KR20070064334A - 다리식 이동 로봇의 보용 생성장치 - Google Patents

Abstract

대상물 동역학 모델상에서의 대상물(120)의 거동을 실제의 거동에 근접시키기 위한 모델 조작량(추정 외란력)을 대상물 동역학 모델에 부여하면서, 대상물 동역학 모델을 사용하여 현재 이후의 소정 기간의 대상물(120)의 목표 운동궤도와 목표 대상물 반력궤도를 구하고, 이것들을 사용하여 소정 기간의 로봇(1)의 보용을 임시생성한다. 그 보용과 대상물 목표 운동궤도를 기초로 로봇(1)과 대상물(120)과의 간섭 등의 기하학적 제약조건을 체크하고, 그것에 따라 적당하게, 대상물(120)의 이동계획이나 로봇(1)의 보용 패러미터(착지 예정위치 자세 등)를 수정하여, 로봇(1)의 보용을 생성한다. 이것에 의해, 로봇(1)의 동작 제어를 행하면서, 리얼타임으로 실제의 환경조건을 반영시키면서, 로봇(1)과 대상물 사이의 간섭 등에 관계되는 소요의 기하학적 제약조건을 만족시키는 목표 보용을 생성한다.

대상물 동역학 모델, 모델 조작량 결정 수단, 로봇·대상물 간 작용력 궤도 임시결정 수단, 대상물 운동궤도 임시결정 수단, 제약조건 판단 수단, 수정 수단

Description

다리식 이동 로봇의 보용 생성장치{GAIT GENERATOR OF LEGGED MOBILE ROBOT}

본 발명은 다리식 이동 로봇에 대상물을 이동시키는 작업을 행하게 하기 위한 목표 보용을, 그 목표 보용에 추종하도록 로봇의 동작을 제어하면서 생성하는 장치에 관한 것이다.

2족이동 로봇 등의 다리식 이동 로봇에, 어떤 대상물을 밀어서 이동시키는 등의 작업을 행하게 하는 경우에는, 로봇은 그 다리체의 선단부가 접촉하는 바닥으로부터 상반력(床反力)을 받을 뿐만 아니라, 대상물로부터 반력을 받는다. 이와 같이 대상물로부터 로봇이 받는 반력을 본 명세서에서는 대상물 반력이라고 한다.

이와 같이, 다리식 이동 로봇에 대상물 반력이 작용하는 상태에서 로봇의 보용을 생성하거나, 동작 제어를 행하는 기술로서는, 예를 들면 본원 발명자에 의한 일본 특개평10-230485호 공보(이하, 특허문헌 1이라고 함)에 개시되는 것이 알려져 있다. 이 기술은, 로봇의 운동에 의해 발생하는 관성력과, 로봇에 작용하는 중력 및 대상물 반력과의 합력이 목표 ZMP(목표 상반력 중심점) 주위에 발생하는 모멘트의 연직성분을 제외한 성분(수평성분)이 0이 된다(목표 상반력 중심점에서 작용하는 상반력과 상기 합력이 균형을 이룸)고 하는 동역학적 평형조건을 만족시키도록, 목표 보용을 생성하고, 이 목표 보용에 추종시키도록 로봇의 동작 제어를 행하는 것이다. 또한, 이 기술에서는, 로봇에 작용하는 외력이 예기되지 않은 외력이 되어도(목표 외력과 실외력과의 편차가 어느 정도 커져도), 로봇의 중심위치가 로봇의 운동 밸런스를 유지할 수 있는 중심위치에 평형하도록 로봇의 목표 보용을 조정하도록 하고 있다.

또, 2족이동 로봇(휴머노이드 로봇)의 거동을 시뮬레이션 하는 것으로서, 일본 로봇학회지/Vol.19/No.1, pp.28∼36, 2001/「가상 로봇 플랫폼」(이하, 비특허문헌 1이라고 함)에 개시되는 것이 알려져 있다.

그런데, 대상물을 이동시키는 작업을 행하기 위한 로봇의 목표 보용을 생성하는 경우, 일반적으로, 이 대상물을 이동시키는 환경조건(바닥의 형상, 마찰력 상태 등)을 상정한 뒤에, 대상물의 이동계획(대상물을 어떤 타이밍에서 어떻게 이동시킨다고 하는 것과 같은 계획)을 기초로, 대상물 반력의 궤도(시계열 패턴)나, 대상물의 운동궤도(대상물의 이동위치 및 자세의 시계열 패턴), 로봇의 각 다리체의 선단부의 운동궤도 등을 규정하는 기본적인 보용 생성용의 패러미터가 결정된다. 그리고, 그 결정된 패러미터를 사용하여, 상기 상정한 환경조건하에서 동역학적인 제약조건(예를 들면 상기 동역학적 평형조건을 만족시키고, ZMP가 로봇의 접지면 내에 존재하는 등의 조건)을 만족시키도록 로봇의 목표 보용이 생성된다.

이 경우, 이동계획이나 보용 생성용의 패러미터가 부적절하면, 로봇의 상체가 대상물에 충돌하지 않고, 대상물에 걸어맞추어지게 하는 로봇의 팔체가 가동범위를 초과하지 않는, 등의 기하학적인 제약조건을 만족시키지 않는 목표 보용이 생성되어 버리는 일이 있다.

그래서, 예를 들면 상기 특허문헌 1에 개시되는 기술에 상기 비특허문헌 1에 개시되는 것과 같은 기술을 적용하고, 로봇의 거동의 시뮬레이션을 행하여, 기하학적인 제약조건을 만족시키고 있는지 아닌지를 체크하면서, 목표 보용을 생성하는 것이 고려된다.

그러나, 상기 비특허문헌 1에 개시되는 기술은, 어떤 환경조건을 상정한 뒤에, 로봇의 거동을 시뮬레이션 하는(예측하는) 것이기 때문에, 실제의 환경조건과 상정한 환경조건이 상이하면(이러한 상황은 종종 발생함), 생성된 목표 보용에서는 실제로는 상기 기하학적 제약조건이 만족시켜지지 않는다고 하는 상황이 발생하는 일이 많다.

본 발명은 이러한 배경을 감안하여 이루어진 것으로, 로봇의 동작 제어를 행하면서, 리얼타임으로 실제의 환경조건을 반영시키면서, 로봇과 대상물 사이의 간섭 등에 관계되는 소요의 기하학적 제약조건을 만족시키는 목표 보용을 생성할 수 있는 다리식 이동 로봇의 보용 생성장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다리식 이동 로봇의 보용 생성장치의 제 1 발명은, 이러한 목적을 달성하기 위해서,

상체로부터 연장하여 설치된 복수의 다리체를 구비하는 다리식 이동 로봇에 대상물을 이동시키는 작업을 행하게 하기 위한 목표 보용을, 이 목표 보용에 추종하도록 로봇을 동작시키면서 생성하는 보용 생성장치에 있어서,

대상물에 작용하는 힘과 이 대상물의 운동과의 관계를 나타내는 대상물 동역학 모델과,

상기 목표 보용에 추종하도록 로봇을 동작시키고 있을 때의 실제의 대상물의 거동을 관측하면서, 상기 대상물 동역학 모델상에서의 대상물의 거동을 실제의 대상물의 거동에 근접시키기 위해 상기 대상물 동역학 모델에 부여할 모델 조작량을 결정하는 모델 조작량 결정 수단과,

상기 로봇을 추종시킬 새로운 목표 보용을 생성할 때, 상기 결정된 모델 조작량을 상기 대상물 동역학 모델에 부여하면서, 적어도 상기 대상물의 이동계획과 상기 대상물 동역학 모델상에서의 대상물의 운동상태량에 기초하여 이 운동상태량을 상기 이동계획에 기초하는 대상물의 운동상태량에 추종시키도록 현재 이후의 소정 기간에서의 대상물과 로봇 사이의 작용력의 목표 궤도인 로봇·대상물 간 목표 작용력 궤도를 임시결정하는 로봇·대상물 간 작용력 궤도 임시결정 수단과,

상기 결정된 모델 조작량을 상기 대상물 동역학 모델에 부여하면서, 상기 임시결정된 로봇·대상물 간 목표 작용력 궤도를 이 대상물 동역학 모델에 입력하고, 이 대상물 동역학 모델에 의해, 상기 소정 기간에서의 대상물의 목표 운동궤도를 임시결정하는 대상물 운동궤도 임시결정 수단과,

적어도 상기 임시결정된 대상물의 목표 운동궤도와 상기 임시결정된 로봇·대상물 간 목표 작용력 궤도를 기초로, 로봇의 목표 보용을 생성하기 위해서 사용하는 보용 패러미터를 임시결정하고, 그 임시결정한 보용 패러미터를 사용하여 상기 소정 기간에서의 로봇의 목표 보용을 임시생성하는 로봇 보용 임시생성 수단과,

상기 임시결정한 대상물의 목표 운동궤도와 상기 임시생성한 로봇의 목표 보용의 운동궤도를 기초로, 대상물과 로봇 중 적어도 어느 일방에 관계되는 소정의 기하학적 제약조건이 만족시켜지고 있는지 아닌지를 판단하는 제약조건 판단 수단과,

상기 기하학적 제약조건이 만족시켜지고 있지 않을 때, 상기 이동계획과 상기 임시결정한 보용 패러미터와 상기 임시결정한 대상물의 목표 운동궤도 중 적어도 하나를 수정 대상으로 하여, 이 수정 대상을 상기 기하학적 제약조건이 만족시켜지도록 수정하는 수정 수단을 구비하고,

상기 수정된 수정 대상을 사용하여 상기 새로운 목표 보용을 생성하도록 한 것을 특징으로 하는 것이다.

이러한 제 1 발명에 의하면, 대상물 동역학 모델(이것은 순동역학(順動力學) 모델임)에 상기 모델 조작량을 주면서, 상기 로봇·대상물 간 작용력 임시결정 수단과 대상물 운동궤도 임시결정 수단에 의해 각각 로봇·대상물 간 목표 작용력 궤도와 대상물의 목표 운동궤도가 임시결정되기 때문에, 이들 로봇·대상물 간 목표 작용력 궤도와 목표 운동궤도는, 현재 이후의 소정 기간에서의 실제의 로봇·대상물 간의 작용력 궤도와 대상물의 운동궤도와의 예측 궤도로서 정확도(신뢰성)가 높은 것이 된다. 또한, 상기 모델 조작량으로서는, 실제의 대상물에 작용하는 힘 중, 로봇 이외로부터 작용하는 외란력(대상물에 바닥으로부터 작용하는 마찰력 등), 혹은 그것을 규정하는 것 등을 들 수 있다. 또, 로봇·대상물 간 목표 작용력 궤도를 임시결정할 때에 추종시키는 운동상태량으로서는, 예를 들면 대상물의 이동속도를 들 수 있다.

또한, 이와 같이 임시결정된 로봇·대상물 간 목표 작용력 궤도와 대상물의 목표 운동궤도를 기초로, 로봇의 보용 패러미터를 결정하고, 상기 소정 기간에서의 목표 보용을 임시생성하므로, 그 임시생성한 목표 보용도, 현재 이후의 소정 기간에서의 실제의 로봇의 예측 보용으로서 정확도(신뢰성)가 높은 것이 된다. 또한, 보용 패러미터로서는, 로봇의 각 다리체의 운동궤도를 규정하는 패러미터(예를 들면 각 다리체의 착지 예정위치, 착지 예정시각 등), 목표 ZMP 혹은 목표 상반력 중심점의 궤도를 규정하는 패러미터 등을 들 수 있다. 이 경우, 예를 들면 로봇의 각 부의 운동이 발생하는 관성력과 로봇에 작용하는 중력과 로봇·대상물 간 목표 작용력에 의해 정해지고, 대상물에서 로봇으로의 반력과의 합력이 목표 ZMP 주위에 발생하는 모멘트의 수평성분이 0이 된다 라고 하는 소정의 동역학적 평형조건이, 로봇의 동역학 모델(로봇의 운동과 로봇에 작용하는 힘과의 관계를 나타내는 모델) 상에서 만족시켜지도록 보용 패러미터를 기초로 목표 보용을 임시생성하면 된다.

그리고, 상기 임시결정된 대상물의 목표 운동궤도와 상기 임시생성한 로봇의 목표 보용의 운동궤도를 기초로, 상기 소정 기간에서, 대상물과 로봇 중 적어도 어느 일방에 관계되는 소정의 기하학적 제약조건이 만족시켜지고 있는지 아닌지를 판단함으로써, 그 판단을 적정하게 행할 수 있다(신뢰성이 높은 판단을 행할 수 있음). 여기에서, 상기 기하학적 제약조건으로서는, 예를 들면 대상물과 로봇의 상체가 간섭하지 않고, 로봇의 팔체 등 대상물에 걸어맞추어지게 하는 부분의 관절이 가동범위를 초과하는 변위를 하지 않는 등, 대상물과 로봇 사이의 위치·자세관계에 의존하는 기하학적 제약조건이다.

또한, 본 발명에서는, 상기의 판단에서 상기 기하학적 제약조건이 충족시켜지지 않을 때에, 상기 이동계획과 보용 패러미터와 상기 임시결정한 대상물의 목표 운동궤도 중 적어도 일방을 수정 대상으로 하여, 상기 기하학적 제약조건이 만족시켜지도록 이 수정 대상을 수정하고, 그 수정한 수정 대상을 사용하여 새로운 목표 보용을 생성한다. 이것에 의해, 상기 기하학적 제약조건을 만족시키는 새로운 목표 보용을 생성할 수 있다.

이와 같이 제 1 발명에서는, 로봇의 동작 제어를 행하면서, 로봇의 목표 보용을 생성할 때, 대상물의 실제의 거동을 상기 모델 조작량에 의해 대상물 동역학 모델에 반영시키면서, 장래의(상기 소정 기간에서의) 로봇·대상물 간 목표 작용력 궤도와 대상물의 목표 운동궤도를 임시결정하고, 또한 이것들을 기초로, 로봇의 장래의 목표 보용을 임시결정하므로, 대상물과 로봇의 거동의 신뢰성 높은 예측을 행할 수 있다. 그리고, 그 장래의 대상물의 목표 운동궤도와 목표 보용의 운동궤도를 기초로 상기 기하학적 제약조건이 만족시켜지고 있는지 아닌지를 판단하고, 만족시켜지고 있지 않은 경우에, 이동계획과 보용 패러미터와 상기 임시결정한 대상물의 목표 운동궤도 중 적어도 어느 하나(수정 대상)를 수정한 뒤에, 그 수정 대상을 사용하여 새로운 목표 보용을 생성한다.

이 때문에, 제 1 발명에 의하면, 로봇의 동작 제어를 행하면서, 리얼타임으로 실제의 환경조건을 반영시키면서, 로봇과 대상물 간의 간섭 등에 관계되는 소요의 기하학적 제약조건을 만족시키는 목표 보용을 생성할 수 있다.

또한, 이 제 1 발명에서, 수정 후의 수정 대상을 사용하여 목표 보용을 생성하는 경우, 그 수정 대상이 이동계획일 때에는, 새로운 목표 보용을 생성할 때, 예를 들면 상기 로봇·대상물 간 작용력 궤도 임시결정 수단, 대상물 운동궤도 임시결정 수단, 로봇 보용 임시생성 수단과 같은 처리를 차례차례 실행하여 보용 패러미터를 결정하고, 그 결정한 보용 패러미터를 사용하여 로봇의 새로운 목표 보용을 생성하도록 하면 된다. 또, 수정 대상이 보용 패러미터일 때에는, 그 보용 패러미터를 사용하여 로봇의 새로운 목표 보용을 생성하도록 하면 된다. 이 경우, 로봇·대상물 간 목표 작용력 궤도와 대상물의 목표 운동궤도는 상기 임시결정된 것과 동일해도 된다. 또, 수정 대상이 대상물의 목표 운동궤도일 때에는, 상기 로봇 보용 임시생성 수단과 동일한 처리를 실행하여 보용 패러미터를 결정하고, 그 결정한 보용 패러미터를 사용하여 로봇의 새로운 목표 보용을 생성하도록 해도 된다. 이 경우, 대상물의 목표 운동궤도는 수정 후의 것을 사용한다.

또한, 제 1 발명에서는, 바람직하게는, 상기 모델 조작량 결정 수단은, 실제의 대상물에 작용하는 힘 중, 상기 로봇으로부터 대상물에 작용하는 힘 이외의 외란력을 상기 모델 조작량으로서 추정하는 수단이다(제 2 발명). 이 경우에는, 상기 대상물 운동궤도 임시결정 수단에서는, 상기 추정된 외란력(모델 조작량)과, 상기 임시결정된 로봇·대상물 간 목표 작용력 궤도에 의해 정해지는 로봇으로부터 대상물에의 목표 작용력과의 합력을 상기 대상물 동역학 모델에 입력하고, 그 합력과, 이 대상물 동역학 모델의 동역학적 관계를 만족시키는 대상물의 운동궤도를 상기 대상물의 목표 운동궤도로서 결정하도록 하면 된다.

보충하면, 상기 외란력은 예를 들면 다음과 같이 추정할 수 있다. 즉, 대상물의 실제의 운동속도 또는 가속도를 추정 또는 검출하고, 그 추정값 또는 검출값으로부터 대상물에 실제로 작용하고 있는 힘을 파악한다. 또, 로봇으로부터 대상물에 실제로 작용하고 있는 힘을 추정 또는 검출하고, 그 힘의 추정값 또는 검출값을 상기 파악한 힘으로부터 뺌으로써, 상기 외란력을 추정한다.

다음에, 본 발명의 다리식 이동 로봇의 보용 생성장치의 제 3 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해서,

상체로부터 연장하여 설치된 복수의 다리체를 구비하는 다리식 이동 로봇에 대상물을 이동시키는 작업을 행하게 하기 위한 목표 보용을, 이 목표 보용에 추종하도록 로봇을 동작시키면서 생성하는 보용 생성장치에 있어서,

대상물의 운동과 이 대상물에 작용하는 힘과의 관계를 나타내는 대상물 동역학 모델과,

상기 목표 보용에 추종하도록 로봇을 동작시키고 있을 때의 실제의 대상물의 거동을 관측하면서, 실제의 대상물에 작용하는 힘 중, 로봇으로부터 대상물에 작용하는 힘 이외의 외란력을 추정하는 외란력 추정 수단과,

상기 로봇을 추종시킬 새로운 목표 보용을 생성할 때, 적어도 상기 대상물의 이동계획에 기초하여 현재 이후의 소정 기간에서의 대상물의 목표 운동궤도를 규정하는 목표 운동상태량을 임시결정하는 운동상태량 임시결정 수단과,

상기 임시결정된 목표 운동상태량을 상기 대상물 동역학 모델에 입력하고, 이 대상물 동역학 모델에 의해, 현재 이후의 소정 기간에서 상기 대상물에 작용시킬 힘의 목표 궤도인 대상물 작용력 목표 궤도를 임시결정하는 대상물 작용력 궤도 임시결정 수단과,

상기 임시결정된 대상물 작용력 목표 궤도와 상기 추정된 외란력을 기초로 상기 소정 기간에서의 로봇과 대상물 사이의 작용력의 목표 궤도인 로봇·대상물 간 목표 작용력 궤도를 임시결정하는 로봇·대상물 간 작용력 궤도 임시결정 수단과,

적어도 상기 임시결정된 목표 운동상태량에 의해 규정되는 대상물의 목표 운동궤도와 상기 임시결정된 로봇·대상물 간 목표 작용력 궤도를 기초로, 로봇의 목표 보용을 생성하기 위해서 사용하는 보용 패러미터를 임시결정하고, 그 임시결정한 보용 패러미터와 상기 추정된 외란력과 상기 임시결정된 로봇·대상물 간 목표 작용력을 사용하여 상기 소정 기간에서의 로봇의 목표 보용을 임시생성하는 로봇 보용 임시생성 수단과,

상기 임시결정된 목표 운동상태량에 의해 규정되는 대상물의 목표 운동궤도와 상기 임시생성한 로봇의 목표 보용의 운동궤도를 기초로, 대상물과 로봇 중 적어도 어느 일방에 관계되는 소정의 기하학적 제약조건이 만족시켜지고 있는지 아닌지를 판단하는 제약조건 판단 수단과,

상기 기하학적 제약조건이 만족시켜지고 있지 않을 때, 상기 이동계획과 상기 임시결정한 보용 패러미터와 상기 임시결정된 목표 운동상태량에 의해 규정되는 대상물의 목표 운동궤도 중 적어도 하나를 수정 대상으로 하여, 이 수정 대상을 상기 기하학적 제약조건이 만족시켜지도록 수정하는 수정 수단을 구비하고,

상기 수정된 수정 대상을 사용하여 상기 새로운 목표 보용을 생성하도록 한 것을 특징으로 하는 것이다.

이러한 제 2 발명에 의하면, 대상물의 이동계획에 기초하여 상기 운동상태량 임시결정 수단에 의해 임시결정한 대상물의 목표 운동상태량을 대상물 동역학 모델(이것은 역동역학(逆動力學) 모델임)에 입력함으로써, 상기 대상물 작용력 궤도 임시결정 수단에 의해 현재 이후의 소정 기간에 있어서의 대상물 작용력 목표 궤도를 임시결정하고, 이 대상물 작용력 목표 궤도와 상기 추정 외란력을 기초로, 상기 로봇·대상물 간 작용력 궤도 임시결정 수단에 의해 로봇·대상물 간 목표 작용력 궤도를 임시결정(구체적으로는, 예를 들면 대상물 작용력으로부터 외란력의 추정값을 뺀 것을 로봇으로부터 대상물에의 목표 작용력으로서, 로봇·대상물 간 목표 작용력 궤도를 임시결정)하므로, 그 로봇·대상물 간 목표 작용력 궤도는, 현재 이후의 소정 기간에서 실제의 대상물을 이동계획에 따라서 이동시키는 점에서, 실제의 로봇과 대상물 사이에서 발생시킬 로봇·대상물 작용력 궤도의 예측 궤도로서 정확도(신뢰성)가 높은 것이 된다. 또한, 상기 운동상태량으로서는, 예를 들면 대상물의 이동속도를 들 수 있다. 또, 상기 외란력은 상기 제 2 발명에 관해 설명한 바와 같이 추정하면 된다.

또한, 상기 임시결정된 목표 운동상태량에 의해 규정되는 대상물의 목표 운동궤도와 상기 임시결정된 로봇·대상물 간 목표 작용력 궤도를 기초로, 로봇의 보용 패러미터를 결정하고, 상기 소정 기간에서의 목표 보용을 임시생성하므로, 그 임시생성한 목표 보용도, 현재 이후의 소정 기간에서의 실제의 로봇의 예측 보용으로서 정확도(신뢰성)가 높은 것이 된다. 또한, 보용 패러미터로서는, 상기 제 1 발명과 동일한 패러미터를 들 수 있다. 이 경우, 예를 들면 제 1 발명의 경우와 같이 소정의 동역학적 평형조건이 로봇의 동역학 모델(로봇의 운동과 로봇에 작용하는 힘과의 관계를 의미하는 모델) 상에서 만족시켜지도록 보용 패러미터를 기초로 목표 보용을 임시생성하면 된다.

그리고, 상기 제 1 발명과 동일하게, 상기 임시결정된 목표 대상물 운동궤도와 상기 임시생성한 로봇의 목표 보용을 기초로, 상기 소정 기간에서, 대상물과 로봇 중 적어도 어느 일방에 관계되는 소정의 기하학적 제약조건이 만족시켜지고 있는지 아닌지를 판단함으로써 그 판단을 적정하게 행할 수 있다(신뢰성이 높은 판단을 행할 수 있음). 이 기하학적 제약조건은 상기 제 1 발명에 관해 설명한 것과 동일한 조건이다. 또한, 상기의 판단에서 상기 기하학적 제약조건이 충족시켜지지 않을 때에, 상기 이동계획과 보용 패러미터와 상기 임시결정된 목표 운동상태량에 의해 규정되는 대상물의 목표 운동궤도 중 적어도 하나를 수정 대상으로 하여, 상기 기하학적 조건이 만족시켜지도록 이 수정 대상을 수정하고, 그 수정한 보용 패러미터를 사용하여 새로운 목표 보용을 생성한다. 이것에 의해, 상기 기하학적 제약조건을 만족시키는 새로운 목표 보용을 생성할 수 있다.

이와 같이, 제 3 발명은, 로봇의 동작 제어를 행하면서, 로봇의 목표 보용을 생성할 때, 이동계획에 따라서 대상물을 운동시키기 위해서 요구시키는, 대상물에의 작용력(대상물에 로봇으로부터 작용시키는 힘과, 이 로봇 이외로부터 대상물에 작용하는 외란력과의 합력)으로서 대상물 동역학 모델에 의해 구해지는 대상물 작용력 목표 궤도와, 실제의 대상물에 작용하는 외란력의 추정값을 기초로 로봇·대상물 간 목표 작용력 궤도를 임시결정한다. 그리고, 이 로봇·대상물 간 목표 작용력 궤도와, 상기 대상물 동역학 모델에 입력하는 목표 운동상태량에 의해 규정되는 대상물의 목표 운동궤도를 기초로, 로봇의 장래의 목표 보용을 임시결정하므로, 대상물과 로봇의 거동의 신뢰성 높은 예측을 행할 수 있다. 또한, 그 장래의 대상물의 목표 운동궤도와 목표 보용을 기초로 상기 기하학적 제약조건이 만족시켜지고 있는지 아닌지를 판단하고, 만족시켜지고 있지 않을 경우에, 이동계획과 보용 패러미터와 상기 임시결정된 목표 운동상태량에 의해 규정되는 대상물의 목표 운동궤도 중 적어도 어느 하나(수정 대상)를 수정한 뒤, 그 수정 대상을 사용하여 새로운 목표 보용을 생성한다.

이 때문에, 제 3 발명에 의해서도, 제 1 발명과 동일하게, 로봇의 동작 제어를 행하면서, 리얼타임으로 실제의 환경조건을 반영시키면서, 로봇과 대상물 사이의 간섭 등에 관계되는 소요의 기하학적 제약조건을 만족시키는 목표 보용을 생성할 수 있다.

또한, 이 제 3 발명에서, 수정 후의 수정 대상을 사용하여 목표 보용을 생성하는 경우, 그 수정 대상이 이동계획일 때에는, 새로운 목표 보용을 생성할 때, 예를 들면 상기 운동상태량 임시결정 수단, 대상물 작용력 궤도 임시결정 수단, 로봇·대상물 간 작용력 궤도 임시결정 수단, 로봇 보용 임시생성 수단과 같은 처리를 차례차례 실행하여 보용 패러미터를 결정하고, 그 결정한 보용 패러미터를 사용하여 로봇의 목표 보용을 생성하도록 하면 된다. 또, 수정 대상이 보용 패러미터일 때에는, 그 보용 패러미터를 사용하여 로봇의 목표 보용을 생성하도록 하면 된다. 이 경우, 로봇·대상물 간 목표 작용력 궤도와 목표 운동상태량(나아가서는 대상물의 목표 운동궤도)은 상기 임시결정된 것과 동일해도 된다. 또, 수정 대상이 대상물의 목표 운동궤도일 때에는, 상기 로봇 보용 임시생성 수단과 동일한 처리를 실행하여 보용 패러미터를 결정하고, 그 결정한 보용 패러미터를 사용하여 로봇의 목표 보용을 생성하도록 하면 된다. 이 경우, 대상물의 목표 운동궤도는 수정 후의 것을 사용한다.

상기 제 1∼제 3 발명에서는, 상기 수정 수단이 상기 보용 패러미터를 수정 대상으로 하여 수정할 때, 그 수정 대상의 보용 패러미터는 상기 로봇의 각 다리체의 착지 예정위치를 포함하는 것이 바람직하다(제 4 발명).

이것에 의하면, 보용 패러미터의 수정에 따르는 상기 기하학적 제약조건에의 영향의 예측을 하기 쉬우므로, 반복 보용 패러미터를 수정하지 않으면 안되는 사태를 방지할 수 있어, 수정 수단의 수정 처리가 용이하게 된다.

도 1은 본 발명의 실시형태에서의 다리식 이동 로봇의로서의 2족이동 로봇의 개략적인 구성을 도시하는 도면,

도 2는 도 1의 로봇에 구비한 제어 유닛의 구성을 도시하는 블럭도,

도 3은 도 2의 제어 유닛의 주요부의 기능적 구성을 도시하는 블럭도,

도 4는 실시형태에서의 로봇과 대상물과의 관계를 도시하는 도면,

도 5는 제 1 실시형태에서의 보용 생성장치의 연산처리를 도시하는 플로우차트,

도 6은 제 1 실시형태에서의 보용 생성장치의 연산처리를 도시하는 플로우차트,

도 7은 제 1 실시형태에서의 보용 생성장치의 연산처리를 도시하는 플로우차트,

도 8은 도 5의 S02에서 결정하는 이동계획의 예를 도시하는 도면,

도 9는 도 5의 S02의 처리를 도시하는 블럭도,

도 10(a)는 도 5의 S07에 관계되는 임시목표 ZMP 궤도의 예를 도시하는 도면, 도 10(b)는 도 5의 S17에서 결정되는 ZMP 수정량의 예를 도시하는 도면, 도 10(c)는 S17에서 수정된 목표 ZMP 궤도의 예를 도시하는 도면,

도 11은 도 5의 S11에서 결정하는 족평궤도 패러미터의 예를 도시하는 도면,

도 12(a)는 금회 보용의 대상물 상반력 모멘트 궤도의 예를 도시하는 도면, 도 12(b)은 도 5의 S11에서 결정하는 정상 보용의 대상물 반력 모멘트 궤도의 예를 도시하는 도면,

도 13은 실시형태에서 사용하는 로봇 동역학 모델의 예를 도시하는 도면,

도 14는 도 13의 로봇 동역학 모델을 사용하여 상체위치를 구하는 처리를 도시하는 블럭도,

도 15(a), (b)는 도 5의 S21의 처리를 설명하기 위한 도면,

도 16은 도 6의 S29의 처리를 설명하기 위한 도면,

도 17은 도 7의 S35의 처리를 도시하는 블럭도,

도 18(a), (b)는 도 5의 S01의 이동계획의 수정처리를 설명하기 위한 도면,

도 19는 도 3에 도시하는 대상물 반력 평형제어장치의 처리를 도시하는 블럭도,

도 20은 본 발명의 제 2 실시형태에서의 보용 생성장치의 주요부의 처리를 도시하는 플로우차트,

도 21은 도 20의 S29'의 처리를 설명하기 위한 도면,

도 22는 본 발명의 제 3 실시형태에서의 S03(도 5)의 처리를 도시하는 블럭도,

도 23은 본 발명의 제 4 실시형태에서의 S01(도 5)의 이동계획의 수정처리를 설명하기 위한 도면,

도 24는 본 발명의 제 5 실시형태에서의 보용 생성장치의 주요부의 처리를 도시하는 플로우차트,

도 25는 도 24의 S21'의 처리를 설명하기 위한 도면,

도 26(a), (b)는 도 24의 S21'의 처리를 설명하기 위한 도면이다.

발명을 실시하기 위한 최량의 형태

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태에 따른 다리식 이동 로봇의 보용 생성장치를 설명한다. 또한, 다리식 이동 로봇으로서는 2족이동 로봇을 예로 든다.

도 1은 이 실시형태에 따른 다리식 이동 로봇으로서의 2족이동 로봇을 전체적으로 도시하는 개략도이다.

도시한 바와 같이, 2족이동 로봇(이하, 로봇이라고 함)(1)은 상체(로봇(1)의 기체)(3)로부터 하방으로 연장하여 설치된 좌우 한쌍의 다리체(다리부 링크)(2, 2)를 구비한다. 양다리체(2, 2)는 동일 구조이며, 각각 6개의 관절을 구비한다. 그 6개의 관절은 상체(3)측으로부터 차례로, 가랑이(股)(허리부)의 회선(回旋)(회전)용(상체(3)에 대한 요잉 방향의 회전용)의 관절(10R, 10L)(부호 R, L은 각각 우측 다리체, 좌측 다리체에 대응하는 것을 의미하는 부호이다. 이하 동일)과, 가랑이(허리부)의 롤링 방향(X축 주위)의 회전용의 관절(12R, 12L)과, 가랑이(허리부)의 피칭 방향(Y축 주위)의 회전용의 관절(14R, 14L)과, 무릎부의 피칭 방향의 회전용의 관절(16R, 16L)과, 발목의 피칭 방향의 회전용의 관절(18R, 18L)과, 발목의 롤링 방향의 회전용의 관절(20R, 20L)로 구성된다.

각 다리체(2)의 발목의 2개의 관절 18R(L), 20R(L)의 하부에는, 각 다리체(2)의 선단부를 구성하는 족평(足平)(족부)22R(L)이 부착되어 붙어있고, 양다리체(2, 2)의 최상위에는, 각 다리체(2)의 가랑이의 3개의 관절 10R(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 무릎관절은 대퇴 링크 24R(L)로 연결되고, 무릎관절과 발목관절은 하퇴 링크 26R(L)로 연결된다.

상체(3)의 상부의 양측부에는 좌우 한쌍의 팔체(팔 링크)(5, 5)가 부착됨과 동시에, 상체(3)의 상단부에는 머리부(4)가 배치된다. 양팔체(5, 5)는 동일 구조이고, 각각 7개의 관절을 구비한다. 즉, 각 팔체(5)는, 3개의 관절 30R(L), 32R(L), 34R(L)로 구성된 견관절과, 1개의 관절 36R(L)로 구성된 주관절과, 3개의 관절 38R(L), 40R(L), 42R(L)로 구성된 손목관절과, 이 손목관절에 연결된 손끝부(핸드) 44R(L)을 구비하고 있다. 또한, 머리부(4)는 본 발명의 요지와 직접적인 관련을 갖지 않기 때문에 상세한 설명을 생략한다.

상기의 구성에 의해, 각 다리체(2)의 족평 22R(L)은 상체(3)에 대해 6개의 자유도가 주어져 있다. 그리고, 로봇(1)의 보행 등의 이동 중에, 양다리체(2, 2)를 합쳐서 6*2=12개(본 명세서에서 「*」는 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. 또, 각 팔체(5)는 상체(3)에 대해 7개의 자유도가 주어지고, 양팔체(5, 5)를 합쳐서 7*2=14개의 관절을 적당한 각도로 구동함으로써 후술하는 대차를 미는 등의 원하는 작업을 행할 수 있다.

도 1에 도시하는 바와 같이, 각 다리체(2)의 발목관절 18R(L), 20R(L)의 하방에는 족평 22R(L)과의 사이에 공지의 6축력센서(50)가 개재되어 있다. 이 6축력센서(50)는, 각 다리체(2)의 족평 22R(L)의 착지의 유무, 및 각 다리체(2)에 작용하는 상반력(접지 하중) 등을 검출하기 위한 것이며, 이 상반력의 병진력의 3방향 성분(Fx, Fy, Fz) 및 모멘트의 3방향 성분(Mx, My, Mz)의 검출신호를 제어 유 닛(60)에 출력한다. 이 6축력센서(50)와 동일한 6축력센서(52)가, 각 팔체(5)의 손끝부(핸드) 44R(L)과 손목 관절 38R(L), 40R(L), 42R(L)과의 사이에 개재되고, 손끝부 44R(L)에 작용하는 외력의 병진력의 3방향 성분 및 모멘트의 3방향 성분의 검출신호가 이 6축력센서(52)로부터 제어 유닛(60)에 출력된다. 또, 상체(3)에는, Z축(연직방향(중력방향))에 대한 상체(3)의 경사각 및 그 각속도, 및 Z축 주위의 상체(3)의 회전각(요잉각) 및 그 각속도를 검출하기 위한 자세 센서(54)가 구비되고, 그 검출신호가 이 자세 센서(54)로부터 제어 유닛(60)에 출력된다. 이 자세 센서(54)는, 도시를 생략하는 3축방향의 가속도 센서 및 3축방향의 자이로 센서를 구비하고, 이들 센서의 검출신호가 상체(3)의 자세각(경사각 및 요잉각) 및 그 각속도를 검출하기 위해서 사용됨과 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 2 참조)와, 그 전동 모터(64)의 회전량(각 관절의 회전각)을 검출하기 위한 인코더(로터리 인코더)(65)(도 2 참조)가 설치되고, 이 인코더(65)의 검출신호가 이 인코더(65)로부터 제어 유닛(60)에 출력된다.

또한, 도시는 생략하지만, 각 족평 22R(L)과 6축력센서(50) 사이에는, 스프링 등의 탄성체가 개재되고, 또한 족평 22R(L)의 밑바닥면에는, 고무 등의 탄성체가 붙여져 있다. 이들 탄성체는, 컴플라이언스 기구를 구성하는 것으로, 각 다리체(2)가 상반력을 받았을 때에 탄성변형하게 되어 있다.

도 2는 제어 유닛(60)의 구성을 도시하는 블럭도이다. 이 제어 유닛(60)은 마이크로컴퓨터에 의해 구성되어 있고, CPU로 이루어지는 제 1 연산장치(90) 및 제 2 연산장치(92), A/D변환기(80), 카운터(86), D/A변환기(96), RAM(84), ROM(94), 및 이것들 사이의 데이터 수수를 행하는 버스 라인(82)을 구비하고 있다. 이 제어 유닛(60)에서는, 각 다리체(2)의 6축력센서(50), 각 팔체(5)의 6축력센서(52), 자세 센서(54)(가속도 센서 및 레이트 자이로 센서) 등의 출력신호는 A/D변환기(80)에서 디지털값으로 변환된 후, 버스 라인(82)을 통하여 RAM(84)에 보내진다. 또 로봇(1)의 각 관절의 인코더(65)(로터리 인코더)의 출력은 카운터(86)를 통하여 RAM(84)에 입력된다.

상기 제 1 연산장치(90)는 후술과 같이 목표 보용을 생성함과 동시에, 관절 각변위 지령(각 관절의 변위각 혹은 각 전동 모터(64)의 회전각의 지령값)을 산출하고, RAM(84)에 송출한다. 또, 제 2 연산장치(92)는 RAM(84)으로부터 관절 각변위 지령과, 상기 인코더(65)의 출력신호에 기초하여 검출된 관절각의 실측값을 읽어 내고, 각 관절의 구동에 필요한 조작량을 산출하여 D/A변환기(96)와 서보 앰프(64a)를 통하여 각 관절을 구동하는 전동 모터(64)에 출력한다.

도 3은, 본 명세서의 실시형태에 따른 다리식 이동 로봇의 제어장치의 기능적 구성을 전체적으로 도시하는 블럭도이다. 이 도 3 중의 파선으로 둘러싼 부분이 제어 유닛(60)이 실행하는 처리기능(주로 제 1 연산장치(90) 및 제 2 연산장치(92)의 기능)에 의해 구성되는 것이다. 또한, 이하의 설명에서는, 다리체(2) 및 팔체(5)의 좌우를 특별히 구별할 필요가 없을 때는, 상기 부호 R, L을 생략한다.

이하 설명하면 제어 유닛(60)의 기능적 구성은, 보용 생성장치(100), 대상물 반력 평형 제어장치(102), 다리 메인 제어장치(104) 및 팔 메인 제어장치(106)로 구성되어 있다. 이 명세서의 실시형태에서는, 보용 생성장치(100)의 처리를 제외하고, 대상물 반력 평형 제어장치(102), 다리 메인 제어장치(104) 및 팔 메인 제어장치(106)의 처리는, 본원 출원인이 앞서 일본 특개평10-230485호 공보(상기 특허문헌 1)에서 제안한 것과 동일하다. 따라서, 이하의 본 실시형태의 설명에서는, 보용 생성장치(100)를 중심으로 설명하고, 대상물 반력 평형 제어장치(102), 다리 메인 제어장치(104) 및 팔 메인 제어장치(106)의 설명은 개략적인 설명에 그친다.

보용 생성장치(100)는 로봇(1)의 목표 보용을 자유롭고 또한 리얼타임으로 생성하여 출력하는 것으로, 본원 발명의 보용 생성장치에 상당하는 것이다. 이 보용 생성장치(100)가 출력하는 목표 보용은 목표 상체위치 자세궤도(상체(3)의 목표 위치 궤도 및 목표 자세궤도), 목표 족평위치 자세궤도(각 족평(22)의 목표 위치 궤도 및 목표 자세궤도), 목표 손끝위치 자세궤도(각 팔체(5)의 손끝부(44)의 목표 위치 궤도 및 목표 자세궤도), 목표 전체 상반력 중심점 궤도(전체 상반력 중심점의 목표 위치의 궤도), 목표 전체 상반력 궤도, 및 목표 대상물 반력 궤도로 구성된다. 또한, 다리체(2)나 팔체(5) 이외에 상체(3)에 대해 가동인 부위를 구비하는 경우에는, 그 가동 부위의 목표 위치 자세궤도가 목표 보용에 더해진다. 이하의 설명에서는, 오해를 일으킬 우려가 없는 경우에는, 종종 「목표」를 생략한다.

여기에서, 보용 생성장치(100)가 생성하는 목표 보용에 관계되는 용어의 의미 및 정의에 대해 설명해 둔다. 보용에서의 「궤도」는 시간적 변화의 패턴(시계열 패턴)을 의미한다.

족평위치, 상체위치 등, 로봇(1)의 각 부위의 「위치」는 그 부위에 고정적 으로 설정된 어떤 대표점의 위치를 의미한다. 예를 들면, 본 실시형태에서는, 각 족평(22)의 대표점은, 그 족평(22)을 구비하는 다리체(2)의 발목관절의 중심으로부터, 이 족평(22)의 밑바닥면에 연장시킨 수선이 이 밑바닥면과 교차하는 점으로, 그 대표점의 위치가 족평위치이다. 또, 「자세」는 공간적인 방향을 의미한다. 구체적으로는, 예를 들면 상체자세는 Z축(연직축)에 대한 롤링 방향(X축 주위)의 상체(3)의 경사각과 피칭 방향(Y축 주위)의 상체(3)의 경사각과 요잉 방향(Z축 주위)의 상체(3)의 회전각(요잉각)으로 표시되고, 족평자세는 각 족평(22)에 고정적으로 설정된 2축의 공간적인 방위각으로 표시된다.

또한, 보용 중의 상반력 및 대상물 반력에 관계되는 구성요소 이외의 구성요소, 즉 족평위치 자세, 상체위치 자세 등, 로봇(1)의 운동에 관계되는 보용을 총칭적으로 「운동」이라고 한다. 또, 운동의 궤도는, 일정(시간적으로 변화되지 않음) 또는 거의 일정한 것이어도 된다. 예를 들면 로봇(1)이 그 양 족평(22, 22)을 착지시킨 상태로 유지하여, 이동하지 않는 상태에서는, 족평위치 자세궤도는 일정하게 된다.

보용 중의 대상물 반력은, 로봇(1)에게 어떤 대상물을 이동시킬 때에 이 대상물에 로봇(1)으로부터 작용시키는 힘의 반력(대상물로부터 로봇(1)에 작용하는 힘)을 의미한다. 따라서, 목표 대상물 반력 궤도는 본 발명에서의 로봇대상물 간 목표 작용력의 궤도에 상당한다. 본 명세서의 실시형태에서는, 예를 들면 도 4에 도시하는 바와 같이, 로봇(1)이 어떤 대상물(120)(도시한 예에서는 대차)의 소정의 위치에 양팔체(5, 5)의 손끝부(44R, 44L) 걸어맞추어지게 한 상태에서 보행 동작을 행하면서 이 대상물(120)을 미는 작업을 행하는 경우를 예로 들어 설명한다. 이 대상물(120)로부터 로봇(1)이 받는 힘이 대상물 반력이다. 대상물 반력은, 일반적으로, 병진력 성분과 모멘트 성분으로 구성된다. 단, 본 명세서의 본 실시형태에서는, 대상물 반력은 로봇(1)에 대상물(120)로부터 작용하는 병진력을 의미하는 것으로 하고, 그 병진력에 의해 로봇(1)에 작용하는, 어떤 점 주위의 모멘트를 대상물 반력 모멘트라고 한다. 보충하면, 대상물 반력은 로봇(1)으로부터 대상물(120)에의 작용력을 대상물 반력 대신 사용해도 된다.

또한, 본 명세서에서는, 대상물(120)의 운동에 관하여, 대상물(120)의 위치는 로봇(1)의 족평위치 등과 동일하게, 대상물(120)에 고정적으로 설정된 대표점의 위치를 의미한다. 또, 대상물(120)의 자세는 로봇(1)의 족평(22)의 자세 등과 동일하게, 대상물(120)의 공간적인 방향을 의미한다. 그리고, 대상물(120)의 위치 및 자세를 총칭적으로 대상물 운동이라고 하기도 한다.

또, 각 족평(22)이 작용하는 상반력(병진력 및 모멘트로 이루어지는 상반력)을 「각 족평 상반력」이라고 부르고, 로봇(1)의 모든(2개) 족평(22R, 22L)에 대한 「각 족평 상반력」의 합력을 「전체 상반력」이라고 한다. 단, 이하의 설명에서는, 각 족평 상반력은 거의 언급하지 않으므로, 특별히 예고하지 않는 한, 「상반력」은 「전체 상반력」과 동의로서 취급한다.

목표 상반력은, 일반적으로는, 작용점과 그 점에 작용하는 병진력 및 모멘트에 의해 표현된다. 작용점은 어디에 두어도 좋으므로, 동일한 목표 상반력에서도 무수한 표현을 생각할 수 있지만, 특히 목표 상반력 중심점(전체 상반력의 중심점 의 목표 위치)을 작용점으로 하여 목표 상반력을 표현하면, 목표 상반력의 모멘트 성분은 연직성분(연직축(Z축) 주위의 모멘트)을 제외하고 0이 된다. 바꾸어 말하면, 목표 상반력 중심점 주위의 목표 상반력의 모멘트의 수평성분(수평축(X축 및 Y축) 주위의 모멘트)은 0이 된다. 그래서, 본 명세서의 본 실시형태에서는, 목표 상반력 중심점을 목표 전체 상반력의 작용점으로 하여, 보용 생성장치(100)에서 생성하는 것으로 했다. 또한, 목표 상반력 중심점은, 목표 전체 상반력의 작용점으로서의 의미를 갖는 것이기 때문에, 본질적으로는 목표 전체 상반력의 1개의 구성요소라고 할 수 있다. 단, 본 실시형태에서는, 목표 상반력 중의 목표 상반력 중심점이 본 발명과 밀접하게 관련되는 것이므로, 도 3에서는, 목표 전체 상반력 중의 작용점인 목표 상반력 중심점을 목표 전체 상반력과는 별도로 기재하는 것으로 했다.

또, 본 명세서에서는, ZMP(zero moment point)는 로봇의 운동에 의해 발생하는 관성력과 이 로봇에 작용하는 중력과 대상물 반력과의 합력(또는 그 합력과 균형을 이루는 상반력)이 그 점 주위에 작용하는 모멘트가, 연직성분을 제외하고 0이 되는 점의 의미로 사용한다. 동역학적 평형조건을 만족하는 보용에서는, 로봇의 목표 운동궤도와 중력과 목표 대상물 반력으로부터 산출되는 ZMP와 목표 상반력 중심점은 일치한다. 본 명세서에서는, 대부분의 경우, 목표 상반력 중심점 대신에, 목표 ZMP라고 한다.

또, 본 명세서에서는, 목표 보용은 소정 기간분의 목표 운동과 목표 상반력(목표 ZMP를 포함함)과 목표 대상물 반력과의 세트를 의미하는 것으로 한다. 특 히, 본 실시형태에서는, 목표 보용(간단히 보용이라고 칭한 경우를 포함함)은, 예고하지 않는 한, 로봇(1)의 1보의 기간분의 목표 운동과 목표 상반력(목표 ZMP를 포함함)과 목표 대상물 반력과의 세트를 의미하는 것으로 한다. 이 경우, 목표 보용의 「1보」는, 로봇(1)의 한쪽 다리체(2)가 착지하고나서, 다른 한쪽 다리체(2)가 착지할 때까지의 의미로 사용한다. 또한, 일련의 보용은 몇개의 보용(소정 기간분의 보용)이 연결된 것으로 한다. 또, 이후의 설명에서는, 1보의 기간분의 목표 보용을 단위 보용이라고 하는 경우가 있다. 또, 로봇(1)이 이동하지 않는 상태(양 족평(22, 22)의 접지를 유지하는 상태)에서의 1보의 기간은 어떤 소정의 기간(로봇(1)이 이동하는 경우의 1보의 기간에 상당하는 기간)을 의미한다.

또, 보용에 있어서의 양다리 지지기란, 로봇(1)이 그 자중을 양다리체(2, 2)로 지지하는 기간(양다리체(2, 2)가 지지다리가 되는 기간), 한쪽다리 지지기란 어느 한쪽 다리체(2)로 로봇(1)의 자중을 지지하는 기간(한쪽만의 다리체(2)가 지지다리가 되는 기간)을 말한다. 본 실시형태에서의 목표 보용(단위 보용)은, 달리 말하면, 양다리 지지기의 개시 시로부터 다음 한쪽다리 지지기의 종료 시까지의 기간분의 목표 보용이다. 로봇(1)의 자중을 지지하는 다리체(2)를 지지다리라고 부른다. 양다리 지지기에서는, 양다리체(2, 2)가 지지다리가 되고, 한쪽다리 지지기에서는 1개의 다리체(2)가 지지다리가 된다. 또, 한쪽다리 지지기에서 로봇(1)의 자중을 지지하지 않는 측의 다리체(2)(지지다리가 아닌 다리체(2))를 미착지다리라고 부른다. 또한, 이후의 설명에서는, 특별히 예고하지 않는 한, 목표 보용에서의 지지다리는, 양다리 지지기의 개시 시에 착지하는 다리체(2)(이 양다리 지지기에 계속되는 한쪽다리 지지기에서 지지다리가 되는 다리체(2))를 의미하는 것으로 한다. 또, 지지다리측의 다리체(2)의 족평(22), 미착지다리측의 다리체(2)의 족평(22)을 각각 지지다리 족평(22), 미착지다리 족평(22)이라고 한다. 또, 로봇(1)이 이동하지 않은 상태(양족평(22,22)의 접지를 유지하는 상태)이어도, 일방의 다리체(2)가 지지다리, 타방의 다리체(2)가 미착지 다리인 것으로 한다.

또, 보용 생성장치(100)에 의해 새롭게 생성하려고 하고 있는 목표 보용(단위보용), 또는 생성하고 있는 목표 보용(단위 보용)을 금회 보용이라고 부르고, 이 금회 보용의 1보전의 목표 보용을 전회 보용, 금회 보용의 다음 1보의 목표 보용을 다음회 보용, 더욱 그 다음 1보의 목표 보용을 다음다음회 보용 등으로 부른다.

또한, 목표 보용은 글로벌 좌표계로서의 지지다리 좌표계로 기술된다. 본 실시형태에서는, 지지다리 좌표계는, 지지다리 족평(22)을 수평자세(보다 일반적으로는 바닥면에 평행한 자세)로 하고 이 지지다리 족평(22)의 밑바닥면의 거의 전체면을 바닥면에 접촉(밀착)시킨 상태에서, 이 지지다리의 발목관절(18, 20)의 중심으로부터 바닥면에 연장시킨 수선이 이 바닥면과 교차하는 점(이 점은, 본 명세서의 실시형태의 예에서는 지지다리 족평(22)의 밑바닥면의 거의 전체면을 바닥면에 접촉시킨 상태에서는, 이 족평(22)의 대표점과 일치함)을 원점으로 하고, 그 원점을 지나는 수평면을 XY평면으로 하는 글로벌 좌표계(바닥에 고정된 좌표계)이다. 이 경우, X축 방향, Y축 방향은 각각 지지다리 족평(22)의 전후 방향, 좌우측 방향이다. 이후의 설명에서는, X축, Y축, Z축은, 특별히 예고하지 않는 한, 이 지지다리 좌표계의 3축을 의미하는 것으로 한다. 또한, 지지다리 좌표계의 원점은, 반드 시 지지다리 족평(22)의 밑바닥면의 거의 전체면을 바닥면에 접촉시킨 상태에서의 이 족평(22)의 대표점에 일치할 필요는 없고, 이 대표점과 상이한 바닥면상의 점에 설정되어도 된다.

이상에서 설명한 사항은, 이하에 설명하는 제 1 실시형태에 한하지 않고, 본 명세서에서 설명하는 각 실시형태에서 공통의 사항이다.

[제 1 실시형태]

이하에 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 보용 생성장치(100)의 상세를 설명한다. 도 5∼도 7은 보용 생성장치(100)의 처리를 나타내는 플로우차트이다. 또한, 이 제 1 실시형태는, 본 발명의 제 1 발명, 제 2 발명, 및 제 4 발명의 실시형태이다. 보용 생성장치(100)는 그 연산처리기능에 의해, 본 발명의 제 1 발명에서의 모델 조작량 결정 수단, 로봇·대상물 간 작용력 궤도 임시결정 수단, 대상물 운동궤도 임시결정 수단, 로봇 보용 임시생성 수단, 제약조건 판단 수단, 수정 수단을 구성하고 있다.

보용 생성장치(100)는 도 5∼도 7의 플로우차트에 나타내는 처리를 소정의 연산처리 주기로 차례차례 실행한다.

우선, S01에서, 대상물(120)의 이동계획이 결정된다. 여기에서 결정되는 이동계획은 적어도 현재 시각으로부터 장래의 소정 기간분(로봇(1)의 복수보분)의 대상물(120)의 이동계획을 포함하고 있다. 이 이동계획은, 기본적으로는 대상물(120)의 이동 요구(대상물(120)을 어떤 타이밍으로 어떻게 움직일 것인가라고 하는 설계적인 요구)에 따라 결정되고, 이 대상물(120)의 위치 자세궤도(위치 및 자 세의 시계열), 또는, 그 궤도를 규정하는 패러미터 혹은 함수식 등으로 구성된다. 예를 들면 대상물(120)의 이동 요구가, 어떤 시각 t0로부터 X축 방향으로 일정 속도로 대상물(120)을 이동시킨다고 하는 요구인 경우에는, 이동계획은 도 8의 그래프 g1으로 나타내는 바와 같이 결정된다. 그래프 g1은, 이동계획에서의 대상물 위치(X축방향 위치)의 경시 변화를 나타내고 있다. 이 경우, 예를 들면 현재 시각 이후의 각 시각(어떤 일정한 시간간격마다의 시각)에서의 대상물(120)의 위치의 시계열을 이동계획으로서 결정해도 되지만, 시각 t0와 그래프 g1의 기울기(대상물(120)의 이동속도)를 이동계획을 규정하는 요소(패러미터)로서 결정하거나, 또는 그래프 g1의 함수식을 이동계획을 규정하는 요소(패러미터)로서 결정해도 된다. 또한, 이동요구는 보용 생성장치(100)에 외부로부터 적당하게 주어지거나, 또는, 미리 제어 유닛(60)의 도시하지 않은 기억수단에 기억 유지된다.

보충하면, S01에서 결정하는 이동계획은, 반드시 이동요구대로 결정되는 것은 아니고, 필요에 따라 적당하게 수정되지만, 이것에 대해서는 후술한다.

다음에 S03으로 진행하고, 상기한 바와 같이 S01에서 결정된 이동계획을 기초로, 대상물 동역학 모델을 사용하여 목표 대상물 운동궤도(목표 대상물 위치 자세궤도)와, 목표 대상물 반력 궤도가 임시결정된다.

여기에서, 이 S03의 처리와, 이 처리에서 사용하는 대상물 동역학 모델을 도 9의 블럭도를 참조하여 설명한다. 도 9는, S03에서 목표 대상물 운동궤도 중의 목표 대상물 위치 궤도와, 목표 대상물 반력 궤도를 구하는 연산처리를 나타내는 블럭도이다. 이 블럭도 중의 파선으로 둘러싼 부분이 대상물(120)에 작용하는 힘과 대상물(120)의 운동과의 관계를 나타내는 대상물 동역학 모델로 되어 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 이해의 편의상, 대상물(120)을 거의 수평한 바닥 상에서 이동시키는 경우를 예로 들어서 설명한다.

도 9에 도시하는 대상물 동역학 모델은, 본 발명의 제 1 발명에서의 대상물 동력학 모델에 상당하고 있고, 대상물(120)에 작용시키는 힘(보다 상세하게는 수평방향의 병진력)을 입력으로 하고, 대상물(120)의 위치를 출력하는 동력학 모델(순동력학 모델)이다. 보다 상세하게는, 이 대상물 동역학 모델은 대상물(120)에 작용시키는 수평방향의 병진력의 입력값(후술의 가산부(204)에서 구해지는 값)에, 대상물(120)의 질량(M)의 역수 1/M을 승산부(206)에서 승산함으로써 대상물(120)의 운동가속도를 구하고, 이것을 적분기(208, 210)로 차례로 적분(2중 적분)함으로써 대상물(120)의 위치(대상물 동역학 모델 상에서의 위치)를 출력하는 것으로 되어 있다. 즉, 본 실시형태에서는, 도 9에 도시하는 대상물 동역학 모델은, 대상물(120)에 작용하는 병진력이 대상물(120)의 가속도와 질량의 적과 동일하다고 하는 운동방정식을 기초로 구성되어 있다. 또한, 적분기(208)의 출력은 대상물 동역학 모델 상에서의 대상물(120)의 이동속도를 의미하고 있고, 이하, 이것을 대상물 모델 속도라고 한다.

이러한 대상물 동역학 모델을 사용하는 S03의 연산처리를 도 9를 참조하여 구체적으로 설명한다. 우선, 상기 S01에서 결정된 이동계획에 기초하는 대상물(120)의 순시순시의(각 시각의) 목표 속도인 목표 대상물 속도와, 적분기(208)에서 먼저 구해진 대상물 모델 속도가 감산부(200)에 입력되고, 그것들의 편차(=목표 대상물 속도-대상물 모델 속도)가 구해진다. 여기에서, 목표 대상물 속도는, 이동계획에 있어서의 대상물(120)의 위치 궤도의 1차미분값으로서 얻어지는 값, 또는 이동계획의 구성요소이다. 또한, 상기 도 8에 도시한 이동계획의 예에서는, 그래프 g1의 기울기를 그대로 목표 대상물 속도로 하면 되고, 이 경우에는, 목표 대상물 속도는 계속적으로 일정값으로 된다. 그리고, 현재 시각으로부터 장래의 소정 기간분(로봇(1)의 복수보분)의 목표 대상물 속도의 시계열이 감산부(200)에 차례로 입력된다. 또, 감산부(200)에 입력되는 대상물 모델 속도는, 새롭게 입력하는 목표 대상물 속도의 하나 전의 목표 대상물 속도를 감산부(200)에 입력했을 때에 적분기(208)로부터 출력된 값이다.

이어서, 상기 편차에 소정의 게인(Kv)을 승산부(202)에서 승산함으로써, 대상물(120)에 로봇(1)으로부터 작용시킬 병진력의 요구값이 구해진다. 즉, 본 실시형태에서는, 이 병진력의 요구값은, 목표 대상물 속도와 대상물 모델 속도와의 편차가 0에 수렴하도록(대상물 모델 속도가 목표 대상물 속도에 추종하도록), 피드백제어칙에 의해 결정된다. 그 피드백제어칙으로서는, 이 예에서는 비례제어칙이 사용된다. 그리고, 구해진 병진력의 요구값의 부호를 반전시킨 것의 시계열이 목표 대상물 반력 궤도로서 출력된다.

또, 구해진 병진력의 요구값과, 실제의 대상물(120)에 로봇(1) 이외로부터 작용하는 외란력(바닥으로부터 대상물(120)에 작용하는 마찰력 등)의 추정값인 추정 외란력이 가산부(204)에 입력되고, 이 병진력의 요구값과 추정 외란력과의 합이, 상기 대상물 동역학 모델에 대한 병진력의 입력값으로서 가산부(204)에 의해 구해진다. 여기에서, 추정 외란력은 본 발명의 제 1 발명에서의 모델 조작량에 상당하고, 보용 생성장치(100)의 연산처리 주기마다 후술의 S35의 처리에서 구해지는 것이다. 가산부(120)에 입력하는 추정 외란력으로서는, 보용 생성장치(100)의 전회의 연산처리 주기에서 구해진 값(전회값)이 사용된다. 그리고, 이와 같이 구한 병진력의 입력값을 대상물 동역학 모델에 입력함으로써, 상기한 바와 같이 대상물(120)의 위치가 구해지고, 이 구한 위치의 시계열이 적분기(210)에서 목표 대상물 위치 궤도로서 출력된다.

또한, 대상물 동역학 모델의 적분기(208)의 출력의 초기값은, 보용 생성장치(100)의 전회의 연산처리 주기에서 S03의 처리를 실행하고 구한 대상물 모델 속도의 시계열 중의, 전회의 연산처리 주기에 대응하는 시각(전회의 연산처리 주기에서의 현재 시각)에서의 값에 설정된다. 또, 적분기(210)의 출력의 초기값은, 보용 생성장치(100)의 전회의 연산처리 주기에서 S03의 처리를 실행하여 구한 목표 대상물 위치의 시계열 중의, 전회의 연산처리 주기에 대응하는 시각(전회의 연산처리 주기에서의 현재 시각)에서의 값에 설정된다.

또, 목표 대상물 운동궤도 중의 목표 대상물 자세궤도는, 예를 들면 목표 대상물 속도의 방향에 거의 일치하도록 결정된다.

보충하면, 이동계획 및 추정 외란력이 일정하게 유지되고 있는 한, 목표 대상물 운동궤도나 목표 대상물 반력 궤도는 일정하게 되므로, S03의 처리는, 반드시 보용 생성장치(100)의 연산처리 주기마다 행할 필요는 없다. 따라서, 예를 들면 S03의 처리는, 로봇(1)의 1보마다 또는 보용 생성장치(100)의 연산처리 주기의 복 수 주기마다 행하거나, S01에서 이동계획을 변경한 경우나, 추정 외란력이 비교적 크게 변화된 경우에 행하는 것으로 해도 된다.

이상에서 설명한 S03의 처리에 의해, 현재 시각으로부터 장래의 소정 기간분의 목표 대상물 운동궤도와 목표 대상물 반력 궤도가 임시결정된다.

또한, 이 S03의 처리는, 본 발명의 제 1 발명에서의 로봇·대상물간 작용력 궤도 임시결정 수단 및 대산물 운동궤도 임시결정 수단에 상당하고 있다. 보다 상세하게는, 감산부(200) 및 승산부(202)에 의해, 이동계획에 기초하는 목표 대상물 속도(목표 운동상태량)에 대상물 동역학 모델 상에서의 대상물의 이동속도인 대상물 모델 속도를 추종시키도록 대상물(120)에 로봇(1)으로부터 작용시킬 병진력의 요구값을 구하고, 또, 이 요구값으로부터 목표 대상물 반력 궤도를 구하는(이 요구값의 부호를 반전시키는) 처리가 로봇·대상물 간 작용력 궤도 임시결정 수단의 처리에 상당하고 있다. 또, 가산부(204)와 대상물 동역학 모델의 승산부(206), 적분기(208, 210)의 처리가 대상물 운동 임시결정 수단의 처리에 상당하고 있다.

이어서, S05로 진행하고, 상기한 바와 같이 임시결정된 목표 대상물 운동궤도를 기초로, 로봇(1)의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정위치 자세 및 착지 예정시각이 임시결정된다. 여기에서 임시결정 하는 착지 예정위치 자세 및 착지 예정시각은, 현재, 작성하고자 하고 있는 목표 보용인 금회 보용에서의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정위치 자세 및 착지 예정시각을 포함하는, 로봇(1)의 복수보분(적어도 2보분)의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정위치 자세 및 착지 예정시각이다. 즉, 임시결정 하는 착지 예정위치 자세 및 착지 예정시각은, 적어도 금회 보 용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정위치 자세 및 착지 예정시각과, 다음회 보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정위치 자세 및 착지 예정시각을 포함한다. 이 경우, 미착지다리 족평(22)의 착지 예정위치 자세 및 착지 예정시각은, S03에서 결정된 목표 대상물 운동궤도에 대해, 착지 예정시각에서의 미착지다리 족평(22)의 착지위치 자세가 그 시각에서의 대상물 위치 자세와 소정의 상대적 위치 자세 관계가 되도록 결정된다.

단, 미착지다리 족평(22)의 착지 예정위치 자세 및 착지 예정시각은, 반드시 목표 대상물 위치 자세에 추종하는 형태로 결정할 필요는 없다. 예를 들면, 로봇(1)의 이동을 행하지 않는 상태(양족평(22, 22)의 접지를 유지하는 상태)에서, 대상물(120)을 밀어서 이동시키고, 그 이동개시 후는, 팔체(5, 5)의 손끝부(44)를 대상물(120)로부터 떼는 경우에는, 각 보용에서의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정위치 자세는 경시적으로 일정하게 유지되게 된다. 즉, 일반적으로는, 미착지다리 족평(22)의 착지 예정위치 자세 및 착지 예정시각은, 목표 대상물 운동궤도뿐만 아니라, 로봇(1)의 어떠한 운동에 의해, 대상물(120)을 옮길 것인가라고 하는 설계적인 요구에 따라 결정된다.

또한, 미착지다리 족평(22)의 착지예정 위치 자세는, 보다 상세하게는, 미착지다리 족평(22)의 발뒤꿈치를 착지하고나서, 이 미착지다리 족평(22)을 바닥에 접촉시킨 채, 미끄러지지 않도록 피칭 방향으로 회전시켜서 이 미착지다리 족평(22)의 밑바닥면의 거의 전체면을 바닥면에 접촉시킨 상태에서의 이 미착지다리 족평(22)의 위치 자세이다. 따라서, 본 실시형태에서는, 미착지다리 족평(22R 또는 22L)의 착지 예정위치 자세는, 그 착지 시부터 다음 미착지다리 족평(22L 또는 22R)의 착지까지의 단위 보용에 있어서의 지지다리 좌표계의 위치 자세를 규정하는 것이 되고, 미착지다리 족평(22)의 착지 예정위치 자세를 결정함으로써, 그것에 대응하여, 상기한 지지다리 좌표계의 설정수법에 따라 각 단위보용에서의 지지다리 좌표계의 위치 자세가 결정되게 된다. 구체적으로는, 각 단위보용에서의 지지다리 좌표계는, 이 단위보용의 하나 전의 단위 보용의 미착지다리 족평(22)을 그 착지예정 위치 자세에 일치시킨 상태에서, 이 족평(22)을 갖는 다리체(2)의 발목관절의 중심으로부터 바닥면에 연장시킨 수선이 이 바닥면과 교차하는 점을 원점으로 하는 좌표계가 된다.

이어서, S07로 진행하고, 금회 보용의 목표 ZMP 궤도를 규정하는 ZMP 궤도 패러미터가 임시결정된다. 여기에서 임시결정되는 ZMP 궤도 패러미터는, 그것에 의해 규정되는 금회 보용의 목표 ZMP(이하, 임시목표 ZMP라고 함)가, S05에서 임시결정된 착지 예정위치 자세 및 착지 예정시각에 의해 정해지는, 금회 보용에서의 지지다리 족평(22)의 접지면(양다리 지지기에서는, 양족평(22)의 접지면을 포함하는, 소위 지지다각형)의 거의 중앙 부근에 존재하고, 또한, 급격한 변화를 하지 않도록 결정된다. 즉, 금회 보용의 임시목표 ZMP가, 로봇(1)의 접지면 내(또는 지지다각형 내)의, 로봇(1)의 안정여유가 가능한 한 높아지는 위치에 존재하고, 또한, 급격한 변화를 하지 않도록 ZMP 궤도 패러미터가 결정된다. 이러한 지침으로 결정되는 임시목표 ZMP는, 예를 들면 도 10(a)에서 나타내는 바와 같은 패턴의 것이 된다. 또한, 도 10(a)는 임시목표 ZMP의 X축 방향 위치의 패턴을 나타내고 있다. 이 예의 경우에는, 임시목표 ZMP 패턴(궤도)의 꺽임점의 위치 및 시각이 ZMP 궤도 패러미터로서 임시결정 된다.

이어서, S09로 진행하고, 현재 임시결정 되어 있는 목표 대상물 운동궤도와 목표 대상물 반력 궤도를 기초로, 현재 임시결정 되어 있는 ZMP 궤도 패러미터에 의해 정해지는 임시목표 ZMP 주위의 대상물 반력 모멘트 궤도(대상물 반력 모멘트의 순시값의 시계열)이 산출된다. 보다 구체적으로는, 우선, 목표 대상물 운동궤도를 기초로, 로봇(1)의 양팔체(5, 5)의 손끝부(44R, 44L)를 걸어맞추어지게 할 대상물(120)의 부위의 운동궤도(위치 자세궤도)가 결정된다. 이 부위의 위치 자세는, 대상물(120)의 위치 자세에 대해 소정의 위치 자세 관계를 갖는 것으로 된다. 그리고, 그 부위의 운동궤도(위치 자세궤도)에 일치하도록, 로봇(1)의 손끝위치 자세궤도(이것은 로봇(1)에 대한 대상물 반력의 작용점의 궤도를 규정함)가 구해진다. 이어서, 이 구한 손끝위치 자세궤도와 목표 대상물 반력 궤도와 임시목표 ZMP 궤도로부터 각 시각(어떤 일정한 시간간격마다의 시각)의 임시목표 ZMP 주위의 대상물 반력 모멘트가 산출된다. 그리고, 그 산출된 대상물 반력 모멘트의 시계열이 대상물 반력 모멘트 궤도로서 얻어진다. 또한, 대상물(120)로부터 떨어진 개소로부터 로봇(1)을 대상물(120)의 가까이에 이동시키고, 그 후, 손끝부(44R, 44L)를 대상물(120)에 걸어맞추어지게 하여 이 대상물(120)을 미는 작업을 개시하는 경우에는, 대상물(120)을 손끝부(44R, 44L)를 걸어맞추어지게 하는 시각(이 시각은 적당하게 결정됨)까지의 대상물 반력 궤도, 나아가서는, 대상물 반력 모멘트 궤도는 0으로 된다.

이어서, S11로 진행하고, 금회 보용에 이어지는 주기적 보용으로서의 정상 선회 보용의 보용 패러미터가 결정된다. 이보용 패러미터는, 정상 선회 보용에서의 족평위치 자세궤도를 규정하는 족평 궤도 패러미터, 목표 ZMP 궤도를 규정하는 ZMP 궤도 패러미터, 목표 대상물 반력 모멘트 궤도를 규정하는 대상물 반력 궤도 패러미터를 포함한다.

이들 보용 패러미터를 구체적으로 설명하기 전에, 정상 선회 보용의 개요를 설명해 둔다. 또한, 이후의 설명에서는, 보용의 「초기」, 「종단」은 각각 보용의 개시 시각, 종료 시각 혹은 그것들의 시각에 있어서의 순시 보용을 의미한다.

정상 선회 보용은, 그 보용을 반복했을 때에 보용의 경계(본 실시형태에서는 1보 마다의 보용의 경계)에서 로봇(1)의 운동상태(족평위치 자세, 상체위치 자세 등의 상태)에 불연속이 생기지 않는 주기적 보용을 의미한다.

주기적 보용인 정상 선회 보용은, 본 실시형태에서는, 로봇(1)의 2보분의 보용, 즉 금회 보용에 이어지는 제 1 선회 보용과 이 제 1 선회 보용에 계속되는 제 2 선회 보용으로 이루어지는 보용을 이 정상 선회 보용의 1주기분의 보용으로 하고, 그 1주기분의 보용을 반복하는 보용이다. 또한, 여기에서 「선회」란 용어를 사용한 것은, 선회율을 0으로 할 때는 직진을 의미하므로, 직진도 광의의 의미에서 선회에 포함시킬 수 있기 때문이다. 이후, 정상 선회 보용을 정상 보용으로 약칭하는 경우도 있다.

정상 보용에 대해 보충하면, 로봇(1)으로서의 2족이동 로봇에서는, 정상 보용의 1주기분은, 적어도 2보분의 보용(연속하는 2개의 단위 보용)으로 구성된다. 또한, 3보 이상의 보용을 1주기분의 보용으로 하는 복잡한 정상 보용을 설정하는 것도 가능하다. 단, 정상 보용은, 후술과 같이, 금회 보용의 종단에서의 발산 성분(상세한 것은 후술함)을 결정하기 위해서만 사용된다. 이 때문에, 3보 이상의 보용을 1주기로 하는 정상 보용을 사용하는 것은, 보용 생성의 처리가 번잡하게 됨에도 불구하고, 효과는 적다. 그래서, 본 실시형태에서의 정상 보용의 1주기분의 보용을 2보분의 보용(제 1 및 제 2 선회 보용)에 의해 구성하도록 하고 있다. 이하의 정상 보용의 설명에서는, 설명의 편의상, 2보분의 보용으로 이루어지는 정상 보용을 1보의 보용으로 간주한다. 정상 보용은, 보용 생성장치(100)에서 금회 보용의 종단에 있어서의 발산 성분을 결정하기 위해서 잠정적으로(보용 생성장치(100)의 연산처리 상에서) 상정되는 가상 보용이며, 보용 생성장치(100)로부터 그대로 출력되는 것은 아니다.

또한, 「발산」이란, 2족이동 로봇(1)의 상체(3)의 수평위치가 양족평(22, 22)의 위치로부터 멀리 떨어진 위치로 벗어나버리는 것을 의미한다. 발산 성분의 값이란, 2족이동 로봇(1)의 상체(3)의 수평위치가 양족평(22, 22)의 위치(보다 구체적으로는, 지지다리 족평(22)의 접지면에 설정된 지지다리 좌표계의 원점)로부터 멀리 떨어져 가는 상태를 의미하는 수치이다.

본 실시형태에서는, 목표 보용이, 상기 발산을 발생하는 않고, 계속적으로 생성되도록, 발산 성분을 지표로 하여 보용을 생성한다. 즉, 금회 보용의 뒤에 이어지는 정상 보용의 초기 발산성분을 결정하고나서, 금회 보용의 종단 발산성분을 정상 보용의 초기 발산성분에 일치시키(보다 일반적으로는, 금회 보용의 상체위치 자세를 정상 보용의 상체위치 자세에 수렴시키)도록, 금회 보용을 생성한다(금회 보용을 규정하는 보용 패러미터를 결정함). 그리고, 정상 보용의 초기 발산성분은, S11에서 결정한 보용 패러미터를 기초로, 이 정상 보용의 초기(제 1 선회 보용의 초기)와 종단(제 2 선회 보용의 종단)에서 로봇(1)의 운동상태가 일치한다고 하는 정상 보용의 조건(이하, 이것을 정상 보용의 경계조건이라고 함)을 로봇(1)의 동역학 모델 상에서 만족시키도록 결정된다. 이러한 보용 생성의 기본적인 지침은 본 출원인이 앞서 제안한 PCT 국제공개공보 WO/02/40224 A1의 것과 동일하다. 따라서, 이하의 정상 보용에 관한 설명에서는, PCT 국제공개공보 WO/02/40224 A1의 기재사항과 상이한 기술사항을 주체로 설명하고, 동일한 기술사항에 대해서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.

S11의 설명으로 되돌아와, 정상 보용의 보용 패러미터 중의 족평 궤도 패러미터는, 제 1 선회 보용 및 제 2 선회 보용의 초기 및 종단의 각각에 있어서의 지지다리 족평(22) 및 미착지다리 족평(22)의 각각의 위치 자세, 각 선회 보용의 보용주기 등으로 구성되고, 금회 보용, 제 1 선회 보용, 제 2 선회 보용의 순으로, 족평위치 자세궤도가 이어지도록 결정된다. 이하에 구체적인 설정방법을 도 11을 참조하여 설명한다.

제 1 선회 보용 초기 미착지다리 족평위치 자세는, 다음회 보용의 지지다리 좌표계로부터 본 금회 보용 종단 지지다리 족평위치 자세로 한다. 이 금회 보용 종단 지지다리 족평위치 자세는, 금회 보용 초기의 지지다리 족평(22)을 바닥에 접촉시킨 채, 미끄러지지 않도록 이 지지다리 족평(22)을 그 밑바닥면의 거의 전체면 이 바닥에 접촉할 때까지 피칭 방향으로 회전시켰을 때의 이 지지다리 족평(22)의 위치 자세(이것은 전회 보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정위치 자세와 일치함)이다. 또한, 다음회 보용 지지다리 좌표계의 위치 자세는, 도 11에 도시하는 바와 같이, 금회 보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정위치 자세에 대응하여 결정된다.

제 1 선회 보용 초기 지지다리 족평위치 자세는, 다음회 보용 지지다리 좌표계로부터 본 금회 보용 종단 미착지다리 족평위치 자세로 한다. 이 금회 보용 종단 미착지다리 족평위치 자세는, 금회 보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정위치 자세(또는 이것에 대응하여 정해지는 다음회 보용 지지다리 좌표계)에 대응한 위치 자세로 결정된다. 구체적으로는, 금회 보용의 미착지다리 족평(22)을 금회 보용 종단 미착지다리 족평위치 자세로부터 바닥에 접촉시킨 채, 미끄러지지 않도록 피칭 방향으로 소정 각도, 회전시켰을 때의 위치 자세가 금회 보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정위치 자세가 되도록 금회 보용 종단 미착지다리 족평위치 자세가 결정된다.

제 1 선회 보용 종단 미착지다리 족평위치 자세는, 다음회 보용 지지다리 좌표계로부터 본 다음회 보용 종단 미착지다리 족평위치 자세로 한다. 이 다음회 보용 종단 미착지다리 족평위치 자세는, 금회 보용 종단 미착지다리 족평위치 자세의 결정수법과 동일하게, 다음회 보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정위치 자세(또는 이것에 대응하여 정해지는 다음다음회 보용 지지다리 좌표계)에 대응한 위치 자세로 결정된다.

제 1 선회 보용 종단 지지다리 족평위치 자세는, 다음회 보용 지지다리 좌표계에 위치 자세를 일치시킨 지지다리 족평(22)을 바닥에 접촉시킨 채, 미끄러지지 않도록 이 지지다리 족평(22)을 그 밑바닥면의 거의 전체면이 밑바닥에 접촉할 때까지 피칭 방향으로 회전시켰을 때의 이 지지다리 족평(22)의 위치 자세(이 위치 자세는, 금회 보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정위치 자세에 일치함)로 한다.

제 2 선회 보용 초기 미착지다리 족평위치 자세는, 다음다음회 보용 지지다리 좌표계로부터 본 제 1 선회 보용 종단 지지다리 족평위치 자세로 한다. 제 2 선회 보용 초기 지지다리 족평위치 자세는, 다음다음회 보용 지지다리 좌표계로부터 본 제 1 선회 보용 종단 미착지다리 족평위치 자세로 한다.

제 2 선회 보용 종단 미착지다리 족평위치 자세는, 그것을 다음다음회 보용 지지다리 좌표계로부터 본 위치 자세가, 금회 보용 지지다리 좌표계로부터 본 금회 보용 종단 미착지다리 족평위치 자세에 일치하도록 결정된다. 제 2 선회 보용 종단 지지다리 족평위치 자세는, 그것을 다음다음회 보용 지지다리 좌표계로부터 본 위치 자세가, 금회 보용 지지다리 좌표계로부터 본 금회 보용 종단 지지다리 족평위치 자세에 일치하도록 결정된다.

제 1 선회 보용 및 제 2 선회 보용의 보용주기는, 다음회 보용주기(이것은 금회 보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정시각과 다음회 보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정시각과의 차임)와 동일하게 설정된다. 이들 제 1 선회 보용 및 제 2 선회 보용의 보용주기는, 서로 동일하게 하는 것은 반드시 필요하지는 않지 만, 어느 주기도, 적어도 다음회 보용주기에 따라 결정하는 것이 바람직하다. 또한, 금회 보용, 제 1 선회 보용 및 제 2 선회 보용의 상기 이외의 운동 패러미터(양다리 지지기 시간 등의 시간 패러미터를 포함함)는, 상기 결정된 패러미터에 따라, 보용의 조건(액추에이터의 속도가 허용 범위에 들어 있는지, 가동각을 초과하고 있지 않은지, 바닥 등과 간섭하고 있지 않은지 등)을 만족하도록 적당하게 결정한다.

정상 보용의 보용 패러미터 중의 ZMP 궤도 패러미터는, 상기 S07에서 목표 ZMP 궤도 패러미터를 임시결정 했을 경우와 동일하게, 이 ZMP 궤도 패러미터에 의해 규정되는 ZMP 궤도가 로봇(1)의 안정여유가 높아지고, 또한, 급격한 변화를 하지 않도록 결정된다.

또, 정상 보용의 대상물 반력 모멘트 궤도 패러미터는, 주기성의 조건을 만족하도록 결정된다. 예를 들면, 금회 보용, 다음회 보용 및 다음다음회 보용에 대응하는 대상물 반력 모멘트 궤도가 도 12(a)에 도시하는 바와 같이 되어 있는 것으로 한다. 여기에서, 금회 보용의 대상물 반력 모멘트 궤도는 S09에서 구해진 궤도이다. 다음회 보용의 대상물 반력 모멘트 궤도는, S03에서 구한 다음회 보용의 대상물 반력 궤도 및 목표 대상물 운동궤도와, 정상 선회 보용의 ZMP 궤도 패러미터에 의해 규정되는 ZMP 궤도를 기초로 S09와 동일하게 산출되는 궤도이다. 다음다음회 보용의 대상물 반력 모멘트 궤도는, S03에서 구한 다음다음회 보용의 대상물 반력 궤도 및 목표 대상물 운동궤도와, 정상 선회 보용의 ZMP 궤도 패러미터에 의해 규정되는 ZMP 궤도를 기초로 S09와 동일하게 산출되는 궤도이다.

이때, 정상 선회 보용의 대상물 반력 모멘트 궤도는, 예를 들면 도 12(b)에서 도시하는 궤도가 되도록, 정상 선회 보용의 대상물 반력 모멘트 궤도 패러미터가 결정된다. 이 예에서는, 정상 선회 보용의 제 1 선회 보용의 초기부터 종단까지의 대상물 반력 모멘트 궤도는 금회 보용의 대상물 반력 모멘트 궤도에 연속하고, 다음회 보용의 대상물 반력 모멘트 궤도와 일치하도록 결정되어 있다. 또, 정상 선회 보용의 제 2 선회 보용의 대상물 반력 모멘트 궤도는, 제 1 선회 보용의 대상물 반력 모멘트 궤도에 연속함과 동시에, 제 2 선회 보용의 초기부터 종단의 직전의 어떤 시각 tx까지는, 다음다음회 보용의 대상물 반력 모멘트 궤도와 일치하고, 시각 tx부터 종단까지는, 시각 tx의 값으로부터, 제 1 선회 보용의 초기(정상 선회 보용의 초기)의 값과 동일한 값까지 연속적으로 변화되도록 결정되어 있다. 시각 tx는 예를 들면 정상 선회 보용의 ZMP 궤도의 꺽임점의 시각에 대응한다.

또한, 다음회 보용의 초기의 대상물 반력 모멘트의 값과, 다음다음회 보용의 종단의 대상물 반력 모멘트의 값과의 차가 그다지 크지 않을 때에는, 반드시, 정상 선회 보용의 초기의 대상물 반력 모멘트와 종단의 대상물 반력 모멘트의 값을 동일하게 하지 않아도 된다.

이어서, S13으로 진행하고, 정상 선회 보용의 초기 발산성분이 결정된다. 이 경우, 정상 선회 보용은 주기적 보용이기 때문에, 로봇(1)의 미리 정한 동역학 모델 상에서, 제 1 선회 보용의 운동의 초기 상태(초기 발산성분을 포함함)와 제 2 선회 보용의 운동의 종단상태(종단 발산성분을 포함함)가 일치하도록 정상 선회 보용의 초기 발산성분이 결정된다.

이 S13의 처리를 상세하게 설명하기 전에, 먼저, 이 S13에서의 처리에 사용하는 로봇(1)의 동역학 모델과, 이 동역학 모델을 사용하여 목표 상체위치를 결정하기 위한 동역학 연산을 설명한다. 이 동역학 모델은, S13의 처리에 사용되는 이외에, 후술의 S37까지의 처리에서 금회 보용을 결정하기 위해서 사용되고, 로봇(1)의 동역학적 거동(로봇(1)에 작용하는 힘과 운동과의 관계)을 단순화 하여(근사적으로) 표현한 동역학 모델이다. 이하, 이 동역학 모델을 로봇 단순화 모델이라고 한다. 또한, 이 로봇 단순화 모델의 기본 구조는, PCT 국제공개공보 WO/02/40224 A1과 동일하지만, 대상물 반력 모멘트가 가미되어 있는 점에서 동 출원의 것과 상위하다.

도 13은 로봇 단순화 모델의 구조를 도시하고 있다. 도시한 바와 같이, 이 로봇 단순화 모델은, 3질점(質點) 모델이며, 다리체(2)의 동역학과 상체(3)의 동역학이 서로 비간섭으로 구성됨과 동시에, 로봇(1)의 전체의 동역학은 그것들의 선형결합으로 표시된다.

이 로봇 단순화 모델은 도립진자(A)와 2개의 다리 질점(2m, 2m)(지지다리 질점 및 미착지다리 질점)으로 구성된다. 각 다리 질점(2m)은 각 다리체(2)에 대응하는 질점이다. 이 각 다리 질점(2m)은, 각각에 대응하는 다리체(2)의 족평(22)에 임의로 고정적으로 설정된 로컬 좌표계에서의 고정점으로, 그 위치는, 각 족평위치 자세에 대응하여 일의적으로 정해지는 것으로 되어 있다. 예를 들면, 각 족평 질점(2m)은 그 족평(22)의 밑바닥면의 대표점으로부터 발목관절의 중심을 향하여 소정의 거리만큼 이 발목관절측으로 벗어난 점에 설정된다.

도립진자(A)는, 수평으로 이동하는 자유 지지점(a)과, 하나의 질점(b)과, 지지점(a)과 질점(b)을 연결하는 질량이 없는 가변 길이의 링크(c)로 구성된다. 이 경우, 링크(c)가 기울어도 링크(c)가 신축하여, 지지점(a)으로부터 본 질점(b)의 높이(h)가 일정값으로 유지되는 것으로 한다.

이 도립진자(A)의 질점(b)(이하, 단지 도립진자 질점(b)이라고 함)은, 로봇(1)의 상체(3)의 질점에 상당하는 것으로, 이후, 도립진자 질점(b)을 상체 질점(b)이라고도 한다. 도립진자 질점(b)의 위치를 이후, 생략하여 도립진자 위치라고 한다. 또한, 상체 질점(b)의 질량은 상체(3)의 질량과 팔체(5, 5) 및 머리부(4)의 질량을 포함하고 있다.

로봇(1)의 상체(3)의 수평위치는 도립진자 질점(b)의 수평위치로부터 기하학적으로 결정된다. 구체적으로는, 예를 들면, 상체(3)의 대표점의 수평위치(지지다리 좌표계에서 본 XY 좌표), 즉 상체위치의 수평성분이 도립진자 질점(b)의 수평위치에 일치하는 것으로 된다. 바꾸어 말하면, 도 13에 도시하는 바와 같이, 상체(3)의 대표점과 도립진자 질점(b)은 동일 연직선 상에 있는 것으로 된다.

또한, 도립진자(A)의 ZMP는, 자유 지지점(a)의 위치에 있으므로(지지점(a)의 주위에는 모멘트가 발생하지 않음), 이후, 도립진자(A)의 지지점(a)의 위치를 도립진자 ZMP라고 부르고, ZMPpend라고 기술한다.

이러한 로봇 단순화 모델을 수식표현 하기 위해서, 이 모델에 관한 변수 및 패러미터를 이하와 같이 정의한다.

msup: 지지다리 질점(2m)의 질량, mswg: 미착지다리 질점(2m)의 질량, mb: 도립진자 질점(b)의 질량, mtotal: 로봇(1)의 전체 질량(=msup+mswg+mb), mfeet: 양다리체(2, 2)의 총질량(=msup+mswg), xsup: 지지다리 질점(2m)의 위치, xswg: 미착지다리 질점(2m)의 위치, xb: 도립진자 위치(상체 질점(b)의 위치), h: 도립진자 높이(도립진자(A)의 지지점(a)으로부터 도립진자 질점(b)까지의 높이)

이후, 예고하지 않는 한, xb, xsup, xswg는 3차원 벡터(XYZ 좌표 벡터)로 표시한다. 또, X를 임의의 변수로 했을 때, dX/dt는 X의 1차미분을 나타내고, d2X/dt2 는 X의 2차미분을 나타낸다. g는 중력가속도 정수를 나타낸다. G는 그 X성분, Y성분, Z성분이 각각 0, 0, -g인 중력가속도 벡터로 한다.

도 13의 로봇 단순화 모델에서, 양다리 질점(2m, 2m)의 총 관성력(양다리 질점(2m, 2m)의 운동에 의한 관성력과 중력과의 합력)이 어떤 작용점 P 주위에 작용하는 모멘트를 점 P 주위의 다리 총 관성력 모멘트라고 정의하고, 그 작용점 P의 좌표(위치)를 xp라고 한다.

하기의 식01은 점 P 주위의 다리 총 관성력 모멘트의 동역학적 정의식이다.

점 P 주위의 다리 총 관성력 모멘트

=msup(xsup-xp)*G-msup(xsup-xp)*d2xsup/dt2

+mswg(xswg-xp)*G-mswg(xswg-xp)*d2xswg/dt2 ……식01

다리 ZMP를 ZMPfeet로 기술하고, 식02로 정의한다. 단, 다리 ZMP의 높이(ZMPfeet의 Z성분)는 상기 점 P의 높이와 동일한 것으로 한다. 이 다리 ZMP는 양다리체(2, 2)의 운동에 의해 발생하는 관성력과 중력과의 합력에 의사적으로 대응시킨 값이다.

점 P주위의 다리 총 관성력 모멘트=mfeet*(ZMPfeet-xp)*G ……식02

또한, 상기 작용점 P는 로봇 단순화 모델의 근사정밀도가 높아지도록 설정된다. 예를 들면, 금회 보용과 관계되는 작용점 P는, 전회 보용의 지지다리 좌표계의 원점으로부터, 금회 보용의 지지다리 좌표계의 원점에, 양다리 지지기 사이에 직선적으로 등속 이동하고, 이 양다리 지지기에 계속되는 한쪽다리 지지기에서는 금회 보용 지지다리 좌표계의 원점에 유지되도록 설정된다. 이것은, 정상 선회 보용의 제 1 선회 보용, 제 2 선회 보용에 관계되는 작용점 P에 대해서도 동일하다.

또, 목표 ZMP 주위의 대상물 반력 모멘트를 로봇(1)의 전체 질량(mtotal)으로 나눈 것을, 대상물 반력 ZMP로 정의하고, 이것을 ZMPobj로 기술한다. 즉, ZMPobj를 다음 식03으로 정의한다.

ZMPobj=목표 ZMP 주위의 대상물 반력 모멘트/mtotal ……식03

이 때, 목표 ZMP와 다리 ZMP(ZMPfeet)와 도립진자 ZMP(ZMPpend)가 대상물 반력 ZMP와의 사이에는, 근사적으로 다음 식04의 선형관계가 성립된다.

ZMPpend=mtotal/mb*목표 ZMP-mfeet/mb*ZMPfeet-mtotal/mb*ZMPobj ……식04

또한, 식04는, 사지탈 플레인(XZ 평면) 상에서의 관계식이며, 래터럴 플레인(YZ 평면) 상에서는, 식03의 우변 제 3 항의 부호가 「-」로부터 「+」로 반전한다.

또, 도립진자(A)의 거동을 의미하는 미분방정식은 다음 식05로 표시된다.

d2xb/dt2의 수평성분=g/h*(xb의 수평성분-ZMPpend의 수평성분) ……식05

이상의 식01∼05가 도 13의 로봇 단순화 모델의 동역학을 기술하는 식이다.

이러한 로봇 단순화 모델을 사용함으로써 다음과 같은 동역학적 연산에 의해, 목표 족평위치 자세와 목표 ZMP 주위의 대상물 반력 모멘트와 목표 ZMP와 목표 상체자세로부터 목표 상체위치를 결정할 수 있다.

그 동역학 연산을 도 14의 블럭도를 참조하여 설명해 둔다. 도 14는 이 동역학 연산을 나타내는 블럭도이다. 목표 양 족평위치 자세(지지다리 족평(22) 및 미착지다리 족평(22)의 목표 위치 자세)의 궤도와, 상기한 바와 같이 설정되는 작용점 P로부터, 다리 ZMP 산출기(220)에 의해, 상기 식01 및 02를 사용하여 다리 ZMP(ZMPfeet)가 산출된다.

또, 목표 ZMP 주위의 대상물 반력 모멘트에, 승산부(222)에서 1/mtotal을 승산함으로써, 대상물 반력 ZMP(ZMPobj)가 산출된다. 그리고, 산출한 ZMPfeet에 승산부(224)에서 mfeet/mtotal을 승산한 것과 ZMPobj를 감산부(226)에서 목표 ZMP로부터 감산하고, 또한 그 감산 결과에 승산부(228)에서 mtotal/mb를 승산함으로써, 상기 식04의 우변의 연산이 행해진다. 이것에 의해 도립진자 ZMP(ZMPpend)가 산출된다. 또한, 상기의 연산처리에 의해 구해지는 ZMPpend는, 사지탈 플레인 상의 것으로, 래터럴 플레인 상의 ZMPpend를 산출하는 경우에는, 승산부(222)의 연산결과의 부호를 반전시킨 것을 감산부(226)에 입력하면 된다.

이렇게 하여 산출된 ZMPpend를 도립진자(A)에 입력함으로써 상기 식05에 기초하여 도립진자 수평위치 xb가 산출된다. 또한, 이 도립진자 수평위치 xb와 목표 상체자세를 기초로, 상체위치 결정기(230)에 의해 목표 상체위치가 결정된다. 이 경우, 상체위치 결정기(230)는 도립진자 수평위치 xb를 목표 상체 수평위치로 한다. 또, 목표 상체 연직위치는, 예를 들면 본 출원인이 앞서 일본 특개평10-86080호 공보에서 제안한 상체높이 결정수법에 의해, 목표 상체자세 등을 기초로 결정된다. 또한 본 실시형태에서는 로봇(1)의 목표 상체자세는 예를 들면 연직자세롤 된다.

도 5의 설명으로 되돌아와, 이하에, S13의 처리를 상세하게 설명한다.

S13의 처리에서는, 상기한 로봇 단순화 모델을 기초로, 정상 보용의 초기 발산성분을 결정한다. 보용에서의 발산 성분을 q로 놓고, 상기 도립진자(A)의 질점(b)의 수평속도(또는 상체 수평속도)를 vb로 놓으면, q는 본 실시형태에서는 다음 식06에 의해 정의된다.

q=xb+vb/ω0 ……식06

단, ω0는 도립진자(A)의 고유주파수, 즉, g/h의 평방근이다.

또한, 이와 같이 정의되는 발산 성분의 기술적 의미에 대해서는, PCT 국제공개공보 WO/02/40224 A1에 상세하게 설명되어 있으므로, 여기에서의 설명은 생략한다.

이와 같이 발산 성분 q를 정의했을 때, 도립진자(A)의 운동방정식(상기 식05)을 이산화하여, q에 관해서 풀고, 거기에 상기 식04를 적용하면, 다음 식07이 얻어진다. 또한, 목표 ZMP를 ZMPtotal로 기술한다.

q[k]=exp(ω0kΔt)*q[0]

+exp(ω0kΔt)*(exp(-ω0Δt)-1)*Σ(exp(-iω0Δ t)*mtotal/mb*ZMPtotal[i])

-exp(ω0kΔt)*(exp(-ω0Δt)-1)*Σ(exp(-iω0Δt)*mfbet/mb*ZMPfeet[i])

-exp(ω0kΔt)*(exp(-ω0Δt)-1)*Σ(exp(-iω0Δt)*mtotal/mb*ZMPobj[i])

……식07

단, exp()는 자연대수의 밑 e의 지수함수를 의미한다. 또, Δt는 이산계의 일정한 시간간격, k는 스텝수(kΔt가 시각을 의미함)이다. 또, 식07의 Σ()는 i=0부터 i=k-1까지의 누적 가산연산을 의미하고 있다.

또한, 식07은 사지탈 플레인상에서의 발산 성분 q를 기술하는 식으로, 래터럴 플레인 상에서의 발산성분 q를 기술하는 식은, 식07의 우변의 제 4 항의 전체의 부호를 「-」부터 「+」로 반전시킨 식이 된다.

여기에서, 정상 선회 보용의 초기(제 1 선회 보용의 초기)에서의 발산 성분(이하, 초기 발산성분이라고 함)과 종단(제 2 선회 보용의 종단)에서의 발산 성분(이하, 종단 발산성분이라고 함)에 착목하고, q[0](시각 0에서의 발산 성분)를 초기 발산성분, q[k](시각 kΔt에서의 발산 성분)를 종단 발산성분으로 한다.

이때, 식07의 우변 제 1 항은 초기 발산성분에 의해 발생하는 종단 발산성분을 나타낸다. 우변 제 2 항은 목표 ZMP 패턴에 의해 발생하는 종단 발산성분을 나타낸다. 우변 제 3 항은, 양다리체(2, 2)의 운동(양다리 질점(2m, 2m)의 운동)에 의해 발생하는 종단 발산성분을 나타낸다. 우변 제 4 항은, 대상물 반력 모멘트 패턴에 의해 발생하는 종단 발산성분을 나타낸다. 이후, 우변 제 2 항을 Wzmptotal, 우변 제 3 항을 Wfeet, 우변 제 4 항을 Wobj로 기술한다. 즉, Wzmptotal, Wfeet, Wobj를 다음 식08a, 08b, 08c로 정의한다.

Wzmptotal

=exp(ω0kΔt)*(exp(-ω0Δt)-1)*Σ(exp(-iω0Δt)*mtotal/mb*ZMPtotal[i]) ……식08a

Wfeet

=-exp(ω0kΔt)*(exp(-ω0Δt)-1)*Σ(exp(-iω0Δt)*mfeet/mb*ZMPfeet[i]) ……식08b

Wobj

=-exp(ω0kΔt)*(exp(-ω0Δt)-1)*Σ(exp(-iω0Δt)*mtotal/mb*ZMPobj[i]) ……식08c

또한, 식08c는 사지탈 플레인상에서의 Wobj를 정의하는 식으로, 래터럴 플레인 상에서의 Wobj는 식08c의 우변의 부호를 반전시킨 것이 된다.

이들 Wzmptotal, Wfeet, Wobj를 사용하여 상기 07을 다시쓰면, 다음 식09가 된다.

q[k]=exp(ω0kΔt)*q[0]+Wzmptotal+Wfeet+Wobj ……식09

본 실시형태에서는, 정상 선회 보용의 경계조건을 만족하는 초기 발산성분은, 금회 보용에 이어지는 정상 선회 보용의 지지다리 좌표계(도 11의 다음회 보용 지지다리 좌표계(X'Y' 좌표계))에서 본 초기 발산성분이 이 정상 선회 보용의 다음 보용의 지지다리 좌표계(도 11의 다음다음다음회 보용 지지다리 좌표계(X'''Y''' 좌표계))로부터 본 정상 선회 보용(금회 보용에 이어지는 정상 선회 보용)의 종단 발산성분에 일치하도록, 상기 식08a, 08b, 08c, 09에 기초하여 해석적으로 구해진다.

여기에서, 정상 선회 보용의 다음 보용의 지지다리 좌표계(도 11의 다음다음다음회 보용 지지다리 좌표계(X'''Y''' 좌표계))로부터 본 이 정상 선회 보용의 종단 발산성분을 q'[k]로 두면, 정상 선회 보용의 경계조건을 만족하기 위해서는, 다음 식10이 성립하지 않으면 안된다.

q[0]=q'[k] …식10

또, 정상 선회 보용의 다음 보용의 지지다리 좌표계(도 11의 다음다음다음회 보용 지지다리 좌표계(X'''Y''' 좌표계))에서 기술되는 값을, 이 정상 선회 보용의 지지다리 좌표계(도 11의 다음회 보용 지지다리 좌표계(X'Y' 좌표계))에서 기술되는 값으로 좌표변환 하기 위한 회전행렬을 M, 좌표 원점의 평행이동 벡터를 B로 두면, 다음 식11이 얻어진다.

q[k]=Mq'[k]+B ……식11

따라서, 이들 식10, 11로부터 다음 식12가 얻어진다.

q[k]=Mq[0]+B ……식12

이 식12는, 정상 보용의 경계조건을 만족하기 위해서, 초기 발산성분 q[0]와 종단 발산성분 q[k]가 만족시켜야 할 조건이다.

그리고, 이 식12와 상기 식08a∼08c 및 09로부터, 다음 식13이 얻어진다.

q[0]=inv(M-exp(ω0kΔt)I)(Wzmptotal+Wfeet+Wobj-B) ……식13

또한, 식13에서, inv()는 괄호 내의 행렬의 역행열이며, I는 단위행렬이다.

본 실시형태에서는, 이 식13에 기초하여 정상 선회 보용의 경계조건을 만족하는 초기 발산성분 q[0]를 결정한다.

구체적으로는, 상기 S11에서 결정한 정상 선회 보용의 ZMP 궤도 패러미터를 기초로, 정상 선회 보용의 각 시각 iΔt(i=0,1,……,k-1)에서의 목표 ZMP의 순시값인 ZMPtotal[i](i=0,1,……,k-1)을 구하고, 이것을 사용하여 상기 식08a의 우변의 연산을 행함으로써 Wzmptotal을 산출한다. 또한, Wzmptotal의 산출은, PCT 국제공개공보 WO/02/40224 A1에 설명되어 있는 바와 같이, 목표 ZMP 궤도가 꺾인선 궤도인 것을 이용한 알고리즘에 의해 산출하도록 해도 된다.

또, 상기 S11에서 결정한 정상 선회 보용의 족평 궤도 패러미터를 기초로, 정상 선회 보용의 각 시각 iΔt(i=0,1,……,k-1)에서의 각 족평위치 자세의 순시값을 구하고, 그것을, 상기 식01, 02를 이산계로 표현한 식에 적용함으로써 ZMPfeet[i]를 구한다. 또한, 족평위치 자세는, 예를 들면 본 출원인이 일본 특허 제3233450호에서 제안한 유한시간 정정 필터를 사용하여 각 족평(22)마다 산출된다. 이 경우, 산출되는 족평위치 자세의 궤도는, 정상 선회 보용의 제 1 선회 보용 및 제 2 선회 보용의 각각에 있어서의 미착지다리 족평(22)이 한쪽다리 지지기의 개시 시각으로부터 상승하고, 이 미착지다리 족평(22)의 착지 예정위치를 향하여 이동하고, 이 미착지다리 족평(22)의 착지 예정시각에서 이 미착지다리 족평(22)이 그 발뒤꿈치로 착지 예정위치에 대응하는 위치에 착지하는 궤도이다. 그리고, 상기와 같이 구한 ZMPfeetl[i]를 사용하여 상기 식08b의 우변의 연산을 행함으로써 Wfeet를 산출한다. 보충하면, 미착지다리 족평(22)의 착지 예정위치 자세 가, 1개 전의 보용에 있어서의 지지다리 족평(22)의 착지위치 자세와 동일한 경우에는, 족평위치 자세궤도는 일정한 착지 위치 자세로 유지되는 궤도로 된다. 단, 미착지다리 족평(22)을 일단 상승시키고, 그 후에 원래의 착지 위치 자세로 되돌리는 족평위치 자세궤도를 생성하도록 해도 된다.

또한, 상기 S11에서 결정한 정상 선회 보용의 대상물 반력 모멘트 궤도 패러미터를 기초로, 정상 선회 보용의 각 시각 iΔt(i=0,1,……,k-1)에 있어서의, 목표 ZMP 주위의 대상물 반력 모멘트를 구함과 동시에, 그것을 mtotal로 나눔으로써, ZMPobj[i]를 구하고, 그 구한 ZMPobj[i]를 사용하여 상기 식08c의 우변의 연산을 행함으로써 Wobj를 산출한다.

또한, Wzmptotal, Wfeet, Wobj의 산출에서 사용하는 일정한 시간간격 Δt는, 보용 생성장치(100)의 연산처리 주기와 동일한 것이 바람직하지만, 그것보다도 긴 시간으로 설정하여, 연산처리 시간을 단축하도록 해도 된다.

그리고, 상기한 바와 같이, 구한 Wzmptotal, Wfeet, Wobj로부터, 상기 식12의 우변의 연산을 행함으로써, 정상 선회 보용의 경계조건을 만족하는 초기 발산성분 q[0]가 산출된다.

이상이, 본 실시형태에서의 S13의 처리의 상세이다.

또한, 본 실시형태에서는, 초기 발산성분 q[0]를 해석적으로 구하도록 했지만, 예를 들면 PCT 국제공개공보 WO/02/40224 A1의 제 2 실시형태에서 설명되어 있는 바와 같이, 탐색적인 수법에 의해, 금회 보용에 이어지는 정상 선회 보용의 다음 보용의 지지다리 좌표계로부터 본 이 정상 선회 보용의 종단 발산성분에 거의 일치하는 이 정상 선회 보용의 초기 발산성분을 결정하도록 해도 된다.

도 5의 플로우차트의 설명으로 되돌아와, 상기한 바와 같이 S13의 처리를 실행한 후, S15로 진행하고, 금회 보용의 보용 패러미터가 임시결정 된다. 이 보용 패러미터는 금회 보용에서의 족평위치 자세궤도를 규정하는 족평 궤도 패러미터, 목표 ZMP 궤도를 규정하는 ZMP 궤도 패러미터, 목표 대상물 반력 모멘트 궤도를 규정하는 대상물 반력 궤도 패러미터를 포함한다.

금회 보용의 보용 패러미터 중의 족평 궤도 패러미터는, 금회 보용의 초기 및 종단의 각각에 있어서의 지지다리 족평(22) 및 미착지다리 족평(22)의 각각의 위치 자세, 금회 보용의 보용주기 등으로부터 구성된다. 이 경우, 금회 보용 초기 미착지다리 족평위치 자세는, 금회 보용 지지다리 좌표계로부터 본, 전회 보용 종단에 있어서의 금회 보용의 미착지다리 족평위치 자세(전회 보용의 지지다리 족평위치 자세)로 한다. 금회 보용 초기 지지다리 족평위치 자세는, 금회 보용 지지다리 좌표계로부터 본, 전회 보용 종단에서의 금회 보용의 지지다리 족평위치 자세(전회 보용의 미착지다리 족평위치 자세)로 한다. 금회 보용 종단 미착지다리 족평위치 자세는, 금회 보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정위치 자세에 대응시켜서 결정된다. 구체적으로는, 금회 보용의 미착지다리 족평(22)을 금회 보용 종단 미착지다리 족평위치 자세로부터 바닥에 접촉시킨 채, 미끄러지지 않도록 피칭 방향으로 소정 각도, 회전시켰을 때의 위치 자세가 금회 보용의 착지 예정위치 자세가 되도록 금회 보용 종단 미착지다리 족평위치 자세가 결정된다. 금회 보용 종단 지지다리 족평위치 자세는, 금회 보용 지지다리 좌표계에 위치 자세를 일치시킨 지지다리 족평(22)을 바닥에 접촉시킨 채, 미끄러지지 않도록 이 지지다리 족평(22)을 그 밑바닥면의 거의 전체면이 바닥에 접촉할 때까지 피칭 방향으로 회전시켰을 때의 이 지지다리 족평(22)의 위치 자세(이 위치 자세는 전회 보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정위치 자세에 일치함)로 한다.

또한, 본 실시형태에서는, 금회 보용 종단에서의 지지다리 족평(22)은 바닥면에 거의 평행한 자세로 되지만, 반드시 이렇게 할 필요는 없다. 예를 들면, 보용 종단에서, 지지다리 족평(22)의 발뒤꿈치측이 바닥면으로부터 떨어지도록 해도 된다.

금회 보용의 보용 패러미터 중의 ZMP 궤도 패러미터는, S07에서 임시결정된 ZMP 궤도 패러미터와 동일하게 설정된다. 따라서, 이 ZMP 궤도 패러미터에 의해 규정되는 목표 ZMP 궤도는, 예를 들면 상기 도 10(a)에 도시한 바와 같은 패턴의 것이다.

또, 금회 보용의 보용 패러미터 중의 대상물 반력 모멘트 궤도 패러미터는, 그것에 의해 규정되는 대상물 반력 모멘트 궤도가, 상기 S09에서 산출한 대상물 반력 모멘트 궤도 중의 금회 보용에 대응하는 궤도에 일치하도록 결정된다.

이어서, S17로 진행하고, 정상 선회 보용에 금회 보용이 수렴되도록, S15에서 임시결정한 보용 패러미터 중의 ZMP 궤도 패러미터를 수정한다. 보다 상세하게는, 정상 선회 보용의 초기 발산성분에 금회 보용의 종단 발산성분이 거의 일치하도록 ZMP 궤도 패러미터가 수정된다.

본 실시형태에서는, 정상 선회 보용의 초기 발산성분에 금회 보용의 종단 발 산성분을 거의 일치시키도록 하기 위해서, 상기 임시목표 ZMP에 도 10(b)에 도시하는 바와 같은 ZMP 수정량을 더함으로써, 이 임시목표 ZMP를 수정하고, 그것에 의해, 도 10(c)에 도시하는 바와 같은 목표 ZMP를 얻는다.

이 경우, 임시목표 ZMP의 수정처리의 기본적 지침은, PCT 국제공개공보 WO/02/40224 A1과 동일하지만, 대상물 반력 모멘트가 고려되는 점에서 동 출원의 것과 상위하다. 이하에 그 서로 상위한 점을 중심으로 S17의 처리를 구체적으로 설명한다. 또한, 이 처리에서 사용하는 변수, 기호 중, 정상 보용의 초기 발산성분을 결정하는 처리(S13)에 관해서 설명한 것과 동일한 의미를 갖는 변수에 대해서는, 정상 보용에 관해 앞에서 정의한 것과 동일한 변수, 기호를 사용하여 S17의 처리를 설명한다. 또, 이하의 설명에서는, 이해의 편의상, ZMP의 X축방향 성분의 수정에 관해 설명을 행한다.

본 실시형태에서는, ZMP 수정량은 도 10(b)에 도시하는 바와 같이 사다리꼴 형상으로 되고, 그 높이를 a로 놓는다. 또한, 사다리꼴의 꺽임점의 시각은, 도시한 바와 같이, 임시목표 ZMP 궤도의 꺽임점의 시각에 맞춰서 설정된다. 본 실시형태에서는, ZMP 수정량은 금회 보용의 한쪽다리 지지기에서 발생시킨다. 또, 상기 S13에서 결정한 초기 발산성분을 금회 보용 지지다리 좌표계로부터 본 값에 좌표변환 한 것을 q"으로 놓는다. 즉, 금회 보용 지지다리 좌표계로 본 정상 선회 보용의 초기 발산성분을 q"으로 놓는다. 또한 임시목표 ZMP 궤도에 의해 발생하는 금회 보용의 종단 발산성분을 Wzmptmp, a=1일 경우의 ZMP 수정량 패턴에 의해 발생하는 금회 보용의 종단 발산성분을 Wtrim으로 놓는다.

이때, 수정 후의 목표 ZMP 궤도에 의해 발생하는 종단 발산성분을 Wzmptotal로 놓으면, 근사적으로 다음 식14가 얻어진다.

Wzmptotal=Wzmptmp+a*Wtrim …… 식14

따라서, 목표 ZMP를 수정한 후의 금회 보용의 종단 발산성분 q"은 정상 보용에 관하여 설명한 상기 식09와 동일한 다음 식15에 의해 표시된다.

q"=exp(ω0kΔt)*q[0]+Wzmptmp+a*Wtrim+Wfeet+Wobj ……식15

또한, 식15에서, kΔt는 금회 보용의 종단시각, q[0]는 금회 보용의 초기 발산성분, Wfeet는 금회 보용의 양다리체(2, 2)의 운동에 의해 발생하는 종단 발산성분, Wobj는 금회 보용의 대상물 반력 모멘트 궤도에 의해 발생하는 종단 발산성분이다.

이 식15로부터, ZMP 수정량의 사다리꼴 높이 a를 결정하기 위한 다음 식16이 얻어진다.

a=(q"-exp(ω0kΔt)*q[0]-Wzmptmp-Wfeet-Wobj)/Wtrim ……식16

그래서, 본 실시형태에서는, 식16에 의해, ZMP 수정량의 사다리꼴 높이 a를 구한다. 이 경우, 초기 발산성분 q[0]는 금회 보용 초기의 도립진자 위치(또는 상체위치)와 그 변화속도로부터, 상기 식06에 의해 산출된다. 또, Wzmptmp는 S15에서 임시결정된 ZMP 궤도 패러미터에 의해 규정되는 임시목표 ZMP 궤도로부터, 정상 선회 보용에 관계되는 Wzmptotal을 구한 경우와 동일하게 구해진다. Wtrim은 사다리꼴 높이 a를 1로 하여 정해지는 ZMP 수정량 패턴으로부터, 정상 선회 보용에 관계되는 Wzmptotal을 구한 경우와 동일하게 구해진다. Wfeet는, S15에서 임시결정 된 족평 궤도 패러미터로부터, 정상 선회 보용에 관계되는 Wfeet를 구한 경우와 동일하게 상기 식08b에 기초하여 구해진다. Wobj는 S15에서 임시결정된 대상물 반력 모멘트 궤도 패러미터로부터, 정상 선회 보용에 관계되는 Wobj를 구한 경우와 동일하게 상기 식08c에 기초하여 구해진다.

S17에서는, 이렇게 하여 구한 사다리꼴 높이 a에 의해 정해지는 ZMP 수정량을 임시목표 ZMP 궤도에 더함으로써 ZMP 궤도 패러미터가 수정된다.

또한, 본 실시형태에서는, ZMP 수정량을 해석적으로 구하도록 했지만, 탐색적으로 구하도록 해도 된다. 이 경우에는, 사다리꼴 높이 a의 값을 적당한 값으로 설정한 ZMP 수정량에 의해 임시목표 ZMP를 수정하여 이루어지는 목표 ZMP 궤도를 사용하여, 금회 보용을 임시로 작성하고, 그 임시작성한 금회 보용의 종단 발산성분과 정상 보용의 초기 발산성분과의 차 등에 따라, 그 차가 작아지도록 사다리꼴 높이 a의 값을 수정한다고 하는 처리를 반복한다. 그리고, 최종적으로 임시작성한 금회 보용의 종단 발산성분을 정상 보용의 초기 발산성분이 거의 일치할 때의 사다리꼴 높이 a의 값에 의해 ZMP 수정량을 결정하면 된다.

S17의 처리 후, S19로 진행하고 수정 후의 ZMP 궤도 패러미터에 의해 정해지는 목표 ZMP가 적정한지 아닌지가 판단된다. 구체적으로는, 수정 후의 목표 ZMP가, 금회 보용의 지지다리 족평(22)의 접지면으로부터 일탈하거나, 접지면의 경계부근에 치우치거나 하고 있지 않은 경우, 즉, 로봇(1)의 안정여유를 확보할 수 있는 경우에는, 목표 ZMP가 적정한 것으로 판단되고, 그렇지 않을 경우에는, 목표 ZMP가 부적정하다고 판단된다.

S19의 판단 결과가 NO일 경우에는, S21로 진행하고, 금회 보용 패러미터 중의 ZMP 궤도 패러미터 이외의 패러미터에 관계되는 요소, 예를 들면 대상물 반력 모멘트 궤도 패러미터에 관계되는 목표 대상물 반력 궤도를 수정한다. 이 경우, 목표 대상물 반력 궤도는, 그 수정 후에 S09∼S17의 처리를 재차 실행했을 때에, ZMP 수정량이 가능한 한 작아지도록(적어도 목표 대상물 반력 궤도의 수정 전에 구한 ZMP 수정량보다도 작아지도록) 수정된다.

이 목표 대상물 반력 궤도의 수정예를 이하에 설명한다. 예를 들면 도 15(a)의 그래프 g2로 도시하는 바와 같이 이동계획에 기초하는 목표 대상물 운동궤도(위치 궤도)가 시각 t1으로부터 X축 방향에서 대상물(120)의 감속을 행하여, 시각 t3에서 정지시키는 궤도인 것으로 한다. 또한, 도 15(a)의 그래프 g3는 목표 대상물 운동궤도에 대응하여 결정되는 목표 상체위치 궤도의 예이다. 이때, 시각 t1에서의 대상물(120)의 감속가속도가 비교적 클 경우에는, 그 시각 t1 이후의, 어떤 현재 시각 t2에서의 금회 보용에 관계되는 ZMP 수정량이 X축의 정방향으로 과대하게 되어, 지지다리 족평(22)의 접지면을 일탈하는 경우가 있다(이 경우, S19의 판단 결과가 NO로 됨). 그리고, 가령, 그대로 목표 보용을 계속해서 생성한 경우에는, 도시한 바와 같이 로봇(1)의 상체(3)가 어떤 시각 t4에서 대상물(120)에 충돌하는 것과 같은 목표 보용이 생성되어버린다.

그래서, 이러한 경우에는, 목표 대상물 반력을, 상기한 바와 같이 S03에서 임시결정된 목표 대상물 반력 궤도에 대해, 도 15(b)에 도시하는 바와 같이, 현재 시각 t2 이후의 어떤 기간 ΔT1 내에서, X축의 부방향으로 증가시키도록 이 목표 대상물 반력 궤도를 수정한다. 바꾸어 말하면, 로봇(1)으로부터 대상물(120)에 가하는 작용력(목표 대상물 반력의 부호를 반전시킨 힘)을 X축의 정방향으로 증가시키도록 목표 대상물 반력을 수정한다. 이 경우, 목표 대상물 반력을 증가시키는 기간 ΔT1 또는 그 증가분 ΔF1의 크기는, 수정 후의 목표 대상물 반력을 기초로 상기 S09∼S17의 처리에 의해 결정되는 ZMP 수정량이 가능한 한 작아져서, S19의 판단 결과가 YES가 되도록 결정된다. 이러한 ΔT1 또는 ΔF1은 해석적 또는 탐색적으로 구하는 것이 가능하다.

이와 같이 목표 대상물 반력 궤도를 수정함으로써, 로봇(1)이 적극적으로 대상물(120)을 미는 것과 같은 상체(3)의 운동이 행해지도록 금회 보용 패러미터 중의 대상물 반력 모멘트 궤도 패러미터가 S15에서 결정되게 된다. 그 결과, 이 금회 보용 패러미터를 기초로 생성되는 목표 보용이 안정여유를 확보하면서, 대상물(120)에 로봇(1)의 상체(3)가 충돌하지 않는 보용이 된다.

S21의 처리를 행한 후, S09∼S17의 처리가 상기한 바와 같이 재차 실행된다. 이때, S17의 다음 S19의 판단 결과는 YES가 되고, 이 경우에는, 다음에 도 6의 S23으로 진행된다.

S23에서는, 현재의 금회 보용 패러미터와 정상 보용 패러미터를 기초로, 현재 시각으로부터 정상 보용의 제 2 선회 보용 종단까지의(금회 보용의 1보를 포함하여 3보째까지의) 목표 상체위치 자세궤도를 산출함과 동시에, 목표 대상물 운동궤도를 기초로 목표 손끝위치 자세궤도를 산출한다. 즉, S23에서는 금회 보용을 포함하여 3보의 기간에서의 목표 보용이 임시 생성된다.

이 경우, 금회 보용, 정상 선회 보용의 제 1 선회 보용, 제 2 선회 보용의 순으로, 각 보용의 보용 패러미터를 기초로, 상기 도 14의 블럭도를 참조하여 설명한 바와 같이, 목표 상체위치 자세궤도를 산출한다. 보다 구체적으로는, 각 보용의 족평궤도 패러미터를 기초로, 목표 양족평위치 자세궤도가 산출됨과 동시에, ZMP 궤도 패러미터 및 대상물 반력 모멘트 궤도 패러미터를 기초로, 각각 목표 ZMP 궤도, 대상물 반력 모멘트 궤도가 산출된다. 또한, 목표 양족평위치 자세궤도의 산출 처리는, 상기 S13의 처리 중에서, ZMPfeet[i]를 산출하는 처리에 관하여 설명한 경우와 동일하게, 본 출원인이 특허 제3233450호에 제안한 유한시간 정정필터를사용하여 각 족평(22)마다 산출된다. 그리고, 이들 목표 양족평위치 자세궤도, 목표 ZMP 궤도, 및 대상물 반력 모멘트 궤도를 도 14의 블럭도의 산출처리에 사용함으로써, 목표 상체위치 자세가 결정된다. 또한, 본 실시형태에서는, 목표 상태 자세는 연직자세로 된다. 이와 같이, 목표 상체위치 자세를 산출함으로써, 로봇 단순화 모델 상에서, 로봇(1)의 운동이 발생하는 관성력과, 로봇(1)에 작용하는 목표 대상물 반력과 중력의 합력이 목표 ZMP 주위의 발생하는 모멘트의 수평성분이 0이 된다는 동역학적 평형조건을 만족시키도록 로봇(1)의 목표 운동 중 목표 상체위치 자세궤도가 산출된다.

또한, 목표 손끝위치 자세궤도는, 금회 보용, 정상 선회 보용의 제 1 선회 보용, 제 2 선회 보용의 순으로, S09에서 구한 경우와 동일하게, 목표 대상물 운동궤도를 기초로 산출한다. 또한, 정상 선회보용의 제 1 선회 보용, 제 2 선회 보용에 대응하는 목표 대상물 운동궤도는, S03에서 임시결정된 목표 대상물 운동궤도 중의 다음회 보용, 다음다음회 보용에 대응하는 목표 대상물 운동궤도이다.

이상 설명한 S05∼S23의 처리는, 본 발명의 제 1 발명에서의 로봇 보용 생성 수단의 처리에 상당하고 있다. 이 경우, S05∼S23의 처리에 의해 최종적으로 얻어지는 금회 보용 패러미터, 정상 보용 패러미터가 제 1 발명에서의 로봇 보용 생성 수단의 처리가 임시 결정하는 보용 패러미터에 상당한다.

이어서, S25로 진행하고, 로봇(1)과 대상물(120)의 기하학적 제약조건을 체크한다. 여기에서, 이 기하학적 제약조건은, 대상물(120)과 로봇(1)과의 간섭(상체(3)가 대상물(120)에 닿는 등)의 유무, 및, 각 팔체(3)의 관절의 회전각이 기구적인 제한 내에 들어가 있는지 등의 조건이다. 목표 상체위치 자세와 목표 대상물 운동궤도로부터 로봇(1)의 상체(3)와 대상물(120)의 간섭의 유무를 판단할 수 있다. 또, 목표 상체위치 자세와 목표 손끝위치 자세로부터, 각 팔체(3)의 관절의 회전각을 결정할 수 있으므로, 그 회전각이 기구적인 제한 내에 들어가 있는지 아닌지를 알 수 있다.

S25의 판단 처리는, 현재 시각으로부터 제 2 선회 보용의 종단까지, 소정의 일정한 시간 간격의 목표 상체자세 등의 순시값에 대해 차례차례 행해진다. 즉, 각 순시값에 대해, S25의 판단 결과가 OK일 경우에는, S27에서, 현재 시각부터 제 2 선회 보용의 종단까지의 전체 시각분의 체크가 완료했는지 아닌지를 판단한다. 그리고, 이 S27의 판단 결과가 NO일 경우에는, S25의 판단 처리를 반복한다.

S25의 판단 결과가 NG일 경우에는, S29로 진행하고, NG로 된 해당 시각에 있어서의 기하학적 제약조건을 만족시키도록 착지 예정위치 자세와 목표 대상물 운동 궤도 중 적어도 어느 하나를 수정한다. 그 수정예를 도 16을 참조하여 설명한다.

동 도면을 참조하여, 현재 시각 t1에서의 이동계획에 기초하는 X축방향의 목표 대상물 운동궤도(위치 궤도)가 도면 중의 그래프 g4로 도시하는 궤도(이하, 원(元)궤도라고 함)인 것으로 하고, 장래의 어떤 시각 t2에서 목표 상체위치와 목표 대상물 위치가 너무 가까워, 상체(3)와 대상물(120)의 간섭이 발생하여, S25의 판단 결과가 NG가 되는 것으로 한다. 이때, 그 간섭이 발생하는 시각 t2의 목표 대상물 위치를, X축의 정방향, 즉, 로봇(1)으로부터 멀어지는 방향으로 도면 중의 파선 화살표로 나타내는 바와 같이 비켜놓음과 동시에, 시각 t2의 전후에 걸치는 기간 ΔT2에서의 목표 대상물 운동궤도(위치 궤도)를 그래프 g5로 도시하는 수정 궤도로 변경한다. 이 수정 궤도 g5는 로봇(1)의 거동의 급변을 피하기 위해서, 그 기간 ΔT2의 양단에서 원궤도 g4에 원활하게 이어지도록 결정된다. 또, 시각 t2에서의 비켜놓은 양 ΔX는, 그것에 의하여, 로봇(1)의 상체(3)와 대상물(120)과의 간섭이 없어지도록(S25의 판단 결과가 OK가 되도록) 결정된다.

또한, 상기의 예에서는, 목표 대상물 운동궤도를 수정하는 경우를 예롤 들어서 설명했지만, 목표 대상물 운동궤도를 수정하는 대신, S25의 판단 결과가 NG가 되는 해당 시각을 포함하는 보용에서의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정위치 자세를 수정하도록 해도 된다. 예를 들면, 도 16의 경우와 같이 시각 t2에서 간섭이 발생하는 경우에는, 그 시각 t2를 포함하는 보용에서의 착지 예정위치 자세를 대상물(120)로부터 X축방향에서 멀어지는 위치 자세로 수정하면 된다. 또는, 목표 대상물 운동궤도와 착지 예정위치 자세와의 양자를 수정하도록 해도 된다.

S29의 수정처리가 종료하면, S05로 되돌아오고, 이 S05로부터의 처리가 전술한 바와 같이 실행된다. 이것에 의해, 상기 기하학적 제약조건이 만족시켜지지 않는 경우에, 목표 대상물 운동궤도 또는 착지 예정위치 자세가 수정되고, 나아가서는, 금회 보용 패러미터 중의 족평 궤도 패러미터가 수정되게 된다. 이 경우, 목표 대상물 운동궤도를 수정했을 때에는, S05의 처리에 의해, 결과적으로, 족평 궤도 패러미터(미착지다리 족평(22)의 착지 예정위치 자세 및 착지 예정시각)도 수정되게 된다. 또한, S29에서 목표 대상물 운동궤도를 수정하지 않고, 미착지다리 족평(22)의 착지 예정위치를 수정한 경우에는, S05의 처리를 생략하여 S07로부터의 처리를 실행하면 된다.

보충하면, 이상 설명한 S25∼S29의 처리는 본 발명의 제 1 발명에서의 수정 수단에 상당한다.

한편, S27의 판단 결과가 YES가 되면, 도 7의 S31로 진행된다. 이 S31에서는, 금회 보용 패러미터를 기초로, 목표 ZMP를 만족하도록, 손끝위치 자세 순시값을 제외한, 현재 시각의 금회 보용 순시값을 산출한다.

이 산출 처리는, 다음과 같이 행해진다. 즉, 금회 보용 패러미터 중의 족평 궤도 패러미터를 기초로, 목표 족평위치 자세의 순시값이 산출된다. 이 산출 처리는, 상기 S13의 처리 중에서, ZMPfeet[i]를 산출하는 처리에 관해서 설명한 경우와 마찬가지로, 본 출원인이 일본 특허 제3233450호에서 제안한 유한시간 정정 필터를 사용하여 각 족평(22) 마다 산출된다. 또한, 정상 보용에 관해서 설명한 경우와 동일하게, 금회 보용의 미착지다리 족평(22)의 착지 예정위치 자세가, 전회 보용의 지지다리 족평(22)의 착지 위치 자세와 동일한 경우에는, 금회 보용의 각 목표 족평위치 자세의 순시값은 금회 보용 초기의 상태로 유지된다. 단, 금회 보용의 미착지다리 족평(22)을 일단 상승시켜, 원래의 착지 위치 자세로 되돌리도록 금회 보용의 미착지다리 족평(22)의 족평위치 자세궤도의 순시값을 생성하도록 해도 된다.

또, 금회 보용 패러미터 중의, ZMP 궤도 패러미터를 기초로, 목표 ZMP의 순시값이 산출됨과 동시에, 대상물 반력 모멘트 궤도 패러미터를 기초로, 목표 대상물 반력 모멘트의 순시값이 산출된다.

또한, 상기 산출된 목표 족평위치 자세의 순시값과, 목표 ZMP의 순시값과, 목표 대사물 반력 모멘트의 순시값으로부터, 상기 도 14의 동역학 연산에 의해, 목표 상체위치 자세의 순시값이 산출된다. 또한, 본 실시형태에서는, 목표 상체자세는, 예를 들면 연직자세로 된다. 단, 목표 상체자세를 연직자세로 유지할 필요는 없고, 변화시키도록 해도 된다. 목표 상체자세를 변화시키는 경우에는, 로봇 단순화 모델은, 상체(3)의 자세변화에 수반되는 로봇(3)의 각운동량 변화를 고려한 동역학 모델로 하는 것이 바람직하고, 예를 들면 본원 출원인이 PCT 국제공개공보 WO/03/057422 A1에서 제안한 동 공보의 도 10에 도시하는 바와 같은 동역학 모델을 사용하면 된다.

이상의 S31의 처리에 의해 로봇(1)의 목표 보용의 운동 중의, 목표 족평위치 자세 및 목표 상체위치 자세의 순시값이 결정된다. 본 실시형태의 로봇(1)에서는, 각 다리체(2)는 6자유도를 가지므로, 목표 상체위치 자세와 목표 족평위치 자세가 결정되면, 각 다리체(2)의 각 관절의 회전각은 일의적으로 정해진다. 보충하면, 본 실시형태에서는, S31에서 구해지는 목표 상체위치 자세는 후술하는 S39의 처리에 의해 더욱 보정된다.

이어서, S33으로 진행하고, 최종 수정 목표 손끝위치의 전회값(전회의 연산처리 주기에서의 값)을 기초로, 전회의 연산처리 주기(보용 생성장치(100)의 연산처리 주기)에서의 대상물(120)의 실제의 위치(이동위치)인 실대상물 위치를 추정한다. 여기에서, 최종 수정 목표 손끝위치는, 후술하는 팔 메인 제어장치(106)에서 구해지는 것으로, 로봇(1)의 실제의 손끝위치의 지령값에 상당하는 것이다. 그래서, 예를 들면 최종 수정 목표 손끝위치의 전회값을 로봇(1)의 실제의 손끝위치의 전회값으로 하고, 이것과 소정의 상대위치 관계를 갖는 위치를 실대상물 위치로서 추정한다. 또한, 대상물(120)에 자이로 센서나 가속도 센서를 탑재해 두고, 그것들의 검출값으로부터 실대상물 위치를 추정하도록 하는 것도 가능하다.

이어서, S35로 진행하고, 상기와 바와 같이 추정한 실대상물 위치와, 목표 대상물 위치와의 편차(이하, 대상물 위치 편차라고 함)와, 현재의 목표 대상물 운동궤도를 기초로, 대상물 동역학 모델을 사용하여 목표 대상물 운동의 순시값(금회값)과, 추정 외란력의 순시값(금회값)과, 목표 대상물 반력의 순시값(금회값)이 산출된다. 또한, 대상물 위치 편차를 규정하는 실대상물 위치와 목표 대상물 위치 중의 목표 대상물 위치는 전회의 연산처리 주기에서 구한 값(전회값)이 사용된다.

여기에서, 이 S35의 처리에서 사용하는 대상물 동역학 모델과 S35의 처리를 도 17의 블럭도를 참조하여 설명한다. 도 17은, S03에서 목표 대상물 운동 중의 목표 대상물 위치와 목표 대상물 반력과 추정 외란력을 구하는 연산처리를 나타내 는 블럭도이며, 도면 중의 참조부호 238을 붙인 부분이 대상물(120)에 작용하는 힘과 대상물(120)의 운동과의 관계를 나타내는 대상물 동역학 모델이 되어 있다. 이 대상물 동역학 모델은, 상기 도 9에 도시한 것과 일부의 구조가 상위하므로, 이하의 설명에서는, 도 17 중의 대상물 동역학 모델을 도 9의 대상물 동역학 모델과 구별하기 위해서, 대상물 동역학 모델(2)이라고 한다.

이 대상물 동역학 모델(2)의 기본 구조는, 도 9의 대상물 동역학 모델과 동일하고, 대상물(120)에 작용하는 힘(보다 상세하게는 수평방향의 병진력)을 입력으로 하고, 그 입력값(후술의 승산부(242)에서 구해지는 값)에, 대상물(120)의 질량(M)의 역수 1/M을 승산부(244)에서 승산함으로써 대상물(120)의 운동가속도를 구하고, 이것을 적분기(246, 250)로 차례로 적분하는(2중적분 하는) 것으로 되어 있다. 단, 대상물 동역학 모델(2)에서는, 도 9의 대상물 동역학 모델과 달리, 적분기(250)에는, 적분기(246)의 출력(운동가속도의 적분값)과 더불어, 모델 속도 조작량이 추가적으로 입력되게 되어 있다. 이 모델 속도 조작량은, 모델 속도 조작량 결정부(252)에 의해, 실대상물 위치와 목표 대상물 위치와의 편차를 0에 근접시키도록 피드백제어칙에 의해 결정되는 속도 조작량으로, 본 실시형태에서는 다음 식17에 의해 결정된다.

모델 속도 조작량=Kel*대상물 위치 편차+∫(Ke2*대상물 위치 편차)dt

……식17

즉, 모델 속도 조작량은 대상물 위치 편차로부터 PI 제어칙(비례적분 제어칙)에 의해 결정된다. 또한, 식17의 Ke1, Ke2는 소정의 게인이다. 도 17의 모델 속도 조작량 결정부(252)는 식17의 우변의 연산을 행하는 연산처리부이다. 즉, 모델 속도 조작량 결정부(252)는 실대상물 위치(현재의 연산처리 주기에서의 S33에서 구한 금회값)와 목표 대상물 위치(전회의 연산처리 주기에서의 S35에서 구한 전회값)로부터, 그것들의 차인 대상물 위치 편차를 감산부(254)에서 구한다. 그리고, 구한 대상물 위치 편차에 승산부(256)에서 게인 Ke1을 승산한 것(비례항)과, 이 대상물 위치 편차에 승산부(258)에서 게인 Ke2를 승산한 것을 더욱 적분기(260)로 적분한 것(적분항)을, 가산부(262)에서 가산함으로써, 모델 속도 조작량을 산출한다. 또한, 산출된 모델 속도 조작량은 대상물 동역학 모델(2)의 적분기(250)의 입력측에 구비한 가산부(248)에서, 적분기(246)의 출력에 가산된 후, 적분기(250)에 입력된다. 보충하면, 도 17의 블럭도에서는, 모델 속도 조작량을 산출한 후에, 이것을 대상물 동역학 모델(2)에 추가적으로 입력하게 되어 있는데, 모델 속도 조작량 결정부(252)의 적분기(260)를 생략하고, 상기 승산부(258)의 출력을 추가적으로 적분기(246)에 입력하면서, 이때의 적분기(246)의 출력과, 승산부(256)의 출력의 합을 적분기(250)에 입력하게 해도 된다. 이렇게 해도, 대상물 동역학 모델(2)의 출력(적분기(250)의 출력)은 도 17의 것과 동일하게 된다.

이러한 대상물 동역학 모델(2)에서는, 가산부(248)의 출력을 적분기(250)에서 적분한 것이 목표 대상물 위치의 순시값으로서 얻어진다. 또, 가산부(248)의 출력이, 이 대상물 동역학 모델(2) 상에서의 대상물(120)의 이동속도인 대상물 모델 속도가 된다.

대상물 동역학 모델(2)의 입력인, 대상물(120)에의 작용력(병진력)의 요구값 은, 현재의 목표 대상물 운동궤도(S27의 판단 결과가 YES로 되었을 때의 목표 대상물 운동궤도)에 기초하는 목표 대상물 속도와, 대상물 모델 속도로부터 감산부(240)에서 구해지는 그것들의 편차(목표 대상물 속도-대상물 모델 속도)에 승산부(242)에서 소정의 게인(Kv)를 승산함으로써 구해진다. 즉, 대상물 동역학 모델(2)에 입력하는 병진력의 요구값은, 도 9의 것과 마찬가지로, 대상물 목표 속도와 대상물 모델 속도의 편차가 0에 수렴하도록, 피드백제어칙(이 예에서는 비례제어칙)에 의해 결정된다. 단, 이 경우의 대상물 모델 속도는, 상기한 바와 같이 가산부(248)의 출력이기 때문에, 도 9의 것과 달리, 모델 속도 조작량이 가미된 것이다. 또, 목표 대상물 속도는 현재의 목표 대상물 운동궤도 중의 위치 궤도의 1차미분값으로서 얻어진다.

그리고, 상기와 같이 구해진 병진력의 요구값의 부호를 반전시킨 것이 목표 대상물 반력의 순시값으로서 구해진다. 또, 이 병진력의 요구값이 대상물 동역학 모델(2)의 승산부(244)에 입력됨과 동시에, 상기 모델 속도 조작량이 가산부(248)에 입력되고, 이것에 의해, 이 대상물 동역학 모델(2)의 적분기(250)로부터 목표 대상물 위치의 순시값이 출력된다. 바꿔말하면, 대상물 동역학 모델(2) 상에서의 대상물(120)의 운동상태량으로서의 대상물 모델 속도를, 목표 대상물 위치와 실대상물 위치와의 편차를 0에 근접시키기 위한 모델 속도 조작량으로 수정하면서, 대상물 동역학 모델(2)의 동역학 연산에 의해 목표 대상물 위치가 차례차례 결정된다.

또, 도 17중의 참조부호 264를 붙인 부분은, 추정 외란력을 구하는 처리를 행하는 추정 외란력 결정부이다. 이 추정 외란력 결정부(264)에는, 대상물 모델 속도와, 상기 병진력의 요구값이 입력된다. 대상물 모델 속도는, M·s/(Tc·s+1)이라고 하는 형태의 전달함수로 표시되는 변환부(266)에 입력되고, 이 변환부(266)에 의해, 대상물(120)에 작용하고 있는 병진력의 추정값이 산출된다. 이 전환부(266)의 전달함수 중의 M은 대상물(120)의 질량, Tc는 Tc는 소정의 시정수이다. 따라서, 변환부(266)는 대상물 모델 속도의 적분값(1차미분값)에 대상물(120)의 질량을 승산한 것(이것은 대상물(120)에 작용하는 모든 힘의 합력의 순시값에 상당함)에, 시정수 Tc를 갖는 필터링 처리를 행한 것을 대상물(120)에 작용하고 있는 병진력의 추정값으로서 구한다. 바꾸어말하면, 변환부(266)에 의해 산출되는 추정값은 대상물 동역학 모델(2) 상에서의 대상물(120)의 운동가속도(대상물 모델 속도의 미분값)를 발생시키는 병진력에, 시정수 Tc의 1차 지연을 동반하며 추종하는 것이다. 또한, 이 병진력의 추정값으로부터 상기 승산부(242)의 출력인 병진력의 요구값을 감산부(268)에서 뺌으로써, 추정 외란력의 순시값이 산출된다. 여기에서 구해진 추정 외란력의 순시값은 상기한 바와 같이 S02의 연산처리(도 9를 참조)에서 사용된다.

보충하면, 상기 추정 외란력 결정부(264)는 본 발명의 제 1 발명에서의 모델 조작량 결정수단에 상당하고, 이것에 의해 구해지는 추정 외란력이 본 발명의 제 1 발명에서의 모델 조작량에 상당한다.

또한, 목표 대상물 운동 중의 목표 대상물 자세의 순시값은, 예를 들면 목표 대상물 속도의 방향에 거의 일치하도록 결정된다.

이상이, S35의 연산처리이다. 이 S35의 연산처리에서 구해지는 추정 외란력은, 실제의 대상물(120)에 작용하는 힘 중, 로봇(1) 이외로부터 작용하는 실제의 이 외란력을 리얼타임으로 추정한 것이므로, 이 추정 외란력을 상기 S02의 연산처리에서 사용(도 9의 대상물 동역학 모델에 입력)함으로써, 상기 도 9의 대상물 동역학 모델 상에서의 대상물(120)의 거동(운동상태)를 실제의 대상물(120)의 거동(운동상태)에 가까운 것으로 할 수 있다.

이어서 S37로 진행하고, S35에서 구한 목표 대상물 운동의 순시값을 기초로, 목표 손끝위치 자세의 순시값(금회값)을 결정한다. 목표 손끝위치 자세의 순시값은 S09에서 목표 손끝위치 자세궤도를 구한 경우와 동일하게 구해진다.

이상의 S37까지의 처리에 의해 구해지는 목표 보용의 순시값 중, 목표 상체위치 자세는, 상기 로봇 단순화 모델을 사용하여, 이 로봇 단순화 모델 상에서 목표 ZMP를 만족하도록(로봇(1)의 운동에 의한 관성력과 중력과 대상물 반력 모멘트의 합력이 목표 ZMP 주위에 발생하는 모멘트의 수평성분이 0이 되도록) 구해지고 있다. 따라서, S37까지의 처리에 의해 구해지는 목표 보용은 목표 ZMP 주위의 상반력 모멘트 수평성분이 로봇 단순화 모델상에서 0이 되는 보용이다.

여기에서, 로봇 단순화 모델은, 보용 생성장치(100)의 연산 부하를 효과적으로 경감할 수 있는 점에서의 이점은 크지만, 동역학적 정밀도는 반드시 고정밀도라고는 할 수 없다. 그래서, 본 실시형태에서는, 또한, 동역학적 정밀도가 높은 로봇 동역학 모델(이하, 이것을 풀 모델이라고 함)을 사용하여, 목표 보용 중의 일부의 구성요소(구체적으로는, 목표 상체위치 자세 순시값과 목표 ZMP 주위의 상반력 모멘트 순시값)를 보정한다. 이 보정 처리를 풀 모델 보정이라고 부르고, 이 풀 모델 보정이 S37의 처리의 다음에 S39에서 실행된다.

이 풀 모델 보정은, 예를 들면 본원 출원인이 앞서 제안한 일본 특개2002-326173호 공보에서 설명한 것과 완전히 동일하게 행해진다. 따라서, 본 명세서에서의 설명은 생략한다. 또한, 풀 모델 보정은, 예를 들면, 본원 출원인에 의한 PCT 국제공개공보 WO 03/057427 A1에서 설명한 것과 동일하게 행하도록 해도 된다.

이 S39의 풀 모델 보정에 의해, 목표 상체위치 자세와, 목표 ZMP 주위의 상반력 모멘트가 보정되고, 이것에 의해, 최종적으로 보용 생성장치(100)가 출력하는 목표 보용의 모든 구성요소의 순시값이 얻어진다. 또한, 풀 모델 보정은 생략해도 된다.

이상에서 설명한 S01∼S39까지의 처리가 보용 생성장치(100)의 연산처리 주기 마다 실행되는 처리이다.

다음에, 설명을 뒤로 미룬, S01에서의 이동계획의 수정처리에 대해 설명한다.

로봇(1)이 대상물(120)을 밀면서 이동하고 있을 때에, 현재의 이동계획(상기 이동요구대로의 이동계획 등)에서 상정하지 않은 단차(바닥의 볼록부)가 있거나, 대상물(120)에 로봇(1) 이외로부터 예상치 못한 외력이 작용한 경우에는, 이동계획에 기초하는 목표 대상물 운동궤도와 실제의 대상물 운동궤도(이하, 실대상물 운동궤도라고 함)와의 벗어남이 커진다. 한편, 보용 생성장치(100)는 목표 대상물 운동궤도를 기초로 보용 패러미터 등을 결정하고, 보용을 생성하므로, 목표 대상물 운동궤도와 실대상물 운동궤도의 벗어남이 과대하게 되면, 로봇(1)의 계속적 안정성을 확보할 수 있는 보용을 생성하는 것이 곤란하게 된다. 그래서, 본 실시형태에서의 S01에서는, 그 벗어남이 어느 정도 커진 경우(또는 커질 것으로 예측되는 경우)에는, S01에서 결정하는 이동계획을 리얼타임으로 수정한다.

이하, 이 처리의 구체적인 예를 도 18(a),(b)를 참조하여 설명한다. 예를 들면 현재의(수정 전의) 이동계획이 대상물(120)을 일정 속도로 X축의 정방향으로 이동시킨다고 하는 계획인 것으로 한다. 이때, 이 수정 전의 이동계획(이하, 수정 전 이동계획이라고 함)을 기초로, 상기한 바와 같이 S35에서 산출되는 목표 대상물 운동궤도(순시값의 시계열) 중의 목표 대상물 위치 궤도는, 거의, 도 18(a)의 그래프 g6로 나타내는 바와 같은 궤도가 된다. 여기에서, 시각 t1에서, 실제의 대상물(120)이 수정 전 이동계획에서 예상치 못한 바닥의 단차(볼록부)에 걸려, 대상물(120)이 멈추어버린 것으로 한다. 이때, 실대상물 위치의 궤도(S33에서 추정되는 실대상물 위치의 시계열)는 도 18(a)의 그래프 g7으로 나타내는 바와 같은 궤도가 된다. 이 경우, 시각 t1 이후, 수정 전 이동계획에 기초하는 목표 대상물 위치와, 실대상물 위치와의 편차가 시간의 경과에 따라 커져 간다.

여기에서, S01에서는, 예를 들면 전회의 연산처리 주기의 S35에서 구한 대상물 위치 편차(실대상물 위치와 목표 대상물 위치와의 차), 즉, 도 17의 감산부(254)에서 구한 대상물 위치 편차의 크기(절대값)을 소정값과 비교하도록 하고 있다. 그리고, 그 대상물 위치 편차의 크기가 소정값보다도 커졌을 때(도 18(a)의 시각 t2)에는, 도 18(a)의 그래프 g8로 나타내는 바와 같이, 대상물 위치 편차의 증가를 억제하도록 수정 전 이동계획을 수정한다. 수정한 이동계획을 이하, 수정 후 이동계획이라고 한다. 도 18(a)의 예에서는, 수정 후 이동계획은, 시각 t2 이후, 대상물(120)의 이동속도를 거의 0이 될 때까지 서서히 감속하는 것과 같은 이동계획이 된다. 또한, 수정 후 이동계획은, 그것에 의해 규정되는 목표 대상물 운동이 수정 전 이동계획에 대해 급격한 변화를 일으키지 않고 원활하게 연속되도록 결정하는 것이 바람직하다.

이와 같이 이동계획을 수정함으로써, 목표 대상물 반력이 과잉으로 커지거나 하지 않고, 로봇(1)의 계속적인 안정성을 확보할 수 있는 보용을 생성할 수 있다.

또한, 본 실시형태에서의 S01의 처리에서는, 상기한 바와 같이 이동계획을 수정한 후, 실대상물 위치의, 상기 수정 후 이동계획에 대응하는 목표 대상물 위치 궤도에의 추종성이 좋아지고, 목표 대상물 운동궤도와 실대상물 운동궤도와의 벗어남이 어느 정도 작아지면, 수정 후 이동계획을 수정 전 이동계획에 근접시키도록 이동계획을 수정한다. 이 수정 후의 이동계획을 이하, 재수정 후 이동계획이라고 한다.

도 18(a)에 도시한 바와 같이 수정 후 이동계획을 결정한 경우를 예로 들어서 설명하면, 대상물(120)이 단차를 타고 넘으면(도 18(b)의 시각 t3), 실대상물 위치 궤도는, 도 18(b)의 그래프 g7으로 나타내는 바와 같이 수정 후 이동계획에 기초하는 목표 대상물 위치 궤도 g8에 근접해 간다.

이때, S01에서는, 대상물 위치 편차가 소정값보다도 작아지면(도 18(b)의 시각 t4), 도 18(b)의 그래프 g9으로 나타내는 바와 같이, 대상물(120)의 이동속도가 당초의 수정 전 이동계획에 기초하는 대상물(120)의 이동속도에 근접하도록, 수정 후 이동계획을 재수정하고, 재수정 후 이동계획을 결정한다. 도 18(b)의 예에서는, 재수정 후 이동계획은, 시각 t4 이후, 대상물(120)의 이동속도가 당초의 수정 전 이동계획에 기초하는 이동속도에 거의 일치할 때까지, 이 이동속도를 서서히 증가시키는 것과 같은 이동계획이 된다. 또한, 재수정 후 이동계획은, 그것에 의해 규정되는 목표 대상물 운동이 수정 후 이동계획에 대해 급감의 변화를 일으키지 않고 원활하게 연속되도록 결정하는 것이 바람직하다.

상기의 예에서는, 재수정 후 이동계획에 기초하는 대상물(120)의 이동속도를 수정 전 이동계획에 기초하는 이동속도에 근접하도록 했지만, 재수정 후 이동계획에 기초하는 목표 대상물 위치 궤도를 수정 전 이동계획에 기초하는 대상물 위치 궤도에 근접하도록 하는 것도 가능하다.

이상이, 본 실시형태에서의 보용 생성장치(100)의 처리의 상세이다.

다음에 제어 유닛(60)의 보용 생성장치(100) 이외의 처리를 이하에 설명한다. 또한, 이 처리는, 앞서 기술한 바와 같이, 일본 특개평10-230485호 공보의 제 1 실시예에서 제안한 것과 동일하므로, 개략적인 설명에 그친다.

보용 생성장치(100)에서 생성된 목표 보용 중, 목표 상체위치 자세궤도와, 목표 ZMP 궤도와, 목표 대상물 반력 궤도가 대상물 반력 평형 제어장치(102)에 입력된다. 대상물 반력 평형 제어장치(102)는, 목표 대상물 반력과 실제의 로봇(1)이 대상물(120)로부터 받는 반력인 실대상물 반력과의 편차를 해소하도록(0에 근접시키도록), 목표 ZMP 주위의 목표 상반력 모멘트를 수정하기 위한 대상물 반력 평 형 제어용 보상 전체 상반력을 산출함과 동시에, 목표 운동 중의 목표 상체위치 자세를 수정하여 이루어지는 수정 목표 상체위치 자세를 구하는 것이다. 이 대상물 반력 평형 제어장치(102)의 처리에 대해서는 후술한다.

또, 목표 보용중의 목표 족평위치 자세궤도, 목표 ZMP 궤도 및 목표 전체 상반력 궤도는 다리 메인 제어장치(104)에 입력된다. 또한, 다리 메인 제어장치(104)에는, 대상물 반력 평형 제어장치(102)로부터 수정 목표 상체위치 자세와 대상물 반력 평형 제어용 보상 전체 상반력이 입력된다. 다리 메인 제어장치(104)는, 컴플라이언스 제어처리에 의해, 목표 보용의 운동(팔체(5, 5)의 운동을 제외함)과 상반력에 추종시키도록 다리체(2, 2)의 관절 액추에이터(전동 모터)를 제어한다. 보다 구체적으로는, 자세 센서(54)의 검출값(실제 상체자세)을 수정 목표 상체자세로 복원시키기 위해서, 목표 ZMP에 발생시킬 복원 전체 상반력을 산출하고, 목표 ZMP에 작용하는 실제 전체 상반력 모멘트 성분(이것은 다리체(2, 2)의 6축력센서(50)의 검출값으로부터 구해짐)이, 이 복원 전체 상반력과 목표 전체 상반력과 대상물 반력 평형 제어용 보상 전체 상반력의 합력의 모멘트 성분에 일치하도록, 목표 족평위치 자세를 수정한다. 수정된 목표 족평위치 자세를 수정 목표 평형위치 자세라고 한다. 그리고, 다리 메인 제어장치(104)는, 이 수정 목표 족평위치 자세와 수정 목표 상체위치 자세로 결정되는 양다리체(2, 2)의 목표 관절변위에 실제 관절변위가 추종하도록 양다리체(2, 2)의 관절 액추에이터를 제어한다(각 다리체(2)의 모터 구동 지령을 각 관절 액추에이터에 출력함).

또, 목표 보용 중의 목표 손끝위치 자세궤도와 목표 대상물 반력 궤도는, 팔 메인 제어장치(106)에 입력된다. 또한, 팔 메인 제어장치(106)에는, 대상물 반력 평형 제어장치(102)로부터 수정 목표 상체위치 자세가 입력된다. 팔 메인 제어장치(106)는, 컴플라이언스 제어처리에 의해, 목표 손끝위치 자세궤도와 목표 대상물 반력 궤도에 추종시키도록 팔체(5, 5)의 관절 액추에이터(전동 모터)를 제어한다. 보다 구체적으로는, 6축력센서(52)의 검출값(실대상물 반력)과 목표 대상물 반력과의 차에 따라 목표 손끝위치 자세를 수정한다. 수정된 목표 손끝위치 자세를 최종 수정 목표 손끝위치 자세라고 한다. 그리고 팔 메인 제어장치(106)는, 이 최종 수정 목표 손끝위치 자세와 수정 목표 상체위치 자세로부터 결정되는 양팔체(5, 5)의 목표 관절변위에 실제 관절변위가 추종하도록 양팔체(5, 5)의 관절 액추에이터를 제어한다(각 팔체(5)의 모터 구동 지령을 각 관절 액추에이터에 출력함).

대상물 반력 평형 제어장치(102)의 처리를 보다 구체적으로 이하에 설명한다. 도 19는, 대상물 반력 평형 제어장치(102)의 처리를 기능적으로 도시하는 블럭도이다.

대상물 반력 평형 제어장치(102)에서는, 먼저, 목표 대상물 반력에 의한 목표 ZMP 주위의 목표 대상물 반력 모멘트와 실대상물 반력에 의한 목표 ZMP 주위의 실대상물 반력 모멘트와의 편차인 대상물 반력 모멘트 편차가 모멘트 편차 산출부(270)에 의해 산출된다. 이 경우, 목표 대상물 반력 모멘트는, 보용 생성장치(100)로부터 출력된 목표 대상물 반력 및 목표 ZMP와, 팔 메인 제어장치(106)에서 구해진 최종 수정 목표 손끝위치 자세(보다 상세하게는 전회의 제어처리 주기에서의 값)로부터 산출된다. 또, 실대상물 반력 모멘트는, 6축력센서(52)의 검출값 (실대상물 반력)과, 목표 ZMP와, 최종 수정 목표 손끝위치 자세(보다 상세하게는 전회의 제어처리 주기에서의 값)로부터 산출된다.

이 대상물 반력 모멘트 편차에 따라, 중심위치 섭동(攝動)량 산출부(272)에 의해, 로봇(1)의 전체 중심위치의 목표 섭동량인 목표 중심위치 섭동량이 산출된다. 목표 중심위치 섭동량은, 대상물 반력 모멘트 편차를, 로봇(1)에 작용하는 중력에 의해 장기적으로 해소하기 위한 로봇(1)의 전체중심의 섭동량으로서의 의미를 갖고, 예를 들면 대상물 반력 모멘트에 비례한 값으로 결정된다. 이어서, 후술하는 섭동 동역학 모델에서 산출되는, 이 섭동 동역학 모델 상에서의 로봇(1)의 전체중심의 섭동량인 전체중심위치 모델 섭동량과, 상기 목표 중심위치 섭동량과의 편차가 감산부(274)에 의해 산출되고, 이 편차로부터 피드백제어칙(276), 예를 들면 PD제어칙에 의해, 이 편차를 0에 수렴시키기 위한, 목표 ZMP 주위의 모멘트 조작량인 대상물 반력 평형 제어용 보상 전체 상반력 모멘트가 산출된다. 또한, 이 대상물 반력 평형 제어용 보상 전체 상반력 모멘트와 상기 대상물 반력 모멘트 편차와의 합이 가산부(278)에 의해 산출된다. 그리고, 이 가산부(278)의 출력이 로봇(1)의 전체중심의 섭동과, 목표 ZMP 주위의 모멘트의 섭동과의 관계, 및, 전체 중심의 섭동과 상체위치 자세의 섭동과의 관계를 나타내는 섭동 동역학 모델(280)에 입력되고, 이 섭동 동역학 모델에서, 상체위치 자세 섭동량이 산출된다.

이 경우, 섭동 동역학 모델은, 로봇(1)의 전체중심의 섭동과, 목표 ZMP 주위의 모멘트의 섭동과의 관계(동역학적 관계)를 다음 식18에 의해 기술하는 모델이다.

mtotal*hG*d2ΔxG/dt2=ΔxG*mtotal*g+ΔMx ……식18

여기에서, hG는, 목표 ZMP로부터 전체중심까지의 높이, ΔxG는 전체중심의 수평방향 섭동량, ΔMx는 목표 ZMP 주위의 모멘트 수평성분이다. 그밖의 변수는 상기 로봇 단순화 모델에 관해 정의한 것과 같다. 또한, 식18은, 사지탈 플레인 상에서의 식이며, 래터럴 플레인 상에서의 관계식은, 식18의 우변의 제 2 항의 부호를 반전시키면 된다.

이 식18은, 로봇(1)의 전체 질량(mtotal)의 질점을 갖고, 또, 그 질점의 지지점인 목표 ZMP 주위에 발생하는 모멘트 수평성분이 ΔMx가 되는 도립진자의 동역학적 거동을 나타내는 식이다.

또, 로봇(1)의 전체중심위치의 섭동량(ΔxG)과 상체위치의 섭동량(이하, 이것을 Δxb라고 기술함)과의 관계는, 다음 식19에 의해 표시된다.

Δxb=k*ΔxG ……식19

여기에서, k는 어떤 비례정수이다. 따라서, Δxb는 ΔxG에 비례하는 것으로 된다. 섭동운동에 대해서는, 식19는 근사적으로 성립한다고 생각해도 된다.

따라서, 섭동동역학 모델(280)에서는, 식18의 우변의 ΔMx로서, 가산부(278)의 출력을 사용함으로써 전체중심의 섭동량(ΔxG)이 산출되고, 또한, 이 ΔxG로부터 식19에 의해, 상체위치 섭동량이 구해진다. 또한, 본 실시형태에서는, 수정 목표 상체위치 자세 중의 수정 목표 상체자세는 목표 상체자세에 일치시키는 것으로 하고, 상체자세의 섭동량은 0으로 한다.

대상물 반력 평형 제어장치(102)에서는, 이렇게 하여 섭동 동역학 모델(280) 로부터 출력되는 상체위치 섭동량을 목표 상체위치 자세(보용 생성장치(100)의 출력)에 가산부(282)에서 가산함으로써, 수정 목표 상체위치 자세를 산출한다.

이상이 대상물 반력 평형 제어장치(102)의 구체적인 연산처리이다.

이상에서 설명한 제 1 실시형태의 작동, 특히 보용 생성장치(100)의 처리에 의해, 대상물 반력을 고려하면서, 금회 보용이 정상 보용에 수렴하도록 금회 보용이 생성된다. 이 때문에, 로봇(1)의 계속적인 안정성을 확보하면서, 로봇(1)에 의해 대상물(120)을 미는 등의 작업을 원활하게 행할 수 있다.

또, S03에서는, 대상물(120)의 실제의 거동(본 실시형태에서는 실대상물 위치의 거동)을 관측하면서 상기 도 17의 블럭도에서 요구한 추정 외란력을 도 9의 대상물 동역학 모델에 반영시키고, 현재 시각으로부터 소정 기간분(복수보분)의 목표 대상물 운동궤도와 목표 대상물 반력궤도가 임시결정된다. 그리고, 이 임시결정한 목표 대상물 운동궤도와 목표 대상물 반력궤도를 기초로, 금회 보용 및 정상 선회 보용의 보용 패러미터를 결정하고, 현재 시각 이후의 장래의 로봇의 목표 보용이 S23에서 임시생성된다. 또한, 이 임시생성된 목표 보용의 운동궤도와 목표 대상물 운동궤도를 기초로, S25에서 기하학적 제약조건을 만족시키고 있는지 아닌지가 판단되고, 이 조건이 만족시켜지지 않는 경우에는, S29에서 로봇(1)의 미착지 다리 족평(22)의 착지 예정위치 자세나 목표 대상물 운동궤도가 수정되고, 나아가서는, 보용 패러미터 중 족평궤도 패러미터가 기하학적 제약조건을 만족시키도록 수정된다. 그리고, 최종적으로 그 수정된 보용 패러미터를 사용하여 금회 보용의 순시값이 보용 생성장치(100)의 연산처리 주기마다 리얼타임으로 차례차례 생성된 다. 이 때문에, 로봇(1)의 동작 제어를 행하면서, 리얼타임으로 실제의 환경조건을 반영시키면서, 상기 기하학적 제약조건을 만족시키는 목표 보용을 생성할 수 있고, 나아가서는, 대상물(120)과 로봇(1)과의 간섭 등을 일으키지 않아, 로봇(1)에 의한 대상물(120)의 이동을 원활하게 행할 수 있다.

[제 2 실시형태]

다음에, 본 발명의 제 2 실시형태를 도 20 및 도 21을 참조하여 설명한다. 또한, 이 제 2 실시형태의 설명에서는, 제 1 실시형태와 동일구성 부분 또는 동일기능 부분에 대해서는 제 1 실시형태와 동일한 참조부호를 사용하고, 설명을 생략한다. 또, 이 제 2 실시형태는, 제 1 발명, 제 2 발명 및 제 4 발명의 실시형태이다.

상기 제 1 실시형태에서는, 상기 STEP25(도 6을 참조)의 판단 결과가 NG일 때, S29에서 착지 예정위치 자세와 목표 대상물 운동궤도 중 적어도 어느 한쪽을 수정하도록 했다. 본 실시형태에서는, 이것 대신에, 도 20의 플로우차트에 나타내는 바와 같이, STEP25의 판단 결과가 NG였을 때에, S29'에서, 당해 시각에서의 기하학적 제약조건을 만족시키도록 이동계획을 수정하도록 했다. 그리고, S29'의 처리의 뒤에는, 상기 도 5의 S03으로부터의 처리를 행하도록 했다. 이것 이외는, 상기 제 1 실시형태와 동일하다.

S29'에서의 이동계획의 수정예를 도 21을 참조하여 설명한다. 동 도면을 참조하여, 현재 시각 t1에서의 이동계획에 기초하는 X축방향의 목표 대상물 운동궤도(위치궤도)가 도면 중의 그래프 g10으로 나타내는 궤도(이하, 수정 전 이동계획 이라고 함), 즉, 대상물(120)의 이동속도가 현재 시각 이후, 급격하게 커지는 궤도인 것으로 한다. 이 경우, 현재 시각 이후의 로봇(1)의 목표 상체위치의 궤도가 예를 들면 도면 중의 그래프 g11로 나타내는 바와 같은 궤도로 산출되고, 장래의 어떤 시각 t2에서 목표 상체위치가 목표 대상물위치로부터 지나치게 떨어져서, 팔체(5, 5)가 지나치게 펴지는 상태가 되어, S25의 판단 결과가 NG로 되는 경우가 있다. 수정 전 이동계획에 기초하는 대상물(120)의 이동속도가 급격하게 변화되면, 이러한 상황이 발생하는 경우가 있다. 이 때, 대상물(120)의 수정 전 이동계획을 그래프 g12로 나타내는 바와 같은 궤도로 되는 이동계획(이하, 수정 후 이동계획이라고 함)으로 수정한다. 즉, 이 수정 후 이동계획에 기초하는 대상물(120)의 이동속도가 수정 전 이동계획에 기초하는 이동속도보다도 늦어지도록 수정한다. 이렇게 함으로써, 목표 상체위치가 목표 대상물위치에 보다 근접하는 목표 보용을 생성할 수 있게 된다.

또한, 상기 제 1 실시형태에서 설명한 도 16의 경우와 같이, 장래의 어떤 시각에서 로봇(1)의 상체(3)와 대상물(120)과의 간섭이 발생하는 목표 보용이 S23에서 생성된 경우에도, S29'에서, 이동계획을 수정하도록 해도 된다. 이 경우에는, 도 16의 원래 궤도에 대응하는 이동계획을 도 16의 수정궤도를 갖는 이동계획으로 수정하면 된다.

이러한 제 2 실시형태에서도, 제 1 실시형태와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 보충하면, 제 2 실시형태에서는, S29'에서의 이동계획의 수정 후, S03으로부터의 처리를 실행하므로, 결과적으로, 목표 대상물 운동궤도, 목표 대상물 반력궤도, 보 용 패러미터의 족평궤도 패러미터(미착지 다리 족평(22)의 착지 예정위치 자세 및 착지 예정시각)도 수정되게 된다.

[제 3 실시형태]

다음에, 본 발명의 제 3 실시형태를 도 22를 참조하여 설명한다. 또한, 이 제 3 실시형태의 설명에서는, 제 1 실시형태와 동일구성 부분 혹은 동일기능 부분에 대해서는 제 1 실시형태와 동일한 참조부호를 사용하고, 설명을 생략한다. 또, 본 실시형태는 본 발명의 제 3 발명 및 제 4 발명의 실시형태이다.

상기 제 1 실시형태에서는, S03(도 5를 참조)의 연산처리에서 사용하는 대상물 동역학 모델로서, 도 9에 제시한 순동역학 모델을 사용했다. 본 실시형태는, 이것 대신에, 역동역학 모델을 사용하는 것으로, S03의 연산처리만이 제 1 실시형태와 상위하는 것이다.

도 22는, 본 실시형태에서의 S03의 연산처리를 나타내는 블럭도이며, 이 블럭도 중의 파선으로 둘러싼 부분이 제 2 발명에서의 대상물 동역학 모델에 상당하는 것으로 되어 있다. 이 대상물 동역학 모델에서는, 대상물(120)의 이동계획에 기초하는 대상물(120)의 목표 운동상태량으로서의 목표 대상물 이동속도를 입력으로 하고, 대상물(120)에 작용하는 힘(병진력)과 대상물(120)의 위치를 출력하는 동역학 모델이다. 보다 상세하게는, 이 대상물 동역학 모델은, 목표 대상물 이동속도(입력값)을 미분기(300)에서 미분(1차미분)함으로써, 대상물(120)의 운동가속도를 구하고, 또한, 이 운동가속도에 대상물(120)의 질량(M)을 승산부(302)에서 승산함으로써, 대상물(120)에 작용하는 힘(병진력)의 요구값을 출력하는 것으로 되어 있다. 여기에서, 대상물 동역학 모델로부터 출력되는 병진력의 요구값은, 대상물(120)의 작용하는 모든 병진력(대상물(120)의 이동방향의 병진력)의 합력의 요구값이다. 또한, 대상물 동역학 모델은, 목표 대상물 이동속도를 적분기(304)에서 적분함으로써, 대상물(120)의 위치의 목표값인 목표 대상물위치를 출력하는 것으로 되어 있다.

또한, 목표 대상물 속도는, 제 1 실시형태와 동일하게, 보용 생성장치(100)에서, 이동계획에서의 대상물(120)의 위치궤도의 1차미분값으로서 산출되거나, 또는, 이동계획의 구성요소로서의 이동속도가 그대로, 목표 대상물 속도로서 결정된다.

이러한 대상물 동역학 모델을 사용하는 S03의 연산처리를 도 22를 참조하여 구체적으로 설명하면 우선, 상기 도 5의 S01에서 결정된 이동계획에 기초하는 대상물(120)의 순시순시의(각 시각의) 목표 대상물 속도가 대상물 동역학 모델에 입력되고, 상기한 바와 같이, 대상물(120)에 작용하는 병진력의 요구값과, 목표 대상물위치가 시계열적으로 산출된다.

이어서, 상기 병진력의 요구값으로부터, 보용 생성장치(100)의 전회의 연산처리 주기에서 상기 S35(도 7참조)에서 구해진 추정 외란력을 감산부(306)에서 감산함으로써, 로봇(1)으로부터 대상물(120)에 작용시킬 힘(병진력)의 목표값이 구해진다. 그리고, 이 목표값의 부호를 반전시킨 것의 시계열이 목표 대상물 반력 궤도로서 구해진다.

또한, 대상물 동역학 모델의 적분기(304)의 출력의 초기값은, 보용 생성장 치(100)의 전회의 연산처리 주기에서 S03의 처리를 실행하여 구한 목표 대상물위치의 시계열 중, 전회의 연산처리 주기에 대응하는 시각(전회의 연산처리 주기에서의 현재 시각)에서의 값으로 설정된다. 또, 목표 대상물 운동궤도 중 목표 대상물 자세궤도는, 예를 들면 목표 대상물 속도의 방향에 거의 일치하도록 결정된다.

이상 설명한 S03의 처리에 의해, 현재 시각으로부터 장래의 소정 기간분의 목표 대상물 운동궤도와 목표 대상물 반력궤도가 임시결정된다. 이 S03의 처리 이외는 상기 제 1 실시형태와 동일하다.

또한, 이 S03의 처리는, 본 발명의 제 2 발명에서의 목표 운동상태량 임시결정 수단, 대상물 작용력 궤도 임시결정 수단, 및 목표 작용력 궤도 임시결정 수단에 상당하고 있다. 보다 상세하게는, 이동계획에 기초하여 목표 대상물 속도를 결정하는 처리가 목표 운동상태량 임시결정 수단에 상당하고 있고, 대상물 동역학 모델의 미분기(300) 및 승산부(302)의 처리가 대상물 작용력 임시결정 수단의 처리에 상당하고 있다. 이 경우, 승산부(302)의 출력이 대상물 작용력 목표 궤도에 상당한다. 또, 감산부(306)의 처리가 로봇·대상물 간 작용력 궤도 임시결정 수단의 처리에 상당하고 있다.

이상에서 설명한 제 3 실시형태의 작동, 특히 보용 생성장치(100)의 처리에 의해, 제 1 실시형태와 마찬가지로, 로봇(1)의 계속적인 안정성을 확보하면서, 로봇(1)에 의해 대상물(120)을 미는 등의 작업을 원활하게 행할 수 있다.

또 S03에서는, 대상물(120)의 이동계획에 기초하는 목표 대상물 속도를 기초로 목표 대상물 운동궤도를 임시결정하는 한편, 대상물(120)의 실제의 거동(본 실 시형태에서는 실제로 대상물위치의 거동)을 관측하면서 상기 도 17의 블럭도에서 구한 추정 외란력을 도 22의 블럭도의 처리에서 반영시켜, 현재 시각으로부터 소정 기간분(복수보분)의 목표 대상물 반력궤도가 임시결정된다. 그리고, 상기 제 1 실시형태 와 동일하게, 이들 임시결정한 목표 대상물 운동궤도와 목표 대상물 반력궤도를 기초로, 금회 보용 및 정상 선회 보용의 보용 패러미터를 결정하고, 현재 시각 이후의 장래의 로봇의 목표 보용이 S23에서 임시생성 된다. 또한, 이 임시생성된 목표 보용의 운동궤도와 목표 대상물 운동궤도를 기초로, S25에서 기하학적 제약조건을 만족시키고 있는지 아닌지가 판단되고, 이 조건이 만족시켜지지 않는 경우에는, S29에서 로봇(1)의 미착지 다리 족평(22)의 착지 예정위치 자세나 목표 대상물 운동궤도가 수정되고, 나아가서는, 보용 패러미터 중 족평궤도 패러미터가 기하학적 제약조건을 만족시키도록 수정된다. 그리고, 최종적으로 그 수정된 보용 패러미터를 사용하여 금회 보용의 순시값이 보용 생성장치(100)의 연산처리 주기마다 리얼타임으로 차례차례 생성된다. 이 때문에, 제 1 실시형태와 동일하게, 로봇(1)의 동작 제어를 행하면서, 리얼타임으로 실제의 환경조건을 반영시키면서, 상기 기하학적 제약조건을 만족시키는 목표 보용을 생성할 수 있고, 나아가서는, 대상물(120)과 로봇(1)과의 간섭 등을 일으키지 않고, 로봇(1)에 의한 대상물(120)의 이동을 원활하게 행할 수 있다.

또한, 본 실시형태에서도, 제 2 실시형태와 동일하게, 도 6의 S29의 처리에서 이동계획을 수정하도록 해도 된다.

[제 4 실시형태]

다음에 본 발명의 제 4 실시형태를 도 23을 참조하여 설명한다. 또한, 이 제 4 실시형태의 설명에서는, 제 1 실시형태와 동일구성 부분 또는 동일기능 부분에 대해서는 제 1 실시형태와 동일한 참조부호를 사용하고, 설명을 생략한다.

제 4 실시형태는, 도 5의 S01에서, 이동계획을 수정하는 처리만이 제 1 실시형태와 상위하는 것이다. 이하 설명하면, 실대상물 운동궤도와, 이동계획에 기초하는 목표 대상물 운동궤도와의 벗어남이 커지는 상황은, 실제의 대상물(120)에 작용하는 힘 중, 로봇(1)으로부터 작용하는 힘 이외의 외란력이 비교적 크게 변화된 경우에 발생한다.

그래서, 제 4 실시형태에서는, 제 1 실시형태에서 설명한 바와 같이 대상물위치 편차에 따라 이동계획을 수정하는 대신에, 예를 들면 상기 추정 외란력의 변화에 따라 이동계획을 수정한다. 이것 이외는, 제 1 실시형태와 동일하다.

이하, 구체예를 설명하면, 예를 들면 상기 도 18(a)에 도시한 예의 경우에는, 상기 S35에서 산출되는 추정 외란력(X축방향 성분)은, 도 23(a)에 도시하는 바와 같이, 대상물(120)이 단차에 걸리는 시각 t1 이후에 부 방향으로 급격하게 커진다. 그래서, 제 4 실시형태에서는, 이 추정 외란력이 소정값 이상 변화되었을 때(도 23(a)의 시각 t5)에, 도 18(a)에 관해 제 1 실시형태에서 설명한 바와 같이, 수정 전 이동계획을 수정하여, 수정 후 이동계획을 결정한다.

또한, 도 18(b)에 도시한 예의 경우에는, 상기 S35에서 산출되는 추정 외란력(X축방향 성분)은, 도 23(b)에 도시하는 바와 같이, 대상물(120)이 단차를 타고 넘는 시각 t3 이후에, 시각 t1 이전의 원래의 값과 거의 동일한 값으로 되돌아간 다. 그래서, 이 추정 외란력이 소정값 이상 변화된 후에, 원래의 값에 거의 가까운 값으로 되돌아왔을 때(도 23(b)의 시각 t6)에, 도 18(b)에 관해 제 1 실시형태에서 설명한 바와 같이, 수정 후 이동계획을 수정하고, 재수정 후 이동계획을 결정한다.

이상에서 설명한 이외의 처리는 상기 제 1 실시형태와 동일하다.

이러한 제 4 실시형태에서도, 제 1 실시형태와 동일한 작용효과가 얻어진다.

보충하면, 제 4 실시형태에서는, 추정 외란력의 변화에 따라 이동계획을 수정하도록 했지만, 양팔체(5, 5)의 6축력 센서(52)의 검출값으로부터 파악되는 실대상물 반력과, S35에서 결정되는 목표 대상물 반력과의 편차가 소정값보다도 커졌을 때 이동계획을 수정하도록 해도 된다. 또, S03에서는, 제 3 실시형태에서 설명한 바와 같이, 상기 도 22의 대상물 동역학 모델을 사용하여 목표 대상물위치 궤도 및 목표 대상물 반력궤도를 구하도록 해도 된다. 또, S29에서는, 제 2 실시형태에서 설명한 바와 같이, 이동계획을 수정하도록 해도 된다.

[제 5 실시형태]

다음에 본 발명의 제 5 실시형태를 도 24∼도 26을 참조하여 설명한다. 또한, 이 제 5 실시형태의 설명에서는, 제 1 실시형태와 동일구성 부분 또는 동일기능 부분에 대해서는 제 1 실시형태와 동일한 참조부호를 사용하고, 설명을 생략한다.

도 24는 제 5 실시형태에서의 보용 생성장치(100)의 처리 중, 제 1 실시형태에 따른 도 5의 처리에 대응하는 부분의 처리를 나타내는 플로우차트이다. 동 도 25에 도시하는 바와 같이, 제 5 실시형태에서는, S19의 판단 결과가 NO일 경우의 처리만이 제 1 실시형태와 상위하다.

즉, 제 1 실시형태에서는, S19의 판단 결과가 NO일 때에, 목표 대상물 반력궤도를 수정하도록 했지만, 제 5 실시형태에서는, 이것 대신에, S21'에서, 미착지 다리 족평(22)의 착지 예정위치 자세 또는 착지 예정시각을 수정한다. 이것은 금회 보용 패러미터 중 족평궤도 패러미터를 수정하는 것을 의미한다. 이 경우, 착지 예정위치 자세 또는 착지 예정시각은, 그 수정 후에 S07∼S17의 처리를 재차 실행했을 때에, ZMP 수정량이 가능한 한 작아지도록(적어도 착지 예정위치 자세 또는 착지 예정시각의 수정 전에서 구한 ZMP 수정량보다도 작아지도록) 수정된다. 그리고, 그 수정 후에, S07로부터의 처리를 재차 실행한다. 이것 이외는, 제 1 실시형태와 동일하다.

S21'에서의 구체적인 수정예를 이하에 설명한다. 예를 들면 지금 현재, 금회 보용의 미착지 다리 족평(22)의 착지 예정위치 자세와 다음회 보용의 미착지 다리 족평(22)의 착지 예정위치 자세가 도 25의 실선으로 나타낸 바와 같이 결정되어 있다고 한다. 또한, 도시의 예에서는, 로봇(1)을 거의 일정한 보폭으로, 금회 보용 지지다리 좌표계의 X축방향으로 직진 보행 시키는 것으로 되어 있다.

그리고, 금회 보용까지는 로봇(1)이 대상물(120)에 근접하고, 다음회 보용의 도중부터, 로봇(1)이 대상물(120)을 X축의 정방향으로 미는 작업을 개시하는 것으로 한다. 이 경우, 도 26(a)에 도시하는 바와 같이, 목표 대상물 반력궤도는, 예를 들면 다음회 보용의 도중부터 상승하는 스텝 형상의 궤도가 된다.

이 때, 도 25의 실선으로 나타내는 바와 같은 착지 예정위치 자세를 유지한 채, S17까지의 처리를 실행하면, S17의 처리에서 결정되는 ZMP 수정량(X축방향 성분)은, 예를 들면 도 26(b)에 실선으로 나타내는 바와 같이, 비교적 큰 것이 되어, S19의 판단 결과가 NO로 되는 경우가 있다.

이 경우에, S21'의 처리에서는, 예를 들면 다음회 보용의 미착지 다리 족평(22)의 착지 예정위치 자세를 도 25의 파선으로 나타내는 바와 같이, 금회 보용의 지지다리 족평(22L)에 X축방향에서 근접하도록 수정한다. 즉, 다음회 보용의 보폭을 보다 작게 하도록 미착지 다리 족평(22L)의 착지 예정위치 자세를 수정한다. 이와 같이 다음회 보용의 착지 예정위치 자세를 수정한 후에, S05로부터의 처리를 다시 실행하면, S17에서 결정되는 ZMP 수정량이 도 26(b)에 파선으로 나타내는 바와 같이 작아진다. 그 결과, S19의 판단 결과가 YES가 된다. 보충하면, 다음회 보용의 미착지 다리 족평(22L)의 착지 예정위치 자세를 도 25와 같이 수정했을 때, 상기한 정상 보용의 족평궤도 패러미터의 결정수법에 의해, 정상 보용의 제 2 선회 보용의 종단 미착지 다리 족평위치도, 제 2 선회 보용의 초기 미착지 다리 족평위치(금회 보용의 미착지 다리 족평(22R)의 착지 예정위치)에 근접하게 된다.

또한, 상기의 예에서는, 다음회 보용의 미착지 다리 족평(22L)의 착지 예정위치 자세를 수정하도록 했지만, 금회 보용의 미착지 다리 족평(22R)의 착지 예정위치 자세를 수정하는 여유가 있을 경우에는, 그것을 수정하도록 해도 된다. 또는, 금회 보용 및 다음회 보용의 양자의 착지 예정위치 자세를 수정하도록 해도 된다.

또, 상기의 예에서는, 착지 예정위치 자세를 수정하도록 했지만, 금회 보용과 다음회 보용과의 적어도 어느 한쪽의 미착지 다리 족평(22)의 착지 예정시각을 수정하도록 해도 된다. 도 23에 도시한 상황에서는, 예를 들면 다음회 보용의 착지 예정시각을 늦추도록 하면 된다.

이상이 본 발명의 제 5 실시형태이다. 이러한 제 5 실시형태에서도, 제 1 실시형태와 동일한 작용효과를 얻을 수 있다. 또한, 제 5 실시형태에서는, S19의 판단 결과가 NO일 경우에 미착지 다리 족평(22)의 착지 예정위치 자세 또는 착지 예정시각을 수정하도록 했지만, 그것과 더불어, 제 1 실시형태와 같이, 목표 대상물 반력궤도를 수정하도록 해도 된다. 또, S01에서는, 제 4 실시형태에서 설명한 바와 같이, 추정 외란력에 따라 이동계획을 추정하도록 해도 된다. 또, S03에서는, 제 3 실시형태에서 설명한 바와 같이, 상기 도 22의 대상물 동역학 모델을 사용하여 목표 대상물위치 궤도 및 목표 대상물 반력궤도를 구하도록 해도 된다. 또, S29에서는, 제 2 실시형태에서 설명한 바와 같이, 이동계획을 수정하도록 해도 된다.

또한, 이상에서 설명한 제 1∼제 3 실시형태에서는, 로봇(1)에 의해 대상물(120)을 밀어서 이동시키는 경우를 예로 들어서 설명했지만, 대상물(120)을 끌어서 이동시키는 경우나, 대상물(120)을 들어 올려서 이동시키는 경우 등에도 본 발명을 적용할 수 있다.

또, 상기 각 실시형태에서는, 금회 보용 패러미터를 결정할 때에, 주기적인 보용인 정상 보용의 보용 패러미터를 결정한 뒤에, 이 정상 보용에 금회 보용을 수 렴시키도록(정상 보용의 초기 발산성분에 금회 보용의 종단 발산성분을 일치시키도록) 금회 보용 패러미터를 결정하도록 했지만, 본 발명에서는, 그것을 필수로 하는 것은 아니다. 본 발명은, 기본적으로는, 최종적으로 결정된 로봇·대상물 간 목표 작용력(상기 각 실시형태에서는 목표 대상물 반력)과 대상물의 목표 이동위치(상기 각 실시형태에서는 목표 대상물 운동궤도)를 만족할 수 있도록 로봇의 동작을 제어할 수 있는 것이면, 상기 각 실시형태에서 설명한 수법과는 상이한 수법으로 로봇의 동작을 제어하게 해도 된다.

이상과 같이, 본 발명은 2족이동 로봇 등의 로봇에 대상물을 이동시키는 작업을 행하게 하는 보용을 생성하는 경우에, 로봇과 대상물 사이의 간섭 등에 관한 기하학적 제약조건을 만족시키는 목표 보용을 생성할 수 있는 것으로서 유용하다.

Claims (4)

1. 상체로부터 연장하여 설치된 복수의 다리체를 구비하는 다리식 이동 로봇에 대상물을 이동시키는 작업을 행하게 하기 위한 목표 보용을, 이 목표 보용에 추종하도록 로봇을 동작시키면서 생성하는 보용 생성장치에 있어서,

   대상물에 작용하는 힘과 이 대상물의 운동과의 관계를 나타내는 대상물 동역학 모델과,

   상기 목표 보용에 추종하도록 로봇을 동작시키고 있을 때의 실제의 대상물의 거동을 관측하면서, 상기 대상물 동역학 모델상에서의 대상물의 거동을 실제의 대상물의 거동에 근접시키기 위해 상기 대상물 동역학 모델에 부여할 모델 조작량을 결정하는 모델 조작량 결정 수단과,

   상기 로봇을 추종시킬 새로운 목표 보용을 생성할 때, 상기 결정된 모델 조작량을 상기 대상물 동역학 모델에 부여하면서, 적어도 상기 대상물의 이동계획과 상기 대상물 동역학 모델상에서의 대상물의 운동상태량에 기초하여, 이 운동상태량을 상기 이동계획에 기초하는 대상물의 운동상태량에 추종시키도록 현재 이후의 소정 기간에서의 대상물과 로봇 사이의 작용력의 목표 궤도인 로봇·대상물 간 목표 작용력 궤도를 임시결정하는 로봇·대상물 간 작용력 궤도 임시결정 수단과,

   상기 결정된 모델 조작량을 상기 대상물 동역학 모델에 부여하면서, 상기 임시결정된 로봇·대상물 간 목표 작용력 궤도를 이 대상물 동역학 모델에 입력하고, 이 대상물 동역학 모델에 의해, 상기 소정 기간에서의 대상물의 목표 운동궤도를 임시결정하는 대상물 운동궤도 임시결정 수단과,

   적어도 상기 임시결정된 대상물의 목표 운동궤도와 상기 임시결정된 로봇·대상물 간 목표 작용력 궤도를 기초로, 로봇의 목표 보용을 생성하기 위해서 사용하는 보용 패러미터를 임시결정하고, 그 임시결정한 보용 패러미터를 사용하여 상기 소정 기간에서의 로봇의 목표 보용을 임시생성하는 로봇 보용 임시생성 수단과,

   상기 임시결정한 대상물의 목표 운동궤도와 상기 임시생성한 로봇의 목표 보용의 운동궤도를 기초로, 대상물과 로봇 중 적어도 어느 일방에 관계되는 소정의 기하학적 제약조건이 만족시켜지고 있는지 아닌지를 판단하는 제약조건 판단 수단과,

   상기 기하학적 제약조건이 만족시켜지고 있지 않을 때, 상기 이동계획과 상기 임시결정한 보용 패러미터와 상기 임시결정한 대상물의 목표 운동궤도 중 적어도 하나를 수정 대상으로 하여, 이 수정 대상을 상기 기하학적 제약조건이 만족시켜지도록 수정하는 수정 수단을 구비하고,

   상기 수정된 수정 대상을 사용하여 상기 새로운 목표 보용을 생성하도록 한 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 보용 생성장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 모델 조작량 결정 수단은 실제의 대상물에 작용하는 힘 중, 상기 로봇으로부터 대상물에 작용하는 힘 이외의 외란력을 상기 모델 조작량으로서 추정하는 수단인 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 보용 생성장치.
3. 상체로부터 연장하여 설치된 복수의 다리체를 구비하는 다리식 이동 로봇에 대상물을 이동시키는 작업을 행하게 하기 위한 목표 보용을, 이 목표 보용에 추종하도록 로봇을 동작시키면서 생성하는 보용 생성장치에 있어서,

   대상물의 운동과 이 대상물에 작용하는 힘과의 관계를 나타내는 대상물 동역학 모델과,

   상기 목표 보용에 추종하도록 로봇을 동작시키고 있을 때의 실제의 대상물의 거동을 관측하면서, 실제의 대상물에 작용하는 힘 중, 로봇으로부터 대상물에 작용하는 힘 이외의 외란력을 추정하는 외란력 추정 수단과,

   상기 로봇을 추종시킬 새로운 목표 보용을 생성할 때, 적어도 상기 대상물의 이동계획에 기초하여, 현재 이후의 소정 기간에서의 대상물의 목표 운동궤도를 규정하는 목표 운동상태량을 임시결정하는 운동상태량 임시결정 수단과,

   상기 임시결정된 목표 운동상태량을 상기 대상물 동역학 모델에 입력하고, 이 대상물 동역학 모델에 의해, 현재 이후의 소정 기간에서 상기 대상물에 작용시킬 힘의 목표 궤도인 대상물 작용력 목표 궤도를 임시결정하는 대상물 작용력 궤도 임시결정 수단과,

   상기 임시결정된 대상물 작용력 목표 궤도와 상기 추정된 외란력을 기초로 상기 소정 기간에서의 로봇과 대상물 사이의 작용력의 목표 궤도인 로봇·대상물 간 목표 작용력 궤도를 임시결정하는 로봇·대상물 간 작용력 궤도 임시결정 수단과,

   적어도 상기 임시결정된 목표 운동상태량에 의해 규정되는 대상물의 목표 운동궤도와 상기 임시결정된 로봇·대상물 간 목표 작용력 궤도를 기초로, 로봇의 목표 보용을 생성하기 위해서 사용하는 보용 패러미터를 임시결정하고, 그 임시결정한 보용 패러미터와 상기 추정된 외란력과 상기 임시결정된 로봇·대상물 간 목표 작용력을 사용하여 상기 소정 기간에서의 로봇의 목표 보용을 임시생성하는 로봇 보용 임시생성 수단과,

   상기 임시결정된 목표 운동상태량에 의해 규정되는 대상물의 목표 운동궤도와 상기 임시생성한 로봇의 목표 보용의 운동궤도를 기초로, 대상물과 로봇 중 적어도 어느 일방에 관계되는 소정의 기하학적 제약조건이 만족시켜지고 있는지 아닌지를 판단하는 제약조건 판단 수단과,

   상기 기하학적 제약조건이 만족시켜지고 있지 않을 때, 상기 이동계획과 상기 임시결정한 보용 패러미터와 상기 임시결정된 목표 운동상태량에 의해 규정되는 대상물의 목표 운동궤도 중 적어도 하나를 수정 대상으로 하여, 이 수정 대상을 상기 기하학적 제약조건이 만족시켜지도록 수정하는 수정 수단을 구비하고,

   상기 수정된 수정 대상을 사용하여 상기 새로운 목표 보용을 생성하도록 한 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 보용 생성장치.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 수정 수단이 수정 대상으로 하는 보용 패러미터는 상기 로봇의 다리체의 착지 예정위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 다리식 이동 로봇의 보용 생성장치.

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