WO1999054095A1 - Controleur pour robot mobile muni de jambes - Google Patents
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- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J5/00—Manipulators mounted on wheels or on carriages
Definitions
- the present invention relates to a control device for a legged mobile robot, and more particularly, to a posture control device for the legged mobile robot.
- the present invention relates to a device in which a floor reaction force acting on a robot is appropriately controlled.
- a biped robot controller is composed of a target motion pattern generator and a joint drive controller.
- the target motion pattern generation device generates at least a target motion pattern.
- the gait movement pattern is then calculated by kinetic calculation, that is, generated such that the ZMP trajectory obtained by solving the Euler-Newton equation becomes a predetermined desired trajectory.
- the joint drive control device controls each joint so as to follow the displacement finger of each joint generated by the gait generating device.
- ZMP Zero Moment Point
- the gait generator assumed that the gait was generated on a flat floor, as shown in Fig. 41, the gait generator is currently in the early stage of the two-leg support period. If the foot on the front side steps on an unexpected road surface, an excessive floor reaction force occurs at the foot, and the robot tilts.
- the applicant of the present invention has proposed such a control device of a bipedal legged mobile robot in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-305586.
- the required amount of restoration moment required to restore the body posture by detecting the body inclination is calculated, and the actual amount around the target total floor reaction force center point (target ZMP) is determined.
- the total floor reaction force moment component is detected, and each foot is controlled so as to move up, down, and rotate in order to match it with the required restoring moment.
- This actual total floor reaction force moment is a moment generated by the resultant force of each actual foot floor reaction force around the target total floor reaction force center point (target ZMP).
- double-leg compliance control The control proposed earlier (hereinafter referred to as “double-leg compliance control”) will be described with an example of an unexpected inclination as shown in Fig. 41.
- each foot is numbered as shown in this figure.
- the gait generator generated the gait assuming a flat floor, as shown in Fig. 41, the first foot was not expected at the beginning of the two-leg support phase. It is assumed that the moment when a foot floor reaction force greater than the desired value for the first foot occurs due to stepping on the slope. It is also assumed that the robot at this moment is still in the desired posture (body tilt 0).
- the proposed controller detects the actual total floor reaction force moment around the target total floor reaction force center point (target ZMP). At this moment, the actual total floor reaction force moment acts in a direction to cause the robot to fall over later because the vertical component of the first foot floor reaction force is excessive.
- target ZMP target total floor reaction force center point
- the vertical component of the first foot floor reaction force decreases, and the vertical component of the second foot floor reaction force increases.
- target ZMP desired total floor reaction force center point
- the proposed technology alone cannot control the actual floor reaction force of each foot during the period of supporting both legs, so if there is an unexpected local inclination or unevenness in the floor shape around the foot contact point, the foot The ground contact of the player may decrease, making it easier to spin, or a sudden change in posture may cause the player to fall.
- the toe of the first foot is not expected during the two-leg support period. If you step on the bumps (steps), the legs are supported during the period when the toes of the first foot are rapidly falling, and the floor is strongly kicked by the toes and the first foot floor reaction force The vertical component of the rocket increases. As a result, a real total floor reaction force moment is generated abruptly around the target total floor reaction force center point (target ZMP), and in the worst case, it falls over in time to restore the posture due to the double leg compliance. .
- target ZMP target total floor reaction force center point
- target ZMP target center point of the total floor reaction force
- this two-leg compliance control can cope with a global inclination or swell that slowly changes over a long distance, but cannot cope with a local inclination or step at the landing point of the foot.
- ankle compliance control In order to solve the above problems, in addition to the two-leg compliance control, the technology proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-305558 (hereinafter referred to as "ankle compliance control”) may be used in combination.
- the first ankle can be rotated in a direction to cancel the unexpected first foot floor reaction force moment by the ankle compliance control, and the heel can be brought into contact with the floor. Therefore, the robot will not fall over as described above even during the one-leg support period.
- an object of the present invention is to solve the above-mentioned disadvantages, and a leg-type moving port is provided.
- An object of the present invention is to provide a control device for a legged mobile robot capable of easily and appropriately controlling the actual floor reaction force acting on the bot without causing interference.
- the robot when the robot encounters an unexpected step during walking, for example, when the actual floor is lower than the expected floor, the acceleration of the upper body (substrate) becomes excessive and the landing impact is caused. May increase.
- the robot has a natural vibration that is vertically displaced, determined by its mechanism and mass. The vibration is a small amount of displacement, but in some cases, lowers the grounding performance. Therefore, it is desirable to perform compliance control on the force component of the actual floor reaction force received by the robot.
- a second object of the present invention is to provide a legged mobile robot which performs compliance control on a force component of an actual floor reaction force received by the robot to absorb a landing impact and to improve a contact property.
- a third object of the present invention is to provide a legged mobile robot that is not significantly affected by unexpected floor shape changes including local irregularities and slopes as well as global undulations and slopes. It is an object of the present invention to provide a control device for a legged mobile robot capable of appropriately controlling a floor reaction force acting on a floor.
- a fourth object of the present invention is to provide a legged mobile robot capable of facilitating posture stabilization control of the legged mobile robot by further controlling a floor reaction force acting on the legged mobile robot. It is to provide a control device.
- a fifth object of the present invention is to further improve the ground contact of the legged mobile robot by appropriately controlling the floor reaction force acting on the legged mobile robot, thereby reducing slip during walking and the aforementioned spin.
- An object of the present invention is to provide a control device for a legged mobile robot that can be prevented.
- a sixth object of the present invention is to control the force components of the actual floor floor reaction force of the actual robot independently to improve the posture stability and effectively prevent slipping, and to reduce the risk of articulation.
- a seventh object of the present invention is to provide a legged mobile robot capable of reducing the load on a legged mobile robot by controlling the floor reaction force acting on the legged mobile robot.
- An object of the present invention is to provide a control device for a mobile robot. Disclosure of the invention
- a base and a foot connected to the base via a first joint and connected to a distal end of the foot via a second joint are provided.
- a control device for a legged mobile robot including a plurality of legs, each of which includes a movement pattern including at least a target position and a posture of the foot of the robot, and a whole floor acting on the robot.
- Gait generating means for generating a gait of the mouth bot including at least a target pattern of reaction force; action on the foot when the total floor reaction force of the generated gait is distributed to each of the feet; Target foot floor reaction force center point determining means for determining a desired foot floor reaction force center point as a center point; actual floor reaction force detecting means for detecting actual floor reaction force acting on the foot; The foot rotates based on the actual floor reaction force Foot rotation amount determination means for determining a rotation amount to be rotated, and a first correction unit for correcting the target position and / or posture such that the position and Z or posture of the foot are rotated based on the determined foot rotation amount.
- Second foot position / posture correction means and the first and second joints of the robot based on the foot position / posture corrected by the first and second foot position / posture means. It is configured to have a joint displacement means for displacing.
- the foot rotation amount determining means calculates a moment at which the detected actual floor reaction force acts around the calculated target foot floor reaction force center point, and at least the calculated moment Determine the amount of rotation to rotate the foot based on the
- the compensation displacement calculating means calculates a deviation of the generated gait from a force component of a total floor reaction force of the gait by obtaining a force component of an actual total floor reaction force from the detected actual floor reaction force; The compensating displacement of the foot is calculated based on the calculated deviation.
- the first foot position / posture correcting means may determine that the position and Z or posture of the foot are based on the determined foot rotation amount and the determined target foot floor reaction force center point. Alternatively, the target position and the z or posture are corrected so as to rotate around the vicinity thereof.
- the first foot position / posture correction means may determine the position and Z or posture of the foot based on the determined foot rotation amount, and determine the determined target foot floor reaction force center point. Alternatively, the target position and the Z or posture are corrected so as to rotate around the vicinity thereof.
- the first foot position and the posture, wherein the first foot position and the posture are determined by calculating any one of the moments obtained in the step (a), and determining a moving amount of the foot in accordance with at least the calculated moment.
- the correction means is configured to correct the position, the Z, or the posture of the foot based on the determined foot rotation amount and the determined movement amount.
- a posture stabilization compensation total floor reaction chamois to be added to the target pattern of the total floor reaction force is obtained, and the foot rotation amount determination means and / or the foot movement amount determination means are at least the detected The amount of rotation and z or the amount of movement of the foot are determined based on the actual floor reaction force and the calculated posture stabilization compensation total floor reaction chamois.
- the posture stabilization compensation total floor reaction force moment is determined based on at least the inclination deviation of the robot.
- the compensation displacement calculation means includes: a base acceleration detection means for detecting the base acceleration of the robot; and a compensation floor reaction force for stabilizing the posture of the robot based on the detected base acceleration.
- Compensation total floor reaction force component calculation means for calculating the force component of The compensating displacement of the foot portion is calculated based on the above.
- the compensation displacement calculating means is configured to multiply the difference by a predetermined weight and distribute the compensation displacement of the foot to each of the feet.
- the compensation displacement calculating means is configured to set the weight to zero when the foot is off the floor.
- the compensation displacement calculating means is configured to vary the weight according to the frequency of the force component of the actual total floor reaction force.
- the compensation displacement calculating means is configured to calculate the compensation displacement of the foot in the direction of gravity.
- the compensation displacement calculating means is configured to calculate the compensation displacement of the foot in the direction of a line connecting the center of gravity and the desired total floor reaction force center point.
- the force component of the compensating total floor reaction force is set to zero or near zero.
- the compensation displacement calculating means calculates an internal force component that does not affect the actual total floor reaction force from the detected actual floor reaction force, calculates a deviation from the generated internal gait internal force component, and calculates the deviation.
- the compensating displacement of each of the feet is calculated based on the obtained deviation.
- the foot rotation amount determining means determines a rotation amount for rotating the foot based on at least the detected actual floor reaction force, and the first foot position / posture correcting means.
- the position and / or posture of the foot is rotated based on the determined foot rotation amount around the determined target foot floor reaction force center point or in the vicinity thereof. It is configured to correct the target position and / or posture.
- the first foot position / posture correcting means may determine that the position and / or orientation of the foot based on the determined foot rotation amount is the determined target foot floor reaction force center point or The target position and / or the posture is corrected so as to rotate around the vicinity thereof.
- the moment obtained by subtracting the floor reaction force moment acting on the foot from the total floor reaction force moment actually acting on the robot or the total floor reaction force moment actually acting on the robot calculates at least one of A foot moving amount determining means for determining a moving amount for moving the foot in accordance with the moment; the first foot position / posture correcting means; The position and / or posture of the foot are modified based on the determined movement amount.
- a posture stabilization compensation total floor reaction force moment to be added to the target pattern of the total floor reaction force is obtained, and the foot rotation amount determination means and Z or the foot movement amount determination means are at least the detected The rotation amount and / or the movement amount of the foot are determined on the basis of the actual floor reaction force and the obtained posture stabilization compensation total floor reaction moment.
- the posture stabilization compensation total floor reaction force moment is determined based on at least the inclination deviation of the robot.
- the compensation displacement calculating means is configured to distribute the compensation displacement of the foot to each of the feet by multiplying the deviation by a predetermined weight.
- the predetermined weight is configured to have a time-varying characteristic and / or a frequency characteristic.
- the floor reaction force acting on the legged mobile robot can be easily and appropriately controlled without causing interference.
- control similar to the combination of both legs compliance control and ankle compliance control proposed earlier is performed, there is no control interference, and the actual total floor reaction force and actual foot floor reaction force deviate from desired values. There is no oscillation.
- the stabilization control of the legged mobile robot can be easily realized, and the landing impact received by the legged mobile robot can be reduced. Can prevent slip and spin.
- floor floors that act on legged mobile robots are not affected so much.
- the force can be controlled appropriately.
- the load on the actuator of the legged mobile robot can be reduced.
- the floor reaction force acting on the legged mobile robot can be easily and appropriately controlled without causing interference, and the posture stabilization control can be easily realized.
- the landing impact received by the mobile robot can be reduced, the landing property of the legged mobile robot can be improved, and slip / spin during walking can be prevented.
- floor floors that act on legged mobile robots are not affected so much.
- the force can be controlled appropriately.
- the load on the actuator of the legged mobile robot can be reduced.
- the same operation and effect as described above can be obtained, the landing impact can be more effectively absorbed, and the contact property can be further improved. Further, the same operation and effect as described above can be obtained, and the load on the factory can be further reduced by reducing the control to a necessary limit. Further, the same operation and effect as described above can be obtained, and a more stable posture can be obtained.
- the floor reaction force acting on the legged mobile robot can be easily and appropriately controlled without causing interference.
- the posture stability is improved and slips are effectively prevented.
- the burden on the joints can be reduced.
- the floor reaction force acting on the legged robot can be appropriately controlled without being significantly affected.
- FIG. 1 is an explanatory view showing the overall control device of a legged mobile robot according to the present invention.
- FIG. 2 is an explanatory side view showing a structure of a foot of the biped walking robot shown in FIG.
- FIG. 3 is a block diagram showing details of a control unit of the biped robot shown in FIG.
- FIG. 4 is a block diagram functionally showing the configuration and operation of a control device for a legged mobile robot according to the present invention.
- FIG. 5 is an explanatory diagram showing an example of a movement pattern when the legged mobile robot shown in FIG. 1 walks on level ground.
- FIG. 6 is an explanatory diagram showing a locus on the floor surface of a locus of a desired total floor reaction force center point (a desired ZMP) corresponding to the motion pattern of FIG.
- a desired ZMP desired total floor reaction force center point
- FIG. 7 is a time chart of a locus of a desired total floor reaction force center point (a desired ZMP) corresponding to the motion pattern of FIG.
- FIG. 8 is a time chart of a desired first foot floor reaction force center point trajectory set so as to satisfy a predetermined condition corresponding to the exercise pattern of FIG.
- FIG. 9 is a time chart of a desired second foot floor reaction force center point trajectory set so as to satisfy a predetermined condition corresponding to the exercise pattern of FIG.
- FIG. 10 is a flowchart showing the operation of the legged mobile robot control device according to the present invention, similarly to FIG.
- FIG. 11 is a flow chart of FIG. 10 for calculating the compensating angle of the two legs in the flowchart of FIG. 10. Explanation showing the situation where the actual floor reaction force of each foot is acting on the first foot and the second foot FIG.
- FIG. 12 is an explanatory diagram showing the setting of the target total floor reaction force in the situation shown in FIG.
- FIG. 13 is an explanatory diagram showing distribution of target foot floor reaction forces in the situation shown in FIG.
- FIG. 14 is an explanatory diagram showing the compensation total floor reaction force moment in the situation shown in FIG.
- FIG. 15 is an explanatory diagram showing a normal vector V on a plane perpendicular to the horizontal plane, including the center point of each foot floor reaction force, in the situation shown in FIG.
- Figure 16 shows the situation when the target foot floor reaction force center point is rotated by a predetermined angle ⁇ db V around the target total floor reaction force center point (target ZMP) in the situation shown in Figure 11
- FIG. 16 shows the situation when the target foot floor reaction force center point is rotated by a predetermined angle ⁇ db V around the target total floor reaction force center point (target ZMP) in the situation shown in Figure 11
- FIG. 16 shows the situation when the target foot floor reaction force center point is rotated by a predetermined angle ⁇ db V around the target total floor reaction force center point (target ZMP) in the situation shown in Figure 11
- target ZMP target total floor reaction force center point
- FIG. 17 is an explanatory view showing a state in which each foot is rotated by a predetermined angle 0 nX, ⁇ ny around the front-rear axis and the left-right axis in the situation shown in FIG.
- FIG. 18 is a block diagram showing the arithmetic processing of the composite compliance operation determination unit in FIG.
- FIG. 19 is a block diagram showing the arithmetic processing of the compensating total floor reaction force moment distributor shown in FIG.
- FIG. 20 is a time chart showing an example of setting distribution weight variables for operating the two-leg compensation angle and the like of the compensating total floor reaction force moment distributor shown in FIG.
- FIG. 21 is an explanatory diagram showing a posture of a robot for explaining setting of distribution weight variables of the compensating total floor reaction force moment distributor of FIG. 20.
- FIG. 22 is an explanatory diagram showing the posture of the robot for explaining the setting of the distribution weight variable of the compensating total floor reaction force moment distributor, similarly to FIG. 21.
- FIG. 23 is an explanatory diagram showing the two-leg compensation moment V-direction component M dm d b v when the distribution weight for operating the two-leg compensation angle is determined under predetermined conditions.
- FIG. 24 is a block diagram showing the arithmetic processing of the two-legged compensation angle determination unit shown in FIG.
- FIG. 25 is a block diagram showing the arithmetic processing of the compensation angle determination unit for each foot shown in FIG.
- FIG. 26 is an explanatory diagram for describing the arithmetic processing of the corrected target foot position / posture calculation unit with mechanical deformation compensation shown in FIG. 18.
- FIG. 27 is an explanatory diagram similar to FIG. 26, illustrating the calculation processing of the corrected target foot position / posture calculation unit with mechanism deformation compensation shown in FIG.
- Fig. 28 is a subroutine and a flow chart showing the work of determining the two-leg compensation angle etc. in the flow chart of Fig. 10.
- FIG. 29 shows the operation of the body acceleration control calculation unit of FIG. 4 and the in-phase compensation displacement calculation unit of FIG. 18 and shows the processing of S 3 to S 35 in the flow chart of FIG. 10.
- FIG. 16 is an explanatory view similar to FIG.
- FIG. 30 is a block diagram for explaining the processing of the in-phase compensation displacement calculating unit in FIG.
- FIG. 31 is a subroutine flow chart showing the processing of S35 in FIG. 10, and is a flow chart similarly explaining the processing of the in-phase compensation displacement calculating section in FIG.
- FIG. 32 is an explanatory diagram showing an example of setting weights used in FIG.
- FIG. 33 is an explanatory diagram similar to FIG. 32 and showing another example of setting weights.
- FIG. 34 is a block diagram similar to FIG. 4, functionally showing the configuration and operation of the control device of the legged mobile robot according to the second embodiment of the present invention.
- FIG. 35 is a flowchart similar to FIG. 10 showing the operation of the legged mobile robot control device according to the second embodiment of the present invention, similarly to FIG. It is.
- FIG. 36 is a block diagram showing the arithmetic processing of the composite compliance operation determination unit in FIG.
- FIG. 37 is a block diagram showing in detail the processing of the internal force compensation displacement calculating section in FIG.
- FIG. 38 is an explanatory diagram for explaining the processing of the block diagram in FIG. 37.
- FIG. 39 is a flow chart showing the processing of the internal force compensation displacement calculating unit in FIG.
- FIG. 40 is an explanatory diagram showing an example of setting weights used in FIGS. 37 and 39.
- FIG. 41 is an explanatory diagram when the biped walking robot walks on an unexpected slope.
- FIG. 42 is an explanatory diagram of a case where the previously proposed double-legged compliance control is performed on the biped robot shown in FIG.
- FIG. 43 is an explanatory view similar to FIG. 41, when a biped robot steps on an unexpected projection.
- FIG. 44 illustrates the situation shown in FIG. 43 when the previously proposed ankle compliance control was performed.
- a biped robot is taken as an example of a legged mobile robot.
- FIG. 1 is a schematic diagram showing the overall control device of the legged mobile robot.
- the bipedal walking robot 1 has six joints on each of the left and right leg links 2 (for convenience of understanding, each joint is shown by an electric motor that drives it).
- the six joints are, in order from the top, the joints 1OR, 10L for the rotation of the legs of the crotch (lumbar) (R is the right side, the left is the same, the same applies hereinafter), and the roll direction of the crotch (lumbar) Joints around the axis) 14 R, 14 L, joints in the crotch (lumbar) pitch direction (around the Y axis) 12 R, 12 L, joints in the knee pitch direction 16 R, 16 L, It consists of joints 18 R and 18 L in the ankle pitch direction and joints 20 R and 20 L in the same roll direction.
- the foot (foot) 22 R, 22 L is attached, and the upper body (base) 24 is provided at the top.
- a control unit 26 (to be described later) including a microcomputer is stored therein.
- the hip (or hip) joint is from 1OR (L), 12R (L), 14R (L), the knee joint is from 16R (L), and the ankle joint (ankle joint) is joint. It consists of 18 R (L) and 20 R (L).
- the hip and knee joints are connected by thigh links 28R and 28L, and the knee joint and ankle joint are connected by crus links 30R and 30L.
- the position and speed of the body described later in this specification mean the predetermined position of the body 24, specifically, the position of a representative point such as the center of gravity of the body 24 and the moving speed thereof.
- a well-known 6-axis force sensor 44 is attached below the ankle joint, and the three-directional components F x, F y, F z of the force and the three-directional components M x, My of the moment are attached. , Mz, and the presence or absence of foot landing and floor reaction force (ground load) are detected.
- An inclination sensor 60 is installed on the upper body 24, and detects an inclination with respect to the Z axis (vertical direction (gravity direction)) and its angular velocity.
- the tilt sensor 60 includes a G sensor and an angular velocity sensor.
- the G sensor detects the acceleration of the body 24 in the X, ⁇ , and Z axis directions.
- the electric motor of each joint is provided with a rotary encoder for detecting the amount of rotation.
- a spring mechanism 32 is provided above the foot 22 R (L), and an elastic sole 34 made of rubber or the like is attached to the sole.
- the spring mechanism 32 is attached to a square guide member attached to the foot 22 R (L), and attached to the ankle joint 18 R (L) and the 6-axis force sensor 44 side.
- the guide member includes a piston-like member that is finely movably accommodated via an elastic material.
- the foot 22 R (L) indicated by a solid line in the figure indicates a state when no floor reaction force is applied.
- the panel mechanism 32 and the sole elastic body 34 bend, and the foot moves to the position and posture indicated by the dotted line in the figure.
- This structure is important not only to reduce the landing impact but also to enhance controllability.
- the details are described in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-305584, and the detailed description is omitted.
- a joystick 62 is provided at an appropriate position of the bipedal walking robot 1 so as to turn the robot, which is traveling straight forward, from the outside as necessary. It is configured so that a request for the contents can be input.
- FIG. 3 is a block diagram showing the details of the control unit 26, which is composed of a micro combination unit.
- the output of the tilt sensor 60 and the like is converted into a digital value by the A / D converter 70, and the output is sent to the RAM 74 via the bus 72.
- the output of an encoder arranged adjacent to each electric motor is input to the RAM 74 via the counter 76.
- first and second arithmetic units 80 and 82 each including a CPU are provided, and the first arithmetic unit 80 is a gait stored in the ROM 84 as described later. Based on the above, a joint angle displacement command is calculated as described later and sent to the RAM 74.
- the second arithmetic unit 82 reads the command and the actually measured value from the RAM 74, calculates a control value necessary for driving each joint, and outputs the control value to each joint via the DZA converter 86 and the servo amplifier. Output to the electric motor that drives the motor.
- “Gait” is different from the general definition in robotics and is used to refer to the combination of the target movement pattern and the floor reaction force pattern.
- the floor reaction force pattern may be partial information such as “ZMP trajectory only”. Therefore, the term “gait generator” is not used for devices that output only the target motion pattern and do not output information about the floor reaction force pattern.
- the floor reaction force acting on the nth leg is called the nth foot floor reaction force (n : 1 or 2; the same applies hereinafter).
- the sum of the floor reaction forces acting on all legs is called the total floor reaction force (generally called floor reaction force in robotics. ].
- the foot floor reaction force is expressed by the point of action and the force and moment applied to it, and there are infinite combinations of expressions for the same foot floor reaction force.
- the point of action in this expression is herein referred to as a foot floor reaction force center point (referred to as a “ground contact pressure center point” in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 6-79657, which was separately proposed by the present applicant).
- the total floor reaction force is expressed by the point of action and the moment and force applied to it, and there are infinite combinations of expressions for the same total floor reaction force.
- the moment component excluding the component around the vertical axis is 0 and the action point is on the floor.
- the point of action in this expression is here called the total floor reaction force center point.
- the target value of the total floor reaction force is called the target total floor reaction force.
- the desired total floor reaction force is generally a total floor reaction force that is dynamically balanced with the desired movement pattern. Therefore, the desired total floor reaction force center point usually coincides with the desired ZMP.
- the target ZMP Zero Moment Point
- ZMP Zero Moment Point
- the target ZMP is uniquely determined unless the vertical force component of the resultant force is zero.
- the term target ZMP may be used to make it easier to understand, but strictly speaking, there are many places that should be called the target floor reaction force center point.
- the target value of each foot floor reaction force is referred to as a target foot floor reaction force. However, this is different from the desired total floor reaction force. Even if the desired exercise pattern is determined, the desired foot floor reaction force is not uniquely determined.
- the total floor reaction force acting on the actual robot is called the actual total floor reaction force.
- Each foot floor reaction force acting on the actual robot is called an actual foot floor reaction force.
- ankle compliance control can eliminate the problem, but the simple use of both causes interference, and the actual total floor reaction force and the actual foot floor reaction force may deviate from desired values or cause oscillation.
- the first foot is subjected to an unexpectedly large floor reaction force on the heel, so an excessively large actual foot floor around the first ankle. A reaction force moment is generated.
- the first ankle is rotated as shown in FIG. 44 in order to set the moment to zero.
- target Z MP target total floor reaction force center point
- the two-legged convergence control is operated in the same way as without ankle compliance control without considering the interference due to the ankle compliance control, the actual total floor reaction force moment around the target total floor reaction force center point (target ZMP) Deviates from 0, and vibration or oscillation occurs due to interference.
- target ZMP target total floor reaction force center point
- the floor with which the first foot is in contact is more uphill than the expected floor, so the first foot should have a higher gait than the target gait.
- ankle compliance control is effective for local floor inclination and steps at the landing point of the foot, but may adversely affect slopes and undulations that change slowly over long distances. is there.
- the floor reaction force acting on the legged mobile robot more specifically, the actual total floor reaction force moment around the target total floor reaction force center point, and the It has been made possible to easily and appropriately control the actual foot floor camo around the center point of the flat floor reaction force.
- an object of the present invention is to further improve the proposed technology, and to improve the actual total floor reaction force.
- An object of the present invention is to provide a control device for a legged mobile robot, which performs compliance control on a component, in particular, a force component Fz in a gravitational direction, to absorb a landing impact and to improve a contact property.
- FIG. 4 is a block diagram functionally showing the configuration and operation of a legged mobile robot control device (mainly corresponding to the first arithmetic device 80 in FIG. 3) according to this embodiment.
- the overall configuration of this device will be outlined below with reference to FIG.
- This device has a gait generator, which generates and outputs a desired gait.
- the target gait is the desired motion pattern and the desired floor reaction force pattern, more specifically the desired body position and posture trajectory, the desired foot position and posture trajectory, and the desired center of total floor reaction force It consists of a point (target ZMP) trajectory and a target total floor reaction force trajectory.
- the desired floor reaction force pattern includes the desired total floor reaction force center point trajectory. (If the mechanism deformation compensation described later is not performed, the target floor reaction force pattern is only the desired total floor reaction force center point trajectory. Okay) o
- the desired total floor reaction force output by the gait generator is a total floor reaction force that is dynamically balanced with respect to the target motion pattern. Therefore, the desired total floor reaction force center point coincides with the desired ZMP.
- FIG. 5 shows an example of a target movement pattern when the robot 1 walks on flat ground.
- the corresponding trajectory on the floor of the target ZMP trajectory is shown in Fig. 6 and the time chart is shown in Fig. 7.
- the foot remaining in contact with the floor during this gait is referred to as the first foot, and the other foot is referred to as the second foot.
- the details of the gait generator are described in detail in Japanese Patent Application No. 8-214144, which was previously proposed, and further description thereof will be omitted.
- this device is provided with a desired floor reaction force distributor.
- the target floor reaction force distributor mainly determines a desired total floor reaction force center point (a desired ZMP), a desired foot position and a posture.
- the gait generator uses the gait parameters (for example, the time of the two-leg support period and the target landing position of the swing leg foot) and the gait timing and time (for example, if the current time is the time of the two-leg support period). Information such as O. lsec from the beginning) is also imported as needed.
- the desired floor reaction force distributor is set so that each desired foot floor reaction force center point satisfies the following conditions.
- Condition 1) The target foot floor reaction force center point trajectory is continuous.
- the time chart of the desired first foot floor reaction force center point trajectory that satisfies these conditions is shown in FIG. 8, and the time chart of the desired second foot floor reaction force center point trajectory is shown in FIG.
- the origin is the vertical projection point from the ankle (joint 18, 20 R (L)) to the foot 22 R (L), and the forward direction of the foot is X as shown in FIG.
- the desired floor reaction force distributor also determines and outputs the desired foot floor reaction force, though it is incidental.
- the desired foot floor reaction force is required to compensate for deflection of the spring mechanism 32, etc.
- the target floor reaction force corresponding to the target foot floor reaction force center point set as described above is determined using the following formula, the resultant force of the target foot floor reaction force matches the target total floor reaction force. It satisfies the condition that it must be done.
- Desired first foot floor reaction force Desired total floor reaction force * (Distance between desired second foot floor reaction force center point and target ZMP) / (Target first foot floor reaction force center point and desired second foot floor reaction force center Distance of point)
- Target second foot floor reaction force target total floor reaction force * (distance between target first foot floor reaction force center point and target ZMP) / (target first foot floor reaction force center point and target second foot) Distance of flat floor reaction force center point)
- this device is provided with a posture stabilization control calculating unit,
- the control calculation unit estimates the state of the robot based on the sensor information of the robot, and calculates the compensated total floor reaction force.
- the position and posture of the robot are not necessarily the desired positions. -Not in a posture.
- the forces and moments required to restore the robot to the desired position and posture are determined, and this is calculated as the target total floor reaction force center point (target ZMP). Must be additionally generated as an action point. This additional force and moment is called the total floor reaction force.
- the moment component of the compensating total floor reaction force is called the compensating total floor reaction camouflage.
- the target gait of the legged mobile robot receives a reaction force other than the floor reaction force from the environment, and this is called, for example, a target object reaction force. It may be extended as follows. In other words, the resultant of the inertial force, gravity, and the reaction force of the target object generated by the target motion pattern is dynamically obtained, and the moment acting on a point on the floor surface excluding the component around the vertical axis If it is zero, that point may be set as the target ZMP again.
- robot 1 is a completely rigid body and the displacement controller allows the actual joint displacement to completely follow the target joint displacement, the deflection of the foot spring mechanism 32 and the sole elastic body 34 The resulting perturbation of the position and orientation of the entire robot can be decomposed into the following six degrees of freedom.
- Up / down parallel swing Modes 4 and 5 are generated when the foot spring mechanism 32 and the elastic body 34 bend due to front and rear left and right shear forces. Since the spring mechanism 32 and the sole elastic body 34 are manufactured so as to have high rigidity in the shearing direction, this swing is extremely small, and there is almost no adverse effect on walking.
- the manipulated variable for controlling Mode 1 is the moment component about the front-rear axis (X-axis) of the total floor reaction force.
- the manipulated variable for controlling Mode 2 is the moment component around the left and right axis (Y axis) of the total floor reaction force to be compensated. Therefore, it is sufficient to obtain only the front and rear axial moment components and the left and right axial moment components of the compensating total floor reaction force components. Other components are not used in this embodiment, and may be 0.
- the moment component of the compensating total floor reaction force is called the compensating total floor reaction force moment Mdmd (specifically, the compensating total floor reaction force moment Mdmd around the target total floor reaction force center point (target ZMP)).
- the X-axis is the forward direction of the robot
- the Y-axis is the left lateral direction
- the Z-axis is the upward direction.
- the origin of the coordinate system is the point on the floor just below the ankle of the first foot. It is called the supporting leg coordinate system, and unless otherwise specified, position, force and moment shall be expressed in this coordinate system.
- the X component of Mdmd is described as M dmdx
- the Y component is described as Mdmdy
- the Z component is described as Mdmd z.
- the tilt deviation of the upper body 24 that is, the actual body tilt-target body tilt
- the X component of 0err is 0errx
- the Y component is 0erry
- their time derivatives are (dSerrx / dt) and (dSerry / dt). Describe.
- Mdmd X and Mdmd y are determined, for example, by the following control rule.
- Mdmdx -Kthx ⁇ errx-Kwx (d ⁇ errx I dt)
- Mdmdy -Kthy ⁇ erry-Kwy (d ⁇ erry I dt)
- Kt hx, Kt hy, Kwx and Kwy are body tilt stabilization control gains.
- the composite compliance operation determination unit described later works to match the actual total floor reaction force with the resultant force of the target total floor reaction force and the compensation total floor reaction force.
- this device is provided with actual foot floor reaction force detectors, and the actual foot floor reaction force detectors use the 6-axis force sensor 44 to measure the actual foot floor reaction force (the resultant force is (Actual total floor reaction force) is detected. Further, based on the actual displacement (or displacement command) detected by the joint encoder, the relative position and posture of each foot with respect to the coordinate system fixed to the upper body are calculated, whereby the 6-axis force sensor 44 The detected values are coordinate-transformed, the actual foot floor reaction force expressed in the coordinate system fixed to the upper body is calculated, and then converted to the support leg coordinate system.
- This device is equipped with a robot geometric model (inverse kinematics operation unit).
- the robot geometric model calculates the joint displacement that satisfies them when the body position, posture, foot position, and posture are input. calculate.
- the degree of freedom of the joint per leg is 6, as in the robot 1 in this embodiment, the displacement of each joint is uniquely obtained.
- the equations for the solution of the inverse kinematics are directly obtained, and the joint displacements are obtained simply by substituting the body position / posture and foot position / posture into the equations.
- the robot geometric model inputs the target body position and posture and the corrected target foot position and posture trajectory corrected by the composite compliance operation determination unit (corrected target foot position and posture trajectory with mechanical deformation compensation). Then, the joint displacement commands (values) of 12 joints (1 OR (L), etc.) are calculated from them.
- the joint angular displacement may be obtained by Jacobian.
- This device has a displacement controller (same as the second computing device 82 described above), and the displacement controller targets the joint displacement index (value) calculated by the robot geometric model (inverse kinematics computing unit).
- the displacement of 12 joints of robot 1 is tracked and controlled as a value.
- the above-described composite compliance operation determination unit corrects the desired foot position / posture trajectory so as to satisfy the following two requirements.
- Requirement 1 For the robot position and attitude control, make the actual total floor reaction force follow the resultant force of the compensated total floor reaction force (moment M dmd) output by the posture stabilization control unit and the target total floor reaction force. . To control only the robot's attitude inclination, only the actual total floor reaction force horizontal moment component around the target total floor reaction force center point is made to follow the compensated total floor reaction force moment M dmd.
- Requirement 2 In order to secure the grounding of each foot, minimize the absolute value of the actual foot floor reaction force moment around the target center point of each foot floor reaction force as much as possible.
- the device is initialized in S10, the process proceeds to S14 via S12, and waits for a timer interrupt.
- Timer interrupts occur every 5 Oms, that is, the control period is 50 ms
- the process proceeds to S 16 to determine whether or not the gait is switched, that is, the support leg is switched. If the result is negative, the process proceeds to S 22, and if the result is affirmative, the process proceeds to S 18.
- the gait parameters are composed of the motion parameters and the floor reaction force parameters (ZMP trajectory parameters).
- the process proceeds to S22, in which the instantaneous value of the desired gait is determined.
- the “instantaneous value” means a value for each control cycle, and the instantaneous target gait value is composed of a desired body position / posture, a desired foot position / posture, and a desired ZMP position.
- “posture” means “direction” in the X, Y, and Z spaces.
- a desired foot floor reaction force center point is obtained. This is done as described in the description of the target floor reaction force distributor. Specifically, this is performed by obtaining the value at the current time t of the desired foot floor reaction force center point locus set as shown in FIGS. 8 and 9.
- the process proceeds to S28, where the state of the robot 1 such as the inclination of the body 24 is detected from the output of the inclination sensor 60 or the like. Then, the actual X, Y acting on the upper body 24 , Detects acceleration in the Z direction.
- the body acceleration (referred to as “Gb o dyz”) in the Z direction will be described as an example. However, the following description is similarly applicable to the X and Y directions. .
- the vector Fn act represents the force component of the n-th foot floor reaction force.
- the vector Mn act represents the moment component of the n-th foot floor reaction force.
- the direction of the vector Mn act indicates that a clockwise moment acts on the foot from the floor with respect to the direction. It is assumed that the desired total floor reaction force at this moment is as shown in FIG. Incidentally, the desired total floor reaction force moment vector Ms umr ef at the desired total floor reaction force center point (target ZMP) is vertical (by definition, the target ZMP is the horizontal direction of the desired total floor reaction force camoment). Because the component is 0).
- a vector Fn ref represents the force component of the desired n-th foot floor reaction force.
- the vector Mn ref represents the moment component of the desired nth foot floor reaction force.
- the expression of the direction of the vector M nref is the same as that of Mn act. For the sake of explanation, it is assumed that the upper body posture is likely to fall to the rear left.
- the above-described posture stabilization control calculation unit calculates a compensated total floor reaction force moment Mdmd based on the detected body inclination deviation values 0 errx and 0 erry of the robot 1.
- the vertical axis component of the compensated total floor anti-moment Mdmd is zero.
- Figure 14 shows the compensated total floor anti-camo Mdmd corresponding to this condition.
- target ZMP the horizontal component of the actual total floor reaction force moment around the target total floor reaction force center point
- target ZMP target total floor reaction force center point
- the composite compliance operation determination unit corrects the position and orientation of the foot so as to satisfy the following requirements as much as possible.
- Requirement 2 In order to secure the grounding of each foot, minimize the absolute value of the actual foot floor reaction force moment around the target foot floor reaction force center point as much as possible.
- the correction of the position and posture of the foot is performed as follows in this embodiment.
- V is shown in Figure 15.
- This rotation angle of 0 db v is called a double leg compensation angle.
- a vector with a start point of Q 1 and an end point of Q 1 ' is defined as a vector Q 1 Q 1'.
- a vector having a start point of Q 2 and an end point of Q 2 ′ is referred to as a vector Q 2 Q 2 ′.
- Fig. 16 shows Q1 'and Q2'.
- the target 1st foot is translated (almost up and down) by the vector Q 1 Q 1 ′ without changing the posture.
- the target second foot is changed to the vector Q 2 Q 2 without changing the posture.
- the relationship between the compensation operation amount and the change amount of the actual floor reaction force generated by the compensation operation has the following favorable characteristics.
- Property 1 and Property 2 indicate that these operations are independent, and Property 3 indicates that these operations are linear.
- FIG. 18 is a block diagram showing the arithmetic processing of the composite compliance operation determining unit. This operation will be described with reference to FIG.
- the compensating total floor reaction force moment Mdmd is distributed in the compensating total floor reaction force moment distributor.
- the above-described compensation angles 0 dbv and 0nx are obtained in the two-leg compensation angle determination unit and the n-th foot X (Y) compensation angle determination unit. (y) is determined.
- the corrected target foot position / posture calculation unit obtains the compensated foot position / posture (this is referred to as the corrected target foot position / posture) by geometric calculation.
- the corrected target foot position / posture calculation unit with mechanical deformation compensation calculates the amount of deformation of the spring mechanism 32 and the sole elastic body 34 that is expected to be generated by the desired foot floor reaction force, and cancels them. Correct the target foot position and posture.
- the compensating total floor reaction force moment distributor distributes the compensating total floor reaction force moment Mdmd, the two-leg compensation moment Mdmd db, and each foot compensation moment Mdmd 1 x, y, Mdmd 2 x, Distribute to y.
- the two-leg compensation moment M dmddb is the desired value of the moment created by the force component of each foot floor reaction force around the desired total floor reaction force center point (target ZMP) by operating the two-leg compensation angle (foot vertical amount) Sdbv. ⁇
- Vector V is the vector defined in the description of the composite compliance operation determination unit. Assuming that a vector orthogonal to V and perpendicular to the vertical direction is U, the U-direction component Mdmd dbu of the two-legged compensation moment Mdmd db is set to zero. This is because the U-direction moment component of the floor reaction force cannot be generated even if the two-leg compensation angle 0 dBV is operated.
- the vertical component Mdmd dbz of Mdmd db is also set to zero.
- the first foot compensation moment Mdmd 1 is a moment to be generated around the desired first foot floor reaction force center point by operating the first foot compensation angle I ⁇ , ⁇ Iy.
- the X component of the first foot compensation moment Mdmd 1 is described as Mdmd 1 x
- the Y component is described as M dmd 1 y.
- the second foot compensation moment M dmd 2 is a moment to be generated around the desired second foot floor reaction force center point by operating the second foot compensation angle ⁇ 2 X,, 2 y.
- the X component of the second foot compensation moment Mdmd 2 is described as Md md 2 x
- the Y component is described as Mdmd 2 y.
- the distribution is performed, for example, as follows.
- dmddbv Wdbx * Mdmdx + Wdby * dmdy
- Mdmd2x W2x * (Mdmdx-Wint * Vx * Mdmddbv)
- Mdmd2y W2y * (Mdmdy-Wint * Vy * Mdmddbv)
- Wdbx, Wdby, Wlx, Wly, W2x, W2y, and Wint are weighting variables for distribution.
- Vx is the value of the X component of the vector V
- Vy is the value of the Y component of the vector V.
- Wi n is used to cancel the total floor reaction force moment generated by operating the two-leg compensation angle by operating each foot compensation angle.
- Fig. 19 shows a block diagram of a compensated total floor anti-camo divider that performs the arithmetic processing of Equations 3 and 4.
- FIG. 20 shows a setting example of the weighting variables WdbX, Wdby, Wlx, Wly, W2x, W2y, and Wint during walking. It is desirable that the pattern shown in Fig. 20 be determined in consideration of the following points.
- the weights should be set so as to satisfy both Equations 5 and 6.
- Equation 9 Equation 10 and Equation 11 need only be satisfied at the same time.
- the weight may be determined so as to satisfy Equation 9, Equation 10 and Equation 11 simultaneously.
- the amount of actual total floor reaction force moment may be less than that of M dmddbv .
- the actual The floor reaction force does not change.
- each foot compensation angle does not work effectively when both feet compensation angle 0 dbv works effectively, and when both feet compensation angle works effectively, both feet compensation angle 0 dbv does not work effectively.
- the total amount of the actual floor reaction force moment generated by manipulating the compensation angle and each foot compensation angle is almost equal to the compensated total floor reaction force moment M dmd
- the total amount of the actual floor reaction force moment generated by manipulating the both leg compensation angle and each foot compensation angle may be larger than the compensation total floor reaction force moment M dmd.
- M dmd d is a feedback operation amount for stabilizing the posture as in this embodiment, there is not much problem.
- M dmd d is a feedback operation amount for stabilizing the posture as in this embodiment.
- the direction of the actual total floor reaction force moment generated by manipulating the two-leg compensation angle 0 db V is always in the V direction, and a component orthogonal to the V direction cannot be generated.
- the direction of actual total floor anti-camo that can be generated by manipulating each foot compensation angle is restricted by the foot contact state.
- the distribution weights Wd bx and Wd by for operating the two-leg compensation angle are determined as follows.
- Equation 3 is the inner product of the vectors Wdb and Mdmd. Therefore, Mdmd is decomposed into the vector Wdb direction component and its orthogonal component, and only the vector Wdb direction component is extracted and multiplied by the magnitude of the vector Wdb. It can be said that Mdmd dbv.
- Figure 23 shows the Mdmd db v in this case.
- a feedback control system that controls the Wdb direction component of the actual total floor reaction force moment by manipulating the two-leg compensation angle is constructed. If the Wdb direction is orthogonal to the vector V, the feedback control system is simply useless because the Wdb direction component of the actual total floor reaction force moment does not occur regardless of how much the two-legged compensation angle is manipulated. Only the two-leg compensation angle needs to be manipulated.
- the Wdb direction should be made to coincide with the vector V direction, or as close as possible. If we want to generate the W db direction component of the compensation total floor reaction moment M dmd simply by operating the two-leg compensation angle without relying on each foot compensation angle, the inner product of Wdb and V is 1 Set to be. If you want a part to depend on each foot compensation angle, set the inner product of Wdb and V to be smaller than 1.
- W db x is set to be relatively large.
- the Wdb direction and the vector V direction do not match, and the fluctuation of the leg compensation angle increases, but the stability increases.
- FIG. 24 is a block diagram of the operation processing of the two-legged compensation angle determination unit, and the two-legged compensation angle 0 dbV is calculated as shown.
- the moment 1 f 2 act generated around the reaction center point P is calculated by the following equation. Confuse.
- Mflf2act PQl * Flact + PQ2 * F2act Equation 1 2
- PQ1 is a vector whose start point is P and an end point is Q1
- PQ2 is a vector whose start point is P and whose end point is Q2.
- Equation 12a is a formula that calculates the actual total floor reaction force moment Ma ct acting around the target total floor reaction force center point. I have. Equation 12 is obtained by subtracting the actual foot floor reaction force moment acting around the desired foot floor reaction force central point from the actual total floor reaction force moment acting around the target total floor reaction force center point. It has become. The statement in claim 5 is based on this.
- a vector V-direction component Mf1f2actv of Mf1f2act is extracted. This is obtained by the following equation using the vector inner product operation.
- the vector V is the V shown in FIG. 15 in the above description of the operation.
- Mf1f2actv Mflf2act ⁇ V ⁇ ⁇ Equation 1 3
- Mf1f2actv is passed through a low-pass filter to obtain Mf1f2actvfi1t.
- the two-legged compensation moment V-direction component Mdmd d bv is passed through a compensation filter, and is reduced by the Mflf 2 actvflt force to obtain a deviation moment V-direction component Mdifvv.
- the compensation filter improves the frequency response characteristics of the transfer function from Mdmd db V to the actual total floor reaction force moment.
- the two-leg mechanism deformation compensation angle 0 f ⁇ dbv for canceling the effect on the V-direction component of the two-leg compensation moment due to the deformation of the foot spring mechanism is calculated. This is so-called feedforward compensation.
- the target first foot floor reaction force center point Q1 and the target second foot floor reaction force center point are calculated using a mechanism compliance model that expresses the relationship between the two-leg compensation moment V-direction component Mdmd db V and the amount of deformation.
- the deformation angle of the line connecting Q 2 is obtained, and the inverted one of the two angles may be used as the two-leg mechanism deformation compensation angle 0 ff db v.
- the two-leg compensation angle 0 dbV is obtained by the following equation.
- K db is the control gain, which is usually set to a positive value.
- Fig. 25 is a block diagram showing the arithmetic processing of the first foot X compensation angle determination unit. It is a figure, and the 1st foot X compensation angle 0 1 X is calculated as shown in the figure. Although the description is omitted, the first foot Y compensation angle 0 1 y, the second foot X compensation angle 02 x, and the second foot Y compensation angle 02 y are similarly obtained. Here, only the algorithm for obtaining the first foot X compensation angle ⁇ 1 X will be described.
- the first foot floor reaction force moment X component M 1 a c t x is passed through a mouth-to-pass filter to obtain M 1 a c t f i 1 t x.
- the first foot compensating moment X component Mdmd 1 x is passed through a compensating filter, which is subtracted from M 1 act f i 1 t X to obtain a deviation M 1 d f f 1 x.
- the compensating filter improves the frequency response characteristics of the transfer function from Mdmd 1 x to the actual total floor reaction force.
- the first foot X mechanism deformation compensation angle f f 1 x for canceling the influence on the X component of the first foot compensation moment due to the deformation of the foot spring mechanism and the like is determined in the same manner as the determination of the two-leg compensation angle. This is so-called feed-forward compensation.
- the deformation angle of the first foot is obtained using a mechanism compliance model that expresses the relationship between the V-direction component Mdmd 1 x of the first foot compensation moment and the amount of deformation, and the polarity of that is inverted. Should be set to the first foot X mechanism deformation compensation angle 0 fflx.
- the first foot X mechanism deformation compensation angle 0 ⁇ f 1 X may be approximately obtained by the following equation: ⁇
- 0fflx -alx * Mdmddbv ⁇ 'Equation 16
- 1 X is a predetermined constant.
- the first foot X compensation angle 0 1 X is obtained by the following equation.
- K 1 X is the control gain, which is also usually set to a positive value.
- the corrected target foot position / posture calculation unit calculates the two-leg compensation angle.
- the target foot position / posture is corrected according to the foot position / posture correction method that is an extension of the composite compliance operation described above, and the corrected target foot position / posture is obtained.
- the mechanism deformation calculator calculates the deformation of the spring mechanism 32 and the sole elastic body 34 that are expected to be generated by the desired foot floor reaction force.
- the corrected target foot position and posture with the mechanism deformation compensation are further corrected so that the calculated amount of mechanism deformation is canceled, and the corrected target foot position and posture with the mechanism deformation compensation are corrected. obtain.
- the corrected target foot position / posture with mechanical deformation compensation is corrected to the position / posture shown by the solid line in FIG. That is, the position and posture when the foot is deformed by receiving the desired foot floor reaction force after the mechanism deformation compensation shown in FIG. 27 is changed to the mechanism deformation compensation when the foot is not subjected to the floor reaction force shown in FIG. Calculate the corrected target foot position and posture with mechanical deformation compensation to match the previous foot position and posture.
- the mechanism deformation compensation is a control for canceling the deviation of the actual foot position and posture caused by the deformation of the spring mechanism 32 and the sole elastic body 34 in a feedforward manner. A walk closer to the desired gait can be realized.
- the above-mentioned compensation angle is determined in S34.
- FIG. 28 is a subroutine chart showing the operation.
- the process proceeds to S36, in which the mechanism deformation compensation amount is calculated based on the desired foot floor reaction force, and the process proceeds to S38, in which the target foot position / posture is compensated by the compensation angles 0 dbv, ⁇ (y) And corrected according to the phase compensation displacement (described later), and further corrected according to the mechanism deformation compensation amount to obtain a corrected target foot position and posture with mechanism deformation compensation.
- both feet 22R (L) move slightly in the direction of gravity. By pulling up, it is possible to absorb the landing impact.
- the robot has a natural vibration determined by the elasticity of the vertical elasticity of the foot spring mechanism 32 and the elasticity of the sole elastic body 34 and the mass of the robot 1 during walking, and the upper body 24 vibrates up and down. Although this vibration is a small amount of displacement, the Z-direction force component F z of the actual foot floor reaction force varies greatly.
- a body Z-direction acceleration control calculation unit is added to the previously proposed device as shown in the lower part of FIG.
- the body Z-direction acceleration control calculation unit calculates the actual body acceleration Gbo dy detected by the inclination sensor 60 (more specifically, for example, the detected real body vertical acceleration Gb / dyz),
- the body component (target value) Fdmd of the compensating total floor reaction force is calculated so that it does not greatly deviate from the body acceleration (that is, the target body acceleration) Gbodydyref. This corresponds to the process of S31.
- Fdmd is calculated, for example, as follows. That is, assuming that the X component of Gbo dy ref is Gb 0 dy ref X, the X component is G bo dy ref fy, and the Z component is Gbody ref fz, the deviation F dm d t mp between the target value and the detected value is calculated according to the following equation.
- Fdmd tmpx -Kgx * (Gb o dyz— Gb o dy r e f z)
- Fdmd tmpy -Kgy * (Gb o dyz-Gb o dy r e f z)
- Fdmd tmp z -Kgz * (Gb o dyz— Gb o dy r e f z)
- Kgx, Kgy, and Kgz are control gains (constants).
- Fdmd tmp x, Fdmd tmpy, and Fdmdtmpz are the X, Y, and Z components of the above-mentioned self-deviation Fdmdtmp, respectively, and the sum thereof is referred to as a difference Fdmdtmp.
- the calculated Fdmd tmp is passed through a filter appropriately designed for improving control characteristics, and the output is set to Fdmd.
- the corrected target second foot position / posture is also translated by a certain movement amount vector L2 without changing the posture.
- the corrected target first and second foot positions and postures after the movement are shown by thick lines in Fig. 29.
- an in-phase compensation displacement calculating unit is provided, and each foot in-phase compensation displacement is calculated from the compensating total floor reaction force component (target value) and the actual total floor reaction force component. Then, the corrected target foot position / posture calculation unit calculates the corrected target foot position / posture including each foot in-phase compensation displacement.
- FIG. 30 is a block diagram showing the operation in more detail
- FIG. 31 is a flow chart for explaining the operation of FIG.
- a force component Ft0ta1act of the actual total floor reaction force is obtained in S200. That is, from the force component F 1 act of the actual first foot floor reaction force and the force component F 2 act of the actual second foot floor reaction force, the force component F t 0 of the actual total floor reaction force is obtained by the following equation (Equation 19). Calculate ta 1 act.
- F totalact F lact + F 2 act... Equation 1 9
- F totalact F lact + F 2 act... Equation 1 9
- F ref the power component of the desired gait
- F tota 1 err the process proceeds to S 204 to obtain F t 0 ta 1 errfi 1 t through an appropriate filter.
- the process proceeds to S206, in which the force component of the total floor reaction force (target value) F dm d is passed through the compensation filter, and the difference F t0 ta 1 diff is obtained by subtracting F totalerrfilt from the filter passing value. .
- This compensation filter improves the frequency response from Fdmd to the force component of the actual total floor reaction force.
- K1 is the control gain (constant. Scalar quantity).
- Wl 1 and Wl 2 are the weights of Athens and are set, for example, as shown in FIG.
- Wl 1 and W1 2 may be always 1. However, when the foot 22R (L) is in the air to avoid moving up and down after leaving the floor (when one leg is supported in the example shown) 2nd foot side) It is good to set to 0.
- step S38 of the flow chart of FIG. 10 including the in-phase compensation displacement Ln thus obtained the corrected target foot position / posture with mechanical deformation compensation is calculated.
- both legs compensation angle ⁇ db V, 1st foot X compensation angle 1 X, 1st foot Y compensation angle 01 y, 2nd foot X compensation angle 02 x, 2nd foot Y compensation angle 02 The corrected target foot position / posture is calculated based on y, the first foot in-phase compensation displacement Ll, and the second foot in-phase compensation displacement L2 according to the composite compliance operation including the in-phase parallel movement operation described above. It is.
- this embodiment is constructed as described above, the control of the actual total floor reaction force and the control of the actual foot floor reaction force hardly interfere with each other, so that they can be easily implemented. Can be controlled.
- the device according to this embodiment has the following improvements over the previously proposed technology. That is, in the ankle compliance control proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-305584, an actual floor reaction force moment at a point fixed to the foot such as a reference point of an ankle or a sole is detected, and the fixed moment is detected based on the moment. Although the foot was rotated about the point, the apparatus according to this embodiment calculates the actual foot floor reaction force moment at the moving target foot floor reaction force center point, and based on that, calculates the desired foot floor reaction moment. The foot was rotated around the center point of the flat floor reaction force, and the moment around that point was controlled to a desired value. As a result, it became possible to easily control the actual total floor reaction force and the actual foot floor reaction force with little interference. To reduce interference, a more appropriate point may be selected within the sole contact area assumed at each moment.
- the floor reaction force acting on the robot more specifically, the actual total floor reaction force moment around the target total floor reaction force center point (target ZMP) and the actual foot reaction force around the target foot flat center point.
- the floor reaction force moment can be easily and appropriately controlled. In other words, there is no control interference and the actual total floor reaction force and the actual foot floor reaction force deviate from desired values or oscillate, compared to the previously proposed combined use of both leg compliance control and ankle compliance control. None.
- the stabilization control of the legged mobile robot can be easily realized, and the landing impact received by the legged mobile robot can be reduced. Slip and spin can be prevented. Further, the load of the leg-type moving port bot at the factory can be reduced.
- the weights W l 1 and W 12 are fixed to 1.0, or to 0 in the case of the free leg. In other words, it was fixed to the frequency of the force component of the actual total floor reaction force.
- the low frequency component of the force component of the actual total floor reaction force cannot be arbitrarily controlled. Because, for example, even when the feet are moved in phase and parallel in the direction of gravity when standing upright (that is, when both legs are contracted), the force component of the actual total floor reaction force decreases at that moment. Immediately after that, when the upper body 24 moves down, it returns to the original actual total floor reaction force again.
- Equation 20 gives the low frequency component of the actual total floor reaction force. Can be controlled up to. However, when walking at high speed, if the body height changes significantly from the target gait, the dynamic balance is lost, so it is not preferable to add an integral term.Therefore, even if the distribution amount of the in-phase compensation displacement L differs between Alternatively, it may be variable with respect to the frequency of the force component of the actual total floor reaction force. That is, a weight having a frequency component may be used.
- Fdmd tmpx — Kgxx * (Gb o dyx— Gb o dy r e f x)
- Kgxx, Kgxy, Kgxz, Kgyx, Kgyy, Kgyz, Kgzx, Kgzy, and Kgzz are control gains.
- FIG. 34 functionally shows the configuration and operation of a legged mobile robot control device (mainly equivalent to the first arithmetic device 80 in FIG. 3) according to the second embodiment of the present invention. It is a block diagram.
- the control device for a legged mobile robot according to the second embodiment further improves the proposed technique in the same manner as the device according to the first embodiment, and in particular, the force component of each actual foot floor reaction force. Independently controlled to improve posture stability to prevent spin, etc., and reduce the burden of joint work
- mode 1, mode 2 and mode 6 are dealt with among the above-mentioned six modes, but in the second embodiment, in addition to this, the entire robot Control of the internal force that does not directly affect the behavior (modes 1 to 6).
- the term “internal force” here refers to a combination of components of each foot floor reaction force that does not affect the total floor reaction force.
- FIG. 35 is a flowchart similar to FIG. 10 showing the operation of the device according to the second embodiment.
- FIG. 36 is a block diagram similar to FIG. 18 showing the arithmetic processing of the composite compliance operation determination unit in the second embodiment.
- FIG. 36 is a block diagram similar to FIG. 18 showing the arithmetic processing of the composite compliance operation determination unit in the second embodiment.
- the corrected target foot position- The attitude calculation unit uses the concept of internal force compensation displacement instead of the in-phase compensation displacement used in the first embodiment, and extends the above-described composite compliance operation based on the concept of both leg compensation angle 6> dbv and the like. Foot position ⁇ Target foot position in accordance with the posture correction method • Posture was corrected to obtain the corrected target foot position ⁇ posture. Therefore, in the second embodiment, the processing in S31 is not required.
- the force component of the foot floor reaction force is increased in the direction of the line connecting the two feet by slightly increasing or decreasing the distance between the target first foot and the target second foot. It occurs in the opposite direction to the foot. This operation is called “out-of-phase translation” ⁇ ⁇
- the actual total floor reaction force and the actual foot moment do not interfere with the control described in the processing except for the processing of S35, and the force component of the actual first foot and the actual Since the ratio of the force component of the foot can be changed, by appropriately controlling the ratio according to the situation, as described above, for example, the force for propelling the robot in the traveling direction is reduced by the foot having a high ground pressure.
- the posture stability can be improved and slip can be effectively prevented.
- an internal force compensation displacement calculator is added to the previously proposed device, as shown in the lower part of FIG. Specifically, the internal force compensating displacement calculating section and the corrected target foot position / posture calculating section including the internal force compensating displacement perform the processing in S35. The following operations are added to the corrected target foot positions and postures obtained in the processing except for.
- FIG. 37 is a block diagram showing the processing of the internal force compensation displacement calculating section in detail
- FIG. 38 is an explanatory view of the antiphase parallel movement operation.
- the corrected target foot position / posture calculation unit calculates the corrected foot position / posture by geometric calculation, including the respective foot internal force compensation displacements Dn.
- V ' a vector whose starting point is Q 1 ′ and whose starting point is Q 2 ′ and whose direction is the same and whose size is 1 is obtained. This is hereinafter referred to as V '.
- D 1 is the amount of movement of the corrected target first foot in the V ′ direction, and is hereinafter referred to as the first foot internal force compensation displacement.
- D 1 is a scalar variable.
- D 2 is the amount of movement of the corrected target second foot in the V ′ direction, hereinafter referred to as the second foot internal force compensation displacement.
- D 1 is also a scalar variable. In the illustrated state, D1 is negative and D2 is positive. Normally, D1 and D2 have opposite polarities, so both feet move in opposite phase. The above is the anti-phase parallel movement operation.
- the process proceeds to S302, where the deviation Fd err is calculated from the force component of the actual foot floor reaction force and the target foot floor reaction force component by Equation 19a. That is, as shown in FIG. 37, the force component F 1 act of the actual first foot floor reaction force, the force component F 2 act of the actual second foot floor reaction force, and the force component F 1 of the target first foot floor reaction force. Calculate the deviation Fd err by the following formula (Equation 19) using ref. and the target force component F 2 re of the second foot floor reaction force.
- the force component F 1 ref of the desired first foot floor reaction force and the force component F 2 ref of the desired second foot floor reaction force are values in the aforementioned desired gait.
- the process proceeds to S304, in which the calculated deviation Fd err is passed through a single-pass filter for preventing oscillation of the control system, and further multiplied by the gain Kd to calculate a difference D iff. Then, the process proceeds to S306, where the first foot internal force compensation displacement D1 and the second foot internal force compensation displacement D2 are calculated by the following equations (Equations 20a and 21a).
- Wd 1 and Wd 2 are non-negative distribution weight variables.
- D d i ⁇ ⁇ means the extension of the distance between the modified target second foot and the modified target first foot.
- Wdn is not zero when the foot lands, the foot landing position may deviate from the target position, which may hinder this internal force control. Therefore, near the foot landing, Wdn should be zero.
- Wdn is set to zero, and the sum of Wd 1 and Wd 2 is set to 1 during the two-leg support period and upright, including the in-phase compensation displacement Dn thus obtained.
- the control of the actual total floor reaction force and the control of each actual foot floor reaction force can be summarized as in the first embodiment. Almost interference And they can be easily controlled.
- the technology proposed earlier is improved to achieve the actual foot floor reaction force at the center point of the moving foot floor reaction force.
- the moment was calculated, and based on this, the foot was changed to rotate around the target foot floor reaction force center point, and the moment around that point was controlled to a desirable value.
- it was possible to easily control the actual total floor reaction force and the actual foot floor reaction force with little interference.
- the posture stability can be improved and slip can be prevented effectively, and the joint joint can be effectively controlled. Can be reduced.
- At least the base (upper body 24) is connected to the base via a first joint (10, 12, 14, R (L)). With a foot connected to the tip via a second joint (18, 20R (L))
- a target position of at least the foot of the robot is provided.
- Pattern target body position, posture, target foot position, posture
- Target foot floor reaction force center point determining means for determining a target foot floor reaction force center point (target foot floor reaction force center point) which is an action center point on the foot when distributed to each of the feet.
- Target floor reaction force distributor, S24, S26 actual floor reaction force acting on the foot
- (Actual foot floor reaction force) detecting means (6 axis force sensor 44, actual foot floor reaction force detector, S32), based on at least the detected actual floor reaction force
- the amount of rotation to rotate the foot both leg compensation angle 0 dbv, z, nth foot compensation angle 0 nx, y, z) foot rotation amount determining means (combined compliance motion determining section, S32 to S34, double leg compensation angle determining section, nth foot compensation angle determining section, S100 to S108),
- First foot position and posture correction means for correcting the target position and Z or posture such that the position and rotation or posture of the foot are rotated based on the determined foot rotation amount
- a compensation displacement calculation means body Z acceleration for calculating a compensation displacement Ln of the foot based on at least the detected actual floor reaction force
- Correction means body Z-direction acceleration control calculation unit, in-phase compensation displacement A calculating unit, S38
- first and second foot positions The first and second joints (1) of the robot based on the foot position 'posture corrected by the posture means. 0,12,14,18,20 R (L))
- the joint displacement means robot geometric model (kinematics operation unit), displacement controller, S40, S42) to displace Done.
- the foot rotation amount determining means may include a moment (actual n-th foot floor reaction force moment Ma ctx, wherein the detected actual floor reaction force acts around the calculated target foot floor reaction force center point. y, z) and determine the amount of rotation (both legs compensation angle 0 dbv, z, nth foot compensation angle ⁇ nx, y, z) to rotate the foot at least based on the calculated moment.
- the compensation displacement calculating means obtains a force component Ft0ta1act of the actual total floor reaction force from the detected actual floor reaction force, and generates the force component of the total floor reaction force of the generated gait.
- a deviation F tota 1 err from F ref is calculated, and a compensating displacement L n of the foot is calculated based on the calculated deviation.
- the first foot position / posture correcting means may determine that the position and / or posture of the foot based on the determined foot rotation amount is the determined target foot floor reaction force center.
- the target position and / or posture is modified so as to rotate around a point or its vicinity.
- the first foot position / posture correcting means may determine whether the position and Z or posture of the foot are based on the determined foot rotation amount during the determined target foot floor reaction force.
- the target position and / or the posture are modified so as to rotate around the center point or the vicinity thereof.
- a posture stabilization compensation total floor reaction force moment (compensated total floor reaction force Mdmd) to be added to the target pattern of the total floor reaction force is obtained, and the foot rotation amount determining means and Z or the foot movement amount are calculated.
- the determining means determines the rotation amount and / or the movement amount of the foot based on at least the detected actual floor reaction force (actual foot floor reaction force) and the determined posture stabilization compensation total floor reaction force moment. It was configured to be determined (S34, S100 to S108).
- the posture stabilization compensation total floor reaction force moment is obtained based on at least the inclination deviation (0 err x, y) of the robot (S 28, S 30).
- the compensation displacement calculating means includes: a body acceleration detecting means (S31) for detecting a body acceleration (actual body vertical acceleration) Gb0dy of the robot; and the detected body acceleration based on the detected body acceleration.
- the compensation displacement Ln of the foot is calculated based on the difference (Ft0ta1diff or L) obtained by subtracting the deviation from the floor reaction force component (from S200 to S208). It was configured as follows. Further, the compensation displacement calculating means distributes the compensation displacement of the foot to each of the feet by multiplying the difference (Ft0ta1di ⁇ f or L) by a predetermined weight (attenuator Wl and W12). It was configured so that
- the compensation displacement calculating means is configured to set the weight to zero when the foot is off the floor.
- the compensation displacement calculating means is configured to vary the weight according to the frequency of the force component of the actual total floor reaction force.
- the compensation displacement calculating means is configured to calculate the compensation displacement of the foot in the direction of gravity.
- the compensation displacement calculating means is configured to calculate the compensation displacement of the foot in the direction of a line connecting the center of gravity and the center point of the desired total floor reaction force.
- the force component of the compensating total floor reaction force is set to zero or near zero.
- a base upper body 24
- a first joint (10, 12, 14, R (L)
- a first joint 10, 12, 14, R (L)
- a legged mobile robot consisting of multiple (two) legs (leg links 2) with feet (foot 22R (L)) connected via the In the apparatus
- a movement pattern target body position / posture, target foot position / posture
- target foot position / posture including at least a target position and a posture of the foot of the robot, and a target pattern of a total floor reaction force acting on the robot.
- target total floor reaction force serving as a center point of action on the foot when the generated total floor reaction force of the gait is distributed to each of the feet
- a desired foot floor reaction force center point determining means (a desired floor reaction force distributor, S24, S26) for determining a point (a desired foot floor reaction force center point), an actual floor reaction force acting on the foot (Actual foot floor reaction force) detecting means (6 axis force sensor 44, actual foot floor reaction force detector, S32), and the detected actual floor reaction force is calculated as above.
- the moment acting around the desired foot floor reaction force center point (actual nth foot floor reaction force moment Mact X, y, z) is calculated, and the foot is rotated based on at least the calculated moment.
- Rotation amount both legs compensation angle 0 db V , z, n-th foot compensation angle 0nx, y, z
- foot rotation amount determination means combined compliance operation determination unit, S32 to S34, double leg compensation angle determination unit, n-th foot complement A compensation angle determination unit, S100 to S108), and correcting the target position and / or posture such that the position and / or posture of the foot is rotated based on the determined foot rotation amount.
- Foot position / posture correction means (combined compliance motion determination unit, S38, S40, corrected target foot position / posture calculation unit), does not affect the actual total floor reaction force from the detected actual floor reaction force
- the internal force component (F 1 act + F 2 act) is obtained, and the deviations F derr and D diff of the generated gait from the internal force component (F lref + F 2 ref) are calculated based on the calculated deviation.
- Compensation displacement calculating means for calculating the compensation displacement Dn of each of the feet (internal force compensation displacement calculator, from S35, S300 to S306) Second foot position / posture correction means for correcting the target foot position / posture based on the calculated compensation displacement (body Z-direction acceleration control calculation unit, in-phase compensation displacement calculation unit, S38) And the first and second joints (10, 1, 2, 1) of the robot based on the position and posture of the foot corrected by the first and the first and second foot position and posture means. It is configured to include a joint displacement means (robot geometric model (kinematics calculation unit), displacement controller, S40, S42) for displacing 4, 1, 8, 20 R (L)).
- joint displacement means robot geometric model (kinematics calculation unit), displacement controller, S40, S42) for displacing 4, 1, 8, 20 R (L)
- the compensation displacement means obtains an internal force component (F lact + F 2 act) that does not affect the actual total floor reaction force from the detected actual floor reaction force, and calculates the internal force of the generated gait.
- a deviation F derr, D diff from the component (F lref + F2 ref) is calculated, and a compensation displacement D n of each of the feet is calculated based on the calculated deviation (internal force compensation displacement calculation unit, S 35 , S 300 to S 306).
- at least a base (upper body 24) and a first joint (10, 12, 14, R (L)) are connected to the base via a first joint (18).
- leg-type mobile robot 1 consisting of a plurality of (two) legs (leg links 2) with feet (foot 22R (L))
- a motion pattern target body position / posture, target foot position / posture
- a total floor reaction force acting on the robot including at least a target position and a posture of the foot of the robot, and a total floor reaction force acting on the robot.
- Gait generating means for generating a gait of the robot including at least, and distributing a total floor reaction force of the generated gait to each of the feet
- Target foot floor reaction force center point determining means target floor reaction force distributor
- target floor reaction force detecting means 6 axis force sensor 44, actual foot floor reaction force detector, S32
- actual floor reaction force detecting means (6 axis force sensor 44, actual foot floor reaction force detector, S32) for detecting the actual floor reaction force (actual foot floor reaction force) acting on the foot.
- Deciding means combined convergence motion deciding section, S32, S34, both leg compensation angle deciding section, nth foot compensation angle deciding section, S100 to S108), the decided foot section
- Foot position / posture correction means combined compliance motion determination unit, S38, S40, corrected target foot position / posture calculation unit), internal force that does not affect actual total floor reaction force from the detected actual floor reaction force
- the component (F 1 act + F 2 act) is determined to calculate a deviation F derr, Dd iff from the internal force component (F refl + F ref 2) of the internal
- the foot rotation amount determining means includes a rotation amount for rotating the foot based on at least the detected actual floor reaction force (both leg compensation angle dbv, ⁇ -th ⁇ foot compensation angle 0nx, y, z) (combined compliance motion determination unit, S32, S34, double leg compensation angle determination unit, nth foot compensation angle determination unit, S100 to S10 8)
- the first foot position / posture correcting means sets the position and Z or posture of the foot based on the determined foot rotation amount to the determined target foot floor reaction force center.
- the target position and / or posture are corrected so as to rotate around the point or its vicinity (combined compliance operation determination unit, S38, S40, corrected target foot position / posture calculation unit). .
- the first foot position / posture correcting means may determine the position and Z or posture of the foot based on the determined foot rotation amount, and determine the determined target foot floor reaction force center.
- the target position and / or posture is configured to be corrected so as to rotate around a point or its vicinity.
- a posture stabilization compensation total floor reaction force moment (compensated total floor reaction force Mdmd) to be added to the target pattern of the total floor reaction force is obtained, and the foot rotation amount determining means and Z or the foot are determined.
- the movement amount determining means includes a rotation amount and / or a movement amount of the foot based on at least the detected actual floor reaction force (actual foot floor reaction force) and the determined posture stabilization compensation total floor reaction force moment. The amount was determined (S34, S100 to S108).
- the posture stabilization compensation total floor reaction force moment is obtained based on at least the inclination deviation (6) err X, y) of the robot (S28, S30).
- the compensation displacement calculating means is configured to multiply the deviation (F derr, D diff) by a predetermined weight (W dn) to distribute the compensation displacement of the foot to each of the feet.
- the predetermined weight is configured to have a time-varying characteristic and a Z or frequency characteristic.
- the spring mechanism 32 (and the sole elastic body 34) itself is not an essential part of the present invention.
- the essence of the present invention resides in the feedback control section, and the mechanism deformation compensation is incidental.
- the block diagram may be subjected to an equivalent deformation such as changing the operation processing order.
- the floor reaction force acting on the legged mobile robot can be easily and appropriately controlled without causing interference.
- control similar to the combination of the two-leg compliance control and the ankle compliance control proposed earlier there is no control interference, and the actual total floor reaction force and actual foot floor reaction force deviate from desired values. No oscillation.
- the posture stabilization control of the legged mobile robot improves the grounding of the legged mobile robot and prevents slips and spins during walking. Furthermore, by independently controlling the internal force components (combinations of components that do not affect the actual total floor reaction force) generated by the actual floor reaction forces of the robot, posture stability is improved and slip is effectively prevented. In addition to being able to do this, the burden on joint joints can be reduced. Furthermore, even if there are unexpected changes in floor shape including not only global undulations and slopes but also local irregularities and slopes, the floor counteracting on the legged mobile robot is not significantly affected by such changes. The force can be controlled appropriately. In addition, the load on the actuator of the legged mobile robot can be reduced.
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Description
明細書 脚式移動ロボッ トの制御装置 技術分野
この発明は脚式移動ロボッ トの制御装置、 詳しくはその姿勢制御装置に関し、 より詳しくは 2足歩行口ボッ トなどの脚式移動ロボッ トの脚部の動作をコンブラ ィアンス制御し、 脚式移動ロボッ トに作用する床反力を適切に制御するようにし たものに関する。 背景技術
最も基本的で単純な脚式移動ロボッ ト、 より具体的には 2足歩行□ボッ 卜の制 御装置は、 目標運動パターン生成装置と関節駆動制御装置から構成される。 目標 運動パターン生成装置は、 少なくとも目標運動パターンを生成する。 通常、 歩行 の運動パターンは、 それから動力学的計算によって算出される、 即ち、 オイラー -ニユートン方程式を解くことによって求められる Z M P軌跡が予め設定してお いた望ましい軌跡になるように生成される。 関節駆動制御装置は、 歩容生成装置 が生成する各関節の変位指合に追従するように各関節を制御する。
ここで、 Z M P (Zero Moment Point)は、 運動パターンによって発生する慣性 力と重力の合力のモーメントが、 鉛直軸まわりの成分を除き、 0となる床面上の 作用点を意味する。
尚、 その装置においては、 歩容生成装置が平らな床面を想定して歩容を生成し ていたにも関わらず、 第 4 1図に示すように、 現在、 両脚支持期の初期に、 前側 の足平が予期しない路面を踏んでしまうと、 その足平に想定していた以上の過大 な床反力が発生し、 ロボッ トが傾斜する。 その問題を解決するために、 本出願人 は、 例えば特開平 5— 3 0 5 5 8 6号公報において 2足歩行の脚式移動ロボッ ト のその種の制御装置を提案している。
そこにおいては、 上体傾斜を検出して上体姿勢を復元させるのに必要な復元モ 一メント要求量を求めると共に、 目標全床反力中心点 (目標 Z M P ) まわりの実
全床反力モーメント成分を検出し、 それを復元モーメント要求量に一致させよう と各足平を上下および回転させるように制御している。 この実全床反力モーメン トは、 各実足平床反力の合力が目標全床反力中心点 (目標 Z M P ) まわりに発生 させるモーメントである。
第 4 1図に示すような予期しなかつた傾斜があつた場合を例にとって先に提案 した制御 (以下 『両脚コンプライアンス制御』 という) を説明する。 尚、 説明の ため、 この図に示すように各足平に番号を付す。 歩容生成部は平らな床面を想定 して歩容を生成していたにも関わらず、 第 4 1図に示すように、 現在、 両脚支持 期の初期に第 1足平が予期しなかった斜面を踏んだため、 第 1足平に望ましい値 よりも大きな足平床反力が発生した瞬間であると仮定する。 また、 この瞬間ロボ ッ トは未だ望ましい姿勢 (上体傾斜 0 ) であったと仮定する。
提案した制御装置では、 目標全床反力中心点 (目標 Z M P ) まわりの実全床反 力モーメントが検出される。 この瞬間では、 この実全床反力モーメ ン トは、 第 1 足平床反力の鉛直成分が過大であるため、 ロボッ トを後に転倒させる方向に作用 する。
このモーメン トを 0にしようと、 第 4 2図に示すごとく、 仮想床面 A— A' を 想定し、 各足平をあたかも仮想床面上に乗せたまま、 仮想床面を目標全床反力中 心点 (目標 Z M P ) まわりに適当な角度 だけ回転させた位置に各足平の位置 を移動させる。
それにより、 第 1足平床反力の鉛直成分が減少すると共に、 第 2足平床反力の 鉛直成分が増大する。 この結果、 目標全床反力中心点 (目標 Z M P ) まわりの実 全床反力モーメントがほぼ 0になる。 即ち、 床に予期しなかった斜面があっても 、 両脚コンプライアンス制御が正常に働くので、 ロボッ トを転倒させないで歩行 継続させることができる。
しかしながら、 この提案技術だけでは両脚支持期に各足平実床反力を制御する ことができないので、 足平の接地点あたりの床形状に予期しない局所的な傾きや 凹凸があると、 足平の接地性が低下してスピンしやすくなつたり、 急激な姿勢変 化を起こして転倒する場合がある。
例えば、 第 4 3図に示すように、 両脚支持期に第 1足平のつまさきが予期しな
い突起 (段差) を踏んでしまうと、 両脚支持期は、 第 1足平のつまさきが急激に 下がりつつある時期であるので、 つまさきで床を強く蹴ってしまい、 第 1足平床 反力の鉛直成分が急増する。 その結果、 目標全床反力中心点 (目標 Z M P ) まわ りに急激に実全床反力モーメントが発生し、 最悪の場合、 両脚コンプライアンス によつて姿勢を復元させようとしても間に合わずに転倒する。
また、 両脚支持期で倒れなかったとしても、 その直後に第 2足平を床から離し たとき、 目標全床反力中心点 (目標 Z M P ) は第 1足平のかかとにあるにもかか わらず、 かかとが浮いているために実全床反力中心点はつまさきにあるので、 目 標全床反力中心点 (目標 Z M P ) まわりにロボッ トを後に倒そうとする実全床反 力モーメントが発生し、 転倒する。
即ち、 この両脚コンプライアンス制御は、 長い距離でゆったりと変化する大域 的な傾斜やうねりには対応できるが、 足平の着地点の局所的な傾きや段差には対 応できないと言える。
上記した両脚コンプライアンス制御とは別に、 本出願人は、 例えば特開平 5— 3 0 5 5 8 4号公報において、 2足歩行ロボッ 卜の足首部にゴムなどのばね特性 を持った着地衝撃吸収機構を備えると共に、 各足首まわりの実足平床反力モーメ ント成分を検出し、 それを 0にしようと各足首を回転させる足首コンプライアン ス制御を提案している。
上記した問題点を解決するため、 両脚コンプライアンス制御に加えて、 この特 開平 5— 3 0 5 5 8 4号公報で提案する技術 (以下 『足首コンプライアンス制御 』 という) を併用することもできる。
その結果、 足首コンプライアンス制御によって、 第 4 4図に示すように、 予期 しなかった第 1足平床反力モーメントを打ち消す方向に第 1足首を回転させ、 か かとも床に接地させることができる。 従って、 その後の片脚支持期になっても上 述のようにロボッ トを転倒させることはない。
しかしながら、 上記した両脚コンプライアンス制御および足首コンプライアン ス制御を単純に併用するだけでは、 2種の制御が干渉しあい、 実全床反力と実各 足平床反力が望ましい値からずれたり発振してしまう問題があった。
従って、 この発明の目的は上記した不都合を解消することにあり、 脚式移動口
ボッ トに作用する実床反力を、 干渉を生じることなく、 容易かつ適切に制御する ことができる脚式移動ロボッ トの制御装置を提供することにある。
更に、 ロボッ トが歩行中に予期しない段差、 例えば、 実際の床面が予定した床 面より低位にある場合など、 に遭遇して上体 (基体) の加速度が過大になって着 地衝撃が増加することがある。 また、 ロボッ トはその機構および質量から決定さ れる、 上下方向に変位する固有振動を持つ。 その振動は変位量としては僅かであ るが、 場合によっては接地性を低下させる。 従って、 ロボットが受ける実床反力 の力成分に対してコンプライアンス制御を行うのが望ましい。
従って、 この発明の第 2の目的は、 ロボッ トが受ける実床反力の力成分に対し てコンプライアンス制御を行って着地衝撃を吸収すると共に、 接地性を向上させ るようにした脚式移動ロボッ トの制御装置を提供することにある。
この発明の第 3の目的は、 大域的なうねりや傾斜だけでなく、 局所的な凹凸や 傾斜なども含む予期しない床形状変化があっても、 その影響をあまり受けずに脚 式移動ロボッ トに作用する床反力を適切に制御することができる脚式移動ロボッ トの制御装置を提供することにある。
この発明の第 4の目的は、 脚式移動ロボッ トに作用する床反力を更に制御する ことによって、 脚式移動ロボッ トの姿勢安定化制御を容易にすることができる脚 式移動ロボッ トの制御装置を提供することにある。
この発明の第 5の目的は、 更に、 脚式移動ロボッ 卜に作用する床反力を適切に 制御することによって、 脚式移動ロボッ トの接地性を高め、 歩行時のスリップや 前述のスピンを防止することができる脚式移動ロボッ トの制御装置を提供するこ とにある。
更に、 ロボッ 卜の実各足平床反力の力成分を独立に制御すれば、 例えばロボッ トを進行方向に推進させる力を、 接地圧の高い足平には大きくすると共に、 低い 足平には小さくすることによって、 姿勢安定性を向上させてスリップを効果的に 防止することができる。 また、 ロボッ トの実各足平床反力の力成分を適正に制御 することで、 一方の足平が他方の足平の発生する進行方向に推進させる力の負荷 となっている状態なども解消させることができ、 関節ァクチユエ一夕の負担を軽 減させることができる。
この発明の第 6の目的は、 ロボッ 卜の実各足平床反力の力成分を独立に制御す ることで、 姿勢安定性を向上させてスリップを効果的に防止すると共に、 関節ァ クチユエ一夕の負担を軽減させるようにした脚式移動ロボットの制御装置を提供 ^ _と あ
更に、 この発明の第 7の目的は、 脚式移動ロボッ トに作用する床反力を適切に 制御することによって、 脚式移動ロボットの了クチユエ一夕の負荷を低減するこ とができる脚式移動ロボッ 卜の制御装置を提供することにある。 発明の開示
上記の目的を達成するために、 この発明にあっては、 少なくとも基体と、 前記 基体に第 1の関節を介して連結されると共に、 その先端に第 2の関節を介して連 結される足部を備えた複数本の脚部からなる脚式移動ロボッ トの制御装置におい て、 前記ロボッ 卜の少なくとも前記足部の目標位置および姿勢を含む運動パター ンと、 前記ロボッ 卜に作用する全床反力の目標パターンを少なくとも含む前記口 ボットの歩容を生成する歩容生成手段、 前記生成された歩容の全床反力を前記足 部のそれぞれに分配したときの前記足部上の作用中心点たる目標足部床反力中心 点を決定する目標足部床反力中心点決定手段、 前記足部に作用する実床反カを検 出する実床反力検出手段、 少なくとも前記検出された実床反力に基づいて前記足 部を回転させる回転量を決定する足部回転量決定手段、 前記決定された足部回転 量に基づいて前記足部の位置および Zまたは姿勢が回転するように前記目標位置 および/または姿勢を修正する第 1の足部位置 ·姿勢修正手段、 少なくとも前記 検出された実床反力前記足部の補償変位を算出する補償変位算出手段、 前記算出 された補償変位に基づいて目標足部位置 ·姿勢を修正する第 2の足部位置 ·姿勢 修正手段、 および前記第 1および第 2の足部位置 ·姿勢手段によって修正された 足部の位置 ·姿勢に基づいて前記ロボッ トの第 1および第 2の関節を変位させる 関節変位手段を備える如く構成した。
更には、 前記足部回転量決定手段は、 前記検出された実床反力が前記算出され た目標足部床反力中心点まわりに作用するモーメントを算出し、 少なくとも前記 算出されたモ一メン卜に基づいて前記足部を回転させる回転量を決定すると共に
、 前記補償変位算出手段は、 前記検出された実床反力から実全床反力の力成分を 求めて前記生成された歩容の全床反力の力成分との偏差を算出し、 前記算出した 偏差に基づいて前記足部の補償変位を算出する如く構成した。
更には、 前記第 1の足部位置 ·姿勢修正手段は、 前記決定された足部回転量に 基づいて前記足部の位置および Zまたは姿勢が、 前記決定された目標足部床反力 中心点あるいはその近傍まわりに回転するように、 前記目標位置および zまたは 姿勢を修正する如く構成した。
更には、 前記第 1の足部位置,姿勢修正手段は、 前記決定された足部回転量に 基づいて前記足部の位置および Zまたは姿勢が、 前記決定された目標足部床反力 中心点あるいはその近傍まわりに回転するように、 前記目標位置および Zまたは 姿勢を修正する如く構成した。
更には、 前記ロボッ トに実際に作用する全床反力モーメン ト、 または前記ロボ ッ トに実際に作用する全床反力モーメントから前記足部に作用する床反力モ一メ ントを減算して得たモーメン トのいずれかを算出し、 少なくとも前記算出された モーメントに応じて前記足部を移動させる移動量を決定する足部移動量決定手段 を備え、 前記第 1の足部位置,姿勢修正手段は、 前記決定された足部回転量およ び前記決定された移動量に基づいて前記足部の位置および Zまたは姿勢を修正す る如く構成した。
更には、 前記全床反力の目標パターンに付加する姿勢安定化補償全床反カモ一 メントを求め、 前記足部回転量決定手段および/または前記足部移動量決定手段 は、 少なくとも前記検出された実床反力と前記求めた姿勢安定化補償全床反カモ 一メントに基づいて前記足部の回転量および zまたは移動量を決定する如く構成 した。
更には、 前記姿勢安定化補償全床反力モーメン トを、 少なくとも前記ロボッ ト の傾き偏差に基づいて求める如く構成した。
更には、 前記補償変位算出手段は、 前記ロボッ トの基体加速度を検出する基体 加速度検出手段、 および前記検出された基体加速度に基づき、 前記ロボッ トの姿 勢を安定化するための補償床反力の力成分を算出する補償全床反力力成分算出手 段を備え、 前記算出された補償全床反の力成分から前記偏差を減算して得た差に
基づいて前記足部の補償変位を算出する如く構成した。
更には、 前記補償変位算出手段は、 前記差に所定の重みを乗じて前記足部の補 償変位を足部のそれぞれに分配する如く構成した。
更には、 前記補償変位算出手段は、 前記足部が離床しているとき、 前記重みを 零にする如く構成した。
更には、 前記補償変位算出手段は、 前記重みを前記実全床反力の力成分の周波 数に応じて可変にする如く構成した。
更には、 前記補償変位算出手段は、 前記足部の補償変位を重力方向について算 出する如く構成した。
更には、 前記補償変位算出手段は、 前記足部の補償変位を重心と目標全床反力 中心点を結ぶ線分の方向について算出する如く構成した。
更には、 前記補償全床反力の力成分を零またはその近傍に設定する如く構成し た。
更には、 前記補償変位算出手段は、 前記検出された実床反力から実全床反力に 影響しない内力成分を求めて前記生成された歩容の内力成分との偏差を算出し、 前記算出した偏差に基づいて前記足部のそれぞれの補償変位を算出する如く構成 した。
更には、 前記足部回転量決定手段は、 少なくとも前記検出された実床反力に基 づいて前記足部を回転させる回転量を決定すると共に、 前記第 1の足部位置 ·姿 勢修正手段は、 前記決定された足部回転量に基づいて前記足部の位置および/ま たは姿勢が、 前記決定された目標足部床反力中心点あるいはその近傍まわりに回 転するように、 前記目標位置および/または姿勢を修正する如く構成した。 更には、 前記第 1の足部位置 ·姿勢修正手段は、 前記決定された足部回転量に 基づいて前記足部の位置および または姿勢が、 前記決定された目標足部床反力 中心点あるいはその近傍まわりに回転するように、 前記目標位置および/または 姿勢を修正する如く構成した。
更には、 前記ロボットに実際に作用する全床反力モーメント、 または前記ロボ ットに実際に作用する全床反力モーメントから前記足部に作用する床反力モーメ ントを減算して得たモーメン 卜のいずれかを算出し、 少なくとも前記算出された
モーメン卜に応じて前記足部を移動させる移動量を決定する足部移動量決定手段 を備え、 前記第 1の足部位置 ·姿勢修正手段は、 前記決定された足部回転量およ ぴ前記決定された移動量に基づいて前記足部の位置および/または姿勢を修正す る如く構成した。
更には、 前記全床反力の目標パターンに付加する姿勢安定化補償全床反力モー メントを求め、 前記足部回転量決定手段および Zまたは前記足部移動量決定手段 は、 少なくとも前記検出された実床反力と前記求めた姿勢安定化補償全床反カモ ーメントに基づいて前記足部の回転量および または移動量を決定する如く構成 した。
更には、 前記姿勢安定化補償全床反力モーメン トを、 少なくとも前記ロボッ ト の傾き偏差に基づいて求める如く構成した。
更には、 前記補償変位算出手段は、 前記偏差に所定の重みを乗じて前記足部の 補償変位を足部のそれぞれに分配する如く構成した。
更には、 前記所定の重みが時変特性および/または周波数特性を持つ如く構成 した。
上記の如く構成したことにより、 脚式移動ロボッ 卜に作用する床反力を、 干渉 を生じることなく、 容易かつ適切に制御することができる。 換言すれば、 先に提 案した両脚コンプライアンス制御および足首コンプライアンス制御の併用に近い 制御を行っても、 制御の干渉がなく、 実全床反力と実各足平床反力が望ましい値 からずれたり発振することがない。
また、 脚式移動 oボッ 卜の姿勢安定化制御を容易に実現できると共に、 脚式移 動ロボッ 卜が受ける着地衝撃を低減することができ、 脚式移動ロボッ 卜の接地性 を高め、 歩行時のスリップゃスピンを防止することができる。
更には、 大域的なうねりや傾斜だけでなく、 局所的な凹凸や傾斜なども含む予 期しない床形状変化があっても、 その影響をあまり受けずに脚式移動ロボッ 卜に 作用する床反力を適切に制御することができる。 また、 脚式移動ロボッ トのァク チユエ一夕の負荷を低減することができる。
更には、 脚式移動ロボットに作用する床反力を、 干渉を生じることなく、 容易 かつ適切に制御することができ、 姿勢安定化制御を容易に実現できると共に、 脚
式移動ロボッ 卜が受ける着地衝撃を低減することができ、 脚式移動ロボッ トの接 地性を高め、 歩行時のスリップゃスピンを防止することができる。
更には、 大域的なうねりや傾斜だけでなく、 局所的な凹凸や傾斜なども含む予 期しない床形状変化があっても、 その影響をあまり受けずに脚式移動ロボッ 卜に 作用する床反力を適切に制御することができる。 また、 脚式移動ロボッ トのァク チユエ一夕の負荷を低減することができる。
更には、 前記したと同様の作用効果を得ることができると共に、 床反力をより 適切に制御することができる。
更には、 前記したと同様の作用効果を得ることができると共に、 特に姿勢制御 に重要な全床反力を一層適切に制御することができる。
更には、 前記したと同様の作用効果を得ることができると共に、 姿勢安定化能 力を向上させることができる。
更には、 前記したと同様の作用効果を得ることができると共に、 着地衝撃を一 層効果的に吸収することができ、 また接地性を一層向上させることができる。 更には、 前記したと同様の作用効果を得ることができると共に、 制御を必要限 度に減少させることでァクチユエ一夕の負荷を一層低減することができる。 更には、 前記したと同様の作用効果を得ることができると共に、 一層安定した 姿勢を得ることができる。
更には、 前記したと同様の作用効果を得ることができると共に、 演算量を低減 することができる。
更には、 前記したと同様の作用効果を得ることができると共に、 かなりの程度 まで着地衝撃の吸収と接地性の向上を実現することができ、 更に構成を簡易にす ることができる。
更には、 前記したと同様に、 脚式移動ロボッ トに作用する床反力を、 干渉を生 じることなく、 容易かつ適切に制御することができる。 特に、 ロボットの実各足 平床反力が作り出す内力成分 (実全床反力に影響しない成分の組み合わせ) を独 立に制御することで姿勢安定性を向上させてスリップを効果的に防止することが できると共に、 関節ァクチユエ一夕の負担を軽減させることができる。
更には、 大域的なうねりや傾斜だけでなく、 局所的な凹凸や傾斜なども含む予
期しない床形状変化があっても、 その影響をあまり受けずに脚式移動ロボッ トに 作用する床反力を適切に制御することができる。
更には、 前記したと同様の作用効果を得ることができると共に、 補償変位の分 配を一層適正に行うことができる。 図面の簡単な説明
第 1図は、 この発明に係る脚式移動ロボッ トの制御装置を全体的に示す説明図
Cあ 。
第 2図は、 第 1図に示す 2足歩行ロボッ トの足部の構造を示す説明側面図であ る。
第 3図は、 第 1図に示す 2足歩行ロボッ 卜の制御ュニッ トの詳細を示すプロッ ク図である。
第 4図は、 この発明に係る脚式移動ロボッ 卜の制御装置の構成および動作を機 能的に示すプロック図である。
第 5図は、 第 1図に示す脚式移動ロボッ トが平地を歩行するときの運動パター ンの一例を示す説明図である。
第 6図は、 第 5図の運動パターンに対応する目標全床反力中心点 (目標 Z M P ) 軌跡の床面上軌跡を示す説明図である。
第 7図は、 第 5図の運動パターンに対応する目標全床反力中心点 (目標 Z M P ) 軌跡のタイム ·チャートである。
第 8図は、 第 5図の運動パターンに対応する所定の条件を満たすように設定し た目標第 1足平床反力中心点軌跡のタイム ·チヤ一トである。
第 9図は、 第 5図の運動パターンに対応する所定の条件を満たすように設定し た目標第 2足平床反力中心点軌跡のタイム ·チヤ一トである。
第 1 0図は、 第 4図と同様に、 この発明に係る脚式移動ロボッ トの制御装置の 動作を示すフロー ·チャートである。
第 1 1図は、 第 1 0図フロー ·チャートの内の両脚補償角などの演算処理を行 う、 第 4図に示す複合コンプライアンス動作決定部の動作を説明するための、 両 脚支持期に第 1足平と第 2足平に実各足平床反力が作用している状況を示す説明
図である。
第 1 2図は、 第 1 1図に示す状況における目標全床反力の設定を示す説明図で める。
第 1 3図は、 第 1 1図に示す状況における目標各足平床反力の分配を示す説明 図である。
第 1 4図は、 第 1 1図に示す状況における補償全床反力モーメ ン トを示す説明 図である。
第 1 5図は、 第 1 1図に示す状況における、 各足平床反力中心点を含み、 水平 面に垂直な平面の法線べクトル Vを示す説明図である。
第 1 6図は、 第 1 1図に示す状況における、 目標各足平床反力中心点を目標全 床反力中心点 (目標 Z M P ) まわりに、 所定角度 Θ d b Vだけ回転させたときの 状態を示す説明図である。
第 1 7図は、 第 1 6図に示す状況における、 各足平を前後方向軸および左右方 向軸まわりに所定角度 0 n X , θ n yだけ回転させたときの状態を示す説明図で 第 1 8図は、 第 4図の複合コンプライアンス動作決定部の演算処理を示すプロ ック図である。
第 1 9図は、 第 1 8図に示す補償全床反力モーメン ト分配器の演算処理を示す プロック図である。
第 2 0図は、 第 1 8図に示す補償全床反力モーメン ト分配器の、 両脚補償角な どを操作するための分配重み変数の設定例を示すタイム ·チヤ一トである。 第 2 1図は、 第 2 0図の補償全床反力モーメン ト分配器の分配重み変数の設定 を説明するための、 ロボッ トの姿勢を示す説明図である。
第 2 2図は、 第 2 1図と同様に、 補償全床反力モーメント分配器の分配重み変 数の設定を説明するための、 ロボッ トの姿勢を示す説明図である。
第 2 3図は、 両脚補償角を操作するための分配重みを所定の条件で決定したと きの両脚補償モーメント V方向成分 M d m d d b vを示す説明図である。
第 2 4図は、 第 1 8図に示す両脚補償角決定部の演算処理を示すブロック図で あ
第 2 5図は、 第 1 8図に示す各足平の補償角決定部の演算処理を示すブロック 図である。
第 2 6図は、 第 1 8図に示す機構変形補償入り修正目標足平位置 ·姿勢算出部 の演算処理を説明するための説明図である。
第 2 7図は、 第 2 6図と同様に、 第 1 8図に示す機構変形補償入り修正目標足 平位置 ·姿勢算出部の演算処理を説明するための説明図である。
第 2 8図は、 第 1 0図フロー ·チヤ一卜の内の両脚補償角などの決定作業を示 すサブルーチン, フロー ·チャートである。
第 2 9図は、 第 4図の上体加速度制御演算部および第 1 8図の同位相補償変位 算出部の動作で、 第 1 0図フロー ·チャートの S 3 し S 3 5の処理を示す、 第 1 6図と同様の説明図である。
第 3 0図は、 第 1 8図の同位相補償変位算出部の処理を説明するブロック図で ある。
第 3 1図は、 第 1 0図の S 3 5の処理を示すサブルーチン · フロー ·チャート で、 同様に第 1 8図の同位相補償変位算出部の処理を説明するフロー ·チャート である。
第 3 2図は、 第 3 0図で使用する重みの設定例を示す説明図である。
第 3 3図は、 第 3 2図と同様の、 重みの別の設定例を示す説明図である。 第 3 4図は、 この発明の第 2の実施の形態に係る脚式移動ロボッ 卜の制御装置 の構成および動作を機能的に示す、 第 4図と同様なブロック図である。
第 3 5図は、 第 3 4図と同様に、 この発明の第 2の実施の形態に係る脚式移動 ロボッ 卜の制御装置の動作を示す、 第 1 0図と同様なフロー ·チヤ一トである。 第 3 6図は、 第 3 4図の複合コンプライアンス動作決定部の演算処理を示すブ 口ック図である。
第 3 7図は、 第 3 6図の内力補償変位算出部の処理を詳細に示すブロック図で あ
第 3 8図は、 第 3 7図ブロック図の処理を説明する説明図である。
第 3 9図は、 第 3 6図の内力補償変位算出部の処理を示すフロー,チャートで ある。
第 4 0図は、 第 37図および第 3 9図で使用する重みの設定例を示す説明図で める。
第 4 1図は、 2足歩行ロボッ トが予期しなかった傾斜面を歩行するときの説明 図である。
第 4 2図は、 第 4 1図に示す 2足歩行ロボッ 卜に対して先に提案した両脚コン プライアンス制御を行った場合の説明図である。
第 4 3図は、 第 4 1図に類似する、 2足歩行ロボッ 卜が予期しなかった突起を 踏んだときの説明図である。
第 44図は第 4 3図に示す状況で、 先に提案した足首コンプライアンス制御を 行ったときの説明図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 添付図面を参照してこの発明に係る脚式移動ロボッ トの制御装置を説明 する。 尚、 脚式移動ロボッ トとしては 2足歩行ロボッ トを例にとる。
第 1図はその脚式移動ロボッ 卜の制御装置を全体的に示す概略図である。
図示の如く、 2足歩行ロボッ ト 1は左右それぞれの脚部リンク 2に 6個の関節 を備える (理解の便宜のために各関節をそれを駆動する電動モータで示す) 。 6 個の関節は上から順に、 股 (腰部) の脚部回旋用の関節 1 OR, 1 0 L (右側を R、 左側をしとする。 以下同じ) 、 股 (腰部) のロール方向 (X軸まわり) の関 節 1 4 R, 1 4 L、 股 (腰部) のピッチ方向 (Y軸まわり) の関節 1 2R, 1 2 L、 膝部のピッチ方向の関節 1 6 R, 1 6 L、 足首のピッチ方向の関節 1 8 R, 1 8 L、 同ロール方向の関節 2 0 R, 20 Lから構成される。
関節 1 8 R (L) , 2 0 R (L) の下部には足平 (足部) 22 R, 22 Lが取 着されると共に、 最上位には上体 (基体) 24が設けられ、 その内部にマイクロ コンピュータからなる制御ュニッ ト 2 6 (後述) などが格納される。 上記におい て股関節 (あるいは腰関節) は関節 1 O R (L) , 1 2R (L) , 1 4 R (L) から、 膝関節は 1 6 R (L) から、 足関節 (足首関節) は関節 1 8 R (L) , 2 0 R (L) から構成される。 また股関節と膝関節とは大腿リンク 28 R, 2 8 L 、 膝関節と足関節とは下腿リンク 3 0 R, 3 0 Lで連結される。
上記の構成により、 脚部リンク 2は左右の足についてそれぞれ 6つの自由度を 与えられ、 歩行中にこれらの 6 * 2 = 1 2個の関節を適宜な角度で駆動すること で、 足全体に所望の動きを与えることができ、 任意に 3次元空間を歩行させるこ とができる (この明細書で 「*」 はスカラに対する演算としては乗算を、 べクト ルに対する演算としては外積を示す) 。
尚、 この明細書で後述する上体の位置およびその速度は、 上体 2 4の所定位置 、 具体的には上体 2 4の重心位置などの代表点の位置およびその移動速度を意味 する。
第 1図に示す如く、 足関節の下方には公知の 6軸力センサ 4 4が取着され、 力 の 3方向成分 F x , F y , F zとモーメントの 3方向成分 M x , M y , M zとを 測定し、 足部の着地の有無および床反力 (接地荷重) などを検出する。
また、 上体 2 4には傾斜センサ 6 0が設置され、 Z軸 (鉛直方向 (重力方向) ) に対する傾きとその角速度を検出する。 傾斜センサ 6 0は Gセンサおよび角速 度センサとから構成され、 Gセンサは上体 2 4の X , Υ, Z軸方向の加速度を検 出する。 また各関節の電動モータには、 その回転量を検出するロータリエンコ一 ダが設けられる。
第 2図に示すように、 足平 2 2 R ( L ) の上方には、 ばね機構 3 2が装備され ると共に、 足底にはゴムなどからなる足底弾性体 3 4が貼られる。 ばね機構 3 2 は具体的には、 足平 2 2 R ( L ) に取り付けられた方形状のガイド部材と、 足首 関節 1 8 R ( L ) および 6軸力センサ 4 4側に取り付けられ、 前記ガイド部材に 弾性材を介して微動自在に収納されるビストン状部材とからなる。
図中に実線で表示された足平 2 2 R ( L ) は、 床反力を受けていないときの状 態を示す。 床反力を受けるとパネ機構 3 2と足底弾性体 3 4がたわみ、 足平は図 中に点線で表示された位置,姿勢に移る。 この構造は、 着地衝撃を緩和するため だけでなく、 制御性を高めるためにも重要なものである。 尚、 その詳細は前記し た特開平 5— 3 0 5 5 8 4号に記載されているので、 詳細な説明は省略する。 更に、 第 1図では図示を省略するが、 2足歩行ロボッ ト 1の適宜な位置にはジ ョィスティック 6 2が設けられ、 外部から必要に応じて直進歩行しているロボッ トを旋回させるなど歩容に対する要求を入力できるように構成される。
第 3図は制御ュニッ ト 2 6の詳細を示すブロック図であり、 マイクロ ' コンビ ユー夕から構成される。 そこにおいて傾斜センサ 6 0などの出力は A/D変換器 7 0でデジタル値に変換され、 その出力はバス 7 2を介して RAM 7 4に送られ る。 また各電動モータに隣接して配置されるエンコーダの出力はカウン夕 7 6を 介して RAM7 4内に入力される。
制御ュニッ ト内には CPUからなる第 1、 第 2の演算装置 8 0, 8 2が設けら れており、 第 1の演算装置 8 0は後述の如く、 ROM8 4に格納されている歩容 に基づいて後述の如く関節角変位指令を算出し、 RAM7 4に送出する。 また第 2の演算装置 8 2は RAM7 4からその指令と検出された実測値とを読み出し、 各関節の駆動に必要な制御値を算出して DZA変換器 8 6とサーボアンプを介し て各関節を駆動する電動モー夕に出力する。
ここで、 この明細書および図面で使用する用語について定義する (尚、 定義し ない用語に関しては、 本出願人が前記した技術とは別に提案した出願 (特願平 8 一 2 1 4 2 6 1号) で使用した定義に従う) 。
『歩容』 は、 ロボッ ト工学における一般的な定義と異なり、 目標運動パターン と床反力パターンを合わせたものを指称する意味で使用する。 但し、 床反力バタ —ンとしては、 例えば 『ZMP軌跡だけ』 というように、 部分情報であっても良 い。 そのため、 目標運動パターンだけを出力して床反力パターンに関する情報を 出力しない装置に対して 「歩容生成装置」 と言う言葉を用いない。
各脚には、 通し番号をつける。 第 n脚に作用する床反力を第 n足平床反力とい う (n : 1または 2。 以下同じ) 。 全脚に作用する床反力を合成したものを全床 反力という (ロボット工学では一般的には床反力と呼ばれるが、 足平床反力と区 別するためにここでは 『全床反力』 という) 。
足平床反力は作用点とそこにかかる力と力のモーメントによって表現され、 同 一の足平床反力に対して、 表現の組み合わせは無限通りある。 その中には、 鉛直 軸まわりの成分を除くモーメント成分が 0.でかつ作用点が床面上にある表記が存 在する。 この表現における作用点を、 ここでは足平床反力中心点という (本出願 人が別途提案した後述する特開平 6— 7 9 6 5 7号では 『接地圧重心点』 と称し た) 。
同様に、 全床反力は作用点とそこにかかる力と力のモーメン卜によって表現さ れ、 同一の全床反力に対して表現の組み合わせは無限通りある。 その中には、 鉛 直軸まわりの成分を除くモーメント成分が 0でかつ作用点が床面上にある表現が 存在する。 この表現における作用点を、 ここでは全床反力中心点という。
全床反力の目標値を目標全床反力という。 目標全床反力は、 通常、 目標運動パ ターンに対して動力学的に平衡する全床反力である。 従って、 通常、 目標全床反 力中心点は、 目標 Z M Pに一致する。
尚、 始めに触れたように、 目標 Z M P (Zero Moment Point ) は次のように定 義される。 即ち、 目標運動パターンによって発生する慣性力と重力の合力を動力 学的に求め、 これが床面上のある点に作用するモーメントが、 鉛直軸まわりの成 分を除き 0であるならば、 その点を目標 Z M P (Zero Moment Point)という。 目 標 Z M Pは、 合力の垂直方向力成分が 0でない限り、 一義的に求められる。 以下 の説明では、 理解しやすくするために、 目標 Z M Pという言葉を用いる場合もあ るが、 厳密には目標床反力中心点と言うべき箇所が多レ、。
各足平床反力の目標値を目標各足平床反力という。 但し、 目標全床反力とは異 なり、 目標運動パターンが決まっていても目標各足平床反力は一義的には決定さ れない。 実際のロボッ 卜に作用する全床反力を実全床反力という。 実際のロボッ トに作用する各足平床反力を実各足平床反力という。
ここで、 この発明の課題について再説すると、 この発明は、 局所的な傾きや段 差に対して先に提案した両脚コンプライアンス制御では良好な姿勢安定性を得る ことが困難であると共に、 その不都合は足首コンプライアンス制御を用いれば解 消することができるが、 両者を単純に併用するだけでは干渉し合い、 実全床反力 と実各足平床反力が望ましい値からずれたり、 発振する不都合があった。
その問題点を先の第 4 1図に示す状況で説明すると、 第 1足平はかかとに予期 しなかった過大な床反力を受けているため、 第 1足首のまわりに過大な実足平床 反力モーメントが発生する。 足首コンプライアンス制御は、 このモーメン トを 0 にしようと第 1足首を第 4 4図に示すように回転させる。
しかしながら、 足首の回転によって、 第 1足平のかかと位置が高くなるので、 第 1足平床反力の鉛直成分が減少する。 この結果、 目標全床反力中心点 (目標 Z
M P ) まわりの実全床反力モーメントが変化する。 これは、 両脚コンプライアン ス制御の制御量である実全床反力モーメントが、 足首コンプライアンス制御に干 渉されることを意味する。
従って、 足首コンプライアンス制御による干渉を考慮しないで、 両脚コンブラ ィアンス制御を、 足首コンプライアンス制御がない場合と同様に働かせると、 目 標全床反力中心点 (目標 Z M P ) まわりの実全床反力モーメントが 0からずれた り、 干渉による振動や発振が生じる。
それを防止する方法のひとつとして、 両脚コンプライアンス制御と足首コンプ ラィアンス制御の間の干渉量を求め、 それを打ち消すような操作量を加えること によって干渉しないようにすることが考えられるが、 歩行中は姿勢が時々刻々と 変化し、 干渉関係も時々刻々と変化するため、 この手法で干渉を回避することは 極めて難しい。
また、 第 4 4図に示す状況では、 第 1足平が接触している床は想定していた床 よりも登り傾斜なので、 第 1足平は、 目標歩容よりもつまさきを上げるべきであ る o
それにもかかわらず、 足首コンプライアンス制御によりつまさきが下がってし まうことは、 足首コンプライアンス制御が適切に作用していないとも言える。 以上のように、 足首コンプライアンス制御は足平の着地点の局所的な床の傾き や段差には効果があるが、 長い距離でゆったりと変化する傾斜やうねりには、 却 つて悪影響を与える場合がある。
従って、 実施の形態に係る装置においては、 脚式移動ロボッ トに作用する床反 力、 より具体的には、 目標全床反力中心点まわりの実全床反力モーメントと、 目 標各足平床反力中心点まわりの実各足平床反カモ一メントを容易かつ適切に制御 できるようにした。
また、 それによつて大域的なうねりや傾斜だけでなく、 局所的な凹凸や傾斜な ども含む予期しない床形状変化があつても、 その影響をあまり受けずに安定した 姿勢でロボッ トを歩行継続させるようにした。
尚、 上記した課題を解決すべく、 本出願人は先に脚式移動ロボッ 卜の制御装置 を提案しており、 この発明の目的はその提案技術を更に改良し、 実全床反力の力
成分、 特に重力方向の力成分 F zに対するコンプライアンス制御を行って着地衝 撃を吸収すると共に、 接地性を向上させるようにした脚式移動ロボットの制御装 置を提供することにある。
第 4図は、 この実施の形態に係る脚式移動ロボッ 卜の制御装置 (主として第 3 図の第 1の演算装置 8 0に相当) の構成および動作を機能的に示すブロック図で ある。 以下、 第 4図を参照してこの装置の全体構成を概説する。
この装置は歩容生成器を備え、 歩容生成器は目標歩容を生成し、 出力する。 目 標歩容は、 前述の定義の通り、 目標運動パターンと目標床反力パターン、 より具 体的には目標上体位置 ·姿勢軌道、 目標足平位置 ·姿勢軌道、 目標全床反力中心 点 (目標 Z M P ) 軌道および目標全床反力軌道からなる。 目標床反力パターンは 、 このように、 目標全床反力中心点軌跡を含む (後述する機構変形補償を行わな いならば、 目標床反力パターンとしては目標全床反力中心点軌跡だけでも良い) o
この実施の形態において歩容生成器が出力する目標全床反力は、 目標運動バタ ーンに対して動力学的に平衡する全床反力である。 従って、 目標全床反力中心点 は、 目標 Z M Pに一致する。
第 5図にロボッ ト 1が平地を歩行するときの目標運動パターンの一例を示す。 これに対応する目標 Z M P軌道の床面上軌跡を第 6図に、 タイム .チャートを第 7図に示す。 この歩容の期間に床に接触したままの足平を、 第 1足平、 もう一方 を第 2足平ということとする。 尚、 歩容生成器の詳細は先に提案した特願平 8 - 2 1 4 2 6 1号に詳細に述べられているので、 これ以上の説明は省略する。 第 4図の説明に戻ると、 この装置は目標床反力分配器を備え、 目標床反力分配 器は、 目標全床反力中心点 (目標 Z M P ) と目標足平位置,姿勢を主な入力とし 、 目標各足平床反力中心点を決定して出力する。 実際には、 歩容生成器から歩容 のパラメータ (例えば、 両脚支持期の時間や遊脚足平の目標着地位置など) や、 歩容の時期 ·時刻 (例えば、 現在時刻が両脚支持期の初めから O. lsecであるなど ) などの情報も必要に応じて取り込む。
第 5図に示すような歩容に対して、 目標床反力分配器は、 目標各足平床反力中 心点が以下の条件を満足するように設定する。
条件 1 ) 目標各足平床反力中心点軌跡は連続である。
条件 2 ) 両脚支持期では、 目標第 1足平床反力中心点はかかとに、 目標第 2足平 床反力中心点はつまさきに存在する。
条件 3 ) このとき目標第 1足平床反力中心点と目標第 2足平床反力中心点を結ぶ 線分上に、 目標全床反力中心点が存在する。
条件 4 ) 片脚支持期では、 目標第 1足平床反力中心点は、 目標全床反力中心点に 一致する。
条件 5 ) 片脚支持期の間に、 目標第 2足平床反力中心点は、 つまさきからかかと に移動する。
これら条件を満足する目標第 1足平床反力中心点軌跡のタイム ·チャートを第 8図に、 目標第 2足平床反力中心点軌跡のタイム ·チャートを第 9図に示す。 尚 、 この図では足首 (関節 1 8 , 2 0 R ( L ) ) から足平 2 2 R ( L ) への垂直投 影点を原点とし、 第 1図に示すように足平前方向を X軸の正の向き、 足平左方向 を Y軸の正の向きにとる。
目標床反力分配器は、 更に、 付随的ではあるが、 目標各足平床反力も決定して 出力する。 目標各足平床反力は、 ばね機構 3 2などのたわみ補償のために必要で あ o
次式を用いて上記のように設定された目標各足平床反力中心点に対応する目標 各床反力を決定すれば、 目標各足平床反力の合力は目標全床反力に一致しなけれ ばならないと言う条件を満足する。
目標第 1足平床反力 =目標全床反力 * (目標第 2足平床反力中心点と目標 Z M Pの距離) / (目標第 1足平床反力中心点と目標第 2足平床反力中心点の距離) 目標第 2足平床反力 =目標全床反力 * (目標第 1足平床反力中心点と目標 Z M Pの距離) / (目標第 1足平床反力中心点と目標第 2足平床反力中心点の距離)
• · ·式 1 このように求めた目標各足平床反力は連続的に変化するので、 衝撃の少ない歩 行を実現するために適している。 尚、 上記の詳細は本出願人が別途提案した技術 (特開平 6— 7 9 6 5 7号) に記述されている。
第 4図の説明に戻ると、 この装置は姿勢安定化制御演算部を備え、 姿勢安定化
制御演算部はロボットのセンサ情報に基づいてロボッ トの状態を推定し、 補償全 床反力を算出する。 即ち、 実際にロボッ 卜が歩行あるいは直立しているときなど には後述する変位コントローラによって実関節変位を目標関節変位に完全に追従 させることができたとしても、 ロボットの位置 ·姿勢は必ずしも望ましい位置 - 姿勢にならない。
ロボッ トの姿勢を長期的に安定化させるためには、 ロボッ トを望ましい位置 ' 姿勢に復元させるために必要な力とモ一メントを求め、 これを目標全床反力中心 点 (目標 ZMP) を作用点として付加的に発生させる必要がある。 この付加的な 力とモーメン トを補償全床反力という。 また、 補償全床反力のモーメン ト成分を 補償全床反カモ一メントという。
尚、 脚式移動ロボッ トの目標歩容が床反力以外の反力を環境から受けるように 想定し、 それを例えば、 目標対象物反力と称し、 先に述べた目標 ZMPの定義を 次のように拡張しても良い。 即ち、 目標運動パターンによって発生する慣性力と 重力と目標対象物反力の合力を動力学的に求め、 それが床面上のある点に作用す るモーメントが、 鉛直軸まわりの成分を除いて零であるならば、 その点を改めて 目標 ZMPとするようにしても良い。
もし、 ロボッ ト 1が完全剛体であって、 変位コン トローラによって実関節変位 を目標関節変位に完全に追従させることができたと仮定すると、 足平のばね機構 32および足底弾性体 34のたわみによって生じるロボッ ト全体の位置 ·姿勢の 摂動的な運動は、 以下の 6自由度に分解できる。
モード 1) 目標全床反力中心点 (目標 ZMP) を中心とした前後軸まわり回転 ( 即ち、 左右傾き)
モー ド 2) 目標全床反力中心点 (目標 ZMP) を中心とした左右軸まわり回転 ( 即ち、 前後傾き)
モード 3) 目標全床反力中心点 (目標 ZMP) を中心とした鉛直軸まわり回転 ( 即ち、 スピン)
モード 4) 前後平行移動揺れ
モード 5) 左右平行移動揺れ
モード 6) 上下平行移動揺れ
この内で、 モード 4とモード 5は、 足平のばね機構 32および弾性体 34が前 後左右方向のせん断力を受けて撓むことによつて発生するものである。 ばね機構 32および足底弾性体 34は剪断方向の剛性が高いように製作するので、 この揺 れは極めて少なく、 歩行に及ぼす悪影響はほとんどない。
先に提案した技術では主としてモード 1とモード 2を扱っていたが、 この発明 に係る実施の形態では、 それに加えてモード 6も扱う。 尚、 理解の便宜のため、 重複するが、 先の提案技術を説明する。
モード 1を制御するための操作量は、 補償全床反力の前後軸 (X軸) まわりモ —メント成分である。 モード 2を制御するための操作量は、 補償全床反力の左右 軸 (Y軸) まわりモーメント成分である。 従って、 補償全床反力の成分の内、 前 後軸方向モーメント成分と左右軸方向モーメント成分だけを求めれば良い。 他の 成分は、 この実施の形態では用いないので 0で良い。
尚、 以降は次の定義に従う。 即ち、 補償全床反力のモーメント成分を補償全床 反力モーメント Mdmd (詳しくは目標全床反力中心点 (目標 ZMP) まわりの 補償全床反力モーメント Mdmd) という。 第 5図に示す如く、 ロボッ トの前方 向を X軸、 左横方向を Y軸、 上方向を Z軸にとり、 第 1足平の足首直下の床面上 の点を原点とした座標系を支持脚座標系と呼び、 断らない限り、 位置、 力および モーメントはこの座標系で表現されるものとする。 また、 Mdmdの X成分を M dmdx、 Y成分を Mdmdy、 Z成分を Mdmd zと記述する。 上体 24の傾 斜偏差 (即ち、 実上体傾斜一目標上体傾斜) 0err の X成分を 0errx, Y成分を 0erry、 これらの時間微分値を(dSerrx / dt), (dSerry / dt)と記述する。
Mdmd Xおよび Mdmd yは、 例えば次式の制御則によって決定される。 Mdmdx = - Kthx^errx - Kwx (d^errx I dt)
Mdmdy = - Kthy ^erry - Kwy (d^ erry I dt)
• · ·式 2 ここで、 Kt hx, Kt hy, Kwxおよび Kwyは、 上体傾斜安定化制御ゲイ ンである。
後述する複合コンプライアンス動作決定部は、 目標全床反力と補償全床反力の 合力に実全床反力を一致させようと働く。
第 4図の説明に戻ると、 この装置は実各足平床反力検出器を備え、 実各足平床 反力検出器は、 6軸力センサ 4 4によって実各足平床反力 (その合力が実全床反 力) を検出する。 更に、 関節のエンコーダによって検出される実変位 (あるいは 変位指令) に基づき、 上体に固定された座標系に対する各足平の相対位置 ·姿勢 を算出し、 それによつて 6軸力センサ 4 4の検出値を座標変換し、 上体に固定さ れた座標系で表現された実各足平床反力を算出した後、 更に、 支持脚座標系に変 換する。
この装置はロボッ ト幾何学モデル (逆キネマティクス演算部) を備え、 ロボッ ト幾何学モデルは、 上体位置 ·姿勢と足平位置 ·姿勢を入力されると、 それらを 満足する各関節変位を算出する。 この実施の形態におけるロボッ ト 1のような 1 脚あたりの関節自由度が 6である場合には、 各関節変位は一義的に求まる。
この実施の形態では逆キネマティクスの解の式を直接的に求めておき、 式に上 体位置 ·姿勢と足平位置 ·姿勢を代入するだけで各関節変位を得るようにした。 即ち、 ロボッ ト幾何学モデルは、 目標上体位置 .姿勢と複合コンプライアンス動 作決定部で修正された修正目標足平位置 ·姿勢軌道 (機構変形補償入り修正目標 足平位置 ·姿勢軌道) を入力し、 それらから 1 2個の関節 ( 1 O R ( L ) など) の関節変位指令 (値) を算出する。 尚、 ヤコビアンによって関節角変位を得ても 良い。
この装置は変位コントローラ (前記した第 2の演算装置 8 2に同じ) を備え、 変位コントローラは、 ロボッ ト幾何学モデル (逆キネマテイ クス演算部) で算出 された関節変位指合 (値) を目標値としてロボッ ト 1の 1 2個の関節の変位を追 従制御する。
前記した複合コンプライアンス動作決定部は、 以下の 2つの要求を満足させよ うと、 目標足平位置 ·姿勢軌道を修正する。
要求 1 ) ロボッ トの位置 ·姿勢制御のために、 実全床反力を姿勢安定化制御部 が出力する補償全床反力 (モーメント M d m d ) と目標全床反力の合力に追従さ せる。 ロボッ トの姿勢傾きだけを制御したい場合には、 目標全床反力中心点まわ りの実全床反力水平方向モーメント成分だけを補償全床反力モーメント M d m d に追従させる。
要求 2 ) 各足平の接地性を確保するために、 できるかぎり目標各足平床反力中 心点まわりの実各足平床反力モーメントの絶対値を小さくする。
尚、 補足すると、 通常は実全床反力を補償全床反力と目標全床反力の合力に一 致させながら目標各足平床反力中心点まわりの実各足平床反力モーメントを 0に することが、 物理的に不可能な場合が多い。 従って、 要求 1 ) と要求 2 ) は完全 に両立させることはできず、 ある点で妥協しなくてはならない。
上記を前提として第 1 0図フロー · チヤ一ト (構造化フロー · チヤ一ト) を参 照してこの装置の動作を説明する。 尚、 図の左端に該当する処理を行う第 4図装 置の構成要素を示す。
先ず S 1 0において装置を初期化し、 S 1 2を経て S 1 4に進み、 タイマ割り 込みを待機する。 タイマ割り込みは 5 O m sごとになされ、 即ち、 制御周期は 5 0 m sである
続いて S 1 6に進んで歩容の切り替わり目、 即ち、 支持脚の切り替わり目か否 か判断し、 否定されるときは S 2 2に進むと共に、 肯定されるときは S 1 8に進 んでタイマ tをイニシャライズし、 S 2 0に進んで目標歩容パラメータを設定す る。 前記の如く、 歩容パラメータは、 運動パラメ一夕と床反力パラメータ (Z M P軌道パラメ一タ) から構成される。
続いて S 2 2に進み、 目標歩容の瞬時値を決定する。 ここで 『瞬時値』 は制御 周期ごとの値を意味し、 目標歩容瞬時値は、 目標上体位置 ·姿勢、 目標各足平位 置 '姿勢、 および目標 Z M P位置から構成される。 尚、 ここで 『姿勢』 は X , Y , Z空間における 『向き』 を意味する。
続いて S 2 4に進んで目標各足平床反力中心点を求める。 これは、 目標床反力 分配器の説明で述べたように行う。 具体的には、 第 8図および第 9図に示すよう に設定した目標各足平床反力中心点軌跡の現在時刻 tにおける値を求めることで 行う。
続いて S 2 6に進んで目標各足平床反力を求める。 これは目標床反力分配器の 説明で述べた式 1を用いて目標各足平床反力を演算することで行う。
続いて S 2 8に進み、 前記した傾斜センサ 6 0などの出力から上体 2 4の傾斜 などロボッ ト 1の状態を検出する。 このとき、 上体 2 4に作用する実際の X, Y
, Z方向の加速度を検出する。 前記した課題を解決するため、 この実施の形態で は特に Z方向の上体加速度 ( 「Gb o dyz」 という) を例にとって説明するが 、 以下の説明は X, Y方向についても同様に妥当する。
続いて S 30に進み、 ロボッ ト 1の状態などから姿勢を安定化するための (目 標全床反力中心点 (目標 ZMP) まわりの) 補償全床反力モーメント Mdmd X , Mdmd yを求める。 具体的には、 上体傾斜が検出されたとき姿勢安定化を図 るために前記した式 2に従って補償全床反力モーメント Mdmdx, Mdmdy を演算する。
続いて S 3 1に進んで上体 Z方向加速度制御則に基づいて補償全床反力の力成 分を算出するが、 これについては後述する。
続いて S 32に進んで実各足平床反力を検出する。 これは前記の如く、 6軸力 センサ 44の出力から検出する。
続いて S 34に進み、 両脚補償角 0db Vおよび各足平補償角 θηχ (y) を 決定する。 これは、 前記した複合コンプライアンス動作決定部が行う作業である o
その複合コンプライアンス動作決定部の作業について説明する。 説明の便宜の ため、 両脚支持期において第 1 1図に示すように第 1足平 22 R (L) と第 2足 平 22L (R) に実各足平床反力が作用している状況と仮定する。
ここでべクトル F n a c tは第 n足平床反力の力成分を表す。 べクトル Mn a c tは第 n足平床反力のモーメント成分を表す。 べク トル Mn a c tの向きは、 向きに対して時計回りのモーメントが床から足平に作用していることを表す。 この瞬間の目標全床反力は、 第 1 2図に示すようになっていると仮定する。 ち なみに、 目標全床反力中心点 (目標 ZMP) における目標全床反力モーメン トべ クトル Ms umr e f は垂直である (定義により、 目標 ZMPは目標全床反カモ —メン卜の水平方向成分が 0である点であるから) 。
これを式 1に従って目標各足平床反力に分配すると、 第 1 3図に示すようにな る。 同図において、 ベクトル Fn r e f は目標第 n足平床反力の力成分を表す。 ベクトル Mn r e f は目標第 n足平床反力のモーメント成分を表す。 ベクトル M n r e f の向きの表現は、 Mn a c tと同様である。
説明のため、 上体姿勢が左後ろに倒れそうな状態を想定する。
前述の姿勢安定化制御演算部では、 ロボッ ト 1の上体傾斜偏差検出値 0 e r r x, 0 e r r yに基づいて補償全床反力モーメン ト Mdmdを算出する。 この実 施の形態では鉛直軸 (Z軸) まわりのスピンを制御しないので、 補償全床反カモ ーメント Mdmdの鉛直軸成分は 0である。 この状態に対応する補償全床反カモ 一メン ト Mdmdを第 1 4図に示す。
姿勢を復元させるためには、 目標全床反力中心点 (目標 ZMP) まわりの実全 床反力モーメントの水平成分を、 目標全床反カモ一メント Ms umr e ίと補償 全床反力モ一メント Mdmdの和の水平成分に追従させれば良い。
—方、 目標全床反力中心点 (目標 ZMP) では目標全床反力モーメン ト Ms u mr e f の水平方向成分は 0である。 従って、 前後左右の姿勢傾きを復元させる ためには、 目標 ZMPまわりの実全床反力モーメントの水平成分を、 Mdmdの 水平成分に追従させれば良い。
この実施の形態にあっては複合コンプライアンス動作決定部は、 以下の要求を できる限り満足するように足平の位置 ·姿勢を修正する。
要求 1) ロボッ トの姿勢傾斜を安定化制御するために、 目標全床反力中心点 (目 標 ZMP) まわりの実全床反力モーメン トの水平方向 (X, Y軸方向) 成分を、 補償全床反力モーメント Mdmdの水平方向成分に追従させる。
要求 2) 各足平の接地性を確保するために、 できるかぎり目標各足平床反力中心 点まわりの実各足平床反力モーメントの絶対値を小さくする。
但し、 前述の通り、 要求 1) と要求 2) は、 完全に両立させることはできず、 ある点で妥協しなくてはならない。
足平の位置 ·姿勢の修正は、 この実施の形態では次のように行う。
1) 目標第 1足平床反力中心点 Q 1と目標第 2足平床反力中心点 Q 2を含み、 かつ水平面と垂直な平面の法線ベクトル Vを求める。 Vの大きさは 1とする。 V を第 1 5図に示す。
2) 目標第 1足平床反力中心点 Q 1の座標を、 目標全床反力中心点 (目標 ZM P) を回転中心に法線ベクトル Vまわりに、 ある回転角 0 d b Vだけ回転移動す る。 移動した後の点を Q 1' とする。 同様に、 目標第 2足平床反力中心点 Q 2の
座標を、 目標全床反力中心点 (目標 ZMP) を回転中心に法線ベクトル Vまわり に回転角 0 d b Vだけ回転移動する。 移動した後の点を Q 2' とする。
この回転角 0 db vを両脚補償角という。 始点が Q 1、 終点が Q 1 ' のべクト ルをベクトル Q 1 Q 1 ' とする。 同様に、 始点が Q 2、 終点が Q 2' のベクトル をベクトル Q 2 Q 2' とする。 第 1 6図に Q 1 ' と Q 2' を示す。
3) 目標第 1足平を、 姿勢は変えずにベクトル Q 1 Q 1 ' だけ平行移動 (ほぼ 上下移動) させる。 同様に、 目標第 2足平を、 姿勢は変えずにベクトル Q 2 Q 2
' だけ平行移動させる。 移動後の目標各足平を第 1 6図に太線で示す。
4) 次に、 目標第 1足平を Q 1 ' を中心に、 前後方向軸 (X軸) まわりに回転 角 Θ 1 X、 左右方向軸 (Y軸) まわりに回転角 0 1 yだけ回転させる。 同様に、 目標第 2足平を目標第 2足平を Q 2' を中心に前後方向軸 (X軸) まわりに回転 角 02 X、 左右方向軸 (Y軸) まわりに回転角 02 yだけ回転させる。 回転角 Θ n x, 01 7をそれぞれ第11足平 補償角、 第 n足平 Y補償角という。 回転後の 目標各足平を第 1 7図に太線で示す。
以上の補償動作量が過大でなければ、 接地圧力分布は変わっても、 接地領域 ( 足底面の圧力が正の領域) は変わらない。 このような場合には、 補償動作量に比 例して各足平に装着されたばね機構 3 2や足底弾性体 34などが変形し、 変形量 に応じた実各足平床反力が発生する。 この結果、 補償動作量と補償動作によって 発生する実床反力の変化量との間の関係は、 以下に示す良好な特性を持つ。
特性 1 ) 両脚補償角 0 d b Vだけを操作して目標各足平位置を移動させると、 下がつた足平の実足平床反力の力成分が増加し、 上がつた足平の実足平床反力の 力成分が減少する。 このとき、 修正目標各足平床反力中心点まわりの実各足平床 反力モーメントは、 ほとんど変化しない。
特性 2) 第 n足平 X補償角だけを操作して目標第 n足平姿勢を回転させると、 目標第 n足平床反力中心点に作用する実第 n足平床反力のモーメントの X成分だ けが変化し、 その他の床反力成分は少ししか変化しない。 同様に、 第 n足平 Y補 償角だけを操作して目標第 n足平姿勢を回転させると、 実第 n足平床反力のモー メントの Y成分だけが変化し、 その他の床反力成分は少ししか変化しない。
特性 3) 両脚補償角 0 d b v、 各足平 X補償角および各足平 Y補償角を同時に
操作すると、 実各足平床反力の変化量は、 それぞれを単独に操作したときの変化 量の和になる。
特性 1および特性 2は、 これらの操作に独立性があることを示し、 特性 3はこ れらの操作に線形性があることを示していると言える。
第 1 8図は複合コンプライアンス動作決定部の演算処理を示すプロック図であ り、 同図を参照してこの作業を説明する。
概説すると、 補償全床反力モーメント分配器において補償全床反力モーメント Mdmdの分配を行う。 次に、 実各足平床反力と分配された補償全床反力モーメ ントなどから、 両脚補償角決定部および第 n足平 X (Y) 補償角決定部において 前述の補償角 0 dbvおよび 0nx (y) を決定する。
次に、 決定された各種補償角に基づいて修正目標足平位置 ·姿勢算出部は、 補 償された足平位置 ·姿勢 (これを修正目標足平位置,姿勢という) を幾何学演算 によって求める。 最後に、 機構変形補償入り修正目標足平位置 ·姿勢算出部は、 目標各足平床反力によって発生が予想されるばね機構 32や足底弾性体 34の変 形量を求め、 それらを打ち消すように修正目標足平位置 ·姿勢を更に修正する。 以下詳説すると、 補償全床反力モーメン ト分配器は、 補償全床反力モーメン ト Mdmdを、 両脚補償モーメ ン ト Mdmd d b、 各足平補償モーメン ト M d m d 1 x, y, Mdmd 2 x, yに分配する。 両脚補償モーメント M d m d d bは、 両脚補償角 (足平上下量) Sdbvを操作することによって目標全床反力中心点 (目標 ZMP) まわりに各足平床反力の力成分が作るモーメン卜の目標値である ο
両脚補償モーメン ト Mdmd d bの V方向まわりの成分を Mdmd d b vと記 述する。 尚、 ベク トル Vは複合コンプライアンス動作決定部の説明で定義したベ ク トルである。 Vに直交し、 鉛直方向にも直交するベク トルを Uとすると、 両脚 補償モーメント Mdmd d bの U方向成分 Mdmd d b uは 0に設定される。 両 脚補償角 0 d b Vを操作しても、 床反力の U方向モーメント成分を発生すること はできないからである。
この実施の形態では補償全床反力モーメント Mdmdの鉛直方向成分が 0なの で、 Mdmd d bの鉛直方向成分 Mdmd d b zも 0に設定される。
第 1足平捕償モーメント Mdmd 1は、 第 1足平補償角 I χ, Θ I yを操作 することによって目標第 1足平床反力中心点まわりに発生させたいモーメン卜で ある。 第 1足平補償モーメント Mdmd 1の X成分を Mdmd 1 x、 Y成分を M dmd 1 yと記述する。 第 2足平補償モーメン ト M d m d 2は、 第 2足平補償角 Θ 2 X, Θ 2 yを操作することによって目標第 2足平床反力中心点まわりに発生 させたいモ一メントである。 第 2足平補償モーメント Mdmd 2の X成分を Md md 2 x、 Y成分を Mdmd 2 yと記述する。
分配は、 例えば次のように行う。
dmddbv = Wdbx * Mdmdx + Wdby * dmdy
■ · ·式 3 dmdlx = Wlx * (Mdmdx - Wint * Vx * Mdmddbv)
dmdly = Wly * (Mdmdy - Wint * Vy * Mdmddbv)
Mdmd2x = W2x * (Mdmdx - Wint * Vx * Mdmddbv)
Mdmd2y = W2y * (Mdmdy - Wint * Vy * Mdmddbv)
• · ·式 4 ここで、 Wd bx, Wd b y, Wl x, Wl y, W2 x, W2 yおよび Wi n tは分配用重み変数である。 Vxはべク トル Vの X成分の値、 Vyはべク トル Vの Y成分の値である。 この中で、 Wi n は、 両脚補償角を操作することによって 発生した全床反力モーメントを各足平補償角を操作することによって打ち消すた めのものである。
式 3と式 4の演算処理を行う補償全床反カモ一メン ト分配器のブロック図を第 1 9図に示す。
歩行時の分配用重み変数 Wd b X, Wd b y, Wl x, Wl y, W2 x, W2 yおよび W i n tの設定例を第 2 0図に示す。 第 20図のパターンは、 以下の注 意点を考慮して決定することが望ましい。
注意点 1 ) 両脚補償角と各足平補償角が不連続的に変化すると、 関節に過大な トルクが発生する。 そこで、 両脚補償角と各足平補償角を連続的に変化させるた めに、 分配用重み変数は連続的に変化させる。
注意点 2 ) 両脚補償角および各足平補償角を操作することによつて発生する実
床反力モーメン卜が、 なるべく補償全床反力モーメント M dm dに近い値になる ように、 分配用重み変数を決定する。
この際、 直立時や歩行時など状況に応じて以下に示すように設定方針を変えた 方が良い。 直立時などのように、 両脚補償モーメン トの V方向成分 Mdmd d b v、 各足平補償モーメン ト Mdmd 1 , M d m d 2を忠実に実各足平床反力に発 生させることができる状況では以下のように設定する。
この状況では目標全床反力中心点 (目標 ZMP) まわりの実全床反力モーメ ン 卜の水平方向成分を、 補償全床反力モーメント Mdmdの水平方向成分に一致さ せるために、 (即ち、 前述の複合コンプライアンス動作決定部に対する要求 1を 満足するために、 ) 式 5と式 6の両方をなるベく満足するように重みを設定すベ きである。
Mdmddbv*Vx + dmdlx + dmd2x = Mdmdx
• · ·式 5 dmddbv*Vy + Mdmdly + Mdmd2y = Mdmdy
• · ·式 6 これに式 3、 式 4を代入すると、 式 5は式 7に、 式 6は式 8に変換される。 (Wdbx * Mdmdx + Wdby * Mdmdy) *Vx + Wlx * (Mdmdx - Wint * Vx * (Wdbx * Mdmdx + Wdby t Mdmdy)) + W2x * (Mdmdx - Wint * Vx * (Wdbx * Mdmdx + Wdby * Mdmdy) )= Mdmdx
• · ·式 7
(Wdbx * Mdmdx + Wdby * Mdmdy) *Vy + Wly * (Mdmdy - Wint * Vy * (Wdbx * Mdmdx + Wdby * Mdmdy)) + W2y * (Mdmdy - Wint * Vy * (Wdbx * Mdmdx 十 Wdby * Mdmdy)) = Mdmdy
• · ·式 8
Mdmd xと Mdmd yが任意の値を取っても、 式 7と式 8が恒等的に成立す るためには、 式 9、 式 1 0、 および式 1 1を同時に満足すれば良い。
Wint = 1 ■ · ·式 9
Wlx + W2x =1 · · ·式 1 0
Wlv + W2y =1 · · ·式 1 1
即ち、 以上の状況では式 9、 式 1 0および式 1 1を同時に満足するように、 重み を決定すれば良い。
歩行時では M d m d d b vを目標にして両脚補償角 0 d b vを操作して足平の 位置を修正しても、 実全床反力モーメン卜の発生量が M d m d d b vに較べて不 足する場合がある。 例えば第 2 1図のように両脚支持期の初期にロボッ トが後傾 して第 1足平が未だ着地していない状況では、 Θ d b Vによって第 1足平の位置 を下げても、 実床反力は変化しない。
同様に、 M d m d 2を目標にして第 2足平補償角 0 2を操作して第 2足平の角 度を修正しても、 実床反力モーメントの増加量が M d m d 2に較べて不足する場 合がある。 例えば、 第 2 2図のように両脚支持期の後半にロボッ トが後傾してい る状況では、 0 2によって第 2足平のかかとを下げても実床反力は変化しない。 従って、 式 5、 式 6を満足するように各重みを設定しても、 複合コンプライア ンス制御によって発生する実全床反力の増加量が補償全床反力モーメント M d m dに届かない場合がある。 このようなことが生じる可能性が高い状況では、 式 5 、 式 6の左辺の値を右辺で割った値を 1より大きくすべきである。
歩行時の分配用重み変数設定例である第 2 0図では、 W i n tを 0に設定する ことによって、 第 2 1図の状況のように、 両脚補償角 0 dbv を操作しても実全床 反力モーメン トが発生できなくなっても、 各足平補償角を操作して不足分を補う ようにした。
好都合なことに、 第 2 1図のように後傾すると第 2足平のかかとが結果的に下 がつて床に接地しゃすくなるので、 第 2足平補償角を操作することによって実全 床反力モーメントを発生させることができるようになる。
また、 後傾していないときには両脚補償角 0 d b Vを操作することによる実全 床反力モーメントが発生するが、 第 2足平のかかとが床に接地しないので、 第 2 足平補償角を操作しても実全床反力モーメン トは発生しない。
つまり、 両脚補償角 0 d b vが有効に働くときには各足平補償角が有効に働か ず、 各足平補償角が有効に働くときには両脚補償角 0 d b vが有効に働かないの で、 結果的に両脚補償角およぴ各足平補償角を操作することによつて発生する実 床反力モーメ ン トの総量は、 ほぼ補償全床反力モーメン ト M d m dに等しくなる
状況によっては、 両脚補償角および各足平捕償角を操作することによって発生 する実床反力モーメン卜の総量が補償全床反力モーメント M d m dよりも大きく なってしまう場合がある。
しかし、 この場合でも、 M d m dがこの実施の形態のように姿勢安定化のため のフィードバック操作量であるならば、 あまり問題にならない。 何故ならば、 M d m dの大きさが多少違っていても、 一般的に制御系に言えることであるが、 制 御系のオープンループゲインが多少変化するだけで、 クローズドループ特性はほ とんど変わらないからである。
注意点 3 ) 片脚支持期では、 両脚補償角用の分配用重み変数である W d b x , W d b yの絶対値を小さくする。 片脚支持期では両脚補償角を変化させても、 接 地していない足平が無駄に上下するだけで、 実各足平床反力は変化しないからで める。
注意点 4 ) 足平の接地性を確保するために、 目標足平床反力の力成分が小さい ときには、 その足平の足平補償角のための分配用重み変数の絶対値を小さくする 。 特に、 足平が床から遠く離れているときには、 その足平の足平補償角を動かし ても、 その足平の実足平床反力は変化しないので、 不要な動きをさせないために も、 その足平の足平補償角のための分配用重み変数の絶対値を小さくすべきであ 注意点 5 ) 両脚補償角を操作することによって制御できる実全床反力モーメン トの方向と、 各足平補償角を操作することによって制御できる実全床反力モーメ ン トの方向は通常異なる。
例えば、 両脚補償角 0 d b Vを操作することによって発生する実全床反力モー メントの向きは必ず V方向であり、 V方向に直交する成分を発生させることはで きない。 一方、 各足平補償角を操作することによって発生できる実全床反カモ一 メントの向きは、 足平の接地状況によって制約を受ける。
例えば、 つまさきのエツジだけまたはかかとのエツジだけが接地している場合 には、 エッジ線方向にモーメン トを発生することはできない。 両脚支持期では、 この特性を考慮して、 なるべく無駄なく両脚補償角および各足平補償角を操作す
る o
例えば、 両脚補償角を操作するための分配重み Wd b x, Wd byは次のよう に決定する。
X成分が Wdbx、 Y成分が Wdby、 Z成分が 0のベク トルを Wd bとする と、 式 3はベク トル Wdbと Mdmdの内積になっている。 従って、 Mdmdを べク トル Wd b方向成分とその直交成分に分解し、 べク トル Wd b方向成分だけ を抽出して、 べク トル Wd bの大きさを乗じたものが、 式 3によって求められる Mdmd d b vであると言える。
この場合の Mdmd db vを第 23図に示す。 これは、 両脚補償角を操作する ことによって実全床反力モーメントの Wd b方向成分を制御するフィードバック 制御系を構成することを意味する。 もし、 Wdb方向がベク トル Vと直交してい たら、 両脚補償角をいく ら操作しても実全床反力モーメン トの Wd b方向成分は 発生しないから、 このフィ一ドバック制御系はただ無駄に両脚補償角を操作する だけになる。
従って、 無駄な動きを減らした場合には、 Wdb方向をべク トル V方向に一致 させるか、 またはなるべく近づけるべきである。 また、 補償全床反力モーメン ト M d m dの W d b方向成分を、 各足平補償角に頼らずに両脚補償角を操作するだ けで発生させたいならば、 Wd bと Vの内積が 1になるように設定する。 一部を 各足平補償角に頼らせたいならば、 Wd bと Vの内積が 1より小さくなるように 設定する。
ところで、 足平の横幅が狭い場合には、 各足平補償角を操作することによって 発生し得る実各足平床反力モーメン トの X成分は小さくなる。 この場合には、 W d b Xを大きめに設定する。 Wdb方向とべク トル V方向は一致しなくなり、 両 脚補償角の変動が増加するが、 安定性が増す。
両脚補償角決定部について更に詳説すると、 第 24図は両脚補償角決定部の演 算処理のプロック図であり、 両脚補償角 0 d b Vは図示の如く演算される。 第 24図を参照して説明すると、 目標第 1足平床反力中心点 Q 1に作用する F 1 a c tと目標第 2足平床反力中心点 Q 2に作用する F 2 a c t力、 目標全床反 力中心点 Pのまわりに発生させるモーメント 1 f 2 a c tを、 次式により求
める。
Mflf2act = PQl*Flact + PQ2*F2act · · ·式 1 2 ここで、 PQ 1は始点が P、 終点が Q 1のベク トル、 PQ2は始点が P、 終点が Q 2のべク トルである。
また、 式 1 2の代わりに、 次式を用いても実際上はほとんど問題がない。
Mflf2act = PQl*Flact + PQ2*F2act+ Mlactf M2act · · ·式 1 2 a 式 1 2 aは、 目標全床反力中心点まわりに作用する実全床反力モーメント Ma c tを算出する式になっている。 尚、 式 1 2は、 目標全床反力中心点まわりに作用 する実全床反力モーメン卜から、 目標各足平床反力中心点まわりに作用する実各 足平床反力モーメントを減じたものになっている。 請求項 5項の記載は、 これに 基づく。
次に、 Mf 1 f 2 a c tのべク トル V方向成分 Mf 1 f 2 a c t vを抽出する 。 これは、 ベク トルの内積演算を用いた次式によって得られる。 尚、 ベク トル V は前述の動作説明において第 1 5図に示した Vである。
flf2actv = Mflf2act · V ■ · ·式 1 3 次に、 M f 1 f 2 a c t vをローパスフィル夕に通して M f 1 f 2 a c t v f i 1 tを得る。
次に、 両脚補償モ一メント V方向成分 Mdmd d b vを補償用フィルタに通し 、 それを、 Mf l f 2 a c t v f i l t力、ら減じ、 偏差モーメント V方向成分 M d i f f vを得る。
尚、 補償用フィルタは、 Mdmd d b Vから実全床反力モーメントまでの伝達 関数の周波数応答特性を改善するものである。
次に、 足平ばね機構などの変形による両脚補償モーメント V方向成分への影響 を打ち消すための両脚機構変形補償角 0 f ί dbvを求める。 これは、 いわゆる フィードフォヮード補償である。
具体的には、 両脚補償モーメント V方向成分 Mdmd d b Vと変形量との関係 を表す機構コンプライアンスモデルを用い、 目標第 1足平床反力中心点 Q 1と目 標第 2足平床反力中心点 Q 2を結ぶ線分の変形角度を求め、 それの極性を反転し たものを両脚機構変形補償角 0 f f db vとすれば良い。
両脚機構変形補償角 0 f f d b vは、 近似的には次式により求めれば良い。 6>ffdbv = - a *Mdmddbv · ■ '式 1 4 ここでひは所定の定数である。
最後に次式によって両脚補償角 0 d b Vを得る。 ここで K d bは制御ゲインで あり、 通常、 これは正の値に設定する。
^dbv = Kdb i Mdiffv+ 0 ffdbv · · ,式 1 5 第 n足平補償角決定部について説明すると、 第 2 5図はその中の第 1足平 X補 償角決定部の演算処理を示すブロック図であり、 第 1足平 X補償角 0 1 Xは図示 の如く演算する。 説明は省略するが、 第 1足平 Y補償角 0 1 y、 第 2足平 X補償 角 02 x、 第 2足平 Y補償角 02 yも同様に求める。 ここでは第 1足平 X補償角 Θ 1 Xを求めるアルゴリズムだけを説明する。
第 1足平床反力モーメント X成分 M 1 a c t xを口一パスフィルタに通して M 1 a c t f i 1 t xを得る。 第 1足平補償モーメント X成分 Mdmd 1 xを補償 用フィルタに通し、 それを、 M 1 a c t f i 1 t Xから減じ、 偏差乇一メン ト M d i f f 1 xを得る。 両脚補償角決定と同様、 補償用フィルタは、 Mdmd 1 x から実全床反力までの伝達関数の周波数応答特性を改善するものである。
次に、 両脚補償角決定と同様、 足平ばね機構などの変形による第 1足平補償モ 一メント X成分への影響を打ち消すための第 1足平 X機構変形補償角 f f 1 x を求める。 これは、 いわゆるフィードフォワード補償である。
具体的には、 第 1足平補償モーメン ト V方向成分 Mdmd 1 xと変形量との関 係を表す機構コンプライアンスモデルを用い、 第 1足平の変形角度を求め、 それ の極性を反転したものを第 1足平 X機構変形補償角 0 f f l xとすれば良い。 第 1足平 X機構変形補償角 0 ί f 1 Xは、 近似的には次式により求めれば良い ο
0fflx=- alx*Mdmddbv · · '式 1 6 ここで 1 Xは所定の定数である。
最後に次式によって第 1足平 X補償角 0 1 Xを得る。 ここで K 1 Xは制御ゲイ ンであり、 通常、 これも正の値に設定する。
θ ΐχ = Klx * Mdifflx+^fflx · · ·式 1 7
尚、 図示のブロック線図は、 演算処理順序を変えるなどの等価変形をしても良い 第 1 8図に戻って説明を続けると、 修正目標足平位置 ·姿勢算出部は、 両脚補 償角 0 d b v、 第 1足平 X補償角 0 1 X、 第 1足平 Y補償角 0 1 y、 第 2足平 X 補償角 0 2 X、 第 2足平 Y補償角 0 2 y、 および同位相補償変位 (後述) に基づ き、 前述の複合コンプライアンス動作を拡張した足平位置■姿勢修正手法に従つ て目標足平位置 ·姿勢を修正し、 修正目標足平位置 ·姿勢を得る。
機構変形量算出部は、 目標各足平床反力によつて発生が予想されるばね機構 3 2や足底弾性体 3 4の変形量を求める。
機構変形補償入り修正目標足平位置 ·姿勢算出部は、 算出された機構変形量を 打ち消すように、 修正目標足平位置 ·姿勢を更に修正し、 機構変形補償入り修正 目標足平位置 ·姿勢を得る。
例えば、 第 2 6図に示すような機構変形量が予想されるときには、 機構変形補 償入り修正目標足平位置 ·姿勢は、 第 2 7図に実線で示す位置 ·姿勢に修正され る。 即ち、 第 2 7図に示す機構変形補償後の足平が目標足平床反力を受けて変形 したときの位置,姿勢が、 第 2 6図に示す床反力を受けないときの機構変形補償 前の足平位置 ·姿勢に一致するように、 機構変形補償入り修正目標足平位置 ·姿 勢を算出する。
機構変形補償は、 ばね機構 3 2や足底弾性体 3 4の変形によって生じる実足平 位置 ·姿勢のずれをフィードフォヮード的に打ち消す制御であり、 この制御がな い場合に比較し、 より一層、 目標歩容に近い歩行を実現することができる。
上記を前提として第 1 0図フロー · チヤ一卜の説明に戻ると、 前記の如く、 S 3 4において上記した補償角を決定する。
第 2 8図はその作業を示すサブルーチン ' フ π— ·チャートである。
同図を参照して説明すると、 先ず S 1 0 0において前記したべクトル Vを求め S 1 0 2に進んで分配用重み変数を第 2 0図に示すように設定し、 現在時刻 t でのこれらの値を求める。 続いて S 1 0 4に進み、 式 3および式 4によって補償 全床反力モーメント M d m dを両脚補償モーメント M d m d d b vと各足平補償 モーメン ト M d m d n x ( y ) に分配し、 S 1 0 6に進んで既述の如く両脚補償
角 0 db vを求め、 S 1 0 8に進んで各足平補償角 0 nx (y) を求める。
第 1 0図フロー 'チャートの説明に戻ると、 続いて S 3 5に進んで同位補償変 位を決定するが、 これについては後述する。
続いて S 3 6に進み、 目標各足平床反力に基づいて機構変形補償量を算出し、 S 3 8に進んで目標足平位置 ·姿勢を補償角 0 d b v, θ η χ (y) 、 および同 位相補償変位 (後述) に応じて修正し、 更にこれを機構変形補償量に応じて修正 し、 機構変形補償入り修正目標足平位置 ·姿勢を得る。
次いで S 4 0に進み、 上体位置 ·姿勢と機構変形補償入り修正足平位置 ·姿勢 から関節変位指令 (値) を算出し、 S 4 2に進んで実関節変位を算出された関節 変位指令 (値) にサーボ制御し、 S 4 4に進んで時刻を Δ t更新し、 S 1 4に戻 つて上記の処理を繰り返す。
ここで、 第 1 0図フロー 'チャートの S 3 1および S 35の処理について説明 する。
これらは、 上体加速度を検出し、 それが過大または過少にならないように、 補 償全床反力の力成分 (目標値) F dmdを後述する制御則によって決定し、 全足 平を同時に同じ向きに平行移動させて実全床反力の力成分の高周波成分を F d m · dの高周波成分に近づける制御である。
この制御を行うと、 例えば、 歩行中に予期しない段差によってロボッ ト 1が落 下して足平 22 Rあるいは Lが床面に強く着地したとき、 両足平 22R (L) を 僅かに重力方向に引き上げることで、 着地衝撃を吸収することができる。
また、 ロボットは、 歩行中、 足平のばね機構 3 2や足底弾性体 34の上下伸縮 の弾性とロボッ ト 1の質量によって決定される固有振動を持ち、 上体 24が上下 に振動する。 この振動は変位量としては僅かであるが、 実足平床反力の Z方向力 成分 F zは大きく変動する。
この振動の振幅が過大になると、 足平 22 R (L) と床面との接地性が低下し 、 場合によってロボッ ト 1はスピンする。 この制御はかかる振動を抑制し、 スピ ンを防止して姿勢安定化を向上させる。 その意図から、 この実施の形態において は、 先に提案した装置に、 第 4図の下部に示す如く、 上体 Z方向加速度制御演算 部を追加した。
上体 Z方向加速度制御演算部は、 傾斜センサ 60によって検出された実上体加 速度 Gbo dy (より具体的には例えば、 検出された実上体上下加速度 Gbひ d y z ) 、 目標歩容の上体加速度 (即ち、 目標上体加速度) Gb o dy r e f か ら大きくずれないように補償全床反力の力成分 (目標値) Fdmdを求める如く した。 これが、 S 3 1の処理に相当する。
以下説明すると、 Fdmdは、 例えば、 次のように算出する。 即ち、 Gb o d y r e f の X成分を Gb 0 d y r e f X, X成分を G b o d y r e f y, Z成分 を Gbody r e f zとすると、 次式に従って目標値と検出値の偏差 F dm d t mpを算出する。
Fdmd tmpx = -Kgx* (Gb o dyz— Gb o dy r e f z) Fdmd tmpy = -Kgy* (Gb o dyz - Gb o dy r e f z ) Fdmd tmp z = -Kgz * (Gb o dyz— Gb o dy r e f z )
. . . 式 1 8
ここで、 Kgx, Kgy, Kgzは、 制御ゲイン (定数) である。 Fdmd t mp x, Fdmd tmpy, F d m d t m p zはそれぞれ、 前言己偏差 F d m d t mpの X, Y, Z成分であり、 それらの合算して偏差 F dmd tmpとする。 続 いて、 算出した Fdmd tmpを制御特性改善用に適宜設計したフィルタに通し 、 その出力を F dmdとする。
ここで、 目標全床反力中心点を始点、 ロボッ ト重心位置を終点とするベク トル を (Jx, J y, J z) とすると、 上記した Kgx, Kgy, Kgzの比を、 J x, J y, Jzに一致させると良い。 そうすると、 Fdmdもベクトル (Jx, J y, J z ) の向きになる。
従って、 F dmdを床反力として目標全床反力中心点に追加的に発生させても 、 F dmdはロボッ ト重心位置に向かって作用するので、 ロボッ ト 1を回転させ るモーメントが発生せず、 ロボッ ト 1の姿勢傾きに影響を及ぼすことがない。 尚 、 F dmdによって決定される全足平の平行移動量が僅かである場合には、 Kg Xと Kgyを零にしても良い。 そうしても、 同様に、 ロボッ ト 1の姿勢傾きに影 響を及ぼすことがないからである。
続いて S 35の処理について説明する。
第 29図を参照して概説すると、 実全床反力の力成分を操作するため、 図中の 同位相補償変位を無視して S 38までの処理で得られた修正目標第 1足平位置姿 勢 (第 29図に細線で示す) を、 姿勢を変えずに、 ある移動量べクトル L 1だけ 平行移動させる。
同時に、 修正目標第 2足平位置姿勢も、 姿勢を変えずに、 ある移動量ベクトル L 2だけ平行移動させる。 移動後の修正目標第 1、 第 2足平位置姿勢を第 29図 に太線で示す。
これが、 実全床反力の力成分に対するコンプライアンス制御であり、 この明細 書では 「同位相平行移動動作」 といい、 移動ベクトル Lnを第 n足平同位相補償 変位という (n= 1, 2) 。
即ち、 第 1 8図の下部に示す如く、 同位相補償変位算出部を設け、 補償全床反 力の力成分 (目標値) と実全床反力の力成分から各足平同位相補償変位を算出し 、 修正目標足平位置姿勢算出部では、 各足平同位相補償変位も含めて修正目標足 平位置姿勢を算出するようにした。
第 30図はその作業を更に詳細に示すブロック図であり、 第 3 1図は第 30図 の作業を説明するフロー ·チャートである。
以下第 3 1図を参照して説明すると、 S 200において実全床反力の力成分 F t 0 t a 1 a c tを求める。 即ち、 実第 1足平床反力の力成分 F 1 a c tと実第 2足平床反力の力成分 F 2 a c tから次の式 (式 1 9) によって実全床反力の力 成分 F t 0 t a 1 a c tを算出する。
F t o t a l a c t=F l a c t +F 2 a c t . . . 式 1 9 続いて S 202に進み、 F t 0 t a 1 a c tから目標全床反力 (即ち、 目標歩 容のカ成分 F r e f ) を減算して偏差 F t o t a 1 e r rを求め、 S 204に進 んで適宜なフィルタを通して F t 0 t a 1 e r r f i 1 tを得る。
次いで S 206に進み、 補償全床反力の力成分 (目標値) F dm dを補償用フ ィル夕に通し、 フィルタ通過値から F t o t a l e r r f i l tを減算して差 F t 0 t a 1 d i f f を得る。 この補償用フィルタは、 F dm dから実全床反力の 力成分までの周波数応答性を改善するものである。
次いで S 208に進み、 次式 (式 20) によって同位相補償変位べク トル Lを
算出する。
L=K l *F t o t a l d i f f . . . . 式 20
ここで、 K 1は制御ゲイン (定数。 スカラ量) である。
次いで、 算出されたべクトル Lを以下の式によって各足平に配分する。
L 1 =W1 1 *L
L 2=W1 2 *L . . . . 式 2 1
ここで、 Wl 1, Wl 2はアツテネ一夕 (重み) であり、 例えば第 32図に示す ように設定する。
この Wl 1, W1 2は常に 1でも良いが、 足平 22R (L) が離床した後は上 下に無駄に動くことを避けるために、 空中にあるときは (図示の例では片脚支持 期に第 2足平側) 0にすると良い。
かく得られた同位相補償変位 L nも含め、 第 1 0図フロー ·チャートの S 38 において機構変形補償入り修正目標足平位置姿勢が算出される。
具体的には、 両脚補償角 Θ d b V、 第 1足平 X補償角 1 X、 第 1足平 Y補償 角 01 y、 第 2足平 X補償角 02 x、 第 2足平 Y補償角 02 y、 第 1足平同位相 補償変位 L l、 および第 2足平同位相補償変位 L 2に基づき、 前記した同位相平 行移動動作を含む複合コンプライアンス動作に従って修正目標足平位置姿勢が算 出される。
この実施の形態は上記の如く構成したので、 これによつて、 概括すれば、 実全 床反力の制御と実各足平床反力の制御が殆ど干渉しないようになり、 それらを容 易に制御することができる。
即ち、 この実施の形態に係る装置は、 先に提案した技術に対して以下の点を改 良した。 即ち、 特開平 5— 305584号公報で提案した足首コンプライアンス 制御では、 足首または足底の基準点などの足平に固定された点における実床反力 モーメントを検出し、 それに基づいて前記固定された点を中心に足平を回転させ ていたが、 この実施の形態に係る装置では、 移動する目標足平床反力中心点にお ける実各足平床反力モーメントを算出し、 それに基づいて目標足平床反力中心点 を中心に足平を回転させるように変更し、 その点まわりのモ一メントを望ましい 値に制御するようにした。
この結果、 実全床反力と実各足平床反力がほとんど干渉することなく、 容易に 制御することが可能となった。 より干渉を少なくするために、 各瞬間における想 定していた足底接地領域内にもっと適切な点を選定しても良い。
従って、 大域的なうねりや傾斜だけでなく、 局所的な凹凸や傾斜なども含む予 期しない床形状変化があっても、 その影響をあまり受けずに脚式移動ロボッ トに 作用する床反力を適切に制御することができる。
更には、 ロボッ トに作用する床反力、 より具体的には目標全床反力中心点 (目 標 Z M P ) まわりの実全床反力モーメントと目標各足平中心点まわりの実各足平 床反力モーメントを容易かつ適切に制御することができる。 換言すれば、 先に提 案した両脚コンプライアンス制御および足首コンプライアンス制御の併用に比較 して、 制御の干渉がなく、 実全床反力と実各足平床反力が望ましい値からずれた り発振することがない。
また、 ロボッ 卜が受ける実床反力の力成分に対してコンプライアンス制御を行 うようにしたので、 予期しない段差などに遭遇して過大な着地衝撃を生じても、 その着地衝撃を吸収することができると共に、 接地性を向上させることができて スピンの発生などを防止することができる。
また、 脚式移動ロボッ 卜の姿勢安定化制御を容易に実現できると共に、 脚式移 動ロボッ 卜が受ける着地衝撃を低減することができ、 脚式移動ロボッ 卜の接地性 を高め、 歩行時のスリップやスピンを防止することができる。 更に、 脚式移動口 ボッ トのァクチユエ一夕の負荷を低減することができる。
ここで、 同位相補償変位 Lの各足平への配分について補足すると、 式 2 1にお いては、 例えば重み W l 1 , W 1 2を 1 . 0に固定、 あるいは遊脚の場合 0にす るなど、 換言すれば、 実全床反力の力成分の周波数に対して固定した。
そのように設定すると、 実全床反力の力成分の低周波成分を任意に制御するこ とはできない。 何故ならば、 例えば、 直立時に両足平を重力方向に同位相平行移 動させても (即ち、 両脚を縮めても) 、 その瞬間には実全床反力の力成分が減少 するが、 その直後に上体 2 4は下に移動した時点で再び元の実全床反力に戻って しまうからである。
それを解消すべく、 式 2 0に積分項を加えると、 実全床反力の力の低周波成分
まで制御することができる。 しかし、 高速歩行時には、 上体高さが目標歩容から 大きく変化すると、 動バランスを崩すので、 積分項を加えることは好ましくない そこで、 同位相補償変位 Lの配分量を両足平で相違させても良く、 あるいは実 全床反力の力成分の周波数に対して可変にしても良い。 即ち、 周波数成分を持つ た重みにしても良い。
それについて以下説明すると、 第 33図に示す如く、 重み Wl 1, W1 2を実 全床反力の力成分の周波数に対して可変に設定する。 具体的には、 所定値、 例え ば 5 Hzよりも十分に低い周波数領域にあっては、 重み Wl 1, W1 2の比を 1 付近に設定すると共に、 それ以上の周波数領域では比が変わるように設定する。 例えば、 5 Hzよりも十分に低い周波数領域にあっては、 L I : L 2= 1 : 1 となるように決定する。 即ち、 実全床反力の力の低周波成分に対しては、 上体 2 4が足平 22 R (L) の伸縮につられて重力方向に大きく動くので、 いずれの足 平も浮かないように、 両足平の値を同一にする。
他方、 5 Hz以上の高周波数領域にあっては、 第 29図において、 目標全床反 力中心点 Pまわりにモ一メン卜が発生しないように、 その目標全床反力中心点 P と修正目標第 n足平床反力中心点 Qn' との距離に反比例するように、 設定する より具体的には、 第 29図において、 L 1 : L 2 = PQ 2' : PQ Γ となる ように決定する。
尚、 前述の式 1 8は、 以下のように一般化しても良い。
Fdmd tmpx =— Kgxx* (Gb o dyx— Gb o dy r e f x)
- K g x y * (Gb odyy-Gb o dy r e f y) - K g x z * (Gb odyz-Gb o dy r e f z) Fdmd tmpy = -Kgyx* (Gb o dyx - Gb o dy r e f x)
— Kgyy* (Gb o dyy-Gb ody r e f y) - K g y z * (Gbodyz-Gb o dy r e f z) Fdmd tmp z = -Kgzx* (Gb o dyx— Gb o dy r e f x)
- K g z y * (Gb o dyy-Gb o dy r e f y) - K g z z * (Gb o dyz-Gbo dy r e f z)
. . . . 式 22 ただし、 Kgxx, K g x y , K g x z , K g y x, K g y y , Kgy z, K g z x, Kg z y, K g z zは、 制御ゲインである。
尚、 上記した実施の形態において、 上体加速度の検出および補償床反力の力成 分 (目標値) F dm dを決定する制御則を省略し、 F dm dを零またはその近傍 に固定するだけでも、 実全床反力の力成分に対するコンプライアンス制御として 、 かなり有効である。 尚、 請求項 1 3項はこの記載に基づく。
第 34図は、 この発明の第 2の実施の形態に係る脚式移動ロボッ 卜の制御装置 (主として第 3図の第 1の演算装置 8 0に相当) の構成および動作を機能的に示 すプロック図である。
第 2の実施の形態に係る脚式移動ロボッ 卜の制御装置は、 第 1の実施の形態に 係る装置と同様に先の提案技術を更に改良し、 特に、 実各足平床反力の力成分を 独立に制御して姿勢安定性を向上させてスピンなどを防止すると共に、 関節ァク チユエ一夕の負担も柽減するようにした
即ち、 第 1の実施の形態においては前述した 6種のモードの内、 モード 1、 モ ード 2およびモード 6を扱ったが、 第 2の実施の形態では、 それに加えて、 ロボ ッ ト全体の挙動 (モード 1から 6) に直接的には影響しない内力の制御を行う。 ここでいう 「内力」 とは、 全床反力に影響を与えない各足平床反力の成分の組み 合わせを意味する。
第 3 5図は、 第 2の実施の形態に係る装置の動作を示す、 第 1 0図と同様なフ □— ·チヤ一トである。
以下、 第 1の実施の形態と相違する点に焦点をおいて説明すると、 第 1の実施 の形態と同様に S 1 0から S 3 2までの処理を行った後、 S 34に進み、 両脚補 償角 0 db Vおよび各足平補償角 0 nx (y) を決定し、 次いで S 35に進み、 各足平内力補償変位を決定する。
S 34の処理は前記した複合コンプライアンス動作決定部が行う作業であり、 第 3 6図は第 2の実施の形態における複合コンプライアンス動作決定部の演算処 理を示す、 第 1 8図と同様なブロック図である。
第 3 6図から明らかな如く、 第 2の実施の形態において、 修正目標足平位置 -
姿勢算出部は、 第 1の実施の形態で用いた同位相補償変位に代え、 内力補償変位 なる概念を用い、 それと前記した両脚補償角 6> d b vなどに基づいて前述の複合 コンプライアンス動作を拡張した足平位置 ·姿勢修正手法に従つて目標足平位置 •姿勢を修正し、 修正目標足平位置 ·姿勢を得るようにした。 従って、 第 2の実 施の形態では、 S 3 1の処理が不要となる。
S 3 5の各足平内力補償変位の演算処理について説明すると、 上記した S 3 5 を除く処理で行われる制御によってロボッ ト全体の挙動に影響を与える実全床反 力のモーメント成分と実各足平モ一メントを独立に制御することができる。 しか し、 実各足平床反力の力成分を独立に制御することはできない。
第 1の実施の形態では、 実各足平床反力の力成分の和を制御することができる ので、 実各足平の力成分を独立に制御するためには、 実各足平床反力の力成分の 差を制御するものを加えれば良い。 S 3 5の処理はそれを意図するもので、 以下 の追加される制御を 「内力コンプライアンス制御」 という。
この制御は、 目標第 1足平と目標第 2足平の間隔を僅かに延ばしたり、 縮めた りすることによって、 両足平を結ぶ線分方向に、 足平床反力の力成分を、 それぞ れの足平に互いに逆向きに発生させる。 この動作を 「逆位相平行移動動作」 とい Ό ο
この制御を行うと、 実全床反力と実各足平モーメントに対して S 3 5の処理を 除く処理で述べた制御に干渉することなく、 実第 1足平の力成分と実第 2足平の 力成分の比率を変えることができるので、 この比率を状況に応じて適切に制御す ることによって、 前記したように、 例えばロボットを進行方向に推進させる力を 、 接地圧の高い足平には大きくすると共に、 低い足平には小さくすることによつ て、 姿勢安定性を向上させてスリップを効果的に防止することができる。
また、 一方の足平が他方の足平の発生する進行方向に推進させる力の負荷とな つている状態なども解消させることができ、 関節ァクチユエ一夕の負担を軽減さ せることができる。
その意図から、 第 2の実施の形態においては、 先に提案した装置に、 第 3 6図 の下部に示す如く、 内力補償変位算出部を追加した。 具体的には、 内力補償変位 算出部および内力補償変位を含む修正目標足平位置姿勢算出部は、 S 3 5の処理
を除く処理で得られた修正目標各足平位置 ·姿勢に以下の操作を加える。
第 37図は内力補償変位算出部の処理を詳細に示すプロック図であり、 第 38 図はその逆位相平行移動動作の説明図である。 第 37図に示す如く、 内力捕償変 位算出部は、 実各足平床反力の力成分と目標各足平床反力の力成分から、 第 38 図に示す各足平内力補償変位 Dn (n= 1 , 2) を算出する。 また、 修正目標足 平位置姿勢算出部は、 その各足平内力補償変位 Dnを含め、 幾何学演算によって 修正足平位置 ·姿勢を算出する。
第 38図を参照して概説すると、 先ず、 始点が Q 1 ' 、 始点が Q2' のべクト ルと、 向きが同じで大きさが 1の方向ベクトルを求める。 これを以降 V' と記述 する。
次に、 S 35の処理を除く処理で得られた修正目標第 1足平を、 姿勢を変えず に、 D 1 V' だけ平行移動させる。 図示の如く、 D 1は修正目標第 1足平の V' 方向への移動量であり、 以降、 第 1足平内力補償変位という。 D 1は、 スカラ変 数である。
同時に、 修正目標第 2足平を、 姿勢を変えずに、 D2V' だけ平行移動させる 。 D 2は修正目標第 2足平の V' 方向への移動量であり、 以降、 第 2足平内力補 償変位という。 D 1も、 スカラ変数である。 尚、 図示の状態では、 D 1は負、 D 2は正である。 通常、 D 1と D 2は極性が逆であるため、 両足平は、 逆位相に動 く。 以上が、 逆位相平行移動動作である。
上記を第 39図フロー 'チヤ一トを参照して更に詳細に説明する。
S 300において第 40図の時変特性を示す、 予め設定された分配用重み変数 Wd l, Wd 2の現在時刻 tにおける値を求める。
続いて S 302に進み、 実各足平床反力の力成分および目標各足平床反力の力 成分から式 1 9 aによって偏差 Fd e r rを算出する。 即ち、 第 37図に示すよ うに、 実第 1足平床反力の力成分 F 1 a c t、 実第 2足平床反力の力成分 F 2 a c t、 目標第 1足平床反力の力成分 F 1 r e f . および目標第 2足平床反力の力 成分 F 2 r e ί力、ら、 次の式 (式 1 9) によって偏差 Fd e r rを算出する。
Fd e r r=F 2 a c t - F l a c t— (F 2 r e卜 F l r e f )
■ · '式 1 9 a
尚、 目標第 1足平床反力の力成分 F 1 r e f および目標第 2足平床反力の力成 分 F 2 r e f は、 前記した目標歩容の中の値である。
続いて S 304に進み、 算出した偏差 Fd e r rを制御系の発振を防止するた めの口一パスフィルタに通し、 更に、 ゲイン Kd倍して差 D i f f を算出する。 続いて S 306に進み、 次式 (式 20 a, 式 21 a) によって、 第 1足平内力 補償変位 D 1と第 2足平内力補償変位 D 2を算出する。
D 1 =-Wd 1 *D d i f f . . . 式 20 a
D2= Wd 2 *D d i f f . . . 式 2 1 a
ここで、 Wd 1および Wd 2は、 非負の分配重み変数である。 Wd 1と Wd 2 の和は 1のとき、 D d i ί ίは、 修正目標第 2足平と修正目標第 1足平の間の距 離の伸び量を意味する。
分配用重み変数 Wd ηの設定例は第 40図に示す通りであるが、 図示の例では 以下の点を考慮して設定される。 即ち、 各足平内力補償変位が不連続に変化する と、 関節に過大なトルクが発生することから、 Wdnは、 連続的に変化するよう に設定される。
また、 足平が着地する頃に Wdnが零でないと、 足平着地位置が目標位置から ずれ、 却ってこの内力制御の支障となる場合がある。 従って、 足平が着地する付 近では Wdnは零にする。 また、 片足支持期は制御不要であることから、 Wdn を零にすると共に、 両脚支持期および直立時には Wd 1と Wd 2の和を 1にする かく得られた同位相補償変位 Dnも含め、 第 35図フロー ·チャートの S 38 において機構変形補償入り修正目標足平位置姿勢が算出される。
具体的には、 両脚補償角 0 d b v、 第 1足平 X補償角 01 x、 第 1足平 Y補償 角 1 y、 第 2足平 X補償角 02x、 第 2足平 Y補償角 02y、 第 1足平内力捕 償変位 D l、 および第 2足平内力補償変位 D 2に基づき、 前記した同位相平行移 動動作を含む複合コンプライアンス動作に従って修正目標足平位置姿勢が算出さ れる。
第 2の実施の形態は上記の如く構成したので、 これによつて、 概括すれば、 第 1の実施の形態と同様に、 実全床反力の制御と実各足平床反力の制御が殆ど干渉
しないようになり、 それらを容易に制御することができる。
即ち、 第 2の実施の形態にあっても、 第 1の実施の形態と同様に、 先に提案し た技術を改良し、 移動する目摞足平床反力中心点における実各足平床反力モ一メ ントを算出し、 それに基づいて目標足平床反力中心点を中心に足平を回転させる ように変更し、 その点まわりのモーメントを望ましい値に制御するようにした。 それによつて、 実全床反力と実各足平床反力がほとんど干渉することなく、 容易 に制御することが可能となつた。
従って、 第 2の実施の形態にあっても、 大域的なうねりや傾斜だけでなく、 局 所的な凹凸や傾斜なども含む予期しない床形状変化に遭遇しても、 その影響をあ まり受けずに脚式移動ロボッ 卜に作用する床反力を適切に制御することができる o
特に、 αボッ トの実各足平床反力の力成分を独立に制御するように構成したこ とで姿勢安定性を向上させてスリップを効果的に防止することができると共に、 関節ァクチユエ一夕の負担を軽減させることができる。
上記した第 1および第 2の実施の形態においては、 少なくとも基体 (上体 24 ) と、 前記基体に第 1の関節 ( 1 0, 1 2, 1 4 R (L) ) を介して連結される と共に、 その先端に第 2の関節 ( 1 8, 20 R (L) ) を介して連結される足部
(足平 22R (L) ) を備えた複数本 (2本) の脚部 (脚部リンク 2) からなる 脚式移動ロボッ トの制御装置において、 前記ロボッ トの少なくとも前記足部の目 標位置および姿勢を含む運動パターン (目標上体位置,姿勢、 目標足平位置,姿 勢) と、 前記ロボッ トに作用する全床反力の目標パターン (目標全床反力、 目標 全床反力中心点 (=目標 ΖΜΡ) ) を少なくとも含む前記ロボッ 卜の歩容を生成 する歩容生成手段 (歩容生成器、 S 1 0から S 22) 、 前記生成された歩容の全 床反力を前記足部のそれぞれに分配したときの前記足部上の作用中心点たる目標 足部床反力中心点 (目標各足平床反力中心点) を決定する目標足部床反力中心点 決定手段 (目標床反力分配器、 S 24, S 2 6) 、 前記足部に作用する実床反力
(実各足平床反力) を検出する実床反力検出手段 (6軸力センサ 44、 実各足平 床反力検出器、 S 32) 、 少なくとも前記検出された実床反力に基づいて前記足 部を回転させる回転量 (両脚補償角 0 d b v, z、 第 n足平補償角 0 nx, y,
z) を決定する足部回転量決定手段 (複合コンプライアンス動作決定部、 S 32 から S 34、 両脚補償角決定部、 第 n足平補償角決定部、 S 1 00から S 1 08 ) 、 前記決定された足部回転量に基づいて前記足部の位置およびノまたは姿勢が 回転するように前記目標位置および Zまたは姿勢を修正する第 1の足部位置,姿 勢修正手段 (複合コンプライアンス動作決定部、 S 38, S 40、 修正目標足平 位置 ·姿勢算出部) 、 少なくとも前記検出された実床反力に基づいて前記足部の 補償変位 Lnを算出する補償変位算出手段 (上体 Z方向加速度制御演算部、 同位 相補償変位算出部、 S 3 し S 35, S 200から S 208 ) 、 前記算出された 補償変位に基づいて目標足部位置 ·姿勢を修正する第 2の足部位置 ·姿勢修正手 段 (上体 Z方向加速度制御演算部、 同位相補償変位算出部、 S 38) および前記 第 1および前記第 1および第 2の足部位置 .姿勢手段によって修正された足部の 位置 '姿勢に基づいて前記ロボッ 卜の第 1および第 2の関節 ( 1 0, 1 2, 1 4 , 1 8, 20 R (L) ) を変位させる関節変位手段 (ロボッ ト幾何学モデル (キ ネマティクス演算部) 、 変位コントローラ、 S 40, S 42) を備えるように構 成した。
また、 前記足部回転量決定手段は、 前記検出された実床反力が前記算出された 目標足部床反力中心点まわりに作用するモーメント (実第 n足平床反力モーメン ト Ma c t x, y, z ) を算出し、 少なくとも前記算出されたモーメン トに基づ いて前記足部を回転させる回転量 (両脚補償角 0dbv, z、 第 n足平補償角 θ nx, y, z) を決定すると共に、 前記補償変位算出手段は、 前記検出された実 床反力から実全床反力の力成分 F t 0 t a 1 a c tを求めて前記生成された歩容 の全床反力の力成分 F r e f との偏差 F t o t a 1 e r rを算出し、 前記算出し た偏差に基づいて前記足部の補償変位 L nを算出するように構成した。
また、 前記第 1の足部位置 ·姿勢修正手段は、 前記決定された足部回転量に基 づいて前記足部の位置および/または姿勢が、 前記決定された目標足部床反力中 心点あるいはその近傍まわりに回転するように、 前記目標位置および/または姿 勢を修正するように構成した。
また、 前記第 1の足部位置 ·姿勢修正手段は、 前記決定された足部回転量に基 づいて前記足部の位置および Zまたは姿勢が、 前記決定された目標足部床反力中
心点あるいはその近傍まわりに回転するように、 前記目標位置および/または姿 勢を修正する如く構成した。
更に、 前記ロボッ トに実際に作用する全床反力モーメント (より正確にはモー メント成分 PQ1 *Flact +PQ2 *F2act +Mlact +M2act)、 または前記ロボッ ト に実際に作用する全床反力のモーメント (PQ1 *Flact +PQ2 *F2act +Mlact +M2act ) から前記足部に作用する床反力モーメント (Mlact +M2act)を減算し て得たモーメン ト (Mf 1 ί 2 a c t =PQ1 *Flact +PQ2 *F2act ) のいずれ かを算出し、 少なくとも前記算出されたモーメントに応じて前記足部を移動させ る移動量 (0 d b V, z)を決定する足部移動量決定手段 (複合コンプライアン ス動作決定部、 S 34、 両脚補償角決定部、 S 1 0 0から S 1 0 8) を備え、 前 記第 1の足部位置 ·姿勢修正手段は、 前記決定された足部回転量および前記決定 された移動量に基づいて前記足部の位置および Zまたは姿勢を修正するように構 成した。
また、 前記全床反力の目標パターンに付加する姿勢安定化捕償全床反力モーメ ント (補償全床反力 Mdmd) を求め、 前記足部回転量決定手段および Zまたは 前記足部移動量決定手段は、 少なくとも前記検出された実床反力 (実各足平床反 力) と前記求めた姿勢安定化補償全床反力モーメン トに基づいて前記足部の回転 量および/または移動量を決定する (S 34, S 1 0 0から S 1 0 8) 如く構成 した。
また、 前記姿勢安定化補償全床反力モーメン トを、 少なくとも前記ロボッ 卜の 傾き偏差 (0 e r r X, y) に基づいて求める (S 28, S 3 0) 如く構成した o
また、 前記補償変位算出手段は、 前記ロボッ 卜の基体加速度 (実上体上下加速 度) Gb 0 d yを検出する基体加速度検出手段 (S 3 1 ) 、 および前記検出され た基体加速度に基づき、 前記ロボッ トの姿勢を安定化するための補償床反力の力 成分 (の目標値 F dmd) を算出する補償全床反力力成分算出手段 (S 3 1 ) を 備え、 前記算出された補償全床反の力成分から前記偏差を減算して得た差 (F t 0 t a 1 d i f f あるいは L) に基づいて前記足部の補償変位 L nを算出する ( S 2 0 0から S 2 0 8 ) 如く構成した。
また、 前記補償変位算出手段は、 前記差 (F t 0 t a 1 d i ί f あるいは L) に所定の重み (アツテネータ Wl し W1 2) を乗じて前記足部の補償変位を足 部のそれぞれに分配する如く構成した。
また、 前記補償変位算出手段は、 前記足部が離床しているとき、 前記重みを零 にする如く構成した。
また、 前記補償変位算出手段は、 前記重みを前記実全床反力の力成分の周波数 に応じて可変にする如く構成した。
また、 前記補償変位算出手段は、 前記足部の補償変位を重力方向について算出 する如く構成した。
また、 前記補償変位算出手段は、 前記足部の補償変位を重心と目標全床反力中 心点を結ぶ線分の方向について算出する如く構成した。
また、 前記補償全床反力の力成分を零またはその近傍に設定する如く構成した o
また、 少なくとも基体 (上体 24) と、 前記基体に第 1の関節 (1 0, 1 2, 1 4 R (L) ) を介して連結されると共に、 その先端に第 2の関節 (1 8, 20 R (L) ) を介して連結される足部 (足平 22R (L) ) を備えた複数本 (2本 ) の脚部 (脚部リンク 2) からなる脚式移動ロボッ 卜の制御装置において、 前記 ロボッ 卜の少なくとも前記足部の目標位置および姿勢を含む運動パターン (目標 上体位置 ·姿勢、 目標足平位置 ·姿勢) と、 前記ロボッ トに作用する全床反力の 目標パターン (目標全床反力、 目標全床反力中心点 (=目標 ZMP) ) を少なく とも含む前記ロボッ 卜の歩容を生成する歩容生成手段 (歩容生成器、 S 1 0から S 22) 、 前記生成された歩容の全床反力を前記足部のそれぞれに分配したとき の前記足部上の作用中心点たる目標足部床反力中心点 (目標各足平床反力中心点 ) を決定する目標足部床反力中心点決定手段 (目標床反力分配器、 S 24, S 2 6) 、 前記足部に作用する実床反力 (実各足平床反力) を検出する実床反力検出 手段 (6軸力センサ 44、 実各足平床反力検出器、 S 32) 、 前記検出された実 床反力が前記算出された目標足部床反力中心点まわりに作用するモーメント (実 第 n足平床反力モーメン ト Ma c t X, y, z ) を算出し、 少なくとも前記算出 されたモーメン卜に基づいて前記足部を回転させる回転量 (両脚補償角 0 d b V
, z、 第 n足平補償角 0nx, y, z ) を決定する足部回転量決定手段 (複合コ ンプライアンス動作決定部、 S 32から S 34、 両脚補償角決定部、 第 n足平補 償角決定部、 S 1 00から S 1 08) 、 前記決定された足部回転量に基づいて前 記足部の位置および/または姿勢が回転するように前記目標位置および または 姿勢を修正する第 1の足部位置 ·姿勢修正手段 (複合コンプライアンス動作決定 部、 S 38, S 40、 修正目標足平位置 ·姿勢算出部) 、 前記検出された実床反 力から実全床反力に影響しない内力成分 (F 1 a c t +F 2 a c t) を求めて前 記生成された歩容の内力成分 (F l r e f +F 2 r e f ) との偏差 F d e r r, D d i f f を算出し、 前記算出した偏差に基づいて前記足部のそれぞれの補償変 位 Dnを算出する補償変位算出手段 (内力補償変位算出部、 S 35, S 300か ら S 306 ) 、 前記算出された補償変位に基づいて目標足部位置 ·姿勢を修正す る第 2の足部位置■姿勢修正手段 (上体 Z方向加速度制御演算部、 同位相補償変 位算出部、 S 38) および前記第 1および前記第 1および第 2の足部位置 ·姿勢 手段によって修正された足部の位置 ·姿勢に基づいて前記ロボッ 卜の第 1および 第 2の関節 (1 0, 1 2, 1 4, 1 8, 20 R (L) ) を変位させる関節変位手 段 (ロボッ ト幾何学モデル (キネマティ クス演算部) 、 変位コントローラ、 S 4 0, S 42) を備える如く構成した。
より具体的には、 前記補償変位手段は、 前記検出された実床反力から実全床反 力に影響しない内力成分 (F l a c t +F 2 a c t) を求めて前記生成された歩 容の内力成分 (F l r e f +F2 r e f ) との偏差 F d e r r , D d i f f を算 出し、 前記算出した偏差に基づいて前記足部のそれぞれの補償変位 D nを算出す る (内力補償変位算出部、 S 35, S 300から S 306 ) 如く構成した。 また、 少なくとも基体 (上体 24) と、 前記基体に第 1の関節 (1 0, 1 2, 1 4 R (L) ) を介して連結されると共に、 その先端に第 2の関節 (1 8, 20 R (L) ) を介して連結される足部 (足平 22R (L) ) を備えた複数本 (2本 ) の脚部 (脚部リンク 2) からなる脚式移動ロボッ ト 1の制御装置において、 前 記ロボットの少なくとも前記足部の目標位置および姿勢を含む運動パターン (目 標上体位置 ·姿勢、 目標足平位置 ·姿勢) と、 前記ロボッ トに作用する全床反力 の目標パターン (目標全床反力、 目標全床反力中心点 (=目標 ZMP) ) を少な
くとも含む前記ロボットの歩容を生成する歩容生成手段 (歩容生成器、 S 1 0か ら S 22) 、 前記生成された歩容の全床反力を前記足部のそれぞれに分配したと きの前記足部上の作用中心点たる目標足部床反力中心点 (目標各足平床反力中心 点) を決定する目標足部床反力中心点決定手段 (目標床反力分配器、 S 24) 、 前記足部に作用する実床反力 (実各足平床反力) を検出する実床反力検出手段 ( 6軸力センサ 44、 実各足平床反力検出器、 S 32) 、 少なくとも前記検出され た実床反力に基づいて前記足部を回転させる回転量 (両脚補償角 0 dbv, z、 第 n足平補償角 0nx, y, z ) を決定する足部回転量決定手段 (複合コンブラ ィアンス動作決定部、 S 32, S 34、 両脚補償角決定部、 第 n足平補償角決定 部、 S 1 00から S 1 08) 、 前記決定された足部回転量に基づいて前記足部の 位置および,または姿勢が、 前記決定された目標足部床反力中心点あるいはその 近傍まわりに回転するように、 前記目標位置および Zまたは姿勢を修正する第 1 の足部位置 ·姿勢修正手段 (複合コンプライアンス動作決定部、 S 38, S 40 、 修正目標足平位置 ·姿勢算出部) 、 前記検出された実床反力から実全床反力に 影響しない内力成分 (F 1 a c t +F 2 a c t) を求めて前記生成された歩容の 内力成分 (F r e f l +F r e f 2) との偏差 F d e r r, Dd i f f を算出し 、 前記算出した偏差に基づいて前記足部のそれぞれの補償変位 Dnを算出する補 償変位算出手段 (上体 Z方向加速度制御演算部、 同位相補償変位算出部、 S 35 , S 300から S 306 ) 、 前記算出された補償変位に基づいて目標足部位置 - 姿勢を修正する第 2の足部位置 ·姿勢修正手段 (上体 Z方向加速度制御演算部、 同位相補償変位算出部、 S 38) および前記第 1および前記第 1および第 2の足 部位置 ·姿勢手段によって修正された足部の位置 ·姿勢に基づいて前記ロボッ ト の第 1および第 2の関節 ( 1 0, 1 2, 1 4, 1 8, 2 OR (L) ) を変位させ る関節変位手段 (ロボッ ト幾何学モデル (キネマティクス演算部) 、 変位コント ローラ、 S 42) を備えるように構成した。
より具体的には、 足部回転量決定手段は、 少なくとも前記検出された実床反力 に基づいて前記足部を回転させる回転量 (両脚補償角 dbv, τ 第 η足平補 償角 0nx, y, z) を決定すると共に (複合コンプライアンス動作決定部、 S 32, S 34、 両脚補償角決定部、 第 n足平補償角決定部、 S 1 00から S 1 0
8 ) 、 前記第 1の足部位置 ·姿勢修正手段は、 前記決定された足部回転量に基づ いて前記足部の位置および Zまたは姿勢が、 前記決定された目標足部床反力中心 点あるいはその近傍まわりに回転するように、 前記目標位置および/または姿勢 を修正する (複合コンプライアンス動作決定部、 S 3 8, S 4 0、 修正目標足平 位置 ·姿勢算出部) ように構成した。
また、 前記第 1の足部位置,姿勢修正手段は、 前記決定された足部回転量に基 づいて前記足部の位置および Zまたは姿勢が、 前記決定された目標足部床反力中 心点あるいはその近傍まわりに回転するように、 前記目標位置および/または姿 勢を修正する如く構成した。
更に、 前記ロボッ トに実際に作用する全床反力モーメン ト (より正確にはモ一 メ ン ト成分 PQ1 *Flact +PQ2 *F2act +Mlact +M2act)、 または前記ロボッ ト に実際に作用する全床反力のモーメン ト (PQ1 *Flact +PQ2 *F2act +Mlact +M2act ) から前記足部に作用する床反力モーメン ト (Mlact +M2act)を減算し て得たモーメン ト (M f 1 f 2 a c t =PQ1 *Flact +PQ2 *F2act ) のいずれ かを算出し、 少なくとも前記算出されたモーメン卜に応じて前記足部を移動させ る移動量 (0 d b v, z) を決定する足部移動量決定手段 (複合コンプライアン ス動作決定部、 S 34、 両脚補償角決定部、 S 1 0 0から S 1 0 8) を備え、 前 記第 1の足部位置 ·姿勢修正手段は、 前記決定された足部回転量および前記決定 された移動量に基づいて前記足部の位置および/または姿勢を修正するように構 成した。
また、 前記全床反力の目標パターンに付加する姿勢安定化補償全床反力モ一メ ン ト (補償全床反力 Mdmd) を求め、 前記足部回転量決定手段および Zまたは 前記足部移動量決定手段は、 少なくとも前記検出された実床反力 (実各足平床反 力) と前記求めた姿勢安定化補償全床反力モーメン卜に基づいて前記足部の回転 量および/または移動量を決定する (S 34, S 1 0 0から S 1 0 8) 如く構成 した。
また、 前記姿勢安定化補償全床反力モーメン トを、 少なくとも前記ロボッ トの 傾き偏差 (6) e r r X, y) に基づいて求める (S 2 8, S 3 0) 如く構成した
また、 前記補償変位算出手段は、 前記偏差 (F d e r r , D d i f f ) に所定 の重み (W d n ) を乗じて前記足部の補償変位を足部のそれぞれに分配する如く 構成した。
また、 前記所定の重みが時変特性および Zまたは周波数特性を持つ如く構成し た。
また、 上記した第 1および第 2の実施の形態において、 ばね機構 3 2 (および 足底弾性体 3 4 ) 自身はこの発明の本質部分ではない。 この発明の本質はフィー ドバック制御部分にあり、 機構変形補償は付随的なものである。
また、 上記した第 1および第 2の実施の形態において、 ブロック線図は演算処 理順序を変えるなどの等価変形をしても良い。
また、 上記した第 1および第 2の実施の形態を、 先に提案した出願の第 1の実 施の形態に関して説明したが、 第 2あるいはそれ以降の実施の形態に関して追加 しても良い。
また、 この発明を 2足歩行ロボッ トに関して説明してきたが、 2足歩行ロボッ トに限らず、 多脚ロボッ トにも応用することができる。 産業上の利用可能性
この発明によれば、 脚式移動ロボッ トに作用する床反力を、 干渉を生じること なく、 容易かつ適切に制御することができる。 換言すれば、 先に提案した両脚コ ンプライアンス制御および足首コンプライアンス制御の併用に近い制御を行って も、 制御の干渉がなく、 実全床反力と実各足平床反力が望ましい値からずれたり 発振することがない。
また、 脚式移動ロボッ 卜の姿勢安定化制御を容易に実現できると共に、 脚式移 動ロボッ 卜が受ける実床反力の力成分に対してコンプライアンス制御を行うこと で着地衝撃を低減することができ、 脚式移動ロボッ トの接地性を高め、 歩行時の スリップやスピンを防止することができる。 更に、 ロボッ トの実各足平床反力が 作り出す内力成分 (実全床反力に影響しない成分の組み合わせ) を独立に制御す ることで姿勢安定性を向上させてスリップを効果的に防止することができると共 に、 関節ァクチユエ一夕の負担を軽減させることができる。
更には、 大域的なうねりや傾斜だけでなく、 局所的な凹凸や傾斜なども含む予 期しない床形状変化があっても、 その影響をあまり受けずに脚式移動ロボッ トに 作用する床反力を適切に制御することができる。 また、 脚式移動ロボッ トのァク チユエ一夕の負荷を低減することができる。
Claims
1 . 少なくとも基体と、 前記基体に第 1の関節を介して連結されると共に、 その 先端に第 2の関節を介して連結される足部を備えた複数本の脚部からなる脚式移 動 oボッ トの制御装置において、
a . 前記ロボッ トの少なくとも前記足部の目標位置および姿勢を含む運動パター ンと、 前記ロボッ 卜に作用する全床反力の目標パターンを少なくとも含む前 記ロボッ トの歩容を生成する歩容生成手段、
b . 前記生成された歩容の全床反力を前記足部のそれぞれに分配したときの前記 足部上の作用中心点たる目標足部床反力中心点を決定する目標足部床反力中 心点決定手段、
c 前記足部に作用する実床反力を検出する実床反力検出手段、
d . 少なくとも前記検出された実床反力に基づいて前記足部を回転させる回転量 を決定する足部回転量決定手段、
e . 前記決定された足部回転量に基づいて前記足部の位置および/または姿勢が 回転するように前記目標位置および または姿勢を修正する第 1の足部位置 •姿勢修正手段、
f . 少なくとも前記検出された実床反力に基づいて前記足部の補償変位を算出す る補償変位算出手段、
g . 前記算出された補償変位に基づいて目標足部位置■姿勢を修正する第 2の足 部位置 ·姿勢修正手段、
および
h . 前記第 1および第 2の足部位置 ·姿勢手段によって修正された足部の位置 · 姿勢に基づいて前記ロボッ トの第 1および第 2の関節を変位させる関節変位 手段、
を備えたことを特徴とする脚式移動ロボッ 卜の制御装置。
2 . 前記足部回転量決定手段は、 前記検出された実床反力が前記算出された目標 足部床反力中心点まわりに作用するモーメントを算出し、 少なくとも前記算出さ れたモーメントに基づいて前記足部を回転させる回転量を決定すると共に、 前記
補償変位算出手段は、 前記検出された実床反力から実全床反力の力成分を求めて 前記生成された歩容の全床反力の力成分との偏差を算出し、 前記算出した偏差に 基づいて前記足部の補償変位を算出することを特徴とする請求項 1項記載の脚式 移動 Πボッ 卜の制御装置。
3 . 前記第 1の足部位置 ·姿勢修正手段は、 前記決定された足部回転量に基づい て前記足部の位置および Zまたは姿勢が、 前記決定された目標足部床反力中心点 あるいはその近傍まわりに回転するように、 前記目標位置および/または姿勢を 修正することを特徵とする請求項 1項または 2項記載の脚式移動ロボッ 卜の制御
4 . 前記第 1の足部位置 ·姿勢修正手段は、 前記決定された足部回転量に基づい て前記足部の位置および/または姿勢が、 前記決定された目標足部床反力中心点 あるいはその近傍まわりに回転するように、 前記目標位置およびノまたは姿勢を 修正することを特徵とする請求項 1項または 2項記載の脚式移動口ボッ トの制御
5 . 更に、
i . 前記ロボッ トに実際に作用する全床反力モーメン ト、 または前記ロボッ トに 実際に作用する全床反力モーメントから前記足部に作用する床反カモ一メン トを減算して得たモーメントのいずれかを算出し、 少なくとも前記算出され たモーメン トに応じて前記足部を移動させる移動量を決定する足部移動量決 定手段、
を備え、 第 1の前記足部位置 ·姿勢修正手段は、 前記決定された足部回転量およ び前記決定された移動量に基づいて前記足部の位置および/または姿勢を修正す ることを特徴とする請求項 1項ないし 4項のいずれかに記載の脚式移動ロボッ ト の制御装置。
6 . 前記全床反力の目標パターンに付加する姿勢安定化補償全床反力モーメ ン ト
を求め、 前記足部回転量決定手段および/または前記足部移動量決定手段は、 少 なくとも前記検出された実床反力と前記求めた姿勢安定化補償全床反力モーメン トに基づいて前記足部の回転量および/または移動量を決定することを特徴とす る請求項 1項ないし 5項のいずれかに記載の脚式移動ロボッ 卜の制御装置。
7 . 前記姿勢安定化補償全床反力モーメントを、 少なくとも前記ロボッ トの傾き 偏差に基づいて求めることを特徴とする請求項 1項ないし 6項のいずれかに記載 の脚式移動ロボッ 卜の制御装置。
8 . 前記補償変位算出手段は、
j . 前記ロボッ 卜の基体加速度を検出する基体加速度検出手段、
および
k . 前記検出された基体加速度に基づき、 前記ロボッ 卜の姿勢を安定化するため の補償床反力の力成分を算出する補償全床反力力成分算出手段、
を備え、 前記算出された補償全床反の力成分から前記偏差を減算して得た差に基 づいて前記足部の補償変位を算出することを特徴とする請求項 1項ないし 7項の いずれかに記載の脚式移動ロボッ トの制御装置。
9 . 前記補償変位算出手段は、 前記差に所定の重みを乗じて前記足部の補償変位 を足部のそれぞれに分配することを特徴とする請求項 8項記載の脚式移動ロボッ 卜の制御装置。
1 0 . 前記補償変位算出手段は、 前記足部が離床しているとき、 前記重みを零に することを特徴とする請求項 9項記載の脚式移動ロボッ トの制御装置。
1 1 . 前記補償変位算出手段は、 前記重みを前記実全床反力の力成分の周波数に 応じて可変にすることを特徴とする請求項 9項記載の脚式移動口ボッ トの制御装
1 2 . 前記補償変位算出手段は、 前記足部の補償変位を重力方向について算出す ることを特徴とする請求項 1項ないし 1 1項のいずれかに記載の脚式移動ロボッ 卜の制御装置。
1 3 . 前記補償変位算出手段は、 前記足部の補償変位を重心と目標全床反力中心 点を結ぶ線分の方向について算出することを特徴とする請求項 1項ないし 1 1項 のいずれかに記載の脚式移動ロボッ 卜の制御装置。
1 4 . 前記補償全床反力の力成分を零またはその近傍に設定することを特徴とす る請求項 8項ないし 1 3項のいずれかに記載の脚式移動ロボッ 卜の制御装置。
1 5 . 前記補償変位算出手段は、 前記検出された実床反力から実全床反力に影響 しない内力成分を求めて前記生成された歩容の内力成分との偏差を算出し、 前記 算出した偏差に基づいて前記足部のそれぞれの補償変位を算出することを特徴と する請求項 1項記載の脚式移動ロボッ トの制御装置。
1 6 . 前記足部回転量決定手段は、 少なくとも前記検出された実床反力に基づい て前記足部を回転させる回転量を決定すると共に、 前記第 1の足部位置■姿勢修 正手段は、 前記決定された足部回転量に基づいて前記足部の位置および/または 姿勢が、 前記決定された目標足部床反力中心点あるいはその近傍まわりに回転す るように、 前記目標位置および,または姿勢を修正することを特徴とする請求項
3項記載の脚式移動ロボッ 卜の制御装置。
1 7 . 前記第 1の足部位置 ·姿勢修正手段は、 前記決定された足部回転量に基づ いて前記足部の位置および/または姿勢が、 前記決定された目標足部床反力中心 点あるいはその近傍まわりに回転するように、 前記目標位置および/または姿勢 を修正することを特徴とする請求項 1 5項記載の脚式移動ロボッ 卜の制御装置。
1 8 . 更に、
1 . 前記ロボッ トに実際に作用する全床反力モーメン ト、 または前記ロボッ トに 実際に作用する全床反カモ一メン卜から前記足部に作用する床反力モーメン トを減算して得たモーメン 卜のいずれかを算出し、 少なくとも前記算出され たモーメ ントに応じて前記足部を移動させる移動量を決定する足部移動量決 定手段、
を備え、 前記第 1の前記足部位置,姿勢修正手段は、 前記決定された足部回転量 および前記決定された移動量に基づいて前記足部の位置およびノまたは姿勢を修 正することを特徴とする請求項 1 5項ないし 1 7項のいずれかに記載の脚式移動 ロボッ 卜の制御装置。
1 9 . 前記全床反力の目標パターンに付加する姿勢安定化補償全床反力モーメン トを求め、 前記足部回転量決定手段おょぴ または前記足部移動量決定手段は、 少なくとも前記検出された実床反力と前記求めた姿勢安定化補償全床反力モーメ ン卜に基づいて前記足部の回転量および または移動量を決定することを特徴と する請求項 1 5項ないし 1 8項のいずれかに記載の脚式移動ロボッ トの制御装置
2 0 . 前記姿勢安定化補償全床反力モーメン トを、 少なくとも前記ロボッ トの傾 き偏差に基づいて求めることを特徴とする請求項 1 5項ないし 1 9項のいずれか に記載の脚式移動ロボッ 卜の制御装置。
2 1 . 前記補償変位算出手段は、 前記偏差に所定の重みを乗じて前記足部の補償 変位を足部のそれぞれに分配することを特徴とする請求項 1 5項ないし 2 0項記 載の脚式移動ロボッ トの制御装置。
2 2 . 前記所定の重みが時変特性および/または周波数特性を持つことを特徴と する請求項 2 1項記載の脚式移動ロボッ トの制御装置。
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