WO2006013778A1 - 脚式移動ロボットの制御方法 - Google Patents

脚式移動ロボットの制御方法 Download PDF

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WO2006013778A1
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robot
upper body
force
center
gravity
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PCT/JP2005/013839
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English (en)
French (fr)
Inventor
Tadaaki Hasegawa
Naohide Ogawa
Original Assignee
Honda Motor Co., Ltd.
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62DMOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D57/00Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track
    • B62D57/02Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members
    • B62D57/032Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members with alternately or sequentially lifted supporting base and legs; with alternately or sequentially lifted feet or skid
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J5/00Manipulators mounted on wheels or on carriages
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J13/00Controls for manipulators

Definitions

  • the present invention relates to a control method for a legged mobile robot, and more particularly to a control method for moving a certain object by the robot.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-230485
  • the direct force component of the moment generated around the target ZMP is the resultant force of the inertial force generated by the motion of the robot and the gravity and external force acting on the robot.
  • the target gait should be generated so as to satisfy the dynamic equilibrium condition that the component (horizontal component) becomes 0 (the floor reaction force acting on the center point of the target floor reaction force balances the above-mentioned combined force). ing.
  • the ZMP changes suddenly due to a sudden change in the external force.
  • the ZMP changes suddenly due to a sudden change in the external force.
  • the support polygon is the smallest convex polygon including the contact surface of the robot.
  • the work of pushing the object is started in consideration of the change in ZMP due to the reaction force acting on the robot (here, a biped robot).
  • the arm's hand More generally, the part engaged with the object to push the object
  • the ZMP suddenly changes when the force is applied from the robot to the object.
  • the present invention has been made in view of the strong background, and when moving an object by a robot, while preventing the ZMP from greatly changing before and after the start of the movement, Disclosure of the Invention An object of the present invention is to provide a control method capable of smoothly changing the motion of a bot.
  • a first invention of a legged mobile robot control method of the present invention moves an object by a legged mobile robot having a plurality of legs extending from an upper body.
  • a second step of starting the movement of the object is
  • an acceleration motion of the upper body of the robot is performed in order to give a motion amount (translational motion amount) to the center of gravity of the robot.
  • a motion amount translational motion amount
  • inertial force due to the movement of the center of gravity is generated, but force is not applied to the object from the robot! / ⁇ (the force acting on the object from the robot is 0 or almost 0) Because The object force and the reaction force received by the robot are almost zero.
  • ZMP is the result of the resultant force of the inertial force generated by the motion of the robot (the motion of the center of gravity), the gravity acting on the robot, and the reaction force received by the robot from the object. A point on the floor where the horizontal component of the moment is zero.
  • the robot's center of gravity has a momentum
  • the predetermined part force of the robot also acts on the target, so the reaction force that the robot receives from the target It is possible to start moving the object while generating an inertial force in the opposite direction to the center of gravity of the robot (in other words, reducing the momentum of the center of gravity of the robot by the reaction force). Therefore, when the robot starts to move the object by applying a force to the object, the sum of the reaction force received by the robot from the object and the inertial force of the gravity center in the opposite direction (vector) Sum) can be reduced. Therefore, the ZMP is prevented from deviating from the support polygon or being biased to the end of the support polygon, and the ZMP is accommodated in the support polygon with a margin as in the first step. Can be.
  • the robot when the object is moved, the robot is not controlled to a special posture in which the support polygon that is the range in which the ZMP can exist extends in the moving direction. Smoothly change the robot's motion while suppressing the ZMP from changing abruptly between the time the ZMP starts moving (first step) and the time after the moving starts (second step). Is possible.
  • the first invention uses the momentum of the translational motion of the center of gravity of the robot, but may use the angular momentum. That is, the second invention of the control method of the legged mobile robot of the present invention provides the robot with an operation for moving the object by the legged mobile robot having a plurality of legs extending from the upper body. In the control method to be performed, in a state where the robot is opposed to the object, the upper body of the robot should move the object while preventing the force from acting on the object from the robot.
  • the posture change motion of the upper body of the robot in order to give the upper body an angular momentum around the center of gravity of the robot, the posture change motion of the upper body of the robot (an upper body with angular acceleration). Tilting movement).
  • an inertial force is generated due to the posture change motion of the upper body of the robot.
  • the force is not applied to the object from the robot.
  • the force is also zero or almost zero.
  • a force is applied to a predetermined part force target of the robot in a state where the upper body of the robot has an angular momentum. It is possible to start moving the object while reducing the angular momentum around the center of gravity of the robot's upper body by the reaction force received. For this reason, when the robot starts to move the target by applying a force to the target, the target force is also applied to the moment generated around the center of gravity of the robot by the reaction force received by the robot, and the opposite direction. It is possible to reduce the sum (vector sum) with the inertial force (moment) associated with the angular acceleration (deceleration of the angular velocity) of the upper body. Therefore, avoiding ZMP from deviating from the support polygon or being biased to the end of the support polygon so that the ZMP can be accommodated within the support polygon in the same way as in the first step. can do.
  • the second invention when the object is moved, a special posture in which the support polygon that is the range in which the ZMP can exist is expanded in the moving direction. Without controlling the robot at the same time, the ZMP is prevented from abruptly changing between the start of the movement of the object (first step) and the start of the movement (second step) The robot's movement can be changed smoothly.
  • the first invention and the second invention are combined, and the momentum of the translational motion of the center of gravity of the robot and the upper body You may use both with angular momentum.
  • the third invention of the control method of the legged mobile robot of the present invention is directed to the robot for moving the object by the legged mobile robot having a plurality of legs extending from the upper body.
  • the center of gravity of the robot should be moved in the direction in which the object should be moved while the force from the robot does not act on the object.
  • a second step of starting the movement of the object by applying a force to the object from a predetermined part provided on the upper body of the robot in a state where the amount and the angular momentum are provided.
  • the acceleration motion of the center of gravity of the robot (translational acceleration motion) and the angular acceleration motion of the upper body are performed. It is performed in a state where the bot receives almost no reaction force.
  • the ZMP fits in the support polygon, which is the smallest convex polygon including the robot's contact surface (the contact surface of the leg). Is possible.
  • a force is applied to a predetermined part force target of the robot in a state where the center of gravity of the robot has a translational momentum and the upper body has an angular momentum. Therefore, as in the first and second inventions, when the robot starts to move the object by applying a force to the object, the ZMP deviates from the support polygon, The ZMP can be accommodated in the support polygon with a margin as in the case of the first step by avoiding the bias to the end of the support polygon.
  • the robot when the object is moved, the robot has a special posture in which the support polygon that is the range in which the ZMP can exist extends in the moving direction.
  • the ZMP does not control the abrupt change of the ZMP between the start of the movement of the object (first step) and the start of the movement (second step). It is possible to smoothly change the operation of this.
  • the predetermined part is an arm body extending from the upper body.
  • the arm body is provided with at least one joint capable of changing the distance between the tip portion and the upper body, at least the arm body is provided before the first step.
  • a force is applied from the robot to the target by operating the joint of the arm while the tip of the arm of the robot is in contact with the target.
  • the robot's upper body can be moved so that the robot does not act, and the robot's center of gravity can have a translational momentum or the upper body can have an angular momentum.
  • the upper body of the robot should be brought closer to the object in order to move the object (for example, when trying to move the object by pushing the object), the upper body and the tip of the arm body It is only necessary to move the joints of the arm body so that the distance decreases.
  • the step of bringing at least the tip of the arm body into contact with the object is executed in a state where the movement of the robot is stopped (fifth invention). This makes it possible to smoothly perform a series of operations including the operation of bringing the arm into contact with the object and the subsequent first step and second step.
  • the first to fifth inventions are suitable when the number of the leg bodies is two, that is, when the legged mobile robot is a biped mobile robot (sixth invention).
  • the movement of the object is not limited to moving the object on the floor surface, but includes movement of lifting the object from the floor surface.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a legged mobile robot according to this embodiment in a side view.
  • This mouth Bot 1 is a two-legged mobile robot with two legs 3, 3 extending downward from the upper body (base body) 2 and both side forces on the left and right of the upper body 2 (perpendicular to the page).
  • Two extended arm bodies 4 and 4 and a head 5 supported on the upper end of the upper body 2 are provided. Since FIG. 1 is a side view, only the leg 3 and the arm 4 are shown on the right side of the robot 1 (the left leg and arm are shown in the drawing). And the right leg 3 and arm 4).
  • Each leg 3 is connected to the upper body 2 via a hip joint 3a, and includes a knee joint 3b and an ankle joint 3c between the foot 6 and the hip joint 3a at the tip of the leg 3. Yes.
  • These hip joint 3a, knee joint 3b and ankle joint 3c can rotate around one axis or a plurality of axes.
  • the hip joint 3a can rotate around three axes
  • the knee joint 3b can rotate around one axis
  • the ankle joint 3c can rotate around two axes.
  • the foot 6 of each leg 3 can move with 6 degrees of freedom relative to the upper body 2.
  • Each arm body 4 is connected to the upper body 2 via a shoulder joint 4a, and includes an elbow joint 4b and a wrist joint 4c between the tip 7 of the arm body 4 and the shoulder joint 4a.
  • These shoulder joint 4a, elbow joint 4b, and wrist joint 4c can rotate around one or more axes.
  • the shoulder joint 4a can rotate around three axes
  • the elbow joint 4b can rotate around one axis
  • the wrist joint 4c can rotate around three axes.
  • the hand 7 of each arm body 4 can move with 7 degrees of freedom with respect to the upper body 2.
  • Each arm body 4 can change the distance between the tip 7 of the arm body 4 and the upper body 2 by the operation of its joints 4a, 4b, 4c.
  • the arm bodies 4 and 4 correspond to predetermined portions in the present invention.
  • the degree of freedom of the leg body 3 and the arm body 4, or the number of joints or the number of rotation axes of each joint does not necessarily have to be as described above, depending on the motion form that the robot 1 wants to perform. What is necessary is just to set suitably.
  • the arm body 4 may include only one joint that can change the distance between the hand 7 (tip portion) and the upper body 2.
  • Each joint of each leg 3 and each arm 4 is provided with a joint actuator (not shown) such as an electric motor. By driving the joint actuator, each leg 3 and And the desired movement of each arm 4 is performed.
  • the upper body 2 is equipped with a control unit 10 including a microphone mouth computer and the like. The movement of each joint actuator, and hence the movement of each leg 3 and each arm 4 are controlled.
  • FIG. 2 and FIG. 3 the operation control of the robot 1 when the robot 1 of the present embodiment performs an operation of moving a certain object, for example, an operation of pushing and moving the object.
  • Figures 2 (a) to 2 (e) are diagrams showing the positional relationship between the object A (cart in the example shown in the figure) and the robot 1 in a time-series view, as shown in Figures 3 (a) to 3 (e).
  • FIG. 4 is a diagram showing the center of gravity of the robot 1 and the horizontal plane position of the ZMP in time series corresponding to FIGS. 2 (a) to 2 (e).
  • ZMP is indicated by an X mark.
  • the robot 1 is opposed to the object A (the object A is present in front of the robot 1), and the hands 7 of the arms 4 and 4 7 , 7 is brought into contact with the object A.
  • the hands 7 and 7 of the arms 4 and 4 do not act on the object A so that the pushing force does not act on the object A (so that the force acting on the object A from the robot 1 becomes almost 0).
  • Abut (contact) In this example, the legs 1 and 2 of the robot 1 are continuously grounded in parallel with the left and right, and the robot 1 stops moving. Further, in the example described in the present embodiment, the grounding positions of the force feet 6 and 6 in which the legs 1 and 2 of the robot 1 are arranged side by side may be shifted back and forth.
  • the ZMP of the robot 1 is the inertial force generated by the motion of the robot 1 (the motion of the center of gravity G), the gravity acting on the robot 1, and the reaction force that the robot 1 receives from the object A (hereinafter referred to as the target).
  • the target This is the point on the floor where the horizontal component of the moment generated around that point is zero.
  • the inertial force and the object reaction force are almost zero, so the point on the floor surface below the center of gravity G is the ZMP.
  • FIG. 2 (c) an operation of projecting the hands 7 and 7 of both arms 4 and 4 (an operation of moving the hands 7 and 7 away from the upper body 2) is started.
  • the moving speed of the upper body 2 of the robot 1 to the front is reduced while the force F is applied to the object A in the forward direction.
  • the operation shown in FIG. 2 (c) corresponds to the operation of the second step in the present invention.
  • a reaction force of the force F applied from the robot 1 to the object A acts on the center of gravity G from the object A.
  • ZMP supports the ground contact surface of robot 1 (the contact surfaces of both feet 6 and 6). It is located near the center of the support polygon s that is not too biased at the end of the polygon s.
  • the robot 1 moves to the center of the support polygon S when viewed in plan view with its center of gravity G force.
  • the robot 1 is controlled to be in the posture state shown in FIG. In this case, the movement control of the leg body 3 and the arm body 4 of the robot 1 is performed so that the ZMP is positioned substantially at the center of the support polygon S as shown in FIGS. 3 (d) and 3 (e), for example. It is.
  • the motion of FIGS. 2 (d) and 2 (e) is the acceleration motion of the center of gravity G (the acceleration motion of the upper body 2).
  • the change in ZMP can be suppressed to be relatively small, and the ZMP can be accommodated in the support polygon with a margin. . Therefore, it is not necessary to intentionally open the legs 6, 6 of the legs 2, 2 back and forth before landing on the object A, and the robot 1 can move the object A quickly and smoothly. Can start.
  • FIG. 4 is a diagram showing the center of gravity of the robot 1 and the horizontal position of the ZMP in time series corresponding to FIGS. 4 (a) to (f).
  • ZMP is indicated by X.
  • the robot 1 is made to face the object A (the front front of the robot 1). And the hands 7 and 7 of the arms 4 and 4 are brought into contact with the object A). In this case, the hands 7 and 7 of the arms 4 and 4 do not act on the object A so that the pushing force does not act on the object A (so that the force acting on the object A from the robot 1 becomes almost 0). Abut (contact).
  • the legs 1 and 2 of the robot 1 are continuously grounded in parallel with the left and right, and the robot 1 stops moving. Further, in the example described in the present embodiment, the grounding positions of the force feet 6 and 6 in which the legs 1 and 2 of the robot 1 are arranged side by side may be shifted back and forth.
  • Fig. 4 (a) The state of Fig. 4 (a) is the same as the state of Fig. 2 (a) in the first embodiment. That is, the center of gravity G of the robot 1 is almost stationary and is located above the foot 6 when viewed from the side.
  • the ZMP of the robot 1 is a support polygon S including the ground contact surface of the robot 1 (the contact surfaces of both feet 6 and 6) as shown in FIG. 5 (a). Near the center of the center of gravity of G.
  • the upper body 2 of the robot 1 is tilted forward (the upper body 2 approaches the object A in FIG. c) While accelerating in the direction of arrow Y3
  • the legs 3 and 3 are moved so as to be tilted (actuator control of the joints 3a to 3c is performed).
  • the upper body 2 has an angular momentum around the center of gravity G of the robot 1 (increases the angular movement amount).
  • the arms 4 and 4 do not receive a pressing force on the object A (so that the force acting on the object A from the robot 1 becomes almost 0).
  • the operation of the actuator is controlled.
  • the arms 2 and 4 are moved closer to the body 2 by the forward tilting motion of the body 2 so that the hands 7 and 7 of the arms 4 and 4 are brought closer to the body 2.
  • the center of gravity G of the robot 1 may not be moved, but in the example shown in the figure, it is accelerated slightly toward the front (toward the object A).
  • FIG. 5 the inertial force (moment, opposite to that of the body 2 due to forward tilt (increase of angular momentum in the forward tilt direction) of the upper body 2 is shown in Fig. 5 (c).
  • a broken arrow Y4 appears around the center of gravity G.
  • the dashed arrow indicates the inertial force (moment) accompanying the posture tilting motion of the upper body 2.
  • the direction of the inertial force is the forward tilt direction of the upper body 2 when the direction of the broken arrow is forward, and the backward tilt direction of the upper body 2 when the direction of the broken arrow is backward. It is assumed that
  • the center of gravity G of the robot 1 is also slightly accelerated forward as described above, so that the inertial force of the center of gravity G is as shown by the arrow Y5 in Fig. 5 (c). Occurs in the rearward direction.
  • the object reaction force received by the robot 1 is almost zero.
  • ZMP moves to the rear side of the support polygon S as shown in FIG.
  • the forward tilting motion of the upper body 2 of the robot 1 is performed so that the ZMP is within the support polygon S and does not change suddenly.
  • the robot 1 causes the upper body 2 to have an angular momentum (angular momentum in the forward tilt direction) around the center of gravity G, and the center of gravity G does not move as shown in Fig. 4 (c). It has a forward momentum (translational momentum).
  • the operation of FIG. 4 (c) corresponds to the operation of the first step in the second invention or the third invention.
  • FIG. 4 (d) an operation of projecting the hands 7 and 7 of both arms 4 and 4 (an operation of moving the hands 7 and 7 away from the upper body 2) is started. While the object A is directed forward and the force F is applied, the angular momentum of the upper body 2 of the robot 1 toward the forward tilt side is decreased (the tilt speed of the upper body 2 is reduced). At this time, the movement speed of the robot 1 toward the front of the center of gravity G is also reduced. Thereby, the operation of pushing the object A forward of the robot 1 is started.
  • the operation of FIG. 4 (d) corresponds to the operation of the second step in the second invention or the third invention.
  • an inertial force (moment) is generated in the upper body 2 of the robot 1 in the forward tilt direction as shown by the broken arrow Y6 in FIG. 5 (d).
  • An inertial force (translational inertial force) is generated in front of the robot 1, as indicated by an arrow Y7 in FIG. 5 (d).
  • ZMP is near the center of the support polygon S without being too biased to the end of the support polygon S including the contact surface of the robot 1 (the contact surfaces of both feet 6 and 6) as shown in Fig. 5 (d).
  • the object A as shown in FIG. 4 (e) self-runs and leaves the robot 1.
  • the robot 1 is returned to the vertical posture as shown in FIGS.
  • the center of gravity G is controlled to move substantially to the center of the support polygon S when viewed in plan, and finally to the posture state of the robot 1 shown in FIG. 4 (f).
  • the movement control of the leg body 3 and the arm body 4 of the robot 1 is performed so that the ZMP is positioned almost at the center of the support polygon S as shown in FIGS. 5 (e) and 5 (f), for example. .
  • the operation of the robot 1 described above (the operation of pressing and moving the object A)
  • the ZMP change is suppressed to a relatively small one. It can be accommodated in the support polygon with a margin. Therefore, as in the first embodiment, the object by the robot 1 that does not have to intentionally open and close the feet 6 and 6 of the legs 2 and 2 before and after starting to push the object A. A's moving work can be started quickly and smoothly.
  • a momentum can also be generated in the center of gravity G of the robot 1.
  • a momentum can also be generated in the center of gravity G of the robot 1.
  • the force that causes the hands 7 and 7 of the arm bodies 4 and 4 to come into contact with the object A before the object A is pushed and moved may be brought into contact with the object A while moving the upper body 3 so that the upper body 2 has an angular momentum.
  • the present invention can also be applied to the case where the force object A is pulled and moved by taking the case where the object A is pushed and moved as an example.
  • the center of gravity G of the robot 1 before applying the pulling force to the object A, the center of gravity G of the robot 1 has a momentum on the rear side, or the upper body 2 so that the upper body 2 of the robot 1 has an angular momentum on the backward tilt side. It is only necessary to accelerate 2 backward or backward and then apply a pulling force from robot 1 to object A.
  • the present invention can also be applied to the case where the object is lifted by the robot 1.
  • the force in the lifting direction is not applied to the object.
  • the posture of the upper body 2 of the robot 1 is caused to accelerate toward the vertical posture. This makes the robot 1 An angular momentum in the backward tilt direction is generated in the upper body 2 of.
  • a force in the lifting direction is applied to the object from the arm bodies 4 and 4, and the object is moved using the angular momentum. Just lift it up.
  • the present invention is applicable to a case where a legged mobile robot such as a bipedal mobile robot performs various operations such as pushing, moving, pulling, or lifting various objects. This is useful for ensuring the stability of the posture of the robot before and after the start of the movement of the object.
  • FIG. 1 is a diagram showing a biped mobile robot as a legged mobile robot in a first embodiment of the present invention in a side view.
  • FIGS. 2 (a) to 2 (e) are diagrams showing the positional relationship between the object and the robot in the first embodiment in a time series view.
  • FIGS. 3 (a) to 3 (e) are diagrams showing the center of gravity of the robot 1 and the horizontal position of the ZMP in the first embodiment in time series corresponding to FIGS. 2 (a) to (e), respectively. .
  • FIGS. 4 (a) to 4 (f) are diagrams showing the positional relationship between the object and the robot in the second embodiment in a time series view.
  • Figs. 3 (a) to (f) are diagrams showing the center of gravity of the robot 1 and the horizontal position of the ZMP in the second embodiment in time series corresponding to Figs. 2 (a) to (f), respectively. .

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Description

明 細 書
脚式移動ロボットの制御方法
技術分野
[0001] 本発明は脚式移動ロボットの制御方法に関し、特に該ロボットによりある対象物を移 動させる場合の制御方法に関する。
背景技術
[0002] 脚式移動ロボットにより対象物を移動させる作業を行う技術としては、例えば本願出 願人による特開平 10— 230485号公報(以下、特許文献 1という)に見られるものが 知られている。
[0003] この技術では、ロボットの運動により発生する慣性力と、ロボットに作用する重力お よび外力との合力が目標 ZMP (目標床反力中心点)まわりに発生するモーメントの鉛 直成分を除く成分 (水平成分)が 0になる(目標床反力中心点に作用する床反力と上 記合力とが釣り合う)という動力学的平衡条件を満たすように、目標歩容を生成するよ うにしている。
[0004] 前記特許文献 1に見られる技術では、例えば対象物を押す作業を開始する前は、 対象物からロボットが受ける反力(外力)は 0であるから、ロボットの運動により発生す る慣性力と重力との合力が目標 ZMPまわりに発生するモーメントの水平成分が 0に なるように歩容が生成されることとなる。そして、対象物を押す作業を開始するときか ら、上記慣性力と重力と 0でない外力との合力が目標 ZMPまわりに発生するモーメン トの水平成分が 0になるように歩容が生成されることとなる。
[0005] このため、対象物を押す作業を開始するときに、外力が急変することで、 ZMPが急 変する。このため、対象物を押す前と後とでロボットの運動状態を滑らかに変化させ ながら、 ZMPをロボットの接地面 (より詳しくは、いわゆる支持多角形)の適正な範囲 内に収めることが困難となって、ロボットの安定性を確保することが困難となる恐れが あった。ここで、支持多角形は、ロボットの接地面を含む最小の凸多角形である。
[0006] そこで、例えば対象物を押す作業を開始したときにロボット (ここでは 2足移動ロボッ トとする)に作用する反力による ZMPの変化を考慮し、対象物を押す作業を開始する 前に、ロボットを前傾姿勢にして腕体の手先 (より一般的には対象物を押すために対 象物に係合させる部位)を対象物に当接させると共に、両脚体を前後に開いて着地 させる。そして、この状態から、腕体を介して対象物に力を加えることが考えられる。こ の場合、両脚体を前後に開くことで、対象物を移動させるべき方向での支持多角形 の長さが長くなるので、ロボットから対象物に力をカ卩えることで、 ZMPが急変しても該 ZMPが適切な範囲に収まるようにして、ロボットの安定性を保ちつつ、対象物を押す ことが可能となる。
[0007] しかし、このようにした場合には、対象物を押す作業を開始する前に、ロボットの体 勢を上記のように整える特別な動作制御が必要となる。このため、対象物を押す作業 を迅速に開始することができない。また、ロボットの 1つの脚体だけを接地させている ような状況では、対象物を押す作業を開始することが困難である。
[0008] 本発明は力かる背景に鑑みてなされたものであり、対象物をロボットにより移動させ る場合にその移動の開始前と開始後とで ZMPが大きく変化するのを防止しつつ、口 ボットの運動を滑らかに変化させることができる制御方法を提供することを目的とする 発明の開示
[0009] 本発明の脚式移動ロボットの制御方法の第 1発明は、かかる目的を達成するために 、上体から延設された複数の脚体を備える脚式移動ロボットにより対象物を移動させ るための動作を該ロボットに行わせる制御方法であって、前記ロボットを前記対象物 に対向させた状態で、該対象物にロボットから力が作用しないようにしつつ、ロボット の重心が該対象物の移動させるべき向きに運動量を持つように該ロボットの上体を 運動させる第 1ステップと、該重心に運動量を持たせた状態で、ロボットの上体に設 けた所定の部位から、前記対象物に力を作用させ、該対象物の移動を開始する第 2 ステップとを備えたことを特徴とする。
[0010] 力かる第 1発明によれば、前記第 1ステップでは、ロボットの重心に運動量 (並進運 動量)を持たせるために、ロボットの上体の加速度運動を行なうこととなる。この場合、 重心の運動による慣性力が発生するものの、ロボットから対象物に力を作用させな!/ヽ ようにする(ロボットから対象物に作用する力が 0もしくはほぼ 0になるようにする)ので 、対象物力もロボットが受ける反力もほぼ 0になる。また、第 1ステップでは、ロボットが 対象物から反力をほとんど受けない状態でロボットの重心に運動量を持たせればよ いので、上体の運動加速度、ひいては重心の運動加速度の大きさをさほど大きくす る必要はない。従って、第 1ステップでは、 ZMPがロボットの接地面 (脚体の接地面) を含む最小の凸多角形である支持多角形内に余裕をもって収めることが可能である 。なお、本明細書では、 ZMPは、ロボットの運動(重心の運動)によって発生する慣 性力とロボットに作用する重力とロボットが対象物から受ける反力との合力が、その点 まわりに発生するモーメントの水平成分が 0となるような床面上の点を意味する。
[0011] この第 1ステップに続く前記第 2ステップでは、ロボットの重心が運動量を持った状 態で、ロボットの所定の部位力も対象物に力を作用させるので、対象物からロボットが 受ける反力と逆向きの慣性力をロボットの重心に発生させながら (換言すれば反力に よってロボットの重心の運動量を減少させながら)、対象物の移動を開始することが可 能となる。このため、ロボットから対象物に力を作用させて該対象物を移動させること を開始したときに、対象物からロボットが受ける反力と、これと逆向きの重心の慣性力 との和(ベクトル和)を小さくすることができる。そのため、 ZMPが前記支持多角形か ら逸脱したり、該支持多角形の端に偏ったりするのを回避して、該 ZMPを第 1ステツ プの場合と同様に支持多角形内に余裕をもって収めるようにすることができる。
[0012] 従って、本発明によれば、対象物を移動させるときに、その移動方向で ZMPの存 在可能範囲である支持多角形が広がるような特別な姿勢にロボットを制御したりする ことなぐ ZMPが対象物の移動開始前 (第 1ステップ)と、移動開始後 (第 2ステップ) との間で、 ZMPが急激に変化するのを抑制しつつ、ロボットの運動を滑らかに変化さ せることが可能となる。
[0013] 前記第 1発明は、ロボットの重心の並進運動の運動量を利用するものであるが、角 運動量を利用するようにしてもよい。すなわち、本発明の脚式移動ロボットの制御方 法の第 2発明は、上体から延設された複数の脚体を備える脚式移動ロボットにより対 象物を移動させるための動作を該ロボットに行わせる制御方法であって、前記ロボッ トを前記対象物に対向させた状態で、該対象物にロボットから力が作用しないように しつつ、ロボットの上体が該対象物の移動させるべき向きに該ロボットの重心まわりの 角運動量を持つように該ロボットの上体を運動させる第 1ステップと、該上体に角運動 量を持たせた状態で、ロボットの上体に設けた所定の部位から、前記対象物に力を 作用させ、該対象物の移動を開始する第 2ステップとを備えたことを特徴とする。
[0014] 力かる第 2発明によれば、前記第 1ステップでは、ロボットの重心まわりの角運動量 を前記上体に持たせるために、ロボットの上体の姿勢変化運動 (角加速度を伴う上体 の傾斜運動)を行なうこととなる。この場合、ロボットの上体の姿勢変化運動による慣 性力が発生するものの、前記第 1発明と同様に、ロボットから対象物に力を作用させ ないようにするので、対象物からロボットが受ける反力も 0またはほぼ 0になる。また、 第 1ステップでは、ロボットが対象物から反力をほとんど受けない状態でロボットの上 体に角運動量を持たせればよいので、上体の角加速度をさほど大きくする必要はな い。従って、第 1ステップでは、第 1発明と同様に、 ZMPを前記支持多角形内に余裕 をもって収めることが可能である。
[0015] そして、この第 1ステップに続く前記第 2ステップでは、ロボットの上体が角運動量を 持った状態で、ロボットの所定の部位力 対象物に力を作用させるので、対象物から ロボットが受ける反力によってロボットの上体の重心まわりの角運動量を減少させなが ら、対象物の移動を開始することが可能となる。このため、ロボットから対象物に力を 作用させて該対象物を移動させることを開始したときに、対象物力もロボットが受ける 反力によってロボットの重心まわりに発生するモーメントと、これと逆向きの上体の角 加速度 (角速度の減速)に伴う慣性力(モーメント)との和(ベクトル和)を小さくするこ とができる。そのため、 ZMPが前記支持多角形から逸脱したり、該支持多角形の端 に偏ったりするのを回避して、該 ZMPを第 1ステップの場合と同様に支持多角形内 に余裕をもって収めるようにすることができる。
[0016] 従って、第 2発明によれば、第 1実施形態と同様に、対象物を移動させるときに、そ の移動方向で ZMPの存在可能範囲である支持多角形が広がるような特別な姿勢に ロボットを制御したりすることなぐ ZMPが対象物の移動開始前 (第 1ステップ)と、移 動開始後(第 2ステップ)との間で、 ZMPが急激に変化するのを抑制しつつ、ロボット の運動を滑らかに変化させることが可能となる。
[0017] また、第 1発明と第 2発明とを複合し、ロボットの重心の並進運動の運動量と上体の 角運動量との両者を併用してもよい。すなわち、本発明の脚式移動ロボットの制御方 法の第 3発明は、上体から延設された複数の脚体を備える脚式移動ロボットにより対 象物を移動させるための動作を該ロボットに行わせる制御方法であって、前記ロボッ トを前記対象物に対向させた状態で、該対象物にロボットから力が作用しないように しつつ、ロボットの重心が該対象物の移動させるべき向きに運動量を持つと共に該ロ ボットの上体が該対象物の移動させるべき向きに角運動量を持つように該ロボットの 上体を運動させる第 1ステップと、該ロボットの重心および上体にそれぞれ前記運動 量および角運動量を持たせた状態で、ロボットの上体に設けた所定の部位から、前 記対象物に力を作用させ、該対象物の移動を開始する第 2ステップとを備えたことを 特徴とする。
[0018] 力かる第 3発明によれば、前記第 1ステップでは、ロボットの重心の加速度運動(並 進加速度運動)と上体の角加速度運動を行なうこととなるものの、これらの運動は、口 ボットが対象物力も反力をほとんど受けない状態で行なわれる。このため、第 1発明 および第 2発明と同様に、第 1ステップでは、 ZMPがロボットの接地面 (脚体の接地 面)を含む最小の凸多角形である支持多角形内に余裕をもって収めることが可能で ある。
[0019] また、この第 1ステップに続く第 2ステップでは、ロボットの重心が並進運動量を持ち 、且つ上体が角運動量を持った状態で、ロボットの所定の部位力 対象物に力を作 用させるので、前記第 1発明および第 2発明と同様に、ロボットから対象物に力を作 用させて該対象物を移動させることを開始したときに、 ZMPが前記支持多角形から 逸脱したり、該支持多角形の端に偏ったりするのを回避して、該 ZMPを第 1ステップ の場合と同様に支持多角形内に余裕をもって収めるようにすることができる。
[0020] 従って、前記第 1発明および第 2発明と同様に、対象物を移動させるときに、その移 動方向で ZMPの存在可能範囲である支持多角形が広がるような特別な姿勢にロボ ットを制御したりすることなぐ ZMPが対象物の移動開始前 (第 1ステップ)と、移動開 始後(第 2ステップ)との間で、 ZMPが急激に変化するのを抑制しつつ、ロボットの運 動を滑らかに変化させることが可能となる。
[0021] 前記第 1〜第 3発明では、前記所定の部位が、前記上体から延設された腕体であ ると共に、該腕体には、その先端部と上体との距離を変更可能とする少なくとも一つ 以上の関節が設けられているときには、前記第 1ステップの前に、前記腕体の少なく とも先端部を前記対象物に接触させるステップを備え、前記第 1ステップにおける前 記上体の運動を、該腕体の少なくとも先端部を前記対象物に接触させた状態で前記 関節を動作させつつ実行することが好まし 、 (第 4発明)。
[0022] この第 4発明によれば、前記第 1ステップでは、ロボットの腕体の先端部を対象物に 接触させた状態で該腕体の関節を動作させることで、ロボットから対象物に力が作用 しないように、ロボットの上体の運動を行なって、ロボットの重心に並進運動量を持た せたり、上体に角運動量を持たせることができる。具体的には、対象物を移動させる ためにロボットの上体を対象物に近づけるべきとき(例えば対象物を押して移動させ ようとするとき)には、該上体と腕体の先端部との距離が短くなつていくように該腕体の 関節を動作させればよい。また、対象物を移動させるためにロボットの上体を対象物 力も遠ざけるべきとき (例えば対象物を引いて移動させようとするとき、あるいは、対象 物を持ち上げようとするとき)には、、該上体と腕体の先端部との距離が長くなつてい くように該腕体の関節を動作させればよい。そして、腕体の先端部を対象物に接触さ せたまま、前記第 2ステップに移行して、該腕体力ゝら対象物に力を作用させるので、 第 1ステップ力も第 2ステップへの移行を円滑に行なうことができる。
[0023] 力かる第 4発明では、前記腕体の少なくとも先端部を前記対象物に接触させるステ ップは、前記ロボットの移動停止状態で実行されることが好ましい (第 5発明)。これに よれば、対象物に腕体を対象物の接触させる動作と、これに続ぐ第 1ステップ、第 2 ステップとからなる一連の動作を円滑に行なうことができる。
[0024] なお、前記第 1〜第 5発明は、前記脚体が 2本である場合、すなわち脚式移動ロボ ットが 2足移動ロボットである場合に好適である(第 6発明)。
[0025] 補足すると、本発明において、対象物の移動は、対象物を床面上で移動させる場 合に限らず、該対象物を床面から持ち上げるような移動も含まれる。
発明を実施するための最良の形態
[0026] 本発明の第 1実施形態を以下図 1〜図 3を参照して説明する。
[0027] 図 1は本実施形態の脚式移動ロボットの概略構成を側面視で示す図である。この口 ボット 1は、 2足移動ロボットであり、上体 (基体) 2にから下方に延設された 2つの脚体 3, 3と、上体 2の左右 (紙面に垂直な方向)の両側部力 延設された 2つの腕体 4, 4 と、上体 2の上端部に支持された頭部 5とを備えている。なお、図 1は側面図であるた め、脚体 3と腕体 4とは、ロボット 1の前方に向かって右側のもののみが図示されてい る (左側の脚体および腕体はそれぞれ図面上、右側の脚体 3および腕体 4と重なって いる)。
[0028] 各脚体 3は、上体 2に股関節 3aを介して連結され、該脚体 3の先端部の足平 6と股 関節 3aとの間に膝関節 3bおよび足首関節 3cを備えている。これらの股関節 3a、膝 関節 3bおよび足首関節 3cは、 1軸または複数軸回りの回転動作が可能となっている 。例えば股関節 3aは 3軸回りの回転動作、膝関節 3bは 1軸回りの回転動作、足首関 節 3cは 2軸回りの回転動作が可能となっている。この場合、各脚体 3の足平 6は上体 2に対して 6自由度の運動が可能となる。
[0029] 各腕体 4は、上体 2に肩関節 4aを介して連結され、該腕体 4の先端部の手先 7と肩 関節 4aとの間に肘関節 4bおよび手首関節 4cを備えている。これらの肩関節 4a、肘 関節 4bおよび手首関節 4cは、 1軸または複数軸回りの回転動作が可能となっている 。例えば肩関節 4aは 3軸回りの回転動作、肘関節 4bは 1軸回りの回転動作、手首関 節 4cは 3軸回りの回転動作が可能となっている。この場合、各腕体 4の手先 7は上体 2に対して 7自由度の運動が可能となる。そして、各腕体 4は、その関節 4a, 4b, 4c の動作によって、該腕体 4の先端部である手先 7と上体 2との距離が変更可能とされ ている。なお、腕体 4, 4は、本発明における所定の部位に相当するものである。
[0030] 補足すると、脚体 3および腕体 4の自由度、あるいは関節の個数もしくは各関節の 回転軸数は、必ずしも上記通りにする必要はなぐロボット 1に行わせたい運動形態 などに応じて適宜設定されていればよい。例えば、腕体 4は、その手先 7 (先端部)と 上体 2との距離を変更可能とする一つの関節だけを備えるものであってもよい。
[0031] 各脚体 3および各腕体 4の各関節には、電動モータなどの関節ァクチユエータ(図 示省略)が備えられており、その関節ァクチユエータを駆動することで、各脚体 3およ び各腕体 4の所望の運動が行なわれるようになつている。そして、上体 2には、マイク 口コンピュータなどを含む制御ユニット 10が搭載されており、この制御ユニット 10によ り各関節ァクチユエータの動作、ひいては、各脚体 3および各腕体 4の運動が制御さ れる。
[0032] 次に、本実施形態のロボット 1によって、ある対象物を移動する作業、例えば対象物 を押して移動させる作業を行う場合における該ロボット 1の動作制御について図 2お よび図 3を参照して説明する。図 2 (a)〜(e)は対象物 A (図示の例では台車)とロボッ ト 1との位置関係を側面視で時系列的に示す図であり、図 3 (a)〜(e)は、ロボット 1の 重心および ZMPの水平面位置を図 2 (a)〜(e)にそれぞれ対応させて時系列的に 示す図である。なお、図 3 (a)〜(e)では、 ZMPを X印で示している。
[0033] まず、図 2 (a)に示すように、ロボット 1を対象物 Aに対向させ(ロボット 1の前方正面 に対象物 Aが存するようにする)、両腕体 4, 4の手先 7, 7を対象物 Aに当接させる。 この場合、両腕体 4, 4の手先 7, 7は、対象物 Aに押す力が作用しないように (対象物 Aにロボット 1から作用する力がほぼ 0になるように)対象物 Aに当接 (接触)させる。な お、この例では、ロボットの 1の両脚体 2, 2は左右に並列した状態で継続的に接地さ れ、ロボット 1は移動を停止している。また、本実施形態で説明する例では、ロボットの 1の両脚体 2, 2は左右に並列させている力 両足平 6, 6の接地位置が前後にずれ ていてもよい。
[0034] この図 2 (a)の状態では、ロボット 1の重心 Gはほぼ静止しており、側面視で見て、足 平 6の上方に位置している。この状態では、ロボット 1の ZMPは、図 3 (a)に示す如ぐ ロボット 1の接地面(両足平 6, 6の接地面)を含む最小の凸多角形である支持多角形 Sのほぼ中央部で、重心 Gの鉛直下方に位置している。換言すれば、図 2 (a)の状態 では、 ZMPが図3 (a)に示した位置になり、且つ、腕体 4, 4の手先 7, 7が上記のよう に対象物 Aに接触するようにロボット 1の姿勢制御が行なわれている。ここで、ロボット 1の ZMPは、前記したようにロボット 1の運動(重心 Gの運動)によって発生する慣性 力とロボット 1に作用する重力とロボット 1が対象物 Aから受ける反力(以下、対象物反 力ということがある)との合力力 その点まわりに発生するモーメントの水平成分が 0と なるような床面上の点である。図 2 (a)の状態では、慣性力と対象物反力とがほぼ 0で あるため、重心 Gの鉛直下方の床面上の点が ZMPとなる。
[0035] 次いで、図 2 (b)に示すように、両足平 6, 6を接地させたまま、上体 2を前方に向か つて加速する(上体 2を加速しつつ対象物 Aに近づける)ように、両脚体 3, 3を動作さ せる(各関節 3a〜3cのァクチユエータの動作制御を行なう)。但し、このとき、両腕体 4, 4は、対象物 Aに押す力が作用しないように(対象物 Aにロボット 1から作用する力 がほぼ 0になるように)、両腕体 4, 4を動作させる(各関節 4a〜4cのァクチユエータの 動作制御を行なう)。つまり、上体 2の前方への加速によって、該上体 2が対象物 Aに 近づいた分だけ、両腕体 4, 4の手先 7, 7を上体 2に近づけるように両腕体 4, 4を動 作させる。力かる図 2 (b)のロボット 1の動作は、第 1発明における第 1ステップの動作 に相当するものである。
[0036] この図 2 (b)の動作状態では、上体 2の前方への加速によってロボット 1の重心 Gが 前方に加速するので、該重心 Gの慣性力(重心 Gの並進運動の慣性力)は、図 3 (b) の矢印 Y1で示すようにロボット 1の後方に向かって発生する。また、ロボット 1が受ける 対象物反力はほぼ 0である。このため、 ZMPは、図 3 (b)で示すように、ロボット 1の接 地面(両足平 6, 6の接地面)を含む支持多角形 Sの後方側に移動する。なお、ロボッ ト 1の上体 2の前方への加速(ひいては重心 Gの前方への加速)は、 ZMPが支持多 角形 S内に収まり、また、急激な変化をしないように行なわれる。
[0037] 次いで、図 2 (c)に示すように、両腕体 4, 4の手先 7, 7を突き出す動作 (手先 7, 7 を上体 2から遠ざける動作)を開始して、ロボット 1から対象物 Aに前方に向力つて力 F を作用させつつ、ロボット 1の上体 2の前方への運動速度を減速する。これにより、対 象物 Aをロボット 1の前方に押す作業が開始される。力かる図 2 (c)の動作は本発明 における第 2ステップの動作に相当するものである。
[0038] この図 2 (c)の直前において、ロボット 1の重心 Gが前方に向かって運動(並進運動) しているので、図 2 (c)の状態では、ロボット 1の重心 Gの運動量が減少しつつ、対象 物 Aの運動量が増加して該対象物 Aがロボット 1の前方に向力つて移動し始める。つ まり、ロボット 1の重心 Gの運動量の一部もしくは全部が対象物 Aの運動量に変換され る。従って、図 2 (c)の状態では、ロボット 1の重心 Gの慣性力は、図 3 (c)に矢印 Y2で 示すようにロボット 1の前方に向力つて発生する。また、重心 Gには、ロボット 1から対 象物 Aに作用させる力 Fの反力、すなわち、対象物反力 F' (=— F)が対象物 Aから 作用する。このため、 ZMPは、ロボット 1の接地面(両足平 6, 6の接地面)を含む支持 多角形 sの端に偏りすぎることなぐ支持多角形 sの中央付近に位置する。
[0039] 次いで、図 2 (d)に示す如ぐ対象物 Aが自走してロボット 1から離れる。本実施形態 で説明する例では、この図 2 (d)の状態以降、ロボット 1は、その重心 G力 平面視で 見て支持多角形 Sのほぼ中央部に移動し、最終的に図 2 (e)示すロボット 1の姿勢状 態になるように制御される。この場合、 ZMPが、例えば図 3 (d) , (e)に示すように支 持多角形 Sのほぼ中央部に位置するようにロボット 1の脚体 3および腕体 4の動作制 御が行なわれる。なお、図 3 (d) , (e)に示す例では、それぞれ図 2 (d) , (e)の動作状 、て重心 Gの加速度運動(上体 2の加速度運動)は行なわれて 、な 、(重心 G の慣性力が発生していない)としており、このため、 ZMPは重心 Gの鉛直直下に位置 している。図 2 (d)の状態以降は、ロボット 1に対象物反力を含む外力(床反力を除く) が作用しないので、支障なぐ上記のように ZMPを支持多角形 Sのほぼ中央部にほ ぼ維持することができる。
[0040] 以上説明したロボット 1の動作 (対象物 Aを押して移動させる動作)によって、 ZMP の変化を比較的小さなものに抑制して、該 ZMPを支持多角形内に余裕をもって収め ることができる。従って、対象物 Aを押し始める前に両脚体 2, 2の足平 6, 6を意図的 に前後に開いて着地させたりする必要がなぐロボット 1による対象物 Aの移動作業を 迅速かつ円滑に開始することができる。
[0041] 次に、本発明の第 2実施形態を説明する。なお、本実施形態は、ロボットの構成は 、前記第 1実施形態のものと同一であるので、第 1実施形態と同一の参照符号を用い て説明を省略する。
[0042] 本実施形態は、ロボット 1によって、対象物 Aを押して移動させる作業を行う場合に おける該ロボット 1の動作制御のみが第 1実施形態と相違するものである。以下、その 動作制御について図 4および図 5を参照して説明する。図 4 (a)〜(f)は対象物 A (図 示の例では台車)とロボット 1との位置関係を側面視で時系列的に示す図であり、図 5 (a)〜(f)は、ロボット 1の重心および ZMPの水平面位置を図 4 (a)〜(f)にそれぞれ 対応させて時系列的に示す図である。なお、図 5 (a)〜(f)では、 ZMPを X印で示し ている。
[0043] まず、図 4 (a)に示すように、ロボット 1を対象物 Aに対向させ(ロボット 1の前方正面 に対象物 Aが存するようにする)、両腕体 4, 4の手先 7, 7を対象物 Aに当接させる。 この場合、両腕体 4, 4の手先 7, 7は、対象物 Aに押す力が作用しないように (対象物 Aにロボット 1から作用する力がほぼ 0になるように)対象物 Aに当接 (接触)させる。な お、この例では、ロボットの 1の両脚体 2, 2は左右に並列した状態で継続的に接地さ れ、ロボット 1は移動を停止している。また、本実施形態で説明する例では、ロボットの 1の両脚体 2, 2は左右に並列させている力 両足平 6, 6の接地位置が前後にずれ ていてもよい。
[0044] この図 4 (a)の状態は、前記第 1実施形態における図 2 (a)の状態と同じである。す なわち、ロボット 1の重心 Gはほぼ静止しており、側面視で見て、足平 6の上方に位置 している。そして、この状態では、第 1実施形態と同様に、ロボット 1の ZMPは、図 5 (a )に示す如ぐロボット 1の接地面(両足平 6, 6の接地面)を含む支持多角形 Sのほぼ 中央部で、重心 Gの鉛直下方に位置している。
[0045] 次いで、図 4 (b)に示すように、両足平 6, 6を接地させたまま、ロボット 1の腰部(股 関節 3aの付近の部位)を前方に若干突き出すと共に、上体 2の姿勢を後傾側に傾け るように両脚体 3, 3のそれぞれの各関節 3a〜3cのァクチユエータの動作制御を行な う。この場合、ロボット 1の腰部の突き出し動作と、上体 2の後傾動作とは、それらの動 作によって発生する慣性力が十分に小さなものとなるように比較的ゆっくり行なわれ ると共に、ロボット 1の重心 Gが図 4 (a)の状態力も前後方向に大きく動くことがないよう に行なわれる。また、このとき、両腕体 4, 4にあっては、各腕体 4の関節 4a〜4cのァ クチユエータの動作制御によって、ロボット 1の各腕体 4の手先 7と対象物 Aとの間の 作用力がほぼ 0となる状態で該手先 7が対象物 Aに接触した状態に維持される。
[0046] この図 4 (b)の動作は、上記の如く行なわれるので、この動作時の ZMPは、図 5 (b) に示す如ぐ支持多角形 Sのほぼ中央部でロボット 1の重心 Gのほぼ鉛直直下の位 置に維持される。なお、上記の例では、図 4 (b)の動作をゆっくり行なうようにしたが、 ZMPが支持多角形 S内の概ね中央付近に収まる範囲で、ロボット 1の上体 2に角加 速度を発生させたり、重心 Gに加速度(並進加速度)を発生させるようにしてもよい。
[0047] 次いで、図 4 (c)に示すように、両足平 6, 6を接地させたまま、ロボット 1の上体 2を 前傾側(上体 2が対象物 Aに近づく向きで図 4 (c)中の矢印 Y3の向き)に加速しつつ 傾けるように、両脚体 3, 3を動作させる(各関節 3a〜3cのァクチユエータの動作制御 を行なう)。これにより、上体 2にロボット 1の重心 Gまわりの角運動量を持たせる(角運 動量を増加させる)。但し、このとき、両腕体 4, 4は、対象物 Aに押す力が作用しない ように (対象物 Aにロボット 1から作用する力がほぼ 0になるように)、各関節 4a〜4cの ァクチユエータの動作制御が行なわれる。つまり、上体 2の前傾動作によって、該上 体 2が対象物 Aに近づいた分だけ、両腕体 4, 4の手先 7, 7を上体 2に近づけるように 両腕体 4, 4を動作させる。なお、このとき、ロボット 1の重心 Gは、動かないようにして もよいが、図示の例では、前方に向力つて(対象物 Aに向かって)多少加速している。
[0048] この図 4 (c)の動作状態では、上体 2の前傾 (前傾方向への角運動量の増加)によ つて、それと逆向きの慣性力(モーメント。図 5 (c)の破線矢印 Y4を参照)が重心 Gの まわりに発生する。なお、図 5では破線矢印は、上体 2の姿勢傾斜運動に伴う慣性力 (モーメント)を示している。この場合、該慣性力の向きは、破線矢印の向きが前向き であるとき、上体 2の前傾方向の向きであるとし、破線矢印の向きが後向きであるとき 、上体 2の後傾方向の向きであるとする。
[0049] また、本実施形態の例では、上記の如くロボット 1の重心 Gも多少、前方に加速する ので、該重心 Gの慣性力が図 5 (c)に矢印 Y5で示す如ぐロボット 1の後方に向かつ て発生する。また、ロボット 1が受ける対象物反力はほぼ 0である。このため、 ZMPは 、図 5 (c)で示すように、支持多角形 Sの後方側に移動する。なお、ロボット 1の上体 2 の前傾動作は、 ZMPが支持多角形 S内に収まり、また、急激な変化をしないように行 なわれる。
[0050] 以上のようにして、図 4 (c)の動作によって、ロボット 1は、その上体 2が重心 Gのまわ りに角運動量 (前傾方向の角運動量)を持つと共に、重心 Gが前方への運動量 (並進 運動量)を持つこととなる。なお、この図 4 (c)の動作は、前記第 2発明、あるいは第 3 発明における第 1ステップの動作に相当するものである。
[0051] 次いで、図 4 (d)に示すように、両腕体 4, 4の手先 7, 7を突き出す動作 (手先 7, 7 を上体 2から遠ざける動作)を開始して、ロボット 1から対象物 Aに前方に向力つて力 F を作用させつつ、ロボット 1の上体 2の前傾側への角運動量を減少させる(上体 2の傾 き速度を減速する)。このとき、ロボット 1の重心 Gの前方への運動速度も減速される。 これにより、対象物 Aをロボット 1の前方に押す作業が開始される。かかる図 4 (d)の動 作は前記第 2発明あるいは第 3発明における第 2ステップの動作に相当するものであ る。
[0052] この図 4 (d)の直前において、ロボット 1の上体 2が対象物 Aに近づくように前傾運動 をしている(重心 Gのまわりの角運動量をもっている)。また、ここでの例では、ロボット 1の重心 Gも前方に向かって並進運動をしている。このため、図 4 (d)の状態では、口 ボット 1の上体 2の角運動量が減少すると共に、ロボット 1の重心 Gの運動量が減少し つつ、対象物 Aの運動量が増加して該対象物 Aがロボット 1の前方に向かって移動し 始める。つまり、ロボット 1の上体 2の角運動量と重心 Gの運動量との一部が対象物 A の運動量に変換される。従って、図 4 (d)の状態では、ロボット 1の上体 2には、図 5 (d )に破線矢印 Y6で示す如ぐ前傾方向に慣性力(モーメント)が発生し、また、ロボット 1の重心 Gには、図 5 (d)に矢印 Y7で示す如くロボット 1の前方に慣性力(並進慣性 力)が発生する。そして、重心 Gには、ロボット 1から対象物 Aに作用させる力 Fの反力 、すなわち、対象物反力 F' (=— F)が対象物 Aから作用する。このため、 ZMPは、 図 5 (d)に示す如ぐロボット 1の接地面(両足平 6, 6の接地面)を含む支持多角形 S の端に偏りすぎることなぐ支持多角形 Sの中央付近に位置する。
[0053] 次いで、図 4 (e)に示す如ぐ対象物 Aが自走してロボット 1から離れる。本実施形態 で説明する例では、この図 4 (e)の状態以降、ロボット 1は、その上体 2の姿勢が図 4 ( e) , (f)に示す如ぐ鉛直姿勢に戻されると共に、重心 Gが、平面視で見て支持多角 形 Sのほぼ中央部に移動し、最終的に図 4 (f)示すロボット 1の姿勢状態になるように 制御される。この場合、 ZMPが、例えば図 5 (e) , (f)に示すように支持多角形 Sのほ ぼ中央部に位置するようにロボット 1の脚体 3および腕体 4の動作制御が行なわれる。 なお、図 5 (e) , (f)に示す例では、上体 2の姿勢の鉛直姿勢への復元と重心 Gの移 動がゆっくり行われ (このため慣性力がほとんど発生しない)、 ZMPは重心 Gの鉛直 直下に位置している。図 4 (e)の状態以降は、ロボット 1に対象物反力を含む外力(床 反力を除く)が作用しないので、支障なぐ上記のように ZMPを支持多角形 Sのほぼ 中央部にほぼ維持することができる。
[0054] 第 2実施形態では、以上説明したロボット 1の動作 (対象物 Aを押して移動させる動 作)によって、対象物 Aを押し始める直前の上体 2の角運動量と、重心 Gの運動量( 並進運動量)とを利用して、 ZMPの変化を比較的小さなものに抑制しつつ、該 ZMP を支持多角形内に余裕をもって収めることができる。従って、第 1実施形態と同様に、 対象物 Aを押し始める前に両脚体 2, 2の足平 6, 6を意図的に前後に開いて着地さ せたりする必要がなぐロボット 1による対象物 Aの移動作業を迅速かつ円滑に開始 することができる。
[0055] なお、前記第 2実施形態では、対象物 Aの移動を開始する直前に上体 2に角運動 量を発生させるときに、ロボット 1の重心 Gにも運動量 (並進運動量)を発生さえるよう にしたが、重心 Gが動かないようにしつつ、上体 2に角運動量を発生させるようにして ちょい。
[0056] また、以上説明した各実施形態では、両脚体 2, 2の足平 6, 6を左右方向に並列さ せて着地したまま、対象物 Aを移動させる場合を例に採って説明したが、一方の脚体 2の足平 6のみを接地させた状態で、対象物 Aの移動を行なうようにすることも可能で ある。
[0057] また、前記各実施形態では、対象物 Aを押して移動させる前に、腕体 4, 4の手先 7 , 7を対象物 Aに当接させるようにした力 ロボット 1の重心 Gに運動量を持たせたり、 あるいは、上体 2に角運動量をもたせるように上体 3を運動させながら、腕体 4, 4の手 先 7, 7を対象物 Aに当接させるようにしてもよい。
[0058] また、前記実施形態では、対象物 Aを押して移動させる場合を例に採って説明した 力 対象物 Aを引いて移動させる場合についても本発明を適用できる。この場合には 、対象物 Aに引く力を作用させる前に、ロボット 1の重心 Gが後方側に運動量を持ち、 あるいは、ロボット 1の上体 2が後傾側に角運動量を持つように上体 2を後方側もしく は後傾側に加速し、その後、ロボット 1から対象物 Aに引く力を作用させるようにすれ ばよい。
[0059] さらに、対象物をロボット 1により持ち上げるような場合にも、本発明を適用できる。こ の場合には、例えばロボット 1の上体 2を前傾させ、腕体 4, 4の手先 7, 7で対象物を 把持した状態で、対象物にその持ち上げ方向の力が作用しないようにしつつ、ロボッ ト 1の上体 2の姿勢を鉛直姿勢に向けて加速しつつ引き起こす。これにより、ロボット 1 の上体 2に後傾方向の角運動量を発生させる。そして、このようにロボット 1の上体 2 に角運動量を発生させた状態で、腕体 4, 4から対象物に持ち上げ方向の力を作用 させ、該角運動量を利用して、該対象物を持ち上げるようにすればよい。
産業上の利用可能性
[0060] 以上のように、本発明は、 2足移動ロボットなどの脚式移動ロボットにより、種々様々 の対象物を押して移動させる、あるいは、引いて移動させる、あるいは持ち上げるな どの作業を行う場合に、対象物の移動の開始前と開始後とでロボットの姿勢の安定 性を容易に確保できるものとして有用である。
図面の簡単な説明
[0061] [図 1]本発明の第 1実施形態における脚式移動ロボットとしての 2足移動ロボットを側 面視で示す図。
[図 2]図 2 (a)〜 (e)は第 1実施形態における対象物とロボットとの位置関係を側面視 で時系列的に示す図。
[図 3]図 3 (a)〜(e)は第 1実施形態におけるロボット 1の重心および ZMPの水平面位 置を図 2 (a)〜 (e)にそれぞれ対応させて時系列的に示す図。
[図 4]図 4 (a)〜 (f)は第 2実施形態における対象物とロボットとの位置関係を側面視 で時系列的に示す図。
[図 5]図 3 (a)〜(f)は第 2実施形態におけるロボット 1の重心および ZMPの水平面位 置を図 2 (a)〜 (f)にそれぞれ対応させて時系列的に示す図。

Claims

請求の範囲
[1] 上体から延設された複数の脚体を備える脚式移動ロボットにより対象物を移動させ るための動作を該ロボットに行わせる制御方法であって、
前記ロボットを前記対象物に対向させた状態で、該対象物にロボットから力が作用 しないようにしつつ、ロボットの重心が該対象物の移動させるべき向きに運動量を持 つように該ロボットの上体を運動させる第 1ステップと、
該重心に運動量を持たせた状態で、ロボットの上体に設けた所定の部位から、前記 対象物に力を作用させ、該対象物の移動を開始する第 2ステップとを備えたことを特 徴とする脚式移動ロボットの制御方法。
[2] 上体から延設された複数の脚体を備える脚式移動ロボットにより対象物を移動させ るための動作を該ロボットに行わせる制御方法であって、
前記ロボットを前記対象物に対向させた状態で、該対象物にロボットから力が作用 しないようにしつつ、ロボットの上体が該対象物の移動させるべき向きに該ロボットの 重心まわりの角運動量を持つように該ロボットの上体を運動させる第 1ステップと、 該上体に角運動量を持たせた状態で、ロボットの上体に設けた所定の部位から、前 記対象物に力を作用させ、該対象物の移動を開始する第 2ステップとを備えたことを 特徴とする脚式移動ロボットの制御方法。
[3] 上体から延設された複数の脚体を備える脚式移動ロボットにより対象物を移動させ るための動作を該ロボットに行わせる制御方法であって、
前記ロボットを前記対象物に対向させた状態で、該対象物にロボットから力が作用 しないようにしつつ、ロボットの重心が該対象物の移動させるべき向きに運動量を持 つと共に該ロボットの上体が該対象物の移動させるべき向きに角運動量を持つように 該ロボットの上体を運動させる第 1ステップと、
該ロボットの重心および上体にそれぞれ前記運動量および角運動量を持たせた状 態で、ロボットの上体に設けた所定の部位から、前記対象物に力を作用させ、該対象 物の移動を開始する第 2ステップとを備えたことを特徴とする脚式移動ロボットの制御 方法。
[4] 前記所定の部位は、前記上体力 延設された腕体であると共に、該腕体には、そ の先端部と上体との距離を変更可能とする少なくとも一つ以上の関節が設けられて おり、前記第 1ステップの前に、前記腕体の少なくとも先端部を前記対象物に接触さ せるステップを備え、前記第 1ステップにおける前記上体の運動を、該腕体の少なくと も先端部を前記対象物に接触させた状態で前記関節を動作させつつ実行することを 特徴とする請求項 1〜3のいずれ力 1項に記載の脚式移動ロボットの制御方法。
[5] 前記腕体の少なくとも先端部を前記対象物に接触させるステップは、前記ロボット の移動停止状態で実行されることを特徴とする請求項 4記載の脚式移動ロボットの制 御方法。
[6] 前記脚体は、 2本であることを特徴とする請求項 1〜3のいずれか 1項に記載の脚式 移動ロボットの制御方法。
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