기 위한 제1 발부 X기구 변형 보상각(θff1x)을 구한다. 이것은, 이른바 피드 포워드 보상이다.

마지막으로, 편차 모멘트(Mdiff1x)와 제어 게인(K1x)의 곱에 제1 발부 X기구 변형 보상각(θff1x)을 가산하여 제1 발부 X보상각(θ1x)을 얻는다.

도 9의 설명으로 돌아오면, 다음에, 수정 목표 발부 위치 자세 산출부(114g)는 양 레그 보상각(θdbv), 제1 발부 X보상각(θ1x), 제1 발부 Y보상각(θ1y), 제2 발부 X보상각(θ2x), 제2 발부 Y보상각(θ2y)에 의거하여 목표 발부 위치 자세를 수정하고, 수정 목표 발부 위치 자세를 얻는다.

기구 변형량 산출부(114h)는, 목표 각 발부 상반력에 의해서 발생이 예상되는 컴플라이언스 기구(42)의 변형량을 구한다.

기구 변형 보상 부여 수정 목표 발부 위치 자세 산출부(114n)는, 산출된 기구 변형량을 상쇄하도록, 수정 목표 발부 위치 자세를 더욱 수정하고, 기구 변형 보상 부여 수정 목표 발부 위치 자세를 얻는다.

상기를 전제로 하여 도 8 흐름도의 설명으로 돌아오면, 상기와 같이, S34에 있어서 상기한 보상각을 결정한다.

다음에 S36에 진행하여, 목표 각 발부 상반력에 의거하여 기구 변형 보상량을 산출하고, S38에 진행하여 목표 발부 위치 자세를 보상각(θdbv, θnx(y))에 따라 수정하며, 다시 이것을 기구 변형 보상량에 따라 수정하고, 기구 변형 보상 부여 수정 목표 발부 위치 자세를 얻는다.

다음에 S40에 진행하여, 상체 위치 자세와 기구 변형 보상이 된 수정 발부 위치 자세로부터 관절 변위 지령(값)을 산출하고, S42에 진행하여 실 관절 변위를 산출된 관절 변위 지령(값)에 추종시키도록 서보 제어하고, S44에 진행하여 시각을 △t만큼 갱신하며, S14에 되돌아와 상기의 처리를 반복한다.

다음에, 도 13 내지 도 15를 참조하여, 이 실시예에 따른 레그식 이동 로봇의 제어 장치의 동작 중, 발 선단부(22t)의 굴곡각의 유지 및 그 해제 동작에 대해 설명한다.

도 13은, 댐퍼(50)의 조임량 제어의 처리를 도시한 블록도이다.

도시와 같이, 제어 장치는 셀렉트 스위치(118)를 구비한다. 셀렉트 스위치 (118)에는 「CLOSE」 및 「OPEN」의 2종으로 이루어지는 댐퍼(50)의 제어 모드에 대응한 Rd_close(오리피스(50d)의 폐쇄 지령. 즉, 굴곡각의 유지 지령) 및 Rd_open(오리피스(50d)의 개구 지령. 즉, 굴곡각 유지의 해제 지령)의 2개의 신호가 입력된다. 그리고, 그 중의 어느 하나를 후술하는 소정의 타이밍에서 선택하고, 댐퍼 조임량 지령 R_d(구체적으로는, 전자 솔레노이드(50e)로의 통전 지령값)로서 댐퍼(50)에 출력한다.

도 14는, 로봇(1)이 평지를 이동할 때의 댐퍼(50)의 제어 모드 등의 천이를 도시한 타임 차트이다. 한편, 도 14에 있어서 목표 발부 자세각이란, 발부(22)가 수평일 때 영, 발부(22)의 전단이 후단보다 아래쪽에 위치할 때에 플러스 값, 발부(22)의 전단이 후단보다 위쪽에 위치할 때에 마이너스 값을 나타낸다. 따라서, 예컨대 다리부(2)가 착상하고 있고, 또한 목표 발부 자세각이 플러스 값일 때에는 로봇(1)이 발 선단부로 서 있는 것을 나타낸다. 또한, 목표 발부 상반력 병진력 연직 성분이란, 목표로 하는 상반력의 병진 성분 중, Z축 방향의 힘 성분을 의미한다.

도 14 타임·차트에 대해 개략 설명하면, 다리부(2)의 이상 시인 제1 타이밍(t1)으로부터 이상 후의 제2 타이밍(t2)까지는 「CLOSE」가 선택되고, 제2 타이밍(t2)으로부터 다리부(2)가 착상하기 전의 제3 타이밍(t3)까지는 「OPEN」이 선택된다. 또한, 제3 타이밍(t3)으로부터 다리부(2)가 착상하여 발 선단부 서기가 개시되는 제4 타이밍(t4)까지는 재차 「CLOSE」가 선택되고, 제4 타이밍(t4)으로부터 다음 번의 제1 타이밍(t1)까지는 「OPEN」이 선택된다.

즉, 다리부(2)의 이상 시인 제1 타이밍(t1)에서 발 선단부(22t)의 굴곡각을 유지한 후, 다리부(2)가 이상한 후의 제2 타이밍(t2)에서 굴곡각의 유지를 해제한다. 또한, 제2 타이밍(t2)보다 시간적으로 후이고, 또한 다리부(2)의 착상 전인 제3 타이밍(t3)에서 발 선단부(22t)의 굴곡각을 재차 유지하고, 다리부(2)의 착상 후로서 다음 번의 제1 타이밍(t1)보다 시간적으로 전인 제4 타이밍(t4)에서 그 유지를 해제한다.

이하 구체적으로 설명하면, 발 선단부 서기가 개시되는 제4 타이밍(t4)으로부터 이상 시인 제1 타이밍(t1)까지의 동안(즉, 발 선단부로 선 기간), 굴곡각의 유지를 해제하여 발 선단부(22t)를 굴곡 자유롭게 함으로써, 발부 자세각의 변화에 따라 발 선단부(22t)를 굴곡시키고, 따라서 차내기에 필요한 접지 면적을 확보한다.

다음에, 이상하는 순간의 굴곡각을, 이상한 후의 제2 타이밍(t2)까지(구체적으로는, 발 선단부(22t)가 상면으로부터 충분히 떨어질 때까지) 계속 유지한다.

그리고, 제2 타이밍(t2)에서 굴곡각의 유지를 해제함으로써, 발 선단부(22t)를 초기 위치에 복귀시킨다. 이 때, 댐퍼(50)의 유동 저항에 의해서 발 선단부(22t)의 굴곡각은 점차 감소하고 초기 위치로 서서히 복귀한다.

또한, 이상 중으로서 상기 제2 타이밍(t2)보다 시간적으로 후인 제3 타이밍(t3)(보다 자세한 것은, 발 선단부(22t)가 초기 위치에 복귀한 후의 타이밍)으로부터 발 선단부 서기가 개시되는 제4 타이밍(t4)(환언하면, 발부(22)의 바닥 접지 종료 시)까지 발 선단부(22t)의 굴곡각을 유지하고, 발 선단부(22t)를 초기 위치에 록함으로써, 착상 시 및 바닥 접지 시의 접지 면적을 최대한으로 확보한다.

한편, 상기한 제1 타이밍(t1)으로부터 제4 타이밍(t4)은 모두 보용 생성기(100)가 출력하는 로봇(1)의 목표 보용에 의거하여 결정된다.

도 15는, 로봇(1)이 계단을 오를 때의 댐퍼(50)의 제어 모드 등의 천이를 도시한 타임 차트이다.

일반적으로, 계단을 오를 때에는 지지 레그 후기에 발 선단부로 서는 기간이 길게 발생한다. 전술한 컴플라이언스 제어는, 발부의 자세 기울기를 조작하여 로봇에 작용하는 상반력을 적절히 제어하는 기술이기 때문에, 발 선단부(22t)가 굴곡이 자유로운 기간이 길어지면 제어성의 저하를 초래할 우려가 있다. 따라서, 도 15에 도시한 바와 같이, 계단을 오를 때에는 발 선단부(22t)의 굴곡각을 유지하는 제1 타이밍(t1)을, 다리부(2)의 이상 시보다 시간적으로 전인 타이밍으로 설정하도록 했다.

구체적으로는, 도시와 같이, 발 선단부로 선 기간의 후반은 목표 발부 자세각을 일정하게 하는 동시에, 발 선단부(22t)의 굴곡각을 유지하도록 하였다. 이것에 의해, 전술한 컴플라이언스 제어가 발 선단부로 선 기간의 후반에 유효하게 작용하게 되어 자세를 안정화시킬 수 있다.

이와 같이, 제1 실시예에 따른 로봇(1)에 있어서는, 발 선단부(22t)의 굴곡각을 그 가동 범위에서 유지 자유로운 굴곡각 유지 기구로서 댐퍼(50)를 구비하는 동시에, 다리부(2)의 이상 시 혹은 그보다 시간적으로 전인 제1 타이밍(t1)으로부터 다리부(2)가 이상한 후의 제2 타이밍(t2)까지의 동안, 발 선단부(22t)의 굴곡각 을 유지하도록 했기 때문에, 다리부(2)의 이상 후에도 이상 시의 굴곡각을 계속 유지할 수 있고, 따라서 이상 직후에 발 선단부(22t)가 상면에 접촉하여 로봇(1)의 자세가 불안정해지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 굴곡각의 유지를 개시하는 제1 타이밍(t1)을 이상 시보다 전인 타이밍으로 설정함으로써, 발 선단부로 서있을 때에도 발 선단부(22t)의 굴곡각을 유지하는(발 선단부(22t)를 록함) 것이 가능하기 때문에, 발 선단부로 서 있을 때의 안정성을 향상시킬 수 있다.

또한, 다리부(2) 이상 중이고 상기 제2 타이밍(t2)보다 후인 제3 타이밍(t3)으로부터 발 선단부로 서기가 개시되는 제4 타이밍(t4)까지, 발 선단부(22t)의 굴곡각을 유지하여 발 선단부(22t)를 초기 위치에 록하도록 했기 때문에, 착상 시 및 바닥 접지 시의 접지 면적을 최대한으로 확보할 수 있다.

또한, 댐퍼(50)가 발 선단부(22t)의 굴곡각 변화를 억제하는 굴곡각 변화 억제 기구로서도 기능하기 때문에, 발 선단부(22t)가 초기 위치에 복귀할 때에 오버 슛이나 진동이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

또한, 발 선단부(22t)가 발부 본체(22m)에 연속하는 동시에, 휘면서 굴곡하는 탄성재로 되도록 했기 때문에, 발부(22)의 구조를 간소화할 수 있다.

실시예 2

다음에, 도 16 및 도 17을 참조하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 레그식 이동 로봇 및 그 제어 장치에 대해 설명한다.

도 16 및 도 17은, 제2 실시예에 따른 레그식 이동 로봇의 발부를 도시한 확대 단면도이다.

이하, 제1 실시예와의 차이점에 초점을 두어 설명하면, 제2 실시예에 따른 발부(222)에 있어서는, 도 16 및 도 17에 도시한 바와 같이, 발부 본체(222m)와 발 선단부(222t)를 분할하고, 피치 축 둘레에 회전 자유로운 회전축(222a)을 통하여 그들을 연결하도록 하였다. 즉, 회전축(222a)을 회동시킴으로써, 발 선단부(222t)를 발부 본체(222m)에 대해 굴곡시키도록 하였다.

또한, 회전축(222a)을 통하여 발부 본체(222m)와 발 선단부(222t)를 연결하도록 했기 때문에, 제1 실시예와 같이 발부에 탄성을 부여할 필요가 없다. 이 때문에, 발부 본체(222m)측의 발부 플레이트(46m)를 용수철 기구체 프레임(381)과 일체적으로 고강성의 금속 재료로 형성하도록 하였다. 마찬가지로, 발 선단부(222t)측의 발부 플레이트(46t)도 고강성의 금속 재료로 형성된다.

한편, 발부가 탄성을 구비하지 않기 때문에, 발 선단부(222t)를 초기 위치로 복귀시키는 방향으로 밀어주는 복원 용수철(222b)을 설치하여 발 선단부(222t)의 초기 위치로의 복귀를 어시스트하도록 하였다. 복원 용수철(222b)은, 구체적으로는 압축 코일 용수철이며, 피스톤 로드(50f)의 로드 헤드에 설치된 플랜지(222c)와 실린더(50a) 사이에 삽입된다.

한편, 잔여의 구성은 제1 실시예와 동일한 것이기 때문에, 설명을 생략한다.

이와 같이, 제2 실시예에 있어서는, 발 선단부(222t)와 발부 본체(222m)를 분할하는 동시에, 회전축(222a)을 통하여 그들을 연결하도록 했기 때문에, 제1 실시예와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 회전축(222a)을 회동시킴으로써 발 선단부(222t)를 굴곡시키도록 했기 때문에, 그 굴곡각의 많고 적음에 상관없이 발 선 단부 서기 기간의 접지 면적을 일정하게 유지할 수 있다. 또한, 복원 용수철(222b)을 설치함으로써, 발 선단부(222t)의 초기 위치로의 복귀를 신속히 행할 수 있다.

실시예 3

다음에, 도 18 내지 도 21을 참조하여, 본 발명의 제3 실시예에 따른 레그식 이동 로봇 및 그 제어 장치에 대해 설명한다.

도 18 및 도 19는, 제3 실시예에 따른 레그식 이동 로봇의 발부를 도시한 모식도이다.

제1 실시예와의 차이점에 초점을 두어 설명하면, 제3 실시예에 따른 발부(223)에 있어서는, 발 선단부(223t)의 굴곡각을 그 가동 범위에서 유지 자유로운 굴곡각 유지 기구로 하여 마찰 브레이크(60)을 구비하는 동시에, 굴곡각 변화를 억제하는 굴곡각 억제 기구로서 댐퍼(500)를 구비하도록 했다.

마찰 브레이크(60)는, 발 선단부(223t)의 전단에 피치 축 둘레에 회동 자유롭게 부착된 샤프트(60a)와, 발부 본체(223m)의 적당 위치에 피치 축 둘레에 회동 자유롭게 부착된 파지 기구(60b)로 이루어진다. 샤프트(60a)는 파지 기구(60b)의 내부에 이동 자유롭게 삽입 관통된다. 파지 기구(60b)는, 도시하지 않는 유압 발생 유닛으로부터 유압이 공급되면, 샤프트(60a)를 둘러싸도록 배치된 브레이크를 샤프트(60a)에 압압되고, 따라서 샤프트(60a)를 파지한다. 이것에 의해, 샤프트(60a)의 이동이 불가능해지고 발 선단부(223t)의 굴곡각이 유지된다.

댐퍼(500)는, 제1 실시예 및 제2 실시예에서 설명한 댐퍼(50)와 마찬가지로, 유체의 유동 저항을 이용한 것이지만, 이하의 점에서 상이하다. 즉, 제3 실시예에 따른 발부(223)에 있어서는, 굴곡각 유지 기구로서 마찰 브레이크(60)를 구비하기 때문에, 댐퍼(50O)에는 이러한 기능은 요구되지 않는다. 따라서, 댐퍼(511)는 전술한 댐퍼(50)에 설치되어 있던 오리피스의 개구 면적을 조절하는 전자 솔레노이드를 구비하지 않는다.

다음에, 제3 실시예에 따른 레그식 이동 로봇의 제어 장치의 동작 중, 발 선단부(223t)의 굴곡각의 유지 및 그 해제 동작에 대해 설명한다.

도 20은, 마찰 브레이크(60)의 유압 제어의 처리를 도시한 블록도이다.

도시와 같이, 제3 실시예에 따른 제어 장치는 셀렉트 스위치(120)를 구비한다. 셀렉트 스위치(120)에는 「LOCK」 및 「FREE」의 2종으로 이루어지는 마찰 브레이크(60)의 제어 모드에 대응한 P_high(고압 지령. 구체적으로는, 굴곡각의 유지 지령) 및 P_zero(유압 공급 정지 지령. 구체적으로는, 굴곡각 유지의 해제 지령)의 두 개의 신호가 입력된다. 그리고, 그 중의 어느 하나를 전술한 소정의 타이밍에서 선택하고, 유압 지령 P_b으로서 유압 발생 유닛에 출력한다.

도 21은, 로봇(1)이 평지를 이동할 때의 마찰 브레이크(60)의 제어 모드 등의 천이를 도시한 타임·차트이다.

도 21 타임·차트에 도시한 바와 같이, 제3 실시예에 따른 발 선단부의 굴곡각의 유지 및 그 해제의 타이밍은, 종전의 실시예의 타이밍(도 14)과 동일하다. 또한, 도시는 생략하지만, 로봇(1)이 계단을 오를 때에도 종전의 실시예(도 15)와 동일한 타이밍에서 발 선단부의 굴곡각의 유지 및 그 해제를 행하면 좋다.

이와 같이, 제3 실시예에 있어서는, 발 선단부(223t)의 굴곡각을 그 가동 범위에서 유지 자유로운 굴곡각 유지 기구로서 마찰 브레이크(60)를 구비하는 동시에, 굴곡각 변화를 억제하는 굴곡각 변화 억제 기구로서 댐퍼(500)를 구비하도록 했기 때문에, 종전의 실시예와 동일한 효과를 얻을 수 있다.

한편, 잔여의 구성은 종전의 실시예와 동일하기 때문에 설명을 생략한다. 또한, 상기의 설명은, 제2 실시예에서 설명한 발부(222)에 있어서, 댐퍼(50) 대신에 마찰 브레이크(60)와 댐퍼(500)를 설치한 경우에도 타당한 것이다.

실시예 4

다음에, 도 22 내지 도 25를 참조하여, 본 발명의 제4 실시예에 따른 레그식 이동 로봇 및 그 제어 장치에 대해 설명한다.

도 22 및 도 23은, 제4 실시예에 따른 레그식 이동 로봇의 발부를 도시한 모식도이다.

도 22 및 도 23에 도시한 바와 같이, 제4 실시예에 따른 발부(224)에 있어서는, 제1 실시예의 발부(22)에 설치된 댐퍼(50)에 대신에 마찰 브레이크(60)를 구비한다.

종전의 실시예와의 차이점에 대해 설명하면, 제4 실시예에 있어서는, 상기한 마찰 브레이크(60)의 마찰력을 조절 자유롭게 하고, 따라서 마찰 브레이크(60)를 발 선단부(224t)의 굴곡각 변화를 억제하는 굴곡각 변화 억제 기구로서도 기능시키도록 하였다.

즉, 마찰 브레이크(60)의 공급 유압을 상기 P_high와 P_zero 사이의 값으로 설정함으로써 샤프트(60a)의 이동을 억제하고, 따라서 발 선단부(224t)의 굴곡각의 변화를 억제하도록 하였다.

이하, 제4 실시예에 따른 레그식 이동 로봇의 제어 장치의 동작 중, 발 선단부(224t)의 굴곡각의 유지 및 그 해제 동작에 대해 설명한다.

도 24는, 마찰 브레이크(60)의 유압 제어의 처리를 도시한 블록도이다.

도시와 같이, 제4 실시예에 따른 제어 장치는 셀렉트 스위치(122)를 구비한다. 셀렉트 스위치(122)에는, 「LOCK」, 「SEMIFREE」 및 「FREE」의 3종으로 이루어지는 마찰 브레이크(60)의 제어 모드에 대응한 P_high(고압 지령. 구체적으로는, 굴곡각의 유지 지령), P_low(저압 지령. 구체적으로는, 굴곡각 변화의 억제 지령) 및 P_zero(유압 공급 정지 지령. 구체적으로는, 굴곡각 유지의 해제 지령)의 3개의 신호가 입력된다. 그리고, 그 중의 어느 하나를 전술한 소정의 타이밍에서 선택하고, 유압 지령 P_b으로서 유압 발생 유닛에 출력한다.

도 25는, 제4 실시예에 따른 마찰 브레이크(60)의 제어 모드 등의 천이를 도시한 타임 차트이다.

도 25 타임·차트에 도시한 바와 같이, 제4 실시예에 있어서는 제2 타이밍(t2)으로부터 제3 타이밍(t3)까지의 동안, 마찰 브레이크(60)의 제어 모드로서 「SEMIFREE」를 선택하고, 발 선단부(224t)의 굴곡각의 변화를 억제하도록 하였다. 즉, 제2 타이밍(t2)에서 발 선단부(224t)의 굴곡각의 유지를 해제하는 동시에, 마찰 브레이크(60)의 마찰력을 이용하여 굴곡각을 점차 감소시키고, 초기 위치에 서서히 복귀시키도록 하였다. 이로써, 발 선단부(224t)가 초기 위치에 복귀할 때의 오버 슛이나 진동의 발생을 방지할 수 있다.

한편, 도 25는 로봇(1)이 평지를 이동할 때의 타임·차트이며, 계단을 오를 때에는, 종전의 실시예와 마찬가지로 제1 타이밍(t1)을 다리부의 이상 시보다 전인 타이밍으로 설정하면 좋다. 또한, 잔여의 구성은 종전의 실시예와 동일하기 때문에 설명을 생략한다.

또한, 상기의 설명은, 제2 실시예에서 설명한 발부(222)에 있어서, 댐퍼(50) 대신에 마찰 브레이크(60)를 설치한 경우에도 타당하다.

실시예 5

다음에, 도 26 내지 도 29를 참조하여, 본 발명의 제5 실시예에 따른 레그식 이동 로봇 및 그 제어 장치에 대해 설명한다.

도 26 및 도 27은, 제5 실시예에 따른 레그식 이동 로봇의 발부를 도시한 확대 단면도이다.

도 26 및 도 27에 도시한 바와 같이, 제5 실시예에 있어서는, 제1 실시예에 따른 발부(22)에 설치된 댐퍼(50)의 내부에, 피스톤 로드(50f)의 변위(스트로크량)를 검출하는 스트로크 센서(22s)(리니어 인코더나 포텐셔미터 등)를 설치하도록 하였다. 한편, 스트로크 센서(22s)의 검출값은, 상기한 제어 유닛(26)의 RAM(64)에 입력된다.

피스톤 로드(50f)의 스트로크량은, 도시와 같이 발 선단부(22t)의 굴곡각에 따라 변화한다. 즉, 피스톤 로드(50f)의 스트로크량을 검출하는 것은, 발 선단부(22t)의 굴곡각을 검출하는 것에 상당한다. 이하, 스트로크 센서(22s)의 검출값을 발 선단부(22t)의 굴곡각의 검출값으로서 취급한다.

다음에, 제5 실시예에 따른 레그식 이동 로봇의 제어 장치에 대해 설명한다.

제5 실시예에 있어서는, 전술한 제1 타이밍(t1)과 제3 타이밍(t3)을, 발 선단부(22t)의 굴곡각의 검출값에 의거하여 결정하도록 하였다.

구체적으로는, 제4 타이밍(t4)에서 발 선단부(22t)의 굴곡각의 유지를 해제한 후, 굴곡각의 검출값이 소정값에 이르렀을 때를 제1 타이밍(t1)이라 결정하고 굴곡각을 유지한다. 또한, 제2 타이밍(t2)에서 발 선단부(22t)의 굴곡각의 유지를 해제한 후, 굴곡각의 검출값이 영에 이르렀을 때를 제3 타이밍(t3)이라 결정하고 굴곡각을 재차 유지한다.

한편, 잔여의 구성은 종전의 실시예와 동일하기 때문에 설명을 생략한다.

이와 같이, 제5 실시예에 있어서는, 발 선단부(22t)의 굴곡각을 검출하는 센서를 설치하고, 검출값에 의거하여 굴곡각의 유지를 개시하는 제1 및 제3 타이밍(t1, t3)을 결정하도록 했기 때문에, 종전의 실시예에서 설명한 효과에 더하여 발 선단부(22t)의 굴곡각의 유지 동작을 보다 적절한 타이밍에서 실행할 수 있다.

한편, 상기의 설명은, 도 28 및 도 29에 도시한 바와 같이, 제2 실시예에 따른 발부(222)에 회전축(222a)의 회전각을 검출하는 회전각 센서(222s)(로터리 인코더나 회전식 포텐셔미터 등)를 설치하고, 따라서 발 선단부(222t)의 굴곡각을 검출하도록 한 경우에도 타당한 것이다. 또한, 제3 실시예 및 제4 실시예에서 설명한 각 발부에 상기 각 센서를 설치한 경우에도 마찬가지로 타당하다.

실시예 6

다음에, 도 30 내지 도 32를 참조하여, 본 발명의 제6 실시예에 따른 레그식 이동 로봇 및 그 제어 장치에 대해 설명한다. 한편, 이하의 설명에서는, 제4 실시예에서 설명한 발부(224)를 구비하는 레그식 이동 로봇을 전제로 한다.

제6 실시예에 있어서는, 발 선단부로 서는 기간, 마찰 브레이크(60)를 동작시켜 상반력 모멘트를 제어하도록 하였다.

종전의 실시예와의 주된 차이점은, 전술한 발부 보상각 결정부(114c~114f)의 연산 처리와 굴곡각 변화 억제 기구의 동작에 있기 때문에, 이하, 그 점에 초점을 두어 설명한다.

도 30은, 제6 실시예에 따른 마찰 브레이크(60)의 제어 모드 등의 천이를 도시한 타임 차트이다.

도 30에 도시한 바와 같이, 이 실시예에 따른 마찰 브레이크(60)의 제어 모드는 「LOCK」, 「CNTRL」 및 「SEMIFREE」의 3종으로 이루어진다. 또한, 컴플라이언스 제어 모드(후술)는, 「HOLD」, 「CNTRL」 및 「RET」의 3종으로 이루어진다.

도 31은, 제6 실시예에 따른 레그식 이동 로봇의 제어 장치 중, 발부 보상각 결정부의 연산 처리를 도시한 블록도이다. 한편, 제1 발부 X보상각(θ1x), 제1 발부 Y보상각(θ1y), 제2 발부 X보상각(θ2x), 제2 발부 Y보상각(θ2y)의 모두 동일한 알고리즘으로 구해지기 때문에, 하기에서는 다리부의 일련 번호(n : 1, 2)나 X, Y의 기재는 생략한다.

도 31에 도시한 처리에서 특징적인 것은, 셀렉트 스위치(130)를 구비하고, 컴플라이언스 제어 모드에 따라 적분기(132)의 입력이 변환되는 것이다.

최초로, 컴플라이언스 제어 모드로서 「CNTRL」가 선택되어 있을 때(셀렉트 스위치(130)가 CNTRL측에 접속되어 있을 때)의 처리에 대해 설명하면, 먼저, 실 발부 상반력 모멘트(Mact)를 발진 방지용 로 패스 필터(134)에 통과하여 Mactfilt를 얻는다. 또한, 발부 보상 모멘트(Mdmd)를 보상 필터(136)에 통과하고, 그것을 Mactfilt로부터 줄여 편차 모멘트(Mdiff)를 얻는다. 보상 필터(136)는 도 12에 도시한 보상 필터와 마찬가지로, 발부 보상 모멘트(Mdmd)로부터 실 전상반력까지의 전달 함수의 주파수 응답 특성을 개선하는 것이다.

그리고, 편차 모멘트(Mdiff)에 K_cmpl(제어 게인)을 곱하는 것에 의해서 컴플라이언스 제어 보상 요구각(θcmpl_dmd)을 구하고, 그것을 미분기(138)에서 미분 한 후, 다시 적분기(132)에서 적분하여 컴플라이언스 제어 보상각(θcmpl)을 얻는다.

다음에, 도 12에서 도시한 처리와 마찬가지로 발부 기구 변형 보상각(θff)을 구하고, 그것을 컴플라이언스 제어 보상각(θcmp1)에 가산하여 발부 보상각(θ)을 얻는다.

한편, 적분기(132)의 값은, 「CNTRL」모드가 되기 전에 다음에 설명하는 「RET」모드에서 거의 영이 되어 있기 때문에, 컴플라이언스 제어 보상각(θcmpl)은 컴플라이언스 제어 보상 요구각(θcmpl_dmd)에 거의 일치한다.

다음에, 컴플라이언스 제어 모드로서 「RET」가 선택되고 있을 때의 처리에 대해 설명한다. 컴플라이언스 제어 모드로서 「RET」가 선택되면, 셀렉트 스위치 (130)가 RET측에 접속되고, 적분기(132)에는 컴플라이언스 제어 보상각(θcmpl)에 -K_ret를 곱한 값이 입력된다. 이것에 의해, 컴플라이언스 제어 보상각(θcmpl)의 변화율이 -K_ret*θcmpl가 된다. 즉, 컴플라이언스 제어 보상각(θcmpl)은 시정수 1/K_ret의 1차 지연계의 스텝 응답으로 서서히 영으로 돌아온다.

한편, 컴플라이언스 제어 모드로서 「HOLD」가 선택되면, 셀렉트 스위치(130)가 HOLD측에 접속되어 적분기(132)에 영이 입력된다. 즉, 컴플라이언스 제어 보상각(θcmpl)으로서 지금까지의 값이 유지된다.

다음에, 제6 실시예에 따른 마찰 브레이크(60)의 유압 제어에 대해 설명한다. 도 32는, 그 제어의 처리를 도시한 블록도이다.

도 32에 대해 설명하면, 먼저, 실 발부 상반력 모멘트(Mact)를 발진 방지용의 로 패스 필터(140)에 통과하여 Mactfilt를 얻는다. 또한, 발부 보상 모멘트(Mdmd)를 주파수 응답 특성 개선용 보상 필터(142)에 통과시키고, 그것을 Mactfilt로부터 줄여 편차 모멘트(Mdiff)를 얻는다.

다음에, 편차 모멘트(Mdiff)에 K_b(제어 게인)을 곱하는 것에 의해서 요구압 P_dmd를 구하고, 거기에 오프셋압 P_offset을 가산하여 얻은 값을 유압 지령 P_b로서 유압 발생 유닛에 출력한다.

한편, 상기는 마찰 브레이크 제어 모드로서 도시와 같이「CNTRL」가 선택되고 있어 셀렉트 스위치(144)가 CNTRL측에 접속되어 있을 때의 처리이며, 「LOCK」또는 「SEMIFREE」가 선택되고 있을 때에는, 제4 실시예와 마찬가지로 셀렉트 스위치(144)를 통하여 P_high(굴곡각 유지 지령) 또는 P_low(굴곡각 유지 해제 지령)가 유압 지령 P-b로서 유압 발생 유닛에 출력된다.

상기를 전제로 도 30 타임·차트에 대해 설명하면, 컴플라이언스 제어 모드는, 제4 타이밍(t4)으로부터 이상 후의 제5 타이밍(t5)까지의 동안,「HOLD」가 선택된다. 또한, 제5 타이밍(t5)으로부터 다리부(2)의 착상 전의 제6 타이밍(t6)까지의 동안(즉, 이상 중의 일정 기간)은 「RET」가 선택된다. 또한, 제6 타이밍(t6)으로부터 다음 번의 제4 타이밍(t4)까지의 동안(즉, 다리부(2)의 착상 전부터 접지 종료(발 선단부 서기 개시)까지의 동안)은 「CNTRL」가 선택된다.

구체적으로 설명하면, 다리부(2)가 착상하기 전의 제6 타이밍(t6) 으로부터 바닥 접지가 종료하는 제4 타이밍(t4)까지의 동안에는 통상의 컴플라이언스 제어를 행한다. 한편, 로봇(1)이 발 선단부 서기를 개시하는 제4 타이밍(t4)으로부터 다리부(2)가 이상한 후인 제5 타이밍(t5)까지의 동안(즉, 적어도 발 선단부 서기 기간을 포함한 기간)은 바닥 접지 종료시의 컴플라이언스 제어 보상각(θcmpl)을 유지한다. 그리고, 제5 타이밍(t5)으로부터 다음 번의 제6 타이밍(t6)까지의 이상 기간 중에 컴플라이언스 제어 보상각(θcmpl)을 영으로 되돌려 다음 번의 컴플라이언스 제어에 대비한다.

여기에서, 특징적인 것은 제4 타이밍(t4)으로부터 다음 번의 제1 타이밍(t1)까지의 동안(즉, 발 선단부 서기 기간), 마찰 브레이크(60)의 제어 모드가 「CNTRL」로 설정되는 것에 있다. 즉, 이 기간은 통상의 컴플라이언스 제어 대신에 마찰 브레이크(60)에 공급되는 유압을 제어함으로써 그 마찰력을 조절하고, 따라서 발 선단부(224t)의 굴곡각을 조절하여 상반력 모멘트를 제어하도록 하였다. 이것에 의해, 발 선단부 서기 기간의 자세의 안정성을 보다 향상시킬 수 있다.

한편, 잔여의 구성은 종전의 실시예와 동일하기 때문에 설명을 생략한다. 단, 제6 실시예는 발 선단부 서기 기간에 발 선단부(224t)의 굴곡각을 조절하여 상반력 모멘트를 제어하도록 구성하고 있으므로, 종전의 실시예와 같이 로봇(1)이 평지를 이동할 때와 계단을 오를 때에 반드시 제1 타이밍(t1)을 다르게 할 필요는 없다.

또한, 제6 실시예는 제4 실시예에 따른 레그식 이동 로봇을 전제로 해서 설명했지만, 발부에 마찰 브레이크(60)를 구비하고 있으면, 다른 실시예에 따른 레그식 이동 로봇에게도 적용할 수 있다.

실시예 7

다음에, 도 33 및 도 34를 참조하여, 본 발명의 제7 실시예에 따른 레그식 이동 로봇 및 그 제어 장치에 대해 설명한다. 한편, 이하의 설명에서는, 제1 실시예에서 설명한 발부(22)를 구비하는 레그식 이동 로봇을 전제로 한다.

댐퍼(50)의 덤핑 특성(즉, 댐퍼(50)가 발생하는 저항의 크기. 환언하면, 굴곡각 변화의 억제력)은 전자 솔레노이드(50e)를 구동하여 오리피스(50d)의 개구 면적을 변화시킴으로써 조절 자유롭다. 따라서, 제7 실시예에 있어서는, 발 선단부 서기 기간, 댐퍼(50)의 덤핑 특성을 조절함으로써 발 선단부(22t)의 굴곡각을 조절하고, 따라서 상반력 모멘트를 제어하도록 하였다.

도 33은, 제7 실시예에 따른 댐퍼(50)의 제어 모드 등의 천이를 도시한 타임 차트이다.

도 33에 도시한 바와 같이, 이 실시예에 따른 댐퍼 제어 모드는 「CLOSE」, 「CNTRL」 및 「OPEN」의 3종으로 이루어진다. 또한, 컴플라이언스 제어 모드는, 제6 실시예와 마찬가지로 「HOLD」, 「CNTRL」 및 「RET」의 3종으로 이루어진다.

이하, 제6 실시예와의 차이점에 대해 설명한다. 도 34는, 제7 실시예에 따른 댐퍼(50)의 조임량 제어의 처리를 도시한 블록도이다.

도 34에 도시한 바와 같이, 먼저, 실 발부 상반력 모멘트(Mact)를 발진 방지용 로 패스 필터(150)에 통과시켜 Mactfilt를 얻는다. 또한, 발부 보상 모멘트(Mdmd)를 주파수 응답 특성 개선용 보상 필터(152)에 통과시키고, 그것을 Mactfilt로부터 줄여 편차 모멘트(Mdiff)를 얻는다.

다음에, 편차 모멘트(Mdiff)에 K_d(제어 게인)를 곱하는 것에 의해서 요구 댐퍼 조임량(Rd_dmd)을 구하고, 거기에 오프셋 조임량(Rd_offset)을 가산하여 얻은 값을 댐퍼 조임량 지령(R_d)으로서 댐퍼(50)에 출력한다.

한편, 상기는 댐퍼 제어 모드로서 도시와 같이 「CNTRL」가 선택되어 있을(셀렉트 스위치(154)가 CNTRL측에 접속되어 있을) 때의 처리이며, 「CLOSE」또는 「OPEN」이 선택되어 있을 때에는, 제1 실시예와 마찬가지로, 셀렉트 스위치(154)를 통하여 Rd_close(굴곡각 유지 지령) 또는 Rd_open(굴곡각 유지 해제 지령)이 댐퍼 조임량 지령(L_d)으로서 댐퍼(50)에 출력된다.

또한, 설명은 생략하지만, 제7 실시예에 있어서도 전술한 제6 실시예의 도 31과 마찬가지의 발부 보상각 결정부의 연산 처리가 행해진다.

상기를 전제로 도 33 타임·차트에 대해 설명하면, 도시와 같이, 제4 타이밍 (t4)으로부터 다음 번의 제1 타이밍(t1)까지의 사이(즉, 발 선단부 서기 기간), 댐퍼(50)의 제어 모드가 「CNTRL」로 설정된다. 또한, 컴플라이언스 제어 모드는, 발 선단부 서기 기간을 포함한 제4 타이밍(t4)으로부터 제5 타이밍(t5)까지의 사이, 「HOLD」로 설정된다. 즉, 발 선단부 서기 기간은, 통상의 컴플라이언스 제어 대신에 전자 솔레노이드(50e)를 구동함으로써 오리피스(50d)의 개구 면적을 변화시켜 댐퍼(50)의 덤핑 특성을 조절하고, 따라서 발 선단부(22t)의 굴곡각을 조절하여 상반력 모멘트를 제어하도록 하였다. 이것에 의해, 제6 실시예와 마찬가지로 발 선단부 서기 기간의 자세의 안정성을 보다 향상시킬 수 있다.

한편, 잔여의 구성은 종전의 실시예와 동일하기 때문에, 설명을 생략한다. 단, 제7 실시예도 제6 실시예와 마찬가지로 발 선단부 서기 기간에 발 선단부의 굴곡각을 조절하여 상반력 모멘트를 제어하도록 구성하였기 때문에, 로봇(1)이 평지를 이동할 때와 계단을 오를 때에 반드시 제1 타이밍(t1)을 다르게 할 필요는 없다.

또한, 제7 실시예는 제1 실시예에 따른 레그식 이동 로봇을 전제로 하여 설명했지만, 발부에 댐퍼(50)를 구비하고 있으면, 다른 실시예에 따른 레그식 이동 로봇에도 적용할 수 있다.

실시예 8

다음에, 도 35 및 도 36을 참조하여, 본 발명의 제8 실시예에 따른 레그식 이동 로봇 및 그 제어 장치에 대해 설명한다. 한편, 이하의 설명에서는, 제3 실시예에서 설명한 발부(223)를 구비하는 레그식 이동 로봇을 전제로 한다.

전술한 바와 같이, 댐퍼(500)는 유체의 유동 저항을 이용하고 있다. 유체의 유동 저항은 그 유속에 의존하고, 댐퍼(500) 내의 유체의 유속은 발 선단부(223t)의 굴곡각 속도에 의존한다. 즉, 댐퍼(500)는 발 선단부(223t)의 굴곡각 속도에 대해 설정된 소정의 저항 특성을 가지고, 그 저항 특성에 따라 발 선단부(223t)의 굴곡각 변화를 억제하고 있다고 할 수 있다. 따라서, 제8 실시예에 있어서는, 발부(223)의 위치 자세를 조작하여 발 선단부(223t)의 굴곡각 속도를 조절함으로써 댐퍼(500)가 발생하는 저항의 크기를 변화시키고, 따라서 상반력 모멘트를 제어하도록 하였다.

도 35는, 제8 실시예에 따른 댐퍼(500)의 제어 모드 등의 천이를 도시한 타임 차트이다.

도 35에 도시한 바와 같이, 굴곡각 속도 제어 모드(후술)는 「HOLD」, 「CNTRL」 및 「RET」의 3종으로 이루어진다.

도 36은, 제8 실시예에 따른 레그식 이동 로봇의 제어 장치 중, 발부 보상각 결정부의 연산 처리를 도시한 블록도이다. 한편, 제6 실시예와 동일한 이유로부터, 하기에서는 다리부의 일련 번호(n:1, 2)나 X, Y의 기재는 생략한다.

도 36에 도시한 바와 같이, 제8 실시예에 있어서는 셀렉트 스위치(160)를 구비하고, 굴곡각 속도 제어 모드에 따라 적분기(162)로의 입력을 전환하도록 하였다.

최초로, 굴곡각 속도 제어 모드로서 「CNTRL」이 선택되고 있을 때(셀렉트 스위치(160)가 CNTRL측에 접속되어 있을 때)의 처리에 대해 설명하면, 우선, 실 발 부 상반력 모멘트(Mact)를 발진 방지용 로 패스 필터(164)에 통과시켜 Mactfilt를 얻는다. 또한, 발부 보상 모멘트(Mdmd)를 주파수 응답 특성 개선용 보상 필터(166)에 통과시키고, 그것을 Mactfilt로부터 줄여 편차 모멘트(Mdiff)를 얻는다.

그리고, 편차 모멘트(Mdiff)에 D_cntrl(제어 게인)을 곱하여 얻은 값을 적분기(162)에서 적분하여 댐퍼 제어 보상각(θdcntrl)을 구한다. 또한, 편차 모멘트(Mdiff)에 K_cmpl(제어 게인)을 곱하여 상기한 컴플라이언스 제어 보상각(θcmpl)을 얻는다.

마지막으로, 댐퍼 제어 보상각(θdcntrl)과 컴플라이언스 제어 보상각(θcmpl)을 가산하여 얻은 값에, 다시 제6 실시예와 동일하게 하여 구한 발부 기구 변형 보상각(θff)을 가산함으로써 발부 보상각(θ)을 얻는다. 이 발부 보상각(θ)에 의거하여 로봇(1)의 관절 변위를 조작하여 발부(223)의 위치 자세를 조작함으로써, 발부(223)의 바닥에 대한 각속도, 즉, 발 선단부(223t)의 굴곡각 속도를 조절하여 댐퍼(500)가 발생하는 저항의 크기를 변화시키고, 따라서 상반력 모멘트를 제어한다. 한편, 관절 변위의 조작 대신에 로봇(1)의 보용 그 자체를 조작함으로써 발부(223)의 위치 자세를 조작하도록 해도 좋다.

다음에, 굴곡각 속도 제어 모드로서 「RET」가 선택되어 있을 때의 처리에 대해 설명한다. 굴곡각 속도 제어 모드로서 「RET」가 선택되면, 셀렉트 스위치(160)가 RET측에 접속되고, 적분기(162)에는 댐퍼 제어 보상각(θdcntrl)에 -K_ret를 곱한 값이 입력된다. 이것에 의해, 댐퍼 제어 보상각(θdcntrl)의 변화율이 -K_ret*θdcntrl이 된다. 즉, 댐퍼 제어 보상각(θdcntrl)은 시정수(1/K_tet)의 1 차 지연계의 스텝 응답으로 서서히 영으로 돌아온다.

한편, 굴곡각 속도 제어 모드로서 「HOLD」가 선택되면, 셀렉트 스위치(160)가 HOLD측에 접속되고, 적분기(162)에 영이 입력된다. 즉, 댐퍼 제어 보상각(θdcnttl)으로서 지금까지의 값이 유지된다.

한편, 마찰 브레이크(60)의 유압 제어에 관해서는, 제3 실시예의 유압 제어(도 20)와 동일하기 때문에 설명을 생략한다.

상기를 전제로 도 35 타임·차트에 대해 설명하면, 굴곡각 속도 제어 모드는, 제4 타이밍(t4)로부터 다음 번의 제1 타이밍(t1)까지의 동안(즉, 발 선단부로 선 기간), 「CNTRL」이 선택된다. 또한, 제1 타이밍(t1)으로부터 이상 중인 제7 타이밍(t7)까지의 동안, 「HOLD」가 선택된다. 또한, 제7 타이밍(t7)으로부터 제4 타이밍(t4)까지의 사이(즉, 다리부(2)의 착상 전으로부터 바닥 접지 종료(발 선단부로 서기 개시)까지의 사이),「RET」가 선택된다.

굴곡각 속도 제어 모드로서 「CNTRL」이 선택되는 발 선단부 서기 기간은, 마찰 브레이크 제어 모드는 「FREE」가 선택되어 있고, 발 선단부(223t)는 굴곡 자유롭게 된다. 즉, 이 기간은 발부(223)의 위치 자세를 변화시켜 발 선단부(223t)의 굴곡각 속도를 조절함으로써, 댐퍼(500)가 발생하는 저항의 크기를 조작하고, 따라서 상반력 모멘트가 제어하도록 하였다. 이것에 의해, 발 선단부 서기 기간의 자세의 안정성을 보다 향상시킬 수 있다.

한편, 잔여의 구성은 종전의 실시예와 동일하기 때문에 설명을 생략한다. 단, 제8 실시예도 제6 실시예와 마찬가지로 발 선단부 서기 기간에 발 선단부의 굴 곡각을 조절하여 상반력 모멘트를 제어하도록 구성하고 있기 때문에, 로봇(1)이 평지를 이동할 때와 계단을 오를 때에 제1 타이밍(t1)을 반드시 다르게 할 필요는 없다.

또, 제8 실시예는 제3 실시예에 따른 레그식 이동 로봇을 전제로 하여 설명했지만, 발부에 댐퍼(50)(전자 솔레노이드 부착의 댐퍼)를 구비한 다른 실시예에 따른 레그식 이동 로봇에도 적용할 수 있다.

실시예 9

다음에, 도 37을 참조하여 본 발명의 제9 실시예에 따른 레그식 이동 로봇 및 그 제어 장치에 대해 설명한다.

제9 실시예는, 발 선단부의 굴곡각을 검출하는 센서를 구비한 제5 실시예에 따른 레그식 이동 로봇에, 본 출원인이 앞서 제안한 일본 공개특허공보 제2000-147948호에 기재되는 기술(바닥 형상을 추정하는 기술)과 제6 실시예에서 설명한 제어를 적용한 것이다.

도 37은, 제9 실시예에 따른 레그식 이동 로봇의 제어 장치 중, 발부 보상각 결정부의 연산 처리를 도시한 블록도이다. 한편, 제6 실시예와 동일한 이유로부터, 하기에서는 다리부의 일련 번호(n : 1, 2)나 X, Y의 기재는 생략한다.

도 37에 도시한 바와 같이, 제9 실시예에 있어서는 제6 실시예에서 설명한 발부 보상각 결정부의 구성(제6 실시예와 동일 부호를 붙여 나타냄)에, 바닥 형상 추정기(170)가 부가된다.

이하, 도 37에 도시한 처리에 대해 설명하면, 제6 실시예와 동일한 처리에 의해서 산출된 컴플라이언스 제어 보상각(θcmpl)과 발부 기구 변형 보상각(θff)의 합에, 다시 바닥 형상 추정기(170)로부터 출력된 추정 발부 바닥 경사 편차(θfestm)를 가산하여 발부 보상각(θ)을 구한다.

바닥 형상 추정기(170)에는, 상기와 같이 하여 구한 발부 보상각(θ) 외, 실 발부 상반력(Fact, Mact)이나 상체 경사각 편차(θerr), 스트로크 센서(22s) 혹은 회전각 센서(222s)에서 검출한 발 선단부(22t)의 굴곡각 등이 입력된다. 바닥 형상 추정기(170)는 그들에 의거하여 바닥 형상 추정값(구체적으로는, 상기 추정 발부 바닥 경사 편차(θfestm)와 제1 실시예에서 설명한 양 레그 보상각(θdbv)의 산출에 이용되어야 할 추정 양 레그간 바닥 경사 편차(θfdbestmv))를 산출하여 출력한다. 한편, 바닥 형상 추정기(170)의 동작에 대해는, 상기한 일본 공개특허공보 제2000-147948호에 상세하기 때문에 설명을 생략한다.

이와 같이, 제9 실시예에 있어서는, 발 선단부의 굴곡각 등에 의거하여 바닥 형상 추정값을 산출하고, 그 값을 발부 보상각(θ)(및 양 레그 보상각(θdbv))의 산출에 이용하는 파라미터로서 추가하도록 하였다. 보다 개략적으로는, 로봇(1)이 보행하는 바닥의 형상을 추정하는 동시에, 추정된 바닥 형상 등에 의거하여 굴곡각 변화 억제 기구를 동작시키고, 상반력 모멘트를 제어하도록 하였다. 이것에 의해, 발 선단부 서기 기간의 안정성을 보다 더 향상시킬 수 있다. 또한, 통상의 컴플라이언스 제어도 보다 정밀하게 행할 수 있다.

한편, 제9 실시예에서는 제6 실시예에서 설명한 발부 보상각 결정부에 바닥 형상 추정기(170)를 부가하도록 하였지만, 다른 실시예에서 설명한 발부 보상각 결 정부에 부가해도 좋다.

이상과 같이, 본 발명의 제1 내지 제9 실시예에 있어서는, 상체(24)와, 상단이 상기 상체에 연결되는 한편, 하단에 발부(22, 222, 223, 224)가 연결되는 다리부(2R, 2L)를 구비하고, 상기 다리부를 구동하여 이동하는 레그식 이동 로봇(1)에 있어서, 상기 발부가 상기 다리부에 연결되는 발부 본체(22m, 222m, 223m, 224m)와, 상기 발부 본체의 전단에 설치되고, 상기 발부 본체에 대해 굴곡이 자유로운 발 선단부(22t, 222t, 223t, 224t)로 이루어지는 동시에, 상기 발 선단부의 굴곡각(θt)을 상기 발 선단부의 가동 범위에서 유지 자유로운 굴곡각 유지 기구(댐퍼(50), 마찰 브레이크(60))를 구비하도록 구성하였다.

또한, 상기 발 선단부의 굴곡각 변화를 억제하는 굴곡각 변화 억제 기구(댐퍼(50), 댐퍼(500), 마찰 브레이크(60))를 구비하도록 구성하였다.

또한, 제1 실시예 및 제3 내지 제9 실시예에 있어서는, 상기 발 선단부(22t, 223t, 224t)가 상기 발부 본체(22m, 223m, 224m)에 연속하는 동시에, 휘면서 굴곡하는 탄성재로 이루어지도록 구성하였다.

또한, 제2 내지 제9 실시예에 있어서는, 상기 발 선단부(222t, 223t, 224t)가, 피치 축 둘레에 회전 자유로운 회전축(222a)을 통하여 상기 발부 본체(222m, 223m, 224m)의 전단에 연결되도록 구성하였다.

또한, 제2 내지 제9 실시예에 있어서는, 상기 발 선단부를 초기 위치에 복귀시키는 방향으로 밀어주는 밀음 수단(복원 용수철(222b))을 구비하도록 구성하였다.

또한, 제3 내지 제6 실시예 및 제8 실시예 내지 제9 실시예에 있어서는, 상기 굴곡각 유지 기구가 마찰 브레이크(60)로 이루어지도록 구성하였다.

또한, 제1, 2, 3, 5, 7, 8, 9 실시예에 있어서는, 상기 굴곡각 변화 억제 기구가 댐퍼(50, 500)로 이루어지도록 구성하였다.

또한, 제4, 6, 9 실시예에 있어서는, 상기 굴곡각 유지 기구 및 상기 굴곡각 변화 억제 기구가 마찰력이 조절 자유로운 마찰 브레이크(60)로 이루어지도록 구성하였다.

또한, 제1, 2, 5, 7, 9 실시예에 있어서는, 상기 굴곡각 유지 기구 및 상기 굴곡각 변화 억제 기구가 댐퍼(50)로 이루어지도록 구성하였다.

또한, 제1 내지 제9 실시예에 있어서는, 상체(24)와, 상단이 상기 상체에 연결되는 한편, 하단에 발부(22, 222, 223, 224)가 연결되는 다리부(2R, 2L)를 구비하고, 상기 다리부를 구동하여 이동하는 동시에, 상기 발부가 상기 다리부에 연결되는 발부 본체와, 상기 발부 본체(22m, 222m, 223m, 224m)의 전단에 설치되고, 상기 발부 본체에 대해 굴곡이 자유로운 발 선단부(22t, 222t, 223t, 224t)로 이루어지는 레그식 이동 로봇의 제어 장치에 있어서, 상기 발 선단부의 굴곡각(θt)을 상기 발 선단부의 가동 범위에서 유지 자유로운 굴곡각 유지 기구(댐퍼(50), 마찰 브레이크(60))와, 상기 굴곡각 유지 기구를 동작시켜 상기 발 선단부의 굴곡각의 유지와 그 해제를 제어하는 굴곡각 제어 수단(제어 유닛(26))을 구비하는 동시에, 상기 굴곡각 제어 수단은 상기 다리부의 이상 시 혹은 그 보다 전인 제1 타이밍(t1)에 상기 발 선단부의 굴곡각을 유지한 후, 상기 다리부가 이상한 후의 제2 타이밍 (t2)에 상기 발 선단부의 굴곡각의 유지를 해제하여 상기 발 선단부를 초기 위치에 복귀시키도록 구성하였다.

또한, 제1 내지 제4 실시예 및 제6 내지 제9 실시예에 있어서는, 상기 레그식 이동 로봇의 보용을 생성하는 보용 생성 수단(보용 생성기(100))을 구비하는 동시에, 상기 굴곡각 제어 수단은 상기 생성된 보용에 의거하여 상기 제1 및 제2 타이밍을 결정하도록 구성하였다.

또한, 제5 내지 제9 실시예에 있어서는, 상기 발 선단부(22t, 222t)의 굴곡각을 검출하는 굴곡각 검출 수단(스트로크 센서(22s), 회전각 센서(222s))과, 상기 레그식 이동 로봇의 보용을 생성하는 보용 생성 수단(보용 생성기(100))을 구비하는 동시에, 상기 굴곡각 제어 수단은 상기 검출된 굴곡각에 의거하여 상기 제1 타이밍을 결정하는 한편, 상기 생성된 보용에 의거하여 상기 제2 타이밍을 결정하도록 구성하였다.

또한, 제1 내지 제9 실시예에 있어서는, 상기 굴곡각 제어 수단은 또한 상기 다리부의 이상 중으로서 상기 제2 타이밍보다 후인 제3 타이밍(t3)에서 상기 발 선단부의 굴곡각을 유지한 후, 상기 다리부의 착상 후로서 다음 번의 상기 제1 타이밍보다 전인 제4 타이밍(t4)에서 상기 발 선단부의 굴곡각의 유지를 해제하도록 구성하였다.

또한, 제1 내지 제4 실시예 및 제6 내지 제9 실시예에 있어서는, 상기 레그식 이동 로봇의 보용을 생성하는 보용 생성 수단(보용 생성기(100))을 구비하는 동시에, 상기 굴곡각 제어 수단은 상기 생성된 보용에 의거하여 상기 제1 내지 제4 타이밍을 결정하도록 구성하였다.

또한, 제5 내지 제9 실시예에 있어서는, 상기 발 선단부(22t, 222t)의 굴곡각을 검출하는 굴곡각 검출 수단(스트로크 센서(22s), 회전각 센서(222s))과, 상기 레그식 이동 로봇의 보용을 생성하는 보용 생성 수단(보용 생성기(100))을 구비하는 동시에, 상기 굴곡각 제어 수단은 상기 검출된 굴곡각에 의거하여 상기 제1 및 제3 타이밍을 결정하는 한편, 상기 생성된 보용에 의거하여 상기 제2 및 제4 타이밍을 결정하도록 구성하였다.

또한, 제4 실시예에 있어서는, 상기 발 선단부(224t)의 굴곡각 변화를 억제하는 굴곡각 변화 억제 기구(마찰 브레이크(60))를 구비하는 동시에, 상기 굴곡각 제어 수단은, 상기 제2 타이밍에서 상기 발 선단부의 굴곡각의 유지를 해제하는 동시에, 상기 굴곡각 변화 억제 기구를 동작시켜 상기 굴곡각을 점차 감소시키고 상기 발 선단부를 서서히 초기 위치에 복귀시키도록 구성하였다.

또한, 제6, 7, 9 실시예에 있어서는, 상기 발 선단부의 굴곡각 변화를 억제하는 굴곡각 변화 억제 기구(댐퍼(50), 마찰 브레이크(60))를 구비하는 동시에, 상기 굴곡각 제어 수단은, 상기 제4 타이밍으로부터 다음 번의 상기 제1 타이밍까지의 동안, 상기 굴곡각 변화 억제 기구를 동작시켜 상기 발부를 통해 작용하는 상반력(상반력 모멘트)을 제어하도록 구성하였다.

또한, 제8 실시예에 있어서는, 상기 발 선단부의 굴곡각 변화를, 그 굴곡각 속도에 대해 설정된 소정의 저항 특성에 따라서 억제하는 굴곡각 변화 억제 기구(댐퍼(500))를 구비하는 동시에, 상기 굴곡각 제어 수단은, 상기 제4 타이밍으로부 터 다음 번의 상기 제1 타이밍까지의 동안, 상기 발부(22R(L))의 위치 자세를 조작하여 상기 굴곡각 속도를 조절하고, 따라서 상기 굴곡각 변화 억제 기구가 발생하는 저항의 크기를 변화시켜 상기 발부를 통해 작용하는 상반력(상반력 모멘트)을 제어하도록 구성하였다.

또한, 제9 실시예에 있어서는, 상기 발 선단부의 굴곡각 변화를 억제하는 굴곡각 변화 억제 기구(댐퍼(50), 마찰 브레이크(60))와, 상기 발 선단부의 굴곡각을 검출하는 굴곡각 검출 수단(스트로크 센서(22s), 회전각 센서(222s))과, 적어도 상기 검출된 굴곡각에 의거하여 상기 다리부가 접지하는 바닥의 형상을 추정하는 바닥 형상 추정 수단(바닥 형상 추정기(170))을 구비하는 동시에, 상기 굴곡각 제어 수단은, 상기 제4 타이밍으로부터 다음 번의 상기 제1 타이밍까지의 동안, 적어도 상기 추정된 바닥 형상에 의거하여 상기 굴곡각 변화 억제 기구를 동작시키고, 따라서 상기 발부를 통하여 작용하는 상반력(상반력 모멘트)을 제어하도록 구성하였다.

한편, 상기에 있어서, 착상 시의 충격 완화와 제어성의 향상에 필요한 컴플라이언스 기구(42R)(L)를 용수철 기구체(38R)(L)와 솔(40R)(L)로 구성했지만, 예컨대 발바닥에 판용수철을 설치하고, 그 탄성을 이용하도록 해도 좋다. 판용수철의 재질로서는, 경량화의 관점으로부터 탄성을 구비한 카본 등이 바람직하다.

또한, 발 선단부의 굴곡각을 유지하는 굴곡각 유지 기구 및 굴곡각 변화를 억제하는 굴곡각 변화 억제 기구로서 댐퍼와 마찰 브레이크를 예로 들었지만, 그들에 한정되지 않는 것은 말할 필요도 없다. 예컨대, 굴곡각 유지 기구로서는 라쳇 기구를 이용해도 좋다. 굴곡각 유지 기구로서 댐퍼나 마찰 브레이크를 이용한 경우, 굴곡각은 발 선단부의 가동 범위에 있어서 연속하는 모든 각도로 유지 가능하다. 이것에 대해, 라쳇 기구의 경우, 라쳇의 기어수에 대응한 복수의 각도 중의 어느 하나에 유지되게(즉, 라쳇의 보냄 각의 범위 내로는 유지할 수 없고, 유지 가능한 각도가 비연속이 되게) 되지만, 굴곡각을 유지할 때의 동작이 불필요해진다고 하는 이점도 있다.

본 발명에 따르면, 레그식 이동 로봇에 있어서, 발부는 발부 본체와 발부 본체의 전단에 설치되고, 굴곡이 자유로운 발 선단부로 이루어지는 동시에, 발 선단부의 굴곡각을 유지 자유로운 굴곡각 유지 기구를 구비하도록 구성된다. 또한, 레그식 이동 로봇의 제어 장치에 있어서는, 다리부의 이상 시 혹은 그보다 전인 제1 타이밍에서 발 선단부의 굴곡각을 유지하고, 다리부가 이상한 후의 제2 타이밍에 발 선단부를 초기 위치에 복귀시키도록 구성된다. 그것에 의해, 다리부의 이상 후에도 이상 시의 굴곡각을 계속 유지할 수 있고, 따라서 이상 직후에 발 선단부가 상면에 접촉하여 자세가 불안정해지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 발 선단부로 서 있을 때의 안정성도 향상시킬 수 있다.

Claims (19)

1. 상체와, 상단이 상기 상체에 연결되는 한편, 하단에 발부(풋부)가 연결되는 다리부(레그부)를 구비하고, 상기 다리부를 구동하여 이동하는 레그식(각식) 이동 로봇에 있어서,

   상기 발부가, 상기 다리부에 연결되는 발부 본체와, 상기 발부 본체의 전단에 설치되고, 상기 발부 본체에 대해 굴곡이 자유로운 발 선단부로 이루어지는 동시에, 상기 발 선단부의 굴곡각을 상기 발 선단부의 가동 범위에서 유지 자유로운 굴곡각 유지 기구를 구비하는 것을 특징으로 하는 레그식 이동 로봇.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 발 선단부의 굴곡각 변화를 억제하는 굴곡각 변화 억제 기구를 구비하는 것을 특징으로 하는 레그식 이동 로봇.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 발 선단부가 상기 발부 본체에 연속하는 동시에, 휘면서 굴곡하는 탄성재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레그식 이동 로봇.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 발 선단부가 피치 축 둘레에 회전 자유로운 회전축을 사이에 두고 상기 발부 본체의 전단에 연결되는 것을 특징으로 하는 레그식 이동 로봇.
5. 청구항 4에 있어서,

   상기 발 선단부를 초기 위치로 복귀시키는 방향으로 밀어주는 밀음 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 레그식 이동 로봇.
6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 굴곡각 유지 기구가 마찰 브레이크로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레그식 이동 로봇.
7. 청구항 2 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 굴곡각 변화 억제 기구가 댐퍼로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레그식 이동 로봇.
8. 청구항 2 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 굴곡각 유지 기구 및 상기 굴곡각 변화 억제 기구가 마찰력이 조절 자유로운 마찰 브레이크로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레그식 이동 로봇.
9. 청구항 2 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 굴곡각 유지 기구 및 상기 굴곡각 변화 억제 기구가 댐퍼로 이루어지는 것을 특징으로 하는 레그식 이동 로봇.
10. 상체와, 상단이 상기 상체에 연결되는 한편, 하단에 발부(풋부)가 연결되는 다리부(레그부)를 구비하고, 상기 다리부를 구동하여 이동하는 동시에, 상기 발부가 상기 다리부에 연결되는 발부 본체와, 상기 발부 본체의 전단에 설치되고, 상기 발부 본체에 대해 굴곡이 자유로운 발 선단부로 이루어진 레그식(각식) 이동 로봇의 제어 장치에 있어서,

    상기 발 선단부의 굴곡각을 상기 발 선단부의 가동 범위에서 유지 자유로운 굴곡각 유지 기구와, 상기 굴곡각 유지 기구를 동작시켜 상기 발 선단부의 굴곡각의 유지와 그 해제를 제어하는 굴곡각 제어 수단을 구비하는 동시에, 상기 굴곡각 제어 수단은, 상기 다리부의 이상 시 혹은 그보다 전인 제1 타이밍에서 상기 발 선단부의 굴곡각을 유지한 후, 상기 다리부의 이상 후인 제2 타이밍에서 상기 발 선단부의 굴곡각의 유지를 해제하여 상기 발 선단부를 초기 위치로 복귀시키는 것을 특징으로 하는 레그식 이동 로봇의 제어 장치.
11. 청구항 10에 있어서,

    상기 레그식 이동 로봇의 보용을 생성하는 보용 생성 수단을 구비하는 동시에, 상기 굴곡각 제어 수단은 상기 생성된 보용에 의거하여 상기 제1 및 제2 타이밍을 결정하는 것을 특징으로 하는 레그식 이동 로봇의 제어 장치.
12. 청구항 10에 있어서,

    상기 발 선단부의 굴곡각을 검출하는 굴곡각 검출 수단과, 상기 레그식 이동 로봇의 보용을 생성하는 보용 생성 수단을 구비하는 동시에, 상기 굴곡각 제어 수단은 상기 검출된 굴곡각에 의거하여 상기 제1 타이밍을 결정하는 한편, 상기 생성된 보용에 의거하여 상기 제2 타이밍을 결정하는 것을 특징으로 하는 레그식 이동 로봇의 제어 장치.
13. 청구항 10에 있어서,

    상기 굴곡각 제어 수단은 또한 상기 다리부의 이상 중이고 상기 제2 타이밍보다 후인 제3 타이밍에서 상기 발 선단부의 굴곡각을 유지한 후, 상기 다리부의 착상 후이고 다음 번의 상기 제1 타이밍보다 전인 제4 타이밍에서 상기 발 선단부의 굴곡각의 유지를 해제하는 것을 특징으로 하는 레그식 이동 로봇의 제어 장치.
14. 청구항 13에 있어서,

    상기 레그식 이동 로봇의 보용을 생성하는 보용 생성 수단을 구비하는 동시에, 상기 굴곡각 제어 수단은 상기 생성된 보용에 의거하여 상기 제1 내지 제4 타이밍을 결정하는 것을 특징으로 하는 레그식 이동 로봇의 제어 장치.
15. 청구항 13에 있어서,

    상기 발 선단부의 굴곡각을 검출하는 굴곡각 검출 수단과, 상기 레그식 이동 로봇의 보용을 생성하는 보용 생성 수단을 구비하는 동시에, 상기 굴곡각 제어 수단은 상기 검출된 굴곡각에 의거하여 상기 제1 및 제3 타이밍을 결정하는 한편, 상기 생성된 보용에 의거하여 상기 제2 및 제4 타이밍을 결정하는 것을 특징으로 하는 레그식 이동 로봇의 제어 장치.
16. 청구항 10 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 발 선단부의 굴곡각 변화를 억제하는 굴곡각 변화 억제 기구를 구비하는 동시에, 상기 굴곡각 제어 수단은 상기 제2 타이밍에서 상기 발 선단부의 굴곡각의 유지를 해제하는 동시에, 상기 굴곡각 변화 억제 기구를 동작시켜 상기 굴곡각을 점차 감소시키고, 상기 발 선단부를 서서히 초기 위치로 복귀시키는 것을 특징으로 하는 레그식 이동 로봇의 제어 장치.
17. 청구항 13 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 발 선단부의 굴곡각 변화를 억제하는 굴곡각 변화 억제 기구를 구비하는 동시에, 상기 굴곡각 제어 수단은 상기 제4 타이밍으로부터 다음 번의 상기 제1 타이밍까지의 동안, 상기 굴곡각 변화 억제 기구를 동작시켜 상기 발부를 통해 작용하는 상반력(바닥반력)을 제어하는 것을 특징으로 하는 레그식 이동 로봇의 제어 장치.
18. 청구항 13 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 발 선단부의 굴곡각 변화를, 그 굴곡각 속도에 대해 설정된 소정의 저항 특성에 따라 억제하는 굴곡각 변화 억제 기구를 구비하는 동시에, 상기 굴곡각 제어 수단은, 상기 제4 타이밍으로부터 다음 번의 상기 제1 타이밍까지의 동안, 상기 발부의 위치 자세를 조작하여 상기 굴곡각 속도를 조절하고, 따라서 상기 굴곡각 변화 억제 기구가 발생시키는 저항의 크기를 변화시켜 상기 발부를 통해 작용하는 상반력을 제어하는 것을 특징으로 하는 레그식 이동 로봇의 제어 장치.
19. 청구항 13 내지 청구항 18 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 발 선단부의 굴곡각 변화를 억제하는 굴곡각 변화 억제 기구와, 상기 발 선단부의 굴곡각을 검출하는 굴곡각 검출 수단과, 적어도 상기 검출된 굴곡각에 의거하여 상기 발부가 접지하는 바닥의 형상을 추정하는 바닥 형상 추정 수단을 구비하는 동시에, 상기 굴곡각 제어 수단은 상기 제4 타이밍으로부터 다음 번의 상기 제1 타이밍까지의 동안, 적어도 상기 추정된 바닥 형상에 의거하여 상기 굴곡각 변화 억제 기구를 동작시키고, 따라서 상기 발부를 통해 작용하는 상반력을 제어하는 것을 특징으로 하는 레그식 이동 로봇의 제어 장치.

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